專利名稱：電磁致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于各種工業(yè)設備(例如開關(guān)設備和工業(yè)機器人)的電磁致動器。
背景技術(shù)：
電磁致動器通常由電磁線圈和永久磁鐵組合構(gòu)成，其中，對電磁線圈通電以便移動針，然后，對電磁線圈斷電以便通過永久磁鐵的吸引力將針鎖定在其移動后的位置。
圖6的說明圖表示根據(jù)作為專利文獻1的日本專利公開No.7-37461(1995)中所披露第一傳統(tǒng)示例的電磁致動器。在圖6中，定子101包括框架元件102、固定在框架元件102上的環(huán)形永久磁鐵103、設置在永久磁鐵103的兩側(cè)的第一電磁線圈104和第二電磁線圈105。針106包括芯107和軸108，芯107被設置成可在定子101內(nèi)部水平來回移動，軸108由芯107來支撐。
在所示狀態(tài)中，對第一電磁線圈104提供比第二電磁線圈105的電流還大的電流，則磁通109的量大于磁通110的量。因此，以向左驅(qū)動力使針106向左移動。如果在該狀態(tài)中將第一電磁線圈104和第二電磁線圈105斷電，則通過永久磁鐵103的磁通將針106鎖定在所示位置。
在向右移動針106的情形中，對第二電磁線圈105提供比第一電磁線圈104的電流還大的電流，以削弱永久磁鐵103的磁通，并對針106提供向右的驅(qū)動力。
圖7A和7B的說明圖表示根據(jù)作為專利文獻2的日本專利公開No.2002-289430中所披露第二傳統(tǒng)示例的電磁致動器。圖7A的縱截面圖顯示出針的鎖定解除狀態(tài)，圖7B的縱截面圖顯示剛好在鎖定前的針的狀態(tài)。
定子201包括框架元件202、固定在框架元件202上的環(huán)形永久磁鐵203和設置在永久磁鐵203下方的電磁線圈204。針205包括活塞元件206、擋圈元件207和軸元件208，活塞元件206被設置成可在定子201內(nèi)部垂直來回移動，擋圈元件207被安裝在活塞元件206的頂部邊緣，軸元件208由活塞元件206來支撐。
在圖7A的狀態(tài)中，擋圈元件207所處位置比永久磁鐵203高出許多，因此，由永久磁鐵203的磁通Bm對針205施加的力很小。然而，如果在該狀態(tài)中給電磁線圈204通電，則電磁線圈204的磁通Bc產(chǎn)生向下的驅(qū)動力F0，以使針205下降。
如果針205下降至如圖7B所示狀態(tài)，永久磁鐵203的磁通Bm通過擋圈元件207和活塞元件206的全部長度以與磁通Bc合并。因此，對針205施加的向下驅(qū)動力變得非常強。如果在該狀態(tài)中給電磁線圈204斷電，由于消除了磁通Bc，向下驅(qū)動力減弱。然而，由磁通Bm將針205鎖定在當前位置。
在從圖7B所示鎖定位置向上移動針205的情形中，應進行用于使流過電磁線圈204的電流反向的通電，以便削弱永久磁鐵203的磁通，并對針205施加向上驅(qū)動力。
在上述第一和第二傳統(tǒng)示例中，對于沿相反方向移動被永久磁鐵鎖定的針的情形，使用一個電磁線圈實現(xiàn)削弱永久磁鐵磁通和對針施加驅(qū)動力的兩個作用。為此，對電磁線圈的通電進行一致性控制，以便使流過線圈的電流成為一定的級別或更高。
然而，根據(jù)負載側(cè)的狀態(tài)，并非總是需要對針施加很大的驅(qū)動力。有可能僅通過削弱永久磁鐵的磁通來解除鎖定，并按當前方式將針沿相反方向移動。因此，從能量的有效利用方面看，上述傳統(tǒng)設備還有改進的余地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠通過根據(jù)負載側(cè)的狀態(tài)而改變?nèi)绾螌﹄姶啪€圈供電來提高能量效率的電磁致動器。
為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供了第一結(jié)構(gòu)的電磁致動器，包括針，具有近似圓柱形的活塞元件和安裝在其(活塞元件)底部的擋圈元件，且被設置成在定子內(nèi)部可在鎖定位置和鎖定解除位置之間來回移動；第一電磁線圈，被設置成環(huán)繞活塞元件，并在通電時具有足夠的電磁能量，從而將處在鎖定解除狀態(tài)的針設置在鎖定狀態(tài)；永久磁鐵，具有足夠的吸引力來吸引被第一電磁線圈的電磁能設置在鎖定狀態(tài)的針的擋圈元件，即使當不對第一電磁線圈通電時也能使其保持鎖定狀態(tài)；和第二電磁線圈，在通電時，能夠削弱永久磁鐵的磁通，并將針從鎖定狀態(tài)改變?yōu)殒i定解除狀態(tài)。
