JP2014137081A - 電磁クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁クラッチ２０の軽量化を図る。
【解決手段】プーリ３０と、プーリ３０に連結されることによって回転駆動力が伝達されるアーマチャ４０と、アルミワイヤが回巻きされて形成されて、プーリ３０およびアーマチャ４０の間の境界を磁束が複数回通過する磁気回路Ｍを構成してプーリ３０とアーマチャ４０とを連結させるための吸引磁力を発生させる電磁コイル５１とを備える。アーマチャ４０の非磁性部８３、８４とプーリ３０の非磁性部６５、６６、６７とは、それぞれ回転軸２ａの径方向にオフセットされている。磁気回路Ｍでは、磁束がアーマチャ４０とプーリ３０との間の境界を６回通過する。このため、磁気回路Ｍを流れる磁束量が減る。このため、磁気回路Ｍの断面積を小さくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁クラッチに関するものである。

従来、特許文献１に示すように、プーリとアーマチャとを連結させる吸引磁力を発生させる電磁コイルを構成する巻線材として、アルミニウム材のワイヤ（以下、アルミワイヤという）を用いた電磁クラッチが提案されている。

アルミワイヤを用いた電磁クラッチは、従来の銅材のワイヤ（以下、銅ワイヤという）を用いた電磁クラッチに対して、第１に電磁コイル自体の重量を低減できること（銅比重：８．９６、アルミニウム比重：２．７）、第２に銅に対して比較的安価なアルミニウム材で製造することによって電磁コイルの製造コストを低減できる等のメリットを有する。

特開２００９−２４３６７８号公報

しかしながら、アルミワイヤを用いた電磁クラッチは、銅ワイヤを用いた電磁クラッチに比べ、電磁クラッチの体格が大きくなり、それに伴って電磁クラッチの重量も重くなってしまうという問題がある。

ここで、銅ワイヤを用いた電磁クラッチと同一体格（クラッチ径、クラッチ軸長）を維持しながら、アルミワイヤを使用することもできる。しかしこの際、アルミワイヤの抵抗値は、銅ワイヤの抵抗値よりも大きい。このため、同一出力電圧の車両電源（一般的には出力電圧が１２Ｖ）を用いて、銅ワイヤを用いた電磁コイルの負過電流と、銅ワイヤと同一ワイヤ径のアルミワイヤを用いた電磁コイルの負過電流とを計測すると、アルミワイヤを用いた電磁コイルの負荷電流は、銅ワイヤを用いた電磁コイルの負荷電流に比べて、小さくなる。

この結果、負荷電流×巻回数（＝ＡＴ値）にて表される電磁クラッチにおける吸引力（すなわち、プーリとアーマチャとを連結させる吸引力）が低下する。これに伴い、電磁クラッチの伝達トルクが低下するので、所望の伝達力が得られない。

一方、銅ワイヤを用いた電磁クラッチと同一体格になるように、アルミワイヤを用いて電磁クラッチを構成した場合に、所望の伝達トルクを得るためには、アルミワイヤの線径を銅ワイヤの線径よりも大きくしたもので電磁コイルを形成することにより、負荷電流を大きくすることで対応可能である。

しかしながら、負荷電流が上昇することにより、電磁クラッチのＯＮ時の消費電力（Ｗ＝ＶＩ）の増大、これに伴う車両燃費の低下、併せて電磁コイルの温度上昇による電磁クラッチの性能低下等の背反が避けられない。

このため、アルミワイヤのこれら背反に対応するためには、アルミワイヤの線径も大きくしつつ、前出のように電磁コイル体格を大きくすることでワイヤ巻回数を増やしてアルミワイヤを用いた電磁クラッチのＡＴ値を、銅ワイヤを用いた電磁コイルのＡＴ値相当に設計することが必要になる。

しかし、この場合、電磁コイルの体格の増大化に伴って、電磁コイルを格納する鉄製コイルハウジングが大型化する。これによって、コイルハウジングを外側から覆う鉄製ロータ（プーリ）の大型化を招く。この結果、電磁クラッチ全体での大型化、ひいては重量の増大化を招くという課題があった。

以下に、従来クラッチの銅ワイヤをアルミワイヤに置換した場合に、電磁クラッチが大型化する因果関係を示す。

第１に、アルミワイヤの単位長さ辺りの抵抗値ｒ_AIと銅ワイヤの単位長さ辺りの抵抗値ｒ_Cuは、以下の関係にある。

第２に電磁コイルの吸引力を表すＡＴ値（＝電流×コイルの巻回数）は以下の関係にある。

ここで、Ａは負荷電流、Ｔはコイル巻回数、Ｖは電源電圧、Ｒはコイル抵抗、ｒはワイヤの単位長さ辺りの抵抗、Ｄｍは電磁コイルの呼び直径である。

第３にワイヤの電気抵抗値は、線径の二乗と反比例する関係にある。

以上の関係から、アルミワイヤが銅ワイヤと同一の単位長さ辺りの抵抗値を有するためには、アルミワイヤの線径として、銅ワイヤの線径の１．３倍の大きさが必要である。

したがって、アルミワイヤを用いる電磁クラッチが銅ワイヤを用いる電磁クラッチと同一ＡＴ値を得るためには、銅ワイヤに対して１．３倍の線径を持つアルミワイヤを用いて、銅ワイヤを用いた電磁コイルと同じ巻回数（Ｔ）を確保することが必要になる。

このため、アルミワイヤを用いる電磁クラッチにおいて電磁コイルを収納する巻線スペースも、銅ワイヤを用いる電磁クラッチの巻線スペースに対して、１．３倍の大きさが必要となる。

