JP2022095123A

JP2022095123A - 磁性流体ブレーキ及びその制御方法

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Publication number: JP2022095123A
Application number: JP2020208268A
Authority: JP
Inventors: 輝朗吉地; Teruaki Yoshiike
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: JP7036404B1

Abstract

【課題】本発明は、可動部以外の磁気回路の割合を小さくし、小型化及び軽量化することである。【解決手段】本発明による磁性流体ブレーキ及びその制御方法は、固定子体(60)に軸受(60B)を介して回転自在に設けられた回転子体(63)と、前記回転子体(63)の周壁(63A)に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスク(64)と、前記固定子体(60)に設けられ、一対又は一個の固定子片(70A,70B)からなる複数の固定ディスク(70)と、前記固定ディスク(70)に設けられた固定励磁巻線(51)と、前記各回転ディスク(64)及び固定ディスク(70)に対して磁性流体(80)を供給するための磁性流体用流路(111)と、からなり、前記固定励磁巻線(51)への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体(63)の回転／停止が前記磁性流体(80)を介して制御される構成と方法である。【選択図】図２

Description

本発明は、磁性流体ブレーキ及びその制御方法に関し、特に、固定ディスクに直接、固定励磁巻線を設けることにより、ブレーキトルク発生部以外の磁気回路が小さくでき、全体構成を従来構成に比べて大幅に小型化、かつ、軽量化するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種の磁性流体ブレーキとしては、例えば、特許文献１の「ＭＲ流体ブレーキ構造」の構成を挙げることができる。
図１３において、符号６１で示されるものは、固定体３に設けられた環状ステータであり、この環状ステータ６１の外側には、アウタロータ６３が回転自在に設けられており、前記環状ステータ６１を保持する断面Ｔ字状をなす固定体３には、軸体１００が嵌入される筒状をなす筒状突出部６０が形成されている。

前記筒状突出部６０の外周面６０Ａには、断面でみて一対のＵ字型をなすと共に全体形状が環状をなす環状ステータ６１が嵌入されていることにより、前記固定体３に環状ステータ６１が一体状に結合されている。

前記環状ステータ６１の環状凹部６２には、図１３のＢ部を拡大して示す図１４の断面図に示されるように、前記環状ステータ６１の外側に円筒体をなすアウタロータ６３が回転可能に設けられている。

アウタロータディスク６４の側面６４Ｂには、ドーナッツ板型をなすロータスペーサ６６（非磁性）が前記環状ステータ６１の軸方向Ｐに沿って所定間隔毎に一体状に軸心Ｐ´に向けて延設されている。ロータスペーサ６６は非磁性にすることにより、アウタロータディスク６４間の漏れ磁束を減少させ、中間ステータ７０へ効率よく磁束を流す役割を担っている。
前記環状ステータ６１の外周には、図１３で示されるような前記環状凹部６２が形成されているが、前記環状凹部６２の環状底面６５には、励磁を行うための励磁巻線５１が設けられ、この励磁巻線５１は励磁時に熱を発生する。巻線水冷部５２（励磁巻線５１エリア―中間ステータの内面７０Ａ間）に注水する水冷型とし、それによって、大電流を励磁巻線５１に流すことが出来るように構成しても良い。

前記各アウタロータディスク６４間には、前記環状ステータ６１の外側に接続され前記ドーナッツ板型をなす中間ステータ７０がステータスペーサ６７（非磁性）に挟まれて配設されている。ステータスペーサ６７は非磁性にすることにより、中間ステータ７０間の漏れ磁束を減少させ、アウタロータディスク６４へ効率よく磁束を流す役割を担っている。
前記各中間ステータ７０の内面７０Ａ、ステータスペーサ６７の内側には、前記励磁巻線５１が配設され、前記励磁巻線５１の内面５１Ａは、前記環状ステータ６１の環状底面６５に接している。
図１４の断面図において、前記アウタロータ６３に接続された前記アウタロータディスク６４と前記中間ステータ７０との間の部分には、周知のＭＲ流体８０が充填されている。

特開２０１９－１６８０３８号公報

従来の磁性流体ブレーキは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、図１３及び図１４の構成の場合、環状ステータ６１の溝内に励磁巻線５１が設けられているため、可動部、すなわち、ロータ部以外のステータ側の磁気回路の割合が大きく、そのため、大きいブレーキトルクを得ることが困難であると共に、軽量化への要望に応えることは困難であった。このことは従来の磁性流体ブレーキ全般にいえることであった。すなわち、図１３から明らかなように、固定子体６０部分の磁気回路の割合が大きく、励磁をオンとした時の磁性流体の面積が小さく、ブレーキトルクを大とするためには、アウターロータとステータを大とする必要があり、全体形状が大形化することになっていた。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、固定ディスクに直接、固定励磁巻線を設けることにより、固定子体には磁束が流れず、固定励磁巻線の周囲の回転ディスク及び固定ディスクにのみ磁束が流れる磁気回路が形成され、トルク発生部以外の磁気回路が小さくでき、かつ、トルクに関する磁気回路を従来構成よりも小型化し、最大化させることができる。また、全体構成を従来構成に比べて大幅に小型化、かつ、軽量化することである。

