(57)【要約】 【課題】  従来の電磁石は、強磁性体でない固定部材を使用して強磁性体の薄板を積層して鉄心を組立てるため、組立に手間がかかった。【解決手段】  強磁性体の板材を積層した積層部３Ｄと、積層部３Ｄを嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部３Ｂと、積層部３Ｄまたは嵌め型部３Ｂの何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線３Ｅとを備え、積層部３Ｄ、嵌め型部３Ｂ及び吸着する強磁性体である可動子４とで磁気回路を構成する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えた電磁石。
【請求項２】
強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記積層部、前記嵌め型部及び吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とする電磁石。
【請求項３】
前記可動子を吸着した状態で前記可動子と前記積層部とが接しないことを特徴とする請求項２に記載の電磁石。
【請求項４】
前記嵌め型部が２個の脚部と該脚部の間をつなぐ連結部とを有し、前記積層部が前記脚部の間に所定の間隔を持って配置され前記連結部と接する本体部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁石。
【請求項５】
前記積層部が前記脚部の内側の少なくとも一部に接する脚内側部を有し、該脚内側部と前記本体部とが所定の間隔を有することを特徴とする請求項４に記載の電磁石。
【請求項６】
所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えた電磁石。
【請求項７】
所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記鉄心と吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とする電磁石。
【請求項８】
対向して配置された２個の請求項１〜請求項７の何れか一に記載の電磁石と、該電磁石の間に配置された強磁性体の可動子と、該可動子の位置の変化を操作対象装置に伝える伝達部とを備えた電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁石及びこれを用いた電磁アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁石は、積層した電磁鋼板からなるコアをハウジング部材などで挟み、コアとハウジング部材に開けた穴に棒を通してリベットなどで固定している。（例えば、特許文献１を参照）
また、積層した電磁鋼板からなるコアに形状特徴部を設け、この形状特徴部を取り囲むようなハウジングを鋳造してコアをハウジングに固定する方法もある。（例えば、特許文献２を参照）
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６０６３４号公報
【特許文献２】特開平１１−２６０６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電磁石は、強磁性体の板材のコア（鉄心）を固定部材により組立てるため、組立に手間がかかった。棒を通してリベットで固定する場合には、棒を通す穴の位置を揃えて電磁鋼板を固定架台などに固定して棒を通してリベットを止めるなどの手間がかかる。鋳造による場合は、鋳型を用意するなど製造設備も多く必要になり、製作の手間はより大きくなる。アルミ合金などの鋳造可能な材料でなければならないという制約もある。
【０００５】
また、強磁性体の板材のコアを一体化するために例えば棒やリベットなど何らかの部品を付加する必要があり、さまざまなニーズに対応する電磁石の設計が複雑になっていた。さまざまなニーズの例としては、小型で強力な電磁石、装着スペースの形状が特殊な電磁石、所定の耐衝撃強度と吸着力の強さを備えた電磁石などが考えられる。強磁性体の板材のコアを一体化するために何らかの部品が必要な場合には、必要な吸着力を発生するために必要となる起磁力、鉄心の断面積と形状、空隙距離などの検討に加えて、一体化の方法と部品の形状も検討する必要があり、強磁性体の板材のコアを一体化するための部品を必要としない場合と比較して、電磁石の設計がより複雑になる。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、製作と設計が容易な電磁石を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る電磁石は、強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えたものである。
【０００７】
また、強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記積層部、前記嵌め型部及び吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とするものである。
【０００８】
さらに、所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えたものである。
【０００９】
さらにまた、所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記鉄心と吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る電磁石は、強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えたものなので、簡単に製作できるという効果が有る。
