JP2006094641A - 渦電流減速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 強い制動力を有する渦電流減速装置を提供する。
【解決手段】 回転軸２及び固定側の一方に設けられ渦電流が生起される制動部材４と、回転軸２及び固定側の他方に設けられ上記制動部材４に磁極が近接して対向配置された電磁石６とを有し、その電磁石６が、上記磁極を構成する鉄心１１と、その鉄心１１の外周部に配設されたコイル１２とを有する渦電流減速装置１において、上記鉄心１１に両磁極が接続され上記鉄心１１を上記コイル１２による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材２１を設け、上記鉄心１１に、上記回転軸２の外周側に同芯的に配置された円筒部を形成し、上記コイル１２を、上記円筒状の鉄心１１の外周面に電線を周方向に巻回することにより形成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁石を用いた渦電流減速装置に関するものである。

従来、大型車両の摩擦ブレーキを補助するために用いられている渦電流減速装置として、単一のコイルを用いたものがある。

そのような渦電流減速装置を図１１に基づき説明する。渦電流減速装置５１は、図示しない車両の変速機の出力軸（以下回転軸）に、支持部材５２を介して取り付けられた制動ドラム５４と、固定側に、支持部材５５を介して取り付けられた電磁石５６とを有する。電磁石５６は、円筒状に形成され回転軸の外周側に同芯的に配置された鉄心５８と、その鉄心５８の外周面に電線を巻回することにより形成されたコイル５９とを有する。鉄心５８の両端部により電磁石５６の両磁極（Ｎ極およびＳ極）が構成され、それら両磁極は制動ドラム５４に近接して対向配置される。

さらに、鉄心５８には永久磁石６０、６０が埋め込まれる。それら永久磁石６０、６０は、鉄心５８をコイル５９による磁化方向と同じ向きに磁化するように配置される。

車両を減速制動する場合には、コイル５９に電流を流すことで鉄心５８から磁束を発生させ、鉄心５８と制動ドラム５４との間に磁路Ｃｆを形成する。その磁力により、制動ドラム５４に渦電流を生起させ、回転軸に制動力を付与するようにしている。

永久磁石６０、６０は、電磁石５６の磁力を補助することを意図するものであり、それにより制動力の向上を図っている（特許文献１参照）。

特開２００４−１７３４７４号公報

ところで、永久磁石６０は鉄心５８に較べて磁気抵抗が大きい。鉄心５８内（磁路Ｃｆ内）の磁束が永久磁石６０の磁束よりも小さな場合には、永久磁石６０は電磁石５６を補助するが、鉄心５８内の磁束が永久磁石６０の磁束を越える場合には、永久磁石６０が鉄心５８内の磁束を妨げる可能性がある。このことは、渦電流減速装置の制動力を高めるために、コイル５９に大きな電流を流す場合に問題となる。

また、電磁石５６のみで制動力を高めるためには、大きな鉄心５８を使用する必要があり、渦電流減速装置が大型化、重量化してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化、軽量化を図りつつ、強い制動力を得られる渦電流減速装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転軸及び固定側の一方に設けられ渦電流が生起される制動部材と、回転軸及び固定側の他方に設けられ上記制動部材に磁極が近接して対向配置された電磁石とを有し、その電磁石が、上記磁極を構成する鉄心と、その鉄心の外周部に配設されたコイルとを有する渦電流減速装置において、上記鉄心に両磁極が接続され上記鉄心を上記コイルによる磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材を設けたものである。

好ましくは、上記鉄心に、上記回転軸の外周側に同芯的に配置された円筒部が形成され、上記コイルが、上記円筒状の鉄心の外周面に電線を周方向に巻回することにより形成されたものである。

上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられると共に上記鉄心の外周側または内周側に配置された円筒状の制動ドラムからなり、上記鉄心の磁極をなす両端部が、上記回転軸の半径方向の外側または内側に突出されて、上記制動ドラムの内周面または外周面に対向して配置され、上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に配置されたものでもよい。

上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられた制動ディスクからなり、上記鉄心の両磁極をなす両端部が、上記回転軸の軸方向に向けられて、上記制動ディスクの側面に対向して配置され、上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に配置されたものでもよい。

好ましくは、上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に同芯的に設けられた円筒状の磁極部材と、その磁極部材と上記鉄心との間に挿入固定された永久磁石とからなるものである。

