JP6404149B2 - 可動鉄心およびソレノイド装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電磁弁や接点装置等に好適に用いられるソレノイド装置の可動鉄心および該可動鉄心を用いた前記ソレノイド装置に関する。

従来、電磁弁（ソレノイドバルブ）や接点装置（例えば電磁開閉器や電磁リレー等）等には、電磁弁の弁を駆動するためや接点装置の可動接点を駆動するために、駆動装置（アクチュエータ）として電磁力を利用したソレノイド装置が利用されている。電磁弁は、例えば自動車、建設機械および産業機械等における油圧や空圧の制御に広く用いられ、また、接点装置は、例えば電力系統や制御回路等の電気回路に広く用いられている。このような電磁弁や接点装置等に利用されるソレノイド装置は、一般に、固定鉄心と、コイルと、前記コイルの励磁により生じる磁界によって固定鉄心に対し軸方向に離接する可動鉄心と、前記可動鉄心の移動に伴って軸方向に移動する出力軸とを備えている。

そして、このようなソレノイド装置は、交流電流による駆動だけでなく、近年では、半導体技術の進展により、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されているように、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式で駆動されるようになってきている。

前記特許文献１に開示された比例ソレノイドバルブは、ＰＷＭ信号に応じてオンオフするスイッチング手段を介して電源に接続されるソレノイド、および、前記ソレノイドの通電電流に応じて変位する可動体を有している。

また、前記特許文献２に開示されたアクチュエータは、ソレノイドへの通電電流に応じて変位するプランジャを有するものであり、その制御手段は、供給される電源電圧の大きさに基づいて、前記ソレノイドへの通電電流に対して、ＰＷＭパルスのキャリア周波数を変動させると共にディザを付与するためのディザ振幅電流値を変動させるものである。

特開平１０−９５２１６号公報 特開２０１４−６９６７７号公報

ところで、電磁力を利用したソレノイド装置は、コイルを励磁する励磁電流に交流電流やＰＷＭ方式の電流が用いられると、鉄心に、いわゆる渦電流が生じる。この結果、この渦電流によってジュール熱が生じ、電力損失が生じてしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、発熱や電力損失をより低減できる可動鉄心および該可動鉄心を用いたソレノイド装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる可動鉄心は、コイルの励磁によって生じた電磁力を利用したソレノイド装置の可動鉄心であって、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、前記コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つことを特徴とする。そして、上述の可動鉄心において、前記磁性材料は、主成分の鉄に、炭素０．０２重量％以下で、０．０３重量％のシリコン、０．３０重量％のマンガン、０．０３重量％のリンおよび０．０３重量％の硫黄を成分として含む材料であるである。

このような可動鉄心は、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つので、渦電流の観点から、より適切な材料が選択され、より適切な形状が選択されているので、発熱や電力損失をより低減できる。

そして、本発明の他の一態様にかかるソレノイド装置は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備え、前記可動鉄心は、上述の可動鉄心であることを特徴とする。

これによれば、上述の可動鉄心を用いたソレノイド装置が提供できる。上記ソレノイド装置は、上述の可動鉄心を用いるので、発熱や電力損失をより低減できる。

本発明にかかる可動鉄心は、発熱や電力損失をより低減できる。そして、本発明によれば、このような可動鉄心を用いたソレノイド装置が提供できる。

実施形態における可動鉄心およびこれを用いたソレノイド装置の構成を示す図である。 渦電流分布計算に用いられた可動鉄心モデル（円柱鉄心）を説明するための図である。 各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５のＢ−Ｈ曲線を示す図である。 各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５の微分比透磁率を示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが２ｍｍであって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが１０ｍｍであって周波数ｆが［１ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１００［Ｈｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１０［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 Ｒ−ｆ渦電流損失マップを示す図である。 検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置の構成を示す図である。 試料Ｎｏ１および試料Ｎｏ２における検証結果を示す図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における可動鉄心およびこれを用いたソレノイド装置の構成を示す図である。本実施形態における可動鉄心を用いたソレノイド装置は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備える。このようなソレノイド装置Ｄは、より具体的には、例えば、図１に示すように、コイル１と、固定鉄心２（２−１、２−２）と、可動鉄心３と、シャフト４と、ハウジング５と、上部キャップ部６と、上部軸受け部７−１と、下部軸受け部７−２と、図略の付勢部材とを備える。

