JP4929190B2 - 磁気歯車装置 - Google Patents

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

しかしながら、従来の磁気歯車装置には次のような問題がある。

上記のような構成の磁気歯車装置においては、磁気歯車の動作時（回転時）に磁石に対して遠心力がはたらく。特に内輪磁気歯車にはたらく遠心力の方向は半径外側方向、すなわち磁性バーの方向である。磁気歯車を大型化（大径化）、及び高速回転化する場合、それに伴って磁石にはたらく遠心力が大きくなり、遠心力に抗して磁石を保持するために、磁石の保持機構を大型化（強化）する必要がある。

しかし、磁石の保持機構が大きくなると内輪磁気歯車の磁石と磁性バーの距離を短く保つことが難しくなり、伝達効率や伝達可能トルクの悪化が懸念される。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、大型化（大径化）、及び高速回転化に伴う磁石保持機構の大型化による伝達効率や伝達可能トルクの悪化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。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンを接続する入力回転軸の軸線周りに周方向または径方向に積層した複数の磁石を環状に配置した磁力発生面を軸方向に向けた入力側磁気歯車と、前記入力側磁気歯車と同軸上に設けられ、発電機を接続する出力回転軸の軸線周りに周方向または径方向に積層した複数の磁石を環状に配置した磁力発生面を前記入力側磁気歯車の磁力発生面に対向させた出力側磁気歯車と、前記入力側磁気歯車と前記出力側磁気歯車の対向する磁力発生面間にて、前記入力側磁気歯車と前記出力側磁気歯車の磁石間に介在するように環状に固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、前記入力側磁気歯車及び前記出力側磁気歯車の磁力発生面に設けられ、少なくとも各磁気歯車の径方向の外側から前記磁石を拘束する固定部とを備え、前記入力軸へのガスタービンからの入力トルクを前記出力軸を介して発電機に伝達するものとする。

本発明によれば、磁気歯車装置の大型化（大径化）、及び高速回転化に伴う磁石保持機構の大型化による伝達効率や伝達可能トルクの悪化を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態を図１〜図６を用いて説明する。

図６は、本発明の第１の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６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、圧縮機９２により回転駆動される入力回転軸１と、入力回転軸１に接続され、入力回転軸１の回転数を変換して出力する磁気歯車１００と、磁気歯車１００に接続され、磁気歯車１００により変換された回転数で回転駆動される出力回転軸７と、出力回転軸７に接続され、出力回転軸７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７、及びその他の回転軸は同軸上に配置され、複数のジャーナル軸受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は、磁気歯車装置１００の回転軸１，７の軸心線を包含する鉛直面における断面図であり、図２及び図３は、図１の磁気歯車装置１００のＡ−Ａ線矢視図及びＢ−Ｂ線矢視図であり、図４は、図１の磁気歯車装置１００のＣ−Ｃ線断面図であり、図５は、磁気歯車装置１００を入力回転軸１方向から見た図である。

図１〜図５において、磁気歯車装置１００は、一方の面を互いに対向して配置された略円盤状の入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間に配置された複数の磁気経路部材４と、複数の磁気経路部材４を固定するサポート８と、サポート８を図示しない基礎に対して固定する板部９とを有している。

入力側磁気歯車２の一方の面の中心部には、その面に垂直に入力回転軸１が接続されている（図５参照）。入力回転軸１が回転することにより入力側磁気歯車２は周方向に回転駆動される。また、入力側磁気歯車２の他方の面、つまり、出力側磁気歯車６と対向する面には、複数（例えば１０個）の磁石３（例えば永久磁石）が入力回転軸１の軸線周りに環状に設けられている（図２参照）。

出力側磁気歯車６も入力側磁気歯車２と同様である。すなわち、出力側磁気歯車６の一方の面の中心部には、その面に垂直に出力回転軸７が接続されており、出力側磁気歯車２が周方向に回転することにより出力回転軸７は回転駆動される。また、出力側磁気歯車６の他方の面、つまり、入力側磁気歯車２と対向する面には、複数（例えば１４個）の磁石５（例えば永久磁石）が出力回転軸７の軸線周りに環状に設けられている（図３参照）。

入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６において、磁石３，５は、軸線から複数の磁石３までの距離（半径）と軸線から複数の磁石５までの距離（半径）が同じになるよう配置されている。また、入力回転軸１と出力回転軸７は同軸上に配置されている。したがって、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の周方向の相対位置によらず磁石３と磁石５は対向する。

