JP5947756B2 - 無励磁作動型電磁ブレーキ - Google Patents

Description

本発明は無励磁作動型電磁ブレーキに関する。

従来の無励磁作動型電磁ブレーキとして特許文献１が知られている。同文献には、インナーヨークの先端の磁極部に所定形状の切り欠き部を形成して、該インナーヨークとアウターヨークとの間の磁気空隙部の部分を適正な体積となるように増大させる技術が開示されている。

実開平５−１０８３３号公報

無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、所定値の電流による励磁によりブレーキを非作動の状態とするためには、アウターヨークとインナーヨークとの間に所定のギャップを設ける必要がある。そのギャップの精度を保つためには、インナーヨーク及びアウターヨークの高い加工精度及び組立精度が求められていた。

本発明は、かかる問題点に鑑み、インナーヨーク及びアウターヨークの加工精度及び組立精度に依存せずに、インナーヨークとアウターヨークとの間のギャップの精度を保つことを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、アウターヨーク及びインナーヨークを同軸二重円筒状に形成して静止体に固定し、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に電磁コイルを収容して電磁石組立体を構成し、リング状又はリングを周方向に所定の間隔で略円弧状に分割した形状の永久磁石を前記電磁石組立体内に設け、前記電磁石組立体と軸方向に対向するようにアーマチュアを前記電磁石組立体に対して接離可能に配置するとともに、該アーマチュアを、前記電磁石組立体の軸線上に挿通した、前記静止体から突出するように設けられた回転軸に一体的に設け、かつ該アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段を設け、前記永久磁石によって、前記電磁コイルが励磁されない状態では、前記アーマチュアを前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に吸着させて前記回転軸の回転を制動するとともに、前記電磁コイルが励磁されると前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束が発生し、前記付勢手段の付勢力により前記アーマチュアを吸着から解放して前記回転軸に対する制動を解除する無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、前記アウターヨークの軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部が設けられるとともに、前記インナーヨークの軸方向一端から径方向外側に突出するようにリング状の鍔部が設けられ、前記アウターヨークの鍔部又は前記インナーヨークの鍔部が直接、前記静止体に固定され、前記アウターヨークの鍔部の軸方向の面にリング状かつ前記回転軸と同軸方向の凸部を設けるとともに、前記インナーヨークの鍔部の軸方向の面にリング状かつ前記回転軸と同軸方向の凸部を前記アウターヨークの凸部と軸方向に対向させて設け、前記アウターヨークの凸部により形成される凹部と前記インナーヨークの凸部により形成される凹部とに挟まれるように、軸方向に着磁された前記永久磁石が配置され、前記アウターヨークの凸部と前記インナーヨークの凸部とに挟まれるように非磁性体からなるリング状のギャップ材が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、インナーヨーク及びアウターヨークの加工精度及び組立精度に依存せずに、インナーヨークとアウターヨークとの間のギャップの精度を保つことができる。

本発明の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は永久磁石による磁束状態を示す横半断面図、（Ｂ）は励磁された電磁コイルによる磁束状態を示す横半断面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に対応する等価な磁気回路図であり、（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する等価な磁気回路図である。 本発明の他の実施形態を示す図であり、（Ａ）は永久磁石による磁束状態を示す横半断面図、（Ｂ）は励磁された電磁コイルによる磁束状態を示す横半断面図である。

［第１の実施形態］
図１において、符号１は、静止体２から突出して設けられた回転軸３に装備された電磁ブレーキである。この電磁ブレーキ１は、回転軸３に一体的に設けられたリング状のアーマチュア４と、静止体２に固定され、かつ前記アーマチュア４と一定のギャップＧａを置いて対向して配置された電磁石組立体５とを備えている。

アーマチュア４は、回転軸３の軸方向先端に装着されたハブ６に設けられたばねプレート７により支持され、かつ軸方向に沿って電磁石組立体５と接離可能に装着されている。このアーマチュア４は、軟磁性体で成形され、ばねプレート７により、常時、前記電磁石組立体５から引き離される方向（図示左方向）に付勢されている。

