JPS6246733B2

JPS6246733B2 -

Info

Publication number: JPS6246733B2
Application number: JP55099078A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kuraoka
Original assignee: SUZUKI SEISAKUSHO JUGEN
Current assignee: SUZUKI SEISAKUSHO JUGEN
Priority date: 1980-07-18
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1987-10-05
Also published as: JPS5725524A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は動力を伝達する電磁クラツチに係り、
特に、電力消費量の少ない電磁クラツチに関する
ものである。従来の電磁クラツチは、被駆動体に接続した負
荷側回転体を駆動する電力と、動力を伝達するた
めに入力側回転体と負荷側回転体とを係合させ、
この状態を維持するための電力とを必要としてい
た。第１図は従来の電磁クラツチの要部断面図、第
２図は第１図の右側面図であり、第２図のＡ−Ｂ
断面が第１図となつている。電磁クラツチを機能
的に見ると、Ｖベルト１４を介して駆動される入
力側回転体６と、固定された電磁クラツチの本体
１に取り付けられたコイル４、コイルケース５よ
りなる励磁部と、被駆動体に連結した回転軸２と
負荷側回転体３よりなる出力回転部の三要素によ
つて構成されている。入力側回転体６は本体１にベアリング９を介し
て回転自在に支持され、他の要素とは独立して回
転できる環状体である。この入力側回転体６の凹
所には円筒状に巻回したコイル４が軟鉄製のコイ
ルケース５に収容して挿入され、コイルケース５
と共に本体１に固定されている。また、回転軸２
は図に示されていない回転軸受部を介して本体１
の中心部に設置され、その右端部に可動片７を取
り付けた負荷側回転体３をキー１０によつて固定
している。即ち、この負荷側回転体３のキー溝に
回転軸２に固定したキー１０が挿入され、回転軸
２の右端に設けたねじにナツト１２を螺合させて
負荷側回転体３を締め付けて一体としている。こ
の負荷側回転体３にはリベツト１１ｂによつて固
定された板ばね１３が３個所に取り付けてあり、
この板ばね１３の先端にはリベツト１１ａで環状
の可動片７を取り付けている。このように構成された従来の電磁クラツチの電
気特性の一例とその動作について次に説明する。コイルの平均直径Ｄが86.8mm、コイルの巻数Ｎ
が350ターンであるようなコイルに12V、3A、
36Wの電流を流したとすると、励磁アンペア回数
NIは1050アンペアターンとなり、コイル４の抵
抗値Ｒ＝Ｅ／Ｉは４Ωとなる。また、導線の長さ
Ｌ＝ＤπＮであるので95.5ｍとなり、その重量は
約382grである。コイル４の導線の直径を0.75mmとした場合
は、この導線の全抵抗値は４Ωであるので、１Km
当り41.8Ωとなる。即ち、近似的に40Ω／Kmであ
る。コイル４を収容する空間断面積を14mm×12mm
とし、コイルの外装、絶縁処理層等を考慮して、
350ターンを15段24列に巻くとすると、（0.75×
15）×（0.75×24）＝11.25×17（mm²）となるが、コ
イル４の周囲に余裕を見れば12×18mm²となる。即
ち、18mmはコイル幅であり、12mmはコイル厚さと
なるので、コイル４の直径は86.8±６mm、幅18mm
