JP2015223072A - 磁極片配列部材を備えた電気機械式ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械式ソレノイドにおいて、磁極片の配列を維持し磁気回路の空隙を小さくする。【解決手段】電気機械式ソレノイドが、コイル開口部が中に形成されているソレノイドコイルを有するソレノイド組立体を備える。磁極片組立体は、少なくとも部分的にコイル開口部に位置し、磁極片組立体が砂時計状の配列部材の中に少なくとも部分的に位置する第１磁極片および第２の磁極片を有する。第１磁極片が第１孔および該第１孔から離れて延びる第１外側テーパ面を有し、第２磁極片が第２孔および第２孔から離れて延びる第２外側テーパ面を有する。電機子がソレノイドコイルによって発生する磁界に応答して第１孔および第２孔内で移動する。【選択図】図８

Description

本発明は、ソレノイドに関し、さらに詳細には、電機子が間を移動する２つの磁極片を配列させる配列部材を有する電気機械式ソレノイドに関する。

電気機械式ソレノイドは電気エネルギを直線運動に変換する装置である。その有用性の為、ソレノイドは広範な用途に使用される。例えば、一般的に、ソレノイドはバルブを含む機械装置を制御するのに使用される。この用途では、ソレノイドが、一般に空気圧または油圧のバルブの何れかのバルブに機械的に連結されて用いられバルブを操作する。

図１を参照すると、ソレノイド３０は、環状ボビンの周りに巻かれる電磁コイル３２を備える。磁気回路が誘導されて磁極片３６、３８、および可動電機子４０を貫通する。強磁性容器４２によって基本的な磁気回路が完結する。

一般的に、ソレノイド内の部品の配列を維持するために、構成には図１、２に示すように非磁性カップ状筒４４が使用される。筒が開口するかまたは閉鎖するか何れかの構成であるが基本的な目的は同じである。筒４４は、電機子４０が移動するのに均一な滑らかな表面４６を提供しこれによりソレノイド３０の出力のヒステリシスが低減する。筒４４が典型的にはステンレス鋼やアルミニウムなどの非強磁性材料で作られる。さらに後処理すると、表面を移動する電機子の耐久性が改善される。

図２を参照し、この典型的なソレノイドの配列によって磁気回路に４８や５０などの空隙による損失が発生する。この空隙がソレノイドの出力を低下させるのでこの空隙による損失は好ましくない。現状のソレノイドの配列における主要な損失の１つが非磁性カップ状筒４４に起因し、電機子４０および磁極片３６の間に空隙が追加的に形成される。しかしながら、筒４４を外すと、電機子４０のソレノイド内の軸方向の配列が拘束されずにソレノイド出力のヒステリシスを誘発する。

このような磁極片の配列を維持しかつ機能しない空隙を小さくすることが電気機械式ソレノイドの動作を改善させる重要な要素である。

開示する発明は、機能しない空隙を無くしてソレノイド磁気回路における損失を低減する。砂時計状の配列部材が、第１磁極片および第２磁極片に対してセンタリングと配列を提供する。第１磁極片および第２磁極片が適切に配列されると、ソレノイドプランジャが第１磁極片および第２磁極片の孔内で自由にスライドでき、その結果、従来のソレノイドに使用されるカップ状の電機子スリーブが不要となり、カップ状の電機子スリーブに付随する機能しない空隙が無くなる。

本発明の実施形態によれば、電気機械式ソレノイドが、コイル開口部が中に形成されているソレノイドコイルを有するソレノイド組立体を備える。磁極片組立体が、コイル開口部内に少なくとも部分的に位置付けられ、かつ配列部材内に少なくとも部分的に位置する第１磁極片および第２磁極片を有する。第１磁極片が第１孔および該第１孔から離れて延びる第１外側テーパ面を有し、第２磁極片が第２孔および第２孔から離れて延びる第２外側テーパ面を有している。電機子はソレノイドコイルによって誘導される磁界に応じて第１孔および第２孔の中を移動する。

