JPS58501249A - 高速応答型ソレノイド - Google Patents

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】 高速応答型ソレノイド 技術分野 本発明は一般的には電磁変換器に係シ、特に短い磁気回路と、電機子の質量に比 較して大きな作用面を有す゛る型の高速応答型ソレノイドに関する。

背景技術 制御技術分野における最近の進歩の結果、制御信号を機械制御動作にただちに変 換するための十分な駆動力と応答時間を有する変換器の必要性が生じてきている 。この目的のために使用された従来形の変換器、一般的にはソレノイドとして知 られているものの応答時間はこれらの装置が新しく開発されるに従ってその寸法 及び駆動力と共に減少してきた。高速応答型大出力ツレノイドに対する要求は１ ９７７年１月１１日付でサイソー（５ｅｉｌｌｙ　）に付与された米国特許第４ ，００３，０１３号に記載された装置によって満足されてきている。

前述の特許に発表されているソレノイドは、らせん状に形成されたＥ型鉄心ソレ ノイドから成り、このソレノイドは２つの同軸円筒で構成さ、れて、これらはそ れぞれ内部鉄心と外部電機子となっている；内部鉄心上のオネジ（、ｅｘｔｅｒ ｎａｌ　ｔｈｒｅａｄ　）は外部電機子のメネジ（］ｎｔ、ｅｒｎａｌ　ｔｈｒ ｅａｄ　）と互いにゆるやかにかみ合っている。両方のネジの形は二条ネジ（ｔ ｗｉｎｓｔａｒｔ　ｖａｒｉｅｔｙ’　）であり鉄心上に巻かれた一連のらせん コイル巻線は次のように接続さ扛ている、すなわち、各々の環状導線は最初に鉄 心の第１のネジ溝に治って通シ、次に第２のネジ溝に浴って戻って来る。電流は 互いに隣接したらせん溝内では相反する方向に流れるので磁化されるのは非常に 短い局所路だけであシこの局所路は個々の独立したネジ溝を、互いにかみ合って いるネジ溝で明確に区切られる作用面間に広がる磁力線によって連結している。

この構造は与えられた力定格に必要な磁性体の量を最少にし、与えられた作動行 程（ＷＯｒｌｃｉｎｇＳｔｒＯｋｅ　）に対する電機子質量の削減量を、個々の 応用で必要とさ扛る力定格とは独立して一定とする。

前述の型のらせん型ソレノイドには２つの欠点がある。連続したらせん状コイル 巻線であるため、電機子に加えられる合成磁場はトルク成分全有し、そのため電 機子の作動行程中に回転力を与える。この問題は過去においては、滑シ機構全電 機子と鉄心との間に備え、電機子の動きを軸方向に限定することで処理されてい た；これらの滑シ機構はソレノイドの複雑さを増すのみならず、当然部品に対し て摩擦抵抗を付は加え、運転効率を低下させる。

先述のらせん型ソレノイドに関するもう一つの欠点は、鉄心及び電機子が与えら れた使用法に対して各々単一の構成寸法であるという事実に関係している、す々 わち各ソレノイドの力定格は固定されており、それはごく限られた範囲の使用に しか適合しないということである。それ故、異った力定格を有する全領域のソレ ノイドを製造するコストは比較的高いものとなる。

発明の開示 本発明は先行技術であるらせん型ソレノイドの欠点を独特のコイル巻線配置と、 モジュール式鉄心構造とヤ克服し、これらは異なった力定格を有する種々の寸法 のソレノイドを迅速かつ経隘的に組立てることを可能とするのみならず電機子が 鉄ｒ□に対して回転する傾向をも除去している。

本発明の一見地によれば、第１の磁性体部材は、複数の独立した環状溝を変位軸 沿いに宥する部分を含み各々の溝は変位軸に垂直に広がる基準平面内に横たわっ ている。第２の磁性体部材は複数個の突起物を有し、これはそれぞれ第１部材の 構の中に伸び、それぞれが相対応する溝の幅よシも狭く、複数の間隙を第１及び 第２部材との間に作っている。その中に電流を通して磁場を発生させ、第１及び 第２部材の間に変位軸方向の相対運動を起こさせる導電巻線は１．複数個の巻線 部分で構成され、変位軸を囲むように溝の中に配置されている。巻線部分を電気 的に接続し、隣接する巻線部分には反対向わりの電流を流す手段が用意されてい る。

