JP2000504496A - 最小にされた補助磁石を有するアクチュエーター、及びそのようなアクチュエーターを設けられたスロットル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１アクチュエーター体（13）と回転の軸線（19）の周りで前記第１アクチュエーター体（13）に対して回転できる第２アクチュエーター体（17）とを具えている電気的アクチュエーター（11）である。一方のアクチュエーター体（17）は主永久磁石（23）を設けられている。他方のアクチュエーター体（13）は前記第２アクチュエーター（17）上に電磁トルク（Ｔ_EM）を及ぼすための電気的付勢手段（33）を設けられ、且つ前記第２アクチュエーター体（17）上に静磁気トルク（Ｔ_MS）を及ぼすための補助永久磁石（73、75）を設けられている。前記の静磁気トルク（Ｔ_MS）が静止位置に第２アクチュエーター体（17）を維持するのに対して、電磁トルク（Ｔ_EM）は第１アクチュエーター体（13）に対して限られた回転の角（φ）だけ第２アクチュエーター体（17）を回転させる。本発明によると、補助永久磁石（73、75）が補助永久磁石（73、75）を設けられたアクチュエーター体（13）の軸方向長さ（Ｌ_AB）より短い軸方向長さ（Ｌ_AM）を有している。この方法において、静磁気トルク（Ｔ_MS）が、第２アクチュエーター体（17）上の外部負荷の結果として生じ得る、第２アクチュエーター体（17）の静止位置の妨害を防止するために充分な値へ低減される。このアクチュエーター（11）は内燃機関の空気入口内のスロットルバルブ（７）を動かすためのスロットル装置に応用される。

Description

【発明の詳細な説明】 最小にされた補助磁石を有するアクチュエーター、及びそのようなアクチュエ ーターを設けられたスロットル装置 本発明は、第１アクチュエーター体と、回転の軸線の周りで前記の第１アクチ ュエーター体に対して回転できる第２アクチュエーター体とを具えている電気的 アクチュエーターに関するもので、第１及び第２アクチュエーター体のうちの一 方が主永久磁石を設けられ、且つ第１及び第２アクチュエーター体のうちの他の 一方が第２アクチュエーター体上に電磁トルクを及ぼすための電気的付勢手段と 第２アクチュエーター体上に静磁気トルク及ぼすための補助永久磁石を設けられ ている。 本発明は、内燃機関の空気入口に用いるためのスロットル装置にも関係してお り、そのスロットル装置は、スロットルバルブハウジング、空気入口へ接続でき る空気通路、その空気通路内で回転できるように前記のスロットルバルブハウジ ング内に軸支されるスロットルバルブ、及びスロットルバルブを回転するための 電気的アクチュエーターを具えている。 冒頭文節に記載された種類の電気的アクチュエーターとスロットル装置とは、 WO 95/34903号明細書から既知である。その既知のスロットル装置のスロットル バルブは既知のアクチュエーターによって空気通路内で回転できる。そのアクチ ュエーターの第２アクチュエーター体とその第２アクチュエーター体へ結合され たスロットルバルブとは、そのアクチュエーターの付勢手段へ電流が供給されな い場合に、そのアクチュエーターの静磁気トルクの影響のもとで静止位置へ駆り 立てられる。電流が付勢手段へ供給された場合には、第２アクチュエーター体と スロットルバルブとが、スロットルバルブ上へ及ぼされる電磁トルク、静磁気ト ルク及び外部トルクが平衡している位置へ、回転の軸線の周りで限られた回転の 角だけ、アクチュエーターの電磁トルクの影響のもとで回転される。前記の位置 は付勢手段を通る電流の値により決められるので、その位置は付勢手段を通る電 流を制御することにより制御され得る。