(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転軸と一体に回転する回転部と、
電動機の固定側にほぼ前記回転軸の軸方向に沿って移動自在に支持された制動片と、制動片を回転部に向かって押圧する弾性力を発生させるバネ部と、
を含み、
前記制動片と前記回転部との間の摩擦制動面が当該制動片の移動方向に対して一定の傾斜角をなし、かつ前記制動片が複数に分割されている電動機の回転制動装置において、
前記制動片は、前記回転部と摩擦接触して制動摩擦力を発生する摩擦部が設けられた第１制動片と、連結部を介して前記第１制動片が取り付けられた第２制動片と、
を有し、
前記連結部は、
前記第２制動片に設けられ、前記回転軸方向に延びて形成された長穴と、
前記第１制動片に設けられ、前記長穴に係合するピンと、
を有し、
前記第１制動片は、前記ピンを軸として、回動することにより前記回転軸を含む面内での回動が許容され、前記ピンが前記長穴の延びる方向に移動することで前記回転軸方向の動きを許容される、
ことを特徴とする電動機の回転制動装置。
【請求項２】
請求項１記載の回転制動装置において、
前記第１制動片と前記第２制動片との間に、前記回転軸方向に対し傾斜している傾斜面を有し、
前記傾斜面は、制動解除時の第２制動片の移動に伴い、前記回転軸を含む面内で前記第１制動片が前記摩擦制動面から離れる方向に回動するよう形成されている、
ことを特徴とする電動機の回転制動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機における回転軸の回転を制動する制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機が回転している際に、非常停止や停電等の原因により電動機が制御不能になった場合、電動機の回転を瞬時に停止させる装置の一つとして制動装置が挙げられる。
以下に、従来の制動装置の構造についていくつかの例をもとに説明する。図９及び図１０は従来における制動装置の構造の一例を示す図であり、電動機の負荷側における横断面図の一部を示す。図９からも示されるとおり、電動機は主に軸１、回転子２、固定子３、フランジ４、軸受５、ササエ７から構成されている。また、固定子３からは巻線が出ており固定子３内のスロット同士の間に巻かれている。この、固定子３から出ている巻線のことをコイルエンド８と呼ぶことにする。フランジ４、ササエ７、固定子３等のように軸１が回転しても全く回転しない部分を総称して固定側と呼ぶことにすると、図のような構造を持つ中で、制動装置は図９に示されるような形で固定側に取り付けられている。
制動装置は、摩擦部１１、回転部１２、バネ部１３、回り止め部１４、固定部１９、制動用巻線６、制動片１７から成っている。回転部１２は軸１に取り付けられ軸１と一体化して回転している。摩擦部１１は、一定の摩擦係数を持った材料で形成されており、回転部１２または制動片１７のいずれかに取り付けられている。バネ部１３は固定部１８あるいは制動片１７のいずれかまたは両方に取り付けられ、弾性力によって制動片１７を回転部１２側に移動して、その際に発生する摩擦部１１の摩擦力によって制動力を得ている。ここで、前記摩擦力が発生する制動片１７と摩擦部１１、又は回転部１２と摩擦部１１の間のいずれかのことを摩擦制動面と呼ぶことにする。一方、制動用巻線６に通電すると制動用巻線６の周りの固定部１８に磁界が形成され、その磁界により制動片１７が制動用巻線６側に吸引され、該磁気吸引力がバネ部１３の弾性力以上となることにより制動が解除される。磁気吸引についての詳細は公知であるため、ここでは説明を省略する。制動装置が一つのユニットとして電動機の軸１及び固定側に取り付けられる形になっている図９と、制動装置をフランジ４に組み込んだ図１０のいずれにおいても、制動片１７の移動方向と、摩擦制動面の方向は垂直になっている。
【０００３】
制動装置によって電動機を停止させる場合、電動機のイナーシャ及び負荷イナーシャと停止時間から、制動の際に必要なトルクを求めることができる。以下、制動の際に必要なトルクのことを制動トルクと呼ぶことにする。制動トルクが決まると、摩擦部１１の摩擦係数と摩擦力が働く部分の回転中心からの平均径から、バネ部１３による弾性力が決定される。したがって、バネ部１３は制動トルクに見合うだけの弾性力を発生するように設計されなければならない。しかし、必要な制動トルクが大きい場合には、バネ部１３の設計では対応できなくなってくる。
