JP5894123B2

JP5894123B2 - 電磁コイル装置

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Publication number: JP5894123B2
Application number: JP2013148848A
Authority: JP
Inventors: 啓志岡田; 浩規慶野; 崇広櫻井; 小島　崇; 崇小島; 潤哉村松; 佳晋服部; 藤崎　敬介; 敬介藤崎
Original assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: JP2015021534A; WO2015008793A1; EP3024001A1; EP3024001A4; US20160141086A1; CN105359231A

Description

本発明は電磁コイル装置内の電磁コイルに流れる電流がステップ状に変化する際に発生するサージ電圧の低減技術に関するものである。

電磁クラッチや電磁ブレーキ等、電磁コイルを備えた電磁コイル装置において、電磁コイルへの通電を遮断した場合、電磁コイルに流れる電流がステップ状に変化し、電磁コイルの両端に大きなサージ電圧（逆起電力）が発生する。そのため、該電磁コイル装置に接続された他の装置を損傷させる等の問題が生じうる。そこで、従来、該電磁コイル装置に発生する上記サージ電圧を低減する技術が用いられている（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、ダイオードを電磁コイルに対して並列接続することによりサージ電圧を低減する技術が開示されている。

特開平１０−０３７９７８号公報特開２０１１−０６９４８９号公報

しかしながら、特許文献１のようにダイオードを追加で設ける場合、ダイオード追加分のコスト上昇に加え、特に、ダイオードを確実に配線する精度が要求される等に起因した製造コスト上昇等を招き、コスト面での問題が生じる場合がある。また、ダイオードを電磁コイルと並列接続するため、例えば、電磁クラッチ等の筐体内にダイオードを設ける場合、レイアウトスペースの不足や構造上の制約等の問題が生じる場合がある。

そこで、上記課題に鑑み、サージ電圧低減用のダイオードを設けることなく、電磁コイルに発生するサージ電圧を低減することが可能な電磁コイル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態において、本電磁コイル装置は、
電磁石として機能する電磁コイル装置であって、
コイル線が巻かれた電磁コイルと、
前記電磁コイルの周囲に設けられ、前記電磁コイルと電気的に絶縁された、強磁性体である第１の電気導電体と、
前記第１の電気導電体に設けられ、又は、前記第１の電気導電体と前記電磁コイルとの間に設けられ、前記電磁コイルと電気的に絶縁された第２の電気導電体であって、前記電磁コイルに流れる電流が変化した場合に渦電流が流れるように設けられた第２の電気導電体と、を備え、前記第２の電気導電体は、前記第１の電気導電体よりも電気抵抗率又は飽和磁化値が小さいことを特徴とする。

本実施の形態によれば、サージ電圧低減用のダイオードを設けることなく、電磁コイルに発生するサージ電圧を低減することが可能な電磁コイル装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る電磁クラッチ１の概略断面図である。第１の実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。第１の実施形態に係る電磁クラッチ１に発生する渦電流を説明する図である。第１の実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０に発生するサージ電圧を示す図である。銅膜１２の厚さと電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図である。銅膜１２の配置と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図である。第１の実施形態の変形例１に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０及び銅膜１２の模式図である。第１の実施形態の変形例２に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０及び銅膜１２の模式図である。第２の実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。第２の実施形態の変形例に係る電磁コイル１０及び銅膜１２２の模式図である。第３の実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の電気抵抗率と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図である。電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の飽和磁化値と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図である。電磁コイル１０の形状の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の構造を示す概略断面図である。

図１を参照するに、本実施形態に係る電磁クラッチは、カーエアコン用コンプレッサ２に設けられたものである。エンジン（不図示）のクランクプーリからの動力がベルトを介してカーエアコン用コンプレッサ２に伝達され、回転駆動される。ここで、エアコンが使用される場合にのみ、伝達された回転動力をカーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３に伝達するため、電磁クラッチ１は、回転動力の伝達及び該伝達を遮断する機能を有する。

電磁クラッチ１は、電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８、クラッチハブ９、電磁コイル１０、絶縁部材１１等を備える。

電磁コイル筐体５は、カーエアコン用コンプレッサ２のハウジング４に固定されている。電磁コイル筐体５は、全体が円環状に形成されており、カーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３と同一軸線上に配置される。また、電磁コイル筐体５は、後述するロータ７に設けられた環状の溝部７ａの内部に内挿されている。また、電磁コイル筐体５は、環状の溝部５ａを有し、溝部５ａの内部に後述する電磁コイル１０が挿入されている。電磁コイル筐体５は、例えば、ＳＰＣＣ（ＳｔｅｅｌＰｌａｔｅＣｏｌｄＣｏｍｍｅｒｃｉａｌ）等を用いてプレス加工等により製造される。なお、ＳＰＣＣは、ＪＩＳ（ＪａｐａｎｅｓｅＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔａｎｄａｒｄｓ；日本工業規格）により定められる一般用の冷間圧延鋼板である。

