JP3547115B2 - 電磁駆動バルブ - Google Patents
電磁駆動バルブ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3547115B2 JP3547115B2 JP16382898A JP16382898A JP3547115B2 JP 3547115 B2 JP3547115 B2 JP 3547115B2 JP 16382898 A JP16382898 A JP 16382898A JP 16382898 A JP16382898 A JP 16382898A JP 3547115 B2 JP3547115 B2 JP 3547115B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- armature
- valve
- assist
- magnet
- core
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Valve Device For Special Equipments (AREA)
- Magnetically Actuated Valves (AREA)
- Electromagnets (AREA)
- Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動バルブに係り、特に、内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを構成する機構として好適な電磁駆動バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、特開平７−３３５４３７号に開示される如く、内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを電気的に駆動する電磁駆動バルブが知られている。上記従来の電磁駆動バルブは、吸気バルブ又は排気バルブとして機能する弁体、弁体と一体に変位するアーマチャ、アーマチャを中立位置に付勢する一対のバネ、およびアーマチャの変位方向に配設される一対の電磁石を備えている。上記の電磁駆動バルブにおいて、電磁石に励磁電流が供給されると、アーマチャには、電磁石に向かう電磁力が作用する。従って、上記従来の電磁駆動バルブによれば、一対の電磁石に適当なタイミングで交互に励磁電流を供給することにより、弁体を開閉駆動させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電磁駆動バルブを適正に駆動させるためには、アーマチャを電磁石に確実に吸引および保持することが必要である。このため、上記従来の電磁駆動バルブは、弁体の作動状態に応じて電磁石に供給する励磁電流を変化させる。すなわち、所定の励磁電流に対して発生する電磁力がアーマチャを電磁石に吸引および保持するうえで不足する状況下では、励磁電流を増加させる。このため、上記従来の電磁駆動バルブによれば、アーマチャを電磁石に確実に吸引および保持するために、消費電力が増大してしまう。
【０００４】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、アーマチャを確実に電磁石に吸引および保持しつつ、消費電力の低減を図ることが可能な電磁駆動バルブを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載する如く、電磁コイルおよび該電磁コイルを保持するコアから構成された電磁石と、アーマチャを付勢するバネとを備え、電磁力とバネ力とを協働させることにより弁体を開閉駆動する電磁駆動バルブにおいて、
前記アーマチャが前記電磁石の近傍に到達した際に前記アーマチャと前記コアとの間に吸引力を作用させる永久磁石を、前記コアの内部に前記電磁コイルから該永久磁石の径方向厚さと軸方向長さとの比に応じた距離だけ離間して設けたことを特徴とする電磁駆動バルブにより達成される。
【０００６】
本発明において、アーマチャが電磁石の近傍に到達すると、永久磁石がアーマチャとコアとの間に吸引力を作用させる。この吸引力の分だけ、電磁石が発生すべき電磁力が低減される。アーマチャを電磁石から離間させる際、電磁コイルには、アーマチャに生じた残留磁気を速やかに消滅させるべく、励磁電流とは逆方向の逆電流が供給される。電磁コイルに逆電流が供給されると、永久磁石を減磁させる向きの磁束が発生する（以下、この現象を反磁界と称す）。本発明において、永久磁石は、コア内部で電磁コイルからその永久磁石の径方向厚さと軸方向長さとの比に応じた距離だけ離間して配設されている。このため、永久磁石に作用する反磁界の強度が低減されることで、反磁界に起因する永久磁石の減磁が抑制される。従って、永久磁石の減磁を防止すべく永久磁石の厚みを大きくすることが不要となる。コア内部に設けられる永久磁石の厚みが小さく抑制されると、電磁石が発する磁束に対する磁気抵抗が低減される。その結果、電磁コイルに供給すべき励磁電流の増加が防止される。
尚、請求項２に記載する如く、請求項１記載の電磁駆動バルブにおいて、前記距離（Ｘ）は、前記径方向厚さ（Ｄ）及び前記軸方向長さ（Ｌ）を用いて以下に示す範囲に設定されていることとしてもよい。
-2.059+146.29(D/L)-826.15(D/L) 2 ≦Ｘ≦ -5.8361+216.9(D/L)-845.55(D/L) 2
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例である電磁駆動バルブを備える内燃機関１０の要部の構成図を示す。内燃機関１０は、アッパヘッド１２およびロアヘッド１３を備えている。ロアヘッド１３には、吸気ポート１４および排気ポート１５が形成されている。吸気ポート１４には、弁座１６が形成されている。同様に、排気ポート１５には、弁座１７が形成されている。
【０００８】
アッパヘッド１２およびロアヘッド１３には、電磁駆動バルブ２０，２２が収納されている。電磁駆動バルブ２０は、吸気バルブ２４を備えている。一方、電磁駆動バルブ２２は、排気バルブ２６を備えている。吸気ポート１４は、吸気バルブ２４が弁座１６から離座することにより燃焼室１８と導通状態となり、吸気バルブ２４が弁座１６に着座することにより燃焼室１８と遮断状態となる。同様に、排気ポート１５は、排気バルブ２６が弁座１７から離座することにより燃焼室１８と導通状態となり、排気バルブ２６が弁座１７に着座することにより燃焼室１８と遮断状態となる。
【０００９】
電磁駆動バルブ２０と電磁駆動バルブ２２とは、同様の構成を有している。このため、以下では、それらの代表として、電磁駆動バルブ２０の構造および動作について説明する。尚、以下、吸気バルブ２４を弁体２４と称す。
電磁駆動バルブ２０は、弁軸２８を備えている。弁軸２８は、弁体２４と一体に設けられている。ロアヘッド１３の内部には、バルブガイド３０が固定されている。バルブガイド３０は、弁軸２８を軸方向に摺動可能に保持している。弁軸２８の上端部には、ロアリテーナ３２が固定されている。ロアリテーナ３２の下部には、ロアスプリング３４が配設されている。ロアスプリング３４は、ロアリテーナ３２を介して弁軸２８および弁体２４を、図１における上方に、すなわち、弁体２４の閉弁方向に付勢している。
【００１０】
弁軸２８の上端面には、アーマチャ軸３６の下端面が当接している。アーマチャ軸３６は、非磁性材料で構成されたロッド状の部材である。アーマチャ軸３６の上端部には、アッパリテーナ３８が固定されている。アッパリテーナ３８の上部には、アッパスプリング４０が配設されている。アッパスプリング４０の周囲には、円筒状のアッパキャップ４２が配設されている。アッパキャップ４２の上部には、アジャスタボルト４４が螺着されている。
【００１１】
アッパスプリング４０の上端面は、座部４６を介してアジャスタボルト４４に当接している。アッパスプリング４０は、アッパリテーナ３８を介してアーマチャ軸３６を図１における下方に付勢している。従って、アッパスプリング４０は、弁軸２８および弁体２４を図１における下方に、すなわち、弁体２４の開弁方向に付勢している。
【００１２】
アーマチャ軸３６の外周には、径方向に突起するアーマチャ保持部３６ａが形成されている。アーマチャ保持部３６ａの周囲には、アーマチャ５０が接合されている。アーマチャ５０は、軟磁性材料で構成された環状の部材である。
アーマチャ５０の上方には、第１電磁石５２が配設されている。第１電磁石５２は、アッパコイル５４およびアッパコア５６を備えている。アッパコア５６は、磁性材料で構成された円筒状の部材である。アッパコア５６は、アーマチャ５０と対向する面に設けられた第１環状溝５６ａ、その反対面に設けられた第２環状溝５６ｂ、およびその中心部を軸方向に貫通する貫通孔５６ｃを備えている。第１環状溝５６ａには、アッパコイル５４が収納されている。第２環状溝５６ｂには、アシスト磁石６６が収納されている。貫通孔５６ｃには、アーマチャ軸３６が挿通されている。
【００１３】
また、アーマチャ５０の下方には、第２電磁石５８が配設されている。第２電磁石５８は、第１電磁石５２と上下対称の構成を有している。すなわち、第２電磁石５８は、ロアコイル６０およびロアコア６２を備えており、ロアコア６２には、アーマチャ５０と対向する面に第１環状溝６２ａが、その反対面に第２環状溝６２ｂが、それぞれ設けられている。そして、第１環状溝６２ａにはロアコイル６０が、第２環状溝６２ｂにはアシスト磁石６７が、それぞれ収納されている。
