JP2021129370A - 磁気ギヤ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷却性能の備える磁気ギヤ装置を実現する。【解決手段】磁気ギヤードモータ１は、ステータ１０と、ステータ１０を取り囲む低速ロータ２０と、低速ロータ２０を取り囲む高速ロータ３０と、を有する。ステータ１０は、環状に並ぶ複数のティース１１と、それぞれのティース１１に巻かれたコイル１２と、を備える。低速ロータ２０は、ステータ１０を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片２１と、それら磁性体片２１を支持する第１支持部材４０と、を備える。高速ロータ３０は、複数の磁性体片２１を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石３１と、それら磁石３１を支持する第２支持部材５０と、を備える。第１支持部材４０には、ステータ１０が備えるコイル１２と対向する複数の連通孔４４が形成され、第２支持部材５０には、連通孔４４と対向する複数の開口部５３が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触式の動力伝達装置に関する。

非接触式の動力伝達装置の１つとして磁気ギヤ装置が知られている。従来の磁気ギヤ装置の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている磁気ギヤ装置は、１つの固定子（ステータ）と２つの回転子（高速ロータ及び低速ロータ）とを備える磁気減速装置である。

特許第５８５８３９９号公報

従来の磁気ギヤ装置における技術的課題の１つに冷却性能の向上がある。磁気ギヤ装置が備えるステータやロータの温度は、これらと交差する交番磁界に基づく誘導加熱によって上昇する。また、ステータが備えるコイルの銅損（ジュール熱）によってもステータやステータの周囲にあるロータの温度が上昇する。このようにしてステータやロータの温度が上昇すると、磁気ギヤ装置の動力性能が低下したり、磁気ギヤ装置に含まれる軸受が劣化したりする。

本発明の目的は、磁気ギヤ装置の冷却性能を向上させることである。

本発明の磁気ギヤ装置は、ステータと、前記ステータを取り囲む前記ステータと同軸の低速ロータと、前記低速ロータを取り囲む前記低速ロータと同軸の高速ロータと、を有する。前記ステータは、環状に並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースに巻かれたコイルと、を備える。前記低速ロータは、前記ステータを取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片と、それら磁性体片を支持する第１支持部材と、を備える。前記高速ロータは、複数の前記磁性体片を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石と、それら磁石を支持する第２支持部材と、を備える。そして、前記第１支持部材には、前記ステータが備える前記コイルと対向する複数の連通孔が形成され、前記第２支持部材には、前記連通孔と対向する複数の開口部が形成される。

本発明の一態様では、前記低速ロータは、周方向において隣接する２つの前記磁性体片の間に配置されたフィンを備える。

本発明の他の一態様では、前記第１支持部材は、対向するベース部材及び固定部材と、前記ベース部材と前記固定部材とを連結する複数の連結部材と、を含む。また、前記第２支持部材は、筒状の周壁部と、前記周壁部の一端を閉塞する底部と、を含む。そして、前記磁性体片は前記ベース部材と前記固定部材との間に配置され、前記磁性体片の一端は前記ベース部材に係合し、前記磁性体片の他端は前記固定部材に係合する。また、前記磁石は前記周壁部の内周面に固定される。

本発明の他の一態様では、複数の前記連結部材は、前記ベース部材及び前記固定部材の周方向に沿って環状に配列され、配列方向において隣接する２つの前記連結部材の間に２つの前記磁性体片が配置され、それら２つの前記磁性体片の間に１つの前記フィンが配置される。

本発明の他の一態様では、前記低速ロータは、前記ベース部材の中心に設けられ、前記ステータの中心に設けられている貫通孔に挿通される低速回転軸を備える。前記高速ロータは、前記底部の中心に設けられ、前記低速回転軸の内側に挿通される高速回転軸を備える。

本発明の他の一態様では、前記連通孔は、径方向において前記低速回転軸と前記磁性体片との間の位置する前記ベース部材上の環状領域に形成される。前記開口部は、径方向において前記高速回転軸と前記周壁部との間の位置する前記底部上の環状領域に形成される。

本発明の他の一態様では、前記低速ロータは、周方向において隣接する２つの前記連通孔の間に形成された突起を備える。前記突起は、前記ステータが備える前記コイルに向かって突出し、かつ、前記連通孔に沿って伸びる。

本発明によれば、高い冷却性能の備える磁気ギヤ装置が実現される。

本発明が適用された磁気ギヤードモータの分解図である。 本発明が適用された磁気ギヤードモータの他の分解図である。 本発明が適用された磁気ギヤードモータの斜視図である。 図１に示される低速ロータの分解図である。 図２に示されるＡ−Ａに沿った断面図である。 図２に示されるＢ−Ｂに沿った断面図である。

