磁気歯車装置
【課題】トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる磁気歯車装置を提供する。
【解決手段】入力回転軸１の軸線周りに設けた鉄心２５の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石２４を周方向に並べて配置した入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲んで設けられ、入力側磁気歯車２の磁力発生面に対向する鉄心３３の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材４と、入力側磁気歯車２の複数の磁石２４の軸心側に同軸状に設けられた非磁性体構造部２２と、出力側磁気歯車３の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた非磁性体構造部３１とを備える。
【解決手段】入力回転軸１の軸線周りに設けた鉄心２５の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石２４を周方向に並べて配置した入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲んで設けられ、入力側磁気歯車２の磁力発生面に対向する鉄心３３の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材４と、入力側磁気歯車２の複数の磁石２４の軸心側に同軸状に設けられた非磁性体構造部２２と、出力側磁気歯車３の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた非磁性体構造部３１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石の磁気吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
減速装置としては、高効率での伝動が比較的容易に可能な歯車装置が広く一般に用いられているが、その他に磁石の磁気的吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置がある。
【０００３】
磁気歯車装置の従来技術として、例えば、同心状に配置した内輪磁気歯車と外輪磁気歯車の間に磁気を透過する複数の磁性バーを環状に配置し、内輪磁気歯車に入力したトルクを外輪磁気歯車に伝達するものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，３７８，７１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術のような構造の磁気歯車装置において、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置の回転が高速である場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してエネルギーの損失（渦電流損）が生じ、効率が著しく低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる磁気歯車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】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部とを備えたものとする。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１磁気歯車および前記第２磁気歯車の複数の磁石は、それぞれ、周方向に同極を対向するよう配置したものとする。
【０００９】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記第１非磁性体構造部の外周であって周方向に並べて配置された前記複数の磁石の間の位置に、径方向外側に向かって突出して設けられた嵌合突起部と、前記第１非磁性体構造部の外周に前記複数の磁石を径方向外側から覆うように配置されて前記第１磁気歯車を形成し、前記嵌合突起部と嵌合して第１非磁性体構造部に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部を有する鉄心とを備えたものとする。
【００１０】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第１磁気歯車に設けられた複数の磁石の周方向の幅は、径方向外側に行くに従って狭くなるよう形成されたものとする。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記磁気経路部材は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したものとする。
【００１２】
（６）また、上記（１）において、好ましくは、前記磁石は、互いに絶縁して軸方向に積層した磁石により形成したものとする。
【００１３】
（７）さらに、上記（１）において、好ましくは、前記鉄心は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したものとする。
【００１４】
（８）また、上記（１）において、好ましくは、前記磁気経路部材は、非金属材料からなり軸方向に延在する複数の穴が形成された磁気経路部材ホルダーにより保持され、該磁気経路部材ホルダーの穴に軸方向に積層した電磁鋼板を設けたものとする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の回転軸に垂直な面における断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の回転軸を含む面における断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の磁石配置を模式的に示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置を備えたガスタービン発電機の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
