JPWO2019022100A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、第１ロータおよび第２ロータは、永久磁石または電磁石で構成されており、巻線は、第１ロータおよび第２ロータに電磁力トルクを発生し、電磁力トルクは、第１ロータの回転によって第２ロータに磁気伝達されるか、または第２ロータの回転によって第１ロータに磁気伝達され、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータに、電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される。

Description

本発明は、磁気減速機構を用いた回転電機に関する。

特許文献１と非特許文献１には、磁気伝達機構を用いた回転電機機構が開示されている。この回転電機機構は、径方向内側より永久磁石を有する第１ロータと、磁極片を有する第２ロータと、巻線を有する固定部がそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されたものである。固定部巻線に３相電流を印可することで第１ロータを駆動させ、第１ロータの回転によって、第２ロータに磁気減速機の反力トルクが発生する。これによって、機械的接触を伴わず、低振動・低騒音・高伝達効率であり、かつ磁気減速機と回転電機を一体化させることでシステムとして小型又は高出力を得ることが可能となる。また、許容トルクを超える場合には磁気的にスリップが生じることでトルクリミッタとしての作用も備えている。

特許第５２０４０９４号公報

新口昇、平田勝弘著「新しい磁気ギアードモータ」日本ＡＥＭ学会誌、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．２(２０１３)、ｐ．１１０−１１５

特許文献１および非特許文献１は、固定部の巻線の回転磁界で発生することができるトルクは一方のロータに対してのみであり、発生したトルクをもう一方のロータに減速伝達している。

本発明は、省資源化や低コスト化のための回転電機の小型化、限られたスペースでの出力向上のための回転電機の高出力化を実現することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本開示の一態様における回転電機は、径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記第１ロータおよび前記第２ロータは、永久磁石または電磁石で構成されており、前記巻線は、前記第１ロータおよび前記第２ロータに電磁力トルクを発生し、前記電磁力トルクは、前記第１ロータの回転によって前記第２ロータに磁気伝達されるか、または前記第２ロータの回転によって前記第１ロータに磁気伝達され、前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータに、前記電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳されることを特徴とするものである。

本発明によれば、回転電機の高出力密度化が可能となる。

例えば、省資源化や低コスト化のための回転電機の小型化、限られたスペースでの出力向上のための回転電機の高出力化に対して、固定部の巻線の回転磁界によって２つのロータにトルクを発生させ、さらに一方のロータに発生したトルクをもう一方のロータに減速伝達できるという効果が奏され、本発明の回転電機は有益である。

図１は、従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。 図２は、従来の高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態を示す回転電機の構成図で、(Ａ)は斜面図、(Ｂ)は磁気回路の平面がわかる断面図である。 図４は、本発明の各ロータを回転させたときの固定部巻線に発生する誘起電圧の解析結果を示す図である。 図５は、本発明の２つのロータ角度(位相)差によって発生する伝達トルクの解析結果を示す図である。 図６は、本発明のコイルに３相正弦波電流を印加したときのトルクの解析結果を示す図である。 図７は、本発明の一実施形態で動作検証したときの２つのロータの発生トルクを示す図である。 図８は、本発明の一実施形態で動作検証したときの２つのロータの回転角を示す図である。

図１、図２は、従来の磁気減速機構の構造及び減速原理を説明するための図である。まず、これらの図を参照して減速原理について説明する。

図１において、従来の磁気減速機構は、中央の高速ロータ１００と、中間の固定部２００と、最外周の低速ロータ３００とが所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部は軸方向に所定長を有する。高速ロータ１００は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるものであり、磁性材料からなる例えば軸状（あるいは円筒状でもよい）の鉄心と、鉄心の外周に周方向に均等にＮ極、Ｓ極が交互に配置された永久磁石からなる磁極対１０２とで構成されている。図１の例では極対数は２個である。固定部２００は、磁極対１０２の外周に対向して円周上に所定ピッチを置いて複数配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片２０１を有する。磁極片２０１は、縦断面が略矩形で径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３００は、磁性材料からなる環状体３０１と、環状体３０１の内周に周方向にＮ極、Ｓ極交互に複数配置された永久磁石からなる磁極３０２とから構成されている。

