JP4296835B2 - 渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に大型車両において補助ブレーキとして使用される渦電流式減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、トラック等の大型車両の補助ブレーキとして渦電流式減速装置（リターダ）が使用されている。
【０００３】
図８及び図９を用いて、従来の渦電流式減速装置の一例を説明する。
【０００４】
この渦電流式減速装置５１は、車両のプロペラシャフト等の回転軸５２に取り付けられたドラム状の制動ロータ５３と、制動ロータ５３の径方向内側に配置され、ミッションケース等の固定側に取り付けられたステータ５４（磁力源）とを備える。
【０００５】
ステータ５４は、固定側に支持された中空のケーシング５５と、ケーシング５５の内部に配置された二つの磁石環５７，５８を備える。
【０００６】
第１磁石環５７はケーシング５５に対して回動不可に固定され、第２磁石環５８は第１磁石環５７に並設されると共にケーシング５５内に回動自在に収容される。第２磁石環５８はアクチュエータ５６により回動される。
【０００７】
第１及び第２磁石環５７，５８は、磁性体からなる支持リング５９，６０と支持リング５９，６０に周方向に所定間隔を隔てて取り付けられた複数の永久磁石６１，６２とを有する。各永久磁石６１，６２は、径方向の両端部に磁極を有し、その磁極の向きが周方向に交互に異なるように設定される。
【０００８】
ケーシング５５の外周壁には、周方向に等間隔を隔てて磁性体（鉄材など）からなるポールピース６３が複数埋設される。
【０００９】
この渦電流式減速装置の減速制動をオフするときには、アクチュエータ５６により第２磁石環５８を回動させて、第１磁石環５７の各永久磁石６１と第２磁石環５８の各永久磁石６２とが異なる磁極で対向する位相に位置させる。すると、図８に示すように、第１及び第２磁石環５７，５８とポールピース６３との間で短絡的な磁気回路Ｗ１が形成される。よって、制動ロータ５３には磁気が作用せず、渦電流が生じない。つまり、減速制動は生じない。
【００１０】
他方、減速制動をオンするときには、第２磁石環５８を回動させて、第１磁石環５７の各永久磁石６１と第２磁石環５８の各永久磁石６２とを同極で対向させる。すると、図９に示すように、第１及び第２磁石環５７，５８の永久磁石６１，６２からの磁束がポールピース６３を貫通して制動ロータ５３へと達し、第１及び第２磁石環５７，５８と、ポールピース６３と、制動ロータ５３との間で磁気回路Ｗ２が形成される。これによって、制動ロータ５３に渦電流が生じ、その渦電流と永久磁石６１，６２からの磁束との相互作用により回転軸５２が減速制動される。
【００１１】
このような渦電流式減速装置は、例えば特許文献１等にも記載されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平０７−１２３６９７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような渦電流式減速装置において、制動能力を高めたい場合には、各永久磁石６０，６１の磁力を大きくする必要がある。しかしながら、磁石６０，６１の磁力を大きくすると、制動オフ時に磁束の一部が制動ロータ５３側に漏れて磁気漏れ回路を形成し、引き摺り制動が発生するという問題が生じる。
【００１４】
このため、制動オン時の制動能力の確保と、制動オフ時の磁気漏れ防止との両立が渦電流式減速装置の開発における一つの課題であった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、制動能力の確保と磁気漏れ防止との両立を図った渦電流式減速装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、回転軸に取り付けられた制動ロータと、その制動ロータに対向させて配置され、周方向に間隔を隔てて且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定された複数の磁石を備えた第１磁石環と、その第１磁石環の上記制動ロータと反対側に対向させて配置され、周方向に間隔を隔てて且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定された複数の磁石を備えた第２磁石環とを備え、
上記第１磁石環の磁石の磁力と上記第２磁石環の磁石の磁力との比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定するものである。
【００１７】
ここで、上記第１磁石環及び第２磁石環の磁石の単位面積当たりの磁力を互いにほぼ等しく設定し、上記第１磁石環の磁石の磁極面の面積と上記第２磁石環の磁石の磁極面の面積との比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定しても良い。
