CN109478838B - 旋转电机和非接触发电机 - Google Patents

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Abstract

提供一种磁效率良好、磁通的泄露也较少、且进行了针对齿槽转矩的对策的旋转电机和非接触发电机。旋转电机(10)具备：第1旋转体(2)，其具有第1永磁体(2a)，该第1旋转体(2)以与旋转或移动的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，根据移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及齿槽转矩抵消部(8)，其使由于移动体与第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在第1永磁体产生的齿槽转矩的至少一部分抵消，第1旋转体(2)利用基于涡流而作用于第1永磁体的排斥力和吸引力，绕第1旋转轴旋转，该涡流沿着妨碍来自第1永磁体的磁通的变化的方向产生在移动体(5)的一主面上，第1旋转体的与移动体相对配置的一侧面的表面速度比相对配置的移动体的一主面的表面速度慢。

Description

旋转电机和非接触发电机
技术领域
本发明涉及一种以非接触方式旋转的旋转电机和以非接触方式发电的非接触发电机。
背景技术
在美国专利公开公报2014/0132155号公开有以非接触方式发电的自行车用发电机。上述的公知文献的自行车用发电机相对于与轮子的外周面相连的一侧面分隔开地配置有绕沿着与自行车的轮子的旋转轴正交的方向延伸的旋转轴旋转的圆环状的永磁体的外周面。
永磁体沿着周向排列配置有多个磁极，在相邻的磁极中，磁化方向相反。例如，若在永磁体的N极与轮子的一侧面相对配置了的状态下轮子旋转，则沿着妨碍来自永磁体的磁通的变化的方向在轮子的一侧面产生涡流。利用由该涡流产生的磁通和来自永磁体的磁通之间的排斥力和吸引力，永磁体沿着轮子的旋转方向旋转。
因而，利用线圈卷绕在永磁体的周围，只要来自永磁体的磁通与线圈交链，就能够从线圈获取感应电力。
发明内容
1.与轮子的一侧面相对配置的永磁体的面积受限，因此，无法增大轮子与永磁体之间的磁耦合量。因而，在轮子产生的涡流变小，永磁体的旋转力也变弱。
2.在上述的公知文献中，在永磁体卷绕有单一相的线圈，但在单一相的线圈中，无法有效利用永磁体的未卷绕线圈的部分的磁通，因此，无法增加交链磁通量。另外，在永磁体的卷绕有线圈的部分的极性的朝向以旋转轴为中心呈对称的情况下，与线圈交链的磁通的总量始终相互抵消，因此，存在无法发电这样的问题。
3.来自永磁体的磁通在空气中传播，因此，受到较大的磁阻，磁效率并不能说良好。
4.未使用磁轭，因此，易于产生磁通的泄露，另外，若在周围存在导电材料或磁性材料，则磁路变化，有可能给发电量造成影响。
5.由于与轮子的一侧面相对配置的永磁体的磁极位置的不同，在使轮子旋转了时，可能存在永磁体怎么也不旋转的情况。这是由在永磁体与轮子间产生的齿槽转矩导致的。美国专利公开公报2014/0132155号未进行任何针对齿槽转矩的对策。
本发明是鉴于上述的问题而做成的，其目的在于提供一种磁效率良好、磁通的泄露也少、且进行了针对齿槽转矩的对策的旋转电机和非接触发电机。
为了解决上述的问题，在本发明的一形态中，提供一种旋转电机，该该旋转电机具备：第1旋转体，其具有第1永磁体的，所述第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
齿槽转矩抵消部，其使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消。
在本发明的另一形态中，提供一种旋转电机，该旋转电机具备：第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与旋转或移动的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
齿槽转矩抵消部，其使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消，
所述第1旋转体利用基于涡流而作用于所述第1永磁体的排斥力和吸引力，绕所述第1旋转轴旋转，该涡流沿着妨碍来自所述第1永磁体的磁通的变化的方向产生在所述移动体的所述一主面上，
所述第1旋转体的与所述移动体相对配置的所述一侧面的表面速度比所述移动体的相对配置的所述一主面的表面速度慢。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩的相反相位的齿槽转矩产生。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部使用与所述第1永磁体不同的第2永磁体、或磁性体而使所述齿槽转矩减少或抵消。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有与所述第1永磁体不同的第2永磁体，并与所述第1旋转体同步地旋转；以及
第1磁性体，其与所述第2永磁体磁耦合。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部通过对所述第2旋转体与所述第1磁性体之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
也可以是，所述第2旋转体是与所述第1永磁体一起绕所述旋转轴旋转的圆环构件，
也可以是，所述第1磁性体配置于所述圆环构件的内周侧，通过对所述第1磁性体与所述圆环构件的内周面之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
