JP2005294830A - 電磁アクチュエータ及びその制御法 - Google Patents

Abstract

【課題】長さ方向軸を有し、高い透磁率を持つ材料から形成される中央極部を備える電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】電磁アクチュエータは、高い透磁率を有する材料から形成された中央極部に取り付けられたステーターアッセンブリを備え、電流がステーターアッセンブリ内のコイルを流れるとき発生された磁場のための戻り経路として機能する。ステーターアッセンブリ内の１つ以上のコイルに電流が印加されたとき、磁場が発生し、該磁場は、アーマチャーアッセンブリ内に配置された１つ以上の磁石により発生された磁場と干渉し、アーマチャーを、中央極部に対して移動させ、かくして、例えばバルブを開閉させる。
【選択図】 図２Ｆ

Description

本発明は、電磁アクチュエータに関する。

内燃エンジンは、典型的には幾つかのシリンダーを備え、該シリンダーの各々は、燃料及び空気をシリンダー内に注入し該シリンダーから解放排気することを可能にするように開閉する１組のバルブを有する。典型的には、内燃エンジンのバルブは、例えばカムシャフトを用いて機械的に制御される。

一態様では、本発明は、長さ方向軸を有し、高い透磁率を持つ材料（例えば、強磁性材料又は常磁性材料）から形成される中央極部を備える電磁アクチュエータを特徴とする。中央極部に連結されているものは、開口部を形成する内側表面を有するステーターアッセンブリである。コイル巻きコンダクターは、ステーターアッセンブリの内側表面の近傍に配置され、該コイル巻きコンダクターは、電流が印加されたとき第１の磁場を発生するように構成される。アクチュエータは、ステーターアッセンブリの開口部内に少なくとも部分的に配置されたアーマチャーアッセンブリを更に備える。永久磁石が、アーマチャーアッセンブリ内に配置され、該永久磁石は、電流がコイル巻きコンダクターアッセンブリに印加されたとき中央極部の長さ方向軸に平行な方向に移動する。高い透磁率を持つ材料から形成される中央極部を備えることの一つの利点は、本アクチュエータが、中央極部無しの同じ磁気回路を備えたアクチュエータよりも、大きい力の出力を達成することを可能にするということである。別の利点は、中央極部が、磁気回路のための磁束ループの空気ギャップを減少させ、これにより、そのような中央極部が無いものよりも効率的な磁気回路を形成するということである。

様々な実施例は、次の特徴のうち１つ以上を備えている。
中央極部は、複数のセグメントから形成され得る。中央極部は、アーマチャーアッセンブリのためのベアリング表面として機能し、低摩擦コーティングで被覆されてもよい。

アーマチャーアッセンブリの永久磁石は、リング形状に形成され、径方向に磁化されてもよく、磁石のリングにより形成された長さ方向軸を、中央極部の長さ方向軸と平行（同軸）であるように配位することができる。アーマチャーアッセンブリの永久磁石は、磁石の支配的な渦電流経路を遮断するため、軸方向に分割されてもよく、又は、多数のセグメント（例えば、多数の弧状セグメント）から形成されてもよい。

アーマチャーアッセンブリは、電流がコイル巻きコンダクターに印加されたとき、バルブを開閉するように構成されたバルブステムを更に備えていてもよい。中央極部は、チャンネルを形成し、バルブステムは該チャンネル内に少なくとも部分的に配置され、これにより該チャンネルは、バルブステムのための案内手段として作用する。該バルブステムが、中央極部の長さ方向に垂直な方向に移動の自由度、及び／又は、中央極部の長さ方向の周りに回転する自由度を有するように、バルブステムをアーマチャーアッセンブリの残りの部分に連結することができる。バルブステムは、一方の端部でボール形状の先端部を有し、該先端部は、中央極部の長さ方向軸に平行な方向にバルブステムがアーマチャーアッセンブリの残りの部分に連結されるようにアーマチャーアッセンブリに取り付けられたボールケージに嵌合する。

ステーターアッセンブリは、複数のコイルを備え、隣接するコイルが反対の極性の磁場を発生するように構成される。例えば、複数のコイルは、直列に接続されてもよく、隣接するコイルが反対方向に巻かれてもよい。代替手段として、隣接するコイルは、同じ方向に巻かれ、反対の相対極性の電流を受け取るように構成されてもよい。アーマチャーアッセンブリは、隣接する永久磁石が反対極性を持つように配列された対応する数の永久磁石を備えていてもよい。スパーサーは、永久磁石の各々の間に配置されてもよく、磁石及び／又はスペーサーが。支配的な渦電流経路を遮断するように軸方向に分割されてもよい。

ステーターアッセンブリは、高い透磁率を有する材料から形成された１つ以上の背鉄部材を備え、ステーターアッセンブリの内側表面が誘電材料で被覆される。
アクチュエータは、オーバーハング設計を用いてもよく、この設計では、磁石の軸方向高さ（即ち、中央極部の長さ方向軸に対して測定されたときの磁石の高さ）が、ステーターアッセンブリ中の対応するコイル巻きコンダクターの軸方向高さより大きい。同様に、アクチュエータは、アンダーハング設計を用いてもよく、この設計では、磁石の軸方向高さが、ステーターアッセンブリ中の対応するコイル巻きコンダクターの軸方向高さより小さい。

アクチュエータは、ステーターアセンブリに対するアーマチャーの変位の関数としてのアーマチャーの力が、意図した範囲の逸れに亘って、ほぼ一定であるように構成されてもよい。アクチュエータは、ステーターアッセンブリに対する前記アーマチャーの変位の関数としての該アーマチャーの引き込み力プロフィールは、意図した変位の範囲に亘って実質的にゼロであるように構成されてもよい。

アクチュエータは、冷却回路の一部を形成するように構成され、ステーターアッセンブリの回りに少なくとも部分的に配置され、冷却流体を循環させる冷却ジャケットを更に備えていてもよい。中央極部は、冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを備えていてもよい。

アクチュエータは、バルブを開閉するように構成され、コントローラは、アクチュエータの作動を制御するため該アクチュエータに電気的に接続されてもよい。コントローラは、バルブの１つ以上の作動状態（例えば、バルブ速度、加速度及び／又は位置）についての情報を受け取り、磁場を発生させるため受け取った情報に基づいて制御信号をコイルに送るように構成されてもよい。この磁場は、アーマチャーアッセンブリを中央極部の長さ方向軸に対して移動させる。コントローラは、バルブの速度及び位置の両方に関する情報を受け取り、バルブを所望の位置に配置するため、速度フィードバックループと位置サーボフィードバックループとを選択的に適用することができる。

別の態様では、本発明は、長さ方向軸を形成するステーターと、該ステーターの内部に配置されたアーマチャーとを有する電磁バルブアクチュエータを制御するための方法を特徴とする。該方法は、バルブの速度及び位置に関する情報を受け取り、該バルブを所望の位置に配置するため、速度フィードバックループと位置サーボフィードバックループとを選択的に動作させることにより、アクチュエータに制御信号を送る、各工程を備える。

様々な実施例は、次の特徴の１つ以上を備えることができる。速度フィードバックループは、バルブ速度を減少させるように機能することができる。バルブの所定位置は、バルブが完全に開いたときの位置又は完全に閉じた位置のいずれかである。本方法は、与えられたアーマチャーの変位で引き込み力を補償するため速度フィードバックループを動作する工程を更に備える。

別の態様では、本発明は、内燃エンジンを特徴とし、該エンジンは、チャンバーを形成するシリンダーと、チャンバー内への液体若しくはガスの流れ又は該チャンバーからの液体若しくはガスの流れを制御するように構成されたバルブと、バルブの作動を制御するため該バルブに連結された電磁アクチュエータと、を備える。アクチュエータは、開口部を形成する内側表面を有するステーターアッセンブリと、該ステーターアッセンブリの内側表面の近傍に配置されたコイル巻きコンダクターと、高い透磁率を有し（例えば、常磁性材料又は強磁性材料）、長さ方向軸を形成する材料から形成される中央極部と、を備える。アクチュエータは、ステーターアッセンブリの開口部内に少なくとも部分的に配置され、電流がコイル巻きコンダクターに印加されたとき中央極部の長さ方向軸に平行な方向に移動するアーマチャーアッセンブリを備える。

様々な実施例は、次の特徴のうち１つ以上を備えている。即ち、内燃エンジンは、バルブの１つ以上の作動状態（例えば、バルブ速度、加速度及び／又は位置）についての情報を受け取り、磁場を発生させるため受け取った情報に基づいて制御信号をコイルに送るように構成されたコントローラを備えていてもよい。この磁場は、アーマチャーアッセンブリを中央極部の長さ方向軸に対して移動させる。コントローラは、バルブの速度及び位置の両方に関する情報を受け取り、バルブを所望の位置に配置するため、速度フィードバックループと位置サーボフィードバックループとを選択的に適用することができる。

