JP5177670B2 - Magnetic wave gear device and magnetic transmission speed reducer - Google Patents
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Description
本発明は、磁機伝達機構を用いた磁気波動歯車装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic wave gear device using a magnetic machine transmission mechanism.
従来から、様々な分野における動力源としてモータが用いられている。また、モータを高効率で駆動するには、高い回転数が必要である。一方、モータによって駆動される負荷には、低速かつ高トルクが必要とされる応用が多い(電子錠、ロボットアームなど)。 Conventionally, motors have been used as power sources in various fields. Also, a high rotational speed is required to drive the motor with high efficiency. On the other hand, loads driven by motors often require low speed and high torque (electronic locks, robot arms, etc.).
低速駆動が必要とされる用途に対しては、負荷を直接駆動できるダイレクトドライブモータも提案されている。しかしながら、そのようなダイレクトドライブモータは、出力に対して体積が大きい、低速時の発熱が大きい、制御が困難などの問題を有している。このため、多くの用途では、高回転で駆動されるモータに減速機を組み合わせて用いることが有効である。尚、減速機に要求される性能としては、減速比(入力回転数/出力回転数)、伝達効率(出力エネルギ/入力エネルギ)、許容トルク、許容回転数、バックラッシの程度、サイズ、コスト、耐久性などが挙げられる。 For applications that require low-speed drive, direct drive motors that can directly drive loads have also been proposed. However, such direct drive motors have problems such as large volume with respect to output, large heat generation at low speed, and difficulty in control. For this reason, in many applications, it is effective to use a reduction gear combined with a motor driven at a high speed. The required performance of the reducer includes the reduction ratio (input speed / output speed), transmission efficiency (output energy / input energy), allowable torque, allowable speed, degree of backlash, size, cost, and durability. Sex and so on.
上記減速機においては機械式のものが主流であり、機械式の力伝達機構、減速機構としては、平歯車・遊星歯車・不思議遊星歯車、サイクロイド減速装置、更に最近ではハーモニックドライブ社の波動歯車装置が開発されている。しかしながら、これらの減速機構は機械的接触式のため、効率が悪く、振動、騒音、寿命などの課題があった。 Of the reduction gears described above, mechanical types are the mainstream, and mechanical force transmission mechanisms and reduction mechanisms include spur gears, planetary gears, mysterious planetary gears, cycloid reduction gears, and more recently, harmonic gear wave gear devices. Has been developed. However, since these speed reduction mechanisms are mechanical contact types, they are inefficient and have problems such as vibration, noise, and life.
近年では、磁石の高性能化(例えば、NbFeB系の高エネルギを持つ希土類磁石の開発)に伴って磁気歯車を用いた磁機伝達機構が開発されている。このような磁気伝達機構は、例えば特許文献1〜4および非特許文献1〜3において開示されている。 In recent years, along with higher performance of magnets (for example, development of NbFeB-based high-energy rare earth magnets), magnetic machine transmission mechanisms using magnetic gears have been developed. Such a magnetic transmission mechanism is disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 to 3.
磁気力によってトルクを伝達する磁気伝達機構では、機械的接触を伴わないため、高伝達効率を実現でき、さらには、低振動・低騒音、無発塵、磨耗レス・メンテナンスフリー等のメリットを有する。また、許容トルクを超えるトルクが生じた場合には、磁気歯の磁気的なかみ合いが外れることによって(磁気歯がすべることによって)駆動力の伝達が行なわれなくなるが、磁気歯同士は機械的なかみ合いをしていないため歯車の破損につながることはなく、トルクリミッタの機能を有することになる。 The magnetic transmission mechanism that transmits torque by magnetic force does not involve mechanical contact, so it can achieve high transmission efficiency, and also has the advantages of low vibration and low noise, no dust generation, wear-free and maintenance-free. . In addition, when a torque exceeding the allowable torque is generated, the driving force is not transmitted because the magnetic teeth are disengaged (sliding the magnetic teeth). Since the gears are not engaged, the gears are not damaged, and the torque limiter function is provided.
しかしながら、上記特許文献1〜4および非特許文献1〜3において開示されている磁気伝達機構では、磁気歯自体が永久磁石によって形成されているため、多数の磁気歯の形成において製造コストがかかるといった問題がある。すなわち、磁石の複雑な多極着磁など構造が複雑であるため、製造コストが上昇する。また、永久磁石は、通常の金属加工と同様に加工することができず、加工精度も低くなるといった問題があった。 However, in the magnetic transmission mechanisms disclosed in the above Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 to 3, the magnetic teeth themselves are formed by permanent magnets, so that it takes a manufacturing cost to form a large number of magnetic teeth. There's a problem. That is, since the structure is complicated such as the complex multipolar magnetization of the magnet, the manufacturing cost increases. Further, the permanent magnet cannot be processed in the same manner as normal metal processing, and there is a problem that processing accuracy is lowered.
