JP2012219907A - 磁気波動歯車を用いた速度変換機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気波動歯車を用いた速度変換機の設計自由度を向上させる。
【解決手段】共通の軸線を有する入力軸１２と出力軸１４にそれぞれ円筒形状の入力側磁気歯車２８と出力側磁気歯車３２を配置する。これらの磁気歯車１２，１４の半径方向外側に固定磁極歯３６を配置する。磁気歯車１２，１４の外周側面に永久磁石３０，３４が極性が交互になるように周方向に配置されて磁極が形成される。固定磁極歯は、第１および第２磁気歯車を取り巻くように周方向に配列される。磁気歯車１２，１４と、固定磁極歯３６により磁気波動歯車が構成される。二つの磁気歯車１２，１４の軸線方向の長さ、半径を独立して定めることができ、設計自由度が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気波動歯車を用いた速度変換機に関する。

磁気波動歯車が下記先行技術文献に記載されている。特許文献１に記載の磁気波動歯車は、同軸に、かつ軸方向に隣り合うように配置された二つの円板形状のロータと、二つのロータの対向する面に挟まれるように配置される固定部を有する。二つのロータの互いに対向する面には、一方に周方向に永久磁石が配列され、他方に磁気歯が周方向に配列されている。固定部は、周方向に配列される磁性体片で構成される。この磁気波動歯車では、永久磁石、固定された磁性体片、磁気歯が、ロータの回転軸線に沿う方向に並んで配置されている。この磁気波動歯車において、永久磁石、磁気歯、固定された磁性体片のそれぞれの個数を適切に選ぶことにより所望の変速比を得ることができる。

非特許文献１に記載の磁気波動歯車は、内側ロータと、内側ロータの半径方向に外側に、これを囲むように位置する外側ロータと、内側ロータの外側ロータの間の位置に周方向に配列された磁性体片を有する。この磁気波動歯車では、内側ロータの永久磁石、固定された磁性体片、外側ロータの永久磁石が、ロータの半径方向に並んで配置される。この磁気波動歯車において、内側ロータの永久磁石、外側ロータの永久磁石、固定された磁性体片のそれぞれの個数を適切に選ぶことにより所望の変速比を得ることができる。

特開２０１０−１０６９４０号公報

ケー・アタラー（K.Atallah）他２名，「Design,analysis and realisation of a high-performance magnetic gear」，IEE Proc.-Electr.Power Appl.，2004年3月，Vol.151，No.2，p.135-143

前述のように、磁気波動歯車は、永久磁石等の個数を適切に選ぶことにより所望の変速比を得ることができ、大きな変速比を簡易な構成で実現できる利点がある。変速比が大きいということは、伝達トルクが低速側と高速側で大きく変わることを意味する。一方、磁気波動歯車において伝達可能なトルク、つまり許容される伝達トルク（以下、許容伝達トルクと記す。）は、永久磁石と磁性体片の対向面積に依存する。よって、低速側では許容伝達トルクを大きくするために対向面積を大きくする必要がある一方で高速側では許容伝達トルクが小さくて済むため対向面積を小さくすることができる。つまり、低速側と高速側でロータの形状を変えることが望まれている。

上記先行技術文献においては、ロータの形状変更の自由度が小さく、低速側、高速側のロータの形状を大きく異ならせることが難しい。

本発明は、設計自由度が大きく、高速側と低速側で所望の許容伝達トルクを得やすい磁気波動歯車を提供することを目的とする。

本発明の磁気波動歯車を用いた速度変換機は、共通の軸線を有する第１軸と第２軸にそれぞれ回転体形状の第１磁気歯車と第２磁気歯車を配置し、第１および第２磁気歯車の半径方向外側に固定磁極歯を配置して形成される。第１および第２磁気歯車と、固定磁極歯により磁気波動歯車が構成される。第１磁気歯車は第１軸と共に回転し、第２磁気歯車は第２軸と共に回転する。二つの磁気歯車の外周側面に磁極が形成される。これらの磁極は、例えば永久磁石を極性が交互になるように周方向に配列して形成する。第１および第２磁気歯車の半径方向外側に配置された固定磁極歯は、周方向において固定的に配置される。また、固定磁極歯は、第１歯車と対向する部分と、第２歯車と対応する部分と、これらの部分を繋ぐブリッジ部分を有する。そして、固定磁極歯は、第１および第２磁気歯車を取り巻くように周方向に配列される。

