JP2018191467A - 可変ギャップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の高い可変ギャップモータを提供する。【解決手段】可変ギャップモータ１０は、回転出力を得るため、内歯２８を有する可動子１６を偏心揺動させて外歯３０を有する外歯歯車１８を回転させる。可動子１６を偏心揺動させるため、界磁用固定子１４の固定子突極２２に巻回された界磁用コイル２４への通電を制御して、回転磁界を発生させる。回転磁界による電磁力の向きＱが可動子１６の中心から内歯２８と外歯３０との間の噛み合い領域の中心への向きＰに対してなす角度の平均値が、９０°より大きく、かつ１８０°より小さくなるように、界磁用コイル２４への通電を制御する。内歯２８と外歯３０との噛み合い領域に伝達された電磁力は、周方向分力だけでなく、径方向分力も内歯２８及び外歯３０の歯形に基づく楔効果により外歯歯車１８を回転させるように作用するため、出力トルクが増大する。【選択図】図２

Description

本開示は、可変ギャップモータに関し、さらに詳細には、内接式遊星歯車機構が組み込まれた可変ギャップモータに関する。

内接式遊星歯車機構が組み込まれた可変ギャップモータとして、円環状の界磁用固定子と、界磁用固定子の径方向内方に界磁用固定子に対して相対回転不能にかつ相対揺動可能に配置され、内周面に形成された内歯を有する円環状の可動子と、可動子の径方向内方に配置され、内歯に噛み合う外歯を外周面に有する外歯歯車と、外歯歯車と同軸に回転する出力軸とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。界磁用固定子は、周方向に所定の間隔で配置され、多相電流の各相の電流を通電させるコイルが巻回された複数の固定子突極（磁極）を有する。可動子は、対応する固定子突極との間に磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）を画定するべく外周面に形成された複数の可動子突極を有する。外歯歯車は可動子の偏心揺動によって回転し、出力トルク（回転出力）が発生する。このとき、可動子を偏心揺動させるために、回転磁界による電磁力が可動子の中心から内歯と外歯との噛み合い領域の中心への向きに対して平均して９０°の角度をなすように、コイルへの通電が制御されている。

特開平４−３１７５５２号公報 特開２０１７−２８８０８号公報

このような可変ギャップモータにおいて、入力電力に対する出力トルクの割合、すなわちエネルギー効率を高めることが望まれている。そこで、本発明は、エネルギー効率の高い可変ギャップモータを提供することを目的とする。

本発明の少なくともいくつかの実施形態は、周方向に所定の間隔で配置された、多相電流の各相の電流を通電させるコイル（２４）が巻回された複数の固定子突極（２２）を有する円環状の界磁用固定子（１４）と、前記界磁用固定子の径方向内方に前記界磁用固定子に対して相対回転不能にかつ相対揺動可能に配置され、対応する前記固定子突極との間に磁束が通過する磁気ギャップを画定するべく外周面に形成された複数の可動子突極（２６）及び内周面に形成された内歯（２８）を有する円環状の可動子（１６）と、前記可動子の径方向内方に配置され、前記内歯に噛み合い、かつ前記内歯より少ない歯数の外歯（３０）を外周面に有する外歯歯車（１８）とを備え、前記固定子突極に発生させた回転磁界が前記可動子を偏心揺動させることにより、前記外歯歯車から回転出力を発生する可変ギャップモータ（１０）であって、前記回転磁界による電磁力の向き（Ｑ）が前記可動子の中心から前記内歯と前記外歯との間の噛み合い領域の中心への向き（Ｐ）に対してなす第１角度（θ_１）の平均値が、９０°より大きく、かつ１８０°より小さくなるように、前記コイルへの通電を制御するように構成されたことを特徴とする。前記第１角度の平均値が、１２０°以上、かつ１６５°以下であることが好ましい。

