JPH07503359A - 強磁性ワイヤ電磁アクチュエータ - Google Patents
強磁性ワイヤ電磁アクチュエータInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
強磁性ワイヤ電磁アクチュエータ
関連出願データ
本出願は、1992年3月24日に発行の米国特許No、5,099,1581
15B特許”)となった1990年3月26日付1を米国特許出願No、07/
499.046の一部継続出願である同時係属中の米国特許出願番号N0007
/855.771の一部継続出願である;特許″158″Iよ、1990年3月
27日に発行の米国特許No、4.912.343 (特許″343”)となっ
た1989年3月7日付けの米国特許出願No、07/319,956の一部継
続出願である;特許”343”は、現在、放棄されてIllる1988年8月3
1日(寸けの米国特許出願No、07/238.925の一部継続出願である;
上記の各々は、本出願の発明の譲受人に譲渡されてし1て、参照としてここに添
にtする。
発明の分野
本発明は、一般に電磁アクチュエータに関し、特に強磁性材穿1で構成されたコ
イルを使用した電磁アクチュエータに関する。
発明の背景
従来、電磁アクチュエータ、電磁石、電流と磁場との相互作用をII用した他の
装置は、鋼かアルミニウムの材料中を電流力;流れるよう喀こ、従来、構成され
てきた。この材料選択は、銅及びアルミニウム力(他の大半の材穿斗よりも大幅
(こ低し翫電気抵抗を有し、しかも比較的低コストで利用できるとし−う事実に
よってし)た。低電気抵抗は、所定の形状の導体中を流れる所定の電流ζ:つし
)て、熱力5発生する率が直接電気抵抗に比例しているという観点力)ら望まれ
る。従って、銅又Iまアルミニウム材料の使用は、熱発生を低減し、対応して熱
として失うエネルギーを低減すると考えられている。この熱低減は、一般【こ消
費エネルギー当りのより大きし)有効出力を与える。即ちより高い効率の装置の
特徴である。
多くの電気機械装置は、装置の機能力(依存する磁場を強める。!!Iち集中さ
せるために強磁性材料を使用している。このような場合、強磁性材料の鍵となる
特性は、高透磁率である。磁場又は磁束は、高透磁率の容積路を通過する。従っ
て、鉄、コバルトニッケル及び種々の特殊合金といった強磁性材料の使用もまた
望ましい。
電磁装置の大型のものでは、力は、磁場中に配置された材料中を流れる電流によ
り発生する。従来技術では1強磁性材料は、磁場を銹導し、集中し1強めるため
に使用され、電流は、銅又はアルミニウムといった低抵抗の材料中を流れるよう
にされてきた。そのような装置の効率は、ある容積中の電流と磁場の共存によっ
ている。これらの容積中に銅又はアルミニウムを挿入すると、全体が強磁性材料
のみから構成される場合に得られるであろう磁束から、大幅に低減した磁束をも
たらす。
従って1強磁性材料の高抵抗が磁束増加により補って余るような、磁束のキャリ
ア及び電流のキャリアとして強磁性材料を使用している電磁アクチュエータに対
する必要性が存在する。
発明の要約
本発明の主たる目的は、従来技術の一つ以上の問題点を解決することにある。
本発明の有意義な目的は、強磁性材料を磁束キャリア及び電流キャリアとして使
用する電磁アクチュエータを提供することにあり、強磁性材料の高抵抗という問
題点は、磁束の増加により十分に補われる。
本発明の特長によれば、Wi磁アクチュエータは、強磁性材料製で、中心軸を定
めているケースと、この中心軸と同軸で、ケース内で滑り可能に支持されている
コアと含む。コアは、第一端部、第二端部及び中央部を含む。アクチュエータは
、更に、中心軸と同軸に固定された軸方向に向いている磁束発生素子と、第−及
び第二通電導体コイルを含む。第一コイルは、コアの第一端部と対向して支持さ
れ。
第二コイルは、コアの第二端部と対向して支持されている。コイルは1強磁性材
料で形成され、中心軸と同軸である。コイルは、中心軸に直角の方向で断面の長
さを有し、中心軸に平行な沿った方向でコイルの捲き線の間の絶縁スペースの幅
を有す。長さ及び幅は、絶縁スペースの幅の磁気抵抗がその絶縁スペースに隣接
したコイルワイヤの断面長の磁気抵抗より大きくなるように選択される。
