WO2023100274A1 - 回転子および磁気波動歯車装置 - Google Patents

回転子および磁気波動歯車装置 Download PDF

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諒祐 川島
亮治 宮武
篤史 山本
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三菱電機株式会社
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    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • This application relates to rotors and magnetic wave gear devices.
  • a magnetic wave gear device that integrates a magnetic reduction gear and a rotating machine is known as a generator for a wind power generator.
  • a magnetic wave gear device is composed of a low-speed rotor, a high-speed rotor provided coaxially with the low-speed rotor, and a stator having stator windings and permanent magnets.
  • a magnetic wave gear device can change the rotation speed of a rotor in a non-contact manner without using a mechanical transmission that causes mechanical wear. Therefore, in the magnetic wave gear device, the load of maintenance against mechanical wear is reduced. Further, when the magnetic wave gear device is used as a generator for a wind power generator, a single device can perform both speed change and power generation, so that the power generation system can be made smaller and space-saving.
  • a magnetic wave gear in which a stator having a plurality of permanent magnets, a high-speed rotor having a plurality of rotor magnets, and a low-speed rotor having a plurality of magnet pieces are concentrically arranged.
  • a device has been disclosed (see, for example, Patent Document 1).
  • a high-speed rotor of such a magnetic wave gear device a rotor in which a plurality of magnet modules, in which rotor magnets are fixed to a base, are arranged in the circumferential direction can be used.
  • a rotor a rotor in which the base of the magnet module is made of a magnetic material is disclosed (see, for example, Patent Document 2).
  • the magnetic resistance between the magnetic poles is large because the boundaries between the magnet modules are the boundaries between the adjacent magnetic poles. Therefore, even if a conventional rotor is applied to a magnetic wave gear device, there is a problem that the output is low because the magnetic resistance between the magnetic poles of the rotor is large.
  • the present application was made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a rotor with small magnetic resistance between magnetic poles.
  • the rotor of the present application is a rotor in which magnet modules are arranged in an annular shape around the rotation axis.
  • the magnet module has a base made of a magnetic material, and two rotor magnets with different polarities arranged on the outer peripheral surface of the base with a gap in the rotation direction of the rotating shaft. , the facing rotor magnets of two rotationally adjacent magnet modules have the same pole and are in close contact with each other.
  • the opposing rotor magnets of two magnet modules adjacent in the rotation direction have the same poles and are in close contact with each other, so the magnetic resistance between the magnetic poles can be reduced.
  • FIG. 1 is a front view of a magnetic wave gear device according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnet module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a high-speed rotor according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnetic wave gear device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a front view of a magnetic wave gear device according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnet module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a high-speed rotor according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnetic wave gear device according to Embodiment 1.
  • Embodiment 1. 1 is a front view of a magnetic wave gear device according to Embodiment 1.
  • FIG. A magnetic wave gearing 1 of this embodiment has a cylindrical frame 2 , a stator 3 , a low speed rotor 4 and a high speed rotor 5 .
  • the stator 3 includes a stator core 31 having a plurality of slots in the circumferential direction, stator windings 32 and stator magnets 33 arranged in the slots.
  • the stator 3 is fixed to the frame 2 on the inner peripheral side of the frame 2 .
  • the low-speed rotor 4 has a cylindrical low-speed rotor core arranged on the inner peripheral side of the stator 3 with a gap therebetween.
  • the high-speed rotor 5 is concentric with the rotating shaft 41 of the low-speed rotor 4 and is arranged on the inner peripheral side of the low-speed rotor core with a gap therebetween.
  • the high-speed rotor 5 includes a cylindrical high-speed rotor core 51 and magnet modules 52 arranged side by side in the circumferential direction.
  • the low-speed rotor 4 includes a low-speed rotor end plate 42 that fastens the low-speed rotor core and the rotating shaft 41 outside the high-speed rotor 5 in the direction of the rotating shaft 41 .
  • the low-speed rotor end plate 42 of this embodiment is composed of a plurality of spokes 42a. Openings are provided between the plurality of spokes 42a.
  • FIG. 2 is a perspective view of the magnet module according to this embodiment.
  • the direction indicated by the double-ended arrow is the rotation direction of the rotating shaft 41 of the magnetic wave gear device 1 shown in FIG.
