JPH0516647B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、リレーなどに好適に用いられる有極
電磁石に関する。

背景技術 第７図は従来技術による有極電磁石の構造を示
す斜視図である。有極電磁石５１、は対向して配
設される一対のＵ字状のヨーク５２，５３と、上
記ヨーク５２，５３間に狭持され固定されている
永久磁石片５４と、上記ヨーク５２，５３の端部
５８ａ，５８ｂ；５９ａ，５９ｂ間に亘つて延在
するアマチヤ５５とにより構成されており、永久
磁石片５４の中心部には枢軸５６が立設され、ア
マチヤ５５は枢軸５６の軸線まわりに角変位自在
に取付けられている。また上記永久磁石片５４の
磁極Ｎ、Ｓにより、ヨーク５２，５３の各端部５
８ａ，５８ｂおよび５９ａ，５９ｂには、Ｎ、Ｓ
の磁極がたとえばそれぞれ図示するように形成さ
れ、アマチヤ５５にはコイル５７が、アマチヤ５
５の長手方向と直交して巻回されている。

第８図１および第８図２は従来技術の有極電磁
石５１の動作を説明するための図である。第８図
１およひ第８図２は、ともに第７図示の有極電磁
石５１を平面図的に示したものであり、対応する
部分には同一の参照符を付す。ヨーク５２，５３
の各端部５８ａ，５８ｂ；５９ａ，５９ｂには、
それぞれ第５図示と同一の磁極Ｎ、Ｓが形成さて
おり、上記各端部５８ａ，５８ｂ；５９ａ，５９
ｂとアマチヤ５５の両端部６０，６１との間に、
４個の空隙部６２，６３，６４，６５が形成され
ている。

第８図１においてコイル５７に矢符ａ，ｂで示
される方向に電流ｉを通じると、アマチヤ５５は
磁化され、その両端部６０，６１には、それぞれ
図示するごとく磁極Ｎ、Ｓが現れ、これにより上
記４箇所の空隙部６２〜６５のうち空隙部６２，
６５では反発力が、また空隙部６３，６４では吸
引力がそれぞれ生じる。その結果、アマチヤ５５
の一方の端部６０（第８図１の右方）は矢符Fa
で示される力を受け、他方の端部６１（第８図１
の左方）は矢符Fbで示される力を受ける。力Fa，
Fbは大きさが等しくその向きは反対であるから、
枢軸５６で支持されたアマチヤ５５に対しては偶
力として作用する。このためアマチヤ５５は枢軸
５６を中心として角変位し、その一端部６０は一
方のヨーク５３の端部５９ａと、また他端部６１
は他方のヨーク５２の端部５８ｂとそれぞれ圧接
する。

第８図２は前述の第８図１の場合とは逆方向の
電流ｉをコイル５７に通じた場合の動作を説明す
るための図である。電流ｉが第８図１とは逆方向
に流れるため、アマチヤ５５は第８図１とは逆
に、矢符Fc，Fdで示される方向の力を受ける。
したがつてアマチヤ５５は第８図１とは反対に、
その一端部６０はヨーク５２の一端部５８ａに、
他端部６１はヨーク５３の一端部５９ｂと圧接す
る。このように角変位自在のアマチヤ５５にて可
動接点を有する板バネ（図示せず）を可動させ、
可動接点に対応する固定接点（図示せず）を設け
れば、コイル５７への通電により動作するリレー
が実現される。

このように従来技術による有極電磁石５１は、
アマチヤ５５に巻回されたコイル５７に電流を通
じてアマチヤ５５を磁化し、これと磁極を有する
ヨーク５２，５３との間に生じる反発力と吸引力
とを利用して所望の動作を行わせている。

しかしながら、このような有極電磁石には、ア
マチヤ５５とヨーク５２，５３との間に生じる吸
引力あるいは反発力のみを利用して動作を行なわ
せていた。そのため、動作速度を上げようとすれ
ば吸引力を増大させねばならず、吸引力Ｆは、 Ｆ＝１／２・φ²／P²・dP／dx ……(1) で与えられる。ここにφは磁束、Ｐはパーミアン
スで磁気抵抗の逆数である。第１式から吸引力Ｆ
を増やすためには、磁束φを増やす、あるいは対
向する磁極の面積を大きくすればよい。一方、磁
束φを増やすために強磁性の磁石（希土類、アル
コン類）を用いるのはコスト高となる。磁極の面
積を大きくして磁束数の増大を図る構成は大形化
し、コストも増大するという問題があつた。

