JPH07502877A - 空力分配器のための3極電磁作動器 - Google Patents

空力分配器のための3極電磁作動器

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 tカづ1乙にのf’−/lの3七を練外管り5本発明は全有効行程にわたってほ ぼ一定の電流による力を発生し、電流がないときは弱い力を示し、少なくとも一 方が固定子3極を有する2つの部分から成る固定子構造と、反対方向に磁力を有 する薄い2個の磁石に対応する2対の極を有する並進移動自在な装置を備えた種 類の電磁作動器、並びに上記の作動器を使用する空力分配器の実現に関するもの である。
平面対称にまたは軸対象に実現可能な上記の作動器は、先行技術において、その 一般的基本概念が知られている。
特に、出願者は小さな外形の単相電磁作動器に関するフランス特許第89108 051号を所持している。この特許に記載された作動器は特にハードディスクの 読み取り書き込みヘッドの制御またはプロッターテーブルのペンの作動に向けら れたものである。この場合は、電気時間の低い定数がめられる。
コイルに掛けられた電力あたりの力を高くすることがめられる用途については、 先行技術で周知の固定子3極の上記の作動器には難点がある。なぜなら、固定子 の3つの極の幅が回転子行程に対応するとき、励起電気コイルの銅線を収納する だめの空間が不十分になることがあるからである。
確かに、所期の回転子行程に必要な寸法を超えて極の幅を増やすことができる。
この場合は回転子種の幅も増す必要があり、そのため原価が高(なる、なぜなら 高性能の薄い磁石の製作に使用される高品質磁性材料は高価だからである。
さらに先行技術では、2N+1対の固定子極と2N対の回転子種、または2N+ 1対の回転子種と2N個の固定子極を有する、複数段作動器の製作も提案された 。しかしながら、このような作動器はコストが高い上に、外形も大きくなる。
本発明の目的は、加えられた電力に対して発生する力が大きく、外寸が至適であ る、固定子3極及び2対の回転子種の電磁作動器を提案することによってこれら の難点を解消することである。もっと具体的には、本発明は2個の固定子部分を 有する固定子構造から成る、線形型の、あるいは軸方向の形状の作動器を対象と する。固定子部分の一方は長さYcが回転装置の行程Yにギャップの長さEにほ ぼ等しい長さを加えたちの以上である中央極を備えている。側面積の長さYLは 、一方では要求される加えた電力あたりの力と、他方ではコイルの厚みZによっ て特性値が計算される励起コイルの収納に必要な空間だけで決定される。長さY Lは中央固定子極の長さYcより大きい。
当業者の知るところに反して、本発明によるS極作動器は寸法の異なる1個の中 央極と2個の側面積を有する。当業者にとって驚くべきこの実施態様は、それに もかかわらず、大量の銅に対応するコイルの収納を可能にしながら、充分な性能 を確保することを可能にする。さらに作動器の側面外寸を制限し、それによって 多くの用途分野で課される制約に答えることも可能にする。
できれば、薄い磁石に垂直な平面に沿って測定したコイルの厚さと、可動部品の 移動軸に沿って測定したコイルの長さYc、の比は1以下、できれば1に等しい ことが望ましい。言い換えれば、コイルは高さより長さが大きく、できれば断面 が正方形であることが望ましい。なぜなら、この選択によって銅線コイルを介し ての磁場の漏洩を制限することができるからである。
作動器の外寸を増すことなしに銅の体積をさらに増やすことのできる推奨実施態 様によれば、中央極は断面が前記中央極より小さいコアによって延長する。この ようにして形成されたコアの断面は飽和なしにそれを構成する材料の定格運転条 件での磁束通過を可能にするように決定される。
本発明による作動器は平面対称または軸対象に実現できる。後者の場合、固定子 構造並びに回転子は円筒状である。回転子は円筒形の固定子構造と回転子の曲線 の軸に対応する軸Yに沿って並進移動する。
比り、/d、は1. 2から21の範囲内であることが望ましい、ここで、Dゎ はコイルの外径、 d、はコイルの内径である。
