WO2023080110A1 - 磁気ギアードモーターおよび磁気ギアードモーターの製造方法 - Google Patents

磁気ギアードモーターおよび磁気ギアードモーターの製造方法 Download PDF

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stator
geared motor
magnetic geared
magnetic
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純香 乙坂
隆之 鬼橋
正樹 亀山
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三菱電機株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors
    • 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

Definitions

  • This application relates to a magnetic geared motor and a method for manufacturing a magnetic geared motor.
  • a magnetic gear-type rotating electric machine (hereinafter referred to as a magnetic geared motor) that integrates a magnetic flux modulation type magnetic reduction gear (magnetic gear) that achieves high torque density and a wound stator is known.
  • the high-speed rotor is rotated by the stator coil placed inside, and the magnetic flux of the magnet placed in the high-speed rotor is modulated by the modulating magnetic pole (called a pole piece), thereby rotating the low-speed rotor. rotate.
  • a pole piece modulating magnetic pole
  • torque increased by the speed ratio (reduction ratio) of the high-speed rotor can be obtained in the low-speed rotor. Therefore, a device with high torque density can be obtained (see, for example, Patent Document 1).
  • the magnetic geared motor of Patent Document 1 uses permanent magnets for both the high-speed rotor and the low-speed rotor. For this reason, permanent magnets are used in large quantities and are expensive. Also, the high-speed rotor is rotated by applying a three-phase AC power supply to the stator coil. In this case, a circuit for starting, such as an inverter, is required because the rotor cannot be started unless the phase of the rotor and the rotating magnetic field of the stator are synchronized. As a result, the motor system becomes expensive, and there is a problem in its practical use as a general-purpose application.
  • the present application was made to solve the above-mentioned problems, and by connecting a single-phase AC power supply or a DC power supply to the stator coil, the starter can be started by directly inputting the voltage and current without using an inverter or the like.
  • the starter can be started by directly inputting the voltage and current without using an inverter or the like.
  • the magnetic geared motor disclosed in the present application includes a stator, a first rotor rotatably disposed on the inner circumference of the stator, a shaft having a shaft, a shaft disposed coaxially with the first rotor, and rotating the first rotor.
  • the second rotor rotates at a rotational speed obtained by reducing the rotational speed of the first rotor by a predetermined reduction ratio, and the stator rotates at the first and an iron core connecting the plurality of first teeth, and the first coil is connected to a single-phase AC power supply or a DC power supply.
  • the magnetic geared motor disclosed in the present application by connecting a single-phase AC power supply or a DC power supply to the first coil of the stator, it can be started without using an inverter, etc., and the number of permanent magnets can be reduced. Become.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1;
  • 1 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing connection between the stator coil of the magnetic geared motor and the single-phase AC power supply according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a circuit showing connection between the stator coil of the magnetic geared motor and the DC power supply according to Embodiment 1.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 4;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of windings of a high-speed rotor of a magnetic geared motor according to Embodiment 4;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to this embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • the magnetic geared motor includes a high-speed rotor (first rotor) 1 having an iron core 12 having a plurality of teeth 11, a coil 13, and a shaft 14, and a plurality of pole pieces 21 and insulating members 22 arranged circumferentially. It has low-speed rotors (second rotors) 2 that are alternately arranged, and a stator 3 that generates a rotating magnetic field for rotating the high-speed rotor 1 .
  • a high-speed rotor 1, a low-speed rotor 2, and a stator 3 are arranged in this order from the radially inner side to the outer side.
  • the coil 13 is insulated from the iron core 12 by an insulator made of insulating paper or insulating material.
  • the high-speed rotor 1 has the center of the rotation axis on the shaft 14, and the iron core 12 is fixed on the outer circumference of the shaft 14.
  • Core 12 has a plurality of teeth 11 .
  • the teeth 11 are arranged at equal intervals on the circumference.
  • a coil 13 is wound around each of the teeth 11 , and when a single-phase AC voltage or DC voltage is applied to the coil 13 , it becomes an electromagnet.
  • an arrow penetrating the coil 13 indicates an example of the direction of the magnetic field when voltage is applied. The same applies to subsequent figures.
  • the low-speed rotor 2 is arranged radially outside the high-speed rotor 1 with an air gap 4 interposed therebetween.
  • the low-speed rotor 2 has pole pieces 21 formed by laminating electromagnetic steel plates in the circumferential direction and insulating members 22 alternately arranged in the circumferential direction.
  • the low-speed rotor 2 is fixed at both ends in the axial direction with non-magnetic materials 61, 62 such as resin or aluminum, and is supported by bearings 7a, 7b.
