JP2013229247A - 電力用開閉装置、及びその操作機構 - Google Patents

Abstract

【課題】必要不可欠な機能を有し、高速及び高応答な電力用開閉装置の操作機構及びこれを備えた電力用開閉装置を提供することを目的とする。
【解決手段】外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列と内側パイプ３８と外側パイプ３９と三相コイル３３と出力環３４と電力供給線３３ａとを備える。外側永久磁石３１の列は、磁極が最大でも９０度ずつ回転するよう隣接させる。内側永久磁石３２の列は、磁極が外側永久磁石３１の列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分及び逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する。外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列は、磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定される。三相コイル３３は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との間に一定のクリアランスで介在する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、可動接点を操作する電磁駆動方式の操作機構、及び当該操作機構を備える電力用開閉装置に関する。

電力用開閉装置は、一対の接点を備え、この接点を接離させることで電路を開閉する。事故電流が検知されると、電力用開閉装置には遮断信号が入力され、電力用開閉装置は、この遮断信号を契機に電流を遮断すべく接点を開離させる。

この電力用開閉装置は、一般的に、更に一対のアーク接点とパッファ室又は昇圧室を備えている。アーク接点は、電路開閉用の接点の開離に連れて開離することでアーク放電を引き受ける。パッファ室や昇圧室はピストンとシリンダで構成され、シリンダ及びピストンを相対的に移動させることで室内に滞留するガスを圧縮し、アーク接点間に室内外の高圧ガスを吹き付ける。この高圧ガスの吹き付けによりアーク放電は消弧に至り、電流遮断が完了する。

操作機構は、この電路開閉用の可動接点、アーク可動接点、及びピストン又はシリンダをそれぞれ相対移動させるために備えられている。従って、この操作機構には、任意の駆動が可能であること、可動子の高速移動が可能であること、及び、可動子の応答性能が良いことが要求される。

任意の駆動が要求されるのは、事故電流は交流であり其の電圧は周期的に変動していること、及び事故発生時の位相がランダムであることにより、事故電流の発生から消弧の状態推移を鑑みて遮断しやすい適切なタイミングで遮断動作を行うことが望ましいからである。可動子の高速移動及び応答性能が要求されるのは、遮断動作は、遮断指令開始から数十ｍｓｅｃという短時間で完了しなければならないからである。

さらに、これらの駆動性能に加えて、電力設備の地下設置化が進展していること、及び駆動機構を有することから、操作機構のサイズ上の制約やメンテナンス性といった性能も求められている。

現在、操作機構としては、空気式、油圧式、ばね式、電磁駆動式が提供されている。油圧式は油圧アクチュエータを用いて可動部を駆動する方式である。ばね式は、圧縮したばねを開放した際のエネルギーを用いて可動部を駆動する方式であり、現在の主流である。電磁駆動式は電磁アクチュエータにより可動子を駆動する方式である。

このうち、電磁駆動式の例としては、回転機の動力を直動変換して可動接点を駆動する方式がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。この方式では回転機の駆動を制御することで任意の駆動を実現できる。

また、電磁吸引力、電磁反発力を直接推力として用いる例として、電磁石および永久磁石の吸引力を利用する方式（例えば、特許文献３参照。）、空心コイルに働く電磁吸引力あるいは反発力を利用する方式（例えば、特許文献４、特許文献５参照。）、誘導反発力を利用する方式（特許文献６参照）を挙げることができる。空心コイルを用いる場合には、電気回路の時定数が小さく初期動作において高い応答性能が得られるといった特徴がある。

また、互いに一定間隔を保持して内外に配置された円筒型永久磁石を用い、内外の円筒型永久磁石の間に位置する空心コイルに励磁電流を与えることで、この空心コイルを駆動する方式も提供されている（例えば、特許文献７参照。）。

特開２００９−２１２３７２号公報 特開２００８−０２１５９９号公報 特開２００３−０１６８８８号公報 特開平１０−０４０７８２号公報 特開２００２−１２４１５８号公報 特開平１１−０２５８１７号公報 特許第４６２５０３２号公報

このように電磁駆動式の操作機構は、各種が提案されているが、油圧式の操作機構やばね式の操作機構に比べて、可動接点の高速投入及び高速遮断のために不可欠となる推力の面で劣っているという指摘がされていた。

すなわち、特許文献１及び２に示される回転電動機を用いた例では、高トルクを得るために回転電動機の巻線には鉄心が用いるという提案がなされているが、インダクタンスが大きくなり、電気回路の時定数も大きくなるため、応答性能の向上には限界が生じてしまう。そのため、推力と応答性能のトレードオフとなってしまう。

