JP6093592B2 - 磁気波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気波動歯車装置に関するものである。

下記特許文献１には、高速ロータ、低速ロータ、ステータが同一の回転軸で相対回転自在な磁気波動歯車装置が開示されている。磁気波動歯車装置は、例えば、電動機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ようになっている。

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として適用する試みがなされている（特許文献２参照）。

ところで、磁気波動歯車装置には、英国シェフィールド大学が研究開発を進めているタイプ（以下、両側磁石タイプと称する場合がある）と、大阪大学（本願発明者ら）が研究開発を進めているタイプ（以下、片側磁石タイプと称する場合がある）とがある（特許文献２の図１０、図１１参照）。両タイプの構成の違いを簡単に説明すると、両側磁石タイプは、高速ロータとステータに永久磁石を有するタイプであり、片側磁石タイプは、高速ロータのみに永久磁石を有するタイプである。

特開２０１０−１０６９４０号公報 特開２０１０−２２３３４０号公報

ところで、両側磁石タイプは、永久磁石の使用量が多く、最大伝達トルクが高い利点を有するが、同時に、ステータに設けられた永久磁石が磁気抵抗となり、発電（通電）トルクが低く、さらに、高価なネオジム磁石等を多量に使用するため生産性が低いという課題がある。
また、片側磁石タイプは、永久磁石の使用量が少なく、生産性に優れ、発電（通電）トルクが高いが、磁気回路を流れる磁束が少ないため、最大伝達トルクが小さいという課題がある。
このため、従来型の磁気波動歯車装置は、一般的な永久磁石式発電機（電動機）と比較した場合、ダイレクトドライブ用途でさえ、性能面で劣っており、実用化に向けた新たなタイプの開発が求められている。

本発明は、上記課題点に鑑みてなされたものであり、生産性と性能を両立でき、特にダイレクトドライブ用途として優れた磁気波動歯車装置の提供を目的とする。

本願発明者らは、上記課題を解決するため鋭意実験を重ねた結果、両側磁石タイプのように永久磁石を多量に使用しなくても、以下のように永久磁石を適切な位置に適切な数量で配置することにより、生産性と性能を両立できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、上記の課題を解決するために、本発明は、第１の部材、第２の部材、第３の部材が同一の回転軸で相対回転自在な磁気波動歯車装置であって、前記第２の部材は、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置され、前記回転軸周りに配置された複数の磁性体片を有しており、前記第１の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記第２の部材に対向する側の磁極が交互に異なるように前記回転軸周りに配置された複数の第１の永久磁石を有しており、前記第３の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されてコイルが巻回された複数の極歯と、隣り合う前記極歯の間のそれぞれに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が同一の複数の第２の永久磁石と、を有している、という構成を採用する。なお、回転軸周りの各部材の配置は、等間隔が望ましい。

また、本発明は、第１の部材、第２の部材、第３の部材が同一の回転軸で相対回転自在な磁気波動歯車装置であって、前記第２の部材は、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置され、前記回転軸周りに配置された複数の磁性体片を有しており、前記第１の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が同一の複数の第１の永久磁石を有しており、前記第３の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されてコイルが巻回された複数の極歯と、隣り合う前記極歯の間のそれぞれに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が前記第１の永久磁石の前記第２の部材に対向する側の磁極と同一の複数の第２の永久磁石と、を有している、という構成を採用する。なお、回転軸周りの各部材の配置は、等間隔が望ましい。

本発明によれば、生産性と性能を両立でき、特にダイレクトドライブ用途として優れた磁気波動歯車装置が得られる。

本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ａを示す断面構成図である。 本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ｂを示す断面構成図である。 比較例としての磁気波動歯車装置１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを示す断面図構成図である。 実施例１，２及び比較例１〜３の伝達トルクと高速ロータ１０の回転角の関係を示すグラフである。 実施例１，２及び比較例１〜３の最大伝達トルクの関係を示すグラフである。 実施例１，２及び比較例１〜３の高速ロータ１０のトルクの関係を示すグラフである。 実施例１，２及び比較例１〜３のトルク定数の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ｆを示す断面構成図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ａを示す断面構成図である。
磁気波動歯車装置１Ａは、図１に示すように、高速ロータ（第１の部材）１０と、低速ロータ（第２の部材）２０と、ステータ（第３の部材）３０と、が同一の回転軸Ｒで相対回転自在な構成となっている。この磁気波動歯車装置１Ａでは、半径方向において、高速ロータ１０、低速ロータ２０、ステータ３０の順序で配置されている。

高速ロータ１０は、磁性体材料からなるコア１１と、複数の永久磁石（第１の永久磁石）１２Ａ，１２Ｂと、を有する。コア１１は、円柱状に形成されている。永久磁石１２Ａ，１２Ｂは、コア１１の外周に設けられている。永久磁石１２Ａ，１２Ｂは、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに等間隔で交互に複数配置されている。なお、永久磁石１２Ａ，１２Ｂは、低速ロータ２０に対向する側の磁極が異なっており、本実施形態では、複数の永久磁石１２ＡがＮ極で同一とされ、複数の永久磁石１２ＢがＳ極で同一とされている。

低速ロータ２０は、略円筒形状を有し、高速ロータ１０とステータ３０との間に配置される。低速ロータ２０は、磁性体材料からなる複数の磁性体片２１を有する。磁性体片２１は、回転軸Ｒ周りに等間隔で複数配置されている。なお、図１では、磁性体片２１のみを図示しているが、これらの磁性体片２１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るようになっている。

ステータ３０は、低速ロータ２０の外側に配置される。ステータ３０は、ヨーク３１と、複数の極歯３２と、複数のコイル３３と、複数の永久磁石（第２の永久磁石）３４Ｂと、を有する。ヨーク３１は、磁性体材料からなり略円筒状に形成されている。極歯３２は、ヨーク３１と一体的に形成され、半径方向内側に延在している。この極歯３２は、回転軸Ｒ周りに等間隔で複数配置されている。コイル３３は、極歯３２のそれぞれに巻回されている。複数のコイル３３は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で相分けされている。

永久磁石３４Ｂは、隣り合う極歯３２の間にそれぞれ配置されている。すなわち、永久磁石３４Ｂは、極歯３２の先端ではなく、コイル３３が巻回されるスロット開口部に位置し、低速ロータ２０に対するエアギャップに面している。複数の永久磁石３４Ｂは、低速ロータ２０に対向する側の磁極が同一とされ、本実施形態では、Ｓ極とされている。なお、永久磁石３４Ｂの磁極は、低速ロータ２０に対するエアギャップ方向に同じであれば、Ｎ極であってもよい。

上記構成の磁気波動歯車装置１Ａは、高速ロータ１０の極対数をＮ_ｈ、低速ロータ２０の磁極数をＮ_ｌ、ステータ３０の極対数をＮ_ｓとするとき、
Ｎ_ｓ ＝ Ｎ_ｌ ± Ｎ_ｈ …（１）
の関係を満たすように構成されている。なお、上記関係式（１）を満たすことによる技術的意義は、上述した特許文献１（特開２０１０−１０６９４０号公報）に詳述されているため、ここでは説明を割愛する。

本実施形態の高速ロータ１０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち永久磁石１２Ａ，１２Ｂの組数）は５であり、低速ロータ２０の磁極数（磁性体片２１の数）は１７であり、ステータ３０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち極歯３２、永久磁石３４Ｂの組数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。

上記関係式を満たすと、下式（２）で示される減速比Ｇｒが得られる。
Ｇｒ ＝ Ｎ_ｌ ／ Ｎ_ｈ …（２）
このような磁気波動歯車装置１Ａでは、ステータ３０に設けたコイル３３の起磁力により高速ロータ１０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２０が減速比Ｇｒに従って回転する。

したがって、上述の実施形態によれば、高速ロータ１０、低速ロータ２０、ステータ３０が同一の回転軸Ｒで相対回転自在な磁気波動歯車装置１Ａであって、低速ロータ２０は、高速ロータ１０とステータ３０との間に配置され、回転軸Ｒ周りに配置された複数の磁性体片２１を有しており、高速ロータ１０は、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに配置された複数の永久磁石１２Ａ，１２Ｂを有しており、ステータ３０は、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに配置され、コイル３３が巻回された複数の極歯３２と、隣り合う極歯３２の間のそれぞれに配置され低速ロータ２０に対向する側の磁極が同一の複数の永久磁石３４Ｂと、を有している、という構成を採用することによって、後述する図３（ａ）に示す両側磁石タイプよりも永久磁石の使用量を略３／４に抑えることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ａを３／４ＰＭタイプと称する場合がある。

次に、本発明のもう一つの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１は、本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ｂを示す断面構成図である。
磁気波動歯車装置１Ｂは、図１に示すように、高速ロータ（第１の部材）１０と、低速ロータ（第２の部材）２０と、ステータ（第３の部材）３０と、が同一の回転軸Ｒで相対回転自在な構成となっている。この磁気波動歯車装置１Ｂでは、半径方向において、高速ロータ１０、低速ロータ２０、ステータ３０の順序で配置されている。この低速ロータ２０及びステータ３０の構成は、上記実施形態の構成と変わりない。

