JP2019183901A - Multistage magnetic gear device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁石を用いた磁気歯車の磁力により回転を減速または増速しながら伝達することができる磁気歯車装置に関し、特に複数の磁気歯車装置を接続し高い減速比を得ることができる多段式磁気歯車装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic gear device that can transmit rotation while decelerating or increasing the speed by the magnetic force of a magnetic gear using a magnet, and in particular, a multistage type that can obtain a high reduction ratio by connecting a plurality of magnetic gear devices. The present invention relates to a magnetic gear device.
磁気歯車装置の従来の構造として、例えば非特許文献1に記載されているものがある。
非特許文献1に記載された磁気歯車装置は、いずれも円筒状で複数の磁石片を有する、内周側に配置され回動可能に保持されるハイスピードロータと外周側に配置され回動可能に保持されるロースピードロータとを有し、ハイスピードロータの外周面はロースピードロータの内周面と対向し、ハイスピードロータとロースピードロータの中間位置に軟磁性体製のポールピースが配置され回動不能に保持される。
As a conventional structure of a magnetic gear device, for example, there is one described in Non-Patent Document 1.
The magnetic gear device described in Non-Patent Document 1 is cylindrical and has a plurality of magnet pieces. The high-speed rotor is disposed on the inner peripheral side and is rotatably supported. The magnetic gear device is rotatable on the outer peripheral side. The high-speed rotor has an outer peripheral surface facing the inner peripheral surface of the low-speed rotor, and a soft magnetic pole piece is placed in the middle of the high-speed rotor and the low-speed rotor. And is held unrotatable.
非特許文献1に記載された磁気歯車装置では、ハイスピードロータのバックヨークの外周面には4極対の磁石片が取り付けられ、ロースピードロータのバックヨークの内周面には22極対の磁石片が取り付けられ、26個のポールピースが環状に配置されている。
ハイスピードロータの磁石片とロースピードロータの磁石片の間を流れる磁束は中間に配置されたポールピースにより変調され、ハイスピードロータを回転させるとロースピードロータは各々の磁石片の極対数の比率により定まる減速比で回転する。
非特許文献1に記載された磁気歯車装置では減速比は5.5となり、ハイスピードロータとロースピードロータは逆方向に回転する。
In the magnetic gear device described in Non-Patent Document 1, a 4-pole pair of magnet pieces is attached to the outer peripheral surface of the high-speed rotor back yoke, and the 22-pole pair is mounted on the inner peripheral surface of the low-speed rotor back yoke. Magnet pieces are attached and 26 pole pieces are arranged in an annular shape.
The magnetic flux flowing between the magnet piece of the high-speed rotor and the magnet piece of the low-speed rotor is modulated by the pole piece arranged in the middle, and when the high-speed rotor is rotated, the low-speed rotor is the ratio of the number of pole pairs of each magnet piece Rotates at a reduction ratio determined by
In the magnetic gear device described in Non-Patent Document 1, the reduction ratio is 5.5, and the high-speed rotor and the low-speed rotor rotate in opposite directions.
このような構造の磁気歯車装置は非接触で回転を伝達することができるので、変速動作に伴う騒音が発生せず潤滑の必要もないという優れた特性を有する。 Since the magnetic gear device having such a structure can transmit rotation without contact, it has an excellent characteristic that no noise is generated due to a speed change operation and no lubrication is required.
この構造の磁気歯車装置の減速比はハイスピードロータとロースピードロータの各々の磁石片の極対数の比率により定まるので、減速比を大きくするにはハイスピードロータの極対数を少なくするかロースピードロータの極対数を多くすればよい。
しかし、当然ではあるがハイスピードロータの極対数を1より小さくする事は出来ず、さらにはコギングの回避等の要件からハイスピードロータの極対数は小さくしても3が一般的である。また、ロースピードロータの極対数を多くすると個々の磁石の円周方向の長さが小さくなるため、上限はロースピードロータの径に依存するが、無制限に極対数を多くする事は出来ない。このような状況から実際の磁気歯車装置の減速比は10程度が上限となることが多い。
Since the reduction ratio of the magnetic gear device of this structure is determined by the ratio of the number of pole pairs of the magnet pieces of the high-speed rotor and the low-speed rotor, to increase the reduction ratio, the number of pole pairs of the high-speed rotor can be reduced or the speed can be reduced. What is necessary is just to increase the number of pole pairs of the rotor.
However, as a matter of course, the number of pole pairs of the high-speed rotor cannot be made smaller than 1, and further, 3 is generally used even if the number of pole pairs of the high-speed rotor is reduced due to requirements such as avoiding cogging. Further, when the number of pole pairs of the low speed rotor is increased, the length of each magnet in the circumferential direction is reduced. Therefore, the upper limit depends on the diameter of the low speed rotor, but the number of pole pairs cannot be increased without limitation. Under such circumstances, the actual reduction ratio of the magnetic gear device is often about 10 as an upper limit.
磁気歯車装置でより大きな減速比を得るには、複数の磁気歯車装置を連結して使う方法が考えられ、特許文献1には筒状に形成された複数の磁気歯車が回転軸の径方向に重なり合う構造の2段式磁気歯車装置が示されている。 In order to obtain a larger reduction ratio with a magnetic gear device, a method of connecting and using a plurality of magnetic gear devices is conceivable. In Patent Document 1, a plurality of magnetic gears formed in a cylindrical shape are arranged in the radial direction of the rotating shaft. A two-stage magnetic gear device having an overlapping structure is shown.
