JP3979608B2 - 感温アクチュエータ - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は温度の変化に応じて駆動力を発生する感温アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、自動車等のアイドリング状態時における吸入空気量は、環境あるいはエンジン温度によっても影響を受ける。したがって機器の種類によっては温度変化に応じて機器の応動条件を変化させたい場合がある。これを自動車のアイドリング状態で説明すると、エンジン温度が高ければバイパス空気量を小さくし、逆にエンジン温度が低ければバイパス空気量を大きくする必要がある。又、ヒータ等では、低温時には燃料バルブを多く開いて発熱量を増やす必要がある。
【0003】
この種の応動条件を満足させる手段としては各種のものが既に提案されているが、出願人は磁路の一部に感温磁性材を介在させる方式を、特許第3315815号として既に提案している。この方式の概要は次の通りである。
【0004】
即ち、ヨークを形成する磁性材からなる固定子の内部に開口を設けて、この内部に回転自在に回転子を配置する。そして固定子と回転子とを連結するための磁極片を設けてギャップを設けた磁路を形成し、更に磁路の一部に感温磁性材(温度によって透磁率又は飽和磁束密度等の磁気特性の変化するもの)を設け、起磁力源からの磁気特性を温度に応じて変化させようとするものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記既提案技術において、感温磁性材として、例えば負特性を有するサーモフェライト等を用いた場合、低温時に透磁率が大であるが、高温時は小となる特性を有しているため、ある温度状態時にあっては機器が非通電時であったとしても回転子に駆動力が作用し、所定角度だけ回転してしまう。
【0006】
しかしながら機器の非通電時には、駆動対象であるバルブが温度に関係なく閉止(全閉)する必要のあるものがある。例えばヒータ等の燃料バルブがそれであり、この場合にあっては非動作時には燃料のバルブを全閉して燃料の流出を防止しなければならない。
【0007】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、非通電時には常時バルブが閉止する特性(ノーマルクローズ)を有する感温アクチュエータを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の[請求項1]に係る感温アクチュエータは、少なくとも1つの副エアーギャップを介して対向する2つの磁極片が主エアーギャップを形成し、前記主エアーギャップ内には半径方向に磁化された回転子を配設して前記主エアーギャップ内を回転する構成を有し、前記磁極片には通電方向によって磁束の方向を変化する起磁力源を有する磁気回路に接続して閉磁路を形成したアクチュエータにおいて、前記磁気回路には主エアーギャップ以外に少なくとも1つのエアーギャップを設けてその内部には温度によって磁気特性が変化する感温磁性材を介在させて前記磁気回路を分離すると共に、前記起磁力源は前記各エアーギャップ内に磁界を発生させるように構成した。
【0009】
本発明の[請求項2]に係る感温アクチュエータは、1つの副エアーギャップを挟んで対向させて設けた2つの磁極片と、前記磁極片の他端に通電方向によって磁束の方向を変化する起磁力源を有して長方形に折曲した磁気回路を接続することにより全体形状が長方形の気回路を形成し、前記長方形の気回路に囲まれた直線状の内部空間に永久磁石からなる移動子を配設すると共に、前記永久磁石は移動子の移動方向に対して垂直方向に磁化されたアクチュエータにおいて、前記磁気回路には主エアーギャップ以外に少なくとも1つのエアーギャップを設けてその内部には感温磁性材を介在させて前記磁気回路を分離すると共に、前記起磁力源は前記各エアーギャップ内に磁界を発生させるよう構成した。
【0010】
本発明の[請求項3]に係る感温アクチュエータは、[請求項1]または[請求項2]記載の感温アクチュエータにおいて、起磁力源は電磁石とした。
【0011】
【作用】
本発明の[請求項1]に係る感温アクチュエータは、主エアーギャップ間に永久磁石からなる回転子を移動自在に配設すると共に、主エアーギャップの両側に副エアーギャップを設けている。この種の磁気回路の解析結果より、副エアーギャップでの磁束が0であるときが、回転子が最も安定な場合であることがわかっている。したがって、このとき回転子は安定位置で停止する。又、電磁コイルに通電すると磁気回路(副エアーギャップにも)に磁束ができて、回転子が移動する。この場合、副エアーギャップに蓄えられた磁気エネルギーを打消す方向にトルクが働き、これによって回転子は移動し、安定位置、即ち、副エアーギャップでの磁束が0となる位置で停止する。なお、温度上昇によって感温磁性材が常磁性となって、起磁力源から回転子への影響が小さくなり、その結果移動量(回転量)も減少する。
【0012】
