JP4715546B2 - 渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、渦電流式減速装置に関し、特に、機関の回転軸に連結した制動ディスクに対して磁界を作用させるディスクタイプの渦電流式減速装置の改良に関する。

トラック等の大型車両の補助ブレーキ等に使用される渦電流式減速装置には、いくつかのタイプがある。機関の回転軸に連結した制動部材の形状に着目すると、ディスク状の制動部材を採用するタイプ（ディスクタイプ）と、ドラム状の制動部材を採用するタイプに大別される。また、磁気を発生する構成に着目すると、永久磁石を用いたもの、電磁石を用いたもの、更には永久磁石と電磁石の両方を用いた所謂ハイブリッドタイプに大別される。

特開２００４−６４８５４には、制動ディスクの永久磁石と反対側の面に冷却フィンを設けた渦電流式減速装置が開示されている。

特開２００４−６４８５４

上記のようなディスクタイプの渦電流減速装置は、制動時に制動ディスクに磁界を作用させることにより、渦電流を制動ディスクに発生させて制動トルクを生じさせる。減速された回転エネルギーは、熱に変えられてエネルギーを消費する。この熱エネルギーを発散させるために、制動ディスクには冷却フィンが設けられている。

渦電流式減速装置の制動ディスクは、車両の出力回転軸に取り付けられているため、車両が移動している限り回転している。単純に考えた場合、制動ディスクの裏面に設けられた冷却フィンは、大きくして面積を増やせば冷却効率は向上するが、回転時に空気の抵抗を受けるため、風損（回転時の空気抵抗によるエネルギーロス）も大きくなる。冷却フィンによる風損が大きいと、機関の効率を低下させる。

本発明は、上記のような状況に鑑みて成されたものであり、ディスクタイプの渦電流減速装置において、冷却性能を確保しつつ風損を減少させる、あるいは、風損を所定の範囲に抑えつつ冷却性能を向上できる渦電流式減速装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る渦電流式減速装置は、車両の回転軸に連結された制動ディスクと；前記車両の非回転部に連結され、磁界を発生する磁界発生部とを備えている。そして、前記磁界発生部によって発生した磁界を前記制動ディスクに作用させることにより、前記回転軸に対して制動力を発生させる構造である。前記制動ディスクの外周面に第１のフィンを設ける。

ここで、「回転軸」は、機関に接続されるものに限定されず、「車両」の回転軸であれば何処でも設置可能である。例えば、動輪ではない輪軸などに設置することも可能である。なお、「機関」とは、一般のエンジンや鉄道車両の電動モータなどの動力機関などであり、トランスミッションなどの変速機や減速機などまで含める概念と考えることができる。例えば、自動車のエンジンとトランスミッションを介して連結されるドライブシャフトなどの場合、トランスミッションまでを「機関」とし、ドライブシャフトを回転軸と考えてもよい。また、「車両」とは、自動車以外にも鉄道車両も含む。「車両の非回転部分」とは、車両の中で相対的に固定されている部分、例えば、自動車のシャーシ、ボディー、鉄道台車などをいう。「磁界発生部」は、構造が簡単なので永久磁石が好ましいが、コイルに電流を流して磁界を発生させる電磁石式、又は電磁石と永久磁石とを組み合わせたハイブリッドタイプも採用可能である。

前記制動ディスクにおいて、前記第１のフィンに加え、前記磁界発生部と反対側の面に第２のフィンを設けることが好ましい。

前記制動ディスクを、前記外周面の他に内周面を有する二重筒状に成形し、当該内周面に第３のフィンを更に設けることもできる。

前記第１のフィンの端部と前記第２のフィンの端部とが、前記制動ディスクの角部で連続する構造を採ることができる。あるいは、前記第１のフィンの端部と前記第２のフィンの端部とが、前記制動ディスクの角部で互い違いに配置される構造を採ることも可能である。これら２種のフィン端部の配置は、実際の使用状況や、設計条件等により適宜選択可能である。

本発明によれば、冷却性能を維持あるいは向上させつつ流動抵抗である風損を従来に比べて抑制する効果がある。従来の冷却用のフィンでは、フィンに沿った空気の流れに加え、フィンを乗り越える流れが発生し、空気の流れが乱れて流動抵抗が大きくなり、風損が増大していた。更に、本発明によれば、空気のフィン間流動が促進され、その空気流がフィンでの放熱に寄与することが期待できる。すなわち、本発明によって風損の低減や冷却効果の向上が可能になる。

