WO2015178111A1

WO2015178111A1 - 磁気波動歯車装置

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Publication number: WO2015178111A1
Application number: PCT/JP2015/060823
Authority: WO
Inventors: 成文遠嶋; 興史石本; 典久半田; 平田　勝弘; 昇新口; 瑛樹森元; 元宇賀治; 勇輝大野; 加藤　雅之
Original assignee: IHI Corp; Osaka University NUC
Current assignee: IHI Corp; University of Osaka NUC
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: CN106461055A; EP3147542A4; EP3147542A1; JPWO2015178111A1; JP6257114B2; CN106461055B; EP3147542B1

Abstract

磁気波動歯車装置（１Ａ）において、低速ロータ（１０）は、ステータ（３０）と高速ロータ（２０）との間に配置されると共に、第１の磁性体（１１）と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石（１２）とを周方向に交互に有しており、高速ロータは、第２の磁性体（２１）と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第２の永久磁石（２２）とを周方向に交互に有しており、ステータは、コイル（３３）を巻回可能なスロット（３４）を備える第３の磁性体（３１）と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石（３２）とを周方向に交互に有しており、低速ロータの磁極数をＮｌとし、高速ロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

Description

磁気波動歯車装置

　本発明は、磁気波動歯車装置に関する。
　本願は、２０１４年５月２０日に日本に出願された特願２０１４－１０４５８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　下記特許文献１には、ステータ、低速ロータ、高速ロータが同心状に設けられた磁気波動歯車装置が開示されている。磁気波動歯車装置では、例えば、モータとして用いる場合には、ステータに設けたコイルの起磁力により高速ロータを回転させることで、高調波磁束により出力軸である低速ロータが所定の減速比で回転する。

　磁気波動歯車装置は、原理的に非接触で所定の減速比（増速比）が得られるため、機械式の減速機（増速機）に比べて低摩耗、低騒音、耐久性に優れている。このため、磁気波動歯車装置は、例えば、発電機本体が地上数十メートルの高さに設置され、増速機の保守に多大な労力が必要な風力発電機のダイレクトドライブに適用する試みがなされている（特許文献２参照）。

日本国特開２０１０－１０６９４０号公報日本国特開２０１０－２２３３４０号公報

　ところで、従来技術の磁気波動歯車装置（例えば、特許文献２の図１０に示す構造（以下、両面ＰＭと称する場合がある））では、モータとしてのエアギャップ中（ステータと高速ロータとの間）に低速ロータが存在するため、低速ロータの厚み分だけエアギャップ長が大きくなり、トルク定数が低下するという問題がある。

　本発明は、上記問題点に鑑みてなされ、トルク定数を向上させることができる磁気波動歯車装置の提供を目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、ステータと第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第２のロータが、第２の磁性体と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　また、本発明の第２の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第２のロータが、ステータと第１のロータとの間に配置されると共に、第２の磁性体と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　また、本発明の第３の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、ステータと第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第２のロータが、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　また、本発明の第４の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、磁極の向きが互いに異なる第１の永久磁石を周方向に交互に有しており、第２のロータが、ステータと第１のロータとの間に配置されると共に、第２の磁性体と、磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、前記ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、第２の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　また、本発明の第５の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、ステータと第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第２のロータは、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える複数の第３の磁性体と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石と、を有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　また、本発明の第６の態様は、ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、第１のロータが、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、第２のロータが、ステータと第１のロータとの間に配置されると共に、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、ステータが、コイルを巻回可能なスロットを備える複数の第３の磁性体と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石と、を有しており、第１のロータの磁極数をＮｌとし、第２のロータの極対数をＮｈとし、ステータのスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する。

