JP2009529315A - 電磁的に好適化されたｖ字形状の永久磁石を備える電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高い電磁効率を持つ、傾斜した永久磁石を備えた電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】 アーマチュア（４）に連係していて、少なくとも１つの電磁石の作用下で動くことができる作動部材と、コイル（３）と、コイルからの磁束を流して、磁束をアーマチュアに通すのに適する鉄心（２）であって、周囲にコイルが張り巡らされた中央分岐を含む分岐が突き出ているベース（１０）を有する鉄心と、鉄心に連係されている２つの永久磁石（１３）とを備える電磁アクチュエータに関する。本発明によれば、２つの永久磁石は、中央分岐を２つの部分に分離するＶ字形状部を形成するように、鉄心の中央分岐に配置され、永久磁石のどちらか１つからの磁束が通過することができる、鉄心（２）またはアーマチュア（４）の任意の断面（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）が、この磁束による飽和を防ぐのに十分な大きさの面積を持っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁的に最適化されたＶ字形状の永久磁石を備える電磁アクチュエータに関する。

特許文献１は、電磁石の作用により動くことができる、アーマチュア（可動鉄片）に連係された作動部材を有し、コイルと、コイルからの磁束を流して、アーマチュア内にリターンパスを形成するのに好適な鉄心であって、周囲をコイルが取り巻いている中央分岐を含む分岐が突き出ているベースを持つ鉄心とを備えた電磁アクチュエータを開示している。

この電磁石は、鉄心内に組み込まれた２つの永久磁石を備えており、鉄心は、永久磁石からの磁束を流して、アーマチュア内にリターンパスを形成し、コイルからの磁束が、永久磁石を通過するようになっている。

特許文献１に示されている実施形態の１つにおいて、永久磁石は、鉄心の側方分岐内に傾斜して配置されており、それによって、鉄心内に、コイルの高さと実質的に等しい長さの永久磁石を、電磁石の高さを増加させることなく、収容することを可能にしている。
フランス国特許公開第２８６５２３８号公報

しかしながら、このような構成は、永久磁石を挿入することを可能にするために、鉄心の薄板に孔をくり抜かなければならないということを意味し、そのため、薄板を力学的に弱くして、組み立てに問題を引き起こす。さらに、薄板のくり抜き部分を一体化させておくために、薄板上に連結部分を存続させておく必要があり、この連結部分は、くり抜き部分が、隣接する永久磁石による磁束によって飽和するほど、多くの短絡回路を形成する。

本発明の目的は、より高い電磁効率を有する、傾斜した永久磁石を備える電磁アクチュエータを提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、アーマチュアに連係され、少なくとも１つの電磁石の作用の下で動くことができる作動部材を有する電磁アクチュエータであって、コイルと、コイルからの磁束を流して、アーマチュア内にリターンパスを形成するように設計された鉄心であって、周囲に前記コイルが張り巡らされた中央分岐を含む分岐が突き出ているベースを有する鉄心と、２つの永久磁石であって、前記鉄心が、該永久磁石からの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成し、前記コイルからの前記磁束が、該永久磁石を通過するように、前記鉄心と連係されている２つの永久磁石とを備えてなる電磁アクチュエータを提供するものである。

本発明によれば、前記２つの永久磁石は、前記中央分岐を、永久磁石を支持していて、かつ、ベースと一体の支持部と、永久磁石を上に載せた端部とに分割するＶ字形状部を形成するように、鉄心の中央分岐内に配置されていて、前記２つの永久磁石のうちのどちらか１つからの磁束が通過することができる、前記鉄心またはアーマチュアの任意の断面が、磁束による断面の飽和を避けるのに十分な大きさの面積を持っている。

したがって、鉄心は、永久磁石の位置決めのためにアクセスすることが完全に自由である、永久磁石を支持するための部分を組み込んでいる主部と、支持部上に配置されている永久磁石に、永久磁石を上に載せるように取り付けられている端部であって、永久磁石によって形成されているＶ字形状部に基づいてセルフセンタリングされていて、支持部と全く接しない端部とに分離されており、そのため、支持部と端部との間に短絡回路が生じる危険性は、非常に低い。

さらに、鉄心またはアーマチュアの断面の面積が十分に大きいので、永久磁石からの磁束による、いかなる飽和も回避され、そのため、電磁アクチュエータの電磁効率を最大限に高めることができる。

