WO2022202050A1 - 磁気ギアード回転機械、及び発電システム - Google Patents

磁気ギアード回転機械、及び発電システム Download PDF

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WO2022202050A1
WO2022202050A1 PCT/JP2022/007120 JP2022007120W WO2022202050A1 WO 2022202050 A1 WO2022202050 A1 WO 2022202050A1 JP 2022007120 W JP2022007120 W JP 2022007120W WO 2022202050 A1 WO2022202050 A1 WO 2022202050A1
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WO
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magnetic
pole piece
rotor
stator
holder
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PCT/JP2022/007120
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健 池見
崇俊 松下
幹人 佐々木
良次 岡部
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三菱重工業株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/102—Magnetic gearings, i.e. assembly of gears, linear or rotary, by which motion is magnetically transferred without physical contact
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/11—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with dynamo-electric clutches

Definitions

  • the present disclosure relates to magnetically geared rotating machines and power generation systems.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-047372 filed with the Japan Patent Office on March 22, 2021, the content of which is incorporated herein.
  • the magnetically geared rotating machine disclosed in Patent Document 1 includes, in order from the radial outer side, a stator provided with coils, an outer rotor provided with induction magnetic poles that are soft magnetic bodies, and an inner rotor provided with permanent magnets. Including rotor.
  • the stator is provided with a stator magnet.
  • a stator magnet When a stator magnet is provided, it is necessary to reduce the magnet loss of the stator magnet during operation of the magnetic geared rotary machine.
  • the document does not disclose a configuration in which a stator magnet is provided.
  • the present disclosure is to provide a magnetically geared rotating machine and a power generation system that can reduce magnet loss in stator magnets.
  • a magnetically geared rotating machine including a plurality of stator magnets arranged so as to line up in the circumferential direction; a rotor including a plurality of rotor magnets arranged in the circumferential direction and having a smaller number of magnetic poles than the plurality of stator magnets; a pole piece rotor including a plurality of pole pieces arranged in the circumferential direction, each said pole piece comprising: a first surface radially facing the rotor; A second surface facing the stator in the radial direction and having a circumferential length longer than the circumferential length of the first surface is included.
  • a power generation system includes: a prime mover; and the above magnetic geared rotary machine as a magnetic geared generator for generating power by being driven by an input from the prime mover.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a magnetically geared rotary machine according to one embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing magnetic geared rotation according to another embodiment
  • 1 is a radial cross-sectional view of a magnetically geared rotating machine according to one embodiment
  • FIG. 1 is a perspective view of a pole piece rotor according to one embodiment
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a pole piece rotor according to one embodiment
  • FIG. FIG. 11 is a radial cross-sectional view of a pole piece rotor according to another embodiment
  • 4 is a graph illustrating core loss of a pole piece 32 as a function of first and second perimeter lengths according to one embodiment.
  • 4 is a graph showing magnet loss of stator magnets according to first and second circumferential lengths according to one embodiment.
  • 4 is a graph showing the torque of a magnetically geared rotating machine according to the shape of the pole piece rotor according to one embodiment.
  • 1A and 1B are schematic diagrams illustrating examples of magnetically geared rotating machines, respectively.
  • the "axial direction” is the direction parallel to the rotational axis of the pole piece rotor 30 and the rotor 40 of the magnetic geared rotating machine 10
  • the "radial direction” is the magnetic pole direction. The direction perpendicular to the rotational axis of piece 32 and rotor 40 .
  • the magnetically geared rotating machine 10 is a magnetically geared generator 10A that is driven by an input from the prime mover 2 to generate electricity.
  • the magnetic geared generator 10A is configured to supply electric power P generated by power generation to a power supply destination 4, which may be, for example, a power system.
  • a power supply destination 4 which may be, for example, a power system.
  • the magnetically geared rotary machine 10 receives electrical power P from a power supply 6, which may be, for example, the power grid, to drive the rotary machine 8. It is a magnetic geared motor 10B configured.
  • the magnetic geared generator 10A constitutes part of the power generation system 1.
  • the power generation system 1 may be, for example, a renewable energy power generation system such as a wind power generation system or a tidal current power generation system.
  • the prime mover 2 is a wind turbine rotor.
  • the prime mover 2 is a water turbine rotor.
  • the magnetically geared generator 10A comprises a stator 20 including stator magnets 22 and stator windings 24, a pole piece rotor 30 including pole pieces 32, and a rotor 40 including a plurality of rotor magnets 42. .
  • the stator 20 is arranged inside a housing 21 that supports the rotating shaft 3 of the prime mover 2 via a bearing B1.
  • the pole piece rotor 30 is configured to rotate with the rotating shaft 3 of the prime mover 2 .
  • the pole piece 32 of the pole piece rotor 30 includes a plurality of axially laminated magnetic steel plates 35 .
  • the pole piece rotor 30 includes end rings 34 provided at both axial ends of the pole pieces 32 , and each end ring 34 is coupled to the rotating shaft 3 .
  • the rotor 40 includes end plates 44 provided at both ends of the rotor magnets 42 in the axial direction.
  • Each end plate 44 is coupled to rotating shaft 3 (or the magnetic pole pieces rotating with rotating shaft 3 via bearing B2) to allow rotor 40 to rotate faster than rotating shaft 3 and pole piece rotor 30. It is attached to the single rotor 30).
  • Rotor 40 is provided within the area surrounded by pole piece rotor 30 , including pole pieces 32 and end rings 34 , and rotating shaft 3 .
  • the magnetic geared generator 10A has a configuration in which the stator 20, the pole piece rotor 30, and the rotor 40 are arranged in this order toward the inner side in the radial direction.
  • the magnetic geared generator 10A has a configuration in which the rotor 40, the pole piece rotor 30, and the stator 20 are arranged in order radially inward.
  • the rotor 40 , the pole piece rotor 30 and the stator 20 are arranged radially inside the cylindrical rotating shaft 3 .
  • the magnetic geared generator 10A described above has a structure in which a magnetic gear and a generator are integrated.
  • the magnetic geared generator 10A converts the mechanical input from the prime mover 2 into electric power by using the harmonic type magnetic gear principle and electromagnetic induction.
  • power generation in the magnetic geared generator 10A may be performed according to the following principle.
  • the magnetic flux of the stator magnets 22 is modulated by the magnetic pole pieces 32 of the magnetic pole piece rotor (low-speed rotor) 30 that rotates together with the rotating shaft 3 of the prime mover 2 , and the rotor magnets 42 receive magnetic force from the modulated magnetic field. (High-speed rotor) 40 rotates.
  • N L of the pole piece 32 is less than the pole number N S of the stator magnet 22 .
  • leakage fluxes Lf which pass axially through the pole pieces 32, for example to avoid the stator magnets 22.
  • FIG. When the leakage magnetic flux Lf is generated, an eddy current can be generated in the in-plane direction in each electromagnetic steel sheet 35 . Relatively large eddy currents can be generated in the magnetic steel plates 35 at, for example, both ends in the axial direction of the magnetic pole pieces 32 .
  • the basic configuration of the magnetic geared motor 10B is common to the magnetic geared generator 10A shown in FIG. 1A. That is, the magnetic geared motor 10B includes a stator 20 including a stator magnet 22 and stator windings 24, a pole piece rotor 30 including a pole piece 32, and a rotor 40 including a plurality of rotor magnets 42.
  • stator 20 is fixed inside a housing 21 that supports rotating shaft 9 of rotating machine 8 via bearing B1.
  • the pole piece 32 of the pole piece rotor 30 includes a plurality of axially laminated magnetic steel plates 35 .
  • the pole piece rotor 30 includes end rings 34 provided at both axial ends of the pole pieces 32 , and each end ring 34 is coupled to the rotating shaft 9 .
  • the rotor 40 includes end plates 44 provided at both ends of the rotor magnets 42 in the axial direction. Each end plate 44 is coupled to rotating shaft 9 (or the magnetic pole pieces rotating with rotating shaft 9 via bearing B2) to allow rotor 40 to rotate faster than rotating shaft 9 and pole piece rotor 30. It is attached to the single rotor 30).
  • Rotor 40 is provided within the area surrounded by pole piece rotor 30 , including pole pieces 32 and end rings 34 , and rotating shaft 9 . In the embodiment shown in FIG.
  • the magnetic geared motor 10B has a configuration in which the stator 20, the pole piece rotor 30, and the rotor 40 are arranged in order radially inward.
  • the magnetic geared motor 10B has a configuration in which the rotor 40, the pole piece rotor 30, and the stator 20 are arranged in this order radially inward.
  • the rotor 40 , the pole piece rotor 30 and the stator 20 are arranged radially inside the cylindrical rotating shaft 9 .
  • the magnetic geared motor 10B has a structure in which a magnetic gear and a motor are integrated.
  • the magnetic geared motor 10B rotates a rotor (high-speed rotor) 40 by a rotating magnetic field generated by energization of the stator windings 24 .
  • Power transmission from the rotor 40 to the pole piece rotor (low speed rotor) 30 utilizes the principle of harmonic magnetic gears.
  • an axial leakage flux Lf can occur in the pole piece 32, similar to the magnetic geared generator 10A.
  • eddy currents can be generated in the in-plane direction in each pole piece 32 .
  • Relatively large eddy currents can be generated in the magnetic steel plates 35 at, for example, both ends in the axial direction of the magnetic pole pieces 32 .
  • FIG. 2 is a radial cross-sectional view of the magnetically geared rotary machine 10 according to one embodiment.
  • the "circumferential direction” is the circumferential direction based on the aforementioned "axial direction” (see FIGS. 1A and 1B).
  • the stator 20 of the magnetically geared rotating machine 10 includes a plurality of stator magnets 22 and stator windings 24 arranged circumferentially. Stator magnets 22 and stator windings 24 are attached to stator core 23 .
  • the stator magnets 22 are composed of permanent magnets, and are provided in plurality in the circumferential direction so as to axially pass between the stator windings 24 and the pole piece rotor 30 in the radial direction.
  • the plurality of stator magnets 22 of this example are configured by a plurality of stator magnets 22N and 22S having different magnetic poles and alternately arranged in the circumferential direction.
  • each stator magnet 22 is an axially elongated rod-shaped member having a rectangular cross section.
  • FIG. 2 shows a stator 20 having a surface permanent magnet (SPM) structure in which stator magnets 22 are attached to the surface of a stator core 23 .
  • the stator 20 may have an interior permanent magnet (IPM) structure in which the stator magnets 22 are embedded in the stator core 23 .
  • the stator windings 24 are provided within a plurality of slots 25 provided in the stator core 23 .
  • a plurality of slots 25 are provided in the circumferential direction, and each slot 25 extends in the axial direction. Both axial ends of each slot 25 are open, and coil ends of the stator winding 24 that do not fit in the slots 25 may protrude from the stator core 23 at both axial ends of the stator core 23 .
  • the rotor 40 provided at a position radially displaced from the stator 20 having the above configuration includes a plurality of rotor magnets 42 arranged so as to line up in the circumferential direction.
  • the plurality of rotor magnets 42 are a plurality of permanent magnets alternately arranged in the circumferential direction and having different magnetic poles.
  • the number of magnetic poles of the plurality of rotor magnets 42 is less than the number of magnetic poles of the plurality of stator magnets 22 .
  • Each rotor magnet 42 may be an elongated rod member having a rectangular cross-section.
