JP4031197B2 - 電磁型アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチオフ状態に対応する第１の位置とスイッチオンに対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッドと、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッドに取付けられたコアと、このコアと相互作用するスイッチオンコイルと、磁化可能な材料で構成され、コアの方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッドの変位方向に垂直に延在するコアの表面から空隙距離を有して位置され、前記第２の位置においては前記コアの表面に可能な限り接近している磁極片と、磁化可能な材料で構成され、磁極片とコアとを通るスイッチオンコイルの磁束回路を閉じるためのヨークと、第１の位置に前記コンタクト付勢ロッドを維持するための永久磁石装置と、第２の位置において第１の位置の方向にコンタクト付勢ロッドに予め偏倚力を与えるスプリングとを具備しているスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にコンタクトを移動する電磁型アクチュエータスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアクチュエータは英国特許出願ＧＡ- Ａ2,289,374 号明細書に記載されている。
電磁型アクチュエータに対して重要であり、中程度の電圧分配ネットワークで使用する真空スイッチのスイッチングの安全性とサービス寿命を取り扱う場合に次のような多くの最初に考慮すべき事項がある。：
１．スイッチオンは、フラッシュオーバーの結果のコンタクト表面の焼損による損傷が制限されるように迅速に行われる。
２．スイッチオン状態の保持は十分に高い接触圧力によって達成される。その理由は、そうでなければ過剰の接触抵抗によってコンタクト間に損失を生じてそれらコンタクトを互いに溶着させるからである。これは主として高い短絡電流下で生じる。
３．コンタクトの開放は、溶接される可能性のあるコンタクトを開路するために高いインパルスレベルで行うぺきである。
４．コンタクトの開放はまた高速度で行うぺきである。それは生成されたアークの結果としてコンタクト表面が焼損する量を制限するためである。
５．駆動機構の動作の信頼性のために、部品の数はできるだけ少なく保つことが必要である。スイッチの故障は一般的に故障した駆動機構によるものが多いからである。
６．利用可能なスイッチング容量を最大に使用できるようにするために、時には電流または電圧曲線の特定の瞬間にスイッチをオフにすることが望まれる。３相システムでは、このスイッチングの瞬間は各相に対して異なっており、スイッチングパターンもまた条件によってそれぞれの時間で変化する可能性がある。
【０００３】
従来、最初の５つの点はスプリング中に蓄積されたエネルギに基づいて動作される機械的システムによって満足されている。これらのシステムはまた一定の遅延時間が得られることを可能にしている。それにもかかわらず、これらの駆動装置はしばしば故障する。
【０００４】
上述の英国特許出願明細書は１組の永久磁石と、コイルと、スプリングとを有して動作する２安定アクチュエータに関する。電流がコイルに供給されると直ちに、コンタクトは閉成状態、すなわちスイッチオン状態に移動する。電流により発生されたコイルの磁界は永久磁石の磁界と同じ方向を向いている。全体の磁力は容易な励磁を行わせ、コンタクトをスイッチオン状態に移動させるために僅かな電流しか必要ない。スイッチオン状態において、スプリングが圧縮され、付勢ロッドは永久磁石によって位置を保持される。永久磁石の磁界はスプリングの力よりも大きい力をスプリング力と反対方向に付勢ロッドに与える。コンタクトのスイッチオン状態に到達すると直ちにコイルを流れる電流は遮断される。
【０００５】
コンタクトを開放、すなわちスイッチオフ状態に移動するために、パルス電流がコイルに供給され、永久磁石の磁界と反対方向の磁界を発生させる。永久磁石の磁界により発生された付勢ロッドに作用する力はしたがって部分的に消去される。そのため付勢ロッドは一方ではスイッチオフ状態に対応する位置にスプリング中に蓄えられたエネルギによって加圧され、他方では永久磁石により発生された残留力によってさらにある程度スローダウンする。
【０００６】
それ故、この既知のアクチュエータはスイッチオフが迅速でなければならない本発明者によって必要とされる要求を満足させない。これは、これらのコンタクトをスイッチオフ状態に移動するとき、磁束がコンタクトのスイッチオン状態においてあまりにもゆっくりと減少することによって影響される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
アクチュエータのスイッチオン時間は、スイッチオンコイルの励磁の開始からアクチュエータによって付勢されたコンタクトが互いに接触する点までの時間として定義される。高電力のスイッチングに適したコンタクト付勢用アクチュエータの場合には、スイッチオン時間は非常に大きく、しかも再現可能ではない。アクチュエータのスイッチオンコイルの高い自己インダクタンスのために、電流は最大の到達レベルまでゆっくりと上昇する。もしも、この電流の成長中にアクチュエータの張力がスイッチオフ状態において発生する対抗力（とくに摩擦、スイッチオフスプリング、温度等の結果として）に打勝つような十分な大きさであるならば、アクチュエータの可動部分、すなわちコンタクト付勢ロッドは運動を開始する。これが生じる瞬間は、特に電流強度と摩擦の許容誤差に依存している。スイッチオン時間、すなわち電流がスイッチオンされる時からコンタクトが実際に閉じるまでの時間は予測することが困難であり、それ故スイッチオン時間は変化し再現性がない。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題を避けることができ、特に真空スイッチが制御された時間でオンオフの切替えができ、非常に迅速に切替えることが可能であり、制御された瞬間にスイッチがオンに切替えられ、必要ならば真空スイッチを２安定状態に保持する前述の形式のアクチュエータを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は本発明の第１の特徴によって達成される。本発明においては、スイッチオフコイルが設けられ、それは第２の位置から第１の位置へコンタクト付勢ロッドを移動させるために、少なくとも一時的に永久磁石装置の磁界を消去するために励磁され、永久磁石装置の磁束回路はスイッチオンコイルの磁束回路から分離されることを特徴とする。
【００１０】
永久磁石の磁気回路とスイッチオンコイルの磁気回路とが分離されているため、
永久磁石の磁束路を短くすることができ、そのため磁石が小さくなり、その結果としてアクチュエータの大きさを小さくすることができる。永久磁石が小さいためにそれらの影響はスイッチオフしたとき少ない時間で終了し、そのため高いスイッチオフ速度を得ることができる。さらに、前記磁束路の分離はスイッチオンコイルの最適の利用を可能にする。さらに、本発明のアクチュエータでは高い保持パワーがスイッチオン状態において達成される。
【００１１】
国際特許出願ＷＯ95/07542号明細書には２安定電磁型アクチュエータが記載されており、それにおいては、永久磁石、可動コアおよび２個のコイルが使用されている。このアクチュエータもまたコイルからの磁界に対して空隙として作用する永久磁石を介して磁束が常に閉じられる欠点がある。その結果、この既知のアクチュエータは十分に効率的ではない。
本発明の第１の特徴のさらに改良された実施形態は従属する請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば、本発明は、スイッチオフに対応する第１の位置とスイッチオンに対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッドと、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッドに取付けられたコアと、このコアと相互作用するスイッチオンコイルと、磁化可能な材料で構成され、コアの方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッドの変位方向に垂直に延在するコアの表面から空隙距離を有して位置され前記第２の位置においては前記コアの表面に可能な限り接近している磁極片と、磁化可能な材料で構成され、磁極片とコアとを通るスイッチオンコイルの磁束回路を閉じるためのヨークとを具備しているスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にコンタクトを移動する電磁型アクチュエータにおいて、コンタクト付勢ロッドに作用するロック装置が設けられ、コンタクト付勢ロッドが第１の位置をとるときロックされた状態に移動し、スイッチオンコイルに電流が供給された瞬間後の予め定められた期間後にロックを解除され、その期間は、コンタクト付勢ロッドの第１の位置において生じる反対方向の力を克服するために必要なコンタクト付勢ロッド上の力の成長時間よりも長いことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、運動部分、特に、第１の位置におけるアクチュエータのコンタクト付勢ロッドのロックに基づいており、その結果、ロック装置がロックされないときこの電流の強度は、運動を開始し始める可動部分に対して十分であるまで存在しているスイッチオンコイル中で成長する。運動が開始される瞬間がスイッチオンコイル中の電流強度ではなく、ロック装置のロックされないことによって決定される。
