JP5723987B2

JP5723987B2 - 磁気歯車型回転電機

Info

Publication number: JP5723987B2
Application number: JP2013522347A
Authority: JP
Inventors: 中津川　潤之介; 潤之介中津川; 榎本　裕治; 裕治榎本; 則久岩崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: US9337708B2; JPWO2013001557A1; WO2013001557A1; US20140132099A1

Description

本発明は、磁気歯車型回転電機に関する。

近年、希土類磁石を活用して高トルク密度を実現した磁束変調型の磁気歯車（磁気ギヤ）が研究開発されている（非特許文献１）。そして磁気歯車と巻線型固定子を一体化した磁気歯車型回転電機、特に永久磁石界磁の強度向上については、特許文献１に開示されている。

また、非特許文献２においては、磁気ギヤ機構において永久磁石を積み厚方向に分割するといった構成が開示されている。非特許文献３においては、磁気ギヤ機構の回転子構造を埋め込み磁石型にする構成が開示されている。

ＷＯ２００９／１３０４５６

：K. Atallah and D. Howe: A Novel High-Performance Magnetic Gear: IEEE Transactions on Magnetics，Vol.37，No.4，pp.2844-2846 ：Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.33, No.2,2009 「永久磁石式磁気ギヤの効率向上に関する一考察」：Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.34, No.3,2010 「永久磁石式磁気ギヤの回転子構造に関する検討」

上記非特許文献１は、磁気歯車の原理と磁気特性を紹介したものであり、その機構や強度については検討されていない。

一方、上記特許文献１は、巻線型固定子と磁性極片（ポールピース）の間にある永久磁石界磁を、強度の高い磁性体の表と裏の両面に永久磁石を貼り付けて構成し、強度を向上させている。しかし、永久磁石を両面に貼ることで、必要となる永久磁石の個数が増え、材料および製造コストが増加する。また、永久磁石界磁が高速回転する場合、外側に貼られた永久磁石の遠心力による飛散防止のため、永久磁石の外周部に飛散防止部材を施す必要があり、その結果磁気的なギャップが増えて磁気抵抗が増加し、トルク伝達特性を低下させる。

なお、上記非特許文献２及び３には、磁気ギヤの渦電流による損失などの検討はなされているが、その機構や強度については検討されていない。

本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、材料および製造コストを増加させることなく、永久磁石界磁の強度を向上し、かつトルク伝達特性の低下を防止する磁気歯車型回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、複数の永久磁石磁極および該永久磁石磁極を支持する鉄心を有する第１の永久磁石界磁と、前記第１の永久磁石界磁とは極数の異なる複数の永久磁石磁極および該永久磁石磁極を支持する鉄心を有する第２の永久磁石界磁と、前記第１の永久磁石界磁と前記第２の永久磁石界磁との間に、複数の磁性極片を有して前記第１および第２の永久磁石界磁の極数を変調する変調磁極と、前記第１の永久磁石界磁と相互作用する複数の巻線を有する巻線型固定子とを備えた磁気歯車型回転電機において、前記第１の永久磁石界磁または前記第２の永久磁石界磁の少なくとも一方の鉄心の表面に凹凸を設け、前記鉄心は、内周面側が永久磁石磁極毎に区分された複数の平面部で構成され、回転中心に中心を有し、前記複数の平面部と内接する円筒面と複数の前記平面部との半径方向における間隔が小さくなる部分で前記凹凸の凸部を形成し、大きくなる部分で凹部を形成するようにすればよい。

永久磁石磁束の短絡を抑制するために、前記鉄心の表面に設けた凹凸のうち、凸部は前記永久磁石磁極の周方向中心部に設け、凹部は前記永久磁石磁極の周方向端部に設けるとよい。

前記第１の永久磁石界磁の鉄心は、前記第１の永久磁石界磁の永久磁石磁極と前記磁性極片との間に設けてもよいし、前記第１の永久磁石界磁の永久磁石磁極と前記巻線型固定子との間に設けてもよい。