也可以是，该旋转电机具备线圈，该线圈配置于来自所述第2永磁体的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有与所述第1永磁体磁耦合的第2磁性体，
也可以是，所述齿槽转矩抵消部通过对所述第1永磁体和所述第2磁性体重叠的区域进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
也可以是，所述第2磁性体是磁轭。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有第2永磁体，该第2旋转体以与所述移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于所述移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
同步旋转机构，其使所述第1旋转体和所述第2旋转体同步地旋转，
也可以是，通过使与所述移动体重叠的所述第2永磁体的磁极不同于与所述移动体重叠的所述第1永磁体的磁极，来使所述齿槽转矩减少。
在本发明的另一形态中，提供一种非接触发电机，该非接触发电机具备：第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
发电部，其将由所述第1旋转体的旋转产生的动能转换成电能，
所述发电部具有使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消的齿槽转矩抵消部。
在本发明的另一形态中，提供一种非接触发电机，该非接触发电机具备：第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与旋转或移动的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
发电部，其将由所述第1旋转体的旋转产生的动能转换成电能，
所述发电部具有使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消的齿槽转矩抵消部，
所述第1旋转体利用基于涡流而作用于所述第1永磁体的排斥力和吸引力，绕所述第1旋转轴旋转，该涡流沿着妨碍来自所述第1永磁体的磁通的变化的方向产生在所述移动体的所述一主面上，
所述第1旋转体的与所述移动体相对配置的所述一侧面的表面速度比相对配置的所述移动体的所述一主面的表面速度慢。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部使用与所述第1永磁体相独立且所述发电部所具有的第2永磁体而使所述齿槽转矩减少或抵消。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有与所述第1永磁体不同的第2永磁体，并与所述第1旋转体同步地旋转；以及
第1磁性体，其与所述第2永磁体磁耦合，
也可以是，所述发电部具有线圈，该线圈配置于来自所述第2永磁体的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有与所述第1永磁体磁耦合的第2磁性体，
所述齿槽转矩抵消部通过对所述第1永磁体和所述第2磁性体重叠的区域进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
也可以是，所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有第2永磁体，该第2旋转体以与所述移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于所述移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
同步旋转机构，其使所述第1旋转体和所述第2旋转体同步地旋转，通过使所述第2永磁体的与所述移动体重叠的磁极不同于所述第1永磁体的与所述移动体重叠的磁极，来使所述齿槽转矩减少。
也可以是，所述发电部具有线圈，该线圈配置于来自所述第1永磁体的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。
根据本发明，能够提供磁效率良好、磁通的泄露也少、且进行了针对齿槽转矩的对策的旋转电机和非接触发电机。
附图说明
图1是内置有第1实施方式的旋转电机的非接触发电机1的分解立体图。
图2是图1的非接触发电机的剖视图。
图3是由第1永磁体构成的第1旋转体的外观图。
图4是说明利用在移动体的一侧面产生的涡流而第1旋转体旋转的原理的图。
图5是本实施方式的非接触发电机的框图。
图6是表示第1旋转体的1周量的齿槽转矩的图表。
图7是表示包括第2旋转体和定子而构成的发电机的二维FEM模拟的结果的图。
图8A是表示使定子与第2旋转体之间的间隙最佳化之前的构造的俯视图。
图8B是表示使间隙最佳化了之后的构造的俯视图。
图9是表示在利用模拟生成图8B的构造时所设定的各种参数的图。
图10是表示使定子的齿顶端与第2旋转体之间的间隙最佳化的算法的流程图。
图11是将沿着定子的周向配置的3个齿的宽度和间隔设为横轴、将齿顶端与第2旋转体之间的间隙设为纵轴的图。
图12是表示初始状态和最佳化后的几何学的参数的对比结果的图。
图13是表示正在进行着最佳化处理中齿槽转矩变化的情形的图。
图14是对第1旋转体的齿槽转矩和最终获得的第2旋转体的齿槽转矩进行了比较的图。
图15A是表示将磁轭配置成相对于第1旋转体而与移动体呈点对称的例子的图。
图15B是表示将磁轭配置成相对于第1旋转体而与移动体呈点对称的例子的图。
图16A是表示在第1旋转体的除了与移动体重叠的区域以外的大致全部的区域中与磁轭重叠的例子的图。
