JP7361344B2 - 磁気ギアードモータ - Google Patents

Description

本開示は、磁気ギアードモータに関する。

近年、工場内又は倉庫等では、無人搬送車（ＡＧＶ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が用いられることが多くなってきた。ＡＧＶは、例えば、モータによって駆動される。ＡＶＧを駆動するためのモータには、低速で高トルクの特性又は長距離運転が可能なように高効率の特性が求められている。そこで、ＡＧＶを駆動するモータとして、磁気ギアードモータを用いることが検討されている。

磁気ギアードモータは、高調波磁束を用いた磁気減速機機構（磁気ギア）が内蔵された回転電機であり、高速ロータ、低速ロータ及びステータを有する（例えば、特許文献１）。磁気ギアードモータでは、ステータのコイルの起磁力で高速ロータを回転させることで、出力軸を有する低速ロータを所定のギア比（減速比）にしたがって回転させることができる。

特開２０１３－１０６４０１号公報

磁気ギアードモータは、トルク密度が不足する。この場合、高速ロータ及び低速ロータの直径を大きくしてトルクを高めることが考えられる。しかしながら、高速ロータ及び低速ロータの直径を大きくすると、磁気ギアードモータ全体が大型化してしまう。

そこで、ステータのコイルとして、分布巻コイルではなく、集中巻コイルを用いることが考えられる。このように、ステータのコイルとして集中巻コイルを用いることで、分布巻コイルを用いた場合と比べて、最大トルクを大きくすることができる。しかしながら、集中巻コイルを用いると、ギア比が大幅に小さくなってしまう。

磁気ギアードモータのギア比Ｇｒは、高速ロータの極対数をＮｈとし、低速ロータの極対数をＮｌとすると、Ｇｒ＝±Ｎｌ／Ｎｈで表される。したがって、高速ロータの極対数を小さくしたり、低速ロータの極対数を大きくしたりすることで、ギア比を大きくすることが可能となる。

しかしながら、磁気ギアードモータでは、ステータの極対数をＮｓとすると、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈという関係式を満たす必要があるため、高速ロータの極対数（Ｎｈ）と低速ロータの極対数（Ｎｌ）との組み合わせには制限がある。

さらに、磁気ギアードモータとして高速ロータ及び低速ロータを回転させるためには、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈという関係式以外に、高速ロータ及びステータのスロット数の関係を３相同期モータとして回転可能な組み合わせにする必要がある。このため、集中巻コイルを用いた磁気ギアードモータのギア比は、３相同期モータとして回転可能なものにしなければならないという制約もある。

このように、従来の磁気ギアードモータでは、高いギア比を容易に得ることができず、実用的なギア比としては６程度までにとどまっていた。特に、ギア比が１０を超える磁気ギアードモータを実現することが難しかった。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、高いギア比を有する磁気ギアードモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る第１の磁気ギアードモータの一態様は、複数のティースを有するステータと、前記ステータの起磁力により回転する第１ロータと、前記第１ロータよりも低速で回転する第２ロータとを備え、前記第１ロータ、前記第２ロータ及び前記ステータは、同軸で配置され、隣り合う２つの前記ティースの間に存在するスロット開口部の各々には、極性が異なる複数の磁石が配置されている。

また、本発明に係る第２の磁気ギアードモータの一態様は、複数のティースを有し、起磁力を発生させるステータと、前記起磁力により回転する第１ロータと、前記第１ロータが回転することで、前記第１ロータよりも低速で回転する第２ロータとを備え、前記第１ロータ、前記第２ロータ及び前記ステータは、同軸で配置され、前記複数のティースの各々は、各々が径方向に突出する複数の磁極部を有し、前記ステータには、複数の磁石が配置され、前記複数の磁石は、隣り合う２つの前記ティースの間に存在するスロット開口部に配置された第１磁石と、前記複数のティースの各々において、隣り合う２つの前記磁極部の間に配置された第２磁石とを含み、前記第１磁石と前記第２磁石とは、同じ極性となるように周方向に配列されている。

本開示によれば、高いギア比を有する磁気ギアードモータを実現できる。

図１は、実施の形態１に係る磁気ギアードモータの断面図である。 図２は、実施の形態１に係る磁気ギアードモータのステータの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。 図３は、比較例の磁気ギアードモータの断面図である。 図４は、比較例の磁気ギアードモータのステータの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。 図５は、実施の形態２に係る磁気ギアードモータの断面図である。 図６は、実施の形態２に係る磁気ギアードモータのステータの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。 図７は、実施の形態２の変形例に係る磁気ギアードモータの断面図である。 図８は、実施の形態２の変形例に係る磁気ギアードモータのステータの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。 図９は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３の逆起電力定数を示す図である。 図１０は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３において、ステータ側のエアギャップの主磁束（５次）と変調波磁束とを示す図である。 図１１は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３において、変調波磁束と最大伝達トルクとを示す図である。 図１２は、実施例１に係る磁気ギアードモータと実施例１’に係る磁気ギアードモータとの拡大断面図である。 図１３Ａは、実施例１及び実施例１’における主磁束（５次）と変調波磁束とを示す図である。 図１３Ｂは、実施例１及び実施例１’における逆起電力定数と最大伝達トルクとを示す図である。 図１４Ａは、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３において、変調波磁束と最大伝達トルクとを示す図である。 図１４Ｂは、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３において、最大伝達トルクと逆起電力定数とを示す図である。 図１５は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３において、高速ロータ（第１ロータ）とステータとの幾何学対称性の有無を示す図である。 図１６は、図１５からギア比が整数倍のモデルを除去した図である。 図１７は、図１６において、巻線係数×ギア比の値を示す図である。 図１８は、実施の形態１に係る磁気ギアードモータと変形例に係る磁気ギアードモータとの拡大断面図である。