本発明の特徴は、アクチュエータがアルミニウム又は銅のコイルを使用した同様
な機能のアクチュエータよりより少ない電流とより少ない電力を使用するという
ことである。
本発明の他の特徴は1強磁性ワイヤコイルを有するアクチュエータは、アルミニ
ウム又は銅のコイルを使用した同様な機能のアクチュエータより小さい質量の永
久磁石を使用するということである。
本発明の更に他の特徴は、強磁性ワイヤコイルを有すアクチュエータの装置全体
の質量及び容積は、銅又はアルミニウムコイルを使用した比肩できる機能のアク
チュエータより小さいということである。
本発明の更に他の特徴は1強磁性ワイヤコイルを有すアクチュエータの所定電流
に於ける力の出力は、銅又はアルミニウムコイルを使用した比肩できる機能のア
クチュエータより大きい。
本発明のこれら及びその他の目的、効果及び特徴は、添付図面及び請求の範囲と
共に以下の好適な実施例を参照すれば当業者には容易に理解できょう。
図面の簡単な説明
図1は1本発明の軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータの一実施例の断面図である
。
図2は、図1のアクチュエータの強磁性ワイヤ導体コイルの一実施例の断面図で
ある。
図3は、端に巻かれた銅又はアルミニウム導体コイルの断面図である。
図4は、移動コイルを備えた軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータの断面図である
。
図5は、移動フィールドコイルを備えた軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータの断
面図である。
図6は、収束移動磁石を備えた軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータの断面図であ
る。
図7は、ラジアル磁石強磁性ワイヤアクチュエータである。
好適な実施例の説明
図1には、本発明の原理に基づいた電磁アクチュエータの一実施例が示されてい
る。アクチュエータ10は、ケース12、一対の電気導体電流導体コイル14゜
コア16及び磁束発達素子すなわち磁束発生素子18を含む。これらの各構成要
素は1円筒形として記述されるが、構成要素間の連係を満足させる他の形状でも
本発明の範囲内である。例えば、構成要素は、長方形であってもかまわない。
ケース12は、磁束を通過させる材料から形成された長い円筒であることが好ま
しい。ケース12は、又、強磁性材料から構成されることが好ましい。図1で示
されるアクチュエータ10の実施例では、ケースは、鉄材料がら構成されている
。ケース12は、第一端20、第二端22.及び第一端2oから第二端22へ延
びる内壁24からなる。ケース12は、中心軸26を定めている。第一端キヤン
プ及び第二端キヤツプ28.30は、ケース12の対応する第一端及び第二端2
0.22上に固定されるのが好ましい。図1に示される端キャップ28.30は
、中央穴42を有す。端キャップ28.30は、非磁性材料から形成されるのが
好ましい。
コア16は、磁束導通材料で構成される。コアは1強磁性材料から構成されるの
が好ましい。図1の実施例では、コアは、鉄材料から構成されている。コア1G
は、第一端32、第二端34.第一端32から第二端34へ延びる外壁36から
なる。外壁36は、第一コア端32に続く第一部38、第二コア端34に続く第
二部40を有す。コア16の中央部44は、第一コア部38と第二コア部40と
の間にある。コア16は、ケース12中に軸方向に挿入され、軸に沿って滑り可
能に支持される。図1に示されるように、コアの第一、第二端32.34は。
第一、第二端キヤツプ28.30の中央穴42を通過して延びている。アクチュ
エータ10は、更に、端キャップ28.3o内のコア16を滑り可能に支持する
ために穴42内に備わった増数のブツシュ又は軸受け46を含む。
図1に示される本発明の実施例に於て、磁束発生素T−18は、コア12の中央
部44内に同軸に固定されている。図1の実施例では、磁束発生素子18は、軸
方向に向けられている。
図1を更に参照して、 Wii導通コイル14は、ケース12の内壁に沿ってケ