【００１４】
アッパキャップ４２は、その下端部にフランジ部４２ａを備えている。アッパコア５６は、その上端部にフランジ部５６ｄを備えている。アッパキャップ４２のフランジ部４２ａは、アッパコア５６のフランジ部５６ｄを上方から覆うように配設されている。ロアコア６２の下端面には、ロアキャップ６４が配設されている。ロアコア６２は、その下端部にフランジ部６２ｄを備えている。ロアキャップ６４は、フランジ部６２ｄを下方から覆うように配設されている。
【００１５】
アッパキャップ４２のフランジ部４２ａ、アッパヘッド１２、およびロアキャップ６４には、固定ボルト６５が貫通して締着されている。これにより、アッパコア５６とロアコア６２とは、所定の間隔を隔ててアッパヘッド１２の内部に固定されている。尚、上記したアジャスタボルト４４は、アーマチャ５０の中立位置がアッパコア５６とロアコア６２との間の中間点になるように調整されている。
【００１６】
次に、電磁駆動バルブ２０の動作について説明する。アッパコイル５４およびロアコイル６０に励磁電流が供給されていない場合、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０とロアスプリング３４との中立位置に、すなわち、アッパコア５６とロアコア６２との中央に維持される。かかる状態で、アッパコイル５４への励磁電流の供給が開始されると、アーマチャ５０とアッパコア５６との間に、アーマチャ５０をアッパコア５６側に引き寄せる電磁力が発生する。このため、アーマチャ５０は、アッパコア５６に向けて変位を開始する。
【００１７】
アーマチャ５０がアッパコア５６と当接するまで変位すると、弁体２４が弁座１６に着座することで、電磁駆動バルブ２０は全閉状態となる。以下、アーマチャ５０がアッパコア５６と当接する位置を、アーマチャ５０または弁体２４の閉弁側変位端と称す。
弁体２４が閉弁側変位端に保持されている場合、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０により中立位置に向けて付勢される。かかる状況下で、アッパコイル５４への励磁電流の供給が停止されると、アーマチャ５０を閉弁側変位端に保持するための電磁力が消滅する。このため、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０の付勢力により開弁方向、すなわち、ロアコア６２に向けて変位し始める。
【００１８】
尚、アッパコイル４０への励磁電流の供給が停止された後にも、アーマチャ５０には、ある程度の時間、残留磁気が生じている。アーマチャ５０に残留磁気が生じていると、アーマチャ５０とアッパコア５６との間には、吸引力が作用する。この場合、アーマチャ５０および弁体２４を開弁方向に速やかに変位させることが困難となる。
【００１９】
そこで、本実施例においては、アッパコイル５４への励磁電流の供給を停止した後、所定時間、上記の励磁電流の向きと逆方向の励磁電流（以下、この電流を逆電流と称す）を供給することとしている。アッパコイル５４に逆電流が供給されると、残留磁気を打ち消す向きの磁界（以下、この磁界を反磁界と称す）がアーマチャ５０に作用する。アーマチャ５０に反磁界が作用すると、アーマチャ５０に生じている残留磁気は、速やかに消滅する。このため、アーマチャ５０は、アッパコア５６から速やかに離間する。従って、本実施例によれば、アーマチャ５０をアッパコア５６に引き寄せる吸引力が早期に消滅することで、アーマチャ５０および弁体２４を開弁方向に速やかに変位させることができる。
【００２０】
弁体２４およびアーマチャ５０が開弁方向に変位する過程では、摺動摩擦に起因するエネルギ損失が生ずる。アーマチャ５０が開弁方向に所定量変位した時点で、ロアコイル６０に励磁電流が供給されると、アーマチャ５０とロアコア６２との間に、アーマチャ５０をロアコア６２側に引き寄せる電磁力が発生する。このため、電磁駆動バルブ２０によれば、ロアコイル６０に適当な励磁電流を供給することにより、上記エネルギ損失を補って、アーマチャ５０を、ロアコア６２に当接させるまで開弁方向に変位させることができる。アーマチャ５０がロアコア６２と当接するまで変位すると、電磁駆動バルブ２０は全開状態となる。以下、アーマチャ５０がロアコア６２と当接する位置を、アーマチャ５０または弁体２４の開弁側変位端と称す。
【００２１】
弁体２４が開弁側変位端に保持された後、ロアコイル６０への励磁電流の供給が停止されると、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持するための電磁力が消滅する。このため、アーマチャ５０は、ロアスプリング３４の付勢力により閉弁方向、すなわち、アッパコア５６に向けて変位し始める。この場合、アーマチャ５０を閉弁側変位端から変位させる場合と同様に、ロアコイル６０には逆電流が供給される。これにより、アーマチャ５０は、閉弁方向に速やかに変位を開始する。
【００２２】
ところで、アーマチャ５０が閉弁側変位端または開弁側変位端に接近するほど、アーマチャ５０に作用するアッパスプリング４０またはロアスプリング３４の付勢力は大きくなる。従って、アーマチャ５０を、この付勢力に抗してアッパコア５６およびロアコア６２に確実に吸引および保持するためには、アーマチャ５０とアッパコア５６との間、および、アーマチャ５０とロアコア６２との間に大きな吸引力を作用させることが必要である。
【００２３】
本実施例の電磁駆動バルブ２０は、アシスト磁石６６，６７を備えることで、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給する励磁電流を増大させることなく、すなわち、消費電力を増大させることなく、アーマチャ５０とアッパコア５６との間、又は、アーマチャ５０とロアコア６２との間に大きな吸引力を作用させ得る点に特徴を有している。以下、図２を参照して、本実施例の特徴部について説明する。
【００２４】
図２は、本実施例の電磁駆動バルブ２０において、アーマチャ５０が第２電磁石５８に吸引された状態を示す拡大断面図である。尚、図２は、アーマチャ５０および第２電磁石５８の右半分のみを示している。
図２に示す如く、第２電磁石５８が備えるロアコア６２は、内径ロアコア６２ｅおよび外径ロアコア６２ｆを備えている。内径ロアコア６２ｅと外径ロアコア６２ｆとは、所定のギャップを隔てて径方向に離間している。このギャップの図２中上部は上記した第１環状溝６２ａを構成しており、また、ギャップの図２中下部は上記した第２環状溝６２ｂを構成している。第２環状溝６２ｂは、その幅が第１環状溝６２ａの幅よりも小さくなるように構成されており、第１環状溝６２ａの最外径部に接続されている。アシスト磁石６７は、第２環状溝６２ｂの内部に、第１環状溝６２ａに収納されたロアコイル６０から所定距離だけ離間して配設されている。
【００２５】
アシスト磁石６７は、径方向に、例えば内周側がＮ極、外周側がＳ極となるように分極されている。この分極の方向は、ロアコイル５４に励磁電流が供給された際に発生する磁束の向き（図２に実線矢印で示す）とアシスト磁石６７が発する磁束の向きとが一致するように設定される。
上記の構成において、アーマチャ５０がロアコア６２の近傍に到達すると、アシスト磁石６７のＮ極から内径ロアコア６２ｅ，アーマチャ５０，外径ロアコア６２ｆを経てアシスト磁石６７のＳ極に至る磁気回路（図２に破線矢印で示す）が形成される。アシスト磁石６７が発する磁束がかかる磁気回路を流通すると、アーマチャ５０には、ロアコア６２側に引き寄せられる向きの磁気吸引力が作用する。以下、アシスト磁石６７によりアーマチャ５０に作用する磁気吸引力をアシスト力と称す。アシスト力は、ロアコア６２とアーマチャ５０との間の隙間が小さくなるにつれて大きくなる。従って、本実施例によれば、アーマチャ５０が開弁側変位端に到達した状態で、アーマチャ５０に大きなアシスト力を作用させることができる。
【００２６】
本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端に保持された状態で作用するアシスト力は、その状態で作用するロアスプリング３４による付勢力よりも大きな値となるように設定されている。このため、第２電磁石５８によりアーマチャ５０をロアコア６２側に引き寄せる電磁力を発生させることなく、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持することができる。すなわち、ロアコイル６０に、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持するための励磁電流を供給することは不要である。従って、本実施例によれば、弁体２４を確実に開弁側変位端に保持しつつ、電磁駆動バルブ２０の消費電力の低減を図ることができる。
【００２７】
また、本実施例において、上述の如く、アシスト磁石６７を収納する第２環状溝６２ｂは、第１環状溝６２ａの最外径部に接続している。このため、本実施例においては、アシスト磁石６７の表面積を大きく確保することができる。アシスト磁石６７の表面積が大きいほど、アーマチャ５０をロアコア６２側に吸引するアシスト力は増大する。このように、本実施例によれば、アシスト磁石６７を収納する第２環状溝６２ｂを第１環状溝６２ａの最外径部に接続することで、より大きなアシスト力を発生させることが可能となっている。
【００２８】
