JP2012530380A - ソレノイドコイル - Google Patents
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Abstract
電流により励磁可能なソレノイドは、磁化可能な磁極材料で構成されている磁極片と、ソレノイドに電流が流されると移動可能となるアーマチュアと、電磁石コイルとから構成されている。ソレノイドが励磁されると電流がコイルに流れる。コイルは中央開口部を有している。中央開口部には、磁極片が少なくとも部分的に挿入されている。中央開口部の直径は、電磁石コイルの上方の端部および下方の端部の方よりも中央部の方で小さくなっていてもよい。電磁石コイルの中央開口部の上方の内側端部または下方の内側端部のうちの少なくとも一方には、面取り部またはRが成形されてもよい。この電磁石コイルが励磁されるときに生じる磁束は、中央開口部の転移領域における飽和が標準的なコイルと比べて軽減されている強化流路を形成する。
【選択図】図3
【選択図】図3
Description
本出願は、2009年6月15日に申請された米国仮特許出願第61/187,101号および2010年4月23日に申請された米国非仮特許出願第12/799,424号の優先権を主張するものである。
本発明は、一般的に比例ソレノイド型およびオン/オフソレノイド型のソレノイド弁に関するものであり、特に強化磁束路を有しているソレノイド弁用のコイルの設計に関するものである。
本発明と関連するタイプのコイルは弁要素に取り付けられており、この弁要素は、アーマチュアが静止磁極片に対して移動することにより移動するようになしてある。磁極片とアーマチュアとの間の力は、ソレノイド弁の磁極片、アーマチュア、シェルおよびコアを含む回路を磁束が通ることによるインダクション(誘導)によって増大される。
1つのタイプである公知かつ従来型のソレノイド駆動弁では、磁性材料からなるプランジャーがソレノイド内で摺動可能となっている。バネまたは他の付勢手段によりプランジャーは弁座と接触するように付勢されている。ソレノイドに電流が加えられていない場合、弁はバネにより閉じたまま維持される。電流が流れ、ソレノイドが励磁されると、磁力がバネに逆らって作用し、プランジャーを弁座とは反対の方向に移動させる。磁力がバネの力を超えると、プランジャーは、弁座との接触を断ち、離れた位置へ移動し、弁が完全に開かれる。このタイプの弁は、開弁位置と閉弁位置との2つの基本位置を有している。
また、比例型の弁は、ソレノイド内のコイルに加えられる電流に比例して流体の流量が変わる他のタイプの弁のことである。このような弁は、オン状態とオフ状態との間の急減期な変化よりも流量の段階的な変化が好ましい用途において望ましい。比例型の弁に対しては、複数の設計が提案されている。参照することによりその全内容を本明細書に援用する、エヴェレット(Everett)に付与された米国特許第4,463,332号(’332特許)には、公知になっている比例型の弁の一例が記載されている。’332特許に記載の比例型の弁は、電磁石コイルと磁極片と有しているソレノイドを備えている。磁極片は電磁石コイル内に設けられており、また、アーマチュアは、磁極片の近くに設けられ、磁極片からコアギャップだけ分離されている。磁極片はネジ式嵌め合いを用いてソレノイド内に取り付けられ、また、このネジ式嵌め合いを調節してコアギャップを調節することができる。アーマチュアは、アーマチュア保持器によって適所に保持されている。また、一対の板ばねがアーマチュア保持器とアーマチュアとの間に保持されている。また、’332特許に記載のソレノイドは、磁極片内に前もって決められた磁束密度のフィールドを形成すための、コイルを取り囲んでいる環状の永久磁石をさらに備えている。’332特許に記載のソレノイド組立体は、ボール弁を用いる弁組立体と結合されていることが示されている。
参照することによりその全内容を本明細書に援用する、エヴェレットら(Everett et al.)に付与された米国特許第4,767,097号には、’332特許に記載の比例型の弁と類似しているものの異なるボール弁組立体およびハウジングを用いている比例型の弁が開示されている。
参照することによりその全内容を本明細書に援用する、ディアラキュビッツら(Dzialaliewicz et al.)に付与された米国特許第6,974,117号には、比例制御を備えた比例型の弁が開示されている。この弁では、磁極片とアーマチュアとにより、電磁石コイルを流れる電流の量に比例して変わるギャップが形成されている。アーマチュアは、異なる直径を有している一対の肩部を有し、異なる直径を有している一対のバネがそれぞれ対応する肩部に対接されている。