図４は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１００を備えたガスタービン発電機の構成図である。
【００１９】
図４において、ガスタービン発電機は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３と、圧縮機９０に接続され、タービン９２により回転駆動される入力回転軸１と、入力回転軸１及び出力回転軸５に接続され、入力回転軸１の回転数を変換して出力回転軸５に出力する磁気歯車装置１００と、出力回転軸５に接続され、出力回転軸５の回転数に応じて発電を行う発電機９４とを備えている。入力回転軸１、出力回転軸５、及びその他の回転軸は同軸上に配置され、複数の軸受９５及びスラスト軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置１００の回転軸に垂直な面における断面図であり、図２は回転軸を含む面における断面図である。
【００２１】
図１及び図２において、磁気歯車装置１００は、略円柱状の入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲むように配置された略円筒状の出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間に配置された複数の磁気経路部材４とを有している。
【００２２】
入力側磁気歯車２は、略円柱形状を有しており、その一端において入力回転軸１と同軸上に接続されている。また、出力側磁気歯車３は、出力回転軸５側（入力回転軸１と反対側）の一端を閉じた略円筒形状を有しており、その閉じた端部において出力回転軸５と同軸上に接続されている。入力回転軸１と出力回転軸５は同軸上に配置されており、したがって、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３は同軸状に形成されている。
【００２３】
入力側磁気歯車２は、入力回転軸１の軸線上に沿うように設けられた軸中心部２１と、軸中心部２１に同軸状に接続された非磁性体構造部２２と、非磁性体構造部２２の外周に周方向に並べて配置された複数の磁石２４と、非磁性体構造部２２から複数の磁石２４の間の位置において径方向外側に突出して設けられた嵌合突起部２３と、非磁性体構造部２２及び複数の磁石２４の外周を覆うように配置され、嵌合突起部２３と嵌合して非磁性体構造部２２に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部２６を有する鉄心２５とから構成されている。
【００２４】
非磁性体構造部２２を形成する非磁性体としては、例えば、非磁性金属であるオーステナイトステンレス、ニッケル合金、チタン合金や、非金属材料であるＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）などがある。
【００２５】
嵌合突起部２３は、非磁性体構造部２２と同じ材料により一体的に形成されており、その周方向の幅が径方向外側にいくに従って狭くなるよう形成されている。嵌合突起部２３の非磁性体構造部２２からの立ち上がり面は、谷部と山部とを交互に形成した波形状を有しており、同様の波形状を有する鉄心２５の嵌合凹部２６と嵌合するよう形成されている。
【００２６】
磁石２４は、非磁性体構造部２２に沿って軸方向に延在するよう設けられており、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。また、磁石２４は、径方向外側にいくに従って狭くなるように形成されている。このように形成した複数の磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２７】
図３は、本実施の形態における磁石配置を模式的に示す図である。なお、図３において、嵌合突起部２３の波形状などの細部は図示を省略している。
図３に示すように、複数の磁石２４は、それぞれ、周方向にＮ極２４ａおよびＳ極２４ｂを向けて配置されている。隣り合う磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２８】
鉄心２５は、非磁性体構造部２２及び複数の磁石２４の外周を覆うように、すなわち、径方向内側を非磁性体構造部２２に当接した磁石２４に、径方向外側および周方向両側から当接するよう形成されている。また、鉄心２５は、非磁性体構造部２２の嵌合突起部２３に対応する位置に、その嵌合突起部２３と嵌合可能な嵌合凹部２６を有している。
【００２９】
また、鉄心２５は、互いに絶縁した薄板状の部材を軸方向に積層することによって形成されており、さらに、薄板状の各部材は、複数の磁石２４の径方向外側部分で周方向に分割されている。そして、鉄心２５は、分割された各部材を、嵌合突起部２３に嵌合凹部２６が嵌合するよう軸方向から挿入して積層することにより形成されている。これにより、鉄心２５は、非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定される。
【００３０】
ここで、前述のように、磁石２４は、径方向外側にいくに従って狭くなるように形成されており、鉄心２５は、その磁石２４に径方向外側および周方向両側から当接するよう形成されている。そして、鉄心２５は、嵌合突起部２３と嵌合凹部２６の嵌合により非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定される。つまり、磁石２４は径方向へ働く力（例えば、入力側磁気歯車２の回転により生じる遠心力）に対して鉄心２５により径方向外側の当接部で保持されるとともに、周方向両側の当接部によっても保持される。
【００３１】
このように構成された入力側磁気歯車２において、隣り合う磁石２４の磁力線は、同極である相手側の磁石２４および非磁性体構造部２２側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向外側に作用する。したがって、入力側磁気歯車２においては、その外周面（径方向外側の面）が磁力発生面といえる。
【００３２】
出力側磁気歯車３は、略円筒状に形成され入力側磁気歯車２と同軸状に配置された非磁性体構造部３１と、非磁性体構造部３１の内周に周方向に並べて配置された複数の磁石３２と、磁石３２を径方向内側および周方向両側から当接して覆うように配置された鉄心３３とから構成されている。