本発明のもう一つの見地によれば、第１の部材は、複数個の個々に分離できるモ ジュール型鉄心部で構成され、これらは互いに側面を隣接し合って配置されてお シ、鉄心部の各々はその上に相対応する巻線部分が巻き付けられる本体と、一対 の電気的なンケソトと差込みで構成されておシ、このノケントと差込みは鉄ノし ・を組立てる際には回転することが出来、隣接する鉄心部の巻線を交互接続し、 隣接する巻線には反対向きの電流を流すようにしている。

図面の簡単な説明 祭付図において： 第１図は本発明の好ましい実施例を構成する高速応答型ソレノイドの正面図； 第２図は第１図に示すソレノイドの断面図で、電機子の半分を取り除き初動位置 にある引き込みれた電機子を示す断面図； 第３図は第２図と同様の図であるが電機子が伸びきった位置に移動した状態を示 す断面図；第４図は第１図の線４−４に沿って切断した横断面図； 第５図は第１図に示すソレノイドの一方の端の断面図でより明らかにするために 部分的に部品を取り除いた断面図； 第６図は第１図に示すソレノイドの互いに隣接する２つの鉄心の分解透視図； 第７図は本発明によるノンノイドで固定保持器と負荷との間に接続された状態を 示す側面図；第８図は本発明によるソレノイドで収納容器内に収められた状態を 示す断面図： 第９図は本発明によるソレノイドで鉄心部の別の構造を示す断面図である。

本発明を実現する最良の方法 第１−図から第６図において、本発明は広い意味でソレノイド１０の性質を有す る電磁変換器に関し、これは電気エネルギー全機械運動に変換して種々の制御を 行々うのに適したものである。ソレノイド１０は第１の磁性体部材１２？有し、 これは円筒形で中空の第２の磁性体部材１４の中に配置されている。第１部材１ ２及び第２部材１４は数字３６で示された変位軸に治ってそれぞれ相対的に軸方 向に移動可能なように取付けられている。

第１部材１２は細長い円筒形鉄心で構成されこの鉄心は複数個の分離可能なモジ ュール式鉄心部分１６を互いに隣接して配列したものを含んでいる。鉄心部１６ は変位軸３６に関して対称配置され、これらがまとまって、複数個の個々に弁別 できる円環状の溝１８が作られる。これらの溝の各々は軸３６に垂直な基準平面 の内側に実質的に横たわっている。

第２部材１４は電機子として機能し、２つの細長い縦割シにした半円筒１．４＆ 及び１４１）を継目１３に清って突き合わせ、ネジ８６で固定される円周状の帯 ６８で軸方向の数個所をしばり形成されている。第２部材１４の内壁には複数の 円環状突起２０があってそれぞれ各々の溝１８に相対応し溝の中に入り込んでい る。突起２００幅はそれぞれが相対応している溝１８よシも狭く、突起２０と鉄 心部１６の向き合う面の間に複数個の環状隙間２２を作り出している。

各々の鉄心部１６は磁性体でできた本体部分５８を含みその本体５８の内側には 縦方向に円穴８２がくり抜かれていてその中に電気的絶縁物６０が収められてい る。本体部分５８は円筒状外面５６と、その外面５６の一端に接し、そこから直 立した環状の側壁５４とを含んでいる。各々の本体部分５８の円筒状外面５６に は中心軸に対して全く反対側の位置に一対の開口９６及び９８が開けられている 。絶縁部分６０は適切な電気的絶縁材から成り、一対の同一平面内にあり縦方向 に伸びる穴６２及び６４が縦方向に伸びる貫通穴６７に関して対称位置に開けら れてお９、この貫通穴の中には細長い中空の棒２４が収められている。

第６図及び第７図に良く示されるように、鉄心部１６は棒２４の軸さやとなって いて、棒２４の一端に固定された肩１０２と、棒２４の反対側のネジ溝を切られ た部分に取り付けられたナンドとワッシャの組み合わせ２６とによって互いに接 触するように保持されている。従って棒２４、ナツトとワンシャの組合せ２６及 び肩１０２が鉄心部１６を互いに隣接させて直線上に保持するための装置となっ ていることが了解されよう。

