JPS5929127B2 - 直流ソレノイド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、スプリング等の外部の復帰力を要する事な
く、ソレノイド自体の内部磁力によつてプランジャを復
帰させることとした直流ソレノイドに関する。

永久磁石を用いてプランジャを吸引保持する構造の直流
ソレノイドは既に広く用いられている。

単安定ソレノイドと呼ぶ。磁石の磁力によりプランジャ
を後退位置に保持するので、常時コイルに通電する必要
がない。

電力費を節減する上で効果がある。プランジャを前方へ
常時、スプリングカ功１張つており、復帰力はスプリン
グの弾性力より生ずる。５ 励磁コイルには、瞬時的な
電流を加えるだけで２状態間を遷移させる事ができる。

励磁コイルヘ通電して、永久磁石の作る磁束を増強し或
は打消す事により、吸引、復帰動作を行う。このように
、スプリングを用いるのは、永久磁１０石が無く、単な
るコイルとプランジャのみからなる従前の直流ソレノイ
ドが、必ずスプリングを復帰用に備えていたからであろ
う。

最も単純な直流ソレノイドに永久磁石を附加して、自己
保持型のソレノイドを作成した時にも、スプリングがひ
き１５続き利用された。しかし、スプリングを付加する
には、それだけの工数を余分に必要とする。

もしも、ヨークの中にスプリングを収納するのならば、
ヨーク内の有効容積が減少し、コイル等のスペースが制
限され２０る。もしもヨークの外側にスプリングを取着
けるとすれば、プランジャ、プッシュロッドを長く延長
しなければならず、嵩だかいものになつた。ソレノイド
の小型化を阻むものである。さらに、スプリングは繰返
し伸縮動作により疲２５労する。

折損することもある。スプリングは変位量と弾性力は正
比例する。

プランジャが固定鉄心に吸引保持されている時に、スプ
リング変位量が最大であるから、弾性力も最大である。
ｎ 従つて永久磁石の吸引力は、負荷を引張るのに必要
な力とスプリングの弾性力の和を越えるよう設定しなけ
ればならなかつた。

本発明はこれらの欠点を解決するものである。

スプリングを必要とせず、磁力そのものよりプラ３５
ンジヤを復帰させる事ができる。永久磁石と、励磁コイ
ルを組合わせて、スプリングカを借りずにプランジャを
進退させる直流ソレノイドは既に存在する。

いわゆる双安定自己保持型ソレノイドである。これは、
中間に永久磁石、この前後に等しい寸法の２つの励磁コ
イルを設けたものである。

前位置と後位置の２つの安定な状態にプランジヤは停止
しうる。状態を変えるには、プランジヤの停止している
方の励磁コイルに永久磁石の磁束と反対方向の磁束を生
ずるよう瞬間的に通電する。双安定ソレノイドは、永久
磁石を中心として前後に全く対称である。したがつて保
持力も前、後方向に等しい。さらに、プランジヤの前後
に固定鉄心を設けて、プランジヤの運動範囲を規制し、
あわせて保持力を高揚している。双安定ソレノイドは、
このようにスプリングカなしに前後方向へプランジヤを
運動させる事ができる。

しかし、多くの場合、ソレノイドに要求される運動特性
は、前後で対称である必要がない。

前後の保持力が等して事はあまり要求されない。多くの
場合吸引時の保持力は数Ｋｇと大きいが、復帰時にプラ
ンジヤに加わる力は１／１０〜１／１００程度ですむ。
この為スプリング復帰式のソレノイドが広く用いられて
きたわけである。さらに、双安定型ソレノイドのように
、前後に固定鉄心を設けると、プランジヤが抜けなくな
る。

