WO1986007490A1 - Electromagnetic actuator - Google Patents

Description

明 細 書 電 磁 ァ ク チ ユ エ 一 .タ 技 術 分 野

太発明は、 電磁開閉器、 電磁弁、 電磁ブレーキ、 電磁ク ラ ッ チ等、 産業、 民生の広範な分野に活用されている電磁 ァクチユエ一タに関する ものである。 背 景 技 衛 - 従来、 磁性体固定片に巻き回した電気巻線に対する通電 によ っ て、 磁性体可勖片に作用する電磁吸引力を利用する . 電磁ァクチユエ一タが使用されている。

また、 電気巻線通電に よ る起磁力と 、 永久磁石起磁力 を、 磁性体可勖片に直列に作用させるいわゆる ラ ッ チング 型電磁ァクチュヱータ も使用されている。

第 1 0 図 （ a ) ( b ) は、 上述の前者の従来装置である ク ラ ツ バ型電磁ァクチユエータの構成の説明図で、 磁棧面 3 a、 3 b を有する磁性体の固定片 3 、 電気巻線 2、 磁性 体の可勖片 4およびスプ リ ング 5 とから成る。

また、 第 1 0 図 （ a ) は、 電気巻線 2 に通電していない で、 可勖片 3が矢印 7方向へのスプ リ ング 5 の抗力で磁 S 面 3 a , 3 b と St隔した安定状蕙を示す。

この状態で、 電気巻線 2 に所要の通電を実施すれば、 固 定片 3 と可勖片 4の間に、 スプ リ ング 5 の抗力に打勝つ電 磁吸引力が誘起 して、 第 1 0 図 （ b ) に図示 した固定片 3 と可動片 4の吸着状蕙に移行する。

これによ リ 図示していない電気接点あるいは弁楱等に操 作力を作用させ、 電気巻線 2の通電を停止する こ と によつ て第 1 0 図 （ a ) 図示の状態に復旧する。

第 1 1 図 （ a ) ( b ) は、 上述の後者の従来装置である ラ ッ チング型電磁ァクチュ ヱ一タの構成説明図で、 磁極面 3 a、 3 b を有する磁性体固定片 3 , 3 、 電気巻線 2、 磁 性体可勖片 4、 磁性体固定片 3 , 3 の一端に挟持された永 久磁石 1 およびスプリ ング 5から成る。

第 1 1 図 （ a ) は電気巻線 2 に通電していない場合、 可 動片 4が矢印 7 方向への ス プ リ ング 5 の抗力で、 磁極面 - 3 a、 3 b と離隔した安定状態にある こ と を示している。

この状態で、 電気巻線 2 に ¾久磁石 1 の起磁力と同一極 性の起磁力を誘起させる所定の通電を行なう。

これによ リ両起磁力重畳の効果によって、 固定片 3 と可 動片 4の間に、 矢印 7方向へのスプリ ング 5の抗力に打勝 つ電磁吸引力が発生する。

これによ り 、 第 1 1 ( b ) 図示の固定片 3 と可動片 4の 吸着状態に移行して、 図示していない電気接点、 弁棒等に 操作力を作用させる。

さらに、 第 1 1 図 （ b ) 図示状態で、 電気巻線 2への通 電を停止 しても、 永久磁石 1 の吸引力の作用のみで、 この 状態を持練する。

また、 第 1 1 図 （ b ) 図示の状態で、 電気巻線 2 に、 永 久磁石 1 の起磁力と逆極性の起磁力を誘起する所定の通電 を実施する と、 両起磁力の相殺劾果と、 ス プ リ ン グ 5 の抗 力の作用で、 第 1 1 ( a ) 図示の状態に復帰し、 周知のい わゆる ラ ツ チング動作を実 ¾できる。

しかしながら、 上述の従来の電磁ァクチユエ一タ には次 の囿題点がある。

( 1 ) 間隙を励磁するための所要ア ンペアター ンが大き い o

特にラ ッ チング型は、 電気巻線の通電によって劻 磁 する磁路に、 レ ラ ク タ ン ス の大きい永久磁石を直 列に挿 入した構造のため、 よ り 大きな励磁ア ンペア ター ンを必 要とする。