さらに、最も問題であることは、制動を解除する際に磁気吸引することは前述したが、その際の磁気吸引力がバネ部１３の弾性力より大きくなるようにしなければならないということである。このことに対しては、制動用巻線６を含み、磁束が形成される固定部１８と制動片１７との間隙を狭くすること、制動用巻線６への通電電流を増加させること、固定部１８及び制動片１７において磁束の通り道である磁路を再設計すること等で対応は可能である。しかし、間隙を狭くすることと磁路を再設計することに関しては機械的制約が大きく、また、通電電流を増加させることは磁路との兼ね合いもあるが、同一磁路においては一定以上の電流では磁束が飽和してしまい、磁気吸引力は増加しなくなってしまう。したがって、バネ部１３の弾性力を増加させた場合、増加に見合った磁気吸引力の増加を達成することには大きく制約が伴い、一定以上は困難な状態になる。
以上のことから、制動片１７の移動方向と摩擦制動面の方向が垂直である従来の制動装置においては、制動トルクが大きい場合にはバネ部１３の設計で対応することは困難であった。ただし、摩擦力が働く部分の回転中心からの平均径を大きくすれば、同様のバネ部の弾性力及び磁気吸引力で制動トルクを増加させることができる。しかし、この方法についても前記平均径は電動機の外径よりも小さくとることが前提となっているため、一定値以上の制動トルクには対応できない。また、同一の制動トルクにおいても、機械的制約等により摩擦力が発生する部分の径を小さくする必要が発生した場合に対応することができなくなる。
【０００４】
一般に、ある面に摩擦力が働く場合、摩擦力が働く面に対して垂直方向の垂直効力をＮ［Ｎ］、該当面の摩擦係数をμ０、働く摩擦力をＦ［Ｎ］とした場合、
【数１】
Ｆ＝μ０×Ｎ
という式が成立する。よって、前述の制動片１７の移動方向と摩擦制動面の方向が垂直である従来の制動装置においてはバネ部１３による弾性力の方向と摩擦制動面は垂直であるため、数１におけるＮはバネ部による弾性力と等しくなり、前述のように数１で示される以上の摩擦力は発生できなくなる。このことに対応するために、従来技術においては摩擦制動面を制動片１７の移動方向に対し一定の角度の傾斜を持たせるという構造がとられていた。その一例を図１１に示す。図１１において回転部１２と制動片１７は平行になっており、回転部１２又は制動片１７のいずれかに取り付けられた摩擦部１１との間では、上記傾斜がない場合と同様に全面にわたって一定の間隙が保たれている。図１２には、前記摩擦制動面が軸方向に対して角度αで傾斜している場合における力の分力の関係が示されている。図１２において、制動片から回転部１２に対してＦ１の力をかけた場合を想定する。このとき、回転部１２は力Ｆ１によって微小量△ｘだけ図の左側へ移動する。この移動によって、制動片も弾性変形を起こしてわずかに広がった形となり、この変形量は斜面に対して垂直方向のみで考えた場合△ｙだけ移動することになる。したがって、熱損失等を無視するとエネルギーの保存により、
【数２】
Ｆ１×△ｘ＝Ｆ０×△ｙ
となる。ここで、
【数３】
△ｙ＝△ｘ×Ｓｉｎα
なので、両式より
【数４】
Ｆ０＝Ｆ１／Ｓｉｎα
となる。このことから、Ｆ１という力で制動片が回転部１２を押圧した場合には、斜面に垂直に働く力Ｆ０は前記作用力Ｆ１よりも大きくなることがわかり、この結果、摩擦制動面における摩擦力も増加することになる。以上のように、従来技術においては制動片１７の移動方向と摩擦制動面との間に一定の傾斜角を持たせることによって、同一のバネ部の弾性力によって発生する摩擦力を増加させることができ、それに伴い大きな制動トルクに対応することも可能になり、また、同一の制動トルクのもとでは機械的制約に伴い摩擦力が発生する径を小さくすることも可能になった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のとおり、制動片１７の移動方向と摩擦制動面との間に一定の傾斜角を持たせることにより、発生する摩擦力を増加させることが可能にはなったが、この従来技術に対しては以下のような問題点が考えられる。制動の際には制動片１７を摩擦部１１に押し当てるが、この場合制動片１７の移動方向と摩擦制動面が垂直であれば、制動時に制動片１７が摩擦部１１または回転部１２から受ける力は制動片１７の移動方向と回転方向のみである。