JP2014509069A - 電磁装置、およびこの電磁装置を備える電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波数での制御を必要とし、かつコイルの表皮効果の低減によって、ジュール効果による損失を少なくすることができる電磁装置を提供する。
【解決手段】 この電磁装置（４）は、互いに磁気的に結合された２つのコイル（８、１０）を備えており、第１の動作モードにおいて可動部材（６）の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換を行うことができる。２つのコイル（８、１０）の各々は、そのコイル（８、１０）の表皮効果の低減のために、互いに絶縁された複数の導体を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁石を用いるタイプの電磁装置に関する。本発明は、さらに、この電磁装置を備える電磁アクチュエータにも関する。

より詳細には、本発明は、自動車において使用される電磁アクチュエータの分野に関する。

電磁アクチュエータは、電磁弁の制御、インジェクタの制御、または電気自動車やハイブリッド自動車用のモータの制御などのために、自動車に頻繁に使用されている。

本明細書においては、電磁アクチュエータとは、電気的な制御に応答して動作する装置を意味している。一般に、電磁アクチュエータは、電流が通過するときに、可動部材の変位を引き起こす、少なくとも１つのインダクタ（すなわち自己インダクタ）を備えている。

電磁弁の制御の場合には、一般に、電磁アクチュエータに２つの電磁石が設けられている。すなわち、一方の電磁石は、電磁弁を開くために、他方の電磁石は、電磁弁を閉じるために充てられる。電磁弁は、２つの電磁石の間のエアギャップ内に配置されているフラップに機械的に接続される。フラップは、電磁石が磁化されると、電磁力によって、電磁石のいずれか一方に引きつけられ、また、ばねの作用によって、エアギャップの中央に戻される。約１２０ｋＨｚまでの高周波数で電磁石中を流れる電流を制御するために、一般に、マイクロコントローラにより、ＰＷＭ（「パルス幅変調」）信号を算出する。

電磁アクチュエータの制御は、一般に、直流電圧源を用いて行なわれる。したがって、この電磁アクチュエータを４象限で制御するために、Ｈブリッジタイプの構成を採用する必要がある場合が多い。

さらに、電磁アクチュエータの制御を促進するために、インダクタの端子間に過電圧を印加して、電磁アクチュエータがより高速に動作するようにすることが有用である場合が多い。

多くの過電圧発生装置（すなわち昇圧装置）が公知である。

このような過電圧発生装置は、一般に、電磁アクチュエータのインダクタが配置されているＨブリッジに接続される。

しかしながら、これによって、用いられる部品数が増加する。そのため、小型化およびコスト削減のために、部品数を削減する試みがなされている。

したがって、用いられる部品数をあまり増加させることなく、Ｈブリッジの端子間に過電圧を発生させることができる種々の技術的解決方法の開発がなされている。

これに関連して、本発明の出願人は、電磁アクチュエータの制御と、電圧の昇圧とをともに可能にする装置を開発する研究に取り組んだ。その結果、電磁アクチュエータの部品を、過電圧を発生させるためにも用いることによって、スペースの節約を可能にした。

より正確には、本発明の出願人は、互いに磁気的に結合された２つのコイルを有し、第１の動作モードにおいて可動部材の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換を確実に行なうことができる電磁装置を開発している。

しかしながら、このような電磁装置の作動には、コイルの導体の温度を著しく上昇させて、ジュール効果による損失を生じることが判明している。この新規な構成においては、電圧変換が必要であるため、電磁装置を、非常に高い周波数において制御しなければならず、この損失は、一層深刻になる。

本発明は、上述の欠点を改善することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明は、互いに磁気的に結合された２つのコイルを備えており、第１の動作モードにおいて可動部材の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換を行うことができる電磁装置であって、２つのコイルの各々は、そのコイルの表皮効果の低減のために、互いに絶縁された複数の導体を有する構造を呈している電磁装置を提供するものである。

