JP5189517B2 - 電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法及び検出装置 - Google Patents
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Description
この発明は固定鉄心と可動鉄心とを有し、可動鉄心によって例えば開閉弁や切り換え弁を作動させ、その作動状態を保持するようにされた電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法及び検出装置に関するものである。
従来のこの種装置は例えば電磁弁等の弁の動作コイルに直列抵抗を接続し、この直列回路に電流を流した時、直列抵抗の両端に表われる電圧の波形が電磁弁の可動鉄心が移動するかしないかによって変化することを利用して電磁弁の可動鉄心の動作状態を確認するようにしていた。（例えば特許文献１参照）。
また、開弁時または閉弁時に動作用のコイルと弁の可動片との磁気的結合の度合いが変化し、動作用コイルのインダクタンスの大きさが開弁時と閉弁時とで異なる構成とされているような弁装置においては、動作用コイルのインダクタンスを検出して弁の動作状態を確認するようにしていた。（例えば特許文献２参照）。
特許文献１に示されたギャップ検出方法は上記のように構成されているため、動作コイルに流れる電流をゼロにした後、必要に応じて可動鉄心の移動位置をチェックすることができるが、可動鉄心が移動した状態、即ち鉄心ギャップが開いた状態のみしか検出することができないという問題点があった。
また、特許文献２に示されたギャップ検出方法においては、開弁状態で弁の可動片となる電磁石の可動鉄心と固定鉄心とのギャップが閉じている状態において、磁束が飽和してコイルのインダクタンスが小さくなる状態と、閉弁状態で弁の可動片となる電磁石の可動鉄心と固定鉄心とのギャップが開いている状態において、コイルのインダクタンスが小さくなる状態とを区別することができないため、電磁石の可動鉄心と固定鉄心とのギャップを正確に検出することができないという問題点があった。
この発明は上記のような問題点に対処するためになされたもので、電磁石の可動鉄心と固定鉄心間のギャップが開放状態か閉塞状態か、その中間状態かを正確に検出することができるギャップ検出方法及び検出装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法は、固定鉄心と可動鉄心とを対向配置して形成される磁路と、上記可動鉄心を固定鉄心側または反固定鉄心側へ駆動する弾性装置と、上記磁路を励磁し、上記弾性装置に抗して上記可動鉄心を駆動するコイルとを備えた電磁石の上記両鉄心間のギャップを検出する検出方法において、ベース電流に変動電流あるいは変動電圧を重畳した合算電流を形成し、上記ベース電流を増加させながら上記合算電流を上記コイルに供給した際の電流変化あるいは電圧変化にもとづいて上記コイルのインダクタンスの変化を導出し、上記インダクタンスの変化の仕方に応じて上記ギャップの大きさを判定するものである。
この発明に係る電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法及び検出装置は上記のように構成されているため、電磁石の固定鉄心、可動鉄心間のギャップが閉塞状態において磁束が飽和してコイルのインダクタンスが小さい状態と、上記ギャップが開放状態においてコイルのインダクタンスが小さい状態とを明確に区別することができるため、上記ギャップの開放状態と閉塞状態と、その中間状態とを正確に検出することができるものである。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。
先ず、この発明のギャップ検出装置の基本構成を図１にもとづいて説明する。
ギャップ検出装置は励磁用のコイルを有する電磁石装置１と、この電磁石装置１のコイルに電流を供給する電源２と、上記コイルに後述するような合算電流（通電電流）を供給した際の電流変化あるいは電圧変化にもとづいて後述する式によってコイルのインダクタンスを演算する演算装置３と、演算されたインダクタンスの変化の仕方に応じて電磁石の固定鉄心と可動鉄心とのギャップの大きさを判定するギャップ判定装置４とから構成されている。
