特許 7588739 磁気歯車装置

(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】2024-11-14

(45)【発行日】2024-11-22

(54)【発明の名称】磁気歯車装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 49/00 20060101AFI20241115BHJP

   H02K 7/10 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

F16H49/00 A

H02K7/10 A

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2023576863

(86)(22)【出願日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 JP2023001629

(87)【国際公開番号】W WO2023145629

(87)【国際公開日】2023-08-03

【審査請求日】2024-05-24

(31)【優先権主張番号】P 2022009267

(32)【優先日】2022-01-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】乙坂 純香

(72)【発明者】

【氏名】鬼橋 隆之

(72)【発明者】

【氏名】亀山 正樹

【審査官】小川 克久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１３５０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６１４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１０９２６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】英国特許出願公開第２５４５１５４（ＧＢ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１１７８８７（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ ４９／００

Ｈ０２Ｋ ７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内側ロータ、
前記内側ロータと離間して配置され、磁性体からなる複数のポールピースと複数の非磁性体部とが周方向に交互に配置されているポールピースモジュール、及び
前記ポールピースモジュールと離間して配置され、周方向に配置された複数の外側ロータ磁石を有する外側ロータを、軸の径方向に備えた磁気歯車装置であって、
前記軸方向の断面において、それぞれの前記ポールピースは外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔを有する第１の辺、及び内径側幅Ｒｐ＿ｉｎを有する第２の辺を有する形状であり、前記外側ロータ磁石の周方向の最大幅をＬｍ＿ｏｕｔ、前記非磁性体部の外径側幅をＲａ＿ｏｕｔとすると、
前記ポールピースの外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔよりも前記ポールピースの内径側幅Ｒｐ＿ｉｎが大きく、
前記外側ロータ磁石の周方向の最大幅Ｌｍ＿ｏｕｔは前記ポールピースの外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔよりも大きく、前記非磁性体部の外径幅Ｒａ＿ｏｕｔよりも小さいことを特徴とする磁気歯車装置。

【請求項2】

前記ポールピースの内径側幅Ｒｐ＿ｉｎが前記外側ロータ磁石の周方向の最大幅Ｌｍ＿ｏｕｔより大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車装置。

【請求項3】

前記ポールピースモジュールは、前記軸方向の両端部を固定部材により固定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気歯車装置。

【請求項4】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記ポールピースの径方向中央部は前記第１の辺の両端からそれぞれ軸中心に向かう線の内側に配置されたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項5】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ第３の辺及び第４の辺は、径方向においてそれぞれ窪み部またはへこみ部を有する形状である、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項6】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺は、径方向中央部においてそれぞれ窪み部またはへこみ部を有する形状である、請求項５に記載の磁気歯車装置。

【請求項7】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺のうち一方の辺は、径方向外側において窪み部またはへこみ部を有し、他方の辺は径方向内側において窪み部またはへこみ部を有する形状である、請求項５に記載の磁気歯車装置。

【請求項8】

前記ポールピースモジュールは、前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺に設けられた窪み部またはへこみ部の位置が異なる前記ポールピースを含む、請求項５に記載の磁気歯車装置。

【請求項9】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ第３の辺及び第４の辺は、径方向においてそれぞれ膨らみ部を有する形状である、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項10】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺は、径方向中央部においてそれぞれ膨らみ部を有する形状である、請求項９に記載の磁気歯車装置。

【請求項11】

前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺のうち一方の辺は、径方向外側において膨らみ部を有し、他方の辺は径方向内側において膨らみ部を有する形状である、請求項９に記載の磁気歯車装置。

【請求項12】

前記ポールピースモジュールは、前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状において、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺に設けられた膨らみ部の位置が隣接する前記ポールピースにおいて異なることを特徴とする、請求項９に記載の磁気歯車装置。

【請求項13】

前記軸方向の断面の前記ポールピースの形状は、前記ポールピースの軸方向両端部においては、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ第３の辺及び第４の辺を有する台形形状であり、前記ポールピースの軸方向中央部においては、前記第１の辺及び前記第２の辺を径方向に繋ぐ前記第３の辺及び前記第４の辺は、径方向においてそれぞれ窪み部またはへこみ部を有する形状である、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項14】

前記ポールピースモジュールの前記非磁性体部に、前記ポールピースと離間しかつ前記軸方向に貫通していない空隙部を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項15】

前記空隙部の内側と外側とが締結部材により締結され、前記非磁性体部を固定していることを特徴とする請求項１４に記載の磁気歯車装置。

【請求項16】

前記ポールピースは前記軸方向の位置に前記軸方向の両端部の周方向の幅よりも太い箇所を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項17】

前記ポールピースは圧粉鉄心からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気歯車装置。

【請求項18】

前記ポールピースモジュールの前記非磁性体部と、前記ポールピースモジュールを固定する前記固定部材とは同じ樹脂で構成され、前記ポールピース、前記非磁性体部及び前記固定部材が一体成形されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気歯車装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、磁気歯車装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、高トルク密度を実現した磁束変調型の磁気歯車装置（磁気ギア）が研究開発されている。そして、この磁気歯車装置と巻線型ステータを一体にした磁気ギアードモータ（磁気ギアード回転電機）の研究開発も進められている。

