WO2022030031A1

WO2022030031A1 - 磁束変調型磁気歯車

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Publication number: WO2022030031A1
Application number: PCT/JP2020/044593
Authority: WO
Inventors: 広大岡崎; 純士北尾; 義浩深山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JPWO2022030031A1; CN116134246A; JP7412568B2; US12316189B2; CN116134246B; US20230246536A1; DE112020007478T5

Abstract

ポールピース（４）を使用した磁束変調型磁気歯車において、減磁耐力の向上とトルクの低下の抑制とが課題であった。そのため、円環状に設けられたポールピース（４）に対して、前記ポールピース（４）の内側に第１の回転子（１）と外側に第２の回転子(３)とを前記ポールピース(４)の中心を回転軸として相対的に回転できるように同心円状に配置したものにおいて、前記第１の回転子（２）に設けた第１の永久磁石（１０２）を、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して予め定めた角度に傾斜して前記第１の回転子（２）の内部に収納する第１の空孔部（１０４）を備え、使用する永久磁石の使用量をできるだけ多くするように構成した。

Description

磁束変調型磁気歯車

　本願は、磁束変調型磁気歯車に関するものである。

　一般的な磁気歯車は、機械式歯車の歯を単純に永久磁石に置き換えた構成となっている。そのため、磁気歯車は非接触で増減速が可能であり、振動および騒音が小さく、保守性の向上が期待される。しかしながら、永久磁石によるトルクの伝達では、トルク伝達に寄与するのは互いに対向した磁石同士のみとなるため、機械式歯車と比較してトルクが小さい。これに対して、トルクを大きくするために、永久磁石が外周面に周方向に極性を交互に逆向きにして貼り付けられた内側ロータと、永久磁石が内周面に周方向に極性を交互に逆向きにして貼り付けられた外側ロータと、内外２つのロータの間にポールピースと呼ばれる周方向に等間隔に配置された複数の磁極片によって構成された磁束変調型磁気歯車が採用されている。

　さらに、磁石内部に発生する渦電流を低減し、効率よくトルクを伝達するために、特許文献１では、内側ロータおよび外側ロータを構成する永久磁石を磁性材料の内部に埋め込む構造が提案されている。

特許第５５２６２８１号公報

　しかしながら、ポールピースは樹脂などの非導電材を用いて周方向に等間隔に配置されており、ポールピース間に磁気的な空隙部を有するため、ポールピースの径方向に対向する内側ロータおよび外側ロータの永久磁石を通過する磁束の通過経路における磁気抵抗が空隙部によって増加し、永久磁石の動作点が低下し減磁し易いという課題があった。

　特に、磁束変調型磁気歯車を、車両の駆動システム内の磁束変調型磁気歯車として使用する場合には、１００００ｒ／ｍｉｎ以上の高速回転となることおよびエンジンからの熱伝導による高温環境になることによる熱減磁が考えられるため、減磁耐力の向上は必須である。特許文献１に示された磁束変調型磁気歯車においては、永久磁石をロータの磁性材料に埋め込んでいることから、永久磁石がポールピースから遠ざかるため、磁気的な結合力が低下し伝達可能なトルクが低下するという問題があった。

　本願は、上述の問題を解決するためになされたものである。減磁耐力の向上、および伝達トルク低下の抑制を同時に成立させ、高速回転、および高温環境下での動作性能を向上させることを目的としている。

　本願に開示される磁束変調型磁気歯車は、ポールピースが円環状に設けられた円環部材、前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の内側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第１の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第１の回転子、および前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の外側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第２の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第２の回転子を備えたものにおいて、前記第１の永久磁石を、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して予め定めた角度に傾斜して前記第１の回転子の内部に収納する第１の空孔部を備えたことを特徴とするものである。

　磁束変調型磁気歯車を構成する永久磁石の減磁耐力の向上を図りながら伝達トルクの低下を抑制することができる。

実施の形態１の磁束変調型磁気歯車の回転軸に沿った断面図である。実施の形態１の磁束変調型磁気歯車の断面図である。実施の形態１の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。実施の形態１の第１の回転子の部分断面図である。実施の形態２の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。実施の形態３の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。実施の形態４の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。実施の形態５の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。実施の形態６の磁束変調型磁気歯車の部分断面図である。

実施の形態１
　図１は、実施の形態１の磁束変調型磁気歯車の回転軸に沿った断面図である。なお、この後の図中の同一符号は、各々同一または相当部分を示している。
　図１は、本願の対象とする磁束変調型磁気歯車の概略的な構成を示している。ここに示す磁束変調型磁気歯車は、ラジアル型の磁束変調型磁気歯車である。

