JP3942102B2 - 磁気式遊星歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気伝達による無騒音、無塵、無給油を特徴とし、駆動側、被駆動側の各歯車に配設した永久磁石の磁気吸引または反発にてトルク伝達する磁気式遊星歯車装置に関するものである。

従来から知られている歯車の伝達システムの技術としては、（１）機械的な接触を伴う歯車による伝達方式を用いた構造、（２）学術段階ではあるが磁気力を利用して動力伝達を行う磁気式遊星歯車方式の構造などがあった。

特公平６−５２０９６号公報 日本応用磁気学会誌２６，７０３−７０６（２００２）

しかし（１）の機械的な接触を伴う噛み合いの伝達方式では、大きな動力伝達は可能であるが、振動、騒音、磨耗、摩擦による塵埃発生、それに伴う耐久性性能の劣化、又、定期的な給油が不可欠であるなどの構造的な課題を抱えている。一方、（２）にて提案されている磁気式遊星歯車では、上記（１）に示す欠点は解消できるものの、動力伝達が比較的小さいことや、伝達トルクに脈動が大きいなどの欠点をもっており、利用範囲が極めて限定されている。

上記課題の解決のため本発明では、従来技術（１）に対しては、動力の伝達に磁気を用い、磁気の吸引力、及び反発力を利用して非接触で伝達することで解決せんとするものであり、従来の技術（２）に示した磁気式遊星歯車の構造に対しては、太陽歯車の磁気歯形状を、該太陽磁気歯と噛み合う遊星歯車の磁気歯が準内接かみ合いになるよう形成することで、伝達トルクの脈動を軽減したことを特徴としている。

さらに、本発明に使用する永久磁石を効果的に使用するため、磁気歯の磁気歯たけ（本実施例では動力伝達への寄与が比較的少ない磁気式外輪歯車の外周部を削減した）を短くして材料コストの削減を図ったものである。

一方、伝達トルクを強くする方法として、一対の太陽歯車を使用して、遊星歯車の遊星盤を所望の空隙を有しつつ挟めた構造にすることにより、該遊星歯車装置の伝達トルクを約１．８倍に高めたことを特徴とするものである。

本発明の磁気式遊星歯車装置は、従来の機械式で構造的な課題となっていた、歯の機械的噛み合いによる騒音、塵埃の発生、又、定期的な給油、耐久性の劣化などの欠点を、伝達方式に永久磁石を用いて磁気の吸引及び、反発を用いた磁気式の噛み合いにより非接触による動力伝達を実現することで改善するものである。又、性能面では磁気的な噛み合いを準内接噛み合いにすることで、伝達トルクの脈動を軽減して伝達特性を大幅に改善するとともに、脈動がもたらす振動、騒音などを更に低減し、磁気式遊星歯車の品質、及び性能改善に大きな効果をもたらすものである。

一方、経済面では、伝達トルクの割り振りを適切に設定することで、使用する磁気歯の面積を少なくして永久磁石の材料費の軽減を図った磁気式遊星歯車装置を提供するものである。

さらに、磁気式遊星歯車の課題でもある伝達しうる上限の伝達トルクを、同軸上の２個の太陽歯車で遊星歯車を挟むことにより、通常の伝達トルクの上限を約２倍に引き上げ、磁気式遊星歯車装置の応用範囲の拡大を図ったものである。

以下本発明の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は従来より提案されている磁気式遊星歯車による１実施例であって、図１（イ）は該歯車の磁気的伝達システム部の構成を説明するためのスケルトン図、図１（ロ）は、図（イ）のＡ−Ａ線に沿った磁気式遊星歯車装置の主要部の一部断面図である。又、図中のＮ、及びＳは永久磁石の磁気歯の極性を示したものである。図１において、外輪歯車１は、磁性体からなる外輪盤１１と、該外輪盤の外周部に放射曲線状に、かつ、隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて接着剤等で等間隔に配設された磁気歯１２・・・で構成されている。尚、該外輪歯車１は適宜手段にて磁気式遊星歯車装置のフレーム（図示せず）に固定されている。次に太陽歯車２は同様に磁性体からなる太陽盤２１と、該太陽盤２１の外周部に放射曲線状に、かつ、隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて接着剤等で等間隔に配設された磁気歯２２及び、太陽盤２１の中心部に該太陽盤面に垂直に圧入した太陽軸２３から構成されている。また該太陽歯車２は外輪歯車１に圧入した軸受け２４を介してセットカラー２５で回転自在に装着されている。ここに磁気歯２２・・・、磁気歯１２・・・は同一平面に設定されている。一方、遊星歯車３は、磁性体からなる遊星盤３１と、その外周部に放射曲線状にかつ、隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて接着剤等で等間隔に配設された磁気歯３２・・・で構成されており、遊星歯車盤３５に軸受け３４を介して回転自在にセットカラー３３で装着されている。本従来例では該遊星歯車３は等間隔（１２０°）に３個（図１（ロ）では、２個は図示せず。）取り付けられており、該３個の遊星歯車３・・の磁気歯３２・・・の表面は、同一平面に設定され、前記外輪歯１２・・・と太陽歯２２・・・の磁気歯平面と、所定の空隙を有し対向して磁気式遊星歯車の取り付け板（図示せず）に適宜手段にて回転自在に固着されている。