【0003】

この磁気ギアードモータでは、内部に配置されたステータコイルによって高速側ロータが回転し、その高速側ロータに配置された磁石の磁束をポールピース（変調磁極）で変調させることで、低速側ロータを回転させる。この動作によって、低速側ロータには高速側ロータの速度比（減速比）だけ増加したトルクを得ることができるので、高トルク密度な機器を得ることができる。

【0004】

しかし、従来の磁気歯車装置及び磁気ギアード回転電機は、磁石使用量に比べて伝達トルクが低いという問題点がある。またポールピースモジュールの固定構造及び強度確保に課題がある。

【0005】

この課題に対し、例えば、特許文献１においては、伝達トルクを向上できる磁気歯車装置の構造が開示されている。すなわち、ポールピースの断面形状に関する３つの変数を条件式によってそれぞれ限定することで、ロータ間に位置するポールピース形状を改善し、ロータとポールピース間とのエアギャップに磁束を集中させることができ、伝達トルクを向上させることが記載されている。

【0006】

また、特許文献２に開示される磁気歯車装置においては、ポールピースに軸方向で貫通する非磁性体の金属ロッドを有し、ポールピースモジュール（文献内では低速ロータ）の強度を確保することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表２０１６－５３３７０６号公報

【文献】特開２０１６－１３５０１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

このように、従来はポールピース形状またはポールピースモジュールを工夫し、伝達トルクを向上させる、あるいはポールピースの強度を確保していた。
一方、モータシステムにおいてはより小型軽量化が求められており、磁気歯車装置に対しても小型化とともにより高い伝達トルクが求められている。

【0009】

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、伝達トルクがより高く、小型軽量化が可能な構造をもつ磁気歯車装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願に開示される磁気歯車装置は、
内側ロータ、
前記内側ロータと離間して配置され、磁性体からなる複数のポールピースと複数の非磁性体部とが周方向に交互に配置されているポールピースモジュール、及び
前記ポールピースモジュールと離間して配置され、周方向に配置された複数の外側ロータ磁石を有する外側ロータを、軸の径方向に備えた磁気歯車装置であって、
前記軸方向の断面において、それぞれの前記ポールピースは外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔを有する第１の辺、及び内径側幅Ｒｐ＿ｉｎを有する第２の辺を有する形状であり、前記外側ロータ磁石の周方向の最大幅をＬｍ＿ｏｕｔ、前記非磁性体部の外径側幅をＲａ＿ｏｕｔとすると、
前記ポールピースの外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔよりも前記ポールピースの内径側幅Ｒｐ＿ｉｎが大きく、
前記外側ロータ磁石の周方向の最大幅Ｌｍ＿ｏｕｔは前記ポールピースの外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔよりも大きく、前記非磁性体部の外径幅Ｒａ＿ｏｕｔよりも小さく、構成されている。

【発明の効果】

【0011】

本願に開示される磁気歯車装置によれば、内側ロータ磁石の磁束をより多く拾い主磁束を増やせるとともに、外側ロータ磁石の漏れが少なくでき主磁束が増やせる。これにより、より少ない磁石とポールピース材により、伝達トルクをより大きく得ることが可能である。また、小型軽量化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１に係る磁気歯車装置の構成を示す軸方向に垂直な面での一部断面図である。

【図2】実施の形態１に係る磁気歯車装置の構成を示す軸方向に平行な面での断面図である。

【図3】実施の形態１に係る磁気歯車装置のポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図4】実施の形態２に係るポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図5】実施の形態２に係る別のポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図6】実施の形態２に係るさらに別のポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図7】実施の形態３に係るポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図8】実施の形態４に係るポールピースモジュールの一部拡大図である。

【図9】実施の形態５に係るポールピースモジュールの例を説明するための一部拡大図である。

【図10】実施の形態５に係るポールピースモジュールの例を説明するための軸方向に平行な面での断面図である。

【図11】実施の形態５に係る別のポールピースモジュールの例を説明するための軸方向に平行な面での断面図である。

【図12】実施の形態５に係るさらに別のポールピースモジュールの例を説明するための図である。

【図13】実施の形態５に係るさらに別のポールピースモジュールの例を説明するための図で、図１１の変形例を示す図である。

【図14】実施の形態１に係る別のポールピースモジュールの例を説明するための斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、磁気歯車装置の一例として磁気減速機について説明するが、磁気減速機に限定されるものではない。磁気増速機であっても、磁気ギアード回転電機であっても主要な動作は同様である。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

【0014】

実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る磁気減速機を例とした磁気歯車装置について図１から図３を用いて説明する。
図１は、実施の形態１に係る磁気歯車装置の構成を示す軸方向に垂直な面での一部断面図、図２は図１のＡ－Ａ方向の断面で軸方向に平行な面での断面図、図３はポールピースモジュールの一部拡大図である。

【0015】

図１に示すように、磁気歯車装置１００には、回転軸の中心O側から径方向外側に向かって、内側ロータ１、ポールピースモジュール２、外側ロータ３の順に互いに離間して配置されている。
内側ロータ１は、回転軸の中心Oに内側ロータシャフト１１と、内側ロータシャフト１１の外周に固定された内側ロータコア１２と、内側ロータコア１２の外周に永久磁石からなる内側ロータ磁石１３と、を備え、内側ロータ磁石１３は等間隔に複数配置されている。内側ロータ１の径方向外側に一定幅の空気のギャップ層（エアギャップ層とも言う）を介して、ポールピースモジュール２が配置される。