本願発明者らは、非特許文献4において、これらの課題を解決しうる新しい磁気波動歯車装置を提案している。非特許文献4にて提案された磁気波動歯車装置の構成を図9〜図10に示す。尚、波動歯車装置には、小型でも大きな減速比が得られるといった利点がある。
The present inventors have proposed a new magnetic wave gear device that can solve these problems in Non-Patent
上記磁気波動歯車装置は、図9〜図10に示すように、高速ロータ100,低速ロータ110,固定部120を備えて構成されている。図9は上記磁気波動歯車装置の上面図、図10は断面図である。
The magnetic wave gear device includes a
高速ロータ100は、最内周に配置される部材であり、永久磁石101と、2つの磁性体102・103とを回転軸方向に積層して構成されている。永久磁石101は、回転軸方向に沿って分極されている。磁性体102は、永久磁石101の一方の磁極(図10ではS極)側に取り付けられており、磁性体103は、永久磁石101の他方の磁極(図10ではN極)側に取り付けられている。また、高速ロータ100は、図9に示すように、回転軸方向から見て、円周の2箇所を平行な弦で切り取った形状をしている。尚、この形状は、高速ロータ100の磁極数を2とする場合の構成例である。
The high-
低速ロータ110は、最外周に配置される部材であり、ここでは内歯形状の磁気歯車を用いている。
The low-
また、固定部120は、非磁性体からなる環状部材121の上下に棒状の磁性体からなる複数の磁性体片122,123を所定のピッチで取り付けた構成となっている。固定部120は、高速ロータ100および低速ロータ110の間に配置される。固定部120において、非磁性体からなる環状部材121は、隣り合う磁性体片122,123同士が接触せず、かつ所定のピッチで配列されることを可能にするための部材である。
In addition, the
固定部120における磁性体片122,123のピッチは、低速ロータ110における磁気歯のピッチと若干異なるように設定される。図9に示す構成では、磁性体片122,123のピッチは低速ロータ110の磁気歯のピッチよりもわずかに狭くなるように設定されている。このため、円周方向に配置される磁性体片122または123の本数は、これに対向する磁気歯数よりも多くなる。
The pitch of the
上記構成の磁気波動歯車装置では、図10に示すように、高速ロータ100、固定部120の磁性体片122,123、および低速ロータ110の全てを通る閉磁界が発生する。上記構成において高速ロータ100が回転すると、固定部120を介して高速ロータ100と低速ロータ110との間で発生する磁界にバランスの取れた状態に向かおうとする復元力を生じ、この磁界復元力が低速ロータ110にトルク伝達力を生じさせる。そして、高速ロータ100が回転し続ける間は、このトルク伝達力も低速ロータ110に作用し続けるため、低速ロータ110も回転し続ける。尚、固定部120と低速ロータ110とは、その役割を逆としてもよい。
In the magnetic wave gear device having the above configuration, as shown in FIG. 10, a closed magnetic field passing through all of the
上記磁気波動歯車装置で使用される高速ロータ100および低速ロータにおける磁気歯は、磁性体金属によって製造される歯車形状部を永久磁石からの磁界によって磁化することで、磁気歯として作用する。このため、歯車の磁気歯自体を永久磁石で形成する必要はなく、部品点数の削減や製造工程の簡素化によってコスト削減を図ることができる。また、上記歯車形状部は、鉄などの磁性体金属によって製造できるため、一般的な金属加工法を用いて製造することができ、小型で、かつ高精度の部品とすることも容易となる。
しかしながら、上記非特許文献4の構成においても、以下に示すような、サイズや製造工程に係る問題がある。
However, the configuration of Non-Patent
すなわち、非特許文献4における磁気波動歯車装置では、磁気歯が回転軸に平行に長手方向を有するため、軸方向サイズを小型化しづらい(薄型化しづらい)といった問題がある。
That is, the magnetic wave gear device in Non-Patent
また、固定部120における磁性体片122,123は、円周面に(すなわち曲面に)沿って配置されるため、これらを精度良く配置することが困難であり、製造工程におけるコスト増加を招来する。
Further, since the
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化でき、かつ製造が容易となる磁気波動歯車装置を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a magnetic wave gear device that can be downsized and easily manufactured.
