CN102857068B - 磁式齿轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁式齿轮机构，其目的在于简化磁式齿轮机构中的磁通调制部的组装并提高强度。在由磁性体和非磁性体构成的磁式齿轮机构的磁通调制部(1)中，分别制作磁性体(1a)的零件和非磁性体(1b)的零件，通过设置在非磁性体(1b)的零件上的周向的突起将磁性体(1a)的零件夹入，而且通过设置在轴承保持部(2、3)上的凹部(2a、3a)和设置在非磁性体(1b)的零件上的轴向的突起(1b-2)，将磁性体、非磁性体与轴承保持部嵌合，由此来简化制作，并提高强度。

Description

磁式齿轮机构

技术领域

本发明涉及磁式齿轮机构。

背景技术

近年来，适用了回转机械的产品按照用途的不同，有需要大转矩的情况和需要高速旋转的情况等各种规格。例如，风力发电机的风车以几百r/min这样非常慢的速度进行旋转，因此即便与发电机连接也无法得到电力。为了得到电力而需要转换成更快的速度。因此，利用齿轮将风车和发电机连接，通过增加旋转速度来得到电力。另外，机动车的变速器是根据车的行驶状态将由发动机产生的动力任意或自动地转换成适当的转矩和转速的装置，在该转换中也使用齿轮。这样，在适用了回转机械的应用中广泛地适用齿轮。并且，当前使用的大部分的齿轮是机械式的齿轮。该机械式的齿轮需要进行因润滑油的不足或齿的缺欠引起的维护，或噪音大等，在实用上的问题点多。从这种背景出发，进行非接触而利用了磁吸引力和斥力的磁式齿轮的研究，但在以往的磁式齿轮中，磁铁与磁铁的对置面积小，转矩密度低，因此还未被实用化。然而，最近通过磁通调制型结构的磁式齿轮的提案而实现了磁式齿轮的高转矩密度化(非专利文献1)。而且，也进行了磁式齿轮中的涡流损耗等的研究(非专利文献2、3)。其中，在专利文献1中有公开了与磁通调制部的磁极片组的定位或固定方法及强度提高相关的技术。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】WO2009/087408

【非专利文献】

【非专利文献1】K.Atallah and D.Howe：A Novel High-PerformanceMagnetic Gear：IEEE Transactions on Magnetics、Vol.37、No.4、pp.2844-2846

【非专利文献2】Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.33、No.2、2009“与永久磁铁式磁式齿轮的效率提高相关的一个考察”

【非专利文献3】Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.34、No.3、2010“与永久磁铁式磁式齿轮的转子结构相关的研究”

上述非专利文献1介绍了磁式齿轮的原理和磁特性，并未研究其机构和强度。而且，在上述非专利文献2及3中虽然进行了磁式齿轮的涡流损耗等的研究，但并未研究其机构和强度。

另一方面，在上述专利文献1中公开了对沿着周向隔开固定的间隔配置的磁极片组的整体进行模制的方法。然而，利用树脂等进行模制需要考虑强度不充分的情况和模制后产生的裂缝。而且，增加了模制的作业工序，作业时间自身也变长。从这种理由出发，在上述那样的方法中，在考虑实用化的情况下，留有较多的课题。同样在上述专利文献1中，公开了将以固定间隔沿周向配置的磁极片组利用端部构成端环来进行固定的方法。其中记述了两种方法。第一个是将端环和磁极片组一体构成的技术。磁极片组如字义那样，材质由电磁钢板、压粉磁心、非晶形金属、珀明德铁钴系高磁导率合金等软磁性材料构成。因此，在形成为这种一体结构时，端环也由磁性体构成，磁通向端环侧流动的可能性高。由此，会对转矩性能造成大的障碍，上述方法不优选。作为第二个方法，公开了将端环作为非磁性构件而在磁极片组和端部进行焊接的方法。这种情况下，必须仅通过焊接部来确保强度，制造时的对位困难，而且作业工序复杂，制造成本增加。