コイル１は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回した巻線である。前記長尺な導体部材は、断面丸形や正方形等の線材であって良いが、コイル１での渦電流を低減する観点から、断面長方形の帯状の線材であることが好ましい。このような帯状の長尺な導体部材は、シート形状、リボン形状あるいはテープ形状であり、幅（幅方向の長さ、軸方向の長さ）Ｗに対する厚さ（前記幅方向に直交する厚さ方向の長さ、径方向の長さ）ｔが１未満である（０＜ｔ／Ｗ＜１）。このようなコイル１は、帯状の長尺な導体部材を、該導体部材の幅方向がコイル１の軸方向に沿うように絶縁部材（図略）を挟んで巻回することによって構成される（フラットワイズ巻線構造）。ハウジング５は、コイル１、固定鉄心２（２−１、２−２）および可動鉄心３等を収容する円筒状の部材である。

固定鉄心２（２−１、２−２）は、コイル１の励磁により生じる磁束線を通す部材であり、例えば、コイル１の軸方向に互いに離間するように配置された１対の上部固定鉄心２−１および下部固定鉄心２−２を備える。上部固定鉄心２−１は、円筒状の上部固定鉄心本体と、上部固定鉄心本体における前記軸方向の一方端（上部端）の全外周を囲むとともに、前記軸方向の一方端から、前記軸方向と直交する径方向外側に延びる円環板状の上部固定鉄心フランジ部とを備える。下部固定鉄心２−２は、円筒状の下部固定鉄心本体と、下部固定鉄心本体における前記軸方向の他方端（下部端）に連結される円板状の下部固定鉄心底板部とを備える。下部固定鉄心底板部における下部固定鉄心本体と連結される底面（下部固定鉄心本体の筒内に臨む内面）には、その中央に円柱状の凹所が形成されている。そして、この凹所に、ベアリング等を備える円環状の下部軸受け部７−２が、互いに中心（軸心）一致させて嵌め込まれ固定されている。

これら上部固定鉄心２−１および下部固定鉄心２−２は、上部固定鉄心本体の他方端面と下部固定鉄心本体の一方端面とが互いに対向して軸方向に離間するように配置されることで、コイルボビンを形成する。なお、上部固定鉄心本体の他方端面と下部固定鉄心本体の一方端面とは、互いに平行であって軸方向に交差するテーパ面（斜め面）に形成されている。このように配置された上部固定鉄心本体および下部固定鉄心本体の外周面に、コイル１が配置される。すなわち、上部固定鉄心本体および下部固定鉄心本体の前記外周面に、長尺な帯状の導体部材を絶縁部材を介して巻き回すことによってコイル１が形成されている。

これらコイル１および固定鉄心２は、上部固定鉄心フランジ部の外周面が前記軸方向の一方端面より内側に寄った位置でハウジング５の内周面に連結し、下部固定鉄心底板部でハウジング５における軸方向の他方端面を閉塞するように、下部固定鉄心底板部の外周面が前記軸方向の他方端面の位置でハウジング５の内周面に連結することによって、ハウジング５に取り付けられる。

可動鉄心３は、コイル１の前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる固定鉄心２に向かう吸引力によってコイル１の前記軸方向に沿って移動する部材である。可動鉄心３は、例えば、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部の前記軸方向の一方端面から下部固定鉄心本体部の前記軸方向の他方端までの長さ（固定鉄心２の高さ）より短い長さ（高さ）を持つ円柱状の部材である。シャフト４は、可動鉄心３の駆動力を外部に取り出すために、可動鉄心３に連結され、可動鉄心３の移動に伴って移動する部材である。シャフト４は、例えば、ハウジング５における軸方向の一方端から軸方向の他方端までの長さ（ハウジングの高さ）より長い長さ（高さ）を持つロッド状（長尺な円柱状）の軸体である。可動鉄心３には、軸心を前記軸方向に沿って貫通するように貫通孔が形成されており、可動鉄心３の両端面（上下面）から軸方向外側に延びるように前記貫通孔に挿通され固定されることによって、シャフト４は、互いに軸心を一致させて可動鉄心３に取り付けられて固定されている。

