JP7174376B2

JP7174376B2 - 磁気歯車機構

Info

Publication number: JP7174376B2
Application number: JP2018175948A
Authority: JP
Inventors: 観赤津; 浩平相曽; 康明青山
Original assignee: Hitachi Ltd; Shibaura Institute of Technology
Current assignee: Hitachi Ltd; Shibaura Institute of Technology
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020046012A

Description

本発明は、非接触で回転動力を伝達する磁気歯車機構に関する。

自動車、鉄道、産業機器、家電などの様々な分野において、動力源としてモータや原動機が用いられている。モータや原動機の出力は、トルクと回転数との積で表現され、モータや原動機の回転数を上げると大きな出力が得られる。このため、小型で出力の大きなモータや原動機を構成するために、モータや原動機の高回転数化が進んでいる。

高い回転数を実現（高回転数化）したモータや原動機の出力は、機械的なギアによって、必要なトルクや回転数に変換して使用される場合が多い。機械的なギアは、歯車どうしが接触することにより騒音が発生し、また、潤滑油などによるメンテナンスが必要になる。

このような本技術分野の背景技術として、特開２０１３―２１８７２号公報（特許文献１）がある。この公報には、回転電機の回転子に発生する動力を、磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加させることが記載され、磁気歯車変速機構のサン磁気歯車の界磁巻線と誘導機のロータ巻線を共有巻線によって共有化し、サン磁気歯車の界磁巻線と誘導機のロータ巻線に共通の電流が流れることで、ロータに発生するトルクとサン磁気歯車の界磁磁束量が比例関係となり、ロータに発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量が増加することが記載されている（要約参照）。

特開２０１３―２１８７２号公報

特許文献１には、回転電機（モータ）の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速し、動力を伝達することが記載されている。しかし、特許文献１には、複数の個別に動作する動力源の回転動力を効率よく伝達する磁気歯車機構は開示されていない。

そこで、本発明は、複数の個別に動作する動力源の回転動力を効率よく伝達し、信頼性が高く、安全な磁気歯車機構を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の磁気歯車機構は、個別に動作する動力源の回転動力を伝達する入力軸と、入力軸の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石と、を有する第一回転体を、少なくとも２つ以上有し、第一回転体の外周側に、第一回転体の永久磁石と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石と、外周永久磁石の外周側に配置される外周鉄心と、を有する第二回転体を有し、第一回転体の永久磁石と第二回転体の外周永久磁石とは非接触で回転動力を伝達し、第一回転体は、少なくとも２種類の磁極数を有するものである。

本発明によれば、複数の個別に動作する動力源の回転動力を効率よく伝達し、信頼性が高く、安全な磁気歯車機構を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例１における磁気歯車機構を斜視的に示す説明図である。実施例１における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。実施例１における第一回転体を断面的に示す説明図である。実施例１における第二回転体を断面的に示す説明図である。実施例２における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。実施例２における第二回転体の回転数とトルクとの関係を示す説明図である。実施例３における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。実施例４における磁気歯車機構を断面的に示し、第一回転体と第二回転体との曲率半径の関係を示す説明図である。実施例５における磁気歯車機構を断面的に示し、第一回転体と第二回転体との磁気ギャップの関係を示す説明図である。実施例２における第一回転体と第二回転体との磁気ギャップの関係を示す説明図である。実施例６における磁気歯車機構とモータの駆動回路とを示す説明図である。実施例７における磁気歯車機構とモータの駆動回路とを示す説明図である。比較例における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。実施例８おける磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのスペックを比較する表である。比較例における磁気歯車機構を示す説明図である。実施例８おける磁気歯車機構を示す説明図である。比較例おける磁気歯車機構の電気角とトルクと関係を示す説明図である。実施例８おける磁気歯車機構の電気角とトルクと関係を示す説明図である。比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのトルク密度を比較するグラフである。比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのギア体積を比較するグラフである。比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構との磁石体積を比較するグラフである。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、また、同一の用語を用い、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。

以下、本発明の磁気歯車機構の実施例について説明する。以下の実施例に記載する磁気歯車機構は、ラジアルギャップ構造であるが、この構造に限定されるものではない。例えば、アキシャルギャップ構造やリニア構造などに関しても適用できる。

