JP7343818B2 - 渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

本開示は、渦電流式減速装置に関する。

トラックやバス等といった大型車両の補助ブレーキとして、従来、渦電流式減速装置が使用されている。例えば特許文献１に開示されているように、渦電流式減速装置は、車両の回転軸に固定されるロータと、車両の非回転部に固定されるステータとを備える。ロータは、回転軸に取り付けられたハブと、円筒状の導電体であるロータ本体とを含む。ロータ本体の軸方向の一端部は、複数のスポークを介し、ハブに接続されている。ステータは、ロータ本体の内側においてロータ本体の周方向に配列された複数の磁石を保持している。

渦電流式減速装置のロータは、車両の回転軸とともに回転し、空気抵抗を受ける。特許文献２では、この空気抵抗を低減するため、ロータ本体をハブに接続するスポークの横断面形状に工夫が施されている。より詳細には、特許文献２において、スポークの横断面は、ロータ本体の軸方向における長さがロータ本体の周方向における長さよりも相当に小さい形状を有する。特許文献２によれば、このような横断面形状をスポークが有することでスポークの少なくとも一部が平坦化されるため、ロータの回転時における空気抵抗を低減することができる。

特開２００１－７８４２５号公報 特表２０１３－５２１７４９号公報

渦電流式減速装置がオンの状態（制動状態）では、磁石列によって生成された磁界内を導電体であるロータ本体が回転することにより、ロータ本体に渦電流が発生する。この渦電流と磁界との相互作用により、ロータ本体において回転方向と逆向きの制動力が発生する。このとき、ロータ本体に固定された各スポークには、ロータ本体の周方向の曲げ荷重が負荷される。すなわち、回転方向と逆向きの制動力がロータ本体に作用することにより、各スポークに対して回転方向と逆向きの曲げ荷重が負荷される。これにより、各スポークでは、回転方向において前側の部分が伸び、回転方向において後ろ側の部分が縮む曲げが発生する。

一方、渦電流式減速装置がオフの状態（非制動状態）では、ロータ本体に磁界が作用せず、制動力は発生しない。そのため、各スポークには、ロータ本体の周方向の曲げ荷重は負荷されない。制動状態と非制動状態との切り替えが繰り返されることにより、各スポークには、周方向の曲げ荷重が繰り返し負荷されることになる。

また、渦電流式減速装置が制動状態にある場合、渦電流が流れるロータ本体にジュール熱が発生し、ロータ本体の温度が上昇する。これにより、ロータ本体が熱膨張して拡径する。このとき、ロータ本体の軸方向の一端部では、スポークが固定されていることにより、その変形が制限される。一方、ロータ本体の軸方向の他端部は、スポークが固定されていないため、自由に変形することができる。よって、ロータ本体では、スポーク側の端部の径よりも、これと反対側の端部の径の方が大きくなる。その結果、各スポークには、ロータ本体の軸方向の曲げ荷重が負荷される。各スポークでは、ロータ本体側の部分が伸び、ロータ本体と反対側の部分が縮む曲げが発生する。

渦電流式減速装置が制動状態から非制動状態に切り替えられると、ロータ本体の温度が低下し、ロータ本体が収縮して元の形状に復帰する。そのため、各スポークには、ロータ本体の軸方向の曲げ荷重は負荷されない。制動状態と非制動状態との切り替えが繰り返されることにより、各スポークには、軸方向の曲げ荷重が繰り返し負荷されることになる。

このように、スポークには、ロータ本体の周方向及び軸方向の曲げ荷重が繰り返し負荷される。しかしながら、特許文献１及び２に例示されるような従来の渦電流式減速装置では、スポークに負荷される周方向及び軸方向の曲げ荷重について特に考慮されていない。渦電流式減速装置の耐久性の観点から、スポークに負荷される周方向及び軸方向の双方の曲げ荷重を考慮することにより、スポークの疲労損傷を抑制することが好ましい。

本開示は、スポークの疲労損傷を抑制することにより、渦電流式減速装置の耐久性を向上させることを課題とする。

本開示に係る渦電流式減速装置は、ロータと、ステータと、を備える。ロータは、ハブと、ロータ本体と、スポークと、を含む。ハブは、回転軸に取り付けられる。ロータ本体は、円筒状を有する。スポークは、ハブからロータ本体に向かって延び、ロータ本体の軸方向の一端部に固定される。ロータは、回転軸とともに回転する。ステータは、ロータ本体の内側又は外側に配置される。スポークは、第１中立軸と、第２中立軸と、を有する。第１中立軸は、スポークをロータ本体の周方向に曲げたときの中立軸である。第１中立軸は、周方向におけるスポークの中心線よりもロータの回転方向で前方に位置する。第２中立軸は、スポークをロータ本体の軸方向に曲げたときの中立軸である。第２中立軸は、軸方向におけるスポークの中心線よりもロータ本体側に位置する。