第９図は従来技術による有極電磁石５１のアマ
チヤ５５の変位量（ストローク）と吸引力との関
係を示すグラフである。第９図において、アマチ
ヤ５５に作用する反発力は負方向の吸引力として
示す。動作速度を上げるために吸引力を増すべ
く、面積を大きくしたり磁束φを増加させたりし
た場合、その吸引力特性はそれまでの参照符ｌ１
１で示される実線のグラフから、参照符ｌ１２で
示される点鎖線のグラフに変位し、アマチヤ５５
が変位し端部ＡまたはＢに近づくにつれて、吸引
力特性の立上りあるいは立下りが急峻となり、そ
れまでの吸引力との差ｇが大きくなる。

このような特性の有極電磁石をリレーなどに用
いた場合には、アマチヤの変位量（ストローク）
の変化に対する吸引力の変化の割合が大きくなり
すぎ、板ばね負荷との整合が困難となる。そそで
接触面にレジヤルプレートを貼付し、端部におけ
る吸引力変化の割合を抑える方法が用いられてい
るけれども、使用頻度の高い有極電磁石などの場
合、該プレートの摩耗という問題が生じ、特性の
変化が大きくなつてしまう。したがつてアマチヤ
の変位量（ストローク）の変化に対する吸引力の
変化が大きくなく、しかも高速動作可能な有極電
磁石が所望されていた。

目 的 本発明の目的は、上述の技術的問題点を解決
し、高速動作を行なわせるために吸引力を増加さ
せしかもアマチヤの変位量（ストローク）に対す
る吸引力変化がゆるやかな有極電磁石を提供する
ことである。

実施例 第１図は本発明の一実施例の有極電磁石の構造
を示す斜視図である。有極電磁石１は、Ｌ字状を
なす一対のヨーク部材２，３と、ヨーク部材２，
３に狭持され固定される永久磁石片４と、永久磁
石片４の中心に立設された枢軸６の第１図の上下
方向の軸線まわりに角位可能に取付けられたアマ
チヤ５とから構成されている。

ヨーク部材２，３各一端は永久磁石片４のそれ
ぞれ一方の磁極に連接し、永久磁石片４と一体的
に形成され、全体としてＵ字状をなす。ヨーク部
材２，３の磁極端部としての各他端部７，８には
前記永久磁石片４の磁極Ｎ、Ｓにしたがい、第１
図示のごとくに磁極Ｎ、Ｓが形成されている。

アマチヤ５はアマチヤ本体部９と、アマチヤ本
体部９の長手方向に連なり、一体的に形成される
接極部としての各一対の脚部１０，１１；１２，
１３とから成り、対向する脚部１０，１１；１
２，１３間には凹所１４，１５が形成されてい
る。凹所１４，１５間をアマチヤ本体部９の長手
方向に沿つて第１コイル２０が巻回され、アマチ
ヤ本体部９の中心部には第１コイル２０の直交し
て第２コイル２２が巻回され、その両端は短絡さ
れている。さらに前述のヨーク部材２，３の端部
７，８が、上記凹所１４，１５に介在している。
これによつて上記端部７，８および脚部１０〜１
３間に、４箇所の空隙部１６，１７，１８，１９
が形成される。本実施例において注目すべきは、
上記第１コイル２０と、これに直交して第２コイ
ル２２が巻回されていることである。その作用に
ついては後述する。

第２図１および第２図２は本実施例による有極
電磁石１の動作を説明するための図である。第２
図１は第１図に示された有極電磁石１を平面図面
に示したものであり、同図２はアマチヤ５の一方
の脚部１０，１１の近傍を拡大して示したもので
あり、ともに第１図と対応する部分には同一の参
照符を付す。ただし説明の便宜上、第１図示の第
１コイル２０は第２図１および第２図２では省略
してこれを図示せず、第１コイル２０を形成する
素線としての導線の凹所１４，１５における断面
を参照符２１ａ，２１ｂとして示し、第２コイル
２２についてもその断面を２３ａ，２３ｂとして
示してある。またヨーク部材２，３の端部７，８
には第１図と同一の磁極Ｎ、Ｓが形成されている
ものとする。次に、第２図１および第２図２を参
照しつつ、動作について説明する。