【0016】

ポールピースモジュール２は、図１に示されるように、電磁鋼板を軸方向に積層したポールピース２１と非磁性体部２２とが周方向に交互に配置される。また、図２に示されるように、ポールピースモジュール２は、軸方向の両端で樹脂またはアルミなどの非磁性材からなる固定部材２３により固定され、外部の固定台(図示せず)に繋がり固定される構造を有する。ポールピースモジュール２の径方向外側に一定幅の空気のギャップ層を介して、外側ロータ３が配置される。

【0017】

ポールピース２１は磁極片とも言い、磁性体として内側ロータ１から外側ロータ３に、又は外側ロータ３から内側ロータ１に、磁束を伝達する役割を有する。ポールピースモジュール２のポールピース２１は、電磁鋼板を軸方向に積層したものと上述したが、径方向に積層してもよいし圧粉鉄心でもよく、磁性体であればよい。

【0018】

ポールピース２１、非磁性体部２２、軸方向の固定部材２３は一体成形されて、構成されていてもよい。一体成形する際のモールド樹脂は、ＰＰＳ(Polyphenylenesulfide：ポリフェニレンスルファイド)樹脂、ＰＢＴ(Polybutyleneterephthalate：ポリブチレンテレフタレート)樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を用いればよい。このモールド樹脂はポールピース２１以外の非磁性体部２２、軸方向の固定部材２３を構成し、ポールピース２１の固定に使用しているため、非導電性材料でかつ非磁性材料とすることが望ましい。このように構成することで渦電流を抑制し機器の効率向上に寄与することができる。さらに、モールドで一体成形されることで、別々に組立てる場合に比べ、各ポールピース２１の位置決め精度を高くでき、磁気特性を高くできるだけでなく樹脂の強度を強くできる。

【0019】

空気のギャップ層を介して、ポールピースモジュール２の径方向外側に配置された外側ロータ３は、外側ロータコア３１及び永久磁石からなる外側ロータ磁石３２を有する。外側ロータ磁石３２は、複数周方向に配置される。また、図２に示すように、外側ロータコア３１は、内側ロータシャフト１１と同軸の軸を有する外側ロータシャフト３３に固定されている。あるいは、外側ロータコア３１は外側ロータシャフト３３と一体物で構成されていてもよい。さらに、外側ロータ磁石３２のコアバックに該当する部分のみが電磁鋼板で構成されており、その他の部分は加工しやすく安価な鉄鋼材（例えばＳ４５Ｃ，ＳＳ４００など）で構成されていてもよい。また、ポールピース２１を固定する固定部材２３と内側ロータ１及び外側ロータ３はベアリングを介して回転自在に保持されている。

【0020】

内側ロータ１の極対数をＮｈ、ポールピースモジュール２のポールピースの磁極数をＮｐ、外側ロータ３の極対数をＮｌとするとき、以下の式（１）の関係となっている。
Ｎｐ＝Ｎｌ＋Ｎｈ・・・式（１）
このとき、減速比をＧｒとすると、減速比Ｇｒは外側ロータ３の極対数Ｎｌを内側ロータ１の極対数をＮｈで除した、
Ｇｒ＝Ｎｌ／Ｎｈ・・・・式（２）
となる。内側ロータ１の速度がＧｒ分の１倍されて外側ロータ３に伝わり、内側ロータ１のトルクがＧｒ倍されて外側ロータ３に伝わる。

【0021】

本実施の形態１では、Ｎｌ＝２６、Ｎｐ＝３０、Ｎｈ＝４の例であるので、減速比Ｇｒ＝６．５となる。また、式（１）がＮｐ＝Ｎｌ―Ｎｈとなる、例えばＮｌ＝２６、Ｎｐ＝２２、Ｎｈ＝４であっても成立し、式（１）、（２）を満たす全ての組合せをとることができる。

【0022】

本実施の形態では、ポールピースモジュール２を固定する機構を特徴としており、内側ロータ１と外側ロータ３は、同一方向に回転し内側ロータ１から外側ロータ３に回転力を伝達する。ポールピースモジュール２を固定しない場合つまり外側ロータ３を固定してポールピースモジュール２を回転させる場合に比べて、伝達トルクが低下するものの、ポールピースモジュール２を固定することで遠心力対策が不要となる。ポールピースモジュール２を固定しない場合は、遠心力によるポールピースモジュール２の径方向の変位を考慮して、例えば、ポールピース２１の外径面、内径面に連結部品を設ける必要がある。しかし、ポールピースモジュール２を固定する本実施の形態においてはこのような対策は不要であり、最小のエアギャップ層の幅で外側ロータと内側ロータを設けることができ、磁束密度が向上し伝達トルクを向上できる効果がある。

