JP5126218B2 - 特に巻取り／巻出し装置用のヒステリシスを有する磁気カップリング - Google Patents

Description

本発明は、特に広範囲の速度にわたって最小限にしか変動できないトルクで、巻出し−再巻取り（アンワインダ−リワインダ）装置を駆動するための、ヒステリシスを有する磁気カップリング（電磁継手）の分野に関する。

特許文献ＦＲ１６０２５１９は、このようなカップラを複数用いたアンワインダ−リワインダ装置を記載している。各カップラは、互いに対して回転する２つの同軸エレメントを備える。これら２つの同軸エレメントは具体的には、回転軸を中心とする回転対称性に従ってその極が互いに追従する、交番する多極性磁界を発生させるインダクタと、他方のエレメントは、好ましくは磁気的に硬質で事前に励磁（磁化）されていない強磁性材料から作製される。インダクタの極は電磁石または好ましくは永久磁石により形成される。巻出しまたは再巻取り中に、駆動モータは、レシーバエレメントを、またはモータエレメントもしくは先導（リーディング）エレメントに対して案内されたエレメントを、摺動させることが可能であることから、通常速度に保持されることができる。この特許文献によると、伝達されたトルクはほとんど変動しない。

高いすべり速度では、とりわけ再巻取り時に、伝達されたトルクがすべり速度と共に目立って著しく増大し、増大は２０００ｒｐｍより大きなすべり速度については例えば６０％を超えることが体験されている。

同じことが特許文献ＥＰ１０２６８１５に記載されたカップラについてもあてはまる。このカップラは、互いに対して回転するインダクタエレメントとアーマチュア（電機子）エレメントとを備え、インダクタエレメントはいくつかの磁極を有し、アーマチュアエレメントは１または２以上のヒステリシスのある永久アーマチュア磁石を有する。

特許文献ＦＲ−Ａ−２６０７３３３も同様に、同じ一般形式の磁気カップラを開示しているが、すべり速度への依存性がずっと低い伝達トルクを与えることに焦点がある。
この特許文献によると、カップラのアーマチュア・サブセンブリ（下位集成体）は、少なくとも部分的には、ヒステリシスのある磁石粒子とエポキシ樹脂のような電気絶縁性バインダとを含有する成形ペーストから構成され、このペーストは熱放散手段を有するディスク形態の支持体上に保持されている。

結果は、アーマチュア・サブアセンブリにおける磁束の変動により誘起されたフーコー電流（渦電流）から本質的に生ずるトルク変動が実質的に減少する。
しかし、この公知カップラでは、電気絶縁性バインダの熱伝導率が低いため、ヒステリシスサイクルで放散されたエネルギーが熱放散手段にうまく伝達されないことに起因して、著しい熱がアーマチュア・サブアセンブリに認められ、そのため過大な温度上昇を避けるために、このアーマチュア・サブアセンブリをより幅広のデザインとする必要性が出てくる。

他方、特許文献ＵＳ６１２９１９３記載されたヒステリシスつきカップラでは、そのインダクタエレメントは角度で離間された一連の電磁極により構成され、そのアーマチュアエレメントはやはり角度で離間されたヒステリシスのある一連の永久アーマチュア磁石により構成される。これらの永久磁石のそれぞれはヒステリシスサイクルを有する磁性材料製のリングの一部分の形態にあり、かつプラスチック製の半径方向外部リング上に装着され、このプラスチックには磁性材料製の第２のリングが埋設されていて、異なる永久磁石間の磁気結合を確保している。また、インダクタエレメントにおける各永久磁石の表面は、磁束をチャネリングし、同時にこの表面上だけについてフーコー電流を減衰させて、アーマチュアエレメントとインダクタエレメントとの間の同期トルクを強化するための一連の半径方向スロットを含んでいる。磁石の残りの表面やそれらをつなぐ磁性リング上ではフーコー電流は制限を受けないまま存在する。これは一方ではアーマチュアとインダクタとの間の連続的なすべりを許さないが、他方ではインダクタエレメントとアーマチュアエレメントの相対的な角位置に対する規則的な伝達トルクも許さない。
ＦＲ１６０２５１９ ＥＰ１０２６８１５ ＦＲ−Ａ−２６０７３３３ ＵＳ６１２９１９３