したがって、制動片１７が受ける力によって制動片１７が弾性変形する方向は主に回転方向のみである。また、制動片１７と摩擦部１１または回転部１２と摩擦部１１が接触して停止している状態では摩擦制動面には静止摩擦力がはたらいているが、該静止摩擦力の方向についても回転方向のみであり、制動片１７の移動方向には殆どはたらいていない。以上のことから、制動片１７の移動方向と摩擦制動面が垂直である場合については制動を開放する際に磁気吸引力によって制動片１７の移動方向に制動片１７を引っ張るが、制動片１７の弾性変形による力及び静止摩擦力はいずれも移動方向の成分は微小であるため、磁気吸引力によって制動片１７を制動用巻線６側に引き寄せ、制動を解除することは困難ではなかった。だが、前記のような制動片１７の移動方向と摩擦制動面との間に一定の傾斜角を持たせた従来技術における制動装置においては、前記弾性変形による力及び静止摩擦力についての方向及び大きさについて多少異なる部分が生ずる。弾性変形による力について再び図１２を用いて以下に説明する。図１２は接触状態にある場合の回転部１２にかかる力について示したものである。図に示すとおり、制動片１７、摩擦部１１、回転部１２は全て接触しており、制動状態にある。このとき、回転部１２が摩擦部１１または制動片１７から受ける力は、円周方向である摩擦力以外では傾斜した面に垂直方向である矢印Ｆ０で示される力である。ここで力Ｆ０は軸方向のＦ１と径方向のＦ２に分割することができるので、回転部１２が力Ｆ０を受けて歪む場合、Ｆ１とＦ２のそれぞれの方向に歪みが発生する。つまり、回転部１２は図中左方向に押されつつ外に広がろうとする。一方、制動片１７はバネ部１３による弾性力を受けて図中左方向に移動しようとしているため、回転部１２の内径が大きくなるとその分だけ左方向に進む。以上の動作により回転部１２は弾性変形し、該弾性変形による弾性力が静止摩擦力を大きく増加させ、結果的に静止摩擦力が大きく増加するため、磁気吸引力によって制動片１７を制動用巻線６側に引き寄せ、制動を解除することが非常に困難になってしまう。
【０００６】
以上のように、従来の技術においては摩擦制動面が制動片の移動方向に対して一定の傾斜角を持っている場合、回転部の弾性変形とそれらに伴う静止摩擦力の増加により、制動解除時に磁気吸引力によって制動片を制動用巻線側に引き寄せることが非常に困難になってしまうという問題点があった。本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に対しどのような対策を講じればよいかという点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明にかかる制動装置においては、制動片が複数に分割されることによって、摩擦制動面を介して摩擦力を直接受ける第１制動片と磁気吸引力及びバネ部による弾性力を直接受ける第２制動片とが分離して動作可能になるため、第１制動片はある程度自由に動くことができるようになり、制動解除時に摩擦制動面から第１制動片を取り外すことが容易になる。さらに、前記第１制動片に一定方向の溝を形成するために、第１制動片内において摩擦力を直接受ける面自体がある程度自由に動くことができるようになり、制動解除時に摩擦制動面から第１制動片を取り外すことがさらに容易になる。また、第２制動片が制動解除時に移動するが、該移動に伴って第１制動片が摩擦力と垂直方向に力を受けるような構成にすることにより、より簡単に摩擦制動面から第１制動片を取り外すことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる好適な実施例を図面に従って説明する。
