JP2005064235A - 磁気反発型電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない消費電力で大きな動作力を得ることができる低衝撃力及び小型化された磁気反発型電磁石を得ることにある。
【解決手段】吸引コイル７の他に本案による始動コイル８と反発コイル９を設け、始動時において吸引コイル８のギャップＧ１部における吸引力に、反発コイル９の内側における反発磁束Φ９，始動磁束Φ８が反発することによる反発力、および、反発磁束Φ９により強制的に方向転換させられた始動磁束Φ８によるギャップＧ１部における吸引力を加えることにより、大きな始動発生力および始動開始後の広い動作範囲で動作力が増加する。さらに吸引コイル９の起磁力を低くすることができ、低衝撃力化する。
【選択図】図７

Description

本発明は、複数のコイルの磁束の一部を反発させてプランジャーを始動させる磁気反発型電磁石に関する。

従来の電磁石としては例えば特許文献１の図１〜６により説明する。電磁石はコイルと、コイルの内側を軸方向に往復運動するプランジャーなどから構成している。この種の電磁石はプランジャーの始動発生力が低いため、プランジャーの先端部を角度付けするのが一般的である。これらは始動時の磁路において、大部分は強磁性体で構成できるが、プランジャーの動作寸法部分は大きなギャップであり、このギャップの磁気抵抗値が単位長さ当りで強磁性体の数百倍と高いため、始動時の磁気抵抗が非常に高くなり、低磁束量、多漏洩磁束量となる、その結果、始動発生力が低く、かつ大きな動作途上における動作力が得られないものである。前述のプランジャーに角度を施しても、始動発生力と最終動作位置における最終動作力の比率は１０倍以上、ときには５０倍にもなる。

このように全ての電磁石において始動できなければ動作しないので、始動発生力を基準にして、電磁石のコイルの巻数と通電電流の積からなる起磁力と、起磁力による磁束が飽和させないようにプランジャーなどの磁路の形状や材質および大きさなどを決めていた。
特開２００２―８４９８号公報（要約）

従来の電磁石は例えば前記の特許文献１のようにリンクの改良を施しても本来始動発生力効率が低いため、大きな起磁力を発生させるための大電流と大きな断面を持つコイル、および、多い磁束でも磁気飽和させないプランジャーなどの大きな断面積を持つ磁路構成物が必要となり、大型、且つ高価になっていた。

また使用時の大電流による電圧降下を防止するために、大きな直流電源とコイル間に大断面積のケーブルを必要であった。このように電磁石以外の部品でも大型，高価格になった。

更に始動発生力を基準にした電磁石は、動作終了直前においてギャップが少なくなり、大きな動作力が発生し、衝撃力として構造物に加力してしまうため、この力を受ける構造は強固にしたり、特許文献１のような工夫をせねばならなかった。

本発明の目的は、プランジャーの始動時に少ない起磁力で大きな始動発生力を得ることができ、動作終了時の衝撃力を低減した小型、省エネルギーの磁気反発型電磁石を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の磁気反発型電磁石は、磁路内に吸引コイル及び反発コイルを配置し、吸引コイルと反発コイルとの間の磁路内に配置された始動コイルと、これらのコイル内に配置されたプランジャーとを配置し、動作終了時において吸引コイルと反発コイルおよび始動コイルで発生したこれらの磁束が磁路において同一方向に流れて動作力を得る構成で、かつ、始動時において反発コイルと始動コイルで発生した磁束同志が磁路の一部でプランジャーを始動させる方向に互いに磁気的に反発させる構成にする。

以上のように、本発明の磁気反発型電磁石によれば、始動開始から磁気的反発力を利用し、かつ磁束の合流により増加した吸引力でプランジャーを移動することにより、少ない消費電力で大きな吸引力を得ることができるので、省エネルギー化、低衝撃力及び小型化を図ることができるようになった。

本発明者達は、特許文献１の図８の電磁石における複数のコイルを同時に励磁すると、動作させたい側の１つのコイルを励磁するよりも、始動発生力および始動開始後の広い動作範囲で動作力が増加するときがあることを発見した。

動作させたい側コイルを吸引コイル、他の一方のコイルを反発コイルとして以下説明する。

発見した原理は反発コイル内側のプランジャー端部で、永久磁石の磁束と反発コイルの磁束同士が互いに磁気的に反発させることによる始動発生力増加、および、反発コイル内側の安定した強制的な起磁力により永久磁石の磁束の流れをプランジャーの反対側、つまり動作側変えることにより吸引コイルと合流した磁束量とさせ、動作力を動作初期から広い範囲で増加させるものである。

