(57)【要約】【課題】可動鉄心が固定鉄心に吸着されたとき適切な吸引力を発生し、吸引開始時の吸引力を大きくした小型高感度の電磁石を提供する。【解決手段】固定鉄心２１に形成した円錐台空洞に、可動鉄心１１の円錐台鉄心を吸引する電磁石において、円錐台空洞の最小径頂面及びその軸方向隣接部を非磁性体とし、可動鉄心１１と固定鉄心２１の吸着位置を規定するストッパ１４を設け、固定鉄心２１と可動鉄心１１の吸着位置における動作間隙パアミアンス値と摺動間隙パアミアンス値との比を０．７〜４の範囲内に定め、かつ、円錐台可動鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度θを７５〜８５度とする。【選択図】        図１
2005116554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定鉄心又は可動鉄心の一方に形成した円錐台空洞とこれに対向する同軸の他方の円錐台鉄心を設けた電磁石において、円錐台空洞の最小径頂面及びその軸方向隣接部を非磁性体とし、可動鉄心と上記固定鉄心との吸着位置を規制するストッパを設け、かつ、鉄心磁路の磁気飽和を発生しない所定起磁力における固定鉄心と可動鉄心の吸着位置の動作間隙パアミアンス値と摺動間隙パアミアンス値との比を一定範囲内に定めたことを特徴とする高感度電磁石。
【請求項２】
前記比の一定範囲は電磁石の所要ストロークに応じて０．７〜４であることを特徴とする請求項１記載の高感度電磁石。
【請求項３】
前記円錐台の円錐面と軸直交面との傾斜角度を７５〜８５度としたことを特徴とする請求項１又は２記載の高感度電磁石。
【請求項４】
前記円錐台空洞の大径に対して、前記円錐台鉄心に連設する円柱状鉄心径を同一寸法又は小径としたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高感度電磁石。
【請求項５】
前記円錐台空洞の円錐面と軸直交面との傾斜角度に対して、前記円錐台鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度を大きく設定したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の高感度電磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度電磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５に従来のプランジャー型電磁石の模式構造断面図を示した。上半分は可動鉄心１１ａが作動しない状態、下半分は可動鉄心１１ｂが固定鉄心２１に吸着された状態を示している。図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）は可動鉄心１１の作動工程を示す説明図である。
【０００３】
プランジャー型電磁石の発生する吸引力の近似値は、図１５、図１６に掲げる従来技術の電磁石の模式構造断面図を参照して、周知の下記の式で算定することができる。
【０００４】
【数１】
2005116554.tif 000003
Ｆx：ストローク方向の動作間隔がｘの位置における可動鉄心に作用する吸引力
Ｕx：ストローク方向の動作間隔がｘの位置における可動鉄心に作用する起磁力
Ｐ：電磁石磁路のパアミアンス値
ｘ：ストローク方向の可動鉄心と固定鉄心との動作間隔
ｈ：電磁石の全ストローク長
ｒm：鉄心の円錐台部空洞挿入部の平均半径
θ：円錐台鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度
また、図６に掲げる電磁石磁路の等価電気回路図を参照すれば、下記の関係式が成立する。
【０００５】
【数２】
2005116554.tif 000004