ところで、本実施例において、上述の如く、弁体２４が開弁側変位端に保持されている状態で、弁体２４の閉弁要求が生ずると、ロアコイル６０に逆電流が供給される。この場合、内径ロアコア６２ｅから第２環状溝６２ｂ，外径ロアコア６２ｆ，アーマチャ５０を経て内径ロアコア６２ｅに至る向きの反磁界が発生する。反磁界の向きはアシスト磁石６７の分極の向きと逆向きであり、また、反磁界の強度はロアコイル６０に近接する位置ほど増大する。
【００２９】
このため、アシスト磁石６７がロアコイル６０に近接して設けられていると、アシスト磁石６７に大きな反磁界が作用することで、アシスト磁石６７は減磁され易くなる。アシスト磁石６７が減磁されると、アーマチャ５０をロアコア６２側に吸引するアシスト力が減少する不都合が生ずる。
アシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７の厚さを大きくすることが有効である。しかし、アシスト磁石６７の厚さを大きくすると、内径ロアコア６２ｅと外径ロアコア６２ｆとの間の第２環状溝６２ｂの幅も大きくなる。第２環状溝６２ｂの幅が大きくなると、第２電磁石５８が発生する磁束に対する磁気抵抗が増大する。この結果、ロアコイル５４に供給すべき励磁電流が増大し、電磁駆動バルブ２０の消費電力が増大してしまう。
【００３０】
これに対して、本実施例においては、上述の如く、アシスト磁石６７は、ロアコイル６０から所定距離だけ離間して配設されている。アシスト磁石６７がロアコイル６０から離間するほど、アシスト磁石６７に作用する反磁界の強度は小さくなる。本実施例において、上記の所定距離は、アシスト磁石６７の厚さを必要最小限に抑制しつつ、アシスト磁石６７に作用する反磁界がアシスト磁石６７に減磁を生じさせない程度の大きさとなるように設定されている。
【００３１】
図３は、アシスト磁石６７をロアコイル６０に隣接して配設した場合に、ロアコイル６０に逆電流が供給されている状況下で、アシスト磁石６７の偏平率Ｈ（アシスト磁石６７の径方向の厚さＤと軸方向の距離Ｌとの比Ｄ／Ｌ）と、アシスト磁石６７に作用する磁界の磁束密度の径方向成分との関係をＦＥＭ磁界解析で求めた結果を示す。尚、以下、アシスト磁石６７の分極により生じる磁界の向きを正方向とし、アシスト磁石６７に作用する反磁界の向きを負方向とする。
【００３２】
図３に示す如く、アシスト磁石６７がロアコイル６０に隣接して配設された場合、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが約０．１７より小さい領域では、アシスト磁石６７に作用する磁束密度は負の値となる。磁束密度が負の値となると、アシスト磁石６７は減磁される。すなわち、アシスト磁石６７がロアコイル６０に隣接して配設された場合、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなると、アシスト磁石６７は減磁される。
【００３３】
アシスト磁石６７の径方向の厚さを抑制しつつ、アシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さい領域でアシスト磁石６７に作用する磁束密度を正の値とすることが必要である。上述の如く、アシスト磁石６７に作用する反磁界は、アシスト磁石６７がロアコイル６０から離間するほど小さくなる。従って、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さい領域においてアシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７をロアコイル６０から離間させることが有効である。
【００３４】
図４は、アシスト磁石６７の偏平率Ｈを変化させた場合に、アシスト磁石６７の減磁を防止するために必要なアシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘ（ｍｍ）を求めた結果を示す。図４において、常温でアシスト磁石６７に作用する磁界の磁束密度を正とするために必要な距離Ｘを実線で、また、上記のアシスト磁石６７の周囲の温度上昇による磁気特性の悪化を考慮して上記の磁束密度を０．２（Ｔ）以上とするために必要な距離Ｘを一点鎖線で、それぞれ示す。
【００３５】
図４に実線で示す、常温においてアシスト磁石６７の減磁を防止するために必要なアシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘは、次式により表される。
Ｘ ＝ −２．０５９ ＋ １４６．２９ （Ｄ／Ｌ） − ８２６．１５ （Ｄ／Ｌ） ２ ・・・（１）
図４に実線で示す如く、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなるほど、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間に大きな距離Ｘが必要となる。しかし、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなるほど、そのようなアシスト磁石６７を製造することは困難となる。このため、アシスト磁石６７は、ある程度の偏平率Ｈを有していることが必要である。また、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘを大きくする場合、ロアコア６２の体格が増大する。
【００３６】
また、図４に一点鎖線で示す、温度上昇時においてアシスト磁石６７の減磁を防止するために必要な距離Ｘは、次式により表される。
Ｘ ＝ −５．８３６１ ＋ ２１６．９ （Ｄ／Ｌ） − ８４５．５５ （Ｄ／Ｌ） ２ ・・・（２）
図４に一点鎖線で示す如く、アシスト磁石６７の周囲が高温である場合にアシスト磁石６７の減磁を防止するためには、常温の場合に比して、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間に大きな距離Ｘが必要となる。このため、アシスト磁石６７の周囲の温度に応じて、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘを設定する必要がある。
【００３７】
このように、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘは、使用温度条件を考慮したうえで、ロアコア６２の体格が過度に増大しない範囲内で、最小の偏平率Ｈが確保できるように、次式（３）に示す範囲内で設定されることとなる。
−２．０５９ ＋ １４６．２９ （Ｄ／Ｌ） − ８２６．１５ （Ｄ／Ｌ） ２ ≦ Ｘ ≦ −５．８３６１ ＋ ２１６．９ （Ｄ／Ｌ） − ８４５．５５ （Ｄ／Ｌ） ２・・・（３）
従って、本実施例によれば、アシスト磁石６７を、ロアコイル６０から上述の如く設定された距離だけ離間して配設することにより、アシスト磁石６７の厚さを増大させることなく、アシスト磁石６７の減磁を防止することができる。このため、本実施例によれば、アシスト磁石６７の減磁を有効に防止しつつ、電磁駆動バルブ２０の消費電力の増大を抑制することができる。
【００３８】
尚、以上は、第２電磁石５８側について説明したが、第１電磁石５２でも、アシスト磁石６６がアッパコイル５４から離間して設けられていることで、上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施例において、アッパコイル５４とアシスト磁石６６との間、および、ロアコイル６０とアシスト磁石６７との間を離間させることとしても、アシスト磁石６６，６７によりアーマチャ５０に流通する磁束の大きさは変化しない。従って、アーマチャ５０に作用するアシスト力も変化しない。すなわち、コイル５４，６０とアシスト磁石６６との間を離間させることとしても、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給すべき励磁電流が増加することはない。
【００３９】
図５は、内燃機関１０の回転数が例えば８００ｒｐｍである場合にアッパコイル５４またはロアコイル６０に供給すべき励磁電流の電力の内訳、すなわち、（Ｉ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に保持すべく供給される励磁電流の電力（保持電力）、（ＩＩ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に向けて吸引すべく供給される励磁電流の電力（吸引電力）、および（ＩＩＩ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から閉弁方向または開弁方向に離間させるべく供給される励磁電流の電力（離間電力）の割合を、アシスト磁石が設けられていない電磁駆動バルブ（Ａ）と、アシスト磁石６６，６７が設けられた本実施例の電磁駆動バルブ２０（Ｂ）とで比較した図を示す。
【００４０】
本実施例において、アーマチャ５０がアッパコア５６またはロアコア６２の近傍に到達すると、アーマチャ５０には、上記したアシスト力が作用する。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、アシスト磁石が設けられない場合に比して、吸引電力が低減される（図５に示す領域ＩＩ）。