図１は、実施例１における磁気歯車機構を斜視的に示す説明図である。

本実施例に記載する磁気歯車機構は、個別に動作する動力源（以下、モータ１３を用いて説明する）の回転動力を伝達する入力軸（以下、シャフト１２を用いて説明する）とシャフト１２の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石１１とを、少なくとも２つ以上（複数、本実施例では１２個）、有する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に、第一回転体１０の永久磁石１１と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石２１と、外周永久磁石２１の外周側に配置される外周鉄心２２とを有する第二回転体２０と、を有するものである。

つまり、本実施例に記載する磁気歯車機構は、１２個のモータ１３と連結するシャフト１２を有する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に配置される第二回転体２０とを有する。

本実施例では、モータ１３は１２個であり、これに対応するように、シャフト１３も１２本、第一回転体１０も１２個である。

図２は、実施例１における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。

第一回転体１０は、シャフト１２の表面（周囲）に永久磁石１１を有する。そして、第一回転体１０の外周側には、第一回転体１０を囲うように、第二回転体２０が配置される。つまり、第一回転体１０は、第二回転体２０の内側（内部）に配置される。このため、高速に回転する第一回転体１０が、万一、破損した場合であっても、安全性が維持される。

また、第二回転体２０は、第一回転体１０の永久磁石１１と対向するように、円周状に外周永久磁石２１を有し、外周永久磁石２１の外周側には、外周鉄心２２が配置される。

なお、本実施例では、第一回転体１０は、第二回転体２０の内側（内部）に円周状に配置される。また、永久磁石１１及び外周永久磁石２１は、Ｎ極とＳ極との磁性が交互になるように配置される。

モータ１３の動作により、第一回転体１０が回転すると、第一回転体１０の永久磁石１１と、第二回転体２０の外周永久磁石２１との間で磁気的な結合が生じる。この際に、永久磁石１１と外周永久磁石２１とは、非接触で回転動力を伝達する。

なお、本実施例に記載する磁気歯車機構は、回転動力が伝達される外周鉄心２２が出力軸（図示なし）になる場合や外周鉄心２２に形成される部材が出力軸（図示なし）になる場合が想定される。

また、本実施例では、第一回転体１０の永久磁石１１の極数は６極（３極対）に、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は３６極（１８極対）に構成される。したがって、この場合、第一回転体１０が６回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比（本実施例では、入力軸の回転数と出力軸の回転数との比）１：６の磁気歯車機構が構成される。このように、本実施例では、第一回転体１０は、第二回転体２０より高速に回転することになる。

本実施例では、永久磁石１１は１極毎にセグメント磁石が配置される。

なお、本実施例では、モータ１３に、同一の電気的な特性（例えば、電圧、電流、モータ乗数、インダクタンス、抵抗、トルク、最高回転数など）を有するものを用い、同一の回転数で使用する。

また、第一回転体１０に配置される入力軸としての複数のシャフト１２には、個々に回転動力を入力することができ、動作領域を拡大し、効率のよい動作が可能となる。つまり、２つ以上の個別に回転するシャフト１２（入力軸）が配置されることにより、それぞれの動作状態を補うことができる。

なお、シャフト１２（入力軸）に回転動力を伝達し、個別に動作する動力源として、モータ１３以外には、例えば、原動機、油圧機器、その他の回転エネルギー機器などが想定される。

図３は、実施例１における第一回転体を断面的に示す説明図である。

図３に記載するように、第一回転体１０の永久磁石１１は、Ｎ極１１aとＳ極１１ｂとが交互に配置される。

なお、本実施例では、セグメント磁石を用いて説明するが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、第一回転体１０の永久磁石１１の外側の表面が、Ｎ極の永久磁石１１aとＳ極の永久磁石１１ｂとのように、ＮとＳとの交互の磁束が発生すればよく、リング磁石などでも構成できる。

図４は、実施例１における第二回転体を断面的に示す説明図である。

図４に記載するように、第二回転体２０の外周永久磁石２１は、Ｎ極２１aとＳ極２１ｂとが交互に配置される。

なお、本実施例では、セグメント磁石を用いて説明するが、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、第二回転体２０の外周永久磁石２１の内側の表面が、Ｎ極の永久磁石２１aとＳ極の永久磁石２１ｂとのように、ＮとＳとの交互の磁束が発生すればよく、リング磁石なども適用できる。