  • FIG. 2 shows a rotor 40 having a surface permanent magnet (SPM) structure in which rotor magnets 42 are attached to the surface of a rotor core 43 .
  • the rotor 40 may have an interior permanent magnet (IPM) structure in which the rotor magnets 42 are embedded in the rotor core 43 .
  • the rotor 40 may include the end plates 44 described above with reference to FIGS. 1A and 1B in addition to the rotor magnets 42 and the rotor core 43 .
  • the end plate 44 is an annular plate radially extending from the mounting position of the bearing B2 toward the rotor core 43 .
  • the magnetic pole piece rotor 30 provided radially between the stator 20 and the rotor 40 configured as described above includes a plurality of magnetic pole pieces 32 and a plurality of magnetic pole pieces 32 arranged alternately in the circumferential direction. It includes at least one non-magnetic holder 39 that holds strip 32 .
  • Each pole piece 32 includes a plurality of axially laminated magnetic steel sheets 35 (see FIGS. 1A and 1B) as previously described.
  • the non-magnetic holder 39 is made of resin material, for example. In the embodiment illustrated in FIG. 2, a plurality of non-magnetic holders 39 and a plurality of pole pieces 32 are circumferentially alternated.
  • a non-magnetic holder 39 may hold multiple pole pieces 32 (see FIG. 4B).
  • the non-magnetic holder 39 may extend in the circumferential direction.
  • a plurality of pole pieces 32 may extend axially inside each of the plurality of openings provided in the non-magnetic holder 39, the outer surface of each pole piece 32 being It may be covered by a non-magnetic holder 39 .
  • the number of non-magnetic holders 39 extending in the circumferential direction may be one.
  • one non-magnetic holder 39 extends continuously in the circumferential direction over the entire circumference of the pole piece rotor 30 .
  • a plurality of non-magnetic holders 39 extending in the circumferential direction may be provided.
  • a plurality of non-magnetic holders 39 may each hold a plurality of pole pieces 32, and the plurality of non-magnetic holders 39 may form an annular shape when viewed in the axial direction.
  • each pole piece 32 is positioned inside an opening in a non-magnetic holder 39 .
  • the pole pieces 32 face the rotor 40 across the first air gap G1 and part of the non-magnetic holder 39, and separate the second air gap G2 and the other part of the non-magnetic holder 39 from the stator. Opposite 20.
  • FIG. 3 is a perspective view of a pole piece rotor 30 according to one embodiment.
  • the plurality of pole pieces 32 and the plurality of non-magnetic holders 39 are circumferentially alternated.
  • a plurality of connecting bars 36 which are components of the pole piece rotor 30 , extend axially within axial holes 86 provided axially through the pole pieces 32 . do.
  • the connecting bar 36 is made of non-magnetic material such as titanium or stainless steel.
  • the plurality of connecting bars 36 are held by a pair of end rings 34 .
  • a pair of end rings 34 are positioned axially on opposite sides of the plurality of pole pieces 32 and the plurality of non-magnetic holders 39, respectively.
  • one of the pair of end rings 34 is virtually illustrated by a chain double-dashed line.
  • the pole piece rotor 30 can form an assembly of the plurality of pole pieces 32 .
  • each of the plurality of connecting bars 36 extends axially within the plurality of axial holes 86 to prevent the pole pieces 32 from being displaced radially outward due to centrifugal force when the pole piece rotor 30 rotates. can be suppressed.
  • the pole piece rotor 30 may not include multiple tie bars 36 .
  • the pole pieces 32 may not be formed with the axial holes 86 . Even in such an embodiment, the pole piece rotor 30 may form an assembly of a plurality of pole pieces 32 .
  • the shape of the magnetic pole piece 32 illustrated in FIG. 3 as viewed in the axial direction is, as an example, a hexagonal shape.
  • the axial shape of the pole pieces 32 may be polygonal, such as, for example, square or octagonal.
  • the shape of the non-magnetic holder 39 when viewed in the axial direction may also be changed according to the shape of the pole piece 32 when viewed in the axial direction.
  • FIGS. 4A and 4B are radial cross-sectional views of pole piece rotors 30A and 30B (30) according to one embodiment.
  • the illustrated components are not hatched for the sake of clarity.
  • the pole pieces 32A, 32B (32) have a first surface 51A, 51B (51) diametrically opposed to the rotor magnets 42 and radially facing the stator magnets 22. second surfaces 52A, 52B (52) facing each other.
  • the length in the circumferential direction of the second surface 52 (hereinafter also referred to as the second circumferential length) is longer than the length in the circumferential direction of the first surface 51 (hereinafter also referred to as the first circumferential length).
  • the first perimeter corresponds to dimension L1 and the second perimeter corresponds to dimension L2. Since the second circumferential length is longer than the first circumferential length, magnet loss in the stator magnet 22 can be reduced (details will be described later).
  • the relationship between the first perimeter (dimension L1) and the second perimeter (dimension L2) may be defined by equation (3).
  • the circumferential length of the pole pieces 32A, 32B (32) varies with radial position.
  • the area of the region surrounded by the outer contour 60 of the pole piece 32 (denoted as S) is the radial direction of the pole piece 32 It can be divided by the length (dimension Lr).
  • the area of the hole is also included in the above area (S).
  • the angle ( ⁇ A ) can be treated as a value that correlates with the average circumferential length of the pole piece 32 .
  • ⁇ A is defined by Equation (4) below.
  • ⁇ A may be referred to as the magnetic pole piece average angle.
  • ⁇ A S/(Lr ⁇ Ls) Equation (4)
  • the average pole piece angle ( ⁇ A ) is the area (S) of the region enclosed by the outer contour 60 in the radial cross-section of the pole piece 32 and the radial length (Lr ) and the length (Lr) from the center of rotation O to the radial midpoint of the pole piece 32 .
  • the angle defined as the positive difference value of the angular position with respect to the rotation center O is defined as ⁇ B (size ⁇ B ).
  • ⁇ B may be referred to as a differential angle.
  • the relationship between the pole piece average angle ( ⁇ A ) and the differential angle ( ⁇ B ) may be defined by equation (1).
  • the relationship between the pole piece average angle ( ⁇ A ) and the differential angle ( ⁇ B ) may be defined by equation (2).
  • ⁇ A ⁇ 0.54 ⁇ B Expression (2) As will be described later, high transmission torque of the magnetically geared rotary machine 10 is realized by satisfying at least one of the formula (1) and the formula (2).
  • formula (5) may be established.
  • ⁇ A ⁇ 0.4 ⁇ B Expression (5) In another embodiment in which a magnetic geared motor 10B is employed as the magnetic geared rotating machine 10, instead of formula (2) or formula (5), formula (6) may hold.
  • ⁇ A >0.2 ⁇ B Expression (6) As will be described later, when ⁇ A becomes 0.2 ⁇ B or less, the load torque of the magnetic geared rotary machine 10 exceeds the maximum transmission torque. ) must hold.
  • the magnetic pole piece rotor 30A (30) includes a plurality of non-magnetic holders 39A (39) that sandwich each of the plurality of magnetic pole pieces 32A (32) in the circumferential direction.
  • Each non-magnetic holder 39A (39) includes a holder surface 37 extending radially inward in a direction approaching the circumferential midpoint of the non-magnetic holder 39, and the magnetic pole piece 32A (32) includes a holder A third surface 53 may be included that faces and abuts surface 37 .
  • the non-magnetic holder 39A may include a fourth surface 54 located on the opposite side of the third surface in the circumferential direction.
  • the fourth surface 54 faces and abuts another non-magnetic holder 39A.
  • the fourth surface 54 may extend radially inward so as to approach the midpoint in the circumferential direction of another non-magnetic holder 39A.
  • the fourth surface 54 inclined in this way with respect to the radial direction abuts against another non-magnetic holder 39, so that when the pole piece rotor 30 rotates, the magnetic pole pieces 32 are moved by centrifugal force to the non-magnetic holder 39A. It is possible to further suppress deviating from the The circumferential length (dimension Lc) from the third surface 53 to the fourth surface 54 is longer than the second circumferential length (dimension L2). Thereby, the size of the magnetic pole pieces 32A on the stator 20 side is ensured. Therefore, the magnetic path of the magnetic flux formed inside the pole piece 32A is easily arranged.
  • a dimension Lc is the maximum circumferential length from the third surface 53 to the fourth surface 54 .
  • the fourth surface 54 may extend parallel to the radial direction. In this case, the fourth surface 54 is connected to each of the first surface 51 and the second surface 52 .
  • the nonmagnetic holder 39A (39) may include a fifth surface 55 connected to the third surface 53 and a sixth surface 56 connected to the fourth surface .
  • the sixth surface 56 is on the opposite side of the fifth surface 55 in the circumferential direction. Both the fifth surface 55 and the sixth surface 56 extend radially inwardly away from the circumferential midpoint of the pole piece 32A. In another embodiment, at least one of the fifth surface 55 and the sixth surface 56 may extend parallel to the radial direction.
  • the corner formed at the connection position between the third surface 53 and the fifth surface 55 and the corner formed at the connection position between the fourth surface 54 and the sixth surface 56 are is also sharp. In another embodiment, at least one of the two corners may be rounded.
  • the non-magnetic holder 39A (39) includes a first holder circumferential surface 11 that faces the rotor 40 across a first air gap G1 in the radial direction, and a stator 20 and a second air gap.
  • a second holder peripheral surface 12 that is diametrically opposed across G2 may also be provided.
  • the first holder peripheral surface 11 is an end surface on one side in the radial direction of the non-magnetic holder 39A.
  • the second holder peripheral surface 12 is an end surface located on the opposite side of the first holder peripheral surface 11 in the non-magnetic holder 39A.
  • the first holder peripheral surface 11 is the inner peripheral surface of the non-magnetic holder 39A
  • the second holder peripheral surface 12 is the outer peripheral surface of the non-magnetic holder 39A.
  • the first holder peripheral surface 11 is formed by the non-magnetic holder 39A.
  • the second holder peripheral surface 12 is the inner peripheral surface of the non-magnetic holder 39A.
  • the pole piece 32A (32) may include the axial bore 86 described above.
  • the radial position of the center 86C of the axial hole 86 is closer to the second surface 52A (52) than the radial midpoint Cr of the pole piece 32A (32).
  • the second perimeter is longer than the first perimeter, more pole pieces 32 tend to be positioned closer to the stator magnets 22 .
  • the radial position of the center 86C of the axial hole 86 is closer to the stator magnet 22 than the radial midpoint Cr of the pole piece 32A (32) on the second surface 52A side. The amount of pole pieces 32 is reduced.
  • the arrangement amount of the magnetic pole piece 32A is equalized between the rotor magnet 42 side and the stator magnet 22 side with respect to the midpoint Cr of the magnetic pole piece 32A in the radial direction. Also, in the embodiment in which the axial hole 86 is provided, if the circumferential length (dimension Lc) from the third surface 53 to the fourth surface 54 is longer than the second circumferential length (dimension L2), the pole piece 32A is The narrowing of the magnetic path of the passing magnetic flux in the circumferential direction near the axial hole 86 is suppressed.
  • the magnetic path of the magnetic flux generated from the stator magnet 22 and flowing in the circumferential direction is appropriately modulated in the magnetic pole piece 32A, thereby suppressing the decrease in the output torque.
