JP2755485B2 - 電磁作動弁及び電磁アクチュエータ - Google Patents

電磁作動弁及び電磁アクチュエータ

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JP2755485B2
JP2755485B2 JP6509380A JP50938094A JP2755485B2 JP 2755485 B2 JP2755485 B2 JP 2755485B2 JP 6509380 A JP6509380 A JP 6509380A JP 50938094 A JP50938094 A JP 50938094A JP 2755485 B2 JP2755485 B2 JP 2755485B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明分野 本発明は、一般に電磁作動弁に係り、特に高周波にお
いて少ない電力で当該弁の開閉を可能にする独自の電磁
設計を有する電磁作動弁に関する。
発明の背景 従来、弁は、ばねの作用と電磁石とを結合する開閉機
構について設計されている。しかしながら、初期の頃の
設計では、十分な速度で弁を開閉するのに十分な程迅速
には動作しなかった。例えば、ばねの作用を利用する弁
は、内燃機関の取り入れ口の開閉に通常要求される速度
を与えるように設計することはできず、またエアコンプ
レッサに必要な速度を与えるようには設計することはで
きなかった。
初期の弁設計が所望の高速度で動作できない理由とし
ていくつかの明瞭な物理的要因がある。まず、電磁石が
与えることができる力は電磁石のポール面の面積に比例
する。第二に、移動片は、磁束に垂直な、ポール面と同
じ断面積を有する磁束に対して復帰路を与えなければな
らない。第三に、強磁性材料で生成できる磁場の大きさ
には実際的な制限が存在する。この制限要因は飽和と呼
ばれる。これらの三種類の物理的要因は共に作用し、以
前の設計において、磁束に対して復帰路を与える移動片
の質量が、現在の内燃機関などの所望の用途において十
分迅速に加速され得るほど十分小さくすることができな
かった。
発明の要約 従って、本発明の主要な目的は、従来技術の1つ以上
の欠点と限界を解消することにある。
本発明の重要な目的は、所望の電磁力を生成するのに
十分なポール面積を提供する電磁弁を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、所望の電磁力を生成するのに十
分な面積を有する復帰磁束路を与える電磁アクチュエー
タを提供することにある。
本発明の他の目的は、従来技術より高速度、高周波数
で弁作動を許容する程十分小さな移動質量を有する電磁
アクチュエータを提供することにある。
本発明の広義の側面によれば、電磁式弁は、少なくと
も一対の電磁要素からなり、各々の対の電磁要素はさら
に、上部電磁要素と下部電磁要素からなり、これらの電
磁要素の各々は、中央室を画定する環状水平断面とほぼ
弧状の垂直断面を有し、弧状断面は中央室を画定し、ま
た前記対の上部および下部電磁要素は互いに鏡像関係に
ある。各々の電磁要素対は、環状水平断面を有するコア
要素を有し、かつ上部および下部電磁要素の中間に配置
される。電磁要素の各々の中央室内にはコイルが配置さ
れる。電磁要素の中央室内には弁ステムおよびばねが配
置され、ばねは中立位置でコア要素を付勢する。接続板
によりコア要素が弁ステムに接続される。従って、上部
電磁要素のコイルに電流を印加すると、弁は閉成する。
上部電磁要素のコイルへの電流が遮断され、電流が下部
電磁要素のコイルへ印加されると、弁は開放される。
本発明の特徴は、電磁石のポール面が従来技術より大
きなポール面を提供することにある。
本発明の他の特徴は、電磁石およびコア要素の設計
が、比較的少量のエネルギーを用いて大きな磁場を与え
ることにある。
本発明の他の特徴は、コア要素の形状が従来技術の弁
より大きなポール面を与えることにある。
本発明のさらに他の特徴は、従来技術よりも小さな質
量を有する移動コアアセンブリーを提供することにあ
る。
本発明のさらに他の特徴は、電磁回路の磁束路が無駄
な磁束が非常に少ない効率的な磁気回路を提供すること
にある。
本発明の上記の目的およびその他の目的、利点、特徴
は、添付した図面および請求の範囲と関連して読んだと
き、例示としての好適な実施例についての以下の説明を
検討することにより当業者には直ちに明らかになろう。
図面の簡単な説明 図1は、本発明の電磁式弁の一実施例の断面図であ
る。
図2は、当該弁の他の実施例の断面図で、中立の非作
