JP5815983B2

JP5815983B2 - 磁気変速装置

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Publication number: JP5815983B2
Application number: JP2011110742A
Authority: JP
Inventors: 平田　勝弘; 勝弘平田; 宮崎　進; 進宮崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: JP2012241763A

Description

本発明は、磁気変速装置に関する。

同一の軸線回りに相対的に回転可能であって、当該軸線方向に間隔を置いて配置されている第１、第２及び第３部材を有するアキシャル型の磁気変速装置が提案されている（特許文献１参照）。

第１部材はたとえば磁性体材料からなる円板状のコアであり、その片面に軸線方向に磁化した永久磁石を備えている。第２部材は磁石に対向するとともに軸線を基準として放射状に配置されている複数の磁性体（磁性体片）を備えている。第３部材は磁性体材料からなり、第２部材が有する複数の磁石に対向するとともに軸線を基準として放射状に配置されている複数の磁気歯を備えている。

当該構成の磁気変速装置によれば、第１回転子（たとえば第１部材）に固定子（たとえば第２部材）に対する相対的な軸線回りの回転力と、第２回転子（たとえば第３部材）から当該固定子に対する相対的な軸線回りの回転力とが相互に変換されうる。軸線方向に第１、第２及び第３部材が配列されているので、少なくとも当該軸線方向に対して垂直な方向について磁気変速装置の小型化が図られている。

特開２０１０−１０６９４０号公報

しかし、永久磁石の磁力によって第１及び第２回転子のそれぞれに対してその回転軸線方向に力が作用し、当該力によって第１及び第２回転子のそれぞれに対して直接的又は間接的に連結又は結合されている軸部材や軸受け等の部材に無視し得ないほどに高い機械的負荷がかかる。これにより、永久磁石と磁性体との摩擦力及び磁性体と磁気歯との間の摩擦力のうち少なくとも一方によって回転力の伝達効率が低下する。更に、回転子に生じるコギングトルクは振動や騒音の原因となる。

そこで、本発明は、小型化を図りながらも、磁石由来の力による影響の軽減を図りうる磁気変速装置を提供することを解決課題とする。

本発明は、軸線方向について相互に対向するように順に配置されている磁石群、第１磁性体群及び第２磁性体群と、前記磁石群、前記第１磁性体群及び前記第２磁性体群のそれぞれを支持するとともに、前記軸線回りに相対的に回転可能に構成されている第１回転子、第２回転子及び固定子を構成する第１、第２及び第３部材とを備え、前記磁石群は前記軸線方向に磁化方向が一致するように前記軸線の周囲に配列されているＮ₀個の磁石により構成され、前記第１磁性体群は前記軸線の周囲に配列されているＮ₁個の第１磁性体によって構成され、前記第２磁性体群は前記軸線の周囲に配列されているＮ₂個の第２磁性体によって構成され、Ｎ₁＝Ｎ₂＋Ｎ₀又はＮ₁＝Ｎ₂−Ｎ₀であり、前記第１回転子及び前記第２回転子のうち一方の回転子の前記固定子に対する前記軸線回りの相対的な回転力が、前記第１回転子及び前記第２回転子のうち他方の回転子の前記固定子に対する前記軸線回りの相対的な回転力として伝達されるように構成されている磁気変速装置に関する。

本発明の磁気変速装置は、前記軸線方向について一対の前記第１磁性体群が前記磁石群を挟むように配置され、一対の前記第２磁性体群が前記磁石群とともに前記一対の第１磁性体群のそれぞれを挟むように配置され、前記一対の第１磁性体群のそれぞれは前記軸線回りのＮ ₁ 回対称性を有するように配置され、前記一対の第２磁性体群のそれぞれは前記軸線回りのＮ ₂ 回対称性を有するように配置され、前記軸線方向から前記磁気変速装置を見た場合、前記一対の第１磁性体群は一方の第１磁性体群が固定されたまま、他方の第１磁性体群が前記軸線回りに第１指定角度δ ₁ だけ位相が仮想的にずらされた場合に完全に重なるように配置され、前記一対の第２磁性体群は一方の第２磁性体群が固定されたまま、他方の第２磁性体群が前記軸線回りに前記第１指定角度δ ₁ だけ位相が仮想的にずらされた場合に完全に重なるように配置され、前記第１指定角度δ ₁ は（π／ｐ ₁ Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ ₀ 及びＮ ₁ の最小公倍数である。ｐ ₁ は整数である。）であることを特徴とする。