特許文献1に示されている2段式磁気歯車装置901は、図8に示すように、回動可能に保持された第1の回転軸903に第1内側筒931を介して取り付けられた複数の第1磁石片932と、回動可能に保持された複数の第2磁石片942と、固定された複数の第1磁性歯部908よりなる1段目の磁気歯車装置、および回動可能に保持された第2の回転軸904に取り付けられた複数の第2磁性歯部909と、回動可能に保持された複数の第3磁石片943と、固定された複数の第4磁石片952よりなる2段目の磁気歯車装置よりなる。
As shown in FIG. 8, a two-stage
この2段式磁気歯車装置901を増速機として動作させる場合、2段目の磁気歯車装置では第2の回転軸904に取り付けられた第2磁性歯部909が入力側となり第3磁石片943が増速回転した出力側となる。また、1段目の磁気歯車装置では第2磁石片942が入力側となり第1の回転軸903に取り付けられた第1磁石片932が増速回転した出力側となる。
第2磁石片942と第3磁石片943は第2内側筒941の内周部と外周部にそれぞれ取り付けられているので、2段目の磁気歯車装置の出力と1段目の磁気歯車装置の入力が第2内側筒941で接続され、2段式磁気歯車装置として動作する。
When this two-stage
Since the
特許文献1に示されている多段式磁気歯車装置901を増速機として動作させる場合、図示しない電動機等により第2の回転軸904が駆動されると、第2の回転軸904に取り付けられた2段目の磁気歯車装置の第2磁性歯部909も回転し、空間高調波磁気ギアの動作原理により第3磁石片943が増速回転する。第3磁石片943と1段目の磁気歯車装置の第2磁石片942はどちらも第2内側筒941に取り付けられているので、第3磁石片943が増速回転すると第2磁石片942も増速回転し、空間高調波磁気ギアの動作原理により1段目の磁気歯車装置の第1磁石片932はさらに増速して回転する。
When the multistage
特許文献1に示されている2段式磁気歯車装置901は、1段目の磁気歯車装置と2段目の磁気歯車装置の各々の磁石片及び磁性歯部が第1の回転軸903の径方向に重なり合う構造である。そのため、第1の回転軸903の軸方向に大型化することなく、大きな増速比の多段式磁気歯車装置を構成することができる。
In the two-stage
ところで、特許文献1に示されている2段式磁気歯車装置では第1の回転軸903が最も高速で回転するが、複数の第1磁石片932は第1内側筒931を介して第1の回転軸903の外周に取り付けられており、第1内側筒931と第1磁石片932は、第1磁石片932の磁力および必要に応じて使用する接着剤の接着力により固定される。
By the way, in the two-stage magnetic gear device shown in Patent Document 1, the first
一般的に知られているように回転体に生じる遠心力は回転速度の2乗に比例する。このため特許文献1に示されている多段式磁気歯車装置を増速機として使用する場合、増速され高速で回転する第1の回転軸903の外周に取り付けられた第1磁石片932には非常に大きな遠心力が働き、最悪の場合には第1磁石片932が第1の回転軸903から引き剥がされ破損する虞があるという課題が有った。
As is generally known, the centrifugal force generated in the rotating body is proportional to the square of the rotational speed. Therefore, when the multistage magnetic gear device disclosed in Patent Document 1 is used as a speed increaser, the
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、大きな変速比が実現できる多段式磁気歯車装置において、回転軸を高速で回転させた場合でも破損する虞のない多段式磁気歯車装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a multi-stage magnetic gear device capable of realizing a large gear ratio, it is possible to provide a multi-stage magnetic gear device that is not likely to be damaged even when a rotary shaft is rotated at a high speed. With the goal.
本発明の多段式磁気歯車装置における請求項1に係る発明は、略円柱状の第1内側磁気歯車と、前記第1内側磁気歯車の外周に対向する様に配置される略円筒状の第1外側磁気歯車と、複数の磁極が均等な間隔で円周上に配列された第1磁極群が前記第1内側磁気歯車と前記第1外側磁気歯車の間に配置された第1磁気歯車装置と、
前記第1外側磁気歯車の外周に配置される略円筒状の第2内側磁気歯車と、前記第2内側磁気歯車の外周に対向する様に配置される略円筒状の第2外側磁気歯車と、複数の磁極が均等な間隔で円周上に配列された第2磁極群が前記第2内側磁気歯車と前記第2外側磁気歯車の間に配置された第2磁気歯車装置を有し、
前記第1外側磁気歯車と前記第2内側磁気歯車が連結された多段式磁気歯車装置において、
多段式磁気歯車装置が回転駆動されたときに前記第1内側磁気歯車が最も高速に回転する構成であり、前記第1内側磁気歯車は、複数の磁石収容孔を有する軟磁性体製のロータコアと、前記永久磁石収容孔に収容された複数の永久磁石と、を有するIPM型磁気歯車であることを特徴とする。
The invention according to claim 1 of the multistage magnetic gear device of the present invention is a substantially cylindrical first inner magnetic gear and a substantially cylindrical first arranged so as to face the outer periphery of the first inner magnetic gear. An outer magnetic gear, and a first magnetic gear device in which a first magnetic pole group in which a plurality of magnetic poles are arranged on the circumference at equal intervals is disposed between the first inner magnetic gear and the first outer magnetic gear. ,
A substantially cylindrical second inner magnetic gear disposed on the outer periphery of the first outer magnetic gear; a substantially cylindrical second outer magnetic gear disposed to face the outer periphery of the second inner magnetic gear; A second magnetic gear device in which a second magnetic pole group in which a plurality of magnetic poles are arranged on the circumference at equal intervals is disposed between the second inner magnetic gear and the second outer magnetic gear;
In the multistage magnetic gear device in which the first outer magnetic gear and the second inner magnetic gear are connected,
When the multistage magnetic gear device is driven to rotate, the first inner magnetic gear rotates at the highest speed, and the first inner magnetic gear includes a rotor core made of a soft magnetic material having a plurality of magnet receiving holes, and And an IPM type magnetic gear having a plurality of permanent magnets housed in the permanent magnet housing holes.