发明内容

本发明为对上述课题的解决对策，其目的在于提供一种能够提高转矩性能，且组装容易的磁式齿轮机构。

为了解决上述课题，例如提供如下磁式齿轮机构。

一种磁式齿轮机构，其具有多个具备多个磁极的转子或定子，且在所述转子或定子之间设有用于磁通调制的由多个磁极片构成的磁极片组，所述磁式齿轮机构的特征在于，

通过输出轴一体轴承保持部、磁通调制部、输出侧相反侧轴承保持部而形成为嵌入结构，该输出轴一体轴承保持部设有凹部，该磁通调制部通过由磁极片保持部夹着所述磁极片沿周向排列配置而构成，该磁极片保持部由设有突起并分割的非磁性且非导电性构件构成，该输出侧相反侧轴承保持部设有凹部，

仅在所述磁极片保持部的轴向两端和周向一侧设有突起，所述磁极片保持部的周向一侧设置的突起的长度设置为所述磁极片的周向的长度量。

一种磁式齿轮机构，其具有多个具备多个磁极的转子或定子，且在所述转子或定子之间设有用于磁通调制的由多个磁极片构成的磁极片组，所述磁式齿轮机构的特征在于，

通过输出轴一体轴承保持部、磁通调制部、输出侧相反侧轴承保持部而形成为嵌入结构，该输出轴一体轴承保持部设有凹部，该磁通调制部通过由磁极片保持部夹着所述磁极片沿周向排列配置而构成，该磁极片保持部由设有突起并分割的非磁性且非导电性构件构成，该输出侧相反侧轴承保持部设有凹部，

在所述磁极片保持部的轴向两端和周向两侧设有突起，所述磁极片保持部的周向两侧设置的突起各自的长度均设置为所述磁极片的周向的长度的一半。

由此，能够构成强度高且组装容易性也优良的磁通调制部。

【发明效果】

在本发明中，若简单说明通过公开的发明中的代表性的发明得到的效果，则如下所述。根据本发明，能够分别制作各个部件，组装容易，且能够高强度地完成。而且，磁极片保持部为非磁性且非导电性，且在磁极片与轴承保持部之间设置突起，由此，还能够确保磁极片与轴承保持部的绝缘。

附图说明

图1是本发明的磁式齿轮机构的轴向剖视图。

图2是表示本发明的磁式齿轮机构的磁回路部的结构的与轴向垂直的剖视图。

图3是表示本发明的实施例1的磁通调制部的结构的图。

图4是表示本发明的实施例2的磁通调制部的结构部件的图。

图5是表示本发明的实施例3的磁通调制部的结构部件的图。

图6是表示本发明的实施例4的磁通调制部的结构部件的图。

图7是表示本发明的实施例5的磁通调制部的结构部件的图。

符号说明：

1  磁通调制部

2  输出轴一体型轴承保持部

3  输出侧相反侧轴承保持部

4、14、23a、23b  轴承

11  内侧转子轴

12  内侧转子铁心

13  内侧转子磁铁

21  外侧定子铁心

22  外侧定子磁铁

31  后托架

32  壳体

33  前托架

具体实施方式

以下，利用附图，说明本发明的磁式齿轮机构的实施方式。需要说明的是，在以下的实施方式中，使用径向间隙型进行说明，但对于其他的形式(例如，轴向间隙型或直线型等)，也同样地能够实现。

【实施例1】

首先，利用图1及图2、图3，说明本发明的第一实施例。图1表示本发明的磁式齿轮机构的轴向剖视图。另外，图2表示作为图1所示的磁式齿轮机构的磁回路部的A-A′剖视图。图3表示图2所示的磁回路机构中的磁通调制部1a、1b的结构部件和组装方法。