動位置にある弁を示す図である。
図3は、図2の弁の実施例の断面図であり、閉位置に
ある弁を示す図である。
図4は、図2の弁の実施例の断面図であり、開位置に
ある弁を示す図である。
図5は、本発明の電磁式弁の他の実施例の断面図であ
る。
好適な実施例の説明 ここで、図1を参照すると、本発明の弁10の一実施例
を断面で示してある。本実施例においては、弁10は、二
対の電磁要素12、複数のコイル14、二つのコア要素16、
接続ロッド18、ばね20、弁ステム22、および弁ケース24
を備えている。これらの電磁要素12の各々はトロイド状
をなすと好適であり、弁ステムの回りに環状に延在す
る。電磁要素の環状形状は中央室26を画定する。中央室
26はさらに、中央垂直軸線28を画定する。図1に示した
ように、電磁要素12は、閉じたトロイドではなく、むし
ろ(図5に示した)弧状またはほぼU字の断面形状であ
る。従って、電磁要素12は二つの開放面を定め、これら
は電磁要素12内の中央チャネル30に導かれる。開放面44
は大きな電磁ポール面積を与える。
コイル要素14は電磁要素のチャネル30内に延在する。
コイル要素の中央位置及び電磁要素の断面形状は最小の
抵抗で最大の起磁力、従って最大パワーを与える。
各対の電磁要素12はさらに、上部電磁要素32と下部電
磁要素34とで構成される。これらの上部および下部電磁
要素は互いに鏡像関係にあり、上部および下部電磁要素
の中央チャネル30は互いに対面関係にある。
上部および下部電磁要素32、34の中間にはコア要素16
が配置される。このコア要素16は、水平断面が環状形状
をなし、垂直断面がほぼ菱形をなすと好適である。この
ような菱形はコア要素の質量を低減させるために用いら
れる。コア要素16の菱形も、コア要素16の質量を減らす
ために、中央に開口36を有すると好適である。菱形はま
た、比較的大きなポール面の面積のための四つの面42を
コア要素に与える。これらの四つの面42はまた電磁要素
32、34と最大の接触を得るように角度を設けてある。弁
のストローク運動に対するポール面の角度は、弁を開位
置から閉位置に、またその逆に引張するのに必要な電流
量を低減させる作用がある。
コア要素16の対抗端部は接続ロッドまたは板18(接続
板)を介して互いに固定される。接続バー18はさらに、
好適にはその中央において、弁ステム22に固定される。
弁ステム22は、電磁要素12の中央室26の中央垂直軸線28
と軸整合するように延在すると好適である。
中央室26内にはばね20が、好適には弁ステムの周りに
配置される。弁ケース24はまた、ばね20が当接する下部
部分40と上部部分38を有する。
ここで、図2、3及び4を参照して、弁10の動作を説
明する。これに関連して、コアアセンブリー16は、コア
と各々の特定の用途のためにコアに接続されたアセンブ
リーを有する。図2は、中立の非作動状態にある弁を示
す。ばね20は、上部及び下部電磁石32、34の途中でコア
16を平衡位置に保持する。図3は閉位置にある弁を示し
たものである。弁10が中立位置から閉位置に変化するた
めには、高電流短時間パルスがコイル14aに印加され、
コア16を上部電磁石32に吸引する電磁力を生成する。こ
の電磁力はばねの力に打ち勝って、弁10をその閉位置に
駆動する。弁10がその閉位置に達すると、弁10をその閉
位置に維持するのにコイル14aにほんのわずかな定常電
流が流れればよい。
コア16は、コア16と電磁石32の間の吸引力が、ばね20
がコア16をその中立位置に復元させようとする力より大
きい限り、閉位置のままである。弁10を開放するために
は、コイル14aを流れる電流が遮断される。電流が遮断
されると、ばね20はコアアセンブリー16を中立位置に向
けて逆に駆動し、中立位置に近づくにつれて速度を得
る。コアアセンブリー16に対するばね20の正味の力は中
立位置においてゼロであるが、ニュートンの運動の法則
により、最大速度にある。従って、この最大速度はコア
アセンブリー16を中立位置を越えて搬送する。コアアセ
ンブリー16が中立位置を過ぎると、ばね20は、速度と逆
にコアアセンブリー16に力を加え、これはコアアセンブ
リー16が下部電磁石34に近づくと、コアアセンブリー16
を減速させる。
摩擦が非常に小さい場合には、移動コアアセンブリー
16は中立位置を過ぎ、コアアセンブリーが逆側で始動さ
れる中立位置からの距離にほぼ等しい中立位置からの距
離に移動する。コアアセンブリー16が下部電磁石34に近
づくと、機械的摩擦およびばねの減衰により失われたエ