この比は、1.65にほぼ等しいことが望ましく、少なくとも1,4から1゜9 の間にあることが望ましい。このような比は固定子構造内に発生する磁力損失を 至適化することを可能にする。
中央極は、ギャップの幅をEとしたとき側面積から0.5E以上の距離eだけ離 れていることが望ましい。
推奨実施態様によれば、第2の固定子部分は可動で、回転子と一体である。この 実施態様によってギャップを小さくし、作動器の効率を上げることができる。
第2の固定子部分は長さが回転子種の長さ以下である、定格運転条件で飽和しな い、軟質磁性材料製のヨークで構成することが望ましい。このヨークの断面は台 形とするのが有利である。
本発明はさらに、可動部品が第1の位置を占めたときに第1の入り口と連絡し、 第1の入り口と第1の出口の間の連絡が前記可動部品が第2の位置を占めたとき に中断する、少なくとも1つの第1の出口を有する円筒状の本体で構成される空 力弁にも関係する。 次に、図面を参照して本発明の特定の実施態様を説明する 。
図1は第2の固定子部分が固定されている平面対称の作動器の実施態様の全体図 である。
図2は第2の固定子部分が永久磁石と共に移動する本発明による作動器の実施態 様を表している。
図3は可動部分がバネ板の上に懸架されている本発明による作動器の実施態様を 表している。
図4はそれぞれがコアの1つを囲繞する4本のコイルから成る軸対称の作動器の 横断面図である。
図5は軸対称作動器を利用した空力弁の長手方向の断面図である。
図1に示した作動器は第1の固定子部分(1)と第2の固定子部分(2)を有す る固定子構造から成る。この2つの固定子部分(1)と(2)がその中を可動部 品(4)が移動するギャップ(3)を形成する。第1の固定子部分(1)は3個 の固定子極を有する、即ち1個の中央の極(5)と2個の側面積(6と7)であ る。第1の固定子部分(1)はさらに正方形の横断面の2つの空111(8,9 )を有し、その中に中央極(5)の脚を囲繞する銅線のコイルが収納されている 。
このコイルが磁場を発生し、磁場は2個の回転子種(10,11)と第2の固定 子部分(2)を通って閉じる。2個の回転子種(10,11)は反対向きに横断 方向に磁化された、隣接する2個の薄い磁石で構成される。上述の例において第 1の回転子種(10)は第1の固定子部分(1)に向けられたN極と第2の固定 子部分(2)に向けられたS極を有する。第2の回転子種(11)は第1の固定 子部分(1)に向けられたS極と第2の固定子部分(2)に向けられたN極を有 する。
薄い磁石はネオジウム・鉄・ホウ素またはサマリウム・コバルトなどの磁性材料 で構成される。
2個の回転子種(10,11)は非磁性材料で製作した支え(12)内に取り付 けられている。この支えは固定子部分(1)と(2)の端に配置したり・ンショ ン(13,14,15,16)によって誘導される。
中央固定子極(5)の幅Ycは可動部品(4)の行程にギヤ・ツブの幅に対応す る寸法Eを加えたものにほぼ等しい。2個の側面積(6,7)は長さYLを有し 所望の加えた電力あたりの力を達成するために必要な銅の量によって決定される 。
図1に示した実施態様において、方向2はシートの面に垂直な方向、すなわち前 記可動部品の面内に含まれる、可動部品の移動軸Yに垂直な方向である。力Fは 2. B、 Z、 n、iに等しい:ここで、Bはギャップ内に磁石によって供 給される誘導を表す。この値は電流がないとき絶対値が一定である。
Zは2方向の回転子厚み。
nは銅線の巻き数。
1は1コイルに掛けられたカレント、を表す。
nlを加えられた出力P、の関数で表すと力Fは次式で表されるすなわち、単位 出力P、=1のとき ここで、Roはコイルの寸法に関係する幾何的係数である。
固定子の中央極(5)が課された行程上で一定の力を生じるのに必要な幅Ycに 厳密に限定されているとき係数RoをY軸に沿って測定した中央極(5)の幅を 示すYcと:2方向に測定した中央極(5)の厚みに対応するZと。
磁石の面に垂直な軸Xに沿ったコイルの高さを表すHと。
可動部品の並進の自由軸に平行な軸Yに沿って測定した側面積の幅を表すYLと ; 銅の厚みに対応するY2.と: コイルの充填係数に対応するηと: 銅の固有抵抗に対応するρ。
