JP5208760B2 - 相異なる磁力を持つ永久磁石を有する２つの電磁石を備えた電磁アクチュエータ、および、それを用いて内燃エンジンのバルブを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、相異なる磁力を発生させる永久磁石を有する２つの電磁石を備えた電磁アクチュエータ、および、該電磁アクチュエータを用いて内燃エンジンのバルブを制御する方法に関する。

コイルと、コイルからの磁束を流して、アーマチュア（可動鉄片）内にリターンパスを形成するように設計された鉄心とを有する２つの電磁石の作用により、２つの最端位置間で動くことができるアーマチュアに連係されている作動部材を有する電磁アクチュエータは公知である。

このような電磁アクチュエータは、例えば、内燃エンジンのバルブを作動させるために用いられ、その電磁アクチュエータのプッシュロッドは、バルブのスライド軸に沿って延びるように配置されている。電磁アクチュエータは、アーマチュアを選択的に引き込むように作動する。プッシュロッドの端とバルブの端とは、互いに逆向きのばねによって、押され合っており、それによって、プッシュロッド／バルブ・アセンブリの平衡位置が、実質的に２つの電磁石の中央に定められる。アーマチュアの最端位置は、それら２つの電磁石に突き当たっているアーマチュアによって定められ、それぞれ、バルブの閉鎖位置と開放位置とに対応する。

各電磁石は、鉄心に組み込まれた永久磁石を備え、鉄心は、永久磁石からの磁束を流して、アーマチュア内にリターンパスを形成するようになっている。永久磁石は、対応するコイルが作動していないときに、アーマチュアを、ばねに抗して、対応する鉄心上に当接させておく働きをする。

しかしながら、アーマチュアをバルブの開放位置に対応する最端位置に引き寄せている電磁石のコイルが機能しなくなった場合には、連係している永久磁石によって、アーマチュアは、その電磁石に張り付けられ続け、それによって、アーマチュアを鉄心から離すことが不可能になり、したがって、バルブを開放位置から離脱させることが不可能になる。

開放位置へのバルブのロッキングは、同じシリンダの別のバルブが開放されているときには、バルブが、エンジンの吸気回路と排気回路を短絡させ、それによって、エンジンが作動するのを妨げるため問題である。

一方、閉鎖位置へのバルブのロッキングは、このような短絡を引き起こさず、エンジンは、別のシリンダ上で作動し続けることができる。

バルブの開放位置に対応する最端位置へのアーマチュアのいかなるロッキングも防止するために、開放位置に対応する電磁石として、永久磁石を備えていない電磁石を用いることが考察された。しかしながら、そのような構成は、電磁アクチュエータを不均衡なものとし、それを調整することは困難である。

その理由は、電磁石のうちの永久磁石を含んでいるものについては、対応する鉄心へのアーマチュアの保持は、コイルの作動なしに起こるからである。

それとは対照的に、電磁石のうちの永久磁石を含んでいないものについては、その鉄心へのアーマチュアの保持は、コイルが、他方の電磁石の永久磁石に等価な磁束を発生させるように、すなわち、大きな磁束を発生させるように、コイルを作動させることを必要とする。

保持の際に、磁束線が非対称であると、調整が困難となる。

さらに、バルブが閉鎖位置にあるときよりも、バルブが開放位置にあるときに、弾性部材が、より大きな力を働かせるように、弾性部材にオフセットを与えることも考察された。しかしながら、このオフセットは、アーマチュアが電磁石の１つに突き当たるときに、激しい衝撃を生じさせるので、このような状況は、受け入れがたいものである。

本発明の目的は、磁気的不均衡を低減させ、かつバルブを開放位置に制御不可能に保持させることのない電磁アクチュエータを提供することである。

この目的を達成するために、アーマチュアに連係され、かつ、弾性部材と、前記アーマチュアを２つの最端位置のいずれか一方に引き込むように設計されている２つの電磁石との作用の下に、前記２つの最端位置の間で動くことができるようになっている作動部材を備えてなる電磁アクチュエータであって、前記電磁石の各々は、コイルと、このコイルからの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成するように設計されている鉄心と、１つ以上の永久磁石であって、前記鉄心が、この永久磁石からの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成するように、前記鉄心に連係されている１つ以上の永久磁石と、を備えている、電磁アクチュエータが提供される。