好ましくは、上記永久磁石が、上記鉄心の周方向に複数設けられるか、または上記鉄心の全周に沿うリング状に形成されたものである。

本発明によれば、磁石部材により電磁石の磁力を高めることができ、それにより、渦電流減速装置の小型化、軽量化を図りつつ、その渦電流減速装置の制動力を高めることができる。電気の消費量を少なくすることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の渦電流減速装置は、例えば車両の補助ブレーキとして使用するものであり、車両の変速機の出力軸（以下、回転軸）に制動力を付与するように構成される。

［第一の実施形態］
第一の実施形態を図１から図３に基づき説明する。

本実施形態の渦電流減速装置１は、回転軸２に設けられ渦電流が生起される制動部材４と、固定側に設けられ制動部材４に磁極が近接して対向配置された電磁石６とを有する。

制動部材４は、回転軸２と同芯的に設けられた円筒状の制動ドラム８からなる。その制動ドラム８は、支持部材１４を介して回転軸２に取り付けられる。制動ドラム８は、後述する鉄心１１の外周側に配置される。制動ドラム８は、導電体である磁性材料（本実施形態では、例えば低炭素鋼）から形成される。支持部材１４は、アルミニウムなどの非磁性材料から形成され、制動ドラム８の磁気が回転軸２に漏れない構造となっている。

電磁石６は制動ドラム８の内周側に配置される。電磁石６は、磁極を構成する鉄心１１と、その鉄心１１の外周部に配設されたコイル１２とを有する。

鉄心１１は、全体として略円筒状に形成され回転軸２の外周側に同芯的に配置される。すなわち、鉄心１１には、回転軸２の外周側に同芯的に配置された円筒部１３が形成される。鉄心１１は、車両の固定側（具体的には、図示しないトランスミッションリアカバー）に取り付けられた支持部材１６により支持される。支持部材１６は、アルミニウムなどの非磁性材料から形成され、電磁石６や後述する磁石部材２１の磁気が固定側に漏れない構造となっている。

図２に示すように、軸方向における鉄心１１の両端部は、半径方向外側に突出する突出部１５からなる。突出部１５は鉄心１１の全周に亘り形成され全体としてリング状に形成される。その突出部１５の突出端面が、制動ドラム８の内周面に間隔を隔てて対向される。それら突出部１５、１５により鉄心１１の磁極が各々構成される。鉄心１１は、突出部１５を含め全て、磁性材料、より好ましくは軟磁性材料（例えば、本実施形態では、けい素鋼）などから形成される。

コイル１２は、鉄心１１の円筒部１３の外周面に電線（図示せず）を巻回することにより形成される。より具体的には、電線は鉄心１１の軸方向中央部（すなわち、円筒部１３）に設けられた図示しない巻枠に巻回され、突出部１５、１５の間をみたすように鉄心１１の周方向に巻回される。また、電線は図示しない電流供給装置に接続され、その電流供給装置から渦電流減速装置１の作動に合わせて電線に適宜電流が流される。

特に、本実施形態の渦電流減速装置１には、鉄心１１に両磁極が接続され鉄心１１をコイル１２による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材２１が設けられる。より詳細には、磁石部材２１は、コイル１２が巻回された部分の鉄心１１を磁化する。

磁石部材２１は鉄心１１の内周側に配置される。磁石部材２１は磁極部材２２と永久磁石２４とを有する。

磁極部材２２は、円筒状に形成され回転軸２と同芯的に配置される。磁極部材２２は鉄心１１の内周側に間隔を隔てて配置され、固定側の支持部材１６により支持される。磁極部材２２は、鉄心１１と略同じ軸方向長さと、鉄心１１よりも小さな径とを有する。磁極部材２２は磁性材料から形成され、例えば、低炭素鋼から形成される。

永久磁石２４は、鉄心１１と磁極部材２２との間に挿入固定される。永久磁石２４は回転軸２の半径方向に沿って磁化され、一方の磁極が鉄心１１の内周面に接続され、他方の磁極が磁極部材２２の外周面に接続される。永久磁石２４は、図３に示されるように、周方向に所定の長さを有する円弧状に形成される。永久磁石２４は、例えば希土類磁石などであり、本実施形態では、コバルト−希土類磁石である。

一対の永久磁石２４が、磁極部材２２の軸方向の両端部に互いに間隔を隔てて各々設けられる。それら一対の永久磁石２４、２４は、コイル１２よりも軸方向外側の鉄心１１に各々接続される。一対の永久磁石２４、２４は、互いに異なる極性の磁極を鉄心１１に接続して配置される。それら鉄心１１に接続された磁極により磁石部材２１の両磁極が各々構成され、その両磁極により、磁極部材２２と鉄心１１とに閉じた磁気回路Ｃｒが形成される。

