JP7705122B2

JP7705122B2 - Magnetorheological Fluid Clutch

Info

Publication number: JP7705122B2
Application number: JP2021164433A
Authority: JP
Inventors: 裕輔渡邊; 和彦杉山; 政身中野; 修田口
Original assignee: Tohoku University NUC; Ebara Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Ebara Corp
Priority date: 2021-10-06
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2025-07-09
Anticipated expiration: 2041-10-06
Also published as: JP2023055248A

Description

本発明は、磁気粘性流体クラッチに関し、特にＭＲ（磁気粘弾性）流体に代表される磁気粘性流体を用いたクラッチに関する。 The present invention relates to a magnetorheological fluid clutch, and in particular to a clutch using a magnetorheological fluid such as a magnetorheological (MR) fluid.

駆動軸の回転を従動軸に伝達する機構として、クラッチが従来から使用されている。クラッチは、必要に応じて駆動軸と従動軸とを連結し、駆動軸の回転（またはトルク）を従動軸に伝達することで、従動軸に連結された負荷を回転させる。さらに、クラッチを切り離すことで、駆動軸は回転したまま従動軸の回転を停止させることができる。このようなクラッチは、液体ポンプ装置などの回転機械に使用されることがある。一般に、回転機械に使用されるクラッチには、機械式クラッチ（摩擦多板式クラッチ）や、流体継手などがある。 Clutches have traditionally been used as a mechanism for transmitting the rotation of a drive shaft to a driven shaft. The clutch connects the drive shaft and driven shaft as necessary, and transmits the rotation (or torque) of the drive shaft to the driven shaft, thereby rotating the load connected to the driven shaft. Furthermore, by disengaging the clutch, the rotation of the driven shaft can be stopped while the drive shaft continues to rotate. Such clutches are sometimes used in rotating machines such as liquid pump devices. Clutches generally used in rotating machines include mechanical clutches (friction multi-plate clutches) and fluid couplings.

特開２０１９－２１９０３０号公報JP 2019-219030 A

しかしながら、機械式クラッチや流体継手などの従来のクラッチは、設置面積が大きく高価である等の欠点がある。また、通常、従来のクラッチは、水平配置専用に設計されているものがほとんどであり、適用範囲が限定される。さらに、機械式クラッチは、互いに摺接するクラッチ板の摩耗が必然的に生じる。流体継手はクラッチ板を持たず、内部に存在する流体の量により、駆動軸から従動軸に伝達される回転速度やトルクを制御することが可能である。しかしながら、そのような流体の量を制御するためのオイルユニットが必要であり、高コストおよび大きな設置面積を伴う。 However, conventional clutches such as mechanical clutches and fluid couplings have drawbacks, such as a large installation area and high cost. In addition, most conventional clutches are usually designed exclusively for horizontal placement, limiting their range of application. Furthermore, mechanical clutches inevitably cause wear on the clutch plates that slide against each other. Fluid couplings do not have clutch plates, and are capable of controlling the rotational speed and torque transmitted from the drive shaft to the driven shaft by the amount of fluid present inside. However, an oil unit is required to control the amount of such fluid, which entails high costs and a large installation area.

そこで、本発明は、コンパクトで安価な磁気粘性流体クラッチを提供する。 Therefore, the present invention provides a compact and inexpensive magnetorheological fluid clutch.

一態様では、第１回転軸と、第２回転軸と、前記第１回転軸に連結され、前記第１回転軸と一体に回転可能な第１回転プレートと、前記第２回転軸に連結され、前記第２回転軸と一体に回転可能な第２回転プレートと、前記第１回転プレートおよび前記第２回転プレートを囲む静止ハウジングと、前記第１回転プレートと前記第２回転プレートとの間の空間を満たす磁気粘性流体と、前記静止ハウジングに保持され、前記磁気粘性流体に印加される磁場を発生させるコイルと、前記コイルに電流を流す電流供給装置を備えている、磁気粘性流体クラッチが提供される。 In one aspect, a magnetorheological fluid clutch is provided, comprising: a first rotating shaft; a second rotating shaft; a first rotating plate connected to the first rotating shaft and rotatable integrally with the first rotating shaft; a second rotating plate connected to the second rotating shaft and rotatable integrally with the second rotating shaft; a stationary housing surrounding the first rotating plate and the second rotating plate; a magnetorheological fluid filling a space between the first rotating plate and the second rotating plate; a coil held in the stationary housing and generating a magnetic field applied to the magnetorheological fluid; and a current supply device that supplies a current to the coil.

一態様では、前記磁気粘性流体クラッチは、前記第１回転軸を回転可能に支持する第１軸受と、前記第２回転軸を回転可能に支持する第２軸受をさらに備えており、前記第１軸受および前記第２軸受は、前記静止ハウジングに保持されている。
一態様では、前記磁気粘性流体クラッチは、前記第１回転軸に固定された回転ハウジングと、前記第２回転軸に固定された回転部材をさらに備えており、前記第１回転プレートおよび前記第２回転プレートは、前記回転ハウジング内に位置しており、前記第１回転プレートは前記回転ハウジングに固定され、前記第２回転プレートは前記回転部材に固定されている。
一態様では、前記磁気粘性流体クラッチは、前記回転ハウジングと前記回転部材との間の隙間を封止するシール装置をさらに備えている。
一態様では、前記磁気粘性流体は、少なくとも前記第１回転プレート、前記第２回転プレート、前記回転ハウジング、前記回転部材、および前記シール装置によって形成される密閉空間を満たしている。 In one aspect, the magnetorheological fluid clutch further includes a first bearing that rotatably supports the first rotating shaft and a second bearing that rotatably supports the second rotating shaft, the first bearing and the second bearing being held in the stationary housing.
In one aspect, the magnetorheological fluid clutch further includes a rotating housing fixed to the first rotating shaft and a rotating member fixed to the second rotating shaft, the first rotating plate and the second rotating plate being positioned within the rotating housing, the first rotating plate being fixed to the rotating housing, and the second rotating plate being fixed to the rotating member.
In one embodiment, the magnetorheological fluid clutch further includes a seal device that seals a gap between the rotating housing and the rotating member.
In one embodiment, the magnetorheological fluid fills an enclosed space formed by at least the first rotating plate, the second rotating plate, the rotating housing, the rotating member, and the sealing device.