  • a stator 3 is arranged radially outside the low-speed rotor 2 via an air gap 5 .
  • the stator 3 is composed of an iron core 32 connecting a plurality of teeth 31, an insulating material, and coils 33.
  • a coil 33 is wound around the iron core 32 while ensuring insulation with an insulating material.
  • the coil 33 is composed of a main coil 331 and an auxiliary coil 332 .
  • permanent magnets 15 may be used instead of the electromagnets comprising the coils 13 of the high-speed rotor 1 as shown in FIG.
  • a wound field magnet or a permanent magnet may be used.
  • FIG. 4 shows an example of a circuit diagram in which the single-phase AC power supply 9 is connected to the coils 33 of the stator 3.
  • the main coil 331 and the auxiliary coil 332 are wound around the stator 3 , and the capacitor 8 , the single-phase AC power supply 9 and the DC power supply 10 are connected to the ends of the coil 33 .
  • Capacitor 8 and DC power supply 10 can be switched by switch 16 .
  • the high-speed rotor 1 starts according to the principle of a single-phase induction motor, is switched to a DC power supply 10 by a switch 16 at rated rotation, and is driven as a magnetic geared motor.
  • a single-phase AC power supply is also connected to the coil 13 of the high-speed rotor 1, and a single-phase AC voltage is applied.
  • the magnetic flux generated by the high-speed rotor 1 and stator 3 is modulated by the low-speed rotor 2. That is, the speed of the high-speed rotor 1 is reduced according to the ratio of the number of poles of the high-speed rotor 1 and the number of magnetic poles of the low-speed rotor 2, and the low-speed rotor 2 rotates.
  • the current path can be completely cut off simply by disconnecting one of the two power supply lines, so the protection circuit can be configured with only one fuse.
  • the operation stop switch can be installed only on one side, and large-sized equipment is not required, and not only can the size of the entire system be reduced, but also the cost can be reduced.
  • the efficiency is high when there is no load, and due to the features of the magnetic geared motor, the torque is small on the high speed side, so the state is almost no load.
  • the low speed side can be efficiently driven with the necessary load.
  • FIG. 5 and 6 show an example of a cross-sectional view and a circuit diagram of the stator 3 when a DC power supply 10 is connected instead of the single-phase AC power supply 9.
  • FIG. 6 8 brushes 17, which are the number of poles of the high-speed rotor 1, and 16 slip rings (not shown) contact the 8 brushes 17.
  • the DC power supply 10 is connected to the high-speed rotor 1 and a DC voltage is applied to the coils 13 .
  • the device is composed of a motor and a speed reduction mechanism
  • the motor is included in the speed reduction mechanism portion, so the size can be reduced.
  • the voltage current can be applied directly at the time of starting. This eliminates the need for a start-up circuit such as an inverter, making it possible to reduce the size of the entire system and reduce costs.
  • the number of permanent magnets can be reduced, resulting in significant cost reduction.
  • the single-phase AC voltage or DC voltage may be applied to either the stator coil 33 or the rotor coil 13.
  • Ns Nl ⁇ Nh (Formula 1)
  • the structure of the slip rings and brushes 17 that supply single-phase alternating current or direct current to the coils 13 of the high-speed rotor 1 can be simplified. Also, in FIG. 1, the pole pieces 21 and the insulating members 22 of the low-speed rotor 2 are arranged at regular intervals, but this need not be the case.
  • the high-speed rotor 1, the low-speed rotor 2, and the stator 3 are arranged in this order from the inner side to the outer side in the radial direction, an outer rotor type in which the low-speed rotor 2 is fixed and the stator 3 is rotated may be used.
  • the driving principle is the same as that of a capacitor-operated single-phase motor, which is started and operated using a capacitor 8 for operation.
  • the present invention is not limited to this, and a split-phase starting type in which the starting coil is separated by a centrifugal switch may be used.
  • a capacitor starting type having a starting capacitor and a centrifugal force switch may be used.
  • a condenser-starting condenser operation type in which a centrifugal force switch and a starting condenser are connected in series and a driving condenser is connected in parallel with them may be used.
  • a repulsive starting type using a commutator, brushes, and a commutator short ring may be used.
  • a shade-removing starting type using a shade-removing coil may also be used.
  • teeth 11 are provided on high-speed rotor 1 and coils 13 are wound to form electromagnets.
  • an embedded magnet type in which a magnet is embedded in the iron core 12 may be used.