　ラジアル型の磁束変調型磁気歯車は、第１の回転子１の第１の回転軸２の回転中心に対して同心円状に、内径の異なる第１の回転子１、第２の回転子３、ポールピースと呼ばれる磁性体（以下、ポールピース４という）、および複数のポールピース４を円環状に設けられた円環部材としての固定子５が配置され、固定子５の内側すなわち内周側に、第１の回転子１が配置され、固定子５の外側すなわち外周側に、第２の回転子３が配置されている。第１の回転軸２に第１の回転子１が取り付けられ、第２の回転軸６に第２の回転子３が取り付けられている。第１の回転子１と固定子５との間は第１のベアリング７が設けられ、固定子５と第２の回転子３との間には第２のベアリング８が設けられ、第１の回転子１と第２の回転子３は、それぞれが独立して回転できるように構成されている。

　図２は、図１に示した磁気的結合部９の構成を示すもので、図１におけるＡ－Ａ断面図である。
　固定子５は、円環上に等間隔に配置された磁性材料からなる２４個のポールピース４と、ポールピース４を固定するためにポールピース４間の隙間を埋める非導電材料からなる固定部１０を有する。

　固定子５の内径側に配置された第１の回転子１は、ポールピース４の円周状の内径面に対して第１の磁気的空隙部１１を介して配置されている。第１の回転子１は、第１の磁性材１０１の中に平板形状の第１の永久磁石１０２を３２個埋め込むことで作成された少極ロータとなっている。

　すなわち、永久磁石２個で１つの磁極を構成している。固定子５の外径側に配置された第２の回転子３は、ポールピース４の円周状の外径面に対して第２の磁気的空隙部１２を介して配置されている。第２の回転子３は、第２の磁性材３０１の中に平板形状の第２の永久磁石３０２を３２個埋め込むことで作成された多極ロータとなっている。すなわち、永久磁石１個で１つの磁極を構成している。

　図３は、図２に示した磁束変調型磁気歯車の少極ロータすなわち第１の回転子１の２磁極分と、多極ロータすなわち第２の回転子３の４磁極分と、固定子５との拡大図である。
　第１の回転子１の第１の永久磁石１０２は、互いに隣接する２つの永久磁石で１つの磁極を構成し、第１の磁気的空隙部１１に磁束が向かう方向に着磁されており、かつ磁性は隣接する磁極毎に逆転するように配置されている。

　第１の永久磁石１０２は平板形状であり、１つの磁極において第１の回転軸２の中心からみた磁極中心を示す線分（図３の破線Ｃ）に対して対称な配置であり、かつ第１の永久磁石１０２の向きと、第１の回転軸２の中心からみた磁極中心を示す線分（図３破線Ｃ）とがなす角度をθとおくと、θ＜９０°の関係を満たす角度が予め定められている。

　第２の回転子３の第２の永久磁石３０２は、１つの永久磁石で１つの磁極を構成し、第２の磁気的空隙部１２に磁束が向かう方向に磁化されており、かつ磁化方向は隣接する磁極毎に逆転するように配置されている。
　第１の永久磁石１０２は、第１の回転子１の１つの磁極を構成する第１の永久磁石１０２の、第１の磁気的空隙部１１に最も近い点Ｂを通り、第１の回転子１の回転中心（第１の回転軸２の中心が該当）を原点とする円弧Ｘよりも、永久磁石は磁気的空隙部から遠ざかる方向に配置されている。すなわち、第１の永久磁石１０２は、第１の回転子１の外周面から点Ｂの位置よりも第１の回転軸２の方向に埋め込まれている。

　また、第１の回転子１の第１の永久磁石１０２の長手方向の端部には、磁束短絡を防止する第１の空洞部１０３が設けられ、第２の回転子３の第２の永久磁石３０２の端部には、磁束短絡を防止する第２の空洞部３０３が設けられている。
　言い換えれば、第１の回転子１には、第１の永久磁石１０２を収納する第１の空孔部１０４が設けられ、この第１の空孔部１０４の中に収納された第１の永久磁石１０２は端部に第１の空洞部１０３の空間が残っているということである。同様に、第２の回転子３も、第２の空孔部３０４を有し、第２の空孔部３０４の中に第２の永久磁石３０２を収納し、第２の永久磁石３０２の端部に第２の空洞部３０３の空間が残っているということである。