次に、図２において、今、高速ロータ１００の回転方向θに対する永久磁石（図２（Ａ）参照）による起磁力分布Ｆ（θ）を、図２（Ｂ）に示すように、正弦波と仮定すると、Ｆ（θ）＝ＡｓｉｎＮ_ｈθ（但し、Ｎ_ｈは高速ロータ１００の極対数。Ａは係数）と置くことができる。また、図２（Ｃ）に示す固定部２００の磁極片２０１の径方向外周での（磁束の通り易さを示す）パーミアンス分布Ｒ（θ）も、図２（Ｄ）のような正弦波と仮定すると、Ｒ（θ）＝Ｒ_Ｏ＋Ｒ_ａｓｉｎＮ_Ｓθ（但し、Ｎ_Ｓは固定部の磁極片の数。Ｒ_Ｏ、Ｒ_ａはそれぞれ係数）と置くことができる。

したがって、固定部の磁極片の外周に発生する磁束φ（θ）は、下記式（１）のように表される。

式（１）において、第１項中のＮ_ｈは、高速ロータ１００の極対数Ｎ_ｈと同一成分である。第２項中の、Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈとＮ_Ｓ＋Ｎ_ｈとは、高調波成分である。すなわち、固定部の磁極片の外周に発生する磁束φ（θ）は、Ｎ_ｈの基本成分（主成分）の他に、Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈとＮ_Ｓ＋Ｎ_ｈとの２種類の高調波成分があることが判る。

次に、固定部を固定したまま、高速ロータ１００をΔθだけ回転させた場合を考えると、この時の起磁力分布はＦ（θ＋Δθ）となり、一方、パーミアンス分布は固定部が回転しないため、Ｒ（θ）である。そして、高速ロータがΔθ回転した時点の固定部の磁極片の外周の磁束φ（θ＋Δθ）は、下記式（２）のように表される。

式（２）において、磁束φ（θ＋Δθ）の第１項中のＮ_ｈは、（θ＋Δθ）つまり、＋Δθ成分が存在することから、高速ロータ１００と同一速度で回転している成分であることが判る。一方、第２項中の、Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈとＮ_Ｓ＋Ｎ_ｈとは、どちらも高速ロータ１００とは異なる速度の高調波であり、すなわち、Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、−Ｎ_ｈΔθ／（Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈ）だけ回転するものであり、また、Ｎ_Ｓ＋Ｎ_ｈについては、高速ロータのΔθの回転に対して、Ｎ_ｈΔθ／（Ｎ_Ｓ＋Ｎ_ｈ）だけ回転するものであるから、いずれも回転速度が基本成分とは異なることが判る。そして、上記低速ロータ３００の数を、Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈかＮ_Ｓ＋Ｎ_ｈの一方に設定すると、設定された側について、前記異なる回転速度で低速ロータ３００は回転することになる。

そのためには、低速ロータ３００の磁極の数をＮ_ｌとするとき、Ｎ_ｌ＝Ｎ_Ｓ−Ｎ_ｈ、あるいはＮ_ｌ＝Ｎ_Ｓ＋Ｎ_ｈに設定、すなわち、これを書き替えると、Ｎ_Ｓ＝Ｎ_ｌ＋Ｎ_ｈ、あるいはＮ_Ｓ＝Ｎ_ｌ−Ｎ_ｈ（すなわち、Ｎ_Ｓ＝Ｎ_ｌ±Ｎ_ｈ）となる。これが磁気減速機構の成立条件となる。

また、減速比Ｇ_ｒは、Ｇ_ｒ＝±Ｎ_ｌ／Ｎ_ｈとなる。なお、減速比Ｇ_ｒが正の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが同一方向に回転することを示しており、減速比Ｇ_ｒが負の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが逆方向に回転することを示している。しかしながら、固定子を機械的に回転させる駆動源、典型的にはモータを付加する等が必要となり、機構が複雑になり、かつ大型化し、高価になるという新たな問題が生じる。

（実施の形態）
そこで、本発明は、図１に示す従来の磁気減速機構に対して、固定部の磁極片に巻線を設置し、２つのロータにトルクを発生させることができる回転電機とする。

本発明の一実施形態（図３）では、外側より磁性材料３１および永久磁石３０を有する低速ロータ３、磁極片２０に巻かれたコイル２１を有する固定部２、永久磁石１１および磁性材料１０を有する高速ロータ１から構成されている。ここで、高速ロータ１と低速ロータ３は、それぞれ、第１ロータおよび第２ロータの一例であり、それらを入れ替えても動作原理が成立するが、実施形態では多極である低速ロータ３を外側に配置している。また、磁極片２０に巻かれたコイル２１は、短節集中巻きを構成しているが、巻線方法はこれに限らない。