  • the pole pieces 21 of the low-speed rotor 2 are formed by laminating magnetic steel sheets in the circumferential direction, but they may be laminated in the radial direction, may be dust cores, and may be any magnetic material.
  • the pole piece 21, the insulating member 22, the axial fixing member and the shaft may be integrally molded.
  • PPS Polyphenylene sulfide
  • PBT Polybutylene terephthalate
  • epoxy resin unsaturated polyester resin and the like
  • this mold resin is used to fix the pole piece 21, it is desirable to use a non-conductive material. By doing so, it is possible to suppress the eddy current and contribute to the efficiency improvement of the device.
  • the stator 3 including the main coil 331 and the auxiliary coil 332, the pole piece 21, the insulating member 22, the axial fixing member, and the shaft 14, which constitute the low-speed rotor 2, are integrally formed by molding resin or the like, and after assembly, A structure in which the portion forming the stator 3 and the portion forming the low-speed rotor 2 are separated may be used.
  • the stator 3 and the low-speed rotor 2 are thinly connected by a mold.
  • the number of parts for assembly can be reduced compared to the case of assembling them separately, so that the processing cost can be reduced.
  • the radial positioning accuracy can be increased during assembly, and the width of the gap between the stator 3 and the low-speed rotor 2 can be made smaller.
  • Iron core 12, pole piece 21, and iron core 32 are made of soft magnetic materials such as magnetic steel sheets, dust cores, amorphous metals, permendur, etc. magnetic material).
  • An electromagnetic steel sheet is constructed by laminating a plurality of thin plates in order to prevent eddy currents due to changes in magnetic flux.
  • the mold or bracket is made of insulating resin. As a result, it is possible to prevent electrical corrosion caused by conduction between the inner ring and the outer ring of the bearing, thereby further improving the quality of the magnetic geared motor.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the magnetic geared motor of this embodiment.
  • the present embodiment differs from the first embodiment in that the slots of the stator 3 are not arranged at equal intervals in a circular shape and that permanent magnets are inserted in the iron core 32 of the stator 3 . Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
  • Ns 2 pole pairs
  • Nl 4 magnetic poles
  • Nh 2 pole pairs (4 poles)
  • Gr 2.
  • a single-phase AC voltage or a DC voltage is applied to the coils 33 of the stator 3 as in the first embodiment.
  • a starting capacitor is connected to the auxiliary coil.
  • the present invention is not limited to this, and a split-phase starting type in which the starting coil is separated by a centrifugal switch may be used. Also, a capacitor starting type having a starting capacitor and a centrifugal force switch may be used.
  • a condenser-starting condenser operation type in which a centrifugal force switch and a starting condenser are connected in series and a driving condenser is connected in parallel with them may be used.
  • a repulsive starting type using a commutator, brushes, and a commutator short ring may be used.
  • a shade-removing starting type using a shade-removing coil may also be used. Furthermore, it may be self-starting.
  • inserting the magnet 34 into the stator 3 not only increases the efficiency, but also has the effect of increasing the amount of magnetic flux in the iron core 32 of the stator 3 and increasing the gap magnetic flux density between the low-speed rotor 2 and the stator 3.
  • a compact and inexpensive magnetic geared motor can be provided.
  • the magnet is embedded in the iron core 32, depending on the specifications, a coil may be wound to form an electromagnet.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the magnetic geared motor of this embodiment.
  • the tip shape of the upper and lower teeth 31 is asymmetrical, and the magnet 35 is arranged at the center of the tip of each tooth 31 .
  • the coils wound around the upper and lower teeth are directly connected to a single-phase AC power supply or a DC power supply, and have a self-starting configuration. Since other configurations are the same as those of the first and second embodiments, description thereof is omitted.
  • the configuration is not limited to the self-starting type, and other circuit configurations for starting a single-phase motor may be used as in the first and second embodiments.
  • the rotation direction of the high-speed rotor 1 may not be known when the single-phase motor is started.
  • the high-speed rotor 1 can be rotated in the intended direction at the time of start-up.
  • the gap length is the shortest and the attractive force is large at the end on the side of the elongated teeth, counterclockwise rotation starts.
  • the stable points of the teeth and the low-speed rotor are shifted in the counterclockwise direction.
  • the equipment connected to the output shaft of the low-speed rotor 2 can be rotated in the intended direction with a small starting torque, so that the magnetic geared motor can be provided for a wider range of applications.
  • the number of poles on the stator 3 side can be increased without increasing the number of teeth.
  • the number of pole pairs of the stator 3 is one without the magnets 35, but by placing the magnets 35, a consequent structure can be obtained, and the number of pole pairs of the stator 3 can be three. can be increased.
