JP6098738B2 - 電力生成機能付き渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、トラック、バス等の車両に補助ブレーキとして搭載される渦電流式減速装置に関する。特に、本発明は、車両の回転軸の回転運動エネルギーを制動力に変換するとともに、電力として回収することが可能な電力生成機能付き渦電流式減速装置に関する。

渦電流式減速装置（以下、単に「減速装置」ともいう）には、磁石が不可欠である。制動力をもたらす磁界を発生させるためである。減速装置は、永久磁石を用いる方式と電磁石を用いる方式に大別される。一般に、いずれの方式の減速装置でも、プロペラシャフト等の回転軸に固定した制動部材を備える。制動時には、磁石からの磁界の作用により、磁石と対向する制動部材の表面に渦電流が発生する。これにより、回転軸と一体で回転する制動部材に回転方向と逆向きの制動力が生じ、回転軸の回転が減速する。減速装置は、制動部材の形状、及び磁石を保持して制動部材と対を成す磁石保持部材の形状に応じ、ドラム型とディスク型に区分される。制動と非制動とを切り替える機構も様々ある。

近年、地球温暖化の防止とともに、生活環境の改善及び石油依存度の低減が推進される。このため、乗用車等の小型車両のみならず、トラック、バス等の大型車両においても、推進用の動力を電動モータで得るハイブリッド電気車両（Hybrid electric vehicle：ＨＥＶ）及び電気車両（Electric vehicle：ＥＶ）が普及している。通常、大型車両は、電力を必要とする数々の電装機器を装備する。その電力を賄うために、大型車両は、エンジンから動力を得て発電するオルタネータ等の発電機を搭載する。しかし、ＨＥＶ及びＥＶの大型車両においては、オルタネータ等の発電機のみで電力を賄うには限界がある。推進用電動モータが電力を著しく消費するからである。このため、減速装置に電力生成機能を付加する有用性は極めて高い。

電力生成機能を付加した減速装置の従来技術は、下記のものがある。

特開平７−１４３７３２号公報（特許文献１）、実開平５−４８５８１号公報（特許文献２）、特開平１０−１２７４１号公報（特許文献３）及び特開２００１−５４２７６号公報（特許文献４）は、ドラム型で電磁石方式の電力生成機能付き減速装置を開示する。この減速装置は、車両の回転軸に固定された円筒状の制動部材と、この制動部材の内側にこれと同心状に配置された円筒状の巻線コイル保持部材と、この巻線コイル保持部材の内側にこれと同心状に配置された永久磁石保持部材と、を備える。巻線コイル保持部材は強磁性材であり、車両の非回転部に固定される。巻線コイル保持部材は、外周面に円周方向にわたり複数の励磁用コイル（鉄心を含む）を保持し、内周面に円周方向にわたり複数の電力生成用コイル（鉄心を含む）を保持する。永久磁石保持部材は、制動部材と一体であり、外周面に円周方向にわたり複数の永久磁石を保持する。

特許文献１〜４に開示された減速装置においては、励磁用コイルが電流の供給によって電磁石になり、電磁石と制動部材との間に磁気回路が発生する。そして、制動部材と巻線コイル保持部材との相対的な回転に伴って、電磁石からの磁界が変動する。これにより、制動部材の内周面に渦電流が発生し、制動力がもたらされる。更に、電力生成用コイルには永久磁石との間で磁気回路が発生する。そして、永久磁石保持部材と巻線コイル保持部材との相対的な回転に伴って、永久磁石から電力生成用コイルを貫く磁界が変動する。これにより、電力生成用コイルに誘導電流が流れ、電力が得られる。

特開２０１１−１８２５７４号公報（特許文献５）は、ドラム型又はディスク型で永久磁石方式の電力生成機能付き減速装置を開示する。この減速装置は、ドラム型を例に挙げると、車両の回転軸に固定された円筒状の制動部材と、この制動部材の内側にこれと同心状に配置された磁石保持部材と、この磁石保持部材と一体のブレーキディスクと、ブレーキディスクを間に挟み車両の非回転部に固定されたブレーキキャリパと、を備える。磁石保持部材は強磁性材であり、車両の回転軸に回転可能に支持される。磁石保持部材は、制動部材の内周面に対向して円周方向にわたり複数の永久磁石を保持する。制動部材の内周面には、円周方向にわたり複数の電力生成用コイル（鉄心を含む）が埋め込まれる。

特許文献５に開示された減速装置において、非制動時には、ブレーキキャリパを作動しない。この状態のとき、制動部材が回転するのに伴い、永久磁石からの磁界の作用によって磁石保持部材が制動部材と同期して回転する。すると、制動部材と永久磁石との間に相対的な回転速度差が生じないことから、永久磁石からの磁界が変動しない。これにより、制動部材の内周面に渦電流が生じることはなく、制動力は発生しない。更に、電力生成用コイルを貫く磁界も変動しない。これにより、電力生成用コイルには誘導電流が流れることはなく、電力は生成されない。

