JP6786108B2 - 交流ソレノイド - Google Patents

Description

本開示は、交流電源で駆動するソレノイドに関する。

特許文献１には、励磁コイルに交流電流を流すことにより発生する磁力を利用して、可動鉄心を直線運動させる交流ソレノイドが記載されている。

実開平４−７１０号公報

特許文献１に記載された従来の交流ソレノイド１００は、図９に示すように、可動鉄心１０１と、固定鉄心１０２と、励磁コイル１０３とを備える。可動鉄心１０１は、磁極間吸引力および漏洩型吸引力によって移動する。磁極間吸引力は、可動鉄心１０１と固定鉄心１０２の磁極部１０２ａ，１０２ｂとの間に働く磁力である。漏洩型吸引力は、可動鉄心１０１からの漏洩磁束と励磁コイル１０３を流れるコイル電流との間に作用するローレンツ力である。また、従来の交流ソレノイド１００では、駆動時に可動鉄心１０１は、固定鉄心１０２の一部（ここでは、磁極部１０２ｂ）と接触する位置まで移動し、その位置（以下、保持位置）に保持される。このとき、可動鉄心１０１と固定鉄心１０２との衝突により両者が接触する接触部位Ａから騒音が発生する。なお、図９の右図が、可動鉄心１０１が保持位置にある状態を示す。更に、従来の交流ソレノイド１００では、可動鉄心１０１の移動に応じて、可動鉄心１０１と固定鉄心１０２の磁極部１０２ａ，１０２ｂとの間のギャップＧが狭くなるほど可動鉄心１０１および固定鉄心１０２が形成するループ状の磁気回路における磁気抵抗が減少する。また、励磁コイル１０３内への可動鉄心１０１の挿入量Ｂが増えるほど励磁コイル１０３のインダクタンスが増大する。そして、磁気抵抗が大きく、励磁コイル１０３のインダクタンスが小さい駆動開始時には、漏洩型吸引力が優位に作用し、大きな始動電流が流れる。その後、移動が完了し可動鉄心１０１が保持位置に保持された状態では、磁極間吸引力が優位に作用し、相対的に小さな保持電流が流れる。なお、始動電流は瞬間的に保持電流の１０倍程度の大きさとなることが知られている。

これらの事項に対する発明者の詳細な検討の結果、以下の課題が見出された
（１）交流ソレノイドへの給電を行う電源や、給電をオンオフ制御する電磁接触器等の周辺機器は、瞬間的に流れる大きな始動電流に耐える部品を使用して製造する必要がある。このため、交流ソレノイドを用いて構成される装置の装置規模が大型化し、また、省電力化の妨げにもなっている。

（２）交流ソレノイドは、その駆動時に、何らかの理由で可動鉄心の移動が妨げられ保持位置まで移動できない場合、保持電流より大きな始動電流が流れ続けることで、対策を施さなければ焼損に至るおそれがある。

（３）（２）の理由により、騒音の発生源となる可動鉄心と固定鉄心との接触部位に、ゴム等の緩衝部材を配置することができない。
本開示は、交流ソレノイドの駆動開始時に保持電流より大きな始動電流が流れることを抑制する技術を提供する。

本開示の一態様に係る交流ソレノイドは、可動コイルと、固定鉄心と、励磁コイルとを備える。
可動コイルは、中空筒状に形成される。

固定鉄心は、基部と一つ以上の枝部とを有する。基部は、可動コイルの中空部分に挿通され、可動コイルの移動をガイドする柱状に形成される。枝部は、可動コイルの移動を妨げることなく基部と共にギャップを有したループ状の磁気回路を形成する。

励磁コイルは、磁気回路に磁束を発生させる。
このような構成によれば、可動コイルの移動によって、磁気回路中のギャップの大きさ（即ち、磁気抵抗）や励磁コイルのインダクタンスが変化しないため、駆動電流を一定とすることができる。その結果、交流ソレノイドの周辺機器は、大きな始動電流に対処する必要がないため、交流ソレノイドを用いて構成される装置の小型化、省電力化を実現することができる。また、何らかの理由で可動コイルの移動が妨げられたとしても、駆動電流の大きさは変化しないため、焼損の発生を抑制することができるだけでなく、可動コイルが衝突して騒音の発生源となる部位に、騒音を抑制する緩衝部材を配置することも可能となる。