  • Ns 3 pole pairs
  • Nl 5 magnetic poles
  • Nh 1 pole pair (2 poles)
  • Gr 2.5.
  • the use of permanent magnets is expected to improve transmission torque.
  • the magnet 34 is embedded in the iron core 32 of the stator, depending on the specifications, a coil may be wound and used as an electromagnet.
  • the magnets 35 are arranged at the center of the tips of the teeth 31, but the magnets may be arranged at both sides of the tips of the teeth 31 in FIG.
  • the stator including the coil may or may not be integrated by molding with a resin material.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a magnetic geared motor according to Embodiment 4
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of windings of the magnetic geared motor according to Embodiment 4.
  • the magnetic geared motor can achieve two gear ratios.
  • a switch may be provided externally at the connection between the coils of the high-speed rotor 1 and the stator 3 to switch the number of poles of the high-speed rotor and stator.

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Abstract

磁気ギアードモーターは、高速側ローター、低速側ローターの両方に永久磁石が多量に使用されており高価である。また、回転子の位相と固定子の回転磁界を同期させないと始動できないため、インバータなど、始動のための回路を必要とするなどの課題がある。このため、磁気ギアードモーターのステーター（３）にコイル（３３１、３３２）を巻回し、コイル（３３１、３３２）に単相交流電源（９）または直流電源（１０）を接続することにより、インバータなどを使用せず、電圧電流を直入れすることで始動できるとともに、永久磁石が削減でき、安価にできる。

Description

磁気ギアードモーターおよび磁気ギアードモーターの製造方法
　本願は、磁気ギアードモーターおよび磁気ギアードモーターの製造方法に関するものである。
　近年、高トルク密度を実現した磁束変調型の磁気減速機（磁気ギア）と、巻線型ステーターを一体にした磁気歯車型回転電機（以下、磁気ギアードモーターと称す）が知られている。この磁気ギアードモーターでは、内部に配置されたステーターコイルによって高速側ローターが回転し、高速側ローターに配置された磁石の磁束を変調磁極（ポールピースと称す）で変調させることで、低速側ローターを回転させる。これによって、低速側ローターには高速側ローターの速度比（減速比）だけ増加したトルクを得ることができる。このため高トルク密度な機器を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
特許第５７２３９８７号公報
　しかしながら、特許文献１の磁気ギアードモーターは、高速側ローター、低速側ローターの両方に永久磁石が使われている。このため、永久磁石が多量に使用されており高価である。また、ステーターコイルに三相交流電源を印加することにより高速側ローターを回転させている。この場合、回転子の位相と固定子の回転磁界を同期させないと始動できないため、インバータなど、始動のための回路を必要とする。これにより、モーターシステムとして高価となり、汎用的な用途としての実用化には、問題があった。
　本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ステーターコイルに単相交流電源あるいは直流電源を接続する構成により、インバータなどを使用せず、電圧電流を直入れすることで始動できるとともに、永久磁石を削減できる安価な磁気ギアードモーターを提供することを目的とする。
　本願に開示される磁気ギアードモーターは、ステーター、ステーターの内周に回転可能に配設され、シャフトを有する第一のローター、第一のローターと同軸に配設され、第一のローターの回転に応じて回転する第二のローターを備えたものであって、第二のローターは、第一のローターの回転速度をあらかじめ定められた減速比で減速した回転速度で回転し、ステーターは、第一のコイルを巻回した複数の第一のティースと複数の第一のティースを繋ぐ鉄心からなり、第一のコイルに単相交流電源または直流電源が接続されていることを特徴とする。
