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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-02
(45)【発行日】2023-05-15
(54)【発明の名称】磁気ギヤ装置
(51)【国際特許分類】
   H02K 16/02 20060101AFI20230508BHJP
   F16H 49/00 20060101ALI20230508BHJP
【FI】
H02K16/02
F16H49/00 A
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2020021998
(22)【出願日】2020-02-13
(65)【公開番号】P2021129370
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2022-08-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000144027
【氏名又は名称】株式会社ミツバ
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山▲崎▼ 翼
【審査官】稲葉 礼子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2013/001557(WO,A1)
【文献】国際公開第2012/093670(WO,A1)
【文献】特開2020-014342(JP,A)
【文献】特開平09-046984(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 16/02
F16H 49/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステータと、前記ステータを取り囲む前記ステータと同軸の低速ロータと、前記低速ロータを取り囲む前記低速ロータと同軸の高速ロータと、を有する磁気ギヤ装置であって、
前記ステータは、環状に並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースに巻かれたコイルと、を備え、
前記低速ロータは、前記ステータを取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片と、それら磁性体片を支持する第1支持部材と、を備え、
前記高速ロータは、複数の前記磁性体片を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石と、それら磁石を支持する第2支持部材と、を備え、
前記第1支持部材には、前記ステータが備える前記コイルと対向する複数の連通孔が形成され、
前記第2支持部材には、前記連通孔と対向する複数の開口部が形成されている、磁気ギヤ装置。
【請求項2】
請求項1に記載の磁気ギヤ装置において、
前記低速ロータは、周方向において隣接する2つの前記磁性体片の間に配置されたフィンを備える、磁気ギヤ装置。
【請求項3】
請求項2に記載の磁気ギヤ装置において、
前記第1支持部材は、対向するベース部材及び固定部材と、前記ベース部材と前記固定部材とを連結する複数の連結部材と、を含み、
前記第2支持部材は、筒状の周壁部と、前記周壁部の一端を閉塞する底部と、を含み、
前記磁性体片は前記ベース部材と前記固定部材との間に配置され、前記磁性体片の一端は前記ベース部材に係合し、前記磁性体片の他端は前記固定部材に係合し、
前記磁石は前記周壁部の内周面に固定されている、磁気ギヤ装置。
【請求項4】
複数の前記連結部材は、前記ベース部材及び前記固定部材の周方向に沿って環状に配列されており、
配列方向において隣接する2つの前記連結部材の間に2つの前記磁性体片が配置され、それら2つの前記磁性体片の間に1つの前記フィンが配置されている、請求項3に記載の磁気ギヤ装置。
【請求項5】
請求項3又は請求項4に記載の磁気ギヤ装置において、
前記低速ロータは、前記ベース部材の中心に設けられ、前記ステータの中心に設けられている貫通孔に挿通される低速回転軸を備え、
前記高速ロータは、前記底部の中心に設けられ、前記低速回転軸の内側に挿通される高速回転軸を備える、磁気ギヤ装置。
【請求項6】
前記連通孔は、径方向において前記低速回転軸と前記磁性体片との間の位置する前記ベース部材上の環状領域に形成され、
前記開口部は、径方向において前記高速回転軸と前記周壁部との間の位置する前記底部上の環状領域に形成されている、請求項5に記載の磁気ギヤ装置。
【請求項7】
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の磁気ギヤ装置において、
前記低速ロータは、周方向において隣接する2つの前記連通孔の間に形成された突起を備え、
前記突起は、前記ステータが備える前記コイルに向かって突出し、かつ、前記連通孔に沿って伸びている、磁気ギヤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非接触式の動力伝達装置に関する。