  • the magnet module 52 has a base 6 and two rotor magnets 7 and 8 having different polarities and arranged on the outer peripheral surface of the base 6 with a gap in the rotational direction.
  • the base 6 has a plurality of electromagnetic steel sheets 61 laminated in the axial direction of the rotating shaft.
  • a plurality of electromagnetic steel plates 61 are fixed by a bottom plate 62 having an L-shaped cross section, an end plate 63 and a fixing bolt 64 .
  • the two rotor magnets 7, 8 have different poles. For example, if the outer circumference of the rotor magnet 7 is the north pole, the outer circumference of the rotor magnet 8 is the south pole. As shown in FIG. 2, the two rotor magnets 7 and 8 are each composed of four magnet pieces divided into two in the rotational direction and the axial direction. These magnet pieces are firmly fixed to the base 6 with, for example, an adhesive.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the high-speed rotor according to this embodiment.
  • the magnet modules 52 are annularly arranged in close contact with the outer peripheral surface of the cylindrical high-speed rotor core 51 .
  • FIG. 3 shows a part of the cross-section of the high-speed rotor 5 with the magnet modules 52 arranged in the direction of rotation of the rotary shaft 41 .
  • the direction indicated by the double-ended arrow is the rotation direction of the rotating shaft 41 of the magnetic wave gear device 1 shown in FIG.
  • the facing rotor magnets of the magnet modules 52 that are rotationally adjacent have the same pole and are in close contact with each other.
  • one magnetic pole is configured to straddle two magnet modules 52 .
  • dashed lines indicate boundaries of magnetic poles.
  • the left N-pole rotor magnet 7 of the centrally arranged magnet module 52a and the right N-pole rotor magnet 8 of the left-hand magnet module 52b constitute one N-pole magnetic pole.
  • the rotor magnet 8 of the south pole on the right side of the magnet module 52a arranged in the center and the rotor magnet 7 of the left south pole of the magnet module 52c arranged on the right side form one magnetic pole of the south pole. It is configured.
  • the boundary of the magnetic poles is the central portion of the magnet module. Therefore, since the base of the magnet module serves as a magnetic path between the magnetic poles, the magnetic resistance between the magnetic poles is reduced. As a result, it is possible to suppress a decrease in the output of a magnetic wave gear device using this high-speed rotor.
  • the base of the magnet module is made of magnetic steel sheets laminated in the axial direction, the current path in the axial direction is cut off, making it difficult for eddy currents to flow. Therefore, in this magnet module, eddy current loss caused by harmonic magnetic flux can be reduced.
  • FIG. 4 is a perspective view of the magnetic wave gear device according to this embodiment.
  • the low speed rotor end plate 42 is constructed with a plurality of spokes 42a. Openings are provided between the plurality of spokes 42a.
  • the magnet module 52 can also be passed through this opening and arranged on the outer peripheral surface of the high-speed rotor core 51 .
  • the rotor magnets 7 and 8 are not incorporated in the high-speed rotor core 51 when the high-speed rotor core 51 is inserted into the inner peripheral side of the stator 3 .
  • the gap between the high-speed rotor 5 and the stator 3 is widened in order to improve the efficiency of the assembly work. No need. If the gap between the high-speed rotor 5 and the stator 3 is widened, the output of the magnetic wave gear device will decrease. For this reason, in the magnetic wave gear device according to the present embodiment, it is possible to suppress the decrease in output caused by the widening of the gap between the high-speed rotor and the stator.
  • the base of the magnet module is composed of laminated electromagnetic steel plates. If eddy current losses due to harmonic flux are not a concern, the base of the magnet module may be an integral magnetic body.
  • the two rotor magnets 7 and 8 are composed of four magnet pieces that are divided into two in the rotational direction and the axial direction. If the rotor magnets 7 and 8 are divided into magnet pieces, the eddy current caused by the harmonic magnetic flux is less likely to flow, and the eddy current loss in the rotor magnets 7 and 8 can be reduced. However, if the eddy current loss in the rotor magnets is not a problem, each of the rotor magnets 7 and 8 may be composed of one magnet.
  • Embodiment 2 a base in which a plurality of electromagnetic steel sheets are laminated is used as the base of the magnet module.
  • a powdery magnetic material is used as the base of the magnet module.
  • Other configurations of the magnet module are the same as those of the magnet module of the first embodiment.
