磁気減速機構及び低速ロータ磁気減速回転制御方法
【課題】電磁気的な方法で減速比を変更可能にする。
【解決手段】磁気減速機構１０は、周方向に複数の磁極対１２を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータ１と、磁極対１２の外周と対向し、周方向に複数の磁極片３１を有する低速ロータ３と、磁極片３１の外周と対向する固定部２とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されている。固定部２は、回転磁界を形成するための電磁石からなる磁極２２が磁極片３１の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ固定部２の磁極２２の数は、高速ロータ１の磁極対１２の極対数をＮ１とし、低速ロータ３の磁極片３１の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方とする。
【解決手段】磁気減速機構１０は、周方向に複数の磁極対１２を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータ１と、磁極対１２の外周と対向し、周方向に複数の磁極片３１を有する低速ロータ３と、磁極片３１の外周と対向する固定部２とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されている。固定部２は、回転磁界を形成するための電磁石からなる磁極２２が磁極片３１の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ固定部２の磁極２２の数は、高速ロータ１の磁極対１２の極対数をＮ１とし、低速ロータ３の磁極片３１の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気伝達機構を用いた磁気減速機構及び低速ロータ磁気減速回転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び非特許文献１には、磁気歯車を用いた磁気減速機構が開示されている。この磁気減速機構は、外部から回転力が伝達されて回転する入力軸としての高速ロータ、出力軸としての低速ロータ及び両者間に介設された固定部とが同軸上に配置されたものである。高速ロータは周方向に複数の磁極対を有する。固定部は周方向に複数の磁極片を有する。そして、低速ロータは周方向に永久磁石がＮＳ交互に配置されている。かかる構成において、高速ロータの磁極対の数をＮ１、低速ロータの磁石数の数をＮ２とし、磁気減速の成立条件である、固定部の磁極片の数をＮ１±Ｎ２（Ｎ１＋Ｎ２、あるいはＮ１−Ｎ２）とするとき、減速比はＮ２／Ｎ１となる。すなわち、外部から伝達された回転力によってある回転速度で回転する高速ロータに対して、低速ロータは前記減速比で減速された回転速度で回転する。これによって、機械的接触を伴わず、低振動・低騒音であり、かつ高伝達効率が可能な減速機構が得られる。また、許容トルクを超える場合には磁気的なスリップが生じることでトルクリミッタとしての作用も備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０６９４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献４】山本優文、平田勝弘、ＨＢ型磁気伝達減速機構に関する研究、第20回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム、P.77-80(2008)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１及び非特許文献１に記載の磁気減速機構は、減速比Ｎ２／Ｎ１であり、固定値である。従って、磁気減速機構が適用される、例えばロボットアームのような対象物によっては、入力側からの回転数を一定比率で減速回転させて出力側に伝達する減速機構には有益である一方、そのような適用対象物であっても、用途や仕様によっては、減速比が変更できることが望ましい場合も充分考えられる。また、磁気減速機構の他の適用対象物に対しても、減速比が適宜変更可能な方が好ましい場合もあり、汎用性が向上する。また、特許文献１及び非特許文献１に記載の磁気減速機構は、トルク比も一定であるため、改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、電磁気的な方法で減速比を変更可能にする点にある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、固定部の形状に特徴を持たせることでトルク比を変更可能にする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明に係る磁気減速機構は、周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の極対数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定されることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項５記載の発明に係る磁気式低速ロータ減速回転制御方法は、周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定され、前記電磁石に周波数が変動可能な交流電流を供給するものである。
【００１０】
これらの発明によれば、高速ロータがある速度で回転することで、対向する低速ロータの磁極片の外周に生じる起磁力の内、減速回転に関する高調波成分の回転磁束を、最外周の固定部の電磁石で形成している。その結果、低速ロータは固定部で生成された高調波によって減速回転することとなる。そして、高調波成分の主成分に対する回転速度が変われば、すなわち電磁石に供給される、高調波成分の回転のための交流電流の周波数を変更すれば、主成分による回転速度に対する高調波成分による回転速度の比率は変更されることになる。また、高調波成分に対応する固定部の磁極数としては、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方であってもよい。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の磁気減速機構において、前記回転磁界の内の高調波成分は、回転周期が主成分に対して変更可能であることを特徴とする。この構成によれば、主成分による回転速度に対する高調波成分による回転速度の比率が変更されることになる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気減速機構において、前記電磁石は、前記磁極に３相交流が供給されコイルが巻回されたものであることを特徴とする。この構成によれば、回転磁界の生成が容易に行える。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気減速機構において、前記電磁石の磁極は、前記磁極の内周に周方向に平行に併設された複数の凸条を有することを特徴とする。この構成によれば、各凸条によって形成されるパーミアンス分布と電磁石による起磁力によって発生する高調波磁束を利用することができる。これにより、電磁石と低速ロータによって発生する高調波と同期させることで、各電磁石の部分を個々に作製する場合に比して磁極数が低減され、構造が簡易となる。従って、高速ロータの極対数と低速ロータの磁極片数の比率で決まるトルク比を、固定部の磁極部分の構造を簡素した元で変更することが可能となる。なお、凸条の磁極の数は、前記Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１の一方に対応して、すなわち、電磁石に供給する交流電流の相数も考慮して設定される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固定部の磁極に電磁石を採用することで減速比を変更することができる。また、本発明によれば、固定部の磁極外周の形状に特徴を持たせることで複雑な構造を採用することなくトルク比を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図２】高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。