　図３の第１の回転子１の一つの磁極の構成について、図４に拡大して示す。第１の空孔部１０４によって第１の回転子１の内部に空洞を含むことになる。すなわち、第１の回転子１の外周面から第１の空孔部１０４の内壁面までの厚さを有するブリッジ部１０５が構成されている。図４に示すように、第１の空孔部１０４は、寸法Ｌｍによる円弧Ｘの内側に設けられている。ここで、寸法Ｌｍは、第１の永久磁石１０２加わる遠心力に対応して、応力集中を緩和するための最小値である。したがって、径方向のブリッジ部１０５の寸法としては、最小の寸法Ｌｍよりも大きければ問題が無い。この図４では、寸法Ｌｍと寸法Ｌ１とが等しい場合を示している。

　径方向のブリッジ部１０５を構成するということは、第１の回転子１の第１の永久磁石１０２が第１の磁気的空隙部１１から遠ざかる方向に埋め込まれていることを表している。第２の回転子３における第２の永久磁石３０２と第２の磁気的空隙部１２との関係においても径方向のブリッジ部が存在する。しかし、第２の永久磁石３０２に加わる遠心力は、第２の磁気的空隙部１２から外側に作用するため、第２の回転子３における径方向のブリッジ部の厚さは小さく設定することができる。

　また、図３及び図４に示すように、周方向に隣接する前記磁束短絡を防止する空間部（第１の空洞部１０３と第２の空洞部３０３）に挟まれた磁性材料により、周方向のブリッジ部が構成されている。そして、第１の回転子１の周方向のブリッジ部の寸法Ｗ１は、第２の回転子３の周方向のブリッジ部の寸法Ｗ２よりも大きく設定されている。これによって、遠心力による永久磁石の飛散の防止を強化できる。

　この実施の形態１によれば、第１の永久磁石１０２の埋め込み位置を深くすることによって減磁耐力を向上させることができ、第１の永久磁石１０２を、第１の回転軸２からみた磁極中心を示す線分に対して予め定めた角度に傾斜して第１の回転子の内部に収納することによってトルクの低下を少なくしている。すなわち、第１の回転子１の一つの磁極を構成する永久磁石の使用量を増加させることによって、トルクの低下を抑制することに寄与している。
　さらに、平板形状の永久磁石を使用し、平板磁石の向きと、回転軸中心からみた磁極中心を示す線分となす角度θとの関係がθ＜９０°の関係を満たすようにすることで、磁石の使用量を増やしながらも、製造コストの低い平板形状の磁石を使用することができ、製造コストを抑制が期待できる。

実施の形態２
　図５は、実施の形態２における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。この実施の形態２においては、実施の形態１の第２の回転子３の第２の永久磁石３０２の配置を変更したものである。
　この図５に示すように、第２の永久磁石３０２は、周方向の磁化となるよう埋め込まれている。その他の構成は実施の形態１と同様である。磁化の方向が第２の回転子３の周方向となるように複数の第２の永久磁石３０２を配置することによって、第２の磁気的空隙部１２に磁束を集中させる磁路を構成する。これによって、磁束利用率を向上させ、かつ隣接する永久磁石との距離が離れることによって、容積の大きな永久磁石を使用できることから、磁石使用量の増加を自由に設定でき、設計の自由度を向上させることができる。

実施の形態３
　図６は、実施の形態３における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。この実施の形態３においては、実施の形態１の第２の回転子３の第２の永久磁石３０２を変更したものである。第２の回転子３の第２の永久磁石３０２は、１磁極あたり２個の永久磁石を使用する構成として、１磁極を構成する２個の第２の永久磁石３０２はともに第２の磁気的空隙部１２の方向に磁化されており、隣接する磁極は磁化方向が反転している。
その他の構成は実施の形態１と同様である。第２の回転子３の第２の永久磁石３０２の磁石使用量を、第１の回転子１と同様に増加させることができる。また、第２の回転子３の第２の永久磁石３０２の減磁耐力についても向上が図られる。

実施の形態４
　図７は、実施の形態４における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。第１の回転子１の第１の永久磁石１０２は、１磁極あたり１個の磁石で構成されており、磁極の中心付近で第１の磁気的空隙部１１から遠ざかる方向に曲がり部１０６を有する構造である。この曲がり部１０６の構成により、永久磁石の使用個数を抑えながらも実施の形態１と同様の効果が得られる。第１の回転子１の永久磁石材料として、形状の設計自由度が高いボンド磁石を用いることができる。その他の構成は実施の形態１と同様である。また、この第１の回転子１の構成を、実施の形態２または実施の形態３の第２の回転子３の構成と組み合わせて実施することによって相乗効果を期待できる。

