(57)【要約】  交流電磁石構造は、軸方向に移動可能な円盤状の可動部材と、前記可動部材に対して主ギャップを介して軸方向に隣接した鉄心ヨークと、前記鉄心ヨークに埋設された環状の第１の励磁コイルと、前記第１の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状の第２の励磁コイルと、前記第２の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状のクマトリコイルとを備え、前記クマトリコイルは、前記第２の励磁コイルの外周に隣接し、かつ前記主ギャップに面する位置に配置され、前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、交流電力がそれぞれ入力される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に移動可能な円盤状の可動部材と、
前記可動部材に対して主ギャップを介して軸方向に隣接した鉄心ヨークと、
前記鉄心ヨークに埋設された環状の第１の励磁コイルと、
前記第１の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状の第２の励磁コイルと、
前記第２の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状のクマトリコイルと、
を備え、
前記クマトリコイルは、前記第２の励磁コイルの外周に隣接し、かつ前記主ギャップに面する位置に配置され、
前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、交流電力がそれぞれ入力される
ことを特徴とする交流電磁石構造。
【請求項２】
前記第２の励磁コイルの巻線のアンペアターン数は、前記第１の励磁コイルの巻線のアンペアターン数より大きく、
前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、前記第１の励磁コイルにおける電流の流れる向きと前記第２の励磁コイルにおける電流の流れる向きとが互いに逆になるように、交流電力がそれぞれ入力される
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電磁石構造。
【請求項３】
前記第２の励磁コイルと前記クマトリコイルとは、空気層及び非磁性材の層の少なくとも一方を介して互に隣接され、互に電気的及び磁気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電磁石構造。
【請求項４】
前記鉄心ヨークは、前記第１の励磁コイルと前記第２の励磁コイルとの間に残留磁気防止用のギャップを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電磁石構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電磁石構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、同心形状の電磁石構造においては励磁コイルに直流電力を入力して利用されている。【０００３】
特許文献１には、非駆動時にロータにブレーキをかけるブレーキ付モータにおいて、ヨークに固定されるコイルを、電流が互に逆方向に流れる内外２重コイルとすることが記載されている。これにより、特許文献１によれば、モータの回転駆動時において回転軸内部に達する磁束が少なくなり、ブレーキ外部への磁界の影響を大幅に低減することが可能になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平６−７４０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のブレーキ付モータでは、内外２重コイルが、回転軸を中心とした同心形状の電磁石として機能していると考えられる。このような同心形状の電磁石は、直流電力入力のみに対応しており、産業分野で広く利用されている交流電力には対応していない。したがって、使用に際しては直流電源を別途用意する必要があり、電磁石の利用におけるコストを増加させやすい。【０００６】