以下、本発明について制動ディスクに対して永久磁石を近接、離間させるタイプの渦電流式減速装置を例にして説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）の要部の構造を示す断面図である。本実施例に係る渦電流式減速装置１０は、機関の回転軸１２に対して連結固定された強磁性体からなる制動ディスク１４と、車両のシャーシなどの非回転部分に固定され、制動ディスク１４の近傍に配置される制動ユニット（１６，２６，２８，３０，３２，３４）とを備えている。回転軸１２は、例えば、大型車両（トラック）のプロペラシャフトに連結される。

制動ユニットは、制動用の磁界を発生する磁界発生部としての複数の永久磁石１６と、当該永久磁石１６を保持するリング状又は円弧状の磁石保持部材２６と、これら永久磁石１６及び磁石保持部材２６を収容するケース３０と、磁石保持部材２６に連結され、永久磁石１６を制動ディスク１４に対して近接、離間移動させるための駆動機構としてのエアシリンダー３２，ピストンロッド２８，ピストン３４とを備えている。

第１実施例では、制動ディスク１４の外周面１４ａには、側面冷却フィン（第１のフィン）１４ｂが設けられている。図２は、制動ディスク１４を外周方向の垂直上部から見た図である。図２に示すように、側面冷却フィン１４ｂは制動ディスク１４の回転方向に対して、すくい角が４５°となるように設けられている。ここで、「すくい角」とは、制動ディスクの回転方向とフィンがなす角度をいう。側面冷却フィン１４ｂのすくい角は、３０°〜６０°程度とするのが好ましい。

ケース３０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、炭素鋼、鋳鉄、ステンレス鋼等の材質によって成形することができる。永久磁石１６は、例えば、磁石保持部材２６の円周方向において、制動ディスク１４の表面（制動面＝図の左側）に対向してる。永久磁石１６は複数の永久磁石ピースから構成され、永久磁石ピースは隣接する磁極面が互いに反対になるよう配されている。そして、磁石１６を制動ディスク１４の表面に接近して制動状態となり、制動ディスク１４から離れて非制動状態となる。

なお、図１には永久磁石１６と制動ディスク１４の間にポールピースを配置しない所謂「ポールピースレス」構造を示している。制動力の低下を防止するため及び、非制動時の磁気漏れを防止するために、軟磁性体からなるポールピースを設けた構造を採用することもできる。また、本実施例は、永久磁石１６を使用した構造であるが、永久磁石１６に代えて電磁石を用いることも可能である。その場合には、電磁石のコイルに流す電流のオン・オフにより制動を切り替えるため、磁石をディスク表面に対して移動可能に構成する必要はない。

制動ディスク１４においては、回転する制動ディスク１４の制動面に永久磁石１６からの磁力を作用させることによって制動トルクを発生する。側面冷却フィン１４ｂは、制動面付近で発生する熱を放散し、制動ディスク１４を冷却する。

制動ディスク１４は、側面冷却フィン１４ｂと制動ディスク本体部とを個別に成形し、これらを溶接などで一体として製造することができる。或いは、鋳造法や鋼塊からの削りだしによって製造することもできる。ロータの材質としては、例えば、機械構造用合金鋼やクロム−モリブデン鋼などを採用することができる。その他に、非磁性材例えば、アルミニウムなどにより構成することも可能である。

第１実施例によると、従来に比べて風損によるトルクを大幅に減少させることができる。具体的には、従来品（厚さ１７ｍｍの鋼製の制動ディスク、背面側にフィン２４〜８０枚、すくい角２８〜４５°、フィン高さ１０〜１５ｍｍ、フィン長さ５２．３ｍｍ〜６７．８ｍｍ）の３０００ＲＰＭ（回転／分）における風損トルクが、およそ３Ｎｍ〜４Ｎｍである。これに対し、本発明における同形状の制動ディスクで外周部に設けられた冷却フィン（フィン８０枚、すくい角４５°、フィン高さ９ｍｍ）の場合で１Ｎｍ程度と大幅に減少される。

図３は、本発明の第２実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）４０の要部の構造を示す断面図である。なお、第１実施例と同様な部分の説明は省略する。本実施例では、制動ディスク４４の外周部に、回転軸１２と平行な方向に張り出した外周延長部４４ｃが形成され、側面冷却フィン（第１のフィン）４４ｂが当該外周延長部４４ｃの外面に形成されている。外周延長部４４ｃは、永久磁石１６側に張り出している。