【図３】固定部を回転させた場合の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す磁気減速機構の構成図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は上方から見た斜視図である。
【図５】高速ロータをαだけ回転させる間に、起磁力分布をβだけ回転させる場合の説明図である。
【図６】３相交流の周波数変更に対する低速ロータの回転数の解析結果を示す図である。
【図７】高速ロータの起動開始における低速ロータの減速回転移動状態を示す図である。
【図８】高速ロータ及び低速ロータのトルクの経時状況を示す図である。
【図９】固定部の磁極に高調波磁束を形成可能な磁気減速機構を示す平面図である。
【図１０】凸条を有する磁気減速構造と、磁束の主成分及び第１、第２高調波成分との作用を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図３は、従来の磁気減速機構の構造及び減速原理を説明するための図である。まず、これらの図を参照して減速原理について説明する。図１は、従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。図２は、高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。図３は、固定部の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。
【００１７】
図１において、従来の磁気減速機構は、中央の高速ロータ１００と、中間の固定部２００と、最外周の低速ロータ３００とが所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部は軸方向に所定長を有する。高速ロータ１００は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるもので、磁性材料からなる、例えば軸状（あるいは円筒状でもよい）の鉄心１０１と、鉄心１０１の外周に周方向に均等にＮ，Ｓが交互に配置された永久磁石からなる磁極対１０２とで構成されている。図１の例では極対数は２個である。固定部２００は、磁極対１０２の外周に対向して円周上に所定ピッチを置いて複数配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片２０１を有する。磁極片２０１は、縦断面が略矩形で径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３００は、磁性材料からなる環状体３０１と、環状体３０１の内周に周方向にＮ，Ｓ交互に複数配置された永久磁石からなる磁極３０２とから構成されている。
【００１８】
次に、図２において、今、高速ロータ１００の回転方向θに対する永久磁石（図２（Ａ）参照）による起磁力分布Ｆ（θ）を、図２（Ｂ）に示すように、正弦波と仮定すると、Ｆ（θ）＝ＡsinＮhθ（但し、Ｎhは高速ロータ１００の極対数。Ａは係数。）と置くことができる。また、図２（Ｃ）に示す固定部２００の磁極片２０１の径方向外周での（磁束の通り易さを示す）パーミアンス分布Ｒ（θ）も、図２（Ｄ）のような正弦波と仮定すると、Ｒ（θ）＝Ｒo＋ＲasinＮsθ（但し、Ｎsは固定部２００の磁極片の数。Ｒo，Ｒaはそれぞれ係数。）と置くことができる。
【００１９】
そうすると、固定部２００の磁極片２０１の外周での磁束φ（θ）は、磁気回路のオームの法則による起磁力＝磁束×磁気抵抗の関係を適用して、Ｆ（θ）とＲ（θ）との積で決定される。すなわち、数１のように展開される。
【００２０】
【数１】
【００２１】
数１において、第１項中のＮhは、高速ロータ１００の極対数Ｎhと同一成分である。第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとは、高調波成分である。すなわち、固定部２００の磁極片２０１の外周に発生する磁束φ（θ）は、Ｎhの基本成分（主成分）の他に、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとの２種類の高調波成分があることが判る。
【００２２】
次に、固定部２００を固定したまま、高速ロータ１００をΔθだけ回転させた場合を考えると、この時の起磁力分布はＦ（θ＋Δθ）となり、一方、パーミアンス分布は固定部２００が回転しないため、Ｒ（θ）である。そして、高速ロータ１００がΔθ回転した時点の固定部２００の磁極片２０１の外周の磁束φ（θ＋Δθ）は、数２で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
数２において、磁束φ（θ＋Δθ）の第１項中のＮhは、（θ＋Δθ）とあるとおり、＋Δθとあることから、高速ロータ１００と同一速度で回転している成分であることが判る。一方、第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとは、どちらも高速ロータ１００とは異なる速度の高調波であり、すなわち、Ｎs−Ｎhについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、−ＮhΔθ／（Ｎs−Ｎh）だけ回転するものであり、また、Ｎs＋Ｎhについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、ＮhΔθ／（Ｎs＋Ｎh）だけ回転するものであるから、いずれも回転速度が基本成分とは異なることが判る。そして、上記低速ロータ３００の数を、Ｎs−ＮhかＮs＋Ｎhの一方に設定すると、設定された側について、前記異なる回転速度で低速ロータ３００は回転することになる。
【００２５】
そのためには、低速ロータ３００の磁極の数をＮlとするとき、Ｎl＝Ｎs−Ｎh、あるいはＮl＝Ｎs＋Ｎhに設定、すなわち、これを書き替えると、Ｎs＝Ｎl＋Ｎh、あるいはＮs＝Ｎl−Ｎh（すなわち、Ｎs＝Ｎl±Ｎh）となる。これが磁気減速機構の成立条件となる。
【００２６】
また、減速比Ｇrは、Ｇr ＝±Ｎl／Ｎhとなる。なお、減速比Ｇrが正の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが同一方向に回転することを示しており、減速比Ｇrが負の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが逆方向に回転することを示している。
【００２７】
上記の構造と高調波磁束との関係から、高速ロータ１００の回転させつつ固定部２００も同時に回転させた場合における低速ロータ３００の回転速度の挙動をシミュレーションから導出した。すなわち、固定部２００を機械的に回転させた場合を想定すると、高速ロータ１００との間の相対速度が変化することとなる。その結果、固定部２００の磁極辺２０１の外周に生じる高調波磁束の回転速度も変化すると考えられる。