【００３３】
非磁性体構造部３１を形成する非磁性体としては、入力側時期歯車２の非磁性体構造部２１と同様に、例えば、非磁性金属であるオーステナイト、ステンレス、ニッケル合金チタン合金や、非金属材料であるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などがある。
【００３４】
磁石３２は、非磁性体構造部３１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。また、複数の磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。すなわち、図３に示すように、複数の磁石３２は、それぞれ、周方向にＮ極３２ａおよびＳ極３２ｂを向けて配置されており、隣り合う磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されており、非磁性体構造部突起３４と嵌め合う構造となっており、磁石３２で発生した周方向力を非磁性体構造部３１に伝える構造となっている。
【００３５】
鉄心３３は、互いに絶縁した薄板状の部材を軸方向に積層することによって形成されている。また、鉄心３３と非磁性体構造部突起３４は、嵌め合う構造となっており、磁石３２で発生した周方向力を非磁性体構造部３１に伝える構造となっている。
【００３６】
このように構成された出力側磁気歯車３において、隣り合う磁石３２の磁力線は、同極である相手側の磁石３２および非磁性体構造部３１側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向内側に作用する。したがって、出力側磁気歯車３においては、その内周面（径方向内側の面）が磁力発生面といえる。
【００３７】
磁気経路部材４は、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に同軸状に形成された樹脂製（例えば、非金属材料であるＦＲＰ）の磁気経路部材ホルダー４１により保持されることにより、周方向に複数並べて配置されている。
【００３８】
磁気経路部材ホルダー４１には、軸方向に延在する穴が周方向に等間隔に複数設けられており、この穴に、互いに絶縁した薄板状の電磁鋼製部材を軸方向に積層することにより、磁気経路部材４が軸方向に延在するよう形成されている。磁気経路ホルダー４１は、入力回転軸１側の一端にボルト４２で接続された保持部４３を介して磁気歯車装置１００の基部等に固設されており、これにより、磁気経路部材４１が固設されている。
【００３９】
以上のように構成した本実施の形態の磁気歯車装置１００において、入力側磁気歯車２、磁気経路部材ホルダー４１を含む磁気経路部材４、及び、出力側磁気歯車３は、互いに径方向に十分な間隙が設けられて配置されており、回転駆動によって接触しないように構成されている。また、出力回転軸５側の端部において、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３、及び、出力側磁気歯車３と磁気経路部材ホルダー４１は、ボールベアリング２ａ，３ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されており、各部材間の中心軸のずれが抑制されている。
【００４０】
磁気歯車装置１００の入力回転軸１（入力側磁気歯車２）の回転数と出力回転軸５（出力側磁気歯車３）の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁力発生面における磁極の極対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面における極対数の比により決まる。言い換えると、入力回転軸１の回転数と出力回転軸５の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁石２４の極対数と出力側磁気歯車３の磁石３２の極対数の比で決まるということである。
【００４１】
つまり、入力回転軸１の回転数（入力回転数）をＮｉｎ、入力側磁気歯車２に設けられた磁石２４の極対数をＸｉｎ、出力回転軸５の回転数（出力回転数）をＮｏｕｔ、出力側磁気歯車３に設けられた磁石３２の極対数をＸｏｕｔとすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの関係は以下の式で表される。なお、極性対とは、隣り合って配置されたＮ極とＳ極の組のことであり、極性対数（極対数）とは、Ｎ極とＳ極の組数のことである。
【００４２】
Ｎｉｎ：Ｎｏｕｔ＝Ｘｏｕｔ：Ｘｉｎ ・・・（１）
例えば、本実施の形態に示したように、磁石２４の極対数を７（図１参照）、磁石３２の極対数を１７（図１参照）とすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転軸Ｎｏｕｔの比は、１７：７となる。
【００４３】
入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは、磁石２４，３２の体積が増えるに従って増加する。その際、鉄心２５，３３、磁気経路部材４は、磁気飽和を起こさない寸法である必要がある。
【００４４】
磁気経路部材４の員数を入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数の和となるように構成した場合に、入力回転軸１から出力回転軸５への伝達可能トルクは最大となる。この知見は、フーリエ解析等を用いたシミュレーションにより得られる。例えば、本実施の形態のように、入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数を７、出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数を１７とした場合において、磁気経路部材４の員数を２４とすると入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは最大となる。
【００４５】
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
【００４６】
