(57)【要約】  本発明は、磁気歯車構造において、磁石内部に発生する渦電流を低減し、効率よくトルクを伝達する磁気歯車を実現することを目的とする。  上記課題を解決するために、磁気歯車構造において、内側ロータ部に鉄心の内部に磁石を配置する構造にする。また、その磁石に例えばＮｄＦｅＢの粉末で成型したボンド磁石を用いてもいい。極数の多い外側ロータ側の渦電流の影響が大きいため、極数の多い外側ロータ部だけの内部に磁石を配置する構造にしてもよい。また更に、埋め込む磁石を複数に分割してもよい。また、磁石の分割は、細かいほど渦電流が発生しにくくなるため、分割を更に細かくして組み立てを行う方法も有効である。電磁鋼板と同等の厚みを有する板状の磁石を軸方向に積層して構成することでも更に渦電流を低減可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数極の永久磁石を有する２つの回転子と、その回転子間に軟磁性材料で構成される複数極を有する磁極片体を有し、その磁極片によってそれぞれの磁石極数比の磁束を変調して回転を伝達する磁気歯車機構において、
前記回転子を軟磁性材料の積層体で構成し、永久磁石を軟磁性材料の内部に配置し、
前記回転子の永久磁石を、磁束を変調する磁極片体と対向する面に露出させて配置し、軸方向に複数に分割することを特徴とする磁気歯車機構。
【請求項２】
請求項１記載の磁気歯車機構において、
磁石の分割数は、多極側の磁石と少極側の磁石で異ならせ、多極側の磁石の分割数が多いことを特徴とする磁気歯車機構。
【請求項３】
請求項１記載の磁気歯車機構において、
磁極片は、電磁鋼板などの鉄板を積層して構成され、その形状は、周方向に一体として空隙部を孔としてくり抜いた形状として構成されることを特徴とする磁気歯車機構。
【請求項４】
複数極の永久磁石を有する２つの回転子と、その回転子間に複数極を有する磁極片体を有した磁気歯車機構において、
前記回転子の永久磁石を粉状にした状態にまで細かく分割し磁場配向させながら成形を行った磁石を用いて回転子として用いることを特徴とする磁気歯車機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触でトルクを伝達する磁気歯車機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用機器や家電品，自動車，鉄道などの動力駆動源にはモータや原動機が使用されている。これらの動力機械では、モータや原動機の出す出力トルクと回転数を機械式ギヤによって減速して必要なトルクと回転数に変換して使用している例が多い。しかし、機械式ギアボックスと一緒に高速電気機械を使用すると高いシステム・トルク密度を実現することができるが、潤滑および冷却を行う必要が生じる。さらに、信頼性も重要な問題である。この課題に着目して検討されたのが非特許文献１又は非特許文献２にも開示のある磁気歯車機構である。この磁気歯車機構は、機械的な歯車機構に比べ摩耗や発熱による損失も少なく、比較的大きなトルクを伝達することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.33, No.2, 2009「永久磁石式磁気ギアの効率向上に関する一考察」
【非特許文献２】：Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.34, No.3, 2010「永久磁石式磁気ギアの回転子構造に関する検討」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１においては、磁気歯車機構において永久磁石を積み厚方向に分割するといった構成が開示されているが、あくまで計算上の値であり、分割された磁石のそれぞれには渦電流が発生し、損失となって発熱を引き起こすという問題は残されている。【０００５】
また、上記非特許文献２においては、磁気歯車機構の回転子構造を埋め込み磁石型にする構成が開示されているが、これについては、表面磁石型に対してトルク伝達力を低下させないための一つの事例であり、渦電流対策に特化して損失を大幅に削減する構造では無く、ギャップに近い磁石の表面には渦電流が発生する問題は残るという問題があった。【０００６】
