変速磁気カップリング装置
【課題】回転数を変化させて、かつ、効率的に、回転エネルギーを伝達することが可能な変速磁気カップリング装置を提供する。
【解決手段】本発明の変速磁気カップリング装置２００は、駆動軸１１０と、隔壁１４０を介して駆動軸１１０と非接触に設けられた従動軸１２０と、従動軸１２０と一体的に回転する内周磁石１２２と、駆動軸１１０と一体的に回転する外周磁石１１２と、外周磁石１１２のさらに外周に設けられた最外周磁石１３２とを備える。電磁石２３０の作用により、駆動軸１１０に斜めに設けられたキー溝１１４を最外周磁石保持部１３０に設けられたキー１３４が駆動軸１１０の長手方向に摺動して、外周磁石１１２における径内側の磁極と、その外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、同磁極又は異磁極に交互に切り替えられる。
【解決手段】本発明の変速磁気カップリング装置２００は、駆動軸１１０と、隔壁１４０を介して駆動軸１１０と非接触に設けられた従動軸１２０と、従動軸１２０と一体的に回転する内周磁石１２２と、駆動軸１１０と一体的に回転する外周磁石１１２と、外周磁石１１２のさらに外周に設けられた最外周磁石１３２とを備える。電磁石２３０の作用により、駆動軸１１０に斜めに設けられたキー溝１１４を最外周磁石保持部１３０に設けられたキー１３４が駆動軸１１０の長手方向に摺動して、外周磁石１１２における径内側の磁極と、その外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、同磁極又は異磁極に交互に切り替えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の回転軸（駆動軸）の回転エネルギーを他方の回転軸（従動軸）へ伝達する磁気カップリングに関し、特に、回転数を変化させて回転エネルギーを非接触で伝達する変速磁気カップリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で回転エネルギーを駆動軸から従動軸へ伝達する機械要素として、磁気カップリング装置が広く知られている。磁気カップリング装置は、機械的なカップリング（継ぎ手）を用いることなく、非接触で駆動軸から従動軸へ回転エネルギーを伝達できるカップリング装置の一種である。
磁気カップリング装置は、ユニバーサルカップリングなどの機械的なものに比べて、機械部品が少なく、また、摩耗部がない等のため、信頼性および寿命の点で優れている。さらに、磁気的な力を利用して非接触で回転エネルギーを伝えられるため、気密シールが困難な装置の内部に回転力を容易に伝達可能である特長が生かされ、非磁性材などからなる隔壁により分離された異なる環境間での回転力伝達に使用されるニーズが多くなっている。
【０００３】
たとえば、再生可能エネルギーとして着目されているバイナリ発電システム（蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源から低沸点の作動媒体の熱サイクルへ熱を移動し、この循環サイクル内で作動媒体を用いた発電）における膨張機（駆動軸）と発電機（従動軸）とを接続する場合にも磁気カップリング装置は好適である。この場合において、回転数を変速して回転エネルギーを伝達できると、好適な場合がある。
【０００４】
特開平８−１９６０７１号公報（特許文献１）は、回転エネルギーを伝達する装置を開示する。特許文献１の図５には、電気式の変速装置の代表的な例として、渦電流継手が開示されている。原動機の回転軸が渦電流継手の一方の回転軸に結合され、渦電流継手の他方の回転軸は負荷の回転軸に結合されている。渦電流継手は、一方の回転軸に、スリップリングを介して供給される直流電流により磁界を発生する電磁コイルを有する第１回転子を備え、他方の回転軸に、発生した磁界に結合し相対回転速度差によって生じる渦電流によってトルクを発生する第２回転子を備えている。そして、直流電流を制御し磁界の強さを制御することでトルクを可変制御し、原動機の回転数とは異なる回転数で負荷を駆動する。
【０００５】
さらに、特許文献１の図１には、別の電気式の変速装置が開示されている。この変速装置は、一方の回転軸に結合され界磁極となる第１回転子と、他方の回転軸に結合され回転磁界を発生して前記第１回転子との間でトルクを発生する第２回転子を備え、前記第２回転子には前記回転磁界を発生する電機子巻線を有し、前記電機子巻線に前記回転磁界を発生させるための交流電力を供給する回転トランスを前記他方の回転軸に備え、相互の回転軸間でトルクを伝達することを特徴とする。この変速装置においては、前記回転トランスにより前記第２回転子の電機子巻線に交流電力を供給すると前記第２回転子に回転磁界が発生し、前記第１回転子の界磁極と電磁結合し、前記第１回転子と前記第２回転子との間でトルクを発生し、相互の回転軸間でトルクを伝達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１９６０７１号公報（図１、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の図５の渦電流継手では、回転数を変えると最大トルクを発生させることができないという問題がある。
さらに、上述した特許文献１の図１の変速装置では、一方の回転軸にて、回転エネルギーを一旦磁気エネルギーへ変換して（磁気カップリング）、その磁気エネルギーを電気エネルギーへ変換し、電気エネルギーを伝達し、電気エネルギーを磁気エネルギーへ変換し、他方の軸にて磁気エネルギーを回転エネルギーへ変換している。これでは、一旦電気エネルギーに変換されるために変換ロスが大きいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、非接触で回転エネルギーを伝達する磁気カップリング装置であって、回転数を変化させて、かつ、効率的に、回転エネルギーを伝達することが可能な変速磁気カップリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の変速磁気カップリング装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の変速磁気カップリング装置は、一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている。前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられている。この変速磁気カップリング装置は、前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、が備えられていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記最外周磁石は永久磁石であって、前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと、前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記軸の回転中心と前記周方向に互いに隣り合うように配置された磁極の違う一組の磁石とでなす角度分、前記最外周磁石と前記外周磁石とが相対移動可能に構成されていると良い。ここで、前記相対移動においては、交互に切り替えるための駆動力を電磁石の吸引作用および反発作用を切り替えることで得るように構成されていると良い。
【００１１】
さらに好ましくは、前記最外周磁石は、周方向に並べられた電磁石であって、前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記最外周磁石の互いに隣り合う電磁石へ流す電流の向きを異ならせるとともに、それぞれの電流の向きを繰り返し変化可能に構成されていると良い。
さらに好ましくは、前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードの時間をＭ（Ｍ＝１、３、５等の奇数の自然数）磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第１のモードの時間をＭ磁石単位角度分の１／（Ｎ−１）だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第１のモードと前記第２のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていると良い。
【００１２】
さらに好ましくは、前記他方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えると良い。
さらに好ましくは、前記他方の軸の回転角度を検出する検出器に加えて前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えると良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変速磁気カップリング装置を用いることにより、非接触で回転エネルギーを伝達する磁気カップリング装置を用いて、回転数を変化させて、かつ、効率的に、回転エネルギーを伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図２】第１実施形態における第１のモードの状態を説明する図である。
【図３】図２における磁極間の磁力線を示す図である。
