KR20020052951A

KR20020052951A - 전자밸브용 솔레노이드

Info

Publication number: KR20020052951A
Application number: KR1020010082419A
Authority: KR
Inventors: 사토히데하루; 요시무라신이찌; 마쯔모토타쿠미
Original assignee: 다까다 요시유끼; 에스엠시 가부시키가이샤
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2002-07-04
Also published as: KR100433922B1; EP1219876A3; DE60121287T2; CN1361371A; JP2002188745A; CN1260502C; EP1219876B1; TW536599B; DE60121287D1; EP1219876A2; US6698713B2; US20020121620A1; JP4247314B2

Abstract

소형이면서 흡인력이 크고, 또한 경제성이 좋은 전자밸브용 솔레노이드를 제공한다.

고정철심(5), 가동철심(6) 및 보빈(4)의 중심구멍(4a)의 단면형상을 타원 또는 대략 직사각형으로 함과 아울러, 상기 보빈(4)에 감긴 단면이 타원 또는 대략 직사각형의 코일(7)의 긴 축쪽 또는 짧은 변쪽의 감김외경(W)과, 코일의 내측의 단면적(S)과 동일 단면적의 가상원주철심의 직경(d)의 사이에, d=(0.4 ~ 0.8)W의 관계를 가지게 하고, 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면에 있어서의 긴 축 또는 긴 변의 길이(a)와 짧은 축 또는 짧은 변의 길이(b)의 비율을, 1.3≤a/b≤3.0 으로 되도록 한다.

Description

전자밸브용 솔레노이드{SOLENOID FOR ELECTROMAGNETIC VALVE}

본 발명은, 전자밸브용 솔레노이드에 관한 것이다.

코일을 감은 보빈, 이 보빈의 중심구멍에 장착한 고정철심, 이들은 둘러싸는 자기 프레임, 보빈의 중심구멍에 슬라이딩가능하게 삽입한 가동철심, 및 이 복귀 스프링 등을 보유하는 솔레노이드부와, 복수의 포트, 이들 포트를 연통시키는 통로중의 밸브시트, 상기 가동철심에 의해 구동되고 상기 밸브시트를 개폐하는 밸브시트를 보유하는 밸브부를 구비한 전자밸브는, 특별히 예시하지 않아도 이미 알려져 있다.

또한, 복수의 전자밸브를 매니폴드 베이스에 연접하여 일괄 제어하는 것도, 특별히 예시하지 않아도 이미 알려져 있다.

또한, 복수의 전자밸브를 매니폴드화하였을 때, 전자밸브 전체가 대형이고 무겁게 된다라는 문제가 생기기 때문에, 각각의 전자밸브의 보디폭을 작게 하고 전체를 소형화하는 것이 가장 중요하게 된다.

또한, 전체를 소형화하기 위하여 전자밸브의 보디폭을 작게 하면, 보디 내에 수용되어 있는 전자밸브의 밸브체를 구동하는 솔레노이드의 감기외경이 작게 되고, 솔레노이드의 감기외경이 작게 되면 솔레노이드의 흡인력이 감소하고, 전자밸브의 밸브체를 구동하는 구동력이 저하한다라는 새로운 문제가 생긴다.

또한, 솔레노이드의 흡인력을 증대시키기 위해서 코일의 감기수를 늘리거나 철심을 대형화하면, 솔레노이드의 감기외경이 크게 됨과 아울러 비용이 증대한다라는 문제가 있었다.

따라서, 종래의 전자밸브용 솔레노이드는, 소형화 및 흡인력 증가에 한계가 있었다.

본 발명은, 복수의 전자밸브를 매니폴드화함에 있어서, 각각의 전자밸브의 보디폭을 작게 하는 경우에도, 보디폭과 직각방향의 전자밸브의 안쪽길이에는 여유가 있는 것에 착안하고, 전자밸브용 솔레노이드에 있어서의 고정철심 및 가동철심의 단면형상 및 보디의 중심구멍의 형상에 고안을 함으로써, 상기 문제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 또한, 이것이 상기 여유의 범위 내에서 적절하게 대처가능한 것이 확인되며, 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 문제는, 소형이면서 흡인력이 크고, 또한 경제성이 좋은 전자밸브용 솔레노이드를 제공하는 것에 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드의 일실시예를 나타내는 종단 정면도이다.

도 2는, 동 실시예에 있어서의 전자밸브용 솔레노이드의 고정철심, 가동철심, 보빈의 분해사시도이다.

도 3은, 철심형상의 최적화를 계산에 의해 구하기 위하여, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드의 코일형상 파라메타를 나타낸 평면도이다.

도 4는, 도 3의 Y-Y선 단면도이다.

도 5는, 직사각형 단면을 가지는 코일모델을 나타내는 도이다.

도 6은, 코일의 감기외경(W)에 대한 철심지름(d)의 비율(d/W)을 변화시킨 경우의 흡인력의 최대 흡인력에 대한 비율을 나타내는 도이다.

