JP6455253B2 - 磁気カップリング - Google Patents

Description

本発明は、回転子間の磁気的な結合力により動力を伝達する磁気カップリングに関する。

従来、２つの回転子間の磁気的な結合力により動力を伝達するものとして、特許文献１に記載の磁気カップリングがある。特許文献１に記載の磁気カップリングは、回転磁界を生じさせる巻線が巻かれた固定子と、極歯を備えた第１回転子と、永久磁石を備えた第２回転子とを含んで構成されている。この磁気カップリングでは、巻線へ通電を行うことにより回転磁界を発生させ、この回転磁界により第１回転子と第２回転子とを磁気的に結合させる。そして、この磁気的な結合を利用して、第２回転子から第１回転子へ回転力を伝達可能としている。

特開２０１３−２５８７９３号公報

特許文献１に記載の磁気カップリングでは、第１回転子と第２回転子とを磁気的に結合させるには、巻線への継続的な通電が必須である。そのため、その継続的な通電により、電力の消費量は増加する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、電力の消費を抑制することが可能な磁気カップリングを提供することにある。

本発明は、磁気カップリングであって、周方向において交互に異なる極性となるように並び、且つ、その並び方向に直交する方向に磁力を乗じさせる複数の永久磁石を有する固定子と、第１回転軸に接続された第１回転子と、前記第１回転軸と同軸である第２回転軸に接続され、前記永久磁石の磁力により前記第１回転子と磁気的に結合する第２回転子と、前記固定子に巻かれ、通電により前記永久磁石の磁力との方向と同じ方向の磁力を発生する巻線と、前記巻線への通電により、前記永久磁石の着磁と脱磁とを切り替える励磁装置と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、第１回転子と第２回転子とは、固定子に設けられた永久磁石の磁力により磁気的な結合がなされる。すなわち、永久磁石の着磁を行うことにより、第１回転子と第２回転子とを磁気的に結合させ、永久磁石の脱磁を行うことにより、第１回転子と第２回転子との磁気的な結合を解除することができる。この着磁及び脱磁は、巻線への一時的な通電により行うことができるため、巻線への連続的な通電に伴う電力の消費量の増加を抑制することができる。

第１実施形態に係る磁気カップリングの回転軸に垂直な断面図である。 第１実施形態に係る磁気カップリングのＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態に係る磁気カップリングの回転軸に垂直な断面図である。 第３実施形態に係る磁気カップリングの回転軸に垂直な断面図である。 第４実施形態に係る磁気カップリングの回転軸に垂直な断面図である。 第４実施形態における永久磁石の拡大斜視図である。 第５実施形態に係る磁気カップリングの回転軸方向の断面図である。 第６実施形態に係る磁気カップリングの回転軸に垂直な断面図である。 第６実施形態に係る磁気カップリングのＡ−Ａ断面図である。 第７実施形態に係る磁気カップリングの回転軸方向の断面図である。

以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係る磁気カップリングは、内燃機関を備える車両に搭載され、その内燃機関を始動させるスタータモータの回転軸を駆動軸に接続し、内燃機関のクランク軸を従動軸に接続している。そして、スタータモータの回転トルクを内燃機関のクランク軸に伝達させ、内燃機関を始動させるために用いられる。

図１は、本実施形態に係る磁気カップリング１０の、回転軸に垂直な断面図であり、図２は、回転軸に平行な方向のＡ−Ａ断面図である。磁気カップリング１０は、固定子１１、第１回転子１２、及び第２回転子１３を含んで構成されている。固定子１１、第１回転子１２、及び第２回転子１３の、回転軸に垂直な断面は回転軸方向について均一な形状である。すなわち、固定子１１、第１回転子１２及び第２回転子１３は、いずれも、円環形状である。固定子１１、第１回転子１２、及び第２回転子１３は、第１回転子１２及び第２回転子１３の回転軸を中心軸１４とする同心円状に配置されている。すなわち、本実施形態に係る磁気カップリング１０は、ラジアルギャップ型である。径方向において、第１回転子１２が最も中心軸１４側に配置され、固定子１１が最も外側に配置されている。第１回転子１２の回転軸は、第１回転軸である駆動軸１５に接続されており、第２回転子１３の回転軸は、第２回転軸である従動軸１６に接続されている。これら駆動軸１５及び従動軸１６は同軸に配置されている。

固定子１１の形状は、径方向に所定の厚みを有し、内部に中空部を有する円筒形状である。固定子１１の内周面には、同形状である４つの凸部１１ａが、周方向について等間隔に設けられている。凸部１１ａの中心軸１４側の先端面の形状は、円筒の内周面の一部をなす円弧状である。凸部１１ａの周方向側の側面は、中心軸１４を通る線分の一部をなしている。これら凸部１１ａが設けられることにより、その凸部１１ａ間のそれぞれには凹部１１ｂが形成されている。凹部１１ｂの底面の形状は、円筒の内周面の一部をなす円弧状である。また、凹部１１ｂは凸部１１ａの間に形成されていることから、凹部１１ｂは凸部１１ａと側面を共有している。すなわち、固定子１１の内周面の形状は、凸部１１ａと凹部１１ｂとが交互に設けられた略矩形波状となっている。

