JP7626324B2 - 磁気回転結合装置のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／８９６，２５１号の優先権を主張し、その開示は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、回転結合装置に関し、より詳細には、摩擦低減トルク伝達部品に関する。

力学的機械は、動力源と行われるべき負荷または作業との間に介在する固定部品および可動部品を使用することによってエネルギーを変換および／または伝達する。結果として、リンク機構、カップリング、歯車、ならびに熱および音の形態の摩擦エネルギー損失を受けやすい他のそのような機械的インターフェースの運動連鎖が生じる。上記その他のそのような散逸力は、典型的には入力に対する出力の比として表されるシステムの効率を著しく低下させる可能性がある。

様々なタイプの低摩擦カップリングが長年にわたって開発されてきたが、そのような設計は多くの点で不十分である。例えば、外周の周りに一定の角度間隔で円周方向に配置された多数の強力な永久磁石を特徴とする磁気「歯車」が開発されている。そのような機械式カップリングは、摩擦がほとんどまたは全くない歯車のような運動を提供することに成功している。しかしながら、それらの単純な単一層の磁石の使用は、高い回転速度およびトルクで要素間に強力で滑りのない回転結合を提供することに関して最適ではないことが判明している。

したがって、先行技術の上記その他の限界を克服するシステムおよび方法が必要とされている。例えば、高出力条件下で動作することができる高効率で摩擦のない回転カップリングが長い間求められている。

本開示は、新規の革新的な磁気ロータアセンブリおよび磁気ロータアセンブリを提供するための方法を提示する。第１の態様では、第１のロータディスクおよび第２のロータディスクを含む磁気ロータアセンブリが提供される。第１のロータディスクは、第１のディスクと、Ｎ極が第１のディスクの第１の面から外側に向くように第１のディスクの周りに円周方向に配置された第１の永久磁石のセットとを含み得る。第２のロータディスクは、第２のディスクと、Ｎ極が第２のディスクの第１の面から外側に向くようにディスクの周りに円周方向に配置された第２の永久磁石のセットとを含み得る。第１のロータディスクと第２のロータディスクとが互いに磁気的に結合されるように、第１のディスクの第１の面は第２のディスクの第１の面と対向（対面）し得る。

第１の態様による第２の態様において、第１の永久磁石のセットは、Ｓ極が第１のディスクの第１の面から外側に向くように第１のディスクの周りに円周方向に配置されてもよく、第２の永久磁石のセットは、Ｓ極が第２のディスクの第１の面から外側に向くように第２のディスクの周りに円周方向に配置されてもよい。

第１の態様または第２の態様のいずれかによる第３の態様において、第１のディスクの第１の面は第２のディスクの第１の面から離されている。

第１の態様から第３の態様のいずれかによる第４の態様において、第１のディスクの第１の面は、第２のディスクの第１の面から０．１２５～０．６３５ｃｍ離されている。

第１の態様から第４の態様のいずれかによる第５の態様において、第１のディスクの第１の面は第２のディスクの第１の面と接触している。

第１の態様から第５の態様のいずれかによる第６の態様において、第１の永久磁石のセットの磁石の各々は、第１のディスク内の対応する凹部内に固定された円盤形状のネオジム磁石である。

第１の態様から第６の態様のいずれかによる第７の態様において、第１の永久磁石のセットおよび第２の永久磁石のセットは、１２個の希土類磁石を各々備える。

第１の態様から第７の態様のいずれかによる第８の態様において、希土類磁石は、約１インチ（約２．５４ｃｍ）の直径を有する。

第１の態様から第８の態様のいずれかによる第９の態様において、第１のディスク本体および第２のディスクは、グラファイトを各々含み、直径約７インチ（約１７．７８ｃｍ）である。