本発明に係る磁気波動歯車装置は、上記課題を解決するために、第1の部材、第2の部材、および第3の部材を、同一の回転軸を有するように配置してなる磁気波動歯車装置であって、上記第1の部材は、磁性体材料からなる円板形状のコアの片面に、複数の永久磁石を装着してなり、上記永久磁石は回転軸方向に分極された扇型形状の磁石であり、上記第2の部材は、上記第1の部材の磁石装着面に対向して配置され、上記回転軸に対して放射状に等ピッチに配置された複数の磁性体片を有しており、上記第3の部材は、上記第2の部材に対向して配置され、磁性体材料からなる円板における上記第2の部材との対向面に、同一形状をもつ複数の歯が上記回転軸に対して放射状に等ピッチに形成されており、上記第2の部材における上記磁性体片のピッチと、上記第3の部材における上記歯のピッチとが異なるように形成されており、上記第1の部材における磁石数をnh、上記第3の部材における歯数をnl、上記第2の部材における磁性体片数をnsとするとき、
ns=nl±nh
を満たすことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a magnetic wave gear device according to the present invention is a magnetic wave gear in which a first member, a second member, and a third member are arranged so as to have the same rotation axis. In the apparatus, the first member is formed by mounting a plurality of permanent magnets on one side of a disk-shaped core made of a magnetic material, and the permanent magnets are sector-shaped polarized in the direction of the rotation axis. The second member includes a plurality of magnetic body pieces arranged opposite to the magnet mounting surface of the first member and arranged radially at equal pitches with respect to the rotation axis. The third member is disposed opposite to the second member, and a plurality of teeth having the same shape are arranged on the surface facing the second member in a disk made of a magnetic material. It is formed at equal pitches radially with respect to the rotation axis, and the magnetic field in the second member is The pitch of the body pieces, the third pitch of the teeth are formed differently in the member, the number of magnets n h of the first member, the number of teeth n l in the third member, when the number of magnetic body pieces in the second member and the n s,
n s = n l ± n h
It is characterized by satisfying.
ここで、上記第1の部材を高速ロータとし、第2の部材を固定部とした場合には、第3の部材が低速ロータとなる。また、第1の部材を高速ロータとし、第3の部材を固定部とした場合には、第2の部材が低速ロータとなる。 Here, when the first member is a high-speed rotor and the second member is a fixed portion, the third member is a low-speed rotor. When the first member is a high speed rotor and the third member is a fixed portion, the second member is a low speed rotor.
上記の構成によれば、磁気歯が回転軸方向に長手方向を持たないため、軸方向に小型化しやすい(薄型化しやすい)。 According to said structure, since a magnetic tooth does not have a longitudinal direction in a rotating shaft direction, it is easy to reduce in size (it is easy to reduce in thickness) to an axial direction.
また、第1の部材における磁石および第3の部材における歯が円板面に形成されるため、これらに対向する第2の部材における磁性体片も平面内に配置される。このため、磁性体片を精度良く配置することが容易となる。 Further, since the magnet in the first member and the teeth in the third member are formed on the disk surface, the magnetic piece on the second member facing these is also arranged in a plane. For this reason, it becomes easy to arrange | position a magnetic body piece accurately.
また、上記磁気波動歯車装置では、上記第1の部材における上記永久磁石の中心角θmは、
θm=90−180/ns
に設定されていることが好ましい。
In the magnetic wave gear device, the central angle θ m of the permanent magnet in the first member is
θ m = 90-180 / n s
It is preferable that it is set to.
上記の構成によれば、第1の部材のコギングトルクを低減することが可能となる。 According to said structure, it becomes possible to reduce the cogging torque of a 1st member.
また、上記磁気波動歯車装置では、上記第2の部材における上記磁性体片、および上記第3の部材における上記歯は、回転軸方向から見て扇形形状を有していることが好ましい。 In the magnetic wave gear device, it is preferable that the magnetic piece in the second member and the teeth in the third member have a fan shape when viewed from the rotation axis direction.
上記の構成によれば、磁極片を扇形形状にすることで、第1の部材における磁石のエッジと第2の部材の磁極片のエッジ部分、及び第2の部材の磁極片のエッジと第3の部材の磁極片のエッジ部分がそれぞれ平行に対向することで、回転方向の磁束成分が増加し、伝達許容トルクが向上する。 According to the above configuration, by making the pole piece into a fan shape, the edge of the magnet in the first member and the edge part of the pole piece of the second member, and the edge of the pole piece of the second member and the third When the edge portions of the pole pieces of the member face each other in parallel, the magnetic flux component in the rotational direction increases, and the allowable transmission torque improves.