補助永久磁石の使用が、第２アクチュエ ーター体とスロットルバルブとが静止位置へしっかりと駆り立てられるので、静 止位置は、例えばスロットルバルブを横切る圧力差の変動ような、スロットルバ ルブ上の外部負荷により妨害されない。 この既知のアクチュエーターの欠点は、補助磁石が必要な機械的強度を達成す るため、及び主永久磁石による補助磁石の減磁を防止するための最小厚さを有さ ねばならないことである。補助磁石の前記の最小厚さが、全部の環境のもとで且 つ全部のアクチュエーターの応用に対して最善ではないアクチュエーターの静磁 気トルクへ導く。一定の環境のもとで且つアクチュエーターの一定の応用に対し て、補助磁石の最小厚さにより得られる静磁気トルクは大きすぎるので、付勢手 段を通る比較的強い電流が、第２アクチュエーター体を回転するために必要であ る。このことが不必要に高い電力消費とアクチュエーターの加熱とへ導く。 既知の電気的アクチュエーター及びスロットル装置の欠点が回避される、冒頭 文節に記載された種類の電気的アクチュエーター及びスロットル装置を提供する ことが、本発明の目的である。 本発明によると、電気的アクチュエーターはこの目的のために、回転の軸線と 平行な方向に見て、補助永久磁石が補助永久磁石を設けられたアクチュエーター 体の軸方向長さよりも短い軸方向長さを有することを特徴としている。 本発明によると、スロットル装置はこの目的のために、電気的アクチュエータ ーが本発明による電気的アクチュエーターであることを特徴としている。 補助永久磁石の軸方向長さが補助永久磁石を設けられたアクチュエーター体の 軸方向長さよりも短いので、そのアクチュエーターの静磁気トルクが補助永久磁 石の厚さを低減することなく低減される。かくして、アクチュエーターの静磁気 トルクが、必要な最小厚さを有する補助磁石と補助磁石を設けられたアクチュエ ーター体の軸方向長さと等しい軸方向長さとが大きすぎる静磁気トルクへ導き得 る静止位置における第２アクチュエーター体上へ及ぼされる外部負荷の影響のも とで起こり得る第２アクチュエーターの静止位置の妨害を防止するのに充分な値 へ低減され得る。 本発明による電気的アクチュエーターの特別の実施例は、回転の軸線を横切っ て延在する仮想平面内に見て、補助永久磁石の断面が補助永久磁石の単位体積当 たりの静磁気トルクの最大値を与える表面積を有することを特徴としている。補 助磁石の単位体積当たりの静磁気トルクの前記の最大値を与える補助磁石の前記 断面の表面積は、例えばアクチュエーターの断面の二次元解析によって決められ 得る。補助磁石の単位体積当たりの静磁気トルクの前記最大値を与える前記の表 面積により、静磁気トルクの必要な値を得るために必要な補助磁石の軸方向長さ が最小値へ低減され得るので、補助磁石の磁石材料の総量が最小にされる。 本発明による電気的アクチュエーターの別の実施例は、第２アクチュエーター 体が円筒状永久磁石回転子体を具え、一方第１アクチュエーター体が永久磁石回 転子体を取り囲む第１磁極片及び第２磁極片を有するＵ字型固定子体を具えおり 、第１アクチュエーター体は静磁気トルクを及ぼすために２個の補助永久磁石を 設けられ、前記の補助永久磁石はそれぞれ、永久磁石回転子体と対向する第１磁 極片の表面内に回転の軸線と平行に延在する第１溝内、及び永久磁石回転子体と 対向する第２磁極片の表面内に回転の軸線と平行に延在する第２溝内に設けられ ている。Ｕ字型固定子体は高透磁性を有する材料から作られ、且つ第２アクチュ エーター体上へ付加的な静磁気トルクを及ぼす。前記の付加的な静磁気トルクの 特性は、固定子体の磁極片内の第１及び第２溝の存在により著しく改善される。 前記の溝の寸法は、前記の付加的な静磁気トルクの必要な特性が達成されるよう な方法で決められる。補助磁石を収容する溝の寸棒は限られた量へ変えられ得る のみであるから、補助磁石の幅は補助磁石の最小の厚さに加えて予め決められる 。