本発明による磁性流体ブレーキは、固定子体に軸受もしくはその他機構を介して回転自在に設けられた回転子体と、前記回転子体の周壁に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスクと、前記固定子体に設けられ、一対又は一個の固定子片からなる複数の固定ディスクと、前記固定ディスクに設けられた固定励磁巻線と、前記各回転ディスク及び固定ディスクに対して磁性流体を供給するための磁性流体用流路と、からなり、前記固定励磁巻線への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体の回転／停止が前記磁性流体を介して制御される構成であり、また、前記磁性流体用流路は、前記回転ディスクによる回転ディスク群の軸方向における両側に形成されている構成であり、また、前記固定子片が一対の時、前記各固定子片に形成された凹部によって形成された保持空間内に前記固定励磁巻線が設けられている構成であり、また、前記固定子片が一個の時、前記固定子片の一面のみに形成された凹部内に前記固定励磁巻線が設けられている構成であり、また、前記固定励磁巻線は、平角線を輪状に巻回した構成よりなる構成である。
また、本発明による磁性流体ブレーキの制御方法は、固定子体に軸受もしくはその他機構を介して回転自在に設けられた回転子体と、前記回転子体の周壁に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスクと、前記固定子体に設けられ、一対又は一個の固定子片からなる複数の固定ディスクと、前記固定ディスクに設けられた固定励磁巻線と、前記各回転ディスク及び固定ディスクに対して磁性流体を供給するための磁性流体用流路と、を用い、前記固定励磁巻線への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体の回転／停止を前記磁性流体を介して制御する方法であり、また、前記磁性流体用流路は、前記回転ディスクによる回転ディスク群の軸方向における両側に形成されている方法であり、また、前記固定子片が一対の時、前記各固定子片に形成された凹部によって形成された保持空間内に前記固定励磁巻線が設けられている方法であり、また、前記固定子片が一個の時、前記固定子片の一面のみに形成された凹部内に前記固定励磁巻線が設けられている方法であり、また、前記固定励磁巻線は、平角線を輪状に巻回した構成よりなる方法である。

本発明による磁性流体ブレーキ及びその制御方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、固定子体に軸受を介して回転自在に設けられた回転子体と、前記回転子体の周壁に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスクと、前記固定子体に設けられ、一対又は一個の固定子片からなる複数の固定ディスクと、前記固定ディスクに設けられた固定励磁巻線と、前記各回転ディスク及び固定ディスクに対して磁性流体を供給するための磁性流体用流路と、からなり、前記固定励磁巻線への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体の回転／停止が前記磁性流体を介して制御される構成と方法であることにより、ブレーキのトルク発生部以外の磁気回路が従来よりも大幅に小さくでき、高トルクでありながら軽量の磁性流体ブレーキを得ることができる。
また、前記磁性流体用流路は、前記回転ディスクによる回転ディスク群の軸方向における両側に形成され、この流路を介して回転ディスクと固定ディスク間に磁性流体を供給しているため、大容量の磁性流体を介して大トルク化したブレーキ力を発生させることができる。
また、前記固定子片が一対の時、前記各固定子片に形成された凹部によって形成された保持空間内に前記固定励磁巻線が設けられていることにより、磁気回路を構成するための回転ディスク及び固定ディスクを含むブレーキ機構を小型化することができる。
また、前記固定子片が一個の時、前記固定子片の一面のみに形成された前記凹部内に前記固定励磁巻線が設けられていることにより、前述の一対の固定子片を用いた構成と同様の効果を得ることができる。
また、前記固定励磁巻線は、平角線を輪状に巻回した構成よりなることにより、固定励磁巻線を薄形として固定ディスクの保持空間内に効率よく収めることができ、かつ、内径側での結線が可能となるＩ－Ｉ巻が可能となる。