本発明によれば、前記２つの電磁石の一方の単数または複数の永久磁石は、前記弾性部材に抗して、連係する鉄心上に前記アーマチュアを保持するのに十分な磁力を前記アーマチュアに働かせるように設計されているのに対して、前記２つの電磁石の他方の単数または複数の永久磁石は、前記弾性部材に抗して、連係する鉄心上に前記アーマチュアを保持するのには不十分な磁力しか、前記アーマチュアに作用させないように設計されている。

したがって、より低い磁力の方の永久磁石を有する電磁石が、バルブの開放位置に対応するように、電磁石を構成することによって、該当するコイルが作動して、アーマチュアを保持するために必要とされる補足磁束を永久磁石に供給するときしか、バルブを開放位置に保持することができない。

コイルが機能しなくなった場合には、たとえ、アーマチュアが鉄心上に当接していたとしても、永久磁石は、伸縮ばねに抗してアーマチュアを保持できる磁力を持っておらず、したがって、アーマチュアは、鉄心から離れ、バルブは、閉鎖位置に向かって動いていく。

したがって、バルブを開放位置にロックすることは不可能である。

低磁力の永久磁石が存在すると、２つの電磁石の非対称な作用のバランスを取り戻す働きをし、その結果、電磁アクチュエータを調整するのが、はるかに容易になる。これは、電磁石のうちの、低磁力の永久磁石を持つものにおいては、アーマチュアの保持は、わずかの補足磁束しか必要としないからである。この補足磁束は、アーマチュアを保持するための永久磁石がない場合に必要な磁束よりも、はるかに小さい。

添付図面の図を参照して、以下の説明を読めば、本発明を、よりよく理解しうると思う。

図１を参照すると、本発明の電磁アクチュエータは、鉄心２およびコイル３を有する上部の電磁石１を備えている。電磁石１は、Ｘ軸に沿って動くことができるプッシュロッド５に固定されたアーマチュア４に、制御した状態で、電磁力を作用させる。

このような電磁アクチュエータは、例えば、内燃エンジンのバルブ２００を作動させるために用いられ、電磁アクチュエータは、プッシュロッド５がバルブのスライド軸に沿うように配置される。この電磁アクチュエータは、アーマチュア４を別の方向に選択的に引き込むための、電磁石１に相対向して位置する別の電磁石１０１を備えている。プッシュロッド５の端とバルブ２００の端とは、互いに逆向きのばね２０１によって、互いに押し戻され合っており、それによって、プッシュロッド／バルブ・アセンブリの平衡位置は、２つの電磁石の間のほぼ中央に定められる。

アーマチュア４は、鉄心２と鉄心１０２とに、それぞれ、突き当たったときのアーマチュアによって定められる２つの最端位置間で移動することができる。この最端位置は、それぞれ、バルブ２００の閉鎖位置と開放位置とに対応している。

電磁石１の鉄心２は、２つの側方分岐１１および１つの中央分岐部が突き出ているベース１０を有し、コイル３が、この中央分岐部の周囲に巻かれている。中央分岐部は、ベース１０と一体の、対向し合う傾斜面を有する２つの部分１２を備えている。これら２つの部分１２は、鉄心２の支持部を形成しており、この支持部は、永久磁石１３がＸ軸に対して傾いて位置してＶ字を形成し、本明細書においては、Ｖ字の先端３１がベース１０に向くように、永久磁石１３を収容するように設計されている。このように形成されたＶ字の内側から、中央分岐の端部を形成するウェッジ１４が突き出ている。

永久磁石１３によって発生され、アーマチュア４内にリターンパスを形成するように鉄心２を通過する磁束線の経路が、図１に太い破線で示されている。ウェッジ１４の端面１５には、永久磁石１３と平行な溝１７が設けられている。溝１７は、２つの永久磁石１３からの磁束線の間が、溝１７に関してどちらか一方の側を通るように明確かつ確実に分離している。