内燃エンジンは、熱交換器と、電磁アクチュエータと該熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成されたポンプと、を備える、冷却回路を更に備える。電磁アクチュエータは、ステーターアッセンブリの回りに少なくとも部分的に配置された冷却ジャケットを更に備え、該冷却ジャケットは電磁アクチュエータと熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを有する。電磁アクチュエータは、更に、中央極部内に電磁アクチュエータと熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを有していてもよい。

本願の教えに従って設計された電磁アクチュエータは、エンジンの吸引バルブ及び排気バルブを可変に且つ独立に制御するため、内燃エンジン内で用いられてもよい。エンジンにアクチュエータを使用することの一つの利点は、２次モーター（例えばスターターモーター）の必要性無く、エンジンを始動することを可能にするということである。エンジンにそのようなアクチュエータを使用することの別の利点は、他の仕方ではエンジンがアイドリングするであろう状況（例えば、車両が信号機で停止されるとき）で、エンジンを停止させることにより、エンジン排気物を改善することができるということである。

後述される電磁アクチュエータは、内燃エンジンの文脈で説明されたが、本願の教えは、エンジンのバルブ制御に限定されるものではなく、幅広い用途に適用することができるということが理解されるべきである。

本発明の１つ以上の実施例の詳細が添付図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的及び利点は、以下の説明、図面及び請求の範囲から明らかであろう。

図１Ａに示されるように、内燃エンジン１は、例えば４ａ〜４ｂ等のピストンを各々収容する、例えば２ａ〜２ｂ等の幾つかのシリンダーを備えている。ピストンの各々は、例えば６ａ〜６ｂ等のロッドを用いてクランクシャフト５に機械的に接続されている。各々のシリンダー、例えばシリンダー２ａは、図１Ｂに示されるように、吸引バルブ９と、排出バルブ９’と、スパークプラグ７と、シリンダーのチャンバー１１内に少なくとも部分的に各々配置された燃料インジェクター要素１０と、を備えている。制御ユニット（図示せず）は、吸引バルブアクチュエータ８と、排出バルブアクチュエータ８’とを各々制御することにより、吸引バルブ９’及び排出バルブ９を各々制御する。制御ユニットは、適切な量の燃料−空気混合物をチャンバー１１内に注入するため燃料インジェクターを指令し、スパークプラグ７を用いて適切な時刻に燃料−空気の混合物を点火し、バルブアクチュエータ８に連係した排気バルブを通して、燃料−空気混合物の燃焼からの排気物を排気する。制御ユニットは、本願と同時に出願された、ディビット・ハンソン、ジュン・マ、ベンジャミン Ｇ．Ｋ．ペーターソン、及び、ジォフレイ・クーリッジ・チックによる「内燃エンジンの制御された始動及び制動」と題された、特許出願に記載された方法に従って、バルブの作動、燃料分配及びスパークプラグ点火を制御することができる。その内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。

各々のバルブアクチュエータ、例えば、図２Ａに示されたバルブアクチュエータ８は、ステーターアッセンブリ１２内に配置されたアーマチャーアッセンブリ１４を備えている。作動時では、アーマチャーアッセンブリ１４は、バルブ（図２Ａでは示されていない）を開放する（又は閉じる）ためステーターアッセンブリ１２の長さ方向軸Ａに沿って摺動する。

図２Ｂに示されたように、ステーターアッセンブリ１２は、中央極部２８に取り付けられた外側ハウジング２９を備えている。中央極部２８は、外側ハウジング２９を超えて延在し、アーマチャーアッセンブリに取り付けられたバルブステム（図２Ｇ〜図２Ｈ）のための案内として作用する、中空の管状構造部である。バルブステムのための案内として作用することに加えて、中央極部は、高い磁気透磁率を有する材料から形成され、電流がコイル伝導アッセンブリ２３を通過されたとき発生される磁場のための磁気戻り経路を提供する。連結フランジ３０は、中央極部２８と、外側ハウジング２９と、を機械的に連結する。

外側ハウジング２９は、背鉄部材２４を嵌合させることにより取り囲まれたコイル伝導アッセンブリ２３を備えている。一連のねじ、例えば、２７ａ〜２７ｂは、キャップ２６を介して、嵌合背鉄部材を適所に固定する。この特定の設備では、コイル伝導アッセンブリ２３は、２対の円形銅ワイヤコイル２０及び２２を備え、これらのコイルは、各々反対方向に巻かれ（例えば、コイル２０が時計方向に巻かれ、コイル２２が反時計方向に巻かれ、その逆も可能である）、且つ、単一の駆動回路から電流がコイルに印加されたとき、コイルが反対の極性の磁場を生成するように直列に接続されている。換言すれば、電流がコイルに流されたとき、一方の対のコイル（例えばコイル対２０）は、一方の極性の磁場を生成し、第２の対のコイル（例えばコイル対２２）は、反対の極性の磁場を生成する。２つの対のコイルは、対（例えばコイル対２０）を形成するコイルが互いに隣接しないようにステーターアッセンブリ内に交互に配列されている。より詳細を後述されるように、交互に巻かれたコイル２０、２２は、アーマチャー内で相対的な極性を交互に変える磁石と整列されている。電流がコイル２０、２２に印加されたとき、磁場が、外側ハウジングと、中央極部との間に形成され、磁性を与えられたアーマチャーをアクチュエータの長さ方向軸Ａに沿って摺動させる。隣接するコイル及び磁石の交互の極性は、互いに対して磁束戻り経路として働く。

別の設備では、コイル伝導アッセンブリのコイルの全ては、同じ方向に巻かれており、一連の交互に変わる磁場を生成するため、極性を交互に変えた別々の電流信号が供給される。他の設備は、反対の極性又は同じ極性の磁場を生成する１つ以上のコイルを用いてもよい。コイル２０、２２は、例えば円形、楕円、長方形又は正方形等の様々な断面形状を有するコンダクター（例えば、ワイヤ又は伝導テープ）から構成されてもよい。

図２Ｃに示されるように、各々の背鉄部材２４は、３つの円周セグメント２５ａ〜２５ｃから構成されている。別個の円周セグメントの使用は、電力が印加されたとき銅コイルの径方向の熱膨張を可能にし、かくして、背鉄部材２４の破損をおそれを減少させる。電流がコイルを通過されたとき発生される磁気回路のための戻り経路として中央極部２８が有利に作用する間に、背鉄部材２４は、電気コンダクターにより生成された磁場をアーマチャーアッセンブリに向かって差し向ける。中央極部を、磁気回路のための磁気戻り経路として作用させることにより、アクチュエータは、同じ磁気回路が中央極部無しの状態のアクチュエータよりも大きい力出力を達成する。中央極部は、磁気回路のための磁束ループの空気隙間を減少させ、その結果、そのような中央極部が存在しないものよりも効率的な磁気回路をもたらす。中央極部２８を磁気戻り経路として作用させるため、該中央極部は、強磁性材料又は常磁性材料等の高い透磁率を有する材料から形成されるべきである。

中央極部２８及び背鉄部材２４を始めとした、ステーターアッセンブリ１２の鉄を含む要素は、高い透磁率及び高い磁気飽和特性を有する材料から構成されるのが好ましい。鉄を含む要素の動的損失を減少させるため、高い電気抵抗を有する材料を使用することも好ましい。例えばシリコン鉄合金又は柔らかい磁性複合物等の材料は、高い透磁率及び飽和特性を提供し、更に非常に抵抗が大きく、中央極部２８又はアクチュエータの他の鉄を含む要素を形成するため使用することができる。

好ましい設備では、背鉄部材２４及び中央極部２８は、高い電気抵抗と高い磁気透磁率とを合わせ持つ粉末金属軟磁性複合（ＳＭＣ）材料（例えば、ＮＨ、ウェストレバノンに本部があるＭｉｉテクノロジーＬＬＣにより作られたＳＭ２若しくはＳＭ３、又は、スェーデン、ホガナスに本部があるホガナスにより作られたソマロイ（Ｒ）５００）から形成されている。

中央極部２８は、（図２Ｂに示されるように）単一部品構成として形成されてもよく、又は、同種又は異種材料の多数のセグメントから複合的に形成されてもよい。中央極部２８を別々のセグメントから形成することは、単一部品構成を超えて、中央極部２９の電気抵抗を増大させ、渦電流に対するその感度を低下させる。

