JP6685399B2 - 回転電機および非接触発電機 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で回転する回転電機と、非接触で発電する非接触発電機とに関する。

米国特許公開公報２０１４／０１３２１５５号には、非接触で発電する自転車用ダイナモが開示されている。上述した公知文献の自転車用ダイナモは、自転車のホイールの回転軸と直交する方向に延びる回転軸周りに回転する円環状の永久磁石の外周面を、ホイールの外周面に連なる一側面から離隔して配置している。

永久磁石は、複数の磁極を周方向に並べて配置したものであり、隣接する磁極では、磁化方向が逆になっている。例えば、永久磁石のＮ極がホイールの一側面に対向配置された状態でホイールが回転すると、永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に、ホイールの一側面に渦電流が発生する。この渦電流による磁束と永久磁石からの磁束との反発力および誘引力により、永久磁石は、ホイールの回転方向に回転する。

よって、永久磁石の周囲をコイルで巻回して、永久磁石からの磁束がコイルを鎖交するようにすれば、コイルから誘導電力を取り出すことができる。

１．ホイールの一側面に対向配置される永久磁石の面積が限られているため、ホイールと永久磁石との磁気結合量を大きくできない。よって、ホイールに発生する渦電流が小さくなり、永久磁石の回転力も弱くなる。

２．上述した公知文献では、永久磁石に単一相のコイルを巻回しているが、単一相のコイルでは、コイルが巻回していない部分の永久磁石の磁束を有効利用できないため、鎖交磁束量を増やすことはできない。また、コイルが巻回している部分の永久磁石の極性の向きが、回転軸を中心に対称である場合、常にコイルを鎖交する磁束の総量が打ち消し合ってしまうため、発電できないという問題がある。

３．永久磁石からの磁束は、空気中を伝搬するため、大きな磁気抵抗を受けることになり、磁気効率がよいとはいえない。

４．ヨークを用いていないため、磁束の漏れが生じやすく、また周囲に導電材料または磁性材料があると、磁路が変化してしまい、発電量に影響を与えてしまうおそれがある。

５．ホイールの一側面に対向配置される永久磁石の磁極位置によっては、ホイールを回転させたときに、なかなか永久磁石が回転しない場合がありうる。これは、永久磁石とホイール間に生じるコギングトルクによるものである。米国特許公開公報２０１４／０１３２１５５号は、コギングトルクに対する対策を何ら行っていない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気効率がよく、磁束の漏れも少なく、かつコギングトルクに対する対策を行った回転電機および非接触発電機を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部と、を備える回転電機が提供される。

本発明の他の一態様では、回転または移動する移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部と、を備え、
前記第１回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記第１永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記第１永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記第１回転軸周りに回転し、
前記第１回転体の前記移動体に対向配置される前記一側面の表面速度は、対向配置される前記移動体の前記一主面の表面速度より遅い回転電機が提供される。

前記コギングトルク相殺部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクの逆位相のコギングトルクを発生させてもよい。

前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石、または磁性体を用いて、前記コギングトルクを低減または相殺してもよい。

前記コギングトルク相殺部は、
前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石を有し、前記第１回転体に同期して回転する第２回転体と、
前記第２永久磁石と磁気結合する第１磁性体と、を有してもよい。

前記コギングトルク相殺部は、前記第２回転体と前記第１磁性体とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減してもよい。

前記第２回転体は、前記第１永久磁石とともに、前記回転軸回りに回転する円環部材であってもよく、
前記第１磁性体は、前記円環部材の内周側に配置され、前記円環部材の内周面とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減してもよい。

前記第２永久磁石からの磁束が鎖交する位置に配置され、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生するコイルを備えてもよい。

前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と磁気結合する第２磁性体を有してもよく、
前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と前記第２磁性体とが重なり合う領域を調整することにより、前記コギングトルクを低減してもよい。

前記第２磁性体は、ヨークであってもよい。

前記コギングトルク相殺部は、
前記移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第２永久磁石を有する第２回転体と、
前記第１回転体と前記第２回転体とを同期させて回転させる同期回転機構と、を有してもよく、
前記移動体と重なり合う前記第２永久磁石の磁極を、前記移動体と重なり合う前記第１永久磁石の磁極と相違させることで、前記コギングトルクを低減してもよい。

本発明の他の一態様では、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
前記第１回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、を備え、
前記発電部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部を有する非接触発電機が提供される。

本発明の他の一態様では、回転または移動する移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
前記第１回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、を備え、
前記発電部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部を有し、
前記第１回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記第１永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記第１永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記第１回転軸周りに回転し、
前記第１回転体の前記移動体に対向配置される前記一側面の表面速度は、対向配置される前記移動体の前記一主面の表面速度より遅い、非接触発電機が提供される。

前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石とは別個に前記発電部が有する第２永久磁石を用いて、前記コギングトルクを低減または相殺してもよい。

前記コギングトルク相殺部は、
前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石を有し、前記第１回転体に同期して回転する第２回転体と、
前記第２永久磁石と磁気結合する第１磁性体と、を有し、
前記発電部は、前記第２永久磁石からの磁束が鎖交する位置に配置され、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生するコイルを有してもよい。

前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と磁気結合する第２磁性体を有し、
前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と前記第２磁性体とが重なり合う領域を調整することにより、前記コギングトルクを低減してもよい。