電磁アクチュエータは、鉄心１０２と、鉄心１０２のベース１１０から突き出ている、鉄心の中央分岐の周囲に巻かれているコイル１０３とを有する下部の電磁石１０１を備えている。鉄心１０２は、さらに、側方分岐１１１を備えている。

永久磁石１１３は、中央分岐の端上に位置している（プッシュロッド５が、永久磁石を貫通している)。

下部の電磁石内の永久磁石１１３を平坦な構成にすることによって、永久磁石１１３は、上部の電磁石のＶ字構成の永久磁石１３の組み合わされた長さよりも短い長さとされ、それによって、平坦な永久磁石１１３は、アーマチュア４が下部の電磁石１０１に当接しているときに、アーマチュア４が上部の電磁石１に当接しているときにＶ字構成の永久磁石１３によって働かされる磁力よりも小さな磁力しか、アーマチュア４に働かせることができないようになる。

これらの永久磁石は、Ｖ字構成の永久磁石１３が、単独で、ばね２０１に抗して、アーマチュア４を上部の電磁石１に当接させておくことができるのに対して、平坦な永久磁石１１３は、単独では、ばね２０１に抗して、アーマチュア４を下部の電磁石１０１に当接させておくことができないように、選ばれる。

したがって、コイル３を作動させることなく、アーマチュア４を、上部の電磁石１に押し当てておくことができ、それによって、電磁アクチュエータの消費電力の低減に寄与する。しかしながら、アーマチュア４を、下部の電磁石に当接させておくためには、コイル１０３が作動して、平坦な永久磁石１１３からの磁束を補足する磁束を発生させる必要がある。アーマチュア４が下部の電磁石１０１に当接しているときに、コイル１０３が機能しなくなった場合に、アーマチュア４は、そのまま保持されておらず、その結果、バルブが開放位置にロックされることはない。

実際には、この補足磁束が、平坦な永久磁石１１３からの磁束に比して小さくとどまり、アーマチュア４を上部の電磁石１から離さなければならないときに、Ｖ字構成の永久磁石１３からの磁束を効果のないものにするために、コイル３が発生させなければならない逆方向の磁束と同程度の大きさとなるように、電磁アクチュエータの規模は決められる。

したがって、正確には、２つの電磁石に装備されている永久磁石の磁束強度の違いのために、電磁アクチュエータの動特性は、均衡がとれていないが、この不均衡は、電磁アクチュエータを容易に調整することを可能にする範囲内にとどまる。

本発明の１つの特定の態様によれば、ウェッジ１４の端面１５は、側方分岐１１の端面１６に対し、量ｈだけセットバック（端面後退）されている。

したがって、アーマチュア４が、鉄心２に突き当たっているとき、アーマチュア４は、側方分岐１１の端面１６にしか突き当たっておらず、中央分岐には突き当たっていない。一般に、そして、永久磁石が、粉末材料を焼結させることによって製造されている場合には特に、永久磁石は、衝撃によって非常に損傷しやすい。セットバックｈは、鉄心２に対するアーマチュア４の衝撃から、Ｖ字構成の永久磁石１３を保護し、それによって、電磁アクチュエータの寿命を増大させる。

さらに、このようなセットバックがない場合には、鉄心の製造公差が、電磁アクチュエータのアーマチュアと分岐との間に残留空隙を生じさせ、その結果、磁気ヒステリシスを引き起こし、それは、鉄心２からのアーマチュア４の離脱の再現性を乱す。セットバックは、このヒステリシスを縮小させるか、または、除去することさえ可能にする。

この目的のために、１０分の数ｍｍの程度、したがって、数１０μｍの程度である残留空隙よりもずっと大きなセットバックｈを選ぶのが好ましい。その結果、セットバックｈは、アーマチュアと中央分岐との間に大きな空隙を形成し、その影響は、アーマチュアが鉄心に近接しているときに、残留空隙の影響よりも支配的であり、それによって、残留空隙によって引き起こされる磁気ヒステリシスの影響を低減する、または、除去することさえ可能にする。