本発明のその他の特徴および実施形態は請求項１１以下に記載されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を添付図面を参照にして以下詳細に説明する。
図に示されている本発明によるアクチュエータの実施形態は、閉路、すなわちスイッチオン状態（図４参照）と、開放、すなわちスイッチオフ状態（図２参照）にコンタクト2 を移動することができるコンタクト付勢ロッド1 を備えている。
この目的でコンタクト付勢ロッド1 は縦方向に変位可能に設置され、したがって、
コンタクト2 のスイッチオフ状態に対応する第１の位置と、コンタクト2 のスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で移動することができる。この実施形態において、コンタクト2 はいわゆる“真空ボトル”中に設けられている。
【００１５】
さらに、コンタクト圧縮スプリング3 がアクチュエータ中に設けられており、そのスプリング3 はコンタクト2 のスイッチオン状態（図４参照）においては圧縮され、したがって、所望の接触圧力を得るためにコンタクト2 のコンタクト部片を互いに圧接する。さらに、このコンタクト圧縮スプリング3 はコンタクト2のこのスイッチオン状態において第１の位置の方向に付勢ロッド1 を予め偏倚している。
【００１６】
１組のスイッチオンコイル5 と相互作用するコア4 はコンタクト付勢ロッド1に取付けられている。これらのコイル5 はコア4 および磁極片6 を囲んでいる。コア4 および磁極片6 は磁化可能な材料で構成されている。第１の位置において、
すなわち図１に示されたコンタクト2 のスイッチオフ状態において、互いに対面しているコア4 および磁極片6 の表面はそれらの間に空隙距離ｄ1 を有している。
アクチュエータがスイッチオフ状態から移動されるとき、図１に示されているコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置からスイッチオン状態に移動されて、図３に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置にされるとき、１組のコイル5 は短時間付勢され、その結果、コイル4 と磁極片6 の対向する表面が互いにできるだけ接近するようにコア4 は磁極片6 の方向に移動される。その結果、予め偏倚されていたスプリング3 は図４に示されるようにさらに加圧される。
【００１７】
エネルギ効率についての考察によって短い励磁期間が選択されるようになるから、付勢ロッドはコンタクト圧縮スプリング3 の力に対抗する第２の位置に保持されなければならない。このために永久磁石装置が設けられ、それはこの実施形態では永久磁石7 を含んでいる。これらの永久磁石の南北方向はコンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向である。これらの永久磁石7 はアーマチュア8 と作用し、このアーマチュア8 はこの実施形態では磁化可能な材料で構成され、コンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向に延在する２個のアーマチュア素子9 を備えている。図３に示されるようにコンタクト付勢ロッド1 はスイッチオン状態で、図３に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置に永久磁石7 とアーマチュア素子9 との間の吸引力により保持されている。図３において関連した磁束回路IIは実線により概略的に示され、図を簡単にするために右側の永久磁石7 に対してのみ示されている。コイル5 の磁束回路は実線Ｉで右側に対してのみ示されている。以下説明するヨーク部分は磁束回路ＩおよびIIが閉じることを確実にしている。
【００１８】
スイッチオンコイル5 および永久磁石7 の磁束回路ＩおよびIIがそれぞれ互いに完全に分離されていることは明らかである。
永久磁石は、その吸引力が０．５mm以下の小さい空隙であっても無視できるように小さくなるような構成である。その結果、それらはアクチュエータのスイッチオフ運動に影響を与えない。
【００１９】
既知のアクチュエータとは対照的に、使用されることが好ましい実施形態の本発明によるアクチュエータの保持システムは、永久磁石7 と、アーマチュア素子9 とを備え、永久磁石の磁束が実効的に空隙を２度横切る（磁束回路II参照）ように形成されている。その結果、２倍の高い保持力が得られる。スイッチオフのとき、保持パワー自体はスイッチオフ運動を妨害してスイッチオフを遅らせる悪影響を有する。しかしながら、この設計では、二重の空隙を有することによってスイッチオフのとき永久磁石がアーマチュアに作用する力は空隙が大きくなるにしたがって非常に急速に小さくなり、その結果として悪影響は非常に急速に消滅する。
【００２０】
スイッチオンコイル5 の磁束回路Ｉはコア4 、磁極片6 およびヨーク部分10を通って形成される。
永久磁石装置はまた磁束案内素子11, 12を設けられ、それらは磁束をアーマチュア素子9 の方向に導きそれを通過させる。
ヨーク部分10および磁束案内素子11, 12は空隙ｄ1 およびｄ2 間の調整の必要がなくなるように単一体として構成されることが好ましい。
【００２１】
さらに、コア4 およびアーマチュア素子9 は単一体として構成され、コア4 およびアーマチュア素子9 は接続部材13によって連結される。この接続部材13はコア4 およびアーマチュア素子9 よりも小さい横断寸法を有していることが好ましい。
アクチュエータはスイッチオフコイル14によりスイッチオフされ、このスイッチオフコイル14は励磁により生成される磁界が永久磁石の磁界と反対であるように配置にされる。パルス形態の励磁はすでに十分である。スイッチオフエネルギはコンタクト圧縮スプリング3 の解放されることによって与えられ、適当であれば付加的なスイッチオフスプリングによって与えられることもできる。
【００２２】
図示された実施形態では、シャント15が設けられ、それによって保持システムの保持力およびスイッチオフトリップコイルの感度が影響される（磁束路III 参照）。既存のアクチュエータはまた過度に長いスイッチオフ作用を有することに注意する必要がある。これは磁気回路の効率的な使用、適当な空隙および分散磁束、永久磁石の使用、および制御コイルの数の妥協の結果である。これらの欠点は本発明では軽減される。本発明の電磁型２安定アクチュエータの利点は次のようなものである。
１．スイッチオン状態における高い保持パワー
２．高いスイッチオフ速度
３．磁気回路を分離するための永久磁石の最適な使用および永久磁石磁気回路に対する二重空隙の使用。
【００２３】
本発明の第２の特徴を以下図５乃至８に示される２安定アクチュエータに基づいて説明する。本発明は任意のタイプのアクチュエータにおいて使用できることに注意すべきである。
図示された本発明によるアクチュエータの実施形態は、コンタクト2 を閉成、すなわちスイッチオン状態（図８）および開放、すなわちスイッチオフ状態（図６）に移動することのできるコンタクト付勢ロッド1 を具備している。このために、コンタクト付勢ロッドは縦方向に変位可能に設置され、コンタクト2 のスイッチオフ状態に対応する第１の位置と、コンタクト2 のスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で移動することができる。この実施形態ではコンタクト2はいわゆる真空ボトル中に設けられている。
【００２４】
さらに、圧縮スプリング3 がアクチュエータ中に設けられ、そのスプリング3はコンタクト2 のスイッチオン状態において（図８参照）圧縮され、したがって、
所望の接触圧力を得るためにコンタクト2 の接触片を互いに圧接する。さらに、コンタクト2 のスイッチオン状態においてこのコンタクト圧縮スプリング3 は第１の位置の方向に付勢ロッド1 に予め加圧している。
【００２５】
１組のスイッチオンコイル5 と相互作用するコア4 はコンタクト付勢ロッド1に取付けられている。これらのコイル5 はコア4 および磁極片6 を囲んでいる。コア4 および磁極片6 は磁化可能な材料で構成されている。第１の位置において、
すなわち図５に示されたコンタクト2 のスイッチオフ状態において、互いに対面しているコア4 および磁極片6 の表面はそれらの間に空隙距離ｄ1 を有している。
