JP2021118183A - 電磁アクチュエータ、およびこの種の電磁アクチュエータを備える電気スイッチング・ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】積層された強磁性板の組立体を備えるアクチュエータについて診断方法の実施を可能にする、電磁アクチュエータを提供すること。【解決手段】電磁アクチュエータ（２）は、− 少なくとも１つのコイル（６）を担持する電機子（４）と、− コイルによって生成された磁束を伝えるように構成された強磁性ヨーク（１０）と、− ヨーク（１０）と相互作用して、少なくとも部分的に、積層された金属板の組立体によって形成された磁気回路を形成する、強磁性可動部（８）であって、可動部（８）が、コイルによって生成された磁場の作用下で電機子に対して移動するように構成された、強磁性可動部とを有する。アクチュエータは、導電性材料からなる補助磁気回路（２０）をさらに有し、コイルによって磁場が生成されたとき、補助磁気回路における誘導された電流の流れを可能にする。【選択図】図２

Description

本発明は、電磁アクチュエータに関する。

本発明はまた、この種のアクチュエータを有する電気スイッチング・ユニットに関する。

電磁アクチュエータは、一般に、磁場を発生させることが可能な少なくとも１つのコイルを担持する固定電機子と、磁束を伝える働きをする磁気回路により、コイルによって生成された磁場の作用下において並進移動する可動部とを有する。

この種のアクチュエータは、しばしば、接触器、または中継器、または遠隔操作されるスイッチなどの電気スイッチング・ユニットにおいて見られる。可動部は、一般に、電気回路を選択的に開閉するために、電気接点またはスイッチング機構に機械的に結合されている。

特許出願ＥＰ２５８４５７５Ｂ１に示されるように、この種のアクチュエータの摩耗状態および動作状態を推定するために、いくつかの診断方法およびデバイスが開発されている。

さらに、こうしたアクチュエータの性能を高め、かつ／または製造コストを削減するために、用いられる強磁性材料を、積層された強磁性板の組立体に置き換えることが望ましい場合がある。

１つの欠点は、この場合、板間の接触面での導電性が不十分であるために、磁場によって誘導された電流が、板の積み重なる方向に流れることができないことである。

したがって、これまでに概略が述べられた診断方法は、実施が不可能になる。

ＥＰ２５８４５７５Ｂ１

したがって、上述の欠点の改善を可能にする電磁アクチュエータが求められている。

そのために、本発明の一態様は、特に電気スイッチング・ユニット用の電磁アクチュエータに関し、この電磁アクチュエータは、
− 少なくとも１つのコイルを担持する電機子と、
− コイルによって生成された磁束を伝えるように構成された強磁性ヨークと、
− ヨークと相互作用して磁気回路を形成する強磁性可動部であって、磁気回路が少なくとも部分的に、積層された金属板の組立体によって形成され、可動部が、コイルによって生成された磁場の作用下で電機子に対して移動するように構成された、強磁性可動部と
を有し、
アクチュエータは、導電性材料からなる補助磁気回路をさらに有し、コイルによって磁場が生成されたとき、補助磁気回路における誘導された電流の流れを可能にする。

本発明により、磁場が生成されたとき、補助磁気回路は、誘導電流がアクチュエータ内を流れることを可能にするが、こうした誘導電流は、積層された強磁性板の組立体によって形成された磁気回路など、アクチュエータの他の部分を流れることはできない。

誘導電流は、磁束と、コイルに動力を供給するために用いられる電気制御電流との間の位相オフセットをもたらし、それにより、コイルの端子間の電圧に基づいて認識される起電力を発生させる。

この起電力は、診断方法および／またはアクチュエータの摩耗状態もしくは動作状態を検知する方法を実施するために用いられることが可能である。

それでも、補助磁気回路内を流れる誘導電流は依然として十分に低く、アクチュエータの性能を損なうこと、特にきわめて高いエネルギー損失をまねくことはない。

いくつかの有利ではあるが必須ではない態様によれば、この種の電磁アクチュエータは、以下の特徴を、単独でまたは技術的に許容される任意の組合せとして、１つまたは複数取り入れることができる。