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る磁気ギアードモータ１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る磁気ギアードモータ１の断面図である。

図１に示すように、磁気ギアードモータ１は、第１ロータ１０と、第２ロータ２０と、ステータ３０とを備えており、ステータ３０の起磁力により第１ロータ１０を回転させることで、高調波磁束により第２ロータ２０が回転する。なお、第１ロータ１０の中心には、回転軸（シャフト）４０が配置されている。

本実施の形態において、第１ロータ１０は、第２ロータ２０よりも高速で回転する高速ロータであり、第２ロータ２０は、第１ロータ１０よりも低速で回転する低速ロータである。

ステータ３０は、第１ロータ１０又は第２ロータ２０と対向する。本実施の形態において、第１ロータ１０、第２ロータ２０及びステータ３０は、この順で径方向内側から径方向外側に向かって配置されている。したがって、ステータ３０は、第２ロータ２０に対向している。具体的には、高速ロータである第１ロータ１０が最も内側に配置されており、低速ロータである第２ロータ２０が第１ロータ１０を囲むように配置され、さらに、その第２ロータ２０を囲むようにステータ３０が配置されている。つまり、高速ロータである第１ロータと低速ロータである第２ロータ２０とステータ３０とで構成される高調波磁束を用いた磁気減速機に対して、第２ロータ２０が、第１ロータ１０とステータ３０とで挟まれるように配置されている。

第１ロータ１０、第２ロータ２０及びステータ３０は、互いに微小なエアギャップを介して同軸で配置されている。本実施の形態では、第１ロータ１０、第２ロータ２０及びステータ３０がこの順で径方向内側から径方向外側に向かって配置されているので、第１ロータ１０と第２ロータ２０との間にエアギャップが存在するとともに、第２ロータ２０とステータ３０との間にエアギャップが存在する。

高速ロータである第１ロータ１０（第１回転子）は、周方向に配置された複数の磁極対１１を有する。また、第１ロータ１０は、磁性材料によって構成された円筒状のロータコア１２を有しており、複数の磁極対１１は、ロータコア１２に設けられている。ロータコア１２は、例えば複数枚の電磁鋼板を積層することで構成されている。

複数の磁極対１１の各々は、ロータコア１２の周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に均等に存在するように構成された永久磁石である。複数の磁極対１１（永久磁石）は、ロータコア１２の外周面全体を覆うように周方向に連続して配置されている。また、複数の磁極対１１は、第１ロータ１０の中心軸を中心として放射状に配置されている。

複数の磁極対１１は、第２ロータ２０に対向している。したがって、磁極対１１を構成する永久磁石の表面は、エアギャップ面になっている。なお、本実施の形態において、複数の磁極対１１の極対数（Ｎｈ）は５である。したがって、高速ロータである第１ロータ１０の極数は、１０である。

低速ロータである第２ロータ２０（第２回転子）は、周方向に配置された複数の磁極片２１（ポールピース）を有する。複数の磁極片２１は、磁性材料によって構成された磁束集中手段である。また、第２ロータ２０は、非磁性材料によって構成された円環状のホルダ２２を有しており、複数の磁極片２１は、ホルダ２２に保持されている。複数の磁極片２１は、ホルダ２２の周方向に沿って等間隔で配置されている。また、複数の磁極片２１は、第２ロータ２０の中心軸を中心として放射状に配置されている。本実施の形態において、第２ロータ２０は、４１個の磁極片２１を有する。したがって、低速ロータである第２ロータ２０の極対数（Ｎｌ）は、４１である。

複数の磁極片２１は、第１ロータ１０の磁極対１１と対向している。また、複数の磁極片２１は、ステータ３０のティース３１及び複数の磁石３４と対向している。複数の磁極片２１の表面は、エアギャップ面になっている。具体的には、各磁極片２１において、第１ロータ１０側の第１面（径方向外側の面）とステータ３０側の第２面（径方向内側の面）とは、エアギャップ面になっている。

なお、第２ロータ２０は、複数の磁極片２１の各々がステータ３０に向かって突出するように構成された歯車状の磁性体であってもよい。この場合、歯車状の電磁鋼板を積層することで、第２ロータ２０を作製することができる。

ステータ３０（固定子）は、起磁力を発生させる。ステータ３０は、複数のティース３１と、ヨーク３２と、巻線コイル３３と、磁石３４とを有する。

複数のティース３１は、周方向に沿って配置されている。具体的には、複数のティース３１は、周方向に沿って等間隔で配置されている。本実施の形態において、ステータ３０は、２４個のティース３１を有している。

また、複数のティース３１は、ステータ３０の中心軸を中心として放射状に設けられている。具体的には、各ティース３１は、円環状のヨーク３２から径方向内側に突出するように延在している。つまり、ヨーク３２は、各ティース３１の外側に形成されたバックヨークである。複数のティース３１は、第２ロータ２０の複数の磁極片２１と対向している。

本実施の形態において、ティース３１とヨーク３２とはステータコアとして一体に構成されている。例えば、ティース３１及びヨーク３２は、複数枚の電磁鋼板を積層することによって構成されている。

