JPS5826564A - 電磁装置 - Google Patents

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】 本発明は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する
装置に関する。

自動車における電子制御の使用はこのところ増え続けて
お夛、これにしたがって電子作動装置の応用が増えてい
る。現在、電磁装置が自動車制御において最も広く使用
されている電気作動装置である。過去において、電磁装
置はほとんどスイッチング機能を遂行するために使用さ
れており、この場合電磁装置の応答時間はさして重要で
はなかった。しかしながら、自動車電子技術の最近の進
歩の結果、かなシ複雑な機能を遂行するために電磁装置
を使用する場合が増えている。ここで、複雑な機能とは
、燃料噴射系統の制御と操作などであって、この場合に
は制御信号に対する電磁装置の応答及びその動作速度は
、燃料噴射系統全体を通しての性能に著しく影響する。

電圧信号に対する電磁装置の応答は、２つの因子によっ
て決定される。これらは、すなわち、電磁装置のコイル
の時定数と磁気吸引力の運動質量に対する比である。時
定数は、磁気吸引力が所望の大きさに達するまでに要す
る時間を決定し、一方、磁気吸引力と質量の比は、運動
質量の加速度を表している。かなり大きい吸引力を発生
することのできる大形の電磁装置を達成するよりも、小
さい吸引力を発生する小形の電磁装置で速い応答を達成
するのは比較的容易である。しかしながら、多くの場合
に電磁装置を用いた電磁作動装置の特性として要求され
ているのは、大きな吸引力ときわめて高速な応答を兼ね
備える電磁装置の能力である。電磁装置コイルの各種パ
ラメータ間の数学的関係の分析が示すところによれば、
時定数Ｔは３つのパラメータの関数として近似的に表現
されるが、これらのパラメータは、単磁極の吸引力Ｆ、
初期エアギャップ長ｌ、及び電力人力Ｐである。

電磁装置コイルの時定数は、吸引力とエアイヤツブ長の
積に正比例しかつ電力入力に逆比例する。

したがって、 となる。

上式における力Ｆとエアイヤツブ長ｌは、通常、電磁装
置の固定設計パラメータである。したがって、吸引力と
エアギャップ長の所与の値に対して、時定数は電力入力
のみの関数でろって、時定数はこれに逆比例する。高速
応答電磁装置は高エネルギー電磁装置であり、かつ、少
くともその活性化期間中は、高い電力対吸引力比を持た
なければならない。

所与のエアギャップ長に対して、吸引力を増せばこれに
伴って、時定数が大きくなるが、電力入力が吸引力と同
じ比率で増加させられる場合はこのようにはならない。

都合の悪いことに、電力入力の増加は、電磁装置内に発
生する熱を除去する系統の能力によって限定される。こ
の困難を克服するために、高温で運転されているコイル
に強制液冷を加えるものがある。コイルの温度の上昇は
、もちろん、その耐熱材料の能力によって制限される。

この結果、所与の誘導コイルに与えられるエネルギー量
は制限される。

大きな表面対断面槓比を持つ小形誘導コイルにおいては
、合理的な高い電力対吸引力比を達成することができる
。しかしながら、大吸引力用に設計すれた大形コイルに
おいてこのように好適な電力対吸引力比を達成するのは
、遥かに困難である。

これに対する主要な理由の１つは、吸引力と同じ率で電
力入力を増加することによって時定数の増加を防ごうと
しても、熱を発生する銅線の体積及び表面積がこれに相
当して増加しないということにある。これは、熱伝達条
件が漸次悪化して、コイルが過熱されるからである。そ
の結果、大形誘導コイルは、常に、小さな電力対吸引力
比に制限されかつ小形コイルにおいて達成される時定数
よりも大きな時定数を持つことになる。

吸引力対運動質量比は、通常、コイルの吸引力と寸法の
増加に伴って下向する。これは、吸引力の増加は接極子
の表面積の増加に比例し、一方、運動質量の増加は接極
子の体積に比例するが、体積は接極子長の同じ増加によ
って表面積よりも速く増大する、という事実に因ってい
る。このことが、大形コイルにおける小さな加速度、し
喪がって長い走行時間という結果を生むことになる。こ
のため、従来型の電磁装置の応答社、時定数の増加と過
速度の増加に因って、電磁装置の吸引力と寸法の増加に
伴ってより緩慢となる。