本発明の目的は、従来技術の欠点を解消すること、そしてトルクの良好な規則性を確保すると同時に熱に関して改善された性能を有する新規なカップラを提案することである。
別の目的は、伝達トルクの規則性を、より広範囲の速度変化の範囲内において、よりよく確保することである（従来技術における速度変化は、ペーストのバインダとアーマチュア支持体を構成する金属材料との間の熱膨張の差がかなり大きいために発熱を制限する必要があることから、制限されてきたことをここでは考慮する）。

この目的のため、本発明により提案されたヒステリシスのある磁気カップラは、互いに対して回転するのに適したインダクタ・サブアセンブリとアーマチュア・サブアセンブリとを備え、インダクタ・サブアセンブリは複数の磁極を有し、アーマチュア・サブアセンブリはヒステリシスを有する１または２以上の永久アーマチュア磁石を有する磁気カップラにおいて、１または２以上の各アーマチュア磁石が垂直ヒステリシスサイクルを持つ磁性材料からなる単一片のリングの形態であって、それぞれ該リングの周方向広がりの方向に設けられた、半径方向電流の減衰用の複数の貫通スロットを備えていることを特徴とする。

本カップラの好ましいが制限を意図しない態様をいくつか挙げると次の通りである：
・互いにオフセット（片寄り）している一組の複数スロットが、リングの外縁部と内縁部との間のその半径寸法内に設けられている。

・前記スロットの広がり角度が、インダクタ・サブアセンブリの極のそれより実質的に大きい。
・前記スロットがリングの中心と同心の複数の円に沿って設けられている。

・前記の円が本質的に互いから等間隔にある。
・前記１または２以上の各アーマチュア磁石が鉄−クロム−コバルト系磁性合金製である。

・前記各アーマチュア磁石のリング幅と厚みの比が約３より大きい。
・前記１または２以上の各アーマチュア磁石が、電気抵抗率が、特に５μΩ・ｃｍより大と高く、かつ熱伝導率の高い非磁性金属材料製のフランジにより支持されている。

・前記フランジがステンレス鋼製である。
・前記各アーマチュア磁石とそれに付随するフランジとの間に表面密着がある。
・前記各アーマチュア磁石とそれに付随するフランジとの間に熱伝導性ペーストが存在する。

・前記１または２以上の各フランジが、アーマチュア磁石とは反対側に熱放散フィンを有する。
・同心円の各レベル（Ｆ１〜Ｆ４）当たりのスロットの数およびインダクタ・サブアセンブリの磁極の数が互いの倍数ではない。

本発明の他の側面、目的および利点は、制限を意図しない例として示す、添付図面を参照した以下の本発明の好適態様の詳細な説明から最もよく理解されよう。

図１を参照すると、この図は全体が参照番号１で示されるヒステリシスを有する磁気カップラを示す。このカップラ１は、概略形状がディスク型のインダクタ・サブアセンブリ２と、このインダクタ・サブアセンブリの両側に配置された２つの組合わされるアーマチュア部材７および８により構成されるアーマチュア・サブアセンブリ６とを備える。インダクタ・サブアセンブリとアーマチュア・サブアセンブリとは、ローラ２０によって軸Ａを回転軸として互いに対して回転することができる。

インダクタ・サブアセンブリ２は、リング４および５の形態の２つの永久磁石帯域を有し、かつ複数ローラ１５の間で回転することができる出力軸１４の中に延びている、強磁性材料製の平坦部材３により構成される。永久磁石４および５は、一定の角間隔での交互の磁極、例えば、それぞれ１５°の角幅を占める２４個の極、を形成している。

