JP2013208015A - 磁気機能装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品数のさらなる減少により構造がさらに簡素化されうる磁気機能装置を提供する。
【解決手段】磁気機能装置は磁極群Ｇ１、磁性体群Ｇ２及び電機子群Ｇ３、並びに軸線方向又は径方向に各群が順に重なるように配置されている状態で当該各群を支持する部材Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を備えている。磁極群Ｇ１は、軸線Ｑ回りの偶数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ１個の磁極Ｍ１からなる。磁性体群Ｇ２は、軸線Ｑ回りの回転対称性を有するように配列されているＮ２個の磁性体Ｍ２からなる。電機子群Ｇ３は、軸線Ｑ回りの３の整数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ３個（Ｎ３＝｜Ｎ１±Ｎ２｜）の巻線型電機子Ｍ３からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機等の磁気機能装置に関する。

磁力により高速ロータの高速回転力が低速ロータの低速回転力として伝達されるように構成されている減速機付き電動機が提案されている（特許文献１参照）。減速機と駆動源とを構成する磁回路の一部が共通化されることにより、当該電動機を少ない構成部品で構成することが試みられている。

特開２０１０−１５４６８９号公報

しかし、ステータには、高速ロータに装着されている複数極の永久磁石との間の磁路を形成するための複数極（又は複数スロット）の電極子のほか、低速ロータに装着されている複数個の磁極片との間の磁路を形成するための複数個の磁石が電機子側に設けられている。このため、構成部品数がなおも多く、その構造がなおも複雑であった。

そこで、本発明は、構成部品数のさらなる減少により構造がさらに簡素化されうる磁気機能装置を提供することを解決課題とする。

本発明の磁気機能装置は、軸線回りの偶数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ１個（Ｎ１＞１）の磁極からなる磁極群と、当該軸線回りの回転対称性を有するように配列されているＮ２個（Ｎ２＞１）の磁性体からなる磁性体群と、当該軸線回りの３の整数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ３個（Ｎ３＝｜Ｎ１±Ｎ２｜）の巻線型電機子からなる電機子群と、前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群が前記軸線の方向又は前記軸線を基準とする径方向に順に配置されている状態で、前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群のそれぞれを支持し、前記軸線回りに相対的に回転可能に構成されている第１、第２及び第３部材と、を備えていることを特徴とする。

本発明の磁気機能装置によれば、第１、第２及び第３部材のそれぞれにより支持されているＮ１個の磁極、Ｎ２個の磁性体及びＮ３個の巻線付き電機子によって、その余の磁石を必要とすることなく磁回路が形成される。したがって、構成部品数の減少により構造がさらに簡素化されながらも、減速機又は増速機付きの電動機及び発電機として機能する磁気機能装置が構成される。

具体的には、巻線型の電機子群が３相交流電力の供給により励磁されることにより回転磁界が形成され、この回転磁界により第１及び第２部材のうち一方の部材を他方の部材に対して相対的に回転させることができる。そして、当該一方の部材の回転運動を、所定の減速比又は増速比をもって、第３部材の当該他方の部材に対する相対的な回転運動として伝達させることができる。

また、磁気機能装置は、第３部材が固定された状態又はその回転が制動された状態で、出力回転部材を構成する他の部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として機能する。

本発明の磁気機能装置において、前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群のうち１又は２の群が、同種の構成要素から構成される一方で当該構成要素の個数が異なる対をなす第１群を構成し、その他の群が単一の第２群を構成し、前記第１、第２及び第３部材のうち、前記第１群に対応する１又は２の部材が、相互に独立して前記軸線回りに回転可能な状態で前記対をなす当該第１群のそれぞれを支持するように構成されていることが好ましい。

当該構成の磁気機能装置によれば、対をなす第１群のそれぞれを支持するように構成されている同じく対をなす部材のそれぞれが異なる速度で回転駆動されうるので、異なる２つの回転出力が同時に得られる。対を成す第１群のそれぞれの同種の構成要素数の相違が回転速度の相違に反映される。また、第２群が単一である分だけ構成要素の共通化が図られているので、構成部品の数の低下が図られる。

