JP2004076749A - クラッチ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体を互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持し、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液状のチクソトロピー性磁気レオロジー流体を前記間隙に充填し、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を設けてクラッチを構成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部から加わる磁界の強さによって粘度が大幅に変化し流動特性が極めて大きく変化する磁気レオロジー流体(Magnetorheological Fluid=MRF)(「MRF」と略す。)の特性を活用したクラッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、回転駆動力を負荷側に伝達し且つ又その動力伝達を必要に応じて遮断できるようにする目的で機械的な継手伝達機構を有するカカップラーもしくはクラッチが用いられており、容量の大きい駆動側機器(例えばガスタービン)と容量の大きい負荷側機器(例えば発電機)の結合継手にも機械式のカップラーもしくはクラッチが多用されている。
【0003】
大型タービンから大型発電機へトルク伝達をするような場合は、負荷側の発電機の慣性モーメントが非常に大きく且つ駆動側のタービンも大きな駆動トルクと慣性モーメントを有していることから、タービンからのトルク伝達を確実にするために、常時は駆動側と負荷側のカップリング部分はしっかりと結合されていなければならない。一方負荷側の発電機に異常が生じた場合には、発電機を速やかに停止させる必要があるが、このとき駆動側のタービンを結合したまま発電機を急停止するとタービンブレードが空気抵抗で破損してタービンに大きな損害が及ぶ惧れがある。これらのことから、従来、タービンと発電機のカップリング部は、予めシェアピンもしくは爆薬を装着した治具を用いて結合し、負荷側に異常が生じた時、そのシェアピンが切断されあるいは爆薬で前記の治具が破壊されることによってタービンと発電機の結合を解き、タービンの回転を自由にしてタービンを損傷から保護している。しかしこのような手段で駆動側と負荷側の結合が解かれると、タービンが極めて急激に無負荷運転状態に移行することから、超精密加工のタービンが暴走したり異常振動を起こして損傷する惧れが指摘されている。また、駆動側と負荷側のカップリング部が破壊されることから、カップリング部の修復が必要となるという問題もある。
【0004】
一方、磁気レオロジー流体(MRF)が古くから知られている。MRFは磁界が加わっている状態と、磁界が加わっていない状態とでは、その粘度・流動性が極端に変化する流体であり、その流動特性の変化は可逆性を有する。この粘度・流動性の変化に関するMRF特有の特性はMR効果と呼ばれている。MRFは、液状の分散媒中に微細な強磁性の分散粒子を混合し分散させた懸濁液で、MRFに磁界が印加されていない状態では、MRFは粘度が低く油のように流動するが、磁界が印加されると、MRF中の微細な強磁性分散粒子が鎖状に配列して粘度が高まりゴムのように固くなる。そして磁界を取り去ると、強磁性分散粒子の鎖状配列が解かれて再び元の低い粘度に戻る。したがって、MRFに印加する磁界の強さを変化させることにより、MRFの粘度を可逆的に制御することができる。このことから、クラッチ、ブレーキなどへのMRFの応用が従来から検討されてきたが、分散媒と分散粒子の間の密度差が大きいため、従来のMRFでは、MRFを動かさないで静置しておくと短時間の間に分散粒子が分散媒中で沈降するという欠点がある。すなわち、従来のMRFでは、分散媒中に分散する分散粒子の安定性が悪くMR効果が不安定になる難点があって、そのためにMRFの応用が妨げられてきた。しかし、MRFにおける分散粒子の沈降の問題点は、本願の発明者が開発したチクソトロピー(thixotropy)性磁気レオロジー流体によって改善されている。チクソトロピー性磁気レオロジー流体は、液状の分散媒中に強磁性の分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された磁気レオロジー流体で、その詳細は特願2002−231446号出願に示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、従来のカップラーもしくはクラッチのハードなトルク伝達・遮断特性、すなわち極めて急激に駆動側と負荷側の間のトルクの伝達と遮断が極めて急激に行なわれるトルク伝達・遮断特性を改善し、ゆとり時間をもって滑らかに駆動側と負荷側が完全に結合し又ゆとり時間をもって滑らかに駆動側と負荷側を完全に遮断することができる、言わばソフトなトルク伝達・遮断動作を可能にするクラッチを構成することにより、ハードなトルク伝達・遮断に伴う駆動側機器・負荷側機器の損傷を防止しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題に対してソフトなトルク伝達・遮断を可能にするクラッチ機能を得るために、駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体を互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持し、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液状のチクソトロピー性磁気レオロジー流体を前記間隙に充填し、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を設けてクラッチを構成する。
【0007】
また、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、その励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチによって、ソフトなトルク伝達・遮断を可能にするクラッチ機能を得る。
【0008】
【発明の実施の形態】
この発明の基本的な実施形態の一つは、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液であって前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチである。
【0009】
この発明の他の基本的な実施形態は、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液であって前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、その励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチである。
【0010】
【実施例】
以下この発明の実施例について説明する。図1はこの発明に係るクラッチの基本構成を示す斜視図である。図2は同クッチの要部概略平面図である。図1,2において、1は駆動側磁性回転体、2は負荷側磁性回転体で、駆動側磁性回転体1と負荷側磁性回転体2は、互いの間に若干の間隙3をもって互いに同心的に回転自在に支持されている。駆動側磁性回転体1は珪素鋼板を積層した円柱状の鉄心で、その回転軸1aに駆動源のモータ4がカップラー5を介して連結されている。負荷側磁性回転体2は円筒状の鉄心で負荷6が結合されている。そして駆動側磁性回転体1と負荷側磁性回転体2の間の間隙3にはチクソトロピー性磁気レオロジー流体7が充填封入されている。チクソトロピー性磁気レオロジー流体7は、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で、分散媒中の強磁性分散粒子の沈降が抑制された磁気レオロジー液体(MRF)である。この実施例では駆動側磁性回転体1の回転に伴って駆動側磁性回転体1からチクソトロピー性磁気レオロジー流体7を介して負荷側磁性回転体2に伝達されるトルクを測定するために、負荷6はトルク測定用のロードセルとなっている。
【0011】
また、負荷側磁性回転体2には励磁コイル8が装着され、この励磁コイル8に、励磁電流制御装置9を介して直流励磁電流が供給される。励磁コイル8に直流励磁電流が供給されると、負荷側磁性回転体2は一種の電磁石となって磁界が生じ、その磁界が間隙3内のチクソトロピー性磁気レオロジー流体7に印加されてチクソトロピー性磁気レオロジー流体7の粘度・流動性の変化をもたらす。そして励磁コイル8に供給する直流励磁電流の値を励磁電流制御装置9によって加減することによって、チクソトロピー性磁気レオロジー流体7に作用する磁界の強さが増減してチクソトロピー性磁気レオロジー流体7の粘度・流動性を制御することができる。
なお、負荷側磁性回転体2に励磁コイル8を装着する代わりに、励磁コイル8を駆動側磁性回転体1に装着しても良い。
【0012】
次に上記のクラッチにおいて、モータ4の回転数を、600rpm ,900rpm ,1800rpm と変化させ、それぞれの回転数において、チクソトロピー性磁気レオロジー流体7を間隙3に充填した場合と充填しない場合、さらにチクソトロピー性磁気レオロジー流体7中の強磁性分散粒子の混合割合を、チクソトロピー性付加添加物が添加された分散媒に対し、0Wt% ,10Wt% ,30Wt% ,50Wt% と変化させた場合について、負荷側回転子2に伝達される伝達トルクの励磁電流依存度を測定したところ、図3,4,5に示されるような特性が見られた。なお、この測定で使用したチクソトロピー性磁気レオロジー流体7の成分はつぎの通りである。
[例1]
分散媒:ドデカン二酸−nブチル
強磁性分散粒子:平均粒径2μmのカルボニル鉄粉