一方、制動時には、ブレーキキャリパを作動する。これにより、ブレーキディスクの回転が停止し、これにより磁石保持部材が静止する。すると、制動部材と永久磁石との間に相対的な回転速度差が生じることから、永久磁石からの磁界が変動する。これにより、制動部材の内周面に渦電流が生じ、制動力が発生する。更に、電力生成用コイルを貫く磁界も変動する。これにより、電力生成用コイルに誘導電流が流れ、電力が得られる。

特開平７−１４３７３２号公報 実開平５−４８５８１号公報 特開平１０−１２７４１号公報 特開２００１−５４２７６号公報 特開２０１１−１８２５７４号公報

前記特許文献１〜４に開示された減速装置においては、本質的な機能である制動力をもたらすために、電磁石、すなわち励磁用コイルを設置する必要がある。これに加え、電力生成機能を付加するために、電力生成用コイルのみならず永久磁石を設置する必要がある。このため、部品点数が嵩む。その上、常時、電力生成用コイルには永久磁石との間で磁気回路が発生する。これにより、非制動時にも、永久磁石保持部材と巻線コイル保持部材との相対的な回転に伴って、永久磁石から電力生成用コイルを貫く磁界が変動する。このため、フレミングの左手の法則に従い、永久磁石保持部材に回転抵抗が作用する。その結果、永久磁石保持部材と一体の制動部材ひいては回転軸の円滑な回転が阻害される。

一方、前記特許文献５に開示された減速装置においては、制動力をもたらすための磁石、すなわち永久磁石を電力生成機能の付加に活用する。したがって、電力生成用コイルを設置するだけで足りる。また、非制動時には、永久磁石から電力生成用コイルを貫く磁界が変動しないため、制動部材ひいては回転軸の円滑な回転が阻害されることはない。しかし、車両の非回転部に対して回転する制動部材に、電力生成用コイルが設けられるため、電力生成用コイルから引き出された電導線の電気接点の構造に工夫が必要となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、下記の特性を有する電力生成機能付き渦電流式減速装置を提供することである：
・部品点数の増加を最小限に抑えて電力生成機能を付加すること；
・非制動時に回転軸の円滑な回転を阻害しないこと；
・電力生成用コイルから引き出された電導線の取り回しを簡素な構造にすること。

本発明の実施形態による電力生成機能付き渦電流式減速装置は、制動部材と、磁石保持部材と、制動切替え機構と、を備え、更に下記（１）又は（２）の構成を備える。
制動部材は円筒状であり、車両の回転軸に固定される。
磁石保持部材は、前記制動部材の内側に配置された強磁性材であり、前記制動部材の内周面に対向するように円周方向にわたり等間隔に複数の磁石を保持する。
制動切替え機構は、制動時には前記磁石と前記制動部材との間に磁気回路を発生し、非制動時には前記磁気回路を発生しない状態に切り替える。

（１）減速装置は、下記の構成を備える：
前記制動部材の軸方向の端面に、円周方向にわたり等間隔に複数の突起部が設けられる；
前記突起部が設けられた前記制動部材の前記端面の領域に対向するように、前記車両の非回転部に、円周方向にわたり等間隔に複数の電力生成用コイルを備える；
制動時には前記磁石と前記電力生成用コイルの円周方向の位置が一致する。

（２）減速装置は、下記の構成を備える：
前記制動部材の軸方向の端部に、円周方向にわたり等間隔に複数の切欠き部が設けられる：
前記切欠き部が設けられた前記制動部材の前記端部の領域に外周面側から対向するように、前記車両の非回転部に円周方向にわたり等間隔に複数の電力生成用コイルを備える：
制動時には前記磁石と前記電力生成用コイルの円周方向の位置が一致する。

上記（２）の減速装置は、前記切欠き部が設けられた前記制動部材の前記端部の外径が当該端部以外の部分の外径よりも小さい構成とすることが好ましい。

以上の減速装置において、前記磁石が永久磁石であり、前記永久磁石は、磁極の向きが径方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極が交互に異なるように配置されることが好ましい。

この減速装置は、下記の構成とすることができる：
前記制動切替え機構として、前記制動部材の内周面と前記永久磁石との隙間に、前記永久磁石の配置角度と一致するように、円周方向にわたり等間隔に複数の強磁性材のスイッチ板が設けられる；
前記スイッチ板は、前記磁石保持部材に対し相対的に円周方向に旋回可能に構成され、制動時には前記永久磁石と重なる状態に維持され、非制動時には互いに隣接する前記永久磁石の間を跨ぐ状態に維持される。

本発明の電力生成機能付き渦電流式減速装置は、下記の顕著な効果を有する：
・部品点数の増加を最小限に抑えて電力生成機能を付加できること；
・非制動時に回転軸の円滑な回転を阻害しないこと；
・電力生成用コイルから引き出された電導線の取り回しを簡素な構造にできること。