また、図３に示す永久磁石１１や図４に示す外周永久磁石２１は、極異方配列やハルバッハ配列の磁石を用いることもできる。大きなトルクを伝達するためには、残留磁束密度の大きな磁石を用いることが好ましいが、磁石の材質は問わない。例えば、希土類を用いた焼結磁石、フェライト磁石、ボンド磁石なども適用できる。

本実施例では、シャフト１２はモータ１３の回転動力を第一回転体１０に伝達するものであり、シャフト１２の表面（周囲）に、直接、永久磁石１１を配置する。しかし、シャフト１２と永久磁石１１とを、必ずしも一体に（シャフト１２の表面（周囲）に、直接、永久磁石１１を配置）形成する必要はない。シャフト１２と永久磁石１１との間に、張り付け部材を形成してもよい。

例えば、鉄系のシャフト１２の周囲に、張り付け部材として、軟磁性の電磁鋼板を積層したもの、軟磁性のアモルファス金属を積層したもの、軟磁性のナノ結晶材料を積層したものを形成してもよい。張り付け部材の材料は、軟磁性材料が好ましいが、ハルバッハ配列の永久磁石を用いた場合などは、非磁性材料も適用できる。また、張り付け部材の材料は、軟磁性材料を積層することで、損失を低減できる。

図５は、実施例２における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。

本実施例では、外径の異なる２種類の第一回転体１０を有する。外径の大きな第一回転体１０aは１個、外径の小さな第一回転体１０ｂを２個、合計３個の第一回転体１０を用いたものである。つまり、第一回転体１０は、少なくとも２種類の外径を有することになる。

また、本実施例では、外径の大きな第一回転体１０ａの永久磁石１１の極数は１６極（８極対）に、また、外径の小さな第一回転体１０ｂの永久磁石１１の極数は６極（３極対）に構成される。さらに、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は２４極（１２極対）に構成される。

例えば、外径の大きな第一回転体１０ａと第二回転体２０とにおいては、外径の大きな第一回転体１０ａが１．５回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：１．５の磁気歯車機構が構成される。

同様に、例えば、外径の小さな第一回転体１０ｂと第二回転体２０とにおいては、外径の小さな第一回転体１０ｂが５回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：５の磁気歯車機構が構成される。

外径の大きな第一回転体１０ａと外径の小さな第一回転体１０ｂとを、１．５：５の回転数で動作させれば、３つの第一回転体１０は第二回転体２０に効率よくトルクを伝達できる。

つまり、外径の大きな第一回転体１０ａと、外径の小さな第一回転体１０ｂと、第二回転体２０とを、１．５：５：１のギア比で動作させればよい。このように、第一回転体１０の外径を変えることにより、ギア比の異なる磁気歯車機構を実現することができる。

第二回転体２０の内側（内部）に、外径の異なる２種類の第一回転体１０を効率よく配置するためには、外径の小さな第一回転体１０ｂの外径D_HOと第二回転体２０の内径D_LIとの関係は、D_LI＞2×D_HOであることが好ましい。

なお、第二回転体２０の内側（内部）に、外径の異なる３種類以上の第一回転体１０を効率よく配置するためには、外径の最も小さな第一回転体１０の外径の２倍より、第二回転体２０の内径が大きいことが好ましい。

図６は、実施例２における第二回転体の回転数とトルクとの関係を示す説明図である。

モータ１３は、一般に、定格点(定格回転数、定格電流、定格出力など)において、高効率になるように設計される。つまり、動作条件（回転数、電流、出力などの条件）によって大きく効率が変化する。

図６は、第二回転体２０の回転数と第二回転体２０のトルクとの関係における、外径の大きな第一回転体１０ａの出力特性４０ａ、及び、外径の小さな第一回転体１０ｂの出力特性４０ｂを示す。つまり、図６は、第二回転体２０の回転数が低い領域では、第二回転体２０のトルクは、外径の大きな第一回転体１０ａのトルク（４０ａ）と、２つの外径の小さな第一回転体１０ｂのトルク（４０ｂ）との合計になることを示す。