图16B是表示使各磁轭的配置场所最佳化以使得使用多个磁轭而使齿槽转矩抵消的例子的图。
图17是说明第3实施方式的概念的图。
图18A是表示能够安装齿槽转矩抵消部的旋转电机的第1例的图。
图18B是表示能够安装齿槽转矩抵消部的旋转电机的第2例的图。
具体实施方式
以下，详细地说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是内置有第1实施方式的旋转电机10的非接触发电机1的分解立体图，图2是图1的非接触发电机1的剖视图。
如图1和图2所示，本实施方式的非接触发电机1具备由第1永磁体2a构成的第1旋转体2、转子3、第2旋转体4、定子6、以及线圈7。第1旋转体2、转子3以及第2旋转体4构成旋转电机10，第2旋转体4和定子6构成齿槽转矩抵消部8。
第1旋转体2绕预定的旋转轴9a旋转自如。在旋转轴9a的周围配置有轴承9b，旋转轴9a与移动体5的旋转方向相应地顺时针或逆时针旋转。
第1旋转体2的第1永磁体2a具有配置成周状的多个磁极2b。在图1中，表示第1永磁体2a具有4个磁极2b的例子，磁极2b的数量是两个以上即可，并不限定于4个。
第1旋转体2以与旋转或移动的移动体5的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体5的一主面之上。在图1和图2的例子中，示出有移动体5绕其中心轴线旋转的例子，移动体5也可以平移运动。
图3是由第1永磁体2a构成的第1旋转体2的外观图。第1旋转体2的旋转轴9a与移动体5的旋转轴线平行地配置，与第1旋转体2的外周面2c相连的第1侧面2d的至少一部分同与移动体5的外周面5b相连的一侧面5c相对配置。更具体而言，第1旋转体2所具有的多个磁极2b中的、两个以上的磁极2b与移动体5的一侧面5c相对配置。由此，如后述那样，能够增加第1旋转体2与移动体5之间的磁耦合量，能够使在移动体5的一侧面5c上产生的涡流增大。
移动体5是例如车辆的车轮、轮子等。移动体5使涡流产生在与第1旋转体2相对配置的一侧面5c。移动体5的至少一侧面5c需要由金属等导电材料形成，以便能够产生涡流。
在本实施方式中，由于来自构成第1旋转体2的第1永磁体2a的各磁极2b的磁通，使涡流产生在移动体5的一侧面5c。因而，第1旋转体2的第1侧面2d与移动体5的一侧面5c之间的间隔被限制在来自第1旋转体2的各磁极2b的磁通能够到达移动体5的范围内。
第1永磁体2a的各磁极2b在朝向相对的移动体5的一侧面5c的方向或其相反方向上被磁化。另外，第1永磁体2a的相邻的磁极2b彼此的磁化方向相反。在图3中，以箭头表示第1永磁体2a的各磁极2b的磁化方向。如图3所示，在第1旋转体2的第1侧面2d呈周状交替地排列有N极和S极。另外，第1旋转体2的与移动体5相对的第1侧面2d的相反侧的侧面2e成为与一侧面相反的极性。
如图2所示，第1旋转体2、转子3、第2旋转体4以及定子6由罩21覆盖。另外，定子6被固定于安装板22上。此外，罩21、安装板22并不是必须的构成零部件，其形状、尺寸也是任意的。
图4是说明利用在移动体5的一侧面5c产生的涡流5d、5e而使第1旋转体2旋转的原理的图。来自呈周状排列于第1旋转体2的第1侧面2d上的多个磁极2b中的、与移动体5的一侧面5c相对配置的磁极2b的磁通向移动体5的一侧面5c方向传播。第1旋转体2的第1侧面2d与移动体5的一侧面5c之间是气隙，来自第1旋转体2的磁极2b在该气隙传播。
若移动体5旋转，则在移动体5的一侧面5c沿着妨碍来自第1旋转体2的磁通的变化的方向产生涡流，利用该涡流的磁通与来自第1旋转体2的磁通之间的相互作用(排斥力和吸引力)使第1旋转体2旋转。不过，第1旋转体2的第1侧面2d的表面速度比相对的移动体5的一侧面5c的表面速度慢。
例如，在第1旋转体2的N极与移动体5的一侧面5c相对配置的情况下，在来自N极的旋转方向前方的边缘e1的磁通所到达的移动体5的一侧面5c部分产生的涡流5d的朝向与在来自N极的旋转方向后方的边缘e2的磁通所到达的移动体5的一侧面5c部分产生的涡流5e的朝向不同。由来自N极的旋转方向后方的边缘e2的磁通产生的涡流5e向产生与来自N极的磁通相反的方向的磁通的朝向流动。另一方面，在来自N极的旋转方向前方的边缘e1的磁通所到达的移动体5的一侧面5c部分产生的涡流5d向产生与来自N极的磁通同向的磁通的朝向流动。任一涡流5d、5e都沿着妨碍与移动体5的旋转相伴的来自第1旋转体2的磁通的变化的方向流动。
如上所述，在第1旋转体2的N极的旋转方向前方的边缘e1侧，涡流5d的磁通的方向与来自第1旋转体2的N极的磁通的方向相同，因此，彼此相互吸引的吸引力起作用。另一方面，在第1旋转体2的N极的旋转方向后方的边缘e2侧，涡流5e的磁通与来自第1旋转体2的N极的磁通成为相反方向，因此，彼此相互排斥的排斥力起作用。在第1旋转体2的第1侧面2d的表面速度比相对的移动体5的一侧面5c的表面速度慢的情况下，上述的、第1旋转体2与涡流5d、5e的关系始终成立。由此，第1旋转体2以追赶相对的移动体5的一侧面5c的移动表面的方式以比相对的移动体5的一侧面5c的表面速度慢的表面速度旋转。
此外，上述的第1旋转体2的旋转的原理也能够以基于洛伦兹力的排斥力和吸引力说明。如上所述，由来自第1旋转体2的N极的旋转方向前方的边缘e1的磁通产生的涡流5d的电流的朝向和由来自第1旋转体2的旋转方向后方的边缘e2的磁通产生的涡流5e的电流的朝向相反，而在N极的正下方始终流动有恒定方向的电流。这些涡流5d、5e的电流在移动体5向图4的箭头的朝向旋转的情况下，受到与移动体5的旋转方向相反的方向的洛伦兹力。因而，受到这些涡流5d、5e的磁通的第1旋转体2受到向移动体5的旋转方向的、洛伦兹力的排斥力和吸引力而旋转。
