JPWO2015053005A1

JPWO2015053005A1 - 磁気歯車装置

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Publication number: JPWO2015053005A1
Application number: JP2015541474A
Authority: JP
Inventors: 弘光大橋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: WO2015053005A1; US20160241123A1; JP6213573B2; US10050510B2

Abstract

同軸上での回転可能に支持された円筒形の外側回転子、内側回転子と、両回転子間に介在する円筒形の固定子とを備え、外側回転子の内周に等配された複数の磁石と、内側回転子の外周に等配された複数の磁石と、固定子の周方向に等間隔を隔てて並設した複数の磁性体との相互作用により外側回転子と内側回転子との間で回転トルクを伝達する構成において、固定子の軸長方向に延びる棒状の磁性体を使用し、夫々の磁性体を、軸長方向の一端と他端との間で、周方向の並設ピッチの１／１２〜１／４に相当する周方向の位置ずれ量を有してスキュー配置する。この配置により、コギングトルクを有効に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現できる。

Description

本発明は、磁気を利用して非接触で動力を伝達する磁気歯車装置に関する。

近年、回転軸間での動力伝達手段として磁気歯車装置が着目されている。磁気歯車装置は、共に円筒形をなす内側磁石筒、外側磁石筒及び磁性体筒を、両磁石筒間に磁性体筒を介在させて同軸上に支持して構成されている。内側磁石筒の外周と外側磁石筒の内周とには、軸長方向に延びる棒状の磁石が夫々複数等配されている。磁性体筒は、複数の棒状の磁性体を周方向に等間隔を隔てて並べ、これらを相互間に配した非磁性の保持体で保持して構成されている。内側磁石筒及び外側磁石筒の磁石の等配数は相互に異なり、夫々の磁石は、異なる磁極が周方向に相隣するように着磁されている。また、磁性体筒の磁性体の並設数は、両磁石筒の磁石の数の夫々と異ならせてある。

磁気歯車装置は、例えば、内側磁石筒と外側磁石筒とを回転自在に支持された回転子とし、磁性体筒を回転不可に支持された固定子とし、内側回転子及び外側回転子の一方の起磁力が固定子に設けた磁性体により変調されて他方の回転子に異なる波形の起磁力を与えることにより、両回転子及び夫々と一体回転する回転軸間にて変速（減速、増速）下での動力（回転トルク）伝達を行わせるように使用される。

磁気歯車装置は、非接触での動力伝達が可能であり、動作時の振動、騒音の発生を低く抑えることができ、また潤滑が不要でメインテナンス性に優れる等の利点を有している。また、内側、外側回転子の磁石、及び固定子の磁性体の並設数の選定により、変速比及び回転方向を適宜に設定することができる。更に、近年では、希土類鉄ホウ素系磁石等の強い磁力を適用することにより高いトルク密度（サイズ当たりの最大伝達トルク）を得ることが可能となっている。このような事情により、磁気歯車装置は、機械的に噛合する複数の歯車により変速伝動を実現する各種の歯車装置との置き換え使用が切望されている。

ところが、磁気歯車装置のトルク伝動においては、磁石筒としての内側回転子と外側回転子との相対回転に伴って両回転子の磁石間の吸引力が逐次変化することによりコギングトルクが発生し、回転軸間の伝達トルクが周期的に変動するという問題がある。このトルク変動は、動力伝達手段として好ましくない現象であり、磁気歯車装置の実用化においては、コギングトルクの低減が重要な課題となっている。

特許文献１には、磁性体筒として構成された固定子の磁性体（磁性歯部）を、該固定子の軸長方向に対してスキューした状態で設けることによりコギングトルクを低減できることが開示されており、また非特許文献１には、磁石筒として構成された内側回転子（高速ロータ）の磁石を２段階にスキューして設けることによりコギングトルクの低減を図ったことが開示されている。

特開２０１３−４７５４６号公報

新口昇、外２名、「表面磁石型磁気減速機の伝達トルク特性に関する研究、日本電気学会論文誌Ｄ、１３１巻３号、２０１１年、ｐ３９６−４０２

しかしながら特許文献１の開示は、磁性歯部をスキュー配置することに止まっており、コギングトルクの有効な低減のためにどの程度のスキュー（量、角度）が必要であるかについては言及されていない。