の関数で表すことができる。
Z=ν XYL とすると、 課されたパラメータρ、ν、Y、を計算に入れてRoを導き、パラメータYcm とHを操作してFlを大きくすることができる。コイルの高さに対応するパラメ ータHは大抵の場合許容最大外寸によって制限される。ワットの平方根あたりの 力を増すために、本発明の作動器は、中央極より大きな寸法の側面積の故に、コ イルの長さを増すことができる。
上述の例では、側面積(6と7)の長さYLは中央極(5)の長さYcよりも2 倍大きい。
図1に記載した実施態様の第2の固定子部分は、磁石(10)と(11)を通る 磁束全体の通過を可能にするのに充分な寸法の高透磁性材料で製作した、平行6 面体で構成されている。
図2は平面対称作動器の別の実施態様を示し、その中で第2の固定子部分(2) は隣接する永久磁石(10)、(11)と一体である。
第2の固定子部分(2)の断面は台形であり、その下底(17)は磁石(10) と(11)との接合面に対応し、上底(18)は使用される高透磁性材料の体積 を、したがってその重量と可動部品の慣性を減らしながら、前記第2の固定子部 分(2)内を飽和させることな(、磁束の至適通過を可能にするように決定され る。第2の固定子部分(2)は例えばプラスチックで製作された、端に摺動面( 20)と(20’)を有するブロック(19)内に閉じ込められている。この摺 動面は第1の固定子部分(1)と一体の相補面(21,22)に対応している。
平滑なポールまたはローラベアリング(23,24)がギャップの形成と可動部 品の誘導を保証する。
図3は上記の作動器の第3の実施態様を示している、この中の可動部品(25) はバネ板(26,27)によって位置づけられ、誘導される。この実施態様にお ける可動部品(25)はバネ板(26,27)上に浮動するように取り付けられ ている。可動部品は当然永久磁石(10,11)によって第1の固定子部分の方 向に惹かれる。ギャップを形成するために、可動部品(25)を、有効行程全体 に渡って、固定子極(5から7)の表面から小さな距離に維持することが望まし い。この機能は、変形自在な連結または弾性連結によって保証することができる 。
図3に参考として挙げた例において、この機能は、永久磁石(10,11)の面 に対して垂直に延長している、弾性変形自在な材料で製作された薄板から成るバ ネ板(26,27)によって得られる。バネ板(26,27)は接続帯(28゜ 29)に沿って可動部品(25)のそれぞれの端に、また反対の帯(30,38 )に沿って第1の固定子部分(1)の延長部(31,32)に固定されている。
連結部品(31,32)は磁石(10,11)の面に対して垂直に、したがって バネ板(26と27)に対して平行に延長している部分(34,35)をそれぞ れ備えている。
第2の部分(36,37)はバネ板(26,27)に対して垂直に延長し、バネ 板(26,27)の一体化面(30,38)で終わっている。バネ板(26゜2 7)の長さは固定子極(5,6,7)の面と向かい合った磁石(10,11)の 表面の間の距離が必要なギャップを形成するのに必要な距離に等しくなるように 決定される。
またバネ板(26,27)の長さLrは、永久磁石(10,11)の面に垂直な 軸に沿った可動部品の移動を可動部品(25)の行程に対して無視するのに充分 なように決定することができる。
ギャップの幾何は磁気剛性を増減し、周波数自体を変えることなくバネ板が受け る応力を減少するように、懸架バネの剛性を変化させて得られるものに類似した 効果を得るために修正することができる。
バネ板が長いとき、行程の端と中央位置の間のギャップの変動は最低に抑えられ 、それによって磁気剛性が小さくなる。この場合の可動部品の固有周波数は主と してバネ板の特性値によって、特にその機械的剛性によって決定される。
反対に、バネ板が短いとき磁石の表面(10,11)と第1の固定子部分の極表 面の間の距離は中央位置と、可動部品が行程の終わりに来る位置の間で大幅に変 動する。このギャップの変動の結果、電流がないときに可動部品を中心位置で静 止させる力が発生する。したがって、可動部品(25)の固有周波数はこのよう にして得られる磁気剛性によって大幅に変化する。