ロータ７は、カーエアコン用コンプレッサ２のハウジング４の円筒部４ａに軸受６を介して回転自在に支持されている。ロータ７は、外周部にプーリ溝７ｂが設けられており、該プーリ溝７ｂにベルトが巻きつけられ、該ベルトが同様に巻きつけられたエンジンのクランクプーリの回転動力が伝達される。ロータ７は、上述のとおり、溝部７ａの内部に電磁コイル筐体５が挿入されており、溝部７ａの内部に電磁コイル筐体５が挿入された状態で回転する。また、ロータ７の回転軸方向の一端面には、クラッチ板８と対向する摩擦面７ｃが設けられている。ロータ７は、例えば、ＳＰＣＣ等を用いてプレス加工等により製造される。

クラッチ板８は、クラッチハブ９に固定されている。クラッチ板８と上述したロータ７の摩擦面７ｃとが接している場合に、発生する摩擦力によりロータ７に伝達された回転動力がクラッチハブ９を介してカーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３に伝達可能とされている。クラッチ板８は、ＳＰＣＣ等を用いてプレス加工等により製造される。

クラッチハブ９には、カーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３が挿通され、ナット３ａにより抜け止め固定されている。上述のとおり、クラッチ板８とロータ７の摩擦面７ｃとが接している場合に、クラッチハブ９は、クラッチハブ９に固定されたクラッチ板８を介して、ロータ７に伝達された回転動力をエアコン用コンプレッサ２の回転軸３に伝達する。

電磁コイル１０は、所定軸（以下、電磁コイル軸と呼ぶ）を中心として円環状にコイル線１０ａが巻かれて形成され、電磁コイル筐体５に設けられた環状の溝部５ａの内部に挿入されている。なお、本実施形態において、電磁コイル軸は、上記カーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３と略同じである。電磁コイル１０は、例えば、ポリエチレン樹脂等の絶縁部材１１により、電磁コイル筐体５（後述する銅膜１２）と電気的に絶縁された状態で固定される。電磁コイル１０には、車両に搭載されたバッテリ（不図示）からの直流電力供給が行われ、電流が流れる。バッテリからの電力供給が行われることにより、電磁コイル１０が電磁石として作用し、一体に設けられたクラッチ板８及びクラッチハブ９がロータ７に吸着される。これにより、ロータ７に伝達された回転動力がクラッチ板８及びクラッチハブ９を介して、カーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３に伝達される。また、電磁コイル１０への電力供給が遮断されることにより、一体に設けられたクラッチ板８及びクラッチハブ９がクラッチダンパー（不図示）の反力によりロータ７から離間し、ロータ７からの回転動力の伝達は遮断される。

また、電磁クラッチ１は、電磁コイル筐体５に設けられた銅膜１２を含む。

ここで、図２は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。なお、図中左方にロータ７の回転軸があるものとする。また、ロータ７のプーリ溝７ｂ、及び絶縁部材１１は、簡単のため、図示を省略している。

図２を参照するに、電磁コイル筐体５の溝部５ａの２つの側壁面と底面に所定の厚みを有する銅により形成された銅膜１２が設けられている。銅膜１２と電磁コイル１０とは、絶縁部材１１を介して電気的に絶縁されている。銅膜１２は、電磁コイル筐体５（ＳＰＣＣ）の内面に対して、銅メッキ処理を施すことにより形成してよい。

次に、本実施形態に係る電磁クラッチ１、特に銅膜１２による作用を説明する。

ここで、電磁コイル１０への電力供給のＯＮ／ＯＦＦに伴い電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８、銅膜１２等に発生する渦電流について説明をする。

図３は、第１の実施形態に係る電磁クラッチ１に発生する渦電流を説明する図である。図３（ａ）は、電磁コイル１０に電力供給されている場合に、電磁コイル１０に流れる電流と発生する磁束とを示した図である。図３（ｂ）は、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、電磁コイル１０に流れる電流と、電磁コイル筐体５（、銅膜１２）、ロータ７及びクラッチ板８に発生する渦電流と、発生する磁界とを示した図である。図３（ｃ）は、発生する渦電流の流れる方向を模式的に示す図である。なお、図３（ｃ）において、説明のため、電磁コイル１０は簡略的に描画し、電磁コイル筐体５は、溝部５ｃの一方の側壁面のみを描画している。

