JPH04500598A - トルク伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 トルク伝達装置 （技術分野） 本発明は反磁性（透磁率が零）の可変ロータリンヤツタを有する２個のロータを 備え、磁気回路の磁気抵抗勾配を与える同期磁気抵抗型のトルク伝達装置に関す る。磁気抵抗勾配とは連結用の２個のロータの小さな角度変位に対し生じる磁気 回路抵抗の変化率である。この勾配により２個のロータ間に磁気トルク連結力が 発生する。理論的には連結力を発生する際には保持エネルギロスはない。熱論磁 界の場合には、励起コイルに流れる電流のため励起ロスが持続的に生じる。この ロスは永久磁石あるいは超伝導体を用いることにより除去できる。

（背景技術） 例えば米国特許第４．０１３．３８４号及び第４．１１５．０４０号に開示され る従来の同期磁気抵抗型のトルク伝達装置は、好適に構成された磁気回路の最小 磁気抵抗の位置に２個のロータに対し整合して装着される永久磁石の対向磁極の 作用を利用している。他の米国特許第３．８９０．５１５号には２個のロータ」 二の突極性強磁性体の磁極突起部を磁化する励起コイルが包有され、磁極突起部 は最小磁気抵抗の磁気回路にされる。これら２種のトルク伝達装置の場合、磁気 回路で得られる磁気抵抗の最大変化は磁極間の非磁極空間に対する磁極の高さに 比例する。

従来得られた最小磁気抵抗は非磁極により占められる空間の単位透磁率による制 限を受ける。

同期磁気抵抗型の結合構成の特徴は、磁気的に結合される２個のロータ間の角変 位が正確に維持され、位相が数度だけ被駆動ロータより進んでいる駆動ロータの 動作がトルクと磁界とによって決定されることにある。２個のロータ間の角変位 即ち位相角はロータの速度とは無関係である。位相角は被駆動シャフトのトルク が存在しない場合零である。最大トルク即ちプルアウトトルクが生じ、ロータ間 の同期が失われるとき位相角を正確に識別できる。零とプルアウト角度との間の 位相角は印加するトルクを増大すると増加するが、磁界の強さとは反比例する。

プルアウト角度を越えずトルクがある定常状態にある場合、空気摩擦あるいはベ アリングの摩擦による機械的ロスを除き、ロータではエネルギが消費されない。

同期が失われると、平均値が零であるパルス状のトルクが発生される。

同期磁気抵抗による結合とヒステリシス原理または誘導原理に基づく結合とは異 なることが理解されよう。外結合は、ロータ内のエネルギロス即ち発熱の結果ト ルクを発生する。

トルクはロークロスを滑り速度で除算した商に比例する。ロータが同期駆動して いるときには誘導あるいは渦電流による結合によりトルクは発生されない。ヒス テリシスによる結合により同期時のトルクが減少されるが、ロータ間の正確な位 相関係は不確実であり、装置の前のトルクの履歴による。

（発明の開示） 磁気抵抗結合装置の設計者の目的は最大磁気抵抗勾配が得られ、空間あるいは材 料を最大限に経済的に使用できる構造を提供することにある。大きな強磁性体の ロータ磁極が薄く且つ軽量の磁束シャッタと置換できれば、大ｌ】な改良を実現 できよう。

本発明は磁界の反磁性吸蔵（ｄｉａｍａｇｎｃｔｉｅ　＋ｉｃｅｉｕｇｉｏｎ＞ により２個のシャフトの磁λ結合を摩擦なし、で非接触にできるトルク伝達装置 に関する。トルク伝達装置は紅ま１１．＜は直流励起フィルを用い、２ｆｌｊＪ の軸方向に同心のロータが各々反磁性の超伝導体スリーブを有ｌ７、各スリーブ は軸方向に同心に配置され相匂７作用するように設けられ、コイルを囲む磁気回 路の磁気共エネルギ（Ｃｏ　−ｅｎｅｒｇｙ）を変化させる。各スリーブには磁 束シャッタバーにより分離された複数の磁束窓が形成されている。ロータの２個 の同心のスリーブの磁束窓が合致したとき、磁束線が内側のロー・夕内を通過し 回路の磁気共エネルギが最大になる。２個のロータ間の相対角関係を変えると、 シャッタバーにより磁束を吸蔵する磁束窓が覆われるので、磁気共エネルギが減 少され、トルクが発生される。このように発生されたトルクは相対角関係に対す る磁気共エネルギの変化率に比例し、相対角位置が一定の場合ロータの回転速度 に無関係である。