  • the radial length from the inner side surface 57, which is the radially inner side of the first surface 51A and the second surface 52A, to the center 86C of the axial hole 86 corresponds to the dimension Mi.
  • the maximum radial length from the outer surface 58, which is the surface of the first surface 51A and the second surface 52A opposite to the inner surface 57, to the third surface 53 corresponds to the dimension Mw.
  • the inner surface 57 is the first surface 51A and the outer surface 58 is the second surface 52B.
  • Dimension Mi is longer than dimension Mw.
  • the circumferential length (dimension Lc) from the third surface 53 to the fourth surface 54 is longer than the second circumferential length (dimension L2). tend to have more pole pieces 32 placed.
  • dimension Mi is longer than dimension Mw
  • the radial position of axial hole 86 is located near the area between third surface 53 and fourth surface 54 . This reduces the amount of pole piece 32 between the third face 53 and the fourth face 54 .
  • the arrangement amount of the magnetic pole piece 32A is equalized between the rotor magnet 42 side and the stator magnet 22 side with respect to the midpoint Cr of the magnetic pole piece 32 in the radial direction. Therefore, the magnetic path formed inside the pole piece 32A is easily arranged.
  • the inner surface 57 is the second surface 52A
  • the outer surface 58 is the first surface 51A.
  • the radial length from the inner surface 57 to the center 86C of the axial hole 86 may be longer than the maximum radial length from the outer surface 58 to the third surface 53 .
  • the first surface 51A (51) is arranged at the same radial position as the first holder peripheral surface 11 of the non-magnetic holder 39A (39), and the second surface 52A (52) is located at the second It may be arranged at the same radial position as the holder peripheral surface 12 .
  • the first surface 51A and the first holder peripheral surface 11 are displaced from each other in the radial direction due to, for example, a manufacturing error
  • the first surface 51A and the first holder peripheral surface 11 are substantially the same. arranged in a radial position.
  • first surface 51A (51) may be exposed on the rotor 40 side and the second surface 52A (52) may be exposed on the stator 20 side.
  • first surface 51 faces the rotor magnet 42 across the first air gap G1
  • second surface 52 faces the stator magnet 22 across the second air gap G2. good.
  • At least one of the first surface 51A and the second surface 52A may not be exposed, and similarly, at least one of the first holder peripheral surface 11 and the second holder peripheral surface 12 may not be exposed.
  • both the second surface 52A and the second holder peripheral surface 12 may face the stator 20 with a second air gap G2 interposed therebetween.
  • pole piece rotor 30B includes a single non-magnetic holder 39B (39) that holds a plurality of pole pieces 32B (32).
  • the non-magnetic holder 39B extends in the circumferential direction.
  • the first surface 51B (51) and the second surface 52B (52) are covered by a single non-magnetic holder 39B (39). More specifically, as an example, the first surface 51B faces the rotor magnet 42 across the nonmagnetic holder 39 and the first air gap G1, and the second surface 52B (52) faces the nonmagnetic holder 39. It faces the rotor magnet 42 across the second air gap G2.
  • the axial shape of each pole piece 32B is trapezoidal.
  • each pole piece 32B (32) may be provided with an axial hole 86 (see FIG. 4A) inside which the tie bar 36 extends axially.
  • FIG. 5 is a graph illustrating iron loss of pole piece 32 as a function of first and second perimeter lengths, according to one embodiment.
  • Pole piece iron losses include pole piece 32 hysteresis losses and eddy current losses.
  • PP shown in FIG. 5 means Pole piece.
  • FIG. 6 is a graph showing magnet loss of the stator magnet 22 according to the first circumference and the second circumference according to one embodiment. Magnet losses of the stator magnet 22 include eddy current losses.
  • 5 and 6 are simulation data when the pole piece rotor 30B (see FIG. 4B) is applied to the magnetic geared motor 10B (see FIG.
  • the horizontal axis indicates the first circumferential length (dimension L1), and the simulation data are plotted according to the second circumferential length (dimension L2). Also, the amount of loss per scale in the vertical direction of the graph is the same in FIGS.
  • the shorter the first circumference and the second circumference the lower the core loss of the pole piece 32B. This is because the magnetic pole piece 32B itself through which the magnetic flux passes becomes smaller, thereby reducing the leakage magnetic flux Lf (see FIGS. 1A and 1B) and reducing the eddy current flowing through the electromagnetic steel plate 35. Presumed. As shown in FIG. 6, it can be seen that the length of the first circumferential length has little effect on the magnet loss of the stator magnet 22 . On the other hand, it was found that the magnet loss of the stator magnet 22 decreases as the second circumferential length increases.
  • the increasing/decreasing tendency of the iron loss of the pole piece 32 and the increasing/decreasing tendency of the magnet loss of the stator magnet 22 are opposite to each other depending on the length of the second circumference. That is, the shorter the second circumference, the greater the core loss of the pole pieces 32 and the less the magnet loss of the stator magnets 22 . On the other hand, the longer the second circumference, the lower the core loss of the pole pieces 32 and the higher the magnetic loss of the stator magnets 22 .
  • the inventors have found that it is preferable to increase the second circumference by giving more weight to the magnet loss of the stator magnets 22 than to the iron loss of the pole pieces 32. thinks. This is because the stator 20 including the stator magnets 22 is provided with the stator windings 24, and the temperature of the stator magnets 22 tends to rise as the stator windings 24 are energized. . When the temperature of the stator magnets 22 rises, the stator magnets 22 are demagnetized and the rotation of the pole piece rotor 30 is hindered (for example, the output torque is reduced in the magnetic geared motor 10B).
  • the demagnetization of the stator magnets 22 is significantly greater than in embodiments in which the stator magnets 22 are, for example, neodymium magnets.
  • the second circumferential length is long, the magnet loss of the stator magnet 22 is suppressed, and as a result, the temperature rise of the stator magnet 22 is suppressed. This suppresses a decrease in efficiency during operation of the magnetically geared rotary machine 10 .
  • FIG. 7 is a graph showing the torque of the magnetically geared rotary machine 10 according to the shape of the pole piece rotor 30 according to one embodiment.
  • the graph shows, by way of example, data based on simulation when the pole piece rotor 30B (see FIG. 4B) is applied to the magnetic geared motor 10B (FIG. 1B).
  • FIG. 7 shows the ratio ( ⁇ A / ⁇ B ) of the magnetic pole piece average angle ( ⁇ A ) to the differential angle ( ⁇ B ), the maximum transmission torque (Max. pull out torque) and the rated torque (Rated torque) of the magnetic geared motor 10B.
  • the maximum transmitted torque is the maximum value of the magnetic torque transmitted from the rotor 40 of the magnetic geared motor 10B to the pole pieces 32.
  • the rated torque is the output torque required when the magnetic geared rotary machine 10 performs rated operation. If this rated torque exceeds the maximum transmission torque, the load torque in the magnetic geared motor 10B exceeds the maximum transmission torque, causing step-out.
  • a magnetically geared rotating machine (10) according to at least one embodiment of the present disclosure, a stator (20) including a plurality of stator magnets (22) arranged in a circumferential direction; A rotor (40) including a plurality of rotor magnets (42) arranged so as to line up in the circumferential direction, wherein the number of magnetic poles of the plurality of rotor magnets (42) is the number of the plurality of stator magnets (22).
  • a rotor (40) having fewer magnetic poles than the a pole piece rotor (30) including a plurality of pole pieces (32) arranged in the circumferential direction, each said pole piece (32) comprising: a first surface (51) radially facing the rotor (40); A second surface (52) facing the stator (20) in the radial direction and having a circumferential length (dimension L2) longer than the circumferential length (dimension L1) of the first surface (51) Including and .
  • the second circumferential length which is the circumferential length of the second surface (52)
  • the first circumferential length which is the circumferential length of the first surface (51). (dimension L1).
  • the magnetic pole piece rotor (30) includes a plurality of non-magnetic holders (39) alternately arranged in the circumferential direction with the plurality of magnetic pole pieces (32),
  • Each of the non-magnetic holders (39) has a holder surface (37) extending in a direction toward the radially inner side toward the midpoint of the non-magnetic holder (39) in the circumferential direction, each said pole piece (32) comprising: a third surface (53) facing and abutting the holder surface (37); a fourth surface (54) opposite the third surface (53) in the circumferential direction;
  • the circumferential length (dimension Lc) from the third surface (53) to the fourth surface (54) is longer than the circumferential length (dimension L2) of the second surface (52).
  • the third surface (53) of the pole piece (32) faces and contacts the holder surface (37) of the non-magnetic holder (39), so that the pole piece rotor (30) It is possible to prevent the magnetic pole pieces (32) from coming off the magnetic pole piece rotor (30) due to centrifugal force during the rotation of the rotor.
  • the length (dimension Lc) in the circumferential direction from the third surface (53) to the fourth surface (54) is longer than the length (dimension L2) in the circumferential direction of the second surface (52). The size of the pole piece (32) on the child magnet (22) side is ensured. Thereby, the magnetic path of the magnetic flux formed inside the pole piece (32) is easily arranged.
  • the magnetic geared rotating machine (10) is a magnetic geared motor (10B)
  • the circumferential length (dimension Lc) from the third surface (53) to the fourth surface (54) is the second surface (52) is longer than its circumferential length (dimension L2) so that the magnetic path of the circumferentially flowing magnetic flux emanating from the stator magnets (22) is properly modulated in the pole pieces (32) to provide a magnetic geared motor.
  • a decrease in the output torque of (10B) can be suppressed.
  • ⁇ A is the area (S) of the region surrounded by the outer contour (60) of the pole piece (32) in the radial cross section of the pole piece (32), and the length of the pole piece (32) in the radial direction; an angle defined as a value divided by the length (dimension Lr) and the length (dimension Ls) from the center of rotation (O) to the midpoint (Cr) of the pole piece (32) in the radial direction, ⁇ B is an angle defined as a positive difference in angular position relative to the center of rotation (O) for each of the two circumferentially adjacent magnetic pole pieces (32).
  • ⁇ A ⁇ 0.67 ⁇ B
  • Equation (2) ⁇ A ⁇ 0.54 ⁇ B
  • the magnetic path of the radially flowing magnetic flux generated from the rotor magnet (42) is secured in the magnetic pole piece (32).
  • the magnetic flux is easily aligned inside the pole piece (32).
  • 0.75L2 is larger than L1
  • the second circumferential length (dimension L2) can be made sufficiently long, and magnet loss in the stator magnet (22) can be reduced.
  • the pole piece rotor (30) comprises a connecting bar (36) extending axially inside an axial hole (86) axially extending through the pole piece (32).
  • the radial position of the center (86C) of the axial hole (86) is on the second surface (52) side of the radial midpoint (Cr) of the pole piece (32).
  • the axially extending connecting bar (36) inside the axial hole (86) is adapted to allow the pole piece (32) to exert a centrifugal force when the pole piece rotor (30) rotates. can be suppressed from shifting radially outward. Also, since the second perimeter (dimension L2) is longer than the first perimeter (dimension L1), more pole pieces (32) tend to be located closer to the stator magnets (22). . In this respect, the radial position of the center (86C) of the axial hole (86) is located on the second surface (52) side of the radial midpoint (Cr) of the pole piece (32). The amount of pole pieces (32) located closer to the magnet (22) is reduced.