本開示によれば、スポークの疲労損傷を抑制することができ、それにより渦電流式減速装置の耐久性を向上させることができる。

図１は、実施形態に係る渦電流式減速装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、実施形態に係る渦電流式減速装置の概略構成を示す別の断面図である。 図３は、図１及び図２に示す渦電流式減速装置に含まれるロータをスポーク側から見た図である。 図４Ａは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図４Ｂは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図４Ｃは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図４Ｄは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図４Ｅは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図４Ｆは、図３に示すロータに使用されるスポークの横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。 図５は、図１及び図２に示す渦電流式減速装置の制動状態を説明するための模式図である。 図６は、図１及び図２に示す渦電流式減速装置の非制動状態を説明するための模式図である。 図７Ａは、従来のスポークの横断面形状を例示する図である。 図７Ｂは、従来のスポークの横断面形状を例示する図である。 図７Ｃは、従来のスポークの横断面形状を例示する図である。 図８は、渦電流式減速装置のロータにおいて、スポークに負荷される周方向の曲げ荷重を説明するための模式図である。 図９は、渦電流式減速装置のロータにおいて、スポークに負荷される軸方向の曲げ荷重を説明するための模式図である。

上述した通り、渦電流式減速装置が制動状態にある場合、ロータ本体とハブとを接続するスポークには、ロータ本体の周方向及び軸方向の曲げ荷重が負荷される。図８及び図９は、渦電流式減速装置のロータにおいて、スポークに負荷される曲げ荷重を説明するための模式図である。

図８に示すように、渦電流式減速装置のロータ９０において、ロータ本体９１に回転方向Ｒと逆向きの制動力Ｆが発生すると、ロータ本体９１をハブ９２に接続するスポーク９３には、ロータ本体９１の周方向の曲げ荷重Ｐ１が負荷される。曲げ荷重Ｐ１により、スポーク９３は、回転方向Ｒと逆向きに曲げられる。そのため、スポーク９３では、ロータ本体９１の回転方向Ｒにおいて前側の部分に引張応力σ_ｔ１が発生し、後ろ側の部分に圧縮応力σ_ｃ１が発生する。

一方、図９において二点鎖線で示すように、ロータ本体９１が熱膨張し、ロータ本体９１のうちスポーク９３と反対側の端部が相対的に大きく拡径した場合、スポーク９３には、ロータ本体９１の軸方向の曲げ荷重Ｐ２が負荷される。曲げ荷重Ｐ２により、スポーク９３は、軸方向においてロータ本体９１と反対側に曲げられる。そのため、スポーク９３では、ロータ本体９１側の部分に引張応力σ_ｔ２が発生し、ロータ本体９１と反対側の部分に圧縮応力σ_ｃ２が発生する。渦電流式減速装置が制動状態から非制動状態に切り替えられると、曲げ荷重Ｐ１，Ｐ２及び応力σ_ｔ１，σ_ｔ２，σ_ｃ１，σ_ｃ２が除去される。

このように、スポークでは、ある部分において引張応力のみが繰り返し発生し、他の部分において圧縮応力のみが繰り返し発生する。すなわち、スポークには、いわゆる片振り条件の疲労負荷が与えられる。

材料に片振り条件の疲労負荷が与えられる場合、疲労負荷が引張応力であるときの方が、応力の絶対値が同じであっても、疲労負荷が圧縮応力であるときと比較して材料の疲労寿命が短くなる。例えば、材料のうち引張応力のみが繰り返し発生する部分では、き裂が発生しやすく、発生したき裂が成長しやすい。これに対して、材料のうち圧縮応力のみが繰り返し発生する部分では、き裂が発生しにくく、その成長も生じにくい。そこで、本発明者等は、引張応力に注目し、圧縮応力が大きくなったとしても引張応力を低減することができるスポークの形状を検討した。

スポークのような棒状の部材が曲げられたとき、部材内では、曲げによって伸ばされる領域に引張応力、曲げによって縮められる領域に圧縮応力が発生する。これらの領域の中間には、伸縮しない中立面が存在する。この中立面と、当該中立面に垂直な部材の断面との交線を中立軸という。部材が曲げられたときに発生する応力は、中立軸からの距離が大きいほど高くなる。したがって、ロータ本体に発生した制動力により、スポークがロータ本体の周方向に曲げられる場合、スポークでは、周方向の曲げの中立軸からロータの回転方向において前方に離れるほど引張応力が高くなり、後方に離れるほど圧縮応力が高くなる。引張応力の最大値を低減するためには、スポークにおいて、周方向の曲げの中立軸から回転方向で前側の表面までの距離を短縮すればよい。