図１は、本発明の第１実施形態である電力生成機能付き渦電流式減速装置の構成例を示す軸方向に沿った縦断面図である。 図２Ａは、第１実施形態の減速装置における制動時の一瞬間の状態を示す断面図である。 図２Ｂは、第１実施形態の減速装置における制動時の他の一瞬間の状態を示す断面図である。 図２Ｃは、第１実施形態の減速装置における非制動時の一瞬間の状態を示す断面図である。 図３は、第１実施形態の減速装置を部分的に拡大した斜視図である。 図４は、本発明の第２実施形態である電力生成機能付き渦電流式減速装置の構成例を示す軸方向に沿った縦断面図である。 図５Ａは、第２実施形態の減速装置における制動時の一瞬間の状態を示す断面図である。 図５Ｂは、第２実施形態の減速装置における制動時の他の一瞬間の状態を示す断面図である。 図５Ｃは、第２実施形態の減速装置における非制動時の一瞬間の状態を示す断面図である。 図６は、第２実施形態の減速装置を部分的に拡大した斜視図である。 図７は、実施例１の制動試験で比較例として用いた減速装置を部分的に拡大した斜視図である。 図８は、実施例１の試験結果として制動力の挙動をまとめた図である。 図９は、実施例１の試験結果として誘起電圧の挙動をまとめた図である。 図１０は、実施例２の試験結果として制動力の挙動をまとめた図である。 図１１は、実施例２の試験結果として誘起電圧の挙動をまとめた図である。

電力生成用コイルを用いて電力を生成するには、磁石から電力生成用コイルを貫く磁界が変動しなくてはならない。この点、従来の電力生成機能付き減速装置では、磁石と電力生成用コイルとの間の相対的な回転速度差が利用される。これに起因し、上記の問題が顕在化する。

そこで、本発明者は、磁石と電力生成用コイルとの間の相対的な回転速度差を利用しない観点から、電力を生成する手法を検討した。その結果、ドラム型の減速装置を前提とした場合、電力生成用コイルの設置位置を工夫し、更には円筒状の制動部材（以下、「制動ドラム」ともいう）の形状を工夫することが有効であることを見出した。

ドラム型の減速装置において、部品点数の増加を最小限に抑えて電力生成機能を付加するには、次の構成が有効である。制動力をもたらすための磁石（永久磁石又は電磁石）を活用し、永久磁石を新たに設置することなく、電力生成用コイルを設置する。また、電力生成用コイルから引き出された電導線の取り回しを簡素な構造にするとともに、非制動時に回転軸の円滑な回転を阻害しないようにするには、次の構成が有効である。車両の非回転部に電力生成用コイルを固定し、制動時に限り、磁石と制動ドラムとの間でのみならず、磁石と電力生成用コイルとの間で磁気回路が発生するようにする。

ただし、制動時に磁石と電力生成用コイルとの間で磁気回路が発生するだけでは不十分である。電力生成用コイルを貫く磁界が変動しないと電力が生成しないからである。

この課題に対しては、次の構成が有効である。制動ドラムの軸方向の端面に突起部を設け、この突起部が設けられた制動ドラムの端面の領域に対向するように、電力生成用コイルを設置する。この構成により、制動時に制動ドラムが回転している際、本来制動力を生むために用いられる磁石からの磁界の一部が、制動ドラムの端面の突起部を通じて繰り返し電力生成用コイルを貫くようになる。すなわち、制動時に、電力生成用コイルを貫く磁界が変動する。

また、次の構成も有効である。制動ドラムの軸方向の端部に切欠き部を設け、この切欠き部が設けられた制動ドラムの端部（以下、「切欠き付き端部」ともいう）の領域に外周面側から対向するように、電力生成用コイルを設置する。この構成により、制動時に制動ドラムが回転している際、そもそも制動力を生むために用いられる磁石からの磁界の一部が、制動ドラムの切欠き付き端部を通じて繰り返し電力生成用コイルを貫くようになる。すなわち、制動時に、電力生成用コイルを貫く磁界が変動する。

本発明は、上記の知見に基づいて完成したものである。以下に、本発明の電力生成機能付き渦電流式減速装置の好ましい実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態である電力生成機能付き渦電流式減速装置の構成例を示す軸方向に沿った縦断面図である。図２Ａ〜図２Ｃは、第１実施形態の減速装置の要部を軸方向とは直角な方向に沿って切断したときの断面図である。これらの図のうち、図２Ａ及び図２Ｂは、制動時のそれぞれ異なる一瞬間の状態を示す。図２Ｃは、非制動時の一瞬間の状態を示す。図３は、第１実施形態の減速装置を部分的に拡大した斜視図である。図２Ａ〜図２Ｃでは、装置構成の理解を容易にするため、制動ドラム１の端面１ｂに設けられた突起部１ｃを点線で明示する。なお、図２Ａ〜図２Ｃ及び図３では、制動ドラム１の外周面に設けられた放熱フィン１ａ（図１参照）は図示を省略する。

これらの図に示す第１実施形態の減速装置は、ドラム型で永久磁石方式の減速装置である。この減速装置は、制動力を生むための磁石として永久磁石３を用い、制動と非制動の切替えに旋回スイッチ機構を採用する。具体的には、図１に示すように、第１実施形態の減速装置は、円筒状の制動ドラム１と、この制動ドラム１の内側に配設された磁石保持リング２と、この磁石保持リング２と同心状で制動ドラム１と磁石保持リング２との間に配置されたスイッチ板保持リング５と、を備える。

