(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の永久磁石を有する２つの回転子と、磁気的に前記２つの回転子間に位置し、磁束を変調可能な複数のポールピースを有する固定子とを備え、
前記２つの回転子のうちの一方の回転子は、この回転子の回転軸と垂直な方向のラジアルギャップを介して前記固定子と対向し、かつ前記２つの回転子のうちの他方の回転子は、この回転子の回転軸と平行な方向のアキシアルギャップを介して前記固定子と対向し、
前記ポールピースが圧粉磁心を用いて構成されていることを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気歯車装置において、前記他方の回転子は、隣接する２つの永久磁石の磁極の向きが互いに異なるように、前記複数の永久磁石が同一円周上に等間隔で配置されている磁気歯車装置。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気歯車装置において、前記他方の回転子は、前記複数の永久磁石がハルバッハ配列で配置されている磁気歯車装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記ポールピースにおける少なくとも前記一方の回転子と正対する部分は、前記他方の回転子に近づくに従って、前記一方の回転子の回転軸と垂直な断面の断面積が大きくなっている磁気歯車装置。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気歯車装置において、前記ポールピースにおける少なくとも前記一方の回転子と正対する部分は、前記他方の回転子に近づくに従って、前記一方の回転子の回転軸と垂直な断面の断面積が連続的に大きくなっている磁気歯車装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の磁気歯車装置において、前記ポールピースにおける前記一方の回転子と正対する部分以外の部分は、前記他方の回転子に近づくに従って、前記一方の回転子の回転軸と垂直な断面の断面積が小さくなっている磁気歯車装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記ポールピースの前記他方の回転子と対向する面の形状が、前記他方の回転子の回転軸を中心とする互いに半径が異なる２本の同心円弧と、前記他方の回転子の回転軸から互いに異なる方向に放射状に延びる２本の直線とで囲まれた扇台形状である磁気歯車装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記一方の回転子が前記固定子の内周側に配置された磁気歯車装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記一方の回転子が前記固定子の外周側に配置された磁気歯車装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記２つの回転子のいずれかまたは両方の回転子における前記固定子から見て背面側の面に、磁性材料からなる磁界強化用のバックヨークが設けられた磁気歯車装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記一方の回転子の前記永久磁石は、前記一方の回転子の回転軸と垂直な方向から着磁されている磁気歯車装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記一方の回転子の前記永久磁石は、前記一方の回転子の回転軸と垂直な平面に沿う一方向から着磁されている磁気歯車装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の磁気歯車装置において、前記一方の回転子の前記永久磁石がハルバッハ配列で配置されている磁気歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、原動側の回転子と従動側の回転子とが互いに非接触で動力を伝達する磁気歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、鉄道、産業用機械、家電製品等の駆動部には、モータ等の回転電動機が装備されている。この回転電動機の出力は、歯車等によって所望のトルクまたは回転数に変換して、作用部に伝達される。従来の一般的な機械式歯車では、互いに噛み合う一対の歯車の歯が接触しながら動力を伝達するため、歯と歯の間に摩擦が生じる。そのため、以下の問題があった。
・歯が擦れて摩耗する。
・振動や騒音が発生する。
・限界トルクや疲労破壊等により歯が損傷する。