【００２８】
図３は、固定部を回転させた場合の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。図３から、高速ロータ１００を定速回転状態で、固定部２００の回転速度を増減させると、この増減分に比例して低速ロータ３００の回転速度が増減することが判る。換言すれば、固定部２００を回転することで、減速比Ｇrを変更することが可能となる。しかしながら、固定子２００を機械的に回転させる駆動源、典型的にはモータを付加する等が必要となり、機構が複雑になり、かつ大型化し、高価になるという新たな問題が生じる。
【００２９】
そこで、本発明は、図１に示す従来の磁気減速機構に対して、
（ｉ）図１の低速ロータ３００と固定部２００とを入れ替える。
【００３０】
（ii）固定部２００の永久磁石を、例えば３相巻線が巻回された電磁石に置き換える。
【００３１】
（iii）電磁石に供給する、例えば３相交流の周波数を変化可能にする。
【００３２】
との構成を採用し、図４の構成を実現する。
【００３３】
図４は、本発明の一実施形態を示す磁気減速機構の構成図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は上方から見た斜視図である。図４において、磁気減速機構１０は、中央の円筒状の高速ロータ１と、中間の環状の低速ロータ３と、最外周の環状の固定部２とが互いに所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部１，２，３は軸方向に所定長を有する。
【００３４】
高速ロータ１は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるもので、磁性材料からなる円筒状等の鉄心１１と、鉄心１１の外周に周方向に均等にＮ，Ｓが交互に配置された永久磁石からなる磁極対１２とで構成されている。図１の例では磁極対１２の極対数は４個である。
【００３５】
低速ロータ３は、磁極対１２の外周に対向し、円周上に所定ピッチを置いて複数放射状に配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片３１を有する。低速ロータ３の各磁極片３１は、縦断面が略矩形乃至は径方向に扇状で、径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３の磁極片３１の支持構造については、図４では示していないが、例えば、環状かつ非磁性材料の基部を有し、その上面側に各磁極片３１が円周状に植設された構造、又は非磁性材料、例えば円筒状の樹脂体の周方向に穿設された孔に嵌入され、あるいは樹脂でモールドして固化される等して一体に構成されていてもよい。なお、低速ロータ３は、出力軸として機能するものであることから、適用対象物（例えばロボットアーム）側と連結可能な構造部分、例えば、下方に所定寸法だけ延設された連結用の軸部（筒部）を備える等して構成されている。
【００３６】
固定部２は、磁性材料からなる最外周の円筒体２１と、円筒体２１の内面側に立直し、周方向に所定ピッチを置いて径方向に立設された磁性材料からなる複数の磁極２２と、各磁極２２に巻回されたコイル２２とから構成されている。すなわち、磁極２２とコイル２３とで電磁石が構成されている。図４（Ｂ）に一部見えるように、磁極２２は、突極形状を有している。そして、コイル２３が、かかる突極形状の磁極２２に所要ターン数だけ巻回されて、所要の起磁力が発生可能に構成されている。磁極２２に巻回されたコイル２３は、本実施形態では、回転磁界を発生させるための３相巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が施されている。なお、３相交流は公知のように、１個の電源から３本に分岐された配線に対して半導体スイッチング素子等で構成されるドライバによって電流を１２０°毎の位相と極性とに対してスイッチング制御することでＵ，Ｖ，Ｗ相が得られる。そして、スイッチング周期を変えることで３相交流の出力周波数が変更可能になっている。電磁石の部分を固定部２に設けたことで、スリップリング等の静止系と回転系とを電気的に接続する構成を不要とすることができる。
【００３７】
また、低速ロータ３の磁極片３１及び固定部２の磁極２２は、周方向の寸法が隣接の間隙の寸法と１対１の関係にある。
【００３８】
ここで、固定部２を静止した状態で、図５に示すように、高速ロータ１００をαだけ回転させる間に、起磁力分布をβだけ回転、すなわち低速ロータ３を角度βだけ回転させる場合を考える。図５は、この状態を説明するための図である。この場合の低速ロータ３の磁極片の外周の磁束φ（θ＋α）は、数３で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
但し、Ｎhを高速ロータ１の極対数とする一方、説明の便宜上、及び数１、数２との関係で、Ｎsを低速ロータ３の磁極片数とし、Ｎlを固定部２の磁極数とする。
【００４１】
数３において、磁束φ（θ＋α）の第１項中のＮhは、（θ＋α）、すなわち、＋αであるから、高速ロータ１と同一速度で回転していることが判る。一方、第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhは、どちらも高速ロータ１とは異なる速度の高調波である。すなわち、Ｎs−Ｎhについては、高速ロータ１の角度αの回転に対して、起磁力分布の角度βの回転が反映されて、−（ＮhΔθ−Ｎsβ）／（Ｎs−Ｎh）だけ回転することとなり、また、Ｎs＋Ｎhについては、（ＮhΔθ＋Ｎsβ）／（Ｎs＋Ｎh）だけ回転するから、いずれも回転速度は基本成分（主成分）の速度とは異なることが判る。しかも、この第２項には、起磁力分布Ｆ（θ）の回転に依存した、−Ｎsβ、＋Ｎsβの成分が含まれているため、βの値、すなわち起磁力Ｆ（θ）の回転速度が磁束φ（θ）の回転速度の変化に影響することが判る。
【００４２】
ここで、上記固定部２の磁極数Ｎlを、Ｎs−ＮhかＮs＋Ｎhの一方に設定した場合を考える。上記において、数３では、低速ロータ３に回転力（前記角度βに相当する回転を与える外力）を付与した状態で、その低速ロータ３の磁極片の外周に生じる磁束φ（θ＋α）を計算したが、逆に、低速ロータ３に回転力を与えず、これに代えて、固定部２側で数３の第２項の高調波成分と等しい回転速度を有する磁界を作成すると、低速ロータ３の磁極片３１に対して、数３の高調波成分の磁束に同期されることとなり、低速ロータ３は数３の磁束を受けて減速回転する。
【００４３】
今、固定部２の磁極数Ｎlを、Ｎs−Ｎhに設定する場合を考えると、固定部２の磁極２２は、−（ＮhΔθ−Ｎsβ）／（Ｎs−Ｎh）で回転する。これを、磁極２２及びコイル２３からなる電磁石に供給する交流電流の周波数に置換すると、−（Ｎhωh−Ｎsωβ）＝６０ｆから、周波数ｆが求まる。但し、ωhは角度αに対応する角速度、ωsは角度βに対応する角速度で、単位はｒｐｍである。
【００４４】
以上より、固定子２の磁極数Ｎlとして、Ｎs±Ｎhを採用し、回転磁界を発生させる交流電流として３相交流を採用した態様では、電磁石の個数をＮcとしたとき、Ｎc＝３（Ｎs±Ｎh）となる。一般には、Ｎc＝ｎ（Ｎs±Ｎh）、但し、ｎは相数を示す。また、トルク比は、Ｎs／Ｎhである。
【００４５】
次に、かかる原理に基づいて磁気減速構造モデルを作成し、効果試験をシミュレーションした。なお、磁気減速機構モデルは、下記の諸要素で作成されている。
【００４６】
高速ロータ１の極対数：４
低速ロータ３の磁極片数：１７
