JP2012189528A - 磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気粘性流体中の磁性粒子による回転デバイスの摩耗に関し、様々な磁気粘性流体について容易に評価試験を行うことができる、摩耗評価装置を提供すること。
【解決手段】回転自在に支持された円板２０と、円板２０の所定半径範囲において板厚方向に磁路を貫通させる磁路形成装置３０と、を備える。円板２０は、回転中心側に配設された基礎円板部２１と、磁路が貫通する部分を有し、基礎円板部２１の外周に着脱可能に固定された磁性体からなる環状部材２２と、を含んでいる。磁路形成装置３０は、両端面３２１Ａ，３２２Ａが環状部材２２の両面２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ所定の隙間を介して挟むように配設されたヨーク３２を含んでいる。円板２０の一側面２０Ａは、環状部材２２の一側面２２Ａとヨーク３２の一端部３２１との間で磁気粘性流体を収容するための環状溝２４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気粘性流体を用いた回転デバイスの摩耗を評価するための装置に関する。

近年、磁気粘性流体を用いた様々な回転デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、ケーシングと、このケーシング内に配置されたローターとの隙間に磁気粘性流体を封入したロータリダンパが開示されている。このロータリダンパは、磁気粘性流体に磁場を与えて所定の粘度を発現させ、ケーシングとローターとの間でずり応力を発生させることによりトルクを制動するものである。

特開２００８−２０２７４４号公報

磁気粘性流体を用いた回転デバイスでは、磁気粘性流体中の磁性粒子によって、ケーシング内、ローター等が摩耗する。この摩耗を様々な種類の磁気粘性流体について適切に評価できれば、回転デバイスの寿命、メンテナンス頻度などを適切に把握することができるようになる。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、磁気粘性流体中の磁性粒子による回転デバイスの摩耗に関し、様々な磁気粘性流体について容易に評価試験を行うことができる、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置は、回転自在に支持された円板と、前記円板の所定半径範囲において板厚方向に磁路を貫通させる磁路形成装置と、を備えるものを前提としている。前記円板は、回転中心側に配設された基礎円板部と、前記磁路が貫通する部分を有し、前記基礎円板部の外周に着脱可能に固定された磁性体からなる環状部材と、を含んでいる。また、前記磁路形成装置は、両端面が前記環状部材の両面をそれぞれ所定の隙間を介して挟むように配設されたヨークを含んでいる。

かかる構成を備える磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置において、環状部材とヨークの一端部との隙間に磁気粘性流体を充填し、磁路形成装置によって、ヨークの両端部間に磁路を形成すると、磁気粘性流体を磁場が通過し、磁気粘性流体中の磁性粒子がクラスターを形成して液体が増粘する。その結果、液体の内部応力が増大して磁性粒子によって環状部材が摩耗するようになる。本評価装置では、この摩耗した環状部材を基礎円板部から取り外すことができるので、摩耗量の計測を容易に行うことができる。

前記円板の一側面には、前記環状部材の一側面と前記ヨークの一端部との間で磁気粘性流体を収容するための環状溝が形成されていることが望ましい。

かかる構成を備える磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置によれば、円板を平行に配置して、上記環状溝に磁気粘性流体を充填することで、磁気粘性流体の配置場所を安定させることができる。

前記ヨークの他端部と前記環状部材との間には、磁場測定素子の挿入スペースが確保されていることが望ましい。

かかる構成を備える磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置によれば、円板の回転中に、ヨークの他端部と環状部材との間に磁場測定素子を挿入することができ、そうすることで、磁気粘性流体を通過する磁場に近似した値を計測することができる。これにより、磁場の強さに応じた環状部材の摩耗度合いの評価が可能となる。

