JP2009232528A - 渦電流制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高回転域での制動力の性能を向上させた渦電流制動装置を提供する。
【解決手段】回転軸に設けられて磁性体かつ導電体の材料により形成された回転ドラム３３と、回転ドラム３３の内部に設けられた円筒状のブラケット１１と、ブラケット１１の外周面に回転ドラム３３の内周面に対向して周方向等間隔に設けられた複数の電磁石２０とを備え、回転ドラム３３が電磁石２０から発生する磁束を横切るように回転したときに、回転ドラム３３内に発生する渦電流により回転ドラム３３の所定回転方向の回転を制動するように構成された渦電流リターダ１において、電磁石２０が、回転ドラム３３の内周面に対向し且つ径方向に延出された鉄心２１と、鉄心２１の径方向外側面に設けられ回転ドラム３３の内周面に臨む磁極片２３とを有し、磁極片２３が、径方向に延びる電磁石２０の中心軸Ｘに対して、磁極片２３の周方向一側面から所定回転方向とは反対方向側に延出する第１鍔部２３ａを有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両の制動に用いられ、渦電流リターダ等とも称される制動手段である渦電流制動装置に関する。

渦電流制動装置（渦電流リターダ）は従来からよく知られており、これらは特にトラック等のような大型車両に広く用いられている。この渦電流リターダは、例えば、長い下り坂を下る走行を行う場合に用いられ、サービスブレーキ（運転者がブレーキペダルを踏み込んで操作するブレーキ）の使用頻度を低減させ、運転者のブレーキ作動負担軽減、サービスブレーキのライニングやパッドの摩耗抑制、寿命向上といった効果が得られるものである。

渦電流リターダは、変速機からアクスルシャフトまでの動力伝達経路中に配設され、車体に固定保持される固定部と、出力軸およびプロペラシャフト等とともに回転する回転部とから構成されている。ここで、固定部に取り付けられて回転部に作用させる磁界を発生する磁力源（磁石）としては、電磁石と永久磁石とに大別されるが、例えば、電磁石を用いた渦電流リターダとしては次のようなものがある。

この渦電流リターダにおいて、固定部には、磁性体の材料によって形成された芯部材と、この芯部材の径方向外側面に設けられた磁極片と、芯部材に巻き付けられた電磁コイル（渦電流発生コイル）とからなる電磁石が放射状に複数配設される。回転部は、磁性体かつ導電体の材料から有底筒状に形成された回転ドラム（回転体）を有しており、この回転ドラムにおける筒状部が電磁石を覆って出力軸等とともに回転するように構成される（例えば、特許文献１参照）。そして、車両の走行中に運転者が作動スイッチの操作を行って電磁コイルに通電することにより、電磁石と回転ドラムとを結ぶ磁束回路が形成されて、回転ドラムに渦電流が生起され出力軸等の減速制動がなされる。
特開平６−２５３５２７号公報

上記の渦電流リターダに例示されるように、電磁石の磁極片を中心軸（径方向に延びる磁石の中心軸）に対して周方向対称に形成することで制動力を向上させることは一般に知られているが、このように磁極片を周方向対称に形成した場合には、図９に示すように、低回転域から高回転域に移行するにつれて制動力は低下していくことになる。このように低回転域と高回転域とで制動力の性能差が著しくあるときには、低車速では制動が可能な下り坂でも、高車速になると制動ができない虞があり、この結果として運転者によるサービスブレーキを十分に補助することができず、パッドの早期摩耗等を発生させる原因になっている。また、低回転域で得られた渦電流リターダによる制動力が高回転域では十分に発揮されず、運転時において運転者に違和感を生じさせる原因ともなる。このことは、永久磁石を用いた渦電流リターダにおいても同様であり、磁力源が電磁石であるか永久磁石であるかに拘らず渦電流リターダにおいて高回転域での制動力を如何に確保するかが大きな課題となっている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高回転域での制動力の性能を向上させた渦電流制動装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る渦電流制動装置は、回転軸に設けられて磁性体かつ導電体の材料により形成された回転体（例えば、実施形態における回転ドラム３３）と、回転体の内部に設けられた円筒状の磁石支持部材（例えば、実施形態におけるブラケット１１）と、磁石支持部材の外周面に回転体の内周面に対向して周方向等間隔に設けられた複数の磁石（例えば、実施形態における電磁石２０）とを備え、回転体が磁石から発生する磁束を横切るように回転したときに、回転体内に発生する渦電流により回転体の所定回転方向の回転を制動するように構成された渦電流制動装置（例えば、実施形態における渦電流リターダ１）において、磁石が、回転体の内周面に対向し且つ径方向に延出された芯部材（例えば、実施形態における鉄心２１）と、芯部材の径方向外側面に設けられ回転体の内周面に臨む磁極部材（例えば、実施形態における磁極片２３）とを有し、磁極部材が、径方向に延びる磁石の中心軸に対して、磁極部材の周方向一側面から所定回転方向とは反対方向側に延出する第１鍔部を有して構成される。

