JP5919580B2 - 回転制動装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に関する。

この種の回転制動装置として、例えば特許文献１に開示されている回転制動装置は、回転軸に円板が軸線方向に所定間隔をおいて複数固設され、これらの円板がケーシング内に相対回転可能に組み込まれたものである。上記ケーシング内には、磁気粘性流体が封入されており、この磁気粘性流体に磁場を与える電磁石が設けられている。この回転制動装置において、電磁石のコイルに印加する電流を大きくすれば（つまり、磁気粘性流体に与える磁場を強くすれば）、電流の大きさに応じて磁気粘性流体の粘度（ずり応力）が増大し、回転軸とケーシングとの間で伝達されるトルクが大きくなる。

ところで、回転構造を有する各種のプラント、装置等においては、回転体の破損防止や、安全性確保などのため、回転体の回転速度がある一定以上の高速回転にならないようにすることが必要となる場合がある。

回転体の高速回転の防止策として、例えば、特許文献１の回転制動装置を利用することができる。例えば、上記回転制動装置の回転軸を各種のプラント、装置等の回転体に回転一体に連結し、回転制動装置のケーシングを回転系外に固定する。そして、回転体の回転速度がある一定以上の回転速度になりそうなタイミングで、コイルに印加する電流を大きくすれば、回転軸およびケーシング間の伝達トルクが大きくなり、回転軸の回転速度が抑制され、連結されている当該プラント、機械等の回転体の回転速度を抑制することができる。

特開２００８−２０２７４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された回転制動装置を利用して、各種のプラント、装置等の回転体の回転速度を一定以上の高速回転にならないようにするには、回転軸の回転速度を検出するセンサ類や、回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になるとコイルに印加する電流を大きくする電流制御装置などが必要となる。そのため、装置の大型化、複雑化、高コスト化などを招いてしまう。

本発明は、かかる課題に鑑みて創案されたものであり、簡単な構造によって、入力側となる回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると自動的に磁気粘性流体に付与する磁場を強くして入力側と出力側との間で伝達されるトルクを増大させることができる回転制動装置を提供することを目的とする。

本発明の回転制動装置は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた第１トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記第１および第２トルク伝達部材の前記軸線方向両外側に磁極を有し、前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、を備えるものを前提としており、前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた磁性体からなるカムと、前記カムの周囲を包囲するように連設された複数の可動部材と、前記可動部材を前記カム側へ付勢する付勢手段と、前記可動部材が前記カムの最大半径部によって遠心側へ押されて進入する、前記磁極間に設けられた可動部材進入空間と、を備え、前記カムの回転速度が高くなると、前記可動部材が付勢手段の付勢力によって前記カムの外周に追従しようとする動作を遅れさせ、前記可動部材が前記可動部材進入空間内に進入している時間が長くなり、前記磁気粘性流体を貫通する磁場の周方向平均が強くなるとともに磁気粘性流体の粘度の周方向平均が大きくなることで前記回転軸の制動力が大きくなることを特徴としている。

かかる構成を備える回転制動装置の回転軸を、例えば、プラント、機械等（以下「制動対象装置」ともいう。）の回転体に回転一体に連結し、第２トルク伝達部材を回転系外に対して固定する。制動対象装置の回転体の回転速度が所定未満の場合、可動部材は、カムの最大半径部に接しているときにのみ可動部材進入空間に進入するため、各可動部材が可動部材進入空間に進入している時間は比較的短く、磁気粘性流体に作用する磁場の周方向平均はさほど強くなく、磁気粘性流体の粘度（ずり応力）の周方向平均もさほど大きくない。その結果、制動対象装置の回転体は回転制動装置側からさほど大きな回転抵抗を受けずに回転することができる。一方、制動対象装置の回転体の回転速度がある一定以上の回転速度になると、可動部材が付勢手段の付勢力によってカムの外周に追従しようとする動作に遅れが生じ、大部分の可動部材が可動部材進入空間に進入した状態を維持するようになる。その結果、磁気粘性流体に作用する磁場の周方向平均が強くなり、磁気粘性流体の粘度の周方向平均も大きくなって、制動対象装置の回転体に対する回転制動力も大きくなる。これにより、磁場発生手段の磁力が十分にあることを前提として、回転体の回転速度がそれ以上高くなることを抑制することができる。

既述の構成を備える回転制動装置において、前記磁場発生手段は永久磁石であることが望ましい。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、磁場発生手段として電磁石を採用した場合と比較して簡易な構造とすることができる。

本発明の回転制動装置によれば、簡単な構造によって、入力側となる回転軸の回転速度がある一定以上の回転速度になると自動的に磁気粘性流体に付与する磁場を強くして入力側と出力側との間で伝達されるトルクを増大させることができる。例えば、回転制動装置の回転軸を各種のプラント、機械等の回転体に回転一体に連結し、第２トルク伝達部材を回転系外に対して固定すれば、当該各種のプラント、装置等における回転体の回転速度がある一定以上の高速回転にならないようにすることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る回転制動装置を軸線を含む平面で切断して表した断面図である。 図１のＣ部拡大図である。 図１のＡ−Ａ断面又はＢ−Ｂ断面に対応する図であって、全ての可動部材がカムの外周に接している状態を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面又はＢ−Ｂ断面に対応する図であって、可動部材が遠心側に移動した状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る回転制動装置について図１〜図４を参照しながら説明する。本実施形態に係る回転制動装置１００は、回転軸１０、第１トルク伝達部材２０、第２トルク伝達部材３０、磁気粘性流体４０、磁場発生手段５０、可動部材６０、アウタ部材７０などを備えている。