突極性強磁性体の磁極の場合のように、磁束シャッタが整合されると磁気回路の 磁気抵抗が最小になる傾向にある。一方従来品に比べ、磁束シャッタには比較的 薄い反磁性層が要求され、反磁性材料の透磁率が零なのでシャッタが閉鎖された 位置では磁気回路のパーミアンスは理想値の零により近ず（と考えられる。

鼾ルク伝達装置は必要に応じ磁束窓内に強磁性体を付加することにより向上され る。従って、強磁性体窓に高い突極性を得る場合に空間を拡大する必要なく、ト ルク発生法、反磁性吸蔵法及び強磁性体伝導法の中から２個の異なる方法を組合 せて採用可能である。この突極性は物理的に突起された磁極を好適に構成するの に比べ反磁性吸蔵により得られる。

本発明にはまた第１のロータの環境と第２のロータの環境とを分離し密封するた めに密封ドームが用いられる。トルク伝達装置は密封された又は汚染された環境 に対し、あるいは反応性配合物を含んだ２個の容器間においてシャフトを介し機 械的に且つ効果的に動力を人出力結合するために使用可能である。

本発明の他の利点は添付図面に沿い以下の説明が進むに応じ明らかとなろう。

（図面の簡単な説明） 第１図は本発明によるトルク伝達装置の分解断面図、第２図は第２Ａ図、第２Ｂ 図及び第２Ｃ図からなりそれぞれ第１図のトルク伝達装置における反磁性円筒状 スリーブ部材の３つの別の実施例の構造を示す斜視図、第３図は組み立てられた トルク伝達装置の一部が断面図で且つ一部が斜視図で示される部分断面図である 。

（発明を実施するための最良の形態） 第１図を参照するに、第１のシャフト１２と第２のシャフト１４との間を磁気的 に連結する本発明によるトルク伝達装置ｔＩＯの分解断面図が示される。トルク 伝達装置ｌＯには、第１のシャフト１２の端部に片持態様で付設されるほぼ円筒 状の第１のロータ１６と、第２のシャフト１４の端部に片持態様で付設されるほ ぼ円筒状で中空の第２のロータ１８とが包有され、第２のロータ１８は第１のロ ータ１６１：中心に軸方向に同心に装着されている。トルク伝達装置ｌＯには更 に、第１及び第２ののロータ１６．１８間を遮断分離する密封ドーム２０と第１ 及び第２のほぼ円筒状ディスクのスタックとして設けられた積層スタック２４． ２６間に装着される環状コイル２２とが包有され、これらは総て４個の部材から なるハウジング装置２８（第３図参照）内に収納される。すなわちノーウジング 装置２８は第１のエンドベル３０とハウジング部材２２．３４と第２のエンドベ ル３６トカラ構成される。密封部材３８が第１及び第２のロータの２個の°環境 を分離する分離壁の一部をなしていることは理解されよう。

第１及び第２のエンドベル３０．３６には更にシャフト１２．１４に対しそれぞ れベアリング３１．３７が具備される。

第１のロータ１６には任意の一体の、好ましくは強磁性のコア４０が包有され、 強磁性コア４０は薄手の円筒状スリーブ４２と外径がＤＩの保持フープ４４とに より囲繞される。保持フープ４４及び必要ならば強磁性コア４０も第１のシャフ ト１２に対し固定され得る。第２のロータ１８には第２の円筒状スリーブ４６が 包有され、第２の円筒状スリーブ４６自体は第２のシャフト１４の端部に付設さ れる第２の保持フープ４８内に挿入される。第２の円筒状スリーブ４６の内径は Ｄ２で図示され、第１のロータ１６の外径ＤＩより大にされる。保持フープ４４ 及び第２の保持フープ４８は共に高強度の非磁性体例えばアルミニウムあるいは スチールのような金属あるいは高強度のプラスチックで作られている。一方円筒 状スリーブ４２．４８は反磁性の超伝導体、例えば配合物Ｖ　Ｂ＋ｉｓ　Ｃｕｔ 　０ｑ−ｘを有する金属酸化物を主成分とするセラミックで作られる。これらの 材料の透磁率は零、すなわち磁束がその材料を通過しない。第１のロータ１６内 の強磁性コア４０は非磁性体で作ることもできるが、鉄のような強磁性体で作成 することが好ましい。一方第２のロータ１８は全く磁性体あるいは強磁性体の極 部を有さないことは理解されよう。