圧縮機９０及びタービン９２を起動し、入力回転軸１を回転駆動すると磁気歯車装置１００の入力側磁気歯車２が回転駆動される。入力側磁気歯車２の磁力発生面と出力側磁気歯車３の磁力発生面は、磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合っている。具体的には、入力側磁気歯車２が磁気経路部材４に相対して回転すると、各磁気経路部材４の入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３との対向面がＮ極又はＳ極に交互に磁化される。このように、磁化された磁気経路部材４と出力側磁気歯車３の磁力発生面の間にはたらく磁気的吸引力または反発力によって出力側磁気歯車３は周方向に回転駆動される。すなわち、磁気歯車装置１００は、磁気経路部材４を遊星歯車のように機能させて入力回転軸１の回転動力を出力回転軸５に伝達する。
【００４７】
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。
【００４８】
従来技術のような構造の磁気歯車装置において、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置の回転が高速である場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してエネルギーの損失（渦電流損）が生じ、効率が著しく低下してしまうという問題点があった。
【００４９】
これに対し、本実施の形態においては、入力側磁気歯車２の複数の磁石２４の軸心側と出力側磁気歯車３の複数の磁石３２の径方向外側に非磁性体構造部２２，３１を設け、各磁気歯車２，３からの磁力線の径方向における磁気経路部材４と反対側への作用を抑制するよう構成し、さらに磁石２４及び３２の同一磁極を周方向に対向するように配置したことにより、磁石１個に対しＳＰＭ型（表面磁石型）の２倍の表面積が有効となり、非磁性体構造部２２，３１によりトルク伝達に有効な磁束が多くなるため、磁石量の低減が図れる。また、磁石２４，３２、鉄心２５，３３、磁気経路部材４を軸方向に積層構造とすることにより、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる。
【００５０】
また、磁石２４を径方向外側にいくに従って狭くなるように形成し、鉄心２５が磁石２４に径方向外側および周方向両側から当接するよう形成した。さらに、鉄心２５が、嵌合突起部２３と嵌合凹部２６の嵌合により非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定されるよう構成したので、磁石２４は径方向へ働く力に対して鉄心２５により径方向外側の当接部で保持されるとともに、周方向両側の当接部によっても保持される。すなわち、磁石２４は、入力側磁気歯車２の回転により生じる遠心力に対してより強固に安定して保持されるので、従来の磁気歯車装置と比較して、入力側磁気歯車２の回転数がより高い場合にも対応することができる。
【００５１】
また、磁気歯車２，３において、磁石２４，３２を鉄心２５，３３で覆う構造、すなわち、磁石２４、３２を磁気歯車２，３を埋め込む構造としたので、磁石２５，３３の表面における磁束変化を小さくすることができ、渦電流損を低減することができる。
【００５２】
なお、入力側磁気歯車２の磁石２４から発生する磁力線は嵌合突起部２３付近を通りつつ鉄心２５を通過し、磁気経路部材４を経て、出力側磁気歯車３に至るが、磁気経路部材４は小さく磁力線通過断面積も小さいため、磁気歯車装置１００における伝達トルクの減少を避けつつ強度上必要な嵌合突起部２３の寸法形状を確保することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 入力回転軸（第１回転軸）
２ 入力側磁気歯車（第１磁気歯車）
３ 出力側磁気歯車（第２磁気歯車）
４ 磁気経路部材
５ 出力回転軸（第２回転軸）
２１ 軸中心部
２２ 非磁性体構造部
２３ 嵌合突起部
２４，３２ 磁石
２５，３３ 鉄心
３１ 非磁性体構造部
３４ 非磁性体構造部突起
４１ 磁気経路部材ホルダー
４２ ボルト
４３ 保持部
９０ 圧縮機
９１ 燃焼器
９２ タービン
９３ 中間軸
９４ 発電機
９５ 軸受
１００ 磁気歯車装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石の磁気吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
減速装置としては、高効率での伝動が比較的容易に可能な歯車装置が広く一般に用いられているが、その他に磁石の磁気的吸引・反発によってトルクを伝達する磁気歯車装置がある。
【０００３】
磁気歯車装置の従来技術として、例えば、同心状に配置した内輪磁気歯車と外輪磁気歯車の間に磁気を透過する複数の磁性バーを環状に配置し、内輪磁気歯車に入力したトルクを外輪磁気歯車に伝達するものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，３７８，７１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術のような構造の磁気歯車装置において、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置の回転が高速である場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してエネルギーの損失（渦電流損）が生じ、効率が著しく低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる磁気歯車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】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部とを備えたものとする。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１磁気歯車および前記第２磁気歯車の複数の磁石は、それぞれ、周方向に同極を対向するよう配置したものとする。