制動ドラム１は、制動力が付与される制動部材に相当する。制動ドラム１は、車両の回転軸１０（例：プロペラシャフト）にロータ支持部材６を介して固定され、回転軸１０と一体で回転する。制動ドラム１の外周には、放熱フィン１ａが設けられる。この放熱フィン１ａは、制動ドラム１そのものを冷却する役割を担う。

磁石保持リング２は、制動ドラム１（制動部材）と対を成す磁石保持部材に相当する。磁石保持リング２は、ステータ支持部材７を介し、回転軸１０を中心に旋回可能に支持される。ステータ支持部材７は、車両の非回転部（例：トランスミッションカバー）に固定される。制動と非制動の切替えの際、磁石保持リング２は、図示しないエアシリンダ、電動アクチュエータ等の作動によって旋回する。

磁石保持リング２の外周面は、制動ドラム１の制動面となる内周面と対向する。磁石保持リング２の外周面には、円周方向にわたり複数の永久磁石３が固着される。永久磁石３は、制動ドラム１の内周面と対向し、磁極（Ｎ極、Ｓ極）の向きが回転軸１０の径方向である。そして、永久磁石３は、円周方向に隣接するもの同士で磁極が交互に異なるように等間隔で配置される（図２Ａ〜図２Ｃ参照）。磁石保持リング２の材質は、強磁性材である。

スイッチ板保持リング５は、旋回スイッチ機構で必須となる強磁性材のスイッチ板４を円周方向にわたり複数保持し、ステータ支持部材７に固定される。具体的には、スイッチ板４は、制動ドラム１の内周面と永久磁石３との隙間に、永久磁石３の配置角度と一致するように円周方向にわたり等間隔に設けられる。スイッチ板４は、永久磁石３単体とほぼ同じサイズである。

ここで、制動ドラム１の軸方向の両端面のうちの開放された端面１ｂ、すなわち制動ドラム１を支持するロータ支持部材６が存在しない側の端面１ｂに、複数の突起部１ｃが設けられる。電力生成機能を発現させるためである。これらの突起部１ｃは、円周方向にわたり等間隔に配置される。突起部１ｃの配置は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように永久磁石３の配置角度と一致する。

突起部１ｃを含めた制動ドラム１の材質は、炭素鋼、鋳鉄等の強磁性材である。このような材料を制動ドラム１の母材とし、内周面の表層部が銅、銅合金等の良導電性材であるのがより好ましい。より制動効率が向上するからである。

更に、突起部１ｃが設けられた制動ドラム１の端面１ｂの領域に対向するように、複数の電力生成用コイル８が設置される。これらの電力生成用コイル８は、回転軸１０を中心とする円周方向にわたり等間隔に配置される。電力生成用コイル８の配置は、永久磁石３の配置角度と一致する。

各電力生成用コイル８は、銅線等の導電率の高い電導線を鉄心に幾重にも巻いて成る巻線コイルである。これらの電力生成用コイル８は、強磁性材のコイル支持部材９に固着され、このコイル支持部材９を介して、車両の非回転部（例：トランスミッションカバー）に固定される。電力生成用コイル８の電導線は、減速装置から引き出され、車両に搭載される蓄電池に制御回路を通じて接続される。

以下に、このような構成の第１実施形態の電力生成機能付き減速装置の動作を説明する。非制動時には、図２Ｃに示すように、各スイッチ板４が、互いに隣接する永久磁石３の間を跨ぐ状態に維持される。

この場合、図２Ｃ中の実線矢印で示すように、永久磁石３からの磁束（磁界）は、制動ドラム１に達しない。具体的には、永久磁石３からの磁束は、スイッチ板４を通じた後、隣接する永久磁石３に達し、磁石保持リング２を通じて戻る。つまり、永久磁石３と制動ドラム１との間には磁気回路が発生しない。

この非制動時の状態では、制動ドラム１に達する磁界がないため、制動ドラム１の内周面に渦電流が生じることなく、制動力は発生しない。また、制動ドラム１に達する磁界がないことから、制動ドラム１の端面１ｂの突起部１ｃから漏れる磁界も当然にない。そうすると、電力生成用コイル８に達する磁界もないので、電力生成用コイル８に誘導電流が生じることはなく、電力は生成されない。

一方、制動時には、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、回転軸１０を中心とする永久磁石３の配置角度の半分だけ、磁石保持リング２を旋回する。これにより、各スイッチ板４が各永久磁石３と重なる状態に維持される。この状態で、永久磁石３と電力生成用コイル８の円周方向の位置が一致する。

この場合、図２Ａ及び図２Ｂ中の実線矢印で示すように、永久磁石３からの磁束は、これに対向するスイッチ板４を貫いて制動ドラム１に達した後、隣接するスイッチ板４を貫いてこれに対向する永久磁石３に達し、磁石保持リング２を通じて戻る。つまり、永久磁石３と制動ドラム１との間に磁気回路が発生する。

この制動時の状態では、永久磁石３と制動ドラム１との間に磁気回路が発生しつつ、両者の間に相対的な回転速度差が生じている。このため、制動ドラム１の内周面での磁界が変動する。この磁界の変動により、制動ドラム１の内周面に渦電流が生じる。この渦電流と永久磁石３からの磁束密度との相互作用によるフレミングの左手の法則に従い、回転軸１０と一体で回転する制動ドラム１に、回転方向とは逆向きの制動力が発生する（図２Ａ及び図２Ｂ中の黒塗り潰し矢印参照）。

