JP2013204655A - 回転制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造によって、入力側となる回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると自動的に磁気粘性流体に付与する磁場を強くして伝達トルクを増大させる。
【解決手段】回転軸１０に対して相対回転不能に設けられた第１トルク伝達部材と、第１トルク伝達部材に対して相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、第１トルク伝達部材と第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、第１および第２トルク伝達部材の軸線方向両外側に磁極を有し、隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する永久磁石５０とを備え、回転軸１０に対して相対回転不能に設けられ、半径方向にスライド可能に設けられた磁性体からなる可動部材６０と、可動部材６０を軸線側に付勢するスプリング８０と、回転軸１０の回転速度がある一定以上の回転速度になると可動部材６０が進入する磁極間に設けられた可動部材進入空間と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に関する。

この種の回転制動装置として、例えば特許文献１に開示されている回転制動装置は、回転軸に円板が軸線方向に所定間隔をおいて複数固設され、これらの円板がケーシング内に相対回転可能に組み込まれたものである。上記ケーシング内には、磁気粘性流体が封入されており、この磁気粘性流体に磁場を与える電磁石が設けられている。この回転制動装置において、電磁石のコイルに印加する電流を大きくすれば（つまり、磁気粘性流体に与える磁場を強くすれば）、電流の大きさに応じて磁気粘性流体の粘度（ずり応力）が増大し、回転軸とケーシングとの間で伝達されるトルクが大きくなる。

ところで、回転構造を有する各種のプラント、装置等においては、回転体の破損防止や、安全性確保などのため、回転体の回転速度がある一定以上の高速回転にならないようにすることが必要となる場合がある。

回転体の高速回転の防止策として、例えば、特許文献１の回転制動装置を利用することができる。例えば、上記回転制動装置の回転軸を各種のプラント、装置等の回転体に回転一体に連結し、回転制動装置のケーシングを回転系外に固定する。そして、回転体の回転速度がある一定以上の回転速度になりそうなタイミングで、コイルに印加する電流を大きくすれば、回転軸およびケーシング間の伝達トルクが大きくなり、回転軸の回転速度が抑制され、連結されている当該プラント、機械等の回転体の回転速度を抑制することができる。

特開２００８−２０２７４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された回転制動装置を利用して、各種のプラント、装置等の回転体の回転速度を一定以上の高速回転にならないようにするには、回転軸の回転速度を検出するセンサ類や、回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になるとコイルに印加する電流を大きくする電流制御装置などが必要となる。そのため、装置の大型化、複雑化、高コスト化などを招いてしまう。

本発明は、かかる課題に鑑みて創案されたものであり、簡単な構造によって、入力側となる回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると自動的に磁気粘性流体に付与する磁場を強くして入力側と出力側との間で伝達されるトルクを増大させることができる回転制動装置を提供することを目的とする。

本発明の回転制動装置は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた第１トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記第１および第２トルク伝達部材の前記軸線方向両外側に磁極を有し、前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、を備えるものを前提としており、前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられ、前記軸線を中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられた磁性体からなる可動部材と、前記可動部材を前記軸線側に付勢する付勢手段と、前記回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると前記可動部材が進入する前記磁極間に設けられた可動部材進入空間と、を備えることを特徴としている。

かかる構成を備える回転制動装置の回転軸を、例えば、プラント、機械等（以下「制動対象装置」ともいう。）の回転体に回転一体に連結し、第２トルク伝達部材を回転系外に対して固定したとする。そうすると、制動対象装置の回転体の回転速度が所定未満の場合、可動部材が軸線側に付勢されて、可動部材進入空間は、透磁率が低い空気のみからなるため、第１トルク伝達部材および第２トルク伝達部材の隙間に介在する磁気粘性流体には殆ど磁場が作用せず、当該磁気粘性流体の粘度は概ね最低粘度になる。その結果、制動対象装置の回転体は回転制動装置側からさほど回転抵抗を受けずに回転することができる。一方、制動対象装置の回転体の回転速度がある一定以上の回転速度になると、回転体とともに回転する可動部材が遠心力により付勢力に抗して遠心側にスライドし、可動部材進入空間に進入する。そうすると、磁気粘性流体を貫通する磁場が強くなり、磁気粘性流体の粘度（ずり応力）が大きくなって、制動対象装置の回転体に対する回転制動力も大きくなる。これにより、磁場発生手段の磁力が十分にあることを前提として、回転体の回転速度がそれ以上高くなることを抑制することができる。