【００１１】
また、強磁性体の板材を積層した積層部と、該積層部を嵌め込んで固定する強磁性体の嵌め型部と、前記積層部または前記嵌め型部の何れか少なくとも一に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記積層部、前記嵌め型部及び吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とするものなので、簡単に製作できるという効果が有る。
【００１２】
さらに、所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備えたものなので、簡単に製作できるという効果が有る。
【００１３】
さらにまた、所定の厚さの強磁性体のブロック材を重ねて固定した鉄心と、該鉄心に巻きつけられ磁化電流を流す巻線とを備え、前記鉄心と吸着する強磁性体である可動子とで磁気回路を構成することを特徴とするものなので、簡単に製作できるという効果が有る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
この発明に係る電磁石を、自動車などに搭載されるガソリンエンジンなどの内燃機関のバルブの開閉を行う電磁アクチュエータに適用した場合で説明する。水平に配置した電磁アクチュエータ１とその制御対象装置であるバルブ２の断面図を、図１に示す。なお、電磁アクチュエータ１の構成要素の説明における上下左右は、図１における位置関係である。実際に電磁アクチュエータ１を使用する場合には、任意の方向に向けて使用できる。
図１において、左側に電磁アクチュエータ１があり、右側にバルブ２がある。電磁アクチュエータ１は、対向して配置された電磁石３１と電磁石３２と、この電磁石３１と電磁石３２の間に配置された強磁性体の可動子４と、この可動子４の右側に連結され右側の電磁石３１の中央に設けられた貫通穴３Ａを通る伝達部である可動軸５と、電磁石３１と電磁石３２を固定するハウジング６と、可動軸５を中に通して取付けられる開弁用バネ７と、ハウジング６との間で開弁用バネ７を挟んで所定の長さだけ縮めた状態とする可動軸５の端部に取付けられたバネ止め板７Ａとから構成される。
【００１５】
右側の電磁石３１を開弁用の電磁石３１と呼び、左側の電磁石３２を閉弁用の電磁石３２と呼ぶ。なお、開弁用（右側）と閉弁用（左側）のどちらとも限定しない場合は、電磁石３と表記する。電磁アクチュエータ１がバルブ２に取付けられていない状態では、開弁バネ７が縮められた状態から元に戻ろうとするので、可動子４は開弁用の電磁石３１と接触している。
可動子４および可動軸５を装着した開弁用の電磁石３１をハウジング６に装着できるように、ハウジング６の右面には可動軸５を収容できる切欠き６Ａがある。図１ではこの切欠き６Ａが上側にあり、可動子４および可動軸５を装着した開弁用の電磁石３１は、上側から可動軸５を切欠き６Ａに通してハウジング６内の所定の位置に装着される。
【００１６】
バルブ２は、シリンダ９にあるバルブ穴９Ａを開閉するためのものである。バルブ２のステム２Ａが、シリンダ９の内側からステムガイド９Ｂを通ってシリンダ９の外に出ている。ステムガイド９Ｂは、ステム２Ａの方向がズレないようにガイドする筒である。閉弁用バネ８が、ステム２Ａを中に通しシリンダ９の外側とステム２Ａの端部に取付けられたバネ止め板８Ａに挟まれて、所定の長さだけ縮めた状態でシリンダ９に取付けられている。電磁アクチュエータ１を取付けない状態では、閉弁用バネ８によりバルブ２は閉じている。
【００１７】
可動子４が吸着されて接触する面を上に向けた場合の電磁石３の斜視図を、図２に示す。開弁用の電磁石３１を図２(a)に、閉弁用の電磁石３２を図２(b)にそれぞれ示す。図２(a)のＡ−Ａ断面における断面図を図３に示す。また、図２(a)と図２(b)のＢ−Ｂ断面における断面図を図４に示す。図４などのようにＢ−Ｂ断面での断面図は、電磁石３１と電磁石３２のどちらでもよいので、その符号を３とする。なお、図１の断面図は、図３と図４のＣ−Ｃ断面に相当する。
図２〜図４に示すように、電磁石３は電磁軟鉄製の塊状の嵌め型部であるヨーク３Ｂと、ヨーク３Ｂの溝３Ｃに圧入して嵌め込んで固定した両面に絶縁膜を付加した電磁鋼板を積層した積層部である積層コア３Ｄと、積層コア３Ｄに巻きつけられた巻線３Ｅと、巻線３Ｅに磁化電流を流す直流電源３Ｆ（図示せず）と、巻線３Ｅと直流電源３Ｆの間にあるスイッチ３Ｇ（図示せず）とから構成される。スイッチ３Ｇは、バルブ２を適切に開閉できるように入切を制御される。
【００１８】
ヨーク３Ｂの斜視図を図５に示す。開弁用の電磁石３１のヨーク３Ｂを図５(a)に、閉弁用の電磁石３２のヨーク３Ｂを図５(b)にそれぞれ示す。ヨーク３Ｂの外形は直方体であり、２個の脚部とこれら脚部の間をつなぐ連結部とで囲まれた空間３Ｈがある。開弁用の電磁石３１では、図５(a)に示すように、この空間３Ｈの中央部分に貫通穴３Ａを有する四角柱体３Ｊがある。
ヨーク３Ｂと積層コア３Ｄとを合わせた断面は、図３と図４に示すように、アルファベットの『Ｅ』の字を左に９０度回転させたような形状（左回転Ｅ字状と呼ぶ）である。積層コア３Ｄは左回転Ｅ字状の真中の棒に相当し、ヨーク３Ｂの脚部の間に積層コア３Ｄは所定の間隔を持って配置される。ただし、積層コア３Ｄの長さはヨーク３Ｂの脚部の長さよりも僅かに短い。ヨーク３Ｂだけで構成されるＡ−Ａ断面の部分では、図３に示すように、ヨーク３Ｂが左回転Ｅ字状の断面を有する。ただし、貫通穴３Ａがあるので、図面上ヨーク３Ｂの切断面は貫通穴３Ａの両側に分離された形になっている。
【００１９】
