JP3816284B2 - 開閉装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁駆動によって電極の開閉動作を行う開閉装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図24は、例えば平成8年電気学会産業応用部門全国大会講演番号260「新型高速スイッチの開閉動作特性」に示される、電磁反発を利用した第1の従来例である開閉装置の概略構成図であり、図24(a)はその閉極状態、図24(b)はその開極状態を示す。
この開閉装置は、接離自在な固定電極6と可動電極5とから構成されたスイッチ部1と、可動電極5に接続された可動軸4の中間部に固定された反発板2と、この反発板2の軸線方向で可動電極5側に配置され反発板2に電流を誘起させる開極用コイル3aと、反発板2を介して開極用コイル3aと対向して配置され反発板2に電流を誘起させる閉極用コイル3bとを備えている。開極用コイル3a及び閉極用コイル3bは、図示しない磁界発生用電流源に接続されている。
【0003】
可動電極5及び固定電極6にはそれぞれ電路に接続される端子7、7が接続されている。また、可動電極5と反対側の可動軸4の端部には、閉極時に可動電極5と固定電極6との間で接圧力を得るための接圧投入バネ8a、8bと、スイッチ部1の開閉に連動する補助スイッチ9が設けられている。
【0004】
図25は上記接圧投入バネ8a、8bの荷重特性とそれらの合成荷重を示す図である。図中、40は接圧投入バネ8aの荷重特性、41は接圧投入バネ8bの荷重特性、42は接圧投入バネ8a、8bの合成荷重である。合成荷重42が中間位置から閉極位置までの撓み範囲で閉極方向に荷重が発生し、中間位置から開極位置までの撓み範囲で開極方向に荷重が得られるように、各接圧投入バネ8a、8bが配置されている。
【0005】
次に、上記構成の開閉装置の開極動作について説明する。
図24(a)の閉極状態において、パルス電流を開極用コイル3aに流すと磁界が発生する。これによって開極用コイル3aが発生する磁界を打ち消す方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発生する。開極用コイル3aが発生する磁界と反発板2が発生する磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3aに対して電磁反発力を受ける。この電磁反発力によって、反発板2に固着されている可動軸4及び可動電極5は反発方向に動作する。そして、図25において、閉極位置から中間位置へ接圧投入バネ8a、8bの撓み量が変化するにつれて、荷重特性42は減少し、中間位置を越えると、荷重特性42は開極方向の荷重となり、接圧投入バネ8a、8bの撓み量が開極位置で、スイッチ部1は図24(b)に示すように開極状態が保持される。
【0006】
次に、開閉装置の閉極動作について説明する。
図24(b)の開極状態において、パルス電流を閉極用コイル3bにパルス電流を流すと磁界が発生する。これによって反発板2に誘導電流が発生し、反発板2は閉極用コイル3bに対して電磁反発力を受ける。この電磁反発力によって、反発板2に固着されている可動軸4及び可動電極5は反発方向に動作する。そして、図25において、閉極位置から中間位置へ接圧投入バネ8a、8bの撓み量が変化するにつれて、荷重特性42は増加し、中間位置を越えると、荷重特性42は閉極方向の荷重となり、接圧投入バネ8a、8bの撓み量が閉極位置で、スイッチ部1は図24(a)に示すように閉極状態となる。
【0007】
図26は、例えば実開昭58ー103114号公報に記載された第2の従来例である開閉装置の要部であるプランジャ形電磁石のスリット構造を示したものである。
図において、可動軸100の先端部には磁性材料からなる可動体101が固定されている。可動体101の片側には板バネ106が固定されている。可動体101には空隙部104を介して磁性材料からなる固定体102が対向している。固定体102の周囲には鉄心105で囲まれたコイル103が設けられている。
【0008】
図27は図26の固定体102の斜視図、図28は固定体102の構成部材の断面図である。
固定体102は、それぞれスリット110が形成された第1の円筒部107、第2の円筒部108及び第3の円筒部109が重ねられて構成されている。
【0009】
次に、上記構成の開閉装置の動作について説明する。
電流をコイル103に流すと磁界が発生し、この発生磁界は、固定体102、空隙部104を通して可動体101に渡り、その後鉄心105を通って固定体102に戻る閉磁路を形成する。このとき、可動体101と固定体102との間に発生磁界の相互作用による電磁吸引力が発生する。この電磁吸引力によって、板バネ106の弾性力に逆らって可動体101と一体の可動軸100は移動する。そして、例えばこの可動軸100の先端部に連結された可動電極(図示せず)が固定電極(図示せず)から離れ、開閉装置の接点は開極する。
コイル103の電流を切ると、固定体102は消磁され、板バネ106の弾性力により、可動体101と一体の可動軸100は元の位置に戻り、開閉装置の接点は閉極する。
【0010】
この開閉装置では、一般に磁界が発生する際に磁路を妨げる方向に磁場を発生する誘導電流が可動体101、固定体102及び鉄心105に発生する。特に、可動体101と固定体102に発生する渦電流は上記電磁吸引力の速やかな発生を妨げ、可動軸100の動作を遅くする要因となる。この例では、渦電流を抑制するために、固定体102を第1ないし第3の円筒部107、108、109からなる積層構造とし、またスリット110を形成して電磁力の立ち上がりの高速性を確保している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
第1の従来例である開閉装置では、反発板2に生じる誘導電流による磁界は、電気回路の直接電流供給による発生磁界に比べて小さいので、コイル発生磁界とその誘導による発生磁界との相互作用による電磁反発力が小さく、開閉動作に高エネルギーを要してしまい、開極用コイル3a、閉極用コイル3bあるいは各コイル3a、3bにパルス電流を供給する電源が大型になるという問題点もあった。
【0012】
また、第2の従来例である開閉装置では、固定体102はスリット110が形成された積層構造であり、構造が複雑であり製作が難しく高価になるという問題点があった。また、コイル103に電流を通電し磁界が発生した際に固定体102は渦電流が誘導されないが、可動体101では発生磁界をうち消す方向の磁界が発生する誘導電流が生じる。これにより、空隙部104に発生する磁界は、固定体及び可動体にそれぞれ電流を直接供給して生じる発生磁界に比べて小さくなるので、発生磁界の相互作用による可動体101と固定体102との間の電磁吸引力が小さくなり、動作速度が遅くなってしまい、動作速度を速くしようとしたときには、コイルの大型化、コイルにパルス電流を供給する電源の大型化を図る必要性があり、装置全体を大型化しなければならないという問題点があった。
【0013】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、開閉動作に要するエネルギーを小さくできると共に、駆動電源を小型化して装置全体を小型化できる開閉装置を得ることを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る開閉装置は、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定された磁性体及びこの磁性体の外側を囲った可動コイルを有する可動部と、この可動部に対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在の磁性体及びこの磁性体の外側を囲った固定コイルを有する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっている。
また、前記可動コイル及び前記固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部の開閉極時に前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている。
【0015】
この発明に係る開閉装置では、可動コイルの外側を囲って磁性体が設けられており、固定コイルの外側を囲って磁性体が設けられている。
【0016】