さらに、このような構造を採用することによって利点が得られるのは、互いに磁気的に結合された２つのコイルを備えており、第１の動作モードにおいて可動部材の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換を行うことができる電磁装置の場合に限定されない。

実際、可動部材を、特に並進運動を行うように駆動するために、電磁アクチュエータの電磁石のコイルの表皮効果を低減させるように、互いに絶縁された複数の導体を有する構造を呈しているコイルを用いることは、特に、電磁アクチュエータが、非常に高い周波数で電力を供給される場合には、それ自体で１つの発明である。

２つのコイルの間に、電力供給源に接続されるようになっている中間端子が設けられていることが好ましい。

２つのコイルの中間端子に電力供給源を接続することによって、可動部材の制御に影響を及ぼすことなく、過電圧を発生させることができる。

さらに、このような構造によって電磁装置に利点を得られるのは、コイルが、可動部材の駆動と電圧変換との両方を行うことができる場合に限定されない。

実際、電力供給源に接続されるように作られている中間端子が中間に配置されており、各コイルが、表皮効果の低減のために、互いに絶縁された複数の導体を有する構造を呈している、磁気的に結合された２つのコイルを用いることは、特に、電磁装置が、非常に高い周波数で電力を供給される場合には、それ自体で１つの発明である。

２つのコイルは、同一のターン数を有しており、したがって、中間端子が中点に存在することが好ましい。

電力供給源が中間端子に接続されると、電力供給源から電力を供給する電流が、２つのコイルに互いに逆向きに、かつそれぞれの電流が流れるコイルのターン数に比例した値を有して流れる。したがって、第１のコイルと第２のコイルとに、互いに逆向きの電流が流れると、それらの電流による効果は互いに打ち消し合うように作用し、また２つの電流の比は、第１のコイルと第２のコイルとのターン数の比に等しくなる。したがって、第１のコイルと第２のコイルとで、同一のターン数が用いられると、２つのコイルによって生成される起電力は、全体として見ると０である。

一実施形態によれば、導体は、リッツワイヤを形成するように撚り合わされた、円形断面を有するストランドである。

リッツワイヤは、高周波電流の伝播に特に好適である。

２つのコイルの各ターンにおいて、ストランドは、８〜１６の範囲の撚りピッチ数、特に１２の撚りピッチ数を有していることが好ましい。

実際、この撚りピッチ数を選択することによって、ターンを周回させるために、リッツワイヤに対して必要とされる柔軟性の確保と、リッツワイヤを構成しているストランドがほどける危険性の最小化との間に、良好なバランスを得ることができる。

リッツワイヤを形成している、撚り合わされたストランドの数は、５〜１２の範囲であり、特に７であることが好ましい。実際、この選択によって、リッツワイヤの抵抗、したがって損失を低下させるために可能な限り大きいことが望ましい、リッツワイヤの総断面積と、電磁装置に組み込むために最小化しなければならない、コイルの太さとの間に、良好なバランスを得ることができる。

リッツワイヤは、約１ｍｍ^２の断面積を有していることが好ましい。この断面積は、電磁弁の制御周波数に、特に適合する。

一変形例によれば、導体は、帯状銅である。この変形例の場合には、より少ない絶縁材しか用いられない。したがって、コイルを、より良好に導体で満たすことができる。

用いられる帯状銅の厚さは、０．４〜０．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。

一つの変形実施形態によれば、２つのコイルは、ともに長方形のターンを有している。この実施形態は、１個の電磁弁の駆動に、特に好適に適用することができる。

一変形実施形態によれば、２つのコイルは、ともに正方形状のターンを有している。この変形実施形態は、単一の電磁弁の駆動に、特に好適に適用することができる。

本発明は、さらに、本発明の電磁装置を備えている、弁の電磁アクチュエータを提供するものである。

以下において、添付図面を参照して、より詳細ではあるが、非限定的な、本発明のいくつかの実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による電磁装置を備えている電磁アクチュエータの回路図である。 本発明の第１の実施形態による電磁装置のコイルの部分図である。 図２のコイルにおけるリッツワイヤの、Ａ−Ａ線における拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態による電磁装置のコイルの部分図である。

