JP6823537B2 - 可変ギャップ式モータ - Google Patents

Description

本発明は、可変ギャップ式モータに関し、更に詳細には、内接式遊星歯車装置を組み込まれた可変ギャップ式モータに関する。

内接式遊星歯車装置を組み込まれた可変ギャップ式モータとして、多相交流の各相の電流を通電されるコイルを巻装された固定子突極（磁極）を周方向に所定の間隔をおいて有し、回転磁界を発生する円環状の界磁用固定子と、前記界磁用固定子の径方向内方に配置され、外周面と前記固定子突極の内周面との間に磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）を画定し、内周面に内歯を形成された円環状の可動子と、前記可動子の径方向内方に配置され、外周面に前記内歯より少ない歯数を有して前記内歯に噛合する外歯を形成された外歯歯車とを具備し、前記可動子が前記回転磁界によって前記界磁用固定子に対して偏心揺動することにより前記外歯歯車が減速回転するものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平４−３１７５５２号公報 特開２０１７−２８８０８号公報

従来の可変ギャップ式モータでは、回転磁界による電磁力の成分のうち、内歯と外歯との噛合のもとに可動子を回転させるためのトルクに変換されるのは、周方向成分だけであり、径方向成分はトルクに変換されることない磁力損失になり、トルク変換効率が低い。可変ギャップ式モータでは、回転磁界による電磁力の径方向成分は周方向成分の数倍に相当するから、磁気損失が大きく、効率が悪い電動モータになる。

電磁力の径方向成分がトルクに変換されるためには、外歯歯車に対する内歯歯車の偏心配置において、内歯と外歯との噛合領域において外歯に対して内歯が歯丈方向に変位する必要がある。しかし、この変位は、噛合領域の周方向の両側（回転方向の進み側と遅れ側）の領域にある内歯と外歯との干渉を招くため、従来の可変ギャップ式モータでは、電磁力の径方向成分がトルク変換に利用されていないのが現状である。

本発明が解決しようとする課題は、可変ギャップ式モータにおいて電磁力の径方向成分が有効にトルク変換されるようにしてモータ出力の向上を図ることである。

本発明の一つの実施形態による可変ギャップ式モータは、周方向に所定の間隔で配置された、多相電流の各相の電流を通電させるコイル（１６）が巻回された複数の固定子突極（１４）を有し、回転磁界を発生する円環状の界磁用固定子（１２）と、前記界磁用固定子（１２）の径方向内方に配置され、対応する前記固定子突極（１４）との間に磁束が通過する磁気ギャップを画定するべく外周面に形成された複数の可動子突極（２４）及び内周面に全周に亘って内歯（２８）を備えた円環状の可動子（２２）と、前記可動子（２２）の径方向内方に配置され、前記内歯（２８）に噛み合い、かつ前記内歯（２８）より少ない歯数の外歯（３２）を外周面に全周に亘って備えた外歯歯車（３０）とを備え、前記固定子突極（１４）によって回転磁界を発生させることにより、前記可動子（２２）を搖動させて前記外歯歯車（３０）に回転出力を発生する可変ギャップモータであって、前記可動子（２２）が、複数の可動子要素（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）を積層してなり、個々の可動子要素（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）毎に、互いに異なる所定の角度範囲のみに前記内歯（２８）を形成された内歯領域（２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ）が設けられ、前記複数の可動子要素（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）に設けられた前記内歯領域（２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ）の組み合わせにより前記可動子（２２）の前記内周面の全周に亘る前記内歯（２２）が構成され、各可動子要素（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）が、各々対応する前記内歯領域（２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ）に向かう方向にのみ搖動可能に前記界磁用固定子（１２）に対して配置されている。

この構成によれば、内歯と外歯との干渉を招くことなく、各可動子要素（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）が回転磁界によって界磁用固定子（１２）に対して個別に径方向に揺動する。これにより、電磁力の径方向成分がトルクに有効に変換され、モータ出力が向上する。