【図４】第１実施形態における第２のモードの状態を説明する図である。
【図５】図４における磁極間の磁力線を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図７】第２実施形態における第１のモードにおける作動状態を説明する図である。
【図８】第２実施形態における第２のモードにおける作動状態を説明する図（その１）である。
【図９】第２実施形態における第１のモードにおける作動状態を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１１】第３実施形態における第１のモードの状態を説明する図である。
【図１２】第３実施形態における第２のモードの状態を説明する図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１５】本発明の第６実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る変速磁気カップリング装置を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、異なる実施の形態であっても同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。また、以下においては、この変速磁気カップリング装置の適用を限定しないで記載するが、たとえば、バイナリーサイクルを利用した発電システムや動力発生システムにおける膨張機と回転機（発電機、圧縮機、ブロア、ポンプ等）との間に設けると、変速機構（減速器）を別途設ける必要がないので好適である。しかしながら、上述したように、本発明に係る変速磁気カップリング装置の適用は限定されるものではない。
【００１６】
＜第１実施形態＞
［構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る変速磁気カップリング装置１００の概略を示している。図１（ａ）に示すように、この変速磁気カップリング装置１００は、図１（ｂ）に示す円筒型の磁気カップリング装置に最外周磁石を配置したものである。図１（ｂ）に示す円筒型の磁気カップリング装置は、市販されている通常の磁気カップリング装置である。
【００１７】
これらの図に示すように、この変速磁気カップリング装置１００は、一方の回転軸（駆動軸）１１０から他方の回転軸（従動軸）１２０へ回転エネルギーを伝達するものである。たとえば、バイナリー発電システムへ適用すると、駆動軸１１０には膨張機におけるタービン回転軸が接続され、従動軸１２０にはポンプ回転軸等の負荷が接続される。
駆動軸１１０側と従動軸１２０側とでは、非磁性体で構成された隔壁１４０を介して非接触に隔てられて構成されている。バイナリー発電システムへ適用する場合、隔壁１４０が膨張機のケーシングの一部を構成するように設けられる。これにより、膨張機を駆動する作動媒体を外部へもらすことなくタービン回転軸の回転エネルギーを膨張機外部へ伝達することができるようになる。従動軸側の構成として、従動軸１２０と、従動軸１２０と一体に構成された保持部（後述する内挿体１２４）に設けられた内周磁石１２２とがある。駆動軸側の構成として、駆動軸１１０と、駆動軸１１０と一体に構成された保持部（後述する外筒体１１４）に設けられた外周磁石１１２とがある。さらに、駆動軸側の構成として、駆動軸１１０と同期して回転する最外周磁石保持部１３０に設けられた最外周磁石１３２がある。
【００１８】
詳しくは、駆動軸１１０の一端（図１（ａ）の右側）は駆動源（たとえばタービン回転軸）に連結されており、他端（図１（ａ）の左側）は隔壁１４０の近傍にまで伸びていて、この他端側の先端には変速磁気カップリング装置１００の外周磁石１１２の装着された外筒体１１４が設けられている。外筒体１１４は、負荷側を向いて開口する有底円筒状の部材であり、非磁性体から形成されている。外筒体１１４には駆動軸１１０が同軸状に連結されており、またその円筒状に形成された部分の内周面には周方向に外周磁石１１２が設けられている。一方、従動軸１２０は、駆動軸１１０と同軸な方向（例えば水平方向）に沿って配備された軸である。従動軸１２０の一端は駆動源側に向かって伸びており、また他端は負荷（たとえばポンプ回転軸）に連結されていて、この一端には内周磁石１２２を取り付ける内挿体１２４が設けられている。内挿体１２４は、従動軸１２０の一端に設けられた円柱体であり、外筒体１１４と同様に非磁性体から形成されている。内挿体１２４は、外筒体１１４の内側に遊挿可能となっており、内挿体１２４の外周面（外筒体１１４の内側に挿し込まれる部分の外周面）には内周磁石１２２が取り付けられている。これら外筒体１１４と内挿体１２４との間、言い換えれば、外周磁石１１２と内周磁石１２２との間には、隔壁１４０が存在する。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、最外周磁石保持部１３０と一体的に作動するキー（ピン）１３４が駆動軸１１０に差し込まれていることにより、最外周磁石保持部１３０が駆動軸１１０と同期して回転する。すなわち、図１（ｂ）に示す通常の磁気カップリング装置のさらに外周に最外周磁石１３２を配置し、外周磁石１１２の回転に同期させて、最外周磁石１３２を回転させる機構（ここではキー１３４）を設けた。
【００２０】
なお、変速磁気カップリング装置１００においては、内周磁石１２２、外周磁石１１２および最外周磁石１３２は、周方向に隣接する磁極が異極となるように８個ずつ並べられている。磁石の周方向の個数は８個に限定されるものではない。
［モードの説明］
この変速磁気カップリング装置１００においては、図２および図３に示す第１のモード（非減速モード）と図４および図５に示す第２のモード（減速モード）とを実現することができる。これらのモードについて以下に詳しく説明する。
【００２１】
図２および図３に示す第１のモードにおいては、外周磁石１１２における径内側（駆動軸１１０および従動軸１２０の回転中心側）の磁極と、外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、同磁極になる。図３に示すように、たとえば、外周磁石１１２のＮ極の外周側（後ろ側）に、もう１つＮ極が配置されているので、内周磁石１２２と外周磁石１１２との間の磁界の強さは大きく、カップリング力も強くなる。この第１のモードにおいては、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速されることなく回転エネルギーが伝達される。
【００２２】
図４および図５に示す第２のモードにおいては、外周磁石１１２における径内側の磁極と、外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、異磁極になる。図５に示すように、たとえば、外周磁石１１２のＮ極の外周側（後ろ側）に、異磁極のＳ極が配置されているので、内周磁石１２２と外周磁石１１２との間の磁界の強さは小さくなり、カップリング力も弱くなる。この第２のモードにおいては、外周磁石１１２により形成される磁場配置と最外周磁石１３２により形成される磁場配置とは反対になり、磁場を打ち消しあうため、カップリング力は弱くなる。この場合において、外周磁石１１２により形成される磁場が最外周磁石１３２により形成される磁場により全て打ち消されると、カップリング力がなくなる。カップリング力が弱まったり、なくなったりすると、負荷に接続された従動軸１２０は、負荷があるために減速する。これにより、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速されて回転エネルギーが伝達される。
【００２３】
［モードの切り替え］
上述した第１のモードと第２のモードとは、最外周磁石１３２を保持する最外周磁石保持部１３０の駆動軸１１０に対する取付角度を変化させることにより実現することがその一例として挙げられる。本実施形態においては限定しないが、何らかの方法を用いた切替機構を採用して、第１のモードと第２のモードとを繰り返して切り替えることにより、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速して回転エネルギーを伝達することができる。たとえば、図２に示す第１のモードにおける最外周磁石１３２の位相（ここでの位相とは駆動軸１１０に対する最外周磁石１３２の位置を指す）の状態と、図４に示す第２のモードにおける最外周磁石１３２の位相の状態とを、同じ時間ずつ繰り返して保持することにより、１／２減速が可能となる。詳しくは、モードの切替機構とともに、他の実施形態において後述する。
【００２４】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置１００によると、第１のモードのときは、外周磁石１１２の磁場配置と最外周磁石１３２の磁場配置とが同じとなり、外周磁石と同じ方向に磁場が形成されるため、カップリング力は強くなる。一方、第２のモードのときは、外周磁石１１２の磁場配置と最外周磁石１３２の磁場配置とが反対となり、外周磁石とは反対方向に磁場が形成されるため、カップリング力は弱くなるかカップリング力はなくなる（０になる）。この場合には、負荷が接続された従動軸１２０は、負荷があるため減速する。第１のモードに戻ると、カップリング力は復活するため、再び駆動軸１１０に引っ張られて従動軸１２０が回転しようとする。すなわち、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００２５】
