JP5281768B2

JP5281768B2 - 遊星磁極回転機

Info

Publication number: JP5281768B2
Application number: JP2007208889A
Authority: JP
Inventors: 公昭中村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP2009044900A

Description

本発明は遊星磁極回転機に関し、特に磁気的には高回転速度で回転し、高い運転効率を達成することができ、しかも機械的減速機を用いることなく、物理的には低回転速度の出力を提供することにより高い利便性を発揮するような遊星磁極モータとして利用可能な遊星磁極回転機に関する。また、本発明の遊星磁極回転機は、発電機、減速機或いは動力分割機としても利用することができる。

モータを使用する用途の多くに於いては、ギヤ、プーリなどを用いた機械的減速機を用いることが一般的である。これは、対象物を大きな力で、ゆっくり変位させることが望まれることが多いからである。また、モータは、その構造上、低回転速度で運転可能とすると、モータ自体のサイズの大型化を招き、モータの効率が低下するという問題がある。しかるに、減速機を用いれば、装置を大型化し、製造コストを高騰させる原因となる。

遊星ギヤ装置は、ややコストが高くなるが、コンパクトな構成で、高い機械効率を発揮し得る減速機を実現することができる。例えば特許文献１には、そのような減速機を備えたモータが開示されている。しかしながら、遊星ギヤ装置であっても、その設置にはかなりのスペース及びコストを要し、低回転・高トルクのコンパクトなモータに対する需要が存在する。
特開２００５−２８２６０１号公報

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、高い運転効率を達成することができ、しかも低回転速度の出力を提供することのできるモータとして利用可能な遊星磁極回転機を提供することにある。

本発明の第２の目的は、高い運転効率を達成することができ、しかもコンパクトなモータとして利用可能な遊星磁極回転機を提供することにある。

本発明の第３の目的は、低回転速度の軸入力により高い効率の発電が可能な発電機として利用可能な遊星磁極回転機を提供することにある。

本発明の第４の目的は、コンパクトな減速機として利用可能な遊星磁極回転機を提供することにある。

本発明によれば、このような目的は、遊星磁極回転機であって、複数の１次側磁極を有するサン要素と、前記１次側磁極に対して、互いに磁気的に作用するように同心的に対向する２次側磁極及び前記２次側磁極に対して同心的に設けられ、前記２次側磁極とは異なる磁極数の３次側磁極を有し、かつ前記サン要素に対して回転自在に支持された遊星キャリア要素と、前記３次側磁極に対して、互いに磁気的に作用するように同心的に対向する４次側磁極を有し、かつ前記遊星キャリア要素に対して回転自在に支持された環状部材をなすリング要素とを有し、前記遊星キャリア要素に於ける前記３次側磁極と前記２次側磁極との間で、互いに逆方向の回転磁界として磁束を伝達する手段を前記遊星キャリア要素に設けたことを特徴とする遊星磁極回転機を提供することにより達成することができる。

このようにすることにより、リング要素の内外周の磁極数が、遊星ギヤ装置に於ける対応部分の歯数に対応し、遊星ギヤ装置に相似的な作用が達成できる。この場合、遊星キャリアの回転速度がＶ、サン要素の歯数をＳ、リング要素の歯数をＲであるとすると、リング要素の磁極から、遊星キャリアの外周磁極を介して、遊星キャリアの内周磁極に伝達される回転磁界の回転速度は（Ｒ／Ｓ）Ｖとなり、遊星キャリアの物理的な回転速度と磁気的な回転速度との和が｛（Ｒ／Ｓ）＋１｝Ｖ＝｛（Ｒ＋Ｓ）／Ｓ｝Ｖとなる。これが、サン要素の回転磁界速度と同期することから、サン要素の回転磁界速度に対する遊星キャリアの物理的な回転速度の比は、Ｓ／（Ｓ＋Ｒ）となる。即ち、機械的な減速機構を用いることなく、モータ自体で、サン要素の回転磁界速度に対して、遊星キャリアの物理的な回転速度を大幅に減速し得ることとなる。