도 7은, 단면 타원철심의 단면적(S₁)을 일정한 크기(S₁=45.4㎟)으로 한 상태에서 타원의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율a/b을 변화시킨 경우의, 투하비용을 고려한 흡인력의 지표(x²/y-1)를 나타내는 도이다.

도 8은, 단면 타원철심의 단면적(S₁=91.6㎟)으로 한 상태에서 타원의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율a/b을 변화시킨 경우의, 투하비용을 고려한 흡인력의 지표(x²/y-1)를 나타내는 도이다.

도 9는, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드의 다른 실시예를 나타내는 종단 정면도이다.

도 10은, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드의 또 다른 실시예를 나타내는 종단 정면도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 … 전자밸브용 솔레노이드 3 … 보디

4 … 보빈 4a … 보빈의 중심구멍

5 … 고정철심 6 … 가동철심

7 … 코일 8 … 자기 프레임

9 … 자기 플레이트 12 … 복귀 스프링

P, A, R … 포트

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드는, 코일을 감은 보빈과, 이 보빈의 중심구멍에 장착한 고정철심과, 상기 보빈의 중심구멍에 슬라이딩가능하게 삽입되고 상기 보빈의 중심구멍 내에 흡인력 작용면을 보유하고 상기 코일로의 통전에 의해 흡인되는 가동철심과, 이들을 둘러싸는 자기 프레임을 보유하는 전자밸브용 솔레노이드에 있어서, 상기 고정철심, 가동철심 및 보빈의 중심구멍의 단면형상을 타원 또는 대략 직사각형으로 함과 아울러, 상기 보빈에 감긴 단면이 타원 또는 대략 직사각형의 코일의 짧은 축쪽 또는 짧은 변쪽의 감기외경(W)와, 코일의 내특의 단면적(S)과 동일 단면적의 가상원기둥철심의 직경(d)의 사이에, d=(0.4 ~ 0.8)W의 관계를 가지게 하고, 상기 고정철심 및 가동철심의 단면에 있어서의 긴 축 또는 긴 변의 길이(a)와 짧은 축 또는 짧은 변의 길이(b)의 비율을, 1.3≤a/b≤3.0으로 한 것을 특징으로 한 것이다.

본 발명의 전자밸브용 솔레노이드에 있어서는, 코일을 감은 보빈과, 이 보빈의 중심구멍에 장착한 고정철심과, 상기 보빈의 중심구멍에 슬라이딩가능하게 삽입되고 상기 보빈의 중심구멍 내에 흡인력 작용면을 보유하고 상기 코일로의 통전에 의해 흡인되는 가동철심과, 이들을 둘러싸는 자기 프레임을 보유하고, 보디폭이 보디 안쪽길이보다 짧은 전자밸브용 솔레노이드에 있어서, 보빈에 감긴 코일의 감기외경(W)과 상기 가상원기둥철심의 직경(d)의 관계가, d=(0.4 ~ 0.8)W로 되는 단면적의 철심으로 하면, 전자밸브용 솔레노이드의 고정철심과 가동철심 간에 작용하는 흡인력을 크게 설계할 수 있는 것은, 후술하는 계산에 의해 확인되고 있다.

또한, 상기에 의해 구한 직경(d)의 고정철심 및 가동철심의 단면형상은 원보다 타원 또는 대략 직사각형으로 한 쪽이, 동일 철심 단면적이어도 흡인력이 크게 되고, 또한, 상기 고정철심 및 가동철심의 단면이 타원 또는 대략 직사각형의 긴 축 또는 긴 변의 길이(a)와 짧은 축 또는 짧은 변의 길이(b)의 비율이, 1.3≤a/b≤3.0으로 되도록 하면, 투하비용의 비율에는 큰 흡인력을 얻어지는 것이 후술하는 계산 등에 의해 확인되었다.

따라서, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드에 의하면, 상기 구성에 의해 소형이면서 흡인력이 크고, 또한 경제성이 좋은 전자밸브용 솔레노이드를 제공할 수 있다.

상기 실시예에 있어서의 전자밸브용 솔레노이드(1)는, 밸브(2)의 보디(3)의 상부에 설치되고, 상기 보디(3)와 동일 폭과 안쪽길이를 보유하고, 코일(7)을 감은 보빈(4)과, 이 보빈(4)의 중심구멍(4a)에 장착한 고정철심(5)과, 상기 보빈(4)의중심구멍(4a)에 슬라이딩가능하게 삽입되고, 상기 보빈(4)의 중심구멍(4a) 내에 흡인력 작용면(6a)을 보유하고, 상기 코일(7)로의 통전에 의해 고정철심(5)에 흡인되는 가동철심(6)과, 이들을 둘러싸는 자기 프레임(8) 및 자기 플레이트(9)(자기 플레이트와 일체화할 수 있는)와, 상기 가동철심(6)의 선단에 고정부착되는 캡(11)과, 이 캡(11) 및 자기 플레이트(9) 사이에 장착되는 가동철심(6)의 복귀 스프링 (12)을 보유하고 있다.

