JP2006324399A - アクチュエータおよびアクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 起磁力が小さくても、大きな駆動電磁力を得られるアクチュエータを提供するものである。
【解決手段】 励磁コイル１１に電流を流して、固定子１及び可動子２で構成される磁気回路を励磁して磁束を生成し、発生した電磁力によって可動子を直線運動させるものにおいて、固定子１と可動子２の間に設けられ、固定子と可動子の間の初期ギャップよりも小さい初期ギャップを固定子又は可動子の間に形成する可動磁性部材２１ａ、２１ｂを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば電磁開閉器の可動部を駆動する構成のように、電磁力によって可動子が往復運動をするアクチュエータおよびアクチュエータ駆動装置に関する。

従来のアクチュエータでは、ソレノイド状またはレーストラック状の励磁コイルに電流を流して磁気回路を励磁して磁束を生成し、発生した電磁力によって可動子を直線運動させるもので、その両端の位置で可動子を固定する、いわゆるラッチすることが必要とされるのが普通である。
可動子をラッチする方法には、励磁コイルに電流を流し続けて電磁力によって固定する方法、機械的なラッチ機構を設ける方法がある。しかし、前者の電磁力による方法の場合には、ラッチの期間が長いと消費する電力が無視できず、特に電池で駆動する場合には電池の消耗が速いという問題がある。このため、励磁コイルに電流を流し続ける方法に変わり、永久磁石の磁力でラッチする方法が用いられる場合もあった。
また、機械的なラッチ機構は複雑な機械構造部が必要となるためにアクチュエータが大きくかつ重くなり、また、故障の原因になりやすいという問題がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３７４６１号公報

このような従来のアクチュエータにあっては、可動子を直線運動させる駆動電磁力を得るには、励磁コイルに通電して起磁力を発生する必要があり、これによる駆動電磁力はギャップの大きい駆動初期には小さく、ギャップが小さくなるラッチ直前に急激に増加する特徴があった。このため、大きな起磁力を必要とするという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、起磁力が小さくても、大きな駆動電磁力を得られるアクチュエータを得ることを目的としている。

この発明に係るアクチュエータにおいては、励磁コイルに電流を流して、固定子及び可動子で構成される磁気回路を励磁して磁束を生成し、発生した電磁力によって可動子を直線運動させるものにおいて、固定子と可動子の間に設けられ、固定子と可動子の間の初期ギャップよりも小さい初期ギャップを固定子又は可動子の間に形成する可動磁性部材を備えたものである。

この発明によれば、この可動磁性部材を取り付けたことにより、駆動初期の磁気的等価ギャップが小さくなるため、大きな駆動電磁力が得られる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１.
図１はこの発明の実施の形態１におけるアクチュエータを示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３はこの発明の実施の形態１におけるアクチュエータの動作を説明するための断面模式図、図４はこの発明の実施の形態１におけるアクチュエータの駆動電磁力の計算結果を示す比較特性図である。

図１、図２において、１は互いに対向する左右一対のＥ字形固定子、２は互いに対向する一対の固定子１の間に配置され、図１中の上下方向に往復運動する可動子、３ａ、３ｂは可動子２の上下端部に設けられ、可動子２の動きを外部に伝える軸、１１ａ、１１ｂは可動子２を動かすための励磁コイル、５は可動子２と固定子１の磁気回路を構成するためにＥ字形固定子１の中間部に配置された中心ヨーク、６は可動子２と中心ヨーク５の間に配置された永久磁石である。固定子１および可動子２は必要に応じて磁性体のバルク材や積層鉄心などで構成する。また、永久磁石６の幅は、図２に示すように、対向する可動子２の幅よりも小さくするとともに、可動子２の回転防止のために、永久磁石６の両側部でかつ中心ヨーク５の可動子２と対向する面の両端部に非磁性部材からなるスペーサ１３が設置されている。
固定子１の軸３ａ、３ｂが貫通する部分には、軸方向に動く筒状の可動磁性部材２１ａ、２１ｂが設けられ、可動子２と固定子１の間のギャップ部に突き出しており、可動磁性部材２１ａ、２１ｂはバネ２２ａ、２２ｂでギャップ内に突き出す方向の力がかかっており、突き出す長さの最大は可動磁性部材２１ａ、２１ｂの反突出端側に設けられた鍔部が固定子１の軸３ａ、３ｂの貫通部周縁に当接することにより拘束されている。さらに、可動磁性部材２１ａ、２１ｂの突出端部には可動子２と直接接触することを防止するためのスペーサ２３ａ、２３ｂが配置されている。なお、２６ａ、２６ｂは固定子１の軸３ａ、３ｂの貫通部周縁に設けられ、上記可動磁性部材２１ａ、２１ｂをギャップ内に突き出す力をかける上記バネ２２ａ、２２ｂの一端を固定するためのストッパである。