このように、実施形態に係る回転電機は、径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片２０と巻線（コイル２１）を有する固定部２と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなる。第１ロータおよび第２ロータは、磁性材料１０および３１と永久磁石１１および３０または電磁石で構成されている。巻線は、第１ロータおよび第２ロータに電磁力トルクを発生し、電磁力トルクは、第１ロータの回転によって第２ロータに磁気伝達されるか、または第２ロータの回転によって第１ロータに磁気伝達され、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータに、電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される。

次に、本発明の動作原理を説明する。高速ロータ１の極対数および低速ロータ３の極対数、固定部２の磁極片数が先に示した磁気減速機構の成立条件を満たすことが前提である。つまり、固定部２の磁極の数をＮ_Ｓ、第１ロータの極数をＮ_Ｌ、第２ロータの極数をＮ_Ｈとするとき、Ｎ_Ｓ＝Ｎ_Ｌ＋Ｎ_ＨおよびＮ_Ｓ＝Ｎ_Ｌ−Ｎ_Ｈのいずれか一方に設定して第１ロータと第２ロータを磁気カップリングする。高速ロータ１が回転数ω_Hで回転するとき、固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数F_HはＮ_Ｈω_Ｈとなる。一方、低速ロータ３の回転数ω_Lはω_Ｈ／Ｇ_ｒとなり、低速ロータ３の回転によって、固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数F_LはＮ_Ｌω_Ｌ＝（Ｇ_ｒＮ_Ｈ）（ω_Ｈ／Ｇ_ｒ）＝Ｆ_Ｈとなる。以上より、磁気減速機構の成立条件を満たす本発明の回転電機の、高速ロータ１および低速ロータ３のそれぞれの回転によって固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数は同一となる。したがって、磁気減速機構の成立条件を満たし、高速ロータ１と固定部２の磁極片数および低速ロータ３と固定部２の磁極片数が、例えば３相永久磁石ブラシレスモータとして回転可能な組み合わせであるとき、固定部２のコイル２１に印加する電流によって、両ロータにトルクが発生する。

低速ロータ３の出力がω_Lで一定回転しているとする。固定部２のコイル２１に周波数ω_H、電流Iを印加した時に高速ロータ１に発生するトルクT_Hはトルク定数k_tHを用いてＴ_Ｈ＝ｋ_ｔＨＩ、また低速ロータ３に発生するトルクT_Lはトルク定数k_tLを用いてＴ_Ｌ＝ｋ_ｔＬＩとなる。

コイル２１電流によって高速ロータ１に発生するトルクは磁気減速機としての動作によって生じる低速ロータ３からの反力トルクに等しく、そのトルクは低速ロータには減速比倍されて伝達される。したがって、低速ロータ３から出力されるトルクT_Oは損失を無視するとＴ_ｏ＝Ｔ_Ｌ＋Ｇ_ｒＴ_Ｈとなり、固定部巻線により低速ロータ３に発生した電磁力トルクと高速ロータ１によって磁気伝達されるトルクを重畳させられることが判る。つまり、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータを、もう一方のロータにより磁気伝達されるトルクを重畳させることで加減速させることができる。

次に、かかる原理に基づいて磁気減速構造モデルを作成し、効果試験をシミュレーションした。なお、回転電機モデルは、下記の諸要素で作成されている。

高速ロータ極対数の極対数：４
低速ロータ極対数の極対数：８
固定部の磁極片数：１２
減速比：−２ （＝−８／４）
最外径：１１０ｍｍ
軸方向長さ：８０ｍｍ
コイルのターン数：１０
永久磁石の磁化：１．２８Ｔ

まず、固定部コイルの電流印可によって、高速ロータ、低速ロータそれぞれにトルクが発生するか確認するため、高速ロータと低速ロータを減速比にしたがって回転させたときの逆起電圧を確認する。

次に示す条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）でステータのコイルに発生する逆起電圧を求めた。
（ａ）低速ロータを固定し、高速ロータを−６０ｒ／ｍｉｎで強制回転
（ｂ）高速ロータを固定し、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転
（ｃ）高速ロータを−６０ｒ／ｍｉｎ、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転

この結果を図４に示す。（ａ）、（ｂ）の条件で発生する逆起電圧の電圧位相は等しく、両ロータを減速比通りに回転させた条件（ｃ）の逆起電圧は条件（ａ）、（ｂ）の逆起電圧の足し合わせに等しい。したがって、固定部コイルに３相正弦波電流を印可することで、高速ロータと低速ロータそれぞれにトルクを発生させることができることが判る。