凸部１１ａの先端には、それぞれ、永久磁石１７が設けられている。永久磁石１７は、凸部１１ａの先端面に沿って湾曲し、その厚みが略均一である薄板形状である。これら永久磁石１７は、厚み方向へと着磁されている。この着磁方向は、図１では矢印で示している。すなわち、永久磁石１７は、周方向おいてその極性が交互に異なるものとなるように配置されており、周方向の並び方向に対して直交する方向に磁力を発生させる。本実施形態では、永久磁石１７が４個設けられているため、その極対数は２である。この永久磁石１７としては、例えば、サマリウムコバルト磁石が採用される。なお、これら永久磁石１７の磁気抵抗率は、比較的高い値、例えば、３μΩ・ｍとしている。

固定子１１の凹部１１ｂには、巻線１８が備えられている。この巻線１８は、周方向で隣接する巻線１８間において、巻方向が互いに逆方向となるように巻かれている。すなわち、巻線１８に対して第１方向（順方向）へ通電すれば、永久磁石１７の極性に準ずる磁界を発生させることができ、その逆方向へ通電すれば、永久磁石１７の極性と逆方向の磁界を発生させることができる。本実施形態では、４つの凹部１１ｂに巻線１８が巻かれていることから、その巻線１８により発生させることができる磁界の極対数は２である。

第１回転子１２は、周方向に等間隔で設けられた、同形状の第１磁気変調子１２ａにより構成されている。これら第１磁気変調子１２ａは、軟磁性体により形成されている。第１磁気変調子１２ａは、駆動軸１５側の端部において、その駆動軸１５に接続されている。第１磁気変調子１２ａの断面形状は、図１に示すように、中心軸１４を通る直線を対象軸とする左右対称な形状であり、且つ、外周側が広く中心軸１４側が狭い略扇形である。本実施形態では、第１磁気変調子１２ａの数は１０である。

第２回転子１３は、周方向に等間隔で設けられた、同形状の第２磁気変調子１３ａにより構成されている。第２磁気変調子１３ａは、従動軸１６側の端部において、その従動軸１６に接続されている。第２磁気変調子１３ａの断面形状は、略正方形である。本実施形態では、第２磁気変調子１３ａの数は１４である。

なお、第１磁気変調子１２ａ及び／又は第２磁気変調子１３ａについて、周方向の機械強度を高めるべく、非磁性体で形成された、中心軸１４を中心線とする円筒形のフレームに収容する構造としてもよい。

巻線１８への通電は、励磁装置１００により行われる。永久磁石１７の脱磁の際には、交流電流を流して交流磁界を発生させる。この交流電流を徐々に小さくし、交流磁界を徐々に小さくすることにより、交流脱磁を行う。一方、脱磁が行われた永久磁石１７に着磁を行う場合には、巻線１８に直流電流を流し、直流磁界を発生させる。

続いて、本実施形態に係る磁気カップリング１０の動作について説明する。なお、以下の説明において、永久磁石１７の極対数をｍ（＝２）とし、第１磁気変調子１２ａの数をｋ（＝１０）とし、第２磁気変調子１３ａの数をｎ（＝１４）とする。

まず、永久磁石１７が着磁されている状態における、磁気カップリング１０の動作について説明する。内側がＮ極であり外側がＳ極である永久磁石１７により生ずる磁束は、第２磁気変調子１３ａを介して第１磁気変調子１２ａへと流れる。この第１磁気変調子１２ａ内を通過した磁束は、その第２磁気変調子１３ａの周方向に隣接する第２磁気変調子１３ａを通過し、内側がＳ極であり外側がＮ極である永久磁石１７へと流れる。

第１回転子１２及び第２回転子１３の回転時には、永久磁石１７から生じた磁束は、その永久磁石１７の極対数に基づく周波数成分の磁束であり、その永久磁石１７に隣接する永久磁石１７に戻る磁束も、永久磁石１７の極対数に基づく周波数成分の磁束である。そのため、第２磁気変調子１３ａを介して第１磁気変調子１２ａがキャッチする磁束の周波数成分は、その第２磁気変調子１３ａの数と、永久磁石１７の極対数の２倍との和又は差の絶対値である必要がある。これら周波数成分は、極対数、又は磁気変調子の数に比例するものである。したがって、ｋとｎの差又は和の絶対値が、ｍの２倍となる。

これにより、第１磁気変調子１２ａと第２磁気変調子１３ａとが磁気的に結合し、トルクが伝達される。トルクの伝達において損失が無いものと仮定すれば、第１回転子１２と第２回転子１３とのトルクの比はｋ：ｎとなり、回転数の比はｎ：ｋとなる。このトルクの伝達により、第１回転子１２と第２回転子１３とは同方向に回転し、駆動軸１５から従動軸１６へと回転トルクが伝達される。

一方、永久磁石１７の脱磁を行えば、第１磁気変調子１２ａと第２磁気変調子１３ａとを通過する磁束は生じず、第１回転子１２と第２回転子１３とは磁気的に結合しない。そのため、第１回転子１２と第２回転子１３との間での回転トルクの伝達が生じず、第１回転子１２と第２回転子１３とは磁気的に結合しない。ゆえに、駆動軸１５から従動軸１６への回転トルクの伝達を遮断することができる。

