学 位 論 文 の 要 旨 論 文 名 非 接 触 磁 気 継 手 お よ び 磁 気 歯 車 の 高 機 能 化 に 関 す る 研 究 氏 名 藤 田 智 之 印 近 年 エネルギーの 有 効 利 用 の 観 点 から 各 種 装 置 や 機 器 の 高 効 率 化 が 求 められている このような 背 景 の 中 高 い 伝 達 効 率 が 望 めるとして 非 接 触 で 動 力 が 伝 達 可 能 な 磁 気 継 手 および 磁 気 歯 車 が 注 目 されている 磁 気 継 手 は 隔 壁 を 介 した 動 力 伝 達 の 目 的 やトルクリ ミッタ 機 能 を 利 用 した 保 護 装 置 としての 目 的 で 利 用 されることが 多 い 保 護 装 置 として 磁 気 継 手 を 取 り 付 ける 場 合 伝 達 トルク 等 の 観 点 から ギアモータのモータと 減 速 機 の 間 に 継 手 を 取 り 付 けることが 望 ましい そこで 本 研 究 ではモータと 減 速 機 の 間 に 設 置 する 磁 気 継 手 の 高 機 能 化 を 目 指 し 磁 石 量 の 低 減 や 保 護 のための 同 期 外 れ 後 の 再 同 期 化 起 動 可 能 トルクなどの 性 能 向 上 について 検 討 した 一 方 磁 気 歯 車 は 非 接 触 減 速 機 もしくは 非 接 触 増 速 機 としての 使 用 が 検 討 されている その 場 合 磁 気 歯 車 は 大 きなトルクを 伝 達 する 必 要 がある そこで 本 研 究 では 大 きな 伝 達 トルクが 得 られる 高 調 波 磁 束 を 利 用 し た 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 に 注 目 する 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 は これまで 多 くの 研 究 がなされ ているが 実 用 化 時 に 必 要 と 考 えられる 高 速 安 定 性 高 トルク 化 高 減 速 比 化 の 検 討 がな されていない そこで 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 の 実 用 化 のため 高 速 安 定 性 高 トルク 化 高 減 速 比 化 について 提 案 をし 実 験 と 磁 場 解 析 により 提 案 の 妥 当 性 を 検 証 した まず 磁 気 継 手 の 試 作 機 を 製 作 し 磁 石 量 の 低 減 や 同 期 外 れ 後 の 再 同 期 化 起 動 可 能 ト ルクの 向 上 について その 性 能 を 評 価 した 試 作 した 磁 気 継 手 を 評 価 した 結 果 磁 気 継 手 の 出 力 側 形 状 を 鉄 製 突 極 とした 場 合 再 同 期 化 ができることが 確 認 できた また 短 絡 環 に 発 生 する 渦 電 流 量 を 抑 制 することにより 磁 気 継 手 が 同 期 外 れした 際 に 発 生 する 連 れ 回 りを 抑 制 でき 保 護 機 能 として 有 効 であることを 明 らかにした ついで 試 作 した 磁 気 継 手 の 磁 場 解 析 を 行 い 実 験 結 果 と 解 析 結 果 を 比 較 した 結 果 磁 場 解 析 が 設 計 段 階 で 有 効 な 手 法 であることが 確 認 できた そこで 磁 場 解 析 を 用 いて 磁 気 継 手 を 改 良 したところ 目 標 トルク 近 傍 で 保 護 動 作 を 行 う 磁 気 継 手 が 得 られた また 突 極 部 に 銅 の 巻 線 による 短 絡 環 を 取 り 付 けたることにより 起 動 可 能 トルクが 上 昇 することが 分 かった
続 いて 磁 気 歯 車 の 高 機 能 化 について 取 り 組 んだ まず 通 常 (SPM) 型 磁 石 配 列 と 磁 束 集 束 (CSPM) 型 磁 石 配 列 を 高 速 ロータに 適 用 した 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 を 試 作 し 性 能 評 価 を 行 った その 結 果 両 磁 気 歯 車 共 に 無 負 荷 状 態 のみならず 最 大 伝 達 トルク 近 傍 の 負 荷 をかけた 状 態 においても3,000rpm まで 安 定 な 同 期 運 転 ができた また CSPM 型 の 磁 気 歯 車 は SPM 型 の 歯 車 より 伝 達 トルクは 若 干 低 下 するが 効 率 が 高 くなることが 確 認 できた 試 作 した 両 磁 気 歯 車 は サイズが10cm 程 度 で 伝 達 トルクは CSPM 型 SPM 型 のいずれ の 歯 車 でも8.5N m 以 上 であり 実 用 化 可 能 な 性 能 を 有 している ただし 高 回 転 域 におけ る 渦 電 流 による 損 失 が 大 きいことが 分 かった これは 磁 気 歯 車 の 高 効 率 化 には 磁 極 片 の 剛 性 を 確 保 しつつ 渦 電 流 を 低 減 するステータ 歯 車 の 開 発 が 必 要 であることを 示 唆 してい る さらなる 伝 達 トルクの 高 トルク 化 を 目 指 し 高 速 ロータに 広 い 範 囲 で 強 い 磁 界 が 形 成 可 能 なハルバッハ(HPM) 型 磁 石 配 列 の 適 用 を 提 案 した 磁 場 解 析 の 結 果 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 の 高 速 ロータに HPM 型 磁 石 配 列 を 適 用 することで 高 速 ロータよりの 磁 束 密 度 分 布 は 複 数 の 磁 極 片 通 り かつ 磁 束 密 度 を 高 めることに 成 功 した その 結 果 HPM 型 を 用 いた 場 合 の 最 大 伝 達 トルクは SPM 型 に 対 し 最 大 で6.9% 向 上 した したがって 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 の 高 速 ロータに HPM 型 磁 石 配 列 を 適 用 することが 伝 達 トルク 向 上 に 有 効 であること が 確 認 できた さらに ステータ 歯 車 の 磁 極 片 形 状 のトルクへの 影 響 を 検 討 した 磁 場 解 析 を 行 った 結 果 ステータ 歯 車 の 磁 極 片 形 状 は 隣 り 合 う 磁 極 片 へ 磁 束 が 短 絡 し 難 い 形 状 とすることが 伝 達 トルクの 向 上 に 繋 がることが 明 らかとなった この 結 果 を 踏 まえ 渦 電 流 を 低 減 するステータ 歯 車 について 検 討 した 結 果 高 剛 性 でかつ 渦 電 流 が 低 減 できるステー タ 歯 車 を 得 ることができた 最 後 に 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 の 高 減 速 比 化 を 目 指 し 径 方 向 に 多 段 化 した 方 式 の 高 減 速 磁 気 歯 車 を 新 たに 提 案 した 提 案 した 高 減 速 磁 気 歯 車 の 特 性 を 磁 場 解 析 を 使 い 検 証 した その 結 果 一 段 で 大 きな 速 比 の 磁 気 歯 車 を 構 成 する 場 合 の 問 題 点 を 示 し 提 案 した 高 減 速 磁 気 歯 車 が 省 スペース 化 や 部 品 点 数 の 削 減 に 有 効 であることが 分 かった 提 案 した 高 減 速 磁 気 歯 車 は 歯 車 の 直 径 が13cm 程 度 長 さが5.5cm 程 度 のコンパクトな 磁 気 歯 車 で 50N m 程 度 の 大 きな 伝 達 トルクが 得 られることを 確 認 した 以 上 より 高 減 速 表 面 磁 石 型 磁 気 歯 車 の 基 本 的 な 設 計 仕 様 を 明 らかにできた 本 研 究 において 以 上 のように 検 討 した 結 果 目 的 である 磁 気 継 手 および 磁 気 歯 車 の 高 機 能 化 について 実 現 可 能 であることが 確 認 できた 今 後 は ここでの 内 容 をもとに 磁 気 継 手 ならびに 磁 気 歯 車 の 実 用 化 に 向 けた 製 造 面 を 中 心 に 検 討 していく 所 存 である