以下、本発明の磁気ギヤ装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１，図２に示されるように、本実施形態に係る磁気ギヤ装置は、ステータ１０と、低速ロータ２０と、高速ロータ３０と、を有する磁気ギヤードモータ１である。図２に示されるように、ステータ１０，低速ロータ２０及び高速ロータ３０の中心軸は同一の直線上にある。つまり、ステータ１０，低速ロータ２０及び高速ロータ３０は同軸である。また、低速ロータ２０はステータ１０を取り囲んでおり、高速ロータ３０は低速ロータ２０を取り囲んでいる。言い換えれば、高速ロータ３０の内側に低速ロータ２０が嵌め込まれ、低速ロータ２０の内側にステータ１０が嵌め込まれている。以下の説明では、ステータ１０，低速ロータ２０及び高速ロータ３０の中心軸の方向を「軸方向」と呼び、軸方向と直交する方向を「径方向」と呼ぶ場合がある。言い換えれば、図２の紙面左右方向を「軸方向」、紙面上下方向を「径方向」と呼ぶ場合がある。また、ステータ１０，低速ロータ２０又は高速ロータ３０の中心軸上の一点を中心とする仮想円の円周方向を「周方向」と呼ぶ場合がある。

図１，図２に示されるように、ステータ１０は、環状に並ぶ複数のティース１１と、それぞれのティース１１に巻かれたコイル１２と、を備えている。具体的には、ステータ１０は、１８個のティース１１を備えており、１８個のティース１１のそれぞれにコイル１２が巻かれている。つまり、ステータ１０の磁極数（Ｎｓ）は「１８」である。１８個のティース１１及びコイル１２は、ステータ１０の中心に設けられている貫通孔１３の周囲に一定間隔で環状に並んでいる。また、それらティース１１及びコイル１２は、ステータ１０の中心から放射状に伸びている。尚、それぞれのティース１１は、積層された複数枚のケイ素鋼板によって形成されており、それぞれのコイル１２は、エナメル被覆された銅線によって形成されている。ティース１１を形成しているケイ素鋼板の厚みは０．２ｍｍである。また、ティース１１とコイル１２との間には不図示のインシュレータが介在している。

ステータ１０が備える１８個のコイル１２のうち、６個はＵ相コイルであり、他の６個はＶ相コイルであり、さらに他の６個はＷ相コイルである。より詳細には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、それぞれ３つの連続する同相のコイルで形成された２つのコイル群から構成されている。そして、Ｕ相のコイル群の周方向一方側にＶ相のコイル群が配置され、Ｕ相のコイル群の周方向他方側にＷ相のコイル群が配置されている。また、２つの同相のコイル群は径方向において互いに対向する位置に配置されている。これら各相のコイル１２には、互いに位相が１２０度ずれた交流電流が供給される。

図１，図２に示されるように、低速ロータ２０は、ステータ１０を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片２１と、周方向において隣接する２つの磁性体片２１の間にそれぞれ配置された複数のフィン２２と、それら磁性体片２１及びフィン２２を支持する第１支持部材４０と、を備えている。具体的には、低速ロータ２０は、周方向に一定間隔で並ぶ３４個の磁性体片２１及び１７枚のフィン２２を備えている。つまり、低速ロータ２０の磁極数（Ｎｌ）は「３４」である。尚、磁性体片２１，フィン２２及び第１支持部材４０は、ステータ１０のティース１１を形成しているケイ素鋼板と同一又は実質的に同一のケイ素鋼板によって形成されている。

図１，図４に示されるように、第１支持部材４０は、軸方向において対向するベース部材４１及び固定部材４２と、ベース部材４１と固定部材４２とを連結する複数の連結部材４３と、を含んでいる。図１に示されるように、ベース部材４１は略円盤形であり、固定部材４２は略リング形である。

図１，図４に示されるように、３４個の磁性体片２１及び１７枚のフィン２２は、対向するベース部材４１と固定部材４２との間に配置されている。言い換えれば、ベース部材４１及び固定部材４２は、複数の磁性体片２１及びフィン２２を挟持している。少なくとも磁性体片２１の一端はベース部材４１に係合しており、少なくとも磁性体片２１の他端は固定部材４２に係合している。図４に示されるように、固定部材４２と対向するベース部材４１の一面には、磁性体片２１の端部が係合可能な複数の凹部４１ａが周方向に一定間隔で形成されている。また、ベース部材４１と対向する固定部材４２の一面にも、磁性体片２１の端部が係合可能な複数の凹部４２ａが周方向に一定間隔（ベース部材４１に形成されている凹部４１ａと同一間隔）で形成されている。そして、それぞれの磁性体片２１の一方の端部は、ベース部材４１の凹部４１ａに係合しており、それぞれの磁性体片２１の他方の端部は、固定部材４２の凹部４２ａに係合している。