本発明の磁気波動歯車装置は、以上のように、第1の部材、第2の部材、および第3の部材を、同一の回転軸を有するように配置してなる磁気波動歯車装置であって、上記第1の部材は、磁性体材料からなる円板形状のコアの片面に、複数の永久磁石を装着してなり、上記永久磁石は回転軸方向に分極された扇型形状の磁石であり、上記第2の部材は、上記第1の部材の磁石装着面に対向して配置され、上記回転軸に対して放射状に等ピッチに配置された複数の磁性体片を有しており、上記第3の部材は、上記第2の部材に対向して配置され、磁性体材料からなる円板における上記第2の部材との対向面に、同一形状をもつ複数の歯が上記回転軸に対して放射状に等ピッチに形成されており、上記第2の部材における上記磁性体片のピッチと、上記第3の部材における上記歯のピッチとが異なるように形成されており、上記第1の部材における磁石数をnh、上記第3の部材における歯数をnl、上記第2の部材における磁性体片数をnsとするとき、
ns=nl±nh
を満たす。
As described above, the magnetic wave gear device of the present invention is a magnetic wave gear device in which the first member, the second member, and the third member are arranged so as to have the same rotation axis. The first member is formed by mounting a plurality of permanent magnets on one side of a disk-shaped core made of a magnetic material, and the permanent magnets are fan-shaped magnets polarized in the rotation axis direction. The second member has a plurality of magnetic body pieces arranged to face the magnet mounting surface of the first member and arranged radially at equal pitches with respect to the rotation shaft, The third member is disposed to face the second member, and a plurality of teeth having the same shape are disposed on the surface of the disc made of a magnetic material facing the second member with respect to the rotation shaft. Are formed radially at equal pitches, and the pitch of the magnetic pieces in the second member is Said third and pitch of the teeth are formed differently in member, in the number of magnets n h of the first member, the number of teeth n l in the third member, the second member when the number of magnetic strips and n s,
n s = n l ± n h
Meet.
それゆえ、磁気歯が回転軸方向に長手方向を持たないため、軸方向に小型化しやすく、かつ、第2の部材における磁性体片を平面内に配置できるため、磁性体片を精度良く配置することが容易となる。 Therefore, since the magnetic tooth does not have a longitudinal direction in the rotation axis direction, it is easy to miniaturize in the axial direction, and the magnetic piece in the second member can be arranged in a plane, so the magnetic piece is arranged with high accuracy. It becomes easy.
〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について図1ないし図4に基づいて説明すると以下の通りである。本実施の形態に係る磁気波動歯車装置は、図1に示すように、第1の部材である高速ロータ10,第3の部材である低速ロータ20,第2の部材である固定部30を備えて構成されている。また、これらの部材は共通の回転軸を有し、該回転軸方向に沿って、高速ロータ10,固定部30,低速ロータ20の順序で配置されている。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the magnetic wave gear device according to the present embodiment includes a high-
尚、本実施の形態では、図1における部材30を固定部、部材20を低速ロータとしているが、部材20と部材30とは、その役割を入れ替えることも可能である。すなわち、第3の部材である部材20を固定部とすれば、第2の部材である部材30が低速ロータとして機能する。以下の説明は、部材30を固定部、部材20を低速ロータとした場合を例示して説明を行なうものである。
In the present embodiment, the
高速ロータ10は、磁性体材料からなるコア13(図2参照)に、2つの永久磁石11および12を取り付けた構造である。コア13は円板形状の部材であり、一方、永久磁石11および12は回転軸方向に分極された扇型形状の磁石である。また、図1では、コア13の中央にモータ軸を通すための軸穴が設けられている。永久磁石11および12は、コア13の片面(固定部30との対向面)において、回転軸に対して対称となるように配置・装着される。さらに、永久磁石11および12のそれぞれにおける分極方向は、互いに逆となっている。
The high-
低速ロータは20は、磁性体材料からなる部材であり、円板形状の基台の片面(固定部30との対向面)において、同一の歯幅をもつ複数の歯21が回転軸に対して放射状に等ピッチに形成されている。ただし、歯21は回転軸の中心付近には形成されていない。
The low-
固定部30は、複数の磁性体片31を回転軸に対して放射状に等ピッチに配置してなる。図1では、磁性体片31のみを図示しているが、実際にはこれらの磁性体片31は樹脂等で一体化され、ピッチ等の相互関係が保たれるようになっている。
The