더욱 상술하면, 상기 밸브(2)의 보디(3)는 보디폭보다 보디 안쪽길이의 쪽이 길게 되어 있고, 상기 보디(3)의 상부측에는, 상기 보디(4), 고정철심(5), 가동철심(6), 이들을 둘러싸는 자기 프레임(8) 및 자기 플레이트(9)가 설치되어 있고, 상기 밸브(2)는, 압력유체의 입력포트(P), 출력포트(A) 및 배출포트(R) 간의 공급밸브시트(14) 및 포트(A)와 (R) 간의 배출밸브시트(15), 이들 밸브시트(14, 15)를 개폐하는 밸브체(41, 46), 이들 밸브시트의 주위의 공급밸브실(16) 및 배출밸브실 (17), 및 밸브실(16)과 (17)을 연통시키는 연통구멍(18, ‥)을 구비하고, 밸브체 (41, 46)를 상기 가동철심(6)에 의해 구동하는 것이고, 상기 밸브실(16)은 상기 캡(11)을 고정부착한 가동철심(6)의 선단부분을 수납하는 크기를 보유하고 있다.

상기 보빈(4)은 상기 중심구멍(4a)을 보유하고 코일(7)이 감겨지는 보빈통부 (4b)와 이 보빈통부(4b)의 양단에 상기 코일(7)의 상하단을 덮는 보빈 플랜지부 (4c, 4d)로 구성되어 있다.

상기 고정철심(5)은, 그 하단(5a)이 흡인력 작용면으로 되어 있고, 그 상단의 플랜지부(5c)가 시일재(32)를 통해서 보빈 플랜지부(4c)의 상면에 얹어놓여지고, 고정철심(5)은 상기 보빈(4)에 기밀로 설치되어 있다.

상기 자기 플레이트(6)는, 상기 보빈통부(4b)의 하단으로부터 돌출하고 있는 가동철심(6)을 둘러싸는 대략 도너츠형상을 이룸과 아울러, 상기 보디(3)의 상단면과 상기 보빈 플랜지부(4d)의 하면의 사이에 시일재(33, 34)를 통해서 기밀로 설치되어 있다.

상기 자기 프레임(8)은, 상기 고정철심(5), 가동철심(6), 보빈(4), 자기 플레이트(9)를 수납하는 케이스를 겸하고 있고, 단면U자형으로 상기 보디(3)와 동일 폭과 안쪽길이를 보유하고, 그 하단이 고리형상의 오목홈에 장착된 시일부재(31)를 통해서 상기 보디(3)의 상부에 기밀로 설치되어 있고, 이 때문에 상기 고정철심 (5), 보빈(4), 자기 플레이트(9)는 상기 자기 프레임(8)의 상단과 보디(3)의 상단 사이에 샌드위치형상으로 끼워지지되어서 고정된다.

상기 가동철심(6)은, 상기 가동철심(6)의 상단(6a)이 흡인력 작용면으로 되어 있고, 그 하방 선단부분에 오목부(40)를 보유하고, 이 오목부(40)에 상기 공급밸브시트(14)를 개폐하는 공급밸브체(14)가 슬라이딩가능하게 삽입되고, 상기 공급밸브체(41)는 오목부(40)의 바닥면 사이에 축소설치된 제 1밸브스프링(42)에 의해서 공급밸브시트(14)를 폐쇄하는 방향으로 힘이 가해지고, 캡(11)의 걸림부(11a)에 걸려져 있다.

배출밸브시트(15)를 개폐하는 배출밸브체(46)는, 스프링시트(47) 사이에 축소설치한 제 2밸브스프링(48)에 의해서 배출밸브시트(15)를 폐쇄하는 방향으로 힘이 가해지고, 배출밸브체(46)를 구동하는 압압부재(49)의 선단은, 연통구멍(18,‥)을 통해서 상기 캡(11)의 걸림부(11a)에 접촉하고 있다.

상기 스프링시트(47)는 압압판(36)에 의해 상기 보디(3)로부터의 튀어나감이 방지됨과 아울러, 고리형상의 오목홈에 장착된 시일재(37)에 의해 상기 보디(3)에 기밀로 설치되어 있다.

또한, 상기 실시예의 밸브(2)는 3포트밸브로 되어 있지만, 본 발명의 전자밸브용 솔레노이드(1)는 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 2는, 상기 실시예에 있어서의 전자밸브용 솔레노이드(1)의 고정철심(5), 가동철심(6), 보빈(4)의 분해사시도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 전자밸브용 솔레노이드(1)는, 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면형상 및 상기 보빈의 중심구멍의 형상을 타원으로 함과 아울러 상기 보빈에 감긴 타원의 코일의 짧은 축쪽의 감기외경(W)을 상기 보디폭에 대략 동일한 길이로 하고 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면형상 및 상기 보빈의 중심구멍의 형상을 타원으로 하고 있지만, 반듯이 이것에 한정되는 것은 아니고, 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면형상 및 상기 보빈의 중심구멍의 형상을 대략 직사각형으로 하여도 좋지만, 이 경우, 상기 보빈에 감긴 대략 직사각형의 코일의 짧은 변쪽의 감기외경(W)을 상기 보빈폭에 대략 같은 길이로 한다.