図１，図４に示されるように、連結部材４３は、ベース部材４１を軸方向に貫通し、固定部材４２に結合している。具体的には、それぞれの連結部材４３の先端には雄ねじが形成されている。一方、固定部材４２には、雌ねじが形成されたねじ穴が設けられている。そして、ベース部材４１を貫通している連結部材４３の先端が固定部材４２に設けられているねじ穴にねじ結合している。よって、それぞれの連結部材４３を締め込むと、ベース部材４１と固定部材４２とを互いに近接させようとする力が作用する。この結果、ベース部材４１と固定部材４２との間に配置されている磁性体片２１及びフィン２２がベース部材４１と固定部材４２とによって挟持される。

図５に示されるように、１７本の連結部材４３は、周方向に一定間隔で環状に配列されている。そして、配列方向において隣接する２本の連結部材４３の間に２つの磁性体片２１が配置され、それら２つの磁性体片２１の間に１つのフィン２２が配置されている。例えば、図５に示されている連結部材４３ａと当該連結部材４３ａに隣接している連結部材４３ｂとの間には２つの磁性体片２１ａ，２１ｂが配置されており、それら２つの磁性体片２１ａ，２１ｂの間には１つのフィン２２ａが配置されている。さらに、連結部材４３ｂと当該連結部材４３ｂに隣接している連結部材４３ｃとの間には他の２つの磁性体片２１ｃ，２１ｄが配置されており、それら２つの磁性体片２１ｃ，２１ｄの間には他の１つのフィン２２ｂが配置されている。言い換えれば、それぞれの磁性体片２１の一側には必ず連結部材４３が配置されている。例えば、磁性体片２１ａと磁性体片２１ｂとの間にはフィンａが配置されており、荷重を支える連結部材４３は配置されていない。しかし、磁性体片２１ａの左側には連結部材４３ａが配置されており、磁性体片２１ｂの右側には連結部材４３ｂが配置されている。かかる関係は、フィン２２ｂの両側の磁性体片２１ｃ，２１ｄに関しても同様であり、他のいずれのフィン２２の両側の磁性体片２１に関しても同様である。この結果、低速ロータ２０内に複数枚のフィン２２を配置するスペース（隙間）が確保され、かつ、低速ロータ２０に加わる荷重が均等に分散される。

図１，図２に示されるように、低速ロータ２０は低速回転軸２３を備えている。この低速回転軸２３は、第１支持部材４０の中心に設けられている。具体的には、低速回転軸２３は、ベース部材４１の中心に固定された円筒部材によって形成されている。つまり、低速回転軸２３は中空である。図３に示されるように、低速ロータ２０が備える低速回転軸２３は、ステータ１０の中心に設けられている貫通孔１３（図１）に挿通され、ステータ１０を貫通している。ステータ１０の貫通孔１３に挿通されている低速回転軸２３は、図１に示されている軸受２４ａ，２４ｂによってステータ１０に対して回転自在に支持されている。

再び図３を参照する。ステータ１０から突出している低速回転軸２３の端部には、当該低速回転軸２３よりも小径であり、かつ、低速回転軸２３と同軸のロッド２５が固定されている。つまり、低速回転軸２３及びロッド２５は一体的に回転する。ロッド２５を含む低速回転軸２３は、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ１の出力軸である。

図１に示されるように、低速ロータ２０が備える第１支持部材４０には、ステータ１０が備えるコイル１２と対向する複数の連通孔４４が形成されている。具体的には、第１支持部材４０のベース部材４１上の所定領域に複数の連通孔４４が形成されている。図５を参照する。複数の連通孔４４は、径方向において低速回転軸２３と磁性体片２１との間の位置するベース部材４１上の環状領域に一定間隔で形成されている。複数の連通孔４４は、環状に並んでおり、また、ベース部材４１の中心から放射状に伸びている。さらに、周方向において隣接する２つの連通孔４４の間には突起４５がそれぞれ形成されている。つまり、上記環状領域には、連通孔４４と突起４５とが周方向に沿って交互に形成されている。

図１に示されるように、それぞれの突起４５は、ステータ１０が備えるコイル１２に向かって軸方向に突出しており、かつ、連通孔４４に沿って径方向に伸びている。図５に示されるように、連通孔４４及び突起４５の径方向における寸法（長さ）は略同一である。また、連通孔４４及び突起４５の周方向における寸法（幅）も略同一である。もっとも、突起４５の幅は一定であるのに対し、連通孔４４の幅は、径方向内側から外側に向かって次第に拡大している。