一態様では、前記電流供給装置は、前記電流を予め設定された電流供給パターンに従って前記コイルに流すように構成されている。
一態様では、前記磁気粘性流体クラッチは、前記第１回転軸の回転速度を測定する第１速度測定器と、前記第２回転軸の回転速度を測定する第２速度測定器をさらに備えており、前記電流供給装置は、前記第１回転軸の回転速度が予め設定された速度に達した後に、前記電流を前記コイルに流し始め、さらに前記第２回転軸の回転速度の上昇率を所定の上限値以下に維持しつつ前記電流を増加させるように構成されている。
一態様では、前記磁気粘性流体クラッチは、正方向の電流と逆方向の電流を交互に前記コイルに供給する交流電源をさらに備えている。 In one aspect, the current supply device is configured to apply the current to the coil according to a preset current supply pattern.
In one embodiment, the magnetorheological fluid clutch further includes a first speed measuring device for measuring the rotational speed of the first rotating shaft and a second speed measuring device for measuring the rotational speed of the second rotating shaft, and the current supply device is configured to start flowing the current to the coil after the rotational speed of the first rotating shaft reaches a predetermined speed, and to further increase the current while maintaining the rate of increase of the rotational speed of the second rotating shaft below a predetermined upper limit value.
In one aspect, the magnetorheological fluid clutch further comprises an AC power source that supplies alternating forward and reverse current to the coil.

本発明によれば、コンパクトで安価なクラッチが実現されると共に、コイルに流す電流の制御により、第１回転軸と第２回転軸との瞬間的な連結および瞬間的な連結解除、第１回転軸の回転速度に対する第２回転軸の回転速度の制御などの様々な態様のトルク伝達が可能になる。 The present invention realizes a compact and inexpensive clutch, and by controlling the current flowing through the coil, it is possible to transmit torque in various ways, such as instantaneous connection and disconnection between the first and second rotating shafts, and control of the rotational speed of the second rotating shaft relative to the rotational speed of the first rotating shaft.

磁気粘性流体クラッチの一実施形態を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of one embodiment of a magnetorheological fluid clutch. 磁気粘性流体クラッチの他の実施形態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of a magnetorheological fluid clutch. 磁気粘性流体クラッチのさらに他の実施形態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing yet another embodiment of a magnetorheological fluid clutch. 磁気粘性流体クラッチが組み込まれた立軸ポンプ装置の一実施形態を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a vertical shaft pump device incorporating a magnetorheological fluid clutch.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、磁気粘性流体クラッチの一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転軸５、第２回転軸６、第１回転プレート８、第２回転プレート９、および静止ハウジング１２を備えている。第１回転プレート８は、第１回転軸５に連結されており、第１回転軸５と一体に回転可能である。第２回転プレート９は、第２回転軸６に連結されており、第２回転軸６と一体に回転可能である。第１回転プレート８および第２回転プレート９は静止ハウジング１２に囲まれている。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of a magnetorheological fluid clutch. As shown in FIG. 1, the magnetorheological fluid clutch 1 includes a first rotating shaft 5, a second rotating shaft 6, a first rotating plate 8, a second rotating plate 9, and a stationary housing 12. The first rotating plate 8 is connected to the first rotating shaft 5 and can rotate integrally with the first rotating shaft 5. The second rotating plate 9 is connected to the second rotating shaft 6 and can rotate integrally with the second rotating shaft 6. The first rotating plate 8 and the second rotating plate 9 are surrounded by the stationary housing 12.

第１回転軸５および第２回転軸６は、一直線上に配列されており、それぞれ独立に回転可能である。本実施形態では、第１回転軸５は、図示しない原動機（例えば、電動機、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジンなど）に連結された駆動軸であり、第２回転軸６は、羽根車などの負荷に連結された従動軸である。一実施形態では、第２回転軸６が原動機に連結された駆動軸であり、第１回転軸５が負荷に連結された従動軸であってもよい。 The first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6 are arranged in a straight line and can rotate independently. In this embodiment, the first rotating shaft 5 is a drive shaft connected to a prime mover (not shown) (e.g., an electric motor, a diesel engine, a gas turbine engine, etc.), and the second rotating shaft 6 is a driven shaft connected to a load such as an impeller. In one embodiment, the second rotating shaft 6 may be a drive shaft connected to a prime mover, and the first rotating shaft 5 may be a driven shaft connected to a load.

磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転軸５を回転可能に支持する第１軸受１５と、第２回転軸６を回転可能に支持する第２軸受１６をさらに備えている。第１軸受１５および第２軸受１６は、静止ハウジング１２に保持されている。磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転軸５および第２回転軸６の両方を回転可能に支持する中間軸受１７をさらに備えている。第１軸受１５、第２軸受１６、および中間軸受１７には、ラジアル荷重およびアキシャル荷重の両方を受けることができるアンギュラ玉軸受が採用されている。ただし、第１軸受１５、第２軸受１６、および中間軸受１７は他のタイプの軸受であってもよい。 The magnetorheological fluid clutch 1 further includes a first bearing 15 that rotatably supports the first rotating shaft 5, and a second bearing 16 that rotatably supports the second rotating shaft 6. The first bearing 15 and the second bearing 16 are held in the stationary housing 12. The magnetorheological fluid clutch 1 further includes an intermediate bearing 17 that rotatably supports both the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6. The first bearing 15, the second bearing 16, and the intermediate bearing 17 are angular ball bearings that can support both radial and axial loads. However, the first bearing 15, the second bearing 16, and the intermediate bearing 17 may be other types of bearings.

磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転プレート８と第２回転プレート９との間の空間を満たす磁気粘性流体２０と、静止ハウジング１２に保持され、磁気粘性流体２０に印加される磁場を発生させるコイル２２と、コイル２２に電流を供給する電流供給装置２５を備えている。磁気粘性流体２０の具体例としては、ＭＲ流体（磁気粘弾性流体）が挙げられる。ＭＲ流体は、鉄などの磁性粒子が、オイルなどの流動性媒体中に分散した流体である。磁気粘性流体２０に磁場を印加すると、磁気粘性流体２０に含まれる磁性粒子が鎖状に繋がり、磁気粘性流体２０が固化する。固化した磁気粘性流体２０は、第１回転プレート８と第２回転プレート９を連結する。一方、磁気粘性流体２０への磁場の印加を停止すると、磁気粘性流体２０は液化し、第１回転プレート８と第２回転プレート９との連結が解除される。 The magnetorheological fluid clutch 1 includes a magnetorheological fluid 20 that fills the space between the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9, a coil 22 that is held in the stationary housing 12 and generates a magnetic field that is applied to the magnetorheological fluid 20, and a current supply device 25 that supplies current to the coil 22. A specific example of the magnetorheological fluid 20 is MR fluid (magnetic rheological fluid). MR fluid is a fluid in which magnetic particles such as iron are dispersed in a fluid medium such as oil. When a magnetic field is applied to the magnetorheological fluid 20, the magnetic particles contained in the magnetorheological fluid 20 are linked in a chain shape, and the magnetorheological fluid 20 solidifies. The solidified magnetorheological fluid 20 connects the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9. On the other hand, when the application of the magnetic field to the magnetorheological fluid 20 is stopped, the magnetorheological fluid 20 liquefies and the connection between the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9 is released.

コイル２２は、第１回転プレート８と第２回転プレート９を囲むように静止ハウジング１２内に配置されている。コイル２２は、第１回転プレート８と第２回転プレート９の径方向外側に位置している。ただし、コイル２２によって発生される磁場が、第１回転プレート８と第２回転プレート９との間の磁気粘性流体２０に作用する限りにおいて、コイル２２の位置は特に限定されない。一実施形態では、コイル２２は、第１回転プレート８と第２回転プレート９の軸方向において外側に位置してもよい。 The coil 22 is disposed in the stationary housing 12 so as to surround the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9. The coil 22 is located radially outside the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9. However, the position of the coil 22 is not particularly limited as long as the magnetic field generated by the coil 22 acts on the magnetorheological fluid 20 between the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9. In one embodiment, the coil 22 may be located axially outside the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9.

コイル２２への電流供給開始および電流供給停止は、電流供給装置２５によって行われる。電流供給装置２５は、コイル２２に供給する電流の大きさおよび時間的変化を変えられるように構成されている。電流供給装置２５が電流をコイル２２に供給すると、コイル２２は磁場を生成し、第１回転プレート８と第２回転プレート９との間の隙間に存在する磁気粘性流体２０は磁場内に置かれる。 The current supply to the coil 22 is started and stopped by the current supply device 25. The current supply device 25 is configured to change the magnitude and temporal change of the current supplied to the coil 22. When the current supply device 25 supplies a current to the coil 22, the coil 22 generates a magnetic field, and the magnetorheological fluid 20 present in the gap between the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9 is placed within the magnetic field.

本実施形態では、電流供給装置２５は、予め設定された電流供給パターンに従って電流をコイル２２に流すように構成されている。例えば、電流供給装置２５は、定格電流を瞬間的にコイル２２に供給することで、第１回転軸５と第２回転軸６を瞬間的に連結することができる。別の例では、電流供給装置２５は、予め設定された時間に亘って電流を０から定格電流まで徐々に上げることでソフトスタートを実現することができる。 In this embodiment, the current supply device 25 is configured to pass a current through the coil 22 according to a preset current supply pattern. For example, the current supply device 25 can instantaneously connect the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6 by instantaneously supplying a rated current to the coil 22. In another example, the current supply device 25 can achieve a soft start by gradually increasing the current from 0 to the rated current over a preset time period.

図１に示す実施形態では、磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転軸５に固定された回転ハウジング３１と、第２回転軸６に固定された回転部材３２をさらに備えている。第１回転プレート８は回転ハウジング３１に固定され、第２回転プレート９は回転部材３２に固定されている。したがって、第１回転軸５と、回転ハウジング３１と、第１回転プレート８は一体に回転し、第２回転軸６と、回転部材３２と、第２回転プレート９は一体に回転する。第１回転軸５、回転ハウジング３１、および第１回転プレート８は、第２回転軸６、回転ハウジング３１、および第２回転プレート９とは非接触であり、第１回転軸５は第２回転軸６とは独立して回転可能である。さらに、回転側要素である第１回転軸５、回転ハウジング３１、第１回転プレート８、第２回転軸６、回転部材３２、および第２回転プレート９は、固定側要素である静止ハウジング１２およびコイル２２と非接触である。 In the embodiment shown in FIG. 1, the magnetorheological fluid clutch 1 further includes a rotating housing 31 fixed to the first rotating shaft 5 and a rotating member 32 fixed to the second rotating shaft 6. The first rotating plate 8 is fixed to the rotating housing 31, and the second rotating plate 9 is fixed to the rotating member 32. Therefore, the first rotating shaft 5, the rotating housing 31, and the first rotating plate 8 rotate together, and the second rotating shaft 6, the rotating member 32, and the second rotating plate 9 rotate together. The first rotating shaft 5, the rotating housing 31, and the first rotating plate 8 are not in contact with the second rotating shaft 6, the rotating housing 31, and the second rotating plate 9, and the first rotating shaft 5 can rotate independently of the second rotating shaft 6. Furthermore, the first rotating shaft 5, the rotating housing 31, the first rotating plate 8, the second rotating shaft 6, the rotating member 32, and the second rotating plate 9, which are rotating side elements, are not in contact with the stationary housing 12 and the coil 22, which are fixed side elements.