この従来例の磁気式遊星歯車装置の動力伝達について説明する。図１において、太陽歯車２を駆動側、遊星歯車３を被駆動側とした場合、太陽歯車２と遊星歯車３は、太陽歯車２の磁気歯２２・・・と、遊星歯車３の磁気歯３２・・・とが各々交互に配設したＮ極とＳ極の磁気的な噛み合いにより伝達される。この場合の磁気的な噛み合いで、動力伝達に有効な噛み合い部（対向する磁気歯の極性がＮ極とS極となる状態を有効噛み合いという）は、斜線を施した数個のラグビーボールの形状をした部分（１ｂ・・）となる。又、遊星歯車３の磁気歯３２・・・と、取り付け板（図示せず）に固定された外輪歯車１の磁気歯１２・・・は、同様に斜線を施した有効噛み合い部分（1ａ・・）で磁気的に噛み合って動力を伝達する。尚、磁気式遊星歯車装置としての回転比、即ち太陽歯車２の回転数に対する遊星歯車軸３６の回転数は、駆動側である太陽歯車２の歯数（１６個）と、外輪歯車１の歯数（６４）で決定され、歯数比４に遊星自転分１を加えた１／５回転の減速となる。

次に、従来例の動力伝達トルクについて説明する。磁気式遊星歯車装置としての伝達トルクは、遊星歯車と外輪歯車間の伝達トルク（主たるトルクは前述の磁気的な主噛み合い部１ａ・・の面積の３個分に概ね比例する）と、遊星歯車と太陽歯車間の伝達トルク（主たるトルクは前述の主噛み合い部１ｂの３個分に概ね比例する）の両者が関連して伝達されるため、両者の伝達トルクの小さい方が磁気式遊星歯車装置としての伝達トルクの限界トルクとなる。従来例の伝達トルクを測定した結果、後者（遊星歯車と太陽歯車の伝達トルク）が前者（遊星歯車と外輪歯車間の伝達トルク）に比べ概ね６０％であった。これは、主たる伝達トルクが前述した有効噛み合い部（１ａ）、（１ｂ）の噛み合い面積で比例することによる。この結果、磁気式遊星歯車装置の伝達トルクは後者の伝達トルクで規定され、前者の有する伝達トルクの４０％が余裕となる。

図２、及び図３は本発明に係る磁気歯車装置の第一の実施例であって、図２（イ）はその遊星歯車装置の概略平面図、同（ロ）はその左側面図、（ハ）は右側面図である。又、図３は該遊星歯車装置の磁気的な噛み合いを説明するためのスケルトン図である。図において、外輪歯車４は、磁性体（例えば軟鉄材）から成る外輪盤４１の外周部に、放射曲線状磁気歯４２・・・が隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて、等間隔で接着等の適宜手段にて配設されている。又、該外輪盤４１は、その裏面側に設けた複数個のネジ穴４３・・に、ネジ７７・・をネジ締めによって外輪取り付け板７に取り付けられている。この間隔は複数個のパイプ状スペーサ７３・・で決められる。さらに該外輪歯車４の中心部には軸受５４が圧入れており、外輪取り付け板７の中央部にネジ７６でネジ止めされ軸受ホルダー７１を介して、後述する太陽歯車５が回転自在に装着されている。

次に、太陽歯車５は、磁性体（例えば軟鉄材）から成る太陽盤５１と、その外周部に、隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて等間隔で接着等の適宜手段にて配設された放射曲線状磁気歯５２・・・と、該太陽盤５１の中心部に該盤面に垂直に圧入した太陽軸５３から構成され、前記取り付け板７に、前記軸受けホルダー７１を介して回転自在に取り付けられている。尚、該太陽歯車５は太陽軸５３に装着したセットカラー５５によって、上述した外輪歯車４の磁気歯４２・・・の表面と、太陽歯車５の磁気歯５２・・・の表面が、ほぼ同一平面となるよう設定されている。

