JP2007294251A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁アクチュエータで開閉器を閉路保持したときの効率を向上させる。
【解決手段】 磁路を形成するためのヨーク１と、ヨーク１内を移動自在に移動するアーマチュア２と、アーマチュア２を移動もしくは閉路保持させる永久磁石３と、アーマチュア２に固定されるとともにヨーク１の一側面を移動自在に貫通し且つ開閉器９に連結される操作ロッド６とを具備し、ヨーク１およびアーマチュア２は、永久磁石３の磁力により吸引する吸着面を形成し、この吸着面の断面積は、永久磁石３の断面積より小さいとともに、残留磁束密度に対して磁気飽和を起こさない断面積にあることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、開閉器を開閉操作する電磁アクチュエータに係り、特に開閉器の閉路保持時の効率を向上し得る電磁アクチュエータに関する。

従来のこの種の開閉器の操作機構に用いられる電磁アクチュエータは、磁路を形成するためのヨーク、ヨーク内を移動自在に移動するアーマチュア、アーマチュアを移動もしくは閉路保持する永久磁石、ヨーク内の磁束を増減させる開路、閉路コイル、およびアーマチュアに固定されるとともに、開閉器の接点に連結された非磁性体の操作ロッドから構成されているものが知られている。

そして、開閉器を閉路させる場合には、閉路コイルを励磁し、アーマチュアを閉路方向に移動させている。閉路状態では、閉路コイルを無励磁とし、永久磁石の磁力で閉路状態を保持している。開路させる場合には、開路コイルを励磁し、アーマチュアを開路方向に移動させている。開路状態では、開路コイルを無励磁とし、開路バネのバネ力で開路状態を保持している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２７０４２３号公報 （第４ページ、図１）

上記の従来の電磁アクチュエータにおいては、次のような問題がある。
アーマチュアを永久磁石の磁力で保持（閉路保持）する場合、永久磁石の残留磁束密度に対してアーマチュアやヨークの断面積が大きく、磁束密度が充分に高まらないことがある。また、アーマチュアが角形であったり、磁気回路に開放部があったりして、漏れ磁束が多くなることがあった。このため、アーマチュアやヨークの断面積を所定の大きさとし、磁束密度を高め、永久磁石の磁力を充分に引き出し、閉路保持時の効率を向上させることが望まれていた。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、アーマチュアやヨークの磁束密度を高め、閉路保持時の効率を向上させることのできる電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電磁アクチュエータは、磁路を形成するためのヨークと、前記ヨーク内を移動自在に移動するアーマチュアと、前記アーマチュアを移動もしくは閉路保持させる永久磁石と、前記アーマチュアに固定されるとともに前記ヨークの一側面を移動自在に貫通し且つ開閉器に連結される操作ロッドとを具備し、前記ヨークおよび前記アーマチュアは、前記永久磁石の磁力により吸引する吸着面を形成し、この吸着面は、前記永久磁石の残留磁束密度に対して、磁気飽和を起こさない有効断面積にあることを特徴とする。

本発明によれば、ヨークとアーマチュアとの吸着面の断面積を、永久磁石の残留磁束密度に対して磁気飽和を起こさない断面積とし、互いの吸着面での磁束密度を高めているので、ヨークとアーマチュアとの吸引力を大きくすることができ、開閉器を閉路させたときの閉路保持時の効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータを図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、図１は、閉路状態を示している。

図１に示すように、電磁アクチュエータは、磁路を形成するための筒状のヨーク１、ヨーク１内を移動自在に移動する円柱状の磁性体のアーマチュア２、アーマチュア２を移動もしくは閉路保持する環状の永久磁石３、ヨーク１内の磁束を増減させる環状の閉路コイル４と開路コイル５、アーマチュア２の中心軸に固定されるとともにヨーク１の一側面を移動自在に貫通する非磁性体の操作ロッド６、およびアーマチュア２がヨーク１内から外れないようにするためのストッパー７から構成されている。なお、操作ロッド６には、接離自在の一対の接点８を有する開閉器９が連結されている。

ここで、ヨーク１は、操作ロッド６の外周で開閉器９側に設けられた円柱状の第１のヨーク１ａ、第１のヨーク１ａに連接されるとともに操作ロッド６が挿通する円板状の第２のヨーク１ｂ、第２のヨーク１ｂに連接されるとともに閉路コイル４などの外周側に設けられた筒状の第３のヨーク１ｃ、第３のヨーク１ｃの中間部に連接されるとともにアーマチュア２側の内径方向に突出し且つ永久磁石３が固定される環状の第４のヨーク１ｄ、永久磁石３を挟持するように第４のヨーク１ｄと対向して反開閉器９側に設けられた環状の第５のヨーク１ｅから構成されている。

アーマチュア２は、操作ロッド６の外周であって第１のヨーク１ａの軸方向に設けられた円柱状の第１のアーマチュア２ａ、第１のアーマチュア２ａの反開閉器９側に連接されるとともに半径方向に広がる環状の第２のアーマチュア２ｂから構成されている。即ち、アーマチュア２は、凸形状となっている。