それ故に、本発明の特質は本発明のこの実施例において完全な利点に見える。 本発明による電気的アクチュエーターの更に別の実施例は、回転の軸線と平行 な方向に見て、第１溝と第２溝とが第１アクチュエーター体の軸方向長さと対応 する軸方向長さを有することを特徴としている。固定子体の付加的な静磁気トル クの特性は電気的アクチュエーターのこの更に別の実施例において最善にされる 。 図面を参照して以下に本発明をもっと詳細に説明しよう。図において、 図１は、内燃機関の空気入口に用いられる、本発明によるスロットル装置を図 式的に示しており、 図2Aは非付勢条件における、図１のスロットル装置に適用される、本発明によ る電気的アクチュエーターの断面図であり、 図2Bは付勢条件における図2Aの電気的アクチュエーターを示しており、且つ 図３は図2Aにおける線III〜III上で取られた断面図を示している。 図１に示されたスロットル装置は管状空気通路３及びスロットル装置がそれに より空気入口又は図に示されていない内燃機関のマニホルドへ接続され得るフラ ンジ５を有するスロットルバルブハウジング１を具えている。このスロットル装 置は更に空気通路３を通り直径方向に延びる軸９上に取り付けられた円盤状スロ ットルバルブ７を具えている。軸９はスロットルバルブハウジング１のフランジ ５内に回転可能に軸支されているので、スロットルバルブ７は空気通路３内で回 転できる。スロットルバルブ７が回転された場合に、空気通路３の開口部と内燃 機関の燃焼室への空気流とが変えられる。 スロットルバルブ７は電気的アクチュエーター11によって空気通路３内で回転 できる。アクチュエーター11はスロットルバルブハウジング１のアクチュエータ ーハウジング15内に取り付けられた第１アクチュエーター体13と、回転の軸線19 の周りで第１アクチュエーター体13に対して回転できるように、軸９へ取り付け られた第２アクチュエーター体17とを具えいてる。図2A及び2Bが示すように、第 ２アクチュエーター体17は、直径方向に磁化され且つ北極Ｎと南極Ｓとを有する 主永久磁石23を具えている円筒状永久磁石回転子体21を具えている。第１アクチ ュエーター体13は、焼結された鉄のような高透磁性を有する材料、又は磁性鋼積 層で作られたＵ字型固定子体25を具えている。このＵ字型固定子体25はベース31 により相互接続された２個のリム27、29を具えている。第１アクチュエーター体 13は更にベース31により支持される電気的コイル35を有する電気的付勢手段33を 具えている。固定子体25のリム27、29は各々磁極片37、39を設けられ、且つそれ らの磁極片37、39は各々永久磁石回転子体21と対向する湾曲した表面41、43を有 している。図2A及び2Bが示すように、磁極片37、39の湾曲した表面41、43が永久 磁石回転子体21を取り囲み、表面41が回転子体21と磁極片37との間の空隙45を定 義し、且つ表面43が回転子体21と磁極片39との間の空隙47を定義する。更にその 上、第１ギャップ49と第２ギャップ51とが磁極片37、39の間に存在し、一方回転 の軸線19と平行に延在する第１溝53が磁極片37の湾曲した表面41内に中央に設け られ、且つ回転の軸線19と平行に延在する第２溝55が磁極片39の湾曲した表面43 内に中央に設けられている。この方法で、表面41は第１表面部分57と第２表面部 分59とに分割され、且つ表面43は第１表面部分61と第２表面部分63とに分割され 、一方空隙45は第１空隙部分65と第２空隙部分67とに分割され、且つ空隙47は第 １空隙部分69と第２空隙部分71とに分割される。図2A及び2Bが示すように、直径 方向に対向する空隙部分65、71の幅は直径方向に対向する空隙部分67、69の幅よ りも小さい。 