ロータ本体の熱膨張により、スポークがロータ本体の軸方向に曲げられる場合、スポークでは、軸方向の曲げの中立軸からロータ本体側に向かうほど引張応力が高くなり、ロータ本体と反対側に向かうほど圧縮応力が高くなる。引張応力の最大値を低減するためには、スポークにおいて、軸方向の曲げの中立軸からロータ本体側の表面までの距離を短縮すればよい。

本発明者等は、以上の知見に基づき、実施形態に係る渦電流式減速装置を完成させた。

実施形態に係る渦電流式減速装置は、ロータと、ステータと、を備える。ロータは、ハブと、ロータ本体と、スポークと、を含む。ハブは、回転軸に取り付けられる。ロータ本体は、円筒状を有する。スポークは、ハブからロータ本体に向かって延び、ロータ本体の軸方向の一端部に固定される。ロータは、回転軸とともに回転する。ステータは、ロータ本体の内側又は外側に配置される。スポークは、第１中立軸と、第２中立軸と、を有する。第１中立軸は、スポークをロータ本体の周方向に曲げたときの中立軸である。第１中立軸は、周方向におけるスポークの中心線よりもロータの回転方向で前方に位置する。第２中立軸は、スポークをロータ本体の軸方向に曲げたときの中立軸である。第２中立軸は、軸方向におけるスポークの中心線よりもロータ本体側に位置する（第１の構成）。

第１の構成に係る渦電流式減速装置のロータにおいて、スポークは、ロータ本体の周方向に曲げられたときの中立軸である第１中立軸を有する。この第１中立軸は、ロータ本体の周方向におけるスポークの中心線よりも、ロータの回転方向で前方に配置されている。そのため、スポークにおいて、第１中立軸から回転方向で前側の表面までの距離は、第１中立軸と周方向の中心線とが一致している場合と比較して小さくなる。よって、ロータ本体に発生した制動力により、周方向の曲げ荷重がスポークに負荷されたとき、スポークに発生する引張応力の最大値を低減することができる。

また、スポークは、ロータ本体の軸方向に曲げられたときの中立軸である第２中立軸を有する。この第２中立軸は、ロータ本体の軸方向におけるスポークの中心線よりも、ロータ本体側に配置されている。そのため、スポークにおいて、第２中立軸からロータ本体側の表面までの軸方向の距離は、第２中立軸と軸方向の中心線とが一致している場合と比較して小さくなる。よって、ロータ本体の熱膨張により、軸方向の曲げ荷重がスポークに負荷されたとき、スポークに発生する引張応力の最大値を低減することができる。

このように、第１の構成によれば、渦電流式減速装置の使用時において、スポークがロータ本体の周方向に曲げられたときにスポークに発生する引張応力と、スポークがロータ本体の軸方向に曲げられたときにスポークに発生する引張応力との双方を同時に低減することができる。そのため、スポークの疲労損傷を抑制することができ、スポークの疲労寿命を延長することができる。その結果、渦電流式減速装置の耐久性を向上させることができる。

渦電流式減速装置には、車両への搭載性の向上や車両の燃費の向上等の観点から、小型軽量化が求められる。渦電流式減速装置を小型軽量化するためには、スポークも小型化する必要がある。第１の構成によれば、スポークが疲労損傷しにくくなるため、スポークを小型化することが可能となる。よって、渦電流式減速装置を小型軽量化することができる。

渦電流式減速装置には、例えば積載量が大きい車両の制動性能不足を解消するため、高制動力化が求められる。高制動力化された渦電流式減速装置では、その高い制動力、及びこれに伴う大きな発熱量により、スポークに負荷される曲げ荷重が増大し、スポークが疲労損傷しやすくなる。しかしながら、第１の構成によれば、ロータ本体の周方向及び軸方向の曲げ荷重が負荷されたときにスポークに発生する引張応力が低減されるため、スポークの疲労損傷を抑制することができる。そのため、第１の構成に係る渦電流式減速装置は、高制動力化に対応することができる。

実施形態に係る渦電流式減速装置において、スポークのうちロータ本体側の表面は、ロータ本体の軸方向に対して垂直な平面であることが好ましい（第２の構成）。

第２の構成によれば、スポークのロータ本体側の表面は、ロータ本体の軸方向に対して実質的に垂直な平面である。すなわち、スポークのロータ本体側の表面は、実質上、突出又は隆起する部分が存在しない平らな面で構成されている。そのため、ロータ本体の内側又は外側に配置されたステータに、スポークを近接させることができる。その結果、軸方向における渦電流式減速装置の寸法を小さくすることができる。

スポークは、ロータの回転方向の後方に向かうにつれてロータ本体の軸方向の長さが減少する横断面を有することが好ましい（第３の構成）。

第３の構成によれば、スポークの横断面は、ロータの回転方向の後方に向かうにつれて軸方向の長さが減少するように形成されている。これにより、ロータの回転時、スポークの表面に沿って回転方向の後方に流れる気流が剥離しにくくなるため、スポークが受ける空気抵抗を低減することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