図３（ａ）を参照するに、電磁コイル１０に電力供給が行われている場合、電磁コイル１０には、点線矢印で模擬的に示した一定の直流電流が流れる。よって、電磁コイル１０に流れる直流電流によって静磁界が生成され、図中の太い実線矢印で示す一定の磁束が発生する。これにより、クラッチ板８は、ロータ７に吸着され、電磁クラッチ１は、ロータ７に伝達された回転動力をカーエアコン用コンプレッサ２の回転軸３に伝達することができる。

これに対して、図３（ｂ）を参照するに、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合、電磁コイル１０に流れる電流は時間と共に急激に減少する。これにより、電磁コイル１０に電流が流れることにより発生していた磁束は急激に減少する（図中の太い点線矢印）ため、ファラデーの電磁誘導法則に基づく、逆起電力（サージ電圧）が発生する。また、電磁コイル１０周囲の導体である電磁コイル筐体５（、銅膜１２）、ロータ７、クラッチ板８には、上述した電磁コイル１０に電流が流れることにより発生していた磁束の減少に伴う各導体を貫く磁束の変化に応じて渦電流が発生する。レンツの法則に基づき、電磁コイル筐体５（、銅膜１２）、ロータ７、クラッチ板８に発生する渦電流は、各導体を貫く磁束の変化を妨げる方向に流れる。よって、図３（ｃ）に示すように、該渦電流（図中太い実線矢印）は、電磁コイル１０に流れる電流（図中太い点線矢印）と同じ軸（電磁コイル軸）を中心とした円周方向に流れる。これにより、図３（ｂ）において、実線矢印で示す磁束が該渦電流により発生するため、上述した電磁コイル１０に電流が流れることにより発生していた磁束の減少を緩やかにすることが可能である。すなわち、該渦電流に応じて発生する磁束により電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することが可能である。

ここで、図４は、第１の実施形態に係る電磁クラッチ１に発生するサージ電圧を示す図であり、電磁コイル１０への電力供給が遮断された後の時間経過に対する電磁コイル１０に発生する電圧の変化を表している。グラフ中の実線は、本実施形態に係る電磁クラッチ１に発生する電圧（銅膜１２を設けた場合）を示し、点線は、仮に銅膜１２を設けない場合の電圧を示す。本図において、負の電圧がサージ電圧であり、以下、参照する同様のグラフにおいても同じである。

図４を参照するに、銅膜１２を設けない場合のサージ電圧は、約３００Ｖであるのに対し、本実施形態に係る電磁クラッチ１に発生するサージ電圧は、１００Ｖ以下まで低減されていることが分かる。

電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８にも渦電流は流れる。しかし、電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８（特に、ロータ７とクラッチ板８）には、電磁クラッチ１の本来機能である電磁連結機能を確保するため、強磁性体であるＳＰＣＣ等の鉄が材料に用いられている。ここで、鉄は、電気抵抗率が高い（例えば、本実施形態に係るＳＰＣＣは、１．３４０×１０^−７Ω／ｍ）ため、電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８にあまり大きな渦電流を発生させることができない。

これに対して、銅膜１２は、電気抵抗率がＳＰＣＣの約１／１０であり（例えば、本実施形態に係る銅膜１２は、１．６７３×１０^−８Ω／ｍ）、ＳＰＣＣよりも大きな渦電流を発生させることができる。このため、本実施形態に係る電磁クラッチ１では、銅膜１２を電磁コイル筐体５の環状の溝部５ａの内面に設けることにより、サージ電圧を大きく低減することができる。

上記作用により本実施形態に係る電磁クラッチ１においては、従来のようにサージ電圧低減用のダイオードを設けることなくサージ電圧の低減が可能であるため、コスト面での問題を解消することが可能である。また、ダイオードを電磁クラッチ１の電磁コイル筐体５内に設ける場合におけるレイアウトスペース不足や構造上の制約等の問題も解消することができる。なお、銅膜１２を形成する分のコスト上昇よりもダイオードを省略するコスト低減効果の方が大きい。

また、銅膜１２は、電磁コイル１０に一定の直流電流が流れている状態（電磁コイル１０が電磁石として動作している状態）では、何の作用も及ぼさない。そのため、電磁コイル筐体５の形状が同じである限り、電磁クラッチ１の性能を維持しつつ、電磁コイル１０に発生するサージ電圧の低減を図ることが可能となる。