ネルギーを補償する力を与えるにはコイル14bに流れる
電流は比較的小さくて十分である。コイル14bに流れる
電流は、図4に示したように、弁を開位置に保持するの
に十分である。
弁10がその動作状態にあると、弁10を開位置から閉位
置にまたはその逆に駆動するのに必要なエネルギーは圧
縮されたばね20に蓄積されたエネルギーによりほぼ完全
に供給される。摩擦に対して失われた少量のエネルギー
は、コイル14b内で電流がONになされると直ちに開始さ
れるコアアセンブリー16の下部電磁石34への吸引により
与えられる。このようにしてコイル14bは、好適には、
弁の開放シーケンスの早い時点でコイル14aを流れる電
流の遮断に直ちに従ってONにされる。
従って既に説明したように、本発明の設計は、所望の
回転速度で弁動作を許容する十分に小さな移動質量を維
持しながら、所望の力を与える十分に大きな磁場、十分
な磁束復帰経路、十分なポール表面積を与える問題を解
消するものである。
ここで図5を参照すると、本発明の弁10の他の実施例
が示してある。この実施例においては、電磁要素の第一
対46および第二対48が用いられる。第一対の電磁石46は
第二対の電磁石48の頂部に積層される。一方、図1に示
した本発明の実施例においては、第一対の電磁石46が第
二対の電磁石48と弁ステム22との間に配置される。多重
電磁要素対およびコアの使用は、これが、磁束に対して
割り当てられた面積を低減することなしに、磁気回路を
完成するのに必要な質量を低減させるという点で重要で
ある。従って、電流および電力要件は多重電磁石対およ
びコアと共に増加するが、全電流と電力要件は所望通り
制除可能である。
図1に戻ると、図1に示された寸法に対して要求され
る値を計算するプロセスが説明してある。まず、図1に
示された基本寸法は次の通りである。
b=トロイド状電磁要素の各々の外部半径である。
a=トロイド状電磁要素の各々の内部半径である。
r1=内部トロイド要素の中心円の半径である。
r2=外部トロイド要素の中心円の半径である。ただ
し、r2=r1+2bである。
θ=移動コア要素と垂直軸線に垂直な平面との間の角
度である。
S=弁のストロークである。
p=移動コア要素の質量密度である。
m=移動コア要素アセンブリーの質量からコア質量を
引いたものである。
w=ばねの復元力からの弁運動の角周波数である。
bおよびθの値は最適化方程式によって決定される。
パラメータaの値は、一定値が割り当てられる無次元量 (1)δ=1/2(1−a/b)を用いて間接的に固定され
る。
(2)R=1/2(r1+r2)で与えられるトロイドの平均
半径Rは、結果がRの関数として表示されるように自由
なパラメータとして残される。
移動磁気コア片の断面積は4個の長方形の面積から4
個の台形の面積を引いて表わされる。長方形の長さがb
に等しく、その幅が1/2(b−a)またはbに等しいと
き、移動コアの断面積は (3)面積=4b2δ(1−δtanθ)で与えられる。
移動コアの体積は、 (4)体積=2π(r1+r2)4b2δ(1−δtanθ)で与
えられる。
移動磁気コア片の質量は次の項 (5)m+p16πRb2δ(1−δtanθ)で与えられる。
移動コアが電磁石に当接すると、全面積は、 (6)A=2π(r1+r2)4bδ=16πRbδで与えられ
る。
磁気力は、平均磁気誘導場B、接点における面積A、
傾斜角、および開放空間の透磁率μを用いて、 (7)力=AB2cosθ/2μとして与えられる。
変位がストロークの1/2のとき移動アセンブリーに対
するばねの力が磁気力に等しいことを補償するために
は、次の方程式 (8)〔m+ρ16πRb2δ(1−δtanθ)〕μω2S=
B216πRbδcosθが満足されなければならない。
式8はbおよび角度θの最適化のための基本である。
bを最適にするためには、次の方程式 (9)m/b+bρ16πRδ(1−δtanθ)を最小にする
bの値が決定される。
ゼロにおいてbに関する式9の微分を設定した結果は
次のようになる。
このようにbを選択すると、式9の両辺は等しくな
る。このbの最適値を採用すると、磁気力がばねの復元
力と釣り合う条件は 最適化のために、式11の両辺はcosθで除算され、ま
た恒等式sec2θ=1+tan2が式に代入される。次の結果
の関数が得られる。
(12)(1+tan2θ)(1−δtanθ) π/4を越えるθの値は、移動コアのポール表面積がも
はや平坦ではなく、電磁要素面を接触させるためになけ
ればならないということをこのような値が意味すること
から、用いることはできない。tanθに関する式12の微