入力側磁気歯車２の磁石３が設けられた面、及び出力側磁気歯車６の磁石５が設けられた面を磁力発生面と呼ぶ。

磁石３，５は、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の磁力発生面に軸線周りに、かつ軸線を中心として環状に設けられた磁石固定溝に嵌め込まれて固定されている。入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６において、軸線から磁石固定溝までの距離（半径）は同じになるよう構成されている。磁石３，５及び磁石固定溝は、入力回転軸１及び出力回転軸７の軸心線を包含する平面で切断した断面が、磁気経路部材４に向かって縮径する台形状に形成されており、この台形状の断面における下底及び斜辺に相当する面で接することにより磁石３，５は磁石固定溝に固定されている。特に、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の磁石固定溝から見て径方向外側の部分は、径方向外側から磁石３，５を拘束する固定部を構成している。これにより、例えば入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の回転によってはたらく遠心力による磁石３，５の径方向の動きを拘束することができる。また、磁石３，５は、磁極を軸方向に向けて配置されており、軸方向から見た場合に、周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。なお、磁石３，５は、板状の磁石を軸方向、周方向、或いは径方向に積層した構成としても良い。これにより、磁石３，５に発生する渦電流を抑制することができる。

サポート８は、板状に形成され、軸線に直交するように配置されており、軸線を中心とした円形状の孔が設けられている。また、サポート８は、樹脂等の非金属（非磁性体）により形成されており、磁石３，５により発生する磁場による影響を受けにくい構成となっている。したがって、磁石３，５により発生する磁場によってサポート８にはたらく力や発生する渦電流を抑制することができる。

磁気経路部材４は、棒状の部材である。その断面形状は限定されないが、例えば長方形（正方形）や円形等の断面形状を有する。磁気経路部材４は一端をサポート８の孔の内側に接続（埋設）されており、他端を径方向に向けて配置されている。また、複数の磁気経路部材４は、サポート８の孔の内側に等間隔に配置されている。すなわち、複数の磁気経路部材４は、軸線周りに環状に、周方向に等間隔に配置されている。

軸線から各磁気経路部材４までの距離（半径）は、軸線から磁石３又は磁石５までの距離（半径）と同じになるように設定されており、したがって、磁気経路部材４は、磁石３と磁石５の間に位置するよう配置されている。

また、磁気経路部材４は、表面を絶縁処理した珪素鋼板を周方向、或いは半径方向に積層して形成されている。これにより回転軸１，７方向の磁界の変化により発生する渦電流を抑制することができる。なお、磁石３，５からの磁界によって発生する周方向の回転トルク荷重に対する強度を重視する場合、磁気経路部材４は珪素鋼板を軸方向に積層して形成しても良い。

図１に示したように、入力側磁気歯車２の磁力発生面に設けられた磁石３と磁気経路部材４の間、及び磁石５と磁気経路部材４の間には間隙が設けられており互いに非接触に配置されている。磁気経路部材４は、磁石３と磁石５の間の磁界を互いに伝達するものであり、磁石３と磁石５は、磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合っている。

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７（出力側磁気歯車６）の回転数の関係は、磁石３，５の員数の比により決まる。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の員数を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の員数を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３の員数を１０（図３参照）、磁石５の員数を１４（図４参照）とすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転軸Ｎｏｕｔの比は、１４：１０となる。

入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間の伝達可能トルクは、磁石３，５の員数が増えるに従って増加する。また、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間の伝達可能トルクは、磁石３，５それぞれの極性対数と磁気経路部材４の員数の関係で決まる。極性対とは、入力側及び出力側磁気歯車２，６の磁力発生面に環状に配置された磁石３，５のそれぞれにおいて、隣り合って配置されたＮ極とＳ極の組のことであり、極性対数とは、Ｎ極とＳ極の組数のことである。

磁石３，５の員数を一定とした場合において、磁気経路部材４の員数を磁石３の極性対数と磁石５の極性対数の和となるように構成した場合に、回転軸１から回転軸７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、磁石３の極性対数を５（磁石３の員数は１０個）、磁石５の極性対数を７（磁石５の員数は１４個）とした場合において、磁気経路部材４の員数を１２とすると入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６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、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に設けられた複数の磁石３と出力側磁気歯車６に設けられた複数の磁石５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の磁石３は隣り合うもの同士で磁気経路部材４に向けた磁極面をＮ・Ｓ交互にしているので、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６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と磁石５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６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を遊星磁気歯車の様に機能させて入力回転軸１の回転動力を出力回転軸７に伝達する。