ステーター及び中央極部の間に機械的接続を提供する連結フランジ３０と、背鉄部材を適所に固定するキャップ２６とは、オーステナイト・ステンレス鋼等、渦電流への感度が低い非磁性抵抗材料から作られるのが好ましい。

ステーターアッセンブリは、ポッティングエポキシ又は他の高強度の高い誘電率接着材料で被覆されるのが好ましく、該材料は、コイルをステーターアッセンブリ内に固定し、コイルを物理的磨耗から保護し、背鉄部材２４に電気的絶縁を提供することを援助する。ポッティングエポキシは、補助注入プロセスを介して塗布されてもよい。このプロセスでは、アクチュエータ及び周囲の備品は、真空環境に置かれており、ポッティングエポキシは、完全な充填を指し示すようにオーバーフロー管を用いて入口管を介して導入される。

別の設備では、背鉄部材の内側表面は、アクチュエータのための電気絶縁を提供するため誘電材料で被覆される。これらの部品の内側表面を被覆するための一つの技術は、これらの表面を最初に電気被覆することであり、該表面には約０．００２５ｃｍ（約０．００１インチ）の誘電塗料に続いて約０．００５〜約０．０１ｃｍ（約０．００２〜約０．００４インチ）のエポキシベース粉末コーティングの被覆が行われる。この技術は、コイルの間の電圧ブレークダウンに対して過剰な保護を提供し、両コイルが接触するに至る構造をもたらす。背鉄部材の内側表面を被覆することに加えて、ステーターアッセンブリの全内側表面は、高い誘電率強度のポッティングエポキシ又はフィルム材料で被覆されてもよい。これらの材料には、例えば該表面に結合された薄いカプトン（Ｒ）ポリイミドフィルム（ＯＨ、サークルビルに本部が置かれた、デュポン製高性能材料により作られる）等があげられる。この材料層は、アーマチャーアッセンブリの外側表面と、ステーターアッセンブリの内側表面との間に電気的絶縁を提供し、ステーターアッセンブリ１２の内側表面と、該表面がさらされるところのエンジンオイル等の任意の冷却流体との間で物理的障壁としても作用する。

更には、アーマチャーが使用中に中央極部に沿って摺動するとき、アーマチャー及びステーターアッセンブリのベアリング及び磨耗品質を改善するため、中央極部も、例えば無電解ニッケルコーティング等の低摩擦保護コーティングで被覆されるのが好ましい。

図２Ｄ乃至２Ｆを参照すると、アーマチャーアッセンブリ１４は、径方向に磁化される２対の永久磁石３２、３４を備えている。即ち、これらの磁石は、磁石の内側周囲に沿って第１の極性を有し、それらの外側周囲に沿って第２の極性を有する。一つの設備では、図２Ｆに示されるように、一対の磁石は、Ｓ−Ｎ極性（例えば磁石対３２）を有し、第２の対はＮ−Ｓ極性（例えば磁石対３４）を有する。ステーターアッセンブリ１２のコイルの対のように、２対の磁石は、アーマチャーアッセンブリ１４内で交互に配列され、対を形成する磁石（例えば磁石対３４）が互いに隣接しないようにしている。磁石の径方向断面が、一例としての設計で円形断面を有するものとして示されているが、他の設備は、他の断面形状を有する磁石を使用してもよい。

図２Ｄを参照すると、アーマチャーアッセンブリ１４は、隣接する磁石の間に介在された磁石スペーサー３６と、隣接するスペーサー３６を連結して磁石３２、３４を適所に固定する一連のクリップ４０とを備えている。磁石スペーサー３６は、例えばチタニウム等、高い抵抗を有する、高い係数の低密度材料から形成されるのが好ましい。この設備では、クリップ４０は、アーマチャーアッセンブリの内径のためのベアリング表面を提供し、例えばダイアモンド状カーボン（ＤＬＣ）コーティング等の低摩擦コーティングで被覆されてもよい。別の設備では、スペーサーの内径及び外径は、作動中に摩擦負荷に耐えるため磁石の内径及び外形を僅かに超えて延在することができる。この設備では、スペーサーのベアリング表面は、低摩擦コーティング（例えば、ＤＬＣ、二硫化モリブデン）で被覆されるのが好ましい。

磁石３２，３４の各々とスペーサー３６とは、支配的な渦電流経路を遮断して動的損失を減少させるため、軸方向に分割されている。他の設備は、多数の弧状セグメントから形成される磁石及び／又はスペーサーを使用して、各要素のための支配的な渦電流経路に多数の不連続性を形成してもよい。４つの磁石及びコイルが示されたが、他の設備は、これらの部品の配列及び磁化の両方において、様々な数及び組み合わせを用いてもよい。

アーマチャーアッセンブリ１４は、ボールジョイントアッセンブリ３８と、バルブステムアッセンブリ５０をアーマチャーアッセンブリ１４の残りの部分に連結するカプラー４２と、を備える。多数のクリップ４０は、カプラー４２をアーマチャーアッセンブリ１４の残りに取り付ける。例えばエポキシベースの接着剤等の接着剤を使用して、クリップ４０をスペーサー３６及びカプラー４２に更に接着してもよい。

図２Ｅを参照すると、ボールジョイントアッセンブリ３８は、ボールケージ４５と、上側ステム４５及び下側ステム４８を備える、バルブステムアッセンブリ５０と、を備える。上側ステム４６の一端部は、ボール形状４４を有し、他の端部は雄型ねじ（図示せず）を有する。上側ステム４６のボール形状は、ボールケージ４５に嵌合し、上側ステム４６の雄ねじ端部は、下側ステム４８の嵌合雌型ねじにねじ込まれる。ボールジョイントアッセンブリ３８は、アーマチャー１４をバルブステム５０に軸方向に連結するように機能するが、例えば他の２つの並進方向や３つの回転方向等の他の方向は連結されないままとなる。他の設備は、バルブステムを、アーマチャーアッセンブリの残りと連結するため他の機械的アッセンブリを使用してもよい。この場合、幾つかの方向で連結され、他の方向では、機械的アッセンブリを過度に拘束することを回避するため連結されていない。

コイル及びステーターアッセンブリ１２の鉄を含む要素と対をなす永久磁石を使用したとき、２つの磁場源は、ステーター内の直線運動でアーマチャー１４を移動させるように作動する。前述したように、コイル伝導アッセンブリと同様に、径方向に磁化された隣接磁石は、反対の極性が与えられている。アーマチャーの他の要素は、運動を生成せず、磁石の軸方向間隔を形成し、並びに、磁石とバルブステムとの間の機械的連結を提供するように働く。磁石とコイルとの軸方向の間隔調整は、設計上の意図した撓みや、コイル及び磁石の軸方向高さの間の所望の位置関係に依存している。一般には、各磁石の頂部及び底部は、その偏位に関して最も一定した力出力に対して、移動の最端部において、その嵌合したコイル及び背鉄材料の軸方向位置（コイルの底部から頂部への軸方向に測定された、コイルの距離として定義される）内に留まっている。

ステーターアッセンブリ２０、２２のコイルに電流が印加されたとき、コイルにより形成された磁場は、アーマチャーアッセンブリ１４を、上方向又は下方向（図２Ａに対して）に移動させる。一例として、アーマチャー磁石が図２Ｆに示されたような極性を持ち、電流が、コイル２０を通って時計回りに流れ、コイル２２を通って反時計回りに流れる場合、アーマチャーアッセンブリ１４は下方向に移動する。図２Ｈを参照すると、アーマチャーアッセンブリ１４が下方向に移動するとき、バルブステム５０は、バルブ３７を完全に開いた位置へと押しやる。同様に、図２Ｇに示されるように、電流が逆転されたとき、アーマチャーアッセンブリ１４は、上方向に引っ張られ、バルブステムがバルブを引っ張り、バルブシート３９に対して着座させ、かくしてバルブを閉じる。

アーマチャーアッセンブリ１４の中央極部２８に対する摺動は、磁石３２，３４への実質的な熱経路を提供し、消磁へと導く。かくして、磁石３２、３４の材料の選択は、より高いアクチュエータ力の出力を提供するための高いエネルギー生成と、磁場特性の安定性との間のバランスである。好ましい設備では、ネオジウム−鉄−ホウ素の磁石が、それらのエネルギー密度と、径方向に磁化される能力とのために選択される。高い抗磁力特性は、例えば外部から印加された磁場及び高温等の消磁影響要因が存在するとき、材料の安定性にとって重要である。他の実施例は、例えばネオジウム又はサマリウムコバルト等の希土類金属を組み込んだ永久磁石材料組成物から形成された磁石を使用することができる。他の適切な材料の例には、ＭＩ、エドモアに本部のある日立マグネティックス社により作られるＮｄ３５ｓ、Ｎｄ３８ｓ、Ｎｄ４２ｓ及びＮｄ３０ｓが含まれている。