上述の可変ギャップモータにおいて、好ましくは、前記界磁用固定子（１２）は、３相交流の各相の電流を通電されるコイル（１６）を巻装された複数の固定子突極（１４）を周方向に所定の間隔をおいて有し、前記可動子（２２）は、前記可動子要素として、第１可動子要素（２２Ｕ）と第２可動子要素（２２Ｖ）と第３可動子要素（２２Ｗ）とを相対変位可能に軸線方向に有し、前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とは、各々、中心周りに１８０度回転変位した２箇所に６０度の回転角範囲に亘って第１内歯領域（２８Ｕ）、第２内歯領域（２８Ｖ）及び第３内歯領域（２８Ｗ）を有し、前記可動子（２２）は、前記第１内歯領域（２８Ｕ）と前記第２内歯領域（２８Ｖ）と第３内歯領域（２２Ｗ）とが中心周りに互いに６０度の回転位相をもつべく前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とが配置されることにより、前記第１内歯領域（２８Ｕ）と前記第２内歯領域（２８Ｖ）と前記第３内歯領域（２８Ｗ）とによって一周分の連続した内歯列を構成され、更に、前記第１可動子要素（２２Ｕ）の移動を当該第１可動子要素（２２Ｕ）の中心と前記第１内歯領域（２８Ｕ）の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、前記第２可動子要素（２２Ｖ）の移動を当該第２可動子要素（２２Ｖ）の中心と前記第２内歯領域（２８Ｖ）の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、前記第３可動子要素（２２Ｗ）の移動を当該第３可動子要素（２２Ｗ）の中心と前記第３内歯領域（２８Ｗ）の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制する規制機構（３４、３６、３８）とを有し、前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とは、３相交流の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の電流によって前記コイル（１６）が励磁されることにより、各々前記規制機構（３４、３６、３８）によって規制された径方向に往復移動する。

この構成によれば、３相交流の可変ギャップモータにおいて、電磁力の径方向成分が有効にトルク変換され、モータ出力が向上する。

上述の可変ギャップモータにおいて、好ましくは、前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とを各々複数有し、前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とが一つずつ交互に配置されている。

この構成によれば、可動子（２２）が軸線方向に偏って動作することがなく、可動子（２２）が中心軸線に対して直交面に対して傾くことがない。

上述の可変ギャップモータにおいて、好ましくは、前記内歯（２８）は、前記外歯（３２）との噛合時に、前記内歯（２８）から見た前記外歯（３２）の運動軌跡に対してそれに沿う形状をしている。

この構成によれば、内歯（２８）と外歯（３２）との噛合部の中央領域と端部領域との干渉がなく、電磁力の径方向成分からのトルク成分の取り出しが効率よく行われる。

上述の可変ギャップモータにおいて、好ましくは、前記第１可動子要素（２２Ｕ）と前記第２可動子要素（２２Ｖ）と前記第３可動子要素（２２Ｗ）とこれら可動子要素を収容するケーシング（４４）との間にコロ（４０）或いは球体（４１）を有する。

この構成によれば、第１可動子要素（２２Ｕ）と第２可動子要素（２２Ｖ）と第３可動子要素（２２Ｗ）とケーシング（４４）との相対移動が低摩擦で行われ、摩擦損失が低減する。

本発明による可変ギャップモータによれば、電磁力の径方向成分が有効にトルク変換されることによりモータ出力が向上する。

本発明による可変ギャップモータの一つの実施形態を示す正面図 本実施形態による可変ギャップモータの分解斜視図 本実施形態による可変ギャップモータの可動子の分解斜視図 本実施形態による可変ギャップモータにおける楔作用を模式的に示す説明図 他の実施形態による可変ギャップモータの可動子の分解斜視図 本実施形態による可変ギャップモータの内歯の形状を示す説明図 他の実施形態による可変ギャップモータの可動子の部分断面図 他の実施形態による可変ギャップモータの可動子の部分断面図 他の実施形態による可変ギャップモータの可動子の部分断面図

以下に、本発明による可変ギャップモータの一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態の可変ギャップモータ１０は、３相交流リラクタンスモータであり、界磁用固定子１２を含む。界磁用固定子１２は、強磁性体材料によって構成され、環状の主部１３と、主部１３の周方向に所定の間隔をおいて且つ主部１３の内周から径方向内方に突出した６個の固定子突極（ティース）１４を有する。各固定子突極１４の根元部の外周には３相交流の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の電流を通電されるステータコイル１６が巻装されている。

各固定子突極１４の先端部には界磁用固定子１２の中心軸線と平行な軸線を中心とした略半円形の凹部１８が形成されている。界磁用固定子１２には周方向に隣り合う固定子突極１４間に配置されてこれらに固定された磁気絶縁体による固定ブロック２０が取り付けられている。

