JP4427822B2 - 磁性流動クラッチ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、磁性流動クラッチであって、静止部分、一次薄板を持ちかつクラッチ軸線の周りに回転可能な一次部分、及び一次部分に対して同軸的に回転可能で一次部分を包囲しかつニ次薄板を持つ二次部分から成り、一次部分と二次部分との間に磁性流動流体を収容する空間が形成され、この空間内で一次薄板と二次薄板が軸線方向に交互に存在し、磁性流体に作用する調整可能な磁界強さの磁界を磁石の磁石コイルが発生するものに関する。

しかし自動車の動力伝達系におけるこのようなクラッチの使用に対して、消費電流及び全体の大きさは危険であり、従って最小にせねばならない。更に別の要求がある。即ち一方では静止状態から滑りなしの発進が可能であり、他方では騒音の理由から完全な分離が可能であるように広範な調整範囲、及び最後に電子走行運動調整（ＥＳＢ，ＡＢＳ等）と両立するための速やかな反応。

米国特許第５，８４５，７５３号明細書から最初にあげた種類のクラッチが公知であり、継鉄が、クラッチの一方の側にある１つの端面から、クラッチの外側を包囲してクラッチの他方の側にある第２の端面まで延びている。これは直径及び重量を増大するのみならず、磁化すべき大きい質量を意味し、これが多くの電流を消費し、利用可能な制御のために磁界の減少（連結解除）が長く続きすぎる原因となる。更に磁性流動流体で満たされる空間を貫通する磁力線が、小さい密度で非常に不均一に分布する。

従って本発明の課題は、従来技術の欠点を回避し、最近の自動車の上述した要求を満たす磁性流動クラッチを提供することである。クラッチは、特に直径をできるだけ小さく構成され、最小の電流消費で最大のトルクを伝達でき、よく制御可能であるようにする。

本発明によれば、少なくとも１つの磁石コイルが軸線方向に薄板の前又は後に従ってこれとほぼ同じ半径上に設けられて、第１のＵ字状継鉄に巻付き、継鉄の両方の端面が薄板の同じ側でこれに対して平行であり、第１の継鉄から遠い方にある薄板の側に、少なくとも１つの第２の継鉄が設けられ、一次薄板及び二次薄板の半径方向内側及び外側にある二次部分の区域が、二次薄板の透磁率より小さい透磁率を持っている。

Ｕ字状継鉄（実際上常に複数である）は、最短経路及び最小の磁化すべき鉄体積で磁界の転向を行う。それにより最小の自重及び小さい磁気抵抗が得られる。更にＵ字状継鉄にのみ巻付く磁石コイルを非常に小さく構成することができる。なぜならば、特定の磁力のために特定巻数が必要であり、このことは、小さい直径の磁石コイルでは、短い巻線長及び一層小さいオーム抵抗を意味するからである。磁石コイルがクラッチの外側にあることにより、一層よい放熱が行われる。

磁石コイルは薄板の前後にあり、従ってクラッチの外径は薄板の直径によって決定される。薄板積層体の他方の側に設けられる第２の継鉄は磁力線を閉じるので、それ自体既に短い磁力線は薄板積層体を２回貫通し、従って“二重に作用”する。磁石コイルを適当に配置すると、磁界は薄板積層体の全面にわたって非常に密かつ均一である。小さい透磁率の材料から成る二次部分の一部は、磁界の漏洩を防止する。

全体として、自動車の低電圧車載電源にとっても実現可能な最小電流消費で、最小の全体大きさにおいて最高の有効磁界強さが得られる。０．７［Ｔ］（テスラ）以上の磁束密度が得られる。更に薄板数の増大により、クラッチをあまり大きくすることなしに、伝達可能なトルクを増大することができる。しかし磁石コイルの外側にある薄板の大きい直径によるだけで、純機械的に大きい。