【０００９】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記第１非磁性体構造部の外周であって周方向に並べて配置された前記複数の磁石の間の位置に、径方向外側に向かって突出して設けられた嵌合突起部と、前記第１非磁性体構造部の外周に前記複数の磁石を径方向外側から覆うように配置されて前記第１磁気歯車を形成し、前記嵌合突起部と嵌合して第１非磁性体構造部に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部を有する鉄心とを備えたものとする。
【００１０】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第１磁気歯車に設けられた複数の磁石の周方向の幅は、径方向外側に行くに従って狭くなるよう形成されたものとする。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記磁気経路部材は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したものとする。
【００１２】
（６）また、上記（１）において、好ましくは、前記磁石は、互いに絶縁して軸方向に積層した磁石により形成したものとする。
【００１３】
（７）さらに、上記（１）において、好ましくは、前記鉄心は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したものとする。
【００１４】
（８）また、上記（１）において、好ましくは、前記磁気経路部材は、非金属材料からなり軸方向に延在する複数の穴が形成された磁気経路部材ホルダーにより保持され、該磁気経路部材ホルダーの穴に軸方向に積層した電磁鋼板を設けたものとする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の回転軸に垂直な面における断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の回転軸を含む面における断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置の磁石配置を模式的に示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置を備えたガスタービン発電機の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
図４は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１００を備えたガスタービン発電機の構成図である。
【００１９】
図４において、ガスタービン発電機は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３と、圧縮機９０に接続され、タービン９２により回転駆動される入力回転軸１と、入力回転軸１及び出力回転軸５に接続され、入力回転軸１の回転数を変換して出力回転軸５に出力する磁気歯車装置１００と、出力回転軸５に接続され、出力回転軸５の回転数に応じて発電を行う発電機９４とを備えている。入力回転軸１、出力回転軸５、及びその他の回転軸は同軸上に配置され、複数の軸受９５及びスラスト軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係る磁気歯車装置１００の回転軸に垂直な面における断面図であり、図２は回転軸を含む面における断面図である。
【００２１】
図１及び図２において、磁気歯車装置１００は、略円柱状の入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲むように配置された略円筒状の出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間に配置された複数の磁気経路部材４とを有している。
【００２２】
入力側磁気歯車２は、略円柱形状を有しており、その一端において入力回転軸１と同軸上に接続されている。また、出力側磁気歯車３は、出力回転軸５側（入力回転軸１と反対側）の一端を閉じた略円筒形状を有しており、その閉じた端部において出力回転軸５と同軸上に接続されている。入力回転軸１と出力回転軸５は同軸上に配置されており、したがって、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３は同軸状に形成されている。
【００２３】
入力側磁気歯車２は、入力回転軸１の軸線上に沿うように設けられた軸中心部２１と、軸中心部２１に同軸状に接続された非磁性体構造部２２と、非磁性体構造部２２の外周に周方向に並べて配置された複数の磁石２４と、非磁性体構造部２２から複数の磁石２４の間の位置において径方向外側に突出して設けられた嵌合突起部２３と、非磁性体構造部２２及び複数の磁石２４の外周を覆うように配置され、嵌合突起部２３と嵌合して非磁性体構造部２２に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部２６を有する鉄心２５とから構成されている。
【００２４】
非磁性体構造部２２を形成する非磁性体としては、例えば、非磁性金属であるオーステナイトステンレス、ニッケル合金、チタン合金や、非金属材料であるＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）などがある。
【００２５】
嵌合突起部２３は、非磁性体構造部２２と同じ材料により一体的に形成されており、その周方向の幅が径方向外側にいくに従って狭くなるよう形成されている。嵌合突起部２３の非磁性体構造部２２からの立ち上がり面は、谷部と山部とを交互に形成した波形状を有しており、同様の波形状を有する鉄心２５の嵌合凹部２６と嵌合するよう形成されている。
【００２６】
磁石２４は、非磁性体構造部２２に沿って軸方向に延在するよう設けられており、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。また、磁石２４は、径方向外側にいくに従って狭くなるように形成されている。このように形成した複数の磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２７】
図３は、本実施の形態における磁石配置を模式的に示す図である。なお、図３において、嵌合突起部２３の波形状などの細部は図示を省略している。