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。
先ず、この発明のギャップ検出装置の基本構成を図１にもとづいて説明する。
ギャップ検出装置は励磁用のコイルを有する電磁石装置１と、この電磁石装置１のコイルに電流を供給する電源２と、上記コイルに後述するような合算電流（通電電流）を供給した際の電流変化あるいは電圧変化にもとづいて後述する式によってコイルのインダクタンスを演算する演算装置３と、演算されたインダクタンスの変化の仕方に応じて電磁石の固定鉄心と可動鉄心とのギャップの大きさを判定するギャップ判定装置４とから構成されている。
次に、上述したギャップ検出装置のうち電磁石装置１の構成の一例を図２にもとづいて説明する。
電磁石装置１は固定鉄心１１と、この固定鉄心に対向配置され移動し得るように保持された可動鉄心１２とを有する。また固定鉄心１１には励磁用のコイル１３が巻装され、コイル１３には図１に示す電源２から所定の電流が供給されるようになっている。
可動鉄心１２には適宜の軸１４が設けられ、軸１４の外端には例えば弁体等の被作動体１５が結合され、この被作動体１５と固定鉄心１１との間には圧縮ばね１６が装着され、可動鉄心１２が固定鉄心１１から離隔する方向に常時押圧力が作用するようにされている。
電磁石装置１は固定鉄心１１と、この固定鉄心に対向配置され移動し得るように保持された可動鉄心１２とを有する。また固定鉄心１１には励磁用のコイル１３が巻装され、コイル１３には図１に示す電源２から所定の電流が供給されるようになっている。
可動鉄心１２には適宜の軸１４が設けられ、軸１４の外端には例えば弁体等の被作動体１５が結合され、この被作動体１５と固定鉄心１１との間には圧縮ばね１６が装着され、可動鉄心１２が固定鉄心１１から離隔する方向に常時押圧力が作用するようにされている。
電源２から所定の電流がコイル１３に供給され、固定鉄心１１の電磁力が圧縮ばね１６の押圧力を上回る場合には図２(a)に示すように、可動鉄心１２は固定鉄心１１に吸引さ
れ、両鉄心間のギャップがゼロ（閉塞状態）となるが、コイル１３の電流が減少するなどして固定鉄心１１の電磁力が弱まり、圧縮ばね１６の押圧力が電磁力を上回ると圧縮ばね１６の押圧力によって可動鉄心１２は図２(b)に示すように固定鉄心１１から離隔し、固
定鉄心１１と可動鉄心１２との間にギャップｇが生じる。
このギャップｇは電流の大きさに応じてその程度が変化し、ギャップが閉の状態（閉塞状態）、ギャップが大の状態（開放状態）あるいはそれに至る途中に摺動異常などで可動鉄心の移動が止まったり、ギャップに異物が入った場合などに中間状態となり得る。従って弁体等の被作動体１５が開放状態、閉塞状態あるいはそれらの中間状態を保持することになる。
れ、両鉄心間のギャップがゼロ（閉塞状態）となるが、コイル１３の電流が減少するなどして固定鉄心１１の電磁力が弱まり、圧縮ばね１６の押圧力が電磁力を上回ると圧縮ばね１６の押圧力によって可動鉄心１２は図２(b)に示すように固定鉄心１１から離隔し、固
定鉄心１１と可動鉄心１２との間にギャップｇが生じる。
このギャップｇは電流の大きさに応じてその程度が変化し、ギャップが閉の状態（閉塞状態）、ギャップが大の状態（開放状態）あるいはそれに至る途中に摺動異常などで可動鉄心の移動が止まったり、ギャップに異物が入った場合などに中間状態となり得る。従って弁体等の被作動体１５が開放状態、閉塞状態あるいはそれらの中間状態を保持することになる。
この発明は上記ギャップｇの開放状態、閉塞状態、中間状態を正確に検出できるようにしたものである。
以下、この発明の実施の形態１のギャップ検出方法について図３を用いて説明する。
以下、この発明の実施の形態１のギャップ検出方法について図３を用いて説明する。
