JP7345759B2 - 磁気歯車 - Google Patents

Description

本発明は、動力を非接触で速度可変に伝達する磁気歯車に関する。

自動車や鉄道の輸送用機器、産業機器、家電などの分野において、動力源として電動機や原動機が用いられている。電動機や原動機の出力は、トルクと回転数の積であらわされる。電動機や原動機の回転数を増加させることで、大きな出力が得られる。このため、小型かつ高出力が求められる機器では、電動機や原動機の高回転数化が進んでいる。高回転化した電動機や原動機の出力は、機械的なギアによって必要なトルクと回転数に変換して使用されることが多い。機械的なギアを使用する場合には、歯車同士の接触による騒音の発生、潤滑油などによる潤滑の必要性及びそれに伴うメンテナンスの手間などの問題点がある。

そこで、電動機等の出力を必要なトルクと回転数に変換する装置として、上述した問題点を抱える機械的なギアに代えて、磁気の結合を利用した磁気歯車を用いることが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

特許文献１に記載の磁気ギアは、周方向に配列された複数の固定子磁極片と、複数の固定子磁極片に対して第１エアギャップを介してかつ複数の固定子磁極片と同軸に配設され、多極の起磁力を持つ第１回転子と、複数の固定子磁極片に対して第２エアギャップを介してかつ複数の固定子磁極片と同軸に配設され、多極の起磁力を持つ第２回転子とを備えている。第１回転子および第２回転子の一方は、界磁巻線により界磁される界磁突極型回転子により構成されている。界磁突極型回転子は、周方向に隣り合う突極頭部間に、突極頭部間の漏れ磁束の向きと反対向きに着磁配向された極間磁石が配設されている。他方の回転子は、永久磁石により界磁する回転子により構成されている。

特許文献２に記載の磁気ギアは、高速回転子と、高速回転子の外周側に配置された環状の低速回転子と、低速回転子の外周側に配置される環状の固定子とを備え、固定子が内周側に複数の突極を有する固定子鉄心と固定子鉄心の周方向に亘って配置される環状の巻線とを有する電磁石として構成されている。高速回転子は、円筒状の回転子鉄心の外周面に複数の永久磁石を固定した構成となっている。

特開２０１３－０５９１７８号公報 特開２０１８－０７８７１４号公報

特許文献１に記載の磁気ギアでは、高速回転子としての第１回転子が多極の起磁力を発生させるための界磁巻線（電磁石）又は永久磁石を備えている。第１回転子が界磁巻線を備えている場合には、界磁巻線に電力を供給するための構成部品が必要となり、高速回転子である第１回転子の構成が複雑になる。この場合、高速回転の影響を受ける構成部品が多くなるので、その分、第１回転子の不具合の発生が懸念される。例えば、界磁巻線やその他の周辺構成に対して、高速回転時における接触による損傷や遠心力に対する強度の問題等が懸念される。また、高速回転子である第１回転子が永久磁石を備えている場合には、第１回転子の高速回転時における遠心力による永久磁石の剥がれ等の問題が懸念される。すなわち、界磁巻線又は永久磁石を備えた高速回転子に対して、高速回転時における信頼性に懸念がある。

特許文献２に記載の磁気ギアでは、高速回転子が回転子鉄心の外周面に接着等により固定された永久磁石を有している。したがって、高速回転子の高速回転時における遠心力による永久磁石の剥がれ等の問題が懸念される。すなわち、永久磁石を備えた高速回転子に対して、高速回転時における信頼性に懸念がある。

また、特許文献１には、磁極間を流れる漏れ界磁磁束を低減して出力トルクに寄与する界磁磁束を多くすることで、小型化かつ高出力トルクを図ることが記載されている。しかし、特許文献１には、第１回転子や第２回転子と固定子磁極片との間のギャップの大きさに対する出力トルクの性能向上の関係についての記載はない。

特許文献２には、固定子の巻線に通電する界磁電流量を制御することで、伝達トルク量を制御することが記載されている。しかし、特許文献２には、高速回転子や低速回転子と固定子との間のギャップの大きさに対する伝達トルク量（出力トルク）の性能向上の関係についての記載はない。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、信頼性の向上と共に性能の向上を図った磁気歯車を提供することである。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、所定方向に間隔をあけて配置され、磁性体で構成された複数のポールピースと、前記複数のポールピースを挟んで両側に配置された第１回転子及び第２回転子とを備え、前記第１回転子は、前記所定方向に間隔をあけて設けられた複数の突極を有し、磁性体で構成された回転体であり、前記第２回転子は、前記所定方向に沿って複数の磁極を形成する第１永久磁石を有し、前記第１回転子よりも低速の回転体であり、前記第１回転子の前記複数の突極は、前記複数のポールピースから第１の距離だけ離れて配置され、前記第２回転子の前記第１永久磁石は、前記複数のポールピースから第２の距離だけ離れて配置され、前記第１の距離及び前記第２の距離は、前記第１の距離をＤ１、前記第２の距離をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、高速側の第１回転子を永久磁石や界磁巻線の無い簡素な構成の突極回転体として構成することで、高速回転の影響を受ける構成部品を減らし、不具合発生の懸念を軽減することができる。また、ポールピースに対する第１回転子の突極と第２回転子の第１永久磁石の相対的な位置関係をＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定することで、磁気歯車の伝達可能なトルクが増加することを見出した。したがって、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車を含む駆動システムを示す縦断面図である。 図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車をII-II矢視から見た断面図である。 図２に示す本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車におけるポールピースに作用する磁気力のシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。 本発明の第４の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。