図3に示した実施例において、可動部品(25)の移動軸Yに垂直な第1の固定 子部分(1)の側面は、それぞれくり貫き(97,98)を有する、はぼ平行6 面体の、非磁性材料製の部品(34,35)とそれぞれ一体である。この(り抜 き(97,98)は可動部品(25)の運動を可能にする。
コイルを支える固定子部分の外寸を減らすために、中央極(5)はコア(5)の 横断面積より小さい横断面積のコア(40)と一体である。コア(40)の横断 面積は最小限の飽和で磁束の通過を可能にするように決定されている。このよう に直径を小さくすることによって、コアの断面が中央極(5)に一致する作動器 の場合に許されるものより大きな銅の体積を有するコイルを収納することができ る。
同様に、側面極(6と7)は延長した側面極表面と磁束を通過させるのに充分な 高透磁性材料の質量を同時に提供することのできる面取り(41と42)をそれ ぞれ備えている。
図4は回転対称作動器を示している。
第1の固定子部分は4個の中央極(54,5B、59.60)から成る。これら の中央極(54,58,59,60)は円筒の4分の1より若干小さい表面上に 延長している。極はギャップEの半分にほぼ等しい距離eだけ離されている。
コイル(61,62,63,64)はそれぞれ固定子極(58,59,60,5 4)を延長しているコア(65,66,67,68)をそれぞれ囲繞している。
これらのコア(65から68)は連続して90度ずつずれている軸に沿って放射 状に延びている。これらのコアの断面は、多くの量の銅をコイル巻きにするため に、中央極の寸法より小さい。
図4では見えない側面極は瓦状で、横断面が中央極(58,59,60,54) とほぼ同じ形状を有する。軸方向に測定した長さYLは大きな寸法のコイル(6 2から64)の位置づけを可能にするために中央極の長さYcより大きい。
磁石(1,0,11)は反対方向に、放射状方向に磁化された、同軸の管状要素 によって構成されている。
図5に示された作動器は線形空力分配器の製作を用途としている。
作動器は、高磁性材料で製作された、円筒形の外被(77)を備えている。この 外被(77)は正中部分に中央固定子極(54)で終わっている内側環状部分( 102)を備えている。
円筒状の外被(77)は側板(75,76)によって気密にそれぞれの端におい て閉じられている。このために円筒状の外被(77)はそれぞれの端に肩(90 ,91)と、内径が側板(75,76)の外径に等しい環状(り抜きを備えてい る。圧縮自在なパツキン(92,96)が閉鎖の気密性を確保している。
円筒形の上部側面積(70)は対称軸に垂直に配置された上部側板(75)と一 体である。反対側の側面極(71)も円筒状外被(77)の反対の部分を閉じる 側板(76)と一体である。
コイル(100,101)はガレット状または環状である。コイルの対称軸は作 動器の対称軸、特に可動部品の対称軸に対応する。コイルは管状外被(77)内 に差し込まれ、中央極(54)で終わる環状部分(102)とそれぞれ円筒状側 開極(70と71)と一体のそれぞれの側板(75)と(76)の間に位置づけ られている。
可動部品(50)は側面固定子極(70と71)と中央固定子極(54)によっ て限定される円筒状空間内で軸方向に移動する円筒状の大きな部品によって構成 される。バネ(51,52)は2個の環状磁石(10と11)の間の継ぎ目(5 3)が中央極(54)の中央に対応する位置において可動部品(50)の位置決 めを保証する。、環状の磁石(10,11)は放射状の断面が台形である、高磁 性材料の環状部品によって構成される第2の固定子部品(55)によって支えら れている。中心のハブ(56)が可動部品(50)を完全にする。
上記の例において、可動部品(50)の誘導は平滑な軸受けによって実現される 。固定子と回転子の相互牽引力は補償される、また対称軸の周囲の回転自由度を 無効にすることは考えられていない。
コイル(100,101)の係数R0の計算は上記の場合とは少し異なる。