先ず、図２に示す電磁石装置１において、固定鉄心１１と可動鉄心１２とのギャップを０（閉塞状態）、１mm（中間状態）、６mm（開放状態）に保持した状態における可動鉄心の磁束密度とコイル１３への通電電流との関係を図３(a)に示す。この場合、コイル１３の巻数は600ターン、可動鉄心１２は12mmφとしている。図３(a)の縦軸は磁束密度、横軸は通電電流で0〜2Aまで変化させた場合を示している。
ギャップが０の場合には通電電流が約0.5A以上で鉄心は磁気飽和し、ギャップが１mmの場合には通電電流が約1.3A以上で鉄心が磁気飽和している。また、ギャップが６mmの場合には通電電流が2Aまでの範囲では磁気飽和せず、磁束密度は上昇し続けている。
一般的には少ない電流で効率よくギャップを保持するため、磁束が飽和する前の状態、即ち0.3A〜0.5A程度をギャップを保持する電流として選定している。
一般的には少ない電流で効率よくギャップを保持するため、磁束が飽和する前の状態、即ち0.3A〜0.5A程度をギャップを保持する電流として選定している。
図３(b)は図３(a)をコイルのインダクタンスと通電電流の関係で示したものである。
このインダクタンスは、ベース電流に微小な変動電流あるいは変動電圧を重畳した合算電流（通電電流）をコイルに供給し、ベース電流の値を約0.3Aから1.5Aまで徐々に増加させながら、それに対応する電流変化と電圧変化を測定し、これらを次の式に代入してインダクタンスLを演算したものである。演算は図１の演算装置３によって行われる。
このインダクタンスは、ベース電流に微小な変動電流あるいは変動電圧を重畳した合算電流（通電電流）をコイルに供給し、ベース電流の値を約0.3Aから1.5Aまで徐々に増加させながら、それに対応する電流変化と電圧変化を測定し、これらを次の式に代入してインダクタンスLを演算したものである。演算は図１の演算装置３によって行われる。
V=RI+LdI/dt
ただし V:電圧、R:コイル抵抗、I:通電電流、L:インダクタンス である。
コイル抵抗Rは初期に一定電流を通電した時の電圧を測定することから算出することができる。
このインダクタンスは図３(b)に示すように、通電電流が小さい状態（例えば0.5A以下）ではギャップが閉塞状態(0mm)の可動鉄心１２とコイル１３との磁気的結合が、ギャップが開放状態(6mm)における磁気的結合に比べて大きくなるため、コイルのインダクタンスが大きくなる。しかし通電電流が１A程度になると、ギャップが閉塞状態(0mm)では磁束が飽和し、インダクタンスはギャップの開放状態(6mm)の時のインダクタンスと同程度になる。
しかしギャップが中間状態(1mm)の時のインダクタンスは、電流が0.5Aの時のインダクタンス0.1Hに比して漸減し、電流が1Aの時に0.06Hになるが、ギャップが閉塞状態(0mm)あるいは開放状態(6mm)の時のインダクタンス（電流1Aにおいて0.02H）よりも大きくなる。
しかしギャップが中間状態(1mm)の時のインダクタンスは、電流が0.5Aの時のインダクタンス0.1Hに比して漸減し、電流が1Aの時に0.06Hになるが、ギャップが閉塞状態(0mm)あるいは開放状態(6mm)の時のインダクタンス（電流1Aにおいて0.02H）よりも大きくなる。
図３(c)はコイルのインダクタンスとギャップの関係を示したものである。例えば、電流0.5Aでインダクタンスを測定した場合、ギャップが閉塞状態(0mm)では0.05Hであるが、ギャップが0.3mmでは0.12Hまで増加し、それよりギャップが大きくなるに従ってインダクタンスは減少している。
また、電流1Aでインダクタンスを測定した場合、ギャップが閉塞状態(0mm)では0.02Hであるが、ギャップが1mmでは0.06Hまで増加し、それよりギャップが大きくなるに従ってインダクタンスは減少している。
また、電流1Aでインダクタンスを測定した場合、ギャップが閉塞状態(0mm)では0.02Hであるが、ギャップが1mmでは0.06Hまで増加し、それよりギャップが大きくなるに従ってインダクタンスは減少している。
実施の形態１に係るギャップ検出方法及び検出装置は、図３(b)(c)に示すインダクタンスとギャップの大きさと通電電流との関係からギャップの大きさを読み取ろうとするものである。即ち、ギャップの大きさが通電電流の変化にもとづくインダクタンスの変化に対応していることに着目して、インダクタンスの変化の仕方に応じてギャップの大きさを判定するようにしたものである。