以上のように構成した本実施の形態の効果を従来技術と比較しつつ説明する。

近年、例えば工作機械のシャフトのように比較的小径の回転軸への駆動伝達機構として磁気歯車装置を適用することが提唱されつつあるが、例えばガスタービン発電設備においては、大きなトルクを伝達するために互いに連絡されるタービン及び発電機には相応に径の大きな回転軸が必要である。したがって、ガスタービンと発電機の間の減速機に磁気歯車装置を適用する場合、磁気歯車は必然的に大型化される。特にガスタービン発電設備の場合、定格運転時にはガスタービンが高速回転するので軸径差と相まって、工作機械のシャフト等に比べると遠心力は著しく大きい。

従来技術のように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た磁気歯車装置をガスタービン発電設備に適用した場合、この大きな遠心力に抗して磁石を保持するために、磁石の保持機構を強固なものとする必要がある。その結果、磁石の保持機構が大きくなると内輪磁気歯車の磁石と磁性バーの距離を短く保つことが難しくなり、伝達効率や伝達可能トルクの悪化が懸念される。

また、先の従来技術において、ガスタービン発電設備等への適用に伴って、磁気歯車が軸方向に長くなれば、磁性バーも軸方向に長くする必要がある。磁気歯車装置の駆動時には、磁気歯車だけでなく磁性バーにもトルクがはたらく。ガスタービン発電装置に適用する場合のように、磁気歯車装置に要求される伝達トルクが非常に大きい場合、磁性バーにはたらくトルクも非常に大きくなる。しかし、磁性バーは、内輪磁気歯車及び外輪磁気歯車との位置関係の制約により、片持ち支持機構とせざるを得ず、磁性バーの軸方向中間部分に保持機構を設けることも困難である。したがって、自重及びトルクに抗して姿勢を保持することが難しくなり、磁性バーの歪みや磁気歯車との干渉が懸念される。

それに対し、本実施の形態の磁気歯車装置１００においては、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の対向する磁力発生面に磁石３，５を設け、磁石３と磁石５が磁気的に軸方向に噛み合う構成としたので、相手歯車側から磁石を押える必要がなく、磁石３，５を遠心力に対して拘束するための保持機構の大きさによる磁石３，５と磁気経路部材４との間の距離の制約が小さくなる。したがって、入力側及び出力側磁気歯車２，６の大型化（大径化）、及び高速回転化に伴う磁石保持機構の大型化による伝達効率や伝達可能トルクの悪化を抑制することができる。

また、上記構成により軸方向における入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の対向面間に磁気経路部材４を配置することができるので、磁気歯車装置サポート８によって、磁気歯車間の外周方向から磁気経路部材４を保持することができる。これにより、従来の磁気歯車装置における保持機構により保持される磁性バーの一端と他端の距離と比較して、サポート８と磁気経路部材４の保持されない他端の距離を短く保つことができるので、磁気経路部材４にはたらくトルクに対して十分な保持力を得ることが可能となり、磁性バーの歪みや破損の発生を抑制することができる。

さらに、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間のトルクの伝達を非接触としたので潤滑油等が不要になり、コストの低減に繋がるとともに信頼性の向上を図ることができる。

また、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間に過大なトルクがかかった場合、磁石３と磁石５の間の磁気的噛み合いがスリップし、磁気歯車装置１００及びガスタービン発電機全体の故障を防止することができる。

本発明の第２の実施の形態を図７を用いて説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態における複数の磁石３に換えて、複数の磁石で構成した磁石群を周方向に並べて配置し、隣り合う一対の磁石群を構成する磁石の配置をハルバッハ配列としたものである。

図７は、本実施の形態に関わる入力側磁気歯車２の磁力発生面に軸線周りに環状に複数設けられた磁石群のうちの隣り合う２つの磁石群１０，１１を代表して示したものであり、磁石群１０，１１を半径方向外側から見た図である。図中の上下方向が軸方向、左右方向が周方向にそれぞれ対応している。

図７において、磁石群１０は、複数（例えば３個）の磁石１０ａ〜１０ｃ（例えば永久磁石）により構成されており、磁石群１１は、複数（例えば３個）の磁石１１ａ〜１１ｃ（例えば永久磁石）により構成されている。