［渦電流式減速装置の構成］
図１は、本実施形態に係る渦電流式減速装置１００の概略構成を示す縦断面図である。減速装置１００は、例えば、トラックやバス等といった車両の補助ブレーキとして使用される。縦断面とは、減速装置１００が用いられる車両の回転軸２００の軸心Ｘを含む平面で切断したときの断面をいう。回転軸２００は、例えば、プロペラシャフトや、ドライブシャフトである。以下、軸心Ｘが延びる方向を軸方向といい、軸心Ｘを中心とする円環又は円筒の周方向及び径方向を単に周方向及び径方向という。

図１を参照して、減速装置１００は、ロータ１０と、ステータ２０とを備える。ロータ１０は、車両の回転軸２００とともに軸心Ｘ周りに回転する。ステータ２０は、回転軸２００とともに回転しないよう、例えばトランスミッションカバー等といった車両の非回転部に固定されている。

ロータ１０は、ロータ本体１１と、ハブ１２と、複数のスポーク１３とを含む。ロータ本体１１は、実質的に、回転軸２００の軸心Ｘを中心とする円筒状をなす。ロータ本体１１は、例えば、炭素鋼、低合金鋼、又は鋳鋼等の強磁性材料で構成されている。より具体的には、ロータ本体１１は、例えば、クロムモリブデン鋼、又は低合金鋼鋳鋼等で構成される。また、例えば、重量割合で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５～１．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｍｏ：０．２～１．０％、Ｎｂ：０．０１～０．０３％、Ｖ：０．０３～０．０７％、Ｂ：０．０００５～０．００３％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２～０．０９％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部は実質的にＦｅからなる鋼により、ロータ本体１１が構成されていてもよい。ロータ本体１１を構成する材料は、高い耐熱性を有するものであることが好ましい。ロータ本体１１の内周面は、導電率が高い銅めっき層で被覆されてもよい。ロータ本体１１の外周面には、複数の放熱フィン１４が設けられている。

ハブ１２は、径方向においてロータ本体１１よりも内側に配置されている。ハブ１２は、ロータ本体１１から軸方向の一方側に位置をずらして配置されている。ハブ１２は、回転軸２００の軸心Ｘを中心とする概略円環板状をなす。ハブ１２は、支持部材３０を介し、回転軸２００に取り付けられる。ハブ１２は、例えば鋼製であり、典型的には鋳鉄で構成されている。

複数のスポーク１３は、ハブ１２の周りにおいて放射状に配置されている。各スポーク１３は、ハブ１２からロータ本体１１に向かって径方向に延びている。各スポーク１３は、回転軸２００に取り付けられたハブ１２に対し、ロータ本体１１を接続する。そのため、ロータ本体１１は、回転軸２００、ハブ１２、及びスポーク１３とともに軸心Ｘ周りに回転する。特に限定されるものではないが、ロータ本体１１とハブ１２との間には、例えば８～１０本程度のスポーク１３が設けられる。

各スポーク１３の径方向外側の端部１３１は、ロータ本体１１の軸方向の一端部に固定されている。各スポーク１３の径方向内側の端部１３２は、ハブ１２の外周面に設けられた凹部１２１に挿入されている。端部１３２は、ハブ１２に固定されていない。図１に示す例において、スポーク１３のロータ本体１１側の表面１３３は、軸方向に対して実質的に垂直な平面となっている。

スポーク１３は、例えば、炭素鋼や鋳鋼等の強磁性材料で構成されている。より具体的には、スポーク１３は、例えば、クロムモリブデン鋼、又は低合金鋼鋳鋼等で構成される。スポーク１３を構成する材料は、高い強度を有するものであることが好ましい。スポーク１３の材料は、ロータ本体１１の材料と異なっていてもよいし、同一であってもよい。

ステータ２０は、径方向においてロータ本体１１の内側に配置されている。ステータ２０は、ステータケース２１と、磁石保持部材２２と、複数の永久磁石２３と、複数のポールピース２４とを含んでいる。

ステータケース２１は、ケース本体２１１と、本体保持部材２１２とを含む。ケース本体２１１は、軸心Ｘを中心とする概略円環板状に形成されている。ケース本体２１１は、スポーク１３の表面１３３と対向する。ケース本体２１１のスポーク１３側の表面は、スポーク１３の表面１３３と実質的に平行な平面であることが好ましい。ケース本体２１１は、本体保持部材２１２に固定されている。

本体保持部材２１２は、ケース本体２１１に対向する側部２１２ａと、側部２１２ａからケース本体２１１に向かって突出する底部２１２ｂとを含む。底部２１２ｂは、支持部２１２ｃを介し、車両の非回転部に取り付けられる。ケース本体２１１と、本体保持部材２１２の側部２１２ａ及び底部２１２ｂとにより、ステータ２０の内部に収容空間が形成される。この収容空間内に、磁石保持部材２２、複数の永久磁石２３、及び複数のポールピース２４が配置されている。