ース12の室内に配置されている。コイル14は、アクチュエータ10のコア1
2に同軸に配置されている。電流導通コイル14は、端巻型(edge wou
nd type )か捲き線型(round wire type )がである
。図2を参照すると、端巻型コイル14が詳細に示される。図2に示されるコイ
ル14は1円筒形に巻かれ、その断面は、長方形である。”Q″で示されるコイ
ルワイヤの長さは、中心軸26に直交する。コイル14の捲き線間の絶縁スペー
スの幅は、w″で示され、中心軸26に沿った方向で測定される。これに替えて
、コイル14は、捲き線コイルとすることもできる。
強磁性材料を使用するために、本発明のコイル14は、総合力出力を実質的に低
減することなく、コイルの抵抗を低減するように再構成される6図2及び図3に
そのコイルの再構成した構造がもっともよく示されている。図2は、コイルの製
造に銅又はアルミニウム材料を使用した電磁アクチェエータのコイルの構造を示
す。図3は、コイルが強磁性材料により構成されている、本発明のアクチュエー
タに使用されている再構成されたコイル14を示す。具体的には、導体コイル長
”Q”は、アクチュエータ軸方向に直交する方向に増加させ、この方向は、コイ
ル14を通過する磁場に対して平行となる方法でもある。端巻コイルの長さの増
加は、コイル14の断面積を増大させる。変形例として、捲き線コイルが使用さ
れる場合は、コイル14の直径を増し、これはコイルの断面積を増加させる。
強磁性ワイヤコイル14の構造の対応する特徴は、絶縁物により占められる導体
コイル14の比率が増すことである。この特徴は、コイル14の捲き線間の絶縁
スペース48の幅を増すことにより図2及び図3で示される0強磁性ワイヤコイ
ル14のこの再構成の結果、導体コイルの巻き数は低減する。しかし、磁場の導
体材料の総合容積は、低下しない。従って、絶縁スペースの幅の磁気抵抗が、絶
縁スペースに接するコイルワイヤの断面長の磁気抵抗より大きいように、長さ及
び幅の値が選択される。これらの値は、相互に関係するが、アクチュエータに対
する必要条件によって変化する。
本発明による強磁性材f1を使用する効果は1強磁性材料の以下の三つの特性に
より説明される。鉄、コバルト ニッケル及び他の合金を含み、かつこれに限定
されない種々の強磁性材料が本発明のアクチュエータの構成に使用可能であるこ
とは留意する必要がある。まず、アクチェエータのコイルの強磁性材料の使用に
より、コイルを通過する磁気回路の総合磁気抵抗が大幅に低減する。その結果、
永久&11T5は、銅叉はアルミニウムコイルを使用した従来技術のアクチュエ
ータよりも、同サイズの永久磁石でより大きい磁束を発生する。これに替えて、
低減した総合磁気抵抗により より小さい永久磁石を強磁性コイルと共に使用可
能であり、それでもまだ、従来技術のアクチュエータの銅又はアルミニウムコイ
ルと同じ磁束を発生可能である。
第二に1本発明のアクチュエータ10に使用される強磁性材料の高透磁牢により
、磁束は、強磁性材料の高透磁率の通路を通過する。その結果、漏れ磁束は低減
する。従って、本発明のアクチュエータ10の磁場の有効な磁束は1発生した全
磁束の大きい比率を占める。
第三に1本発明によるアクチュエータ10に於て、磁束は、導体コイルの捲き線
間に(7汗する絶縁材料又はギャップというよりも1強磁性コイル導体を通過す
る。これに比較して、銅又はアルミニウムよりなるコイルでは、磁束番よ、導体
コイルの捲き線間のギヤノブ又は導体材料を通過する。従って、高しlレベルの
磁束が使用可能となる。
圀4では、本発明の第二実施例50が示されている。この実施例50は、移動コ
イルを備えた軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータである。この実施例でil、軸
方向を向いた永久磁石52がケース12中に設けられて6sる。コイル1411
.移動コア16に固定され、従ってコイル14は、移動コア16と共に軸方向↓
こ移動する。
図5では、第三の実施例54である移動フィールドコイルを備えた軸磁石強磁性
ワイヤアクチュエータが示されている6本発明のこの実施例54で1ヨ、フィー
ルドコイル56は、移動コア16に固定されている。フィールドコイル本発明の