ゴミ、小砂が入つてプランジヤの摺動特性を劣化させた
場合、これを除く事ができない。さらに、ソレノイドに
要求されるストロークは数ｕと短いものが多い。

双安定型ソレノイドの場合、ストロークは、励磁コイル
の厚みより少し小さいだけである。ストロークを励磁コ
イルの厚みより著しく小さくすれば、反対側の磁路の磁
気抵抗が減少し、保持力が減殺されるからである。この
ため、双安定型ソレノイドは小型のものが多い。寸法が
限定されると、永久磁石は、小さくても強力な磁界を生
ずる稀土類金属製としなければならない。これはフエラ
イト系磁石に比して著しく、高価である。本発明は、前
記単安定型ソレノイド、双安定型ソレノイドのいずれと
も異り、これらの欠点を克服するものである。

本発明の直流ソレノイドは、永久磁石の後方に励磁コイ
ル、前方にスペーサを隔てて磁性体のフロントヨークを
設け、磁性体のヨークで全体を包囲したものである。

永久磁石からプランジヤ、フロントヨークへと連続する
新たな磁路がプランジヤの復帰力を加える。

以下、実施例を示す図面によつて、詳細に本発明の構成
、作用及び効果を説明する。

第１図は本発明の実施例に係る直流ソレノイドの復帰時
の縦断面図である。

第２図は吸引持の縦断面図を示す。ヨーク１は磁性体の
金属で、十文字型に抜いたものの４辺を折曲げ、断面が
コの字型のケースにする。

永久磁石２は、ヨーク１の前方に４個、同極が対向する
よう固定してある。

ブランジヤ３は磁性体の丸棒で、ヨークの中心を軸方向
に動くことができる。

固定鉄心４は、ヨーク１の後方中心部に固定された磁性
体である。

プランジヤ３と同一軸線上にあり、プランジヤを吸引す
る。ストツパ一としての役目も持つている。励磁コイル
５は、永久磁石２のすぐ後方に、ヨークの後端面との間
に設けられる。

巻線は１系統又は２系統いずれでもよい。ガイドパイプ
６は真鍮等の非磁製金属又はポリテトラフルオルエチレ
ン（ＰＴＦＥ）等摺動特性のすぐれた合成樹脂で作られ
る。

これは、プランジヤ３を前後進退可能に保持する。永久
磁石２のさらに前方には、スペーサ７を隔てて、磁性体
のフロントヨーク８が設けられる。

フロントヨーク８はヨーク１の前端に６かしめ７によつ
て固着される。スペーサはベーク板など非磁性素材より
成る。

厚みは所望のストロークによつて決定する。非磁性のプ
ツシユロツド９の先端は雄螺条１０となつており、プラ
ンジヤ後端の雌螺穴１１に螺着される。プツシユロツド
は固定鉄心４の鉄心穴１２を貫く。これはプランジヤを
抜取る場合に有用である。固定鉄心４、プランジヤ３の
対向面は円錐状の傾斜面１４，１５となつている。

ストロークを長くするためである。第１図の復帰時の配
置に於て、永久磁石２から出た磁束は、プランジヤ３、
フロントヨーク８を通り、ヨーク１から永久磁石へ戻る
。

前方に生ずる短い磁路を磁束が周回する。プランジヤ３
の前端とフロントヨーク８の内側面１６とは最小距離で
対向すると最もマツクヅウエルエネルギ一が小さい。図
示した状態は、これに対応している。つまりこの状態は
安定である。永久磁石の磁束の一部は後方へ迂回し、固
定鉄心４から空隙１７を経てプランジヤ３、を貫く。

しかし、これは僅かである。空隙の磁気按抗が大きいか
らである。空隙１７の長さ、つまり、プランジヤの前進
量をｘとする。

第１図の状態からプランジヤを押し戻してゆくと、最初
前向きの反作用力が現われる。

より押こんでゆくと、力の方向が変り、プランジヤは吸
引される方向の力が加わる。第２図の状態はこうして吸
引された状態（ｘ＝０）を示す。

吸引力は強大である。永久磁石の磁束はプランジヤ３、
固定鉄心４、ヨーク１をまわる。磁束の殆んどが傾斜面
１４，１５を横切り、これがプランジヤを後方へ吸引す
る力を生ずる。一方、フロントヨーク８と、プランジヤ
３前端の間には空隙１８ができるから、磁束はここで遮
断される。このように第１図、第２図のいずれひ安定な
状態であるが、安定性の程度は全く異なる。