第１および第２磁気歯車は、円筒または円板形状とすることができる。

第１および第２磁気歯車が円筒または円板形状の場合、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積を、伝達トルクの大きな方の磁気歯車において大きくすることができる。さらに、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積との比を、第１磁気歯車の伝達トルクと第２磁気歯車の伝達トルクの比に等しくすることができる。

第１および第２磁気歯車が円筒または円板形状の場合、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積を、極対数が多い方の磁気歯車において大きくすることができる。さらに、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積との比を、第１磁気歯車の極対数と第２磁気歯車の極対数の比に等しくすることができる。

第１および第２磁気歯車の外形形状、例えば軸方向の寸法、半径方向の寸法を、容易に変更することが可能となる。

本発明の実施形態の速度変換機の軸線を含む断面図である。 図１のＡ−Ａ線による断面図である。 図１のＢ−Ｂ線による断面図である。 磁気波動歯車の動作説明図である。 磁気波動歯車の動作説明図である。 本発明の他の実施形態の速度変換機の要部構成を示す図である。 本発明の更に他の実施形態の速度変換機の要部構成を示す図である。 本発明の更に他の実施形態の速度変換機の要部構成を示す図である。 本発明の更に他の実施形態の速度変換機の要部構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の速度変換機１０の概略構成を示す断面図である。図２および図３は、図１に示すＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線による断面図である。

速度変換機１０は、二つの軸１２，１４を有し、これらの軸の間で回転の伝達を行う。二つの軸１２，１４は、磁気波動歯車を介して接続されている。磁気波動歯車の作用により、軸１２は軸１４より高速で回転する。軸１２を入力軸、軸１４を出力軸とした場合、速度変換機１０は減速機として機能し、逆に軸１４を入力軸、軸１２を出力軸とした場合には、増速機として機能する。以下の説明においては、速度変換機１０を減速機として機能させた場合を例として説明するが、前記のように入出力軸を入れ替えることで増速機としても機能させることができ、速度変換機１０は、減速機としての使用に限定されるものではない。

入力軸１２および出力軸１４は、磁気波動歯車を収容するケース１６に軸受を介して回転可能に支持されている。入力軸１２と出力軸１４の回転の軸線は共通である。ケース１６は、例えば円筒形状の胴部分１８ａと胴部分の一端を覆うように設けられた例えば円環板形状の端部分１８ｂを含むケース本体１８と、胴部分１８ａの他端を覆うように着脱可能に設けられたケース蓋２０を有する。入力軸１２は、ケース本体１８の特に端部分１８ｂにあけられた開口内の軸受２２に支持される。また、入力軸１２のケース内に位置する端部分の少なくとも一部は中空軸となっており、中空部分１２ａに軸受２４が配置される。出力軸１４は、この軸受２４と、ケース蓋２０にあけられた開口内の軸受２６とに支持される。軸受２２，２４，２６は、玉軸受、ころ軸受等の転がり軸受を採用することができる。

入力軸１２の、ケース１６内に位置する部分には、入力側磁気歯車２８が配置されている。入力側磁気歯車２８は、円筒または円板形状を有し、入力軸１２と共に回転する。入力側磁気歯車２８の円筒形状の外周側面には、周方向に極性が交互となるように永久磁石３０が配列される。これにより、円筒または円板形状の外周側面に磁極が形成される。これらの永久磁石３０の内側には、磁束を通すための円環形状の磁性体リング３１が配置される。この速度変換機１０においては、４個の永久磁石３０が、等ピッチで周方向に配置される。図３において、二重斜線で示す部分は、外側がＮ極となるように配置された永久磁石であり、白抜きの部分は外側がＳ極となるように配置された永久磁石である。入力側磁気歯車２８の極対数は２となる。