したがって、銅ワイヤを用いた４極の電磁クラッチの電磁コイルの軸方向寸法に比べて、アルミワイヤを用いた４極の電磁クラッチの電磁コイルの軸方向寸法（すなわち、軸長）が大きくなる。

このような電磁コイルの大型化に伴い、電磁コイルを格納して電磁コイルの磁気回路を構成する鉄製ステータハウジング、およびその外側に配置されて鉄製ステータハウジングに対してクリアランスを確保しつつ回転軸に対して回転自在に支持されているプーリについても大型化する。この結果、電磁クラッチの体格の増大化を招くことになる。

このような電磁クラッチの体格の増大化に伴って重量の増大化となってしまう。これにより、車両の搭載性はもちろん、燃費にも著しい悪影響を与えてしまう。

以下に、従来の銅ワイヤを用いた４極の電磁クラッチと、アルミワイヤを用いた４極の電磁クラッチとを同一伝達トルク性能の下で比較した結果を示す。

以下、便宜上、銅ワイヤを用いた４極の電磁クラッチを銅ワイヤ電磁クラッチとし、アルミワイヤを用いた４極の電磁クラッチをアルミワイヤ電磁クラッチとする。

図１５（ａ）（ｂ）では、Ｃｕは、銅ワイヤ電磁クラッチを示し、ＡＬ（１）は、銅ワイヤ電磁クラッチと同一の体格を備えるアルミワイヤ電磁クラッチを示し、ＡＬ（２）は、銅ワイヤ電磁クラッチと同一消費電力を消費するアルミワイヤ電磁クラッチを示している。

図１５（ａ）中のＣｕ、ＡＬ（１）に示すように、同一体格の、銅ワイヤ電磁クラッチと、アルミワイヤ電磁クラッチとを比較した場合には、銅ワイヤ電磁クラッチの消費電力を１００％とすると、アルミワイヤ電磁クラッチの消費電力の百分率は、１６０％になる。

図１５（ｂ）のＣｕ、ＡＬ（１）に示すように、同一体格の、銅ワイヤ電磁クラッチと、アルミワイヤ電磁クラッチとを比較した場合には、銅ワイヤ電磁クラッチの重量を１００％とすると、アルミワイヤ電磁クラッチの重量の百分率は、９０％になる。

図１５（ｂ）のＣｕ、ＡＬ（２）に示すように、同一消費電力の、銅ワイヤ電磁クラッチと、アルミワイヤ電磁クラッチとを比較した場合には、銅ワイヤ電磁クラッチの重量を１００％とすると、アルミワイヤ電磁クラッチの重量の百分率は、１０５％になる。

このように銅ワイヤ電磁クラッチと同一の体格のアルミワイヤ電磁クラッチを構成すると、アルミワイヤ電磁クラッチの消費電力は、銅ワイヤ電磁クラッチの消費電力に比べて格段に大きくなる。銅ワイヤ電磁クラッチと同一の消費電力のアルミワイヤ電磁クラッチを構成すると、アルミワイヤ電磁クラッチ、銅ワイヤ電磁クラッチに比べて重くなる。このようにワイヤの材料としてアルミニウムを採用することの狙いであった製品の軽量化を達成することができないことがわかる。

本発明は上記点に鑑みて、電磁コイルの巻線としてアルミワイヤを用いた電磁クラッチにおいて、軽量化を図るようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、駆動源からの回転駆動力によって回転する駆動側回転体（３０）と、
前記駆動側回転体に連結されることによって前記回転駆動力が伝達される従動側回転体（４０）と、
アルミニウム材からなるワイヤが回巻きされて形成されて、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の間の境界を磁束が複数回通過する磁気回路を構成して前記駆動側回転体と前記従動側回転体とを連結させるための吸引磁力を発生させる電磁コイル（５１）とを備え、
前記磁気回路を流れる磁束が前記境界を通過する回数を極数としたときに、前記磁気回路の極数が６以上になるように前記駆動側回転体と前記従動側回転体とが構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、磁気回路の極数が６以上になるので、アルミニウム材からなるワイヤを用いて極数が４になる電磁クラッチに比べて、磁気回路を流れる磁束量を減らすことができる。このため、磁気回路を構成する部材の肉厚寸法を小さくすることができる。これにより、電磁クラッチの軽量化を図ることができる。これに伴い、電磁クラッチの体格を維持しつつ、電磁コイルを収納するコイルスペースを大きくすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明のクラッチ構造が適用される第１実施形態の冷凍サイクル装置の全体構成を示す図である。 第１実施形態のクラッチ構造の断面図である。 図２中III−III断面図である。 図２中のプーリ単体を圧縮機の回転軸の軸線方向一端側から視た図である。 プーリの一部を軸線方向一端側から視た斜視図である。 アーマチャ単体を軸線方向一端側から視た図である。 （ａ）はプーリおよびアーマチャが離れている状態を示し、（ｂ）プーリおよびアーマチャが連結している状態を示している。 極数、磁束の比、および極面積の比の関係を示す図表である。 ４極クラッチ、および６極クラッチの寸法関係を示す図である。 電磁クラッチの吸引力、および起磁力を示す図である。 １極〜６極の磁束密度を示す図である。 ４極クラッチ、および６極クラッチにおいて、巻き線使用量、および重量の比較を示す図である。 本発明の第２実施形態のクラッチ構造の断面図である。 本発明の変形例のプーリの斜視図である。 銅ワイヤを用いる電磁クラッチとアルミワイヤを用いる電磁クラッチとの比較を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の電磁クラッチが適用された車両用空調装置の冷凍サイクル装置１の全体構成図である。

冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、および、蒸発器５を接続したものである。圧縮機２は、冷媒を吸入して圧縮する。放熱器３は、圧縮機２の吐出冷媒を放熱させる。膨張弁４は、放熱器３から流出される冷媒を減圧膨張させる。蒸発器５は、膨張弁４にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる。

圧縮機２は、車両のエンジンルームに設置されている。圧縮機２は、走行用駆動源としてのエンジン１０から電磁クラッチ２０を介して与えられる回転駆動力によって圧縮機構を駆動させることにより、蒸発器５から冷媒を吸入して圧縮する。

なお、圧縮機構としては、吐出容量が固定された固定容量型圧縮機構、あるいは、外部からの制御信号によって吐出容量を調整可能に構成された可変容量型圧縮機構のいずれを採用してもよい。

本実施形態の電磁クラッチ２０は、圧縮機２に連結されたプーリ一体型の電磁クラッチである。電磁クラッチ２０は、エンジン側プーリ１１からＶベルト１２を介して与えられるエンジン１０の回転駆動力を圧縮機２に伝達する。エンジン側プーリ１１は、エンジン１０の回転駆動軸に連結されているものである。

電磁クラッチ２０は、プーリ３０およびアーマチャ４０を備える。プーリ３０はエンジン１０からのＶベルト１２を介して与えられる回転駆動力によって回転する駆動側回転体を構成する。アーマチャ４０は、圧縮機２の回転軸２ａに連結された従動側回転体を構成する。電磁クラッチ２０は、プーリ３０とアーマチャ４０との間を連結あるいは分離することで、エンジン１０から圧縮機２への回転駆動力の伝達を断続するものである。

つまり、電磁クラッチ２０がプーリ３０とアーマチャ４０とを連結すると、エンジン１０の回転駆動力が圧縮機２に伝達されて、冷凍サイクル装置１が作動する。一方、電磁クラッチ２０がプーリ３０とアーマチャ４０とを離すと、エンジン１０の回転駆動力が圧縮機２に伝達されることはなく、冷凍サイクル装置１も作動しない。

次に、本実施形態の電磁クラッチ２０の詳細構成について図２を用いて説明する。

図２は、電磁クラッチ２０の軸方向断面図である。この軸方向断面図は、電磁クラッチ２０において圧縮機２の回転軸２ａの軸線を含んで、かつ軸線に沿う断面図である。図３は図２のIII-III断面図である。図２では、プーリ３０とアーマチャ４０とを離した状態を図示している。図４はプーリ３０単体を圧縮機２の回転軸２ａの軸線方向一端側から視た図、図５はプーリ３０の一部を軸線方向一端側から視た斜視図、図６はアーマチャ４０単体を軸線方向一端側から視た図である。

図２に示すように、電磁クラッチ２０は、プーリ３０、アーマチャ４０とともに、ステータ５０を備える。

まず、プーリ３０は、外側円筒部３１、内側円筒部３２、および、端面部３３を有している。

外側円筒部３１は、圧縮機２の回転軸２ａの軸線（図２中一点鎖線）を中心線とする円筒状に形成されている。外側円筒部３１は、磁性材（例えば、鉄）にて形成されている。外側円筒部３１の外周側には、Ｖベルト１２が掛けられるＶ溝（具体的には、ポリＶ溝）が形成されている。

内側円筒部３２は、外側円筒部３１の内周側に配置されて圧縮機２の回転軸２ａの軸線を軸線とする円筒状に形成されている。内側円筒部３２は、磁性材（例えば、鉄）によって形成されている。

内側円筒部３２の内周側には、ボールベアリング３４の外側レースが固定されている。ボールベアリング３４は、圧縮機２の外殻を形成するハウジング２ｃに対して、回転軸２ａの軸線を中心線としてプーリ３０を回転自在に固定するものである。そのため、ボールベアリング３４の内側レースは、圧縮機２のハウジング２ｃに対してスナップリング等によって固定されている。ボールベアリング３４の内側レースは、圧縮機２のハウジング２ｃに設けられたハウジングボス部２ｂに対して径方向外側に配置されている。ハウジングボス部２ｂは、圧縮機２の回転軸２ａの軸線を中心線とする円筒状に形成されている。

端面部３３は、外側円筒部３１回転軸方向一端側と内側円筒部３２の回転軸方向一端側との間に亘って形成されている。

端面部３３は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されている。具体的には、端面部３３は、図４または図５に示すように、リング部材６０、６１、６２、６３を備える。

リング部材６０、６１、６２、６３は、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。リング部材６０、６１、６２、６３は、回転軸２ａの径方向にオフセットして配置されている。

本実施形態のリング部材６０は、リング部材６１に対して内周側に配置されている。リング部材６１は、リング部材６２に対して内周側に配置されている。リング部材６２は、リング部材６３に対して内周側に配置されている。そして、リング部材６０、６１、６２、６３は、それぞれ、磁性材（例えば、鉄）によって形成されている。

リング部材６０、６１の間には、非磁性の金属材料からなる非磁性部６７が配置されている。非磁性部６７は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されて、リング部材６０、６１の間を接続する。

リング部材６１、６２の間には、非磁性の金属材料からなる非磁性部６６が配置されている。非磁性部６６は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されて、リング部材６１、６２の間を接続する。

リング部材６２、６３の間には、非磁性の金属材料からなる非磁性部６５が配置されている。非磁性部６５は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されて、リング部材６２、６３の間を接続する。

本実施形態の非磁性部６７、６６、６５を構成する材料としては、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）、或いは銅等の非磁性の金属材が用いられる。