以下、本発明の磁気歯車の実施の形態について図面を用いて説明する。ここでは、本発明の磁気歯車をラジアルギャップ構造の磁気歯車に適用した構成を
例に挙げて説明する。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車を含む駆動システムの構成を図１～図３を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車を含む駆動システムを示す縦断面図である。図２は図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車をII-II矢視から見た断面図である。図３は図２に示す本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す拡大断面図である。図２及び図３中、黒塗り矢印は、永久磁石の磁化方向を示している。

図１において、駆動システム１００は、動力を発生する動力源１０１と、動力源１０１の動力を変速して伝達する磁気歯車１とを備えている。駆動システム１００は、例えば、自動車の構成要素を駆動するものである。動力源１０１としては、エンジン等の原動機や電動機が挙げられる。自動車の構成要素としては、例えば、冷媒圧縮機やオイルポンプ、ウォーターポンプ、エアコンディショニング用のコンプレッサ等が挙げられる。

磁気歯車１は、磁気歯車１の外郭を形成する筐体２、筐体２に収容されたポールピース３、第１回転子４、第２回転子５を備えている。第１回転子４は、第２回転子５よりも高速に回転する高速回転体であり、例えば、動力源１０１の回転動力が入力される第１シャフト６に固定されている。第２回転子５は、第１回転子４よりも低速で回転する低速回転体であり、動力源１０１の回転動力を減速して出力する。本実施の形態に係る磁気歯車１は、詳細は後述するが、高速回転子としての第１回転子４が界磁巻線や永久磁石の無い突極回転体として構成されていることを特徴としている。加えて、突極回転体としての第１回転子４とポールピース３との距離（ギャップ）が第２回転子５とポールピース３との距離（ギャップ）よりも小さくなるように設定されていることを特徴としている。

筐体２は、例えば、筒状のケース２１と、ケース２１の一方側（図１中、右側）の開口を閉塞する第１カバー２２と、ケース２１の他方側（図１中、左側）の開口を閉塞する第２カバー２３とで構成されている。第１カバー２２の中央部及び第２回転子５にはそれぞれ第１軸受７が設けられている。第１軸受７は、第１シャフト６を介して第１回転子４を回転可能に支持するものである。第２カバー２３の中央部には、複数（図１中、２つ）の第２軸受８が軸方向に間隔をあけて設けられている。第２軸受８は、第２回転子５を回転可能に支持するものである。

ポールピース３は、図１及び図２に示すように、周方向（所定方向）に沿って間隔をあけて複数配置されている。例えば、１４個のポールピース３が軸線Ａを中心に所定の半径で周方向に等間隔に配列されている。各ポールピース３は、磁性体で構成された部材であり、例えば、軸線Ａの延びる方向（軸方向）に対して略平行な方向に延在している。各ポールピース３は、その一方側端部（図１中、右側端部）が第１カバー２２に固定され、片持ち状態で第１カバー２２に支持されている。各ポールピース３は、第２回転子５の後述の第１永久磁石５３から発生する磁束を変調するものである。

第１回転子４と第２回転子５は、周方向に配列された複数のポールピース３を挟んで両側に配置されている。具体的には、第１回転子４は、環状に配列された複数のポールピース３の内周側に配置されている。一方、第２回転子５は、環状に配列された複数のポールピース３の外周側に配置されている。第１回転子４と第２回転子５は、同一の軸線Ａ上に配置されている。

第１回転子４は、第１シャフト６に固定されるベース部４１と、ベース部４１の外周部から径方向外側に突出し、周方向（所定方向）に間隔（図２中、１８０°）をあけて設けられた複数（図２中、２つ）の突極４２とを有しており、磁性体で構成された部材である。複数の突極４２は、複数のポールピース３に対してギャップを設けて対向するように配置されている。

第２回転子５は、第２軸受８に回転可能に支持される第２シャフト部５１と、第２シャフト部５１の一方側端部（図１中、右側端部）に一体に設けられたカップ状の保持部５２と、保持部５２によって保持された第１永久磁石５３及びヨーク５４とを有している。第２シャフト部５１と保持部５２の一体部材は、第１永久磁石５３からの磁束が保持部５２及び第２シャフト部５１を通過することを抑制するために、非磁性体で構成されている。第１永久磁石５３は、周方向（所定方向）に沿って複数の磁極（Ｎ極とＳ極）を形成する環状の構造体である。具体的には、第１永久磁石５３は、例えば、磁化方向が径方向外側を向く磁石５３ａと径方向内側を向く磁石５３ｂとが周方向に交互に配置されている。第１永久磁石５３は、磁極数が第１回転子４の突極の極数よりも大きくようになるように構成されている。例えば、第１永久磁石５３は、第１回転子４の突極４２の極数２に対して、極数１２（極対数６）となるように構成されている。第１永久磁石５３は、周方向に配列された複数のポールピース３に対してギャップを設けて対向するように配置されている。第１永久磁石５３の外周側、すなわち、第１永久磁石５３の複数のポールピース３側とは反対側に磁性体で構成された環状のヨーク５４が設けられている。ヨーク５４は、周方向に交互に並んだ複数の磁石５３ａ及び磁石５３ｂを保持する保持部材としても機能する。