そこで、本発明では、効率よくトルクを伝達する磁気歯車機構を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、複数極の永久磁石を有する２つの回転子と、その回転子間に軟磁性材料で構成される複数極を有する磁極片体を有し、その磁極片によってそれぞれの磁石極数比の磁束を変調して回転を伝達する磁気歯車機構において、前記回転子を軟磁性材料の積層体で構成し、永久磁石を軟磁性材料の内部に配置し、前記回転子の永久磁石を、磁束を変調する磁極片体と対向する面に露出させて配置し、軸方向に複数に分割するように構成すればよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、効率よくトルクを伝達する磁気歯車機構を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施例に関わる磁気歯車機構の横断面図を示す。
【図２】本発明の第一実施例に関わる磁気歯車機構の回転子鉄心の軸方向中央部断面構造を示す。
【図３】本発明の第一実施例に関わる磁気歯車機構の磁石配置状態を説明する軸方向断面図であり、（ａ）図は従来の表面磁石構造を示し、（ｂ）図は本発明の埋め込み型磁石構造を示す。
【図４】本発明の第一実施例である、埋め込み磁石構造と、従来構造の磁石と磁極片部の渦電流損失の計算結果の比較を示す。
【図５】本発明の第二実施例に関わる磁気歯車機構の磁石保持状態で、多極側のみを埋め込み型とした構造と、そのときの損失計算結果を示す。
【図６】本発明の第三実施例に関わる磁気歯車機構の磁石保持状態であり、磁石を埋め込むスロット内で分割する構成の例と、軸宝庫にも分割する構造を示す。
【図７】本発明の第四の実施例に関わる磁気歯車機構の磁石保持状態の例であり、表面磁石型とした場合に磁石分割により渦電流を低減する例を示す。
【図８】本発明の第五の実施例に関わる磁石分割構造の究極例として、磁石を粒状にまで細かく分割して組み立てを行う構造の例を示す。
【図９】本発明の第五の実施例である、磁石を粒状にして組み立てした場合の損失計算結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の第１の実施例について図１と図２を用いて説明する。【００１２】
図１には、本発明の磁気歯車機構の横断面図を示している。また、図２は、図１で示す磁気歯車機構の磁気的結合部の中心であるＡ−Ａ断面を示している。【００１３】
まず図１を中心に構成を説明する。磁気軸受け機構の回転子を保持する筺体は、リアブラケット３１，ハウジング３２，フロントブラケット３３で構成される。【００１４】
図面左側に突出する軸２１は、低速側回転子の軸である。この軸２１は、フロントブラケットに配置される軸受け２４ａ，２４ｂによって片側に支持される構造になっている。ただし、軸受け２４ａと２４ｂの軸間距離をある程度の距離とすることで、軸振れに対して考慮がなされている。低速側回転子の材質は、非磁性金属であり、非磁性ステンレス，真鍮，銅，チタン，アルミニウムなどで構成されるものとする。これは、多極磁石が作る漏れ磁束を回転子シャフトに流さないようにするためである。【００１５】
低速側回転子軸２１は、アウターロータ型の回転子構造を持ち、カップ型の回転子の内側に回転子鉄心２２が保持される。その回転子鉄心のギャップ表面付近には、磁石を挿入する孔を有し、その孔には磁石２３が配置される構成となっている。【００１６】
このとき、回転子鉄心は、電磁鋼板、または、圧粉磁心，アモルファス，パーメンジュールなどの軟磁性体によって構成される。また、磁石は、周方向に複数個配置され、極の向きが隣合わせる磁石で内向き（径方向軸中心向き）と外向き（径方向軸中心逆向き）が交互になるように配置されている。軟磁性体鉄心の回転子表面形状は、磁石を挿入する孔の周方向部は回転子の強度を保つのに充分な厚みで極力薄く構成するものとする。これは、隣り合う極の異なる磁石間での磁束授受を極力少なくする目的である。本実施例の低速側回転子極数は３４極（１７極対）である。【００１７】