また、特許文献３乃至６の電磁吸引力や電磁反発力を直接推力として用いる方式では、全可動域において任意の駆動を行うのは困難であるため、遮断しやすい適切なタイミングで遮断動作を行うことが難しい。

特許文献７に示される円筒型永久磁石を配したアクチュエータを用いる方式では、任意の駆動が可能であり、コイルには鉄心を用いていないため、比較的インダクタンスを小さく抑えることが可能である。しかしながら、コイルの内側には鉄心を用いないまでも、環状のコイルの両端に磁性体リングを配置しており、少なからずインダクタンスの増加をまねいている。

また、内外円筒永久磁石の着磁方向は両方とも径方向の同じ向きに一様に着磁されているため、内外円筒型永久磁石から生じる磁束は、外円筒永久磁石の外側面から円筒の上底、下底を経て内円筒の内側面を通り再び外円筒永久磁石に戻るという経路を辿っている。この磁束の流れをスムーズにして、より強力な磁束を生み出すためには、また外部に磁場の影響を与えないためには、外円筒永久磁石の外側及び内円筒永久磁石の内側に円筒状の磁性体からなるバックヨークを用いざるを得ない。

この場合、内側のバックヨークはコイルに対して鉄心と同じ作用をもたらすことは言うまでもないが、外側のバックヨークも同じ作用をもたらしてしまう。従って、コイルのインダクタンスが大きくなってしまうという問題がある。

更に推力を増加させるため強力な永久磁石を用いざるを得ず、バックヨークの磁気飽和を避けるためにバックヨークを厚くしなければならない。このため、強力な永久磁石を用いたとしても推力／体積比を小さくするのは難しい。

すなわち、特許文献７に提案の方式であっても応答性能や推力が満足し得るものではなかった。

以上のとおり、電磁駆動式の操作機構は、必要不可欠な機能を有しながらも高速及び高応答の要件を満たすことは困難であった。本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、必要不可欠な機能を有し、高速及び高応答な電力用開閉装置の操作機構及びこれを備えた電力用開閉装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、可動接点を往復駆動することで、開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるための電力用開閉装置の操作機構は、第１の永久磁石の列と第２の永久磁石の列と磁石固定手段とコイルとコイル支持手段と電力供給線とを備える。

第１の永久磁石の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される。第２の永久磁石の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極が前記第１の永久磁石の列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記第１の永久磁石の列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する。磁石固定手段は、前記第一の永久磁石の列と前記第二の永久磁石の列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定する。コイルは、前記第１の永久磁石の列と前記第２の永久磁石の列との間に一定のクリアランスもって介在する。コイル支持手段は、前記可動接点に直接又は間接的に繋がり、前記コイルが固定されるとともに前記第１及び第２の永久磁石の列に沿って平行移動可能となっている。電力供給線は、前記コイルを励磁するための電力を供給する。

これにより、前記第一の永久磁石の列と前記第二の永久磁石の列により発生する磁気回路と励磁された前記コイルの作用により前記可動接点を往復駆動させるための推力を発生させる。

第１の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。 操作機構の外観を示す斜視図である。 操作機構の軸に沿った断面図である。 操作機構の軸に直交する断面図である。 駆動装置の構成図である。 伝達機構及び第１の保持機構を示す構成図である。 第２の保持機構を示す構成図である。 第２の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。 第２の伝達機構の一構成例を示す構成図である。 第２の伝達機構の他の構成例を示す構成図である。 第３の実施形態に係る第１の保持機構を示す構成図である。

（第１の実施形態）
（全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る電力用開閉装置を示す内部構成図である。電力用開閉装置１は、電路を開閉する装置であり、駆動装置２と、伝達機構４と第１の保持機構６と第２の保持機構７を有する操作機構３と、開閉機構５とを備えている。

駆動装置２は、電源１００から送出される電力を操作機構３へ付与することで、操作機構３を駆動させる。操作機構３は、直線方向の推力を発生させる操作機構である。伝達機構４は、軸方向に進退可能な操作ロッド４１を有しており、この操作ロッド４１の押し引きによって操作機構３が発生させた推力を開閉機構５に伝達する。

開閉機構５は、消弧性ガスが充填された密閉空間５１内に可動接点５２と固定接点５３とを配設しており、また可動接点５２は操作ロッド４１に固定されており、可動接点５２は、操作ロッド４１の押し引きに応じて固定接点５３に対して接触又は離反する。第１の保持機構６及び第２の保持機構７は、操作機構３による推力が未発生となっている電流の投入状態の間、可動接点５２と固定接点５３との接触状態を維持する。

