JP2018078714A

JP2018078714A - 磁気ギア

Info

Publication number: JP2018078714A
Application number: JP2016218952A
Authority: JP
Inventors: 徹齊藤; Toru Saito
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2018-05-17

Abstract

【課題】動力の伝達を制御できる磁気ギアを提供する。【解決手段】実施形態の磁気ギアは、高速回転子と、この高速回転子の外周側に配置される環状の低速回転子と、この低速回転子の外周側に配置される環状の固定子とを備え、前記固定子は、内周側に複数の突極を有する固定子鉄心と、この固定子鉄心の周方向に亘って配置される環状の巻線とを有し、電磁石で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、変速を行いつつ回転駆動力を伝達する磁気ギアに関する。

磁気ギアは、高速回転子及び低速回転子を備えて、これらのうち一方が発生する起磁力を固定子磁極により変調することで、回転駆動力を変速しながら他方に伝達するようになっている。

特開２０１２−２０５３４８号公報

電気学会論文Ｄ，１３１巻３号，２０１１年，ｐ３９６−４０２，「表面磁石型磁気減速機の伝達トルク特性に関する研究」，新口昇，平田勝弘，早川裕一

従来の磁気ギアは、回転子及び固定子が何れも永久磁石を用いて構成されている。そのため、動力の伝達を任意のタイミングで停止させることができなかった。
そこで、動力の伝達を制御できる磁気ギアを提供する。

実施形態の磁気ギアは、高速回転子と、
この高速回転子の外周側に配置される環状の低速回転子と、
この低速回転子の外周側に配置される環状の固定子とを備え、
前記固定子は、内周側に複数の突極を有する固定子鉄心と、この固定子鉄心の周方向に亘って配置される環状の巻線とを有し、電磁石で構成されている。

第１実施形態であり、磁気ギアの要部構成を示す分解斜視図高速回転子，低速回転子及び固定子を同心上に配置し、一部を欠いた状態で示す斜視図固定子鉄心の一部について、軸方向断面を示す図磁気ギアの軸方向断面図回転軸及びケースも含む磁気ギアの外観を示す斜視図磁気ギアの軸方向断面を示す図巻線に通電を行うための電源を示す図（その１）巻線に通電を行うための電源を示す図（その２）伝達トルク量を二値制御する際の通電波形を示す図伝達トルク量をリニア制御する際の通電波形を示す図巻線に通電する界磁電流量と伝達トルク量との関係を示す図第２実施形態であり、磁気ギアの要部構成を示す分解斜視図伝達トルク量の制御状態を示す図（その１）伝達トルク量の制御状態を示す図（その２）伝達トルク量の制御状態を示す図（その３）減磁方向に流す界磁電流量を段階的に増大させて、永久磁石が発生する磁束量を段階的に減少させる状態を示す図磁石の動作点及び逆磁界により磁束密度が減少することを示す図磁気ギアについて磁気解析を行った検証結果を示す図第３実施形態であり、磁気ギアの要部構成を示す分解斜視図巻線に通電する界磁電流量と永久磁石の磁化状態との関係を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図１１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の磁気ギア１の要部構成を示す分解斜視図であるが、回転軸の図示は省略している。磁気ギア１は、高速回転子２，低速回転子３及び固定子４を備えている。中心側に位置する高速回転子２は、円筒状の回転子鉄心５の外周面に永久磁石６を、例えば接着により固定した構成である。尚、永久磁石６を回転子鉄心５に埋め込むことで固定しても良い。永久磁石６は、ＮＳ極対が２対ずつ、図中の前（左）方側のＮ極と、後（右）方側のＳ極とが対向するように配置されている。

低速回転子３は、高速回転子２の外周側に配置されており、例えば積層鋼板で構成される回転子鉄心７を有している。回転子鉄心７の外周側には、複数，例えば２０の突極８が設けられている。固定子４は、低速回転子３の外周側に配置されている。固定子４は、固定子鉄心９及び巻線１０を備えており、電磁石として構成されている。