第２図１において、アマチヤ本体部９の長手方
向（第２図の左右方向）に沿つて巻回されたコイ
ル（図示せず）に矢符Ｒで示される方向に電流ｉ
を通ずると、アマチヤ５は磁化されてアマチヤ本
体部９および脚部１０，１１，１２，１３にはそ
れぞれ図示するような磁極Ｎ、Ｓが現れる。した
がつて空隙部１６，１９には反発力、空隙部１
７，１８には吸引力が働き、端部７，８は固定さ
れているからアマチヤ５は矢符ｆ１，ｆ２で示さ
れる方向の力を受け、この結果として枢軸６を中
心として角変位する。このときまず注目すべき
は、凹所１４，１５内の磁界と導線２１ａ，２１
ｂを流れる電流ｉとにより生じる電磁力である。

第２図２は、アマチヤ５の一方の脚部１０，１
１近傍を拡大して示す図である。凹所１４には導
線２１ａが紙面に対し垂直方向に複数列配列され
ており、動作時の電流ｉの方向は紙面裏から表へ
向かうものとする。

ヨーク部材２の一方の端部７は図示しない永久
磁石４により磁化され、磁極Ｎを形成しているも
のとする。したがつて端部７からはもう一方の端
部８（図示せず）に向かう磁束φが発生し、この
磁束φは導線２１ａと直交している。

いま導線２１ａに電流ｉを図示の方向（紙面裏
面より表面に向かう方向）に通ずると、導線２１
ａは上述の磁束φと電流ｉにより、フレミング左
手の法則にしたがう電磁力 F1＝Bil ……(2) を受ける。ただしｌは導線２１ａの凹所１４の部
分の長さ、すなわちアマチヤ５の厚さに相当する
長さに巻数を乗じた数値である。上の表２式で示
される電磁力Ｆ１の方向は、矢符ｆ１と同一の向
き、すなわち第２図２の上方に向かい、これは前
掲第２図１に示された力ｆ１と同一の方向であ
る。図示しないもう一方の凹所１５に生じる電磁
力Ｆ２も同様にして発生し、その向きは上述の電
磁力Ｆ１とは反対方向で第２図１で示される矢符
ｆ２と同一の方向となる。

第３図はアマチヤ５に巻回されたコイル２０
（図示せず）に流れる電流ｉを第２図示とは反対
の矢符Ｌで示す方向（第３図右方から左方）とし
た場合の動作の示す図である。電流ｉが逆方向で
あるからアマチヤ５に生じる磁極も反対となり、
空隙部１６，１９には吸引力が、１７，１８には
反発力が作用する。また凹所１４における導線２
１ａには第３図下方に向かい、凹所１５における
導線２１ｄには第３図上方に向かうフレミング左
手の法則に従う電磁力Ｆ３，Ｆ４が作用する。

このようにしてアマチヤ５には、空隙部１６〜
１９に生じる吸引力以外にフレミング左手の法則
に従う電磁力Ｆ１，Ｆ２あるいはＦ３，Ｆ４が加
わるので、アマチヤ５に作用する吸引力が増加す
る。

本実施例においてさらに注目すべきは、アマチ
ヤ５に第１コイル２０と、これに直交する第２コ
イル２２が巻回されて相互誘導回路が形成され
て、かつ第２コイル２２はその両端が短絡されて
いることである。

第４図は第１コイル２０と第２コイル２２との
関係を示す等価回路図である。Ｌ１は第１コイル
２０のインダクタンス、Ｒ１はその内部抵抗、Ｌ
２は第２コイル２２のインダクタンス、Ｒ２はそ
の内部抵抗、Ｍは相互誘導回路における結合定数
をそれぞれ示す。またｉ１は第１コイル２０に流
れる電流（以下、コイル電流と記す）、ｉ２は第
２コイル２２に誘起される第２コイル電流、Ｅは
電源電圧である。結合定数Ｍは、 Ｍ＝√12 ……(3) で表わされ、本実施例においては、たとえばＭ＝
１である。いまスイツチSWを閉じれば第４図示
の回路において、 L1di1／dt＋Ｍdi2／dt＋R1i1＝Ｅ ……(4) L2di2／dt＋Ｍdi1／dt＋R2i2＝０ ……(5) の関係が成立つ。上記第３式〜第５式より、 it(t)＝Ｅ／R1［１−（１−L2／L2＋R2L1／R1）exp（− αt） ……(6) ここに、 α＝R1R2／R1L2＋R2L1 ……(7) 第２コイル２２が短絡され、第４図において
R2＝０とすると、第６式は、 i1(t)＝Ｅ／R1 ……(8) となり、回路のインダクタンス分の影響を受けな
くなる。一方、第２コイル２２を設けない従来技
術の場合には、インダクタンスＬ１を含む回路と
なり、 L1di1／dt＋R1i1＝Ｅ ……(9) i1(t)＝Ｅ／R1［１−exp（−R1／L1ｔ）］ ……(10) すなわち第２コイル２２が巻回されかつその両
端を短絡することにより励磁電流ｉは、第１コイ
ル２０のインダクタンス分の影響を受けなくな
り、立ち上がりが早くなる。