ここで、制動時には、永久磁石３と電力生成用コイル８が円周方向の位置を一致した状態で静止しているのに対して、制動ドラム１が回転している。このため、制動ドラム１の端面１ｂに設けられた突起部１ｃは、電力生成用コイル８に対向する位置にある状態（図２Ａ及び図３参照）と、互いに隣接する電力生成用コイル８の間の位置にある状態（図２Ｂ参照）と、を交互にとる。

突起部１ｃが電力生成用コイル８に対向する位置にあるとき、永久磁石３から制動ドラム１に達した磁束の一部は、突起部１ｃに集中し、ここから電力生成用コイル８に向けて漏れ、電力生成用コイル８に達する（図３中の白抜き矢印参照）。この電力生成用コイル８に達した磁束は、電力生成用コイル８を貫いてコイル支持部材９に達した後、隣接する電力生成用コイル８を貫いてこれに対向する突起部１ｃを通じて制動ドラム１に戻る（図３中の網掛け矢印参照）。つまり、制動ドラム１を介在して永久磁石３と電力生成用コイル８との間にも磁気回路が発生する。

これに対し、図２Ｂに示すように、突起部１ｃが、互いに隣接する電力生成用コイル８の間の位置にあるときは、突起部１ｃと電力生成用コイル８が対向していない。このため、永久磁石３から制動ドラム１に達した磁束は、突起部１ｃから漏れないか、漏れたとしても少ない。つまり、永久磁石３と電力生成用コイル８との間の磁気回路が遮断される。

このように、制動時には、制動ドラム１の端面１ｂの突起部１ｃを通じ、磁束が電力生成用コイル８を繰り返し貫くようになり、電力生成用コイル８を貫く磁界が変動する。これにより、電力生成用コイル８に電磁誘導による誘導電流が流れ、電力が得られる。

このように、第１実施形態の電力生成機能付き減速装置によれば、制動時に、制動ドラム１の内周面に渦電流を常時発生させることができ、制動力を安定して確保することが可能になる。これと同時に、電力生成用コイル８に誘導電流を発生させることができ、電力の生成が可能になる。電力生成用コイル８に生じた誘導電流は、減速装置から引き出された電導線を通じて回収され、電力として蓄電池に蓄えることができる。蓄電池に回収した電力は、大型車両に装備された数々の電装機器の動力源として用いられる。ＨＥＶ及びＥＶの大型車両の場合、蓄電池に回収した電力は、推進用電動モータの動力源としても用いられる。

また、第１実施形態の電力生成機能付き減速装置においては、電力生成機能を付加するために、永久磁石を新たに設置することはしない。すなわち、本質的な機能である制動力を生むための磁石（永久磁石３）を活用し、電力生成用コイル８を設置するだけで足りる。このため、部品点数の増加を最小限に抑えることができる。

また、電力生成用コイル８が車両の非回転部に固定されているので、電力生成用コイル８から引き出された電導線の取り回しの構造が簡素になる。また、永久磁石３と制動ドラム１との間での磁気回路の発生、及び永久磁石３と電力生成用コイル８との間での磁気回路の発生は、制動時に限られるため、非制動時に回転軸１０の円滑な回転が阻害されることはない。

電力生成用コイル８と制動ドラム１の突起部１ｃとの隙間は、小さいほど好ましいが、実用的には１〜２ｍｍ程度である。その隙間が小さすぎると、電力生成用コイル８と突起部１ｃが不用意に接触して破損するおそれがあるからである。一方、その隙間が大きすぎると、制動時に、永久磁石３と電力生成用コイル８との間で磁気回路が有効に発生しないからである。

また、制動ドラム１の突起部１ｃ単体の円周方向に沿った幅は、電力生成用コイル８単体の幅とほぼ同じとするのが好ましい。突起部１ｃを通じて電力生成用コイル８を貫く磁束の変動が有効に発生するからである。

更に、制動ドラム１の突起部１ｃ単体の突出高さは、５〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。その突出高さが低すぎると、突起部１ｃを通じて電力生成用コイル８を貫く磁束の変動が有効に発生しないからである。一方、その突出高さが高すぎると、制動時に、永久磁石３と電力生成用コイル８との間で磁気回路が有効に発生しないからである。

突起１ｃ単体の形状は、特に限定しないが、矩形の平面を組み合わせた概ね直方体状であることが好ましい。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態である電力生成機能付き渦電流式減速装置の構成例を示す軸方向に沿った縦断面図である。図５Ａ〜図５Ｃは、第２実施形態の減速装置の要部を軸方向とは直角な方向に沿って切断したときの断面図である。これらの図のうち、図５Ａ及び図５Ｂは、制動時のそれぞれ異なる一瞬間の状態を示す。図５Ｃは、非制動時の一瞬間の状態を示す。図６は、第２実施形態の減速装置を部分的に拡大した斜視図である。これらの図に示す第２実施形態の減速装置は、前記第１実施形態の減速装置の構成を基本とするものであるが、前記第１実施形態とは、電力生成用コイルの設置位置、及び制動ドラムの形状が相違する。