（操作機構）
図２乃至４は、操作機構３の詳細構成を示す図であり、図２は操作機構３の外観を示す斜視図、図３は操作機構３の軸に沿ったＡ−Ａ’断面図、図４は操作機構３の軸に直交するＢ−Ｂ’断面図である。図２乃至４に示すように、操作機構３は、概略等しい磁化エネルギーを保持した外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列により発生する磁場と三相コイル３３の励磁によって、三相コイル３３が巻回された出力環３４を軸方向に進退させる。

この操作機構３は、図２に示すように、大別すると出力環３４の他に固定子３５を備えている。固定子３５は円筒形状を有する。出力環３４は、非磁性材料によって形成され、一対の長い円弧板３４ａが円弧中心を一致させて向かい合わせになった形状、換言すると、円筒の周壁の一部対面箇所が軸に沿って切り欠かれた形状を有し、三相コイル３３のコイル支持手段となる。

固定子３５は、地上に固定されている。出力環３４の径は固定子３５の径よりも小さく、出力環３４は、固定子３５の内部に軸に沿って移動可能に支持されている。すなわち、固定子３５の外周面上には、固定子３５よりも長い棒状のガイドバー３６が固定子３５の軸に沿って一対敷設されており、このガイドバー３６の両端は接続部材３７に固定されていて、接続部材３７は出力環３４に固定されている。さらに、ガイドバー３６には、ガイドバー３６にスライド可能に嵌め込まれたガイド３７ａが設けられており、ガイド３７ａは固定子３５に固定されている。

尚、固定子３５の両端部は、非磁性材料によって形成された円板３５ａにより蓋がされている。また、出力環３４の一対の円弧板３４ａ、３４ｂは両端部に固定された円板３４ｃで同一姿勢を保ったまま繋がっている。更に、出力環３４は固定子３５よりも長く、円板３５ａには、出力環３４が貫通する孔が円弧板３４ａ、３４ｂの形状に合わせて形成されている。

また、この操作機構３には、三相コイル３３の外側永久磁石３１列に対する相対位置を検出する位置センサ２１が設けられている。位置センサ２１は、リニアスケール２１ａと光学式ピックアップ２１ｂとで構成される。光学式ピックアップ２１ｂは、出力環３４と共に移動する接続部材３７の一つに取り付けられており、受発光の指向方向をガイドバー３６側に向けている。リニアスケール２１ａは、ガイドバー３６に沿って取り付けられ、光学式ピックアップ２１ｂと対面している。

このような操作機構３の内部において、三相コイル３３は、図３及び４に示すように、出力環３４に巻装されている。巻装箇所は、貫通しない程度に一段掘り下げられており、三相コイル３３は、出力環３４の外周面と面一若しくは埋没している。三相コイル３３に対する電力供給線３３ａは、出力環３４の周壁内部を通って円板３４ｃから引き出される。

外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列は、出力環３４の周壁を挟んで軸方向に沿って敷設されている。出力環３４の周壁と外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列との間には一定のクリアランスが設けられている。

内側永久磁石３２は、円弧状又はリング形状であり、非磁性材料によって形成された内側パイプ３８の外径に内径が沿うように嵌め込まれ、内側パイプ３８の軸方向に複数並べられている。すなわち、この内側パイプ３８は、内側永久磁石３２に対する磁石固定手段の一例である。この内側パイプ３８は、出力環３４の内部に位置が固定されて配設され、出力環３４と同軸である。

外側永久磁石３１は、円弧状又はリング形状であり、非磁性材料によって形成された外側パイプ３９の内径に外径が沿うように貼り付けられ、内側パイプ３８の軸方向に複数並べられている。すなわち、この外側パイプ３９は、外側永久磁石３１に対する磁石固定手段の一例である。この外側パイプ３９は、出力環３４を内部に収容するにように位置が固定されて配設され、出力環３４と同軸である。

この内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１は、それぞれ、磁化の向きを少しずつ変えて並べたハルバッハ配列で並べられている。本実施形態では、出力環３４の中心軸を含む断面において、最大でも９０度ずつ回転するように永久磁石が隣接させて配置される。

また、内側永久磁石３２の列と外側永久磁石３１の列とでは、回転する磁化の向きが逆である。すなわち、例えば、外側永久磁石３１の列に沿って順番に見た磁化の向きは時計回りになり、内側永久磁石３２の列に沿って順番に見た磁化の向きは反時計回りになる。

更に、この内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１は、出力環３４の周壁を挟んで１対１で対向するように配置される。磁化ベクトルが同じ向きの半径方向成分を有する内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１が対向し、磁化ベクトルが逆向きの軸方向成分を有する内側永久磁石３２及び外側永久磁石３１が対向する。この半径方向及び軸方向とは円弧状又はリング状の外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２を基準にした方向である。