多段式磁気歯車装置は大きな変速比を得たい場合に用いられるので、特に増速機として使用する場合は、入力される回転に対し大きく増速された回転が出力される。従って、最も高速で回転する磁気歯車は高い回転数で駆動されることになる。 Since the multi-stage magnetic gear device is used when it is desired to obtain a large gear ratio, especially when it is used as a speed increaser, a rotation greatly increased with respect to the input rotation is output. Therefore, the magnetic gear rotating at the highest speed is driven at a high rotational speed.
一般的にSPM型の磁気歯車では、磁石は磁石自身の磁力による吸着力と接着剤の接着力によりバックヨークに固定されるが、引き剥がし方向の強い力が働くと磁石がヨークから外れる可能性がある。
磁気ギアに組み込まれた磁石を引き剥がす方向に掛かる力のひとつに磁気歯車の回転による遠心力があるが、回転物に掛かる遠心力は回転速度の二乗に比例するため、多段式磁気歯車装置のように変速比の大きな磁気歯車の高速軸では変速比の二乗に比例した大きな遠心力が磁石にかかり、磁石がヨークから外れる等の不具合が生じる虞がある。
In general, in the SPM type magnetic gear, the magnet is fixed to the back yoke by the attractive force of the magnet itself and the adhesive force of the adhesive. However, if a strong force in the peeling direction acts, the magnet may come off the yoke There is.
Centrifugal force due to the rotation of the magnetic gear is one of the forces applied in the direction of peeling off the magnet incorporated in the magnetic gear, but the centrifugal force applied to the rotating object is proportional to the square of the rotational speed. Thus, in the high-speed shaft of a magnetic gear having a large gear ratio, a large centrifugal force proportional to the square of the gear ratio is applied to the magnet, and there is a risk that problems such as the magnet coming off the yoke may occur.
本発明による多段式磁気歯車装置では高速軸である第1内側磁気歯車を、永久磁石がロータコアの磁石収容孔に収容され収容孔に保持されるIPM構造としたので、最高速回転軸である第1内側磁気歯車が高速で回転しても遠心力で磁石が外方に飛び出す虞のない多段式磁気歯車装置を提供することが可能となる。 In the multistage magnetic gear device according to the present invention, the first inner magnetic gear that is the high-speed shaft has an IPM structure in which the permanent magnet is housed in the magnet housing hole of the rotor core and held in the housing hole. 1 It is possible to provide a multi-stage magnetic gear device in which there is no possibility that the magnet will jump out by centrifugal force even when the inner magnetic gear rotates at high speed.
また、本発明の請求項2に係る発明では、前記ロータコアは回転軸を保持する中央孔を有し、隣接する2つの前記磁石収容孔の対向する端面で構成される扇状領域の前記中央孔近傍部に、開口が前記中央孔に露出する切り欠き部を有することを特徴とする。 Moreover, in the invention which concerns on Claim 2 of this invention, the said rotor core has a center hole holding a rotating shaft, The said center hole vicinity of the fan-shaped area | region comprised by the opposing end surface of two adjacent said magnet accommodation holes The opening has a notch that exposes the central hole.
本発明による多段式磁気歯車装置ではロータコアの扇状領域の中央孔近傍部に開口が中央孔に露出する切り欠き部を設けたので、磁気ギア動作には利用されない扇状領域の内周側端面に向かう磁束が減少し、磁気ギア動作に有効に機能する扇状領域の外周側端面に流れ出す磁束が増加するので、磁気ギア動作の効率をより高めることができる。
これにより、高速回転させても破損する虞がなく動作効率がより高められた多段式磁気歯車装置を提供することができる。
In the multi-stage magnetic gear device according to the present invention, the notch portion where the opening is exposed to the central hole is provided in the vicinity of the central hole of the fan-shaped region of the rotor core. Since the magnetic flux decreases and the magnetic flux flowing out to the outer peripheral side end face of the fan-shaped region that effectively functions in the magnetic gear operation increases, the efficiency of the magnetic gear operation can be further increased.
As a result, it is possible to provide a multistage magnetic gear device that has no fear of being damaged even when rotated at a high speed and has improved operating efficiency.
以上により、本発明によれば回転軸を高速で回転させた場合でも回転軸が破損する虞のない多段式磁気歯車装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a multi-stage magnetic gear device in which there is no possibility that the rotating shaft is damaged even when the rotating shaft is rotated at a high speed.