磁力線の推移を更に改善するため、実際の必要（取付け寸法、トルクの要求）に応じて、第１のＵ字状継鉄の断面が端面の方へ増大しているようにすることができ（請求項２）、第２の継鉄が、周方向に延びる扁平体であり、磁石コイルにより包囲されていないようにすることができる（請求項３）。第２の継鉄もＵ字状に構成され、磁石コイルにより包囲されていると（請求項４）、特に高い磁力線密度の対称な磁界が得られる。

本発明の有利な構成では、少なくとも１つの第１のＵ字状継鉄が、二次部分と結合され、第１の継鉄の端面が磁性流動流体を収容する空間の区画壁を形成している（請求項５）。従って磁石コイルは二次部分と共に循環している。それによりあらゆる空隙がなくなり、これは磁気損失の最小化を意味する。その場合第２の継鉄も同様に二次部分と共に回転し、磁石コイルと共にＵ字状に構成されるか又は扁平にかつ磁石コイルなしに構成されているか否かは重要でない。この場合磁石コイルへの電流の供給のために、摺動電気接続は必要でない。

本発明の別の有利な構成では、少なくとも１つの第１のＵ字状継鉄が静止部分と結合され、かつ二次部分の他の区域より大きい透磁率を持つ環状区域に隣接している（請求項６）。こうして本発明による装置のため非常に小さくすることができる空隙があっても、摺動接続なしですむ。第２の継鉄も同じように構成することができる（請求項７）。

静止部分に第１の継鉄を持つ構成の変形例では、固有の磁石コイルを持たない第２の継鉄が、第２の継鉄より小さい透磁率を持つ材料から成る二次部分の範囲に取付けられることができる（請求項８）。なぜならば、その場合第２の継鉄は電流供給を必要とせず、二次部分と共に回転できるからである。その場合これらは、周方向に延びる扁平体として構成されるか、又は二次部分に統合されている。

第１及び第２の継鉄の数は必要に応じて選択可能である。実際には対称性の理由から、少なくとも２つがよく、もっと多い場合極性の理由から２の倍数がよい。有利な装置では、それらの継鉄及び磁石コイル軸線がクラッチ軸線に対して直角な面内で接線方向に向けられている（請求項９）。その場合継鉄の脚辺が同じ半径上にあり、これが薄板の円環面にわたって端面の分布を容易にする。基部を広くすることなく薄板の円環上に密な積層を行う場合、異なる半径上に、継鉄の脚辺を交互に設けることができる。

請求項２による継鉄の大きくされた端面の展開では、継鉄の端面が、互いに殆ど隣接する環弧片となるように拡張され、これら環弧片の内側半径及び外側半径が薄板の内側半径及び外側半径に実質的に一致している（請求項１０）。その場合その全円環面が利用される。環弧片が殆ど隣接するだけであり、従って互いに接触しないことは、極性の理由を持っている。Ｕ字状継鉄の隣接する脚が端面として共通な環弧片を形成するような極性で、偶数の磁石コイルが順次に続いていると（請求項１１）、特に有利である。これは薄板積層体の片側にあっても両側にあってもよい。対向する両方の継鉄を通る磁力線が閉じた円を形成するように、極性をとることができる。

図により本発明が以下に説明される。

図１において静止部分１のうち、磁石コイルへ電流を供給する摺動接触子を形成するカラーのみが示されている。クラッチにおけるトルク伝達は、一次部分２と二次部分８との間で行われる。一次部分２は一次軸３上に相対回転しないようにはまり、相対回転しないが一次薄板４の移動可能な支持用の連結歯を持つドラム５を形成している。一次部分２自体は非常に小さい透磁率の材料から成り、一次薄板４は大きい透磁率の材料から成っている。

二次部分８は二次軸の接続フランジ９にねじ結合され、軸受１０，１１において一次軸３を受入れている。二次部分８及び一次部分２は同軸的である。二次部分８は、前部蓋１２、後部蓋１３及び周壁１４を含み、周壁は一方の側で前部蓋１２に溶接され、他方の側で環状ナット１５により後部蓋１３に結合されている。周壁１５は連結歯１６を持ち、これらの連結歯１６に二次薄板１７が相当回転しないけれども移動可能にはまっている。