前記コギングトルク相殺部は、
前記移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第２永久磁石を有する第２回転体と、
前記第１回転体と前記第２回転体とを同期させて回転させる同期回転機構と、を有し、 前記移動体と重なり合う前記第２永久磁石の磁極を、前記移動体と重なり合う前記第１永久磁石の磁極と相違させることで、前記コギングトルクを低減してもよい。

前記発電部は、前記第１永久磁石からの磁束が鎖交する位置に配置され、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生するコイルを有してもよい。

本発明によれば、磁気効率がよく、磁束の漏れも少なく、かつコギングトルクに対する対策を行った回転電機および非接触発電機を提供できる。

第１の実施形態による回転電機を内蔵した非接触発電機１の分解斜視図。 図１の非接触発電機の断面図。 第１永久磁石からなる第１回転体の外観図。 移動体の一側面に発生する渦電流により第１回転体が回転する原理を説明する図。 本実施形態による非接触発電機のブロック図。 第１回転体の１周分のコギングトルクを表すグラフ。 第２回転体とステータを含んで構成された発電機の二次元ＦＥＭシミュレーションの結果を示す図。 ステータと第２回転体とのギャップを最適化する前の構造を示す平面図。 ギャップを最適化した後の構造を示す平面図。 図８Ｂの構造をシミュレーションにより生成するにあたって設定した各種のパラメータを示す図。 ステータのティース先端と第２回転体とのギャップを最適化するアルゴリズムを示すフローチャート。 ステータの周方向に配置された３つのティースの幅および間隔を横軸とし、ティース先端と第２回転体とのギャップを縦軸にした図。 初期状態と最適化後の幾何学的パラメータの対比結果を示す図。 最適化処理を行っている最中にコギングトルクが変化する様子を示す図。 第１回転体のコギングトルクと最終的に得られた第２回転体のコギングトルクとを比較した図。 第１回転体に対して移動体とは点対称にヨークを配置する例を示す図。 第１回転体に対して移動体とは点対称にヨークを配置する例を示す図。 第１回転体の移動体と重なり合っている領域以外のほぼすべての領域でヨークと重なり合うようにした例を示す図。 複数のヨークを用いてコギングトルクを相殺するように、各ヨークの配置場所を最適化する例を示す図。 第３の実施形態の概念を説明する図。 コギングトルク相殺部を取り付けることが可能な回転電機の第１例を示す図。 コギングトルク相殺部を取り付けることが可能な回転電機の第２例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による回転電機１０を内蔵した非接触発電機１の分解斜視図、図２は図１の非接触発電機１の断面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態による非接触発電機１は、第１永久磁石２ａからなる第１回転体２と、ロータ３と、第２回転体４と、ステータ６と、コイル７と、を備えている。第１回転体２、ロータ３および第２回転体４が回転電機１０を構成し、第２回転体４とステータ６とがコギングトルク相殺部８を構成している。

第１回転体２は、所定の回転軸９ａ回りに回転自在とされている。回転軸９ａの周囲にはベアリング９ｂが配置されており、回転軸９ａは移動体５の回転方向に合わせて、時計回りまたは反時計回りに回転する。

第１回転体２の第１永久磁石２ａは、周状に配置された複数の磁極２ｂを有する。図１では、第１永久磁石２ａが４つの磁極２ｂを有する例を示すが、磁極２ｂの数は２つ以上であればよく、４つに限定されるわけではない。

第１回転体２は、回転または移動する移動体５の一主面上に離隔して対向配置されている。図１および図２の例では、移動体５がその中心軸回りに回転する例を示しているが、移動体５は並進運動をするものであってもよい。

図３は第１永久磁石２ａからなる第１回転体２の外観図である。第１回転体２の回転軸９ａと、移動体５の回転軸とは平行に配置されており、第１回転体２の外周面２ｃに連なる第１側面２ｄの少なくとも一部は、移動体５の外周面５ｂに連なる一側面５ｃに対向配置されている。より具体的には、第１回転体２が有する複数の磁極２ｂのうち、２つ以上の磁極２ｂが移動体５の一側面５ｃに対向配置されている。これにより、後述するように、第１回転体２と移動体５との磁気結合量を増やすことができ、移動体５の一側面５ｃ上に生じる渦電流を増大させることができる。

移動体５は、例えば車両の車輪やホイールなどである。移動体５は、第１回転体２に対向配置された一側面５ｃに渦電流を発生させる。渦電流を発生できるように、移動体５の少なくとも一側面５ｃは、金属などの導電材料で形成されている必要がある。

本実施形態では、第１回転体２を構成する第１永久磁石２ａの各磁極２ｂからの磁束により、移動体５の一側面５ｃに渦電流を発生させる。よって、第１回転体２の第１側面２ｄと移動体５の一側面５ｃとの間の間隔は、第１回転体２の各磁極２ｂからの磁束が移動体５に到達可能な範囲内に制限される。

第１永久磁石２ａの各磁極２ｂは、対向する移動体５の一側面５ｃに向かう方向またはその反対方向に磁化されている。また、第１永久磁石２ａの隣接する磁極２ｂ同士の磁化方向は逆である。図３では、第１永久磁石２ａの各磁極２ｂの磁化方向を矢印で示している。図３に示すように、第１回転体２の第１側面２ｄには、周状にＮ極とＳ極が交互に並んでいる。また、第１回転体２の移動体５に対向する第１側面２ｄとは反対側の側面２ｅは、一側面とは逆極性になる。