ここで「相対回転不能かつ相対揺動可能」とは、可動子が界磁用固定子に対して周方向に沿って転動することは防止されるが、小さな角度範囲における可動子の外歯歯車の軸線に平行な軸線回りの運動は許容してもよく、回転磁界を発生させたときに、可動子が転動せず、かつ可動子の中心が円軌道を描くように可動子が変位することが可能な状態を意味する。

この構成によれば、内歯と外歯との噛み合い領域に伝達された電磁力は、周方向成分分力と径方向成分分力とに分解できるところ、周方向分力だけでなく、径方向分力も楔効果によって外歯歯車を回転させるように作用するため、出力トルクを増大させ、可変ギャップモータのエネルギー効率を高めることができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態は、上記構成において、前記可動子の偏心揺動による、前記内歯と前記外歯との噛み合いが終わる位置から前記可動子の前記中心への向き（Ｒ）が、前記可動子の前記中心から前記内歯と前記外歯との間の噛み合い領域の前記中心への向きに対してなす第２角度（θ_２）が、前記第１角度の平均値以上であることを特徴とする。前記第２角度が、前記第１角度の平均値に等しいことが好ましい。

この構成によれば、楔効果が効率的に生じるため、出力トルクを増大させ、可変ギャップモータのエネルギー効率を高めることができる。

本発明による可変ギャップモータによれば、エネルギー効率を高めることができる。

実施形態に係る可変ギャップモータを示す正面図 実施形態に係る可変ギャップモータの作動状態における変化を示す説明図 実施形態に係る可変ギャップモータにおける角度関係を示す説明図 実施形態に係る可変ギャップモータにおける、電磁力の径方向分力による楔効果を示す模式的説明図 実施形態の変形例に係る可変ギャップモータの作動状態を示す説明図 荷重と電磁力の作用方向との関係を示すグラフ

図１を参照して、本発明の実施形態に係る可変ギャップモータ１０の構造を説明する。図１は、可変ギャップモータ１０を模式的に示す正面図である。可変ギャップモータ１０はリラクタンス方式のものである。

実施形態の可変ギャップモータ１０は、アウターケース（固定部材）１２と、アウターケース１２内に固定された円環状の界磁用固定子１４と、界磁用固定子１４の内方に配置されて偏心揺動する円環状の可動子１６と、可動子１６の内方に配置されて、可動子１６の偏心揺動によって回転する外歯歯車１８と、外歯歯車１８に固定されて外歯歯車１８と同軸に回転する出力軸２０とを備える。

界磁用固定子１４には、内周より径方向内方に突出した６個の固定子突極（ティース）２２が周方向に所定の間隔をおいて形成されている。各々の固定子突極２２の根元部の外周には界磁用コイル２４が巻回されている。

可動子１６は強磁性を有する鋼板の積層体によって構成されている。可動子１６には外周より径方向外方に突出した６個の可動子突極（ティース）２６が、固定子突極２２に対向するように形成されている。固定子突極２２と可動子突極２６との間隙は、磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）を構成し、間隙の幅は界磁用固定子１４に対する可動子１６の偏心揺動によって変化する。固定子突極２２及び可動子突極２６の数は、変更してもよいが、それぞれ３個以上は必要である。

可動子１６が、界磁用固定子１４に対して相対回転不能にかつ相対揺動可能となるように、可動子１６と、アウターケース１２及び／又は界磁用固定子１４との間に連結機構２７が設けられている。連結機構２７は、周方向に沿って所定の間隔で、界磁用固定子１４の内周面及び可動子１６の外周面に互いに対向するように設けられた複数対の凹部２７ａ，２７ａと、各対の凹部に緩く受容されるアウターケース１２に固定されて軸線方向に延在する複数のピン２７ｂとから構成される。なお、「相対回転不能かつ相対揺動可能」とは、可動子１６が界磁用固定子１４に対して周方向に沿って転動することは防止されるが、可動子１６の界磁用固定子１４の中心軸と平行な軸線回りの運動は許容してもよく、回転磁界を発生させたときに、可動子１６が転動せず、かつ可動子１６上の任意の点が円軌道を描くように可動子１６が変位することが可能な状態を意味する。