また非特許文献１においては、高速ロータの磁石のスキュー配置がコギングトルクの低減に効果があることが理論的に述べられているが、２段階のスキュー配置によるコギングトルクの低減効果については限定的であったとされ、有効なコギングトルクの低減対策については開示されていない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、コギングトルクを有効に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現できる磁気歯車装置を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気歯車装置は、外周に複数の磁石を並設してある円筒形の内側磁石筒、内周に複数の磁石を並設してある円筒形の外側磁石筒、及び周方向に等間隔を隔てて複数の磁性体を並設してある円筒形の磁性体筒を、該磁性体筒を前記内側磁石筒と前記外側磁石筒との間に介在させて同軸上に支持し、前記内側磁石筒、外側磁石筒及び磁性体筒のいずれか２つを回転子とし、残りの１つを固定子として回転トルクを伝達する磁気歯車装置において、前記磁性体は、前記磁性体筒の軸長方向に延びる棒状をなし、軸長方向の一端と他端との間で、周方向の並設ピッチの１／１２〜１／４に相当する周方向の位置ずれ量を有してスキュー配置してあることを特徴とする。

本発明においては、磁性体筒に並設された磁性体をスキュー配置する構成において、スキュー量を種々に変更してコギングトルクの低減効果について検証し、その結果に基づいて、磁性体の軸長方向の一端と他端との間の周方向の位置ずれ量を、磁性体筒の周上での磁性体の並設ピッチ１／１２〜１／４とすることにより、トルク密度の低下を抑えた上でコギングトルクの効果的な低減を達成する。

また本発明に係る磁気歯車装置は、外周に複数の磁石を並設してある円筒形の内側磁石筒、内周に複数の磁石を並設してある円筒形の外側磁石筒、及び周方向に等間隔を隔てて複数の磁性体を並設してある円筒形の磁性体筒を、該磁性体筒を前記内側磁石筒と前記外側磁石筒との間に介在させて同軸上に支持し、前記内側磁石筒、外側磁石筒及び磁性体筒のいずれか２つを回転子とし、残りの１つを固定子として回転トルクを伝達する磁気歯車装置において、前記磁性体は、前記磁性体筒の軸長方向に対して平行に延びる棒状をなしており、前記内側磁石筒及び外側磁石筒の磁石は、軸長方向の一端と他端との間で夫々の周方向に同じ向きの位置ずれを有してスキュー配置してあることを特徴とする。

本発明においては、内側磁石筒の磁石をスキュー配置すると共に、外側磁石筒の磁石も同じ向きにスキュー配置する構成により、コギングトルクの低減を図る。

更に本発明に係る磁気歯車装置は、前記内側磁石筒及び外側磁石筒の磁石の位置ずれ量が、前記磁性体筒の周上での前記磁性体の並設ピッチの１／１２〜１／４に設定してあることを特徴とする。

本発明においては、内側、外側磁石筒の磁石の適正なスキュー量について検証し、その結果に基づいて、夫々の磁石の位置ずれ量を磁性体筒の周上での磁性体の並設ピッチの１／１２〜１／４とすることにより、トルク密度の低下を伴わずにコギングトルクの効果的な低減を達成する。

本発明に係る磁気歯車装置においては、磁性体筒に並設された磁性体、又は内側、外側磁石筒に等配された磁石を、検証結果に基づいて適正にスキュー配置したから、高いトルク密度を確保しながらコギングトルクを有効に低減し、小さいトルク変動下での安定した動力伝達を実現することが可能となる。

実施の形態１に係る磁気歯車装置を略示する縦断面図である。図１のII−II線による横断面図である。固定子を略示する外観斜視図である。スキュー配置によるコギングトルクの低減効果の説明図である。スキュー量と伝達トルクの関係を示す図である。実施の形態２に係る磁気歯車装置を略示する縦断面図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、実施の形態１に係る磁気歯車装置を略示する縦断面図、図２は、図１のII−II線による横断面図である。図示の磁気歯車装置は、円筒形をなす外側回転子１及び内側回転子２をハウジング３の内部に備えている。

外側回転子１は、一側に設けた底板１１に同軸的に突設した回転軸１２を有しており、該回転軸１２をハウジング３の一側端壁に軸受１３を介して支持している。外側回転子１の内周には、軸長方向に延びる棒状の磁石１０が、周方向に等配をなして複数並設されている。図２に示す磁石１０の数は１６個であり、各磁石１０は、外側回転子１の径方向に夫々着磁され、異なる磁極が周方向に相隣するように配置されている。

