CN101038810B

CN101038810B - 电磁致动器

Info

Publication number: CN101038810B
Application number: CN2007100789065A
Authority: CN
Inventors: 松本泰弘; 渡並洋介; 石川佳延; 久保田信孝; 野田岳志; 松尾和宏; 加藤健二; 本間三孝; 若林孝生
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: CN101038810A; EP1826784A2; EP1826784A3; JP2007227766A; US20070200653A1

Abstract

本发明涉及电磁致动器。针2包括活塞元件21和挡圈元件22，且被设置成在定子1内部可从锁定位置到锁定解除位置来回移动。第一电磁线圈31在通电时具有足够的电磁能量，从而将处在锁定解除状态的针2设置在锁定状态。永久磁铁4具有足够的吸引力，以吸引被第一电磁线圈31的电磁能设置在锁定状态的针2的挡圈元件22，即使当不对第一电磁线圈31通电时也能使其保持锁定状态。第二电磁线圈32在通电时能够削弱永久磁铁4的磁通，并将针2从锁定状态改变为锁定解除状态。从而，通过根据负载侧的状态改变如何对电磁线圈通电，来提高能量效率。

Description

电磁致动器

技术领域

本发明涉及用于各种工业设备(例如开关设备和工业机器人)的电磁致动器。

背景技术

电磁致动器通常由电磁线圈和永久磁铁组合构成，其中，对电磁线圈通电以便移动针，然后，对电磁线圈断电以便通过永久磁铁的吸引力将针锁定在其移动后的位置。

图6的说明图表示根据作为专利文献1的日本专利公开No.7-37461(1995)中所披露第一传统示例的电磁致动器。在图6中，定子101包括框架元件102、固定在框架元件102上的环形永久磁铁103、设置在永久磁铁103的两侧的第一电磁线圈104和第二电磁线圈105。针106包括芯107和轴108，芯107被设置成可在定子101内部水平来回移动，轴108由芯107来支撑。

在所示状态中，对第一电磁线圈104提供比第二电磁线圈105的电流还大的电流，则磁通109的量大于磁通110的量。因此，以向左驱动力使针106向左移动。如果在该状态中将第一电磁线圈104和第二电磁线圈105断电，则通过永久磁铁103的磁通将针106锁定在所示位置。

在向右移动针106的情形中，对第二电磁线圈105提供比第一电磁线圈104的电流还大的电流，以削弱永久磁铁103的磁通，并对针106提供向右的驱动力。

图7A和7B的说明图表示根据作为专利文献2的日本专利公开No.2002-289430中所披露第二传统示例的电磁致动器。图7A的纵截面图显示出针的锁定解除状态，图7B的纵截面图显示刚好在锁定前的针的状态。

定子201包括框架元件202、固定在框架元件202上的环形永久磁铁203和设置在永久磁铁203下方的电磁线圈204。针205包括活塞元件206、挡圈元件207和轴元件208，活塞元件206被设置成可在定子201内部垂直来回移动，挡圈元件207被安装在活塞元件206的顶部边缘，轴元件208由活塞元件206来支撑。

在图7A的状态中，挡圈元件207所处位置比永久磁铁203高出许多，因此，由永久磁铁203的磁通Bm对针205施加的力很小。然而，如果在该状态中给电磁线圈204通电，则电磁线圈204的磁通Bc产生向下的驱动力F0，以使针205下降。

如果针205下降至如图7B所示状态，永久磁铁203的磁通Bm通过挡圈元件207和活塞元件206的全部长度以与磁通Bc合并。因此，对针205施加的向下驱动力变得非常强。如果在该状态中给电磁线圈204断电，由于消除了磁通Bc，向下驱动力减弱。然而，由磁通Bm将针205锁定在当前位置。

在从图7B所示锁定位置向上移动针205的情形中，应进行用于使流过电磁线圈204的电流反向的通电，以便削弱永久磁铁203的磁通，并对针205施加向上驱动力。

在上述第一和第二传统示例中，对于沿相反方向移动被永久磁铁锁定的针的情形，使用一个电磁线圈实现削弱永久磁铁磁通和对针施加驱动力的两个作用。为此，对电磁线圈的通电进行一致性控制，以便使流过线圈的电流成为一定的级别或更高。

然而，根据负载侧的状态，并非总是需要对针施加很大的驱动力。有可能仅通过削弱永久磁铁的磁通来解除锁定，并按当前方式将针沿相反方向移动。因此，从能量的有效利用方面看，上述传统设备还有改进的余地。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够通过根据负载侧的状态而改变如何对电磁线圈供电来提高能量效率的电磁致动器。