この発明に係る開閉装置は、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定され、可動コイル及びこの可動コイルを覆った磁性体を有する可動部と、この可動部に対向して設けられ、固定コイル及びこの固定コイルを覆った磁性体を有する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっている。
また、前記可動コイル及び前記固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部の開閉極時に前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている。
【0018】
この発明に係る開閉装置では、固定部は、可動部に対して軸線方向両側にそれぞれ対向配置された、磁性体及び固定コイルを有する第1固定部及び第2固定部を有し、通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可動コイル及び第1固定部の固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第1固定部の固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように、前記電源から前記第1固定部の固定コイル及び前記可動コイルへの通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前記電源から前記可動コイル及び前記第2固定部の前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第2固定部の前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記第2固定部の前記固定コイル及び前記可動コイルへの通電方向が設定されるようになっている。
【0019】
この発明に係る開閉装置では、固定部は可動部の軸線方向の一方の側にのみ対向配置され、通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可動コイル及び固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルへの通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気吸引力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルへの通電方向が設定されるようになっている。
【0022】
この発明に係る開閉装置では、磁性体は複数の積層板を重ねた積層構造である。
【0023】
この発明に係る開閉装置では、固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体表面に磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減するだけの深さの溝が形成されている。
【0024】
この発明に係る開閉装置では、固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体は上下面に内径側から外径側へのスリットと外径側から内径側へのスリットを交互に配置したものである。
【0025】
この発明に係る開閉装置は、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、前記可動電極と連動する可動軸と、
この可動軸に固定された可動体と、この可動体と対向して設けられているとともに前記可動軸に対して摺動自在の固定体と、通電することで生じる電磁力で前記固定体と前記可動体とを接離させるコイルとを備え、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方の対向面には渦電流を抑制するスリットが形成されている。
また、前記固定体の対向面に対して垂直方向に延びた固定体の側面には固定体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されている。
【0026】
この発明に係る開閉装置では、対向面においてスリットが占める占有面積は20%以下である。
【0028】
この発明に係る開閉装置では、可動体の対向面に対して垂直方向に延びた可動体の側面には可動体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されている。
【0029】
この発明に係る開閉装置では、可動体は断面I形状である。
【0030】
この発明に係る開閉装置では、可動体は断面E形状である。
【0031】
この発明に係る開閉装置では、可動体は可動軸と一体の断面T形状である。
【0032】
この発明に係る開閉装置では、固定体は断面E形状である。
【0033】
この発明に係る開閉装置では、固定体は円筒形状である。
【0034】
この発明に係る開閉装置では、固定体は、中心部に可動軸が貫通した平板状の可動体の両面にそれぞれ設けられた第1の固定体及び第2の固定体から構成され、コイルは、前記第1の固定体の内側に設けられた第1の第1のコイル及び前記第2の固定体の内側に設けられた第2のコイルから構成されている。
【0035】
この発明に係る開閉装置では、可動軸と可動軸とは同一材料で一体形成されている。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。説明中、従来例と同一または相当部分については、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による開閉装置の要部である電磁反発機構を示す構成図で、図1(a)はその装置の閉極状態であり、図1(b)はその装置の開極状態である。
この開閉装置は、接離自在な固定電極6と可動電極5から構成されたスイッチ部1と、可動電極5に接続された可動軸4の中間部に磁性体15cを介して固定された可動コイル10を有する可動部14と、可動軸4に摺動自在に設けられた固定部3とを備えている。
【0037】
固定部3は、可動部14を介して対向した第1固定部31及び第2固定部32から構成されている。可動電極5側の第1固定部31は、磁性体15cに対向した磁性体15aと、可動コイル10に対向した開極用コイル3aとを有している。可動電極5と反対側の第2固定部32は、磁性体15cに対向した磁性体15bと、可動コイル10に対向した閉極用コイル3bとを有している。
可動部14及び第1固定部31、第2固定部32のそれぞれの各磁性体15c、15a、15bは、それぞれ可動コイル10、開極用コイル3a及び閉極用コイル3bの内径側に配置されている。各磁性体15c、15a、15bの中心には可動軸4の貫通を可能にする孔が形成されている。可動部14の磁性体15cの孔には可動軸4が固定されており、可動部14と可動軸4との相対移動が不可能になっており、第1固定部31の磁性体15aの孔、第2固定部31の磁性体15bの孔には可動軸14が摺動可能になっている。
【0038】
図2は図1における電磁反発機構を組み込んだこの発明に係る開閉装置の全体構成図で、図2(a)はその装置の閉極状態、同図(b)はその装置の開極状態を示した図である。
開閉装置のスイッチ部1の可動電極5及び固定電極6にはそれぞれ電路に接続するための端子7、7が接続されている。また、可動電極5と反対側の可動軸4の端部には、閉極時に可動電極5と固定電極6との間に接圧力を得るための接圧投入バネ8a、8bと、スイッチ部1の開閉に連動する補助スイッチ9が設けられている。この接圧投入バネ8a、8bの構成及び機能は従来例と全く同一なのでその説明は省略する。
【0039】
上記スイッチ部1、可動部14、第1固定部31、第2固定部32、接圧投入バネ8a、8b等は支持枠Sに組み付けられている。支持枠Sは、スイッチ部1を支持、固定したスイッチ部支持部材S1と、第1固定部31を支持、固定した第1固定部支持部材S2と、第2固定部32を支持、固定した第2固定部支持部材S3と、接圧投入バネ8a、8bを支持したバネ支持部材S4と、補助スイッチ9を支持、固定した補助スイッチ支持部材S5と、各支持部材S1〜S5を締結した複数本の固定ロッドS6とを備えている。
【0040】
図3は図1における開極用コイル3a、閉極用コイル3b、可動コイル10とそれらにパルス電流を供給する電源とを電気的に接続した結線回路図である。