界磁用固定子１２の内側空間、つまり、界磁用固定子１２の径方向内方には可動子２２が配置されている。可動子２２は強磁性体である鋼板の積層体によって構成されており、環状の主部２３と、主部２３の周方向に所定の間隔をおいて且つ主部２３の外周から径方向外方に突出した６個の可動子突極（ティース）２４が形成されている。各可動子突極２４は、可動子２２の中心軸線と平行な軸線を中心とした略半円形に形成され、対応する凹部１８に入り込む凸片をなす。各可動子突極２４は、外径が凹部１８の内径より小さいことにより、対応する各固定子突極１４の凹部１８に間隙をおいて入り込んでいる。この間隙は、固定子突極１４と可動子突極２４との間に磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）をなし、界磁用固定子１２に対する可動子２２の運動によって変化する可変ギャップをなす。

可動子２２は、内周面にその全周に亘って複数の内歯２８を備え、内接式遊星歯車装置（ハイポサイクロイド機構）の内歯歯車を兼ねている。

可動子２２の内側空間、つまり、可動子２２の径方向内方には外歯歯車３０が一つの中心軸線周りに回転可能に配置されている。外歯歯車３０は、可変ギャップモータ１０の回転出力部材をなすものであり、外周面にその全周に亘って複数の外歯３２を備えている。外歯３２の歯数は内歯２８の歯数より少なくとも１つ以上少なく、可動子２２と外歯歯車３０とは互いに偏心していて、一部の外歯３２とこれに対応する内歯２８とが噛み合っている。

可動子２２は、図３に示されているように、３相交流の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対応して、第１可動子要素２２Ｕと、第２可動子要素２２Ｖと、第３可動子要素２２Ｗとを積層したものであり、個々の可動子要素２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗと毎に、互いに異なる所定の角度範囲のみに複数の内歯２８が設けられた第１内歯領域２８Ｕ、第２内歯領域２８Ｖ、第３内歯領域２８Ｗが設けられている。第１内歯領域２８Ｕと第２内歯領域２８Ｖと第３内歯領域２８Ｗとは、互いに６０度異なった回転位相に、且つ中心周りに１８０度回転変位した２箇所に６０度の回転角範囲に亘って存在し、組み合わせによって可動子２２の全周に亘る一連の内歯２８を構成する。

つまり、可動子２２は、第１内歯領域２８Ｕと第２内歯領域２８Ｖと第３内歯領域２８Ｗとが中心周りに互いに６０度の回転位相をもつべく、第１可動子要素２２Ｕと第２可動子要素２２Ｖと第３可動子要素２２Ｗとが配置されることにより、第１内歯領域２８Ｕと第２内歯領域２８Ｖと第３内歯領域２８Ｗとによって一周分（３６０度）の連続した内歯列を構成される。

固定子突極１４と固定ブロック２０との接続部は１２個あり、各接続部に半円形の固定子凹部３４が形成されている。第１可動子要素２２Ｕ、第２可動子要素２２Ｖ及び第３可動子要素２２Ｗの外周には、各々、各固定子凹部３４に対応する位置に半円形の可動子凹部３６が形成されている。対応する各固定子凹部３４と各可動子凹部３６とは対応するもの同士で対をなしており、対をなす固定子凹部３４と可動子凹部３６との間に、各々、円柱状の規制ピン３８が転動可能に配置されている。

各固定子凹部３４、各可動子凹部３６及び各規制ピン３８は、第１可動子要素２２Ｕ、第２可動子要素２２Ｖ及び第３可動子要素２２Ｗの各々の移動を規制する規制機構をなす。この規制機構は、第１可動子要素２２Ｕの移動を第１内歯領域２８Ｕに向かう径方向の揺動に規制し、第２可動子要素２２Ｖの移動を第２内歯領域２８Ｖに向かう径方向の揺動に規制し、第３可動子要素２２Ｗの移動を第３内歯領域２８Ｗに向かう径方向の揺動に規制する。

より詳細には、この規制機構は、第１可動子要素２２Ｕの移動を第１可動子要素２２Ｕの中心と第１内歯領域２８Ｕの周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、第２可動子要素２２Ｖの移動を第２可動子要素２２Ｖの中心と第２内歯領域２８Ｖの周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、第３可動子要素２２Ｗの移動を第３可動子要素２２Ｗの中心と第３内歯領域２８Ｗの周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制する。

これにより、第１可動子要素２２Ｕ、第２可動子要素２２Ｖ及び第３可動子要素２２Ｗは、３相交流の各相Ｕ、Ｖ、Ｗの電流によって各ステータコイル１６が順次励磁されることにより、各々、回転位相を変化することなく、上述の規制機構によって規制された径方向に往復移動する。

上述の構成による可変ギャップモータ１０は、３相交流の各相Ｕ、Ｖ、Ｗの電流によって各ステータコイル１６が順次励磁されることにより、第１可動子要素２２Ｕ、第２可動子要素２２Ｖ及び第３可動子要素２２Ｗが、各々、回転位相を変化することなく、上述の規制機構によって規制された径方向に往復移動する。