また、上記において銅膜１２の厚さについては、具体的に言及しなかったが、銅膜１２の厚さによっても渦電流の大きさが変わり、それに伴いサージ電圧の低減効果が異なる。

ここで、図５は、銅膜１２の厚さと電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図である。図５（ａ）は、電磁コイル１０への電力供給が遮断された後の時間経過に対する電磁コイル１０に発生する電圧の変化を示している。銅膜１２の厚さをｄ[ｍｍ]として、実線は、ｄ＝１ｍｍの場合、一点鎖線は、ｄ＝０．５ｍｍの場合、二点鎖線は、ｄ＝０．１ｍｍの場合、点線は、仮に電磁コイル筐体５全体を銅とした場合をそれぞれ示している。図５（ｂ）は、銅膜１２の厚さと銅膜１２に流れる渦電流量を示す図であり、縦軸を電流密度、横軸を銅膜１２の裏面（電磁コイル筐体５と密着している側）からの距離としたグラフである。図５（ａ）と同様に、実線は、ｄ＝１ｍｍの場合、一点鎖線は、ｄ＝０．５ｍｍの場合、二点鎖線は、ｄ＝０．１ｍｍの場合をそれぞれ示し、各グラフを積分した値（各グラフより下の部分と電流密度０のラインとで囲まれた範囲の面積）が流れる渦電流量を表している。

ここで、図５（ａ）を参照するに、ｄ＝０．５ｍｍの場合やｄ＝１ｍｍの場合の方がｄ＝０．１ｍｍの場合よりもサージ電圧が低くなっているのが分かる。また、これに対応して、図５（ｂ）を参照するに、ｄ＝０．５ｍｍの場合やｄ＝１ｍｍの場合に、銅膜１２に流れる渦電流量は、ｄ＝０．１ｍｍの場合に銅膜１２に流れる渦電流量よりも大きいことが分かる。

また、図５（ａ）を参照するに、ｄ＝０．５ｍｍの場合とｄ＝１ｍｍの場合とでは、サージ電圧に大きな差異はない。また、これに対応して、図５（ｂ）を参照するに、ｄ＝０．５ｍｍの場合とｄ＝１ｍｍの場合とでは、銅膜１２に流れる渦電流量もほぼ同程度である。さらに、図５（ａ）を参照するに、電磁コイル筐体５全体を銅とした場合のサージ電圧は、ｄ＝０．５ｍｍの場合やｄ＝１ｍｍの場合よりもやや大きく、電気抵抗率が低い銅の部分を増やすにつれて、サージ電圧低減の効果が高くなるということではないことが分かる。

図５（ａ）に示すとおり、電磁コイル１０への電力供給が遮断された後に発生するサージ電圧に起因して電磁コイル１０に流れる電流は、高周波電流である。よって、該電流に対応して銅膜１２にも略同じ周波数の高周波の渦電流が流れる。電気導電体に流れる高周波電流の大半は、電気導電体の表面付近の所定領域に集中する性質があり、高周波電流が集中する該所定領域の電気導電体表面からの厚さは、電気導電体に流れる高周波電流の周波数における表皮深さにより表される。なお、表皮深さは、電気導電体の透磁率（μ）、導電率（σ）、及び電流の周波数（ｆ）により求められる（１／√（πｆμσ））。すなわち、電気導電体の種類と電流の周波数により決まる値である。ここで、銅膜１２に流れる高周波電流は、図５（ａ）を参照するに、約１０ｋＨｚ程度である。銅の周波数１０ｋＨｚにおける表皮深さは約０．６５ｍｍであるので、銅膜１２の厚さが０．６５ｍｍの前後の値であるｄ＝０．５ｍｍの場合やｄ＝１ｍｍの場合に大きな渦電流が流れ、電磁コイル１０に発生するサージ電圧をより低減することができるものと考えられる。

また、本実施形態において、銅膜１２は、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面に接して（通電して）設けられる。そのため、銅膜１２の厚さが表皮深さより小さい場合、電磁コイル筐体５の部分にも渦電流が発生することになる。電磁コイル筐体５の材質は電気抵抗率が大きいＳＰＣＣであるため、上述のとおり、銅膜１２部分よりも渦電流量が少なくなる。

よって、銅膜１２の厚さは、電磁コイル１０への電力供給を遮断された場合に電磁コイル１０に流れる高周波電流の周波数における表皮深さ以上の厚さを有することが好ましい。なお、上述のとおり、高周波電流は、電気導電体の表面付近に集中して流れるため、電磁コイル筐体５全体を銅にしても更なる効果はないと考えられる。また、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に電磁コイル１０に流れる高周波電流の周波数の帯域は、実験や電磁界解析等により既知の値である。

また、上述のとおり、本実施形態においては、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面全てに銅膜１２を設けたが、例えば、電磁コイル筐体５の溝部５ａの２つの側壁面及び底面のうち、１つの面に銅膜１２を設けてもよいし、２つの面に銅膜１２を設けてもよい。また、電磁コイル筐体５の溝部５ａに蓋部を設け、該蓋部の内面に銅膜１２を設けてもよい。また、該蓋部の内面に設けた銅膜１２と本実施形態の銅膜１２と組み合わせて、電磁コイル１０の内面、外面、及び２つの側面の全てを取り囲むように電気導電体である銅膜１２を配置してもよい。

