JP2009108927A - 電磁クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なコスト増加を招くことなく、摩擦面同士の圧着力を高めて、同じサイズでより大きなトルク伝達が可能な電磁クラッチの構造を提供する。
【解決手段】ロータとアーマチュアのそれぞれに、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリットを複数設け、ロータの反アーマチュア側に挿入されたコイルの励磁による磁束を、ロータの非スリット部からアーマチュアの非スリット部へ、アーマチュアの非スリット部からロータの非スリット部へと通過させることにより磁気吸着力を発生させて両摩擦面を圧着し、コイルの消磁により両摩擦面を離反させる電磁クラッチであって、ロータとアーマチュアの少なくとも一方のスリットを、スリット幅が反摩擦面側よりも摩擦面側の方が小さくなるようにテーパ状に変化するスリットに形成したことを特徴とする電磁クラッチ。
【選択図】図７

Description

本発明は、電磁クラッチに関し、とくに、摩擦面を有し磁束遮断用のスリットが形成されたロータとアーマチュアを備えた電磁クラッチに関する。

摩擦面を軸方向に圧着、離反可能に対向配置したロータとアーマチュアのそれぞれに、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリットを複数設け、ロータの反アーマチュア側に挿入されたコイルの励磁による磁束を、ロータの非スリット部からアーマチュアの非スリット部へ、アーマチュアの非スリット部からロータの非スリット部へと通過させることにより磁気吸着力を発生させて両摩擦面を圧着し、コイルの消磁により両摩擦面を離反させるようにした電磁クラッチが知られている（例えば、特許文献１）。このような電磁クラッチは、例えば車両用空調装置の冷凍回路における冷媒圧縮用の圧縮機の回転駆動力入力部に取り付けられ、エンジン等の駆動源からの駆動力のオン／オフを制御できるように設けられる。

例えば図１、図２に、上記のような圧縮機に取り付けられる電磁クラッチ１００の例を示す（電磁クラッチの全体基本構成は、後述の本発明に関しても同じである）。駆動源側からの駆動力が伝達される、プーリ構成を有するロータ１の摩擦面１ａと、ロータ１に対向配置されたアーマチュア２の摩擦面２ａとが、ロータ１の円環状空間部３に挿入されたコイル４の励磁、消磁により、圧着、離反される。図示例では、摩擦面同士の圧着により伝達されてきた回転駆動力は、トルクリミッタ機構５を介して、中央部のボス部６から圧縮機の回転軸７へと伝達されるようになっている。ロータ１には、図３にも示すように、軸方向にストレート状に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリット８が複数設けられており、アーマチュア２には、図４にも示すように、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリット９が複数設けられている。コイル４が励磁された際には、ロータ１の非スリット部（スリットの存在しない部分）からアーマチュア２の非スリット部へ、アーマチュア２の非スリット部からロータ１の非スリット部へと磁束が通過されることにより（図示例では、さらにロータ１の非スリット部からアーマチュア２の非スリット部へ、アーマチュア２の非スリット部からロータ１の非スリット部へと磁束が通過される）、摩擦面同士が圧着される。

このような構成においては、上記のような摩擦面間にわたる経路で通過する磁束が大きいほど、摩擦面同士の圧着力は大きくなり、より大きなトルクを伝達できる。しかし、従来の構造においては、ロータ１やアーマチュア２に設けられるスリット８、９は、プレス抜きにより加工されており、非スリット部の摩擦面を大きく形成することが困難であるため、磁束が通過しにくくなって、伝達トルクを大きく設定することが難しいという問題がある。また、単にスリット幅を小さくして摩擦面における非スリット部の面積を大きくする方法では、スリット内を通しての磁束漏れが大きくなり、結局伝達トルクを大きくできない。また、摩擦面に特殊な摩擦ライナーを設ける方法もあるが、電磁クラッチ全体のコストの大幅な増加を招く。
特開平９−３２８６９号公報

そこで本発明の課題は、大幅なコスト増加を招くことなく、摩擦面同士の圧着力を高めて、同じサイズでより大きなトルク伝達が可能な電磁クラッチの構造を提供することにある。換言すれば、要求伝達トルクが同じであれば、電磁コイルについて省電力化が可能となり、さらに電磁クラッチ全体について小型化、軽量化が可能となる電磁クラッチの構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁クラッチは、摩擦面を軸方向に圧着、離反可能に対向配置したロータとアーマチュアのそれぞれに、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリットを複数設け、ロータの反アーマチュア側に挿入されたコイルの励磁による磁束を、ロータの非スリット部からアーマチュアの非スリット部へ、アーマチュアの非スリット部からロータの非スリット部へと通過させることにより磁気吸着力を発生させて両摩擦面を圧着し、コイルの消磁により両摩擦面を離反させる電磁クラッチにおいて、ロータとアーマチュアの少なくとも一方のスリットを、スリット幅が反摩擦面側よりも摩擦面側の方が小さくなるようにテーパ状に変化するスリットに形成したことを特徴とするものからなる。