以上の実施例と同様に、永久磁石に代わって、静磁場を発生する.この構造の効
果は、フィールドコイル56により発生する磁束の電力を増加すると%%うこと
である。問題点は、しかし、この実施例のアクチェエータカ(消費する電力カ呪
大きいということである。
図6では,本発明の第四実施例58が示されている.第四実施例58番よ、図示
の如く,収束移動磁石を備えた軸磁石強磁性ワイヤアクチュエータである。この
実施例では,永久磁石18及び磁石18を囲むコア16の中央部441よ、コア
16の残り第一、第二部38.40より大きい断面積を有す.その結果、磁石1
8により発生した磁束は、コア16のより小さし)断面積の部分へ収束される。
従って、コアの第一、第二部分38、40の磁束密度Iよ、コアの残りの部分と
同じ断面積な有す永久磁石を使用した場合に比較し、増加してし)る、この構造
の効果Iよ、導体コイル14の磁束密度が、増加し、従ってアクチュエータIよ
,より大きし)電力を必要とすることなくより太き力を提供する。
図7では、本発明の第五の実施例60が示されてし)る。アクチュエータの第五
の実施例60に於ては、磁束発生素子18は、径方向(こ向+fられてしする.
図7カ;示すように、コイル14は、内壁24に接して共に伝力(つてし嘱るケ
ース室12内に配置される。コイル14は、第一ケース端201こ近接して配置
された第一コイル端62と,第二ケース端22に近接して配置された第二コイル
端64を有す。
コイル14は,更に中間点66を有す。以下に詳述されるように,第一コイル端
62、第二コイル端64及び中間点66は,電気接続がコイル14になされるよ
うに設置ブられる。
コア16は、ケース12に同軸で挿入され、軸方向に滑り可能に支持される。
コア16の円筒外壁36は、コイル14から径方向に隔てられている.コア16
の運動は,第一ケース端20及び第二ケース端22開で発生し、第一部分38は
、第一コイル端62及び中間点66の間で軸方向にコイル14を横断し.第二部
分40は、第二コイル端64と中間点66の間で軸方向にコイル14を横断する
。
二つの磁気素子18、19が、径方向に分極し,各々は、第一磁極の第一極面1
83、19Sと、第一磁極と反対側の第二磁極の第二極面18N、19Nを有す
。第−磁石素子18は、その第一極面【8Sが第一部分38に接し、その第二局
面18Nが、コイ104と隔てられた関係にある第一部分38から径方向に遠位
にあり,第一部分3Bにより支持されている.同様に,第二磁気素子19は、第
二部分40により支持される.第二磁気素子19の第一極面193は、コイJし
14から隔てられた関係にある第一部分40から径方向に遠位にあり,その第二
極面19Nは,第二部分40に接する。
磁束発生素子X8、19により発達すなわち発生した磁束は、第一部分3Bと第
一部分38に対向する内壁24の軸方向部分との径方向領域に押し込められ、第
二部分40と第二部分40に対向する内壁24の軸方向部分との径方向領域tこ
押し込められる.更に,第一磁気素子18は、第二磁気素子19と逆極性なので
、第一w138と内壁24との径間の磁束は、第一の向きで、第二部分40と内
壁40との1間の磁束は,第二の反対方向の向きとなる.磁束は、最低の磁気抵
抗路を通過するので,軸方向の磁束は、第一部分38と第二部分40との間のコ
ア16中と、コア16が仔在する軸部分のケース12中を通る.同様な理由1二
より、極面18N又は193から径方向に出ていく磁束は,ケース12の室中に
於て軸方向に広がらない傾向がある。
第一のコイル端62と中間点66との間のコイルに流れる?1流の向きは、コイ
ル端点64と中間点66とのコイルの間に流れる電流の向きと反対となるように
。
コイルは構成される。従って、極面18Nとコイル14の電流との間の第一径方
向に於(Jる磁束と電流のベクトル積と、極面193とコイル14の電流との第
二径方向に於ける磁束と電流のベクトル積とは、加算的となる。
図7がもっともよく示しているが、コイルの電流は、以上述べたように、軸方向
に沿って連続的に巻かれたコイルの中間点66に電流を印加することで5逆方向
に流れる。第一コイル端62及び第二コイル端64は、電流源に対する電流帰路
を提供するように共通に接続される。この実施例は、例示のためのみであって、