为实现该目的，本发明提供了第一结构的电磁致动器，包括：针，具有近似圆柱形的活塞元件和安装在其(活塞元件)底部的挡圈元件，且被设置成在定子内部可在锁定位置和锁定解除位置之间来回移动；第一电磁线圈，被设置成环绕活塞元件，并在通电时具有足够的电磁能量，从而将处在锁定解除状态的针设置在锁定状态；永久磁铁，具有足够的吸引力来吸引被第一电磁线圈的电磁能设置在锁定状态的针的挡圈元件，即使当不对第一电磁线圈通电时也能使其保持锁定状态；和第二电磁线圈，在通电时，能够削弱永久磁铁的磁通，并将针从锁定状态改变为锁定解除状态。

在第二结构中，第一结构的定子包括：第一定子，在其上安装有第一电磁线圈，能够形成由第一电磁线圈生成的磁通的磁路；和第二定子，具有永久磁铁和安装在其上的第二电磁线圈，能够形成由永久磁铁和第二电磁线圈生成的磁通的磁路。

在第三结构中，第二结构的第一定子包括吸引部分，在吸引部分上形成有用于吸引处在锁定状态的活塞元件的头部的吸引表面；以及吸引表面的位置从第一电磁线圈轴向长度L1的中心位置沿远离针的方向上偏离距离L2。

在第四结构中，第三结构的距离L2与轴向长度L1之比(L2/L1)为10～30％。

在第五结构中，根据第三或第四结构，在第一定子的吸引部分的吸引表面和活塞元件头部接触吸引表面的接触表面的至少其中之一上，形成用于集中磁通的凹陷部分。

在第六结构中，在第五结构的凹陷部分的表面积为吸引表面或接触表面的30％或更多。

在第七结构中，在第五结构的凹陷部分的直径为吸引部分或活塞元件头部的外径的30％或更多。

在第八结构中，在第五至第七结构的其中一个中的凹陷部分的深度h2为3mm或更小。

在第九结构中，在第一至第八结构的其中一个中的挡圈元件的厚度t1小于永久磁铁对挡圈元件施加吸引作用的吸引作用表面的径向宽度h1。

在第十结构中，在第一至第十结构的其中一个中的活塞元件的内部形成减重部分。

在第十一结构中，在第十结构的减重部分的截面积为活塞元件截面积的30％或更多。

在第十二结构中，在第十结构的减重部分的直径为活塞元件外径的30％或更多。

根据本发明，将电磁线圈分成第一电磁线圈和第二电磁线圈，第一电磁线圈用于对针施加驱动力，第二电磁线圈用于削弱永久磁铁的磁通。因此，有可能根据负载侧的状态对两个电磁线圈合适选择通电或不通电，以便提高能量效率。

附图说明

图1的纵截面图显示在根据本发明的实施例的电磁致动器的针处在锁定解除状态情形中的结构；

图2的纵截面图显示在根据本发明的实施例的电磁致动器的针处在锁定状态情形中的结构；

图3的说明图显示将图1所示针向上移动的情形中的磁通分布状态；

图4的说明图显示将图2所示针锁定的情形中的磁通分布状态；

图5的说明图显示将图2所示针向下移动的情形中的磁通分布状态；

图6的说明图表示根据第一传统示例的电磁致动器；以及

图7A和7B的说明图表示根据第二传统示例的电磁致动器。

具体实施方式

图1的纵截面图显示根据本发明的实施例的电磁致动器的结构，其显示出针2处在锁定解除状态中的情形。在图1中，定子1包括第一定子11和第二定子12。

第一定子11由环形或空心柱形的磁极片111、盘形元件112、柱形元件113和空心元件114组成，在磁极片111上形成有开孔111a和吸引表面111b，盘形元件112固定在磁极片111的上端面上，并在其上形成有开孔112a，柱形元件113固定在盘形元件112的下端面的外周侧，空心元件114固定在柱形元件113的下端面上。磁极片111、盘形元件112、柱形元件113和空心元件114均由磁性材料制成。

第二定子12由柱形元件121和空心元件122组成，柱形元件121固定在空心元件114的下端面的外周侧，空心元件122通过永久磁铁4固定在空心元件114的下端面的内周侧。柱形元件121和空心元件122也由磁性材料制成。永久磁铁4和空心元件122呈环形，并具有相同的径向宽度h1。

针2由近似柱形的活塞元件21和盘形的挡圈元件22组成，与负载侧相连的轴元件5安装在活塞元件21的头部中心位置。挡圈元件22的厚度为t1，其值小于永久磁铁4的径向宽度h1。活塞元件21和挡圈元件22也由磁性材料制成。