積層コア３Ｄの断面は、図４に示すように、アルファベットの“Ｔ”の字を上下に反転させた形状（逆Ｔ字状と呼ぶ）の横棒の両側に傾斜を持たせた形状である。また、積層コア３Ｄが嵌め込まれるヨーク３Ｂの断面は、カタカナの『コ』の字を右に９０度回転させて内側の両側の下側角に３角形の切欠きがある形状（右回転コ字状と呼ぶ）である。右回転コ字状の２本の縦棒の部分が脚部であり、横棒の部分が連結部である。脚部内側の下側角にある３角形の切欠きが、積層コア３Ｄを嵌め込む溝３Ｃである。ヨーク３Ｂの連結部と脚部の溝３Ｃの内側の面と、積層コア３Ｄの逆Ｔ字状の横棒の下側と両端の傾斜した部分とは、隙間なく接する。
図４に示すように、可動子４、ヨーク３Ｂの脚部と連結部及び積層コア３Ｄとで磁気回路が構成される。
【００２０】
可動子４は、所定の厚さの長方形の強磁性体の板材で、電磁石３の可動子４を吸着する面の外形の長方形の断面の面積よりも僅かに小さく、ヨーク３Ｂの脚部の間の空間３Ｈの面積よりも大きい面積を有する。さらに、積層コア３Ｄの方がヨーク３Ｂの脚部よりも僅かに短いので、可動子４が電磁石３に吸着される場合は、ヨーク３Ｂの脚部に可動子４が接触し、積層コア３Ｄには可動子４が接触しない。つまり、可動子４、ヨーク３Ｂの脚部と連結部及び積層コア３Ｄで構成される磁気回路における空隙は、積層コア３Ｄと可動子４との間の僅かな空隙だけである。
磁気回路における空隙の磁気抵抗は強磁性体の数百倍以上であり、空隙が短いほど磁気回路における磁気抵抗を小さくできる。磁気抵抗が小さいと同じ起磁力で大きな磁束ひいては強い吸着力を得ることができる。逆にいうと、所定の吸着力を得るためには、磁気回路における磁気抵抗を低減するために空隙は所定値以下でなければならない。
可動子４は電磁軟鉄製とし、想定する製品寿命に対して必要十分な期間の間は、電磁石３に繰り返し接触しても破損することがないようにする。
【００２１】
電磁石３の組立ての手順は以下となる。ヨーク３Ｂの両側の溝３Ｃに、積層した電磁鋼板すなわち積層コア３Ｄをカシメ穴（図示せず）により仮に一体化した状態で数トンの力を加えて圧入する。圧入により、積層コア３Ｄとヨーク３Ｂは互いに動かないように固定される。なお、カシメ穴以外の方法で仮に一体化してもよいし、一体に圧入が可能ならば仮に一体化しないで圧入してもよい。
ヨーク３Ｂに積層コア３Ｄが嵌め込まれると、積層コア３Ｄとヨーク３Ｂの間に空間が残るが、この空間に巻線３Ｅを入れて固定する。これにより、巻線３Ｅを積層コア３Ｄに巻きつけた形になる。最後に、スイッチ３Ｇを介して巻線３Ｅを直流電源３Ｆに接続すると、電磁石３が構成できる。なお、巻線３Ｅを積層コア３Ｄに巻いたが、ヨーク３Ｂにも巻いてもよく、ヨーク３Ｂだけに巻いて積層コア３Ｄには巻かないことも可能である。
【００２２】
電磁アクチュエータ１の組立ての手順は、以下のようになる。可動子４と可動軸５とは一体に鋳造しておき、可動軸５は可動子４の片側（図１では右側）に所定の長さだけあり、端部に所定の長さの雄ネジを刻んでおくものとする。図１に戻って、開弁用の電磁石３１の貫通穴３Ａに左側から可動軸５を挿入する。可動軸５をハウジング６の右面の切欠き６Ａに入れて開弁用の電磁石３１を取付け位置に移動させ、開弁用の電磁石３１をハウジング６にネジなどにより固定する。閉弁用の電磁石３２を、開弁用の電磁石３１と対向する位置にハウジング６にネジなどにより固定する。右側から開弁用バネ７を、中に可動軸５を通して一端がハウジング６にあたるまで装着し、さらに縮めた状態で可動軸５の端部にバネ止め板７Ａをナットにより取付ける。
なお、可動軸５は可動子４と別に製作し、可動軸５を可動子４に取付けてもよい。電磁石３をハウジング６に固定したり、バネ止め板７Ａを可動軸５の端部に取付けたりなど、部品を固定または取付ける方法は、必要な強度と精度で固定または取付けできる方法であればどのような方法でもよい。
【００２３】
電磁アクチュエータ１の可動軸５とバルブ２のステム２Ａの軸の中心線を位置と方向とも一致させて、可動軸５とステム２Ａの端部とが接合するように電磁アクチュエータ１をシリンダ９に対して固定する。
２個の電磁石３の吸着力がどちらも働かない場合は、可動子４は開弁用の電磁石３１と閉弁用の電磁石３２の間のほぼ中間に位置するように、重力も考慮して開弁用バネ７と閉弁用バネ８の長さと強さを調整しておく。開弁用バネ７と閉弁用バネ８による力は、この中間位置からの変位量に比例して、変位を小さくする向きに働く。どちらか一方の電磁石３だけが通電する場合は、電磁石３の吸着力と開弁用バネ７と閉弁用バネ８による力と重力を合成した力は、可動子４が開弁用の電磁石３１と閉弁用の電磁石３２の間のどの位置にあっても可動子４を通電した電磁石３に移動させる向きに働く。
【００２４】
以上で構造の説明を終了し、以下では動作を説明する。電磁アクチュエータ１の動作は、従来と同様であるが、以下のようになる。左側の閉弁用の電磁石３２だけを通電すると、可動子４が電磁石３２に吸着され、開弁用バネ７が縮められてバルブ２は閉じる。
バルブ２が閉じた状態で閉弁用の電磁石３２の通電を切ると、開弁用バネ７に押されて加速しながら中間位置まで戻り、中間位置からは減速しながら可動子４が開弁用の電磁石３１の近くまで移動し、そこからは中間位置の方へ戻ろうとする。開弁用の電磁石３１の近くまで移動した時点で開弁用の電磁石３１を通電すると、可動子４が開弁用の電磁石３１に吸着されて、バルブ２が開いたままになる。
バルブ２が開いた状態で開弁用の電磁石３１の通電を切ると、閉弁用バネ８に押されるので、可動子４が閉弁用の電磁石３２の近くまで移動して中間位置の方へ戻ろうとする。閉弁用の電磁石３２の近くまで移動した時点で閉弁用の電磁石３２を通電すると、可動子４が電磁石３に吸着され、バルブ２が閉じたままになる。
【００２５】
