JP2020501478A - トルク増幅装置 - Google Patents

Abstract

トルク増幅装置は、回転子と、１セットの回転子磁石と、１セットの固定子磁石と、梃子とクランク部材のアセンブリとを含む。回転子磁石は、回転子の径方向にわたって配置される。回転子は、回転子に接続された電動モータによって回転させられて、回転子磁石を介して回転子の周囲に回転磁場を生成する。固定子磁石は、回転子から所定距離をおいて外側ガイドに摺動可能に配置され、回転磁場に応答して往復運動で摺動し、第１の固定子磁石と、径方向に対向して位置する第２の固定子磁石とは、相互に反対方向に往復運動する。梃子は、各固定子磁石に接続されて、クランク部材を回転させ、第１の固定子磁石と第２の固定子磁石は、クランク部材を回転させて、電動モータからのトルクを増幅しクランク部材に伝達する。

Description

本発明は概して、ソースから生成されるトルクを増大させることができる装置に関する。より具体的には、本発明は、伝導ギアに動作可能に連結される強力な永久磁石を用いて、トルクを増幅するトルク増幅装置に関する。

トルク増幅器は、回転シャフトのトルクを増幅することができる機械装置である。トルク増幅器は無数の用途を有する。例えば、トルク増幅器は、蒸気機関、燃焼機関、及び電動モータのトルクを増幅するのに役立つ。いくつかの種類のトルク増幅器が今日、利用可能である。トルク増幅器の種類の例としては、摩擦ベースのトルク増幅器、ギアベースのトルク増幅器、油圧トルク増幅器、及び電動トルク増幅器などが挙げられる。

トルク増幅器設計の一例では、トルク増幅器は、一対の並置された共軸駆動ディスクを備える。一対の駆動ディスクは、第１のトルクで回転電源によって反対方向に駆動する。回転電源の例は、燃焼機関及び誘導モータを含む。更に、一対の駆動ディスクが、摩擦型クラッチディスクを介してコネクタシャフトに機械的に連結される。コネクタシャフトは、一対の駆動ディスクの回転軸と同じ回転軸を中心に回転するように構成される。コネクタシャフトは、第２のトルクで回転し、第２のトルクは、摩擦型クラッチディスクに加えられる摩擦によって決定される。摩擦型クラッチディスクによって加えられる摩擦は、第２のトルクが第１のトルクより大きくなるように調節可能である。トルク増幅器はこのような摩擦力を利用してトルクを増幅するため、トルク増幅器は、摩擦により生成される熱として入力エネルギーを失う。その結果、トルク増幅器はエネルギー上、非常に非効率である。更に、トルク増幅器は拡張性を欠く。

よって、既存のトルク増幅器はいくつかの制約を有する。既存のトルク増幅器では、相当量の入力エネルギーが、摩擦によって生成される熱として失われる。その結果、既存のトルク増幅器は、燃料を非効率に消費する。更に、既存のトルク増幅器は拡張性を欠く。

したがって、当該業界では、摩擦によって失われるエネルギーが最小である改良されたトルク増幅器が必要とされる。また、当該業界では、拡張性のあるトルク増幅器も必要とされる。

本明細書に開示されるトルク増幅装置は、上記の問題に対処する。トルク増幅装置は、回転子と、１セットの回転子磁石と、１セットの固定子磁石と、梃子とクランク部材のアセンブリと、を備える。回転子はフレームに搭載され、回転子磁石は回転子の径方向にわたって配置される。回転子は、回転子に軸方向に接続される電動モータによって回転させられて、回転子磁石を介して回転子の周囲に回転磁場を生成する。固定子磁石は、回転子から所定距離をおいて外側ガイドに摺動可能に配置され、外側ガイドは、回転子に対応して放射方向に位置する。固定子磁石は、回転する回転子磁石に生成される回転磁場に応答して、往復運動で摺動し、第１の固定子磁石と、径方向に対向して位置する第２の固定子磁石とは、相互に反対方向に往復運動する。梃子は各固定子磁石に接続されて、クランク部材を回転させ、第１の固定子磁石と、それに対向して位置する第２の固定子磁石とは、クランク部材を回転させて、電動モータからのトルクを増幅させてクランク部材に伝達する。

一実施形態では、クランク部材は、マイタベベルギアアセンブリのベベルギアである。一実施形態では、マイタベベルギアアセンブリは、ベベルギアに垂直に位置し斜めに係合して、ベベルギアから回転運動を受け取る出力ベベルギアを更に備える。一実施形態では、出力ベベルギアは、ベベルシャフトに連結され、第１のスパーギアは、ベベルシャフトの遠位端に固着されて、コネクタシャフトの遠位端に固着された第２のスパーギアを介して、コネクタシャフトにトルクを伝達する。一実施形態では、コネクタシャフトは、ベルトドライブを介して交流発電機に連結された出力シャフトを駆動するように構成される。

