WO1986000168A1 - Electromagnetic actuator - Google Patents

Description

明 細 電磁ァクチユ エ一タ 技 術 分 野

*発明は機械的安定状態の保持および該機械的安定状態 からの変位を電磁的に操作する装置、 钧えば電気施錠ロ ッ ク装置、 弁棒操作装置、 電磁齄電器等に用いられる電磁ァ クチユエータに関する。 背 景 技 衛

従来、 第 6図に示される単安定電磁ァクチユ エ一タおよ び第 7図に示される双安定電磁ァクチユ エ一タが用いられ てい る 。

第 6図において軟磁性体から成る固定片 1 に S磁極面を 固定した永久磁石 3 の磁束 1 4の作用によって、 軟磁性体 から成る可動片 2 を、 それぞれの磁槿面 1 a と 2 a とで、 スブリ ング 5の引張抗力にさからって吸着して機械的安定 状態を保持している。

固定片 1 に巻回 した電気巻線 4 にバル ス状電流を通電 し、 永久磁石 3の磁束 1 4 を打消す磁束 1 5 を誘起させれ ば、 固定片 1 と可動片 2間の吸着力は消去されス プ リ ング 5 の引張力によっ て可動片 2が移動変位する。

次に、 第 7図において軟磁性体から成る固定片 1 は S ¾ 桂面固定の永久磁石 3 の磁束 1 5 の作用によっ て、 軟磁性 体から成る可勖片 2 と それぞれの磁毪面 1 a と 2 a と で吸 着して機械的安定状態にある。

次に、 固定片 1 に巻回した電気巻線 4 a にパルス信号を 通電して ¾久磁石 3 の磁束 1 4を打消す磁束 1 5 を誘起さ せれば、 可動片 2 は固定片 1 に対し磁極 l b と 2 b との吸 着状態に変位する。 こ の機械的安定状態から磁極 l a と

2 a との吸着状態に復帰させるにほ電気巻線 4 b に逆痊性 のパルス信号の通電を行う。

従来、 これらの電磁ァクチユ エ一タは前述の動作原理説 明からも明らかに次記の囿題点を有する。

( 1 ) *質的に磁気抵抗の大きい永久磁石を、 電気巻線通 電による起磁力の作用する磁気回路に挿入する構造となる ため変位のための所要アンペアター ンが大きい。

( 2 ) 単安定電磁ァクチユ エ 一タではスプ リ ング抗カを必 要と し構造が複雜化する。

( 3 ) このため機械的安定状態保持のため強力な起磁力を もつ永久磁石を必要とする。

( 4 ) 双安定電磁ァクチユエータは必ずしも スプリ ング抗 力は必要と しないが、 所用ア ンペアター ンの電気巻線 2個 を必要と し装置の大型、 複雑化を招 く 。 発明の開示

*発明は、 上述の周題点を解決するために提案されたも ので、 小型、 軽量で構造単純な省電力特性をもつ電磁ァク チユ エ一タ を提供する こ とを目的とする。 第 1 図では太発钥の模式図が示される。 磁性体から成る 可動片 2 の磁性体から成る固定片 1 に対する機械的変位 方向は、 矢印 2 a 方向に制限された構造を もつも の とす る。

ま た永久磁石 3 に よ る磁束 Φ は漏洩を無視 し て磁束 Φ a ， Φ Ι) に分流し次式が成立する ものとする。

Φ = a + Φ b - ( 1 ) 電機巻線 4に通電して磁束 Φ i を誘起させれば、 永久磁石 3 の内部レ ラ ク タ ン スが大きいので各磁束は主と して図示 の磁路で重畳されて次式の推力 F e が可動片 2 に作用す る。

F e = K {一 C i + a ) ² + ( i - Φ b ) 2 }

= K { - a ² + Φ b ² - 2 i

X ( Φ a + b ) } … （ 2 ) ただし、 Kは比例定数とする。

次に、 第 2 図に示される従来のプラ ンジャ型電磁ァ ク チユエータの推力 F p は、 周知のよ うに次式で示される。

F p = Κ Φ i ² … （ 3 ) ただし、 ここではス プ リ ング抗カは無視して考えた。

従っ て第 1 図の本発 ¾のラ ッ チング電磁ァク チユ エ一タ と、 第 2 図の従来のブラ ンジャ型電磁ァク チユ エ一タの同 —アンペアターン通電に対する推力の比を算出すれば、 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 式よ り

F e / F p =

- φ 2 + 2 Φ ( Φ Β - ι ) / i ² - ( 4 ) ただし、 Φ ί = 0 すなわち、 電気巻線無通電の場合に は可動片 2 ほ、

F £ = Φ b ² - Φ a ² … （ 5 )