【００１８】
また、上記第１磁石環及び第２磁石環の磁石の軸方向長さ及び周方向長さを互いに略等しく設定し、上記第１磁石環の磁石の径方向長さと上記第２磁石環の磁石の径方向長さとの比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定しても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１は本実施形態に係る渦電流式減速装置の上半分側面断面図、図２は制動オフ時の部分正面断面図、図３は制動オン時の部分正面断面図である。
【００２１】
図１に示すように、この渦電流式減速装置１は、車両のプロペラシャフト等の回転軸２に取り付けられたドラム状の制動ロータ３と、制動ロータ３の径方向内側に配置され、ミッションケース等の固定側に取り付けられたステータ４（磁力源）とを備え、ステータ４からロータ３へ磁気を供給することでロータ３に渦電流を生じさせて回転軸２を減速制動し、磁気をステータ４内に遮蔽することで減速制動を解除するものである。
【００２２】
ステータ４は、固定側に支持された中空のケーシング５を有し、そのケーシング５の外周壁には、制動ロータ３の内面と対向させて外側磁石環（第１磁石環）１８が取り付けられる。図２及び図３に示すように、外側磁石環１８は、ケーシング５に取り付けられた磁性部材１７（電磁鋼板の積層体や鉄のブロック材等）と、磁性部材１７に周方向に所定間隔を隔てて埋設された複数の永久磁石１６とを有する。各永久磁石１６は、周方向両端部に磁極を有し、且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定される。各永久磁石１６の径方向外側には磁性部材１７からなる薄板部１３が形成される。また、各永久磁石１６の間に位置する磁性部材１７には、径方向外側に突出した突出部１４が形成される。
【００２３】
ケーシング５の内部には、外側磁石環１８と同様の内側磁石環（第２磁石環）７がブッシュ６を介して回動自在に収容される。内側磁石環７は外側磁石環１８に制動ロータ３と反対側（径方向内側）から対向させて設けられ、ケーシング５の側部に設けられたアクチュエータ８（流体シリンダ等）により回動される。内側磁石環７は、非磁性体（オーステナイト系ステンレス等）からなる支持リング９と、支持リング９の外周に設けられた磁性部材１１（電磁鋼板の積層体や鉄のブロック材等）と、磁性部材１１に周方向に所定間隔を隔てて埋設された複数の永久磁石１０とを有する。各永久磁石１０は、周方向両端部に磁極を有し、且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定される。各永久磁石１０の径方向外側には磁性部材１１からなる薄板部１２が形成される。内側及び外側磁石環７、１８の永久磁石１０，１６のピッチは、互いに略等しく設定される。
【００２４】
この渦電流式減速装置の減速制動をオフするときには、アクチュエータ８で内側磁石環７を回動させて、図２に示すように、内側磁石環７の各永久磁石１０と外側磁石環１８の各永久磁石１６とが異なる磁極で対向させる。すると、内側磁石環７の永久磁石１０及び磁性部材１１と外側磁石環１８の永久磁石１６及び磁性部材１７との間で短絡的な磁気回路３１が形成される。よって、制動ロータ３には磁気が作用せず、減速制動は生じない。このとき、外側磁石環１８の永久磁石１６から制動ロータ３側へと流れた磁束が薄板部１３を通って短絡するため、制動ロータ３への磁気漏れを効果的に防止できる。
【００２５】
他方、減速制動をオンするときには、内側磁石環７を回動させて、図３に示すように、内側磁石環７の各永久磁石１０と外側磁石環１８の各永久磁石１６とを同極で対向させる。すると、内側及び外側磁石環７，１８の永久磁石１０，１６及び磁性部材１１，１７と制動ロータ３との間で磁気回路３２，３３が形成される。よって、制動ロータ３に渦電流が生じ、その渦電流と永久磁石１０，１６からの磁束との相互作用により回転軸２が減速制動される。このとき、磁性部材１７に突出部１４が形成されているため、磁性部材１７と制動ロータ３との間のエアギャップが小さく、高い制動力を得ることができる。
【００２６】
さて、本発明者らは、このような渦電流式減速装置において、外側磁石環１８の永久磁石１６の磁力と内側磁石環７の永久磁石１０の磁力との比率を適切に設定することで、制動能力の確保と磁気漏れ防止との両立を効果的に図れることを発見した。具体的には、内側磁石環７の永久磁石１０の磁力を外側磁石環１８の永久磁石１６の磁力に比べて所定の比率で大きくすることで、制動能力の確保と磁気漏れ防止とを効果的に両立できる。
【００２７】