本発明に係る多段式磁気歯車装置の実施の形態を、図1,図2,図4および図5を参照に、詳細に説明する。なお、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100では接続される磁気歯車装置の段数が2段の場合を記述する。
図1は本発明の実施の形態の多段式磁気歯車装置を示す外観図で(a)は正面図、(b)は側面図である。
図2は本実施の形態の多段式磁気歯車装置の全体構成を示す分解斜視図である。
図4は本実施の形態の多段式磁気歯車装置のうちの接続ロータの構成を示す斜視図で、(a)は外観斜視図、(b)は分解斜視図である。
図5は本実施の形態の多段式磁気歯車装置のうちの第1内側磁気歯車の構成を示す斜視図で、(a)は外観斜視図、(b)は分解斜視図である。
An embodiment of a multistage magnetic gear device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1, 2, 4 and 5. FIG. In the multi-stage
1A and 1B are external views showing a multistage magnetic gear device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a front view, and FIG.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the overall configuration of the multistage magnetic gear device of the present embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the connecting rotor in the multistage magnetic gear device of the present embodiment, where (a) is an external perspective view and (b) is an exploded perspective view.
FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the first inner magnetic gear in the multistage magnetic gear device of the present embodiment, where (a) is an external perspective view and (b) is an exploded perspective view.
図1に示すように、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100の外観は略円柱状で両端面に回転する軸を有し、一方の軸を回転駆動すると他方の軸が変速回転する。図1に示す多段式磁気歯車装置100では、一方の端面に突出する第1回転軸11を回転駆動すると、他方の端面に突出する第2回転軸93が減速回転し、減速比に応じた大きなトルクが得られる。また、他方の端面に突出する第2回転軸93を回転駆動すると一方の端面に突出する第1回転軸11が、トルクは減少するが増速されて回転する。
As shown in FIG. 1, the appearance of the multistage
本実施の形態での多段式磁気歯車装置100では、第2回転軸93が回転駆動され、第1回転軸11が増速回転する増速機として使用する場合を例に説明する。
In the multistage
〔多段式磁気歯車装置の構成部材〕
つぎに、図2を参照に、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100の構成部材を説明する。図2は多段式磁気歯車装置100を軸方向に分解した状態の斜視図で、理解を容易とするため、各構成部品の全周の1/4周部分を切り取った状態で記載している。
[Components of multi-stage magnetic gear unit]
Next, components of the multistage
本実施の形態による多段式磁気歯車装置100は、外部より回転駆動される入力段の第2磁気歯車装置90と、第2磁気歯車装置90に接続された出力段の第1磁気歯車装置40の2段の磁気歯車装置により構成される。
The multistage
入力段の第2磁気歯車装置90は第2外側磁気歯車80,第2磁極体群70と第2内側磁気歯車60などより構成される。
The second
第2外側磁気歯車80は軟磁性体よりなる略円筒状の外側バックヨーク82の内周に、隣接する磁石片が互いに異極となるように複数の第2外側磁石片81が円周方向に等間隔に配置されている。
略円筒状の外側バックヨーク82の一方端には、略円板状の回転板92が取り付けられ、回転板92の中央部は一方に突出し第2回転軸93となっている。これにより第2外側磁気歯車80と第2回転軸93は一体となって回転する。また、第2回転軸93の他方側の根元部には軸受けが組み込まれる。
The second outer
A substantially disc-shaped rotating
第2磁極体群70は非磁性体よりなる略円筒状の第2磁極ホルダ72に軟磁性体よりなる複数個の第2磁極片71が円周方向に等間隔で埋め込まれている。
In the second
第2内側磁気歯車60は、図4に示すように、軟磁性体よりなる略円筒状の接続ヨーク51の外周に、隣接する磁石片が互いに異極となるように複数の第2内側磁石片61が円周方向に等間隔に配置されている。
As shown in FIG. 4, the second inner
出力段の第1磁気歯車装置40は第1外側磁気歯車30,第1磁極体群20と第1内側磁気歯車10などより構成される。
The first
第1外側磁気歯車30は、図4に示すように、軟磁性体よりなる略円筒状の接続ヨーク51の内周に、隣接する磁石片が互いに異極となるように複数の第1外側磁石片31が円周方向に等間隔に配置されている。なお、接続ヨーク51は前記の第2内側磁気歯車60と共用している。
As shown in FIG. 4, the first outer
第1磁極群20は非磁性体よりなる有底略円筒状の第1磁極ホルダ22に、ケイ素鋼板等の軟磁性体板材を積層して製作された複数個の第1磁極片21が円周方向に等間隔で埋め込まれている。第1磁極ホルダ22の底部中央には支持軸22aが外方に突出するように設けられている。
なお、本実施例では第1磁極片21は板材を積層した例を示しているが一体の軟磁性材料で製作しても良い。
The first
In the present embodiment, the first
第1内側磁気歯車10は、図5に示すように、ケイ素鋼板等の軟磁性体板材を積層して製作された略円板状のロータコア12と複数の第1内側磁石片13などよりなる。
ロータコア12は略中央に中央孔12aと、中央孔12aを中心として放射状に複数の略長方形の磁石収容孔12bが等角度間隔で設けられている。
複数の磁石収容孔12bには複数の第1内側磁石片(永久磁石)13が、隣接する磁石片の対向する面が同極となるようにそれぞれ収容され、中央孔12aには第1回転軸11が回動不能に保持される。