・オイルやグリス等の潤滑剤が必要となり、クリーンな環境で使用できない。
【０００３】
歯と歯の接触が無ければ上記問題はすべて解決する。歯と歯の接触が無い動力伝達機構として磁気歯車がある。磁気歯車の特徴は非接触で動力を伝達することであるから、伝達可能トルクの絶対値は機械式歯車に比べて低いものの、以下の多くのメリットがある。
・振動や騒音がほぼ無い。
・発塵が無い。このためクリーンな環境で使用できる。
・摩擦や摩耗による劣化がほぼ無く、メンテナンスフリーが実現できる。
・歯と歯の間に隔壁（非磁性体）があっても動力の伝達が可能である。このため、２つの歯がそれぞれ異なる媒質中に存在することが可能である。
・能力以上のトルクがかかった場合に脱調するトルクリミッタ機能を有する。機械式歯車に能力以上のトルクがかかった場合は、歯が損傷する可能性がある。
・摩擦損失が無いため、構成によっては高効率のトルク伝達が可能である。
【０００４】
磁気歯車を用いた変速機構が、特許文献１，２に記載されている。
特許文献１の磁気歯車装置は、原動側および従動側の各回転子（外歯車、内歯車）が同心円状に配置され、各回転子間に固定子（ステータ歯車）が介在している。各回転子と固定子とは、それぞれラジアルギャップを介して対向している。固定子には、円周方向に並ぶ複数のポールピース（磁性歯部）が設けられている。このポールピースに積層電磁鋼板を用いることで、回転中の渦電流を低減させ、高効率での変速を可能としている。さらに、ポールピースを軸方向に対してスキューさせることで、磁界の急峻な変化を低減しコギングトルクを抑制している。
【０００５】
特許文献２の磁気歯車機構も、２つの回転子間に、これら２つの回転子とそれぞれラジアルギャップを介して対向する固定子（磁極片体）が介在している。特許文献２では、回転子の永久磁石を軟磁性材料の内部へ埋め込む構造にすることで、大きなトルク伝達を可能にし、さらに永久磁石を軸方向に分割構造とすることで、回転中の磁石内部に発生する渦電流を低減し、高効率のトルク伝達を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３８９１２２号
【特許文献２】特許第５５２６２８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、特許文献１、２の磁気歯車を用いた変速機構は、原動側および従動側の回転子が共に、ラジアルギャップを介して固定子に対向している。この構成であると、全体の径方向寸法が大きくなる。そこで、全体の径方向寸法を抑えるために、原動側および従動側の回転子のうち一方の回転子はラジアルギャップを介して固定子に対向し、他の回転子はアキシアルギャップを介して固定子に対向する構成からなる磁気歯車装置の開発を試みた。
【０００８】
２つの回転子が共にラジアルギャップを介して固定子に対向する構成や、２つの回転子が共にアキシアルギャップを介して固定子に対向する構成の場合、磁束の流れに方向性があるため、ポールピースに積層電磁鋼板を用いることが有効である。しかし、ラジアルギャップとアキシアルギャップを組み合わせた構成では、ポールピースにおける磁束の流れが３次元的となるため、ポールピースに積層電磁鋼板を用いると、ラジアル方向およびアキシアル方向のうちの一方向の渦電流成分しか低減することができず、トルク伝達効率が低下することが試験により確認された。
【０００９】
この発明の目的は、２つの回転子のうち一方の回転子はラジアルギャップを介して固定子に対向し、他の回転子はアキシアルギャップを介して固定子に対向する構成において、３次元的に流れる磁束の渦電流損失を抑制し、高いトルク伝達効率を実現できる磁気歯車装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の磁気歯車装置は、それぞれ複数の永久磁石を有する２つの回転子と、磁気的に前記２つの回転子間に位置し、磁束を変調可能な複数のポールピースを有する固定子とを備え、前記２つの回転子のうちの一方の回転子は、この回転子の回転軸と垂直な方向のラジアルギャップを介して前記固定子と対向し、かつ前記２つの回転子のうちの他方の回転子は、この回転子の回転軸と平行な方向のアキシアルギャップを介して前記固定子と対向し、前記ポールピースは圧粉磁心を用いて構成されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によると、原動側となる回転子の回転が従動側となる回転子へ、両回転子の永久磁石の極対数に応じた変速比で伝達される。２つの回転子のうちの一方の回転子はラジアルギャップを介して固定子に対向し、他の回転子はアキシアルギャップを介して固定子に対向するため、２つの回転子が共にラジアルギャップを介して固定子に対向する構成に比べて、磁気歯車装置全体の径方向寸法を抑えることができる。また、２つの回転子が共にアキシアルギャップを介して固定子に対向する構成に比べて、磁気歯車装置全体の軸方向寸法を抑えることができる。