電気機械式ソレノイドの好ましい実施形態において、ソレノイド駆動部がコイル開口部の一方端の中に延びる筒状の内側部のある第１磁極片を有する。第２磁極片がコイル開口部の他端内に延びる筒部を有する。電機子がソレノイドコイルによって誘導される磁界に応じて第１磁極片の筒状内側区分および筒状区分第２磁極片内をスライドする。第１および第２磁極片およびコイルを囲む容器がバルブ本体に圧接して固定される。

従来技術の電磁装置の断面図である。 カップ状筒の一部分で、図１に示すように形成された関連する空隙の拡大図である。 本発明の実施形態に係る電磁ソレノイドの斜視図である。 本発明の実施形態に係る電磁ソレノイドの斜視図である。 本発明の実施形態に係る図３に示すような電磁ソレノイドの実施形態の断面図である。 図５に示すような配列部材および第１の磁極片、並びに第２の磁極片との間に形成された空隙部分の拡大図である。 本発明の実施形態による磁極片組立体の斜視図である。 図７に示すような磁極片組立体の分解図である。 本発明の実施形態に係る、図８に示す砂時計状の配列部材の実施形態の断面図である。 図５に示すような電磁ソレノイドの断面図であって、動作位置におけるソレノイドプランジャは示していない断面図である。

図３〜６を参照し、アクチュエータ容器６２および上型６４を含む典型的な電磁ソレノイド６０が示される。電磁ソレノイド６０は非磁性ボビン６８のソレノイドコイル６６で構成され、該ボビンは、コイル６６の周りに成形された樹脂で通常形成されソレノイド組立体７２を形成する。ソレノイドコイル６６は、従来の方法の可変デューティサイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって駆動されソレノイド６０の出力を変える。ＰＷＭ信号が、上型６４に形成されたコネクタ７４を介して電磁ソレノイド６０に印加され、配線（図示せず）によってソレノイドコイル５８に接続される。

図５〜８を参照すると、電磁ソレノイド６０には、ソレノイド組立体７２により形成されたコイル開口部７０内に少なくとも部分的に位置付けられる磁極片組立体７６がさらに設けられる。磁極片組立体７６には、配列部材１１６内に少なくとも部分的に位置付けられる２つの磁気伝導性磁極片８０、８２、および磁極片８０、８２内に少なくとも部分的に位置付けられるソレノイドプランジャ１４２が設けられる。第１磁極片８０が第１開放端８４および第２閉鎖端８６を有する。第１磁極片８０が、円筒状の第１孔８８、および第１開放端８４から外側に向かって傾斜し円筒状孔８８から離れて延びて第１棚９０を形成する第１外側テーパ面９２を有する。外側テーパ面９２が円錐台形を形成する。Ｏリング（図示せず）は、第１磁極片８０およびボビン６８または容器６２との間に設けられてシールを提供して良い。第２磁極片８２が、第２開口端９４および第２開口端９６を有する。第２磁極片８２が、円筒孔９８、および第２開放端部９４から外側に向かって傾斜し円筒孔９８から離れて延びて円錐台形の形状を有する第２外側テーパ面１０２を備える。第２の閉鎖端部９６における第１開口１０４によって、管状プッシュ部材１０６が第２磁極片８２の第２閉鎖端９６を貫通して延在できる。また、第２開口１０８が設けられて、空気または潤滑剤が孔８８および９８へまたはそこから流れる。いくつかの実施形態において、第２磁極片８２が、外側テーパ面１０２から外側に突出するフランジ１１２を有して良い。第２Ｏリング（図示せず）が、第２磁極片８２とボビン６８との間に設けられてシールを提供して良い。

第１の磁極片８０および第２の磁極片８２を配列させるために、第１の磁極片８０の外周テーパ面９２および第２の磁極片８２の外側テーパ面１０２を同様の形状の配列部材に挿入する。このような配列により、一般的に、第１磁極片８０および第２磁極片８２が配列部材１１６の内部で互いに対向する。第１磁極片８０の開放端８４が第２磁極片８２の開放端９４から離間している。所定の空間または隙間１１８は第１磁極片８０の開放端８４および第２磁極片８２の開放端９４との間に形成される（図６参照）。配列部材１１６がステンレス鋼またはアルミニウムなどの他の非強磁性材料で作られる。