図面右側の軸１１が高速側回転子の軸となる。軸１１は、軸受け１４ａ，１４ｂにより両端支持される構造となっている。軸受けで支持された軸の中央には、電磁鋼板、または、圧粉磁心，アモルファス，パーメンジュールなどの軟磁性体の鉄心１２が固定される構造であり、その軟磁性体の回転子鉄心表面付近には、磁石を挿入する孔を有し、その孔には磁石１３が配置される構成となっている。この磁石は、周方向に複数個配置され、極の向きが隣合わせる磁石で内向きと外向きが交互になるように配置されている。軟磁性体鉄心の回転子表面形状は、磁石を挿入する孔の周方向部は回転子の強度を保つのに充分な厚みで極力薄く構成するものとする。これは、隣り合う極の異なる磁石間での磁束授受を極力少なくする目的である。本実施例の高速側回転子極数は１４極（７極対）である。【００１８】
高速側回転子と低速側回転子の間には、磁束を変調するための磁極片を配置する。この例では、周方向に２４個の磁極を均等ピッチで配置している。磁極片１の材質は、磁束を通すため、電磁鋼板、または、圧粉磁心，アモルファス，パーメンジュールなどの軟磁性材料で構成する。ただし、磁束による渦電流を防止する目的で、電磁鋼板などでは、薄い板を軸方向に積層して構成するものとする。また、磁極片１は、図１に図示するように、高速側回転子と低速側回転子の磁極の軸方向長さと一致させるか、短くする必要がある。これは、磁石の磁束を軸方向に広がらせてギャップ磁束密度を低下させることを防ぐことが目的である。【００１９】
また、電磁鋼板を軸方向に積層して作成した磁極片では、軸方向に磁束が作用することで、軟磁性材料の板の面方向に渦電流が発生して損失（熱）となるためである。このため、磁束を軸方向に広がらせることなく授受できるよう、回転子磁極と同一の軸方向長である必要がある。磁極片は、周方向には等ピッチに２４個であり、その磁極片と磁極片の間は非磁性体でかつ非導電性の材料で構成する必要がある。本実施例では、磁極片の周囲および、磁極片間は高強度樹脂材料や、セラミックスで構成されるものとし、磁極片は、その部材２の中に包まれているものである。回転子とのギャップ寸法は小さいほど良いため、ギャップとの対抗面は非常に薄く構成することが必要である。【００２０】
この磁極片が包まれた磁極片体は、その磁極片体を保持する磁極片保持ベース３に固定され、その磁極片保持ベース３は、リア側ブラケット３１に対して回転可能なように軸受け４ａ，４ｂによって支持される構造となっている。これは、磁極片体を回転させることによって、回転トルクを伝達するギヤ比（速度比）を変化させる目的である。本磁気歯車のギヤ比（速度比）は、高速側回転子と低速側回転子の極対数の比によって決定する。本実施例では、高速側の極対数が７、低速側の極対数が１７であるため、１７を７で除した２.４３がギヤ比（速度比）となる。【００２１】
このギヤ比は、磁極片体が静止している時のギヤ比であるため、磁極片体が回転することによって高速側と磁極片体，磁極片体と低速側の磁極片体の相対速度が変化するためにギヤ比を連続的に変化させることができるものである。そこで、本実施例では、磁極片体を固定した磁極片保持ベース３の外周部に歯車機構３７を取り付け、リア側ブラケット３１に固定されたモータ３５の出力軸先端に配置されたピニオンギヤを介して磁極片保持ベース３を、リア側ブラケット３１に対して回転させられる構造としたのである。【００２２】
図３には、各種の磁石保持形状と、磁極片構成の例を示す。図３（ａ）では、従来の磁気歯車の一般的な構造を示す。磁気結合部の磁石は回転子表面に磁石が露出する構造である。このために、磁石の表面から内部に高調波磁束が流入し、磁石内部で渦電流損失（熱）を発生させる。この渦電流は、磁束を妨げる方向に流れるために、有効な磁束を打ち消し、効率も低下させることになる。【００２３】