第１回転プレート８および第２回転プレート９が回転しているとき、静止ハウジング１２およびコイル２２は回転しない。言い換えれば、第１回転軸５、回転ハウジング３１、第１回転プレート８、第２回転軸６、回転部材３２、および第２回転プレート９を含む回転体は、静止ハウジング１２およびコイル２２に対して相対的に回転可能である。 When the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9 are rotating, the stationary housing 12 and the coil 22 do not rotate. In other words, the rotating body including the first rotating shaft 5, the rotating housing 31, the first rotating plate 8, the second rotating shaft 6, the rotating member 32, and the second rotating plate 9 can rotate relative to the stationary housing 12 and the coil 22.

第１回転プレート８および第２回転プレート９は、回転ハウジング３１内に位置している。回転ハウジング３１は、第１回転軸５に固定された円筒状の第１基部３１Ａと、第１基部３１Ａから径方向外側に延びる円形の連結壁３１Ｂと、連結壁３１Ｂの外周部から軸方向に延びる外周壁３１Ｃと、外周壁３１Ｃから径方向内側に延びるカバー壁３１Ｄを有している。第１回転プレート８は外周壁３１Ｃの内側に固定されている。回転部材３２は、第２回転軸６に固定された円筒状の第２基部３２Ａと、第２基部３２Ａから径方向外側に延びる円形ブロック３２Ｂを有している。第２回転プレート９は、円形ブロック３２Ｂの外周部に固定されている。 The first rotating plate 8 and the second rotating plate 9 are located in the rotating housing 31. The rotating housing 31 has a cylindrical first base 31A fixed to the first rotating shaft 5, a circular connecting wall 31B extending radially outward from the first base 31A, an outer peripheral wall 31C extending axially from the outer periphery of the connecting wall 31B, and a cover wall 31D extending radially inward from the outer peripheral wall 31C. The first rotating plate 8 is fixed to the inside of the outer peripheral wall 31C. The rotating member 32 has a cylindrical second base 32A fixed to the second rotating shaft 6, and a circular block 32B extending radially outward from the second base 32A. The second rotating plate 9 is fixed to the outer periphery of the circular block 32B.

第１軸受１５は、円筒状の第１基部３１Ａと静止ハウジング１２の間に位置している。第１回転軸５は、第１基部３１Ａを介して第１軸受１５により回転可能に支持されている。第２軸受１６は、円筒状の第２基部３２Ａと静止ハウジング１２の間に位置している。第２回転軸６は、第２基部３２Ａを介して第２軸受１６により回転可能に支持されている。中間軸受１７は、第１基部３１Ａと第２回転軸６との間に配置されている。第１回転軸５は、第１基部３１Ａを介して中間軸受１７により回転可能に支持され、第２回転軸６は直接中間軸受１７により回転可能に支持されている。一実施形態では、中間軸受１７は、第２基部３２Ａと第１回転軸５との間に配置されてもよい。 The first bearing 15 is located between the cylindrical first base 31A and the stationary housing 12. The first rotating shaft 5 is rotatably supported by the first bearing 15 via the first base 31A. The second bearing 16 is located between the cylindrical second base 32A and the stationary housing 12. The second rotating shaft 6 is rotatably supported by the second bearing 16 via the second base 32A. The intermediate bearing 17 is disposed between the first base 31A and the second rotating shaft 6. The first rotating shaft 5 is rotatably supported by the intermediate bearing 17 via the first base 31A, and the second rotating shaft 6 is rotatably supported directly by the intermediate bearing 17. In one embodiment, the intermediate bearing 17 may be disposed between the second base 32A and the first rotating shaft 5.

本実施形態では、複数の第１回転プレート８と、複数の第２回転プレート９が設けられており、第１回転プレート８と第２回転プレート９は、軸方向に沿って交互に配列されている。第１回転プレート８と第２回転プレート９との間の空間は、磁気粘性流体２０で満たされている。一実施形態では、単一の第１回転プレート８と、単一の第２回転プレート９が設けられてもよい。 In this embodiment, a plurality of first rotating plates 8 and a plurality of second rotating plates 9 are provided, and the first rotating plates 8 and the second rotating plates 9 are arranged alternately along the axial direction. The space between the first rotating plates 8 and the second rotating plates 9 is filled with a magnetorheological fluid 20. In one embodiment, a single first rotating plate 8 and a single second rotating plate 9 may be provided.

磁気粘性流体クラッチ１は、回転ハウジング３１と回転部材３２との間の隙間を封止するシール装置３５，３７をさらに備えている。より具体的には、回転ハウジング３１の連結壁３１Ｂと、回転部材３２の円形ブロック３２Ｂの一方側との間に第１シール装置３５が設けられ、回転ハウジング３１のカバー壁３１Ｄと、回転部材３２の円形ブロック３２Ｂの反対側との間に第２シール装置３７が設けられている。第１シール装置３５および第２シール装置３７の具体的構成は特に限定されないが、例としては、オイルシール、メカニカルシール、Ｏリング、グランドパッキンなどが挙げられる。 The magnetorheological fluid clutch 1 further includes sealing devices 35, 37 that seal the gap between the rotating housing 31 and the rotating member 32. More specifically, a first sealing device 35 is provided between the connecting wall 31B of the rotating housing 31 and one side of the circular block 32B of the rotating member 32, and a second sealing device 37 is provided between the cover wall 31D of the rotating housing 31 and the opposite side of the circular block 32B of the rotating member 32. The specific configurations of the first sealing device 35 and the second sealing device 37 are not particularly limited, but examples include an oil seal, a mechanical seal, an O-ring, and a gland packing.

磁気粘性流体２０は、少なくとも第１回転プレート８、第２回転プレート９、回転ハウジング３１、回転部材３２、および２つのシール装置３５，３７によって形成される密閉空間を満たしている。 The magnetorheological fluid 20 fills the sealed space formed by at least the first rotating plate 8, the second rotating plate 9, the rotating housing 31, the rotating member 32, and the two sealing devices 35, 37.

