JP2012205348A

JP2012205348A - 磁気ギア

Info

Publication number: JP2012205348A
Application number: JP2011065841A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Yonetani; 晴之米谷; Mitsuhiro Kawamura; 光弘川村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】トルク伝達効率が向上された磁気ギアを得る。
【解決手段】磁気ギアは、高速回転子、低速回転子、及び、上記高速回転子と上記低速回転子とに対して空隙を隔てて向き合う固定子を備え、上記高速回転子または上記低速回転子の起磁力を変調することにより、回転速度を変化させてトルクを伝達する磁気ギアにおいて、上記固定子の極対数は、上記低速回転子の極対数と上記高速回転子の極対数の和であり、上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比は、０．５を超え、且つ０．５８未満である。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転数を増速または減速して回転動力を伝達する磁気ギアに関するものである。

磁気ギアは、機械的な歯車を用いず、一方の回転子が発生する起磁力を固定子磁極で変調することにより他方の回転子に異なる波形の起磁力を与え、これにより速度の異なる回転動力を伝達する。
そして、磁気ギアの１種であるラジアル型磁気ギアは、高速回転子を中央に配置し、低速回転子を外側に配置し、高速回転子と低速回転子の間に複数の磁極片からなる固定子を配置している。高速回転子の表面および低速回転子の表面に永久磁石を固定し、この起磁力を固定子磁極片で変調することにより、速度の異なる回転動力を伝達している（例えば、非特許文献１参照）。

また、磁気ギアの他の１種であるタンデム型磁気ギアは、固定子の磁極片が回転子の外側にあり、固定子の磁極片に軸方向に磁束を通すことで変調するタイプであり、高速回転子の作る起磁力を固定子磁極片で変調してできた空間起磁力分布のうち、低速回転子が作る起磁力と等しい空間高調波成分のみが回転動力を作ることになる。逆も同様であり、低速回転子の作る起磁力を固定子磁極片で変調してできた空間起磁力分布のうち、高速回転子が作る起磁力と等しい空間高調波成分のみが回転動力を作ることになる（例えば、非特許文献２参照）。

Ｎ．Ｗ．Ｆｒａｎｋ、他１名、「ＧｅａｒｉｎｇＲａｔｉｏｓｏｆａＭａｇｎｅｔｉｃＧｅａｒｆｏｒＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ」、ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＤｒｉｖｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００９、ＩＥＭＤＣ、２００９、Ｍａｙ、ｐ．１２２４−１２３０ＬｉＹｏｎｇ、他３名、「ＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＮｏｖｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭａｇｎｅｔｉｃＧｅａｒ」、ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ、２００８．ＩＣＥＭＳ２００８．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ、２００８、Ｏｃｔｏｂｅｒ、ｐ．３８４５−３８４９

上述した動作原理で回転速度を変化させてトルクを伝達するため、低速回転子が作る起磁力、または高速回転子が作る起磁力のうち多くはトルクに寄与しない成分となってしまうため、トルク密度向上が課題であった。
また、磁極片で構成される固定子については、塊状磁極で構成されていれば、変動磁束による渦電流損失が大きくなり、やはりトルク密度を低下させるという問題点があった。このため、固定子磁極片を積層鋼板で構成した場合、軸方向に積層すれば、その固定方法が容易ではなく信頼性を損ねるという問題点があった。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、トルク伝達効率が向上された磁気ギアを得ることが目的である。

この発明に係る磁気ギアは、高速回転子、低速回転子、及び、上記高速回転子と上記低速回転子とに対して空隙を隔てて向き合う固定子を備え、上記高速回転子または上記低速回転子の起磁力を変調することで、回転速度を変化させてトルクを伝達する磁気ギアにおいて、上記固定子の極対数が上記低速回転子の極対数と上記高速回転子の極対数の和であり、上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比が０．５を超え、且つ０．５８未満である。