図１から図３に示されるように、高速ロータ３０は、低速ロータ２０が備える複数の磁性体片２１を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石（永久磁石）３１と、それら磁石３１を支持する第２支持部材５０と、を備えている。具体的には、高速ロータ３０は、周方向に一定間隔で並ぶ１６個の磁石３１を備えている。つまり、高速ロータ３０の磁極数（Ｎｈ）は「１６」である。

高速ロータ３０が備える第２支持部材５０は、筒状の周壁部５１と、周壁部５１の一端を閉塞する底部５２と、を含んでいる。もっとも、周壁部５１及び底部５２は炭素鋼材によって一体成形されている。図１，図２に示されるように、１６個の磁石３１は、周壁部５１の内周面に固定されている。１６個の磁石３１は、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に並ぶように配列されている。

図１，図２に示されるように、高速ロータ３０は高速回転軸３２を備えている。この高速回転軸３２は、第２支持部材５０の中心に設けられている。高速ロータ３０が備える高速回転軸３２は、低速ロータ２０が備える中空の低速回転軸２３の内側に挿通されている。低速回転軸２３に挿通されている高速回転軸３２は、軸受３３ａ，３３ｂによって低速回転軸２３を含む低速ロータ２０に対して回転自在に支持されている。

図１，図６に示されるように、高速ロータ３０が備える第２支持部材５０には、低速ロータ２０に設けられている連通孔４４（図５）と対向する複数の開口部５３が形成されている。具体的には、第２支持部材５０の底部５２上の所定領域に１２個の開口部５３が形成されている。それぞれの開口部５３は、底部５２を貫通する丸穴であり、径方向において高速回転軸３２と周壁部５１との間の位置する底部５２上の環状領域に一定間隔で形成されている。

再び図１を参照する。上記構造を有する磁気ギヤードモータ１では、ステータ１０のコイル１２に交流電流が供給されると、低速ロータ２０及び高速ロータ３０が回転する。同時に、交番磁界に基づく誘導加熱やコイル１２の銅損（ジュール熱）によってステータ１０，低速ロータ２０，高速ロータ３０の温度が上昇する。特に、ステータ１０と高速ロータ３０との間に配置されている低速ロータ２０の温度が上昇する。

しかし、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ１では、低速ロータ２０の第１支持部材４０に、ステータ１０が備えるコイル１２と対向する複数の連通孔４４が設けられている。また、高速ロータ３０の第２支持部材５０に、連通孔４４と対向する複数の開口部５３が設けられている。よって、ステータ１０や低速ロータ２０から発せられた熱が連通孔４４及び開口部５３を通じて高速ロータ３０の外に排出される。つまり、磁気ギヤードモータ１が自然空冷によって冷却される。

さらに、低速ロータ２０の第１支持部材４０には、連通孔４４に加えて複数の突起４５が設けられている。言い換えれば、第１支持部材４０の表面積は、突起４５が設けられていない場合に比べて拡大している。この結果、第１支持部材４０を含む低速ロータ２０からの放熱が促進される。つまり、第１支持部材４０に形成されている複数の突起４５は、低速ロータ２０を含む磁気ギヤードモータ１の冷却性能を高めるヒートシンクとして機能する。

加えて、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ１では、低速ロータ２０に複数枚のフィン２２が設けられている。よって、低速ロータ２０が回転すると、磁気ギヤードモータ１の内部で気流が発生する。この結果、ステータ１０や低速ロータ２０からの放熱がさらに促進される。また、ステータ１０などに冷却風が供給され、これらが強制空冷によって冷却される。尚、第１支持部材４０と一体化されているフィン２２は、第１支持部材４０の表面積の拡大にも寄与している。

上記のとおり、ステータ１０のコイル１２に交流電流が供給されると、低速ロータ２０及び高速ロータ３０が回転する。このとき、低速ロータ２０と高速ロータ３０の回転速度には所定の速度差が生じる。低速ロータ２０と高速ロータ３０の回転速度比（Ｇｒ）は、ステータ磁極数（Ｎｓ）＝低速ロータ磁極数（Ｎｌ）±高速ロータ磁極数（Ｎｈ）の関係が成立することを前提として、次式によって表される。

このとき、回転速度比（Ｇｒ）が−（マイナス）となれば、低速ロータ２０は高速ロータ３０に対して反対方向に回転し、＋（プラス）となれば、低速ロータ２０は高速ロータ３０と同一方向に回転する。