本発明の第１実施形態としての磁気機能装置の構成説明図。 本発明の第２実施形態としての磁気機能装置の構成説明図。 本発明の第３実施形態としての磁気機能装置の構成説明図。 本発明の磁気機能装置の応用例に関する説明図。

（第１実施形態）
（構成）
本発明の第１実施形態としての図１に示されているラジアル型の磁気機能装置は、磁極群Ｇ１、磁性体群Ｇ２及び電機子群Ｇ３を備えている。各群は、軸線Ｑを基準とする径方向について内側から順に相互に必要な間隔をおいて重なるように配置されている。軸線方向に垂直な方向を「径方向」と記載する。軸線に対する遠近に応じて「外」及び「内」が区別される。軸線回りの方向を「周方向」と記載する。

磁極群Ｇ１は、軸線Ｑ回りの８回転対称性を有するように周方向に配列されている４個の磁極対を構成する８個（Ｎ１＝８）の磁極Ｍ１により構成されている。磁極Ｍ１はＮｄＦｅＢ等の永久磁石により構成され、磁化方向が径方向に一致するように配置されている。

磁性体群Ｇ２は、軸線Ｑ回りの２０回転対称性を有するように周方向に配列されている２０個（Ｎ２＝２０）の磁性体Ｍ２により構成されている。磁性体Ｍ２は積層した電磁鋼板等の磁性材料を原料の一部又は全部として製造されている。磁性体Ｍ２は、軸線Ｑに垂直な断面形状が、短弧が径方向内側にある一方で長弧が径方向外側にある扇形状（又は上底（幅狭）が径方向内側にある一方で下底（幅広）が径方向外側にある略等脚台形状）に形成されている。当該扇形の中心が軸線Ｑ上にあることが好ましいが、軸線Ｑから外れて位置していてもよい。電機子Ｍ３により形成される回転磁界による磁力が磁極Ｍ１に作用する一方、磁極Ｍ１と電機子Ｍ３とが磁気的に短絡しないように、磁性体Ｍ２の径方向のサイズが適当な範囲に定義されている。

電機子群Ｇ３は、軸線回りの１２回転対称性を有するように周方向に配列されている１２個（Ｎ３＝１２＝Ｎ２−Ｎ１）の電機子Ｍ３により構成されている。電機子Ｍ３は、積層した電磁鋼板などの磁性部材よりなる、径方向に延設されているコアＭ３１にコイルＭ３２が巻き付けられることにより構成されている電磁石により構成されている。当該電磁石の励磁状態での磁化方向が径方向に一致するように構成されている。巻線係数は「０．８７」である。

コアＭ３１の内側端部は略台形状であり、その下底部分が軸線Ｑを中心とする円弧を構成するように内側に窪んだような形状とされているコアＭ３１のピッチ角度、すなわち、隣接しあうコアＭ３１の内側端部の中心点を結ぶ円弧の中心角に対する、コアＭ３１の内側端部をなす円弧の中心角の比率は０．５〜０．６の範囲内の数値に設定されている。

コンピュータによって構成されている制御装置により、外部電源からコイルＭ３２に対して３相交流電力が供給されることにより、回転磁界が形成される。

磁気機能装置は、磁極群Ｇ１を径方向外側に向けた状態で支持する略正八角柱状の第１部材Ｐ１と、磁性体群Ｇ２を軸線方向について一方又は両方から支持する一対の環状部材を構成要素として有する第２部材Ｐ２（図示略）と、電機子群Ｇ３を径方向内側に向けた状態で支持する略環状の第３部材Ｐ３とを備えている。当該３つの部材Ｐ１〜Ｐ３は、軸線Ｑ回りに相対的に回転可能に構成されている。