本実施の形態の特徴の１つは、次のとおりである。図３に示すように、第１回転子４の複数の突極４２は、その外周の先端面が複数のポールピース３の内周側の対向面から径方向に第１の距離Ｄ１だけ離れるように配置されている。一方、第２回転子５の第１永久磁石５３は、その内周面が複数のポールピース３の外周側の対向面から径方向に第２の距離Ｄ２だけ離れるように配置されている。第２の距離Ｄ２は、第１の距離Ｄ１よりも大きくなるように設定されている。すなわち、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２は、次の式（１）を満たすように設定されている。
Ｄ１／Ｄ２＜１ … （１）

本実施の形態においては、第１回転子４の複数の突極４２と複数のポールピース３との間には他の部材が介在しておらず、第１の距離Ｄ１は両者間のエアギャップ（磁気的なギャップ）と同義である。同様に、第２回転子５の第１永久磁石５３と複数のポールピース３との間には他の部材が介在しておらず、第２の距離Ｄ２は両者間のエアギャップ（磁気的なギャップ）と同義である。

本実施の形態に係る磁気歯車１は、図２に示すように、第１回転子４の極数が２、第２回転子５の極数が１２（極対数が６）、ポールピース３の極数が１４となる組合せの構成である。この構成の磁気歯車１は、ギア比が６：１となる。すなわち、第１回転子４の回転数：第２回転子５の回転数＝６：１のギア比となる磁気歯車１が構成されている。各ギア比に対する第１回転子４の極数Ｚ１、第２回転子５の磁極数Ｚ２（極対数ＺＬ）、ポールピース３の極数（個数）Ｚｐの関係を表１に示す。表１は、第１回転子４（突極回転体）の極数Ｚ１が２である場合における各ギア比の例を示したものである。本発明は、表１に示した組合せに限定されるわけではなく、他の組合せに対しても適用可能である。第１回転子４（突極回転体）の極数Ｚ１を変更した場合、第１回転子４（突極回転体）の極数Ｚ１に応じて第２回転子５の磁極数Ｚ２（極対数ＺＬ）及びポールピース３の極数Ｚｐも変更すればよい。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車の効果を図３～図５を用い従来の磁気歯車と比較することで説明する。図４は本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。図５は本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車におけるポールピースに作用する磁気力のシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。

従来の磁気歯車として、表面磁石（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）型の磁気歯車が挙げられる。従来のＳＰＭ型の磁気歯車は、周方向に配列された複数のポールピースを挟んで内周側と外周側とに配置された一対の円筒状のロータ表面にそれぞれ永久磁石を貼り付けたものである。従来のＳＰＭ型の磁気歯車において、複数のポールピースと内周側の回転子（高速側の回転体）との間の距離（エアギャップ）を第１の距離Ｄ１、複数のポールピースと外周側の回転子（低速側の回転体）との間の距離（エアギャップ）を第２の距離Ｄ２とする。

図４には、従来のＳＰＭ型の磁気歯車における第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍとした場合、すなわち、Ｄ１＝Ｄ２の場合の伝達可能なトルクを基準として、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２を変化させたときの伝達可能なトルクＴの特性が示されている。同様に、図４には、本実施の形態と同様な構成の磁気歯車における第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍとした場合の伝達可能なトルクを基準値として、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２を変化させたときの伝達可能なトルクＴの特性が示されている。なお、ここでは、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２の合計が１.０ｍｍという条件下で、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２を変更している。

従来のＳＰＭ型の磁気歯車では、図４を参照すると、第２の距離Ｄ２が第１の距離Ｄ１よりも相対的に小さくなるにしたがって、伝達可能なトルクＴが徐々に増加することがシミュレーションの結果から分かる。すなわち、従来のＳＰＭ型の磁気歯車では、外周側の回転子を内周側の回転子よりも相対的に複数のポールピースに対して接近するように構成することで、伝達可能なトルクＴが増加する。

それに対して、図３に示す高速側の第１回転子４（内周側の回転子）としての突極回転体と低速側の第２回転子５（外周側の回転子）としての永久磁石回転体とを組み合わせた本実施の形態と同様な構成の磁気歯車においては、図４を参照すると、第１の距離Ｄ１が第２の距離Ｄ２よりも相対的に小さくなるにしたがって、伝達可能なトルクＴが徐々に増加することがシミュレーションの結果から判明した。すなわち、本実施の形態に係る磁気歯車１においては、従来のＳＰＭ型の磁気歯車のトルク特性とは逆に、内周側の第１回転子４を外周側の第２回転子５よりも相対的に複数のポールピース３に対して接近するように構成することで、伝達可能なトルクＴが増加する。これは、外周側の第２回転子５が永久磁石により起磁力を有している一方、内周側の第１回転子４が起磁力を有していないので、第１回転子４とポールピース３間と第２回転子５とポールピース３間の磁気的な結合に非平衡が生じているためであると推察される。

本実施の形態の磁気歯車１においては、複数のポールピース３に対する第１回転子４の複数の突極４２の第１の距離Ｄ１及び複数のポールピース３に対する第２回転子５の第１永久磁石５３の第２の距離Ｄ２がＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている。したがって、上述した図４に示す新たな知見により、本実施の形態の磁気歯車１の伝達可能なトルクを増加させることができることが分かる。

また、図５には、本実施の形態の磁気歯車１における第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．２ｍｍ及び０．８ｍｍとした場合のポールピース３に作用する磁気力Ｒの特性が示されている。さらに、比較例として、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍとした場合、すなわち、Ｄ１＝Ｄ２の場合のポールピース３に作用する磁気力Ｒの特性が示されている。図５中、横軸ｔは時間を示している。なお、図５に示す正の磁気力Ｒは径方向外側に向かう力を示している。