本実施形態では、プーリ３０は、一体に成形されたものである。このため、外側円筒部３１と端面部３３のリング部材６３とが繋がっている。端面部３３のリング部材６０と内側円筒部３２とが繋がっている。そして、外側円筒部３１、端面部３３のリング部材６０、６１、６２、６３、および内側円筒部３２は、後述するように、磁気回路Ｍａを構成する。

また、端面部３３の他端側面は、プーリ３０とアーマチャ４０が連結された際に、アーマチャ４０と接触する摩擦面を形成している。そこで、本実施形態では、端面部３３の非磁性部６５の表面側には、端面部３３の摩擦係数を増加させるための摩擦部材３５が配置されている。摩擦部材３５は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されている。摩擦部材３５は、非磁性材で形成されており、具体的には、アルミナを樹脂で固めたものや、金属粉末（例えば、アルミニウム粉末）の焼結材を採用できる。

アーマチャ４０は、プーリ３０の端面部３３に対して軸線方向他端側に配置されている。具体的には、アーマチャ４０は、回転軸２ａに直交する方向に広がるとともに、中央部にその表裏を貫通する貫通穴が形成された円板状部材である。アーマチャ４０の回転中心は、回転軸２ａの軸心に一致している。

アーマチャ４０は、図６に示すように、リング部材８０、８１、８２から構成されている。リング部材８０、８１、８２は、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。リング部材８０、８１、８２は、回転軸２ａの径方向にオフセットして配置されている。

本実施形態のリング部材８０は、リング部材８１に対して内周側に配置されている。リング部材８１は、リング部材８２に対して内周側に配置されている。そして、リング部材８０、８１、８２は、それぞれ、磁性材（例えば、鉄）によって形成されている。

リング部材８０、８１の間には、非磁性の金属材料からなる非磁性部８３が配置されている。非磁性部８３は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されている。非磁性部８３は、リング部材８０、８１の間を接続する。

リング部材８１、８２の間には、非磁性の金属材料からなる非磁性部８４が配置されている。非磁性部８４は、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されている。非磁性部８４は、リング部材８１、８２の間を接続する。

本実施形態の非磁性部８３、８４を構成する材料としては、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）や、銅の非磁性の金属材が用いられる。

ここで、アーマチャ４０の一端側の平面は、プーリ３０の端面部３３に対向している。プーリ３０とアーマチャ４０が連結された際に、プーリ３０と接触する摩擦面を形成している。

さらに、アーマチャ４０の他端側の平面には、リベット４１によって略円盤状のアウターハブ４２が連結されている。

アウターハブ４２は、後述するインナーハブ４３とともに、アーマチャ４０と圧縮機２の回転軸２ａとを連結する連結部材を構成している。アウターハブ４２とインナーハブ４３は、それぞれ回転軸方向に延びる円筒部４２ａ、４３ａを有しており、アウターハブ４２の円筒部４２ａの内周面およびインナーハブ４３の円筒部４３ａの外周面には、弾性部材である円筒状のゴム４５が加硫接着されている。このゴム４５の材質としては、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合ゴム）等を採用できる。

さらに、インナーハブ４３は、圧縮機２の回転軸２ａに設けられたネジ穴にボルト４４によって締め付けられることによって固定されている。なお、インナーハブ４３と圧縮機２の回転軸２ａとの固定には、スプライン（セレーション）あるいはキー溝などの締結手段を用いてもよい。

これにより、アーマチャ４０、アウターハブ４２、ゴム４５、インナーハブ４３、圧縮機２の回転軸２ａが連結され、プーリ３０とアーマチャ４０が連結されると、アーマチャ４０、アウターハブ４２、ゴム４５、インナーハブ４３、圧縮機２の回転軸２ａがプーリ３０とともに回転する。

また、ゴム４５は、アウターハブ４２に対してプーリ３０からアーマチャ４０が離れる方向に弾性力を作用させている。この弾性力により、プーリ３０とアーマチャ４０が離れた状態では、アウターハブ４２に連結されたアーマチャ４０の一側端面とプーリ３０の他側端面との間に予め定めた所定間隔の隙間Ｍ１（図７参照）が形成される。

また、ステータ５０は、電磁コイル５１およびステータハウジング５２を備えるステータアッセンブリである。

電磁コイル５１は、プーリ３０の外側円筒部３１と内側円筒部３２との間に配置されて、回転軸２ａの軸線を中心とするリング状に形成されている。本実施形態の電磁コイル５１は、アルミニウムからなるワイヤ（以下、アルミワイヤという）が樹脂製スプールに複列・複層に巻き付けることにより構成されている。本実施形態の電磁コイル５１は、ステータハウジング５２に対して嵌合・締結等により固定されている。

ステータハウジング５２は、外側円筒部５２ａ、内側円筒部５２ｂ、および端面部５２ｃを有している。

外側円筒部５２ａは、電磁コイル５１とプーリ３０の外側円筒部３１との間に
配置されている。外側円筒部５２ａは、回転軸２ａの軸線を中心線とする円筒状に形成されている。外側円筒部５２ａは、プーリ３０の外側円筒部３１との間に隙間Ｍ３（図３参照）を形成する
内側円筒部５２ｂは、電磁コイル５１とプーリ３０の内側円筒部５２ｂとの間に配置されている。内側円筒部５２ｂは、回転軸２ａの軸線を中心線とする円筒状に形成されている。

端面部５２ｃは、外側円筒部５２ａの軸線方向一端側と内側円筒部３２の軸線方向一端側との間に亘って形成されている。端面部５２ｃは、回転軸２ａの軸心を中心とするリング状に形成されている。