  • the arrangement amount of the magnetic pole piece (32) is equalized on the rotor magnet (42) side and the stator magnet (22) side with respect to the midpoint (Cr) of the magnetic pole piece (32) in the radial direction. be. Therefore, the magnetic path formed inside the pole piece (32) is easily arranged.
  • the magnetic pole piece rotor (30) includes a plurality of non-magnetic holders (39) that sandwich each of the plurality of magnetic pole pieces (32) in the circumferential direction,
  • Each of the non-magnetic holders (39) has a holder surface (37) extending in a direction toward the radially inner side toward the midpoint of the non-magnetic holder (39) in the circumferential direction, each said pole piece (32) comprising: a third surface (53) facing and abutting the holder surface (37); a fourth surface (54) opposite the third surface (53) in the circumferential direction;
  • the circumferential length (dimension Lc) from the third surface (53) to the fourth surface (54) is longer than the circumferential length (dimension L2) of the second surface (52),
  • the radial length (dimension Mi) is longer than the maximum radial length (dimension Mw) from the outer surface (58) opposite the inner surface (57) to the third surface (53).
  • the connecting bar (36) extending axially inside the axial hole (86) is adapted to allow the pole pieces (32) to exert centrifugal force when the pole piece rotor (30) rotates. detachment from the non-magnetic holder (39) can be suppressed. Since the circumferential length (dimension Lc) from the third surface (53) to the fourth surface (54) is longer than the second circumferential length (dimension L2), the third surface (53) and the fourth surface ( 54) tend to have more pole pieces (32) placed between them.
  • the radial length (dimension Mi) from the inner surface (57) to the center (86C) of the axial hole (86) is the maximum radial length from the outer surface (58) to the third surface (53). (dimension Mw), the radial position of the axial hole (86) is located near the area between the third surface (53) and the fourth surface (54). This reduces the amount of pole piece (32) between the third face (53) and the fourth face (54). Therefore, the arrangement amount of the magnetic pole piece (32) is equalized on the rotor magnet (42) side and the stator magnet (22) side with respect to the midpoint (Cr) of the magnetic pole piece (32) in the radial direction. . Therefore, the magnetic path formed inside the pole piece (32) is easily arranged.
  • the first surface (51) is exposed on the rotor (40) side
  • the second surface (52) is exposed on the stator (20) side.
  • both the first surface (51) and the second surface (52) are exposed, so that the magnetic flux modulation effect of the magnetic pole piece (32) can be increased.
  • the power generation system (1) includes a prime mover (2); A magnetically geared rotary machine (10) according to any one of (1) to (8) above, which is a magnetically geared generator (10A) for generating power by being driven by an input from the prime mover.
  • expressions such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “perpendicular”, “center”, “concentric” or “coaxial”, etc. express relative or absolute arrangements. represents not only such arrangement strictly, but also the state of being relatively displaced with a tolerance or an angle or distance to the extent that the same function can be obtained.
  • expressions such as “identical”, “equal”, and “homogeneous”, which express that things are in the same state not only express the state of being strictly equal, but also have tolerances or differences to the extent that the same function can be obtained. It shall also represent the existing state.
  • expressions representing shapes such as a quadrilateral shape and a cylindrical shape not only represent shapes such as a quadrilateral shape and a cylindrical shape in a geometrically strict sense, but also within the range in which the same effect can be obtained. , a shape including an uneven portion, a chamfered portion, and the like.
  • the expressions “comprising”, “including”, or “having” one component are not exclusive expressions excluding the presence of other components.
  • Reference Signs List 1 power generation system 2: prime mover 10: magnetic geared rotating machine 10A: magnetic geared generator 20: stator 22: stator magnet 30: magnetic pole piece rotor 32: magnetic pole piece 37: holder surface 39: non-magnetic holder 40: rotation Child 42 : Rotor magnet 51 : First surface 52 : Second surface 53 : Third surface 54 : Fourth surface 57 : Inner surface 58 : Outer surface 60 : Outer contour 86 : Axial hole 86C : Center Cr : Midpoint

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

磁気ギアード回転機械は、周方向に並ぶように配置された複数の固定子磁石を含む固定子と、周方向に並ぶように配置され、磁極数が複数の固定子磁石よりも少ない複数の回転子磁石を含む回転子と、周方向に並ぶように配置された複数の磁極片を含む磁極片回転子とを備える。また、磁極片は、回転子と径方向にて対向する第１面と、固定子と径方向にて対向し、周方向長さが第１面の周方向長さよりも長い第２面とを含む。

Description

磁気ギアード回転機械、及び発電システム
　本開示は、磁気ギアード回転機械、及び発電システムに関する。
　本願は、２０２１年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－０４７３７２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、２つの回転子の間で回転数を変換してトルクを伝達する磁気ギアード回転機械が公知である。例えば、特許文献１に開示の磁気ギアード回転機械は、径方向外側から順に、コイルが設けられたステータ、軟磁性体である誘導磁極が設けられたアウターロータ、及び、永久磁石が設けられたインナーロータを含む。
特開２００８－１９３８２３号公報
