WO1988005207A1 - Actuateur electromagnetique - Google Patents

Description

明 細 電磁ァ ク チユ エ 一タ 技術分野

本発明は、 機械的安定状態の保持および該機械的安定 状態からの変位を電磁的に操作する装置、 例えば、 電磁 弁、 電磁ポ ンプ、 電磁施錠装置、 電磁齄電器、 電磁ク ラ ッ チ等に用い られる電磁ァ ク チユ エ 一タ に関する。 背景技術

一般に、 電磁弁等には第 1 0 図に示される よ う な電磁 ァ クチュヱ 一タが用い られている。

この電磁ァクチユ エ 一タ はヨー ク 2 に固定される固定 鉄心 1 と 、 こ の固定鉄心 1 に対 して矢印 1 1 方向に接離 自在に設けられる可動鉄心 3 と 、 こ の可動鉄心 3 を囲繞 する よ う に巻回され、 通電される こ と によ リ 第 1 の磁束 8 を発生する電気巻線 7 とから成る。

しか し、 こ の電磁ァ ク チユ エ 一 タ は比較低的感度で、 微少電流で所要の吸引力を得る こ とが困難なこ と も ある ため、 术発明者は、 P C T / J P 8 4 0 0 0 8 4 , P C T J P 8 5 / 0 0 3 1 3 ， P C T / J P 8 5 / 0 0 3 1 4 , P C T Z J P 8 5 / 0 0 5 3 6 において微 小電流で大き な推力を発生する電磁ァ ク チユ エ一タ を提 案 した。 この電磁ァク チユエ一タは第 1 0 図に示される上逮の 従来装置に、 さ らに、 例えば、 第 1 図ない しほ第 4図に 示ざれる よ う に電気巻線 7 によ リ誘起される第 1 の磁束 8 に対 して第 2 の磁束 9 を分流させて並列に作甩させる よ うにヨーク 2 あるは可動鉄心 3 に永久磁石 5 を設ける こ と を特徴とする ものである。

こ こで、 第 1 図、 第 2 図および第 3 図 （ a ) ( b ) の 従来装置は可動鉄心 3 は固定鉄心 1 に対して矢印 1 1方 向に変移可能に設けちれる。

第 4 図 （ a ) ( b ) の従来装置ほ軸 1 3 a と 軸受 1 3 b を介して固定鉄心 1 に対して可動鉄心 3 を矢印 1 1 方向に回転変移可能に設けちれる。

しか し、 上述の太発明者によっ て既に提案された第 1 図ない し第 4図に示される従来装置ほ電気巻線 7 および 永久磁石 5 の起磁力あるいは可動鉄心 3 と固定鉄心 1 あ るいほヨーク 2 の磁桎面との間の間隙の磁気抵抗、 永久 磁石 5 の磁気抵坑等の数値の組合せによってほ、 必ずし も高惑度の特性を得る ことができないとい ラ問題点があ つた。 発明の開示

そ こで、 発明は上述の問題点を解袂するために提案 ざれたもので、 ょ リ 高感度の特性を有 し、 微電流で大き な推力を発生する電磁ァクチユエ一タ を容易に提供する こ とを 目的とする。 さ て、 *発明老は実験および理論的解析によ っ て以下 の知見を得た。

まず、 *発明者提案の上述の従来装置の磁気回路模式 図であ る第 5 図および第 6 図において磁束計箕を行う。

可動鉄心 3 は磁極面 3 a と ヨー ク 2 の磁極面 2 a との 間に間隙 を有 し 、 磁柽面 3 b と 固定鉄心 1 の磁極 面 1 a と の間に間隙 d 2 を有 し、 可動鉄心 3 は矢印 1 1 方向に移動可能とする。

また、 一方の S磁 S面をヨー ク 2 に固定 した永久磁石 5 は、 そ の他方の N磁 S面が間隙 gf を介 し、 可動鉄心 3 に対面する。

こ こ で、 電気巻線 7 の図示方向の通電による第 1 の磁 束 8 に対 して、 分流 し並列に作用する永久磁石 5 によ つ て誘起される第 2 の磁束 9 a , 9 b は、 全て間隙 d i と d 2 と を通過する もの と考えれば第 5 図および第 6 図の 等価磁気回路は第 7 図に示される。

こ こ で、 第 5 図、 第 6 図の等価磁気回路は第 7 図、 第 9 図において起電力 F i は図示点線で囲っ た位置と異な るが、 計箕は便宜上 F Q の位置において算出 した。