또한, 후술하는 계산근거에 기초하여, 단면이 타원의 코일의 짧은 축쪽의 감기외경(W)과, 코일의 내측의 단면적(S)(=πd²/4)과 동일 단면적의 가상원기둥철심의 직경(d) 사이에, d=(0.4 ~ 0.8)W의 관계를 가지게 하고, 상기 고정철심 및 가동철심의 타원의 긴 축 또는 상기 대략 직사각형의 긴 변의 길이를 a, 상기 고정철심 및 가동철심의 단면에 있어서의 긴 축의 길이(a)와 짧은 축의 길이(b)의 비율을, 1.3≤a/b≤3.0으로 되도록 하고 있다.

상기 실시예에 있어서, 코일(7)에 비통전일 때는, 제 1밸브스프링(42)의 미는힘에 의해서 공급밸브체(41)가 공급밸브시트(14)를 폐쇄하고, 압압부재(49)로 압압된 배출밸브체(46)가 배출밸브시트(15)를 개방하는 것에서, 포트(A)와 (R)가 연통하고 있다(도 1 좌 절반참조).

코일(7)에 통전하면, 고정철심(5)과 복귀스프링(12)의 탄성지지력에 저항하여 가동철심(6)을 흡인하는 것이므로, 공급밸브체(41)가 공급밸브체(14)를 개방함과 아울러 제 2밸브스프링(48)의 탄성지지력에 의해 배출밸브(46)가 배출밸브시트 (15)를 폐쇄하여, 포트(P)와 (A)가 연통한다(도 1 우 절반참조).

다음에, 상기 수치한정의 계산근거를 상술한다.

도 3은, 철심형상의 최적화를 계산에 의해 구하기 위해서, 본 발명에 관한 전자밸브용 솔레노이드의 코일형상 파라메타를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 Y-Y선 단면도, 도 5는 직사각형 단면을 가지는 코일모델을 나타내는 도이다.

도 3 ~ 도 4에 있어서, 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면 형상 및 보빈(4)의 중심구멍(4a)의 형상은 타원을 하고 있고, 보빈(4)에 감긴 단면이 타원(또넌 대략 직사각형)의 코일(7)의 짧은 축쪽 및 긴 축쪽의 감기외경을 각각 W 및 L로 하고, 상기 코일(7)의 높이를 H, 고정철심(5)과 가동철심(6)의 거리를 χ로 하고, 상기 고정철심 및 가동철심의 타원의 짧은 축의 길이를 d_n으로 하고, 상기 감기외경 (W)을 상기 보디폭에 대략 같은 길이로 하고 있다.

또한, 도 3에 있어서 해칭으로 나타낸 원(50)은 직경(d)의 가상원기둥철심의 단면이고, 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)은 상기 가상원기둥철심을 편평하게 변형하여 단면형상이 타원의 철심으로 한 것이고, 따라서 상기 고정철심(5) 및 가동철심(6)의 단면적(S)은 (=πd²/4)이다.

또한, 자기 프레임(8)이나 보빈통부(4b)의 판두께는, 그 판두께가 보디폭에 대해서 아주 작은 것과 계산을 용이하게 하기 위해서 생략하고 있다.

도 3 ~ 도 4에 있어서, 코일(7)의 고정철심(5)과 가동철심(6)의 사이에 작용하는 흡인력(F)은, 코일(7)의 감기수를 N, 코일(7)을 흐르는 전류를 I, 고정철심 (5) 및 가동철심(6)의 단면적을 S, 공기의 투자율을 μ, 고정철심(5)과 가동철심 (6)의 사이의 거리를 χ, 정수를 K로 하고, 상기 고정철심(5)과 가동철심(6)의 사이의 거리(χ)를 일정하게 하면,

F=K(NI)²S ‥‥(1) (단, K=μ/2x²)

로 표시된다.

도 3 ~ 도 4에 있어서, 코일(7)의 짧은 축쪽(또는 짧은 변쪽)의 감기외경(W) 및 코일(7)의 높이(H)를 일정하게 하고, 코일(7)의 긴 축쪽(또는 긴 변쪽)의 감기외경(L)을 변수로 하면, L〉W이다.

코일의 감기수(N)는, 코일의 선지름을 A로 하면,

N=(W-d_n)H/2A²‥‥(2)

로 표시된다.

또한, 코일의 저항값(R)은, 코일의 평균 감기직경을 B, 코일의 단위길이당 저항값을 r로 하면, R=πBNr ‥‥(3)

다음에, 소비전력을 P로 하면, P=I²R ‥‥(4)

로 표시된다.