本発明の1つの実施形態では、電流により励磁可能なソレノイドは、磁化可能な磁極材料で構成されている磁極片と、ソレノイドを電流が流れると移動可能となるアーマチュアと、電磁石コイルとを備えている。ソレノイドが励磁されると、電流が電磁石コイルを流れる。電磁石コイルは中央開口部を有しており、磁極片は少なくとも部分的に中央開口部内に挿入されている。電磁石コイルの、中央開口部の中央領域に位置する部分の直径は、中央開口部の上方の端部および下方の端部に位置する直径と比べて小さくなっている。
中央開口部の上方の端部および下方の端部では、電磁石コイルは、当該電磁石コイルの内径が中央開口部の上方の端部および下方の端部においてより大きくなるように成形されている。電磁石コイルには、面取り部が、中央開口部の上方の端部および下方の端部の少なくとも一方に隣接して成形されてもよいし、また、電磁石コイルには、面取り部が、中央開口部の上方の端部および下方の端部の両方に成形されてもよい。
電磁石コイルには、Rが、中央開口部の上方の端部および/または下方の端部に成形されてもよい。コイルが励磁されたときに生じる磁束は、電磁石コイルの上方の内側端部および下方の内側端部の転移領域における飽和を標準的なコイルに比べて軽減する強化流路を形成している。磁束路の向上を、面取り部の長さに対するコイルの高さとして計算した場合、0.5%から50%までの向上を実現することが可能である。
本発明の他の実施形態では、ソレノイド内の磁束路を強化する方法は、ソレノイドを提供するステップを有しており、当該ソレノイドが、磁化可能な磁極材料で構成されている磁極片と、ソレノイドを電流が流れると磁極片に対して移動可能となるアーマチュアと、内部を流れる電流を受けるように構成されている電磁石コイルとを備えており、電磁石コイルが、外径と中央開口部に沿って変わる内径とにより特徴づけされ、当該内径は、中央開口部の中央領域における方よりも、中央開口部の上方の端部および下方の端部における方が大きくなっており、さらに、かかる方法は、ソレノイドを電流で励磁するステップと、電磁石コイル、磁極片およびアーマチュアを通る磁束路を形成するステップとを有している。
ソレノイドは、磁束線が、中央開口部の上方の端部および下方の端部に直角の角部を有している標準的なコイルと比べて、中央開口部の上方の端部および下方の端部でより密となっている強化磁束路を有している。
電磁石コイルには、面取り部が、中央開口部の上方の端部および下方の端部のうちの少なくとも一方に沿って形成されてもよいし、また、電磁石コイルには、面取り部が、中央開口部の上方の端部および下方の端部の両方に沿って成形されてもよい。また、コイルには、Rが、中央開口部の上方の端部および下方の端部の少なくとも一方に沿って成形されてもよい。中央開口部の直径の増大領域は、当該中央開口部の長さの0.5%から50%まで及ぶものである。
ソレノイドは、コアをさらに有しており、当該コアの少なくとも一部は、中央開口部における、電磁石コイルとアーマチュアとの間の部分の中まで延びている。あるサイズおよび材料を有する本発明にかかる電磁石コイルは、ある電流が与えられた場合、直角の角部を有する標準的なコイルと比べてアーマチュアに対してより強い引く力を有している。
本発明の他の実施形態では、弁装置は、ハウジングと、弁箱と、流入口および流出口と、電磁石コイルを有しているソレノイドと、磁化材料で形成されている磁極片と、磁極片に対して移動可能なアーマチュアとを備えており、電磁石コイルは、中央開口部を有し、さらに、直径が中央開口部に沿って変わる形態を有している。
中央開口部は、上方の端部および下方の端部を有しており、電磁石コイルには、面取り部またはRが、中央開口部の上方の端部および下方の端部の少なくとも一方に成形されてもよい。
電磁石コイルには、面取り部またはRが、中央開口部の上方の端部および下方の端部の両方に沿って成形されてもよい。
弁装置は、コアを備えることができ、当該コアの少なくとも一部は、中央開口部における、コイルとアーマチュアとの間の部分の中へ延びている。
直径は、中央開口部の長さの0.5%から50%までに及びうる中央開口部の増大した直径領域に比べて、中央開口部の中央領域において小さくなっている。
