JP2009532893A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

電磁アクチュエータは、コア(1)と、コア内のギャップ(5)内を移動可能な強磁性部品(2)と、ギャップの一つの側に強磁性部品を引きつける磁石(4)と、を含む。磁束集中手段(12)は、ギャップ(5)の一つの側に磁束を集中させ、ソレノイド(8)は、ギャップ内に磁束を発生させる。ソレノイドの磁気回路は、コア(1)の部分、ギャップ(5)の部分、および強磁性部品(2)とコア(1)との間の別のギャップ(6)により規定される。消磁手段(7)は、コア(1)の別の部分、ギャップ(5)の別の部分、および別のギャップ(6)によって規定される磁気回路を有する。消磁手段は、ソレノイド(8)によって発生された磁束が、磁束集中手段(12)への流れから別のギャップ(6)への流れへと方向転換し、移動可能な強磁性部品(2)が、ソレノイド(8)の磁力下において磁石(4)から離れて移動可能になるように、少なくともその程度まで磁石(4)を消磁するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、液圧バルブの応用に有用なソレノイドアクチュエータ、およびそのようなソレノイドアクチュエータを組み込んだバルブ配置に関する。

流体動力システムでは、流体の流れを制御する目的で、ソレノイド駆動バルブがしばしば用いられる。多くの場合、中間位置での経過時間を最小化するように、流体を１つの経路から別の経路にできるだけ迅速に切り替えできることは有利である。何故なら、この迅速な切り替えは、バルブでの圧力損失によって生じるエネルギーロスを最小化することができるからである。

多くの場合、このようなバルブは、単動式ソレノイドとして構成され、そこでは、スプール(spool)またはポペット（poppet）などの強磁性の摺動部材が、ソレノイドの一つの端面に引き付けられており、また戻り磁束が、ソレノイドの軸を横断する方向に、上記強磁性部材内を通過している。この結果、磁気回路内を流れる磁束が、可動部材に軸方向の正味の力を生成し、可動部材は１つの位置から別の位置に移動する。通常、ソレノイドは、反対方向へ作用する力を生成できないため、反対方向への力は、バネまたは流体の圧力成分によって提供される。このようなバルブは、しばしば作動方向への走行時間に４０ミリ秒オーダーの時間がかかる。

本明細書では、液圧用/空圧用のポンプおよびモータを、「流体作動用機械（fluid-working machines）」と称する。上記機械の新種が、出現しており、新種の機械において、作動用チャンバーの整流処理（commutation）は、ポート・プレート（port plate）などのような機械的手段によらず、デジタルコンピュータで制御されたソレノイド駆動バルブによって提供される。上記技術を用いた機械は、流体を離散的な単位で移動させることになる。このため、本出願人の機械装置は、“Digital Displacement（登録商標）”と名付けられている。上記ポンプのオペレータは、産業用ディーゼルエンジンのシャフトからポンプを直接駆動したいと要求しており、上記シャフトは、１８００〜２８００ｒｐｍの範囲内で動作する。上記のような速度を達成するためには、整流用バルブを、毎秒において多数回作動させなければならない。具体的には、作動時間を、正確な整流処理のために５ミリ秒以下にする必要がある。

従来技術のソレノイドバルブは、上記のような作動速度を達成することができない。これは、通常アーマチャを原点に保持するための復元力が作用しているためであり、原点とは、コイルが作動していないときの初期位置である。アーマチャを動かす前に、コイルに電流を流す必要があるが、コイルのインダクタンスが高いため、通電までに相当のミリ秒の時間がかかる。この時間を「コイルの待ち時間」と呼ぶ。力がアーマチャに徐々に加わり、加わる力が、上記復元力を超えたとき、第２の位置に向けてアーマチャの加速を生じさせる。コイルの時定数が長いことが原因で力が徐々に加わるために、初期時の加速は低い。これらの影響が、バルブの切り替え時間を長くしている。

アーマチャが動作する期間が長く、またコイルの待ち時間が長いため、バルブが作動位置に到達する時間を正確に予測することにはかなりの不確実性を伴う。

本願発明は、上述した課題を解決するものであり、ディーゼルエンジンの速度で液量を往復運動させる正確な整流処理のために、十分な速さを有するソレノイドバルブを可能にするものである。さらに、本願発明は、バルブが高速に作動することを必要とされる広範な用途に適用でき、または、流体バルブの領域外で、バルブが高速なソレノイドアクチュエータ本体として必要とされる広範な用途にも適用できる。

