JPS6134246B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明はロータリソレノイドに関するものであ
る。

(ロ) 従来の技術 従来のいわゆるロータリソレノイドはヨークの
内側及びロータの外側に複数の同数の歯を切つた
構造か、ステツプモータのようにロータに偶数個
の磁極をもつた永久磁石を用い、それと同数個の
歯を切つたヨークとによつて構成された構造で、
いずれもロータが軸受けで支持され、適当に巻か
れた駆動用コイル（以下単にコイルと呼ぶ）に通
電することにより、ヨークとロータ間にできる磁
気空隙に磁気エネルギを供給し、ロータに回転ト
ルクを与える形式が一般的である。而してロータ
に与えられる回転トルクは該磁気空隙に発生する
磁束密度の自乗に比例するから、回転トルクを増
大するには、該磁気空隙の磁束密度を大きくしな
ければならない。前者の形式では磁束密度ｂはコ
イルに通電して発生する起磁力によつてのみ発生
するので起磁力が小さい即ち入力電力の少ない場
合は十分な回転トルクを発生することができな
い。後者の形式では永久磁石の起磁力によつて発
生する磁束密度Ｂとコイルの起磁力によつて発生
する磁束密度ｂとの和即ち（Ｂ＋ｂ）の自乗に比
例する。

即ち回転トルクＴは(1)式の通りである。

Ｔ∞（Ｂ＋ｂ）^２＝B²＋2Bb＋b² ……(1) (1)式右辺第１項は永久磁石によつて発生する回
転トルクに比例する量であるが入力電流によつて
増加するものではない。第２，３項がコイルの起
磁力によつて発生する回転トルクに比例する量で
ある。(1)式によれば回転トルクＴを増大するには
磁束密度Ｂ及びｂを共に大きくする必要がある
が、前述の後者の形式ではコイルの起磁力による
磁束が透磁率の小さい永久磁石を通過するように
なつているため、コイルの起磁力による磁束密度
ｂを大きくする障害となり、ロータリソレノイド
の効率を増大することがむずかしい。

以下図面について詳細に説明する。第１，２，
３及び４図は従来のロータリソレノイドの概略構
造図で、第１，２図は永久磁石を使用しない形式
の横及び側断面図、第３及び４図はロータに永久
磁石を使用した形式の横及び側断面図である。第
１乃至４図において、１はケースを兼ねたヨー
ク、２はコイル、３及び４はロータ、５は回転ト
ルク取り出し軸、６は軸受けである。ヨーク１は
高透磁率を持つ磁性材料で出来ていてヨーク歯部
７が切られている。ロータ３も高透磁率磁性材料
で出来たロータでヨーク歯部７と同数のロータ歯
部８が切られている。ロータ４は永久磁石で直径
方向に着磁してロータ歯部７と同数の磁極Ｎ，Ｓ
を持つている。

第１，２図ではコイル２に通電することにより
コイルからみた磁路９に矢印の如く磁束が流れ、
ヨーク歯部７とロータ歯部８とによつて出来た空
隙１０にも磁束が通る。該空隙１０の磁束密度を
Ｂとすればb²に比例した回転力が矢印１１の方向
にロータ３に働き、軸５を介して外部負荷に回転
トルクを伝達することが出来る。

第３，４図では先ず永久磁石ロータ４によりそ
の磁路１２に沿つて矢印の方向に磁束が流れ、ヨ
ーク歯部７及び７′とロータ４とによつて出来た
空隙１３にも磁束が通る。該空隙１３の永久磁石
ロータ４による磁束密度をＢとすればロータ４に
はB²に比例した回転トルクが矢印１４の方向に
働く。

従つて適当なストツパでこの位置に保持してお
き、次にコイル２に第３及び４図に示す方向に通
電すると、コイル２からみた磁路１２に沿つて矢
印と逆向きに磁束が通り、ヨーク歯部７はＮ極、
ヨーク歯部７′はＳ極となる。空隙１３にも磁束
が通りその磁束密度をｂとすればロータ４の磁極
Ｎ−Ｓ極が紙面で水平位置までは（Ｂ−ｂ）^２
に、それ以後は（Ｂ＋ｂ）^２に比例した回転トル
クが矢印１４と反対方向に働く。しかしコイル２
からみた磁路１２は永久磁石ロータ４を含んでい
る。