高速ロータ１０は、磁性体材料からなるコア１１と、複数の永久磁石（第１の永久磁石）１２Ａと、を有し、永久磁石１２Ｂを有しない点で上記実施形態の構成と相違する。永久磁石１２Ａは、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに等間隔で複数配置されている。コア１１は、円柱状に形成されており、隣り合う永久磁石１２Ａの間に、低速ロータ２０に対向するエアギャップに面する露出コア部１１ａを有する。露出コア部１１ａは、外部磁場により磁化するため、高速ロータ１０の極対数に含まれる。

すなわち、本実施形態の高速ロータ１０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち永久磁石１２Ａ、露出コア部１１ａの組数）は５であり、低速ロータ２０の磁極数（磁性体片２１の数）は１７であり、ステータ３０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち極歯３２、永久磁石３４Ｂの組数）は１２であり、上記関係式（１）を満たす。
なお、高速ロータ１０に残す永久磁石は、低速ロータ２０に対するエアギャップ方向の磁極が同じであれば、永久磁石１２Ａでなく、永久磁石１２Ｂであってもよい。

したがって、上述の実施形態によれば、高速ロータ１０、低速ロータ２０、ステータ３０が同一の回転軸Ｒで相対回転自在な磁気波動歯車装置１Ｂであって、低速ロータ２０は、高速ロータ１０とステータ３０との間に配置され、回転軸Ｒ周りに配置された複数の磁性体片２１を有しており、高速ロータ１０は、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに配置されて低速ロータ２０に対向する側の磁極が同一の複数の永久磁石１２Ａを有しており、ステータ３０は、低速ロータ２０に対向すると共に回転軸Ｒ周りに配置されてコイル３３が巻回された複数の極歯３２と、隣り合う極歯３２の間のそれぞれに配置されて低速ロータ２０に対向する側の磁極が同一の複数の永久磁石３４Ｂと、を有している、という構成を採用することによって、後述する図３（ａ）に示す両側磁石タイプよりも永久磁石の使用量を略１／２に抑えることができる。以下、この磁気波動歯車装置１Ｂを１／２ＰＭタイプと称する場合がある。

続いて、図３に示す比較例１〜３との比較により、本発明（３／４ＰＭタイプ（実施例１）、１／２ＰＭタイプ（実施例２））の効果をより明らかにする。

図３は、比較例としての磁気波動歯車装置１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを示す断面図構成図である。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（ａ）に示す比較例１は、両側磁石タイプの磁気波動歯車装置１Ｃである。両側磁石タイプは、図３（ａ）に示すように、極歯３２の先端にも永久磁石３４Ａが配置されている点で、３／４ＰＭタイプと異なる。
図３（ｂ）に示す比較例２は、改良両側磁石タイプの磁気波動歯車装置１Ｄである。改良両側磁石タイプは、図３（ｂ）に示すように、ステータ３０に配置される永久磁石３４Ａ，３４Ｂの厚みを薄くして永久磁石の使用量を低減させている点で、両側磁石タイプと異なる。
図３（ｃ）に示す比較例１は、片側磁石タイプの磁気波動歯車装置１Ｅである。片側磁石タイプは、図３（ｃ）に示すように、ステータ３０側に永久磁石を一つも配置しない点で、３／４ＰＭタイプと異なる。

上述の実施例１，２と比較例１〜３の性能を下記に示す条件で２次元有限要素解析により比較したグラフを図４〜図７に示す。
［２次元有限要素解析の条件］
高速ロータ極対数：５
ステータスロット数：１２
サイズ：φ８０×３０［ｍｍ］
コイル：１０ターン，２Ｙ結線
永久磁石：Ｂｒ＝１．２５［Ｔ］

図４は、実施例１，２及び比較例１〜３の伝達トルクと高速ロータ１０の回転角の関係を示すグラフである。図５は、実施例１，２及び比較例１〜３の最大伝達トルクの関係を示すグラフである。図６は、実施例１，２及び比較例１〜３の高速ロータ１０のトルクの関係を示すグラフである。図７は、実施例１，２及び比較例１〜３のトルク定数の関係を示すグラフである。
なお、片側磁石タイプ（比較例３）は、解析モデルの関係で減速比が２．２に設定されており、図４に示すように、他のタイプ（減速比３．４）とトルク波形が異なっている。

図５〜図７では、永久磁石の使用量の順に、実施例１，２及び比較例１〜３を左から順に並べている。
図５に示すように、最大伝達トルクに関しては、比較例１＞実施例１＞比較例２＞実施例２＞比較例３の関係を有することが分かる。
また、図６に示すように、高速ロータ１０のトルクに関しては、実施例１＞実施例２＞比較例３＞比較例２＞比較例１の関係を有することが分かる。
また。図７に示すように、トルク定数に関しては、実施例１＞実施例２＞比較例２＞比較例３＞比較例１の関係を有することが分かる。