　本発明によれば、トルク定数を向上させることができる磁気波動歯車装置が得られる。

本発明の第１実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。本発明の第２実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。本発明の第３実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。本発明の第４実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。本発明の第５実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。本発明の第６実施形態における磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。比較例としての磁気波動歯車装置を示す断面図である。磁気波動歯車装置の伝達トルクと高速ロータの回転角の関係を示すグラフである。磁気波動歯車装置（基本構造）の最大伝達トルクと、磁気波動歯車装置（ロータ入替構造）の最大伝達トルクとの関係を示すグラフである。磁気波動歯車装置（基本構造）のトルク定数と、磁気波動歯車装置（ロータ入替構造）のトルク定数との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本発明の磁気波動歯車装置をモータ（電動機）に適用した場合を例示する。

　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態における磁気波動歯車装置１Ａを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ａは、図１に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。

　低速ロータ１０は、略円筒形状を有し、ステータ３０と高速ロータ２０との間に配置される。低速ロータ１０は、第１の磁性体１１と、第１の永久磁石１２とを、周方向に交互に有している。第１の磁性体１１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数配置されている。第１の永久磁石１２は、例えばネオジム磁石等からなり、周方向で隣り合う第１の磁性体１１の間のそれぞれに配置されている。第１の永久磁石１２は、すべて外向きに磁着されており、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。

　高速ロータ２０は、略円柱形状を有し、低速ロータ１０の内側に配置される。高速ロータ２０は、第２の磁性体２１と、第２の永久磁石２２とを、周方向に交互に有している。第２の磁性体２１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数設けられている。第２の永久磁石２２は、例えばネオジム磁石等からなり、周方向で隣り合う第２の磁性体２１の間のそれぞれに配置されている。第２の永久磁石２２は、第１の永久磁石の磁極の向きと同様に、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。

　ステータ３０は、略円筒形状を有し、低速ロータ１０の外側に配置される。ステータ３０は、第３の磁性体３１と、第３の永久磁石３２とを、周方向に交互に有している。第３の磁性体３１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数設けられている。第３の永久磁石３２は、例えばネオジム磁石等からなり、周方向で隣り合う第３の磁性体３１の間のそれぞれに配置されている。第３の永久磁石３２は、第１の永久磁石の磁極の向きと同様に、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。

　第３の磁性体３１は、半径方向内側に向かって突出しており、コイル３３が巻回可能なスロット３４を有する。コイル３３は、第３の磁性体３１のそれぞれに巻回されている。
本実施形態のコイルは、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で相分けされている。
　上記構成を有する磁気波動歯車装置１Ａは、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、下記の関係式（１）を満足するように構成されている。
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ　…（１）

　本実施形態の低速ロータ１０の磁極数（第１の磁性体１１の数）は１７であり、高速ロータ２０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち第２の磁性体２１、第２の永久磁石２２の組数）は５であり、ステータ３０のスロット数（スロット３４の数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。

　上記構成を有する磁気波動歯車装置１Ａの動作原理については、公知文献（日本国特開２０１０－１０６９４０号公報）に詳述されているので、ここでは詳細な説明を省略するが、本実施形態に係る磁気波動歯車装置１Ａでは、上記関係式（１）を満足するので、低速ロータ１０は、下式（２）で示される減速比Ｇｒで回転する。
　Ｇｒ　＝　Ｎｌ　／　Ｎｈ　…（２）

　すなわち、ステータ３０に通電することで、高速ロータ２０がブラシレスモータの原理で回転する。高速ロータ２０の第２の永久磁石２２から発生する磁束は、低速ロータ１０の第１の磁性体１１によって変調され、Ｎｌ±Ｎｈ次の高調波磁束を低速ロータ１０とステータ３０との間に生成する。このとき、ステータ３０の第３の永久磁石３２から発生する磁束がＮｌ＋Ｎｈ若しくはＮｌ－Ｎｈであれば、低速ロータ１０が減速比Ｇｒに従って回転する。

　本実施形態では、低速ロータ１０の第１の磁性体１１の間に第１の永久磁石１２を挟んでおり、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生するため、トルク定数を向上させることができる。例えば、高速ロータ２０は、低速ロータ１０の第１の磁性体１１（ポールピース）の数に対応する１７極からステータ３０の第３の永久磁石３２の数に対応する１２極を差し引いた５次の高調波磁束を発生する。
一方、低速ロータ１０とステータ３０とは、第１の永久磁石１２の数に対応する１７極から第３の永久磁石３２の数に対応する１２極を差し引いた５次の高調波磁束を発生する。
したがって、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生し、それらが相互作用することで、トルク定数を向上させることができる。

