JP2012246982A

JP2012246982A - 磁気歯車装置

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Publication number: JP2012246982A
Application number: JP2011118262A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Shimizu; 暢夫清水; Tetsuo Sasada; 哲男笹田; Akihito Nakahara; 明仁中原; Osamu Ichinokura; 理一ノ倉; Kenji Nakamura; 健二中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】トルク伝達の際に生じる構成部材の温度上昇を抑制することができる磁気歯車装置を提供する。
【解決手段】入力回転軸１の軸線周りに径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石２４を周方向に並べて配置した入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲んで設けられ、入力側磁気歯車２の磁力発生面に対向する磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材４とを備え、磁気経路部材４を固設する磁気経路部材ホルダー４１の複数の磁気経路部材４１の間に、磁力発生面に向けて吐出される空気を導く冷媒流路４５を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁石の磁気吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置に関する。

減速装置としては、高効率での伝動が比較的容易に可能な歯車装置が広く一般に用いられているが、その他に磁石の磁気的吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置がある。

磁気歯車装置の従来技術として、例えば、同心状に配置した内輪磁気歯車と外輪磁気歯車の間に磁気を透過する複数の磁性バーを環状に配置し、内輪磁気歯車に入力したトルクを外輪磁気歯車に伝達するものがある（特許文献１等参照）。

米国特許第３，３７８，７１０号明細書

上記従来技術のような構造の磁気歯車装置において、駆動中、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置を高い回転数で用いる場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してしまう。この渦電流での発熱による各部の温度上昇は、効率の低下や部材の劣化などを生じる一因となっていた。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、トルク伝達の際に生じる構成部材の温度上昇を抑制することができる磁気歯車装置を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の磁石を第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、前記周方向に並べて固設された複数の磁気経路部材の間に設けられ、対向する前記磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出される冷媒を導く冷媒流路とを備えたものとする。

（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の磁石を第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に設けられ、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように電磁鋼製の複数の磁気経路部材を周方向に並べて保持する保持部材と、前記保持部材内に軸方向に延在するよう設けられ、供給される冷媒を対向する前記磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出する吐出孔を有する冷媒流路とを備えたものとする。

（３）上記（１）または（２）において、好ましくは、前記第１回転軸または第２回転軸に接続された圧縮機で生成される圧縮空気の抽気空気を前記冷媒流路に供給するものとする。

（４）また、上記（１）または（２）において、好ましくは、前記磁力発生面の複数の磁石は、前記第１磁気歯車および第２磁気歯車のそれぞれについて、軸線に垂直な面における重心が軸線上となるよう配置されたものとする。

本発明によれば、トルク伝達の際に生じる構成部材の温度上昇を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置を概略的に示す図であり、回転軸に垂直な面における断面図である。本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置を概略的に示す図であり、回転軸を含む面における断面図である。図１における冷媒流路部分をその周辺構成と共に示す拡大断面図である。図３の冷媒流路部分の軸方向の構造を概略的に示す断面図である。本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置を備えたガスタービン発電機の構成図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

図５は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１００を備えたガスタービン発電機の構成図である。

図５において、ガスタービン発電機は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３と、圧縮機９０に接続され、タービン９２及び中間軸９３の回転により回転駆動される入力回転軸１と、入力回転軸１及び出力回転軸５に接続され、入力回転軸１の回転数を変換して出力回転軸５に出力する磁気歯車装置１００と、出力回転軸５に接続され、出力回転軸５の回転数に応じて発電を行う発電機９４とを備えている。入力回転軸１、出力回転軸５、及びその他の回転軸は同軸上に配置され、複数の軸受９５及びスラスト軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。

図１及び図２は、本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置１００を概略的に示す図であり、図１は回転軸に垂直な面における断面図、図２は回転軸を含む面における断面図である。

図１及び図２において、磁気歯車装置１００は、略円柱状の入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲むように配置された略円筒状の出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間に配置された複数の磁気経路部材４とを有している。入力側磁気歯車２、出力側磁気歯車３、及び、磁気経路部材４（後述する磁気経路部材ホルダー４１）は、互いに径方向に離間して設けられて配置されており、回転駆動によって接触しないように構成されている。