磁石群１０において、磁石１０ａは、図中下方向にＮ極、上方向にＳ極を有している。磁石１０ｂも同様に、図中下方向にＮ極、上方向にＳ極を有しており、磁石１０ａの図中上側に隣接して配置されている。磁石１０ｃは、図中左下方向にＮ極、右上方向にＳ極を有しており、磁石１０ｂの図中上側に隣接して配置されている。磁石群１１において、磁石１１ａは、図中上方向にＮ極、下方向にＳ極を有している。磁石１１ｂも同様に、図中上方向にＮ極、下方向にＳ極を有しており、磁石１１ａの図中上側に隣接して配置されている。磁石１１ｃは、図中左上方向にＮ極、右下方向にＳ極を有しており、磁石１１ｂの図中上側に隣接して配置されている。また、磁石群１０と磁石群１１は、図中左右方向（周方向）に隣接して配置されており、磁石１０ａ〜１０ｃの図中右側にはそれぞれ磁石１１ａ〜１１ｃが隣接して配置されている。

このように、隣り合う磁石群に注目すると、各磁石１０a〜１０ｃ，１１a〜１１ｃは隣接する磁石から発生する磁力線に磁極の向きを合せて配置されている。このようにして互いの磁力を強めあうような磁石の配列をハルバッハ配列と呼ぶ。

入力側磁気歯車２の磁力発生面には磁石群１０，１１のように隣り合う磁石群とともに、各磁石がハルバッハ配列をなす磁石群が入力回転軸１の軸線周りに環状に設けられており、軸方向（図中下側）から見た場合の各磁石群の磁極は周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、入力側磁気歯車２の磁力発生面に複数の磁石群１０，１１を設けたので、入力側磁気歯車２（磁石群１０，１１）と出力側磁気歯車６（磁石５）の磁気的噛み合いがより強くなり、磁気歯車装置１００の伝達可能トルクを向上することができる。

なお、本実施の形態においては、磁石群１０を６個の磁石１０ａ〜１０ｆにより構成したが、これに限られず、７個以上または５個以下の磁石をハルバッハ配列とした磁石群を用いても良い。また、磁石群１０，１１では、磁石１０ｃ，１１ｃに磁極が軸方向に対して斜めを向いた磁石を用いたが、これらを例えば磁石１０ｂ，１１ｂと同様の磁石に代えても良い。

また、本実施の形態においては、入力側磁気歯車２の磁石３に換えて磁石群１０，１１を用いる場合を例に取り説明したが、これに限られず、例えば出力側磁気歯車６の磁石５に換えて磁石群１０，１１と同様の構成の磁石群を用いても良い。当然ながら、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の双方に磁石のハルバッハ配列を適用しても良い。これらの場合においても、同様の効果を得ることができる。

本発明の第３の実施の形態を図８、図９を用いて説明する。

本実施の形態は、入力側及び出力側磁気歯車２，６の磁力発生面にそれぞれ磁石を同心円状に複数列配置した例である。磁石の列数に特別な制限は無いが、本実施の形態においては、第１の実施の形態における入力及び出力側磁気歯車２，６のそれぞれの磁力発生面に環状に設けた磁石３，５の内周側に磁石をもう一列環状に配置した場合を例示する。

図８は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１０２の回転軸１，７の軸心線を包含する鉛直面における断面図であり、図９は、図８の磁気歯車装置１０２のＤ−Ｄ線断面図である。図中、図１及び図４に示した部材と同様のものには同じ符号を付し、説明を省略する。

磁気歯車装置１０２は、一方の面を互いに対向して配置された略円盤状の入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の間に配置された複数の磁気経路部材４，２２と、複数の磁気経路部材４を環状に固定するサポート８と、磁気経路部材４の内側に磁気経路部材２２を環状に固定するサポート２３と、サポート８を図示しない基礎に対して固定する板部９とを有している。