チクソトロピー性付加添加物:非水系塗料用垂れ防止剤のディスパロン(商品名)10Wt%
【0013】
図3,4,5に示される結果から、次のようなことが確認された。
1) モータ4の回転数が高くなるほど伝達トルクは低くなる。
2) 磁気レオロジー流体を用いないとトルクが得られない。
3) 励磁電流を増大させるにつれて、伝達トルクが2次関数的に上昇する。
この特性は、パウダークラッチブレーキにおいて見られる比例的上昇変化の特性とは異なる。
4) 強磁性分散粒子の混合割合が高いほどより大きなトルクが得られる。
この点については、図6に示した励磁電流0.25Aの場合における伝達トルクの強磁性分散粒子混合割合に対する依存度から明らかである。
さらに伝達トルクの応答性を調べるため、図7に示す励磁電流を約0.3A/secの割合で切断したとき、および0.03/secの割合で減少させたときのいずれの場合でも円滑に励磁電流を変えることにより、伝達トルクを制御制御できることが明らかに示された。以上の結果から、磁気レオロジー流体の特性を活用して、伝達トルクを0からほぼ100%まで連続的に可変できるクラッチを実現することができた。
【0014】
次に、チクソトロピー性磁気レオロジー流体7の成分を下記のように変えた例について特性を測定したが、その伝達トルクの励磁電流依存性は前記の[例1]におけるものとほぼ同様であった。
[例2]
分散媒:フタル酸―ジ―オクチル
強磁性分散粒子:平均粒径2μmのカルボニル鉄粉
チクソトロピー性付加添加物:膨潤性層状粘土鉱物のスメクタイト(商品名)
14Wt%
【0015】
次に、チクソトロピー性磁気レオロジー流体7の成分を下記のように変えた例について特性を測定したが、前記の[例1,2]で見られた伝達トルクの励磁電流依存性と同様の傾向が認められ、同じ励磁電流、モータ回転数に対し、伝達トルクの大きさは励磁電流の変化全域にわたって平均20%上昇した。しかし最低トルクも約30%上昇する結果となった。
[例3]
分散媒:水
強磁性分散粒子:粒径3.69μmの球形カルボニル鉄粉 50Wt%
チクソトロピー性付加添加物:非水系塗料用垂れ防止剤のディスパロン(商品名)10Wt%
【0016】
上記の実施例に限らず、小容量機器であれば、強磁性分散粒子として多くの軟質酸化物磁性材料が利用できる。また強磁性分散粒子として、金属微粒子を採用することもできるが、分散媒が水のような場合では、強磁性分散粒子の表面を耐酸化性膜で被覆して性能劣化に至らないように留意する必要がある。
【0017】
チクソトロピー性磁気レオロジー流体の成分の選択については、特願2002−231446号に示しが、チクソトロピー性磁気レオロジー流体を活用したクラッチの実用化にあたり、次の諸点が有効である。
【0018】
液状の分散媒(溶剤)は、水系分散媒、アルコール系分散媒、油系分散媒のいずれであっても良く、水系分散媒としては水、アルコール系分散媒としてはメタノールやエタノールなどのアルコール系流体、油系分散媒としてはベンゼンやキシレンやトルエンなどの芳香族炭化水素、クロロホルムやクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素、ドデカン二酸−nブチルなどの特殊可塑剤、フタル酸−ジ−オクチルなどの油系液体がある。
【0019】
チクソトロピー性付与添加物として、膨潤性層状粘度鉱物(例えば商品名「スメクタイト」)、あるいは非水系塗料用垂れ防止剤(例えば商品名「ディスパロン」)を用いる。
【0020】
分散媒に対する強磁性分散粒子の混合割合を10〜80Wt%(重量%)、さらに好ましくは30〜50Wt%とする。10Wt%以下では結合継手としての効果が期待できず、Wt%以上になると駆動側と負荷側の円滑且つ迅速な切り離しが困難になって実用的ではない。
【0021】
チクソトロピー性付加添加物を混合した各種のMRFの特性測定実験の結果から、分散媒に対するチクソトロピー性付与添加物の混合割合を、水系分散媒では0.5 〜 5Wt%、好ましくは1〜3Wt%とし、アルコール系分散媒では5〜15Wt%、好ましくは9〜11Wt%とし、油系分散媒では5〜20Wt%、好ましくは10〜15Wt%とすることにより良好なチクソトロピー性を得ることができた。これらの混合割合の下限や上限から外れると、混合割合が少ない場合は強磁性分散粒子の沈降が見られるようになり、混合割合が多すぎる場合にはMR効果の応答性が悪化する。
【0022】
チクソトロピー性付加添加物を混合した各種のMRFの特性測定実験の
結果から、分散媒に混合する強磁性分散粒子として、粒径1〜20μmの球形カルボニル鉄粉や、同粒径のポリマー加工型または表面被覆型の球形カルボニル鉄粉を用いることにより良好なMR効果が得られた。すなわち、充填率や応答性を考慮すると、粒径が1〜20μmの球形の強磁性分散粒子が好ましい。また分散媒に水を用いる場合には、強磁性分散粒子の酸化による性能低下を防止するために、ポリマー加工の強磁性分散粒子や、非磁性酸化被膜を表面に被覆した強磁性分散粒子を用いることが効果的である。