出力軸１４の、ケース１６内に位置する部分には、出力側磁気歯車３２が配置されている。出力側磁気歯車３２は、円筒または円板形状を有し、出力軸１４と共に回転する。出力側磁気歯車の円筒形状の外周側面には、周方向に極性が交互となるように永久磁石３４が配列される。これにより、円筒または円板形状の外周側面に磁極が形成される。これらの永久磁石３４の内側には、磁束を通すための円環形状の磁性体リング３５が配置される。この速度変換機１０においては、２８個の永久磁石が、等ピッチで周方向に配置される。図２において二重斜線で示す部分は、外側がＮ極となるように配置された永久磁石であり、白抜きの部分は外側がＳ極となるように配置された永久磁石である。出力側磁気歯車３２の極対数は１４となる。

入力側磁気歯車２８と、出力側磁気歯車３２の半径方向外側には、固定磁極歯３６が配置される。固定磁極歯３６は磁性材料で形成され、ほぼ直方体形状を有する。複数の固定磁極歯３６が、ケース本体の胴部分１８ａの内周面に、周方向に関して固定的に配置され、入力側磁気歯車２８と出力側磁気歯車３２を取り巻くまたは取り囲むように周方向に配列される。固定磁極歯３６は、入力側磁気歯車２８に対向する入力側対向部分３６ａ、出力側磁気歯車３２に対向する出力側対向部分３６ｂおよびこれらの部分３６ａ，３６ｂを繋ぐブリッジ部分３６ｃを有する。入力側対向部分３６ａと入力側磁気歯車２８のギャップと、出力側対向部分３６ｂと出力側磁気歯車３２のギャップは小さく、二つの磁気歯車２８，３２の距離は前記のギャップに比べ大きくされている。これにより、入力側、出力側の永久磁石３０，３４間の磁束は固定磁極歯３６を通る。この速度変換機１０においては、１６個の固定磁極歯３６が、等ピッチで周方向に配置される。

図４および図５により、磁気波動歯車の動作について説明する。図４（ａ）は、入力側磁気歯車２８の、Ｎ極が半径方向外側に向いた永久磁石３０-1が、４個の固定磁極歯３６-1，３６-2，３６-3，３６-4に対向する状態を示している。図４（ｂ）は、出力側磁気歯車３２の永久磁石３４と、固定磁極歯３６の関係が示されている。入力側磁気歯車の永久磁石３０-1が図４（ａ）のように位置するとき、出力側磁気歯車の永久磁石３４-1，３４-2，３４-3，３４-4が図４（ｂ）のように位置しているとすると、固定磁極歯３６-1，３６-2，３６-3，３６-4から永久磁石３４-1，３４-2，３４-3，３４-4に向かう磁束は、図４（ｂ）の矢印の向きとなる。この４つの矢印は、対称に配置され、よって互いの磁気吸引力が打ち消し合う。

図５（ａ）は、入力側磁気歯車２８が、固定磁極歯３６の１ピッチ分時計回りに回転した状態を示している。図４（ａ）で着目した永久磁石３０-1に対向する固定磁極歯は、１ピッチずれ、固定磁極歯３６-2，３６-3，３６-4，３６-5となる。このため、永久磁石３０-1の磁束に影響される、出力側磁気歯車３２の永久磁石は、図５（ｂ）に示すように永久磁石３４-2，３４-3，３４-4，３４-5となる。固定磁極歯３６と、永久磁石３４の配列のピッチが異なるため、固定磁極歯３６-2，３６-3，３６-4，３６-5から永久磁石３４-2，３４-3，３４-4，３４-5に向かう磁束は、図５（ｂ）の矢印に示すようになる。図５（ｂ）の４つの矢印は、対称性が崩れ、不均等となっており、出力側磁気歯車３２を回転させるトルクを生じさせる。これにより、入力軸１２から出力軸にトルクが伝達される。

磁気波動歯車において、入力側磁気歯車の極対数ｎin、出力側磁気歯車の極対数ｎout 、固定磁極歯の歯数をｎmpとすると、次式の関係がある。
ｎmp＝ｎout ±ｎin ・・・（１）
また、入力軸回転速度ωinと出力軸回転速度ωout の関係は、次式となる。
ωout ＝（ｎin／ｎout ）ωin ・・・（２）
また、入力側磁気歯車が伝達するトルクＴinと出力側磁気歯車が伝達するトルクＴout は、次の関係を有する。
Ｔin／Ｔout ＝ωout ／ωin＝ｎin／ｎout ・・・（３）