( 2 ) 吸引力を作用させる間、 通電を持続させる必要が ある型式は、 上述 （ 1 ) の条件と相侯って、 電力消費が大 きい。

( 3 ) 上述 （ 1 ) の条件は、 電気巻線の湟度上昇を招来 し、 形状が大型化する。

( 4 ) 直流電磁石では、 残留磁束対策の配慮を必要とす る《

( 5 ) ラ ッ チング型電磁ァクチユ エ一タは、 可動片吸引 動作時と復帰動作時の所要ァ ンペアタ一 ンが異なるので、 駆動回路の複雑化あるいは吸引用と復帰用の 2つの電気巻 線を必要とする。 発 明 の 開 示 术発明は、 上述の囿題点を解決するために提案されたも ので、 微少電源で駆動できる、 高感度、 省電力、 小型軽 量、 単純頑丈な電磁ァクチユエータ.を提供する こ とを 目的 とする。

こ こで、 本発明の前提知見を、 第 1 図を参照して説明す る。

第 1 図は、 本発明の動作原理説 S用模式図で、 永久磁石 1 の起磁力による磁束を Φ πι、 その固定片 3 における左右 方向分淀をそれぞれ α · Φ m、 β · φ m ( cc、 β はぐ 1 で 分淀率を示す） 、 電気巻線 2 の通電に よ る誘起磁束を Φ i 、 比例常数を と し、 単純化のため磁束漏洩を無視す れば、 電気巻線通電時に可勖片に作用する吸引力' Fは次式 で示される。

= (. β · Φ τα. + φ Ί ^ ² - ( 1 )

ただし、 《 + = 1

こ こ で、 φ m = · φ i ( は磁石係数） とすれば、

( 1 ) 式は次のよ うに表現できる。

F = k · φ i 2 ( 3 . 77 + 1 ) 2 ". ( 2 ) 一方、 この電磁ァクチユエータ と同一比钩定数の従来の 電磁 ァ ク チ ユ エ ー タ で 、 通電電流 に よ る 誘起磁束 を Φ i 0 、 そのと き可動片 4 に作用する吸引力 F o とすれば 次式が成立する。

F 0 = k · i 0 ² - ( 3 )

( 2 ) ( 3 ) 式よ り 、 i = i o 、 すなわち同一励磁 ア ンペアター ンでは、 F o ダ F = ( 8 * + 1 ) 2 -.. ( 4 )

また、 F = F o 、 すなわち、 同一吸引力の場合は、

i / Φ i ο = 1 Ζ C β · ? + 1 ) - C 5 )

の関係式を得る こ とができる。

すなわち、 太発明は、 従来装置に比較して同一励磁アン ペアター ンで数倍の吸引力を発生し、 同一吸引力発生のた めには、 数分の 1 の励磁ア ンペアター ンで容易である こ と は、 （ 4 ) ( 5 ) 式に具体的数値を代入 し、 3 をパラ メ 一 タ と し F Z F ₀ 、 Φ Ζ Φ ί ο の数値を箕出 した第 8 図、 第 9 図を参照 しても明らかである。

本発》は、 上記前提知見に基づいて成立する もので、 第 1 の本発 ¾は、

磁性体固定片および磁性体可動片および該磁性体固定片 および磁性体可動片が接離する こ と に よ リ形成される間隙 と で形成した閉磁路と、 該閉磁路を劻磁する電気巻線と、 該閉磁路の該固定片における対向する一対の区分区間相互 間を橘絡 して起磁力を印加する永久磁石と で構成したこ と を特徴とする電磁ァクチユエ一 タ で、