本発明の[請求項2]に係る感温アクチュエータは、磁路を直線状とし、これによって囲まれた空間に永久磁石からなる移動子を設けたものであり、基本的な動作は[請求項1]の場合と同様である。又、副エアーギャップ内に蓄えられた磁気エネルギーを減少する方向でトルクが発生する。なお、温度上昇によって感温磁性材が常磁性となって、起磁力源から移動子への影響が小さくなり、移動子の移動量が減少する。
【0013】
本発明の[請求項3]に係る感温アクチュエータは、[請求項1]又は[請求項2]において起磁力源を電磁石としただけであり、その動作は上記各請求項のものと同じである。
【0014】
【実施例】
以下、図面を参照して実施例を説明する。
図1は本発明の[請求項1]に係る感温アクチュエータの一実施例の構成図である。図1において、は感温アクチュエータ本体であり、連結するための磁路2と、磁極片3−1,3−2と、各磁極片3−1,3−2と磁路2との間に夫々介在させた感温磁性材4−1,4−2とからなる。
【0015】
又、各磁極片3−1,3−2の間には主エアーギャップがあって、この間には永久磁石からなる回転子6(起磁力源)が配設され、シャフト7を介して回転する構成を有している。8−1,8−2は副エアーギャップであって主エアーギャップ5の両側に設けられる。9は電磁コイル(起磁力源)である。
【0016】
なお、感温磁性材4−1,4−2は、温度に応じて透磁率が変化し、この場合は低温時に磁束を通し易く、温度上昇してキュリー温度に達すると常磁性となるサーモフェライトや整磁材料等を用いる。なお、本実施例では感温磁性材を2つ設けているが、1つであっても良い。
【0017】
次に動作説明をする。
先ず、電磁コイル9が非通電であれば、回転子6は図示の位置で静止している。この理由は回転子6のN極からの磁束は主エアーギャップと磁極片3−1,3−2を経由してS極に戻って一巡しており、この場合、両側の副エアーギャップ8−1,8−2の磁束は存在しない。即ち、この状態が磁気的ににも最も安定しているからである。
【0018】
次に電磁コイル9に通電すると、起磁力源からの磁束が連結するための磁路2,感温磁性材4−1,磁極片3−1,副エアーギャップ8−1又は8−2,磁極片3−2,感温磁性材4−2,磁路2の経路に流れる。したがって副エアーギャップ8−1及び8−2の磁気エネルギーを打消す方向に回転子が回転し、副エアーギャップ8−1,8−2の磁気エネルギーが0、即ち、8−1,8−2を通る磁束が0となる位置で停止する。
【0019】
したがってこのアクチュエータを自動車のエンジンルームに置いた場合、エンジンの暖機状態に応じて温度が上昇し、感温磁性部材4−1,4−2は磁気を通しにくくなる。又、ヒータでは環境温度により磁気抵抗が変化する。このことは電磁コイル9で生じる起磁力が回転子6の永久磁石に及ぼす影響が小さくなることを意味する。
【0020】
したがって電磁コイル9に流れる電流値が同じであっても、温度上昇と共に非通電時の位置方向に回転子が移動する。このときの移動量は感温磁性部材4−1,4−2の厚みtや断面積等で決まる。
【0021】
本実施例によれば電磁コイル9への非通電時には温度に拘らず回転子が最も安定した状態位置、即ち、図1に示されるように回転子のN極,S極が副エアーギャップ方向を向いた位置に停止し、一方、温度上昇した場合にも感温磁性材4−1,4−2の作用によって前記安定位置に停止する。このことはノーマルクローズ状態となることを意味する。
【0022】
上記したことからわかるように、回転子6の安定状態とは副エアーギャップ8−1,8−2に磁気の流れがない状態である。一般に、この種の磁気回路設計では、コンピュータ上で走る有限要素解析プログラムで磁気の流れを計算し、更に回転子に生じるトルクを計算すると共に、これによるトルクが0となる状態を算出して特性を把握するようにしている。
【0023】
しかしトルクを演算しようとすれば、高性能のコンピュータが必要となるが、上記実施例によれば回転子の安定位置の場合では磁気の流れの演算結果のみでアクチュエータの特性が把握できる。この場合、磁気の流れの演算では小規模のコンピュータでも、比較的精度の良い結果が得られる。その結果、開発時間の短縮や設計品質の向上が計られる。
【0024】
図2は有限要素法によりモータの磁界解析をするためのモデル形状を示したものである。なお、解析モデルは極座標系で入力するため、図2の形状としたものであり、図1の構成要素に対応する部分については、同一符号を付した。
【0025】
図3は図2のモデルを使った解析結果を示し、電磁コイルは通電状態である。図3に示されるように副エアーギャップ8−1,8−2に対して磁極片3−2から3−1への磁束の流れが観察され、回転子6が矢印の向きに回転トルクを生じていることがわかる。
【0026】
図4は回転子6が最も安定した位置で停止した状態を示す図である。図3の状態から回転子6を回転させると、ある位置で副エアーギャップ8−1,8−2内の磁束が0になる。この時の回転子6に生じるトルクは0であり、これが回転子の停止状態となる位置である。
【0027】