ただ し、

F 0 ； 電気巻線 7通電時の起磁力

F p ； 永久磁石 5 の起磁力

S ； 間隙 d 1 , d ₂ の断面積

S p ； 間隙 g の新面積

L p ； 永久磁石 5 の磁化方向長 Q ； 間隙 d〗 ， d 2 の透磁率

r ; 永久磁石 5 の可逆透磁率

R l ； 間隙 d i の磁気抵抗 = ( d 1 / μ, ο ) S を含 み、 永久磁石 5 によ リ誘起される一方の分流 磁束 9 aの磁路の磁気抵抗

R 2 ； 間隙 d ₂ の磁気抵抗 - C d 2 / ^ 0 ：) S を含 み、 永久磁石 5 によ り 誘起される他方の分流 磁束 9 b の磁路の磁気抵抗

R P ； 永久磁石 5 の磁気抵抗 - ( L p / /i r ) S ρ こ こで、 空隙 gの磁気抵抗 （ g Z ito ) S _P は R _P に 含めて考える。

次に、 第 7 図の回路について、 重ねの定理を適用 し、 永久磁石 5 によっ て誘起される第 2 の磁束 9 a , 9 と 電気巻線 7 の通電による第 1 の磁束 8 を各々独立して求 めてみる。

まず、 永久磁石に よっ て誘起される第 2 の磁束 9 a , 9 b を求める。

第 8 図の等価回路で、 間隙 d i , d 2 を通過す る 第 2の磁束 9 a ， 9 b を各々 Φ ι , Φ 2 とすれば、 次の 2方程式が成立する。

F Ρ = R ρ ( Φ 1 + Φ 2 ) + R ] Φ 1 ，·· C 1 )

R 1 · Φ 1 = R 2 Φ 2 ··· ( 2 )

従って、 （ 1 ) ( 2 ) 式よ り

Φ 1 = C R 2 F ρ ) X { R p ( R 1 + R 2 ) + R ί R 2 } … （ 3 ) Φ 2 = ( R l F p ) / { R p ( R i + R 2 ) + R i R 2 } - ( 4 )

次に、 電気巻線 7 によ っ て誘起される第 1 の磁束 8 を 求める。

第 9 図の等価回路で、 永久磁石 5 の内部を通る磁束を Φ 4 、 空隙 d 2 を通る磁束 Φ 3 とすれば次の （ 5 ) 式力 S 成立し、 これを解いて Φ 3 ， Φ の値を求め られる。

F 0 = ( R 1 + R 2 ) Φ 3 + R 1 Φ … （ 5 )

R ρ φ 4 = R 2 Φ 3 ― C 6 )

従っ て、

Φ 3 = ( R p F 0 ) / { ( R 1 + R 2 ) R ρ +

C R 1 R 2 ) } - ( 7 )

Φ = ( R 2 F 0 ) / { ( R 1 + R 2 ) R Ρ +

R 1 R 2 } - C 8 )

と なる。

次に、 可動鉄心 3 に作用する電磁力 Ρ について計算す る。

第 5 図の電磁ァ ク チユエ一 タ の可動鉄心 3 に作用する 電磁力 Ρは間隙 d i のみに発生 し、 第 6 図の双安定動作 型の電磁ァ ク チユエ一タ では間隙 d i と d ₂ に発生 し、 それぞれ間隙 d i , d 2 を通過する磁束の自乗に比例す る。

即ち、

Ρ = φ 2 / ( 2 ^ ο S ) ·'· ( 9 )

ただ し、 P _; 可動鉄心 3 に作用する電磁力

Φ ; 間隙 d i ， d a を通過する磁束

従っ て、 上述の （ 4 ) ( 7 ) ( 9 ) 式から第 5 図の単 安定動作型電磁ァ ク チユエ一 タ の可動鉄心 3 に働 く 力を P _s とすれば

P _s = ( i y 2 /t o S ) [ ( R i F p + R p F o ) / { R p ( R i + R 2 ) + R l R 2 } ] ² - ( 1 0 ) また、 （ 3 ) ( 4 ) ( 7 ) ( 8 ) 及び （ 9 ) 式から間 隙 d i , d 2 を通過する磁束を 4» d i , φ d 2 第 6 図 の双安定電磁ァ ク チユ エー タ の可動鉄心 3 に働 く 力を P d とすれば

P i = { 1 / ( 2 ^o S ) } ( Φ d 2² - Φ d i ² ) = [ ( R i F_P + R _P F o ) ² - { R z ( F p - F o ) - R _P F o } ² ] / [ 2 t o S { R p C R i + R 2 ) + R i R 2 } ² ] ··· C 1 1 )