固定部３の電磁石数：３９
最外径：１７０ｍｍ
軸方向長さ：１００ｍｍ
コイルのターン数：６００
永久磁石の磁化：１．２Ｔ
各部の磁性材料：５０ＪＮ４００
トルク比：４．２（＝１７／４）
そして、かかる磁気減速機構モデルについて、
高速ロータ１を６０ｒｐｍで回転
低速ロータ３に３０Ｎｍの負荷設定
交流電源として１アンペア（Ａ）の３相交流
の動作条件を設定した。
【００４７】
図６は、３相交流の周波数変更に対する低速ロータの回転数の解析結果を示す図である。図６に示すように、３相交流の周波数を、数３に示すβ＝０の状態を中心にして、±３０Ｈｚの範囲で変更し（図６のドット位置：解析点）、これに対して、低速ロータ３の回転速度が、約１２０ｒｐｍ〜−１００ｒｐｍの範囲で変動していることが判る。なお、周波数が負とは、回転磁界が逆方向に回転する意味であり、回転方向が負とは、低速ロータ３が高速ロータ１に対して逆回転する意味である。
【００４８】
解析点に対して、例えば最小二乗法を利用して回帰直線が得られており、これによれば、低速ロータの回転数は３相交流の周波数の変化に比例しているということができる。従って、周波数を変更する制御を行うことで、低速ロータ３の減速比Ｇrをリニアに大小変更でき、さらには回転方向の切替も可能となる。
【００４９】
図７は、高速ロータの起動開始における低速ロータの減速回転起動状態を示す図である。直線側は、高速ロータ１の起動に伴う回転速度の上昇過程を示しており、この直線に対して、コギングを含む低速ロータが所定の速度差（減速比）で追従していることが判る。
【００５０】
図８は、高速ロータ及び低速ロータのトルクの経時状況を示す図である。図８に示すように、高速ロータ１及び低速ロータ３のトルクはコギングの影響はあるものの、略一定であり、高速ロータは−７．１Ｎｍ、低速ロータは２９．９Ｎｍである。従って、トルク比は−４．２（＝２９．９／−７．１）となり、これは理論値４．２５（＝１７／４）とほぼ一致している。
【００５１】
前述したように、磁気減速機構１０は、減速比Ｇｒを変動させ得る一方、現在の構造では、トルク比ＴｒはＮs／Ｎh（Ｎsは低速ロータ３の磁極片数）で一定である。トルク比Ｔrは、Ｎs／Ｎh（Nsは低速ロータの磁極片数）の関係から、低速ロータ３の磁極片数Ｎsを大きくするか、逆に高速ロータ１の極対数Ｎhを小さくするか、あるいは両方を変える方法が考えられる。一方、３相交流の場合、電磁石の個数＝３（Ｎs±Ｎh）であるから、Ｎsを大きくし、Ｎhを小さくすることは、例えば（Ｎs−Ｎh）について検討すると（Ｎs−Ｎh）が大きくなり、その結果、Ｎｃを大きくすることになる。Ｎｃは固定部３の電磁石の個数であるから、この数値が大きくなると、構造の複雑化を招来し、製造精度、生産性からも好ましくない。そこで、今、固定部３の電磁石に所定の複数相の交流、例えば３相交流を供給する態様で、トルク比を変更、好ましくはより増大するように変更可能な磁気減速機構を考える。
【００５２】
図９は、固定部の磁極（突極）で形成されるパーミアンスと電磁石の起磁力によって発生する高調波磁束を利用した磁気減速機構を示す平面図である。この磁気減速機構１０’は、固定部２’の磁極２２’の内周、すなわち磁極端面に周方向に平行に併設された複数の凸条２２１’が形成されている（あるいは溝が形成されたとしてもよい）。立直状の磁極２２’の基部側は単体で、この部分にコイル２３が巻回されている。すなわち、コイル巻回位置よりも内周先端側に、凸条２２１’が形成されている。凸条２２１’は断面矩形を有し、全体として歯形に形成されている。凸条２２１’の突極数は、後述する成立条件を満たすように決定する。
【００５３】
ところで、図９において、凸条２２１’が、単純に、全て独立した電磁石で構成されていると想定した場合、高速ロータ１及び低速ロータ３については、高速ロータ１の極対数Ｎhが５個、低速ロータ３の磁極片Ｎsが２９個であるから、トルク比Ｔｒの増大を考えなければ、固定部２の電磁石の個数Ｎcは、３（Ｎs−Ｎh）から求まり、７２個必要となって製造は極めて困難となる。
【００５４】
また、前記効果試験で採用した構造の場合では、高速ロータの極対数を４個、低速ロータの磁極片数を１７個、固定部の電磁石数を３９個としたが、この場合も、Ｎc＝３（Ｎs−Ｎh）に代入すると、３×（１７−４）＝３９となり、やはりかなりの個数の電磁石の配列が必要となってしまう。
【００５５】
そこで、トルク増大を図るための構造として、図９のように、各磁極２２’に凸条２２１’を設ける（あるいは溝を形成する）ことで、磁極２２’及びコイル２３の個数を低減すると共に、高調波成分に対応する必要数の磁極を凸条２２１’で形成した。図９では、磁極２２’の数をＮc、凸条２２１’の数をＮt、交流の相数を３相とするとき、
成立条件：Ｎs±Ｎh＝Ｎt±Ｎc／３
となる。なお、±は、低速ロータ３の高速ロータ１に対する回転方向を示している。
【００５６】
ここで、前記成立条件のうち、Ｎs−Ｎh＝Ｎt−Ｎc／３の方について検証すると、磁極２２’の数Ｎcは９個、凸条２２１’の数Ｎtは２７個となり、図９と一致している。トルク比Ｔrは５．８（＝２９／５）となる。このように、同じトルク比Ｔrを得る場合に、個別の電磁石を採用する場合（前述したように７２個）に比して、固定部２の構造を大幅に簡素化できる。すなわち固定部２の磁極２２の数を、採用する交流の相数に応じて低減しつつ、トルク比の増大が図れることにもなる。
【００５７】
図１０は、凸条を有する磁気減速構造と、磁束の主成分及び２種類の高調波成分＃１，＃２との作用を説明するための図で、（Ａ）は固定部の一部を軸芯方向から見た図、（Ｂ）は低速ロータ側の一部を軸芯方向から見た図である。低速ロータ３の外周に生じる回転磁界は、図１０（Ｂ）に示すような主成分と、高調波成分＃１，＃２とがある。従って、この高調波成分＃１，＃２の一方に相当する回転磁界を固定部２の電磁石で生成すれば、低速ロータ３の磁極片３１に磁気的な回転力を伝達できる。図１０の図（Ａ）において、３相交流を適用し、さらに高調波成分＃１，＃２の一方側を固定部２に適用する場合に、適用する高調波成分に対応した磁極を個々に設けるのではなく、適用する相数分ずつ１つにまとめている。すなわち、適用する高調波成分に応じた成立条件から、磁極２２’の内周先端に、１対１の隙間寸法比で３個の凸条２２１’を設けている。隣接の磁極２２’との隙間も同一寸法として、各凸条２２１’が空隙を挟んで連続して配置された構造となっている。これにより、電磁石に主成分の交流電流が供給されると、各凸条２２１’の端面に、適用される一方の高調波成分に対応する高調波回転磁界が生成される。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１０’ 磁気減速機構
１ 高速ロータ
１２ 磁極対
２，２’ 固定部
２２，２２’ 磁極
２２１’ 凸条
２３ コイル
３ 低速ロータ