仮に、特許文献１に記載の電磁石において、直流電力ではなく交流電力を内外２重コイルのそれぞれの励磁巻線に入力すると、電磁力がゼロからピーク値までの間で大きく変動し、電磁力がゼロとなる瞬間にアーマチュアがバネの付勢力で固定プレートに押し付けられてしまう。これにより、モータが駆動中であるにもかかわらずロータにブレーキがかかってしまうので、実用面で使用に耐えない傾向にある。すなわち、特許文献１に記載の電磁石では、電磁石の利用におけるコストを低減させることが困難である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電磁石の利用におけるコストを低減できる交流電磁石構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる交流電磁石構造は、軸方向に移動可能な円盤状の可動部材と、前記可動部材に対して主ギャップを介して軸方向に隣接した鉄心ヨークと、前記鉄心ヨークに埋設された環状の第１の励磁コイルと、前記第１の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状の第２の励磁コイルと、前記第２の励磁コイルの外側で前記鉄心ヨークに埋設された環状のクマトリコイルとを備え、前記クマトリコイルは、前記第２の励磁コイルの外周に隣接し、かつ前記主ギャップに面する位置に配置され、前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、交流電力がそれぞれ入力されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルによる電磁力の脈動を効果的に抑制でき、可動部材を継続的に駆動し続けることができる。したがって、使用に際しては直流電源を別途用意する必要がないので、電磁石の利用におけるコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる交流電磁石構造の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかる交流電磁石構造の構成を示す斜視断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかる交流電磁石構造の動作を示す磁束線図である。
【図４】図４は、実施の形態１による効果を示す電磁力波形図である。
【図５】図５は、実施の形態２にかかる交流電磁石構造の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる交流電磁石構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１にかかる交流電磁石構造１００について図１及び図２を用いて説明する。図１は、交流電磁石構造１００の構成を示す断面図である。図２は、交流電磁石構造１００の構成を示す斜視断面図である。
【００１２】
交流電磁石構造１００は、交流電力を受けて、可動部材１０２に作用する電磁力を発生させ、可動部材２を軸ＡＸに沿った方向に稼働させる。例えば、交流電磁石構造１００は、可動部材１０２に磁気的吸引力を作用させて、可動部材１０２を軸ＡＸに沿ってヨーク１５０側に近づける。具体的には、交流電磁石構造１００は、可動部材１０２及びヨーク１５０を備える。
【００１３】
可動部材１０２は、軸ＡＸに沿った方向に移動可能に構成されている。可動部材１０２は、円盤状の部材である。可動部材１０２は、例えば圧粉鉄心等を利用して形成されている。これにより、渦電流損による可動部材１０２の発熱を低減できる。
【００１４】
ヨーク１５０は、交流電力を受けて、可動部材１０２に作用する電磁力を発生させる。ヨーク１５０は、鉄心ヨーク１４０、第１の励磁コイル１１０、第２の励磁コイル１２０、及びクマトリコイル１３０を有する。
【００１５】
鉄心ヨーク１４０は、可動部材１０２に対して主ギャップ３を介して軸ＡＸに沿った方向に隣接している。すなわち、鉄心ヨーク１４０は、主ギャップ３を介して可動部材１０２に対向している。鉄心ヨーク１４０は、例えば、可動部材１０２に対応した略円柱形状を有している。鉄心ヨーク１４０は、例えば圧粉鉄心等を利用して形成されている。これにより、渦電流損による鉄心ヨーク１４０の発熱を低減できる。
【００１６】
鉄心ヨーク１４０は、第１の励磁コイル１１０と第２の励磁コイル１２０との間に残留磁気防止用のギャップ１０４を有する。すなわち、鉄心ヨーク１４０における第１の励磁コイル１１０と第２の励磁コイル１２０との間の対向面１４０ｂは、その外側の対向面１４０ａよりも可動部材１０２から離れており、その内側の対向面１４０ｃよりも可動部材１０２から離れている。これにより、鉄心ヨーク１４０において、第１の励磁コイル１１０と第２の励磁コイル１２０との間に残留磁気防止用のギャップ１０４が形成されている。