先行技術は、また、ニー拳エイチーセイリイ（Ａ、　Ｈ
，８ｅｉｌｌｙ　）による「ソレノイＰ１１アクチュエ
ーター超高速動作電磁装置」、米国自動車学会技術論文
、７９０１１９．１９７９に記述されたようならせん電
磁装置を教示している。この構成は、細長くかつらせん
形に巻かれた単一磁心を使用している。その形は、一般
に８字形の６本の延びた枝に垂直な方向に延びたＥ字形
電磁装置である。このような形は、製造するのに比較的
困難であり、かつかなりの量の漏れ磁束を生じさせる原
因となシ、これが接極子の運動を起こさせるのに好まし
くない。これらは、本発明が克服する問題に属する。

本発明は、大きな時定数と低い吸引力対運動質量比に起
因する比較的遅い応答特性を有する大形、高吸引力電磁
装置に関する上記の問題を解決するものである。本発明
は、時定数及び吸引力対運動質量比が電磁装置吸引力の
大きさに無関係であり、かついかに磁気吸引力が大きく
なければならない場合でもこれにかかわらずきわめて小
さい時定数きる電磁装置配位配置を含む。

本発明の実施例によれば、電磁装置は、固定子と接極子
を含み、固定子は多数の磁極装置を含む。

接極子は、固定子によって活性化されるために、固定子
の近傍に置かれている。１つ置きの磁極装置に関連した
誘導コイルは、電流を輸送して、その関連する磁極装置
内に第１の向きに磁束を発生させ、これに隣り合う磁極
装置内に第２の向きに磁束を発生させる。この結果、隣
シ合う磁極は、互に反対極性をとる。

以下、本発明を、その実施例について、付図を参照しな
がら詳しく説明する。

第１図を参照すると、高速応答環形多極電磁装置１０は
、電磁装置の６体１３の吸引表面１２上に配置された交
互に極性の異なる多数の磁極１１を有する。電磁装置の
６体１３は円筒形のものであって放射状のスロット１４
を有し後者はその断面が近似的に台形である８本の長い
歯１５を形成している。適轟な形をしたシラスチック製
の巻枠１７上に巻かれた４つの電磁装置ヲィル１６は、
第１図に示されているように４つの台形歯１５上にそう
人されている。電流がコイル１６の巻線を通して流され
ると、８つの磁極１１が８つの歯１５の面上に現れ、そ
の各々が磁気吸引力を環形接極子１８上に働かせて１．
後者が軸方向に沿って電磁装置の６体１３に向けて運動
する。

説明を容易にするため、上述した環形多極１０に機能的
に等価な線形多極２０を考える。このような装置が第２
図に示されている。電磁装置の６体２１は、多数の方形
歯２２を具備する長いラックである。電磁装置コイル２
３は、１つ置きの歯に布設されている。コイル２３は、
これらが並列電気回路を形成しかつ電磁装置の全電流が
個々の全てのコイル内の電流の和に勢しくなるように接
続されることができる。これらのコイルは、また、電磁
装置の全電流が全てのコイルを通って流れるように直列
に接続されることもできる。個々のコイル２３の磁束は
、第２図に点線で示されるように並列磁気回路を形成す
る。

方形歯２２の上面２４は、電磁装置の吸引面を形成し、
この面上に多数の磁極が形成される。流れる電流の向き
に応じて、全てのＳ極はコイル２３を具備する歯２２の
上面２４上にあり、−万全てのＮ極はコイル２３を具備
していない歯２２の上面２４上にあるか、又はこの逆と
なる。可動接極子２５は、６体２１と同じ長さの長いバ
ーの形をしている。接極子２５上に働く吸引力は、全て
の個々の磁極によって発生される吸引力の和に等しい。