既述の構成を備える回転制動装置において、前記可動部材が前記可動部材進入空間から遠心側に移動することを規制する規制手段をさらに備えるものとすることが望ましい。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、回転軸の回転速度が過度に高くなって、可動部材進入空間に進入した可動部材が、可動部材進入空間よりも更に遠心側に移動して磁気粘性流体を貫通する磁場が弱くなってしまうことを防止することができる。

既述の構成を備える回転制動装置において、前記磁場発生手段は永久磁石であることが望ましい。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、磁場発生手段として電磁石を採用した場合と比較して簡易な構造とすることができる。

既述の構成を備える回転制動装置において、前記可動部材は、前記軸線を中心とした円周方向に均等に配設された複数の可動部材からなる、ことが望ましい。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、回転軸等について良好な回転バランスを確保することができ、回転ロスの発生を防止できる。

本発明の回転制動装置によれば、簡単な構造によって、入力側となる回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると自動的に磁気粘性流体に付与する磁場を強くして入力側と出力側との間で伝達されるトルクを増大させることができる。例えば、回転制動装置の回転軸を各種のプラント、機械等の回転体に回転一体に連結し、第２トルク伝達部材を回転系外に対して固定すれば、当該各種のプラント、装置等における回転体の回転速度がある一定以上の高速回転にならないようにすることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る回転制動装置を軸線を含む平面で切断して表した断面図である。 図１のＣ部拡大図である。 図１のＡ−Ａ断面又はＢ−Ｂ断面に対応する図であって、可動部材が軸線側に移動している状態を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面又はＢ−Ｂ断面に対応する図であって、可動部材が遠心側に移動している状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る回転制動装置を示す図であって、図３に対応する図である。 本発明の他の実施の形態に係る回転制動装置を示す図であって、図４に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る回転制動装置について図１〜図４を参照しながら説明する。本実施形態に係る回転制動装置１００は、回転軸１０、第１トルク伝達部材２０、第２トルク伝達部材３０、磁気粘性流体４０、磁場発生手段５０、可動部材６０、アウタ部材７０などを備えている。

回転軸１０は、内部にシャフトが挿通可能となったキー溝１１を有する円筒状部材からなり、軸線Ｎ回りに回転する。図示する円筒状部材からなる回転軸１０は一例であり、例えば、これに代えて中実部材からなる回転軸などを採用してもよい。

第１トルク伝達部材２０は、軸線Ｎに直交するように配設された多数の円環状薄板材からなり、回転軸１０の外周に軸線Ｎ回りに相対回転不能に外嵌されている。各第１トルク伝達部材２０間の内径側には、円環状薄板材からなるスペーサ２１が介設されている。これらの第１トルク伝達部材２０およびスペーサ２１は挟持部材２２，２３によって軸線Ｎ方向両側から挟まれ図示しないボルトにより締結されている。

第２トルク伝達部材３０は、軸線Ｎに直交するように配設された多数の円環状薄板材（第１トルク伝達部材２０より内外径が大きい円環状薄板材）からなり、第１トルク伝達部材２０に対して軸線Ｎ回りに相対回転可能に設けられている。各第２トルク伝達部材３０間の外径側には、円環状薄板材からなるスペーサ３１が介設されている。これらの第２トルク伝達部材３０およびスペーサ３１は挟持部材３２，３３によって軸線Ｎ方向両側から挟まれ、さらに軸線Ｎ方向両外側に設けられたアウタ部材７０を含めて図示しないボルトにより締結されている。

また、第２トルク伝達部材３０同士の間の内径側には、隙間を介して第１トルク伝達部材２０の外径側が介設されており、回転制動装置１００内に封入された磁気粘性流体４０が上記隙間に介在している。

磁場発生手段５０は、第１トルク伝達部材２０および第２トルク伝達部材３０の軸線Ｎ方向両外側において相異なる磁極を対向させて配設された永久磁石（以下「永久磁石５０」という。）で構成されている。これらの永久磁石５０は、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側並びにこれらの隙間に介在する磁気粘性流体４０を軸線Ｎ方向に貫通する磁場を発生するように設けられている。図３および図４において２点鎖線で示すように、本実施形態では、永久磁石５０は周方向に複数設けられ、図１および図２に示すように、片方の磁極を露出した状態でアウタ部材７０に嵌め込まれている。