次に、上述のように構成された磁気粘性流体クラッチ１の動作について説明する。電流供給装置２５がコイル２２に電流を流すと、コイル２２は磁場を発生し、磁場は第１回転プレート８と第２回転プレート９との間に存在する磁気粘性流体２０を固化させる。固化した磁気粘性流体２０は、第１回転プレート８と第２回転プレート９を連結し、これにより第１回転軸５の回転（トルク）は第２回転軸６に伝達される。第２回転軸６が駆動軸、第１回転軸５が従動軸である実施形態では、第２回転軸６の回転（トルク）は第１回転軸５に伝達される。電流供給装置２５がコイル２２への電流供給を停止すると、磁気粘性流体２０は液化し、これにより第１回転軸５と第２回転軸６との連結が解除される。 Next, the operation of the magnetorheological fluid clutch 1 configured as described above will be described. When the current supply device 25 passes a current through the coil 22, the coil 22 generates a magnetic field, which solidifies the magnetorheological fluid 20 present between the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9. The solidified magnetorheological fluid 20 connects the first rotating plate 8 and the second rotating plate 9, thereby transmitting the rotation (torque) of the first rotating shaft 5 to the second rotating shaft 6. In an embodiment in which the second rotating shaft 6 is the driving shaft and the first rotating shaft 5 is the driven shaft, the rotation (torque) of the second rotating shaft 6 is transmitted to the first rotating shaft 5. When the current supply device 25 stops supplying current to the coil 22, the magnetorheological fluid 20 liquefies, which releases the connection between the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6.

本実施形態によれば、コンパクトで安価なクラッチが実現される。特に、コイル２２は静止ハウジング１２に固定されており、静止している（回転しない）ので、磁気粘性流体クラッチ１の回転体の重量が低減される。結果として、磁気粘性流体クラッチ１の回転体を回転させるときに発生する慣性力が小さくなり、原動機に必要な動力が小さくできる。さらに、回転体内のコイルに電流を供給するためのスリップリングやブラシなどが不要であり、製造コストおよび設置面積を低減できる。 According to this embodiment, a compact and inexpensive clutch is realized. In particular, since the coil 22 is fixed to the stationary housing 12 and is stationary (does not rotate), the weight of the rotating body of the magnetorheological fluid clutch 1 is reduced. As a result, the inertial force generated when rotating the rotating body of the magnetorheological fluid clutch 1 is reduced, and the power required for the prime mover can be reduced. Furthermore, slip rings, brushes, etc. for supplying current to the coil inside the rotating body are not required, and manufacturing costs and installation area can be reduced.

また、コイル２２に流す電流の制御により、第１回転軸５と第２回転軸６との瞬間的な連結および瞬間的な連結解除、第１回転軸５の回転速度に対する第２回転軸６の回転速度の制御などの様々な態様のトルク伝達が可能になる。 In addition, by controlling the current flowing through the coil 22, various modes of torque transmission become possible, such as instantaneous connection and instantaneous disconnection between the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6, and control of the rotational speed of the second rotating shaft 6 relative to the rotational speed of the first rotating shaft 5.

図１に示す磁気粘性流体クラッチ１の第１回転軸５および第２回転軸６は、縦方向に延びているが、磁気粘性流体クラッチ１の姿勢は図１に示す縦配置に限られない。例えば、磁気粘性流体クラッチ１は、水平に配置されてもよいし、あるいは斜めに配置されてもよい。 The first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6 of the magnetorheological fluid clutch 1 shown in FIG. 1 extend vertically, but the position of the magnetorheological fluid clutch 1 is not limited to the vertical arrangement shown in FIG. 1. For example, the magnetorheological fluid clutch 1 may be arranged horizontally or at an angle.

図２は、磁気粘性流体クラッチ１の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図２に示すように、本実施形態の磁気粘性流体クラッチ１は、第１回転軸５の回転速度を測定する第１速度測定器５１と、第２回転軸６の回転速度を測定する第２速度測定器５２をさらに備えている。第１速度測定器５１および第２速度測定器５２は、第１回転軸５および第２回転軸６にそれぞれ隣接して配置されている。第１速度測定器５１および第２速度測定器５２の具体的構成は特に限定されない。 Figure 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the magnetorheological fluid clutch 1. The configuration and operation of this embodiment not specifically described are the same as those of the embodiment shown in Figure 1, so duplicated descriptions will be omitted. As shown in Figure 2, the magnetorheological fluid clutch 1 of this embodiment further includes a first speed measuring device 51 that measures the rotation speed of the first rotating shaft 5 and a second speed measuring device 52 that measures the rotation speed of the second rotating shaft 6. The first speed measuring device 51 and the second speed measuring device 52 are disposed adjacent to the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6, respectively. The specific configurations of the first speed measuring device 51 and the second speed measuring device 52 are not particularly limited.

第１速度測定器５１および第２速度測定器５２は、静止ハウジング１２に固定されてもよいし、あるいは別の静止部材（図示せず）に固定されてもよい。第１速度測定器５１および第２速度測定器５２は、電流供給装置２５に接続されており、第１回転軸５の回転速度の測定値および第２回転軸６の回転速度の測定値は電流供給装置２５に送られるようになっている。 The first speed measuring device 51 and the second speed measuring device 52 may be fixed to the stationary housing 12 or may be fixed to another stationary member (not shown). The first speed measuring device 51 and the second speed measuring device 52 are connected to the current supply device 25, and the measured values of the rotational speed of the first rotating shaft 5 and the measured values of the rotational speed of the second rotating shaft 6 are sent to the current supply device 25.