すなわち、 コイルの外径り、は作動器の外径より少し小さく、とくに外被(77)の内径よ り小さい、したがって許容最大外寸によって決まる:コイル(100,101) の内径dbは必然的に磁石(10,11)の平均直径d、よりやや太きめである ; λは Db/dbの比 μは db/daの比 係数μは第1近似においてλとは独立と見なされる。固定最大直径り、について λ=1.’65であることがわかる。
λ=14または19についてはユ2%しか失われない、またλ=13または22 については17%しか失われない。したがって、至適値はそれほど尖っていない 。
λの値が小さいときは、小さなアンペア回数と大きな磁石で仕事をするので、高 温での磁石の保持性が良くなる。
λの値が太きいときは、慣性が少ない小さな直径の磁石で仕事をするが、アンペ ア回数を太き(すると高温で消磁する恐れがある。実用上、我々は1.3〈λく 2を選択する。
したがって、小さな誤差で、問題の関数についてλの至適値にほぼ対応する値0 29を取ることができる。この条件の下で、他の定数に下記の通常の値を代入す る。
ρ=l、72E−8Ωm ワットの平方根あたりの力F1は。
F]、=3266 X B X Db xJW中央極(54)と側面1(70, 71)の間の切欠の長さは少なくともギャップEの半分に等しい。飽和自在な区 域を配置して中央極(54)と側面極(70゜71)の間に不連続性を作り出す こともできる。それが、前記区域を飽和させるのには不十分な電流値については 電流に応じた力の線形性を乱すが、この実施態様は場合によっては許容される。
例えば、水力装置を実現するために、コイルを含む空間に対して、磁石を含み空 間を水密にしようとするときは、磁極の下の非磁性ステンレス鋼などの材料によ って切欠を充填することも考えられる。
例として、上記の実施態様による作動器は誘導B、=0.657を提供する磁石 を備えている。管状磁石の厚みは1mmであり、放射状方向の作動遊びは0゜2 5mmである。この磁石によって提供される誘導は0.52Tになる。供給電力 20ワツトで、100ニユートンの力を得ようとするとき、4mmの行程につい ての計算は下記のようになる: F1=22.4ニユートン/ワツトの平方根)(=Q、035m、Db =7E −2m中央極(54)の長さは少なくとも行程に1.25mmの全ギャップ×1 を加えたものに等しいので、寸法Yc =5.25mmである。この条件のとき 、必要なコイル高さから、側面極の寸法YLは中央極の極の寸法Ycよりもかな り大きくなる。先行技術による作動器、すなわち長さがほぼ固定子に等しい3個 の極を有する作動器で同じ結果を得ようとすれば、最大H=0.003mで特徴 づけられるコイルが得られる、そのときコイルの外径はDh=0.24mになる 。磁石直径d、は、前の場合の0.035mではな(0,12mになるだろう。
このことから明らかなように、電流のないときに力が生じないという利点を温存 しながら、所望の力、所与の電流について行程全体に渡って力が一定、及び所与 の位置について力が電流に比例、という目的を達成するためには提案された方法 の方が遥かに経済的である。
上記の実施例において、端の側板(75,76)は流体の出入口に対応する(り 抜きを備えている。これらのくり抜きの1つは、第1の固定子部分の空洞と中央 固定子極によって延長している環状部分によって限定される第1の体積と、他の ものは側面固定子極の1つと可動部品によって限定される体積と連通している。
これら2つの体積は中央極(54)と側面極(70)または(71)を分離する 空間(92,93)を介して連通している。
可動部品(50)は、可動部品(50)が下の位置にあるとき、圧力入口(80 )と圧力出口(81)を連通させることを可能にする。可動部品(5o)が上こ の用途において、入口穴と一方のコイルが納められた空洞と他方のその中を可動 部品(50)が移動する空洞の間の流体の通過に対応する間隔(90から93) は可動部品(50)の外面によって順番に閉塞または開放される。
以上のごと(本発明を非限定的な例について説明した。本発明は他の多数の変型 によって実現することができる。特に、軸方向の幾何の形状の場合、磁石は36 0度未満の円筒の区分に対応する瓦状に実現することができる。