本実施の形態に係る磁気歯車１においては、図５に示すように、第１の距離Ｄ１が第２の距離Ｄ２よりも相対的に小さくなると、ポールピース３に作用する磁気力Ｒの正のピークが低下することがシミュレーションの結果から判明した。正の磁気力は、周方向に配列された複数のポールピース３を外周側に押し広げる力となる。一方、第１の距離Ｄ１が第２の距離Ｄ２よりも相対的に小さくなると、ポールピース３に作用する磁気力Ｒの負のピークが上昇することがシミュレーションの結果から判明した。負の磁気力は、周方向に配列された複数のポールピース３を内周側に押し縮める力となる。

各ポールピース３に作用する負の磁気力（内周側に押し縮める力）の増加に対しては、例えば、図６に示す第１の実施の形態の変形例の構成により対応が可能である。図６は本発明の第１の実施の形態の変形例に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図６中、黒塗り矢印は第１永久磁石の磁化方向を示している。

図６に示す第１の実施の形態の変形例に係る磁気歯車１Ａは、周方向に間隔をあけて配置された複数のポールピース３間に非磁性体で構成された保持部材１１を配置し、複数のポールピース３と複数の保持部材１１とで環状の構造体を形成するものである。

本構成の場合、各ポールピース３に負の磁気力（内周側に押し縮める力）が作用すると、環状の構造体を構成する各ポールピース３及び各保持部材１１には周方向の圧縮力が生じ、隣接する部材３、１１間で支え合うようになる。したがって、ポールピース３に作用する負の磁気力の増加に対しては、構造的な安定性を確保することが可能である。

一方、各ポールピース３に作用する正の磁気力（外周側に押し広げる力）に対しては、図６に示す変形例の磁気歯車１Ａのように複数のポールピース３と複数の保持部材１１とで環状の構造体を形成しても、負の磁気力（内周側に押し縮める力）の場合とは異なり、ポールピース３が保持部材１１によって支持されることはない。もし、正の磁気力によって複数のポールピース３の一部が基準位置よりも外周側にずれると、第２回転子５との接触が懸念される。したがって、正の磁気力（外周側に押し広げる力）に対して、ポールピース３の構造的な安定性を図る必要がある。

本実施の形態の磁気歯車１においては、上述したように、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２が、Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている。この場合、図５を参照すると、内周側（高速側）の第１回転子４及び外周側（低速側）の第２回転子５のポールピース３の一般的な配置関係（Ｄ１＝Ｄ２）と比較して、各ポールピース３に作用する磁気力Ｒの正のピークを低下させることが分かる。したがって、本実施の形態においては、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定することで、各ポールピース３に作用する磁気力の正のピークが低下するので、ポールピース３の構造的な信頼性を向上させることができる。

上述したように、本発明の第１の実施の形態に係る磁気歯車１は、所定方向（周方向）に間隔をあけて配置され、磁性体で構成された複数のポールピース３と、複数のポールピース３を挟んで両側に配置された第１回転子４及び第２回転子５とを備え、第１回転子４は、所定方向（周方向）に間隔をあけて設けられた複数の突極４２を有し、磁性体で構成された回転体であり、第２回転子５は、所定方向（周方向）に沿って複数の磁極を形成する第１永久磁石５３を有し、第１回転子４よりも低速の回転体であり、第１回転子４の複数の突極４２は、複数のポールピース３から第１の距離だけ離れて配置され、第２回転子５の第１永久磁石５３は、複数のポールピース３から第２の距離だけ離れて配置され、第１の距離及び第２の距離は、第１の距離をＤ１、第２の距離をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている。

本構成によれば、高速側の第１回転子４を永久磁石や界磁巻線の無い簡素な構成の突極回転体として構成することで、高速回転の影響を受ける構成部品を減らし、不具合発生の懸念を軽減することができる。また、ポールピース３に対する第１回転子４の突極４２と第２回転子５の第１永久磁石５３の相対的な位置関係をＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定することで、磁気歯車１の伝達可能なトルクが増加することを見出した。すなわち、本構成により、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態の磁気歯車１においては、第２回転子５が、第１永久磁石５３における複数のポールピース３側とは反対側に設けられ、磁性体で構成されたヨーク５４を更に有している。この構成によれば、第１永久磁石５３からの磁束がヨーク５４を通過することで動力伝達に寄与しない磁束の漏れを低減することができると共に、ヨーク５４によって第１永久磁石５３を保持することができる。したがって、磁気歯車１の性能の向上と共に信頼性の向上を図ることができる。