　すなわち、上述の第１実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１であって、低速ロータ１０が、ステータ３０と高速ロータ２０との間に配置されると共に、第１の磁性体１１と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石１２とを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、第２の磁性体２１と、第１の永久磁石１２と磁極の向きが同一の第２の永久磁石２２とを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える第３の磁性体３１と、第１の永久磁石１２と磁極の向きが同一の第３の永久磁石３２とを周方向に交互に有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成によって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ａを三層ハーフＰＭと称する場合がある。

　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

　図２は、本発明の第２実施形態における磁気波動歯車装置１Ｂを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｂは、図２に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。この磁気波動歯車装置１Ｂは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。
　ステータ３０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。

　低速ロータ１０は、略円柱形状を有し、高速ロータ２０の内側に配置される。低速ロータ１０は、第１の磁性体１１と、第１の永久磁石１２とを、周方向に交互に有している。第１の磁性体１１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数配置されている。第１の永久磁石１２は、例えばネオジム磁石等からなり、周方向で隣り合う第１の磁性体１１の間のそれぞれに配置されている。第１の永久磁石１２は、すべて外向きに磁着されており、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。

　高速ロータ２０は、略円筒形状を有し、ステータ３０と低速ロータ１０の間に配置される。高速ロータ２０は、第２の磁性体２１と、第２の永久磁石２２とを、周方向に交互に有している。第２の磁性体２１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数設けられている。第２の永久磁石２２は、例えばネオジム磁石等からなり、周方向で隣り合う第２の磁性体２１の間のそれぞれに配置されている。第２の永久磁石２２は、第１の永久磁石の磁極の向きと同様に、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。

　本実施形態では、低速ロータ１０の第１の磁性体１１の間に第１の永久磁石１２を挟んでおり、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生するため、上述したようにトルク定数を向上させることができる。
　また、本実施形態では、低速ロータ１０と高速ロータ２０との位置を入れ替え、ステータ３０と高速ロータ２０とのエアギャップ長を通常のモータと同程度まで縮めることができるため、トルク定数をさらに向上させることができる。

　すなわち、上述の第２実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１Ｂであって、低速ロータ１０が、第１の磁性体１１と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石１２とを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、ステータ３０と低速ロータ１０との間に配置されると共に、第２の磁性体２１と、第１の永久磁石１２と磁極の向きが同一の第２の永久磁石２２とを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える第３の磁性体３１と、第１の永久磁石１２と磁極の向きが同一の第３の永久磁石３２とを周方向に交互に有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成によって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｂを三層ハーフＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

　図３は、本発明の第３実施形態における磁気波動歯車装置１Ｃを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｃは、図３に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。低速ロータ１０及びステータ３０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。

　高速ロータ２０は、略円柱形状を有し、低速ロータ１０の内側に配置される。高速ロータ２０は、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを、周方向に交互に有している。第２の永久磁石２２Ａは、回転軸Ｒを中心に等間隔で第２の磁性体２１の周面に複数設けられている。第２の永久磁石２２Ａは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。一方、第２の永久磁石２２Ｂは、周方向で隣り合う第２の永久磁石２２Ａの間のそれぞれに配置されている。第２の永久磁石２２Ｂは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて内向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＳ極）とされている。

　本実施形態の低速ロータ１０の磁極数（第１の磁性体１１の数）は１７であり、高速ロータ２０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの組数）は５であり、ステータ３０のスロット数（スロット３４の数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。
　本実施形態では、低速ロータ１０の第１の磁性体１１の間に第１の永久磁石１２を挟んでおり、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生するため、上述したようにトルク定数を向上させることができる。