上記構成により、本実施形態に係る磁気カップリング１０は、以下の効果を奏する。

・第１回転子１２と第２回転子１３との磁気的な結合状態と非結合状態との切り替えを、永久磁石１７の着磁と脱磁とにより行っている。そのため、第１回転子１２と第２回転子１３との結合状態と非結合状態との切り替えを、着磁のための一時的な通電と、消磁のための一時的な通電とにより実現することができる。したがって、第１回転子１２と第２回転子１３との磁気的な結合状態を維持するために、巻線１８への継続的な通電を行う必要がなく、消費電力を低減することができる。

・第１磁気変調子１２ａを周方向に間隔を開けて配置しているため、周方向に隣接する第１磁気変調子１２ａへの磁束漏れを抑制することができる。これにより、磁気変調をより良好に働かせることができる。第２磁気変調子１３ａについても同様である。

・固定子１１を最も外径側に設けているため、固定子１１を内径側に設ける場合と比較して相対的に永久磁石１７の面積を大きくすることができる。これにより、永久磁石１７の界磁力は大きくなり、トルクの伝達性能を向上させることができる。

・固定子１１を最も外径側に設けているため、固定子１１を内径側に設ける場合と比較して、相対的に巻線１８を配置するスペースを大きくすることができる。そのため、より径の大きい巻線１８を用いることができ、巻線抵抗による電力の損失を抑制することができる。

・第１磁気変調子１２ａの断面形状を略扇型としているため、隣接する軟磁性体どうしの間隔を大きくしつつ、第１磁気変調子１２ａと第２磁気変調子１３ａとの対向する面積をより大きくすることができる。これにより、隣接する軟磁性体への磁束漏れを抑制しつつ、対向面の磁気抵抗を下げ、トルクの伝達性能を向上させることができる。
・駆動軸１５から従動軸１６への回転トルクの伝達を、非接触により行うことができるため、機械的に接続されるものに比べて、ノイズの発生や摩耗等を抑制することができる。
・永久磁石１７の磁気抵抗率を、３μΩ・ｍ以上の比較的高い値としているため、永久磁石１７に生ずる渦電流を低減させることができる。これにより、渦電流により生ずる発熱を低減させることができ、永久磁石の性能の低下を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図３は、本実施形態に係る磁気カップリング１０の、回転軸に垂直な断面図である。本実施形態に係る磁気カップリング１０は、第１実施形態に係る磁気カップリング１０に対して、第２回転子１３の第２磁気変調子１３ｂの断面形状が異なっている。

第２磁気変調子１３ｂの周方向の幅は、径方向の略中央において、最も狭くなっており、径方向の両端部に向かうにつれ、それぞれ、徐々に広くなっている。すなわち、第２磁気変調子１３ｂの側面は、凹形状となっている。これにより、隣接する第２磁気変調子１３ｂどうしのギャップをより大きくしつつ、第１磁気変調子１２ａと対抗する面積及び永久磁石１７と対抗する面積を担保することができる。

したがって、各第２磁気変調子１３ｂにおいて、隣接する第２磁気変調子１３ｂへの磁束漏れを抑制しつつ、第１磁気変調子１２ａ及び永久磁石１７との対向面の磁気抵抗を下げ、トルクの伝達性能を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図４は、本実施形態に係る磁気カップリング１０の、回転軸に垂直な断面図である。本実施形態に係る磁気カップリング１０は、第１実施形態に係る磁気カップリング１０に対して、第１回転子１２の構造、及び第２回転子１３の構造が異なっている。

第１回転子１２には、周方向に隣接する第１磁気変調子１２ａどうしを接続するブリッジ１２ｃが設けられている。これらブリッジ１２ｃは、径方向の厚みが第１磁気変調子１２ａよりも薄く、周方向に隣接する第１磁気変調子１２ａの径方向の外側端部どうしを接続している。

第２回転子１３には、周方向に隣接する第２磁気変調子１３ａどうしを接続するブリッジ１３ｃが設けられている。これらブリッジ１３ｃは、径方向の厚みが第２磁気変調子１３ａよりも薄く、周方向に隣接する第２磁気変調子１３ａの径方向の外側端部どうし、及び、内側端部どうしをそれぞれ接続している。なお、外側端部どうしを接続するブリッジ１３ｃと、内側端部どうしを接続するブリッジ１３ｃとは、径方向の厚みが等しくなっている。

これらブリッジ１２ｃ，１３ｃは、第１磁気変調子１２ａ及び第２磁気変調子１３ａと同じ材料により形成してもよく、第１磁気変調子１２ａ及び第２磁気変調子１３ａとは異なる材料、例えば非磁性体等により構成してもよい。

なお、ブリッジ１２ｃ，１３ｃについては、例えば以下のように変更してもよい。
・第１回転子１２において、第２回転子１３のごとく、内側端部もブリッジにより接続する。
・第２回転子１３において、第１回転子１２のごとく、外側端部のみをブリッジにより接続する。
・第１回転子１２及び第２回転子１３の少なくとも一方において、内側端部のみをブリッジにより接続する。
・第１回転子１２及び第２回転子１３の少なくとも一方において、外側端部と内側端部との間の部分どうしを、ブリッジにより接続する。この場合、外側端部どうしを接続するブリッジ及び／又は内側端部どうしを接続するブリッジは、設けてもよく、設けなくてもよい。
・第１回転子１２及び第２回転子１３の少なくとも一方において、外側端部どうし及び内側端部どうしをブリッジにより接続する場合、それぞれのブリッジの径方向の厚みを異なるものにする。
・第１回転子１２のブリッジの径方向の厚みと、第２回転子１３のブリッジの径方向の厚みを異なるものとする。