アクチュエータがスイッチオフ状態から移動されるとき、図５に示されているコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置からスイッチオン状態に移動されて、図７に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置にされるとき、１組のコイル5 は短時間付勢され、コア4 と磁極片6 の対向する表面が互いにできるだけ接近するようにコア4 は磁極片6 の方向に移動される。その結果、予め偏倚されて圧力を与えられていたスプリング3 は図８に示されるようにさらに加圧される。
【００２６】
エネルギ効率についての考察によって短い励磁期間が選択されるようになるから、付勢ロッドはコンタクト圧縮スプリング3 の力に対抗する第２の位置に保持されなければならない。このために永久磁石装置7 が設けられ、それは示された実施形態では永久磁石7 を含んでいる。これらの永久磁石の南北方向は付勢ロッド1 の軸を横断する方向である。これらの永久磁石7 はアーマチュア8 と作用し、
このアーマチュア8 はこの実施形態では磁化可能な材料で構成され、コンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向に延在する２個のアーマチュア素子9 を備えている。図７に示されるように、コンタクト付勢ロッド1 はスイッチオン状態で、図７に示される付勢ロッド1 の第２の位置に永久磁石7 とアーマチュア素子9 との間の吸引により保持されている。図７において関連した磁束回路IIは実線により概略的に示され、図を明瞭にするために右側の永久磁石7 に対してのみ示されている。コイル5 の磁束回路は線Ｉで右側に対してのみ示されている。以下説明するヨーク部分10は磁束回路ＩおよびIIが閉じることを確実にしている。
【００２７】
スイッチオンコイル5 および永久磁石7 の磁束回路ＩおよびIIがそれぞれ互いに完全に分離されていることは明らかである。
永久磁石は、空隙が０．５mmより小さい場合であってもそれらの吸引力が空隙によって無視できるように減少されるように構成されている。その結果、それらはアクチュエータのスイッチオフ運動に影響を与えない。
【００２８】
既知のアクチュエータとは対照的に、使用されることが好ましい実施形態の本発明によるアクチュエータの保持システムは、永久磁石7 と、アーマチュア素子9 とを備え、永久磁石の磁束が実効的に空隙を２度横切る（磁束回路II参照）ように形成されている。その結果、２倍の高い保持力が得られる。スイッチオフのとき、保持パワー自体はスイッチオフ運動を妨害してスイッチオフ運動を遅らせる悪影響を有する。しかしながら、この設計では、二重の空隙が設けられているためスイッチオフのとき永久磁石がアーマチュアに作用する力は空隙が大きくなるにしたがって非常に急速に小さくなり、そのため永久磁石による保持の悪影響は非常に急速に消滅する。
【００２９】
スイッチオンコイル5 の磁束回路Ｉはコア4 、磁極片6 およびヨーク部分10を通って形成される。
永久磁石装置はまた磁束案内素子11, 12を設けられ、それらは磁束をアーマチュア素子9 の方向に導きそれを通過させる。
空隙ｄ1 およびｄ2 間の調整の必要がなくなるようにヨーク部分10および磁束案内素子11, 12は単一体として構成されることが好ましい。
【００３０】
さらに、コア4 およびアーマチュア素子9 は単一体として構成され、コア4 およびアーマチュア素子9 は接続部材13によって連結される。この接続部材13はコア4 およびアーマチュア素子9 よりも小さい横断寸法を有していることが好ましい。
アクチュエータはスイッチオフコイル14によりスイッチオフされ、このスイッチオフコイル14は励磁により生成される磁界が永久磁石の磁界と反対であるように配置にされる。パルス形態の励磁はすでに十分である。スイッチオフエネルギはコンタクト圧縮スプリング3 が解放されることによって与えられ、必要であれば付加的なスイッチオフスプリングによって与えられることもできる。
【００３１】
図９には既知のアクチュエータのスイッチオン電流Ｉが縦軸で示され、時間ｔか横軸で示されている。
時間ｔ0 において、電圧がスイッチオンコイルの端子に接続され、スイッチオンコイルを流れるスイッチオン電流は実線によって示されるようにゆっくりと上昇し、時間ｔ1 においてレベルＩ1 に達する。このレベルはアクチュエータのスイッチオフ状態においてこのアクチュエータをスイッチオン状態に移動させるために打勝つべき対抗力に関連している。時間ｔ1 において、アクチュエータにより付勢されたコンタクトのスイッチオン運動が開始し、時間ｔ2 においてコンタクトを互いに接触させる。時間ｔ2 以後、スイッチオン電流Ｉは再び上昇を開始し、最大レベルまで上昇する。対抗力は、特に摩擦力、そのスイッチオフスプリングのような要因に依存しており、それらの要因は特に温度の影響下で変化を生じ易い。
【００３２】
上記の影響はスイッチオン電流のレベルＩ2 に対応する対抗力に対して上昇を与える。もしも、電圧が時間ｔ0 においてスイッチオンコイルに供給されるならば、スイッチング電流は図に実線で示されたように再び上昇し、鎖線で示されるようにさらに上昇する。時間ｔ3 においてレベルＩ2 に到達し、その後アクチュエータのスイッチオン運動が開始する。時間ｔ5 においてアクチュエータによって付勢されるべきコンタクトは互いに接触する。電流Ｉ1 に関係するスイッチオン時間はそれ故ｔ2 −ｔ0 に等しく、一方レベルＩ2 の場合にはスイッチオン時間はｔ5 −ｔ0 に等し、そのためスイッチオン時間は変化し、再現可能ではない。
さらに、スイッチオン電流と関係する電圧も変化し、そのため低い電圧では、例えばスイッチオン電流Ｉは破線で示された曲線で変化する。このグラフから認められるように、しきい値レベルＩ1 において、アクチュエータは時間ｔ4 においてスイッチオン運動を開始し、一方、しきい値レベルＩ2 におけるスイッチオン運動は時間ｔ6 において開始される。それ故アクチュエータのスイッチオン時間はまたスイッチオン電圧に可成の程度依存している。
【００３３】
しきい値レベルおよび、またはアクチュエータのスイッチオンに対する供給電圧の小さい変動下におけるスイッチオン時間の比較的高い変動は、コンタクト付勢ロッド1 に作用するロック装置16が使用されることによって本発明により減少させることができる。このロック装置16はコンタクト付勢ロッド1 がアクチュエータのスイッチオフ状態に対応する第１の位置をとるときロックされた状態に移動する。スイッチオン電圧または電流がスイッチオンされたとき、ロック装置16はスイッチオン電流がスイッチオンされた瞬間から予め定められた期間が経過するまでロックされた状態に保持される。この期間はコンタクト付勢ロッド1 に作用する力の成長時間よりも大きく、それはコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置において発生する対抗力に打勝つために必要とされる。換言すると、たとえばこの期間はｔ6 −ｔ0 よりも大きく、時間ｔ6 は相互に補強しあう影響の累積効果の下で予想される最大時間である。
【００３４】
この期間はスイッチオン電流の関数として設定され、コンタクト付勢ロッド1の第１の位置において発生する対抗力に打勝つために必要とされるレベルよりも高いレベルにスイッチオンコイルを流れる電流が到達するとき消滅することが好ましい。スイッチオン運動の開始はそれ故スイッチオフ状態におけるアクチュエータの可変対抗力とは無関係である。別の実施形態では、この期間はｔ6 −ｔ0 よりも大きい独立した固定された期間を有する。ここで、ｔ＞ｔ0 ではＩは大きく、それ故、力は大きい。ロックのない状態と比較して小さいスイッチオンコイルで十分である。その理由はスイッチオンコイルがさらに良好に利用されるからである。
【００３５】
ロックされないときのスイッチオン特性が図９の曲線の右側の部分に示されており、ロックされないパルスは時間ｔ10において放出され、時間ｔ11−ｔ10はスイッチオンのロックのない応答時間である。
【００３６】
この応答時間はロックされないアクチュエータの場合の応答時間よりも遥かに小さく、しかも、再現性がある。スイッチングの瞬間ｔ12およびｔ12' は許容誤差の結果として変化するスイッチオンコイル電流に関係し、ロックされないスイッチングの瞬間を示しているｔ2 およびｔ5 よりもずっと近接している。
【００３７】
図５および６はロック装置16の電磁型の構成を示し、一方図７および８はロック装置16の機械的の構成を示している。
【００３８】
図５および６に示されているロック装置16は永久磁石17を備え、それは斜線の区域で示されているアクチュエータを固定した位置に配置されている。図５および６に示されているスイッチオフ位置において、アーマチュア素子9 は磁極プレート18で支持され、それ故、スイッチオフ状態において、永久磁石の磁気回路は磁極プレート18およびアーマチュア素子9 を横切って閉じている。その結果、アーマチュア素子9 は関連するコア4 およびコンタクト付勢ロッド1 と同様にその位置に保持される。ロック装置16はさらに巻線20を有するコイル19が設けられており、コイルのコアは磁極プレート18で支持されている。