　すなわち、上述の第３実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１Ｃであって、低速ロータ１０が、ステータ３０と高速ロータ２０との間に配置されると共に、第１の磁性体１１と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石１２とを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える第３の磁性体３１と、第１の永久磁石１２と磁極の向きが同一の第３の永久磁石３２とを周方向に交互に有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成によって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｃを三層２／３ＰＭと称する場合がある。

　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

　図４は、本発明の第４実施形態における磁気波動歯車装置１Ｄを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｄは、図４に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。この磁気波動歯車装置１Ｄは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。ステータ３０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。また、高速ロータ２０の構成は、第２実施形態の構成と変わらない。

　低速ロータ１０は、略円柱形状を有し、高速ロータ２０の内側に配置される。低速ロータ１０は、磁極の向きが互いに異なる第１の永久磁石１２Ａ，１２Ｂを、周方向に交互に有している。第１の永久磁石１２Ａは、回転軸Ｒを中心に等間隔で第１の磁性体１１の周面に複数設けられている。第１の永久磁石１２Ａは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。一方、第１の永久磁石１２Ｂは、周方向で隣り合う第１の永久磁石１２Ａの間のそれぞれに配置されている。第１の永久磁石１２Ｂは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて内向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＳ極）とされている。

　本実施形態の低速ロータ１０の磁極数（第１の永久磁石１２Ａ若しくは第１の永久磁石１２Ｂの数）は１７であり、高速ロータ２０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち第２の磁性体２１、第２の永久磁石２２の組数）は５であり、ステータ３０のスロット数（スロット３４の数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。

　本実施形態では、低速ロータ１０の第１の永久磁石１２Ａの間に磁極の向きが異なる第１の永久磁石１２Ｂを挟んでおり、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生するため、上述したようにトルク定数を向上させることができる。
　また、本実施形態では、低速ロータ１０と高速ロータ２０との位置を入れ替え、ステータ３０と高速ロータ２０とのエアギャップ長を通常のモータと同程度まで縮めることができるため、トルク定数をさらに向上させることができる。

　すなわち、上述の第４実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１Ｄであって、低速ロータ１０が、磁極の向きが互いに異なる第１の永久磁石１２Ａ，１２Ｂを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、ステータ３０と低速ロータ１０との間に配置されると共に、第２の磁性体２１と、磁極の向きが同一の第２の永久磁石２２とを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える第３の磁性体３１と、第２の永久磁石２２と磁極の向きが同一の第３の永久磁石３２とを周方向に交互に有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成によって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｄを三層２／３ＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　（第５実施形態）
　次に、本発明の第５実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

　図５は、本発明の第５実施形態における磁気波動歯車装置１Ｅを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｅは、図５に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。低速ロータ１０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。また、高速ロータ２０の構成は、第３実施形態の構成と変わらない。

　ステータ３０は、略円筒形状を有し、低速ロータ１０の外側に配置される。ステータ３０は、第３の磁性体３１と、第３の永久磁石３２Ａ，３２Ｂとを、有している。第３の永久磁石３２Ａ，３２Ｂは、磁極の向きが交互に異なるように周方向に複数配置されている。第３の永久磁石３２Ａは、第３の磁性体３１の先端に設けられている。第３の永久磁石３２Ａは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。一方、第３の永久磁石３２Ｂは、周方向で隣り合う第３の永久磁石３２Ａの間のそれぞれに配置されている。第３の永久磁石３２Ｂは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて内向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＳ極）とされている。

　本実施形態の低速ロータ１０の磁極数（第１の磁性体１１の数）は１７であり、高速ロータ２０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの組数）は５であり、ステータ３０のスロット数（スロット３４の数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。
　本実施形態では、本実施形態では、低速ロータ１０の第１の磁性体１１の間に第１の永久磁石１２を挟んでおり、低速ロータ１０とステータ３０とが、高速ロータ２０と同じ次数の高調波磁束を発生するため、上述したようにトルク定数を向上させることができる。