図３（ｂ）は、本実施例の磁石配置構造を示している。軟磁性材料の内部に磁石が埋め込まれる形になっているため、埋め込み磁石型と呼ぶことにする。この構造では、磁石の表面が磁極片と対抗するギャップ面に出ていないため、ギャップ面に発生する高調波磁束は、軟磁性材料の磁極表面で受けることになる。【００２４】
軟磁性材料の鉄心は、前述したとおり、電磁鋼板やアモルファスなどについては、軸方向に積層した構成とするため、その高調波磁束に対しても渦電流損失を発生しにくい構造となっている。また、圧粉磁心などで鉄心を構成する場合においては、高周波の磁束に対する渦電流損失はほとんどゼロにすることができる。磁極片の構造も、図３（ａ）と図３（ｂ）で異なったものを示した。図３（ａ）では、磁極片が等ピッチで配置され、その間を非磁性かつ非導電性の材料で構成するものである。【００２５】
図３（ｂ）は、電磁鋼板などの鉄板から製作することを考慮し、全体を一回のプレスで製作可能な形状を示している。薄肉のブリッジを設け、磁極片とならない部分を空隙として打ち抜く形で構成することで製造しやすくなる。ブリッジは、飽和することで空隙と変わらない状態にできると考えられるが、飽和を実現させるまでの磁束を少なくできるように、できるだけ薄く構成することが望ましい。０.３５mmの厚みの電磁鋼板では、その厚みの７割程度０.３mm程度にまで薄く構成することを本実施例の特徴として挙げておく。【００２６】
図４は、図３の構成での渦電流損失をＦＥＡ（Finite Element Analysis）を用いて計算した結果を示す。産業用に使用されるＡＣサーボモータなどの定格回転数は３０００ｒ／minが主流である。そこで、出力側（低速側）の回転数を３０００ｒ／minとして計算を行った。図３は低速側が３０００ｒ／minで、最大トルクを伝達する位相関係で回転しているときの渦電流損失を計算したものである。磁石の材質は、ＮｄＦｅＢの焼結希土類磁石である。磁石の残留磁束密度は１.２５Ｔ、比抵抗は１４.４μΩｍとしている。このとき、図３（ａ）の構造では、磁石と磁極片の損失を足し合わせた損失が、１９０１Ｗとなり、ギヤ効率が６８％と低下してしまう。本実施例の埋め込み型磁石構造、すなわち、図３（ｂ）の構造では、磁石と磁極片の損失を足し合わせた損失は８３Ｗと低く、ギヤ効率９６％と高い効率を得ることができる。このように、磁石内部と磁極片部の渦電流損失を抑えることにより、非常に高い効率でトルク伝達が可能な磁気歯車構造（磁気ギア）を実現することができる。
【実施例２】
【００２７】
続いて、本発明の第２の実施例について図５を用いて説明する。【００２８】
第１の実施例の図４で示した表面磁石型の渦電流損失の計算結果を見ると、高速側の損失に比べると低速側の損失がはるかに大きいことがわかる。ここで、表面磁石型とは、回転子の表面に磁石が成型されていることをいう。従って、双方の回転子を埋め込み構造にするのではなく、損失の大きい高速側の回転子のみを埋め込み構造にすることで渦電流損失の低減は大きな効果が得られることがわかる。図５には、高速側の磁石を表面磁石型にして、高速側の磁石を埋め込み構造にした例を示している。この構造の渦電流損失計算結果を図５（ｂ）に示す。高速側の損失は、両方を表面磁石型にした場合よりも低減し、低速側は大幅に低減できることがわかる。このように、少なくとも片方の回転子を埋め込み磁石構造とすることだけでも十分効率の高いギヤを得ることができる。
【実施例３】
【００２９】
続いて、本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。【００３０】
図４，図５に示した渦電流損失の計算結果では、本実施例の埋め込み磁石型にしても低速側（多極側）の渦電流損失はゼロにすることはできない結果となっていた。これは、高調波磁束が磁石内に存在することが原因である。そこで、さらに渦電流損失を低減するためには、磁石中を電流が流れにくくする必要がある。そこで、第３の実施例では、磁石を分割することによって磁石の内部の電流を細かく分けて磁石間に電流が流れないようにする構造を示す。図６（ａ）では、磁石挿入スロット内部で、磁石が複数個に分割されている例を示している。また、図６（ｂ）は、軸方向についての図を示すが、軸方向にも磁石を分割することで、磁石の渦電流のループを小さくすることができるため、渦電流損失が大幅に低減できる。