本実施形態に係る上記構造により、第１回転子１２及び第２回転子１３の、周方向への機械強度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
図５は、本実施形態に係る磁気カップリング１０の、回転軸に垂直な断面図であり、図６は、本実施形態に係る磁気カップリング１０が備える永久磁石１７の拡大斜視図である。

本実施形態に係る磁気カップリング１０の永久磁石１７は、９個の同形状の単位磁石１７ａ〜１７ｉにより構成されている。これら単位磁石１７ａ〜１７ｉは、第１実施形態の永久磁石１７と同等の厚みであり、且つ、相似形状である。その軸方向の長さ及び周方向の幅は、それぞれ、第１実施形態の永久磁石１７の軸方向の長さ及び周方向の幅の１／３である。これら単位磁石１７ａ〜１７ｉを周方向に３個、且つ、軸方向に３個並べて配置することにより、第１実施形態の永久磁石１７と同一形状の永久磁石１７とすることができる。単位磁石１７ａ〜１７ｉの極性は、配置した際に同方向となる。隣接する単位磁石１７ａ〜１７ｉどうしは、電気的に絶縁されている。これは、例えば、各単位磁石１７ａ〜１７ｉの周囲に絶縁性塗料を塗布することによりなされる。

なお、永久磁石１７を構成する単位磁石１７ａ〜１７ｉについては、以下のように変更してもよい。
・周方向と軸方向の一方のみに、分割する形状とする。
・各単位磁石を均等な大きさにしない。例えば、周方向の中央に位置する単位磁石を周方向の幅を大きくする。

上記構成により、単位磁石１７ａ〜１７ｉにおいて、導電経路を狭めることができ、単位磁石１７ａ〜１７ｉの内部の電気抵抗をより大きくすることができる。これにより、その単位磁石１７ａ〜１７ｉにより構成される永久磁石１７に流れる渦電流を低減することができる。したがって、その渦電流に起因する発熱を低減することができ、永久磁石１７の劣化を抑制することができる。

＜第５実施形態＞
図７は、本実施形態に係る磁気カップリング２０の回転軸方向の断面図である。磁気カップリング２０は、固定子２１、第１回転子２２、及び第２回転子２３を含んで構成されている。固定子２１、第１回転子２２、及び第２回転子２３の外形は、回転軸に垂直な面において、略同一の円環形状である。固定子２１は、第２回転子２３の一方の面と軸方向において対向するように配置されており、第１回転子２２は、第２回転子２３の他方の面と軸方向において対向するように配置されている。すなわち、第２回転子２３は、軸方向において、固定子２１と第１回転子２２とに挟まれるように配置されている。このように構成されているため、本実施形態に係る磁気カップリング２０は、アキシャルギャップ型である。第１回転子２２の回転軸は、駆動軸２５に接続されており、第２回転子２３の回転軸は、従動軸２６に接続されている。

固定子２１の、第２回転子２３と対向する側には、４つの永久磁石２７が設けられている。これら永久磁石２７の形状は、径方向に均一な幅を有する１／４の円弧状であり、４つの永久磁石２７により円環が形成されている。周方向に隣接する永久磁石２７の極性は、互いに逆方向となっている。すなわち、４つの永久磁石２７により、２つの磁極対を形成している。

固定子２１の、第２回転子２３と対向する側の反対側には、４つの円環状に巻かれた巻線２８が、それぞれ永久磁石２７と対向するように設けられている。これらの巻線２８について、周方向に隣接する巻線２８どうしは、互いに巻き方向が逆方向となっている。すなわち、各巻線２８へ通電を行えば、巻線２８が発生させる磁界は、隣接する巻線２８どうしで互いに逆方向となる。

第１回転子２２は、同形状の第１磁気変調子２２ａが周方向に等間隔で設けられている。これら第１磁気変調子２２ａは、周方向について等間隔に並べるべく、例えば、外周に等間隔の凹みを有する、非磁性体で形成されたフレームに収められている。第１磁気変調子２２ａの回転軸に垂直な方向の断面形状は、略正方形、若しくは略長方形である。本実施形態では、第１磁気変調子２２ａの数は１０である。

第２回転子２３は、同形状の第２磁気変調子２３ａが周方向に等間隔で設けられている。これら第２磁気変調子２３ａは、第１磁気変調子２２ａと同様に、外周に等間隔の凹みを有する、非磁性体で形成されたフレームに収められている。第２磁気変調子２３ａの回転軸に垂直な断面形状は、略正方形、若しくは略長方形である。本実施形態では、第２磁気変調子２３ａの数は１４である。

巻線２８への通電は、第１実施形態と同様に、励磁装置１００により行われる。永久磁石２７の脱磁の際には、交流電流を流して交流磁界を発生させる。この交流電流を徐々に小さくし、交流磁界を徐々に小さくすることにより、交流脱磁を行う。一方、脱磁が行われた永久磁石２７に着磁を行う場合には、巻線２８に直流電流を流し、直流磁界を発生させる。