この発明に係る磁気ギアは、固定子の磁極片の高速側磁極幅と高速側ピッチとの比と、低速側磁極幅と低速側ピッチとの比が、固定子の極対数が低速回転子の極対数と高速回転子の極対数の和であるときには、０．５を超え、且つ０．５８未満であり、固定子の極対数が低速回転子の極対数と高速回転子の極対数の差であるときには、０．４２を超え、且つ０．５未満であるので、有効透過磁束が大きくなり、従って発生トルクが大きくなるという臨界的な効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１に係る磁気ギアの断面図である。固定子の一部磁極片だけを図示した部分断面図である。固定子の磁極片により入力される起磁力分布と磁極片を透過した磁束分布を模式的に示した図である。高速回転子と低速回転子が逆回転しているときの磁極幅とピッチの比に対する透過磁束の割合の関係を示すグラフである。高速回転子と低速回転子が同一方向に回転しているときの磁極幅とピッチの比に対する透過磁束の割合の関係を示すグラフである。この発明の実施の形態２に係る磁気ギアの斜視図である。

以下、本発明の磁気ギアの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る磁気ギアの断面図である。
この発明の実施の形態１に係る磁気ギア１は、ラジアル型であり、高速回転子２が中心に配置され、低速回転子３が外側に配置され、高速回転子２と低速回転子３の間に複数の磁極片４からなる固定子５が空隙６を介して配置されている。
高速回転子２は、回転自在に支持される軸７と、軸７により軸支された円筒状のコア８と、コア８の外側面に周方向に並べられて固定された複数の永久磁石９とから構成される。
低速回転子３は、外側面が回転自在に支持される円筒状のコア１１と、コア１１の内側面に周方向に並べられて固定された複数の永久磁石１２とから構成される。
そして、高速回転子２と低速回転子３のそれぞれの永久磁石９、１２の数は、高速回転子２の方が低速回転子３より少なく、高速回転子２からは少極の起磁力が発生し、低速回転子３からは多極の起磁力が発生する。
固定子５は、周方向に磁極片４と非磁性片１３が交互に円筒状に並べられたものである。１つの磁極片４は、鋼板が積層され、積層された複数枚の鋼板が非磁性片１３により固定される。

高速回転子２の極対数Ｎ_Ｈ、低速回転子３の極対数Ｎ_Ｌ、固定子５の磁極数Ｎ_Ｓは、式（１）の関係を満足するように設定している。従って、高速回転子２の速度は低速回転子３の速度のＮ_Ｌ／Ｎ_Ｈ倍となる。式（１）において、＋は低速回転子３と高速回転子２が逆方向に回転し、−は低速回転子３と高速回転子２が同方向に回転する。

Ｎ_Ｓ＝Ｎ_Ｌ±Ｎ_Ｈ（１）

低速回転子３または高速回転子２が外部動力により回転力を与えられることにより、外部動力が与えられていない高速回転子２または低速回転子３に速度を変調されたトルクが伝達する。
固定子５の磁極片４の低速回転子３に面するピッチを軸７の中心から見た頂角（以下、低速側ピッチと称す。）θ_Ｌ、磁極片４の高速回転子２に面するピッチを軸７の中心から見た頂角（以下、高速側ピッチと称す。）θ_Ｈ、磁極片４の低速回転子３に面する磁極幅を軸７の中心から見た頂角（以下、低速側磁極幅と称す。）α_Ｌ、磁極片４の高速回転子２に面する磁極幅を軸７の中心から見た頂角（以下、高速側磁極幅と称す。）α_Ｈと表し、固定子５の磁極数Ｎ_Ｓが低速回転子３の極対数Ｎ_Ｌと高速回転子２の極対数Ｎ_Ｈの和の場合、高速側磁極幅α_Ｈと高速側ピッチθ_Ｈとの比α_Ｈ／θ_Ｈと、低速側磁極幅α_Ｌと低速側ピッチθ_Ｌとの比α_Ｌ／θ_Ｌが、式（２）を満たしている。