【００３９】
電流がスイッチオンコイル5 に供給されるとき、アクチュエータは図５および６に示されたスイッチオフ状態に保持されており、それ故、コンタクト付勢ロッド1 はその第１の位置に保持され、前記付勢ロッド1 によって付勢されたコンタクトは他がいに分離されて保持されている。電流がスイッチオンされた後、スイッチオンコイル5 中の電流は成長、すなわち増加する。アクチュエータは対抗力が成長しても、スイッチオン電流のスイッチオン時間に続く予め選択された期間後に電流がコイル19の巻線20に供給されその電流が永久磁石17の磁界が消去されるような大きさおよび方向を有するようになるまでスイッチオフ状態を保持する。
それから、スイッチオンコイル5 に対するスイッチオン電流の作用によって、コンタクト付勢ロッド1 はコンタクト2 が閉じるスイッチオン状態に移動することができる。閉じたコンタクト2 を有するアクチュエータのスイッチオン状態は図７および８に示されているが、しかしながらこれらの図は機械的ロック装置を有するアクチュエータを示している。
【００４０】
期間は、アクチュエータの運動部分が運動を開始するアクチュエータの張力の成長時間よりも長くなるように選択される。期間の長さはスイッチオン電流から導出されても固定された値であってもよい。
【００４１】
図７および８に示された機械的ロック装置16は２つのロック素子を備え、それはコンタクト付勢ロッドの第１の位置で互いに結合してコンタクト付勢ロッドをこの位置に固定して保持する。図７および８に示された実施形態において、アーマチュア素子9 に固定されたキャッチ21によって１つのロック素子が形成されている。その場合に、他方のロック素子はピン23を中心に回動するグリップキャッチ22の形態である。このグリップキャッチ22は図示の位置で圧縮スプリング24によって予め圧力を与えられている。グリップキャッチ22の位置は制御装置によって変化されることができ、その制御装置はこの場合に、通常の低電力の電磁型アクチュエータであってもよい概略的に図に示された補助アクチュエータ25によって形成されている。
【００４２】
アクチュエータがスイッチオフコイル4 に電流を供給することによってスイッチオフ状態に移動されるとき、キャッチ21およびグリップキャッチ22は特にそれらキャッチのフック形状の自由端によって互いに結合される。それからアクチュエータにおける切替えのために電流がスイッチオンコイル5 に供給される場合、キャッチ21および22間の結合は、グリップキャッチ22が右に回転してそれによってキャッチ21がグリップキャッチ22から解除されることができるように電圧または電流が補助アクチュエータ25に供給されるまで保持される。このロック装置16の機械的設計はまた、コンタクト付勢ロッド1 の第１の位置で生じる対抗力に打ち勝つために必要とされるコンタクト付勢ロッド上の力の成長時間よりも大きい期間が経過するまでアクチュエータのスイッチオフ状態を維持する
この場合にもまた、期間はスイッチオンコイルに供給される電流から導出されることが可能であり、或いは独立の固定した値であってもよい。
【００４３】
補助アクチュエータ25またはコイル19の巻線20に対する制御電流は比較器（図示せず）によって導出されることができ、スイッチオン電流は比較器の一方の入力に供給され、基準電流はその他方の入力に供給され、その基準電流はコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置における対抗力に打ち勝つために必要なレベルよりも大きい。補助アクチュエータ25またはコイル19の巻線20に対する制御電流は比較器の出力から、必要に応じて増幅および処理した後、供給される。
【００４４】
固定した時間の期間を有する実施形態において、固定された予め定められた期間を有する時間スイッチ（図示せず）が使用され、その長さは上述の考察にしたがって選択されることができる。アクチュエータのスイッチオンコイルに対するスイッチオン電流がスイッチオンされるとき、時間スイッチが付勢され、期間の終りはスイッチオン電流がその最大レベルに到達した瞬間よりも後に位置させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 関連するコンタクトのスイッチオフ状態における本発明によるアクチュエータの付勢ロッドの軸に沿った断面図。
【図２】 前記状態にこのアクチュエータの側面図。
【図３】 スイッチオン状態におけるアクチュエータの断面図。
【図４】 図３に示したアクチュエータの側面図。
【図５】 関連するコンタクトのスイッチオフ状態における電磁型ロック装置を有する本発明によるアクチュエータの１実施形態の付勢ロッドの軸に沿った断面図。
【図６】 前記状態における図５に示されたアクチュエータの側面図。
【図７】 スイッチオン状態における機械的ロック装置を有する本発明によるアクチュエータの別の実施形態の断面図。
【図８】 図７に示したアクチュエータの側面図。
【図９】 時間の関数として既知のアクチュエータと本発明によるアクチュエータのスイッチオン電流のグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチオフ状態に対応する第１の位置とスイッチオンに対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッドと、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッドに取付けられたコアと、このコアと相互作用するスイッチオンコイルと、磁化可能な材料で構成され、コアの方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッドの変位方向に垂直に延在するコアの表面から空隙距離を有して位置され、前記第２の位置においては前記コアの表面に可能な限り接近している磁極片と、磁化可能な材料で構成され、磁極片とコアとを通るスイッチオンコイルの磁束回路を閉じるためのヨークと、第１の位置に前記コンタクト付勢ロッドを維持するための永久磁石装置と、第２の位置において第１の位置の方向にコンタクト付勢ロッドに予め偏倚力を与えるスプリングとを具備しているスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にコンタクトを移動する電磁型アクチュエータスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアクチュエータは英国特許出願ＧＡ- Ａ2,289,374 号明細書に記載されている。
電磁型アクチュエータに対して重要であり、中程度の電圧分配ネットワークで使用する真空スイッチのスイッチングの安全性とサービス寿命を取り扱う場合に次のような多くの最初に考慮すべき事項がある。：
１．スイッチオンは、フラッシュオーバーの結果のコンタクト表面の焼損による損傷が制限されるように迅速に行われる。
２．スイッチオン状態の保持は十分に高い接触圧力によって達成される。その理由は、そうでなければ過剰の接触抵抗によってコンタクト間に損失を生じてそれらコンタクトを互いに溶着させるからである。これは主として高い短絡電流下で生じる。
３．コンタクトの開放は、溶接される可能性のあるコンタクトを開路するために高いインパルスレベルで行うぺきである。
４．コンタクトの開放はまた高速度で行うぺきである。それは生成されたアークの結果としてコンタクト表面が焼損する量を制限するためである。
５．駆動機構の動作の信頼性のために、部品の数はできるだけ少なく保つことが必要である。スイッチの故障は一般的に故障した駆動機構によるものが多いからである。
６．利用可能なスイッチング容量を最大に使用できるようにするために、時には電流または電圧曲線の特定の瞬間にスイッチをオフにすることが望まれる。３相システムでは、このスイッチングの瞬間は各相に対して異なっており、スイッチングパターンもまた条件によってそれぞれの時間で変化する可能性がある。
【０００３】
従来、最初の５つの点はスプリング中に蓄積されたエネルギに基づいて動作される機械的システムによって満足されている。これらのシステムはまた一定の遅延時間が得られることを可能にしている。それにもかかわらず、これらの駆動装置はしばしば故障する。
【０００４】
上述の英国特許出願明細書は１組の永久磁石と、コイルと、スプリングとを有して動作する２安定アクチュエータに関する。電流がコイルに供給されると直ちに、コンタクトは閉成状態、すなわちスイッチオン状態に移動する。電流により発生されたコイルの磁界は永久磁石の磁界と同じ方向を向いている。全体の磁力は容易な励磁を行わせ、コンタクトをスイッチオン状態に移動させるために僅かな電流しか必要ない。スイッチオン状態において、スプリングが圧縮され、付勢ロッドは永久磁石によって位置を保持される。永久磁石の磁界はスプリングの力よりも大きい力をスプリング力と反対方向に付勢ロッドに与える。コンタクトのスイッチオン状態に到達すると直ちにコイルを流れる電流は遮断される。
【０００５】