前記鉄心の表面に設けた凹凸のうち、凸部が曲面で構成されてもよいし、平面で構成されてもよい。

表面に凹凸を設けた前記鉄心は、テープ状の磁性体薄板を凹凸形状に切断し、前記切断した磁性体薄板の凹部を曲げて形成するとよい。

また、前記第１の永久磁石界磁または前記第２の永久磁石界磁の少なくとも一方の永久磁石磁極の表面に凹凸を設けてもよい。

本発明によれば、磁気歯車型回転電機の材料および製造コストを低減しつつ、永久磁石界磁の強度を向上することが可能となる。

本発明の実施例１の磁気歯車型回転電機断面図。本発明の実施例２の第１の永久磁石界磁の外観図。本発明の実施例３の磁気歯車型回転電機断面図（その１）。本発明の実施例３の鉄心表面の凹凸を示す図。本発明の実施例３の磁気歯車型回転電機断面図（その２）。本発明の実施例４の第１の永久磁石界磁の鉄心製造方法を示す図。本発明の実施例５の磁気歯車型回転電機の断面図。本発明の実施例６の磁気歯車型回転電機の断面図。

図１〜図７を参照して、本発明による磁気歯車型回転電機の実施形態を説明する。尚、以下の実施形態では、ラジアルギャップ型を用いて説明するが、他の形式（例えば、アキシャルギャップ型やリニア型など）に関しても、同様に実現可能である。

以下、本発明の第１の実施例について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る磁気歯車型回転電機の断面図である。

磁気歯車型回転電機は、複数の永久磁石磁極を有する第１の永久磁石界磁１と、それとは極数の異なる複数の永久磁石磁極を有する第２の永久磁石界磁２と、複数の磁性極片を有する変調磁極３と、第１の永久磁石界磁と相互作用する複数の巻線を有する巻線型固定子４からなる。巻線型固定子４のほかに変調磁極３が固定された場合、第１の永久磁石界磁１が巻線型固定子４の作る回転磁界と同期して回転し、第２の永久磁石界磁２はギヤ比により決まる速度で回転する。巻線型固定子４のほかに第２の永久磁石界磁２が固定された場合は、第１の永久磁石界磁１が巻線型固定子４の作る回転磁界と同期して回転し、変調磁極３がギヤ比により決まる速度で回転する。

第１の永久磁石界磁１は、複数の永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂが円周方向に交互に配置され、その外周側に鉄心１２を有する。ここで、永久磁石磁極１１ａと１１ｂは互いに異なる極性を持つ。第２の永久磁石界磁２は、第１の永久磁石界磁１とは極数の異なる複数の永久磁石磁極２１ａおよび２１ｂが円周方向に交互に配置され、その外周側に鉄心２２を有する。ここで、永久磁石磁極２１ａと２１ｂは互いに異なる極性を持つ。変調磁極３は、第１の永久磁石界磁１の極対数と第２の永久磁石界磁の極対数の和の数となる複数の磁性極片３１と、磁性極片３１を包含する非磁性ケース３２からなり、第１の永久磁石界磁１と第２の永久磁石界磁２との間に配置されている。巻線型固定子４は、複数の歯部を有する鉄心４１と、回転磁界を作る巻線４２からなり、最内周部に配置されている。

第１の永久磁石界磁１の鉄心１２，第２の永久磁石界磁２の鉄心２２，磁性極片３１、および巻線型固定子の鉄心４１の材質は、電磁鋼板，圧粉磁心，アモルファス金属またはパーメンジュールなどの軟磁性材料で構成され、磁束変化による渦電流を防止する目的で、電磁鋼板などでは薄い板を積層して構成される。非磁性ケース３２の材質は、樹脂モールド，繊維強化プラスチック（ＦＲＰ），炭素繊維またはガラス繊維などで構成される。

本実施例では、第１の永久磁石界磁１の鉄心１２が、第１の永久磁石界磁１の永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂと、変調磁極３との間に設けられている。そのため、第１の永久磁石界磁１が高速回転した場合に、永久磁石１１ａおよび１１ｂに加わる遠心力による飛散を鉄心１２により防止し、第１の永久磁石界磁１の強度を高めることができる。また、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂが巻線型固定子４に近接しているため、巻線型固定子４と第１の永久磁石界磁１との間に働くトルクを大きくすることができる。