　磁気ギアード回転機械における伝達トルクが大きくなるには、ステータにステータ磁石が設けられることが好ましい。ステータ磁石が設けられる場合、磁気ギアード回転機械の稼働時におけるステータ磁石の磁石損失を低減する必要がある。しかしながら、上記文献には、ステータ磁石が設けられる構成の開示すらない。
　本開示は、固定子磁石における磁石損失を低減することができる磁気ギアード回転機械、及び発電システムを提供することである。
　本開示の少なくとも一実施形態に係る磁気ギアード回転機械は、
　周方向に並ぶように配置された複数の固定子磁石を含む固定子と、
　前記周方向に並ぶように配置され、磁極数が前記複数の固定子磁石よりも少ない複数の回転子磁石を含む回転子と、
　前記周方向に並ぶように配置された複数の磁極片を含む磁極片回転子と
　を備え、
　各々の前記磁極片は、
前記回転子と径方向にて対向する第１面と、
　前記固定子と前記径方向にて対向し、周方向長さが、前記第１面の周方向長さよりも長い第２面とを含む。
　本開示の少なくとも一実施形態に係る発電システムは、
　原動機と、
　前記原動機からの入力によって駆動されて発電するための磁気ギアード発電機としての上記磁気ギアード回転機械と
　を備える。
　本開示の少なくとも一実施形態によれば、固定子磁石における磁石損失を低減することができる磁気ギアード回転機械、及び発電システムを提供できる。
一実施形態に係る磁気ギアード回転機械を示す概略図である。 他の実施形態に係る磁気ギアード回転を示す概略図である。 一実施形態に係る磁気ギアード回転機械の径方向断面図である。 一実施形態に係る磁極片回転子の斜視図である。 一実施形態に係る磁極片回転子の径方向断面図である。 他の実施形態に係る磁極片回転子の径方向断面図である。 一実施形態に係る第１周長及び第２周長に応じた磁極片３２の鉄損を示すグラフである。 一実施形態に係る第１周長及び第２周長に応じた固定子磁石の磁石損失を示すグラフである。 一実施形態に係る磁極片回転子の形状に応じた磁気ギアード回転機械のトルクを示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（磁気ギアード回転機械の概要）
　図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、磁気ギアード回転機械の例を示す概略図である。ここで、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、「軸方向」は磁気ギアード回転機械１０の磁極片回転子３０および回転子４０の回転軸（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ａｘｉｓ）に平行な方向であり、「径方向」は磁極片３２および回転子４０の回転軸（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ａｘｉｓ）に直交する方向である。
　一実施形態では、図１Ａに示すように、磁気ギアード回転機械１０は、原動機２からの入力によって駆動されて発電するための磁気ギアード発電機１０Ａである。磁気ギアード発電機１０Ａは、発電により生成した電力Ｐを例えば電力系統であってもよい電力供給先４に向けて供給するように構成される。
　他の実施形態では、図１Ｂに示すように、磁気ギアード回転機械１０は、例えば電力系統であってもよい電力供給源６からの電力Ｐの供給を受けて、回転機械８を駆動するように構成される磁気ギアードモータ１０Ｂである。
　図１Ａに示す実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、発電システム１の一部を構成する。発電システム１は、例えば、風力発電システムや潮流発電システムのような再生可能エネルギー発電システムであってもよい。発電システム１が風力発電システムである場合、原動機２は風車ロータである。発電システム１が潮流発電システムである場合、原動機２は水車ロータである。
　磁気ギアード発電機１０Ａは、固定子磁石２２及び固定子巻線２４を含む固定子２０と、磁極片３２を含む磁極片回転子３０と、複数の回転子磁石４２を含む回転子４０とを備える。図１Ａに示す例では、固定子２０は、軸受Ｂ１を介して原動機２の回転シャフト３を支持するハウジング２１の内部に配置される。磁極片回転子３０は、原動機２の回転シャフト３とともに回転するように構成される。磁極片回転子３０の磁極片３２は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板３５を含む。磁極片回転子３０は、磁極片３２の軸方向両端にそれぞれ設けられるエンドリング３４を含み、各々のエンドリング３４が回転シャフト３に連結される。回転子４０は、回転子磁石４２の軸方向両端にそれぞれ設けられるエンドプレート４４を含む。各々のエンドプレート４４は、回転子４０が回転シャフト３及び磁極片回転子３０よりも高速で回転することを許容するように、軸受Ｂ２を介して回転シャフト３（又は回転シャフト３とともに回転する磁極片回転子３０）に取り付けられる。回転子４０は、磁極片３２及びエンドリング３４を含む磁極片回転子３０と回転シャフト３とによって囲まれる領域内に設けられる。
　なお、図１Ａに示す実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、径方向の内側に向かって、固定子２０、磁極片回転子３０、及び回転子４０の順に配置された構成を有する。別の実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、径方向の内側に向かって、回転子４０、磁極片回転子３０、及び固定子２０の順に配置された構成を有する。この場合、円筒状の回転シャフト３の径方向内側に、回転子４０、磁極片回転子３０及び固定子２０が配置される。
　上述の磁気ギアード発電機１０Ａは、磁気ギアと発電機とを一体化した構造を有する。磁気ギアード発電機１０Ａは、高調波型磁気ギア原理および電磁誘導を利用することで、原動機２からの機械的入力を電力に変換する。
　例えば、磁気ギアード発電機１０Ａにおける発電は以下の原理により行われてもよい。原動機２の回転シャフト３とともに回転する磁極片回転子（低速ロータ）３０の磁極片３２によって、固定子磁石２２の磁束が変調され、変調された磁場から回転子磁石４２が磁力を受けて回転子（高速ロータ）４０が回転する。このとき、磁極片回転子３０に対する回転子４０の回転数の比（増速比）は、回転子磁石４２の極対数ＮＨに対する磁極片３２の磁極数ＮＬの比（＝ＮＬ／ＮＨ）で表される。回転子４０が回転することで、電磁誘導によって固定子巻線２４に電流が発生する。なお、磁極片３２の磁極数ＮＬは、固定子磁石２２の磁極数ＮＳよりも少ない。
　磁気ギアード発電機１０Ａの稼働時、磁気ギアード発電機１０Ａの内部では、ＮＨ次の磁束（主磁束）、及び、ＮＨ次よりも高次な高調波磁束（例えば、ＮＨ＋ＮＳ次の磁束）など種々の磁束が生じ得る。これらの磁束の一部は、例えば固定子磁石２２を避けるために、磁極片３２を軸方向に通過する漏れ磁束Ｌｆになる。漏れ磁束Ｌｆが生じると、各電磁鋼板３５では、面内方向に渦電流が発生し得る。磁極片３２のうち例えば軸方向両端部にある電磁鋼板３５では、比較的大きな渦電流が発生し得る。
　図１Ｂに示す実施形態において、磁気ギアードモータ１０Ｂの基本構成は、図１Ａに示す磁気ギアード発電機１０Ａと共通する。
　すなわち、磁気ギアードモータ１０Ｂは、固定子磁石２２及び固定子巻線２４を含む固定子２０と、磁極片３２を含む磁極片回転子３０と、複数の回転子磁石４２を含む回転子４０とを備える。図１Ｂに示す例では、固定子２０は、軸受Ｂ１を介して回転機械８の回転シャフト９を支持するハウジング２１の内部に固定される。磁極片回転子３０の磁極片３２は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板３５を含む。磁極片回転子３０は、磁極片３２の軸方向両端にそれぞれ設けられるエンドリング３４を含み、各々のエンドリング３４が回転シャフト９に連結される。回転子４０は、回転子磁石４２の軸方向両端にそれぞれ設けられるエンドプレート４４を含む。各々のエンドプレート４４は、回転子４０が回転シャフト９及び磁極片回転子３０よりも高速で回転することを許容するように、軸受Ｂ２を介して回転シャフト９（又は回転シャフト９とともに回転する磁極片回転子３０）に取り付けられる。回転子４０は、磁極片３２及びエンドリング３４を含む磁極片回転子３０と回転シャフト９とによって囲まれる領域内に設けられる。
　図１Ｂに示す実施形態では、磁気ギアードモータ１０Ｂは、径方向の内側に向かって、固定子２０、磁極片回転子３０、及び回転子４０の順に配置された構成を有する。別の実施形態では、磁気ギアードモータ１０Ｂは、径方向の内側に向かって、回転子４０、磁極片回転子３０、固定子２０の順に配置された構成を有する。この場合、円筒状の回転シャフト９の径方向内側に、回転子４０、磁極片回転子３０及び固定子２０が配置される。
　なお、磁気ギアードモータ１０Ｂは、磁気ギアとモータとを一体化した構造を有する。磁気ギアードモータ１０Ｂは、固定子巻線２４の通電によって発生する回転磁界によって回転子（高速ロータ）４０を回転させる。回転子４０から磁極片回転子（低速ロータ）３０への動力伝達では高調波磁気ギアの原理が利用される。
　磁気ギアードモータ１０Ｂの稼働時、磁気ギアード発電機１０Ａと同様、磁極片３２では軸方向の漏れ磁束Ｌｆが発生し得る。この場合、各磁極片３２では、面内方向に渦電流が発生し得る。磁極片３２のうち例えば軸方向両端部にある電磁鋼板３５では、比較的大きな渦電流が発生し得る。
（磁気ギアード回転機械の内部構造）
　続けて、図２を参照して、上述した磁気ギアード回転機械１０（１０Ａ，１０Ｂ）の内部構造について説明する。
　図２は、一実施形態に係る磁気ギアード回転機械１０の径方向断面図である。図２では、図面を見易くする都合、磁気ギアード回転機械１０の一部の構成要素にのみ、ハッチングを施している。図２において、「周方向」は、既述の「軸方向」（図１Ａ、図１Ｂ参照）を基準とした周方向である。
　図２に示すように、磁気ギアード回転機械１０の固定子２０は、周方向に並ぶように配置された複数の固定子磁石２２と固定子巻線２４とを含む。固定子磁石２２及び固定子巻線２４は、ステータコア２３に取り付けられる。
　固定子磁石２２は、永久磁石により構成され、径方向において固定子巻線２４と磁極片回転子３０との間を軸方向に通過するように周方向に複数設けられる。本例の複数の固定子磁石２２は、周方向に交互に配置される磁極の異なる複数の固定子磁石２２Ｎ、２２Ｓによって構成される。図２に示す例では、各々の固定子磁石２２は、矩形断面を有する軸方向に長尺なロッド状部材である。
　図２には、固定子磁石２２がステータコア２３の表面に取り付けられた表面磁石型（ＳＰＭ；Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の構造を有する固定子２０を示している。他の実施形態では、固定子２０は、固定子磁石２２がステータコア２３に埋め込まれた埋込磁石型（ＩＰＭ；Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の構造を有していてもよい。
　固定子巻線２４は、ステータコア２３に設けられた複数のスロット２５内に設けられる。複数のスロット２５は周方向に複数設けられ、各々のスロット２５は軸方向に延在する。各々のスロット２５の軸方向両端は開放されており、ステータコア２３の軸方向の両端において、スロット２５に収まらない固定子巻線２４のコイルエンドがステータコア２３から突出してもよい。
　上記構成の固定子２０から径方向にずれた位置に設けられる回転子４０は、周方向に並ぶように配置された複数の回転子磁石４２を含む。複数の回転子磁石４２は、周方向に交互に配置された磁極が互いに異なる複数の永久磁石である。複数の回転子磁石４２の磁極数は、複数の固定子磁石２２の磁極数よりも少ない。各々の回転子磁石４２は、矩形断面を有する長尺なロッド部材であってもよい。
　図２には、回転子磁石４２がロータコア４３の表面に取り付けられた表面磁石型（ＳＰＭ；Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の構造を有する回転子４０を示している。他の実施形態では、回転子４０は、回転子磁石４２がロータコア４３に埋め込まれた埋込磁石型（ＩＰＭ；Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の構造を有していてもよい。