添付図面を参照して、以下の説明を読めば、本発明をより明白に理解しうると思う。

図１に示すように、本発明の電磁アクチュエータは、鉄心２およびコイル３を備えた電磁石１を有する。この電磁石１は、Ｘ軸に沿って動くことができるプッシュロッド５と一体のアーマチュア４に、制御されたやり方で電磁力を及ぼす。

このような電磁アクチュエータは、例えば、内燃エンジンのバルブを作動させるために用いられ、電磁アクチュエータは、プッシュロッド５がバルブの摺動軸に沿って延在するように配置される。公知のように、この電磁アクチュエータは、アーマチュア４を反対方向に選択的に引き込むための、電磁石１に相対向して別の電磁石（図示せず）を備えている。

プッシュロッド５の端とバルブの端とは、互いに逆向きの２つのばね（図示せず）によって、互いに押し戻され合っており、それによって、アーマチュアが実質的に２つの電磁石の間の真ん中に延在するという、プッシュロッド／バルブアセンブリの平衡位置が定められる。

電磁石１の鉄心２は、２つの側方分岐１１、および１つの中央分岐が突き出ているベース１０を有し、コイル３が、中央分岐の周囲を取り巻いている。中央分岐は、ベース１０と一体の、対向し合う傾斜面を有する２つの部分１２を備えている。２つの部分１２は、鉄心２の支持部を形成しており、この支持部は、永久磁石１３がＸ軸に対して傾いて延在して、Ｖ字形状部を形成し、Ｖ字形状部の先端３１がベース１０に向くように、永久磁石１３を収容するように設計されている。中央分岐の端部を形成するウェッジ１４が、Ｖ字形状部の内側に形成されている。

永久磁石１３によって発生して、アーマチュア４内にリターンパスを形成するように鉄心２を通過する磁束線の経路が、図１に太破線で示されている。ウェッジ１４は、永久磁石１３に平行な溝１７が存在する端面１５を有している。この溝１７は、溝１７のどちらか一方の側を通る、２つの永久磁石１３からのそれぞれの磁束線を、明確に分離している。

図２（鉄心が、図１に対して、上下逆に示されている）に見ることができるように、電磁アクチュエータは、以下のように組み立てられる。ベース１０、側方分岐１１、および支持部１２を形成する薄板を組み立てて鉄心２を形成した後、永久磁石１３を、支持部１２上の所定の位置に置く。支持部１２は、永久磁石１３の位置決めを、より簡単にする段差５０を備えている。

ウェッジ１４を、対応する薄板を組み立てることによって形成した後、ウェッジ１４を、矢印によって示すように、永久磁石１３に取り付ける。それによって、ウェッジ１４は、永久磁石１３を上に載せて、永久磁石１３によって形成されているＶ字形状部によってセルフセンタリングされる。

全ての組立部品を適所に保持するために、非磁性のクランプ１８が用いられ、それらの各々は、一方において、ウェッジ１４の活性な端面１５の溝１７内に収容される細長い部分（図１の断面に示されている）を有し、他方において、例えば、ねじ留め、またはリベット留めによって、自身を鉄心２に固定するために、ウェッジ１４を貫通している孔内、次いで、２つの永久磁石１３の間、最後に、鉄心２の孔内に延在する留め金具（それらは示されていない）を有している。一変形として、留め金具を、鉄心２を貫通させて、ボディ１００に直接固定することもできる。

クランプ１８は、一方では、支持部１２と永久磁石１３との間の製造上の公差、他方では、永久磁石１３とウェッジ１４との間の製造上の公差によって残っているかもしれない残留ギャップを軽減するか、または、除去するような圧縮力を働かせる。このギャップの軽減により、電磁アクチュエータの磁気効率は上昇する。

図３に示すように、鉄心２のこの幾何形状は、鉄心２の中央分岐に、永久磁石１３からの磁束線に対して臨界値を有する通過断面を持たせる。第１の臨界値を持つ断面Ｓ１は、ウェッジ１４内で、永久磁石１３の端の１つと中心軸Ｘとの間に及んでいる。第２の臨界値を持つ断面Ｓ２は、支持部１２の一方内で、対応する永久磁石１３の端の１つと、ベース１０と支持部１２によって形成される角との間に及んでいる。最後に、第３の臨界値を持つ断面Ｓ３は、ウェッジ１４内で、外表面と溝１７との間に及んでいる。

これらの臨界値を持つ断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の各々は、永久磁石１３のうちの１つからの全磁束が通過する最小面積を持っている。

