JP2018010719A - 開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、可動コイルにブレーキをかけることができる開閉装置を得る。
【解決手段】電力源により付勢されて電磁反発力により可動軸を移動させてスイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構のコイル対は二対あって、二対のコイル対は、固定コイル同士が直列接続された固定コイル放電回路と、可動コイル同士が直列接続された可動コイル放電回路とに分離され、固定コイル放電回路および可動コイル放電回路のそれぞれに電力源が設けられている。
【選択図】図２

Description

この発明は、接離自在な電極を有し、この電極が接触・隔離をすることによって、一対の電極の開極・閉極の動作が行われる開閉装置に関する。

従来から、可動電極を含んで開閉可能なスイッチ部と、可動電極から延出する可動軸と、電源により付勢されて電磁反発力により可動軸を移動させてスイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構と、固定コイルおよび可動コイルに流れる電流を制御してスイッチ部の開閉を制御する制御手段とを備え、操作機構のコイル対は二対あって、それぞれ２つずつある固定コイルおよび可動コイルのうちの一方のコイルが、２つとも他方のコイルの間に設けられた開閉装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１２４１５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された開閉装置では、高速で移動する可動コイルにブレーキをかけるために、閉極用固定コイルおよび閉極用可動コイル、または開極用固定コイルおよび開極用可動コイルを励磁するタイミングをアクティブに調整するためのセンサを設ける必要があり、構成が複雑になるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で、可動コイルにブレーキをかけることができる開閉装置を得ることを目的とする。

この発明に係る開閉装置は、可動電極を含んで開閉可能なスイッチ部と、可動電極から延出する可動軸と、電力源により付勢されて電磁反発力により可動軸を移動させてスイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構と、固定コイルおよび可動コイルに流れる電流を制御してスイッチ部の開閉を制御する駆動回路と、を備え、操作機構のコイル対は二対あって、二対のコイル対は、可動コイル同士が支持板を介して背中合わせに連結されて支持板とともに可動軸に固定されており、可動コイルが固定コイルによって挟まれるように構成され、二対のコイル対は、固定コイル同士が直列接続された固定コイル放電回路と、可動コイル同士が直列接続された可動コイル放電回路とに分離され、固定コイル放電回路および可動コイル放電回路のそれぞれに電力源が設けられているものである。

この発明に係る開閉装置によれば、電力源により付勢されて電磁反発力により可動軸を移動させてスイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構のコイル対は二対あって、二対のコイル対は、固定コイル同士が直列接続された固定コイル放電回路と、可動コイル同士が直列接続された可動コイル放電回路とに分離され、固定コイル放電回路および可動コイル放電回路のそれぞれに電力源が設けられている。
そのため、簡素な構成で、可動コイルにブレーキをかけることができる。

この発明の実施の形態１に係る開閉装置を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路を示す結線図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置の閉極状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置におけるパルス電流の時間変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路における磁界・電流方向を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路における磁界・電流方向を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る開閉装置の閉極状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路を示す結線図である。

以下、この発明に係る開閉装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置を示す概略構成図である。図１において、開閉装置の外板である固定板１６に固定された固定電極１は、この固定電極１に対向する可動電極２と開極または閉極できるようになっており、スイッチ部３を構成している。なお、スイッチ部３は、開極または閉極の消弧性をよくするために、真空バルブ４に収納されている。

固定電極１および可動電極２には、それぞれ固定側端子１４および可動側端子１５が設けられ、電路とスイッチ部３との接続を可能としている。また、可動電極２には、可動軸５が取り付けられており、可動軸５は、外部との絶縁を保つため間に絶縁ロッド８が挿入され、可動軸５のスイッチ部３側が充電部６、その反対側が無充電部７となっている。

可動軸５の無充電部７には、軸方向に垂直に介挿板２０が固定され、その両面に開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂが固定されている。なお、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂは、剛性を上げるために、可動軸５にも固定されている。

また、開極用可動コイル１０ａに対向して、開極用固定コイル１１が開極コイル固定板１７に固定されており、この開極用固定コイル１１と開極用可動コイル１０ａとから、磁界が発生して相互に作用する。

また、閉極用可動コイル１０ｂに対向して、閉極用固定コイル１２が閉極コイル固定板１８に固定されており、同様に、この閉極用固定コイル１２と閉極用可動コイル１０ｂとから、磁界が発生して相互に作用する。

