JPS6016169A - うず電流ブレ−キ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はうす電流ブレーキに関するものであり、更に詳
しくはエルゴメータ等の負荷手段に使用するうず電流ブ
レーキに関する。

エルゴメータとして市場に提供されているものの１つに
モナーク社のエルゴメータがある。この装置は足の屈伸
運動により回転駆動され名フライホイールとこのフライ
ホイールに摩擦力により負荷を印加するためのイルトか
ら構成されており、ベルト先端に装架する重りにより負
荷量を調整するものである。この装置はフライホイール
が一定回転数であれば、印加する重りにより直接負荷量
が測定できるので体力測定の場合正確なデータを得るこ
とができるが、時間がかかると共に装置が大型かつ調整
が煩維である。

又最近電気的負荷手段を備えたエルゴメータが市場に提
供されている。この１つに、ねずみ鋳鉄から製造された
フライホイールと、フライホイールの回転数を検出する
ための同転センサーと、トルク検出用のひずみゲージと
を備えており、ひずみゲージの出力とフライホイールの
回転数出力との相互関係から電磁ブレーキ装置に供給す
る電流を制御して一定トルクを得るようにした装置があ
る。

また他の構成として、上記したフライホイールの回転数
、トルク及び制御電流値の関係をあらかじめコンクリー
ト等により計算してめ、記憶装置に記憶させておき、プ
ログラムに基づく命令コードに従って、フライホイール
の回転数と目標とする制動力より判断して制動用コイル
に流す電流を決定することにより一定トルクを得るよう
にした装置がある。

これら２つの装置に於て、前者は機械的なトルク検出手
段を備えているために、使用開始前又は経年変化に伴う
調整が煩雑である。また後者は事前に複雑な計算を行な
わなければならず、かつこの計算結果をデータとして記
憶する別個の記憶装置が必要である。これらの装置は負
荷手段を電気的に複雑に制御することにより一定トルク
を得ようとするものである。またいずれもインナーロー
タ及びアウターステータという構成であるので、励磁コ
イルを配設するアウターステータが大型となりインナー
ロータが高熱になるという欠点がある。

従って本発明は上記欠点に鑑みなされたものであり、負
荷手段の電気的構成ではなく機械的構成に注目したもの
であり、その構成自体でほぼ一定トルクが得られる５ず
電流ブレーキを提供することを目的とする。

上記目的は、アウターロータと、インナーロータと、イ
ンナーステータ内に設けられた複数個の励磁コイルと、
励磁コイルを付勢するための電流源からなるうず電流ブ
レーキであって前記アウターロータを炭素含有量０．１
２％及びシリコン含有量０．３５％以下の鉄鋼材料から
構成することにより達成することができる。

また前記アウターロータを２種類の鉄鋼材料の同心円構
造とし、その内周部ロータ材料を構造用炭素鋼管（Ｓ’
Ｉ’Ｋ又はＳＴＫＭ）として知られる鋼管の中から炭素
含有量０．１２１及びシリコン含有量０．３５％以下の
ものを選択し、これをねずみ鋳鉄等の鋳鉄材料からなる
外周部ロータに挿入すると好適である。

上記の構成とすることにより、伺ら電気的に複雑に制御
することなく一定トルクが得られるうず電流ゾレーキを
得ることができる。また本発明の構成は同一負荷値に於
ける電流値を従来のねずみ鋳鉄製のうず電流ブレーキと
比較して大幅に減少させることができるのでブレーキ装
置（フライホイール部材）の発熱が少なく特に放熱を考
慮する必要がなくなる。

又、アウターロータの外周部材として、内周部ロータに
対して単にフライホイール効果を付与するのみの目的で
、コンクリート等の非鉄材料を用いてもよい。

以下添付図面を用いて本発明の詳細な説明する。

本発明者らは、うず電流ブレーキを構成する場合にブレ
ーキ力をめるために従来のうず電流ブレーキの特性を決
定するパラメータを解析し、その中からフライホイール
の材料自体に関するパラメータを解析したところ、固有
抵抗と透磁率が犬　・きく関係していることがわかった
。