摩擦により発生された熱に加えて、磁束密度における急激な変化により誘導された渦電流は、追加の熱エネルギーを発生する。前述されたように、中央極部と、背鉄部材とは、支配的な渦電流経路を遮断する多数のアーク形状セグメントから形成されてもよい。例えばＳＭＣ又はソマロイ５００材料等、高い磁気透磁率及び高い電気抵抗の両方を有する材料を、中央局部及び背鉄部材を形成するため選択的に使用して、動的損失を更に減少させることができる。これらの技術に加えて、アクチュエータは、使用中に該アクチュエータを能動的に冷却するための冷却システムを備えることもできる。

例えば、図３Ａに示されるように、冷却システム５１は、アクチュエータから熱を放散させるため、熱交換器５５と１つ以上のアクチュエータ５７との間で、例えば、水、５０／５０エチレングリコール／水の混合物、エンジンオイル又は他の冷却流体等の冷却流体を循環させるポンプ５３を備えている。アクチュエータ内で冷却流体を循環させる一つの技術は、冷却回路の一部を形成するためステーターアッセンブリ（図示せず）の外側表面の周りに図３Ｂに示される冷却ジャケット５２等の冷却ジャケットを配置することにより実現される。例えば、熱グリース、高い熱伝導度を備えるポッティング化合物、熱伝導性エラストマー又は熱伝導性接着テープ等、高い熱伝導度を有する材料を、冷却ジャケット５２と、ステーターアッセンブリとの間の空気ギャップを無くすため使用することができる。冷却ジャケット５２は、冷却回路を形成するため、ポンプ５１及び熱交換器５５に接続されてもよい。

他の設備は、アクチュエータから熱を除去するため、熱ポンプ等の他の既知の冷却システムを使用することができる。車両の用途では、車両の運動から発生する空気の流れを、強制対流冷却を提供するためアクチュエータに差し向けることができる。補助ファンも使用することができる。

冷却回路は、アクチュエータ内の中央極部内に形成されてもよい。例えば、図３Ｃに示されるように、薄い壁が形成された導管が、中央極部６３に形成されたボア内に配置されてもよい。ポンプ５１（図３Ａに示される）は、中央極部から熱を放散するため中央極部内の導管６１及び熱交換器５５を通して冷却流体を循環させてもよい。

冷却システムは、独立の冷却システムとして構成され、又は、アクチュエータが使用される用途において既に存在する冷却システムの一部であってもよい。例えば、アクチュエータは、内燃エンジンにおいて吸引、排気又は燃料噴射のバルブを制御するため使用される場合、エンジンは、冷却システムが例えば冷却ジャケット及び／又は中央極部に配置された導管を通して冷却流体を循環させることによりアクチュエータを冷却するようにエンジンを設計することができる。エンジンの冷却システムを用いてアクチュエータを冷却することにより、別個の熱交換器又はポンプのための必要性は存在しない。しかし、幾つかの用途では、アクチュエータの温度に関してより強力な制御を持つことが望ましく、よって、独立の冷却システムが１つ以上のアクチュエータのために用いられてもよい。例えば、個々のアクチュエータは、それらの自身の独立システムを持つことができ、同じ冷却流体が、中央の熱交換器に接続された多数のアクチュエータを通って流れることができる。

エンジン搭載用途のためには、エンジンブロックからアクチュエータへと熱交換するため、エンジンブロックからアクチュエータへの経路で該アクチュエータを熱的に分離することが望ましい。この点において、例えばセラミック又は高温耐性プラスチック等の低い温度伝導度材料から形成された熱絶縁器を、アクチュエータ及びエンジンブロックの間に配置することができる。

バルブ（エンジンシリンダー内の燃焼にさらされる）をアクチュエータの残りの部分から熱的に分離することも望ましい。この点において、バルブステムは、例えばチタニウム等の低い熱伝導度を有する材料から形成されるのが好ましい。

図４Ａ乃至図４Ｇに示されるように、別の実施例は、３つのコイル６４ａ〜６４ｃを備えたコイルアッセンブリを有するステーターアッセンブリ６２と、径方向に磁化された３つの対応する永久磁石６８ａ〜６８ｃを有するアーマチャーアッセンブリ６６と、を備えるアクチュエータ６０を特徴とする。コイル６４ａ〜６４ｃは、隣接するコイルが反対の極性の磁場を発生するように構成されている。この設備では、コイル６４ａ〜６４ｃは、直列に接続され、最上及び最下のコイル、即ちコイル６４ａ及び６４ｃが一方向（例えば時計回り）に巻かれ、ステーターアッセンブリの中央部に配置されたコイル、即ちコイル６４ｂは、反対方向（例えば反時計回り）に巻かれている。かくして、電流がコイルに印加されたとき、隣接するコイルは、反対極性を有する磁場を発生する。この設備中のコイルは、円形銅ワイヤから形成されているが、他の設備は、異なる断面積又は形状を有する導電テープ又はワイヤからコイルを形成することができる。

アーマチャーアッセンブリ６４の磁石６６ａ〜６６ｃは、隣接する磁石が反対の径方向の磁化を有するように構成されている。換言すれば、最上及び最下の磁石、即ち磁石６６ａ及び６６ｃが、第１の径方向極性（例えばＮ−Ｓ）を有し、その一方で、アーマチャーアッセンブリの中央部に配置された磁石、即ち磁石６６ｂは、反対の径方向極性（例えばＳ−Ｎ）を有する。この設備では、アクチュエータ６０は、オーバーハング設計を使用し、磁石６６ａ〜６６ｃの軸方向高さは、対応するコイル６４ａ〜６４ｃの軸方向高さよりも大きい。

ここで図４Ｂを参照すると、ステーターアッセンブリ６２は、３つのコイル６６ａ〜６６ｃを備えることに加えて、中央極部７０と、一連の嵌合背鉄部材７２と、を更に備える。中央極部７０は、高い透磁率を有する材料（例えばＳＭＣ）から形成され、コイルにより発生される磁場のための磁気戻り経路として機能する。

ステーターアッセンブリは、背鉄部材７２を適所に固定する、フィン付ハウジング７６と、フィン付ハウジング７６を中央極部７０に固定するカプラー７８と、を更に備える。孔７９内に配置された幾つかのねじは、フィン付ハウジング７６をカプラー７８に機械的に連結する。フィン付ハウジングは、例えばアルミニウム等の高い温度伝導度を有する材料から作られるのが好ましく、該材料は、背鉄部材７２と、コイル６４ａ〜６４ｃから熱を引き出させる。アクチュエータ６０から熱を放散させるため空気の流れがフィンに差し向けられてもよい。

図４Ｃ乃至図４Ｄに示されるように、隣接する背鉄部材７２は、３つの弧状セグメント、例えば７４ａ〜７４ｃから形成され、これは、支配的な渦電流経路を有利に遮断し、かくして動的損失を減少させる。この設備では、中央極部７０と、背鉄部材７２とは、粉末金属軟磁性複合（ＳＭＣ）材料（例えば、ＮＨ、ウェストレバノンに本部があるＭｉｉテクノロジーＬＬＣにより作られたＳＭ２若しくはＳＭ３、又は、スェーデン、ホガナスに本部があるホガナスにより作られたソマロイ（Ｒ）５００）から形成されている。他の設備は、高い透磁率や、好ましくは高い電気抵抗を有する他の材料から、中央極部と、背鉄部材とを形成することができる。

図４Ｅ乃至図４Ｆに示されるように、アーマチャーアッセンブリ６４は、３つの径方向に磁化された磁石６６ａ〜６６ｃの間に配置された２つのスペーサー８２ａ〜８２ｂを備えている。アーマチャーアッセンブリは、バルブステム８８をアーマチャーアッセンブリの残りの部分に機械的に接続するボールジョイントアッセンブリ８６を更に備える。孔８９ａ〜８９ｄに配置された一連のねじは、ボールジョイントアッセンブリ８６をカプラー９０に固定する。１つ以上のクリップ、例えばクリップ９２は、磁石６６ａ〜６６ｃ及びスペーサー８２ａ〜８２ｂをカプラー９０に機械的に固定する。磁石６６ａ〜６６ｃ及びスペーサー８２ａ〜８２ｂは、支配的な渦電流経路を遮断するため、それらの軸方向にスリット８３ａ、８３ｂを形成している。