固定部30における磁性体片31のピッチは、低速ロータ20における磁気歯21のピッチと若干異なるように設定される。図1に示す構成では、磁性体片31のピッチは磁気歯21のピッチよりもわずかに狭くなるように設定されている。このため、円周方向に配列される磁性体片31の本数は、これに対向する磁気歯数よりも多くなる。
The pitch of the
上記構成の磁気波動歯車装置では、高速ロータ10に備えられた永久磁石11および12により、図2に示すように高速ロータ10、低速ロータ20、および固定部30の全てを通る閉磁界が発生する。
In the magnetic wave gear device having the above configuration, the
ここで、上記磁気波動歯車装置の動作原理を図3および図4を参照して説明する。図3および図4は磁気波動歯車装置を半径方向側から見た図であり、高速ロータ10の一方の磁石(図3では永久磁石11を図示)付近の拡大図である。
Here, the operation principle of the magnetic wave gear device will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are views of the magnetic wave gear device as seen from the radial direction side, and are enlarged views in the vicinity of one magnet of the high-speed rotor 10 (the
先ず、図3は、磁気波動歯車装置において、高速ロータ10と低速ロータ20との間で発生する磁界が、低速ロータ20に対して回転トルクを生じさせない状態を示している。すなわち、図3では、高速ロータ51の1つの磁石に対して、低速ロータ20における4つの磁気歯21、および固定部30における3本の磁性体片31が対向する構成を例示しているが、この時、高速ロータ10と低速ロータ20との間では、固定部30における4本の磁性体片31を介して低速ロータ20の磁気歯21へ向う4つの強い磁界(図中の太線矢印)が発生する。そして、図3では、この4つの磁界のバランスが取れているため、低速ロータ20において回転トルクは発生しない。
First, FIG. 3 shows a state in which the magnetic field generated between the high-
図3の状態から高速ロータ10が回転し、磁気歯のほぼ1ピッチ分移動すると、高速ロータ10と低速ロータ20との間で発生する磁界は図4に示す状態となる。この磁界は、バランスの取れた状態(すなわち図3の状態)に向かおうとする復元力を有するため、この磁界復元力が低速ロータ20の磁気歯21に作用し、低速ロータ20にトルク伝達力を生じさせる。
When the high-
そして、高速ロータ10が回転し続ける間は、図4に示すトルク伝達力も低速ロータ20に作用し続けるため、低速ロータ20も回転し続ける。
While the high-
図3および図4では、固定部30における磁性体片31のピッチは低速ロータ20の磁気歯21のピッチよりもわずかに狭くなるように設定されている。すなわち、固定部30における磁性体片31の本数は低速ロータ20の磁気歯数21よりも多くなるように設定されている。この場合、図4に示すように、低速ロータ20の回転方向(トルク伝達方向)は、高速ロータ10の回転方向と逆方向となる。
3 and 4, the pitch of the
但し、本発明の磁気波動歯車装置は上記例に限定されるものではなく、固定部30における磁性体片31のピッチは低速ロータ20の磁気歯21のピッチよりもわずかに広くなるように設定されていてもよい。すなわち、固定部30における磁性体片31の本数は低速ロータ20の磁気歯数21よりも少なくなるように設定されていてもよい。この場合、低速ロータ20の回転方向(トルク伝達方向)は、高速ロータ10の回転方向と同方向となる。
However, the magnetic wave gear device of the present invention is not limited to the above example, and the pitch of the
すなわち、上記磁気波動歯車装置では、固定部30における磁性体片31と低速ロータ20の磁気歯21とのピッチ設定によって、高速ロータ10の回転方向に対する低速ロータ20の回転方向を同方向または逆方向の何れにも設定することが可能である。
That is, in the magnetic wave gear device, the rotation direction of the low-
上記磁気波動歯車装置は、磁気伝達減速機として好適に利用できる。例えば、図1の構成において、高速ロータ10を入力側、低速ロータ20を出力側とすれば、減速比および伝達トルクの大きな減速機を得ることができる(無論、部材20を固定部とした場合には、部材30を出力側とすることができる)。また、上記磁気波動歯車装置を備えた磁気伝達減速機をモータと組み合わせることにより、低振動、低騒音、かつ長寿命といった利点を有する、低速かつ高トルクの駆動源を得ることができる。また、入力と出力とを逆にして加速機として用いることも可能である。
The magnetic wave gear device can be suitably used as a magnetic transmission speed reducer. For example, in the configuration of FIG. 1, if the high-
上記磁気波動歯車装置の減速比は、高速ロータ10の磁石数をnh、低速ロータ20の歯数をnlとした場合nl/nhとなる。また、固定部30の磁性体片数nsは、ns=nl±nhに設定される。すなわち、低速ロータ20の回転方向を高速ロータ10の回転方向と同方向にする場合にはns=nl−nhに設定し、逆方向にする場合にはns=nl+nhに設定すればよい。いずれの場合も減速比はnl/nhである。
The reduction ratio of the magnetic wave gear device, comprising a number of magnets of the high-
上記説明における磁気歯動歯車装置では、低速ロータ20と固定部30との役割を逆にすることも可能である。すなわち、低速ロータ20を固定すれば、高速ロータ10への入力に対して固定部30からトルクを出力させることもできる。また、入力と出力とを逆にして加速機として用いることも可能である。
In the magnetically toothed gear device in the above description, the roles of the
本実施の形態1に係る磁気波動歯車装置には、以下のような利点がある。
(1) トルク発生の有効領域が広い。
(2) 1段で高い減速比が得られる。
(3) 磁石形状が単純。
(4) エアギャップが小さく設定可能。
The magnetic wave gear device according to the first embodiment has the following advantages.