配列部材１１６の内面１２２は、第１端部１２４と第２端部１２６から内向きに傾斜して中央部分１２８を形成し、配列部材１１６が一般的に砂時計状に形成される。第２端部１２６が該第２端部１２６から外側に突出するフランジ１３０を有して良い。中央部分１２８は、第１端部１２４および第２端部１２６での直径１３４よりも小さい中央部分直径１３２を有する（図９参照）。配列部材１１６に挿入される際に、配列部材１１６の内面１２２が第１磁極片８０および第２磁極片８２を中央に位置付けて配列するように働く。具体的には、少なくとも第１磁極片８０の外側テーパ面９２の一部分が配列部材１１６の第１配列部材１３６に挿入され、少なくとも第２磁極片８２の外周テーパ面１０２の一部分が配列部材１１６の第２配列部材１３８に挿入される（図７参照）。その結果、第１磁極片８０および第２磁極片８２が中央に位置付けて配列され、ソレノイドプランジャ１４２がそれぞれ、第１磁極片８０および第２磁極片８２の孔８８および９８の中で自由にスライドし、かつ従来のソレノイドで使用されるカップ状の電機子スリーブが不要となる。カップ状の電機子スリーブが無くなると、該カップ状の電機子スリーブによる空隙も無くなる。配列部材１１６が、第１磁極片８０および第２磁極片８２の内部の配列を維持しつつ、ソレノイドプランジャ１４２が第１磁極片８０および第２磁極片８２上を軸方向に直接に移動するのを可能とし、これにより全体の磁気効率が向上する。

図５〜８を参照すると、電磁ソレノイド６０のソレノイドプランジャ１４２が、少なくとも部分的に孔８８と９８内にスライド可能に位置付けられ、強磁性体の電機子１４４を有する。電機子１４４が筒状の押圧部材１０６が収容される長手方向の開口部１４６を有する。いくつかの実施形態では、電機子の一端または両端が押圧部材１０６に「リングかしめ」される。知られているように、リングかしめは、押圧部材１０６に対して開口の周囲に電機子材料をきつく押圧する電機子端面のくぼみを位置１５２に形成することを含む。押圧部材１０６を電機子１４４内に固定する他の知られている方法でも良い。押圧部材１０６は、配列部材１１６の第２端部１２６および第２磁極片８２の閉鎖端部９６から外方に突出するのが分かる（図７参照）。

プランジャ１４２は、さらに、電機子１４４と一体の転がり軸受１５４を有して良い。軸方向の力は、第１磁極片８０での磁束によってプランジャ１４２に適用され、その軸方向の力により電機子１４４が固着されるのを転がり軸受１５４が防ぐのを補助する。転がり軸受１５４には、複数の長手方向スロット１５６（５つが示されている）が電機子１４４の外面１５８の周りに等間隔に間隔を置いて設けられて良い。別体のクロムメッキ球体１６２が各スロット１５６内に配置される。各球体１６２が、各スロットから突出し第１磁極片８０と接触し各スロット１５６内で回転する。シリンダーなどの回転可能な他の形態や複合が球体１６２に置き換わって用いられて良い。

再び図３〜５を参照し、電磁ソレノイド６０がアクチュエータ容器６２および上型６４内に密閉される。容器６２が、磁性導電性金属で作られ、ソレノイド組立体７２および磁極片組立体７６の周りに延びるように示されている。アクチュエータ容器６２の端部１６４が、第２磁極片８２に隣接し、圧着、接着、溶接または他の方法で密閉ディスク１６６に固定され、例えば開放端１６４を閉じる。第２磁極片８２が第２磁極片開口部１７０に延在する。ディスク１６６が構造支持体を提供し、配列部材１１６内に第２磁極片８２を保持する。反対側の端で、アクチュエータ容器６２が第１磁極片開口部１７２を備え、第１磁極片８０が第１磁極片の開口部１７２に延びる。