【0023】

なお、図１に示す、本実施の形態１に係る磁気歯車装置１００は、例えば円筒回転型であるが、円板回転型、平板リニア型、円筒リニア型でも製作が可能である。

【0024】

次に、本実施の形態１に係る磁気歯車装置１００のポールピースモジュール２におけるポールピース２１の形状について図１及び図３を用いて説明する。
ポールピース２１の軸方向に垂直な面での断面形状は、外径側の円弧２１１、内径側の円弧２１２、及びそれら円弧を径方向に繋ぐ辺２１３、２１４で囲まれた領域で表され、径方向中央部に窪み部２１ａを有する鼓のような形をしている。ここで、辺２１３、２１４は、周方向に並んでいる。また、周方向におけるポールピース２１の外径側の円弧２１１の長さである外径側幅をＲｐ＿ｏｕｔ、内径側の円弧２１２の長さである内径側幅をＲｐ＿ｉｎ、周方向における非磁性体部２２の外径側幅をＲａ＿ｏｕｔ、内径側幅をＲａ＿ｉｎ、外側ロータ３の外側ロータ磁石３２の周方向の最大幅をＬｍ＿ｏｕｔとする。Ｒｐ＿ｏｕｔよりＲｐ＿ｉｎが大きく、Ｒｐ＿ｉｎよりＲａ＿ｏｕｔが大きく、Ｌｍ＿ｏｕｔはＲｐ＿ｏｕｔより大きくＲａ＿ｏｕｔより小さい。Ｒｐ＿ｏｕｔとＲｐ＿ｉｎの直径によっては、Ｒｐ＿ｉｎとＲａ＿ｏｕｔが同じ長さであってもよい。これらは以下の関係式を満たす。
Ｒｐ＿ｏｕｔ ＜ Ｒｐ＿ｉｎ
Ｒｐ＿ｉｎ ≦ Ｒａ＿ｏｕｔ
Ｒｐ＿ｏｕｔ ＜ Ｌｍ＿ｏｕｔ＜ Ｒａ＿ｏｕｔ ・・・式（３）

【0025】

さらに、前述したように、各ポールピース２１は、周方向両側の辺の径方向中央部が窪んだ形状を有する。内側ロータ磁石１３は８極（Ｎｈ×２）で少極、外側ロータ磁石３２は５２極（Ｎｌ×２）で多極ある。そのため、Ｒｐ＿ｉｎをＲｐ＿ｏｕｔより大きくすることで周方向幅が多極側の磁石の周方向幅よりも大きい少極側の磁石から出た磁束を飽和させることなくより多く拾うことができる。また、多極側は隣同士通しの磁石が近いため磁束が回り漏れ磁束が増えやすい。そこで、Ｒｐ＿ｏｕｔ ＜ Ｌｍ＿ｏｕｔ＜ Ｒａ＿ｏｕｔを満たすようにすることで磁石とポールピースが重なる面積を減らし、磁石（Ｎ極）からポールピースを経由して磁石（Ｓ極）に至るような漏れ磁束を減らすことができる。

【0026】

また、内側ロータ磁石１３と外側ロータ磁石３２の極対数の違いから、内側ロータ磁石１３の外径側幅は、Ｌｍ＿ｏｕｔより必ず大きい。Ｒｐ＿ｉｎは隣のポールピース２１同士で漏れない程度に、内側ロータ磁石１３の外径側幅に合わせて大きくすることで、内側ロータ１とポールピース２１との間の漏れ磁束を低減することができる。従って、Ｒｐ＿ｉｎをＬｍ＿ｏｕｔより大きくすることで漏れ磁束を低減でき、よりトルク密度を高くできる。

【0027】

また、ポールピース２１の径方向中央部において外径側と内径側の円孤の長さより窪ませることにより、磁束の流れる方向を統一することができるため、内側ロータ磁石１３から外側ロータ磁石３２までの磁路がより短くなるようにして磁束を導くことができ、磁気抵抗がより低い磁路が実現され、パーミアンスが高くなる。

【0028】

また、図３においては各ポールピース２１の窪み部２１ａが外径側の円弧及び内径側の円弧よりも内側に配置され、各ポールピース２１の外径側の円弧２１１の周方向両端から、外側ロータ３及び内側ロータ１の円中心Ｏ（回転軸の中心）に向かってそれぞれ引いた架空の線Ｌｏ（一点鎖線）より内側に、ポールピース２１の径方向中央部が配置されている。このように配置することで、よりトルク密度を向上させることができる。これは磁束が円中心Ｏに向かうわけではなくパーミアンス分布によるためであり、このように配置することで、内側ロータ磁石１３から外側ロータ磁石３２までの磁路が最短となるように導くことができ磁気抵抗が最も低い磁路で伝わりパーミアンスをより高くできる。

【0029】

ポールピースモジュール２の非磁性体部２２を樹脂などの絶縁材で構成する場合、ポールピース２１の径方向中央部を外径側と内径側の孤の長さより窪ませることにより、ポールピース２１が外径側に引かれる磁気力に対して、ポールピース２１自身を支える面積が増えるため強度を強くできる。また、ポールピース２１の径方向中央部よりも外径側または内径側の周方向幅が大きくなる場合は、くさび効果により周方向幅が大きい側から径方向中央部に向かう方向にポールピース２１が移動するのを制限することができる。さらに、ポールピース２１の周方向両側の辺が直線状である時に比べて非磁性体部２２に触れる表面積が大きくなるため、冷却効果も向上する。