　本願に開示される磁気ギアードモーターによれば、ステーターの第一のコイルに単相交流電源または直流電源を接続することにより、インバータなどを用いずに始動できるとともに、永久磁石が削減でき、安価となる。
実施の形態１に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 実施の形態１に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 実施の形態１に係る磁気ギアードモーターのステーターコイルと単相交流電源との接続を示す回路図である。 実施の形態１に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 実施の形態１に係る磁気ギアードモーターのステーターコイルと直流電源との接続を示す回路である。 実施の形態２に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 実施の形態３に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 実施の形態４に係る磁気ギアードモーターの断面図である。 実施の形態４に係る磁気ギアードモーターの高速ローターの巻線の一例を示す図である。
　以下、本願に係る磁気ギアードモーターの好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施の形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
実施の形態１．
　図１は、本実施の形態に係る磁気ギアードモーターの断面図、図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図１に示すように磁気ギアードモーターは、複数のティース１１をもつ鉄心１２、コイル１３、シャフト１４を有する高速ローター（第一のローター）１と、複数のポールピース２１と絶縁部材２２を周方向に交互に配置する低速ローター（第二のローター）２と、高速ローター１を回転させるための回転磁界を発生させるステーター３を有する。そして、径方向内側から外側に、高速ローター１、低速ローター２、ステーター３の順で配置されている。コイル１３は、絶縁紙または絶縁材で形作ったインシュレータにより鉄心１２と絶縁されている。
　高速ローター１は、シャフト１４に回転軸の中心があり、シャフト１４の外周に鉄心１２が固定されている。鉄心１２は複数のティース１１を有する。ティース１１は円周上に等間隔に配置されている。ティース１１のそれぞれには、コイル１３が巻き回されており、単相交流電圧または直流電圧がコイル１３に印加されることで、電磁石となる。図１中、コイル１３を貫通するように表された矢印は、電圧印加時の磁界の方向の一例を示す。以降の図も同様である。
　図２に示すように、高速ローター１の径方向外側に、空気のギャップ４を介して、低速ローター２が配置される。低速ローター２は、電磁鋼板を周方向に積層したポールピース２１と、絶縁部材２２とが周方向に交互に配置される。また、低速ローター２は、軸方向両端で樹脂またはアルミなどの非磁性材６１、６２で固定され、軸受７ａ、７ｂで支持する構造である。
　低速ローター２の径方向外側に空気のギャップ５を介して、ステーター３が配置される。ステーター３は、複数のティース３１を繋ぐ鉄心３２、絶縁材、コイル３３からなる。鉄心３２に対して絶縁材で絶縁を確保しながらコイル３３が巻かれている。コイル３３は主コイル３３１と補助コイル３３２から構成される。
　また、図３のように高速ローター１のコイル１３からなる電磁石の代わりに永久磁石１５を使用してもよい。このように巻線界磁でも永久磁石でもよい。
　図４に単相交流電源９をステーター３のコイル３３に接続した回路図の一例を示す。上述したように、ステーター３には、主コイル３３１、補助コイル３３２が巻回され、コイル３３端部にコンデンサー８、単相交流電源９、直流電源１０が接続されている。コンデンサー８と直流電源１０はスイッチ１６によって切替えることができる。このように接続することで、ステーター３に４極の回転磁界が発生する。高速ローター１は単相誘導モーターの原理に従って始動し、定格回転時にはスイッチ１６によって直流電源１０に切替えられ、磁気ギアードモーターとして駆動する。また、図４には示されていないが、高速ローター１のコイル１３にも単相交流電源が接続され、単相交流電圧が印加される。
　高速ローター１とステーター３により発生する磁束を低速ローター２で変調する。すなわち、高速ローター１の極数と低速ローター２の磁極数の比に従って高速ローター１の速度が減速され低速ローター２が回転する。
　単相交流電源９を使用することで、２本の電源線の片方を切り離すだけで完全に電流経路を絶つことができるため、保護回路をヒューズ１個のみで構成することができる。さらに、運転停止スイッチの設置が片側だけで良く、大型の設備が不要となりシステム全体の小型化が可能なだけでなく、コストを低減することができる。また、コンデンサー始動モーターの特徴として、無負荷に近い時に効率が高く、磁気ギアードモーターの特徴から高速側はトルクが小さいため無負荷に近い状態となる。低速側は必要な負荷で効率よく駆動できる。