このようなスリット幅が変化するスリットとすることにより、例えば平均スリット幅を現状と同等にしつつ、摩擦面側のスリット幅を小さくすることが可能になる。平均スリット幅を現状と同等にすることにより、スリット内を通しての磁束漏れの増大を防止しつつ、摩擦面側のスリット幅を小さくすることにより、圧着する両摩擦面の非スリット部間に流れる磁束を大きくすることができる。その結果、非スリット部間に流れる磁束による摩擦面同士の圧着力を増加させることができる。また、同じ圧着力を実現するためには、コイルについて省電力化が可能となり、また、ロータやアーマチュアのサイズが小さくても同じ面積の非スリット部を形成可能となることから、電磁クラッチ全体について小型化、軽量化が可能となる。

上記本発明に係る電磁クラッチにおいては、上記スリット幅がテーパ状に変化するスリットは、従来のプレス抜き加工ではなく、例えば、レーザー、電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットのいずれかを用いた加工によって形成できる。レーザーや電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットを三次元に移動させながら切断加工することにより、所望のスリット幅がテーパ状に変化する形状のスリットを容易に加工できる。また、これらレーザー、電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットのいずれかを用いた加工では、バリが発生しないので、反摩擦面側、摩擦面側の何れの方向からも加工でき、バリ取り等の後加工も不要である。とくにウォータージェットによる切断加工では、研磨材の入った高圧水を金属に当てるので、酸化は無く熱変形は皆無である。したがって、切断後のスパッター取りも必要とせず、熱変形しないので品質が安定する。さらに、従来のプレス抜き加工では、ロータやアーマチュアの板厚に対し、プレス抜き加工のためのパンチの実用幅（大量生産する場合に、ある個数以上の加工に耐えられるだけの耐久性を確保できるパンチ幅）に実質的に下限値が存在し、スリット幅をそれほど小さくできなかったが、レーザーや電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットによる切断加工では、このような下限値は存在せず、したがってスリット幅を任意に所望の幅に設定することが可能になる。

また、本発明に係る電磁クラッチにおいては、上記スリット幅が変化するスリットの少なくとも一つが軸方向に対して傾斜されている構造を採ることができる。つまり、磁束が通過する非スリット部の面積が大きくなる方向にスリットを傾斜させるのである。これによって、より効果的に磁束を大きくすることが可能になる。このようなスリット傾斜構造は、レーザーまたは電子ビームを所定の傾斜角を持たせた状態で三次元に移動させながら切断加工することにより、比較的容易に実現できる。

上記ロータ側に関してこのような傾斜スリットを設ける場合、ロータが、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面側に向けてより大径側に位置するように傾斜されたスリットを有し、該スリットのロータ摩擦面側の開口が、コイル挿入部を形成するロータの円環状空間部の円環外径よりも大きい径部分を有する構造とすることが好ましい。この構造では、ロータ摩擦面側のスリット開口がより径方向外側に位置することになるので、そのスリット開口の内側に存在する非スリット部の面積が拡大されることになり、その分この非スリット部を通過する磁束が大きくなり、圧着力が増加される。

また、上記の方向に傾斜されたスリットとともに、あるいは上記スリットとは別に、ロータ側に関して上記の方向とは反対側の方向に傾斜されたスリットを設けることもできる。すなわち、ロータが、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面側に向けてより小径側に位置するように傾斜されたスリットを有し、該スリットのロータ摩擦面側の開口が、コイル挿入部を形成するロータの円環状空間部の円環内径よりも小さい径部分を有する構造とすることもできる。この構造では、ロータ摩擦面側のスリット開口がより径方向内側に位置することになるので、そのスリット開口の外側に存在する非スリット部の面積が拡大されることになり、その分この非スリット部を通過する磁束が大きくなり、圧着力が増加される。

このような本発明に係る電磁クラッチは、例えば、圧縮機の回転駆動力入力部に設けられて好適なものである。中でも、圧縮機が車両用空調装置等に用いられるものからなる場合に好適なものである。このような圧縮機においては、熱負荷等に応じて圧縮機の駆動トルクが頻繁に変動し、それに対応して駆動源から伝達される圧縮機駆動のためのトルクも変動することとなるが、上記の如く通過磁束が増加されることにより、極大伝達トルクにも十分に耐えられるようになり、かつ、トルク伝達部の不要な滑りを防止してトルク伝達部に十分な耐久性を付与することが可能になる。