Φ：電磁石の磁路を通過する磁束
Ｕ：電磁石のコイル通電による起磁力
Ｕs；摺動間隙に作用する起磁力
Ｕi；動作間隙を形成する鉄心磁路に作用する起磁力
Ｕx：ストローク方向の動作間隔がｘの位置における動作間隙に作用する起磁力
Ｐs：摺動間隙のパアミアンス値
Ｐi：動作間隙を含む鉄心磁路のパアミアンス値
Ｐx：ストローク方向の動作間隔がｘの位置における可動鉄心の動作間隙のパアミ
アンス値
ここで、ｋ＝（Ｐx／Ｐs）を電磁石磁路のパアミアンス比、η＝（１／１＋ｋ）を電磁石の起磁力係数と定義し、上記式で電磁石の鉄心磁路の磁気飽和が発生しないとして、
ｋ≒ｋ1≒ｋ2
即ち
Ｐi／Ｐs≒Ｐx／Ｐi
が成立すると仮定し
【０００６】
【数３】
2005116554.tif 000005
式の成立を想定する。
【０００７】
ここで電磁石磁路の磁束密度を１．２ｗｂ／ｍ2以下の範囲に設定する試作実験によって、上記想定式が近似的に成立することが確認できる。
【０００８】
また上記（２）式に従って、パアミアンス比ｋ値の変化に伴う起磁力係数ηとη2の変動状況を算定し、動作間隙の起磁力Ｕx／Ｕの値のグラフを作成すると図７に示すとおりである。
【０００９】
図１５は従来の電磁石の断面図を示すもので、中心線より上側はコイル３１が励磁されていない状態（可動鉄心１１が始動時の状態（１１ａ））を示し、中心線より下側はコイル３１が励磁され、可動鉄心１１が固定鉄心に吸着されている状態（１１ｂ）を示すものである。なお、図１５において、固定鉄心２１及び可動鉄心１１の動作間隙は円錐台形の空所と突起が形成する空間２４となっている。固定鉄心２１、ヨーク２２、２３、可動鉄心１１は磁路を形成しており、ボビン３２に巻回されたコイル３１は、磁路に磁束を発生させる。
【００１０】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は従来の電磁石の可動鉄心１１と固定鉄心２１の位置関係を示す断面図で、図１６（ａ）は可動鉄心１１の始動時の位置関係を示しており、図１６（ｂ）は可動鉄心１１の吸引動作の途中の位置、図１６（ｃ）は可動鉄心１１と固定鉄心２１が吸着した時の状態を示している。
【００１１】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に掲げた従来技術の電磁石の作用説明図を参照して、従来技術の問題点を説明すると次の通りである。
【００１２】
Ａ）従来の電磁石は、可動鉄心１１と固定鉄心２１との動作間隙δxの鉄心相互間の機械的摩擦を避け、可動鉄心１１の運動を円滑に行うために、両鉄心１１，２１の吸着時（ｘ＝０のとき）の円錐台と円錐台空所の円錐磁極面間に、図１６（ｃ）に図示する微小間隙ｃ、例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の隙間が生ずるようにしている。
【００１３】
Ｂ）また摺動間隙の間隙寸法はできるだけ小さくすることが望ましいが、電磁石コイルを固定する便宜上、可動鉄心１１の外周とボビン３１の内径との隙間及びボビン３１の内周側肉厚との合計寸法、すなわち摺動間隙離隔長ｄ（図１５参照）を微小化するには限度があり、通常０．２ｍｍ程度以上の間隙を配置する。この摺動間隙のパアミアンスは可動鉄心のストローク方向の位置に関係なく一定値となっている。
【００１４】
Ｃ）従って従来技術の電磁石では、摺動間隙のパアミアンス値Ｐsに対し，可動鉄心の吸引に従って増加する動作間隙のパアミアンス値Ｐxが過大となり、パアミアンス比ｋ＝Ｐx／Ｐsの値が増大し、前記（２）式の動作問隙の起磁力Ｕxが減少し、前記（１）式で算定する吸引力Ｆxが低下する。
【００１５】
Ｄ）また従来技術の電磁石は、動作間隙を形成する円錐台円錐面と軸直交面との傾斜角度θは４５゜〜７０゜程度である。