径方向に向いた磁束発生素子を用いた他のアクチュエータの構造も、本発明の強
磁性ワイヤ導体コイルを使用することが可能である。
強磁性ワイヤアクチュエータの効果の例として、本発明のアクチュエータlOと
銅又はアルミニラ11を使用した従来技術のアクチェエータで、両アクチュエー
タが110ポンドの力の出力を与えるようにして、比較をする.110ボンドの
力の出力用に設計された従来技術の強力アクチェエータは,240アンペアの電
流と12610ワツトの電力を必要とした,このアクチュエータは、更に、外径
9、0cm. i!気部分の長さ20.0cmの1.67kgの永久磁石を必要
ト−する。これに比較して、従来の強力アクチュエータと同じ大きさを有し,銅
のみに代えて、軟鉄導体を使用した、本発明によるアクチュエータは、120ア
ンペアの電流と、6210ワツトの電力を必要とするだけである.更に、必要な
永久磁石のatは、0.42kgに過ぎない。従って、以上述べた数値でわかる
ように、本発明のアクチュエータは、電力及び電流消費という二つの改良点をも
たらし、更に永久磁石質量要件を加えると三つの改良点をもたらす。
以上、本発明の原理による線形アクチュエータの好適な実施例につき説明した。
当業者は、本発明の概念を逸脱せずに,以上述べた実施例の多数の変形例を構成
可能である。従って、本発明は、以下の請求の範囲によってのみ定義される。
FIG、7
FIG、4゜
FIG、5
FIG、6
Claims (23)
- 1.強磁性ワイヤアクチュエータであって:ケース、前記ケースは、第一端と、 第二端と、前記第一端から前記第二端に延びる内壁とを有し、更に、中心軸を定 め;コアと、前記コアは、前記中心軸に同軸に、前記ケース内に配置され、第一 コア部と、第二コア部と、中央コア部と、外壁部とを有し;前記中心軸に対して 同軸に固定される少なくとも一つの磁束発生素子と;少なくとも一つの電流導通 コイルと、前記コイルは、前記コアと前記ケースの中間に配置され、前記コイル は、更に、強磁性材料から構成され、前記コアと同軸であり、従って前記コイル は、前記中心軸に対して直交する向きに断面の長さを有し、前記中心軸に平行な 向きにコイルの捲き線間の絶縁スペースの幅を有し、前記絶縁スペースの幅の磁 気抵抗は、絶縁スペースに接するコイルの断面の長さの磁気抵抗より大きくなる ように、前記長さ及び前記幅が選択されることを特徴とする強磁性ワイヤアクチ ュエータ。
- 2.前記コイルは、第一及び第二電流導通コイルを含み、前記第一コイルは、前 記コアの前記第一端部に対向する位置に固定され、前記第二コイルは、前記コア の前記第二端部に対向する位置に固定されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 3.前記磁束発生素子は、軸方向に向いていることを特徴とする請求の範囲第1 項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 4.前記磁束発生素子は、怪方向に向いていることを特徴とする請求の範囲第1 項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 5.前記ケースは、強磁性材料より構成されることを特徴とする請求の範囲第1 項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 6.非磁性材料から構成される第一端及び第二端キャップを更に含み、前記第一 端キャップは、前記ケースの前記第一端に固定され、前記第二端キャップは、前 記ケースの前記第二端に固定され、前記端キャップの各々は、中央穴を有すこと をと特徴とする請求の範囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 7.前記コイルは、前記ケースの内壁に固定されていることを特徴とする請求の 範囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 8.前記コイルは、前記コアの外壁に固定されていることを特徴とする請求の範 囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 9.