可動鉄心３の外径は、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される筒部の内径よりやや短く、シャフト４における前記軸方向の他方端（下端）が下部軸受け部７−２で軸受けされ、可動鉄心３が固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される前記筒部内を摺動可能となるよう、可動鉄心３およびシャフト４は、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される前記筒部内に配置される。

これら固定鉄心２、可動鉄心３およびハウジング５は、例えば、炭素鋼や電磁ステンレス鋼等の軟磁性材料で形成され、ハウジング５は、バックヨークとして機能している。なお、可動鉄心３を形成する軟磁性材料は、後に詳述される。

上部キャップ部６は、円板状の部材であり、その中央には、貫通孔が形成され、この貫通孔に、ベアリング等を備える円環状の上部軸受け部７−１が、互いに中心（軸心）一致させて嵌め込まれ固定されている。そして、上部キャップ部６は、シャフト４における前記軸方向の一方端側で上部軸受け部７−１を挿通して上部軸受け部７−１で軸受けされ、上部キャップ部６の外周面でハウジング５における軸方向の一方端面を閉塞するように、上部キャップ部６の外周面が前記軸方向の一方端面の位置でハウジング５の内周面に連結することによって、ハウジング５に取り付けられる。

前記図略の付勢部材は、例えばコイルバネ等を備えて構成され、いわゆる復帰ばねであり、前記軸方向における一方端から他方端に向けて（下向きに）可動鉄心３を付勢するように、配設される。

そして、このような構成のソレノイド装置Ｄが電磁弁に利用される場合、シャフト４が弁の駆動機構に接続され、シャフト４によって出力されるソレノイド装置Ｄの駆動力が弁の駆動力に用いられ、また、ソレノイド装置Ｄが接点装置に利用される場合、シャフト４が可動接点の駆動機構に接続され、シャフト４によって出力されるソレノイド装置Ｄの駆動力が可動接点の駆動力に用いられる。

このようなソレノイド装置Ｄは、交流やＰＷＭ方式でコイル１が励磁され、磁場（磁界）が生成される。この磁場の磁束線は、図１（Ａ）に破線示すように、上部固定鉄心２−１から、ギャップＧ（図中、破線の○で示す箇所）、可動鉄心３、下部固定鉄心２−２およびハウジング５を介して上部固定鉄心２−１に戻る閉ループを形成する。ここで、前記ギャップＧは、短いほどエネルギー的には安定するので、前記磁束線に起因して固定鉄心２の上部固定鉄心２−１に向かう吸引力が可動鉄心３に働く。可動鉄心３は、この吸引力によって図１（Ｂ）に示すように、コイル１の軸方向に沿って移動し、これに伴ってシャフト４も前記軸方向に沿って移動する。一方、コイル１の通電を停止すると、コイル１の励磁によって生成された前記磁場が消失し、前記図略の付勢部材によって可動鉄心３は、図１（Ｂ）に示す位置から図１（Ａ）に示す位置に復帰する。

上記可動鉄心３を形成する軟磁性材料について説明する。本実施形態では、次に表１に示す成分を持つ磁性材料から成る可動鉄心３について渦電流が形状別に検討され、可動鉄心３の磁性材料、形状および駆動周波数がより最適化された。なお、表１には、成分だけでなく、最大比透磁率、微分比透磁率および比抵抗（電気抵抗率、［μΩｃｍ］）も示されている。

試料番号Ｎｏ１の磁性材料は、株式会社神戸製鋼所製の磁性鋼ＥＬＣＨ２であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、炭素（Ｃ）０．０２重量％以下で、０．０３重量％のシリコン（Ｓｉ）、０．３０重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０３重量％のリン（Ｐ）および０．０３重量％の硫黄（Ｓ）を成分として含む材料である。なお、このＥＬＣＨ２は、例えば、千葉政道、鹿礒正人、「純鉄系軟磁性材料」、Ｒ・Ｄ ＫＯＢＥ ＳＴＥＥＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＲＥＰＲＴＳ、Ｖｏｌ．５２ Ｎｏ．３、２００２年１２月に開示されている。