( 5 ) 式で示される保持力 F £ で、 磁極片に吸着されたま まで、 いわゆる ラ ッ チング特性を示す。

こ こ で 、 i = 1 , = α Φ ι = o , Φ b = β Φ = <χ · /3 とすれば （ 4 ) 式ほ次式 （ 6 ) で表現され、 3 の変 化に対応する F e Z F pの変化 αをパラ メ ータ と して第 3 図のグラ フで表現される。

F e / F p = - a ² + 2 ( α · β - 1 ) ― ( 6 ) 従って、 可勖片の位置如何にかかわらず * b 〉 0. 5 Φの 条件を設定すれば、 通電時ほ 側磁毪、 通電停止時には Φ b側磁極に可動片が安定保持される。

また、 第 3 図は （ 6 ) 式よ リ 同一ア ンペアター ンによる 励磁によって、 該アンペアター ンよ り 大きな起磁力の永久 磁石 3 を配置した术発明のラ ッチング電磁ァクチユエ一タ が、 従来の電磁ァ ク チユエータ よ り 、 3 の値、 すなわち

の数値を 1以下 0. 5 に近接したも のに設定し得る 構造にする こ と によ っ て、 数倍以上の推力を発生し得る こ と を示す。 このため： 発明は省電力化に資する。

太発明は上逮の知見に基づいて成立する もので、 磁石の 一方の磁極面を固定 した、 複数の磁棰を有する軟磁性体か らから成る固定片と、 前記磁石の他方の磁極面 ¾びに前記 固定片の複数の磁 Sに間隙を^してそれぞれ対面し設置さ れ、 前記磁石の起磁力に対し並列の磁気回路を形成する磁 極を有する軟磁性体から成る可動片と、 前記固定片と可動 片の前記磁極と間隙とから成る磁気回路を直列に励磁する よ うに前記固定片に巻回した電気巻線とから成り 、 該電気 巻線に通電する こ と に よ り 前記磁植对面部の磁束相互間に 差異を発生させるこ と によ り 、 前記固定片と可動片とが相 互に機械的変位を生ずるよ うに S置されたこ と を特镊とす る電磁ァクチユ エ一タである。

*発明は以上説明 したよ うに単安定あるいは双安定の電 磁ァクチユ エ一タ を提供する こ と を可能と し、 産業、 民生 分野に大き く貢献できる。

( 1 ) 推力が大き く 、 保持電流が不要であるため省エネル ギー特性をも っ ている。

( 2 ) 単一コ イ ルでスプ リ ング等の機構が不要となリ 、 搆 造単純、 小型、 軽量で長寿命である。

( 3 ) 機械的安定状態を保持する保持力 （磁気吸着力） お よび機械的安定状態からの変位のための推力の選定が容易 である。

( 4 ) 操作用電線が 2線式ででき る。

( 5 ) 短時間の通電ですむので瘟度上昇が少な く小型軽量 となる。 図面の箇単な説 ¾

第 1 図ほ太発明の模式図、 第 2図は従来の電磁ァクチュ ェ一タの模式図、 第 3図は第 1 図の本発明の磁束と推力と の関係説明図、 第 4図 （ a ) ( b ) は *発明の第 1 の実旄 例の説明図、 第 5 図 （ a ) ( b ) は本発 ¾の第 2の実施钧 の説钥図、 第 6図、 第 7図は従来の電磁ァクチユエ一タの 説 ¾図である。 発明を実施するための最良の形態

次に、 本発明の第 1 の実施倒について説 ¾する。

第 4図 （ a ) ( b ) は本実旌例の説明図でぁ リ 、 軟磁性 体から成るコ妆の固定片 1 に永久磁石 3 の S磁極面が固定 される。

この永久磁石 3の起磁力によ っ て軟磁性体可勖片 2 を経 て第 4図 （ a ) の吸着状態にある磁槿 2 a と 1 a と を通邊 する磁路と、 空隙を介して対面する磁極 2 b と 1 b とを経 由する磁路に磁束 1 0 ， 1 1 が分流して機械的安定状態を 保持している。

この第 4図 （ a ) の状態において固定片 1 に巻回した電 気巻線 4 にパルス信号の通電を行い磁束 1 3 を誘起させ て、 永久磁石 3 に よる分流磁束 1 1 を相殺し、 分流磁束 1 0 に重畳すれば、 可動片 2 は磁極 2 b と 1 b との第 4図 ( b ) の吸着状態に瞬時に変位する。

次に、 前記電気巻線 4 に逆極性パルス信号を通電すれば 磁束 1 3が誘起されて再び磁極 1 a と 2 a との吸着状態に 復帰させるこ とができ、 双安定電磁ァクチユエータ の特性 をもたせるこ とが可能となる。