ここで、図６は、銅膜１２の配置と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図であり、電磁コイル１０への電力供給が遮断された後の時間経過に対する電磁コイル１０に発生する電圧の変化を示している。実線は、電磁コイル１０内方の溝部５ａ側壁面に銅膜１２を設けた場合を示す。また、一点鎖線は、電磁コイル１０外方の溝部５ａ側壁面に銅膜１２を設けた場合を示す。また、二点鎖線は、電磁コイル１０側方の溝部５ａ底面に銅膜１２を設けた場合を示す。また、点線は、溝部５ａに蓋部を設けた場合であって、電磁コイル１０側方の蓋部内面に銅膜１２を設けた場合を示す。なお、銅膜１２の厚さは、それぞれ０．７ｍｍである。また、電磁コイル１０の内方とは、円環状の電磁コイル１０の電磁コイル軸側を意味し、電磁コイル１０の外方とは、その逆に電磁コイル１０を境にして電磁コイル軸から離れる側を意味する。

図６を参照するに、電磁コイル１０内方の溝部５ａ側壁面に銅膜１２を設けた場合が最もサージ電圧が小さくなることが分かる。よって、電磁コイル１０の周囲に銅膜１２を設ける場合には、少なくとも電磁コイル１０の内方に設けるのが好ましい。

また、銅膜１２は、上述したとおり電磁コイル１０に流れる電流と同じ軸（電磁コイル軸）を中心とした渦電流が流れることが可能に設けられればよい。例えば、電磁コイル筐体５の環状の溝部５ａの２つの側壁面と底面のうち、少なくとも１つの面の銅膜１２が溝部５ａの周方向に繋がっていれば（導通していれば）、他の面の銅膜１２が該周方向で分断される部分を有していてもよい。

ここで、図７は、本実施形態の変形例１に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０及び銅膜１２の模式図を示している。

図７（ａ）に示す例では、電磁コイル１０側方の環状の溝部５ａ底面と溝部５ａに蓋部を設けた場合の環状の蓋部内面とに設けられた銅膜１２は、周方向に導通して形成されており、電磁コイル１０の内方、外方の環状の溝部５ａ側壁面に形成された銅膜１２は周方向の一部において分断されるように形成されている。また、図７（ｂ）に示す例では、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面（３面）と溝部５ａに蓋部を設けた場合の蓋部内面に銅膜１２を設け、溝部５ａの側壁面の一方の銅膜１２に周方向のスリットを設けている。

このように、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面や溝部５ａに蓋部を設けた場合における蓋部内面に設けた銅膜１２が一部分断される部分を有していても少なくとも銅膜１２が電磁コイル１０の軸を中心とした周方向に繋がっている部分を有していればよい。これにより、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、銅膜１２に渦電流を発生させることが可能であり、上述したとおり、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。

また、同様に、例えば、電磁コイル筐体５の環状の溝部５ａのうち、周方向の一部に銅膜１２が形成されていない部分があっても、別の手段によって、電磁コイル１０の軸を中心とした周方向に導通可能であればよい。

ここで、図８は、本実施形態の変形例２に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０及び銅膜１２の模式図を示している。

図８（ａ）に示す例は、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面（３面）と溝部５ａに蓋部を設けた場合の蓋部内面とに銅膜１２が設けられており、環状の溝部５ａと蓋部の周方向の一部に銅膜１２が全く設けられない部分（分断部分）を有している。そして、該分断部分は、スイッチによって通電可能となっている。また、図８（ｂ）に示す例は、図８（ａ）に示す例における分断部分の数を増やした例（図中では６つの分断部分）であり、図８（ａ）と同様、該分断部分は、スイッチによって通電可能となっている。例えば、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、上記スイッチがＯＮとなる制御が行われるようにすれば、上述したように、銅膜１２に渦電流を発生させることができる。

このように、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面や溝部５ａに蓋部を設けた場合における蓋部内面に設けた銅膜１２が電磁コイル１０の軸を中心とした周方向に分断される部分を有していてもスイッチ等により該周方向に通電可能になっていればよい。これにより、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、銅膜１２に渦電流を発生させることが可能であり、上述したとおり、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。

［第２の実施形態］
次いで、第２の実施形態について説明をする。

第１の実施形態において、電気導電体（銅膜１２）は、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面に設けられていたが、電磁コイル筐体５から離間して配置されて（電気的に絶縁されて）もよい。