(1)식에 (3), (4)식을 대입하고, 다음식을 얻는다.

F=KN²I²S=KN²SP/R=KN²SP/πBNr

=KNPS/πBr=K₁NS/Br ‥‥(5)

(단, K₁=KP/π, P=일정)

(5)식에 (2)식을 대입하고, 다음식을 얻는다.

F=K₁(W-d_n)HS/2A²Br

=K₂(W-d_n)S/A²Br ‥‥(6)

(단, K₂=K₁H/2, H=일정)

따라서, W,H,S,P를 일정하게 하고, L〉W에서 L을 변수로 하면, 흡인력 F는, F=K₂(W-d_n)S/A²Br로 표시할 수 있다.

한편, 코일의 단위길이당 저항(r)은, 코일의 도전율을 σ, 코일의 단면적을 C, 코일의 선지름을 A로 하면,

r=1/σ C=4/σπA²‥‥(7)

로 표시되기 때문에, (6)식에 (7)식을 대입하고, 다음식을 얻는다.

F= K₂(W-d_n)S/A²Br=K₂σπ(W-d_n)S/4B

= K₃(W-d_n)S/B ‥‥(8)

(단, K₃=K₂σπ/4, σ=일정)

다음에, 코일의 평균감기길이로부터 코일치수와 흡인력 및 가상철심과의 관계를 표시하기 위하여, 타원철심코일을 도 5에 나타내는 직사각형 단면적을 가지는 코일모델로 치환한다.

도 5에는, 고정철심 및 가동철심을 단면 대략 직사각형으로 하고, 그 짧은 변 및 긴 변의 길이를 각각 d_n및 y로 하고, 보빈(4)에 감긴 단면 대략 직사각형의 코일(7)의 짧은 변쪽의 감기지름을 W로 하고, 평균감기길이(u)를 나타내는 도선을 대략 직사각형의 도선(52)으로 나타낸 경우의, 코일치수가 표시되어 있다.

고정철심 및 가동철심은 단면 대략 직사각형이므로, 그 단면적(S)은 d_n과 y의 곱이고, 한편, 고정철심 및 가동철심의 단면적(S)은 일변의 길이가 d의 가상 정사각형 단면의 철심의 단면적(d²)과 같으므로, 다음식을 얻는다.

S=yd_n=d²‥‥(9)

따라서,

y=d²/d_n‥‥(10)

로 된다.

평균감기길이(u)를 나타내는 도선(52)은, 단면 대략 직사각형의 철심(5)과 단면 대략 직사각형의 감기외경의 중간위치에 있기 때문에, 상기 도선(52)은 단면 대략 직사각형으로 되고 그 짧은 변 및 긴 변의 길이는, 각각 (W+d_n)/2 및 d²/d_n+(W-d_n)/2로 된다.

따라서, 평균길이(u)는,

u=[(W+d_n)/2]×2+[d²/d_n+(W-d_n)/2]×2

=W+d_n+2d²/d_n+(W-d_n)

=2[W+d²/d_n] ‥‥(11)

한편, 코일의 평균감기직경이 B인 경우의 평균감기길이(u)는, u=πB로 되기때문에, 이 식에 (11)식을 대입하여, 다음식을 얻는다.

B=u/π=2[W+d²/d_n]/π ‥‥(12)

(9), (12)식을 (8)식에 대입하고, 다음식을 얻는다.

F=K₄(W-d_n)d²/[W+d²/d_n] ‥‥(13)

(단, K₄=K₃π/2)

또한, (13)식의 감기외경(W)을 1로 하고, d, d_n을 감기외경에 대한 비로 표시하면, 다음식을 얻는다.

F/K=(1-d_n)d²/[1+d²/d_n] ‥‥(14)

(단, 0〈d_n〈d〈W=1, K=K₄=일정)

고정철심 및 가동철심을 단면 정사각형 또는 원으로 한 경우, d_n=d이기 때문에, (14)식은 다음과 같이 된다.

F/K=(1-d)d²/[1+d] ‥‥(15)

(단, 0〈d〈W=1, K=K₄=일정)

(15)식에서 d를 0 ~ 1의 사이에서 변화시키면, d=0.618로 흡인력(F)이 최대로 된다.

즉, (15)식의 d는, 코일의 감기외경(W)을 1로 한 경우의 코일의 감기외경(W)에 대한 철심지름의 비율이기 때문에, 철심지름(d)과 코일의 감기외경(W)의 비율 (d/W)이 0.618로 되었을 때에 흡인력(F)은 최대로 된다.

여기서, d/W을 0 ~ 1의 사이에서 변화시켰을 때의 흡인력(F)과 d/W=0.618일 때의 초대 흡인력(F)과 비율(즉, d/W=0.618일 때의 최대 흡인력(F)에 대한 d/W을 0 ~ 1의 사이에서 변화시켰을 때의 흡인력(F)의 비율)을 구하면 도 6에 나타내는 그래프와 같이 된다.