　回転子４０は、回転子磁石４２及びロータコア４３以外にも、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述したエンドプレート４４を含んでいてもよい。エンドプレート４４は、軸受Ｂ２の取付け位置からロータコア４３に向かって径方向に沿って延在する環状プレートである。
　上記構成の固定子２０と回転子４０との間の径方向位置に設けられた磁極片回転子３０は、周方向に交互に並ぶように配置された複数の磁極片３２、及び、複数の磁極片３２を保持する少なくとも１つの非磁性ホルダ３９を含む。各々の磁極片３２は、軸方向に積層された既述の複数の電磁鋼板３５（図１Ａ、図１Ｂ参照）を含む。非磁性ホルダ３９は、例えば樹脂材料によって形成される。
　図２で例示される実施形態では、複数の非磁性ホルダ３９と複数の磁極片３２が周方向に交互に配置される。各々の磁極片３２は、第１エアギャップＧ１を隔てて回転子４０と対向し、且つ、第２エアギャップＧ２を隔てて固定子２０と対向する。
　他の実施形態では、非磁性ホルダ３９が、複数の磁極片３２を保持してもよい（図４Ｂ参照）。この場合、非磁性ホルダ３９は周方向に延在してもよい。より具体的な一例として、非磁性ホルダ３９に設けられた複数の開口部の各々の内側で、複数の磁極片３２が軸方向に延在してもよく、各々の磁極片３２の外表面は非磁性ホルダ３９によって覆われてもよい。周方向に延在する非磁性ホルダ３９は１つであってもよい。この場合、１つの非磁性ホルダ３９が、磁極片回転子３０の全周に亘って周方向に連続的に延在する。あるいは、周方向に延在する非磁性ホルダ３９は複数であってもよい。この場合、複数の非磁性ホルダ３９が各々複数の磁極片３２を保持し、複数の非磁性ホルダ３９が、軸方向視で円環状を形成してもよい。いずれの実施形態であっても、各々の磁極片３２は、非磁性ホルダ３９の開口部の内側に配置される。従って、磁極片３２は、第１エアギャップＧ１と非磁性ホルダ３９の一部を隔てて回転子４０と対向し、且つ、第２エアギャップＧ２と非磁性ホルダ３９の他部を隔てて固定子２０と対向する。
　続いて、図３を参照し、磁極片回転子３０の更なる構成の詳細を説明する。図３は、一実施形態に係る磁極片回転子３０の斜視図である。図３で例示される実施形態では、複数の磁極片３２と複数の非磁性ホルダ３９が周方向に交互に配置される。
　図３に示すように、磁極片回転子３０の構成要素である複数の連結バー３６が、磁極片３２を軸方向に貫通するように設けられた軸方向孔８６の内側で軸方向に延在する。連結バー３６は、例えば、チタンまたはステンレス鋼などの非磁性材料によって形成される。また、複数の連結バー３６は、一対のエンドリング３４によって保持される。一対のエンドリング３４は、複数の磁極片３２と複数の非磁性ホルダ３９に対して軸方向の両側にそれぞれ位置する。なお、図３では、一対のエンドリング３４の一方を二点鎖線によって仮想的に図示する。
　複数の連結バー３６が配置されることで、磁極片回転子３０は複数の磁極片３２の集合体を形成することができる。また、複数の連結バー３６が各々、複数の軸方向孔８６の内側で軸方向に延在することで、磁極片回転子３０の回転時に磁極片３２が遠心力によって径方向外側にずれるのを抑制できる。
　他の実施形態では、磁極片回転子３０は、複数の連結バー３６を備えなくてもよい。この場合、磁極片３２には軸方向孔８６が形成されなくてもよい。このような実施形態であっても、磁極片回転子３０は複数の磁極片３２の集合体を形成することができる。
　また、図３で例示される磁極片３２の軸方向視の形状は一例として６角形状である。別の実施形態では、磁極片３２の軸方向視の形状は、例えば、４角形状または８角形状などの多角形形状であってもよい。磁極片３２の軸方向視の形状に応じて、非磁性ホルダ３９の軸方向視の形状も変更されてよい。
　図４Ａ、図４Ｂを参照し、磁極片３２と非磁性ホルダ３９の更なる構成の詳細を説明する。図４Ａ、図４Ｂは、一実施形態に係る磁極片回転子３０Ａ、３０Ｂ（３０）の径方向断面図である。図４Ａ、図４Ｂでは図面を見やすくする都合、図示される構成要素にハッチングを施していない。
　図４Ａ、図４Ｂに示すように、磁極片３２Ａ、３２Ｂ（３２）は、回転子磁石４２と径方向にて対向する第１面５１Ａ、５１Ｂ（５１）と、固定子磁石２２と径方向にて対向する第２面５２Ａ、５２Ｂ（５２）とを含む。一実施形態では、第２面５２の周方向における長さ（以下、第２周長ともいう）は、第１面５１の周方向における長さ（以下、第１周長ともいう）よりも長い。第１周長は寸法Ｌ１に該当し、第２周長は寸法Ｌ２に該当する。第２周長が第１周長よりも長いことで、固定子磁石２２における磁石損失を低減できる（詳細は後述する）。
　磁極片３２Ａ、３２Ｂ（３２）において、第１周長（寸法Ｌ１）と第２周長（寸法Ｌ２）との関係は式（３）によって規定されてもよい。
　０．２５Ｌ２＜Ｌ１＜０．７５Ｌ２　　・・・式（３）
　Ｌ１が０．２５Ｌ２よりも大きいことで、回転子磁石４２から生じる径方向に流れる磁束の磁路が磁極片において確保される。また、０．７５Ｌ２がＬ１よりも大きいことで、第２周長を十分に長くできる。
　また、図４Ａ、図４Ｂで例示されるように、磁極片３２Ａ、３２Ｂ（３２）の周方向長さは、径方向位置に応じて変化する。この周方向の長さの平均値を求めるためには、磁極片３２の径方向断面において、磁極片３２の外側輪郭６０によって囲まれる領域の面積（Ｓとする）を、磁極片３２の径方向長さ（寸法Ｌｒ）で割ればよい。なお、外側輪郭６０の内側に磁極片３２を軸方向に貫通する孔（例えば軸方向孔８６）が設けられる実施形態では（図４Ａ参照）、該孔の面積も上記の面積（Ｓ）に含まれる。該孔が磁極片３２の径方向の一端面または周方向の一端面に開口する場合も同様である。
　周方向長さの平均値（＝Ｓ／Ｌｒ）を、磁極片３２の回転中心Ｏから磁極片３２の径方向における中点Ｃｒまでの長さ（寸法Ｌｓ）で割ることで得られる角度（θＡ）は、磁極片３２の周方向長さの平均値と相関する値として扱うことができる。まとめると、θＡは、以下の式（４）によって規定される。以下ではθＡを磁極片平均角度という場合がある。
　θＡ＝Ｓ／（Ｌｒ×Ｌｓ）　・・・式（４）
　式（４）から判る通り、磁極片平均角度（θＡ）は、磁極片３２の径方向断面において外側輪郭６０によって囲まれる領域の面積（Ｓ）を、磁極片の径方向の長さ（Ｌｒ）、および回転中心Ｏから磁極片３２の径方向における中点までの長さ（Ｌｒ）で除した値である。
　さらに、周方向に隣り合う２つの磁極片３２の各々について、回転中心Ｏを基準とした角度位置の正の差分値として規定される角度をθＢ（寸法θＢ）とする。以下では、θＢを差分角度という場合がある。
　磁極片３２Ａ、３２Ｂでは、磁極片平均角度（θＡ）と差分角度（θＢ）との関係が、式（１）によって規定されてもよい。
　θＡ≦０．６７θＢ　　　・・・式（１）
　また、磁極片平均角度（θＡ）と差分角度（θＢ）との関係が、式（２）によって規定されてもよい。
　θＡ≧０．５４θＢ　　　・・・式（２）
　後述するように、式（１）または式（２）の少なくとも一方が成立することにより、磁気ギアード回転機械１０の高い伝達トルクが実現する。また、式（２）が成立する代わりに、式（５）が成立してもよい。
　θＡ≧０．４θＢ　　　・・・式（５）
　磁気ギアード回転機械１０として、磁気ギアードモータ１０Ｂが採用された他の実施形態では、式（２）または式（５）が成立する代わりに、式（６）が成立してもよい。
　θＡ＞０．２θＢ　　　・・・式（６）
　後述するように、θＡが０．２θＢ以下になると、磁気ギアード回転機械１０の負荷トルクが最大伝達トルクを超えてしまうので、磁気ギアード回転機械１０の脱調を回避するために式（６）が成立する必要がある。
　図４Ａに示すように、磁極片回転子３０Ａ（３０）は、複数の磁極片３２Ａ（３２）の各々を周方向に挟む複数の非磁性ホルダ３９Ａ（３９）を備える。
　各々の非磁性ホルダ３９Ａ（３９）は、径方向の内側に向かうほど非磁性ホルダ３９の周方向の中点に近づく方向に延在するホルダ面３７を含み、磁極片３２Ａ（３２）は、ホルダ面３７と対向して当接する第３面５３を含んでもよい。ホルダ面３７が径方向に対して上述のように傾斜し、且つ第３面５３がホルダ面３７に対向して当接するので、磁極片回転子３０の回転時に磁極片３２が遠心力によって非磁性ホルダ３９Ａから外れるのを抑制できる。
　また、非磁性ホルダ３９Ａ（３９）は、周方向において第３面と反対側にある第４面５４を含んでもよい。第４面５４は、別の非磁性ホルダ３９Ａと対向して当接する。第４面５４は、径方向の内側に向かうほど、別の非磁性ホルダ３９Ａの周方向の中点に近づくように延在してもよい。径方向に対してこのように傾斜する第４面５４が、別の非磁性ホルダ３９に対向して当接することで、磁極片回転子３０の回転時に磁極片３２が遠心力によって非磁性ホルダ３９Ａから外れるのをさらに抑制できる。
　第３面５３から第４面５４までの周方向長さ（寸法Ｌｃ）は、第２周長（寸法Ｌ２）よりも長い。これにより、固定子２０側の磁極片３２Ａの大きさが確保される。よって、磁極片３２Ａ内部で形成される磁束の磁路が整い易い。また、磁気ギアード回転機械１０が磁気ギアードモータ１０Ｂである実施形態においては、上記の寸法関係によって、固定子磁石２２から生じる周方向を流れる磁束の磁路が磁極片３２Ａにおいて適正に変調され、磁気ギアードモータ１０Ｂの出力トルクの低下を抑制できる。一実施形態に係る寸法Ｌｃは、第３面５３から第４面５４までの最大の周方向長さである。
　なお、他の実施形態では、第４面５４は、径方向と平行に延在してもよい。この場合、第４面５４は、第１面５１と第２面５２の各々に接続される。
　図４Ａで示すように、非磁性ホルダ３９Ａ（３９）は、第３面５３に接続される第５面５５と、第４面５４に接続される第６面５６を含んでもよい。第６面５６は周方向において第５面５５と反対側にある。第５面５５と第６面５６はいずれも、径方向の内側に向かうほど、磁極片３２Ａの周方向の中点に遠ざかる方向に延在する。別の実施形態では、第５面５５と第６面５６の少なくとも一方は、径方向と平行に延在してもよい。
　磁極片３２Ａのうちで、第３面５３と第５面５５との接続位置に形成される角部と、第４面５４と第６面５６との接続位置に形成される角部は、いずれも尖っている。別の実施形態では、２つの角部の少なくとも一方は、丸みを帯びてもよい。
　図４Ａに示すように、非磁性ホルダ３９Ａ（３９）は、回転子４０と第１エアギャップＧ１を隔てて径方向にて対向する第１ホルダ周面１１と、固定子２０と第２エアギャップＧ２を隔てて径方向にて対向する第２ホルダ周面１２とを備えてもよい。第１ホルダ周面１１は、非磁性ホルダ３９Ａのうちで径方向の一方側の端面である。第２ホルダ周面１２は、非磁性ホルダ３９Ａのうちで第１ホルダ周面１１とは反対側に位置する端面である。
　図４Ａで例示される実施形態では、第１ホルダ周面１１は非磁性ホルダ３９Ａの内周面であり、第２ホルダ周面１２は非磁性ホルダ３９Ａの外周面である。
　なお、径方向外側から順に回転子４０、磁極片回転子３０、及び固定子２０が配置される既述の構造が採用された別の実施形態では、第１ホルダ周面１１は非磁性ホルダ３９Ａの外周面であり、第２ホルダ周面１２は非磁性ホルダ３９Ａの内周面である。
　図４Ａで示すように、磁極片３２Ａ（３２）は、上述の軸方向孔８６を備えてもよい。この場合、軸方向孔８６の中心８６Ｃの径方向位置は、磁極片３２Ａ（３２）の径方向における中点Ｃｒよりも第２面５２Ａ（５２）側にある。
　第２周長が第１周長よりも長いので、固定子磁石２２に近い位置でより多くの磁極片３２が配置される傾向にある。この点、軸方向孔８６の中心８６Ｃの径方向位置が、磁極片３２Ａ（３２）の径方向における中点Ｃｒよりも第２面５２Ａ側にあることで、固定子磁石２２に近い位置にある磁極片３２の量が低減する。これにより、磁極片３２Ａの径方向における中点Ｃｒに対して回転子磁石４２側と固定子磁石２２側とにおいて、磁極片３２Ａの配置量が均等化される。