逆に、固定子５の磁極数Ｎ_Ｓが低速回転子３の極対数Ｎ_Ｌと高速回転子２の極対数Ｎ_Ｈの差の場合、高速側磁極幅α_Ｈと高速側ピッチθ_Ｈとの比α_Ｈ／θ_Ｈと、低速側磁極幅α_Ｌと低速側ピッチθ_Ｌとの比α_Ｌ／θ_Ｌが、式（３）を満たしている。

次に、上述したように、高速側磁極幅α_Ｈと高速側ピッチθ_Ｈとの比α_Ｈ／θ_Ｈと、低速側磁極幅α_Ｌと低速側ピッチθ_Ｌとの比α_Ｌ／θ_Ｌが、式（２）または（３）を満たすことによる臨界的効果について説明する。
一般的に、高速回転子２が作る起磁力が固定子５の磁極片４を透過した磁束のうち、低速回転子３と同極成分の磁束のみがトルクに寄与する。逆に、低速回転子３が作る起磁力が固定子５の磁極片４を透過した磁束のうち、高速回転子２と同極成分の磁束のみがトルクに寄与する。

ここで、説明を簡単にするために、図２に示すように、高速側磁極幅α_Ｈと高速側ピッチθ_Ｈとの比α_Ｈ／θ_Ｈと、低速側磁極幅α_Ｌと低速側ピッチθ_Ｌとの比α_Ｌ／θ_Ｌとが等しいとしてα／θとして説明する。
高速回転子２の起磁力に対する透過磁束の低速回転子３の同極成分の割合と、低速回転子３の起磁力に対する透過磁束の高速回転子２の同極成分の割合は、α／θが等しければ等しくなる。
ここで、固定子５内での漏れ磁束がないと仮定した理想的な場合、α／θは０．５において最も透過磁束が大きくなる。しかし、漏れ磁束を考慮した場合には以下の現象となる。

図３には、固定子５の磁極片４により変調される前の起磁力分布（図３では正弦波状）に対して、固定子５の磁極片４により変調され、透過した磁束の波形を、固定子５の磁極片４内の漏れ磁束を考慮して、模式的に示す。
変調される前の起磁力分布に対して、磁極片４がある部分の磁束が透過し、非磁性片１３のある部分の磁束が透過しない。また、磁極片４に達した磁束は、その磁極片４の幅間に届いた磁束の平均値となって透過する。

図４は、高速回転子２と低速回転子３が逆方向に回転しているとき、透過磁束を周波数分析し、高速回転子２から発生する起磁力透過磁束に対しては低速回転子３と同極成分、低速回転子３から発生する起磁力透過磁束に対しては高速回転子２と同極成分を抜き出し、固定子５の磁極片４の磁極幅とピッチの比に対して透過磁束の割合をプロットしたグラフである。
図５は、高速回転子２と低速回転子３が同方向に回転しているとき、透過磁束を周波数分析し、高速回転子２から発生する起磁力透過磁束に対しては低速回転子３と同極成分、低速回転子３から発生する起磁力透過磁束に対しては高速回転子２と同極成分を抜き出し、固定子５の磁極片４の磁極幅とピッチの比に対して透過磁束の割合をプロットしたグラフである。

図４より、高速回転子２と低速回転子３が逆方向に回転する場合、α／θが０．５を超えて、０．５８未満のときに、有効透過磁束が大きくなり、したがって、発生トルクが大きくなる。
図５より、高速回転子２と低速回転子３が同方向に回転する場合、α／θが０．５未満で、０．４２を超えているときに、有効透過磁束が大きくなり、したがって発生トルクが大きくなる。
すなわち、固定子５の磁極片４内での漏れ磁束がある場合、α／θが０．５に対して、逆方向回転では超えているとき、同方向回転では未満のとき、発生トルクが大きくなる。