前記ヨークの一端部内には温度測定素子の挿入孔が形成されていることが望ましい。

あるいは、前記ヨークの一端部内には温度測定素子が挿入されていてもよい。

かかる構成を備える磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置によれば、ヨークの一端部内に挿入孔に挿入した温度測定素子（例えば熱電対）によって、磁気粘性流体の温度に極めて近い温度を測定することができ、磁気粘性流体の温度に応じた環状部材の摩耗度合いを評価することができる。

本発明の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置においては、摩耗する部分が容易に取り外し可能になっている。このため、磁気粘性流体中の磁性粒子による回転デバイスの摩耗に関し、様々な磁気粘性流体について容易に評価試験を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置を、回転軸線を含む平面で切断して表した断面図である。なお、回転シャフトの一部は断面化していない。 図１のＡ部拡大図である。 図２のＢ部拡大図である。但し、基礎円板部に環状部材および外輪を締結するためのボルトの表示は省略している。 本発明の実施の形態に係る磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置を、回転軸線を含む平面で切断して表した断面図であって、磁路をハッチング部分によって示した図である。なお、本図では、全ての断面をハッチングで示しているわけではない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置１００（以下、単に「評価装置１００」という。）を示す断面図である。図２は図１のＡ部拡大図である。図３は図２のＢ部拡大図である。

評価装置１００は、回転シャフト１０、回転シャフト１０に固設された円板２０、磁路形成装置３０、装置フレーム４０、磁気粘性流体５０（図３参照）、サーボモータ６０、トルクセンサ９０などを備えている。

回転シャフト１０は、サーボモータ６０の出力軸に連結され、サーボモータ６０の回転トルクが伝達されて所望の回転数にて軸回転されるようになっている。回転シャフト１０の一端側（下端側）は、ベアリング１１を介して装置フレーム４０に回転自在に支持されている。また、回転シャフト１０の他端側（上端側）は、ベアリング１２、出力軸１３およびベアリング１４を介して装置フレーム４０に回転自在に支持されている。回転シャフト１０は、組立の都合により、ジョイント部１５において軸方向に分割可能となっている。なお、回転シャフト１０には、オーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性体が用いられている。

上記出力軸１３は、軸方向（上下に）に２分割可能な中空軸からなり、上下の出力軸１３１，１３２によって、ベアリング１４を軸方向に挟持しており、互いにボルト１３３によって締結されている。下側出力軸１３２には、フランジ１３４が一体に設けられている。なお、ベアリング１４の外周は、後述する装置フレーム４０の天板４３と、この天板４３にボルト４６にて締結されたベアリングハウジング部材４５によって支持されている。

円板２０は、回転シャフト１０と同じ軸芯を有し、同シャフト１０と一体に軸回転するよう、同シャフト１０に固設されている。この円板２０は、図２に示すように、回転中心側に配設された基礎円板部２１と、基礎円板部２１の外周に着脱可能に外嵌固定された環状部材２２と、この環状部材２２の外周に着脱可能に外嵌固定された外輪２５とで構成されている。基礎円板部２１、環状部材２２および外輪２５は、ボルト２３によって互いに締結されている。図示しないが、環状部材２２および外輪２５は、基礎円板部２１から取り外し易くなるように、半径方向に２分割可能（３分割以上であってもよい。）な構造を採っている。

基礎円板部２１および外輪２５には、非磁性体が用いられている。一方、環状部材２２には、磁性体が用いられている。また、図３に示すように、環状部材２２の幅Ｗ１と磁路形成装置３０のヨーク３２の両端部３２１，３２２の端面幅Ｗ２，Ｗ３とは一致しており、磁路形成装置３０のコイル３１が励磁されたときに、ヨーク３２の両端部３２１，３２２および環状部材２２における磁束密度が均一に形成される。