(1) Wide effective range of torque generation.
(2) A high reduction ratio can be obtained in one stage.
(3) Simple magnet shape.
(4) The air gap can be set small.
以上より、高い伝達許容トルクが得られる。また、磁性体金属の加工のみで減速比およびトルク伝達方向を自由に設定可能である。 From the above, a high allowable transmission torque can be obtained. Further, the reduction ratio and the torque transmission direction can be freely set only by processing the magnetic metal.
さらに、非特許文献4における磁気波動歯車装置と比較しても以下の利点がある。尚、以下の説明では、非特許文献4における磁気波動歯車装置をラジアル型(部材間のエアギャップが半径方向に生じているため)、本発明に係る磁気波動歯車装置をアキシャル型(部材間のエアギャップが軸方向に生じているため)と称する。
Further, even when compared with the magnetic wave gear device in
まず、ラジアル型では、磁気歯が回転軸に平行に長手方向を有するため、軸方向サイズを小型化しづらい(薄型化しづらい)が、アキシャル型では薄型化を図ることが容易である。その結果、同程度の伝達トルクを発生させようとする場合に、アキシャル型ではラジアル型に比べて体積を約2/3程度に小型化できる。 First, in the radial type, since the magnetic teeth have a longitudinal direction parallel to the rotation axis, it is difficult to reduce the axial size (it is difficult to reduce the thickness), but in the axial type, it is easy to reduce the thickness. As a result, when generating the same level of transmission torque, the axial type can be reduced to about 2/3 of the volume compared to the radial type.
また、ラジアル型では、部材間のエアギャップが半径方向に生じるため、円周面上において高精度のエアギャップを形成する必要がある。このことは、部材の製造工程におけるコスト増加を招来する。特に、図9に示す固定部120において、磁性体片122,123は円周面に(すなわち曲面に)沿って配置されるため、これらを精度良く配置した上で一体化することが困難である。これに対し、アキシャル型では、固定部30における磁性体片31は平面に配置される。このため、磁性体片31を精度良く配置した上で一体化することは容易である。
Further, in the radial type, since an air gap between members is generated in the radial direction, it is necessary to form a highly accurate air gap on the circumferential surface. This leads to an increase in cost in the member manufacturing process. In particular, in the fixing
〔実施の形態2〕
本発明の他の実施形態について図5ないし図6に基づいて説明すると以下の通りである。
[Embodiment 2]
Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
先ず、実施の形態1に示す磁気波動歯車装置において、低速ロータ20を固定したまま安定位置(θ=0°)から高速ロータ10を180°回転させた場合の、低速ロータの伝達トルク(LR)、高速ロータのコギングトルク波形(HR)の三次元有限要素法によるシミュレーション結果を図5に示す。なお、この時の磁気波動歯車装置における各パラメータは、以下の表1に示す通りである。
First, in the magnetic wave gear device shown in the first embodiment, the transmission torque (LR) of the low-speed rotor when the high-
図5より、高速ロータの回転角が50°の時に低速ロータ側で得られるトルクが最大で、約4Nmのトルクを伝達できることが示された。また、高速ロータで作用しているコギングトルクが約1Nm程度発生しており、低速ロータのトルク波形もかなりひずんでいることが分かる。これは振動・騒音の原因となりうるため解消する必要がある。本実施の形態2に係る磁気波動歯車装置は、上記コギングトルクを抑制するために、磁石寸法の最適化の検討を行なったものである。 From FIG. 5, it was shown that when the rotation angle of the high-speed rotor is 50 °, the maximum torque that can be obtained on the low-speed rotor side is about 4 Nm. It can also be seen that the cogging torque acting on the high-speed rotor is about 1 Nm, and the torque waveform of the low-speed rotor is also distorted. Since this can cause vibration and noise, it must be resolved. In the magnetic wave gear device according to the second embodiment, optimization of the magnet dimensions has been studied in order to suppress the cogging torque.