なお、本実施形態に係る磁気カップリング２０の動作は、第１実施形態に係る磁気カップリング１０の動作に準ずるものである。

上記構成により、本実施形態に係る磁気カップリング２０は、第１実施形態に準ずる効果を奏する。

＜第６実施形態＞
図８は、本実施形態に係る磁気カップリング３０の、回転軸に垂直な断面図であり、図９は、回転軸に平行な方向のＡ−Ａ断面図である。

磁気カップリング３０は、固定子３１、第１回転子３２、及び第２回転子３３を含んで構成されている。固定子３１、第１回転子３２、及び第２回転子３３の、回転軸に垂直な断面形状は回転軸方向に均一な形状である。これら固定子３１、第１回転子３２及び第２回転子３３は、いずれも、断面円環形状である。固定子３１、第１回転子３２、及び第２回転子３３は、第１回転子３２及び第２回転子３３の回転軸を中心軸３４とする同心円状に配置されている。すなわち、本実施形態に係る磁気カップリング１０は、ラジアルギャップ型である。径方向において、第１回転子３２が最も中心軸３４側に配置され、固定子３１が最も外側に配置されている。第１回転子３２の回転軸は、駆動軸３５に接続されており、第２回転子３３の回転軸は、従動軸３６に接続されている。

本実施形態に係る固定子３１の形状は、第１実施形態における固定子１１の形状に準ずる形状である。すなわち、径方向に所定の厚みを有する円筒形状である。固定子３１の内周面には、同形状である４つの凸部３１ａが周方向について等間隔に設けられ、その凸部３１ａ間のそれぞれには凹部３１ｂが形成されている。

凸部３１ａの先端には、第１実施形態と同様に、それぞれ第１永久磁石３７が設けられている。第１永久磁石３７は、径方向について薄く、その厚みが略均一である平板形状である。これら第１永久磁石３７は、厚み方向へと着磁されている。この着磁方向は、図８では矢印で示している。第１永久磁石３７は、周方向おいてその極性が交互に異なるものとなるように配置されている。本実施形態では、第１永久磁石３７が４個設けられているため、その極対数は２である。

固定子３１の凹部３１ｂには、巻線３８が備えられている。この巻線３８は、周方向で隣接する巻線３８間において、巻方向が互いに逆方向となるように巻かれている。すなわち、巻線３８に対して第１方向（順方向）へ通電すれば、第１永久磁石３７の極性に準ずる磁場を発生させることができ、その逆方向へ通電すれば、第１永久磁石３７の極性と逆方向の磁場を発生させることができる。本実施形態では、４つの凹部３１ｂに巻線３８が巻かれていることから、その巻線３８により発生させることができる磁界の極対数は２である。

第１回転子３２は、軟磁性体で形成されている。その径方向の表面には、複数の第２永久磁石３９が設けられている。第２永久磁石３９は、周方向おいてそれぞれ接するように設けられている。すなわち、第２永久磁石３９により断面円環形状を形成しているといえる。第２永久磁石３９は径方向に着磁されており、互いに隣接する第２永久磁石３９において、その極性は逆方向となっている。この着磁方向は、図８では矢印で示している。本実施形態では、第２永久磁石３９を２０個設けているため、第２永久磁石３９により発生させることができる磁界の極対数は１０である。

第２回転子３３は、周方向に等間隔で設けられた、同形状の磁気変調子３３ａにより構成されている。磁気変調子３３ａは、従動軸３６側の端部において、その従動軸３６に接続されている。磁気変調子３３ａの断面形状は、略正方形である。本実施形態では、磁気変調子３３ａの数は１２である。

巻線３８への通電は、第１実施形態と同様に、励磁装置１００により行われる。第１永久磁石３７の脱磁の際には、交流電流を流して交流磁界を発生させる。この交流電流を徐々に小さくし、交流磁界を徐々に小さくすることにより、交流脱磁を行う。一方、脱磁が行われた第１永久磁石３７に着磁を行う場合には、巻線３８に直流電流を流し、直流磁界を発生させる。

続いて、本実施形態に係る磁気カップリング３０の動作について説明する。なお、以下の説明において、第１永久磁石３７の極対数をｍ（＝２）とし、第２永久磁石３９の数をｋ（＝１０）とし、磁気変調子３３ａの数をｎ（＝１２）とする。

まず、第１永久磁石３７が着磁されている状態における、磁気カップリング３０の動作について説明する。内側がＮ極であり外側がＳ極である第１永久磁石３７により生ずる磁束は、磁気変調子３３ａを介して、第２回転子３３側がＳ極である第２永久磁石３９に流れる。この第２永久磁石３９のＮ極から生ずる磁束は、第１回転子３２内を通過し、その第２永久磁石３９に隣接する第２永久磁石３９へと流れる。この第２永久磁石３９のＮ極から生ずる磁束は、磁気変調子３３ａを介して、内側がＳ極であり外側がＮ極である第１永久磁石３７へと流れる。

このとき、第１永久磁石３７から生ずる磁束の周波数成分と、第２永久磁石３９から生ずる磁束の周波数成分との、和又は差の絶対値の周波数成分が、磁気変調子３３ａを通り抜ける。これら周波数成分は、極対数、又は、磁気変調子の数に比例するものである。そのため、磁束を磁気変調子３３ａがキャッチするには、磁気変調子３３ａの数が、その磁束の周波数成分の差、又は和の絶対値に基づくものとなる必要が生ずる。すなわち、ｍとｋとの差又は和がｎである、換言すれば、ｋとｎの差又は和の絶対値がｍである必要がある。