この結線回路では、開極用コイル3a及び閉極用コイル3bに対して励磁電流(パルス電流)を流す電源を構成する開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bと、スイッチ部1を開閉極時に可動コイル10と開極用コイル3a、閉極用コイル3bとの間に磁界の相互作用を発生するように開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bから各コイル10、3a、3bに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている。この通電方向設定手段は、開極用放電スイッチ12a、閉極用放電スイッチ12b及びコイル間接続ダイオード13a、13b等を備えている。
【0041】
開極用コイル3a及び可動コイル10はコイル間接続ダイオード13aを介して並列に接続され、開極用電力貯蔵器11aから開極用放電スイッチ12aを経てパルス電流が開極用コイル3a及び可動コイル10に供給されるようになっている。また、閉極用コイル3b及び可動コイル10もコイル間接続ダイオード13bを介して並列に接続され、閉極用電力貯蔵器11bから閉極用放電スイッチ12bを経てパルス電流が閉極用コイル3b及び可動コイル10に供給されるようになっている。コイル間接続ダイオード13aは開極用放電スイッチ12aと可動コイル10との間に接続されている。コイル間接続ダイオード13bは閉極用放電スイッチ12bと可動コイル10との間に接続されている。この実施の形態では開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bはコンデンサであって、電力を貯蔵する電池であってもよい。
【0042】
なお、D1は開極用コイル3aに並列に接続され開極用コイル3aに蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオード、D2は可動コイル10に並列に接続され可動コイル10に蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオード、D3は開極用コイル3bに並列に接続され閉極用コイル3bに蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオードである。
【0043】
この実施の形態では、スイッチ部1の開極時には、開極用電力貯蔵器11aから可動コイル10と固定コイルである開極用コイル3aとに励磁電流を流すと、可動コイル10と開極用コイル3aとの間に磁気反発力が発生するようにその励磁電流の通電方向が設定されるようになっている。また、スイッチ部1の閉極時には、閉極用電力貯蔵器11bから可動コイル10と固定コイルである閉極用コイル3bとに励磁電流を流すと、可動コイル10と閉極用コイル3bとの間に磁気反発力が発生するようにその励磁電流の通電方向が設定されるようになっている。
【0044】
次に、上記構成の開閉装置の接点開極動作について説明する。
図3において、放電スイッチ12aをオンにすると、開極用電力貯蔵器11aから放電スイッチ12a、開極用コイル3aにパルス電流が流れ磁界が発生する。この発生磁界は第1固定部31の磁性体15aの磁気効果により磁束密度が高められ、空間に発生する磁界強度は大きくなる。同時に可動コイル10にもパルス電流が流れ、開極用コイル3aに発生する磁界と逆方向の磁場が発生する。この発生磁界も可動部14の磁性体15cの磁気効果により磁束密度が高められ、空間に発生する磁界強度は大きくなる。この結果、開極用コイル3aと可動コイル10とには互いに逆方向の磁界が発生し、可動コイル10には磁界の相互作用で紙面下向きの電磁反発力を受ける。その結果、可動部14に固着された可動軸4は下方に引き下げられ、スイッチ1の可動電極5は固定電極6から離れ、スイッチ部1は開極する。
【0045】
ここで、パルス電流が遮断された後は、開極用コイル3aに蓄積された電磁エネルギーはダイオードD1、開極用放電スイッチ12aを通して開極用コイル3aを循環し徐々に減衰する。また、可動コイル10に蓄積された電磁エネルギーはダイオードD2を通して可動コイル10を循環し徐々に減衰する。このとき、可動コイル10と閉極用コイル3bとの間にコイル間接続ダイオード13bが接続されていることにより、パルス電流は閉極用コイル3bに流れ込まないので、これによる閉極用コイル3bと可動コイル10との相互作用は発生せず、開極動作は確実に行われる。また、開極用電力貯蔵器11aがパルス電流を放電した後、コイル間接続ダイオード13aが閉極用電力貯蔵器11bから開極用電力貯蔵器11aに電流が流れることを防ぐことができるので、開極動作を行った後、閉極動作ができる。
【0046】
次に、上記構成の開閉装置の接点閉極動作について説明する。
図3において、放電スイッチ12bをオンにすると、閉極用電力貯蔵器11bから放電スイッチ12b、閉極用コイル3bにパルス電流が流れ磁界が発生する。このとき、発生磁界は磁性体15bの磁気効果により磁束密度が高められ、空間に発生する磁界強度は大きくなる。同時に可動コイル10にもパルス電流が流れ、閉極用コイル3bに発生する磁界と逆方向の磁場が発生する。この発生磁界も磁性体15cの磁気効果により磁束密度が高められ空間に発生する磁界強度は大きくなる。この結果、閉極用コイル3bと可動コイル10にはお互い逆方向の磁界が発生し、可動コイル10は磁界の相互作用で紙面上向きの電磁反発力を受ける。その結果、可動部14及び可動部14に固着された可動軸4は上方に引き上げられスイッチ部1の可動電極5と固定電極6とは当接し、スイッチ部1は閉極する。
【0047】
ここでパルス電流が遮断された後は、閉極用コイル3bに蓄積された電磁エネルギーはダイオードD3、閉極用放電スイッチ12bを通して閉極用コイル3bを循環し徐々に減衰する。また、可動コイル10に蓄積された電磁エネルギーはダイオードD2を通して可動コイル10を循環し徐々に減衰する。
また、閉極用電力貯蔵器11bがパルス電流を放電した後、コイル間接続ダイオード13bが開極用電力貯蔵器11aから閉極用電力貯蔵器11bに電流が流れることを防ぐことができるため、閉極動作を行った後、開極動作を確実に行うことができる。
【0048】
図4はある一定値の電圧を各コイル3a、3b、10にパルス印加した際に、各コイル3a、3b、10に流れるコイル電流と時間応答との関係を過渡応答電磁界解析により求めたときの図であり、図5はある一定値の電圧を各コイル3a、3b、10にパルス印加した際に、可動部14に発生する電磁反発力(Fz)と時間応答との関係を過渡応答電磁界解析により求めたときの図である。
この図4、5において、この実施の形態1と従来例とを比較すると、電流の時間変化に対し、磁性体15a、15b、15cの磁気効果により磁束密度が高くなり、この実施の形態1の電磁力の増加が極めて大きいことが分かる。特に、磁性体15a、15b、15cは円環状の各コイル3a、3b、10の内径側のみに配置されているので、小さな磁気エネルギーで、電流の上昇速度を妨げること無く、磁界強度の増大が図れ、その結果、スイッチ部1の高速動作が可能になる。
【0049】
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。以下の説明では主として実施の形態1との相違点のみを説明するものとし、その他の構成及び作用は省略する。
実施の形態2.
図6はこの発明の実施の形態2に係る開閉装置の主要部である電磁反発機構を示す構成図であり、図6(a)はその開閉装置の閉極状態、図6(b)はその開閉装置の開極状態を示している。
この実施の形態2では、実施の形態1の可動コイル10及び開極用コイル3a、閉極用コイル3bの外側にもそれぞれリング状の外側磁性体25c、25a、25bを設けたものである。
【0050】
この実施の形態2では、磁性体15c、15a、15b及び外側磁性体25c、25a、25bが、可動コイル10、開極用コイル3a及び閉極用コイル3bの内径側、外径側を取り囲むように配置されているので、実施の形態1と比較して、さらに磁気効果により空間部の磁束密度が高くなり、磁界強度が大きくなり小電流で電磁反発力が大きくなる。また、外側磁性体25c、25a、25bは各可動コイル10、開極用コイル3a及び閉極用コイル3bの半径外側方向に作用する拡張力を保持する機構も兼ねており、拡張力を保持するための専用部材を用意する必要性はない。
【0051】
実施の形態3.