さらに、アーマチュア４も、２つの永久磁石１３のうちのどちらかからの全磁束が通過する、第４の臨界値を持つ断面Ｓ４を持っている。

鉄心２およびアーマチュア４を構成する強磁性体材料は、飽和閾値、すなわち、それを超過すると、与えられた通過断面に、さらなる磁束を通過させることが次第に困難になる閾値を持つことが知られている。コイルによって発生した磁束が、臨界値を持つ断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を通過し、それによって、コイルに好ましい効率を与えるという可能性を保持するために、磁束が、永久磁石１３によって発生するだけであるときに、鉄心２およびアーマチュア４を構成する材料を、臨界値を持つ断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４において、飽和閾値以下で動作させることが重要である。このことを行わせるために、臨界値を持つ断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、十分に大きな面積を持っていなければならない。

断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における鉄心２の幅を、それぞれ、ｄ１、ｄ２、ｄ３と呼ぶ。Ｌを鉄心の長さ（図の平面に垂直な方向に沿って測った）とすると、臨界値を持つ断面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ、次のような面積を持っている。
Ａ１ = Ｌ × ｄ１； Ａ２ = Ｌ × ｄ２； Ａ３ = Ｌ × ｄ３

同様に、ｄ４を断面Ｓ４におけるアーマチュアの幅とし、アーマチュアの長さをほぼＬであるとすると、断面Ｓ４の面積は、Ａ４ ＝ Ｌ × ｄ４である。

永久磁石１３からの磁束に関しては、磁束は、鉄心に接している永久磁石の表面の面積にほぼ比例する。Ｈを永久磁石の高さとすると、その面積は、Ａ ＝ Ｌ × Ｈである。

臨界値を持つ断面が飽和することを避けるために、問題としている臨界値を持つ断面の面積に対する磁束の比に上限を与える必要がある。したがって、次のような比とする必要がある。
ｒ１ = Ａ／Ａ１； ｒ２ = Ａ／Ａ２； ｒ３ = Ａ／Ａ３； ｒ４ = Ａ／Ａ４

これらの比の上限は、鉄心２およびアーマチュア４を構成する材料の性質に依存する。比ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４の上限は、次の値に等しいのが好ましい。
− ケイ素−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、３．２。
− １７／１８％コバルト−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、３．７５。
− ４８／５０％コバルト−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、４．１５。

長さＬが、面積Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、およびＡ４に対する式中に入っているから、これらの比は、さらに、ｒ１ ＝ Ｈ／ｄ１、ｒ２ ＝ Ｈ／ｄ２、ｒ３ ＝ Ｈ／ｄ３、ｒ４ ＝ Ｈ／ｄ４としても表現することができる。したがって、これらの比は、長さの比を表わすということに注意されたい。

図３に示すように、本明細書に例示されている鉄心２は、ウェッジ１４が、ウェッジ１４の断面Ｓ１に接続している永久磁石１３の端と反対側の永久磁石１３の端とほぼ一致する点に終端するような鉄心である。同様に、支持部１２は、支持部１２の断面Ｓ２に接続している永久磁石１３の端と反対側の永久磁石１３の端と一致する点に終端している。この構成においては、２つの永久磁石１３によって形成されるＶ字形状部の半角φの正接は、ｄ２／Ｈまたはｄ１／Ｈ、すなわち、比ｒ１またはｒ２の逆数とほぼ等しい。

したがって、これは、比ｒ１およびｒ２に上限を与えること、すなわち、Ｖ字形状部の先端３１の半角φに下限を与えるということを意味する。Ｖ字形状部の先端３１の半角φの下限は、次の値に等しいのが好ましい。
− ケイ素−鉄で作られた鉄心の場合には、１７°。
− １７／１８％コバルト−鉄で作られた鉄心の場合には、１３．５°。
− ４８／５０％コバルト−鉄で作られた鉄心の場合には、１２°。

これらの値は、臨界値を持つ断面において、永久磁石１３からの磁束のみの下で飽和するのを防止することを可能にする。いかなる場合にも、Ｖ字形状部の先端３１の半角φは、１０°以上であるように選ばれる。

しかしながら、比ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４は、あまり小さくするべきではない。そうでないと、これらの比は、過度に大きな通過断面に導き、永久磁石１３の効率を限定する。実際には、比ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４は、２以上となるように選ぶのが好ましい。角度という点から見ると、この条件は、Ｖ字形状部の半角φを、２５°以下の値に制限するということを意味する。