このように、開弁用の電磁石３１と閉弁用の電磁石３２の通電を入切することにより、バルブ２の開閉を制御できる。開弁用バネ７と閉弁用バネ８を備えることにより、開弁用の電磁石３１と閉弁用の電磁石３２の通電をうまく制御すれば、可動子４が電磁石３に吸着される際の速度をほぼゼロにでき、可動子４が電磁石３に接触する際の衝撃を、開弁用バネ７と閉弁用バネ８がない場合よりも小さくできる。その理由は、開弁用バネ７と閉弁用バネ８とがない場合には、反対側の電磁石３に吸着された位置から長い距離を加速されながら可動子４が移動するので、可動子４と電磁石３接触する際の速度ひいては衝撃力が大きくなるからである。また、開弁用バネ７と閉弁用バネ８がないと、電磁石３が可動子４を吸着できない場合もある。その理由は、以下である。電磁石３の吸着力は可動子４との空隙距離の２乗にほぼ反比例するので、空隙距離が大きくなると吸着力は急激に減少する。反対側の電磁石３に可動子４が吸着された状態での吸着力が摩擦などによる抵抗よりも小さくなると、電磁石３が可動子４を吸着できなくなる。
【００２６】
開弁用の電磁石３１と閉弁用の電磁石３２の通電を入切することを繰り返すと、積層コア３Ｄとヨーク３Ｂとで構成された磁気回路に流れる磁束が変化することになる。すると、ファラデーの電磁誘導の法則により、積層コア３Ｄとヨーク３Ｂの内部に起電力が発生し、この起電力により積層コア３Ｄとヨーク３Ｂの内部に誘導電流すなわち渦電流が流れる。電磁石３では渦電流はロスになり、電磁石３やほかの部品の温度を上昇させ、動作に適切な温度範囲にするために冷却が必要な場合もある。渦電流ロスは、できるだけ小さい方がよい。
【００２７】
電磁石３におけるロスとしては渦電流ロスのほかにヒステリシスロスも有るが、電磁アクチュエータ１で使用する電磁石３では、ヒステリシスロスは渦電流ロスに対して無視できる。というのは、電磁石３には直流電流が流れるか流れないかの２状態であり、磁化電流がゼロの状態での残留磁束は一定であり、磁化電流の増加と減少で同じ磁化電流での磁束に差が発生するヒステリシス（履歴効果）が有ったとしても非常に僅かである。交流電源の場合は、磁束が正負に変動するので、磁化電流がゼロの場合の磁束が履歴によって正負の異なる値をとることになり、ヒステリシスロスが直流電源の場合よりもかなり大きくなる。
【００２８】
ここで、積層することにより渦電流ロスを低減できる理由を説明する。積層コア３Ｄとヨーク３Ｂの内部で発生する渦電流を流そうとする起電力の大きさは鎖交する磁束の変化の大きさに比例するので、渦電流が流れることが可能な大きなループが形成できるほど、このループに鎖交する磁束とその変化も大きく、このループに発生する渦電流を流そうとする起電力ひいては渦電流ロスが大きくなる。図６に、強磁性体の板材の渦電流ロスを計算する理論的な形状モデルを説明する図を示す。図６で、磁束の方向はＺ軸方向であり、ＹＺ平面に平行で厚さがＤの強磁性体の板材があるとする。この板材のＹ軸とＺ軸の長さは、無限大とする。この場合には、Ｙ軸とＺ軸の単位長あたりの渦電流ロスは、厚さＤの３乗に比例する。磁束に垂直なＸＹ平面で同じ断面積を得るために必要な薄板の枚数は厚さＤに反比例するので、磁束に垂直な面での断面積と磁束密度を同じにした場合の渦電流ロスは、強磁性体の板材の厚さＤの２乗に比例することになる。このことは、長さと幅が厚さよりも十分大きい強磁性体の板材でもほぼ同様に成立する。つまり、渦電流ロスを低減するためには、できるだけ薄い板を積層した方がよいことになる。なお、板材を積層した部材の耐衝撃強度は、当然ながら塊状の部材よりも低い。
【００２９】
可動子４を吸着する電磁石３の渦電流ロスについて考察する。可動子４は電磁石３に繰返し吸着されるので、所定の耐衝撃強度を持つ必要がある。必要な耐衝撃強度を得るためには、可動子４は薄板を積層して構成することはできず、可動子４は必要な強度が得られる厚さの電磁軟鉄製とする。このため、ある程度の渦電流ロスが可動子４で発生する。つまり、電磁石３で発生する全渦電流ロスをゼロに近い値まで低減することはできず、可動子４で発生する渦電流ロス以下には低減できない。このような理由から、磁気回路を構成する可動子４以外の部分をすべて積層することは必ずしも必要ではない。磁気回路を構成する可動子４以外の部分の適切な範囲を積層することを検討して、可動子４以外での渦電流ロスを可動子４での渦電流ロスに対して許容できる比率以下にして、発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えた上で、電磁石３としての諸特性、例えば、吸着力の強さ、耐衝撃強度、サイズが小さいこと、サイズの寸法精度を高くすること、などを高めることを考慮する方が、より有用な電磁石３を設計製作できる場合が多い。なお、電磁石３の吸着力は電磁石３と吸着する対象との空隙距離の２乗に反比例するので、所定の吸着力を実現するためには寸法精度も所定の精度を持つ必要がある。
【００３０】
この実施の形態１の電磁石３は、電磁軟鉄製の塊状のヨーク３Ｂに電磁鋼板の薄板を積層した積層コア３Ｄを圧入により嵌め込んで製作するので、簡単に製作でき、強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が不要であり、可動子４が電磁軟鉄製の塊状のヨーク３Ｂに接触し積層コア３Ｄには接触しないので耐衝撃強度が高く、しかも発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えることができるという効果がある。なお、可動子４以外での渦電流ロスを可動子４での渦電流ロスに対して許容できる比率は、以下の要因を考慮して決める。考慮する要因は、許容できる全渦電流ロス、可動子４での渦電流ロス、電磁石３の周囲温度などの使用環境、必要となる耐衝撃強度、サイズ制約、必要な寸法精度を得ること、コストなどである。