また、本実施例において、上述の如く、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持された状態で作用するアシスト力は、その状態で作用するアッパスプリング４０またはロアスプリング３４による付勢力よりも大きな値となるように設定されている。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、図５（Ｂ）に示す如く、保持電力はゼロとなる。
【００４１】
一方、本実施例において、アーマチャ５０をアッパコア５６またはロアコア６２から離間させるためには、アーマチャ５０に、上記したアシスト力を打ち消すだけの電磁力を作用させる必要がある。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から離間させるために、アシスト磁石６７が設けられていない場合に比して大きな逆電流をアッパコイル５４またはロアコイル６０に供給する必要があり、その分だけ離間電力は増大する（図５に示す領域ＩＩＩ）。
【００４２】
しかしながら、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端から変位する場合、アーマチャ５０には、アッパスプリング４０またはロアスプリング３４によって中立位置に向かう付勢力が作用する。このため、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から変位させるために必要な逆電流は、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に向けて吸引するために必要な電流に比して小さい。すなわち、離間電力は吸引電力よりも十分に小さい。従って、アッパコア５６およびロアコア６２の内部にアシスト磁石６６，６７が設けられることにより、離間電力が増大しても、全体として、電磁駆動バルブ２０の消費電力を低減することが可能となっている。
【００４３】
図６は、内燃機関の各回転数について上記図５と同様の解析を行うことにより、回転数（ｒｐｍ）と平均消費電力（Ｗ）との関係を求めた結果を示す。図６においては、本実施例の電磁駆動バルブ２０における結果を実線で、また、アシスト磁石が設けられていない電磁駆動バルブにおける結果を点線で、それぞれ示している。
【００４４】
図６に示す如く、内燃機関１０の回転数が上昇すると、電磁駆動バルブ２０の開閉駆動の頻度の増加に伴って、電磁駆動バルブ２０の消費電力は増大する。しかし、本実施例の電磁駆動バルブ２０によれば、いずれの回転数においても、アシスト磁石が設けられない場合に比して、消費電力の低減が図られていることがわかる。
【００４５】
また、本実施例において、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給される励磁電流は、スイッチング素子をデューティ駆動することにより制御される。スイッチング素子のオン・オフ状態が切り替えられる際には、スイッチングロスにより電気エネルギの一部が熱エネルギとして消費される。このため、スイッチングロスによるエネルギ損失を低減するためには、スイッチング素子のオン・オフ状態の切り替え頻度を抑制することが望ましい。
【００４６】
これに対して、本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持されている状態では、上述の如く、アッパコイル５４およびロアコイル６０に励磁電流は供給されない。このため、本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持されている状態でスイッチング素子のオン・オフ状態が切り替わらないことで、全体としてその切り替え頻度は抑制される。従って、本実施例によれば、スイッチングロスによるエネルギ損失を低減することができると共に、スイッチング素子の周辺の発熱を抑制することが可能となる。
【００４７】
尚、上記の実施例においては、アッパコイル５４およびロアコイル６０が前記請求項１記載の「電磁コイル」に、アッパスプリングおよびロアスプリングが前記請求項１記載の「バネ」に、アシスト磁石６６，６７が前記請求項１記載の「永久磁石」に、それぞれ相当している。
また、上記の実施例においては、電磁駆動バルブ２０がアーマチャ５０の上下両側に電磁石およびスプリングを備えるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁石およびスプリングをそれぞれアーマチャ５０の片側にのみ備える構成としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、コア内部に永久磁石を設けることによりコアとアーマチャとの間に磁気吸引力を作用させることができると共に、永久磁石をコイルから離間して設けることにより永久磁石の厚みを大きくすることなく永久磁石の減磁を防止することができる。従って、本発明によれば、電磁駆動バルブの消費電力を有効に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電磁駆動バルブを備える内燃機関の要部の構成図である。
【図２】本発明の一実施例である電磁駆動バルブにおいて、アーマチャが電磁石に吸引された状態を示す拡大断面図である。
【図３】永久磁石を電磁コイルに隣接して配設した場合に、電磁コイルに逆電流が供給されている状況下で、永久磁石の偏平率Ｈ（永久磁石の径方向の厚さＤと軸方向の距離Ｌとの比Ｄ／Ｌ）と、永久磁石に作用する磁界の磁束密度の径方向成分との関係をＦＥＭ磁界解析で求めた結果である。
【図４】永久磁石の偏平率Ｈを変化させた場合に、永久磁石の減磁を防止するために必要な永久磁石と電磁コイルとの間の距離Ｘ（ｍｍ）を求めた結果である。
【図５】内燃機関の回転数が８００ｒｐｍである場合に電磁コイルに供給すべき励磁電流の電力の内訳、すなわち、保持電力（Ｉ）、吸引電力（ＩＩ）、および離間電力（ＩＩＩ）の割合を、永久磁石が設けられていない電磁駆動バルブと、永久磁石が設けられた電磁駆動バルブとで比較した図である。
【図６】内燃機関の各回転数における電磁コイルに供給する励磁電流の平均電力を解析した結果を、コア内部に永久磁石が設けられていない電磁駆動バルブと、永久磁石が設けられた電磁駆動バルブとで比較した図である。
【符号の説明】
２０，２２ 電磁駆動バルブ
２４ 吸気バルブ（弁体）
５０ アーマチャ
６０ ロアコイル
６２ ロアコア
６２ｂ 第２環状溝
６６，６７ アシスト磁石
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動バルブに係り、特に、内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを構成する機構として好適な電磁駆動バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、特開平７−３３５４３７号に開示される如く、内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを電気的に駆動する電磁駆動バルブが知られている。上記従来の電磁駆動バルブは、吸気バルブ又は排気バルブとして機能する弁体、弁体と一体に変位するアーマチャ、アーマチャを中立位置に付勢する一対のバネ、およびアーマチャの変位方向に配設される一対の電磁石を備えている。上記の電磁駆動バルブにおいて、電磁石に励磁電流が供給されると、アーマチャには、電磁石に向かう電磁力が作用する。従って、上記従来の電磁駆動バルブによれば、一対の電磁石に適当なタイミングで交互に励磁電流を供給することにより、弁体を開閉駆動させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電磁駆動バルブを適正に駆動させるためには、アーマチャを電磁石に確実に吸引および保持することが必要である。このため、上記従来の電磁駆動バルブは、弁体の作動状態に応じて電磁石に供給する励磁電流を変化させる。すなわち、所定の励磁電流に対して発生する電磁力がアーマチャを電磁石に吸引および保持するうえで不足する状況下では、励磁電流を増加させる。このため、上記従来の電磁駆動バルブによれば、アーマチャを電磁石に確実に吸引および保持するために、消費電力が増大してしまう。
【０００４】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、アーマチャを確実に電磁石に吸引および保持しつつ、消費電力の低減を図ることが可能な電磁駆動バルブを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載する如く、電磁コイルおよび該電磁コイルを保持するコアから構成された電磁石と、アーマチャを付勢するバネとを備え、電磁力とバネ力とを協働させることにより弁体を開閉駆動する電磁駆動バルブにおいて、
前記アーマチャが前記電磁石の近傍に到達した際に前記アーマチャと前記コアとの間に吸引力を作用させる永久磁石を、前記コアの内部に前記電磁コイルから該永久磁石の径方向厚さと軸方向長さとの比に応じた距離だけ離間して設けたことを特徴とする電磁駆動バルブにより達成される。
【０００６】