図３に示すように、複数の磁石２４は、それぞれ、周方向にＮ極２４ａおよびＳ極２４ｂを向けて配置されている。隣り合う磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２８】
鉄心２５は、非磁性体構造部２２及び複数の磁石２４の外周を覆うように、すなわち、径方向内側を非磁性体構造部２２に当接した磁石２４に、径方向外側および周方向両側から当接するよう形成されている。また、鉄心２５は、非磁性体構造部２２の嵌合突起部２３に対応する位置に、その嵌合突起部２３と嵌合可能な嵌合凹部２６を有している。
【００２９】
また、鉄心２５は、互いに絶縁した薄板状の部材を軸方向に積層することによって形成されており、さらに、薄板状の各部材は、複数の磁石２４の径方向外側部分で周方向に分割されている。そして、鉄心２５は、分割された各部材を、嵌合突起部２３に嵌合凹部２６が嵌合するよう軸方向から挿入して積層することにより形成されている。これにより、鉄心２５は、非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定される。
【００３０】
ここで、前述のように、磁石２４は、径方向外側にいくに従って狭くなるように形成されており、鉄心２５は、その磁石２４に径方向外側および周方向両側から当接するよう形成されている。そして、鉄心２５は、嵌合突起部２３と嵌合凹部２６の嵌合により非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定される。つまり、磁石２４は径方向へ働く力（例えば、入力側磁気歯車２の回転により生じる遠心力）に対して鉄心２５により径方向外側の当接部で保持されるとともに、周方向両側の当接部によっても保持される。
【００３１】
このように構成された入力側磁気歯車２において、隣り合う磁石２４の磁力線は、同極である相手側の磁石２４および非磁性体構造部２２側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向外側に作用する。したがって、入力側磁気歯車２においては、その外周面（径方向外側の面）が磁力発生面といえる。
【００３２】
出力側磁気歯車３は、略円筒状に形成され入力側磁気歯車２と同軸状に配置された非磁性体構造部３１と、非磁性体構造部３１の内周に周方向に並べて配置された複数の磁石３２と、磁石３２を径方向内側および周方向両側から当接して覆うように配置された鉄心３３とから構成されている。
【００３３】
非磁性体構造部３１を形成する非磁性体としては、入力側時期歯車２の非磁性体構造部２１と同様に、例えば、非磁性金属であるオーステナイト、ステンレス、ニッケル合金チタン合金や、非金属材料であるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などがある。
【００３４】
磁石３２は、非磁性体構造部３１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。また、複数の磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。すなわち、図３に示すように、複数の磁石３２は、それぞれ、周方向にＮ極３２ａおよびＳ極３２ｂを向けて配置されており、隣り合う磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されており、非磁性体構造部突起３４と嵌め合う構造となっており、磁石３２で発生した周方向力を非磁性体構造部３１に伝える構造となっている。
【００３５】
鉄心３３は、互いに絶縁した薄板状の部材を軸方向に積層することによって形成されている。また、鉄心３３と非磁性体構造部突起３４は、嵌め合う構造となっており、磁石３２で発生した周方向力を非磁性体構造部３１に伝える構造となっている。
【００３６】
このように構成された出力側磁気歯車３において、隣り合う磁石３２の磁力線は、同極である相手側の磁石３２および非磁性体構造部３１側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向内側に作用する。したがって、出力側磁気歯車３においては、その内周面（径方向内側の面）が磁力発生面といえる。
【００３７】
磁気経路部材４は、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に同軸状に形成された樹脂製（例えば、非金属材料であるＦＲＰ）の磁気経路部材ホルダー４１により保持されることにより、周方向に複数並べて配置されている。
【００３８】
磁気経路部材ホルダー４１には、軸方向に延在する穴が周方向に等間隔に複数設けられており、この穴に、互いに絶縁した薄板状の電磁鋼製部材を軸方向に積層することにより、磁気経路部材４が軸方向に延在するよう形成されている。磁気経路ホルダー４１は、入力回転軸１側の一端にボルト４２で接続された保持部４３を介して磁気歯車装置１００の基部等に固設されており、これにより、磁気経路部材４１が固設されている。
【００３９】
以上のように構成した本実施の形態の磁気歯車装置１００において、入力側磁気歯車２、磁気経路部材ホルダー４１を含む磁気経路部材４、及び、出力側磁気歯車３は、互いに径方向に十分な間隙が設けられて配置されており、回転駆動によって接触しないように構成されている。また、出力回転軸５側の端部において、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３、及び、出力側磁気歯車３と磁気経路部材ホルダー４１は、ボールベアリング２ａ，３ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されており、各部材間の中心軸のずれが抑制されている。
【００４０】
磁気歯車装置１００の入力回転軸１（入力側磁気歯車２）の回転数と出力回転軸５（出力側磁気歯車３）の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁力発生面における磁極の極対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面における極対数の比により決まる。言い換えると、入力回転軸１の回転数と出力回転軸５の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁石２４の極対数と出力側磁気歯車３の磁石３２の極対数の比で決まるということである。
