JP4604857B2 - 渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばバスやトラック等の自動車や鉄道車両等に、制動補助装置として取付けられる渦電流式減速装置、特に単列旋回方式のドラム式渦電流式減速装置に関するものである。

例えばバスやトラックなどには、長い降坂時等に安定した減速を行い、フットブレーキの使用回数を減少させて、ライニングの異常摩耗やフェード現象を防止すると共に、制動停止距離を短縮するために、フットブレーキや排気ブレーキの他に渦電流式減速装置が取付けられている。

この渦電流式減速装置のうち、制動部材として回転ドラムを用いたドラムタイプでは、特許文献１で提案された単列旋回方式、特許文献２で提案された二列旋回方式、特許文献３で提案された軸方向スライド方式のものなどが用いられる。そして、これらの渦電流式減速装置に設置される永久磁石は、部品点数や製造工数などの観点から、当初、１０極程度であった。
特開平１−２９８９４８号公報 特開平４−１２６５９号公報 特開平１−２３４０４３号公報

しかしながら、１０極程度では、大きめ永久磁石及びポールピースが円周上に疎らに配置された状態となる。単列旋回方式の渦電流式減速装置では、制動時、隣り合うポールピース間からの漏れ磁束が多くなって、引きずりトルクを十分に小さくすることが難しかった。ここでいう引きずりトルクとは、非制動時（ＯＦＦの磁気回路を形成）にも係わらず、永久磁石からの磁束の一部が回転ドラムに達してしまい、その磁束と回転ドラムの回転により生ずる制動トルクのことである。

そこで、本出願人は、永久磁石の磁極数を増加させる単列旋回方式の渦電流式減速装置を特許文献４で提案した。
特開２００２−５１５３３号公報

特許文献４で提案した単列旋回方式の渦電流式減速装置は、永久磁石の磁極数を少なくとも１２〜１８極とすることにより磁石一個当たりの面積が小さくなって磁束も小さくなり、漏れ磁束が減少して非制動時の引きずりトルクを減少させることができた。また、制動時には永久磁石の磁束とドラム内の渦電流によって生じるローレンツ力である制動力の有効成分が増えることより制動効率も良くなった。

本発明が解決しようとする課題は、単列旋回方式の渦電流式減速装置において、さらに非制動時の引きずりトルクを格段に減少させることである。

本発明の渦電流式減速装置は、制動時の制動力をできるだけ損なわないで、さらに非制動時の引きずりトルクを減少させるために、回転軸に一体的に取り付けられ、作用部が強磁性材からなる制動ドラムと、この制動ドラムに対向して支持され、制動ドラムの周方向に沿って磁極の向きを互いに逆向きとなるよう、所要角度旋回可能な強磁性体の支持リングに、一定の間隔を存して配置された永久磁石群と、この永久磁石群と前記制動ドラムとの間に、これら各永久磁石と基本的には同じ角度位置に配置された強磁性体のポールピース群と、このポールピース群の各ポールピース間に設けられた非磁性体の支持体を備えた渦電流式減速装置（上述したいわゆる単列旋回方式の装置）において、前記永久磁石を２８極以上としたことを最も主要な特徴としている。

本発明において、「制動ドラムの作用部」とは、永久磁石の磁力が作用して渦電流が発生し制動力が発生することに主に関わる領域をいい、「対向し」とは、平面同士が向き合う状態、または曲面同士が向き合う状態をいう。また、「極」とは、磁石１個を指す場合と、複数個集まった群または組を指す場合を含む。すなわち、制動時に制動ドラムに対して一つの対の磁極面を形成し、一つの磁気回路を形成するような、磁極面とその反対磁極の磁極面に対して、それぞれの磁極を「極」という。

前記本発明の渦電流式減速装置では、一つ一つの永久磁石の重量が軽くなるので、接着剤によって永久磁石を固定することが可能になり、固定作業が容易に行えるようになる。
本発明における「強磁性材」は、外部磁場により強く磁化される材料のことをいい、例えば、鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの合金などが挙げられる。