コンタクトを開放、すなわちスイッチオフ状態に移動するために、パルス電流がコイルに供給され、永久磁石の磁界と反対方向の磁界を発生させる。永久磁石の磁界により発生された付勢ロッドに作用する力はしたがって部分的に消去される。そのため付勢ロッドは一方ではスイッチオフ状態に対応する位置にスプリング中に蓄えられたエネルギによって加圧され、他方では永久磁石により発生された残留力によってさらにある程度スローダウンする。
【０００６】
それ故、この既知のアクチュエータはスイッチオフが迅速でなければならない本発明者によって必要とされる要求を満足させない。これは、これらのコンタクトをスイッチオフ状態に移動するとき、磁束がコンタクトのスイッチオン状態においてあまりにもゆっくりと減少することによって影響される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
アクチュエータのスイッチオン時間は、スイッチオンコイルの励磁の開始からアクチュエータによって付勢されたコンタクトが互いに接触する点までの時間として定義される。高電力のスイッチングに適したコンタクト付勢用アクチュエータの場合には、スイッチオン時間は非常に大きく、しかも再現可能ではない。アクチュエータのスイッチオンコイルの高い自己インダクタンスのために、電流は最大の到達レベルまでゆっくりと上昇する。もしも、この電流の成長中にアクチュエータの張力がスイッチオフ状態において発生する対抗力（とくに摩擦、スイッチオフスプリング、温度等の結果として）に打勝つような十分な大きさであるならば、アクチュエータの可動部分、すなわちコンタクト付勢ロッドは運動を開始する。これが生じる瞬間は、特に電流強度と摩擦の許容誤差に依存している。スイッチオン時間、すなわち電流がスイッチオンされる時からコンタクトが実際に閉じるまでの時間は予測することが困難であり、それ故スイッチオン時間は変化し再現性がない。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題を避けることができ、特に真空スイッチが制御された時間でオンオフの切替えができ、非常に迅速に切替えることが可能であり、制御された瞬間にスイッチがオンに切替えられ、必要ならば真空スイッチを２安定状態に保持する前述の形式のアクチュエータを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は本発明の第１の特徴によって達成される。本発明においては、スイッチオフコイルが設けられ、それは第２の位置から第１の位置へコンタクト付勢ロッドを移動させるために、少なくとも一時的に永久磁石装置の磁界を消去するために励磁され、永久磁石装置の磁束回路はスイッチオンコイルの磁束回路から分離されることを特徴とする。
【００１０】
永久磁石の磁気回路とスイッチオンコイルの磁気回路とが分離されているため、
永久磁石の磁束路を短くすることができ、そのため磁石が小さくなり、その結果としてアクチュエータの大きさを小さくすることができる。永久磁石が小さいためにそれらの影響はスイッチオフしたとき少ない時間で終了し、そのため高いスイッチオフ速度を得ることができる。さらに、前記磁束路の分離はスイッチオンコイルの最適の利用を可能にする。さらに、本発明のアクチュエータでは高い保持パワーがスイッチオン状態において達成される。
【００１１】
国際特許出願ＷＯ95/07542号明細書には２安定電磁型アクチュエータが記載されており、それにおいては、永久磁石、可動コアおよび２個のコイルが使用されている。このアクチュエータもまたコイルからの磁界に対して空隙として作用する永久磁石を介して磁束が常に閉じられる欠点がある。その結果、この既知のアクチュエータは十分に効率的ではない。
本発明の第１の特徴のさらに改良された実施形態は従属する請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば、本発明は、スイッチオフに対応する第１の位置とスイッチオンに対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッドと、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッドに取付けられたコアと、このコアと相互作用するスイッチオンコイルと、磁化可能な材料で構成され、コアの方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッドの変位方向に垂直に延在するコアの表面から空隙距離を有して位置され前記第２の位置においては前記コアの表面に可能な限り接近している磁極片と、磁化可能な材料で構成され、磁極片とコアとを通るスイッチオンコイルの磁束回路を閉じるためのヨークとを具備しているスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にコンタクトを移動する電磁型アクチュエータにおいて、コンタクト付勢ロッドに作用するロック装置が設けられ、コンタクト付勢ロッドが第１の位置をとるときロックされた状態に移動し、スイッチオンコイルに電流が供給された瞬間後の予め定められた期間後にロックを解除され、その期間は、コンタクト付勢ロッドの第１の位置において生じる反対方向の力を克服するために必要なコンタクト付勢ロッド上の力の成長時間よりも長いことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、運動部分、特に、第１の位置におけるアクチュエータのコンタクト付勢ロッドのロックに基づいており、その結果、ロック装置がロックされないときこの電流の強度は、運動を開始し始める可動部分に対して十分であるまで存在しているスイッチオンコイル中で成長する。運動が開始される瞬間がスイッチオンコイル中の電流強度ではなく、ロック装置のロックされないことによって決定される。
本発明のその他の特徴および実施形態は請求項１１以下に記載されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を添付図面を参照にして以下詳細に説明する。
図に示されている本発明によるアクチュエータの実施形態は、閉路、すなわちスイッチオン状態（図４参照）と、開放、すなわちスイッチオフ状態（図２参照）にコンタクト2 を移動することができるコンタクト付勢ロッド1 を備えている。
この目的でコンタクト付勢ロッド1 は縦方向に変位可能に設置され、したがって、
コンタクト2 のスイッチオフ状態に対応する第１の位置と、コンタクト2 のスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で移動することができる。この実施形態において、コンタクト2 はいわゆる“真空ボトル”中に設けられている。
【００１５】
さらに、コンタクト圧縮スプリング3 がアクチュエータ中に設けられており、そのスプリング3 はコンタクト2 のスイッチオン状態（図４参照）においては圧縮され、したがって、所望の接触圧力を得るためにコンタクト2 のコンタクト部片を互いに圧接する。さらに、このコンタクト圧縮スプリング3 はコンタクト2のこのスイッチオン状態において第１の位置の方向に付勢ロッド1 を予め偏倚している。
【００１６】
１組のスイッチオンコイル5 と相互作用するコア4 はコンタクト付勢ロッド1に取付けられている。これらのコイル5 はコア4 および磁極片6 を囲んでいる。コア4 および磁極片6 は磁化可能な材料で構成されている。第１の位置において、
すなわち図１に示されたコンタクト2 のスイッチオフ状態において、互いに対面しているコア4 および磁極片6 の表面はそれらの間に空隙距離ｄ1 を有している。
アクチュエータがスイッチオフ状態から移動されるとき、図１に示されているコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置からスイッチオン状態に移動されて、図３に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置にされるとき、１組のコイル5 は短時間付勢され、その結果、コイル4 と磁極片6 の対向する表面が互いにできるだけ接近するようにコア4 は磁極片6 の方向に移動される。その結果、予め偏倚されていたスプリング3 は図４に示されるようにさらに加圧される。
【００１７】
エネルギ効率についての考察によって短い励磁期間が選択されるようになるから、付勢ロッドはコンタクト圧縮スプリング3 の力に対抗する第２の位置に保持されなければならない。このために永久磁石装置が設けられ、それはこの実施形態では永久磁石7 を含んでいる。これらの永久磁石の南北方向はコンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向である。これらの永久磁石7 はアーマチュア8 と作用し、このアーマチュア8 はこの実施形態では磁化可能な材料で構成され、コンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向に延在する２個のアーマチュア素子9 を備えている。図３に示されるようにコンタクト付勢ロッド1 はスイッチオン状態で、図３に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置に永久磁石7 とアーマチュア素子9 との間の吸引力により保持されている。図３において関連した磁束回路IIは実線により概略的に示され、図を簡単にするために右側の永久磁石7 に対してのみ示されている。コイル5 の磁束回路は実線Ｉで右側に対してのみ示されている。以下説明するヨーク部分は磁束回路ＩおよびIIが閉じることを確実にしている。