すなわち、本実施の形態2に係る磁気波動歯車装置では、高速ロータ10における永久磁石11および12の中心角を90°から8°小さくして82°とした。永久磁石11および12の中心角を82°とし、他のパラメータは表1と同条件とした場合のシミュレーション結果を図6に示す。
That is, in the magnetic wave gear device according to the second embodiment, the central angle of the
これにより、永久磁石11および12の中心角を82°としたモデルでは、高速ロータの側のトルク波形(HR)が磁石の中心角を90°とした場合の高速ロータ側トルク波形(HR90)と比較して、約半分の大きさに抑制できることが確認できる。また、低速ロータの伝達トルク(LR)への影響も見られない。すなわち、磁石寸法(中心角)の最適化を行なうことで、高速ロータのコギングトルクを大幅に抑制できる。
Thus, in the model in which the central angle of the
ここで、本実施の形態2は、高速ロータのコギングトルクの半周期分を機械角とし位相角度を操作することでコギングトルクを低減するものである。この場合、永久磁石の中心角を調整する代わりに、2つの磁石の位相角度を180°から半周期分(180/ns=約8°)ずらすことも可能だが、高速ロータの回転平衡が悪くなるため、本検討では、永久磁石の中心角を90°から82°に変更することで、コギングトルクの低減を試みたものである。 Here, in the second embodiment, the cogging torque is reduced by manipulating the phase angle with the half-cycle of the cogging torque of the high-speed rotor as a mechanical angle. In this case, instead of adjusting the center angle of the permanent magnet, the phase angle of the two magnets can be shifted from 180 ° by a half cycle (180 / ns = about 8 °), but the rotational balance of the high-speed rotor is poor. Therefore, in this study, the cogging torque is reduced by changing the central angle of the permanent magnet from 90 ° to 82 °.
尚、上記例では、永久磁石11および12の中心角を90°から8°小さくしているが、これは、発生するコギングトルクの半周期分の大きさが約8°となるためである。また、コギングトルクの周期は固定部の歯数nsに依存し、(コギングトルクの周期)=360/nsである(半周期は180/ns)。これより、永久磁石11および12の中心角をθm(°)とすると、θmは、
θm=90−180/ns
に設定されることが高速ロータのコギングトルクを低減する上で有効である。
In the above example, the central angle of the
θ m = 90-180 / n s
Setting to is effective in reducing the cogging torque of the high-speed rotor.
〔実施の形態3〕
本発明の他の実施形態について図7ないし図8に基づいて説明すると以下の通りである。本実施の形態3に係る磁気波動歯車装置は、固定部30における磁性体片31、および低速ロータ20における磁気歯21の形状を変更し、伝達トルクの向上を図ったものである。
[Embodiment 3]
Another embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. In the magnetic wave gear device according to the third embodiment, the shapes of the
固定部30および低速ロータ20の磁極片形状は、トルク伝達特性に大きく影響するため、その形状及び寸法を最適化する必要がある。本実施の形態3では、固定部30および低速ロータ20の磁極片形状を長方形から扇形へ変更した。
The shape of the magnetic pole pieces of the fixed
すなわち、実施の形態1における磁性体片31および磁気歯21では、図7(a)に示すように、その長辺が軸方向から見て平行となっており、該長辺は歯車の半径に一致していない。このため、磁石と磁極片とのエッジの重なりが内径側から外径側に向けて順次発生する。
That is, in the
これに対し、本実施の形態3に係る磁気波動歯車装置では、図7(b)に示すように、磁極片形状が扇形とされているため、磁性体片31および磁気歯21の長辺が歯車の半径に一致する。
On the other hand, in the magnetic wave gear device according to the third embodiment, as shown in FIG. 7B, the pole piece shape is a fan shape, so that the long sides of the
長方形型磁極片に対する扇形磁極片の優位性を確認するために、長方形磁極片モデルと同様に三次元有限要素法を用いて伝達トルクを求め、両者を比較した。扇形磁極片の解析モデルの寸法及び条件は以下の表2に示す通りである。 In order to confirm the superiority of the fan-shaped pole piece over the rectangular pole piece, the transmission torque was obtained using the three-dimensional finite element method as in the rectangular pole piece model, and the two were compared. The dimensions and conditions of the analysis model of the sector pole piece are as shown in Table 2 below.