【００４１】
つまり、入力回転軸１の回転数（入力回転数）をＮｉｎ、入力側磁気歯車２に設けられた磁石２４の極対数をＸｉｎ、出力回転軸５の回転数（出力回転数）をＮｏｕｔ、出力側磁気歯車３に設けられた磁石３２の極対数をＸｏｕｔとすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの関係は以下の式で表される。なお、極性対とは、隣り合って配置されたＮ極とＳ極の組のことであり、極性対数（極対数）とは、Ｎ極とＳ極の組数のことである。
【００４２】
Ｎｉｎ：Ｎｏｕｔ＝Ｘｏｕｔ：Ｘｉｎ ・・・（１）
例えば、本実施の形態に示したように、磁石２４の極対数を７（図１参照）、磁石３２の極対数を１７（図１参照）とすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転軸Ｎｏｕｔの比は、１７：７となる。
【００４３】
入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは、磁石２４，３２の体積が増えるに従って増加する。その際、鉄心２５，３３、磁気経路部材４は、磁気飽和を起こさない寸法である必要がある。
【００４４】
磁気経路部材４の員数を入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数の和となるように構成した場合に、入力回転軸１から出力回転軸５への伝達可能トルクは最大となる。この知見は、フーリエ解析等を用いたシミュレーションにより得られる。例えば、本実施の形態のように、入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数を７、出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数を１７とした場合において、磁気経路部材４の員数を２４とすると入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは最大となる。
【００４５】
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
【００４６】
圧縮機９０及びタービン９２を起動し、入力回転軸１を回転駆動すると磁気歯車装置１００の入力側磁気歯車２が回転駆動される。入力側磁気歯車２の磁力発生面と出力側磁気歯車３の磁力発生面は、磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合っている。具体的には、入力側磁気歯車２が磁気経路部材４に相対して回転すると、各磁気経路部材４の入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３との対向面がＮ極又はＳ極に交互に磁化される。このように、磁化された磁気経路部材４と出力側磁気歯車３の磁力発生面の間にはたらく磁気的吸引力または反発力によって出力側磁気歯車３は周方向に回転駆動される。すなわち、磁気歯車装置１００は、磁気経路部材４を遊星歯車のように機能させて入力回転軸１の回転動力を出力回転軸５に伝達する。
【００４７】
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。
【００４８】
従来技術のような構造の磁気歯車装置において、磁石やヨークは相対的に変化する磁界中にさらされている。特に、磁気歯車装置の回転が高速である場合は磁界の相対変化が激しくなり、電磁誘導効果によって磁石やヨークに大きな渦電流が発生してエネルギーの損失（渦電流損）が生じ、効率が著しく低下してしまうという問題点があった。
【００４９】
これに対し、本実施の形態においては、入力側磁気歯車２の複数の磁石２４の軸心側と出力側磁気歯車３の複数の磁石３２の径方向外側に非磁性体構造部２２，３１を設け、各磁気歯車２，３からの磁力線の径方向における磁気経路部材４と反対側への作用を抑制するよう構成し、さらに磁石２４及び３２の同一磁極を周方向に対向するように配置したことにより、磁石１個に対しＳＰＭ型（表面磁石型）の２倍の表面積が有効となり、非磁性体構造部２２，３１によりトルク伝達に有効な磁束が多くなるため、磁石量の低減が図れる。また、磁石２４，３２、鉄心２５，３３、磁気経路部材４を軸方向に積層構造とすることにより、トルク伝達の際に生じる渦電流損失を抑制することができ、トルク伝達効率を向上することができる。
【００５０】
また、磁石２４を径方向外側にいくに従って狭くなるように形成し、鉄心２５が磁石２４に径方向外側および周方向両側から当接するよう形成した。さらに、鉄心２５が、嵌合突起部２３と嵌合凹部２６の嵌合により非磁性体構造部２２に対して周方向及び径方向に強固に固定されるよう構成したので、磁石２４は径方向へ働く力に対して鉄心２５により径方向外側の当接部で保持されるとともに、周方向両側の当接部によっても保持される。すなわち、磁石２４は、入力側磁気歯車２の回転により生じる遠心力に対してより強固に安定して保持されるので、従来の磁気歯車装置と比較して、入力側磁気歯車２の回転数がより高い場合にも対応することができる。
【００５１】
また、磁気歯車２，３において、磁石２４，３２を鉄心２５，３３で覆う構造、すなわち、磁石２４、３２を磁気歯車２，３を埋め込む構造としたので、磁石２５，３３の表面における磁束変化を小さくすることができ、渦電流損を低減することができる。
【００５２】
なお、入力側磁気歯車２の磁石２４から発生する磁力線は嵌合突起部２３付近を通りつつ鉄心２５を通過し、磁気経路部材４を経て、出力側磁気歯車３に至るが、磁気経路部材４は小さく磁力線通過断面積も小さいため、磁気歯車装置１００における伝達トルクの減少を避けつつ強度上必要な嵌合突起部２３の寸法形状を確保することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 入力回転軸（第１回転軸）
２ 入力側磁気歯車（第１磁気歯車）
３ 出力側磁気歯車（第２磁気歯車）
４ 磁気経路部材
５ 出力回転軸（第２回転軸）
２１ 軸中心部
２２ 非磁性体構造部
２３ 嵌合突起部
２４，３２ 磁石