【背景技術】
【0002】
非接触式の動力伝達装置の1つとして磁気ギヤ装置が知られている。従来の磁気ギヤ装置の一例が特許文献1に記載されている。特許文献1に記載されている磁気ギヤ装置は、1つの固定子(ステータ)と2つの回転子(高速ロータ及び低速ロータ)とを備える磁気減速装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第5858399号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の磁気ギヤ装置における技術的課題の1つに冷却性能の向上がある。磁気ギヤ装置が備えるステータやロータの温度は、これらと交差する交番磁界に基づく誘導加熱によって上昇する。また、ステータが備えるコイルの銅損(ジュール熱)によってもステータやステータの周囲にあるロータの温度が上昇する。このようにしてステータやロータの温度が上昇すると、磁気ギヤ装置の動力性能が低下したり、磁気ギヤ装置に含まれる軸受が劣化したりする。
【0005】
本発明の目的は、磁気ギヤ装置の冷却性能を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の磁気ギヤ装置は、ステータと、前記ステータを取り囲む前記ステータと同軸の低速ロータと、前記低速ロータを取り囲む前記低速ロータと同軸の高速ロータと、を有する。前記ステータは、環状に並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースに巻かれたコイルと、を備える。前記低速ロータは、前記ステータを取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片と、それら磁性体片を支持する第1支持部材と、を備える。前記高速ロータは、複数の前記磁性体片を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石と、それら磁石を支持する第2支持部材と、を備える。そして、前記第1支持部材には、前記ステータが備える前記コイルと対向する複数の連通孔が形成され、前記第2支持部材には、前記連通孔と対向する複数の開口部が形成される。
【0007】
本発明の一態様では、前記低速ロータは、周方向において隣接する2つの前記磁性体片の間に配置されたフィンを備える。
【0008】
本発明の他の一態様では、前記第1支持部材は、対向するベース部材及び固定部材と、前記ベース部材と前記固定部材とを連結する複数の連結部材と、を含む。また、前記第2支持部材は、筒状の周壁部と、前記周壁部の一端を閉塞する底部と、を含む。そして、前記磁性体片は前記ベース部材と前記固定部材との間に配置され、前記磁性体片の一端は前記ベース部材に係合し、前記磁性体片の他端は前記固定部材に係合する。また、前記磁石は前記周壁部の内周面に固定される。
【0009】
本発明の他の一態様では、複数の前記連結部材は、前記ベース部材及び前記固定部材の周方向に沿って環状に配列され、配列方向において隣接する2つの前記連結部材の間に2つの前記磁性体片が配置され、それら2つの前記磁性体片の間に1つの前記フィンが配置される。
【0010】
本発明の他の一態様では、前記低速ロータは、前記ベース部材の中心に設けられ、前記ステータの中心に設けられている貫通孔に挿通される低速回転軸を備える。前記高速ロータは、前記底部の中心に設けられ、前記低速回転軸の内側に挿通される高速回転軸を備える。
【0011】
本発明の他の一態様では、前記連通孔は、径方向において前記低速回転軸と前記磁性体片との間の位置する前記ベース部材上の環状領域に形成される。前記開口部は、径方向において前記高速回転軸と前記周壁部との間の位置する前記底部上の環状領域に形成される。
【0012】
本発明の他の一態様では、前記低速ロータは、周方向において隣接する2つの前記連通孔の間に形成された突起を備える。前記突起は、前記ステータが備える前記コイルに向かって突出し、かつ、前記連通孔に沿って伸びる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、高い冷却性能の備える磁気ギヤ装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明が適用された磁気ギヤードモータの分解図である。
図2】本発明が適用された磁気ギヤードモータの他の分解図である。
図3】本発明が適用された磁気ギヤードモータの斜視図である。
図4図1に示される低速ロータの分解図である。
図5図2に示されるA-Aに沿った断面図である。