図４は、本発明の第３実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）４０の要部の構造を示す断面図である。なお、第１及び第２実施例と同様な部分の説明は省略する。本実施例では、制動ディスク４４は、外周面４４ａの他に内周面４４ｅを有する二重筒状に成形され、当該内周面４４ｅに内周フィン（第３のフィン）４４ｆが更に設けられている。詳しくは、制動ディスク４４の内周部に、回転軸１２と平行な方向で、永久磁石１６側に張り出した内周延長部４４ｇが形成され、当該内周延長部４４ｇの内周面４４ｅに内周フィン４４ｆが形成される。

図５には、図３に示す第２実施例に係る制動ディスク４４と、裏面に冷却フィンを有する比較例としての従来の制動ディスクを用いた渦電流式減速装置について、３０００ＲＰＭまでの風損トルクを示す。どちらも制動ディスクの直径は３５ｍｍで、規格の制動トルクは１５００ＲＰＭで、２００Ｎ・ｍ用とされているものである。本発明品は、１７ｍｍ厚のアルミ板の制動ディスクに側面冷却フィン４４ｂを外周側面部に設けてある。冷却フィン４４ｂは、８０枚あり高さが９ｍｍ、すくい角４５度としてあり、フィン長さは８４．９ｍｍである。一方、従来品の形状の冷却フィンは、制動ディスクの背面側に２４枚あり、高さが１５ｍｍ、すくい角２８度としてあり、フィン長さは５２．３ｍｍである。

図５から明らかなように、本発明品の風損は３０００ＲＰＭでも１．４Ｎｍほどしかない。一方、従来品の風損は３０００ＲＰＭでは４Ｎｍにもなる。このように、本発明品によると風損を劇的に低下させることができる。冷却性能については、他の実験結果およびシミュレーションの結果等より、従来品と遜色ない冷却性能が得られることが期待される。

図６は、本発明の第４実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）５０の要部の構造を示す断面図である。なお、第１〜第３実施例と同様な部分の説明は省略する。本実施例では、制動ディスク５４の外周部に回転軸１２と平行に両側に張り出した（断面Ｔ字型の）外周延長部５４ｃが形成されている。側面冷却フィン（第１のフィン）５４ｂは、外周延長部５４ｃの外面５４ａに設けられている。本実施例では、制動ディスク５４の裏面に、強磁性材からなる補助ディスク５５が設けられているので、制動ディスク５４が非磁性材や弱磁性材から構成される場合に、スイッチング時のスラスト荷重の低減とともに制動力を確保することが期待されるものである。

本実施例の構造とすることにより、第１〜第３の実施例に比べ、冷却フィンを長くすることができ、より高い放熱効果を期待できる

図７には、本発明の第５実施例に係る渦電流減速装置（リターダ）の要部構造を示す。図７は、図１の第１実施例に背面冷却フィン（第２のフィン）１４ｄを更に取り付けたものである。背面冷却フィン１４ｄは、制動ディスク１４の背面（永久磁石１６と反対側の面）に冷却フィンを取り付けたものである。この背面冷却フィン１４ｄのフィン高さは、側面冷却フィン１４ｂよりも低いが、この逆でもかまわない。また、背面冷却フィン１４ｄと側面冷却フィン１４ｂの端部同士が、制動ディスク１４の端部の接続部１４ｉで接続されている。これにより、風損による回転トルクのロスを抑えながら、より放熱性能が良い渦電流減速装置を得ることが可能となる。

図８には、本発明の第６実施例に係る渦電流減速装置（リターダ）の要部構造を示す。図８は、図３の第２実施例に背面冷却フィン（第２のフィン）４４ｄを更に取り付けたものである。上述した第５実施例と同様に、背面冷却フィン４４ｄは、制動ディスク４４の背面（永久磁石１６と反対側の面）に冷却フィンを取り付けたものである。この背面冷却フィン４４ｅのフィン高さは、側面冷却フィン４４ｂよりも低いが、この逆でも差し支えない。また、背面冷却フィン４４ｄと側面冷却フィン４４ｂの端部同士が、制動ディスク４４の端部の接続部４４ｉで接続されている。これにより、風損による回転トルクのロスを抑えながら、より放熱性能が良い渦電流減速装置を得ることが可能となる。

図９、１０は、背面冷却フィン１４ｄ（４４ｄ）と、側面冷却フィン１４ｂ（４４ｂ）との結合パターンを示す。図９の例では、側面冷却フィン１４ｂ（４４ｂ）と背面冷却フィン１４ｄ（４４ｄ）とがそれぞれの端部で、即ち制動ディスクの角部の端部で互いに位置的に合わせられ接続されている。これにより、空気の流れがスムーズになり、風損をより抑えることが可能となる。

