磁気歯車

磁気歯車(英：Magnet Gear)とは、機械要素である動力伝達機構の一種である。

概要

磁気歯車とは、円筒形の外周ないし円板の片面に磁石を並べた構造同士を向かい合わせて動力伝達を行う機構である。円筒形のものをラジアル型、円板をアキシャル型という。通常の歯車が歯の山と谷が噛み合うことで動力を伝達するように、磁気歯車は磁石のN極とS極が引き合う磁力によって動力を伝達する。用いられる磁石は永久磁石が主流だが、電磁石を用いることもある。

磁気歯車というだけあり、磁石の形状や配置によって外歯車・内歯車、すぐば・はすば・やまば・ねじ・ウォーム、かさ歯車、遊星歯車などに分類できる点は歯車と同様。アキシャル型に相当する歯車は冠歯車だが、磁気歯車の方がより使用されやすい。

磁気歯車は、通常の歯車と比較して下記の長所及び短所を持つ。

• 長所
  • 歯の接触が無いので動力伝達に騒音がほぼ発生しない
  • 潤滑剤を必要とせず低抵抗で動力伝達できる
  • 過負荷を受けても歯の欠け等の損傷がほぼ発生しない
  • 歯の磨耗や損傷がほぼ発生しないことから長寿命
  • 磁力で非接触に動力伝達できることから、アクリル・ガラス等の非磁性体を間に挟んでも動力伝達できる
  • 上記の特徴から食品加工ラインや半導体製造ラインのような清浄度が求められる用途に向く
• 短所
  • 強いトルクを伝達させる為には強い磁石が必要であり、コストが上昇しやすい
  • 伝達トルクの強弱で噛み合い位置に誤差が生じやすく、位置精度がやや悪い
  • 強いトルクを受けると磁石の引き合いが外れる「脱調」を起こすので強いトルクは伝達できない
  • 高速回転では磁石の脱落リスクがあり磁石支持構造の設計が複雑
  • 磁場が周囲に作用するので、鉄粉等がある環境や電気回路が近隣にある装置には不向き
  • 磁石の性質で性能が変動するため、だいたい高温環境が苦手

また、一概に長所とも短所とも言い難い違いとして、通常の歯車は歯の噛み合い部が押し合う負荷を発生するのに対して、磁気歯車は一般に磁石同士が引き合う負荷を生じるため、歯車軸の支持要領が少し変わる場合がある。

磁束変調型磁気歯車

特定の磁極数に調整された二つの磁気歯車の間に、磁性体でできた可変向磁極「ポールピース」を特定の数で設置することで、コンパクトな変速機構を構築することができる。これを「磁束変調型磁気歯車」という。入力軸側磁気歯車の磁極対の数：p_h、出力軸側磁気歯車の磁極対の数：p_l、ポールピースの数：n_ppとしたとき、p_l＝n_pp±p_hが成立すると、減速比±p_h／p_lで動力伝達する。動作原理はなかなか難解で複雑だが、機構としては一対の磁気歯車とポールピースの列だけで構成されるので意外とシンプルで、ほぼ全ての磁極が同時に動力伝達に作用するので磁気歯車としては大トルクの伝達が可能である。

更に、この磁束変調型磁気歯車を発電機やモータ内部に組み込んだ「磁気ギアード発電機」「磁気ギアードモータ」の研究も進められており、小型で大トルクを変換可能なデバイスとして期待されている。

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関連リンク

• 磁気歯車 - NeoMag用語集
• 非接触動力伝達装置プロスパインの特徴 / 株式会社プロスパイン - YouTubeチャンネル
• 磁束変調型磁気歯車の高性能化に関する研究 - 東北大学機関リポジトリTOUR
• 非接触でトルクを伝達する磁気歯車と磁気ギアードモータ・発電機 - 大阪大学　知能アクチュエータ・センサデバイス創成研究室

関連項目

• 機械
• 歯車
• 磁石
• モーター