Studies on High-Performance Magnetic Couplings and Magnetic Gears Tomoyuki Fujita Recently, devices and equipment are demanded with high efficiency for effective utilization of energy. Based on the above background, magnetic couplings and magnetic gears have attracted attention. Because their power transmission is performed on a non-contact, they have potential for high transmission efficiency. Usually, the magnetic coupling is used for the purpose of power transmission through the bulkhead or protection device using a torque limiter function. When a magnetic coupling is mounted as a protection device, the coupling is desirable to be attached between the gear reducer and the motor from the viewpoint of the transmission torque. Therefore, this research analyses the performance and improvement of the magnetic coupling to be mounted between the gear reducer and the motor. It shall be examined for reduction of magnet amount, consider re-synchronization after out-of-sync and improvement of a start-up torque. On the other hand, the magnetic gear is considered for using a magnetic gear reducer or a speed up magnetic gearbox. In this case, it is necessary for the magnetic gear to transmit a large torque. Therefore, in this study, the surface permanent magnetic gear using the harmonic flux is focused to obtain large transmission torque. Till now many studies have been conducted on this surface type magnetic gear. However, there is no study on high-speed stability, high torque and high reduction ratio which are in need for practical use. Therefore, for the practical application of surface permanent magnetic gear, this study has proposed the high-speed stability, high torque, and high gear ratio. And, the proposal contents evaluated the appropriateness by magnetic field analysis and experiment. At first, a prototype of magnetic coupling was produced. Its performance was evaluated for reduction of magnet amount, re-synchronization after out of synchronization and improvement of a start-up torque. From measuring results of the magnetic coupling prototype, it was confirmed that re-synchronized can achieve when the output side of the magnetic coupling is iron poles. In addition, by suppressing the eddy current amount generated in the short-circuit ring, it is possible to prevent accompanying rotation that occurs when the magnetic coupling was out of synchronization, and it is effective as a protective function. Then, the analysis results and the experimental results were compared by performing a magnetic field analysis of the magnetic coupling of the prototype. This comparison confirmed that a magnetic field analysis method is effective at the design stage. And so, as a result of improvement by using a magnetic field analysis of the magnetic coupling, it was confirmed to perform a protection operation at near the target torque. Further, it was found that