次に、固定子５の磁極片４を積層鋼板で構成した効果について説明する。
固定子５の磁極片４が面する空隙には、低速回転子３および高速回転子２が作る変動磁場にさらされている。このため、固定子５の磁極片４を塊状鉄心で作成すれば、これら変動磁場が磁極片４に渦電流を発生させ、渦電流損失によってトルクが低下する。
これを回避するために固定子５の磁極片４を積層鉄心とすることが考えられるが、軸方向に鋼板を積層した場合、鋼板毎に作用する電磁力を保持するように固定する必要があり、工作上困難が伴う。
そこで、本願では、周方向に鋼板を積層しており、積層方向に鋼板を固定することを磁極片４を狭持する非磁性片１３により受け持つことができる。すなわち、図１に示すように磁極片４を周方向に積層することで、渦電流損失によるトルク低下を防止し、堅牢な固定子５を構成することができる。

この発明の実施の形態１に係る磁気ギアは、固定子５の磁極片４の高速側磁極幅α_Ｈと高速側ピッチθ_Ｈとの比α_Ｈ／θ_Ｈと、低速側磁極幅α_Ｌと低速側ピッチθ_Ｌとの比α_Ｌ／θ_Ｌが、式（２）または（３）を満たすようにすることにより、有効透過磁束が大きくなり、従って発生トルクが大きくなるという臨界的な効果を奏することができる。
また、固定子５の磁極片４を複数の鋼板を周方向に積層して構成することにより、渦電流損失によるトルク低下を防止できるとともに固定子５を堅牢に構成することができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る磁気ギアの斜視図である。図６（ａ）は、固定子の斜視図である。図６（ｂ）は、高速回転子と低速回転子の斜視図である。
この発明の実施の形態２に係る磁気ギア１は、タンデム型であり、高速回転子２Ｂと低速回転子３Ｂが中心軸上に直列に並んで配置され、高速回転子２Ｂと低速回転子３Ｂの外側に複数の磁極片４からなる固定子５Ｂが空隙を介して配置されている。

高速回転子２Ｂは、一端はフリー軸受により回転自在に支持される中心軸上の軸７と、軸７により軸支された円筒状のコア８と、コア８の外側面に周方向に並べられて固定された複数の永久磁石９とから構成される。
低速回転子３Ｂは、一端はフリー軸受により回転自在に支持される中心軸上の軸２１と、軸２１により軸支された円筒状のコア２２と、コア２２の外側面に周方向に並べられて固定された複数の永久磁石１２とから構成される。
そして、高速回転子２Ｂと低速回転子３Ｂのそれぞれの永久磁石９、１２の数は、高速回転子２Ｂの方が低速回転子３Ｂより少なく、高速回転子２Ｂからは少極の起磁力が発生し、低速回転子３Ｂからは多極の起磁力が発生する。

固定子５Ｂは、周方向に磁極片４と非磁性片１３が交互に円筒状に並べられ、外側面から円環状の支持部材２３により締結されている。１つの磁極片４は、鋼板が積層され、積層された複数枚の鋼板が非磁性片１３により固定される。
そして、支持部材２３を固定物に固定することにより固定されている。

高速回転子２Ｂの極対数Ｎ_Ｈ、低速回転子３Ｂの極対数Ｎ_Ｌ、固定子５Ｂの磁極数Ｎ_Ｓは、式（１）の関係を満足するように設定されている。従って、高速回転子２Ｂの速度は低速回転子３Ｂの速度のＮ_Ｌ／Ｎ_Ｈ倍となる。式（１）において、＋は低速回転子３Ｂと高速回転子２Ｂが逆方向に回転し、−は低速回転子３Ｂと高速回転子２Ｂが同方向に回転する。
低速回転子３Ｂまたは高速回転子２Ｂが外部動力により回転力を与えられることにより、外部動力が与えられない高速回転子２Ｂまたは低速回転子３Ｂに速度を変調されたトルクが伝達する。