２つのアーマチュア部材７、８は、それぞれの支持体、即ち、フランジ９および１０に装着された２つのアーマチュア１１および１２をそれぞれ備える。
各アーマチュア１１、１２は、ヒステリシスを有するソリッド永久磁石により形成される。好ましくは、クロム２６〜３０重量％、コバルト７〜１０重量％、残部が鉄からなる鉄−クロム−コバルト合金が磁石材料として選ばれる。このような磁性合金の特性は垂直ヒステリシスサイクル（vertical hysteresis cycle）であり、具体的には、残留磁束密度は５０〜８００エルステッド（Ｏｅ）の抗磁界強度（coercitive field strength）について８０００〜１３０００ガウスであり、より好ましくは５０〜３００エルステッドの抗磁界強度についての９０００〜１２０００ガウスである。

このような磁石はまた、電気抵抗率が高く、典型的には約４０μΩ・ｃｍ以上であり、より好ましくは約６０μΩ・ｃｍ以上である。
この種の磁石の別の特性は、可逆的誘導（磁束密度）緩和係数（reversible induction modification coefficient）が約０.５％未満、より好ましくは約０.０５％未満であることである。

この種の磁石は、比較的弱い磁界インダクタを用いて、温度に対する感度が最小限で、著しいトルクを発生する。これによって、有利には、インダクタ磁石の体積、特にそれらの厚みが減少する。

また、アーマチュア支持体９および１０は、３０４シリーズのステンレス鋼のような、電気抵抗率が典型的には５μΩ・ｃｍより大であるような、電気抵抗率の高い材料から製作される。

これにより、アーマチュア１１、１２内での電流の再循環が制限され、従って発熱ならびにインダクタとアーマチュアとの間の相対速度によるトルク依存性が制限される。
支持体９および１０の外面には冷却フィン９０、１００が設けられ、それらはアーマチュア内で発生した熱の排出に関与する。この排熱は、磁石１１、１２とそれぞれの支持９、１０との間に適正な熱伝導が確保されるため、とてもうまく行われる。これは、適当な形状精度を持つこれらの部材間の表面密着によって、或いは必要なら熱伝導の高いペーストをそれらの間に添加することにより達成されうる。

また、図２に示すように、各アーマチュア磁石１１、１２は、これらの磁石内の半径方向フーコー電流の循環を制限し、従って該磁石内で生ずる発熱を制限するための一連の貫通スロットを設けた固体リングの形態を有する。

最低可能な幅を有するこれらのスロットは、有利には加圧またはレーザー水噴射によるカットアウト法によって作製される。図示の好ましい例では、これらのスロットは、リングの形態の磁石の外縁部と内縁部との間で等間隔に離間する同心円状に配置される。

図示例では、４レベルの同心円状スロットＦ１〜Ｆ４が設けられ、最も外側のスロットがＦ１で示され、最も内側のスロットがＦ４で示される。これらのスロットが配置される同心円は、リングの外縁部とリングの内縁部との間で等間隔に配置される。また、１つのレベルのスロットは、隣接レベルのスロットと重なりあう（オーバーラップする）。ただし、それぞれの円に沿った複数スロットの累積広がり幅は、それらのスロットを離間してその部材の機械的凝集（一体性）を確保している途切れ部（中断部）の累積広がり幅より大きくすることが好ましい。

また、各スロットは好ましくは複数の隣接する極にまたがって円周方向に延びていることが好ましい。
図示例では、各レベルについて６個のスロットが設けられ、各スロットは４０〜５０°程度の角度幅を有し、あるレベルに設けられたスロットは隣接する隣のレベルに位置するスロットに対して図示のように約１５°の角度ずれ（角度オフセット）がある。