　また、図５、図６に、単相交流電源９に代えて、直流電源１０を接続する場合のステーター３の断面図と回路図の一例を示す。この構成の場合、図６に示すように高速ローター１の極数である８個のブラシ１７と、８個のブラシ１７に触れるように図示しないスリップリングが１６個で構成される。これにより、直流電源１０が高速ローター１に接続され、コイル１３に直流電圧が印加される。
　このような構成により、モーターと減速機構で構成されるものが、本実施の形態では減速機構部分にモーターも含まれており小型化できる。ステーター３のコイル３３に単相交流電流あるいは直流電流を印加すること、および高速ローター１のコイル１３に単相交流電圧または直流電圧を印加することにより、始動時に、電圧電流を直入れすることができ、インバータなどの始動のための回路が不要となり、システム全体の小型化が可能なだけでなく、コストを低減することができる。さらに、永久磁石が削減でき、大幅なコスト低減が可能である。また、回転周波数を変更したい場合にも必要となるインバータ素子数を削減できる効果もある。
　なお、単相交流電圧あるいは直流電圧を印加するのは、ステーターのコイル３３またはローターのコイル１３のいずれかでもよい。
　次に本実施の形態で構成される磁気ギアードモーターの回転数とトルクの関係について説明する。
　高速ローター１の極対数をＮｈ、低速ローター２のポールピース数をＮｌ、ステーター３のスロット数をＮｓとするとき、以下の関係となっている。
Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈ・・・（式１）
　このとき、減速比をＧｒとすると、
Ｇｒ＝Ｎｌ／Ｎｈ・・・（式２）
となり、高速ローター１の速度が１／Ｇｒ倍され低速ローター２に伝わり、高速ローター１のトルクがＧｒ倍され低速ローター２に伝わることになる。
　本実施の形態の図１での各数値は、Ｎｌ＝４、Ｎｓ＝２、Ｎｈ＝２である。つまり、減速比Ｇｒ＝２となる。上記式１、式２を満たす全ての組合せをとることができる。
　また、高速ローター１に備えられるブラシ１７の数をＮｂとすると、上記の例で言えば
２×Ｎｈ＝Ｎｂ・・・（式３）
と表せるので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
と表すことができる。
　このため、高速ローター１のコイル１３に単相交流電流または直流電流を供給するスリップリングおよびブラシ１７の構造を簡素化できる。また、図１では、低速ローター２のポールピース２１と絶縁部材２２を等間隔に配置しているが、そうでなくてもよい。
　また、径方向の内側から外側に、高速ローター１、低速ローター２、ステーター３の順で配置されているとしたが、低速ローター２を固定し、ステーター３を回転させるアウターローター型でもよい。
　また、本実施の形態では、運転用のコンデンサー８を使用して始動して運転する、コンデンサー運転形の単相モーターと同じ駆動原理で説明している。しかし、これに限るものではなく、遠心力スイッチにより始動コイルを切り離す分相始動形でもよい。また、始動用のコンデンサーと遠心力スイッチがあるコンデンサー始動形でもよい。また、遠心力スイッチと始動用コンデンサーを直列に、運転用コンデンサーをそれらと並列に繋いだコンデンサー始動コンデンサー運転形でもよい。また、整流子、ブラシ、および整流子ショートリングを用いた反発始動形でもよい。また、くまとりコイルを用いたくまとり始動形でもよい。
　また、本実施の形態では、高速ローター１にティース１１を設け、コイル１３を巻回して電磁石を構成しているが、電磁石ではなく鉄心１２の外周面に永久磁石を貼り付けて表面磁石型としてもよく、鉄心１２に磁石を埋め込んだ埋込磁石型でも構わない。
　また、本実施の形態では、低速ローター２のポールピース２１は、電磁鋼板を周方向に積層しているが、径方向に積層してもよいし圧粉鉄心でもよく、磁性体であればよい。ポールピース２１、絶縁部材２２、軸方向の固定部材、シャフトは一体成型してもよい。一体成型する際のモールド樹脂は、ＰＰＳ(Poly Phenylene Sulfide)、ＰＢＴ(Polybutylene terephthalate)、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が考えられる。このモールド樹脂は、ポールピース２１の固定に使用しているため、非導電性材料とすることが望ましい。こうすることで渦電流を抑制し機器の効率向上に寄与することができる。
　また、主コイル３３１、補助コイル３３２を含むステーター３と、低速ローター２を構成するポールピース２１、絶縁部材２２、軸方向の固定部材、シャフト１４を樹脂等のモールドで一体に成形し、組立後にステーター３を構成する部分と低速ローター２を構成する部分とを切り離す構造でもよい。この場合、ステーター３と低速ローター２間はモールドで薄く繋がっている。これにより、別々に組立てる場合に比べ、組立時の部品点数を削減できることから加工費の低減が可能である。さらに、組立時に径方向の位置決め精度を高くでき、ステーター３と低速ローター２の隙間であるギャップの幅をより小さくすることができるために、使用するコイルの巻数、流す電流、および磁石量を減らすことができ原価低減が可能である。それだけでなく、軸ぶれの可能性も低減できる。また、軸方向の位置決め精度も高くできるため、設計時に想定した以上の漏れ磁束が生じる恐れもない。また、一体成型することにより、ポールピース２１の冷却が容易となり、渦電流を低減し、効率を向上することが可能となる。以上のことから、より小型で安価な磁気ギアードモーターを提供できる。