図２に示すように、第１回転体２、ロータ３、第２回転体４およびステータ６は、カバー２１によって覆われている。また、ステータ６は、実装プレート２２上に固定されている。なお、カバー２１や実装プレート２２は必須の構成部品ではなく、その形状やサイズも任意である。

図４は移動体５の一側面５ｃに発生する渦電流５ｄ，５ｅにより第１回転体２が回転する原理を説明する図である。第１回転体２の第１側面２ｄ上に周状に並ぶ複数の磁極２ｂのうち、移動体５の一側面５ｃに対向配置された磁極２ｂからの磁束は、移動体５の一側面５ｃ方向に伝搬する。第１回転体２の第１側面２ｄと移動体５の一側面５ｃとの間は、エアギャップであり、第１回転体２からの磁極２ｂはこのエアギャップを伝搬する。

移動体５が回転すると、移動体５の一側面５ｃには、第１回転体２からの磁束の変化を妨げる方向に渦電流が生じ、この渦電流による磁束と第１回転体２からの磁束との相互作用（反発力および誘引力）により、第１回転体２は回転する。ただし、第１回転体２の第１側面２ｄの表面速度は、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度よりも遅くなる。

例えば、第１回転体２のＮ極が移動体５の一側面５ｃに対向配置されている場合、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流５ｄの向きと、Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流５ｅの向きとは相違している。Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束により発生する渦電流５ｅは、Ｎ極からの磁束とは反対方向の磁束を発生させる向きに流れる。一方、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流５ｄは、Ｎ極からの磁束と同方向の磁束を発生させる向きに流れる。いずれの渦電流５ｄ，５ｅも、移動体５の回転に伴う第１回転体２からの磁束の変化を妨げる方向に流れる。

上述したように、第１回転体２のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１側では、渦電流５ｄによる磁束と第１回転体２のＮ極からの磁束との方向が同じになることから、互いに引き寄せ合う誘引力が働く。一方、第１回転体２のＮ極の回転方向後方のエッジｅ２側では、渦電流５ｅによる磁束と第１回転体２のＮ極からの磁束とは反対方向になることから、互いに反発し合う反発力が働く。第１回転体２の第１側面２ｄの表面速度が、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度より遅い場合には、上述した、第１回転体２と渦電流５ｄ、５ｅの関係が常に成り立つ。これにより、第１回転体２は、対向する移動体５の一側面５ｃの移動表面を追いかけるようにして、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度よりも遅い表面速度で回転することになる。

なお、上述した第１回転体２の回転の原理は、ローレンツ力による反発力および誘引力にて説明することもできる。上述したように、第１回転体２のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束による発生する渦電流５ｄと、第１回転体２の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束による発生する渦電流５ｅとは、電流の向きが逆になっていて、Ｎ極の直下には常に一定方向の電流が流れる。これら渦電流５ｄ，５ｅによる電流は、移動体５が図４の矢印の向きに回転する場合には、移動体５の回転方向とは反対方向のローレンツ力を受ける。よって、これら渦電流５ｄ，５ｅによる磁束を受ける第１回転体２は、移動体５の回転方向への、ローレンツ力の反発力および誘引力を受けて回転する。

このように、第１回転体２と移動体５は、両者の対向面同士では同一方向に移動する。よって、図４のように、第１回転体２が移動体５の回転軸からずれて対向配置されている場合には、第１回転体２の回転方向は移動体５の回転方向とは逆になる。

図１および図２に示すように、第１回転体２の第１側面２ｄと反対側の第２側面にはロータ３の第１側面が接合され、この第１側面と反対側の第２側面には第２回転体４の第１側面が接合されている。

第１回転体２、ロータ３および第２回転体４は、いずれも共通の回転軸９ａ回りに回転自在とされている。この回転軸９ａ回りに、第１回転体２、ロータ３および第２回転体４は一体に回転する。第１回転体２、ロータ３および第２回転体４の径サイズは同じでも、それぞれ異なっていてもよい。図２の例では、第１回転体２とロータ３の径サイズを略同一とし、第２回転体４の径サイズをロータ３よりも小さくしている。これにより、ロータ３の内周面の内側に第２回転体４を収納できるようにしている。

第２回転体４は、図１および図２に示すように、周方向に複数の磁極２ｂが配置された円環状の第２永久磁石４ａを有する。第２永久磁石４ａの磁極数は特に問わない。

円環状の第２永久磁石４ａの内周面の内側には、ステータ６が配置されている。ステータ６は、固定されており、第２永久磁石４ａの中心から放射状に伸びる複数のティース６ａを有する。ステータ６は、磁性体で形成されており、各ティース６ａにはコイル７が巻回されている。これらコイル７は、第２永久磁石４ａからの磁束が鎖交する位置に配置されており、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生させる。放射状に伸びるティース６ａの先端位置と第２永久磁石４ａの内周面との間には不均一なギャップが設けられている。

図５は本実施形態による非接触発電機１のブロック図である。図５に示すように、本実施形態による非接触発電機１は、運動エネルギ・ハーベスタ（ＫＥＨ:Kinetic Energy Harvester）１１と、発電機１２と、駆動制御部１３と、コギングトルク相殺部８とを備えている。