内側回転子２は、内周に同軸的に嵌合固定された回転軸２１を有しており、該回転軸２１の一側を外側回転子１の底板１１の中心部に軸受２２を介して支持し、同じく他側をハウジング３の他側端壁に軸受２３を介して支持している。このように支持された内側回転子２は、外側回転子１の内側に同軸的に配置され、回転軸２１と共に軸心回りに回転可能である。軸受２２は、外側回転子１の支持機能を兼ねており、外側回転子１は、両側の軸受１３、２２の作用により内側回転子２との同軸性を保ち、回転軸１２と共に軸心回りに回転可能である。

内側回転子２の外周には、軸長方向の全長に亘る棒状の磁石２０が、周方向に等配をなして複数並設されている。図２に示す磁石２０の数は８個であり、外側回転子１の磁石１０の数と異ならせてある。各磁石２０は、内側回転子２の径方向に夫々着磁され、外側回転子１の磁石１０と同様、異なる磁極が周方向に相隣するように配置されている。

外側回転子１の内周に等配された磁石１０，１０…と内側回転子２の外周に等配された磁石２０，２０…とは、径方向に適宜の間隔を隔てて対向しており、これらの対向部間に円筒形の固定子４が同軸をなして配置されている。図２に示す如く固定子４は、複数の磁性体４０を周方向に等間隔を隔てて並べ、これらの磁性体４０を相互間に配した非磁性の保持体４１で保持して構成されている。図２に示す磁性体４０の数は２４個であり、外側回転子１の磁石１０及び内側回転子２の磁石２０の数と夫々異ならせてある。

図１、２に示す如く、固定子４の外周は、外側回転子１の内周に等配された磁石１０と微小な隙間を隔てて対向し、同じく内周は、内側回転子２の外周に等配された磁石２０と微小な隙間を隔てて対向する。このような固定子４は、図１に示す如く、ハウジング３の他側端壁（回転軸２１の支持側の端壁）に一体に固設してもよく、またハウジング３とは別体に設け、外側回転子１及び内側回転子２との同軸性が保てるように他端壁に固定してもよい。

図３は、固定子４を略示する外観斜視図である。本図に示す如く、各磁性体４０は、固定子４の軸長方向に延びる棒状をなしており、軸長方向に対して平行ではなく、軸長方向の一端と他端との間で周方向に所定の位置ずれ量を有してスキュー配置されている。各磁性体４０の位置ずれ量Ｘは、固定子４の周方向に並ぶ磁性体４０，４０…の並設ピッチＰを基準として定めてあり、図３に示す固定子４において各磁性体４０の位置ずれ量Ｘは、並設ピッチＰの略１／４に設定してある。

以上の如く構成された磁気歯車装置は、例えば、ハウジング３の一側に突出する回転軸１２の軸端を適宜の回転負荷に連結し、他側に突出する回転軸２１の軸端をモータ等の回転駆動源に連結して、回転駆動源の回転トルクを回転負荷に伝動する動力伝達手段として使用される。内側回転子２は、回転駆動源からの伝動により回転軸２１と共に回転する。内側回転子２が回転した場合、外周に等配された磁石２０，２０…が固定子４に並設された磁性体４０，４０…を順次横切るように相対回転し、各磁石２０の磁力が磁性体４０，４０…により変調されて外側回転子１の内周に並設された磁石１０，１０…に異なる波形の起磁力を与え、内側回転子２の回転が外側回転子１に伝えられる。

図示の磁気歯車装置においては、図２中に矢符により示す如く、外側回転子１は、内側回転子２と逆向きに、内側回転子２よりも低速度で回転し、回転駆動源から回転負荷への減速伝動が実現される。磁気歯車装置は、回転軸１２を回転駆動源に連結し、回転軸２１を回転負荷に連結して使用することもでき、この場合、回転駆動源から回転負荷への増速伝動が実現される。

なお、回転軸１２、２１の回転方向、及び回転軸１２、２１間の変速比（減速比又は増速比）は、外側回転子１の磁石１０及び内側回転子２０の磁石２０の等配数、並びに固定子４の磁性体４０の並設数の組み合わせにより適宜に設定することができる。また、外側回転子１の磁石１０，１０…及び内側回転子２の磁石２０，２０…として、希土類鉄ホウ素系磁石等の強い磁力を有する磁石を使用し、これらの磁石１０、２０と固定子４に並設された磁性体４０，４０…との間の隙間を可及的に小さくすることにより、高いトルク密度を確保することができる。