【００１８】
スイッチオンコイル5 および永久磁石7 の磁束回路ＩおよびIIがそれぞれ互いに完全に分離されていることは明らかである。
永久磁石は、その吸引力が０．５mm以下の小さい空隙であっても無視できるように小さくなるような構成である。その結果、それらはアクチュエータのスイッチオフ運動に影響を与えない。
【００１９】
既知のアクチュエータとは対照的に、使用されることが好ましい実施形態の本発明によるアクチュエータの保持システムは、永久磁石7 と、アーマチュア素子9 とを備え、永久磁石の磁束が実効的に空隙を２度横切る（磁束回路II参照）ように形成されている。その結果、２倍の高い保持力が得られる。スイッチオフのとき、保持パワー自体はスイッチオフ運動を妨害してスイッチオフを遅らせる悪影響を有する。しかしながら、この設計では、二重の空隙を有することによってスイッチオフのとき永久磁石がアーマチュアに作用する力は空隙が大きくなるにしたがって非常に急速に小さくなり、その結果として悪影響は非常に急速に消滅する。
【００２０】
スイッチオンコイル5 の磁束回路Ｉはコア4 、磁極片6 およびヨーク部分10を通って形成される。
永久磁石装置はまた磁束案内素子11, 12を設けられ、それらは磁束をアーマチュア素子9 の方向に導きそれを通過させる。
ヨーク部分10および磁束案内素子11, 12は空隙ｄ1 およびｄ2 間の調整の必要がなくなるように単一体として構成されることが好ましい。
【００２１】
さらに、コア4 およびアーマチュア素子9 は単一体として構成され、コア4 およびアーマチュア素子9 は接続部材13によって連結される。この接続部材13はコア4 およびアーマチュア素子9 よりも小さい横断寸法を有していることが好ましい。
アクチュエータはスイッチオフコイル14によりスイッチオフされ、このスイッチオフコイル14は励磁により生成される磁界が永久磁石の磁界と反対であるように配置にされる。パルス形態の励磁はすでに十分である。スイッチオフエネルギはコンタクト圧縮スプリング3 の解放されることによって与えられ、適当であれば付加的なスイッチオフスプリングによって与えられることもできる。
【００２２】
図示された実施形態では、シャント15が設けられ、それによって保持システムの保持力およびスイッチオフトリップコイルの感度が影響される（磁束路III 参照）。既存のアクチュエータはまた過度に長いスイッチオフ作用を有することに注意する必要がある。これは磁気回路の効率的な使用、適当な空隙および分散磁束、永久磁石の使用、および制御コイルの数の妥協の結果である。これらの欠点は本発明では軽減される。本発明の電磁型２安定アクチュエータの利点は次のようなものである。
１．スイッチオン状態における高い保持パワー
２．高いスイッチオフ速度
３．磁気回路を分離するための永久磁石の最適な使用および永久磁石磁気回路に対する二重空隙の使用。
【００２３】
本発明の第２の特徴を以下図５乃至８に示される２安定アクチュエータに基づいて説明する。本発明は任意のタイプのアクチュエータにおいて使用できることに注意すべきである。
図示された本発明によるアクチュエータの実施形態は、コンタクト2 を閉成、すなわちスイッチオン状態（図８）および開放、すなわちスイッチオフ状態（図６）に移動することのできるコンタクト付勢ロッド1 を具備している。このために、コンタクト付勢ロッドは縦方向に変位可能に設置され、コンタクト2 のスイッチオフ状態に対応する第１の位置と、コンタクト2 のスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で移動することができる。この実施形態ではコンタクト2はいわゆる真空ボトル中に設けられている。
【００２４】
さらに、圧縮スプリング3 がアクチュエータ中に設けられ、そのスプリング3はコンタクト2 のスイッチオン状態において（図８参照）圧縮され、したがって、
所望の接触圧力を得るためにコンタクト2 の接触片を互いに圧接する。さらに、コンタクト2 のスイッチオン状態においてこのコンタクト圧縮スプリング3 は第１の位置の方向に付勢ロッド1 に予め加圧している。
【００２５】
１組のスイッチオンコイル5 と相互作用するコア4 はコンタクト付勢ロッド1に取付けられている。これらのコイル5 はコア4 および磁極片6 を囲んでいる。コア4 および磁極片6 は磁化可能な材料で構成されている。第１の位置において、
すなわち図５に示されたコンタクト2 のスイッチオフ状態において、互いに対面しているコア4 および磁極片6 の表面はそれらの間に空隙距離ｄ1 を有している。
アクチュエータがスイッチオフ状態から移動されるとき、図５に示されているコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置からスイッチオン状態に移動されて、図７に示されるコンタクト付勢ロッド1 の第２の位置にされるとき、１組のコイル5 は短時間付勢され、コア4 と磁極片6 の対向する表面が互いにできるだけ接近するようにコア4 は磁極片6 の方向に移動される。その結果、予め偏倚されて圧力を与えられていたスプリング3 は図８に示されるようにさらに加圧される。
【００２６】
エネルギ効率についての考察によって短い励磁期間が選択されるようになるから、付勢ロッドはコンタクト圧縮スプリング3 の力に対抗する第２の位置に保持されなければならない。このために永久磁石装置7 が設けられ、それは示された実施形態では永久磁石7 を含んでいる。これらの永久磁石の南北方向は付勢ロッド1 の軸を横断する方向である。これらの永久磁石7 はアーマチュア8 と作用し、
このアーマチュア8 はこの実施形態では磁化可能な材料で構成され、コンタクト付勢ロッド1 の軸を横断する方向に延在する２個のアーマチュア素子9 を備えている。図７に示されるように、コンタクト付勢ロッド1 はスイッチオン状態で、図７に示される付勢ロッド1 の第２の位置に永久磁石7 とアーマチュア素子9 との間の吸引により保持されている。図７において関連した磁束回路IIは実線により概略的に示され、図を明瞭にするために右側の永久磁石7 に対してのみ示されている。コイル5 の磁束回路は線Ｉで右側に対してのみ示されている。以下説明するヨーク部分10は磁束回路ＩおよびIIが閉じることを確実にしている。
【００２７】
スイッチオンコイル5 および永久磁石7 の磁束回路ＩおよびIIがそれぞれ互いに完全に分離されていることは明らかである。
永久磁石は、空隙が０．５mmより小さい場合であってもそれらの吸引力が空隙によって無視できるように減少されるように構成されている。その結果、それらはアクチュエータのスイッチオフ運動に影響を与えない。
【００２８】
既知のアクチュエータとは対照的に、使用されることが好ましい実施形態の本発明によるアクチュエータの保持システムは、永久磁石7 と、アーマチュア素子9 とを備え、永久磁石の磁束が実効的に空隙を２度横切る（磁束回路II参照）ように形成されている。その結果、２倍の高い保持力が得られる。スイッチオフのとき、保持パワー自体はスイッチオフ運動を妨害してスイッチオフ運動を遅らせる悪影響を有する。しかしながら、この設計では、二重の空隙が設けられているためスイッチオフのとき永久磁石がアーマチュアに作用する力は空隙が大きくなるにしたがって非常に急速に小さくなり、そのため永久磁石による保持の悪影響は非常に急速に消滅する。
【００２９】
スイッチオンコイル5 の磁束回路Ｉはコア4 、磁極片6 およびヨーク部分10を通って形成される。
永久磁石装置はまた磁束案内素子11, 12を設けられ、それらは磁束をアーマチュア素子9 の方向に導きそれを通過させる。
空隙ｄ1 およびｄ2 間の調整の必要がなくなるようにヨーク部分10および磁束案内素子11, 12は単一体として構成されることが好ましい。
【００３０】
さらに、コア4 およびアーマチュア素子9 は単一体として構成され、コア4 およびアーマチュア素子9 は接続部材13によって連結される。この接続部材13はコア4 およびアーマチュア素子9 よりも小さい横断寸法を有していることが好ましい。
アクチュエータはスイッチオフコイル14によりスイッチオフされ、このスイッチオフコイル14は励磁により生成される磁界が永久磁石の磁界と反対であるように配置にされる。パルス形態の励磁はすでに十分である。スイッチオフエネルギはコンタクト圧縮スプリング3 が解放されることによって与えられ、必要であれば付加的なスイッチオフスプリングによって与えられることもできる。
【００３１】
図９には既知のアクチュエータのスイッチオン電流Ｉが縦軸で示され、時間ｔか横軸で示されている。