図7は、この発明の実施の形態3に係る開閉装置の主要部である電磁反発機構を示す構成図であり、図7(a)はその開閉装置の閉極状態、図7(b)はその開閉装置の開極状態である。
この実施の形態3は、上記実施の形態2の可動コイル10及び開極用、閉極用コイル3a、3bの内側及び外側の磁性体を一体化し、この磁性体35c、35a、35bで、各コイル10、3a、3bを覆っている。
【0052】
各磁性体35c、35a、35bは、可動コイル10及び開極用コイル3a、閉極用コイル3bの内径側の内径リング部351c、351a、351bと、外径側の外径リング部352c、352a、352bと、軸線方向対向面の端面部353c、353a、353bとをそれぞれ備えている。この図示例では、可動コイル10についてはその軸線方向の両端面に端面部353cが設けられているが、開極用コイル3a、閉極用コイル3bについては可動コイル10との対向面側にのみ端面部353a、353bが設けられている。勿論、この開極用コイル3a、閉極用コイル3bの両端面に端面部353a、353bを設けてもよい。磁性体35c、35a、35bをこのように形成することにより、磁気効果により磁束密度がさらに高くなり空間部での磁界強度が大きくなり小電流で電磁反発力の発生を大きくすることができる。また、磁性体35c、35a、35bが各コイル10、3a、3bのコイル容器として代用でき、構造の簡略化を図れる。
【0053】
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では可動コイル10、開極用コイル3a、閉極用コイル3bはそれぞれ並列に接続されているが、直列に接続した場合にも同等の効果が得られる。
このとき、可動コイル10と開極用コイル3aが直列に接続され、開極用電力貯蔵器11aから開極用放電スイッチ12a経てパルス電流が供給される。また、可動コイル10と閉極用コイル3bが直接に接続され、閉極用電力貯蔵器11bから閉極用放電スイッチ12bを経てパルス電流が供給される。
【0054】
実施の形態5.
図8はこの発明の実施の形態5に係る開閉装置の構成図であり、図8(a)はその開閉装置の閉極状態、図8(b)はその開閉装置の開極状態を示している。
上記実施の形態1〜4では可動軸4に固定された可動部14の上下それぞれに、開極用コイル3a及び閉極用コイル3bを備えた第1固定部31、第2固定部32を配置したが、この実施の形態5では可動部14の上方にのみ固定コイル3a及び磁性体15aからなる固定部3を配置したものである。
この磁性体15c、15aの構成については、実施の形態2のように外側磁性体25c、25aを設けてもよいし、実施の形態3のように容器構造の磁性体35c、35aを設けてもよい。
【0055】
図9は、図8における可動コイル10、固定コイル3aとそれらにパルス電流を供給する電源との結線図である。
図中、符号10は可動コイル、14は可動部、11aは開極用電力貯蔵器、11bは閉極用電力貯蔵器、12aは開極用放電スイッチ、12bは閉極用放電スイッチ、13cはコイル間接続スイッチ、13e、13fは切り替えスイッチである。
この結線では、可動コイル10及び固定コイル3aに対して励磁電流(パルス電流)を流す電源を構成する開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bと、スイッチ部1を開閉極時に可動コイル10と固定コイル3a間に磁界の相互作用を発生するように開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bから各コイル10、3aに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段を含んでいる。この通電方向設定手段は、開極用放電スイッチ12a、閉極用放電スイッチ12b、コイル間接続スイッチ13c、及び切換スイッチ13e、13fを備えている。
【0056】
可動コイル10及び固定コイル3aは並列に接続され、開極用電力貯蔵器11a、閉極用電力貯蔵器11bから開極用放電スイッチ12aを経てパルス電流が供給される。コイル間接続スイッチ13cは開極用放電スイッチ12aを経て開極用電力貯蔵器11aの負極側と可動コイル10との間に設置される。
【0057】
開極動作の場合、コイル間接続スイッチ13cと切り替えスイッチ13eをオン、切り替えスイッチ13fをオフする。閉極動作の場合、コイル間接続スイッチ13cと切り替えスイッチ13eをオフ、切り替えスイッチ13fをオンにする。コイル間接続スイッチ13c、切り替えスイッチ13e、13fは、図8にある補助スイッチ9それ自身であるか、または補助スイッチ9と電子回路によって連動されていれば、上記実施の形態同様に開閉動作の信頼性が向上する。
【0058】
この実施の形態では、スイッチ部1の開極時に開極用電力貯蔵器11aから可動コイル10及び固定コイル3aに励磁電流を流すと、可動コイル10と固定コイル3aの間に磁気反発力が発生するように開極用電力貯蔵器11aから各コイル10、3aへの通電方向を設定し、且つ、スイッチ部1の閉極時に可動コイル10と固定コイル3aに励磁電流を流すと、可動コイル10と固定コイル53aとの間に磁気吸引力が発生するように閉極用電力貯蔵器11bから各コイル10、3aへの通電方向が設定されるようになっている。
なお、D6は固定コイル3aに並列に接続され固定コイル3aに蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオード、D7は可動コイル10に並列に接続され可動コイル10に蓄積された電磁エネルギーを放出するダイオードである。
【0059】
次に、この発明の開閉装置の接点開極動作について説明する。
図9において、開極用スイッチ12aをオンにすると、開極用電力貯蔵器11aからコイル間接続スイッチ13cを通して固定コイル3aと可動コイル10にパルス電流が流れ、互いに逆方向の磁界が発生する。固定コイル3aと可動コイル10は磁界の相互作用で紙面下向きの電磁反発力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体15、15aの磁気効果により空間部での磁束密度が高められ、空間部での磁界強度は大きくなる。磁界強度が大きくなると電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上する。その結果、磁性体15及び可動コイル10に固着された可動軸4は下方に引き下げられスイッチ部1の可動電極5と固定電極6は離れ、図8におけるスイッチ部1は開極する。
【0060】
次に、この発明の開閉装置の接点閉極動作について説明する。
図9において、閉極用スイッチ12bをオンにすると、閉極用電力貯蔵器11bから切り替えスイッチ13fを通して固定コイル3aと可動コイル10にパルス電流が流れお互い同方向の磁界が発生する。固定コイル3aと可動コイル10は磁界の相互作用で紙面上向きの電磁吸引力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体15の磁気効果により空間部での磁束密度が高められ、空間部での磁界強度は大きくなる。磁界強度が大きくなると電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上する。その結果、磁性体15及び可動コイル10に固着された可動軸4は上方に引き上げられ、図8(b)におけるスイッチ部1は閉極する。
【0061】
実施の形態6.