各ティース３１は、ヨーク３２の内側に形成された磁極ティースであり、巻線コイル３３の通電により磁力を発生させる電磁石である。巻線コイル３３は、ステータ３０に設けられたステータコイルである。本実施の形態において、巻線コイル３３は、複数のティース３１の各々に巻回された集中巻コイルである。また、巻線コイル３３は、３相同期モータとして第１ロータ１０を回転できるように３相巻線となっている。なお、巻線コイル３３は、インシュレータ（不図示）を介してティース３１に巻回されていてもよい。

隣り合う２つのティース３１の間には、巻線コイル３３を配置するためのスロットが形成されている。つまり、ステータ３０のスロットは、隣り合う２つのティース３１の間に対応している。本実施の形態において、ステータ３０は２４個のティース３１を有しているので、ステータ３０のスロット数は、２４である。つまり、ステータ３０の極対数（Ｎｓ）は、２４である。

複数のティース３１の各々は、径方向に突出する磁極部３１ａを有する。また、各ティース３１の先端部における幅方向の両端部の各々には凹部３１ｂが設けられている。つまり、各ティース３１には、２つの凹部３１ｂが設けられている。磁極部３１ａは、各ティース３１に２つの凹部３１ｂを設けることで凸状に構成されている。

また、隣り合う２つのティース３１の間には、スロット開口部３１ｃが存在する。スロット開口部３１ｃは、隣り合う２つのティース３１の先端部同士の間に存在する隙間である。

各スロット開口部３１ｃには、極性が異なる複数の磁石３４（ステータ磁石）が配置されている。つまり、各スロット開口部３１ｃに配置された複数の磁石３４は、このスロット開口部３１ｃを塞ぐように配置されている。複数の磁石３４は、ステータ３０に配置されたステータ磁石である。

本実施の形態において、各スロット開口部３１ｃに配置された複数の磁石３４は、隣り合う２つのティース３１において、一方のティース３１の磁極部３１ａと他方のティース３１の磁極部３１ａとの間に配置されている。複数の磁石３４の各々は、例えば永久磁石である。

複数の磁石３４は、少なくとも第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとを含んでいる。本実施の形態において、各スロット開口部３１ｃには、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂとして２つの永久磁石が配置されている。

磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）とは、第２ロータ２０の複数の磁極片２１と対向している。また、磁極部３１ａの前端面と磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）の表面とは、ステータ３０のエアギャップ面になっている。具体的には、磁極部３１ａと第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは隙間なく連続して設けられているので、磁極部３１ａの前端面と第１磁石３４ａの表面と第２磁石３４ｂの表面とは、面一であり、連続するエアギャップ面になっている。

第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは、第２ロータ２０とのエアギャップ面に対する極性が逆になっている。本実施の形態において、第１磁石３４ａは、第２ロータ２０とのエアギャップ面がＮ極となる永久磁石であり、第２磁石３４ｂは、第２ロータ２０とのエアギャップ面がＳ極となる永久磁石である。つまり、各スロット開口部３１ｃには、２配向方向の複数の磁石３４が配置されている。

各スロット開口部３１ｃに配置された複数の磁石３４は、各ティース３１に設けられた２つの凹部３１ｂに配置されている。具体的には、各ティース３１において、第１磁石３４ａは、ティース３１の先端部における幅方向の一方の端部に設けられた凹部３１ｂに収納されており、第２磁石３４ｂは、ティース３１の先端部における幅方向の他方の端部に設けられた凹部３１ｂに収納されている。

各スロット開口部３１ｃにおける複数の磁石３４の数は、ステータ３０のスロット数と同じである。つまり、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂの各々の数は、ステータ３０のスロット数と同じである。本実施の形態において、ステータ３０のスロット数は２４であるので、ステータ３０全体として、２４個の第１磁石３４ａと２４個の第２磁石３４ｂとが配置されている。

ティース３１の磁極部３１ａと第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂとは、これらを１組（一単位）として、周方向に複数回繰り返して配置されている。本実施の形態では、ステータ３０が２４個のティース３１を有しているので、ティース３１の磁極部３１ａと第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂとを１組として、これが２４回繰り返して配置されている。

この場合、図２に示すように、ティース３１の磁極部３１ａと第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂとは、隣同士が交互に逆極性となるように周方向に繰り返して配列されている。図２は、実施の形態１に係る磁気ギアードモータ１のステータ３０の周方向における極性の分布を模式的に示す図である。

具体的には、図２に示すように、磁極部３１ａと第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂとは、エアギャップ面にＮ極とＳ極とが交互に表れるように配置されている。上述のように、本実施の形態では、第１磁石３４ａがエアギャップ面にＮ極が表れる極性を有し、第２磁石３４ｂがエアギャップ面にＳ極が表れる極性を有しているので、ステータ３０では、図２に示すように、例えば、第１磁石３４ａ（Ｎ極）、第２磁石３４ｂ（Ｓ極）、磁極部３１ａ（Ｎ極）、第２磁石３４ｂ（Ｓ極）、第１磁石３４ａ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、・・・の順で繰り返して配置されている。つまり、第１磁石３４ａ（Ｎ極）及び第２磁石３４ｂ（Ｓ極）は、１つ置きに配置が逆になっているとともに、磁極部３１ａについても、１つ置きに極性が反転して逆極性になっている。