【００１６】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に図示するように、
δx＝（ｘｃｏｓθ＋ｃ）ｓｉｎθ    ……（３）
で算定する動作間隙離隔寸法δxは、傾斜角度θの増大に従って、上記（３）式の（ｓｉｎθｃｏｓθ）項の数値を減少させ、動作間隙のパアミアンス値Ｐxを増加して前記（２）式の起磁力Ｕxを減少し、その結果前記（１）式の（１／ｓｉｎθｃｏｓθ）項の増大を相殺して、電磁石の吸引力Ｆxを低下させている。
【００１７】
従来技術の電磁石では、傾斜角度θを７０度程度以下に設定し、動作間隙離隔寸法δxを増加させ、上記の吸引力相殺を解消する手段としている。可動鉄心のストローク方向の動作間隔ｘ値とδx値との関係を示すグラフを図９に掲げた。そのδx増大による吸引力改善の効果は、傾斜角度θが６０゜の近傍では図示の横軸ｘ値が１ｍｍ乃至２ｍｍ程度の範囲に限定され、上記の従来技術の問題点の解決手段としては評価し難い。
【００１８】
微小な入力電力で高吸引力を発生する小型軽量な電磁石については、非常に多くの工夫がなされており、動作間隙のパアミアンスに着目した技術もある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１９】
この技術はすぐれた技術であるが、鉄心磁路の磁気飽和についての考慮がなされておらず、また、摺動間隙のパアミアンス値の設定についてもなんら考慮されていなかった。
【特許文献１】特開２００１−１３５５２０号公報（第２−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は電磁石の鉄心磁路の磁気飽和をも十分考慮に入れて検討した結果に基いて開発されたもので、可動鉄心の吸引に対応して、適切な吸引力を発生する小型高感度の電磁石を提供することを目的とするものである。
【００２１】
また、本発明は、吸引開始時の吸引力を選択して所要の吸引特性を発揮する大きくした小型高感度の電磁石を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする高感度電磁石である。すなわち、本発明は、固定鉄心又は可動鉄心の一方に形成した円錐台空洞とこれに対向する同軸の他方の円錐台鉄心を設けた電磁石において、円錐台空洞の最小径頂面及びその軸方向隣接部を非磁性体とし、可動鉄心と上記固定鉄心との吸着位置を規定するストッパを設け、かつ、鉄心磁路の磁気飽和を発生しない所定起磁力における固定鉄心と可動鉄心の吸着位置における動作間隙パアミアンス値と摺動間隙パアミアンス値との比を一定範囲内に定めたことを特徴とする高感度電磁石である。
【００２３】
円錐台空洞の最小径頂面及びその軸方向隣接部とは、円錐台空洞の小径部より外方の小径部と同径の円筒形の部分をいう。また非磁性体としては、空洞（空気が非磁性）とするか、非磁性の物質が充填されている状態をいう。ストッパは、可動鉄心と固定鉄心とが吸着接触する直前に、微小間隔を介して可動鉄心の吸着を妨げる停止機構を云い、例えば可動鉄心の外周にフランジを設け、このフランジが当接する停止部を固定側に設けるとか、可動鉄心の先端部が当接する部分に設けた非磁性体緩衝材等である。
【００２４】
また動作間隙とは、可動鉄心と固定鉄心の吸着面間の間隙を云い、摺動間隙とは可動鉄心の外周と、これに近接したヨークの部分との間隙を云う。ヨークは作動コイルを囲繞し固定鉄心から可動鉄心を通る磁路を形成する部材である。
【００２５】
上記本発明によれば、
（ａ）円錐台形の動作突起の頂面が対向する相手方への鉄心の部分を数ｍｍ以上の軸方向長の非磁性体とすることにより、円錐台傾斜面を主作動面とし円錐台頂面からの漏洩磁束を最小限にすると共に、鉄心磁路の不必要な磁気飽和を防止する。
【００２６】
（ｂ）ストッパを設けることにより、吸着時に適正動作間隙を保持し、ストッパ作動直前に適切な吸引力を得る。