本発明の磁気変速装置によれば、軸線方向について磁石群を両側から挟むように、当該磁石群に対して近い順に一対の第１磁性体群及び一対の第２磁性体群が配置されている。すなわち、本発明の磁気変速装置は軸線方向について対称的な構造を有する。このため、少なくとも軸線方向に対して垂直な方向について磁気変速装置の小型化が図られる。

また、磁石群を構成する磁石の磁力によって第１回転子及び第２回転子に対して軸線方向に作用する力が相殺される。その結果、第１回転子及び第２回転子のそれぞれに連結されている部材に作用する機械的負荷の著しい軽減が図られる。さらに、磁石、第１磁性体及び第２磁性体の軸線方向の間隔が狭まって相互に摩擦力が生じるような事態が回避されるので、第１回転子及び第２回転子の間の回転力の伝達効率の向上が図られる。

前記磁石群は一部の磁石が固定されたまま残りの磁石が、前記軸線回りに第２指定角度δ₂だけ位相が仮想的にずらされた場合に前記軸線回りのＮ₀回対称性を有するように配置され、前記第２指定角度δ₂は（π／ｐ₂Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ₀及びＮ₁の最小公倍数である。ｐ₂は整数である。）であることが好ましい。

前記磁石群を構成する磁石は、前記軸線方向から前記磁気変速装置を見た場合、前記軸線を中心とし、中心角θ_ｍがπ／Ｎ₀［ｒａｄ］から第３指定角度δ₃だけ小さい扇形状に形成され、前記第３指定角度δ₃は（π／ｐ₃Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ₀及びＮ₁の最小公倍数である。ｐ₃は整数である。）であることが好ましい。

前記第１及び第２磁性体群のそれぞれを構成する各磁性体が、前記軸線方向から見た場合、前記軸線を中心とする扇形状に形成されていることが好ましい。

当該構成の磁気変速装置によれば、第１部材のトルクに含まれるコギングトルクの基本成分及び高次成分が大幅に低減されうる。当該コギングトルク成分は、第１部材の回転角度に対する当該回転力の波形を表わす関数が周波数解析又はフーリエ変換された場合に顕在化するＮ次の整数倍次数のコギングトルク成分を意味する。

本発明の磁気変速装置の基本的構成説明図。磁石群の構成説明図。第１磁性体群の構成説明図。本発明の一実施例としての磁気変速装置の構成説明図。本発明の磁気変速装置に形成される閉磁界に関する説明図。本発明の磁気変速装置の動作原理に関する説明図。本発明の磁気変速装置における磁石由来の力に関する説明図。本発明の磁気変速装置の最高伝達トルクに関する説明図。第１実施例の磁気変速装置のコギングトルクに関する説明図。第２実施例の磁気変速装置のコギングトルクに関する説明図。第３実施例の磁気変速装置のコギングトルクに関する説明図。第３実施例の磁気変速装置の各ロータのトルクに関する説明図。第３実施例の磁気変速装置の試験結果に関する説明図。

本発明の磁気変速装置は、変速装置の構成要素として車両に搭載されてもよい。また、当該磁気変速装置は、アクチュエータの構成要素である減速装置としてロボットに搭載されてもよい。ロボットとしては、たとえば、人間の肩関節、肘関節、手根関節、股関節、膝関節、足関節等の複数の関節に相当する複数の関節機構において腕部や脚部を屈伸運動させうる構成のロボットが採用される（再表０３／０９０９７８号公報及び再表０３／０９０９７９号公報など参照）。

（構成）
本発明の磁気変速装置は、図１左側に示されている基本的な構成要素が、図１右側に示されているように組み立てられることによって構成されている。

磁気変速装置は、磁石群Ｇ０と、軸線（破線参照）の方向について磁石群Ｇ０を挟むように配置されている一対の第１磁性体群Ｇ１と、同じく軸線方向について磁石群Ｇ０とともに一対の第１磁性体群Ｇ１のそれぞれを挟むように配置されている一対の第２磁性体群Ｇ２とを備えている。軸線方向に垂直な方向を「径方向」と記載する。軸線に対する遠近に応じて「外」及び「内」が区別される。軸線回りの方向を「周方向」と記載する。

磁石群Ｇ０は軸線方向に磁化方向が一致するように軸線の周囲に配列されているＮ₀個（図１ではＮ₀＝２）の磁石Ｍ０により構成されている。磁石Ｍ０はＮｄＦｅＢ等の永久磁石であり、図５に白矢印で示されているようにその磁化方向は軸線方向に一致するように配置されている。たとえば、一対の磁石Ｍ０の磁化方向は、図５に破線で示されているように磁気変速装置において閉じた磁束の流れが生じるように軸線方向について反対向きとされる。なお、磁石Ｍ０は電磁石により構成されてもよい。