なお、本実施例ではロータコア12は板材を積層した例を示しているが一体の軟磁性材料で製作しても良い。
As shown in FIG. 5, the first inner
The
A plurality of first inner magnet pieces (permanent magnets) 13 are housed in the plurality of
In this embodiment, the
略円板状の固定板91は軸受けが組み込まれた中央孔を有し、第1内側磁気歯車10の第1回転軸11を回動可能に保持する。
The substantially disk-shaped
なお、接続ヨーク51に第2内側磁石片61および第1外側磁石片31を取付けた組み立て品を接続ロータ50と呼ぶ事とする。接続ロータ50は第1外側磁気歯車30と第2内側磁気歯車60を接続ヨーク51により一体としたものである。
Note that an assembly in which the second
〔多段式磁気歯車装置の組み立て構造〕
次に、図3を参照に、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100の各構成品の組み立て構造を説明する。図3(a)は図1(a)のA−A線に沿う多段式磁気歯車装置100の組み立て構造を示す断面図で、図3(b)は図1(b)のB−B線に沿う多段式磁気歯車装置100の組み立て構造を示す断面図である。
[Assembly structure of multi-stage magnetic gear unit]
Next, with reference to FIG. 3, the assembly structure of each component of the multistage
本実施の形態による多段式磁気歯車装置100では増速動作時に出力軸となる第1回転軸11側の固定板91を図示しない保持部材に固定して使用することを想定している。このため、以下の説明では固定板91を組み立て構造の土台として説明を進める。
In the multistage
図3(a)に示すように、固定板91には第1内側磁気歯車10の第1回転軸11が軸受けを介して回動可能に取り付けられる。また固定板91には第1磁極群20および第2磁極群70が第1内側磁気歯車10と同軸に回動不能に取り付けられる。
As shown to Fig.3 (a), the 1st
第1磁極群20の第1磁極ホルダ22の外周部には接続ロータベアリング52,53を介して、接続ロータ50が保持される。これにより、接続ロータ50は第1磁極群20と第2磁極群70との中間位置で回動自在に保持される。
A
また、固定板91に回動不能に取付けられた第1磁極群20の第1磁極ホルダ22の支持軸22aには、軸受けを介して第2外側磁気歯車80に取付けられた回転板92が回動自在に保持され、これにより第2外側磁気歯車80は第2磁極群70の外側で回動自在となる。
Further, a rotating
このとき、図3(a)に示すように、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30,第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80の各々の磁石片または磁極片の軸方向の中央位置は略同一となる様に配置される。
At this time, as shown in FIG. 3A, the first inner
上記の如く組み立てられると、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100は、図3(b)に示す様に、第1回転軸11の軸心から径方向外側に向け、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30,第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80が同心円状に整列する配置となる。
When assembled as described above, the multistage
上記のうち、第1磁極群20と第2磁極群70は固定板91に固定されており、第1内側磁気歯車10と第2外側磁気歯車80は回動自在に保持され、第1外側磁気歯車30と第2内側磁気歯車60が一体化された接続ロータ50も回動自在に保持されている。
第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80は一式で空間高調波磁気ギアとして動作する第2磁気歯車装置90となり、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30は一式で空間高調波磁気ギアとして動作する第1磁気歯車装置40となる。
第1外側磁気歯車30と第2内側磁気歯車60は接続ロータ50にて一体化されているので、第2磁気歯車装置90と第1磁気歯車装置40は直列に接続され多段式磁気歯車装置100となる。
Among the above, the first
The second inner
Since the first outer
従って、第2回転軸93が図示しない外部駆動機構等により回転駆動されると、第2磁気歯車装置90の第2外側磁気歯車80が入力された回転数で回転し、空間高調波磁気ギアの動作原理により第2内側磁気歯車60が増速回転する。
第2内側磁気歯車60と第1外側磁気歯車30は接続ロータ50により一体化されているので、第2内側磁気歯車60が増速回転すると第1外側磁気歯車30も同じ速度で回転する。
Therefore, when the second
Since the second inner
第1磁気歯車装置40の第1外側磁気歯車30が回転すると空間高調波磁気ギアの動作原理により第1内側磁気歯車10はさらに増速回転し、第1内側磁気歯車10に固定された第1回転軸11もさらに増速された速度で回転する。
これらにより多段式磁気歯車装置100では、第2回転軸93に入力された回転は第2磁気歯車装置90および第1磁気歯車装置40により2段に増速された回転が第1回転軸11から出力される。
When the first outer
As a result, in the multistage
本実施の形態では、入力段の第2磁気歯車装置90の第2内側磁気歯車60には3極対の第2内側磁石片61が組み込まれ、第2外側磁気歯車80には10極対の第2外側磁極片81が組み込まれ、第2磁極群70には13個の第2磁極片71が組み込まれ、磁気ギアとして動作する条件を満足している。これにより第2磁気歯車装置90はギア比が10/3=3.333の磁気歯車装置として動作する。
また、出力段の第1磁気歯車装置40の第1内側磁気歯車10には3極対の第1内側磁極片13が組み込まれ、第1外側磁気歯車30には16極対の第1外側磁石片31が組み込まれ、第1磁極群20には19個の第1磁極片21が組み込まれ、磁気ギアとして動作する条件を満足している。これにより第1磁気歯車装置40はギア比が16/3=5.333の磁気歯車装置として動作する。
従って、多段式磁気歯車装置100のギア比は
(10/3)×(16/3)=17.777
となる。
In the present embodiment, the second inner
The first inner
Therefore, the gear ratio of the multistage
It becomes.
