JP2005114162A - 磁気歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気歯車の伝達トルクを向上して、かつ製造コストを削減し、経済性を向上した非接触式の磁気歯車を提供するものである。又、磁気歯車の特長を生かした用途開発も提案するものである。
【解決】 磁気歯車の磁気歯の寸法と隣り合う磁気歯間の空隙を所定の間隔で配設することで、一対の磁気歯車の中心間距離を所定の比率だけオフセットさせて動力伝達を向上するようにしたことを特徴とする。又、個々に形成した磁気歯を、複数個が一体となった磁気歯ブルックで磁気歯車を構成することで、製造工程、経済性、品質面を改善したものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は磁気の無騒音、無塵、無給油を特徴とし、駆動側、被駆動側の各歯車に配設した磁石の磁気吸引または、反発にてトルク伝達する磁気歯車装置に関するものである。

従来から知られている歯車の伝達システムの技術としては、（１）機械的な接触を伴う歯車による伝達方式の構造のもの、（２）学術段階ではあるが磁気力を利用して動力伝達を行う磁気歯車の構造などがあった。

特公平０６−５２０９６号公報 特開平０３−２８５５５６号公報

上記従来例の（特公平６−５２０９６）では、磁気の反発のみで、空隙を確保した構造のため、急激な負荷変動時には磁気歯と歯面が接触の危険性が残り、又伝達トルクの脈動などの構造的な欠陥が内在した構造となっている。又、これを改善する方法として磁気歯車の段数を３段、４段と増やしていくことも提案されているが、これでは狙いとした製造加工上に困難が生じ、構造も複雑になり、ひいては製品価格に大きく影響を与える結果となっている。
一方の提案（特開平０３−２８５５５６）では、伝達トルクが弱いという課題がまだ解決途上である。

上記課題の解決のため本発明では、上記（特開平０３−２８５５５６）の磁気歯車に対し以下の提案するものである。 伝達トルクアップの対策として磁気歯車の隣り合う磁気歯間の隙間、及び大小二つの磁気歯車の中心距離を各々伝達トルクが最大になるよう設定することにより解決せんとするものである。

又、製造上の課題対策として、個々の磁気歯を、複数個を一体の磁性体で形成して、これらを組み合わせて構成することで、部品費、製造工数の大幅な削減を可能にする磁気歯車を提案するものである。

従来の磁気歯車に対して特別な部品の追加や、又特殊な加工を施すことなく、後述する実施例１では約４０％の伝達トルク向上が図られ、さらに実施例１に実施例２を施すことにより併せて約７５％以上の伝達トルク向上が可能となる等、極めて磁気歯車の性能改善に大きな効果をもたらす。

又、複数の磁気歯を一つの磁気ブロックに集約することで、高価な磁性材の歩留まり改善、磁性材の着磁工数の削減、磁気歯車組み立て工数の削減、信頼性品質の向上も図れる等、経済面、品質面に際立った効果を発揮する。

さらに、後述する実施例４に示した磁気歯車を３個以上用いた伝達方式では、非接触による伝達の長所を利用して、駆動側、非駆動側を自由に組み合わせることが可能となり、さらに、従来の機械式歯車で困難であった、駆動状態での噛み合い状態の変更を容易にかつ円滑に行うことが可能となった。例えば風力発電用の増速機に用いると、被駆動側の磁気歯車を複数個とし、それぞれに発電機を連結して、風の強弱によって、磁気歯車の噛み合い状態の開放及び、復帰を適宜変更することで、従来は強風状態（例えば風速が毎秒１２ｍ以上では発電機の出力を抑制していた）での発電電力を抑制することなく運用することが可能となる。又、この経済的効果をとともに、従来の強風対策の機能、風車の翼のヨー制御、ブレーキ制御などの機能も不要にすることが可能となる等、経済的、機能的効果が大幅に改善され、複合型磁気歯車盤はその活用方法によって極めて大きな効果を生み出すものである。

一方、本発明の第５、第６の実施例に示すツイン型磁気歯車盤では、歯車の構成が簡潔で、かつ、永久磁石の材料削減、組み立て工程の簡略化が図られるなどの効果が顕著であり、磁気歯車の本格的市場参入を可能にするものである。

このツイン型磁気歯車盤を利用した本発明の磁気式歯車装置では、磁気歯車盤を必要トルクに合わせて適宜増やした構造にすることで、磁気歯車の課題である伝達トルクを容易に強くできるだけでなく、さらに磁気歯車を効率よく配置することにより、磁気の吸引吸着が歯車に及ぼす偏荷重、スラスト荷重を低減することも可能となり、磁気歯車に懸かる機械的な負担を和らげ、磁気歯車の実用化と用途拡大を促進する等効果が極めて大きい。