電流供給装置２５は、第１回転軸５の回転速度が予め設定された速度に達した後に、電流をコイル２２に流し始め、さらに第２回転軸６の回転速度の上昇率を所定の上限値以下に維持しつつ電流を増加させるように構成されている。すなわち、第１回転軸５が回転しているときに、電流供給装置２５はコイル２２に電流を供給し始め、さらに電流を徐々に増加させる。第２回転軸６の回転速度は、電流の増加に従って徐々に上昇する。このようなソフトスタート動作により、第１回転軸５に連結された原動機（例えば、電動機）への過負荷を防止することができる。 The current supply device 25 is configured to start supplying current to the coil 22 after the rotation speed of the first rotating shaft 5 reaches a preset speed, and then to increase the current while maintaining the rate of increase of the rotation speed of the second rotating shaft 6 below a predetermined upper limit. That is, while the first rotating shaft 5 is rotating, the current supply device 25 starts supplying current to the coil 22, and then gradually increases the current. The rotation speed of the second rotating shaft 6 gradually increases as the current increases. This soft start operation can prevent overloading the prime mover (e.g., electric motor) connected to the first rotating shaft 5.

図３は、磁気粘性流体クラッチ１の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図３に示すように、本実施形態の磁気粘性流体クラッチ１は、正方向の電流と逆方向の電流を交互にコイル２２に供給する交流電源６０をさらに備えている。 Figure 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the magnetorheological fluid clutch 1. The configuration and operation of this embodiment that are not specifically described are the same as those of the embodiment shown in Figure 1, so duplicated descriptions will be omitted. As shown in Figure 3, the magnetorheological fluid clutch 1 of this embodiment further includes an AC power source 60 that alternately supplies a forward current and a reverse current to the coil 22.

交流電源６０が設けられる理由は次の通りである。磁気粘性流体クラッチ１では、コイル２２に電流を流してコイル周囲の磁性材からなる磁気ヨークを介して磁気粘性流体２０に磁場が印加される。その際に、コイル周囲の磁性材からなる磁気ヨーク部材が磁化され残留磁気が残ることがある。また、磁気粘性流体２０に含まれる鉄などの磁性粒子が磁気を帯びることもある。結果として、コイル２２に電流が印加されていないときでも、磁気粘性流体２０の粘性が高くなり、磁気粘性流体クラッチ１の連結解除が機能しなくなることがある。そこで、電流供給装置２５からコイル２２に電流が供給されていないときに、交流電源６０はコイル２２に正方向の電流と逆方向の電流を交互に繰り返し供給し、その印加電流の大きさを時間とともに漸減させる。このような交番電流の例としては、正弦波交流電流、矩形波交流電流、三角波交流電流、または鋸歯状交流電流が挙げられる。このように時間とともに漸減する正方向の電流と逆方向の電流を交互にコイル２２に流すことで、コイル２２の周辺の磁気ヨーク部材や磁気粘性流体２０に印加される磁場の向きが周期的に反転しその磁場が時間とともに弱くなることから、結果としてコイル２２の周辺の磁化した磁気ヨーク部材や磁気粘性流体２０に含まれる磁化した磁性粒子を消磁することができる。 The reason for providing the AC power supply 60 is as follows. In the magnetorheological fluid clutch 1, a current is passed through the coil 22, and a magnetic field is applied to the magnetorheological fluid 20 through the magnetic yoke made of a magnetic material around the coil. At that time, the magnetic yoke member made of a magnetic material around the coil may be magnetized and residual magnetism may remain. In addition, magnetic particles such as iron contained in the magnetorheological fluid 20 may become magnetized. As a result, even when no current is applied to the coil 22, the viscosity of the magnetorheological fluid 20 may increase, and the magnetorheological fluid clutch 1 may no longer be able to release the connection. Therefore, when no current is supplied from the current supply device 25 to the coil 22, the AC power supply 60 repeatedly supplies a current in the forward direction and a current in the reverse direction to the coil 22, and gradually reduces the magnitude of the applied current over time. Examples of such alternating currents include a sine wave AC current, a square wave AC current, a triangular wave AC current, and a sawtooth AC current. In this way, by alternately passing a positive current and a reverse current through the coil 22, which gradually decrease over time, the direction of the magnetic field applied to the magnetic yoke member and the magnetorheological fluid 20 around the coil 22 is periodically reversed and the magnetic field weakens over time, resulting in the magnetization of the magnetized magnetic yoke member around the coil 22 and the magnetized magnetic particles contained in the magnetorheological fluid 20.

図３に示す実施形態は、図２に示す実施形態と組み合わせることが可能である。 The embodiment shown in FIG. 3 can be combined with the embodiment shown in FIG. 2.

図１乃至図３を参照して説明した実施形態に係る磁気粘性流体クラッチ１は、液体ポンプ装置などの回転機械に好適に使用することができる。例えば、磁気粘性流体クラッチ１は、河川などに設置される立軸ポンプ装置、製鉄所で使用されるデスケーリングポンプ装置などに組み込むことができる。デスケーリングポンプ装置は、高圧液体の噴射と噴射停止を瞬間的に切り替えるように構成されており、磁気粘性流体クラッチ１はこのような動作に好適に使用できる。さらに、磁気粘性流体クラッチ１は、大型ポンプの逆転防止クラッチとしても使用することもできる。 The magnetorheological fluid clutch 1 according to the embodiment described with reference to Figures 1 to 3 can be suitably used in rotating machinery such as liquid pump devices. For example, the magnetorheological fluid clutch 1 can be incorporated into vertical pump devices installed in rivers, descaling pump devices used in steelworks, and the like. Descaling pump devices are configured to instantly switch between injecting and stopping the injection of high-pressure liquid, and the magnetorheological fluid clutch 1 can be suitably used for such operations. Furthermore, the magnetorheological fluid clutch 1 can also be used as a reverse rotation prevention clutch for large pumps.