第１実施形態の交流ソレノイドの全体構成を示す斜視図である。 第１実施形態の交流ソレノイドを構成する各部品の斜視図である。 可動コイルの長さと枝部対向面の幅との関係を示す説明図である。 可動コイルの長さと枝部対向面の幅との関係の他の例を示す説明図である。 第２実施形態の交流ソレノイドの全体構成を示す斜視図である。 第３実施形態の交流ソレノイドの固定鉄心の形状および全体構成を示す斜視図である。 第４実施形態の交流ソレノイドの固定鉄心の形状および全体構成を示す斜視図である。 第５実施形態の交流ソレノイドの固定鉄心の形状および全体構成を示す斜視図である。 従来の交流ソレノイドの構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１および図２に示す交流ソレノイド１は、交流電源により駆動されるソレノイドである。交流ソレノイド１は、固定鉄心１１と、可動コイル１２と、励磁コイル１３とを備える。

固定鉄心１１は、電磁鋼帯を積層した鋼材により製造されている。固定鉄心１１は、基部１１１と枝部１１２とを有する。
基部１１１は、四角形の断面を有する柱状に形成された部位である。以下では、基部１１１の長手方向の一端を開放端、他端を連結端という。

枝部１１２は、第１部位１１２ａ、第２部位１１２ｂ、第３部位１１２ｃを有する。第１部位１１２ａは、基部１１１の連結端から基部１１１の長手方向に対する直交方向に延設された四角柱状の部位である。第２部位１１２ｂは、第１部位１１２ａの基部１１１との連結端とは反対側の端部から基部１１１の長手方向に沿って、即ち、基部１１１と平行となるように延設された四角柱状の部位である。第３部位１１２ｃは、第２部位１１２ｂの第１部位１１２ａ側端とは反対側の端部から第１部位１１２ａと平行に基部１１１に向けて延設された四角柱状の部位である。第３部位１１２ｃは、基部１１１の側面と間隔を空けて対向する。この基部１１１と対向する第３部位１１２ｃの先端部分の面を、以下では、枝部対向面１１ｂという。また、基部１１１の側面において枝部対向面１１ｂと対向する部位を、基部対向面１１ａという。なお、基部対向面１１ａと枝部対向面１１ｂとの間隔は、基部１１１に取り付けられた可動コイル１２の移動を邪魔することのない幅となるように設定される。

このように構成された固定鉄心１１は、ギャップを有するループ状の磁気回路を形成する。なお、基部対向面１１ａと枝部対向面１１ｂとの間の空間が、磁気回路のギャップに相当する。

可動コイル１２は、ボビン１２１とボビン１２１に巻回された銅線１２２とを有する。
ボビン１２１は、合成樹脂により中空筒状に形成された部材である。ボビン１２１の中空部位には、固定鉄心１１の基部１１１が挿通される。基部１１１に挿通されたボビン１２１は、基部１１１にガイドされて基部１１１の長手方向に沿って任意に移動可能となる。

可動コイル１２において、銅線１２２が巻きつけられている部位を銅線部位１２ａという。可動コイル１２は、銅線部位１２ａの全長Ｌが、基部１１１の長手方向における基部対向面１１ａの幅（即ち、枝部対向面１１ｂの幅）より長くなるように設定されている。そして、基部１１１に取り付けられた可動コイル１２の移動が許容される移動範囲は、図３に示すように、枝部対向面１１ｂの全体が、常に銅線部位１２ａと対向するような範囲に設定される。図３は、可動コイル１２が、基部１１１の開放端側における移動範囲の境界に位置している状態である。図中の符号Ｓで示す範囲は、可動コイル１２のストロークである。

励磁コイル１３は、ボビン１３１とボビン１３１に巻回された銅線１３２とを有する。
ボビン１３１は、合成樹脂により中空筒状に形成された部材である。ボビン１３１の中空部位には、枝部１１２の第３部位１１２ｃが挿通され、その状態で、ボビン１３１は第３部位１１２ｃに接着等によって固定される。

つまり、励磁コイル１３に交流の駆動電流Ｉが流れると、固定鉄心１１が形成する磁気回路には、駆動電流Ｉに応じた磁束密度Ｂを有する磁束が発生する。なお、磁束の向きは、駆動電流Ｉの流れる方向に従って反転する。