また、可動軸５は、開閉装置の閉極または開極を保持する接圧投入開放ばね１３にも接続されており、接圧投入開放ばね１３は、ばね固定板１９に固定されることにより、開極状態または閉極状態を保持する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路を示す結線図である。図２では、図１に示した開極用可動コイル１０ａ、閉極用可動コイル１０ｂ、開極用固定コイル１１、閉極用固定コイル１２およびこれらにパルス電流を供給する電源の結線を示している。

図２において、可動軸５に駆動力を与えてスイッチ部３を開閉させる操作機構を制御するアクチュエータ駆動回路４０は、開極のための電力源である開極電力貯蔵器４１ａ、閉極のための電力源である閉極電力貯蔵器４１ｂ、半導体素子からなる開極するための開極スイッチ４２ａ、および半導体素子からなる閉極するための閉極スイッチ４２ｂを備えている。

さらに、アクチュエータ駆動回路４０は、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２に並列に接続され、それぞれのコイルに蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオード４３ａ、および開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂに並列に接続され、それぞれのコイルに蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオード４３ｂを備えている。

ここで、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２の直列接続を含む直列回路を固定コイル放電回路８０ａと称し、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂの直列接続を含む直列回路を可動コイル放電回路８０ｂと称する。

なお、実際に開閉装置を使用する場合には、開極電力貯蔵器４１ａおよび閉極電力貯蔵器４１ｂに開極または閉極のための電力を供給するために、図２に示されるように、ＤＣ電源３４が接続される。

このように、この発明の実施の形態１に係る開閉装置は、可動電極２を含んで開閉可能なスイッチ部３と、可動電極２から延出した可動軸５と、ＤＣ電源３４により付勢され、電磁反発力により可動軸５を移動させてスイッチ部３を開閉させる操作機構と、操作機構を制御するアクチュエータ駆動回路４０とを備えている。

図３は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置の閉極状態を示す説明図である。図３において、スイッチ部３を開閉させる操作機構は、開極用固定コイル１１および開極用可動コイル１０ａで構成された第１コイル対４５ａと、閉極用固定コイル１２および閉極用可動コイル１０ｂで構成された第２コイル対４５ｂとを含んでいる。

また、アクチュエータ駆動回路４０は、開極用固定コイル１１および開極用可動コイル１０ａ、ならびに閉極用固定コイル１２および閉極用可動コイル１０ｂからなる二対のコイルに電流を流して、電磁反発力によりスイッチ部３の開閉を制御する。

また、第１コイル対４５ａおよび第２コイル対４５ｂについて、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂは、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２の間に設けられている。

また、第１コイル対４５ａおよび第２コイル対４５ｂについて、開極用可動コイル１０ａと閉極用可動コイル１０ｂとは、支持板すなわち介挿板２０を介して互いに背中合わせに連結されて介挿板２０とともに可動軸５に固定されており、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２によって挟まれるように構成されている。

次に、図４〜６を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る開閉装置の開極動作について説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置におけるパルス電流の時間変化を示す説明図であり、横軸が時間を示し、縦軸が電流を示している。また、図５、６は、この発明の実施の形態１に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路における磁界・電流方向を示す説明図である。

図３に示した閉極状態において、開極スイッチ４２ａおよび閉極スイッチ４２ｂを同時にオンすると、図４に示されるように、開極電力貯蔵器４１ａおよび閉極電力貯蔵器４１ｂから、開極スイッチ４２ａおよび閉極スイッチ４２ｂを通って各コイルにパルス電流が流れ、磁界が発生する。

ここで、図５において、図４における時刻ｔ＝０〜τｓｅｃの電流の方向を実線矢印で示し、磁界の方向を中抜き矢印で示す。また、図６において、図４における時刻ｔ＝τｓｅｃ以降の電流の方向を実線矢印で示し、磁界の方向を中抜き矢印で示す。

図５より、図４における時刻ｔ＝０〜τｓｅｃにおいて、開極用固定コイル１１および開極用可動コイル１０ａ、ならびに閉極用可動コイル１０ｂおよび閉極用固定コイル１２それぞれのコイル対に、コイルが発生した磁界の相互作用によって、それぞれ反発力および吸引力が発生し、開極用可動コイル１０ａは、紙面下向きの方向に引き下げられることが分かる。