本実施形態の外側円筒部５２ａ、内側円筒部５２ｂ、および端面部５２ｃは、磁性材（例えば、鉄）にて形成されている。

本実施形態のステータハウジング５２は、圧縮機２のハウジング２ｃに対してスナップリング１００などの固定手段によって固定されている。このことにより、
電磁コイル５１およびステータハウジング５２がハウジング２ｃに対して固定されていることになる。そして、ステータハウジング５２の内側円筒部５２ｂとプーリ３０の内側円筒部３２との間には隙間Ｍ２（図３参照）が設けられている。

また、図１の制御装置６は、エアコンＥＣＵ（電子制御装置）から出力される制御信号に基づいて、電磁コイル５１への通電を制御する。

次に、本実施形態の電磁クラッチ２０の作動について図７を参照して説明する。図７は、図２のＢ部の断面図を用いた説明図である。

まず、制御装置６が電磁コイル５１に対して通電を実施していないときには、図７（ａ）に示すように、ゴム４５の弾性力によって、アーマチャ４０とプーリ３０との間に隙間Ｍ１が形成される。すなわち、電磁クラッチ２０がＯＦＦ状態にある。

次に、制御装置６が電磁コイル５１に対して通電を開始する。このとき、図７（ｂ）の太鎖線に示すように、ステータハウジング５２、外側円筒部３１、端面部３３、アーマチャ４０、端面部３３、アーマチャ４０、端面部３３、アーマチャ４０、端面部３３、内側円筒部３２、およびステータハウジング５２を磁束が通過する磁気回路Ｍが形成される。

具体的には、磁気回路Ｍでは、磁束が外側円筒部３１および内側円筒部３２の間にてアーマチャ４０の非磁性部８３、８４とプーリ３０の非磁性部６５、６６、６７とを避けて通過する。

すなわち、磁気回路Ｍでは、磁束が外側円筒部３１および内側円筒部３２の間にてアーマチャ４０のリング部材８０、８１、８２とプーリ３０のリング部材６０、６１、６２、６３とを通過する。このため、アーマチャ４０とプーリ３０との間の境界を６回通過することになる。

ここで、図７（ｂ）の太鎖線に示す磁気回路Ｍによって生じる磁力は、プーリ３０とアーマチャ４０とを連結させる吸引磁力となっている。このため、磁気回路Ｍから生じる磁力によって、プーリ３０とアーマチャ４０とを連結させることができる。すなわち、電磁クラッチ２０がＯＮ状態になる。このため、電磁クラッチ２０によってエンジン１０からの回転駆動力を圧縮機２に伝達することができる。

その後、制御装置６が電磁コイル５１に対する通電を終了する。このため、磁気回路Ｍが形成されなくなり、図７（ａ）の状態に戻る。これにより、ゴム４５の弾性力によって、アーマチャ４０とプーリ３０との間に隙間Ｍ１が形成されることになる。これにより、エンジン１０から圧縮機２への回転駆動力の伝達が停止される。

以上説明した本実施形態によれば、エンジン１０からの回転駆動力によって回転するプーリ３０と、プーリ３０に連結されることによって回転駆動力が伝達されるアーマチャ４０と、アルミワイヤが回巻きされて形成されて、プーリ３０およびアーマチャ４０の間の境界を磁束が複数回通過する磁気回路Ｍを構成してプーリ３０とアーマチャ４０とを連結させるための吸引磁力を発生させる電磁コイル５１とを備える。

ここで、アーマチャ４０の非磁性部８３、８４とプーリ３０の非磁性部６５、６６、６７とは、それぞれ回転軸２ａの径方向にオフセットされている。このため、磁気回路Ｍでは、磁束が外側円筒部３１および内側円筒部３２の間にてアーマチャ４０の非磁性部８３、８４とプーリ３０の非磁性部６５、６６、６７とを避けて通過する。これにより、アーマチャ４０とプーリ３０との間の境界を６回通過することになる。

ここで、磁気回路Ｍを通過する磁束がプーリ３０およびアーマチャ４０の間の境界を通過する回数を極数とし、また磁気回路Ｍを通過する磁束がプーリ３０およびアーマチャ４０の間の境界を通過する面を極と定義する。この定義に従うと、本実施形態の磁気回路Ｍの極数が６になる。

一方、特許文献１の電磁クラッチの磁気回路Ｍの極数は４である。このため、本実施形態の磁気回路Ｍの極数は、特許文献１の電磁クラッチの磁気回路Ｍの極数に比べて大きい。

図８の表に、磁気回路Ｍの極数を４極から６極とする場合に、同じ吸引力、即ち同じトルクを得るための条件を示す。ただし、極数が４極、６極のいずれであっても、アーマチャ４０とプーリ３０との間の摩擦面の内外径（すなわち、内径、外径）はいずれも同じ寸法であるとする。

図８の表は下の数４、数５の式に基づくものである。

伝達トルクＴは、摩擦係数μ、摩擦面吸引力Ｆ、摩擦面有効平均半径Ｒの積で表される。吸引力Ｆは、極数ｎと磁束量Φと真空の透磁率μ₀と極面積Ｓで表される。

ここで、摩擦面有効平均半径Ｒは、アーマチャ４０とプーリ３０との間の摩擦面における半径である。伝達トルクＴは、アーマチャ４０とプーリ３０との間で伝達される伝達トルクである。μはアーマチャ４０とプーリ３０との間の摩擦面の摩擦係数である。Ｆはアーマチャ４０とプーリ３０との間の吸引力である。Ｒは摩擦面有効平均半径である。ｎは極数、Φは磁気回路Ｍを流れる磁束量、μ₀は真空の透磁率である。Ｓは極面積である。本実施形態では当該極面積を複数存在する極の１つ当たりの面積と定義する。