本発明では、永久磁石を２８極以上配置することで、制動時の制動力をできるだけ損なわないで、非制動時の引きずりトルクを格段に減少することができる。また、従来と同等の引きずりトルクとするならば、ポールピースを薄くできる結果、装置全体の軽量化が可能となる。さらに、ポールピースを薄くすることで制動トルクが向上し、磁石使用量も削減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、発明成立に至るまでの過程と共に添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は、単列旋回方式の渦電流式減速装置の１例を示す回転軸方向の断面図である。
制動ドラム１は回転軸６に一体的に取り付けられており、この制動ドラム１の内周面に対向して所要角度だけ旋回が可能なように支持された強磁性体の支持リング２が設けられている。そして、前記制動ドラム１の周方向に沿って磁極の向きが互いに逆向きとなるよう、この支持リング２の外周面に一定の間隔を存して永久磁石３群が配置されている。永久磁石３群は、隣合う永久磁石の極性（永久磁石の制動ドラムに対向する面の極性）が互いに逆向きになるように配置される。

そして、この永久磁石３群と前記制動ドラム１との間には、これら各永久磁石３と基本的には同じ角度配置にて、強磁性体のポールピース４群が配置されている。また、このポールピース４群の各ポールピース４間には非磁性体の支持体５が設けられている。なお、この支持体５は、車両の非回転部分に支持されており、回転軸６は、非回転部分に相対的に回転可能なように軸受けを介して支持されている。

図２は、単列旋回方式の渦電流式減速装置における磁気回路構成を示す説明図で、（ａ）は制動時、（ｂ）は非制動時の状態を示した図である。
図２（ａ）に示すように、永久磁石３がポールピース４と重なり合う状態（制動時）においては、支持リング２と、隣接する永久磁石３及び隣接するポールピース４と、制動ドラム１で、矢印で示すような磁気回路が形成され、前記制動ドラム１に各永久磁石３からの磁束が効果的に作用して渦電流が発生し、制動トルクが発生する。

また、図２（ｂ）に示すように、一つの永久磁石３が隣接するポールピース４を跨いで半分ずつ重なり合う状態（非制動時）においては、支持リング２と、隣接する永久磁石３と、一つのポールピース４で、矢印で示すような短絡的磁気回路が形成される。前記制動ドラム１には各永久磁石３からの磁束が基本的には作用せず、制動トルクが発生しない。しかしながら、図２（ｂ）に破線で示すような漏れ磁束が存在すれば、制動トルク（引きずりトルク）が弱いながらも発生することになる。

この単列旋回方式の渦電流式減速装置において、永久磁石を少なくとも１２極〜１８極へ極数を増加させることにより、制動効率は向上させ、引きずりトルクもある程度低減することができたが、この極数領域での引きずりトルクの低減効果はさほど急激ではなく、磁石の極数が増えると、磁石固定金具の数も増えるため、製造工数が増加するという問題もあり、これ以上に極数を増加させることについては、あまり検討されていなかった。

しかしながら、発明者らが、各種の条件を変更して解析を重ねた結果、永久磁石を２０極以上にすれば、単列旋回方式では、非制動時の引きずりトルクが急激に減少することを知見した。

また、制動力についても、２０極以上、４６極以下であれば、制動力をさらに向上できることが判明した。なお、４６極を超えると、１６極に比べて制動力は低下するが、制動力の低下割合以上の割合で、非制動時の引きずりトルクが減少するので、使用の態様によっては十分に実際の使用に供することができることが判明した。

前記知見を得た解析結果の一例を図３に示す。
図３は、単列旋回方式のドラム式渦電流式減速装置における永久磁石の極数と制動トルクと引きずりトルクの関係を示した図である。

このシミュレーションによる解析は、装置１台当たりの永久磁石の使用量を一定とし、ＳＣＭ４１５製の制動ドラムを１５００RPMで回転させたときの条件で実施した。また、制動ドラムの内径は、トラックやバス等に一般的に用いられている装置寸法と同等なφ392.5mmとした。なお、図３における制動トルク比、引きずりトルク比は、１６極のときに得られる制動トルク、引きずりトルクを１として規格化したものである。