軸（駆動軸乃至は従動軸）の回転中心と周方向に互いに隣り合うように並べられた磁極の違う一組の磁石とでなすの角度を磁石単位角度とした場合に、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間として、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が同じ１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度の同じ分）だけ回転する時間とすると、１／２減速されることになる。第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００２６】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００の概略を示している。図６の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
［構成］
図６に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００は、駆動軸１１０に、キー溝１１４を駆動軸１１０に対して角度を付けて斜めに設けた。キー溝１１４の駆動軸１１０に対する角度は、たとえば、始端位置（従動軸１２０側の端部）で図２に示す最外周磁石１３２の配置となり、終端位置（駆動軸１１０側の端部）で図４に示す最外周磁石１３２の配置となるように設定される。最外周磁石保持部１３０と一体に構成されたキー１３４（ここではピン）を、このキー溝１１４で摺動させて、キー溝１１４における駆動軸１１０の長手方向のキー１３４の位置を変更させる。
【００２７】
キー１３４を、このキー溝１１４で摺動させるための駆動力は、限定されるものではない。たとえば、図６に示すように、最外周磁石保持部１３０と一体的に環状に構成された磁石２３２を設けておき、図示しない制御装置で制御される電磁石２３０の磁石２３２に対する吸引作用および反発作用を用いて、磁石２３２を電磁石２３０へ接近させたり電磁石２３０から離隔させたりすることにより、キー１３４をキー溝１１４で摺動させる。
【００２８】
［モード切替動作］
以上のような構造を備えた変速磁気カップリング装置２００のモード切替動作について、図７〜図９を用いて説明する。図７は、第１実施形態において説明した第１のモードに、図８および図９は、第１実施形態において説明した第２のモードに、それぞれ対応している。
【００２９】
図７に示すように、第１のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と同磁極であるので、カップリング力が強くなり、駆動軸１１０に同期して従動軸１２０が回転する。
図８に示すように、第２のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。その結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石の１つ分だけ位相が遅れる（図９）。
【００３０】
図９に示すように、第２のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。その結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石のさらに１つ分だけ位相が遅れる。その際に、第１のモードへ切り替えられて、図７へ戻る。
【００３１】
このように第１のモードと第２のモードとが切り替えられた結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石２個分だけ位相が遅れることになる。これを繰り返すことで、駆動軸の回転に対し、従動軸は１／２の減速で回転することになる。
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００によると、駆動軸１１０に斜めのキー溝１１４を設けてキー１３４を電磁石２３０の作用により摺動させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周磁石１３２の磁極を変化させた。これにより、第１のモードと第２のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００３２】
電磁石２３０の作用を用いて、第１実施形態と同じく、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００３３】
なお、本実施形態においては減速の際にも第１のモードを経由することにより最大トルクを発生させることができる。
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の概略を示している。図１０の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
【００３４】
［構成］
図１０に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００は、最外周磁石を最外周電磁石３３２で構成するともに、駆動軸１１０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する駆動軸側の回転角度検出器３１０を設けた。最外周電磁石３３２は、最外周電磁石保持部３３０により保持されている。また、最外周電磁石３３２と外周磁石１１２とが同期して回転するように、最外周電磁石保持部３３０は駆動軸１１０に接続されている。回転角度検出器３１０は、たとえば、パルスエンコーダ、リゾルバ等の回転角センサである。回転角度検出器３１０により駆動軸１１０の回転角度を検出して、検出された回転角度に基づいて、図示しない制御装置で最外周電磁石３３２へ流す電流の方向を切り替えている。
【００３５】
図１１は上述した図２に対応し、第１のモードであって、最外周電磁石３３２の径内側（回転中心側）がＮ極となるようにコイル電流を流す方向を決定している。外周磁石１１２のさらに外周の最外周電磁石３３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と同磁極となるので、カップリング力が強くなり、駆動軸１１０に同期して従動軸１２０が回転する。
図１２は上述した図４に対応し、第２のモードであって、最外周電磁石３３２の径内側（回転中心側）がＳ極となるようにコイル電流を流す方向を決定している。外周磁石１１２のさらに外周の最外周電磁石３３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。
【００３６】
上述した第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００においては、駆動軸１１０に斜めのキー溝１１４を設けてキー１３４を電磁石２３０の作用により摺動させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周磁石１３２の磁極を機械的に変化させたが、本実施形態においては、最外周磁石１３２の代わりに最外周電磁石３３２を用いて、その最外周電磁石３３２へ流す電流の方向を変化させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周電磁石３３２の磁極を電磁的に変化させる。
【００３７】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００によると、最外周電磁石３３２に流す電流の向きを駆動軸１１０の回転角度に基づいて変化させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周電磁石３３２の磁極を変化させた。これにより、第１のモードと第２のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００３８】
第２実施形態と同じく、最外周電磁石３３２への電流方向を変化させて、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
なお、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００は、減速の際にも第１のモードを経由することにより最大トルクを発生させることができる。
【００３９】
＜第４実施形態＞
図１３は、本発明の第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００の概略を示している。図１３の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
［構成］
図１３に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００は、第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００の構成に、第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の回転角度検出器３１０を加え、さらに、従動軸１２０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する従動軸側の回転角度検出器４１０を設けた。