도 6의 그래프로부터, 최대 흡인력에 대한 흡인력(F)의 비율이 75% 이상을 적정 범위로 하면, 철심지름(d)과 코일의 감기외경(W)의 비율(d/W)이 0.4 ~ 0.8의 범위가 설계에 적합한 범위로 된다.

즉, 철심지름(d)과 코일의 감기외경(W)의 비율(d/W)을 0.4 ~ 0.8의 범위로 하면, 코일의 감기외경(W)과 동일 크기이어도 큰 흡인력이 얻어지는 것이므로, 전자밸브의 보디폭에 제한이 있고 보빈에 감긴 코일의 감기외경(W)을 보디폭에 대략 같은 길이 이상으로 크게 할 수 없는 경우에도, 설계에 적합한 큰 흡인력이 얻어진다.

또한, 철심지름(d)의 원기둥철심의 단면적은 πd²/4인 것 때문에, 철심지름 (d)과 코일의 감기외경(W)의 비율(d/W)을 0.4 ~ 0.8의 범위로 설계하는 것은, 동일 크기의 코일의 감기외경(W)에 대하여 큰 흡인력이 얻어지는 철심단면적의 범위를 설계할 수 있다.

다음에, 철심지름(d)과 코일의 감기외경(W)의 비율(d/W)이 0.4 ~ 0.8의 범위로 설계된 가상원기둥철심의 철심단면적(S)에 대해서, 상기 철심단면적(S)의 크기를 일정하게 하여 두어서 그 형상이 타원으로 되도록 변화시키고, 보빈에 감긴 단면이 타원의 코일의 짧은 축쪽의 감기외경(W)을 일정한 길이(보디폭에 대략 동일한 길이)로 한 경우, 흡인력의 크기를 나타내는 지표 및 투하비용을 고려한 흡인력의 크기를 나타내는 지표가 철심단면의 형상변화(단면이 타원의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율(a/b)의 변화)에 의해 어떻게 되는지를 계산에 의해 구하면, 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이 된다.

표 1 및 표 2에 있어서, a 및 b는 고정철심 및 가동철심의 단면이 타원의 긴 축 및 짧은 축의 길이, S₁은 고정철심 및 가동철심의 단면적(㎟), S₂는 보빈에 감긴 코일의 단면적(㎟), NI코일의 감기수(N)와 코일에 흐르는 전류(I)의 곱, β는 상기 S₁과 S₂의 합(β=S₁+S₂)이다.

상기 고정철심 및 가동철심의 단면적(S₁)(㎟)은, 철심지름(d)과 코일의 감기외경(W)의 Q율(d/W)을 0.4 ~ 0.8의 범위로 설계한 철심단면적이고, 상기 철심단면적(S₁)은 감기외경(W)이 보빈폭에 대략 동일한 길이로 하고 있기 때문에 실제의 보디폭의 치수로부터 구해지는 실제의 철심단면적(㎟)이고, 표 1 및 표 2에서는 상기 철심단면적(S₁)의 크기가 45.4㎟ 및 91.6㎟의 경우이고, 상기 철심단면적(S₁)을 일정하게 하여 철심형상을 변화시킨 경우의 흡인력의 크기를 나타내는 지표 및 투하비용을 고려한 흡인력의 크기를 나타내는 지표를 각각 계산하고 있다.

즉, 표 1 및 표 2에 있어서, α는 상기 (1)식의 좌변에 나타내는 흡인력(F)을 (1)식의 우변에 나타내는 정수(K)로 뺀 값이고, 상기 α는 흡인력(F)의 크기에 비례하는 것 때문에 흡인력(F)의 크기를 나타내는 수치이고, 고정철심 및 가동철심의 단면적(S1)이 설계에 의해 주어지고, 코일의 감기수(N)와 코일에 흐르는 전류 (I)의 곱(NI)이 계산에 의해 구해지면, (1)식으로부터 α=F/K=(NI)²S₁로 되기 때문에, α는 계산에 의해 구할 수 있다.

표 1 및 표 2에 있어서, NO. 1 ~ 6의 행은, 철심단면의 형상을 원에서부터 타원으로 함과 아울러 그 타원의 편평도를 변화시킨 경우의, 즉 타원에 있어서의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비(a/b)를 변화시킨 경우의 계산치를 각각 나타내고 있다.

또한, NO. 1의 행은, a/b=1인 경우, 즉 철심단면형상이 원인 경우를 나타내고 있고, NO. 2 ~ 6의 행으로 감에 따라서 편평도가 큰 타원으로 되고 있고 표 1 및 표 2로부터 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 흡인력(F)의 크기를 나타내는 수치인 α의 값이 크게 되어 가는 것을 알았다.

또한, β는 철심단면적(S₁)과 코일단면적(S₂)의 합(β=S₁+S₂)이기 때문에, β가 크게 되면 될 수록 투하비용이 크게 되는 것은 명확하고, 표 1 및 표 2로부터 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 투하비용의 크기를 나타내는 수치인 β의 값이 크게 되어 가는 것을 알았다.