アーマチュア磁石１１、１２に垂直ヒステリシスサイクルを有する材料を使用し、これがインダクタ磁石のサイズ、特に厚みの減少を助けること、支持体９、１０に電気伝導性がほとんどない材料を利用すること、そして最後にアーマチュア内に半径方向の電流を制限するスロットを形成することによって、実質的な発熱を引き起こさずに、典型的には半径方向のリングの幅と軸方向のその厚みの比が３より大きい、極めて薄いアーマチュアを作製することが可能となる。その結果、カップラがより経済的となり、軸方向の嵩が減少する。

図１の左側に一部が示されているモータ（電動機）Ｍの出力軸によるアーマチュア・サブアセンブリ６の駆動は、慣用のカップリングによって行われ、その詳述は必要ない。インダクタ・サブアセンブリは、ローラ１５によってカップラのシャーシ１０に装着された出力軸１４による回転に関して堅実に動作する。

本発明は、添付図面に示し、以上に説明した態様に制限されるものではない。当業者であれば、多くの変更および改変を行うやり方を知っていよう。
特に、次のようなカップラを製作することができる：
・特に伝達すべきトルクが非常に高くはない場合、コスト低減のために有効面を単一とする；
・１レベル当たりのスロット数および磁極の数を互いの倍数とはしない；
・アーマチュアのリングのためのその支持体（９、１０）上の固定用スクリュの数と磁極の数を互いの倍数とはしない。

本発明に係るヒステリシスのある磁気カップラの長手軸方向断面図である。 図１のカップラの磁性アーマチュアエレメントの正面図である。

Claims (12)

1. 互いに対して回転することができるインダクタ・サブアセンブリ(2)とアーマチュア・サブアセンブリ(6)とを備え、インダクタ・サブアセンブリは複数の磁極を有し、アーマチュア・サブアセンブリ(6)はヒステリシスを有する１または２以上の永久アーマチュア磁石(11, 12)を有する、ヒステリシスのある磁気カップラ(1)であって、前記１または２以上の各永久アーマチュア磁石が、垂直ヒステリシスサイクルを持つ磁性材料からなる単一片のリング形態に製作され、それぞれの永久アーマチュア磁石が、該リングの周方向広がりの方向に設けられた、半径方向電流減衰用の複数の貫通スロット(F1〜F4)を備えており、
   前記貫通スロット(F1〜F4)は、前記リングの外縁部と内縁部との間でその半径寸法内に互いにオフセットして設けられていることを特徴とする磁気カップラ。
2. 各貫通スロットの広がり角度が、インダクタ・サブアセンブリの極のそれより実質的に大きいことを特徴とする、請求項１に記載の磁気カップラ。
3. 前記貫通スロットがリングの中心と同心の複数の円に沿って設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気カップラ。
4. 前記の円が本質的に互いから等間隔にあることを特徴とする、請求項３に記載の磁気カップラ。
5. 前記１または２以上の各永久アーマチュア磁石(11, 12)が鉄−クロム−コバルト磁性合金製であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気カップラ。
6. 前記各永久アーマチュア磁石のリング幅の、厚みに対する比が約３より大きいことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気カップラ。
7. 前記１または２以上の各永久アーマチュア磁石が、電気抵抗率が高く、特に５μΩ・ｃｍより大きく、かつ熱伝導率の高い非磁性金属材料製のフランジ(9, 10)により支持されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気カップラ。
8. 前記フランジがステンレス鋼製であることを特徴とする、請求項７に記載の磁気カップラ。
9. 前記各永久アーマチュア磁石とそれに付随するフランジとが表面密着していることを特徴とする、請求項７または８に記載のカップラ。
10. 前記各永久アーマチュア磁石とそれに付随するフランジとの間に熱伝導性ペーストが存在することを特徴とする、請求項７または８に記載の磁気カップラ。
11. 前記フランジが永久アーマチュア磁石とは反対側に熱放散フィン(90, 100)を有することを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載の磁気カップラ。
12. 同心円の各レベル(F1〜F4)当たりの貫通スロットの数とインダクタ・サブアセンブリの磁極の数が互いの倍数ではないことを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁気カップラ。

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