JP2006152881A - 電磁往復動流体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性アーマチュアが、対向配置した磁極部材間に間歇的に生起する磁力によって吸引駆動され、コイルバネによって押し戻されて往復動されるピストンが、コイルバネによる回転を受けないようにする。
【解決手段】
磁力によって磁極部材１０，１２間に吸引されたときの磁性アーマチュア２８が、軸線の周りでの所定の回動角度位置にきたときに、コイルバネ３０による回転トルクと反対向きの回転トルクを磁力から受けて、当該磁性アーマチュア２８がコイルバネによって回動されるのを阻止するようにした。具体的には、アーマチュア２８を全体として円形断面とし、軸線に平行にされた面取り部分２８´を設け、該面取り部分が磁極部材間に入るときに上記磁力による回転トルクを受けるようにした。
【選択図】 図５

Description

本発明は、インダクションコイル及び対向配置された磁極を備える磁気回路と、インダクションコイルを間歇的に励磁することによって磁極間に磁力を間歇的に生起させ、磁性アーマチュアを該磁力によって吸引駆動させ、磁性アーマチュアに連結したピストンを往復動させるようにしたポンプやコンプレッサなどの電磁往復動装置に関する。

図１及び図２は、そのようなポンプやコンプレッサとして使われる電磁往復動流体装置の概要図である。

図示のように、この装置は磁極部材１０，１２の周りに巻かれたインダクションコイル１６，１８及び半波整流器２０を備える励磁回路と、シリンダ２２内で摺動可能とされたピストン２４と、該ピストン２４のロッド部分に取り付けられた磁性アーマチュア２８と、ピストン２４を図で見て右方へ付勢するコイルバネ３０とを有する。

励磁回路に交流電圧がかけられて該励磁回路に間歇的に電流が流されると、インダクションコイルが間歇的に励磁されて磁極部材１０，１２間に磁力が生起されたときには、磁性アーマチュア２８が左方へ吸引されてピストン２４が左方へ駆動され、消磁されときにはコイルバネ３０によって該ピストン２４が右方へ駆動されることにより、当該ピストン２４が往復動されるようになっている。シリンダ２２には、一対のチェックバルブ３２，３４が設けられており、ピストン２４が往復動されることによって該チェックバルブ３２，３４が交互に開閉し、それによって流体が、ハウジング３６に形成された流体入口３８から流入し、流体出口４０から流出するようになっている。

図３及び図４は、電磁往復動流体装置の具体的構成の１例を示している。
すなわち、この装置では、図１及び図２で示したものと同様に、磁極部材１０，１２、インダクションコイル１６，１８、図３に示すようなシリンダ２２、ピストン２４、アーマチュア２８、コイルバネ３０、チェックバルブ３２，３４、流体入口３８及び流体出口４０を備えたハウジング３６を備えている。このような電磁往復動流体装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

図４は、磁性アーマチュア２８と磁極部材１０，１２との関係を示している。すなわち、磁極部材１０，１２はほぼ四角形の磁性材からなる磁気回路部材４１の左右両側部分から相互に対向するように突出する部分から形成されており、該部分の周囲にインダクションコイル１６，１８が巻回されている。磁極部材１０，１２の相互に対向する面１０´、１２´は、両部材間の中心を垂直に通る軸線を中心とした円に沿った円弧状面とされており、磁性アーマチュア２８は同軸線を中心とした円形断面を有するようにされている。

図３に示すように、コイルバネ３０はピストンロッド２６と、ハウジング３６側の支持部材３６−１との間に設定されている。すなわち、コイルバネ３０の左端は、ピストンロッド２６の後端部に圧入固定され、コイルバネ３０の右端は、バネ座３０−１に圧入固定され、該バネ座は、支持部材３６−１の半球面状の先端に回転可能に支持されている。

このような構造の装置において、インダクションコイル１６，１８が間歇的に励磁されると、前述のように該インダクションコイル１６，１８が生起する磁気吸引力とコイルバネ３０のバネ力とによってピストン２４が図で見て左右方向に往復動されることになるが、コイルバネ３０は伸縮するたびに、ピストン２４にその軸線を中心にした一定方向での回転トルクを与え、このため、該ピストン２４は、往復動するたびに少しずつ回動されるようになる。以下の説明のため、図においては、時計方向に回動されるものとする。
特公昭５７-３０９８４号