また、本実施の形態の変形例に係る磁気歯車１Ａは、複数のポールピース３の間にそれぞれ配置されて複数のポールピース３と共に構造体を形成し、非磁性体で構成された複数の保持部材１１を更に備えている。この構成によると、保持部材１１によって複数のポールピース３の構造的な安定性を確保することができる。すなわち、磁気歯車１Ａの信頼性の更なる向上を図ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る駆動システム１００は、動力を発生する動力源１０１と動力源１０１の動力を変速して伝達する磁気歯車とを備え、磁気歯車は上述した第１の実施の形態に係る磁気歯車１により構成されている。本構成によれば、上述した第１の実施の形態に係る磁気歯車１と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車について図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図８は本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。図７中、黒塗り矢印は、第１永久磁石及び第２永久磁石の磁化方向を示している。なお、図７及び図８において、図１～図６に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７に示す本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車１Ｂが第１の実施の形態に係る磁気歯車１（図３参照）と相違する点は、周方向に間隔をあけて配置された複数のポールピース３間にそれぞれ第２永久磁石１２を配置し、複数のポールピース３と複数の第２永久磁石１２とで環状の構造体を形成したことである。各第２永久磁石１２は、磁化方向がポールピース３側である周方向を向くように構成されている。複数の第２永久磁石１２は、磁化方向が周方向に沿って交互に入れ替わるように配置されている。すなわち、複数の第２永久磁石１２のうち隣接する第２永久磁石１２は、磁化方向が互いに逆方向（図７中、時計回りの方向と反時計回りの方向）を向くように構成されている。

図８には、図４に示した従来のＳＰＭ型の磁気歯車のトルク特性及び第１の実施の形態の磁気歯車１のトルク特性と共に、第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂのトルク特性が示されている。すなわち、第２の実施の形態と同様な構成の磁気歯車における第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍとした場合の伝達可能なトルクを基準値として、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２を変化させたときの伝達可能なトルクＴの特性が示されている。ここでも、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２の合計が１.０ｍｍという条件下で、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２を変更している。

複数のポールピース３間にそれぞれ第２永久磁石１２を配置した図７に示す第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂにおいては、図８を参照すると、第１の実施の形態の磁気歯車１と同様に、第１の距離Ｄ１が第２の距離Ｄ２よりも相対的に小さくなるにしたがって、伝達可能なトルクＴが徐々に増加することがシミュレーションの結果から判明した。すなわち、第２の実施の形態に係る磁気歯車１Ｂにおいては、従来のＳＰＭ型の磁気歯車の特性とは逆に、内周側の第１回転子４を外周側の第２回転子５よりも相対的に複数のポールピース３に対して接近するように構成することで、伝達可能なトルクＴが増加する。

本実施の形態の磁気歯車１Ｂにおいても、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２がＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている。したがって、上述した図８に示す新たな知見により、本実施の形態の磁気歯車１Ｂの伝達可能なトルクを増加させることができることが分かる。

さらに、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｂは、図８を参照すると、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２の関係がＤ１／Ｄ２＜１の範囲内である場合、第１の実施の形態に係る磁気歯車１よりも伝達可能なトルクＴが増加することが判明した。すなわち、複数のポールピース３間にそれぞれ第２永久磁石１２を更に配置することで、磁気歯車１Ｂの性能が第１の実施の形態の場合よりも向上することがわかる。

また、実施の形態においては、環状に配列された複数のポールピース３間に第２永久磁石１２をそれぞれ配置することで、複数のポールピース３と複数の第２永久磁石１２とで環状の構造体を形成している。これにより、前述した第１の実施の形態の変形例（図６参照）と同様に、各ポールピース３に負の磁気力（内周側に押し縮める力）が作用すると、各ポールピース３及び各第２永久磁石１２に圧縮力が生じ、隣接するポールピース３と第２永久磁石１２とで支え合うようになる。したがって、ポールピース３に作用する負の磁気力に対しては、ポールピース３の構造的な安定性を確保することが可能であり、信頼性の向上を図ることができる。

上述した本発明の第２の実施の形態に係る磁気歯車１Ｂ及びそれを備えた駆動システム１００によれば、第１の実施の形態と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｂにおいては、複数のポールピース３の間にそれぞれ配置された複数の第２永久磁石１２を更に備えている。この構成によると、第１の実施の形態に係る磁気歯車１よりも伝達可能なトルクが増加することを見出した。したがって、磁気歯車１Ｂの性能の更なる向上を図ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車について図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図１０は本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車における伝達可能なトルクのシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。図９中、黒塗り矢印は、第１永久磁石及び第２永久磁石の磁化方向を示している。なお、図９及び図１０において、図１～図８に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図９示す本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車１Ｃが第２の実施の形態に係る磁気歯車１Ｂ（図７参照）と相違する点は、複数のポールピース３における第２回転子５側に複数のポールピース３に亘って延在するように補強部材１３を設けたことである。具体的には、補強部材１３は、環状に配列された複数のポールピース３と複数のポールピース３間にそれぞれ配置された複数の第２永久磁石１２とで形成された環状の構造体の外周面の全周に亘って延在する環状且つ薄板状の部材である。補強部材１３は、周方向に交互に並ぶポールピース３と第２永久磁石１２の外周側の枠として機能し、複数のポールピース３及び複数の第２永久磁石１２を外周側から保持して補強するものである。

本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様に、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２がＤ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている。すなわち、ポールピース３と第２回転子５間の距離（ギャップ）Ｄ２がポールピース３と第１回転子４間の距離（ギャップ）Ｄ１よりも相対的に広くなっている。このため、相対的に広い第２回転子５とポールピース３間のギャップ内に補強部材１３を配置する空間を確保することができる。補強部材１３の外周面と第２回転子５の内周面とのギャップ、すなわち、両者間の径方向の距離Ｄ３は、第２回転子５の回転時に補強部材１３との接触を回避することが可能な範囲内で設定される。

本実施の形態においては、各ポールピース３に正の磁気力（外周側に押し広げる力）が作用しても、補強部材１３によって各ポールピース３の外周側への広がりを抑制することができる。したがって、ポールピース３の構造的な信頼性を向上させることができる。