個々のコイル２３をきわめて小さくすることはできるか
ら、きわめて小さい時定数に対応してこれを設計するこ
とができ、また、要求される全吸引力は、いかに大きか
ろうと、歯の数を増　・加しかつ６体ラックと接極子と
を必要とされるだけ長く作ることによって達成される。

このような線形多極電磁装置の時定数は、個々の単一コ
イルのそれと同じでちゃしたがって、全吸引力の大きさ
にかかわらず、きわめて小さいものとされることができ
る。全吸引力は、ラックの長さに比例し、また、可動接
極子の質量はこの長さに比例する。

したがって、吸引力対運動質量比は、吸引力の大きさと
電磁装置の寸法には無関係である。この比は、たとえ非
常に長い線形多極に対しても、短い単一コイル磁極装置
に対するものと同じである。

上述したのと同じ理由を、環形多極に適用することがで
きる。大きな力の磁極装置が必要であるときにはいつで
も、これを、円筒形心体の直径を拡大しかつコイルの数
を増加する一方、各コイルの寸法、吸引力及び時定数を
以前と同じに保つことによって、達成することができる
。全電磁装置の時定数は、常に個々のコイルのそれと等
しく、したがって、コイルの全数にかかわらず同じに維
持される。６体の吸引面上の磁極の数は、常にコイルの
数の２倍である。環形接極子の質量はコイルの数と同じ
比率で増大し、しため五って、吸弓１力対質量比は不変
を維持す°る。それゆえ、このような電Ｖ＆装置の応答
は、その寸法及び吸弓１力と実質的に無関係でるること
ができ、また、きわめて大きな吸引力を出すことのでき
る多極を、通常は／、ｌＳ形電磁装置コイルに関連した
高速応答用に設計することかできる。

各種の応用に対する異なる多極電磁装置が、第４図と第
５図に示されている。第４図は、４コイル電磁装置心体
４０を示している。第５図は、さらに大きな８コイル多
極５０を示す。第６図は、一定０．９簡エアイヤツデに
おける４コイル電磁装置に対するオシロスコープ電流波
形を示す。比較のために、第７図は、同じ＜０．９ｍエ
アギャップ及び同じ電圧において、同じ吸引力を発生す
る従来型シランジャ式電磁装置によって生じた電流波形
を示す。多極電磁装置における電流立上シ速度は、従来
型のものよりも遥かに速い。

各多極電磁装置の６体と接極子は、低炭素鋼で作られか
つ製造後に磁気なましを施されている。

事前製造された個々のコイルは、軽プレスはめによって
、心棒上に布設される。ライドン（Ｒ７ｔＯｎ　）Ｒ−
４は、コイル巻枠用に使用される代表的な材料である。

ライドンによって提供される高温度抵抗に因り、電磁装
置は、１８０℃までの温度の下で安全に運転される。電
磁装量な貫通しかつこれをめぐって流れる液体燃料によ
る強力な冷却と結ばれた高表面温度は、きわめて有効な
排熱除去を行い、したがって、活性化期間中高エネルギ
ー人力を可能とする。基礎構成要素の簡単な配位配置及
び容易な組立てとが相俟って、多極電磁装置を多量生産
にきわめて適したものとしている。

電磁装置の高速応答にとっての要点は、その活性化期間
中に高速で入カニネルイーを吸収するその能力にるるか
ら、最小エネルギー流力によって要求される応答速度を
確保するような、電磁装置内のエネルギー流についての
最適スケジュールを組むことが有利でるる。第８図に従
来型電磁装置の活性化特性曲線を示す。電磁装置活性化
の通常スケジュールでは、活性化期間中持続して一定振
幅の電圧パルスを印加する。第８図から明らかなように
、この期間中電流はその最大値に達し、また、エアイヤ
ツブはその最小値まで減少させられる。磁束密度及び吸
引力は増加して接極子走行の終端でそれらの最大値に達
する。次いで、電流は、接極子を保持期間中所定の場所
に維持するのに必要な最小値まで減少させられる。接極
子走行の始端に、おいては、吸引力は小さい。それゆえ
に、接極子の運動は、初期には、緩慢で、走行のほとん
どは活性化期間の終り近くで行われる。