そのようなピストンの変位があると、次のように問題が生じる。
すなわち、ピストン２４の周囲には、シリンダ２２の内周面との摺動をスムースにするためにストリップ状のライナー４４が巻かれて接着されているが、該ライナーの両端縁４４−１，４４−２は図３に示すように相互に補完する鉤型とされている。

ピストンが往復動に伴って上記のように間歇的に回動され、ライナー４４の両端縁４４−１，４４−２間の鉤型の継目が、シリンダ２２のチェックバルブ３２が設けられている位置に来ると、該継目を通して流体の漏れが生じ、大きな騒音が生じるのである。

本発明は、そのような騒音の発生を防止するために、ピストン、従ってアーマチュアを所定の角度位置に維持し、上記従来装置におけるような回動が生じないようにすることを目的とする。

すなわち、本発明に係る磁気往復動流体装置は、
ピストンロッド、及び、該ピストンロッドに取り付けられた磁性アーマチュアを備えるピストンであって、当該ピストンの長手方向軸線に沿って往復動可能とされたピストンと、
前記軸線に対して直交する方向で間隔をあけた一対の磁極部材を備えた磁気回路であって、間歇的に励磁されて磁極部材間に磁力を生起し、前記アーマチュアを吸引して前記ピストンを前記軸線方向で駆動する磁気回路と、
該磁気回路による前記ピストンの吸引駆動方向と反対方向に該ピストンを付勢するコイルバネと
を備え、
前記磁気回路の磁力と前記コイルバネの付勢力とによって前記ピストンが前記軸線方向で往復動される毎に、コイルバネにより加えられる回転トルクにより該ピストンが所定方向に回転駆動されるようになされた磁気往復動流体装置において、
前記磁力によって前記磁極部材間に吸引されたときの前記磁性アーマチュアが、前記軸線の周りでの所定の回動角度位置にきたときに、前記コイルバネによる回転トルクと反対向きの回転トルクを前記磁力から受けて、当該磁性アーマチュアが前記所定方向に回動されるのを阻止するようにした磁気的特性を有するようにされていることを特徴とする。具体的には、当該アーマチュアの回動に伴う前記磁極部材間のパーミアンスの変化率に応じて前記磁力によって生起される、コイルバネによる回転トルクとは反対向きの回転トルクを受けて当該アーマチュアの回動が阻止される。

前記アーマチュアは
前記軸線を中心とした一定の角度範囲をなす第１の角度範囲部分と、
第１の角度範囲部分とは異なる角度範囲をなす第２の角度範囲部分とを有し、
第１の角度範囲部分が前記磁極部材間の磁気回路内にあるときは、前記コイルバネにより前記ピストンにかけられる回転トルクにより前記所定方向へ回転駆動されるが、第２の角度範囲部分が前記磁極部材間の入るときには該コイルバネによる前記回転トルクに抗してピストンを前記所定方向と反対方向に駆動する回転トルクが前記磁極部材間の磁力によって生起させられるようにする磁気的特性を有するようにされる。

より具体的には、
前記アーマチュアを全体として円形断面とし、前記軸線に平行にされた面取り部分を設け、該面取り部分を前記第２の角度範囲部分とし、他の部分を前記第１の角度範囲部分とすることができる。

また別の具体例では、
前記アーマチュアを全体として円形断面とし、前記軸線を中心にした所定角度位置に当該アーマチュアを貫通する貫通孔を設け、該貫通孔を含む角度部分を前記第２の角度範囲部分とし、他の部分を前記第１の角度範囲部分とすることができる。

以下、本発明に係る電磁往復動流体装置の実施形態につき図５及び図８を用いて説明する。

本発明に係る電磁往復動流体装置の全体的構成は、図３に示したものと実質的に同じとされるが、磁性アーマチュア２８の断面を上述の従来装置のものとは異なり真円ではないものとする。

図５は、その第１の実施形態を示している。すなわち、この実施形態においては、アーマチュア２８の断面を、該アーマチュアの軸線方向に沿って面取り部分２８´を設けた形状としている。

アーマチュア２８の断面を図示のようにすると、ピストンが往復動されても、該アーマチュア２８はほぼ図示の回転方向位置に維持されることが確かめられた。
このようになることは、以下のように説明することができる。