以上の一対の永久磁石２４、２４が、図３に示すように、鉄心１１の周方向に複数設けられ、それら複数の永久磁石２４は、互いに周方向に間隔を隔てて配置される。なお、磁石部材２１は電磁石６に対し半径方向に並ぶように配置される。

次に、本実施形態の渦電流減速装置の作用を説明する。

コイル１２の非通電時、永久磁石２４による磁束は、鉄心１１と磁極部材２２との内で閉じた磁路Ｃｒを形成する（図２（ａ）参照）。したがって、制動ドラム８には渦電流が生起されず、回転軸２に制動力が働くことはない。

コイル１２の通電時、コイル１２により鉄心１１を通る磁界が形成され、その磁界により鉄心１１の両端部から磁束が発生する。その磁束が、図２（ｂ）に示すように、鉄心１１と制動ドラム８とを通る磁路Ｃｆを形成し、それにより制動ドラム８に渦電流が生起される。その渦電流に基づき回転軸２に制動力が付与される。本実施形態では、永久磁石２４により鉄心１１にコイル１２の磁界とは反対向きの磁界（以下、逆磁界）を常時発生させているので、従来よりも大きな制動力を回転軸２に付与することができる。その理由を以下に説明する。

制動力の大きさは、鉄心１１と制動ドラム８との間（図２（ｂ）においてＰ点）の磁束ｉにより決まる。その磁束ｉは、コイル１２に流す電流を大きくすると増加していき、鉄心１１が磁気飽和することで上限に達する。つまり、最大制動力は、鉄心１１が飽和した時の電流値が大きいほど、大きくなる。

鉄心１１の磁気飽和は、コイル１２が巻回された部分（図２（ｂ）においてＣ点）において生じる。Ｃ点の磁束Ｉとコイル１２に流れる電流Ｊとの関係を図４（ａ）に基づき説明する。なお、縦軸を磁束Ｉとし、横軸を電流Ｊとする。

コイル１２の非通電時（Ｊ＝０）、本実施形態では逆磁界があるために磁束Ｉは負の磁束Ｉｒとなり、磁石部材２１のない従来例（点線で示す、Ｉ＝０）よりも低くなる。その磁束Ｉは電流Ｊを大きくすると増加し鉄心１１が飽和するとそれ以上増加しなくなる。磁束Ｉは従来例と同じ飽和値Ｉｓに収束する。本実施形態では鉄心１１の飽和時の電流Ｊは、従来例と同じ電流Ｊａと、負の磁束Ｉｒを打ち消す電流Ｊｒ（逆磁界に相当する電流）とを加えた値Ｊｂとなる。つまり、本実施形態では従来例に較べて逆磁界分だけ飽和時の電流値を大きくすることができる。

図４（ｂ）は、Ｐ点の磁束ｉと、コイル１２に流れる電流との関係を示したものであり、コンピュータを用いた数値解析結果に基づくものである。なお、縦軸を磁束ｉとし、横軸を電流Ｊとする。

逆磁界による磁束Ｉは、上述したように鉄心１１と磁極部材２２とに封じ込められているために、磁束ｉには影響を及ぼさない。したがって、本実施形態におけるコイル１２の非通電時（Ｊ＝０）の磁束ｉは、従来例（点線で示す）と同じく０である。一方、本実施形態における磁束ｉの上限ｉｂは、上述したように鉄心１１の飽和時の電流値が従来例よりも較べて大きいため、その電流値の差分Ｊｒに相当する値ｉｒだけ従来例の値ｉａよりも大きくなる（ｉｂ＝ｉａ＋ｉｒ）。

以上により、本実施形態では従来に較べ電磁石６の性能が格段に向上する。上述の数値解析結果によれば約１．５倍の向上が認められた。

このように、鉄心１１をコイル１２による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材２１を設けることで、鉄心１１が飽和する電流値を高めることができ、鉄心１１の磁極から発生する磁束密度を高めることができる。つまり、鉄心１１の磁極面からより多くの磁束が発生するので、電磁石６の磁力を高めることができる。

したがって、渦電流減速装置１を大型化、重量化させることなく制動力を高めることができる。また、鉄心１１のサイズが小さくとも十分な制動力が得られるので、渦電流減速装置１の小型化、軽量化を図ることができる。所定の制動力を得るために必要な電流値が従来に較べ小さいので（図４（ｂ）参照）、電気の消費量を少なくすることができる。