図２に示されているように軸線方向から磁気変速装置を見た場合、磁石Ｍ０は当該軸線を中心とする扇形状に形成されている。当該扇形の中心角θ_ｍは（π／Ｎ₀）［ｒａｄ］よりも第３指定角度δ₃＝（π／ｐ₃Ｎ）［ｒａｄ］だけ小さくされてもよい。「Ｎ」は磁石群Ｇ０を構成する磁石Ｍ０の数Ｎ₀と、第１磁性体群Ｇ１を構成する磁性体Ｍ１の数Ｎ₁との最小公倍数である。「ｐ₃」は整数である。Ｎ₀＝２，Ｎ₁＝２２かつｐ₃＝１である場合、扇形の中心角θ_ｍは５π／１１［ｒａｄ］＝８１．８［ｄｅｇ］となる。当該扇形の中心角θ_ｍは（π／Ｎ₀）［ｒａｄ］とされてもよい。

磁石群Ｇ０は、一部の磁石Ｍ０が固定されたまま残りの磁石Ｍ０が、軸線回りに第２指定角度δ₂＝（π／ｐ₂Ｎ）［ｒａｄ］だけ位相が仮想的にずらされた場合に軸線回りのＮ₀回対称性を有するように配置されていてもよい。「ｐ₂」は整数である。

たとえば、Ｎ₀＝２、Ｎ₁＝２２かつｐ₂＝２である場合、Ｎ＝２２なので、第２指定角度δ₂はπ／４４［ｒａｄ］＝４．０９［ｄｅｇ］となる。このため、図２上側の磁石Ｍ０が固定されたまま、図２下側の磁石Ｍ０が軸線回りの反時計方向に第２指定角度δ₂＝π／４４［ｒａｄ］だけ位相が仮想的にずらされた場合、当該２つの磁石Ｍ０より構成される磁石群Ｇ０は軸線回りの２回対称性を有する。なお、第２指定角度δ₂は「０」であってもよい。

第１磁性体群Ｇ１のそれぞれは軸線の周囲に配列されているＮ₁個（図１ではＮ₁＝２２）の第１磁性体Ｍ１によって構成されている。第１磁性体Ｍ１は電磁軟鉄（ＳＵＹ）などの磁性体により構成されている。第１磁性体Ｍ１は、図３に示されているように軸線方向から磁気変速装置を見た場合、軸線を中心とする扇形状に形成されている。当該扇形の中心角はπ／Ｎ₁［ｒａｄ］程度に調節されている。

第１磁性体群Ｇ１のそれぞれは軸線回りのＮ₁回対称性を有するように配置されている。すなわち、第１磁性体群Ｇ１が軸線回りに２π／Ｎ₁［ｒａｄ］だけ回転された場合、軸線方向から磁気変速装置を見た場合、当該回転前の第１磁性体群Ｇ１と、当該回転後の第１磁性体群Ｇ１とが重なる。

図３に示されているように軸線方向から磁気変速装置を見た場合、一対の磁性体群Ｇ１は第１指定角度δ₁＝（π／ｐ₁Ｎ）［ｒａｄ］だけ位相をずらして配置されてもよい。「ｐ₁」は整数である。すなわち、一方の第１磁性体群Ｇ１（破線参照）が固定されたまま、他方の第１磁性体群Ｇ１（実線参照）が軸線回りに第１指定角度δ₁だけ位相が仮想的にずらされた場合、一対の磁性体群Ｇ１は軸線方向から見て完全に重なるように配置されていてもよい。

たとえば、Ｎ₀＝２、Ｎ₁＝２２かつｐ₁＝１である場合、Ｎ＝２２なので、第１指定角度δ₁はπ／２２［ｒａｄ］＝８．１８［ｄｅｇ］となる。なお、第１指定角度δ₁は「０」であってもよい。

第２磁性体群Ｇ２のそれぞれは軸線の周囲に配列されているＮ₂個（図１ではＮ₂＝２０）の第２磁性体Ｍ２によって構成されている。第２磁性体Ｍ２は電磁軟鉄（ＳＵＹ）などの磁性体により構成されている。第２磁性体Ｍ２は、軸線方向から磁気変速装置を見た場合、軸線を中心とする扇形状に形成されている。当該扇形の中心角はπ／Ｎ₂［ｒａｄ］程度に調節されている。