二次部分８には、前部蓋１２の側で第１のコイル２１を持つ第１の継鉄２０が結合され、後部蓋１３の側で第２のコイル２３を持つ第２の継鉄２２が結合されている。継鉄２０，２２（図２参照）はＵ字状で、その中間部分はコイル２１，２３を巻付けられ、その脚２０′，２０″は回転軸線に対して平行に前部及び後部の蓋１２，１３中に延びている。そこで両方の継鉄は基部２４，２５を形成し、これらの基部は継鉄より大きい断面を持ち、端面２６，２７で終っている。基部２４，２５は前部及び後部の蓋１２，１３と固定的に結合され、当然大きい透磁率の材料から成り、これに反し二次部分８全体は、二次薄板１７を除いて非常に小さい透磁率の材料から成っている。

こうして多数の一次薄板４及び二次薄板１７を交互に収容しかつ磁性流動流体を収容する空間２８が形成される。この空間は、一次部分のドラム５により内側を、二次部分の周壁１４により外側を、前部蓋１２及び後部蓋１３と継鉄２０，２２の端面２６，２７により前及び後を区画されている。薄板のない部分は磁性流動流体で満たされている。一次部分２のドラム５と二次部分８との間には密封片２９が設けられて、空間２８を密閉している。最後に磁石コイル２１，２３を保護するため、一緒に回転する覆い板３０を設けることができる。

図２には、ＩＩ−ＩＩ線による継鉄２０，２２の円筒状断面図が展開して示され（図２ａ）、その上に磁界の強さが示されている（図２ｂ）。この断面図では、磁力線が通る部分のみが示され、従って大きい透磁率の材料から成る部分のみが示されている。これらの部分は、継鉄２０，２２及び交互に設けられる薄板４，１７である。脚２０′，２０″を持つ継鉄２０のＵ形状、及び磁力線の方向及び極性（反時計方向）を示す閉じた曲線３４が認められる。図において左側に隣接する区域では、磁力線の方向３５は時計方向であり、従って継鉄２０，２２における方向とは逆である。ここには複数の磁力線も示されているので、磁界の強さが零を通過する区域３６が認められる。

これは、その上にあって周囲に沿う磁界の強さの推移を示す図２ｂの曲線３８において一層よく認められる。（図９におけるように）周囲にわたって分布した４つの継鉄が設けられている限り、図２は一般的である。本発明の目標設定のため薄板を収容する空間２８において全体としてできるだけ大きくかつ均一に分布した磁界の強さを得るために、ただ１つの継鉄又は２つの継鉄又はその倍数の継鉄も設けることができるであろう。

図３は大きい透磁率の部分のみを示し、図１の右側の継鉄２２は破線のみで示されている。即ち本発明の範囲内で、コイル２１を持つ第１の継鉄２０又はその複数を使用し、第２の継鉄３２を磁石コイルの巻付けられない扁平体又は板として構成することも可能である。その場合この板３２は、継鉄２０の両方の脚２０′，２０″の基部２４にわたって周方向に延びている。こうして磁束は再び閉じた曲線をなしている。板３２がある時には第２の継鉄として機能し、それに続いてある時には第１の継鉄として機能するような装置も考えられる。

図４の変形例において、同じ又は類似な部分は、１００だけ大きくされた図１の符号を備えている。ここでは図１とは異なり、継鉄１２０，１２２が静止部分１０１従って回転しない部分に取付けられている。それに摺動接触子はもはや必要でない。しかし継鉄１２０，１２２の基部１２４，１２５は、継鉄自体から空隙１３３，１３４により分離されているが、本発明による配置のためこれらの空隙は非常に小さくすることができる。基部１２４，１２５は二次部分１０８の側壁１１２，１１３へはめ込まれているので、空間１２８内における状態は図１におけるのと同じである。静止部分１０１と二次部分１０８との間には別の軸受１３４が設けられている。図３の変形例に従って、コイル２３をなくす場合、基部１２５のみを継鉄として用いることができる。