このように構成される磁気ギアードモータ１では、ステータ３０の巻線コイル３３の起磁力によって第１ロータ１０が回転する。具体的には、ステータ３０の巻線コイル３３に通電すると、界磁電流が巻線コイル３３に流れてティース３１（磁極部３１ａ）に磁束が発生する。このティース３１で発生した磁束と第１ロータ１０（高速ロータ）の磁極対１１から生じる磁束との相互作用によって生じた磁気力が第１ロータ１０を回転させるトルクとなり、第１ロータ１０が回転する。そして、第１ロータ１０が回転することで、高調波磁束によって、出力軸を有する第２ロータ２０が所定のギア比（減速比）にしたがって減速されて回転する。

ここで、本実施の形態における磁気ギアードモータ１の動作原理の詳細について、以下説明する。

磁気減速機の内部に生じる磁束は、永久磁石の起磁力と磁性体のパーミアンスとの積で表される。磁気ギアードモータ１の内部に生じる磁束を、数式を用いて考える。

まず、高速ロータである第１ロータ１０とステータ３０の磁石３４による合計の起磁力Ｆ（θ，α）は、円周方向に正弦波状に存在していると仮定すると、以下の（式１）で表される。

（式１）において、Ａ_１及びＡ_２はそれぞれ第１ロータ１０（高速ロータ）及びステータ３０の磁石（永久磁石）の起磁力の振幅、Ｎ_ｈは第１ロータ１０（高速ロータ）の極対数、Ｎ_ｓはステータ３０のスロット数、αは第１ロータ１０（高速ロータ）の回転角度、θは周方向位置を表している。

続いて、磁性体部のパーミアンスを考える。低速ロータである第２ロータ２０とステータ３０とに存在する磁性体のパーミアンス分布Ｐ（θ，β）は、円周方向に正弦波状に存在していると仮定すると、以下の（式２）で表される。

（式２）において、Ｐ_０は平均パーミアンス、Ｐ_１及びＰ_２はそれぞれ第２ロータ２０（低速ロータ）及びステータ３０のパーミアンスの振幅、Ｎ_ｌは第２ロータ２０（低速ロータ）の極数、βは第２ロータ２０（低速ロータ）の回転角度を表している。

そして、磁気ギアードモータ１の内部に生じる磁束φ（θ，α，β）は、（式１）と（式２）との積で表されるため、以下の（式３）となる。

（式３）において、第１項及び第２項は、磁石３４の極数と同じ次数の基本波磁束であり、第３項以降は、磁性体との組み合わせによって生じた変調波磁束である。本実施の形態における磁気ギアードモータ１では、以下の（式４）の関係が成り立つ極数の組み合わせになっている。

（式３）において、（式４）が成立する場合を考える。（式３）の第３項の変調波磁束の次数がステータ３０の磁束の次数と等しくなるため、両者はカップリングする。これによって、ステータ３０の磁束とカップリングした変調波は固定されるため、以下の（式５）が成り立つ。

このとき、第１ロータ１０（高速ロータ）の回転角度と第２ロータ２０（低速ロータ）の回転角度との比は、極数の組み合わせによって一意に決定することが分かる。この関係は、ギア比（減速比）Ｇｒとして、以下の（式６）で表される。

なお、ギア比Ｇ_ｒが正の場合は、第１ロータ１０（高速ロータ）と第２ロータ２０（低速ロータ）とが同一方向に回転することを示しており、ギア比Ｇ_ｒが負の場合は、第１ロータ１０（高速ロータ）と第２ロータ２０（低速ロータ）とが逆方向に回転することを示している。例えば、（式３）の第４項で表される変調波磁束の次数とステータ３０の磁束の次数とがカップリングするような極数の選択を行うことで、第１ロータ１０（高速ロータ）と第２ロータ２０（低速ロータ）との回転方向が逆向きとなる。

そして、ステータ３０の極数を、１．５倍、２倍、３倍にすると、それに伴って、（式４）により、第２ロータ２０（低速ロータ）の極数Ｎ_ｌも増加することになる。これにより、（式６）の値が変化し、ギア比が大きくなっていく。つまり、ギア比が大きい磁気ギアードモータを実現することができる。

次に、本実施の形態に係る磁気ギアードモータ１の具体的な特徴について、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘと比較して説明する。図３は、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘの断面図であり、図４は、同磁気ギアードモータ１Ｘのステータ３０Ｘの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。

図３及び図４に示すように、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘは、図１に示される磁気ギアードモータ１に対して、各スロット開口部３１ｃに配置された磁石３４Ｘの構成が異なる。

具体的には、本実施の形態における磁気ギアードモータ１では、各スロット開口部３１ｃには、極性が異なる複数の磁石３４が配置されていたのに対して、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘでは、図３に示すように、各スロット開口部３１ｃには、１つの磁石３４Ｘが配置されている。

そして、図４に示すように、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘでは、ティース３１の磁極部３１ａと磁石３４Ｘとは、エアギャップ面にＮ極とＳ極とが交互に表れるように配置されている。これにより、ステータ３０Ｘに配置された複数の磁石３４Ｘは、エアギャップ面に対して互いに同一の極性を有するとともに、ステータ３０Ｘの複数の磁極部３１ａについても、エアギャップ面に対して互いに同一の極性を有している。具体的には、全ての磁石３４Ｘがエアギャップ面にＮ極を有しており、また、全ての磁極部３１ａがエアギャップ面にＳ極を有しており、磁石３４Ｘ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、磁石３４Ｘ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、・・・の順で繰り返して配置されている。