本発明のさらに他の実施形態では、電流により励磁可能なソレノイドは、ハウジングと、磁化可能な磁極材料で構成されている磁極片と、ソレノイドに電流が流れると移動可能となるアーマチュアと、電磁石コイルとを備えており、電磁石コイルは、ソレノイドが励磁されると、電磁石コイルを流れる電流を受けるように構成されており、電磁石コイルは、上方の端部、下方の端部および環状の外側端部を具備しているおおむねシリンダ形状を有しているとともに、中央開口部を有している。電磁石コイルの一部は、環状の外側端部に対しておおむね平行に中央開口部に沿って延び、電磁石コイルの他の一部は、環状の外側端部に対して非平行に中央開口部に沿って延びている。電磁石コイルには、中央開口部に沿って少なくとも1つの面取り部またはRを形成することができる。
本発明の実施形態および添付の図面の下記説明を参照することで、本発明の上述の特徴および目的ならびにそれらを得るための方法がより明白なものとなるとともに、本発明自体が明確に理解される。
複数の図面にわたって、対応する参照符号は対応する要素を示している。図面は、本発明の実施形態を示しているが、必ずしも同一のスケールであるわけではない。また、本発明をより分かりやすく説明するため、一部の構成要素が誇張されている場合もある。本明細書に記載の具体例は、本発明の実施形態を説明するものであり、いかなる方法であっても本発明の技術範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
本発明の原理を容易に理解できるように、下記の図面に説明されている実施形態を参照する。いうまでもなく、これらにより本発明の技術範囲が制限されるべきではない。本発明の技術分野における当業者が通常考えつくであろう、記載のデバイスおよび方法のいかなる変形例および改良例であっても、また、本発明の原理のいかなる適用であっても本発明に包含されるものとする。
図1を参照すると、全体を指す参照符号10で示されている標準的なまたは従来型のソレノイドが示されている。ソレノイド10は、シェルまたはハウジング12と、コイル状に巻かれた巻線またはコイル14と、磁極片16と、移動可能アーマチャ18と、コア19とを備えている。ソレノイドのコンポーネントは、当該技術分野において公知になっている標準的な材料および設計によりなっている。図1の断面図には、コイル14が電流によって励磁されたときに生じる典型的な磁束線20がさらに示されている。
図面から分かるように、コイル14は直角の角部22を有しているおおむね正方形のまたは矩形状の断面を備えている。この設計により、ソレノイドハウジング12により与えられた空間において、巻線用の最大容積が得られる。しかしながら、この磁気回路は、磁気飽和点がソレノイド10の上方の内径角部22aおよび下方の内径角部22aの近くのそれぞれ対応する転移領域に形成されるという問題がある。これらの飽和点は、コイルを通り、磁極片16およびアーマチュア18の中へと流れる磁気流に影響を与え、抑制するピンチ点として働く。したがって、飽和点は、ソレノイドの効率、ならびに磁極片16およびアーマチュア18を通る磁束路の効率を下げてしまう。
ここで図2を参照すると、本発明の実施形態にかかるソレノイドが、全体を指す参照符号110により示されている。ソレノイド110は、シェルまたはハウジング112と、成形された(contoured)コイル状の巻線またはコイル114と、磁極片116と、アーマチュア118とを備えている。ソレノイド110に用いられている材料は、標準的なソレノイドに用いられているものと類似し、当該技術分野において公知となっている。ソレノイド110が電流で励磁されると、磁束線120がソレノイド110に形成される。磁束線120は、標準的なソレノイド10内の磁束線20とは、コイル114の上方の内径領域および下方の内径領域の転移領域が飽和していないという点において異なっている。このことは、コイル114の成形断面(countoured cross−section)によるものである。この実施形態では、成形断面は、コイルの外径に直角の角部を有している。しかしながら、コイル114は、中央開口部115の上方の部分と下方の部分で異なっていく直径を有している中央開口部115を備えている。コイル114は面取り部(斜面)が形成された角部124a、124bを有しているので、中央開口部115の直径は、面取り部が形成された領域に比べて、中間または中央の領域/区域においてより小さくなっている。図2から明らかなように、磁束線は、コイル110において改善されている。すなわち、磁束が磁極片116およびアーマチュア118において増えている。角部または転移領域における飽和を軽減すると、ソレノイドの与えられたエンベロープ(範囲)における力出力(force output)の潜在力を劇的に向上させることが可能となる。