【００１２】
２つの回転子のうちの一方の回転子はラジアルギャップを介して固定子に対向し、他の回転子はアキシアルギャップを介して固定子に対向する構成の場合、固定子のポールピースを流れる磁束方向が３次元的となる。例えば、一方の回転子と他方の回転子の各磁極間で作用する磁束方向はおおよそ各回転子の回転軸の方向となるが、一方の回転子や他方の回転子の磁極境界付近と面している部位では、磁束は周方向に発生する。そのため、２次元的な磁束方向の抑制効果しか持たない積層電磁鋼板でポールピースが構成されていると、渦電流損失の低減効果が弱く、トルク伝達効率が低下する。しかし、この発明の構成のように、圧粉磁心を用いてポールピースを構成すると、３次元的な磁束方向に対する渦電流の低減効果が高いため、渦電流損失を抑制して、トルク伝達効率を向上させることができる。
【００１３】
この発明において、前記他方の回転子は、隣接する２つの永久磁石の磁極の向きが互いに異なるように、前記複数の永久磁石が同一円周上に等間隔で配置されていても良い。また、前記他方の回転子は、前記複数の永久磁石がハルバッハ配列で配置されていても良い。
いずれの場合も、渦電流損失を抑制して、トルク伝達効率を向上させることができる。
【００１４】
この発明において、前記ポールピースにおける少なくとも前記一方の回転子と正対する部分は、前記他方の回転子に近づくに従って、前記一方の回転子の回転軸と垂直な断面の断面積が大きくなっていると良い。前記断面積は、他方の回転子に近づくに従って連続的に大きくなっていても良く、段階的に大きくなっていても良い。
２つの回転子間のトルク伝達性能の面で見た場合、２つの回転子の間で互いの磁束が無駄なく作用することが望ましい。ポールピースの断面積が他方の回転子に近づくに従って大きくなっていると、ポールピース内の磁束の流れがスムーズになり、ポールピースにおける他方の回転子から遠く離れた部位で発生する漏洩磁束を最小限に抑制できる。その結果、他方の回転子に作用する磁束が増え、伝達トルクおよび伝達効率が向上する。
【００１５】
前記ポールピースにおける前記一方の回転子と正対する部分以外の部分は、前記他方の回転子に近づくに従って、前記一方の回転子の回転軸と垂直な断面の断面積が小さくなっていても良い。
他方の回転子の極数が多い磁気歯車装置の場合、ポールピースの一方の回転子と正対する部分以外の部分の軸方向断面積が他方の回転子に近づくに従って大きくなっていると、ポールピースの他方の回転子との対向面積が大きくなり過ぎて、一つのポールピースが周方向に隣合うＮ極とＮ極、またはＳ極とＳ極に跨って対向する可能性がある。そこで、ポールピースの一方の回転子と正対する部分以外の部分の軸方向断面積を他方の回転子に近づくに従って小さくして、ポールピースの他方の回転子との対向面積を小さくすることで、上記ポールピースの跨りを回避する。
【００１６】
この発明において、前記ポールピースの前記他方の回転子と対向する面の形状が、前記他方の回転子の回転軸を中心とする互いに半径が異なる２本の同心円弧と、前記他方の回転子の回転軸から互いに異なる方向に放射状に延びる２本の直線とで囲まれた扇台形状であっても良い。
ポールピースの他方の回転子と対向する面の形状が略四角形である場合、モータに例えて言うと、スキュー角を付けたことと同じ現象となり、コギングトルクやトルクリップルの抑制効果を期待できるが、一方で最大トルクは低下する。ポールピースの他方の回転子と対向する面の形状を上記扇台形状とすると、最大トルクの低下を抑制することができる。
【００１７】
この発明において、前記一方の回転子が前記固定子の内周側に配置されていても良い。また、前記一方の回転子が前記固定子の外周側に配置されていても良い。
いずれの場合も、渦電流損失を抑制して、トルク伝達効率を向上させることができる。
【００１８】
この発明において、前記２つ回転子のいずれかまたは両方の回転子における前記固定子から見て背面側の面に、磁性材料からなる磁界強化用のバックヨークを設けると良い。
この場合、バックヨークが設けられた回転子の磁界が強化され、伝達可能トルクが上昇する。
【００１９】
この発明において、前記一方の回転子の前記永久磁石は、前記一方の回転子の回転軸と垂直な方向から着磁されていても良い。また、前記一方の回転子の前記永久磁石は、前記一方の回転子の回転軸と垂直な平面に沿う一方向から着磁されていても良い。さらに、前記一方の回転子の各永久磁石がハルバッハ配列で配置されていても良い。