このように構成された比較例の磁気ギアードモータ１Ｘでは、ステータ３０Ｘの磁石３４Ｘによる起磁力の次数（ステータ磁石起磁力次数）が、ステータ３０Ｘのスロット数と同様に、２４次となっている。また、図３に示される構造の比較例の磁気ギアードモータ１Ｘでは、ギア比Ｇｒ（＝Ｎｌ／Ｎｈ）が５．８である。

これに対して、本実施の形態における磁気ギアードモータ１では、各スロット開口部３１ｃには、極性が異なる複数の磁石３４が配置されている。具体的には、各スロット開口部３１ｃには、極性が異なる第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとの２つの永久磁石が配置されている。

この構成により、本実施の形態における磁気ギアードモータ１では、比較例の磁気ギアードモータ１Ｘに対して、ステータ３０の磁石３４による起磁力の次数を１．５倍にすることができる。具体的には、本実施の形態における磁気ギアードモータ１では、ステータ３０の磁石３４による起磁力の次数（ステータ磁石起磁力次数）が３６次となる。これにより、第２ロータ２０の磁極片２１の極対数を大きくしてギア比を増加させることができるので、トルク密度を向上させることができる。具体的には、図１に示される構造の磁気ギアードモータ１では、ギア比Ｇｒ（＝Ｎｌ／Ｎｈ）が８．２となっている。

以上、本実施の形態に係る磁気ギアードモータ１によれば、高いギア比を得ることができ、高トルクの磁気ギアードモータ１を実現することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る磁気ギアードモータ１Ａについて、図５及び図６を用いて説明する。図５は、実施の形態２に係る磁気ギアードモータ１Ａの断面図であり、図６は、同磁気ギアードモータ１Ａのステータ３０Ａの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。

図５に示すように、本実施の形態に係る磁気ギアードモータ１Ａは、上記実施の形態１に係る磁気ギアードモータ１と同様に、第１ロータ１０と、第２ロータ２０と、ステータ３０Ａとを備えている。第１ロータ１０、第２ロータ２０及びステータ３０Ａは、同軸で配置されている。また、本実施の形態でも、ステータ３０Ａは、複数のティース３１Ａ、ヨーク３２、巻線コイル３３及び複数の磁石３４を有する。

本実施の形態における磁気ギアードモータ１Ａは、上記実施の形態１における磁気ギアードモータ１に対して、ティース３１Ａの磁極部３１ａの構成が異なる。

具体的には、上記実施の形態１では、複数のティース３１の各々には１つの磁極部３１ａが設けられていたのに対し、本実施の形態では、複数のティース３１Ａの各々には複数の磁極部３１ａが設けられている。複数の磁極部３１ａは、歯車状に構成されており、各磁極部３１ａは、ティース３１Ａにおける小歯である。具体的には、各ティース３１Ａには、ティース３１Ａの先端部における幅方向の両端部の各々と中央部とに凹部３１ｂ（つまり３つの凹部３１ｂ）が設けられることで、２つの磁極部３１ａが設けられている。本実施の形態でも、各磁極部３１ａは、径方向に突出している。

さらに、本実施の形態における磁気ギアードモータ１Ａは、上記実施の形態１における磁気ギアードモータ１に対して、ステータ３０Ａに配置された複数の磁石３４の配置も異なっている。

具体的には、複数の磁石３４は、隣り合う２つのティース３１Ａの間に存在するスロット開口部３１ｃに配置された第１磁石３４ａと、複数のティース３１Ａの各々において、隣り合う２つの磁極部３１ａの間に配置された第２磁石３４ｂとを含む。

本実施の形態において、第１磁石３４ａは、各スロット開口部３１ｃに１つ配置されている。具体的には、第１磁石３４ａは、隣り合う２つのティース３１Ａの一方のティース３１Ａの凹部３１ｂと他方のティース３１Ａの凹部３１ｂとで構成される１つの凹部に収納されている。

また、第２磁石３４ｂは、各ティース３１Ａに１つ配置されている。具体的には、第２磁石３４ｂは、ティース３１Ａの先端部における幅方向の中央部に設けられた凹部３１ｂに収納されている。

磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）とは、第２ロータ２０の複数の磁極片２１と対向している。また、磁極部３１ａの前端面と磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）の表面とは、ステータ３０Ａのエアギャップ面になっている。具体的には、磁極部３１ａと第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは隙間なく連続して設けられているので、磁極部３１ａの前端面と第１磁石３４ａの表面と第２磁石３４ｂの表面とは、面一であり、連続するエアギャップ面になっている。

さらに、本実施の形態における磁気ギアードモータ１Ａは、上記実施の形態１における磁気ギアードモータ１に対して、複数の磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）の極性も異なっている。

具体的には、上記実施の形態１においては、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは、交互に逆極性となるように周方向に配列されていたが、本実施の形態においては、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは、同じ極性となるように周方向に配列されている。つまり、本実施の形態において、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとは、第２ロータ２０とのエアギャップ面に対して同一の極性になっている。このように、本実施の形態では、全ての磁石３４が同じ極性になっており、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂが同じ配向になっている。具体的には、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂは、いずれも、第２ロータ２０とのエアギャップ面がＮ極となっている。また、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂを含めた全ての複数の磁石３４は、周方向に沿って等間隔で配置されている。なお、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂは、いずれも永久磁石である。