図6図2に示されるB-Bに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の磁気ギヤ装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。図1図2に示されるように、本実施形態に係る磁気ギヤ装置は、ステータ10と、低速ロータ20と、高速ロータ30と、を有する磁気ギヤードモータ1である。図2に示されるように、ステータ10,低速ロータ20及び高速ロータ30の中心軸は同一の直線上にある。つまり、ステータ10,低速ロータ20及び高速ロータ30は同軸である。また、低速ロータ20はステータ10を取り囲んでおり、高速ロータ30は低速ロータ20を取り囲んでいる。言い換えれば、高速ロータ30の内側に低速ロータ20が嵌め込まれ、低速ロータ20の内側にステータ10が嵌め込まれている。以下の説明では、ステータ10,低速ロータ20及び高速ロータ30の中心軸の方向を「軸方向」と呼び、軸方向と直交する方向を「径方向」と呼ぶ場合がある。言い換えれば、図2の紙面左右方向を「軸方向」、紙面上下方向を「径方向」と呼ぶ場合がある。また、ステータ10,低速ロータ20又は高速ロータ30の中心軸上の一点を中心とする仮想円の円周方向を「周方向」と呼ぶ場合がある。
【0016】
図1図2に示されるように、ステータ10は、環状に並ぶ複数のティース11と、それぞれのティース11に巻かれたコイル12と、を備えている。具体的には、ステータ10は、18個のティース11を備えており、18個のティース11のそれぞれにコイル12が巻かれている。つまり、ステータ10の磁極数(Ns)は「18」である。18個のティース11及びコイル12は、ステータ10の中心に設けられている貫通孔13の周囲に一定間隔で環状に並んでいる。また、それらティース11及びコイル12は、ステータ10の中心から放射状に伸びている。尚、それぞれのティース11は、積層された複数枚のケイ素鋼板によって形成されており、それぞれのコイル12は、エナメル被覆された銅線によって形成されている。ティース11を形成しているケイ素鋼板の厚みは0.2mmである。また、ティース11とコイル12との間には不図示のインシュレータが介在している。
【0017】
ステータ10が備える18個のコイル12のうち、6個はU相コイルであり、他の6個はV相コイルであり、さらに他の6個はW相コイルである。より詳細には、U相、V相、W相は、それぞれ3つの連続する同相のコイルで形成された2つのコイル群から構成されている。そして、U相のコイル群の周方向一方側にV相のコイル群が配置され、U相のコイル群の周方向他方側にW相のコイル群が配置されている。また、2つの同相のコイル群は径方向において互いに対向する位置に配置されている。これら各相のコイル12には、互いに位相が120度ずれた交流電流が供給される。
【0018】
図1図2に示されるように、低速ロータ20は、ステータ10を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁性体片21と、周方向において隣接する2つの磁性体片21の間にそれぞれ配置された複数のフィン22と、それら磁性体片21及びフィン22を支持する第1支持部材40と、を備えている。具体的には、低速ロータ20は、周方向に一定間隔で並ぶ34個の磁性体片21及び17枚のフィン22を備えている。つまり、低速ロータ20の磁極数(Nl)は「34」である。尚、磁性体片21,フィン22及び第1支持部材40は、ステータ10のティース11を形成しているケイ素鋼板と同一又は実質的に同一のケイ素鋼板によって形成されている。
【0019】
図1図4に示されるように、第1支持部材40は、軸方向において対向するベース部材41及び固定部材42と、ベース部材41と固定部材42とを連結する複数の連結部材43と、を含んでいる。図1に示されるように、ベース部材41は略円盤形であり、固定部材42は略リング形である。
【0020】
図1図4に示されるように、34個の磁性体片21及び17枚のフィン22は、対向するベース部材41と固定部材42との間に配置されている。言い換えれば、ベース部材41及び固定部材42は、複数の磁性体片21及びフィン22を挟持している。少なくとも磁性体片21の一端はベース部材41に係合しており、少なくとも磁性体片21の他端は固定部材42に係合している。図4に示されるように、固定部材42と対向するベース部材41の一面には、磁性体片21の端部が係合可能な複数の凹部41aが周方向に一定間隔で形成されている。また、ベース部材41と対向する固定部材42の一面にも、磁性体片21の端部が係合可能な複数の凹部42aが周方向に一定間隔(ベース部材41に形成されている凹部41aと同一間隔)で形成されている。そして、それぞれの磁性体片21の一方の端部は、ベース部材41の凹部41aに係合しており、それぞれの磁性体片21の他方の端部は、固定部材42の凹部42aに係合している。
【0021】
図1図4に示されるように、連結部材43は、ベース部材41を軸方向に貫通し、固定部材42に結合している。具体的には、それぞれの連結部材43の先端には雄ねじが形成されている。一方、固定部材42には、雌ねじが形成されたねじ穴が設けられている。そして、ベース部材41を貫通している連結部材43の先端が固定部材42に設けられているねじ穴にねじ結合している。よって、それぞれの連結部材43を締め込むと、ベース部材41と固定部材42とを互いに近接させようとする力が作用する。この結果、ベース部材41と固定部材42との間に配置されている磁性体片21及びフィン22がベース部材41と固定部材42とによって挟持される。
【0022】