前記コイルは、端巻構造であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の 強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 10.前記コイルは、捲き線構造であることを特徴とする請求の範囲第1項に記 載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 11.前記磁束発生素子は、前記コアの中央部内に固定されていることを特徴と する請求の範囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 12.前記磁束発生素子は、前記ケース中に固定された永久磁石リングであるこ とを特徴とする請求の範囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 13.前記磁束発生素子は、前記コアの外壁に固定されたフィールドコイルであ ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 14.前記磁束発生素子及び前記コア中央部は、前記第一及び第二コア部の断面 積より大きい断面積を有すことを特徴とする請求の範囲第9項に記載の強磁性ワ イヤアクチュエータ。
- 15.電磁強磁性ワイヤアクチュエータであって:ケースと、前記ケースは、強 磁性材料から構成され、中心軸を定め;コアと、前記コアは、前記中心軸と同軸 に配置され、前記ケース内に滑り可能に支持され、前記コアは、更に、第一端部 、第二端部、中央部及び外壁を含み; 前記中心軸と同軸に配置された少なくとも一つの磁束発生素子と;前記ケースと 前記コアとの間に配置された第一及び第二の電流導通コイルとを含み、前記第一 コイルは、前記コアの前記第一端部に対向する位置で固定され、前記第二コイル は、前記コアの前記第二端部に対向する位置で固定され、前記コイルは、強磁性 材料より構成され、前記中心軸と同軸であり、従って、前記コイルは、断面積と 、中心軸に平行な方向にてコイルの捲き線間の絶縁スペースの幅とを有し、前記 断面積及び幅の値は、前記絶縁スペースの幅の磁気抵抗が前記絶縁スペースに接 するコイルワイヤの断面積の磁気抵抗より大きくなるように選択されることを特 徴とする強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 16.前記コイルは、端巻構造であることを特徴とする請求の範囲第15項に記 載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 17.前記コイルは、捲き線構造であることを特徴とする請求の範囲第15項に 記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 18.前記磁束発生素子は、軸方向に向いていることを特徴とする請求の範囲第 15項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 19.前記磁束発生素子は、径方向に向いていることを特徴とする請求の範囲第 15項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 20.前記磁束発生素子は、前記コアの中央部内に固定されていることを特徴と する請求の範囲第15項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 21.前記磁束発生素子は、前記ケース中に固定された永久磁石リングであるこ とを特徴とする請求の範囲第15項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 22.前記磁束発生素子は、前記コアの外壁に固定されたフィールドコイルであ ることを特徴とする請求の範囲第15項に記載の強磁性ワイヤアクチュエータ。
- 23.前記磁束発生素子及び前記コア中央部は、前記第一及び第二コア部の断面 積より大きい断面積を有すことを特徴とする請求の範囲第20項に記載の強磁性 ワイヤアクチュエータ。
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