本願発明は、請求項１に係る電磁アクチュエータを提供する。本願発明のアクチュエータは、コアと、上記コア内のギャップ内を移動可能な強磁性部品（アーマチャ）と、上記ギャップ（ラッチギャップ）の一つの側に上記強磁性部品を引きつける磁石と、上記ギャップの一つの側に磁束を集中させるための磁束集中手段と、上記ギャップ内で磁束を発生させるためのソレノイドと、上記コアの部分、上記ギャップの部分、および上記強磁性部品と上記コアとの間の別のギャップ（半径方向のギャップ）によって規定される上記ソレノイドの磁気回路と、上記コアの別の部分、上記ギャップの別の部分、および上記別のギャップによって規定される磁気回路を有する消磁手段と、を備える。
上記消磁手段は、上記ソレノイドによって発生された磁束が、上記磁束集中手段への流れから上記別のギャップへの流れへと方向転換し、上記移動可能な強磁性部品が、上記ソレノイドの磁力下において上記磁石から離れて移動可能になるように、少なくともその程度まで上記磁石を消磁するように構成されている。

特定の実施形態において、上記消磁手段は、上記ソレノイドの待ち時間よりも更に短い待ち時間を有するコイルを備える。

本願発明のアクチュエータは、上記ソレノイドおよび上記コイルの各々が、各磁気回路の重複する部分において同一方向の磁束を発生するように、上記ソレノイドおよび上記コイルに電圧パルスを供給するように構成された電子駆動回路を含んでもよい。さらに、デジタルコントローラは、上記電子駆動回路に信号を送るように構成であって、上記アクチュエータの作動が要求される時間より前に前記ソレノイドを励磁し、上記ソレノイドの後に上記コイルを励磁するような構成にしてもよい。代わりに、デジタルコントローラは、上記電子駆動回路に信号を送るような構成であって、上記アクチュエータの作動が要求される可能性がある時間より前に上記ソレノイドを励磁し、この後、上記アクチュエータを作動させる決定に対応するときだけ上記コイルを励磁するような構成にしてもよい。

上記磁束集中手段は、上記磁石または隣接する強磁性部品において、上記ソレノイドに向けたテーパーを備えてもよい。

本願発明のアクチュエータは、軸に関して機能的に対称であってもよい。代わりに、アクチュエータは、面に関して機能的に対称であって、少なくとも二つのコアと二つの磁石とを備え、上記面の各側に１つずつ備えるようにしてもよい。

さらに本願発明は、流体作動用機械用のバルブ配置を提供し、このバルブ配置は上記に規定したアクチュエータの移動可能な強磁性部品に取り付けられたバルブ部材を備える。

最後に、本願発明は、以下のようなバルブ配置を含む流体作動用機械を提供する。すなわち、バルブ配置によって、流体を、流体作動用機械の一つ以上の作動用チャンバーに対して、流入、流出、または同時に流入出させて、バルブ作動で、この流体作動用機械を、ある程度まで制御する。また、上記デジタルコントローラは、流体作動用機械の回転シャフトと同期化させてもよい。

以下、実施例として、添付図面を参照しつつ特定の実施形態について述べる。

図１のアクチュエータは、軸Ａに関して対称であり、スチールまたは他の強磁性体の材料からなるコア１を備える。このコアは複数の部品から形成してもよい。強磁性体の可動部品（アーマチャ）２が、摺動する非磁性体３を介して、バルブのスプール、ポペット、または他の作動要素に取り付けられている。

第１の磁気回路は、コア１の部分と、永久磁石４と、「軸方向の」エアーギャップ５（図２に示す「ラッチギャップ」）と、「半径方向の」エアーギャップ６と、第１のコイル（トリガー用コイル）７とを含む。

第２の磁気回路は、コア１の部分と、ソレノイドを形成する第２のコイル（主コイル）８と、軸方向のエアーギャップ（主ギャップ）９とを含み、さらに、上記第１の磁気回路と共に、半径方向のエアーギャップ６も共有する。

アクチュエータは、永久磁石４によって、アーマチャ２を図１に示す位置に保持する。永久磁石からの磁束は、磁束集中用形体１２（好ましくは図示したようなテーパ形状）によって収束され、保持力が高められる。アーマチャは、バルブ（すなわちバルブ内の流れによる加重）から非磁性体３に課される負荷にも拘らず、磁力によってこの位置に受動的に保持される。

アクチュエータは、たとえば図７に示すように、両方のコイルに電圧パルスを送ることができる電子駆動回路を含む。各接続の極性は、選択することができ、主コイル８およびトリガー用コイル７によって誘導される磁束が、半径方向のギャップ６内において同一方向になるように選択し、トリガー用コイルが永久磁石４に対して消磁作用を及ぼすように選択する。

デジタルコントローラ１０は、電子駆動回路に信号を送り、正確な時間にバルブが作動できるようにする。すなわち、できる限り、往復運動するチャンバーを１つ以上有する回転機械のシャフトと同期させて、バルブの作動によってある程度制御されるチャンバーに対して、流体を、流入、流出、または同時に流入出させるようにする。