本発明の実施の形態による磁性流体ブレーキの概略を示す斜視図である。図１の構成の詳細断面図である。図２の固定ディスクを示す断面図である。図３の他の形態を示す断面図である。図４の他の形態を示す断面図である。固定励磁巻線の巻回構成図である。図２の固定ディスク内に固定される固定励磁巻線を示す構成図である。図２の固定ディスクに通電部を設けた構成を示す平面図である。図８の通電部を示すＡ部の拡大斜視図である。図２の各ディスクからなる回転ディスク群の両側に設けられるロータサイドディスク部を示す分解斜視図である。図１０のロータサイドディスク部のロータサイドプレートの９０度部分の斜視図である。固定子体６０の要部を示す斜視図である。従来の磁性流体ブレーキの断面図である。図１３の要部を拡大して示す断面図である。

本発明による磁性流体ブレーキ及びその制御方法は、固定ディスクに直接、固定励磁巻線を設けることにより、固定子体には磁束が流れず、固定励磁巻線の周囲の回転ディスク及び固定ディスクにのみ磁束が流れる磁気回路が形成され、トルク発生部以外の磁気回路を小さくすることが出来、かつ、トルクに関する磁気回路を従来構成よりも小型化し、最大化させることができる。また、全体構成を従来構成に比べて大幅に小型化、かつ、軽量化することである。

以下、図面と共に本発明による磁性流体ブレーキ及びその制御方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分については、同一符号を付して説明する。
図１は、本発明による磁性流体ブレーキの概略構成を示すもので、図１における磁性流体ブレーキ１の筒状の固定子体６０には、所定間隔毎に輪状円板状の固定ディスク７０が設けられている。

前記固定ディスク７０内には、図２～図１２で示されるような輪状の固定励磁巻線５１が内設されており、前記固定子体６０と同軸に設けられた回転子体６３は、前記固定子体６０に対し、Ｏリング等からなるシーリング６０Ａ及び軸受６０Ｂを介して防水及び回転自在に設けられている。前記回転子体６３の周壁６３Ａには、所定の間隔で複数の回転ディスク６４が設けられている。

前記固定ディスク７０は、一例として、図３に示されるように、一対の固定子片７０Ａ、７０Ｂによって構成され、前記各固定子片７０Ａ、７０Ｂの内面に形成された凹部１３０を合わせた形状からなる保持空間１１０内に前述の固定励磁巻線５１が設けられている。
前記各固定子片７０Ａ、７０Ｂの外面と、各固定子片７０Ａ、７０Ｂと隣接する各回転ディスク６４との間には、磁性流体８０が流れるための磁性流体用流路１１１が形成されている。従って、各磁性流体用流路１１１内の磁性流体８０は、各回転ディスク６４及び各固定ディスク７０に対して直接接触するように構成されている。従って、図１及び図２の構成においては、固定励磁巻線５１が各固定ディスク７０の内部に内設されているため、各固定励磁巻線５１の励磁をオンとさせて所定の電流を印加することにより、磁束４００は図１のループに沿って輪状に流れて磁気回路４０１が形成される。

前記各回転ディスク６４が前記回転子体６３の軸方向Ｐに沿って複数設けられてなる回転ディスク群１００の両側には、図１０及び図１１で示される一対のロータサイドディスク部１２０、１２０Ａが設けられ、各ロータサイドディスク部１２０、１２０Ａの外側には、一対のロックプレート３が設けられている。
前記固定子体６０の、図で見て右側には、全ての前記磁性流体用流路１１１に直列接続されたポンプ１２１が設けられ、このポンプ１２１によって前記磁性流体８０を、図示していない制御部を介して、前記磁性流体用流路１１１内を循環させ、磁性粒子の濃淡ができないように構成されている。

図３においては、前記固定励磁巻線５１が一対の固定子片７０Ａ、７０Ｂによって形成された保持空間１１０内に収納・保持された構成について述べたが、この図３の構成に限ることなく、図４の他の形態のように、固定ディスク７０の片側に固定励磁巻線５１を設けることでも可能である。また、図１の構成では、固定子体６０には、磁束４００が流れず、磁気回路４０１が形成されないので、固定励磁巻線５１の周囲の回転ディスク６４及び固定ディスク７０のみに磁束４００が流れる磁気回路４０１が形成され、磁気回路４００を従来よりも大きい最大値化させることができる。
すなわち、図４においては、各固定子片７０Ａ、７０Ｂの何れか一方の凹部１３０内に固定励磁巻線５１が設けられている。また、図５の他の形態においては、各回転ディスク６４間の固定ディスク７０は、その中央位置に接続部７０Ｅが形成され、この接続部７０Ｅの両側に第１、第２凹部７０Ｃ、７０Ｄが形成されている。前記各凹部７０Ｃ、７０Ｄ内に設けられた各固定励磁巻線５１は、固定ディスク７０の面７０Ｍと面一に構成されている。