これにより、第２永久磁石３９と磁気変調子３３ａとが磁気的に結合し、トルクが伝達される。トルクの伝達において損失が無いものと仮定すれば、第１回転子３２と第２回転子３３とのトルクの比はｋ：ｎとなり、回転数の比はｎ：ｋとなる。このトルクの伝達により、第１回転子３２と第２回転子３３とは同方向に回転し、駆動軸３５から従動軸３６へと回転トルクが伝達される。

一方、第１永久磁石３７の脱磁を行えば、第２永久磁石３９と磁気変調子３３ａとは磁気的に結合しない。そのため、第１回転子３２と第２回転子３３との間での回転トルクの伝達が生じない。ゆえに、駆動軸３５から従動軸３６への回転トルクの伝達を遮断することができる。

上記構成により、本実施形態に係る磁気カップリング３０は、第１実施形態に準ずる効果を奏する。

＜第７実施形態＞
図１０は、本実施形態に係る磁気カップリング４０の回転軸方向の断面図である。磁気カップリング４０は、固定子４１、第１回転子４２、及び第２回転子４３を含んで構成されている。固定子４１、第１回転子４２、及び第２回転子４３の外形は、回転軸に垂直な面において、略同一の円環形状である。固定子４１は、第２回転子４３の一方の面と軸方向において対向するように配置されており、第１回転子４２は、第２回転子４３の他方の面と軸方向において対向するように配置されている。すなわち、第２回転子４３は、軸方向において、固定子４１と第１回転子４２とに挟まれるように配置されている。このように構成されているため、本実施形態に係る磁気カップリング４０は、アキシャルギャップ型である。第１回転子４２の回転軸は、駆動軸４５に接続されており、第２回転子４３の回転軸は、従動軸４６に接続されている。

固定子４１の、第２回転子４３と対向する側には、４つの第１永久磁石４７が設けられている。これら第１永久磁石４７の形状は、径方向に均一な幅を有する１／４の円弧状であり、４つの第１永久磁石４７により円環が形成されている。周方向に隣接する第１永久磁石４７の極性は、互いに逆方向となっている。すなわち、４つの第１永久磁石４７により、２つの磁極対を形成している。

固定子４１の、第２回転子４３と対向する側の反対側には、４つの円環状に巻かれた巻線４８が、それぞれ第１永久磁石４７と対向するように設けられている。これらの巻線４８について、周方向に隣接する巻線４８どうしは、互いに巻き方向が逆方向となっている。すなわち、各巻線４８へ通電を行えば、巻線４８が発生させる磁界は、隣接する巻線４８どうしで互いに逆方向となる。

第１回転子４２の、第２回転子４３と対向する側には、第２永久磁石４９が設けられている。これら第２永久磁石４９の形状は、径方向に均一な幅を有する円弧状であり、これら第２永久磁石４９により円環が形成されている。周方向に隣接する第２永久磁石４９の極性は、互いに逆方向となっている。第２永久磁石４９の数は２０であるため、これら第２永久磁石４９により形成される磁極対の数は、１０である。

第２回転子４３は、同形状の磁気変調子４３ａが周方向に等間隔で設けられている。これら磁気変調子４３ａは、周方向について等間隔に並べるべく、例えば、外周に等間隔の凹みを有する、非磁性体で形成されたフレームに収められている。磁気変調子４３ａの回転軸に垂直な断面形状は、略正方形、若しくは略長方形である。本実施形態では、磁気変調子４３ａの数は１２である。

巻線４８への通電は、第１実施形態と同様に、励磁装置１００により行われる。第１永久磁石４７の脱磁の際には、交流電流を流して交流磁界を発生させる。この交流電流を徐々に小さくし、交流磁界を徐々に小さくすることにより、交流脱磁を行う。一方、脱磁が行われた第１永久磁石４７に着磁を行う場合には、巻線４８に直流電流を流し、直流磁界を発生させる。

なお、本実施形態に係る磁気カップリング４０の動作は、第６実施形態に係る磁気カップリング３０の動作に準ずるものである。

上記構成により、本実施形態に係る磁気カップリング４０は、第１実施形態に準ずる効果を奏する。

＜変形例＞
・上記各実施形態では、第１回転子１２，２２，３２，４２の回転軸が駆動軸１５，２５，３５，４５に接続されており、第２回転子１３，２３，３３，４３の回転軸が従動軸１６，２６，３６，４６に接続されているものとしている。この点、第１回転子１２，２２，３２，４２の回転軸を従動軸１６，２６，３６，４６に接続するものとし、第２回転子１３，２３，３３，４３の回転軸を駆動軸１５，２５，３５，４５に接続するものとしてもよい。

・上記第１〜第４実施形態、及び第６実施形態では、固定子１１，３１を最も外周側に設けるものとしたが、固定子１１，３１を最も中心軸１４，３４側に配置するものとしてもよい。

・第１〜第５実施形態において、永久磁石１７，２７の極対数を２とし、第１磁気変調子１２ａ，２２ａの数を１０とし、第２磁気変調子１３ａ，２３ａの数を１４としている。しかしながら、永久磁石１７，２７、第１磁気変調子１２ａ，２２ａ、及び第２磁気変調子１３ａ，２３ａの数は、これらに限られない。第１磁気変調子１２ａ，２２ａの数であるｎと第２磁気変調子１３ａ，２３ａの数であるｋとの和又は差の絶対値が、永久磁石１７，２７の極対数であるｍの２倍であればよい。なお、これらｋ、ｍ、ｎは、自然数である。また、ｋをｍ及びｎよりも大きい数とすれば、磁束変調がより良好に働き、トルクの伝達性能を向上させることができる。