入力側磁気歯車２の磁力発生面には、複数の磁石３（例えば永久磁石）が入力回転軸１の軸線周りに環状に設けられており、その内側に同心円状に複数の磁石２０（例えば永久磁石）が環状に設けられている。また、出力側磁気歯車６においても同様であり、出力側磁気歯車６の磁力発生面には、複数の磁石５（例えば永久磁石）が出力回転軸７の軸線周りに環状に設けられており、その内側に同心円状に複数の磁石２１（例えば永久磁石）が環状に設けられている。入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６において、軸線から各磁石２０までの距離（半径）及び各磁石２１までの距離（半径）は同じになるよう構成されている。また、磁石２０，２１は、入力回転軸１及び出力回転軸７の軸心線を包含する平面で切断した断面が、磁気経路部材２２に向かって縮径する台形状に形成されている。磁石２０，２１も磁石３，５と同様に、磁極を軸方向に向けて配置されており、軸方向から見た場合に、周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。

磁気経路部材４は、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の磁力発生面の間に複数（例えば１２個）設けられており、軸線周りに、かつ軸線を中心とした環状に配置され、サポート８により固定されている。磁気経路部材２２も同様に、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の磁力発生面の間に複数（例えば１２個）設けられており、磁気経路部材４の内側に、磁気経路部材４と同心円状に配置され、サポート２３によりサポート８に対して固定されている。

サポート２３は、例えばベークライト又はエポキシ樹脂等の非金属かつ非磁性の材料により形成されており、サポート８の内周側に固定されている。サポート２３の外周部にはサポート８から突出した磁気経路部材４の先端先が係合しており、サポート２３の内周部には磁気経路部材２２が固定されている。

磁気経路部材２２は、棒状の部材である。その断面形状は限定されないが、例えば長方形（正方形）や円形等の断面形状を有する。磁気経路部材２２は一端をサポート２３内周部に接続（埋設）されており、他端を径方向に向けて配置されている。また、複数の磁気経路部材２２は、サポート２３内周部に等間隔に配置されている。すなわち、複数の磁気経路部材２２は、軸線周りに環状に、周方向に等間隔に配置されている。

軸線から各磁気経路部材２２までの距離（半径）は、軸線から磁石２０又は磁石２１までの距離（半径）と同じになるように設定されており、したがって、磁気経路部材２２は、磁石２０と磁石２１の間に位置するよう配置されている。

また、磁気経路部材２２は、表面を絶縁処理した珪素鋼板を周方向、或いは半径方向に積層して形成されている。これにより回転軸１，７方向の磁界の変化により発生する渦電流を抑制することができる。なお、磁石２０，２１からの磁界によって発生する周方向の回転トルク荷重に対する強度を重視する場合、磁気経路部材２２は珪素鋼板を軸方向に積層して形成しても良い。

入力側磁気歯車２の磁力発生面に設けられた磁石２０と磁気経路部材２２の間、及び磁石２１と磁気経路部材２２の間には間隙が設けられており互いに非接触に配置されている。磁気経路部材２２は、磁石２０と磁石２１の間の磁界を互いに伝達するものであり、磁石２０と磁石２１は、磁気経路部材２２を介して磁気的に噛み合っている。

第１の実施の形態と同様に、磁気歯車装置１０２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７（出力側磁気歯車６）の回転数の関係は、磁石３，５の員数の比により決まる。また、磁石３，５の員数の比と磁石２０，２１の員数の比が同じになるようにし、各磁石３，５，２０，２１の員数を決定する。このように、各磁石３，５，２０，２１の員数を決定することにより、磁石３，５の員数の比によって決まる入出力回転数の関係と磁石２０，２１の員数の比によって決まる入出力回転数の関係が同じとなり、入力側磁気歯車２から出力側磁気歯車６に効率良くトルクを伝達することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、磁石を増設した分だけ入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車６の磁気的な噛み合い力を増強させ、動力伝達効率を向上させることができる。

本発明の第４の実施の形態を図１０、図１１を用いて説明する。

本実施の形態は、磁力発生面に環状に配置した磁石の幅を径方向に広くしたものである。

図１０は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１０３の回転軸１，７の軸心線を包含する鉛直面における断面図であり、図１１は、図１０の磁気歯車装置１０３のＥ−Ｅ線矢視図である。図中、図１及び図２に示した部材と同様のものには同じ符号を付し、説明を省略する。

磁気歯車装置１０３において、入力側磁気歯車２の磁力発生面には、複数の磁石３０（例えば永久磁石）が環状に設けられている。磁石３０は、第１の実施の形態における磁石３と比較して径方向に拡張されている。この場合、磁石の員数が同じでも磁力を発生する面の面積が第１の実施の形態に比べて大きくなり、磁力発生面からの発生磁力を増強する上で有利となる。図示しないが、出力側磁気歯車６の磁力発生面にも同様に複数の磁石３１が環状に設けられており、第１の実施の形態における磁石５と比較して径方向に拡張されている。また、図示しないが、磁気経路部材４も磁石３０と磁石３１の間に位置するように径方向に伸された（拡張された）形状とする。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、入力側及び出力側磁気歯車２，６の磁力発生面に設けられた磁石の員数を変えることなく、伝達可能トルクを大きくすることができる。