バルブを図１および図３に示す位置から図２に示す位置に動かす際に必要となる、コントローラの処理手順は次のとおりである。

バルブを作動させる少し前に、またはバルブの作動が要求される少し前に、電圧パルスを主コイル駆動回路に送ると、駆動回路によってソレノイドコイル８に電圧が印加され、該コイル内の電流がコイル時定数に従って増大していく。

上記電流が増大するとともに、アクチュエータ内の磁束パターンが、図３のパターンから図４のパターンに変化していく。この際、主ギャップ９内の磁束は増大するが、アーマチャ２には磁石４からの正味の力がまだ作用し、正味の力は、アーマチャ２を図１および図３の位置に保持するように作用する。何故なら、主ギャップ９を交差する磁束が、拡散される（低い磁束密度）のに対して、ラッチギャップ５を交差する磁束が、集中される（高い磁束密度）ためである。この原理の基礎となる式は、下式の磁力式で得られる。
Ｆ＝Ｂ²Ａ／２μ₀
ここで、Ｆは生じる磁力であり、Ｂはエアーギャップ内の磁束密度であり、Ａは磁束方向に垂直な面積であり、μ₀は自由空間の透磁率である。

上式によれば、同量の磁束が二つのエアーギャップを通過するとき、一方のエアーギャップが他方のエアーギャップに対して半分の面積を有する条件において、小さい方の面積のエアーギャップによって生じる力は、大きい方の面積のエアーギャップによって生じる力の２倍となる。

このようにして、アーマチャに作用する力を取り除くことなく、アーマチャをＡの位置に維持しながら、大きな主コイルを「充電」することができる。

バルブを作動させる直前に、実際にバルブを作動させる必要がある否かを決定することができる。必要が無いときは、主コイル８を非励磁にすることができ、これにより、作動は起こらない。

作動が要求されるとき、このときトリガー用コイル７が励磁される。このトリガー用コイルは、主コイルより時定数が短いため、トリガー用コイルを流れる電流は急速に増大し、それに従いラッチ用の永久磁石４が消磁されていく。図５に示したように、ラッチ用ギャップ５内の磁束が急激に除去される一方で、主ギャップ９内の磁束は、実質的に影響を受けずに残る。このことが、アーマチャ２における力のバランスを急激に逆転させ、アーマチャは、図２に示す位置に向けて加速されることになる。

先行技術と比較すると、トリガー用コイル７が小さな時定数を有しているので、待ち時間が大幅に短縮される。力を急激に積み上げることは、図１の位置から図２の位置までにアーマチャを移動させる時間が短くなることを意味する。さらに、これらの改善は、バルブが完全に遷移する時間を先行技術よりも正確に知ることができることを意味している。

アーマチャが、図２の位置に一旦到達すると、アーマチャは、この位置に保持されることを要求されることがある。“Digital Displacement（登録商標）”の機械装置内のポペットバルブを適用する場合、このような保持は、ポペットに加わる流体圧によって提供される。しかしながら、他のタイプのバルブを適用することは、アーマチャを図２の位置に保持するために生成すべき作動力を要求される可能性がある。この要求は、コントローラから主コイル８に高周波パルス（すなわち、コイルの時定数の逆数よりも実質的に更に高い周波数のパルス）を送ることで達成することができる。高周波パルスにより主コイル内に生じる小さな保持電流が、どのような戻り作動手段が存在してもアーマチャを図２の位置に保持できるのに十分な磁束を、第１の磁気回路内に誘導させることになるので達成することができる。上記戻り作動手段を、図１から図５までの上方に矢印で示すが、これらの手段は、バネおよび／または流体圧力で構成することが可能である。

アーマチャを図１の位置に戻すことが要求されるとき、主コイル８に送るすべてのパルスを中断させて、戻り力が作動力を上回るまでソレノイドからの作動力を低下させ、アーマチャが図１の位置に戻るようにする。この際の速度を高めるには、主コイル用の電子駆動回路に主コイル内の電流を急激に減少させる措置を施すことが有利である。たとえば、ダイオードＤｍを直列にした半導体スイッチを取り付けることにより、この半導体スイッチの開放動作が、スイッチが閉じたときよりも速く電流を減少させることになる。

状況によっては、電子駆動回路の複雑さを低減することで、アクチュエータのコストを節減することが有利なときもある。このようなとき、図８の回路を採用することが可能である。図８の回路において、トリガー用コイル７はダイオードＤと直列に配置され、この結果、主コイル８を非励磁するときに生成される電圧が、トリガー用コイルに流れる電流を発生させる。コイルのパラメータと半導体スイッチの降伏電圧とを注意深くマッチングさせることにより、主コイル８およびトリガー用コイル７の両方に電流を流し、起動させる作動を生じさせる期間を確保することができる。

