JP2019146389A

JP2019146389A - 磁気歯車装置

Info

Publication number: JP2019146389A
Application number: JP2018029161A
Authority: JP
Inventors: 芳永久保田; Yoshinaga Kubota
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2019-08-29

Abstract

【課題】伝達効率の高い磁気歯車装置を提供する。【解決手段】本発明の磁気歯車装置は、複数の磁極を有するインナーロータ２と、インナーロータの外周に設けられ、複数の磁極を有するアウターロータ１と、インナーロータとアウターロータとの間に設けられ、周方向に複数のポールピースを有するステータ３と、インナーロータおよびアウターロータの回転軸方向にポールピースを移動可能とするアクチュエータ４１と、アクチュエータを制御して前記ポールピースの移動を行う制御部４２と、を備えるようにした。詳しくは、インナーロータあるいはアウターロータの軸に設けられたトルクセンサ４３を備え、制御部は、トルクセンサの検出値に基づいてポールピースの移動を行うようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、磁気歯車装置に関する。

非接触に動力伝達を行う機構として、磁石の吸引反発により動力伝達を行う磁気歯車が検討されているが、機械式歯車の歯に磁石を張るなどした磁気歯車では、磁石と磁石の対向面積が小さくトルク密度が低い問題があった。近年、磁束変調型磁気歯車が提案され、高トルク密度化が実現されている。

この磁束変調型磁気歯車は、複数の磁極を有するインナーロータと複数の磁極を有するアウターロータの間に複数のポールピースを設け、ポールピースによって、磁石磁束を変調することで歯車機構として動作する（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−１１２２９８号公報

磁束変調型磁気歯車は、インナーロータとアウターロータの全ての磁石がトルク伝達に寄与するため、高いトルク密度を実現している。しかし、ポールピースを用いて磁石の記磁力を変調した際に生じる磁束密度分布には、次数・回転速度の異なる成分が存在するが、特定の成分の磁束がトルク伝達に寄与するため、磁石の過電流損失や電磁鋼板の鉄損が大きくなる問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、伝達効率の高い磁気歯車装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の磁気歯車装置は、複数の磁極を有するインナーロータと、前記インナーロータの外周に設けられ、複数の磁極を有するアウターロータと、前記インナーロータと前記アウターロータとの間に設けられ、周方向に複数のポールピースを有するステータと、前記インナーロータおよび前記アウターロータの回転軸方向に前記ポールピースを移動可能とするアクチュエータと、前記アクチュエータを制御して前記ポールピースの移動を行う制御部と、を備えるようにした。

本発明によれば、無効な磁束量を低減できるので、磁気歯車装置の伝達効率を高めることができるとともに、発熱量を低減できることから、低保持力の磁石を用いることができるため、コストを低減することができる。

実施形態の磁気歯車の軸方向断面を説明する斜視図である。磁気歯車の磁気特性を示す図である。実施形態の磁気歯車における低伝達負荷時の状態を説明する斜視図である。実施形態の磁気歯車装置の制御機構を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、詳細は後述するが、高伝達負荷時の磁気歯車Ｇの回転軸方向の断面を示す斜視図である。磁気歯車Ｇは、表面磁石型磁気歯車であり、低速ロータ（アウターロータ）１と高速ロータ（インナーロータ）２とステータ３とが、同軸状に配置されて構成されている。本実施形態の磁気歯車Ｇは、高速ロータ２を駆動歯車とし、低速ロータ１を従動歯車とした減速歯車として動作するものとして説明する。

低速ロータ１は、電磁鋼板、圧粉磁心、アモルファス金属、パーメンジュールなどの軟磁性材料が軸方向に円筒形状に形成されたロータ鉄心１２と、ロータ鉄心１２の内周に１３極対の磁石が隣り合う磁石の極の向きが交互になるように配置された永久磁石１１と、から構成されている。