そして、可動コイル１２が移動範囲内に位置する場合、磁気回路を流れる磁束は、可動コイル１２の銅線部位１２ａを貫くことになる。これにより励磁コイル１３により磁気回路を流れる磁束の方向、および可動コイル１２の銅線１２２にて電流が流れる方向に従って決まる向きに発生するローレンツ力Ｆにより、可動コイル１２は、基部１１１の長手方向に沿った所定方向に移動する。

ここでは、可動コイル１２の銅線１２２および励磁コイル１３の銅線１３２の巻回方向および両銅線１２２，１３２の接続は、両銅線１２２，１３２に駆動電流が同時に流れ、かつ、基部１１１の連結端側に向けたローレンツ力Ｆが発生するように設定される。なお、可動コイル１２および励磁コイル１３に同時に駆動電流を流すことにより、電流の方向および磁束の流れる方向が同時に反転するため、図１中のローレンツの左手の法則を表すＦ，Ｂ，Ｉの関係図に示す通り、可動コイル１２には、常に同じ方向のローレンツ力Ｆが作用することになる。

［１−２．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）交流ソレノイド１によれば、可動コイル１２の移動によって、磁気回路中のギャップの大きさ（即ち、磁気抵抗）や励磁コイル１３のインダクタンスが変化しないため、駆動電流を一定にすることができる。その結果、交流ソレノイド１の周辺機器は、大きな始動電流に対処する必要がないため、交流ソレノイドを用いて構成される装置の小型化、省電力化を実現することができる。

（１ｂ）交流ソレノイド１によれば、何らかの理由で可動コイル１２の移動が妨げられたとしても、駆動電流の大きさは変化しないため、焼損の発生を抑制することができるだけでなく、可動コイル１２が衝突して騒音の発生源となる接触部位に、騒音を抑制する緩衝部材を配置することもできる。

（１ｃ）交流ソレノイド１によれば、可動コイル１２の移動範囲は、可動コイル１２の銅線部位１２ａと枝部対向面１１ｂとが常に対向するように設定されている。このため、移動範囲内では、その位置に寄らず、同じ大きさのローレンツ力Ｆを発生させることができるだけでなく、磁気回路に発生する磁束を最大限に有効利用することができる。

［１−３．変形例］
上記実施形態では、可動コイル１２の銅線部位１２ａの全長Ｌが、基部対向面１１ａおよび枝部対向面１１ｂの幅より長くなるように設定されているがこれに限定されるものではない。図４に示すように、逆に、銅線部位１２ａの全長Ｌが、基部対向面１１ａおよび枝部対向面１１ｂの幅より短くなるように設定してもよい。この場合、可動コイル１２の可動範囲を、銅線部位１２ａの全体が、常に枝部対向面１１ｂと対向した状態となるように設定する。これにより移動範囲内では、その位置に寄らず、同じ大きさのローレンツ力Ｆを発生させることができる。また、この場合、可動コイル１２を小型、軽量化することができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図５に示す交流ソレノイド２は、固定鉄心２１と、可動コイル２２とを備える。固定鉄心２１および可動コイル２２は、第１実施形態における固定鉄心１１および可動コイル１２と同様に構成されている。

つまり、交流ソレノイド２は、交流ソレノイド１から励磁コイル１３を省略したものである。交流ソレノイド２では、可動コイル２２が励磁コイルを兼ねており、可動コイル２２に流れる電流によって固定鉄心２１の磁気回路に磁束を発生させる。

［２−２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）〜（１ｃ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）交流ソレノイド２によれば、装置構成が簡素化されるため、製造の手間を削減することができる。
［３．第３実施形態］
［３−１．第１実施形態との相違点］
第３実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図６に示す交流ソレノイド３は、固定鉄心３１と、可動コイル３２と、一対の励磁コイル３３，３４とを備える。可動コイル３２は第１実施形態における可動コイル１２と同様に構成されている。一対の励磁コイル３３，３４は、それぞれ第１実施形態における励磁コイル１３と同様に構成されている。