例えば、外径の大きな第一回転体１０ａには、低速大トルクのモータ１３を接続し、外径の小さな第一回転体１０ｂには、高速小トルクのモータ１３を接続することが好ましい。この場合、回転数の低い領域では、３つのモータ１３を、回転数の高い領域では、高速小トルクのモータ１３を、動作させるように制御することにより、それぞれのモータ１３の効率のよい動作領域を有効に活用でき、効率を向上できる。

つまり、それぞれの第一回転体１０の入力軸における回転数やトルクを制御することにより、第二回転体２０の出力軸における出力を制御することができる。

図７は、実施例３における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。

本実施例では、磁極数（又は「極数」と表現）の異なる２種類の第一回転体１０を有する。磁極の少ない第一回転体１０ｃを１個、磁極の多い第一回転体１０ｄを１個、合計２個の第一回転体１０を用いたものである。つまり、第一回転体１０は、少なくとも２種類の磁極数を有することになる。

また、本実施例では、磁極の少ない第一回転体１０ｃの永久磁石１１の極数は１６極（８極対）に、また、磁極の多い第一回転体１０ｄの永久磁石１１の極数は３２極（１６極対）に構成される。さらに、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は４８極（２４極対）に構成される。

例えば、磁極の少ない第一回転体１０ｃと第二回転体２０とにおいては、磁極の少ない第一回転体１０ｃが３回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：３の磁気歯車機構が構成される。

同様に、例えば、磁極の多い第一回転体１０ｄと第二回転体２０とにおいては、磁極の多い第一回転体１０ｄが１．５回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：１．５の磁気歯車機構が構成される。

磁極の少ない第一回転体１０ｃと磁極の多い第一回転体１０ｄとを、３：１．５の回転数で動作させれば、２つの第一回転体１０は第二回転体２０に効率よくトルクを伝達できる。

つまり、磁極の少ない第一回転体１０ｃと、磁極の多い第一回転体１０ｄと、第二回転体２０とを、３：１．５：１のギア比で動作させればよい。このように、第一回転体１０の極数を変えることにより、ギア比の異なる磁気歯車機構を実現することができる。

なお、本実施例では、磁極の少ない第一回転体１０ｃと磁極の多い第一回転体１０ｄとの外径は同一である。

例えば、等方性のリング磁石などを用いて第一回転体１０の永久磁石１１を構成した場合、着磁により極数を変えることにより、ギア数を容易に変更できる。

また、２つの異なる極数の第一回転体１０を有することにより、第二回転体２０の回転数が変化する場合には、第一回転体１０ｃと第一回転体１０ｄとを、効率の良い動作条件に設定し、動作させることができる。

さらに、第一回転体１０ｃに接続されたモータ１３ａの出力と、第一回転体１０ｄに接続されたモータ１３ｂの出力と、を変えることにより、例えば、モータ１３ａを大出力に設定し、モータ１３ｂを小出力に設定することにより、モータを効率よく動作させることができ、動作領域を拡大できる。このように、出力が異なる少なくとも２種類のモータ（動力源）１３をシャフト（入力軸）１２に接続することができる。

つまり、本実施例に記載する磁気歯車機構を用いた駆動システムは、幅広い動作領域（例えば、幅広い回転数やトルクの領域）で動作できることになる。また、第一回転体１０ｃに接続されたモータ１３ａと、第一回転体１０ｄに接続されたモータ１３ｂとの電気的な特性を変えた場合にも、駆動システムの動作領域や動作条件を拡大できる。

つまり、それぞれの第一回転体１０の入力軸における回転数やトルクを最適に設定することにより、第二回転体２０の出力軸における出力を制御することができる。

図８は、実施例４における磁気歯車機構を断面的に示し、第一回転体と第二回転体との曲率半径の関係を示す説明図である。

図８には、３個の第一回転体１０と第二回転体２０とを示す。

本実施例では、第一回転体１０の永久磁石１１の極数は１６極（８極対）に、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は２４極（１２極対）に構成される。したがって、この場合、第一回転体１０が１．５回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：１．５の磁気歯車機構が構成される。

第一回転体１０の永久磁石１１の表面（外表面）の曲率半径をR_Hと、第二回転体２０の外周永久磁石２１の表面（内表面）の曲率半径をR_Lとする場合、R_L>R_Hとすることが好ましい。

これにより、第一回転体１０と第二回転体２０との最も狭い間隔の点から、回転が前後するにしたがって、この間隔を広げることができる。最も狭い間隔の点から徐々に、この間隔が広がるため、永久磁石１１及び外周永久磁石２１の磁束の変化を緩やかにすることができ、トルクの脈動を低減することができる。