  • the configurations of the high-speed rotor and the magnetic wave gear device are the same as those of the first embodiment.
  • powder materials such as iron and alloys of iron and nickel can be used.
  • the boundary between the magnetic poles is the central portion of the magnet module. Therefore, since the base of the magnet module serves as a magnetic path between the magnetic poles, the magnetic resistance between the magnetic poles is reduced, and the reduction in the output of the magnetic wave gear device using this high-speed rotor can be suppressed.
  • the base of the magnet module is made of a powdery magnetic material, the current path is cut off, making it difficult for eddy currents to flow, as in the first embodiment. Therefore, in this magnet module, eddy current loss caused by harmonic magnetic flux can be reduced.
  • 1 magnetic wave gear device 2 frame, 3 stator, 4 low speed rotor, 5 high speed rotor, 6 base, 7, 8 rotor magnet, 31 stator core, 32 stator winding, 33 stator magnet, 41 rotary shaft, 42 low-speed rotor end plate, 42a spokes, 51 high-speed rotor core, 52, 52a, 52b, 52c magnet module, 61 electromagnetic steel plate, 62 bottom plate, 63 end plate, 64 fixing bolt.

Abstract

磁極間の磁気抵抗が小さい回転子を提供する。　回転軸を中心に磁石モジュール（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）が円環状に配置された回転子（５）であって、磁石モジュールは、磁性体で構成された基台（６）と、基台の外周面に回転軸の回転方向に隙間を介して配置された互いに極が異なる２つの回転子磁石（７、８）とを有しており、回転方向に隣接する２つの磁石モジュール同士の対向する回転子磁石は、互いに同じ極でありかつ密接している。

Description

回転子および磁気波動歯車装置
　本願は、回転子および磁気波動歯車装置に関する。
　風力発電装置の発電機として磁気減速機と回転機とを一体化させた磁気波動歯車装置が知られている。磁気波動歯車装置は、低速回転子と、低速回転子と同軸状に設けられた高速回転子と、固定子巻線および永久磁石を有する固定子とで構成されている。磁気波動歯車装置は、機械的な摩耗が発生する機械式変速機を用いることなく、非接触で回転子の回転速度を変えることができる。そのため、磁気波動歯車装置においては、機械的な摩耗に対するメンテナンスの負荷が軽減される。また、磁気波動歯車装置を風力発電装置の発電機として用いる場合、１つの装置で変速と発電とが可能となるので、発電システムの小型化、省スペース化が実現できる。
　従来の磁気波動歯車装置として、複数の永久磁石を有する固定子と、複数の回転子磁石を有する高速回転子と、複数の磁石片を有する低速回転子とが同心状に配置された磁気波動歯車装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような磁気波動歯車装置の高速回転子として、回転子磁石を基台に固定した磁石モジュールを周方向に複数並べた回転子を用いることができる。このような回転子として、磁石モジュールの基台を磁性体で構成した回転子が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１６－１３５０１４号公報 特開２０１９－３００６３号公報
　しかしながら、従来の回転子においては、磁石モジュール同士の境界が隣り合う磁極の境界となるため磁極間の磁気抵抗が大きい。そのため、従来の回転子を磁気波動歯車装置に適用しても、回転子の磁極間の磁気抵抗が大きいために、出力が低いという問題があった。