− 補助磁気回路は、金属からなり、磁気回路におけるコイルによって生成される磁束の流れ方向に垂直な幾何面内に、閉じた外形形状を有する。

− 補助回路は、アクチュエータの電機子に取り付けられ、磁気回路においてコイルによって生成される磁束の流れ方向を囲む金属片を有する。

− 金属片は、非磁性材料からなる。

− 補助回路は、表面処理方法によってアクチュエータの電機子の表面上に形成された導電性材料の層を有し、補助回路は、磁気回路の少なくとも一部を囲む閉じた外形形状を有する。

− 磁性ヨークは、中実の磁性材料からなるスプレッダを有し、補助磁気回路は、スプレッダによって形成される。

− 可動部は、中実の磁性材料からなり、磁性ヨークは完全に、積層された金属シートの組立体によって形成され、補助磁気回路は、可動部によって形成される。

− 補助回路は、可動部の端部に形成されたアームを囲む少なくとも１つの金属片を有する。

− 補助回路は、可動部の端部アームのそれぞれを囲む金属片を有する。

別の態様によれば、電気スイッチング・ユニットは、これまでに定められた電磁アクチュエータを有する。

単に例として添付図面に関連して提供される電磁アクチュエータの一実施形態の以下の説明に照らすと、本発明がより適切に理解され、本発明の他の利点がより明確になるであろう。

本発明の第１の実施形態による電磁アクチュエータの概略的な斜視図である。 図１の電磁アクチュエータの概略的な分解図である。 本発明の第２の実施形態による電磁アクチュエータの一部の概略的な斜視図である。

図１および２は、いくつかの実施形態による電磁アクチュエータ２を示している。

図２においてより詳細に理解されるように、アクチュエータ２は、少なくとも１つのコイル６を担持する電機子４と、可動部８と、コイル６によって生成された磁束を伝えるように構成された強磁性ヨーク１０とを有する。

前記少なくとも１つのコイル６は、ここでは可動部８の移動方向に相当する長手方向軸Ｘ２に沿って、磁場を発生させるように構成されている。

図示されている例では、２つのコイル６が互いに隣接して電機子４に取り付けられ、一緒に制御される。実際には、磁場を発生させるためにいくつかのコイル６が一緒に用いられてもよい。しかしながら、変形形態として、ただ１つのコイル６が用いられてもよい。

ここでは、コイル６はそれぞれ、中心軸として軸Ｘ２を有する円筒形を有している。

１つまたは複数のコイル６は、制御回路によって電力の供給を受けるように構成されているが、制御回路は図示されておらず、アクチュエータ２の外部にあってもよい。

いくつかの例示的な実装形態によれば、電機子４は、ポリマー材料、たとえばポリアミドなどの電気絶縁材料、または任意の適切な材料からなる。

可動部８は、１つまたは複数のコイル６によって生成された磁場の作用下で、電機子４に対して移動するように設計される。

可動部８は、特に、電機子４に対して後退位置と展開位置との間で、可逆的かつ選択的に並進移動するように構成される。図示されている例では、この移動は、方向Ｘ２における並進によって行われる。

１つまたは複数のコイル６によって生成された磁束を伝えることが可能な磁気回路を形成するために、可動部８はヨーク１０と相互作用する。

たとえば、可動部８とヨーク１０はどちらも、磁性材料、好ましくは強磁性材料からなる。

ヨーク１０は特に、少なくとも部分的に、積層された金属板の組立体によって形成されるか、または完全に、積層された金属板の組立体によって形成される。可動部８もまた、好ましくは、少なくとも部分的に、積層された金属板の組立体によって形成されるか、または完全に、積層された金属板の組立体によって形成される。