図４Ｆを参照すると、バルブステム８８は、バルブステムが、アーマチャーアッセンブリの長さ方向軸に沿って固定されるが、他の方向には自在に移動されるように、ボールジョイントアッセンブリ内に固定されるボール９４を一方の端部に備えている。

電流がコイルに印加されたとき、コイルにより生成された磁場は、アーマチャーアッセンブリを、上方向又は下方向に移動させる。図４Ｈに示されるように、電流が一方向にコイルを通って流れるとき、アーマチャーアッセンブリ６６は下方向に移動し、バルブステム８８がバルブ８７を完全に開いた位置へと押しやる。同様に、図４Ｇに示されるように、電流が逆転されるとき、アーマチャーアッセンブリ６６は上方向に引っ張られ、バルブステム８８がバルブをバルブシート９１に着座させるように引っ張り、よってバルブを閉鎖する。なお、この設備では、中央極部は、バルブステムのための案内としては機能しない。

図４Ｉに示されるように、スペーサー９６が、アーマチャーの偏り範囲を制限するため中央極部７０内に配置されている。この設備では、スペーサー９６は、皿バネワッシャーであるが、他の設備は、アーマチャーの移動範囲を制限するため、スプリング、又は、エラストマー若しくはポリマー要素を使用することができる。エンジン搭載用途では、アーマチャーのピーク偏位を制限することが、ピストンとアクチュエータにより制御されるバルブとの間の干渉を回避するため望ましい。

アクチュエータの最大の変位、力対変位プロフィール及び引き込み力プロフィールは、例えばコイルトポロジー、磁石及びコイルの相対高さと位置関係、背鉄及び中央極部の寸法と材料、コイル材料等の適切な設計パラメータを選択することにより達成される。加えて、アクチュエータの作動は、コイルに印加された電流の大きさ持続時間及び極性を通して制御することができ、かくして、例えばバルブリフト（即ち、バルブが開放している度合い）やバルブタイミング（即ち、クランクシャフト位置に関連した、吸引及び排気バルブの開閉時刻）等のバルブ作動パラメータの柔軟な制御を可能にしている。

一実施例では、アクチュエータは、アンダーハング磁石設計を用いることができ、該設計では、コイルの軸方向高さは、磁石の高さよりも大きい。４つのコイル及び４つの磁石を使用した一つの特有のアンダーハング磁石設計では、コイルの各巻き線は、銅から作られる。各々のコイルは、約４ｃｍ（１．５６インチ）の内径（ＩＤ）、約５．２ｃｍ（２．０３インチ）の外径（ＯＤ）及び約１．８ｃｍ（０．７インチ）の高さにより仕切られた体積を占める。磁石断面の半径に対する磁石高さの比率は、内径約３．３ｃｍ（１．３１インチ）、外径約３．９ｃｍ（１．５３インチ）及び高さ約１ｃｍ（０．４インチ）の場合、約３．６：１である。各々の磁石は、ＮｄＦｅＢ（特に、ＭＩ、エドモアに本部のある日立マグネティックス社により作られるＮｄＨＳ３５ＡＲ）から形成され、約２５ｇの質量を有する。

別の実施例では、アクチュエータは、オーバーハング磁石設計を用いることができ、該設計では、コイルの軸方向高さは、磁石の高さよりも小さい。一つの設備では、アクチュエータは、３つの銅コイルと３つの磁石とを備えるオーバーハング磁石設計を使用する。各々のコイルは、約３．８ｃｍ（１．４８インチ）の内径（ＩＤ）、約５．８ｃｍ（２．２８インチ）の外径（ＯＤ）及び約１ｃｍ（０．４インチ）の高さを有する。磁石の各々は、約３．１ｃｍ（１．２４インチ）の内径（ＩＤ）、約３．７ｃｍ（１．４４インチ）の外径（ＯＤ）及び約２ｃｍ（０．８インチ）の高さを有する。磁石断面の半径に対する磁石高さの比率は、約８．１：１である。各々の磁石は、ＮｄＦｅＢ（特に、ＭＩ、エドモアに本部のある日立マグネティックス社により作られるＮｄＨＳ３０ＦＲ）から形成され、約３９ｇの質量を有する。

アクチュエータ設計の性能を評価する一つの方法は、アクチュエータの加速度対変位をプロットすることである。加速度は、移動する質量／静磁気力として定義された、単位移動質量当たりで正規化された力である（一例としての実施例では、移動質量は、磁石質量に約１００ｇ程度の寄生質量をプラスしたものから構成される）。寄生質量とは、例えばバルブ、磁石スペーサー、カプラー、ボールジョイントアッセンブリ、センサー等、力を生成しない任意の移動質量を指している（即ち、一例としての実施例では、永久磁石材料ではない移動質量の任意部分）。図５Ａは、アンソフト社（ HYPERLINK "http://www.ansoft.com" www.ansoft.com）により販売されているマックスウェル（Ｒ）ｖ．９．０．１９を使用した、上述されたオーバーハング（ラインＡ）及びアンダーハング（ラインＢ）の設計を有するアクチュエータのシミュレートされた加速度対変位プロフィールをプロットしたものである。このシミュレーション結果は、オーバーハング設計が、中心から−０．３８ｃｍ乃至＋０．３８ｃｍ（−０．１５インチ乃至＋０．１５インチ）の意図した逸れ範囲に亘って略直線上の加速度を有することを示している。水平軸は、バルブが完全に閉じた位置（−０．５ｃｍ（−０．２インチ））から完全に開放した位置（０．５ｃｍ（０．２インチ））までの範囲の位置を表している。

図５Ｂは、アンソフト社のマックスウェル（Ｒ）ｖ．９．０．１９ソフトウェアを使用した、上述された一例としてのオーバーハング（ラインＡ）及びアンダーハング（ラインＢ）の設計に関するシミュレートされた力対変位プロフィールを示したものである。オーバーハング設計に対して示された力のばらつきは、移動の最大範囲の７５％を占める中心から−０．３８ｃｍ乃至＋０．３８ｃｍ（−０．１５インチ乃至＋０．１５インチ）の意図した逸れ範囲に亘ってほぼ一定である。

意図した逸れ範囲に亘る、ほぼ一定の力出力及び加速度は、有利な効果を奏する。それが、アクチュエータ変位を制御して可変のリフトを可能にするのに必要となる制御スキームを簡単にし、アクチュエータが内燃エンジンにおける吸引バルブ及び排気バルブを作動するために使用されるとき特に有用となり得るからである。

図２Ａに戻って参照すると、引き込み力は、ステーターがエネルギー供給されていないとき、例えば背鉄部材２４や中央極部２９等のステーターの鉄を含む要素と、アーマチャーアッセンブリ中の磁石３２、３４との間に発生する磁気吸引力に由来している。好ましい実施例では、アーマチャーアッセンブリがバルブの完全に閉じた位置へと移動するとき、この引き込み力が着座方向に作用し、かくして、（図２Ｇ乃至図２Ｈに示される）バルブ３７をその座席にもっていくことを援助するようにアクチュエータが構成されている。そのような実施例では、引き込み力は、バルブが着座した後、該バルブを閉じた状態に維持するために有利に使用される。引き込み力をバイアス力として使用することによって、制御システムは、バルブを閉じた状態に維持するためコイルに電流を供給する必要がないのが好ましく、この状態の期間は、４サイクル内燃自動車エンジンでは、サイクル時間の約三分の二に相当する。

図５Ｃでは、前述したアンダーハング（ラインＢ）及びオーバーハング（ラインＡ）の磁石設計に関して、それらの引き込み力特性を比較している。アンダーハング磁石設計は、移動の最端部（即ち、−０．５ｃｍ乃至−０．３８ｃｍ（−０．２乃至−０．１５インチ）、並びに、＋０．３８ｃｍ乃至−０．５ｃｍ（＋０．１５乃至＋０．２インチ））でより大きい実質的な引き込み力を示し、該引き込み力は、移動の一方の端部で力出力を援助するが、他方の端部では減じている。オーバーハング磁石設計は、その引き込み力に関して同じ傾向を示しているが、意図した逸れ範囲に亘って、引き込み力がほぼゼロの領域がより大きい。アクチュエータの磁気引き込み力のプロフィールは、例えばコイル材料、コイル体積、磁性材料、磁石体積、背鉄材料及びその構成、並びに、中央極部材料及び構成等の様々な設計パラメータの選択にも依存している。

図６を参照すると、自動車内燃エンジンで複数の吸引及び排気バルブアクチュエータを制御するための制御システム５０６は、上流側の制御プロセッサ５００と、特定の吸引又は排気バルブに各々専用となっている一連の下流側の制御プロセッサ５０１〜５０３と、を備えている。