固定子５Ｂの磁極片４の高速回転子２に面するピッチを軸７の中心から見た頂角（以下、ピッチと称す。）θ、磁極片４の高速回転子２Ｂに面する磁極幅を軸７の中心から見た頂角（以下、磁極幅と称す。）αと表し、固定子５Ｂの磁極数Ｎ_Ｓが低速回転子３Ｂの極対数Ｎ_Ｌと高速回転子２Ｂの極対数Ｎ_Ｈの和の場合、磁極幅αとピッチθとの比α／θが、式（４）を満たしている。

逆に、固定子５Ｂの磁極数Ｎ_Ｓが低速回転子３Ｂの極対数Ｎ_Ｌと高速回転子２Ｂの極対数Ｎ_Ｈの差の場合、磁極幅αとピッチθとの比α／θが、式（５）を満たしている。

この発明の実施の形態２に係る磁気ギアは、固定子５Ｂの磁極片４の磁極幅αとピッチθとの比α／θが、式（４）または（５）を満たすようにすることにより、有効透過磁束が大きくなり、従って発生トルクが大きくなるという臨界的な効果を奏することができる。
また、固定子５Ｂの磁極片４を複数の鋼板を周方向に積層して構成することにより、渦電流損失によるトルク低下を防止できる。

尚、上述の実施の形態２に係る磁気ギアは、固定子５Ｂの磁極片４の磁極幅αとピッチθとの比α／θが、式（４）または（５）を満たすようにしているが、固定子５Ｂの磁極片４の磁極幅αとピッチθとの比α／θが、式（６）、（７）となるようにすることにより、有効透過磁束が最大になり、従って発生トルクも最大になるという臨界的な顕著な効果を奏する。

１磁気ギア、２、２Ｂ高速回転子、３、３Ｂ低速回転子、４磁極片、５、５Ｂ固定子、６空隙、７軸、８コア、９永久磁石、１１コア、１２永久磁石、１３非磁性片、２１軸、２２コア、２３支持部材。

Claims

高速回転子、低速回転子、及び、上記高速回転子と上記低速回転子とに対して空隙を隔てて向き合う固定子を備え、上記高速回転子または上記低速回転子の起磁力を変調することにより、回転速度を変化させてトルクを伝達する磁気ギアにおいて、
上記固定子の極対数は、上記低速回転子の極対数と上記高速回転子の極対数の和であり、
上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比は、０．５を超え、且つ０．５８未満であることを特徴とする磁気ギア。
上記低速回転子と上記高速回転子が軸方向にタンデムに構成され、空隙を隔てて上記固定子の磁極片が上記低速回転子と上記高速回転子の外側にあることを特徴とする請求項１に記載の磁気ギア。
上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比は、略０．５４であることを特徴とする請求項２に記載の磁気ギア。
高速回転子、低速回転子、及び、上記高速回転子と上記低速回転子と空隙を隔てて向き合う固定子を備え、上記高速回転子または上記低速回転子の起磁力を変調することで、回転速度を変化させてトルクを伝達する磁気ギアにおいて、
上記固定子の極対数は、上記低速回転子の極対数と上記高速回転子の極対数の差であり、
上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比は、０．４２を超え、且つ０．５未満であることを特徴とする磁気ギア。
上記低速回転子と上記高速回転子が軸方向にタンデムに構成され、空隙を隔てて上記固定子の磁極片が上記低速回転子と上記高速回転子の外側にあることを特徴とする請求項４に記載の磁気ギア。
上記固定子の磁極片の周方向のピッチに対する上記磁極片の周方向の幅の比は、略０．４６であることを特徴とする請求項５に記載の磁気ギア。
上記固定子の磁極片は、周方向に積層される複数の鋼板から構成されることを特徴とする請求項１または４に記載の磁気ギア。