また、本実施の形態において、複数の磁石３４の数は、ステータ３０Ａのスロット数の２倍である。具体的には、ステータ３０Ａのスロット数は２４であるので、４８個の磁石３４が用いられている。より具体的には、各スロット開口部３１ｃに対応する２４個の第１磁石３４ａと各ティース３１Ａに対応する２４個の第２磁石３４ｂとが用いられている。

図６に示すように、本実施の形態において、ティース３１Ａの磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ又は第２磁石３４ｂ）とは、交互に逆極性となるように周方向に配列されている。図６は、実施の形態２に係る磁気ギアードモータ１Ａのステータ３０Ａの周方向における極性の分布を模式的に示す図である。

具体的には、図６に示すように、磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ又は第２磁石３４ｂ）とは、エアギャップ面にＮ極とＳ極とが交互に表れるように配置されている。上述のように、本実施の形態では、磁石３４（第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂ）がエアギャップ面にＮ極が表れる極性を有しているので、ステータ３０Ａでは、図６に示すように、例えば、第１磁石３４ａ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、第２磁石３４ｂ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、第１磁石３４ａ（Ｎ極）、磁極部３１ａ（Ｓ極）、第２磁石３４ｂ（Ｎ極）・・・の順で繰り返して配置されている。

なお、本実施の形態において、高速ロータである第１ロータ１０は、上記実施の形態１と同じである。具体的には、本実施の形態でも、第１ロータ１０の複数の磁極対１１の極対数（Ｎｈ）は５であり、第１ロータ１０の極数は、１０である。

また、本実施の形態において、低速ロータである第２ロータ２０は、上記実施の形態１と同様に、複数の磁極片２１を有するが、本実施の形態において、複数の磁極片２１の数は、実施の形態１と異なる。具体的には、本実施の形態における第２ロータ２０は、５３個の磁極片２１を有しており、第２ロータ２０の極対数（Ｎｌ）は、５３である。

このように構成される磁気ギアードモータ１Ａでは、ステータ３０Ａの磁石３４による起磁力の次数を２倍にすることができる。具体的には、本実施の形態における磁気ギアードモータ１Ａでは、ステータ３０Ａの磁石３４による起磁力の次数（ステータ磁石起磁力次数）が４８次となる。これにより、第２ロータ２０の磁極片２１の極対数を大きくしてギア比を増加させることができるので、トルク密度を向上させることができる。具体的には、図５に示される構造の磁気ギアードモータ１Ａでは、ギア比Ｇｒ（＝Ｎｌ／Ｎｈ）が１０．６となっている。

以上、本実施の形態に係る磁気ギアードモータ１Ａでも、高いギア比を得ることができ、高トルクの磁気ギアードモータ１Ａを実現することができる。

なお、本実施の形態では、複数の磁石３４の数は、ステータ３０Ａのスロット数の２倍としたが、これに限らない。例えば、図７に示される磁気ギアードモータ１Ｂのように、複数の磁石３４の数は、ステータ３０Ｂのスロット数の３倍としてもよい。具体的には、ステータ３０Ｂのスロット数は２４であるので、７２個の磁石３４が用いられている。

この場合、図８に示すように、本変形例でも、ティース３１Ｂの磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ又は第２磁石３４ｂ）とは、交互に逆極性となるように周方向に配列されている。なお、本変形例において、第２ロータ２０は、７７個の磁極片２１を有しており、第２ロータ２０の極対数（Ｎｌ）は、７７である。

このように構成される磁気ギアードモータ１Ｂでは、ステータ３０Ｂの磁石３４による起磁力の次数を３倍にすることができる。具体的には、本変形例における磁気ギアードモータ１Ｂでは、ステータ３０Ｂの磁石３４による起磁力の次数（ステータ磁石起磁力次数）が７２次となる。これにより、第２ロータ２０の磁極片２１の極対数を大きくしてギア比を増加させることができるので、トルク密度を向上させることができる。具体的には、図７に示される構造の磁気ギアードモータ１Ｂでは、ギア比Ｇｒ（＝Ｎｌ／Ｎｈ）が１５．４となっている。

以上、本変形例に係る磁気ギアードモータ１Ｂでも、高いギア比を得ることができ、高トルクの磁気ギアードモータ１Ｂを実現することができる。

（実施例）
次に、図３に示される比較例の磁気ギアードモータ１Ｘを「比較例」とし、図１に示される磁気ギアードモータ１を「実施例１」とし、図５に示される磁気ギアードモータ１Ａを「実施例２」とし、図７に示される磁気ギアードモータ１Ｂを「実施例３」として、ステータに集中巻コイルを用いた１０極２４スロットモデルの磁気ギアードモータの性能について、シミュレーションによる検討を行った。以下、その検討結果について説明する。

上述のとおり、ステータに配置された磁石３４又は３４Ｘによる起磁力の次数（ステータ磁石起磁力次数）については、比較例では２４、実施例１では３６、実施例２では４８、実施例３では７２である。また、ギア比Ｇｒについては、比較例では５．８、実施例１では８．２、実施例３では１０．６、実施例３では１５．４である。

図９は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３の逆起電力定数（Ｂａｃｋ ＥＭＦ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を示す図である。図９に示すように、ギア比が増加するにしたがって、逆起電力定数が上昇することが分かる。

図１０は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３において、ステータ側のエアギャップの主磁束（５次）と変調波磁束とを示す図である。なお、図１０において、縦軸は、磁束密度（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）を示している。

図１０に示すように、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３のいずれにおいても、主磁束（５次）が発生しているとともに、各ステータ磁石起磁力次数に対応する高調波磁束が発生していることが分かる。