本発明者らは前記した固有抵抗（ΩｃｒＩＬ）及び透磁
率（Ｈ／１ｎ）に着目し、種々の材料からフライホイー
ルを作成しそのブレーキ力と励磁コイルの励磁電流との
関係を測定した。この結果を第１図として示した。図中
■は純鉄、■は鋳鋼、■は従来のねずみ鋳鉄により作成
したフライホイールのブレーキカー励磁電流特性である
。この時の負荷装置の又ダル回転数は５０ｒｐｍである
。この場合、ギヤ比が１５に設定されているのでフライ
ホイールは７５０　ｒｐｍである。図から容易に理解で
きるように、少ない電流値で最も高負荷が得られるのは
純鉄製のフライホイールであり、次いで鋳鋼製のフライ
ホイール、そしてこれら２者とは比較にならない根性能
の悪いものが従来使用されているねずみ鋳鉄製のフライ
ホイールである。

従ってフライホイール材料としては純鉄又は鋳鋼製のも
のが好ましいということが判断できる。

更に本発明者らは、これら使用した鉄材料の成分とブレ
ーキ特性との関係を調べたところ、Ｓｌ（シリコン）の
含有率が固有抵抗に関係しており、その量が少ない程固
有抵抗が小さくなること、及び炭素の含有率が透磁率に
関係しており、その量が少ない程透磁率が大きくなるこ
とがわかった。

各フライホイールの成分を分析した結果を表１に示した
。

表　１ 純鉄　鋳鋼鋳鉄ねずみ鋳鉄 炭素０．００３０．１６０．１８３．０４シリコン　０
．０６　０．１６　０，５５　２．１マンガン　ｎ、２
０　０．５３　１．５０　０．６５リ　ン　０．０４　
０．０４　０．０６１イオウ　０．０４　’　０．０４
　０．００８８従って本発明者らは、うず電流ブレーキ
を構成する場合、そのフライホイールの材料の組成成分
を規定することにより、特性の優れた、かつ小策（７） 流で大きな負荷を得ることができるという結論に達した
。

この結論に従えば、フライホイールを鉄材料の中で炭素
及びシリコンの含有量が最も少ない純鉄を用いて構成す
れば一番良い特性、かつ小電流で最大の負荷値を得るこ
とができる。

しかし、純鉄は市場では入手が困難であり、高価格であ
るので、本発明者らは、純鉄と近似した特性の得られる
鋳鋼を用いてフライホイールを製造したところ、はぼ満
足のゆく特性を得ることができた。この場合、フライホ
イールの緒特性と市場での入手の容易さを考慮し、市場
で容易に入手できる構造用炭素鋼管（ＪＩＳに於てＳＴ
Ｋ又はＳＴＫＭとして定められているもの）を励磁コイ
ルに面する内周９部材とし、外周側をフライホイール効
果を生じさせるた吟に、ねずみ鋳鉄により外周側部材を
製造しても、全体を鋳鋼により製造した場合とほぼ同じ
結果が得られることがわかった。但しこの場合、ＳＴＫ
又はＳＴＫＭと呼ばれる構造用炭素鋼管の組成成分はＪ
ＩＳに於てはその上限が定められ（８） ているのみであるので、前記構造用炭素鋼管を使用する
場合には規格品として製造された鋼管の中から所望の炭
素及びシリコンの含有率条件を満たすもの又は合致する
ものを選択しなければならない。実施例として従来のね
ずみ鋳鉄により製造したフライホイールをＡ型とし、励
磁コイルに対向する円周側を５ＴＫ−５０から炭素及び
シリコンの含有率（Ｃ＝０．１２％以下、５ｉ＝０．３
５チ以下）の条件を満たすものを選択したものをＢ型と
してうず電流ブレーキを構成した。この２重構造及びね
ずみ鋳鉄で製造したフライホイールを有するうず電流ブ
レーキの特性を第３図から第８図に示した。

第３図及び第４図は従来及び本発明に係るうず電流ブレ
ーキのＷ　−Ｉ　ｓ％性である。第１図にて示した様に
、同じ印加電流値に於て、本発明に係るフライホイール
を用いた場合の方が大きな負荷力を得られると共に各回
転数に於ける負荷値間で差が少なく、その曲線が２乗曲
線で近似できる。特に第３図に於ては４０ｒｐｍ時の曲
線が他の曲線からかなりはずれている。

第５図及び第６図は従来及び本発明に係るうず電流ブレ
ーキのトルク−回転数特性である。うず電流ブレーキを
用いた負荷装置のはダルの実用回転数範囲を４０〜６　
Ｏｒｐｍとしてその電流値及びトルクの変動範囲を比較
したものを表１として示した。

