阅读说明：本技术 旋转电机 (Rotating electrical machine ) 是由 宇贺治元 吉川祐一 平田胜弘 新口昇 于 2018-07-25 设计创作，主要内容包括：从径向内侧开始将第一转子、沿周向具有多个磁极片和绕组的固定部以及第二转子以彼此隔开间隙的方式同轴配置,第一转子和第二转子由永久磁体或电磁体构成,绕组用于在第一转子和第二转子处产生电磁力转矩,电磁力转矩通过第一转子的旋转磁传递到第二转子,或者通过第二转子的旋转磁传递到第一转子,在第一转子和第二转子中的任意一方的转子处,电磁力转矩与通过另一方的转子磁传递的转矩重叠。(The first rotor, the fixed portion having a plurality of magnetic pole pieces and a winding in a circumferential direction, and the second rotor are coaxially arranged with a gap from a radially inner side, the first rotor and the second rotor are formed of permanent magnets or electromagnets, the winding is configured to generate electromagnetic force torque at the first rotor and the second rotor, the electromagnetic force torque is magnetically transmitted to the second rotor by rotation of the first rotor or is magnetically transmitted to the first rotor by rotation of the second rotor, and the electromagnetic force torque overlaps torque magnetically transmitted by the other rotor at one of the first rotor and the second rotor.)

旋转电机

技术领域

本发明涉及一种使用了磁减速机构的旋转电机。

背景技术

在专利文献1和非专利文献1中公开了一种使用了磁传递机构的旋转电机机构。该旋转电机机构从径向内侧开始将具有永久磁体的第一转子、具有磁极片的第二转子以及具有绕组的固定部以彼此隔开间隙的方式同轴配置。通过对固定部绕组施加三相电流使第一转子驱动，通过第一转子的旋转，在第二转子中产生磁减速机的反作用力转矩。由此，没有伴随机械的接触，低振动、低噪音、高传递效率，且通过使磁减速机和旋转电机一体化，作为系统能够小型或获得高输出。另外，通过在超过允许转矩的情况下产生磁性地滑移，也具备作为转矩限制器的作用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5204094号公报

非专利文献1：新口昇、平田勝弘著「新しい磁気ギアードモータ」日本AEM学会誌(新口升、平田胜弘著“新磁齿轮马达”日本AEM学会志)Vol.21,No.2(2013),p.110-115

发明内容

发明要解决的问题

关于专利文献1和非专利文献1，能够在固定部的绕组的旋转磁场中产生的转矩只是针对一方的转子，将产生的转矩减速传递到另一方的转子。

本发明的目的在于实现用于省资源化、低成本化的旋转电机小型化、用于在有限的空间内提高输出的旋转电机高输出化。

用于解决问题的方案

为了解决所述现有的问题，本公开的一个方式中的旋转电机的特征在于，从径向内侧开始将第一转子、沿周向具有多个磁极片和绕组的固定部以及第二转子以彼此隔开间隙的方式同轴配置，所述第一转子和所述第二转子由永久磁体或电磁体构成，所述绕组用于在所述第一转子和所述第二转子处产生电磁力转矩，所述电磁力转矩通过所述第一转子的旋转磁传递到所述第二转子，或者通过所述第二转子的旋转磁传递到所述第一转子，在所述第一转子和所述第二转子中的任意一方的转子处，所述电磁力转矩与通过另一方的转子磁传递的转矩重叠。

发明的效果

根据本发明，能够实现旋转电机的高输出密度化。

本发明的旋转电机起到通过固定部的绕组的旋转磁场使两个转子产生转矩、并且能够使一方的转子产生的转矩减速传递到另一个转子的效果，例如对于用于省资源化、低成本化的旋转电机小型化、用于在有限的空间内提高输出的旋转电机高输出化是有益的。

附图说明

图1示出现有的磁减速机构，(A)是俯视图，(B)是立体图。

图2是说明对于现有的高速转子和固定部的磁效应的图，(A)是由高速转子的永久磁体构成的磁极对的俯视图，(B)是示出由高速转子的永久磁体形成的磁势分布的图，(C)是固定部的俯视图，(D)是示出由磁极片形成的磁导(permeance)分布的图。