電気巻線３４は磁場を発生させ、第１部材１２及び第２部材１４とを軸沿いに相 対的に移動させるものであるが、これは複数個の個々に分離可能で、それぞれ個 々の鉄心部１６と組みになって溝１８内に配置されている巻線部３８から構成さ れている。巻線部３８は一回巻き又は複数回巻きの好適な電線から成り、２つの 端９２及び９４を有し、それぞれは相対応する鉄心部１６の本体部分５８に開け られた開口９６及び９８にはめ込まれている。

互いに隣接した鉄心部１６０巻線部３８を電気的に接続する手段は一対の電気接 続器４０を含みそれぞれは絶縁部６０の穴６２及び６４に収められている。

各々の接続器４０はこの接続器が取シ付けられている鉄心部１６から外に伸び出 ている雄形差し込み部４２と、隣接する鉄心部１６の雌形差込へ部４２を摩擦力 で受け取めている雌形ソケット部４４とを有している。

接続器４０は集合体として一対の導電母線６６を構成し、これらは電源装置（図 示せず）に導線９０で接続され、この導線は棒２４の中を通シ最終端の鉄心部特 表昭５８−！１（１１２４９（４） １６のンケノト部４４に導電プラグ１０４によって接続されている。

各々の鉄心部１６にはすべて全く同じように巻線部３８と接続器４０とがあらか じめ組込まれている。各各の巻線部３８の端部９２及び９４は好適にそれぞれの 接続器４０に例えば・・／ダ付等によって接続されている。個々の鉄心構成部品 は、鉄心部１６、巻線部３８及び接続器４０によって構成されすべて同一構造で はあるが、隣接する巻線部３８の終端９２及び９４は交互に２本の導電母線６６ に接続され隣接した巻線部３８には反対方向の電流が流れるように構成されてい る。

このような巻線部３８の交互接続配置は、第１部材１２０組立て中に１つおきに 鉄ｌし構成部品を隣接する鉄心構成部品に対して１８０度回転させることにより 実現できる。交互接続配置は、第６図を参照することによシより良く理解される であろう、第６図には、２つの隣接する部品１６ａ及び１６１）の組立工程が示 されている。組立部品１６ａ及び１６ｂの各々の巻線部３８の終端９２及び９４ はそれぞれ接続器４０ａ及び４０ｂに接続されている。しかしながら鉄心組立部 １６ｂは鉄心組立部品１６ａに対して１８０度回転されているので、そＯ結果、 鉄心組立部品１６ａの接続器４０ａ及び４０ｂの位置は組立部品１６ｂのそれら と全く反対になっている。との交互接続配置の結果は第２図に示されていて、正 符号（＋）は電流が紙面に向って流れ込む状態を示し、黒符号（・）は電流が紙 面から手前に流れ出て来る状態を示す。いわゆる右手系の法則により隣接した巻 線部３８内を互いに反対向きに流れる電流は第２図の矢印１０６で示されるよう に反対回シの磁場を発生させ、これらは互いに突起２０及び側面５４で作ちれる 間隙２２０間の境界面で併合する。突起２０と側面５４との間に付加される磁力 は突起２０を側面５４に向って軸溢いに移動させ、従って第２部材１４を軸３６ に沿って移動させる。

次に第９図には、鉄心部１６を一直線上に並べて保持するための別の手段が示さ れている。この保持装置は２８で示されるはめ込み配置で構成され、各々の本体 部分５８には環状突起３２が備えられていて、この部分は隣接の本体部分５８に ほられた環状＜ぼみ３０にしっかりと摩擦力によってはめ込まれる。好適な粘着 性の化合物を本体部分５８の境界面に塗布し、鉄心部１６が互いに確実に保持さ れるようにすることも可能である。絶縁体部分６０．を固い材料で作シ第１部材 １２の軸方向の強度を増すこともできる。さらに接続器４６は先に述べた接続器 ４０にほぼ似ているが、これは差込み５０と、ソケット４８を接続電線５２で連 結し、全体を各々の絶縁体６０の中に形成したもので構成されている。

次に第７図において、ソレノイド１０は固定架８４と、棒７６で示されている被 制御負荷との間に装着されていて、ネジ部１２を用い、第１部材１２の一端を固 定架８４に連結している。第２部材１４には棒２４の周囲を囲む導入部分７８ａ 及び７８ｔ）をなす終端蓋を形成することができる。円環状に形成された軸受は 装置８０ａ及び８０ｂは棒２４と導入部分７８ａ及び７８１）との間に挿入され 、プラスチック、テフロ／、青銅又はそれらと同等のものから成ることができ、 第２部材１４の各々の終端部を棒２４上に滑動的に保持している。第２部材１４ の一端で棒７６に隣接する側にはネジを切った首部７５があって棒１６先のネジ 溝を切られたくびき１００の内部に噛合わされている。