また、図１０の例では、側面冷却フィン１４ｂ（４４ｂ）端部と背面冷却フィン１４ｄ（４４ｄ）端部が、互い違いに（オフセットして）配置されている。この場合、フィンの突端が増えるため、放熱性能の向上が期待される。
いずれにしても、本発明による側面冷却フィンには、風損を抑えながら冷却効果が期待できるため、背面冷却フィンを小さくすることが可能となる。実際の使用状況や、設計条件等によりこれらのフィンを組み合わせることは適宜可能である。

図１１及び図１２には、図７に示す本発明品による制動ディスクを用いた渦電流式減速装置と、ディスク背面にのみフィンを有する従来の制動ディスクを用いた渦電流式減速装置とにおいて、３０００ＲＰＭまでの風損トルクおよび制動時の制動ディスクの温度上昇カーブを示す。どちらも制動ディスクの直径は３５０ｍｍ、規格の制動トルクは１５００ＲＰＭで２００Ｎ・ｍ用とされているものである。本発明品は、１７ｍｍ厚の鋼製の制動ディスクに側面冷却フィンと背面冷却フィンを設けたものである。本発明品の側面冷却フィン１４ｂは、８０枚、高さ９ｍｍ、すくい角４５度、フィン長さ２３．６ｍｍである。そして、背面冷却フィン１４ｄは、８０枚、高さ６ｍｍ、すくい角４５度、フィン長さは５８．８ｍｍである。一方、従来品の形状の冷却フィンは、制動ディスクの背面側に２４枚あり、高さが１５ｍｍ、すくい角２８度としてあり、フィン長さは５２．３ｍｍである。

図１１から明らかなように、本発明品の風損は３０００ＲＰＭでも３．１６Ｎｍであり、従来品の風損は３０００ＲＰＭでは４Ｎｍである。また、図１２から明らかなように、同じ制動トルクを得る場合では、本発明品は最高到達温度が３５０℃程度となるのに比べ、従来品は４５０℃程度にもなる。このように、本発明品によると、風損の増加を抑制しつつ冷却性能を向上できる。

図１３は、本発明の第７実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）６０の要部の構造を示す断面図である。なお、第１〜第５実施例と同様な部分の説明は省略する。本実施例の制動ディスク６４は、外周部に永久磁石１６と反対側に伸びる外周延長部６４ｃを備えている。また、制動ディスク６４は、磁界が作用する領域と回転軸１２との間に湾曲部６６を有する。湾曲部６６は、永久磁石１６と反対側に突出した状態で湾曲している。外周延長部６４ｃの外面６４ａ上には、側面冷却フィン６４ｂが設けられている。なお、本実施例に関する風損特性および冷却性能に関しては、第２実施例と同様なので割愛する。

本実施例のように、制動ディスク６４に湾曲部６６を形成することにより、制動ディスク６４を回転軸１２に対して遠回りして支持する格好となる。これにより、近い位置で支持する場合と比べて、制動ディスク６４は半径方向に比較的容易に変形することが可能になり、熱膨張による非弾性ひずみが低減され、制動ディスク６４の耐久性が向上する等のメリットがある。なお、湾曲部６６の湾曲の方向は、図１３に示す例とは逆に、制動ディスク６４の永久磁石１６側とすることも可能である。

図１４は、本発明の第８実施例に係る渦電流減速装置を示す。本発明の第２実施例に係る渦電流式減速装置（リターダ）４０に、例えば、熱を効率よく周縁部の側面冷却フィン４４ｂに伝導させるための熱伝導部４４ｈが更に設けられている。これにより、制動ディスク４４の放熱効率が上がり、制動効率が向上する。この熱伝導部４４ｈは、永久磁石１６と対向して磁界の影響を受ける制動面（表面側）から外周延長部４４ｃの内側に延在して設けられている。熱伝導部４４ｈの材料としては、熱伝導率の高い銅やアルミニウムなどの金属を含み、電気抵抗の低い材料が好ましい。熱伝導性を確保できて、且つ発生する渦電流からより大きな制動力を得られるためである。このように熱伝導部４４ｈを採用することにより、放熱効果の向上と制動トルクの向上が期待される。この熱伝導部４４ｈは、例えば、制動ディスク４４とは別体で作り、冶金的に接合されても良い。また、制動ディスク４４の本体を鋳込み成型で製造する際に鋳ぐるんで設けたり、クラッド板等を製造する手法で作成することも可能である。

