JP2005147933A - 渦電流式電気動力計 - Google Patents

Abstract

【課題】 渦電流式電気動力計において、応答特性を改善するとともに、簡単な構造の渦電流式電気動力計を提供すること。
【解決手段】 モータ（原動機）２３によって回転する軸２１には、渦電流発生用デイスクＤを固定し、永久磁石Ｍ１、Ｍ２を取付けた永久磁石取付部材１１１，１１２を揺動自在に取付けてある。軸２１が回転すると、渦電流発生用デイスクＤが回転し、永久磁石Ｍ１、Ｍ２によって渦電流発生用デイスクＤに渦電流が発生し、動力を吸収する。トルクアーム３１１，３１２は、永久磁石取付部材１１１，１１２とともに揺動してロードセル３３１，３３２を作動する。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、永久磁石を用いた渦電流式電気動力計に関する。

図９を用いて従来の渦電流式電気動力計を説明する。
図９は、電磁コイルを用いた渦電流式電気動力計のロータとステータ部分の断面図（一部）を示す。（例えば特許文献１参照。）
渦電流を発生するロータデイスク６１は、軸６５に固定し、ヨーク６２は、軸６５に揺動自在に取り付けたブラケット６４に固定してある。軸６５は、軸受を介して支持部材６６に取付け、エンジン等の原動機（図示せず）によって回転する。ヨーク６２は、コイル６３１，６３２を備え、電磁石を構成している。ロータデイスク６１は、ヨーク６２の空隙部分（磁気ギャップ）に配置してある。ブラケット６４には、トルクアーム（図示せず）を取付けてあり、そのトルクアームは、ロードセル（図示せず）を作動する。
コイル６３１，６３２に電流を流した状態で、ロータデイスク６１を原動機によって回転すると、ロータデイスク６１には渦電流が発生して動力を吸収する。一方ブラケット６４には、トルクが発生して揺動する。そのトルクは、ブラケット６４に取り付けたトルクアームを介してロードセルによって測定する。

特開平１０−１７０３６０号公報

電気動力計は、例えばエンジンや燃料電池式原動機等の原動機を開発する際、原動機の性能を試験するために使われているが、原動機の性能試験は、様々な環境や負荷の変動について行われるため、負荷の変動等に対する高い応答特性が必要になる。ところが従来のコイルを用いた渦電流式電気動力計は、コイルを用いているため、コイルのインダクタンスによる応答特性に問題があった。また吸収する動力を大きくするには、ロータデイスク６１に発生する渦電流を大きくする必要があり、渦電流を大きくするにはロータデイスク６１の円周方向に、ヨーク６２とコイルからなる電磁石を多数配置しなければならない。電磁石が多数になると、ヨーク６２やコイルが多数になり、給電線も多くなるために構造が複雑になる。また構造が複雑になると製造が難しくなってコストが高くなり、かつロータデイスク６１の冷却が難しくなる。
本願発明は、従来のコイルを用いた渦電流式電気動力計の前記問題点に鑑み、応答特性を改善し、簡単な構造の渦電流式電気動力計を提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の渦電流式電気動力計は、渦電流発生用デイスクの両側に永久磁石取付部材を配置し、その永久磁石取付部材に取付けた永久磁石は、渦電流発生用デイスクを挟んで対向して対となるように配置し、その永久磁石の対を渦電流発生用デイスクの円周方向に複数対配置し、前記渦電流発生用デイスク又は前記永久磁石取付部材のいずれか１方を原動機によって回転する軸に固定し、他方をその軸に揺動自在に取付けてあることを特徴とする。
請求項２に記載の渦電流式電気動力計は、請求項１に記載の渦電流式電気動力計において、前記永久磁石取付部材に取付けた永久磁石は、極性が１つ置きに反転していることを特徴とする。
請求項３に記載の渦電流式電気動力計は、請求項１又は請求項２に記載の渦電流式電気動力計において、前記渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材は、間隔を変えられることを特徴とする。
請求項４に記載の渦電流式電気動力計は、請求項１又は請求項２に記載の渦電流式電気動力計において、前記渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材は、一方の永久磁石取付部材を他方の永久磁石取付部材に対して前記渦電流発生用デイスクの円周方向へ位置を変えられることを特徴とする。