図６において、前記固定励磁巻線５１は、前記固定子体６０の中心線Ｐ´に対して上下の巻線層を作るように、周知の平角線１４０を用いて平角線Ｉ－Ｉ巻（α巻きも可）によって形成されている。
また、図８及び図９は、固定ディスク７０の内径部７０ａに設けられた通電部７０Ｃを示している。
尚、図８に示される固定ディスク７０の内径を示す内径部７０ａは、この固定ディスク７０を嵌合するための固定子体６０の凹凸形状に合わせて、凹凸状に形成されている。

図１０から図１２は、図２における前記回転ディスク群１００の左側に位置する第１ロータサイドディスク部１２０を示す図である。
図１１に示されるように、非磁性材からなるロータサイドプレート１６０内には、内側から外側へ向け外径の異なるフィン１６１を有する磁性材からなるロータサイドディスク１６２が設けられている。
図１０では、前記ロータサイドプレート１６０に隣接して非磁性のロックプレート１６３が設けられ、前記ロータサイドプレート１６０の開放側１６０ａには、多数のフィン１６２ａを有する磁性材からなる前記ロータサイドディスク１６２が重合配設されている。
図１０で示されるロックプレート１６３、ロータサイドプレート１６０及びロータサイドディスク１６２を互いに重合させると、ロータサイドディスク部１２０，１２０Ａは、互いに重合されている。

図１２では、前記固定子体６０に、前記各固定ディスク７０に設けられた固定励磁巻線５１に接続される図８、図９に示した通電部７０Ｃが電気機械的に接触する通電レール部１８０が複数設けられている。前記通電レール部１８０に裏面から接続されたリード線１８１は、前記中心孔１２０Ａａを経て、図示しない制御部に接続され、前記固定励磁巻線５１への励磁のオン／オフを行うように構成されている。

前述の構成において、例えば、図示しないモータ又は機器の回転軸（図示せず）を磁性流体ブレーキ１の回転子体６３に接続し、前記回転軸を停止させる場合には、前記固定励磁巻線５１に電源を印加して固定励磁巻線５１への励磁をオンとすると、発生する磁束によって、周知のように、磁性流体８０の各磁性粒子が磁界に沿って結合し、半固化するため、ブレーキ用高トルクを発生し、回転子体６３の回転停止によってモータやアクチュエータの回転動作を停止させることができる。また、励磁をオフとすることにより、磁束の発生がオフとなり、回転ディスク６４が再び回転する。
従って、本実施の形態による磁性流体ブレーキは、ロータ部以外の磁気回路の割合が小さいため、従来よりも軽くすることができる。すなわち、図１３の従来例の磁気回路は、矢印で示されるように、ステータ６１を含む固定部分の磁気回路の割合が大きいが、図１の本発明のように、固定子体６０を含まない構成で、トルク発生部以外の磁気回路を小さく出来、高トルクで軽量の磁性流体ブレーキを実現することができる。

尚、前記固定ディスク７０の製作としては、プレスでの製作が可能（試作はフライス、ワイヤーカット）である。固定ディスク７０の密閉は、溶接（ＥＢＷ、レーザ、ＴＩＧ、シーム等）が好適であり、注型、モルド成形、ＦＲＰ、ＣＦＲＰも可能である。コイル電線の接続は、電線直出し、電極－レール接続、コネクタも可能である。磁性流体の流路の確保は、固定ディスクに磁性流体の流路を追加する、回転ディスクに磁性流体の流路を追加する、例えば、それらに穴をあけることも可能である。
また、磁性流体８０の耐熱性を上げるため、磁性粉にパーメンジュールを使用することもできる。また、磁性流体８０の耐熱性を上げるため、ベースオイルにシリコンオイルを使用することもできる。また、磁性流体８０の熱伝導を良くするためベースオイルに水を使用することもできる。また、磁性流体８０の放熱性を良くするためベースオイルの熱交換を行うこともできる。また、放熱性を良くするため回転ディスク６４内に空気、水分等が循環する空間を設けることもできる。また、ブレーキトルクアップのため、回転ディスク、固定ディスクに同心上のサイドフィン（磁極）を設けることもできる。また、軸受に含油軸受を用いても良い。また、シーリング６０Ａに磁性流体シールを用いても良い。また、前記固定励磁巻線５１は、固定ディスク７０内もしくは外の狭いスペースに効率的に巻線を巻きこむ必要がある。巻線の耐熱性の向上は、耐熱性の高いコイル、例えばポリイミド電線、セラミック電線が使用できる。巻線のコイル占有率の向上には、平角線を使用してα巻又はＩ－Ｉ巻を用いる。巻線の熱伝導の改善には、熱伝導率の良いワニス、成形剤の使用が好適である。巻線の絶縁には、ポリイミドフィルム絶縁塗装が好適である。