また、図６より、図４における時刻ｔ＝τｓｅｃ以降、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂに流れるパルス電流は、通電方向が負方向に切り替わっており、これに伴って、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂが発生する磁界も、時刻ｔ＝０〜τｓｅｃに対して逆方向となることが分かる。

そのため、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂに作用する反発力および吸引力も逆方向となり、可動軸５に作用する力は、スイッチ部３を投入する方向、すなわちブレーキ力として作用することとなる。

なお、パルス電流の供給がなくなると、開極用固定コイル１１、開極用可動コイル１０ａ、閉極用可動コイル１０ｂ、および閉極用固定コイル１２に蓄積された電磁エネルギーは、それぞれダイオード４３ａ、４３ｂを通してそれぞれのコイルを循環し、徐々に減衰する。

このように、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂに作用する開極方向の駆動力を、時刻ｔ＝τｓｅｃ以降、投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力に切り替える。これにより、スイッチ部３の開極端において、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを含む可動軸５の変位速度を低下させ、スイッチ部３が開極した際に生じる衝撃力を緩和することができる。

なお、スイッチ部３の開極端において、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを含む可動軸５の運動量をゼロにすることが好ましい。そこで、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂに作用する開極方向の駆動力と、投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力との比を調整することが考えられる。

具体的には、開極用固定コイル１１や閉極用固定コイル１２、開極用可動コイル１０ａ、閉極用可動コイル１０ｂの巻数、巻線径、内径や外径等のコイルパラメータ調整することが挙げられる。

これにより、開極用固定コイル１１や閉極用固定コイル１２、開極用可動コイル１０ａ、閉極用可動コイル１０ｂを流れる電流の時間幅や振幅、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを流れる電流の方向が反転するタイミングを変更したり、開極用可動コイル１０ａや、閉極用可動コイル１０ｂ、可動軸５の可動領域を変更したりすることができる。

また、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２を含む固定コイル放電回路８０ａの全インダクタンスＬ１と、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを含む可動コイル放電回路８０ｂの全インダクタンスＬ２との比を約１：２とし、かつ時刻ｔ＝τｓｅｃ、すなわち可動軸５に作用する電磁力が、開極方向の駆動力からブレーキ力に切り替わる時刻において、可動軸５が全ストロークの中点にくるようにしてもよい。

この構成によれば、可動軸５には、全ストロークのうち前半は開極方向の駆動力、後半は投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力が等しく作用し、スイッチ部３の開極端において、可動軸５の運動量をゼロにすることができる。

また、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２を含む固定コイル放電回路８０ａの全インダクタンスＬ１と、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを含む可動コイル放電回路８０ｂの全インダクタンスＬ２との比を約１：１．８とし、上記と同様に、時刻ｔ＝τｓｅｃにおいて、可動軸５が全ストロークの中点にくるようにしてもよい。

この構成によれば、開極方向の駆動力を、投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力に対し大きくし、スイッチ部３の開極速度を大きくすることができる。このとき、開極端における可動軸５の運動量をゼロにすることはできない。

しかしながら、例えばオイル式のショックアブソーバ等と組み合わせることにより、衝撃を緩和して可動軸５を静止させることができる。また、電磁力によるブレーキ力によって、可動軸５の速度が十分に低減しているため、ショックアブソーバを速度定格の小さなものにできる。

また、可動軸５に作用させる電磁力を反転させることを目的として、パルス電流の通電方向が反転するのは、開極用可動コイル１０ａおよび閉極用可動コイル１０ｂを通るものに限定されず、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２を通るものでもあってもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、電力源により付勢されて電磁反発力により可動軸を移動させてスイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構のコイル対は二対あって、二対のコイル対は、固定コイル同士が直列接続された固定コイル放電回路と、可動コイル同士が直列接続された可動コイル放電回路とに分離され、固定コイル放電回路および可動コイル放電回路のそれぞれに電力源が設けられている。
そのため、簡素な構成で、可動コイルにブレーキをかけることができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る開閉装置の閉極状態を示す説明図である。図７において、開極用可動コイル１０ａ、閉極用可動コイル１０ｂ、開極用固定コイル１１および閉極用固定コイル１２の少なくとも１つに、磁束集中用の磁性体６０が組み込まれている。