試料番号Ｎｏ２の磁性材料は、東北特殊鋼株式会社製の電磁ステンレスＫ−Ｍ３５ＦＬであり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．７重量％のシリコン（Ｓｉ）、１３重量％のクロム（Ｃｒ）、０．２重量％のアルミニウム（Ａｌ）および０．２重量％の鉛（Ｐｂ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ３の磁性材料は、快削鋼ＳＵＭ２４Ｌ（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．１５重量％の炭素（Ｃ）、１．０重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０５重量％のリン（Ｐ）、０．３重量％の硫黄（Ｓ）および０．２重量％の鉛（Ｐｂ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ４の磁性材料は、低炭素鋼Ｓ１０Ｃ（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．１重量％の炭素（Ｃ）、０．２５重量％のシリコン（Ｓｉ）、０．５重量％のマンガン（Ｍｇ）、０．０２重量％のリン（Ｐ）および０．０２重量％の硫黄（Ｓ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ５の磁性材料は、電磁ステンレスＳＵＳ４３０（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．０５重量％の炭素（Ｃ）、０．４重量％のシリコン（Ｓｉ）、０．５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１重量％のリン（Ｐ）、０．０１重量％の硫黄（Ｓ）および１７重量％のクロム（Ｃｒ）を成分として含む材料である。

渦電流分布は、可動鉄心が円柱形状である場合について計算された。図２は、渦電流分布計算に用いられた可動鉄心モデル（円柱鉄心）を説明するための図である。図２（Ａ）は、可動鉄心モデルの諸元を説明するための斜視図であり、図２（Ｂ）は、渦電流分布の計算方法を説明するための上面図である。

この可動鉄心モデルの渦電流分布の計算では、円柱形状の可動鉄心モデルにおける中心軸と一致するようにＺ軸が設定され、このＺ軸に直交する径方向にＸ軸が設定され（中心点（中心軸のＺ軸とＸ軸との交点）がＸ軸の座標原点０）、可動鉄心モデルの高さ（Ｚ軸方向の長さ）がｈとされ、その半径（Ｘ軸方向の長さ）がＲとされた。

このような可動鉄心モデルにおいて、Ｚ軸方向に変動する交流磁界が作用すると、この交流磁界の磁界変動により、図２（Ｂ）に示す灰色部分の閉回路に印加される鉄心円柱方向の電圧（誘導起電力）Ｖは、電磁誘導の法則から、式１のように表される。

ここで、Ψ（ｘ）は、閉回路より内部の鉄心中を通過する磁束であり、Ｂ（ｘ）は、磁束密度であり、鉄心の軸方向に印加されているとする。磁束密度は、表皮効果によって表面付近を中心に流れるため、交流磁界の角周波数をω（ω＝２πｆ、ｆは周波数である）とし、鉄心表面における磁束密度をＢｍとすると、鉄心内部の磁束密度分布は、式２のように示される。

ここで、ｋは、表皮深さをδとした場合、１／δである（ｋ＝１／δ）。表皮効果を考慮した誘導起電力は、式２を式１に代入することによって次式のように表される。

閉回路内を電流が流れることによって発生するジュール損失△Ｐは、△Ｐ＝Ｖ^２／Ｒである。閉回路の電気抵抗は、閉回路の幅をΔｘとし、高さをｈとし、鉄心材料の電気抵抗率をρ（Ωｃｍ）とすると、式４のように表される。

式３、４より閉回路におけるジュール損失は、式５で表される。

これを鉄心全体で積分し、鉄心全体の体積で割ることによって最終的に単位体積あたりのジュール損失、すなわち渦電流損失が式７のように算出される。

Ｐ_ｖは、単位体積あたりの渦電流損失を示しており、Ｂｍ＝μ_０μ_ｄＨ_ｍの式７から表面磁界振幅Ｈ_ｍに変換している。μ_０は、真空透磁率（＝４π×１０^−７Ｈ／ｍ）であり、μ_ｄは、微分比透磁率であり、μ_０μ_ｄ＝ｄＢ／ｄＨと定義される。