また、遊星磁極回転機の場合は、機械的な遊星ギヤ装置の場合と異なり、減速比が幾何学的寸法により必ずしも支配されないため、内径を大きくする等、各部の寸法を構造上の必要に応じて自由に定め、しかも所望の減速比を得ることができる。

本発明の好適実施例によれば、遊星磁極回転機は、前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素のいずれか２要素を固定し、前記２要素の一方に回転磁界を供給し、前記２要素の他方から回転動力を取り出すようにした電気モータをなすものとすることができる。このようにすることにより、高い運転効率を達成することができ、しかも低回転速度の出力を提供することのできるモータが提供される。

本発明の別の好適実施例によれば、前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素のいずれか２要素を固定し、残りの１要素を動力入力端とし、前記両固定要素の一方の磁極に誘導される電流を出力とすることにより発電機をなすものとすることができる。このようにすることにより、低回転速度の軸入力により高い効率の発電が可能な発電機が提供される。

本発明の更に別の好適実施例によれば、前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素のいずれか１要素を固定し、他の２要素の一方を動力入力端とし、前記他の２要素の他方を動力出力端とすることにより変速機をなすものとすることができる。このようにすることにより、コンパクトな減速機が提供される。

これらに於いて、前記２次側及び磁極３次側磁極が強磁性体からなり、前記磁束伝達手段が、強磁性体からなる導磁体をなすものであって良い。或いは、前記２次側磁極及び磁極３次側磁極がそれぞれ巻き線を有する電磁石からなり、前記磁束伝達手段が、前記２次側磁極及び磁極３次側磁極の巻き線を互いに接続する導電体をなすものであっても良い。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１−４は、本発明に基づいて構成された三相モータをなす遊星磁極回転機の第１の実施例を示す。このモータ３０は、その中心部に、等間隔に配置された１８個のコアティースを有するステータからなるサン要素３１が設けられ、各コアティース３２には、コイル３３が巻かれている。サン要素３１の外周には、環状部材をなす遊星キャリア要素３４が、サン要素３１に対して同心的にかつ回転自在に支持されており、その内周には１８個の磁極３５が、コアティース３２に対応するように等間隔に配置され、その外周には５４個の磁極３６が同じく等間隔に配置されている。更に、遊星キャリア要素３４の外周には、この場合固定されたものであって良いリング要素３７が同心的に配置され、その内周には永久磁石からなる３６個の磁極３８が、遊星キャリア要素３４の外周の磁極３６に対応するように配置されている。一般に、三相交流モータの場合、リング要素３７の内周の磁極を永久磁石により構成すると、その磁極数は、遊星キャリア要素３４の外周の磁極数の２／３であって良い。

本実施例の遊星キャリア要素３４は、３つの別個のピースを組み合わせて構成されており、フェライトなどの圧縮成形された強磁性体からなるものであって良い。図３に示すように、各遊星キャリアピースは、サン要素３１のコアティース３２に対応するべき遊星キャリア要素３４の内周磁極３５を、３つおきに形成するべき各６個のＵ、Ｖ或いはＷ磁極３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗと、リング要素３７の磁極３８に対応するべき遊星キャリア要素３４の外周磁極３６を、３つおきに形成するべき各１８個のＵ、Ｖ或いはＷ磁極３６Ｕ、３６Ｖ、３６Ｗと、これらの磁極を互いに結合する環状の導磁体４０Ｕ、４０Ｖ、４０Ｗとを互いに一体的に形成したものからなる。このとき、出現する相の順序は、内周側を時計回りにＵ、Ｖ、Ｗとすると、外周側は反時計回りにＵ、Ｖ、Ｗとする。更に、図４に示されるように、これら３つの遊星キャリアピースを側方から集合させ、互いに入り組ませることにより、図２に示されるように、全体として平滑な輪郭を呈する円環状の帯状体或いはドラムを形成するように、個々の遊星キャリアピースが形成されている。