たとえば、図１および２に図示されるように、金属板または金属シートは、組立体内において軸Ｘ２に垂直な方向に沿って積み重ねられる。

さらに、可動部８およびヨーク１０は相補的な形状を有し、それが、１つまたは複数のコイル６によって生成された磁束の折り返し（ｌｏｏｐｂａｃｋ）を可能にする。

たとえば、可動部８は、「Ｔ」形を有し、軸Ｘ２に沿って延びる棒形の細長い中央部分１２を備える。ここでは、中央部分１２は長方形断面を有し、この断面は、軸Ｘ２に垂直な横断面内に定められる。

可動部８は、中央部分１２の遠位端に配置され、かつ中央部分１２に垂直に延びるアーム１４、たとえば２つのアーム１４も備える。

電機子４は、ここでは、軸Ｘ２に沿って延び、かつ１つまたは複数のコイル６によって囲まれた中央オリフィス１６を備えている。したがって、１つまたは複数のコイル６によって磁場が生成されると、対応する磁束は中央部分１２に沿って流れる。

中央部分１２は、中央オリフィス１６の内部に受け入れられ、可動部８が並進移動すると、中央オリフィス１６に沿って摺動する。

ヨーク１０については、Ｃ形の輪郭を伴う閉じた形状を有し、その上面および下面は、ここでは軸Ｘ２に平行である。ヨーク１０は、電機子４が内部に収容される中央の空洞を画定している。

ヨーク１０の上面および下面の遠位端は、ここではスプレッダ１８を有し、スプレッダ１８は、ヨーク１０の上面および下面の折り込まれた縁部の形をしている。

図１の場合のように、アクチュエータ２が組み立てられた構成であるとき、スプレッダ１８は、可動部８のアーム１４に向き合うように配置される。スプレッダ１８は、ヨーク１０と可動部８との間で磁束を折り返すのを容易にする。

可動部８がその後退位置にあるか展開位置にあるかに応じて、アーム１４はそれぞれ、スプレッダ１８と接触するか、または対照的にスプレッダ１８から間隔を置いて配置される。

スプレッダ１８が省かれる場合でも、アーム１４は、磁気回路において可動部８とヨーク１０との間で磁束を折り返すのを容易にする。

そうした電磁アクチュエータの動作は知られており、さらに詳細な説明は行われない。

一般的に、アクチュエータ２は、接触器、もしくは中継器、もしくは遠隔操作されるスイッチなどの電気スイッチング・ユニット、または電気保護ユニットなどに用いられることが可能である。

たとえば、電気スイッチング・ユニットは、電流の流れを選択的に遮断または許容するために、開状態と閉状態との間で移動されることが可能な１つまたは複数の分離可能な電気接点を有する。

この場合、アクチュエータ２は、たとえばスイッチング・ユニットの可動接点を直接的に移動させるために、可動接点に結合されてもよく、またはスイッチング・ユニットに関連付けられ、かつアクチュエータによってトリガされたときに接点を移動させるように構成されたスイッチング機構に結合されてもよい。

例えば、可動部８は、スイッチング機構を作動させるためにレバーに結合されている。

変形形態として、異なるタイプの電気ユニットが、この種のアクチュエータ２を包含してもよい。

有利には、たとえば、特許出願ＥＰ２５８４５７５Ｂ１に記載されるような診断方法、および／またはアクチュエータの摩耗状態もしくは動作状態を推定する方法が、この種の電気ユニットまたはアクチュエータ２に関連付けられた診断デバイスによって実施される。変形形態として、他の診断および／または監視方法が用いられてもよい。

本発明の多くの実施形態によれば、アクチュエータ２は、導電性材料からなる補助磁気回路２０をさらに有する。

補助磁気回路２０は、コイル６によって磁場が生成されたとき、その内部における誘導された電流の流れを可能にするように構成される。

誘導電流は、たとえば渦電流である。

多くの例において、補助回路２０は、１つまたは複数のコイル６によって生成され、かつ可動部８とヨーク１０の組合せによって形成される磁気回路内を流れる磁束の少なくとも一部を囲むリングの形、より一般的には閉じた外形形状を有する。