図４は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態のうちのいずれか１つの磁気粘性流体クラッチ１が組み込まれた立軸ポンプ装置を示す模式図である。図４に示すように、立軸ポンプ装置は、立軸ポンプは、鉛直方向に延びる回転軸１１５と、回転軸１１５に固定された羽根車１１０と、内部に羽根車１１０を収容するポンプケーシング１２７と、ポンプケーシング１２７の上端に接続された揚水管１２８と、揚水管１２８の上端に接続された吐出曲管１３０と、吐出曲管１３０の吐出側の端部に接続された吐出配管１３４とを備えている。 Figure 4 is a schematic diagram showing a vertical shaft pump device incorporating the magnetorheological fluid clutch 1 of any one of the embodiments described with reference to Figures 1 to 3. As shown in Figure 4, the vertical shaft pump device includes a rotating shaft 115 extending vertically, an impeller 110 fixed to the rotating shaft 115, a pump casing 127 housing the impeller 110 therein, a lift pipe 128 connected to the upper end of the pump casing 127, a discharge elbow 130 connected to the upper end of the lift pipe 128, and a discharge piping 134 connected to the discharge side end of the discharge elbow 130.

回転軸１１５は、磁気粘性流体クラッチ１により原動機１０７の駆動軸１０７ａに連結されている。磁気粘性流体クラッチ１の第１回転軸５および第２回転軸６（図１参照）のうちの一方は駆動軸１０７ａに連結され、第１回転軸５および第２回転軸６のうちの他方は回転軸１１５に連結されている。原動機１０７の例としては、電動機、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジンなどが挙げられる。磁気粘性流体クラッチ１の静止ハウジング１２および原動機１０７は、ブラケット１１１に固定されている。 The rotating shaft 115 is connected to the drive shaft 107a of the prime mover 107 by the magnetorheological fluid clutch 1. One of the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6 (see FIG. 1) of the magnetorheological fluid clutch 1 is connected to the drive shaft 107a, and the other of the first rotating shaft 5 and the second rotating shaft 6 is connected to the rotating shaft 115. Examples of the prime mover 107 include an electric motor, a diesel engine, and a gas turbine engine. The stationary housing 12 of the magnetorheological fluid clutch 1 and the prime mover 107 are fixed to a bracket 111.

ポンプケーシング１２７は、揚水管１２８によって吸込水槽１００内に吊り下げられている。ポンプケーシング１２７は、吸込ベルマウス１２２と、吐出ボウル１２４とを備えている。吐出ボウル１２４の上端は、揚水管１２８の下端に接続されている。吸込ベルマウス１２２は、下方に開口した吸込口１２２ａを有しており、吸込ベルマウス１２２の上端は吐出ボウル１２４の下端に接続されている。吸込口１２２ａは、ポンプケーシング１２７の下端に形成されている。羽根車１１０は、ポンプケーシング１２７内に収容されている。 The pump casing 127 is suspended in the suction tank 100 by a lift pipe 128. The pump casing 127 includes a suction bell mouth 122 and a discharge bowl 124. The upper end of the discharge bowl 124 is connected to the lower end of the lift pipe 128. The suction bell mouth 122 has a suction port 122a that opens downward, and the upper end of the suction bell mouth 122 is connected to the lower end of the discharge bowl 124. The suction port 122a is formed at the lower end of the pump casing 127. The impeller 110 is housed in the pump casing 127.

揚水管１２８は、吸込水槽１００の上壁を構成するポンプ据付床１０２に形成された開口１０５を通して下方に延びている。揚水管１２８の上端には取り付けフランジ１３３が固定されている。取り付けフランジ１３３は、図示しない基礎ボルトによってポンプ据付床１０２に固定されている。回転軸１１５は、吐出曲管１３０および揚水管１２８を通って鉛直方向に延びており、回転軸１１５の下端は、ポンプケーシング１２７内に位置している。回転軸１１５は、外軸受１４５およびすべり軸受１４１によって回転可能に支持されている。 The lift pipe 128 extends downward through an opening 105 formed in the pump installation floor 102 that constitutes the upper wall of the suction tank 100. A mounting flange 133 is fixed to the upper end of the lift pipe 128. The mounting flange 133 is fixed to the pump installation floor 102 by foundation bolts (not shown). The rotating shaft 115 extends vertically through the discharge bend 130 and the lift pipe 128, and the lower end of the rotating shaft 115 is located within the pump casing 127. The rotating shaft 115 is rotatably supported by an outer bearing 145 and a plain bearing 141.

回転軸１１５は吐出曲管１３０から上方に突出し、磁気粘性流体クラッチ１を経由して原動機１０７の駆動軸１０７ａに連結されている。外軸受１４５は、吐出曲管１３０の外側に配置されており、吐出曲管１３０から突出した回転軸１１５の部分を回転可能に支持している。回転軸１１５を支持するすべり軸受をさらに揚水管１２８内に配置してもよい。外軸受１４５は、吐出曲管１３０の上部に固定され、回転軸１１５の上部を支持している。すべり軸受１４１は、吐出ボウル１２４内に配置され、回転軸１１５の下部を支持している。すべり軸受１４１は、立軸ポンプの運転中は、液体中に浸漬される。 The rotating shaft 115 protrudes upward from the discharge bend 130 and is connected to the drive shaft 107a of the prime mover 107 via the magnetorheological fluid clutch 1. The outer bearing 145 is disposed outside the discharge bend 130 and rotatably supports the portion of the rotating shaft 115 protruding from the discharge bend 130. A sliding bearing supporting the rotating shaft 115 may be further disposed in the lift pipe 128. The outer bearing 145 is fixed to the upper part of the discharge bend 130 and supports the upper part of the rotating shaft 115. The sliding bearing 141 is disposed in the discharge bowl 124 and supports the lower part of the rotating shaft 115. The sliding bearing 141 is immersed in liquid during operation of the vertical pump.

吐出ボウル１２４の内部には内側ボウル１２５が配置されており、内側ボウル１２５は、複数のガイドベーン１３７によって吐出ボウル１２４に連結されている。複数のガイドベーン１３７は、羽根車１１０の上方（吐出側）に配置されている。吐出ボウル１２４の内面と内側ボウル１２５の外面との間には液体の流路が形成されている。 An inner bowl 125 is disposed inside the discharge bowl 124, and the inner bowl 125 is connected to the discharge bowl 124 by a plurality of guide vanes 137. The plurality of guide vanes 137 are disposed above the impeller 110 (on the discharge side). A liquid flow path is formed between the inner surface of the discharge bowl 124 and the outer surface of the inner bowl 125.