例えば、各ステータコイル１６が、図１に付された符号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の順に順次励磁することにより、第１可動子要素２２Ｕ、第２可動子要素２２Ｖ、第３可動子要素２２Ｗの順に、これらが対応する第１内歯領域２８Ｕ、第２内歯領域２８Ｖ、第３内歯領域２８Ｗに向かう径方向に個別に移動し、領域ごとに内歯２８が径方向の移動によって外歯３２に噛合する。この噛合によって、図４に模式的に表されているように、楔作用が生じ、界磁による電磁力の径方向成分Ｆａが周方向の力Ｆｂに倍力されて外歯歯車３０を回転させるトルクに有効に変換される。これにより、従来の可変ギャップモータに比してモータ出力が向上する。

この可変ギャップモータ１０では、内歯２８が径方向の移動によって外歯３２に噛合しても、その噛合領域の周方向の両側（回転方向の進み側と遅れ側）の領域にある内歯２８と外歯３２とが干渉することがない。例えば、符号Ｕ１で示されているステータコイル１６（便宜上、ステータコイルＵ１と云う）に通電が行われることにより、ステータコイルＵ１が励磁し、ステータコイルＵ１に対応する可動子突極２４がステータコイルＵ１に対応する固定子突極１４に磁気的に吸引されると、磁気的吸引とは反対側において第１可動子要素２２ＵがステータコイルＵ１に対応する固定子突極１４に向かう径方向に移動する。この径方向の移動によって磁気的吸引とは反対側において第１可動子要素２２Ｕの第１内歯領域２８Ｕの内歯２８が対応する領域の外歯３２に噛合する。この状態には、他の第２可動子要素２２Ｖ及び第３可動子要素２２Ｗは第１可動子要素２２Ｕと同様の径方向の移動を行わないので、第２内歯領域２８Ｖ及び第３内歯領域２８Ｗの内歯２８が外歯３２と干渉することがない。

内歯２８は、図５に示されているように、外歯３２との噛合時に、内歯２８から見た外歯３２の運動軌跡に対してそれに沿う形状、つまり、外歯３２の運動軌跡の包絡線で、あたかも外歯３２によって切り取られたような歯形をしている。

外歯３２の中心点０Ｃは、初期点Ｃ_０を（Ｘ０，Ｙ_０）、初期点Ｃ_０の半径ｒとすると、式（１）により表される。

外歯３２の運動軌跡の包絡線を描く外歯３２の形状点群０Ｐは、式（２）により表される。内歯２８の歯形は形状点群０Ｐに従って設定されればよい。

このように、内歯２８の歯形が設定されることにより、内歯２８と外歯３２との噛合部の中央領域と端部領域との干渉がなくなる。このことにより、電磁力の径方向成分からのトルク成分の取り出しが効率よく行われるようになる。

次に、可動子２２の他の実施形態を、図６及び図７を参照して説明する。この実施形態では、第１可動子要素２２Ｕと第２可動子要素２２Ｖと第３可動子要素２２Ｗとが１枚ずつ交互に積層されている。

この実施形態では、第１可動子要素２２Ｕと第２可動子要素２２Ｖと第３可動子要素２２Ｗとが軸線方向に均一に分散配置されるから、可動子２２が軸線方向に偏って動作することがなく、可動子２２が中心軸線に対して直交面に対して傾斜することがない。これにより、固定子突極１４と可動子突極２４との間の磁気ギャップが軸線方向で見て均一になり、内歯歯車をなす可動子２２と外歯歯車３０との噛み合いが軸線方向に傾斜したものになることがなく、これらが偏摩耗することがない。

隣り合う第１可動子要素２２Ｕと第２可動子要素２２Ｖと第３可動子要素２２Ｗとの間及びこれら可動子要素を収容するケーシング４４と当該ケーシング４４と隣り合う第１可動子要素２２Ｕ、第３可動子要素２２Ｗとの間には、極小ボール４０が配置されている。これにより、第１可動子要素２２Ｕと第２可動子要素２２Ｖと第３可動子要素２２Ｗとケーシング４４の各々の相対移動が低摩擦で行われ、摩擦損失が低減する。