第２磁性体群Ｇ２のそれぞれは軸線回りのＮ₂回対称性を有するように配置されている。すなわち、第２磁性体群Ｇ２が軸線回りに２π／Ｎ₂［ｒａｄ］だけ回転された場合、軸線方向から磁気変速装置を見た場合、当該回転前の第２磁性体群Ｇ２と、当該回転後の第２磁性体群Ｇ２とが重なる。

一対の第１磁性体群Ｇ１と同様に、軸線方向から磁気変速装置を見た場合、一対の第２磁性体群Ｇ２は第１指定角度δ₁＝（π／ｐ₁Ｎ）［ｒａｄ］だけ位相をずらして配置されてもよい（図３参照）。すなわち、一方の第２磁性体群Ｇ２が固定されたまま、他方の第２磁性体群Ｇ２が軸線回りに第１指定角度δ₁だけ位相が仮想的にずらされた場合、一対の磁性体群Ｇ２は軸線方向から見て完全に重なるように配置されていてもよい。

各群の構成要素数は関係式（１）で表わされる「第１条件」又は関係式（２）で表わされる「第２条件」が満たされるように調節されている。

Ｎ₁＝Ｎ₂＋Ｎ₀ ‥（１）。

Ｎ₁＝Ｎ₂−Ｎ₀ ‥（２）。

各群の構成要素数「Ｎ₀」「Ｎ₁」及び「Ｎ₂」の組み合わせ（Ｎ₀，Ｎ₁，Ｎ₂）としては、（２，２２，２０）のほか、（２，２８，１６）、（２，２２，２４）又は（４，３６，３２）等、第１条件又は第２条件が満たされる任意の組み合わせが採用されうる。

整数「ｐ₁」「ｐ₂」及び「ｐ₃」の組み合わせ（ｐ₁，ｐ₂，ｐ₃）は（０，０，０）であってもよいが、後述するようにコギングトルクのｐ_k次成分（ｐ_k≠０（ｋ＝１，２，３））の低減のため、（１，０，０）、（０，１，０）、（１，２，０）、（２，１，０）、（２，１，３）など、少なくともいずれか１つが正整数である任意の組み合わせ、さらには相互に異なる複数の正整数が含まれる任意の組み合わせが採用されることが好ましい。

磁気変速装置は、磁石群Ｇ０、第１磁性体群Ｇ１及び第２磁性体群Ｇ２のそれぞれを支持する第１部材Ｓ１、第２部材Ｓ２及び第３部材Ｓ３をさらに備えている。第１部材Ｓ１、第２部材Ｓ２及び第３部材Ｓ３のそれぞれの構成としては、磁石群Ｇ０、第１磁性体群Ｇ１及び第２磁性体群Ｇ２のそれぞれを支持することができるあらゆる構成が採用されうる。

第１部材Ｓ１、第２部材Ｓ２及び第３部材Ｓ３のそれぞれは、軸線回りに相対的に回転可能に構成されている「第１回転子」「第２回転子」及び「固定子」を構成する。磁気変速装置は、第１回転子及び第２回転子のうち一方の回転子の固定子に対する軸線回りの相対的な回転力が、他方の回転子の固定子に対する軸線回りの相対的な回転力として伝達されるように構成されている。

図４には、第１部材Ｓ１、第２部材Ｓ２及び第３部材Ｓ３のそれぞれが「第１回転子」「固定子」及び「第２回転子」のそれぞれに該当するように構成されている本発明の一実施例としての磁気変速装置が示されている。

第１部材Ｓ１は、軸線を中心軸とする略円柱状の第１シャフト（例えば入力シャフト）Ｒ１に対して固定されている。第１シャフトＲ１は第１ベアリングｂ１によって、軸線回りに第２部材Ｓ２に対して相対的に回転可能とされている。

本実施例では、第１部材Ｓ１は磁性体材料からなり、二対の扇形状の永久磁石Ｍ０’が第１部材Ｓ１を軸線方向両側から挟むように当該第１部材Ｓ１に取り付けられている。各対の永久磁石Ｍ０’の磁化方向は同じである。各対の永久磁石Ｍ０’はこれを軸線方向から見た場合に完全に重なるように配置されている。すなわち、二対の永久磁石Ｍ０’及び磁性体材料からなる第１部材Ｓ１によって一対の磁石Ｍ０が構成されている。

なお、各磁石Ｍ０が単一の永久磁石又は電磁石により構成され、かつ、第１部材Ｓ１の径方向外側部分に取り付けられることにより、図１に示されている磁気変速装置の基本的構成が実現されてもよい。

第２部材Ｓ２は軸線方向に対して略対称の形状の部材により構成されている。第２部材Ｓ２は各第１磁性体群Ｇ１を構成する第１磁性体Ｍ１の内側部分及び外側部分のそれぞれに対して連結される内側及び外側環状部分を備えている。