したがって、実際には、補助回路２０は、可動部８とヨーク１０の組合せによって形成される磁気回路の少なくとも一部を囲むように配置される。たとえば、補助回路２０は、前記磁気回路の少なくとも一部の断面を囲む。

たとえば、補助回路２０は、可動部８の中央部分１２を直接囲むか、または電機子４の中央オリフィス１６を囲む（実際には、中央部分１２を少なくとも部分的に囲む）。

たとえば、「リングの形状」とは、ここでは、補助回路２０によって画定される閉じた外形を意味し、１つまたは複数のコイル６によって生成される磁束のまわりに配置される場合、補助回路２０は、円形、または本質的に円、または楕円形、または正方形、または長方形、または多角形、または１つもしくは複数のコイル６によって磁場が生成されたときに誘導される電流の流れおよびループの折り返しを可能にする任意の適当な形状を有することができる。

たとえば、補助回路２０は、軸Ｘ２に垂直もしくは本質的に垂直な幾何面内に、より一般的には、可動部８およびヨーク１０によって形成される磁気回路内を流れる磁束の方向に垂直もしくは本質的に垂直な幾何面内に、閉じた外形を画定する。

図１および２にその１つの例示的な実装形態が図示されている、好ましい一実施形態によれば、補助回路２０は、電機子４上に、たとえば電機子４の前面２２上に取り付けられた中空の金属板などの金属片を備える。

したがって、この中空板はリングの形状を有している。変形形態として、金属片は、ワイヤ、または折り畳まれた金属帯、または短絡コイルなど、折り畳まれた電気導体とすることができる
換言すれば、金属片は、可動部８とヨーク１０の組合せによって形成される磁気回路から分離している。

それでも、前記金属片を電機子４に固定するのに、たとえば電機子４の裏面上または中央部の周辺上など、他の場所も可能である。この最後のケースにおいて、金属片は、電機子４の２つのコイル６を分離する部分、またはコイル６の１つの下の電機子４の内部に設置されてもよく、その場合、コイル６と前記金属片との間に電気絶縁要素が挿入されることが可能である。

図示されている例において、補助回路２０を形成する金属板は、電機子４の中央オリフィス１６と位置合わせされることが企図された中央オリフィス２４を備える。

前記金属片は、専用の固定要素によって、または接着によって、または溶接によって、または任意の適切な手段によって、電機子４に固定されてもよい。

たとえば、金属片の複数の場所に開口部２６が形成される。開口部２６はそれぞれ、電機子上に形成された対応する固定パッド２８と相互作用するように構成される。

場合により、図２に見られる例のように、電機子４の前面２２が、補助回路２０を形成する金属片を受けるためのレセプタクルを形成する陥凹部または溝を有していてもよく、その中に固定パッド２８が形成される。

本発明により、補助磁気回路２０は、コイル６によって磁場が生成されたとき、誘導電流がアクチュエータ内を流れることを可能にするが、こうした誘導電流は、積層された強磁性板の組立体によって形成された磁気回路など、アクチュエータの他の部分を流れることはできない。

誘導電流は、コイル６によって生成された磁束と、コイル６に電力を供給するために用いられる電気制御電流との間の位相オフセットをもたらし、それにより、コイル６の端子間の電圧に基づいて認識される起電力を発生させる。

この起電力は、たとえば特許出願ＥＰ２５８４５７５Ｂ１に記載されるものなど、診断方法および／またはアクチュエータの摩耗状態もしくは動作状態を検知する方法を実施するために、あるいは変形形態として使用可能な他の方法と共に用いられてもよい。

それでも、補助磁気回路２０内を流れる誘導電流は依然として十分に低く、アクチュエータ２の性能を損なうこと、特にきわめて高いエネルギー損失をまねくことはない。

したがって、本発明は、頑丈で製造するのに安価な電磁アクチュエータを得ることを可能にし、電磁アクチュエータは、診断および／または監視および／または状態検知の方法に適合する。