強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が不要であるため、この部材に関して考慮する必要がなく、強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が必要な場合よりも電磁石３の設計が容易になる。
【００３１】
この実施の形態１では、強磁性体の板材を積層した積層部を圧入する方向に板材が垂直になるように嵌め込んだが、所定の角度を持って嵌め込んでもよい。嵌め型部を複数の部材から構成するようにしてもよい。例えば、貫通穴３Ａを有する四角柱体３Ｊをヨーク３Ｂ本体とは別に鋳造して組立てるなどしてもよい。嵌め込む強磁性体の板材を積層した積層部と塊状の嵌め型部の形状は、嵌め込んで固定することができ、電磁石３としての所定の機能を果たせるものならば、どのような形状でもよい。電磁石３の断面形状は左回転Ｅ字状でなくてもよく、用途に適した形状であればよい。電磁石３の外形に関しても、用途に適していればどのような形状でもよい。
【００３２】
強磁性体の塊状の嵌め型部であるヨーク３Ｂと積層部である積層コア３Ｄの材質は、電磁石３としての所定の性能を実現できるものであれば、どのようなものでもよい。強磁性体の板材の表面に絶縁膜を付加したが、絶縁膜を挟んで強磁性体の板材を積層するようにしてもよい。強磁性体の板材をまたがって渦電流が流れないように積層した板材の間が絶縁できるか、渦電流を所定のレベル以下まで低減できるものであれば、どのような方法でもよい。積層面での抵抗が十分大きければ、強磁性体の板材に絶縁膜を付加しなくてもよい。
【００３３】
この実施の形態１では直流電源を使用したが、交流電源を使用してもよい。交流電源を使用する場合には、ヒステリシスロスも評価し必要に応じて低減の対策をとる。
開弁用の電磁石３１は伝達部である可動軸５を通す貫通穴３Ａを有するが、可動軸５を開弁用の電磁石３１の外側を通す場合などは、貫通穴３Ａはなくてもよい。また、可動軸５以外を伝達部として使用してもよい。電磁石３を電磁アクチュエータ１に使用した場合で説明したが、他の用途でも使用できる。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態２による電磁石３の構造を説明する斜視図を、図７に示す。開弁用の電磁石３１を図７(a)に、閉弁用の電磁石３２を図７(b)にそれぞれ示す。また、図７(a)と図７(b)のＢ−Ｂ断面における断面図を、図８に示す。図７(a)のＡ−Ａ断面における断面図は、図３と同じになる。
実施の形態１の場合と相違する点は、図８に示すように、積層部である積層コア３Ｄと嵌め型部であるヨーク３Ｂの断面である。この実施の形態２では、嵌め型部であるヨーク３Ｂの脚部の内側も積層コア３Ｄとしている。ヨーク３Ｂの脚部の内側に接する部分の積層コア３Ｄを脚内側部と呼び、２個の脚部の間に配置される部分の積層コア３Ｄを本体部と呼ぶ。積層コア３Ｄの脚内側部の長さはヨーク３Ｂの脚部よりも僅かに短くしている。また、積層コア３Ｄの下部に下側が広い台形の部分があり、ヨーク３Ｂの溝３Ｃにこの台形の部分が嵌め込まれる。その他の点では、実施の形態１と同じである。
【００３５】
この実施の形態２でも、電磁軟鉄製の塊状のヨーク３Ｂに電磁鋼板の薄板を積層した積層コア３Ｄを圧入により嵌め込んで製作するので、簡単に製作でき、強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が不要であり、可動子４がヨーク３Ｂに接触し積層コア３Ｄには接触しないので耐衝撃強度が高く、しかも発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えることができるという効果がある。
【００３６】
実施の形態２での磁気回路では、積層コア３Ｄの本体部及び脚内側部と可動子４とで構成される部分が存在する。この部分の磁気回路ではヨーク３Ｂが存在せず、磁気回路の磁力線上の長さにおける嵌め型部の割合は０％である。積層コア３Ｄの本体部及び脚内側部と可動子４とで構成される磁気回路の部分が有るため、実施の形態１よりも磁気回路における積層コア３Ｄの部分が多くなる。磁気回路における積層コア３Ｄの部分が多くなることにより、渦電流ロスは実施の形態１の場合よりも少なくなるという効果が有る。
【００３７】
磁気回路における積層コア３Ｄの部分を多くする上では、積層コア３Ｄの脚内側部の幅をできるだけ大きくし、脚内側部の端部で発生する空隙もできるだけ小さい方がよい。脚内側部も含めた積層コア３Ｄの形状は、耐衝撃強度などの諸要素も考慮して総合的に検討して決める。なお、２個の脚部のどちらかだけに積層コア３Ｄの脚内側部が存在するようにしてもよい。脚内側部は脚部の少なくとも一部に接すればよく、嵌め型部の脚部の長さに対する積層部の脚内側部の長さの割合は任意でよい。
これらの点は、他の実施の形態でもあてはまる。
【００３８】
実施の形態３．
実施の形態３による電磁石３の構造を説明する斜視図を、図９に示す。開弁用の電磁石３１を図９(a)に閉弁用の電磁石３２を図９(b)にそれぞれ示す。また、図９(a)と図９(b)のＢ−Ｂ断面における断面図を、図１０に示す。図９(a)のＡ−Ａ断面における断面図は、図３と同じになる。
実施の形態２の場合と相違する点は、図１０に示すように、積層部である積層コア３Ｄと嵌め型部であるヨーク３Ｂの断面である。この実施の形態３では、ヨーク３Ｂの脚部の端に積層コア３Ｄの脚内側部を覆う遮蔽部３Ｋが有る。遮蔽部３Ｋと脚内側部とは隙間なく接し、遮蔽部３Ｋが脚内側部の内側の面に段差なく接続する。このため、可動子４はヨーク３Ｂの遮蔽部３Ｋに接触し、積層コア３Ｄに接触することはない。なお、遮蔽部３Ｋの厚さなども含めたヨーク３Ｂと積層コア３Ｄの形状は、耐衝撃強度や渦電流ロスなどの諸要素を考慮して総合的に検討して決める。
【００３９】