上記のように構成されたアクチュエータの動作を、図３により説明する。可動子２が図３の下の位置でラッチされている場合の固定子１と可動子２のギャップ長２４をＸ0、可動子２が図３の下の位置でラッチされている場合の可動磁性部材２１ｂと可動子２のギャップ長２５をＸ1とし、Ｘ1＜Ｘ0とする。通常、固定子１と可動子２の当接面積は、固定子１と可動磁性部材２１ａ、２１ｂの当接面積より、大きくすることが適当である。初期状態では、永久磁石６の発生する磁束７により、可動子２は固定子１の下側の初期位置にラッチされている（図３ａ参照）。可動子２を上方向に駆動するには、励磁コイル１１ｂに通電して、永久磁石６の下側を回る磁束７を弱めるとともに、ギャップ部に磁束を発生する。この時、励磁コイル１１ｂからみた磁気抵抗ギャップは、可動磁性部材２１ｂ部のＸ1と、可動子２部のＸ0となる。磁気抵抗はギャップ長に比例するので、励磁コイル１１ｂの磁束８、９は可動磁性部材２１ｂに集中され、主に可動磁性部材２１ｂを介して、固定子１に到達し、ここで大きな駆動電磁力が得られる（図３ｂ参照）。この電磁力で可動子２が上方向に駆動されると、可動磁性部材２１ｂがスペーサ２３ｂに接触する際には、可動子２と固定子１のギャップも小さくなる。この状態では、可動磁性部材２１ｂは磁気的に飽和しており、可動子２と固定子１のギャップに磁束９が流れるため、この時の駆動電磁力は、可動磁性体２１ｂが無い場合より、若干低い程度である。さらに、可動子２が上方向に駆動されると、可動子２と固定子１のギャップが小さくなり、大きな駆動電磁力を発生する（図３ｃ参照）。最終的に、可動子２が固定子１の上面にラッチされると、可動子２と固定子１のギャップはほぼゼロとなるが、可動磁性部材２１ｂと固定子１のギャップはスペーサ２３ｂで確保されるため、永久磁石６の発生する磁束は可動磁性部材２１ｂを経由せず、可動子２と固定子１間には十分なラッチ力が発生する（図３ｄ参照）。

これらの動作を数値計算で確認したものが、図４(a)であり、可動子２と固定子１の初期ギャップＸ0が１２mm、可動磁性部材２１ｂと可動子２の初期ギャップＸ1が９mm、スペーサ２３ａ、２３ｂが０．５mm、固定子１と可動子２の当接面積は２０００mm²、固定子１と可動磁性部材２１ａ、２１ｂの当接面積は６８０mm²とし、上下対称とした場合である。可動子２に下方向に働く力をＦz（N）とし、励磁コイル１１ａに通電していない場合と、１４００AT、２８００AT、および４２００ATを発生した場合を示し、ギャップゼロは可動子２が固定子１の下側にラッチされている場合、ギャップ１２mmは上側にラッチされている場合である。比較のため、可動磁性部材２１ａ、２１ｂが無い場合の計算結果も図４(b)に示した。可動磁性部材２１ａ、２１ｂが無い場合、励磁コイル１１に通電すると、可動子２と固定子１のギャップで発生する磁束が決まるため、可動子２が上方向に動くにつれ、駆動電磁力は大きくなる。可動磁性部材２１ｂがある場合、可動子２が可動磁性部材２１ｂのスペーサ２３ｂに接するギャップ８．５mm時に大きな駆動電磁力が得られ、さらに可動子２が上方向に移動すると、一旦駆動電磁力低下した後、再び大きくなる。例えば駆動電磁力１０００N以上は、コイル１１ｂの起磁力が４２００ATの場合はギャップ５mm〜１２mmの範囲で得られる。一方、可動磁性部材２１ａ、２１ｂが無い場合は、ギャップ７mmから１２mmの範囲で駆動電磁力１０００N以上となり、可動磁性部材２１による駆動電磁力の増加が確認できた。
また、ギャップが広い場合の駆動電磁力は、例えばギャップ２mm位置で比較すると、可動磁性部材２１ａ、２１ｂが無い場合の−４００Nから、可動磁性部材２１ａ、２１ｂがある場合は−５８０Nへと増加した。これらにより、可動磁性部材２１ａ、２１ｂによる駆動電磁力増加が確認できた。