第 2の术発 ¾は、

閉ループ状の磁性体固定片にょ リ形成される閉磁路と、 該閉磁路を励磁する電気巻線と、 該閉磁路の対向する一対 の区分区間相互区間を間隙を介して棰絡し、 起磁力を印加 する永久磁石から成る可動片と で構成したこ と を特镊とす る電磁ァクチユエータで、 微小電流で大きな推力を発生す る。 太発明は、 以上説 «したよ うに電磁ァクチユ エ一タの外 形、 寸法は、 ほぼ所要励磁ア ンペアター ンに比例し、 所要 電力は所要励磁ア ンペ ア タ ー ンの.2乗に比例する こ とか ら、 下記の優れた効果を奏し、 各種産業、 民生の分野に多 大の貢献をする。

( 1 ) 従来と同一ア ンペアター ンの電力で数倍の吸引力を 発生できる。

( 2 ) 従来装置の数分の 1 のア ンペアター ンの電力で同一 吸引力を発生できる。

( 3 ) 単安定、 双安定、 多安定等、 種々の機能の電磁石の 製作が容易にできる。

上記，性から次の具体的特徵が発揮できる。 '

( a ) 微少電源、 例えば太陽電池、、 乾電池等を活用 して、 各種機械、 器具の操作が容易化する。 '

( b ) 高感度、 省エネルギーである。

( c ) 小型、 軽量化できる。

( d ) 残留磁気の影響を抹除でき、 動作が確実である。

C e ) 構造が単飩、 項丈で量産に適する。

図面の箇単な説 ¾

第 1 図 （ a ) ( b ) ほ第 1 の太発明の第 1 の実 ¾伢の説 ¾ 図； 第 2 図は第 1 の太発明の第 2 実 ¾锊の説明図、 第 3 図 （ a ) ( b ) は第 1 の本発明の第 3の実尨例の説 ¾ 図、 第 4図 （ a ) ( b ) は第 1 の末発明の第 4の実旄例の 説 図、 第 5 図 （ a ) ( b ) は第 1 の太発明の第 5の実旌 の説明図、 第 6図 （ a ) ( b ) は第 1 の ¾発明の第 6 の 実 ¾例の説 ¾図、 第 7図 （ a ) ( b ) ( c ) は第 2の: *：発 ¾の一実 ¾例の説明図、 第 8図、 第 9図は *発明の実 ¾例 の特性図、 第 1 0図、 第 1 1 図ほ従来の電磁ァクチユエ一 タの説明図である，

発明を実 *するための最良の形態

以下、 本発明を図面を参照してその実歲倒に基づいて説 明する。

第 1 図 （ a ) ( b ) は太発明の第 1 の実旄钧の構成図 で、 閉磁路は磁性体固定片 3 および磁性体可勖片 4および 該磁性体固定片 3および磁性体可勖片 4が接鎵するこ と に よ り形成される間隙 5 a ， 5 b とで形成される。

次に.、 電気巻線 2 ほ該閉磁路を劻磁する ものであ 。 次に、 永久磁石 1 は該閉磁路の該固定片 3 における対向 する一対の区分区間相互間を榼絡して起磁力を印加する。

さ らに、 詳説する と永久磁石 1 は磁 S面 l a、 l b を有 し、 固定片 3 の内側に固着する。

固定片 3 は断面コ字状でヨーク 3 g ， 3 f と これら挟持 される磁性体 3 cから成リ 、 磁極面 3 a , 3 b を有する。 この磁性体 3 c に電気巻線 2が巻回される。

磁性体か ら成る可動片 4 は図示されていない機械的抗 力、 例えばスプリ ングで磁極面 3 a , 3 b への磁性体可動 片 4 の接着に抗する矢印 7方向への所定の抗力が作用す る。 固定片 3 と可動片 4 と によ り 閉磁路が形成され、 電 気巻線 2 によ り励磁される。

次に、 本実 ¾例の動作を説明する。 第 1 図 （ a) において、 電気巻線 2に通電していない場 合、 磁性体可勖片 4と、 固定片 3の磁 S面 3 a ， 3 bの間 には磁束 /S i φ πιに起因する吸引力が作用しているが、 図 示していないスプリ ング抗力によって間隙 5 a ， 5 bを保 持する図示の第 1 の機械的安定状態にある。