　すなわち、上述の第５実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１Ｅであって、低速ロータ１０が、ステータ３０と高速ロータ２０との間に配置されると共に、第１の磁性体１１と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石１２とを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える複数の第３の磁性体３１と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石３２Ａ，３２Ｂと、を有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成によって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｅを複合型ＰＭと称する場合がある。

　（第６実施形態）
　次に、本発明の第６実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

　図６は、本発明の第６実施形態における磁気波動歯車装置１Ｆを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｆは、図６に示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０、高速ロータ２０、ステータ３０は、回転軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。この磁気波動歯車装置１Ｆは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。低速ロータ１０の構成は、第２実施形態の構成と変わらない。また、ステータ３０の構成は、第５実施形態の構成と変わらない。

　高速ロータ２０は、略円筒形状を有し、ステータ３０と低速ロータ１０との間に配置される。高速ロータ２０は、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを、周方向に交互に有している。第２の永久磁石２２Ａは、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数設けられている。第２の永久磁石２２Ａは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて外向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＮ極）とされている。一方、第２の永久磁石２２Ｂは、周方向で隣り合う第２の永久磁石２２Ａの間のそれぞれに配置されている。第２の永久磁石２２Ｂは、例えばネオジム磁石等からなり、すべて内向きに磁着され、その磁極は同一（例えばＳ極）とされている。

　本実施形態の低速ロータ１０の磁極数（第１の磁性体１１の数）は１７であり、高速ロータ２０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの組数）は５であり、ステータ３０のスロット数（スロット３４の数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。

　すなわち、上述の第６実施形態によれば、ステータ３０と、低速ロータ１０と、高速ロータ２０とが同心状に設けられた磁気波動歯車装置１Ｆであって、低速ロータ１０が、第１の磁性体１１と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石１２とを周方向に交互に有しており、高速ロータ２０が、ステータ３０と低速ロータ１０との間に配置されると共に、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを周方向に交互に有しており、ステータ３０が、コイル３３を巻回可能なスロット３４を備える複数の第３の磁性体３１と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石３２Ａ，３２Ｂと、を有しており、低速ロータ１０の磁極数をＮｌとし、高速ロータ２０の極対数をＮｈとし、ステータ３０のスロット数をＮｓとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成を採用することによって、トルク定数を向上させることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｆを複合型ＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　（実施例）
　続いて、図７Ａ～図９Ｂに示す比較例との比較により、本発明の効果をより明らかにする。

　図７Ａは、比較例１としての磁気波動歯車装置１Ｇを示す断面図である。
　磁気波動歯車装置１Ｇは、図７Ａに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。高速ロータ２０及びステータ３０の構成は、第５実施形態の構成と変わらない。

　低速ロータ１０は、略円筒形状を有し、高速ロータ２０とステータ３０との間に配置される。低速ロータ１０は、第１の磁性体１１を有し、第１の永久磁石１２を有さない。第１の磁性体１１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数配置されている。なお、第１の磁性体１１は、不図示の樹脂プレート等で一体化され、両者間のピッチ等の相互関係が保たれている。以下、この磁気波動歯車装置１Ｇを両面ＰＭと称する場合がある。

　図７Ｂは、比較例２としての磁気波動歯車装置１Ｈを示す断面構成図である。
　磁気波動歯車装置１Ｈは、図７Ｂに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。この磁気波動歯車装置１Ｇは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。高速ロータ２０及びステータ３０の構成は、第６実施形態の構成と変わらない。

　低速ロータ１０は、略円柱形状を有し、高速ロータ２０の内側に配置される。低速ロータ１０は、第１の磁性体１１を有し、第１の永久磁石１２を有さない。第１の磁性体１１は、例えば電磁鋼板等からなり、回転軸Ｒを中心に等間隔で複数配置されている。以下、この磁気波動歯車装置１Ｈを両面ＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　図８Ａは、比較例３としての磁気波動歯車装置１Ｉを示す断面構成図である。
　磁気波動歯車装置１Ｉは、図８Ａに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０の構成は、比較例１と変わらない。また、高速ロータ２０及びステータ３０の構成は、第３実施形態の構成と変わらない。以下、この磁気波動歯車装置１Ｉを両面３／４ＰＭと称する場合がある。