如此，第1旋转体2和移动体5对于两者的相对面彼此而言向同一方向移动。因而，在如图4那样第1旋转体2相对于移动体5的旋转轴线偏离地相对配置的情况下，第1旋转体2的旋转方向与移动体5的旋转方向相反。
如图1和图2所示，在第1旋转体2的与第1侧面2d相反侧的第2侧面接合有转子3的第1侧面，在与该第1侧面相反侧的第2侧面接合有第2旋转体4的第1侧面。
第1旋转体2、转子3以及第2旋转体4均绕通用的旋转轴9a旋转自如。第1旋转体2、转子3以及第2旋转体4绕该旋转轴9a一体地旋转。第1旋转体2、转子3以及第2旋转体4的直径尺寸既可以相同，也可以分别不同。在图2的例子中，第1旋转体2的直径尺寸和转子3的直径尺寸大致相同，第2旋转体4的直径尺寸比转子3的直径尺寸小。由此，能够将第2旋转体4收纳于转子3的内周面的内侧。
如图1和图2所示，第2旋转体4具有沿着周向配置有多个磁极2b的圆环状的第2永磁体4a。第2永磁体4a的磁极数并没有特别限制。
在圆环状的第2永磁体4a的内周面的内侧配置有定子6。定子6被固定，具有从第2永磁体4a的中心呈放射状延伸的多个齿6a。定子6由磁性体形成，在各齿6a卷绕有线圈7。这些线圈7配置于来自第2永磁体4a的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。在呈放射状延伸的齿6a的顶端位置与第2永磁体4a的内周面之间设置有不均匀的间隙。
图5是本实施方式的非接触发电机1的框图。如图5所示，本实施方式的非接触发电机1具备动能·采集器(动能采集器，KEH：Kinetic Energy Harvester)11、发电机12、驱动控制部13以及齿槽转矩抵消部8。
动能·采集器11包括移动体5和第1旋转体2而构成。动能·采集器11通过移动体5的移动或旋转，使涡流产生在移动体5的一侧面，利用该涡流的磁通与第1旋转体2的第1永磁体2a之间的吸引力和排斥力，使第1旋转体2旋转。如此，动能·采集器11具有将由移动体5的移动或旋转产生的动能转换成第1旋转体2的旋转能量的功能。
发电机12包括第2旋转体4和定子6的线圈7而构成。若由于移动体5的移动或旋转而第1旋转体2旋转，则第2旋转体4也与第1旋转体2一体地旋转。由此，方向周期性地变化的交变磁通与卷绕到定子6的齿6a的线圈7交链，在线圈7产生感应电流。如此，发电机12具有将第1旋转体2的旋转能量借助第2旋转体4转换成在线圈7流动的感应电流的功能。
驱动控制部13将在线圈7产生的感应电流转换成例如交流电压、直流电压而进行驱动各种负载14的控制。负载14是马达、致动器、各种传感器等，不论其具体的种类。或者，驱动控制部13也可以将与由发电机12产生的感应电流相应的电力向未图示的电容器蓄电。
齿槽转矩抵消部8包括第2永磁体4a和定子6而构成。齿槽转矩抵消部8使由于移动体5与第1永磁体2a之间的相对的形状和位置关系而在第1永磁体2a产生的齿槽转矩的至少一部分抵消。更具体而言，齿槽转矩抵消部8通过对例如定子6的呈放射状延伸的齿6a的顶端位置与第2永磁体4a的内周面之间的间隙进行调整，使在第1永磁体2a产生的齿槽转矩的至少一部分抵消。此外，齿槽转矩抵消部8使在第1永磁体2a产生的齿槽转矩抵消的具体的手段如后述那样，并不限定于上述的间隙的调整。另外，在本说明书中，“抵消”是包括利用在别的构件产生的齿槽转矩使由于移动体5而在第1永磁体2a产生的齿槽转矩抵消的情况和使在第1永磁体2a产生的齿槽转矩自身减少的情况的主旨。
在此，齿槽转矩是由于移动体5与第1旋转体2的第1永磁体2a之间的相对的形状和位置关系而产生的，与在移动体5的一侧面产生的涡流没有关系。不管移动体5的移动速度如何，齿槽转矩恒定。齿槽转矩是因作为磁性体的移动体5与第1旋转体2的第1磁体之间的吸附力的不均匀性而产生的。即、第1旋转体2的第1永磁体2a沿着周向具有多个磁极2b，因此，由于第1旋转体2的旋转角度、旋转位置的不同，对移动体5的吸附力产生强弱，以此为原因而产生齿槽转矩。
图6是表示第1旋转体2的1周量的齿槽转矩的图表。图6的横轴是第1旋转体2的旋转角度φ(°)，纵轴是齿槽转矩Tcog，harv(Nmm)。图6的图表表示第1旋转体2的第1永磁体2a沿着周向具有相等的长度的4个磁极2b的例子。如从图6可知那样，齿槽转矩是每隔90°呈1周期的波形，在移动体5的一侧面与第1旋转体2的一侧面重叠的区域中的N极与S极的比例相等时，齿槽转矩为零。在移动体5的一侧面与第1旋转体2的一侧面重叠的区域中的N极的比例最大、或S极的比例最大时，齿槽转矩的绝对值成为最大。
齿槽转矩不仅产生在第1旋转体2，也产生在第2旋转体4。第2旋转体4的齿槽转矩根据与定子6之间的相对的形状和位置关系而变化。
理想而言，如(1)式所示，齿槽转矩抵消部8利用第2旋转体4的齿槽转矩Tcog，gen(φ)而将第1旋转体2的齿槽转矩Tcog，harv(φ)完全抵消而为零。
Tcog，gen(φ)+Tcog，harv(φ)＝0…(1)
因而，理想而言，对于第2旋转体4的齿槽转矩Tcog，gen(φ)，Tcog，gen(φ)＝-Tcog，harv(φ)。
接着，详细论述齿槽转矩抵消部8的处理动作。以下，说明对定子6的呈放射状延伸的齿6a的顶端位置与第2旋转体4的内周面之间的间隙进行调整而使第1旋转体2的齿槽转矩抵消的例子。
在利用FEM(有限元法，Finite Element Method)模拟、分析的导出法对齿槽转矩进行分析时，如(2)式所示，对齿槽转矩Tcog(φ)进行傅里叶展开。
Tcog(φ)＝c1sin(4φ)+d1cos(4φ)+c2sin(8φ)+d2cos(8φ)+…(2)
在此，(2)式的φ是转子3的旋转角度。为了获得满足图6所示的波形且(1)式的齿槽转矩，需要使(2)式的右边的除了第1项以外的项为零。