高速ロータ２は、電磁鋼板、圧粉磁心、アモルファス金属、パーメンジュールなどの軟磁性材料が軸方向に円筒形状に形成されたロータ鉄心２２と、ロータ鉄心２２の外周に４極対の磁石が隣り合う磁石の極の向きが交互になるように配置された永久磁石２１と、から構成されている。

ステータ３は、低速ロータ１と高速ロータ２との間にギャップを設けて配置され、
磁性体で形成されたポールピース３１と非磁性体部３２とが周方向に交互に、１７対組み合わされて構成されている。
ポールピース３１の回転軸方向の長さは、低速ロータ１の永久磁石１１と、高速ロータ２の永久磁石２１の回転軸方向における長さに略等しくなっている。

つぎに、磁気歯車Ｇの駆動原理を、図２により説明する。
図２は、低速ロータ１とステータ３との間のギャップにおける、１回転分の周長さ方向の磁束分布を示す図である。
回転する高速ロータ２の永久磁石２１の磁束は、ステータ３により変調され、
（１）主成分（４極対、低速ロータと同じ速度）（図２の太実線）
（２）高調波成分（１３極対、減速比−４／１３）（図２の細実線）
（３）高調波成分（２１極対、減速比４／２１）（図２の細破線）
の次数・回転速度の異なる３つの主成分をもつ。

実施形態の磁気歯車Ｇの低速ロータ１には１３極対の磁石が設けられているので、低速ロータ１は、変調された高速ロータ２の上記の（２）の高調波成分の磁束にカップリングして同期回転する。その際に、低速ロータ１は、高速ロータ２から見た場合に、極対数が１３／４倍となり、速度が−４／１３となるため、磁気歯車Ｇは、３．２５の減速比の減速歯車として機能する。

この時、変調された高速ロータ２の上記の（１）の主成分と（３）の高調波成分の磁束は、低速ロータ１と同期しないため、磁石の渦電流損失や電磁鋼板の鉄損となり、磁気歯車Ｇの伝達効率の低下要因となっている。

磁気歯車におけるポールピースの回転軸方向の長さと伝達トルクの関係は、ポールピースと回転子（高速ロータ２）の回転軸方向の長さが等しいとき、伝達トルクが最大となる特性があることが知られている。つまり、ポールピースと回転子の回転軸方向の長さの差が大きくなると、伝達トルクが小さくなる。これは、ポールピースと回転子の軸方向の長さの重なりが小さくなると、変調された高速ロータ２の（２）の高調波成分の磁束が小さくなることを意味しているが、同時に、変調された高速ロータ２の（１）の主成分と（３）の高調波成分の磁束も小さくなる。つまり、ポールピースと回転子の軸方向の長さの重なりを小さくして、許容伝達トルク（磁束）を小さくすると、損失も小さくなる。

実施形態の磁気歯車Ｇでは、上記の特性に基づいて、図３に示すように、ポールピース３１を、非磁性体の引き抜きプレート３３で円周方向に連結し、アクチュエータにより引き抜きプレート３３を操作して、ポールピース３１を軸方向に引き抜く機構を設けた。これにより、ポールピース３１の軸方向における、引き抜き量を調整して、低速ロータ１の永久磁石１１および高速ロータ２の永久磁石２１の軸方向における重なり量を調整できるようにする。

一例として、図４に示す磁気歯車装置の制御機構により、磁気歯車Ｇのポールピース３１の引き抜き量を制御する。
図４では、磁気歯車Ｇを軸方向の断面図で示している。

出力軸トルクセンサ４３は、従動歯車である低速ロータ１の軸トルクを検出して負荷トルクを求める。
引き抜き量制御部４２は、出力軸トルクセンサ４３で検出した負荷トルクに基づいて、ポールピース３１の回転軸方向における引き抜き量を算出する。引き抜き量の算出方法の詳細は後述する。