第一电磁线圈31设置在磁极片111和活塞元件21的外周表面与柱形元件113内周表面之间形成的空间中。第二电磁线圈32设置在第一电磁线圈31以下位置处的、在活塞元件21外周表面与空心元件114、永久磁铁4和空心元件122的内周表面之间形成的空间中。

第一电磁线圈31主要用于对针2施加驱动力，其电流承载容量比较大。第二电磁线圈32主要用于削弱锁定针2的永久磁铁4的磁通，不过它也可同第一电磁线圈31一起对针2施加驱动力。因此，同第一电磁线圈31相比，第二电磁线圈32的电流承载容量要小。

活塞元件21头部与磁极片111的吸引表面111b相对的上端面为接触表面21a，在接触表面21a上形成具有预定面积的深度为h2的凹陷部分21b。更具体而言，磁铁的吸引力“F”与磁通密度“B”的平方成正比，如以下式(1)所示。

F＝B^2*A/2μ0 (1)

在式(1)中，μ0表示真空磁导率，A表示磁通通过面积。通过在活塞元件21的头部处形成凹陷部分21b，有可能将要通过整个头部的磁通集中在凹陷部分21b中。因此，有可能增大磁通密度“B”，以及增强吸引力“F”。

在活塞元件21的内部形成有减重部分21c，在挡圈元件22上形成开孔22a，以便与减重部分21c贯通。形成减重部分21c和开孔22a是用于使针2变轻，并在短时间内允许许多磁通通过针2的中心。实际上，针2从锁定解除状态到锁定状态的操作时间近似为0.2秒。在不形成减重部分21c的情形中，在磁通渗透于针2中心的周围之前完成操作。

第一电磁线圈31具有轴向长度L1。在从轴向长度L1中心位置处沿远离针2的方向偏离距离L2的位置处，形成有上述磁极片111的吸引表面111b。根据该实施例，距离L2与轴向长度L1之比(L2/L1)为后面将会描述的预定值。

图2显示在从图1所示状态将针2向上拉并进行锁定的状态。在该状态中，在吸引表面111b与接触表面21a之间形成间隙X1，在柱形元件121和空心元件122的下侧与挡圈元件22的顶面之间形成间隙X2。间隙X1和X2为0或最小值。

下面，将描述关于具有如上结构的该实施例的操作。图3至5的说明图示意性显示出在第一电磁线圈31、第二电磁线圈32和永久磁铁4在移动针的情形中的各个磁通分布状态。

如图3所示，在向上移动处在锁定解除状态的针2的情形中，给第一电磁线圈31通电。然后，在第一电磁线圈31周围生成磁通Bc1，其中一部分通过针2，从而对针2生成向上的驱动力。由此，针2向上移动。

其次，当针2移至如图4所示位置时，停止对第一电磁线圈31通电，使其置于不通电状态。然而，在此位置，永久磁铁4的磁通Bm的一部分通过针2的挡圈元件22，从而，磁通Bm的电磁能量将针2锁定。

在向下移动如以上所述处在锁定状态的针2的情形中，仅给第二电磁线圈32通电，以便通过其磁通Bc2削弱永久磁铁4的磁通Bm，如图5所示。从而，永久磁铁4对于挡圈元件22的保持力减弱，针2向下移动。

传统装置通过使用具有较大电流承载容量的一个电磁线圈，执行用于向上移动针2的通电和用于解除对针2的锁定的通电。然而，对于图1所示的结构，在向上移动针2的情形中，仅给第一电磁线圈31通电，而在解除对针2的锁定的情形中，仅给第二电磁线圈32通电。从而，有可能通过将能耗保持到最小所需能耗来提高效率。

然而，上述通电操作仅作为示例。实际上，通过考虑负载侧的条件以及其他条件，有可能根据情况，合适地选择对于两个电磁线圈的通电和断电组合，以便精确地控制电磁致动器。

在例如图3的状态中，仅对第一电磁线圈31通电以向上移动针2。在例如负载侧上的阻力较大时，可通过还对第二电磁线圈32通电来增大向上的驱动力。在图5的状态中，通过对第一电磁线圈31通电而不对第二电磁线圈32通电，或者对第二电磁线圈32和第一电磁线圈31都通电，有可能不仅削弱永久磁铁4的磁通Bm，而且还对针2提供向下的驱动力。

为实现高效的电磁致动器，本发明的发明人通过多种方式改变如图1所示符号所表示的各种参数的值，进行尝试和试验。下面，将描述所获得的作为其结果的期望数据。在以下项目(1)至(6)中，给出用于增大对针2的吸引力的最有效一项是(1)。

(1)当第一电磁线圈31的轴向长度L1与从该线圈中心位置到吸引表面111b的距离L2之比(L2/L1)在10～30％的范围内，磁通方向往往变得与轴向平行，从而可获得较大电磁能量(吸引力)。