（駆動装置）
図５は、駆動装置２の構成図である。駆動装置２は、母線２２を介して電力の授受を行う電力変換器２３及び電源電力変換器２４を備えている。また、母線２２には、電力貯蔵手段として、平滑コンデンサ２５及び蓄電装置２６が接続されている。

平滑コンデンサ２５及び蓄電装置２６は、三相コイル３３での電力の消費及び三相コイル３３からの電力の回生時においても、母線２２の電圧変動を小さく抑える。平滑コンデンサ２５や蓄電装置２６は母線２２の適当な箇所に複数個配置されていても差し支えない。

また、蓄電装置２６には、バッテリ−２６ａ、抵抗器２６ｂ、及びダイオード２６ｃが配置されている。抵抗器２６ｂ及びダイオード２６ｃは、バッテリ−２６ａの正極側に接続されており、また抵抗器２６ｂとダイオード２６ｃとは並列に接続されている。すなわち、バッテリ−２６ａの過充電を抑制すべく、バッテリ−２６ａからの電力供給時には抵抗器２６ｂでの電力消費がなく、バッテリ−２６ａへの充電時には抵抗器２６ｂで充電電力の一部が消費されるように構成されている。

電力変換器２３は、電力供給線３３ａを介して三相コイル３３に交流電流を供給するＰＷＭインバータ２３ａと、ＰＷＭインバータ２３ａを制御する推力制御器２３ｂを備えている。推力制御器２３ｂは、駆動装置２の外部から入力された推力指令値に等しい推力が三相コイル３３に発生するように、ＰＷＭインバータ２３ａを制御する。例えば、ＰＷＭインバータ２３ａは電力変換素子群を備えており、推力制御器２３ｂは、この電力変換素子群の点弧角を制御する。

この推力制御器２３ｂには、少なくともＵ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８と位置センサ２１とに接続されている。Ｕ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８は、三相コイル３３のＵ、Ｖ、Ｗ相のうちＵ相とＷ相の励磁電流を検出する。推力制御器２３ｂは、Ｕ相電流センサ２７及びＷ相電流センサ２８と位置センサ２１からの信号を参照して推力制御を行う。

電源電力変換器２４は、インバータ２４ａと回生受電制御器２４ｂを備えている。回生受電制御器２４ｂは、外部からの回生受電指令信号に基づいて、平滑コンデンサ２５およびバッテリ−２６ａに蓄えられた電力を電源１００へ回生するとともに、電源１００からの電力を貯蔵するためにインバータ２４ａの点弧角を制御する。

（第１の保持機構）
図６は、伝達機構４及び第１の保持機構６を示す構成図であり、左半図が遮断状態、右半図が投入状態を示している。尚、この実施形態では第１の保持機構６は投入状態を保持する例を用いて説明されているが、同様の機構を用いて遮断状態を保持することもできる。

まず、伝達機構４の操作ロッド４１と出力環３４との間には、別の中間ロッド４２が接続されている。この中間ロッド４２の一端と、出力環３４の一端とは、共通のピンによって回転可能に軸支されている。また、中間ロッド４２の他端と操作ロッド４１の一端とは、共通のピンによって回転可能に軸支されている。中間ロッド４２と出力環３４を軸支しているピンと、操作ロッド４１と中間ロッド４２を軸支しているピンとは、直交している。

次に、第１の保持機構６は、伝達機構４が有する操作ロッド４１の移動に伴って磁石ユニット６１へ近づくターゲット６２に対する磁気吸引力によって、可動接点５２と固定接点５３との接触状態を維持する。

ターゲット６２は、強磁性体により形成された板状部材であり、中間ロッド４２の周面に立設されている。一方、中間ロッド４２は地上に固定されたフレーム８に挿通されているが、強磁性体により形成されたヨーク６１ａと永久磁石６１ｂから構成されている磁石ユニット６１は、ターゲット６２に対向するように、フレーム８の中間ロッド４２が通る孔の近傍に固定されている。

磁石ユニット６１とターゲット６２の位置関係は、磁石ユニット６１が開閉機構５側であり、ターゲット６２が出力環３４側である。要するに、操作ロッド４１が可動接点５２を固定接点５３に接触させる方向に移動したときに、ターゲット６２が磁石ユニット６１へ近づくように両者は配置される。尚、磁石ユニット６１とターゲット６２の位置関係を逆にしても同様の効果を得ることができる。

（第２の保持機構）
図７は、第２の保持機構７を示す構成図であり、上半図は遮断状態、下半図は投入状態を示している。尚、この実施形態では第２の保持機構７は投入状態を保持する例を用いて説明されているが、同様の機構を用いて遮断状態を保持することもできる。この第２の保持機構７は、ターゲット７１と、このターゲット７１に対する磁気吸引力を発生させる外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２とから構成されている。