アクチュエータ４１は、ポールピース３１を回転軸方向に引き抜き（押し込み）する駆動機構である。例えば、図３の引き抜きプレート３３をボールねじとモータから構成される直動式アクチュエータで駆動する。アクチュエータ４１は、引き抜き量制御部４２で算出した引き抜き（押し込み）量に応じて、モータを駆動してボールねじを回転し、引き抜きプレート３３を直線移動する。

引き抜きプレート３３の直線移動により、引き抜きプレート３３に接続しているポールピース３１は、低速ロータ１の永久磁石１１および高速ロータ２の永久磁石２１の間で、引き抜きあるいは押し込まれる。
以上により、ポールピース３１と、低速ロータ１の永久磁石１１および高速ロータ２の永久磁石２１の回転軸方向における重なり量を調整し、磁気歯車Ｇの許容伝達トルクを変える。

つぎに、引き抜き量制御部４２の制御内容を説明する。
引き抜き量制御部４２は、予め、ポールピース３１の引き抜き量と許容伝達トルク値との対応関係を制御テーブルに記憶しておく。詳しくは、制御テーブルには、ポールピース３１の引き抜き量が０の時における磁気歯車Ｇの伝達トルクから、ポールピース３１の引き抜き量が最大（永久磁石１１との重なり０）である磁気歯車Ｇの伝達トルクが０までを複数レベルに分けて対応関係を記憶する。

引き抜き量制御部４２は、制御を開始すると、まず、出力軸トルクセンサ４３で検出した負荷トルクを取得する。
そして、前記制御テーブルを参照して、検出した負荷トルクより大きな許容伝達トルク値の最小値を求め、この許容伝達トルク値に対応するポールピース３１の引き抜き量を取得する。

引き抜き量制御部４２は、取得した引き抜き量をアクチュエータ４１に設定して、ポールピース３１の引き抜きを行う。
実施形態の磁気歯車Ｇのステータ３は、回転部材でないので、低速ロータ１および高速ロータ２の回転に無関係にポールピース３１の引き抜きを行うことができる。このため、出力軸トルクセンサ４３で検出した負荷トルクの変動に応じて、ダイナミックにポールピース３１の引き抜き量を制御してもよい。

上記の本実施形態の磁気歯車Ｇでは、減速歯車として動作するものとして説明したが、磁気歯車Ｇを、低速ロータ１を駆動歯車とし、高速ロータ２を従動歯車とした増速歯車として動作させてもよい。この場合には、出力軸トルクセンサ４３は、従動歯車である高速ロータ２の軸トルクを検出して負荷トルクを求める。

実施形態の磁気歯車装置によれば、無効な磁束の発生を低減できるので、磁気歯車装置の伝達効率を高めることができる。
さらに、渦電流損失や鉄損に伴う発熱量を低減できることから、低保持力の磁石を用いることができるため、コストを低減することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

Ｇ磁気歯車
１低速ロータ（アウターロータ）
１１永久磁石
１２ロータ鉄心
２高速ロータ（インナーロータ）
２１永久磁石
２２ロータ鉄心
３ステータ
３１ポールピース
３２非磁性体部
３３引き抜きプレート
４１アクチュエータ
４２引き抜き量制御部（制御部）
４３出力軸トルクセンサ

Claims

複数の磁極を有するインナーロータと、
前記インナーロータの外周に設けられ、複数の磁極を有するアウターロータと、
前記インナーロータと前記アウターロータとの間に設けられ、周方向に複数のポールピースを有するステータと、
前記インナーロータおよび前記アウターロータの回転軸方向に前記ポールピースを移動可能とするアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御して前記ポールピースの移動を行う制御部と、
を備えることを特徴とする磁気歯車装置。
前記インナーロータあるいは前記アウターロータの軸に設けられたトルクセンサを備え、
前記制御部は、前記トルクセンサの検出値に基づいて前記ポールピースの移動を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車装置。
前記制御部は、接続する負荷の負荷状態に基づいて前記ポールピースの移動を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車装置。