導入部分７８ａ及び７８ｂには円環状の付き出し部８１＆及び８１ｂがありその 周囲には環６９が締め付けられていて、半円筒１４ａと１４ｂとを組み合わせて いる。

今までの記述から明らかではあるが、第７図に示す装着方法の結果第１部材１２ は固定されたままであり、−力筒２部材１４は軸方向に往復運動して負荷を動か す。

ソレノイド１０を収納箱内に入れる要望が生じる場合もあるであろう。その場合 には第８図に示すように収納手段７０を用意することで実現できる、この収納手 段は実質的にソレノイド１０の全体を囲っている。

収納装置７０の一端には開口１０８があって、第２部材１４と負荷すなわち棒７ ６との連結手段を収納している。第１部材１２を収納部に締め付ける装置は第１ 部材１２の一端に連結されたネジ部分７２を含んでいる。第２部材１４の外部円 筒表面は収納手段１ｏの内壁に滑動的に近接している。軸受は材料１１０例えば テフロン等は、収納手段７ｏの内壁又は第２部材１４の外面に装着されてその間 のすべりｅｉＬ＜している。環７４を含む手段は、棒１６のＴ型延長部ＴＩと、 第２部材のＴ型延長部７９とを連結するために備えら第８図に示す実施例に関し て述べれば、第２部材の２つの半円筒１４ａ及び１４ｂは軸方向に間隔をおいて 配列された、第２部材１４の外面に堀られた円環状の凹部内に入れた環状の締帯 １１２によって組み合わされている。

工業的適応性 本発明のソレノイドは迅速に電気信号を機械的な動きに変換する場合に艮好な適 応性があり、特に比較的大きな力が必要とされる一方でソレノイドで占められる 空間を最小にする必要がある場合に有効である。本発明の典型的な応用例として は燃料ボンダ及びバルブ機構の動作があげられる。

先に述べたように、本発明にょるソｉ／ノイドは、鉄心及び接極子間に軸方向の 相対運動を起こさせるが、これは隣接するコイル巻線部３８に反対方向の電流を 流すことによって生じる付加磁場によって行われる。

先行技術によるソレノイドに較べて異なる点は、本発明で使用されるコイル巻線 は必要な付加磁場を生成し、しかもそれが巻線部品３８は完全に個別な環状溝内 に配置されている事実にもかかわらず行なわれるということである。従って連続 的ならせんコイル巻線を有する先行技術によるソレノイドが回転又は“トルク゛ ′成分を有する磁場を発生し、電機子に回転力を与えるが、本発明によるソレノ イドは作シ出さない。従って本発明は鉄心と電機子との間の回転防止用すベク機 構の必要性を除去している。

さらに、本発明によるソレノイドは、異なった駆動力を必要とする種々の応用に 対しても十分に適応できる。第２部材１２として示されている鉄心は、複数個の 分離可能なモジュール式鉄心組立部品で構成されているので、任意の数の部品を 集めて、個々の応用例に必要な駆動力に合ったものを組立てることができる。