図10は、この発明の実施の形態6による開閉装置の主要部である電磁反発機構を示す構成図であり、同図(a)はその開閉装置の閉極状態、同図(b)はその開閉装置の開極状態である。
この実施の形態では、実施の形態1〜5と異なり、可動部に可動コイルを持たない導電材料からなる反発板2を用いたものである。
【0062】
第1、第2固定部31、32の磁性体35a、35bは、実施の形態3と同様に開極用、閉極用コイル3a、3bの内外径及び軸方向端面を取り囲む構成で、開極用、閉極用コイル3a、3bの内径側に配置される内径リング部351a、351bと、外径側に配置される外径リング部352a、352bと、端面部353a、353bとを備え、開極用コイル3a、閉極用コイル3bの全体を取り囲むように配置されている。端面部353a、353bについては、反発板2の対向面と反対側にのみ設けられている。
勿論、磁性体の構成としては、実施の形態1の磁性体15a、15bと同様に各コイル3a、3bの内径側にのみ配置する構成としてもよいし、実施の形態2の磁性体15a、25a、15b、25bと同様に各コイル3a、3bの内径側と外径側に配置するようにしてもよい。
なお、スイッチ部1を開閉する電気制御構成は、図3に示したものを同様のものを用いればよい。
【0063】
次に、上記構成の開閉装置の開極動作について説明する。
図10(a)の閉極状態において、パルス電流を開極用コイル3aに流すと、磁界が発生する。これによって、開極用コイル3aが発生する磁界をうち消す方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発生する。コイル3aが発生する磁界と反発板2が発生する磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3aに対して電磁反発力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体35aの磁気効果により空間部での磁束密度が高められ、空間部に発生する磁界強度は増大し、磁界変化量も大きくなる。反発板2に流れる誘導電流は、上記磁界変化量が大きいほど、大きくなるので、反発板2に発生する電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上する。この電磁反発力によって、反発板板2に固着されている可動軸4及び可動電極5は紙面下方向に動作し、スイッチ部1は図10(b)に示すように開極状態が保持される。
【0064】
次に、上記構成の開閉装置の閉極動作について説明する。
図10(b)の開極状態において、パルス電流を閉極用コイル3bに流すと、磁界が発生する。これによって、閉極用コイル3bが発生する磁界をうち消す方向の磁界が発生するように反発板2に誘導電流が発生する。コイル3bが発生する磁界と反発板2が発生する磁界の相互作用によって、反発板2はコイル3bに対して電磁反発力を受ける。このとき、発生磁界は磁性体35bの磁気効果により空間部での磁束密度が高められ、空間部に発生する磁界強度は増大し、磁界変化量も大きくなる。反発板2に流れる誘導電流は、上記磁界変化量が大きい程大きくなるので、反発板2に発生する電磁反発力も大きくなり、小電流で駆動効率が向上する。この電磁反発力によって、反発板2に固着されている可動軸4及び可動電極5は紙面上方向に動作し、スイッチ部1は図10(a)に示すように開極状態が保持される。
【0065】
なお、磁性体35a、35bは、開極用コイル3a、閉極用コイル3bを囲むように配置されているので、磁気効果により空間部での磁束密度が高められ、反発板2に生じる発生磁界強度が大きくなり、小電流で電磁反発力が大きくなることはいうまでもなく、また各コイル3a、3bの拡張力を保持する機構も兼ねており、コイルの保持機構が簡便になる。
また、磁性体35a、35bと図2に示す支持枠Sの第1、第2固定部支持部材S2、S3とを別体でもよいし、また第1、第2支持部材S2、S3を磁性体35a、35bで構成することにより、上記と同様の効果が得られると共に、製作性がより簡便になる。
【0066】
実施の形態7.
図11は、この発明の実施の形態7に係る磁性体を示している。
この実施の形態では、上記実施の形態1〜6に用いられる開閉装置の固定部及び可動部に配置した磁性体を積層構造としたものである。
磁性体の形態は実施の形態によって異なるが、説明を簡単にするために、図には実施の形態1、2に示した可動部14の内径側の磁性体15cを用いて説明する。
このリング状の磁性体15cは、扇形状の互いに絶縁された複数の積層板16を円周方向に重ねたものである。勿論、上記実施の形態1〜6に示したすべての磁性体についても適用することができる。
【0067】
この実施の形態では、各コイル10、3a、3bにパルス電流が流れると磁界が発生するが、このとき磁性体15cが導電材料でもある場合には、磁性体15cの表面には誘導電流Ieが発生し、可動コイル10が発生する磁界と逆方向の磁界を発生するが、磁性体15cは互いに絶縁された積層板16で構成されているので、誘導電流Ieの流れが切れることになる。その結果、可動コイル10の発生磁界と逆方向の磁界の発生が抑えられる。
図4、5には実施の形態1に係る磁性体を積層構造の磁性体としたときの過渡応答解析結果も示している。この図4、5からも、可動コイル10に流れる電流に対して、発生する電磁力がこの実施の形態の磁性体15cを用いた方が大きいことが分かる。
なお、図11では積層板の数は14枚であるが、これはこの枚数に限ったものではなく、誘導電流の流れを切るに十分な枚数の積層が施されていれば効果は十分に得られる。
【0068】
実施の形態8.
図12はこの発明の実施の形態8に係る磁性体が示されている。
磁性体の形態は実施の形態によって異なるが、実施の形態7と同様に、説明を簡単にするために、図には実施の形態1、2に示した可動部14の内径側の磁性体15cを用いて説明する。
この実施の形態8の磁性体15cは、実施の形態7の磁性体15cを改良したもので、積層構造の代わりに磁性体に溝加工を施したものである。
この実施の形態では、磁性体15cの表面に十分な深さの溝17が周方向に間隔をおいて複数形成されている。
【0069】
この実施の形態では、各コイル10、3a、3bにパルス電流が流れると磁界が発生する。このとき、磁性体15cが導電材料でもある場合、磁性体15cの表面には誘導電流Ieが発生し、コイル10、3a、3bが発生する磁界と逆方向の磁界を発生する。この誘導電流Ieは、可動コイル10が発生するパルス磁界が磁性体15cの表面に侵入しようとした場合に、磁界の進入を妨げる方向に流れる。磁性体15の表面に侵入する上記パルス磁界は、(式1)のδで定義される表皮深さだけ侵入すると、1/e(自然対数)に減衰し、それ以上深く侵入できない。よって、磁性体15cの表面に表皮深さδより十分深い溝17を形成することで、上記実施の形態7で記述した積層と同様の効果を得ることができる。
δ=(2/ω・σ・μ0・μm)1/2 ・・・(式1)
ここで、δ; 表皮深さ
ω; 2πf(fは周波数)
σ; 磁性体の導電率
μ0;真空の透磁率(4π×10-7)
μm;磁性体の比透磁率
例えば、f=100Hz、σ=107 s/m、μm=2400とすると、δ=0.3mmとなる。
【0070】
また、この実施の形態の磁性体15cは溝加工を施すだけであり、磁性体15cの強度を保持することができる。また、図12では溝17の本数は14本であるが、これはこの本数に限ったものではなく、誘導電流の流れを切るに十分な本数の溝加工が施されていれば効果は十分に得られる。
なお、図12において、溝17は外径側面、上下面及び内径側面の全て面に施されているが、これは必ずしも全面に施す必要はなく、各コイルからの侵入磁界の大きい面のみに施こすことにより同様の効果を得られることは言うまでもない。
【0071】
実施の形態9.
図13はこの発明の実施の形態9に係る磁性体15cが示されている。
この実施の形態9は上記実施の形態8の磁性体15cを改良したもので、溝17の代わりに、溝17よりも幅が狭いスリットを設けている。この実施の形態では、磁性体15上下面に内径側から外径側へのスリット18aと外径側から内径側へのスリット18bを軸方向に交互に形成したものである。表面上でスリットが占める占有面積は20%以下である。
【0072】
この実施の形態では、図13に示すように磁性体15cの上下面に内径側から外径側へのスリット18aと外径側から内径側へのスリット18bを交互に設けることは、上記実施の形態8で記述した全面の溝加工に比べ加工が容易であり、加工費用を削減でき、磁性体15cの強度も向上する。
なお、図13において、スリット18a、18bは外径側面、上下面、内径側面の全ての面に施されているが、これは必ずしも全面に施す必要はなく、各コイルからの侵入磁界の大きい面のみに施こすことにより同様の効果を得られることは言うまでもない。
【0073】
実施の形態10.