この場合、コアティース３２より所定の回転磁界が発生するように、コイル３３に３相交流電流を供給する。このとき、遊星キャリア要素３４の内周の磁極３５には、リング要素３７の磁極３８から、遊星キャリア要素３４の外周の磁極３６及び導磁体４０を経て磁束が供給されており、その極性に応じて、コアティース３２から適切な位相の回転磁界が発生するようにして、遊星キャリア要素３４が起動し得るようにする。そのために、モータ３０には、いずれも図示省略されているが、遊星キャリア要素３４の角度位置を判定するためのホール素子などからなるセンサ及び、センサの出力に基づき、コイル３３に適正な位相の電流を供給するためのコントローラが設けられる。

サン要素３１の回転磁界により、遊星キャリア要素３４が物理的に速度Ｖで回転すると、リング要素３７の内周の磁極３８と、遊星キャリア要素３４の外周の磁極３６との間の相互作用で、遊星キャリア要素３４の内周の磁極３５には、その５４／１８倍の速度で回転する回転磁界が生じることとになる。その結果、外見上遊星キャリア要素３４の内周には、（５４／１８）Ｖの速度で回転する回転磁界が生じ、コアティース３２の回転磁界の速度を｛（５４／１８）＋１｝Ｖ即ち（７２／１８）Ｖ＝４Ｖとすると、遊星キャリア要素３４とサン要素３３との間に磁気的な同期が取れ、回転が維持されることになる。物理的には、コアティース３２に４Ｖの速度の回転磁界を与えたときに、遊星キャリア要素３４が、Ｖの速度で回転することとなり、減速比４が実現することとなる。

図５は、本発明に基づいて構成された三相モータをなす遊星磁極モータの第２の実施例を示す。これは、第１の実施例と同様の構成を有し、図５では、図１と共通な部分を図示省略し、或いは同様の符号を付し、それらの部分の詳しい説明を省略する。本実施例では、遊星キャリア要素３４の内外周の磁極３５、３６はいずれも、電磁石をなし、導磁体に代えて、内外周の磁極３５、３６のコイル同士を、導線（バスライン）４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗにより互いに接続している。その結線方法は、上記した導磁体４０Ｕ、４０Ｖ、４０Ｗの配置に対応する。即ち、遊星キャリア要素３４の周方向に沿って、Ｕ、Ｖ或いはＷ相に対応する各一対のバスラインが設けられ、遊星キャリア要素３４の内外周の磁極３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗ、３６Ｕ、３６Ｖ、３６Ｗを構成する電磁石のコイル３９Ｕ、３９Ｖ、３９Ｗが、３つおきに特定の相のバスライン４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗに共通に接続されている。このときも、出現する相の順序は、内周側を反時計回りにＵ、Ｖ、Ｗとすると、外周側は時計回りにＵ、Ｖ、Ｗとする。

この場合も、遊星キャリア要素３４の回転に伴い、リング要素３７の磁極３８から発生する磁束が、遊星キャリア要素３４の外周の磁極３６のコイルに電流を誘起し、この誘起電流が、所定の位相関係をもって遊星キャリア要素３４の内の磁極３５を励磁し、前記実施例と同様の作用を発揮する。

上記両実施例では、リング要素３７の磁極３８が永久磁石からなるものとしたが、永久磁石が固定部分に設けられていることから、その冷却を容易に図ることができ、極めてコンパクトなモータが望まれる場合などに特に好適である。しかしながら、リング要素３７の磁極３８を、所望に応じて電磁石からなるものとすることもできる。

これらのモータは、遊星ギヤ装置と相似的な原理で作動するものであることから、このモータの各部が、公知の遊星ギヤ装置のどの部分に対応するものかについて、以下に説明する。図１０は、このような遊星ギヤ装置を示すもので、通常、入力ギヤとしてのサンギヤ１と、それに噛み合う例えば３個の遊星ギヤ３と、これらの遊星ギヤ３に噛み合う内歯を有するリングギヤ４とを有する。遊星ギヤ３は、共通のキャリア２に枢支されており、一般的な減速装置に於いては、キャリア２が出力軸に連結される。この場合、サンギヤ１の歯数Ｓが１８であって、リングギヤ４の歯数Ｒが５４であるとすると、入出力間の減速比は、Ｓ／（Ｓ＋Ｒ）＝１８／（１８＋５４）＝１／４となる。