両モデルにおいて、固定部及び低速ロータ以外の寸法は長方形磁極片モデルと同じ条件としている。ここで、低速ロータを固定したまま安定位置から高速ロータを回転させた時の低速ロータの伝達トルクと、高速ロータのコギングトルク波形の解析結果を図8に示す。 In both models, the dimensions other than the fixed portion and the low-speed rotor are the same as those of the rectangular pole piece model. Here, FIG. 8 shows the analysis results of the transmission torque of the low speed rotor and the cogging torque waveform of the high speed rotor when the high speed rotor is rotated from the stable position while the low speed rotor is fixed.
図8より、高速ロータの回転角が50°の時に低速ロータ側で得られるトルクの最大値約5.5Nmを実現した。すなわち、扇形磁極片では、長方形磁極片モデルと比較して約1.5Nm伝達トルクが向上している。これは、磁極片を扇形形状にすることで、高速ロータにおける磁石のエッジと固定部の磁極片のエッジ部分、及び固定部の磁極片のエッジと低速ロータの磁極片のエッジ部分がそれぞれ平行に対向することで、回転方向の磁束成分が増加し、伝達許容トルクが向上したためと考えられる。 As shown in FIG. 8, the maximum value of the torque obtained on the low-speed rotor side when the rotation angle of the high-speed rotor is 50 ° is about 5.5 Nm. That is, in the sector pole piece, the transmission torque is improved by about 1.5 Nm compared to the rectangular pole piece model. This is because by making the pole pieces fan-shaped, the edge of the magnet in the high speed rotor and the edge portion of the pole piece of the fixed portion, and the edge of the pole piece of the fixed portion and the edge portion of the pole piece of the low speed rotor are parallel to each other. It is considered that the opposing magnetic flux component in the rotational direction increased and the transmission allowable torque was improved.
磁気波動歯車装置を低コストかつ高精度に提供でき、該磁気波動歯車装置を減速機等に用いることによって、電子錠、ロボットアームなどの用途に適用できる。 The magnetic wave gear device can be provided at low cost and with high accuracy, and the magnetic wave gear device can be applied to applications such as an electronic lock and a robot arm by using the magnetic wave gear device in a reduction gear or the like.
10 高速ロータ
11,12 永久磁石
20 低速ロータ
21 磁気歯
30 固定部
31 磁性体片
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記第1の部材は、磁性体材料からなる円板形状のコアの片面に、複数の永久磁石を装着してなり、上記永久磁石は回転軸方向に分極された扇型形状の磁石であり、
上記第2の部材は、上記第1の部材の磁石装着面に対向して配置され、上記回転軸に対して放射状に等ピッチに配置された複数の磁性体片を有しており、
上記第3の部材は、上記第2の部材に対向して配置され、磁性体材料からなる円板における上記第2の部材との対向面に、同一形状をもつ複数の歯が上記回転軸に対して放射状に等ピッチに形成されており、
上記第2の部材における上記磁性体片のピッチと、上記第3の部材における上記歯のピッチとが異なるように形成されており、
上記第1の部材における磁石数をnh、上記第3の部材における歯数をnl、上記第2の部材における磁性体片数をnsとするとき、
ns=nl±nh (ただし、n h 、n l 、およびn s はいずれも自然数)
を満たすことを特徴とする磁気波動歯車装置。 A magnetic wave gear device in which a first member, a second member, and a third member are arranged so as to have the same rotation axis,
The first member is formed by mounting a plurality of permanent magnets on one side of a disk-shaped core made of a magnetic material, and the permanent magnets are fan-shaped magnets polarized in the rotation axis direction.
The second member is arranged to face the magnet mounting surface of the first member, and has a plurality of magnetic body pieces arranged radially at equal pitches with respect to the rotation axis,
The third member is arranged to face the second member, and a plurality of teeth having the same shape are arranged on the rotating shaft on a surface facing the second member in a disk made of a magnetic material. On the other hand, it is formed radially at equal pitches,
The pitch of the magnetic piece in the second member is different from the pitch of the teeth in the third member,
When the number of magnets in the first member is n h , the number of teeth in the third member is n l , and the number of magnetic material pieces in the second member is n s ,
n s = n l ± n h (where n h , n l , and n s are all natural numbers)
Magnetic wave gear device characterized by satisfying.
θm °=90°−180°/n s
に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気波動歯車装置。 The central angle θ m ° of the permanent magnet in the first member is
θ m ° = 90 ° -180 ° / n s
The magnetic wave gear device according to claim 1, wherein the magnetic wave gear device is set.
上記2つの磁石の位相角度が180°から180°/n s ずらされていることを特徴とする請求項1に記載の磁気波動歯車装置。 The number of the permanent magnets in the first member is two,
Magnetic wave gear device according to claim 1, characterized in that the phase angle of the two magnets are offset 180 ° / n s from 180 °.
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