　また、軸方向孔８６が設けられる実施形態において、第３面５３から第４面５４までの周方向長さ（寸法Ｌｃ）が第２周長（寸法Ｌ２）よりも長い場合、磁極片３２Ａを通過する磁束の磁路が軸方向孔８６の近くで周方向に狭まることが抑制される。これにより、磁気ギアード回転機械１０が磁気ギアードモータ１０Ｂである実施形態においては、固定子磁石２２から生じる周方向を流れる磁束の磁路が磁極片３２Ａにおいて適正に変調され、出力トルクの低下を抑制できる。
　また、第１面５１Ａと第２面５２Ａのうち径方向内側にある面である内側面５７から、軸方向孔８６の中心８６Ｃまでの径方向長さは、寸法Ｍｉに該当する。第１面５１Ａと第２面５２Ａのうち内側面５７とは反対側にある面である外側面５８から第３面５３までの最大径方向長さは、寸法Ｍｗに該当する。図４Ａで例示される実施形態では、内側面５７は第１面５１Ａであり、外側面５８は第２面５２Ｂである。寸法Ｍｉは寸法Ｍｗよりも長い。上述のように第３面５３から第４面５４までの周方向長さ（寸法Ｌｃ）が第２周長（寸法Ｌ２）よりも長いので、第３面５３と第４面５４との間にはより多くの磁極片３２が配置される傾向にある。この点、寸法Ｍｉが寸法Ｍｗよりも長いので、軸方向孔８６の径方向位置は、第３面５３と第４面５４との間にある領域の近くに配置される。これにより、第３面５３と第４面５４との間にある磁極片３２の量が低減する。従って、磁極片３２の径方向における中点Ｃｒに対して回転子磁石４２側と固定子磁石２２側とにおいて、磁極片３２Ａの配置量が均等化される。よって、磁極片３２Ａの内部で形成される磁路は整い易い。
　なお、径方向外側から順に回転子４０、磁極片回転子３０、及び固定子２０が配置される既述の構造が採用された別の実施形態では、内側面５７は第２面５２Ａであり、外側面５８は第１面５１Ａである。この実施形態においても、内側面５７から軸方向孔８６の中心８６Ｃまでの径方向長さが、外側面５８から第３面５３までの最大径方向長さよりも長くてもよい。
　図４Ａで示すように、第１面５１Ａ（５１）は、非磁性ホルダ３９Ａ（３９）の第１ホルダ周面１１と同じ径方向位置に配置され、第２面５２Ａ（５２）は、第２ホルダ周面１２と同じ径方向位置に配置されてもよい。なお、第１面５１Ａと第１ホルダ周面１１とが、例えば製造誤差などにより、径方向において互いにずれる場合であっても、第１面５１Ａと第１ホルダ周面１１とは実質的に同じ径方向位置に配置されている。第２面５２Ａと第２ホルダ周面１２とが、例えば製造誤差などにより、径方向において互いにずれる場合も同様である。
　さらに、第１面５１Ａ（５１）は回転子４０側に露出し、第２面５２Ａ（５２）は固定子２０側に露出してもよい。より具体的な一例として、第１面５１は回転子磁石４２と第１エアギャップＧ１を隔てて対向し、第２面５２は固定子磁石２２と第２エアギャップＧ２を隔てて対向してもよい。第１面５１と第２面５２がいずれも露出することによって、磁極片３２による磁束の変調効果を増大させることができる。
　なお、他の実施形態では、磁極片３２Ａと非磁性ホルダ３９Ａは、他の部品によって覆われてもよい。この場合、第１面５１Ａまたは第２面５２Ａの少なくとも一方は露出しなくてもよく、同様に、第１ホルダ周面１１または第２ホルダ周面１２の少なくとも一方は露出しなくてもよい。例えば、第２面５２Ａと第２ホルダ周面１２はいずれも、他の部品と第２エアギャップＧ２とを隔てて固定子２０に対向してもよい。
　図４Ｂで示すように、磁極片回転子３０Ｂ（３０）は、複数の磁極片３２Ｂ（３２）を保持する単一の非磁性ホルダ３９Ｂ（３９）を含む。非磁性ホルダ３９Ｂは周方向に延在する。
　この場合、第１面５１Ｂ（５１）と第２面５２Ｂ（５２）は、単一の非磁性ホルダ３９Ｂ（３９）によって覆われる。より具体的には一例として、第１面５１Ｂは、非磁性ホルダ３９と第１エアギャップＧ１を隔てて、回転子磁石４２と対向し、第２面５２Ｂ（５２）は、非磁性ホルダ３９と第２エアギャップＧ２を隔てて回転子磁石４２と対向する。
　図４Ｂで示すように、各々の磁極片３２Ｂの軸方向視の形状は台形状である。
　別の実施形態では、各々の磁極片３２Ｂ（３２）に、軸方向孔８６（図４Ａ参照）が設けられ、軸方向孔８６の内側で連結バー３６が軸方向に延在してもよい。
　図５及び図６を参照し、磁極片３２の形状と、磁極片３２の鉄損及び固定子磁石２２の磁石損失の関係を説明する。
　図５は、一実施形態に係る第１周長及び第２周長に応じた磁極片３２の鉄損を示すグラフである。磁極片３２の鉄損（Ｐｏｌｅ　ｐｉｅｃｅ　ｉｒｏｎ　ｌｏｓｓｅｓ）は、磁極片３２のヒステリシス損失と渦電流損失を含む。図５で示される「ＰＰ」は、Ｐｏｌｅ　ｐｉｅｃｅを意味する。
　図６は、一実施形態に係る第１周長及び第２周長に応じた固定子磁石２２の磁石損失を示すグラフである。固定子磁石２２の磁石損失（Ｓｔａｔｏｒ　ｍａｇｎｅｔ　ｌｏｓｓｅｓ）は渦電流損失を含む。
　図５と図６は一例として、磁極片回転子３０Ｂ（図４Ｂ参照）が磁気ギアードモータ１０Ｂ（図１Ｂ参照）に適用されたときのシミュレーションデータである。図５、図６のグラフでは、横軸が第１周長（寸法Ｌ１）を示し、第２周長（寸法Ｌ２）に応じてシミュレーションデータがプロットされている。また、グラフの縦方向における１目盛りあたりの損失量は、図５と図６とにおいて同じである。
　図５に示すように、第１周長と第２周長が各々短いほど、磁極片３２Ｂの鉄損は低減することが判る。これは、磁束の通過対象である磁極片３２Ｂ自体が小さくなることで、漏れ磁束Ｌｆ（図１Ａ、図１Ｂ参照）が低減し、電磁鋼板３５を流れる渦電流が低減することが理由であると推定される。
　図６に示すように、第１周長の長短は、固定子磁石２２の磁石損失に殆ど影響を与えないことが判る。一方、第２周長が長いほど固定子磁石２２の磁石損失は低減することが判った。これは、第２周長が長いほど、磁極片回転子３０の回転時に特定の磁極片３２Ｂが特定の固定子磁石２２と対向している時間が長くなり、固定子磁石２２を通過する磁束の単位時間当たりの変化量が抑制されたためだと推定される。
　なお、上記で推定した理由に基づけば、磁極片回転子３０Ｂの代わりに磁極片回転子３０Ａ（図４Ａ参照）が設けられた磁気ギアードモータ１０Ｂにおいても、図５、図６と同様の結果が得られることが了解される。また、磁気ギアード発電機１０Ａと磁気ギアードモータ１０Ｂとの間で共通の構成が採用されていることを踏まえれば、磁極片回転子３０Ｂが設けられた磁気ギアード発電機１０Ａ（図１Ａ参照）においても、図５、図６と同様の結果が得られることが了解される。
　図５、図６の結果から判る通り、磁極片３２の鉄損の増減傾向と固定子磁石２２の磁石損失の増減傾向は、第２周長の長短に応じて互いに反対である。即ち、第２周長が短いほど、磁極片３２の鉄損は増大し、固定子磁石２２の磁石損失は低減する。一方、第２周長が長いほど、磁極片３２の鉄損は低減し、固定子磁石２２の磁石損失は増大する。
　磁気ギアード回転機械１０の効率的な稼働を実現するには、固定子磁石２２の磁石損失を磁極片３２の鉄損よりも重視して、第２周長を長くする方が好ましいと発明者らは考える。なぜなら、固定子磁石２２を含む固定子２０には、固定子巻線２４が設けられており、固定子巻線２４の通電に伴い固定子磁石２２の温度は上昇し易い傾向を有するからである。固定子磁石２２が温度上昇すると、固定子磁石２２は減磁され、磁極片回転子３０の回転は阻害される（例えば、磁気ギアードモータ１０Ｂでは、出力トルクが低減する）。
　特に固定子磁石２２が希土類磁石である実施形態では、固定子磁石２２が例えばネオジウム磁石である実施形態に比べ、固定子磁石２２の減磁が著しい。この点、第２周長が長いことで、固定子磁石２２の磁石損失が抑制される結果、固定子磁石２２の温度上昇が抑制される。これにより、磁気ギアード回転機械１０の稼働時における効率低下は抑制される。
　図７を参照し、磁極片回転子３０の形状と磁気ギアード回転機械１０におけるトルクの関係を説明する。
　図７は、一実施形態に係る磁極片回転子３０の形状に応じた磁気ギアード回転機械１０のトルクを示すグラフである。該グラフは一例として、磁極片回転子３０Ｂ（図４Ｂ参照）が磁気ギアードモータ１０Ｂ（図１Ｂ）に適用されたときのシミュレーションに基づくデータを示す。
　図７は、差分角度（θＢ）に対する磁極片平均角度（θＡ）の比（θＡ／θＢ）と、磁気ギアードモータ１０Ｂの最大伝達トルク（Ｍａｘ．　ｐｕｌｌ　ｏｕｔ　ｔｏｒｑｕｅ）及び定格トルク（Ｒａｔｅｄ　ｔｏｒｑｕｅ）との関係を示すグラフである。最大伝達トルクは、磁気ギアードモータ１０Ｂの回転子４０から磁極片３２へと伝達される磁気的なトルクの最大値である。定格トルクは、磁気ギアード回転機械１０が定格運転をするときに求められる出力トルクである。この定格トルクが最大伝達トルクを上回ると、磁気ギアードモータ１０Ｂにおける負荷トルクが最大伝達トルクを超えるため、脱調が生じる。
　図７から判るように、θＡ／θＢが０．６７以下である場合に、高い水準の最大伝達トルクが達成されることが判った。従って、上述の式（１）が成立すれば、磁気ギアードモータ１０Ｂにおいて高い水準の伝達トルクが確保されることが了解される。
　また、θＡ／θＢが０．４以上である場合、θＡ／θＢが０．６７であるときの最大伝達トルクと同等またはそれ以上の最大伝達トルクが達成されることが判った。従って、上述の式（５）が成立すれば、磁気ギアードモータ１０Ｂにおいて高い水準の伝達トルクが確保されることが了解される。
　さらに、θＡ／θＢが０．５３である場合には、最大伝達トルクが最大になることが判った。従って、上述の式（２）が成立すれば、磁気ギアードモータ１０Ｂの伝達トルクが高水準で達成されることが了解される。
　なお、磁極片回転子３０Ｂに代えて磁極片回転子３０Ａが磁気ギアードモータ１０Ｂに適用されたときも同様のデータが得られると予想される。なぜなら、磁気ギアードモータ１０Ｂの出力トルクの高低は、複数の固定子磁石２２から生じる磁束が、磁極片３２のうち固定子２０側の部位をどれだけ流れるかに応じて主に決まるからである。つまり、連結バー３６が挿入されている軸方向孔８６が設けられた磁極片回転子３０Ａにおいても、図７と同様のデータが取得されることが了解される。
　また、磁気ギアードモータ１０Ｂと共通の構成を有する磁気ギアード発電機１０Ａにおいても、図７と同様のデータが得られると予想される。
　なお、θＡ／θＢが０．２以下になると、最大伝達トルクが定格トルクを下回ること、図７のグラフから予測される。従って、磁気ギアード回転機械１０が脱調することなく稼働するためには、上述の式（３）が成立することが前提となる。
（まとめ）
　以下、幾つかの実施形態に係る磁気ギアード回転機械１０及びこれを用いた発電システム１について概要を記載する。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る磁気ギアード回転機械（１０）は、
　周方向に並ぶように配置された複数の固定子磁石（２２）を含む固定子（２０）と、
　前記周方向に並ぶように配置される複数の回転子磁石（４２）を含む回転子（４０）であって、前記複数の回転子磁石（４２）の磁極数が前記複数の固定子磁石（２２）の磁極数よりも少ない回転子（４０）と、
　前記周方向に並ぶように配置された複数の磁極片（３２）を含む磁極片回転子（３０）と
　を備え、
　各々の前記磁極片（３２）は、
　　前記回転子（４０）と径方向にて対向する第１面（５１）と、
　　前記固定子（２０）と前記径方向にて対向し、周方向長さ（寸法Ｌ２）が、前記第１面（５１）の周方向長さ（寸法Ｌ１）よりも長い第２面（５２）と
　を含む。
　上記（１）の構成によれば、第２面（５２）の周方向長さである第２周長（寸法Ｌ２）が、第１面（５１）の周方向長さである第１周長（寸法Ｌ１）よりも長い。これにより、磁極片回転子（３０）が回転することに起因する、固定子磁石（２２）を通過する磁束の単位時間当たりの変化量が抑制される。よって、固定子磁石（２２）の磁石損失を低減することができる磁気ギアード回転機械（１０）が実現する。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記磁極片回転子（３０）は、前記複数の磁極片（３２）と前記周方向に交互に配置される複数の非磁性ホルダ（３９）を備え、
　各々の前記非磁性ホルダ（３９）は、前記径方向の内側に向かうほど前記非磁性ホルダ（３９）の周方向中点に近づく方向に延在するホルダ面（３７）を備え、
　各々の前記磁極片（３２）は、
　　前記ホルダ面（３７）と対向して当接する第３面（５３）と、