【0030】

図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ別のポールピース２１の例を示す図で、それぞれ上面図及び展開した斜視図を含む。なお、上面図において軸方向中央部２１０ｂは破線で示している。図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、ポールピース２１の軸方向両端部２１０ａはその軸方向断面形状を外径側の円弧２１１、内径側の円弧２１２、及びそれら円弧を径方向に繋ぐ辺２１３、２１４で囲まれた領域が台形であり、軸方向中央部２１０ｂのみを周方向両側の辺の径方向中央部を窪ませた形状とし、それらを積み重ねて構成している。

【0031】

軸方向両端部２１０ａを構成する辺２１３、２１４は、図１４（ａ）では外径側の円弧２１１と内径側の円弧２１２の両端を繋いでおり、軸方向両端部２１０ａ及び軸方向中央部２１０ｂの外径側の円弧２１１は等しく、さらに内径側の円弧２１２同士も等しく、軸方向中央部２１０ｂのみを周方向両側の辺の径方向中央部を窪ませた形状である。一方、図１４（ｂ）では、軸方向両端部２１０ａ及び軸方向中央部２１０ｂの内径側の円弧２１２を等しくして、軸方向両端部２１０ａの辺２１３、２１４は、内径側から軸方向中央部２１０ｂの辺２１３、２１４に沿わせるとともに内径側の円弧２１２から外径側に延長させた線分で構成した。従って、上面図からわかるように軸方向中央部２１０ｂの外径側の円弧２１１は軸方向両端部２１０ａの外径側の円弧２１１より長い。また、図１４（ｃ）では、軸方向両端部２１０ａ及び軸方向中央部２１０ｂの外径側の円弧２１１を等しくして、軸方向両端部２１０ａの辺２１３、２１４は、外径側から軸方向中央部２１０ｂの辺２１３、２１４に沿わせるとともに外径側の円弧２１１から内径側に延長させた線分で構成した。従って、上面図からわかるように軸方向中央部２１０ｂの内径側の円弧２１２は軸方向両端部２１０ａの内径側の円弧２１２より長い。

【0032】

このように、軸方向両端部２１０ａは単純な形状の台形のため、軸方向中央部２１０ｂの形状よりも歩留まりの高い工程で製造できるので、これらを組み合わせたポールピース２１は、トルク密度が高く外径側への遠心力耐力も高くなるとともに、歩留まりを高くすることができる。

【0033】

外側ロータ３とポールピースモジュール２を構成するポールピース２１、非磁性体部２２、軸方向の固定部材２３を樹脂等のモールドで一体成形し、組立後に外側ロータ３とポールピースモジュール２を切り離して製造してもよい。この場合、ポールピース２１と外側ロータ３間は周方向の複数箇所がペンチで切れるほどのモールド樹脂で繋がっている。この時、外側ロータ３とポールピースモジュール２とはモールド樹脂で一定の間隔が保たれた状態である。別々に組立てる場合に比べ、組立時の部品点数を削減できることから加工費の低減が可能である。さらに、組立時に径方向の位置決め精度を高くでき、外側ロータ３とポールピースモジュール２の隙間であるギャップ幅をより小さくすることができる。これにより、使用する磁石量を減らすことができ、コストを削減することが可能である。さらに、位置決め精度が高いので軸ぶれの抑制も可能となる。また、軸方向の位置決め精度も高くできるため、設計時に想定した以上の漏れ磁束が生じる恐れもない。

【0034】

また、外側ロータコア３１、ポールピース２１、内側ロータコア１２の材料は電磁鋼板、圧粉鉄心、アモルファス金属、パーメンジュールなどの軟磁性材料で構成される。しかし、仕様によっては鉄鋼材（例えばＳ４５Ｃ，ＳＳ４００など）である強磁性材料を用いることが可能な場合もある。電磁鋼板は磁束変化による渦電流を防止するために、薄い板を複数枚積層して構成される。

【0035】

また、本実施の形態に係る磁気歯車装置１００においては、ブラケット（図示せず）を絶縁性の樹脂で構成することもできる。前述した、モールドによる一体成形と合わせ、モールド材、ブラケットを絶縁性の樹脂で構成することにより、軸受の内輪と外輪が導通する電食を防止することができ、磁気歯車装置の品質をより高めることが可能である。

【0036】

以上のように、本実施の形態１に係る磁気歯車装置によれば、軸中心側から径方向外側に向かって、内側ロータ１、ポールピースモジュール２、外側ロータ３が順に配置され、ポールピースモジュール２を固定するようにしたので、最小のギャップ幅で外側ロータ３及び内側ロータ１を設けることができ、磁束密度が向上し伝達トルクを向上できるという効果を奏する。

【0037】

また、ポールピースモジュール２の軸方向断面において、周方向におけるポールピース２１の外径側幅Ｒｐ＿ｏｕｔ、内径側幅をＲｐ＿ｉｎ、周方向における非磁性体部２２の外径側幅をＲａ＿ｏｕｔ、内径側幅をＲａ＿ｉｎ、外側ロータ３の外側ロータ磁石３２の周方向の最大幅をＬｍ＿ｏｕｔとした時、Ｒｐ＿ｏｕｔよりＲｐ＿ｉｎが大きく、Ｒａ＿ｏｕｔがＲｐ＿ｉｎ以上であり、Ｌｍ＿ｏｕｔはＲｐ＿ｏｕｔより大きくＲａ＿ｏｕｔより小さくなるように構成した。この構造により、内側ロータ磁石１３の磁束をより多く拾い主磁束を増やすことができるとともに、より少ない磁石とポールピース材により、装置の小型軽量化が可能になるとともに伝達トルクをより大きく得ることが可能となる。