在第二結(jié)構(gòu)中，第一結(jié)構(gòu)的定子包括第一定子，在其上安裝有第一電磁線圈，能夠形成由第一電磁線圈生成的磁通的磁路；和第二定子，具有永久磁鐵和安裝在其上的第二電磁線圈，能夠形成由永久磁鐵和第二電磁線圈生成的磁通的磁路。
在第三結(jié)構(gòu)中，第二結(jié)構(gòu)的第一定子包括吸引部分，在吸引部分上形成有用于吸引處在鎖定狀態(tài)的活塞元件的頭部的吸引表面；以及吸引表面的位置從第一電磁線圈軸向長度L1的中心位置沿遠離針的方向上偏離距離L2。
在第四結(jié)構(gòu)中，第三結(jié)構(gòu)的距離L2與軸向長度L1之比(L2/L1)為10～30％。
在第五結(jié)構(gòu)中，根據(jù)第三或第四結(jié)構(gòu)，在第一定子的吸引部分的吸引表面和活塞元件頭部接觸吸引表面的接觸表面的至少其中之一上，形成用于集中磁通的凹陷部分。
在第六結(jié)構(gòu)中，在第五結(jié)構(gòu)的凹陷部分的表面積為吸引表面或接觸表面的30％或更多。
在第七結(jié)構(gòu)中，在第五結(jié)構(gòu)的凹陷部分的直徑為吸引部分或活塞元件頭部的外徑的30％或更多。
在第八結(jié)構(gòu)中，在第五至第七結(jié)構(gòu)的其中一個中的凹陷部分的深度h2為3mm或更小。
在第九結(jié)構(gòu)中，在第一至第八結(jié)構(gòu)的其中一個中的擋圈元件的厚度t1小于永久磁鐵對擋圈元件施加吸引作用的吸引作用表面的徑向?qū)挾萮1。
在第十結(jié)構(gòu)中，在第一至第十結(jié)構(gòu)的其中一個中的活塞元件的內(nèi)部形成減重部分。
在第十一結(jié)構(gòu)中，在第十結(jié)構(gòu)的減重部分的截面積為活塞元件截面積的30％或更多。
在第十二結(jié)構(gòu)中，在第十結(jié)構(gòu)的減重部分的直徑為活塞元件外徑的30％或更多。
根據(jù)本發(fā)明，將電磁線圈分成第一電磁線圈和第二電磁線圈，第一電磁線圈用于對針施加驅(qū)動力，第二電磁線圈用于削弱永久磁鐵的磁通。因此，有可能根據(jù)負載側(cè)的狀態(tài)對兩個電磁線圈合適選擇通電或不通電，以便提高能量效率。


圖1的縱截面圖顯示在根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁致動器的針處在鎖定解除狀態(tài)情形中的結(jié)構(gòu)；圖2的縱截面圖顯示在根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁致動器的針處在鎖定狀態(tài)情形中的結(jié)構(gòu)；圖3的說明圖顯示將圖1所示針向上移動的情形中的磁通分布狀態(tài)；圖4的說明圖顯示將圖2所示針鎖定的情形中的磁通分布狀態(tài)；圖5的說明圖顯示將圖2所示針向下移動的情形中的磁通分布狀態(tài)；圖6的說明圖表示根據(jù)第一傳統(tǒng)示例的電磁致動器；以及圖7A和7B的說明圖表示根據(jù)第二傳統(tǒng)示例的電磁致動器。
具體實施例方式
圖1的縱截面圖顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁致動器的結(jié)構(gòu)，其顯示出針2處在鎖定解除狀態(tài)中的情形。在圖1中，定子1包括第一定子11和第二定子12。
第一定子11由環(huán)形或空心柱形的磁極片111、盤形元件112、柱形元件113和空心元件114組成，在磁極片111上形成有開孔111a和吸引表面111b，盤形元件112固定在磁極片111的上端面上，并在其上形成有開孔112a，柱形元件113固定在盤形元件112的下端面的外周側(cè)，空心元件114固定在柱形元件113的下端面上。磁極片111、盤形元件112、柱形元件113和空心元件114均由磁性材料制成。