【００１７】
第１の励磁コイル１１０は、第２の励磁コイル１２０の内側で且つクマトリコイル１３０の内側で鉄心ヨーク１４０に埋設されている。第１の励磁コイル１１０は、軸ＡＸを囲むように環状に延びている。第１の励磁コイル１１０は、例えば、軸ＡＸを中心とする略円筒形状を有している。第１の励磁コイル１１０は、例えば、導体（例えば、アルミニウム又は銅を主成分とする金属や金属間化合物）の巻線で形成されている。第１の励磁コイル１１０は、可動部材１０２側の部分が主ギャップ３に面する。
【００１８】
第２の励磁コイル１２０は、第１の励磁コイル１１０の外側で且つクマトリコイル１３０の内側で鉄心ヨーク１４０に埋設されている。第２の励磁コイル１２０は、軸ＡＸを囲むように環状に延びている。第２の励磁コイル１２０は、例えば、軸ＡＸを中心とする略円筒形状を有している。第２の励磁コイル１２０は、例えば、導体（例えば、アルミニウム又は銅を主成分とする金属や金属間化合物）の巻線で形成されている。第２の励磁コイル１２０は、可動部材１０２側の部分が主ギャップ３に面する。
【００１９】
すなわち、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０は、軸ＡＸを共通の中心とする同心形状を形成している。例えば、第２の励磁コイル１２０は、第１の励磁コイル１１０に対して略一定の間隔を保ちながら第１の励磁コイル１１０を囲むように延びている。このとき、第２の励磁コイル１２０の巻線のアンペアターン数は、第１の励磁コイル１１０の巻線のアンペアターン数より大きくなっている。第１の励磁コイル１１０の巻線と第２の励磁コイル１２０の巻線とは、例えば、直列もしくは並列に結線される。
【００２０】
クマトリコイル１３０は、第１の励磁コイル１１０の外側で且つ第２の励磁コイル１２０の外側で鉄心ヨーク１４０に埋設されている。クマトリコイル１３０は、軸ＡＸを囲むように環状に延びている。クマトリコイル１３０は、例えば、軸ＡＸを中心とする略リング形状を有している。第２の励磁コイル１２０は、例えば、導体（例えば、アルミニウム又は銅を主成分とする金属や金属間化合物）の部材で形成されている。クマトリコイル１３０は、第２の励磁コイル１２０の外周に層１６０を介して隣接している。また、クマトリコイル１３０は、主ギャップ３に面する位置に配置されている。クマトリコイル１３０は、可動部材１０２側の部分が主ギャップ３に面する。
【００２１】
層１６０は、第２の励磁コイル１２０とクマトリコイル１３０との間に挟まれており、第２の励磁コイル１２０とクマトリコイル１３０とを互に電気的及び磁気的に絶縁させる。層１６０は、例えば、空気層及び非磁性材の層の少なくとも一方を含む。
次に、交流電磁石構造１００の動作について図３を用いて説明する。図３は、交流電磁石構造１００の動作を示す磁束線図である。
【００２２】
交流電磁石構造１００において、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０は、交流電力がそれぞれ入力される。具体的には、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０は、第１の励磁コイル１１０における電流の流れる向きと第２の励磁コイル１２０における電流の流れる向きとが互いに逆になるように、交流電力がそれぞれ入力される。例えば、第１の励磁コイル１１０に流れる電流ベクトルの位相と第２の励磁コイル１２０に流れる電流ベクトルの位相との差が１８０度になるように制御されて、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０に交流電力がそれぞれ入力される。
【００２３】
すると、図３に示すように、第１の励磁コイル１１０の巻線は、破線で示す磁束の流れ５を生成し、第２の励磁コイル１２０の巻線は、破線で示す磁束の流れ６を生成する。第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０に交流電力がそれぞれ供給されているので、磁束の流れ５と磁束の流れ６とは動的に大きさ及び向きが変動する。このとき、第２の励磁コイル１２０の巻線のアンペアターン数が第１の励磁コイル１１０の巻線のアンペアターン数より大きくなっているので、第１の励磁コイル１１０による磁束と第２の励磁コイル１２０による磁束との合成された磁束を、容易にクマトリコイル１３０に鎖交させることができる。
【００２４】