【実施例４】
【００３１】
本発明の第４の実施例について図７を用いて説明する。【００３２】
磁石を細かく分割することで渦電流が流れにくい構造は、表面磁石型においても有効である。このため、図７に示すように、表面磁石型とした場合においても、磁石を軸方向，周方向に分割することによって渦電流を防止することを目的として、磁気歯車の回転子を構成する。図７にはその例を示している。先に示したとおり、低速側（多極）側の渦電流が大きくなるので、高速側回転子の分割よりも低速側回転子の分割を細かくする必要がある。
【実施例５】
【００３３】
本発明の第５の実施例について図８を用いて説明する。【００３４】
図８には回転子磁石を先の分割の延長上で究極まで分割した例を示す。磁石を粉末状にまで細かくし、成形する方法を採用する。この方法によれば、磁石は粒の大きさの中でしか渦電流ループを形成することができないので、渦電流は、ほとんどゼロにすることができる。磁石の成形は、磁場配向可能な金型を用いて行う。数十μｍの大きさにまで細かくした磁石粉末材料４１を適正量準備し、金型（ダイ）４３内に充填し、金型（パンチ）４４に圧力を加えて圧縮成形するなどの手段を用いて成形する。その際、金型４３内に配置した、磁場配向用のコイル４２に電流を通電しながら成形を行うことにより、磁石の磁化容易方向を、電流を流してつくる磁界の向きに精度良く配向させることができる。【００３５】
このような方法で作成した磁石１３、または２３を回転子に組み立てることにより渦電流のほとんど無い磁気歯車を構成することができる。【００３６】
圧縮成形で使用される磁石材料は、ＮｄＦｅＢ磁石の粉末、またはＳｍＦｅＮの粉末でも高い磁束密度が得られるものである。ＳｍＦｅＮはＮｄＦｅＢに比べ、電気抵抗が高いので、さらに渦電流を低減する効果が得られるとともに、より大きな粒径で成形したものでも渦電流の低減効果が大きいなどの効果が得られるものである。【００３７】
図９は、ＮｄＦｅＢの粉末で成形した磁石の比抵抗の測定結果３５０μΩｍという値を用いて、図３（ａ）に示す形状での磁石に発生する損失を計算した結果を示す。計算条件は、低速側の回転数が３０００ｒ／minで最大トルクを伝達する位相関係で回転している場合を想定している。その結果、高速側の磁石に発生する渦電流損失はほとんどゼロであり、低速側（多極側）でも、４Ｗと低い結果となった。このときのギヤ効率は、９９.１％とギヤ部分での損失はほとんど発生しない状態になる。【００３８】
なお、上記のような方法で製造した磁石（ボンド磁石）は、熱に弱く磁力も比較的弱めという問題がある。上記実施例のようなトルク伝達機構の一つである磁気歯車構造（磁気ギア）は、モータとは異なり、トルクを効率よく伝達することに主眼を置いておりモータほど磁力を必要としないため、上述した方法で製造した磁石を用いればそのメリットを最大限に活用できる。上記実施例のような磁気ギアでは、機械式歯車構造とは異なり機械的な接触もなく発熱作用も低いということもあり、ボンド磁石を用いる上で都合がよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本実施例による磁気歯車機構は、家電，産業，自動車，鉄道，ロボットなど、モータや原動機を用いて動力を発生し、それを増速，減速などして動力を伝達する機構を有する幅広い用途に利用可能である。また、風力，水力，原子力，火力など、運動エネルギーを電気に変換する発電機につながる動力伝達機構にも応用することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  磁極片
２  非磁性部材
３  磁極片保持ベース
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ  軸受け
１１  軸
１２  鉄心
１３，２３  磁石
２１  低速側回転子の軸
２２  回転子鉄心
３１  リアブラケット
３２  ハウジング
３３  フロントブラケット
３４  ベアリング押え板