・第６、第７実施形態において、第１永久磁石３７，４７の極対数を２とし、第２永久磁石３９，４９の極対数を１０とし、磁気変調子３３ａ，４３ａの数を１４としている。しかしながら、第１永久磁石３７，４７、第２永久磁石３９，４９、及び磁気変調子３３ａ，４３ａの数は、これらに限られない。第２永久磁石３９，４９の極対数であるｎと磁気変調子３３ａ，４３ａの数であるｋとの和又は差の絶対値が、第１永久磁石３７，４７の極対数であるｍであればよい。なお、これらｋ、ｍ、ｎは、自然数である。また、ｋをｍ及びｎよりも大きい数とすれば、磁束変調がより良好に働き、トルクの伝達性能を向上させることができる。

・第５実施形態の第１磁気変調子２２ａの形状及び／又は第２磁気変調子２３ａの形状として、第２実施形態の第２磁気変調子１３ｂの形状を採用してもよい。こうすることにより、第１磁気変調子２２ａ及び／又は第２磁気変調子２３ａの軸方向の対向面積を担保しつつ、周方向に隣接する第１磁気変調子２２ａ及び／又は第２磁気変調子２３ａとの間隔を大きくすることができ、磁束漏れを抑制することができる。

・第５実施形態の第１磁気変調子２２ａ及び／又は第２磁気変調子２３ａを、第３実施形態のごとくブリッジにより接続するものとしてもよい。こうすることにより、第１磁気変調子２２ａ及び／又は第２磁気変調子２３ａについて、フレームを設けることなく、回転方向への機械強度を得ることができる。

・第６実施形態における磁気変調子３３ａの形状として、第２実施形態の第２磁気変調子１３ｂの形状を採用してもよい。また、第３実施形態のごとく、ブリッジを設ける構造としてもよい。第７実施形態における磁気変調子４３ａについても同様である。

・第５実施形態、第６実施形態、第７実施形態における永久磁石２７，３７，４７について、第４実施形態のごとく、複数の単位磁石により構成してもよい。

・各実施形態における永久磁石１７，２７，３７，４７としては、サマリウムコバルト磁石に限られることはない。すなわち、巻線１８，２８，３８，４８への通電により、着磁と脱磁とが可能なものであればよい。

・第６、第７実施形態において、固定子３１，４１に設ける永久磁石３７，４７と、第１回転子３２，４２に設ける永久磁石３９，４９とは、異なる材料としてもよい。

・第１〜第４実施形態では、第１磁気変調子１２ａの断面形状を略扇型としたが、第１磁気変調子１２ａの形状は、これに限られない。例えば、第１磁気変調子１２ａの断面形状を、略正方形としてもよく、略長方形としてもよい。

・第１〜第４実施形態、及び第６実施形態において、固定子１１，３１の凹部１１ｂ，３１ｂに巻線１８，３８を設けるものとしているが、巻線１８，３８を設ける場所は、固定子１１，３１の凹部１１ｂ，３１ｂに限られない。すなわち、永久磁石１７，３７に対して同極性の磁場を発生させることができるように巻かれていればよい。
・第１実施形態において、磁気カップリング１０，２０，３０，４０の用途として、車両のスタータモータと内燃機関とを接続するものを例示したが、磁気カップリング１０，２０，３０，４０の用途はこれに限られない。例えば、車両の空調用コンプレッサと内燃機関を接続するものとして用いることもできるし、他の伝達機構として用いることもできる。また、搭載対象は車両に限られず、回転トルクを伝達する機構を備えるものであれば、その機構に代えて、上記各実施形態の磁気カップリング１０，２０，３０，４０を採用することができる。

１０…磁気カップリング、１１…固定子、１２…第１回転子、１３…第２回転子、１７…永久磁石、１８…巻線、２０…磁気カップリング、２１…固定子、２２…第１回転子、２３…第２回転子、２７…永久磁石、２８…巻線、３０…磁気カップリング、３１…固定子、３２…第１回転子、３３…第２回転子、３７…第１永久磁石、３８…巻線、４０…磁気カップリング、４１…固定子、４２…第１回転子、４３…第２回転子、４７…第１永久磁石、４８…巻線、１００…励磁装置。

Claims (15)