この状態を検証したのが図4である。したがって回転子のトルクを演算しなくても副エアーギャップ内の磁束を観察するだけで回転子の静止位置が得られることがわかる。なお、図3,図4ではいずれも回転子の回転状態と安定状態(静止状態)と、その時の磁束の流れとの関係を示したものである。
【0028】
図5は本発明の[請求項2」及び[請求項3」に係る感温アクチュエータの一実施例の構成図である。図5において、図1と同一機能部分については同一符号を付した。本実施例では全体構成を直動形にしたものである。したがって磁極片3−1,3−2の間に副エアーギャップ8を1個設け、電磁コイル9を設けた磁路2−1と磁極片3−1との間に感温磁性材4を介在させたものである。
【0029】
次に作用について説明する。
先ず、電磁コイル9に電流が流れていないとき、磁路は移動子6−1のN極からS極へ磁極片3−1を介して形成される。この場合、副エアーギャップ8には磁束は流れず、前記図1の場合と同様に安定状態であり、したがって移動子6−1はこの位置に停止している。
【0030】
移動子6−1を矢印方向に移動させるためには、電磁コイル9に電流を流す。この場合、移動子6−1が所定位置にて停止することを図6によって説明する。ここでは、電磁コイル9の電流を0とし、移動子6−1を外力にて図示位置に動かした場合を考える。
【0031】
この状態では磁極片3−2を介して副エアーギャップ8及び感温磁性材4を介して図示のような磁束が流れる。この時、副エアーギャップ8に蓄えられたエネルギーは、これを減らす方向、即ち、移動子6−1を左側に戻そうとする反力として働く。
【0032】
更に電磁コイル電流を所定値にすると、図7に示されるように副エアーギャップ8を流れる磁束が全て感温磁性材4側を流れる。その結果副エアーギャップ8内の磁気エネルギーが0となって安定状態となる。
【0033】
以上、図5,図6,図7による説明はいかにして反力ができ、コイル通電により反力が0となり、移動子が静止する作用を発生するかを説明したが、いずれにしても移動子6−1を移動させるには、あくまでも電磁コイル9に電流を流して作動させることは当然のことである。
【0034】
又、温度上昇に応じて感温磁性材が磁気を通しにくくなることは既に説明した通りであり、所定キュリー温度に達すれば電磁コイルによる影響が少なくなり、移動量が減少する。又、非通電時にはバルブの全閉位置が安定状態になる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればコイル非通電時に回転子位置が温度に拘らず閉止位置をとることができるばかりか、アクチュエータの特性を磁気の流れのみで解析でき、開発時間の短縮や設計が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による感温アクチュエータの一実施例の構成図。
【図2】有限要素法による解析モデル図。
【図3】解析結果による回転力状態を示す図。
【図4】解析結果による安定状態(停止)を示す図。
【図5】本発明による他の実施例の構成図。
【図6】図5の動作において反力を説明する図。
【図7】図5の動作において安定状態を説明する図。
【符号の説明】
感温アクチュエータ本体
2,2−1 磁路
3,3−1,3−2 磁極片
4,4−1,4−2 感温磁性材
主エアーギャップ
6 移動子(回転子)
6−1 移動子
7 シャフト
8,8−1,8−2 副エアーギャップ
9 電磁コイル

Claims (3)

  1. 少なくとも1つの副エアーギャップを介して対向する2つの磁極片が主エアーギャップを形成し、前記主エアーギャップ内には半径方向に磁化された回転子を配設して前記主エアーギャップ内を回転する構成を有し、前記磁極片には通電方向によって磁束の方向を変化する起磁力源を有する磁気回路に接続して閉磁路を形成したアクチュエータにおいて、前記磁気回路には主エアーギャップ以外に少なくとも1つのエアーギャップを設けてその内部には温度によって磁気特性が変化する感温磁性材を介在させて前記磁気回路を分離すると共に、前記起磁力源は前記各エアーギャップ内に磁界を発生させることを特徴とする感温アクチュエータ。
  2. 1つの副エアーギャップを挟んで対向させて設けた2つの磁極片と、前記磁極片の他端に通電方向によって磁束の方向を変化する起磁力源を有して長方形に折曲した磁気回路を接続することにより全体形状が長方形の気回路を形成し、前記長方形の気回路に囲まれた直線状の内部空間に永久磁石からなる移動子を配設すると共に、前記永久磁石は移動子の移動方向に対して垂直方向に磁化されたアクチュエータにおいて、前記磁気回路には主エアーギャップ以外に少なくとも1つのエアーギャップを設けてその内部には感温磁性材を介在させて前記磁気回路を分離すると共に、前記起磁力源は前記各エアーギャップ内に磁界を発生させることを特徴とする感温アクチュエータ。
  3. 請求項1又は請求項2記載の感温アクチュエータにおいて、前記起磁力源は電磁石であることを特徴とする感温アクチュエータ。
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