の環状コイルとなる。第１図において、コイルケース５、可動片７お
よび入力側回転体６からなる磁路８の平均磁路の
長さをl₂＝35mm、l₂＝24mmとすれば、破線で示す
平均磁路長ｌはｌ＝2l₁＋2l₂＝２（35＋24）＝118（mm）となる。この長さｌが磁化力の効率を左右するも
のである。導線の電流密度をｄとし、導線の断面積をｓ
mm²、導線の径を0.75mmとすると、ｄ＝Ｉ／ｓ＝4I／ π^２＝４×３／０．７５^２π＝6.8A／mm²となり、コ
イル４の発熱量Ｈは、コイルの抵抗をＲオーム、コイル定
格を１時間としたときの時間ｔをsecで示すと、Ｈ＝１／ｊI²Rt＝１／４．１８５２×3²×４×60²＝30966（cal）となる。ｊは熱の仕事当量である。この電磁クラツチと同様に回転による放熱効果
が大きいインダクシヨンモータの例によれば、電
流密度は４〜5A／mm²（連続定格）が一般的であ
るが、従来の電磁クラツチは上記のようにｄは
6.8A／mm²となり、これ以上線径を減少して電
流密度を高め、コイル４の寸法を縮少することは
困難である。即ち、従来の電磁コイルのコイル４
は発熱量が大で大形となるという欠点をもつてい
た。第３図は第１図のコイルケースの磁化力Ｈと磁
束密度Ｂとの関係を示す線図で、ヒステリシス現
象が大きく表われている。一般に、コイル４が所
要の電磁吸引力を発生させるために必要な磁束を
φとし、透磁率をμ、磁路の長さをｌ、磁路の断
面積をＳとした時は、磁化力Ｈ＝４πＮＩ／ｌであるので、 φ＝BS＝μHS＝μ４πＮＩ／ｌで表わされる。したがつて、コイル４を小形軽量
化するためには、Ｓを小とすると共に磁束密度Ｂ
を増してやれば良いことになる。しかるに、透磁
率μが可及的に大きくなるように断面積Ｓを選定
することになるので、断面積Ｓが大となり易く磁
性材料を縮減することは困難である。即ち、この
関係から検討しても電磁コイルの小形化は困難で
あるという欠点をもつている。第４図は第３図の
コイルケースの磁化力Ｈと透磁率μおよび磁束密
度Ｂとの関係を示す線図で、透磁率μは磁化力Ｈ
が比較的低い所で最大なりその後は低下する。一
方、磁束密度Ｂは磁化力Ｈが比較的低い所で急速
に増加するが、その範囲を越えると増加率は急速
に減少するという性質をもつている。本発明は小形軽量でエネルギ消費量の少ない電
磁クラツチを提供することを目的とし、駆動源に
よつて回転させられる入力側回転体と、この入力
側回転体の回転中心に設置された負荷側回転体に
取り付けられ上記入力側回転体に電磁的に着脱自
在に係合させることができる可動片と、本体に固
定された状態で上記入力側回転体の凹所に挿入さ
れその内部に収容されたコイルの励磁によつて上
記入力側回転体と上記可動片とともに磁路を形成
して上記入力側回転体と上記可動片とを係合させ
るコイルケースと、このコイルに流す電流の制御
装置を有し、上記負荷側回転体を回転又は停止さ
せる電磁クラツチにおいて、上記コイルケースが
残留磁気の大なる磁性材料よりなり、前記コイル
に流す電流の制御装置が、上記磁性材料の磁化と
消磁のための電荷を蓄積供給するコンデンサと、
このコンデンサに蓄積した電荷の放電過程で上記
コイルを流れる電流によつて上記コイルケースを
磁化し、上記可動片を上記入力側回転体に係合さ
せ、かつこのコイルケースの残留磁気によつて係
合状態を維持させ、上記コンデンサに電荷を蓄積
する充電過程で上記コイルを流れる上記放電過程
の場合と逆方向の電流によつて上記コイルケース
の残留磁気を打消し上記可動片と上記入力側回転
体との係合状態をとく回路とを有することを特徴
とするものである。第５図は本発明の一実施例である電磁クラツチ
の断面図で、第１図と同じ部分には同一符号を付