本発明に係る電磁クラッチによれば、従来のストレート状のスリットを、スリット幅が反摩擦面側よりも摩擦面側の方が小さくなるようにテーパ状に変化するスリットに形成するだけの簡単な改良で、大幅なコスト増加を招くことなく、摩擦面同士の圧着力を高めて、同じクラッチサイズであれば、より大きなトルク伝達が可能になり、かつトルク伝達部の耐久性を向上することも可能になる。また、要求伝達トルクが同じであれば、電磁コイルについて省電力化が可能となり、また、電磁クラッチ全体について小型化、軽量化も可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、従来構造と比較しながら図面を参照して説明する。
図５は、前述の従来の電磁クラッチの部分縦断面を模式的に示したものであり、図６はさらにその部分縦断面を模式的に示したものである。図６に示すように、コイル４の励磁による磁束１０は、ロータ１の非スリット部からアーマチュア２の上下方向の一方の非スリット部へ、アーマチュア２の該非スリット部からロータ１の中央部の非スリット部へと磁束が通過され、さらにロータ１の中央部の非スリット部からアーマチュア２の他方の非スリット部へ、アーマチュア２の該非スリット部からロータ１の他方の非スリット部へと通過され、摩擦面１ａ、２ａ同士が圧着されることになる。前述したように、これら非スリット部の摩擦面１ａ、２ａにおける面積はあまり大きくはとれないため、伝達できるトルクには限界があった。

図７は、本発明の一実施態様に係る電磁クラッチ２００の部分縦断面を模式的に示している。電磁クラッチ２００は、ロータ１１とアーマチュア１２を備えており、ロータの反アーマチュア側の円環状空間部１３に挿入されたコイル１４の励磁、消磁により、対向配置されたロータ１１の摩擦面１１ａとアーマチュア１２の摩擦面１２ａが軸方向に圧着、離反される。ロータ１１とアーマチュア１２のそれぞれには、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリット１５、１６および１７が図３、図４に示したような配置で複数設けられている。本実施態様では、スリット１５、１６、１７のすべてが、スリット幅が反摩擦面側よりも摩擦面側の方が小さくなるようにテーパ状に変化するスリットに形成されている。

また、本実施態様では、ロータ１１側に設けられたスリット１５、１６は、軸方向に対して傾斜されたスリットに形成されている。このうち、スリット１５は、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面１１ａ側に向けてより大径側に（径方向の外側に）位置するように傾斜されたスリットからなり、かつ、このスリット１５のロータ摩擦面１１ａ側の開口１５ａが、コイル挿入部を形成するロータ１１の円環状空間部１３の円環外径よりも大きい径部分を有する構造とされている。また、スリット１６は、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面１１ａ側に向けてより小径側に（径方向の内側に）位置するように傾斜されたスリットからなり、かつ、このスリット１６のロータ摩擦面１１ａ側の開口１６ａが、円環状空間部１３の円環内径よりも小さい径部分を有する構造とされている。また、アーマチュア１２側に設けられたスリット１７は、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に延びるスリットに形成されている。

このようなスリット幅が変化するスリット１５、１６、１７が設けられた構造においては、スリット１７の幅変化構造によりアーマチュア１２の摩擦面１２ａにおける非スリット部の面積が拡大され、スリット１５、１６の幅変化構造および傾斜構造により、ロータ１１の摩擦面１１ａにおける非スリット部の面積、とくにスリット１５の開口１５ａよりも内側の非スリット部およびスリット１６の開口１６ａよりも外側の非スリット部の面積が拡大される。その結果、これら非スリット部を通過する磁束１８が大きくなり、その分摩擦面同士の圧着力が増大される。この圧着力の増大は、後述の如く、幅が変化するスリット１５、１６、１７の平均スリット幅を従来のストレート状のスリットの幅と同等に設定しておくことにより、スリットの磁束遮断機能を損なうことなく、つまり、スリットを通しての磁束漏れを増大させることなく、達成することができる。

このように、本実施態様では、摩擦面同士の圧着力を高めることができ、同じクラッチサイズであれば、より大きなトルク伝達が可能になり、かつ伝達トルクが変動する場合にあっても摩擦面間の滑りを防止可能であるので、トルク伝達部の耐久性を向上することも可能になる。また、要求伝達トルクが同じであれば、電磁コイル２００に印加する電流あるいは電圧が小さくて済むので省電力化が可能となり、また、電磁クラッチ２００全体について小型化、軽量化も可能である。