入力側磁気歯車２は、略円柱形状を有しており、その一端において入力回転軸１と同軸上に接続されている。また、出力側磁気歯車３は、出力回転軸５側（入力回転軸１と反対側）の一端を閉じた略円筒形状を有しており、その閉じた端部において出力回転軸５と同軸上に接続されている。入力回転軸１と出力回転軸５は同軸上に配置されており、したがって、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３は同軸状に形成されている。

入力側磁気歯車２は、入力回転軸１の軸線上に沿うように設けられた軸中心部２１と、軸中心部２１の外周を覆うように配置された鉄心２５と、鉄心２５中に周方向に並べて埋設された複数の磁石２４とから構成されている。

磁石２４は、軸中心部２１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、それぞれ、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。このように形成した複数の磁石２４は、それぞれ、周方向にＮ極２４ａおよびＳ極２４ｂを向けて配置されている。そして、隣り合う磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。

鉄心２５は、互いに絶縁した薄板状の部材（例えば、珪素鋼板）を軸方向に積層することによって形成されている。

このように構成された入力側磁気歯車２において、隣り合う磁石２４の磁力線は、同極である相手側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向外側に作用する。したがって、入力側磁気歯車２においては、その外周面（径方向外側の面）が磁力発生面であるといえる。

出力側磁気歯車３は、略円筒状に形成され入力側磁気歯車２と同軸状に配置された外郭構造部３１と、外郭構造部３１の内周を覆うように配置された鉄心３３と、鉄心３３中に周方向に並べて埋設された複数の磁石３２とから構成されている。

磁石３２は、外郭構造部３１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、それぞれ、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。このように形成した複数の磁石３２は、それぞれ、周方向にＮ極３２ａおよびＳ極３２ｂを向けて配置されている。そして、隣り合う磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。

鉄心３３は、互いに絶縁した薄板状の部材（例えば、珪素鋼板）を軸方向に積層することによって形成されている。

このように構成された出力側磁気歯車３において、隣り合う磁石３２の磁力線は、同極である相手側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向内側に作用する。したがって、出力側磁気歯車３においては、その内周面（径方向内側の面）が磁力発生面であるといえる。

なお、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車３のそれぞれにおいて、磁力発生面の複数の磁石２４，３２は、軸線に垂直な面における重心が軸線上となるよう重量計算され配置されている。すなわち、入力側磁気歯車２においては、磁石２４の重量が配置前に測定されており、磁石２４による重心が軸線上、すなわち、回転中心になるように配置される。出力側磁気歯車３においても同様である。

磁気経路部材４は、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に同軸状に形成された樹脂製（例えば、非金属材料であるＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）の磁気経路部材ホルダー４１により保持されることにより、周方向に複数並べて配置されている。

磁気経路部材ホルダー４１には、軸方向に延在する穴が周方向に等間隔に複数設けられており、この穴に、互いに絶縁した薄板状の電磁鋼製部材を軸方向に積層することにより、磁気経路部材４が軸方向に延在するよう形成されている。磁気経路ホルダー４１は、入力回転軸１側の一端にボルト４２で接続された保持部４３を介して磁気歯車装置１００の基部等に固設されており、これにより、磁気経路部材４１が固設されている。

また、磁気経路部材ホルダー４１には、周方向に並べて固設された複数の磁気経路部材４のそれぞれの間に軸方向に延在するよう設けられ、対向する磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出される冷媒を導く冷媒流路４５が設けられている。冷媒流路４５は、複数の磁気経路部材４のそれぞれの間に１つずつ設けられている。

図３は、図１における冷媒流路４５部分をその周辺構成と共に示す拡大断面図である。また、図４は、図３の冷媒流路４５部分の軸方向の構造を概略的に示す断面図である。

図３及び図４において、冷媒流路４５は、磁気経路部材ホルダー４１において、複数の磁気経路部材４の間に軸方向に延在するよう設けられている。また、磁気経路部材ホルダー４１には、冷媒流路４５から径方向外側に磁気経路部材ホルダー４１を貫通するように形成された吐出孔４７が軸方向に複数並べて設けられており、同様に、冷媒流路４５から径方向内側に磁気経路部材ホルダー４１を貫通するように形成された吐出孔４６が軸方向に複数並べて設けられている。吐出孔４６，４７は、冷媒流路４５に向けて縮径する円錐形状を有しており、その頂点側で冷媒流路４５に連通している。