円筒状スリーブ４２．４６の構造は第２の円筒状スリーブ４６の直径が比例的に 増大されている点を除き同一にされる。第２Ａ図及び第２Ｂ図には円筒状スリー ブ４２．４６の別の実施例の斜視図が示される。第２Ａ図の場合、円筒状スリー ブ４２．４６にはほぼ矩形の複数の磁束窓５０が具備されており、円筒状スリー ブ４２．４６の矩形の長辺が軸方向に合致される。磁束窓５Ｇは円筒状スリーブ ４２．４６の軸線を中心にンヤツタバ一部材５２を介在し等間隔を置いて離間さ れ、円筒状スリーブ４２．４６の長手方向のほぼ全体に亙って延びる。磁束窓５ ０の幅は通常磁束窓５０を分離するシャッタバ一部材５２の幅にほぼ等しい。

第２Ｂ図の場合、円筒状スリーブ４２には２組の磁束窓５４．５６が具備され、 第１の組の磁束窓５４は円筒状スリーブ４２又は４６の一方の端部に配設され、 第２の組の磁束窓５６は円筒状スリーブ４２．４６の反対端部近傍に配置される 。円筒状スリーブ４２．４６の中央部は加工が施されることなくそのままに残さ れ得る。

この構成により磁束の軸方向の漏れが減少され得、構造１優れている。

第２Ｃ図には第２Ｂ図と同様の円筒状スリーブ４２．４６の別の構成が示されて おり、この場合磁束窓５４．５６内には強磁性部材５８．６０が配設される。こ の強磁性部材５８．６０により磁束を横切る空気空隙が減少されてトルク伝達装 置１Ｇの磁気回路が向上される。

トルク伝達装置１１０は、先ず環状フィル２２及び積層スタック２４．２６をハ ウジング部材３２．３４内に配置し密封部材３８をハウジング部材３２に対し密 封させることにより組み立てられる。

次に第２のロータＩ８は積層スタック２４．２６及び環状コイル２２により区画 される円筒状空間内に挿入される。密封ドーム２ａはハウジング装置２８の反対 端部から第２のロータ１８の第２の円筒状スリーブ４Ｇの開口端部６２内に挿入 される。密封ドーム２０の開口端部にはフランジ６４が具備され、フランジ６４ は密封部材３８の開口端部内に摺動させて挿入されその内部リング突出部６６に 当接される。次に第１のロータ１６が密封ドーム２０の内部内に挿入される。最 終的に第１のエンドベル３０が第１のロータＩ６の突出端部を越えて密封部材３ ８に付設され、一方第２のエンドベル３６は第２のロータ１８の突出端部を越え ハウジング部材３４に付設される。

次に動作を説明するに、環状コイル２２は直流電流により励起されて周囲に磁界 を発生する。ハウジング部材３２．３４及び積層スタック２４．２６は総て強磁 性体で作られることが好ましい。これにより磁界回路の一部に対し容易に磁路が 形成され得、ロータ１６．１８により環状コイル２２の中央部を通過する残りの 磁気回路に対し空間が効果的に埋められる。円筒状スリーブ４２．４６の磁束窓 ５０（または磁束窓５４．５６）が整合されると、磁束が磁束窓５０の一方の端 部を貫通して第１のロータ１６の強磁性コア４０内に流れ、更に磁束窓５０を介 し第１のロータ１６の他方の端部を貫通して外部へ流れる。

第１のロータ１６．１８の磁束窓５０が整合されている場合、システムの磁気共 エネルギは最大であり、トルク伝達装置は安定零トルク位置にある。第１のロー タ１６と第２のロータ１８との間の相対角関係が変化すると、磁気回路の磁気共 エネルギが減少されトルクが発生される。第１のロータ１６．１８が回転され一 方のロータの磁束窓５０が他方のロータの透磁されないシャッタバ一部材５２に より被覆されるか、あるいは逆に被覆を外されると、強磁性コア４０の全磁束吸 蔵が生じて第２の零トルク位置となる。一方この第２の零トルク位置ではシステ ムの磁気共エネルギが最小となり不安定である。従って、第１のロータ１６及び 第２のロータ１８を連結するトルクは（磁束窓５０が整合される時の）安定な零 位置と磁束窓５０がシャッタバ一部材５２により被覆されるときの不安定な零位 置との間のいずれかで最大値をとる。更に発生したトルク（Ｔ９は磁気共エネル ギ（Ｅ）のポテンシャル変化率に正比例する、即ち、Ｔｃｃ　ｄ　Ｅ／ｄθの関 係が満足される。トルクは相対角位置が一定のとき第１のロータ１６．１８の回 転速度に無関係となる。