実施例１，２及び比較例１〜３の生産性と性能を簡単にまとめると下表１で示すことができる。

表１に示すように、両側磁石タイプ（比較例１）は、永久磁石の使用量が多いため、最大伝達トルクが高い利点を有するが、同時に、ステータ３０に設置された永久磁石３４Ａ，３４Ｂが磁気抵抗となり、通電トルクが低く、さらに、生産性が低いことが分かる。
また、改良両側磁石タイプ（比較例２）は、最大伝達トルクとのトレードオフにより通電トルクが若干改善されるものの、永久磁石の使用量が多く、生産性が低いことが分かる。
また、片側磁石タイプ（比較例３）は、生産性に優れ、通電トルクは高いが、永久磁石の使用量が少なく、磁気回路を流れる磁束が少ないため、最大伝達トルクが低いことが分かる。

一方、３／４ＰＭタイプ（実施例１）によれば、両側磁石タイプには劣るものの最大伝達トルクに優れ、また通電トルクに非常に優れるため、特にダイレクトドライブ用途として優れていることが分かる。また、３／４ＰＭタイプは、両側磁石タイプに比べて永久磁石の使用量が少なく、生産性が高いことが分かる。
また、１／２ＰＭタイプ（実施例２）によれば、３／４ＰＭタイプよりは若干性能が劣るものの、永久磁石の使用量がさらに少なく済み、生産性が高いことが分かる。

以上のことから、本発明に係る３／４ＰＭタイプ及び１／２ＰＭタイプによれば、両側磁石タイプのように永久磁石を多量に使用しなくても、永久磁石を適切な位置に適切な数量で配置することにより、生産性と性能を両立でき、特にダイレクトドライブ用途として優れていることが分かる。例えば、従来の永久磁石式電動機（発電機）と機械式減速機（増速機）のシステムを、本発明に係る３／４ＰＭタイプ及び１／２ＰＭタイプに置き換えることで、小型軽量化を期待できる。また、過負荷時には、両ロータがスリップするという特性も有しているため、制御を用いずに過電流保護も可能である。

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、本願発明は、図８に示すようなステータ構造でも成立する。
図８は、本発明の一実施形態における磁気波動歯車装置１Ｆを示す断面構成図である。
図８に示す磁気波動歯車装置１Ｆは、ステータ３０側の永久磁石３４Ｂが、コイル３３が巻回されるスロット開口部ではなく、コイル３３が巻回されないステータ３０のコア部分に配置される構成となっている。
なお、図８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している。

また、例えば、上記実施形態では、第２の部材を回転自在として低速ロータとしたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、特許文献１に記載のように、第２の部材を固定して、第３の部材を回転自在とする構成を採用してもよい。

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…磁気波動歯車装置、１Ｂ…磁気波動歯車装置、１０…高速ロータ（第１の部材）、１２Ａ…永久磁石（第１の永久磁石）、１２Ｂ…永久磁石（第１の永久磁石）、２０…低速ロータ（第２の部材）、２１…磁性体片、３０…ステータ（第３の部材）、３２…極歯、３３…コイル、３４Ｂ…永久磁石（第２の永久磁石）、Ｒ…回転軸

Claims (2)

1. 第１の部材、第２の部材、第３の部材が同一の回転軸で相対回転自在な磁気波動歯車装置であって、
   前記第２の部材は、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置され、前記回転軸周りに配置された複数の磁性体片を有しており、
   前記第１の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記第２の部材に対向する側の磁極が交互に異なるように前記回転軸周りに配置された複数の第１の永久磁石を有しており、
   前記第３の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されてコイルが巻回された複数の極歯と、隣り合う前記極歯の間のそれぞれに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が同一の複数の第２の永久磁石と、を有している、ことを特徴とする磁気波動歯車装置。
2. 第１の部材、第２の部材、第３の部材が同一の回転軸で相対回転自在な磁気波動歯車装置であって、
   前記第２の部材は、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置され、前記回転軸周りに配置された複数の磁性体片を有しており、
   前記第１の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が同一の複数の第１の永久磁石を有しており、
   前記第３の部材は、前記第２の部材に対向すると共に前記回転軸周りに配置されてコイルが巻回された複数の極歯と、隣り合う前記極歯の間のそれぞれに配置されて前記第２の部材に対向する側の磁極が前記第１の永久磁石の前記第２の部材に対向する側の磁極と同一の複数の第２の永久磁石と、を有している、ことを特徴とする磁気波動歯車装置。

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