本願発明の渦電流式電気動力計は、コイルを持たない永久磁石を用いているから、高い応答特性が得られ、また構造が簡単であるから組立てが容易になり、渦電流発生用デイスクの冷却も容易になる。
本願発明の渦電流式電気動力計は、永久磁石を用いているから、渦電流発生用デイスクをロータとして、或いはステータとして使用することができる。
本願発明の渦電流式電気動力計は、渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材に取付ける永久磁石を、極性が同一になるように又は極性が１つ置きに反転するように配置することにより発生するトルクを変えることができ、極性を１つ置きに反転した場合には、大きなトルクを発生することができる。

本願発明の渦電流式電気動力計は、渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材の間隔を変えることにより、両部材に取付けた永久磁石の対向磁極の間隔（磁気ギャップの長さ）を変え、発生するトルクを変えることができる。また永久磁石取付部材に取付ける永久磁石の渦電流発生用デイスクの円周方向の間隔を変え、取付ける永久磁石の個数を変えることにより、発生するトルクを変えることができ、さらに２つの永久磁石取付部材の一方を円周方向へ回すことによっても発生するトルクを変えることができる。
本願発明の渦電流式電気動力計は、永久磁石を用いているから、永久磁石の対向磁極の間隔等を容易に変えることができる。

本願発明の実施の形態の渦電流式電気動力計は、渦電流発生用のデイスクを挟んで対向する対の永久磁石をデイスクの円周方向に複数対配置し、そのデイスク又は永久磁石のいずれか一方をステータにし、他方をロータにしている。
図１〜図６を用いて本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を用いている。

図１は、本願発明の第１実施例の渦電流式電気動力計の正面の断面（図１（ａ））と側面の断面（図１（ｂ））を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ１部分の矢印方向の断面図である。
図１において、Ｄは渦電流発生用デイスク、Ｍ１、Ｍ２は永久磁石、１１１、１１２は永久磁石取付部材、２１はモータ（原動機）２３によって回転する軸、３１１，３１２はトルクアーム、３３１，３３２はロードセルである。
軸２１は、支持部材２２１，２２２に回転自在に取付け、渦電流発生用デイスクＤは、軸２１に固定し、永久磁石取付部材１１１，１１２は、軸２１に揺動自在に取り付けてある。永久磁石取付部材１１１，１１２は、ネジ１３１〜１３４によってスペーサ１２１，１２２に固定してある。支持部材２２１，２２２は、台板２に固定してある。

永久磁石Ｍ１、Ｍ２は、夫々複数の永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１ｎ、Ｍ２１〜Ｍ２ｎ（図示せず）からなり、永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１ｎ、Ｍ２１〜Ｍ２ｎは、渦電流発生用デイスクＤを挟んで対向している。
軸２１がモータ２３によって回転すると、渦電流発生用デイスクＤは、対向する永久磁石Ｍ１、Ｍ２の対向磁極間（磁気ギャップ中）を回転し、渦電流発生用デイスクＤには、永久磁石Ｍ１、Ｍ２により発生する磁界によって渦電流が発生する。その際永久磁石取付部材１１１，１１２は、トルクが発生して軸２１の周囲を揺動する。その揺動によってトルクアーム３１１，３１２は、ロードセル３３１，３３２を作動する。永久磁石取付部材１１１，１１２に発生したトルクは、ロードセル３３１，３３２によって測定する。