３１ 磁極片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気伝達機構を用いた磁気減速機構及び低速ロータ磁気減速回転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び非特許文献１には、磁気歯車を用いた磁気減速機構が開示されている。この磁気減速機構は、外部から回転力が伝達されて回転する入力軸としての高速ロータ、出力軸としての低速ロータ及び両者間に介設された固定部とが同軸上に配置されたものである。高速ロータは周方向に複数の磁極対を有する。固定部は周方向に複数の磁極片を有する。そして、低速ロータは周方向に永久磁石がＮＳ交互に配置されている。かかる構成において、高速ロータの磁極対の数をＮ１、低速ロータの磁石数の数をＮ２とし、磁気減速の成立条件である、固定部の磁極片の数をＮ１±Ｎ２（Ｎ１＋Ｎ２、あるいはＮ１−Ｎ２）とするとき、減速比はＮ２／Ｎ１となる。すなわち、外部から伝達された回転力によってある回転速度で回転する高速ロータに対して、低速ロータは前記減速比で減速された回転速度で回転する。これによって、機械的接触を伴わず、低振動・低騒音であり、かつ高伝達効率が可能な減速機構が得られる。また、許容トルクを超える場合には磁気的なスリップが生じることでトルクリミッタとしての作用も備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０６９４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献４】山本優文、平田勝弘、ＨＢ型磁気伝達減速機構に関する研究、第20回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム、P.77-80(2008)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１及び非特許文献１に記載の磁気減速機構は、減速比Ｎ２／Ｎ１であり、固定値である。従って、磁気減速機構が適用される、例えばロボットアームのような対象物によっては、入力側からの回転数を一定比率で減速回転させて出力側に伝達する減速機構には有益である一方、そのような適用対象物であっても、用途や仕様によっては、減速比が変更できることが望ましい場合も充分考えられる。また、磁気減速機構の他の適用対象物に対しても、減速比が適宜変更可能な方が好ましい場合もあり、汎用性が向上する。また、特許文献１及び非特許文献１に記載の磁気減速機構は、トルク比も一定であるため、改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、電磁気的な方法で減速比を変更可能にする点にある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、固定部の形状に特徴を持たせることでトルク比を変更可能にする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明に係る磁気減速機構は、周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の極対数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定されることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項５記載の発明に係る磁気式低速ロータ減速回転制御方法は、周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定され、前記電磁石に周波数が変動可能な交流電流を供給するものである。
【００１０】
これらの発明によれば、高速ロータがある速度で回転することで、対向する低速ロータの磁極片の外周に生じる起磁力の内、減速回転に関する高調波成分の回転磁束を、最外周の固定部の電磁石で形成している。その結果、低速ロータは固定部で生成された高調波によって減速回転することとなる。そして、高調波成分の主成分に対する回転速度が変われば、すなわち電磁石に供給される、高調波成分の回転のための交流電流の周波数を変更すれば、主成分による回転速度に対する高調波成分による回転速度の比率は変更されることになる。また、高調波成分に対応する固定部の磁極数としては、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方であってもよい。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の磁気減速機構において、前記回転磁界の内の高調波成分は、回転周期が主成分に対して変更可能であることを特徴とする。この構成によれば、主成分による回転速度に対する高調波成分による回転速度の比率が変更されることになる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気減速機構において、前記電磁石は、前記磁極に３相交流が供給されコイルが巻回されたものであることを特徴とする。この構成によれば、回転磁界の生成が容易に行える。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気減速機構において、前記電磁石の磁極は、前記磁極の内周に周方向に平行に併設された複数の凸条を有することを特徴とする。この構成によれば、各凸条によって形成されるパーミアンス分布と電磁石による起磁力によって発生する高調波磁束を利用することができる。これにより、電磁石と低速ロータによって発生する高調波と同期させることで、各電磁石の部分を個々に作製する場合に比して磁極数が低減され、構造が簡易となる。従って、高速ロータの極対数と低速ロータの磁極片数の比率で決まるトルク比を、固定部の磁極部分の構造を簡素した元で変更することが可能となる。なお、凸条の磁極の数は、前記Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１の一方に対応して、すなわち、電磁石に供給する交流電流の相数も考慮して設定される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固定部の磁極に電磁石を採用することで減速比を変更することができる。また、本発明によれば、固定部の磁極外周の形状に特徴を持たせることで複雑な構造を採用することなくトルク比を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図２】高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。
【図３】固定部を回転させた場合の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す磁気減速機構の構成図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は上方から見た斜視図である。
【図５】高速ロータをαだけ回転させる間に、起磁力分布をβだけ回転させる場合の説明図である。
【図６】３相交流の周波数変更に対する低速ロータの回転数の解析結果を示す図である。
【図７】高速ロータの起動開始における低速ロータの減速回転移動状態を示す図である。
【図８】高速ロータ及び低速ロータのトルクの経時状況を示す図である。
【図９】固定部の磁極に高調波磁束を形成可能な磁気減速機構を示す平面図である。
【図１０】凸条を有する磁気減速構造と、磁束の主成分及び第１、第２高調波成分との作用を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図３は、従来の磁気減速機構の構造及び減速原理を説明するための図である。まず、これらの図を参照して減速原理について説明する。図１は、従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。図２は、高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。図３は、固定部の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。
【００１７】