可動子１６の内周面には内歯２８が形成されている。これにより、可動子１６は内接式遊星歯車装置の内歯部材を兼ねており、内接式遊星歯車装置の入力部材をなす。

外歯歯車１８は、出力軸２０を介してアウターケース１２に回転可能に支持されている。外歯歯車１８の外周には複数の外歯３０が形成されている。外歯３０は、内歯２８と同一ピッチで設けられ、外歯３０の歯数は、内歯２８の歯数より少なくとも１つ以上少ない。外歯歯車１８は、出力軸２０に対して同軸であり、かつ一体に回転する。可動子１６の中心Ｃ_２は、外歯歯車の回転中心Ｃ_１に対して軸線方向に直交する方向に偏心量Ｅだけずれており、偏心量Ｅは、内歯２８及び外歯３０の歯丈より大きい。可動子１６は、回転位相が変化しない（周方向に沿って転動しない）ように、かつ、その中心Ｃ_２が外歯歯車１８の軸線回りに偏心量Ｅを半径とする円軌道を描くように変位すること、すなわち、偏心揺動が可能である。外歯３０における、外歯歯車１８の回転中心Ｃ_１に対する可動子１６の中心Ｃ_２とは反対側の所定の範囲は、所定の範囲の内歯２８と噛合している。

可動子１６の回転位相が変化せず、かつ内歯２８と外歯３０とが噛み合っているため、可動子の偏心揺動によって外歯歯車１８が回転する。内歯２８及び外歯３０の歯形は、インボリュート歯形であるが、楔形若しくは台形、又はこれに類する先細形状の歯形に変更してもよい。

上述の構成により、界磁用固定子１４と可動子１６とが可変ギャップ方式のモータをなす。制御部３２が界磁用コイル２４への通電を制御することにより、固定子突極２２に回転磁界が発生する。回転磁界が可動子１６を偏心揺動すると、可動子１６の回転位相が変化せず、かつ内歯２８と外歯３０とが噛み合っているため、可動子１６の中心Ｃ_２が円軌道で変位することにより外歯歯車１８が回転し、出力軸２０に回転出力が発生する。

この可動子１６の偏心揺動において、界磁用固定子１４は、可動子１６の偏心揺動を阻害することなく、可動子１６から反力を受け止める反力部材をなす。外歯３０の歯数をＺａ、内歯２８の歯数をＺｂとした場合、減速比Ｇ＝Ｚａ／（Ｚａ−Ｚｂ）をもって外歯歯車１８が可動子１６の揺動回転数に対し減速回転する。外歯３０の歯数は、内歯２８の歯数より少なくとも１つ以上少ないため、回転磁界を時計回りに発生させて、可動子１６を時計回りに偏心揺動させると、外歯歯車１８及び出力軸２０は、反時計回りに回転する。

図２及び図３を参照して、制御部３２（図１参照）による界磁用コイル２４の通電の制御と、この制御によってもたらされる作用効果について説明する。なお、図２では、連結機構２７の図示を省略している。以下の説明において、６個の界磁用コイル２４を、それぞれ区別するときは、図２の各図の紙面の上部のものから時計回りに、ａ〜ｆの添え字を付して説明する。また、向きは、可動子１６の中心Ｃ_２から紙面の上方に向かう向きに対する時計回りの角度で示す。

図２（１）に示すように、可動子１６の内歯２８と外歯歯車１８の外歯３０とが、紙面の下部の一定の領域で噛み合っており（以下、「噛み合い領域」という）、可動子の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰは、１８０°である。可動子の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰが、１５０°〜２１０°のときは、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｆ，２４ａに通電し、３３０°の向きＱで電磁力を発生させる。すると、可動子１６に電磁力が作用し、外歯歯車１８は反時計回りに回転する。電磁力と外歯歯車１８の噛み合い領域からの反力により、６０°の向きの可動子突極２６が界磁用固定子１４に近接するように可動子１６が偏心揺動する。また、噛み合い領域が時計回りに変位する。可動子１６の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰと電磁力の向きＱとがなす第１角度θ_１は、１２０°〜１８０°であり、その平均値は、１５０°である。