【００４０】
負荷が接続された従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／２としたい場合には、第２のモードに切り替えた後、回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度が、回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度の１／２（約１／２を含む）となると、第１のモードに切り替える。
。すなわち、駆動軸１１０側の回転角度および負荷が接続された従動軸１２０側の回転角度を検出することで、駆動軸１１０の回転角度と従動軸１２０の回転角度との差がわかるため、第１のモードから第２のモードへ移行するタイミング、第２のモードから第１のモードへ戻すタイミング等が明確にわかる。
【００４１】
従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／３としたい場合には、第２のモードに切り替えた後、回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度が、回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度の１／３（約１／３を含む）となると、第１のモードに切り替える。同様にして、従動軸１２０の回転角度（時間微分した回転数）が駆動軸１１０の１／Ｎ（約１／Ｎを含む）になった際に第１のモードへ戻すため、従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／Ｎへ減速することができる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００４２】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００によると、駆動軸１１０側の回転角度および負荷が接続された従動軸１２０側の回転角度を検出することにより、従動軸１２０の回転角度（時間微分した回転数）が駆動軸１１０の１／２（約１／２を含む）になった際に第１のモードへ戻す。このため、周方向に配置された磁極の違う磁石の１つ分の角度分（１磁石単位角度分だけ）を間引いて回転エネルギーを伝達することになり、１／２減速が可能となる。同様に、１／Ｎ減速が可能となる。
【００４３】
＜第５実施形態＞
図１４は、本発明の第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００の概略を示している。図１４の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
図１４に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００は、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００の構成から、駆動軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出器３１０を割愛した構成を備える。
【００４４】
第４実施形態において、駆動軸１１０の回転角速度が定格等で事前に判明している場合、または、従動軸１２０の回転角度（従動軸１２０の回転角速度から算出）を検出して、従動軸１２０の回転角速度と第２のモードへ戻した時間に基づいて駆動軸１１０の回転角度を算出することができる。このため、事前に判明している駆動軸１１０の回転角度または算出した駆動軸１１０の回転角度と、従動軸１２０の回転角度とを比較することにより、第１のモードへ戻すタイミングを判断する。
【００４５】
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００によると、従動軸１２０の回転角度を検出する回転角度検出器４１０を備えるだけで（駆動軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出器３１０を備えないでも）、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００と同様の効果を発現することができる。
＜第６実施形態＞
図１５は、本発明の第６実施形態に係る変速磁気カップリング装置６００の概略を示している。図１５の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
【００４６】
図１５に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置６００は、第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の構成に、従動軸１２０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する回転角度検出器４１０を加えた構成を備える。さらに、駆動軸１１０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する回転角度検出器３１０を加えた構成としても構わない。
【００４７】
回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度（加えて回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度）に基づいて、モード切替のタイミングを決定して、最外周電磁石３３２へ流す電流の向きを変化させる。これにより、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００または第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００と同様の効果を発現することができる。
【００４８】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 変速磁気カップリング装置（第１実施形態）
１１０ 駆動軸（一方の回転軸）
１１２ 外周磁石
１１４ ガイド溝
１２０ 従動軸（他方の回転軸）
１２２ 内周磁石
１３０ 最外周磁石保持部
１３２ 最外周磁石
１４０ 隔壁
２００ 変速磁気カップリング装置（第２実施形態）
２３０ 電磁石
３００ 変速磁気カップリング装置（第３実施形態）
３１０ 回転角度検出器（駆動軸側）
３３０ 最外周電磁石保持部
３３２ 最外周電磁石
４００ 変速磁気カップリング装置（第４実施形態）
４１０ 回転角度検出器（従動軸側）
５００ 変速磁気カップリング装置（第５実施形態）
６００ 変速磁気カップリング装置（第６実施形態）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の回転軸（駆動軸）の回転エネルギーを他方の回転軸（従動軸）へ伝達する磁気カップリングに関し、特に、回転数を変化させて回転エネルギーを非接触で伝達する変速磁気カップリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で回転エネルギーを駆動軸から従動軸へ伝達する機械要素として、磁気カップリング装置が広く知られている。磁気カップリング装置は、機械的なカップリング（継ぎ手）を用いることなく、非接触で駆動軸から従動軸へ回転エネルギーを伝達できるカップリング装置の一種である。
磁気カップリング装置は、ユニバーサルカップリングなどの機械的なものに比べて、機械部品が少なく、また、摩耗部がない等のため、信頼性および寿命の点で優れている。さらに、磁気的な力を利用して非接触で回転エネルギーを伝えられるため、気密シールが困難な装置の内部に回転力を容易に伝達可能である特長が生かされ、非磁性材などからなる隔壁により分離された異なる環境間での回転力伝達に使用されるニーズが多くなっている。
【０００３】
たとえば、再生可能エネルギーとして着目されているバイナリ発電システム（蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源から低沸点の作動媒体の熱サイクルへ熱を移動し、この循環サイクル内で作動媒体を用いた発電）における膨張機（駆動軸）と発電機（従動軸）とを接続する場合にも磁気カップリング装置は好適である。この場合において、回転数を変速して回転エネルギーを伝達できると、好適な場合がある。
【０００４】
特開平８−１９６０７１号公報（特許文献１）は、回転エネルギーを伝達する装置を開示する。特許文献１の図５には、電気式の変速装置の代表的な例として、渦電流継手が開示されている。原動機の回転軸が渦電流継手の一方の回転軸に結合され、渦電流継手の他方の回転軸は負荷の回転軸に結合されている。渦電流継手は、一方の回転軸に、スリップリングを介して供給される直流電流により磁界を発生する電磁コイルを有する第１回転子を備え、他方の回転軸に、発生した磁界に結合し相対回転速度差によって生じる渦電流によってトルクを発生する第２回転子を備えている。そして、直流電流を制御し磁界の強さを制御することでトルクを可変制御し、原動機の回転数とは異なる回転数で負荷を駆動する。
【０００５】