図１において、従来の磁気減速機構は、中央の高速ロータ１００と、中間の固定部２００と、最外周の低速ロータ３００とが所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部は軸方向に所定長を有する。高速ロータ１００は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるもので、磁性材料からなる、例えば軸状（あるいは円筒状でもよい）の鉄心１０１と、鉄心１０１の外周に周方向に均等にＮ，Ｓが交互に配置された永久磁石からなる磁極対１０２とで構成されている。図１の例では極対数は２個である。固定部２００は、磁極対１０２の外周に対向して円周上に所定ピッチを置いて複数配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片２０１を有する。磁極片２０１は、縦断面が略矩形で径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３００は、磁性材料からなる環状体３０１と、環状体３０１の内周に周方向にＮ，Ｓ交互に複数配置された永久磁石からなる磁極３０２とから構成されている。
【００１８】
次に、図２において、今、高速ロータ１００の回転方向θに対する永久磁石（図２（Ａ）参照）による起磁力分布Ｆ（θ）を、図２（Ｂ）に示すように、正弦波と仮定すると、Ｆ（θ）＝ＡsinＮhθ（但し、Ｎhは高速ロータ１００の極対数。Ａは係数。）と置くことができる。また、図２（Ｃ）に示す固定部２００の磁極片２０１の径方向外周での（磁束の通り易さを示す）パーミアンス分布Ｒ（θ）も、図２（Ｄ）のような正弦波と仮定すると、Ｒ（θ）＝Ｒo＋ＲasinＮsθ（但し、Ｎsは固定部２００の磁極片の数。Ｒo，Ｒaはそれぞれ係数。）と置くことができる。
【００１９】
そうすると、固定部２００の磁極片２０１の外周での磁束φ（θ）は、磁気回路のオームの法則による起磁力＝磁束×磁気抵抗の関係を適用して、Ｆ（θ）とＲ（θ）との積で決定される。すなわち、数１のように展開される。
【００２０】
【数１】
【００２１】
数１において、第１項中のＮhは、高速ロータ１００の極対数Ｎhと同一成分である。第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとは、高調波成分である。すなわち、固定部２００の磁極片２０１の外周に発生する磁束φ（θ）は、Ｎhの基本成分（主成分）の他に、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとの２種類の高調波成分があることが判る。
【００２２】
次に、固定部２００を固定したまま、高速ロータ１００をΔθだけ回転させた場合を考えると、この時の起磁力分布はＦ（θ＋Δθ）となり、一方、パーミアンス分布は固定部２００が回転しないため、Ｒ（θ）である。そして、高速ロータ１００がΔθ回転した時点の固定部２００の磁極片２０１の外周の磁束φ（θ＋Δθ）は、数２で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
数２において、磁束φ（θ＋Δθ）の第１項中のＮhは、（θ＋Δθ）とあるとおり、＋Δθとあることから、高速ロータ１００と同一速度で回転している成分であることが判る。一方、第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhとは、どちらも高速ロータ１００とは異なる速度の高調波であり、すなわち、Ｎs−Ｎhについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、−ＮhΔθ／（Ｎs−Ｎh）だけ回転するものであり、また、Ｎs＋Ｎhについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、ＮhΔθ／（Ｎs＋Ｎh）だけ回転するものであるから、いずれも回転速度が基本成分とは異なることが判る。そして、上記低速ロータ３００の数を、Ｎs−ＮhかＮs＋Ｎhの一方に設定すると、設定された側について、前記異なる回転速度で低速ロータ３００は回転することになる。
【００２５】
そのためには、低速ロータ３００の磁極の数をＮlとするとき、Ｎl＝Ｎs−Ｎh、あるいはＮl＝Ｎs＋Ｎhに設定、すなわち、これを書き替えると、Ｎs＝Ｎl＋Ｎh、あるいはＮs＝Ｎl−Ｎh（すなわち、Ｎs＝Ｎl±Ｎh）となる。これが磁気減速機構の成立条件となる。
【００２６】
また、減速比Ｇrは、Ｇr ＝±Ｎl／Ｎhとなる。なお、減速比Ｇrが正の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが同一方向に回転することを示しており、減速比Ｇrが負の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが逆方向に回転することを示している。
【００２７】
上記の構造と高調波磁束との関係から、高速ロータ１００の回転させつつ固定部２００も同時に回転させた場合における低速ロータ３００の回転速度の挙動をシミュレーションから導出した。すなわち、固定部２００を機械的に回転させた場合を想定すると、高速ロータ１００との間の相対速度が変化することとなる。その結果、固定部２００の磁極辺２０１の外周に生じる高調波磁束の回転速度も変化すると考えられる。
【００２８】
図３は、固定部を回転させた場合の回転速度の変更と低速ロータの回転速度との関係を示す特性図である。図３から、高速ロータ１００を定速回転状態で、固定部２００の回転速度を増減させると、この増減分に比例して低速ロータ３００の回転速度が増減することが判る。換言すれば、固定部２００を回転することで、減速比Ｇrを変更することが可能となる。しかしながら、固定子２００を機械的に回転させる駆動源、典型的にはモータを付加する等が必要となり、機構が複雑になり、かつ大型化し、高価になるという新たな問題が生じる。
【００２９】
そこで、本発明は、図１に示す従来の磁気減速機構に対して、
（ｉ）図１の低速ロータ３００と固定部２００とを入れ替える。
【００３０】
（ii）固定部２００の永久磁石を、例えば３相巻線が巻回された電磁石に置き換える。
【００３１】
（iii）電磁石に供給する、例えば３相交流の周波数を変化可能にする。
【００３２】
との構成を採用し、図４の構成を実現する。
【００３３】
図４は、本発明の一実施形態を示す磁気減速機構の構成図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は上方から見た斜視図である。図４において、磁気減速機構１０は、中央の円筒状の高速ロータ１と、中間の環状の低速ロータ３と、最外周の環状の固定部２とが互いに所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部１，２，３は軸方向に所定長を有する。
【００３４】
高速ロータ１は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるもので、磁性材料からなる円筒状等の鉄心１１と、鉄心１１の外周に周方向に均等にＮ，Ｓが交互に配置された永久磁石からなる磁極対１２とで構成されている。図１の例では磁極対１２の極対数は４個である。
【００３５】
低速ロータ３は、磁極対１２の外周に対向し、円周上に所定ピッチを置いて複数放射状に配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片３１を有する。低速ロータ３の各磁極片３１は、縦断面が略矩形乃至は径方向に扇状で、径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３の磁極片３１の支持構造については、図４では示していないが、例えば、環状かつ非磁性材料の基部を有し、その上面側に各磁極片３１が円周状に植設された構造、又は非磁性材料、例えば円筒状の樹脂体の周方向に穿設された孔に嵌入され、あるいは樹脂でモールドして固化される等して一体に構成されていてもよい。なお、低速ロータ３は、出力軸として機能するものであることから、適用対象物（例えばロボットアーム）側と連結可能な構造部分、例えば、下方に所定寸法だけ延設された連結用の軸部（筒部）を備える等して構成されている。