分をとり、また結果をゼロに設定すると、使用可能な小
さな根を用いて二次方程式が得られる。その結果は、 として与えられる。
δの値は0と1/2の間にあるので、平方根に対する線
形近似は最適なtanθについての定性的に正しい概念を
与える。磁気誘導場の平方は、 として表わされる。
この式はθの任意の値に対して有効である。角度θが
比ω2/Bを最大にするように調整されると、tanθは式13
により規定されるようにθに依存する。
要求された電流を検定するためには、まず、Rおよび
Bに対する値が選択されているということを仮定する。
磁気誘導場Bを維持するのに必要な磁気力またはアンペ
アターン数は、電磁石およびコア要素が構成される材料
の透磁率から評価される。
初期の評価に対しては、強磁性材料中の経路の長さ
は、2πb(1−δ)に等しいaとbの平均に等しい半
径の円周に等しいように設定される。トロイドのいずれ
かの磁気回路に適用されるアンペールの法則から (15)NI=(B/μ)2πb(1−δ)が得られる。
本発明の重要な要件は、コイル電流により生成される
磁場が、ギャップがストロークの半分になるとき、弁を
閉または開位置に引張するのに十分大きいという点にあ
る。xが移動コアのその中立位置からの変位を表わすと
き、コアは、x=1/2Sが満足されるとき、電磁要素に当
接するようになる。まず、磁気力がアンペアターンNI、
接点の面積A、および強磁性材料内の経路の等価長L=
2πb(1−δ)/(μ/μ)を用いて表わされると
き、ばね力を克服する要件は (16)1/2μ(NI)2Acosθ/〔L+(S−2x)cosθ〕
=kx=B0 2Ax/μ0Sとして表わすことができる。
Lを定数として扱うと、x=S/6+L(6cosθ)に対
してNIの最大値が要求される。ばねの剛性kが、弁を開
または閉状態に保持するのに必要な磁場B0を用いて表わ
されるとき、結果は となる。
式17において、B0は弁を閉または開位置のいずれかに
保持するのに必要な磁気誘導を表わし、またNIは弁をそ
の中立位置から開または閉位置に引張するのに必要な最
大電流である。
外部負荷を作動するために本発明の弁を利用すること
も可能である。本発明実施例においては、弁ステムは外
部装置に接続されるアクチュエータロッドとして構成さ
れる。次に、上部および下部電磁要素は、ばね質量系を
共振させるように、共振周波数で逐次通電される。この
ようにして、アクチュエータは低電流の要求を維持しな
がら、外部負荷を駆動する。
以上において、本発明の原理によるアクチュエータの
例示としての好適な実施例について説明した。当業者
は、以上に開示した本発明の概念から逸脱することなし
に、上記の実施例を多数回使用してもよく、またそれか
ら逸脱してもよい。本発明は添付した請求の範囲により
厳密に規定されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−247807(JP,A) 米国特許4719882(US,A) 米国特許5131624(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16K 31/06 H01F 7/16

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電磁作動弁であって、 少なくとも一対の電磁要素で、各々の対の電磁要素はさ
    らに、上部電磁要素と下部電磁要素を備え、該要素の各
    々は中央室を画定する環状水平断面とほぼU字状をなす
    垂直断面とを有し、このU字状断面は中央チャネルを画
    定し、さらに前記対をなす上部及び下部電磁要素は互い
    に鏡像関係をなしている少なくとも一対の電磁要素と、 環状水平断面とほぼ菱形の垂直断面を有すると共に前記
    上部および下部電磁要素の中間に配置された少なくとも
    一つのコア要素と、 前記電磁要素の各々の中央チャネル内に配置されたコイ
    ルと、 前記電磁要素の中央室内に配置された弁ステムと、 前記電磁要素の中央室内に配置され、中立位置にある前
    記コア要素を付勢するばねと、 前記コア要素を前記弁ステムに接続する接続板とを具備
    し、 上部電磁要素のコイルに電流を印加することにより電磁
    作動弁は閉成され、かつ上部電磁要素のコイルへの電流
    を遮断し、下部電磁要素のコイルに電流を印加すること
    により該電磁作動弁が開放される電磁作動弁。
  2. 【請求項2】前記菱形のコア要素はさらに中央開口を画
    定する請求項1記載の電磁作動弁。