图3是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的结构图，(A)是斜视图，(B)是了解磁回路的平面的截面图。

图4是示出使本发明的各转子旋转时的固定部绕组产生的感应电压的解析结果的图。

图5是示出由本发明的两个转子角度(相位)差产生的传递转矩的解析结果的图。

图6是示出对本发明的线圈施加三相正弦波电流时的转矩的解析结果的图。

图7是示出在本发明的一个实施方式中进行动作验证时的两个转子的产生转矩的图。

图8是示出在本发明的一个实施方式中进行动作验证时的两个转子的转动角的图。

具体实施方式

图1、图2是用于说明现有的磁减速机构的构造和减速原理的图。首先，参照这些图来说明减速原理。

在图1中，现有的磁减速机构是中央的高速转子100、中间的固定部200以及最外周的低速转子300间隔所需的间隙同轴配置而构成的。各部沿轴方向具有规定长度。高速转子100例如与马达等的输出轴连结而被输入旋转力，该旋转力为省略图示的旋转力，高速转子100由铁芯和磁极对102构成，所述铁芯由磁性材料构成，例如为轴状(或者也可以是圆筒状)，所述磁极对102是在铁芯的外周沿周向均匀地交替配置N极、S极而得到的，磁极对102由永久磁体构成。在图1的例子中，极对数是两个。固定部200具有与磁极对102的外周相对地在圆周上间隔规定间距配置多个的磁极片201，该磁极片201由磁性材料构成，呈沿轴方向延伸的棒状。磁极片201的纵剖面大致为矩形，平面部分朝向径向。低速转子300由环状体301和磁极302构成，其中，所述环状体301由磁性材料构成，所述磁极302是在环状体301的内周沿周向交替地配置多个N极、S极而得到的，由永久磁体构成。

接下来，在图2中，如图2的(B)所示，现在当将相对于高速转子100的旋转方向θ的永久磁体(参照图2的(A))的磁势分布F(θ)假定为正弦波时，能够设置为F(θ)＝AsinN_hθ(其中，N_h为高速转子100的极对数。A为系数)。另外，当将图2的(C)所示的在固定部200的磁极片201的径向外周处的(表示磁通量的通过的难易程度)磁导分布R(θ)也假定为如图2的(D)那样的正弦波时，能够设置为R(θ)＝R₀+R_asinN_Sθ(其中，N_S为固定部的磁极片的数量。R₀、R_a分别为系数)。

因而，在固定部的磁极片的外周产生的磁通量

表示为如下述式(1)。

【数1】

在式(1)中，第一项中的N_h与高速转子100的极对数N_h是同一成分。第二项中的N_S-N_h和N_S+N_h是高次谐波成分。即，在固定部的磁极片的外周产生的磁通量

除了N_h的基本成分(主成分)之外，还可知有N_S-N_h和N_S+N_h这两种的高次谐波成分。

接下来，当考虑在将固定部保持固定的状态下使高速转子100仅以Δθ旋转的情况时，此时的磁势分布变为F(θ+Δθ)，另一方面，磁导分布由于固定部不旋转因此为R(θ)。然后，高速转子旋转了Δθ的时间点的固定部的磁极片的外周的磁通量

表示为如下述式(2)。

【数2】

在式(2)中，磁通量

的第一项中的N_h，由于存在(θ+Δθ)即+Δθ成分，因此可知以是与高速转子100相同速度旋转的成分。另一方面，第二项中的N_S-N_h和N_S+N_h都是与高速转子100不同的速度的高次谐波，即，关于N_S-N_h，其相对于高速转子100的Δθ的旋转仅旋转-N_hΔθ/(N_S-N_h)，另外，关于N_S+N_h，其相对于高速转子的Δθ的旋转仅旋转N_hΔθ/(N_S+N_h)，因此可知转动速度都与基本成分不同。而且，当将上述低速转子300的数量设定为N_S-N_h或N_S+N_h中的一方时，关于被设定侧，低速转子300以所述不同的转动速度旋转。

因此，当将低速转子300的磁极的数量设为N_I时，设定为N_I＝N_S-N_h或N_I＝N_S+N_h，即，当将其改写时，为N_S＝N_I+N_h或N_S＝N_I-N_h(即，N_S＝N_I±N_h)。这成为磁减速机构的成立条件。