第１の態様から第９の態様のいずれかによる第１０の態様において、永久磁石の各々は、それぞれのディスクから約１／８インチ（約０．３１８ｃｍ）のところに位置決めされている。
第１１の態様では、第１のディスクおよび第２のディスクを供給することと、第１の永久磁石のセットを第１のディスク内に、第１の永久磁石のセットが第１のディスクの周りに円周方向に配置されるように位置決めすることと、を含む方法が提供される。この方法はまた、第２の永久磁石のセットを第２のディスク内に、第２の永久磁石のセットが第２のディスクの周りに円周方向に配置されるように位置決めすること、も含み得る。この方法は、第１のディスクおよび第２のディスクを、第１のディスクと第２のディスクとが磁気的に結合されて磁気ロータアセンブリを形成するように第１の永久磁石のセットが第２の永久磁石のセットと対向（対面）するように位置決めすること、をさらに含み得る。

本明細書に記載される特徴および利点は包括的なものではなく、特に、図面および説明を考慮すれば当業者には多くの追加の特徴および利点が明らかであろう。さらに、本明細書で使用される文言は、主に読みやすさおよび教示の目的で選択されており、開示の主題の範囲を限定するためのものではないことに留意されたい。

以下で、本発明を添付の図面と併せて説明し、図面において同様の符号は同様の要素を示す。

例示的な実施形態による磁気結合アセンブリの概観図である。

様々な実施形態によるロータディスクへの磁石の挿入を示す図である。

一実施形態による、磁気ロータアセンブリを形成するための２つの磁気ロータディスクの接合を順次に示す図である。 一実施形態による、磁気ロータアセンブリを形成するための２つの磁気ロータディスクの接合を順次に示す図である。

図３および図４に示される磁気ロータアセンブリの部分透視図である。

様々な実施形態による磁気結合アセンブリを形成する方法を示すフローチャートである。

本発明の以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、本発明または本発明の用途および使用を限定することを意図されていない。さらに、前述の背景技術または以下の詳細な説明に提示される見解に制約される意図はない。

本発明の様々な実施形態は、摩擦動力損失を低減または実質的に無くすために機械的結合ではなく新規の磁気結合の形態を採用する改善された摩擦のないトルク伝達装置に関する。

次に図１の一般的なブロック図を参照すると、例示的な実施形態による磁気結合アセンブリ１００は、一般に、第１の磁気ロータアセンブリ（または「出力ロータアセンブリ」）１３２と第２の磁気ロータアセンブリ（または「出力ロータアセンブリ」）１３３とに（以下でさらに詳細に説明されるように）磁気的に結合された、実質的に円盤形状の磁気ロータアセンブリ（または「入力ロータアセンブリ」）１３１に固く結合された入力シャフト１１０を含む。出力ロータアセンブリ１３２および１３３は、入力シャフト１１０の回転が出力シャフト１２１および１２２の対応する回転をもたらすように、それぞれの出力シャフト１２１および１２２に固く結合されている。

これに関して、図１の例示的な磁気結合アセンブリは、２つの出力ロータアセンブリ（１３２、１３３）を駆動する単一の入力ロータアセンブリ（１３１）の文脈で示されているが、本発明はそのように限定されず、任意の所与の入力ロータアセンブリが、ある実施形態では単一の出力ロータアセンブリを含む、任意の数の出力ロータアセンブリに磁気的に結合されてもよいことが理解されよう。

また、図１に示される様々な構成要素は必ずしも縮尺通りに描かれていないことも理解されよう。例えば、ロータアセンブリ１３１、１３２および１３３は、実質的に同一の直径を有するものとして示されているが、いくつかの実施形態では、ロータアセンブリは、特定の機械的利点および／または回転速度比を達成するために、（それぞれの磁石の異なる半径方向位置を含む）異なる直径で構成される。明確にするために、図１には、軸受、シャフトカップリング、出力負荷（例えば、発電機）、入力駆動部（例えば、電動機）などといった、当技術分野で周知の様々な従来の機械的構成要素が示されていない。

所望の磁気結合挙動を達成するために、隣接する磁気的に結合されたロータアセンブリ（例えば、入力ロータアセンブリ１３１および出力ロータアセンブリ１３３）の各対は、それらの円周が（それらの回転軸と直交する方向に）距離ｄ_１だけ重なり合い、図示されるように（それらの回転軸に平行な方向に）距離ｄ_２だけ離されるように位置決めされる。一実施形態では、ｄ_１は１．５～２．５ｃｍ（好ましくは約２．０ｃｍ）の範囲であり、ｄ_２は０．１２５～０．６３５ｃｍ（好ましくは約０．３８０ｃｍ）の範囲である。これらの寸法は、中でも特に、ロータアセンブリの幾何学的形状、ならびに個々の磁石の強度、サイズ、および分布に応じて変化し得る（かつ、分析的または経験的に最適化され得る）。