磁石保持部材２２は、軸心Ｘを中心とする円筒状をなす。磁石保持部材２２は、実質的にロータ本体１１と同軸に配置されている。磁石保持部材２２は、例えば、炭素鋼や鋳鋼等の強磁性材料で構成されている。

磁石保持部材２２は、例えばリング状のスライドプレート（図示略）を介し、ステータケース２１に対して周方向に摺動可能に取り付けられる。磁石保持部材２２は、リンク機構（図示略）により、エアシリンダや電動アクチュエータ等の駆動装置（図示略）に接続されている。この駆動装置が作動することにより、磁石保持部材２２が回転軸２００周りに回転し、ステータケース２１に対して周方向に移動する。磁石保持部材２２を回転軸２００周りに回転させることにより、減速装置１００において制動状態と非制動状態とが切り替えられる。

図２は、減速装置１００を回転軸２００の軸心Ｘに垂直な平面で切断したときの部分断面図である。図２では、ステータケース２１が省略されている。

図２に示すように、磁石保持部材２２は、その外周面上に複数の永久磁石２３を保持している。これらの永久磁石２３は、所定の間隔を空けて周方向に配列されている。永久磁石２３の各々は、例えば接着剤により、磁石保持部材２２の外周面に固定されている。永久磁石２３は、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、又はサマリウムコバルト磁石等である。

永久磁石２３の各々は、一対の磁極（Ｎ極，Ｓ極）を有する。各永久磁石２３の磁極の向きは、径方向に沿うとともに、両隣の永久磁石２３の磁極の向きと反転している。すなわち、各永久磁石２３は、径方向の内側にＮ極又はＳ極を有し、径方向の外側にこれと反対のＳ極又はＮ極を有する。

ポールピース２４は、例えば、炭素鋼や鋳鋼等の強磁性材料で構成されている。ポールピース２４は、ロータ本体１１と永久磁石２３との間において、所定の間隔を空けて周方向に配列されている。本実施形態の例において、ポールピース２４の数は、永久磁石２３の数と等しい。

［ロータの詳細構成］
以下、図３及び図４Ａ～図４Ｆを参照し、ロータ１０の構成をより詳細に説明する。

図３は、スポーク１３側から見たロータ１０の一部を示す図である。図３を参照して、スポーク１３は、ロータ本体１１とハブ１２との間で径方向に延びている。スポーク１３の径方向の両端部１３１，１３２のうち、外側の端部１３１は、例えば溶接により、円筒状のロータ本体１１の端面に固定されている。内側の端部１３２は、スポーク１３がハブ１２に対して径方向に移動可能なよう、ハブ１２の凹部１２１内に差し込まれている。

スポーク１３は、径方向の全長又はほぼ全長にわたり、均一な形状の横断面を有する。スポーク１３のうち、少なくとも、ハブ１２から露出し且つロータ本体１１に固定されていない部分１３４では、横断面形状が一律である。スポーク１３の横断面とは、径方向に延びるスポーク１３を、当該径方向と直交する平面で切断したときの断面をいう。すなわち、図３におけるＩＶ－ＩＶ断面がスポーク１３の横断面である。

図４Ａ～図４Ｆは、ロータ１０に使用されるスポーク１３の横断面形状として採用され得る形状を例示する図である。図４Ａ～図４Ｆにそれぞれ示すスポーク１３Ａ～１３Ｆは、互いに異なる横断面形状を有する。スポーク１３には、例えば、スポーク１３Ａ～１３Ｆのいずれかが適用される。

図４Ａ～図４Ｆを参照して、符号Ｃ１が付された一点鎖線は、周方向におけるスポーク１３Ａ～１３Ｆの各中心線（周方向幅の中央）であり、符号Ｃ２が付された一点鎖線は、軸方向におけるスポーク１３Ａ～１３Ｆの各中心線（軸方向幅の中央）である。符号Ｎ１が付された二点鎖線は、スポーク１３Ａ～１３Ｆをそれぞれ周方向に曲げたときの中立軸である。スポーク１３Ａ～１３Ｆの各々において、周方向の曲げを受けたときに引張応力及び圧縮応力のいずれも生じない中立面と、横断面との交線が中立軸Ｎ１となる。符号Ｎ２が付された二点鎖線は、スポーク１３Ａ～１３Ｆをそれぞれ軸方向に曲げたときの中立軸である。スポーク１３Ａ～１３Ｆの各々において、軸方向の曲げを受けたときに引張応力及び圧縮応力のいずれも生じない中立面と、横断面との交線が中立軸Ｎ２となる。