増加させるときの条件は永久磁石と反発コイルの磁束の量をできるだけ近づければ効率が良くなることである。

また、永久磁石を始動コイルに変えると、コイル時定数による起磁力の変化が反発コイルとほぼ同じとなりさらに扱い易くなる事、および、始動動作力を同じとした場合、従来の吸引コイルのみの起磁力より、吸引コイルと反発コイルと始動コイルの合計起磁力の方が少なくでき省エネルギー化でき、更に吸引コイルの低起磁力による衝撃力低減ができることを知り得た。

これを利用して省エネルギー化及び小型化を図った磁気反発型電磁石を実現した。これを以下に説明する。

（実施例１）
以下、本発明の実施例を図１に示す磁気反発型電磁石の構造断面図により説明する。

磁路１は包囲体例えば筒状体をなし、磁路端部の各々に磁路端部２Ａ，２Ｂを設けると共に、磁路内面より径方向に磁路中間部３を突起し、磁路を構成している。また、磁路１は磁気的に２個の第１磁路１０と第２磁路１１により構成されており、詳細は後述する。

磁路１内にプランジャー４を配置する。プランジャー４の各端部にロッド５を設け、ロッド５は磁路端部２Ａ，２Ｂに形成されている動作端部６Ａ，６Ｂを貫通して外部に伸びている。プランジャー４と動作端部６Ａ，６Ｂとの間にはギャップＧ１，Ｇ２を形成している。プランジャー４は起磁力によりギャップＧ１が小さくなる軸方向Ｙに移動する。磁路及びプランジャーは磁性部材を使用している。

磁路中間部３を介して一方側磁路端部６Ａと他方側磁路端部６Ｂとの間の磁路１内に吸引コイル７及び反発コイル９を配置している。吸引コイル７及び反発コイル９は軸方向に沿って導体を巻回して形成している。磁路中間部３には始動コイル８を設けている。始動コイル８は吸引コイル７及び反発コイル９の軸方向に対して直角方向に導体を巻回して形成している。始動コイル８に代えて永久磁石を使用しても良い。またプランジャー４は吸引コイル７及び反発コイル９と始動コイル８との内部に配置され、ギャップＧ１側端部４Ａは吸引コイル７の内側、ギャップＧ２側端部４Ｂは反発コイル９の内側になるようにしている。

始動コイル８の起磁力と反発コイル９の磁束の量つまり起磁力とを同等又は近似させる。つまり、始動コイル８の磁束と反発コイル９の磁束とが、プランジャー端部４Ｂと動作端部６Ｂ間でプランジャー４を始動する方向に磁気的に反発する起磁力を有する。

吸引コイル７及び始動コイル８と対向する磁路１及び磁路端部２Ａと磁路中間部３とから第１磁路１０を形成する。始動反撥コイル９と対向する磁路１と磁路端部２Ｂとから第２磁路１１を形成する。従って、磁路１は第１磁路１０と第２磁路１１より成る。第１磁路１０の断面積は、第２磁路１１の断面積より大きく形成されている。言換えれば、第１磁路１０の磁気抵抗は、第２磁路１１の磁気抵抗より小さくなるように形成されている。

次に、磁気反発型電磁石の動作について図２から図７により説明する。

図２の始動コイル９の磁束Φの流れから、図３のように吸引コイル７及び始動コイル８と反発コイル９で発生する吸引磁束Φ７，始動磁束Φ８，反発磁束Φ９が同方向に流れるように通電してセッテングした。

図４に動作始動開始位置を示し、この位置はプランジャー４の端部４Ｂが磁路端部６Ｂに当接し、ギャップはＧ１＞Ｇ２の状態にある。この状態で吸引磁束Φ７，始動磁束Φ８，反発磁束Φ９の流れについて説明する。

吸引磁束Φ７は第１磁路１０を主に流れ、高磁気抵抗の第２磁路１１を隘路として吸引磁束Φ７´のように流れ、その磁束の量はΦ７＞Φ７´となる。始動磁束Φ８はギャップＧ１＞ギャップＧ２のため、ギャップＧ２の磁気抵抗の方がギャップＧ１の磁気抵抗より小さいので、殆どの始動磁束Φ８は磁気抵抗の低いプランジャー４の端部４Ｂのある第２磁路１１に方向にＸで示すように反転し、その方向は吸引動作完了時のプランジャー動作位置における磁束Φ８の流れに対し逆方向に流れる。反発磁束Φ９は第２磁路１１を主に流れる。