　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、磁極間の磁気抵抗が小さい回転子を提供することを目的とする。
　本願の回転子は、回転軸を中心に磁石モジュールが円環状に配置された回転子である。そして、磁石モジュールは、磁性体で構成された基台と、基台の外周面に回転軸の回転方向に隙間を介して配置された互いに極が異なる２つの回転子磁石とを有しており、回転方向に隣接する２つの磁石モジュール同士の対向する回転子磁石は互いに同じ極でありかつ密接している。
　本願の回転子においては、回転方向に隣接する２つの磁石モジュール同士の対向する回転子磁石は互いに同じ極でありかつ密接しているので、磁極間の磁気抵抗を小さくすることができる。
実施の形態１に係る磁気波動歯車装置の正面図である。 実施の形態１に係る磁石モジュールの斜視図である。 実施の形態１に係る高速回転子の断面図である。 実施の形態１に係る磁気波動歯車装置の斜視図である。
　以下、本願を実施するための実施の形態に係る回転子および磁気波動歯車装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る磁気波動歯車装置の正面図である。本実施の形態の磁気波動歯車装置１は、円筒形状のフレーム２と、固定子３と、低速回転子４と、高速回転子５とを有している。固定子３は、周方向に複数のスロットを備えた固定子鉄心３１、スロット内に配置された固定子巻線３２および固定子磁石３３を備えている。固定子３は、フレーム２の内周側でフレーム２に固定されている。低速回転子４は、固定子３の内周側に間隙を介して配置された円筒形状の低速回転子鉄心を有している。高速回転子５は、低速回転子４の回転軸４１と同心で、低速回転子鉄心の内周側に間隙を介して配置されている。高速回転子５は、円筒形状の高速回転子鉄心５１と周方向に並んで配置された磁石モジュール５２とを備えている。低速回転子４は、高速回転子５より回転軸４１方向の外側で低速回転子鉄心と回転軸４１とを締結する低速回転子端板４２を備えている。図１に示すように、本実施の形態の低速回転子端板４２は、複数のスポーク４２ａで構成されている。複数のスポーク４２ａの間は開口部となっている。
　図２は、本実施の形態に係る磁石モジュールの斜視図である。図２において、両端矢印で示す方向は、図１に示す磁気波動歯車装置１の回転軸４１の回転方向である。磁石モジュール５２は、基台６と、この基台６の外周面に回転方向に隙間を介して配置された互いに極が異なる２つの回転子磁石７、８とを有している。基台６は、回転軸の軸方向に複数の電磁鋼板６１が積層されている。複数の電磁鋼板６１は、断面がＬ字型の底板６２と端板６３と固定ボルト６４とで固定されている。
　２つの回転子磁石７、８は互いに極が異なっている。例えば、回転子磁石７の外周側がＮ極であれば、回転子磁石８の外周側はＳ極である。図２に示すように、２つの回転子磁石７、８は、回転方向および軸方向にそれぞれ２分割された４つの磁石片で構成されている。これらの磁石片は、例えば接着剤などで基台６に強固に固定されている。
　図３は、本実施の形態に係る高速回転子の断面図である。本実施の形態に係る高速回転子５は、円筒形状の高速回転子鉄心５１の外周面に磁石モジュール５２が円環状に密接して配置されている。図３は、回転軸４１の回転方向に磁石モジュール５２が配置された高速回転子５の断面の一部を示している。図３において、両端矢印で示す方向は、図１に示す磁気波動歯車装置１の回転軸４１の回転方向である。図３に示すように、回転方向に隣接する磁石モジュール５２同士の対向する回転子磁石は互いに同じ極でありかつ密接している。そのため、１つの磁極は、２つの磁石モジュール５２を跨ぐ形で構成される。図３において、破線は磁極の境界を示している。例えば、中央に配置された磁石モジュール５２ａの左側のＮ極の回転子磁石７と、左側に配置された磁石モジュール５２ｂの右側のＮ極の回転子磁石８とで１つのＮ極の磁極が構成されている。同様に、中央に配置された磁石モジュール５２ａの右側のＳ極の回転子磁石８と、右側に配置された磁石モジュール５２ｃの左側のＳ極の回転子磁石７とで１つのＳ極の磁極が構成されている。
　このように構成された高速回転子５においては、磁極の境界が磁石モジュールの中央部になる。そのため、磁石モジュールの基台が磁極間の磁路となるので、磁極間の磁気抵抗が小さくなる。その結果、この高速回転子を用いた磁気波動歯車装置の出力低下を抑制することができる。
　また、磁石モジュールの基台が軸方向に積層された電磁鋼板で構成されているため軸方向の電流経路が分断されて渦電流が流れにくくなる。そのため、この磁石モジュールにおいては、高調波磁束に起因する渦電流損を低減することができる。