ターゲット７１は、出力環３４に半径方向に拡がるように固定された強磁性体により形成された板である。このターゲット７１は、外側リング７１ａと内側リング７１ｂとから構成されている。外側リング７１ａは、出力環３４の外径に沿うように内径が成形され、出力環３４の外周面に沿うように嵌め込まれることで、出力環３４の外周面から立ち上がっている。内側リング７１ｂは、出力環３４の内径に沿うように外径が成形され、出力環３４の内周面に沿うように貼り付けられることで、出力環３４の内周面から内側へ立ち上がっている。外側リング７１ａと内側リング７１ｂの出力環３４の長さ方向における位置は一致している。

投入状態においては、ターゲット７１に対して外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２の漏れ磁束が作用することで、ターゲット７１を固定している出力環３４の位置も維持される。

（作用）
このような電力用開閉装置１の動作及び作用を説明する。操作機構３が停止状態にあるときには、開閉機構５の可動接点５２には何らの推力も出力されていない。この状態では、可動接点５２は、固定接点５３側に移動しており、可動接点５２と固定接点５３とは接触している。

この電流投入状態では、図６の右半図に示されるように、磁石ユニット６１に対してターゲット６２が接触している。そのため、磁石ユニット６１の磁気吸引力がターゲット６２に強く作用し、ターゲット６２が磁石ユニット６１に固定される。

ターゲット６２と出力環３４とは固定関係にあり、出力環３４と可動接点５２とは、中間ロッド４２と操作ロッド４１を介して連動関係にあるため、可動接点５２も投入位置で維持される。そのため、操作機構３を停止させた状態において可動接点５２に重力等の外力が作用しても、操作機構３の運転を継続することなく投入状態を保つことができる。従って、本実施形態による第１の保持機構６は、機械式に依らず、また投入状態を維持するために電力を必要としない。

尚、磁石ユニット６１に対するターゲット６２の接触には、可動接点５２の位置が維持されるようにターゲット６２が磁石ユニット６１に固定される程度に磁気吸引力が作用している状態を指し、すなわち厳密に接触していないが、極近接している状態も含まれる。

また、図７の下半図に示されるように、電流投入状態では、外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２に対してターゲット７１が近接又は接触している。そのため、外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２の漏れ磁束がターゲット７１に強く作用し、ターゲット７１の外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２に対する離間移動を阻止している。

ターゲット７１と出力環３４とは固定関係にあり、出力環３４と可動接点５２とは、中間ロッド４２と操作ロッド４１を介して連動関係にあるため、可動接点５２も投入位置で維持される。そのため、操作機構３を停止させた状態において可動接点５２に重力等の外力が作用しても、操作機構３の運転を継続することなく投入状態を保つことができる。従って、本実施形態による第２の保持機構７は、機械式に依らず、また投入状態を維持するために電力を必要としない。

次に、系統に事故電流が発生すると、電力用開閉装置１の外部から推力指令値が入力される。推力指令値は推力を表し、可動接点５２の移動速度や移動量を規定している。電力変換器２３は推力指令値に応じた交流電流を電力供給線３３ａを通じて三相コイル３３に付与する。

三相コイル３３に交流電流が流れている一方で、外側永久磁石３１列と内側永久磁石３２列は、図３に示すように、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列を環で結んだ磁気回路を形成している。

より具体的には、磁気回路は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列の内部を通過する軸方向の磁束と、外側永久磁石３１と内側永久磁石３２との間の隙間部を通る半径方向の磁束とを結んで形成される。そして、外側永久磁石３１の列の外側面から出る磁束はほとんどなく、また内側永久磁石３２の列の内側面から出る磁束はほとんどない。従って、外側永久磁石３１と内側永久磁石３２との間の隙間部には、半径方向の磁束が極めて多く分布するようになり、励磁された三相コイル３３に対して多くの半径方向の磁束が直角に鎖交することとなる。そのため、三相コイル３３が巻回された出力環３４は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との間を平行移動する。

出力環３４が移動すると、位置センサ２１、Ｕ相電流センサ２７、及びＷ相電流センサ２８から検出値が推力制御器２３ｂに入力される。推力制御器２３ｂは、これらの検出器と推力指令値とを比較し、その差が零になるようにＰＷＭインバータ２３ａを制御する。

そして、位置センサ２１による検出値が所望値に達すると、推力制御器２３ｂは三相コイル３３に対する電力供給を停止する。開閉機構５内においては、可動接点５２が固定接点５３と開離し、電流遮断が終了する。このとき、ターゲット６２と磁石ユニット６１の接触衝撃を抑制するように、可動接点５２の移動速度や移動位置を可変した推力指令値を推力制御器２３ｂに入力しておくことが望ましい。