有利には、補助回路２０を形成する材料は、銅もしくはアルミニウムなどの非磁性金属、または任意の適切な材料もしくは合金、好ましくは低い抵抗率を有する金属である。

たとえば、電気抵抗の熱による変動率が０．００５Ｋ^−１以下である金属が選択されることが好ましい。

非磁性材料を用いると、誘導電流が生成されて補助回路２０内を流れるとき、表皮厚さ（ｓｋｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）の変動を低減することが可能になり、それにより最終的に、補助回路２０の等価抵抗の変動を低減する、またはなくすことも可能になる。

したがって、これまでに概略が述べられた方法など、そうした誘導電流によってコイル６の端子間に生成された起電力の測定に基づく診断または監視または状態検知の方法の場合、この起電力の補助回路２０の等価抵抗に関連付けられる成分は、想定される時間の間一定であるため、結果の解釈が容易になる。

したがって、そうした診断および／または監視および／または状態検知の方法は、実施がより容易であり、誘導電流が中実の磁性材料内を流れる場合よりも信頼性の高い結果を与える。

しかしながら、変形形態として、補助回路２０を形成する導電材料は、強磁性金属などの磁性金属でもよい。

多くの他の実施形態が可能であり、次にそのいくつかが記載される。

以下に記載される実施形態のそれぞれは、補助磁気回路２０の実装のされ方によって、これまでに記載されたアクチュエータ２に関する実施形態と異なる場合があるが、補助磁気回路２０の役割および全般的な動作、ならびに補助磁気回路２０を形成するために用いられる材料の性質は、アクチュエータ２を参照してこれまでに記載されたものと同様であることが理解されるであろう。

したがって、図示されていない、いくつかの代替的な実施形態によれば、補助回路２０は電機子４以外のどこかに設置されてもよいが、それでもやはり、コイル６によって生成される磁束の少なくとも一部を囲むように設置される。

補助磁気回路２０はまた、取り付けられた磁性片以外によって製造されてもよい。

特に図３に関連して図示されている第１の例によれば、電磁アクチュエータ２’は、その動作がこれまでに記載されたアクチュエータ２と類似しているが、ニッケルまたはスズなどの金属の自己触媒的または電気化学的な堆積などの表面処理方法によって電機子の表面上に形成された導電性材料の層を有する補助磁気回路２０’を備えている。たとえば、この層は、ここでは面２２上に形成されている。

上述のように、補助回路２０’は、コイル６によって生成される磁束を囲む閉じた外形形状を有している。

図示されていない第２の例によれば、補助回路２０は、可動部８の端部アーム１４の一方を囲む少なくとも１つの金属片を有する。この金属部分は、たとえばアクチュエータ２に関連してこれまでに記載されたものである。

この第２の例では、補助回路の閉じた外形は、軸Ｘ２のまわりには延びず、それは、この場合、アーム１４（したがって、磁気回路によって伝えられる磁束）が軸Ｘ２に垂直であるためである。

好ましくは、この第２の例では、２つの補助回路を形成するように、そうした２つの金属片が用いられ、それぞれ一方が可動部８の２つのアーム１４の一方を囲む。

具体的には、アーム１４において磁束は２つに分けられ、磁束の半分が２つのアーム１４のそれぞれへ進む。それでも、各アーム１４のまわりに補助回路を設置することによって、アクチュエータ２全体では位相オフセットが得られ、これは、単一の補助回路が中央部分１２のまわりに設置される場合と同様である。

ヨーク１０または可動部８の少なくとも一部が、完全には積層された金属板の組立体によって形成されていないとき、たとえば、それらの少なくとも一方または他方が、少なくとも部分的に中実の強磁性材料からなるときには、他の実施形態が実施されてもよい。