【００２７】
（ｃ）動作間隔パーミアンスと摺動間隙パーミアンスとの比ｋを適正に選択した設計により、吸着時の吸引力の適正化を図る。このｋの値は電磁石の構造、寸法及び所要ストローク等にもよるが０．７〜４とすればよい。
という手段により、可動鉄心と固定鉄心の吸着時の吸引力の値を適正に設定し、小型高感度の電磁石を得ることができる。
【００２８】
また上記電磁石において、前記円錐台可動鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度を７５〜８５度とすると電磁石始動時の好適な吸引力を設定できる。
【００２９】
さらに、前記円錐台空洞の大径に対して、前記円錐台鉄心の大径を同一寸法又は小径とする円柱部径を設定して、吸着開始時の吸引力が適切な小型高感度の電磁石を得ることができる。
【００３０】
また、前記円錐台空洞の円錐面と軸直交面との傾斜角度に対して、前記円錐台鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度を大きく設定して電磁石の吸引力特性を好適に選定することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、小型軽量で、微小電力によって所要の吸引力特性を発揮する高感度電磁石を、安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３３】
図１は本発明の実施例の断面図を示し、中心線より上半分は可動鉄心１１が始動時の状態（１１ａ）、下半分は可動鉄心１１が固定鉄心２１に吸着した時の状態（１１ｂ）を示している。固定鉄心２１は、ヨーク２２、２３を介して連結する柱状可動鉄心１１と磁路を形成している。可動鉄心１１は円柱部１３と鉄心断面縮小部（円錐台部）１２を備えている。コイル３１はボビン３２に巻回されており、可動鉄心が固定鉄心２１に吸着状態（下半分）における動作間隙２５、摺動間隙２６が形成されている。また、可動鉄心１１にはストッパ１４が設けられている。このストッパ１４は可動鉄心１１が吸着されたとき固定側に当接して可動鉄心１１を所定位置に停止させる。
【００３４】
図２は可動鉄心２の円錐台部１２と円柱部１３とに段差のない形式の実施例の模式構造断面図を示したものである。この例は円錐台空洞の大径に対して、円錐台鉄心に連設する円柱状鉄心径を同一寸法又は小径としたものである。図３は固定鉄心２１とヨーク２２との関係形状を変形させた例である。
【００３５】
図４は可動鉄心１１を中空の円筒状にし、その先端側に先開きの円錐台空洞１５を設け、固定鉄心２１の形状を円錐台空洞１５内に挿入する円錐台突起２７としたものである。また図５は、可動鉄心１１を円錐台空洞部１５だけの長さの短いものとし、中空円筒部を省略したものである。ストッパ１４は可動鉄心１１の先頭端部に設けている。
【００３６】
なお、図１に示す実施例では可動鉄心１１の円錐台部１２と円柱部１３とは段差を有しているが、図２〜図３の実施例は図１と同様に可動鉄心が中実の柱状部と円錐台突起とから成る電磁石であって、可動鉄心の柱状部の径を、固定鉄心の円錐台空洞の大径と同一又はそれより小径とした実施例である。
【００３７】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に掲げる従来技術の電磁石の作用説明図を参照して、従来技術の問題点を検討する。図１６（ａ）は可動鉄心１１と固定鉄心２１とがストロークｘだけ離隔した状態を示し、図１６（ｂ）はストローク方向の動作間隙がｘのときの状態を示し、図１６（ｃ）は可動鉄心１１と固定鉄心２１とが吸着した状態、すなわち可動鉄心１１と固定鉄心２１のストローク方向の動作間隙ｘがゼロ（又はその近傍）の状態を示している。
【００３８】