このように構成された渦電流制動装置において、磁極部材が、中心軸に対して、磁極部材の周方向他側面から所定回転方向と同一方向側に延出する第２鍔部を有し、第１鍔部の延出長さが、第２鍔部の延出長さよりも長く設定されていることが好ましい。

また、磁極部材は、周方向外側の側面が円弧状に形成され、周方向内側の側面が直線状又は円弧状に形成されていることが好ましい。

さらに、磁石は、第１鍔部の延出長さが芯部材の周方向長さの０．１倍から１．３倍の長さとなるように形成されていることが好ましい。

本発明に係る渦電流制動装置によれば、回転体の高回転域における制動力の低下を防止し所要の制動力を確保することができるため、低回転域から高回転域まで制動力の性能が高い渦電流制動装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態においては、渦電流制動装置は、車両の動力伝達経路中（例えば、変速機からアクスルシャフトまでの動力伝達経路）に配設されるものであり、図１および図２に示すように構成される、いわゆる渦電流リターダと称されるものである。なお、この車両には、運転者が足で踏み込んで操作するフートブレーキ（サービスブレーキ）にも備えられている。

渦電流リターダ１は、変速機の出力軸上もしくはこれに繋がるプロペラシャフト上に配設され、ここを介して伝達される駆動を制動（減速制動）する。この渦電流リターダ１は、車体（図示しない）に固定保持されるブラケット１１およびこのブラケット１１に取り付けられた複数の電磁石２０等からなる固定部１０と、変速機の出力軸等により回転自在に保持されるフランジ３１およびこのフランジ３１に結合された回転ドラム３３等からなる回転部３０とを主体に構成される。

固定部１０を構成するブラケット１１は円筒部１１ａを有し、この円筒部１１ａの外周面上にほぼ等間隔で放射状に複数の電磁石２０，２０，…が取り付けられている。なお、この電磁石の数は必要とする制動力に応じて、数個から数十個取り付けられるが、本実施形態の渦電流リターダ１においては１２個の電磁石２０が複数のボルト１２によりそれぞれ取り付けられている。

各電磁石２０は、図３に示すように、回転ドラム３３の内周面に対向し且つ半径方向に延出された鉄心２１と、この鉄心２１に巻装された電磁コイル（渦電流発生コイル）２２と、鉄心２２の半径方向の外側面に設けられ回転ドラム３３の内周面に臨む磁極片２３とから構成される。このうち鉄心２１および磁極片２３は、例えば鉄などの強磁性体かつ導電体の材料から形成される。また、電磁石２０において、周方向に隣接する電磁石２０の電磁コイル２２では、電線の巻付方向がそれぞれ異なっている。なお、電磁石２０は、鉄心２１および磁極片２３を一体に形成してもよく、鉄心２１、磁極片２３およびブラケット１１（円筒部１１ａ）を一体に形成してもよい。