本発明による磁性流体ブレーキ及び制御方法は、回転ディスクと共働している固定ディスクに固定励磁巻線が設けられ、固定ディスクと回転ディスクとの間に形成された磁性流体用流路に磁性流体を供給することにより、磁性流体は固定ディスク及び回転ディスクに直接接し、ブレーキトルク発生部以外の磁気回路が小さくでき、小型化、軽量化した構成を得ることができる。

１磁性流体ブレーキ
３ロックプレート
５１固定励磁巻線
６０固定子体（一般のステータ取付軸）
６０Ａシールリング
６０Ｂ軸受
６３回転子体
６３Ａ周壁
６４回転ディスク
７０固定ディスク
７０Ａ、７０Ｂ固定子片
７０Ｃ通電部
７０ａ内径部
８０磁性流体
１００回転ディスク群
１１０保持空間
１１１磁性流体用流路
１２０第１ロータサイドディスク部
１２０Ａ第２ロータサイドディスク部
１２０Ａａ中心孔
１２１ポンプ
１３０凹部
１４０平角線
１５０、１５１端子板
１５２、１５３引出し線
１６０ロータサイドプレート
１６０ａ開放側
１６１フィン
１６２ロータサイドディスク
１６２ａフィン
１６３ロックプレート
１７０取付フランジ
１８０通電レール部
１８１リード線
Ｐ軸方向
Ｐ´ 中心線
７０Ｍ面
７０Ｅ接続
４００磁束
４０１磁気回路

Claims

固定子体(60)に軸受(60B)を介して回転自在に設けられた回転子体(63)と、前記回転子体(63)の周壁(63A)に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスク(64)と、前記固定子体(60)に設けられ、一対又は一個の固定子片(70A,70B)からなる複数の固定ディスク(70)と、前記固定ディスク(70)に設けられた固定励磁巻線(51)と、前記各回転ディスク(64)及び固定ディスク(70)に対して磁性流体(80)を供給するための磁性流体用流路(111)と、からなり、
前記固定励磁巻線(51)への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体(63)の回転／停止が前記磁性流体(80)を介して制御される構成としたことを特徴とする磁性流体ブレーキ。
前記磁性流体用流路(111)は、前記回転ディスク(64)による回転ディスク群(100)の軸方向(P)における両側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁性流体ブレーキ。
前記固定子片(70A,70B)が一対の時、前記各固定子片(70A,70B)に形成された凹部(130)によって形成された保持空間(110)内に前記固定励磁巻線(51)が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁性流体ブレーキ。
前記固定子片(70A,70B)が一個の時、前記固定子片(70A又は70B)の一面のみに形成された前記凹部(130)内に前記固定励磁巻線(51)が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁性流体ブレーキ。
前記固定励磁巻線(51)は、平角線(140)を輪状に巻回した構成よりなることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の磁性流体ブレーキ。
固定子体(60)に軸受(60B)を介して回転自在に設けられた回転子体(63)と、前記回転子体(63)の周壁(63A)に所定の間隔で設けられた複数の回転ディスク(64)と、前記固定子体(60)に設けられ、一対又は一個の固定子片(70A,70B)からなる複数の固定ディスク(70)と、前記固定ディスク(70)に設けられた固定励磁巻線(51)と、前記各回転ディスク(64)及び固定ディスク(70)に対して磁性流体(80)を供給するための磁性流体用流路(111)と、を用い、
前記固定励磁巻線(51)への励磁がオン／オフされることにより磁束の発生がオン／オフとなり、前記回転子体(63)の回転／停止を前記磁性流体(80)を介して制御することを特徴とする磁性流体ブレーキの制御方法。
前記磁性流体用流路(111)は、前記回転ディスク(64)による回転ディスク群(100)の軸方向(P)における両側に形成されていることを特徴とする請求項６記載の磁性流体ブレーキの制御方法。
前記固定子片(70A,70B)が一対の時、前記各固定子片(70A,70B)に形成された凹部(130)によって形成された保持空間(110)内に前記固定励磁巻線(51)が設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載の磁性流体ブレーキの制御方法。
前記固定子片(70A,70B)が一個の時、前記固定子片(70A又は70B)の一面のみに形成された凹部(130)内に前記固定励磁巻線(51)が設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載の磁性流体ブレーキの制御方法。
前記固定励磁巻線(51)は、平角線(140)を輪状に巻回した構成よりなることを特徴とする請求項６ないし９の何れか１項に記載の磁性流体ブレーキの制御方法。