本実施形態の渦電流減速装置は、永久磁石により鉄心を反対方向に磁化したことに特徴を有する。すなわち、永久磁石を鉄心の磁化方向に配置し電磁石の磁力をアシストするのではなく、敢えてアシストする方向と反対方向に永久磁石を配置している。これにより鉄心を磁気が通りやすくなり（すなわち、磁気抵抗が低くなり）、従来よりも鉄心の磁気飽和が遅くなる。つまり、電磁石の磁力は従来よりも強くなる。

その他に、磁石部材２１の両磁極を電磁石６の鉄心１１に各々接続することで、磁石部材２１の磁気を、磁石部材２１および電磁石６に閉じ込めることができ、制動時以外に回転軸２に制動力が働くことを確実に防止することができる。

特に、電磁石６を、円筒部１３を有する一つの鉄心１１と、その円筒部１３に電線を巻回することにより形成されたコイル１２とから構成することで、複数の電磁石を環状に配置する場合に較べて、部品点数が減少すると共に鉄心１１の形状が単純になり、電磁石６をより低コストで製造することができる。さらに、電磁石６のコイル１２と車両の制御装置などとの間の配線が単純になり、渦電流減速装置の組立コストを低減させることができる。

次に第二から第四の実施形態を説明する。これらの実施形態は、主に突出部の形状が第一の実施形態と異なるもので、それ以外は第一の実施形態と同様となっている。したがって、第一の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

［第二の実施形態］
第二の実施形態を図５に基づき説明する。

この実施形態では、突出部１５、１５の突出端面に、複数の溝３１が周方向に間隔を隔てて設けられる。すなわち、突出部１５、１５は歯車状に形成される。左右の突出部１５、１５の各々に設けられる溝３１、３１は、周方向の同じ角度位置に同一長さで配置され、かつ周方向に等間隔に配置される。以上の溝３１、３１により周方向に並ぶ複数の磁極面１５ａが形成され、それら磁極面１５ａが制動ドラム８の内周面と対向する。

第二の実施形態でも、第一の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、磁極面１５ａの総面積が小さくなるため磁束密度が高まり、磁束をより収束させて発生させることができる。

［第三の実施形態］
第三の実施形態を図６に基づき説明する。

この実施形態では、各突出部１５の突出端部に、突出部１５、１５の間を軸方向内側に延びる延出部３２、３２が各々設けられる。それらの延出部３２、３２は、突出部１５、１５の全周に亘り設けられる。以上の延出部３２、３２により鉄心１１の磁極面３２ａ、３２ａが構成され、それら磁極面３２ａ、３２ａが制動ドラム８の内周面と対向する。

第三の実施形態では、磁極面３２ａ、３２ａの総面積が広くなり、制動ドラム８において渦電流が発生する面積が広くなる。それにより、渦電流に起因する熱が分散され、制動ドラム８が局所的に高温となるのを防止することができる。

［第四の実施形態］
第四の実施形態を図７に基づき説明する。

この実施形態では、各突出部１５に、突出部１５、１５の間を軸方向内側に延びる延出部３５、３５が各々設けられる。延出部３５、３５は周方向に間隔を隔てて複数形成され、全体として櫛歯状に形成される。その櫛歯を噛み合わせるように、一方と他方との延出部３５、３５が周方向に交互に配置される。一方の延出部３５の先端は、隣り合う他方の延出部３５の先端を越えて延出する。以上の延出部３５、３５により鉄心１１の磁極面３５ａ、３５ａが構成され、それら磁極面３５ａが制動ドラム８の内周面と対向する。

この第四の実施形態でも、磁極面３５ａ、３５ａの総面積が広くなり、第三の実施形態と同様の効果が得られる。

［第五の実施形態］
第五の実施形態を図８に基づき説明する。第五の実施形態は、制動部材として制動ディスクを用いるものであり、そのために主に鉄心の形状が第一の実施形態と異なる。それら以外は第一の実施形態と同様となっている。したがって、第一の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

制動ディスク４１は、支持部材１４を介して回転軸に設けられる。制動ディスク４１は、リング状に形成され回転軸と同芯的に配置される。

鉄心４２は、制動ディスク４１と回転軸の軸方向に間隔を隔てて設けられる。
鉄心４２には鉄心４２の全周に亘り形成された断面Ｌ字形の突出部４４が設けられ、結果的に鉄心４２は全体として断面コ字状の円筒状に形成される。鉄心４２の両端部４５、４５は回転軸の軸方向に向けられると共に、制動ディスク４１の側面に対向するように配置される。それら両端部４５、４５により鉄心４２の両磁極が各々構成される。なお、磁石部材２１は鉄心４２の内周側に配置される。