このような磁束の流れにおいて、始動磁束Φ８と反発磁束Φ９との磁起力が同等又は近以するように設定されているため、図５に示すように第２磁路１１の反発コイル９の内側にプランジャー４の端部４Ｂを含むギャップＧ２を配置することにより、反発磁束Φ９の大部分がギャップＧ２に流れるようにしている。この端部４Ｂと動作端部６Ｂ間のギャップＧ２において始動磁束Φ８と、動作端部６Ｂに流れる反発磁束Φ９とはギャップＧ２を介して対立し、恰も磁石の同極性反発のような反発力発生現象が生じる。さらにＸで示すように反発磁束Φ８に反発された始動磁束Φ８は、始動磁束Φ８´となり、第１磁路１１へ方向転換して流れざるを得なくする。

ここで、各磁束の発生する力を見ると、図６の如くギャップＧ２における始動磁束Φ８´は反発磁束Φ９と磁気的に反発した動作力と、ギャップＧ１部における吸引磁束Φ７に第１磁路１１へ方向転換して流れざるを得なくなった始動磁束Φ８´が合流した磁束による吸引力が加わった力がプランジャー４に与えることができる。

また、吸引コイル７の隘路である吸引磁束Φ７´について、ギャップＧ２が極小のときは吸引磁束Φ７との磁気抵抗比率で分流し、反発磁束Φ９と合流して反発動作に加わるが、始動直後から生じるギャップＧ２により、吸引磁束Φ７との磁気抵抗比率が変わり減少し、吸引磁束Φ７が増加する。
一方、初期設定条件とは異なるが特許文献１の図８の構造で吸引コイルを励磁した場合、第２磁路１１の磁気抵抗は本案より低く吸引磁束Φ７´相当が大きくなる。しかし、永久磁石の磁束との反発位置が固定できずにギャップＧ２以外の場所で反発が生じる確率が高い。このため、この構造では安定したプランジャー７の動作力を得ることにはなりにくい。

また、吸引磁束Φ７´相当が大きくて始動後のギャップＧ２に残留すると、プランジャー４の端部４Ｂと動作端部６Ｂ間に通過磁束による吸引力が働き、プランジャー４の正常動作を妨げる、つまり、ギャップＧ１の吸引力との差がプランジャーの動作力となるものである。

以上、図７に示すように始動開始時から吸引磁束Φ７と第２磁束Φ９´とが合計されてプランジャー４の磁気的吸引力となり、プランジャー４は強い動作力を得て移動する。

このように磁気的反発力により始動開始時の動作力が大きくなる。始動開始後においても反撥コイル内の磁束は反発点を反発コイル内にあるので磁束の変化が少なく、始動コイルの磁束を動作終了まで反発・反転させ、吸引コイルの吸引動作力に加えることができる。このとき図３の吸引磁束Φ７，始動磁束Φ８，反発磁束Φ９が同方向に流れるように通電セッテングしていることにより、全コイルに与えた起磁力が動作力になる。

図７のように移動して、プランジャー４の端部４Ａが動作端部６Ａ側に、当接して電磁石の動作が終了する。

この結果、本発明では始動開始から磁気的に反発させた動作力と、吸引磁束Φ７に始動磁束Φ８´が合流させた磁束による吸引力増加をプランジャー４の移動に利用したことにより、始動開始から動作力を大きくできる。また、他のコイルにより初期発生力を得るので吸引コイルの起磁力を小さくでき、動作終了時の衝撃力を小さくできる。

動作特性を図８のギャップＧ１と動作力Ｆの特性において説明する。本案特性１２のギャップＧ１の１００％位置における動作力Ｆ1を１００％にすると、本案特性１２のギャップＧ１の０％位置における動作力Ｆ３は５００％になり、その比率は５倍である。しかし、従来構造において本案の全ての起磁力と同値を与えた場合には、従来特性Ａ１３となり、ギャップＧ１の１００％位置における動作力Ｆ２は５０％になり、ギャップＧ１の０％位置における動作力Ｆ４は７００％になり、その比率は１４倍である。これは本案特性１２に対し、１００％位置で１／２倍、０％位置で１．４倍である。つまり、同じ起磁力言い換えれば同じエネルギーを与えたとき、本案は２倍の初動発生力が得られ、動作衝撃力は０．７１倍に低減できることを示す。

さらに従来構造において起磁力を大きくして初期発生力つまり動作力を本案と同値Ｆ１＝１００％に強化した従来特性Ｂ１４は、ギャップＧ１の０％位置における動作力Ｆ５は２０００％にもなり、その比率は２０倍である。これは本案特性１２に対し、同じ初期動作力でも、０％位置で４倍である。つまり、従来特性Ｂ１４は起磁力を大きくして同じ初期発生力にする。言い換えれば大きなエネルギーを与えねばならず、一方で大きな衝撃力を発するものである。このことは本図に記載していないが動作電流の大きさで例えれば本案では５Ａのとき、従来では１０Ａが必要であることを示す。１０Ａ通電させるには大きな断面をもつ導体が必要となってコイルが大型化し、コイル周辺の磁路の長さが増して磁気抵抗が増加するので磁路断面を大きくしなければならない等々により従来のものでは大型になる。