配列部材１１６は、第１磁極片８０および第２磁極片８２の１つまたは両方に所定の干渉を提供する大きさである。該干渉が、第１磁極片８０および第２磁極片８２の１つまたは両方に一定の力を発生して、第１磁極片８０をアクチュエータ容器６２に押圧し、および／または第２磁極片８２をディスク１６６に押す。この一定の力は、第１磁極片８０、第２磁極片８２、および配列部材１１６間の接触および配列を維持するのを補助し、その結果、これらの構成要素間の空隙を低減するのを補助して、磁気効率がさらに改善される。

上型６４が容器６２の外面の少なくとも一部分の上に適用される。上型６４が１つまたは複数のタブ１７４を含む。各タブ１７４が開口１７６を含んで良く、電磁ソレノイド６０が装置（図示せず）に固定されて動作する。前述したように、ソレノイドが電気エネルギを直線運動に変換する能力を有して広範な用途に用いられる。例えば、ソレノイドは、流体の流れを制御するバルブまたは他の機械装置を制御するのに一般的に使用される。

さらに図３〜５を参照すると、電磁ソレノイド６０は、ソレノイドコイル６６を金型に配置することで作られ、ボビン６８用に溶融樹脂が金型に注入され、ソレノイドコイルを封止する。ソレノイド７２が硬化した後、第１磁極片８０が配列部材１１６に沿ってソレノイド組立体７２の中に配設される。電機子１４４が次いで第１磁極片８０の第１孔８８に配設される。第２磁極片８２が次いで筒状押圧部材１０６を貫通させて、ソレノイド組立体の中に配設される。組み立てられたソレノイド組立体７２および磁極片組立体７６が次いで容器６２の中に挿入される。次に、ディスク１６６が容器６２の開放端１６４に位置付けられ容器６２の中に固定される。上型６４が容器６２の外側面の少なくとも一部分の上に適用され、その結果、電磁ソレノイド６０の組立体が完成する。

使用する際、ソレノイドコイル６６に適用される電流が所定量流れると、電機子１４４および筒状押圧部材１０６が動く。ソレノイドコイル６６に電流が流れないとき、電磁ソレノイドが機械的駆動のために連結された装置によって筒状部材１０６に適用される付勢力により、一般的に、電機子１４４および筒状押圧部材１０６が第１位置１８０（図５参照）に付勢される。ソレノイドコイル６６に所定量の電流が流れると、誘導された磁力が電機子１４４および筒状押圧部材１０６を第１位置１８０から第２位置（図１０参照）に動かす。誘導された磁力およびその結果の電機子１４４および筒状押圧部材１０６の動作はソレノイドコイルに流す電流の量を制御することで制御される。これにより、機械的駆動のために電磁ソレノイドが連結された装置へ制御可変の力が筒状押圧部材１０６を介して適用される。

本明細書の上方および下方または上下等の方向関係および移動は、図面に例示された方向に部品の関係または移動を参照しているが、機械に取り付けられるように部品の方向であるとは限らない。

上記の説明は本発明の好適な実施形態を主に指した。本発明の範囲内で種々の代替に注目すれば、本発明の実施形態の開示から今や明白となる追加的な代替を当業者なら実施できるであろう。したがって、本発明の範囲は次の特許請求の範囲から判断され上記の開示に限定されない。

Claims (32)