面取り部が形成された磁路のパーセンテージは、従来のコイル設計に対する引く力の増大に直接関係している。斜面の長さに対するコイルの高さを計算することにより、面取り部を形成した設計により、磁束路が0.5%〜50%まで向上していることが示されている。いうまでもなく、さまざまなR、ステップ、コア/シェル材料の非対称的な追加を用いた他の構成が本発明に用いられてもよい。
1つの実施形態では、従来のコイルは3.8lb/716.4Nを発生するが、これに比べて、本発明にかかる成形コイルを用いたソレノイドは、シェルまたはハウジングのサイズが同一である場合、7.2lb/31.9Nを発生する。
ここで、図3および図3Aを参照すると、本発明にかかる他のソレノイドが、全体を指す参照符号210により示されている。また、全体を指す参照符号211により示されている弁装置内に、ソレノイド210が搭載されていることが示されている。弁装置211およびソレノイド210は、ソレノイド用のシェルまたはハウジング212と、コイル214と、コイル214の中央開口部215と、磁極片216と、アーマチュア218と、コア219とを備えている。それに加えて、弁211は、弁箱230と、弁棒232と、ポート234a、234bと備えている。弁211は公知の設計および公知の材料によるものである。弁棒232は、アーマチュア218に取り付けられ、コイルが励磁/消磁(非励磁)されたとき、公知のように、ポート234aとポート234bとの間の流体の交換をそれぞれ可能/許可するまたは禁止すべく弁を開閉するようにバネにより付勢されるようになっている。
図3Aを参照すると、ソレノイド210が励磁されると、磁束線220がソレノイド内に発生し、成形断面が、面取りされた上方の内側角部224aおよび下方の内側角部224bを有しているため、この転移領域において磁束が飽和することはないようになっている。
ここで図4を参照すると、本発明の他の実施形態にかかるソレノイドが、全体を指す参照符号310により示されている。ソレノイド310は、シェルまたはハウジング312と、成形されたコイル状の巻線またはコイル314と、磁極片316と、アーマチュア318とを備えている。ソレノイド310が電流で励磁されると、ソレノイド310に磁束線320が形成される。この実施形態では、コイル314はコイルの外径に直角の角部を有している。しかしながら、コイル114は中央開口部115を有しており、中央開口部の直径は、その上方の部分およびその下方の部分においてより大きくなっている。直径が変わるのは、中央開口部315の上方の部分および下方の部分でコイルにRが形成されているからである。コイル314はコイル114と同じように機能する。
本発明が上記の実施形態を参照して教示されているが、当業者にとって明らかなように、本発明から逸脱することなく、形態および詳細について変更を加えることができる。たとえば、上述のように、角部に傾斜を付与することに代えて、内径の上方の角部および下方の角部における飽和を軽減するために、湾曲設計または他の代わりの設が用いられてもよい。それに加えて、シェルまたはコアの材料が変更されてもよい。
したがって、記載の実施形態は、例示のみを意図したものであって、限定を意図したものではない。本発明は、請求項およびその等価物によってのみ限定されるものである。
Claims (22)
- 電流による励磁可能なソレノイド(110、210、310)であって、
ハウジング(112、212、312)と、
磁化可能な磁極材料から構成されている磁極片(116、216、316)と、
前記ソレノイド(110、210、310)を電流が流れると移動可能となるアーマチュア(118、218、318)と、
電磁石コイル(114、214、314)とを備えており、
前記電磁石コイル(114、214、314)は、前記ソレノイド(110、210、310)が励磁されると、該電磁石コイルを流れる前記電流を受けるように構成され、
前記電磁石コイル(114、214、314)が中央開口部(115、215、315)を有し、
前記磁極片(116,216,316)が前記中央開口部(115、215、315)内に少なくとも部分的に位置し、