図１−５に示された実施例では、サン要素３１に回転磁界を印加し、リング要素３７を固定し、これに固定磁界を印加することにより、これら両磁界の作用を受ける遊星キャリア要素３４に生じるトルクを軸出力として取り出すようにしたものである。これが、図６ａに模式化して示されている。しかしながら、遊星ギヤ装置について良く知られているように、遊星磁極モータに於いても、そのいずれの要素を固定部分とするか或いは入出力部分とするかは、適宜必要に応じて選択し得るものである。そのような可能な組み合わせが以下の表に示されている。

表１
サン要素遊星キャリア要素リング要素対応図
固定（回転磁界）回転（導磁体）固定（固定磁界）図６ａ
固定（固定磁界）回転（導磁体）固定（回転磁界）図６ｂ
回転（固定磁界）固定（導磁体）固定（回転磁界）図６ｃ
固定（回転磁界）固定（導磁体）回転（固定磁界）図６ｄ

上記組み合わせのうち、図６ｃに示されるものでは、入力として与えられる回転磁界の回転速度に対して、発生する軸出力の回転速度が増速されるのに対して、図６ａ、図６ｂ、図６ｄに示されるものでは、減速されることとなり、低速・高トルクの出力が望まれる場合に有利である。

一般に、モータは発電機としても利用することが可能であり、本発明の遊星磁極回転機も発電機として利用することができる。そのような実施例が、図７に示されている。

遊星磁極発電機の場合も、そのいずれの要素を固定部分とするか或いは入出力部分とするかは、適宜必要に応じて選択し得るものである。そのような可能な組み合わせが以下の表に示されている。

表２
サン要素遊星キャリア要素リング要素対応図
回転（固定磁界）固定（導磁体）発電（巻線）図８ａ
発電（巻線）固定（導磁体）回転（固定磁界）図８ｂ
固定（固定磁界）回転（導磁体）発電（巻線）図８ｃ
発電（巻線）回転（導磁体）固定（固定磁界）図８ｄ

上記組み合わせのうち、図８ａに示されるものでは、軸入力の回転速度に対する、巻線に作用する回転磁界の速度が減速されるのに対し、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄに示されるものでは、増速されることとなり、低速の駆動源を利用する場合に有利である。

更に、サン要素或いはリング要素の磁極に回転磁界を生じさせる方法としては、各磁極を電磁石として磁気的に回転させるばかりでなく、サン要素或いはリング要素永久磁石又は電磁石として物理的に回転させることことも可能である。その場合には、遊星磁極回転機が減速装置として機能することになる。そのような実施例が、図９に示されている。この場合、例えば、サン要素３１を永久磁石又は電磁石からなる固定磁極とする。遊星キャリア要素３４は、モータについての上記実施例のものと同様の構成とする。即ち、その内外周の磁極を強磁性体で構成し、内外周に於ける相の出現順序が逆方向となるように、内外周の磁極を導磁体で連結したり、或いは、その内外周の磁極を電磁石で構成し、内外周に於ける相の出現順序が逆方向となるように、内外周の磁極をなす電磁石を導電体で接続する。リング要素３７についても、サン要素３１と同様に、永久磁石又は電磁石からなる固定磁極とする。この場合の磁極数の関係についても、モータ及び発電機についての上記実施例のものと同様とする。

このようにして、例えば、サン要素３１に軸入力を加え、リング要素３７を固定し、遊星キャリア要素３４を出力とすると、上記したような遊星ギヤの原理に基づき、所定の比で減速される。この場合も、遊星ギヤ装置について良く知られているように、そのいずれの要素を固定部分とするか或いは入出力部分とするかは、適宜必要に応じて選択し得るものである。この場合、遊星ギヤ装置について知られている全ての組み合わせが実現可能である。

尚、図示された実施例では、モータの構成要素が互いに内外に多重に外囲する構成であったが、各部を適宜ディスク状とし、軸線方向に対峙するような構成としても、本発明の概念に包含されるものである。また、上記実施例では、三相回転機としているが、必要な起動用補助コイルを使用するなどの対策を必要に応じて行えば、単相回転機として構成し得るものであることは言うまでもない。更に、上記実施例では、対向する磁極の磁極数が同数であるものとしてが、コギングトルクを提言するなどの目的で、磁極数が互いに異なるようにしたものも、本発明の概念に含まれる。