固定子４における前述した磁性体４０，４０…のスキュー配置は、以上の如き回転伝動に際し、外側回転子１と内側回転子２との相対回転に伴うコギングトルクを低減し、回転軸１２（又は回転軸２１）に取り出される出力トルクの変動を小さくする作用をなす。

図４は、スキュー配置によるコギングトルクの低減効果の説明図であり、回転軸２１に一定の回転トルクを入力した場合に回転軸１２に出力される出力トルクの測定結果を示している。図４の横軸は、回転軸１２の回転角度を、縦軸は、出力トルクを示す。

図４中の実線は、磁性体４０，４０…がスキュー配置されていない場合、即ち、磁性体４０，４０…が固定子４の軸長方向と平行に配置された場合の測定結果を示し、同じく破線は、図３に示すスキュー配置がなされた場合の結果を示している。両者の比較により、回転軸１２の出力トルクは、実線で示すスキュー配置なしの場合、回転角度の変化に応じ大きく変動しているのに対し、破線で示すスキュー配置ありの場合、出力トルクの変動幅が小さくなっており、磁性体４０，４０…のスキュー配置がコギングトルクの低減に有効であり、トルク変動の小さい安定した伝動を実現し得ることがわかる。なお、破線により示す出力トルクは、実線により示す出力トルクよりも全体に亘って若干小さく、スキュー配置によりトルク密度が低下することもわかるが、この低下量は軽微である。

図４中の一点鎖線は、外側回転子１の磁石１０，１０…を磁性体４０，４０…と同様にスキュー配置した場合の結果を、二点鎖線は、内側回転子２の磁石２０，２０…を同じくスキュー配置した場合の結果を夫々示している。これらの結果から、磁石１０又は２０のスキュー配置もコギングトルクの低減に所定の効果があることがわかるが、更に、外側回転子１の磁石１０，１０…及び内側回転子２の磁石２０，２０…の両方を互いに同向きにスキュー配置することにより、固定子４の磁性体４０，４０…をスキュー配置した場合と同等の変動幅でのトルク伝動が可能となることも確かめられており、本願発明は、磁性体４０，４０…のスキュー配置だけでなく、外側回転子１の磁石１０，１０…及び内側回転子２の磁石２０，２０…を同向きにスキュー配置した構成を含む。なおこの場合、磁性体４０，４０…は、固定子４の軸長方向と平行にスキューさせないで配置する。

図５は、スキュー量と伝達トルクの関係を示す図であり、図４と同様、回転軸２１に一定の回転トルクを入力した場合に回転軸１２に出力される出力トルクの測定結果を示している。図５の横軸は、回転軸１２の回転角度を、縦軸は、出力トルクを夫々示す。

図５中のＡ〜Ｆは、磁性体４０の軸長方向の一端と他端との間での周方向の位置ずれ量（以下、スキュー量Ｘという）を種々に変更した場合の結果を示しており、図中のＡは、磁性体４０の並設ピッチＰに対するスキュー量Ｘの比率（＝Ｘ／Ｐ）が１／３２である場合の結果を、図中のＢ〜Ｆは、Ｘ／Ｐが、１／１６、１／１２、１／８、１／４、１／２である場合の結果を夫々示している。

本図を参照すると、スキュー量Ｘが小さいＡ、Ｂの場合、コギングトルクの低減効果が限定的であるのに対し、スキュー量Ｘが大きく、Ｘ／Ｐを１／１２以上としたＣ〜Ｆの場合、コギングトルクの低減効果が大きく、出力トルクの変動幅が大幅に小さくなることが明らかである。コギングトルクの低減効果は、特に、Ｘ／Ｐを１／８以上としたＤ〜Ｆの場合に顕著である。一方、Ｘ／Ｐを１／２としたＦにおいては、出力トルクが全体的に大きく低下しており、トルク密度の低下を伴うという問題がある。

以上の結果から、磁性体４０，４０…のスキュー量Ｘ（軸長方向の一端と他端との間での周方向の位置ずれ量）は、磁性体４０，４０…の並設ピッチＰの１／１２〜１／４（より望ましくは１／８〜１／４）とするのが適切であり、この条件下でのスキュー配置により、トルク密度の低下を抑えた上でコギングトルクの効果的な低減を達成することができ、小さいトルク変動下にて高いトルク密度での動力伝達を行わせることができる。

同様の結果は、外側回転子１の磁石１０，１０…及び内側回転子２の磁石２０，２０…を同向きにスキュー配置する前述した構成においても得られており、磁石１０，１０…及び磁石２０，２０…のスキュー配置においても、固定子４における磁性体４０、４０…の並設ピッチを基準とし、この並設ピッチの１／１２〜１／４に相当するスキュー量とするのが望ましい。