図３より、永久磁石を２０極以上、とくに２８極以上とすることにより、引きずりトルクを格段に小さくできることが分る。また、永久磁石を２０極以上、４６極以下とすることで、制動トルクを向上できることが分る。

すなわち、単列旋回方式の渦電流式減速装置では、図３より分かるように、制動トルクと引きずりトルクを考慮すると、永久磁石は２０極以上が好ましい。さらに、制動トルクの向上と共に引きずりトルクの低減を図ることを意図する場合は、２８極以上、４０極以下とするのが望ましい。また、鉄道車両などのように、制動トルクの向上よりも引きずりトルクの低減を重視する場合は、４０極以上、８０極以下とすれば良い。

なお、図３は単列旋回方式に関する解析結果であるが、制動時について言えば、単列旋回方式、二列旋回方式、軸方向スライド方式共に同じ磁気回路を形成するため、制動トルクについて言えば、同様の特性を示す。

したがって、二列旋回方式および軸方向スライド方式の渦電流式減速装置では、図３より分かるように、制動トルク向上の観点からすると、永久磁石は２０極以上、４６極以下が好ましく、２０極以上、４０極以下がさらに好ましい。

本発明は、これらの知見を基になされたものである。
すなわち、本発明は、図１に示したような、単列旋回方式の渦電流式減速装置において、永久磁石３を２８極以上、例えば４０極とするものである。

このように多極化することで、図２（ｂ）に示すような、一つの永久磁石３が隣接するポールピース４を跨いで半分ずつ重なり合った状態（非制動時）において、永久磁石一個当たりの磁束が小さくなるなどにより、破線で示す漏れ磁束も減少するので、引きずりトルクの発生が低減する。

また、制動トルクについて言えば、図２（ａ）に示すような、永久磁石３がポールピース４と重なり合う状態（制動時）における、支持リング２と、隣接する永久磁石３及び隣接するポールピース４と、制動ドラム１での、矢印で示すような磁気回路形成による制動トルクを従来に比べ大きくすることもできる。

このように、本発明では、制動トルクの向上と共に引きずりトルクの大幅な低減を図ることができる。さらに、現行品と同様の引きずりトルクとする場合は、ポールピースの厚さを薄くでき、大幅な軽量化が図れる。

また、従来は、永久磁石の固定に専用の磁石固定金具を使用する必要などがあったが、一つ一つの永久磁石の重量が軽くなったことによって、例えばエポキシタイプの接着剤によって永久磁石を固定することなどが可能になり、永久磁石の固定作業が従来よりも容易にかつ低コストで行えるようになる。

また、従来アルミニウム合金などの非磁性材でポールピースを鋳包み、ポールピースを強固に固定する必要があったが、一つ一つのポールピースの寸法が小さくなり、ポールピースに作用する永久磁石３の吸引力が小さくなるため、図４（ａ）に示すような格子状の孔のあいた支持体５（非磁性板）へポールピース４を圧入やカシメによって簡単に固定できたり、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、支持体５（非磁性板）へポールピース４を接着材７、溶接、摩擦圧接などの方法で簡単に固定することが可能となり、従来の極数が少ない場合に比べても、製造コストを低減することが可能となる。

上述した通り、本発明による多極化は、単列旋回方式の渦電流式減速装置のみならず、二列旋回方式や軸スライド方式の渦電流式減速装置にも適用可能である。その場合、永久磁石を２０極以上、例えば３０極とすればよい。このように多極化することで、単列旋回方式と同様、制動トルクの向上を図ることができる。また、一つ一つの永久磁石の重量が軽くなって、接着剤による永久磁石の固定が可能になり、永久磁石の固定作業が容易に行えることも同様である。

なお、二列旋回方式の渦電流式減速装置は、図５に示すように、単列旋回方式の渦電流式減速装置における前記支持リング２が、固定支持された固定支持リング２ａと、この固定支持リング２ａに対して回動自在な可動支持リング２ｂとで構成され、また、前記ポールピース４が、固定支持リング２ａの各永久磁石３ａと可動支持リング２ｂの各永久磁石３ｂの両方を覆うように上方に配置された構成である点が相違しているだけで、基本的な構成は同じである。