ここで渦電流発生用デイスクＤは、銅、アルミニウム、鉄等の導電材を用い、永久磁石取付部材１１１，１１２は、アルミニウム、プラスチック等の非磁性材を用いる。永久磁石Ｍ１，Ｍ２の各永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１ｎ、Ｍ２１〜Ｍ２ｎは、柱状、板状いずれでもよいが、本実施例は、直径６ｍｍ、長さ１０ｍｍ程度の柱状のネオジウム磁石を用いた。
本実施例の渦電流式電気動力計は、コイルを持たない永久磁石を用いているから、高い応答特性が得られ、また構造が簡単であるから組立てが容易になり、渦電流発生用デイスクＤの冷却も容易になる。

図２は、本願発明の第２実施例の渦電流式電気動力計の正面の断面（図２（ａ））と側面の断面（図２（ｂ））を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ２部分の矢印方向の断面図である。
図２の渦電流式電気動力計は、永久磁石取付部材１１１，１１２を軸２１に固定し、渦電流発生用デイスクＤを軸２１に揺動自在に取付けてある。即ち図１とロータとステータの関係が逆になっている。したがってトルクアーム３１１，３１２は、渦電流発生用デイスクＤに取付けてある。図２の場合には、渦電流発生用デイスクＤの冷却が図１の場合よりも容易になる。

次に図３を用いて、図１、図２の渦電流式電気動力計の永久磁石Ｍ１，Ｍ２の各永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１ｎ、Ｍ２１〜Ｍ２ｎの配列について説明する。
図１、図２の永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１ｎ、Ｍ２１〜Ｍ２ｎは、図３（ａ）のように、永久磁石Ｍ１１とＭ２１、Ｍ１２とＭ２２、・・・Ｍ１５とＭ２５が夫々対となり、渦電流発生用デイスクＤを挟んで対向している。
図３（ｂ）は、永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１５は、全て渦電流発生用デイスクＤ側をＳ極にし、永久磁石Ｍ２１〜Ｍ２５は、全て渦電流発生用デイスクＤ側をＮ極にして、全ての永久磁石が同一極性となるように配置してある。この場合、対向磁極の極性は、永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１５の渦電流発生用デイスクＤ側をＮ極にし、永久磁石Ｍ２１〜Ｍ２５の渦電流発生用デイスクＤ側をＳ極にしてもよい。
図３（ｃ）は、永久磁石Ｍ１１〜Ｍ１５の極性及び永久磁石Ｍ２１〜Ｍ２５の極性を１つ置きに反転した例で、例えば永久磁石Ｍ１１は、渦電流発生用デイスクＤ側をＳ極にし、永久磁石Ｍ１２は、渦電流発生用デイスクＤ側をＮ極にしてある。同様に永久磁石Ｍ１１に対向する永久磁石Ｍ２１は、渦電流発生用デイスクＤ側をＮ極にし、永久磁石Ｍ１２に対向する永久磁石Ｍ２２は、渦電流発生用デイスクＤ側をＳ極にしてある。

図４は、図１、図２の永久磁石Ｍ１，Ｍ２を、永久磁石取付部材１１１，１１２に取付ける磁石ホルダを示す。図４（ａ）は、磁石ホルダの斜視図であり、図４（ｂ）は、磁石ホルダの平面図である。
磁石ホルダは、コ字状の本体４１とネジ４２からなり、例えば永久磁石Ｍ２は、本体４１に固定してある。磁石ホルダは、図４（ｂ）のように、ネジ４２によって永久磁石取付部材１１２に取付ける。
磁石ホルダは、図４のものに限らないし、また永久磁石Ｍ２は、永久磁石取付部材１１２に直接取付けることもできる。

図１、図２の渦電流式電気動力計は、永久磁石Ｍ１と永久磁石Ｍ２の対向磁極の間隔（磁気ギャップの長さ）や、対向磁極の渦電流発生用デイスクＤの円周方向の位置関係を変えると、対向磁極間の磁束密度が変わって、渦電流発生用デイスクＤに発生する渦電流も変わる。そこで図５、図６を用いて、永久磁石Ｍ１と永久磁石Ｍ２の対向磁極の間隔等を変える手段について説明する。