いずれの場合も、渦電流損失を抑制して、トルク伝達効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の磁気歯車装置は、それぞれ複数の永久磁石を有する２つの回転子と、磁気的に前記２つの回転子間に位置し、磁束を変調可能な複数のポールピースを有する固定子とを備え、前記２つの回転子のうちの一方の回転子は、この回転子の回転軸と垂直な方向のラジアルギャップを介して前記固定子と対向し、かつ前記２つの回転子のうちの他方の回転子は、この回転子の回転軸と平行な方向のアキシアルギャップを介して前記固定子と対向し、前記ポールピースは圧粉磁心を用いて構成されているため、３次元的に流れる磁束の渦電流損失を抑制し、高いトルク伝達効率を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図２】同磁気歯車装置におけるポールピースの磁束の流れを示す図である。
【図３】この発明の第２の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図４】この発明の第３の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図５】この発明の第４の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図６】この発明の第５の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図７】この発明の第６の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図８】この発明の第７の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図９】この発明の第８の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１０】この発明の第９の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１１】同磁気歯車装置におけるポールピースの磁束の流れを示す図である。
【図１２】同磁気歯車装置におけるポールピースの他方の回転子と対向する面の形状を示す図である。
【図１３】ポールピースの他方の回転子と対向する面の異なる形状を示す図である。
【図１４】この発明の第１０の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１５】この発明の第１１の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１６】同磁気歯車装置におけるポールピースの磁束の流れを示す図である。
【図１７】この発明の第１２の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１８】この発明の第１３の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図１９】この発明の第１４の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図２０】この発明の第１５の実施形態にかかる磁気歯車装置の斜視図である。
【図２１】一方の回転子の一例の平面図である。
【図２２】一方の回転子の他の例の平面図である。
【図２３】一方の回転子のさらに他の例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の第１の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、２つの回転子１，２と、磁気的に前記２つの回転子１，２の間に介在する固定子３とを備える。２つの回転子１，２のうちの一方の回転子１はその回転軸Ｏ１と垂直な方向すなわち径方向のラジアルギャップＲＧを介して固定子３と対向し、他方の回転子２はその回転軸Ｏ２と平行な方向すなわち軸方向のアキシアルギャップＡＧを介して固定子３と対向している。２つの回転子１，２の回転軸Ｏ１，Ｏ２は、同軸上に位置する。
【００２３】
前記一方の回転子１は、複数の永久磁石１ａが、回転軸Ｏ１を中心に円筒状に配置されている。各永久磁石１ａは、例えば図２１に示すように、径方向に着磁されている。隣合う２つの永久磁石１ａは、互いに磁極の向きが逆である。つまり、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶＮ−Ｓ配列となっている。図の例では、永久磁石１ａの数は２個である。
【００２４】