第３部材Ｓ３は、軸線を中心軸とする略円柱状の第２シャフト（例えば出力シャフト）Ｒ２に対して固定されている。第２シャフトＲ２は第２ベアリングｂ２によって、軸線回りに第２部材Ｓ２に対して相対的に回転可能とされている。

第３部材Ｓ３は、リング状の電磁軟鉄等の磁性体材料により構成され、軸線方向について第１磁性体群Ｇ１とともに第２磁性体群Ｇ２を挟むように当該第２磁性体群Ｇ２を支持している。第２磁性体群Ｇ２及び第３部材Ｓ３が一体的に形成されている。具体的には、リング状の第３部材Ｓ３の片面に軸線を中心として放射状にのびる複数のスリットが形成されることにより、軸線方向について突出している第２磁性体群Ｇ２が形成されている。

「第１条件」が満たされる場合、第１回転子の回転方向と第２回転子の回転方向とは逆方向になる。Ｎ₀＝２、Ｎ₁＝２２、Ｎ₂＝２０である場合、第１条件が満たされている。「第２条件」が満たされる場合、第１回転子の回転方向と第２回転子の回転方向とは順方向（同じ方向）になる。

「固定子」に相当する部材は基準座標系における位置及び姿勢が一定に維持されるように、当該基準座標系を定める他の部材に固定される。一対の第２部材Ｓ２のそれぞれが第１又は第２回転子に相当する場合、当該一対の第２部材Ｓ２は軸線回りに一体的に回転するように連結される又は一体的に構成されてもよい。同様に、一対の第３部材Ｓ３のそれぞれが第１又は第２回転子に相当する場合、当該一対の第３部材Ｓ３は軸線回りに一体的に回転するように連結される又は一体的に構成されてもよい。

（機能）
図５に黒矢印で示されているように、右側の磁石Ｍ０、右上側の第１磁性体Ｍ１、右上側の第２磁性体Ｍ２、上側の第３部材Ｓ３、左上側の第２磁性体Ｍ２、左上側の第１磁性体Ｍ１、左側磁石Ｍ０、下左側の第１磁性体Ｍ１、下左側の第２磁性体Ｍ２、下側の第３部材Ｓ３、下右側の第２磁性体Ｍ２及び下右側の第１磁性体Ｍ１を順に経由する閉じた磁束線によって表わされる閉磁界が形成されている。

図６（ａ）〜（ｃ）には磁力線の形態が矢印により模式的に示されている。まず、図６（ａ）に示されている磁気的な平衡状態から、図６（ｂ）に斜線付矢印で示されているように磁石群Ｇ０の位相が２π／Ｎ₁［ｒａｄ］だけ変化すると、磁気的に平衡ではない状態が実現される。これに応じて磁気的な平衡状態の回復のため、図６（ｃ）に斜線付矢印で示されているように第２磁性体群Ｇ２の位相が−｛（２π／Ｎ₀）−（２π／Ｎ₁）｝［ｒａｄ］だけ変化する。

第１条件が満たされている場合、磁石群Ｇ０の位相が２π／Ｎ₁［ｒａｄ］だけ変化すると、磁気的な平衡状態の維持のために第２磁性体群Ｇ２の位相が逆向きに２πＮ₂／Ｎ₀Ｎ₁［ｒａｄ］だけ変化することになる。このため、第１回転子が入力側であり、第２回転子が出力側である場合、磁気変速装置は減速比「Ｎ₂／Ｎ₀」の減速装置として機能する。また、第１回転子が出力側であり、第２回転子が入力側である場合、磁気変速装置は増速比「Ｎ₀／Ｎ₂」の増速装置として機能する。

（効果）
本発明の磁気変速装置によれば、軸線方向について磁石群Ｇ０を両側から挟むように、当該磁石群Ｇ０に対して近い順に一対の第１磁性体群Ｇ１及び一対の第２磁性体群Ｇ２が配置されている（図１参照）。すなわち、本発明の磁気変速装置は軸線方向について対称的な構造を有している。このため、少なくとも軸線方向に対して垂直な方向について磁気変速装置の小型化が図られる。

また、磁石群Ｇ０を構成する磁石Ｍ０の磁力によって第１回転子（例えば第１部材Ｓ１）及び第２回転子（例えば第３部材Ｓ３）に対して軸線方向に作用する力が相殺される。その結果、第１回転子及び第２回転子のそれぞれに連結されている部材（例えば第１シャフトＲ１および第２シャフトＲ２並びにこれらの軸受け）に作用する機械的負荷の著しい軽減が図られる。