実施の形態５
　図８は、実施の形態５における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。
　図に示すように、第１の回転子１の第１の永久磁石１０２は、１極あたり３個の平板形状磁石で構成されており、内２個は磁極中心に対し９０°未満の角度で対称に埋め込まれ、残りの１個は磁極中心に対し垂直かつ対称に埋め込まれている。

　第１の回転子１の第１の永久磁石１０２はそれぞれ平板形状磁石の短辺方向に着磁されており、隣接する磁化方向が反転している。各平板磁石の向きと、回転軸中心からみた磁極中心を示す線分（図中の破線Ｃ）とがなす角度をθとおくと、２個はθ＜９０°を満たし、残り１個はθ＝９０°であり、かつ磁極中心を示す線分に対し対称となるように埋め込まれている。この構成によって、第１の回転子１の第１の永久磁石１０２と第１の磁気的空隙部１１との間の磁性材料領域をさらに拡大し、減磁耐力の更なる向上と渦電流による損失の低減を図ることができる。その他の構成は実施の形態１と同様である。また、この第１の回転子１の構成を、実施の形態２または実施の形態３の第２の回転子３の構成と組み合わせて実施することによって相乗効果を期待できる。

実施の形態６
　図９は、実施の形態６における磁束変調型磁気歯車の構成を示す部分断面図である。
　この実施の形態６においては、ポールピース４は何らかの外力で回転させる構成をとられており、かつ第２の回転子３は固定されている。第２の回転子３は回転しないため、ここでは外側磁極構造３１と言い換えることとする。
　このように外側磁極構造３１が固定であることにより、冷却機構を付加することが容易にでき、磁石の熱減磁のリスクを低減することができる。
　また、第１の回転子の永久磁石が６極であるのに対し、外側磁極構造３１は、２２極であり、ポールピース４は１４個の構成である。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

　このように外側磁極構造３１を固定する場合、磁束変調型磁気歯車の原理から、（減速比）＝（ポールピース４の個数）／（第１の回転子１の極対数）となる。すなわち、本実施の形態における減速比は、１４／３＝４．６７であり、外側磁極構造３１を回転とし、ポールピース４を固定とする場合の減速比２２／６＝３．６７よりも大きい値を得ることができる。
　さらに、第１の回転子１の極数と外側磁極構造３１の極数の比は整数とはならず、既約分数で表される。このとき磁気歯車の原理より、第１の回転子１と外側磁極構造３１との起磁力の相互作用に起因するコギングトルクの次数は、第１の回転子１の極数と外側磁極構造３１の極数の最小公倍数で表される。

　このことから、前記極数の比が既約分数で表される場合、第１の回転子１の極数と外側磁極構造３１の極数は２より大きい公約数を持たないため、前記極数の比の近傍でかつ整数で表されるような、極数の組合せの場合（例えば、外側磁極構造３１の極数を２４、第１の回転子１の極数を６とし、２４／６＝４となる場合）と比べ、コギングトルクの次数が大きくなる（例えば、本実施の形態においては極数の最大公約数ＧＣＤ（６、２２）＝２であり、コギングトルクの次数は最小公倍数ＬＣＭ（６，２２）＝６６であるのに対し、前記の例では極数の最大公約数ＧＣＤ（６、２４）＝６であり。コギングトルクの次数はＬＣＭ（６，２４）＝２４である）。コギングトルクは一般的に次数が大きいほど振幅が小さいため、本実施の形態のように、第１の回転子１の極数と外側磁極構造３１の極数の比が整数とならない既約分数で表される数を選択することで、コギングトルクによる振動および騒音を低減できる。

　すなわち、前記第１の回転子の極数と、前記第２の回転子の極数の最大公約数が２である場合に、コギングトルクを小さくすることができる。
　また、コギングトルクの次数が大きいことは、磁気エネルギーの変動の次数が大きく、すなわち表皮効果により鉄芯材料に浸透する高調波磁束の表皮深さが小さくなることを意味する。これにより、鉄芯を介して磁石を通過する高調波磁束量を減らすことができ、永久磁石を鉄心に埋め込むこととの相乗効果により、減磁耐力を向上できる。

　なお、以上の実施の形態１～５では、第１の回転子１の磁極数が１６極、第２の回転子３の磁極数が３２極、ポールピース４が２４個の場合を示したが、極数とポールピース４の数の組み合わせがこれと異なる場合についても同様の効果が得られる。
　同様に実施の形態６では、第１の回転子１の磁極数が６極、第２の回転子３の磁極数が２２極、ポールピース４が１４個の場合を示したが、第１の回転子１の極数と外側磁極構造３１の極数の比は整数とはならず、既約分数で表され、かつ極数とポールピース４の数の組み合わせがこれと異なる場合についても同様の効果が得られる。
　また、以上の実施の形態では１磁極あたりの磁石の個数が１個、２個および３個の場合を示したが、４個以上の場合においても同様の効果が得られる。