スポーク１３Ａ～１３Ｆの全てにおいて、周方向に曲げられたときの中立軸Ｎ１は、周方向の中心線Ｃ１よりも回転方向Ｒで前方に位置する。すなわち、スポーク１３Ａ～１３Ｆの各々において、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの前端までの距離Ｄｆは、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの後端までの距離Ｄｒよりも小さい。スポーク１３Ａ～１３Ｆの重心は、回転方向Ｒにおいて中心線Ｃ１よりも前方に位置している。スポーク１３Ａ～１３Ｆの各横断面は、中心線Ｃ１に対して非対称の形状となっている。

また、スポーク１３Ａ～１３Ｆの全てにおいて、軸方向に曲げられたときの中立軸Ｎ２は、軸方向の中心線Ｃ２よりもロータ本体１１側に位置する。すなわち、スポーク１３Ａ～１３Ｆの各々において、中立軸Ｎ２からロータ本体１１側の端までの距離Ｄｐは、中立軸Ｎ２からロータ本体１１と反対側の端までの距離Ｄｄよりも小さい。スポーク１３Ａ～１３Ｆの重心は、軸方向において中心線Ｃ２よりもロータ本体１１に近い位置に配置されている。スポーク１３Ａ～１３Ｆの各横断面は、中心線Ｃ２に対して非対称の形状となっている。スポーク１３Ａ～１３Ｆの各横断面形状は、いかなる直線を軸にとっても非対称である。

スポーク１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｄ～１３Ｆは、それぞれ、回転方向Ｒの後方に向かうにつれて軸方向の長さが実質的に減少する横断面を有している。また、スポーク１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｄ～１３Ｆの各横断面では、ロータ本体１１から軸方向に遠ざかるにつれて周方向の長さが実質的に減少している。すなわち、スポーク１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｄ～１３Ｆは、全体又は略全体として、回転方向Ｒにおいて後方に向かうほど先細りとなるとともに、軸方向においてロータ本体１１の逆側に向かうほど先細りとなる形状を有している。

スポーク１３Ａ～１３Ｃの横断面は、複数の直線によって画定されており、直線同士の間に角を有する。一方、スポーク１３Ｄ，１３Ｅの横断面では、直線同士が曲線によって接続されている。スポーク１３Ｆでは、横断面の輪郭が曲線のみで構成されている。すなわち、スポーク１３Ｄ～１３Ｆは、角がない横断面形状を有している。

スポーク１３Ａ～１３Ｅでは、横断面視で、ロータ本体１１側の表面１３３が全体的に直線状となっている。すなわち、スポーク１３Ａ～１３Ｅのロータ本体１１側の表面１３３は、軸方向に対して実質垂直な平面である。これに対して、スポーク１３Ｆのロータ本体１１側の表面１３３は、横断面視で曲線状となっている。

［渦電流式減速装置の動作］
以下、主に図５及び図６を参照して、減速装置１００の動作について説明する。図５及び図６は、それぞれ、減速装置１００の制動状態及び非制動状態を説明するための模式図である。

（制動状態）
まず、図５を参照して、減速装置１００が制動状態にある場合、各永久磁石２３は、ポールピース２４の直下に配置される。そのため、各永久磁石２３からの磁束は、ポールピース２４を通過し、回転軸２００とともに回転するロータ本体１１に到達する。これにより、ロータ本体１１の内周面に渦電流が発生する。この渦電流と永久磁石２３が生成する磁界との相互作用により、ロータ本体１１には、回転方向Ｒと逆向きの制動力が発生する。また、渦電流の発生に伴い、ロータ本体１１でジュール熱が発生し、ロータ本体１１の温度が上昇する。これにより、ロータ本体１１の熱膨張が生じる。

ロータ本体１１に回転方向Ｒと逆向きの制動力が発生すると、ロータ本体１１に固定されたスポーク１３では、径方向外側の端部１３１に対し、回転方向Ｒと逆向きの曲げ荷重（周方向の曲げ荷重）が負荷される。

ロータ本体１１が熱膨張するときには、ロータ本体１１の軸方向の両端部のうち、スポーク１３側の端部と比較して、スポーク１３によって拘束されていない側の端部が径方向外側に大きく変形する。すなわち、ロータ本体１１では、スポーク１３と反対側（図５において紙面奥側）の端部が径方向外側に反る変形が発生する。これにより、スポーク１３には、径方向外側の端部１３１に対し、ロータ本体１１と反対側に押す曲げ荷重（軸方向の曲げ荷重）が負荷される。

スポーク１３では、周方向の曲げ荷重が負荷されることにより、回転方向Ｒにおいて前側に凸となる曲げ変形が発生する。これにより、スポーク１３では、中立軸Ｎ１（図４Ａ～図４Ｆ）を境界として、回転方向Ｒにおいて前側の部分に引張応力が発生し、後ろ側の部分に圧縮応力が発生する。また、スポーク１３では、軸方向の曲げが負荷されることにより、軸方向においてロータ本体１１側に凸となる曲げ変形が発生する。これにより、スポーク１３では、中立軸Ｎ２（図４Ａ～図４Ｆ）を境界として、ロータ本体１１側の部分に引張応力が発生し、ロータ本体１１と反対側の部分に圧縮応力が発生する。