補強部材１３を非磁性体で構成することが可能である。補強部材１３は、例えば、樹脂により構成されている。この場合、補強部材１３が磁気的な影響および電磁気的な性能への影響を与えることはない。すなわち、ポールピース３と第２回転子５間の磁気的なギャップは、補強部材１３と第２回転子５間の距離Ｄ３ではなく、第２の距離Ｄ２に相当する。したがって、本実施の形態の磁気歯車１Ｃは、第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂと同等のトルク特性を有する。

一方、補強部材１３を磁性体で構成することも可能である。この場合、非磁性体の補強部材１３よりも高強度な部材とすることが可能である。これにより、正の磁気力の作用による各ポールピース３の外周側への広がりを更に抑制することができ、ポールピース３の構造的な信頼性を更に向上させることができる。ただし、非磁性体の補強部材１３を用いると、磁気的な影響および電磁気的な性能への影響が生じる。

図１０には、比較例の磁気歯車及び第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂのトルク特性と共に、補強部材１３を磁性体で構成した第３の実施の形態に係る磁気歯車１Ｃのトルク特性が示されている。具体的には、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍと同じとした場合の比較例の磁気歯車の伝達可能なトルクＴが示されている。また、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．３ｍｍ及び０．７ｍｍとした場合であって補強部材１３が存在しない第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂの伝達可能なトルクＴが示されている。さらに、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２をそれぞれ０．３ｍｍ及び０．７ｍｍとすると共に、補強部材１３と第２回転子５とのギャップ、すなわち、両者間の径方向の距離Ｄ３及び補強部材１３の厚みをそれぞれ０．３５ｍｍとした場合における第３の実施の形態の磁気歯車１Ｃの伝達可能なトルクの特性が示されている。

磁性体で構成された補強部材１３を更に備える本実施の形態の磁気歯車１Ｃの伝達可能なトルクは、図１０を参照すると、比較例の磁気歯車と比較した場合に、第２の実施の形態の磁気歯車１Ｂよりも伝達可能なトルクの上昇率が低下するものの、トルクが上昇することがわかる。すなわち、内周側の第１回転子４を外周側の第２回転子５よりも相対的にポールピース３に対して接近させたことによるトルク上昇の方が、磁性体で構成された補強部材１３の磁気的な影響によるトルク低下よりも上回る。したがって、磁性体で構成された補強部材１３によってポールピース３を補強しても、磁気歯車１Ｃの性能向上が可能である。

上述した本発明の第３の実施の形態に係る磁気歯車１Ｃ及びそれを備えた駆動システム１００によれば、第２の実施の形態と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｃにおいては、複数のポールピース３における第２回転子５側に複数のポールピース３に亘って延在するように設けられた補強部材１３を更に備えている。この構成によれば、磁気力が作用する複数のポールピース３の全てを補強部材１３によって支持することができるので、複数のポールピース３を補強することができる。

さらに、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｃにおいては、補強部材１３を非磁性材で構成することが可能である。この構成によれば、磁気的な影響および電磁気的な性能への影響を及ぼすことなく、補強部材１３によって複数のポールピース３を補強することができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｃにおいては、補強部材１３を磁性体で構成することが可能である。この構成によれば、補強部材１３によるポールピース３の補強と磁気歯車１Ｃの伝達可能なトルクの増加との両立を図ることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る磁気歯車について図１１を用いて説明する。図１１は本発明の第４の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図１１中、黒塗り矢印は第１永久磁石及び第２永久磁石の磁化方向を示している。なお、図１１において、図１～図１０に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１１に示す本発明の第４の実施の形態に係る磁気歯車１Ｄが第３の実施の形態に係る磁気歯車１Ｃ（図９参照）と相違する点は、複数のポールピースがポールピースと同一の材質で形成された補強部材と一体に構成されていることである。

具体的には、ポールピース３Ｄは、内周側が櫛歯状に形成された筒状の部材として構成されている。すなわち、ポールピース３Ｄでは、第３の実施の形態の複数のポールピース３に相当する周方向に配列された複数のポールピース本体部３１と、ポールピース３の第２回転子５側、すなわち外周側で複数のポールピース本体部３１を接続する環状且つ薄板状の接続部３２とが一体に構成されている。接続部３２は、第３の実施の形態の補強部材１３をポールピース３と同一の磁性体の材質で形成したものに相当する部分である。本実施の形態においては、ポールピース３Ｄにおける接続部３２を除いた各ポールピース本体部３１の外周側と第２回転子５の内周面との径方向の距離が第２の距離Ｄ２として規定されている。また、ポールピース３Ｄの接続部３２の外周面と第２回転子５の内周面との径方向の距離（エアギャップ）が距離Ｄ３として規定される。すなわち、本実施の形態の磁気歯車１Ｄは、ポールピース３と同一の磁性体の材質で形成した補強部材１３を更に備える第３の実施の形態の磁気歯車１Ｃと同等の構成である。

本実施の形態においては、接続部３２によって複数のポールピース本体部３１の全てが外周側で接続されているので、ポールピース３Ｄに正の磁気力（外周側に押し広げる力）が作用しても、ポールピース３Ｄの外周側への広がりを抑制することができる。したがって、ポールピース３Ｄの構造的な信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、ポールピース３Ｄの複数のポールピース本体部３１間にそれぞれ第２永久磁石１２が配置されている。この構成により、伝達可能なトルクの増加と共にポールピース３Ｄの補強が可能となる。