図１において、前記他方の回転子２は、複数の永久磁石２ａが、回転軸Ｏ２を中心に円筒状に配置されている。各永久磁石２ａは、例えば回転軸Ｏ２の方向に着磁されている。隣合う２つの永久磁石２ａは、互いに磁極の向きが逆である。つまり、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶＮ−Ｓ配列となっている。図の例では、永久磁石２ａの数は６個である。
【００２５】
前記固定子３は、一方の回転子１の回転軸Ｏ１を中心とする円周上に等間隔で配置された複数のポールピース３ａからなる。各ポールピース３ａは、内周面の一端側の部分（図の上部）が一方の回転子１と対向し、他端側の端面（図の底面）が他方の回転子２と対向している。
【００２６】
この実施形態の場合、ポールピース３ａの形状がＬ型とされている。すなわち、一方の回転子１に対向する面である内周面は、軸方向の全体に亘って同一の円筒面からなり、かつ一方の回転子１から見て背面側の面である外周面は、他方の回転子２側の一部分（図の下端部）の径が他の部分の径よりも段状に大きい。ポールピース３ａの周方向の幅は、軸方向の全体に亘って同じである。後で説明するように、ポールピース３ａの形状は、上記以外の形状としても良い。
【００２７】
ポールピース３ａの個数は、２つの回転子１，２の極対数の和とされている。この例の場合、一方の回転子１は２極すなわち１極対であり、他方の回転子２は６極すなわち３極対であるから、１（極対数）＋３（極対数）＝４（ポールピースの個数）となり、固定子３は４個のポールピース３ａを有する。この例の回転子１，２の極対数以外である場合も、上記回転子１，２の極対数とポールピース３ａの個数との関係は成立する。
【００２８】
前述したように、固定子３が一方の回転子１とラジアルギャップＲＧを介して対向し、かつ他方の回転子２とアキシアルギャップＡＧを介して対向することで、固定子３は回転子１，２と磁気回路的に結合している。これにより、原動側となる回転子の回転が従動側となる回転子へ、両回転子の磁極数に応じた変速比で伝達される。従動側となる回転子の回転方向は、原動側となる回転子の回転方向の逆向きとなる。例えば、他方の回転子２が原動側となる回転子、一方の回転子１が従動側となる回転子とすると、他方の回転子２の回転に対して、一方の回転子１が３倍の速度で逆方向に回転する。この場合、磁気歯車装置は増速機となる。原動側と従動側とが入れ換わると、減速機となる。
【００２９】
前記ポールピース３ａは、圧粉磁心を用いて構成されている。圧粉磁心とは、磁性体を微細な粉末にし、その表面を絶縁被膜で覆い加圧して固めた鉄心であり、ダストコアとも呼ばれる。圧粉磁心は、粉末レベルで絶縁された構造であるため、あらゆる磁束方向に対する渦電流の低減効果が高いのが特徴である。
【００３０】
ポールピース３ａに圧粉磁心を用いる理由を説明する。
一方の回転子１がラジアルギャップＲＧを介して固定子３に対向し、他の回転子２がアキシアルギャップＡＧを介して固定子３に対向する構成の場合、固定子３の各ポールピース３ａを流れる磁束方向が３次元的となる。図２に示すように、一方の回転子１と他方の回転子２の各磁極間で作用する磁束方向はおおよそ各回転子１，２の回転軸Ｏ１，Ｏ２の方向となるが、一方の回転子１や他方の回転子２の磁極境界付近と面している部位では磁束が周方向に発生する。そのため、２次元的な磁束方向の抑制効果しか持たない積層電磁鋼板でポールピース３ａが構成されていると、渦電流損失の低減効果が弱く、トルク伝達効率が低下する。しかし、圧粉磁心を用いてポールピースを構成すると、３次元的な磁束方向に対する渦電流の低減効果が高いため、渦電流損失を抑制して、トルク伝達効率を向上させることができる。
【００３１】
この磁気歯車装置は、２つの回転子１，２が互いに非接触でトルクを伝達するため、「背景技術」の欄に記載した磁気歯車装置のメリットがそのまま該当する。また、一方の回転子１と固定子３間のラジアルギャップＲＧの部分、および他方の回転子２と固定子３間のアキシアルギャップＡＧの部分の両方または片方に隔壁を挟むことが可能である。そのため、２つの回転子１，２をそれぞれ異なる媒質中で駆動することができる。よって、この磁気歯車装置は、例えばポンプ等の用途に適している。
【００３２】
図３はこの発明の第２の実施形態を示す。図１の磁気歯車装置は、一方の回転子１が固定子３の内周側に配置されているのに対し、図３の磁気歯車装置は、一方の回転子１が固定子３の外周側に配置されている。他の構成は、図１の磁気歯車装置と同じである。一方の回転子１が固定子３の内周側に配置されていても外周側に配置されていても、同様に３次元的な渦電流を低減する効果が得られる。
【００３３】