図１に示されているように環状の第３部材Ｐ３の径方向内側に突出するように電機子Ｍ３が配置されている「突極型構造」のほか、環状の第３部材Ｐ３の内周壁に設けられている凹部に電機子Ｍ３が収納される等、第３部材Ｐ３の内側に電機子Ｍ３が配置されている「非突極型構造」が採用されてもよい。

本実施形態では磁極数Ｎ１、磁性体数Ｎ２及び電機子数Ｎ３の組み合わせは（８,２０,１２）であるが、関係式（１）〜（３）のいずれかにより表わされる条件が満たされる範囲で当該組み合わせが変更されてもよい。これは他の実施形態でも同様である。

Ｎ３＝Ｎ１＋Ｎ２ ‥（１）。

Ｎ３＝Ｎ１−Ｎ２ ‥（２）。

Ｎ３＝Ｎ２−Ｎ１ ‥（３）。

例えば、関係式（３）にしたがって（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）＝（２ｎ,５ｎ,３ｎ）（ｎ＝１，２，‥）であってもよい。関係式（１）にしたがって（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）＝（２ｎ,４ｎ,６ｎ）であってもよい。関係式（２）にしたがって（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）＝（８ｎ,５ｎ,３ｎ）であってもよい。

（機能）
上記構成の磁気機能装置によれば、第１部材Ｐ１、第２部材Ｐ２及び第３部材Ｐ３のそれぞれにより支持されているＮ１個の磁極Ｍ１、Ｎ２個の磁性体Ｍ２及びＮ３個の巻線付き電機子Ｍ３によって、その余の磁極片を必要とすることなく磁回路が形成される。したがって、構成部品数の減少により構造がさらに簡素化されながらも、減速機又は増速機付きの電動機及び発電機として機能する磁気機能装置が構成される。

具体的には、巻線型の電機子群Ｇ３が３相交流電力の供給により励磁されることにより回転磁界が形成され、この回転磁界により一の部材をステータの役割を果たす他の部材に対して相対的に回転させることができる。そして、当該一の部材の回転運動を、所定の減速比又は増速比をもって、さらにもう１つの部材の当該他方の部材に対する相対的な回転運動として伝達させることができる。

例えば、第２部材Ｐ２がステータとして固定されている場合、上記回転磁界により第１部材Ｐ１の軸線回りの回転運動が誘導され、当該回転運動が減速比（Ｎ３／Ｎ１）＝１２／８＝１．５で同一の軸線回りの逆方向の回転運動として第３部材Ｐ３に対して伝達される。軸線Ｑを回転軸線とする出力軸が第３部材Ｐ３に連結されることにより、第３部材Ｐ３の回転運動が当該出力軸に伝達される。

また、第３部材Ｐ３がステータとして固定されている場合、上記回転磁界により第１部材Ｐ１の軸線回りの回転運動が誘導され、当該回転運動が減速比（Ｎ２／Ｎ１）＝２０／８＝２．５で同一の軸線回りの同方向の回転運動として第２部材Ｐ２に対して伝達される。軸線Ｑを回転軸線とする出力軸が第２部材Ｐ２に連結されることにより、第２部材Ｐ２の回転運動が当該出力軸に伝達される。

（第２実施形態）
（構成）
本発明の第２実施形態としての図２に示されているアキシャル型の磁気機能装置は、基本的な構成要素が、軸線Ｑの方向に間隔を置いて近接するように組み立てられることによって構成されている。第１実施形態の磁気機能装置の構成要素と対応する構成要素については同一の符号を用いる。

磁極群Ｇ１、磁性体群Ｇ２及び電機子群Ｇ３が径方向ではなく軸線方向について相互に必要な間隔を置きながら重なるように順に配置されている。

第１部材Ｐ１は略円環板状であり、磁極Ｍ１を構成する永久磁石の磁化方向が径方向ではなく軸線方向に一致するように磁極群Ｇ１を支持するように構成されている。第３部材Ｐ３は略円環板状であり、電機子Ｍ３を構成する電磁石が、励磁状態での磁化方向が径方向ではなく軸線方向に一致するように電機子群Ｇ３を支持するように構成されている。