こ こで、 間隙 d i を通過する磁束 Φ d i ；

Φ d 1 = Φ 1 — Φ 4 — Φ 3

間隙 d 2 を通過する磁束 4> d 2 ;

Φ d 2 = Φ 2 + Φ 3

- また、 Ρ , Ρ s ， Ρ _s の方向ほ可動鉄心 3が移動する 右方向を正とする。

次に、 本発明者提案の第 5 図および第 6 図に示される 従来装置と、 可動鉄心 3 の断面稜、 間隙 d 1 ， d 2 の長 さおよび電気巻線 7 の通電による起磁力が同一である第 1 0 図に示される従来装置について各々の可動鉄心 3 に 作用する力の比較を行な う。

すなわち、 第 1 0 図の従来装置の磁気抵抗 R o ， 磁束

Φ 0 および可動鉄心 3 に作用する力 Ρ ύ は各々次式で示 される。

R o = R〗 + R 2 "' ( 1 2 )

Φ 0 = F 0 / R 0 — ( 1 3 )

P 0 = Φ o²/ ( 2 μ, 0 S ) = F 0 ² ノ （ 2 0 · S · R 0 ² ) … （ 1 4 )

従っ て、 （ 1 0 ) ( 1 1 ) および （ 1 4 ) 式から、 電 気巻線 7 に図示の通電を行なった場合、 可動鉄心 3 に作 用する力の比は次式で示される。

P s / Ρ 0 = [ ( R 1 F ρ + R p F 0 ) / { R _Ρ ( R 1 + R 2 ) + R I R 2 } ] ² X ( R 0 / F ο ) ² = { 1 + ( R 1 F p / R p F 0 ) } ² / { 1 + C R i R 2 / R p R 0 ) } ² - ( 1 5 )

P d / P 0 = [ ( R 1 F p + R p F 0 ) ² - { R 2 ( F p - F 0 ) - R p F 0 } ² X ( R 0 / F 0 ) ² ] ノ ( R p R 0 + R 1 R 2 ) ² =

[ { 1 + ( R 1 F p / R p F o ) } ² - { l + C R 2 / R _P ) - ( R ₂ F p ) / R p F ₀ ) } 2 ] / { 1 + C R 1 R 2 X R 0 R p ) } ² ··· C 1 6 )

と表現される。

こ こ で、 （ 1 5 ) ( 1 6 ) 式について、 正規化グラ フ のためのパラ メ 一タ選択を行う。

まず、 磁気抵抗 R i , R 2 および R _P の値を R o で除 し て、 次式の通 リ無次元化する。

E l / R 0 = d 1 / d - C 1 7 )

R 2 / R o = 1 - C d i / d ) - C 1 8 )

R P / R o = ( ^o S L p ) / ( ^ r S p d ) … （ 1 9 )

こ こで、 d = d i + d 2 とする。

次に 永久磁石 5 の大き さを示すパラ メ ータ と して、 Φ P = F p Z R p の式の両辺を基準的磁束 Φ Q = F 0 / R 0 で除した次式の値を採用する。

Φ p / Φ 0 = C R 0 F p ) / ( R p F 0 ) … ( 2 0 ) さ て 、 C 1 7 ) ( 1 8 ) ( 2 0 ) 式 を （ 1 5 ) ( 1 6 ) 式に代入すれば、

Φ P / Φ 0 および R p / R 0 の 2 のパラ メ ータ と、 d 1 d C = Ri / R o ) を変数と した電磁ァクチユエ —タの可動鉄心 3 に作用する力の大きさを正親化グラ フ に表現できる次式が求め られる。

P j / P 0 = { 1 + ( d 1 φ p / d φ 0 ) } ²

[ 1 + C R 0 / R P ) { C d i / d ) - C d i 2 / d 2 ) } ] 2 … （ 2 1 )

P d / P ο = [ { 1 + ( <1 ι φ ρ / <ί φ ο ) } ² -

{ l + c l - c a i κ d ) ) c c R o κ R p ) 一 C Φ P / Φ o ) ) } ² ] / [ { 1 + C R o / R p ) C C d i d ) - ( d i 2 / d 2 ) ) } 2 ] ... ( 2 2 ) こ こで、 永久磁石 5 の磁気抵抗 R _P は可逆達磁率 _r に反比例 し、 永久磁石 5 の磁化方向長に比例する。 また、 は真空の透磁率 Q に近い値が多いの で、

〔 1 9 ) 式で S _P = S と仮定すれば、

R p / R 0 = L p Z d

と な り 、 通常、 L _P > d と選定する場合が多いが、 こ こ では R _P / R 0 の数値と して 1 3 ない し 4 の範囲につ いて検討する。