回転軸１０は、内部にシャフトが挿通可能となったキー溝１１を有する円筒状部材からなり、軸線Ｎ回りに回転する。図示する円筒状部材からなる回転軸１０は一例であり、例えば、これに代えて中実部材からなる回転軸などを採用してもよい。回転軸１０の外周には軸線Ｎから外周までの半径が周方向に変化するカム１２が一体に形成されている。

第１トルク伝達部材２０は、軸線Ｎに直交するように配設された多数の円環状薄板材からなり、回転軸１０の外周に軸線Ｎ回りに相対回転不能に外嵌されている。各第１トルク伝達部材２０間の内径側には、円環状薄板材からなるスペーサ２１が介設されている。これらの第１トルク伝達部材２０およびスペーサ２１は挟持部材２２，２３によって軸線Ｎ方向両側から挟まれ図示しないボルトにより締結されている。

第２トルク伝達部材３０は、軸線Ｎに直交するように配設された多数の円環状薄板材（第１トルク伝達部材２０より内外径が大きい円環状薄板材）からなり、第１トルク伝達部材２０に対して軸線Ｎ回りに相対回転可能に設けられている。各第２トルク伝達部材３０間の外径側には、円環状薄板材からなるスペーサ３１が介設されている。これらの第２トルク伝達部材３０およびスペーサ３１は挟持部材３２，３３によって軸線Ｎ方向両側から挟まれ、さらに軸線Ｎ方向両外側に設けられたアウタ部材７０を含めて図示しないボルトにより締結されている。

また、第２トルク伝達部材３０同士の間の内径側には、隙間を介して第１トルク伝達部材２０の外径側が介設されており、回転制動装置１００内に封入された磁気粘性流体４０が上記隙間に介在している。

磁場発生手段５０は、第１トルク伝達部材２０および第２トルク伝達部材３０の軸線Ｎ方向両外側において相異なる磁極を対向させて配設された永久磁石（以下「永久磁石５０」という。）で構成されている。これらの永久磁石５０は、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側並びにこれらの隙間に介在する磁気粘性流体４０を軸線Ｎ方向に貫通する磁場を発生するように設けられている。本実施形態では、図３および図４において２点鎖線で示すように、永久磁石５０が周方向に複数設けられ、図１および図２に示すように、片方の磁極を露出した状態でアウタ部材７０に嵌め込まれている。

可動部材６０は、図３に示すように、カム１２の周囲を包囲するように連設された複数のものからなり、環状のコイルスプリング８０が伸縮摺動自在にそれらの可動部材６０内を貫通して設けられ、これにより、当該コイルスプリング８０は、可動部材６０をカム１２側へ付勢している。カム１２の最大半径部１２ａの外周に接する可動部材６０は、図２に示すように、上記永久磁石５０の磁極の間に設けられた空気のみからなる空間６２（以下「可動部材進入空間６２」という。）に進入しており、図３に示すように、カム１２の最小半径部１２ｂに接する可動部材６０は、可動部材進入空間６２の外にある。また、その他の可動部材６０はカム１２に接している部分のカム半径に応じてその一部が可動部材進入空間６２に入っている。なお、本実施形態における可動部材６０は、図３および図４に示すように、略扇状の板材からなり、周方向に均等に配設されている。

アウタ部材７０は、既述したように、第２トルク伝達部材３０、挟持部材３２，３３等の軸線Ｎ方向両側にそれぞれ固設されている。また、アウタ部材７０は、回転軸１０に対してベアリング７１を介して軸線Ｎ回りに相対回転自在に設けられている。

なお、上記各部材において、好ましくは、第１トルク伝達部材２０、この第１トルク伝達部材２０を挟持する挟持部材２２，２３、第２トルク伝達部材３０、可動部材６０およびコイルスプリング８０は磁性体からなり、回転軸１０、カム１２、スペーサ２１，３１、第２トルク伝達部材３０を挟持する挟持部材３２，３３およびアウタ部材７０は非磁性体からなる。

以上のように構成された回転制動装置１００を利用して、各種のプラント、装置等（「以下「制動対象装置」という。」）の回転体の回転速度を一定以上の高速回転（回転数Ｎ１以上の高速回転）にならないようにするには、回転制動装置１００の回転軸１０を制動対象装置の回転体に回転一体に連結し、回転制動装置１００のアウタ部材７０を回転系外に固定すればよい。