第２部材Ｐ２（図示略）は、磁性体群Ｇ２を径方向外側から支持する略円環状の部材を構成要素として有する。電機子Ｍ３により形成される回転磁界による磁力が磁極Ｍ１に作用する一方、磁極Ｍ１と電機子Ｍ３とが磁気的に短絡しないように、磁性体Ｍ２の軸線方向のサイズ（厚さ）が適当な範囲に定義されている。

第２実施形態の磁気機能装置のその他の構成は、第１実施形態の磁気機能装置と同様なので説明を省略する。

（機能）
上記構成の磁気機能装置によれば、第１実施形態と同様に、第１部材Ｐ１、第２部材Ｐ２及び第３部材Ｐ３のそれぞれにより支持されているＮ１個の磁極Ｍ１、Ｎ２個の磁性体Ｍ２及びＮ３個の巻線付き電機子Ｍ３によって、その余の磁極片を必要とすることなく磁回路が形成される。したがって、構成部品数の減少により構造がさらに簡素化されながらも、減速機又は増速機付きの電動機及び発電機として機能する磁気機能装置が構成される。

（第３実施形態）
（構成）
本発明の第３実施形態としての図３に示されているデュアルラジアル型の磁気機能装置は、軸線Ｑを共通にする２つのラジアル型の磁気機能装置（図１参照）が組み合わせられたような構成である。第１実施形態の磁気機能装置の構成要素と対応する構成要素については同一の符号を用いるとともに、適宜その構成について説明を省略する。

２つの電動機のそれぞれが、同種の構成要素を有するもののその個数が異なる磁性体群Ｇ２１及びＧ２２のそれぞれ（対をなす第１群に相当する）、及び磁極群Ｇ１及び電機子群Ｇ３（単一の第２群に相当する。）を構成要素として備えている。このように構成要素の一部である第２群の共有化により、当該２つの磁気機能装置の組み合わせによる構成部品数の低下が図られている。

第１部材Ｐ１は、略円筒状であり、その中央部を貫通する回転軸Ｓ１に連結されている。第１部材Ｐ１は、軸線Ｑ回りの８回転対称性を有するように周方向に配列されている４個の磁極対を構成する８個（Ｎ１＝８）の磁極Ｍ１を、その磁化方向が径方向に一致するように支持している。

第３部材Ｐ３は、磁気機能装置の他の構成部品を収容する空間を有するハウジングにより構成されている。第３部材Ｐ３は、軸線回りの１２回転対称性を有するように周方向に配列されている１２個（Ｎ３＝１２）の電機子Ｍ３を、その励磁状態での磁化方向が径方向に一致するように支持している。

図中左側にある第１の第２部材Ｐ２１は、略円筒状であり、その一方（図中左側）の端部において軸線Ｑを回転軸線とする第１の出力軸Ｓ２１に対して連結されている。第１の第２部材Ｐ２１により支持されている第１の磁性体群Ｇ２１は、軸線Ｑ回りの２０回転対称性を有するように周方向に配列されている２０個（Ｎ２１＝２０）の磁性体Ｍ２１により構成されている。

図中右側にある第２の第２部材Ｐ２２は、略円筒状であり、その一方（図中右側）の端部において軸線Ｑを回転軸線とする第２の出力軸Ｓ２２に対して連結されている。第２の第２部材Ｐ２２により支持されている第２の磁性体群Ｇ２２は、軸線Ｑ回りの４回転対称性を有するように周方向に配列されている４個（Ｎ２２＝４）の磁性体Ｍ２２により構成されている。