1. 周方向において交互に異なる極性となるように並び、且つ、着磁されるとその並び方向に直交する方向に磁力を発生させる複数の永久磁石（１７，２７，３７，４７）を有する固定子（１１，２１，３１，４１）と、
   第１回転軸（１５，２５，３５，４５）に接続された第１回転子（１２，２２，３２，４２）と、
   前記第１回転軸と同軸である第２回転軸（１６，２６，３６，４６）に接続され、前記永久磁石の磁力により前記第１回転子と磁気的に結合する第２回転子（１３，２３，３３，４３）と、
   前記固定子に巻かれ、通電により前記永久磁石の磁力との方向と同じ方向の磁力を発生する巻線（１８，２８，３８，４８）と、
   前記巻線への一時的な通電により、前記永久磁石の着磁と脱磁とを切り替え、前記着磁により前記第１回転子と前記第２回転子とを磁気的に結合させ、前記脱磁により前記結合を解除する励磁装置（１００）と、を備えることを特徴とする、磁気カップリング（１０，２０，３０，４０）。
2. 周方向において交互に異なる極性となるように並び、且つ、その並び方向に直交する方向に磁力を発生させる複数の永久磁石（１７，２７，３７，４７）を有する固定子（１１，２１，３１，４１）と、
   第１回転軸（１５，２５，３５，４５）に接続された第１回転子（１２，２２，３２，４２）と、
   前記第１回転軸と同軸である第２回転軸（１６，２６，３６，４６）に接続され、前記永久磁石の磁力により前記第１回転子と磁気的に結合する第２回転子（１３，２３，３３，４３）と、
   前記固定子に巻かれ、通電により前記永久磁石の磁力との方向と同じ方向の磁力を発生する巻線（１８，２８，３８，４８）と、
   前記巻線への通電により、前記永久磁石の着磁と脱磁とを切り替える励磁装置（１００）と、を備え、
   前記永久磁石（１７，２７）の極対数はｍであり、
   前記第１回転子（１２，２２）は、軟磁性体で形成され、所定間隔で環状に配置されたｎ個の第１磁気変調子（１２ａ，２２ａ）を備えており、
   前記第２回転子（１３，２３）は、軟磁性体で形成され、所定間隔で環状に配置されたｋ個の第２磁気変調子（１３ａ，１３ｂ，２３ａ）を備えており、
   前記ｋと前記ｎとの和又は差の絶対値が、前記ｍの２倍であることを特徴とする、磁気カップリング。
3. 回転軸に直交する方向又は回転軸方向において、前記第１回転子及び前記第２回転子の一方が、前記第１回転子及び前記第２回転子の他方と前記固定子との間に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の磁気カップリング。
4. 前記固定子（１１）と前記第１回転子（１２）と前記第２回転子（１３）とは、同軸で径方向に対向して配置され、
   前記固定子は、径方向の最も外側に配置されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の磁気カップリング。
5. 前記第２回転子は、前記第１回転子と前記固定子との間に配置され、前記第２磁気変調子（１３ｂ）は、周方向に互いに対向する側面が凹形状であることを特徴とする、請求項４に記載の磁気カップリング。
6. 前記第１回転子は、径方向の最も内側に配置され、前記第１磁気変調子（１２ａ）の周方向の幅は、内径側よりも外径側が広いことを特徴とする、請求項４又は５に記載の磁気カップリング。
7. 前記第１磁気変調子と前記第２磁気変調子との少なくとも一方は、周方向において互いに隣接するものどうしが、それら磁気変調子よりも周方向の厚みが薄いブリッジ（１２ｃ，１３ｃ）により接続されていることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の磁気カップリング。
8. 周方向において交互に異なる極性となるように並び、且つ、その並び方向に直交する方向に磁力を発生させる複数の永久磁石（１７，２７，３７，４７）を有する固定子（１１，２１，３１，４１）と、
   第１回転軸（１５，２５，３５，４５）に接続された第１回転子（１２，２２，３２，４２）と、
   前記第１回転軸と同軸である第２回転軸（１６，２６，３６，４６）に接続され、前記永久磁石の磁力により前記第１回転子と磁気的に結合する第２回転子（１３，２３，３３，４３）と、
   前記固定子に巻かれ、通電により前記永久磁石の磁力との方向と同じ方向の磁力を発生する巻線（１８，２８，３８，４８）と、
   前記巻線への通電により、前記永久磁石の着磁と脱磁とを切り替える励磁装置（１００）と、を備え、
   前記固定子が備える永久磁石（３７，４７）の極対数はｍであり、
   前記第１回転子（３２，４２）は、周方向に交互に異なる極性となるように環状に配置された、極対数がｎである第２の永久磁石（３９，４９）を備えており、
   前記第２回転子（３３，４３）は、軟磁性体で形成され、所定間隔で環状に配置されたｋ個の磁気変調子（３３ａ，４３ａ）を備えており、
   前記ｋと前記ｎとの和又は差の絶対値が、前記ｍであることを特徴とする、磁気カップリング。
9. 回転軸に直交する方向又は回転軸方向において、前記第２回転子が、前記第１回転子と前記固定子との間に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の磁気カップリング。
10. 前記固定子（３１）と前記第１回転子（３２）と前記第２回転子（３３）とは、同心円状に配置され、
    前記固定子は、径方向の最も外側に配置されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の磁気カップリング。
11. 前記第２回転子は、前記第１回転子と前記固定子との間に配置され、前記磁気変調子（３３ａ）は、周方向に互いに対向する側面が凹形状であることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気カップリング。
12. 前記磁気変調子は、周方向において互いに隣接するものどうしが、その磁気変調子よりも径方向の厚みが薄いブリッジにより接続されていることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の磁気カップリング。
13. 前記巻線は、隣り合って配置され、且つ、互いに極性となる永久磁石ごとに所定の向きで巻かれていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気カップリング。
14. 前記固定子は、円筒形状の中空部を有し、その中空部を囲むように複数の凹部（１１ｂ）が形成されており、
    前記巻線は、前記固定子の前記凹部に巻かれていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁気カップリング。
15. 前記励磁装置は、減衰する交流電流の通電により前記脱磁を行い、直流電流の通電により前記着磁を行うことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の磁気カップリング。

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