本発明の第５の実施の形態を図１２を用いて説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態の入力側及び出力側磁気歯車２，６の磁力発生面に設けた磁石３，５を入力回転軸１及び出力回転軸７の軸心線を包含する平面で切断した断面形状が長方形である場合を示したものである。

図１２は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１０４の回転軸１，７の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。図中、図１に示した部材と同様のものには同じ符号を付し、説明を省略する。

図１２において、入力側磁気歯車２の磁力発生面には、複数の磁石４０（例えば永久磁石）が設けられている。図示しないが磁石４０は、第１の実施の形態における磁石３と同様に、入力回転軸１の軸線周りに環状に設けられている。また、出力側磁気歯車６の磁力発生面には、複数の磁石４１（例えば永久磁石）が設けられている。図示しないが磁石４１も磁石４０と同様であり、出力回転軸７の軸線周りに環状に設けられている。

磁石４０，４１は、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車６の磁力発生面に軸線周りに、かつ軸線を中心とした環状に設けられた磁石固定溝に嵌め込まれて固定されている。磁石４０，４１及び磁石固定溝は、入力回転軸１及び出力回転軸７の軸心線を包含する平面で切断した断面が、長方形（正方形を含む）に形成されている。したがって、入力側及び出力側磁気歯車２，６の磁気経路部材４側から容易に挿入して組み込むことが可能である。

また、入力側及び出力側磁気歯車２，６は、それぞれ磁石４０，４１の軸方向の動きを拘束する磁石サポート部品４２，４３を備えており、磁石サポート部品固定ネジ４４によって入力側及び出力側磁気歯車２，６に対して固定されている。

磁石サポート部品４２，４３は、非磁性かつ非金属の素材で構成されている。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本発明の磁気歯車装置の場合、磁気歯車の軸方向に向けた面に磁石を埋設しているので、磁石にはたらく遠心力は相手歯車側に向かう方向には作用しない。したがって、本実施の形態のように軸方向から磁石を着脱できる構成とし、磁石を軸方向から押さえるようにした場合でも、磁石を押さえる磁石サポート部品４２，４３及び固定ネジ４４はさほど強固なものが要求されない。よって磁石の押さえ構造の厚みを抑えることができ、入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車６の磁気経路部材４との距離を許容の範囲に止めることが出来る。

本発明の第６の実施の形態を図１３を用いて説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態における磁石（永久磁石）に代えて電磁石を用いたものである。本実施の形態において、図２に示した部材と同様の部材には同じ符号を付し説明を省略する。

図１３は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１０５の回転軸１，７の軸心線を包含する鉛直面におけるにおける断面図である。図中、図１に示した部材と同様のものには同じ符号を付し説明を省略する。

図１３において、入力側磁気歯車２は、複数の電磁石５５と、電磁石５５に電流を伝達する電線５４と、入力回転軸１に設けられ、電線５４によって電磁石５５に接続された整流子５３と、整流子５３に接触して電流を伝達する接触器（ブラシ）５２と、接触器５２に接続された電線５１と、電線５１に接続され、電線５１、接触器５２、整流子５３及び電線５４を介して電磁石５５に電流を供給する電源５０とを備えている。

電磁石５５は、入力側磁気歯車２の磁力発生面に軸線周りに、かつ軸線を中心とした環状に設けられた磁石固定溝に嵌め込まれて固定されている。また電磁石５５は、電源５０から電流が供給された場合に軸方向に向けて磁力（磁場）を発生するよう配置されており、かつ軸方向から見た場合の磁極は周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。電源５０から電磁石５５に電流が供給されない場合は、電磁石５５は磁力を発生しない。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、入力側磁気歯車２に配置した磁石を電磁石５５としたので、電源５０から電磁石５５に供給する電流を遮断することによって電磁石５５の磁場の発生を停止させることができ、入力側磁気歯車２から出力側磁気歯車６へのトルクの伝達を止めることができる。例えば、磁気歯車装置１０５の出力側において不具合が発生した場合に、電源５０からの電流の供給を停止することによりトルクの伝達を停止し、ガスタービンの緊急停止等にも迅速に対応することができる。