前記中央開口部に沿った前記コイルの内径が、前記中央開口部の中央領域における方が、前記中央開口部の上方の端部および下方の端部におけるよりも小さいことを特徴とする、ソレノイド(110、210、310)。 - 前記電磁石コイル(114、214、314)が、前記電磁石コイル(114、214、314)の成形される部分の内径が大きくなるように、前記中央開口部(115、215、315)の前記上方の端部および前記下方の端部で成形されてなる、請求項1に記載のソレノイド(110、210、310)
- 前記電磁石コイル(114、214)には、面取り部(124a〜b、224a〜b)が、前記中央開口部(115、215)の前記上方の端部および前記下方の端部のうちの少なくとも一方に隣接して形成されてなる、請求項1または2に記載のソレノイド(110、210)。
- 前記電磁石コイル(114、214)には、面取り部(124a〜b、224a〜b)が、前記中央開口部(115、215)の前記上方の端部および前記下方の端部の両方に隣接して形成されてなる、請求項1乃至3のうちのいずれか一項に記載のソレノイド(110、210)。
- 前記電磁石コイル(314)には、R(324a〜b)が、前記中央開口部(315)の前記上方の端部および前記下方の端部で形成されてなる、請求項1または2に記載のソレノイド(310)。
- 前記電磁石コイル(114、214、314)が励磁されるときに発生する磁束(120、220、320)が、標準的なコイル(14)と比べて、前記中央開口部(115、215、315)の前記上方の端部および前記下方の端部の転移領域における飽和を抑制する強化流路を有してなる、請求項1乃至5のうちのいずれか一項に記載のソレノイド(110、210、310)。
- 前記面取り部(124a〜b、224a〜b)の長さに対する前記コイルの高さとして計算した場合、前記磁束路(120、220)が、0.5%から50%まで向上を示してなる、請求項1乃至4および6のうちのいずれか一項に記載のソレノイド(110、210)。
- ソレノイド(110、210、310)内の磁束路(120、220、320)を強化する方法であって、
ソレノイド(110、210、310)を提供するステップを有しており、
前記ソレノイドが、磁化可能な磁極材料から構成されている磁極片(116、216、316)と、前記ソレノイド(110、210、310)を電流が流れると前記磁極片(116、216、316)に対して移動可能となるアーマチュア(118、218、318)と、内部を流れる電流を受けるように構成されている電磁石コイル(114、214、314)とを備えており、前記電磁石コイル(114、214、314)が、外径及び中央開口部(115、215、315)に沿って変わる内径により特徴づけされ、前記内径が、前記中央開口部の中央領域における方よりも、前記中央開口部(115、215、315)の上方の端部および下方の端部における方が大きくなっており、
さらに、
前記ソレノイド(110、210、310)を電流で励磁するステップと、
前記電磁石コイル(114、214、314)、前記磁極片(116、216、316)および前記アーマチュア(118、218、318)を通る磁束路(120、220、320)を形成するステップと
を有する、方法。 - 前記磁束線(120、220、320)が、前記中央開口部の前記上方の端部および前記下方の端部に直角の角部(22a〜b)を有している標準的なコイル(14)と比べて、前記中央開口部(115、215、315)の前記上方の端部および前記下方の端部でより密になっている、請求項8に記載の強化された磁束路(120、220、320)を備えているソレノイド(110、210、310)を提供する方法。
- 前記電磁石コイル(114、214)には、面取り部(124a〜b、224a〜b)が、前記中央開口部(115、215)の前記上方の端部および前記下方の端部のうちの少なくとも一方に隣接して形成されている、請求項8または9に記載の強化された磁束路(120、220)を備えているソレノイド(110、210)を提供する方法。
- 前記電磁石コイル(114、214)には、面取り部(124a〜b、224a〜b)が、前記中央開口部(115、215)の前記上方の端部および前記下方の端部の両方に隣接して形成されている、請求項8乃至10のうちのいずれか一項に記載の強化された磁束路(120、220)を備えているソレノイド(110、210)を提供する方法。
- 前記電磁石コイル(314)には、R(324a−b)が、前記中央開口部(315)の前記上方の端部および前記下方の端部のうちの少なくとも一方に沿って形成されている、請求項8または9に記載の強化された磁束路を備えているソレノイド(310)を提供する方法。