そこで、本実施形態に係る電磁クラッチ１は、銅膜１２２（電気導電体）が電磁コイル筐体５から離間して配置される（電気的に絶縁されている）点において第１の実施形態と主に異なる。以下、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

本実施形態に係る電磁クラッチ１の構造を示す概略断面図は、第１の実施形態と同様に、図１で表されるため、電磁クラッチ１全体の構造についての詳細な説明は省略する。

図９は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。なお、図中左方にロータ７の回転軸があるものとする。また、ロータ７のプーリ溝７ｂ、及び絶縁部材１１は、簡単のため、図示を省略している。

図９を参照するに、銅膜１２２は、電磁コイル１０の四面から所定間隔離間して、電磁コイル１０の四方（内方、外方、二側方）を取り囲むように設けられる。銅膜１２２と電磁コイル１０の間も電気的に絶縁されており、絶縁部材１１が設けられる。また、銅膜１２２は、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面からも離間しており、絶縁部材１１を介して電気的に絶縁されている。銅膜１２２は、電磁コイル１０に絶縁部材１１をコーティングしたものに、銅膜テープを巻きつける等により形成されてよい。

本実施形態に係る銅膜１２２は、電磁コイル１０と同じ軸（電磁コイル軸）を中心として円環状に設けられる。よって、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、第１の実施形態と同様、電磁コイル１０に流れる電流と同じ軸（電磁コイル軸）を中心とした円周方向に流れる渦電流を銅膜１２２に発生させることができる。よって、本実施形態に係る電磁クラッチ１のように、電磁コイル筐体５と離間して銅膜１２２を設けた場合も電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することが可能となる。すなわち、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏する。

なお、第１の実施形態と同様、例えば、電磁コイル１０の内方、外方、二側方のうち、一方向に銅膜１２２を設けてもよいし、二方向に銅膜１２２を設けてもよいし、三方向に銅膜１２２を設けても良い。また、この場合、第１の実施形態において説明したとおり、銅膜１２２は少なくとも電磁コイル１０の内方に設けるのが好ましい。また、第１の実施形態の変形例１と同様に、例えば、電磁コイル１０の四方に設けられた銅膜１２２のうち、少なくとも一方向の銅膜１２２が電磁コイル１０の軸を中心とした周方向に繋がっていれば（導通していれば）、他方向の銅膜１２２が該周方向で分断される部分を有していてもよい。また、第１の実施形態の変形例２と同様に、電磁コイル１０の四方に設けられた銅膜１２２のうち、電磁コイル１０の軸を中心とした周方向の一部に銅膜１２２が形成されていない部分があっても、別の手段によって、該周方向に導通可能であればよい。

また、銅膜１２２は、電磁コイル１０に含まれるコイル線１０ａの少なくとも１本を断面視で取り囲むように設けられてもよい。

ここで、図１０は、本実施形態の変形例に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０及び銅膜１２２の模式図を示している。

図１０（ａ）の例は、電磁コイル１０に含まれるコイル線１０ａの１本ずつを断面視で取り囲むように銅膜１２２を設けたものである。なお、コイル線１０ａの周りには、絶縁体、例えば、ポリエチレン樹脂等がコーティングされている。該コイル線１０ａは、絶縁コーティングされた上で、例えば、銅箔等を巻きつけることにより形成してよい。また、図１０（ｂ）の例は、電磁コイル１０に含まれるコイル線１０ａの複数本を断面視で取り囲むように銅膜１２２を設けたものである。図１０（ａ）の場合と同様に、コイル線１０ａの周りには、絶縁コーティングがされた上で、例えば、銅箔等を巻きつけることにより形成してよい。

このように、電磁コイル１０に含まれるコイル線１０ａを取り囲むように銅膜１２２が設けられた場合も、銅膜１２２は、電磁コイル１０の電磁コイル軸を中心とした円周方向に通電可能に設けられていればよい。これにより、該コイル線１０ａに流れる電流と同じ軸（電磁コイル軸）を中心とした渦電流を発生させることができ、上述したとおり、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。

［第３の実施形態］
次いで、第３の実施形態について説明をする。

本実施形態に係る電磁クラッチ１は、銅膜１２が設けられていない点、電磁コイル筐体５の材質を電気抵抗率の低いものに変更した点が第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

図１１は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図である。なお、図中左方にロータ７の回転軸があるものとする。また、ロータ７のプーリ溝７ｂ、及び絶縁部材１１は、簡単のため、図示を省略している。