従って本実施の形態における多段式磁気歯車装置100では、第2回転軸93を例えば毎秒5回転すなわち300RPMの中程度の速度で回転させた場合でも、第1回転軸11は5000RPM以上の高速度で回転する。
Therefore, in the multistage
ところで、遠心力は回転速度の二乗に比例するのであるから、第1回転軸11および第1回転軸11を含む第1内側磁気歯車10は2段増速の前と比較して、(17.777)×(17.777)≒316倍の遠心力を受けることとなる。このため、第1内側磁気歯車10の第1内側磁石片13には強い遠心力がかかり、第1内側磁石片13はロータコア12から引き剥がされる方向の力を受ける。
By the way, since the centrifugal force is proportional to the square of the rotation speed, the first inner
本実施の形態による多段式磁気歯車装置100では、最も高速で回転する第1内側磁気歯車10の複数の第1内側磁石片(永久磁石)13を、ロータコア12に設けた複数の略長方形の磁石収容孔12bに収容するIPM構造とした。
これにより第1内側磁石片13にかかる遠心力は磁石収容孔12bの外周側の内壁で受けられるので、第1内側磁石片13がロータコア12から引き剥がされる虞が少ない多段式磁気歯車装置を提供できる。
In the multistage
Accordingly, since the centrifugal force applied to the first
またIPM構造では、第1内側磁石片13は磁石収容孔12bに収容されており、磁石収容孔12bと第1内側磁石片13の隙間に接着剤を充填することにより、第1内側磁石片13は第1内側磁石片13自身の磁力により磁石収容孔12bに吸着保持されると共に、磁石収容孔12bと第1内側磁石片13の隙間の接着剤により固定される。
In the IPM structure, the first
一般的なSPM構造の磁気歯車では磁石をロータに接着する時、磁石とロータの接触面に接着剤を塗布するが、磁石の磁力により磁石とロータの接触面に塗布した接着剤はほとんどが押し出され、磁石とロータの接触面にはわずかな接着剤しか残らず、磁石の周囲に残った接着剤により保持されていることが多い。 In a general SPM structure magnetic gear, an adhesive is applied to the contact surface between the magnet and the rotor when the magnet is bonded to the rotor, but most of the adhesive applied to the contact surface between the magnet and the rotor is pushed out by the magnetic force of the magnet. In many cases, only a slight amount of adhesive remains on the contact surface between the magnet and the rotor and is held by the adhesive remaining around the magnet.
本実施例の第1内側磁気歯車10では第1内側磁石片13は磁石収容孔12bに収容しているが、必然的に磁石収容孔12bの内寸は第1内側磁石片13の外寸よりわずかに大きくなる。したがって第1内側磁石片13の磁力により断面長方形状の第1内側磁石片13の一方の面が磁石収容孔12bの一方の面と吸着すると、第1内側磁石片13の他方の面と磁石収容孔12bの他方の面の間には隙間ができるので、第1内側磁石片13の他方の面と磁石収容孔12bの他方の面の間の隙間に適当量の接着剤を充填することができ、高い接着力を得ることができる。
In the first inner
以上により、このためIPM構造とした本実施例の第1内側磁気歯車10では、磁石収容孔12bに収容した第1内側磁石片13を接着剤により強固に保持することが可能であるため、第1内側磁気歯車10が2段の磁気歯車装置により高速に増速されても第1内側磁石片13がロータコア12から引き剥がされる虞がより少ない多段式磁気歯車装置を提供できる。
As described above, in the first inner
〔欠き部の効用〕
次に、図6を参照に、本実施の形態による多段式磁気歯車装置100のロータコア12に設けた切り欠き部12cによる動作効率の改善効果を記述する。
図6(a)は本実施の形態とは異なり、ロータコアに切り欠きを設けない場合のロータコア中を流れる磁束の状況を模式的に示す部分詳細図で、(b)は本実施の形態によるロータコアに切り欠きを設けた場合のロータコア中を流れる磁束の状況を模式的に示す部分詳細図である。
[Effect of missing part]
Next, with reference to FIG. 6, the improvement effect of the operation efficiency by the
FIG. 6A is a partial detailed view schematically showing the state of magnetic flux flowing in the rotor core when the rotor core is not provided with a notch, unlike FIG. 6, and FIG. 6B is a rotor core according to this embodiment. FIG. 5 is a partial detail view schematically showing the state of magnetic flux flowing in the rotor core when a notch is provided in FIG.