回転軸Ｓ１は、第１部材Ｐ１を挟む両側において、第２部材Ｍ２１及びＭ２２のそれぞれに対して相対的な回転運動が可能となるようにベアリングを介して連結されている。第２部材Ｍ２１及びＭ２２のそれぞれは、第３部材Ｍ３に対して相対的な回転運動が可能となるようにベアリングを介して連結されている。第２部材Ｍ２１及びＭ２２は相互に独立に回転可能になるように軸線方向について所定の間隔をおいて配置されている。

（機能）
上記構成の磁気機能装置によれば、巻線型の電機子群Ｇ３が３相交流電力の供給により励磁されることにより回転磁界が形成される。この回転磁界により第１部材Ｐ１をステータの役割を果たす第３部材Ｐ３に対して相対的に回転させることができる。

そして、第１部材Ｐ１の回転運動が、減速比（Ｎ２１／Ｎ１）＝２０／８＝２．５で同一の軸線回りの同方向の回転運動として第１の第２部材Ｐ２１及び第１の出力軸Ｓ２１に対して伝達される。また、第１部材Ｐ１の回転運動が、増速比（Ｎ１／Ｎ２２）＝８／４＝２．０で同一の軸線回りの逆方向の回転運動として第２の第２部材Ｐ２２及び第２の出力軸Ｓ２２に対して伝達される。

（その他の実施形態）
第３実施形態では第１群及び第２群の組み合わせが（磁極群、磁性体群、電機子群）＝（２、１、２）であったが、当該組み合わせが変更されてもよい。例えば、磁気機能装置が、構成が異なる磁極群Ｇ１１及びＧ１２のそれぞれ（第１群に相当する。）、並びに磁性体群Ｇ２及び電機子群Ｇ３（第２群に相当する。）を構成要素として備えていてもよい（すなわち、（磁極群、磁性体群、電機子群）＝（１、２、２））。

この場合、第１出力軸は、第１の磁極群Ｇ１１を支持する第１の第１部材Ｐ１１に対して連結される。第２出力軸は、第１の第１部材Ｐ１１と相互に独立して回転可能であるとともに第２の磁極群Ｇ１２を支持する第２の第１部材Ｐ１２に連結される。当該構成により、第１出力軸及び第２出力軸のそれぞれが異なる速度で回転駆動されうる。

２つのアキシャル型の磁気変速装置が組み合わせられることにより、第１出力軸及び第２出力軸のそれぞれが異なる速度で回転駆動されるように構成されてもよい（図２参照）。この場合、例えば第１の磁極群Ｇ１１、第１の磁性体群Ｇ２１、電機子群Ｇ３、第２の磁性体群Ｇ２２及び第２の磁極群Ｇ１２が、軸線方向に適当な間隔をおいて重なるように配置される。このように電機子群Ｇ３が２つの磁気変速装置に共通の構成要素とされることにより、当該２つの磁気変速装置の組み合わせによる構成部品数の節約が図られている。

（応用例）
本発明の磁気機能装置はアクチュエータ又は減速機付き電動機として車両、ロボット及び歩行補助装置等の電動装置又は機器に搭載されてもよい。

例えば、複数の関節機構において腕体及び脚体を屈伸運動させうる構成のロボットに磁気機能装置がアクチュエータとして搭載されてもよい（再表０３／０９０９７８号公報及び再表０３／０９０９７９号公報等参照）。

人間が跨ぐように着座する着座部及びこれに連結されている左右の脚リンクを介してこの人間の体重を支持する構成の歩行補助装置に磁気機能装置がアクチュエータとして搭載されてもよい（特許第４６２００１２号公報等参照）。

ここで、図４に示されているように、利用者である人間の上体に対する左右の大腿の相対的な屈曲及び伸展運動を補助する構成の歩行補助装置１にラジアル型又はアキシャル型の磁気機能装置がアクチュエータ１４として搭載された場合について考える（特許第３９３０３９９号、特開２０１１−２４００４８号公報等参照）。

