JP7412568B2 - 磁束変調型磁気歯車 - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1の磁束変調型磁気歯車の回転軸に沿った断面図である。なお、この後の図中の同一符号は、各々同一または相当部分を示している。
図1は、本願の対象とする磁束変調型磁気歯車の概略的な構成を示している。ここに示す磁束変調型磁気歯車は、ラジアル型の磁束変調型磁気歯車である。
固定子5は、円環状に等間隔に配置された磁性材料からなる24個のポールピース4と、ポールピース4を固定するためにポールピース4間の隙間を埋める非導電材料からなる固定部10を有する。
第1の回転子1の第1の永久磁石102は、互いに隣接する2つの永久磁石で1つの磁極を構成し、第1の磁気的空隙部11に磁束が向かう方向に着磁されており、かつ磁性は隣接する磁極毎に逆転するように配置されている。
第1の永久磁石102は、第1の回転子1の1つの磁極を構成する第1の永久磁石102の、第1の磁気的空隙部11に最も近い点Bを通り、第1の回転子1の回転中心(第1の回転軸2の中心が該当)を原点とする円弧Xよりも、永久磁石は磁気的空隙部から遠ざかる方向に配置されている。すなわち、第1の永久磁石102は、第1の回転子1の外周面から点Bの位置よりも第1の回転軸2の方向に埋め込まれている。
言い換えれば、第1の回転子1には、第1の永久磁石102を収納する第1の空孔部104が設けられ、この第1の空孔部104の中に収納された第1の永久磁石102は端部に第1の空洞部103の空間が残っているということである。同様に、第2の回転子3も、第2の空孔部304を有し、第2の空孔部304の中に第2の永久磁石302を収納し、第2の永久磁石302の端部に第2の空洞部303の空間が残っているということである。
さらに、平板形状の永久磁石を使用し、平板磁石の向きと、回転軸中心からみた磁極中心を示す線分となす角度θとの関係がθ<90°の関係を満たすようにすることで、磁石の使用量を増やしながらも、製造コストの低い平板形状の磁石を使用することができ、製造コストを抑制が期待できる。
図5は、実施の形態2における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。この実施の形態2においては、実施の形態1の第2の回転子3の第2の永久磁石302の配置を変更したものである。
この図5に示すように、第2の永久磁石302は、周方向の磁化となるよう埋め込まれている。その他の構成は実施の形態1と同様である。磁化の方向が第2の回転子3の周方向となるように複数の第2の永久磁石302を配置することによって、第2の磁気的空隙部12に磁束を集中させる磁路を構成する。これによって、磁束利用率を向上させ、かつ隣接する永久磁石との距離が離れることによって、容積の大きな永久磁石を使用できることから、磁石使用量の増加を自由に設定でき、設計の自由度を向上させることができる。
図6は、実施の形態3における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。この実施の形態3においては、実施の形態1の第2の回転子3の第2の永久磁石302を変更したものである。第2の回転子3の第2の永久磁石302は、1磁極あたり2個の永久磁石を使用する構成として、1磁極を構成する2個の第2の永久磁石302はともに第2の磁気的空隙部12の方向に磁化されており、隣接する磁極は磁化方向が反転している。
その他の構成は実施の形態1と同様である。第2の回転子3の第2の永久磁石302の磁石使用量を、第1の回転子1と同様に増加させることができる。また、第2の回転子3の第2の永久磁石302の減磁耐力についても向上が図られる。
図7は、実施の形態4における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。第1の回転子1の第1の永久磁石102は、1磁極あたり1個の磁石で構成されており、磁極の中心付近で第1の磁気的空隙部11から遠ざかる方向に曲がり部106を有する構造である。この曲がり部106の構成により、永久磁石の使用個数を抑えながらも実施の形態1と同様の効果が得られる。第1の回転子1の永久磁石材料として、形状の設計自由度が高いボンド磁石を用いることができる。その他の構成は実施の形態1と同様である。また、この第1の回転子1の構成を、実施の形態2または実施の形態3の第2の回転子3の構成と組み合わせて実施することによって相乗効果を期待できる。
図8は、実施の形態5における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。
図に示すように、第1の回転子1の第1の永久磁石102は、1極あたり3個の平板形状磁石で構成されており、内2個は磁極中心に対し90°未満の角度で対称に埋め込まれ、残りの1個は磁極中心に対し垂直かつ対称に埋め込まれている。
図9は、実施の形態6における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。
この実施の形態6においては、ポールピース4は何らかの外力で回転させる構成をとられており、かつ第2の回転子3は固定されている。第2の回転子3は回転しないため、ここでは外側磁極構造31と言い換えることとする。
このように外側磁極構造31が固定であることにより、冷却機構を付加することが容易にでき、磁石の熱減磁のリスクを低減することができる。