start-up torque increases when the short-circuit ring of copper windings was mounted on the iron pole. Next, the high-performance magnetic gear was studied. First, prototypes of the surface permanent magnetic gear were produced, whose high speed rotors have the Concentrated Surface Permanent Magnet arrangement (CSPM) type and standard magnet arrangement (Surface Permanent Magnet arrangement : SPM) type. Both of two types are evaluated those performances. Two type magnetic gears could be stable synchronous operation to 3,000 rpm with maximum torque and no-load condition. The transmission torque of CSPM type magnetic gear is slightly lower than that of the SPM type, but the increase of efficiency was confirmed. On both the prototype magnetic gears of CSPM type and SPM type, the sizes are about 10cm and the transmitting torque are 8.5N m or more. These were confirmed to be a practically usable performance. However, the loss due to eddy currents in the high-speed range has been found large. Therefore, for high efficiency the developments of the stator gear with both reduction of eddy currents and maintaining the rigidity of the pole pieces are required. For the aim of further high torque, Halbach Permanent Magnet arrangement (HPM) type is proposed to apply to the high-speed rotor. By the HPM the strong magnetic field can be formed in a wide range. A result of the magnetic field analysis, the magnetic flux density distribution from the high-speed rotors have succeeded in passing a number of pole pieces and the effective flux density increased by the application of the HPM in high-speed-rotor of magnetic gear. As a result, the maximum transmission torque of the HPM magnetic gear increased up to 6.9% than the SPM type. Therefore, applying HPM in high-speed rotor of the surface permanent magnetic gear is effective to improvement of the transmission torque. Furthermore, the influence of the pole piece shape of the stator gear on the torque was examined. By the magnetic field analysis, the pole-pieces of the surface permanent magnetic gear were found to improve the transmission torque in a shape magnetic flux which is difficult to be short-circuited. As results of investigation of the stator gear to reduce eddy currents based on above results, it was possible to obtain a stator gear can be reduced eddy current and a high rigidity. Finally, a multi-stage radial direction magnetic gear system was proposed with the aim of high reduction ratio of the surface permanent magnetic gear. The characteristics of the proposed magnetic gear with a high reduction were verified by using the magnetic field analysis. The problem of the large speed ratio in a single stage magnetic gear was shown. And, it was found that the proposed high-reduction magnetic gear is effective in reducing the number of parts and space saving. The proposed high-reduction magnetic gear was compact magnetic gear with diameter 13cm and length 5.5cm. And, it obtained with large transmission torque of about 50N m. From the above, it was clear for the design basic specifications of high reduction surface permanent magnetic gear. In this study, through the investigation described above, it were confirmed that the
high-performance magnetic gear and the magnet coupling can be realized. In the future, for the practical use of magnetic gear and the magnetic coupling, I will consider mainly in terms of production based on the contents of the tis study.