実際には、セットバックｈを、０．１ｍｍより大とするが、それでも、電磁アクチュエータの性能を損ねないように、０．３５ｍｍ未満とするのが好ましい。

同様に、鉄心１０２の中央分岐の端面１１５には、側方分岐１１１の端面１１６と相対的に、セットバックｈが設けられている。

この点に関して、また、図２に、より正確に示されているように、本明細書において、下部の鉄心の中央分岐の端面１１５は、中央分岐の端に配置された永久磁石１１３の表面の１つによって形成されている。

図２より明らかなように、アーマチュア４が、下部の電磁石１０１に近接しているとき、永久磁石１１３によって発生した端部磁束線１５０は、少なくとも部分的に、アーマチュア４内にリターンパスを形成することができるから、中央分岐の端に永久磁石１１３を配置することは、特に有利なことである。

比較のために、図３は、永久磁石１１３’が中央分岐の中央近辺に配置されている構成を示している。端部磁束線１５０’は、たとえ、アーマチュア４が、下部の電磁石１０１に近接していたとしても、アーマチュア４内にリターンパスを形成できないことを理解することができる。

図４に示されているように、アーマチュアが、下部の電磁石１０１の鉄心１０２上に当接しているときに、永久磁石１１３によって発生する磁力は、同じ条件の下で、永久磁石１１３’によって発生する磁力よりもわずかに大きい。したがって、永久磁石１１３は、わずかに効力が大きい。

さらに、アーマチュア４が、下部の電磁石１０１の鉄心１０２から離れていくときには、永久磁石１１３によって発生する磁力は、同じ条件の下で、永久磁石１１３’によって発生する磁力ほど急速に減少しない。これは、アーマチュア４が下部の電磁石１０２を離れるときに、アーマチュア４が、よりゆっくりと離れることを可能にして、電磁アクチュエータの動きを、より不均衡でなくするのに、さらに寄与する。

本発明の別のある態様によれば、過度に大きな保持力を誘起する全磁束密度になることを避けるために、アーマチュア４に面する永久磁石１１３の面積１１５を最大化することは有利なことである。特に、例えば、鉄心１０２上に永久磁石１１３を保持するためのクランプを設けるために、この面積を縮小しないことが望ましい。

したがって、永久磁石１１３を鉄心１０２に固定するために、永久磁石１１３を、中央分岐の端に直接接着させてよく、それによって、端面１１５を完全に自由な状態に保つことができる。

図５に示す一変形によれば、永久磁石の端の溝１２１内に挿入されたクランプ１２０を用いてもよい。これもまた、端面１１５を、完全に自由な状態に保つ。

本発明は、上記した例にのみ制限されるのではなく、本発明は、請求項によって定められている範囲内にある、いかなる変形例も含むものである。

特に、本明細書においては、永久磁石が、先端３１を鉄心のベースに向けたＶ字を形成している電磁アクチュエータを例示してあるが、永久磁石が、先端３１をアーマチュアに向けたＶ字を形成するように、永久磁石を配置することも可能である。ベースと一体の、永久磁石の支持部は、互いに向かい合わずに、側方分岐に向いた傾斜面を有することになり、一方、中央分岐の端部は、ウェッジ状ではなく、帽子形状を有することになる。

上部の電磁石は、Ｖ字構成の永久磁石を有し、下部の電磁石は平坦な永久磁石を備えているという電磁アクチュエータの構成は、それに限定するためのものではなく、本発明は、２つの電磁石の一方の永久磁石（単数または複数の）が、ばねに抗して、連係する鉄心上にアーマチュアを保持するのに十分な磁力を、アーマチュアに働かせるように設計されているのに対し、２つの電磁石の他方の永久磁石（単数または複数の）が、ばねに抗して、連係する鉄心上にアーマチュアを保持するのには、不十分な磁力しかアーマチュアに働かせないように設計されている、任意の構成を包含するものである。