図１の磁気歯車装置および図３の磁気歯車装置のいずれについても、一方の回転子１と他方の回転子２の大小関係は任意に決めることができる。例えば、図１の磁気歯車装置のように、一方の回転子１が固定子３の内周側に配置されている構成であっても、固定子３のポールピース３ａの形状を工夫することで、一方の回転子１の直径を他方の回転子２の直径より大きくしても良い。また、図３の磁気歯車装置のように、一方の回転子１が固定子３の外周側に配置されている構成であっても、一方の回転子１の直径を他方の回転子２の直径より小さくしても良い。
【００３４】
図４はこの発明の第３の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、図１の磁気歯車装置に、磁界強化用のバックヨーク４，５を追加したものである。バックヨーク４，５は磁性材料からなる。バックヨーク４は一方の回転子１の内周面に設けられ、バックヨーク５は他方の回転子２の底面に設けられている。一方の回転子１の内周面および他方の回転子２の底面は、回転子１，２における固定子３から見て背面側の面である。バックヨーク４，５が設けられていると、回転子１，２の磁界が強化され、伝達可能トルクが上昇する。
【００３５】
図５はこの発明の第４の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、図３の磁気歯車装置に、磁界強化用のバックヨーク４，５を追加したものである。バックヨーク４は一方の回転子１の外周面に設けられ、バックヨーク５は他方の回転子２の底面に設けられている。この場合も、前記同様に、回転子１，２の磁界が強化され、伝達可能トルクが上昇する。
図４、図５の例では、２つの回転子１，２の両方にバックヨーク４，５が設けられているが、片方の回転子１（２）だけにバックヨーク４（５）を設けた構成としても良い。
【００３６】
図６はこの発明の第５の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、他方の回転子２の永久磁石の配列を、図１の磁気歯車装置のＮ−Ｓ配列から、ハルバッハ配列に変更したものである。つまり、回転軸Ｏ２の方向に着磁された永久磁石２ｂと、周方向に着磁された永久磁石２ｃとが、同一円周上に交互に配置されている。隣合う２つの永久磁石２ｂの着磁方向は互いに逆向きであり、かつ隣合う２つの永久磁石２ｃの着磁方向は互いに逆向きである。他の構成は、図１の磁気歯車装置と同じである。
【００３７】
このように、他方の回転子２の永久磁石２ｂ，２ｃの配列をハルバッハ配列とすることにより、他方の回転子２の磁界が強化され、磁気歯車装置の伝達可能トルクが上昇すると共に、アキシアルギャップＡＧを広くしても駆動伝達が可能となる。
【００３８】
図７〜図９はこの発明の第６〜第８の実施形態を示す。これらの磁気歯車装置は、前記同様に、他方の回転子２の永久磁石の配列を、図３、図４、図５の各磁気歯車装置のＮ−Ｓ配列から、ハルバッハ配列に変更したものである。他の構成は、図３、図４、図５の各磁気歯車装置と同じである。この場合も、前記同様の作用・効果が得られる。
【００３９】
以下、ポールピース３ａの形状が異なる実施形態について説明する。
図１０はこの発明の第９の実施形態を示す。この磁気歯車装置のポールピース３ａは、一方の回転子１から見て背面側の面である外周面が、図の上端から図の下端の近傍に行くに従い径が連続的に大きくなるテーパ形状に形成されている。ポールピース３ａの内周面は、一方の回転子１と正対する部分１０と他の部分１１との境界に段差１２が設けられており、一方の回転子１と正対する部分１０の径が小さく、他の部分１１の径が大きい。このポールピース３ａの形状は、少なくとも一方の回転子１と正対する部分１０については、他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積、つまり回転軸Ｏ１と垂直な断面の断面積が連続的に大きくなっていると言える。また、他の部分１１だけについて言えば、やはり他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積が連続的に大きくなっている。
【００４０】
ポールピース３ａが上記形状であると、図１１に示すように、ポールピース３ａ内の磁束の流れがスムーズになり、ポールピース３ａにおける他方の回転子２から遠く離れた部位で発生する漏洩磁束を最小限に抑制できる。このことは、試験により確かめられた。漏洩磁束が抑制されることで、他方の回転子２に作用する磁束が増え、伝達トルクおよび伝達効率が向上する。
【００４１】