可動子１６の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰが、２１０°になると、界磁用コイル２４ｆへの通電を停止するとともに、界磁用コイル２４ｂへの通電を開始する。すなわち、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ａ，２４ｂに通電し、電磁力の向きＱを、図２（２）に示すように３０°にする。可動子１６の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰが２７０°になるまで、界磁用コイル２４ｃ，２４ｄに通電する（図２（２）では、向きＰが２４０°の状態を示している）。この区間における、可動子１６の中心Ｃ_２から噛み合い領域の中心への向きＰと電磁力の向きＱとがなす角度関係は、図２（１）に代表される、界磁用コイル２４ｆ，２４ａに通電したときと同様である。従って、可動子１６に電磁力が作用し、外歯歯車１８は反時計回りに回転し、電磁力と外歯歯車１８の噛み合い領域からの反力によって可動子１６は１２０°の向きの可動子突極２６が界磁用固定子１４に近接するように偏心揺動し、噛み合い領域が時計回りに変位する。

以下、同様に、向きＰが２７０°〜３３０°の時は、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｂ，２４ｃに通電し、電磁力の向きＱを、図２（３）に示すように９０°にする。向きＰが３３０°〜３９０°（３０°）の時は、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｃ，２４ｄに通電し、電磁力の向きＱを、図２（４）に示すように１５０°にする。向きＰが３０°〜９０°の時は、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｄ，２４ｅに通電し、電磁力の向きＱを、図２（５）に示すように２１０°にする。向きＰが９０°〜１５０°の時は、互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｅ，２４ｆに通電し、電磁力の向きＱを、図２（６）に示すように２１０°にする。向きＰが１５０°になると、図２（１）に示すように再び互いに隣接する２つの界磁用コイル２４ｆ，２４ａに通電する。このような通電の制御を繰り返すことにより、回転磁界が発生して可動子１６の偏心揺動が継続し、それにより外歯歯車１８及び出力軸２０が回転する。

本実施形態では、電磁力の向きＱが、向きＰに対してなす第１角度θ_１の平均値を１５０°としたが、この角度の平均値は、９０°より大きく１８０°より小さい範囲で変更可能である。

電磁力は、噛み合い領域の中心から可動子１６の中心Ｃ_２に向かう向き（向きＰと同一方向であって逆向き）の径方向分力と、これに直交する向きの周方向分力とに分解できる。周方向分力だけでなく、径方向分力も、可動子１６を介して外歯歯車１８を回転させるように作用する。

図４を参照して、径方向分力が可動子１６を介して外歯歯車１８を回転させるように作用することを説明する。内歯２８及び外歯３０の歯形は、先細となっている。図２に図示したように時計回りに回転磁界を発生させ、外歯歯車１８を時計回りに回転させる場合、噛み合い領域では、内歯２８の反時計回り側の歯面と外歯３０の時計回り側の歯面とが接している。電磁力の径方向分力が可動子１６は径方向内側に吸引する。この時、内歯２８及び外歯３０の歯形は先細になっているため、内歯２８の反時計回り側の歯面が外歯３０の時計回り側の歯面を径方向内側に向かって摺動すると、内歯２８が外歯３０を反時計回りの周方向に押し出す。このような楔効果により、電磁力の径方向分力が外歯歯車１８を回転させる力として作用する。すなわち、径方向分力を作用させることによって、出力トルクが増大する。