磁極片２３は、図１および図３に示すように、半径方向に延びる鉄心２１の中心軸（径方向に延びる磁石の中心軸）Ｘに対して非対称な形状に形成されている。この磁極片２３には、図３に示すように、周方向に（制動を掛けるドラム回転方向に対して中心軸Ｘを境界に反対方向側に）大きく突出した第１鍔部２３ａと、周方向に（制動を掛けるドラム回転方向に対して中心軸Ｘを境界に同一方向側に）小さく突出した第２鍔部２３ｂとが一体に形成されている。磁極片２３の外周面（回転ドラム３３の内周面に臨む面）は、回転ドラム３３の内周面の湾曲に合わせて円弧状に形成されている。磁極片２３の内周面（鉄心２１への取付面）は鉄心２１の外周面に合わせて平面状に形成されている。なお、以下の説明においては、図３に示すように、磁極片２３の第１鍔部２３ａの鍔長さをＡとし、第２鍔部２３ｂの鍔長さをＢとして表すこととする。

一方、回転部３０を構成するフランジ３１には、図２に示すように、回転ドラム３３の内周端部が複数のボルト３２により締結されている。回転ドラム３３の円筒状部は各電磁石２０を覆っており、この状態で、磁極片２３の外周面が回転ドラム３３の内周面に対して所定のクリアランスを有して近接対向して位置する。また、回転ドラム３３の円筒状部外周には複数の放熱フィン３４が形成されている。なお、回転ドラム３３は、例えば鉄などの強磁性体かつ導電体の材料から形成される。

以上の構成の渦電流リターダ１において、フランジ３１は図示しないカップリングやシャフト等を介して、変速機出力軸もしくはこれに繋がるプロペラシャフトに連結され、回転部３０はこれら出力軸およびプロペラシャフトとともに回転する。そして、回転部３０を減速制動する場合には、電磁石２０の電磁コイル２２を通電させる。すると電磁コイル２２が巻装された鉄心２１が磁化されて、各鉄心２１の外周面に設けられた磁極片２３がＮ極またはＳ極のいずれかに磁化される（各電磁石２０の磁極が周方向に交互にＮ極とＳ極との配置になる）。これにより磁極片２３から磁束が発生して、この磁極片２３と回転ドラム３３とを結ぶ磁束回路が形成される。この磁束は回転ドラム３３を横切るため、回転ドラム３３に渦電流が発生し、この渦電流の作用により回転ドラム３３の回転方向とは逆方向に制動トルクが発生して回転が減速制動されることとなる。なお、この回転部３０の減速制動は、電磁石２０（電磁コイル２２）の通電を切ることにより解除される。

ここで、渦電流により回転ドラム３３に生じる制動力は、回転ドラム３３に作用する磁束（磁束密度）の大きさに比例して大きくなることが一般に知られている。すなわち、回転ドラム３３に到達するときの磁束密度を大きくして、回転ドラム３３内に発生する渦電流を強くすれば回転ドラム３３に生じる制動力が増大することになる。以下、図４から図８を参照して、電磁石２０（磁極片２３）から回転ドラム３３に作用する磁束密度の分布状態をもとに従来の渦電流リターダ１′と本実施形態の渦電流リターダ１との制動力の性能の違いについて説明する。

まず、従来の電磁石１′（磁極片が周方向に対して対称な形状）を用いた場合における磁極片２３′から作用する磁束密度の分布を図４（ａ），（ｂ）に示す。ここで、図４（ａ），（ｂ）中、縦軸は、磁極片２３′と回転ドラム３３との間隙中心の磁束密度を示し、横軸は、回転軸中心（回転ドラム３３の回転軸中心）に対する周方向の角度をもとに磁極片２３′の位置を示す。また、この例示では、図４（ａ），（ｂ）において第１鍔部２３ａ′および第２鍔部２３ｂ′が鉄心２１′から左右に突出する第１および第２鍔部２３ａ′，２３ｂ′の鍔長さＡ，Ｂは、鉄心幅をＣとして、
Ａ＝Ｂ＝０．１２Ｃ（鍔長さＡ，Ｂは鉄心幅Ｃの０．１２倍の長さ）
となるように設定している。なお、この磁束密度分布は計算機を利用して電磁場解析方法により導出しているが、このような電磁場解析についてはすでに周知なのでその詳細説明は省略する。