第二定子12由柱形元件121和空心元件122組成，柱形元件121固定在空心元件114的下端面的外周側(cè)，空心元件122通過永久磁鐵4固定在空心元件114的下端面的內(nèi)周側(cè)。柱形元件121和空心元件122也由磁性材料制成。永久磁鐵4和空心元件122呈環(huán)形，并具有相同的徑向?qū)挾萮1。
針2由近似柱形的活塞元件21和盤形的擋圈元件22組成，與負載側(cè)相連的軸元件5安裝在活塞元件21的頭部中心位置。擋圈元件22的厚度為t1，其值小于永久磁鐵4的徑向?qū)挾萮1?；钊?1和擋圈元件22也由磁性材料制成。
第一電磁線圈31設置在磁極片111和活塞元件21的外周表面與柱形元件113內(nèi)周表面之間形成的空間中。第二電磁線圈32設置在第一電磁線圈31以下位置處的、在活塞元件21外周表面與空心元件114、永久磁鐵4和空心元件122的內(nèi)周表面之間形成的空間中。
第一電磁線圈31主要用于對針2施加驅(qū)動力，其電流承載容量比較大。第二電磁線圈32主要用于削弱鎖定針2的永久磁鐵4的磁通，不過它也可同第一電磁線圈31一起對針2施加驅(qū)動力。因此，同第一電磁線圈31相比，第二電磁線圈32的電流承載容量要小。
活塞元件21頭部與磁極片111的吸引表面111b相對的上端面為接觸表面21a，在接觸表面21a上形成具有預定面積的深度為h2的凹陷部分21b。更具體而言，磁鐵的吸引力“F”與磁通密度“B”的平方成正比，如以下式(1)所示。
F＝B^2*A/2μ0 (1)在式(1)中，μ0表示真空磁導率，A表示磁通通過面積。通過在活塞元件21的頭部處形成凹陷部分21b，有可能將要通過整個頭部的磁通集中在凹陷部分21b中。因此，有可能增大磁通密度“B”，以及增強吸引力“F”。
在活塞元件21的內(nèi)部形成有減重部分21c，在擋圈元件22上形成開孔22a，以便與減重部分21c貫通。形成減重部分21c和開孔22a是用于使針2變輕，并在短時間內(nèi)允許許多磁通通過針2的中心。實際上，針2從鎖定解除狀態(tài)到鎖定狀態(tài)的操作時間近似為0.2秒。在不形成減重部分21c的情形中，在磁通滲透于針2中心的周圍之前完成操作。
第一電磁線圈31具有軸向長度L1。在從軸向長度L1中心位置處沿遠離針2的方向偏離距離L2的位置處，形成有上述磁極片111的吸引表面111b。根據(jù)該實施例，距離L2與軸向長度L1之比(L2/L1)為后面將會描述的預定值。
圖2顯示在從圖1所示狀態(tài)將針2向上拉并進行鎖定的狀態(tài)。在該狀態(tài)中，在吸引表面111b與接觸表面21a之間形成間隙X1，在柱形元件121和空心元件122的下側(cè)與擋圈元件22的頂面之間形成間隙X2。間隙X1和X2為0或最小值。
下面，將描述關(guān)于具有如上結(jié)構(gòu)的該實施例的操作。圖3至5的說明圖示意性顯示出在第一電磁線圈31、第二電磁線圈32和永久磁鐵4在移動針的情形中的各個磁通分布狀態(tài)。
如圖3所示，在向上移動處在鎖定解除狀態(tài)的針2的情形中，給第一電磁線圈31通電。然后，在第一電磁線圈31周圍生成磁通Bc1，其中一部分通過針2，從而對針2生成向上的驅(qū)動力。由此，針2向上移動。
其次，當針2移至如圖4所示位置時，停止對第一電磁線圈31通電，使其置于不通電狀態(tài)。然而，在此位置，永久磁鐵4的磁通Bm的一部分通過針2的擋圈元件22，從而，磁通Bm的電磁能量將針2鎖定。
在向下移動如以上所述處在鎖定狀態(tài)的針2的情形中，僅給第二電磁線圈32通電，以便通過其磁通Bc2削弱永久磁鐵4的磁通Bm，如圖5所示。從而，永久磁鐵4對于擋圈元件22的保持力減弱，針2向下移動。
傳統(tǒng)裝置通過使用具有較大電流承載容量的一個電磁線圈，執(zhí)行用于向上移動針2的通電和用于解除對針2的鎖定的通電。然而，對于圖1所示的結(jié)構(gòu)，在向上移動針2的情形中，僅給第一電磁線圈31通電，而在解除對針2的鎖定的情形中，僅給第二電磁線圈32通電。從而，有可能通過將能耗保持到最小所需能耗來提高效率。
然而，上述通電操作僅作為示例。實際上，通過考慮負載側(cè)的條件以及其他條件，有可能根據(jù)情況，合適地選擇對于兩個電磁線圈的通電和斷電組合，以便精確地控制電磁致動器。