この第五の実施形態でも、第一の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、制動部材を固定側に設け、電磁石と磁石部材とを回転軸側に設けてもよい。

その場合に、図９に示すように、磁極部材２２を中実の円盤状に形成し、その磁極部材２２を回転軸２に直接取り付けるようにしてもよい。これにより、磁極部材などを支持する支持部材が不要となり、渦電流減速装置の製造コストをより低減させることができる。

また、鉄心を制動ドラムの外周側に設けてもよい。その場合、鉄心の磁極を制動ドラムの外周面に対向させ、磁石部材を鉄心の外周側に配置することが好ましい。

また、鉄心の周方向に複数の永久磁石を設けるかわりに、図１０に示すように、鉄心の全周に沿うリング状に形成された一つの永久磁石７１を設けるようにしてもよく、そのリング状の永久磁石７１は、例えば、可撓性を有する平板状の永久磁石から構成し、その永久磁石を鉄心の内周面に貼り合わせて取り付けるができる。

また、永久磁石は、フェライト磁石やボンド磁石など希土類磁石以外に様々なものが考えられる。

また、磁極部材を省略し、磁石部材を永久磁石のみで構成してもよい。さらに、磁石部材は、永久磁石に代えて電磁石を用いることも考えられる。

また、コイルは、電線を巻回した後にさらにモールドすることで、形成してもよい。

本発明に係る一実施形態による渦電流減速装置の正面図を示す。 （ａ）は、図１の一部拡大図を示し、非通電時の磁気の流れを示す。（ｂ）は、図１の一部拡大図を示し、通電時の磁気の流れを示す。 図１の側面図を示し、支持部材などを省略したものを示す。 （ａ）は、本実施形態および従来の渦電流減速装置におけるコイルに流れる電流と、図２（ｂ）中Ｃ点の磁束との関係図を示す。（ｂ）は、本実施形態および従来の渦電流減速装置におけるコイルに流れる電流と、図２（ｂ）中Ｐ点の磁束との関係図を示す。 第二の実施形態の渦電流減速装置の正面図を示す。 第三の実施形態の渦電流減速装置の正面図を示す。 第四の実施形態の渦電流減速装置の正面図を示す。 第五の実施形態の渦電流減速装置の正面図を示す。 他の実施形態の渦電流減速装置の側面図を示す。 他の実施形態の渦電流減速装置の側面図を示す。 従来の渦電流減速装置の正面図を示す。

符号の説明

１ 渦電流減速装置
２ 回転軸
４ 制動部材
６ 電磁石
８ 制動ドラム
１１、４２ 鉄心
１２ コイル
１３ 円筒部
２１ 磁石部材
２２ 磁極部材
２４ 永久磁石
４１ 制動ディスク

Claims (5)

1. 回転軸及び固定側の一方に設けられ渦電流が生起される制動部材と、回転軸及び固定側の他方に設けられ上記制動部材に磁極が近接して対向配置された電磁石とを有し、その電磁石が、上記磁極を構成する鉄心と、その鉄心の外周部に配設されたコイルとを有する渦電流減速装置において、
   上記鉄心に両磁極が接続され上記鉄心を上記コイルによる磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材を設け、
   上記鉄心に、上記回転軸の外周側に同芯的に配置された円筒部を形成し、上記コイルを、上記円筒状の鉄心の外周面に電線を周方向に巻回することにより形成したことを特徴とする渦電流減速装置。
2. 上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられると共に上記鉄心の外周側または内周側に配置された円筒状の制動ドラムからなり、
   上記鉄心の磁極をなす両端部が、上記回転軸の半径方向の外側または内側に突出されて、上記制動ドラムの内周面または外周面に対向して配置され、
   上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に配置された請求項１記載の渦電流減速装置。
3. 上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられた制動ディスクからなり、
   上記鉄心の磁極をなす両端部が、上記回転軸の軸方向に向けられて、上記制動ディスクの側面に対向して配置され、
   上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に配置された請求項１記載の渦電流減速装置。
4. 上記磁石部材が、上記鉄心の内周側または外周側に同芯的に設けられた円筒状の磁極部材と、その磁極部材と上記鉄心との間に挿入固定された永久磁石とからなる請求項１から３いずれかに記載の渦電流減速装置。
5. 上記永久磁石が、上記鉄心の周方向に複数設けられるか、または上記鉄心の全周に沿うリング状に形成された請求項４記載の渦電流減速装置。
   

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