なお、図８中のo１は第一回転体１０の原点を示し、図８中のo２は第二回転体２０を示す。

図９は、実施例５における磁気歯車機構を断面的に示し、第一回転体と第二回転体との磁気ギャップの関係を示す説明図である。

図９には、９つの第一回転体１０と第二回転体２０とを示す。

本実施例では、第一回転体１０の永久磁石１１の極数は６極（３極対）に、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は３０極（１５極対）に構成される。したがって、この場合、第一回転体１０が５回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：５の磁気歯車機構が構成される。

図９中の矢印は、第一回転体１０及び第二回転体２０の回転方向を示すものである。なお、回転方向は、この方向に限定されるものではなく、モータ１３を逆方向に回転させることにより、第一回転体１０及び第二回転体２０は、それぞれ逆方向に回転する。

第一回転体１０と第二回転体２０との間のギャップをG_HLと、第一回転体１０と第一回転体１０との間のギャップをG_HHとする。

ここで、第一回転体１０と第二回転体２０とは、それぞれの永久磁石１１及び外周永久磁石２１が作る磁束が、常に同方向に回転する。一方、第一回転体１０と第一回転体１０とは、それぞれの永久磁石１１が作る磁束が、相対的に逆方向に回転する。

このため、それぞれの永久磁石１１が作る磁束が、吸引と反発とを繰り返す。第一回転体１０と第一回転体１０との間のギャップG_HHが、第一回転体１０と第二回転体２０との間のギャップG_HLよりも狭くなった場合、第一回転体１０と第一回転体１０との間の磁気的な干渉が大きくなり、第一回転体１０が第二回転体２０に対して伝達する回転動力に占める割合が大きくなる。

つまり、回転動力を伝達するためのギャップG_HLよりも、隣り合う第一回転体１０間のギャップG_HHを広くする必要がある。このようにG_HL＜G_HHとすることで、隣り合う第一回転体１０間の振動を抑制することができる。

図１０は、実施例２における第一回転体と第二回転体との磁気ギャップの関係を示す説明図である。

実施例２では、外径の異なる２種類の第一回転体１０を有する。外径の大きな第一回転体１０aを１個、外径の小さな第一回転体１０ｂを２個、合計３個の第一回転体１０を用いたものである。

また、実施例２では、外径の大きな第一回転体１０ａの永久磁石１１の極数は１６極（８極対）に、また、外径の小さな第一回転体１０ｂの永久磁石１１の極数は６極（３極対）に構成される。さらに、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は２４極（１２極対）に構成される。

図１０中の矢印は、第一回転体１０及び第二回転体２０の回転方向を示すものである。なお、回転方向は、この方向に限定されるものではなく、モータ１３を逆方向に回転させることにより、第一回転体１０及び第二回転体２０は、それぞれ逆方向に回転する。

この場合、第一回転体１０ａと第二回転体２０との間のギャップをG_HL1、第一回転体１０ａと第一回転体１０ｂとのギャップをG_HH１とすると、図９の説明で記載した理由と同様の理由により、G_HL1＜G_HH１とすればよい。

また、更に、第一回転体１０ｂと第二回転体２０との間のギャップをG_HL2、第一回転体１０ｂと第一回転体１０ｂとの間のギャップをG_HH2とすると、図９の説明で記載した理由と同様の理由により、G_HL2＜G_HH１、G_HL2＜G_HH2とすればよい。

また、第一回転体１０ａと第二回転体２０との間のギャップG_HL1を小さくすると、伝達する回転動力の限界が大きくなり、ギャップG_HL1を大きくすると、この限界が小さくなり、最終的には０になる。したがって、第一回転体１０ａと第二回転体２０との間のギャップG_HL1を可変にすることにより、回転動力の伝達特性を可変にすることができる。また、同様に、第一回転体１０ｂと第二回転体２０との間のギャップG_HL2を可変にすることにより、回転動力の伝達特性を可変にすることができる。