次に遊星歯車６は、遊星軸と一体化した遊星盤６１と、その外周部に隣り合う磁気歯間に所定の隙間を設けて等間隔に接着等の適宜手段にて配設された放射曲線状磁気歯６２・・・から構成され、軸受け６４を圧入した遊星歯車盤６３に、該軸受け６４を介して遊星軸に装着したセットカラー６５によって回転自在（遊星盤の自転）に固着されている。尚、該遊星歯車６は、遊星盤６１の中心から同一円上でかつ等間隔（１２０°）に３個も配置されており、かつ該３個の遊星歯車６・・の各磁気歯６２・・・の磁気場表面は同一平面となるよう前記セットカラー６５で設定されている。さらに、該遊星歯車盤６３は、中心部に軸受けホルダー８１をネジ８６でネジ止めした遊星取り付け板８に、該ホルダー８１を介してセットカラー８５にて回転自在（遊星盤の公転）にかつ、対向する太陽歯車５の磁気歯５２・・・及び、外輪歯車４の磁気歯４２・・・の表面と、遊星歯車６の磁気歯６２・・・の表面とが、所定の空隙を維持して固着されている。尚、前記外輪取り付け板７はその板面が互いに平行になるよう複数個の支柱９・・・でネジ止めにて固定されている。この磁気式遊星歯車装置の伝達トルクは、本装置を分解することなく該セットカラー８５の取り付け位置を適時設定することで容易に可変することができる。尚、上述したセットカラー５５、及び６５は、遊星盤６１の遊星軸の外周部に設けた溝にＣリングを埋設して構成してもよい。

次に、回転トルクの伝達について図３を用いて説明する。例えば太陽歯車５を駆動側とし、遊星歯車６を被駆動側とした場合、太陽歯車５の回転方向を矢印イの方向に回転させたとき、遊星歯車６は各々矢印ロの方向に自転する。さらに該遊星歯車６は外輪磁気歯車１との噛み合いによって矢印ハの方向に公転する。本発明の実施例では各々の磁気歯車の磁気歯数を、遊星歯車６を１６個、太陽歯車５を３２個、外輪歯車４は６４個と設定しており、この場合の回転比は１対３の減速となる。反対に遊星群軸より入力し、太陽軸より出力する場合は、３：１の増速となる。

次に、前述した本発明の第一の実施例をもとに、本発明の別の目的である２件について詳細に説明する。その一つは、前述した従来例では２種類の噛み合い即ち、前記外輪歯車１と遊星歯車３間、遊星歯車３と太陽歯車２間の各伝達トルクに約６０％の差異があることに着目し、この両者の伝達トルクを拮抗するよう設定することで永久磁石の使用量を減らすことにある。もう一つの目的は、磁気的な噛み合いのモデルに改良を加えて、伝達トルクの脈動を抑えることにある。

まず、前者の目的についてその解決方法を説明する。図３において、外輪歯車４の磁気歯４２・・・と、これに対向し磁気的に噛み合う遊星歯車６・・の磁気歯６２・・・の極性が、Ｎ極と、Ｓ極となっている有効噛み合い部２ａ（斜線を施した部分）で主たる伝達トルクを形成する。この実施例の外輪歯４２・・・では、従来例の図１（イ）の外輪歯１２の噛み合いの少ない外周部から削って磁気歯たけを約半分短くしたものである。即ち、この有効噛み合い部２ａと、後述する有効噛み合い部２ｂ（斜線を施しは部分）の各々の噛み合い面積をほぼ同じにして伝達トルクの拮抗を図ったものである。本実施例では外輪歯の永久磁石の使用量を約半分にすることが可能となった。