上流側の制御プロセッサ５００は、クランクシャフト位置情報５０５（クランクシャフト位置を追跡する光学式エンコーダ又は他の装置から供給され得る）と、例えば電気エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０４等の中央コントローラからの制御指令とを受信する。上流側の制御プロセッサは、この受信した情報を使用して、制御されるバルブの各々のためのバルブタイミング（即ち、クランクシャフト位置に関連した、吸引及び排気バルブの開閉時刻）とバルブリフト（即ち、バルブが開放している度合い）と、を指し示す信号を発生し、下流側の制御プロセッサ５０１−１、５０１−２、．．．５０１−Ｎに送信する。

本願と同時に出願された、ディビット・ハンソン、ジュン・マ、ベンジャミン Ｇ．Ｋ．ペーターソン、及び、ジォフレイ・クーリッジ・チックによる「内燃エンジンの制御された始動及び制動」と題された特許出願で、より完全に記載されているように、特定の作動モード（例えば、自動始動又はエンジン制動モードが上記参照出願に記載されている。）のためのバルブタイミング及びバルブリフトパラメータを、閉じた形態の計算を通して動的に決定することができる。その代わりに、バルブパラメータを、ルックアップテーブルの使用を通して静的に決定することができる。該ルックアップテーブルでは、様々な作動モードに対応する、予め計算されたバルブタイミング及びバルブリフトのパラメータがメモリ中に格納されている。この静的な設備では、上流側のプロセッサ５００は、ＥＣＵ５０４から受信した指令に基づいて様々な作動モードに対応する１組の予め計算されたルックアップテーブルを検索する。

下流側の制御プロセッサ５０１は、上流側のプロセッサから、例えばデジタルパルス等の様々な形態にあり得るバルブ制御信号を受信する。上流側のプロセッサからバルブ制御信号を受信することに応答して、下流側の制御プロセッサは、所定の大きさ及び極性を持つ出力駆動電流を生成するため、電圧制御式のパルス幅変調（ＰＷＭ）パワーモジュール５０２へと電圧信号を発する。次に、ＰＷＭパワーモジュール５０２は、電流信号をバルブアクチュエータ５０３のコイルに供給する。印加された電流の大きさ及び極性は、吸引又は排気バルブアクチュエータ５０３の開閉の挙動を決定する。下流側の制御プロセッサ（例えば、バルブアクチュエータ５０３−１に対して５０１−１）は、バルブの１つ以上の作動状態（即ち、加速度、速度、及び／又は、位置）に関するフィードバック情報を受信し、現在のバルブ状態情報に基づいてＰＷＭへの制御信号を調整する。

バルブ及び／又はアクチュエータに取り付けられた１つ以上のセンサーを介してバルブ状態を監視することができる。例えば、バルブアクチュエータ速度（Ｖ）及び変位（リフティングＬ）を、例えば光学式エンコーダ等の位置センサーにより決定することができる。センサーは、速度又は変位を直接測定してもよく、他の量を決定するため微分器又は積分器を使用して必要に応じて該他の量を計算してもよい。一つの設備では、直線速度変換器（ＬＶＴ）が、速度を直接測定するため使用され、アーマチャーの頂部に取り付けられている。代替手段として、加速度計を使用することもできる。

例えば５００及び５０１−１等のプロセッサは、１つ以上の物理的モジュールに備わっている機能ブロックであり、ハードウェア、ソフトウェア、又は、ハードウェア若しくはソフトウェアの任意の組み合わせ、或いは、アナログ若しくはデジタルの形態にあり得る。

前記したように、下流側の制御プロセッサ（例えば５０１−１）は、アクチュエータに印加される電流の大きさ及び極性を制御することにより、個々のバルブのダイナミックスを制御する。そのような制御の枠組みを実施する多数の方法が存在している。図７は、下流側の制御プロセッサ５０１−１の機能を実施するためフィードバックベースの制御の枠組みの一実施例を示している。

図７に示されるように、下流側の制御プロセッサ５０１−１は、電圧コマンド６０４及び６０５をＰＷＭパワーモジュールに発することができる。該コマンドは、ＰＷＭモジュールがアクチュエータに全電流（正又は負）を提供させるようにする。入力電圧コマンド６０４及び６０５は、バルブの開閉をトリガーする上流側コントローラから受信したバルブタイミング信号の上昇又は下降のエッジ時刻と同期される。下流側プロセッサは、アーマチャーの速度を制御する速度フィードバックループ６０１（典型的には、アーマチャーの速度を減少させるため負のフィードバックモードで使用される）と、バルブの変位を所望位置に細かく調整する位置サーボ（変位）フィードバックループ６０２と、を更に備えている。下流側コントローラは、上流側プロセッサからのバルブリフト及びタイミング指令と、バルブ状態情報とを受信するスイッチング機構６０３を更に備えている。スイッチング機構は、この情報、並びに、アクチュエータの引き込み力プロフィール（プロセッサに連係されたメモリ中に格納されている）を使用して、バルブ開閉を制御するため、正又は負の全電流コマンド、速度フィードバックループ及び位置サーボ（変位）フィードバックループを選択的に作動したり不作動にしたりする。

図８を参照すると、バルブ変位（グラフ７００）と、これに対応する電流制御信号（グラフ７０２）とが、図６〜図７に記載された一例としての制御システムを使用して、時間の関数としてプロットされている。

下流側の制御プロセッサが、時刻Ｔ（０）で上流プロセッサから受信したバルブ制御信号の上昇エッジを検知したとき、該プロセッサは、正の全電流制御電圧コマンド７０３をＰＷＭパワーモジュール５０２−１（図８でポイント（ａ）として同定される）に発することにより、バルブアクチュエータを開放させるようにトリガーする。時刻Ｔ（１）で発生する、距離Ｄ（１）及び速度が所定の式に合致するポイントに、アーマチャーが到達したとき、下流側の制御プロセッサのスイッチング機構６０３は、負の速度フィードバック信号７０５を導入するように切り替え（及び正の全電流コマンドを不能にし）、アーマチャーをゆっくりと低速にするように逆の極性を備えた制御電流信号を導入する。バルブ速度Ｖ（１）（負の速度フィードバックを動作させる前の時刻Ｔ（１）における値）と、停止距離（時刻Ｔ（１）におけるバルブリフトＤ（１）と、時刻Ｔ（３）における所望の変位位置Ｄ（３）との間の変位差として定義される）との間の所定の式の関係は、略直線関係として表すことができる（エンジンチャンバー圧力等の因子を無視する）。Ｖ（１）、Ｄ（１）、Ｄ（３）及び当該直線関係に基づいて、時刻Ｔ（２）でバルブを停止させるため、負の速度フィードバックループ６０１を、スイッチング機構６０３を介して、選択的に作動させ、時間的に制御することができる。

理想的には、ポイント（ｃ）はポイント（ｄ）に合致する。即ち、時刻Ｔ（２）で、バルブは、厳密に所望の位置で停止する。しかし、実際の用途では、物理的プラントは、時間的に変動し、バルブのダイナミックスは、シリンダーの往復作用に連係した外乱により影響を及ぼされる。外乱の結果として、アーマチャーは、所望の位置（ｄ）に近接するが、厳密に位置（ｄ）ではあり得ない位置（ｃ）において、（負の速度フィードバックループにより）印加制御電流の大きさがゼロへと減少されるが故に、停止に向かってゆっくりと減速し得る。次に、サーボ変位ループ６０２が、速度フィードバックループに取って代わるためスイッチング機構６０３により選択的に作動される。位置サーボ制御では、時刻Ｔ（３）でバルブを所望の位置（ｄ）へと正確に押すため、細かく調整されたバルブ位置のための電流信号が発生される。それは、バルブ着座信号が受信されるまで、その位置を維持する。図示の例では、所望の変位位置は、予期されたバルブリフトの位置である。なお、予期された変位位置は、最大リフトよりも小さくなり得る（例えば、最大リフトの２／３）。時刻Ｔ（２）における変位位置であるＤ（２）は、速度フィードバックループが不作動にされた後、Ｄ（３）（所望の変位）よりも大きくなったり又は小さくなったりし得る。また、ポイント（ｃ）からポイント（ｄ）までの設定コースの間に小さい振動が存在し得る。これに対応する位置サーボ制御電流の値も、正値と負値との間を振動し得る。その厳密な振る舞いは、位置サーボ制御ループのダイナミックスに依存する。