してある。この場合は炭素鋼等の永久磁石材料よ
りなるコイルケース１５にコイル４を収容して入
力側回転体６の凹所に挿入している。したがつ
て、コイル４に通電して磁路８を形成し、可動片
７を入力側回転体６に吸着させて駆動した後は、
コイルケース１５の残留磁気によつてその吸着状
態を維持させることができるので、所要電力は励
磁時のみとなり、電力を節約することができる。入力回転体６に可動片７が吸着係合するのに要
する時間を0.1secとすると、この間にコイルケー
ス１５の磁化は完了する。コイル４の導線の長さ
を従来の場合の1/10に短縮するとコイル４は小形
となり、また、この時の電流Ｉは３×10＝30Aと
なるが、入力電力量は360W×0.1sec＝36Wsecと
なり微少電力量で足りる。したがつて、コイル４
を小形にしても過熱焼損する恐れはない。いま、必要な電磁吸引力を第１図の場合と同じ
とし、コイル４の巻数をN′、電流をI′とすると、
NI＝N′I′よりN′＝ＮＩ／Ｉ′となる。したがつて、N′＝350×３／30＝35ターンとな
り、コイル４の導線の長さl′は、 l′＝86.8×3.14×35×10^-3＝9.54（ｍ）即ち、9.54ｍとなつて従来の1/10の長さとな
り、重量は約67grとなる。コイル１１の導線の径を１mmとして従来の
0.75mmよりも大きくすると、12段、３列に巻けば
36ターンとなり、このときのコイル４の断面積
は、 12×１×１×３＝12×３＝36（mm²）となる。更に、コイル４の抵抗R′は線径が１
mmの場合は、１Kmの抵抗値が21Ωであることか
ら、R′＝21×9.544／1000＝0.2（Ω）となる。コイル４の発熱量は、Ｈ＝１／ｊI′²R′t＝１／４．１８５２×30²×0.2×0.1＝4.3（cal）即ち、従来の0.01％の発熱量に過ぎない。な
お、コイル４の抵抗値が0.2Ωのときは、電源電
圧12Vの場合の電流I′は60Aとなるが、制御回路
の継電器接点抵抗や回路の導線抵抗等の合計が
0.2Ωと推定すると電源から見た総抵抗は0.4Ωと
なるので、所要電流は30Aとなる。平均磁路長l′は、コイル４の断面積が12×３mm²
となり、軸方向長さが18−３＝15（mm）程短縮さ
れる。その結果、l′＝２（l′₁−15）＋2l′₂＝２（35
−15）＋２×24＝88（mm）となり、磁路長l′は30
mm短縮される。以上の結果として第５図に示すようにコイル４
の幅は15mm短縮されているので、そのコイルケー
ス１５も15mm短縮される。したがつて、電磁クラ
ツチの軸方向の長さも15mm短縮されることにな
り、大幅に小形化することができる。なお、コイ
ルケース１５の本体１に取り付ける部分をコイル
４の周囲の部分より分離して構成しても良い。ま
た、永久磁石材料は炭素鋼の代りにタングステン
鋼、クロム鋼、コバルト鋼、ニツケルアルミニウ
ム鋼等も使用することもできる。第６図は第５図の電磁クラツチの制御用電気回
路図である。スイツチ１６の接片１７が端子ａに
接触している時は、電源１８の電流が電流制限抵
抗２０、端子ａ、接片１７、コンデンサ１９、コ
イル４を通つて流れ、コンデンサ１９は電源１８
の電圧となるまで充電されてＱ＝Ｃ×Ｖなる電荷
が蓄積されている。次にスイツチ１６の接片１７
を端子ｂ側に投入すると、端子ｂ、コイル４を通
る回路を形成して破線矢印の方向に放電電流が流
れ、コンデンサ１９に蓄積した電荷Ｑは消滅す
る。この放電過程で電磁クラツチのコイルケース
１５は磁化され、磁束φはφ_naxに達した後経時
的に滅少する。このときは可動子７は入力側回転
体６に吸着係合して負荷側回転体３、回転軸２を
回転させ、磁化力消滅後も残留磁気が両者を密着
させて動力の伝達を継続する。動力の伝達を解除するには、第６図のスイツチ