冷媒流路４５には、冷媒として、入力回転軸１に接続された圧縮機９０で生成された圧縮空気の抽気空気が供給されており、その圧縮空気（冷媒）は、冷媒流路４５から吐出孔４６を介して第１磁気歯車２の外周面２０ａに吹き付けられ、吐出孔４７を介して第２磁気歯車３の内周面３０ａに吹き付けられる。

以上のように構成した本実施の形態の磁気歯車装置１００は、出力回転軸１側の端部において、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３、及び、出力側磁気歯車３と磁気経路部材ホルダー４１は、ボールベアリング２ａ，３ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されており、各部材間の中心軸のずれが抑制されている（図２参照）。

磁気歯車装置１００の入力回転軸１（入力側磁気歯車２）の回転数と出力回転軸５（出力側磁気歯車３）の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁力発生面における極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面における極性対数の比により決まる。言い換えると、入力回転軸１の回転数と出力回転軸５の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁石２４の極性対数と出力側磁気歯車３の磁石３２の極性対数の比で決まるということである。

つまり、入力回転軸１の回転数（入力回転数）をＮｉｎ、入力側磁気歯車２に設けられた磁石３の極性対数をＸｉｎ、出力回転軸７の回転数（出力回転数）をＮｏｕｔ、出力側磁気歯車６に設けられた磁石５の極性対数をＸｏｕｔとすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの関係は以下の式で表される。

Ｎｉｎ：Ｎｏｕｔ＝Ｘｏｕｔ：Ｘｉｎ・・・（１）
例えば、本実施の形態に示したように、磁石２４の極性対数を７（図１参照）、磁石３２の極性対数を１７（図１参照）とすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転軸Ｎｏｕｔの比は、１７：７となる。

入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは、磁石２４，３２の体積が増えるに従って増加する。その際、鉄心２５，３３、磁気経路部材４は、磁気飽和を起こさない寸法である必要がある。

磁気経路部材４の員数を入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数の和となるように構成した場合に、入力回転軸１から出力回転軸５への伝達可能トルクは最大となる。この知見は、フーリエ解析等を用いたシミュレーションにより得られる。例えば、本実施の形態のように、入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数を７、出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数を１７とした場合において、磁気経路部材４の員数を２４とすると入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは最大となる。

以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。

圧縮機９０及びタービン９２を起動し、入力回転軸１を回転駆動すると磁気歯車装置１００の入力側磁気歯車２が回転駆動される。入力側磁気歯車２の磁力発生面と出力側磁気歯車３の磁力発生面は、磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合っている。具体的には、入力側磁気歯車２が磁気経路部材４に相対して回転すると、各磁気経路部材４の入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３との対向面がＮ極又はＳ極に交互に磁化される。このように、磁化された磁気経路部材４と出力側磁気歯車３の磁力発生面の間にはたらく磁気的吸引力または反発力によって出力側磁気歯車３は周方向に回転駆動される。すなわち、磁気歯車装置１００は、磁気経路部材４を遊星歯車のように機能させて入力回転軸１の回転動力を出力回転軸５に伝達する。また、圧縮機９０から冷媒流路４５に供給された冷媒としての空気は、吐出孔４６，４７を介して第１磁気歯車２の外周面２０ａ、及び、第２磁気歯車３の内周面３０ａに吹き付けられ、その空気の衝突によって外周面２０ａおよび内周面３０ａが冷却される（衝風冷却）。また、冷媒流路４５に供給された冷媒としての空気は、その流路である冷媒流路４５内および吐出孔４６，４７内を流れ、磁気経路ホルダー４１と外周面２０ａおよび内周面３０ａの間隙を流れることによって磁気経路部材ホルダー４１を冷却する。