こ の状蕙において、 電気巻線 2 に、 図示の極性の磁束 i 1 を誘起させる通電を実 ¾すれば、 前述の前提知見で 説明の通り 、 可勖片 4に対し、 スプリ ング抗力に打勝つ吸 引力が発生 し、 第 1 図 （ b ) に図示される磁性体固定片 3 と可勖片 4の吸着状蕙である第 2の機械的安定状態に移 行する。

さて、' よ記第 1 図 （ b ) の状蕙において、 電気卷線 2に 対する通電を停止する と、 永久磁石 1 による左右方向への 分流磁束が《2 m, β 2 Ψ πιと な り 、' 可動片 4に作用す る吸引力は （i8₂ * m) ² に比例する。 ，

矢印 7方向への ス プ リ ング抗力と の相殺効果の如何に よって第 1 図 （ a) 図示の第 1 の機械的安定状態に復旧す るか、 または、 第 1 図 （ b ) に図示の第 2の機械的安定状 態を保持しつづけるか、 その機鶬を任意に選択できる。

また、 上記第 1 図 （ b ) の第 2の機械的安定状態を保持 する場合、 電気巻線 2に図示する極性の磁束 2 を誘起 する通電によって可動片 4に作用 している磁気吸引力を相 殺、 スプリ ング抗カによっ て第 1 の機械的安定状態に移行 させる こ とができる。 - 第 2図 （ a) ( b ) には、 第 1 の本発明の第 2の実 ¾例 が示され、 固定片 3 には磁†i体 3 Cが挿入されず、 一片の コ字状のヨーク によ り構成され、 その他の構成、 動作は同 様である。

第 3 図 （ a ) ( b ) は、 第 1 の本発明の第 3 の実 ¾例が 示され、 固定片 3 の磁性体 3 Cが上述の第 1 の実 ¾例とほ 異な り コ字状の中央部に位置する。

その他の構成、 動作は同様である。

第 4図 （ a ) ( b ) は、 第 1 の本発明の第 4の実 ¾例が 示される。

磁極面 1 a , 1 b を有する永久磁石 1 は磁性体固定片

3 に固定された非磁性体支持体 1 c に支持される。 電気巻 線 2 は磁性体固定片 3 に巻回される。

磁性体から成る断面コ字状の可動片 4は、 断面コ字状の 磁性体固定片 3 との間に間隙 5 a , 5 bが介在する。

こ こで、 電気巻線 2が無通電の場合、 矢印 7方向への図 示されていないスプリ ング抗力で付勢され所定位置を保持 する。

本実 ¾例の動作は、 前述の第 1 図 （ a ) ( b ) の実尨例 と同様である。

しかも、 本実旄例は第 1 図の場合に比較して、 永久磁石 1 の起磁力による磁束 α φ m 、 /3 Φ mの磁束 分比の調節 が容易であ り 、 可動片 4 に作用する有効磁束 （永久磁石 1 の起磁力による吸引力に有効な成分） が最大と し、 *実旄 例のス ト ローク変動に対応する吸引力変化の特性を平坦化 でき る優れた特質を容易に発揮せ しめ得る。 次に、 第 1 の *発明の第 5の実旄例のプラ ンジャ型電磁 ァクチユエ一；^が、 第 5図 （ a) ( b ) に示される。