さらに、磁石Ｍ０、第１磁性体Ｍ１及び第２磁性体Ｍ２の軸線方向の間隔が狭まって相互に摩擦力が生じるような事態が回避されるので、第１回転子及び第２回転子の間の回転力の伝達効率の向上が図られる。

図７〜図１２には、第１部材Ｓ１が「高速ロータ（第１回転子）」とされ、第３部材Ｓ３が「低速ロータ（第２回転子）」とされた場合における本発明の磁気変速装置の性能の３次元有限要素解析法による計算結果が示されている。

図７には、本発明の第１実施例としての磁気変速装置に関して、低速ロータを固定したまま磁気的に安定な状態（図６（ａ）参照）から高速ロータを回転させた場合、高速ロータに対して軸線方向に作用する力の計算結果が実線で示されている。横軸は高速ロータの回転角度を表わしている。

第１実施例の磁気変速装置では（Ｎ₀，Ｎ₁，Ｎ₂）は（２，２２，２０）に設定されている。第１指定角度δ₁、第２指定角度δ₂及び第３指定角度δ₃は「０」に設定されている。

また、図７には、比較例として従来型の磁気変速装置に関して、同様の場合における当該力の計算結果が破線で示されている。比較例の磁気変速装置では、磁石群Ｇ０の軸線方向片側のみに第１磁性体群Ｇ１及び第２磁性体群Ｇ２が配置されている点で、第１実施例の磁気変速装置と相違している。その一方、比較例の磁気変速装置における各群Ｇ０〜Ｇ２の構成は、構成要素の配列態様及び軸線方向の相互間隔なども含めて、第１実施例の磁気変速装置における各群Ｇ０〜Ｇ２の構成と同一である。

図７から明らかなように、第１実施例の磁気変速装置の高速ロータに作用する力が、比較例の磁気変速装置の高速ロータに作用する力と比較して著しく軽減されている。例えば前者は約２［Ｎ］であるのに対して、後者は約６００［Ｎ］であることが確認された。

図８には、図７の計算結果が得られる場合に、第１実施例の磁気変速装置における高速ロータ及び低速ロータのそれぞれのトルクの計算結果が実線で示されている。また、図８には、同様の場合の比較例の磁気変速装置における当該トルクの計算結果が破線で示されている。横軸は高速ロータの回転角度である。

図８から明らかなように、第１実施例の磁気変速装置の低速ロータのトルクが、比較例の磁気変速装置の低速ロータのトルクと比較して高く、高速ロータから低速ロータに対して伝達されるトルクの最大値（最大伝達トルク）が向上している。前者が５．４［Ｎｍ］であるのに対して、後者は３．１［Ｎｍ］であり、第１実施例の磁気減速装置によれば、比較例の磁気減速装置よりも最大伝達トルクが約７４％も増加していることが確認された。

（コギングトルクの低減について）
さらに、次に説明するように高速ロータのトルクに含まれるコギングトルク成分が低減されることが確認された。

図９（ａ）には、第１実施例の磁気変速装置において、高速ロータ及び低速ロータを無負荷で同期回転させた場合における、高速ロータのコギングトルク波形の計算結果が破線で示され、低速ロータのコギングトルク波形の計算結果が実線で示されている。横軸は高速ロータの回転角度である。

図９（ａ）から明らかなように、高速ロータのコギングトルク波形の振幅は約１．１［Ｎｍ］であり、低速ロータのコギングトルク波形の振幅は約０．４［Ｎｍ］である。高速ロータのコギングトルクは低速ロータのコギングトルクより大きいので、高速ロータのコギングトルクの低減が主目的とされる。

図９（ｂ）には、図９（ａ）に示されている第１実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）された解析結果が示されている。図９（ｂ）から明らかなように、磁石群Ｇ０を構成する磁石Ｍ０の数Ｎ₀（＝２）と、第１磁性体群Ｇ１を構成する第１磁性体Ｍ１の数Ｎ₁（＝２２）との最小公倍数Ｎ（＝２２）の整数倍次数におけるコギングトルク成分が主要成分である。

図１０（ａ）には、第１実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の計算結果（図９（ａ）参照）が破線で示され、第２実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の計算結果が実線で示されている。

第２実施例の磁気変速装置は、第２指定角度δ₂が０ではなく、π／２２［ｒａｄ］（Ｎ₀＝２、Ｎ₁＝２２、Ｎ＝２２かつｐ₂＝１）に定められている点でのみ第２実施例の磁気変速装置と構成が相違する。すなわち、一方の磁石Ｍ０の位相が第２指定角度δ₂＝π／２２［ｒａｄ］だけずらして配置された点が当該相違点である（図２参照）。