図１は、第１の動作モードにおいて可動部材の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換、特に昇圧を確実に行なうことができる電磁装置４を備えている電磁アクチュエータ２を示している。

可動部材は、例えば順次駆動される、自動車のエンジン用の電磁弁である。電磁弁は、その開位置において、電磁装置４に押し当てられ、閉位置において、電磁装置４から隔てられるようになっているフラップ、すなわち可動部材６を備えている。

電磁装置４は、それぞれインダクタンスＬ１およびＬ２を有する２つのコイル８および１０を備えている。２つのコイル８および１０は同じターン数を有し、Ｌ１＝Ｌ２であることが好ましい。

コイル８および１０は、理論的には、同じインダクタンスＬ１＝Ｌ２を有しているが、実際には、それぞれ漏れインダクタンスＬｆ１およびＬｆ２をも有している。これらの漏れインダクタンスは、過電圧の発生の際に磁化される。

しかしながら、これらの漏れインダクタンスＬｆ１およびＬｆ２は非常に小さく、したがって、可動部材６の駆動のための、電磁アクチュエータ２の制御を乱すことはない。さらに、インダクタンスＬ１およびＬ２の効果は、互いに打ち消し合う。したがって、昇圧により、電磁アクチュエータ２の動作が乱されることはない。

２つのコイル８および１０には、２つのコイル８および１０に対して共通である磁心が結合されている。

２つのコイル８と１０との間に、中間端子１２が存在している。Ｌ１＝Ｌ２であるから、この中間端子１２は、この実施形態においては、中点である。

電力供給源１４が、中間端子１２に接続されている。この実施形態においては、電力供給源１４の電圧は１２Ｖである。

電力供給源１４から電流Ｉ_Ｂを供給することによって、キャパシタである負荷１６の端子間電圧を昇圧させる（すなわち、過電圧を発生させる）ことができる。

例えばＭＯＳトランジスタから成る４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いて電流Ｉ_Ｂを制御することによって、昇圧を調整することができる。

コイル８および１０、および４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、Ｈブリッジを形成している。すなわち、２つのコイル８および１０はＨブリッジの水平バーを、２つのスイッチング素子Ｑ１およびＱ３はＨブリッジの第１のアームを、２つのスイッチング素子Ｑ２およびＱ４はＨブリッジの第２のアームを、それぞれ形成している。

負荷１６は、Ｈブリッジの第２のアームに並列に接続される。

昇圧は、実際には、次のようになされる。
− 漏れインダクタンスＬｆ１およびＬｆ２の磁化のために、スイッチング素子Ｑ３およびＱ４を閉じる。
− 次いで、漏れインダクタンスＬｆ１およびＬｆ２に蓄積されている磁気エネルギーは、キャパシタである負荷１６内に放出され、それによって、負荷１６の端子間電圧が昇圧することができるように、スイッチング素子Ｑ３およびＱ４が開かれ、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２が閉じられる。

さらに、可動部材の駆動のために、２つのコイル８および１０を流れる電流を制御する必要がある。実際に制御される電流Ｉ_Ｂは、第１のコイル８を流れる電流と、第２のコイル１０を流れる電流との差に等しい。

したがって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いて、２つのコイル８および１０を流れる電流の差を制御することによって、電磁アクチュエータ２を制御することができる。

実際には、スイッチング素子Ｑ２およびＱ４を開いているときに、スイッチング素子Ｑ１およびＱ３を閉じることによって、およびその逆を行うことによって、電磁アクチュエータ２の制御に必要な電流が得られる。

この構成の欠点は、コイル８および１０の導体に損失が生じるということである。

この点に関して注目すべきは、本発明においては、２つのコイル８および１０は、互いに絶縁された複数の導体を有する構造を呈しており、したがって、コイルの表皮効果を低減させて、ジュール効果による損失を少なくすることができるということである。