图7是表示包括第2旋转体4和定子6而构成的发电机12的二维FEM模拟的结果的图。图7表示为了使第2旋转体4产生能够将在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消这样的齿槽转矩、对定子6的齿6a与第2旋转体4之间的间隙进行了调整的例子。
图7的间隙g(θ)由以下的(3)式表示。
g(θ)＝gnom·(1+a1cos(4θ)…(3)
在此，如图7所示，θ是相对于定子6的预定的基准方向的角度。
通过在(3)式追加以下的(4)式的项，能够引入气隙调制的概念。
[数式1]
Figure BDA0001948872310000131
该(4)式成为用于使气隙最佳化的基础。齿槽转矩Tcog(φ)的结果由以下的(5)式表示。
[数式2]
Figure BDA0001948872310000132
图8A是表示使定子6与第2旋转体4之间的间隙最佳化之前的构造的俯视图，图8B是表示使间隙最佳化了之后的构造的俯视图。图8A和图8B表示通过模拟获得的定子6的构造。图8B的定子6的齿6a的顶端位置的形状与图8A的该形状不同，由此，使间隙最佳化。
在利用模拟生成图8B的构造时所设定的各种参数是图9这样。除了图9所示的参数以外，将定子6的齿6a的宽度αFE与第2永磁体4a的磁极2b间的间隔αPMgap作为用于对图8B的构造进行计算的参数来使用。
图10是表示使定子6的齿6a顶端与第2旋转体4之间的间隙最佳化的算法的流程图。首先，使预先选择的形状的发电机12的几何学的参数(几何参数，geometryparameters)初始化(步骤S1)。接着，利用二维FEM模拟对齿槽转矩进行计算作为旋转角度φ的函数，从而对发电机12的结构进行评价(步骤S2)。之后，反复进行几何学的参数的更新，直到齿槽转矩达到目标值为止(步骤S3、S4)。
由于模拟的不可靠性，也可能存在整体的齿槽转矩不成为(1)式那样的零的情况。因此，在步骤S3中，按照以下的(6)式对齿槽转矩的残值Tcog，rem与齿槽转矩的残值比例Tcog，rem/Tcog，harv进行计算。
Tcog，rem＝Tcog，harv-Tcog，gen…(6)
在上述的步骤S3中，对残值比例Tcog，rem/Tcog，harv是否小于δ进行判定。作为一个例子，被设定成δ＝0.1。只要δ＝0.1，能够将整体的齿槽转矩削减到90％。若步骤S3为否，则更新几何学的参数(步骤S4)，而反复进行步骤S2以后的处理。若步骤S3为是，则结束图10的处理。
此外，第1旋转体2的齿槽转矩Tcog，harv和第2旋转体4的齿槽转矩Tcog，gen是连续的变量φ的函数。因此，难以本质上进行最佳化处理。因此，进行基于上述的(5)式的齿槽转矩的分解，而求出以下的(7)式所示的齿槽转矩的高次谐波成分的矢量c。
[数式3]
c＝[c1 d1 … cm dm]T…(7)
也对第1旋转体2的齿槽转矩Tcog，harv进行同样的分解，结果上述的(6)式能够重新写成以下的(8)式。
[数式4]
crem＝chary-cgen…(8)
另一方面，发电机12的几何学的参数由以下的(9)式的矢量a表示的做法合适。
[数式5]
a＝[αFE αPMgap b1… an bn]T…(9)
上述的(3)式的调制系数a1在正当最佳化时未被更新，用作外观上的几何学的参数(外部几何参数，external geometry parameter)。作为一个例子，被设定成a1＝0.5。
几何学的参数的更新使用与多维牛顿-拉弗森法(multi-dimensional Newton-Raphson Method)相关联的多维割线法(multi-dimensional Secant Method)。不过，在本实施方式中，作为用于使误差函数(在该情况下，是crem)为零的由以下的(10)式所示的雅可比矩阵的近似，使用上述的割线法。
[数式6]
Figure BDA0001948872310000151
为了求出(10)式的雅可比矩阵的例如第1列，使参数αFE可变而进行模拟。
作为(10)式的雅可比矩阵的第1列的值，使用上述的(8)式的齿槽转矩分解的差cgen。该处理针对几何学的参数a中的全因子进行，由此，获得雅可比矩阵的全因子。
接着，如以下的(11)式所示，几何学的参数a的更新被反复进行，直到齿槽转矩的残值crem充分变小为止。
[数式7]
Figure BDA0001948872310000152
如以下的(12)式所示，几何学的参数a的更新使用雅可比矩阵的近似的广义逆矩阵。其原因在于，可能有时不存在雅可比矩阵的逆矩阵。
[数式8]
Figure BDA0001948872310000153
由于最佳化问题的非线性，阻尼因子ddamping被使用于更新处理。例如，在ddamping＝0.2时，获得良好的收敛结果。
在本实施方式中，对三相的外转子型(日文：アウトランナ型)的发电机12进行了齿槽转矩的最佳化。通过按照图10的流程图使定子6的形状最佳化，获得图8B那样的构造的定子6。
图11是将定子6的沿着周向配置的3个齿6a的宽度和间隔设为横轴、将齿6a顶端与第2旋转体4之间的间隙设为纵轴的图。定子6的形状被稍微地变更，而永磁体间的间隙(αPMgap)大幅度增加。初始状态和最佳化后的几何学的参数的对比结果表示在图12中。
图13是表示正当进行着最佳化处理时齿槽转矩变化的情形的图。如从图13可知那样，通过进行最佳化处理，齿槽转矩逐渐向所期望的正弦波收敛。此外，若使用本实施方式的算法，则齿槽转矩并不限于正弦波，能够最佳化成所期望的波形。
图14是对第1旋转体2的齿槽转矩Tcog，harv和通过上述的方法最终获得的第2旋转体4的齿槽转矩Tcog，gen进行了比较的图。如从图14可知那样，Tcog，harv的相位和Tcong，gen的相位大致相反，其结果，整体的齿槽转矩能够削减约90％。