図１０（ａ）から、第２実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の振幅は約０．５［Ｎｍ］であり、第１実施例の磁気変速装置の高速ロータのそれ（約１．１［Ｎｍ］）と比較して約６０％低減されていることがわかる。

図１０（ｂ）には、図１０（ａ）に示されている第２実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）された解析結果が示されている。図１０（ｂ）から明らかなように、図９（ｂ）に示されている第１実施例に関する計算結果と比較して、２２次のコギングトルク成分が著しく低減されている。

図１１（ａ）には、第２実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の計算結果（図１０（ａ）参照）が破線で示され、第３実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の計算結果が実線で示されている。

第３実施例の磁気変速装置は、第１指定角度δ₁が０ではなく、π／４４［ｒａｄ］（Ｎ₀＝２、Ｎ₁＝２２、Ｎ＝２２かつｐ₁＝２）に定められている点でのみ第２実施形態の磁気変速装置と構成が相違する。すなわち、一対の第１磁性体群Ｇ１が位相を第１指定角度δ₁＝π／４４［ｒａｄ］だけずらして配置され、かつ、一対の第２磁性体群Ｇ２が位相を同じ第１指定角度δ₁だけずらして配置された点が当該相違点である（図３参照）。

図１１（ａ）から、第３実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形の振幅は約０．１５［Ｎｍ］であり、第２実施例の磁気変速装置の高速ロータのそれ（約０．５［Ｎｍ］）と比較して約７０％低減されていることがわかる。

図１１（ｂ）には、図１１（ａ）に示されている第３実施例の磁気変速装置の高速ロータのコギングトルク波形が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）された解析結果が示されている。図１１（ｂ）から明らかなように、図１０（ｂ）に示されている第２実施例に関する計算結果と比較して、４４次のコギングトルク成分が著しく低減されている。

図１２には、第１実施例の磁気変速装置の高速ロータおよび低速ロータのそれぞれのトルクが破線で示され、第３実施例の磁気変速装置の高速ロータおよび低速ロータのそれぞれのトルクが実線で示されている。

図１２から、第３実施例の磁気変速装置によれば、第１実施例の磁気変速装置と比較して、最大伝達トルクが約０．１［Ｎｍ］だけ低下しているものの、高速ロータのコギングトルク波形の振幅が約１［Ｎｍ］も低下していることがわかる。

なお、第３実施例の磁気変速装置において、第１指定角度δ₁がπ／Ｎ［ｒａｄ］（ｐ₁＝１）とされることによりＮ次のコギングトルク成分の低減が図られ、第２指定角度δ₂がπ／２Ｎ［ｒａｄ］（ｐ₂＝２）とされることにより２Ｎ次のコギングトルク成分の低減が図られてもよい。

第３実施例の磁気変速装置において、ｐ₃＝３を３以上の整数として、第３指定角度δ₃がπ／ｐ₃Ｎ［ｒａｄ］とされることにより、すなわち、扇形状の磁石Ｍ０の中心角θ_mがπ／Ｎ₀［ｒａｄ］よりもπ／ｐ₃Ｎ［ｒａｄ］だけ小さくされることにより、３次以上のコギングトルク成分の低減が図られてもよい（図３参照）。以上では、コギングトルクの大きな高速ロータに注目してきたが、図１２より明らかにように低速ロータのコギングトルクについても低減されていることが分かる。

（測定結果）
第１部材Ｓ１が高速ロータとして構成され、第３部材Ｓ３が低速ロータとして構成されている第３実施例の磁気変速装置の性能が測定された（図４参照）。

図１３（ａ）には、低速ロータが固定された状態で高速ロータが回転された場合の、高速ロータ及び低速ロータのそれぞれのトルク波形が示されている。図１３（ａ）から、最大伝達トルクは約６．０［Ｎｍ］であることがわかる。当該測定結果は、図１２に示されている計算結果と若干異なっているが、その定性的な変化態様は同様である。この相違は、各部材の寸法若しくは形状、又は軸線方向における各群の間隔等が、計算時の数値と若干異なっていることに起因すると推察される。

図１３（ｂ）には、位相差がπ／２［ｒａｄ］で同期回転されている高速及び低速ロータのそれぞれのトルク波形が示されている。ここで、位相差とは両ロータの位置関係を表わし、磁気的に最も安定な状態では位相差が０になり、最大トルクが発生する時期的にもっとも不安定な状態では位相差がπ／２［ｒａｄ］になる。