図１１は、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３において、変調波磁束（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ）と最大伝達トルク（Ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ）とを示す図である。なお、変調波磁束は、磁束密度で示している。

図１１に示すように、実施例１を除いて、変調波磁束の振幅と脱調トルクの大きさとには相関関係があることが分かる。

ここで、実施例１について、脱調トルクが低い要因について検討したところ、１つの磁石３４に対してステータ３０のステータコアの体積が大きく、磁極中心位置がずれて第１ロータ（高速ロータ）の変調波磁束とステータ３０の起磁力の位相とが一致していないことが原因であることを突き止めた。

そこで、図１２に示すように、実施例１の磁気ギアードモータ１において、磁石３４（ステータ磁石）の体積を調整して磁極中心位置を等間隔にした磁気ギアードモータ（実施例１’）を考えた。具体的には、実施例１’の磁気ギアードモータは、実施例１の磁気ギアードモータにおいて、第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂの幅を大きくし、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂと磁極部３１ａの幅をほぼ同じにした。この場合、実施例１における第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂの平面視の面積（ステータ磁石面積）は２６５ｍｍ^２であったが、実施例１’における第１磁石３４ａ及び第２磁石３４ｂの平面視の面積（ステータ磁石面積）は３１５ｍｍ^２であった。

このとき、実施例１と実施例１’とについての特性を図１３Ａ及び図１３Ｂに示す。図１３Ａは、実施例１及び実施例１’における主磁束（５次）と変調波磁束とを示す図である。図１３Ｂは、実施例１及び実施例１’における逆起電力定数と最大伝達トルクとを示す図である。

実施例１’の磁気ギアードモータは、第１ロータ１０（高速ロータ）の変調波磁束とステータ３０の起磁力の位相とが一致しているとともに、実施例１の磁気ギアードモータに比べて磁石３４（ステータ磁石）の体積が増加している。これにより、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、実施例１’の磁気ギアードモータでは、逆起電力定数が低下するが、脱調トルクを増加させることができる。

この結果をもとに、図１１において、実施例１を実施例１’に入れ替えてまとめ直すと、図１４Ａに示す結果が得られる。図１４Ａは、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３において、変調波磁束（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ）と最大伝達トルク（Ｍａｘｉｍｕｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ）とを示す図である。なお、変調波磁束は、磁束密度で示している。また、図１４Ｂは、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３において、最大伝達トルクと逆起電力定数とを示す図である。

図１４Ａに示すように、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３については、ギア比が増加するにしたがって、変調波磁束と最大伝達トルクが減少することが分かる。

また、図１４Ｂに示すように、比較例、実施例１’、実施例２及び実施例３については、ギア比が増加するにしたがって、逆起電力定数が上昇することも分かる。

次に、比較例、実施例１、実施例２及び実施例３の磁気ギアードモータに関して、具体的な極スロットの選定（絞り込み）の一例について、図１５、図１６及び図１７を用いて説明する。

なお、図１５、図１６及び図１７では、高速ロータ（第１ロータ１０）の磁石極数とステータ３０のスロット数との組み合わせを示しており、低速ロータ（第２ロータ２０）の磁極数は示していないが、低速ロータ（第２ロータ２０）の磁極数については、高速ロータ（第１ロータ１０）とステータ３０のスロット数とが決まれば決めることができるので、図示していない。また、図１５、図１６及び図１７において、空白欄は、そもそもモータとして成立しない組み合わせを示している。

まず、高速ロータ（第１ロータ１０）とステータ３０との幾何学対称性の有無については、図１５に示される結果となる。図１５において、「○」は、高速ロータ（第１ロータ１０）とステータ３０とが幾何学対称性を有しており、高速ロータが偏心することなく回転する組み合わせを示している。一方、「×」は、高速ロータ（第１ロータ１０）とステータ３０とが幾何学対称性を有しておらず、高速ロータが偏心して回転するおそれがある組み合わせを示している。

次に、ギア比が整数倍になると、磁束の短絡部が多くなってコギングトルクが発生するおそれがあるので、ギア比が整数倍となる組み合わせを「×」として図１５から除去すると、図１６に示す組み合わせに絞り込まれる。

そして、図１６で残った組み合わせ（図１６の「○」）について、巻線係数×ギア比（＝トルク）を算出すると、図１７に示す結果となる。

図１７に示す結果から、巻線係数×ギア比の値が大きい、１０極２４スロットと８極１８スロットを中心に検討すればよいことが分かる。

以上説明したように、実施例１、実施例１’、実施例２及び実施例３における磁気ギアードモータによれば、集中巻コイルを有するステータに配置された磁石３４（ステータ磁石）によって得られる起磁力を、比較例の磁気ギアードモータに対して、１．５倍（実施例１、１’）、２倍（実施例２）、３倍（実施例３）にすることができるので、高いギア比を有する磁気ギアードモータを実現することができる。また、高いギア比にすることによって、変調波磁束の振幅と脱調トルクとが低下するとともに、誘起電圧定数が向上することも確認できた。