制動対象装置の回転体が停止しているときは、図３に示すように、全ての可動部材６０は、コイルスプリング８０の付勢力により、カム１２の全周に接している。このとき永久磁石５０の磁極間に形成された可動部材進入空間６２には、カム１２の最大半径部１２ａに接している可動部材６０が完全に進入しているものの、その他の可動部材６０は、その一部のみが可動部材進入空間６２に進入しているか、若しくは、その全部が可動部材進入空間６２の外にある。可動部材進入空間６２は、透磁率の低い空気のみで構成されるため、このように大部分の可動部材進入空間６２に可動部材６０が進入していない状態では、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側の隙間に介在する磁気粘性流体４０に作用する磁場は、周方向平均としてさほど強くなく、磁気粘性流体４０の粘度（ずり応力）も周方向平均としてさほど大きくない。

制動対象装置の回転体が回転を開始すると、回転制動装置１００の回転軸１０もそれに伴って回転し、カム１２も同じ速度で回転する。環状に連設された可動部材６０は、カム１２の回転に引き摺られて軸線Ｎ回りに若干回転しながらも、接する部分のカム半径の変化に応じて可動部材進入空間６２への出入りを繰り返す。制動対象装置の回転体の回転速度が比較的低い場合、可動部材６０は、最大半径部１２ａに接しているときにのみ可動部材進入空間６２に進入するため、各可動部材６０が可動部材進入空間６２に進入している時間は比較的短く、引き続き、磁気粘性流体４０に作用する磁場の周方向平均はさほど強くなく、磁気粘性流体４０の粘度の周方向平均もさほど大きくない。このため、制動対象装置の回転体は回転制動装置１００側からさほど大きな回転抵抗を受けずに回転する。

その後、制動対象装置の回転体の回転速度が次第に高くなり、回転軸１０およびカム１２の回転速度もそれに伴って次第に高くなると、カム１２の最大径部１２ａによって遠心側に押し出された可動部材６０が、コイルスプリング８０の付勢力によってカム１２側に戻される前に、カム１２の最大変形部１２ａが一周して再び当該可動部材６０が遠心側に押し出されるようになる。つまり、カム１２の回転速度が高くなると、可動部材６０がコイルスプリング８０の付勢力によってカム１２の外周に追従しようとする動作に遅れが生じ、可動部材６０が可動部材進入空間６２内に進入している時間が長くなる。その結果、磁気粘性流体４０を貫通する磁場が周方向平均として強くなり、磁気粘性流体４０の粘度（ずり応力）も周方向平均として大きくなり、制動対象装置の回転体に対する回転制動力も大きくなる。

そして、制動対象装置の回転体の回転速度がさらに上昇し、ある一定以上の回転速度（回転数Ｎ２以上の回転速度。但しＮ１＞Ｎ２）になると、カム１２も同じ回転速度で回転し、さらに上記追従動作に遅れが生じて、図４に示すように、大部分の可動部材６０が可動部材進入空間６２に進入した状態を維持するようになる。これにより、磁気粘性流体４０に作用する磁場の周方向平均がさらに強くなり、磁気粘性流体４０の粘度の周方向平均もさらに大きくなる。その結果、回転軸１０を介して制動対象装置の回転体に対する回転制動力もさらに大きくなり、永久磁石５０の磁力が十分にあることを前提として、制動対象装置の回転体のそれ以上の回転速度の上昇が抑制されるようになる。

なお、既述の実施形態では、磁場発生手段として永久磁石５０を例示したが、永久磁石５０の代わりに電磁石を採用することも可能である。この場合、電磁石は、コイル通電時に、第１トルク伝達部材２０および第２トルク伝達部材３０の軸線Ｎ方向両外側において相異なる磁極を有し、第１トルク伝達部材２０の外径側および第２トルク伝達部材３０の内径側並びにこれらの隙間に介在する磁気粘性流体４０を軸線Ｎ方向に貫通する磁場を発生するものとされる。

本発明は、例えば、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に適用可能である。

１０ 回転軸
１２ カム
２０ 第１トルク伝達部材
３０ 第２トルク伝達部材
４０ 磁気粘性流体
５０ 永久磁石（磁場発生手段）
６０ 可動部材
６２ 可動部材進入空間
８０ コイルスプリング（付勢手段）

Claims (2)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた第１トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、
   前記第１および第２トルク伝達部材の前記軸線方向両外側に磁極を有し、前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、
   を備える回転制動装置において、
   前記回転軸に対して前記軸線回りに相対回転不能に設けられた磁性体からなるカムと、
   前記カムの周囲を包囲するように連設された複数の可動部材と、
   前記可動部材を前記カム側へ付勢する付勢手段と、
   前記可動部材が前記カムの最大半径部によって遠心側へ押されて進入する、前記磁極間に設けられた可動部材進入空間と、を備え、
   前記カムの回転速度が高くなると、前記可動部材が付勢手段の付勢力によって前記カムの外周に追従しようとする動作を遅れさせ、前記可動部材が前記可動部材進入空間内に進入している時間が長くなり、前記磁気粘性流体を貫通する磁場の周方向平均が強くなるとともに磁気粘性流体の粘度の周方向平均が大きくなることで前記回転軸の制動力が大きくなることを特徴とする回転制動装置。
2. 請求項１に記載の回転制動装置において、
   前記磁場発生手段は永久磁石であることを特徴とする回転制動装置。