これにより、磁束の流れ５及び磁束の流れ６の大きさ及び向きの変動を打ち消すような起電力をクマトリコイル１３０に誘起できクマトリコイル１３０に誘導電流を流すことができ、クマトリコイル１３０は、２点鎖線で示す磁束の流れ７を生成できる。すなわち、クマトリコイル１３０による磁束は残留磁気防止用のギャップ１０４を通らないので、残留磁気防止用のギャップ１０４による起磁力のロスを低減でき、クマトリコイル１３０による磁束を有効に利用することができる。言い換えると、図４に実線で示すように、クマトリコイル１３０による磁束により、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０による電磁力の脈動を効果的に抑制できる。なお、図４は、クマトリコイルが有る場合（実線で示す場合）と無い場合（破線で示す場合）とのそれぞれについて電磁力のシミュレーションを行った結果を示す。これより、クマトリコイルによる電磁力の脈動軽減の有効性を確認できた。
【００２５】
ここで、仮に、図６に示すように、交流電磁石構造１がクマトリコイル１３０（図１参照）を有さない場合について考える。この場合、ヨーク５０において、鉄心ヨーク４０に埋設された第１の励磁コイル１０及び第２の励磁コイル２０による電磁力の脈動が顕著に発生する。交流電磁石構造１において、交流電力を第１の励磁コイル１０及び第２の励磁コイル２０のそれぞれの巻線に入力すると、図４に破線で示すように、第１の励磁コイル１０及び第２の励磁コイル２０による電磁力がゼロからピーク値までの間で大きく変動し、電磁力がゼロとなる瞬間に可動部材２に磁気的吸引力を作用させることができないため、可動部材２を一次的に駆動できなくなってしまうので、実用面で使用に耐えない傾向にある。したがって、使用に際しては直流電源を別途用意して、直流電力を第１の励磁コイル１０及び第２の励磁コイル２０のそれぞれの巻線に入力する必要があり、電磁石の利用におけるコストを増加させやすい。
【００２６】
それに対して、実施の形態１では、交流電磁石構造１００がクマトリコイル１３０を有する。クマトリコイル１３０は、第２の励磁コイル１２０の外周に隣接し、かつ主ギャップ３に面する位置に配置されている。これにより、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０に交流電力がそれぞれ入力された際に、クマトリコイル１３０は、第１の励磁コイル１１０による磁束及び第２の励磁コイル１２０による磁束の大きさ及び向きの変動を打ち消すような磁束を発生させることができる。この結果、図４に実線で示すように、クマトリコイル１３０による磁束により、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０による電磁力の脈動を効果的に抑制でき、可動部材２を継続的に駆動し続けることができる。したがって、使用に際しては直流電源を別途用意する必要がないので、電磁石の利用におけるコストを低減できる。これにより、例えば、安価で、小型、性能、品質ともに優れた交流電磁石を提供することができる。
【００２７】
あるいは、仮に、交流電磁石構造１がクマトリコイル１３０を有する場合（図１参照）であって、第１の励磁コイル１０の巻線のアンペアターン数と第２の励磁コイル２０の巻線のアンペアターン数とが互に等しい場合（図６参照）について考える。この場合、第２の励磁コイル２０による磁束の大きさが第１の励磁コイル１０による磁束の大きさよりも大きいので、第１の励磁コイル１０による磁束と第２の励磁コイル２０による磁束との合成された磁束がクマトリコイル１３０に鎖交しにくい。
【００２８】
あるいは、仮に、交流電磁石構造１がクマトリコイル１３０を有する場合（図１参照）であって、第１の励磁コイル１０の巻線のアンペアターン数が第２の励磁コイル２０の巻線のアンペアターン数より大きい場合について考える。この場合、第２の励磁コイル２０による磁束の大きさが第１の励磁コイル１０による磁束の大きさよりもさらに相対的に大きくなるので、第１の励磁コイル１０による磁束と第２の励磁コイル２０による磁束との合成された磁束がクマトリコイル１３０にさらに鎖交しにくくなる。
【００２９】