第３図はプランジヤの変位ｘと、この時にプランジヤの
受ける後向きの推力Ｆとの関係例を示すグラフである。

横軸は鰭、縦軸はグラム（９）を単位とする。吸引時の
推力、すなわち吸引保持力は３２２０９で極めて大きい
。

１ＷＩＬはなれると、これが２２５ｇに激減する。

１．４１１程度で推力の方向が逆転し、前方への推力と
なる。

前方推力は小さい。

４１１で最小値−２１０ｇをとる。

Ｘ＝６１１で推力はＯとなる。

実際には、前方推力が或る程度残つている位置でプラン
ジヤを止めるため、ストツパ一（図示せず）を設けるの
が良い。

この例では、従つてストロークが３〜４ｕのソレノイド
として使用できる。以上がソレノイドの静特性である。
復帰時の推力が小さい事は、スプリング式の単安定ソレ
ノイドと似ている。吸引時の保持力が大きい点でも共通
する。従つて、本発明のソレノイドは、従来の自已保持
型単安定ソレノイドに置換して使用できる。次に動特性
であるが、プランジヤを吸引するためには、励磁コイル
に通電し、励磁コイルを囲む磁路に新たな磁束を発生さ
せる。

これは、永久磁石が前方に形成しているフロントヨーク
を巡る磁束Φｆを打消し、逆に固定鉄心を巡る新たな磁
束１ｒを生ずる。第４図は、遷移の始まる瞬間のソレノ
イド内の磁束の状態を図式的に示す。

パルス電流を加える事により生じた起磁力により、新た
な磁束Ｆ′ｒがヨーク１内を前方に流れるが、これは、
永久磁石２を通るＦｒ，と、フロントヨークを通るＶｒ
２とに分れる。

フロントヨーク流Ｆ′Ｒ，は永久磁石による磁束Φｆを
打消し、プランジヤ３とフロントヨークの間の引力を消
滅させる。

Ｆｒ＝Ｆｒ，＋Ｆ２（１》 であるが、ソレノイドの作る全磁束Ｆｒが、プランジヤ
と固定鉄心４の間の空隙１７を通過する。

空隙を通る磁束の２乗に比例するマツクズウェル応力が
生じるから、プランジヤは固定鉄心に引き寄せられる。
吸引時の磁束Ｆ′ｒは或る程度大きくなくてはならない
。

空隙の磁気抵抗が大きいので、大きい起磁力（アンペア
ターン）が要求される。つまり、比較的大電流が必要だ
ということである。復帰時はこれと全く逆になる。

プランジヤは固定鉄心４に吸引されているから、永久磁
石、プランジヤ、固定鉄心、ヨークを巡る静磁束Φｇが
あり、これがプランジヤを強力に自己保持してい≦。第
５図は復帰時の磁束分配を示す略図である。励磁コイル
にはさき程とは反対方向に通電する。これにより、ヨー
ク内を後方へ、プランジヤ内を前方へ巡回する新たな磁
束Ｖｑが生ずる。一部は永久磁石２を磁化と反対方向に
通る磁束Ｆｑｌとなる。残りは空隙１８を越えフロント
ヨークに流れる磁束Ｖ／′Ｑ，となる。全磁束Ｖｑは、
永久磁石が予め形成していた磁束Ｖｇを打消す。