表皮効果を考慮した渦電流による単位体積当たりのジュール損失Ｐ_ｖは、式７から分かるように、様々なパラーメータに依存しているが、まず、可動鉄心を形成する磁性材料の磁気特性が前記ジュール損失Ｐ_ｖに与える影響を検討すると、式７から分かるように、微分比透磁率と電気抵抗率（比抵抗）とが前記ジュール損失Ｐ_ｖに影響を与える。この微分比透磁率は、可動鉄心に印加される磁界における磁束密度Ｂの磁界微分値（＝（１／μ_０）×（ｄＢ／ｄＨ）、μ_０は、真空の透磁率））であるから、上記各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５それぞれについて、Ｂ−Ｈ曲線が図３に示すように求められ、それら各Ｂ−Ｈ曲線が磁界Ｈで微分されることで、微分比透磁率が図４に示すように求められた。

図３は、各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５のＢ−Ｈ曲線を示す図である。図３の横軸は、磁界Ｈ［Ａ／ｍ］であり、その縦軸は、磁束密度Ｂ［Ｔ］である。図４は、各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５の微分比透磁率を示す図である。図４の横軸は、磁界Ｈ［Ａ／ｍ］であり、その縦軸は、微分比透磁率μ_ｄである。図３および図４において、●は、試料Ｎｏ１の値を示し、▲は、試料Ｎｏ２の値を示し、×は、試料Ｎｏ３の値を示し、■は、試料Ｎｏ４の値を示し、そして、◆は、試料Ｎｏ５の値を示す。

各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５における各Ｂ−Ｈ曲線は、図３に示すように、磁界０から約１０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って比較的急激に増加し、磁界約１０００から約２０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って緩やかに急激に増加し（磁界約１０００から約２０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って磁界０から約１０００［Ａ／ｍ］までの増加率に較べて相対的に低下した増加率で増加し）、磁界約２０００［Ａ／ｍ］以上では磁界強度の増加に従って徐々に増加または飽和するプロファイルを持つ。そして、磁界Ｈが同じ値では、磁束密度Ｂは、大略、試料Ｎｏ５から試料Ｎｏ１の順で大きくなっている。また、各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５における各微分比透磁率は、図４に示すように、上記図３に示す各Ｂ−Ｈ曲線に対応したプロファイルを持つ。

試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．２とでは、微分比透磁率は、８０で同じであるが、電気抵抗率が大きく異なる。このため、図１２に示すように渦電流損失などで差が生じる。より詳細には、試料Ｎｏ．２は、電気抵抗が大きいため表皮深さが大きくなり、渦電流が鉄心の内部まで侵入しやすくなるために損失が大きくなる。試料Ｎｏ．１は、電気抵抗が低く表皮効果のため表面部分しか渦電流が流れないため、或る条件下（鉄心のサイズと周波数によっては）では損失が小さくなる。微分透磁率に関しても、微分比透磁率が８０である試料Ｎｏ．１と微分比透磁率が１４０である試料Ｎｏ．４を比較すると、式７より微分比透磁率が低いほど損失が小さくなるため、この点から試料Ｎｏ．１の方が試料Ｎｏ．４より損失は、低くなる。すなわち、電気抵抗率に関しては、電気抵抗が大き過ぎると、渦電流が鉄心の内部まで侵入しやすくなるため損失が大きくなるため、電気抵抗率は、１１．５5μΩ以下であることが好ましい。微分透磁率に関しては、式７より微分透磁率が低いほど損失が小さくなるため、微分比透磁率が８０以下であることが好ましい。

上述したように、各試料Ｎｏ１〜Ｎｏ５における各Ｂ−Ｈ曲線は、磁界約１０００［Ａ／ｍ］以上で緩やかに増加するようになるので、例えば電磁弁や接点装置等に好適に用いられるアクチュエータのソレノイド装置でも、磁界１０００［Ａ／ｍ］付近の磁界領域で使用されることが一般的である。このため、微分比透磁率μ_ｄは、磁界１０００［Ａ／ｍ］の値とし、次に、可動鉄心の形状および表皮効果が前記ジュール損失Ｐ_ｖに与える影響が、検討された。式５から分かるように、可動鉄心の半径ＲとＰＷＭの周波数（または交流電流の周波数）ｆとが前記ジュール損失Ｐ_ｖに影響を与える。このため、可動鉄心の半径Ｒを２［ｍｍ］、５［ｍｍ］および１０［ｍｍ］に振り、周波数ｆを１００［Ｈｚ］、１［ｋＨｚ］および１０［ｋＨｚ］に振り、前記ジュール損失Ｐ_ｖが計算された。その各結果がρ−μ_ｄ渦電流損失マップで図５ないし図９に示されている。ρ−μ_ｄ渦電流損失マップは、電気抵抗率（比抵抗）ρおよび微分比透磁率μ_ｄそれぞれを可変変数として渦電流損失を表した図である。