以上の実施の形態１においては、外側回転子１、内側回転子２が、外側磁石筒、内側磁石筒を夫々構成し、固定子４が磁性体筒を構成しているが、これらの構成は適宜に変更することができる。図６は、実施の形態２に係る磁気歯車装置を略示する縦断面図であり、本図において内側回転子２は、実施の形態１と同様、外周に複数の磁石２０を等配して内側磁石筒を構成している一方、外側回転子１は、複数の磁性体１４を周方向に等間隔を隔てて並べ、相互間に配した非磁性の保持体（図示を省略する）で保持し磁性体筒を構成している。更に、固定子４は、ハウジング３の内周に複数の磁石４２を等配して外側磁石筒を構成している。外側回転子１及び内側回転子２の支持構造は、実施の形態１と同様であり、対応する構成部材に図１と同一の参照符号を付して説明を省略する。

図６に示す磁気歯車装置においては、内側磁石筒としての内側回転子２と、外側磁石筒としての固定子４と、これらの間に介在する磁性体筒としての外側回転子１とが同軸的に支持された構成となっており、例えば、回転軸２１に加わる回転トルクの作用により内側回転子２が回転した場合、外周に等配された磁石２０，２０…が外側回転子１に並設された磁性体１４，１４…を順次横切るように相対回転し、各磁石２０の磁力が磁性体１４，１４…により変調されて固定子４の磁石４２，４２…に異なる波形の起磁力を与え、内側回転子２の回転トルクが外側回転子１に伝わり、該外側回転子１の回転軸１２に取り出される。

この実施の形態２においても、実施の形態１と同様、外側回転子１に並設された磁性体１４，１４…を並設ピッチの１／１２〜１／４に相当するスキュー量にてスキュー配置することにより、コギングトルクを低減することができる。また内側回転子２に等配された磁石２０，２０…及び固定子４に等配された磁石４２，４２…を同じ向きにスキュー配置し、夫々のスキュー量を、磁性体１４，１４…の並設ピッチの１／１２〜１／４に設定することによってもコギングトルクを低減することができる。

実施の形態２においては、内側磁石筒と磁性体筒とを回転子とし、外側磁石筒を固定子としてあるが、内側磁石筒を固定子とし、外側磁石筒と磁性体筒とを回転子とする構成であってもよい。

なお、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等な意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１外側回転子
２内側回転子
４固定子
１０磁石
１２回転軸
２０磁石
２１回転軸
４０磁性体

Claims

外周に複数の磁石を並設してある円筒形の内側磁石筒、内周に複数の磁石を並設してある円筒形の外側磁石筒、及び周方向に等間隔を隔てて複数の磁性体を並設してある円筒形の磁性体筒を、該磁性体筒を前記内側磁石筒と前記外側磁石筒との間に介在させて同軸上に支持し、前記内側磁石筒、外側磁石筒及び磁性体筒のいずれか２つを回転子とし、残りの１つを固定子として回転トルクを伝達する磁気歯車装置において、
前記磁性体は、前記磁性体筒の軸長方向に延びる棒状をなし、軸長方向の一端と他端との間で、周方向の並設ピッチの１／１２〜１／４に相当する周方向の位置ずれ量を有してスキュー配置してあることを特徴とする磁気歯車装置。
外周に複数の磁石を並設してある円筒形の内側磁石筒、内周に複数の磁石を並設してある円筒形の外側磁石筒、及び周方向に等間隔を隔てて複数の磁性体を並設してある円筒形の磁性体筒を、該磁性体筒を前記内側磁石筒と前記外側磁石筒との間に介在させて同軸上に支持し、前記内側磁石筒、外側磁石筒及び磁性体筒のいずれか２つを回転子とし、残りの１つを固定子として回転トルクを伝達する磁気歯車装置において、
前記磁性体は、前記磁性体筒の軸長方向に対して平行に延びる棒状をなしており、
前記内側磁石筒及び外側磁石筒の磁石は、軸長方向の一端と他端との間で夫々の周方向に同じ向きの位置ずれを有してスキュー配置してあることを特徴とする磁気歯車装置。
前記内側磁石筒及び外側磁石筒の磁石の位置ずれ量は、前記磁性体筒の周上での前記磁性体の並設ピッチの１／１２〜１／４に設定してあることを特徴とする請求項２に記載の磁気歯車装置。