如此，在本实施方式中，能够利用因移动体5的移动或旋转而在移动体5的一侧面产生的涡流的磁通和与移动体5的一侧面相对配置的第1旋转体2的第1永磁体2a的磁通之间的吸引力和排斥力，使第1旋转体2旋转。并且，在本实施方式中，设置与第1旋转体2一体地旋转的第2旋转体4，对配置于第2旋转体4的内周侧的定子6的齿6a顶端与第2旋转体4的内周面之间的间隙进行调整，从而在第2旋转体4产生与因第1旋转体2的旋转而产生的齿槽转矩大致相反的相位的齿槽转矩，使两者抵消，从而能够使整体的齿槽转矩减少到接近零。由此，在移动体5从停止状态慢慢地提升移动速度或旋转速度的情况下，能够使第1旋转体2从移动速度或旋转速度较低的状态起旋转，能够效率良好地提取由移动体5的移动或旋转产生的动能而转换成电能，能够提高发电效率。
(第2实施方式)
在上述的第1实施方式中，对如下例子进行了说明：使用与第1旋转体2一体地旋转的第2旋转体4和定子6，而利用在第2旋转体4产生的齿槽转矩将在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消，但将齿槽转矩抵消的具体的手段并不限定于在第1实施方式中进行了说明的手段。
第2实施方式是如下实施方式：使用以一部分与第1旋转体2重叠的方式配置的磁轭15来替代使用第2旋转体4和定子6，而将在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消。
图15A和图15B是说明第2实施方式的概念的图。图15A和图15B表示相对于第1旋转体2将磁轭15配置成与移动体5呈点对称的例子。在图15A的情况下，在移动体5与第1旋转体2重叠的区域中，S极的面积比N极的面积大，产生逆时针的齿槽转矩。另外，在移动体5与第2旋转体4重叠的区域中，S极的面积也比N极的面积大，因此，还是产生逆时针的齿槽转矩。因而，与没有磁轭15的情况相比，逆时针的齿槽转矩进一步变大。在该情况下，无法利用磁轭15将第1旋转体2的齿槽转矩抵消。
另一方面，在图15B的情况下，在移动体5与第1旋转体2重叠的区域中，N极和S极的面积大致相等。同样地，在移动体5与第2旋转体4重叠的区域中，N极和S极的面积也大致相等。因而，不管有无磁轭15，图15B的情况成为稳定状态，第1旋转体2稳定地停止在图15B的状态下。
如此，即使如图15A、图15B那样配置磁轭15，也无法将第1旋转体2的齿槽转矩抵消，反而因配置有磁轭15而第1旋转体2难以旋转。
另一方面，图16A表示在第1旋转体2的除了与移动体5重叠的区域以外的大致全部的区域中与磁轭15重叠的例子。在磁轭15的磁特性即导磁率与移动体5的磁特性相同、且第1旋转体2与磁轭15之间的间隙同移动体5与第1旋转体2之间的间隙相等的情况下，磁路的磁阻不因第1旋转体2的旋转角度而变化，因此，在第1旋转体2产生的齿槽转矩减少。对于该例子，与其说将因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消，不如说在第1旋转体2不产生齿槽转矩自身。
图16B表示以使用多个磁轭15来将因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消的方式使各磁轭15的配置场所最佳化的例子。在图16B中，使用了两个磁轭15，但期望的是使磁轭15的个数、形状、导磁率等磁特性最佳化。最佳化与第1实施方式同样地使用模拟即可。
图16A的磁轭15和图16B的磁轭15分别构成齿槽转矩抵消部8。如上所述，图16A的磁轭15用于使在第1旋转体2产生的齿槽转矩自身减少，但通过设置磁轭15，而将没有磁轭15的情况的因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消，结果，在第1旋转体2产生的齿槽转矩自身减少。因而，图16A的磁轭15也作为齿槽转矩抵消部8发挥功能。
如此，在第2实施方式中，通过将磁轭15配置为至少一部分与第1旋转体2的第1永磁体2a重叠，能够在第1旋转体2不产生齿槽转矩自身，或者利用磁轭15将因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消。
(第3实施方式)
第3实施方式是如下实施方式：设置有与第1旋转体2相独立的第2旋转体4，第1旋转体2和第2旋转体4都与移动体5接近配置。
图17是说明第3实施方式的概念的图。如图17所示，第3实施方式的齿槽转矩抵消部8具有第2旋转体4和同步旋转机构。第2旋转体4具有第2永磁体4a，该第2永磁体4a以与移动体5的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体5的一主面之上，根据移动体5的旋转方向或移动方向绕预定的旋转轴旋转。同步旋转机构使第1旋转体2和第2旋转体4同步地旋转。同步旋转机构的一个例子是架设在第1旋转体2的旋转轴和第2旋转体4的旋转轴彼此之间的同步带16。同步旋转机构未必限定于同步带16，也可以是齿轮等。
如图17所示，第2旋转体4与第1旋转体2同样地，以与移动体5重叠的方式配置。在图17的例子中，在第1旋转体2与移动体5重叠的区域中分别等面积地包含N极和S极，而在第2旋转体4与移动体5重叠的区域中，与N极相比更多地包含S极。即、以相对于第1旋转体2错开45°的方式配置第2旋转体4。由此，能够利用因移动体5而在第2旋转体4产生的齿槽转矩将因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消。
此外，期望的是第1旋转体2和第2旋转体4的直径尺寸、磁极数、磁特性、与移动体5之间的间隙通用。另外，在图17中，示出了平移运动的移动体5的例子，但移动体5也可以进行旋转运动。
如此，在第3实施方式中，将第1旋转体2和第2旋转体4与移动体5重叠地配置，且第1旋转体2和第2旋转体4一体地旋转，且使第1旋转体2的磁极2b的配置方向与第2旋转体4的磁极2b的配置方向互不相同，因此，能够利用在第2旋转体4产生的齿槽转矩将因移动体5而在第1旋转体2产生的齿槽转矩抵消。