運動エネルギ・ハーベスタ１１は、移動体５と第１回転体２とを含んで構成されている。運動エネルギ・ハーベスタ１１は、移動体５の移動または回転により、移動体５の一側面に渦電流を生じさせ、この渦電流による磁束と第１回転体２の第１永久磁石２ａとの誘引力および反発力により、第１回転体２を回転させる。このように、運動エネルギ・ハーベスタ１１は、移動体５の移動または回転による運動エネルギを、第１回転体２の回転エネルギに変換する機能を持っている。

発電機１２は、第２回転体４とステータ６のコイル７とを含んで構成されている。移動体５の移動または回転により第１回転体２が回転すると、第１回転体２と一体に第２回転体４も回転する。これにより、ステータ６のティース６ａに巻回されたコイル７には、周期的に方向が変化する交番磁束が鎖交し、コイル７に誘導電流が発生する。このように、発電機１２は、第１回転体２の回転エネルギを、第２回転体４を介して、コイル７に流れる誘導電流に変換する機能を持っている。

駆動制御部１３は、コイル７に発生した誘導電流を例えば交流電圧や直流電圧に変換して、種々の負荷１４を駆動する制御を行う。負荷１４は、モータやアクチュエータ、各種センサなどであり、その具体的な種類は問わない。あるいは、駆動制御部１３は、発電機１２で発生した誘導電流に応じた電力を不図示の蓄電器に蓄電してもよい。

コギングトルク相殺部８は、第２永久磁石４ａとステータ６とを含んで構成されている。コギングトルク相殺部８は、移動体５と第１永久磁石２ａとの相対的な形状および位置関係により第１永久磁石２ａに発生するコギングトルクの少なくとも一部を相殺する。より具体的には、コギングトルク相殺部８は、例えば、ステータ６の放射状に延びるティース６ａの先端位置と第２永久磁石４ａの内周面との間のギャップを調整することで、第１永久磁石２ａに発生するコギングトルクの少なくとも一部を相殺する。なお、コギングトルク相殺部８が第１永久磁石２ａに発生するコギングトルクを相殺する具体的な手段は、後述するように、上述したギャップの調整には限定されない。また、本明細書において、「相殺」とは、移動体５により第１永久磁石２ａに生じたコギングトルクを別の部材に生じるコギングトルクによって相殺する場合と、第１永久磁石２ａに生じるコギングトルク自体を低減する場合とを含む趣旨である。

ここで、コギングトルクとは、移動体５と第１回転体２の第１永久磁石２ａとの相対的な形状および位置関係によって発生するものであり、移動体５の一側面に発生する渦電流とは無関係である。移動体５の移動速度によらず、コギングトルクは一定になる。コギングトルクは、磁性体である移動体５と第１回転体２の第１磁石との吸着力の不均一性が原因となって発生する。すなわち、第１回転体２の第１永久磁石２ａは周方向に複数の磁極２ｂを有するため、第１回転体２の回転角度や回転位置によって、移動体５への吸着力に強弱が生じ、これが原因となってコギングトルクが発生する。

図６は第１回転体２の１周分のコギングトルクを表すグラフである。図６の横軸は第１回転体２の回転角度φ（°）、縦軸はコギングトルクＴcog,harv（Ｎmm）である。図６のグラフは、第１回転体２の第１永久磁石２ａが周方向に等しい長さの４つの磁極２ｂを有する例を示している。図６からわかるように、コギングトルクは、９０°ごとに１周期の波形であり、移動体５の一側面と第１回転体２の一側面とが重なり合う領域におけるＮ極とＳ極との割合が等しいときがコギングトルクがゼロとなる。移動体５の一側面と第１回転体２の一側面とが重なり合う領域におけるＮ極の割合が最大、またはＳ極の割合が最大のときがコギングトルクの絶対値が最大になる。

コギングトルクは、第１回転体２だけでなく、第２回転体４にも発生する。第２回転体４のコギングトルクは、ステータ６との相対的形状および位置関係によって変化する。

コギングトルク相殺部８は、理想的には、（１）式に示すように、第１回転体２のコギングトルクＴcog,harv(φ)を、第２回転体４のコギングトルクＴcog,gen(φ)により、完全に相殺してゼロにする。

Ｔcog,gen(φ)＋Ｔcog,harv(φ)＝０ …（１）

よって、第２回転体４のコギングトルクＴcog,gen(φ)は、理想的には、Ｔcog,gen(φ)＝−Ｔcog,harv(φ)である。

次に、コギングトルク相殺部８の処理動作について詳述する。以下では、ステータ６の放射状に延びるティース６ａの先端位置と第２回転体４の内周面とのギャップを調整して、第１回転体２のコギングトルクを相殺する例を説明する。

ＦＥＭ（Finite Element Method）シミュレーションや解析的導出法によりコギングトルクを解析するには、（２）式に示すように、コギングトルクＴcog(φ)をフーリエ展開する。

Ｔcog(φ)＝ｃ_１sin(4φ)＋ｄ_１cos(4φ)＋ｃ_２sin(8φ)＋ｄ_２cos(8φ)＋… （２）

ここで、（２）式のφはロータ３の回転角度である。図６に示した波形で、かつ（１）式を満たすコギングトルクを得るには、（２）式の右辺の第１項以外はゼロにする必要がある。