【００３６】
固定部２は、磁性材料からなる最外周の円筒体２１と、円筒体２１の内面側に立直し、周方向に所定ピッチを置いて径方向に立設された磁性材料からなる複数の磁極２２と、各磁極２２に巻回されたコイル２２とから構成されている。すなわち、磁極２２とコイル２３とで電磁石が構成されている。図４（Ｂ）に一部見えるように、磁極２２は、突極形状を有している。そして、コイル２３が、かかる突極形状の磁極２２に所要ターン数だけ巻回されて、所要の起磁力が発生可能に構成されている。磁極２２に巻回されたコイル２３は、本実施形態では、回転磁界を発生させるための３相巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が施されている。なお、３相交流は公知のように、１個の電源から３本に分岐された配線に対して半導体スイッチング素子等で構成されるドライバによって電流を１２０°毎の位相と極性とに対してスイッチング制御することでＵ，Ｖ，Ｗ相が得られる。そして、スイッチング周期を変えることで３相交流の出力周波数が変更可能になっている。電磁石の部分を固定部２に設けたことで、スリップリング等の静止系と回転系とを電気的に接続する構成を不要とすることができる。
【００３７】
また、低速ロータ３の磁極片３１及び固定部２の磁極２２は、周方向の寸法が隣接の間隙の寸法と１対１の関係にある。
【００３８】
ここで、固定部２を静止した状態で、図５に示すように、高速ロータ１００をαだけ回転させる間に、起磁力分布をβだけ回転、すなわち低速ロータ３を角度βだけ回転させる場合を考える。図５は、この状態を説明するための図である。この場合の低速ロータ３の磁極片の外周の磁束φ（θ＋α）は、数３で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
但し、Ｎhを高速ロータ１の極対数とする一方、説明の便宜上、及び数１、数２との関係で、Ｎsを低速ロータ３の磁極片数とし、Ｎlを固定部２の磁極数とする。
【００４１】
数３において、磁束φ（θ＋α）の第１項中のＮhは、（θ＋α）、すなわち、＋αであるから、高速ロータ１と同一速度で回転していることが判る。一方、第２項中の、Ｎs−ＮhとＮs＋Ｎhは、どちらも高速ロータ１とは異なる速度の高調波である。すなわち、Ｎs−Ｎhについては、高速ロータ１の角度αの回転に対して、起磁力分布の角度βの回転が反映されて、−（ＮhΔθ−Ｎsβ）／（Ｎs−Ｎh）だけ回転することとなり、また、Ｎs＋Ｎhについては、（ＮhΔθ＋Ｎsβ）／（Ｎs＋Ｎh）だけ回転するから、いずれも回転速度は基本成分（主成分）の速度とは異なることが判る。しかも、この第２項には、起磁力分布Ｆ（θ）の回転に依存した、−Ｎsβ、＋Ｎsβの成分が含まれているため、βの値、すなわち起磁力Ｆ（θ）の回転速度が磁束φ（θ）の回転速度の変化に影響することが判る。
【００４２】
ここで、上記固定部２の磁極数Ｎlを、Ｎs−ＮhかＮs＋Ｎhの一方に設定した場合を考える。上記において、数３では、低速ロータ３に回転力（前記角度βに相当する回転を与える外力）を付与した状態で、その低速ロータ３の磁極片の外周に生じる磁束φ（θ＋α）を計算したが、逆に、低速ロータ３に回転力を与えず、これに代えて、固定部２側で数３の第２項の高調波成分と等しい回転速度を有する磁界を作成すると、低速ロータ３の磁極片３１に対して、数３の高調波成分の磁束に同期されることとなり、低速ロータ３は数３の磁束を受けて減速回転する。
【００４３】
今、固定部２の磁極数Ｎlを、Ｎs−Ｎhに設定する場合を考えると、固定部２の磁極２２は、−（ＮhΔθ−Ｎsβ）／（Ｎs−Ｎh）で回転する。これを、磁極２２及びコイル２３からなる電磁石に供給する交流電流の周波数に置換すると、−（Ｎhωh−Ｎsωβ）＝６０ｆから、周波数ｆが求まる。但し、ωhは角度αに対応する角速度、ωsは角度βに対応する角速度で、単位はｒｐｍである。
【００４４】
以上より、固定子２の磁極数Ｎlとして、Ｎs±Ｎhを採用し、回転磁界を発生させる交流電流として３相交流を採用した態様では、電磁石の個数をＮcとしたとき、Ｎc＝３（Ｎs±Ｎh）となる。一般には、Ｎc＝ｎ（Ｎs±Ｎh）、但し、ｎは相数を示す。また、トルク比は、Ｎs／Ｎhである。
【００４５】
次に、かかる原理に基づいて磁気減速構造モデルを作成し、効果試験をシミュレーションした。なお、磁気減速機構モデルは、下記の諸要素で作成されている。
【００４６】
高速ロータ１の極対数：４
低速ロータ３の磁極片数：１７
固定部３の電磁石数：３９
最外径：１７０ｍｍ
軸方向長さ：１００ｍｍ
コイルのターン数：６００
永久磁石の磁化：１．２Ｔ
各部の磁性材料：５０ＪＮ４００
トルク比：４．２（＝１７／４）
そして、かかる磁気減速機構モデルについて、
高速ロータ１を６０ｒｐｍで回転
低速ロータ３に３０Ｎｍの負荷設定
交流電源として１アンペア（Ａ）の３相交流
の動作条件を設定した。
【００４７】
図６は、３相交流の周波数変更に対する低速ロータの回転数の解析結果を示す図である。図６に示すように、３相交流の周波数を、数３に示すβ＝０の状態を中心にして、±３０Ｈｚの範囲で変更し（図６のドット位置：解析点）、これに対して、低速ロータ３の回転速度が、約１２０ｒｐｍ〜−１００ｒｐｍの範囲で変動していることが判る。なお、周波数が負とは、回転磁界が逆方向に回転する意味であり、回転方向が負とは、低速ロータ３が高速ロータ１に対して逆回転する意味である。
【００４８】
解析点に対して、例えば最小二乗法を利用して回帰直線が得られており、これによれば、低速ロータの回転数は３相交流の周波数の変化に比例しているということができる。従って、周波数を変更する制御を行うことで、低速ロータ３の減速比Ｇrをリニアに大小変更でき、さらには回転方向の切替も可能となる。
【００４９】
図７は、高速ロータの起動開始における低速ロータの減速回転起動状態を示す図である。直線側は、高速ロータ１の起動に伴う回転速度の上昇過程を示しており、この直線に対して、コギングを含む低速ロータが所定の速度差（減速比）で追従していることが判る。
【００５０】
図８は、高速ロータ及び低速ロータのトルクの経時状況を示す図である。図８に示すように、高速ロータ１及び低速ロータ３のトルクはコギングの影響はあるものの、略一定であり、高速ロータは−７．１Ｎｍ、低速ロータは２９．９Ｎｍである。従って、トルク比は−４．２（＝２９．９／−７．１）となり、これは理論値４．２５（＝１７／４）とほぼ一致している。
【００５１】
前述したように、磁気減速機構１０は、減速比Ｇｒを変動させ得る一方、現在の構造では、トルク比ＴｒはＮs／Ｎh（Ｎsは低速ロータ３の磁極片数）で一定である。トルク比Ｔrは、Ｎs／Ｎh（Nsは低速ロータの磁極片数）の関係から、低速ロータ３の磁極片数Ｎsを大きくするか、逆に高速ロータ１の極対数Ｎhを小さくするか、あるいは両方を変える方法が考えられる。一方、３相交流の場合、電磁石の個数＝３（Ｎs±Ｎh）であるから、Ｎsを大きくし、Ｎhを小さくすることは、例えば（Ｎs−Ｎh）について検討すると（Ｎs−Ｎh）が大きくなり、その結果、Ｎｃを大きくすることになる。Ｎｃは固定部３の電磁石の個数であるから、この数値が大きくなると、構造の複雑化を招来し、製造精度、生産性からも好ましくない。そこで、今、固定部３の電磁石に所定の複数相の交流、例えば３相交流を供給する態様で、トルク比を変更、好ましくはより増大するように変更可能な磁気減速機構を考える。