まず図５について説明する。
図５(ａ)は、ネジ１３１，１３２を調節して永久磁石Ｍ１，Ｍ２の対向磁極の間隔ｄ１を調節する。
図５（ｂ）は、図５(ａ)のスペーサ１２１をスペーサ１２１１，１２１２の２つの部材によって構成し、ネジ１３５によって両部材を結合してある。対向磁極の間隔ｄ１は、スペーサ１２１１，１２１２を左右に（図５（ｂ）において）摺動させて調節する。この場合、例えばスペーサ１２１１，１２１２のいずれか一方に、ネジ１３５を摺動させるためのスリット（図示せず）を形成する。
図５（ｃ）は、永久磁石Ｍ１，Ｍ２の各永久磁石の渦電流発生用デイスクＤの円周方向の間隔ｄ２を変える例である。永久磁石Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の間隔ｄ２は、図４の磁石ホルダの取付け位置を変えることにより調節する。図５（ｃ）は、永久磁石Ｍ１のみ示してあるが、永久磁石Ｍ２も同様に調節する。

図６は、図１、図２の永久磁石Ｍ１，Ｍ２の対向磁極の渦電流発生用デイスクＤの円周方向の対向する位置関係を変える例である。
図６（ａ）は、永久磁石Ｍ１，Ｍ２の対をなす永久磁石Ｍ１１とＭ２１，Ｍ１２とＭ２２，Ｍ１３とＭ２３，Ｍ１４とＭ２４の中心線が一致しているように対向している。
図６（ｂ）は、図６（ａ）において、永久磁石取付部材１１１，１１２のいずれか一方を円周方向へ回して、夫々の中心線の間隔ｄ３を変えている。
図６（ｃ）は、永久磁石取付部材１１１，１１２を円周方向へ回す（位置を変える）手段の例で、永久磁石取付部材１１１にスリット１１４を形成し、ネジ１３１がスリット１１４内を摺動できるようにしてある。

図５、図６は、図１の渦電流式電気動力計について説明したが、図２の渦電流式電気動力計についても同様に対向磁極の間隔等を変えることができる。その場合、図２の渦電流式電気動力計は、図１のスペーサ１２１，１２２を有しないから、永久磁石取付部材１１１，１１２を軸２１上で位置調整できる手段を設ける。また対向磁極の間隔等を変える手段は、図５、図６に記載の手段に限らず他の手段であってもよいし、電気的・電磁的手段によって永久磁石取付部材１１１，１１２の間隔を変えたり、それらを円周方向へ回したりすることもできる。

次に図７、図８により、図１の渦電流式電気動力計の永久磁石の配置と磁束密度及びトルクとの関係について説明する。
図７は、渦電流発生用デイスクＤの半径７２ｍｍの円周に沿って５対の永久磁石を配置し、各対の円周上の間隔を変えて円周方向の磁束密度の変化を測定した結果を示す。磁束密度の測定は、図１において、渦電流発生用デイスクＤを外して渦電流発生用デイスクＤの位置にテスラメータを置いて行った。

図７（ａ）は、永久磁石Ｍ１及び永久磁石Ｍ２の極性が、図３（ｂ）のように全て同一極性となるように配列したときの磁束密度である。永久磁石の各対の間隔は、８ｍｍ、１１ｍｍ、１４ｍｍに設定した。
円周方向の磁束密度の変化率は、磁束密度の最大最小の差が大きいほど大きくなる。
そこで永久磁石の各対の間隔の違いよる磁束密度の変化率を見ると、磁束密度の変化率は、永久磁石の各対の間隔が小さくなるほど小さくなる。これは、各対の間隔が小さくなると、隣接する永久磁石の影響が大きくなると考えられる。したがって同一極性配列の場合には、永久磁石の各対の間隔は大きい方が、磁束密度の変化率が大きくなり渦電流も大きくなる。
図７（ｂ）は、永久磁石Ｍ１及び永久磁石Ｍ２の極性を、図３（ｃ）のように１つ置きに反転させて配列したときの磁束密度である。永久磁石の各対の間隔は、図７（ａ）と同じである。図７（ｂ）の場合には、永久磁石の各対の間隔が大きいときも、小さいときも磁束密度の変化率は、略同じになる。またその変化率は、図７（ａ）に比べて大きくなる。

