JP6933851B2 - ヒステリシスローター、ブレーキ機構、及びヒステリシスローターの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、周方向の全周にわたって磁化が容易となる異方性を得ることによってブレーキトルクのさらなる向上を図ることができるヒステリシスローター、ブレーキ機構、及びヒステリシスローターの製造方法に関する。

電磁ヒステリシスブレーキは、例えば、特許文献１に示されるように、励磁コイルを内装し、外側磁極と内側磁極とが略筒状の空隙部を有するように形成されたフレームと、磁極と同軸心になるようフレームに回転自在に装着された軸と、前記軸に固着された椀状のヒステリシスローターとにより構成される。一般的に、ヒステリシスローターは特定方向に配向性を有しない等方性の永久磁石材を用いて一体に作られ、椀状のうち円筒形状部が前記略筒状の空隙部に貫挿される。

この構成において、励磁コイルに通電すると略筒状の空隙部に磁力線が流れ、軸が回転させられヒステリシスローターの円筒形状部がこの磁力線中を移動すると、回転を停止させようとするブレーキトルクが発生し、ヒステリシスブレーキとして機能する。

しかしながら、等方性の永久磁石材をヒステリシスローターに使用した場合、充分なブレーキトルクが得られないという課題があった。

そこで、特許文献２では、ヒステリシスローター（半硬質磁性材のヒステリシスリング）の一部（直径方向の両端部以外の部分）を、円周方向に磁束が通過し易くなるように配向させることによりブレーキトルクの向上を図っている。この配向処理方法としては、熱処理を行っている間にヒステリシスローターの直径方向に磁束を発生させることにより異方性としている。さらに、ヒステリシスローターの直径方向の両端部分側に磁束形成部を配置し、該磁束形成部によってヒステリシスローターのほぼ直径方向の円周方向に沿って配向させるようにしている。

実公平１−１１６３６号公報 特開２０１０−７１２０６号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたヒステリシスローターの配向処理によって、円周方向に磁束が通過し易くなる異方性が得られるのはヒステリシスローターの一部のみであり、ヒステリシスローターの両端部分では異方性は得られず、異方性によるブレーキトルクの向上の効果は限定的であった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、周方向の全周にわたって磁化が容易となる異方性を得ることによってブレーキトルクのさらなる向上を図ることができるヒステリシスローター、ブレーキ機構、及びヒステリシスローターの製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかるヒステリシスローターは、円筒を周方向に分割した弧形状で、周方向に磁化が容易な異方性を有するローター素片を前記周方向に複数個組み合わせて形成した前記円筒を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターは、円筒に対応する正多角筒を形成する平板形状で、周方向に対応して磁化が容易な異方性を有するローター素片を前記周方向に複数個組み合わせて形成した前記正多角筒を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターは、上記の発明において、前記ローター素片は、平行磁界中で、組合せ後における前記円筒または前記正多角筒の周方向に対する中央部分での接線方向と、前記平行磁界の磁束方向とを平行にして磁界中熱処理したことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターは、上記の発明において、前記ローター素片は、スピノーダル現象にて強磁性と非磁性との２相に分離する特性と、磁場中で処理することにより強磁性粒子が磁束方向に成長する特性とを有した磁性材料で形成されたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターは、上記の発明において、前記ローター素片の円筒軸方向に平行な端面には、隣接するローター素片の端面と互いに噛み合って接合される係合部を有していることを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターは、上記の発明において、前記円筒または前記正多角筒は、前記ローター素片を径方向に複数層積層したことを特徴とする。

また、本発明にかかるブレーキ機構は、上記の発明のいずれか一つに記載のヒステリシスローターを電磁ヒステリシスブレーキとして用いたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒステリシスローターの製造方法は、円筒を周方向に分割した弧形状あるいは前記円筒に対応する正多角筒を形成する平板形状で、周方向に対応して磁化が容易な異方性をもたせるローター素片を、平行磁界中で、組合せ後における前記円筒または前記正多角筒の周方向に対する中央部分での接線方向と、前記平行磁界の磁束方向とを平行にして磁界中熱処理を行い、前記磁界中熱処理後のローター素片を前記周方向に複数個組み合わせて前記円筒あるいは正多角筒を形成することを特徴とする。