３５  磁極片群駆動用モータ
３６  ピニオンギヤ
３７  平歯車
４１  磁石粉末
４２  配向制御用コイル
４３  金型（ダイ）
４４  金型（パンチ）
４５  電源
【図１】
2012114368.tif 000003
【図２】
2012114368.tif 000004
【図３】
2012114368.tif 000005
【図４】
2012114368.tif 000006
【図５】
2012114368.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012114368.tif 000009
【図８】
2012114368.tif 000010
【図９】
2012114368.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月14日(2014.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数極の永久磁石を有する２つの回転子と、
その回転子間に軟磁性材料で構成される複数極を有する磁極片体を有し、
その磁極片によってそれぞれの磁石極数比の磁束を変調して回転を伝達する磁気歯車機構において、
前記回転子を軟磁性材料の積層体で構成し、
永久磁石を軟磁性材料の内部に配置し、
前記回転子の永久磁石を、磁束を変調する磁極片体と対向する面に露出させて配置し、軸方向に複数に分割し、
磁石の分割数は、多極側の磁石と少極側の磁石で異ならせ、多極側の磁石の分割数が多いことを特徴とする磁気歯車機構。
【請求項２】
複数極の永久磁石を有する２つの回転子と、
その回転子間に軟磁性材料で構成される複数極を有する磁極片体を有し、
その磁極片によってそれぞれの磁石極数比の磁束を変調して回転を伝達する磁気歯車機構において、
前記回転子を軟磁性材料の積層体で構成し、
永久磁石を軟磁性材料の内部に配置し、
前記回転子の永久磁石を、磁束を変調する磁極片体と対向する面に露出させて配置し、軸方向に複数に分割し、
磁極片は、電磁鋼板などの鉄板を積層して構成され、
その形状は、周方向に一体として空隙部を孔としてくり抜いた形状として構成されることを特徴とする磁気歯車機構。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、電磁鋼板を軸方向に積層して作成した磁極片では、軸方向に磁束が作用することで、軟磁性材料の板の面方向に渦電流が発生して損失（熱）となるためである。このため、磁束を軸方向に広がらせることなく授受できるよう、回転子磁極と同一の軸方向長である必要がある。磁極片は、周方向には等ピッチに２４個であり、その磁極片と磁極片の間は非磁性体でかつ非導電性の材料で構成する必要がある。本実施例では、磁極片の周囲および、磁極片間は高強度樹脂材料や、セラミックスで構成されるものとし、磁極片は、非磁性部材２の中に包まれているものである。回転子とのギャップ寸法は小さいほど良いため、ギャップとの対抗面は非常に薄く構成することが必要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
第１の実施例の図４で示した表面磁石型の渦電流損失の計算結果を見ると、高速側の損失に比べると低速側の損失がはるかに大きいことがわかる。ここで、表面磁石型とは、回転子の表面に磁石が成型されていることをいう。従って、双方の回転子を埋め込み構造にするのではなく、損失の大きい低速側の回転子のみを埋め込み構造にすることで渦電流損失の低減は大きな効果が得られることがわかる。図５には、高速側の磁石を表面磁石型にして、低速側の磁石を埋め込み構造にした例を示している。この構造の渦電流損失計算結果を図５（ｂ）に示す。高速側の損失は、両方を表面磁石型にした場合よりも低減し、低速側は大幅に低減できることがわかる。このように、少なくとも片方の回転子を埋め込み磁石構造とすることだけでも十分効率の高いギヤを得ることができる。
【国際調査報告】
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