図14は、この発明の実施の形態10による開閉装置の要部断面図である。
この開閉装置は、断面I形状の可動軸200と、この可動軸200の先端部に固定された磁性体からなる可動体201と、この可動体201に空隙部202を介して対向しているとともに中心部に可動軸201が摺動する貫通孔204が形成された固定体203と、可動体201及び固定体203を囲ったコイル205と、コイル205及び固定体203を囲っているとともにネジ部206で固定体203が螺着された鉄心207と、固定体203の端面に取り付けられ固定体203での残留磁化を消すための非磁性材料のワッシャー199とを備えている。なお、固定体203と鉄心207とは一体に形成されたものでもよい。
【0074】
図15は図14の可動体201の斜視図、図16は図14の固定体203の斜視図である。可動体201及び固定体203のそれぞれの対向面S1、S2にはスリット208、209が形成されている。可動体201のスリット208及び固定体203のスリット209のそれぞれの深さは、可動体201及び固定体203の表皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加工が施されている。
また、可動体201の対向面S1においてスリット208が占める割合が20%以下であり、固定体203の対向面S2においてスリット209が占める割合も20%以下である。
さらに、可動体201の周側面にはスリット208から軸線方向に延びたスリット210が形成されている。このスリット210の長さは可動体201の全長のほぼ1/2である。固定体203の周側面にはスリット209から軸線方向に延びたスリット211が形成されている。このスリット211の長さは固定体203の全長のほぼ1/4である。
【0075】
次に、上記構成の開閉装置の接点開極及び閉極動作について説明する。
コイル205にある一定の電圧を印加すると磁界が発生するが、この発生磁界は、磁性体からなる可動体201、可動体201の対向面S1、空隙部202を通して固定体203の対向面S2に渡り、固定体203、鉄心207を通って可動体201に戻る閉磁路を形成する。このとき、可動体201の対向面S1と固定体203の対向面S2との間の空隙部202において発生磁界の相互作用による電磁吸引力が発生し、この電磁吸引力によって、可動軸200端部に取り付けられた弾性部材(図示せず)の弾性力に逆らって可動体201と一体の可動軸200は移動する。そして、例えばこの可動軸200の先端部の連結部材を介して接続された可動電極(図示せず)が固定電極(図示せず)から離れ、開閉装置の接点は開極する。
コイル205の電流を切ると、可動体201は消磁され、弾性部材の弾性力により、可動体201と一体の可動軸200は元の位置に戻り、開閉装置の接点は閉極する。
【0076】
この実施の形態では、可動体201のスリット208及び固定体203のスリット209のそれぞれの深さは、可動体201及び固定体203の表皮深さに対して十分に深くなるようにスリット加工が施されているので、可動体201の対向面S1及び固定体203の対向面S2での誘導電流の発生が抑制され、電磁吸引力のロスは低減され、電磁吸引力の立ち上がりが早くなる。
【0077】
図17は本願の発明者が過渡応答電磁界解析により求めた電磁吸引力の時間変化を示した図であり、この図からスリット加工が施されていないものと比較して電磁吸引力の立ち上がりが早く、また電磁吸引力の値も大きくなっていることが分かる。
【0078】
なお、図18は可動体201及び固定体203の対向面に占めるスリット208、209の割合(S%)と、接点の開極時間(T)(固定部203の対向面S2に可動部201の対向面S1が当接するまでの時間)との関係を示しており、この図から、スリットの占有面積が20%以下では開極時間が短く、それを越えると開極時間が長くなることが分かる。それは、スリット加工が施されることにより、誘導電流の発生が抑制されるものの、20%を越えると、可動体201及び固定体203のそれぞれの対向面S1、S2では磁気飽和に達してしまい、有効磁界が低減するためである。
【0079】
また、図19は可動体201及び固定体203の周側面のスリット210、211の長さと、可動体201と固定体203との間の磁気吸引力(F)との関係を示している。なお、図19の値は可動体201の対向面S1及び固定体203の対向面S2において、スリット208、209が占める占有面積が20%であるときの例である。この図から、スリット長さ比L(可動体201、固定体203の全長に対するスリット210、211の長さの比)が零からほぼ1/2までは、磁気吸引力の低下は小さいことが分かる。それは、スリット加工が施されることにより、誘導電流の発生が抑制されるものの、1/2を越えると、可動体201及び固定体203の周側面では磁気飽和に達してしまい、有効磁界が低減するためである。
【0080】
実施の形態11.
図20はこの実施の形態11の開閉装置の要部斜視図であり、可動体212、固定体213の全体形状をE形状にした点が実施の形態10と異なる。
この実施の形態では、可動体212の対向面S1及び固定体213の対向面S2は凹凸形状になっており、対向面S1、S2の面積が増大したことにより、実施の形態11のものと比較して大きな電磁吸引力を得ることができる。また、可動体212及び固定体213は平板型であり、厚み方向の寸法を小さくでき、全体をコンパクトにできる。
【0081】
実施の形態12.
図21はこの発明の実施の形態12の開閉装置の要部斜視図、図22は実施の形態12の変形例であり、可動体215及び可動軸217が磁性材料で一体に形成されている。可動体215は円板形状であり、この可動体215の対向面S1及び周側面にはスリット218、219が形成されている。このスリット218、219のそれぞれの深さは、可動部215の表皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加工が施されている。
磁性材料で構成され、有底円筒状の固定体216は、中心部で可動軸217が貫通している。この固定体216内にはコイル205が設けれている。固定体216の可動体215と対面する側には固定体216の表皮深さよりも十分に深いスリット220が形成されている。
【0082】
この実施の形態では、可動体215の対向面S1及び固定体216の対向面S2の面積が増大し、大きな電磁吸引力を得ることができ、高速駆動が可能となる。また、可動軸217及び可動体215は一体であり、製作が簡単である。また、固定体216は円筒型であり、構造上、製作が容易となり低コストで製造することができる。
なお、可動軸217を非磁性材料で構成し、可動部215を磁性材料で構成して、2部材で構成してもよい。
【0083】
実施の形態13.