首先，利用图1，说明整体的结构。该磁式齿轮利用后托架31、径向壳体32、前托架33来构成框体。

向附图右端突出的轴11是高速旋转用的转子轴。该轴11由配置在后托架31上的轴承14和配置在向附图左端突出的输出轴一体型轴承保持部2上的轴承23b支承。关于输出轴一体型轴承保持部2，在后面说明。高速旋转用的旋转体将由电磁钢板、压粉磁心、非晶形金属、珀明德铁钴系高磁导率合金等软磁性材料构成的铁心12以沿着轴向层叠的状态保持在轴11的外侧(外周)。在更外侧(外周)沿着周向配置有多个永久磁铁13，各个极的方向在相邻的永久磁铁13中以径向向内方向与向外方向交替的方式配置。该永久磁铁13既可以粘贴在铁心12的表面，也可以为在铁心12的表面附近设置供永久磁铁13插入的孔而将该永久磁铁13插入该孔的结构。在将永久磁铁13粘贴在铁心12的表面上的情况下，传递转矩的距离变短，因此转矩性能增加。在插入到孔内的情况下，具有防止因依赖于转速的离心力而永久磁铁13沿径向飞散的效果，同时具有减少因从径向外侧交替的磁通而产生的涡流损失的效果。这种情况下，供永久磁铁13插入的孔的周向部和径向外侧部为了确保转子的强度而构成为充分的厚度且极薄。

在径向最外部的壳体32的内侧(内周)保持有由电磁钢板、压粉磁心、非晶形金属、珀明德铁钴系高磁导率合金等软磁性材料构成且沿着轴向层叠的铁心21。与上述同样，在铁心21的内侧(内周)沿着周向配置有多个永久磁铁22，各个极的方向在相邻的永久磁铁22中以径向向内方向与向外方向交替的方式配置。该永久磁铁22也与上述同样，可以粘贴在表面，也可以为在铁心21的表面附近设置孔而插入到该孔内的结构。各自的效果如上述所示。由此，在外侧构成定子。

在内侧的高速旋转体上配置的永久磁铁13与在外侧定子上配置的永久磁铁22之间隔着间隙配置的是磁通调制部1。该磁通调制部1将由电磁钢板、压粉磁心、非晶形金属、珀明德铁钴系高磁导率合金等软磁性材料形成的磁性体的零件以规定的间隔沿着周向配置，且由输出侧相反侧轴承保持部3和输出轴一体型轴承保持部2保持。而且，输出轴一体型轴承保持部2由配置在前托架33上的轴承23a和配置在高速旋转侧的轴11上的轴承23b支承，相对于高速旋转的轴11，以相对低的低速旋转进行旋转。

接下来，利用图2，说明上述的磁式齿轮机构中的极数与齿轮比的关系。图2表示图1中的A-A′剖面。首先，配置在径向最内周侧的是高速旋转用的转子，包括由软磁性材料构成的铁心12和在该铁心12的外侧沿着周向配置的多个永久磁铁13，且相邻的永久磁铁13a、13b的极的方向成为径向内侧和外侧。在本实施例中，内侧转子的极对数为6极对(12极)。

位于最外周侧的定子由壳体32保持，包括由电磁钢板、压粉磁心、非晶形金属、珀明德铁钴系高磁导率合金等软磁性材料构成的铁心21和在该铁心21的内侧沿着周向配置的多个永久磁铁22，且相邻的永久磁铁22a、22b的极的方向成为径向内侧和外侧。在本实施例中，外侧定子的极对数为17极对(34极)。

与内侧转子和外侧定子之间分别隔开间隙而配置磁通调制部1。磁通调制部1中，由软磁性材料构成的磁性体1a与非磁性体1b或空气区域交替配置。

在上述的情况下，内侧转子的极对数为6，外侧定子的极对数为17，磁通调制部1中的周向的磁性体1a的个数为6加上17而成为23个。齿轮比由此，根据旋转的部分的极数来决定。这种情况下，由于最外周侧被固定，因此内侧的转子和配置在该转子的外侧的磁通调制部1进行旋转。由于磁通调制部1的磁性体1a的个数为23，内侧转子的极对数为6，因此23除以6而得到的3.83为齿轮比，极少的情况为高速旋转，极多的情况相对于高速旋转体，以相对低的低速进行旋转。

在本实施例中，将外侧固定，但在将磁通调制部1或内侧转子作为定子的情况下，只要上述的极数的关系成立，则齿轮比的关系就不变。即，通过改变固定的部位也能够改变齿轮比。由此，从各个转子或定子观察到的相对的速度不变。因此，若使本实施例所示的固定部旋转，则能够改变齿轮比。