図5に示されるように、17本の連結部材43は、周方向に一定間隔で環状に配列されている。そして、配列方向において隣接する2本の連結部材43の間に2つの磁性体片21が配置され、それら2つの磁性体片21の間に1つのフィン22が配置されている。例えば、図5に示されている連結部材43aと当該連結部材43aに隣接している連結部材43bとの間には2つの磁性体片21a,21bが配置されており、それら2つの磁性体片21a,21bの間には1つのフィン22aが配置されている。さらに、連結部材43bと当該連結部材43bに隣接している連結部材43cとの間には他の2つの磁性体片21c,21dが配置されており、それら2つの磁性体片21c,21dの間には他の1つのフィン22bが配置されている。言い換えれば、それぞれの磁性体片21の一側には必ず連結部材43が配置されている。例えば、磁性体片21aと磁性体片21bとの間にはフィンaが配置されており、荷重を支える連結部材43は配置されていない。しかし、磁性体片21aの左側には連結部材43aが配置されており、磁性体片21bの右側には連結部材43bが配置されている。かかる関係は、フィン22bの両側の磁性体片21c,21dに関しても同様であり、他のいずれのフィン22の両側の磁性体片21に関しても同様である。この結果、低速ロータ20内に複数枚のフィン22を配置するスペース(隙間)が確保され、かつ、低速ロータ20に加わる荷重が均等に分散される。
【0023】
図1図2に示されるように、低速ロータ20は低速回転軸23を備えている。この低速回転軸23は、第1支持部材40の中心に設けられている。具体的には、低速回転軸23は、ベース部材41の中心に固定された円筒部材によって形成されている。つまり、低速回転軸23は中空である。図3に示されるように、低速ロータ20が備える低速回転軸23は、ステータ10の中心に設けられている貫通孔13(図1)に挿通され、ステータ10を貫通している。ステータ10の貫通孔13に挿通されている低速回転軸23は、図1に示されている軸受24a,24bによってステータ10に対して回転自在に支持されている。
【0024】
再び図3を参照する。ステータ10から突出している低速回転軸23の端部には、当該低速回転軸23よりも小径であり、かつ、低速回転軸23と同軸のロッド25が固定されている。つまり、低速回転軸23及びロッド25は一体的に回転する。ロッド25を含む低速回転軸23は、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ1の出力軸である。
【0025】
図1に示されるように、低速ロータ20が備える第1支持部材40には、ステータ10が備えるコイル12と対向する複数の連通孔44が形成されている。具体的には、第1支持部材40のベース部材41上の所定領域に複数の連通孔44が形成されている。図5を参照する。複数の連通孔44は、径方向において低速回転軸23と磁性体片21との間の位置するベース部材41上の環状領域に一定間隔で形成されている。複数の連通孔44は、環状に並んでおり、また、ベース部材41の中心から放射状に伸びている。さらに、周方向において隣接する2つの連通孔44の間には突起45がそれぞれ形成されている。つまり、上記環状領域には、連通孔44と突起45とが周方向に沿って交互に形成されている。
【0026】
図1に示されるように、それぞれの突起45は、ステータ10が備えるコイル12に向かって軸方向に突出しており、かつ、連通孔44に沿って径方向に伸びている。図5に示されるように、連通孔44及び突起45の径方向における寸法(長さ)は略同一である。また、連通孔44及び突起45の周方向における寸法(幅)も略同一である。もっとも、突起45の幅は一定であるのに対し、連通孔44の幅は、径方向内側から外側に向かって次第に拡大している。
【0027】
図1から図3に示されるように、高速ロータ30は、低速ロータ20が備える複数の磁性体片21を取り囲むように環状に並ぶ複数の磁石(永久磁石)31と、それら磁石31を支持する第2支持部材50と、を備えている。具体的には、高速ロータ30は、周方向に一定間隔で並ぶ16個の磁石31を備えている。つまり、高速ロータ30の磁極数(Nh)は「16」である。
【0028】
高速ロータ30が備える第2支持部材50は、筒状の周壁部51と、周壁部51の一端を閉塞する底部52と、を含んでいる。もっとも、周壁部51及び底部52は炭素鋼材によって一体成形されている。図1図2に示されるように、16個の磁石31は、周壁部51の内周面に固定されている。16個の磁石31は、N極とS極が周方向に交互に並ぶように配列されている。
【0029】
図1図2に示されるように、高速ロータ30は高速回転軸32を備えている。この高速回転軸32は、第2支持部材50の中心に設けられている。高速ロータ30が備える高速回転軸32は、低速ロータ20が備える中空の低速回転軸23の内側に挿通されている。低速回転軸23に挿通されている高速回転軸32は、軸受33a,33bによって低速回転軸23を含む低速ロータ20に対して回転自在に支持されている。
【0030】