速度変換機１０の磁気歯車と固定磁極歯の構成、つまり外周側面に磁極が配列された入力側および出力側磁気歯車と、これらの磁極と半径方向において対向して配置される固定磁極歯を有する構成により、設計の自由度が大きく高まる。以下に記載する実施形態により説明する。

磁気歯車においては、許容伝達トルクを超えると磁極間の磁気結合が切れ、回転の伝達ができなくなる。許容伝達トルクを大きくするためには、磁気歯車の磁極が形成された面（磁極形成面）の面積を大きくするか、または磁気歯車の半径を大きくする必要がある。また、速度変換機においては、入力側と出力側で伝達されるトルクが異なるので、一方の磁極形成面の面積を大きくすれば足りる場合がある。このため、入力側、出力側で相互に影響を受けずに磁極形成面の形状、寸法を決定できることが望まれる。

図６は、速度変換機４０の概略構成を示す図である。速度変換機４０の基本的な構成は、前述の速度変換機１０と同一であり、共通する部分の説明は省略する。速度変換機４０と速度変換機１０の相違の要点は、磁気歯車と固定磁極歯の形状である。速度変換機４０の、入力側磁気歯車４２と出力側磁気歯車４４の半径は等しく、幅（軸線方向の長さ）が異なる。入力側磁気歯車４２の幅がＬ1 、出力側磁気歯車４４の幅がＬ2 であれば、二つの磁気歯車の外周側面の面積の比はＬ2 ／Ｌ1 となる。入力側磁気歯車４２で許容伝達トルクＴＡinと出力側磁気歯車４４で許容伝達トルクＴＡout は、次式の関係となる。
ＴＡout ／ＴＡin＝Ｌ2 ／Ｌ1 ・・・（４）

また、固定磁極歯４６の、入力側磁気歯車４２と対向する部分４６ａと出力側磁気歯車４４と対向する部分４６ｂの間のブリッジ部分４６ｃは細くされ、磁気歯車４２，４４の磁極との距離が遠くなるようにされている。ブリッジ部分を細くする構成は、前述の速度変速機１０、更には後述する態様においても、採用することができる。出力側磁気歯車４４の幅に合わせて、これに対向する部分４６ｂの幅が変更されている。

このように、速度変換機４０では、許容伝達トルクを高めたい磁気歯車の軸方向の寸法を増加している。このとき、他方の磁気歯車の形状の変更の必要がない。

図７は、速度変換機５０の概略構成を示す図である。速度変換機５０の基本的な構成は、前述の速度変換機１０と同一であり、共通する部分の説明は省略する。速度変換機５０と速度変換機１０の相違の要点は、磁気歯車と固定磁極歯の形状である。速度変換機５０の入力側磁気歯車５２と出力側磁気歯車５４の幅は等しく半径が異なる。固定磁極歯５６は、入力側と出力側で異なる磁気歯車の半径に対応してＬ字形となっている。入力側磁気歯車５２の半径がＲ1 、出力側磁気歯車５４の半径がＲ2 であれば、二つの磁気歯車の外周側面の面積の比は、Ｒ2 ／Ｒ1 となる。また、磁極間の磁気結合力と半径の積が許容されるトルクとなるので、外周側面の面積と半径の積により許容伝達トルクが決まる。入力側磁気歯車５２で許容される伝達トルクＴＡinと出力側磁気歯車５４で許容伝達トルクＴＡout は、次式の関係となる。
ＴＡout ／ＴＡin＝（Ｒ2 ／Ｒ1）² ・・・（５）
したがって、Ｒ2 ／Ｒ1 ＝√２であれば、許容伝達トルクの比は、２となる（ＴＡout ／ＴＡin＝２）。