この実施の形態３でも、電磁軟鉄製の塊状のヨーク３Ｂに電磁鋼板の薄板を積層した積層コア３Ｄを圧入により嵌め込んで製作するので、簡単に製作でき、強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が不要であり、可動子４がヨーク３Ｂに接触し積層コア３Ｄには接触しないので耐衝撃強度が高く、しかも発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えることができるという効果がある。
【００４０】
ヨーク３Ｂに遮蔽部３Ｋがあるので、嵌め型部であるヨーク３Ｂの脚部よりも可動子４に近い側に積層コア３Ｄが出ることがないので、電磁石３と可動子４と空隙距離の寸法精度を考慮する上でヨーク３Ｂの寸法精度だけを管理すればよくなる。そのため、実施の形態２よりも寸法精度の管理に要する時間とコストを削減できるという効果がある。また、遮蔽部３Ｋが有る場合の方が無い場合よりも、嵌め込みが強固になる。さらに、可動子４を吸着した状態では磁気回路上の空隙が実施の形態２の場合よりも短くなるので、実施の形態２の場合よりも磁気回路の磁気抵抗が小さくなり、同じ起磁力でも磁束を大きくでき吸着力も大きくなる。
【００４１】
実施の形態４．
実施の形態４による電磁石３の構造を説明する斜視図を、図１１に示す。開弁用の電磁石３１を図１１(a)に、閉弁用の電磁石３２を図１１(b)にそれぞれ示す。図１１(a)のＡ−Ａ断面における断面図を、図１２に示す。また、図１１(a)と図１１(b)のＢ−Ｂ断面における断面図を、図１３に示す。
この実施の形態４では、積層した電磁鋼板からなる積層部である積層コア３Ｄを、電磁軟鉄製の塊状の嵌め型部である３個の固定枠３Ｌに圧入により嵌め込んで、電磁石３を組立てる。積層コア３Ｄの断面は左回転Ｅ字状であり、その底部と２個の脚部を垂直にそれぞれ別の固定枠３Ｌに嵌め込む。開弁用の電磁石３１では、可動軸５が通る貫通穴３Ａを有する電磁軟鉄製の可動軸通過部３Ｍを積層コア３Ｄの中央に挟んでいる点が、閉弁用の電磁石３２とは異なる。積層コア３Ｄを固定枠３Ｌに嵌め込んだ後は、実施の形態１の場合と同様にして、電磁石３と電磁アクチュエータ１を組立てて使用する。
【００４２】
この実施の形態４でも、電磁軟鉄製の塊状の固定枠３Ｌに電磁鋼板の薄板を積層した積層コア３Ｄを圧入により嵌め込んで製作するので、簡単に製作でき、強磁性体の板材を一体化するために特別な部材が不要であり、可動子４が固定枠３Ｌに接触し積層コア３Ｄには接触しないので耐衝撃強度が高く、しかも発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えることができるという効果がある。
【００４３】
この実施の形態４では、３個の嵌め型部である固定枠３Ｌに積層部である積層コア３Ｄの底部と２個の脚部をそれぞれ嵌め込んだ。このように、複数の嵌め型部に積層部の所定の箇所をそれぞれ嵌め込んでもよい。嵌め型部である固定枠３Ｌは、積層部である積層コア３Ｄを嵌め込んで固定することができれば、どのような形状でもよい。嵌め型部には開口部などがあってもよい。嵌め型部に嵌め込む積層部の部位は、用途に適した形状の電磁石３が構成できるならばどの部位でもよい。例えば、２個の脚部ではなくその間の棒状の部分を固定枠３Ｌに嵌め込むようにしてもよい。
これらの点は、積層部と嵌め型部を有する他の実施の形態でもあてはまる。
【００４４】
実施の形態５．
実施の形態５による電磁石３の構造を説明する斜視図を、図１４に示す。この実施の形態５では、電磁軟鉄などの強磁性体の表面に絶縁膜を付加したブロック材を重ねて接着剤などで固定一体化して、鉄心であるブロックコア３Ｎを形成する。
ブロックコア３Ｎを形成した後は、ブロックコア３Ｎの溝に巻線３Ｅを入れて固定するこれにより、巻線３Ｅをブロックコア３Ｎに巻きつけた形になる。以後は、実施の形態１の場合と同様にして、電磁石３と電磁アクチュエータ１を組立てて使用する。
ブロックコア３Ｎと可動子４とが磁気回路を構成し、可動子４が吸着した状態では磁気回路上に空隙が存在しない。
【００４５】
ブロックコア３Ｎと可動子４の寸法を説明する図を、図１５に示す。図１５には、渦電流ロスを計算するための磁気回路の領域の区分も合わせて示す。なお、磁気回路の領域の区分については、後で説明する。図１５(a)が、貫通穴３Ａが無い部分のブロック材である。図１５(b)が、貫通穴３Ａを有する可動軸通過部３Ｍに対応するブロック材である。そして、図１５(c)が可動子４である。図１５では、磁気回路で磁束の向きが変化する箇所に破線を書く。貫通穴３Ａを有するブロック材を中央のブロック材とも呼び、貫通穴３Ａを有しないブロック材を中央以外のブロック材とも呼ぶ。
中央以外のブロック材の厚さを可動子４の厚さＨと同じにし、可動子４とブロック材の各部の寸法をＨの整数倍にし、ブロック材の厚さと幅がＨを越える部分ができるだけ存在しないようにしている。Ｈを越える幅や厚みを持つ部分は、以下である。ブロック材の巻線３Ｅを巻きつける部分の幅は２×Ｈになり、中央のブロック材の厚さも２×Ｈになる。
【００４６】
ブロックコア３Ｎとすることによる渦電流ロスの発生を低減できることを説明する。そのために、以下の変数を定義する。
Ｄ：磁束に垂直な面にある長方形の長い方の辺の長さ。
Ｆ：磁束に垂直な面にある長方形の短い方の辺の長さ。
Ｌ：磁束に平行な長さ。
Ｗ：磁束に垂直な面にある長方形で発生する単位長あたりの渦電流ロス。
Ｋ：磁束に垂直な面にある長方形で発生する渦電流ロスの比例係数。
Ｙ：Ｄ×Ｆ×Ｌの直方体の磁性体で発生する渦電流ロス。
Ｈ：ブロック材の厚さ。可動子４の厚さでもある。
α：可動子４で発生する渦電流ロスと可動子４以外で発生する渦電流ロスの比
【００４７】