本発明は、上記のもののみに制限されるのではなく、全く正反対に、本発明は、請求項によって定められている範囲内にある、いかなる変形例も包含するものである。

本明細書においては、永久磁石が、先端を鉄心のベースに向けたＶ字形状部を形成している電磁アクチュエータを例示したが、永久磁石を、先端をアーマチュアに向けたＶ字形状部を形成するように配置することも可能である。ベースの永久磁石の支持部は、互いに向かい合わずに、側方分岐に向いた傾斜面を持つことになり、一方、中央分岐の端部は、ウェッジ状ではなく、帽子形状を有することになる。

本明細書においては、中央分岐において、臨界値を有する断面について考察しているが、比ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４に適用される限界は、鉄心またはアーマチュアの残りの部分において選ばれる任意の断面に伴う任意の同様の比にも適用される。この比は、当該断面の面積に対する永久磁石の表面の面積の比と等しいことは明白である。

本発明による電磁アクチュエータの部分断面略図である。 組み立ての途中を示す、図１の電磁アクチュエータの部分略図である。 本発明による電磁アクチュエータの部分断面略図である。

符号の説明

１ 電磁石
２ 鉄心
３ コイル
４ アーマチュア
５ プッシュロッド
１０ ベース
１１ 側方分岐
１２ 支持部
１３ 永久磁石
１４ ウェッジ
１５ 端面
１７ 溝
１８ クランプ
３１ 先端
５０ 段差
１００ ボディ
ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４ 幅
Ｈ 永久磁石の高さ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 断面
φ 半角

Claims (8)

1. アーマチュア（４）に連係され、少なくとも１つの電磁石の作用により動くことができる作動部材を持つ電磁アクチュエータであって、
   − コイル（３）と、
   − 前記コイルからの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成するようになっており、かつ周囲に、前記コイルが張り巡らされた中央分岐を含む分岐が突き出ているベース（１０）を有する鉄心（２）と、
   − ２つの永久磁石（１３）であって、前記鉄心が、この永久磁石からの磁束を流して、前記アーマチュア内にリターンパスを形成し、前記コイルからの磁束が、前記永久磁石を通過するように、前記鉄心に連係されている２つの永久磁石（１３）と、
   を備えてなる電磁アクチュエータにおいて、
   前記２つの永久磁石は、前記中央分岐を、前記永久磁石を支持していて、かつ、前記ベースと一体の支持部（１２）と、前記永久磁石を載せた端部（１４）とに分割するＶ字形状部を形成するように、前記鉄心の中央分岐内に配置されており、前記２つの永久磁石のうちのどちらか１つからの磁束が通過することができる、前記鉄心（２）またはアーマチュア（４）の任意の断面（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）が、磁束による断面の飽和を避けるのに十分な大きさの面積を有することを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記鉄心（２）およびアーマチュア（４）の断面（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）は、自身からの磁束が前記断面を通過する永久磁石（１３）の、前記鉄心（２）に接している表面の面積（Ａ）と、前記断面の面積（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）との比（ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４）であって、
   − ケイ素−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、３．２以下であり、
   − １７／１８％コバルト−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、３．７５以下であり、
   − ４８／５０％コバルト−鉄で作られた鉄心またはアーマチュアの場合には、４．１５以下である、
   比（ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４）を有するように形作られている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記各断面に対して、前記比（ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４）が、２以上である、請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記鉄心の支持部（１２）と、前記端部（１４）とのうちの少なくとも１つが、前記２つの永久磁石（１３）のうちの一方の１つの端と一致する点に終端し、前記永久磁石によって形成されている前記Ｖ字形状部は、前記鉄心の支持部（１２）と前記端部（１４）とのうちの少なくとも一方において、前記永久磁石の反対側の端に接続している断面（Ｓ１、Ｓ２）の飽和を避けるのに十分な半頂角（φ）を有する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記永久磁石（１３）によって形成されている前記Ｖ字形状部の半頂角（φ）は、１０°以上である、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記Ｖ字形状部の半頂角（φ）は、
   − ケイ素−鉄で作られた鉄心の場合には、１７°以上であり、
   − １７／１８％コバルト−鉄で作られた鉄心の場合には、１３．５°以上であり、
   − ４８／５０％コバルト−鉄で作られた鉄心の場合には、１２°以上である、
   請求項５に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記永久磁石（１３）によって形成されているＶ字形状部の半頂角（φ）は、２５°以下である、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
8. 前記永久磁石（１３）によって形成されているＶ字形状部が、前記ベース（１０）の方向に向けられた先端（３１）を有し、前記端部（１４）は、ウェッジ形状をなしている、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。

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