本発明による電磁アクチュエータの部分断面略図である。 図１の電磁アクチュエータに装備されている、下部の電磁石の正面略図である。 一代替実施形態の、図２と同様の図である。 図２と図３とに示されている下部の電磁石に装備されている永久磁石によって生み出される磁力を、アーマチュアと下部の電磁石との間の分離距離の関数として比較したグラフである。 本発明の特定の一実施形態による電磁アクチュエータに装備されている下部の電磁石の鉄心の部分正面図である。

符号の説明

１、１０１ 電磁石
２、１０２ 鉄心
３、１０３ コイル
４ アーマチュア
５ プッシュロッド
１０ ベース
１１、１１１ 側方分岐
１２ ２つの部分（支持部）
１３、１１３、１１３’ 永久磁石
１４ ウェッジ
１５、１６、１１５、１１６ 端面
１７、１２１ 溝
３１ 先端
１２０ クランプ
１５０ 端部磁束線
２００ バルブ
２０１ ばね
ｈ セットバック

Claims (4)

1. 電磁アクチュエータであって、作動部材（５）を備え、前記作動部材（５）は、アーマチュア（４）に関連し、弾性部材（２０１）と２つの電磁石（１、１０１）との作用の下に、２つの最端位置の間で動くことができ、前記電磁石（１、１０１）は、前記アーマチュアを２つの最端位置のいずれか一方に引き付けるように設計され、
   前記電磁石の各々は、
   − コイル（３、１０３）と、
   − このコイルからの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成するように設計されている鉄心（２、１０２）と、
   − １つ以上の永久磁石（１３、１１３）であって、前記鉄心に関連し、前記鉄心が、この永久磁石からの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成するようになっている、１つ以上の永久磁石（１３、１１３）
   とを備え、
   前記電磁石の一方（１）の単数または複数の永久磁石（１３）は、前記弾性部材に抗して、対応する最端位置に前記アーマチュア（４）を保持するのに十分な磁力を前記アーマチュアに働かせるように設計されており、一方、前記電磁石の他方（１０１）の単数または複数の永久磁石（１１３）は、前記弾性部材に抗して、対応する最端位置に前記アーマチュア（４）を保持するのには不十分な磁力を前記アーマチュアに働かせるように設計されており、
   前記アーマチュアを保持するように設計されている前記電磁石の一方（１）は、対応する鉄心（２）の中央分岐部に、Ｖ字状に配置された永久磁石（１３）を備え、この中央分岐部の周囲に、付随するコイル（３）が巻かれており、一方、前記電磁石の他方（１０１）は、対応する鉄心（１０２）の中央分岐部に、前記アーマチュア（４）に平行で、平坦に配置された永久磁石（１１３）を備えており、この中央分岐部の周囲に、付随するコイル（１０３）が巻かれている、電磁アクチュエータ。
2. 前記２つの電磁石の各々において、前記鉄心の中央分岐部は、該鉄心の他の分岐の端面（１６、１１６）に対して、値（ｈ）分セットバックした端面（１５、１１５）を有している、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記弾性部材に抗して、前記対応する最端位置に前記アーマチュアを保持するのに不十分な磁力を前記アーマチュアに働かせるように設計されている前記単数または複数の永久磁石は、前記アーマチュアに直接面するように、対応する電磁石の鉄心（１０２）上に搭載されている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
4. 内燃エンジンバルブを制御する方法であって、閉鎖位置と開放位置との間で動くことができるバルブ（２００）を操作するように、請求項１〜３のいずれかに記載の電磁アクチュエータを用いるステップを含み、
   − 前記バルブの閉鎖位置は、前記作動部材（５）が、対応する電磁石（１）の単数または複数の永久磁石（１３）により弾性部材（２０１）に抗して保持されることができる、作動部材（５）の最端位置に対応し、
   − 前記バルブの開放位置は、前記作動部材が、対応する電磁石（１０１）の単数または複数の永久磁石（１３）により弾性部材（２０１）に抗して保持されることができない、作動部材（５）の最端位置に対応するように、
   前記電磁アクチュエータが、前記バルブに対して配置されることを特徴とする方法。

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