続いて、磁気伝達機構として、高速ロータのトルクが低速ロータに伝達されるか確認するため、高速ロータを固定し、磁気的な安定位置から低速ロータを強制回転させて、磁気的な安定位置からの２つのロータ角度(位相)差によって発生する伝達トルクを求めた。この結果を図５に示す。両ロータの最大伝達トルクは位相差約１１．２５ｄｅｇ．時に発生し、高速ロータおよび低速ロータの最大伝達トルクは、それぞれ３８．６Ｎｍ、８５．８Ｎｍである。このことから、低速ロータのトルクと高速ロータのトルクはほぼ減速比通りにトルクを発生させていることがわかるが、理論値との差はコギングトルクによって生じている。

トルク重畳の効果を確認するために、高速ロータを−６０ｒ／ｍｉｎ、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転させ、正弦波電流を印加し、さらに高速ロータと低速ロータの位相を変えたときの低速ロータのトルクを求めた。この結果を図６に示す。位相差に関わらず、低速ロータのトルクは電流増加に伴って増加している。位相差を４ｄｅｇ．とし、コイルに振幅１５０Ａの起磁力を印加した時の低速ロータのトルクは８９Ｎｍであり、電流を印加していない時より、トルクは４４Ｎｍ増加している。

本発明の回転電機は、電流を印加していないときの低速ロータのトルクが高速ロータとの位相差によって生じる伝達トルクと同等であり、これは従来の磁気減速機構をもつ回転電機においても成立する。位相差が一定の状態で電流の増加に伴って低速ロータのトルクが増加していることから、高速ロータから受ける磁気減速機としての反力トルクとコイルの起磁力によって低速ロータに発生するトルクが重畳されていることが判る。

最後に、動作の検証をするため初期位相差を４ｄｅｇ．とし、コイルに振幅１５０Ａの起磁力を印加した時の動作を検証する。ここでは、高速ロータを６０ｒ／ｍｉｎで回転させ、高速ロータの回転位置に合わせて電流を入力している。このとき、低速ロータに負荷Ｌ=８９．５Ｎｍを与え、各ロータに発生するトルクおよび低速ロータの回転数を求めた。この結果を図７および図８に示す。

高速ロータおよび低速ロータの平均トルクは、図７よりそれぞれ−２．１Ｎｍ、８８．８Ｎｍであり、図８より、低速ロータの平均回転数は２９．８ｒ／ｍｉｎであった。高速ロータの平均トルクは、理論上ゼロになるはずであるが、トルクリップルおよび平均処理を行う区間が影響し、ゼロになっていない。また、両ロータの回転速度比は、ほぼ減速比通りになっている。最後に、低速ロータのトルクは８９Ｎｍ程度を中心に振動しており、時刻ゼロからほとんど変化していないことがわかる。これは、両ロータの位相差は平均４ｄｅｇ．を保っており、図５より、１５０Ａの起磁力によって低速ロータにトルクが発生していることを表している。つまり、磁気減速機としての反力トルクとコイル電流によるトルクが重畳され、低速ロータから出力されている。

以上、本開示に係る回転電機について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態に対して当業者が思いつ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、磁気減速機構を用いた回転電機全般に利用することができる。

１、１００ 高速ロータ
２ 固定部
３、３００ 低速ロータ
１０、３１ 磁性材料
１１、３０ 永久磁石
２０、２０１ 磁極片
２１ コイル
１０２ 磁極対
２００ 固定部

Claims (3)

1. 径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、
   前記第１ロータおよび前記第２ロータは、磁性材料と永久磁石または電磁石で構成されており、
   前記巻線は、前記第１ロータおよび前記第２ロータに電磁力トルクを発生し、
   前記電磁力トルクは、前記第１ロータの回転によって前記第２ロータに磁気伝達されるか、または前記第２ロータの回転によって前記第１ロータに磁気伝達され、
   前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータに、前記電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される、回転電機。
2. 前記固定部の磁極の数をＮ_Ｓ、前記第１ロータの極数をＮ_Ｌ、前記第２ロータの極数をＮ_Ｈとするとき、Ｎ_Ｓ＝Ｎ_Ｌ＋Ｎ_ＨおよびＮ_Ｓ＝Ｎ_Ｌ−Ｎ_Ｈのいずれか一方に設定して前記第１ロータと前記第２ロータが磁気カップリングされる、請求項１記載の回転電機。
3. 前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータは、もう一方のロータにより前記磁気伝達されるトルクが重畳されることで加減速される、請求項１または請求項２記載の回転電機。

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