具体的には、制動ドラム１の軸方向の両端部のうちの開放された端部１ｄ、すなわち制動ドラム１を支持するロータ支持部材６が存在しない側の端部１ｄに、複数の切欠き部１ｅが設けられる。電力生成機能を発現させるためである。これらの切欠き部１ｅは、円周方向にわたり等間隔に配置される。切欠き部１ｅの配置は、図５Ａ〜図５Ｃに示すように永久磁石３の配置角度と一致する。

更に、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄの領域に外周面側から対向するように、複数の電力生成用コイル８が設置される。これらの電力生成用コイル８は、回転軸１０を中心とする円周方向にわたり等間隔に配置される。電力生成用コイル８の配置は、図５Ａ〜図５Ｃ及び図６に示すように永久磁石３の配置角度と一致する。

なお、第２実施形態の減速装置では、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄの外径が、当該端部１ｄ以外の部分の外径よりも小さい。つまり、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄの外周面が一段下がって凹みの空間が形成されており、上記の電力生成用コイル８は、その凹み空間に収容される。この態様は、電力生成用コイル８が設置されても、装置全体の大型化を抑制できる点で有用である。

以下に、このような構成の第２実施形態の電力生成機能付き減速装置の動作を説明する。非制動時には、図５Ｃに示すように、前記第１実施形態と同様に、各スイッチ板４が、互いに隣接する永久磁石３の間を跨ぐ状態に維持される。この場合、永久磁石３と制動ドラム１との間には磁気回路が発生しないため、制動力は発生せず、電力も生成されない。このとき、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄ以外の部分の状態は、前記図２Ｃに示す状態（ただし、突起部１ｃは無し）と同じである。

一方、制動時には、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、前記第１実施形態と同様に、磁石保持リング２を旋回する。これにより、各スイッチ板４が各永久磁石３と重なる状態に維持され、永久磁石３と電力生成用コイル８の円周方向の位置が一致する。このとき、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄ以外の部分の状態は、前記図２Ａ及び図２Ｂに示す状態（ただし、突起部１ｃは無し）と同じである。

この場合、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄ以外の部分では、前記第１実施形態と同様に、前記図２Ａ及び図２Ｂ中の実線矢印で示すように、永久磁石３からの磁束は、これに対向するスイッチ板４を貫いて制動ドラム１に達した後、隣接するスイッチ板４を貫いてこれに対向する永久磁石３に達し、磁石保持リング２を通じて戻る。つまり、永久磁石３と制動ドラム１との間に磁気回路が発生する。

この制動時の状態では、永久磁石３と制動ドラム１との間に磁気回路が発生しつつ、両者の間に相対的な回転速度差が生じている。このため、制動ドラム１の内周面での磁界が変動する。この磁界の変動により、制動ドラム１の内周面に渦電流が生じる。この渦電流と永久磁石３からの磁束密度との相互作用によるフレミングの左手の法則に従い、回転軸１０と一体で回転する制動ドラム１に、回転方向とは逆向きの制動力が発生する（前記図２Ａ及び図２Ｂ中の黒塗り潰し矢印参照）。

ただし、第２実施形態の減速装置の場合、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄの領域においては、切欠き部１ｅが存在するため、渦電流の発生領域が小さい。このため、第１実施形態の減速装置と比べると、制動力は低下する。

ここで、制動時には、永久磁石３と電力生成用コイル８が円周方向の位置を一致した状態で静止しているのに対して、制動ドラム１が回転している。このため、制動ドラム１の端部１ｄ（切欠き部１ｅの形成で残った凸部分）は、電力生成用コイル８に対向する位置にある状態（図５Ａ参照）と、互いに隣接する電力生成用コイル８の間の位置にある状態（図５Ｂ及び図６参照）と、を交互にとる。

制動ドラム１の端部１ｄの領域において、図５Ａに示すように、端部１ｄが電力生成用コイル８に対向する位置にあるとき、永久磁石３からスイッチ板４を貫いた磁束は、更に端部１ｄを貫き、電力生成用コイル８に達する。この電力生成用コイル８に達した磁束は、電力生成用コイル８を貫いてコイル支持部材９に達した後、隣接する電力生成用コイル８を貫いてこれに対向する端部１ｄを貫き、更にスイッチ板４を貫いてこれに対向する永久磁石３に戻る。つまり、永久磁石３と電力生成用コイル８との間にも磁気回路が発生する。

これに対し、図５Ｂに示すように、端部１ｄが、互いに隣接する電力生成用コイル８の間の位置にあるとき、すなわち切欠き部１ｅが電力生成用コイル８に対向する位置にあるときは、端部１ｄと電力生成用コイル８が対向していない。このため、永久磁石３と電力生成用コイル８との間の磁気回路が遮断される。

このように、制動時には、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄを通じ、磁束が電力生成用コイル８を繰り返し貫くようになり、電力生成用コイル８を貫く磁界が変動する。これにより、電力生成用コイル８に電磁誘導による誘導電流が流れ、電力が得られる。