電力用開閉装置１の投入動作は、この遮断動作と同様であり、電力用開閉装置１には投入指令が入力されると三相コイル３３に交流電流を付与し、可動接点５２と固定接点５３とを接続する遮断動作と逆向きで遮断動作と同様の投入動作を行う。

（効果）
以上のように、電力用開閉装置１の可動接点５２を往復駆動することで、開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるための操作機構１において、本実施形態では、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列と内側パイプ３８と外側パイプ３９と三相コイル３３と出力環３４と電力供給線３３ａとを備えるようにした。

外側永久磁石３１の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石３１を隣接させて構成される。内側永久磁石３２の列は、円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極が外側永久磁石３１の列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに外側永久磁石３１の列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する。

内側パイプ３８と外側パイプ３９は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定する。三相コイル３３は、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との間に一定のクリアランスもって介在する。出力環３４は、可動接点５２に直接又は間接的に繋がり、三相コイル３３が固定されるとともに外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列に沿って平行移動可能となっている。電力供給線３３ａは、三相コイル３３を励磁するための電力を供給する。

これにより、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列により発生する磁気回路と励磁された三相コイル３３の作用により可動接点５２を往復駆動させるための推力を発生させる。

このとき、外側永久磁石３１の列の外側面と内側永久磁石３２の列の内側面から出る磁束はほとんどなく、外側永久磁石３１の列の外側面と内側永久磁石３２の列の内側面の間でほとんどの磁束が磁気回路を構成する。そのため、バックヨークを必要としない。

加えて、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列は略等しい磁化エネルギーを保持しており、これにより、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列との空隙中には半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。さらに、三相コイル３３が半径方向の磁束が極めて多く分布する空隙中に配置されるので磁束の大部分が三相コイル３３と直角に鎖交し、より少ない電流で大きな推力が発生する。このため、高速化が可能である。

また、操作機構３が運転状態にあるとき、鉄心やヨークが外側永久磁石３１の列及び内側永久磁石３２の列の作る主磁束内や三相コイル３３近傍に存在しないため、三相コイル３３の自己インダクタンスが小さくなる。従って、出力環３４が高速で運動しても所定の励磁電流を三相コイル３３に通電するのに必要な電圧が低減される。

また、出力環３４に鉄心やヨークが不要なため、軽量化が実現できるとともに三相コイル３３の大部分が外側永久磁石３１及び内側永久磁石３２の列の作る主磁束に鎖交するため、推力／重量比が向上する。このため、応答性能も向上する。

さらに、出力環３４又は中間ロッド４２等の出力環３４と連動して動く部材にターゲット６２又は永久磁石６１ｂを固定し、位置が固定された永久磁石６１ｂ又はターゲット６２を備え、出力環３４の移動に応じて永久磁石６１ｂ及びターゲット６２が相対的に接近することにより、ターゲット６２に対する永久磁石６１ｂの磁気吸引力で可動接点５２の位置を維持するようにした。

また、出力環３４に固定されたターゲット７１を更に備え、外側永久磁石３１の列と内側永久磁石３２の列から生じる漏れ磁束がターゲット７１に対する磁気吸引力として作用し、可動接点５２の位置を維持させるようにした。

これにより、機械式な保持機構を排除することができ、装置の軽量化に寄与する。そのため、推力／重量比が更に向上し、また応答性能も更に向上する。更に、この摺動部を含む機械的な保持機構が存在しないこと、また投入状態及び遮断状態を維持するために電力を必要としないことは、電磁駆動方式の操作機構がもたらすメンテナンスにおける優位性を阻害しない点で有用となる。

更に、本実施形態の操作機構は任意の駆動が可能であるため、ターゲット６２と永久磁石６１ｂの衝突を緩和するように推力を調整することもでき、故障リスクも低減させることができる。また、故障リスク低減のための構成を削除できるために、更なる軽量化にも寄与する。

また、可動接点５２や固定接点５３の損耗状態に関わらず、一定の動作特性を実現することもできる。更に、動作時に、一定の動作パターンを実現するための駆動力の変化を過去のデータと比較することにより、接点の損耗状態を検知できるので、機器の寿命診断を行うことができる。もちろん、定期検査における、無負荷運転でも診断可能である。

（第２の実施形態）
（全体構成）
図８は、第２の実施形態に係る電力用開閉装置１を示す内部構成図である。図８に示すように、この電力用開閉装置１は、中間ロッド４２と操作ロッド４１との間に第２の伝達機構９が介在している。この第２の伝達機構９は、推力の増幅又は移動量の増幅を目的として設けることができる。