Ａ．回転トルクＴと電磁エネルギーＷとの関係
アーマチュア２８の回転による電磁エネルギーWの変化分をdWとすると、
力Fは
Ｆ＝ｄＷ／ｒｄθ （Ａ−１）
とあらわすことができる。
ここで、ｒはＦが作用する点からトルクの作用する中心までの距離であり、ｄθはそのときの変位角である。
回転トルクＴは周知のように
Ｔ＝Ｆｒ （Ａ−２）
とあらわすことができる。
従って、Ｔは上記（Ａ−１）、（Ａ−２）式より、
Ｔ＝ｄＷ／ｄθ （Ａ−３）
とあらわされることになる。

Ｂ．磁気回路における電磁エネルギーＷ
コイルを含む回路においてコイルに蓄えられる電磁エネルギーWは周知の通り、
Ｗ＝１／２ＬＩ² （Ｂ−１）
とあらわされる。
ここで、Ｌはコイルの自己インダクタンス、Ｉは回路に通される電流である。
環状コイルの自己インダクタンスＬは、周知のように
Ｌ＝ＰＮ² （Ｂ−２）
とあらわされる。ここで、Ｐはパーミアンスである。
したがって、磁気回路に蓄えられる電磁エネルギーＷは、（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、の式から
Ｗ＝１／２(ＮＩ) ²Ｐ （Ｂ−３）
とあらわされることになる。
したがって、回転トルクＴは、上記（Ａ−３）、（Ｂ−３）の式から、
Ｔ＝１／２(ＮＩ) ²ｄＰ／ｄθ （ＡＢ−１）
とあらわすことができる。

Ｃ．図５に示したアーマチュア２８では、面取り部分２８´が形成されており、従って、このアーマチュア２８が、その軸線を中心に回転すると、磁極部材１０，１２間の空隙部も変化し、従って、空隙部のパーミアンスＰも変化する。

今、空隙部の変化とパーミアンスの変化との関係を明らかにするために、図６（a）に示すごとき磁極部材１０，１２とアーマチュア２８とのモデル化した関係を考える。すなわち、アーマチュア２８は、半径ｒ₁の部分と、半径ｒ₂の凹部とを有するものとする。そして、式を簡略化するために、図６（b）に示すごとき半径ｒ₁の部分を一方の磁極部材１０に摺接するようにした状態で、磁極部材１２と半径ｒ₁の部分及び半径ｒ₂の凹部との間に生じる空隙がそれぞれδ₁、δ₂、アーマチュア２８の中心軸線と磁極部材１２の（図で見て）上下端縁とのなす角度がγとなるものとした場合において、アーマチュアが反時計方向に回動して、凹部がその一端から磁極部材１０、１２間の磁気回路中に入るようになることを想定し、その場合の、該一端と磁極部材１２の（図６で見て）上端縁とのなす角度をθとするものとする。このときの磁極部材間における空隙部のパーミアンスＰは、δ₁,δ₂≪ｒ₁、ｒ₁≒ｒ₂≒ｒを条件として
Ｐ＝μｒ（γ−θ）ｔ／δ₁＋μｒθｔ／δ₂ （Ｃ−１）
とあらわされる。
ここで、μは真空の透磁率、ｔはアーマチュア及び磁極部材の厚さである。
ここで、Ｐのθ変化に伴う変化量は、
ｄＰ／ｄθ＝−μｒｔ／δ₁＋μｒｔ／δ₂
＝μｒｔ（δ₁−δ₂）／δ₁δ₂ （Ｃ−２）
となる。
上記（ＡＢ−１）と（Ｃ−２）との式から、アーマチュアに係るトルクＴを求めると、
Ｔ＝１／２・（ＮＩ）²ｄＰ／ｄθ
＝１／２・（ＮＩ）²・μｒｔ（δ₁−δ₂）／δ₁δ₂ （Ｃ−３）
となる。