在例如圖3的狀態(tài)中，僅對第一電磁線圈31通電以向上移動針2。在例如負載側(cè)上的阻力較大時，可通過還對第二電磁線圈32通電來增大向上的驅(qū)動力。在圖5的狀態(tài)中，通過對第一電磁線圈31通電而不對第二電磁線圈32通電，或者對第二電磁線圈32和第一電磁線圈31都通電，有可能不僅削弱永久磁鐵4的磁通Bm，而且還對針2提供向下的驅(qū)動力。
為實現(xiàn)高效的電磁致動器，本發(fā)明的發(fā)明人通過多種方式改變?nèi)鐖D1所示符號所表示的各種參數(shù)的值，進行嘗試和試驗。下面，將描述所獲得的作為其結(jié)果的期望數(shù)據(jù)。在以下項目(1)至(6)中，給出用于增大對針2的吸引力的最有效一項是(1)。
(1)當?shù)谝浑姶啪€圈31的軸向長度L1與從該線圈中心位置到吸引表面111b的距離L2之比(L2/L1)在10～30％的范圍內(nèi)，磁通方向往往變得與軸向平行，從而可獲得較大電磁能量(吸引力)。
(2)期望是，在活塞元件21頭部處凹陷部分21b的表面積為吸引表面111b(或接觸表面21a)全部面積的30～90％。在30％或更多的情形中，在凹陷部分21b的端部處的磁通密度增加，以便能夠獲得較大吸引力。然而，在90％或更多的情形中，在凹陷部分21b的端部變得磁性飽和，因此，相反地會減小吸引力。實際上，由于希望具有導致磁性飽和程度的吸引力，從而應采用接近90％的數(shù)值。通過使凹陷部分21b的直徑為吸引表面111b外徑(或頭部的外徑)的30～90％，可獲得同樣的結(jié)果。
(3)期望是，凹陷部分21b的深度h2在0.5至3mm的范圍內(nèi)。這是由于通過使其深度在0.5mm或更深，在凹陷部分21b上的工作變得更容易。如果其超過3mm，由于凹陷部分21b的磁阻增大，且由整個針2所獲得的吸引力變小，從而這不是所期望的。
(4)在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，在活塞元件21上形成凹陷部分21b。也可在磁極片111的吸引表面111b側(cè)形成這樣的凹陷部分。此外，也有可能在活塞元件21和磁極片111上都形成這樣的凹陷部分。
(5)期望是，減重部分21c的截面積為活塞元件21截面積的30～50％。這是由于，當在小于30％的情形中，針2的重量節(jié)省效果變?nèi)?，?0％或更大的情形中，除了重量節(jié)省效果以外，還能獲得增大磁通密度的效果。如果超過50％，則存在針2可能變得磁性飽和的危險。通過將減重部分21c的直徑設定為活塞元件21外徑的30～50％，也可獲得同樣的結(jié)果。
(6)希望是，擋圈元件22的厚度t1小于永久磁鐵4對擋圈元件22施加吸引作用的吸引作用表面的徑向?qū)挾萮1。這是因為由此可增大磁通密度。
權(quán)利要求
1.一種電磁致動器，包括針，具有近似圓柱形的活塞元件和安裝在活塞元件底部的擋圈元件，且被設置成在定子內(nèi)部可在鎖定位置和鎖定解除位置之間來回移動；第一電磁線圈，被設置成環(huán)繞活塞元件，并在通電時具有足夠的電磁能量以將處在鎖定解除狀態(tài)的針設置在鎖定狀態(tài)；永久磁鐵，具有足夠的吸引力來吸引被第一電磁線圈的電磁能量設置在鎖定狀態(tài)的針的擋圈元件，即使當不對第一電磁線圈通電時也能使其保持鎖定狀態(tài)；和第二電磁線圈，在通電時能夠削弱永久磁鐵的磁通，并將針從鎖定狀態(tài)改變?yōu)殒i定解除狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁致動器，其中，定子包括第一定子，在其上安裝有第一電磁線圈，能夠形成由第一電磁線圈生成的磁通的磁路；和第二定子，在其上安裝永久磁鐵和第二電磁線圈，能夠形成由永久磁鐵和第二電磁線圈生成的磁通的磁路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電磁致動器，其中第一定子包括吸引部分，在吸引部分上形成有用于吸引處在鎖定狀態(tài)的活塞元件的頭部的吸引表面；以及吸引表面的位置從第一電磁線圈的軸向長度L1的中心位置沿遠離針的方向上偏離距離L2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電磁致動器，其中距離L2與軸向長度L1之比為10～30％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電磁致動器，其中在第一定子的吸引部分的吸引表面和活塞元件頭部接觸吸引表面的接觸表面的至少其中之一上，形成用于集中磁通的凹陷部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電磁致動器，其中凹陷部分的表面積為吸引表面或接觸表面的30％或更多。