ここで、極数が４の場合における極面積をＳ４とし、極数が６の場合における極面積をＳ６とすると、先述のようにアーマチャ４０とプーリ３０との間の摩擦面の内外径は、極数が４の場合、および極数が６の場合のいずれの場合も同じである。このため、Ｓ４とＳ６の比率は１対２／３となる。そして、極数が４である場合と極数が６とである場合とで各極を通過する磁束密度が同一であるものとすると、各極を通過する磁束量Φの比率も極面積Ｓの比率と同じであり、Φ４とΦ６の比率は１対２／３となる。極数がｎ（≧４）の場合における磁束量をΦｎとする。

ここで、極数が６である電磁クラッチ（以下、６極クラッチという）の磁気回路Ｍ（図９（ｂ）参照）と極数が４である電磁クラッチ（以下、４極クラッチという）の磁気回路Ｍａ（図９（ａ）参照）とが互いに同一の吸引磁力を発生させる場合において、６極クラッチの磁気回路Ｍを流れる磁束量は、４極クラッチの磁気回路Ｍａを流れる磁束量の２／３となる。

このことから、磁気回路Ｍのうち磁束が通過する通路の断面積を２／３にしても磁束密度（単位面積当たりの磁束量）は、磁気回路Ｍの磁束密度と同じとなり、磁気飽和を起こすことがない。

したがって、磁気回路Ｍを構成するアーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２のそれぞれの板厚（ｔ１〜ｔ７）は、磁気回路Ｍａを構成するアーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２のそれぞれの板厚（Ｔ１〜Ｔ７）の２／３にすることができる。これにより、アーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の軽量化、ひいては電磁クラッチ２０の軽量化を図ることができる。板厚とは、磁束の流れる方向と直交する方向の寸法のことである。

以上の効果により、軽量化を図り、かつ電磁クラッチ２０の体格を維持しつつ、電磁コイルの５１を構成するコイルスペース（図中の実線の四角形部分）を大きくすることができる。したがって、銅ワイヤと同一の抵抗値を得るためには線径を太くせねばならないアルミニウムワイヤを銅ワイヤと同一回数巻くために必要なコイルスペースを確保することができる。

これに加えて、上述の如く、磁気回路Ｍを流れる磁束が少なくなることにより、電磁クラッチ２０のＯＮ状態を維持するために必要な電磁コイル５１における起磁力も小さくすることができる。例えば、ある所定のトルク（伝達トルク）を得るために、４極クラッチでは６８０ＡＴであった起磁力は、６極クラッチでは６８０ＡＴの約２／３である４１０ＡＴ（≒６８０ＡＴ×２／３）となる。

さらに、コイルスペースを、上述の如く、大きくすることができるので、アルミワイヤの線径も大きくしたり、或いはアルミワイヤの巻回数を増やしたりすることができる。このため、電磁コイルを流れる負荷電流を大きくしたり、アルミワイヤの巻回数を増やしたりすることができる。

以上により、６極クラッチにより、アルミニウムワイヤを用いた場合でも、所定のトルク（伝達トルク）を得るために必要なＡＴ値を、電磁クラッチ２０の体格を増大化することなく、確保することが可能になる。

次に、実際の６極クラッチの磁場解析の結果について説明する。磁場解析を実施した６極クラッチは、アルミコイルからなる電磁コイル５１を収納するための最低限必要なスペースを確保できるようにアーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の板厚を小さくしている。

図１１は縦軸が磁束密度を示し、横軸が１極、２極、３極、４極、５極、６極を示している。図１１中の１極〜６極は、６極クラッチのプーリ３０およびアーマチャ４０の間の境界に形成される極を示し、数が大きくなるほど、中心側から外周側に近づくことになる。

この磁場解析から分かるように、６極クラッチでは、アーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の板厚を小さくすることにより、磁気回路Ｍの断面積が低減されているにも関わらず、各磁極の磁束密度は鉄材の飽和磁束密度（≒２テスラ）以下であり、薄肉化による磁束漏れ（＝消費電力の浪費）も起こっていないことがわかる。もちろん、伝達トルク性能に関わる吸引力（ＡＴ値）についても低下はない。（いずれのモデルも摩擦面外径φ１０１、内径φ５２とした。）
参考までに、４極クラッチで、アーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の板厚を小さくして、磁気回路Ｍの断面積を低減した場合、各磁極の磁束密度が鉄材の飽和磁束密度に達し、磁気が周囲へ漏洩することにより、必要以上の電力を消費することになってしまう。

図１２に、銅ワイヤをコイル材として用いる４極クラッチと、本発明によりアルミワイヤをコイル材として用いる６極クラッチについて、巻線使用量及び電磁クラッチ主要構成部品であるプーリ３０、ステータハウジング５２、電磁コイル５１の重量を比較した。また、電磁クラッチの体格（胴径、軸長）は両クラッチで同一である。

グラフに示すように、６極クラッチは、アーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の板厚を小さくした効果とアルミワイヤの使用の効果とにより、電磁コイル５１の軽量化を達成するとともに、プーリ３０・ステータハウジング５２・電磁コイル５１の合計重量の軽量化を達成することができる。

また、一般的に銅ワイヤよりもアルミワイヤの方が素材費は安く、かつ本発明により巻線使用量も低減可能なため、電磁コイルのコストも大幅に低減可能となる。

このようなアーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２の板厚を小さくする際（つまり、薄肉化）の背反として、プーリ３０の強度確保が上げられる。