【0023】
【発明の効果】
上記の実施例からも明らかなように、この発明に係るクラッチによれば、分散媒中における強磁性分散粒子の沈降が極度に抑えられてMR効果の安定したチクソトロピー性磁気レオロジー流体を駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の間に介在させ、チクソトロピー性磁気レオロジー流体に印加する磁界の強さを電磁石の励磁電流制御で加減することにより、チクソトロピー性磁気レオロジー流体の粘度・流動性を加減して駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の結合力を滑らかに増減させることができ、その結果駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の間の伝達トルクの急激な変動を緩和して、伝達トルクの急激な変動に起因する駆動側機器・負荷側機器の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示すクラッチの基本構成を示す斜視図。
【図2】同クラッチの要部概略平面図。
【図3】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図(回転数:600rpm)
【図4】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図(回転数:900rpm)
【図5】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図(回転数:1800rpm)
【図6】この発明に係るクラッチの伝達トルクと分散粒子の混合割合の関係図。
【図7】この発明に係るクラッチの伝達トルク制御特性図。
【符号の説明】
1:駆動側磁性回転体
2:負荷側磁性回転体
3:間隙
4:モータ
5:カップラー
6:負荷
7:チクソトロピー性磁気レオロジー流体
8:励磁コイル
9:励磁電流制御装置
Claims (2)
- 互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、前記電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたことを特徴とするクラッチ。
- 互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、前記励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたことを特徴とするクラッチ。
Priority Applications (1)
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JP2002233353A JP2004076749A (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | クラッチ |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=32018499
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Country Status (1)
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013181598A (ja) * | 2012-03-01 | 2013-09-12 | Kurimoto Ltd | 磁気粘性流体及びこれを用いたクラッチ |
JP2014229625A (ja) * | 2013-05-17 | 2014-12-08 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | 磁気機能性流体およびそれを用いたダンパ、クラッチ |
US9123462B2 (en) | 2011-03-08 | 2015-09-01 | Kurimoto, Ltd. | Magneto-rheological fluid and clutch using the same |
US9424969B2 (en) | 2014-03-20 | 2016-08-23 | Kurimoto, Ltd. | Magneto-rheological fluid and clutch using the same |
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-
2002
- 2002-08-09 JP JP2002233353A patent/JP2004076749A/ja active Pending
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