（非制動状態）
図６を参照して、減速装置１００が制動状態から非制動状態へと切り替わる際には、磁石保持部材２２が回転し、各永久磁石２３が隣り合うポールピース２４を跨ぐように配置される。非制動状態では、磁石保持部材２２、永久磁石２３、及びポールピース２４の間で磁気回路が形成され、永久磁石２３からの磁束がロータ本体１１に到達しない。そのため、ロータ本体１１に対する制動力は解除される。また、熱膨張していたロータ本体１１は、次第に冷却され、元の円筒状に回復する。したがって、スポーク１３に対する周方向及び軸方向の曲げ荷重、並びにスポーク１３における引張応力及び圧縮応力が除去される。

［効果］
本実施形態に係る渦電流式減速装置１００において、ロータ本体１１をハブ１２に接続する各スポーク１３は、周方向に曲げられたときの中立軸Ｎ１を有する。ロータ本体１１に制動力が発生し、周方向の曲げ荷重がスポーク１３に負荷されたときには、中立軸Ｎ１を境界として、回転方向Ｒにおいて前側の部分に引張応力が生じ、後ろ側の部分に圧縮応力が生じる。これらの応力の絶対値は、中立軸Ｎ１からの距離が大きくなるほど高くなる。

本実施形態では、スポーク１３の周方向の中心線Ｃ１よりも回転方向Ｒで前方に、中立軸Ｎ１が配置されている。そのため、スポーク１３において、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの前端までの距離Ｄｆは、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの後端までの距離Ｄｒよりも小さくなっている。これにより、スポーク１３が周方向の曲げ荷重を受ける際、引張応力の最大値を低減することができる。

本実施形態において、各スポーク１３は、さらに、軸方向に曲げられたときの中立軸Ｎ２を有する。ロータ本体１１の熱膨張に起因して軸方向の曲げ荷重がスポーク１３に負荷されたときには、中立軸Ｎ２を境界として、ロータ本体１１側の部分に引張応力が生じ、ロータ本体１１と反対側の部分に圧縮応力が生じる。これらの応力の絶対値は、中立軸Ｎ２からの距離が大きくなるほど高くなる。

本実施形態では、スポーク１３の中心線Ｃ２よりもロータ本体１１側に、中立軸Ｎ２が配置されている。そのため、軸方向において、中立軸Ｎ２からロータ本体１１側の端までの距離Ｄｐは、中立軸Ｎ２からロータ本体１１と反対側の端までの距離Ｄｄよりも小さくなっている。これにより、スポーク１３が軸方向の曲げ荷重を受ける際、引張応力の最大値を低減することができる。

本実施形態では、スポーク１３が周方向及び軸方向の曲げ荷重を受けた際、スポーク１３において発生する引張応力の最大値が小さくなる一方、圧縮応力の最大値は大きくなる。しかしながら、繰り返しの圧縮応力は、繰り返しの引張応力と比較して、スポーク１３の疲労損傷を生じさせにくい。そのため、スポーク１３において発生する引張応力の最大値を小さくすれば、それと引き替えに圧縮応力の最大値が大きくなったとしても、スポーク１３の疲労損傷を抑制することが可能となる。

参考のため、図７Ａ～図７Ｃにおいて、従来のスポークの横断面形状を例示する。図７Ａ及び図７Ｂにそれぞれ示すスポーク９３Ａ，９３Ｂでは、周方向における曲げの中立軸Ｎ１が中心線Ｃ１と一致している。そのため、スポーク９３Ａ，９３Ｂにおいて、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの前端までの距離Ｄｆは、中立軸Ｎ１から回転方向Ｒの後端までの距離Ｄｒと等しい。この場合、スポーク９３Ａ，９３Ｂが周方向に曲げられたときに発生する引張応力の最大値は、圧縮応力の最大値と等しくなる。すなわち、スポーク９３Ａ，９３Ｂの横断面形状は、周方向の曲げ荷重によって発生する引張応力を低減するものではない。

図７Ｃに示すスポーク９３Ｃでは、軸方向における曲げの中立軸Ｎ２が中心線Ｃ２と一致している。そのため、スポーク９３Ｃにおいて、中立軸Ｎ２からロータ本体側の端までの軸方向の距離Ｄｐは、中立軸Ｎ２からロータ本体と反対側の端までの軸方向の距離Ｄｄと等しい。この場合、スポーク９３Ｃが軸方向に曲げられたときに発生する引張応力の最大値は、圧縮応力の最大値と等しくなる。すなわち、スポーク９３Ｃの横断面形状は、軸方向の曲げ荷重によって発生する引張応力を低減するものではない。