断面コ字状の固定片 3はその中央部において内方に突出 する凸部 3 hを有し、 両先端部において内方に屈曲する凸 部 3 i を有する。

永 λ磁石 1 は環状等に形成されて、 閉磁路の固定片 3 に おける対向する一対の区分区間相互間を插絡して起磁力を 印加する よ うに挿入される。

可動片 4は固定片 3の両凸部 3 i 間を凸部 3 hに対して 矢印 7方向あるいはその反対方向に移動する。

この動作原理ほ第 1 の実 ¾例と同様である。

次に、 第 1 の本発明の第 6の実旄例のプラ ンジヤ型電磁 ァ 'ク チユ エ 一タが、 第 6図 （ a) ( b ) に示される。

断面榇状の片部 3 j の両端に内方に向かって凸部 3 i が 設けられ、 これが対設される こ と によ り 固定片 3が形成さ れる。

凸部 3 i 間を棒状の可動片 4が矢印 7方向あるいはその 反対方向に移動可能に設けられる。

また、 前述の前提知見よ り x、 の 分比が、 機能上の 重要因子であるため、 閉磁路を構成する可動片 4の所要部 位に、 磁束調整部である凹部 4 dを設け磁束 分比の調整 を行う。

その他の構成、 動作は上述の第 5 の実尨例 と同様であ る。

次に、 第 2の本発明の一実旄例を、 第 7図 （ a ) ( b ) C c ) を参照して説明する。

まず、 閉磁路は閉ループ状の磁性体固定片 3 によ り形成 される。

電気巻線 2 は該閉磁路に巻回され、 励磁する も のであ る。

次に、 永久磁石から成る可勖片 4ほ該閉磁路の対向する 一対の区分区間相互区間を間隙を介して椟絡 し、 起磁力を 印加する。

また、 前述の前提知見よ り ct、 /3 の S分比が、 機能上の 重要因子であるため、 閉磁路の固定片 3 の所要部位に、 磁 束調整部である可飽和磁性体 6—対対向する よ うに挿入さ れ、 磁束配分比の調整を行う。

永久磁石可動片 4は、 その磁極面 4 a , 4 bが間隙を介 し磁性体固定片 3 の可飽和磁性体 6 の側面部 6 a に対面 し、 矢印 7 あ る いはその反対方向に変移可能に 設され る。 電気巻線 2 の無通電時には図示していないスブリ ン グ抗力によっ て、 第 7 図 （ b ) 図示位置に保持される。

第 7 図 （ b ) 図示の状態で、 図示極性の磁束 Φ i t を誘 起する所定電流を電気巻線 2 に通電すれば、 前述の前提知 見で説明 した通り磁束 Φ i 1 、 α ₃ Φ , β a mの重畳 効果によっ て、 永久磁石から成る可動片 1 は第 7図 （ a ) 図示状態に左方に変移する。

逆に、 第 7図 （ b ) 図示と逆極性の磁束 Ψ ί 2 を誘起す る通電では、 第 7図 （ c ) 図示状態に右方へ変移する。

また、 第 7 図 （ a ) または （ c ) 図示状態へ変移後、 電 機巻線 2への通電停止によって、 第 7 図 （ b ) 図示状態へ の自動復帰あるいは第 7図 （ a ) または （ c ) 図示状態の 自 己保持等の動作特性の選択は、 前述の第 1 図 （ a ) ( b ) の実施例と同様に任意にできる。

産業上の利用可能性

*発明は、 以上説明 したよ うに電磁操作装置、 電磁操作 ビス ト ン、 電磁施鋅、 開閉操作機構、 *質的防爆装置、 異 常引外し機構、 その他各種産業、 民生分野に極めて有用で ある。

Claims

請 求 の 範 囲

1 磁性体固定片および磁性体可勖片および該磁性体固定 片および磁性体可動片が接 atする こ と に よ り形成される間 隙と で形成 した閉磁路と 、 該閉磁路を励磁する電気巻線 と、 該閉磁路の該固定片における対向する一対の区分区間 相互間を棰絡して起磁力を印加する永久磁石と で構成した こ とを特徵とする電磁ァクチユ エ一タ。

2 閉ルー プ状の磁性体固定片に よ り 形成される閉磁路 と、 該閉磁路を励磁する電気巻線と、 該閉磁路の対向する 一対の区分区間相互区間を間隙を介して棰絡し、 起磁力を 印加する永久磁石から成る可動片と で構成したこ とを特徴 とする電磁ァクチユ エ一タ。