図７は第２回転体４とステータ６を含んで構成された発電機１２の二次元ＦＥＭシミュレーションの結果を示す図である。図７は、第１回転体２に発生したコギングトルクを相殺できるようなコギングトルクを第２回転体４に発生させるために、ステータ６のティース６ａと第２回転体４とのギャップを調整した例を示している。

図７のギャップｇ(θ)は、以下の（３）式で表される。

ｇ(θ)＝ｇnom・(１＋ａ１cos(4θ) …（３）

ここで、θは、図７に示すように、ステータ６の所定の基準方向からの角度である。

（３）式に、以下の（４）式の項を追加することで、エアギャップ変調の概念を採り入れることができる。

この（４）式は、エアギャップを最適化するためのベースとなる。コギングトルクＴcog(φ)は、結果的に以下の（５）式で表される。

図８Ａはステータ６と第２回転体４とのギャップを最適化する前の構造を示す平面図、図８Ｂはギャップを最適化した後の構造を示す平面図である。図８Ａと図８Ｂは、シミュレーションにより得られたステータ６の構造を示している。図８Ｂのステータ６のティース６ａの先端位置の形状は、図８Ａとは相違しており、これにより、ギャップを最適化している。

図８Ｂの構造をシミュレーションにより生成するにあたって設定した各種のパラメータは、図９の通りである。図９に示したパラメータ以外に、ステータ６のティース６ａの幅αFEと第２永久磁石４ａの磁極２ｂ間の間隔αPMgapを図８Ｂの構造を計算するためのパラメータとして用いた。

図１０はステータ６のティース６ａ先端と第２回転体４とのギャップを最適化するアルゴリズムを示すフローチャートである。まず、予め選択した形状の発電機１２の幾何学的パラメータ（geometry parameters）を初期化する（ステップＳ１）。次に、二次元ＦＥＭシミュレーションにて、回転角度φの関数としてコギングトルクを計算することで、発電機１２の構成を評価する（ステップＳ２）。その後、コギングトルクが目標値に到達するまで、幾何学的パラメータの更新を繰り返す（ステップＳ３、Ｓ４）。

シミュレーションの不確実性により、全体的なコギングトルクが（１）式のようなゼロにはならない場合もありうる。このため、ステップＳ３では、以下の（６）式に従って、コギングトルクの残値Ｔcog,remとコギングトルクの残値割合Ｔcog,rem／Ｔcog,harvを計算する。

Ｔcog,rem＝Ｔcog,harv−Ｔcog,gen …（６）

上述したステップＳ３では、残値割合Ｔcog,rem／Ｔcog,harvがδ未満か否かを判定する。一例として、δ＝０．１に設定される。δ＝０．１であれば、全体的なコギングトルクを９０％まで削減することができる。ステップＳ３がＮＯであれば、幾何学的パラメータを更新して（ステップＳ４）、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。ステップＳ３がＹＥＳであれば、図１０の処理を終了する。

なお、第１回転体２のコギングトルクＴcog,harvと第２回転体４のコギングトルクＴcog,genは、連続的な変数φの関数である。このため、本質的に最適化処理を行うのは困難である。そこで、上述した（５）式によるコギングトルクの分解を行って、以下の（７）式に示すコギングトルクの高調波成分のベクトルｃを求める。

同様の分解が第１回転体２のコギングトルクＴcog,harvに対しても行われ、結果的に上述した（６）式は、以下の（８）式のように書き直すことができる。

一方、発電機１２の幾何学的パラメータは、以下の（９）式のベクトルａで表すのが都合がよい。

上述した（３）式の変調係数ａ_１は、最適化の最中には更新されず、外観上の幾何学的パラメータ（external geometry parameter）として用いられる。一例として、ａ_１＝０．５に設定される。

幾何学的パラメータの更新には、多次元ニュートン−ラプソン法（multi-dimensional Newton-Raphson Method）に関連した多次元割線法（multi-dimensional Secant Method）が用いられる。ただし、本実施形態では、誤差関数（この場合ｃ_ｒｅｍ）をゼロにするための以下の（１０）式で示すヤコビアン行列の近似として、上述した割線法を用いる。

（１０）式のヤコビアン行列の例えば第１列を求めるには、パラメータα_ＦＥを可変させてシミュレーションが行われる。

（１０）式のヤコビアン行列の第１列の値として、上述した（８）式のコギングトルク分解の差分ｃ_ｇｅｎが用いられる。この処理は、幾何学的パラメータａにおける全要素に対して行われ、これにより、ヤコビアン行列の全要素が得られる。

次に、以下の（１１）式に示すように、コギングトルクの残値ｃ_ｒｅｍが十分に小さくなるまで、幾何学的パラメータａの更新が繰り返し行われる。

幾何学的パラメータａの更新には、以下の（１２）式に示すように、ヤコビアン行列の近似的な一般逆行列が用いられる。これは、ヤコビアン行列の逆行列が存在しないこともありうるためである。