ここで、（Ｃ−３）におけるＮ、μ、ｒ、ｔ、δ₁、δ₂は全て定数であり、ＩはＩ＝Ｉ_maxsinωt＝Ｉ_rmsで、ある条件下で一定であり、トルクＴは一定となる。
また、凹部が磁極部材１０，１２間に入らない状態においては、磁極部材間における空隙部のパーミアンスＰは、
Ｐ＝μｒγｔ／δ₁
となり、この場合のＰは、アーマチュアの変位角に関係なく一定でθの関数ではなくなり、
従って、Ｔ＝１／２・（ＮＩ）²ｄＰ／ｄθとしてあらわされるトルクも
Ｔ＝０
となる。

従って、θ＝０になる前後におけるトルクＴは、図７のようになる。
以上から分かることは、アーマチュアの磁気回路に関与する部分が該アーマチュアの軸線の周りでの変位を生じても、磁極部材１０，１２間のパーミアンスＰに変化が生じない場合（すなわち、パーミアンスがアーマチュアの回転角の関数とならない場合）には、磁気回路から当該アーマチュアに作用するトルクは零となる。従って、その場合は、アーマチュアは、コイルバネによってかけられる回転トルクに従って回転させられる。図４に示す従来装置におけるアーマチュアの回転はこのようにして生起されていたと考えることができる。

これに対し、アーマチュアの軸線の周りでの角度変位に伴って、アーマチュアの磁気回路に関与する部分が、該磁気回路に対するパーミアンスの変化を生じるような場合には（すなわち、パーミアンスがアーマチュアの回転角の関数となる場合には）、当該アーマチュアには回転トルクがかかることになる。この場合の回転トルクは、前述のＴ＝１／２・（ＮＩ）²・μｒｔ（δ₁−δ₂）／δ₁δ₂における（δ₁−δ₂）項により、アーマチュアに対して時計方向及び反時計方向のいずれかの方向に作用するものとなる。詳細は省略するが、具体的には、アーマチュアの回転変位によって磁極部材間のパーミアンスが増大する方向に作用するものとなり、図５の例では、時計方向に回動してきたアーマチュア２８は、その面取り部分２８´が磁極部材１０，１２間に入ろうとすると、パーミアンスが減少する方向に動くことになるので、その動きに対向する方向へ磁力による回転トルクが作用することになる。従って、このときの磁力による回転トルクを、コイルバネ３０によりアーマチュア２８にかけられる回転トルクより大きくなるように設計することにより、アーマチュアはその面取り部分２８´が磁極部材１０，１２間に入ると押し戻され、また、該面取り部分２８´が磁極部材１０，１２の間から押し出されると磁力による回転トルクはゼロとなって、再び時計方向に回動されるようにすることができる。図５に示す例において、面取り部分２８´が図示のような位置に保持されるのは、このようなコイルバネ３０による回転トルクと磁極部材１０，１２間での磁力による回転トルクとによりもたらされる平衡状態によるものである。

図８は、本発明に係る装置におけるアーマチュア２８の他の実施形態を示す。このアーマチュア２８では、前述の面取り部分に換えて、アーマチュア２８の軸線方向に延びる貫通孔２８´´を設けている。この場合も、アーマチュア２８がコイルバネ３０により時計方向に回動されてきて、貫通孔２８´´が磁極部材１０、１２間に入ってくる場合、パーミアンスＰは、貫通孔２８´´の角度位置によって変化することになるので、磁力による回転トルクを受けることになる。具体的には、貫通孔２８´´が磁極部材１０、１２間に入ってくるとパーミアンスはそれまでよりも減少するの、磁力による回転トルクは、パーミアンスを増大する方向、すなわち、当該アーマチュアを反時計方向に回動しようとする方向に作用することになり、従って、アーマチュアはほぼ図示の角度位置に保持されることになる。

以上、本発明に係る磁気往復動流体装置の実施形態を示したが、アーマチュアはこれら実施形態のものに限定されるものではない。上記面取り部分や貫通孔２８´は、その形状に限らず、磁性アーマチュア２８の軸線を対称軸として、磁気抵抗的に対称形にならないものも含む。また、例えば、上記実施形態におけるアーマチュアは全体として断面が真円状とされ、面取り部分や貫通孔２８´が設けられていない部分が磁極部材間にあるときは磁力による回転駆動力が生じず、それによって、アーマチュア及びピストンは、コイルバネによる回転駆動力により一定方向に回動されるものとした。しかし、この部分は必ずしも真円状のものである必要は無く、要は、その部分が磁極部材間にあるときに磁力による回転トルクが生じるものであっても、その回転トルクがコイルバネによってかけられる回転トルクより小さいものであればトルクによる回動は生じるのであり、それによって、当該アーマチュアが所定の角度まで回動し、上記面取り部分や貫通孔２８´が設けられたような部分が磁極部材間に入ってきたときに、当該コイルバネによる回転トルクに抗する同回転トルクよりも大きな回転トルクが磁力によって生じさせられるようにすればよいのである。