（変形例）
以上、本開示に係る磁気ギアードモータについて、実施の形態１、２及び実施例に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態１、２及び実施例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態１では、隣り合う２つのティース３１の磁極部３１ａの極性が異なっているため、図１８の左図に示すように、ヨーク３２を介して磁束のループが生じている。このため、高速ロータである第１ロータ１０の磁束が磁石３４の磁束を強めることとなり、磁石３４によってティース３１に磁気飽和が生じやすくなる。そこで、図１８の右図に示されるステータ３０Ｃのように、スロット開口部３１ｃ（空隙）を磁性部材３５で埋めるとよい。これにより、磁性部材３５による磁束のパスを形成することができるので、ヨーク３２を通る磁束を低下させることができる。なお、磁性部材３５の別部品を用いてスロット開口部３１ｃを埋めるのではなく、隣り合う２つのティース３１同士を接続することでスロット開口部３１ｃを埋めてもよい。

また、上記実施の形態１において、スロット開口部３１ｃには２配向の複数の磁石３４を配置したが、これに限らない。例えば、スロット開口部３１ｃには２配向以上の複数の磁石３４を配置していてもよい。

また、上記実施の形態１、２及び実施例において、第１ロータ１０、第２ロータ２０及びステータ３０～３０Ｂは、この順で径方向内側から径方向外側に向かって配置されていたが、これに限らない。例えば、径方向内側から径方向外側に向かって、第１ロータ１０、ステータ３０～３０Ｂ及び第２ロータ２０の順で配置されていてもよいし、ステータ３０～３０Ｂ、第１ロータ１０及び第２ロータ２０の順で配置されていてもよいし、その他の順で配置されていてもよい。

また、上記実施の形態１、２及び実施例では、ステータ３０～３０Ｃの巻線コイル３３として集中巻コイルを用いたが、これに限らない。例えば、巻線コイル３３として、分布巻コイルを用いてもよい。

また、上記実施の形態１、２及び実施例において、極性が異なる境界部分にはフラックスバリアが設けられていてもよい。例えば、上記実施の形態１、２及び実施例において、磁極部３１ａと磁石３４（第１磁石３４ａ、第２磁石３４ｂ）との間にフラックスバリアが設けられていてもよい。また、上記実施の形態１において、第１磁石３４ａと第２磁石３４ｂとの間にもフラックスバリアが設けられていてもよい。なお、フラックスバリアは、隙間（空気層）であってもよいし、非磁性材料によって構成された充填部材等であってもよい。

その他、上記各実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示は、ＡＶＧ等をはじめとして種々の電気機器等に利用することができる。

１、１Ａ、１Ｂ 磁気ギアードモータ
１０ 第１ロータ
１１ 磁極対
１２ ロータコア
２０ 第２ロータ
２１ 磁極片
２２ ホルダ
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ ステータ
３１、３１Ａ、３１Ｂ ティース
３１ａ 磁極部
３１ｂ 凹部
３１ｃ スロット開口部
３２ ヨーク
３３ 巻線コイル
３４ 磁石
３４ａ 第１磁石
３４ｂ 第２磁石
３５ 磁性部材

Claims (9)

1. 複数のティースを有するステータと、
   前記ステータの起磁力により回転する第１ロータと、
   前記第１ロータよりも低速で回転する第２ロータとを備え、
   前記第１ロータ、前記第２ロータ及び前記ステータは、同軸で配置され、
   隣り合う２つの前記ティースの間に存在するスロット開口部の各々には、極性が異なる複数の磁石が配置されている、
   磁気ギアードモータ。
2. 前記複数のティースの各々は、径方向に突出する磁極部を有し、
   前記複数の磁石は、少なくとも第１磁石と第２磁石とを含み、
   前記磁極部と前記第１磁石と前記第２磁石とは、隣り同士が交互に逆極性となるように周方向に繰り返して配列されている、
   請求項１に記載の磁気ギアードモータ。
3. 前記第１磁石及び前記第２磁石の各々の数は、前記ステータのスロット数と同じである、
   請求項２に記載の磁気ギアードモータ。
4. 複数のティースを有し、起磁力を発生させるステータと、
   前記起磁力により回転する第１ロータと、
   前記第１ロータが回転することで、前記第１ロータよりも低速で回転する第２ロータとを備え、
   前記第１ロータ、前記第２ロータ及び前記ステータは、同軸で配置され、
   前記複数のティースの各々は、各々が径方向に突出する複数の磁極部を有し、
   前記ステータには、複数の磁石が配置され、
   前記複数の磁石は、隣り合う２つの前記ティースの間に存在するスロット開口部に配置された第１磁石と、前記複数のティースの各々において、隣り合う２つの前記磁極部の間に配置された第２磁石とを含み、
   前記第１磁石と前記第２磁石とは、同じ極性となるように周方向に配列されている、
   磁気ギアードモータ。
5. 前記複数の磁石の数は、前記ステータのスロット数の２倍である、
   請求項４に記載の磁気ギアードモータ。
6. 前記複数の磁石の数は、前記ステータのスロット数の３倍である、
   請求項４に記載の磁気ギアードモータ。
7. 前記第１ロータ、前記第２ロータ及び前記ステータは、この順で径方向内側から径方向外側に向かって配置されており、
   前記第１ロータは、周方向に配置された複数の磁極対を有し、
   前記第２ロータは、前記磁極対と対向し、かつ、周方向に配置された複数の磁極片を有し、
   前記複数のティースは、前記複数の磁極片と対向している、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気ギアードモータ。
8. 前記ステータは、巻線コイルを有し、
   前記複数のティースの各々は、前記巻線コイルの通電により磁力を発生させる電磁石である、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の磁気ギアードモータ。
9. 前記巻線コイルは、集中巻コイルである、
   請求項８に記載の磁気ギアードモータ。

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