図23は、この発明の実施の形態13の開閉装置の要部断面図であり、この実施の形態では、円板状の可動体223と可動軸224とは一体で形成されている。この可動体223の上面、下面及び周側面にはスリット230が形成されている。このスリット230のそれぞれの深さは、可動体223の表皮深さよりも十分に深くなるようにスリット加工が施されている。なお、図21の開閉装置と同様に、可動軸217とコイル205との間にも固定体の一部があってもよい。
磁性材料で構成され、有底円筒状の第1の固定体221は、中心部で可動軸224が貫通している。この第1の固定体221内には第1のコイル225が設けれている。第1の固定体221の可動体223と対面する側には第1の固定体221の表皮深さよりも十分に深いスリット231が形成されている。磁性材料で構成され、有底円筒状の第2の固定体222は、中心部で可動軸224が貫通している。この第2の固定体222内には第2のコイル226が設けれている。第2の固定体222の可動体223と対面する側にも第2の固定体222の表皮深さよりも十分に深いスリット232が形成されている。
【0084】
この実施の形態では、スリット230、231、232により渦電流の発生を抑制することができるとともに、第1のコイル225及び第2のコイル226に通電することで、第1の固定体221及び第2の固定体222と、可動体223との間で大きな電磁吸引力を得ることができ、高速駆動が可能となる。
なお、可動体223と可動体224とは別部材で構成し、両部材を連結するようにしてもよい。
なお、上記各実施の形態は、何れも開閉装置の場合について説明したが、この発明は、自動車用エンジンバルブ等高速駆動を要する装置にも適用できるのは勿論である。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る開閉装置によれば、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定された磁性体及びこの磁性体の外側を囲った可動コイルを有する可動部と、この可動部に対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在の磁性体及びこの磁性体の外側を囲った固定コイルを有する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっているので、電磁駆動を高効率化できると共に、開閉極動作の高速動作を確保できる。
また、これらコイルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部を開閉極時に前記各コイル間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記各コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えたので、開極用電源または閉極用電源を小容量にできる。
【0086】
また、可動コイルの外側を囲って磁性体が設けられているときには、可動部及び固定部のコイルの内径側外径側両側に磁性体を使用することで電磁駆動を高効率化できると共に、コイルの支持構造を簡便にできる。
【0087】
また、この発明に係る開閉装置によれば、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、この可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定され、可動コイル及びこの可動コイルを覆った磁性体を有する可動部と、この可動部に対向して設けられ、固定コイル及びこの固定コイルを覆った磁性体を有する固定部とを備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっているので、電磁駆動を高効率化できると共に、磁性材料をコイルの巻き枠及び容器に兼用でき製作性が向上する。
また、これらコイルに対して励磁電流を流す電源と、スイッチ部を開閉極時に前記各コイル間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記各コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えたので、開極用電源または閉極用電源を小容量にできる。
【0089】
また、固定部は可動部に対して軸方向両側に対向配置される磁性体と固定コイルを有する第1及び第2固定部を備え、通電方向設定手段はスイッチ部の開極時に電源から可動コイルと前記第1固定部の固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第1固定部の固定コイルの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記各コイルへの通電方向を設定し、且つ、スイッチ部の閉極時に前記可動コイルと前記第2固定部の固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第2固定部の固定コイル間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記各コイルへの通電方向を設定するようにしたときには、可動コイルと固定コイルの発生磁界の相互作用による電磁反発力を効率よく発生することができる。
【0090】
また、可動コイルを有した可動部に対して固定コイルを有した固定部を対向して配置し、通電方向設定手段はスイッチ部の開極時に電源から前記可動コイルと前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記各コイルへの通電方向を設定し、且つ、スイッチ部の閉極時に前記可動コイルと前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイル間に磁気吸引力が発生するように前記電源から前記各コイルへの通電方向を設定するようにしたときには、電磁駆動を高効率化できると共に、動作用コイルの数を削減し装置全体を小型化できる。
【0093】
また、固定部及び可動部に配置した磁性体を積層するように構成したときには、磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減でき、電磁駆動を高効率化できると共に、スイッチの高速動作を可能とし、開極用電源または閉極用電源を小容量にできる。
【0094】
また、固定部及び可動部に配置した磁性体を積層を模擬できる十分な深さの溝を磁性体表面に加工したときには、磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減でき、電磁駆動を高効率化できると共に、スイッチの高速動作を可能とし、かつ、磁性体の強度を保持できるようになり、開極用電源または閉極用電源を小容量にできる。
【0095】
また、固定部及び可動部に配置した磁性体上下面に内径側から外径側へのスリットと外径側から内径側へのスリットを交互に配置したときには、磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減でき、電磁駆動を高効率化できると共に、スイッチの高速動作を可能とし、かつ、磁性体の強度を保持できると共に、製作性が容易となり、開極用電源または閉極用電源を小容量にできる。
【0096】
また、この発明に係る開閉装置によれば、接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、前記可動電極と連動する可動軸と、この可動軸に固定された可動体と、この可動体と対向して設けられているとともに前記可動軸に対して摺動自在の固定体と、通電することで生じる電磁力で前記固定体と前記可動体とを接離させるコイルとを備え、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方の対向面には渦電流を抑制するスリットが形成されているので、電磁駆動を高速化でき開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
また、固定体の対向面に対して垂直方向に延びた固定体の側面には固定体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されているので、固定体の対向面の磁気飽和をスリットを構成する前の状態とほぼ同等に保てるため、可動体と固定体との間の電磁力を減少させることなく電磁駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0097】
また、対向面においてスリットが占める占有面積は20%以下であるときには、可動体と固定体の対向面の磁気飽和をスリットを構成する前の状態とほぼ同等に保てるため、可動体と固定体との間の電磁力を減少させることなく電磁駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0099】
また、可動体の対向面に対して垂直方向に延びた可動体の側面には可動体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されているときには、可動体の対向面の磁気飽和をスリットを構成する前の状態とほぼ同等に保てるため、可動体と固定体との間の電磁力を減少させることなく電磁駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0100】
また、可動体は断面I形状であるときには、製作が簡単であるとともに可動体の重量を軽くでき、初期駆動を高速化でき、開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0101】
また、可動体は断面E形状であるときには、可動体は固定体に対する対向面積が増大し、可動体と固定体との間の電磁力を増大できるため、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0102】
また、可動体は可動軸と一体の断面T形状であるときには、可動体の固定体に対する対向面積が増大し、可動体と固定体との間の電磁力を増大できるため、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0103】
また、固定体は断面E形状であるときには、固定体は可動体に対する対向面積が増大し、可動体と固定体との間の電磁力を増大できるため、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0104】
また、固定体は円筒形状であるときには、固定体の製作が容易となる。
【0105】
また、固定体は、中心部に可動軸が貫通した平板状の可動体の両面にそれぞれ設けられた第1の固定体及び第2の固定体から構成され、コイルは、前記第1の固定体の内側に設けられた第1の第1のコイル及び前記第2の固定体の内側に設けられた第2のコイルから構成されているときには、第1のコイル及び第2のコイルに通電することで、第1の固定体及び第2の固定体と、可動体との間で大きな電磁吸引力を得ることができ、電磁駆動を効率化・高速化でき開閉極動作の高速動作を確保し、開極用電源または閉極用電源を小容量・コンパクト化できる。
【0106】