図４（ａ）に示すように、回転ドラム３３から作用する磁束密度は、回転ドラム３３の停止時（０ｒｐｍ）のときには磁極片２３′の外周面全体からほぼ均一に発生しているのに対して、５００ｒｐｍ（低回転数）まで回転させたときには、回転ドラム３３内に発生する渦電流（渦電流から発生する磁束）の作用によりドラム回転方向に対して同一方向側に偏り減少しているのがわかる。そして、図４（ｂ）に示すように、３０００ｒｐｍ（高回転数）まで上昇させると渦電流が増加することにより、低回転数のときと比較して磁束密度が全体的に減少していることがわかる。このように従来の渦電流リターダ１′においては、回転数を高回転域に移行していくことにより、回転ドラム３３に作用する磁束密度が減少して、回転ドラム３３に生じる制動力が低下するという問題があった。そこで、高回転域での制動力を向上させるために、本実施形態に係る渦電流リターダ１を構成する磁極片２３には、上述したように、ドラム回転方向に対して反対方向側に大きく突出する第１鍔部２３ａが形成され、電磁石２０の中心軸Ｘに対して非対称形状となっている。

それでは、上記のように非対称形状に形成された磁極片２３を有する電磁石２０から作用する磁束密度の分布を図５（ａ），（ｂ）に示して、以下これを説明する。ここで、図５（ａ），（ｂ）中、縦および横軸は、すでに説明した図４における当該軸と同様である。また、図５（ａ），（ｂ）においては、第１鍔部２３ａの鍔長さＡを変更させた場合の磁束密度を四角印、三角印、バツ印および丸印で示している。具体的には、四角印が、Ａ＝０．２４Ｃ，Ｂ＝０．０４Ｃのときに得られた磁束密度を示し、三角印が、Ａ＝０．３６Ｃ，Ｂ＝０．０４Ｃのときに得られた磁束密度を示し、バツ印が、Ａ＝０．４８Ｃ，Ｂ＝０．０４Ｃのときに得られた磁束密度を示し、丸印が、Ａ＝０．６０Ｃ，Ｂ＝０．０４Ｃのときに得られた磁束密度を示している。

図５（ａ）に示すように、５００ｒｐｍ（低回転数）で磁極片２３から作用する磁束密度は、図４で示した従来例と同様に、回転ドラム３３内に発生する渦電流（渦電流から発生する磁束）の作用によりドラム回転方向に対して同一向側に偏っており、第１鍔部２３ａの鍔長さＡの大きさの違いによる磁束密度の変化はほとんどなく、ほぼ一致している。これに対して、図５（ｂ）に示すように、３０００ｒｐｍ（高回転数）のときには、第１鍔部２３ａの鍔長さＡが大きくなるにつれて磁束密度が大きくなり、丸印（Ａ＝０．６０Ｃ）での磁束密度がこの中で最も大きくなることがわかる。これにより、第１鍔部２３ａの鍔長さＡを大きくすることにより磁束密度も大きくすることができ、この結果として、回転ドラム３３に生じる制動力も大きくすることができることとなる。

さらに図６を用いて、高回転数（３０００ｒｐｍ）での第１鍔部２３ａの鍔長さＡに対する渦電流リターダ１の制動トルクを測定した結果を示す。ここで図６中、縦軸は、制動トルクを示し、横軸は、鉄心幅Ｃに対する第１鍔部２３ａの鍔長さＡの割合（Ａ／Ｃ×１００％）を示す。この図６に示すグラフからも、高回転域において制動トルクは第１鍔部２３ａの鍔長さＡにほぼ比例して向上することがわかる。したがって、高回転域に移行するにつれて低下する制動力を、第１鍔部２３ａの鍔長さＡを大きく設定することで制動力の低下を抑止することができ、低回転域のみならず高回転域においても性能の高い渦電流リターダを実現することが可能になる。なお、図６では、鉄心幅Ｃに対する鍔長さＡの割合が約２５％〜約１００％の場合における制動トルクとの関係を例示しているが、第１鍔部２３ａの鍔長さＡは、必要とする制動力や電磁石２０（磁極片２３）の形状や寸法などに応じて設定されるものであるため、上記範囲に限定されるものではない。