固定鉄心３１は、基部３１１と、一対の枝部３１２，３１３とを有する。基部３１１および枝部３１２は、第１実施形態における基部１１１および枝部１１２と同様に構成されている。枝部３１３は、枝部３１２を左右反転させた形状を有しており、基部３１１に対して枝部３１２とは線対称な位置に配置されている。つまり、固定鉄心３１は、ギャップを有するループ状の磁気回路を、基部３１１を挟んで左右対称に二つ形成するように構成されている。

そして、枝部３１３には、枝部３１２における励磁コイル３３と同様に、励磁コイル３４が取り付けられている。
また、各コイル３２〜３４における各銅線の巻回方向および銅線間の接続は、次のように設定される。即ち、各コイル３２〜３４の銅線に駆動電流が同時に流れる。枝部３１２，３１３と基部３１１との間にそれぞれ形成される磁気回路のギャップにて可動コイル３２に作用するローレンツ力が、いずれも同じ向きとなる。

［３−２．効果］
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）〜（１ｃ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（３ａ）交流ソレノイド３によれば、可動コイル３２に作用させる磁束を、複数の励磁コイル３３，３４により発生させているため、個々の励磁コイル３３，３４における銅線の巻回数を削減すること、ひいては個々の励磁コイル３３，３４を小型、軽量化することができる。

［４．第４実施形態］
［４−１．第１実施形態との相違点］
第４実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図７に示す交流ソレノイド４は、固定鉄心４１と、可動コイル４２と、励磁コイル４３とを備える。固定鉄心４１および可動コイル４２は、固定鉄心４１の厚さを増加させ、それに応じて形状変更を可動コイル４２に加えている以外は、第１実施形態における可動コイル１２および第１実施形態の固定鉄心１１を変形させた第３実施形態の固定鉄心３１と同様に構成されている。

励磁コイル４３は、可動コイル４２と同様に構成され、固定鉄心４１の基部４１１に固定されている。但し、基部４１１において、可動コイル４２の移動範囲外、ここでは、基部４１１の連結端側に固定されている。

［４−２．効果］
以上詳述した第４実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）〜（１ｃ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（４ａ）交流ソレノイド４によれば、励磁コイル４３を基部４１１に取り付けているため、これを枝部４１２，４１３に取り付ける場合と比較して、取り付けが容易となり、製造の手間を削減することができる。

［５．第５実施形態］
［５−１．第１実施形態との相違点］
第５実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図８に示す交流ソレノイド５は、固定鉄心５１と、可動コイル５２と、一対の励磁コイル５３，５４とを備える。励磁コイル５３，５４は、いずれも第１実施形態における励磁コイル１３と同様に構成されている。

固定鉄心５１は、基部５１１と、枝部５１２，５１３とを備える。枝部５１２，５１３は、いずれも第１実施形態における枝部１１２から第３部位１１２ｃを省略した形状を有する。但し、枝部５１３は、枝部５１２を左右反転させた形状を有する。基部５１１は、本体５１１ａおよび一対の突出部５１１ｂ，５１１ｃを備える。本体５１１ａは、第１実施形態における基部１１１と同様に構成されている。一対の突出部５１１ｂ，５１１ｃは、本体５１１ａの先端から、両枝部５１２，５１３にむけて延設された四角柱状の部位である。つまり、基部５１１は、平面形状がＴ字状に形成されている。

ここでは、突出部５１１ｂ，５１１ｃにおいて、それぞれ枝部５１２，５１３と間隙を空けて対向する面が基部対向面５１ａ，５１ｂであり、この基部対向面に対向する枝部５１２，５１３上の部位が枝部対向面５１ｃ，５１ｄとなる。

そして、励磁コイル５３，５４は、その中空部位に、それぞれ突出部５１１ｂ，５１１ｃを挿通させた状態で基部５１１に固定される。
可動コイル５２は、その中空部位に、突出部５１１ｂ，５１１ｃが固定された基部５１１を挿通させた状態で、基部５１１の長手方向に沿って任意に移動可能に取り付けられる。つまり、可動コイル５２は、その中空部位の大きさ以外は、第１実施形態の可動コイル１２と同様に構成されている。

可動コイル５２の移動範囲や、各コイル５２〜５４における各銅線の巻回方向や、銅線間の接続は、第１実施形態の場合と同様に設定される。
交流ソレノイド５は、第３実施形態の交流ソレノイド３において、励磁コイル５３，５４の取り付け位置を、磁気回路のギャップの反対側、即ち、固定鉄心５１の枝部５１２，５１３側から基部５１１側に変更した構造を有するものである。