以下本発明の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）及び、（ｂ）は本発明に係る第一の実施例に基づく磁気歯車の動作原理図及び、（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図１において、一対の磁気歯車１、磁気歯車２は磁性体（例えば軟鉄材）からなる磁性盤１１、２１と、該盤の中心部に圧入等の手段で磁性盤面に垂直に圧入などで固定された歯車軸１３，２３、及び該盤の外周部に、磁化された永久磁石が接着剤等の適宜手段にて着設された磁気歯１２・・・、２２・・・から構成されている。尚、この磁気歯は隣り合う磁気歯の極性が交互になるよう配置されている。さらに該磁気歯車１、磁気歯車２は、フレーム１５、２５に圧入された軸受１４、２４に、回転可能でかつ該磁気歯車１、２間を所定の空隙Ｇを保ちつつ、かつ平行に例えば圧入などの手段にて固着されている。ここで前記磁気歯１２・・・、２２・・・は、例えば４０ＭＧＯｅの高エネルギー積を有する希土類材をもちいている。さらに該磁気歯の形状は、磁気的噛み合いが強くなるよう放射状曲線（例えばインボリュート曲線）としている

次に、該磁気歯車１、２の伝達原理を説明する。以上の構成において、磁気歯車２を原動車として図１（ａ）に示す実線矢印イ方向（半時計方向）に回転させると、二つの磁気歯車１、２の磁気歯１２・・、２２・・・の噛み合い領域における軸方向空隙に形成された磁束の磁気力が図1に示す点線矢印ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ方向に作用して、磁気歯車１は従動車となって、実線矢印ロ方向（半時計方向）に追従して回転し、二つの磁気歯車1、２間に非接触で設定された歯数比に応じてトルク伝達される。一方、磁気歯車１を原動車として同様に回転させると磁気歯車２は従動車となって同方向に追従して回転し、設定された歯数に応じてトルク伝達される。尚、二つの磁気歯車１、2はこれをそれぞれ原動車として時計方向に回転させることも可能であり、この場合には従動車は時計方向に回転する。以上説明したように、対向する磁気歯の磁気の吸引及び、反発により、即ち磁気的噛み合いにより、駆動側より被駆動側へと設定した所要の歯数比でトルク伝達する構成となっている。

以上、本磁気歯車の構成及び、動作原理を説明したが、次に本発明の伝達トルクを強くした磁気歯車の一実施例を説明する。図１（ａ）において、前記磁気歯車１、及び磁気歯車２の磁気歯内周側の幅ｗ1、ｗ２、隣り合う磁気歯間の隙間ｇ1、ｇ2とし、そのｇ、ｗの関係を変化させて伝達トルク特性を実測した。図２にその結果を示す。

図２は、磁気歯１２及び２２のg/ｗ（＝ｇ'/ｗ'）比を変化させた場合の各々の最大回転トルクＦｘの測定結果で、横軸にｇ/ｗ比を、縦軸に最大回転トルクFxをとりグラフ化したものである。図から伝達トルクが最大となる磁気歯の幅ｗとその隙間ｇはｇ/ｗ（＝ｇ'/ｗ'）が０．５の場合であり、それは隙間がない場合、及び磁気歯ｗと隙間が同じ場合に比べて約１．４倍の磁気力を示している。

図３は上記の磁気歯車の伝達トルクをさらに高めるための本発明に係る第2の実施例を説明するための動作原理図である。図３は、図１に対して磁気歯車１、と２の対向する磁気歯面の平行度、及び空隙Ｇは変えないで、対向する磁気歯を平行にずらしたものである。図３においてｔ１、ｔ２は磁気歯の軸方向長さ（ここではｔ１＝ｔ２とする）を表し、ｘ＝０は該一対の磁気歯車１、２の完全内接状態（図１（ａ）の状態を表す）でオフセット量は０である。このオフセット量ｘを０から２０ｍｍまで変化させて伝達トルク特性を測定した結果を図４に示す。図４は、該２つの磁気歯車１、２の中心間距離のオフセット量をパラメータにして、磁気歯車２の回転速度Ｎｔと伝達トルクＴの関係をグラフにしたものである。尚、対向する二つの磁気歯車１，２の磁気歯１２，２２表面間空隙は２ｍｍ、磁気歯長ｔ１＝ｔ２を４０ｍｍ、磁気歯の厚さは各々４ｍｍとして測定した。又、磁気歯車２の回転速度は１００ｒｐｍ〜１４００ｒｐｍまでを１００ｒｐｍ間隔で変化させて測定した。その結果、最も伝達トルクが大きく得られるオフセット量は、磁気歯車２を外側に１０ｍｍオフセットさせた場合であることが明らかになった。これをオフセット率（ｘ／ｔ）で表すと１０／４０＝０．２５となる。又、グラフから分かるようにオフセット率０．１２５〜０．３７５内では伝達トルクピーク値に対し１０％以内の低下で伝達可能となり、これはオフセット率０％の設定時に比べて２５％以上の伝達トルク向上となる。

