JP2006094642A - 渦電流減速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 制動力のコントロールが容易で、かつ、小型化、軽量化を図れ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５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５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２０と、その鉄心２０の外周部に配設されたコイル２１とを有する渦電流減速装置１において、上記鉄心２０に両磁極が接続され上記鉄心２０を上記コイル２１による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材３１を設けたものである。
【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減速装置として、磁力により渦電流を生起させることで制動力を得る渦電流減速装置が用いられている。その渦電流減速装置には、電磁石を使用して磁力を得るものと、永久磁石を使用して磁力を得るものとがある。

例えば、電磁石を使用する渦電流減速装置は、車両の変速機の出力軸に取り付けられた制動ディスクと、その制動ディスクに近接して対向配置された電磁石とを有する。その電磁石は、磁極を構成する鉄心と、その鉄心を磁化するためのコイルとを有する。車両を減速制動する場合には、コイルに電流を流して鉄心から磁束を発生させ、その磁力により制動ディスクに渦電流を生起させるようにしている（特許文献１）。

また、電磁石の代わりに永久磁石を使用するものでは、減速制動のＯＮ、ＯＦＦに合わせて、永久磁石の位置を移動させることで、制動ディスクに渦電流を生起させるようにしている（特許文献２）。

特開２００４−１７３４７４号公報 特開２００３−１９９３２１号公報

ところで、電磁石は、永久磁石に較べるとあまり磁力が強くない。十分な磁力を得るためにはサイズの大きな電磁石を使用する必要がある。このことが、渦電流減速装置の小型化、軽量化を図る場合に問題となってしまう。

一方、希土類などからなる永久磁石は、サイズが小さいものでも強力な磁力を有するが、磁力をコントロールできない。このことは、渦電流減速装置の制動力のコントロールを困難にしてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、制動力のコントロールが容易で、かつ、小型化、軽量化を図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。

上記電磁石と上記磁石部材とが、上記回転軸の周方向に沿って並べて配置されたものでもよい。

上記電磁石と上記磁石部材とが、上記回転軸の半径方向に沿って並べて配置されたものでもよい。

好ましくは、上記電磁石が上記回転軸の周方向に複数設けられ、それら電磁石毎に上記磁石部材が各々設けられたものである。

上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられた制動ディスクからなり、上記電磁石が、上記制動ディスクと上記回転軸の軸方向に間隔を隔てて設けられ、その電磁石の少なくとも一方の磁極が、上記制動ディスクの側面に対向して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円筒状の制動ドラムからなり、上記電磁石が、上記制動ドラムの内周側または外周側に設けられ、その電磁石の少なくとも一方の磁極が、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たものでもよい。

好ましくは、上記磁石部材が、上記鉄心に一体または別体で接続されるＵ字形の磁極部材と、そのＵ字形の磁極部材に嵌め込まれた永久磁石とを有するものである。

本発明によれば、電磁石を用いるので渦電流減速装置の制動力のコントロールを容易にすることができ、かつ磁石部材により電磁石の磁力を高めることで渦電流減速装置の小型化、軽量化を図ることができる。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。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５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。

本実施形態の制動部材４は、回転軸２と同芯的に設けられた制動ディスク８からなる。制動ディスク８は、リング状に形成され回転軸２を同芯的に囲うように配置される。回転軸２の外周部にフランジ９ａ、９ｂが取り付けられ、そのフランジ９ａ、９ｂには、放射状に突出する支持アーム１０が取り付けられ、さらにその支持アーム１０には、支持ディスク７が取り付けられる。制動ディスク８は、その支持ディスク７に取り付けられる。制動ディスク８は、例えば溶接などで支持ディスク７に接合される。

制動ディスク８は、導電体でありかつ磁性材料である材料（例えば、本実施形態では低炭素鋼）から形成される。また、支持ディスク７と、支持アーム１０と、フランジ９ａ、９ｂとは、アルミニウムなどの非磁性材料から形成され、制動ディスク８の磁気が回転軸２に漏れない構造となっている。

以上の制動ディスク８が、本実施形態では、回転軸２の軸方向に間隔を隔てて二枚配置される。具体的には、図１および図２（ｂ）に示すように、支持アーム１０の先端部が回転軸２の軸方向に広がるＵ字形に形成され、そのＵ字形の先端部に支持ディスク７、７が各々設けられ、これら支持ディスク７、７に制動ディスク８、８が各々取り付けられる。