本発明において、アーマチャが電磁石の近傍に到達すると、永久磁石がアーマチャとコアとの間に吸引力を作用させる。この吸引力の分だけ、電磁石が発生すべき電磁力が低減される。アーマチャを電磁石から離間させる際、電磁コイルには、アーマチャに生じた残留磁気を速やかに消滅させるべく、励磁電流とは逆方向の逆電流が供給される。電磁コイルに逆電流が供給されると、永久磁石を減磁させる向きの磁束が発生する（以下、この現象を反磁界と称す）。本発明において、永久磁石は、コア内部で電磁コイルからその永久磁石の径方向厚さと軸方向長さとの比に応じた距離だけ離間して配設されている。このため、永久磁石に作用する反磁界の強度が低減されることで、反磁界に起因する永久磁石の減磁が抑制される。従って、永久磁石の減磁を防止すべく永久磁石の厚みを大きくすることが不要となる。コア内部に設けられる永久磁石の厚みが小さく抑制されると、電磁石が発する磁束に対する磁気抵抗が低減される。その結果、電磁コイルに供給すべき励磁電流の増加が防止される。
尚、請求項２に記載する如く、請求項１記載の電磁駆動バルブにおいて、前記距離（Ｘ）は、前記径方向厚さ（Ｄ）及び前記軸方向長さ（Ｌ）を用いて以下に示す範囲に設定されていることとしてもよい。
-2.059+146.29(D/L)-826.15(D/L) 2 ≦Ｘ≦ -5.8361+216.9(D/L)-845.55(D/L) 2
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例である電磁駆動バルブを備える内燃機関１０の要部の構成図を示す。内燃機関１０は、アッパヘッド１２およびロアヘッド１３を備えている。ロアヘッド１３には、吸気ポート１４および排気ポート１５が形成されている。吸気ポート１４には、弁座１６が形成されている。同様に、排気ポート１５には、弁座１７が形成されている。
【０００８】
アッパヘッド１２およびロアヘッド１３には、電磁駆動バルブ２０，２２が収納されている。電磁駆動バルブ２０は、吸気バルブ２４を備えている。一方、電磁駆動バルブ２２は、排気バルブ２６を備えている。吸気ポート１４は、吸気バルブ２４が弁座１６から離座することにより燃焼室１８と導通状態となり、吸気バルブ２４が弁座１６に着座することにより燃焼室１８と遮断状態となる。同様に、排気ポート１５は、排気バルブ２６が弁座１７から離座することにより燃焼室１８と導通状態となり、排気バルブ２６が弁座１７に着座することにより燃焼室１８と遮断状態となる。
【０００９】
電磁駆動バルブ２０と電磁駆動バルブ２２とは、同様の構成を有している。このため、以下では、それらの代表として、電磁駆動バルブ２０の構造および動作について説明する。尚、以下、吸気バルブ２４を弁体２４と称す。
電磁駆動バルブ２０は、弁軸２８を備えている。弁軸２８は、弁体２４と一体に設けられている。ロアヘッド１３の内部には、バルブガイド３０が固定されている。バルブガイド３０は、弁軸２８を軸方向に摺動可能に保持している。弁軸２８の上端部には、ロアリテーナ３２が固定されている。ロアリテーナ３２の下部には、ロアスプリング３４が配設されている。ロアスプリング３４は、ロアリテーナ３２を介して弁軸２８および弁体２４を、図１における上方に、すなわち、弁体２４の閉弁方向に付勢している。
【００１０】
弁軸２８の上端面には、アーマチャ軸３６の下端面が当接している。アーマチャ軸３６は、非磁性材料で構成されたロッド状の部材である。アーマチャ軸３６の上端部には、アッパリテーナ３８が固定されている。アッパリテーナ３８の上部には、アッパスプリング４０が配設されている。アッパスプリング４０の周囲には、円筒状のアッパキャップ４２が配設されている。アッパキャップ４２の上部には、アジャスタボルト４４が螺着されている。
【００１１】
アッパスプリング４０の上端面は、座部４６を介してアジャスタボルト４４に当接している。アッパスプリング４０は、アッパリテーナ３８を介してアーマチャ軸３６を図１における下方に付勢している。従って、アッパスプリング４０は、弁軸２８および弁体２４を図１における下方に、すなわち、弁体２４の開弁方向に付勢している。
【００１２】
アーマチャ軸３６の外周には、径方向に突起するアーマチャ保持部３６ａが形成されている。アーマチャ保持部３６ａの周囲には、アーマチャ５０が接合されている。アーマチャ５０は、軟磁性材料で構成された環状の部材である。
アーマチャ５０の上方には、第１電磁石５２が配設されている。第１電磁石５２は、アッパコイル５４およびアッパコア５６を備えている。アッパコア５６は、磁性材料で構成された円筒状の部材である。アッパコア５６は、アーマチャ５０と対向する面に設けられた第１環状溝５６ａ、その反対面に設けられた第２環状溝５６ｂ、およびその中心部を軸方向に貫通する貫通孔５６ｃを備えている。第１環状溝５６ａには、アッパコイル５４が収納されている。第２環状溝５６ｂには、アシスト磁石６６が収納されている。貫通孔５６ｃには、アーマチャ軸３６が挿通されている。
【００１３】
また、アーマチャ５０の下方には、第２電磁石５８が配設されている。第２電磁石５８は、第１電磁石５２と上下対称の構成を有している。すなわち、第２電磁石５８は、ロアコイル６０およびロアコア６２を備えており、ロアコア６２には、アーマチャ５０と対向する面に第１環状溝６２ａが、その反対面に第２環状溝６２ｂが、それぞれ設けられている。そして、第１環状溝６２ａにはロアコイル６０が、第２環状溝６２ｂにはアシスト磁石６７が、それぞれ収納されている。
【００１４】
アッパキャップ４２は、その下端部にフランジ部４２ａを備えている。アッパコア５６は、その上端部にフランジ部５６ｄを備えている。アッパキャップ４２のフランジ部４２ａは、アッパコア５６のフランジ部５６ｄを上方から覆うように配設されている。ロアコア６２の下端面には、ロアキャップ６４が配設されている。ロアコア６２は、その下端部にフランジ部６２ｄを備えている。ロアキャップ６４は、フランジ部６２ｄを下方から覆うように配設されている。
【００１５】
アッパキャップ４２のフランジ部４２ａ、アッパヘッド１２、およびロアキャップ６４には、固定ボルト６５が貫通して締着されている。これにより、アッパコア５６とロアコア６２とは、所定の間隔を隔ててアッパヘッド１２の内部に固定されている。尚、上記したアジャスタボルト４４は、アーマチャ５０の中立位置がアッパコア５６とロアコア６２との間の中間点になるように調整されている。
【００１６】
次に、電磁駆動バルブ２０の動作について説明する。アッパコイル５４およびロアコイル６０に励磁電流が供給されていない場合、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０とロアスプリング３４との中立位置に、すなわち、アッパコア５６とロアコア６２との中央に維持される。かかる状態で、アッパコイル５４への励磁電流の供給が開始されると、アーマチャ５０とアッパコア５６との間に、アーマチャ５０をアッパコア５６側に引き寄せる電磁力が発生する。このため、アーマチャ５０は、アッパコア５６に向けて変位を開始する。
【００１７】
アーマチャ５０がアッパコア５６と当接するまで変位すると、弁体２４が弁座１６に着座することで、電磁駆動バルブ２０は全閉状態となる。以下、アーマチャ５０がアッパコア５６と当接する位置を、アーマチャ５０または弁体２４の閉弁側変位端と称す。
弁体２４が閉弁側変位端に保持されている場合、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０により中立位置に向けて付勢される。かかる状況下で、アッパコイル５４への励磁電流の供給が停止されると、アーマチャ５０を閉弁側変位端に保持するための電磁力が消滅する。このため、アーマチャ５０は、アッパスプリング４０の付勢力により開弁方向、すなわち、ロアコア６２に向けて変位し始める。
【００１８】
尚、アッパコイル４０への励磁電流の供給が停止された後にも、アーマチャ５０には、ある程度の時間、残留磁気が生じている。アーマチャ５０に残留磁気が生じていると、アーマチャ５０とアッパコア５６との間には、吸引力が作用する。この場合、アーマチャ５０および弁体２４を開弁方向に速やかに変位させることが困難となる。
【００１９】
そこで、本実施例においては、アッパコイル５４への励磁電流の供給を停止した後、所定時間、上記の励磁電流の向きと逆方向の励磁電流（以下、この電流を逆電流と称す）を供給することとしている。アッパコイル５４に逆電流が供給されると、残留磁気を打ち消す向きの磁界（以下、この磁界を反磁界と称す）がアーマチャ５０に作用する。アーマチャ５０に反磁界が作用すると、アーマチャ５０に生じている残留磁気は、速やかに消滅する。このため、アーマチャ５０は、アッパコア５６から速やかに離間する。従って、本実施例によれば、アーマチャ５０をアッパコア５６に引き寄せる吸引力が早期に消滅することで、アーマチャ５０および弁体２４を開弁方向に速やかに変位させることができる。
【００２０】
弁体２４およびアーマチャ５０が開弁方向に変位する過程では、摺動摩擦に起因するエネルギ損失が生ずる。アーマチャ５０が開弁方向に所定量変位した時点で、ロアコイル６０に励磁電流が供給されると、アーマチャ５０とロアコア６２との間に、アーマチャ５０をロアコア６２側に引き寄せる電磁力が発生する。このため、電磁駆動バルブ２０によれば、ロアコイル６０に適当な励磁電流を供給することにより、上記エネルギ損失を補って、アーマチャ５０を、ロアコア６２に当接させるまで開弁方向に変位させることができる。アーマチャ５０がロアコア６２と当接するまで変位すると、電磁駆動バルブ２０は全開状態となる。以下、アーマチャ５０がロアコア６２と当接する位置を、アーマチャ５０または弁体２４の開弁側変位端と称す。
【００２１】