第１の実施形態によれば、２つのコイル８および１０の導体は、リッツワイヤを形成するように撚り合わされた、円形断面を有するストランド（導電素線）で形成されている。

図２は、特に１５〜２５の範囲のターン数、例えば２０のターン数を有する、リッツワイヤ２０から成る巻線で作られたコイル８（または１０）の一部分を示している。

各ターンは、例えば長方形形状を呈しており（図２では、一方のコイルの半分しか示されていない）、したがって、コイル８および１０は、２つの電磁弁のための電磁アクチュエータに組み込まれるように適合化されている。

図示しない一変形例によれば、各ターンは、正方形を呈しており、したがって、コイル８および１０は、単一の電磁弁のための電磁アクチュエータに組み込まれるように適合化されている。

このリッツワイヤ２０は、撚り合わされた５〜１２本の範囲のストランドを有している。好適な一例によれば、リッツワイヤ２０は、図３に明白に示されているように、撚り合わされた７本のストランドを有している。

リッツワイヤ２０の、撚り合わされた７本のストランドは、中心のストランド２２、およびこの中心のストランド２２を囲む６本のストランド２４、２６、２８、３０、３２、３４を構成するように配置されている。

リッツワイヤ２０は、１ｍｍ^２の断面積を有することが好ましい。

好適な一実施形態によれば、リッツワイヤ２０の各ストランドの撚りピッチ数は、１ターン当たり１２になるように定められる。すなわち、１ターンの全長が約１７ｃｍであれば、撚りピッチは１４ｍｍになる。

この選択によって、ターンを周回させるために、リッツワイヤ２０に対して必要とされる柔軟性を得ることができるとともに、リッツワイヤ２０を構成しているストランドがほどける危険性を最小にすることができる。

図４に示す第２の実施形態によれば、コイル８および１０は、複数の帯状銅４０から成る巻線で作られている。帯状銅４０の数は、１５〜２５の範囲内にあり、例えば２０である。

各帯状銅４０の厚さｅは、０．４〜０．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。

当然ながら、他のいくつかの実施形態も想定することができる。

２ 電磁アクチュエータ
４ 電磁装置
６ 可動部材
８、１０ コイル
１２ 中間端子
１４ 電力供給源
１６ 負荷
２０ リッツワイヤ
２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４ ストランド
４０ 帯状銅
ｅ 厚さ
Ｉ_Ｂ 電流
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子

Claims (10)

1. 互いに磁気的に結合された２つのコイル（８、１０）を備えており、第１の動作モードにおいて可動部材（６）の駆動を、第２の動作モードにおいて電圧変換を行うことができる電磁装置（４）であって、前記２つのコイル（８、１０）の各々は、該コイル（８、１０）の表皮効果の低減のために、互いに絶縁された複数の導体を有している電磁装置。
2. 前記２つのコイル（８、１０）の間に、電力供給源（１４）に接続されるようになっている中間端子（１２）が設けられている、請求項１に記載の電磁装置。
3. 前記２つのコイル（８、１０）は、同一のターン数を有しており、したがって、前記中間端子（１２）は中点に存在する、請求項２に記載の電磁装置。
4. 前記導体は、リッツワイヤ（２０）を形成するように撚り合わされた、円形断面を有するストランド（２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁装置。
5. 前記２つのコイル（８、１０）の各ターンにおいて、前記ストランドは、８〜１６の範囲の撚りピッチ数を有している、請求項４に記載の電磁装置。
6. 前記リッツワイヤ（２０）を形成している、撚り合わされたストランドの数は、５〜１２の範囲にある、請求項４または５に記載の電磁装置。
7. 前記リッツワイヤ（２０）は、約１ｍｍ^２の断面積を有している、請求項４〜６のいずれか１項に記載の電磁装置。
8. 前記導体は、帯状銅（４０）である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁装置。
9. 前記２つのコイル（８、１０）の各々は、矩形形状のターンを有している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電磁装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁装置（４）を備えている電磁弁アクチュエータ（２）。

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