(第4实施方式)
在上述的第1实施方式～第3实施方式中，示出了将移动体5的一侧面5c与第1旋转体2的第1侧面2d相对配置的例子，但移动体5与第1旋转体2之间的配置并不限定于上述的例子。上述的齿槽转矩抵消部8能够适用于由于移动体5的移动或旋转而在第1旋转体2产生齿槽转矩的各种旋转电机10。作为能够安装上述的齿槽转矩抵消部8的旋转电机10的例子，例如存在以下这样的例子。
图18A是表示能够安装齿槽转矩抵消部8的旋转电机10的第1例的图。图18A的非接触发电机1具备绕旋转轴旋转的第1永磁体2a、两个线圈7(第1线圈7a和第2线圈7b)、以及磁轭15。
第1永磁体2a以与旋转或移动的移动体5的一主面5c分隔开且相对的方式配置于该移动体5的一主面5c之上，根据移动体5的旋转方向或移动方向而旋转。第1永磁体2a具有至少两个磁极2b，各磁极2b的磁化方向是第1永磁体2a的外周面的法线方向。
第1永磁体2a的外周面2c与移动体5的一主面5c分隔开地配置，第1永磁体2a不与移动体5的一主面5c接触，而设为旋转自如。在图18A的例子中，两个线圈7中的一者的第1线圈7a在移动体5的旋转方向或移动方向上配置于第1永磁体2a的后方侧。两个线圈7中的另一者的第2线圈7b在移动体5的旋转方向或移动方向上配置于第1永磁体2a的前方侧。第1线圈7a和第2线圈7b与移动体5的一主面5c分隔开地配置于该移动体5的一主面5c之上。
另外，在图18A的例子中，在第1线圈7a和第2线圈7b的内部和上部配置有日文片假名“コ”字状的磁轭15。在磁轭15与第1永磁体2a之间具有间隙，同样地，在第1永磁体2a与第1线圈7a、第1永磁体2a与第2线圈7b之间也具有间隙。这些间隙是气隙。因而，第1永磁体2a在由移动体5的一主面、第1线圈7a和第2线圈7b、磁轭15包围的区域内旋转。
在第1永磁体2a从图18A的位置顺时针或逆时针旋转了90°的状态下，N极或S极以最短距离成为与移动体5相对，磁路变得最短而成为稳定的状态。因而，如此，在图18A的构造中，由于第1永磁体2a的旋转位置的不同，齿槽转矩变化，与图1同样地，即使移动体5开始移动或旋转，也可能产生第1永磁体2a怎么也不旋转这样的问题。因而，期望的是设置在第1实施方式～第3实施方式中进行了说明的一些齿槽转矩抵消部8。
此外，图18A的线圈7配置于来自第1永磁体2a的全磁通集中的场所即可，图18A的线圈7的配置例只不过是一个例子。另外，磁轭15的形状也并不限定于图18A所示的形状。
例如，图18B是表示能够安装齿槽转矩抵消部8的旋转电机10的第2例的图，是表示利用1个线圈7进行发电的例子的图。在第1永磁体2a之上配置有卷绕到磁轭15的线圈7。磁轭15从第1永磁体2a之上向移动体5的移动方向的两侧延伸，而配置为包围第1永磁体2a。线圈7使来自第1永磁体2a的大致全部的磁通交链，因此，未必需要设置多个线圈7。此外，配置线圈7的场所是来自第1永磁体2a的全磁通集中的场所(例如、第1永磁体2a的N极和S极中的至少一者的附近)即可。
与图18A同样地，图18B的第1永磁体2a也由于移动体5的移动而产生齿槽转矩，因此，还是期望设置在第1实施方式～第3实施方式中进行了说明的一些齿槽转矩抵消部8。
本发明的形态并不限定于上述的各实施方式，也包含本领域技术人员能想到的各种变形，本发明的效果也并不限定于上述的内容。即、在不脱离从权利要求所规定的内容及其等效物导出来的本发明的概念性的思想和主旨的范围内能够进行各种追加、变更以及部分删除。
附图标记说明
1、非接触发电机；2、第1旋转体；2a、第1永磁体；2b、磁极；3、转子；4、第2旋转体；6、定子；7、线圈；8、齿槽转矩抵消部；9a、旋转轴；10、旋转电机；11、动能·采集器；12、发电机；13、驱动控制部。

Claims (14)

1.一种旋转电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，所述第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
齿槽转矩抵消部，其使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消，
所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有与所述第1永磁体不同的第2永磁体，并与所述第1旋转体同步地旋转；以及
磁性体，其与所述第2永磁体磁耦合，
所述齿槽转矩抵消部通过对所述第2旋转体与所述磁性体之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中：
所述第1旋转体利用基于涡流而作用于所述第1永磁体的排斥力和吸引力，绕所述旋转轴旋转，该涡流沿着妨碍来自所述第1永磁体的磁通的变化的方向产生在所述移动体的所述一主面上，
所述第1旋转体的与所述移动体相对配置的一侧面的表面速度比所述移动体的相对配置的所述一主面的表面速度慢。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，
所述齿槽转矩抵消部使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩的相反相位的齿槽转矩产生。
4.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，
所述第2旋转体是与所述第1永磁体一起绕所述旋转轴旋转的圆环构件，
所述磁性体配置于所述圆环构件的内周侧，通过对所述磁性体与所述圆环构件的内周面之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