次に、加工工程、材料費の削減を大幅に削減して製造コスト削減を可能にする本発明の第３の実施例について、図５に基づき説明する。図５（ａ）は上述の実施例で説明した磁気歯の形成方法に基づくもので、図５（ａ）の（１）は1個の磁気歯で、該磁気歯３１を個々に適宜方法にて着磁させた後、図５（ａ）の（２）に示すようにＮ、Ｓ極を交互に等間隔で所定の隙間を設けて円周上に配設して磁気歯車３を構成したものである。図５（ａ）の（３）は、上記図（２）の側面図である。このように磁気歯を１個ずつ加工し、着磁する方法では、加工コスト、加工時間等が大幅にかさみ、経済性に大きく欠ける欠点を有する。図５（ｂ）ではこの欠点を解決するため、磁気歯を１個のリング状の磁性材を用いたもので、図５（ｂ）の（４）はリング状の磁性材４１で、該磁性材４１を適宜手段にて、図５（ｂ）の（５）に示す例えばインボリュート曲線形状にＮ極、Ｓ極が交互になるよう着磁して、この磁気歯ブロック４２を磁性盤４３に配設して磁気歯車４を形成したものである。又、図５（ｃ）の（７）は、上記図５（ｂ）のリング状形状を４分割で構成したもので、同（８）は磁性材５１を適宜手段にて一括して着磁した磁気歯ブロック５２を４個隙間なく配設し磁気歯車５を形成したものである。図５（ｃ）の（９）がその上面図で同（１０）はその側面図を示す。上述したように、図５（ｂ）、及び（ｃ）に示すように、磁気歯を磁気歯ブロックとして形成することによって、図５（ａ）に示すように磁気歯を1個づつ個別に形成する場合と比べて、材料歩留まり、磁気歯加工費、磁気歯の着磁費、及び磁気歯車の組み立て費などが、大幅に削減され、経済性が大きく改善される。又、品質面でも磁性盤への磁気歯の着設強度は、磁性盤と磁気歯の接合面が増したことによって、大幅に強くなり、磁気歯車の回転に伴う遠心力や磁気歯車間の吸着に伴う剥離作用に対する抗力が上がり、信頼性が極めて改善されるなどの効果も際立っている。

ついで、磁気歯車の本発明の応用例を第４の実施例に示す。図６において、３個の磁気歯車を用いて形成して、駆動側、被駆動側のどちらかを複数として動力伝達するものである。図６（ａ）は、磁気歯車６，７，８の左側面図、同（ｂ）は該磁気歯車の磁気歯の噛み合い状態を示す上面図である。磁気歯車６、７、８は、磁気歯６１・・・、磁気歯７１・・・、磁気歯８１・・・が、その中心部に歯車軸６２，７２，８２を例えば圧入にて装着した磁性盤６２、７２、８２の外周面上に、Ｎ極、Ｓ極を交互に配設して磁気歯車を形成し、大きい磁気歯車６と、小さい磁気歯車７、８が、それぞれ磁気的噛み合って、かつ所定の空隙を維持し対向して配置されている。本実施例で例えば、磁気歯車６を駆動側とし、磁気歯車７、８を被駆動側とした場合、この動力伝達は、それぞれの歯数を４８、１６、１２に設定してあり、磁気歯車７、８にはそれぞれ、回転比が１／３及び、１／４に減速して動力伝達される。尚、この歯数を適宜に設定することで任意の回転比を各々の個別に得ることも可能である。さらにこの利点は、図６（ｃ）に示すように、前述の磁気歯車６、７、８の磁気的噛み合い状態から、磁気歯車８を適宜手段にて磁気歯車６から遠ざけたり、又、元に戻したりすることで磁気歯車６、８の磁気的噛み合い状態を開放、及び復帰が容易におこなえる。これは従来の接触式の歯車では、駆動中の噛み合い状態の開放、復帰はそのときの衝撃が大きく極めて困難であったが、本発明に示す磁気歯車では非接触式の磁気的な噛み合いを用いているため、円滑に駆動中の噛み合い状態の開放、復帰がおこなう事が可能となった。