さらに、特許文献１の図１には、別の電気式の変速装置が開示されている。この変速装置は、一方の回転軸に結合され界磁極となる第１回転子と、他方の回転軸に結合され回転磁界を発生して前記第１回転子との間でトルクを発生する第２回転子を備え、前記第２回転子には前記回転磁界を発生する電機子巻線を有し、前記電機子巻線に前記回転磁界を発生させるための交流電力を供給する回転トランスを前記他方の回転軸に備え、相互の回転軸間でトルクを伝達することを特徴とする。この変速装置においては、前記回転トランスにより前記第２回転子の電機子巻線に交流電力を供給すると前記第２回転子に回転磁界が発生し、前記第１回転子の界磁極と電磁結合し、前記第１回転子と前記第２回転子との間でトルクを発生し、相互の回転軸間でトルクを伝達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１９６０７１号公報（図１、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の図５の渦電流継手では、回転数を変えると最大トルクを発生させることができないという問題がある。
さらに、上述した特許文献１の図１の変速装置では、一方の回転軸にて、回転エネルギーを一旦磁気エネルギーへ変換して（磁気カップリング）、その磁気エネルギーを電気エネルギーへ変換し、電気エネルギーを伝達し、電気エネルギーを磁気エネルギーへ変換し、他方の軸にて磁気エネルギーを回転エネルギーへ変換している。これでは、一旦電気エネルギーに変換されるために変換ロスが大きいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、非接触で回転エネルギーを伝達する磁気カップリング装置であって、回転数を変化させて、かつ、効率的に、回転エネルギーを伝達することが可能な変速磁気カップリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の変速磁気カップリング装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の変速磁気カップリング装置は、一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている。前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられている。この変速磁気カップリング装置は、前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、が備えられていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記最外周磁石は永久磁石であって、前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと、前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記軸の回転中心と前記周方向に互いに隣り合うように配置された磁極の違う一組の磁石とでなす角度分、前記最外周磁石と前記外周磁石とが相対移動可能に構成されていると良い。ここで、前記相対移動においては、交互に切り替えるための駆動力を電磁石の吸引作用および反発作用を切り替えることで得るように構成されていると良い。
【００１１】
さらに好ましくは、前記最外周磁石は、周方向に並べられた電磁石であって、前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記最外周磁石の互いに隣り合う電磁石へ流す電流の向きを異ならせるとともに、それぞれの電流の向きを繰り返し変化可能に構成されていると良い。
さらに好ましくは、前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードの時間をＭ（Ｍ＝１、３、５等の奇数の自然数）磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第１のモードの時間をＭ磁石単位角度分の１／（Ｎ−１）だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第１のモードと前記第２のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていると良い。
【００１２】
さらに好ましくは、前記他方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えると良い。
さらに好ましくは、前記他方の軸の回転角度を検出する検出器に加えて前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えると良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変速磁気カップリング装置を用いることにより、非接触で回転エネルギーを伝達する磁気カップリング装置を用いて、回転数を変化させて、かつ、効率的に、回転エネルギーを伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図２】第１実施形態における第１のモードの状態を説明する図である。
【図３】図２における磁極間の磁力線を示す図である。
【図４】第１実施形態における第２のモードの状態を説明する図である。
【図５】図４における磁極間の磁力線を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図７】第２実施形態における第１のモードにおける作動状態を説明する図である。
【図８】第２実施形態における第２のモードにおける作動状態を説明する図（その１）である。
【図９】第２実施形態における第１のモードにおける作動状態を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１１】第３実施形態における第１のモードの状態を説明する図である。
【図１２】第３実施形態における第２のモードの状態を説明する図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【図１５】本発明の第６実施形態に係る変速磁気カップリング装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る変速磁気カップリング装置を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、異なる実施の形態であっても同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。また、以下においては、この変速磁気カップリング装置の適用を限定しないで記載するが、たとえば、バイナリーサイクルを利用した発電システムや動力発生システムにおける膨張機と回転機（発電機、圧縮機、ブロア、ポンプ等）との間に設けると、変速機構（減速器）を別途設ける必要がないので好適である。しかしながら、上述したように、本発明に係る変速磁気カップリング装置の適用は限定されるものではない。
【００１６】
＜第１実施形態＞
［構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る変速磁気カップリング装置１００の概略を示している。図１（ａ）に示すように、この変速磁気カップリング装置１００は、図１（ｂ）に示す円筒型の磁気カップリング装置に最外周磁石を配置したものである。図１（ｂ）に示す円筒型の磁気カップリング装置は、市販されている通常の磁気カップリング装置である。
【００１７】
これらの図に示すように、この変速磁気カップリング装置１００は、一方の回転軸（駆動軸）１１０から他方の回転軸（従動軸）１２０へ回転エネルギーを伝達するものである。たとえば、バイナリー発電システムへ適用すると、駆動軸１１０には膨張機におけるタービン回転軸が接続され、従動軸１２０にはポンプ回転軸等の負荷が接続される。
駆動軸１１０側と従動軸１２０側とでは、非磁性体で構成された隔壁１４０を介して非接触に隔てられて構成されている。バイナリー発電システムへ適用する場合、隔壁１４０が膨張機のケーシングの一部を構成するように設けられる。これにより、膨張機を駆動する作動媒体を外部へもらすことなくタービン回転軸の回転エネルギーを膨張機外部へ伝達することができるようになる。従動軸側の構成として、従動軸１２０と、従動軸１２０と一体に構成された保持部（後述する内挿体１２４）に設けられた内周磁石１２２とがある。駆動軸側の構成として、駆動軸１１０と、駆動軸１１０と一体に構成された保持部（後述する外筒体１１４）に設けられた外周磁石１１２とがある。さらに、駆動軸側の構成として、駆動軸１１０と同期して回転する最外周磁石保持部１３０に設けられた最外周磁石１３２がある。
【００１８】