速度変換機５０では、許容伝達トルクを高めたい磁気歯車の半径を増加している。このとき、他方の磁気歯車の形状の変更が必要ない。

入力側磁気歯車が伝達するトルクＴinと出力側磁気歯車が伝達するトルクＴout は、前述のように、回転速度ωin，ωout または極対数ｎin，ｎoutで定まる。よって、入力側と出力側が、同時に許容伝達トルクとなるのは、次式の関係が成り立つときである。
ＴＡout ／ＴＡin＝ｎout ／ｎin ・・・（６）

前述のように、許容伝達トルクは、磁気歯車の半径と外周側面の面積の積に比例するので、入力側、出力側の磁気歯車の半径と外周側面の面積の比を、磁極数の比と等しくすることにより、入力側、出力側の磁気歯車が同時に許容伝達トルクとなり無駄がなくなる。

図７は、速度変換機６０の概略構成を示す図である。速度変換機６０の基本的な構成は、前述の速度変換機１０と同一であり、共通する部分の説明は省略する。速度変換機６０と速度変換機１０の相違の要点は、磁気歯車と固定磁極歯の形状である。特に、速度変換機６０においては、一つの磁気歯車の半径と幅の両者を変更している。速度変換機６０においては、入力側磁気歯車６２の半径を小さくし、その分幅を広げている。入力軸の回転速度が高い時には、軸慣性を小さくするために軸の直径を小さくし、これによる磁気歯車の外周側面の面積を補うために、幅を広くする。また、出力側磁気歯車６４が低速回転であれば、半径を大きくすることにより許容伝達トルクを大きくし、速度変換機６０の軸方向の寸法増加を抑えることができる。

図８は、速度変換機７０の概略構成を示す図である。速度変換機７０の基本的な構成は、前述の速度変換機１０と同一であり、共通する部分の説明は省略する。速度変換機７０と速度変換機１０の相違の要点は、磁気歯車と固定磁極歯の形状である。速度変換機７０の入力側磁気歯車７２および出力側磁気歯車７４は、円錐台形状であり、固定磁極歯７６は、磁気歯車の円錐台形状に対応して、磁気歯車に対向する面が斜面となっている。磁気歯車の軸方向寸法やテーパ角を調整することで許容される伝達トルクを調整することができる。

速度変換機７０のように、磁気歯車の形状を円筒または円板形状以外の回転体とすることが可能である。この場合にも、固定磁極歯を、入力側、出力側磁気歯車の半径方向外側に配置することで、個々の磁気歯車の形状変更の自由度は高く維持される。

１０ 速度変換機、１２ 入力軸、１４ 出力軸、２８ 入力側磁気歯車、３０ 永久磁石、３２ 出力側磁気歯車、３４ 永久磁石、３６ 固定磁極歯。

Claims (5)

1. 共通の軸線を有する第１軸および第２軸と、
   回転体形状を有し、回転体外周側面に磁極が形成され、第１軸と共に回転する第１磁気歯車と、
   回転体形状を有し、回転体外周側面に磁極が形成され、第２軸と共に回転する第２磁気歯車と、
   第１磁気歯車と第２磁気歯車の半径方向外側に、周方向に関して固定配置され、第１磁気歯車と対向する部分と第２磁気歯車に対向する部分とこれらの部分を繋ぐブリッジ部分を有する固定磁極歯であって、第１磁気歯車と第２磁気歯車を取り巻くように周方向に配列される固定磁極歯と、
   を有し、第１磁気歯車、第２磁気歯車および固定磁極歯で磁気波動歯車を構成した速度変換機。
2. 請求項１に記載の速度変換機であって、第１および第２磁気歯車は円筒または円板形状であり、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積が、伝達トルクの大きな方の磁気歯車において大きい、速度変換機。
3. 請求項２に記載の速度変換機であって、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積との比が、第１磁気歯車の伝達トルクと第２磁気歯車の伝達トルクの比に等しい、速度変換機。
4. 請求項１に記載の速度変換機であって、第１および第２磁気歯車は円筒または円板形状であり、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積が、極対数が多い方の磁気歯車において大きい、速度変換機。
5. 請求項４に記載の速度変換機であって、第１磁気歯車の半径と外周側面の面積の積と、第２磁気歯車の半径と外周側面の面積の積との比が、第１磁気歯車の極対数と第２磁気歯車の極対数の比に等しい、速度変換機。

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