上述した本発明の第４の実施の形態に係る磁気歯車１Ｄ及びそれを備えた駆動システム１００によれば、第３の実施の形態と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｄにおいては、複数のポールピース（ポールピース本体部３１）が複数のポールピース（ポールピース本体部３１）と同一の材質によって形成された補強部材（接続部３２）と一体に構成されている。この構成によれば、一体構造のポールピース３Ｄは、強度が向上すると共に組立が容易となる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態に係る磁気歯車について図１２を用いて説明する。図１２は本発明の第５の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図１２中、黒塗り矢印は、第１永久磁石及び第２永久磁石の磁化方向を示している。なお、図１２において、図１～図１１に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１２に示す本発明の第５の実施の形態に係る磁気歯車１Ｅが第４の実施の形態に係る磁気歯車１Ｄ（図１１参照）と相違する点は、第２回転子５Ｅの第１永久磁石５３Ｅがハルバッハ配列に配置された複数の磁石５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにより構成されていること及び第２回転子５Ｅがヨークを有していないことである。具体的には、第１永久磁石５３Ｅは、磁化方向が径方向を向く磁石５３ａ、５３ｂと磁化方向が周方向を向く磁石５３ｃ、５３ｄが周方向に交互に配置されるように構成されている。磁化方向が径方向を向く隣り合う磁石５３ａ、５３ｂの磁化方向は互いに逆向きであり、且つ、磁化方向が周方向を向く隣り合う磁石５３ｃ、５３ｄの磁化方向は互いに逆向きである。第１永久磁石５３Ｅは、第２回転子５の保持部５２に直接保持されている。

上述した本発明の第５の実施の形態に係る磁気歯車１Ｅ及びそれを備えた駆動システム１００によれば、第４の実施の形態と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｅにおいては、第２回転子５Ｅの第１永久磁石５３Ｅがハルバッハ配列に配置された複数の磁石５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにより構成されている。この構成によれば、第１永久磁石５３Ｅにより発生する磁界が強化されるので、第１永久磁石５３Ｅの磁界を強化するためのヨークが不要となる。したがって、第２回転子５Ｅの部品点数及び重量を削減することができる。

さらに、この構成によれば、第１永久磁石５３Ｅとポールピース３Ｄ間の磁束変化の勾配が第４の実施の形態の場合よりもなだらかになる。ポールピース３Ｄに作用する磁気力は磁束の変化量に応じて変化するものなので、ポールピース３に作用する急峻な力の変化を抑制することができ、磁気歯車１Ｅの信頼性が更に向上する。

なお、本実施の形態においては、第１永久磁石５３Ｅを補強するヨークの代わりに、非磁性体で構成された補強部材を第１永久磁石５３Ｅの外周側に設けてもよい。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態に係る磁気歯車について図１３を用いて説明する。図１３は本発明の第６の実施の形態に係る磁気歯車を一部省略して示す横断面図である。図１３中、太い矢印は第１永久磁石の磁化方向を、黒塗り矢印は第２永久磁石の磁化方向を示している。なお、図１３において、図１～図１２に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１３に示す本発明の第６の実施の形態に係る磁気歯車１Ｆが第５の実施の形態に係る磁気歯車１Ｄ（図１１参照）と相違する点は、第２回転子５Ｆの第１永久磁石５３Ｆが極異方性に着磁されたものであること及び第２回転子５Ｆがヨークを有していないことである。具体的には、第１永久磁石５３Ｆは、例えば、円筒状の一部材に対して、２つの磁極（Ｎ極とＳ極）が径方向内側（ポールピース３Ｄ側）を向き且つ周方向に交互に並ぶように極異方性に着磁したものである。第１永久磁石５３Ｆは、第２回転子５Ｆの保持部５２に直接保持されている。

上述した本発明の第６の実施の形態に係る磁気歯車１Ｆ及びそれを備えた駆動システム１００によれば、第４の実施の形態と同様に、信頼性の向上と共に性能の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る磁気歯車１Ｆにおいては、第２回転子５Ｆの第１永久磁石５３Ｆが極異方性に着磁された部材により構成されている。この構成によれば、第１永久磁石５３Ｆにより発生する磁界が強化されるので、第１永久磁石５３Ｆの磁界を強化するためのヨークが不要となる。したがって、第２回転子５Ｆの部品点数及び重量を削減することができる。

さらに、この構成によれば、第１永久磁石５３Ｆとポールピース３間の磁束の変化が第４の実施の形態の場合よりもなだらかになる。ポールピース３に作用する力は磁束の変化量に応じて変化するので、ポールピース３に作用する急峻な力の変化を抑制することができ、磁気歯車１Ｆの信頼性が更に向上する。

［その他の実施の形態］
なお、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易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。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した第１～第６の実施の形態においては、本発明の磁気歯車をラジアルギャップ構造の磁気歯車に適用した例を説明した。しかし、本発明はアキシャルギャップ構造やリニア構造の磁気歯車に対しても適用可能である。

例えば、本発明をアキシャルギャップ構造の磁気歯車に適用した場合、第１回転子と第２回転子は、周方向に配列された複数のポールピースを挟んで、径方向の両側ではなく、軸方向の両側（軸方向の一方側と他方側）に配置される。すなわち、第１回転子及び第２回転子は、複数のポールピースに対して、径方向ではなく、軸方向で対向する。したがって、第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２も、径方向の距離ではなく、軸方向の距離として規定される。また、複数のポールピースに対する磁気力は、径方向ではなく、軸方向に作用するので、第３の実施形態の補強部材は、ポールピースの外周側でなく、ポールピースの軸方向他方側である第２回転子側に設けられる。また、第４の実施形態においては、複数のポールピース本体部に対して補強部材としての接続部が、ポールピース本体部の外周側でなく、ポールピース本体部の軸方向他方側である第２回転子側に設けられる。