最適化問題の非線形性により、ダンピング要素ｄ_dampingが更新処理で用いられる。例えば、ｄ_damping＝０．２のときに、良好な収束結果が得られた。

本実施形態では、三相のアウトランナ型の発電機１２に対して、コギングトルクの最適化を行った。図１０のフローチャートに従ってステータ６の形状を最適化することにより、図８Ｂのような構造のステータ６が得られた。

図１１は、ステータ６の周方向に配置された３つのティース６ａの幅および間隔を横軸とし、ティース６ａ先端と第２回転体４とのギャップを縦軸にした図である。ステータ６の形状がわずかに変更されている一方、永久磁石間のギャップ（α_PMgap）が大きく増加している。初期状態と最適化後の幾何学的パラメータの対比結果は、図１２に示されている。

図１３は最適化処理を行っている最中にコギングトルクが変化する様子を示す図である。図１３からわかるように、最適化処理を行うことで、コギングトルクは次第に所望のサイン波に収束していく。なお、本実施形態によるアルゴリズムを用いれば、コギングトルクを、サイン波に限らず、所望の波形に最適化することができる。

図１４は、第１回転体２のコギングトルクＴcog,harvと、上述した手法で最終的に得られた第２回転体４のコギングトルクＴcog,genとを比較した図である。図１４からわかるように、Ｔcog,harvとＴcong,genはほぼ位相が逆になっており、この結果、全体的なコギングトルクを約９０％削減することができた。

このように、本実施形態では、移動体５の移動または回転により移動体５の一側面に生じた渦電流による磁束と、移動体５の一側面に対向配置される第１回転体２の第１永久磁石２ａの磁束との誘引力および反発力により、第１回転体２を回転させることができる。そして、本実施形態では、第１回転体２と一体に回転する第２回転体４を設け、第２回転体４の内周側に配置されるステータ６のティース６ａ先端と第２回転体４の内周面とのギャップを調整することで、第１回転体２の回転により生じるコギングトルクとほぼ逆位相のコギングトルクを第２回転体４にて発生させ、両者を相殺させることで、全体的なコギングトルクをゼロ近くにまで低減できる。これにより、移動体５が停止状態から徐々に移動または回転速度を上げる場合に、移動または回転速度が低い状態から第１回転体２を回転させることができ、移動体５の移動または回転による運動エネルギを効率よく抽出して、電気エネルギに変換でき、発電効率を向上できる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、第１回転体２と一体に回転する第２回転体４とステータ６とを用いて、第１回転体２に生じるコギングトルクを第２回転体４に生じるコギングトルクで相殺する例を説明したが、コギングトルクを相殺する具体的な手段は、第１の実施形態で説明したものに限定されない。

第２の実施形態は、第２回転体４とステータ６を用いる代わりに、第１回転体２に一部が重なり合うように配置されるヨーク１５を用いて、第１回転体２に生じるコギングトルクを相殺するものである。

図１５Ａと図１５Ｂは第２の実施形態の概念を説明する図である。図１５Ａと図１５Ｂは第１回転体２に対して移動体５とは点対称にヨーク１５を配置する例を示している。図１５Ａの場合、移動体５と第１回転体２とが重なり合う領域では、Ｎ極よりもＳ極の方が面積的に大きく、反時計回りのコギングトルクが発生する。また、移動体５と第２回転体４とが重なり合う領域でも、Ｎ極よりもＳ極の方が面積的に大きいため、やはり反時計回りのコギングトルクが発生する。よって、ヨーク１５がない場合よりも、さらに反時計回りのコギングトルクが大きくなる。この場合、ヨーク１５によって第１回転体２のコギングトルクを相殺することはできない。

一方、図１５Ｂの場合、移動体５と第１回転体２とが重なり合う領域では、Ｎ極とＳ極の面積がほぼ等しい。同様に、移動体５と第２回転体４とが重なり合う領域でも、Ｎ極とＳ極の面積がほぼ等しい。よって、ヨーク１５の有無にかかわらず、図１５Ｂの場合は、安定状態となり、第１回転体２は図１５Ｂの状態で安定的に停止する。

このように、図１５Ａや図１５Ｂのようにヨーク１５を配置しても、第１回転体２のコギングトルクを相殺することはできず、ヨーク１５を配置したことにより、却って第１回転体２は回転しにくくなってしまう。

一方、図１６Ａは、第１回転体２の移動体５と重なり合っている領域以外のほぼすべての領域でヨーク１５と重なり合うようにした例を示している。ヨーク１５の磁気特性すなわち透磁率が移動体５の磁気特性と同じで、かつ第１回転体２とヨーク１５とのギャップが移動体５と第１回転体２とのギャップと等しい場合、第１回転体２の回転角度によって磁路の磁気抵抗が変化しなくなるため、第１回転体２に生じるコギングトルクが低減される。この例は、移動体５により第１回転体２に生じるコギングトルクを相殺するというよりは、第１回転体２にコギングトルク自体が発生しなくなる。

図１６Ｂは、複数のヨーク１５を用いて、移動体５により第１回転体２に生じるコギングトルクを相殺するように、各ヨーク１５の配置場所を最適化する例を示している。図１６Ｂでは、２つのヨーク１５を用いているが、ヨーク１５の個数、形状、透磁率等の磁気特性を最適化するのが望ましい。最適化には、第１の実施形態と同様にシミュレーションを用いればよい。