詳しくは、駆動軸１１０の一端（図１（ａ）の右側）は駆動源（たとえばタービン回転軸）に連結されており、他端（図１（ａ）の左側）は隔壁１４０の近傍にまで伸びていて、この他端側の先端には変速磁気カップリング装置１００の外周磁石１１２の装着された外筒体１１４が設けられている。外筒体１１４は、負荷側を向いて開口する有底円筒状の部材であり、非磁性体から形成されている。外筒体１１４には駆動軸１１０が同軸状に連結されており、またその円筒状に形成された部分の内周面には周方向に外周磁石１１２が設けられている。一方、従動軸１２０は、駆動軸１１０と同軸な方向（例えば水平方向）に沿って配備された軸である。従動軸１２０の一端は駆動源側に向かって伸びており、また他端は負荷（たとえばポンプ回転軸）に連結されていて、この一端には内周磁石１２２を取り付ける内挿体１２４が設けられている。内挿体１２４は、従動軸１２０の一端に設けられた円柱体であり、外筒体１１４と同様に非磁性体から形成されている。内挿体１２４は、外筒体１１４の内側に遊挿可能となっており、内挿体１２４の外周面（外筒体１１４の内側に挿し込まれる部分の外周面）には内周磁石１２２が取り付けられている。これら外筒体１１４と内挿体１２４との間、言い換えれば、外周磁石１１２と内周磁石１２２との間には、隔壁１４０が存在する。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、最外周磁石保持部１３０と一体的に作動するキー（ピン）１３４が駆動軸１１０に差し込まれていることにより、最外周磁石保持部１３０が駆動軸１１０と同期して回転する。すなわち、図１（ｂ）に示す通常の磁気カップリング装置のさらに外周に最外周磁石１３２を配置し、外周磁石１１２の回転に同期させて、最外周磁石１３２を回転させる機構（ここではキー１３４）を設けた。
【００２０】
なお、変速磁気カップリング装置１００においては、内周磁石１２２、外周磁石１１２および最外周磁石１３２は、周方向に隣接する磁極が異極となるように８個ずつ並べられている。磁石の周方向の個数は８個に限定されるものではない。
［モードの説明］
この変速磁気カップリング装置１００においては、図２および図３に示す第１のモード（非減速モード）と図４および図５に示す第２のモード（減速モード）とを実現することができる。これらのモードについて以下に詳しく説明する。
【００２１】
図２および図３に示す第１のモードにおいては、外周磁石１１２における径内側（駆動軸１１０および従動軸１２０の回転中心側）の磁極と、外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、同磁極になる。図３に示すように、たとえば、外周磁石１１２のＮ極の外周側（後ろ側）に、もう１つＮ極が配置されているので、内周磁石１２２と外周磁石１１２との間の磁界の強さは大きく、カップリング力も強くなる。この第１のモードにおいては、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速されることなく回転エネルギーが伝達される。
【００２２】
図４および図５に示す第２のモードにおいては、外周磁石１１２における径内側の磁極と、外周磁石１１２に対面する最外周磁石１３２の径内側の磁極とが、異磁極になる。図５に示すように、たとえば、外周磁石１１２のＮ極の外周側（後ろ側）に、異磁極のＳ極が配置されているので、内周磁石１２２と外周磁石１１２との間の磁界の強さは小さくなり、カップリング力も弱くなる。この第２のモードにおいては、外周磁石１１２により形成される磁場配置と最外周磁石１３２により形成される磁場配置とは反対になり、磁場を打ち消しあうため、カップリング力は弱くなる。この場合において、外周磁石１１２により形成される磁場が最外周磁石１３２により形成される磁場により全て打ち消されると、カップリング力がなくなる。カップリング力が弱まったり、なくなったりすると、負荷に接続された従動軸１２０は、負荷があるために減速する。これにより、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速されて回転エネルギーが伝達される。
【００２３】
［モードの切り替え］
上述した第１のモードと第２のモードとは、最外周磁石１３２を保持する最外周磁石保持部１３０の駆動軸１１０に対する取付角度を変化させることにより実現することがその一例として挙げられる。本実施形態においては限定しないが、何らかの方法を用いた切替機構を採用して、第１のモードと第２のモードとを繰り返して切り替えることにより、駆動軸１１０から従動軸１２０へ減速して回転エネルギーを伝達することができる。たとえば、図２に示す第１のモードにおける最外周磁石１３２の位相（ここでの位相とは駆動軸１１０に対する最外周磁石１３２の位置を指す）の状態と、図４に示す第２のモードにおける最外周磁石１３２の位相の状態とを、同じ時間ずつ繰り返して保持することにより、１／２減速が可能となる。詳しくは、モードの切替機構とともに、他の実施形態において後述する。
【００２４】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置１００によると、第１のモードのときは、外周磁石１１２の磁場配置と最外周磁石１３２の磁場配置とが同じとなり、外周磁石と同じ方向に磁場が形成されるため、カップリング力は強くなる。一方、第２のモードのときは、外周磁石１１２の磁場配置と最外周磁石１３２の磁場配置とが反対となり、外周磁石とは反対方向に磁場が形成されるため、カップリング力は弱くなるかカップリング力はなくなる（０になる）。この場合には、負荷が接続された従動軸１２０は、負荷があるため減速する。第１のモードに戻ると、カップリング力は復活するため、再び駆動軸１１０に引っ張られて従動軸１２０が回転しようとする。すなわち、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００２５】
軸（駆動軸乃至は従動軸）の回転中心と周方向に互いに隣り合うように並べられた磁極の違う一組の磁石とでなすの角度を磁石単位角度とした場合に、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間として、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が同じ１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度の同じ分）だけ回転する時間とすると、１／２減速されることになる。第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００２６】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００の概略を示している。図６の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
［構成］
図６に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００は、駆動軸１１０に、キー溝１１４を駆動軸１１０に対して角度を付けて斜めに設けた。キー溝１１４の駆動軸１１０に対する角度は、たとえば、始端位置（従動軸１２０側の端部）で図２に示す最外周磁石１３２の配置となり、終端位置（駆動軸１１０側の端部）で図４に示す最外周磁石１３２の配置となるように設定される。最外周磁石保持部１３０と一体に構成されたキー１３４（ここではピン）を、このキー溝１１４で摺動させて、キー溝１１４における駆動軸１１０の長手方向のキー１３４の位置を変更させる。
【００２７】
キー１３４を、このキー溝１１４で摺動させるための駆動力は、限定されるものではない。たとえば、図６に示すように、最外周磁石保持部１３０と一体的に環状に構成された磁石２３２を設けておき、図示しない制御装置で制御される電磁石２３０の磁石２３２に対する吸引作用および反発作用を用いて、磁石２３２を電磁石２３０へ接近させたり電磁石２３０から離隔させたりすることにより、キー１３４をキー溝１１４で摺動させる。
【００２８】
［モード切替動作］
以上のような構造を備えた変速磁気カップリング装置２００のモード切替動作について、図７〜図９を用いて説明する。図７は、第１実施形態において説明した第１のモードに、図８および図９は、第１実施形態において説明した第２のモードに、それぞれ対応している。
【００２９】
図７に示すように、第１のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と同磁極であるので、カップリング力が強くなり、駆動軸１１０に同期して従動軸１２０が回転する。
図８に示すように、第２のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。その結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石の１つ分だけ位相が遅れる（図９）。
【００３０】
図９に示すように、第２のモードにおいては、外周磁石１１２のさらに外周の最外周磁石１３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。その結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石のさらに１つ分だけ位相が遅れる。その際に、第１のモードへ切り替えられて、図７へ戻る。
【００３１】
このように第１のモードと第２のモードとが切り替えられた結果、駆動軸１１０に対して、従動軸１２０が周方向に並べられた磁極の違う磁石２個分だけ位相が遅れることになる。これを繰り返すことで、駆動軸の回転に対し、従動軸は１／２の減速で回転することになる。
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００によると、駆動軸１１０に斜めのキー溝１１４を設けてキー１３４を電磁石２３０の作用により摺動させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周磁石１３２の磁極を変化させた。これにより、第１のモードと第２のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００３２】