この構成によれば、回路のインダクタンスを微調整することができる。具体的には、可動軸５に作用する開極方向の駆動力と、投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力との比を容易に調整することができる。なお、この構成は、実施の形態１の構成と組み合わせて適用される。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係る開閉装置のアクチュエータ駆動回路を示す結線図である。図８において、固定コイル放電回路８０ａおよび可動コイル放電回路８０ｂには、抵抗素子、誘導性素子および容量性素子の少なくとも１つを含むインピーダンス調整機構７０ａ、７０ｂが直列に接続されている。なお、インピーダンス調整機構は、固定コイル放電回路８０ａおよび可動コイル放電回路８０ｂの一方のみに接続されてもよい。

この構成によれば、回路の全インピーダンスを微調整することができる。具体的には、可動軸５に作用する開極方向の駆動力と、投入方向の駆動力、すなわちブレーキ力との比を容易に調整することができる。なお、この構成は、実施の形態１の構成と組み合わせて適用されるが、実施の形態２の構成と組み合わせて適用されてもよい。

１ 固定電極、２ 可動電極、３ スイッチ部、４ 真空バルブ、５ 可動軸、６ 充電部、７ 無充電部、８ 絶縁ロッド、１０ａ 開極用可動コイル、１０ｂ 閉極用可動コイル、１１ 開極用固定コイル、１２ 閉極用固定コイル、１４ 固定側端子、１５ 可動側端子、１６ 固定板、１７ 開極コイル固定板、１８ 閉極コイル固定板、１９ 固定板、２０ 介挿板、３４ ＤＣ電源、４０ アクチュエータ駆動回路、４１ａ 開極電力貯蔵器、４１ｂ 閉極電力貯蔵器、４２ａ 開極スイッチ、４２ｂ 閉極スイッチ、４３ａ、４３ｂ ダイオード、４５ａ 第１コイル対、４５ｂ 第２コイル対、６０ 磁性体、７０ａ インピーダンス調整機構、８０ｂ 可動コイル放電回路、８０ａ 固定コイル放電回路。

Claims (6)

1. 可動電極を含んで開閉可能なスイッチ部と、
   前記可動電極から延出する可動軸と、
   電力源により付勢されて電磁反発力により前記可動軸を移動させて前記スイッチ部を開閉させる固定コイルおよび可動コイルからなるコイル対を有する操作機構と、
   前記固定コイルおよび前記可動コイルに流れる電流を制御して前記スイッチ部の開閉を制御する駆動回路と、を備え、
   前記操作機構の前記コイル対は二対あって、
   前記二対のコイル対は、前記可動コイル同士が支持板を介して背中合わせに連結されて前記支持板とともに前記可動軸に固定されており、前記可動コイルが前記固定コイルによって挟まれるように構成され、
   前記二対のコイル対は、前記固定コイル同士が直列接続された固定コイル放電回路と、前記可動コイル同士が直列接続された可動コイル放電回路とに分離され、前記固定コイル放電回路および前記可動コイル放電回路のそれぞれに前記電力源が設けられている
   開閉装置。
2. 前記固定コイル放電回路の全インピーダンス、および前記可動コイル放電回路の全インピーダンスは、前記固定コイルおよび前記可動コイルに電流が流れた際に、前記スイッチ部の前記可動電極に加えられる接点移動方向の運動量と、その逆方向の運動量との絶対値が、互いに等しくなるように調整されている
   請求項１に記載の開閉装置。
3. 前記固定コイル放電回路の全インダクタンスと、前記可動コイル放電回路の全インダクタンスとの比が、１：１．８である
   請求項１または請求項２に記載の開閉装置。
4. 前記固定コイル放電回路の全インダクタンスと、前記可動コイル放電回路の全インダクタンスとの比が、１：２である
   請求項１または請求項２に記載の開閉装置。
5. 前記二対のコイル対の少なくとも１つに、インダクタンス調整用の磁性体を設けた
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の開閉装置。
6. 前記固定コイル放電回路および前記可動コイル放電回路の少なくとも一方に、抵抗素子、誘導性素子および容量性素子の少なくとも１つを含むインピーダンス調整機構を直列接続した
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の開閉装置。

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