一般に永久磁石材料の透磁率は低くフエライト
系及び希土類系磁石では略々１（即ち空気と略々
同じ）であり、アルニコ系磁石でも高々10位であ
る。従つて磁路の磁気抵抗が大きく、起磁力が同
じならば永久磁石を含まない磁路に比較し空隙１
３の磁束密度ｂは小さく、効率のよいロータリソ
レノイドを期待することが出来ない。

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 本発明は従来の上記欠点を軽減するためになさ
れたものである。

(ニ) 問題を解決するための手段 本発明の特徴は、２つに分けたヨーク歯端部を
もつ高透磁率材よりなるヨーク歯部と、回転磁石
のＮ，Ｓ極に固着させた高透磁率材よりなるロー
タ歯部をもつロータと、ヨーク歯部に巻かれた駆
動用コイルとよりなり、該ロータ歯部が相隣れる
ヨーク歯端部にまたがつて磁気空隙を形成させた
ことにある。

(ホ) 作 用 本発明では２つに分けたヨーク歯端部と高透磁
率材よりなるロータ歯部を含めて、永久磁石によ
る磁路とコイルによる磁路とに分離し、該コイル
による磁路を永久磁石を含む磁路と永久磁石を含
まない磁路との並列磁路とし、コイルの起磁力に
よる磁束が主に永久磁石を含まない磁路を通して
回転トルクを発生させる磁気空隙に磁気エネルギ
を供給するようにしたものである。

(ヘ) 実施例 以下図面について詳細に説明する。

第５図及び６図は本発明のロータリソレノイド
の一実施例を示す横及び側断面図である。図にお
いて１５，１５′はヨーク１のヨーク歯部で、そ
の先端がヨーク歯端部１６，１７，１６′，１
７′のようにわかれている。１８はロータでロー
タ芯部１９とロータ歯部２０，２０′と永久磁石
２１，２１′とによつて構成されている。Ｎ，Ｓ
は永久磁石２１，２１′の磁極である。２，５及
び６は第１乃至４図と同じで、ロータ芯部１９、
ロータ歯部２０，２０′は高透磁率材料で出来て
いる。ここでロータ芯部１９と永久磁石２１，２
１′とを一体とした永久磁石としても以下説明す
る動作は変わらない。

本発明の構造上の特徴は従来のロータリソレノ
イドのようにヨーク歯部とロータ歯部とが一対一
で対応していないで、第５図のようにロータ歯部
２０及び２０′が夫々ヨーク歯部１５及び１５′の
相隣れるヨーク歯端部１６，１６′及び１７，１
７′と対応していることである。

第７及び８図は第５図と共に本発明ロータリソ
レノイドの動作を説明する為の横断面図で、図で
−θ_０，Ｏ，＋θ_０とあるのはロータ１８の回転
角を表わすものである。第９図はロータ１８の回
転角に対して各部を通る磁束数を実測した一例を
示すもので、横軸はロータ１８の回転角θを、縦
軸は永久磁石２１，２１′による磁束数φ及びコ
イル２に一定電流を流したときの磁束数φを表わ
す。

図において実線１５（Φ），１５′（Φ），１６
（Φ），１７′（Φ）及び１７（Φ），１６′（Φ）
とあるのは夫々ヨーク歯部１５，１５′、ヨーク
歯端部１６，１７′及び１７，１６′を通つている
永久磁石２１，２１′による磁束数、２点鎖線１
６（φ），１７（φ）、１点鎖線１７（φ），１
６′（φ）及び３点鎖線２１（φ），２１′（φ）
とあるのは夫々ヨーク歯端部１６，１７′，１
７，１６′及び永久磁石２１，２１′を通つている
コイル２の起磁力による磁束数を表わす。図中１
５（Φ），１５′（Φ）についてはθの正負により
磁力線の方向が逆になるが紙面の都合上φの正側
に記入した。