  3. 【請求項3】弁は第一および第二対の電磁要素で構成さ
    れる請求項1記載の電磁作動弁。
  4. 【請求項4】前記第一対の電磁要素およびコア要素は第
    二対の電磁要素の頂部に積層される請求項3記載の電磁
    作動弁。
  5. 【請求項5】前記第一対の電磁要素は弁システムと第二
    対の電磁要素の中間に配置される請求項3記載の電磁作
    動弁。
  6. 【請求項6】前記電磁要素およびコア要素を囲む弁ケー
    スをさらに具備し、かつこの弁ケースの上部および下部
    面がばねを付勢するのに用いられる請求項1記載の電磁
    作動弁。
  7. 【請求項7】前記電磁要素の前記U字状断面は二つの傾
    斜電磁要素ポール面を画定し、前記ポール面は傾斜電磁
    ポール面に対応するように傾斜される請求項1記載の電
    磁作動弁。
  8. 【請求項8】電磁作動弁であって、 少なくとも一対の電磁要素で、各々の対の電磁要素が上
    部電磁要素と下部電磁要素を備え、これらの要素はそれ
    ぞれ、中央室を画定する環状水平断面とほぼ弧状の垂直
    断面とを有し、さらに、前記弧状断面は中央チャネルを
    画定し、また前記上部および下部電磁要素の前記中央チ
    ャネルが互いに対面関係にある少なくとも一対の電磁要
    素と、 環状水平断面を有すると共に前記電磁要素の少なくとも
    一対の前記中央チャネルの中間に配置された少なくとも
    一つのコア要素と、 前記電磁要素の各々の中央チャネル内に配置されたコイ
    ルと、 前記電磁要素の中央室内に配置された弁ステムと、 前記電磁要素の中央室内に配置され、中立位置にある前
    記コアを付勢するばねと、 前記コア要素を前記弁ステムに接続する接続板とを有
    し、 上部電磁要素のコイルに電流を印加することにより電磁
    作動弁が閉成され、かつ上部電磁要素のコイルへの電流
    を遮断し、下部電磁要素のコイルに電流を印加すること
    により該電磁作動弁が開放される電磁作動弁。
  9. 【請求項9】前記コア要素は垂直断面がほぼ菱形をなす
    請求項8記載の電磁作動弁。
  10. 【請求項10】前記菱形コア要素はさらに中央開口を画
    定する請求項9記載の電磁作動弁。
  11. 【請求項11】第一および第二対の電磁要素を備える請
    求項8記載の電磁作動弁。
  12. 【請求項12】前記第一対の電磁要素は前記第二対の電
    磁要素の頂部に積層される請求項11記載の電磁作動弁。
  13. 【請求項13】前記第一対の電磁要素は弁システムと第
    二対の電磁要素の中間に配置される請求項11記載の電磁
    作動弁。
  14. 【請求項14】前記電磁要素とコア要素を囲む弁ケース
    をさらに備え、この弁ケースの上部または下部面はばね
    を付勢するために用いられる請求項8記載の電磁作動
    弁。
  15. 【請求項15】前記電磁要素の前記弧状断面は二つの傾
    斜電磁要素ポール面と中央チャネルを画定し、さらに前
    記菱形コア要素はさらに四つのコアポール面を画定し、
    これらのコアポール面は傾斜電磁ポール面に対応するよ
    うに角度を付けられる請求項8記載の電磁作動弁。
  16. 【請求項16】電磁アクチュエータであって、 少なくとも一対の電磁要素で、各対の電磁要素は、上部
    電磁要素と下部電磁要素とを備え、これらの電磁要素は
    それぞれ中央室を画定する環状水平断面とほぼ弧状の垂
    直断面とを有し、前記弧状断面は中央チャネルを画定
    し、さらに前記上部および下部電磁要素の前記中央室は
    互いに対面関係にある少なくとも一対の電磁要素と、 環状水平面を有すると共に少なくとも一対の前記電磁要
    素の前記中央チャネルの中間に配置された少なくとも一
    つのコア要素と、 前記電磁要素の各々の中央チャネル内に配置されたコイ
    ルと、 前記電磁要素の中央室内に配置され、外部負荷に接続さ
    れるアクチュエータロッドと、 前記電磁要素の中央室内に配置され、中立位置の前記コ
    ア要素を付勢するばねと、 前記コア要素を前記アクチュエータロッドに接続する接
    続板とを具備し、上部及び下部電磁石に共振周波数で逐
    次電流を印加することにより、アクチュエータを共振
    し、外部負荷を駆動する電磁アクチュエータ。
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