前記（１）式に示すとおり、動作間隙がｘのとき円錐台の円錐面の軸直交面に対する傾斜角度θを一定値とすると、電磁石の吸引力は、円錐台部挿入部鉄心の平均半径ｒmに比例し、動作間隙に作用する起磁力Ｕxの二乗に比例する。平均半径ｒmは図１６（ｂ）、図１６（ｃ）に示すように、円錐台部１２の頂部の円の半径ｒ4と円錐台部１２が円錐台空洞に挿入されている部分の円の最大半径ｒ2の算術平均値である。
【００３９】
さて従来技術では、電磁石部品組立の便宜上、可動鉄心１１の円柱部半径ｒ1と固定鉄心２１の外半径ｒ7とを略同一径として構成することが一般的であり、また円錐台空洞の加工技術の制約から、固定鉄心２１の円錐台空洞の大径側と固定鉄心２１の外周との差は、片肉寸法ｔを０．５ｍｍ以下に成型することは困難と考えられていた。
【００４０】
従って、図１６（ｂ）に示すように、可動鉄心１１の円錐台底部半径ｒ3を、円柱部半径ｒ1に比して縮小した形状とせざるを得なかった。このため、鉄心磁路断面縮小部（図１６（ａ）のｔの近傍部分あるいは円錐台鉄心の頂面近傍部分）に磁気飽和が発生し、また、可動鉄心１１の円錐台部１２の平均半径ｒmの減少等によって電磁石の吸引力が低下するという問題点を招来する。
【００４１】
次に、図８（ａ）〜図８（ｃ）に本発明の作用説明図を掲げた。固定鉄心２１の円錐台空洞頂面に隣接する部分を同一径の柱状空洞とするかまたはこの部分に非磁性体を配設した。この手段は、固定鉄心２１の円錐台空洞の円錐面に磁束を集め、円錐台空洞の頂面からの漏洩磁束をなくすることを目的としている。このことにより、不適切な動作間隙のパアミアンス値の増大を規制すると共に、可動鉄心と固定鉄心間に適切な動作間隙離隔長δxを形成し、両鉄心吸着時の動作間隙に作用する起磁力Ｕxを保証して的確な吸引力を発生させることができる。また、上記両鉄心の吸着位置を規制するストッパを設けた。このストッパとして、固定鉄心２１の円錐台空洞頂面に隣接する部分に円柱状の非磁性体を配置してこの非磁性体に可動鉄心を停止させるストッパを兼用させると好適である。以上の手段により、両鉄心吸着時のパアミアンス値を的確に調整することができる。
【００４２】
次に、本発明では、可動鉄心１１の摺動間隙の対向面積及びまたは摺動離隔長を選定して、両鉄心吸着時の動作間隙パアミアンス値に対する摺動間隙のパアミアンス値の比を選定して、前記の両鉄心吸着時の吸引力を設定する。
【００４３】
図７に、動作間隙起磁力Ｕxの算定グラフを示した。このグラフは電磁石のパアミアンス比ｋ＝Ｐx／Ｐsを横軸にとり、Ｕx／Ｕの値を縦軸にとって描いたものであり、起磁力係数がηのときと起磁力係数がη2のときを示している。動作問隙に作用する起磁力Ｕxは、電磁石のパアミアンス比ｋ＝Ｐx／Ｐsの値が小さいほど増加し、さらに前記（１）式を参照すると、動作間隙に作用する吸引力Ｆxは、種々の試作実験の結果、近似的に起磁力係数ηの２乗に比例して変化することが明らかである。
【００４４】
従って、電磁石磁路の摺動間隙の対向面積及びまたは摺動離隔長（可動鉄心外周とヨークとの隙間寸法）を調整して、仮定磁路法に従って磁路のパアミアンス比ｋ値を選定する手段を適用することにより、前記両鉄心吸着時の所要吸引力の適切な選定を容易に行うことができる。
【００４５】
上記磁路のパアミアンス比ｋ値は、動作間隙のパアミアンス値Ｐxに比例し摺動間隙のパアミアンス値Ｐsに逆比例する。従って摺動間隙の磁極面離隔長に逆比例し、摺動間隙磁極対向面積に比例する。
【００４６】
しかしながら、摺動間隙の離隔長（可動鉄心外周とヨークとの間隙寸法）は、鉄心磁路の磁気飽和を調整する必要と加工上の問題から、通常０．１ｍｍ以下に縮小することが困難であり、また電磁石の外形寸法の制約から、摺動間隙の磁極対向面積の増大にも限度がある。
【００４７】