本発明者らは、外側磁石環１８の永久磁石１６の磁力と内側磁石環７の永久磁石１０の磁力との比率の最適値を得るために、上記比率を様々に変えて各種試験を行った。なお、ここでは永久磁石１０，１６の軸方向長さ（図１の左右方向長さ）と周方向長さ（図２及び図３の左右方向長さ）は互いにほぼ等しく設定し、各永久磁石１０，１６の径方向長さＬ１，Ｌ２（図２参照）を変えて試験を行った。即ち、永久磁石１０，１６の径方向長さＬ１，Ｌ２を変えることで永久磁石１０，１６の磁極面の面積を変えることができる。永久磁石１０，１６は単位面積当たりの磁束がほぼ等しいものを用いたので、各永久磁石１０，１６の磁力は磁極面の面積にほぼ比例する。
【００２８】
図４〜図６に試験の結果を示す。
【００２９】
図４は制動オフ時における磁性部材１７の最外周部Ｂ（図２参照）の磁束密度の解析結果であり、制動オフ時の磁気漏れを判断するためのものである。図５は制動オン時の磁性部材１７の最外周部Ｂの磁束密度の解析結果であり、制動能力を判断するためのものである。図６は制動オン時の磁性部材１７の最外周部Ｂの磁束密度を永久磁石１０，１６の合計径方向長さ（Ｌ１＋Ｌ２）で割った値を示しており制動効率を判断するためのものである。
【００３０】
試験条件としては、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１を５，１０，１５ｍｍの三種類とし、その径方向長さＬ１に対する内側磁石環７の永久磁石１０の径方向長さＬ２の比率（Ｌ２／Ｌ１）を０．８〜２．２の範囲内で変化させた。図４〜図６において、四角ポイントで示すラインが永久磁石１６の径方向長さＬ１を５ｍｍとしたものであり、菱形ポイントで示すラインが１０ｍｍとしたものであり、三角ポイントで示すラインが１５ｍｍとしたものである。
【００３１】
まず、図４に示すように、制動オフ時の磁束漏れについては、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１と内側磁石環７の永久磁石１０の径方向長さＬ２との比率（Ｌ２／Ｌ１）を約１．４としたときに漏れ磁束がほぼゼロとなり、比率がそれ以上高くなる、あるいは低くなるにつれて漏れ磁束が徐々に大きくなる。つまり、永久磁石１６と永久磁石１０との磁力の比率を１．４近傍、より具体的には１．２〜１．６の範囲内に設定すれば、磁束漏れをほとんど、あるいは全くなくすことができる。上記比率が小さ過ぎると漏れ磁束が大きくなる理由としては、内側磁石環７の永久磁石１０による外側磁石環１８の永久磁石１６の磁束を引き付ける力が小さく、永久磁石１６の磁束の一部が制動ロータ３へ漏れてしまうことが考えられる。一方、上記比率が大き過ぎると漏れ磁束が大きくなる理由としては、内側磁石環７の永久磁石１０の磁力が大きく、その磁束の一部が制動ロータ３へ漏れてしまうことが考えられる。従って、上記１．２〜１．６の範囲は、外側磁石環１８の永久磁石１６の磁束のほぼ全てを内側磁石環７の永久磁石１０側に引き付けることができ、且つ内側磁石環７の永久磁石１０の磁束が制動ロータ３に流れることのない範囲であると言える。
【００３２】
また、図４のグラフから、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１が短い程、漏れ磁束の低い領域が大きくなることが分かる。
【００３３】
次に、図５に示すように、制動オン時の制動力については、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１に対する内側磁石環７の永久磁石１０の径方向長さＬ２の比率が高い程（つまり、永久磁石１０の径方向長さＬ２が長い程）、大きくなることが分かる。また、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１が長い程、制動力が高くなることが分かる。つまり、永久磁石１０，１６の磁力が高い程制動力が高くなることがこの結果からも分かる。
【００３４】
次に、図６に示すように、磁石の単位長さ当たり磁束（制動効率）は、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１が１０ｍｍであるときには、上記比率（Ｌ２／Ｌ１）に関わらずほぼ一定であり、永久磁石１６の径方向長さＬ１が５ｍｍであるときには、上記比率が大きくなるほど大きくなり、永久磁石１６の径方向長さＬ１が１５ｍｍであるときには、上記比率が大きくなるほど小さくなることが分かる。つまり、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１が１５ｍｍの場合では、内側磁石環７の永久磁石１０よりも外側磁石環１８の永久磁石１６に依存して制動トルクが発生し、外側磁石環１８の永久磁石１６の径方向長さＬ１が５ｍｍの場合では、外側磁石環１８の永久磁石１６よりも内側磁石環７の永久磁石１０に依存して制動トルクが発生することが分かる。
【００３５】
以上の結果から、外側磁石環１８の磁石１６の磁力と内側磁石環７の磁石１０の磁力との比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定すれば、磁気漏れをほとんど、あるいは全く防止しつつ、従来と同等又はそれ以上の制動力を確保できることが分かった。
【００３６】