円筒状の構造の場合、2個の環状コイルまたはコアあるいは極の広がりのそれぞ れを囲繞する4個のコイル、さらにはそれ以上の数のコイルを使用することがで きる。
FIG−1 FIG、、2 FIG−3 FIG−4 。−、、、、、、、PCT/FR92100940

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.全有効行程にわたってほぼ一定の電流による力を発生し、電流がないときは 弱い力を示し、固定子構造(1)の少なくとも一方が長さがYCの中央極(5) と長さYLの2個の側面極(6,7)を備えた2個の固定子部分(1と2)を有 する、定格運転条件で飽和しない軟質磁性材料製の固定子構造から成り、前記固 定子部分(1,2)がギャップEを限定し、ギャップ内に横断方向に磁化された 、隣接する薄い永久磁石(10と11)から成る長さYRの2対の極から成る可 動回転子部品が配置されている種類の電磁作動器において、中央極(5)の長さ YCが回転子可動部品の行程Yにギャップの長さEにほぼ等しい長さを加えたも の以上であり、側面極(6,7)の長さYLが、加えた電力あたりの力と、コイ ルの厚みZに応じて励起電気コイルが占める空間によって決定され、厚さZが薄 い磁石(10,11)の面に垂直な軸に沿って測定され、側面極(6,7)の長 さYLが中央極(5)の長さYcより長いことを特徴とする作動器。 2.請求項1に記載の電磁作動器において、前記コイルの厚みZがその長さ以下 であることを特徴とする作動器。 3.請求項1または2に記載の電磁弁において、コイルを支えている中央のコア (40)の断面が中央固定子極(5)の断面より小さいことを特徴とする作動器 。 4.請求項1に記載の電磁作動器において、固定子構造(1),(2)及び可動 部品(50)が円筒状で、部品(50)は円筒形の固定子構造と回転子の曲線の 軸に対応する軸Yに沿って並進移動し、Dbをコイル(100,101)の外径 、dbをコイル(100,101)の内径とするとき、比Db/dbが1.2か ら2.1の範囲内であることを特徴とする作動器。 5.請求項5に記載の電磁作動器において、比Db/dbが1.65にほぼ等し く、できれば1.4から1.9の間にあることを特徴とする作動器。 6.上記いずれかの請求項に記載の電磁作動器において、中央極とそれぞれの側 面極の間の距離eが、ギャップの幅をEとしたとき0.5E以上であることを特 徴とする作動器。 7.上記いずれかの請求項に記載の電磁作動器において、第2の固定子部分が可 動で、回転子と一体であることを特徴とする作動器。 8.請求項7に記載の電磁作動器において、第2の固定子部分が長さが2個の回 転子極の長さ以下である、定格運転条件で飽和しない、軟質磁性材料製のヨーク で構成されていることを特徴とする作動器。 9.請求項8に記載の電磁作動器において、第2の固定子部分が下底が永久磁石 との接合面に対応する、台形の断面を有することを特徴とする作動器。 10.請求項1に記載の電磁作動器において、可動部品が反対向きに磁化された 2個の薄い磁石(10,11)と断面が台形の第2の固定子部分(2)とから成 り、可動部品(25)と第1の固定子部分の間の連結が薄い磁石(10,11) の面に対してほぼ垂直に延びている弾性変形自在な2枚の薄板によって確保され ることを特徴とする作動器。 11.請求項10に記載の電磁作動器において、バネ板(26,27)が固定子 極(5から7)の表面と可動部品の移動軸に対して垂直に第1の固定子部分(1 )を伸長させている部分(35)の端から可動部品の側面端(28,29)まで 薄い磁石(10,11)の面に対して垂直に延長していることを特徴とする作動 器。 12.請求項5から10のいずれかによる作動器の可動部品(50)が第1の位 置を占めたときに第1の入口(80)と連絡し、前記第1の入口(80)と第1 の出口(81)の間の連絡が前記可動部品(50)が第2の位置を占めたときに 中断される、少なくとも1つの第1の出口(81)を有する円筒状の本体(77 )で構成されることを特徴とする空力弁。
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