以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。

例えば、上述した熱伝導部４４ｈの例は、第２実施例に適用したものであるが、その他の実施例にも適用可能である。

本発明では、制動ディスクの部材として非磁性材または弱磁性材を採用できる。この場合、制動ディスクに対する永久磁石による吸引力を減少させることができる。従って、永久磁石が近づく方向と離れる方向とに移動するスイッチング動作に対して、回転軸に働くスラスト荷重が小さくなる。また、制動ディスクに非磁性材や弱磁性材を用いた場合、前記制動ディスクの裏面側（永久磁石と反対側）に、強磁性材の補助ディスクを設けてもよい。この強磁性材の補助ディスクにより磁気回路が形成され、渦電流減速装置の制動力が良好になる。

図１は、本発明の第１実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図であり、制動状態を示す。 図２は、図１に示すリターダの冷却フィンをその法線上空から見た平面図であり、冷却フィンの設置状態を示す。 図３は、本発明の第２実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。 図４は、本発明の第３実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。 図５は、第２実施例にかかる風損トルクと回転数との関係を示すグラフと表である。 図６は、本発明の第４実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。 図７は、本発明の第５実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。 図８は、本発明の第６実施例に係る他のリターダの要部の構造を示す断面図である。 図９は、図７または図８に示す側面冷却フィンと背面冷却フィンとの関係を示す概略図である。 図１０は、図７または図８に示す側面冷却フィンと背面冷却フィンとの関係を示す概略図である。 図１１は、第５実施例における風損トルクと回転数との関係を示すグラフ及び表である。 図１２は、第５実施例における制動時の発熱状況を示すグラフである。 図１３は、本発明の第７実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。 図１４は、本発明の第８実施例に係るリターダの要部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０、４０、５０、６０ 渦電流式減速装置
１２ 回転軸
１４、４４、５４、６４ 制動ディスク
１４ｂ、４４ｂ、５４ｂ、６４ｂ 側面冷却フィン（第１のフィン）
１４ｄ、４４ｄ 背面冷却フィン（第２のフィン）
１４ｉ，４４ｉ 端部の接続部
１６ 永久磁石
２６ 保持リング（磁石保持部材）
４４ｃ、５４ｃ、６４ｃ 外周延長部
４４ｆ 内周フィン（第３のフィン）
４４ｇ 内周延長部
４４ｈ 熱伝導部
５５ 補助ディスク
６６ 湾曲部

Claims (3)

1. 車両の回転軸に連結された制動ディスクと；
   前記車両の非回転部に連結され、磁界を発生する磁界発生部とを備え、
   前記回転軸方向に前記磁界発生部を制動ディスク面に接近させることにより前記磁界発生部に発生する磁界を前記制動ディスクに作用させることによって、前記回転軸に対して制動力を発生させる構造であり、
   前記制動ディスクの外周部に、前記回転軸と平行で前記磁界発生部と反対側に張り出した外周延長部を設け、
   すくい角が３０°〜６０°である第１のフィンを前記外周延長部の外面に設けたことを特徴とする渦電流式減速装置。
2. 外周面と内周面とを有する二重筒状に成形され、車両の回転軸に連結された制動ディスクと；
   前記車両の非回転部に連結され、磁界を発生する磁界発生部とを備え、
   前記回転軸方向に前記磁界発生部を制動ディスク面に接近させることにより前記磁界発生部に発生する磁界を前記制動ディスクに作用させることによって、前記回転軸に対して制動力を発生させる構造であり、
   前記制動ディスクの外周面に、すくい角が３０°〜６０°である第１のフィンを設け、
   前記制動ディスクの内周部に、前記回転軸と平行な方向で前記磁界発生部と反対側に張り出した内周延長部を形成し、
   前記内周延長部の外面に第３のフィンを形成したことを特徴とする渦電流式減速装置。
3. 車両の回転軸に連結された制動ディスクと；
   前記車両の非回転部に連結され、磁界を発生する磁界発生部とを備え、
   前記回転軸方向に前記磁界発生部を制動ディスク面に接近させることにより前記磁界発生部に発生する磁界を前記制動ディスクに作用させることによって、前記回転軸に対して制動力を発生させる構造であり、
   前記制動ディスクの外周面に、すくい角が３０°〜６０°である第１のフィンを設け、
   前記制動ディスクにおいて、前記磁界発生部と反対側の面に第２のフィンを設け、
   前記第１のフィンの端部と前記第２のフィンの端部とを、前記制動ディスクの角部で互い違いに配置することを特徴とする渦電流減速装置。

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