上記のような本発明におけるスリット構造に関しては、種々のバリエーションが可能である。いくつかについて以下に例示するが、それらに限定されるものではない。図８に例示する電磁クラッチ３００においては、ロータ２１に設けられたスリット２５、２６は摩擦面２１ａ側に向けて幅が狭くなるように形成されるが、傾斜されてはおらず、軸方向に延びている。アーマチュア２２側に設けられたスリット２７は、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に延びるスリットに形成されている。このような構造においても、摩擦面２１ａ、２２ａにおける非スリット部の面積が拡大され、非スリット部を通過する磁束が大きくなり、その分摩擦面同士の圧着力が増大される。

図９に例示する電磁クラッチ４００においては、ロータ３１に設けられたスリット３５、３６は摩擦面３１ａ側に向けて幅が狭くなるとともに軸方向に対し傾斜されたスリットに形成され、アーマチュア３２側に設けられたスリット３７は、スリット幅が変化しないで軸方向にストレート状に延びるスリットに形成されている。このような構造においては、摩擦面３２ａにおける非スリット部の面積は拡大されないが、摩擦面３１ａ、３２ａの合わせ面、つまり磁束通過面の面積は確実に拡大され、通過磁束が大きくなり、その分摩擦面同士の圧着力が増大される。

このような本発明におけるスリット構造による効果をさらに明示するために、従来構造を示した図１０と、図７の本発明の一実施態様に係る構造を示した図１１とを比較参照しながら説明する。電磁クラッチが同じ外形寸法であっても、単に幅が変化せずストレート状に延びるスリット８、９の場合には、非スリット部同士の合わせ面として形成される磁束通過面は、図１０のａ、ｂの寸法に対応する面積しかないが、幅が変化しかつ傾斜されたスリット１５、１６、１７とした場合には、磁束通過面は、図１１のｃ、ｄの寸法に対応する面積まで拡大されることになる。

スリット幅がテーパ状に変化することに関して、磁束との関係で電磁クラッチの性能を考察してみるに、例えば、一般的に電磁クラッチのロータの板厚を５ｍｍとして、従来のストレート状のスリットの幅を変化させると、磁束は図１２に示すように変化し、スリット幅２ｍｍで極大値を呈する。図１２の領域Ａでは、スリット幅が小さくなるのでスリット内を通過する磁束漏れが大きくなり、結果的に磁束が低下する。領域Ｂでは、図１０に示した摩擦面の寸法ａ、ｂが小さくなり、磁束が通過しにくくなって、磁束が低下する。その結果、ロータの板厚５ｍｍの場合、一般的にはスリット幅２ｍｍで非スリット部の通過磁束は極大値を呈することとなっている。なお、非スリット部の通過磁束については、伝達トルクが非スリット部の通過磁束とトルク算出のための半径と摩擦面同士の摩擦係数の積に比例する値として把握できることから、トルク算出のための半径と摩擦面同士の摩擦係数が一手の条件下では、単に伝達トルクを測定するだけで、その変化を測定することが可能である。

上記に対し、ロータの板厚を同じ５ｍｍとして、図１３に示すように、平均スリット幅を２ｍｍとし、ロータ４１の摩擦面４１ａ側の開口部におけるスリット幅が１ｍｍ、反摩擦面側のスリット幅が３ｍｍとなるようにロータ４１のスリット４２の幅をテーパ状に変化させた場合には、図１４に示すように、磁束が極大値を呈するスリット幅（平均スリット幅）の位置は変わらず、得られる通過磁束の値だけが大きくなるようにほぼ平行移動した特性が得られる。すなわち、テーパスリットとした場合にも、平均スリット幅の変化に対応して磁束が変化するが、磁束自体は大きくなり、その分、伝達トルクが増大されることになる。その結果、電磁クラッチの外形サイズが同じなら、テーパスリットとすることにより伝達トルクの増大を図ることができ、要求伝達トルクを同じとする場合には、コイルに対する省電力化、電磁クラッチ全体の小型化、軽量化を図ることができる。