弁体２４が開弁側変位端に保持された後、ロアコイル６０への励磁電流の供給が停止されると、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持するための電磁力が消滅する。このため、アーマチャ５０は、ロアスプリング３４の付勢力により閉弁方向、すなわち、アッパコア５６に向けて変位し始める。この場合、アーマチャ５０を閉弁側変位端から変位させる場合と同様に、ロアコイル６０には逆電流が供給される。これにより、アーマチャ５０は、閉弁方向に速やかに変位を開始する。
【００２２】
ところで、アーマチャ５０が閉弁側変位端または開弁側変位端に接近するほど、アーマチャ５０に作用するアッパスプリング４０またはロアスプリング３４の付勢力は大きくなる。従って、アーマチャ５０を、この付勢力に抗してアッパコア５６およびロアコア６２に確実に吸引および保持するためには、アーマチャ５０とアッパコア５６との間、および、アーマチャ５０とロアコア６２との間に大きな吸引力を作用させることが必要である。
【００２３】
本実施例の電磁駆動バルブ２０は、アシスト磁石６６，６７を備えることで、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給する励磁電流を増大させることなく、すなわち、消費電力を増大させることなく、アーマチャ５０とアッパコア５６との間、又は、アーマチャ５０とロアコア６２との間に大きな吸引力を作用させ得る点に特徴を有している。以下、図２を参照して、本実施例の特徴部について説明する。
【００２４】
図２は、本実施例の電磁駆動バルブ２０において、アーマチャ５０が第２電磁石５８に吸引された状態を示す拡大断面図である。尚、図２は、アーマチャ５０および第２電磁石５８の右半分のみを示している。
図２に示す如く、第２電磁石５８が備えるロアコア６２は、内径ロアコア６２ｅおよび外径ロアコア６２ｆを備えている。内径ロアコア６２ｅと外径ロアコア６２ｆとは、所定のギャップを隔てて径方向に離間している。このギャップの図２中上部は上記した第１環状溝６２ａを構成しており、また、ギャップの図２中下部は上記した第２環状溝６２ｂを構成している。第２環状溝６２ｂは、その幅が第１環状溝６２ａの幅よりも小さくなるように構成されており、第１環状溝６２ａの最外径部に接続されている。アシスト磁石６７は、第２環状溝６２ｂの内部に、第１環状溝６２ａに収納されたロアコイル６０から所定距離だけ離間して配設されている。
【００２５】
アシスト磁石６７は、径方向に、例えば内周側がＮ極、外周側がＳ極となるように分極されている。この分極の方向は、ロアコイル５４に励磁電流が供給された際に発生する磁束の向き（図２に実線矢印で示す）とアシスト磁石６７が発する磁束の向きとが一致するように設定される。
上記の構成において、アーマチャ５０がロアコア６２の近傍に到達すると、アシスト磁石６７のＮ極から内径ロアコア６２ｅ，アーマチャ５０，外径ロアコア６２ｆを経てアシスト磁石６７のＳ極に至る磁気回路（図２に破線矢印で示す）が形成される。アシスト磁石６７が発する磁束がかかる磁気回路を流通すると、アーマチャ５０には、ロアコア６２側に引き寄せられる向きの磁気吸引力が作用する。以下、アシスト磁石６７によりアーマチャ５０に作用する磁気吸引力をアシスト力と称す。アシスト力は、ロアコア６２とアーマチャ５０との間の隙間が小さくなるにつれて大きくなる。従って、本実施例によれば、アーマチャ５０が開弁側変位端に到達した状態で、アーマチャ５０に大きなアシスト力を作用させることができる。
【００２６】
本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端に保持された状態で作用するアシスト力は、その状態で作用するロアスプリング３４による付勢力よりも大きな値となるように設定されている。このため、第２電磁石５８によりアーマチャ５０をロアコア６２側に引き寄せる電磁力を発生させることなく、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持することができる。すなわち、ロアコイル６０に、アーマチャ５０を開弁側変位端に保持するための励磁電流を供給することは不要である。従って、本実施例によれば、弁体２４を確実に開弁側変位端に保持しつつ、電磁駆動バルブ２０の消費電力の低減を図ることができる。
【００２７】
また、本実施例において、上述の如く、アシスト磁石６７を収納する第２環状溝６２ｂは、第１環状溝６２ａの最外径部に接続している。このため、本実施例においては、アシスト磁石６７の表面積を大きく確保することができる。アシスト磁石６７の表面積が大きいほど、アーマチャ５０をロアコア６２側に吸引するアシスト力は増大する。このように、本実施例によれば、アシスト磁石６７を収納する第２環状溝６２ｂを第１環状溝６２ａの最外径部に接続することで、より大きなアシスト力を発生させることが可能となっている。
【００２８】
ところで、本実施例において、上述の如く、弁体２４が開弁側変位端に保持されている状態で、弁体２４の閉弁要求が生ずると、ロアコイル６０に逆電流が供給される。この場合、内径ロアコア６２ｅから第２環状溝６２ｂ，外径ロアコア６２ｆ，アーマチャ５０を経て内径ロアコア６２ｅに至る向きの反磁界が発生する。反磁界の向きはアシスト磁石６７の分極の向きと逆向きであり、また、反磁界の強度はロアコイル６０に近接する位置ほど増大する。
【００２９】
このため、アシスト磁石６７がロアコイル６０に近接して設けられていると、アシスト磁石６７に大きな反磁界が作用することで、アシスト磁石６７は減磁され易くなる。アシスト磁石６７が減磁されると、アーマチャ５０をロアコア６２側に吸引するアシスト力が減少する不都合が生ずる。
アシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７の厚さを大きくすることが有効である。しかし、アシスト磁石６７の厚さを大きくすると、内径ロアコア６２ｅと外径ロアコア６２ｆとの間の第２環状溝６２ｂの幅も大きくなる。第２環状溝６２ｂの幅が大きくなると、第２電磁石５８が発生する磁束に対する磁気抵抗が増大する。この結果、ロアコイル５４に供給すべき励磁電流が増大し、電磁駆動バルブ２０の消費電力が増大してしまう。
【００３０】
これに対して、本実施例においては、上述の如く、アシスト磁石６７は、ロアコイル６０から所定距離だけ離間して配設されている。アシスト磁石６７がロアコイル６０から離間するほど、アシスト磁石６７に作用する反磁界の強度は小さくなる。本実施例において、上記の所定距離は、アシスト磁石６７の厚さを必要最小限に抑制しつつ、アシスト磁石６７に作用する反磁界がアシスト磁石６７に減磁を生じさせない程度の大きさとなるように設定されている。
【００３１】
図３は、アシスト磁石６７をロアコイル６０に隣接して配設した場合に、ロアコイル６０に逆電流が供給されている状況下で、アシスト磁石６７の偏平率Ｈ（アシスト磁石６７の径方向の厚さＤと軸方向の距離Ｌとの比Ｄ／Ｌ）と、アシスト磁石６７に作用する磁界の磁束密度の径方向成分との関係をＦＥＭ磁界解析で求めた結果を示す。尚、以下、アシスト磁石６７の分極により生じる磁界の向きを正方向とし、アシスト磁石６７に作用する反磁界の向きを負方向とする。
【００３２】
図３に示す如く、アシスト磁石６７がロアコイル６０に隣接して配設された場合、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが約０．１７より小さい領域では、アシスト磁石６７に作用する磁束密度は負の値となる。磁束密度が負の値となると、アシスト磁石６７は減磁される。すなわち、アシスト磁石６７がロアコイル６０に隣接して配設された場合、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなると、アシスト磁石６７は減磁される。
【００３３】
アシスト磁石６７の径方向の厚さを抑制しつつ、アシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さい領域でアシスト磁石６７に作用する磁束密度を正の値とすることが必要である。上述の如く、アシスト磁石６７に作用する反磁界は、アシスト磁石６７がロアコイル６０から離間するほど小さくなる。従って、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さい領域においてアシスト磁石６７の減磁を防止するためには、アシスト磁石６７をロアコイル６０から離間させることが有効である。
【００３４】
図４は、アシスト磁石６７の偏平率Ｈを変化させた場合に、アシスト磁石６７の減磁を防止するために必要なアシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘ（ｍｍ）を求めた結果を示す。図４において、常温でアシスト磁石６７に作用する磁界の磁束密度を正とするために必要な距離Ｘを実線で、また、上記のアシスト磁石６７の周囲の温度上昇による磁気特性の悪化を考慮して上記の磁束密度を０．２（Ｔ）以上とするために必要な距離Ｘを一点鎖線で、それぞれ示す。
【００３５】
図４に実線で示す、常温においてアシスト磁石６７の減磁を防止するために必要なアシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘは、次式により表される。
Ｘ ＝ −２．０５９ ＋ １４６．２９ （Ｄ／Ｌ） − ８２６．１５ （Ｄ／Ｌ） ２ ・・・（１）