電磁石２３０の作用を用いて、第１実施形態と同じく、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００３３】
なお、本実施形態においては減速の際にも第１のモードを経由することにより最大トルクを発生させることができる。
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の概略を示している。図１０の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
【００３４】
［構成］
図１０に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００は、最外周磁石を最外周電磁石３３２で構成するともに、駆動軸１１０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する駆動軸側の回転角度検出器３１０を設けた。最外周電磁石３３２は、最外周電磁石保持部３３０により保持されている。また、最外周電磁石３３２と外周磁石１１２とが同期して回転するように、最外周電磁石保持部３３０は駆動軸１１０に接続されている。回転角度検出器３１０は、たとえば、パルスエンコーダ、リゾルバ等の回転角センサである。回転角度検出器３１０により駆動軸１１０の回転角度を検出して、検出された回転角度に基づいて、図示しない制御装置で最外周電磁石３３２へ流す電流の方向を切り替えている。
【００３５】
図１１は上述した図２に対応し、第１のモードであって、最外周電磁石３３２の径内側（回転中心側）がＮ極となるようにコイル電流を流す方向を決定している。外周磁石１１２のさらに外周の最外周電磁石３３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と同磁極となるので、カップリング力が強くなり、駆動軸１１０に同期して従動軸１２０が回転する。
図１２は上述した図４に対応し、第２のモードであって、最外周電磁石３３２の径内側（回転中心側）がＳ極となるようにコイル電流を流す方向を決定している。外周磁石１１２のさらに外周の最外周電磁石３３２の磁極が外周磁石１１２の磁極と異磁極であるので、カップリング力が弱くなり（なくなり）、駆動軸１１０が回転しても従動軸１２０を回転させる力は作用しない。
【００３６】
上述した第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００においては、駆動軸１１０に斜めのキー溝１１４を設けてキー１３４を電磁石２３０の作用により摺動させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周磁石１３２の磁極を機械的に変化させたが、本実施形態においては、最外周磁石１３２の代わりに最外周電磁石３３２を用いて、その最外周電磁石３３２へ流す電流の方向を変化させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周電磁石３３２の磁極を電磁的に変化させる。
【００３７】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００によると、最外周電磁石３３２に流す電流の向きを駆動軸１１０の回転角度に基づいて変化させることにより、外周磁石１１２が対面する最外周電磁石３３２の磁極を変化させた。これにより、第１のモードと第２のモードとを、切り替えるようにしたので、負荷が接続された従動軸１２０は、第１のモードの間のみ回転しようとし、第２のモードの間は回転エネルギーが伝達されないので減速する。
【００３８】
第２実施形態と同じく、最外周電磁石３３２への電流方向を変化させて、第２のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）だけ回転する時間としておいて、第１のモードを保持する時間を駆動軸１１０が１磁石単位角度分（または３、５、７、・・・磁石単位角度分）の１／（Ｎ−１）だけ回転する時間とすると、従動軸１２０は１／Ｎに減速されることになる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
なお、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００は、減速の際にも第１のモードを経由することにより最大トルクを発生させることができる。
【００３９】
＜第４実施形態＞
図１３は、本発明の第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００の概略を示している。図１３の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
［構成］
図１３に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００は、第２実施形態に係る変速磁気カップリング装置２００の構成に、第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の回転角度検出器３１０を加え、さらに、従動軸１２０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する従動軸側の回転角度検出器４１０を設けた。
【００４０】
負荷が接続された従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／２としたい場合には、第２のモードに切り替えた後、回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度が、回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度の１／２（約１／２を含む）となると、第１のモードに切り替える。
。すなわち、駆動軸１１０側の回転角度および負荷が接続された従動軸１２０側の回転角度を検出することで、駆動軸１１０の回転角度と従動軸１２０の回転角度との差がわかるため、第１のモードから第２のモードへ移行するタイミング、第２のモードから第１のモードへ戻すタイミング等が明確にわかる。
【００４１】
従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／３としたい場合には、第２のモードに切り替えた後、回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度が、回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度の１／３（約１／３を含む）となると、第１のモードに切り替える。同様にして、従動軸１２０の回転角度（時間微分した回転数）が駆動軸１１０の１／Ｎ（約１／Ｎを含む）になった際に第１のモードへ戻すため、従動軸１２０の回転数を駆動軸１１０の１／Ｎへ減速することができる。ここで、Ｎは１以上の数（小数でも可）である。
【００４２】
［効果］
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００によると、駆動軸１１０側の回転角度および負荷が接続された従動軸１２０側の回転角度を検出することにより、従動軸１２０の回転角度（時間微分した回転数）が駆動軸１１０の１／２（約１／２を含む）になった際に第１のモードへ戻す。このため、周方向に配置された磁極の違う磁石の１つ分の角度分（１磁石単位角度分だけ）を間引いて回転エネルギーを伝達することになり、１／２減速が可能となる。同様に、１／Ｎ減速が可能となる。
【００４３】
＜第５実施形態＞
図１４は、本発明の第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００の概略を示している。図１４の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
図１４に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００は、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００の構成から、駆動軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出器３１０を割愛した構成を備える。
【００４４】
第４実施形態において、駆動軸１１０の回転角速度が定格等で事前に判明している場合、または、従動軸１２０の回転角度（従動軸１２０の回転角速度から算出）を検出して、従動軸１２０の回転角速度と第２のモードへ戻した時間に基づいて駆動軸１１０の回転角度を算出することができる。このため、事前に判明している駆動軸１１０の回転角度または算出した駆動軸１１０の回転角度と、従動軸１２０の回転角度とを比較することにより、第１のモードへ戻すタイミングを判断する。
【００４５】
以上のようにして、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００によると、従動軸１２０の回転角度を検出する回転角度検出器４１０を備えるだけで（駆動軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出器３１０を備えないでも）、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００と同様の効果を発現することができる。