本発明におけるテーパ状のスリットは、例えば、レーザー、電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットのいずれかを用いて加工できる。例えば図１５に示すように、スリット加工被対象物５１に対し、レーザーや電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットの照射手段としての照射ヘッド５２からレーザー、電子ビーム、プラズマまたはウォータージェット５３を照射し、レーザー、電子ビーム、プラズマまたはウォータージェット５３が円弧状スリット５４の形状外周線および内周線に沿って照射されるように（あるいは、照射角を照射ヘッド５２を回転させることによって変化させながら照射ヘッド５２の位置が円弧状スリット５４の形状外周線および内周線に沿って照射されるように）照射ヘッド５２を三次元に移動させることにより、目標とする形状のスリット５４が加工される。三次元移動は、例えば、三次元ロボット付きヘッドを用いることによって行うことができる。このような加工により、幅がテーパ状に変化するスリットが確実に加工され、そのスリットが電磁クラッチ軸方向に対して傾斜される場合にも、所望の形状に確実に加工される。レーザー、電子ビーム、プラズマまたはウォータージェット５３による切断加工であるから、プレス抜き加工の場合のようなバリは発生せず、バリ取りのための後加工は不要であり、かつ、パンチ打ち込み方向等の制限もない。また、パンチ等の工具が不要であるから、工具耐久性等に起因する工具寸法の制限もなく、任意の形状のスリットを自由にかつ精度良く形成可能である。

本発明に係る電磁クラッチは、あらゆる用途に用いられる電磁クラッチに適用可能であり、とくに圧縮機の駆動力入力部、中でも車両用空調装置に用いられる圧縮機の駆動力入力部に設けられる電磁クラッチとして好適なものである。

従来の電磁クラッチの縦断面図である。 図１の電磁クラッチの正面図である。 図１の電磁クラッチのロータの平面図である。 図１の電磁クラッチのアーマチュアの平面図である。 比較のための従来の電磁クラッチの部分縦断面図である。 図５の電磁クラッチの部分縦断面図である。 本発明の一実施態様に係る電磁クラッチの部分縦断面図である。 本発明の別の実施態様に係る電磁クラッチの部分縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係る電磁クラッチの部分縦断面図である。 比較のための従来の電磁クラッチの部分縦断面図である。 図７の電磁クラッチの部分縦断面図である。 従来の電磁クラッチにおけるスリット幅と磁束との関係図である。 本発明におけるスリット形状例を示す概略構成図である。 ストレートスリットとテーパスリットを比較して示したスリット幅と磁束との関係図である。 テーパスリット加工の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１ ロータ
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ ロータの摩擦面
１２、２２、３２ アーマチュア
１２ａ、２２ａ、３２ａ アーマチュアの摩擦面
１３ 円環状空間部
１４ コイル
１５、１６、１７、２５、２６、２７、３５、３６、３７、４２、５４ スリット
１５ａ、１６ａ スリットのロータ摩擦面側開口
１８ 磁束
５１ スリット加工被対象物
５２ 照射ヘッド
５３ レーザー、電子ビーム、プラズマまたはウォータージェット
２００、３００、４００ 電磁クラッチ

Claims (7)

1. 摩擦面を軸方向に圧着、離反可能に対向配置したロータとアーマチュアのそれぞれに、軸方向に貫通し周方向に円弧状に延びる磁束遮断用のスリットを複数設け、ロータの反アーマチュア側に挿入されたコイルの励磁による磁束を、ロータの非スリット部からアーマチュアの非スリット部へ、アーマチュアの非スリット部からロータの非スリット部へと通過させることにより磁気吸着力を発生させて両摩擦面を圧着し、コイルの消磁により両摩擦面を離反させる電磁クラッチにおいて、ロータとアーマチュアの少なくとも一方のスリットを、スリット幅が反摩擦面側よりも摩擦面側の方が小さくなるようにテーパ状に変化するスリットに形成したことを特徴とする電磁クラッチ。
2. 前記スリット幅が変化するスリットが、レーザー、電子ビーム、プラズマ、ウォータージェットのいずれかを用いて形成されている、請求項１に記載の電磁クラッチ。
3. 前記スリット幅が変化するスリットの少なくとも一つが軸方向に対して傾斜されている、請求項１または２に記載の電磁クラッチ。
4. 前記ロータが、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面側に向けてより大径側に位置するように傾斜されたスリットを有し、該スリットのロータ摩擦面側の開口が、コイル挿入部を形成するロータの円環状空間部の円環外径よりも大きい径部分を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の電磁クラッチ。
5. 前記ロータが、スリット幅が変化し、かつ、軸方向に対し反摩擦面側から摩擦面側に向けてより小径側に位置するように傾斜されたスリットを有し、該スリットのロータ摩擦面側の開口が、コイル挿入部を形成するロータの円環状空間部の円環内径よりも小さい径部分を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の電磁クラッチ。
6. 圧縮機の回転駆動力入力部に設けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の電磁クラッチ。
7. 前記圧縮機が車両用空調装置に用いられるものからなる、請求項６に記載の電磁クラッチ。

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