図１６Ａのヨーク１５と図１６Ｂのヨーク１５がそれぞれコギングトルク相殺部８を構成している。図１６Ａのヨーク１５は、上述したように、第１回転体２に発生するコギングトルク自体を低減するものであるが、ヨーク１５がないとした場合の移動体５により第１回転体２に生じたコギングトルクを、ヨーク１５を設けることで相殺して、結果的に、第１回転体２に発生するコギングトルク自体を低減している。したがって、図１６Ａのヨーク１５も、コギングトルク相殺部８として機能している。

このように、第２の実施形態では、第１回転体２の第１永久磁石２ａに少なくとも一部が重なり合うようにヨーク１５を配置することで、第１回転体２にコギングトルク自体が発生しないようにしたり、あるいは移動体５により第１回転体２に生じるコギングトルクをヨーク１５にて相殺することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１回転体２とは別個の第２回転体４を設けて、第１回転体２と第２回転体４をともに、移動体５に近接配置するものである。

図１７は第３の実施形態の概念を説明する図である。第３の実施形態によるコギングトルク相殺部８は、図１７に示すように、第２回転体４と、同期回転機構とを有する。第２回転体４は、移動体５の一主面上に離隔して対向配置され、移動体５の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第２永久磁石４ａを有する。同期回転機構は、第１回転体２と第２回転体４とを同期して回転させる。同期回転機構の一例は、第１回転体２と第２回転体４の回転軸同士を掛け渡すタイミングベルト１６である。同期回転機構は、必ずしもタイミングベルト１６に限定されず、歯車などでもよい。

図１７に示すように、第２回転体４は、第１回転体２と同様に、移動体５に重なり合うように配置されている。図１７の例では、第１回転体２と移動体５とが重なり合う領域にはＮ極とＳ極が等面積ずつ含まれているのに対して、第２回転体４と移動体５とが重なり合う領域にはＳ極がＮ極よりも多く含まれている。すなわち、第１回転体２とは４５°ずらして第２回転体４が配置されている。これにより、移動体５により第１回転体２に生じるコギングトルクを、移動体５により第２回転体４に生じるコギングトルクにて相殺することができる。

なお、第１回転体２と第２回転体４の径サイズや磁極数、磁気特性、移動体５とのギャップは、共通にするのが望ましい。また、図１７では、並進運動する移動体５の例を示しているが、移動体５は回転運動をしてもよい。

このように、第３の実施形態では、第１回転体２と第２回転体４を移動体５に重ね合わせて配置し、かつ第１回転体２と第２回転体４とが一体に回転するようにし、かつ第１回転体２の磁極２ｂの配置方向と第２回転体４の磁極２ｂの配置方向とを互いに相違させるため、移動体５により第１回転体２に生じたコギングトルクを、第２回転体４に生じたコギングトルクにより相殺することができる。

（第４の実施形態）
上述した第１〜第３の実施形態では、移動体５の一側面５ｃを第１回転体２の第１側面２ｄに対向配置する例を示したが、移動体５と第１回転体２との配置は上述したものに限定されない。上述したコギングトルク相殺部８は、移動体５の移動または回転により第１回転体２にコギングトルクが発生する種々の回転電機１０に適用可能である。上述したコギングトルク相殺部８を取り付けることが可能な回転電機１０の例としては、例えば以下のようなものがある。

図１８Ａはコギングトルク相殺部８を取り付けることが可能な回転電機１０の第１例を示す図である。図１８Ａの非接触発電機１は、回転軸周りに回転する第１永久磁石２ａと、２個のコイル７（第１コイル７ａと第２コイル７ｂ）と、ヨーク１５とを備えている。

第１永久磁石２ａは、回転または移動する移動体５の一主面５ｃ上に離隔して対向配置され、移動体５の回転または移動方向に応じて回転する。第１永久磁石２ａは、少なくとも２個の磁極２ｂを有し、各磁極２ｂの磁化方向は、第１永久磁石２ａの外周面の法線方向である。

第１永久磁石２ａの外周面２ｃは、移動体５の一主面５ｃから離隔して配置されており、第１永久磁石２ａは、移動体５の一主面５ｃに接触することなく、回転自在とされている。図１８Ａの例では、２個のコイル７のうち一方の第１コイル７ａは、移動体５の回転または移動方向に対して第１永久磁石２ａの後方側に配置されている。２個のコイル７のうち他方の第２コイル７ｂは、移動体５の回転または移動方向に対して第１永久磁石２ａの前方側に配置されている。第１および第２コイル７ａ，７ｂは、移動体５の一主面５ｃ上に離隔して配置されている。

また、図１８Ａの例では、第１および第２コイル７ａ，７ｂの内部と上部には、コの字状のヨーク１５が配置されている。ヨーク１５と第１永久磁石２ａとの間には隙間があり、同様に、第１永久磁石２ａと第１および第２コイル７ａ，７ｂとの間にも隙間がある。これら隙間はエアギャップである。よって、第１永久磁石２ａは、移動体５の一主面と、第１および第２コイル７ａ，７ｂと、ヨーク１５とで囲まれる領域内で回転する。