＜第６実施形態＞
図１５は、本発明の第６実施形態に係る変速磁気カップリング装置６００の概略を示している。図１５の中で、上述の説明と重複する部分についてはここでは繰り返さない。
【００４６】
図１５に示すように、本実施形態に係る変速磁気カップリング装置６００は、第３実施形態に係る変速磁気カップリング装置３００の構成に、従動軸１２０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する回転角度検出器４１０を加えた構成を備える。さらに、駆動軸１１０の回転角度を検出（回転角速度から算出）する回転角度検出器３１０を加えた構成としても構わない。
【００４７】
回転角度検出器４１０により検出された従動軸１２０の回転角度（加えて回転角度検出器３１０により検出された駆動軸１１０の回転角度）に基づいて、モード切替のタイミングを決定して、最外周電磁石３３２へ流す電流の向きを変化させる。これにより、第４実施形態に係る変速磁気カップリング装置４００または第５実施形態に係る変速磁気カップリング装置５００と同様の効果を発現することができる。
【００４８】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 変速磁気カップリング装置（第１実施形態）
１１０ 駆動軸（一方の回転軸）
１１２ 外周磁石
１１４ ガイド溝
１２０ 従動軸（他方の回転軸）
１２２ 内周磁石
１３０ 最外周磁石保持部
１３２ 最外周磁石
１４０ 隔壁
２００ 変速磁気カップリング装置（第２実施形態）
２３０ 電磁石
３００ 変速磁気カップリング装置（第３実施形態）
３１０ 回転角度検出器（駆動軸側）
３３０ 最外周電磁石保持部
３３２ 最外周電磁石
４００ 変速磁気カップリング装置（第４実施形態）
４１０ 回転角度検出器（従動軸側）
５００ 変速磁気カップリング装置（第５実施形態）
６００ 変速磁気カップリング装置（第６実施形態）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている変速磁気カップリング装置であって、
前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられ、
前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、
前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、
が備えられていることを特徴とする、変速磁気カップリング装置。
【請求項２】
前記最外周磁石は永久磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと、前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記軸の回転中心と前記周方向に互いに隣り合うように配置された磁極の違う一組の磁石とでなす角度分、前記最外周磁石と前記外周磁石とが相対移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項３】
前記相対移動においては、交互に切り替えるための駆動力を電磁石の吸引作用および反発作用を切り替えることで得るように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項４】
前記最外周磁石は、周方向に並べられた電磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記最外周磁石の互いに隣り合う電磁石へ流す電流の向きを異ならせるとともに、それぞれの電流の向きを繰り返し変化可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項５】
前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードの時間をＭ（Ｍ＝１、３、５等の奇数の自然数）磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第１のモードの時間をＭ磁石単位角度分の１／（Ｎ−１）だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第１のモードと前記第２のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていることを特徴とする、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項６】
前記他方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えることを特徴とする、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項７】
前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えることを特徴とする、請求項６に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項１】
一方の軸から他方の軸へと動力を伝達すべく、一方の軸に設けられた複数の外周磁石と他方の軸に設けられた複数の内周磁石を備え、且つ前記外周磁石に対面するように内周磁石が配備されている変速磁気カップリング装置であって、
前記複数の外周磁石および前記複数の内周磁石は、周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられ、
前記外周磁石のさらに外周に設けられ、前記外周磁石に対面し且つ周方向に隣接する磁極が異極となるように並べられた複数の最外周磁石と、
前記外周磁石における径内側の磁極と当該外周磁石に対面する最外周磁石の径内側の磁極とを、同磁極又は異磁極に交互に切り替え可能とする切替機構と、
が備えられていることを特徴とする、変速磁気カップリング装置。
【請求項２】
前記最外周磁石は永久磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと、前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記軸の回転中心と前記周方向に互いに隣り合うように配置された磁極の違う一組の磁石とでなす角度分、前記最外周磁石と前記外周磁石とが相対移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項３】
前記相対移動においては、交互に切り替えるための駆動力を電磁石の吸引作用および反発作用を切り替えることで得るように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項４】
前記最外周磁石は、周方向に並べられた電磁石であって、
前記切替機構は、前記同磁極の配置となる第１のモードと前記異磁極の配置となる第２のモードとを切り替えるために、前記最外周磁石の互いに隣り合う電磁石へ流す電流の向きを異ならせるとともに、それぞれの電流の向きを繰り返し変化可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項５】
前記軸の回転中心と周方向に互いに隣り合う磁極の違う一組の磁石とでなす角度を磁石単位角度として、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードの時間をＭ（Ｍ＝１、３、５等の奇数の自然数）磁石単位角度分だけ前記一方の軸が回転する時間とし、前記第１のモードの時間をＭ磁石単位角度分の１／（Ｎ−１）だけ前記一方の軸が回転する時間として、前記第１のモードと前記第２のモードとの切替動作を連続して行うように構成されていることを特徴とする、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項６】
前記他方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えることを特徴とする、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の変速磁気カップリング装置。
【請求項７】
前記一方の軸の回転角度を検出する検出器をさらに備え、
前記切替機構は、前記他方の軸の回転数を前記一方の軸の１／Ｎ（Ｎ＞１）としたい場合には、前記第２のモードに切り替えた後、検出された前記他方の軸の回転角度が、検出された前記一方の軸の回転角度の１／Ｎとなると、前記第１のモードに切り替えることを特徴とする、請求項６に記載の変速磁気カップリング装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−４４３６１（Ｐ２０１３−４４３６１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１５８７（Ｐ２０１１−１８１５８７）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
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