一実施形態では、ベルトドライブは、コネクタシャフトの遠位に装着された第１の駆動プーリと、出力シャフトの遠位に装着された第２の駆動プーリとを接続し、出力シャフトに増幅トルクを伝達する。一実施形態では、外側ガイドは、線形スライダガイドと湾曲スライダガイドのいずれかである。一実施形態では、線形スライダガイドと湾曲スライダガイドはそれぞれ、減摩型スライダガイドである。一実施形態では、少なくとも１つの固定子磁石と少なくとも２つの回転子磁石は、永久磁石と電磁石のいずれかである。一実施形態では、トルク増幅装置は、各固定子磁石と外側ガイドとの間に挟まれて、固定子磁石を外側ガイドに装着し、外側ガイドに沿って固定子磁石を摩擦なく摺動させる磁気ホルダを更に備える。

例示的なトルク増幅装置の斜視上面図である。

例示的なトルク増幅装置の上平面図である。

図２Ａに示す断面Ｘ−Ｘに沿った例示的なトルク増幅装置の側断面図である。

図２Ａに示す断面Ｙ−Ｙに沿った例示的なトルク増幅装置の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明は、精神又は必須の特徴から逸脱せずに他の具体的な形状で具現化されてもよいと予測される。記載される実施形態は、単に例示的であり限定的ではないとみなすべきである。したがって、発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の請求項によって示される。請求項の等価の意味及び範囲に含まれる全ての変化は、発明の範囲に含むことができる。

図１は、例示的なトルク増幅装置１００の斜視上面図である。トルク増幅装置１００は、回転子１０１と、１セットの回転子磁石１０２と、１セットの固定子磁石１０３と、梃子１０４並びにクランク部材１０５のアセンブリと、を備える。回転子１０１はフレーム１０６に搭載され、回転子磁石１０２は回転子１０１の径方向に配置される。回転子１０１は、回転子１０１に軸方向に接続された電動モータ１０７によって回転させられて、回転子磁石１０２を介して回転子１０１の周囲に回転磁場を生成する。入力駆動を提供する電動モータ１０７は例えば、０．３７ｋｗ（キロワット）の電力定格及び１５００ｒｐｍ（毎分回転数）を有する単相交流モータである。固定子磁石１０３は、回転子１０１から所定距離をおいて外側ガイド１０８に摺動可能に配置され、外側ガイド１０８は、回転子１０１に対応して放射方向に配置される。

固定子磁石１０３は、回転する回転子磁石１０２に生成された回転磁場に応答して、往復運動で摺動し、第１の固定子磁石１０３ａと、径方向反対側に位置する第２の固定子磁石１０３ｂとは互いに反対方向に往復運動する。梃子１０４は各固定子磁石１０３に接続されてクランク部材１０５を回転させ、第１の固定子磁石１０３ａ及び反対側に位置する第２の固定子磁石１０３ｂは、クランク部材１０５を回転させて、トルクを増幅させ、電動モータ１０７からクランク部材１０５へトルクを伝達する。伝達されたトルクが使用されて、図２Ａ〜３に更に示すように交流発電機１０９を駆動する。

原則的に、トルク増幅装置１００は、固定子側と回転子側に永久磁石を使用して、電力を生成する。基本的に、従来のシステムでは、固定子は発電機の固定部分を意味し、回転子は発電機の回転部分を意味する。回転子は、回転すると、固定子の磁束を遮断して、追加エネルギー源を用いて電力を生成する。しかしながら、トルク増幅装置１００では、固定子磁石１０３は、その用語が示すように固定されていないため、もはや固定子磁石１０３と呼ぶことができない。ここで、トルク増幅装置１００の場合、０度（度）、９０度、１８０度、及び２７０度でピストン式に往復する固定子磁石１０３の線形運動により、回転子１０１に搭載される回転シャフトの磁場を遮る強力な磁場が生成される。固定子磁石１０３の線形往復運動は、回転子磁石１０２の極性の連続的変化による磁気吸引及び反発力から生成されて、動力を発生させる。ここでは、回転子磁石１０２と固定子磁石１０３の位置合わせ、及び固定子磁石１０３の往復運動によって、クランク部材１０５が回転して、実際の電動モータ１０７から供給されるトルクを有効に増幅させる。