また、可動軸と駆動体とは同一材料で一体形成されているときには、可動軸と駆動体とは簡単に、かつ低コストで製作される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による開閉装置の主要構成図を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による開閉装置全体の構成図を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態1で使用する図1における開極用コイル、閉極用コイル、可動コイルとそれらにパルス電流を供給する電源の結線の一例を示した図である。
【図4】 この発明の実施の形態1による効果の解析結果のうち電流の時間変化を示した図である。
【図5】 この発明の実施の形態1による効果の解析結果のうち電磁力の時間変化を示した図である。
【図6】 この発明の実施の形態2による開閉装置の主要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態3による開閉装置の主要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図8】 この発明の実施の形態5の開閉装置を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図9】 この発明の実施の形態5で使用する図8における固定コイルと可動コイルにパルス電流を供給する電源の結線の一例を示した図である。
【図10】 この発明の実施の形態6による開閉装置の主要構成を示し、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図11】 この発明の実施の形態7による開閉装置における磁性体の構造を示す図である。
【図12】 この発明の実施の形態8による開閉装置における磁性体の構造を示す図である。
【図13】 この発明の実施の形態9による開閉装置における磁性体の構造を示す図である。
【図14】 この発明の実施の形態10による開閉装置の要部構成図である。
【図15】 図14の可動体の斜視図である。
【図16】 図14の固定体の斜視図である。
【図17】 本願の発明者が過渡応答電磁界解析により求めた電磁吸引力の時間変化を示した図である。
【図18】 可動体及び固定体の対向面に占めるスリットの割合と、接点の開極時間との関係図である。
【図19】 可動体及び固定体の周側面のスリットの長さと、可動体と固定体との間の磁気吸引力との関係図である。
【図20】 この発明の実施の形態11による開閉装置の要部斜視図である。
【図21】 この発明の実施の形態12による開閉装置の要部斜視図である。
【図22】 この発明の実施の形態12の変形断面図である。
【図23】 この発明の実施の形態13による開閉装置の要部断面図である。
【図24】 第1の従来例の開閉装置の構成図で、同図(a)は閉極状態、同図(b)は開極状態を示す図である。
【図25】 第1の従来例の開閉装置に使用する設圧投入バネの荷重特性を示す図である。
【図26】 第2の従来例である開閉装置の要部断面図である。
【図27】 図26の固定体の斜視図である。
【図28】 図26の固定体の構成部材の断面図である。
【符号の説明】
1 スイッチ部、2 反発板、3 固定部、3a 開極用コイル(固定コイル)、3b 閉極用コイル(固定コイル)、4 可動軸、5 可動電極、6 固定電極、10 可動コイル、11a 開極用電力貯蔵器(電源)、11b 閉極用電力貯蔵器(電源)、12a 開極用放電スイッチ(通電方向設定手段)、12b閉極用放電スイッチ(通電方向設定手段)、13a,13b コイル間接続ダイオード(通電方向設定手段)、13c,13d コイル間接続スイッチ(通電方向設定手段)、13e,13f 切り替えスイッチ(通電方向設定手段)、14 可動部、15,15a,15b 磁性体、25,25a,25b 外側磁性体、35,35a,35b 磁性体、16 積層板、17 溝、18a,18bスリット、200,217,224 可動軸、201,212,215,223 可動体、202 空隙部、203,213,216 固定体、205 コイル、S1 対向面、S2 対向面、208,210,209,211,218,219,220,232,230,231 スリット、221 第1の固定体、222 第2の固定体、225 第1のコイル、226 第2のコイル。
Claims (18)
- 接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、
この可動電極と連動する可動軸と、
この可動軸に固定された磁性体及びこの磁性体の外側を囲った可動コイルを有する可動部と、
この可動部に対向して設けられ、前記可動軸に摺動自在の磁性体及びこの磁性体の外側を囲った固定コイルを有する固定部と
を備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっており、
また、前記可動コイル及び前記固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、
前記スイッチ部の開閉極時に前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている開閉装置。 - 可動コイルの外側を囲って磁性体が設けられており、固定コイルの外側を囲って磁性体が設けられている請求項1に記載の開閉装置。
- 接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、
この可動電極と連動する可動軸と、
この可動軸に固定され、可動コイル及びこの可動コイルを覆った磁性体を有する可動部と、
この可動部に対向して設けられ、固定コイル及びこの固定コイルを覆った磁性体を有する固定部と
を備え、前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すことで生じる可動コイルと固定コイルとの間に作用する電磁力で、前記可動部及び前記可動軸が移動して、前記固定電極及び前記可動電極が接離可能になっており、
また、前記可動コイル及び前記固定コイルに対して励磁電流を流す電源と、
前記スイッチ部の開閉極時に前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁界の相互作用を発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルに対する励磁電流の通電方向を設定する通電方向設定手段とを備えている開閉装置。 - 固定部は、可動部に対して軸線方向両側にそれぞれ対向配置された、磁性体及び固定コイルを有する第1固定部及び第2固定部を有し、
通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可動コイル及び第1固定部の固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第1固定部の固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように、前記電源から前記第1固定部の固定コイル及び前記可動コイルへの通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前記電源から前記可動コイル及び前記第2固定部の前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記第2固定部の前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記第2固定部の前記固定コイル及び前記可動コイルへの通電方向が設定されるようになっている請求項1ないし請求項3の何れかに記載の開閉装置。 - 固定部は可動部の軸線方向の一方の側にのみ対向配置され、
通電方向設定手段は、スイッチ部の開極時に電源から可動コイル及び固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気反発力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルへの通電方向が設定され、且つ前記スイッチ部の閉極時に前記可動コイル及び前記固定コイルに励磁電流を流すとき、前記可動コイルと前記固定コイルとの間に磁気吸引力が発生するように前記電源から前記可動コイル、固定コイルへの通電方向が設定されるようになっている請求項1ないし請求項3の何れかに記載の開閉装置。 - 磁性体は複数の積層板を重ねた積層構造である請求項1ないし請求項
5の何れかに記載の開閉装置。 - 固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体表面に磁性体に発生する誘導電流による弱め磁界を削減するだけの深さの溝が形成されている請求項1ないし請求項5の何れかに記載の開閉装置。
- 固定部及び可動部にそれぞれ設けられた磁性体は上下面に内径側から外径側へのスリットと外径側から内径側へのスリットを交互に配置した請求項1ないし請求項5の何れかに記載の開閉装置。
- 接離自在な固定電極及び可動電極から構成されたスイッチ部と、
前記可動電極と連動する可動軸と、
この可動軸に固定された可動体と、
この可動体と対向して設けられているとともに前記可動軸に対して摺動自在の固定体と、
通電することで生じる電磁力で前記固定体と前記可動体とを接離させるコイルとを備え、
前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方の対向面には渦電流を抑制するスリットが形成されており、
前記固定体の対向面に対して垂直方向に延びた固定体の側面には固定体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されている開閉装置。 - 対向面においてスリットが占める占有面積は20%以下である請求項9に記載の開閉装置。
- 可動体の対向面に対して垂直方向に延びた可動体の側面には可動体の全長に対して1/2〜1/4の長さまで軸線方向に延びたスリットが形成されている請求項9または請求項10に記載の開閉装置。
- 可動体は断面I形状である請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 可動体は断面E形状である請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 可動体は可動軸と一体の断面T形状である請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 固定体は断面E形状である請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 固定体は円筒形状である請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 固定体は、中心部に可動軸が貫通した平板状の可動体の両面にそれぞれ設けられた第1の固定体及び第2の固定体から構成され、コイルは、前記第1の固定体の内側に設けられた第1の第1のコイル及び前記第2の固定体の内側に設けられた第2のコイルから構成された請求項9ないし請求項11の何れかに記載の開閉装置。
- 可動軸と可動体とは同一材料で一体形成されている請求項9ないし請求項17の何れかに記載の開閉装置。
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