図１０の磁気歯車装置を含めここまで説明してきた各実施形態の磁気歯車装置は、図１２に示すように、ポールピース３ａにおける他方の回転子２と対向する面である底面１３（ハッチングを付した部分）の形状が略四角形である。このようにポールピース３ａの底面１３の形状が略四角形である場合、モータに例えて言うと、スキュー角を付けたことと同じ現象となり、コギングトルクやトルクリップルの抑制効果を期待できるが、一方で最大トルクは低下する。
【００４２】
この対策として、ポールピース３ａの底面１３の形状を、図１３に示す扇台形状とすると良い。扇台形状は、他方の回転子２の回転軸Ｏ２を中心とする互いに半径が異なる２本の同心円弧１４，１５と、他方の回転子２の回転軸Ｏ２から互いに異なる方向に放射状の延びる２本の放射状直線１６，１６とで囲まれた形状である。この例では、２本の同心円弧１４，１５の半径は、それぞれ他方の回転子２の外径と内径である。このようにポールピース３ａの底面１３の形状を扇台形状とすることで、最大トルクの低下を抑制することができる。２本の放射状直線１６，１６の成す中心角θの最適角度は、他方の回転子２の極数や、他方の回転子２とポールピース３ａとのアキシアルギャップＡＧ（図１０）等の関係により異なる。前記中心角θの最適角度は、磁場解析等により求める。
【００４３】
また、図１０の磁気歯車装置は、ポールピース３ａの一方の回転子１と正対する部分１０の軸方向断面積が、他方の回転子２に近づくに従って連続的に大きくなっているだけでなく、他の部分１１の軸方向断面積も、他方の回転子２に近づくに従って連続的に大きくなっている。これはポールピース３ａ内の磁束の流れをスムーズにさせるためであるが、一方の回転子１と他方の回転子２の極対数の関係によっては、他の部分１１については上記形状とすることができない場合がある。なお、他の部分１１は、請求項で言う「一方の回転子と正対する部分以外の部分」のことである。
【００４４】
例えば、図１４に示す第１０の実施形態のように、他方の回転子２の極数が多い磁気歯車装置の場合、次のような問題がある。すなわち、ポールピース３ａの他の部分１１の軸方向断面積が他方の回転子２に近づくに従って大きくなっていると、ポールピース３ａの他方の回転子２との対向面積が大きくなり過ぎて、一つのポールピース３ａが周方向に隣合うＮ極とＮ極、またはＳ極とＳ極に跨って対向する可能性がある。そこで、ポールピース３ａの他の部分１１の軸方向断面積を他方の回転子２に近づくに従って小さくして、ポールピース３ａの他方の回転子２との対向面積を小さくすることで、上記ポールピース３ａの跨りを回避する。
【００４５】
なお、図１４の磁気歯車装置は、一方の回転子１が２極（１極対）、他方の回転子２が１２極（６極対）、ポールピース３ａが７個（１極対＋６極対）とした例である。一般的に、他方の回転子２の極数が多くなるほど、ポールピース３ａの他方の回転子２との対向面積を小さくする必要がある。図１４の磁気歯車装置は、ポールピース３ａの軸方向断面積が他方の回転子２に近づくに従ってテーパ状に小さくなっているが、段階的に小さくなっていてもよい。
【００４６】
図１０に示す実施形態のポールピース３ａは、図の上端から図の下端の近傍にかけて外周面の径が連続して大きくなっているが、段階的に大きくなっていても良い。その場合も、ポールピース３ａにおける他方の回転子２から遠く離れた部位で発生する漏洩磁束を抑制する効果がある。
【００４７】
図１５はこの発明の第１１の実施形態を示す。この磁気歯車装置のポールピース３ａは、図の上端から図の下端に亘り外周面が同一径である。ポールピース３ａの内周面は、図１０に示す実施形態と同様に、一方の回転子１と正対する部分１０と他の部分１１との境界に段差部１２を有する。このポールピース３ａの形状は、ほぼ矩形に近い形状である。
【００４８】
ポールピース３ａが矩形に近い形状であると、図１６に示すように、ポールピース３ａにおける他方の回転子２から遠く離れた部位で漏洩磁束が発生し易い。よって、この矩形に近いポールピース３ａの形状は、トルクの伝達効率の面からはあまり好ましくはない。しかし、形状がシンプルであるので、成形がし易く、磁気歯車装置が収容される筐体との固定や位置決めがし易いといった利点がある。
【００４９】
図１７はこの発明の第１２の実施形態を示す。この磁気歯車装置のポールピース３ａは、外周面および内周面が共に、図の上端から図の下端に亘って同一径であり、完全に矩形形状である。完全な矩形形状であると、図１５の矩形に近い形状よりも、より一層形状がシンプルで、成形がし易い。トルクの伝達効率は、図１５の磁気歯車装置とほぼ同じである。
【００５０】
図１に示すＬ型のポールピース３ａは、図の下端部の外径が他の部分の外径よりも段状に大きい形状であるから、他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積が段階的に大きくなっている形態の一種と言える。但し、ポールピース３ａの一方の回転子１と正対する部分に限定すると、他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積が大きくなっていない。