動作中、磁気結合のおかげで、出力シャフト１２１および１２２は、入力シャフトの回転に応答して回転し、入力シャフト１１０は、例えば、電動機など（図示されず）によって駆動され得る。各ロータアセンブリに組み込まれた磁石の円形配列の半径方向位置（「有効径」とも呼ばれる）に応じて、各出力シャフト１２１および１２２の利用可能なトルクおよび回転速度（τ_ｏ１、ω_ｏ１、τ_ｏ２、ω_ｏ２）を、入力シャフト１１０の印加トルクおよび回転速度（τ_ｉｎ、ω_ｉｎ）の関数として計算することができる。

例えば、ロータアセンブリ１３１、１３２、および１３３の有効径が等しい実施形態を考える。そのような場合、ω_ｏ１＝ω_ｏ２＝ω_ｉｎであり、各出力１２１および１２２で利用可能なトルクは入力１１０のトルクの半分に等しく、すなわち、τ_ｏ１＝τ_ｉｎ／２、τ_ｏ２＝τ_ｉｎ／２である。よって、各軸によって提供される動力がトルクと回転速度との積であると考えると、出力１２１および１２２で利用可能な動力は入力１１０の動力の半分から、損失を差し引いたものである。本発明によれば、そのような損失は、隣接するロータアセンブリ間の磁気結合の非接触で摩擦のない性質の結果として、特に、従来のシステムにおける機械式歯車間で生じる摩擦および熱に対する実質的な損失と比較して、極めて低い（実際、無視できるほどでさえある）。

以上で例示的な磁気結合アセンブリの概要を述べたので、次に、図２～図５と併せて図６のフローチャートを参照して、個々のロータアセンブリを説明する。

最初に図６の例示的な方法６００を参照すると、様々な実施形態による磁気結合システムを組み立てる方法は、一般に、磁石のセット（例えば、Ｎ５２ネオジム磁石などの希土類磁石）を供給すること（ステップ６０１）と、それらの磁石の一部を第１のロータディスクに挿入または他の様態で組み込むこと（ステップ６０２）と、磁石の一部を第２のロータディスクに挿入または他の様態で組み込むこと（ステップ６０３）と、ディスクの対を対向（対面）させ（例えば、Ｎ配向面を互いに隣接させ）、ディスクが各々を引き付けて磁気的に固定されるまでディスクを徐々に回転させ、それによって単一の磁気ロータアセンブリを形成すること（ステップ６０４）と、磁気ロータアセンブリを軸に接続すること（ステップ６０５）と、磁気ロータアセンブリを１つまたは複数の他の隣接する磁気ロータアセンブリと組み合わせて、完成した磁気結合アセンブリを形成すること（ステップ６０６）と、を含む。次に、これらのステップの各々をさらに詳細に説明する。

まず、図２に示される例示的なロータディスク２００を参照すると、組み立ては、磁石２５０のセットを調達するステップから始まる。一実施形態では、例えば、各磁石２５０は、直径１．０インチ、厚さ１／８インチを有する円形のニッケルメッキＮ５２型ネオジム希土類磁石である。磁石２５０は、次いで、それらの磁極が同じ方向を向く（例えば、すべてのＮ極が図２に対してページの外を向く）ように、ロータディスク（または「ディスク本体」）２１０に円周方向に規則的なパターンで固定される。

一実施形態では、ロータディスク２１０は、７．０インチの外径Ｄ、３／１６インチ（約０．４７７ｃｍ）の厚さ、および上述のように軸を受け入れるように構成された内径（例えば、１／２インチ（約１．２７ｃｍ））を有する中心孔２１４を有するアルミニウム、炭素繊維、またはグラファイトディスク（例えば、３Ｄプリントグラファイトディスク）である。