本実施形態の電磁石６は、制動ディスク８、８と回転軸２の軸方向に間隔を隔てて設けられ、その両磁極を制動ディスク８、８の側面８ａ、８ａに対向して配置される。

電磁石６は、両磁極を構成する鉄心２０とその鉄心２０の外周部に配設されるコイル２１とを有する。

鉄心２０は、固定側５（具体的には、車両のトランスミッションリアカバー）に固定された支持部材２４により支持され、二枚の制動ディスク８、８の間に配置される。鉄心２０は、回転軸２の軸方向に沿って直線的に延びる略直方体に形成され、両端部には、支持部材２４が挿入される固定穴２５が形成される。鉄心２０の両端面が、制動ディスク８、８の内側の側面８ａ、８ａと、各々近接して対向するように配置される。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）において、二点鎖線により鉄心２０と後述する磁石部材３１との境界を示した。鉄心２０は、磁性材料（例えば、本実施形態では、低炭素鋼）から形成される。しかしながら、鉄心２０は、必ずしも制動ディスク８のように導電体である必要はない。なお、支持部材２４はアルミニウムなどの非磁性体から形成され、電磁石６の磁気が固定側５に漏れない構造となっている。

コイル２１は、鉄心２０の中央部を囲う図示しない巻枠に、電線を巻回することで形成される。その電線は、図示しない電流供給装置に接続され、渦電流減速装置１の作動に合わせて適宜電流が供給されるようになっている。電線に電流を流すことにより、鉄心２０の長手方向の両端部に、電磁石６の磁極が各々構成される。本実施形態では、図３（ａ）および図３（ｂ）において、鉄心２０の左端部がＮ極、右端部がＳ極となるように電線に電流が流される。

特に、本実施形態の渦電流減速装置１には、鉄心２０に両磁極が接続され鉄心２０をコイル２１による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材３１が設けられる。本実施形態では、その磁石部材３１が、磁極部材３２とその磁極部材３２に接続された永久磁石３４とを有する。

磁極部材３２は、断面矩形かつＵ字形に形成され、その長手方向の両端部３２ａ、３２ａが鉄心２０に各々接続される。磁極部材３２の両端部３２ａ、３２ａは、コイル２１を挟むようにコイル２１の外側の鉄心２０に接続される。

永久磁石３４は、Ｕ字形の磁極部材３２の長手方向の中央部３２ｂに嵌め込まれる。永久磁石３４は、図示しない防水のためのアルミプレートなどで覆われる。その永久磁石３４により磁極部材３２の両端部３２ａ、３２ａに、磁石部材３１の磁極が各々形成される。本実施形態では、永久磁石３４が、図３（ａ）および図３（ｂ）において、左側がＮ極、右側がＳ極となる向きに配置され、鉄心２０を通過する磁路Ｃｒを形成する（図３（ａ）および図３（ｂ）において点線で示す）。永久磁石３４は、例えば希土類−コバルト磁石である。

本実施形態では、磁極部材３２が鉄心２０と一体とされることで磁極部材３２が鉄心２０に接続される。したがって、磁極部材３２も鉄心２０と同じ磁性材料（本実施形態では、低炭素鋼）から形成される。

さらに、電磁石６は回転軸２の周方向に複数設けられる。磁石部材３１は、上述のようにその磁極部材３２が鉄心２０と一体的に形成されるので、電磁石６毎に複数設けられる。より詳細には、電磁石６が、制動ディスク８の周方向に偶数個配置され、それら電磁石６は、制動ディスク８の周方向に沿って磁極の極性が交互に異なるように各々配置される。

さらに、本実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、電磁石６と磁石部材３１とが、回転軸２の周方向に沿って並べて配置される。各磁石部材３１は、電磁石６に対し同一側に配置される。

次に、本実施形態の渦電流減速装置１の作用を説明する。

コイル２１の非通電時、永久磁石３４による磁束Ｉは、鉄心２０と磁極部材３２との内で閉じた磁路Ｃｒを形成する（図３（ａ）参照）。したがって、制動ディスク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２１の通電時、コイル２１により鉄心２０を通る磁界が形成され、その磁界により鉄心２０の両端部から磁束ｉが発生する（図３（ｂ）参照）。その磁束ｉが、図２（ｂ）に示すように、鉄心２０と制動ディスク８とを通る磁路Ｃｆを形成し、それにより制動ディスク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３４により鉄心２０にコイル２１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。

