JP5502818B2 - 変速磁気カップリング装置 - Google Patents
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Description
磁気カップリング装置は、ユニバーサルカップリングなどの機械的なものに比べて、機械部品が少なく、また、摩耗部がない等のため、信頼性および寿命の点で優れている。さらに、磁気的な力を利用して非接触で回転エネルギーを伝えられるため、気密シールが困難な装置の内部に回転力を容易に伝達可能である特長が生かされ、非磁性材などからなる隔壁により分離された異なる環境間での回転力伝達に使用されるニーズが多くなっている。
さらに、上述した特許文献1の図1の変速装置では、一方の回転軸にて、回転エネルギーを一旦磁気エネルギーへ変換して(磁気カップリング)、その磁気エネルギーを電気エネルギーへ変換し、電気エネルギーを伝達し、電気エネルギーを磁気エネルギーへ変換し、他方の軸にて磁気エネルギーを回転エネルギーへ変換している。これでは、一旦電気エネルギーに変換されるために変換ロスが大きいという問題がある。
即ち、本発明の変速磁気カップリング装置は、一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている。前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられている。この変速磁気カップリング装置は、前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、が備えられていることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の1/N(N>1)としたい場合には、前記第2のモードの時間をM(M=1、3、5等の奇数の自然数)磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第1のモードの時間をM磁石単位角度分の1/(N−1)だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第1のモードと前記第2のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていると良い。
さらに好ましくは、前記他方の軸の回転角度を検出する検出器に加えて前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の1/N(N>1)としたい場合には、前記第2のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の1/Nとなると、前記第1のモードに切り替えると良い。
[構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る変速磁気カップリング装置100の概略を示している。図1(a)に示すように、この変速磁気カップリング装置100は、図1(b)に示す円筒型の磁気カップリング装置に最外周磁石を配置したものである。図1(b)に示す円筒型の磁気カップリング装置は、市販されている通常の磁気カップリング装置である。
駆動軸110側と従動軸120側とでは、非磁性体で構成された隔壁140を介して非接触に隔てられて構成されている。バイナリー発電システムへ適用する場合、隔壁140が膨張機のケーシングの一部を構成するように設けられる。これにより、膨張機を駆動する作動媒体を外部へもらすことなくタービン回転軸の回転エネルギーを膨張機外部へ伝達することができるようになる。従動軸側の構成として、従動軸120と、従動軸120と一体に構成された保持部(後述する内挿体124)に設けられた内周磁石122とがある。駆動軸側の構成として、駆動軸110と、駆動軸110と一体に構成された保持部(後述する外筒体114)に設けられた外周磁石112とがある。さらに、駆動軸側の構成として、駆動軸110と同期して回転する最外周磁石保持部130に設けられた最外周磁石132がある。
[モードの説明]
この変速磁気カップリング装置100においては、図2および図3に示す第1のモード(非減速モード)と図4および図5に示す第2のモード(減速モード)とを実現することができる。これらのモードについて以下に詳しく説明する。
上述した第1のモードと第2のモードとは、最外周磁石132を保持する最外周磁石保持部130の駆動軸110に対する取付角度を変化させることにより実現することがその一例として挙げられる。本実施形態においては限定しないが、何らかの方法を用いた切替機構を採用して、第1のモードと第2のモードとを繰り返して切り替えることにより、駆動軸110から従動軸120へ減速して回転エネルギーを伝達することができる。たとえば、図2に示す第1のモードにおける最外周磁石132の位相(ここでの位相とは駆動軸110に対する最外周磁石132の位置を指す)の状態と、図4に示す第2のモードにおける最外周磁石132の位相の状態とを、同じ時間ずつ繰り返して保持することにより、1/2減速が可能となる。詳しくは、モードの切替機構とともに、他の実施形態において後述する。
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置100によると、第1のモードのときは、外周磁石112の磁場配置と最外周磁石132の磁場配置とが同じとなり、外周磁石と同じ方向に磁場が形成されるため、カップリング力は強くなる。一方、第2のモードのときは、外周磁石112の磁場配置と最外周磁石132の磁場配置とが反対となり、外周磁石とは反対方向に磁場が形成されるため、カップリング力は弱くなるかカップリング力はなくなる(0になる)。この場合には、負荷が接続された従動軸120は、負荷があるため減速する。第1のモードに戻ると、カップリング力は復活するため、再び駆動軸110に引っ張られて従動軸120が回転しようとする。すなわち、負荷が接続された従動軸120は、第1のモードの間のみ回転しようとし、第2のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
図6は、本発明の第2実施形態に係る変速磁気カップリング装置200の概略を示している。図6の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
[構成]
図6に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置200は、駆動軸110に、キー溝114を駆動軸110に対して角度を付けて斜めに設けた。キー溝114の駆動軸110に対する角度は、たとえば、始端位置(従動軸120側の端部)で図2に示す最外周磁石132の配置となり、終端位置(駆動軸110側の端部)で図4に示す最外周磁石132の配置となるように設定される。最外周磁石保持部130と一体に構成されたキー134(ここではピン)を、このキー溝114で摺動させて、キー溝114における駆動軸110の長手方向のキー134の位置を変更させる。
以上のような構造を備えた変速磁気カップリング装置200のモード切替動作について、図7〜図9を用いて説明する。図7は、第1実施形態において説明した第1のモードに、図8および図9は、第1実施形態において説明した第2のモードに、それぞれ対応している。
図8に示すように、第2のモードにおいては、外周磁石112のさらに外周の最外周磁石132の磁極が外周磁石112の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり(なくなり)、駆動軸110が回転しても従動軸120を回転させる力は作用しない。その結果、駆動軸110に対して、従動軸120が周方向に並べられた磁極の違う磁石の1つ分だけ位相が遅れる(図9)。
[効果]
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置200によると、駆動軸110に斜めのキー溝114を設けてキー134を電磁石230の作用により摺動させることにより、外周磁石112が対面する最外周磁石132の磁極を変化させた。これにより、第1のモードと第2のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸120は、第1のモードの間のみ回転しようとし、第2のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
<第3実施形態>
図10は、本発明の第3実施形態に係る変速磁気カップリング装置300の概略を示している。図10の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