１６を切換えて接片１７端子ａ側に投入すれば、
矢印を付した実線で示す方向に充電電流が流れ、
コイルケース１５に逆方向の磁化力が生じて残留
磁気を消去し、可動片７は板ばね１３のばね力に
よつて入力側回転体６から離れるので動力の伝達
は止む。なお、電流制限抵抗２０は第３図の残留
磁気ocを保持する保持力odを消去する逆方向磁
力を与えるための最適励磁電流を設定する抵抗器
である。第７図は第６図の制御回路の電流と磁束の経時
変化を示す線図で、破線２１は第６図において矢
印を付した破線の方向に放電電流が流れた場合
で、時間軸に対して平行な平担部が残留磁束φ_r
を示している。また、実線２２は第６図において
矢印を付した実線の方向に電流が流れた場合で、
コンデンサ１９に充電すると共に逆向きの電流が
コイル４に流れ、残留磁束φ_rを消去して可動片
７を引離し、回転軸２の回転を停止させる。以上説明した本実施例の電磁クラツチと従来の
電磁コイルとを比較して第１表に示す。

【表】本実施例の電磁クラツチは、永久磁石材料より
なるコイルケースに小形のコイルを収容して入力
側回転体の凹所に挿入するように構成し、この電
磁クラツチを稼動状態とするときは制御用電気回
路のコンデンサに蓄積した電荷を放電させること
によつて出力側回転体に取り付けた可動片を入力
側回転体に係合させ、分離状態とするときは制御
用電気回路のスイツチを切換えてコイルケースの
磁力を打消す逆方向の電流をコイルに流すことに
より、切換え時のみ電流を消費するだけの省電力
形で小形の電磁クラツチが得られるという効果を
もつている。第８図は第５図の電磁クラツチの他の制御用電
気回路図であり、第６図と同じ部分には同一符号
を付してある。スイツチ１６の接片１７をｂ端子
に切換えると、コンデンサ１９に蓄積されていた
電荷はコンデンサ１９の正極から端子ｂ、電流継
電器２４を通つて放電し、この放電電流によつて
電流継電器２４が一時的に動作して放電完了と共
に復帰する。この電流継電器２４は常時開路接点
２８，２９と常時閉路接点３０を持つており、電
流継電器２４が作動したときは、常時開路接点２
８，２９を閉じて常時閉路接点３０を開く。一
方、電流継電器２３は常時閉路接点２５と常時開
路接点２６，２７を持つており、電流継電気２３
が作動したときは、常時閉路接点２５を開いて常
時開路接点２６，２７は閉じる。この電流継電器
２３は接片１７が端子ａに接触して電源１８の電
流をコンデンサ１９に蓄積する際に作動し、コン
デンサ１９に電荷を蓄積して所定時間経過した後
に元の状態に復帰する。いま、接片１７が端子ｂに接続して電流継電器
２４が作動すると常時開路接点２８，２９を閉じ
常時閉路接点３０を開くので、電源１８の電流は
常時閉路接点２５、常時開路接点２８、コイル
４、常時開路接点２９を通り、コイル４に破線で
示す上向きの電流を流す。この電流は第９図に示
す電流Ｉ_bであり、これによつてコイルケース１
５は磁化されて磁束φ_naxを生じ、入力側回転体
６と可動片７とを係合させる。また、ｔ_b時間後
には電流継電器２４は元の状態に戻るが、残留磁
束φ_rによつて可動片７の係合状態は保持されて
いる。次に、接片１７を端子ａに接続させた第８図の
状態とすると、コンデンサ１９に充電すると共に
電流継電器２３が作動して常時閉路接点２５を開
き、常時開路接点２６，２７を閉じる。したがつ
て、電源１８の電流は電流制限抵抗２０によつて
制限されて常時開路接点２６、常時閉路接点３
０、コイル４、常時開路接点２７を通つてコイル
４に実線で示す下向きの電流を流す。この逆電流
は第９図に示すＩ_aであり残留磁気φ_rを打消して
ｔ_a時間後には電流継電器２３は復帰状態とな