另外，减速比G_r为G_r＝±N_I/N_h。此外，减速比G_r为正的情况示出了高速转子100和低速转子300沿相同方向旋转，减速比G_r为负的情况示出了高速转子100和低速转子300沿相反方向旋转。然而，需要附加使定子机械地旋转的驱动源、典型的是电动机等，产生机构变得复杂且大型化、变为高价等新的问题

(实施方式)

因此，本发明针对图1所示的现有的磁减速机构，在固定部的磁极片设置绕组，成为能够使两个转子产生转矩的旋转电机。

在本发明的一个实施方式(图3)中，磁减速机由从外侧开始设置的具有磁性材料31和永久磁体30的低速转子3、具有缠绕在磁极片20上的线圈21的固定部2、具有永久磁体11和磁性材料10的高速转子1构成。在此，高速转子1和低速转子3分别是第一转子和第二转子的一例，即使将它们更换，动作原理也成立，但是在实施方式中将作为多极的低速转子3配置于外侧。另外，缠绕在磁极片20的线圈21构成短距集中卷绕，但是绕组方法并不限定于此。

像这样，实施方式所涉及的旋转电机从径向内侧开始将第一转子、在周方向上具有多个磁极片20和绕组(线圈21)的固定部2以及第二转子以彼此隔开间隙的方式同轴配置。第一转子和第二转子由磁性材料10和31、永久磁体11和30或电磁体构成。绕组用于在第一转子和第二转子中产生电磁力转矩，电磁力转矩通过第一转子的旋转磁传递到第二转子，或者通过第二转子的旋转磁传递到第一转子，在第一转子和第二转子中的任意一方的转子处，电磁力转矩与由另一方的转子磁传递的转矩重叠。

接下来，说明本发明的动作原理。以高速转子1的极对数和低速转子3的极对数、固定部2的磁极片数满足之前示出的磁减速机构的成立条件为前提。也就是说，在将固定部2的磁极的数量设为N_S，将第一转子的极数设为N_L，将第二转子的极数设为N_H时，设定为N_S＝N_L+N_H和N_S＝N_L-N_H中的任一方来将第一转子和第二转子进行磁耦合。在高速转子1以转速ω_H旋转时，在固定部2的线圈21处产生的反电动势电压的频率F_H为N_Hω_H。另一方面，低速转子3的转速ω_L为ω_H/G_r，通过低速转子3的旋转，在固定部2的线圈21处产生的反电动势电压的频率F_L为N_Lω_L＝(G_rN_H)(ω_H/G_r)＝F_H。根据以上叙述，满足磁减速机构的成立条件的本发明的旋转电机的、通过高速转子1和低速转子3各自的旋转在固定部2的线圈21处产生的反电动势电压的频率是相同的。因而，满足磁减速机构的成立条件，在高速转子1和固定部2的磁极片数以及低速转子3和固定部2的磁极片数例如是能够作为三相永磁无刷马达进行旋转的组合时，通过对固定部2的线圈21施加的电流，在两个转子处产生转矩。

将低速转子3的输出设为以ω_L固定旋转。在对固定部2的线圈21施加频率ω_H、电流I时，关于在高速转子1处产生的转矩T_H，使用转矩常数k_tH而成为T_H＝k_tHI，另外在低速转子3处产生的转矩T_L，使用转矩常数k_tL而成为T_L＝k_tLI。

由于线圈21电流而在高速转子1处产生的转矩等于通过作为磁减速机的动作产生的来自低速转子3的反作用力转矩，该转矩乘以减速比倍数传递到低速转子。因而，当从低速转子3输出的转矩T_O无视损失时为T_O＝T_L+G_rT_H，可知使由固定部绕组在低速转子3处产生的电磁力转矩与由高速转子1磁传递的转矩重叠。也就是说，通过使由第一转子和第二转子中的任意一方的转子磁传递的转矩重叠，能够使第一转子和第二转子中的另一方的转子加减速。