図10に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置300は、最外周磁石を最外周電磁石332で構成するともに、駆動軸110の回転角度を検出(回転角速度から算出)する駆動軸側の回転角度検出器310を設けた。最外周電磁石332は、最外周電磁石保持部330により保持されている。また、最外周電磁石332と外周磁石112とが同期して回転するように、最外周電磁石保持部330は駆動軸110に接続されている。回転角度検出器310は、たとえば、パルスエンコーダ、リゾルバ等の回転角センサである。回転角度検出器310により駆動軸110の回転角度を検出して、検出された回転角度に基づいて、図示しない制御装置で最外周電磁石332へ流す電流の方向を切り替えている。
図12は上述した図4に対応し、第2のモードであって、最外周電磁石332の径内側(回転中心側)がS極となるようにコイル電流を流す方向を決定している。外周磁石112のさらに外周の最外周電磁石332の磁極が外周磁石112の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり(なくなり)、駆動軸110が回転しても従動軸120を回転させる力は作用しない。
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置300によると、最外周電磁石332に流す電流の向きを駆動軸110の回転角度に基づいて変化させることにより、外周磁石112が対面する最外周電磁石332の磁極を変化させた。これにより、第1のモードと第2のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸120は、第1のモードの間のみ回転しようとし、第2のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
なお、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置300は、減速の際にも第1のモードを経由することにより最大トルクを発生させることができる。
図13は、本発明の第4実施形態に係る変速磁気カップリング装置400の概略を示している。図13の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
[構成]
図13に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置400は、第2実施形態に係る変速磁気カップリング装置200の構成に、第3実施形態に係る変速磁気カップリング装置300の回転角度検出器310を加え、さらに、従動軸120の回転角度を検出(回転角速度から算出)する従動軸側の回転角度検出器410を設けた。
。すなわち、駆動軸110側の回転角度および負荷が接続された従動軸120側の回転角度を検出することで、駆動軸110の回転角度と従動軸120の回転角度との差がわかるため、第1のモードから第2のモードへ移行するタイミング、第2のモードから第1のモードへ戻すタイミング等が明確にわかる。
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置400によると、駆動軸110側の回転角度および負荷が接続された従動軸120側の回転角度を検出することにより、従動軸120の回転角度(時間微分した回転数)が駆動軸110の1/2(約1/2を含む)になった際に第1のモードへ戻す。このため、周方向に配置された磁極の違う磁石の1つ分の角度分(1磁石単位角度分だけ)を間引いて回転エネルギーを伝達することになり、1/2減速が可能となる。同様に、1/N減速が可能となる。
図14は、本発明の第5実施形態に係る変速磁気カップリング装置500の概略を示している。図14の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
図14に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置500は、第4実施形態に係る変速磁気カップリング装置400の構成から、駆動軸110の回転角度を検出する回転角度検出器310を割愛した構成を備える。
<第6実施形態>
図15は、本発明の第6実施形態に係る変速磁気カップリング装置600の概略を示している。図15の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
110 駆動軸(一方の回転軸)
112 外周磁石
114 ガイド溝
120 従動軸(他方の回転軸)
122 内周磁石
130 最外周磁石保持部
132 最外周磁石
140 隔壁
200 変速磁気カップリング装置(第2実施形態)
230 電磁石
300 変速磁気カップリング装置(第3実施形態)
310 回転角度検出器(駆動軸側)
330 最外周電磁石保持部
332 最外周電磁石
400 変速磁気カップリング装置(第4実施形態)
410 回転角度検出器(従動軸側)
500 変速磁気カップリング装置(第5実施形態)
600 変速磁気カップリング装置(第6実施形態)
Claims (7)
- 一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている変速磁気カップリング装置であって、
前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられ、
前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、
前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、
が備えられていることを特徴とする、変速磁気カップリング装置。 - 前記最外周磁石は永久磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第1のモードと、前記異磁極の配置となる第2のモードとを切り替えるために、前記軸の回転中心と前記周方向に互いに隣り合うように配置された磁極の違う一組の磁石とでなす角度分、前記最外周磁石と前記外周磁石とが相対移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の変速磁気カップリング装置。 - 前記相対移動においては、交互に切り替えるための駆動力を電磁石の吸引作用および反発作用を切り替えることで得るように構成されていることを特徴とする、請求項2に記載の変速磁気カップリング装置。
- 前記最外周磁石は、周方向に並べられた電磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第1のモードと前記異磁極の配置となる第2のモードとを切り替えるために、前記最外周磁石の互いに隣り合う電磁石へ流す電流の向きを異ならせるとともに、それぞれの電流の向きを繰り返し変化可能に構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の変速磁気カップリング装置。 - 前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の1/N(N>1)としたい場合には、前記第2のモードの時間をM(M=1、3、5等の奇数の自然数)磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第1のモードの時間をM磁石単位角度分の1/(N−1)だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第1のモードと前記第2のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていることを特徴とする、請求項2〜請求項4のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。 - 前記他方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の1/N(N>1)としたい場合には、前記第2のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、前記一方の軸の回転角度の1/Nとなると、前記第1のモードに切り替えることを特徴とする、請求項2〜請求項4のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。 - 前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の1/N(N>1)としたい場合には、前記第2のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の1/Nとなると、前記第1のモードに切り替えることを特徴とする、請求項6に記載の変速磁気カップリング装置。
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