歩行補助装置１は、第１装具１１と、第２装具１２と、アクチュエータ１４と、制御装置（図示略）とを備えている。

第１装具１１は人間の腰部の後側に押し当てられる腰当１１１と、腰当１１１を腰部に固定するために腹部に巻き付けられるバンド１１２とを備えている。腰当１１１の左右両側のそれぞれの下端部には、アクチュエータ１４がロール軸回りの回動自由度を持って取り付けられている。第２装具１２はエージェントの脚体のうち大腿に巻き付けられるバンドを備えている。第２装具１２のうち、大腿前側にはアクチュエータ１４の出力を第２装具１２に伝達するためのリンク部材１３がロール軸回りの回動自由度を持って取り付けられている。リンク部材１３は硬質樹脂により、エージェントの腰部左右両側のそれぞれから、左右それぞれの大腿の前側に向かって湾曲した形状に形成されている。

制御装置２０は第１装具１１の腰当１１１に内蔵されているコンピュータ（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ回路，Ａ／Ｄ変換回路等により構成されている。）により構成されている。制御装置２０は運動状態センサ２０２からの出力信号に基づき、適宜メモリから読み出したプログラムにしたがって演算処理を実行することによりアクチュエータ１４の動作を制御する。

この場合、上記のように構成部品数の低減によるアクチュエータ１４のコンパクト化に加えて軽量化が図られるので、装置の装着により利用者の身体にかかる負荷の軽減が図られる。

利用者の各脚体の遊脚期間の一部又は全部、例えば遊脚状態の脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に変化した時点から着床時点までの期間において、電機子Ｍ３に対する３相交流電力の供給が停止されてもよい。これにより、当該期間において遊脚状態の脚体が上体に対して相対的に伸展運動するエネルギーにより、電動機に回生発電させることができる。

磁極群Ｇ１、磁性体群Ｇ２及び電機子群Ｇ３の相対配置関係が変更されることにより、利用者の身体に付与されるトルクが０に制御されてもよい。例えば、ラジアル型の減速機付き電動機において（図１参照）、電機子群Ｇ３により形成される回転磁界による磁力を磁極群Ｇ１が受けないように、第１部材Ｐ１が第３部材Ｐ３に対して軸線方向に変位される。アキシャル型の減速機付き電動機において（図２参照）、電機子群Ｇ３により形成される回転磁界による磁力を磁極群Ｇ１が受けないように、第１部材Ｐ１が第３部材Ｐ３に対して径方向に変位される。

Ｇ１‥磁極群、Ｇ２‥磁性体群、Ｇ３‥電機子群、Ｍ１‥磁極、Ｍ２‥磁性体、Ｍ３‥電機子、Ｐ１‥第１部材、Ｐ２‥第２部材、Ｐ３‥第３部材、Ｑ‥軸線。

Claims (2)

1. 軸線回りの偶数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ１個（Ｎ１＞１）の磁極からなる磁極群と、当該軸線回りの回転対称性を有するように配列されているＮ２個（Ｎ２＞１）の磁性体からなる磁性体群と、当該軸線回りの３の整数倍の回転対称性を有するように配列されているＮ３個（Ｎ３＝｜Ｎ１±Ｎ２｜）の巻線型電機子からなる電機子群と、
   前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群が前記軸線の方向又は前記軸線を基準とする径方向に間隔をおいて重なるように順に配置されている状態で、前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群のそれぞれを支持し、前記軸線回りに相対的に回転可能に構成されている第１、第２及び第３部材と、を備えていることを特徴とする磁気機能装置。
2. 請求項１記載の磁気機能装置において、
   前記磁極群、前記磁性体群及び前記電機子群のうち１又は２の群が、同種の構成要素から構成される一方で当該構成要素の個数が異なる対をなす第１群を構成し、その他の群が単一の第２群を構成し、
   前記第１、第２及び第３部材のうち、前記第１群に対応する１又は２の部材が、相互に独立して前記軸線回りに回転可能な状態で前記対をなす当該第１群のそれぞれを支持するように構成されていることを特徴とする磁気機能装置。