また、第1の回転子の永久磁石が6極であるのに対し、外側磁極構造31は、22極であり、ポールピース4は14個の構成である。その他の構成は、実施の形態1と同様である。
さらに、第1の回転子1の極数と外側磁極構造31の極数の比は整数とはならず、既約分数で表される。このとき磁気歯車の原理より、第1の回転子1と外側磁極構造31との起磁力の相互作用に起因するコギングトルクの次数は、第1の回転子1の極数と外側磁極構造31の極数の最小公倍数で表される。
また、コギングトルクの次数が大きいことは、磁気エネルギーの変動の次数が大きく、すなわち表皮効果により鉄芯材料に浸透する高調波磁束の表皮深さが小さくなることを意味する。これにより、鉄芯を介して磁石を通過する高調波磁束量を減らすことができ、永久磁石を鉄心に埋め込むこととの相乗効果により、減磁耐力を向上できる。
同様に実施の形態6では、第1の回転子1の磁極数が6極、第2の回転子3の磁極数が22極、ポールピース4が14個の場合を示したが、第1の回転子1の極数と外側磁極構造31の極数の比は整数とはならず、既約分数で表され、かつ極数とポールピース4の数の組み合わせがこれと異なる場合についても同様の効果が得られる。
また、以上の実施の形態では1磁極あたりの磁石の個数が1個、2個および3個の場合を示したが、4個以上の場合においても同様の効果が得られる。
また、以上の実施の形態1~5では永久磁石を有する少極ロータと多極ロータが回転自由であって、ポールピース4が固定されている場合を示したが、実施の形態6と同様にポールピース4を何らかの外力で回転させる構成を採ることによって、内外二つの回転子とポールピースの円環部材との回転速度関係を設定することによって、機械式の遊星歯車の関係を実現することができる。さらに、少極ロータまたは多極ロータが固定されていてもよい。
また、以上の実施の形態では磁気的空隙部が回転軸に対し平行なラジアル型の場合の磁束変調型磁気歯車の場合を示したが、磁気的空隙部が回転軸に対し垂直なアキシャル型としても、同様の効果が得られる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (9)
- ポールピースが円環状に設けられた円環部材、前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の内側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第1の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第1の回転子、および前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の外側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第2の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第2の回転子を備えたものにおいて、前記第1の回転子の内部に、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して予め定めた角度に傾斜して前記第1の永久磁石を収納する第1の空孔部を備えたことを特徴とする磁束変調型磁気歯車。
- 前記第1の空孔部は前記第1の永久磁石の端部に空洞部を有することを特徴とする請求項1に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 複数の前記第1の永久磁石によって、中央部分が前記第1の回転子の回転中心の方向にV字状に配置された磁極が構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第2の回転子の一つの磁極が複数の前記第2の永久磁石によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第1の回転子の一つの磁極に対応して、予め定められた間隔で設けられた複数の前記第1の空孔部のそれぞれに前記第1の永久磁石が収納されていることを特徴とする請求項2に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第1の回転子の前記第1の空孔部と隣接する空孔部との間の周方向のブリッジの厚さ寸法が、前記第2の回転子の前記第2の永久磁石を収納する第2の空孔部と隣接する空孔部との間の周方向のブリッジの厚さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第1の空孔部に収納された前記第1の永久磁石が平板形状であって、前記第1の永久磁石を、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して90°未満の角度で対称に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第2の回転子が固定されており、前記ポールピースは回転自由であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の磁束変調型磁気歯車。
- 前記第1の回転子の極数と、前記第2の回転子の極数との最大公約数が2であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の磁束変調型磁気歯車。
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