接下来，利用图3，说明本实施例中的磁通调制部1的组装方法及其效果。图3表示图2所示的磁通调制部1a、1b的结构(a)、图1所示的输出轴一体型轴承保持部2的结构(b)、输出侧相反侧轴承保持部3的结构(c)、将磁通调制部1、输出轴一体型轴承保持部2及输出侧相反侧轴承保持部3沿着旋转轴的中心线c排列的立体图(d)。如图3(a)所示，磁通调制部1包括由软磁性材料构成的磁性体1a和非磁性体1b。此时，磁性体1a是使周向具有圆弧的扇型形状沿着轴向延伸而成的立体结构，非磁性体1b为在周向上设置突起1b-1而将磁性体1a从轴向两侧夹入那样的结构。而且，在非磁性体1b的轴向两侧以比突起1b-1向轴向突出的方式预先设置突起1b-2，利用粘接剂等将磁性体1a和非磁性体1b粘接，由此形成一个零件，将该零件沿着周向相连而构成图1及图2所示的磁通调制部1。而且，如图3(b)所示，在输出侧轴向配置的输出轴一体型轴承保持部2的输出轴相反侧设置凹部2a，如图3(c)所示，在输出侧相反侧轴承保持部3的输出轴侧也设置凹部3a，由此，形成为利用沿着非磁性体1b的轴向设置的突起1b-2，如图3(d)所示，能够从两侧嵌入的结构。通过将整体形成为这种结构，即便以单体来制作图3(a)所示的零件，也能够简单地组装，并能够形成为强度高的结构。而且，通过使用非导电性的材料来构成非磁性体1b，而如图3(a)的1b所示，利用处于周向的非磁性的突起1b-1，能够使磁性体1a与轴承保持部2、3之间电绝缘。而且，图1、图2及图3所示的磁通调制部1如本实施例那样旋转时，防止因作用于磁通调制部1的离心力而磁性体1a沿着径向飞散的情况，因此利用带等将磁通调制部1的外周侧捆扎时，能够提高相对于径向的强度。

【实施例2】

接下来，利用图4，说明第二实施例。

观察图3(a)所示的由磁性体1a和非磁性体1b构成的磁通调制部1时，为在非磁性体1b的周向上设置突起1b-1，并将磁性体1a嵌入的结构。如第一实施例所示，这种情况下，由磁性体1a和非磁性体1b构成的磁通调制部1与输出轴成为一体，因此由于旋转而向径向外侧方向施加离心力。在此，着眼于处于非磁性体1b的周向的突起1b-1时，其长度设置为磁性体1a的周向的长度量。该周向的突起的长度与相对于径向的离心力的强度成反比，因此为了提高上述突起1b-1的相对于径向的强度，而需要缩短突起的周向长度。在此，图4表示用于解决上述课题的实施例。

图4(a)表示组装结构，在非磁性体1c的周向两侧设置突起1c-1。通过该结构，利用两个非磁性体1c从两侧夹入磁性体1a，并利用粘接剂等粘接，由此构成一个零件。此外，设置了与非磁性部1b的突起1b-2同样的突起1c-2。

作为组装的例子，将磁性体1a嵌入到非磁性体1c的周向突起部1c-1之间，并将它们嵌入到图3(c)所示的在输出侧相反侧轴承保持部3上设置的凹部3a或图3(b)所示的在输出轴一体型轴承保持部2上设置的凹部2a中的任一方，且同时将非磁性体1c和磁性体1a沿着周向配置。然后，从轴向相反侧将另一方的轴承保持部(2或3)嵌入，由此从两侧进行固定。通过这样的结构，非磁性体1c的周向突起1c-1的长度成为图3(a)的非磁性体1b的突起1b-1的长度的一半，突起部1c-1相对于径向离心力能够具有高强度。此时，若如图4(b)所示那样将非磁性体1c在周向中央附近进行分割，则轴承保持部的向凹部的插入·组装变得容易。

图4(c)表示将(a)沿轴向剖切时的剖视图。如图4(c)所示，从轴向观察到的剖视图与图2的1a、1b所示的结构相比没有改变。

【实施例3】

接下来，利用图5，说明第三实施例。

在第二实施例中，将磁通调制部1的周向突起1c-1形成为周向的长度一半，从而即使相对于径向的离心力也能提高强度，并将磁性体1a从两侧夹入。

在本实施例中，以进一步提高非磁性体的周向突起的相对于径向离心力的强度，并提高夹入磁性体1a的两个非磁性体彼此的粘接力为目的，而如图5的1d-1所示，形成为如下这样的结构，即，通过在周向的突起上设置高低差来等价地缩短周向的突起的长度，且同时使非磁性体1d彼此粘接的面变宽。通过形成为这种结构，相对于作用在周向的突起1d-1上的径向的离心力，能够进一步提高强度。此外，设置了与非磁性部1b的突起1b-2同样的突起1d-2。