円板２０は水平方向に配置されており（つまり、回転シャフト１０の軸線が鉛直方向に配置されている。）、その円板２０の上面２０Ａには、環状部材２２の上面２２Ａとヨーク３２の一端面３２１Ａ（一端部３２１）との間で磁気粘性流体５０を収容する環状溝２４が形成されている。この環状溝２４は、少なくとも、磁路が通過する部分を含むように形成されている。例えば、本実施形態では、図３に示すように、環状溝２４の溝幅Ｗ４は、磁路が通過する部分、つまり、環状部材２２の幅Ｗ１より若干広くなっている。なお、図面等より明らかであるが、既述の各種幅寸法Ｗ１〜Ｗ４は円板２０の半径方向の寸法を示している。

磁路形成装置３０は、図１および図２に示すように、コイル３１と、コイル３１の周囲を包囲するように設けられた磁性体からなるヨーク３２と、コイル３１に所望の電流を供給する図示しない電源装置とを有している。コイル３１を励磁すると、図４のハッチングで示す部分、つまり、磁性体からなるヨーク３２および環状部材２２内に磁路が形成される。

図２および図３に示すように、ヨーク３２の両端部３２１，３２２の各端面３２１Ａ，３２２Ａは、円板２０の所定半径範囲（環状部材２２が配置されている範囲）において板厚方向に磁路を貫通させるように当該環状部材２２の両面２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ所定の隙間を介して挟むように配設されている。

ヨーク３２は第１ヨーク部材Ｙ１、第２ヨーク部材Ｙ２、第３ヨーク部材Ｙ３および第４ヨーク部材Ｙ４からなり、これらは互いに分割可能な構造を採っている。図１および図２に示すように、第１ヨーク部材Ｙ１は、概ねコイル３１の内周側、底部側および外周部側を覆うように形成されている。

第２ヨーク部材Ｙ２は、図２に示すように、一端が第１ヨーク部材Ｙ１の外周部の上端にインロー嵌合により接続され、円板２０より高位置まで立ち上がった後、他端が既述のフランジ１３４に固定された第３ヨーク部材Ｙ３の端面近傍まで延出している。第２ヨーク部材Ｙ２の当該他端面は、第３ヨーク部材Ｙ３の端面に微小隙間を介して対向している。なお、この微小隙間は、第２ヨーク部材Ｙ２の軸回転を可能とするために設けられているものである。したがって、第２ヨーク部材Ｙ２と第３ヨーク部材Ｙ３との間で磁路が分断したり、磁気抵抗が極端に大きくならないように、できるだけその隙間を小さくすることが望ましい。

第３ヨーク部材Ｙ３は、図２に示すように断面逆Ｌ字状の円環をなしており、既述したようにその一端面が第２ヨーク部材Ｙ２の端面に微小隙間を介して対向し、また、その他端面は環状部材２２の上面２２Ａに所定隙間を介して対向している。なお、第３ヨーク部材Ｙ３の他端面は、既述した「ヨーク３２の一端面３２１Ａ」と同じものである。また、図２に示すように、第３ヨーク部材Ｙ３は、出力軸１３とともに軸回転するフランジ１３４と、環状の挟持部材３７とに挟まれ、これらのフランジ１３４および挟持部材３７を締結するボルト３８が締め付けられることで、フランジ１３４と挟持部材３７との間に挟持されている。これにより、第３ヨーク部材Ｙ３は、出力軸１３と一体に回転する。つまり、「ヨーク３２の一端面３２１Ａ」は、ヨーク３２の他端面３２２Ａおよび円板２０の何れに対しても相対回転自在に設けられており、第３ヨーク部材Ｙ３と環状部材２２との間に介在する磁気粘性流体５０の粘度に応じて、円板２０側から出力軸１３側へ伝達されるトルクが変化するような構造となっている。

図２および図３に示すように、第３ヨーク部材Ｙ３を挟持するフランジ１３４および挟持部材３７は、それらの所定部位（円板２０の上面２０Ａの近傍）より下部において、半径方向厚さが円板２０の上面２０Ａに近くなるほど薄くなるようなテーパ形状をなしている。これにより、環状溝２４からあふれた余分な磁気粘性流体があっても、フランジ１３４および挟持部材３７に接触し難くなっており、測定するトルク値に悪影響が及びにくくなっている。