既述のように、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ１におけるステータ磁極数（Ｎｓ），低速ロータ磁極数（Ｎｌ）及び高速ロータ磁極数（Ｎｈ）は、次のとおりである。
ステータ磁極数（Ｎｓ）＝１８
低速ロータ磁極数（Ｎｌ）＝３４
高速ロータ磁極数（Ｎｈ）＝１６
したがって、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ１における低速ロータ２０と高速ロータ３０の回転速度比（Ｇｒ）は、＋２．１２５となる。言い換えれば、磁気ギヤードモータ１の減速比は、＋２．１２５である。よって、低速ロータ２０は、高速ロータ３０と同一方向に回転する。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態における低速ロータ２０には、連通孔４４，突起４５及びフィン２２が設けられていた。しかし、突起４５やフィン２２は省略することもできる。言い換えれば、低速ロータ２０に連通孔４４のみが設けられている場合であっても、低速ロータ２０に連通孔４４が設けられていない場合に比べて冷却性能は十分に向上する。

上記実施形態におけるフィン２２，連結部材４３，連通孔４４，突起４５及び開口部５３の数，形状，大きさ，配置などは適宜変更することができる。

１ 磁気ギヤードモータ
１０ ステータ
１１ ティース
１２ コイル
１３ 貫通孔
２０ 低速ロータ
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 磁性体片
２２，２２ａ，２２ｂ フィン
２３ 低速回転軸
２４ａ，２４ｂ 軸受
２５ ロッド
３０ 高速ロータ
３１ 磁石
３２ 高速回転軸
３３ａ，３３ｂ 軸受
４０ 第１支持部材
４１ ベース部材
４１ａ，４２ａ 凹部
４２ 固定部材
４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ 連結部材
４４ 連通孔
４５ 突起
５０ 第２支持部材
５１ 周壁部
５２ 底部
５３ 開口部

Claims (7)

1. ステータと、前記ステータを取り囲む前記ステータと同軸の低速ロータと、前記低速ロータを取り囲む前記低速ロータと同軸の高速ロータと、を有する磁気ギヤ装置であって、
   前記ステータは、環状に並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースに巻かれたコイルと、を備え、
   前記低速ロータは、前記ステータを取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片と、それら磁性体片を支持する第１支持部材と、を備え、
   前記高速ロータは、複数の前記磁性体片を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石と、それら磁石を支持する第２支持部材と、を備え、
   前記第１支持部材には、前記ステータが備える前記コイルと対向する複数の連通孔が形成され、
   前記第２支持部材には、前記連通孔と対向する複数の開口部が形成されている、磁気ギヤ装置。
2. 請求項１に記載の磁気ギヤ装置において、
   前記低速ロータは、周方向において隣接する２つの前記磁性体片の間に配置されたフィンを備える、磁気ギヤ装置。
3. 請求項２に記載の磁気ギヤ装置において、
   前記第１支持部材は、対向するベース部材及び固定部材と、前記ベース部材と前記固定部材とを連結する複数の連結部材と、を含み、
   前記第２支持部材は、筒状の周壁部と、前記周壁部の一端を閉塞する底部と、を含み、
   前記磁性体片は前記ベース部材と前記固定部材との間に配置され、前記磁性体片の一端は前記ベース部材に係合し、前記磁性体片の他端は前記固定部材に係合し、
   前記磁石は前記周壁部の内周面に固定されている、磁気ギヤ装置。
4. 複数の前記連結部材は、前記ベース部材及び前記固定部材の周方向に沿って環状に配列されており、
   配列方向において隣接する２つの前記連結部材の間に２つの前記磁性体片が配置され、それら２つの前記磁性体片の間に１つの前記フィンが配置されている、請求項３に記載の磁気ギヤ装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の磁気ギヤ装置において、
   前記低速ロータは、前記ベース部材の中心に設けられ、前記ステータの中心に設けられている貫通孔に挿通される低速回転軸を備え、
   前記高速ロータは、前記底部の中心に設けられ、前記低速回転軸の内側に挿通される高速回転軸を備える、磁気ギヤ装置。
6. 前記連通孔は、径方向において前記低速回転軸と前記磁性体片との間の位置する前記ベース部材上の環状領域に形成され、
   前記開口部は、径方向において前記高速回転軸と前記周壁部との間の位置する前記底部上の環状領域に形成されている、請求項５に記載の磁気ギヤ装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁気ギヤ装置において、
   前記低速ロータは、周方向において隣接する２つの前記連通孔の間に形成された突起を備え、
   前記突起は、前記ステータが備える前記コイルに向かって突出し、かつ、前記連通孔に沿って伸びている、磁気ギヤ装置。

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