固定子鉄心９は軸方向に２分割された鉄心９Ａ，９Ｂからなり、図３は、鉄心９Ａの軸方向断面を示している。鉄心９Ａの内周側において、図中上方には、複数，例えば１８の突極１１が設けられており、突極１１が設けられている下部には、巻線１０を収容するための溝１２が周方向に亘って形成されている。巻線１０は環状に形成されており、２つの９Ａ，９Ｂが接合された状態で双方の溝１２の部分に配置される。

一般に磁気ギアにおいては、高速回転子の磁極対数をＮ１，低速回転子の突極数をＮ２とすると、固定子の突極数Ｎ３は、
Ｎ３＝Ｎ２±Ｎ１
に設定される。また、ギア比Ｇｒは、
Ｇｒ＝−Ｎ２／Ｎ１（Ｎ３＝Ｎ２＋Ｎ１）
ｏｒＮ２／Ｎ１（Ｎ３＝Ｎ２−Ｎ１）
となる。

図２は、高速回転子２，低速回転子３及び固定子４を同心上に配置し、一部を欠いた状態で示している。図４は、磁気ギア１の軸方向断面図であり、巻線１０に対し、図中に示す方向に電流を通電した際に発生する磁束の方向を示している。

図５は、回転軸及びケースも含む磁気ギア１の外観を示す斜視図である。図６は同磁気ギア１の軸方向断面図である。固定子４の図中前方側と後方側とには、それぞれケース１３，１４が取り付けられている。高速回転軸１５は、回転子鉄心５の中空部を貫通しており、その前端側と後端側とは、低速回転子３の内周側との間に配置される軸受１６によって回転可能に支承されている。高速回転軸１５の後端部は、ケース１４の中央に設けられた開口部を介して外部に突出している。

低速回転軸１７は、回転子鉄心７に取り付けられており、その前端側と後端側とは、同様に固定子４の内周側との間に配置される軸受１８によって回転可能に支承されている。低速回転軸１７の前端部は、ケース１３の中央に設けられた開口部を介して外部に突出している。

図７及び図８は、巻線１０に通電を行うための電源を示しており、図７は直流電源２１をスイッチ２２を介して巻線１０に供給する場合である。巻線１０は、インダクタンス及び抵抗からなる等価回路で示している。図８は、交流電源２３を、ダイオードブリッジで構成される整流回路２４により整流した直流電源を、スイッチ２２を介して巻線１０に供給する場合を示す。

図１１に示すように、磁気ギア１において、巻線１０に通電する界磁電流を「０」にすることで、高速回転子２から低速回転子３への伝達トルクは「０」となる。そして、界磁電流を増大させることで、前記伝達トルクを増大させることができる。すなわち、図９に示すように、伝達トルクを「有り（最大）／無し（ゼロ）」とするような二値制御が可能になる。また、図１０に示すように、界磁電流をリニアに制御することによって、伝達トルクを「０」から最大までリニアに制御することもできる。

以上のように本実施形態によれば、磁気ギア１に、高速回転子２と、その外周側に配置される環状の低速回転子３と、その外周側に配置される環状の固定子４とを備え、固定子４を、内周側に複数の突極を８有する固定子鉄心７と、その周方向に亘って配置される環状の巻線１０とにより電磁石として構成した。

このように構成すれば、巻線１０に通電する界磁電流量を制御することで、高速回転子２から低速回転子３への伝達トルク量を制御することができ、適用対象に応じて柔軟な制御を行うことが可能になる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１２に示す第２実施形態の磁気ギア３１は、固定子４に替わる固定子３２を備えている。固定子３２は、内周側の構造は固定子４と同じであるが、鉄心３３Ａ，３３Ｂの接合部分の外周側に溝３４が形成されており、その溝３４に環状の永久磁石３５が配置されている。永久磁石３５は、例えばネオジム磁石などである。