それに対して、実施の形態１では、第２の励磁コイル１２０の巻線のアンペアターン数が第１の励磁コイル１１０の巻線のアンペアターン数より大きくなっている。また、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０は、第１の励磁コイル１１０における電流の流れる向きと第２の励磁コイル１２０における電流の流れる向きとが互いに逆になるように、交流電力がそれぞれ入力される。これにより、第１の励磁コイル１１０による磁束と第２の励磁コイル１２０による磁束との合成された磁束を、容易にクマトリコイル１３０に鎖交させることができる。この結果、磁束の流れ５及び磁束の流れ６の大きさ及び向きの変動を打ち消すような起電力をクマトリコイル１３０に誘起できクマトリコイル１３０に誘導電流を流すことができ、クマトリコイル１３０は、磁束の流れ５及び磁束の流れ６の大きさ及び向きの変動を打ち消すような磁束の流れ７を生成できる。すなわち、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０による電磁力の脈動を効果的に抑制できる。
【００３０】
また、実施の形態１では、第２の励磁コイル１２０とクマトリコイル１３０とが、空気層及び非磁性材の層の少なくとも一方を介して互に隣接され、互に電気的及び磁気的に絶縁されている。これにより、第１の励磁コイル１１０による磁束と第２の励磁コイル１２０による磁束との合成された磁束が第２の励磁コイル１２０及びクマトリコイル１３０の間を通りにくくすることができ、第１の励磁コイル１１０による磁束と第２の励磁コイル１２０による磁束との合成された磁束を効果的に（例えば、漏れなく）クマトリコイル１３０に鎖交させることができる。
【００３１】
また、実施の形態１では、鉄心ヨーク１４０が、第１の励磁コイル１１０と第２の励磁コイル１２０との間に残留磁気防止用のギャップ１０４を有する。これにより、鉄心ヨーク１４０の残留磁気による電磁石の開放不良を抑制できる。その一方で、クマトリコイル１３０による磁束は残留磁気防止用のギャップ１０４を通りにくい（図３参照）ので、クマトリコイル１３０による磁束を有効に利用することができる。すなわち、鉄心ヨーク１４０の残留磁気による電磁石の開放不良を抑制できるとともに、第１の励磁コイル１１０及び第２の励磁コイル１２０による電磁力の脈動を効果的に抑制できる。
【００３２】
なお、第１の励磁コイル１１０における主ギャップ３に面する部分、第２の励磁コイル１２０における主ギャップ３に面する部分、及びクマトリコイル１３０における主ギャップ３に面する部分は、それぞれその表面がエポキシ材などの非磁性材で封入されていてもよい。これにより、第１の励磁コイル１１０における主ギャップ３に面する部分、第２の励磁コイル１２０における主ギャップ３に面する部分、及びクマトリコイル１３０における主ギャップ３に面する部分を、それぞれ、酸化等から保護することができる。
【００３３】
実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる交流電磁石構造２００について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
【００３４】
交流電磁石構造２００では、可動部材２０２及びヨーク２５０をそれぞれ中空構造にしている。具体的には、可動部材２０２は、軸ＡＸを中心とした開口２０２ｄを有する。ヨーク２５０の鉄心ヨーク２４０は、軸ＡＸを中心とした貫通孔２４０ｄを有する。可動部材２０２の開口２０２ｄは、鉄心ヨーク２４０の貫通孔２４０ｄに対応している。これにより、回転機器の回転軸を開口２０２ｄ及び貫通孔２４０ｄに通して可動部材２０２が回転軸とともに回転するように構成でき、交流電磁石構造２００を電磁ブレーキとして回転機器の制動用途に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる交流電磁石構造は、電磁ブレーキに有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１、１００、２００  交流電磁石構造
２、１０２、２０２  可動部材
３  主ギャップ
１０、１１０  第１の励磁コイル
２０、１２０  第２の励磁コイル
４０、１４０、２４０  鉄心ヨーク
５０、１５０、２５０  ヨーク
１０４  残留磁気防止用のギャップ
１３０  クマトリコイル
１６０  層
【図１】
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【図２】
2013080274.tif 000004
【図３】
2013080274.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013080274.tif 000007
【図６】
2013080274.tif 000008
【国際調査報告】
2013080274.tif 000009
2013080274.tif 000010