本発明によるツイン型磁気歯車盤の実施例を図７、８、に示す。図７において、１００はツイン型磁気歯車盤であって、磁性体からなる磁性盤１０１と、該磁性盤１０１の外周部両面に、図５（ｂ）に示した本発明による磁気歯ブロック１０２・から構成されている。尚、磁性盤の中心部には、穴１０３が設けてあり、磁気式歯車装置として使用する場合の歯車軸に通して適宜方法にて固定し、前記磁気歯と対向する磁気歯車単盤（図示せず）との間で磁気的な噛み合いを構成し磁気歯車としての機能を発揮するものである。即ち、本発明によるツイン型磁気歯車盤は、各種磁気歯車装置に、コンパクトで使いやすく、経済性に優れた磁気歯車盤を提供するものである。

図８は、前記ツイン型磁気歯車盤１００に対し、図５（ｂ）で説明した磁気歯部ブロックの表裏の両面を、磁気的な噛み合いに利用することによってさらに経済性を高めたツイン型磁気歯車盤を提供することにある。この構造について以下に説明する。図８（イ）は本ツイン型磁気歯車単盤の上面図、（ロ）はその側面図である。図８において、１１０は磁性体からなり、リング上の磁気歯ブロック１１１を位置決めして固定するためのつばを有する磁性盤であって、前期磁気歯ブロック１１１が前期つばの内面及び外周面に接着等の手段で固着され、その中央部には歯車軸（図示せず）の圧着用の穴１１３を有する。また、上記磁気歯ブロックは、適宜方法にて放射状の磁気歯１１２が所定の磁気的隙間（磁気的に中性）を有して板厚方向に極性が交互になるよう着磁され、表裏の着磁面はそれぞれ極性が逆でほぼ同磁力となっている。

図９は、前述したツイン型磁気歯車盤を用いて磁気式歯車装置を構成した一実施例であって、図９（イ）はその主要部の一部断面を含む側面図、（ロ）は該磁気式歯車装置の磁気的な噛み合いを示すスケルトン図である。図９において、シャイーシ板１４０と、シャイーシ板１５０が平行面となるよう対峙して配置され、後述する歯車軸が互いに平行でかつ該シャーシ面に垂直となるよう穴があけられ、該穴には軸受け１４１、１４２、１４３・・・が圧入等の適宜手段にて固定されている。ここで軸受け１４１、１４２には、例えば前述した本発明によるツイン型磁気歯車盤１２０を中央部に圧入等で固定した駆動側歯車軸１２４が、接着等の手段で装着され、特に図示していないが該軸１２４には、例えばプーリーを取り付け、電動機などの駆動源にベルトで繋げて動力の伝達を受ける仕組みとなっている。

一方、被駆動側として、前記シャーシ板１４０、１５０に装着された軸受け１４３・・・には２本の歯車軸１３４・が回転自在に装着され、該歯車軸１３４・には、それぞれ一対の磁気歯車単盤１３０・が、前記ツイン型磁気歯車盤１２０の磁気歯面と所定の空隙ｈ・を維持して、該単盤に取り付けたブラケット１３３を介してネジ等（図示せず）で固定されている。前記ツイン型磁気歯車盤１２０と、該磁気歯車単盤１３０・・・は、図９の（ロ）に斜線を施した（１３ａ）・で磁気的な有効噛み合いを生成し、この磁気的な噛み合いによって歯車軸１２４に伝わった伝達トルクは、２つの歯車軸１３４に伝達される。このように複数の磁気盤を組み合わせた構造にすることによって、伝達トルクを強くすることが容易で、またツイン型磁気歯車盤１２０のように、該磁気歯車盤の両面を磁気歯車単盤（１３０）で挟んだ構造にすることによって、磁気歯車単盤１２０に加わるスラスト加重や偏荷重が大幅に軽減され、機械的にも有利な構造となっている。尚、本実施例では、ツイン磁気歯車盤１個、磁気歯車単盤４個で磁気歯車装置を構成したが、伝達トルクをより強くするため必要に応じて磁気歯車盤を増やしてもよく、歯車軸も形状の許す限り適宜増やしてもよい。又、変速比は、本実施例はいずれも１：４としているが、必要に応じてそれぞれ独自に設定可能である。

尚、図９（ハ）は磁気歯の形状を変え、磁気的な噛み合いのパターンを変更して伝達トルクの脈動を改善した他の実施例を示したスケルトン図であって、１６０は、磁気歯１６２・・・有する磁気歯車、１７０・は同様に磁気歯１７２を有する磁気歯車であり、図中に斜線を施した（１７ａ）・で磁気的な有効噛み合いを生成している。他の構成は、上記説明した図９（イ）と同様であり詳細な説明は省略する。