電磁石の所要設計条件に対応する最適パアミアンス比ｋ値の選定は、前記（１）式の煩雑な演算の繰り返しを実施して最適値を算定することができるが、一般的な電磁石設計のパアミアンス比ｋ値は、所要ストローク長２ｍｍで０．７〜１．５、所要ストローク長６ｍｍの場合には２〜４を基準として、好適な吸引力特性を求めるとよい。
【００４８】
第２の発明の作用について、図１に模式構造断面図を掲げた実施例について、図８（ｃ）に示す動作間隙離隔長δx値の算定グラフ（図９）を参照して説明する。
【００４９】
電磁石の動作間隙離隔長δxの値は、前記（３）式
δx＝（ｘｃｏｓθ＋ｃ）ｓｉｎθ
に従って算定することができる。この値は図９に示すように、可動鉄心と固定鉄心との作動間隙の寸法ｘを横軸にとり、円錐台の円錐面の軸直交面に対する傾斜角度θをパラメータとして動作間隙離隔長δx値算定グラフを作成することができる。
【００５０】
このグラフは、動作間隙のクリアランスｃ値を０．２ｍｍとすれば、電磁石の両鉄心吸着時（可動鉄心と固定鉄心との離隔距離ｘ＝０）の離隔長δo＝０．２ｍｍ点を起点とし、各円錐台の円錐面の傾斜角度θ値に対応する直線で表わされ、それぞれのｘの値に対応する動作間隙離隔長δx値の変化の状態を示すことができる。
【００５１】
動作間隙のパアミアンス値Ｐxは、動作間隙離隔長δx値に逆比例する。図９のグラフに示すように、傾斜角度θが大きいほど動作間隙のパアミアンス値が大きくなり、高吸引力を発生する。しかしその反面、可動鉄心の吸引過程の進行に伴う動作間隙離隔長δx値の減少（動作間隙のパアミアンス値Ｐxの増加）によって起磁力Ｕxが減少し、高吸引力の発生を阻止する作用も増大する。
【００５２】
因みに本発明の条件を適用して試作した電磁石の吸引力特性曲線の例を、図１０〜図１２に掲げた。
【００５３】
まず図１０に掲げる吸引力特性は、ストロークを６ｍｍとした実施例の設計仕様の電磁石において、円錐台の円錐面の軸直交面に対する傾斜角度θを８０度（一定値）として、磁路のパアミアンス比ｋ値をパラメータとし、パアミアンス比ｋ値を２．３乃至４．４の範囲に変更した場合の、それぞれの吸引力特性の変化状況を示すものである。
【００５４】
ｋ＝２．３では吸引時（ｘ＝０近傍）の吸引力は非常に大きいが、磁路のパアミアンス比ｋ値が小さくなると、前記摺動間隙のパアミアンスＰxが増加し、磁束密度の増大によって鉄心磁路の磁気飽和を誘起する。
【００５５】
図１０に示すパアミアンス比ｋ値の設定値が２．３の場合、磁束密度を検討すると磁束密度の値は２．０ｗｂ／ｍ2に達している。鉄心やヨークの材質にもよるが、磁束密度の値が１．５ｗｂ／ｍ2以上では磁気飽和領域である。従って、この場合の吸引力特性は、鉄心磁路の磁気飽和を考慮に入れると、実用的なパアミアンス比ｋ値の設定値は、磁束密度が飽和に達しない３．０乃至４．０の範囲に設定するのがよく、そうすると磁束密度が１．５ｗｂ／ｍ2未満となり、所要の吸引力特性を選定することができるので適切である。
【００５６】
次に、図１１はストロークが４ｍｍの実施例の電磁石において、円錐台の円錐面の軸直交面に対する傾斜角度θを８０．１度（一定値）として、磁路のパアミアンス比ｋ値をパラメータとして描いた吸引力Ｆの変化を示すものである。この場合、ｋ値が１．５より小さい領域では磁気飽和が生ずる。
【００５７】
次に図１２はストロークが１．２ｍｍの実施例の電磁石における傾斜角度８０度における磁路のパアミアンス比ｋ値をパラメータとした吸引力Ｆの変化を示すものである。ｋ値が０．７より小さい領域では磁気飽和が生ずる。
【００５８】
以上のように本発明の実施例の電磁石はストロークと、ストロークの進行に伴う吸引力の変化に応じて、パアミアンス比ｋ値はそれぞれ適切な値が存在し、総合すると０．７〜４の範囲において、好適である。すなわち、コイル通電による起磁力Ｕとストロークに応じて、０．７〜４の範囲内の適切な値を採用することにより磁気飽和を生ずることなく吸引力を高めた高感度の電磁石を得ることができる。