モータとして構成された本発明に基づく遊星磁極回転機の第１の実施例を示す模式的横断面図である。図１に示されたモータの遊星キャリアを一部破断して示す斜視図である。ａ、ｂ及びｃからなり、それぞれ図２に示された遊星キャリアピースの１つを一部破断して示す正面図である。２つの遊星キャリアピースの組み合わせ要領を示す分解斜視図である。モータとして構成された本発明に基づく遊星磁極回転機の第２の実施例を示す模式的横断面図である。ａ、ｂ、ｃ及びｄからなり、それぞれ遊星磁極モータの可能な異なる実施態様を示すダイヤグラム図である。発電機として構成された本発明に基づく遊星磁極回転機の第３の実施例を示す模式的横断面図である。ａ、ｂ、ｃ及びｄからなり、それぞれ遊星磁極発電機の可能な異なる実施態様を示すダイヤグラム図である。減速機として構成された本発明に基づく遊星磁極モータの第４の実施例を示す模式的横断面図である。本発明に基づく遊星磁極回転機の作動原理の理解を助けるために示した公知の遊星ギヤ装置模式的横断面図である。

符号の説明

３０モータ３１サン要素
３２コアティース３３コイル
３４遊星キャリア
３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗ磁極３６Ｕ、３６Ｖ、３６Ｗ磁極
３７リング要素３８磁極
３９Ｕ、３９Ｖ、３９Ｗコイル４０Ｕ、４０Ｖ、４０Ｗ導磁体
４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗバスライン

Claims

遊星磁極三相交流回転機であって、
複数の１次側磁極を有するサン要素と、
前記１次側磁極に対して、互いに磁気的に作用するように同心的に対向する２次側磁極及び前記２次側磁極に対して同心的に設けられ、前記２次側磁極とは異なる磁極数の３次側磁極を有し、かつ前記サン要素に対して回転自在に支持された遊星キャリア要素と、
前記３次側磁極に対して、互いに磁気的に作用するように同心的に対向する４次側磁極を有し、かつ前記遊星キャリア要素に対して回転自在に支持された環状部材をなすリング要素とを有し、
前記遊星キャリア要素に於ける前記３次側磁極と前記２次側磁極との間で、前記３次側磁極に出現するＵＶＷ相の順序と前記２次側磁極に出現するＵＶＷ相の順序とが回転方向で見て互いに逆になるように、磁束を伝達する磁束伝達手段を前記遊星キャリア要素に設けたことを特徴とする遊星磁極回転機。
前記遊星キャリア要素は、強磁性体による３つの個別の円環状のピースの組み合わせによって構成され、前記ピースは、各々、前記２次側磁極をなす内周磁極と、３次側磁極をなす外周磁極と、前記内周磁極と前記外周磁極とを互いに結合して前記磁束伝達手段をなす環状の導磁体とを一体に有することを特徴とする請求項１に記載の遊星磁極回転機。
前記２次側磁極及び前記３次側磁極がそれぞれ巻き線を有する電磁石からなり、前記磁束伝達手段が前記２次側磁極及び磁極３次側磁極の巻き線を互いに接続する導電体からなることを特徴とする請求項１に記載の遊星磁極回転機。
前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素の少なくとも１要素を固定し、他の２要素の一方に回転磁界を供給し、前記他の２要素の他方から回転動力を取り出すようにした電気モータをなすことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の遊星磁極回転機。
前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素のいずれか２要素を固定し、残りの１要素を動力入力端とし、前記両固定要素の一方の磁極に誘導される電流を出力とすることにより発電機をなすことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の遊星磁極回転機。
前記サン要素、前記遊星キャリア要素及び前記リング要素のいずれか１要素を固定し、他の２要素の一方を動力入力端とし、前記他の２要素の他方を動力出力端とすることにより変速機をなすことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の遊星磁極回転機。