5.根据权利要求3所述的旋转电机，其中，
所述第2旋转体是与所述第1永磁体一起绕所述旋转轴旋转的圆环构件，
所述磁性体配置于所述圆环构件的内周侧，通过对所述磁性体与所述圆环构件的内周面之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
6.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，
该旋转电机具备线圈，该线圈配置于来自所述第2永磁体的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。
7.一种旋转电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，所述第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
齿槽转矩抵消部，其使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消，
所述齿槽转矩抵消部具有与所述第1永磁体磁耦合的磁性体，
所述齿槽转矩抵消部通过对所述第1永磁体和所述磁性体重叠的区域进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
8.根据权利要求7所述的旋转电机，其中，
所述磁性体是磁轭。
9.一种旋转电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，所述第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
齿槽转矩抵消部，其使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消，
所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有第2永磁体，该第2旋转体以与所述移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于所述移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
同步旋转机构，其使所述第1旋转体和所述第2旋转体同步地旋转，通过使与所述移动体重叠的所述第2永磁体的磁极不同于与所述移动体重叠的所述第1永磁体的磁极，来使所述齿槽转矩减少。
10.一种非接触发电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
发电部，其将由所述第1旋转体的旋转产生的动能转换成电能，
所述发电部具有使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消的齿槽转矩抵消部，
所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有与所述第1永磁体不同的第2永磁体，并与所述第1旋转体同步地旋转；以及
磁性体，其与所述第2永磁体磁耦合，
所述齿槽转矩抵消部通过对所述第2旋转体与所述磁性体之间的间隙进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
11.根据权利要10所述的非接触发电机，其中：
所述第1旋转体利用基于涡流而作用于所述第1永磁体的排斥力和吸引力，绕所述旋转轴旋转，该涡流沿着妨碍来自所述第1永磁体的磁通的变化的方向产生在所述移动体的所述一主面上，
所述第1旋转体的与所述移动体相对配置的一侧面的表面速度比相对配置的所述移动体的所述一主面的表面速度慢。
12.一种非接触发电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
发电部，其将由所述第1旋转体的旋转产生的动能转换成电能，
所述发电部具有使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消的齿槽转矩抵消部，
所述齿槽转矩抵消部具有与所述第1永磁体磁耦合的磁性体，
所述齿槽转矩抵消部通过对所述第1永磁体和所述磁性体重叠的区域进行调整，来使所述齿槽转矩减少。
13.一种非接触发电机，其具备：
第1旋转体，其具有第1永磁体，该第1旋转体以与作为旋转或移动的导体的移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于该移动体的一主面之上，并利用与所述移动体的旋转方向或移动方向相应地产生的洛伦兹力而绕预定的旋转轴旋转；以及
发电部，其将由所述第1旋转体的旋转产生的动能转换成电能，
所述发电部具有使由于所述移动体与所述第1永磁体之间的相对的形状和位置关系而在所述第1永磁体产生的齿槽转矩减少或抵消的齿槽转矩抵消部，
所述齿槽转矩抵消部具有：
第2旋转体，其具有第2永磁体，该第2旋转体以与所述移动体的一主面分隔开且相对的方式配置于所述移动体的一主面之上，并根据所述移动体的旋转方向或移动方向而绕预定的旋转轴旋转；以及
同步旋转机构，其使所述第1旋转体和所述第2旋转体同步地旋转，通过使所述第2永磁体的与所述移动体重叠的磁极不同于所述第1永磁体的与所述移动体重叠的磁极，来使所述齿槽转矩减少。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的非接触发电机，其中，
所述发电部具有线圈，该线圈配置于来自所述第1永磁体的磁通交链的位置，产生与所交链的磁通的变化量相应的感应电流。
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