【００５１】
上記形態であるＬ型のポールピース３ａを備えた図１の磁気歯車装置は、図１０に示す外周面がテーパ形状のポールピース３ａを備えた磁気歯車装置と、図１５、図１７に示す矩形または矩形に近い形状のポールピース３ａを備えた磁気歯車装置との中間的な特性を有する。すなわち、トルクの伝達効率については、図１５、図１７のものよりも優れるが、図１０のものよりは劣る。また、成形のし易さについては、図１０のものよりも優れるが、図１５、図１７のものよりは劣る。どの形状のポールピース３ａを採用するかは、磁気歯車装置の目的や用途等に応じて決めればよい。
【００５２】
図１８はこの発明の第１３の実施形態を示す。この磁気歯車装置のポールピース３ａは、図の上側部分における外周面から円周方向を向く側面にかけて略三角錐状に切欠くことで、他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積が次第に大きくなる形態としたものである。このようにポールピース３ａを形成することによっても、ポールピース３ａにおける他方の回転子２から遠く離れた部位で発生する漏洩磁束を抑制して、伝達トルクおよび伝達効率の向上を図ることができる。図示しないが、この略三角錐状に切欠く手法と、外周面をテーパ形状に形成する手法とを組み合わせても、伝達トルクおよび伝達効率を向上させる効果がある。
【００５３】
図１９はこの発明の第１４の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、一方の回転子１が固定子３の外周側に配置されている形態の磁気歯車装置に対して、磁束の漏洩を抑制するポールピース３ａの形状を適用したものである。この磁気歯車装置のポールピース３ａは、一方の回転子１から見て背面側の面である内周面が、図の上端から図の下端の近傍に行くに従い径が連続的に大きくなるテーパ形状に形成されている。ポールピース３ａの外周面は、図の下端部の径が他の部分の径よりも段状に大きくなっている。
【００５４】
このポールピース３ａの形状も、図１０の磁気歯車装置と同様に、他方の回転子２に近づくに従って軸方向断面積が大きくなっている。このため、ポールピース３ａにおける他方の回転子２から遠く離れた部位で発生する漏洩磁束を最小限に抑制でき、伝達トルクおよび伝達効率が向上する。
【００５５】
図２０はこの発明の第１５の実施形態を示す。この磁気歯車装置は、図１０の磁気歯車装置に、磁界強化用のバックヨーク４，５を追加したものである。バックヨーク４は一方の回転子１の内周面に設けられ、バックヨーク５は他方の回転子２の底面に設けられている。このような、漏洩磁束を抑制できる形状のポールピース３ａを備えた磁気歯車装置にバックヨーク４，５を追加することで、回転子１，２の磁界がより一層強化され、伝達可能トルクが上昇する。
【００５６】
図２１〜図２３は、互いに異なる一方の回転子を軸方向から見た図である。図２１に示す一方の回転子１は、円周上にＮ極とＳ極が交互に並ぶＮ−Ｓ配列であり、永久磁石１ａが径方向から着磁されたラジアル着磁である。図２２に示す回転子１は、Ｎ−Ｓ配列であるが、永久磁石１ａが回転軸Ｏ１と垂直な平面上の一方向から着磁された平行着磁である。また、図２３に示す一方の回転子１は、永久磁石１ｂ，１ｃがハルバッハ配列で配置されている。
【００５７】
上記各実施形態の磁気歯車装置は、一方の回転子１がＮ−Ｓ配列である例（図２１または図２２）を示しているが、一方の回転子１をハルバッハ配列（図２３）としても良い。その場合、一方の回転子１の磁界が強化され、磁気歯車装置の伝達可能トルクが上昇すると共に、ラジアルギャップＲＧを広くしても駆動伝達が可能となる。
【００５８】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５９】
１…一方の回転子
１ａ，１ｂ，１ｃ…永久磁石
２…他方の回転子
２ａ，２ｂ，２ｃ…永久磁石
３…固定子
３ａ…ポールピース
４，５…バックヨーク
１０…一方の回転子と正対する部分
１１…他の部分（一方の回転子と正対する部分以外の部分）
１３…ポールピースの底面（他方の回転子と対向する面）
１４，１５…同心円弧
１６…放射状直線
ＡＧ…アキシアルギャップ
Ｏ１…一方の回転子の回転軸
Ｏ２…他方の回転子の回転軸
ＲＧ…ラジアルギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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