なお、極小ボール４０は、図８に示されているように、中間に位置する第２可動子要素２２Ｖ及びケーシング４４と隣り合う第１可動子要素２２Ｕ、第３可動子要素２２Ｗに形成された孔４２に保持されていてもよい。また、図９に示されているように、極小ボール４０に代えて球体４１が用いられてもよい。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本発明の可変ギャップ式モータは、３相交流リラクタンスモータに限られることなく、６相交流リラクタンスモータ等の多相交流のリラクタンスモータであってもよく、相数分の可動子要素が設けられればよい。また、本発明の可変ギャップ式モータは、可動子２２の可動子突極２４毎に励磁コイルが設けられた型式の交流モータにも適用することができる。極小ボール４０は図３に示されている可動子２２にも適用することができる。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ ：可変ギャップモータ
１２ ：界磁用固定子
１３ ：主部
１４ ：固定子突極
１６ ：ステータコイル
１８ ：凹部
２０ ：固定ブロック
２２ ：可動子
２２Ｕ ：第１可動子要素
２２Ｖ ：第２可動子要素
２２Ｗ ：第３可動子要素
２３ ：主部
２４ ：可動子突極
２８ ：内歯
２８Ｕ ：第１内歯領域
２８Ｖ ：第２内歯領域
２８Ｗ ：第３内歯領域
３０ ：外歯歯車
３２ ：外歯
３４ ：固定子凹部
３６ ：可動子凹部
３８ ：規制ピン
４０ ：極小ボール（コロ）
４１ ：球体
４２ ：孔
４４ ：ケーシング

Claims (5)

1. 周方向に所定の間隔で配置された、多相電流の各相の電流を通電させるコイルが巻回された複数の固定子突極を有し、回転磁界を発生する円環状の界磁用固定子と、
   前記界磁用固定子の径方向内方に配置され、対応する前記固定子突極との間に磁束が通過する磁気ギャップを画定するべく外周面に形成された複数の可動子突極及び内周面に全周に亘って内歯を備えた円環状の可動子と、
   前記可動子の径方向内方に配置され、前記内歯に噛み合い、かつ前記内歯より少ない歯数の外歯を外周面に全周に亘って備えた外歯歯車とを備え、
   前記固定子突極によって回転磁界を発生させることにより、前記可動子を搖動させて前記外歯歯車に回転出力を発生する可変ギャップモータであって、
   前記可動子が、複数の可動子要素を積層してなり、個々の可動子要素毎に、互いに異なる所定の角度範囲のみに前記内歯を形成された内歯領域が設けられ、前記複数の可動子要素に設けられた前記内歯領域を組み合わせにより前記可動子の前記内周面の全周に亘る前記内歯が構成され、
   各可動子要素が、各々対応する前記内歯領域に向かう方向にのみ搖動可能に前記界磁用固定子に対して配置されている可変ギャップモータ。
2. 前記界磁用固定子は、３相交流の各相の電流を通電されるコイルを巻装された複数の固定子突極を周方向に所定の間隔をおいて有し、
   前記可動子は、前記可動子要素として、第１可動子要素と第２可動子要素と第３可動子要素とを相対変位可能に軸線方向に有し
   前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とは、各々、中心周りに１８０度回転変位した２箇所に６０度の回転角範囲に亘って第１内歯領域、第２内歯領域、第３内歯領域を有し、
   前記可動子は、前記第１内歯領域と前記第２内歯領域と第３内歯領域とが中心周りに互いに６０度の回転位相をもつべく前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とが配置されることにより、前記第１内歯領域と前記第２内歯領域と前記第３内歯領域とによって一周分の連続した内歯列を構成され、
   更に、前記第１可動子要素の移動を当該第１可動子要素の中心と前記第１内歯領域の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、前記第２可動子要素の移動を当該第２可動子要素の中心と前記第２内歯領域の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制し、前記第３可動子要素の移動を当該第３可動子要素の中心と前記第３内歯領域の周方向の中点とを結ぶ径方向の移動に規制する規制機構とを有し、
   前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とは、３相交流の各相の電流によって前記コイルが励磁されることにより、各々前記規制機構によって規制された径方向に往復移動する請求項１に記載の可変ギャップ式モータ。
3. 前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とを各々複数有し、前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とが一つずつ交互に配置されている請求項１又は２に記載の可変ギャップ式モータ。
4. 前記内歯は、前記外歯との噛合時に、前記内歯から見た前記外歯の運動軌跡に対してそれに沿う形状をしている請求項１〜３の何れか一項に記載の可変ギャップ式モータ。
5. 前記第１可動子要素と前記第２可動子要素と前記第３可動子要素とこれら可動子要素を収容するケーシングの間にコロ或いは球体を有する請求項１〜４の何れか一項に記載の可変ギャップ式モータ。

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