動作に直接関係ある磁束はヨーク歯端部１６，
１７′及び１７，１６′を通過するものである。１
６（Φ），１７′（Φ）及び１７（Φ），１６′
（Φ）に着目するとθ＝０即ち第７図の状態で
は、２１→２０→空隙２０−１６→１６→１７→
空隙１７−２０′→２０′→２１′→１９→２１で
一周する磁路ａ、及び２１→２０→空隙２０−１
６′→１６′→１７′→空隙１７′−２０′→２０′→
１９→２１で一周する磁路ｂに分れ略々同数の磁
束１６（Φ），１７′（Φ）及び１７（Φ），１
６′（Φ）が通り、ヨーク歯部１５，１５′には磁
束は殆ど流れない。

第５図及び第８図のようにθ＝〓θ_０では上記
２磁路ａ，ｂに分かれて磁束が通るが、θ＝−θ
_０では空隙２０−１６′及び空隙１７−２０′を通
る磁束が空隙２０−１６及び空隙１７′−２０′を
通る磁束より大きい。これは磁路ａ，ｂを通り空
隙２０−１６及び空隙１７′−２０′を通る磁束
に、新たに２１→２０→空隙２０−１６′→１
６′→１５′→１→１５→１７→空隙１７−２０′
→２０′→２１′→１９→２１で一周する磁路ｃに
磁束１５（φ）、１５′（φ）が通つて追加され１
７（φ），１６′（φ）となるからである。θ＝＋
θ_０の場合も同様で新たに２１→２０→空隙２０
−１６→１６→１５→１→１５′→１７′→空隙１
７′−２０′→２０′→２１′→１９→２１で一周す
る磁路ｄの磁束１５（Φ），１５′（Φ）が空隙２
０−１６及び空隙１７′−２０′に加わり１６
（Φ），１７′（Φ）となる。

コイル２の起磁力による磁束数１７（φ），１
６′（φ）及び１６（φ），１７′（φ）に着目す
るとθ＝Ｏ即ち第７図の状態で、コイル２に流す
電流の方向を第５図のように選ぶと１５′→１
６′→空隙１６′−２０→２０→空隙２０−１６→
１６→１５→１→１５′で一周する永久磁石２
１，２１′を含まない磁路ｅ及び１５′→１７′→
空隙２０′−１７→１７→１５→１→１５′で一周
する永久磁石２１，２１′を含まない磁路ｆに分
かれて略々同数の磁束１６（φ），１７（φ），及
び１７（φ），１６′（φ）が通り、永久磁石２
１，２１′を含む磁路ａ及びｂに殆ど流れない。

第５図及び第８図のようにθ＝〓θ_０では上記
２磁路ｅ，ｆに分かれて磁束が通るが、θ＝−θ
_０では空隙２０−１６′及び空隙１７−２０′を通
る磁束が空隙２０−１６及び空隙１７′−２０′を
通る磁束より僅か大きい。これは磁路ｅ及びｆを
通り空隙２０−１６及び空隙１７′−２０′を通る
磁束に、新たに磁路ｅに並列になつている永久磁
石２１，２１′を含む磁路ｃの磁束２１（φ）及
び２１′（φ）が空隙２０−１６′及び空隙１７−
２０′に加わり１７（φ），１６′（φ）となるか
らである。θ＝＋θ_０の場合も同様で新たに磁路
ｆに並列な磁路ｄの磁束２１（φ），２１′（φ）
が空隙１７′−２０′及び空隙２０−１６に加わり
１６（φ），１７′（φ）となる。しかし磁路ｃ及
びｄは共に透磁率の小さい永久磁石２１，２１′
を含むのでコイル２からみた磁気抵抗はコイル２
からみた磁路ｅ及びｆのそれに比較して大きく、
２１（φ），２１′（φ）は非常に少なく、事実上
コイル２の起磁力による磁束は磁路ｅ及びｆによ
つて決定されるものと見傲して差し支えない。か
くしてコイル２に第５図に示す方向に通電すれば
空隙１６−２０及び空隙１７′−２０′には１６
（Φ）と１６（φ）及び１７′（Φ）と１７′
（φ）との和１６（Φ＋φ）及び１７′（Φ＋φ）
の磁束が通り、空隙１６′−２０及び空隙１７−
２０′には１６′（Φ）と１６′（φ）及び１７
（Φ）と１７（φ）との差１６′（Φ−φ）及び１
７（Φ−φ）の磁束が通る。