［５−２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）〜（１ｃ）および第３実施形態の効果（３ａ）を奏する。

［６．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（６ａ）上記実施形態では、固定鉄心１１，２１，３１，４１，５１の枝部が一つ又は二つの場合を示したがこれに限定されるものではなく、枝部を三つ以上有していてもよい。

（６ｂ）上記実施形態では、固定鉄心１１，２１，３１，４１，５１の断面形状が四角形である場合を示したがこれに限定されるものではなく、断面形状は四角形以外の多角形や円形等、任意の形状をよい。

（６ｃ）上記実施形態では、磁気回路のギャップを構成する部位のギャップを挟んだ一方の側にだけ励磁コイルを設けているが、これに限定されるものではなく、ギャップを挟んだ両方の側にそれぞれ励磁コイルを設けてもよい。

（６ｄ）上記実施形態では、可動コイルがボビンと銅線とで構成されているが、可動コイルには、外部の被駆動部材と連結するための構成が付加されていてもよい。
（６ｅ）上記実施形態では、固定鉄心が固定され可動コイルが移動するものとして説明したが、可動コイルが固定され固定鉄心が移動する形態で使用してもよい。

（６ｆ）上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１〜５…交流ソレノイド、１１，２１，３１，４１，５１…固定鉄心、１１ａ，５１ａ，５１ｂ…基部対向面、１１ｂ，５１ｃ，５１ｄ…枝部対向面、１２，２２，３２，４２，５２…可動コイル、１２ａ…銅線部位、１３，３３，３４，４３，５３，５４…励磁コイル、１１１，３１１，４１１，５１１…基部、１１２，３１２，３１３，４１２，４１３，５１２，５１３…枝部、１１２ａ…第１部位、１１２ｂ…第２部位、１１２ｃ…第３部位、１２１，１３１…ボビン、１２２，１３２…銅線、５１１ａ…本体、５１１ｂ，５１１ｃ…突出部。

Claims (7)

1. 中空筒状の可動コイルと、
   前記可動コイルの中空部分に挿通され、前記可動コイルの移動をガイドする柱状の基部、および前記可動コイルの移動を妨げることなく前記基部と共にギャップを有したループ状の磁気回路を形成する一つ以上の枝部を有する固定鉄心と、
   前記磁気回路に磁束を発生させる励磁コイルと、
   を備え、
   前記励磁コイルは、前記基部と前記枝部とが前記磁気回路のギャップを形成する部位において、前記基部または前記枝部のうち少なくとも一方に配置されている、
   交流ソレノイド。
2. 前記可動コイルおよび前記励磁コイルは、同時に電流が流れるように接続されている、
   請求項１に記載の交流ソレノイド。
3. 中空筒状の可動コイルと、
   前記可動コイルの中空部分に挿通され、前記可動コイルの移動をガイドする柱状の基部、および前記可動コイルの移動を妨げることなく前記基部と共にギャップを有したループ状の磁気回路を形成する一つ以上の枝部を有する固定鉄心と、
   前記磁気回路に磁束を発生させる励磁コイルと、
   を備え、
   前記可動コイルが前記励磁コイルを兼ねる、
   交流ソレノイド。
4. 前記磁気回路のギャップにて前記基部と対向する前記枝部の部位を枝部対向面として、
   前記可動コイルは、前記基部の長手方向における全長が、前記基部の長手方向における前記枝部対向面の幅より短い、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の交流ソレノイド。
5. 前記磁気回路のギャップにて前記基部と対向する前記枝部の部位を枝部対向面として、
   前記可動コイルは、前記基部の長手方向における全長が、前記基部の長手方向における前記枝部対向面の幅より長い、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の交流ソレノイド。
6. 前記可動コイルの移動が許容される移動範囲は、前記枝部対向面の全体が、前記可動コイルにおいて銅線が巻回された部位である銅線部位と常に対向する範囲、又は前記銅線部位の全体が前記枝部対向面と常に対向する範囲に設定された
   請求項４又は請求項５に記載の交流ソレノイド。
7. 前記可動コイルが固定され、前記固定鉄心が移動するように構成された、
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の交流ソレノイド。

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