1. コイル開口部が中に形成されているソレノイドコイルを有するソレノイド組立体と、前記コイル開口部の中に少なくとも部分的に位置付けられた磁極片組立体と、を備えた電気機械式ソレノイドであって、
   前記磁極片組立体が、配列部材の中に少なくとも部分的に位置付けられた第１磁極片並びに第２磁極片、および電機子を備え、
   前記第１磁極片に、第１孔、および該第１孔から離れるように延びる第１外側テーパ面が設けられ、
   前記第２磁極片に、第２孔、および該第２孔から離れるように延びる第２外側テーパ面が設けられ、
   前記電機子が、前記ソレノイドコイルによって誘導される磁界に応じて前記第１孔および前記第２孔の中で移動する
   ことを特徴とする電気機械式ソレノイド。
2. 前記配列部材が砂時計状とされることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式ソレノイド。
3. 前記第１磁極片が、第１開放端、および前記第１孔を画定する第１閉鎖端を有し、第２磁極片が、第２開放端、および第２孔を画定する第２閉鎖端を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械式ソレノイド。
4. 前記配列部材が、第１端および第２端から内側に傾斜して中央部分を形成する内面を有し、該中央部分が前記第１端の直径および前記第２端の直径よりも小さい中央部分直径を有し、前記配列部材が、前記第１外側テーパ面の少なくとも一部を受容するための第１配列部材、および前記第２外側テーパ面の少なくとも一部を受容するための第２配列部材を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械式ソレノイド。
5. 前記第１磁極片および前記第２磁極片が前記配列部材に着座するときに、前記第１開放端および第２開放端が互いに対向し、前記第１開放端および前記第２開放端が、第１開放端および第２開放端間の隙間を画定することを特徴とする請求項４に記載の電気機械式ソレノイド。
6. 一方の端部に第１磁極片開口、および反対側の端部に第２磁極片開口を有する容器をさらに備え、
   前記第１磁極片が、前記第１磁極片開口に延在し、前記第２磁極片が前記第１磁極片開口に延在することを特徴とする請求項１に記載の電気機械式ソレノイド。
7. 前記配列部材が、前記第１磁極片および前記第２磁極片の一方または両方に所定量だけ干渉して、前記第１磁極片および前記第２磁極片の一方または両方に対抗する力を発生し、前記第１磁極片および前記第２磁極片の少なくとも一方を前記容器に押圧することを特徴とする請求項６に記載の電気機械式ソレノイド。
8. ソレノイドを使用する組立体であって、
   第１端を有し、第１孔および前記第１端から外方に傾斜する第１外側面を画定する第１磁極片と、
   第２端を有し、第２孔および前記第２端から外方に傾斜する第２外側面を画定する第２磁極片と、
   部材第１端および部材第２端から内側に傾斜する内面を有する配列部材であって、中央部分が前記部材第１端の直径および前記部材第２端の直径よりも小さい中央部分直径を有し、前記配列部材が前記第１磁極片の前記第１外側面の少なくとも一部分を受容する第１配列部材、および前記第２磁極片の前記第２外側面の少なくとも一部分を受容する第２配列部材を形成する配列部材と、が設けられている配列部材と、
   を備えていることを特徴とする組立体。
9. 前記第１孔および前記第２孔内で移動できる電機子がさらに設けられたことを特徴とする請求項８に記載の組立体。
10. 前記電機子に、該電機子の端部から延在する押圧材が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の組立体。
11. 前記電機子に、ローラ軸受が該電機子の外面に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の組立体。
12. 前記ローラ軸受が前記第１孔に少なくとも部分的に接触していることを特徴とする請求項１１に記載の組立体。
13. 前記第２磁極片に、第１開口が第２閉鎖端に設けられ、該第１開口によって前記筒状押圧材が前記第２閉鎖端を貫通することを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
14. 開口を有するコイルがさらに設けられ、前記組立体が該開口の中に挿入可能とされることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
15. 前記電機子が、前記コイルによって誘導される磁界に応じて前記第１孔および第２孔内で移動可能とされることを特徴とする請求項１４に記載の組立体。
16. 前記第１外側面が前記第１端から外方に傾斜すると共に、第１棚を形成することを特徴とする請求項８に記載の組立体。
17. 前記第２外側面が前記第２端から外方に傾斜すると共に、前記第２外側面から外方に突出するフランジを形成することを特徴とする請求項８に記載の組立体。