次にロータ１８の外半径をＲ、厚さをＨ、空隙
１６−２０，１７′−２０′及び空隙１７−２
０′，１６′−２０の円弧に沿つた長さをl₁₆≒ｌ₁₇
′及びl₁₇≒ｌ₁₆′とし、今仮にロータ歯部２０，２
０′の円弧に沿つた長さを4Rθ_０、θ＝−θ_０で
l₁₆≒ｌ₁₇′＝Ｏ、θ＝＋θ_０でl₁₇≒ｌ₁₆′＝Ｏとす
れば、l₁₆≒ｌ₁₇′及びl₁₇≒ｌ₁₆′は(2)式 l₁₆≒ｌ₁₇′＝Ｒ（θ_０＋θ）、 l₁₇≒ｌ₁₆′＝Ｒ（θ_０−θ） ……(2) の通りである。従つて各空隙の永久磁石２１，２
１′による磁束密度をB₁₆≒Ｂ₁₇′及びB₁₇≒Ｂ₁₆′、
及びコイル２の起磁力による磁束密度をb₁₆≒ｂ_1
７′及びb₁₇≒ｂ₁₆′とすればロータ１８のθの増加
する方向の回転トルクＴは(1)式より Ｔ∞２｛（B₁₆＋b₁₆）²−（B₁₇＋b₁₇）²｝ ＝２２／Ｒ^２Ｈ^２〔｛１６（Φ−φ）／（θ_０−θ
）｝^２ −｛１７（Φ−φ）／（θ_０−θ）｝^２〕 ……(3) 永久磁石２１，２１′による回転トルクＴ_Mはθ
が−θ_０から＋θ_０の間ではl₁₆＋l₁₇は l₁₆＋l₁₇＝2Rθ_０ ……(4) (4)式の通り一定であるから、永久磁石２１，２
１′からみた磁気抵抗は略々一定でB₁₆≒B₁₇であ
る。従つて空隙１６−２０，１７′−２０′の体積
が増加するのと空隙１７−２０，１６′−２１′の
体積が減少するのが同じであるから両空隙の回転
トルクが釣り合い、軸５の回転トルクは殆ど０と
なる。θ＜−θ_０の範囲では空隙１６−２０及び
１７′−２０′は空隙長が大きくなり磁束が通らな
くなる。一方空隙１６′−２０及び１７−２０′は
ｌ₁₆′≒l₁₇が2Rθより次第に増加し、磁束密度Ｂ
はθの減少するに従き漸減するので、軸５には矢
印２２で示す方向の回転トルクが漸減しθ＝−90
゜で０となる。θ＞＋θ_０の範囲でも同様でθの
増加する方向に矢印２３で示す回転トルクが漸減
しθ＝＋90゜で０となる。

第１０図は永久磁石２１，２１′による回転ト
ルクＴ_Mを実測した一例を実線で示すもので、図
で横軸はロータ１８の回転角θを、縦軸は回転ト
ルクＴを表わし、正側は矢印２３で、負側は矢印
２２で示す方向の回転トルクを表わす。