第５図は本実施例と従来技術とのコイル電流と
の比較を示すグラフである。参照符ｉ１で示され
る実線は、本実施例によるコイル電流を示し、参
照符ｉ２で示される２点鎖線は、従来技術による
コイル電流を示す。また参照符ｉ３で示される２
点鎖線は、第２コイル２２中を流れる誘導電流を
示す。本実施例に従い第２コイル２２を設け、か
つその両端を短絡した場合、コイル電流ｉは速や
かに定常電流値に達するけれども、従来技術では
アマチヤに巻回されたコイルのインダクタンスの
影響によつて、定常電流値に達するまでに時間を
要し、かつその過程でアマチヤの変位による影響
を受け、コイル電流が変動していることが分か
る。

第６図は本実施例による有電磁石１のアマチヤ
５の変位量（ストローク）と吸引力との関係を示
すグラフである。第６図においてアマチヤ５に作
用する反発力は負方向の吸引力として示す。

参照符ｌ１で示される実線は、アマチヤ５に通
ずる電流ｉ（以下コイル電流ｉと記す）が０の場
合、参照符ｌ２，ｌ４で示される２点鎖線は同一
値のコイル電流ｉをたがいに反対方向に流したと
きの吸引力のみの場合を示し、従来技術の項で述
べた第９図示の参照符ｌ１１で示されたのと同じ
傾向である。これに対し、本実施例では前述のよ
うに従来の吸引力の他にフレミング左手の法則に
従う電磁力Ｆが加わるため全体の吸引力はΔf増
加し、参照符ｌ３，ｌ５で示される実線のように
なり、吸引力の増加傾向が示されている。しかも
この傾向は端部Ａ，Ｂにおいても従来技術のごと
き急峻な立上り、立下りとはならず、ほぼ平行移
動をたどるので、リレーなどに応対した場合の板
ばね負荷の整合が容易である。端部Ａ，Ｂでの吸
引力の変動やばらつきが少なくなり、しかも吸引
力の増加による高速動作が実現される。

効 果 以上のように本発明に従えば、アマチヤに巻回
されたコイルに通電することによつて、アマチヤ
はその接極端部を連ねる配列方向に磁化される。
この磁化によつてアマチヤに生じる磁極と、この
磁極に臨むヨークの磁極端部との間に磁気反発力
および磁気吸引力がそれぞれ発生する。前記コイ
ルへの通電方向を切換えることによりアマチヤは
前記配列方向に垂直な軸線まわりに角変位する。
前記コイルにおけるヨークの両磁極端部を連ねる
方向と垂直方向の部分には、前記通電および永久
磁石片の磁束に起因し、フレミング左手の法則に
従う力が作用する。この力によつても前記角変位
を実現するようにした。すなわちこのアマチヤの
動作を格段に高速化することができた。

またさらに第１コイルと交差して巻回される第
２コイルが短絡されていることによつて、第１コ
イルのインダクタンス分を減少させ、コイル電流
を即応化させることによつて、アマチヤの動作の
さらなる高速化が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の有極電磁石の構造
を示す斜視図、第２図および第３図は本実施例の
動作を説明するための図、第４図は本実施例の等
価回路図、第５図は本実施例と従来技術とのコイ
ル電流を比較するグラフ、第６図は本実施例のア
マチヤ５の変位量（ストローク）と吸引力との関
係を示すグラフ、第７図は従来技術を示す図、第
８図は従来技術の動作を説明するための図、第９
図は従来技術のアマチヤ５５の変位量（ストロー
ク）と吸引力との関係を示すグラフである。 １，５１……有極電磁石、２，３……ヨーク部
材、４，５４……永久磁石片、５，５５……アマ
チヤ、６，５６……枢軸、２０，５７……第１コ
イル、２２……第２コイル、５７……コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 永久磁石を有し、相互に逆極性の一対の磁極
   端部を有するヨークと、 前記磁極端部間に亘つて延びる各磁極端部の両
   側部に延びる接極部を有し、前記一対の接極端部
   を連ねる配列方向に垂直な軸線まわりに角変位可
   能に支持されたアマチヤと、 アマチヤ本体に前記配列方向に沿つて延びるよ
   うに素線が巻回される第１コイルと、 上記第１コイルと交差して巻回される第２コイ
   ルとを含むことを特徴とする有極電磁石。