なお、実際に渦電流式減速装置を設計する際には、磁気漏れ防止と制動力の確保とでどちらかをより優先するかによって上記比率を設定すれば良い。つまり、磁気漏れ防止を優先するのであれば、上記比率を１．４付近に設定し、制動力を優先するのであれば比率を１．６にできるだけ近づければ良い。いずれにせよ、上記比率を１．２〜１．６の範囲内にすれば、磁気漏れ防止及び制動力確保の両方を比較的高いレベルで確保することができる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形例が考えられるものである。
例えば、上記実施形態では、外側及び内側磁石環１８，７の永久磁石１６，１０の径方向長さＬ１，Ｌ２の比率を設定するとして説明したが、本発明はこの点において限定されない。つまり、永久磁石１０と永久磁石１６との磁力の比率を上記範囲内にすれば良いので、軸方向の厚さの比率を上記範囲内に設定したり、磁石の強さ（単位面積当たりの磁力）の比率を上記範囲内に設定しても良い。
【００３８】
また、上記実施形態では内側磁石環７を回動させるタイプを説明したが、内側磁石環７を固定として、外側磁石環１８を回動させるタイプにも適用できる。
【００３９】
また、図７に示すように、ディスク状の制動ロータ４０を備えたタイプの渦電流式減速装置にも適用できる。この形態では、制動ロータ４０に側部から対向させてケーシング４１が固定側に取り付けられ、そのケーシング４１に第１磁石環４１（図１の外側磁石環１８に相当）が取り付けられる。また、ケーシング４１内には、第１磁石環４２に制動ロータ４０の反対側から対向させて第２磁石環４３（図１の内側磁石環７に相当）が回動自在に設けられる。第１及び第２磁石環４２は、図１の外側及び内側磁石環１８，７と同様に、周方向に所定間隔を隔てて配置され、周方向に向き合う磁極が同極に設定された複数の永久磁石４４，４５を備える。
【００４０】
係る渦電流式減速装置においても、第１磁石環４２の永久磁石４４の磁力と第２磁石環４３の永久磁石４５の磁力との比率を１：１．２〜１．６の範囲内にすることで上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、制動オン時の制動能力の確保と、制動オフ時の磁気漏れ防止との両立を図れるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る渦電流式減速装置の上半分側面断面図である。
【図２】制動オフ時の部分正面断面図である。
【図３】制動オン時の部分正面断面図である。
【図４】第１及び第２磁石環の永久磁石の径方向長さの比率と、制動オフ時における磁性部材の最外周部の磁束密度との関係を示す図である。
【図５】第１及び第２磁石環の永久磁石の径方向長さの比率と、制動オン時における磁性部材の最外周部の磁束密度との関係を示す図である。
【図６】第１及び第２磁石環の永久磁石の径方向長さの比率と、磁束密度を永久磁石の合計径方向長さで割った値との関係を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る渦電流式減速装置の上半分側面断面図である。
【図８】従来の渦電流式減速装置の上半分側面断面図である。
【図９】従来の渦電流式減速装置の部分正面断面図である。
【符号の説明】
１ 渦電流式減速装置
２ 回転軸
３ 制動ロータ
５ ケーシング
７ 内側磁石環（第２磁石環）
１０ 永久磁石
１６ 永久磁石
１８ 外側磁石環（第１磁石環）

Claims (3)

1. 回転軸に取り付けられた制動ロータと、該制動ロータに対向させて配置され、周方向に間隔を隔てて且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定された複数の磁石を備えた第１磁石環と、該第１磁石環の上記制動ロータと反対側に対向させて配置され、周方向に間隔を隔てて且つ周方向に向き合う磁極が同極に設定された複数の磁石を備えた第２磁石環とを備え、
   上記第１磁石環の磁石の磁力と上記第２磁石環の磁石の磁力との比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定することを特徴とする渦電流式減速装置。
2. 上記第１磁石環及び第２磁石環の磁石の単位面積当たりの磁力を互いにほぼ等しく設定し、
   上記第１磁石環の磁石の磁極面の面積と上記第２磁石環の磁石の磁極面の面積との比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定する請求項１記載の渦電流式減速装置。
3. 上記第１磁石環及び第２磁石環の磁石の軸方向長さ及び周方向長さを互いに略等しく設定し、
   上記第１磁石環の磁石の径方向長さと上記第２磁石環の磁石の径方向長さとの比を、１：１．２〜１．６の範囲内に設定する請求項１又は２記載の渦電流式減速装置。

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