２５，３３ 鉄心
３１ 非磁性体構造部
３４ 非磁性体構造部突起
４１ 磁気経路部材ホルダー
４２ ボルト
４３ 保持部
９０ 圧縮機
９１ 燃焼器
９２ タービン
９３ 中間軸
９４ 発電機
９５ 軸受
１００ 磁気歯車装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、
前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、
前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記第１磁気歯車および前記第２磁気歯車の複数の磁石は、それぞれ、周方向に同極を対向するよう配置したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項３】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記第１非磁性体構造部の外周であって周方向に並べて配置された前記複数の磁石の間の位置に、径方向外側に向かって突出して設けられた嵌合突起部と、
前記第１非磁性体構造部の外周に前記複数の磁石を径方向外側から覆うように配置されて前記第１磁気歯車を形成し、前記嵌合突起部と嵌合して第１非磁性体構造部に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部を有する鉄心と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項４】
請求項３記載の磁気歯車装置において、
前記第１磁気歯車に設けられた複数の磁石の周方向の幅は、径方向外側に行くに従って狭くなるよう形成されたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項５】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁気経路部材は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項６】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁石は、互いに絶縁して軸方向に積層した磁石により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項７】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記鉄心は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項８】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁気経路部材は、非金属材料からなり軸方向に延在する複数の穴が形成された磁気経路部材ホルダーにより保持され、該磁気経路部材ホルダーの穴に軸方向に積層した電磁鋼板を設けたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項１】
第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、
前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、
前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記第１磁気歯車および前記第２磁気歯車の複数の磁石は、それぞれ、周方向に同極を対向するよう配置したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項３】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記第１非磁性体構造部の外周であって周方向に並べて配置された前記複数の磁石の間の位置に、径方向外側に向かって突出して設けられた嵌合突起部と、
前記第１非磁性体構造部の外周に前記複数の磁石を径方向外側から覆うように配置されて前記第１磁気歯車を形成し、前記嵌合突起部と嵌合して第１非磁性体構造部に対する周方向及び径方向の動きを抑制する嵌合凹部を有する鉄心と
を備えたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項４】
請求項３記載の磁気歯車装置において、
前記第１磁気歯車に設けられた複数の磁石の周方向の幅は、径方向外側に行くに従って狭くなるよう形成されたことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項５】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁気経路部材は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項６】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁石は、互いに絶縁して軸方向に積層した磁石により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項７】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記鉄心は、互いに絶縁して軸方向に積層した電磁鋼板により形成したことを特徴とする磁気歯車装置。
【請求項８】
請求項１記載の磁気歯車装置において、
前記磁気経路部材は、非金属材料からなり軸方向に延在する複数の穴が形成された磁気経路部材ホルダーにより保持され、該磁気経路部材ホルダーの穴に軸方向に積層した電磁鋼板を設けたことを特徴とする磁気歯車装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１７０２６４（Ｐ２０１２−１７０２６４Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３０１０８（Ｐ２０１１−３０１０８）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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