図2A及び2Bが更に示すように、第１アクチュエーター体13は第１補助永久磁石 73と第２補助永久磁石75とを設けられている。第１補助永久磁石73は第１アクチ ュエーター体13の第１溝53内に収容され、一方第２補助永久磁石75は第１アクチ ュエーター体13の第２溝55内に収容されている。第２アクチュエーター体17の主 永久磁石23と第１アクチュエーター体13の補助永久磁石73、75との間の相互作用 の結果として、静磁気トルクＴ_MSが補助永久磁石73、75により第２アクチュエー ター体17上に及ぼされる。更にその上、第２アクチュエーター体17の主永久磁石 23と固定子体25の透磁性材料との間の相互作用の結果として、付加的な静磁気ト ルクＴ_MS,Oが固定子体25により第２アクチュエーター体17上に及ぼされる。付勢 手段33の電気的コイル35が付勢されない場合に、静磁気トルクＴ_MS及びＴ_MS,Oが 第２アクチュエーター体17とその第２アクチュエーター体17へ結合されたスロッ トルバルブ７とを、図2Aに示された静止位置へ駆り立てる。前記の静止位置にお いては、図１に示したように、第２アクチュエーター体17上に取り付けられたカ ム77がスロットル装置の機械的停止部79に対してよりかかる。電気的コイル35が 付勢された場合には、電磁トルクＴ_EMが、主永久磁石23と電気的コイル35の電磁 界との間の相互作用の結果として、第２アクチュエーター体17上に及ぼされる。 前記の電磁トルクＴ_EMが図2Bに示された位置に向かって図2Aに示された静止位置 から第２アクチュエーター体17とスロットルバルブ７とを回転させ、それが静止 位置に対する回転の軸線19の周りの第２アクチュエーター体17の何転の角φによ り特徴付けられる。図2Bに示された位置においては、電磁トルクＴ_EMが静磁気ト ルクＴ_MS及びＴ_MS,Oと、スロットルバルブ７上に及ぼされ、且つ例えばスロット ルバルブ７上に及ぼされる空気流力により起こされる外部トルクとに平衡してい る。コイル35を通る電流がスイッチオフされた場合に、第２アクチュエーター体 17とスロットルバルブ７とは、静磁気トルクＴ_MS及びＴ_MS,Oの影響のもとで再び 静止位置へ戻る。図2Bに示された位置における回転の角φの値は、コイル35を通 る電流の値により決められ、且つ図に示されない電気的制御器によりコイル35を 通る電流の調節によって調節できる。 図１が示すように、第２アクチュエーター体17及びスロットルバルブ７の静止 位置は、空気通路３内のスロットルバルブ７のいわゆるリンプ・ホーム（limp-h ome）位置と一致し、その位置は空気通路３の開口部が最小値であるスロットル バルブ７のいわゆるアイドリング（idling）位置からわずかに異なっている。例 えばスロットルバルブの電気的エネルギー供給が不足する場合に起こる、スロッ トルバルブ７のリンプ・ホーム位置においては、空気通路３の開口部が内燃機関 の燃焼室へ向かう小さい空気流を許容するので、エンジンの緊急動作がまだ可能 である。停止部79が機械的に調節できるので、スロットルバルブ７のリンプ・ホ ーム位置において空気通路３を通る空気流は調節できる。空気通路３の開口部が それぞれ最小及び最大であるアイドリング及びフルスロットル位置を含んで、ス ロットルバルブ７のすべての他の位置において、電流がコイル35を通って供給さ れる。 補助永久磁石73、75の使用が、コイル35を通る電流がスイッチオフされた場合 にスロットルバルブ７が静止位置へ敏速に戻ること、及びスロットルバルブ７が その静止位置に堅固に保持されることを達成する。この方法において、スロット ルバルブ７の静止位置は、例えば、エンジンの燃焼室の入口バルブが動作中に周 期的に開かれ且つ閉じられると言う事実の結果として生じる、スロットルバルブ ７を横切る圧力差の変動のような、スロットルバルブ７上の外部負荷により妨害 されない。 