　鉄心１２、ポールピース２１、鉄心３２の材料は電磁鋼板、圧粉鉄心、アモルファス金属、パーメンジュールなどの軟磁性材料で構成される（ただし、仕様上、問題がなければＳ４５ＣまたはＳＳ４００などの強磁性材料であっても良い）。電磁鋼板は磁束変化による渦電流を防止するために、薄い板を複数枚積層して構成される。
　また、モールドまたはブラケットを絶縁性の樹脂で構成している。このため、軸受の内輪と外輪が導通する電食を防止することができ、磁気ギアードモーターの品質をより高めることが可能である。
実施の形態２．
　図７は本実施の形態の磁気ギアードモーターの断面図である。本実施の形態では、ステーター３のスロットが円形に等間隔に配置されていないこと、ステーター３の鉄心３２に永久磁石を挿入していることが実施の形態１と異なる。他の構成は実施の形態１と同じであるため説明を省略する。なお、図７において、Ｎｓ＝２極対、Ｎｌ＝４磁極、Ｎｈ＝２極対（４極）、Ｇｒ＝２である。
　このような構成により、ステーター３のスロットが円形に等間隔に配置されてないことで、磁気ギアードモーター全体の小型化が可能である。なお、実施の形態１同様、ステーター３のコイル３３には単相交流電圧または直流電圧を印加する。例えば、実施の形態１と同様のコンデンサー運転形の単相モーターであれば、図７中、ステーター３の上側のティースの内、左側のティースに主コイルが巻かれ、右側のティースに補助コイルが巻かれ、補助コイルに始動用コンデンサーが接続される。しかし、これに限るものではなく、遠心力スイッチにより始動コイルを切り離す分相始動形でもよい。また、始動用のコンデンサーと遠心力スイッチがあるコンデンサー始動形でもよい。また、遠心力スイッチと始動用コンデンサーを直列に、運転用コンデンサーをそれらと並列に繋いだコンデンサー始動コンデンサー運転形でもよい。また、整流子、ブラシ、および整流子ショートリングを用いた反発始動形でもよい。また、くまとりコイルを用いたくまとり始動形でもよい。さらに、自己始動形でもよい。
　さらに、ステーター３に磁石３４を挿入することにより、効率が上がるだけでなく、ステーター３の鉄心３２内の磁束量を増やし低速ローター２とステーター３間のギャップ磁束密度を高める効果がある。この構成により、出力側である低速ローター２に伝わる伝達トルクを大きくすることができる。このような構成により小型で安価な磁気ギアードモーターを提供できる。鉄心３２に磁石を埋め込んだが、仕様によってはコイルを巻回し、電磁石としてもよい。
実施の形態３．
　図８は、本実施の形態の磁気ギアードモーターの断面図である。本実施の形態では、上下一対のティース３１の先端形状が左右非対称であるとともに、ティース３１の先端中央部に磁石３５を配置している。また、上下のティースに巻回されるコイルは、単相交流電源または直流電源に直接接続され、自己始動形の構成である。その他の構成は実施の形態１および２と同じであるため省略する。なお、自己始動形の構成に限ることはなく、実施の形態１および２同様、単相モーターを始動する他の回路構成でもよい。
　単相モーターの始動時に高速ローター１の回転方向がわからないということがある。これに対し、ティース３１の先端形状を左右非対称にすることで、始動時に高速ローター１を意図した方向に回転させることができる。図８の場合、長く伸びたティース側の端が最もギャップ長が小さく吸引力が大きいため、反時計周りに回転始動する。このような構成により、ティースと低速ローターの安定点が反時計回りの方向にずれる。これにより、小さい始動トルクで、低速ローター２の出力軸に繋いだ機器の回転方向を意図した方向に回転させることができるため、より広い用途に磁気ギアードモーターを提供できる。
　また、磁石３５をステーター３のティース３１の先端中央部に配置することで、ティース数を増やすことなくステーター３側の極数を増やすことができる。図８の場合、磁石３５がなければステーター３の極対数は１極対であるが、磁石３５を置くことでコンシクエント構造となり、ステーター３の極対数を３極対とすることができ、ギア比を大きくすることができる。図６において、Ｎｓ＝３極対、Ｎｌ＝５磁極、Ｎｈ＝１極対（２極）、Ｇｒ＝２．５である。
　また、永久磁石を用いることで伝達トルクの向上が見込まれる。ステーターの鉄心３２に磁石３４を埋め込んだが、仕様によってはコイルを巻き回し、電磁石としてもよい。本実施の形態では、ティース３１の先端中央部に磁石３５を配置したが、図８のティース３１の先端両脇部に磁石を配置し、ティース３１の先端中央部を鉄心としてもよい。
　また、ステーター３のティース３１の先端に磁石を埋め込んだあと、樹脂材料によってコイルを含むステーターをモールド成形することで一体化してもよいし、しなくてもよい。
実施の形態４．