【００５９】
図１３に傾斜角度θ値選定グラフを掲げた。図１３はｘを横軸にとり実施例の電磁石においてパアミアンス比ｋ値を３．３（一定値）とし、傾斜角度θをパラメータとして７５〜８４度の範囲で変更し、吸引力Ｆxを描いたものである。図１３に示すように、電磁石の可動鉄心始動時（ｘ＝６ｍｍ）に所要の高吸引力を発生して、可動鉄心吸引過程（ｘ＝６→０へ移動過程）でも適切な吸引力の発生を保証する円錐台鉄心円錐面の傾斜角度θの最適値は８２〜８４度であり、高感度電磁石の設計に当たっては、傾斜角度θを適切に選定することが必要である。
【００６０】
上記の最適傾斜角度θの選定は、電磁石の所要設計条件に対応して、前記（１）式の繰り返し演算によって算定することができ、電磁石の形状、寸法その他の条件に対応して７５度以上８５度以下の範囲に選定すると好適である。
【００６１】
なお、円錐台空洞の円錐面と軸直交面との傾斜角度に対して、円錐台鉄心の円錐面と軸直交面との傾斜角度を若干大きく設定して、吸引力特性の改善を図ることができる。図１４はこれを示すもので、円錐台空洞１５の軸直交面との傾斜角度θ2に対して円錐台鉄心の円錐台１２の円錐面と軸直交面との傾斜角度θ1との関係をθ1＞θ2とすることにより、吸引力特性が改善される。
【００６２】
ここで、傾斜角度θの増加に伴う鉄心磁路の磁束密度の増大は、パアミアンス比ｋ値が一定値であるため、傾斜角度８４度ではの場合には鉄心磁路の磁気飽和を誘起せず、傾斜角度８５度を超過すると磁気飽和の影響を考慮する必要が生ずる。
【００６３】
従って、実用的な円錐台傾斜角度の設定値は、７５度乃至８５度の範囲として、始動時（ｘ＝６ｍｍ）に所要の吸引力を発生する電磁石の吸引力特性を選定することができる。
【００６４】
以上のように、本発明によれば適切なパアミアンス比ｋ値の設定によって両鉄心吸着時の吸引力を適切に選定し、そして適切な円錐傾斜角度θの設定によって始動時の適正な吸引力を選定して、電磁石の所要の吸引力特性を選択することができる。
【００６５】
さて、図２及び図３に示す本発明の実施例では、図１に示す実施例と異なり、可動鉄心の円柱状部１３の径が固定鉄心２１の円錐台状空洞の底面径と同一径、またはより小径に形成されている。この例は電磁石の外形寸法を縮小し、所要吸引力の発生を可能とする電磁石構成の実施例を示している。
【００６６】
すなわち図２の模式構造断面図を参照して、磁束の通過する半径ｒmの円錐台磁路断面積と、動作間隙磁路断面積（半径ｒmで軸方向長ｈの磁極面の面積）を等しくすると、
πｒm2＝２πｒmｈ    ｒm＝２ｈ
となる。
【００６７】
ここで、鉄心磁路の磁束密度許容値を１．５ｗｂ／ｍ2以下、そして動作間隙磁束密度を鉄心磁束密度許容値の半分である０．７５ｗｂ／ｍ2以下に設定し、鉄心磁路の磁束密度を均等化すると、上記式を下記の実用的な式に変換することができる。
【００６８】
ｒm＝ｈ    ……（４）
例えば、電磁石鉄心磁路の磁気飽和の影響を考慮して、円錐台頂面を同一径の柱状空洞または柱状非磁性体に形成すると、鉄心磁路の各部分の磁束密度の均等化を図ることができ、電磁石の円錐台鉄心を形成する柱状鉄心の半径を、所要ストローク長と略同一に縮小し、電磁石の小型軽量化を容易に実施できることを示す。
【００６９】
図１０〜図１３に掲げる電磁石吸引力特性曲線のグラフ及び上記（４）式を参照して、下記の結論を取り纏めることができる。
【００７０】
（１）電磁石の吸着時（ｘ＝近傍）の吸引力は、磁路のパアミアンス比ｋ値が小さいほど大きい。しかし、過少なパアミアンス比ｋ値の設定では、動作間隙に作用する起磁力Ｕxの減少を招き、電磁石の両鉄心吸着時の吸引力を低下させる。
【００７１】