固定支持リング２ａ及び可動支持リング２ｂの外周面には、各々、一定の間隔を存して隣合う永久磁石の極性（永久磁石の制動ドラムに対向する面の極性）が互いに逆向きになるように、永久磁石３群が配置される。この二列旋回方式の渦電流式減速装置においては、固定支持リング２ａと可動支持リング２ｂ上の同じ周方向位置での永久磁石の磁極の向きが揃う場合（ＮとＮ、ＳとＳ、のように）に制動状態となり、固定支持リング２ａと可動支持リング２ｂ上の同じ周方向位置での永久磁石の磁極の向きが逆の場合（ＮとＳ、ＳとＮ、のように）に非制動状態となる。二列旋回方式の渦電流式減速装置においては、可動支持リング２ｂの回動により、制動状態と非制動状態が切り替えられる。

軸方向スライド方式の渦電流式減速装置は、図６に示すように、単列旋回方式の渦電流式減速装置における前記支持リング２が、エアシリンダ８などによって、回転軸６の軸方向に移動（スライド）させられる構成である点が相違しているだけで、基本的な構成は同じである。ただし、軸方向スライド方式の装置においては、ポールピース４は制動状態と非制動状態の切替えに用いているわけではないので、ポールピース４は必ずしも必須ではない。

図６に示されるように、永久磁石３が制動ドラム１に対向する位置にあるとき（図６の右位置）が制動状態であり、永久磁石３が制動ドラム１と離れた位置にあるとき（図６の左位置）が非制動状態である。非制動状態のとき、永久磁石３の磁束は、強磁性体カバー９により外部にもれないようにされる。

なお、上述した本発明の単列旋回方式の渦電流式減速装置にあっては、制動ドラムの作用部に用いる強磁性材としては、鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの合金等、例えば、ＳＳ材、ＳＣ材、ＳＣＭ材、13％Crステンレス鋼などを用いればよい。さらに、例えば、制動ドラムの磁極と対向する面には、高導電率の材料の被覆層、例えば銅又は銅合金を含んだ被覆層を設けても良い。

また、本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明は、バスやトラックなどの自動車のみならず鉄道車両にも適用できる。

単列旋回方式の渦電流式減速装置の回転軸方向の断面図である。 単列旋回方式の渦電流式減速装置における磁気回路構成を示す説明図で、（ａ）は制動時、（ｂ）は非制動時の状態を示した図である。 単列旋回方式のドラム式渦電流式減速装置における、永久磁石の極数と制動トルクと引きずりトルクの関係を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は永久磁石及びポールピースの支持リング及び支持体への固定方法を示す説明図である。 二列旋回方式の渦電流式減速装置の回転軸方向の断面図である。 軸スライド方式の渦電流式減速装置の回転軸方向の断面図である。

符号の説明

１ 制動ドラム
２ 支持リング
３ 永久磁石
４ ポールピース
５ 支持体（非磁性板）
６ 回転軸
７ 接着剤

Claims (3)

1. 回転軸に一体的に取り付けられ、作用部が強磁性材からなる制動ドラムと、
   この制動ドラムに対向して支持され、制動ドラムの周方向に沿って磁極の向きを互いに逆向きとなるよう、所要角度旋回可能な強磁性体の支持リングに、一定の間隔を存して配置された永久磁石群と、
   この永久磁石群と前記制動ドラムとの間に、これら各永久磁石と基本的には同じ角度位置に配置された強磁性体のポールピース群と、
   このポールピース群の各ポールピース間に設けられた非磁性体の支持体を備えた渦電流式減速装置において、
   前記永久磁石を２８極以上としたことを特徴とする渦電流式減速装置。
2. 前記永久磁石は、２８極以上、４０極以下であることを特徴とする請求項１に記載の渦電流式減速装置。
3. 前記永久磁石は接着剤によって固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦電流式減速装置。

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