走行時間は、もし飽和磁束密度及び電磁装置の正面面積
によって決定される最大吸引力が接極子走行中早期に達
成され、その結果接極子が走行時間のほとんどの間最大
加速度で駆動されるならは、減少させられる。このこと
は、きわめて速い電流立上りを必要とするのみならず、
またきわめて高い値のピーク電流を必要とする。なぜな
らば飽和磁束密度はエアイヤツブがまだ大きな間に達成
されなければならないからである。しかしながら、接極
子走行はエアギャップを減少させ、また、磁気回路の磁
気抵抗が減少するので、電流は次第に減少され、一方、
吸引力は一定に維持される。

第９図は、電磁装置活性化期間中のこのような最適化電
流パルス、電圧及び吸引力のグラフも示す。コイルの抵
抗は、印加電圧に対して、きわめて低い、ルかし、電流
は、オームの法則によって決定されるその定常状態値ま
で立上がることは許されない。電流立上り速度は電流立
上シ曲線の初期部分において大きく、この部分のみが利
用される。電流立上シ曲線の不使用部分、すなわち１＞
１０に対する部分がこのグラフ中で破線で示されている
。ｔｏからｔｌにかけて、電圧は一定に維持され、かつ
電流と吸引力共に急速に立上がる。時刻ｔ１において、
磁束密度は飽和レベルに近づき、かつ吸引力はその最大
値Ｆ１に達する。電流の値は工１である。この点におい
て、電流の振幅はさらに増加しようとするがこれは使用
されなくなり、印加電圧が初期値ｖｏからｖ１ヘステッ
プ変化して電流の立上りを終端させる。時刻ｔ１からｔ
２にかけて、電圧はｖｌからｖｏへ次第に低減される。

電流は、ｔｌにおける１１からｔ２における工２へ減少
する。

電流の下向は尾を引くので、これはエアギャップ中の電
流減少によって補償され、吸引力はその最高レベルＦ１
にとどまる。時刻ｔ２において、電圧はｖ３へ下がシ、
また、電流は、接極子を保持期間中所定の場所に保持す
るに充分な低レベルＩ３　　−まで減少する。電力消費
は、時刻ｔ１にその最大値に達し、そのとき、電流及び
電圧ともにそれらのピーク値に達し、次いで活性化期間
の残り部分の間中急速に下向する。

第１０図は、最適活性化電磁装置における走行時間の関
数としての接極子の加速度、速度及び走行のグラフを示
す。接極子走行の力学は、吸引力、復元力、及び接極子
質量によって充分に決定される。復元力は、吸引力に比
較して通常きわめて小さく、しばしば無視される。

コイル台形断面は、環形多極電磁装置にとって最も普通
のもの砿であるが、各種のコイル形状及びいろいろなこ
の他の多極電磁装置の構成が使用可能である。

第１１図は、方形コイル１１１を具備する環形多極電磁
装置を示す。個々のコイルに対する６体は、２つの平行
でかつ直径から等距離のスロットを環形固定子内に一方
向に切りまたさらに２つのこのようなスロットをこれに
垂直方向に切るコトによって形成される。よシ大きな吸
引力を持った電磁装置が要求されるときには、これを、
より多くの数の同等のコイルを組込むことによって簡単
に達成することができる。第１２図は、第１１図に示さ
れるものにきわめて類似しているが、１０個の方形コイ
ル１２１を具備した電磁装置１２０を示す。１０コイル
電磁装置の吸引力は、４コイル電磁装置のそれの２倍半
だけ大きく、しかもこれら２つの電磁装置の時定数は等
しい。吸引力の増加は、時定数の長さを増大させること
なく達成され、後者は、個々のコイルの時定数と常に同
じに保たれる。大形電磁装置において可動接極子の質量
を減少させるには、環形接極子を軽量スボニクによって
そのハブに連結する。コイルにとって方形断面が有利で
あるのは、同じコイルを異なった直径の多極環形電磁装
置を形成するのに使用することができるからである。こ
れに対照的に、異なる寸法の台形コイルは異なった直径
の環形電磁装置に関連する。