【００５２】
図９は、固定部の磁極（突極）で形成されるパーミアンスと電磁石の起磁力によって発生する高調波磁束を利用した磁気減速機構を示す平面図である。この磁気減速機構１０’は、固定部２’の磁極２２’の内周、すなわち磁極端面に周方向に平行に併設された複数の凸条２２１’が形成されている（あるいは溝が形成されたとしてもよい）。立直状の磁極２２’の基部側は単体で、この部分にコイル２３が巻回されている。すなわち、コイル巻回位置よりも内周先端側に、凸条２２１’が形成されている。凸条２２１’は断面矩形を有し、全体として歯形に形成されている。凸条２２１’の突極数は、後述する成立条件を満たすように決定する。
【００５３】
ところで、図９において、凸条２２１’が、単純に、全て独立した電磁石で構成されていると想定した場合、高速ロータ１及び低速ロータ３については、高速ロータ１の極対数Ｎhが５個、低速ロータ３の磁極片Ｎsが２９個であるから、トルク比Ｔｒの増大を考えなければ、固定部２の電磁石の個数Ｎcは、３（Ｎs−Ｎh）から求まり、７２個必要となって製造は極めて困難となる。
【００５４】
また、前記効果試験で採用した構造の場合では、高速ロータの極対数を４個、低速ロータの磁極片数を１７個、固定部の電磁石数を３９個としたが、この場合も、Ｎc＝３（Ｎs−Ｎh）に代入すると、３×（１７−４）＝３９となり、やはりかなりの個数の電磁石の配列が必要となってしまう。
【００５５】
そこで、トルク増大を図るための構造として、図９のように、各磁極２２’に凸条２２１’を設ける（あるいは溝を形成する）ことで、磁極２２’及びコイル２３の個数を低減すると共に、高調波成分に対応する必要数の磁極を凸条２２１’で形成した。図９では、磁極２２’の数をＮc、凸条２２１’の数をＮt、交流の相数を３相とするとき、
成立条件：Ｎs±Ｎh＝Ｎt±Ｎc／３
となる。なお、±は、低速ロータ３の高速ロータ１に対する回転方向を示している。
【００５６】
ここで、前記成立条件のうち、Ｎs−Ｎh＝Ｎt−Ｎc／３の方について検証すると、磁極２２’の数Ｎcは９個、凸条２２１’の数Ｎtは２７個となり、図９と一致している。トルク比Ｔrは５．８（＝２９／５）となる。このように、同じトルク比Ｔrを得る場合に、個別の電磁石を採用する場合（前述したように７２個）に比して、固定部２の構造を大幅に簡素化できる。すなわち固定部２の磁極２２の数を、採用する交流の相数に応じて低減しつつ、トルク比の増大が図れることにもなる。
【００５７】
図１０は、凸条を有する磁気減速構造と、磁束の主成分及び２種類の高調波成分＃１，＃２との作用を説明するための図で、（Ａ）は固定部の一部を軸芯方向から見た図、（Ｂ）は低速ロータ側の一部を軸芯方向から見た図である。低速ロータ３の外周に生じる回転磁界は、図１０（Ｂ）に示すような主成分と、高調波成分＃１，＃２とがある。従って、この高調波成分＃１，＃２の一方に相当する回転磁界を固定部２の電磁石で生成すれば、低速ロータ３の磁極片３１に磁気的な回転力を伝達できる。図１０の図（Ａ）において、３相交流を適用し、さらに高調波成分＃１，＃２の一方側を固定部２に適用する場合に、適用する高調波成分に対応した磁極を個々に設けるのではなく、適用する相数分ずつ１つにまとめている。すなわち、適用する高調波成分に応じた成立条件から、磁極２２’の内周先端に、１対１の隙間寸法比で３個の凸条２２１’を設けている。隣接の磁極２２’との隙間も同一寸法として、各凸条２２１’が空隙を挟んで連続して配置された構造となっている。これにより、電磁石に主成分の交流電流が供給されると、各凸条２２１’の端面に、適用される一方の高調波成分に対応する高調波回転磁界が生成される。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１０’ 磁気減速機構
１ 高速ロータ
１２ 磁極対
２，２’ 固定部
２２，２２’ 磁極
２２１’ 凸条
２３ コイル
３ 低速ロータ
３１ 磁極片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の極対数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定されることを特徴とする磁気減速機構。
【請求項２】
前記回転磁界の内の高調波成分は、回転周期が主成分に対して変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の磁気減速機構。
【請求項３】
前記電磁石は、前記磁極に３相交流が供給されコイルが巻回されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気減速機構。
【請求項４】
前記電磁石の磁極は、前記磁極の内周に周方向に平行に併設された複数の凸条を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気減速機構。
【請求項５】
周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定され、前記電磁石に周波数が変動可能な交流電流を供給する低速ロータ磁気減速回転制御方法。
【請求項１】
周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の極対数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定されることを特徴とする磁気減速機構。
【請求項２】
前記回転磁界の内の高調波成分は、回転周期が主成分に対して変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の磁気減速機構。
【請求項３】
前記電磁石は、前記磁極に３相交流が供給されコイルが巻回されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気減速機構。
【請求項４】
前記電磁石の磁極は、前記磁極の内周に周方向に平行に併設された複数の凸条を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気減速機構。
【請求項５】
周方向に複数の磁極対を有し、外部から回転力が伝達される高速ロータと、前記磁極対の外周と対向し、周方向に複数の磁極片を有する低速ロータと、前記磁極片の外周と対向する固定部とが、それぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記固定部は、回転磁界の高調波成分を形成するための電磁石からなる磁極が前記磁極片の外周と対向した状態で周方向に複数配置され、かつ前記固定部の磁極の数は、前記高速ロータの磁極対の数をＮ１とし、前記低速ロータの磁極片の数をＮ２とするとき、Ｎ２―Ｎ１及びＮ２＋Ｎ１のいずれか一方に対応して設定され、前記電磁石に周波数が変動可能な交流電流を供給する低速ロータ磁気減速回転制御方法。
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０６４０１（Ｐ２０１３−１０６４０１Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４７５３６（Ｐ２０１１−２４７５３６）
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
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