次に、第２実施形態の作用について図１３から図１８も参照して説明する。図１３に示すように、巻線１０に界磁電流を通電しない場合は、永久磁石３５が図中に矢印で示す方向に磁束を発生させるので、この磁束によって高速回転子２から低速回転子３に動力が伝達される。この状態から、図１４に示すように、永久磁石３５の磁束方向に対して逆方向となる磁束を発生させるように巻線１０に直流の界磁電流を通電することで永久磁石３５を一時的に減磁させることができる。

図１６は、減磁方向に流す界磁電流量を段階的に増大させることに応じて、永久磁石３５が発生する磁束量を段階的に減少させる状態を示している。図１７は、永久磁石の動作点を示すと共に、永久磁石に逆磁界を印加することにより磁束密度が減少することを示している。そして、図１５に示すように双方の磁束量が釣り合えば、動力は伝達されなくなりＯＦＦ状態に至る。

図１８は、磁気ギア３１について磁気解析を行った検証結果を示す。この磁気解析では、巻線１０に２６Ａ（−）の界磁電流を通電することで永久磁石３５の磁束密度が「０」となり、伝達される動力が「０」，つまりＯＦＦ状態となっている。

以上のように第２実施形態によれば、固定子３２において、固定子鉄心３３の周方向に環状の永久磁石３５を配置したので、巻線１０に通電する界磁電流量を制御することで、高速回転子２から低速回転子３に伝達される動力量であるトルク量を制御できる。

（第３実施形態）
図１９に示すように、第３実施形態の磁気ギア４１は、第２実施形態の固定子３２における永久磁石３５を永久磁石４２に置き換えてなる固定子４３を備えている。永久磁石４２は、巻線１０に比較的大きな界磁電流量をパルス状に通電することで発生させた磁界によって磁束量がスタティックに変化する程度に低保磁力である、例えばサマリウム・コバルト等の磁性材からなる。

したがって、第２実施形態のように、巻線１０に直流の界磁電流を通電し続ける必要が無く、図２０に示すように、図示しない磁束制御部が界磁電流をパルス状に通電し、永久磁石４２を適宜減磁又は増磁して発生させる磁束量を変化させることで、第２実施形態と同様の制御を行うことができる。

以上のように第３実施形態によれば、固定子４３に配置する永久磁石４２の保磁力を、巻線１０に通電される界磁電流によって磁束量が変更可能なレベルに設定した。そして、磁束制御部は、巻線１０にパルス状の電流を通電することで、永久磁石４２の磁束量を変更するようにした。このように構成すれば、より少ない消費電力で、高速回転子２から低速回転子３に伝達される動力量であるトルク量を制御できる。

（その他の実施形態）
高速回転子の磁極対数は、「２」に限らない。また、低速回転子の突極数は「２０」に限らず、固定子突極数は「１８」に限らない。
永久磁石を構成する磁性材については、上述したものに限る必要はない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は磁気ギア、２は高速回転子、３は低速回転子、４は固定子、５は回転子鉄心、６は永久磁石、７は回転子鉄心、８は突極、９は固定子鉄心、１０は巻線、１１は突極、３１は磁気ギア、３２は固定子、３３は固定子鉄心、３５は永久磁石、４１は磁気ギア、４２は永久磁石、４３は固定子を示す。

Claims

高速回転子と、
この高速回転子の外周側に配置される環状の低速回転子と、
この低速回転子の外周側に配置される環状の固定子とを備え、
前記固定子は、内周側に複数の突極を有する固定子鉄心と、この固定子鉄心の周方向に亘って配置される環状の巻線とを有し、電磁石で構成されている磁気ギア。
前記固定子は、前記固定子鉄心の周方向に配置される環状の永久磁石を備えている請求項１記載の磁気ギア。
前記永久磁石の保磁力は、前記巻線に通電される電流によって磁束量が変更可能なレベルに設定されている請求項２記載の磁気ギア。
前記巻線にパルス状の電流を通電して、前記永久磁石の磁束量を変更する磁束制御部を備える請求項３記載の磁気ギア。