これにより、開閉器９の閉路時には、第１のヨーク１ａの端面部と第１のアーマチュア２ａの端面部とが当接する。また、第５のヨーク１ｅと第２のアーマチュア２ｂとが当接する。即ち、これら端面部は、吸着面となる。そして、永久磁石３による磁束φは、図示二点鎖線で示すように、永久磁石３→第５のヨーク１ｅ→第２のアーマチュア２ｂ→第１のアーマチュア２ａ→第１のヨーク１ａ→第２のヨーク１ｂ→第３のヨーク１ｃ→第４のヨーク１ｄ→永久磁石３を通るように形成される。この磁気回路により、開閉器９の閉路保持がされる。

ここで、永久磁石３が磁束φと直交する断面積をＳｍｇ、第１のヨーク１ａが磁束φと直交する断面積をＳｙ１、第１のアーマチュア２ａが磁束φと直交する断面積をＳａ１、第２のアーマチュア２ｂが磁束φと直交する断面積をＳｙ２とする。これらの断面積Ｓｍｇ、Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２は、いずれも操作ロッド６を取り囲むように環状に形成される。

そして、断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２は、断面積Ｓｍｇよりも小さくしている。即ち、Ｓｙ１／Ｓｍｇ＝０．６〜１、Ｓａ１／Ｓｍｇ＝０．６〜１、Ｓａ２／Ｓｍｇ＝０．６〜１としている。

例えば、永久磁石３にネオジウム磁石を使用すると残留磁束密度が約１．３テラスとなり、ヨーク１、アーマチュア２に一般構造用圧延鋼（ＳＳ４００）を使用すると磁気飽和が約２．２テラスで起きる。このため、断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２を断面積Ｓｍｇと同様にすると、ヨーク１、アーマチュア２内には、磁束φが１．３／２．２≒０．６倍で形成される。この磁束φの大きさに対して、ヨーク１、アーマチュア２内の磁束密度を高めるためには、断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２を小さくすればよい。断面積Ｓｍｇに対して、断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２を０．６倍にすると、磁気飽和を起こすことがなく、磁束密度を最大に高めることができる。

ヨーク１とアーマチュア２間の吸引力は、磁束密度の２乗と断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２との積に比例するので、断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２が小さくなっても磁束密度を高めると、結果的に第１のヨーク１ａと第１のアーマチュア２ａ間の吸着面の吸引力を大きくすることができる。同様に、第５のヨーク１ｅと第２のアーマチュア２ｂ間の吸着面の吸引力も大きくすることができる。このため、閉路時の保持力を大きくすることができ、効率を向上させることができる。

これら第１のヨーク１ａと第１のアーマチュア２ａ間、および第５のヨーク１ｅと第２のアーマチュア２ｂ間の磁気飽和を起こさず、磁束密度を高めると、漏れ磁束などが抑制され吸着面での吸引力を大きくすることができる。ここで、第１のヨーク１ａと第１のアーマチュア２ａ間においては、磁束φが操作ロッド６の軸方向と平行に形成され易く、大きな吸引力を得ることができる。

このように、磁気飽和を起こさず磁束密度を高め吸引力を大きくすることを、永久磁石３の残留磁束密度に対して、ヨーク１とアーマチュア２との吸着面が磁気飽和を起こさない有効断面積にあると定義する。この有効断面積とは、前述の通り、ヨーク１、アーマチュア２に一般構造用圧延鋼、永久磁石３にネオジウム磁石を用いれば、断面積Ｓｍｇに対して断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２が０．６〜１の範囲となる。そして、０．６の場合に最も大きな吸引力を得ることができる。

断面積Ｓｙ１、Ｓａ１、Ｓａ２と断面積Ｓｍｇとの比が１超過では、ヨーク１とアーマチュア２とが吸引する断面積を大きくすることができるものの、磁束密度が低下するので、結果的に吸着面での吸引力を大きくすることができない。また、ヨーク１とアーマチュア２とが大型化し、重量物となってしまう。特に、アーマチュア２においては、移動を伴うものであり、重量の増加は好ましくない。

上記実施例１の電磁アクチュエータによれば、ヨーク１とアーマチュア２とが吸着する吸着面において、永久磁石３の残留磁束密度に対して磁気飽和を起こさない断面積としているので、互いの吸着面での磁束密度が高まり、ヨーク１とアーマチュア２との吸引力を大きくすることができ、開閉器９を閉路させたときの閉路保持時の効率を向上させることができる。

なお、上記実施例１では、ヨーク１、アーマチュア２に一般構造用圧延鋼、永久磁石３にネオジウム磁石を用いて説明したが、ヨーク１、アーマチュア２に磁気飽和の異なる例えば珪素鋼板、永久磁石３に残留磁束密度の異なる例えばアルニコ磁石などを用いても、残留磁束密度に対して、ヨーク１とアーマチュア２との吸着面が磁気飽和を起こさない有効断面積にあると、互いの吸引力を大きくすることができる。