再び図２及び図３を参照する。内歯２８と外歯３０との噛み合いが終わる位置から可動子１６の中心Ｃ_２への向きを向きＲとすると、向きＲが向きＰに対してなす第２角度θ_２は、電磁力の向きＱが向きＰに対してなす第１角度θ_１の平均値以上であることが好ましく、さらに好ましくは、向きＲが向きＰに対してなす第２角度θ_２は、電磁力の向きＱが向きＰに対してなす第１角度θ_１の平均値に等しい。すなわち、図５の如く、向きＲは、平均して向きＱに一致することになる。このような構成とすることで、外歯歯車１８を回転させるときに、周方向逆向きに向けて外歯３０を押し出すように楔効果が生じる部分を抑制し、出力トルクを増大させることができる。

図６は、上記実施形態に対応する実施例で測定した、荷重と電磁力の作用方向との関係を示すグラフである。可動子にばねをつけて回転軸をまわした状態で測定したため、歯の噛み合いにより、可動子が動きばねが変化する。横軸は、可動子を引く向きＱが向きＰに対してなす角度を示す。軸トルクから換算した歯への力の可動子１６が引っ張る力に対する倍率が高いほど、出力トルクが大きいことを示す。

従来技術では、横軸に示す角度が９０°となるように設定されていたが、この角度が９０°より大きく、１８０°より小さい範囲では、９０°の時よりも倍率が高いことが示された。また、倍率は、９０°から約１５０°の角度では概ね漸増した。約１２０°以上かつ約１６５°以下の角度で、倍率が約１．３倍以上となり、約１３５°以上かつ約１６０°以下の角度で、倍率が約１．３５倍以上となった。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０：可変ギャップ式モータ
１２：アウターケース
１４：界磁用固定子
１６：可動子
１８：外歯歯車
２０：出力軸
２２：固定子突極
２４：界磁用コイル
２６：可動子突極
２８：内歯
３０：外歯
３２：制御部
Ｃ１：外歯歯車の回転中心
Ｃ２：可動子の中心
Ｅ：偏心量
Ｐ：可動子の中心から内歯と外歯との噛み合い領域の中心への向き
Ｑ：電磁力の向き
Ｒ：内歯及び外歯の噛み合いが終わる位置から、可動子の中心への向き
θ_１：第１角度（向きＰに対する向きＱの角度）
θ_２：第２角度（向きＰに対する向きＲの角度）

Claims (4)

1. 周方向に所定の間隔で配置された、多相電流の各相の電流を通電させるコイルが巻回された複数の固定子突極を有する円環状の界磁用固定子と、
   前記界磁用固定子の径方向内方に前記界磁用固定子に対して相対回転不能にかつ相対揺動可能に配置され、対応する前記固定子突極との間に磁束が通過する磁気ギャップを画定するべく外周面に形成された複数の可動子突極及び内周面に形成された内歯を有する円環状の可動子と、
   前記可動子の径方向内方に配置され、前記内歯に噛み合い、かつ前記内歯より少ない歯数の外歯を外周面に有する外歯歯車とを備え、
   前記固定子突極に発生させた回転磁界が前記可動子を偏心揺動させることにより、前記外歯歯車から回転出力を発生する可変ギャップモータであって、
   前記回転磁界による電磁力の向きが前記可動子の中心から前記内歯と前記外歯との間の噛み合い領域の中心への向きに対してなす第１角度の平均値が、９０°より大きく、かつ１８０°より小さくなるように、前記コイルへの通電を制御するように構成されたことを特徴とする可変ギャップモータ。
2. 前記第１角度の平均値が、１２０°以上、かつ１６５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の可変ギャップモータ。
3. 前記可動子の偏心揺動による、前記内歯と前記外歯との噛み合いが終わる位置から前記可動子の前記中心への向きが、前記可動子の前記中心から前記内歯と前記外歯との間の噛み合い領域の前記中心への向き対してなす第２角度が、前記第１角度の平均値以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変ギャップモータ。
4. 前記第２角度が、前記第１角度の平均値に等しいことを特徴とする請求項３に記載の可変ギャップモータ。

Images