このように可動磁性部材２１ａ、２１ｂを可動子２と固定子１のギャップに設けることにより、駆動時の等価ギャップを減少させることが出来るため、強力な駆動電磁力を得ることができる。
また、永久磁石６を無くし、ラッチ力を励磁コイル１１で発生する場合でも、同様の動作である。
また、可動磁性部材２１は、軸３ａ、３ｂ方向にスライドさせたが、回転運動としても良い。
また、この発明のアクチュエータを開閉器の駆動部に適用すると、駆動初期においても大きな駆動距離が大きくても必要なく動力が得られるので、開極距離の大きい開閉器が得られる。
また、この発明のアクチュエータを昇降機のブレーキに適用すると、駆動力が大きいため、ブレーキ動作の速い昇降機が得られる。

実施の形態２.
図５はこの発明の実施の形態２におけるアクチュエータを示す断面図である。
上記実施の形態１においては、可動磁性部材２１ａ、２１ｂを上下両側のギャップ部にそれぞれ１箇所配置したが、この実施の形態２では、可動磁性部材２１ａ、２１ｂを片側（上側）のギャップ部に複数設け、それらの初期磁気ギャップを変えたものである。可動磁性部材２１ａは可動子２の上部空隙部内に設けられたバネ２２ａで上方に付勢されかつ軸３ｂが筒状部に貫通されている。また可動磁性部材２１ｂは、可動磁性部材２１ａの外側でかつ固定子１の上部に設けられ、可動子２と固定子１の間のギャップ部に突き出している。この構成によれば、可動子２の駆動電磁力が、広いギャップ範囲で、強力となる。
また、可動磁性部材２１ａ、２１ｂは、固定子１側のみ、可動子２側のみ、または図５のようにその両方に設置することができる。可動磁性部材２１ａ、２１ｂを可動子２側のみに設けた場合、固定子１外部への突起物は軸３ａ、３ｂのみになるため、アクチュエータの固定が容易になる。また、可動磁性部材２１ａ、２１ｂを固定子１側のみに設けた場合、可動磁性部材２１ａ、２１ｂの動きを外部から確認できるとともに、可動磁性部材２１ａ、２１ｂの故障の際の交換が容易である。

実施の形態３.
図６はこの発明の実施の形態３におけるアクチュエータを示す断面図である。
上記実施の形態１においては、可動磁性部材２１ａ、２１ｂを上下両側に対称に配置したが、この実施の形態３では、可動磁性部材２１ａは図１と同様であるが、可動磁性部材２１ｂは可動子２の上部空隙部内に設けられたバネ２２ａで上方に付勢されかつ軸３ｂが筒状部に貫通されている。可動磁性部材２１ａ、２１ｂの初期ギャップの異なる可動磁性部材２１ａ、２１ｂを、両側のギャップに設けたものである。これにより、外部の負荷に応じ、適正な駆動電磁力を確保できる。

実施の形態４.
図７はこの発明の実施の形態４におけるアクチュエータを示す断面図である。
上記実施の形態１においては、可動子２が固定子１のギャップでのみラッチされるが、この実施の形態４では、左右一対のＥ字形固定子１を背中合わせに構成し、この背中合わせの固定子１の両側に可動子２ａ、２ｂを配置し、固定子１と各側の可動子２ａ、２ｂの間に中央に１個の可動磁性部材２１ｂが設けられ、左右両側部に２個の可動磁性部材２１ａが設けられ、計６個の可動磁性部材を備えている。そして、固定子１の両側２箇所のギャップ部の力でラッチされる方式であり、励磁コイル１１の発生する磁束は、固定子１の中央から可動子２に移り、可動子２から固定子１の両側から戻る磁路を構成する。また、可動子２ａと可動子２ｂは、独立して動いても良いし、軸などで一体化しても良い。
これにより、可動子２が固定子１と接している場合、ギャップが中央と外側の２箇所あるので、２倍の強さのラッチ力が得られる。可動子２を励磁コイル１１で駆動する場合には、ギャップを２箇所通るので、通常大きな起磁力を必要とするが、ギャップ部に、可動磁性部材２１、３１を挿入したので、駆動に必要な起磁力が小さく、ラッチ力の大きなアクチュエータが得られる。