対応する磁石２５０を隙間なく受け入れるように各々構成された、１２個の凹状領域２１２がディスク２１０内に形成される。よって、領域２１２は、１２回回転対称性を示し、外周の周りに規則的な３０度の増分で配置される。磁石２５０は、ＵＶ保護防水接着剤などの適切な接着剤でそれらの対応する凹部内に固定され得る。図示の実施形態では、磁石２５０は、ディスク２１０の外周から２／６インチ（約０．８５ｃｍ）離して位置決めされており、それらの中心は、約１／２インチ離れている。

図２に示されるようなロータディスク２００は、いかなる点においても限定であることを意図されていないことが理解されよう。磁石２５０は、様々な幾何学形状（厚さ、形状等）を有していてもよく、任意の数（例えば、１２より多いかまたは１２より少ない）のそのような磁石がディスク２１０に固定され得る。加えて、磁石は、ディスク２１０の外周のより近くに、またはより遠くに位置決めされてもよい。

図３および図４に、一実施形態による、磁気ロータアセンブリを形成するための２つの磁気ロータディスクの接合を順次に示す。より具体的には、図３は、２つの組み立てられたロータディスク３０１および３０２が、それらの内面（３１０、３２０）がそれぞれの磁石のＮ極に各々対応し、それらの外面３１１および３２１が反対にそれらのＳ極に対応するように合わせられることを示している。追加的または代替的な実装形態では、ロータディスク３０１、３０２は、それぞれの磁石のＳ極に対応する面を合わせることによって接合されてもよい。

各面３１０および３２０上の個々の磁石がＮ対Ｎに完全に位置合わせされると、結果として生じる反発力は、ロータディスク３０１および３０２が互いに磁気的に付着するのを妨げる。しかしながら、磁石が互い違いになるようにディスクをわずかに（例えば、約１５度）回転させると、磁石の磁場は、ロータディスクが互いに引き付け合い、しっかりと付着するように配置される（図４）。

図５は、閉じ込められた磁石の相対位置を示す、図３および図４に示されるような磁気ロータアセンブリ５００の部分透視図である。完成したディスクアセンブリの外周の周りの磁石の規則的な円周方向の間隔が、磁場に同様に規則的な円周方向の空間変調を生じさせ、「磁気歯車」を効果的に形成する（歯車の「歯」に対応する磁場の向きおよび強度の規則的な変動を伴う）ことが明らかであろう。しかしながら、機械式歯車とは異なり、ディスクアセンブリが図１に示されるように互いに隣接して配置されると、結果として、強力である（すなわち、隣接するディスクアセンブリが強力に磁気的に結合される）と同時に低摩擦（結合の非接触性による）でもある、回転磁気結合の特に効果的な形態が生じることになる。

前述の詳細な説明は、当業者に、本発明の様々な実施形態を実施するための便利なロードマップを提供するが、上記の特定の実施形態は例にすぎず、いかなる点においても本発明の範囲、適用性、または構成を限定することを意図されていないことを理解されたい。それとは逆に、本発明の範囲から逸脱することなく、記載された要素の機能および配置に様々な変更が加えられ得る。本明細書で使用される場合、「例示的」という用語は、「例、事例、または例示としての役割を果たすこと」を意味する。本明細書で「例示的」として説明されている任意の実装形態は、必ずしも他の実装形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではなく、その通りに複製されなければならないモデルとして解釈されることも意図されていない。

Claims (18)