次に伝達トルクの脈動の解決方法について説明する。図１（イ）の従来例で、伝達トルクの脈動の主原因は、遊星歯車と太陽歯車の磁気的噛み合い部に起因していることが判明した。この噛み合い部を標準的な外接噛み合い（有効噛み合い形状がラグビーボール型となっている）を、外輪歯車と遊星歯車の磁気的噛み合い部の噛み合い形状を内接噛み合い（有効噛み合いの形状が短冊状となっている）に準じた形状にすることで解決したものである。即ち、外接噛み合いを内接噛み合いに近づけたものである。この伝達トルクの脈動発生の主原因を、図を用いて詳細に説明する。図５は、前述の従来例の磁気的噛み合いを遊星磁気歯の１歯分の回転角度を４等分し、各々の噛み合い状態を示したスケルトン図で、同様に図６は本発明の実施例のそれを示したスケルトン図である。図５、６の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）は遊星歯車の自転の回転角度を２２．５°（３６０／１６）の１／４づつ回転した場合の磁気的噛み合い状態を連続的に示したもので、図の点線の矢印は、磁気的な噛み合いの伝達トルクの方向を示したものである。従来例の噛み合いではトルクの方向は遊星歯車の回転方向（自転）に対して斜めになり、回転トルクを十分に引き出せていない。これに対して、発明例の図６では、遊星歯車の回転方向（自転）に対して、接線方向であり、伝達トルクに無駄なく作用している。一方、噛み合い生成開始部分（図中、点線で囲った部分）に着目すると、図５の従来例では、（イ）（ロ）は有効噛み合いの生成が主となり、又（ハ）（ニ）では、反発噛み合い（対向する磁気歯の極性が異極の状態）の生成が主になっている。即ち、２２．５°の回転において、この噛み合い生成開始部分が、有効噛み合いと反発噛み合いが交互に発生することが伝達トルクの脈動の主因となっている。これに対して、発明例では、図６の噛み合い生成開始部分（図中、点線で囲った部分）は、（イ）〜（ニ）において、ほぼ有効噛み合いと反発噛み合いが拮抗して生成されるため、回転時の伝達トルクの脈動が少なくなっている。

具体的には、太陽歯車５の磁気歯５２の形状を、磁気歯の内側から放射曲線状に形成しているところを逆放射曲線状に形成することで、太陽歯車５の磁気歯５２・・・と遊星歯車６の磁気歯６２・・・の磁気的噛み合い部を、２ｂに示すように準内接噛み合いとすることができるが、本実施例では、太陽磁気歯の内周側と外周側を反転して形成した。

図４に、磁気式遊星歯車装置の伝達トルク特性を実測した結果を示す。図４（イ）は従来例の磁気式遊星歯車装置の伝達トルク特性を、図４（ロ）に本発明に係る第一の実施例の伝達トルク特性を示す。それぞれの磁気歯数は従来例では、外輪歯車の外径は２００ｍｍ、太陽歯車、及び遊星歯車の外径はそれぞれ８０ｍｍ、又、永久磁石には、希土類のＮｄ−Fe―Ｂを使用し、磁気歯数は、遊星：太陽：外輪＝２４：２４：９６で変速比は５：１となる。一方、本発明の実施例では、外輪歯車、太陽歯車、遊星歯車の外径はそれぞれ、１８０ｍｍ、１００ｍｍ、６８ｍｍ、で、永久磁石は、同様にＮｄ−Fe―Ｂを使用した。又、磁気歯数は、遊星：太陽：外輪＝２４：４８：９６で変速比は３：１とした。グラフに示すように本発明の実施例では伝達トルクの脈動が、従来例に対して約３２％に減少した。

次に伝達トルクの向上を目的とした本発明の第二の実施例について説明する。前述したように、一般的に磁気式遊星歯車の伝達トルクは、遊星歯車と太陽歯車間の伝達トルクが、外輪歯車と遊星歯車間の伝達トルクに対し約６０％であり、４０％低くなっている。本発明の骨子は、太陽歯車を２個用いて、この遊星歯車と太陽歯車間の伝達トルクを強くすることにより、遊星歯車装置としての伝達トルクを向上する方法を提案するものである。図７は本発明による第二の実施例の磁気式遊星歯車装置の概略を示した一部断面を含む平面図である。図において、４ａは外周部に磁気歯４２ａを配設した外輪歯車、６ａは、遊星盤６１ａの外周部の表裏に磁気歯６２ａ・・・、及び磁気歯６３ａ・・・を配設した遊星歯車である。ここで該磁気歯６２ａ・・・は前記外輪歯車４ａの磁気歯４２ａ・・・と対向して磁気的な噛み合いを形成するが、磁気歯６３ａは外輪歯４２ａと磁気的に噛み合わない。又５ａ、５ｂは、その外周部に磁気歯５2ａ・・・、及び磁気歯５２ｂ・・・を配設した太陽歯車であって、該磁気歯５２ａ、磁気歯５２ｂはそれぞれ前記遊星歯車６ａの表裏の磁気歯６２ａ・・・と対向して配置され、磁気的な噛み合いを形成する。即ち、遊星歯車と太陽歯車の磁気的噛み合いが、前述した本発明の第一の実施例に対し倍加させたことにより、磁気式遊星歯車装置としての伝達トルクを１．８倍に向上させたものである。