また、第１の永久磁石界磁１の鉄心１２の表面には凹凸が設けられ、凸部１３は、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向中心部に配置され、凹部１４は永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向端部に配置されている。すなわち、永久磁石磁極１１ａ及び永久磁石磁極１１ｂの外周面は点Ｏを中心とする半径ｒ１の円筒形状を成しており、この円筒面の周方向に沿って鉄心１２の厚みｄが変化している。鉄心１２の厚みｄは凸部１３で厚くなり、凹部１４で薄くなっている。従って、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向中心部では鉄心１２の厚みｄが大きく、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向端部では鉄心１２の厚みｄが小さくなっている。永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの外周面を基準としてみると、鉄心１２の厚みｄが大きくなることにより凸部１３が形成され、鉄心１２の厚みｄが小さくなることにより凹部１４が形成されている。尚、鉄心１２の厚みｄは径方向における幅寸法（回転電機の中心Ｏを通る径方向に延びる線分が鉄心１２と交差する区間の長さｄ）によって定義される。後述の各実施例において鉄心或いは永久磁石磁極の表面に形成される凹凸は、本実施例と同様に、径方向における寸法（回転電機の中心Ｏを通る径方向に延びる線分が鉄心１２と交差する区間の長さｄ）によって定義されるものである。これにより、永久磁石磁極１１ａと１１ｂの間に発生する磁束の短絡を抑制し、第２の永久磁石界磁２と相互作用する有効磁束の低減を抑制できる。

また、第２の永久磁石界磁２の鉄心２２の外周面に凹凸を設けてもよく、表面に凹凸を設けることで同一体格当たりの表面積を増やすことができ、放熱・冷却効果が高められる。

次に、本発明の第２の実施例について図２を用いて説明する。なお、本実施例においては、第２の永久磁石界磁２と、変調磁極３と、巻線型固定子４は図１と同じであるため省略し、第１の永久磁石界磁１ａのみ図示する。

本実施例では、第１の永久磁石界磁１ａの鉄心１２ａが回転軸を中心に周方向へずらして積層され、鉄心１２ａの表面に設けた凹凸の並びが、回転軸に対して斜めに構成されている。そして鉄心表面の凹凸が回転することで、第１の永久磁石界磁１ａと変調磁極３の間の空気を軸方向へ流動させ、磁気歯車型回転電機の放熱効果を高めることができる。さらに、いわゆるスキュー構成とすることにより、第１の永久磁石界磁１ａと変調磁極３との間に発生するコギングトルクならびにトルク脈動を低減できる。

なお、スキューは、図２に示すように軸方向に対して一定の角度をつけてもよいし、軸方向中央部でＶ字状に折り返してもよい。軸方向に対して一定の角度とした場合は軸方向への力も発生するが、Ｖ字状に折り返す場合は軸方向力をキャンセルでき、軸受への負担を軽減できる。

次に、本発明の第３の実施例について図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の第３の実施例に係る磁気歯車型回転電機の断面図であり、図１と異なるのは、第１の永久磁石界磁１が第１の永久磁石界磁１ｂに置き換わった点である。

本実施例では、第１の永久磁石界磁１ｂの鉄心１２ｂが、第１の永久磁石界磁１ｂの永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂと、巻線型固定子４との間に設けられている。永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂが変調磁極３に近接しているため、第１の永久磁石界磁１ｂと第２の永久磁石界磁２との間に働くトルクを大きくすることができる。また、第１の永久磁石界磁１ｂの鉄心１２ｂの表面は内周側にあるため、鉄心１２ｂの表面の凹凸は内周側に設けられる。すなわち、永久磁石磁極１１ａ及び永久磁石磁極１１ｂの内周面は回転中心である点Ｏを中心とする半径ｒ３の円筒形状を成しており、この円筒面の周方向に沿って鉄心１２ｂの厚みｄが変化している。鉄心１２ｂの厚みｄは凸部１３で厚くなり、凹部１４で薄くなっている。従って、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向中心部では鉄心１２ｂの厚みｄが大きく、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向端部では鉄心１２ｂの厚みｄが小さくなっている。

鉄心１２ｂは、内周面側が永久磁石磁極１１ａ，１１ｂ毎に屈曲するように区分された複数の平面部１２ｂ１〜１２ｂ８で構成され（図３の断面で見ると複数の直線部で構成され）、半径が一定で回転中心Ｏに中心を有する円筒面（円）１２ｃｉと平面部１２ｂ１〜１２ｂ８との半径方向における間隔が小さくなる部分で、円筒面（円）１２ｃｉに対して相対的に凸となる凸部１３を形成し、大きくなる部分で円筒面（円）１２ｃｉに対して相対的に凹となる凹部１４を形成している。