따라서, 표 1 및 표 2에 나타내는 α 및 β의 계산값으로부터, 철심단면형상은 원보다도 타원으로 한 쪽이 흡인력이 크게 되고, 또한 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 흡인력이 증대하여 가지만, 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 투하비용의 크기를 나타내는 수치인 β의 값도 크게 되어 가는 것을 알았다.

표 1 및 표 2에 있어서, α₁~ α₆및 β₁~ β₆은, 각각 NO. 1 ~ 6의 행에 있어서의 α 및 β의 값이고, x는 NO. 1 ~ 6의 행에 있어서의 α의 값(α₁~ α₆₎을 각각 NO. 1의 행에 있어서의 α의 값(α₁)으로 뺀 값이고, y는 NO. 1 ~ 6의 행에 있어서의 β의 값(β₁~ β₆)을 각각 NO.1의 행에 있어서의 β의 값(β₁)으로 뺀 값이다.

또한, x는 NO. 1 ~ 6의 행에 있어서의 α의 값(α₁~ α₆₎의 기준으로 되는 NO.1의 행에 나타내는 가상원기둥철심의 α의 값(α₁)으로 뺀 값이고 기준으로 되는 가상원기둥철심의 흡인력에 대한 타원으로 된 경우의 흡인력의 크기의 비율을 나타내는 수치이기 때문에 흡인력의 크기를 나타내는 지표라고 말할 수 있고, 표 1 및 표 2로부터 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 x의 값이 크게 되어가는 것을 알았다.

또한, y는 NO. 1 ~ 6의 행에 있어서의 β의 값(β₁~ β₆)을 기준으로 되는 NO. 1의 행에 나타내는 가상원기둥철심의 β의 값(β₁)으로 뺀 값이고 기준으로 되는 가상원기둥철심의 투하비용의 크기에 대한 타원으로 된 경우의 투하비용의 크기의 비율을 나타내는 수치인 것 때문에 투하비용의 크기를 나타내는 지표라고 말할수 있고, 표 1 및 표 2로부터 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 y의 값이 크게 되어가는 것을 알았다.

표 1 및 표 2를 보면, 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 x 및 y의 값이 크게 되어 있고, 따라서 편평도가 큰 타원으로 됨에 따라서 기준으로 되는 가성원기둥철심에 대해서 흡인력은 증대하여 가지만 투하비용도 증대하여 가는 것을 알았다.

따라서, 투하비용의 증대를 피하면서 큰 흡인력이 얻어지는 최적의 철심형상을 설계상 얻을 수 있는지 여부를 검토하기 위해서, 투하비용을 고려한 흡인력의 지표를 고려해 본다.

x는 흡인력의 크기를 나타내는 지표이고, y는 투하비용의 크기를 나타내는 지표이지만, 지표의 중요성으로서는 흡인력의 크기를 나타내는 지표(x)의 쪽이 투하비용의 크기를 나타내는 지표(y)보다 중요하다.

또한, 지표의 중요성을 가중하기 위하여, 흡인력의 크기를 나타내는 지표(x)를 2승하여 그 값과 투하비용의 크기를 나타내는 지표(y)의 비율을 구한 것이 표 1 및 표 2에 있어서의 x²/y이다.

표 1 및 표 2를 보면, 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율(a/b)을 NO. 1 ~ 6의 행에 나타내는 바와 같이 변화시킨 경우에, 상기 계산으로 구한 x²/y의 값도 NO. 1 ~ 6의 행에 나타내는 바와 같이 변화하고 있지만, 상기 x²/y의 값이 기준으로 되는NO. 1행에 나타내는 가상원기둥철심일 때의 x²/y의 값(x²/y=1)으로부터 어느 정도 변화하고 있는지를 명확하게 하기 위하여 그 차를 얻은 것이 표 1 및 표 2에 있어서의 (x²/y-1)이다.

(x²/y-1)은 지표의 중요성을 가중하면서 투하비용에 대한 흡인력의 크기의 비율을 나타내고 있기 때문에, 투하비용을 고려한 흡인력의 지표라고 말할 수 있고, (x²/y-1)의 값이 클수록 투하비용의 비율에는 큰 흡인력이 얻어지는 것을 나타내고 있다.

또한, 표 1 및 표 2에 있어서의 (a/b)와 (x²/y-1)의 관계를 각각 그래프로 한 것이 도 7 및 도 8이다.

즉, 도 7 및 도 8은, 단면타원철심의 단면적(S₁)을 일정한 크기(S₁=45.4㎟ 및 S₁=91.6㎟)로 한 상태로 타원의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율(a/b)을 변화시킨 경우의, 투하비용을 고려한 흡인력의 지표(x²/y-1)를 나타내고 있는 도로 말한다.