渦電流ロスを計算するための前提とする磁束分布を図１６に示す。図１６(a)が正面図、図１６(b)が側面図、図１６(c)が可動子４側から見た平面図、図１６(d)が可動子４でない側から見た平面図である。ここでは、磁束密度が強磁性体の表面及び内部で一様で、電磁石３の外形に平行に磁束が流れると仮定する。渦電流ロスを計算する上では、貫通穴３Ａが存在しないとする。
渦電流ロスを計算するための磁気回路の領域の区分の意味は、以下である。なお、中央以外のブロック材では、図１５(a)においてハッチングした部分が領域Ｂであり、それ以外の部分が領域Ａである。中央のブロック材では、図１５(b)においてハッチングした部分が領域Ｄであり、それ以外の部分が領域Ｃである。
領域Ａ：中央以外の８個のブロック材の、Ｄ＝Ｈ、Ｆ＝Ｈとなる領域。
領域Ｂ：中央以外の８個のブロック材の、Ｄ＝２×Ｈ、Ｆ＝Ｈとなる領域。
領域Ｃ：中央のブロック材の、Ｄ＝２×Ｈ、Ｆ＝Ｈとなる領域。
領域Ｄ：中央のブロック材の、Ｄ＝２×Ｈ、Ｆ＝２×Ｈとなる領域。
領域Ｅ：可動子４。Ｄ＝１０×Ｈ、Ｆ＝Ｈ。
各領域の区分ごとに、Ｌ，Ｗ，Ｙなどに関して、ＬＡなどの変数を定義する。なお、ＬＡは領域Ａの磁束に平行な方向の長さである。
【００４８】
Ｆが無限大の状況では、前述のように以下の関係が成立する。
Ｗ∝Ｄ３                                                          （式１）
比例係数Ｋを使用すると、以下となる。
Ｗ＝Ｋ×Ｄ３                                                      （式２）
Ｙ＝Ｆ×Ｌ×Ｗ＝Ｋ×Ｆ×Ｌ×Ｄ３                                  （式３）
Ｆが有限の値の場合は、渦電流ロスＷは（式１）〜（式３）よりもＤの変化に対する変化の度合いが小さくなる。ここでは仮に、以下であるとする。
Ｗ∝Ｄ２．５                                                      （式４）
Ｗ＝Ｋ×Ｄ２．５                                                  （式５）
Ｙ＝Ｆ×Ｌ×Ｗ＝Ｋ×Ｆ×Ｌ×Ｄ２．５                              （式６）
【００４９】
（式４）において、長方形の長い方の辺の長さＤを変数とする理由は、以下である。Ｄ／Ｆが無限大と同等と扱えるほど大きくない場合は、ＤとＦの両方に関してその変化に対して比例（１乗）以上の関係でＷが変化する。ＤとＦの両方に関してその変化に対してＷの変化が比例するとするならば、Ｆを無限大とした場合でもＷはＤと比例することになる。これは、（式１）でＷがＤの３乗に比例することと矛盾する。
Ｄの変化に対して比例（１乗）以上の関係でＷが変化することを考慮するために、（式４）を使用する。（式４）ではなくて、ＷがＤとＦの両方を変数とすることも可能であるが、計算を簡単にするために（式４）を使用する。なお、（式４）〜（式６）は、あくまでも定量的な計算の過程を説明するために仮定した計算式である。
【００５０】
領域Ａでは、以下が成立する。正面から見ると、領域Ａは複数の台形に分割できる。台形での磁束に平行な向きの長さは、高さと面積が同じ長方形の長さと同じとして計算する。２個の脚部にそれぞれの磁気回路が構成されるので、ＬＡは以下のようになる。
ＷＡ＝Ｋ×Ｈ２．５                                                （式７）
ＬＡ＝８×（４＋３＋３＋１）×Ｈ＝９６×Ｈ                        （式８）
ＹＡ＝９６×Ｋ×Ｈ２．５                                          （式９）
領域Ｂでは、以下が成立する。正面から見ると、領域Ｂは長方形の一端に二等辺三角形を足した形になる。この二等辺３角形の部分では厳密にはＤの長さが変化するが、ここではＤが変化しないとする。領域Ｂの長さＬＢも、高さと面積が同じ長方形の長さと同じとして計算する。
ＷＢ＝Ｋ×（２×Ｈ）２．５＝５．６６×Ｋ×Ｈ２．５                （式１０）
ＬＢ＝８×（（４＋３）／２）×Ｈ＝２８×Ｈ                        （式１１）
ＹＢ＝５．６６×２８×Ｋ×Ｈ３＝１５８．５×Ｋ×Ｈ２．５          （式１２）
【００５１】
領域Ｃでは、以下が成立する。
ＷＣ＝Ｋ×（２×Ｈ）２．５＝５．６６×Ｋ×Ｈ２．５                （式１３）
ＬＣ＝（４＋３＋３＋１）×Ｈ＝１２×Ｈ                            （式１４）
ＹＣ＝５．６６×１２×Ｋ×Ｈ３＝６７．９×Ｋ×Ｈ２．５            （式１５）
領域Ｄでは、以下が成立する。
ＷＤ＝Ｋ×（２×Ｈ）２．５＝５．６６×Ｋ×Ｈ２．５                （式１６）
ＬＤ＝（（４＋３）／２）×Ｈ＝３．５×Ｈ                          （式１７）
ＹＤ＝５．６６×３．５×２×Ｋ×Ｈ３＝３９．６×Ｋ×Ｈ２．５      （式１８）
【００５２】
領域Ｅでは、以下が成立する。
ＷＥ＝Ｋ×（１０×Ｈ）２．５＝３００．４×Ｋ×Ｈ２．５            （式１９）
ＬＥ＝（３＋２＋１）×Ｈ＝６×Ｈ                                  （式２０）
ＹＥ＝３００．４×６×Ｋ×Ｈ３＝１８０２．４×Ｋ×Ｈ２．５        （式２１）
【００５３】
可動子４で発生する渦電流ロスと可動子４以外で発生する渦電流ロスの比αは、以下のようになる。なお、電磁石３は２個あるが、２個が同時に通電することはないので、１個の電磁石３により渦電流ロスを計算してαを計算する。なお、ブロック材で積層しなければ、αは３以上になる。
α＝（ＹＡ＋ＹＢ＋ＹＣ＋ＹＤ）／ＹＥ
＝（９６＋１５８．５＋６７．９＋３９．６）／１８０２．４＝０．２０１