一方、本発明をリニア構造の磁気歯車に適用した場合、ラジアルギャップ構造の磁気歯車において、第１回転子の突極、第２回転子の第１永久磁石、ポールピースの位置関係（Ｄ１／Ｄ２＜１）を維持した状態で、第１回転子の突極から軸線までの距離（半径）、第２回転子の第１永久磁石から軸線までの距離（半径）、ポールピースから軸線までの距離（半径）をそれぞれ無限大に拡張したような構造となる。すなわち、複数のポールピースが所定方向に間隔をあけて配置され、第１回転子の複数の突極が所定方向に間隔をあけて設けられ、第２回転子の第１永久磁石が所定方向に沿って複数の磁極を形成した上で、第１回転子の突極、第２回転子の第１永久磁石、ポールピースの位置関係（Ｄ１／Ｄ２＜１）が維持される。

また、上述した実施の形態においては、第１回転子４が２つの突極４２を有する回転体として構成した例を示した。しかし、第１回転子は、変速比に応じた任意の数の突極４２を有する回転体として構成することが可能である。

また、上述した第４の実施の形態においては、複数のポールピース本体部３１間に第２永久磁石１２が配置された構成の例を示したが、複数のポールピース本体部３１間に第２永久磁石１２を配置しない構成も可能である。

また、上述した第５及び第６の実施の形態においては、ポールピース３Ｄが複数のポールピース本体部３１と複数のポールピース本体部３１を接続する接続部３２とが一体に構成されると共に、複数のポールピース本体部３１間に第２永久磁石１２が配置された構成の例を示した。しかし、ポールピースは、第１の実施の形態のように、周方向に複数配列された構成が可能である。また、複数のポールピース本体部３１間に第２永久磁石１２を配置しない構成も可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ…磁気歯車、 ３、３Ｄ…ポールピース、 ４…第１回転子、 ５、５Ｅ、５Ｆ…第２回転子、 １１…保持部材、 １２…第２永久磁石、 １３…補強部材、 ３１…ポールピース本体部、 ３２…接続部（補強部材）、 ４２…突極、 ５３、５３Ｅ、５３Ｆ…第１永久磁石、 ５４…ヨーク、 １００…駆動システム、 １０１…動力源、 Ｄ１…第１の距離、 Ｄ２…第２の距離

Claims (10)

1. 所定方向に間隔をあけて配置され、磁性体で構成された複数のポールピースと、
   前記複数のポールピースを挟んで両側に配置された第１回転子及び第２回転子とを備え、
   前記第１回転子は、前記所定方向に間隔をあけて設けられた複数の突極を有し、磁性体で構成された回転体であり、
   前記第２回転子は、前記所定方向に沿って複数の磁極を形成する第１永久磁石を有し、前記第１回転子よりも低速で回転する回転体であり、
   前記第１回転子の前記複数の突極は、前記複数のポールピースから第１の距離だけ離れて配置され、
   前記第２回転子の前記第１永久磁石は、前記複数のポールピースから第２の距離だけ離れて配置され、
   前記第１の距離及び前記第２の距離は、前記第１の距離をＤ１、前記第２の距離をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように設定されている
   ことを特徴とする磁気歯車。
2. 請求項１に記載の磁気歯車において、
   前記複数のポールピースの間にそれぞれ配置されて前記複数のポールピースと共に構造体を形成し、非磁性体で構成された複数の保持部材を更に備えている
   ことを特徴とする磁気歯車。
3. 請求項１に記載の磁気歯車において、
   前記複数のポールピースの間にそれぞれ配置された複数の第２永久磁石を更に備えている
   ことを特徴とする磁気歯車。
4. 請求項１に記載の磁気歯車において、
   前記複数のポールピースにおける前記第２回転子側に前記複数のポールピースに亘って延在するように設けられた補強部材を更に備えている
   ことを特徴とする磁気歯車。
5. 請求項４に記載の磁気歯車において、
   前記補強部材は、非磁性体で構成されている
   ことを特徴とする磁気歯車。
6. 請求項４に記載の磁気歯車において、
   前記補強部材は、磁性体で構成されている
   ことを特徴とする磁気歯車。
7. 請求項４に記載の磁気歯車において、
   前記複数のポールピースは、前記複数のポールピースと同一の材質によって形成された前記補強部材と一体に構成されている
   ことを特徴とする磁気歯車。
8. 請求項１に記載の磁気歯車において、
   前記第２回転子は、前記第１永久磁石における前記複数のポールピース側とは反対側に設けられ、磁性体で構成されたヨークを更に有している
   ことを特徴とする磁気歯車。
9. 請求項１に記載の磁気歯車において、
   前記第２回転子の前記第１永久磁石は、ハルバッハ配列に配置された複数の磁石又は極異方性に着磁された部材により構成されている
   ことを特徴とする磁気歯車。
10. 動力を発生する動力源と、
    前記動力源の動力を変速して伝達する磁気歯車とを備え、
    前記磁気歯車は、請求項１に記載の磁気歯車により構成されている
    ことを特徴とする駆動システム。

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