作为组装的例子，与第二实施例同样，将磁性体1a嵌入到非磁性体1d的周向突起部1d-1之间，并将它们嵌入到图3(c)所示的在输出侧相反侧轴承保持部3上设置的凹部3a或图3(b)所示的在输出轴一体型轴承保持部2上设置的凹部2a中的任一方，且同时将非磁性体1c和磁性体1a沿着周向配置。然后，从轴向相反侧将另一方的轴承保持部即输出轴一体型轴承保持部2或输出侧相反侧轴承保持部3嵌入，由此从两侧进行固定。将磁性体1a嵌入非磁性体1d时，利用粘接剂等进行固定。此时，如图5(b)所示，通过将非磁性体1d在周向中央附近进行分割，而轴承保持部2、3向凹部2a、3a的插入·组装变得容易。

另外，图5(c)表示将(a)沿轴向剖切时的剖视图。如图5(c)所示，从轴向观察到的剖视图与图2的1a、1b所示的结构相比没有改变。

【实施例4】

接下来，利用图6，说明第四实施例。

图3(a)所示的磁通调制部1中的非磁性体1b在轴向上设有突起，并从轴向两侧嵌入到图3(b)、(c)所示的在轴承保持部2、3上设置的凹部2a、3a内，从而被固定。然而，由于图3～图5所示的磁性体1a仅由在非磁性体1b、1c、1d的周向上设置的突起夹入，因此对于径向的离心力，期望利用带将磁通调制部1的外周侧捆扎等来进行加强。

在本实施例中，示出了通过对非磁性体的结构下功夫，而对于沿着径向作用的离心力，防止磁性体1a向径向飞散的方法。当着眼于到此为止的实施例所示的非磁性体1b、1c、1d时，如图3、图4、图5所示，在周向上具有固定的宽度。将该非磁性体1b、1c、1d如图6(a)的1e所示那样，仅在径向内周侧和外周侧扩宽周向的宽度，从而在周向上形成凹陷。将磁性体1a嵌入该凹陷，并将它们沿着周向相连，由此构成磁通调制部1。在非磁性体1e中，使用了与图4的1c-1同样的突起作为周向突起，但也可以为与图3的周向突起1b-1或图5的周向突起1d-1同样的突起。此外，在本实施例中，设置了与非磁性部1b的突起1b-2同样的突起1e-2。

作为组装的例子，与第二至第三实施例同样，将磁性体1a嵌入到非磁性体1e的周向突起部1e-1之间，并将它们嵌入到图3(c)所示的在输出侧相反侧轴承保持部3上设置的凹部3a或图3(b)所示的在输出轴一体型轴承保持部2上设置的凹部2a中的任一方，且同时将非磁性体1e和磁性体1a沿着周向配置。然后，从轴向相反侧将另一方的轴承保持部即输出轴一体型轴承保持部2或输出侧相反侧轴承保持部3嵌入，由此从两侧进行固定。而且，在将磁性体1a嵌入非磁性体1e时，利用粘接剂等进行固定。此外，在本实施例的情况下，相对于径向的离心力，只要从外侧保持即可，因此虽然在图6中在外周侧和内周侧这双方扩宽周向的宽度，但也可以仅在外周侧扩宽周向的宽度。此时，如图6(b)所示，若将非磁性体1e在周向中央附近进行分割，则轴承保持部2、3向凹部2a、3a的插入·组装变得容易。