る。なお、電流Ｉ_aは残留磁気φ_rを打ち消すだけ
の電流でコイルケース１５を逆励磁することのな
い量であり、これは上記電流制限抵抗２０によつ
て設定される。また、常時閉路接点２５，３０は
いずれか先に動作指令した電流継電器の指令を優
先させるためのインターロツク用であり、電源１
８の短絡事故を防止する作用を持つている。第９図は第８図の制御回路の電流と磁束の経時
変化を示す線図で、その説明は第８図の回路の動
作説明と共に説明してある。本実施例の電磁クラツチの制御回路は、一対の
電流継電器によつてコイルに流す電流を制御して
いるので、電磁クラツチの動力伝達状態と解放状
態を明確に区別すると共に、電源の短絡事故を防
止することができるという効果が得られる。上記第６図、第８図の電磁クラツチの制御回路
は、コンデンサ１９に蓄積される電荷の充・放電
電流および制御回路のインダクタンスやコンデン
サ１９の容量および電流制限抵抗２０の抵抗値Ｒ
等によつて定まる時定数によつて流れる短時間の
電気エネルギを用いるだけで電磁クラツチの磁化
と消磁を実施し、僅少の電力で動力の伝達と解除
を行うことを可能としている。本発明の電磁クラツチは、小形軽量で、かつ、
消費電力を大幅に節約できるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電磁クラツチの要部断面図、第
２図は第１図の右側面図、第３図は第１図のコイ
ルケースの磁化力と磁束密度との関係を示す線
図、第４図は第１図のコイルケースの磁化力と透
磁率および磁束密度との関係を示す線図、第５図
は本発明の一実施例である電磁クラツチの断面
図、第６図は第５図の電磁クラツチの制御用電気
回路図、第７図は第６図の制御回路の電流と磁束
の経時変化を示す線図、第８図は第５図の電磁ク
ラツチの他の制御用電気回路図、第９図は第８図
の制御回路の電流と磁束の経時変化を示す線図で
ある。１……本体、２……回転軸、３……負荷側回転
体、４……コイル、５，１５……コイルケース、
６……入力側回転体、７……可動片、８……磁
路、９……ベアリング、１０……キー、１１……
リベツト、１３……板ばね、１４……Ｖベルト、
１６……スイツチ、１７……接片、１８……電
源、１９……コンデンサ、２０……電流制限抵
抗、２３，２４……電流継電器、２５，３０……
常時閉路接点、２６，２７，２８，２９……常時
開路接点。

Claims

【特許請求の範囲】

１駆動源によつて回転させられる入力側回転体
と、この入力側回転体の回転中心に設置された負
荷側回転体に取り付けられ上記入力側回転体に電
磁的に着脱自在に係合させることができる可動片
と、本体に固定された状態で上記入力側回転体の
凹所に挿入されその内部に収容されたコイルの励
磁によつて上記入力側回転体と上記可動片ととも
に磁路を形成して上記入力側回転体と上記可動片
とを係合させるコイルケースと、このコイルに流
す電流の制御装置を有し、上記負荷側回転体を回
転又は停止させる電磁クラツチにおいて、上記コ
イルケースが残留磁気の大なる磁性材料よりな
り、前記コイルに流す電流の制御装置が、上記磁
性材料の磁化と消磁のための電荷を蓄積供給する
コンデンサと、このコンデンサに蓄積した電荷の
放電過程で上記コイルを流れる電流によつて上記
コイルケースを磁化し、上記可動片を上記入力側
回転体に係合させ、かつこのコイルケースの残留
磁気によつて係合状態を維持させ、上記コンデン
サに電荷を蓄積する充電過程で上記コイルを流れ
る上記放電過程の場合と逆方向の電流によつて上
記コイルケースの残留磁気を打消し上記可動片と
上記入力側回転体との係合状態をとく回路とを有
することを特徴とする電磁クラツチ。