本発明の第一の実施例による磁気歯車の動作説明図、及びＡ−Ａ'断面図 本発明の第一の実施例の根拠を証明する回転トルク特性図 本発明の第二の実施例による磁気歯車の動作説明図及び、Ａ−Ａ'断面図 本発明の第二の実施例の根拠を証明する伝達トルク特性図 本発明に係る第三の実施例を説明する磁気歯車の磁気歯図、磁気歯ブロック図、及び該磁気歯を用いた磁気歯車の正面図とその側面図 本発明に係る第四の実施例を説明する磁気歯車の概略平面図とその側面図 本発明に係る第５の実施例による磁気歯車単盤の上面図、側面図及び、底面図 本発明に係る第６の実施例による磁気歯車単盤の上面図、側面図及び、底面図 本発明に係る第７の実施例による磁気歯車装置の正面図、及び、磁気的な噛み合いの構成を表すスケルトン図

符号の説明

１ 磁気歯車
２ 磁気歯車
３ 磁気歯車
４ 磁気歯車
５ 磁気歯車
６ 磁気歯車
７ 磁気歯車
８ 磁気歯車
１１ 磁性盤
２１ 磁性盤
３４ 磁性盤
４４ 磁性盤
５４ 磁性盤
６２ 磁性盤
１２ 磁気歯
２２ 磁気歯
３１ 磁性板
３２ 磁気歯
４１ 磁性板
４２ 磁気歯ブロック
５１ 磁性板
５２ 磁気歯ブロック
６１ 磁気歯
７１ 磁気歯
１３ 歯車軸
２３ 歯車軸
３３ 歯車軸
４３ 歯車軸
５３ 歯車軸
６３ 歯車軸
７３ 歯車軸
８３ 歯車軸
１４ 軸受
２４ 軸受
１５ フレーム
２５ フレーム
１００ 磁気歯車単盤
１０１ 磁気盤
１０２ 磁気歯
１１０ 磁気歯車単盤
１１１ リング状磁気歯
１１３ 磁気盤
１２０ 磁気歯車単盤
１２１ 磁気盤
１２２ 磁気歯
１２４ 歯車軸
１３０ 磁気歯車単盤
１３１ 磁気盤
１３２ 磁気歯
１３３ ブラケット
１３４ 歯車軸
１４０ シャーシ板
１４１ 軸受け
１４２ 軸受け
１４３ 軸受け
１５０ シャーシ板

Claims (7)

1. 所定の空隙を保ち、対向させた駆動側と被駆動側の各回転円盤の外周部に、放射状の永久磁石（以下磁気歯と略記する）をＮ極、Ｓ極と交互に異極配列して着設し、該磁気歯の磁気の吸引及び、反発にてトルクを伝達する磁気歯車において、前記磁気歯の隣り合う磁気歯間の隙間を、磁気歯幅に対して０．４〜０．６倍としたことを特徴とする磁気歯車
2. 磁気歯車の対抗する大小二つの磁気歯車の小磁気歯車を該磁気歯車の磁気歯長に対して１２．５〜３５％の距離だけ外側にオフセットしたことを特徴とする磁気歯車。
3. 磁気歯車を構成する磁気歯群を、１個のリング形状の磁性材、もしくは、数個を集合して１個のリング形状となる扇型形状の磁性材を、各磁気歯が所定の放射形状になるよう適宜手段にて磁化してなる磁気歯ブロックで磁気歯を構成したことを特徴とする磁気歯車。
4. ３個以上の磁気歯車からなり、少なくとも駆動側及び、被駆動側の一方を複数とした磁気歯車。
5. 前期請求項４において、少なくとも１個の磁気歯車を、他の磁気歯車を駆動状態の保持したまま、磁気的噛み合い状態、及び開放状態を適宜変更可能としたを特徴とした複合型磁気歯車。
6. 磁性体からなる磁気盤の外周部両面に、リング上及び、扇型の磁気歯ブロックを配設した構成したことを特徴とする磁気歯車単盤
7. 互いに対向して配置したシャーシ板に垂直に複数個の歯車軸を設け、それぞれの歯車軸には磁気的な噛み合いで動力を伝達する磁気歯車が装着されてなる、磁気式歯車において、少なくとも一つの駆動軸と一つの被駆動軸に装着した磁気歯車の磁気的噛み合い面を、複数の平面で構成することを特徴とする外接噛み合い型磁気歯車。
   

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