第４ヨーク部材Ｙ４は、図１および図２に示すように、その一端面が環状部材２２の下面２２Ｂに所定隙間を介して対向し、コイル３１上で内径側に屈曲して、断面Ｌ字状の円環をなしている。第４ヨーク部材Ｙ４の他端面は第１ヨーク部材Ｙ１の端面に当接している。また、第４ヨーク部材Ｙ４は、非磁性体からなる連結板３５およびボルト３６によって第１ヨーク部材Ｙ１と固定されている。なお、第４ヨーク部材Ｙ４の上記一端面は、既述した「ヨーク３２の他端面３２２Ａ」と同じものである。

ヨーク３２の一端部３２１（第３ヨーク部材Ｙ３）の内部には、環状溝２４に充填された磁気粘性流体５０の温度を計測するための温度測定素子７０用の挿入孔３２４が形成され、この孔３２４に温度測定素子７０（例えば熱電対）が挿入されている。この挿入孔３２４は、有底孔であるが、温度測定素子７０により、磁気粘性流体５０の温度をできるだけ正確に計測するために、その孔底が破損しない程度に、孔底厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。上記挿入孔３２４は、例えば、周方向に１か所あるいは複数箇所設けられる。

装置フレーム４０は、回転シャフト１０および円板２０を上記ベアリング１１，１２，１４等を介して回転自在に支持している。この装置フレーム４０は、ベース板４１と、ベース板４１上に４本の柱部材４２（図においては２本の柱部材４２のみを表示している。）を介して支持された天板４３とを備えている。これらの部材４１〜４３には、非磁性体が用いられている。ベース板４１には貫通孔４１１が形成されており、この貫通孔４１１に、回転シャフト１０が挿通されている。回転シャフト１０は、ベアリング１１により支持されており、さらにこのベアリング１１は、貫通孔４１１に挿入固定されたベアリングハウジング部材４４内に嵌着されている。なお、回転シャフト１０および円板２０の回転速度は、図示しない回転速度センサにて計測されるようになっている。

装置フレーム４０の天板４３の中心位置にも貫通孔４３１が形成されている。この貫通孔４３１において、出力軸１３がベアリング１２にて回転自在に支持されており、そのベアリング１２は、天板４３にボルト４６にて締結されたベアリングハウジング部材４５により支持されている。また、出力軸１３と回転シャフト１０との間には、これらを相対回転自在とするために、ベアリング１２が介装されている。なお、出力軸１３の出力トルクは、トルクセンサ９０によって計測できるようになっている。また、出力軸１３の回転速度は、図示しない回転速度センサにて計測されるようになっている。

図２に示すように、環状部材２２の下面２２Ｂとヨーク３２の端部３２２との間には、磁場測定素子８０の挿入スペースＳが確保されている。さらに、外部からこの挿入スペースＳに磁場測定素子８０を挿入するために、ヨーク３２（第２ヨークＹ２）の所定位置に磁場測定素子８０の挿通孔３２５が形成されている。なお、図２は、磁場測定素子８０が挿通孔３２５を通じて、上記挿入スペースＳに差し込まれた様子を示している。

以上の評価装置１００において、円板２０の環状溝２４に磁気粘性流体５０を充填した上で、サーボモータ６０を駆動させるとともに、円板２０を回転させ、さらに、コイル３１を励磁すると、磁性体からなるヨーク３２および環状部材２２内に磁路が形成される。この磁路は、ヨーク３２の両端部３２１，３２２間の磁気粘性流体５０を通過するため、磁気粘性流体５０中の磁性粒子がクラスターを形成して液体が増粘し、液体の内部応力が増大して、環状部材２２が少しずつ摩耗するようになる。