　　前記周方向において前記第３面（５３）とは反対側にある第４面（５４）と
　を含み、
　前記第３面（５３）から前記第４面（５４）までの前記周方向の長さ（寸法Ｌｃ）は、前記第２面（５２）の周方向長さ（寸法Ｌ２）よりも長い。
　上記（２）の構成によれば、磁極片（３２）の第３面（５３）が非磁性ホルダ（３９）のホルダ面（３７）に対向して当接するので、磁極片回転子（３０）の回転時において磁極片（３２）が遠心力によって磁極片回転子（３０）から外れるのを抑制できる。また、第３面（５３）から第４面（５４）までの周方向の長さ（寸法Ｌｃ）が第２面（５２）の周方向の長さ（寸法Ｌ２）よりも長いことで、固定子磁石（２２）側における磁極片（３２）の大きさが確保される。これにより、磁極片（３２）の内部で形成される磁束の磁路が整い易い。また、磁気ギアード回転機械（１０）が磁気ギアードモータ（１０Ｂ）である実施形態において、第３面（５３）から第４面（５４）までの周方向の長さ（寸法Ｌｃ）が第２面（５２）の周方向の長さ（寸法Ｌ２）よりも長いことで、固定子磁石（２２）から生じる周方向に流れる磁束の磁路が磁極片（３２）において適正に変調され、磁気ギアードモータ（１０Ｂ）の出力トルクの低下を抑制できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
　θＡとθＢとの関係が、式（１）によって規定され、
　θＡは、前記磁極片（３２）の径方向断面において前記磁極片（３２）の外側輪郭（６０）によって囲まれる領域の面積（Ｓ）を、前記磁極片（３２）の前記径方向の長さ（寸法Ｌｒ）、および回転中心（Ｏ）から前記磁極片（３２）の前記径方向における中点（Ｃｒ）までの長さ（寸法Ｌｓ）で除した値として規定される角度であり、
　θＢは、前記周方向に隣り合う２つの前記磁極片（３２）の各々について、前記回転中心（Ｏ）を基準とした角度位置の正の差分値として規定される角度である。
　θＡ≦０．６７θＢ　　　・・・式（１）
　上記（３）の構成によれば、θＡが０．６７θＢ以下であることで、磁気ギアード回転機械（１０）の高い伝達トルクが実現する。
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
　前記θＡと前記θＢとの関係が式（２）によって規定される。
　θＡ≧０．５４θＢ　　　・・・式（２）
　上記（４）の構成によれば、θＡが０．５４θＢ以上であることで、磁気ギアード回転機械（１０）の高い伝達出力トルクが実現する。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）のいずれかの構成において、
　前記第１面（５１）の周方向長さであるＬ１と、前記第２面（５２）の周方向長さであるＬ２との関係が式（３）によって規定される。
　　０．２５Ｌ２＜Ｌ１＜０．７５Ｌ２　　・・・式（３）
　上記（５）の構成によれば、Ｌ１が０．２５Ｌ２よりも大きいことで、回転子磁石（４２）から生じる径方向に流れる磁束の磁路が磁極片（３２）において確保される。磁極片（３２）の内部において磁束が整い易い。また、０．７５Ｌ２がＬ１よりも大きいことで、第２周長（寸法Ｌ２）を十分に長くでき、固定子磁石（２２）における磁石損失を低減することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）のいずれかの構成において、
　前記磁極片回転子（３０）は、前記磁極片（３２）を軸方向に貫通するように設けられた軸方向孔（８６）の内側で前記軸方向に延在する連結バー（３６）を備え、
　前記軸方向孔（８６）の中心（８６Ｃ）の径方向位置は、前記磁極片（３２）の前記径方向における中点（Ｃｒ）よりも前記第２面（５２）側にある。
　上記（６）の構成によれば、軸方向孔（８６）の内側で軸方向に延在する連結バー（３６）は、磁極片回転子（３０）の回転時に磁極片（３２）が遠心力によって径方向外側にずれるのを抑制できる。また、第２周長（寸法Ｌ２）が、第１周長（寸法Ｌ１）よりも長いので、固定子磁石（２２）に近い位置でより多くの磁極片（３２）が配置される傾向がある。この点、軸方向孔（８６）の中心（８６Ｃ）の径方向位置が、磁極片（３２）の径方向における中点（Ｃｒ）よりも第２面（５２）側にあることで、固定子磁石（２２）に近い位置にある磁極片（３２）の量が低減する。これにより、磁極片（３２）の径方向における中点（Ｃｒ）に対して回転子磁石（４２）側と固定子磁石（２２）側とにおいて、磁極片（３２）の配置量が均等化される。従って、磁極片（３２）内部で形成される磁路は整い易い。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
　前記磁極片回転子（３０）は、前記複数の磁極片（３２）の各々を前記周方向に挟む複数の非磁性ホルダ（３９）を備え、
　各々の前記非磁性ホルダ（３９）は、前記径方向の内側に向かうほど前記非磁性ホルダ（３９）の周方向中点に近づく方向に延在するホルダ面（３７）を備え、
　各々の前記磁極片（３２）は、
　　前記ホルダ面（３７）と対向して当接する第３面（５３）と、
　　前記周方向において前記第３面（５３）とは反対側にある第４面（５４）と
　を含み、
　前記第３面（５３）から前記第４面（５４）までの前記周方向の長さ（寸法Ｌｃ）は、前記第２面（５２）の周方向長さ（寸法Ｌ２）よりも長く、
　前記第１面（５１）と前記第２面（５２）のうち前記径方向の内側にある内側面（５７）から前記軸方向孔（８６）の中心（８６Ｃ）までの径方向長さ（寸法Ｍｉ）は、前記内側面（５７）とは反対側の外側面（５８）から前記第３面（５３）までの最大径方向長さ（寸法Ｍｗ）よりも長い。
　上記（７）の構成によれば、軸方向孔（８６）の内側で軸方向に延在する連結バー（３６）は、磁極片回転子（３０）の回転時に磁極片（３２）が遠心力によって非磁性ホルダ（３９）から外れるのを抑制できる。第３面（５３）から前記第４面（５４）までの周方向長さ（寸法Ｌｃ）が、第２周長（寸法Ｌ２）よりも長いので、第３面（５３）と第４面（５４）との間にはより多くの磁極片（３２）が配置される傾向にある。この点、内側面（５７）から軸方向孔（８６）の中心（８６Ｃ）までの径方向長さ（寸法Ｍｉ）が、外側面（５８）から第３面（５３）までの最大径方向長さ（寸法Ｍｗ）よりも長いので、軸方向孔（８６）の径方向位置は第３面（５３）と第４面（５４）の間にある領域の近くに配置される。これにより、第３面（５３）と第４面（５４）との間にある磁極片（３２）の量が低減する。従って、磁極片（３２）の径方向における中点（Ｃｒ）に対して回転子磁石（４２）側と固定子磁石（２２）側とにおいて、磁極片（３２）の配置量が均等化される。よって、磁極片（３２）内部で形成される磁路は整い易い。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）のいずれかの構成において、
　前記第１面（５１）は、前記回転子（４０）側に露出し、
　前記第２面（５２）は、前記固定子（２０）側に露出する。
　上記（８）の構成によれば、第１面（５１）と第２面（５２）がいずれも露出することによって、磁極片（３２）による磁束の変調効果を増大させることができる。
（９）本開示の少なくとも一実施形態に係る発電システム（１）は、
　原動機（２）と、
　前記原動機からの入力によって駆動されて発電するための磁気ギアード発電機（１０Ａ）としての、上記（１）から（８）のいずれかに記載の磁気ギアード回転機械（１０）と
　を備える。
　上記（９）の構成によれば、上記（１）と同様の理由によって、固定子磁石（２２）の磁石損失を低減することができる発電システム（１）が実現する。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
１　　　：発電システム
２　　　：原動機
１０　　：磁気ギアード回転機械
１０Ａ　：磁気ギアード発電機
２０　　：固定子
２２　　：固定子磁石
３０　　：磁極片回転子
３２　　：磁極片
３７　　：ホルダ面
３９　　：非磁性ホルダ
４０　　：回転子
４２　　：回転子磁石
５１　　：第１面
５２　　：第２面
５３　　：第３面
５４　　：第４面
５７　　：内側面
５８　　：外側面
６０　　：外側輪郭
８６　　：軸方向孔
８６Ｃ　：中心
Ｃｒ　　：中点

Claims (9)

  1. 　周方向に並ぶように配置された複数の固定子磁石を含む固定子と、
    　前記周方向に並ぶように配置される複数の回転磁石を含む回転子であって、前記複数の回転子磁石の磁極数が前記複数の固定子磁石の磁極数よりも少ない回転子と、
    　前記周方向に並ぶように配置された複数の磁極片を含む磁極片回転子と
    　を備え、
    　各々の前記磁極片は、
    　　前記回転子と径方向にて対向する第１面と、
    　　前記固定子と前記径方向にて対向し、周方向長さが、前記第１面の周方向長さよりも長い第２面と
    　を含む磁気ギアード回転機械。
  2. 　前記磁極片回転子は、前記複数の磁極片と前記周方向に交互に配置される複数の非磁性ホルダを備え、
    　各々の前記非磁性ホルダは、前記径方向の内側に向かうほど前記非磁性ホルダの周方向中点に近づく方向に延在するホルダ面を備え、
    　各々の前記磁極片は、
    　　前記ホルダ面と対向して当接する第３面と、
    　　前記周方向において前記第３面とは反対側にある第４面と
    　を含み、
    　前記第３面から前記第４面までの前記周方向の長さは、前記第２面の周方向長さよりも長い請求項１に記載の磁気ギアード回転機械。
  3. 　θＡとθＢとの関係が、式（１）によって規定され、
    　θＡは、前記磁極片の径方向断面において前記磁極片の外側輪郭によって囲まれる領域の面積を、前記磁極片の前記径方向の長さ、および回転中心から前記磁極片の前記径方向における中点までの長さで除した値として規定される角度であり、
    　θＢは、前記周方向に隣り合う２つの前記磁極片の各々について、前記回転中心を基準とした角度位置の正の差分値として規定される角度である
    請求項１又は２に記載の磁気ギアード回転機械。
    　θＡ≦０．６７θＢ　　　・・・式（１）
  4. 　前記θＡと前記θＢとの関係が式（２）によって規定される請求項３に記載の磁気ギアード回転機械。
    　θＡ≧０．５４θＢ　　　・・・式（２）
  5. 　前記第１面の周方向長さであるＬ１と、前記第２面の周方向長さであるＬ２との関係が式（３）によって規定される請求項１から４のいずれかに記載の磁気ギアード回転機械。
    　　０．２５Ｌ２＜Ｌ１＜０．７５Ｌ２　　・・・式（３）
  6. 　前記磁極片回転子は、前記磁極片を軸方向に貫通するように設けられた軸方向孔の内側で前記軸方向に延在する連結バーを備え、
    　前記軸方向孔の中心の径方向位置は、前記磁極片の前記径方向における中点よりも前記第２面側にある請求項１から５のいずれかに記載の磁気ギアード回転機械。
  7. 　前記磁極片回転子は、前記複数の磁極片の各々を前記周方向に挟む複数の非磁性ホルダを備え、
    　各々の前記非磁性ホルダは、前記径方向の内側に向かうほど前記非磁性ホルダの周方向中点に近づく方向に延在するホルダ面を備え、
    　各々の前記磁極片は、
    　　前記ホルダ面と対向して当接する第３面と、
    　　前記周方向において前記第３面とは反対側にある第４面と
    　を含み、
    　前記第３面から前記第４面までの前記周方向の長さは、前記第２面の周方向長さよりも長く、
    　前記第１面と前記第２面のうち前記径方向の内側にある内側面から前記軸方向孔の中心までの径方向長さは、前記内側面とは反対側の外側面から前記第３面までの最大径方向長さよりも長い請求項６に記載の磁気ギアード回転機械。
  8. 　前記第１面は、前記回転子側に露出し、
    　前記第２面は、前記固定子側に露出する
    　請求項１から７のいずれかに記載の磁気ギアード回転機械。
  9. 　原動機と、
    　前記原動機からの入力によって駆動されて発電するための磁気ギアード発電機としての、請求項１から８のいずれかに記載の磁気ギアード回転機械と
    を備える発電システム。
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