制動力の大きさは、鉄心２０と制動ディスク８との間（図３（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２１に流す電流を大きくすると増加していき、鉄心２０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２０が飽和した時の電流値が大きいほど、大きくなる。

鉄心２０の磁気飽和は、コイル２１が巻回された部分（図３（ｂ）においてＣ点）において生じる。Ｃ点の磁束Ｉとコイル２１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２１の非通電時（Ｊ＝０）、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３１のない従来例（点線で示す、Ｉ＝０）よりも低くなる。磁束Ｉは電流Ｊを大きくすると増加し鉄心２０が飽和するとそれ以上増加しなくなる。磁束Ｉは従来と同じ飽和値Ｉｓに収束する。本実施形態では鉄心２０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）とを加えたものとなる。つまり、本実施形態では従来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２１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２０と磁極部材３２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、コイル２１の非通電時、磁束ｉは従来（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の上限は、上述したように鉄心２０の飽和時の電流値が従来よりも較べて大きいため、その電流値の差分Ｊｒだけ従来よりも大きくなる（ｉａ＋ｉｒ）。

このように、鉄心２０をコイル２１による磁化方向と反対向きに磁化する磁石部材３１を設けることで、鉄心２０が飽和する電流値を高めることができ、それにより鉄心２０の磁極から発生する磁束密度を高めることがでる。つまり、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の制動力を高めることができる。また、鉄心２０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。電磁石６を用いているため、コイル２１に流す電流値を加減することで、回転軸２に付与する制動力を容易にコントロールすることができる。

特に、本実施形態の渦電流減速装置１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、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３１の両磁極を電磁石６の鉄心２０に各々接続することで、磁石部材３１の磁気を、磁石部材３１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。

［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。第二の実施形態は、電磁石と磁石部材との配置が第一の実施形態と異なる以外、第一の実施形態とほぼ同様である。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）では、図１から図３に示したものと同一要素には、同一符号を付した。

第二の実施形態では、電磁石６と磁石部材３１とが回転軸２の半径方向に並べて配置される。全ての磁石部材３１は電磁石６よりも半径方向内側に配置される。

この第二の実施形態でも、第一の実施形態と同様の効果を得られる。

［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。第三の実施形態は、主に電磁石と磁石部材との構造が第一の実施形態と異なる。そこで、図６では、電磁石と磁石部材のみを示し、制動部材など他のものは省略した。また、図１から図３に示したものと同一要素には、同一符号を付した。

第三の実施形態では、Ｕ字形に形成された磁極部材４２が鉄心４４とは別体で形成される。そのＵ字形の磁極部材４２の両端部には断面逆台形状の凸部４５が各々形成され、鉄心４４に形成された凹部４６とスライド嵌合する。この嵌合により、鉄心４４と磁極部材４２とが接続される。

磁極部材４２は電磁鋼板から形成される。磁極部材４２の中央部には永久磁石３４が嵌め込まれる。鉄心４４と磁極部材４２とに固定穴２５、４８が各々設けられ、鉄心４４と磁極部材４２とが別々に支持されるようになっている。

この第三の実施形態でも、上述の第一の実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、鉄心４４と磁石部材４２とを別体にすることで、各々が単純な形状となり、効率良く製造することができる。

［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。第四の実施形態は、制動部材として制動ドラムを用いるものである。そのために、鉄心の形状が第一の実施形態と異なる。なお、図７において、図１から図３に示したものと同一要素には、同一符号を付す。また、回転軸や固定側は省略した。

制動部材４は、回転軸と同芯的に設けられた円筒状の制動ドラム５１からなる。電磁石６は、制動ドラム５１の内周側に設けられる。電磁石６は、固定側に取り付けられた支持ディスク５２に固定され、回転軸２の周方向に複数設けられる。

鉄心５４は、第一の実施形態の鉄心２０の両端部に、半径方向外側に延びる延出部５４ａ、５４ａを各々設けたものであり、Ｕ字形に形成される。鉄心５４は、延出部５４ａ、５４ａの端面が制動ドラム５１の内周面に各々近接して対向するように配置される。延出部５４ａ、５４ａにより各々電磁石６の磁極が構成される。なお、磁極部材３２は鉄心５４と一体とされる。