以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

従来技術のような構造の磁気歯車装置において、駆動中、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置を高い回転数で用いる場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してしまう。この渦電流での発熱による磁石やヨーク、磁気経路部材等の温度上昇は、効率の低下や支持部材の劣化などを生じる一因となっていた。

これに対し、本実施の形態においては、第１磁気歯車２と第２磁気歯車３の対向する磁力発生面間に周方向に並べて固設された複数の磁気経路部材４の間に冷媒流路４５を設け、冷媒流路４５に供給される冷媒としての空気を吐出穴４６，４７を介して第１磁気歯車２の外周面２０ａおよび第２磁気歯車３の外周面３０ａに吐出するよう構成したので、トルク伝達の際に生じる渦電流での発熱による磁石２４，３２や鉄心２５，３３、磁気経路部材ホルダー４１などの構成部材の温度上昇を抑制することができる。したがって、構成部材の温度上昇による効率の低下や部材の劣化などを抑制することができる。

また、入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３のそれぞれにおいて、複数の磁石２４，３２の重心が回転中心となるように配置したので、回転駆動時に入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３に生じる遠心力ベクトルを小さくすることができ、径方向へのブレや振動を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、冷媒として空気を用いるよう構成したがこれに限定されるものではない。また、冷媒（空気）は、圧縮機９０からの抽気空気を用いるよう構成したが、別途設けた加圧空気の生成手段からの空気を冷媒として用いる構成としても良い。

また、冷媒流路４５は、複数の磁気経路部材４１のそれぞれの間に１つずつ設けるよう構成したがこれに限られず、磁気経路部材４１間に冷媒流路４５を設ける部分と設けない部分とを配置するように構成しても良い。

また、１つの冷媒流路４５に、第１磁気歯車２の外周面２０ａに空気を吐出する吐出孔４６と、第２磁気歯車３の外周面３０ａに空気を吐出する吐出孔４７の両方を設けるように構成したがこれに限られない。つまり、第１磁気歯車２の外周面２０ａに空気を吐出する吐出孔４６を有する冷媒流路と、第２磁気歯車３の外周面３０ａに空気を吐出する吐出孔４７を有する冷媒流路とを別々に軸方向に並行に設け、それぞれの冷媒流路に空気を供給する構成としてもよい。この場合には、外周面２０ａ側と外周面３０ａ側で吐出空気の量を別々に最適化することができ、より効率化を図ることができる。

また、吐出孔４６，４７は外周面２０ａ側と外周面３０ａ側で軸方向に等間隔で同一位置に設ける構成としたが、これに限られず、外周面２０ａ側と外周面３０ａ側で軸方向に異なる位置に設けるよう構成しても良い。

１入力回転軸（第１回転軸）
２入力側磁気歯車（第１磁気歯車）
３出力側磁気歯車（第２磁気歯車）
４磁気経路部材
５出力回転軸（第２回転軸）
２１軸中心部
２４，３２磁石
２５，３３鉄心
４１磁気経路部材ホルダー
４３保持部
９０圧縮機
９１燃焼器
９２タービン
９３中間軸
９４発電機
９５軸受
１００磁気歯車装置

Claims

複数の磁石を第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、
前記周方向に並べて固設された複数の磁気経路部材の間に設けられ、対向する前記磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出される冷媒を導く冷媒流路と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
複数の磁石を第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に設けられ、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように電磁鋼製の複数の磁気経路部材を周方向に並べて保持する保持部材と、
前記保持部材内に軸方向に延在するよう設けられ、供給される冷媒を対向する前記磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出する吐出孔を有する冷媒流路と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
請求項１又は２記載の磁気歯車装置において、
前記第１回転軸または第２回転軸に接続された圧縮機で生成される圧縮空気の抽気空気を前記冷媒流路に供給することを特徴とする磁気歯車装置。
請求項１又は２記載の磁気歯車装置において、
前記磁力発生面の複数の磁石は、前記第１磁気歯車および第２磁気歯車のそれぞれについて、軸線に垂直な面における重心が軸線上となるよう配置されたことを特徴とする磁気歯車装置。