18. 前記第１磁極片および前記第２磁極片が前記配列部材に着座するときに、前記第１端および前記第２端間に隙間が形成されることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
19. 前記配列部材が砂時計状とされることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
20. 前記配列部材に前記部材第２端から外方に突出するフランジが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
21. 前記配列部材の前記内側面が前記配列部材内に挿入されると、前記第１磁極片および前記第２磁極片が中央に位置付けられることを特徴とする請求項８に記載の組立体。
22. 電気機械式ソレノイド組立体であって、
    容器と、
    前記容器内に少なくとも部分的に位置付けられ、非磁性ボビンソレノイドコイルを有する、コイル開口部を形成するソレノイド組立体と、
    前記コイル開口部内に少なくとも部分的に位置付けられ、砂時計状の配列部材内に少なくとも部分的に位置付けられた第１導磁性磁極片、第２導磁性性磁極片、および電機子を有する磁極片組立体であって、前記第１導磁性磁極片が第１孔を画定する第１開放端および該第１孔から離れる方向に延在する第１外側面を有し、前記第２磁極片が第２孔を画定する第２開放端および該第２孔から離れる方向に延在する第２外側面を有し、前記電機子が前記ソレノイドコイルによって発生される磁界に応じて前記第１孔および前記第２孔の中で移動可能とされる磁極片組立体と、
    を備えることを特徴とする電気機械式ソレノイド組立体。
23. 前記第１磁極片および前記第２磁極片が前記配列部材に着座したときに、前記第１開放端および前記第２開放端が前記配列部材の中で対向し、隙間が前記第１開放端および前記第２開放端間に画定されることを特徴とする請求項２２に記載の組立体。
24. 前記容器の外側面の少なくとも一部分の上に適用される上型を有し、該上型が開口を備えた少なくとも１つのタブを有することを特徴とする請求項２２に記載の組立体。
25. 前記配列部材が非磁性材料で作られていることを特徴とする請求項２２に記載の組立体。
26. 前記電機子が筒状押圧部材を有することを特徴とする請求項２２に記載の組立体２６。
27. 前記配列部材が、第１端および第２端に向かって傾斜する内側面を有して中央部分を形成し、該中央部分が前記第１端および前記第２端での直径よりも小さい中央部分直径を有し、前記配列部材が、前記第１外側面の少なくとも一部分を受容する第１配列部分、および前記第２外側面の少なくとも一部分を受容する第２配列部分を形成することを特徴とする請求項２６に記載の組立体。
28. 前記筒状押圧部材が前記第２端から外方に突出していることを特徴とする請求項２７に記載の組立体。
29. 前記容器が、一方端で第１磁極片開口、および対向端で第２磁極片開口を有し、前記第１磁極片が前記第１磁極片開口まで延在し、前記第２磁極片が前記第２磁極片開口まで延在することを特徴とする請求項２２に記載の組立体。
30. 前記配列部材が前記第１磁極片および前記第２磁極片の一方または両方に所定の干渉を供給して、前記第１磁極片および前記第２磁極片の１つまたは両方に力を生成し、前記第１磁極片および前記第２磁極片の少なくとも１つを前記容器に押圧することを特徴とする請求項２９に記載の組立体。
31. 電気機械式ソレノイドを組み立てる方法であって、
    ソレノイドコイルを有しコイル開口部を形成するソレノイド組立体を供給する工程と、
    前記コイル開口部の中に第１磁極片を配置する工程であって、前記第１磁極片が、第１孔を画定する第１開放端および第１閉鎖端、および該第１開放端から外方に傾斜する第１外側面を有する、第１磁極片を配置する工程と、
    配列部材を前記コイル開口部の中にかつ少なくとも部分的に前記第１外側面の上に配置する工程であって、配列部材が部材第１端および部材第２端から内方に傾斜した内側面を有して中央部分を形成し、前記第１外側面を少なくとも一部分を受容する第１配列部分、および第２磁極片の第２外側面の少なくとも一部分を受容する第２配列部分を形成する配列部材を有する、配列部材を配置する工程と、
    前記コイル開口部および前記配列部材の中に電機子を配置して該電機子が前記中央部分の中に延在する工程と、
    前記第２磁極片を前記コイル開口部に配置する工程であって、前記第２磁極片が第２開放端および第２孔を画定する第２閉鎖端を有し、前記第２外側面が前記第２開放端から外方に傾斜し、前記第２外側面が前記第２配列部分の中に少なくとも部分的に延在する、第２磁極片を配置する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
32. 前記第１磁極片、前記配列部材、前記電機子、および前記第２磁極片を有する前記前記ソレノイド組立体を、容器に配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。

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