本発明によれば、円筒を周方向に分割した弧形状で、周方向に磁化が容易な異方性を有するローター素片を前記周方向に複数個組み合わせて形成した前記円筒を備えるようにしているので、周方向の全周にわたって磁化が容易となる異方性を得ることができ、ブレーキトルクのさらなる向上を図ることができるとともに、製造が容易となり、歩留まりも良くなる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るヒステリシスローターの構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示したヒステリシスローターの分解斜視図である。 図３は、平行磁界中に置かれたローター素片内を通る磁束の状態を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係るヒステリシスローターの構成を示す斜視図である。 図５は、図４に示したヒステリシスローターの分解斜視図である。 図６は、図４に示したローター素片間に生じた間隙を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係るヒステリシスローターの構成を示す斜視図である。 図８は、図７に示したヒステリシスローターの分解斜視図である。 図９は、図７に示したローター素片間に生じた間隙を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態４に係るヒステリシスローターの構成を示す斜視図である。 図１１は、図１０に示したヒステリシスローターの分解斜視図である。 図１２は、図１０に示したローター素片間に生じた間隙を示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態５に係るヒステリシスローターの構成を示す斜視図である。 図１４は、図１３に示したヒステリシスローターの正面図である。 図１５は、実施の形態１に示したヒステリシスローターを電磁ヒステリシスブレーキとして用いたブレーキ機構の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒステリシスローター１０の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示したヒステリシスローター１０の分解斜視図である。図１及び図２に示すように、ヒステリシスローター１０は、円筒部４を周方向ＲＴに分割した弧形状で周方向ＲＴに磁化が容易な異方性を有するローター素片５を、周方向ＲＴに複数個組み合わせて円筒部４を形成している。各ローター素片５は、円板３の周縁に設けられた段差部６に配置されて組み合わせられる。各ローター素片５は、段差部６を介して円板３に接合される。なお、ローター本体１は、円柱状の軸部２と、軸部２の軸方向一端に配置された円板３とを有する。また、軸部２には、回転軸穴２ａが設けられている。回転軸穴２ａには、後述する回転軸７が取り付けられる。

［ローター素片の配向処理］
図３に示すように、ローター素片５は、平行磁界中で、組合せ後における円筒部４の周方向ＲＴにおける中央部分（位置Ｐ１）での接線方向（Ｙ方向）と、平行磁界の磁束φ方向（Ｙ方向）とを平行にして磁界中熱処理される。なお、接線方向は、ローター素片５の弦方向でもある。

一般に、ヒステリシス材は磁束が通り易いため、磁束φはローター素片５の弧形状に沿って流れる。このため、図３に示すように、平行磁界内にローター素片５の弧形状の弦方向が磁束φ方向とほぼ平行になる様に配置することにより、磁束φＲは、ローター素片５の弧形状のなかを周方向に流れ、この状態で熱処理することにより周方向に磁化が容易な異方性が得られる。

なお、ローター素片５は、スピノーダル現象にて強磁性と非磁性との２相に分離する特性と、磁場中で処理することにより強磁性粒子が磁束方向に成長する特性とを有した磁性材料で形成される。

スピノーダル現象によって強磁性、非磁性の２相に分離する特性と、磁場中で処理することにより強磁性粒子が磁束方向に成長する特性と、を有する磁性材料は、所定の磁界を持った平行磁界中にその磁性材料を設置し、スピノーダル現象による２相分離処理を行うと、静磁エネルギーを減少させるように磁束方向に強磁性粒子が成長し、磁束φＲ方向に磁化が容易な異方性磁石材が得られる。

このような磁性材料としては、例えば、鉄・クロム・コバルト（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ：ＦＣＣ）磁石及びアルニコ（Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ）磁石がある。

ローター素片５をこのような磁性材料で製作し、このローター素片５を、ローター素片５の弧形状の弦方向と平行磁界の磁束φ方向が略平行となるように設置し、スピノーダル現象による２相分離処理を行うと、ローター素片５の弧方向に沿って流れる磁束φＲにより、ローター素片５は、周方向に磁化が容易な異方性を持つ。このようにして製作したローター素片５を用いてヒステリシスローター１０を製作することにより、ヒステリシスローター１０は全周にわたり周方向に磁化が容易な異方性を有するので、ブレーキトルクの向上が図れる。