（第２の伝達機構の一構成例）
図９は、推力の増幅を目的とした第２の伝達機構９を示す構成図である。図９に示すように、この第２の伝達機構９は、中間ロッド４２と操作ロッド４１とを複数のリンクを介在させて接続している。複数のリンクとは、一端が回転可能に固定された棒状のレバー９１と、中間ロッド４２とレバー９１の他端とを回転可能に繋ぐ補助リンク９２と、操作ロッド４１とレバー９１の中程に設けられた節点とを回転可能に繋ぐ補助リンク９３である。

（第２の伝達機構の他の構成例）
図１０は、移動量の増幅を目的とした第２の伝達機構９を示す構成図である。図１０に示すように、この第２の伝達機構９は、中間ロッド４２と操作ロッド４１とを複数のリンクを介在させて接続している。複数のリンクとは、一端が回転可能に固定された棒状のレバー９１と、中間ロッド４２とレバー９１の中程に設けられた節点とを回転可能に繋ぐ補助リンク９２と、操作ロッド４１とレバー９１の他端とを回転可能に繋ぐ補助リンク９３である。

（効果）
このように、一端に回転可能な固定点を有するとともに、出力環３４が直接又は間接的に他端側に回転可能に取り付けられ、出力環３４よりも固定点に近い箇所に操作ロッド４１が取り付けられたレバー９１を備えるようにした。

この第２の伝達機構９では、支点との距離は力点よりも作用点のほうが近くなる。そのため、レバー９１が梃子として働くと、中間ロッド４２の移動力が増幅されて操作ロッド４１に伝達できる。

また、一端に回転可能な固定点を有するとともに、操作ロッド５１が他端側に回転可能に取り付けられ、操作ロッド４１よりも固定点に近い箇所に出力環３４が直接又は間接的に取り付けられたレバー９１を備えるようにした。

この第２の伝達機構９では、支点との距離は作用点よりも力点のほうが近くなる。そのため、レバー９１が梃子として働くと、中間ロッド４２の移動量が増幅されて操作ロッド４１に伝達できる。

また、部品点数および摺動部が増えるが、推力あるいはストロークの増減を行う機能を有していることから、操作機構３あるいは開閉装置５側の設計自由度が増すという効果がある。

（第３の実施形態）
（第１の保持機構の構成）
図１１は、第３の実施形態に係る電力用開閉装置１の第１の保持機構６を示す構成図であり、左半図が遮断状態、右半図が投入状態を示している。図１１に示すように、この第１の保持機構６は、フレーム８がターゲット６２を代替する。すなわち、フレーム８は強磁性体により形成されている。一方、中間ロッド４２には、周面から立ち上がった板状のラバー磁石６３が固定されている。

（作用・効果）
この第１の保持機構６では、図１１の右半図に示されるように、フレーム８に対してラバー磁石６３が接触している。そのため、ラバー磁石６３の磁気吸引力がフレーム８に強く作用し、ラバー磁石６３がフレーム８に固定される。

ラバー磁石６３と出力環３４とは固定関係にあり、出力環３４と可動接点５２とは、中間ロッド４２と操作ロッド４１を介して連動関係にあるため、可動接点５２も投入位置で維持される。そのため、操作機構３を停止させた状態において可動接点５２に重力等の外力が作用しても、操作機構３の運転を継続することなく投入状態を保つことができる。従って、本実施形態による第１の保持機構６は、機械式に依らず、また投入状態を維持するために電力を必要としない。また、ラバー磁石６３は、高い弾性力を有するため、ラバー磁石６３とフレーム８との衝突ショックを緩和し、更に故障リスクも低減させることができる。また、故障リスク低減のための構成を削除できるために、更なる軽量化にも寄与する。

［その他の実施の形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１乃至第３の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、各図において電力用開閉装置１が横に寝かされた例を説明しているが、電力用開閉装置１を縦置きとしてもよい。また、外側永久磁石及び内側永久磁石を円環状を例として説明したが、例えば、円弧状を環状に並べるようにしてもよい。