本実施例では、第１の永久磁石界磁の鉄心１２ｂの表面に設けた凹凸のうち、凸部に相当する部分が平面で構成されているが、これについて図４を用いて説明する。

図４の上図は、第１の永久磁石界磁の鉄心１２ｂの一部を示している。円弧状になっている永久磁石１１ａおよび１１ｂを直線状に開いたと仮定すると、図４下部のように、永久磁石界磁の鉄心１２ｂの凸部１３と凹部１４が現れる。このように、第１の永久磁石界磁の鉄心の凸部１３が、永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向中心部に設けられ、凹部１４が永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂの周方向端部に設けられているため、永久磁石磁極１１ａと１１ｂの間に発生する磁束の短絡を抑制し、巻線型固定子４と相互作用する有効磁束の低減を抑制できる。

図３では、巻線型固定子４を最内周部に配置し、第１の永久磁石界磁１，変調磁極３，第２の永久磁石界磁２を、順次外周部に配置した例を示したが、内周側と外周側を逆に配置してもよい。図５には、それらを逆に配置した例を示す。

図５では、巻線型固定子４が最外周部に配置され、第１の永久磁石界磁１ｂ，変調磁極３，第２の永久磁石界磁２が順次内周側に配置されている。この場合、第１の永久磁石界磁１ｂの鉄心１２ｂの凹凸は外周側に設けられ、凸部に相当する部分が曲面で構成される。また、第１の永久磁石界磁１ｂの永久磁石１１ａおよび１１ｂの外周側に鉄心１２ｂがあるため、第１の永久磁石界磁１ｂが高速回転した場合に、鉄心１２ｂが永久磁石１１ａおよび１１ｂに加わる遠心力による飛散を防止し、第１の永久磁石界磁１ｂの強度を高めることができる。

次に、本発明の第４の実施例について図６を用いて説明する。図６は、図３に示した第１の永久磁石界磁１ｂの鉄心１２ｂの製造方法に関する一例である。

図６の上図には、紙面方向に薄く、左右に細長いテープ状の磁性体薄板１２ｂ′を示している。まず、図６の中図に示すように、テープ状の磁性体薄板１２ｂ′に切断加工を施して、凸部１３と凹部１４を持つ磁性体薄板１２ｂ″を作る。そして図６の下図に示すように、凹部１４に曲げ加工を施して磁性体薄板１２ｂ″を円状に構成し、１周したあとは凸部と凸部、凹部と凹部を重ねてゆき、互いの表面を接着するなどして鉄心１２ｂを積層構造にすることができる。このように、細いテープ状の磁性体薄板から積層鉄心を構成することで、平板状の磁性体薄板から鉄心部分を切り出す場合と比べて材料利用率を大幅に向上させることができる。

次に、本発明の第５の実施例について図７を用いて説明する。図７は、本発明の第５の実施例に係る磁気歯車型回転電機の断面図であり、図３と異なるのは、第１の永久磁石界磁１ｂが第１の永久磁石界磁１ｃに置き換わり、第１の永久磁石界磁１ｂの永久磁石磁極１１ａおよび１１ｂが、永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄに置き換わった点である。

本実施例では、第１の永久磁石界磁１ｂの永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄの表面に凹凸が設けられ、永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄの周方向端部と磁性極片３１との距離が離れたことで、永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄに発生する渦電流を抑制し、損失を低減できる。すなわち、永久磁石磁極１１ｃ及び永久磁石磁極１１ｄの内周面及び鉄心１２ｂの外周面が点Ｏを中心とする半径ｒ７の円筒形状を成しており、この円筒面の周方向に沿って永久磁石磁極１１ｃ及び１１ｄの厚みｄが変化している。永久磁石磁極１１ｃ及び１１ｄの厚みｄは凸部１３で厚くなり、凹部１４で薄くなっている。従って、永久磁石磁極１１ｃ及び１１ｄの周方向中心部では厚みｄが大きく、周方向端部では厚みｄが小さくなっている。

図７では、第１の永久磁石界磁１ｃの永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄの表面に凹凸を設けた例を示したが、凹凸は第２の永久磁石界磁２の表面に設けてもよい。図８には、第２の永久磁石界磁の表面に凹凸を設けた例を示す。

図８が図３と異なるのは、第２の永久磁石界磁２が第２の永久磁石界磁２ａに置き換わり、第２の永久磁石界磁２ａの永久磁石磁極２１ａおよび２１ｂが、永久磁石磁極２１ｃおよび２１ｄに置き換わった点である。