なお、従来技術を示す図９と同一番号にて示されている構成要素についての機能、処理は同一であるので同一の番号を使用し説明を省略する。図１は本発明の第１実施形態を示す横断面図の一例、図２はそのうち第１制動片９の構造を示した図の一例である。本実施形態は、固定側に設けられる制動片が第１制動片９とこれを担持する第２制動片１０とに分離されることを特徴とする。図１において従来と同様に制動時にはバネ部１３の弾性力によって第２制動片１０が図中左方向に平行移動する。ここで、平行移動する方向は第２制動片１０とフランジ４との両者間に取り付けられた第１回り止め部１４によって決定される。第１制動片９と第２制動片１０との間には第２回り止め部１５が存在し、これも両者間での相対的移動方向を決定している。なお、第１回り止め部１４及び第２回り止め部１５はともに回転方向にかかる制動力を受けるはたらきもしている。第１制動片９と第２制動片１０との間は回転方向が前記の通り第２回り止め部１５によって固定されている。しかし、第２回り止め部１５は、たとえば平行ピン等によるものであり、第１制動片９と第２制動片１０とを結合するはたらきのものではないため、図中の左右方向である軸方向には、両者は固定されていない。したがって、一方が他方を押す場合には接触して同様の動作を行うが、その逆に一方が他方を引くような動作を行う場合には同様の動作を行わない。よって、制動時にはバネ部１３の弾性力を受け第２制動片１０が図中左方向に移動するが、第１制動片９は第２制動片１０に押される形で同様の方向に同等の量だけ移動する。回転部１２に取り付けられた摩擦部１１と第１制動片９との間は一定の間隙が保たれており、第２制動片の移動に伴い両者が接触し、公知により摩擦力がはたらく。一方、制動用巻線６に電流を通電しその周りに磁界を発生させて公知の通り磁気吸引する場合には、第２制動片１０は磁気吸引力によって図中右方向に移動するが、第１制動片９は前記の通り第２制動片１０と同様の移動は行わない。第１制動片９は図２に示されるとおり、一定方向に溝が切られている。したがって、この溝の働きによって第１制動片９は固定されていない状態であるため、摩擦部１１との間にはたらく前述した弾性変形とそれらに伴う静止摩擦力から解放されて、制動解除時に摩擦部１１から第１制動片９を取り外すことが容易になる。
【０００９】
図３は本発明の第２実施形態を示す横断面図の一例であり、図４は図３中Ａ−Ａで示される一定の面による断面図である。また、図５は第１制動片９の構造の一例を示す図である。ただし、図４においてコイルエンド８の記載は省略してある。なお、図１と同一番号にて示されている構成要素についての機能、処理は同一であるので同一の番号を使用し説明を省略する。図３中第１制動片９と第２制動片１０は一定の面で接触しつつ、第３回り止め部１６を介して連結されている。ここで、第３回り止め部１６は平行ピン等によるものであり、第１制動片９と第２制動片１０を結合するはたらきはしていない点では第２回り止め部１５とほぼ同様であるが、結合している方向が図３及び図４に示すように回転の接線方向であり、さらに第３回り止め部１６が挿入されている第１制動片９及び第２制動片１０内の穴にその両端が端面で当たっている。したがって、第３回り止め部１６は回転方向にかかる制動力を端面で受けている。第１制動片９と第２制動片１０の間の関係は様々な場合が考えられるが、例えば、図５に示されるように第１制動片９と第２制動片１０とは第３回り止め部１６によって連結されており、図中矢印で示される方向への回転の動作が許されている。ただし、単に連結されているだけでは第２制動片１０に対する第１制動片９の位置が決まらないため、第３回り止め部１６で連結されている部分以外では両者は図中Ｘで示される一定の面で接触する形になっている。接触する形といっても全面で完全に接触してしまっては実際に第１制動片９が回転することができなくなってしまうため、第２制動片１０の摩擦制動面が図３に示されるように第３回り止め部１６が入る穴付近を折点としてわずかに摩擦制動面の角度を変えている。以上のような構造によって、第１制動片９は第２制動片に対して位置を決めつつバネ部１３の弾性力によって押されて摩擦部１１と接触して摩擦力を受け、制動の解除の際には図３中左方向に引き寄せられ、第１制動片９は回転方向の動作が可能になり、そのことによって摩擦部１１から解放されることが容易になる。
【００１０】
さらに、図６に示されるような例においては、第３回り止め部１６が入る穴が図に示されるような長穴になっている。その他の第１制動片９と第２制動片１０間の摩擦制動面等は図５の場合と同一だが、長穴であるがゆえに制動の解除の際には第２制動片１０が図３中で左方向に移動しても第１制動片９は第２制動片１０に対してより自由に動作でき、図５の場合よりもより容易に摩擦部１１から解放することができる。また、このような構造であれば図５の場合のように第２制動片１０の摩擦制動面の角度を変える必要がなくなる場合も考えられる。