プランジヤと固定鉄心間の引力が消える。Ｆｑ＝Ｆ′ｑ
１＋Ｆｑ，（２） であるが、Ｖｑ２は、プランジヤをフロントヨ一ク８へ
と吸引する作用がある。

プランジヤと固定鉄心間の引力が消え、フロントヨーク
とプランジヤの間に引力が生ずるので、プランジヤは前
進する。

こうして第１図の復帰状態となるわけである。復帰の為
の電流は、吸引の為の電流より小さい。

最初の状態の磁気抵抗が小さく、起磁力が少なくてすむ
からである。吸引動作と復帰動作には著しい非対称性が
みられる。

吸引時の電流が、復帰時の電流より大きいという事だけ
ではない。許容される範囲も異なる。前述の説明から、
吸引動作時の磁束の打消しの条件はＶｒ２−Φｒ
（３） である事になる。

しかし、この条件は厳格ではない。励磁コイルに加える
電圧が過度であつて、起磁力が高すぎ、Ｆｒ２〉Ｆｒ（
４） となる場合でも、差支えなく作動する。

このように励磁コイルの起磁力による磁束が、永久磁石
が予め形成した磁束を越える場合を、仮に超過打消しと
呼ぶ。吸引時（第４図）は、プランジヤを固定鉄心へ引
張る力は全磁束？Ｆｒにより、プランジヤをフロントヨ
ークに引戻す力は一部磁束Ｆｒ２になる。

フロントヨークとプランジヤは、側面で対向し、プラン
ジヤと固定銖心は端面で対向する。同一磁束がフロント
ヨーク、プランジヤ、固定鉄心を貫いたとしても、プラ
ンジヤ・固定鉄心間の引力の方が大きい。吸引時は、フ
ロントヨークを通る磁束（Ｆｒ２Φｒ）よりも必ず大き
い磁束？Ｆｒがプランジヤと固定鉄心の間を通過する。

Ｆｒ＞Ｖｒ，〉（ｖ／′Ｒ２−Φｒ） （５）だからで
ある。

もちろん、吸引の始めに、フロントヨークとプランジヤ
は近く、プランジヤと固定鉄心は遠い。

従つて、もしも同一磁束がこれらの部材の組を貫いても
、近い部材の引力が大きい筈である。しかし、これは大
きな差ではない。第６図に示すように、同一円筒内に３
つの磁性体Ａ，Ｂ，Ｃを置き、軸方向に一定の磁束がＡ
，Ｂ，Ｃを貫いているとする。

Ａ−Ｂ間の引力と、Ｂ−Ｃ間の引力は、Ｂが、Ａ，Ｃを
見込む立体角Ω１，Ω，の比に比例する。プランジヤと
固定鉄心の間の立体角は、空隙１７が短いので２πより
何倍も小さくはない。

従つて、吸引時は、超過打消しがあつても、プランジヤ
は固定鉄心へと引寄せられる。超過分の磁束で、フロン
トヨークがプランジヤを引戻す力は極めて弱いからであ
る。しかし、第５図の復帰時には、超過打消しの場合、
やや難しい問題を生ずる。

磁束の打消しの条件は Ｆｑ＝Φｇ （６）である。

しかも、フロントヨークがプランジヤを引戻す力は磁束
？Ｆｑ，による。超過打消しがあると ？Ｆｑ〉Φｇ （７）であるが、
（Ｖｑ−Φｇ）の磁束は固定鉄心とプランジヤの間の吸
引力を生ずる。

この吸引力より、フロントヨークの吸引力が優越しなけ
れば復帰動作がおころらない。さらに、フロントヨーク
とプランジヤは離れており、プランジヤと固定鉄心は接
触している。

同一の磁束量が３部材を通つても、プランジヤ・固定鉄
心の間の引力の方が大きい。如何程大きいかは、傾斜面
１４，１５の角度、吸引時のプランジヤ前端とフロント
ヨークの距離など幾何学的条件に依存する。この比をｍ
とする。これは１〜１０程度であろう。さらに、全磁束
？Ｆｑの内、１／ｎだけＶｑ２になつたとする。