IPM構造のロータでは、隣接する2つの磁石収容孔に収容された2つの磁石の対向する面は同極となり、例えば対向する面がN極の場合、図6(a)に示すように、2つの第1内側磁石片13のそれぞれのN極からの磁束は、本実施の形態とは異なる切り欠きを設けないロータコア12xの、2つの磁石片に挟まれた扇状領域を通過し扇状領域の外周側端面および内周側端面に流れ出す。このうち扇状領域の外周側端面に流れ出す磁束Faはロータコア12xの外周側にある第1磁極群20(図3参照)に流れ込むため磁気ギア動作に有効に機能するが、扇状領域の内周側端面に流れ出した磁束Fbは中央孔12aを通過して第1内側磁石片13のS極側に戻るだけで、磁気ギア動作に有効には機能しない。
In the rotor of the IPM structure, the facing surfaces of two magnets housed in two adjacent magnet housing holes have the same polarity. For example, when the facing surfaces are N poles, as shown in FIG. The magnetic flux from the N poles of each of the first
これに対し、本発明による多段式磁気歯車装置100では、図6(b)および図5(b)に示すように、ロータコア12の2つの第1内側磁石片13に挟まれた扇状領域の中央孔12a近傍部に、開口が中央孔12aに露出する切り欠き部12cを設けた。これにより扇状領域の内周側端面を通過する磁路は空気中を通過する距離が増大し磁気抵抗が大きくなる。
On the other hand, in the multistage
このため、例えば2つの第1内側磁石片13の対向する面がN極の場合、2つの第1内側磁石片13のそれぞれのN極からの磁束のうち、扇状領域を通過し扇状領域の内周側端面に流れ出す磁束Fbは減少し、磁気ギア動作に有効に機能する扇状領域の外周側端面に流れ出す磁束Faが増加するので、磁気ギア動作の効率をより高めることができる。
これにより、ロータコアに切り欠きを設けた多段式磁気歯車装置100では、高速回転させても破損する虞がなく動作効率がより高められた多段式磁気歯車装置を提供することができる。
For this reason, for example, when the opposing surfaces of the two first
Thereby, in the multistage
〔接続ロータの保持構造〕
本発明による多段式磁気歯車装置100では、第2磁気歯車装置90と第1磁気歯車装置40の2段の磁気歯車装置が、第2内側磁気歯車60と第1外側磁気歯車30が一体となった接続ロータ50により接続されている。
このように第2内側磁気歯車60と第1外側磁気歯車30を一体とした構造の場合、第2内側磁気歯車60および第1外側磁気歯車30の回転、すなわち接続ロータ50の回転は多段式磁気歯車装置100の外部に取り出す必要がない。
[Connection rotor holding structure]
In the multi-stage
Thus, in the case of the structure in which the second inner
本実施例による多段式磁気歯車装置100では、図3(a)に示すように、外部からの回転入力軸である第2回転軸93および回転出力軸である第1回転軸11は回転軸の軸芯付近で軸受けによりそれぞれ支持軸22a及び固定板91に回転可能に保持される構成とし軸の回転を外部に取り出せる構成とした。これに対し、接続ロータ50は回転を多段式磁気歯車装置100の外部には取り出すことはできないが、内周部を第1磁極群20の第1磁極ホルダ22の外周部に設けた接続ロータベアリング52,53で回転可能に保持され、回転軸方向には部品がはみ出さない構造とした。
In the multistage
これにより、多段式磁気歯車装置100では磁気歯車を2段に接続したにも係わらず、外部からの回転の入出力である第1回転軸11および第2回転軸93を保持する軸受けが回転軸芯付近に必要数配置されるのみで、多段式磁気歯車装置100の軸方向の長さが増加することが無いので、回転軸方向に小型で高速回転させても破損する虞がない多段式磁気歯車装置を提供することができる。
Thus, in the multistage
なお、接続ロータ50では第2内側磁気歯車60に発生した回転は接続ヨーク51を介して第1外側磁気歯車30に直接伝達されるため、理想的には接続ロータベアリング52,53にはラジアル方向の力は生じない。また、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30,第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80の各々の磁石片または磁極片の軸方向の中央位置は略同一となる様に配置されているので、理想的には接続ロータベアリング52,53にはスラスト方向の力も生じない。このため接続ロータベアリング52,53を定格荷重がごく小さな軸受けとすることが可能で、多段式磁気歯車装置100の体格を小さくすることができる。
In the
〔3段式磁気歯車装置の組み立て構造〕
次に、図7を参照に、磁気歯車装置を3段接続した多段式磁気歯車装置200の組み立て構造を説明する。図7は多段式磁気歯車装置200の図1(a)のA−A線に相当する位置の断面図で、(a)は構造を説明するため回転軸方向にブロック単位でずらした状態の断面図、(b)は組み立て状態の断面図である。
[Assembly structure of three-stage magnetic gear unit]
Next, an assembly structure of a multistage
3段接続の多段式磁気歯車装置200では固定板191,回転板192を2段接続の多段式磁気歯車装置100の場合より大径化する。大径化した回転板192の最外周部には大径の第3外側磁気歯車130を設け、大径化した固定板191の外周付近には大径の第3磁極群120を設ける。これにより固定板191には、図7(a)に示す様に、内周側から順に第1磁極群20,第2磁極群70および第3磁極群120が同心円状に固定される。
In the multi-stage
2段接続の多段式磁気歯車装置100に組みこまれていた接続ロータ50は、2段接続の多段式磁気歯車装置100の場合と同様に、第1磁極群20と第2磁極群70の間に回動自在に保持される。また新規に設けた第3磁極群120と第2磁極群70の間には、図7(a)に示す様に、接続ロータ50よりも大径で、第2外側磁気歯車80と第3内側磁気歯車110が取り付けられた第2接続ロータ150を設ける。
The connecting
以上により、多段式磁気歯車装置200では、図7(b)に示す様に、第1回転軸11より外方に、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30,第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80,第3内側磁気歯車110,第3磁極群120,第3外側磁気歯車130が同心円状に隣接して並ぶ。
As described above, in the multistage
第3内側磁気歯車110,第3磁極群120,第3外側磁気歯車130は一式で入力段の磁気歯車装置として動作し、第2内側磁気歯車60,第2磁極群70,第2外側磁気歯車80は一式で中間の磁気歯車装置、第1内側磁気歯車10,第1磁極群20,第1外側磁気歯車30は一式で出力段の磁気歯車装置として、それぞれ動作する。
また第1外側磁気歯車30と第2内側磁気歯車60は接続ロータ50により一体化されており、第2外側磁気歯車80と第3内側磁気歯車110は第2接続ロータ150により一体化されているので、多段式磁気歯車装置200は3段接続の多段式磁気歯車装置として動作する。
The third inner
The first outer
このとき、入出力軸である第2回転軸193,第1回転軸11の保持構造および軸径等は2段接続の多段式磁気歯車装置100の場合と同一構造,同一寸法とすることができ、
変更する必要がないので、多段式磁気歯車装置の3段化が容易にできる。
At this time, the holding structure and shaft diameter of the second
Since there is no need to change, the multi-stage magnetic gear device can be easily made into three stages.