第２アクチュエーター体17上に補助永久磁石73、75により及ぼされる静磁気ト ルクの値は、それらの補助永久磁石73、75の体積に依存する。前記の体積は図2A 及び図３に示されたような、補助永久磁石73、75の幅Ｗと厚さＴとにより決めら れる。補助永久磁石73、75の幅Ｗは補助永久磁石73、75が収容される溝53及び55 の幅により決められる。第１アクチュエーター体13内の溝53及び55の存在は、第 ２アクチュエーター体17上に固定子体25により及ぼされる付加的な静磁気トルク Ｔ_MS,Oの特性を著しく改善する。前記の付加的な静磁気トルクＴ_MS,Oの特性は溝 53及び55の幅に依存する。それ故に、溝53及び55の幅と又補助永久磁石73、75の 幅Ｗが、付加的な静磁気トルクＴ_MS,Oの必要な特性による一定の制限内にあるよ うに予め決められる。更にその上、補助永久磁石73、75は必要な機械的強度を達 成するため、及び主永久磁石23による補助永久磁石73、75の減磁を防止するため に、最小厚さＴ_MINを有さねばならない。上述の補助永久磁石73、75の予め決め られた幅Ｗと最小厚さＴ_MINとを考慮して、回転の軸線19を横切って延在する仮 想平面内に見られる補助永久磁石73、75の断面は、補助永久磁石73、75のの単位 体積当たりの静磁気トルクの予め決められた最小値を与える少なくとも最小表面 積を有する。図2A及び図３に示したように、補助永久磁石73、75は前記の最小厚 さＴ_MINよりも大きい厚さＴを与えられる。この厚さＴは、補助永久磁石73、75 の且つ回転の軸線19を横切って延在する仮想平面内で見た予め決められた幅Ｗに より、補助永久磁石73、75の断面が補助永久磁石73、75の単位体積当たりの静磁 気トルクＴ_MSの最大値を与える表面積を有するような方法で決められる。補助永 久磁石73、75の単位体積当たりの静磁気トルクＴ_MSの前記の最大値を与える補助 永久磁石73、75の前記の断面の表面積は、このアクチュエーター11の断面の一般 に既知の且つ普通の二次元解析によって決められる。 図３に示したように、回転の軸線19と平行な方向に見た補助永久磁石73、75は 補助永久磁石73、75を設けられた第１アクチュエーター体13の軸方向長さＬ_ABよ りも短い軸方向長さＬ_AMを有する。補助永久磁石73、75の軸方向長さＬ_AMは、補 助永久磁石73、75の単位体積当たりの静磁気トルクＴ_MSの前記の最大値を与える 上述の予め決められた幅Ｗ及び厚さＴにより、スロットルバルブ７上に及ぼされ る外部負荷の影響のもとで生じ得るスロットルバルブ７の静止位置の妨害を防止 するのに充分である静磁気トルクＴ_MSの値が得られるような方法で決められる。 その幅Ｗ及び厚さＴにより補助永久磁石73、75の単位体積当たりの静磁気トルク Ｔ_MSが最大値であるから、補助永久磁石73、75の体積と重さとはかくして最小値 へ低減される。 図３に示したように、第１アクチュエーター体13の第１溝53と第２溝55とは、 第１アクチュエーター体13の軸方向長さＬ_ABと対応する軸方向長さを有する。こ の方法において、固定子体25の付加的な静磁気トルクＴ_MS,Oの特性は最良にされ る。補助永久磁石73、75の軸方向長さＬ_AMは第１アクチュエーター体13の軸方向 長さＬ_ABより短いので、補助永久磁石73、75の端面81、83、85及び87は溝53及び 55の各自の空虚な端部89、91、93及び95により制限される。 上述の電気的アクチュエーター11においては、第１アクチュエーター体13が電 気的付勢手段33及び補助永久磁石73、75を設けられ、一方第２アクチュエーター 体17が主永久磁石23を設けられている。