コイル２の起磁力による回転トルクＴ_Cを検討
するため(3)式〔 〕内を計算すると(5)式の通りで
ある。

Ｔ∞〔｛１６（Φ）／（θ_０＋θ）｝^２−｛１７（Φ
）／（θ_０−θ）｝^２ ＋２１６（Φ）×１６（φ）／（θ_０＋θ）^２＋１
７（Φ）×１７（φ）／（θ_０−θ）^２ ＋｛１６（φ）／（θ_０＋θ）｝^２−１７（φ）／
（θ_０−θ）｝^２〕……(5) (5)式第１及び２項は永久磁石２１，２１′によ
る回転トルクで前述の通りである。第３，４項及
び５，６項がコイル２の起磁力による回転トルク
で、第３及び５項が空隙１６−２０及び１７−２
０に生ずる回転トルク、第４及び６項が空隙１
６′−２０及び１７−２０′に生ずる回転トルクで
ある。

さてθが−θ_０から＋θ_０までの範囲を考える
と、θ＝−θ_０では（θ_０＋θ）≒０であるから
第３と５項が異常に大きくなつて加わり、矢印２
３方向の回転トルクＴ_Cを得る。θが漸増するに
従つて回転トルクTcは漸減するがθ＝＋θ_０で
再び（θ−θ）≒０となるから回転トルクＴ_Cが
大きくなる。しかしθ＝−θ_０の値より小さい。
θが−θ_０から減少する範囲では回転トルクＴ_C
は急激にＯとなり、θが＋θ_０から増大する範囲
では回転トルクＴ_Cは永久磁石２１，２１′のみに
よる回転トルクＴ_Mよりやや大きい値をとりつつ
漸減する。第１０図にコイル２に一定電流を通電
したときの回転トルクＴ_Cを実測した一例を点線
で示した。第１０図に示した回転トルクＴ_Cは一
実測例で回転トルクＴ_Cが最大となるθ＝θmax
はつねに＋θ_０の位置に顕われるとは限らない。
又回転トルクＴ_Cが最小となるθ＝θminを無く
すことも出来るので回転トルクＴ_Cを漸減する特
性にすることも出来る。

次にコイル２に通電する方向を逆にすれば上述
の説明で明らかなごとく矢印２２に示す方向の回
転トルクが発生する。

さて本発明のロータリソレノイドはコイル２に
通電しない場合の安定点はθ＝±90゜とθ≒０付
近にある。

θが±θ_０以内にあればコイル２への通電方向
によりロータ１８に時計方向又は反時計方向に回
転トルクを与えることが出来るが、θ＝±90゜で
安定している場合はコイル２へ相当大きな電流を
流さないと回転トルクを与えることが出来ない。
従つてロータ１８がθ＝〓θ_０以上減少又は増大
しないようなストツパーを設ける必要がある。ス
トツパーの位置をθ＝〓θ_０付近で｜θ｜＜｜θ
_０｜の位置に設ければ永久磁石２１，２１′によ
る回転トルクＴ_Mによつて夫々の位置で安定に静
止させることが出来る。θ≒−θ_０で静止してい
るとき、コイル２に第５図で示す方向に通電すれ
ばロータ１８は矢印２３方向に回転しθ≒＋θ_０
のストツパーの位置で静止する。次にコイル２に
第５図で示す方向と逆向きの電流を流せばロータ
１８は矢印２２の方向に回転しθ≒−θ_０のスト
ツパーの位置で静止する。即ち本発明のロータリ
ソレノイドは双安定ロータリソレノイドとなる。

第１１図は本発明ロータリソレノイドの他の実
施例を示す横断面図で符号は第５図の場合と同様
である。

第１１図はヨーク歯部１５及び１５′の２つに
分けたヨーク歯端部１６，１７，１６′，１７′内
面略中央に高透磁率材で出来たストツパー２４，
２４′を固着し、その端面に非磁性材のスペーサ
２５，２５′を取りつけてある。このような構造
にすればロータ１８が回転角θ≒±θ_０以内であ
つてもストツパー２４，２４′とロータ歯部２
０，２０′とが吸引されるのでロータ１８を第５
図の場合より安定に保持することが出来る。該吸
引力の加減もスペーサ２５，２５′の厚さで適切
に選定することが出来る。