実施の形態５.
図８はこの発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図である。
上記実施の形態４においては、可動子２ａ、２ｂを駆動するためのギャップが２箇所あるが、この実施の形態５では、片側のギャップにスライドギャップ４１を設け、スライドギャップ長は、可動子２と固定子１が当接した場合より大きく、可動子が固定子から離れた位置にある場合のギャップよりも小さく設定した。さらに、可動磁性部材２１を、中央のギャップ部に設けた。
可動子２の駆動時には、スライドギャップ４１を磁束が通るため、略中央のギャップのみ磁気抵抗とみなせる。また、可動子２が固定子１と接している場合には、スライドギャップ４１を通る磁束は小さくなる。
これにより、駆動に必要な起磁力がさらに低減でき、可動子２が固定子１と接している場合のラッチ力の大きなアクチュエータが得られる。

この発明の実施の形態１におけるアクチュエータを示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態１におけるアクチュエータの動作を説明するための断面模式図である。 この発明の実施の形態１におけるアクチュエータの駆動電磁力の計算結果を示す比較特性図である。 この発明の実施の形態２におけるアクチュエータを示す断面図である。 この発明の実施の形態３におけるアクチュエータを示す断面図である。 この発明の実施の形態４におけるアクチュエータを示す断面図である。 この発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１ 固定子
２、２ａ、２ｂ 可動子
３ａ、３ｂ 軸
５ 中心ヨーク
６ 永久磁石
７ 永久磁石による磁束
８ 磁性部材を通る励磁コイルによる磁束
９ 励磁コイルによる磁束
１１ａ、１１ｂ 励磁コイル
１３ 非磁性部材からなるスペーサ
２１ａ、２１ｂ 可動磁性部材
２２ａ、２２ｂ バネ
２３ａ、２３ｂ スペーサ
２４ 可動子と固定子の初期ギャップ
２５ 可動磁性部材と固定子の初期ギャップ
２６ａ、２６ｂ ストッパ
４１ スライドギャップ

Claims (15)

1. 励磁コイルに電流を流して、固定子及び可動子で構成される磁気回路を励磁して磁束を生成し、発生した電磁力によって可動子を直線運動させるアクチュエータにおいて、
   前記固定子と可動子の間に設けられ、前記固定子と可動子の間の初期ギャップよりも小さい初期ギャップを固定子又は可動子の間に形成する可動磁性部材を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
2. ２以上の可動子と固定子のラッチ箇所を有し、少なくとも一方のラッチ箇所のギャップに可動磁性部材を設けたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 永久磁石の磁束でラッチ力を得る２以上の可動子と固定子のラッチ箇所を有し、少なくとも一方のラッチ箇所のギャップに可動磁性部材を設けたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 永久磁石の幅を、それに対向する可動子の幅よりも小さくし、永久磁石の両側に可動子が軸に対して回転した際に接触する非磁性部材を設けたことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
5. １個のギャップ中に複数の可動磁性部材による初期ギャップを有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. ２箇所のギャップの初期ギャップを変えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 可動磁性部材は、可動子に組み込まれたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 可動磁性部材とアクチュエータ軸を同軸上に配置したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 可動磁性部材は、固定子に組み込まれたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 可動磁性部材と可動子もしくは固定子間に、初期ギャップより小さく、当接ギャップより大きいギャップ部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 可動磁性部材は、初期ギャップを小さくする方向に外力を受け、この位置以上の変位に対しては拘束されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 磁路中に少なくとも２以上のギャップを有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
13. 磁路中に少なくとも２以上のギャップを有し、少なくとも一方にスライドギャップを設けたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 請求項１〜請求項１３のいずれかに記載のアクチュエータを開閉器の駆動部に用いたことを特徴とするアクチュエータ駆動開閉器。
15. 請求項１〜請求項１３のいずれかに記載のアクチュエータを昇降機の制動装置の駆動部に用いたことを特徴とするアクチュエータ駆動ブレーキ装置を有する昇降機。

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