図１１を参照するに、第１の実施形態とは異なり、銅膜１２は設けられていない。つまり、本実施形態に係る電磁クラッチ１は、ステータである電磁コイル１０を内挿された電磁コイル筐体５と、ロータ７と、クラッチ板８等を含む、通常のものである。第１の実施形態に係る電磁クラッチ１と異なる点は、上述のとおり、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の材質を電気抵抗率の低いもの（透磁率はＳＰＣＣと同じＢ−Ｈ特性を持ったまま）に変更した点である。本実施形態に係る電磁コイル筐体５、ロータ７及びクラッチ板８の電気抵抗率は、１．６７３×１０^−８Ω／ｍである（第１の実施形態に係る電磁コイル５、ロータ７及びクラッチ板８のＳＰＣＣの電気抵抗率は、１．３４０×１０^−７Ω／ｍ）。

ここで、図１２は、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の電気抵抗率と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図であり、電磁コイル１０への電力供給を遮断した後の時間経過に対する電磁コイル１０に発生する電圧の変化を表している。実線は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の場合を示し、図中付記にて、「電気抵抗率：小」と表記している。また、一点鎖線は、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８に電気抵抗率が８．０００×１０^−８Ω／ｍであるＳＰＣＣを用いた場合を示し、図中付記にて、「電気抵抗率：中」と表記している。また、点線は、第１の実施形態に係る電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８と同じＳＰＣＣ（電気抵抗率１．３４０×１０^−７Ω／ｍ）を用いた場合を示し、図中付記にて、「電気抵抗率：大（標準）」と表記している。

図１２を参照するに、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の電気抵抗率を小さくすることにより、電磁コイル１０に発生するサージ電圧が低減されることが分かる。具体的には、第１の実施形態に係る電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８のＳＰＣＣ（点線）では、約３００Ｖ近いサージ電圧が発生しているのに対して、本実施形態に係る電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８（実線）では、約２００Ｖ以下までサージ電圧を低減することができることが分かる。

第１の実施形態において述べたとおり、電磁コイル１０周辺の電気導電体である電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８には、電磁コイル１０に流れる電流と同じ軸（電磁コイル軸）を中心とした円周方向に流れる渦電流を発生させることができる。本実施形態では、渦電流が発生する電気導電体（電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８）の電気抵抗率を小さくすることにより、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に発生する渦電流量を大きくすることができる。これにより、第１の実施形態と同様、電磁コイル１０に電流が流れることにより発生していた磁束の減少を緩やかにすることが可能である。すなわち、該渦電流に応じて発生する磁束により電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することが可能である。

［第４の実施形態］
次いで、第４の実施形態について説明をする。

本実施形態に係る電磁クラッチ１は、銅膜１２が設けられていない点、電磁コイル筐体５の材質をＳＰＣＣよりも飽和磁化値が小さいものに変更した点が第１の実施形態と主に異なる。以下、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

図１１は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の電磁コイル１０周辺部分の詳細構造を示す断面図であり、上述した第３実施形態と同様であるため、詳細の説明は省略する。

本実施形態においては、上述したとおり、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の材質をＳＰＣＣよりも飽和磁化値の低いＳＵＳ４３０に変更している。なお、ＳＵＳ４３０は、ＪＩＳにより定められるフェライト系ステンレス鋼である。

ここで、図１３は、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の飽和磁化値と電磁コイル１０に発生するサージ電圧との関係を示す図であり、電磁コイル１０への電力供給が遮断された後の時間経過に対する電磁コイル１０に発生する電圧の変化を表している。実線は、本実施形態に係る電磁クラッチ１の場合を示し、図中付記にて、「飽和磁化値：小」と表記している。また、一点鎖線は、第１の実施形態における電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８のＳＰＣＣを用いた場合を示し、図中付記にて、「飽和磁化値：中」と表記している。また、点線は、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８にＳＰＣＣよりも飽和磁化値が高いＳＵＹ−１を用いた場合を示し、図中付記にて、「飽和磁化値：大」と表記している。なお、ＳＵＹ−１は、ＪＩＳにより定められる電磁軟鉄板である。また、図１０中のグラフは、ＳＰＣＣ、ＳＵＳ４３０、ＳＵＹ−１の電気抵抗率はいずれも同じ（１．３４×１０^−７Ω／ｍ）である条件下でのものである。

図１３を参照するに、電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８の飽和磁化値が小さくなるにつれて、電磁コイル１０に発生するサージ電圧が小さくなることがわかる。具体的には、飽和磁化値が最も小さいＳＵＳ４３０を電磁コイル筐体５、ロータ７、及びクラッチ板８に用いた本実施形態に係る電磁クラッチ１（実線）の場合、電磁コイル１０に発生するサージ電圧が約２５０Ｖと最も小さくなる。