図２Ａは、例示的なトルク増幅装置１００の上平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す断面Ｘ−Ｘに沿った例示的なトルク増幅装置１００の側断面図である。回転子１０１、回転子磁石１０２、及び固定子磁石１０３は、図１に示すように、被覆部材１１０内に固定される。フレーム１０６は、六角形プレート１１１を備え、細長ロッド１１２が六角形プレート１１１の側面に隣接する穴を通じて挿入される。トルク増幅装置１００は、ベースプレート１１３上に支持され、ベースプレート１１３は、トルク増幅装置１００の大きな重量を担持するフレーム１０６を主に支える。交流発電機１０９は、トルク増幅装置１００に対して軸方向に配置されて、増幅トルクを受け取る。

一実施形態では、クランク部材１０５は、例えば、マイタベベルギアアセンブリ２０１のベベルギア１０５である。一実施形態では、マイタベベルギアアセンブリ２０１は出力ベベルギア１１４を更に備え、出力ベベルギア１１４は、ベベルギア１０５に対して垂直に位置し斜めに係合して、ベベルギア１０５から回転運動を受ける。一実施形態では、出力ベベルギア１１４はベベルシャフト１１５に連結され、第１のスパーギア１１６ａは、ベベルシャフト１１５の遠位端に固着されて、コネクタシャフト１１７の遠位端に固着された第２のスパーギア１１６ｂを介してコネクタシャフト１１７にトルクを伝達する。一実施形態では、コネクタシャフト１１７は、ベルトドライブ１１９を介して交流発電機１０９に連結された出力シャフト１１８を駆動するように構成される。一実施形態では、ベルトドライブ１１９は、コネクタシャフト１１７の遠位に装着された第１の駆動プーリ１２０ａと、出力シャフト１１８の遠位に装着された第２の駆動プーリ１２０ｂとに接続され、出力シャフト１１８に増幅トルクを伝達する。

図２Ｂを参照すると、一実施形態では、外側ガイド１０８は例えば、線形スライダガイド又は湾曲スライダガイドである。一実施形態では、線形スライダガイドと湾曲スライダガイドはそれぞれ、減摩型スライダガイドである。一実施形態では、少なくとも１つの固定子磁石１０３と少なくとも２つの回転子磁石１０２は、永久磁石と電磁石のいずれかである。図２Ｂは、回転子１０１と、回転子１０１の周囲に搭載される回転子磁石１０２とを示す。図２Ｂは、図２Ａに示すような被覆部材１１０の内方に搭載される固定子磁石１０３を示す。固定子磁石１０３は、図１に示すような１セットの摺動ガイドウェイ又は外側ガイド１０８に配置される。一実施形態では、磁気ホルダ１２１は、各固定子磁石１０３と外側ガイド１０８との間に挟まれて、固定子磁石１０３を外側ガイド１０８に装着し、外側ガイド１０８に沿って固定子磁石１０３を摩擦なく摺動させる。

回転子１０１又は回転子シャフトは例えば、断面積が１５×６ｍｍ（ミリメートル）の１２個の永久ネオジム鉄ホウ素磁石を担持する。回転子シャフトは、非磁性ステンレス鋼から作製され、深溝ラジアル玉軸受に支持される。固定子磁石１０３を有する固定子部分は、例えば、被覆部材１１０又は固定子フレームの内周に９０度の角度毎に配置された、断面積が６．７×１５ｍｍの４つの永久ネオジム鉄ホウ素磁石を備える。固定子磁石１０３は、た易く摺動させるために減摩線形ガイド上に搭載され、線形ガイドは固定子フレームに固定される。回転子磁石１０２は、交互に並ぶ回転子磁石１０２の極性がＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓ又は北−南−北−南となるように配列される。

構造の１例では、
構成要素 単位 量
回転子径 ｍｍ ６０
回転子長 ｍｍ ２００
回転子磁石サイズ ｍｍ ６×１５×６０
回転子上の磁石の番号 番号 １２
空隙 ｍｍ ６
摺動磁石サイズ ｍｍ ６．７×１５×１２０
摺動ストローク ｍｍ ４０
摺動磁石の番号 ｍｍ ４＠９０度
磁石材料 Ｎｄ Ｆｅｂ−ネオジム鉄ホウ素
入力パワーモータ ｋＷ ０．３７／２００Ｖ／５０Ｈｚ、単相入力
速度 ＲＰＭ １５００

図３は、図２Ａに示す断面Ｙ−Ｙに沿った例示的なトルク増幅装置１００の断面図である。本明細書に開示されるトルク増幅装置１００は、磁場を生成する非接触装置である。４つの永久磁石、すなわち、固定子磁石１０３は、固定子被覆部材１１０の内周に配置され、回転子１０１に搭載された永久磁石、すなわち回転子磁石１０２から生成される磁場によって往復運動する。固定子磁石１０３の往復運動は、回転子磁石１０２の極性の連続的変化による磁気吸引及び反発によって生成される。これらの固定子磁石１０３の往復運動は、図１に示すように、梃子１０４とクランク部材１０５とを備えるクランク及び梃子機構を通じて、マイタギアボックス２０１ａ内の回転運動に変換される。