磁気往復動流体装置の概要図であり、流体が当該装置内に吸引流入される状態を示している。 同概要図であり、流体が装置から排出される状態を示している。 従来の磁気往復動流体装置の縦断側面図である。 図３におけるIV-IV線断面図である。 本発明に係る磁気往復動流体装置における図４と同様の断面図である。 本発明に係る磁気往復動流体装置を説明するためのアーマチュアと磁極部材との関係を示す図である。 図６ａのアーマチュアと磁極部材との関係を説明のため簡略化して示した図である。 本発明に係る磁気往復動流体装置におけるアーマチュアに作用する磁力による回転トルクの変化を示す図である。 本発明に係る磁気往復動流体装置の第２の実施形態を示す図５と同様の断面図である。

符号の説明

１０，１２ 磁極部材
１６，１８ インダクションコイル
２２ シリンダ
２４ ピストン
２８ アーマチュア
２８´ 面取り部分
２８´´ 貫通孔
３０ コイルバネ
３２，３４ チェックバルブ
３６ ハウジング
３８ 流体入口
４０ 流体出口
４１ 磁気回路
４４ ライナー
４４−１，４４−２ ライナーの両端縁

Claims (4)

1. ピストンロッド、及び、該ピストンロッドに取り付けられた磁性アーマチュアを備えるピストンであって、当該ピストンの長手方向軸線に沿って往復動可能とされたピストンと、
   前記軸線に対して直交する方向で間隔をあけた一対の磁極部材を備えた磁気回路であって、間歇的に励磁されて磁極部材間に磁力を生起し、前記アーマチュアを吸引して前記ピストンを前記軸線方向で駆動する磁気回路と、
   該磁気回路による前記ピストンの吸引駆動方向と反対方向に該ピストンを付勢するコイルバネと
   を備え、
   前記磁気回路の磁力と前記コイルバネの付勢力とによって前記ピストンが前記軸線方向で往復動される毎に、コイルバネにより加えられる回転トルクにより該ピストンが所定方向に回転駆動されるようになされた磁気往復動流体装置において、
   前記磁力によって前記磁極部材間に吸引されたときの前記磁性アーマチュアが、前記軸線の周りでの所定の回動角度位置にきたときに、前記コイルバネによる回転トルクと反対向きの回転トルクを前記磁力から受け、当該磁性アーマチュアが前記所定方向に回動されるのを阻止するようにした磁気的特性を有するようにされていることを特徴とする磁気往復動流体装置。
2. 前記アーマチュアが
   前記軸線を中心とした一定の角度範囲をなす第１の角度範囲部分と、
   第１の角度範囲部分とは異なる角度範囲をなす第２の角度範囲部分とを有し、
   第１の角度範囲部分が前記磁極部材間の磁気回路内にあるときは、前記コイルバネにより前記ピストンにかけられる回転トルクにより前記所定方向へ回転駆動されるが、第２の角度範囲部分が前記磁極部材間の入るときには該コイルバネによる前記回転トルクに抗してピストンを前記所定方向と反対方向に駆動する回転トルクが前記磁極部材間の磁力によって生起させられるようにする磁気的特性を有するようにされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気往復動流体装置。
3. 前記アーマチュアが全体として円形断面とされ、前記軸線に平行にされた面取り部分を有し、該面取り部分を前記第２の角度範囲部分とし、他の部分を前記第１の角度範囲部分としたことを特徴とする請求項２に記載の磁気往復動流体装置。
4. 前記アーマチュアが全体として円形断面とされ、前記軸線を中心にした所定角度位置に当該アーマチュアを貫通する貫通孔が設けられ、該貫通孔を含む角度部分を前記第２の角度範囲部分とし、他の部分を前記第１の角度範囲部分としたことを特徴とする請求項２に記載の磁気往復動流体装置。

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