なお、例えば、ＦＣＣ材料は、溶製した材料を所定の形状に加工後、均質化熱処理を実施し、α相単相組織を形成後、スピノーダル現象を利用して単磁区粒子サイズのＦｅＣｏ（α１）強磁性粒子をＣｒリッチ（α２）非磁性相中に微細分散させる２相分離を進行させると保磁力が発現し、いわゆる永久磁石材となる。この２相分離が進行する温度領域でＦＣＣ材料を定常磁場環境下におくと、ＦｅＣｏ（α１）強磁性粒子は静磁エネルギーを減少させる磁束方向に伸張し、配向性を持った異方性永久磁石材になる。

一方、定常磁界中に磁性体を投入すると、磁性体の持つ磁気特性並びに形状により、直進している磁束が曲がったり、収束、または放散する現象が見られる。具体的には、リング形状を周方向で分割した弧形状の磁性体を、弦方向に平行な磁場に投入した場合、弧形状の磁性体のなかを通過する磁束φＲは、弧の曲率に沿って曲がる。

本実施の形態１では、この２つの現象を応用し、弧形状のＦＣＣ材料を一定磁界を持った環境下で弧形状の弦方向が磁束φ方向に平行となるように設置し、スピノーダル現象による２相分離処理を行うことで、ＦｅＣｏ強磁性粒子が出現するとともに、ＦｅＣｏ強磁性粒子は静磁エネルギーを減少させる磁束φＲの方向、すなわち弧方向に成長し、周方向に磁化容易となる異方性を持つ磁石材になる。この製造方法で製作した磁気異方性を持つＦＣＣ材料を使用したヒステリシスローター１０を用いた電磁ヒステリシスブレーキは、ヒステリシスローターを等方性材料で製作した場合と比較し、約２倍のブレーキトルクが得られた。

本実施の形態１では、ローター素片５が、周方向ＲＴの周方向全域にわたり、磁化が容易となる異方性を持たせることができる。これにより、ローター素片５を複数組み合わせることにより、円筒部４の全周にわたり周方向に磁化が容易となる異方性を有するヒステリシスローター１０が得られ、異方性によるブレーキトルクの向上が可能となる。

なお、円筒部のヒステリシスローターを一体で製作する場合、円筒部の内側部分の素材が全てスクラップとなり、材料歩留まりが悪い。これに対し、本実施の形態１では、円筒部４を周方向に分割したローター素片５を組み合わせて製作しているので、材料歩留まりが飛躍的に向上する。具体的に板材からローターを切り出す場合において、一体製作した円筒部の歩留まりは４．５％であり、ローター素片５を用いて製作した円筒部の歩留まりは２６％であった。

（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２について説明する。この実施の形態２のヒステリシスローター２０は、図４及び図５に示すように、図１におけるローター素片５に対応するローター素片２５は、図１における円筒部４に対応する円筒部２４の軸方向に平行な端面に、隣接するローター素片２５の端面と互いに噛み合って接合される係合部２１を有している。係合部２１は、周方向ＲＴの一端側に軸方向に平行に凸となる凸部２１ａが形成され、他端側に軸方向に平行に凹となる凹部２１ｂが形成されている。すなわち、係合部２１は、径方向に凹凸が形成されている。係合部２１は、隣り合うローター素片２５の端部において凸部２１ａと凹部２１ｂとが噛み合うように形成される。

本実施の形態２では、隣り合うローター素片２５の端面に互いに噛み合う形状を設けたので、ローター素片２５の周方向ＲＴの長さが、誤差等で短かめになる場合で、ローター素片２５を組み合わせて円筒部２４とした際に、図６に示すように、隣接するローター素片２５の端面間に隙間２２が生じても、噛み合い形状部分が重なり合うのでローター素片２５間の接合時の強度低下および周方向の磁気特性の不連続を回避することができる。これによりローター素子２５の周方向ＲＴの長さの精度を高くする必要がない。