可動部材６０は、回転軸１０に対して軸線Ｎ回りに相対回転不能に設けられ、軸線Ｎを中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられている。回転軸１０が回転すると遠心力により半径方向外側にスライドし、その回転がある一定以上の回転速度になると、図１に示すように、上記永久磁石５０の磁極の間に設けられた空気のみからなる空間６２（以下「可動部材進入空間６２」という。）にそれぞれ進入する。本実施形態では、可動部材６０は、軸線Ｎを中心とする円周方向に均等に配設された３部材からなり、各可動部材６０には、回転軸１０の外周から半径方向外側に延びたガイド棒６１がスライド自在に貫通している。このガイド棒６１を介して回転軸１０の回転力が可動部材６０に伝達され、可動部材６０は回転軸１０と一体に回転する。

また、各可動部材６０は軸線Ｎ側にコイルスプリング８０にて付勢されている。すなわち、各可動部材６０の端部にそれぞれコイルスプリング８０の一端部がそれぞれ埋設固定され、可動部材６０の両端部は、隣接する可動部材６０とコイルスプリング８０を介して互いに引き付けあっている。これにより、可動部材６０が軸線Ｎ側に付勢されている。

アウタ部材７０は、既述したように、第２トルク伝達部材３０、挟持部材３２，３３等を軸線Ｎ方向両側にそれぞれ固設されている。また、アウタ部材７０は、回転軸１０に対してベアリング７１を介して軸線Ｎ回りに相対回転自在に設けられている。

なお、上記各部材において、好ましくは、第１トルク伝達部材２０、この第１トルク伝達部材２０を挟持する挟持部材２２，２３、第２トルク伝達部材３０、可動部材６０およびコイルスプリング８０は磁性体からなり、回転軸１０、スペーサ２１，３１、第２トルク伝達部材３０を挟持する挟持部材３２，３３、ガイド棒６１およびアウタ部材７０は非磁性体からなる。

以上のように構成された回転制動装置１００を利用して、各種のプラント、装置等（「以下「制動対象装置」という。」）の回転体の回転速度を一定以上の高速回転（回転数Ｎ１以上の高速回転）にならないようにするには、回転制動装置１００の回転軸１０を制動対象装置の回転体に回転一体に連結し、回転制動装置１００のアウタ部材７０を回転系外に固定すればよい。

制動対象装置の回転体が停止しているときは、図３に示すように、可動部材６０は、コイルスプリング８０の付勢力により、軸線Ｎ側に付勢されて回転軸１０の外周に接している。このとき永久磁石５０の磁極間に形成された可動部材進入空間６２は、透磁率が低い空気のみからなるため、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側の隙間に介在する磁気粘性流体４０には殆ど磁場が作用せず、当該磁気粘性流体４０の粘度は概ね最低粘度になっている。

制動対象装置の回転体が回転を開始すると、回転制動装置１００の回転軸１０もそれに伴って回転し、回転軸１０からガイド棒６１を介して回転力を受ける可動部材６０も同じ速度で回転する。制動対象装置の回転体の回転速度が比較的低い場合、可動部材６０は可動部材進入空間６２に進入することなく、引き続き、可動部材進入空間６２は、透磁率が低い空気のみからなり、磁気粘性流体４０の粘度が概ね最低粘度にあるため、制動対象装置の回転体は回転制動装置１００側からさほど回転抵抗を受けない。

その後、制動対象装置の回転体の回転速度が次第に高くなると、回転軸１０および可動部材６０の回転速度もそれに伴って次第に高くなり、可動部材６０は遠心力により、コイルスプリング８０の付勢力に抗して半径方向遠心側にスライドする。そして、可動部材６０の一部が可動部材進入空間６２に少しずつ進入するようになると、可動部材進入空間６２に可動部材６０が進入する量に応じて磁気粘性流体４０を貫通する磁場が強くなり、磁気粘性流体４０の粘度（ずり応力）が大きくなる。同時に、制動対象装置の回転体に対する回転制動力も大きくなる。

そして、制動対象装置の回転体の回転速度がさらに上昇しある一定以上の回転速度（回転数Ｎ２以上の回転速度。但しＮ１＞Ｎ２）になると、回転軸１０および可動部材６０も同じ回転速度になり、可動部材６０はより強い遠心力を受けて、最も遠心側にスライドして、その全部が可動部材進入空間６２に進入する。これにより、磁気粘性流体４０を貫通する磁場が最強となり、磁気粘性流体４０の粘度（ずり応力）も最大となって、回転軸１０を介して制動対象装置の回転体に対する回転制動力も最大となり、永久磁石５０の磁力が十分にあることを前提として、制動対象装置の回転体のそれ以上の回転速度の上昇を抑制することができる。