図５及び図６は、２つのコイルのみを持つ本発明の最も簡単な変形例を示し、コイル２１が二次部分８の前側に見え、二次コイル８の後にある第２のコイルは見えないが、第１のコイルと一致している。継鉄２０の基部２４はここでは周方向に幅広くされて、円環の半分５０，５１を形成している。記号５２，５３は磁界の極性を示している。５２は見る者へ向く磁界方向であり、５３は見る者から離れる磁界方向である。

図６におけて更にわかるように、この場合継鉄２０は一体ではなく、脚２０′，２０″を持つ２つの半円環状基部から成り、これらの脚はＵの中間部分としてまっすぐなピン５４を受入れ、このピンにコイル２１が巻付けられている。すべての簡単さでこの実施形態は、薄板４，１７へ傾斜モーメントを及ぼすあまり均一でない磁界を発生するという欠点を持っている。そのため方向矢印５２，５３を見られたい。

図７の変形例では、二次部分の前側に２つの磁石コイル２１，７６が見える。二次部分の後側にも２つの一致するコイルが設けられるか、又は設けられない。図３の変形例を参照されたい。ここでは再び第１のコイル２１の脚２０′及び第２のコイル７６の脚７５′が半円環状脚７０と結合され、両方のコイル２１，７６の他方の脚２０″，７５″が他方の共通な半円環状脚７１と結合されている。しかし両方の半円環の端面は互いに接触せず、異なる極性を持っている。二次部分８の後側にあって見えない脚も、同様に見える脚と一致するように構成されている。この変形例では、磁界分布は均一であるが、まだ傾斜モーメントが薄板へ及ぼされる。

コイルの数を多くすることにより、個々のコイルを小さく構成することができ、これが、場所の節約のほかに、重量特に銅重量の節約も伴う。磁界の強さにとって、線の長さは重要ではなく、巻数が重要である。コイルの小さい直径及び同じ巻数では、線の長さは当然小さくなる。

図８の変形例では、見える側に２つのコイル２１，８５があり、その継鉄は再びそれぞれ２つの脚を持っている。脚２０′，２０″，８４′，８４″の各々は１つの固有の基部８０，８１，８２，８３に広げられ、これらの基部の各々は円環の４分の１を形成している。個々の基部は互いに接触してはならない。矢の向きは再び磁界の極性を示している。この配置では、薄板に傾斜モーメントがもはや及ぼされないことがわかる。

図９の変形例は、継鉄２０，９４，９５，９６を有する４つの小さいコイルを持ち、そのうち同じ極性を持つそれぞれ１つの脚（例えば２０′，９４′）は、共通な４分の１円環状の基部９０を持っている。ここでも二次部分８の後側にある環弧片は一致しており、磁石コイル付き又はなしである。図示した４つの磁石コイル（２のもっと大きい倍数も可能である）では、磁石コイルは非常に小さいので、基部９０，９２，９３，９１の内径を殆ど超過することはないので、二次軸９（図１）又は他の動力伝達系部分を接続するために多くの構造空間が利用可能である。

全体として上述したすべての変形例では、与えられた電流強さにおいて、クラッチ空間にわたって最大の磁界強さが与えられ、４つの上述した変形例の１つ又はその組合わせの選択により、実際の要求に合わせることが可能である。すべての場合、クラッチの薄板の前及び後（及びその内側及び外側ではない）に磁石コイルを配置するため、半径方向における構造空間も比較的小さい。このことは、自動車の動力伝達系に使用するために特に有利である。

本発明の第１の好ましい実施形態の縦断面を示す。 磁力線を示すために展開されたＩＩ−ＩＩ線による断面を示す。 図１の変形例を示す。 本発明の第２実施形態の縦断面を示す。 第１の変形例の縮小された正面図を示す。 そのＡ−Ａ線による断面を示す。 第２の変形例の縮小された正面図を示す。 第３の変形例の縮小された正面図を示す。 第４の変形例の縮小された正面図を示す。