【0038】

また、ポールピースモジュール２の軸方向断面において、ポールピース２１の径方向中央部が窪んだ構造を有するので、ポールピース２１が外径側に引かれる磁気力に対して、支える面積が増えるため強度を強くできる。また、ポールピース２１の周方向両側の辺が直線状である時に比べて非磁性体部２２に触れる表面積が大きくなるため、冷却効果も向上する。

【0039】

以上のことから、より小型で安価な磁気歯車装置を提供できる。

【0040】

実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係る磁気歯車装置のポールピースモジュールについて、図４から図６を用いて説明する。
図４は、実施の形態２に係るポールピースモジュール２の一部拡大図、図５は別のポールピースモジュール２の一部拡大図、図６はさらに別のポールピースモジュール２の一部拡大図である。実施の形態１の図３では、ポールピース２１の外径側の円弧と内径側の円弧とを径方向に繋ぐ両辺が径方向中央部で窪み部２１ａを有する形状であったが、本実施の形態２ではその窪み部２１ａの位置が径方向中央部ではない例を示している。他の構成は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

【0041】

図４において、ポールピース２１の外径側の円弧と内径側の円弧とを径方向に繋ぐ両辺における窪み部２１ａの位置が径方向中央部より内径側であり、図５においては径方向中央部より外径側である。また、図６は、ポールピース２１の外径側の円弧と内径側の円弧とを径方向に繋ぐ両辺における窪み部２１ａの位置が径方向中央部に対し、内径側と外径側とが交互に配置されている例を示している。

【0042】

各ポールピース２１の内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺において、径方向のいずれかの箇所を窪ませればよい。外径側への磁気力が小さい場合は窪み部２１ａを径方向の内周側に設ければよく、一方、外径側への磁気力が大きい場合は窪み部２１ａを外周側に設けることで、トルク密度の向上とポールピース２１の強度向上をバランスさせることが可能となる。また、磁束の飽和についても同様に調整することが可能となり、磁束の飽和の観点からもポールピースによって窪み部２１ａの径方向位置を変えることで、トルク密度の向上とポールピース２１の強度向上をバランスさせることが可能となる。

【0043】

図６では、隣り合うポールピース２１の窪み部２１ａの径方向位置を内径側、外径側と交互にずらした例を示したが、交互でなくてもよい。

【0044】

以上のように、本実施の形態２に係る磁気歯車装置によれば、実施の形態１の効果に加え、各ポールピース２１は径方向を繋ぐ両側の辺において、径方向のいずれかの箇所に窪み部２１ａを有し、磁気力に応じて窪み部２１ａの径方向の位置を変えることでトルク密度の向上とポールピース２１の強度向上をバランスさせることが可能となる。

【0045】

実施の形態３．
以下に、実施の形態３に係る磁気歯車装置のポールピースモジュールについて、図７を用いて説明する。
図７は、実施の形態３に係るポールピースモジュール２の一部拡大図で、実施の形態１及び２と異なるのは、ポールピース２１の内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺が、円弧状のような滑らかな曲線であり、へこみ部２１ｂを有することである。他の構成は実施の形態１及び２と同様であるため説明を省略する。

【0046】

図７に示すように、ポールピース２１の内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺の径方向中央部を円弧によりへこませ、ポールピース２１がくびれた形状となることが望ましい。なお、図においてへこみ部２１ｂはポールピース２１がくびれた位置を示している。しかし、実施の形態２で説明したように、へこみ部２１ｂの径方向位置が中央部でなくてもよく、また隣り合うポールピース２１の間で交互に外周側、内周側にへこみ部２１ｂが位置するようになっていてもよく、交互に限るものでもない。

【0047】

以上のように本実施の形態３によれば、実施の形態１及び２と同様の効果を奏するとともに、内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ辺であって周方向両側の辺を滑らかな曲線、例えば円弧状にへこませることで磁束の流れがより滑らかになり、よりトルク密度を向上することできる。

【0048】

実施の形態４．
以下に、実施の形態４に係る磁気歯車装置のポールピースモジュールについて、図８を用いて説明する。
実施の形態１から３では、ポールピース２１は内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺において径方向のいずれかの位置で窪んだ形状、あるいはくびれた形状を有する線対称の構造であるものを示した。実施の形態４では、ポールピース２１は内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ辺であって周方向両側の各辺の窪み部２１ａの位置が異なる形状の例を説明する。他の構成は実施の形態１から３と同様であるため説明を省略する。

【0049】

図８は、実施の形態４に係るポールピースモジュール２の一部拡大図で、ポールピース２１の内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ各辺に設けられた窪み部２１ａの位置が異なっている。一方の辺において窪み部２１ａは径方向中央部より外径側にあり、他方の辺において窪み部２１ａは径方向中央部より内径側にある。