ｎは永久磁石のヒステリシスカーブの微係数、フロント
ヨークの透磁率などによる。ｎは１に近い値で２を越え
ることはない、と考えられる。２部材の間に働く引力は
、これを通過する磁束の２乗に比例するから、プランジ
ヤ・固定鉄心間の引力を、超過打消し分（？Ｆｑ−Φｇ
）の２乗として（Ｆｑ−Φｇ）２ （８） と書くとすれば、プランジヤ・フロントヨーク間引力は
Ｖｑｌ （一）２− （９） ｎｍ と書ける。

復帰動作の可能な条件は（９）〉（８）として求めるこ
とができる。これらから、励磁コイルによる復帰の為の
磁束Ｆｑはの間にある事が必要である。

このように、復帰時の励磁コイルの電流は狭い範囲に限
定されることがわかる。

しかし、この範囲は０ではなく必ず存在することも分る
。励磁コイルの直流抵抗は決つているから、印加電圧が
ある範囲内に限定されるという事である。スプリングで
復帰させる従来の直流ソレノイドに比して、そのような
限定条件が課せられるが、復帰、吸引動作ともに、その
他の点ではほぼ等しい。

本発明のソレノイドは、スプリングを不要とするから、
スプリング取付けの作業を省くことができる。

スプリングをヨーク内に収納するものに比し、励磁コイ
ル、磁石の占める容積を大きくすることができる。この
ため、同一体積のソレノイドであれば保持力、吸引力の
優れたものを作ることができる。ストロークは第５図の
前方の空隙１８の長さによつてきまる。

これは吸引時にプランジヤ前端が永久磁石よりどれだけ
突出しているかｅ１スペーサの厚みは如何程かｄによる
。ストロークｓはほぼ ｓ＝ｄ−ＥＯｌ）に等しい
。

ストロークを大きくとると、プランジヤを駆動する電力
が大きくなる。

双安定ソレノイドの場合、ストロークは励磁コイルの厚
みよりあまり小さくできないから、ソレノイド全体が小
さくなつてしまつた。これでも十分な保持力が要求され
るから、強力な稀土類金属系の永久磁石を用いることが
多かつた。本発明は双安定型と異り、励磁コイルはひと
つしか要らない。

またストロークがコイルの厚みにより限定されない。さ
らに、双安定型のものはプランジヤを抜取る事ができな
い。本発明の直流ソレノイドは、プランジヤを簡単に抜
取る事ができる。取替えも自在である。本発明のソレノ
イドは、従来の単安定、双安定自己保持型ソレノイドよ
りも、これらの点で優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る直流ソレノイドの復帰状
態の縦断面図。 第２図は吸引状態の縦断面図。第３図は吸引位置からの
プランジヤの変位ｘと、プランジヤの受ける推力Ｆとの
関係を示すグラフ。第４図は吸引作動時の磁束分配を示
す略図。第５図は復帰作動時の磁束分配を示す略図。第
６図は円筒内の３つの磁性体を同一磁束が貫くときの引
力の大きさを示す説明図。１・・・・・・ヨーク、２・
・・・・・永久磁石、３・・・・・・プランジヤ、４・
・・・・・固定鉄心、５・・・・・・励磁コイル、６・
・・・・・ガイドパイプ、７・・・・・・スペーサ、８
・・・・・・フロントヨーク、９・・・・・・プツシユ
ロツド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 磁性体のヨーク１と、ヨーク１の中で前方に設けら
   れ同極の対向する永久磁石２と、永久磁石２の後方に設
   けられる励磁コイル５と、ヨーク中央に進退可能に設け
   られた磁性体のプランジャ３と、永久磁石２の前方にこ
   れと離して設けられプランジャを通す内側面１６を穿つ
   た磁性体のフロントヨーク８とよりなり、吸引状態に於
   てプランジャ３の前端が、フロントヨーク８より後方に
   離隔しているようにした事を特徴とする直流ソレノイド
   。