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電磁致動器，其中凹陷部分的直徑為吸引部分或活塞元件頭部的外徑的30％或更多。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電磁致動器，其中凹陷部分的深度h2為3mm或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電磁致動器，其中擋圈元件的厚度t1小于永久磁鐵對擋圈元件施加吸引作用的吸引作用表面的徑向?qū)挾萮1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電磁致動器，其中在活塞元件的內(nèi)部形成減重部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電磁致動器，其中減重部分的截面積為活塞元件截面積的30％或更多。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的電磁致動器，其中減重部分的直徑為活塞元件外徑的30％或更多。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的電磁致動器，其中在第一定子的吸引部分的吸引表面和活塞元件頭部接觸吸引表面的接觸表面的至少其中之一上，形成用于集中磁通的凹陷部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電磁致動器，其中凹陷部分的表面積為吸引表面或接觸表面的30％或更多。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電磁致動器，其中凹陷部分的直徑為吸引部分或活塞元件頭部的外徑的30％或更多。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電磁致動器，其中凹陷部分的深度h2為3mm或更小。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁致動器，其中擋圈元件的厚度t1小于永久磁鐵對擋圈元件施加吸引作用的吸引作用表面的徑向?qū)挾萮1。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電磁致動器，其中在活塞元件的內(nèi)部形成減重部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的電磁致動器，其中減重部分的截面積為活塞元件截面積的30％或更多。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的電磁致動器，其中減重部分的直徑為活塞元件外徑的30％或更多。
全文摘要
本發(fā)明涉及電磁致動器。針2包括活塞元件21和擋圈元件22，且被設置成在定子1內(nèi)部可從鎖定位置到鎖定解除位置來回移動。第一電磁線圈31在通電時具有足夠的電磁能量，從而將處在鎖定解除狀態(tài)的針2設置在鎖定狀態(tài)。永久磁鐵4具有足夠的吸引力，以吸引被第一電磁線圈31的電磁能設置在鎖定狀態(tài)的針2的擋圈元件22，即使當不對第一電磁線圈31通電時也能使其保持鎖定狀態(tài)。第二電磁線圈32在通電時能夠削弱永久磁鐵4的磁通，并將針2從鎖定狀態(tài)改變?yōu)殒i定解除狀態(tài)。從而，通過根據(jù)負載側(cè)的狀態(tài)改變?nèi)绾螌﹄姶啪€圈通電，來提高能量效率。
文檔編號H01F7/16GK101038810SQ20071007890
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者松本泰弘, 渡並洋介, 石川佳延, 久保田信孝, 野田岳志, 松尾和宏, 加藤健二, 本間三孝, 若林孝生 申請人:株式會社東芝