電磁石組立体５は、回転軸３と同軸に配置された二重円筒状のアウターヨーク５１_１及びインナーヨーク５２_１を備えている。つまり、回転軸３は、電磁石組立体５の軸線上に挿通されている。アウターヨーク５１_１とインナーヨーク５２_１との間にある円筒状空隙５３_１内には、インナーヨーク５２_１に巻回された電磁コイル５４_１が収容されている。

アウターヨーク５１_１には、軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部５１ａ_１が設けられ、この鍔部５１ａ_１が静止体２に固定されている。さらに、鍔部５１ａ_１の軸方向アーマチュア４側の面には、リング状かつ回転軸３と同軸方向の凸部５１ｂ_１が設けられ、この凸部５１ｂ_１の内周側にリング状の凹部５１ｃ_１が形成されている。

インナーヨーク５２_１の軸方向かつ静止体２側の端部には、径方向外側に突出するようにかつ前記アウターヨーク５１_１の鍔部５１ａ_１と軸方向に対向するようにリング状の鍔部５２ａ_１が設けられている。この鍔部５２ａ_１の軸方向静止体２側の面の外周側には、リング状かつ回転軸３と同軸方向の凸部５２ｂ_１が設けられ、この凸部５２ｂ_１の内周側にリング状の凹部５２ｃ_１が形成されている。インナーヨーク５２_１の凸部５２ｂ_１及び凹部５２ｃ_１はそれぞれ、アウターヨーク５１の凸部５１ｂ_１及び凹部５１ｃ_１と軸方向に対向するように位置合わせがなされている。

そして、アウターヨーク５１_１の凹部５１ｃ_１と、インナーヨーク５２_１の凹部５２ｃ_１とで形成される円環状空間には、リング状の永久磁石５５_１が設けられている。永久磁石５５_１は、インナーヨーク５２_１の鍔部５２ａ_１側の軸方向端面がＮ極、アウターヨーク５１_１の鍔部５１ａ_１側の軸方向端面がＳ極となるように着磁されている。

さらに、アウターヨーク５１_１の凸部５１ｂ_１と、インナーヨーク５２_１の凸部５２ｂ_１とに挟まれるようにリング状のギャップ材５６_１が設けられている。ギャップ材５６_１の内径は、永久磁石５５_１の外径よりも大きいか又は等しい。このギャップ材５６_１の材質は非磁性体であり、銅又はステンレス鋼が好ましい。このようなギャップ材５６_１により、アウターヨーク５１_１の凸部５１ｂ_１と、インナーヨーク５２_１の凸部５２ｂ_１との間にリング状のギャップＧｂ_１が軸方向に設けられる。このギャップＧｂ_１は、前記永久磁石５５_１の径方向外側に位置している。ギャップＧｂ_１の軸方向の長さＬ_Ｇｂ１は、ギャップ材５６_１の軸方向の肉厚と等しく、かつ永久磁石５５_１の軸方向の肉厚Ｌ_１よりも小さい。

以上のような電磁ブレーキ１において、永久磁石５５_１の有効磁束φｍを図１（Ａ）の破線矢印により示している。永久磁石５５_１の漏れ磁束については後述する。有効磁束φｍは、永久磁石５５_１のＮ極から、インナーヨーク５２_１内をアーマチュア４に向かって軸方向に通過しアーマチュア４の内周側の領域に流入する。この有効磁束φｍは、アーマチュア４内を径方向外向きに通過してアーマチュア４の外周側の領域からアウターヨーク５１_１に流入する。有効磁束φｍはさらに、アウターヨーク５１_１内を鍔部５１ａ_１に向かって軸方向に通過し、鍔部５１ａ_１内を径方向内向きに通過して永久磁石５５_１のＳ極に至る。このように還流する有効磁束φｍにより、電磁コイル５４_１が無励磁の状態では、アーマチュア４がばねプレート７の付勢力に抗して電磁石組立体５に吸着されるため、回転軸３の回転にブレーキが働く。

その一方で、電磁コイル５４_１に対し、永久磁石５５_１による磁束φｍを打ち消す方向に所定値の電流を流すと、磁束φｍと大きさがほぼ同じで向きが逆方向の磁束φｃが図１（Ｂ）の破線矢印に示すように生じる。磁束φｃは、インナーヨーク５２_１内を鍔部５２ａ_１に向けて軸方向に通過し、永久磁石５５_１を迂回するように、鍔部５２ａ_１内を径方向外向きに通過し、かつ凸部５２ｂ_１内を軸方向に通過してギャップＧｂ_１に流入する。この磁束φｃは、ギャップＧｂ_１を軸方向に通過してアウターヨーク５１_１の凸部５１ｂ_１に流入し、鍔部５１ａ_１内を径方向外向きに通過し、アウターヨーク５１_１内をアーマチュア４に向かって軸方向に通過する。磁束φｃはさらに、ギャップＧａを経たうえでアーマチュア４の外周側の領域に流入し、アーマチュア４内を径方向内向きに通過してアーマチュア４の内周側の領域からギャップＧａを経たうえでインナーヨーク５２_１に流入する。このように、磁束φｃが前記有効磁束φｍとは逆方向に還流することにより、磁束φｍと磁束φｃとが互いに打ち消し合って、その差がある値以下となるため、ばねプレート７の付勢力によりアーマチュア４は電磁石組立体５への吸着から解放される。その結果、ブレーキトルクは零となる。

電磁コイル５４に流す電流をさらに増加させると、磁束φｃの大きさが磁束φｍの大きさを上回り、その差が大きくなるため、アーマチュア４は再び電磁石組立体５に吸着される。つまり、ブレーキトルクが再び生じる。したがって、永久磁石５５_１により生じる磁界の強さと、ばねプレート７の付勢力とに合わせて、電磁コイル５４_１への励磁電流の向き及び大きさを調整することにより、ブレーキトルクを制御することができる。

このように磁束φｃは、永久磁石５５_１を迂回するように、ギャップ材５６_１により形成されたギャップＧｂ_１を通過する。そのため、ギャップ材５６_１及びギャップＧｂ_１をそれぞれ、バイパスギャップ材５６_１及びバイパスギャップＧｂ_１とも呼ぶ。

以上のような無励磁作動型の電磁ブレーキ１を示した図１（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ対応する等価な磁気回路を図２（Ａ）及び（Ｂ）に示している。

図２（Ａ）は、電磁コイル５４_１が励磁されていない図１（Ａ）に対応する等価な磁気回路を示している。同図において、起磁力Ｅｍの永久磁石５５_１により生じる磁束は、アーマチュア４に達する前記有効磁束φｍと、アーマチュア４には達せずにバイパスギャップＧｂ_１を通る漏れ磁束φｍＬとに分けられる。まず有効磁束φｍは、アーマチュア４と電磁石組立体５との間のギャップＧａによる磁気抵抗Ｒｇａ１及びＲｇａ２を通過する。これに対し、漏れ磁束φｍＬは、バイパスギャップＧｂ_１による磁気抵抗Ｒｇｂを通過する。アーマチュア４側に流れる有効磁束φｍにより、アーマチュア４が電磁石組立体５に吸着され、同図において電磁ブレーキ１は作動状態にある。

図２（Ｂ）は、電磁コイル５４_１に前記所定値の電流を流した図１（Ｂ）に対応する等価な磁気回路を示している。同図において、起磁力Ｅｃの電磁コイル５４_１により生じる磁束φｃは、磁気抵抗Ｒｇａ１及びＲｇａ２を、永久磁石５５_１の有効磁束φｍとは逆向きに通過するとともに、磁気抵抗Ｒｇｂを通過する。そして、永久磁石５５_１による有効磁束φｍと電磁コイル５４_１による磁束φｃとが互いに打ち消し合い、その差がある値以下になるため、アーマチュア４が電磁石組立体５への吸着から解放され、同図において電磁ブレーキ１は非作動状態になる。

以上に鑑みて、バイパスギャップＧｂ_１による磁気抵抗Ｒｇｂが小さいほど、アーマチュア４の解放に必要な電磁コイル５４_１の起磁力Ｅｃを小さくすることができ、結果としてアーマチュア４を容易に解放することができる。その一方で、磁気抵抗Ｒｇｂをある程度大きくして、永久磁石５５_１の漏れ磁束φｍＬを小さくすることで、無励磁の状態において電磁ブレーキ１を効率的に作動させることができる。つまり、バイパスギャップＧｂ_１による磁気抵抗Ｒｇｂの値は、ある数値範囲内に収める必要があり、そのためには、バイパスギャップＧｂ_１の軸方向の長さＬ_Ｇｂ１を適当な数値範囲に限定する必要がある。

本実施形態においては、バイパスギャップＧｂ_１をバイパスギャップ材５６_１で管理することができるため、アウターヨーク５１_１及びインナーヨーク５２_１の加工精度及び組立精度に依存せずしてバイパスギャップＧｂ_１の長さＬ_Ｇｂ１の精度を保つことができる。加えて、バイパスギャップ材５６_１が設けられていることにより、バイパスギャップＧｂ_１を経由したゴミなどの侵入及び付着を防ぐことができる。

［第２の実施形態］
上記第１の実施形態を変更した実施形態を図３に示している。まず、アウターヨーク５１_２とインナーヨーク５２_２との間にある円筒状空隙５３_２内には、インナーヨーク５２_２に巻回された電磁コイル５４_２が収容されている。そして、インナーヨーク５２_２の鍔部５２ａ_２が静止体２に固定されている。さらに、鍔部５２ａ_２の軸方向アーマチュア４側の面には、リング状かつ回転軸３と同軸方向の凸部５２ｂ_２が設けられ、この凸部５２ｂ_２の外周側にリング状の凹部５２ｃ_２が形成されている。

アウターヨーク５１_２の鍔部５１ａ_２は、インナーヨーク５２_２の鍔部５２ａ_２と軸方向に対向するように設けられている。この鍔部５１ａ_２の軸方向静止体２側の面の内周側には、リング状かつ回転軸３と同軸方向の凸部５１ｂ_２が設けられ、この凸部５１ｂ_２の外周側にリング状の凹部５１ｃ_２が形成されている。アウターヨーク５１の凸部５１ｂ_２及び凹部５１ｃ_２はそれぞれ、インナーヨーク５２_２の凸部５２ｂ_２及び凹部５２ｃ_２と軸方向に対向するように位置合わせがなされている。

そして、アウターヨーク５１_２の凹部５１ｃ_２と、インナーヨーク５２_２の凹部５２ｃ_２とに挟まれるように、リング状の永久磁石５５_２が設けられている。さらに、アウターヨーク５１_２の凸部５１ｂ_２と、インナーヨーク５２_２の凸部５２ｂ_２とに挟まれるようにリング状のバイパスギャップ材５６_２が設けられている。バイパスギャップ材５６_２の外径は、永久磁石５５_２の内径よりも小さいか又は等しい。このバイパスギャップ材５６_２によるバイパスギャップＧｂ_２は、前記永久磁石５５_２の径方向内側に位置している。バイパスギャップＧｂ_２の軸方向の長さＬ_Ｇｂ２は、ギャップ材５６_２の軸方向の肉厚と等しく、かつ永久磁石５５_２の軸方向の肉厚Ｌ_２よりも小さい。

以上のような本実施形態においては、第１の実施形態とは異なり、永久磁石５５_２の径方向内側にバイパスギャップＧｂ_２を設けている。このような本実施形態によっても、図２に示したような磁気回路が得られ、第１の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

［その他］
ハイブリッド型ステッピングモーターのロータに使用している永久磁石を電磁ブレーキ１の永久磁石５５_１及び５５_２として流用することができる。静止体２がハイブリッド型ステッピングモーターの場合には、部品の種類を削減することができる。さらに、ハイブリッド型ステッピングモーターのロータと電磁石組立体５とに、永久磁石のもととなる着磁前の素材を組み込んだうえで、電磁ブレーキ１をハイブリッド型ステッピングモーターに組み付け、前記ロータの着磁前の素材と電磁石組立体５の着磁前の素材とに対して同時に着磁を施すことができる。これにより、工数を削減することができる。

永久磁石５５_１及び５５_２はリング状に限られず、リングを周方向に所定の間隔で略円弧状に分割した形状でもよい。

ばねプレート７に限らず、常時、アーマチュア４を電磁石組立体５から引き離す方向に付勢する任意の付勢手段を用いることができる。

永久磁石５５_１及び５５_２による磁束φｍの方向及び電磁コイル５４_１及び５４_２による磁束φｃの方向は、図示したものに限られず、磁束φｍとは逆方向に磁束φｃが生じればよい。

上記において、本発明に係る無励磁作動型電磁ブレーキの特定の実施形態について具体的に説明した。しかし、本発明は、このような実施形態に限定されず、当業者にとって明らかな変更、修正は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 電磁ブレーキ
２ 静止体
３ 回転軸
４ アーマチュア
５ 電磁石組立体
６ ハブ
７ ばねプレート

５１_１、５１_２ アウターヨーク
５１ａ_１、５１ａ_２ 鍔部
５１ｂ_１、５１ｂ_２ 凸部
５１ｃ_１、５１ｃ_２ 凹部
５２_１、５２_２ インナーヨーク
５２ａ_１、５２ａ_２ 鍔部
５２ｂ_１、５２ｂ_２ 凸部
５２ｃ_１、５２ｃ_２ 凹部
５３_１、５３_２ 円筒状空隙
５４_１、５４_２ 電磁コイル
５５_１、５５_２ 永久磁石
５６_１、５６_２ ギャップ材

Ｇａ ギャップ
Ｇｂ_１、Ｇｂ_２ バイパスギャップ
Ｌ_Ｇｂ１ バイパスギャップＧｂ_１の軸方向の長さ
Ｌ_Ｇｂ２ バイパスギャップＧｂ_２の軸方向の長さ
Ｌ_１、Ｌ_２ 肉厚

Ｅｍ 永久磁石の起磁力
Ｅｃ コイルの起磁力
φｍ 永久磁石の有効磁束
φｍＬ 永久磁石の漏れ磁束
φｃ 電磁コイルによる磁束
Ｒｇａ１ ギャップＧａによる磁気抵抗
Ｒｇａ２ ギャップＧａによる磁気抵抗
Ｒｇｂ バイパスギャップＧｂによる磁気抵抗

Claims (2)

1. アウターヨーク及びインナーヨークを同軸二重円筒状に形成して静止体に固定し、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に電磁コイルを収容して電磁石組立体を構成し、リング状又はリングを周方向に所定の間隔で略円弧状に分割した形状の永久磁石を前記電磁石組立体内に設け、前記電磁石組立体と軸方向に対向するようにアーマチュアを前記電磁石組立体に対して接離可能に配置するとともに、該アーマチュアを、前記電磁石組立体の軸線上に挿通した、前記静止体から突出するように設けられた回転軸に一体的に設け、かつ該アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段を設け、前記永久磁石によって、前記電磁コイルが励磁されない状態では、前記アーマチュアを前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に吸着させて前記回転軸の回転を制動するとともに、前記電磁コイルが励磁されると前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束が発生し、前記付勢手段の付勢力により前記アーマチュアを吸着から解放して前記回転軸に対する制動を解除する無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、
   前記アウターヨークの軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部が設けられるとともに、前記インナーヨークの軸方向一端から径方向外側に突出するようにリング状の鍔部が設けられ、前記アウターヨークの鍔部又は前記インナーヨークの鍔部が直接、前記静止体に固定され、前記アウターヨークの鍔部の軸方向の面にリング状かつ前記回転軸と同軸方向の凸部を設けるとともに、前記インナーヨークの鍔部の軸方向の面にリング状かつ前記回転軸と同軸方向の凸部を前記アウターヨークの凸部と軸方向に対向させて設け、前記アウターヨークの凸部により形成される凹部と前記インナーヨークの凸部により形成される凹部とに挟まれるように、軸方向に着磁された前記永久磁石が配置され、前記アウターヨークの凸部と前記インナーヨークの凸部とに挟まれるように非磁性体からなるリング状のギャップ材が設けられることを特徴とする無励磁作動型電磁ブレーキ。
2. 前記ギャップ材が銅又はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の無励磁作動型電磁ブレーキ。

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