表　１ 従　来　本発明 上記比較から容易に理解できるように、本発明に係るフ
ライホイール構成は、励磁コイルの電流値を一定にした
場合、フライホイールのペダルの実用回転数範囲に於て
従来例より格段に変動が少なく、かつ高出力負荷を得る
ことができるものである。

第７図及び第８図にトルク−励磁電流特性な各回転数を
基に示した。図中斜線で示した部分は回転数及びトルク
の実用回転数内での変動幅を示す図であり、正確に一定
負荷とする場合電流値を更に制御する等して補償しなけ
ればならない部分である。実用範囲としてトルクを５０
　ｒｐｍ時３００Ｗの点である３８．８ｋｇ−ｃｍ以下
と想定すると、第８図に示した斜線部分は第７図に示し
た斜線部分と比較すると殆ど無視できる程度である。こ
のことは本発明のフライホイールを用いたりず電流ブレ
ーキは、外部からの特別な補償回路により補正すること
なくほぼ励磁電流の２乗特性で実用範囲に於ける定トル
ク特性を得ることができる。

第９図は本発明に係るうず電流ブレーキの一実施例を示
す図でありねずみ鋳鉄製の外周側ロータ１に構造用炭素
鋼管（ＳＴＫ−５０）からなる内周側ロータ２が内ばめ
されている。一方インナーステータ３上には６個の励磁
コイル４が前記ロータ２と対向する様に配設されており
、励磁コイルは互いに直列接続されており、その両端が
外部に設けられた電源５に接続されている。

以上述べた様に、本発明に係るフライホイールを備見た
うす電流ブレーキは、そのフライホイール材料の組成成
分のうちの炭素及びシリコンの量を一定値以下と限定す
ることにより、従来のものよりも格段に優れた定トルク
特性を得られると共に、同じ励磁コイルの電流値で高負
荷を得ることができるのでブレーキ装置の発熱量を低く
押さえることができる。

また市場で容易に入手可能な構造用炭素鋼管の中から炭
素とシリコンの含有量が一定値以下のを選択し内周側ロ
ータとし、従来使用されていたねずみ鋳鉄の外周側ロー
タに挿入することによりロータ全体を鋳鋼を用いた場合
と同じ（純鉄に近い）特性を得ることができるので、そ
の製造を容易かつ安価に行なうことができろ。又、前記
構成に於てアウターロータの外周部部材を非鉄部材のコ
ンクリート等で作成しても、アウターロータ全体を鋳鋼
部材で作成した場合と同じ性能が得られると共に、内周
部部材に対してフライホイール効果を付与することがで
きる。又、本発明の構成は、従来とは異なり、インナー
ステータ、アウターロータとしであるので発熱するアウ
ターロータがその回転による対流で自然に放熱できると
いう利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はフライホイール材質によるブレーキカー励磁電
流特性を示す図であり、 第２図は純鉄のブレーキカー励磁電流特性を示す図であ
り、 第３図及び第４図は従来及び本発明のＷ−Ｉｓ％性を示
す図であり、 第５図及び第６図は従来及び本発明のトルク−回転数特
性を示す図であり、 第７図及び第８図は従来及び本発明のトルク−励磁電流
特性を示す図であり、 第９図は本発明のうず電流ブレーキの一実施例を示す図
である。 （図中符号）　１：外周側ロータ、２：内周側ロータ、
３：ステータ、４：励磁コイル、５：電源。 代理人　弁理士（８１０７）　佐々木　清隆（ほか３名
） 特開昭ＧＯ−１６１６９（８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アウターロータと、インナーステータと、インナー
   ステータ内に設けられた複数個の励磁コイルと、励磁コ
   イルを付勢するための電流源からなるうず電流ブレーキ
   であって前記アウターロータは炭素含有量０．１２％以
   下及びシリコン含有量０．３５１以下の鉄鋼材料から構
   成されていることを特徴とするうず電流ブレーキ。 ２）前記アウターロータは２種類の鉄鋼材料の同心円構
   造であり、その内周部ロータ材料は構造用炭素鋼管（Ｓ
   ＴＫ又はＳＴＫＭ）から選択された前記含有量を満足す
   る鋼管であり、鋳鉄材料からなる外周部ロータに挿入さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   うず電流ブレーキ。 ３）前記同心円構造のアウターロータの外周部は任湾・
   ′のｉ非鉄：＠オ料（コンクリート）からなり、内周部
   に対してフライホイール効果を付与していることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項に記載のうず電流メレーキ
   。