従って、第２実施形態の電力生成機能付き減速装置でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

電力生成用コイル８と制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄとの隙間は、小さいほど好ましいが、実用的には１〜２ｍｍ程度である。その隙間が小さすぎると、電力生成用コイル８と切欠き付き端部１ｄが不用意に接触して破損するおそれがあるからである。一方、その隙間が大きすぎると、制動時に、永久磁石３と電力生成用コイル８との間で磁気回路が有効に発生しないからである。

また、制動ドラム１の端部１ｄ（切欠き部１ｅの形成で残った凸部分）単体の円周方向に沿った幅は、電力生成用コイル８単体の幅とほぼ同じとするのが好ましい。制動ドラム１の端部１ｄを通じて電力生成用コイル８を貫く磁束の変動が有効に発生するからである。

更に、制動ドラム１の切欠き付き端部１ｄの径方向に沿った厚みは、３〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。その厚みが薄すぎると、端部１ｄを通じて電力生成用コイル８を貫く磁束の変動が有効に発生しないからである。一方、その厚みが厚すぎると、制動時に、永久磁石３と電力生成用コイル８との間で磁気回路が有効に発生しないからである。

切欠き付き端部１ｄ単体の形状は、特に限定しないが、矩形の平面を組み合わせた概ね直方体状であることが好ましい。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、制動と非制動を旋回スイッチ機構で切り替えるために、スイッチ板４に対し磁石保持リング２を旋回させる構成であるが、両者が相対的に旋回する限り、スイッチ板４の方を旋回させる構成にしても構わない。

また、上記の実施形態では、制動力、更には電力を生むための磁石として永久磁石を用いるが、この永久磁石を、電磁石となる励磁用コイル（鉄心を含む）に置き換えることも可能である。つまり、本発明は、ドラム型で電磁石方式の減速装置にも適用することができる。電磁石方式の減速装置の場合、制動と非制動の切替えに旋回スイッチ機構は不要である。この場合、スイッチ板４を含めてスイッチ板保持リング５を無くし、磁石保持リング２をステータ支持部材７に固定した構成とする。制動と非制動の切替えは、励磁用コイルへの電流の供給と非供給によって行えるからである。

本発明の効果を確認するため、下記の実施例１、２の制動試験を実施した。

［実施例１］
実施例１では、前記図１、図２Ａ〜図２Ｃ及び図３に示す第１実施形態の減速装置の構成を前提とする。すなわち、制動ドラムの端面に突起部が設けられ、その端面の領域に対向して電力生成用コイルを備えた構成を前提とする。突起部の高さは約２ｍｍとした。電力生成用コイルとしては、鉄心に電導線を１０ターン巻いた巻線コイルを用い、これを３２個設置して直列につないだ。その電導線の抵抗値は約０．３７Ωとした。

本発明例として、このような構成の制動装置を用いて制動試験を実施し、制動力及び誘起電圧を測定した。これらの測定は、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍ、２４００ｒｐｍ、１８００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、６００ｒｐｍ及び０ｒｐｍの時点で行った。

また、電力生成機能の付加による制動力への影響を調査するため、比較例として、図７に示すように、制動ドラム１の端面１ｂに突起部を設けずに、電力生成用コイルも設けていない制動装置を用いた。そして、上記と同様に制動試験を実施し、制動力を測定した。

これらの測定結果から制動力及び生成電力を評価した。制動力に関しては、比較例の制動試験において、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍであるときの制動力（６２０Ｎｍ）を規準の「１」とし、これに対する比率で評価した。また、生成電力に関しては、本発明例の制動試験において、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍであるときの誘起電圧（１０Ｖ）を規準の「１」とし、これに対する比率で評価した。

図８は、実施例１の試験結果として制動力の挙動をまとめた図である。図９は、実施例１の試験結果として誘起電圧の挙動をまとめた図である。図８に示すように、制動力は、本発明例（第１実施形態）の減速装置と、比較例の減速装置とで、ほぼ同じことがわかる。このことから、第１実施形態の減速装置は、電力生成機能が付加されていない制動装置と同程度の制動力を確保できるといえる。また、図９に示すように、本発明例（第１実施形態）の減速装置は、有効に電力を生成できることがわかる。

［実施例２］
実施例２では、前記図４、図５Ａ〜図５Ｃ及び図６に示す第２実施形態の減速装置の構成を前提とする。すなわち、制動ドラムの端部に切欠き部が設けられ、その切欠き付き端部の領域に外周面側から対向して電力生成用コイルを備えた構成を前提とする。

切欠き部の深さは、制動ドラムの軸方向の全長を１００％とした比率で３水準（本発明例１〜３）に変更した。具体的には、切欠き部の深さは、本発明例１では約１５．６％とし、本発明例２では約２１．４％とし、本発明例３では約２７．２％とした。電力生成用コイルとしては、本発明例１〜３それぞれの切欠き部の深さに応じた大きさの鉄心に電導線を１０ターン巻いた巻線コイルを用い、これを３２個設置して直列につないだ。その電導線の抵抗値は、本発明例１では約０．３１Ω、本発明例２では約０．３８Ω、本発明例３では約０．４４Ωとした。