このような従来のスポークに対して、本実施形態におけるスポーク１３は、周方向の曲げ荷重及び軸方向の曲げ荷重の双方を考慮し、周方向の曲げによる引張応力及び軸方向の曲げによる引張応力を同時に低減することができる横断面形状を採っている。そのため、スポーク１３の疲労損傷を効果的に抑制することができ、スポーク１３の疲労寿命を延長することができる。その結果、スポーク１３を含む渦電流式減速装置１００の耐久性を向上させることができる。

本実施形態によれば、スポーク１３の横断面の面積及びスポーク１３の重量を増加させることなく、スポーク１３の横断面形状を工夫するだけで、スポーク１３の疲労損傷を抑制することができる。スポーク１３が疲労損傷し難くなることにより、各スポーク１３を小型化し、あるいは、渦電流式減速装置１００に設けられるスポーク１３の数を減少させることが可能となる。これにより、渦電流式減速装置１００を小型軽量化することができ、渦電流式減速装置１００の車両への搭載性を向上させることができる。また、渦電流式減速装置１００が搭載される車両の燃費を向上させることができる。

本実施形態において、スポーク１３は、ロータ本体１１に発生する制動力及びロータ本体１１の熱膨張に起因して周方向及び軸方向の曲げ荷重が繰り返し負荷されても、疲労損傷しにくい横断面形状を有している。よって、このスポーク１３を用いた渦電流式減速装置１００を高制動力化することができる。

本実施形態において、図４Ａ～図４Ｅに例示されるスポーク１３Ａ～１３Ｅのロータ本体１１側の表面１３３は、軸方向に対して実質的に垂直な平面となっている。これにより、ロータ本体１１の内側に配置されたステータ２０にスポーク１３を近接させることができ、渦電流式減速装置１００の軸方向の寸法を小さくすることができる。

本実施形態において、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｄ～図４Ｆに例示されるスポーク１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｄ～１３Ｆは、それぞれ、回転方向Ｒの後方に向かうにつれて軸方向の長さが減少する横断面を有している。この場合、ロータ１０の回転中、スポーク１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｄ～１３Ｆの表面を回転方向Ｒの後方に流れる気流が当該表面から剥離しにくくなる。そのため、ロータ１０の空気抵抗を低減することができる。

特に、スポーク１３Ｄ～１３Ｆは、角がない横断面形状を有している。これにより、ロータ１０の空気抵抗をより低減することができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態において、スポーク１３Ａ～１３Ｅのロータ本体１１側の表面１３３は、実質的に平らな面である。しかしながら、スポーク１３の表面１３３の形状は、これに限定されるものではない。スポーク１３の表面１３３は、例えば、ロータ本体１１側に凸の曲面であってもよいし、これと逆向きの凹曲面であってもよい。

上記実施形態では、ステータ２０は、径方向においてロータ本体１１の内側に配置されている。しかしながら、ステータ２０は、径方向においてロータ本体１１の外側に配置されていてもよい。

上記実施形態では、永久磁石式の渦電流式減速装置１００に、スポーク１３を含むロータ１０が使用されている。しかしながら、電磁石式の渦電流式減速装置にロータ１０を使用することもできる。すなわち、減速装置１００において、磁石保持部材２２、永久磁石２３、及びポールピース２４等に代えて電磁石を設けることもできる。上記実施形態におけるスポーク１３の横断面形状を採用するに際し、ステータ２０の構造は、特に限定されるものではない。

１００：渦電流式減速装置
１０：ロータ
１１：ロータ本体
１２：ハブ
１３，１３Ａ～１３Ｆ：スポーク
２０：ステータ
２００：回転軸
Ｎ１，Ｎ２：中立軸
Ｃ１，Ｃ２：中心線

Claims (3)

1. 渦電流式減速装置であって、
   回転軸に取り付けられるハブと、円筒状のロータ本体と、前記ハブから前記ロータ本体に向かって延び、前記ロータ本体の軸方向の一端部に固定されるスポークと、を含み、前記回転軸とともに回転するロータと、
   前記ロータ本体の内側又は外側に配置されるステータと、
   を備え、
   前記スポークは、
   前記スポークを前記ロータ本体の周方向に曲げたときの中立軸であって、前記周方向における前記スポークの中心線よりも前記ロータの回転方向で前方に位置する第１中立軸と、
   前記スポークを前記軸方向に曲げたときの中立軸であって、前記軸方向における前記スポークの中心線よりも前記ロータ本体側に位置する第２中立軸と、
   を有する、減速装置。
2. 請求項１に記載の減速装置であって、
   前記スポークのうち前記ロータ本体側の表面は、前記軸方向に対して垂直な平面である、減速装置。
3. 請求項１又は２に記載の減速装置であって、
   前記スポークは、前記回転方向の後方に向かうにつれて前記軸方向の長さが減少する横断面を有する、減速装置。
   

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