また、本実施形態の渦電流リターダ１の制動トルクを従来例と比較した結果を図７に示しているが、この図７からも、本実施形態の渦電流リターダ１によれば、従来例に比べて高回転域での制動トルクを向上できることがわかり、高回転域においても運転者によるサービスブレーキを十分に補助することができ、パッドの早期磨耗等の不具合を防止することができるようになる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に示されたものに限定されない。例えば、上述の実施形態では、磁界を発生させる磁力源（磁石）として電磁石を用いて構成した渦電流リターダを例示したが、これに限定されるものではなく、図８に示すように磁力源として永久磁石を用いて構成してもよい。この場合にも、永久磁石４０の磁極片４３をドラム回転方向に対して反対方向側に大きく突出するような第１鍔部４３ａを形成することにより、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、このとき制動および非制動の切り換えには、図示による説明は省略するが、この永久磁石４０を保持する磁石支持部材をアクチュエータにより制動位置と非制動位置とに移動させる制御が必要になる。

また、上述の実施形態においては、磁極片２３は、外周面が回転ドラム３３の内周面の湾曲に合わせて円弧状に形成され、内周面が鉄心２１の外周面に合わせて平面状に形成されているが、これに限定されるものではなく、内周面についても外周面に平行する円弧状に形成して、磁極片を側面視において略扇形状に形成してもよい。このときは、鉄心の外周面を磁極片の内周面に合わせて円弧状に形成したり、磁極片と鉄心を一体に形成したりすることが好ましい。

本発明の一実施形態に係る渦電流制動装置を示す正面図である。 上記渦電流制動装置を示す図１の矢印Ｖ−Ｖに沿った断面図である。 上記渦電流制動装置を示す図１の要部拡大図である。 従来の渦電流制動装置における磁束密度と電磁石の位置との関係を表すグラフであり、（ａ）は非回転時および低回転時を示し、（ｂ）は非回転時および高回転時を示す。 本実施形態の渦電流制動装置における磁束密度と電磁石の位置との関係を表すグラフであり、（ａ）は低回転時を示し、（ｂ）は高回転時を示す。 本実施形態における第１鍔部の鍔長さと制動トルクとの関係を表すグラフである。 従来および本実施形態の渦電流制動装置における回転数と制動トルクとの関係を示すグラフである。 異なる実施形態における渦電流制動装置を示す要部拡大図である。 従来の渦電流制動装置における回転数と制動トルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 渦電流リターダ（渦電流制動装置）
１０ 固定部
１１ ブラケット（磁石支持部材）
２０ 電磁石（磁石）
２１ 鉄心（芯部材）
２２ 電磁コイル
２３ 磁極片（磁極部材）
２３ａ 第１鍔部
３０ 回転部
３３ 回転ドラム（回転体）
４０ 永久磁石（磁石）
４３ 磁極片（磁極部材）
４３ａ 第１鍔部
Ｘ 中心軸

Claims (4)

1. 回転軸に設けられて磁性体かつ導電体の材料により形成された回転体と、
   前記回転体の内部に設けられた円筒状の磁石支持部材と、
   前記磁石支持部材の外周面に前記回転体の内周面に対向して周方向等間隔に設けられた複数の磁石とを備え、
   前記回転体が前記磁石から発生する磁束を横切るように回転したときに、前記回転体内に発生する渦電流により前記回転体の所定回転方向の回転を制動するように構成された渦電流制動装置において、
   前記磁石が、前記回転体の内周面に対向し且つ径方向に延出された芯部材と、前記芯部材の径方向外側面に設けられ前記回転体の内周面に臨む磁極部材とを有し、
   前記磁極部材が、径方向に延びる前記磁石の中心軸に対して、前記磁極部材の周方向一側面から前記所定回転方向とは反対方向側に延出する第１鍔部を有して構成されることを特徴とする渦電流制動装置。
2. 前記磁極部材が、前記中心軸に対して、前記磁極部材の周方向他側面から前記所定回転方向と同一方向側に延出する第２鍔部を有し、
   前記第１鍔部の延出長さが、前記第２鍔部の延出長さよりも長く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の渦電流制動装置。
3. 前記磁極部材は、周方向外側の側面が円弧状に形成され、周方向内側の側面が直線状又は円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦電流制動装置。
4. 前記磁石は、前記第１鍔部の延出長さが前記芯部材の周方向長さの０．１倍から１．３倍の長さとなるように形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の渦電流制動装置。

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