（実施の形態３）
上述した実施の形態２のローター素片２５の係合部２１は、周方向ＲＴの一端側に軸方向に平行に凸となる凸部２１ａが形成され、他端側に軸方向に平行に凹となる凹部２１ｂが形成されていた。本実施の形態３のヒステリシスローター３０では、図７及び図８に示すように、図４におけるローター素片２５に対応するローター素片３５は、図１における円筒部４に対応する円筒部３４の軸方向に平行な端面に、隣接するローター素片３５の端面と互いに噛み合って接合される係合部３１を有している。係合部３１は、周方向ＲＴの一端側に径方向に平行に凸となる凸部３１ａが形成され、他端側に径方向に平行に凹となる凹部３１ｂが形成されている。すなわち、係合部３１は、軸方向に凹凸が形成されている。係合部３１は、隣り合うローター素片３５の端部において凸部３１ａと凹部３１ｂとが噛み合うように形成される。

本実施の形態３では、上述した実施の形態２と同様に、隣り合うローター素片３５の端面に互いに噛み合う形状を設けたので、ローター素片３５の周方向ＲＴの長さが、誤差等で短かめになる場合で、ローター素片３５を組み合わせて円筒部３４とした際に、図９に示すように、隣接するローター素片３５の端面間に隙間３２が生じても、噛み合い形状部分が重なり合うのでローター素片３５間の接合時の強度低下および周方向の磁気特性の不連続を回避することができる。これによりローター素子３５の周方向ＲＴの長さの精度を高くする必要がない。

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４について説明する。この実施の形態４に示したヒステリシスローター４０は、図１０及び図１１に示すように、図１におけるローター素子５に対応するローター素片４５ａ，４５ｂ，４５ｃを径方向に複数層積層して円筒部４４を形成するようにしている。なお、図１０及び図１１では、ローター素片４５ａ，４５ｂ，４５ｃをそれぞれ最外層、中間層、最内層とした３層構造としている。

実施の形態４では、ローター素片４５ａ，４５ｂ，４５ｃを径方向に複数層積層する構成としたので、ローター素片４５ａ，４５ｂ，４５ｃの周方向の長さが誤差等で短めになる場合等で、最内層のローター素片４５ｃを組み合わせた時に、図１２に示すように、隣接するローター素片４５ｃ間に隙間４１が生じても、隣接する中間層のローター素片４５ｂの接合位置を最内層のローター素片４５ｃの接合位置と周方向ＲＴで異なる位置とすることにより、隙間４１を有する隣接する最内層のローター素片４５ｃを、隣接する中間層のローター素片２５ｂにより接合することが出来る。これにより、隙間４１による、隣接するローター素片４５ａ，４５ｂ，４５ｃ間の接合強度の低下および円周方向の磁気特性の不連続を回避することができる。これによりローター素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃの周方向ＲＴの長さの精度を高くする必要がない。

（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５について説明する。上述した図１，４，７，１０におけるローター素片５，２５，３５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃは弧形状であり、それぞれ図１，４，７，１０における円筒部４，２４，３４，４４を形成していたが、本実施の形態５に示したヒステリシスローター５０では、図１３及び図１４に示すように、平板形状のローター素片５５を組み合わせて、図１，４，７，１０における円筒部４，２４，３４，４４に替えて正多角筒５４を形成している。各ローター素片５５は、図１，４，７，１０におけるローター素片５，２５，３５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃと同様に、周方向ＲＴに対応して磁化が容易な異方性を有し、周方向ＲＴに複数個組み合わせて正多角筒部５４を形成する。

正多角筒部５４は、円筒形状ではないが、分割数を十分細かくすることによって、図１，４，７，１０における円筒部４，２４，３４，４４と同様なヒステリシス材としての機能を発する。

例えば、図１３及び図１４では、円筒形状を３６分割した平板形状のローター素片５５によって正多角筒部５４を形成している。

この実施の形態５では、ローター素片５５を円弧状にする必要が無く、平板形状で構わないので、製作が容易となる。

（実施の形態６）
この実施の形態６は、上述した実施の形態１〜５に示したヒステリシスローター１０，２０，３０，４０，５０を電磁ヒステリシスブレーキとして用いたブレーキ機構である。なお、ここでは、ヒステリシスローター１０を電磁ヒステリシスブレーキとして用いた例を示す。