　図４は、本実施の形態に係る磁気波動歯車装置の斜視図である。図４に示すように、低速回転子端板４２は、複数のスポーク４２ａで構成されている。複数のスポーク４２ａの間は開口部となっている。図４において矢印で示すように、磁石モジュール５２をこの開口部を通過させて高速回転子鉄心５１の外周面に配置することもできる。このようにして高速回転子を組み立てると、高速回転子鉄心５１を固定子３の内周側に挿入するときに回転子磁石７、８は高速回転子鉄心５１に組み込まれていない。そのため、高速回転子鉄心５１を挿入するときに固定子磁石３３と回転子磁石７、８との間の磁気吸引力は発生しない。その結果、高速回転子鉄心５１を固定子３に挿入するときに挿入方向と直角な方向の力は作用しないので、精度よく高速回転子鉄心５１を固定子３に挿入することができる。
　また、高速回転子５を固定子３に挿入するときに挿入方向と直角な方向の力は作用しないので、組み立て作業の効率を向上させるために高速回転子５と固定子３との間隙を広げる必要もない。仮に高速回転子５と固定子３との間隙を広げた場合、磁気波動歯車装置の出力が低下する。このことから、本実施の形態に係る磁気波動歯車装置においては、高速回転子と固定子との間隙が広くなることに起因する出力の低下も抑制することができる。
　なお、本実施の形態においては、磁石モジュールの基台が積層された電磁鋼板で構成されている。高調波磁束に起因する渦電流損が問題にならない場合には、磁石モジュールの基台は一体化された磁性体であってもよい。
　また、本実施の形態においては、２つの回転子磁石７、８は、回転方向および軸方向にそれぞれ２分割された４つの磁石片で構成されている。回転子磁石７、８が磁石片に分割されていると高調波磁束に起因する渦電流が流れにくくなり、回転子磁石７、８における渦電流損を低減することができる。ただし、回転子磁石における渦電流損が問題にならない場合には、回転子磁石７、８はそれぞれ１つの磁石で構成されていてもよい。
実施の形態２．
　実施の形態１においては、磁石モジュールの基台として複数の電磁鋼板が積層された基台を用いている。実施の形態２においては、磁石モジュールの基台として粉末状の磁性体を用いたものである。それ以外の磁石モジュールの構成は、実施の形態１の磁石モジュールの構成と同様である。また、高速回転子および磁気波動歯車装置の構成も実施の形態１と同様である。
　粉末状の磁性体としては、例えば鉄、鉄とニッケルとの合金などの粉末材料を用いることができる。
　このように構成された磁石モジュールを用いた高速回転子においては、磁極の境界が磁石モジュールの中央部になる。そのため、磁石モジュールの基台が磁極間の磁路となるので、磁極間の磁気抵抗が小さくなり、この高速回転子を用いた磁気波動歯車装置の出力低下を抑制することができる。
　また、磁石モジュールの基台が粉末状の磁性体で構成されているので、実施の形態１と同様に、電流経路が分断されて渦電流が流れにくくなる。そのため、この磁石モジュールにおいては、高調波磁束に起因する渦電流損を低減することができる。
　本願は、様々な例示的な実施の形態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、およ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。
　したがって、例示されていない無数の変形例が、本願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　磁気波動歯車装置、２　フレーム、３　固定子、４　低速回転子、５　高速回転子、６　基台、７、８　回転子磁石、３１　固定子鉄心、３２　固定子巻線、３３　固定子磁石、４１　回転軸、４２　低速回転子端板、４２ａ　スポーク、５１　高速回転子鉄心、５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ　磁石モジュール、６１　電磁鋼板、６２　底板、６３　端板、６４　固定ボルト。

Claims (4)

  1. 　回転軸を中心に磁石モジュールが円環状に配置された回転子であって、
    　前記磁石モジュールは、磁性体で構成された基台と、前記基台の外周面に前記回転軸の回転方向に隙間を介して配置された互いに極が異なる２つの回転子磁石とを有しており、回転方向に隣接する２つの前記磁石モジュール同士の対向する前記回転子磁石は、互いに同じ極でありかつ密接していることを特徴とする回転子。
  2. 　前記基台は、前記回転軸の軸方向に積層された電磁鋼板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  3. 　前記基台は、粉末状の磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  4. 　周方向に複数のスロットを備えた固定子鉄心、前記スロット内に配置された固定子巻線および固定子磁石を有する固定子と、
    　前記固定子の内周側に間隙を介して配置された第１回転子と、
    　前記第１回転子の回転軸と同心で、前記第１回転子の内周側に間隙を介して配置された第２回転子とを有する磁気波動歯車装置であって、
    　前記第２回転子が請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子で構成されていることを特徴とする磁気波動歯車装置。
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