コイル２１の通電時に、電磁石６は自身の両磁極による磁路Ｃｆ１と、両隣りの電磁石６とによる磁路Ｃｆ２とを形成する。それら磁路Ｃｆ１と磁路Ｃｆ２とにより制動ドラム２１に渦電流が生起される。

この第四の実施形態でも、第一の実施形態と同様の効果を得られる。

［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、主に鉄心の構造が第四の実施形態と異なる以外第五の実施形態と同じ概略構造を有する。そこで、図８では、電磁石と磁石部材のみを示し、制動部材など他のものは省略した。また、図７に示したものと同一要素には、同一符号を付した。

第五の実施形態の鉄心６１は、コイル２１が巻回された芯部６２が別体で形成されたものであり、その芯部６２は、両端部に各々形成された断面逆台形状の凸部６４を、鉄心６１に各々形成された凹部６５にスライド嵌合して接続される。

この第五の実施形態は、Ｕ字形の部材（鉄心６１と磁極部材３２とを含む）と直線状の芯部６２とから構成することができ、それぞれを単純な形状として効率良く製造することができる。また、芯部６２にコイル２１を巻回した後、芯部６２を鉄心６１に組み付けることができると共に、直線状の芯部６２にコイル２１を巻回するのでコイル巻き作業や電磁石の製造を容易かつ効率的にすることができる。

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、制動ディスクまたは制動ドラムを固定側に設け、電磁石と磁石部材とを回転軸に設けるようにしてもよい。

また、電磁石と磁石部材とは様々な相対位置に配置することが可能であり、例えば、電磁石と磁石部材とを回転軸の軸方向に並べて配置してもよい。

また、電磁石を制動ドラムや制動ディスクの外周側に設けるようにしてもよい。電磁石を制動ドラムの外周側に設ける場合、その電磁石の少なくとも一方の磁極を、外周面に対向配置することが好ましい。

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。

また、磁極部材の形状はＵ字形に限らず様々な形状が可能であり、永久磁石は磁極部材の任意の位置に設けることが可能である。

また、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。

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、（ｂ）は、図１の平面図を示す。 （ａ）は、電磁石と磁石部材とにおける非通電時の磁気の流れを示す。（ｂ）は、電磁石と磁石部材とにおける通電時の磁気の流れ示す。 （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３（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３（ｂ）中Ｐ点の磁束との関係図を示す。 （ａ）は、第二の実施形態の渦電流減速装置の正面図を示し、（ｂ）は、図５（ａ）の平面図を示す。 （ａ）は、第三の実施形態の電磁石と磁石部材との正面図を示す。（ｂ）は、図６（ａ）の側面図を示す。 第四の実施形態の渦電流減速装置の側面図を示す。 第五の実施形態の電磁石と磁石部材との正面図を示す。

符号の説明

１ 渦電流減速装置
２ 回転軸
４ 制動部材
５ 固定側
６ 電磁石
８ 制動ディスク
２０、４４、５４、６１ 鉄心
２１ コイル
３１ 磁石部材
３２、４２、６４ｂ 磁極部材
３４ 永久磁石
５１ 制動ドラム

Claims (7)

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たことを特徴とする渦電流減速装置。
2. 上記電磁石と上記磁石部材とが、上記回転軸の周方向に沿って並べて配置された請求項１記載の渦電流減速装置。
3. 上記電磁石と上記磁石部材とが、上記回転軸の半径方向に沿って並べて配置された請求項１記載の渦電流減速装置。
4. 上記電磁石が上記回転軸の周方向に複数設けられ、それら電磁石毎に上記磁石部材が各々設けられた請求項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、上記電磁石が、上記制動ディスクと上記回転軸の軸方向に間隔を隔てて設けられ、その電磁石の少なくとも一方の磁極が、上記制動ディスクの側面に対向して配置された請求項１から４いずれかに記載の渦電流減速装置。
6. 上記制動部材が、上記回転軸と同芯的に設けられた円筒状の制動ドラムからなり、上記電磁石が、上記制動ドラムの内周側または外周側に設けられ、その電磁石の少なくとも一方の磁極が、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た請求項１から４いずれかに記載の渦電流減速装置。
7. 上記磁石部材が、上記鉄心に一体または別体で接続されるＵ字形の磁極部材と、そのＵ字形の磁極部材に嵌め込まれた永久磁石とを有する請求項１から６いずれかに記載の渦電流減速装置。
   

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