【0050】

図３から図６で示したように、ポールピース２１の周方向両側で、窪み部２１ａの径方向位置が同じ場合と比べ、本実施の形態４のように、ポールピース２１の周方向両側で、窪み部２１ａの径方向位置が異なると、窪み部２１ａの位置での磁気飽和を緩和できる。すなわち、磁路幅が最小となる箇所を設けることがないので、磁路幅を狭めることなく、より少ない磁性体の表面積で主磁束を増加させることができる。これにより、ポールピース２１の軽量化が可能となり、ポールピースモジュール２を固定する固定部材２３の簡素化及び磁気減速機そのものの軽量化に繋げることができる。さらに、同じポールピース２１内の周方向両側で、窪み部２１ａの径方向位置が異なることで、ポールピース２１の外径側への磁気力にも、内径側への磁気力にも耐えられる強固なポールピースモジュール２を実現とすることが可能となる。

【0051】

図８では軸方向に垂直な面でのポールピース２１の断面形状がアルファベットのＺ状に窪み部２１ａを設けているが、窪み部２１ａがポールピース２１内で鏡面対称の位置になるように設けてもよい。

【0052】

また、磁気歯車装置が磁気ギアード回転電機の場合、コギングトルク及びトルクリプルを低減するために、磁石にスキューを設けることがある。スキュー角に合わせて、前述のＺ状の形状であるポールピース２１に鏡面対称の形状のポールピース２１を重ねてもよいし、Ｚ状の形状と鏡面対称の形状とを順番に、あるいはランダムに軸方向に複数積層してもよいし、らせん状に重ねてもよい。

【0053】

なお、図８では、図３から６で示したように、ポールピース２１の周方向両側に窪み部２１ａを有する例を示したが、図７のように、ポールピース２１の周方向両側を円弧状のような滑らかな曲線で形成してもよい。この場合、ポールピース２１の周方向両側で円弧が径方向から最もポールピース２１の内部に入る位置をへこみ部とし、そのへこみ部の形成される位置が両側において径方向で異なるように形成されればよい。

【0054】

以上のように本実施の形態４によれば、ポールピース２１における磁路幅を狭めることなく、より少ない磁性体の表面積で主磁束を増加させることができる。これにより、ポールピース２１の軽量化が可能となり、磁気歯車装置そのものの軽量化に繋げることができる。さらに、ポールピース２１の外径側への磁気力にも、内径側への磁気力にも耐えられる強固なポールピースモジュール２を実現とすることが可能となる。

【0055】

なお、実施の形態１から４では、ポールピース２１は内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺において径方向のいずれかの位置で窪んだ形状、あるいはくびれた形状を有するものを示したが、一方の辺が窪み部を有する窪んだ形状、他方の辺がへこみ部を有する形状であってもよい。ポールピース２１は内外径両側の円弧を径方向に繋ぐ両辺において径方向のいずれかの位置に窪み部またはへこみ部が形成されていればよい。

【0056】

実施の形態５．
以下に、実施の形態５に係る磁気歯車装置について図９から図１２を用いて説明する。
図９は、実施の形態５に係るポールピースモジュール２の一部拡大図で、図１０中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図９（ａ）中Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃ方向断面図で、軸方向に平行な断面を示す図である。実施の形態１から４においては、ポールピース２１の軸方向断面形状が、外径側の円弧、内径側の円弧、及びそれら円弧を径方向に繋ぐ両辺で囲まれた領域で表され、径方向中央部に窪み部２１ａまたはへこみ部２１ｂを有する鼓のような形をしている例を示した。本実施の形態５では、ポールピース２１の径方向中央部が膨らみ部２１ｃを有する太鼓形状の例を説明する。他の構成は実施の形態１から４と同様であるため説明を省略する。

【0057】

図９（ａ）に示すように、各ポールピース２１の周方向両側の辺において、径方向のいずれかの箇所を膨らませた膨らみ部２１ｃを有している。図中破線で示しているように、ポールピースモジュール２の非磁性体部２２内部に軸方向に貫通していない空隙部６を設けている。図９（ｂ）は、空隙部６が膨らみ部２１ｃを回避した場所に複数も設けられている例である。また、軸に平行な、図９（ａ）中のＡ－Ａ線の断面図を図１０（ａ）に、図９（ａ）中のＢ－Ｂ線の断面図を図１０（ｂ）に、図９（ａ）中のＣ－Ｃ線の断面図を図１０（ｃ）に示す。図１０（ｂ）からわかるように、ポールピース２１の膨らみ部２１ｃはポールピース２１の部位のうち空隙部６に最も近い位置になる。しかし、空隙部６はポールピース２１に接しないように離間して設けられている。

【0058】

ポールピースモジュール２を固定部材２３で固定することは図２で示したが、より強固に固定したい場合には、図１０（ａ）から図１０（ｃ）で示したように、締結部材４を取り付けて固定することができる。この場合、ポールピースモジュール２の軸方向の両端部に、電気絶縁層５及び固定部品４１を用い、空隙部６内の締結部材４と外部側の締結部材４とで非磁性体部２２を固定する。
締結部材４を使わない場合は、前述したようにモールド一体成形により製造すればよい。例えば、図１０の断面となるように金型を作り、一体成形すればよい。