１ 電力用開閉装置
２ 駆動装置
２１ 位置センサ
２１ａ リニアスケール
２１ｂ 光学式ピックアップ
２２ 母線
２３ 電力変換器
２３ａ ＰＷＭインバータ
２３ｂ 推力制御器
２４ 電源電力変換器
２４ａ インバータ
２４ｂ 回生受電制御器
２５ 平滑コンデンサ
２６ 蓄電装置
２６ａ バッテリー
２６ｂ 抵抗器
２６ｃ ダイオード
２７ Ｕ相電流センサ
２８ Ｗ相電流センサ
３ 操作機構
３１ 外側永久磁石
３２ 内側永久磁石
３３ 三相コイル
３３ａ 電力供給線
３４ 出力環
３４ａ 円弧板
３４ｂ 円弧板
３４ｃ 円板
３５ 固定子
３５ａ 円板
３６ ガイドバー
３７ 接続部材
３７ａ ガイド
３８ 内側パイプ
３９ 外側パイプ
４ 伝達機構
４１ 操作ロッド
４２ 中間ロッド
５ 開閉機構
５１ 密閉空間
５２ 可動接点
５３ 固定接点
６ 第１の保持機構
６１ 磁石ユニット
６１ａ ヨーク
６１ｂ 永久磁石
６２ ターゲット
６３ ラバー磁石
７ 第２の保持機構
７１ ターゲット
７１ａ 外側リング
７１ｂ 内側リング
８ フレーム
９ 第２の伝達機構
９１ レバー
９２ 補助リンク
９３ 補助リンク
１００ 電源

Claims (9)

1. 可動接点を往復駆動することで、開閉装置を遮断状態と投入状態との間で相互に移行させるための操作機構であって、
   円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度ずつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される第一の永久磁石の列と、
   円環状若しくは円弧状の永久磁石の磁極が前記第１の永久磁石の列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記第一の永久磁石の列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する第二の永久磁石の列と、
   前記第一の永久磁石の列と前記第二の永久磁石の列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定する磁石固定手段と、
   前記第１の永久磁石の列と前記第２の永久磁石の列との間に一定のクリアランスもって介在するコイルと、
   前記可動接点に直接又は間接的に繋がり、前記コイルが固定されるとともに前記第１及び第２の永久磁石の列に沿って平行移動可能なコイル支持手段と、
   前記コイルを励磁するための電力を供給する電力供給線と、
   を備え、
   前記第一の永久磁石の列と前記第二の永久磁石の列により発生する磁気回路と励磁された前記コイルの作用により前記可動接点を往復駆動させるための推力を発生させること、
   を特徴とする電力用開閉装置の操作機構。
2. 前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石が同等の磁化エネルギーを保持していること、
   を特徴とする請求項１記載の電力用開閉装置の操作機構。
3. 前記コイル支持手段又は当該コイル支持手段と連動して動く部材に固定された強磁性体と、
   位置が固定された第３の永久磁石と、
   を備え、
   前記コイル支持手段の移動に応じて前記第３の永久磁石及び前記強磁性体が相対的に接近することにより、前記強磁性体に対する前記第３の永久磁石の磁気吸引力で前記可動接点の位置を維持すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の電力用開閉装置の操作機構。
4. 前記コイル支持手段又は当該コイル支持手段と連動して動く部材に固定された第３の永久磁石と、
   位置が固定された強磁性体と、
   を備え、
   前記コイル支持手段の移動に応じて前記第３の永久磁石及び前記強磁性体が相対的に接近することにより、前記強磁性体に対する前記第３の永久磁石の磁気吸引力で前記可動接点の位置を維持すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の電力用開閉装置の操作機構。
5. 前記第３の永久磁石は、ラバー磁石であること、
   を特徴とする請求項３又は４に記載の電力用開閉装置の操作機構。
6. 前記コイル支持手段に固定された強磁性体を更に備え、
   前記第１の永久磁石の列と前記第２の永久磁石の列から生じる漏れ磁束が前記強磁性体に対する磁気吸引力として作用し、前記可動接点の位置を維持すること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電力用開閉装置の操作機構。
7. 前記可動接点を往復運動させる操作ロッドと、
   一端に回転可能な固定点を有するとともに、前記コイル支持手段が直接又は間接的に他端側に回転可能に取り付けられ、前記コイル支持手段よりも前記固定点に近い箇所に前記操作ロッドが取り付けられたレバーと、
   を更に備え、
   前記コイル支持手段の推力を増幅して前記可動接点に伝達すること、
   を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の電力用開閉装置の操作機構。
8. 前記可動接点を往復運動させる操作ロッドと、
   一端に回転可能な固定点を有するとともに、前記操作ロッドが他端側に回転可能に取り付けられ、前記操作ロッドよりも前記固定点に近い箇所に前記コイル支持手段が直接又は間接的に取り付けられたレバーと、
   を更に備え、
   前記コイル支持手段の移動量を増幅して前記可動接点に伝達すること、
   を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の電力用開閉装置の操作機構。
9. 往復運動可能な可動接点と、前記可動接点を駆動する操作機構とを有し、前記可動接点の移動によって遮断状態と投入状態との間で相互に移動し得る開閉装置であって、
   前記操作機構は、
   請求項１乃至８の何れかに記載の操作機構であること、
   を特徴とする電力用開閉装置。

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