　図９は実施の形態４に係る磁気ギアードモーターの断面図、図１０は、実施の形態４に係る磁気ギアードモーターの巻線の一例を示す図である。図１０に示すように、磁気ギアードモーターは２通りのギア比を実現することが可能である。１通り目は、図１０（ａ）の１ａ～８ａ、図１０（ｂ）に示す高速ローター１の磁極で、Ｎｓ＝２極対（４極）、Ｎｌ＝６磁極、Ｎｈ＝４極対（８極）、Ｇｒ＝１．５である。２通り目は、図１０（ａ）の１ｂ～４ｂ、図１０（ｃ）に示す高速ローター１の磁極で、Ｎｓ＝４極対（８極）、Ｎｌ＝６磁極、Ｎｈ＝２極対（４極）Ｇｒ＝３．０である。１通り目と２通り目の切替えは、高速ローター１とステーター３のコイルの結線部分に外部でスイッチを設け高速ローターとステーターの極数を切替えてもよい。
　図３で説明したように、電源に単相交流を繋ぎ、コンデンサー始動する場合、コンデンサー始動モーターの無負荷に近い時に効率が高いので、負荷に合わせて効率が最適となるギア比に切替えて駆動することができる。また、高速ローター１の極対数を交流電源時に２極対、直流電源時に４極対とすることで、図５、図６で示したユニバーサルモーターのように汎用的な磁気ギアードモーターを実現することができる。
　図１０のように高速ローター１の巻線をスイッチングで４極用（図１０（ｂ））、または２極用（図１０（ｃ））に切替える場合、高速ローター１の巻線を各スロットから外に引き出し、２枚の基板を上下に取り付けそれぞれの基板に被膜を剥離した巻線をはんだで固定してもよい。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
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。
１：高速ローター、２：低速ローター、３：ステーター、８：コンデンサー、９：単相交流電源、１０：直流電源、１１：ティース、１２：鉄心、１３：コイル、１４：シャフト、１５：永久磁石、１６：スイッチ、１７：ブラシ、２１：ポールピース、２２：絶縁部材、３１：ティース、３２：鉄心、３３：コイル、３４、３５：磁石、３３１：主コイル、３３２：補助コイル

Claims (8)

  1. 　ステーター、前記ステーターの内周に回転可能に配設され、シャフトを有する第一のローター、前記第一のローターと同軸に配設され、前記第一のローターの回転に応じて回転する第二のローターを備えた磁気ギアードモーターにおいて、
    　前記第二のローターは、前記第一のローターの回転速度をあらかじめ定められた減速比で減速した回転速度で回転し、
    　前記ステーターは、第一のコイルを巻回した複数の第一のティースと前記複数の第一のティースを繋ぐ鉄心からなり、前記第一のコイルに単相交流電源または直流電源が接続されていることを特徴とする磁気ギアードモーター。
  2. 　前記第一のローターは、周方向に等間隔に配置された第二のティースに第二のコイルを巻回して構成され、前記第二のコイルに単相交流電源または直流電源が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気ギアードモーター。
  3. 　前記第一のティースを繋ぐ鉄心に磁石を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気ギアードモーター。
  4. 　前記第一のティースの先端部分に磁石を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気ギアードモーター。
  5. 　前記第一のティースの先端形状が左右非対称であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気ギアードモーター。
  6. 　前記第二のローターは、周方向に等間隔をおいて並ぶ複数のポールピースを有し、前記第一のローターの極対数をＮｈ、前記ポールピースの数をＮｌ、前記ステーターの極対数をＮｓ、減速比をＧｒとした場合、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈ、Ｇｒ＝Ｎｌ／Ｎｈであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気ギアードモーター。
  7. 　前記第一のローターと前記ステーターのコイルの結線部分にスイッチを設け、前記第一のローターと前記ステーターの極数を切替え可能とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気ギアードモーター。
  8. 　ステーター、前記ステーターの内周に回転可能に配設され、シャフトを有する第一のローター、前記第一のローターと同軸に配設され、前記第一のローターの回転に応じて回転する第二のローターを備えた磁気ギアードモーターの製造方法において、前記ステーター、前記ステーターに巻回するコイル、前記第二のローターを構成するポールピースと絶縁部材、および前記シャフトをモールドで一体に成形し、その後、前記ステーターを構成する部分と前記第二のローターを構成する部分とを切り離すことを特徴とする磁気ギアードモーターの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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