次に、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータを図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、この実施例２が実施例１と異なる点は、アーマチュアの形状である。図２において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図２に示すように、第１のアーマチュア２ａは、第１のヨーク１ａ側が細径、第５のヨーク１ｅ側が太径の断面台形状となっている。第１のアーマチュア２ａの太径側には、半径方向に広がる環状の第２のアーマチュア２ｂが連接されている。

これにより、第１のヨーク１ａと吸着する第１のアーマチュア２ａの吸着面を小さくすることができるので、磁束密度を高めることができる。断面台形状では、テーパーの角度により、第１のヨーク１ａと吸着する断面積を容易に制御することができるので、吸引力を高めることが容易となる。

上記実施例２の電磁アクチュエータによれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例３に係る電磁アクチュエータを図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施例３に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、この実施例３が実施例１と異なる点は、アーマチュアの形状である。図３において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図３に示すように、第１のアーマチュア２ａが第１のヨーク１ａと吸着する吸着面には、環状の溝２ｃを設けている。

これにより、第１のヨーク１ａと吸着する第１のアーマチュア２ａの吸着面を小さくすることができるので、磁束密度を高めることができる。溝２ｃの幅の大きさを制御することにより、第１のヨーク１ａとの吸着面を制御することができるので、吸引力を高めることが容易となる。なお、実施例２による断面台形状の第１のアーマチュア１ａに溝２ｃを設けてもよい。

上記実施例３の電磁アクチュエータによれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例４に係る電磁アクチュエータを図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施例４に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。なお、この実施例４が実施例１と異なる点は、アーマチュアの形状である。図４において、実施例１と同様の構成部分においては、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第２のアーマチュア２ｂが第５のヨーク１ｅと吸着する吸着面には、環状の溝２ｄを設けている。

これにより、第５のヨーク１ｅと吸着する第２のアーマチュア２ｂの吸着面を小さくすることができるので、磁束密度を高めることができる。溝２ｄの幅の大きさを制御することにより、第５のヨーク１ｅとの吸着面を制御することができるので、吸引力を高めることが容易となる。なお、第１のアーマチュア２ａを、実施例２のような断面台形状にしたり、実施例３のような溝２ｃを設けたりしてもよい。

上記実施例４の電磁アクチュエータによれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記実施例では、永久磁石３を挟持するように第４のヨーク１ｄと対向させて第５のヨーク１ｅを配置させて説明したが、第５のヨーク１ｅを取り除き、永久磁石３に第２のアーマチュア２ｂが吸着するようにしてもよい。

本発明の実施例１に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。 本発明の実施例２に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。 本発明の実施例３に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。 本発明の実施例４に係る電磁アクチュエータの構成を示す断面図。

符号の説明

１ ヨーク
１ａ 第１のヨーク
１ｂ 第２のヨーク
１ｃ 第３のヨーク
１ｄ 第４のヨーク
１ｅ 第５のヨーク
２ アーマチュア
２ａ 第１のアーマチュア
２ｂ 第２のアーマチュア
２ｃ、２ｄ 溝
３ 永久磁石
４ 閉路コイル
５ 開路コイル
６ 操作ロッド
７ ストッパー
８ 接点
９ 開閉器

Claims (6)

1. 磁路を形成するためのヨークと、
   前記ヨーク内を移動自在に移動するアーマチュアと、
   前記アーマチュアを移動もしくは閉路保持させる永久磁石と、
   前記アーマチュアに固定されるとともに前記ヨークの一側面を移動自在に貫通し且つ開閉器に連結される操作ロッドとを具備し、
   前記ヨークおよび前記アーマチュアは、前記永久磁石の磁力により吸引する吸着面を形成し、
   この吸着面は、前記永久磁石の残留磁束密度に対して、磁気飽和を起こさない有効断面積にあることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記ヨークは、前記操作ロッドの外周に設けられた第１のヨークと、
   前記第１のヨークに連接されるとともに前記開閉器側に設けられた第２のヨークと、
   前記第２のヨークに連接された外周の第３のヨークと、
   前記第３のヨークの中間部に連接されるとともに内径方向に突出し且つ前記永久磁石を固定する第４のヨークとを有して構成され、
   前記アーマチュアは、前記第１のヨークとの吸着面を有する第１のアーマチュアと、
   前記第１のアーマチュアに連接されるとともに前記永久磁石との吸着面を有する第２のアーマチュアとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記第１のアーマチュアの前記第１のヨーク側を細径とし、前記第４のヨーク側を太径とし、断面台形状としたことを特徴とする請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記第１のアーマチュアが前記第１のヨークに吸着される吸着面に溝を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記第２のアーマチュアが前記第４のヨークに吸着される吸着面に溝を設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記アーマチュアおよび前記ヨークに一般構造用圧延鋼、前記永久磁石にネオジウム磁石を用い、前記アーマチュアと前記ヨークとの吸着面が磁束と直交する断面積を、前記永久磁石が磁束と直交する断面積の０．６〜１としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。

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