次に、 永久磁石 5 の磁化の強さを J _P 、 電気巻線 7 の 通電による磁束密度を B とすれば

Φ P / Φ 0 = ( J p S p ) / C B . S ) の関係が成立 する。

こ こで、 J _P ほフ ェ ラ イ ト 磁石で、 0. 4 ( T ) 、 鋅造 磁石で 0. 8 ( T ) 、 希土類磁石で 1. 0 ( T ) であ るか ら、 Φ _Ρ / Φ 0 の値は、 種々の数値に設定でき るが、 こ こ では 0. 5から 4の範囲について検討する。

さ て、 第 5 図に示される単安定動作型電磁ァ ク チュ ェ一タの可動鉄心 3 に作用する電磁力は漏洩磁束を無視 すれば、 上述のよ う に （ 2 1 ) 式で示される。

こ の た め 、 Φ Ρ / Φ 0 の種 々 の値 に対 し 、 R _P / R 0 の値をパラ メ ータ と し、 R i / R 0 の値を変数と し て P S / P O の値は第 1 1 図 （ a ) ( b ) C c ) ( d ) のグラ フ表示の とお り に箕出でき る。

また、 第 6 図に示 される双安定動作型電磁ァ ク チュ エ ー タ の可動鉄心 3 に作用する電磁力の大き さ も 、 ま た、 （ 2 2 ) 式から同様に第 1 2 図 （ a ) ( b ) ( c ) ( d ) のグラ フ表示の通 り と なる。 こ の 第 1 1 図 （ a ) ( b ) ( c ) 〔 d ) お よ び 第 1 ² 図 （ a ) ( b ) C c ) ( d ) の計箕値ならび.に太 発明装置の試作実験の結果から末発明者は P s / P 0 、 あるいほ、 ： P d Z P。 が 1 の値ょ リ大とぃぅ条件、 つま 、 従来术発明者が提案した第 5 図あるいは第 6 図に示 される電磁ァクチユエ一タの可動鉄心 3 に対する吸引力 が、 第 1 0 図に示される従来の電磁ァクヂユエ一タの可 動鉄心 3 に対する吸引力よ り 大きい値を発生するために は、 以下の条件が不可欠である という こ とを^出 した。

( a ) 0. 5 > R 1 / R o 〉 0

さらに、 上述の （ a ) 式に加えて次式 （ b ) の条件を 潢たすと よ り高感度特性を得られる こ と を見出 した。

C b ) φ _Ρ / Φ ο > 0.5

また、 上述の （ a ) ( b ) 式に加えて次式 （ c ) の条 件を潢たすと よ り さ らに、 高感度特性を得られるこ とを 見出 した。

( c ) R p V R 0 > 0. 2 5

¾発明は 上述の知見に基づいて成立する も ので、 ヨー ク に固定される固定鉄心と、 該固定鉄心に対 して接 離自在に設けられる可動鉄心と、 該可動鉄心を囲繞する よう に巻回され、 通電される こ と によ り第 1 の磁束を棻 生する こ と に よ り 励磁する電気巻線と、 該第 1 の磁束に 対して第 2の磁束を分流させて並列に作用させる よう に 該固定鉄心のヨークあるほ可動鉄心に永久磁石を設ける 電磁ァク チユエ一タ を改良する も ので、 次式 （ a ) の条件を満たすこ と を特徴とする電磁ァ ク チユ エ一 タである。

( a ) 0. 5 > R 1 / R 0 〉 0

こ こ で、

R 1 =可動鉄心の磁極面と ヨークの磁柽面と の間の間隙 d i の磁気抵抗を含み、 永久磁石に よ り 誘起 される一方の分流磁束の磁路の磁気抵抗

R 2 =可動鉄心の磁極面と 固定鉄心の磁柽面 との間の間隙 d ₂ の磁気抵抗を含み、 永久磁石によ り 誘 起される他方の分流磁束の磁路の磁気抵抗

R 0 = R 1 + R 2

とする。

*発明は以上説明 したょ ラに、 磁気回路における磁気 抵抗値、 起磁力等を所要範囲に限定するため、 常に微電 流で大き な推力を発生する とい ラ効果を奏する。 図面の簡単な説明

第 1 図は本発明者が提案 した従来装置および本発明の 第 1 の実施例の説明図、 第 2 図は本発明者が提案 した従 来装置および *発明の第 2 の実施例の説明図、 第 3 図は 术発明者が提案 した従来装置および术発明の第 3 の実施 例の説明図、 第 4 図 （ a ) は太発明老が提案 した従来装 置および *発明の第 4 の実施例の第 4図 （ b ) における A - A新面図、 第 4図 （ b ) は第 4図 （ a ) の装置の説 明図、 第 5 図および第 6 図は太発明者が提案 した従来装 置の模式構造図、 第 7 図、 第 8 図および第 9 図は等価磁 気回路図、 第 1 0 図は他の従来装置の説玥図、 第 1 I 図