(2)期望是，在活塞元件21头部处凹陷部分21b的表面积为吸引表面111b(或接触表面21a)全部面积的30～90％。在30％或更多的情形中，在凹陷部分21b的端部处的磁通密度增加，以便能够获得较大吸引力。然而，在90％或更多的情形中，在凹陷部分21b的端部变得磁性饱和，因此，相反地会减小吸引力。实际上，由于希望具有导致磁性饱和程度的吸引力，从而应采用接近90％的数值。通过使凹陷部分21b的直径为吸引表面111b外径(或头部的外径)的30～90％，可获得同样的结果。

(3)期望是，凹陷部分21b的深度h2在0.5至3mm的范围内。这是由于通过使其深度在0.5mm或更深，在凹陷部分21b上的工作变得更容易。如果其超过3mm，由于凹陷部分21b的磁阻增大，且由整个针2所获得的吸引力变小，从而这不是所期望的。

(4)在图1所示的结构中，在活塞元件21上形成凹陷部分21b。也可在磁极片111的吸引表面111b侧形成这样的凹陷部分。此外，也有可能在活塞元件21和磁极片111上都形成这样的凹陷部分。

(5)期望是，减重部分21c的截面积为活塞元件21截面积的30～50％。这是由于，当在小于30％的情形中，针2的重量节省效果变弱，在30％或更大的情形中，除了重量节省效果以外，还能获得增大磁通密度的效果。如果超过50％，则存在针2可能变得磁性饱和的危险。通过将减重部分21c的直径设定为活塞元件21外径的30～50％，也可获得同样的结果。

(6)希望是，挡圈元件22的厚度t1小于永久磁铁4对挡圈元件22施加吸引作用的吸引作用表面的径向宽度h1。这是因为由此可增大磁通密度。

Claims

1.一种电磁致动器，包括：

针，具有近似圆柱形的活塞元件和安装在活塞元件底部的挡圈元件，且被设置成在定子内部可在锁定位置和锁定解除位置之间来回移动；

第一电磁线圈，被设置成环绕活塞元件，并在通电时具有足够的电磁能量以将处在锁定解除状态的针设置在锁定状态；

永久磁铁，具有足够的吸引力来吸引被第一电磁线圈的电磁能量设置在锁定状态的针的挡圈元件，即使当不对第一电磁线圈通电时也能使其保持锁定状态；和

第二电磁线圈，在通电时能够削弱永久磁铁的磁通，并将针从锁定状态改变为锁定解除状态，

其中，定子包括：

第一定子，在其上安装有第一电磁线圈，能够形成由第一电磁线圈生成的磁通的磁路；和

第二定子，在其上安装永久磁铁和第二电磁线圈，能够形成由永久磁铁和第二电磁线圈生成的磁通的磁路，

其中，第一定子包括吸引部分，在吸引部分上形成有用于吸引处在锁定状态的活塞元件的头部的吸引表面；以及

其中，吸引表面的位置从第一电磁线圈的轴向长度(L1)的中心位置沿远离针的方向上偏离一定距离(L2)，以及

所述距离(L2)与轴向长度(L1)之比(L2/L1)为10～30％。

2.根据权利要求1的电磁致动器，其中：

在第一定子的吸引部分的吸引表面和活塞元件头部接触吸引表面的接触表面的至少其中之一上，形成用于集中磁通的凹陷部分。

3.根据权利要求2的电磁致动器，其中：

凹陷部分的表面积为吸引表面或接触表面的30～90％。

4.根据权利要求2的电磁致动器，其中：

凹陷部分的直径为吸引部分或活塞元件头部的外径的30～90％。

5.根据权利要求4的电磁致动器，其中：

凹陷部分的深度(h2)为0.5～3mm。

6.根据权利要求5的电磁致动器，其中：

挡圈元件的厚度(t1)小于永久磁铁对挡圈元件施加吸引作用的吸引作用表面的径向宽度(h1)。

7.根据权利要求6的电磁致动器，其中：

在活塞元件的内部形成减重部分。

8.根据权利要求7的电磁致动器，其中：

减重部分的截面积为活塞元件截面积的30～50％。

9.根据权利要求7的电磁致动器，其中：

减重部分的直径为活塞元件外径的30～50％。

10.根据权利要求1的电磁致动器，其中：

11.根据权利要求10的电磁致动器，其中：

在活塞元件的内部形成减重部分。

12.根据权利要求11的电磁致动器，其中：

减重部分的截面积为活塞元件截面积的30～50％。

13.根据权利要求11的电磁致动器，其中：

减重部分的直径为活塞元件外径的30～50％。