図５は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図６は、可動鉄心の半径Ｒが２［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図７は、可動鉄心の半径Ｒが１０［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図８は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１００［Ｈｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図９は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１０［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図５ないし図９における各横軸は、微分比透磁率μ_ｄであり、それら各縦軸は、［μΩｃｍ］で示す電気抵抗率（比抵抗）ρである。また、図５ないし図９における各破線（等ジュール損失Ｐ_ｖ線）は、前記ジュール損失Ｐ_ｖが同値な点を結ぶことによって形成された曲線である。そして、図５ないし図９における各矢符は、前記ジュール損失Ｐ_ｖが低減する方向を示している。すなわち、図５、図７および図９の場合では、微分比透磁率μ_ｄが低くなるとともに電気抵抗率ρが低くなると、前記ジュール損失Ｐ_ｖは、より低減する。図６および図８の場合では、微分比透磁率μ_ｄが低くなるとともに電気抵抗率ρが高くなると、前記ジュール損失Ｐ_ｖは、より低減する。

上記表１および図４に示すように、磁界１０００［Ａ／ｍ］において、試料Ｎｏ１は、微分比透磁率μ_ｄが８０であり、電気抵抗率（比抵抗）ρが１１．５［μΩｃｍ］であり、試料Ｎｏ２は、微分比透磁率μ_ｄが８０であり、電気抵抗率ρが７２［μΩｃｍ］であり、試料Ｎｏ３は、微分比透磁率μ_ｄが２８０であり、電気抵抗率ρが２０［μΩｃｍ］であり、試料Ｎｏ４は、微分比透磁率μ_ｄが１４０であり、電気抵抗率ρが１７［μΩｃｍ］であり、そして、試料Ｎｏ５は、微分比透磁率μ_ｄが２８０であり、電気抵抗率ρが６１［μΩｃｍ］である。これら各値が図５ないし図９にプロットされている。

これら図５ないし図９から分かるように、試料Ｎｏ１および試料Ｎｏ２は、渦電流損失が試料Ｎｏ３ないし試料Ｎｏ５より小さい。一方、試料Ｎｏ１は、図３から分かるように、磁束密度が試料Ｎｏ２を含めて他の試料より高く、このため、ソレノイド装置において、最も強い電磁力を発揮するので、より好ましい磁性材料であると言える。そこで、試料Ｎｏ１の渦電流損失が試料Ｎｏ２ないし試料Ｎｏ５よりも小さくなる可動鉄心の半径ＲとＰＷＭの周波数（または交流電流の周波数）ｆとが、より詳細に検討された。その結果がＲ−ｆ渦電流損失マップで図１０に示されている。Ｒ−ｆ渦電流損失マップは、可動鉄心の半径Ｒおよび周波数ｆそれぞれを可変変数として渦電流損失を表した図である。

図１０は、Ｒ−ｆ渦電流損失マップを示す図である。図１０の横軸は、周波数［Ｈｚ］であり、その縦軸は、可動鉄心の半径Ｒ［ｍｍ］である。図１０において、○は、試料Ｎｏ１の渦電流損失が他の試料Ｎｏ２ないし試料Ｎｏ５より小さい場合（ケース）を示し、×は、試料Ｎｏ１の渦電流損失が他の試料Ｎｏ２ないし試料Ｎｏ５より小さくない場合（ケース）を示す。図１０から、試料Ｎｏ１で可動鉄心を形成する場合、周波数ｆを高く、可動鉄心の半径Ｒを大きくすると、渦電流損失が低減することが分かる。これは、周波数を高くするほど表皮深さが小さくなり（表面に電流が集中する傾向）、可動鉄心の半径Ｒを大きくするほど可動鉄心全体に対する表皮深さの割合が小さくなるため、すなわち、可動鉄心全体に対する渦電流の流れる領域が狭くなるため、渦電流損失が低減すると考えられる。そこで、○がプロットされる領域と×がプロットされる領域の境界線が図１０からフィッティングされ、前記境界線は、Ｒ＝２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）であった。この結果、○がプロットされる領域は、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）である。