本実施形態のように、飽和磁化が小さい材料を用いた場合、渦電流の流れやすさに変化はないが、直流電流遮断時（電磁コイル１０への電力供給が遮断された時）における電磁コイル１０を貫く磁束（初期磁束）が小さくなる。これにより、第１の実施形態と同様、電磁コイル１０に電流が流れることにより発生していた磁束の減少を緩やかにすることが可能である。すなわち、該渦電流に応じて発生する磁束により電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することが可能である。

なお、本実施形態においては、電磁コイル筐体５の材質を通常用いられるＳＰＣＣよりも飽和磁化値が低いＳＵＳ４３０に変更したが、第１、２の実施形態に係る銅膜１２、１２２を電磁コイル筐体５（ＳＰＣＣ）よりも飽和磁化値の小さい電気導電体に置き換えてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用・効果を奏する。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上述した第１の実施形態において、電磁コイル筐体５の溝部５ａ内面に設けた金属膜は、銅膜１２であったが、電磁コイル筐体５等の材質であるＳＰＣＣよりも電気抵抗率の小さい電気導電体であれば、どのような金属を用いてもよい。これにより、銅膜１２の場合と同様に、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、金属膜に流れる渦電流の量を大きくすることができ、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。金属膜としては、例えば、アルミニウム等を用いてよい。

また、同様に、上述した第２の実施形態において、電磁コイル１０を取り囲むように設けた金属膜は銅膜１２２であったが、電磁コイル筐体５等の材質であるＳＰＣＣよりも電気抵抗率の小さい電気導電体であれば、どのような金属を用いてもよい。これにより、銅膜１２２の場合と同様に、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合に、金属膜に流れる渦電流の量を大きくすることができ、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。例えば、アルミニウムによる金属膜を用いてよく、絶縁部材１１により絶縁コーディングされた電磁コイル１０にアルミ箔を巻きつける等により生成してよい。

また、上述した各実施形態において、電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減する技術ついて、電磁クラッチ１に適用した場合で説明を行ったが、当該技術は、任意の電磁コイル装置に用いられてよい。例えば、電磁ブレーキのような他の電磁連結装置に用いられてもよいし、ソレノイドバルブ等の電磁連結装置以外の電磁コイル装置に用いられてよい。

また、上述した各実施形態において、電磁コイル１０の形状は円環状であったが、電磁コイル装置の動作等を妨げない限り、例えば、図１４に示す四角型コイルや瓢箪型コイル等、電磁コイル１０の形状は変形してよい。

また、上述した各実施形態において、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合を例示して、電磁コイル１０のサージ電圧を低減させる作用・効果を説明したが、電磁コイル１０への電力供給が遮断された場合を含む、電磁コイル１０に流れる電流に急峻な変動が生じた場合において、同様の作用・効果を奏する。すなわち、上述した各実施形態において、電磁コイル１０に流れる電流が変化した場合に渦電流が流れるように電気導電体（銅膜１２、１２２、電磁コイル筐体５、ロータ７、クラッチ板８）が設けられる。これにより、電磁コイル１０に流れる電流が急峻に変化した場合において電磁コイル１０に発生するサージ電圧を低減することができる。

１電磁クラッチ（電磁コイル装置）
５電磁コイル筐体（第１の電気導電体）
７ロータ（第１の電気導電体）
８クラッチ板（第１の電気導電体）
１０電磁コイル
１０ａコイル線
１２、１２２銅膜（第２の電気導電体、金属膜）

Claims

電磁石として機能する電磁コイル装置であって、
コイル線が巻かれた電磁コイルと、
前記電磁コイルの周囲に設けられ、前記電磁コイルと電気的に絶縁された、強磁性体である第１の電気導電体と、
前記第１の電気導電体に設けられ、又は、前記第１の電気導電体と前記電磁コイルとの間に設けられ、前記電磁コイルと電気的に絶縁された第２の電気導電体であって、前記電磁コイルに流れる電流が変化した場合に渦電流が流れるように設けられた第２の電気導電体と、を備え、
前記第２の電気導電体は、前記第１の電気導電体よりも電気抵抗率又は飽和磁化値が小さいことを特徴とする、
電磁コイル装置。
前記第２の電気導電体は、
少なくとも前記電磁コイルの内方に設けられることを特徴とする、
請求項１に記載の電磁コイル装置。
前記第２の電気導電体は、
前記コイル線のうち、少なくとも１本を断面視で取り囲むように設けられたことを特徴とする、
請求項１に記載の電磁コイル装置。
前記第２の電気導電体は、
前記電磁コイルと前記第１の電気導電体との間に、前記第１の電気導電体と隣接して設けられた金属膜であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の電磁コイル装置。
前記金属膜は、
前記電磁コイルへの電力供給が遮断された場合に前記電磁コイルに流れる電流の周波数における表皮深さよりも厚いことを特徴とする、
請求項４に記載の電磁コイル装置。