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。
実施の形態２は図３(b)(c)に示されたインダクタンスとギャップの大きさと通電電流との関係から、通電電流に対応したインダクタンスの変化を実施の形態１より更に具体的に認識し、ギャップの大きさとの関係を明確にしたギャップ検出方法とその方法を用いた検出装置である。即ち、図３(b)に示されているように、通電電流の増加に対応してインダクタンスの値が大から小に大きく変動した時はギャップが閉塞状態と判定し、通電電流の増加に対応してインダクタンスの値が漸減している時またはほぼ小のままの時はギャップが中間状態または開放状態と判定するものである。
次に、この発明の実施の形態２について説明する。
実施の形態２は図３(b)(c)に示されたインダクタンスとギャップの大きさと通電電流との関係から、通電電流に対応したインダクタンスの変化を実施の形態１より更に具体的に認識し、ギャップの大きさとの関係を明確にしたギャップ検出方法とその方法を用いた検出装置である。即ち、図３(b)に示されているように、通電電流の増加に対応してインダクタンスの値が大から小に大きく変動した時はギャップが閉塞状態と判定し、通電電流の増加に対応してインダクタンスの値が漸減している時またはほぼ小のままの時はギャップが中間状態または開放状態と判定するものである。
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。
この実施の形態は実施の形態１及び２のように、コイルへの通電電流を徐々に増加させながら、それに対応するインダクタンスの変化にもとづいてギャップの大きさを判定するものではなく、コイルに供給する通電電流の値を異なる２つの電流に限定し、２つの電流に対応して導出されたインダクタンスの値を図３(c)に示すインダクタンスとギャップの特性に当てはめて、それぞれのインダクタンスに対応するギャップを通電電流ごとに複数個検出し、その中から各通電電流に共通するギャップを抽出して、そのギャップを最終的な判定値とするものである。
次に、この発明の実施の形態３について説明する。
この実施の形態は実施の形態１及び２のように、コイルへの通電電流を徐々に増加させながら、それに対応するインダクタンスの変化にもとづいてギャップの大きさを判定するものではなく、コイルに供給する通電電流の値を異なる２つの電流に限定し、２つの電流に対応して導出されたインダクタンスの値を図３(c)に示すインダクタンスとギャップの特性に当てはめて、それぞれのインダクタンスに対応するギャップを通電電流ごとに複数個検出し、その中から各通電電流に共通するギャップを抽出して、そのギャップを最終的な判定値とするものである。
例えば、通電電流0.5Aでインダクタンスを測定した時、その値が0.05Hであったとし、
通電電流1Aでインダクタンスを測定した時、その値が0.02Hであったとする。
先ず、図３(c)の0.5Aに対応する曲線上でインダクタンス0.05Hに対応するギャップを抽出する。この場合、矢印ｇ1で示すギャップ0（閉塞状態）と矢印ｇ2で示すギャップ2.5mm（中間状態）の２つが抽出され、この状態ではギャップの判定ができないが、続いて図３(c)の1Aに対応する曲線上でインダクタンス0.02Hに対応するギャップを抽出する。
この場合、矢印ｇ3で示すギャップ0（閉塞状態）と矢印ｇ4で示すギャップ6mm（開放状態）の２つが抽出されるが、両通電電流に共通するギャップ0（閉塞状態）をもって最終的な判定とするものである。
通電電流1Aでインダクタンスを測定した時、その値が0.02Hであったとする。
先ず、図３(c)の0.5Aに対応する曲線上でインダクタンス0.05Hに対応するギャップを抽出する。この場合、矢印ｇ1で示すギャップ0（閉塞状態）と矢印ｇ2で示すギャップ2.5mm（中間状態）の２つが抽出され、この状態ではギャップの判定ができないが、続いて図３(c)の1Aに対応する曲線上でインダクタンス0.02Hに対応するギャップを抽出する。