図１５は、実施の形態１に示したヒステリシスローター１０を電磁ヒステリシスブレーキとして用いたブレーキ機構７０の一例を示す図である。図１５に示すように、ブレーキ機構７０は、ステーター６０の環状の空隙６３に、ヒステリシスローター１０の円筒部４が接触せずに挿入される。ヒステリシスローター１０の回転軸穴２ａには、回転軸７が挿入され、結合されている。ヒステリシスローター１０と回転軸７とは一体となって回転する。

ステーター６０は、外周側の外側磁極６０ａと内周側の内側磁極６０ｂとを有する。外側磁極６０ａと内側磁極６０ｂとは、円筒部４が挿入される空隙６３側にそれぞれ外側極歯６１ａ、内側極歯６１ｂが形成されている。ステーター６０は、コイル６２が内部に設けられ、コイル６２に励磁電流を流すと、空隙６３に磁力線が流れ、ヒステリシスローター１０の円筒部４がこの磁力線中を移動すると、ヒステリシス損によって回転を停止させるブレーキトルクが発生し、電磁ヒステリシスブレーキとして機能する。

なお上述した実施の形態１〜６の構成要素は、適宜組み合わせが可能である。

１ ローター本体
２ 軸部
２ａ 回転軸穴
３ 円板
４，２４，３４，４４ 円筒部
５，２５，３５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，５５ ローター素片
６ 段差部
７ 回転軸
１０，２０，３０，４０，５０ ヒステリシスローター
２１，３１ 係合部
２１ａ，３１ａ 凸部
２１ｂ，３１ｂ 凹部
２２，３２，４１ 隙間
５４ 正多角筒部
６０ ステーター
６０ａ 外側磁極
６０ｂ 内側磁極
６１ａ 外側極歯
６１ｂ 内側極歯
６２ コイル
６３ 空隙
７０ ブレーキ機構
ＲＴ 周方向
φ，φＲ 磁束

Claims (8)

1. ヒステリシスブレーキとして用いられるヒステリシスローターであって、
   円筒を周方向に分割した弧形状で、それぞれが周方向に磁化が容易な異方性を有するヒステリシス磁性材のローター素片を前記周方向の全周にわたって複数個組み合わせて形成した前記円筒を備えたことを特徴とするヒステリシスローター。
2. ヒステリシスブレーキとして用いられるヒステリシスローターであって、
   円筒に対応する正多角筒を形成する平板形状で、それぞれが周方向に対応して磁化が容易な異方性を有するヒステリシス磁性材のローター素片を前記周方向の全周にわたって複数個組み合わせて形成した正多角筒を備えたことを特徴とするヒステリシスローター。
3. 前記ローター素片の円筒軸方向に平行な端面には、隣接するローター素片の端面と互いに噛み合って接合される係合部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒステリシスローター。
4. 前記円筒は、前記ローター素片を径方向に複数層積層したことを特徴とする請求項１又は３に記載のヒステリシスローター。
5. 前記円筒に対応する正多角筒は、前記ローター素片を径方向に複数層積層したことを特徴とする請求項２又は３に記載のヒステリシスローター。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載のヒステリシスローターを電磁ヒステリシスブレーキとして用いたことを特徴とするブレーキ機構。
7. ヒステリシスブレーキとして用いられるヒステリシスローターの製造方法であって、
   円筒を周方向に分割した弧形状あるいは前記円筒に対応する正多角筒を形成する平板形状で、それぞれが周方向に対応して磁化が容易な異方性をもたせるヒステリシス磁性材のローター素片を、平行磁界中で、組合せ後における前記円筒または前記正多角筒の周方向に対する中央部分での接線方向と、前記平行磁界の磁束方向とを平行にして磁界中熱処理を行い、
   前記磁界中熱処理後のローター素片を前記周方向の全周にわたって複数個組み合わせて前記円筒あるいは正多角筒を形成することを特徴とするヒステリシスローターの製造方法。
8. 前記ローター素片は、スピノーダル現象にて強磁性と非磁性との２相に分離する特性と、磁場中で処理することにより強磁性粒子が磁束方向に成長する特性とを有した磁性材料で形成されたことを特徴とする請求項７に記載のヒステリシスローターの製造方法。

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