図1図6に示されるように、高速ロータ30が備える第2支持部材50には、低速ロータ20に設けられている連通孔44(図5)と対向する複数の開口部53が形成されている。具体的には、第2支持部材50の底部52上の所定領域に12個の開口部53が形成されている。それぞれの開口部53は、底部52を貫通する丸穴であり、径方向において高速回転軸32と周壁部51との間の位置する底部52上の環状領域に一定間隔で形成されている。
【0031】
再び図1を参照する。上記構造を有する磁気ギヤードモータ1では、ステータ10のコイル12に交流電流が供給されると、低速ロータ20及び高速ロータ30が回転する。同時に、交番磁界に基づく誘導加熱やコイル12の銅損(ジュール熱)によってステータ10,低速ロータ20,高速ロータ30の温度が上昇する。特に、ステータ10と高速ロータ30との間に配置されている低速ロータ20の温度が上昇する。
【0032】
しかし、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ1では、低速ロータ20の第1支持部材40に、ステータ10が備えるコイル12と対向する複数の連通孔44が設けられている。また、高速ロータ30の第2支持部材50に、連通孔44と対向する複数の開口部53が設けられている。よって、ステータ10や低速ロータ20から発せられた熱が連通孔44及び開口部53を通じて高速ロータ30の外に排出される。つまり、磁気ギヤードモータ1が自然空冷によって冷却される。
【0033】
さらに、低速ロータ20の第1支持部材40には、連通孔44に加えて複数の突起45が設けられている。言い換えれば、第1支持部材40の表面積は、突起45が設けられていない場合に比べて拡大している。この結果、第1支持部材40を含む低速ロータ20からの放熱が促進される。つまり、第1支持部材40に形成されている複数の突起45は、低速ロータ20を含む磁気ギヤードモータ1の冷却性能を高めるヒートシンクとして機能する。
【0034】
加えて、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ1では、低速ロータ20に複数枚のフィン22が設けられている。よって、低速ロータ20が回転すると、磁気ギヤードモータ1の内部で気流が発生する。この結果、ステータ10や低速ロータ20からの放熱がさらに促進される。また、ステータ10などに冷却風が供給され、これらが強制空冷によって冷却される。尚、第1支持部材40と一体化されているフィン22は、第1支持部材40の表面積の拡大にも寄与している。
【0035】
上記のとおり、ステータ10のコイル12に交流電流が供給されると、低速ロータ20及び高速ロータ30が回転する。このとき、低速ロータ20と高速ロータ30の回転速度には所定の速度差が生じる。低速ロータ20と高速ロータ30の回転速度比(Gr)は、ステータ磁極数(Ns)=低速ロータ磁極数(Nl)±高速ロータ磁極数(Nh)の関係が成立することを前提として、次式によって表される。
このとき、回転速度比(Gr)が-(マイナス)となれば、低速ロータ20は高速ロータ30に対して反対方向に回転し、+(プラス)となれば、低速ロータ20は高速ロータ30と同一方向に回転する。
【0036】
既述のように、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ1におけるステータ磁極数(Ns),低速ロータ磁極数(Nl)及び高速ロータ磁極数(Nh)は、次のとおりである。
ステータ磁極数(Ns)=18
低速ロータ磁極数(Nl)=34
高速ロータ磁極数(Nh)=16
したがって、本実施形態に係る磁気ギヤードモータ1における低速ロータ20と高速ロータ30の回転速度比(Gr)は、+2.125となる。言い換えれば、磁気ギヤードモータ1の減速比は、+2.125である。よって、低速ロータ20は、高速ロータ30と同一方向に回転する。
【0037】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態における低速ロータ20には、連通孔44,突起45及びフィン22が設けられていた。しかし、突起45やフィン22は省略することもできる。言い換えれば、低速ロータ20に連通孔44のみが設けられている場合であっても、低速ロータ20に連通孔44が設けられていない場合に比べて冷却性能は十分に向上する。
【0038】
上記実施形態におけるフィン22,連結部材43,連通孔44,突起45及び開口部53の数,形状,大きさ,配置などは適宜変更することができる。
【符号の説明】
【0039】
1 磁気ギヤードモータ
10 ステータ
11 ティース
12 コイル
13 貫通孔
20 低速ロータ
21,21a,21b,21c 磁性体片
22,22a,22b フィン
23 低速回転軸
24a,24b 軸受
25 ロッド
30 高速ロータ
31 磁石
32 高速回転軸
33a,33b 軸受
40 第1支持部材
41 ベース部材
41a,42a 凹部
42 固定部材
43,43a,43b,43c 連結部材
44 連通孔
45 突起
50 第2支持部材
51 周壁部
52 底部
53 開口部
図1
図2
図3
図4
図5
図6