磁界の強さが上昇すると入手され得る磁気共エネルギが増大するのでシステムの 最大トルク伝達能力も増加されることが理解されよう。従って非常に大きな磁界 強度を発生して高い最大トルクポテンシャルを得るため、環状フィル２２を超伝 導体ワイヤで作ることが好ましい。

国際調査報告　。ｒＴ／ｌＩＣ０゜／ｎ’！。５゜１．ｆ＆ｌ−嘗４＾−−−ヘ ・ＰＣ■／１；５８９１０３８４゜国際調査報告 ＰＣＴ／ＵＳ　８９１０３８４０

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のシヤフト１２の端部に付設される第１のロータ１６と、第２のシヤ フト１４の端部に第１のロータ１６と軸方向に同心に装着される第２のロータ１ ８とを備える第１及び第２のシヤフト１２、１４間において動力を伝達するトル ク伝達装置１０において、第１及び第２のロータ１６、１８の同心軸に対し整合 される好ましくは磁気回路４６、４６の一部を持つ磁界２２を発生する磁束発生 装置と、第１のロータ１６を貫通する磁束を吸蔵することによつて第１及び第２ のロータ１６、１８の相対角位置の変化により磁気回路４６、４６の磁気共エネ ルギを変化させる磁気共エネルギ変化装置とを備えることを特徴とするトルク伝 達装置１０。
2. （２）磁気共エネルギ変化装置には、第１のロータ１６と回転可能に付設されシ ヤツタバー部材５２により分離される複数の磁束窓５０、５４、５６を存する反 磁性製の第１のスリーブ４２と、シヤツタバー部材５２により分離される複数の 磁束窓５０、５４、５６を有し反磁性製の第２のスリーブ４６とが包有され、第 ２のスリーブ４６が第２のロータ１８と回転可能に且つ第１のスリーブ４２と軸 方向に同心に装置きれることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のトルク伝 達装置１０。
3. （３）反磁性の第１及び第２のスリーブ４２、４６は更にＹＢａｒＣｕ３０７− ｘを有する金属酸化物を主成分とずるセラミックでなることを特徴とする特許請 求の範囲第１項または第２填のいずれか一項記載のトルク伝達装置１０。
4. （４）第１の円筒状ロータ１６及び第２の円筒状ロータ１８には更に反磁性の第 １のスリーブ及び反磁性の第２のスリーブを囲む一対の保持フープ４４、４８が 包有され、保持フープ４４、４８が高強度の非磁性体で作られてなることを特徴 とする特許請求の範囲第２項記載のトルク伝達装置１０。
5. （５）第１の円筒状ロータ１６には更に反磁性の第１のスリーブ４２内の強磁性 体のコア４０が包有されてなることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のト ルク伝達装置１０。
6. （６）第１のスリーブ４２及び第２のスリーブ４６に形成される磁束窓５０が円 筒状スリーブ４２、４６の実質的に長さ方向全体に亙り延び実質的に矩形に設け られてなることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のトルク伝達装置１０。
7. （７）第１のスリーブ及び第２のスリーブ４６には更に磁束窓５４、５６を区画 する２組の実質的に矩形の開口部が具備され、一方の粗の磁束窓５４は第１及び 第２のスリーブ円筒状スリーブ４２、４６の一方の端部の近傍に配置され、他方 の粗の磁束窓５６が他方の端部の近傍にに配置されてなることを特徴とする特許 請求の範囲第２項記載のトルク伝達装置１０。
8. （８）更に、第１及び第２のスリーブ４６の磁束窓５４、５６内に配置される複 数の強磁性部材５８、６０を備えてなることを特徴とする特許請求の範囲第２項 記載のトルク伝達装置１０。
9. （９）磁束発生装置には直流電流により励起される環状コイル２２が包有されて なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のトルク伝達装置１０。
10. （１０）更に、第１及び第２のロータ１６、１８及び磁束発生装置を収容するハ ウジング装置２８を備え、ハウジング装置２８には２個の非磁性体の端部間で配 置される２個の強磁性体ハウジング部材３２、３４の中央部が設けられてなるこ とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第９項のいずれか一項記載のトルク伝達 装置１０。
11. （１１）ハウジング装置には更に強磁性体ハウジング部材３２、３４と非磁性体 の端部３０の一方との間に密封部材２０が配設され、密封部材２０は第１のロー タ１６の環境と第２のロータ１８の環境とを分離するような断面を有してなるこ とを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載のトルク伝達装置１０。