另外，图6(c)表示其轴向剖视图，磁性体1a由非磁性体1e夹入，由在径向内周侧和外周侧形成的突起保持。

通过该突起，能够将磁性体1a在径向上进行保持。

【实施例5】

接下来，利用图7，说明第五实施例。

在本实施例中，示出了通过对磁通调制部1的磁性体和非磁性体的形状下功夫，而对于径向的离心力，防止磁性体向径向飞散的方法。

图7的1f中示出磁性体的形状，图7的1g中示出非磁性体的形状。在本实施方式中，与图2～图6所示的磁性体1a相比，磁性体1f的形状的径向内侧的宽度变宽而径向外侧的宽度变窄。在与之对应的形状下，非磁性体1g的径向内侧的宽度窄而径向外侧的宽度宽。如此，通过使磁性体1f由非磁性体1g夹入，对于磁通调制部1旋转时产生的朝向径向外侧的离心力，能得到防止磁性体1f向径向外侧飞散的效果。

在非磁性体1g中，使用了与图4的1c-1同样的突起作为周向突起，但也可以为与图3的周向突起1b-1或图5的周向突起1d-1同样的突起。此外，在本实施例中，也设置了与非磁性部1b的突起1b-2同样的突起1e-2。

作为组装的例子，与第二至第四实施例同样，将磁性体1f嵌入到非磁性体1g的周向突起部1g-1之间，并将它们嵌入到图3(c)所示的在输出侧相反侧轴承保持部3上设置的凹部3a或图3(b)所示的在输出轴一体型轴承保持部2上设置的凹部2a中的任一方，且同时将非磁性体1e和磁性体1a沿着周向配置。然后，从轴向相反侧将另一方的轴承保持部即输出轴一体型轴承保持部2或输出侧相反侧轴承保持部3嵌入，由此从两侧进行固定。而且，在将磁性体1f嵌入非磁性体1g时，利用粘接剂等进行固定。此时，若将非磁性体1g在周向中央附近进行分割，则轴承保持部向凹部的插入·组装变得容易。

在本实施例中，也能够与第四实施例同样，通过形成为在非磁性体1g的周向的突起上带有高低差的形状，来提高强度，增加非磁性体彼此或与磁性体的粘接面积，进而提高粘接力。

Claims (6)

1.一种磁式齿轮机构，其具有多个具备多个磁极的转子或定子，且在所述转子或定子之间设有用于磁通调制的由多个磁极片构成的磁极片组，所述磁式齿轮机构的特征在于，

通过输出轴一体轴承保持部、磁通调制部、输出侧相反侧轴承保持部而形成为嵌入结构，该输出轴一体轴承保持部设有凹部，该磁通调制部通过由磁极片保持部夹着所述磁极片沿周向排列配置而构成，该磁极片保持部由设有突起并分割的非磁性且非导电性构件构成，该输出侧相反侧轴承保持部设有凹部，

仅在所述磁极片保持部的轴向两端和周向一侧设有突起，所述磁极片保持部的周向一侧设置的突起的长度设置为所述磁极片的周向的长度量。

2.一种磁式齿轮机构，其具有多个具备多个磁极的转子或定子，且在所述转子或定子之间设有用于磁通调制的由多个磁极片构成的磁极片组，所述磁式齿轮机构的特征在于，

通过输出轴一体轴承保持部、磁通调制部、输出侧相反侧轴承保持部而形成为嵌入结构，该输出轴一体轴承保持部设有凹部，该磁通调制部通过由磁极片保持部夹着所述磁极片沿周向排列配置而构成，该磁极片保持部由设有突起并分割的非磁性且非导电性构件构成，该输出侧相反侧轴承保持部设有凹部，

在所述磁极片保持部的轴向两端和周向两侧设有突起，所述磁极片保持部的周向两侧设置的突起各自的长度均设置为所述磁极片的周向的长度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的磁式齿轮机构，其特征在于，

在所述磁极片保持部的周向上设置的突起为台阶状，夹着所述磁极片而相邻的另一个磁极片保持部的突起也为台阶状，且所述两个磁极片保持部的台阶状的突起为嵌合的结构。

4.根据权利要求1或2所述的磁式齿轮机构，其特征在于，

在所述磁极片保持部的径向外周侧和径向内周侧或其中任一方设有突起。

5.根据权利要求1或2所述的磁式齿轮机构，其特征在于，

所述磁极片的径向内周的长度比径向外周的长度长，所述磁极片保持部与所述磁极片对应，径向内周侧的长度比径向外周侧的长度短。

6.根据权利要求2所述的磁式齿轮机构，其特征在于，

所述磁极片保持部在周向中央附近分割成两部分。