つまり、出力軸における負荷特性が変化した場合であっても、第一回転体１０と第二回転体２０との間のギャップを調整することにより、必要な回転動力を伝達できる。

このように、第一回転体１０と第二回転体２０との間のギャップを変えることにより、負荷特性の変化に対応した磁気歯車機構を実現することができる。

図１１は、実施例６における磁気歯車機構とモータの駆動回路とを示す説明図である。

本実施例では、複数（本実施例では４個）の第一回転体１０と第二回転体２０とを有する磁気歯車機構とモータの駆動回路とを有する駆動システムを示す。

この駆動システムは、４個のモータ１３を有し、４個のモータ１３にそれぞれ接続するシャフト１２と、それぞれのシャフト１２に接続する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に配置される第二回転体２０とを有する磁気歯車機構を有し、そして、駆動回路５０を有するものである。

つまり、本実施例では、４個のモータ１３に対して、１個の駆動回路５０を接続したものである。例えば、モータ１３を永久磁石モータとした場合、１個の駆動回路５０で４個のモータ１３を動作させるためには、永久磁石モータの回転子の位相（回転位置）を揃える必要がある。このため、急峻な負荷変動が少なく、徐々に負荷変動する場合の用途に適している。例えば、風を送るためのファンなどは急峻な負荷変動が少なく、回転数に応じて負荷変動するため、負荷変動を予測した駆動回路５０を使用し、回転数やトルクを制御することができる。

このように本実施例に記載する駆動システムは、個別に動作するモータ（動力源）１３を有し、そして、モータ１３の回転動力を伝達するシャフト（入力軸）１２とシャフト１２の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石１１とを、少なくとも２つ以上（本実施例では４個）有する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に、第一回転体１０の永久磁石１１と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石２１と、外周永久磁石２１の外周側に配置される外周鉄心２２とを有する第二回転体２０と、を有する磁気歯車機構を有し、更に、モータ１３を駆動する駆動回路５０を有するものである。そして、複数（本実施例では４個）のモータ１３に対して、１個の駆動回路５０が配置されるものである。

４個のモータ１３における第一回転体１０と第二回転体２０とのそれぞれの相対位置をずらすことにより（それぞれの脈動を、相対位置をずらして、相殺させることにより）脈動を小さくすることができ、４個のモータ１３を安定に動作させることができる。

図１２は、実施例７における磁気歯車機構とモータの駆動回路とを示す説明図である。

本実施例では、複数（本実施例では２個）の第一回転体１０と第二回転体２０とを有する磁気歯車機構とモータの駆動回路とを有する駆動システムを示す。

この駆動システムは、２個のモータ１３を有し、２個のモータ１３にそれぞれ接続するシャフト１２と、それぞれのシャフト１２に接続する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に配置される第二回転体２０とを有する磁気歯車機構を有し、そして、２つのモータ１３にそれぞれ接続する駆動回路５０を有するものである。

つまり、本実施例では、２個のモータ１３に対して、２個の駆動回路５０を接続したものである。例えば、電気的な特性の異なるモータ１３を接続した場合や動作パターンが異なるモータ１３を接続した場合(例えば、低速では上側のモータを動作、中速では上側及び下側の２個のモータを動作、高速では下側のモータを動作)では、モータ１３の動作範囲を任意に制御できる駆動回路５０を接続することができる。

また、上側のモータ１３をメイン（主要）モータとして全速度域（全ての回転数の領域）で動作させ、下側のモータ１３をサブ（補助）モータとして必要な時に、例えば、トルクを押し上げる時に動作させることができる。場合によっては、上側のモータ１３で出力動作させ、下側のモータ１３で回生動作させることも可能である。

このように本実施例に記載する駆動システムは、個別に動作するモータ（動力源）１３を有し、そして、モータ１３の回転動力を伝達するシャフト（入力軸）１２とシャフト１２の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石１１とを、少なくとも２つ以上（本実施例では２個）有する第一回転体１０と、第一回転体１０の外周側に、第一回転体１０の永久磁石１１と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石２１と、外周永久磁石２１の外周側に配置される外周鉄心２２とを有する第二回転体２０と、を有する磁気歯車機構を有し、更に、モータ１３を駆動する駆動回路５０を有するものである。そして、複数（本実施例では２個）のモータ１３に対して、複数（本実施例では２個）の駆動回路５０が配置されるものである。つまり、一つのモータ１３に対して、一つの駆動回路５０が配置されることになる。