原動機１０７のトルクは、磁気粘性流体クラッチ１を介して回転軸１１５に伝達され、回転軸１１５とともに羽根車１１０を回転させる。羽根車１１０が回転すると、吸込水槽１００内の液体がポンプケーシング１２７の吸込口１２２ａから吸い込まれる。液体は、羽根車１１０の回転により、ポンプケーシング１２７、揚水管１２８、吐出曲管１３０を通って吐出配管１３４に移送される。 The torque of the prime mover 107 is transmitted to the rotating shaft 115 via the magnetorheological fluid clutch 1, and rotates the impeller 110 together with the rotating shaft 115. When the impeller 110 rotates, the liquid in the suction tank 100 is sucked in through the suction port 122a of the pump casing 127. As the impeller 110 rotates, the liquid is transported through the pump casing 127, the lift pipe 128, and the discharge bend 130 to the discharge piping 134.

磁気粘性流体クラッチ１は、原動機１０７の回転をそのまま維持しつつ、羽根車１１０の回転を低下させたり、あるいは羽根車１１０の回転を止めることができる。特に、液体を取り扱う立軸ポンプ装置は、その起動時に原動機１０７に大きな負荷がかかる。磁気粘性流体クラッチ１は、立軸ポンプ装置をソフトスタートさせることで原動機１０７の過負荷を防止することができる。さらに、羽根車１１０の回転に不具合が発生したときには、電流供給装置２５はコイル２２に流す電流を瞬間的に停止することで、原動機１０７との連結を遮断することができ、ポンプ装置の損傷拡大を防ぐことができる。 The magnetorheological fluid clutch 1 can slow down or stop the rotation of the impeller 110 while maintaining the rotation of the prime mover 107. In particular, a vertical shaft pump device that handles liquid places a large load on the prime mover 107 when it is started. The magnetorheological fluid clutch 1 can prevent the prime mover 107 from being overloaded by soft starting the vertical shaft pump device. Furthermore, when a malfunction occurs in the rotation of the impeller 110, the current supply device 25 can instantly stop the current flowing through the coil 22, thereby cutting off the connection with the prime mover 107 and preventing further damage to the pump device.

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。 The above-described embodiments have been described for the purpose of enabling a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains to practice the present invention. Various modifications of the above-described embodiments would naturally be possible for a person skilled in the art, and the technical ideas of the present invention may also be applied to other embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, but is to be interpreted in the broadest scope in accordance with the technical ideas defined by the scope of the claims.

１磁気粘性流体クラッチ
５第１回転軸
６第２回転軸
８第１回転プレート
９第２回転プレート
１２静止ハウジング
１５第１軸受
１６第２軸受
１７中間軸受
２０磁気粘性流体
２２コイル
２５電流供給装置
３１回転ハウジング
３１Ａ第１基部
３１Ｂ連結壁
３１Ｃ外周壁
３１Ｄカバー壁
３２回転部材
３２Ａ第２基部
３２Ｂ円形ブロック
３５，３７シール装置
５１第１速度測定器
５２第２速度測定器
６０交流電源 REFERENCE SIGNS LIST 1 magnetorheological fluid clutch 5 first rotating shaft 6 second rotating shaft 8 first rotating plate 9 second rotating plate 12 stationary housing 15 first bearing 16 second bearing 17 intermediate bearing 20 magnetorheological fluid 22 coil 25 current supply device 31 rotating housing 31A first base 31B connecting wall 31C outer peripheral wall 31D cover wall 32 rotating member 32A second base 32B circular block 35, 37 sealing device 51 first speed measuring device 52 second speed measuring device 60 AC power source

Claims

A first rotation axis;
A second rotation axis;
a first rotating plate connected to the first rotating shaft and rotatable integrally with the first rotating shaft;
a second rotating plate connected to the second rotating shaft and rotatable integrally with the second rotating shaft;
a stationary housing surrounding the first rotating plate and the second rotating plate;
a magnetorheological fluid filling a space between the first rotating plate and the second rotating plate;
a coil carried by the stationary housing for generating a magnetic field applied to the magnetorheological fluid;
A current supply device that supplies a current to the coil ;
a first speed measuring device that measures a rotation speed of the first rotating shaft;
a second speed measuring device that measures the rotation speed of the second rotating shaft;
The current supply device is configured to start flowing the current to the coil after the rotational speed of the first rotating shaft reaches a predetermined speed, and to further increase the current while maintaining a rate of increase of the rotational speed of the second rotating shaft below a predetermined upper limit value .

The magnetorheological fluid clutch comprises:
a first bearing that rotatably supports the first rotating shaft;
The second rotating shaft is rotatably supported by a second bearing.
2. The magnetorheological fluid clutch of claim 1, wherein said first bearing and said second bearing are carried by said stationary housing.

The magnetorheological fluid clutch comprises:
a rotating housing fixed to the first rotating shaft;
The rotary member is fixed to the second rotary shaft.
the first rotating plate and the second rotating plate are located within the rotating housing;
3. The magnetorheological fluid clutch according to claim 1, wherein the first rotating plate is fixed to the rotating housing, and the second rotating plate is fixed to the rotating member.

The magnetorheological fluid clutch of claim 3, further comprising a sealing device that seals the gap between the rotating housing and the rotating member.

The magnetorheological fluid clutch of claim 4, wherein the magnetorheological fluid fills an enclosed space formed by at least the first rotating plate, the second rotating plate, the rotating housing, the rotating member, and the sealing device.

6. The magnetorheological fluid clutch of claim 1 , further comprising an AC power source that supplies alternating forward and reverse currents to said coil.