C a ) C b > C c > ( d ) は第 5 図の术発明者が提 案した従来装置の電磁力の説明図、 第 1 2図 （ a) ( b ) C c ) ( d ) は第 6 図の太発明者が提案した挺来装置 の電磁力の説明図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 *発明を図面を参照してその実施例に基づいて 説明する。

末発明の実施例は第 1 図ない し第 4図に示される従来 装置と耩成は共通するが以下の点において異なる。

次式 〔 a) の条件を潢たすよ う構成される。

( a ) 0. 5 > R 1 R 0 > 0

こ こで、

R 1 =可動鉄心の磁極面と ヨークの磁 S面との 間の間隙 d 1 の磁気抵抗を合み 永久磁石 5 によ リ誘起 される一方の分流磁束 9 aの磁路の磁気抵抗

R 1 =可動鉄心の磁槿面と固定鉄心の磁裎面と の間の間隙 d ₂ の磁気抵抗を合み、 永久磁石 5 によ リ誘 起される他方の分流磁束 9 b の磁路の磁気抵抗

R 0 = R 1 + R 2

とする。 . さ らに、 上述の （ a ) 式に加えて次式 （ b ) の条件を 溝たすと よ 高感度特性を得られる。 ( b ) φ p / φ o > 0. 5

こ こで、

Φ o =電気巻線の通電に よる磁束

Φ p = R ϋ F p / R p F 0

とする。

また、 上述の （ a ) ( b ) 式に加えて次式 （ c ) の条 件を満たすと よ り さ らに、 高感度特性を得られる。

( c ) R p / R 0 〉 0. 2 5

こ こで、

R _P = 永久磁石の磁気抵抗

F 0 =電気巻線の通電に よる起磁力

F p =永久磁石の起磁力 · とする。

これらの条件式を満たす具体的手段は、 電気巻線 7 の 通電電琉あるいは卷数の調整、 永久磁石 5 の N S ig面方 向の長さの調整、 永久磁石 5 自体の選定等固定鉄心、 ョ —ク あるいは可動鉄心の磁槿面に非磁性体膜の溶着、 メ ツ キ等、 間隙 d 1 ， d 2 の距離を切削等に よ り 調整する こ と等によ り構成される。 産業上の利用可能性

本発明は、 機械的安定状態の保持および該機械的安定 状態からの変位を電磁的に操作する装置、 例えば、 電磁 弁、 電磁ポンプ、 電磁施锭装置、 電磁继電器、 電磁ク ラ ツ チ等に用いられる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 ヨーク に固定される固定鉄心と、 該固定鉄心に対 し て接離自在に設けられる可動鉄心と 該可動鉄心を囲繞 する よ う に巻回され 通電されるこ と に よ リ 第 1 の磁束 を発生する こ と に よ リ 励磁する電気巻線と、 該第 1 の磁 束に対して第 2の磁束を分流させて並列に作用させる よ うに該固定鉄心のヨーク あるは可動鉄心に永久磁石を設 ける電磁ァクチユエータ において

次式 （ a ) の条件を满たすこ とを特镦とする電磁ァク チュエ ータ。

( a ) 0.5 > R i / Ro > 0

こ こで、

R 1 =可動鉄心の磁極面と ヨー ク の磁極面との 間に間隙 d i の磁気抵抗を含み、 永久磁石によ リ誘起さ れる一方の分流磁束の磁路の磁気抵抗

R 2 =可勖鉄心の磁極面と固定鉄心の磁 S面と の藺の間隙 d 2 の磁気抵抗を含み、 永久磁石によ り誘起 される他方の分流磁束の磁路の磁気抵抗

R 0 = R 1 + R 2

とする。

2 次式 （ b ) の条件を潢たす請求の範囲第 1 項記載の 電磁ァクチユエータ。

( ) Φ p / Φ 0 > 0. 5

ここで、 Φ o =電気巻線の通電に よる磁束

Φ = R 0 F / R F 0

とする。

3 次式 （ c ) の条件を満たす請求の範囲第 2項記載の 電磁ァク チユエ一 タ。

( c ) R p / R 0 〉 0. 2 5

こ こで、

R Ρ = 永久磁石の磁気抵抗

F 0 =電気巻線の通電によ る起磁力

F ρ = 永久磁石の起磁力

とする。