また、この駆動システムは、モータ１３と第一回転体１０との間にワンウェイクラッチ６０を有するものである。必ずしもワンウェイクラッチ６０である必要はなく、双方向のクラッチであってもよい。

これにより、モータ１３が動作しないときに、ワンウェイクラッチ６０を開放することにより、第一回転体１０の回転がモータ１３に伝達されなくすることができる。例えば、モータ１３を永久磁石モータとした場合、永久磁石の鉄損や機械損などの損失を低減することができる。

ここでは、比較例における磁気歯車機構と実施例８における磁気歯車機構とを比較する。

図１３は、比較例における磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。

図１３に記載した比較例における磁気歯車機構は、モータ１３と連結する第一回転体１０と第一回転体１０の外周側に形成される第二回転体２０とを有する。第一回転体１０の外周側の表面には永久磁石１１が形成される。また、第二回転体２０の内周側の表面には外周永久磁石２１が形成される。永久磁石１１と外周永久磁石２１との間には、永久磁石１１と外周永久磁石２１とに対向するように磁気変調させるポールピース１００（鉄と樹脂等の非磁性体とが交互に配置されるもの）が形成される。

図１４は、実施例８おける磁気歯車機構を断面的に示す説明図である。

図１４には、１５個の第一回転体１０と第二回転体２０とを示す。

本実施例では、第一回転体１０の永久磁石１１の極数は６極（３極対）に、第二回転体２０の外周永久磁石２１の極数は６０極（３０極対）に構成される。したがって、この場合、第一回転体１０が１０回転すると第二回転体２０が１回転する。つまり、ギア比１：１０の磁気歯車機構が構成される。

図１５は、比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのスペックを比較する表である。

図１５に記載する表には、比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構との比較における第一回転体の磁極対数、第二回転体の磁極対数、ポールピースの磁極数（比較例のみ）、ギア比、第二回転体の回転数、第二回転体のトルク、第一回転体の回転数、第一回転体のトルク（合計）が記載されている。

低速大トルク用途の比較例の磁気歯車機構と低速大トルク用途の実施例８の磁気歯車機構との性能が、同等になるように設計した結果を示めしている。

つまり、いずれも、第一回転体１０と第二回転体２０との間のギア比は１：１０、第二回転体の回転数は０．１ｒｐｍ、第二回転体のトルクは１５０ｋＮｍ、第一回転体の回転数は１ｒｐｍ、第一回転体のトルク（合計）は１５ｋＮｍである。

図１６は、比較例における磁気歯車機構を示す説明図である。また、図１７は、実施例８おける磁気歯車機構を示す説明図である。

磁界解析のシミュレーションを用いて、図１５に示した性能を満足する磁気歯車機構の体格を求めた。図１５に示した性能を満足するためには、比較例における磁気歯車機構は、外径１５００ｍｍでは、軸方向長さが９０８ｍｍ（図１６参照）となり、これに対して、実施例８における磁気歯車機構は、外径１５００ｍｍでは、軸方向長さが４３４ｍｍ（図１７参照）となる。

このように、実施例８における磁気歯車機構は、比較例における磁気歯車機構に比較して、小さい体格でトルクを伝達することが可能である。逆に、実施例８における磁気歯車機構のギア体格（本実施例では軸方向長さ）を比較例における磁気歯車機構のギア体格（本実施例では軸方向長さ）と同等にすれば、磁束密度が低下し、高調波損失を抑制することが可能となり、効率のよい磁気歯車機構を構成することができる。

さらに、ポールピース１００は、第一回転体１０と第二回転体２０との間に形成され、周方向に断続的に形成する必要があり、強度不足が生じる可能性がある。一方、本実施例では、ポールピース１００を排除することができ、信頼性が向上する。さらに、ポールピース１００における損失も排除できるため、高い効率を実現することができる。

図１８は、比較例おける磁気歯車機構の電気角とトルクと関係を示す説明図である。また、図１９は、実施例８おける磁気歯車機構の電気角とトルクと関係を示す説明図である。

図１８及び図１９は、比較例おける磁気歯車機構と実施例８おける磁気歯車機構とのトルク脈動の特性をシミュレーションで求めたものであり、高いトルク成分の領域（High）と低いトルク成分の領域(Low)を示す。