【0059】

なお、図に示した空隙部６には空気または熱伝導率の高い材料を充填すれば、ポールピース２１効率よく冷却することもできる。

【0060】

また、図１１にさらに別のポールピースモジュール２の拡大図で軸に平行な方向の一部断面図を示している。ポールピース２１の周方向両側の面については、図１１に示すように、軸方向中央部を周方向に膨らませた構造としてもよい。軸方向に２か所に分けた空隙部６を設け、軸方向中央部のポールピース２１を軸方向の両端部よりも周方向において太くしている。このように構成することで、前述の効果に加えて、軸方向端部の漏れ磁束を低減でき伝達トルクを大きくすることが可能となる。

【0061】

図１２は、実施の形態５に係るさらに別のポールピースモジュール２の例を説明するための一部拡大図で、軸方向の断面図である。図１２に示すように、各ポールピース２１の周方向両側の辺について、径方向のいずれかの箇所を膨らませ、周方向の隣り合うポールピース２１で膨らみ部２１ｃの径方向位置が重ならないように配置した構造でもよい。このように膨らみ部２１ｃの径方向位置を隣り合うポールピース２１で重ならないように配置することで、径方向位置を同一にした場合よりも膨らみ部２１ｃ同士の距離を大きく確保することができ、膨らみ部２１ｃのそれぞれの間の磁束の短絡をより確実に防ぐことができる。また、膨らみ部２１ｃがない直線形状に比べ、ポールピース２１の表面積が大きくなるため、ポールピース２１間に空隙部６を設け、空気あるいは熱伝導性の高い材料で充填する場合にポールピース２１を冷却する効果が向上する。

【0062】

なお、図１３は、図１１の変形例を示すポールピースモジュール２の拡大図で軸方向の一部断面図であるが、隣接するポールピース２１の太い部分の位置が軸方向で異なるように配置してもよい。

【0063】

図１１及び図１３で示したようなポールピース２１が軸方向に滑らかな曲線を有する構造は、圧粉鉄心により実現することができる。圧粉鉄心を用いることで、任意の形状が作りやすく、軸方向、周方向、径方向全ての方向に磁束が通る磁気歯車装置においては、渦電流損を低減することが可能となる。

【0064】

以上のように、本実施の形態５に係る磁気歯車装置によれば、ポールピースモジュール２においてポールピース２１の径方向中央部が膨らみ部２１ｃを有する太鼓形状を有するので、径方向端部の漏れ磁束を低減でき伝達トルクを大きくすることが可能となる。また、ポールピース２１の周方向両側の辺が直線状である時に比べて非磁性体部２２に触れる表面積が大きくなるため、冷却効果も向上する。

【0065】

さらに、ポールピース２１の周方向両側の辺について、径方向のいずれかの箇所を膨らませ、周方向の隣り合うポールピース２１で膨らみ部２１ｃの径方向位置が重ならないように配置することで、膨らみ部２１ｃ同士の距離を大きく確保することができ、膨らみ部２１ｃのそれぞれの間の磁束の短絡をより確実に防ぐことができる。

【0066】

本実施の形態５に係る磁気歯車装置によれば、ポールピースモジュール２の非磁性体部２２内部に軸方向に貫通していない空隙部６を設けたので、空隙部６に空気または熱伝導率の高い材料を充填すれば、ポールピース２１効率よく冷却することもできる。
この空隙部６の軸方向の内外に締結部材４を取り付け、ポールピースモジュール２の軸方向の両端部に、電気絶縁層５及び固定部品４１を介して締結部材４により締結することで、非磁性体部２２を固定することが可能となる。

【0067】

本実施の形態５に係る磁気歯車装置によれば、ポールピース２１の軸方向中央部を周方向に膨らませた構造としたので、軸方向の非磁性体部２２内部に２か所に分けた空隙部６を設け、軸方向中央部のポールピース２１を他の軸方向箇所よりも太くすることが可能となる。これにより、軸方向端部の漏れ磁束を低減でき伝達トルクを大きくすることが可能となる。

【0068】

なお、軸方向の非磁性体部２２内部に空隙部６を設ける構造は、実施の形態１から４に係る磁気歯車装置においてポールピース２１の径方向中央部が窪み部２１ａまたはへこみ部２１ｂを有するポールピースモジュールにも適用でき、同様の効果を奏することは言うまでもない。

【0069】

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。

【符号の説明】

【0070】

１：内側ロータ、 ２：ポールピースモジュール、 ３：外側ロータ、 ４：締結部材、 ５：電気絶縁層、 ６：空隙部、 １１：内側ロータシャフト、 １２：内側ロータコア、 １３：内側ロータ磁石、 ２１：ポールピース、 ２１ａ：窪み部、 ２１ｂ：へこみ部、 ２１ｃ：膨らみ部、 ２２：非磁性体部、 ２３：固定部材、 ３１：外側ロータコア、 ３２：外側ロータ磁石、 ３３：外側ロータシャフト、 ４１：固定部品、 １００：磁気歯車装置、 ２１０ａ：軸方向両端部、 ２１０ｂ：軸方向中央部、 ２１１：外径側の円弧、 ２１２：内径側の円弧、２１３，２１４：辺。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】