　また、以上の実施の形態１～５では、ポールピース４による円環部材を固定子として、この固定子に対して、第１の回転子１としての少極ロータを内径側に配置し、第２の回転子３としての多極ロータを外径側に配置した場合を示したが、少極ロータを外径側に配置し、多極ロータを内径側に配置する場合も同様の効果を得ることができる。
　また、以上の実施の形態１～５では永久磁石を有する少極ロータと多極ロータが回転自由であって、ポールピース４が固定されている場合を示したが、実施の形態６と同様にポールピース４を何らかの外力で回転させる構成を採ることによって、内外二つの回転子とポールピースの円環部材との回転速度関係を設定することによって、機械式の遊星歯車の関係を実現することができる。さらに、少極ロータまたは多極ロータが固定されていてもよい。

　第２の回転子３の１つの磁極を径方向に並べた２つの永久磁石によって構成する実施例を実施の形態３において説明したが、２以上の永久磁石を使用することおよび軸方向に並べることを組み合わせて構成することができる。２以上の永久磁石を使用する場合、例えば、規格品である一定寸法の平板形状の永久磁石を、径方向および軸方向に組み合わせて１つの磁極を構成できるよう、磁石を埋め込むための第１の空孔部を設計することによって、前述の効果に加え、製造にかかるコストを抑制するという効果を得ることができる。本効果は、特に多極または高減速比の磁気歯車を構成する場合、例えば自動車用主電動機の減速機構に磁気歯車を用いる場合などに顕著となる。

　また、以上の実施の形態では１極あたりの磁気構造が磁極の中心に対して対称な場合のみを示したが、磁極の中心に対して非対称な磁気構造としてもよく、回転方向で異なる特性となるものについても同様の効果を得ることができる。
　また、以上の実施の形態では磁気的空隙部が回転軸に対し平行なラジアル型の場合の磁束変調型磁気歯車の場合を示したが、磁気的空隙部が回転軸に対し垂直なアキシャル型としても、同様の効果が得られる。

　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

　１　第１の回転子、２　第１の回転軸、３　第２の回転子、４　ポールピース、５　固定子、６　第２の回転軸、７　第１のベアリング、８　第２のベアリング、９　磁気的結合部、１０　固定部、１１　第１の磁気的空隙部、１２　第２の磁気的空隙部、３１　外側磁極構造、１０１　第１の磁性材、１０２　第１の永久磁石、１０３　第１の空洞部、１０４　第１の空孔部、１０５　ブリッジ部、１０６　曲がり部、３０１　第２の磁性材、３０２　第２の永久磁石、３０３　第２の空洞部、３０４　第２の空孔部

Claims

　ポールピースが円環状に設けられた円環部材、前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の内側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第１の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第１の回転子、および前記円環部材と同心円状に、前記円環部材の外側に配置され、複数の磁極のそれぞれに第２の永久磁石が設けられ、前記円環部材の中心を回転軸として前記ポールピースに対して相対的に回転可能な第２の回転子を備えたものにおいて、前記第１の回転子の内部に、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して予め定めた角度に傾斜して前記第１の永久磁石を収納する第１の空孔部を備えたことを特徴とする磁束変調型磁気歯車。
　前記第１の空孔部は前記第１の永久磁石の前記第１の回転子の外周縁に近い端部に空洞部を有することを特徴とする請求項１に記載の磁束変調型磁気歯車。
　複数の前記第１の永久磁石によって、中央部分が前記第１の回転子の回転中心の方向にＶ字状に配置された磁極が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第２の回転子の一つの磁極が複数の前記第２の永久磁石によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第１の回転子の一つの磁極に対応して、予め定められた間隔で設けられた複数の前記第１の空孔部のそれぞれに前記第１の永久磁石が収納されていることを特徴とする請求項２に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第１の回転子の前記第１の空孔部と隣接する空孔部との間の周方向のブリッジの厚さ寸法が、前記第２の回転子の前記第２の永久磁石を収納する第２の空孔部と隣接する空孔部との間の周方向のブリッジの厚さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第１の空孔部に収納された前記第１の永久磁石が平板形状であって、前記第１の永久磁石を、前記回転軸からみた磁極中心を示す線分に対して９０°未満の角度で対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第２の回転子が固定されており、前記ポールピースは回転自由であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の磁束変調型磁気歯車。
　前記第１の回転子の極数と、前記第２の回転子の極数との最大公約数が２であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の磁束変調型磁気歯車。