　図８Ｂは、比較例４としての磁気波動歯車装置１Ｊを示す断面構成図である。
　磁気波動歯車装置１Ｊは、図８Ｂに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。この磁気波動歯車装置１Ｊは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。低速ロータ１０の構成は、比較例２と変わらない。また、高速ロータ２０の構成は、第６実施形態の構成と変わらない。また、ステータ３０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。以下、この磁気波動歯車装置１Ｊを両面３／４ＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　図９Ａは、比較例５としての磁気波動歯車装置１Ｋを示す断面構成図である。
　磁気波動歯車装置１Ｋは、図９Ａに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。低速ロータ１０の構成は、比較例１と変わらない。また、高速ロータ２０及びステータ３０の構成は、第１実施形態の構成と変わらない。以下、この磁気波動歯車装置１Ｋを両面ハーフＰＭと称する場合がある。

　図９Ｂは、比較例６としての磁気波動歯車装置１Ｌを示す断面構成図である。
　磁気波動歯車装置１Ｌは、図９Ｂに示すように、低速ロータ１０と、高速ロータ２０と、ステータ３０と、を有する。この磁気波動歯車装置１Ｌは、低速ロータ１０が内側に、高速ロータ２０が外側に配置されている。低速ロータ１０の構成は、比較例２と変わらない。また、高速ロータ２０及びステータ３０の構成は、第２実施形態の構成と変わらない。以下、この磁気波動歯車装置１Ｌを両面ハーフＰＭ（ロータ入替構造）と称する場合がある。

　図１０は、磁気波動歯車装置１Ａ，１Ｃ，１Ｅ，１Ｇ，１Ｋの伝達トルクと高速ロータ２０の回転角の関係を示すグラフである。
　図１０に示すように、伝達トルクに関しては、両面ＰＭ≒複合型ＰＭ＞三層２／３ＰＭ＞三層ハーフＰＭ＞両面ハーフＰＭの関係を有することが分かる。
　このことから、両面ＰＭ（磁気波動歯車装置１Ｇ）と複合型ＰＭ（磁気波動歯車装置１Ｇ）はほとんど同じであり、伝達トルクに関して第１の永久磁石１２が機能していないことが分かる。また、三層ハーフＰＭ（磁気波動歯車装置１Ａ）は両面ハーフ（磁気波動歯車装置１Ｋ）より大きく、伝達トルクに関して第１の永久磁石１２が機能していることが分かる。

　図１１は、磁気波動歯車装置１Ａ，１Ｃ，１Ｇ，１Ｉ，１Ｋ（基本構造）の最大伝達トルクと、磁気波動歯車装置１Ｂ，１Ｄ，１Ｈ，１Ｊ，１Ｌ（ロータ入替構造）の最大伝達トルクとの関係を示すグラフである。
　図１１に示すように、基本構造の最大伝達トルクに関しては、両面ＰＭ＞三層２／３ＰＭ＞三層ハーフＰＭ＞両面３／４ＰＭ＞両面ハーフＰＭの関係を有することが分かる。
　また、ロータ入替構造の最大伝達トルクに関しては、両面ＰＭ＞両面３／４ＰＭ＞三層２／３ＰＭ＞三層ハーフＰＭ＞両面ハーフＰＭの関係を有することが分かる。
　このことから、低速ロータ１０と高速ロータ２０との位置を入れ替えると、最大伝達トルクは１０分の１程度に低下することが分かる。また、高速ロータ２０に第２の磁性体２１を含むもの（三層ハーフＰＭ、両面ハーフＰＭ、三層２／３ＰＭ）は、最大伝達トルクの低下の割合が大きいことが分かる。これは、磁束が、高速ロータ２０の第２の磁性体２１で短絡するためと考えられる。