本実施例では、第２の永久磁石界磁２ａの永久磁石磁極２１ｃおよび２１ｄの表面に凹凸が設けられ、永久磁石磁極２１ｃおよび２１ｄの周方向端部と磁性極片３１との距離が離れたことで、永久磁石磁極２１ｃおよび２１ｄに発生する渦電流を抑制し、損失を低減できる。すなわち、永久磁石磁極２１ｃ及び永久磁石磁極２１ｄの外周面及び鉄心２２の内周面が点Ｏを中心とする半径ｒ８の円筒形状を成しており、この円筒面の周方向に沿って永久磁石磁極２１ｃ及び２１ｄの厚みｄが変化している。永久磁石磁極２１ｃ及び２１ｄの厚みｄは凸部１３で厚くなり、凹部１４で薄くなっている。従って、永久磁石磁極２１ｃ及び２１ｄの周方向中心部では厚みｄが大きく、周方向端部では厚みｄが小さくなっている。

図７の第１の永久磁石界磁１ｂの永久磁石磁極１１ｃおよび１１ｄの表面に凹凸を設ける構成と、図８の第２の永久磁石界磁２ａの永久磁石磁極２１ｃおよび２１ｄの表面に凹凸を設ける構成とを併せ持つようにしてもよい。

なお、これまでの説明では、回転軸の外周方向にエアギャップを持つラジアルギャップ型磁気歯車を用いて説明したが、他の形式（例えば、回転軸の軸方向にエアギャップを持つアキシャルギャップ型や、直線駆動するリニア型など）に関しても、同様に実現可能である。

いずれの実施形態においても、第１の永久磁石界磁が８極、第２の永久磁石界磁が３４極、磁性極片が２１個の例を示したが、他の個数や他の数の組合せに対しても同様に実現可能である。

また、巻線型固定子のない磁気歯車装置単体に対しても、同様に実現可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ第１の永久磁石界磁
２第２の永久磁石界磁
３変調磁極
４巻線型固定子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ第１の永久磁石界磁の永久磁石磁極
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｂ′，１２ｂ″ 第１の永久磁石界磁の鉄心
１３凸部
１４凹部
１５ａ，１５ｂテープ状の磁性体薄板の端部
２１ａ，２１ｂ第２の永久磁石界磁の永久磁石磁極
２２第２の永久磁石界磁の鉄心
３１磁性極片
３２非磁性ケース

Claims

複数の永久磁石磁極および該永久磁石磁極を支持する鉄心を有する第１の永久磁石界磁と、前記第１の永久磁石界磁とは極数の異なる複数の永久磁石磁極および該永久磁石磁極を支持する鉄心を有する第２の永久磁石界磁と、前記第１の永久磁石界磁と前記第２の永久磁石界磁との間に設けられ、複数の磁性極片を有して前記第１および第２の永久磁石界磁の極数を変調する変調磁極と、前記第１の永久磁石界磁と相互作用する複数の巻線を有する巻線型固定子とを備えた磁気歯車型回転電機において、
前記第１の永久磁石界磁または前記第２の永久磁石界磁の少なくとも一方の鉄心の表面に凹凸を設け、
前記鉄心は、内周面側が永久磁石磁極毎に区分された複数の平面部で構成され、回転中心に中心を有し、前記複数の平面部と内接する円筒面と複数の前記平面部との半径方向における間隔が小さくなる部分で前記凹凸の凸部を形成し、大きくなる部分で凹部を形成するようにしたことを特徴とする磁気歯車型回転電機。
請求項１に記載の磁気歯車型回転電機において、
表面に凹凸を設けた前記鉄心の凸部が、前記鉄心が支持する永久磁石磁極の周方向中心部付近に設けられ、前記鉄心の凹部が、前記鉄心が支持する永久磁石磁極の周方向端部付近に設けられたことを特徴とする磁気歯車型回転電機。
請求項１又は２のいずれかに記載の磁気歯車型回転電機において、
前記第１の永久磁石界磁の鉄心が、前記第１の永久磁石界磁の永久磁石磁極と前記巻線型固定子との間に設けられたことを特徴とする磁気歯車型回転電機。
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気歯車型回転電機において、
表面に凹凸を設けた前記鉄心は、テープ状の磁性体薄板を凹凸形状に切断し、前記切断した磁性体薄板の凹部を曲げて形成されたことを特徴とする磁気歯車型回転電機。
請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気歯車型回転電機において、
前記第１の永久磁石界磁または前記第２の永久磁石界磁の少なくとも一方の永久磁石磁極の表面に凹凸を設けたことを特徴とする磁気歯車型回転電機。