図９は、段落［００３２］に記載と同一目的を達成するための代替的方法を示す。主コイル９は、電子駆動回路によって駆動される。主コイルと同じ磁気回路内に第三のコイル１０（励磁コイル）を配置し、主コイルの磁気回路を流れる磁束が、また励磁コイルの磁気回路にも流れるようにする。従って、主コイルと励磁コイルは、トランスのような配置となり、これにより、主コイル内の正の電流変化率が、励磁コイルに正の電圧を誘起させることになる。さらに、主コイル内の負の電流変化率が、励磁コイルに負の電圧を誘起させることになる。トリガー用コイル１１は、励磁コイルと直列に接続されている。従って、主コイルを非励磁にしたとき、トリガー用コイル内に電流が誘導されるので、励磁コイルおよびトリガー用コイル両方の極性と巻き数とを適切に選択しておけば、トリガー用コイルは、永久磁石を消磁させ、起動させる作動を生じさせるような構成にすることができる。ダイオードを図示のようにトリガー用コイルに直列接続することは、主コイル起動時におけるトリガー用コイルへの負電流の誘導を防ぐことができる。こうしないと、この負電流の誘導が、相互インダクタンスのせいで、主コイルの立ち上がり時間を増大させることになる。

本明細書における「備える(to comprise)」というすべての動詞形は、「からなる(to consist of)」および／または「含む(to include)」の動詞形を意味するものと理解すべきである。

本願発明のアクチュエータの概略を示す図である。 図１のアクチュエータの異なる状態を示す図である。 非励磁状態におけるアクチュエータを示す図である。 ソレノイドコイルを励磁したときのアクチュエータを示す図である。 両方のコイルを励磁したときのアクチュエータを示す図である。 アクチュエータの通常操作時における電圧、電流、アーマチャ位置および正味の力を示すタイミング図である。 本願発明のアクチュエータ用の駆動回路を示す図である。 代替の駆動回路を示す図である。 更に代替となる駆動回路を示す図である。

Claims (12)

1. コアと、
   前記コア内のギャップ内を移動可能な強磁性部品と、
   前記ギャップの一つの側に前記強磁性部品を引きつける磁石と、
   前記ギャップの一つの側に磁束を集中させるための磁束集中手段と、
   前記ギャップ内で磁束を発生させるためのソレノイドと、
   前記コアの部分、前記ギャップの部分、および前記強磁性部品と前記コアとの間の別のギャップによって規定される前記ソレノイドの磁気回路と、
   前記コアの別の部分、前記ギャップの別の部分、および前記別のギャップによって規定される磁気回路を有する消磁手段と、を備える電磁アクチュエータであって、
   前記消磁手段は、前記ソレノイドによって発生された磁束を、前記磁束集中手段から前記別のギャップへと方向転換させ、前記移動可能な強磁性部品が、前記ソレノイドの磁力下において前記磁石から離れて移動可能になるように、少なくともその程度まで前記磁石を消磁するように構成された、電磁アクチュエータ。
2. 前記消磁手段が、前記ソレノイドの待ち時間よりも更に短い待ち時間を有するコイルを備える、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ソレノイドおよび前記コイルの各々が、各磁気回路の重複する部分において同一方向の磁束を発生するように、前記ソレノイドおよび前記コイルに電圧パルスを供給するように構成された電子駆動回路を含む、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. デジタルコントローラは、前記駆動回路に信号を送るような構成であって、前記アクチュエータの作動が要求される時間より前に前記ソレノイドを励磁し、前記ソレノイドの後に前記コイルを励磁するように構成されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. デジタルコントローラは、前記駆動回路に信号を送るような構成であって、前記アクチュエータの作動が要求される可能性がある時間より前に前記ソレノイドを励磁し、この後、前記アクチュエータを作動させる決定に対応するときだけ前記コイルを励磁するように構成されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
6. 前記ソレノイドの磁気回路内に配置された励磁コイルを備え、前記励磁コイルは前記消磁手段用コイルと直列に接続される、請求項２に記載のアクチュエータ。
7. 前記磁束集中手段は、前記ソレノイドの方向に、前記磁石または隣接する強磁性部品のテーパーを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
8. 軸に関して実質的に対称である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. 面に関して実質的に対称であり、少なくとも二つのコアと二つの磁石とを、前記面の各側に１つずつ備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアクチュエータの前記移動可能な強磁性部品に取り付けられたバルブ部材を備える、流体作動用機械のためのバルブ配置。
11. 内部の流体が、流体作動用機械の一つ以上の作動用チャンバーに対して、流入、流出、または同時に流入出し、請求項１０に記載のバルブ配置によってある程度制御される、流体作動用機械。
12. 前記アクチュエータは、請求項５に記載のアクチュエータであり、前記デジタルコントローラは、流体作動用機械の回転シャフトに同期化された、請求項１１に記載の流体作動用機械。

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