なお、可動部材進入空間６２に進入した可動部材６０が更に遠心側に移動して磁気粘性流体４０を貫通する磁場が弱くならないように、可動部材進入空間６２より可動部材がさらに遠心側に移動することを規制する規制手段が設けられている。本実施形態では、可動部材進入空間６２の遠心側に形成された挟持部材３２，３３が上記規制手段として機能し、この挟持部材３２，３３が可動部材６０の更なる遠心側への移動を規制する。

＜他の実施形態＞
既述の実施形態においては、可動部材６０は、３部材で構成されていたが、可動部材の構成部材数は、これに限定されず、２部材または４部材以上で構成されていてもよい。可動部材を１部材で構成することも可能であるが、良好な回転バランスを確保するには、軸線Ｎを中心とした円周方向に均等に配設された複数部材で構成する必要がある。

図５および図６は、軸線Ｎを中心とした円周方向に均等に可動部材が２つ配設された回転制動装置１００Ａの例を示している。この回転制動装置１００Ａは、既述の実施形態に係る回転制動装置１００において、可動部材、付勢手段、ガイド棒、永久磁石５０の個数等が相違しており、その他は同様の構成を備えている。

すなわち、回転制動装置１００Ａの可動部材６０Ａは、軸線Ｎを中心とする円周方向に均等に配設された２部材からなり、回転軸１０の外周から半径方向外側に延びたガイド棒６１Ａにスライド自在に貫通されている。これにより、回転軸１０に対して軸線Ｎ回りに相対回転不能に設けられ、軸線Ｎを中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能となっている。回転軸１０が回転すると遠心力により半径方向外側にスライドし、その回転がある一定以上の回転速度になると、永久磁石５０の磁極間に設けられた可動部材進入空間６２にそれぞれ進入する。

また、各可動部材６０Ａは軸線Ｎ側にコイルスプリング８０Ａにて付勢されている。すなわち、各可動部材６０Ａの両端部には、スプリングリテーナ８１がそれぞれ固設されており、それぞれ他方の可動部材６０Ａの両端部に固設されたスプリングリテーナ８１と対向し、その間にコイルスプリング８０Ａが介装されている。

以上のように構成された回転制動装置１００Ａによっても既述の実施形態に係る回転制動装置１００と同様の作用効果が奏される。

なお、既述の実施形態では、磁場発生手段として永久磁石５０を例示したが、永久磁石５０の代わりに電磁石を採用することも可能である。この場合、電磁石は、コイル通電時に、第１トルク伝達部材２０および第２トルク伝達部材３０の軸線Ｎ方向両外側において相異なる磁極を有し、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側並びにこれらの隙間に介在する磁気粘性流体４０を軸線Ｎ方向に貫通する磁場を発生するものとされる。

本発明は、例えば、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に適用可能である。

１０ 回転軸
２０ 第１トルク伝達部材
３０ 第２トルク伝達部材
３２，３３ 挟持部材（規制手段）
４０ 磁気粘性流体
５０ 永久磁石（磁場発生手段）
６０，６０Ａ 可動部材
６１，６１Ａ ガイド棒
６２ 可動部材進入空間
８０，８０Ａ コイルスプリング（付勢手段）
１００，１００Ａ 回転制動装置

Claims (4)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた第１トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、
   前記第１および第２トルク伝達部材の前記軸線方向両外側に磁極を有し、前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、
   を備える回転制動装置において、
   前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられ、前記軸線を中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられた磁性体からなる可動部材と、
   前記可動部材を前記軸線側に付勢する付勢手段と、
   前記回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると前記可動部材が進入する前記磁極間に設けられた可動部材進入空間と、
   を備えることを特徴とする回転制動装置。
2. 請求項１に記載の回転制動装置において、
   前記可動部材が前記可動部材進入空間から遠心側に移動することを規制する規制手段を備えることを特徴とする回転制動装置。
3. 請求項１又は２に記載の回転制動装置において、
   前記磁場発生手段は永久磁石であることを特徴とする回転制動装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の回転制動装置において、
   前記可動部材は、前記軸線を中心とした円周方向に均等に配設された複数の可動部材からなる、ことを特徴とする回転制動装置。