図８は、渦電流発生用デイスクＤの半径７２ｍｍの円周に沿って永久磁石対を配置し、永久磁石対の円周上の間隔を変えて渦電流式電気動力計のトルクを測定した結果を示す。
永久磁石対の円周上の間隔が変わると、円周上に配置できる永久磁石対の個数も変わるから、図８は、永久磁石対の円周上の間隔とともに配置した永久磁石対の個数も記載してある。
配置した永久磁石の極性が図３（ｂ）のように同一極性の場合、永久磁石対の円周上の間隔が大きくなるとトルクも大きくなる。しかしその間隔が大きくなると、配置できる永久磁石対の個数が少なくなるため、トルクはあまり大きくならない。
一方配置した永久磁石の極性が図３（ｃ）のように反転極性の場合、永久磁石対の円周上の間隔が小さくなるとトルクは大きくなるが、その間隔が大きくなると、配置できる永久磁石対の個数が少なくなるため、トルクは小さくなる。
また配置した永久磁石の極性が同一極性の場合と反転極性の場合とでは、反転極性の場合の方が大きなトルクが得られる。
したがって大きなトルクを得るには、永久磁石は、１つ置きに反転させて配置する方がよい。また同一極性の場合には、永久磁石対の円周上の間隔を大きくし、反転極性の場合には、その間隔を小さくする方がよい。

本願発明の第１実施例の渦電流式電気動力計の構成を示す面である。 本願発明の第２実施例の渦電流式電気動力計の構成を示す面である。 第１実施例と第２実施例の永久磁石の配列を示す図である。 第１実施例と第２実施例の永久磁石ホルダの構成を示す図である。 第１実施例の対向磁極の間隔や永久磁石の円周方向の間隔を調整する手段を示す図である。 第１実施例の対向磁極の円周方向の位置関係を調整する手段を示す図である。 第１実施例の永久磁石の配列と磁束密度の関係を示す図である。 第１実施例の永久磁石の配列とトルクの関係を示す図である。 従来の従来の渦電流式電気動力計の構成を示す図である。

符号の説明

Ｄ 渦電流発生用デイスク
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１１〜Ｍ１ｎ，Ｍ２１〜Ｍ２ｎ 永久磁石
１１１，１１２ 永久磁石取付部材
１１４ スリット
１２１，１２２ スペーサ
１３１〜１３４，１３５ ネジ
２ 台板
２１ 軸
２２１，２２２ 支持部材
２３ モータ（原動機）
３１１，３１２ トルクアーム
３３１，３３２ ロードセル
４１ 磁石ホルダのコ字状の本体
４２ ネジ

Claims (4)

1. 渦電流発生用デイスクの両側に永久磁石取付部材を配置し、その永久磁石取付部材に取付けた永久磁石は、渦電流発生用デイスクを挟んで対向して対となるように配置し、その永久磁石の対を渦電流発生用デイスクの円周方向に複数対配置し、前記渦電流発生用デイスク又は前記永久磁石取付部材のいずれか１方を原動機によって回転する軸に固定し、他方をその軸に揺動自在に取付けてあることを特徴とする渦電流式電気動力計。
2. 請求項１に記載の渦電流式電気動力計において、前記永久磁石取付部材に取付けた永久磁石は、極性が１つ置きに反転していることを特徴とする渦電流式電気動力計。
3. 請求項１又は請求項２に記載の渦電流式電気動力計において、前記渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材は、間隔を変えられることを特徴とする渦電流式電気動力計。
4. 請求項１又は請求項２に記載の渦電流式電気動力計において、前記渦電流発生用デイスクの両側に配置した永久磁石取付部材は、一方の永久磁石取付部材を他方の永久磁石取付部材に対して前記渦電流発生用デイスクの円周方向へ位置を変えられることを特徴とする渦電流式電気動力計。

Images