また上記の多段化構成では、固定板191および回転板192を充分に大径化し、固定板191に必要数の磁極群を追加して取り付け、追加した磁極群の数に対応した接続ロータを追加した磁極群に回動可能に保持させることにより、入出力軸である第2回転軸,第1回転軸の保持構造,寸法等を変更せずに希望の段数に多段化できるという特徴を有する。
Further, in the multi-stage configuration described above, the fixed
このように、本実施例による多段式磁気歯車装置では、接続する2つの磁気歯車装置の隣接する磁気歯車を一体化し、一体化した磁気歯車が磁気歯車装置を構成する固定された磁極群に回動可能に保持される構成としたので、回転軸方向の長さおよび取り付け寸法が同一のまま,最大外径だけを大きくすることにより種々の段数の多段式磁気歯車装置を提供することが可能となる。 As described above, in the multistage magnetic gear device according to the present embodiment, adjacent magnetic gears of two magnetic gear devices to be connected are integrated, and the integrated magnetic gear is rotated to a fixed magnetic pole group constituting the magnetic gear device. Since it is configured to be movable, it is possible to provide a multi-stage magnetic gear device with various stages by increasing only the maximum outer diameter while maintaining the same length and mounting dimensions in the rotation axis direction. Become.
なお、以上の説明では多段式磁気歯車装置を増速機として使用する場合を例に記載したが、回転を入出力する軸を入れ替えて減速機として使用しても、同様の本発明の効果が得られる。 In the above description, the case where the multistage magnetic gear device is used as a speed increaser has been described as an example. However, the same effect of the present invention can be obtained even if the shaft that inputs and outputs rotation is replaced and used as a speed reducer. can get.
本発明により、大きな変速比が実現できる多段式磁気歯車装置において、回転軸を高速で回転させた場合でも破損する虞のない多段式磁気歯車装置の提供が可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a multi-stage magnetic gear apparatus that can realize a large gear ratio and that is not damaged even when the rotating shaft is rotated at a high speed.
10 第1内側磁気歯車
11 第1回転軸
12 ロータコア
12a 中央孔
12b 磁石収容孔
12c 切り欠き部
12x ロータコア
13 第1内側磁石片(永久磁石)
20 第1磁極群
21 第1磁極片
22 第1磁極ホルダ
22a 支持軸
30 第1外側磁気歯車
31 第1外側磁石片
40 第1磁気歯車装置
50 接続ロータ
51 接続ヨーク
52 接続ロータベアリング
53 接続ロータベアリング
60 第2内側磁気歯車
61 第2内側磁石片
70 第2磁極群
71 第2磁極片
72 第2磁極ホルダ
80 第2外側磁気歯車
81 第2外側磁石片
82 外側バックヨーク
90 第2磁気歯車装置
91 固定板
92 回転板
93 第2回転軸
100 多段式磁気歯車装置
110 第3内側磁気歯車
120 第3磁極群
150 第2接続ロータ
191 固定板
193 第2回転軸
200 多段式磁気歯車装置
Fa 磁束
Fb 磁束
901 2段式磁気歯車装置
903 第1の回転軸
904 第2の回転軸
908 第1磁性歯部
909 第2磁性歯部
931 第1内側筒
932 第1磁石片
941 第2内側筒
942 第2磁石片
943 第3磁石片
952 第4磁石片
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1外側磁気歯車の外周に配置される略円筒状の第2内側磁気歯車と、前記第2内側磁気歯車の外周に対向する様に配置される略円筒状の第2外側磁気歯車と、複数の磁極が均等な間隔で円周上に配列された第2磁極群が前記第2内側磁気歯車と前記第2外側磁気歯車の間に配置された第2磁気歯車装置を有し、
前記第1外側磁気歯車と前記第2内側磁気歯車が連結された多段式磁気歯車装置において、
多段式磁気歯車装置が回転駆動されたときに前記第1内側磁気歯車が最も高速に回転する構成であり、
前記第1内側磁気歯車は、複数の磁石収容孔を有する軟磁性体製のロータコアと、前記永久磁石収容孔に収容された複数の永久磁石と、を有するIPM型磁気歯車であることを特徴とした多段式磁気歯車装置。 A substantially cylindrical first inner magnetic gear, a substantially cylindrical first outer magnetic gear disposed to face the outer periphery of the first inner magnetic gear, and a plurality of magnetic poles on the circumference at equal intervals A first magnetic gear device in which the arranged first magnetic pole group is disposed between the first inner magnetic gear and the first outer magnetic gear;
A substantially cylindrical second inner magnetic gear disposed on the outer periphery of the first outer magnetic gear; a substantially cylindrical second outer magnetic gear disposed to face the outer periphery of the second inner magnetic gear; A second magnetic gear device in which a second magnetic pole group in which a plurality of magnetic poles are arranged on the circumference at equal intervals is disposed between the second inner magnetic gear and the second outer magnetic gear;
In the multistage magnetic gear device in which the first outer magnetic gear and the second inner magnetic gear are connected,
When the multistage magnetic gear device is driven to rotate, the first inner magnetic gear rotates at the highest speed,
The first inner magnetic gear is an IPM type magnetic gear having a soft magnetic rotor core having a plurality of magnet housing holes and a plurality of permanent magnets housed in the permanent magnet housing holes. Multistage magnetic gear unit.
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