バルブ閉鎖事象に関して、バルブの寿命を短くし、望ましくないノイズを発生し得る、激しい着座を回避することが望ましい。０．２ｍ／秒より遅いバルブ着座速度を達成することが好ましい。アーマチャー位置の関数としての引き込み力プロフィールは、アクチュエータの設計態様を変えることにより変更することができるアクチュエータ設計パラメータであり、バルブを所定の速度で着座させるようにシステムを構成する際に考慮に入れる必要がある。例えば、図５Ｂに示される一例としてのオーバーハングアクチュエータ設計では、該アクチュエータは、偏り範囲のほとんどの間に引き込み力が実質的にゼロであり、アーマチャーがその完全に開いた位置（ＶＦＯ）又は完全に閉じた位置（ＶＦＣ）に近づいたときだけその効果を発揮するように、構成される。バルブ（アーマチャー）がＶＦＣ位置に近づいたとき、引き込み力は、バルブを閉鎖位置に保持するように作用する。閉鎖部を柔らかく着座させ、所望のバルブ着座速度を達成させるため、引き込み力とは反対の力を提供するように、（例えば、速度フィードバックを使用して）制御電流を適切に制御することができる。

再び図８を参照すると、バルブ制御信号の下降エッジが下流側のプロセッサにより検知されたとき、それは、時刻Ｔ（４）で閉じるようにバルブアクチュエータをトリガーする。このとき、スイッチング機構６０３は、負の電流制御コマンド６０５をＰＷＭパワーモジュール５０２−１へと接続する。入力電圧コマンド６０５は、バルブタイミング信号の下降エッジ時刻と同期され、ＰＷＭパワーモジュールに、アクチュエータに負の全電流を提供させ、アーマチャーを閉鎖位置に向かって移動させる。アーマチャーが、その距離及び速度が時刻Ｔ（５）で所定の関係を満たすポイントに達したとき、スイッチング機構６０３は、負の全電流コマンドを不能にし、負の速度フィードバック６０１を接続する。負の速度フィードバックは、制御電流信号を発生し、ＰＷＭパワーモジュールが、アーマチャーの速度を減少させるため、バルブをその閉鎖位置に向かって移動させるため印加された電流に対して逆極性の電流をアクチュエータに印加させる。アーマチャーは、印加制御電流の大きさがゼロへと減少されるが故に、時刻Ｔ（６）で、おおよそその所望の変位位置（この例では位置（ｇ））において、停止に向かってゆっくりと減速する。この時刻では、バルブ開放事象の場合に類似して、所望の位置（ｉ）でバルブを正確に着座させようとするため、バルブ位置を細かく調整するための電流信号を発生するように位置サーボ制御が作動される（時刻Ｔ（７））。しかし、バルブ開放事象とは異なり、バルブ閉鎖のための位置サーボ制御は、バルブが所望の位置へと非常に接近したとき（ｈ）、不作動となり、この状態で、（例えば、バルブが、アンダーハング設計のため図５Ｂの位置で−０．３８ｃｍ（−０．１５インチ）のところにあるとき）引き込み力がその効果を働かせ始める。

この時刻において、スイッチング機構６０３は、再び速度フィードバック制御を適用する。速度フィードバックは、引き込み力の影響化にあるとき、バルブ速度を制御するため使用される。これは、バルブが所望の速度で着座するようにバルブを作ることができることを確実にする。実際の着座速度は、速度フィードバックループのパラメータを調整することにより（例えば、一定のオフセットを追加することにより）制御することができる。負の速度フィードバックループの性質は、バルブが時刻Ｔ（８）で所望の位置（ｉ）に実際に着座するまで、略一定の着座速度を維持するように速度の揺らぎを克服させる。更には、一例としての引き込み力プロフィールに関して、更にパワーを節約するため、一旦、バルブが着座したならば、追加の制御電流を供給すること無く、該引き込み力はバルブを閉鎖した状態に保持する。なお、引き込み力プロフィールによっては、引き込み力がバルブを閉鎖状態に保持するには十分ではないこともあり得る。そのような場合には、バルブを閉鎖状態に保持するため過剰電流が供給されなければならない。

多数の異なる作動条件（例えば、図８に示された、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，及び、Ｔ（０）、Ｔ（１）、Ｔ（２）、Ｔ（３）等）を、より洗練されたアクチュエータ制御のために定義することができることが理解されるべきである。

バルブ速度を減少させるため速度フィードバックループの使用、位置決めの細かい制御のための変位ループ及びエネルギーを節約するための引き込み力の利用を組み合わせた他の制御の枠組みも可能である。例えば立ち上がり時間、オーバーシュート、定常状態誤差、及び、設置時間等の性能基準を、例えばＰＩＤ、位相速め、又は、位相遅延等の様々に異なるコントローラの構成の使用を始めとして、コントローラ設計及び選択を変更することにより、理に適うように満足させることができる。例えば、非線形ダイナミックスコントローラ又は機械学習ベースのコントローラ（例えば、ニューラルネットワーク又はファジー論理ベースのコントローラ）等のより複雑なコントローラも利用することができる。

本発明の幾つかの実施例が説明された。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得ることが理解されよう。例えば、アクチュエータは、中心軸の回りの平面に関して円柱である必要はない。その代わりに、アクチュエータは、四辺形、又は、中心軸の回りで面対称でない形状であってもよい。同様に、アクチュエータにより提供される変位は、中心軸に平行な方向で有用となる必要もないが、その変位は他の方向へ移動されることであってもよい。図示された全ての実施例の部品における特定の数、配列及び磁化も変更することができる。更には、本記載に従って設計された電磁アクチュエータは、直線的な作動が望ましく、エンジンバルブ制御には限定されない、幅広い用途で使用することができる。

以上のように、他の実施例は、請求の範囲内にある。

図１Ａは、内燃エンジンの線図である。 図１Ｂは、内燃エンジン内のチャンバーの線図である。 図２Ａは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｂは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｃは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｄは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｅは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｆは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｇは、電磁アクチュエータの線図である。 図２Ｈは、電磁アクチュエータの線図である。 電磁アクチュエータのための冷却回路の線図である。 電磁アクチュエータのための冷却ジャケットの線図である。 中央極部を通過する冷却導管を備えたアクチュエータの線図である。 図４Ａは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｂは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｃは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｄは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｅは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｆは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｇは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｈは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図４Ｉは、別の電磁アクチュエータの線図である。 図５Ａは、オーバーハング式及びアンダーハング式の磁石設計に関する、シミュレーションされた加速度対位置のプロフィールを示すグラフである。 図５Ｂは、オーバーハング式及びアンダーハング式の磁石設計に関する、シミュレーションされた力対位置のプロフィールを示すグラフである。 図５Ｃは、オーバーハング式及びアンダーハング式の磁石設計に関する、シミュレーションされたディテント力特性を示すグラフである。 図６は、電磁アクチュエータのための制御システムの線図である。 図７は、電磁アクチュエータのための閉ループ制御システムのブロック図である。 図８は、１組のステーターコイルに印加された制御電流と、電磁アクチュエータの一実施例におけるアーマチャーの変位との間の関係を示した、２つのグラフである。

Claims (55)