このような構成の制動装置を用いて制動試験を実施し、制動力及び誘起電圧を測定した。これらの測定は、前記実施例１のときと同様に、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍ、２４００ｒｐｍ、１８００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、６００ｒｐｍ及び０ｒｐｍの時点で行った。

これらの測定結果から制動力及び生成電力を評価した。制動力に関しては、前記実施例１のときと同様に、その比較例の制動試験において、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍであるときの制動力（６２０Ｎｍ）を規準の「１」とし、これに対する比率で評価した。また、生成電力に関しては、前記実施例１における本発明例の制動試験において、回転軸の回転数が３６００ｒｐｍであるときの誘起電圧（１０Ｖ）を規準の「１」とし、これに対する比率で評価した。

図１０は、実施例２の試験結果として制動力の挙動をまとめた図である。図１０に示すように、本発明例１〜３（第２実施形態）の減速装置の制動力は、比較例の減速装置と比べて、僅かな低下はあるものの、同程度であることがわかる。このことから、第２実施形態の減速装置は、電力生成機能が付加されていない制動装置と同程度の制動力を確保できるといえる。なお、制動力の低下は、制動ドラムの端部に設けられる切欠き部の深さに対応する。

図１１は、実施例２の試験結果として誘起電圧の挙動をまとめた図である。図１１に示すように、本発明例１〜３（第２実施形態）の減速装置の誘起電圧制動力は、前記実施例１における本発明例の減速装置と比べて、制動ドラムの端部に設けられる切欠き部の深さが浅い場合（本発明例１）は小さく、切欠き部の深さが深い場合（本発明例２及び３）は大きいことがわかる。このことから、第２実施形態の減速装置は、切欠き部の深さ次第で、第１実施形態よりも有効に電力を生成できるといえる。

本発明の電力生成機能付き渦電流式減速装置は、ＨＥＶ及びＥＶを含めたあらゆる車両の補助ブレーキとして極めて有用である。

１：制動ドラム、 １ａ：放熱フィン、 １ｂ：端面、
１ｃ：突起部、 １ｄ：端部、 １ｅ：切欠き部、
２：磁石保持リング、 ３：永久磁石、
４：スイッチ板、 ５：スイッチ板保持リング、
６：ロータ支持部材、 ７：ステータ支持部材、
８：電力生成用コイル、 ９：コイル支持部材、 １０：回転軸

Claims (5)

1. 車両の回転軸に固定された円筒状の制動部材と、
   前記制動部材の内側に配置された強磁性材の磁石保持部材であって、前記制動部材の内周面に対向するように円周方向にわたり等間隔に複数の磁石を保持する磁石保持部材と、
   制動時には前記磁石と前記制動部材との間に磁気回路を発生し、非制動時には前記磁気回路を発生しない状態に切り替える制動切替え機構と、を備え、
   前記制動部材の軸方向の端面に、円周方向にわたり等間隔に複数の突起部が設けられ、
   前記突起部が設けられた前記制動部材の前記端面の領域に対向するように、前記車両の非回転部に、円周方向にわたり等間隔に複数の電力生成用コイルを備え、
   制動時には前記磁石と前記電力生成用コイルの円周方向の位置が一致する、電力生成機能付き渦電流式減速装置。
2. 車両の回転軸に固定された円筒状の制動部材と、
   前記制動部材の内側に配置された強磁性材の磁石保持部材であって、前記制動部材の内周面に対向するように円周方向にわたり等間隔に複数の磁石を保持する磁石保持部材と、
   制動時には前記磁石と前記制動部材との間に磁気回路を発生し、非制動時には前記磁気回路を発生しない状態に切り替える制動切替え機構と、を備え、
   前記制動部材の軸方向の端部に、円周方向にわたり等間隔に複数の切欠き部が設けられ、
   前記切欠き部が設けられた前記制動部材の前記端部の領域に外周面側から対向するように、前記車両の非回転部に、円周方向にわたり等間隔に複数の電力生成用コイルを備え、
   制動時には前記磁石と前記電力生成用コイルの円周方向の位置が一致する、電力生成機能付き渦電流式減速装置。
3. 請求項２に記載の渦電流式減速装置において、
   前記切欠き部が設けられた前記制動部材の前記端部の外径が当該端部以外の部分の外径よりも小さい、電力生成機能付き渦電流式減速装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の渦電流式減速装置において、
   前記磁石が永久磁石であり、
   前記永久磁石は、磁極の向きが径方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極が交互に異なるように配置される、電力生成機能付き渦電流式減速装置。
5. 請求項４に記載の渦電流式減速装置において、
   前記制動切替え機構として、前記制動部材の内周面と前記永久磁石との隙間に、前記永久磁石の配置角度と一致するように、円周方向にわたり等間隔に複数の強磁性材のスイッチ板が設けられ、
   前記スイッチ板は、前記磁石保持部材に対し相対的に円周方向に旋回可能に構成され、制動時には前記永久磁石と重なる状態に維持され、非制動時には互いに隣接する前記永久磁石の間を跨ぐ状態に維持される、電力生成機能付き渦電流式減速装置。
   

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