また磁束Φ８が反発し易いように第１磁路１０の磁気抵抗を、第２磁路１１の磁気抵抗より小さくなるように形成し、始動磁束Φ８´が反発し第１磁路方向に流れやすくなるようにしたので、更に消費電力を少なくすることが出来るばかりか、また本実施例の電磁石等を小型化できる。

このように、本発明の実施例では動作途上において全ての磁束が広い範囲で有効に動作力として働くことにより、磁気的な損失が少なく、効率を向上させるので、消費電力が少なく、大きな吸引力を得ることが出来るようになったので、本実施例の電磁石を小型化できるばかりか、電磁石に必要な電源やケーブルサイズ等の縮小が可能となり、全体のコストダウンによる効果が大きい。

（実施例２）
本発明の他実施例として、例えば、始動コイルは発生させる磁束の方向が一定なので、これを永久磁石に代えることにより、更なる縮小化とコイル１個分の省エネルギー化を図ることができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

本発明の実施例である磁気反発型電磁石の構造を示す側断面図。 図１の磁気反発型電磁石のセッテング前における断面図。 図１における磁気反発型電磁石の吸引動作時の磁束方向をセッテングした時の断面図。 図３のセッテング条件で、プランジャーを吸引始動開始位置にしたときの、磁束の流れを示す断面図。 図４の磁束が反発する状態を示す断面図。 図５の反撥した磁束の移動方向の動作を示す断面図。 図６のプランジャーの移動途上を示す断面図。 ギャップＧ１と電磁石の動作力を示す特性図。

符号の説明

１…磁路
２Ａ，２Ｂ…磁路端板
３…磁路中間部
４…プランジャー
４Ａ，４Ｂ…プランジャーの端部
５…ロッド
６Ａ，６Ｂ…動作端部
７…吸引コイル
８…始動コイル
９…反発コイル
１０…第１磁路
１１…第２磁路
Φ７，Φ７´…吸引磁束
Φ８，Φ８´…始動磁束
Φ９…反発磁束
１２…本案特性
１３…従来特性Ａ
１４…従来特性Ｂ。

Claims (5)

1. 磁路内に配置された吸引コイル及び反発コイルと、前記吸引コイルと反発コイルとの間の磁路内面に設けた中間磁路部と、前記中間磁路部に設けた始動コイルと、これらのコイル内に配置されたプランジャーとを備え、前記吸引コイルと反発コイルは、これらのコイルで発生した磁束がプランジャーにおいて同一方向に流れ、かつ、反発コイルと始動コイルは、始動時にこれらのコイルで発生した磁束同志が前記磁路の一部でプランジャーを始動させるように互いに磁気的に反発する起磁力を有することを特徴とする磁気反発型電磁石。
2. 磁路内に配置された吸引コイル及び反発コイルと、前記吸引コイルと反発コイルとの間の磁路内面に設けた中間磁路部と、前記中間磁路部に設けた始動コイルと、これらのコイル内に配置されたプランジャーとを備え、前記吸引コイルと始動コイルとの磁路に形成された第１磁路の磁気抵抗を、反発コイルの磁路に形成された第２磁路の磁気抵抗より小さくすることを特徴とする磁気反発型電磁石。
3. 磁路内に配置された吸引コイル及び反発コイルと、前記吸引コイルと反発コイルとの間の磁路内面に設けた中間磁路部と、前記中間磁路部に設けた始動コイルと、これらのコイル内に配置されたプランジャーと、反発コイルの磁路に形成された第２磁路と、この第２磁路の磁気抵抗より小さい磁気抵抗を有する吸引コイルと始動コイルとの磁路に形成された第１磁路とを備え、前記吸引コイルと反発コイルは、これらのコイルで発生した磁束がプランジャーにおいて同一方向に流れ、かつ、反発コイルと始動コイルは、始動時にこれらのコイルで発生した磁束同志が前記磁路の一部でプランジャーを始動させるように互いに磁気的に反発する起磁力を有することを特徴とする磁気反発型電磁石。
4. 前記反発コイルと始動コイルとは近似した起磁力を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気反発型電磁石。
5. 前記始動コイルに永久磁石を使用することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気反発型電磁石。

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