図示されていない一例において、可動部８は中実の磁性材料からなり、ヨーク１０は完全に、積層された金属板の組立体によって形成される。その場合、補助磁気回路は可動部８によって形成され、この可動部８が中実の強磁性材料からなるため、誘導電流は可動部８内を自由に流れることができる。

図示されていない別の例によれば、ヨーク１０は中実の磁性材料からなり、可動部８は完全に、積層された金属板の組立体によって形成される。その場合、補助磁気回路はヨーク１０によって形成され、それが中実の強磁性材料からなるため、誘導電流はヨーク１０内を自由に流れることできる。

さらに別の例によれば、ヨーク１０のスプレッダ１８は、中実の磁性材料からなり、ヨーク１０の残りの部分は、積層された金属板の組立体によって形成される。

その場合、補助磁気回路はスプレッダ１８によって形成され、スプレッダ１８が中実の強磁性材料からなるため、誘導電流はスプレッダ１８内を自由に流れることができる。

これまでに記載された実施形態または変形形態の１つの任意の機能が、その他の記載された実施形態および変形形態に実装されてもよい。

２ アクチュエータ
４ 電機子
６ コイル
８ 可動部
１０ 強磁性ヨーク、ヨーク
１２ 中央部分
１４ アーム、端部アーム
１６ 中央オリフィス
１８ スプレッダ
２０ 補助磁気回路、補助回路
２２ 前面、面
２４ 中央オリフィス
２６ 開口部
２８ 固定パッド
Ｘ２ 長手方向軸、軸
２’ 電磁アクチュエータ
２０’ 補助磁気回路、補助回路

Claims (10)

1. 特に電気スイッチング・ユニット用の電磁アクチュエータ（２；２’）であって、
   少なくとも１つのコイル（６）を担持する電機子（４）と、
   前記コイルによって生成された磁束を伝えるように構成された強磁性ヨーク（１０）と、
   前記ヨーク（１０）と相互作用して磁気回路を形成する強磁性可動部（８）であって、前記磁気回路が少なくとも部分的に、積層された金属板の組立体によって形成され、前記可動部（８）が、前記コイル（６）によって生成された前記磁場の作用下で前記電機子（４）に対して移動するように構成された、強磁性可動部（８）と
   を有し、
   前記アクチュエータ（２；２’）は、導電性材料からなる補助磁気回路（２０；２０’）をさらに有し、前記コイルによって磁場が生成されたとき、前記補助磁気回路（２０；２０’）における誘導された電流の流れを可能にすることを特徴とする、電磁アクチュエータ（２；２’）。
2. 前記補助磁気回路は、金属からなり、前記磁気回路における前記コイルによって生成される前記磁束の流れ方向に垂直な幾何面内に、閉じた外形形状を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記補助回路（２０）は、前記アクチュエータ（２）の前記電機子（４）に取り付けられ、前記磁気回路における前記コイルによって生成される前記磁束の前記流れ方向を囲む金属片を有する、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記金属片は非磁性材料からなる、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記補助回路（２０’）は、表面処理方法によって前記アクチュエータ（２’）の前記電機子（４）の表面上に形成された導電性材料の層を有し、前記補助回路（２０’）は、前記磁気回路の少なくとも一部を囲む閉じた外形形状を有する、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
6. 前記磁性ヨークは、中実の磁性材料からなるスプレッダ（１８）を有し、前記補助磁気回路は、前記スプレッダによって形成される、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
7. 前記可動部（８）は、中実の磁性材料からなり、前記磁性ヨーク（１０）は完全に、積層された金属シートの組立体によって形成され、前記補助磁気回路は、前記可動部によって形成される、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
8. 前記補助回路は、前記可動部（８）の端部に形成されたアーム（１４）を囲む少なくとも１つの金属片を有する、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
9. 前記補助回路は、前記可動部（８）の前記端部アーム（１４）のそれぞれを囲む金属片を有する、請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ（２；２’）を有することを特徴とする、電気スイッチング・ユニット。

Images