（２）電磁石の始動時（ｘ＝６ｍｍ）の吸引力は、円錐台の円錐面の軸直交面に対する傾斜角度θの設定値が９０度に接近するほど高吸引力を発生するが、同時に動作間隙に作用する起磁力Ｕxの減少を招き、磁気飽和により電磁石の吸引力特性を却って低下させる恐れが発生する。
【００７２】
（３）これらの事情を勘案して、それぞれの所要ストローク長に対応する、磁路のパアミアンス比ｋ値の選定と、円錐台の円錐角θ値の適切な設定によって、容易に電磁石の所要吸引力特性を選択をすることができる。
【００７３】
（４）一般的な電磁石では、電磁石の所要ストローク長に対応して、電磁石磁路のパアミアンス比ｋ値を０．７〜４の範囲とし、円錐台の円錐面の傾斜角度θを７５度以上８５度以下の範囲に選定することが望ましい。
【００７４】
（５）円錐台空洞の頂面を同一径の柱状空洞または柱状非磁性体に形成し、鉄心磁路の磁束密度の均等化を図り、電磁石の鉄心径を所要のストローク長と略同一の寸法に縮小すれば電磁石の小型軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施例の電磁石の構造を示す断面図である。
【図２】実施例の電磁石の構造を示す断面図である。
【図３】実施例の電磁石の構造を示す断面図である。
【図４】実施例の電磁石の構造を示す断面図である。
【図５】実施例の電磁石の構造を示す断面図である。
【図６】電磁石磁路の等価回路図である。
【図７】Ｕxの算出グラフである。
【図８（ａ）】実施例の作用説明図である。
【図８（ｂ）】実施例の作用説明図である。
【図８（ｃ）】実施例の作用説明図である。
【図９】δx値算出グラフである。
【図１０】吸引力のグラフである。
【図１１】吸引力のグラフである。
【図１２】吸引力のグラフである。
【図１３】吸引力のグラフである。
【図１４】実施例の傾斜角度の関係を示す説明図である。
【図１５】従来技術の断面図である。
【図１６（ａ）】従来技術の作用説明図である。
【図１６（ｂ）】従来技術の作用説明図である。
【図１６（ｃ）】従来技術の作用説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０    電磁石
１１（１１ａ，１１ｂ）    可動鉄心
１２    円錐台部
１３    円筒部
１４    ストッパ
１５    円錐台空洞
２１    固定鉄心
２２、２３    ヨーク
２４    凹凸空洞部
２５    動作間隙
２６    摺動間隙
２７    円錐台突起
３１    コイル
３２    ボビン
【図１】
2005116554.tif 000006
【図２】
2005116554.tif 000007
【図３】
2005116554.tif 000008
【図４】
2005116554.tif 000009
【図５】
2005116554.tif 000010
【図６】
2005116554.tif 000011
【図７】
2005116554.tif 000012
【図８（ａ）】
2005116554.tif 000013
【図８（ｂ）】
2005116554.tif 000014
【図８（ｃ）】
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【図９】
2005116554.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2005116554.tif 000019
【図１３】
2005116554.tif 000020
【図１４】
2005116554.tif 000021
【図１５】
2005116554.tif 000022
【図１６（ａ）】
2005116554.tif 000023
【図１６（ｂ）】
2005116554.tif 000024
【図１６（ｃ）】
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