時間ｔ0 において、電圧がスイッチオンコイルの端子に接続され、スイッチオンコイルを流れるスイッチオン電流は実線によって示されるようにゆっくりと上昇し、時間ｔ1 においてレベルＩ1 に達する。このレベルはアクチュエータのスイッチオフ状態においてこのアクチュエータをスイッチオン状態に移動させるために打勝つべき対抗力に関連している。時間ｔ1 において、アクチュエータにより付勢されたコンタクトのスイッチオン運動が開始し、時間ｔ2 においてコンタクトを互いに接触させる。時間ｔ2 以後、スイッチオン電流Ｉは再び上昇を開始し、最大レベルまで上昇する。対抗力は、特に摩擦力、そのスイッチオフスプリングのような要因に依存しており、それらの要因は特に温度の影響下で変化を生じ易い。
【００３２】
上記の影響はスイッチオン電流のレベルＩ2 に対応する対抗力に対して上昇を与える。もしも、電圧が時間ｔ0 においてスイッチオンコイルに供給されるならば、スイッチング電流は図に実線で示されたように再び上昇し、鎖線で示されるようにさらに上昇する。時間ｔ3 においてレベルＩ2 に到達し、その後アクチュエータのスイッチオン運動が開始する。時間ｔ5 においてアクチュエータによって付勢されるべきコンタクトは互いに接触する。電流Ｉ1 に関係するスイッチオン時間はそれ故ｔ2 −ｔ0 に等しく、一方レベルＩ2 の場合にはスイッチオン時間はｔ5 −ｔ0 に等し、そのためスイッチオン時間は変化し、再現可能ではない。
さらに、スイッチオン電流と関係する電圧も変化し、そのため低い電圧では、例えばスイッチオン電流Ｉは破線で示された曲線で変化する。このグラフから認められるように、しきい値レベルＩ1 において、アクチュエータは時間ｔ4 においてスイッチオン運動を開始し、一方、しきい値レベルＩ2 におけるスイッチオン運動は時間ｔ6 において開始される。それ故アクチュエータのスイッチオン時間はまたスイッチオン電圧に可成の程度依存している。
【００３３】
しきい値レベルおよび、またはアクチュエータのスイッチオンに対する供給電圧の小さい変動下におけるスイッチオン時間の比較的高い変動は、コンタクト付勢ロッド1 に作用するロック装置16が使用されることによって本発明により減少させることができる。このロック装置16はコンタクト付勢ロッド1 がアクチュエータのスイッチオフ状態に対応する第１の位置をとるときロックされた状態に移動する。スイッチオン電圧または電流がスイッチオンされたとき、ロック装置16はスイッチオン電流がスイッチオンされた瞬間から予め定められた期間が経過するまでロックされた状態に保持される。この期間はコンタクト付勢ロッド1 に作用する力の成長時間よりも大きく、それはコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置において発生する対抗力に打勝つために必要とされる。換言すると、たとえばこの期間はｔ6 −ｔ0 よりも大きく、時間ｔ6 は相互に補強しあう影響の累積効果の下で予想される最大時間である。
【００３４】
この期間はスイッチオン電流の関数として設定され、コンタクト付勢ロッド1の第１の位置において発生する対抗力に打勝つために必要とされるレベルよりも高いレベルにスイッチオンコイルを流れる電流が到達するとき消滅することが好ましい。スイッチオン運動の開始はそれ故スイッチオフ状態におけるアクチュエータの可変対抗力とは無関係である。別の実施形態では、この期間はｔ6 −ｔ0 よりも大きい独立した固定された期間を有する。ここで、ｔ＞ｔ0 ではＩは大きく、それ故、力は大きい。ロックのない状態と比較して小さいスイッチオンコイルで十分である。その理由はスイッチオンコイルがさらに良好に利用されるからである。
【００３５】
ロックされないときのスイッチオン特性が図９の曲線の右側の部分に示されており、ロックされないパルスは時間ｔ10において放出され、時間ｔ11−ｔ10はスイッチオンのロックのない応答時間である。
【００３６】
この応答時間はロックされないアクチュエータの場合の応答時間よりも遥かに小さく、しかも、再現性がある。スイッチングの瞬間ｔ12およびｔ12' は許容誤差の結果として変化するスイッチオンコイル電流に関係し、ロックされないスイッチングの瞬間を示しているｔ2 およびｔ5 よりもずっと近接している。
【００３７】
図５および６はロック装置16の電磁型の構成を示し、一方図７および８はロック装置16の機械的の構成を示している。
【００３８】
図５および６に示されているロック装置16は永久磁石17を備え、それは斜線の区域で示されているアクチュエータを固定した位置に配置されている。図５および６に示されているスイッチオフ位置において、アーマチュア素子9 は磁極プレート18で支持され、それ故、スイッチオフ状態において、永久磁石の磁気回路は磁極プレート18およびアーマチュア素子9 を横切って閉じている。その結果、アーマチュア素子9 は関連するコア4 およびコンタクト付勢ロッド1 と同様にその位置に保持される。ロック装置16はさらに巻線20を有するコイル19が設けられており、コイルのコアは磁極プレート18で支持されている。
【００３９】
電流がスイッチオンコイル5 に供給されるとき、アクチュエータは図５および６に示されたスイッチオフ状態に保持されており、それ故、コンタクト付勢ロッド1 はその第１の位置に保持され、前記付勢ロッド1 によって付勢されたコンタクトは他がいに分離されて保持されている。電流がスイッチオンされた後、スイッチオンコイル5 中の電流は成長、すなわち増加する。アクチュエータは対抗力が成長しても、スイッチオン電流のスイッチオン時間に続く予め選択された期間後に電流がコイル19の巻線20に供給されその電流が永久磁石17の磁界が消去されるような大きさおよび方向を有するようになるまでスイッチオフ状態を保持する。
それから、スイッチオンコイル5 に対するスイッチオン電流の作用によって、コンタクト付勢ロッド1 はコンタクト2 が閉じるスイッチオン状態に移動することができる。閉じたコンタクト2 を有するアクチュエータのスイッチオン状態は図７および８に示されているが、しかしながらこれらの図は機械的ロック装置を有するアクチュエータを示している。
【００４０】
期間は、アクチュエータの運動部分が運動を開始するアクチュエータの張力の成長時間よりも長くなるように選択される。期間の長さはスイッチオン電流から導出されても固定された値であってもよい。
【００４１】
図７および８に示された機械的ロック装置16は２つのロック素子を備え、それはコンタクト付勢ロッドの第１の位置で互いに結合してコンタクト付勢ロッドをこの位置に固定して保持する。図７および８に示された実施形態において、アーマチュア素子9 に固定されたキャッチ21によって１つのロック素子が形成されている。その場合に、他方のロック素子はピン23を中心に回動するグリップキャッチ22の形態である。このグリップキャッチ22は図示の位置で圧縮スプリング24によって予め圧力を与えられている。グリップキャッチ22の位置は制御装置によって変化されることができ、その制御装置はこの場合に、通常の低電力の電磁型アクチュエータであってもよい概略的に図に示された補助アクチュエータ25によって形成されている。
【００４２】
アクチュエータがスイッチオフコイル4 に電流を供給することによってスイッチオフ状態に移動されるとき、キャッチ21およびグリップキャッチ22は特にそれらキャッチのフック形状の自由端によって互いに結合される。それからアクチュエータにおける切替えのために電流がスイッチオンコイル5 に供給される場合、キャッチ21および22間の結合は、グリップキャッチ22が右に回転してそれによってキャッチ21がグリップキャッチ22から解除されることができるように電圧または電流が補助アクチュエータ25に供給されるまで保持される。このロック装置16の機械的設計はまた、コンタクト付勢ロッド1 の第１の位置で生じる対抗力に打ち勝つために必要とされるコンタクト付勢ロッド上の力の成長時間よりも大きい期間が経過するまでアクチュエータのスイッチオフ状態を維持する
この場合にもまた、期間はスイッチオンコイルに供給される電流から導出されることが可能であり、或いは独立の固定した値であってもよい。
【００４３】
補助アクチュエータ25またはコイル19の巻線20に対する制御電流は比較器（図示せず）によって導出されることができ、スイッチオン電流は比較器の一方の入力に供給され、基準電流はその他方の入力に供給され、その基準電流はコンタクト付勢ロッド1 の第１の位置における対抗力に打ち勝つために必要なレベルよりも大きい。補助アクチュエータ25またはコイル19の巻線20に対する制御電流は比較器の出力から、必要に応じて増幅および処理した後、供給される。
【００４４】
固定した時間の期間を有する実施形態において、固定された予め定められた期間を有する時間スイッチ（図示せず）が使用され、その長さは上述の考察にしたがって選択されることができる。アクチュエータのスイッチオンコイルに対するスイッチオン電流がスイッチオンされるとき、時間スイッチが付勢され、期間の終りはスイッチオン電流がその最大レベルに到達した瞬間よりも後に位置させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 関連するコンタクトのスイッチオフ状態における本発明によるアクチュエータの付勢ロッドの軸に沿った断面図。