この特徴の結果、異なる寸法の単一鉄心を製作する際に必要とする多種の工具、 設備等を必要としなくなる。

本発明を特別な例を参照して記述してきたが、本技術分野に精通した技術者にと っては種々の改変が考えられ得るであろう。本発明に関するその他の仕様、目的 及び長所は祭付図、発表内容及び冷性の＃抽請求範囲から得られるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．変位軸（３６）を有し；複数個の個別部分（１６）を有する第１の磁性体部 材（１２）で少なくとも前記部分（１６）のいくつがが、複数個の環状溝（１８ ）を前記第１部材（１２）内に作っている第１の磁性体部材（１２）と、−前記 溝（１８）の１つづつと対応する複数個の突起（２０，）　ｅ有する第２の磁性 体部材（１４）と、磁場を発生させ、前記第１及び第２部材（１２，１４）の間 に変位軸（３６）沿いの相対連動を起こさせるための装置（３４）とを含む電磁 変換器。 ２、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において、少くともいくつかの前記突 起（２ｏ）が相対応する前記溝（１８）内に伸び、前記突起（２ｏ）の幅が相対 応する前記溝（１８）の幅よシも狭い電磁変換器。 ６、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において、前記磁場発生装置（３４） が複数個の分離できる巻線部（３８）’に含み、その各々が前記第１部材（１２ ）の前記部分（１６）の１つづつに取付けられそれぞれが相対応する前記溝（１ ８）内に配置されている電磁変換器。 ４、請求の範囲第３項に記載の電磁変換器において、前記巻線部（３８）が１又 は数巻の導電材を含み前記巻線部（３８）と、前記第１の磁性体部材（１２）と が同軸である電磁変換器。 ５、請求の範囲第３項に記載の電磁変換器において、前記巻線部品（３８）を電 気的に接続し、隣接する前記巻線部品（３８）には反対向きの電流金波すための 。 ・手段（４０）をさらに含む電磁変換器。 ６、請求の範囲第５項に記−載の電磁変換器において、各々の前記部分（１６） は磁性体本体部（５８）を含み、その上に相対応する巻線部（３８）が配置され 、電気的絶縁部分（６０）が前記磁性体本体部（５８）内部にあって、前記絶縁 部分（６０）は前記磁性体本体部（５８）と前記接続装置（４０）との間に電気 的絶縁関係を作るように配置されている電磁変換器。 ７、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において。 各々の前記部分（１６）は相対応する基準平面内にある前記環状側壁（５４）を 含み、各々の基準平面は前記変位軸（３６）に対して垂直であり、隣接する前記 部分（，１６）の側壁（５４）は互いに軸方向に間隔を置いて並べられ前記溝（ １８）を作り出している電磁変換器。 ８、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において、堅く長い部材（２４）が各 々の前記部分（１６）を貫通し、呻記部分（１６）は前記長い部材（２４）の軸 方向に対して固定されている・電磁変換器。 ９、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において。 前記第２部材（１４）が第１及び第２の片半分（１４ａ。 １４ｂ）を含み前記片半分（１４ａ、１４ｂ）同志が互いに組合わされ締付けら れている電磁変換器。 １０、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において；前記第１及び第２部材（ １２，１４）の全体を囲む収納手段（７０ンと、前記第１部材（１２）の終端部 近くにあって、前記第１部材（１２）を前記収納手段（７０）に固定するための 手段（７２）とを含み、前記第２部材が前記収納手段（７０）に滑動的に装着さ れている電磁変換器。 １１、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において、前記第１及び第２磁性体 部材（１２，１４）が同軸である電磁変換器。 １２、請求の範囲第１項に記載の電磁変換器において、前記部分（１６）を−直 線上に隣合わせて結合するための手段を含む電磁変換器。 １３、変位軸（３６）ｔ−有し、複数個のほぼ環状の溝（１８）をその中に有す る第１の磁性部材（１２）と、その各々が前記溝（１８）の１つづつとそれぞれ 関係する複数個の突起（２０）を有する第２の磁性体部材（１４）と、磁場を発 生させ、前記第１及び第２部材（１２，１４）の間′に変位軸（３６）？ｉ＝？ いの相対運動を起こさせるための装置（３４）とで構成された電磁変換器におい て、前記磁場発生手段（３４）がそれぞれ前記溝（１８）内に配置された複数個 の導電巻線部（３８）と、前記巻線部（３８）の隣接した巻線間に反対方向の電 流全発生させるための手段（４ｏ）とで構成された電磁変換器。 １４、請求の範囲第１６項に記載の電磁変換器において、少くともいくつかの、 前記突起（２ｏ）が相対応する前記溝（１８）内に伸び、前記突起（２ｏ）の幅 が相対応する前記溝（１８）の幅よりも狭い電磁変換器。 ［１５，請求の範囲第１６項に記載の電磁変換器において、前記導電巻線部（３ ８）の各々が個別に分離でき、少くとも１回巻きの導電材を含み変位軸（３６） と同軸配置された電磁変換器。 １６、請求の範囲第１５項に記載の電磁変換器において、反対方向の電流を発生 させるための前記手段（４０）が前記導電巻線部（３８）を交互接続するための 装置（４２，４４，５０，５２）を含む電磁変換器。 １７、請求の範囲第１３項に記載の電磁変換器において、前記第１の磁性体部材 （１２）は複数個の分離可能な部分（１６）を互いに締め付は合ったものを含ん でお９１部分（１６）の各々は、その上に前記導電巻線部（３８）が装着されて いる電磁変換器。