磁気性能上の上記板厚の限界は、前出（図１１）の、各極（１極〜６極）の磁束密度が鉄材の飽和磁束密度（≒２テスラ）を超え、磁気漏洩が発生する板厚である。一方、プーリ３０は、例えば車両のエンジン１０のエンジン側プーリ１１（クランクプーリ）よりＶベルト１２を介して回転駆動力を得ているが、Ｖベルト１２のテンションが常に負荷されている状態であるため、これによる応力により変形や疲労破壊が耐用年数において発生しない板厚設計が必要となる。

ここで、Ｖベルト１２のテンションは車両毎に異なるため、Ｖベルト１２のテンションによる強度限界と磁気性能上からくる磁気飽和限界を比較しながら、いずれかの特性を満たすことができなくなり始める板厚が最小板厚となる。

現在市場に流通している電磁クラッチの各部板厚をベースとすると、図９（ａ）、（ｂ）において、ｔ１／Ｔ１＝０．７〜０．８程度になるようにプーリ３０を薄肉化とすることで、磁気性能及び一般的車両（特殊的にベルトテンションが高い車両を除く）のベルトテンションに対する強度の両方の条件を満たすことができ、かつクラッチの体格ＵＰを伴わずにアルミコイルを使用することができるがこれに限定したものではない。

本実施形態では、プーリ３０の非磁性部６５、６６、６７として、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）、或いは銅等の非磁性の金属材によってリング状に形成されているものを用いた。このため、Ｖベルト１２のテンションに対する強度確保、および更なる磁気漏れ防止が可能になる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、アーマチャ４０とプーリ３０とによって磁気回路Ｍの極数を６なるように構成した例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、磁気回路Ｍの極数が８となるようにアーマチャ４０とプーリ３０とを構成した例について説明する。

図１３に本実施形態の電磁クラッチ２０の部分断面図を示す。

本実施形態のアーマチャ４０は、上記第１実施形態のアーマチャ４０にリング部材８５および非磁性部８６を追加したものである。このため、本実施形態のアーマチャ４０は、リング部材８０、８１、８２、８５、および非磁性部８３、８４、８６を備えることになる。リング部材８５は、磁性材からなるもので、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。非磁性部８６は、非磁性材からなるもので、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。

リング部材８５および非磁性部８６は、非磁性部８３およびリング部材８１の間に配置されていることになる。リング部材８５は、非磁性部８３、８６の間に配置されていることになる。非磁性部８６は、リング部材８１、８５の間に配置されていることになる。

本実施形態のプーリ３０は、上記第１実施形態のプーリ３０の端面部３３にリング部材６４および非磁性部６９が追加されたものである。このため、本実施形態のプーリ３０の端面部３３は、リング部材６０、６１、６２、６３、６４、および非磁性部６５、６６、６７、６９を備えることになる。

リング部材６４および非磁性部６９は、リング部材６１および非磁性部６６の間に配置されている。リング部材６４は、磁性材からなるもので、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。非磁性部６９は、回転軸２ａの軸心を中心するリング状に形成されている。リング部材６４は、非磁性部６６、６９の間に配置されている。非磁性部６９は、リング部材６１、６４の間に配置されている。

このように構成されている本実施形態の電磁クラッチ２０では、磁気回路Ｍでは、磁束が外側円筒部３１および内側円筒部３２の間にてアーマチャ４０の非磁性部８３、８４、８６とプーリ３０の非磁性部６５、６６、６７、６９とを避けて通過する。

すなわち、磁気回路Ｍでは、磁束が外側円筒部３１および内側円筒部３２の間にてアーマチャ４０のリング部材８０、８１、８２、８５とプーリ３０のリング部材６０、６１、６２、６３、６４とを通過する。このため、アーマチャ４０とプーリ３０との間の境界を８回通過することになる。したがって、本実施形態の磁気回路Ｍの極数が８になる。

以上説明した本実施形態によれば、本実施形態の磁気回路Ｍの極数が上記第１実施形態の磁気回路Ｍの極数に比べて大きくなる。したがって、本実施形態の磁気回路Ｍと上記第１実施形態の磁気回路Ｍとが互いに同一の吸引磁力を発生させる場合において、本実施形態では、上記第１実施形態に比べて磁気回路Ｍを流れる磁束は少なくなる。

したがって、磁気回路Ｍを構成するアーマチャ４０、プーリ３０、およびステータハウジング５２のそれぞれの板厚をより一層小さくすることができる。このため、電磁クラッチ２０においてより一層の軽量化を図ることができる。

（他の実施形態）
上記第１の実施形態では、磁気回路Ｍの極数が６になるようにアーマチャ４０およびプーリ３０を構成した例について説明し、かつ上記第２の実施形態では、磁気回路Ｍの極数が８になるようにアーマチャ４０およびプーリ３０を構成した例について説明したが、これに限らず、磁気回路Ｍの極数が１０以上になるようにアーマチャ４０およびプーリ３０を構成してもよい。

つまり、上記第１、第２の実施形態では、磁気回路Ｍの極数が６、８になる電磁クラッチ２０を構成した例について説明したが、これに限らず、磁気回路Ｍの極数が６以上になる電磁クラッチ２０であるならば、磁気回路Ｍの極数が１０以上になる電磁クラッチ２０も本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

なお、極数が１０以上になる電磁クラッチ２０を実施するには、極数が８である場合に比べて、アーマチャ４０の非磁性部の個数とプーリ３０の非磁性部の個数とを増やせばよい。

上記第１の実施形態では、プーリ３０の非磁性部６５、６６、６７として、非磁性の金属材からなるリング状の部材を用いた例について説明したが、これに代えて、非磁性部６５、６６、６７をそれぞれ空隙とブリッジ部とから構成してもよい。