Claims (11)

1. 磁性流動クラッチであって、静止部分（１；１０１）、一次薄板（４；１０４）を持ちかつクラッチ軸線の周りに回転可能な一次部分（２；１０２）、及び一次部分に対して同軸的に回転可能で一次部分（２；１０２）を包囲しかつニ次薄板（１７，１１７）を持つ二次部分（８；１０８）から成り、一次部分（２；１０２）と二次部分（８；１０８）との間に磁性流動流体を収容する空間（２８；１２８）が形成され、この空間内で一次薄板（４；１０４）と二次薄板（１７；１１７）が軸線方向に交互に存在し、磁性流動流体に調整可能な磁界が作用するものにおいて、
   ａ）少なくとも１つの磁石コイル（２１）が軸線方向に薄板（４，１７；１０４，１１７）の前又は後に設けられて、第１のＵ字状継鉄（２０；１２０）に巻付き、継鉄の両方の端面（２６；１２６）が薄板の同じ側でこれに対して平行であり、
   ｂ）第１の継鉄（２０；１２０）から遠い方にある薄板の側に、少なくとも１つの第２の継鉄（２２；３２；１２２）が設けられ、
   ｃ）一次薄板及び二次薄板（４，１７；１０４，１１７）の半径方向内側及び外側にある二次部分（８；１０８）の区域が、二次薄板（１７；１１７）の透磁率より小さい透磁率を持っている
   ことを特徴とする、磁性流動クラッチ。
2. 第１のＵ字状継鉄（２０；１２０）の断面が端面（２６；１２６）の方へ増大していることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ。
3. 第２の継鉄が、周方向に延びる扁平体（３２）であり、磁石コイルにより包囲されていないことを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ。
4. 第２の継鉄（２２；１２２）がＵ字状に構成され、磁石コイル（２３；１２３）により包囲されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ。
5. 少なくとも１つの第１のＵ字状継鉄（２０）が、二次部分（８）と結合され、第１の継鉄（２０）の端面（２６）が磁性流動流体を収容する空間（２８）の区画壁（２８）を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ。
6. 少なくとも１つの第１のＵ字状継鉄（１２０）が静止部分（１０１）と結合され、かつ二次部分（１０８）の他の区域より大きい透磁率を持つ円環状区域（１２４）に隣接していることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ（図４）。
7. 少なくとも１つの第２の継鉄（１２２）も静止部分（１０１）と結合され、かつ二次部分（１０８）の他の区域より大きい透磁率を持つ円環状区域（１２５）に隣接していることを特徴とする、請求項６に記載の磁性流動クラッチ。
8. 固有の磁石コイルを持たない第２の継鉄（３２）が、第２の継鉄より小さい透磁率を持つ材料から成る二次部分（１０８）の範囲に取付けられていることを特徴とする、請求項６に記載の磁性流動クラッチ。
9. 多数の継鉄（２０；２０，２２；２０，７５；２０，８４；２０，９４，９５，９６）及び磁石コイル（２１；２１，２３；２１，７６；２１，８５）が設けられ、これらの継鉄及び磁石コイルの軸線がクラッチ軸線に対して直角な面内で接線方向に向けられていることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流動クラッチ。
10. 継鉄（２０；２０，２２；２０，７５；２０，８４；２０，９４，９５，９６）の端面が、互いに殆ど隣接する環弧片（５０，５１；７０，７１；８０，８１，８２，８３；９０，９１，９２，９３）となるように拡張され、これら環弧片の内側半径及び外側半径が薄板（４，１７；１０４，１１７）の内側半径及び外側半径に実質的に一致していることを特徴とする、請求項９に記載の磁性流動クラッチ。
11. Ｕ字状継鉄（２０，９４，９５，９６）の隣接する脚（９４″，９５″，９５′，９６′，９６″，２０″，２０′，９４′）が端面として共通な環弧片を形成するような極性で、偶数の磁石コイルが順次に続いていることを特徴とする、請求項１０に記載の磁性流動クラッチ。

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