以上より、ソレノイド装置の可動鉄心は、渦電流損失をより低減する観点から、好ましくは、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つ。一例では、前記磁性材料は、主成分の鉄に、炭素０．０２重量％以下で、０．０３重量％のシリコン、０．３０重量％のマンガン、０．０３重量％のリンおよび０．０３重量％の硫黄を成分として含む試料Ｎｏ１の材料である。

また、試料Ｎｏ１、試料Ｎｏ２および試料Ｎｏ５について、市販の磁場解析アプリケーション（ＪＳＯＬ社製、ＪＭＡＧ ｖｅｒ１３．０）を用いて、各渦電流心損失を比較する検証が行われた。図１１は、検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置の構成を示す図である。図１２は、試料Ｎｏ１および試料Ｎｏ２における検証結果を示す図である。図１２（Ａ）は、可動鉄心の渦電流損失を示し、その縦軸は、渦電流損失［Ｗ］である。図１２（Ｂ）は、ソレノイドインジェクタ装置全体の損失を示し、その縦軸は、損失［Ｗ］である。

検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置は、ＪＳＯＬから提供されているＪＡＣ０６６ＩＮＪＥＣＴＯＲ−０３ｄであり、固定鉄心（Ｃｏｒｅ）とヨーク（Ｙｏｋｅ）とから形成される収容空間内に２００ターンのコイル（Ｃｏｉｌ）が収容され、固定鉄心と可動鉄心のプランジャー（Ｐｌｕｎｇｅｒ）とは、各端面で互いに対向するように配置されている。このような構成のソレノイドインジェクタ装置における固定鉄心、プランジャおよびヨークに、試料Ｎｏ１、試料Ｎｏ２および試料Ｎｏ５それぞれが用いられた。プランジャ（可動鉄心）の直径は、５［ｍｍ］とされ、ＰＷＭの周波数は、１０［ｋＨｚ］とされ、その中心電流は、１．２［Ａ］とされ、そして、その電流振幅は、０．２［Ａ］とされた。この場合における試料Ｎｏ１および試料Ｎｏ２の結果が図１２に示されている。なお、試料Ｎｏ５の結果は、これらより劣るので、ここでは、省略する。図１２から分かるように、可動鉄心（プランジャ）の渦電流損失およびソレノイドインジェクタ装置全体の損失共に、試料Ｎｏ１の場合が試料Ｎｏ２より低く、試料Ｎｏ１の優位性が確認された。

以上のように、本実施形態における可動鉄心３は、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つので、渦電流の観点から、より適切な材料が選択され、より適切な形状が選択されているので、発熱や電力損失をより低減できる。

そして、本実施形態におけるソレノイド装置Ｄは、このような可動鉄心を用いるので、発熱や電力損失をより低減できる。さらに，可動鉄心だけでなく、ヨークや固定鉄心においても適切な材料、形状を選択することで発熱や損失の低減が可能である。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｄ ソレノイド装置
１ コイル
２ 固定鉄心
３ 可動鉄心
４ 出力部材
５ ハウジング

Claims (2)

1. コイルの励磁によって生じた電磁力を利用したソレノイド装置の可動鉄心であって、
   電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、
   前記コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持ち、
   前記磁性材料は、主成分の鉄に、炭素０．０２重量％以下で、０．０３重量％のシリコン、０．３０重量％のマンガン、０．０３重量％のリンおよび０．０３重量％の硫黄を成分として含む材料であること
   を特徴とする可動鉄心。
2. 長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、
   前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、
   前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、
   前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備え、
   前記可動鉄心は、請求項１に記載の可動鉄心であること
   を特徴とするソレノイド装置。

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