接下来，基于相关的原理来制作磁减速构造模型，并模拟了效果试验。此外，旋转电机模型由下述的各要素制作。

高速转子极对数的极对数：4

低速转子极对数的极对数：8

固定部的磁极片数：12

减速比：-2(＝-8/4)

最外径：110mm

轴向长度：80mm

线圈的匝数：10

永久磁体的磁化：1.28T

首先，通过对固定部线圈施加电流，确认是否高速转子、低速转子分别产生转矩，因此确认使高速转子和低速转子按照减速比旋转时的反电动势电压。

在接下来示出的条件(a)、(b)、(c)下求出在定子的线圈处产生的反电动势电压。

(a)固定低速转子，使高速转子以-60r/min强制旋转

(b)固定高速转子，使低速转子以30r/min强制旋转

(c)使高速转子以-60r/min、低速转子以30r/min强制旋转

图4示出该结果。在(a)、(b)的条件下产生的反电动势电压的电压相位相等，使两个转子按照减速比旋转的条件(c)的反电动势电压等于条件(a)、(b)的反电动势电压的和。因而，通过对固定部线圈施加三相正弦波电流，可知能够分别使高速转子和低速转子产生转矩。

接着，作为磁传递机构，为了确认高速转子的转矩是否传递到低速转子，而固定高速转子并使低速转子从磁稳定位置强制旋转，来求出由从磁稳定位置偏离的两个转子角度(相位)差产生的传递转矩。图5示出该结果。两转子的最大传递转矩在相位差大约11.25deg.时产生，高速转子和低速转子的最大传递转矩分别为38.6Nm、85.8Nm。因此，可知低速转子的转矩和高速转子的转矩几乎按照减速比来产生转矩，与理论值的差是由于齿槽转矩而产生的。

为了确认转矩重叠的效果，使高速转子以-60r/min、低速转子以30r/min强制旋转并施加正弦波电流，进一步求出在改变高速转子和低速转子的相位时的低速转子的转矩。图6示出该结果。与相位差无关，低速转子的转矩随着电流增加而增加。将相位差设为4deg.，对线圈施加振幅150A的磁势时的低速转子的转矩为89Nm，与没有施加电流时相比转矩增加了44Nm。

在本发明的旋转电机中，没有施加电流时的低速转子的转矩与通过该低速转子和高速转子的相位差产生的传递转矩是同等的，这在具有现有的磁减速机构的旋转电机中也成立。在相位差固定的状态下，随着电流的增加，低速转子的转矩也增加，因此可知从高速转子受到的作为磁减速机的反作用力转矩和由线圈的磁势在低速转子处产生的转矩重叠。

最后，将初始相位差设为4deg.以进行动作的验证，并验证对线圈施加振幅150A的磁势时的动作。在此，使高速转子以60r/min旋转，配合高速转子的旋转位置来输入电流。此时，对低速转子给与负荷L＝89.5Nm，来求出在各转子处产生的转矩和低速转子的转速。图7和图8示出该结果。

高速转子和低速转子的平均转矩根据图7分别为-2.1Nm、88.8Nm，根据图8，低速转子的平均转速为29.8r/min。高速转子的平均转矩在理论上应该是零，但是受转矩波动和进行平均处理的区间影响，不会为零。另外，两转子的转动速度比几乎是按照减速比。最后，可知低速转子的转矩是以89Nm左右为中心振动，并且从时刻零开始几乎没有发生变化。这表示两转子的相位差保持平均4deg.，根据图5，通过150A的磁势在低速转子中产生了转矩。也就是说，作为磁减速机的反作用力转矩与通过线圈电流产生的转矩重叠来从低速转子输出。

以上，基于实施方式说明了本公开所涉及的旋转电机，但是本公开并不限定于上述实施方式。

能够对实施方式施加本领域技术人员所想到的各种变形而得到的方式、在不脱离本公开的主旨的范围内通过任意地组合实施方式中的结构要素和功能来实现的方式也包含在本公开中。

产业上的可利用性

本公开能够用于所有使用了磁减速机构的旋转电机。

附图标记说明

1、100：高速转子；2：固定部；3、300：低速转子；10、31：磁性材料；11、30：永久磁体；20、201：磁极片；21：线圈；102：磁极对；200：固定部。