マイタギアボックス２０１ａは、クランク部材（又はベベルギア１０５）と出力ベベルギア１１４とを備え、図２Ａに示すようなコネクタシャフト１１７を介して出力シャフト１１８を駆動する。ベベルギア１０５及び出力ベベルギア１１４を備える第２のマイタギアボックス２０１ｂは、第１のマイタギアボックス２０１ｂに対向して配置され、固定子磁石１０３の往復運動を受けることによって、正味トルクを更に増大させる。出力シャフト１１８は、交流発電機１０９又は出力発電機に連結される。マイタギアボックス２０１とスパーギア１１６ａ及び１１６ｂとのギア比の構成は、出力トルクが入力トルクよりも大きくなるように設定され、つまり、生成される電力が増幅される。そのように増幅された電力は、どのような産業用又は家庭用機器にも使用される。

上記の説明は、本発明の例示的な実施形態を備える。本発明の例示的な実施形態について説明したが、当業者にとって、開示は単に例であり、本発明の範囲内でその他の様々な代替、適合、及び変形を施すこともできると留意すべきである。特定の順序で方法のステップを単に列挙する又は番号付けすることは、本発明のステップの順序を限定するものではない。本発明が関連し、上記の説明で提示される教示の恩恵を受ける当業者であれば、本発明の多数の変形及び他の実施形態を思いつくであろう。本明細書では特定の用語を採用したが、それらは単に概括的かつ説明的な意味で使用されており、限定することを目的としていない。したがって、本発明は、本明細書に例示される具体的な実施形態に限定されない。

Claims (10)

1. トルク増幅装置であって、
   フレームに搭載される回転子と、
   前記回転子の径方向にわたって配置される１セットの回転子磁石であって、前記回転子が、前記回転子に軸方向に接続される電動モータによって回転させられて、前記回転子磁石を介して前記回転子を中心に回転磁場を生成する回転子磁石と、
   前記回転子から所定距離をおいて外側ガイドに摺動可能に配置される１セットの固定子磁石であって、前記外側ガイドが、前記回転子に対応して放射方向に位置し、前記固定子磁石が、前記回転する回転子磁石に生成された前記回転磁場に応答して往復運動で摺動し、第１の固定子磁石と第２の固定子磁石が、径方向に対向して位置し、相互に反対方向に往復運動する固定子磁石と、
   各固定子磁石に接続され、クランク部材を回転させるように構成された梃子と、
   を備え、前記第１の固定子磁石と対向する第２の固定子磁石とが前記クランク部材を回転させて、前記電動モータからのトルクを増幅させて、前記クランク部材に伝達する、トルク増幅装置。
2. 前記クランク部材が、マイタベベルギアアセンブリのベベルギアである、請求項１に記載のトルク増幅装置。
3. 前記マイタベベルギアアセンブリが、前記ベベルギアに垂直に位置し斜めに係合されて、前記ベベルギアから回転運動を受ける出力ベベルギアを更に備える、請求項２に記載のトルク増幅装置。
4. 前記出力ベベルギアがベベルシャフトに連結され、前記ベベルシャフトの遠位端に固着された第１のスパーギアが、前記コネクタシャフトの遠位端に固着された第２のスパーギアを介してコネクタシャフトにトルクを伝達する、請求項３に記載のトルク増幅装置。
5. 前記コネクタシャフトが、ベルトドライブを介して交流発電機に連結された出力シャフトを駆動するように構成される、請求項４に記載のトルク増幅装置。
6. 前記ベルトドライブが、前記コネクタシャフトの遠位に装着された第１の駆動プーリと、前記出力シャフトの遠位に装着された第２の駆動プーリとを接続して、前記増幅トルクを前記出力シャフトに伝達する、請求項５に記載のトルク増幅装置。
7. 前記外側ガイドが、線形スライダガイド及び湾曲スライダガイドのいずれかである、請求項１に記載のトルク増幅装置。
8. 前記線形スライダガイド及び前記湾曲スライダガイドが、減摩型スライダガイドである、請求項７に記載のトルク増幅装置。
9. 前記少なくとも１つの固定子磁石と少なくとも２つの回転子磁石とが、永久磁石と電磁石のいずれかである、請求項１に記載のトルク増幅装置。
10. 各固定子磁石と前記外側ガイドとの間に挟まれて、前記固定子磁石を前記外側ガイドに装着し、前記外側ガイドに沿って前記固定子磁石を摩擦なく摺動させる磁気ホルダを更に備える、請求項１に記載のトルク増幅装置。
    
    
    

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