又、図８は、前述の伝達トルク向上方法に対して、磁気歯の削減した改善例を示す第三の実施例の概略を示した一部断面を含む平面図である。前述の第二の実施例と異なる点は、遊星歯車６ｂの遊星盤６１ｂに配設された磁気歯の６２ｂ・・・の表裏の磁気歯面が、太陽歯車５ａ、及び５ｂの各磁気歯５２ａ、５２ｂと噛み合うよう構成したもので、これによって遊星歯の磁気歯を増やすことなく磁気式歯車装置の伝達トルクを強くしたものである。

以上説明した遊星歯車、太陽歯車、外輪歯車の磁気歯は、それぞれ３種類の磁気歯の内周側幅は、有効噛み合い部を極力多くするためほぼ同じ幅としており、又、磁気歯の数は、何れもＮ極、Ｓ極が同数を基本とする。尚、本発明の実施例では、便宜上遊星歯車を３個用いた例で説明したが、遊星歯車数が複数であれば本発明の及ぶところである。さらに、本発明では磁気歯の材質は、Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂ系の高エネルギー積を有する希土類磁石を使用したが、エネルギーの小さい他の磁性材を用いても、本発明の及ぶところである。

従来の磁気式遊星歯車装置の概略平面図及び、伝達トルクのシステム図 本発明による第一、及び第二の実施例の概略平面図、及び側面図 同実施例の伝達トルクシステム図 磁気式遊星歯車装置の伝達トルク特性図 従来の磁気式遊星歯車の磁気的噛み合い状態の詳細図 本発明による第一の実施例の磁気的噛み合い状態の詳細図 本発明によるの第二の実施例の概略正面図 本発明によるの第三の実施例の概略正面図

符号の説明

１、４、４ａ、４ｂ 磁気式外輪歯車
２、５、５ａ、５ｂ 磁気式太陽歯車
３、６、６ａ、６ｂ 磁気式遊星歯車
７ 外輪歯車取り付け板
８ 遊星取り付け板
９ スペーサー
１１外輪盤
１２、４２、４２ａ、４２ｂ 外輪磁気歯
２１、５１、５１ａ、太陽盤
２２、５２、５２ａ、５２ｂ 太陽磁気歯
３１、６１、６１ａ、遊星盤
３２、６２、６２ａ、６３ａ、６２ｂ 遊星磁気歯
２３、５３ 太陽軸
２４、３４、５４、６４、 軸受
２５、３３、６５、８５ セットカラー
３５、６３ 遊星歯車盤
３６、６６ 遊星軸
７２、７６，７７、８６ ネジ
４３ ワッシャ
７１、８１ 軸受ホルダー

Claims (3)

1. 磁気式太陽歯車と、複数個の磁気式遊星歯車と、１個の磁気式外輪歯車から構成され、各々の対向する該磁気歯車間に所定の空隙を設け、動力伝達には磁気の反発力及び、吸引力を利用して、非接触で動力伝達させる外周部に放射曲線状に磁気歯が設けられた磁気式遊星歯車装置において、遊星歯車と太陽歯車、及び遊星歯車と外輪歯車の各々の伝達トルクが、ほぼ同トルクとなるよう外輪歯車の磁気歯の存在する部位を短くしたことを特徴とする磁気式遊星歯車装置。
2. 磁気式太陽歯車と、複数個の磁気式遊星歯車と、１個の磁気式外輪歯車から構成され、各々の対向する該磁気歯車間に所定の空隙を設け、動力伝達には磁気の反発力及び、吸引力を利用して、非接触で動力伝達させる外周部に放射曲線状に磁気歯が設けられた磁気式遊星歯車装置において、遊星歯車と太陽歯車の各磁気歯が対向する磁気的噛み合い箇所の主要部における各個別の磁気歯が短冊状に対向していわゆる内接噛み合い方式となるよう遊星歯車と太陽歯車の磁気歯形状を形成したことを特徴とする磁気式遊星歯車装置。
3. 磁気式太陽歯車と、複数個の磁気式遊星歯車と、１個の磁気式外輪歯車から構成され、各々の対向する該磁気歯車間に所定の空隙を設け、動力伝達には磁気の反発力及び、吸引力を利用して、非接触で動力伝達させる外周部に放射曲線状に磁気歯が設けられた磁気式遊星歯車装置において、前記遊星歯車は、遊星盤の外周部の表裏両面に各々別の磁気歯が配設され、あるいは、遊星盤の外周部に同一の磁気歯が配設されており、前記遊星歯車の磁気歯が配設された外周部を、相互に挟むように２個の前記太陽歯車が同軸上に設けられ、該２個の太陽歯車の外周部に配設された各々の磁気歯が、前記遊星歯車の表裏両面の各々の磁気歯、あるいは、前記同一の磁気歯の表裏に、互いに正対していることを特徴とする磁気式遊星歯車装置。

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