1. 開口部を形成する内側表面を有するステーターアッセンブリを備える、電磁アクチュエータであって、
   前記ステーターアッセンブリは、
   該ステーターアッセンブリの前記内側表面の近傍に配置されたコイル巻きコンダクターであって、該コイル巻きコンダクターは、電流が印加されたとき第１の磁場を発生するように構成される、前記コイル巻きコンダクターと、
   高い透磁率と長さ方向軸とを有する材料から形成される中央極部と、
   前記ステーターアッセンブリの開口部内に少なくとも部分的に配置され、永久磁石を有するアーマチャーアッセンブリであって、該アーマチャーアッセンブリは、電流が前記コイル巻きコンダクターに印加されたとき前記中央極部の長さ方向軸に平行な方向に移動する、前記アーマチャーアッセンブリと、
   を備える、電磁アクチュエータ。
2. 前記磁石は、径方向に磁化されている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記中央極部は、高い透磁率を有する材料から各々形成された複数のセグメントを備えている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記ステーターアッセンブリは、複数の隣接するコイル巻きコンダクターを更に備えている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記アーマチャーアッセンブリは、複数の径方向に隣接して磁化された永久磁石を更に備えている、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記隣接する磁石は、反対の極性を有する、請求項５に記載の電磁アクチュエータ。
7. 隣接するコイルは、反対の極性を有する磁場を発生するように構成されている、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
8. 前記複数のコイルは、直列に接続されている、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
9. 隣接するコイルは、反対方向に巻かれている、請求項７に記載の電磁アクチュエータ。
10. 隣接するコイルは、同じ方向に巻かれ、相互に反対の極性を生じさせる電流を受け取るように構成されている、請求項７に記載の電磁アクチュエータ。
11. 前記ステーターアッセンブリは、高い透磁率を有する材料から形成された１つ以上の背鉄部材を更に備えている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
12. 前記永久磁石は、リング形状に形成され、前記中央極部の長さ方向軸と平行である長さ方向軸を形成する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
13. 前記永久磁石の長さ方向軸は、前記中央極部の長さ方向軸と同軸である、請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
14. 前記ステーターアッセンブリは、前記中央極部の長さ方向軸に平行である長さ方向軸を形成する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
15. 前記ステーターアッセンブリの長さ方向軸は、前記中央極部の長さ方向軸と同軸である、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
16. 前記永久磁石は、径方向に磁化されている、請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
17. 前記磁石は、支配的な渦電流の経路が遮断されるように１つ以上の不連続部を有する、請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
18. 前記永久磁石は、複数の弧状セグメントを備える、請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
19. 前記アーマチャーアッセンブリは、電流が前記コイル巻きコンダクターに印加されたとき、バルブを開閉するように構成されたバルブステムを更に備える、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
20. 前記中央極部は、チャンネルを形成し、前記バルブステムは該チャンネル内に少なくとも部分的に配置される、請求項１９に記載の電磁アクチュエータ。
21. 前記アーマチャーアッセンブリは、
    該アーマチャーアッセンブリの残りの部分に前記バルブステムを連結するための手段を更に備える、請求項１９に記載の電磁アクチュエータ。
22. 前記バルブステムは、ボール形状の先端部を有する第１の端部を備え、
    前記アーマチャーアッセンブリは、少なくとも前記中央極部の長さ方向軸に平行な方向に前記バルブステムが前記ボールジョイントアッセンブリに連結されるように該バルブステムの前記ボール形状先端部を収容するように構成されたボールケージを備える、請求項１９に記載の電磁アクチュエータ。
23. 前記バルブステムは、該バルブステムが前記中央極部の長さ方向に垂直な方向に移動の自由度を有するように連結されている、請求項２２に記載の電磁アクチュエータ。
24. 前記バルブステムは、該バルブステムが前記中央極部の長さ方向の周りに回転する自由度を有するように前記ボールジョイントアッセンブリに連結されている、請求項２２に記載の電磁アクチュエータ。
25. 前記アーマチャーアッセンブリは、前記永久磁石の各々の間に配置された１つ以上のスペーサーを更に備える、請求項５に記載の電磁アクチュエータ。
26. 前記磁石及び前記スペーサーは、軸方向に分割されている、請求項２５に記載の電磁アクチュエータ。
27. 前記ステーターアッセンブリの前記内側表面の少なくとも一部分は誘電材料で被覆されている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
28. 前記中央極部の外側表面は、前記アーマチャーアッセンブリのためのベアリング表面として機能する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
29. 前記中央極部の外側表面は、低摩擦コーティングで被覆されている、請求項２８に記載の電磁アクチュエータ。
30. 前記磁石の軸方向高さは、前記コイル巻きコンダクターの軸方向高さよりも小さい、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
31. 前記磁石の軸方向高さは、前記コイル巻きコンダクターの軸方向高さよりも大きい、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
32. 前記中央極部は、常磁性材料から形成される、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
33. 前記ステーターアッセンブリに対する前記アーマチャーの変位の関数としての該アーマチャーの力は、意図した逸れの範囲に亘って略一定である、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
34. 前記ステーターアッセンブリに対する前記アーマチャーの変位の関数としての該アーマチャーの引き込み力プロフィールは、意図した変位の範囲に亘って実質的にゼロである、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
35. 前記中央極部は、少なくとも部分的に常磁性材料から形成される、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
36. 前記ステーターアッセンブリの回りに少なくとも部分的に配置された冷却ジャケットを更に備え、該冷却ジャケットは冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを形成する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
37. 前記中央極部は、冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを形成する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
38. 長さ方向軸を形成するステーターと、該ステーターの内部に配置されたアーマチャーとを有する電磁バルブアクチュエータを制御するためのコンピュータ実行方法であって、
    バルブの速度及び位置に関する情報を受け取り、
    前記バルブを所望の位置に配置するため、速度フィードバックループと位置サーボフィードバックループとを選択的に動作させることにより、前記アクチュエータに制御信号を送る、各工程を備える方法。
39. 前記速度フィードバックループは、前記バルブ速度を減少させる、請求項３８に記載の方法。
40. 前記所望の位置は、前記バルブが完全に開放した位置である、請求項３８に記載の方法。
41. 前記所望の位置は、前記バルブが完全に閉じた位置である、請求項３８に記載の方法。
42. 前記電磁アクチュエータは、請求項１に係るアクチュエータである、請求項３８に記載の方法。
43. 前記アクチュエータは、引き込み力対アクチュエータ変位の所定のプロフィールを有しており、
    前記方法は、与えられたアーマチャーの変位で前記引き込み力を補償するため前記速度フィードバックループを動作する工程を更に備える、請求項３８に記載の方法。
44. 電磁バルブ作動システムであって、
    バルブを開閉するように構成された、請求項１に係る電磁アクチュエータと、
    前記バルブの１つ以上の作動状態についての情報を受け取り、磁場を発生させるため前記コイルに制御信号を送るように構成されたコントローラと、
    を備え、
    前記磁場は、前記アーマチャーアッセンブリを前記中央極部の長さ方向軸に対して移動させ、
    前記制御信号は、前記バルブの１つ以上の作動状態についての前記情報に基づいている、電磁バルブ作動システム。
45. 前記１つ以上の作動状態には、バルブ速度が含まれている、請求項４４に記載の電磁バルブ作動システム。
46. 前記１つ以上の作動状態には、バルブ位置が含まれている、請求項４４に記載の電磁バルブ作動システム。
47. 前記コントローラは、前記バルブの速度及び位置の両方についての情報を受け取り、前記バルブの位置を定めるため、速度フィードバック制御及び位置フィードバック制御を選択的に適用する、請求項４４に記載の電磁バルブ作動システム。
48. 内燃エンジンであって、
    チャンバーを形成するシリンダーと、
    前記チャンバー内への液体若しくはガスの流れ又は該チャンバーからの液体若しくはガスの流れを制御するように構成されたバルブと、
    前記バルブに連結された電磁アクチュエータであって、開口部を形成する内側表面を有するステーターアッセンブリを備える、前記電磁アクチュエータと、
    を備え、
    前記ステーターアッセンブリは、
    該ステーターアッセンブリの前記内側表面の近傍に配置されたコイル巻きコンダクターであって、該コイル巻きコンダクターは、電流が印加されたとき第１の磁場を発生するように構成される、前記コイル巻きコンダクターと、
    高い透磁率と長さ方向軸とを有する材料から形成される中央極部と、
    前記ステーターアッセンブリの開口部内に少なくとも部分的に配置され、永久磁石を有するアーマチャーアッセンブリであって、該アーマチャーアッセンブリは、電流が前記コイル巻きコンダクターに印加されたとき前記中央極部の長さ方向軸に平行な方向に移動する、前記アーマチャーアッセンブリと、
    を備える、内燃エンジン。
49. 前記バルブの１つ以上の作動状態についての情報を受け取り、磁場を発生させるため前記コイルに制御信号を送るように構成されたコントローラと、
    を更に備え、
    前記磁場は、前記アーマチャーアッセンブリを前記中央極部の長さ方向軸に対して移動させ、
    前記制御信号は、前記バルブの１つ以上の作動状態についての前記情報に基づいている、請求項４８に記載の内燃エンジン。
50. 前記１つ以上の作動状態には、バルブ速度が含まれている、請求項４９に記載の内燃エンジン。
51. 前記１つ以上の作動状態には、バルブ位置が含まれている、請求項４９に記載の内燃エンジン。
52. 前記コントローラは、前記バルブの速度及び位置の両方についての情報を受け取り、前記バルブの位置を定めるため、速度フィードバック制御及び位置フィードバック制御を選択的に適用する、請求項４９に記載の内燃エンジン。
53. 熱交換器と、前記電磁アクチュエータと該熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成されたポンプと、を備える、冷却回路を更に備える、請求項４８に記載の内燃エンジン。
54. 前記電磁アクチュエータは、前記ステーターアッセンブリの回りに少なくとも部分的に配置された冷却ジャケットを更に備え、該冷却ジャケットは前記電磁アクチュエータと前記熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを形成する、請求項５３に記載の内燃エンジン。
55. 前記中央極部は、前記電磁アクチュエータと前記熱交換器との間で冷却流体を循環させるように構成された１つ以上のチャンネルを更に備える、請求項５３に記載の内燃エンジン。

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