なお、本実施の形態においては、入力側磁気歯車２に磁石として電磁石５５を設けたがこれに限られず、出力側磁気歯車６に設けられた磁石５を電磁石とし、出力回転軸７に整流子５３、電線５４等を備えて、接触器５２、電線５１を介して電源５０から電源を供給するようにしても良い。この場合においても、上記第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態による磁気歯車装置の回転軸の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。 図１に示した磁気歯車装置のＡ−Ａ線矢視図である。 図１に示した磁気歯車装置のＢ−Ｂ線矢視図である。 図１に示した磁気歯車装置のＣ−Ｃ線断面図である。 図１に示した磁気歯車装置を回転軸方向から見た図である。 本発明の第１の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。 磁石をハルバッハ配列とした状態を半径方向外側から見た場合の図である。 本発明の第２の実施の形態による磁気歯車装置の回転軸の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。 図８に示した磁気歯車装置のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の第３の実施の形態による磁気歯車装置の回転軸の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。 図１０に示した時期歯車装置のＥ−Ｅ線矢視図である。 本発明の第４の実施の形態による磁気歯車装置の回転軸の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。 本発明の第５の実施の形態による磁気歯車装置の回転軸の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。

符号の説明

１００，１０２，１０３，１０４ 磁気歯車装置
１ 入力回転軸
２ 入力側磁気歯車
３，５，２０，２１，３０，３１，４０，４１ 磁石
４，２２ 磁気経路部材
６ 出力側磁気歯車
７ 出力回転軸
８，２３ サポート
９ 板部
１０，１１ 磁石群
４２，４３ 磁石サポート部品
４４ 磁石サポート部品固定ネジ
５０ 電源
５１，５４ 電線
５２ 接触器
５３ 整流子
５５ 電磁石
９０ 圧縮機
９１ 燃焼器
９２ タービン
９３ 中間軸
９４ 発電機
９５ ジャーナル軸受

Claims (9)

1. ガスタービンを接続する入力回転軸の軸線周りに周方向または径方向に積層した複数の磁石を環状に配置した磁力発生面を軸方向に向けた入力側磁気歯車と、
   前記入力側磁気歯車と同軸上に設けられ、発電機を接続する出力回転軸の軸線周りに周方向または径方向に積層した複数の磁石を環状に配置した磁力発生面を前記入力側磁気歯車の磁力発生面に対向させた出力側磁気歯車と、
   前記入力側磁気歯車と前記出力側磁気歯車の対向する磁力発生面間にて、前記入力側磁気歯車と前記出力側磁気歯車の磁石間に介在するように環状に固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、
   前記入力側磁気歯車及び前記出力側磁気歯車の磁力発生面に設けられ、少なくとも各磁気歯車の径方向の外側から前記磁石を拘束する固定部とを備え、
   前記入力軸へのガスタービンからの入力トルクを前記出力軸を介して発電機に伝達することを特徴とする磁気歯車装置。
2. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   前記入力側磁気歯車及び出力側磁気歯車の磁石並びに前記磁気経路部材は、軸線周りに同心円状に複数列配置されることを特徴とする磁気歯車装置。
3. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   前記入力側磁気歯車と前記出力側磁気歯車の少なくとも一方の磁石は、それぞれ複数の磁石からなる磁石群であることを特徴とする磁気歯車装置。
4. 請求項３記載の磁気歯車装置において、
   前記磁石群は、想定する磁力線方向に磁極面を向けて各磁石を配置するハルバッハ配列とすることを特徴とする磁気歯車装置。
5. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   前記磁石は、前記回転軸を包含する平面で切断した断面が、前記磁気経路部材に向かって縮径する台形状に形成されており、当該断面の斜辺部が前記固定部により拘束されていることを特徴とする磁気歯車。
6. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   非磁性物質で構成され、前記磁石の軸方向の動きを拘束するサポートを備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
7. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   前記磁気経路部材は、周方向または径方向に積層した珪素鋼板により構成したことを特徴とする磁気歯車装置。
8. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   非磁性体で構成され、前記磁気経路部材を固定する固定具を備えることを特徴とする磁気歯車装置。
9. 請求項１記載の磁気歯車装置において、
   前記磁石は、永久磁石であることを特徴とする磁気歯車装置。

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