1. 第１のディスクと、Ｎ極が前記第１のディスクの第１の面から外側に向くように前記第１のディスクの周りに円周方向に配置された第１の永久磁石のセットとを備える第１のロータディスクと、
   第２のディスクと、Ｎ極が前記第２のディスクの第１の面から外側に向くように前記ディスクの周りに円周方向に配置された第２の永久磁石のセットとを備える第２のロータディスクと、
   を具備し、
   前記第１のロータディスクと前記第２のロータディスクとが互いに物理的に結合されしっかりと付着するように、前記第１のディスクの前記第１の面が前記第２のディスクの前記第１の面と対向し、前記第１の永久磁石のセットと前記第２の永久磁石のセットとが互い違いになる、磁気ロータアセンブリ。
2. 前記第１のディスクの前記第１の面が前記第２のディスクの前記第１の面と接触している、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
3. 前記第１の永久磁石のセットの前記磁石の各々が、前記第１のディスク内の対応する凹部内に固定された円盤形状のネオジム磁石である、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
4. 前記第１の永久磁石のセットおよび前記第２の永久磁石のセットが、１２個の希土類磁石を各々備える、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
5. 前記希土類磁石が、約１インチ（２．５４ｃｍ）の直径を有する、請求項４に記載の磁気ロータアセンブリ。
6. 前記第１のディスクおよび前記第２のディスクが、グラファイトを各々含み、直径約７インチ（約１７．７８ｃｍ）である、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
7. 前記永久磁石の各々が、１／８インチの厚みを有する、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
8. 第１のディスクと、Ｓ極が前記第１のディスクの第１の面から外側に向くように前記第１のディスクの周りに円周方向に配置された第１の永久磁石のセットとを備える第１のロータディスクと、
   第２のディスクと、Ｓ極が前記第２のディスクの第１の面から外側に向くように前記第２のディスクの周りに円周方向に配置された第２の永久磁石のセットとを備える第２のロータディスクと、
   を具備し、
   前記第１のロータディスクと前記第２のロータディスクとが互いに物理的に結合されしっかりと付着するように、前記第１のディスクの前記第１の面が前記第２のディスクの前記第１の面と対向し、前記第１の永久磁石のセットと前記第２の永久磁石のセットとが互い違いになる、磁気ロータアセンブリ。
9. 前記第１のディスクの前記第１の面が前記第２のディスクの前記第１の面と接触している、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
10. 前記第１の永久磁石のセットの前記磁石の各々が、前記第１のディスク内の対応する凹部内に固定された円盤形状のネオジム磁石である、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
11. 前記第１の永久磁石のセットおよび前記第２の永久磁石のセットが、１２個の希土類磁石を各々備える、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
12. 前記希土類磁石が、約１インチの直径を有する、請求項１１に記載の磁気ロータアセンブリ。
13. 前記第１のディスクおよび前記第２のディスクが、グラファイトを各々含み、直径約７インチである、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
14. 前記永久磁石の各々が、１／８インチの厚みを有する、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
15. 第１のディスクおよび第２のディスクを供給することと、
    第１の永久磁石のセットを前記第１のディスク内に、前記第１の永久磁石のセットが前記第１のディスクの周りに円周方向に配置されるように位置決めすることと、
    第２の永久磁石のセットを前記第２のディスク内に、前記第２の永久磁石のセットが前記第２のディスクの周りに円周方向に配置されるように位置決めすることと、
    前記第１のディスクおよび前記第２のディスクを、前記第１のディスクと前記第２のディスクとが物理的に結合されしっかりと付着して磁気ロータアセンブリを形成するように、前記第１の永久磁石のセットが前記第２の永久磁石のセットと対向し、該第１の永久磁石のセットと該第２の永久磁石のセットとが互い違いになる、ように位置決めすることと、
    を含む方法。
16. 前記磁気ロータアセンブリが磁気結合アセンブリを構成するために用いられ、
    該磁気ロータアセンブリが該磁気結合アセンブリに組み込まれる前に、前記第１のロータディスクと前記第２のロータディスクとが互いにしっかりと付着する、ように構成される、請求項１に記載の磁気ロータアセンブリ。
17. 前記磁気ロータアセンブリが磁気結合アセンブリを構成するために用いられ、
    該磁気ロータアセンブリが該磁気結合アセンブリに組み込まれる前に、前記第１のロータディスクと前記第２のロータディスクとが互いにしっかりと付着する、ように構成される、請求項８に記載の磁気ロータアセンブリ。
18. 前記磁気ロータアセンブリが磁気結合アセンブリを構成するために用いられ、
    該磁気ロータアセンブリは、該磁気結合アセンブリに組み込まれる前に、前記第１のディスクと前記第２のディスクとが互いにしっかりと付着する、ように構成される、請求項１５に記載の方法。

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