比較例おける磁気歯車機構は、ポールピース１００を用いて磁気変調させ、周波数を変換してトルクを伝達するため、伝達するトルクに脈動が生じる(図１８参照)。これに対して、実施例８おける磁気歯車機構は、この脈動を抑制する（図１９参照）。これにより、振動騒音を低減すると共に、振動による不具合なども低減する。

図２０は、比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのトルク密度を比較するグラフである。図２１は、比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構とのギア体積を比較するグラフである。図２２は、比較例の磁気歯車機構と実施例８の磁気歯車機構との磁石体積を比較するグラフである。

図２０、図２１及び図２２は、比較例おける磁気歯車機構と実施例８おける磁気歯車機構との主要な特性（トルク密度、ギア体積、磁石体積）をシミュレーションで求めたものである。

これらのグラフより、比較例おける磁気歯車機構に対して、実施例８おける磁気歯車機構は、トルク密度、ギア体積、磁石体積を大幅に向上させることができる。これらにより、高効率で信頼性の高い磁気歯車機構を提供することができる。

なお、これら効果や特性は、実施例８に記載した磁気歯車機構に限定されるものではなく、他の実施例に記載した磁気歯車機構も有するものである。

これら実施例によれば、複数の個別に動作するモータの出力（トルクや回転数）を効率よく伝達する低脈動の磁気歯車機構を実現することができる。複数のモータを個別に動作させることにより、モータを可変速で使用する場合にも適用できる。さらに、それぞれのモータを、最適な電気的な特性の動作条件で使用することができるため、高効率を実現できる。

また、これら実施例によれば、第一回転体を小径化することができ、安全性、信頼性が向上する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成の置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加、削除、置換することも可能である。

10、10a、10b、10c、10d 第一回転体
11 永久磁石
12 シャフト
13、13a、13b モータ
20 第二回転体
21、21a、21b 外周永久磁石
22 外周鉄心
40a、40b 出力特性
50 駆動回路
60 ワンウェイクラッチ
100 ポールピース

Claims

個別に動作する動力源の回転動力を伝達する入力軸と、前記入力軸の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石と、を有する第一回転体を、少なくとも２つ以上有し、
前記第一回転体の外周側に、前記第一回転体の永久磁石と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石と、前記外周永久磁石の外周側に配置される外周鉄心と、を有する第二回転体を有し、
前記第一回転体の永久磁石と前記第二回転体の外周永久磁石とは非接触で回転動力を伝達し、
前記第一回転体は、少なくとも２種類の磁極数を有することを特徴とする磁気歯車機構。
前記第一回転体は、前記第二回転体の内側に円周状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記第一回転体は、前記第二回転体より高速に回転することを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記第一回転体は、少なくとも２種類の外径を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
出力が異なる少なくとも２種類の動力源が前記入力軸に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記動力源がモータであることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記第一回転体の永久磁石の外表面の曲率半径RHと前記第二回転体の外周永久磁石の内表面の曲率半径RLがRL>RHであることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記第一回転体と前記第二回転体との間のギャップGHLと前記第一回転体と前記第一回転体との間のギャップGHHがGHL＜GHHであることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
前記第一回転体の外径DHOと前記第二回転体の内径DLIとがDLI＞2×DHOであることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車機構。
個別に動作する動力源と、
前記動力源の回転動力を伝達する入力軸と前記入力軸の周囲に磁性が交互になるように配置される永久磁石とを有する第一回転体を少なくとも２つ以上有し、前記第一回転体の外周側に、前記第一回転体の永久磁石と対向し、磁性が交互になるように円周状に配置される外周永久磁石と、前記外周永久磁石の外周側に配置される外周鉄心と、を有する第二回転体と、を有し、前記第一回転体の永久磁石と前記第二回転体の外周永久磁石とは非接触で回転動力を伝達し、前記第一回転体は、少なくとも２種類の磁極数を有する磁気歯車機構と、
前記動力源を駆動する駆動回路と、
を有することを特徴とする駆動システム。
複数の動力源に対して、一つの駆動回路が配置されることを特徴とする請求項１０に記載の駆動システム。
一つの動力源に対して、一つの駆動回路が配置されることを特徴とする請求項１０に記載の駆動システム。
前記動力源と前記磁気歯車機構の第一回転体との間に、ワンウェイクラッチを配置したことを特徴とする請求項１２に記載の駆動システム。