（式４）〜（式６）により妥当な渦電流ロスが計算でき、αの設計目標値が０．２程度の場合は、厚さＨのブロック材による図１４のブロックコア３Ｎは、αの設計目標値を満足することになる。
なお、実際の渦電流ロスの評価の手順は以下となる。（１）渦電流ロスの計算方法を決める。渦電流ロスの計算方法は、所定の精度を持つ必要がある。（２）必要に応じて対象を領域に区分し、区分ごとの渦電流ロスを計算する。（３）区分ごとの渦電流ロスを積算して全渦電流ロスを求める。必要に応じて、可動子４と可動子４以外での比率などを計算する。
【００５４】
この実施の形態５でも、電磁軟鉄製のブロック材を重ね合わせて接着剤などで一体化して鉄心であるブロックコア３Ｎを形成するので、簡単に製作でき、ブロック材を一体化するために特別な部材が不要であり、可動子４が電磁軟鉄製のブロックコア３Ｎに接触するので耐衝撃強度が高く、しかも発生する全渦電流ロスを許容できる範囲内に抑えることができるという効果がある。
【００５５】
ここでは計算を簡単にするため、ブロックコア３Ｎの各部の寸法と可動子４の厚さをブロック材の厚さＨの整数倍としたが、整数倍でなくてもよい。ブロック材を重ねる方向の長さがブロック材の厚さの整数倍ではない場合は、端数分の厚さのブロック材も重ね合わせるなどする。２種類以上の厚さのブロック材を使用するようにしてもよい。ブロック材の厚さは、所定の耐衝撃強度が得られ、かつ渦電流ロスを所定値以下にするなどの所定の条件から決まる所定の範囲の厚さであれば、どのような厚さでもよい。
【００５６】
ブロック材を電磁軟鉄製としたが、必要な耐衝撃強度が得られ、かつ必要な磁束を発生できるものであれば、ブロック材は鉄以外でもよい。鉄以外によるブロックコア３Ｎも鉄心に該当する。
ブロックコア３Ｎと可動子４の形状と寸法の設計方法は、可動子４で発生する渦電流ロスと可動子４以外で発生する渦電流ロスの比αと、総渦電流ロス、耐衝撃強度、吸着力の大きさなどに対する設計目標値を最初に決めて、それを満足するようにブロックコア３Ｎと可動子４の形状と寸法を決める。その際に、渦電流ロスの評価は、（式６）などのような簡易式により計算してもよいし、より厳密に計算してもよい。（式６）のような簡易式による場合には、Ｆの大きさにより異なる計算式を使用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の電磁石を利用する電磁アクチュエータの断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１での電磁石の斜視図である。図２(a)が開弁用の電磁石であり、図２(b)が閉弁用の電磁石である。
【図３】この発明の実施の形態１での開弁用の電磁石の貫通穴が有る部分での断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１での電磁石の積層コアを圧入した部分での断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１での電磁石のヨークの斜視図である。図５(a)が開弁用の電磁石で使用するヨークであり、図５(b)が閉弁用の電磁石で使用するヨークである。
【図６】強磁性体の板材の渦電流ロスを計算する理論的な形状モデルを説明する図である。
【図７】この発明の実施の形態２での電磁石の斜視図である。図７(a)が開弁用の電磁石であり、図７(b)が閉弁用の電磁石である。
【図８】この発明の実施の形態２での電磁石の積層コアを圧入した部分での断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３での電磁石の斜視図である。図９(a)が開弁用の電磁石であり、図９(b)が閉弁用の電磁石である。
【図１０】この発明の実施の形態３での電磁石の積層コアを圧入した部分での断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４での電磁石の斜視図である。図１１(a)が開弁用の電磁石であり、図１１(b)が閉弁用の電磁石である。
【図１２】この発明の実施の形態４での開弁用の電磁石の貫通穴が有る部分での断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４での電磁石の貫通穴が無い部分で断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態５での電磁石の斜視図である。図１４(a)が開弁用の電磁石であり、図１４(b)が閉弁用の電磁石である。
【図１５】この発明の実施の形態５での電磁石の寸法と渦電流ロスを計算する上での領域の区分を説明する図である。
【図１６】この発明の実施の形態５での電磁石で渦電流ロスを計算する上で前提とする磁束分布である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ：電磁アクチュエータ
２  ：バルブ（操作対象装置）
２Ａ：ステム
３  ：電磁石
３１：電磁石（開弁用）
３２：電磁石（閉弁用）
３Ａ：貫通穴
３Ｂ：ヨーク（嵌め型部）
３Ｃ：溝
３Ｄ：積層コア（積層部）
３Ｅ：巻線
３Ｆ：直流電源 
３Ｇ：スイッチ
３Ｈ：空間
３Ｊ：四角柱体
３Ｋ：遮蔽部
３Ｌ：固定枠（嵌め型部）
３Ｍ：可動軸通過部
３Ｎ：ブロックコア（鉄心）
４  ：可動子
５  ：可動軸（伝達部）
６  ：ハウジング
７  ：開弁用バネ
７Ａ：バネ止め板
８  ：閉弁用バネ
８Ａ：バネ止め板
９  ：シリンダ
９Ａ：バルブ穴
９Ｂ：ステムガイド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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