第１２図は本発明ロータリソレノイドの他の応
用例を示す横断面図である。図において１及び５
は第５図同様ヨーク及び回転トルク取り出し軸、
２９，３０，３１及び３２はヨーク歯部、２
９′，２９″，３０′，３０″，３１′，３１″及び３
２′，３２″は夫々ヨーク歯部２９，３０，３１及
び３２のヨーク歯端部、３３はロータでロータ芯
部３４とロータ歯部３５，３５′，３６，３６′及
び永久磁石３７，３７′，３８，３８′とより構成
されＮ，Ｓはその磁極である。ヨーク、ヨーク歯
部、ヨーク歯端部、ロータ歯部及びロータ芯部は
いずれも高透磁率材で出来ている。３９，３９′
及び４０，４０′は駆動用コイルである。図で明
らかなようにロータ歯部３５，３６，３５′及び
３６′は夫々相隣れるヨーク歯端部２９″，３
０′，３０″，３１′，３１″，３２′及び３２″，２
９′にまたがつて磁気空隙を形成している。

(ト) 発明の効果 以上図面について詳細に説明した通り、本発明
のロータリソレノイドは駆動用コイルからみた磁
路が永久磁石を含む磁路と、永久磁石を含まない
磁路と並列になるため、駆動用コイルの起磁力は
永久磁石を含まない磁路を通して、回転トルクを
発生する空隙の磁束密度を大きくする。従つて永
久磁石によつて該空隙に発生する磁束密度と相和
し大きいな回転トルクが得られ、且つ復帰ばねを
使用する必要がないことと相伴つて効率のよい省
電形ロータリソレノイドを提供することが出来
る。又駆動コイルへの通電の極性を変えるだけで
時計及び反時計方向の回転トルクが得られるばか
りでなく、双安定ロータリソレノイドとして使用
することが出来る。又図示しなかつたがストツパ
を外部に取りつけることが出来るので衝撃音を小
さくする対策が取りやすくなるので、動作音を小
さくすることが出来るなど実用上有効な利点が顕
著である。

【図面の簡単な説明】

第１及び５図は従来の永久磁石を用いないロー
タリソレノイドの構造例を示す横及び側断面図、
第３及び４図は従来の永久磁石を用いたロータリ
ソレノイドの構造例を示す横及び側断面図、第５
及び６図は本発明ロータリソレノイドの実施例を
示す横及び側断面図、第５，７及び８図は本発明
ロータリソレノイドの動作を説明する為の横断面
図、第９及び１０図は第５図ロータリソレノイド
の各部を流れる磁束及び回転トルクを実測した一
例を夫々示した図、第１１及び１２図は本発明ロ
ータリソレノイドの他の実施例を示す横断面図で
ある。 １……ヨーク、２，３９，３９′，４０，４
０′……コイル、３，４，１８，３３……ロー
タ、５……軸、６……軸受、７，７′，１５，１
５′２９，３０，３１，３２……ヨーク歯部、１
６，１６′１７，１７′，２９′，２９″，３０′，
３０″，３１′，３１″，３２′，３２″……ヨーク
歯端部、２０，２０′，３５，３６，３５′３６′
……ロータ歯部、４，２１，２１′，３７，３
７′，３８，３８′……永久磁石、２４，２４′…
…ストツパ、２５，２５′……スペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヨークとロータに夫々偶数個の同数の歯を切
   つたロータリソレノイドにおいて、２つに分けた
   ヨーク歯端部を持つ高透磁率材よりなるヨーク歯
   部と、回転磁石のＮ，Ｓ極に固着させた高透磁率
   材よりなるロータ歯部をもつロータと、ヨーク歯
   部に巻かれた駆動用コイルとよりなり、該ロータ
   歯部が相隣れるロータ歯端部にまたがつて磁気空
   隙を形成させたことを特徴とするロータリソレノ
   イド。 ２ 前記ヨーク歯部を２つに分けたヨーク歯端部
   の内側略中央に非磁性材よりなるスペーサを両端
   に固着した高透磁率材よりなるストツパを設けて
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のロータリソレノイド。