図１８Ａの位置から時計回りまたは反時計回りに９０°だけ第１永久磁石２ａが回転した状態では、Ｎ極またはＳ極が最短距離で移動体５で対向することになり、最も磁路が短くなって安定した状態となる。よって、このように、図１８Ａの構造では、第１永久磁石２ａの回転位置によって、コギングトルクが変化し、図１と同様に、移動体５が移動または回転を開始しても、なかなか第１永久磁石２ａが回転しないという問題が起こりえる。よって、第１〜第３の実施形態で説明した何らかのコギングトルク相殺部８を設けるのが望ましい。

なお、図１８Ａのコイル７は、第１永久磁石２ａからの全磁束が集中する場所に配置すればよく、図１８Ａのコイル７の配置例は一例に過ぎない。また、ヨーク１５の形状も図１８Ａに示すものに限定されない。

例えば、図１８Ｂはコギングトルク相殺部８を取り付けることが可能な回転電機１０の第２例を示す図であり、１個のコイル７で発電を行う例を示す図である。第１永久磁石２ａの上方には、ヨーク１５に巻回されたコイル７が配置されている。ヨーク１５は第１永久磁石２ａの上方から移動体５の移動方向の両側に延びて、第１永久磁石２ａを取り囲むように配置されている。コイル７は、第１永久磁石２ａからの磁束のほぼすべてを鎖交させるため、必ずしも複数のコイル７を設ける必要はない。なお、コイル７を配置する場所は、第１永久磁石２ａからの全磁束が集中する場所（例えば、第１永久磁石２ａのＮ極とＳ極の少なくとも一方の近傍）であればよい。

図１８Ｂの第１永久磁石２ａも、図１８Ａと同様に移動体５の移動によりコギングトルクが発生するため、やはり第１〜第３の実施形態で説明した何らかのコギングトルク相殺部８を設けるのが望ましい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 非接触発電機、２ 第１回転体、２ａ 第１永久磁石、２ｂ 磁極、３ ロータ、４ 第２回転体、６ ステータ、７ コイル、８ コギングトルク相殺部、９ａ 回転軸、１０ 回転電機、１１ 運動エネルギ・ハーベスタ、１２ 発電機、１３ 駆動制御部

Claims (12)

1. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
   前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部と、を備え、
   前記コギングトルク相殺部は、
   前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石を有し、前記第１回転体に同期して回転する第２回転体と、
   前記第２永久磁石と磁気結合する第１磁性体と、を有し、
   前記第２回転体と前記第１磁性体とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減する、回転電機。
2. 前記第２回転体は、前記第１永久磁石とともに、前記回転軸回りに回転する円環部材であり、
   前記第１磁性体は、前記円環部材の内周側に配置され、前記円環部材の内周面とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第２永久磁石からの磁束が鎖交する位置に配置され、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生するコイルを備える、請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
   前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部と、を備え、
   前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と磁気結合する第２磁性体を有し、
   前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と前記第２磁性体とが重なり合う領域を調整することにより、前記コギングトルクを低減する、回転電機。
5. 前記第２磁性体は、ヨークである、請求項４に記載の回転電機。
6. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
   前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部と、を備え、
   前記コギングトルク相殺部は、
   前記移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第２永久磁石を有する第２回転体と、
   前記第１回転体と前記第２回転体とを同期させて回転させる同期回転機構と、を有し、
   前記移動体と重なり合う前記第２永久磁石の磁極を、前記移動体と重なり合う前記第１永久磁石の磁極と相違させることで、前記コギングトルクを低減する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記第１回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記第１永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記第１永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記回転軸周りに回転し、
   前記第１回転体の前記移動体に対向配置される一側面の表面速度は、対向配置される前記移動体の前記一主面の表面速度より遅い、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記コギングトルク相殺部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクの逆位相のコギングトルクを発生させる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転電機。
9. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
   前記第１回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、を備え、
   前記発電部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部を有し、
   前記コギングトルク相殺部は、
   前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石を有し、前記第１回転体に同期して回転する第２回転体と、
   前記第２永久磁石と磁気結合する第１磁性体と、を有し、
   前記第２回転体と前記第１磁性体とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減する、非接触発電機。
10. 回転または移動する移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
    前記第１回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、を備え、
    前記発電部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部を有し、
    前記コギングトルク相殺部は、
    前記第１永久磁石とは異なる第２永久磁石を有し、前記第１回転体に同期して回転する第２回転体と、
    前記第２永久磁石と磁気結合する第１磁性体と、を有し、
    前記第２回転体と前記第１磁性体とのギャップを調整することにより、前記コギングトルクを低減し、
    前記第１回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記第１永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記第１永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記回転軸周りに回転し、
    前記第１回転体の前記移動体に対向配置される一側面の表面速度は、対向配置される前記移動体の前記一主面の表面速度より遅い、非接触発電機。
11. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する第１永久磁石を有する第１回転体と、
    前記第１回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、を備え、
    前記発電部は、前記移動体と前記第１永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記第１永久磁石に発生するコギングトルクを低減または相殺するコギングトルク相殺部を有し、
    前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と磁気結合する第２磁性体を有し、
    前記コギングトルク相殺部は、前記第１永久磁石と前記第２磁性体とが重なり合う領域を調整することにより、前記コギングトルクを低減する、非接触発電機。
12. 前記発電部は、前記第１永久磁石からの磁束が鎖交する位置に配置され、鎖交した磁束の変化量に応じた誘導電流を発生するコイルを有する、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の非接触発電機。

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