所定時間、磁気粘性流体５０に磁場を与えながら円板２０を回転させた後に、サーボモータ６０の駆動を停止するとともに、コイル３１を消磁した後、ジョイント部１５の連結を解除するとともに、ベアリングハウジング部材４５を取り外して、回転シャフト１０および円板２０を装置フレーム４０、コイル３１等から取り外す。そして、ボルト２３を緩めて、環状部材２２を基礎円板部２１から取り外す。その後、取り外した環状部材２２の厚さを所定の計測器にて計測し、その摩耗の度合い（摩耗量）を評価する。

このように、本実施形態に係る評価装置１００によれば、ボルト２３を取り外すことにより、摩耗部分（環状部材２２）のみを簡単に取り外すことができるため、環状部材２２の摩耗量の計測を容易かつ正確に行うことができ、環状部材２２の表面を顕微鏡などで観察することも容易に行うことができる。また、環状部材２２を取り換えるだけで、別の磁気粘性流体についても評価試験を行うことができる。つまり、この評価装置１００によれば、様々な磁気粘性流体について容易に摩耗評価試験を行うことができる。

また、本実施形態に係る評価装置１００では、円板２０の回転中に、トルクセンサ９０および回転速度センサによって出力軸１３の出力トルクおよび回転速度を計測でき、円板２０の回転速度も計測できる。また、挿通孔３２４に挿通された温度測定素子７０によって磁気粘性流体５０の温度に近似した値も計測できる。さらには、円板２０の回転中に、環状部材２２の下面２２Ｂとヨーク３２の端部３２２との間に磁場測定素子８０を挿入することによって、磁気粘性流体を通過する磁場の磁束密度と近似した値を測定することができる。つまり、本実施形態に係る評価装置１００によれば、磁気粘性流体５０の温度、磁束密度、出力トルク、円板２０の回転速度等に応じて環状部材２２の摩耗度合いを評価することができる。例えば、コイル３１を励磁したときに、コイル３１に流れる電流値が同じであっても、磁気粘性流体５０が異なるものであれば、磁気抵抗が変わるが、本評価装置１００によれば、上記磁気抵抗を考慮して評価試験を行うことができる。

本発明は、磁気粘性流体を用いた様々な回転デバイスの摩耗を評価するための評価装置に適用することができる。

２０ 円板
２１ 基礎円板部
２２ 環状部材
２２Ａ 環状部材の上面（環状部材の一側面）
２２Ｂ 環状部材の下面
２４ 環状溝
３０ 磁路形成装置
３２ ヨーク
５０ 磁気粘性流体
７０ 温度測定素子
８０ 磁場測定素子
３２１ ヨークの一端部
３２２ ヨークの他端部
３２１Ａ ヨークの一端面
３２２Ａ ヨークの他端面
３２４ 温度測定素子の挿入孔
Ｓ 磁場測定素子の挿入スペース

Claims (5)

1. 回転自在に支持された円板と、
   前記円板の所定半径範囲において板厚方向に磁路を貫通させる磁路形成装置と、
   を備え、
   前記円板は、
   回転中心側に配設された基礎円板部と、
   前記磁路が貫通する部分を有し、前記基礎円板部の外周に着脱可能に固定された磁性体からなる環状部材と、を含み、
   前記磁路形成装置は、両端面が前記環状部材の両面をそれぞれ所定の隙間を介して挟むように配設されたヨークを含む、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置。
2. 請求項１に記載の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置において、
   前記円板の一側面には、前記環状部材の一側面と前記ヨークの一端部との間で磁気粘性流体を収容するための環状溝が形成されている、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置において、
   前記ヨークの他端部と前記環状部材との間には、磁場測定素子の挿入スペースが確保されている、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置において、
   前記ヨークの一端部内には温度測定素子の挿入孔が形成されている、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置において、
   前記ヨークの一端部内には温度測定素子が挿入されている、磁気粘性流体デバイスの摩耗評価装置。