図４に実線で示す如く、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなるほど、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間に大きな距離Ｘが必要となる。しかし、アシスト磁石６７の偏平率Ｈが小さくなるほど、そのようなアシスト磁石６７を製造することは困難となる。このため、アシスト磁石６７は、ある程度の偏平率Ｈを有していることが必要である。また、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘを大きくする場合、ロアコア６２の体格が増大する。
【００３６】
また、図４に一点鎖線で示す、温度上昇時においてアシスト磁石６７の減磁を防止するために必要な距離Ｘは、次式により表される。
Ｘ ＝ −５．８３６１ ＋ ２１６．９ （Ｄ／Ｌ） − ８４５．５５ （Ｄ／Ｌ） ２ ・・・（２）
図４に一点鎖線で示す如く、アシスト磁石６７の周囲が高温である場合にアシスト磁石６７の減磁を防止するためには、常温の場合に比して、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間に大きな距離Ｘが必要となる。このため、アシスト磁石６７の周囲の温度に応じて、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘを設定する必要がある。
【００３７】
このように、アシスト磁石６７とロアコイル６０との間の距離Ｘは、使用温度条件を考慮したうえで、ロアコア６２の体格が過度に増大しない範囲内で、最小の偏平率Ｈが確保できるように、次式（３）に示す範囲内で設定されることとなる。
−２．０５９ ＋ １４６．２９ （Ｄ／Ｌ） − ８２６．１５ （Ｄ／Ｌ） ２ ≦ Ｘ ≦ −５．８３６１ ＋ ２１６．９ （Ｄ／Ｌ） − ８４５．５５ （Ｄ／Ｌ） ２・・・（３）
従って、本実施例によれば、アシスト磁石６７を、ロアコイル６０から上述の如く設定された距離だけ離間して配設することにより、アシスト磁石６７の厚さを増大させることなく、アシスト磁石６７の減磁を防止することができる。このため、本実施例によれば、アシスト磁石６７の減磁を有効に防止しつつ、電磁駆動バルブ２０の消費電力の増大を抑制することができる。
【００３８】
尚、以上は、第２電磁石５８側について説明したが、第１電磁石５２でも、アシスト磁石６６がアッパコイル５４から離間して設けられていることで、上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施例において、アッパコイル５４とアシスト磁石６６との間、および、ロアコイル６０とアシスト磁石６７との間を離間させることとしても、アシスト磁石６６，６７によりアーマチャ５０に流通する磁束の大きさは変化しない。従って、アーマチャ５０に作用するアシスト力も変化しない。すなわち、コイル５４，６０とアシスト磁石６６との間を離間させることとしても、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給すべき励磁電流が増加することはない。
【００３９】
図５は、内燃機関１０の回転数が例えば８００ｒｐｍである場合にアッパコイル５４またはロアコイル６０に供給すべき励磁電流の電力の内訳、すなわち、（Ｉ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に保持すべく供給される励磁電流の電力（保持電力）、（ＩＩ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に向けて吸引すべく供給される励磁電流の電力（吸引電力）、および（ＩＩＩ）アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から閉弁方向または開弁方向に離間させるべく供給される励磁電流の電力（離間電力）の割合を、アシスト磁石が設けられていない電磁駆動バルブ（Ａ）と、アシスト磁石６６，６７が設けられた本実施例の電磁駆動バルブ２０（Ｂ）とで比較した図を示す。
【００４０】
本実施例において、アーマチャ５０がアッパコア５６またはロアコア６２の近傍に到達すると、アーマチャ５０には、上記したアシスト力が作用する。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、アシスト磁石が設けられない場合に比して、吸引電力が低減される（図５に示す領域ＩＩ）。
また、本実施例において、上述の如く、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持された状態で作用するアシスト力は、その状態で作用するアッパスプリング４０またはロアスプリング３４による付勢力よりも大きな値となるように設定されている。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、図５（Ｂ）に示す如く、保持電力はゼロとなる。
【００４１】
一方、本実施例において、アーマチャ５０をアッパコア５６またはロアコア６２から離間させるためには、アーマチャ５０に、上記したアシスト力を打ち消すだけの電磁力を作用させる必要がある。このため、本実施例の電磁駆動バルブ２０では、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から離間させるために、アシスト磁石６７が設けられていない場合に比して大きな逆電流をアッパコイル５４またはロアコイル６０に供給する必要があり、その分だけ離間電力は増大する（図５に示す領域ＩＩＩ）。
【００４２】
しかしながら、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端から変位する場合、アーマチャ５０には、アッパスプリング４０またはロアスプリング３４によって中立位置に向かう付勢力が作用する。このため、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端から変位させるために必要な逆電流は、アーマチャ５０を開弁側変位端または閉弁側変位端に向けて吸引するために必要な電流に比して小さい。すなわち、離間電力は吸引電力よりも十分に小さい。従って、アッパコア５６およびロアコア６２の内部にアシスト磁石６６，６７が設けられることにより、離間電力が増大しても、全体として、電磁駆動バルブ２０の消費電力を低減することが可能となっている。
【００４３】
図６は、内燃機関の各回転数について上記図５と同様の解析を行うことにより、回転数（ｒｐｍ）と平均消費電力（Ｗ）との関係を求めた結果を示す。図６においては、本実施例の電磁駆動バルブ２０における結果を実線で、また、アシスト磁石が設けられていない電磁駆動バルブにおける結果を点線で、それぞれ示している。
【００４４】
図６に示す如く、内燃機関１０の回転数が上昇すると、電磁駆動バルブ２０の開閉駆動の頻度の増加に伴って、電磁駆動バルブ２０の消費電力は増大する。しかし、本実施例の電磁駆動バルブ２０によれば、いずれの回転数においても、アシスト磁石が設けられない場合に比して、消費電力の低減が図られていることがわかる。
【００４５】
また、本実施例において、アッパコイル５４およびロアコイル６０に供給される励磁電流は、スイッチング素子をデューティ駆動することにより制御される。スイッチング素子のオン・オフ状態が切り替えられる際には、スイッチングロスにより電気エネルギの一部が熱エネルギとして消費される。このため、スイッチングロスによるエネルギ損失を低減するためには、スイッチング素子のオン・オフ状態の切り替え頻度を抑制することが望ましい。
【００４６】
これに対して、本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持されている状態では、上述の如く、アッパコイル５４およびロアコイル６０に励磁電流は供給されない。このため、本実施例において、アーマチャ５０が開弁側変位端または閉弁側変位端に保持されている状態でスイッチング素子のオン・オフ状態が切り替わらないことで、全体としてその切り替え頻度は抑制される。従って、本実施例によれば、スイッチングロスによるエネルギ損失を低減することができると共に、スイッチング素子の周辺の発熱を抑制することが可能となる。
【００４７】
尚、上記の実施例においては、アッパコイル５４およびロアコイル６０が前記請求項１記載の「電磁コイル」に、アッパスプリングおよびロアスプリングが前記請求項１記載の「バネ」に、アシスト磁石６６，６７が前記請求項１記載の「永久磁石」に、それぞれ相当している。
また、上記の実施例においては、電磁駆動バルブ２０がアーマチャ５０の上下両側に電磁石およびスプリングを備えるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁石およびスプリングをそれぞれアーマチャ５０の片側にのみ備える構成としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、コア内部に永久磁石を設けることによりコアとアーマチャとの間に磁気吸引力を作用させることができると共に、永久磁石をコイルから離間して設けることにより永久磁石の厚みを大きくすることなく永久磁石の減磁を防止することができる。従って、本発明によれば、電磁駆動バルブの消費電力を有効に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電磁駆動バルブを備える内燃機関の要部の構成図である。