本発明はまた第１アクチュエーター体が 主永久磁石を具え且つその第１アクチュエーター体に対して回転できる第２アク チュエーター体が付勢手段と補助磁石とを具えている電気的アクチュエーターも 包含することは注目される。 本発明による電気的アクチュエーターは、軸の角度的位置が一定又は可変基準 角に対して制御されねばならない他の装置にも適用され得ることが最後に注目さ れる。この電気的アクチュエーターは、例えば、化学プラント又は発電所におけ るサーボ動作バルブ、又は航空機の制御平面を偏向するための装置に用いられ得 る。このアクチュエーターは伝達無しでいわゆる素(prime)アクチュエーターと して用いられ得て、その場合にはアクチュエーターが直接上述の発明の一実施例 におけるように移動されるべき体を駆動するか、又はもう一つの回転運動へ又は 線型運動へ回転運動を変換するための伝達と組み合わせて用いられ得て、その場 合には体の線型位置が電気的アクチュエーターにより正確に制御され得る。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 荷の結果として生じ得る、第２アクチュエーター体（1 7）の静止位置の妨害を防止するために充分な値へ低減 される。このアクチュエーター（11）は内燃機関の空気 入口内のスロットルバルブ（７）を動かすためのスロッ トル装置に応用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１アクチュエーター体と、回転の軸線の周りで前記の第１アクチュエータ ー体に対して回転できる第２アクチュエーター体とを具えている電気的アクチ ュエーターであって、第１及び第２アクチュエーター体のうちの一方が主永久 磁石を設けられ、且つ第１及び第２アクチュエーター体のうちの他の一方が第 ２アクチュエーター体上に電磁トルクを及ぼすための電気的付勢手段と第２ア クチュエーター体上に静磁気トルク及ぼすための補助永久磁石を設けられてい るアクチュエーターにおいて、 回転の軸線と平行な方向に見て、補助永久磁石が補助永久磁石を設けられた アクチュエーター体の軸方向長さよりも短い軸方向長さを有することを特徴と する電気的アクチュエーター。 ２．請求項１記載の電気的アクチュエーターにおいて、回転の軸線を横切って延 在する仮想平面内に見て、補助永久磁石の断面が補助永久磁石の単位体積当た りの静磁気トルクの最大値を与える表面積を有することを特徴とする電気的ア クチュエーター。 ３．請求項１又は２記載の電気的アクチュエーターにおいて、第２アクチュエー ター体が円筒状永久磁石回転子体を具え、一方第１アクチュエーター体が永久 磁石回転子体を取り囲む第１磁極片及び第２磁極片を有するＵ字型固定子体を 具えおり、第１アクチュエーター体は静磁気トルクを及ぼすために２個の補助 永久磁石を設けられ、前記の補助永久磁石はそれぞれ、永久磁石回転子体と対 向する第１磁極片の表面内に回転の軸線と平行に延在する第１溝内、及び永久 磁石回転子体と対向する第２磁極片の表面内に回転の軸線と平行に延在する第 ２溝内に設けられていることを特徴とする電気的アクチュエーター。 ４．請求項３記載の電気的アクチュエーターにおいて、回転の軸線と平行な方向 に見て、第１溝と第２溝とが第１アクチュエーター体の軸方向長さと対応する 軸方向長さを有していることを特徴とする電気的アクチュエーター。 ５．内燃機関の空気入口に用いるためのスロットル装置であって、該スロットル 装置は、スロットルバルブハウジング、空気入口へ接続できる空気通路、その 空気通路内で回転できるように前記のスロットルバルブハウジング内に軸支され るスロットルバルブ、及びスロットルバルブを回転するための電気的アクチュエ ーターを具えているスロットル装置において、 前記の電気的アクチュエーターが請求項１〜４のいずれか１項記載の電気的ア クチュエーターであることを特徴とするスロットル装置。