この場合、矢印ｇ3で示すギャップ0（閉塞状態）と矢印ｇ4で示すギャップ6mm（開放状態）の２つが抽出されるが、両通電電流に共通するギャップ0（閉塞状態）をもって最終的な判定とするものである。
この判定は上記の測定結果（通電電流に対するインダクタンスの測定値）を図３(b)に
示すインダクタンスと通電電流の特性に当てはめることによっても導き出すことができる。
即ち、図３(b)の特性図上で各ギャップに対応する曲線と通電電流0.5Aとインダクタンス0.05Hとの交点を求めると矢印ｇ5で示すように、ほぼギャップ0（閉塞状態）の曲線上であることが分かる。
続いて図３(b)の特性図上で通電電流1Aとインダクタンス0.02Hとの交点を求める。
この場合は、矢印ｇ6で示すようにほぼギャップ0（閉塞状態）の曲線上と矢印ｇ7で示すようにほぼギャップ6mm（開放状態）の曲線上の２つが抽出されるが、両通電電流に共通するギャップ0（閉塞状態）をもって最終的な判定とするものである。
示すインダクタンスと通電電流の特性に当てはめることによっても導き出すことができる。
即ち、図３(b)の特性図上で各ギャップに対応する曲線と通電電流0.5Aとインダクタンス0.05Hとの交点を求めると矢印ｇ5で示すように、ほぼギャップ0（閉塞状態）の曲線上であることが分かる。
続いて図３(b)の特性図上で通電電流1Aとインダクタンス0.02Hとの交点を求める。
この場合は、矢印ｇ6で示すようにほぼギャップ0（閉塞状態）の曲線上と矢印ｇ7で示すようにほぼギャップ6mm（開放状態）の曲線上の２つが抽出されるが、両通電電流に共通するギャップ0（閉塞状態）をもって最終的な判定とするものである。
１ 電源、 ２ 電磁石装置、 ３ インダクタンス演算装置、 ４ ギャップ判定装置、 １１ 固定鉄心、 １２ 可動鉄心、 １３ コイル、 １４ 軸、 １５ 被作動体、 １６ 圧縮ばね。
Claims (3)
- 固定鉄心と可動鉄心とを対向配置して形成される磁路と、上記可動鉄心を固定鉄心側または反固定鉄心側へ駆動する弾性装置と、上記磁路を励磁し、上記弾性装置に抗して上記可動鉄心を駆動するコイルとを備えた電磁石の上記両鉄心間のギャップを検出する検出方法において、ベース電流に変動電流あるいは変動電圧を重畳した合算電流を形成し、上記ベース電流を増加させながら上記合算電流を上記コイルに供給した際の電流変化あるいは電圧変化にもとづいて上記コイルのインダクタンスの変化を導出し、導出された上記インダクタンスの値が上記ベース電流の増加に対応して大から小に大きく変動した時は上記ギャップが閉塞状態であると判定し、上記ベース電流の増加に対応して漸減している時またはほぼ小のままの時は上記ギャップが中間状態または開放状態であると判定することを特徴とする電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法。
- 固定鉄心と可動鉄心とを対向配置して形成される磁路と、上記可動鉄心を固定鉄心側または反固定鉄心側へ駆動する弾性装置と、上記磁路を励磁し、上記弾性装置に抗して上記可動鉄心を駆動するコイルとを備えた電磁石の上記両鉄心間のギャップを検出する検出方法において、異なる値の２つのベース電流にそれぞれ変動電流あるいは変動電圧を重畳した２つの合算電流を形成し、各合算電流を上記コイルに供給した際の電圧あるいは電流にもとづいて上記コイルのインダクタンスをそれぞれ導出し、導出された各インダクタンスと各合算電流を上記電磁石の鉄心ギャップ対インダクタンス特性あるいは通電電流対インダクタンス特性に対応させて上記各インダクタンス及び通電電流に対応する鉄心ギャップを合算電流ごとに１つあるいは複数個検出し、各合算電流に共通する鉄心ギャップを上記電磁石の鉄心ギャップと判定することを特徴とする電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出方法。
- 請求項１または請求項２に記載のギャップ検出方法を用いた電磁石の固定鉄心と可動鉄心間のギャップ検出装置。
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