第１３図は、他の多極電磁装［１３０の構成を示し、こ
の構成においては、第１１図のものに似た、数個の小形
電磁装置１３１が直列に配置され、この結果、それらの
吸引力が相加される。このような構成は、電磁装置の直
径を増大させる余地のないときには有効である。

第１４図は、第１１図に示されたものと似ているが、第
１図におけるような２つの平行面の代わりに、固定子と
接極子上に円すい形吸引面１４１を持った多極電磁装置
の他の変更実施例を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例による環形多極電磁装置の固
定子と関連する環形接極子の斜視図、第２図は、本発明
の実施例による１つ置きの磁極上にコイルを持った線形
多極電磁装置の説明図、第３図は、第２図の電磁装置内
のコイルの接続回路図、 第４図は、本発明の実施例の４コイル電磁装置の斜視図
、 第５図は、本発明の実施例の５コイル電磁装置の斜視図
、 第６図は、本発明の実施例による電磁装置のコイルにお
ける電流対時間グラフ図、 第７図は、先行技術の電磁装置のコイルにおける電流対
時間グラフ図、 第８図は、先行技術による電磁装置の活性化時の電流、
電圧、吸引力及び接極子走行距離対時間グラフ図、 第９図は、本発明の実施例の電磁装置の活性化時の電流
、電圧及び吸引力対時間の最適スケジュールを示すグラ
フ図、 第１０図は、本発明の実施例の電磁装置の活性化時の接
極子加速度、速度及び走行距離対時間の最適スケジュー
ルを示すグラフ図、 第１１図は、４方形コイルを持つ環形多極電磁装置の説
明図、 第１２図は、１０方形コイルを持つ環形多極電磁装置の
説明図、 第１６図は、吸引力を増加するために同軸に連結された
本発明の実施例の多数の電磁装置の側面図、 第１４図、本発明の実施例による角度を付けられた磁極
を具備する電磁装置の側面図、である。 １０：多極電磁装置 １１：磁極 １３：６体 １４ニスロツト １５：歯 １６：コイル １８：接極子（番号１８は、図から脱落）２１：６体（
番号２１は図から脱落） ２０：磁極 ２２：歯 ２３：コイル ２５：接極子 ４０：６体 ５０：磁極 １１１：コイル １２０：電磁装置 １２１：コイル １３０：電磁装置 １３１：コイル 工ふ１ ．巨シ、 →曜り →時刻 直 ■」 ８心 １４１ ＦＩＧ、　１４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）多数の電極装置を有する固定子と、前記固定子に
   よって活性化されるために前記固定子に隣接して配置さ
   れる接極子と、１つ置きの電極装置に関連している誘導
   コイル装置であって電流を輸送しかつ前記関連している
   電極装置内に第１の向きに磁束を発生しかつ前記関連し
   ている磁極装置の隣シの前記磁極装置内に第２の向きに
   磁束を発生することによって隣シ合う磁極装置の末端に
   互いに反対極性の磁極を形成する前記誘導コイル装置と
   を包含することを特徴とする電磁装置。 （２、特許請求の範囲第１項記載の電磁装置において、
   前記固定子は全体的に円筒状に形成されていて中空中心
   部を具備しかつ半径方向スロットを有することによって
   環部から軸方向に拡がる歯を形成していることを特徴と
   する前記電磁装置。 （３）特許請求の範囲第１項記載の電磁装置において、
   前記固定子は全体的に細長いものであって前記固定子の
   長さに沿って間隔をあけた位置に配置された横方向に拡
   がる歯を具備することを特徴とする前記電磁装置。 （４）％許請求の範囲第２項記載の電磁装置において、
   前記接極子は固定子と寸法が同じような環に形成されて
   いることを特徴とする前記電磁装置。 （５）特許請求の範囲第６項記載の電磁装置において、
   前記接極子は前記固定子に整列しかつ前記固定子と同じ
   長さを持つ細長いバーであることを特徴とする前記電磁
   装置。 （６）特許請求の範囲第１項記載の電磁装置において、
   前記固定子は円すい吸引面を有しかつ前記接極子は円す
   い吸引面を有することを特徴とする前記電磁装置。