【００１１】
図７は本発明の第３実施形態を示す横断面図の一例であり、図８は図７中第１制動片９と第２制動片１０との摩擦制動面付近の一例を示す図である。なお、図１と同一番号にて示されている構成要素についての機能、処理は同一であるので同一の番号を使用し説明を省略する。図８にも示されているように第１制動片９と第２制動片１０間において摩擦制動面については図６に示される場合と同様である。しかし、摩擦制動面とは異なる第２制動片１０の移動方向における面で第２制動片１０は図８に示されるような一定角度の傾斜面を持ち、第１制動片には外径斜面に接するように転がり接触している。したがって、制動の解除時には第２制動片１０が図７中右方向に移動し、図６と同様に第１制動片９は同様の動作を行わない。この時、前記のように第１制動片９と第２制動片１０との間は図８に示すとおり移動方向に対して一定の傾斜面を持っているため、第２制動片１０の移動時に該傾斜面のはたらきにより第１制動片９は転がり接触部分では図中上方向の力を受け、第１制動片９全体としては図５中矢印で示される回転方向の力を受ける。第１制動片９は前述のように第２制動片に対して回転方向の動作が可能であるため、以上のはたらきによって図６の場合よりも更に容易に第１制動片９を摩擦部１１から解放することが可能になる。なお、図３から図８までについては第１制動片は第２制動片に対して回転方向の動作を行うため、円盤状であってはならず、例えば図５に示すような形状をしている必要がある。
【００１２】
本発明において、以下の事項に関しては様々な変形例が考えられる。まず、摩擦部１１については回転部１２に取り付けるという形にして説明をしたが、これは第１制動片９に取り付ける形にしても、同様の機能及び効果があれば良い。ただし、この場合一定の間隙が保たれるのは摩擦部１１と第１制動片９ではなく、摩擦部１１と回転部１２になる。また、第２制動片１０についても円盤状とは限らず、これについても特に形状を限定しない。また、第１制動片９の形状及び数等については特に限定はしないが、制動力のバランスがとれる配置にすることが望ましい。また、本発明においては制動片を複数に分離するとしており、実施例においては二つに分離する形としたが、その数および形状についても図において示された限りではなく様々な変形例が考えられる。
【００１３】
【発明の効果】
以上のように制動片が複数に分割され、そのうち第１制動片に一定方向の溝を形成し、さらに前記第１制動片が第２制動片に対し垂直方向に固定されないように取り付けられ、加えて第２制動片の移動に伴って第１制動片が摩擦力と垂直方向に力を受けることにより、容易に摩擦が発生している摩擦制動面から第１制動片を取り外すことができ、第２制動片の移動方向に対して摩擦制動面が一定の傾斜角をなしている場合においても制動の解除が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における第１実施形態の構造を示す図である。
【図２】  図１における第１制動片９の構造を示す図である。
【図３】  本発明における第２実施形態の構造を示す図である。
【図４】  図３における平面Ａ−Ａによる断面図である。
【図５】  図３における第１制動片９の構造を示す図である。
【図６】  図３における第１制動片９と第２制動片１０付近の拡大図である。
【図７】  本発明における第３実施形態の構造を示す図である。
【図８】  図７における第１制動片９と第２制動片１０付近の拡大図である。
【図９】  従来の制動装置における構造の一例を示す図である。
【図１０】  従来の制動装置における構造の一例を示す図である。
【図１１】  従来の制動装置における構造の一例を示す図である。
【図１２】  従来の制動作用を示す説明図である。
【符号の説明】
１  軸、２  回転子、３  固定子、４  フランジ、５  軸受、６  制動用巻線、７  ササエ、８  コイルエンド、９  第１制動片、１０  第２制動片、１１  摩擦部、１２  回転部、１３  バネ部、１４  第１回り止め部、１５  第２回り止め部、１６  第３回り止め部、１７  制動片、１８  固定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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