【図２】 前記状態にこのアクチュエータの側面図。
【図３】 スイッチオン状態におけるアクチュエータの断面図。
【図４】 図３に示したアクチュエータの側面図。
【図５】 関連するコンタクトのスイッチオフ状態における電磁型ロック装置を有する本発明によるアクチュエータの１実施形態の付勢ロッドの軸に沿った断面図。
【図６】 前記状態における図５に示されたアクチュエータの側面図。
【図７】 スイッチオン状態における機械的ロック装置を有する本発明によるアクチュエータの別の実施形態の断面図。
【図８】 図７に示したアクチュエータの側面図。
【図９】 時間の関数として既知のアクチュエータと本発明によるアクチュエータのスイッチオン電流のグラフ。
Claims (19)
- スイッチオフ状態に対応する第１の位置とスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッド(1) と、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッドに取付けられたコア(4) と、このコアと相互作用するスイッチオンコイル(5) と、磁化可能な材料で構成されコア(4) の方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッド(1) の変位方向に垂直に延在するコア(4) の表面から空隙距離（ｄ1 ）を有して位置され前記第２の位置においては前記コア(4) の表面に可能な限り接近している磁極片(6) と、磁化可能な材料で構成され、磁極片(6) とコア(4) とを通るスイッチオンコイルの磁束回路を閉じるためのヨーク(10)と、第２の位置に前記コンタクト付勢ロッド(1) を維持するための永久磁石装置(8) と、第２の位置において第１の位置の方向にコンタクト付勢ロッドに予め圧力を与えるスプリング(3) とを具備しているスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にコンタクト(2) を移動する電磁型アクチュエータにおいて、
スイッチオフコイル(14)が設けられ、それは第２の位置から第１の位置へコンタクト付勢ロッド(1) を移動させるために、少なくとも一時的に永久磁石装置の磁界を消去するために励磁され、永久磁石装置(8) の磁束回路はスイッチオンコイル(5) の磁束回路から分離されていることを特徴とする電磁型アクチュエータ。 - 付勢ロッド(1) の軸を横断する方向に延在する磁化可能な材料で構成されたアーマチュア素子(9) がコンタクト付勢ロッド(1) に連結され、永久磁石装置(8) は磁束案内素子(11, 12)を備えており、その磁束案内素子は磁束をアーマチュア素子(9) の方向に導き、このアーマチュア素子(9) を通って導くように構成されている請求項１記載のアクチュエータ。
- 永久磁石装置(8) は少なくとも１つの永久磁石(7) を有し、その永久磁石(7) はその南北方向がコンタクト付勢ロッド(1) の軸を横断する方向になるように配置され、磁束案内素子(11, 12)は磁石(7) の北極側と南極側に配置され、それらの磁束案内素子 (11, 12) の端面はコンタクト付勢ロッド(1) の軸に垂直な方向に延在する表面上に位置し、それらの端面は第１の位置でアーマチュア素子(9) から空隙距離（ｄ2 ）を隔てて位置し、前記第２の位置においてアーマチュア素子(9) に近接して接触するように構成され、スイッチオフコイル(14)は、永久磁石 (7) に対してアーマチュア素子(9) と反対側で永久磁石 (7) と並列に前記２つの磁束案内素子 (11, 12) の間に配置され、励磁により永久磁石 (7) と反対方向の磁界を生成するように構成されている請求項２記載のアクチュエータ。
- スイッチオンコイル(5) のヨーク(10)と永久磁石装置の磁束案内素子(11, 12)は単一のユニットを構成している請求項２または３記載のアクチュエータ。
- コア(4) とアーマチュア素子(9) は単一ユニットとして構成され、コアとアーマチュア素子は接続部材(13)によって接続されている請求項２乃至４のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- 接続部材(13)はコア(4) とアーマチュア素子(9) よりも小さい横断寸法を有している請求項５記載のアクチュエータ。
- コンタクト(2) のスイッチオン状態において、コア(4) と磁極片(6) との間の空隙（ｄ1 ）は最小であるがゼロではない請求項４乃至６のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- 磁気シャント(15)が永久磁石の磁束回路(II)中に設けられている請求項２乃至７のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- スプリング(3) がコンタクト圧縮スプリングによって少なくとも部分的に形成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- スイッチオフ状態に対応する第１の位置とスイッチオン状態に対応する第２の位置との間で縦方向に変位可能なコンタクト付勢ロッド(1) と、磁化可能な材料で構成されコンタクト付勢ロッド(1) に取付けられているコア(4) と、このコア(4) と相互作用するスイッチオンコイル(5) と、磁化可能な材料で構成され、コアの方向を向いた表面がコンタクト付勢ロッドの第１の位置においてはコンタクト付勢ロッドの変位方向に垂直に延在するコアの表面から空隙距離（ｄ1 ）を有して位置され前記第２の位置においては前記コアの表面に可能な限り接近している磁極片(6) と、磁化可能な材料で構成され、磁極片(6) とコア(4) とを通るスイッチオンコイル(5) の磁束回路を閉じるためのヨーク(10)と、第２の位置に前記コンタクト付勢ロッド (1) を維持するための永久磁石装置 (8) と、第２の位置において第１の位置の方向にコンタクト付勢ロッドに予め圧力を与えるスプリング (3) とを具備しているスイッチオンまたはスイッチオフ状態にコンタクト(2) を移動する電磁型アクチュエータにおいて、
スイッチオフコイル(14)と、コンタクト付勢ロッド(1) に作用するロック装置(16)とを具備し、
スイッチオフコイル(14)はコンタクト付勢ロッド(1) を第２の位置から第１の位置に移動させるために少なくとも一時的に永久磁石装置の磁界を消去するために励磁され、
ロック装置(16)は、コンタクト付勢ロッド(1) が第１の位置をとるときロックされた状態に移動し、スイッチオンコイル(5) に電流が供給された瞬間後予め定められた期間後にロックを解除され、その期間は、コンタクト付勢ロッド(1) の第１の位置において生成される反対方向の力に打勝つために必要なコンタクト付勢ロッド(1) 上の力の成長時間よりも長いことを特徴とする電磁型アクチュエータ。 - 前記期間は、スイッチオンコイル(5) を通る電流がコンタクト付勢ロッド(1) の第１の位置において生じる反対方向の力に打勝つために必要なレベルよりも高いレベルに到達したとき終了する請求項１０記載のアクチュエータ。
- 前記期間は独立した固定された期間である請求項１０または１１記載のアクチュエータ。
- ロック装置(16)は永久磁石(17)とコイル (19) とを具備し、前記永久磁石 (17)は第１の位置においてコンタクト付勢ロッド(1) を保持し、前記コイル(19)は永久磁石(17)の磁界を消去するように永久磁石 (17) に並列に配置されている請求項１０乃至１２のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- 比較器が設けられ、スイッチオンコイル(5) のスイッチオン電流がその１入力に供給され、基準信号が他方の入力に供給され、その出力がコイル(19)に結合されている請求項１３記載のアクチュエータ。
- コイル(19)が固定された予め定められた期間を有する時間スイッチによって制御される請求項１３記載のアクチュエータ。
- ロック装置(16)が２つのロック素子を具備し、それはコンタクト付勢ロッド(1) の第１の位置において互いに結合されてこの位置に固定されてコンタクト付勢ロッドを保持し、制御装置が設けられて所定の期間後にロック素子を解放する請求項１０乃至１２のいずれか１項記載のアクチュエータ。
- 制御装置は電磁型補助アクチュエータである請求項１６記載のアクチュエータ。
- 比較器が設けられ、スイッチオンコイル(5) のスイッチオン電流がその１入力に供給され、基準信号が他方の入力に供給され、この比較器の出力が制御装置に供給されるように構成されている請求項１６または１７記載のアクチュエータ。
- 制御装置が固定された予め定められた期間を有する時間スイッチによって制御される請求項１６または１７記載のアクチュエータ。
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