可動片 2は切込み部の磁気飽和部 2 c において磁路新面 を縮小し ϋ和現像によって通過磁束量を所定量以下に制限 する磁気飽和部 2 c を設ける こ と によ リ磁気抵抗を増加さ せる もので磁極面 2 b ， 1 b は空隙磁気抵抗減少のため溢

2 a ， 1 aに比し大きな磁棲対向面積を有する よ ラ配盧 したものである。

上記方法にょ リ磁束 1 0 磁束 1 1 の数値を調節し磁束 1 1 - 磁束 1 2 の条伴に一致するパル ス電流を第 4 図 ( a ) の図矢印方向に電気巻線 4に通電する こ とによ リ 、 第 4図 （ b ) 図示可動片 2の位置に変位させる こ とが可能 で可動片 2の変位のための推力は磁束 1 0ノ磁束 1 1 の調 節によって大き く変動する こ とは第 3 図によっ て明瞭であ る。

第 5 図 （ a ) ( b ) は *発明の第 2 の実旌例の説明図 で、 軟磁性体から成るコ字状固定片 1 に S磁 gを固定した 永久磁石 3 の起磁力は間隙を介し軟磁性体から成る可動片 2 を経て、 さ らに磁桎 2 a と l a との間隙を通過する磁束 1 1 と磁槿 2 b と 1 aの間隙を通遏する磁束 1 0 に分流さ れ磁 S対向面積が大き く磁気抵抗の少ない第 5 図 （ a ) の 可動片 2の位置で機械的安定状態にある。

ただし可動片 2 は永久磁石 3 の磁極対面部に磁束 1 0 ま たは磁束 1 1 の一方に対し、 所定値以上の磁束に対し磁気 飽和を示す加工、 例えば方形ヒ ステリ シス材の挿入、 また は当該部分の磁路断面縮少等が実 ¾されている磁気飽和部 2 c を設け特性の改善をはかる こ と もできる。

上記方法によ り 、 固定片 1 に対する可動片 2 の機械的双 安定状態であ る第 5 図 （ a ) ( b ) 図示位置を電気巻線 4に通電する微少パルス信号の極性に対応して可逆自在に 所定の推力で操作する こ とができる。

従来の単安定電磁ァクチユ エ一 タ でス ト ローク 2 m mの 推力 l k g では 2 0 W、 双安定電磁ァ ク チ ユ エ 一 タ で 1 5 Wを必要とするが何れも *実旌例では 5 W程度に改善 できた。

次 に 、 上記第 4 図、 第 5 図 の実旌钧 に お い て常時 Φ b > Φ aの条件が成立する よ う磁気回路を設定すれば、 可動片 2は電気巻線 4に通電時のみ磁束 Φ a側磁極に吸着 され、 通電停止時には常に磁束 Φ b側磁極に

F e = b ² - Φ a ²

の力で保持安定されるいわゆる単安定電磁ァクチュヱータ を得られる。

また以上の第 1 および第 2 の実;！例において永久磁石 3 の代わ り に電磁石を用いても よい _β 産業上の利用可能性

以上説 ¾ したように、 *発明は電磁操作弁、 電磁操作ビ ス ト ン 、 電磁施^、 開閉機操作機構、 术質的安全防爆装 置、 異常引外し機構、 その他各種産業、 民生分野において 有用である。

Claims

請求の範囲

1 磁石の一方の磁槿面を固定した、 複数の磁極を有する 軟磁性体から成る固定片と、 前記磁石の他方の磁極面並 びに前記固定片の複数の磁極に間隙を介してそれぞれ対面 し設置され、 前記磁石の起磁力に対し^列の磁気回路を形 成する磁¾を有する軟磁性侓から成る可勖片と、 前記固定 片と可動片の前記磁極と間隙とから成る磁気回路を直列に 励磁する よ う に前記固定片に卷回した電気巻線とから成 り 、 該電気巻線に通電する こ とによ り前記磁搔対面部の磁 束相互間に差異を発生させるこ とによ リ 、 前記固定片と可 動片とが相互に機械的変位を生ずるよ うに £置されたこ と を特徴とする電磁ァクチュ 一タ。

2 前記 ¾列の磁気回路の磁束 g分を調節する、 前記磁石 起磁力に対する磁気笾和による溢気抵抗調節部を設けた 特許請求範囲第 1 項記載の電磁ァクチユエ一タ。

3 前記磁石を永久磁石と した特許請求範囲第 1項または 第 2項記載の電磁ァクチユ エ一タ。

前記磁石を電磁石と した特許請求範囲第 1 項または第 2項記載の電磁ァクチュ ヱ一タ。