【図２】本発明の一実施例である電磁駆動バルブにおいて、アーマチャが電磁石に吸引された状態を示す拡大断面図である。
【図３】永久磁石を電磁コイルに隣接して配設した場合に、電磁コイルに逆電流が供給されている状況下で、永久磁石の偏平率Ｈ（永久磁石の径方向の厚さＤと軸方向の距離Ｌとの比Ｄ／Ｌ）と、永久磁石に作用する磁界の磁束密度の径方向成分との関係をＦＥＭ磁界解析で求めた結果である。
【図４】永久磁石の偏平率Ｈを変化させた場合に、永久磁石の減磁を防止するために必要な永久磁石と電磁コイルとの間の距離Ｘ（ｍｍ）を求めた結果である。
【図５】内燃機関の回転数が８００ｒｐｍである場合に電磁コイルに供給すべき励磁電流の電力の内訳、すなわち、保持電力（Ｉ）、吸引電力（ＩＩ）、および離間電力（ＩＩＩ）の割合を、永久磁石が設けられていない電磁駆動バルブと、永久磁石が設けられた電磁駆動バルブとで比較した図である。
【図６】内燃機関の各回転数における電磁コイルに供給する励磁電流の平均電力を解析した結果を、コア内部に永久磁石が設けられていない電磁駆動バルブと、永久磁石が設けられた電磁駆動バルブとで比較した図である。
【符号の説明】
２０，２２ 電磁駆動バルブ
２４ 吸気バルブ（弁体）
５０ アーマチャ
６０ ロアコイル
６２ ロアコア
６２ｂ 第２環状溝
６６，６７ アシスト磁石
Claims (2)
- 電磁コイルおよび該電磁コイルを保持するコアから構成された電磁石と、アーマチャを付勢するバネとを備え、電磁力とバネ力とを協働させることにより弁体を開閉駆動する電磁駆動バルブにおいて、
前記アーマチャが前記電磁石の近傍に到達した際に前記アーマチャと前記コアとの間に吸引力を作用させる永久磁石を、前記コアの内部に前記電磁コイルから該永久磁石の径方向厚さと軸方向長さとの比に応じた距離だけ離間して設けたことを特徴とする電磁駆動バルブ。 - 前記距離（Ｘ）は、前記径方向厚さ（Ｄ）及び前記軸方向長さ（Ｌ）を用いて以下に示す範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動バルブ。
-2.059+146.29(D/L)-826.15(D/L) 2 ≦Ｘ≦ -5.8361+216.9(D/L)-845.55(D/L) 2
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16382898A JP3547115B2 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 電磁駆動バルブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16382898A JP3547115B2 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 電磁駆動バルブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11350929A JPH11350929A (ja) | 1999-12-21 |
| JP3547115B2 true JP3547115B2 (ja) | 2004-07-28 |
Family
ID=15781526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16382898A Expired - Fee Related JP3547115B2 (ja) | 1998-06-11 | 1998-06-11 | 電磁駆動バルブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3547115B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2812024B1 (fr) * | 2000-07-18 | 2003-04-04 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Actionneur de soupapes de moteurs a combustion interne |
| FR2812025B1 (fr) * | 2000-07-20 | 2003-01-24 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Actionneur electromagnetique de soupape de moteur a combustion interne |
| DE10322881A1 (de) * | 2003-05-21 | 2004-12-16 | Bayerische Motoren Werke Ag | Elektrischer Ventiltrieb mit Elektro- und Permanentmagneten |
| FR2865238B1 (fr) * | 2004-01-15 | 2006-06-30 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Actionneur electromecanique de commande de soupape pour moteur a combustion interne et moteur a combustion interne muni d'un tel actionneur |
| JP2006022776A (ja) | 2004-07-09 | 2006-01-26 | Toyota Motor Corp | 電磁駆動弁 |
| JP4124183B2 (ja) * | 2004-08-31 | 2008-07-23 | トヨタ自動車株式会社 | 電磁駆動弁およびその制御方法 |
| JP7214393B2 (ja) * | 2018-08-10 | 2023-01-30 | 株式会社ジェイテクトフルードパワーシステム | 電磁弁 |
-
1998
- 1998-06-11 JP JP16382898A patent/JP3547115B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11350929A (ja) | 1999-12-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4126787B2 (ja) | 電磁駆動装置 | |
| JP3629362B2 (ja) | エンジンバルブ駆動用電磁バルブの駆動方法 | |
| US6763789B1 (en) | Electromagnetic actuator with permanent magnet | |
| KR100301880B1 (ko) | 내연기관의전자구동밸브 | |
| JP2000283317A (ja) | 機関弁の電磁駆動装置 | |
| JP3835024B2 (ja) | 内燃機関の電磁駆動装置 | |
| JP3547115B2 (ja) | 電磁駆動バルブ | |
| JP2002130510A (ja) | 電磁駆動弁 | |
| JP3458671B2 (ja) | 電磁駆動弁 | |
| JP3596256B2 (ja) | 内燃機関の電磁駆動弁 | |
| JP3572447B2 (ja) | 内燃機関の電磁動弁装置 | |
| JP3838638B2 (ja) | 電磁アクチュエータ | |
| JP3175204B2 (ja) | エンジン吸排気用電磁駆動バルブ | |
| JPH11336518A (ja) | 電磁駆動バルブ | |
| JP2002309991A (ja) | 燃料噴射装置および燃料噴射弁の制御方法 | |
| JP2009019619A (ja) | 電磁駆動バルブ装置 | |
| JP3539294B2 (ja) | 内燃機関用燃料噴射弁 | |
| JP2004019533A (ja) | 電磁駆動弁 | |
| JP3669645B2 (ja) | 内燃機関の動弁装置 | |
| JPH1162530A (ja) | 電磁駆動弁 | |
| JP3175265B2 (ja) | エンジン吸排気用電磁駆動バルブ | |
| JPH1181939A (ja) | 電磁駆動装置 | |
| JP2000008817A (ja) | 電磁駆動バルブ | |
| JP2872075B2 (ja) | 自己保持型ソレノイド装置 | |
| JPH09151716A (ja) | 内燃機関の磁性式弁 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20031225 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040330 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040412 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100423 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100423 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110423 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |