プーリ構造体
【課題】非接触で回転体間の回転変動を吸収し、安価な構成で大きな回転トルクを伝達することができるプーリ構造体を提供することである。
【解決手段】筒状の第１回転体１に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する永久磁石６を設け、その内径側に同軸上で嵌挿された第２回転体２に、永久磁石６と半径方向で近接対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体８を設けて、この導電体の閉電気回路の数と永久磁石６の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心１０を配設することにより、鉄心１０で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きいローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達できるようにした。
【解決手段】筒状の第１回転体１に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する永久磁石６を設け、その内径側に同軸上で嵌挿された第２回転体２に、永久磁石６と半径方向で近接対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体８を設けて、この導電体の閉電気回路の数と永久磁石６の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心１０を配設することにより、鉄心１０で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きいローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達できるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの回転体間の回転変動を吸収して、回転体間の回転トルクの伝達を可能としたプーリ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンによって回転駆動されるクランクシャフトから回転トルクを伝達される発電用のオルタネータ等の回転伝達部には、２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、これらの回転体間の回転変動を吸収して回転体間の回転トルクの伝達を可能とし、一方の回転体に回転トルクを入力または出力するプーリを設けたプーリ構造体が採用されている。
【０００３】
この種のプーリ構造体には、２つの回転体をゴム等の弾性体で連結し、弾性体の捩じれ変形を利用して回転体間の相対回転を許容し、回転体間の回転変動を吸収して回転体間の回転トルクの伝達を可能としたもの（例えば、特許文献１参照）と、一方の回転体に他方の回転体と対向する磁石を設け、他方の回転体を導電体で形成して、回転体間の相対回転によって導電体に渦電流が生じ、渦電流が生じた導電体に作用するローレンツ力を利用して、非接触で回転体間の回転変動を吸収して、回転体間の回転トルクの伝達を可能としたもの（例えば、特許文献２、３参照）とがある。
【０００４】
特許文献１に記載されたものは、２つの回転体を連結する弾性体が、繰り返しの捩じれ変形によって疲労し、寿命が短くなる問題がある。これに対して、特許文献２、３に記載されたものは、２つの回転体を弾性体で連結することなく、回転体間を非接触として回転トルクを伝達するので、このような問題はなく、長期に亘って安定してトルクを伝達することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−６８５４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６０９４号公報
【特許文献３】特開２００３−２４７６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２、３に記載されたプーリ構造体は、いずれも円板状の導電体を磁石と軸方向で対向させ、相対回転する導電体を軸方向に横切る磁界によって、導電体の板面内に渦電流を生じさせるようにしている。この円板状の導電体の板面内に渦電流を生じさせるプーリ構造体は、ある程度の大きさのローレンツ力を発生させて、回転体間で回転トルクを伝達することができる。しかしながら、このような板面内の渦電流で発生するローレンツ力の大きさには限界があり、大きな回転トルクの伝達を必要とするプーリ構造体には採用できない問題がある。
【０００７】
なお、大きなローレンツ力を発生させるためには、磁石に強力な永久磁石を用いるか、電磁石を用いることが考えられるが、強力な永久磁石は高価なものとなる。また、回転体に設ける電磁石は、回転体に取り付けたスリップリングに電力を供給するブラシを接触させるか、電磁誘導や磁界共鳴等を用いて非接触で電力を供給する必要があり、これらの電力供給手段が複雑で高価なものとなる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、非接触で回転体間の回転変動を吸収し、安価な構成で大きな回転トルクを伝達することができるプーリ構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、一方の回転体にプーリを設けて、回転体間を非接触として回転体間でトルクを伝達するプーリ構造体において、前記２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、前記磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と前記磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、前記枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設した構成を採用した。
【００１０】
すなわち、２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設することにより、鉄心で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きなローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達できるようにした。なお、閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定したのは、後述するように、一方の数を他方の整数倍とすると、ローレンツ力による回転トルクに脈動が発生し、回転トルクを安定して伝達することができなくなるからである。
【００１１】
前記鉄心は、透磁性材料で形成された複数枚の板材を、前記磁石の磁束方向と平行に向けて積層したものとするとよい。すなわち、鉄心が導電体である場合、磁石を設けた一方の回転体の回転に伴う磁束の変化によって鉄心にも渦電流が流れ、渦電流が流れるとジュール熱によりエネルギを損失することになる。渦電流は磁束に垂直な面内に流れるので、磁束と垂直な面を分断するように、鉄心を磁束方向と平行に向けて積層して、渦電流が流れないようにした。
【００１２】
前記閉電気回路の数を前記磁石の磁極の数よりも多くすることにより、伝達トルクを大きくすることができる。閉電気回路の数が磁極の数よりも少なくなると、閉電気回路の領域内部に完全に含まれる磁極が存在することになり、この磁極は含まれる閉電気回路に対する磁束の時間的変化に寄与しなくなるので、伝達トルクが小さくなる。
【００１３】
前記磁石の前記導電体と対向する側と反対側の背面側に、磁性材料で形成されたヨークを密着固定することにより、磁石からの磁束の漏洩を抑制して磁界を強くし、発生するローレンツ力をより大きくすることができる。ヨークを形成する磁性材料としては、軟鉄やＮｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、フェロックスプレーナ系のフェライトやＦｅ−Ｓｉ系合金等を用いることができる。
【００１４】
前記磁石を永久磁石とすることにより、磁石への給電手段を不要とすることができる。永久磁石としては、ネオジム、サマリウムコバルト、フェライト、アルニコ、プラチナ、クロム、鉄、マンガン、アルミニウム、プラセオジム等を成分とするものを用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るプーリ構造体は、２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、枠状の閉電気回路の内側に、透磁性材料で形成された鉄心を配設したので、鉄心で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きなローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態のプーリ構造体を示す縦断面図
【図２】図１のII−II線に沿った断面図
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の永久磁石と導電体を示す斜視図
【図４】実施例のトルク測定試験に用いた試験装置を示す正面図
【図５】実施例のトルク測定試験での実施例１、２と比較例１、２の伝達トルクの測定結果を示すグラフ
【図６】実施例のトルク測定試験で回転速度を変化させたときの実施例１の伝達トルクの測定結果を示すグラフ
【図７】実施例のトルク測定試験での実施例１、２と比較例３、４の伝達トルクの時間変化を示すグラフ
【図８】第２の実施形態のプーリ構造体を示す縦断面図
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８の永久磁石と導電体を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図７は、第１の実施形態を示す。このプーリ構造体は、図１に示すように、筒状の第１回転体１の内径側に第２回転体２が同軸上で嵌挿されており、第１回転体１の外径面に回転トルクが入力されるプーリ３が設けられ、転がり軸受４によって第１回転体１と第２回転体２が相対回転可能に支持されている。第２回転体２の内径面には、プーリ３から入力される回転トルクを出力する出力軸５が取り付けられる。
【００１８】
前記第１回転体１の内径面には、円筒状の永久磁石６がヨーク７を介して嵌合固定されている。永久磁石６は、ネオジム、サマリウムコバルト、フェライト、アルニコ、プラチナ、クロム、鉄、マンガン、アルミニウム、プラセオジム等を成分とするものである。ヨーク７は、軟鉄やＮｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、フェロックスプレーナ系のフェライトやＦｅ−Ｓｉ系合金等の強磁性材料で形成され、永久磁石６の背面に密着固定されている。
【００１９】
また、前記第２回転体２の外径面には、銅製の円筒篭状の導電体８が、永久磁石６と半径方向で近接対向するように、保持部９を介して取り付けられており、後述するように、導電体８の閉電気回路８ａの内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心１０が配設されている。この鉄心１０は、透磁性の高い複数枚の電磁鋼板１０ａを、永久磁石６の磁束方向と平行に向けて積層したものである。したがって、磁束と垂直な面を分断して、鉄心１０にエネルギ損失を伴う渦電流が流れないようにすることができる。
【００２０】
図２および図３（ａ）に示すように、前記永久磁石６は、複数の円弧筒状の磁石ユニット６ａを、Ｓ極とＮ極を交互に半径方向で反対方向に向けて周方向に配列したものであり、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する。この実施形態では、磁石ユニット６ａの中心角が４５°とされ、第１回転体１の回転方向での磁極数ｎ１が８個とされている。
【００２１】
図２および図３（ｂ）に示すように、前記円筒篭状の導電体８は、両端のリング部８ａと、これらのリング部８ａを周方向に等間隔で連結する複数の柱部８ｂとで形成され、隣接する２本の柱部８ｂと、これらの柱部８ｂの間の両リング部８ａの円弧部とからなる複数の閉じた枠状部に、図３（ｂ）中に矢印で示すように、閉電気回路１１が形成されるようになっている。この実施形態では、柱部８ｂが１３本設けられ、第２回転体２の回転方向での閉電気回路数ｎ２が１３個とされている。
【００２２】
また、前記各閉電気回路１１には、その内側を埋めるように、リング状の電磁鋼板１０ａを積層した鉄心１０が配設されている。各電磁鋼板１０ａの外周部には複数の切欠き部１２が設けられ、これらの切欠き部１２に、導電体８の各柱部８ｂが絶縁されるように通されている。したがって、第１回転体１と第２回転体２が相対回転すると、鉄心１０で埋められた各閉電気回路１１の内側を半径方向に横切る強い磁界の変化によって、各閉電気回路１１に大きな誘導電流が流れ、第１回転体１と第２回転体２の間に大きいローレンツ力が発生して、第１回転体１から第２回転体２に大きな回転トルクが伝達される。
【００２３】
前記積層される電磁鋼板１０ａの表面には、絶縁性の接着剤層が形成されている。この接着剤層は、エポキシ樹脂や紫外線硬化樹脂等を、刷毛やローラによって塗布したり、吹き付け塗装することにより形成される。なお、鉄心１０は、電磁鋼板１０ａのほかに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびこれらを含む合金、Ｎｉ−Ｚｎ系等のソフトフェライト等の透磁性材料で形成してもよい。これらの透磁性材料は、圧延で形成される板材のほかに、機械加工や粉末冶金で形成することもできる。また、鉄心１０を形成する透磁性材料は、一体化したブロックとすることもできる。
【実施例】
【００２４】
実施例として、前記閉電気回路数ｎ２を１３個としたプーリ構造体（実施例１）と、閉電気回路数ｎ２を２１個としたプーリ構造体（実施例２）を用意した。また、比較例として、前記導電体８を従来のように単なる円筒状として、渦電流を生じさせるようにしたもの（比較例１）、実施例１の鉄心１０を配設しないもの（比較例２）、実施例１の閉電気回路数ｎ２を８個としたもの（比較例３）、および実施例１の閉電気回路数ｎ２を１６個としたもの（比較例４）を用意した。なお、実施例と比較例のいずれのプーリ構造体についても、前記永久磁石６はネオジム系磁石とし、その磁極数ｎ１は８個とした。実施例と比較例の各プーリ構造体の寸法諸元は以下の通りである。
・第１回転体の円筒部（ヨークを含む）：外径６２ｍｍ、内径：５２ｍｍ、長さ３６ｍｍ
・第２回転体の円筒部（保持部を含む）：外径２０ｍｍ、内径：１６ｍｍ、長さ３６ｍｍ
・永久磁石：外径５２ｍｍ、内径：４０ｍｍ、長さ３０ｍｍ
・導電体：外径３９ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ３２ｍｍ
・鉄心（比較例１、２を除く）：外径３９ｍｍ、内径：２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板を５９枚積層
【００２５】
上述した各実施例と比較例のプーリ構造体について、第１回転体１から第２回転体２への伝達トルクを測定するトルク測定試験を行った。図４は、トルク測定試験に用いた試験装置を示す。この試験装置は、モータ２１の出力軸２１ａに設けたプーリ２２と第１回転体１のプーリ３との間にＶリブドベルト２３を巻き掛け、第１回転体１を回転駆動したときの第２回転体２への伝達トルクを、第２回転体２の出力軸５に取り付けたトルクメータ２４で測定するものであり、第２回転体２の回転速度を零にするために必要な最大伝達トルクＴを測定した。第１回転体１の回転速度Ｖは５０００ｒｐｍとし、一部の試験では、回転速度Ｖを５００、１０００、１００００ｒｐｍに変化させた。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に、前記トルク測定試験の試験条件と試験結果をまとめて示す。図５は、トルク測定試験での回転速度Ｖが５０００ｒｐｍのときの最大伝達トルクＴを比較して示す。この測定結果から分かるように、従来の円筒状の導電体を用いた比較例１の最大伝達トルクＴが８．７Ｎｍであるのに対して、各実施例のものは最大伝達トルクＴが１０Ｎｍ以上となり、最大伝達トルクＴをかなり大きくすることができる。特に、閉電気回路数ｎ２を２１個と多くした実施例２は、最大伝達トルクＴが比較例１の約１．５倍と大きくなっている。鉄心を配設しなかった比較例２は、最大伝達トルクＴが２．３Ｎｍと小さい。
【００２８】
図６は、実施例１のものについて、回転速度Ｖを変化させたときの最大伝達トルクＴを示す。最大伝達トルクＴは回転速度Ｖにほぼ比例して大きくなっている。したがって、本発明に係るプーリ構造体は、高速回転で使用されるものに特に好適である。
【００２９】
図７は、実施例１、２と比較例３、４のものについて、回転速度Ｖを０ｒｐｍから５０００ｒｐｍの定常値としたときの最大伝達トルクＴの時間変化を示す。閉電気回路数ｎ２が磁極数ｎ１の整数倍でない実施例１、２では、最大伝達トルクＴが回転速度Ｖに追随して大きくなり、定常値に安定するのに対して、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍とした比較例３、４では、最大伝達トルクＴは安定せず、脈動を続ける。したがって、安定した最大伝達トルクＴを得るためには、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍でない異なる数にする必要があることが分かる。閉電気回路数ｎ２と磁極数ｎ１の関係は、互いに整数倍でなければよく、特に限定されない。
【００３０】
前記比較例３、４で最大伝達トルクＴが脈動したのは、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍とすると、第２回転体２の導電体８の１つの柱部８ｂが、第１回転体１の永久磁石６の隣接する磁石ユニット６ａの境界部に位置するときに、その他の境界部においても他の柱部８ｂが位置することになる。このため、磁極数ｎ１個の柱部８ｂが同時に磁石ユニット６ａの境界部に対向する状態と、どの柱部８ｂも境界部に対向しない状態が、時間的に交互に繰り返されるため、誘導電流の大きさが脈動して、結果として最大伝達トルクＴが脈動したものと考えられる。
【００３１】
図８および図９は、第２の実施形態を示す。このプーリ構造体も、図８に示すように、筒状の第１回転体１の内径側に第２回転体２が同軸上で嵌挿され、第１回転体１の外径面に回転トルクが入力されるプーリ３が設けられて、転がり軸受４によって第１回転体１と第２回転体２と相対回転可能に支持されている。第２回転体２は、転がり軸受４に支持される円筒部２ａと、後述する保持部９を取り付ける円筒部２ｂに分割され、円筒部２ｂの外径面とヨーク７の内径面の間にすべり軸受１３が設けられている。また、第２回転体２の内径面には、プーリ３から入力される回転トルクを出力する出力軸５が取り付けられる。
【００３２】
この実施形態では、図８および図９（ａ）に示すように、前記第１回転体１の内径面の一端側に、リング状の永久磁石６が嵌合固定され、その背面に、強磁性材料で形成されたヨーク７が密着固定されている。永久磁石６は、複数の扇形状の磁石ユニット６ａを、Ｓ極とＮ極を円周方向に沿って交互に配置し、かつ各磁石ユニット６ａではＳ極とＮ極が軸方向で反対方向になるように配列したものであり、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する。磁石ユニット６ａの中心角は４５°とされ、第１回転体１の回転方向での磁極数ｎ１は８個とされている。
【００３３】
また、図８および図９（ｂ）に示すように、前記第２回転体２の外径面には、内リング部８ｃと外リング部８ｄを複数のスポーク部８ｅで周方向に等間隔で連結した銅製の導電体８が、永久磁石６と軸方向で近接対向するように、保持部９を介して取り付けられている。隣接する２本のスポーク部８ｅと、これらのスポーク部８ｅの間の内外リング部８ｃ、８ｄの円弧部とからなる複数の閉じた枠状部に、図９（ｂ）中に矢印で示すように、閉電気回路１１が形成されるようになっている。スポーク部８ｅは１３本設けられ、第２回転体２の回転方向での閉電気回路数ｎ２は１３個とされている。
【００３４】
前記導電体８の閉電気回路８ａの内側には、透磁性材料で形成された鉄心１０が配設されている。この鉄心１０は、透磁性の高い複数枚の電磁鋼板１０ａを、永久磁石６との対向方向と平行に向けて、閉電気回路８ａの内側を埋めるように積層したものであり、導電体８と絶縁されている。したがって、この実施形態では、第１回転体１と第２回転体２が相対回転すると、鉄心１０で埋められた各閉電気回路１１の内側を軸方向に横切る強い磁界の変化によって、各閉電気回路１１に大きな誘導電流が流れ、第１回転体１と第２回転体２の間に大きいローレンツ力が発生して、第１回転体１から第２回転体２に大きな回転トルクが伝達される。
【００３５】
上述した各実施形態では、回転トルクが入力されるプーリを外方の第１回転体側に設けたが、プーリは内方の第２回転体側に設けることもでき、回転トルクを出力するプーリとすることもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 第１回転体
２ 第２回転体
２ａ、２ｂ 円筒部
３ プーリ
４ 転がり軸受
５ 出力軸
６ 永久磁石
６ａ 磁石ユニット
７ ヨーク
８ 導電体
８ａ リング部
８ｂ 柱部
８ｃ 内リング部
８ｄ 外リング部
８ｅ スポーク部
９ 保持部
１０ 鉄心
１０ａ 電磁鋼板
１１ 閉電気回路
１２ 切欠き部
１３ すべり軸受
２１ モータ
２１ａ 出力軸
２２ プーリ
２３ Ｖリブドベルト
２４ トルクメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの回転体間の回転変動を吸収して、回転体間の回転トルクの伝達を可能としたプーリ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンによって回転駆動されるクランクシャフトから回転トルクを伝達される発電用のオルタネータ等の回転伝達部には、２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、これらの回転体間の回転変動を吸収して回転体間の回転トルクの伝達を可能とし、一方の回転体に回転トルクを入力または出力するプーリを設けたプーリ構造体が採用されている。
【０００３】
この種のプーリ構造体には、２つの回転体をゴム等の弾性体で連結し、弾性体の捩じれ変形を利用して回転体間の相対回転を許容し、回転体間の回転変動を吸収して回転体間の回転トルクの伝達を可能としたもの（例えば、特許文献１参照）と、一方の回転体に他方の回転体と対向する磁石を設け、他方の回転体を導電体で形成して、回転体間の相対回転によって導電体に渦電流が生じ、渦電流が生じた導電体に作用するローレンツ力を利用して、非接触で回転体間の回転変動を吸収して、回転体間の回転トルクの伝達を可能としたもの（例えば、特許文献２、３参照）とがある。
【０００４】
特許文献１に記載されたものは、２つの回転体を連結する弾性体が、繰り返しの捩じれ変形によって疲労し、寿命が短くなる問題がある。これに対して、特許文献２、３に記載されたものは、２つの回転体を弾性体で連結することなく、回転体間を非接触として回転トルクを伝達するので、このような問題はなく、長期に亘って安定してトルクを伝達することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−６８５４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６０９４号公報
【特許文献３】特開２００３−２４７６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２、３に記載されたプーリ構造体は、いずれも円板状の導電体を磁石と軸方向で対向させ、相対回転する導電体を軸方向に横切る磁界によって、導電体の板面内に渦電流を生じさせるようにしている。この円板状の導電体の板面内に渦電流を生じさせるプーリ構造体は、ある程度の大きさのローレンツ力を発生させて、回転体間で回転トルクを伝達することができる。しかしながら、このような板面内の渦電流で発生するローレンツ力の大きさには限界があり、大きな回転トルクの伝達を必要とするプーリ構造体には採用できない問題がある。
【０００７】
なお、大きなローレンツ力を発生させるためには、磁石に強力な永久磁石を用いるか、電磁石を用いることが考えられるが、強力な永久磁石は高価なものとなる。また、回転体に設ける電磁石は、回転体に取り付けたスリップリングに電力を供給するブラシを接触させるか、電磁誘導や磁界共鳴等を用いて非接触で電力を供給する必要があり、これらの電力供給手段が複雑で高価なものとなる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、非接触で回転体間の回転変動を吸収し、安価な構成で大きな回転トルクを伝達することができるプーリ構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、一方の回転体にプーリを設けて、回転体間を非接触として回転体間でトルクを伝達するプーリ構造体において、前記２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、前記磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と前記磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、前記枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設した構成を採用した。
【００１０】
すなわち、２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設することにより、鉄心で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きなローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達できるようにした。なお、閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定したのは、後述するように、一方の数を他方の整数倍とすると、ローレンツ力による回転トルクに脈動が発生し、回転トルクを安定して伝達することができなくなるからである。
【００１１】
前記鉄心は、透磁性材料で形成された複数枚の板材を、前記磁石の磁束方向と平行に向けて積層したものとするとよい。すなわち、鉄心が導電体である場合、磁石を設けた一方の回転体の回転に伴う磁束の変化によって鉄心にも渦電流が流れ、渦電流が流れるとジュール熱によりエネルギを損失することになる。渦電流は磁束に垂直な面内に流れるので、磁束と垂直な面を分断するように、鉄心を磁束方向と平行に向けて積層して、渦電流が流れないようにした。
【００１２】
前記閉電気回路の数を前記磁石の磁極の数よりも多くすることにより、伝達トルクを大きくすることができる。閉電気回路の数が磁極の数よりも少なくなると、閉電気回路の領域内部に完全に含まれる磁極が存在することになり、この磁極は含まれる閉電気回路に対する磁束の時間的変化に寄与しなくなるので、伝達トルクが小さくなる。
【００１３】
前記磁石の前記導電体と対向する側と反対側の背面側に、磁性材料で形成されたヨークを密着固定することにより、磁石からの磁束の漏洩を抑制して磁界を強くし、発生するローレンツ力をより大きくすることができる。ヨークを形成する磁性材料としては、軟鉄やＮｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、フェロックスプレーナ系のフェライトやＦｅ−Ｓｉ系合金等を用いることができる。
【００１４】
前記磁石を永久磁石とすることにより、磁石への給電手段を不要とすることができる。永久磁石としては、ネオジム、サマリウムコバルト、フェライト、アルニコ、プラチナ、クロム、鉄、マンガン、アルミニウム、プラセオジム等を成分とするものを用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るプーリ構造体は、２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、枠状の閉電気回路の内側に、透磁性材料で形成された鉄心を配設したので、鉄心で埋められた閉電気回路の内側を横切る磁界を強くして、閉電気回路に大きな誘導電流が流れるようにし、大きなローレンツ力を発生させて、安価な構成で大きな回転トルクを伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態のプーリ構造体を示す縦断面図
【図２】図１のII−II線に沿った断面図
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の永久磁石と導電体を示す斜視図
【図４】実施例のトルク測定試験に用いた試験装置を示す正面図
【図５】実施例のトルク測定試験での実施例１、２と比較例１、２の伝達トルクの測定結果を示すグラフ
【図６】実施例のトルク測定試験で回転速度を変化させたときの実施例１の伝達トルクの測定結果を示すグラフ
【図７】実施例のトルク測定試験での実施例１、２と比較例３、４の伝達トルクの時間変化を示すグラフ
【図８】第２の実施形態のプーリ構造体を示す縦断面図
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８の永久磁石と導電体を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図７は、第１の実施形態を示す。このプーリ構造体は、図１に示すように、筒状の第１回転体１の内径側に第２回転体２が同軸上で嵌挿されており、第１回転体１の外径面に回転トルクが入力されるプーリ３が設けられ、転がり軸受４によって第１回転体１と第２回転体２が相対回転可能に支持されている。第２回転体２の内径面には、プーリ３から入力される回転トルクを出力する出力軸５が取り付けられる。
【００１８】
前記第１回転体１の内径面には、円筒状の永久磁石６がヨーク７を介して嵌合固定されている。永久磁石６は、ネオジム、サマリウムコバルト、フェライト、アルニコ、プラチナ、クロム、鉄、マンガン、アルミニウム、プラセオジム等を成分とするものである。ヨーク７は、軟鉄やＮｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、フェロックスプレーナ系のフェライトやＦｅ−Ｓｉ系合金等の強磁性材料で形成され、永久磁石６の背面に密着固定されている。
【００１９】
また、前記第２回転体２の外径面には、銅製の円筒篭状の導電体８が、永久磁石６と半径方向で近接対向するように、保持部９を介して取り付けられており、後述するように、導電体８の閉電気回路８ａの内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心１０が配設されている。この鉄心１０は、透磁性の高い複数枚の電磁鋼板１０ａを、永久磁石６の磁束方向と平行に向けて積層したものである。したがって、磁束と垂直な面を分断して、鉄心１０にエネルギ損失を伴う渦電流が流れないようにすることができる。
【００２０】
図２および図３（ａ）に示すように、前記永久磁石６は、複数の円弧筒状の磁石ユニット６ａを、Ｓ極とＮ極を交互に半径方向で反対方向に向けて周方向に配列したものであり、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する。この実施形態では、磁石ユニット６ａの中心角が４５°とされ、第１回転体１の回転方向での磁極数ｎ１が８個とされている。
【００２１】
図２および図３（ｂ）に示すように、前記円筒篭状の導電体８は、両端のリング部８ａと、これらのリング部８ａを周方向に等間隔で連結する複数の柱部８ｂとで形成され、隣接する２本の柱部８ｂと、これらの柱部８ｂの間の両リング部８ａの円弧部とからなる複数の閉じた枠状部に、図３（ｂ）中に矢印で示すように、閉電気回路１１が形成されるようになっている。この実施形態では、柱部８ｂが１３本設けられ、第２回転体２の回転方向での閉電気回路数ｎ２が１３個とされている。
【００２２】
また、前記各閉電気回路１１には、その内側を埋めるように、リング状の電磁鋼板１０ａを積層した鉄心１０が配設されている。各電磁鋼板１０ａの外周部には複数の切欠き部１２が設けられ、これらの切欠き部１２に、導電体８の各柱部８ｂが絶縁されるように通されている。したがって、第１回転体１と第２回転体２が相対回転すると、鉄心１０で埋められた各閉電気回路１１の内側を半径方向に横切る強い磁界の変化によって、各閉電気回路１１に大きな誘導電流が流れ、第１回転体１と第２回転体２の間に大きいローレンツ力が発生して、第１回転体１から第２回転体２に大きな回転トルクが伝達される。
【００２３】
前記積層される電磁鋼板１０ａの表面には、絶縁性の接着剤層が形成されている。この接着剤層は、エポキシ樹脂や紫外線硬化樹脂等を、刷毛やローラによって塗布したり、吹き付け塗装することにより形成される。なお、鉄心１０は、電磁鋼板１０ａのほかに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびこれらを含む合金、Ｎｉ−Ｚｎ系等のソフトフェライト等の透磁性材料で形成してもよい。これらの透磁性材料は、圧延で形成される板材のほかに、機械加工や粉末冶金で形成することもできる。また、鉄心１０を形成する透磁性材料は、一体化したブロックとすることもできる。
【実施例】
【００２４】
実施例として、前記閉電気回路数ｎ２を１３個としたプーリ構造体（実施例１）と、閉電気回路数ｎ２を２１個としたプーリ構造体（実施例２）を用意した。また、比較例として、前記導電体８を従来のように単なる円筒状として、渦電流を生じさせるようにしたもの（比較例１）、実施例１の鉄心１０を配設しないもの（比較例２）、実施例１の閉電気回路数ｎ２を８個としたもの（比較例３）、および実施例１の閉電気回路数ｎ２を１６個としたもの（比較例４）を用意した。なお、実施例と比較例のいずれのプーリ構造体についても、前記永久磁石６はネオジム系磁石とし、その磁極数ｎ１は８個とした。実施例と比較例の各プーリ構造体の寸法諸元は以下の通りである。
・第１回転体の円筒部（ヨークを含む）：外径６２ｍｍ、内径：５２ｍｍ、長さ３６ｍｍ
・第２回転体の円筒部（保持部を含む）：外径２０ｍｍ、内径：１６ｍｍ、長さ３６ｍｍ
・永久磁石：外径５２ｍｍ、内径：４０ｍｍ、長さ３０ｍｍ
・導電体：外径３９ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ３２ｍｍ
・鉄心（比較例１、２を除く）：外径３９ｍｍ、内径：２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板を５９枚積層
【００２５】
上述した各実施例と比較例のプーリ構造体について、第１回転体１から第２回転体２への伝達トルクを測定するトルク測定試験を行った。図４は、トルク測定試験に用いた試験装置を示す。この試験装置は、モータ２１の出力軸２１ａに設けたプーリ２２と第１回転体１のプーリ３との間にＶリブドベルト２３を巻き掛け、第１回転体１を回転駆動したときの第２回転体２への伝達トルクを、第２回転体２の出力軸５に取り付けたトルクメータ２４で測定するものであり、第２回転体２の回転速度を零にするために必要な最大伝達トルクＴを測定した。第１回転体１の回転速度Ｖは５０００ｒｐｍとし、一部の試験では、回転速度Ｖを５００、１０００、１００００ｒｐｍに変化させた。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に、前記トルク測定試験の試験条件と試験結果をまとめて示す。図５は、トルク測定試験での回転速度Ｖが５０００ｒｐｍのときの最大伝達トルクＴを比較して示す。この測定結果から分かるように、従来の円筒状の導電体を用いた比較例１の最大伝達トルクＴが８．７Ｎｍであるのに対して、各実施例のものは最大伝達トルクＴが１０Ｎｍ以上となり、最大伝達トルクＴをかなり大きくすることができる。特に、閉電気回路数ｎ２を２１個と多くした実施例２は、最大伝達トルクＴが比較例１の約１．５倍と大きくなっている。鉄心を配設しなかった比較例２は、最大伝達トルクＴが２．３Ｎｍと小さい。
【００２８】
図６は、実施例１のものについて、回転速度Ｖを変化させたときの最大伝達トルクＴを示す。最大伝達トルクＴは回転速度Ｖにほぼ比例して大きくなっている。したがって、本発明に係るプーリ構造体は、高速回転で使用されるものに特に好適である。
【００２９】
図７は、実施例１、２と比較例３、４のものについて、回転速度Ｖを０ｒｐｍから５０００ｒｐｍの定常値としたときの最大伝達トルクＴの時間変化を示す。閉電気回路数ｎ２が磁極数ｎ１の整数倍でない実施例１、２では、最大伝達トルクＴが回転速度Ｖに追随して大きくなり、定常値に安定するのに対して、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍とした比較例３、４では、最大伝達トルクＴは安定せず、脈動を続ける。したがって、安定した最大伝達トルクＴを得るためには、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍でない異なる数にする必要があることが分かる。閉電気回路数ｎ２と磁極数ｎ１の関係は、互いに整数倍でなければよく、特に限定されない。
【００３０】
前記比較例３、４で最大伝達トルクＴが脈動したのは、閉電気回路数ｎ２を磁極数ｎ１の整数倍とすると、第２回転体２の導電体８の１つの柱部８ｂが、第１回転体１の永久磁石６の隣接する磁石ユニット６ａの境界部に位置するときに、その他の境界部においても他の柱部８ｂが位置することになる。このため、磁極数ｎ１個の柱部８ｂが同時に磁石ユニット６ａの境界部に対向する状態と、どの柱部８ｂも境界部に対向しない状態が、時間的に交互に繰り返されるため、誘導電流の大きさが脈動して、結果として最大伝達トルクＴが脈動したものと考えられる。
【００３１】
図８および図９は、第２の実施形態を示す。このプーリ構造体も、図８に示すように、筒状の第１回転体１の内径側に第２回転体２が同軸上で嵌挿され、第１回転体１の外径面に回転トルクが入力されるプーリ３が設けられて、転がり軸受４によって第１回転体１と第２回転体２と相対回転可能に支持されている。第２回転体２は、転がり軸受４に支持される円筒部２ａと、後述する保持部９を取り付ける円筒部２ｂに分割され、円筒部２ｂの外径面とヨーク７の内径面の間にすべり軸受１３が設けられている。また、第２回転体２の内径面には、プーリ３から入力される回転トルクを出力する出力軸５が取り付けられる。
【００３２】
この実施形態では、図８および図９（ａ）に示すように、前記第１回転体１の内径面の一端側に、リング状の永久磁石６が嵌合固定され、その背面に、強磁性材料で形成されたヨーク７が密着固定されている。永久磁石６は、複数の扇形状の磁石ユニット６ａを、Ｓ極とＮ極を円周方向に沿って交互に配置し、かつ各磁石ユニット６ａではＳ極とＮ極が軸方向で反対方向になるように配列したものであり、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する。磁石ユニット６ａの中心角は４５°とされ、第１回転体１の回転方向での磁極数ｎ１は８個とされている。
【００３３】
また、図８および図９（ｂ）に示すように、前記第２回転体２の外径面には、内リング部８ｃと外リング部８ｄを複数のスポーク部８ｅで周方向に等間隔で連結した銅製の導電体８が、永久磁石６と軸方向で近接対向するように、保持部９を介して取り付けられている。隣接する２本のスポーク部８ｅと、これらのスポーク部８ｅの間の内外リング部８ｃ、８ｄの円弧部とからなる複数の閉じた枠状部に、図９（ｂ）中に矢印で示すように、閉電気回路１１が形成されるようになっている。スポーク部８ｅは１３本設けられ、第２回転体２の回転方向での閉電気回路数ｎ２は１３個とされている。
【００３４】
前記導電体８の閉電気回路８ａの内側には、透磁性材料で形成された鉄心１０が配設されている。この鉄心１０は、透磁性の高い複数枚の電磁鋼板１０ａを、永久磁石６との対向方向と平行に向けて、閉電気回路８ａの内側を埋めるように積層したものであり、導電体８と絶縁されている。したがって、この実施形態では、第１回転体１と第２回転体２が相対回転すると、鉄心１０で埋められた各閉電気回路１１の内側を軸方向に横切る強い磁界の変化によって、各閉電気回路１１に大きな誘導電流が流れ、第１回転体１と第２回転体２の間に大きいローレンツ力が発生して、第１回転体１から第２回転体２に大きな回転トルクが伝達される。
【００３５】
上述した各実施形態では、回転トルクが入力されるプーリを外方の第１回転体側に設けたが、プーリは内方の第２回転体側に設けることもでき、回転トルクを出力するプーリとすることもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 第１回転体
２ 第２回転体
２ａ、２ｂ 円筒部
３ プーリ
４ 転がり軸受
５ 出力軸
６ 永久磁石
６ａ 磁石ユニット
７ ヨーク
８ 導電体
８ａ リング部
８ｂ 柱部
８ｃ 内リング部
８ｄ 外リング部
８ｅ スポーク部
９ 保持部
１０ 鉄心
１０ａ 電磁鋼板
１１ 閉電気回路
１２ 切欠き部
１３ すべり軸受
２１ モータ
２１ａ 出力軸
２２ プーリ
２３ Ｖリブドベルト
２４ トルクメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、一方の回転体にプーリを設けて、回転体間を非接触として回転体間でトルクを伝達するプーリ構造体において、前記２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、前記磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と前記磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、前記枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設したことを特徴とするプーリ構造体。
【請求項２】
前記鉄心を、透磁性材料で形成された複数枚の板材を、前記磁石の磁束方向と平行に向けて積層したものとした請求項１に記載のプーリ構造体。
【請求項３】
前記閉電気回路の数を前記磁石の磁極の数よりも多くした請求項１または２に記載のプーリ構造体。
【請求項４】
前記磁石の前記導電体と対向する側と反対側の背面側に、磁性材料で形成されたヨークを密着固定した請求項１乃至３のいずれかに記載のプーリ構造体。
【請求項５】
前記磁石を永久磁石とした請求項１乃至４のいずれかに記載のプーリ構造体。
【請求項１】
２つの回転体を同軸上で相対回転可能に配置し、一方の回転体にプーリを設けて、回転体間を非接触として回転体間でトルクを伝達するプーリ構造体において、前記２つの回転体の一方の回転体に、回転方向で複数の異なる磁極を交互に有する磁石を設け、他方の回転体に、前記磁石と半径方向または軸方向で対向し、この対向部に回転方向で複数の閉じた枠状の閉電気回路が形成される導電体を設けて、この導電体の閉電気回路の数と前記磁石の磁極の数とを、一方が他方の整数倍とならない互いに異なる数となるように設定し、前記枠状の閉電気回路の内側を埋めるように、透磁性材料で形成された鉄心を配設したことを特徴とするプーリ構造体。
【請求項２】
前記鉄心を、透磁性材料で形成された複数枚の板材を、前記磁石の磁束方向と平行に向けて積層したものとした請求項１に記載のプーリ構造体。
【請求項３】
前記閉電気回路の数を前記磁石の磁極の数よりも多くした請求項１または２に記載のプーリ構造体。
【請求項４】
前記磁石の前記導電体と対向する側と反対側の背面側に、磁性材料で形成されたヨークを密着固定した請求項１乃至３のいずれかに記載のプーリ構造体。
【請求項５】
前記磁石を永久磁石とした請求項１乃至４のいずれかに記載のプーリ構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１９８５８（Ｐ２０１２−２１９８５８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３８５３（Ｐ２０１１−８３８５３）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００６０６８）三ツ星ベルト株式会社 (730)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００６０６８）三ツ星ベルト株式会社 (730)
【Ｆターム（参考）】
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