図１３（ｂ）から、高速ロータに約０．１８［Ｎｍ］のコギングトルクが発生していることがわかる。この測定結果は計算結果と比較して約０．０３［Ｎｍ］だけ高い。

図１３（ｃ）には、高速ロータのコギングトルク波形が高速フーリエ変換された解析結果が示されている。図１３（ｃ）からわかるように計算結果どおり、コギングトルクの２２次の整数倍次数の成分が他の成分よりも大きい。また、高速ロータのコギングトルクの測定結果が計算結果よりも高いことに応じて、コギングトルクの２２次成分の測定結果が０．０３７［Ｎｍ］であり、その計算結果である約０．０２１［Ｎｍ］よりも大きくなっている。

Ｇ０‥磁石群Ｇ０‥第１磁性体群、Ｇ２‥第２磁性体群、Ｍ０‥磁石、Ｍ１‥第１磁性体、Ｍ２‥第２磁性体、Ｓ１‥第１部材、Ｓ２‥第２部材、Ｓ３‥第３部材。

Claims

軸線方向について相互に対向するように順に配置されている磁石群、第１磁性体群及び第２磁性体群と、
前記磁石群、前記第１磁性体群及び前記第２磁性体群のそれぞれを支持するとともに、前記軸線回りに相対的に回転可能に構成されている第１回転子、第２回転子及び固定子を構成する第１、第２及び第３部材とを備え、
前記磁石群は前記軸線方向に磁化方向が一致するように前記軸線の周囲に配列されているＮ₀個の磁石により構成され、前記第１磁性体群は前記軸線の周囲に配列されているＮ₁個の第１磁性体によって構成され、前記第２磁性体群は前記軸線の周囲に配列されているＮ₂個の第２磁性体によって構成され、
Ｎ₁＝Ｎ₂＋Ｎ₀又はＮ₁＝Ｎ₂−Ｎ₀であり、
前記第１回転子及び前記第２回転子のうち一方の回転子の前記固定子に対する前記軸線回りの相対的な回転力が、前記第１回転子及び前記第２回転子のうち他方の回転子の前記固定子に対する前記軸線回りの相対的な回転力として伝達されるように構成されている磁気変速装置において、
前記軸線方向について一対の前記第１磁性体群が前記磁石群を挟むように配置され、一対の前記第２磁性体群が前記磁石群とともに前記一対の第１磁性体群のそれぞれを挟むように配置され、
前記一対の第１磁性体群のそれぞれは前記軸線回りのＮ ₁ 回対称性を有するように配置され、前記一対の第２磁性体群のそれぞれは前記軸線回りのＮ ₂ 回対称性を有するように配置され、
前記軸線方向から前記磁気変速装置を見た場合、前記一対の第１磁性体群は一方の第１磁性体群が固定されたまま、他方の第１磁性体群が前記軸線回りに第１指定角度δ ₁ だけ位相が仮想的にずらされた場合に完全に重なるように配置され、前記一対の第２磁性体群は一方の第２磁性体群が固定されたまま、他方の第２磁性体群が前記軸線回りに前記第１指定角度δ ₁ だけ位相が仮想的にずらされた場合に完全に重なるように配置され、前記第１指定角度δ ₁ は（π／ｐ ₁ Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ ₀ 及びＮ ₁ の最小公倍数である。ｐ ₁ は整数である。）であることを特徴とする磁気変速装置。
請求項１記載の磁気変速装置において、
前記磁石群は一部の磁石が固定されたまま残りの磁石が、前記軸線回りに第２指定角度δ₂だけ位相が仮想的にずらされた場合に前記軸線回りのＮ₀回対称性を有するように配置され、前記第２指定角度δ₂は（π／ｐ₂Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ₀及びＮ₁の最小公倍数である。ｐ₂は整数である。）であることを特徴とする磁気変速装置。
請求項１または２記載の磁気変速装置において、
前記磁石群を構成する磁石は、前記軸線方向から前記磁気変速装置を見た場合、前記軸線を中心とし、中心角θ_ｍがπ／Ｎ₀［ｒａｄ］から第３指定角度δ₃だけ小さい扇形状に形成され、前記第３指定角度δ₃は（π／ｐ₃Ｎ）［ｒａｄ］（ＮはＮ₀及びＮ₁の最小公倍数である。ｐ₃は整数である。）であることを特徴とする磁気変速装置。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の磁気変速装置において、
前記第１及び第２磁性体群のそれぞれを構成する各磁性体が、前記軸線方向から見た場合、前記軸線を中心とする扇形状に形成されていることを特徴とする磁気伝達減速機。