例えば、図１４の非磁性部６５は、複数の空隙と複数のブリッジ部１１０とから構成されている。複数の空隙は、回転軸２ａの軸線を中心とする円弧状に形成されている。複数のブリッジ部１１０は、非磁性の金属材料（或いは、磁性の金属材料）からなるもので、リング部材６２、６３の間を接続するものである。非磁性部６５において、複数の空隙と複数のブリッジ部１１０とは、円周方向に交互に並べられている。非磁性部６６、６７は、非磁性部６５と同様に、複数の空隙と複数のブリッジ部１１０とから構成されている。

また、図示を省略するが、アーマチャ４０の非磁性部８３を、プーリ３０の非磁性部６５、６６、６７と同様に、複数の空隙と複数のブリッジ部とから構成してもよい。アーマチャ４０の非磁性部８３において、複数の空隙と複数のブリッジ部は、円周方向に交互に並べられている。非磁性部８３を構成する複数のブリッジ部は、リング部材８０、８１の間を接続する部材である。

同様に、アーマチャ４０の非磁性部８４を、複数の空隙と複数のブリッジ部とから構成してもよい。アーマチャ４０の非磁性部８４において、複数の空隙と複数のブリッジ部は、円周方向に交互に並べられている。非磁性部８４を構成する複数のブリッジ部は、リング部材８１、８２の間を接続する部材である。

同様に、上記第２の実施形態におけるプーリ３０の端面部３３の非磁性部６９を複数の空隙と複数のブリッジ部とから構成してもよい。さらに、上記第２の実施形態における非磁性部８６を複数の空隙と複数のブリッジ部とから構成してもよい。

上記第１、２の実施形態では、電磁コイル５１への通電により生じる吸引磁力によって、アーマチャ４０とプーリ３０とを連結させる電磁クラッチ２０について説明したが、これに代えて、特開２０１１−８０５７９号公報に示す自己保持型の電磁クラッチに本発明を適用してもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

６ 制御装置（第１、第２の制御手段）
２０ 電磁クラッチ
３０ プーリ（駆動側回転体）
４０ アーマチャ（従動側回転体）
５０ ステータ
５１ 電磁コイル
５６ ステータハウジング
６０、６１、６２、６３、６４ リング部材（駆動側磁性部）
６５、６６、６７、６９ 非磁性部（駆動側非磁性部）
８０、８１、８２、８５ リング部材（従動側磁性部）
８３、８４、８６ 非磁性部（従動側非磁性部）
Ｍ 磁気回路

Claims (6)

1. 駆動源からの回転駆動力によって回転する駆動側回転体（３０）と、
   前記駆動側回転体に連結されることによって前記回転駆動力が伝達される従動側回転体（４０）と、
   アルミニウム材からなるワイヤが回巻きされて形成されて、前記駆動側回転体および前記従動側回転体の間の境界を磁束が複数回通過する磁気回路を構成して前記駆動側回転体と前記従動側回転体とを連結させるための吸引磁力を発生させる電磁コイル（５１）とを備え、
   前記磁気回路を流れる磁束が前記境界を通過する回数を極数としたときに、前記磁気回路の極数が６以上になるように前記駆動側回転体と前記従動側回転体とが構成されていることを特徴とする電磁クラッチ。
2. 前記駆動側回転体は、磁性材によって前記駆動側回転体自体の回転中心を中心とするリング状に形成されている複数の駆動側磁性部（６０、６１、６２、６３、６４）を備えており、前記複数の駆動側磁性部は、前記回転中心を中心とする径方向にそれぞれオフセットして配置されており、
   前記複数の駆動側磁性部のうち前記径方向に並ぶ２つの駆動側磁性部の間には、非磁性材から構成されている駆動側非磁性部（６５、６６、６７、６９）が配置されており、
   前記従動側回転体は、磁性材によって前記従動側回転体自体の回転中心を中心とするリング状に形成されている複数の従動側磁性部（８０、８１、８２、８５）を備えており、前記複数の従動側磁性部は、前記回転中心を中心とする径方向にそれぞれオフセットして配置されており、
   前記複数の従動側磁性部のうち前記径方向に並ぶ２つの第２の磁性部の間には、非磁性材から構成されている従動側非磁性部（８３、８４、８６）が配置されており、
   前記駆動側回転体と前記従動側回転体とは、前記駆動側回転体のうち前記駆動側非磁性部以外の前記複数の駆動側磁性部と前記従動側回転体のうち前記従動側非磁性部以外の前記複数の従動側磁性部とを前記磁束が通過することにより、前記磁気回路の極数が６以上になるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁クラッチ。
3. 前記駆動側非磁性部は、前記非磁性材によってリング状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電磁クラッチ。
4. 前記駆動側非磁性部は、前記非磁性材によって形成されて前記径方向に並ぶ２つの駆動側磁性部の間を接続する複数のブリッジ部（１１０）と、複数の空隙部とから構成されており、
   前記複数のブリッジ部および前記複数の空隙部は、前記駆動側回転体の回転中心を中心とする円周方向に、交互に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電磁クラッチ。
5. 前記従動側非磁性部は、前記非磁性材によってリング状に形成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電磁クラッチ。
6. 前記従動側非磁性部は、前記非磁性材によって形成されて前記径方向に並ぶ２つの従動側磁性部の間を接続する複数のブリッジ部と、複数の空隙部とから構成されており、
   前記複数のブリッジ部および前記複数の空隙部は、前記従動側回転体の回転中心を中心とする円周方向に、交互に配置されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電磁クラッチ。

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