　図１２は、磁気波動歯車装置１Ａ，１Ｃ，１Ｇ，１Ｉ，１Ｋ（基本構造）のトルク定数と、磁気波動歯車装置１Ｂ，１Ｄ，１Ｈ，１Ｊ，１Ｌ（ロータ入替構造）のトルク定数との関係を示すグラフである。なお、トルク定数は、ロータを回転させたときの誘起電圧から計算している。
　図１２に示すように、基本構造のトルク定数に関しては、三層２／３ＰＭ＞両面３／４ＰＭ＞三層ハーフＰＭ＞両面ハーフＰＭ＞両面ＰＭの関係を有することが分かる。なお、両面３／４ＰＭが三層ハーフＰＭや両面ハーフＰＭより大きなトルク定数を持つ理由は、高速ロータ２０の永久磁石量が多いからである。三層ハーフＰＭは、永久磁石量が少ないにもかかわらず両面３／４ＰＭと同程度のトルク定数を有する。このことから、低速ロータ１０に第１の永久磁石１２を設けると、トルク定数は増加することが分かる。
　また、ロータ入替構造のトルク定数に関しては、両面３／４ＰＭ＞両面ハーフＰＭ＞三層ハーフＰＭ＞三層２／３ＰＭ＞両面ＰＭの関係を有することが分かる。このことから、低速ロータ１０と高速ロータ２０との位置を入れ替えると、トルク定数は増加することが分かる。なお、両面ＰＭは、高速ロータ２０に両面３／４ＰＭと同量の永久磁石を備えているにも関わらずトルク定数は低下することが分かる。これは、両面ＰＭのステータ３０の第３の磁性体３１の前にある第３の永久磁石３２Ｂが磁気抵抗になったと考えられる。

　以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　例えば、上記実施形態では、低速ロータ１０の磁極数は１７であり、高速ロータ２０の極対数は５であり、ステータ３０のスロット数は１２である構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、上記関係式（１）を満足するものであればよい。

　また、例えば、上記実施形態では、本発明の磁気波動歯車装置を、モータ（電動機）に適用した構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、発電機にも適用することができる。また、発電機においては、大型の風力発電機に好適に適用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ　磁気波動歯車装置
１０　低速ロータ（第１のロータ）
１１　第１の磁性体
１２，１２Ａ，１２Ｂ　第１の永久磁石
２０　高速ロータ（第２のロータ）
２１　第２の磁性体
２２，２２Ａ，２２Ｂ　第２の永久磁石
３０　ステータ
３１　第３の磁性体
３２，３２Ａ，３２Ｂ　第３の永久磁石
３３　コイル
３４　スロット
Ｒ　回転軸

Claims

　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、前記ステータと前記第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、第２の磁性体と、前記第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、前記第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。
　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、前記ステータと前記第１のロータとの間に配置されると共に、第２の磁性体と、前記第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、前記第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。
　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、前記ステータと前記第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、前記第１の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。
　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、磁極の向きが互いに異なる第１の永久磁石を周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、前記ステータと前記第１のロータとの間に配置されると共に、第２の磁性体と、磁極の向きが同一の第２の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える第３の磁性体と、前記第２の永久磁石と磁極の向きが同一の第３の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。
　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、前記ステータと前記第２のロータとの間に配置されると共に、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える複数の第３の磁性体と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石と、を有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。
　ステータと、第１のロータと、第２のロータとが同心状に設けられた磁気波動歯車装置であって、
　前記第１のロータは、第１の磁性体と、磁極の向きが同一の第１の永久磁石とを周方向に交互に有しており、
　前記第２のロータは、前記ステータと前記第１のロータとの間に配置されると共に、磁極の向きが互いに異なる第２の永久磁石を周方向に交互に有しており、
　前記ステータは、コイルを巻回可能なスロットを備える複数の第３の磁性体と、磁極の向きが交互に異なるように周方向に配置された複数の第３の永久磁石と、を有しており、
　前記第１のロータの磁極数をＮｌとし、前記第２のロータの極対数をＮｈとし、前記ステータのスロット数をＮｓとしたときに、
　Ｎｓ　＝　Ｎｌ　±　Ｎｈ
の関係を満足する磁気波動歯車装置。