도 7 및 도 8을 보면, (x²/y-1)의 값은 타원의 긴 축(a)과 짧은 축(b)의 비율(a/b)의 변화에 대해서 30% 부근을 피크로 산형상으로 변화하며, a/b가 1.3≤a/b≤3.0의 범위에서는 (x²/y-1)의 값은 20% 이상으로 되지만, a/b가 1.3보다 작거나 또는 a/b가 3.0보다 크면 (x²/y-1)의 값은 20%보다 작은 값으로 되기 때문에, 투하비용의 비율에 큰 흡인력을 얻기 위해서는 a/b가 1.3≤a/b≤3.0의 범위로 되도록 설계하는 것이 적합하다.

도 9에 나타내는 실시예는, 도 1에 나타내는 실시예에 비해서, 가동철심(6)을 안내하는 금속 안내관(61)을 설치하고 있는 것과, 고정철심(5)이 삽입되는 중심구멍을 보유하는 고리형상의 자기보조판(62)을 보빈 플랜지부(4c)와 자기 프레임 (8) 사이에 설치되어 있는 점에서 다르고, 그 외의 구성은 기본적으로 도 1에 나타내는 실시예와 동일하다.

상기 금속 안내관(61)은, 보빈(4)의 중심구멍(4a) 내에 설치됨과 아울러, 그 상단은 고정철심(5)의 외주에 설치한 고리형상 홈(63)에 장착가능하도록 절곡되어 있고, 상기 절곡 개소에서 고정철심(5)의 고리형상 홈(63)에 도의 64에 나타내는 바와 같이 용접되어 있다.

상기 금속 안내관(61)의 하단은 외방으로 절곡되어서 플랜지부(65)를 구성하고, 이 플랜지부(65)와 보빈 플랜지부(4d)의 사이에는 자기 플레이트(9)가 설치되고, 상기 플랜지부(65)와 보디(3)의 상끝면의 사이에는 고리형상의 오목홈에 장착된 시일재(33)가 설치되어 있다.

도 10에 나타내는 실시예는, 도 1에 나타내는 실시예에 비해서, 고정철심(5)의 상방으로 가동철심(6)을 설치하고 있는 점, 고정철심(5)에 가동철심(6)에 연결한 압압봉(70)이 통하는 관통구멍(71)을 설치하고 있는 점, 고정철심(5)의 상단에보빈 플랜지부(4c)의 상면에 얹어놓여지는 플랜지부(5c)를 설치하지 않으므로, 그 대신에 가동철심(6)이 삽입되는 중심구멍을 보유하는 고리형상의 자기보조판(62)을 보빈 플랜지부(4c)와 자기 프레임(8)의 사이에 설치하고 있는 점, 자기 프레임(8)의 상단의 가동철심(6)이 충돌하는 개소에 탄성을 보유하는 쿠션(72)을 설치하고 있는 점, 본 발명의 전자밸브용 솔레노이드에 의해 구동되는 밸브체를 5개의 포트를 보유하는 스풀밸브의 밸브체(74)로 한 점, 보디(3)에 엔드 플레이트(73)를 설치하고, 상기 엔드 플레이트(73)와 밸브체(74)의 사이에 복귀 스프링(75)을 설치한 점, 이 복귀 스프링(75)에 의해 밸브체(74) 및 압압봉(70)을 통해서 가동철심(6)을 상방위치로 복귀시키고, 코일(7)로의 통전에 의해 흡인력에 의해 가동철심(6)을 하방위치로 이동시키고 있는 점에서 다르고, 그 외의 구성은 기본적으로 도 1에 나타내는 실시예와 동일하다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 소형이면서 흡인력이 크고, 또한 경제성이 좋은 전자밸브용 솔레노이드를 제공할 수 있다.

Claims

코일을 감은 보빈과, 이 보빈의 중심구멍에 장착한 고정철심과, 상기 보빈의 중심구멍에 슬라이딩가능하게 삽입되고 상기 보빈의 중심구멍 내에 흡인력 작용면을 보유하고 상기 코일로의 통전에 의해 흡인되는 가동철심과, 이들을 둘러싸는 자기 프레임을 보유하는 전자밸브용 솔레노이드에 있어서,

상기 고정철심, 가동철심 및 보빈의 중심구멍의 단면형상을 타원 또는 대략 직사각형으로 함과 아울러,

상기 보빈에 감긴 단면이 타원 또는 대략 직사각형의 코일의 짧은 축쪽 또는 짧은 변쪽의 감기외경(W)과, 코일의 내측의 단면적(S)과 동일 단면적의 가상원기둥철심의 직경(d) 사이에, d=(0.4 ~ 0.8)W의 관계를 가지게 하고,

상기 고정철심 및 가동철심의 단면에 있어서의 긴 축 또는 긴 변의 길이(a)와 짧은 축 또는 짧은 변의 길이(b)의 비율을, 1.3≤a/b≤3.0으로 한 것을 특징으로 하는 전자밸브용 솔레노이드.