- 前記中央開口部(115、215、315)の直径の増大領域が、前記中央開口部(115、215、315)の長さの0.5%から50%まで及ぶ、請求項8乃至12のうちのいずれか一項に記載の強化された磁束路(120、220、320)を備えているソレノイド(110、210、310)を提供する方法。
- 前記ソレノイド(110、210、310)がコア(119、219、319)を備えており、前記コア(119、219、319)の少なくとも一部分が、前記中央開口部(115、215、315)における、前記電磁石コイル(114、214、314)と前記アーマチュア(118、218、318)との間の部分の中にまで延びている、請求項8乃至13のうちのいずれか一項に記載の強化された磁束路(120、220、320)を備えているソレノイド(110、210、310)を提供する方法。
- ある与えられた電流について、ある与えられたサイズおよび材料を有するコイル(114、214、314)が、前記アーマチュア(118、218、318)に対して、直角の角部(22a−b)を有する標準的なコイル(14)よりもさらに強い引く力を加える、請求項8乃至14のうちのいずれか一項に記載の強化された磁束路(120、220、320)備えているソレノイド(110、210、310)を提供する方法。
- ハウジング(212)と、
弁箱(230)と、
流入口(234a)および流出口(234b)と、
電磁石コイル(214)を有しているソレノイド(210)と、
磁化材料で形成されている磁極片(216)と、
前記磁極片(216)に対して移動可能なアーマチュア(218)とを備えており、
前記電磁石コイル(214)が、中央開口部(215)を有し、さらに、直径が前記中央開口部に沿って変わる形態を有していることを特徴とする、弁装置(211)。 - 前記中央開口部が上方の端部および下方の端部を有しており、前記電磁石コイルには、面取り部またはRが、前記中央開口部(215)の前記上方の端部および前記下方の端部の少なくとも一方に成形されてなる、請求項16に記載の弁装置。
- 前記コイル(214)には、面取り部(224a〜b)またはR(324a〜b)が、前記中央開口部(215)の前記上方の端部および前記下方の端部の両方に沿って成形されている、請求項16または17に記載の弁装置(211)。
- コア(219)をさらに備えており、前記コアの少なくとも一部分が、前記中央開口部(215)における、前記コイル(214)と前記アーマチュア(218)との間の部分の中まで延びてなる、請求項16乃至18のうちのいずれか一項に記載の弁装置(211)。
- 前記直径が、前記中央開口部(215)の長さの0.5%から50%まで及ぶ前記中央開口部(215)の増大した直径領域に比べ、前記中央開口部(215)の中央領域において小さくなっている、請求項16乃至19のうちのいずれか一項に記載の弁装置(211)。
- 電流による励磁可能なソレノイド(110、210、310)であって、
ハウジング(112、212、312)と、
磁極用の磁化材料で構成される磁極片(116、216、316)と、
前記ソレノイド(110、210、310)を電流が流れると移動可能となるアーマチュア(118、218、318)と、
電磁石コイル(114、214、314)とを備えており、
前記電磁石コイルが、前記ソレノイド(110、210、310)が励磁されると、前記電磁石コイル(114、214、314)を流れる前記電流を受けるように構成され、
前記電磁石コイル(114、214、314)が、上方の端部、下方の端部および環状の外側端部を具備しているおおむねシリンダ形状を有しているとともに、中央開口部(115、215、315)を有しており、
前記中央開口部(115、215、315)は、前記電磁石コイル(114、214、314)の一部が前記環状の外側端部に対しておおむね平行に前記中央開口部(115、215、315)に沿って延び、前記電磁石コイル(114、214、314)の他の一部が前記環状の外側端部に対して非平行に前記中央開口部(115、215、315)に沿って延びていることにより特徴づけされてなる、ソレノイド(110、210、310)。 - 前記電磁石コイル(114、214、314)には、少なくとも1つの面取り部(124a〜b、224a〜b)またはR(324a〜b)が前記中央開口部(115、215、315)に沿って成形されてなる、請求項21に記載のソレノイド(110、210)。
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