JP2018064371A

JP2018064371A - デュアルハルバッハ配列界磁

Info

Publication number: JP2018064371A
Application number: JP2016201350A
Authority: JP
Inventors: 明平森下; Akihira Morishita; 修一横山; Shuichi Yokoyama; 拓也芦田; Takuya Ashida
Original assignee: Atec Corp
Current assignee: Atec Corp
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-04-19

Abstract

【課題】電機子コイルに鎖交する磁束を有効に利用するとともに機器重量当たりの出力の低下を抑制し、小型化、コスト低減を図る。【解決手段】着磁方向に平行な正方形断面を持つ永久磁石を、360°を整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら当該正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において、界磁ポールピッチの0.3〜0.6倍の間隔に前記ギャップを設定。また、360°を3または5以上の整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら前記正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において前記ギャップを界磁ポールピッチの0.6〜1.0倍の間隔に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁に関するものである。

回転機あるいはリニアモータに使用されるデュアルハルバッハ配列界磁に関する従来技術では、着磁方向に平行な断面が正方形の永久磁石を着磁方向が９０°ずつ回転するように当該断面に平行に並べて構成されており、デュアルハルバッハ配列界磁のエアギャップ長を前記正方形断面の一辺の長さの1.2から2.0倍になるように規定して電機子コイルに鎖交する磁束を有効に利用していた（特許文献１、２）。

特開2013-215021（特願2012-083282）特願2015-027208（特願2013-156207）

しかし、磁石の着磁方向が９０°ずつ回転する以外の場合において当該発明にかかわるエアギャップ長を用いると磁束の有効利用に支障をきたし、機器の効率が低下する結果を招いていた。さらに、前記ギャップ長がある程度広くなると出力を増加させるためにエアギャップ中に配置される電機子コイルの体積を増大させることになるが、体積増大に伴う重量増加のため磁束の有効利用が達成されても機器重量当たりの出力が低下し、軽量化およびコスト低減の観点から問題となっていた。

上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、電機子コイルに鎖交する磁束を有効に利用するとともに機器重量当たりの出力の低下を抑制し、装置の小型化、コスト低減を図ることにある。

着磁方向に平行な正方形断面を持つ永久磁石を、360°を整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら当該正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において界磁ポールピッチの0.3〜0.6倍の間隔に前記ギャップを設定すると重量当たりの電機子磁束鎖交数が最大となる。

また、360°を3または5以上の整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら前記正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において前記ギャップを界磁ポールピッチの0.6〜1.0倍の間隔に設定すると電機子磁束鎖交数が最大となる。

発電機の場合、最小の重量で最大の電圧を発生する。また、モータでは最小の重量で最大のトルクが発生する。

装置重量当たりの出力を最大化できるので装置の低コスト化および省資源化に貢献できる。

回転機のみならずリニアモータや電磁式ダンパーに適用できる。

着磁方向を90°ずつ回転させたデュアルハルバッハ配列の概要を示す図である。着磁方向を45°ずつ回転させたデュアルハルバッハ配列の概要を示す図である。総質量比磁束鎖交数の最大化（90°回転）を示すグラフである。総質量比磁束鎖交数の最大化（45°回転）を示すグラフである。総質量比磁束鎖交数の最大化（90°回転，ａ座標）を示すグラフである。総質量比磁束鎖交数の最大化（45°回転，ａ座標）を示すグラフである。総質量比磁束鎖交数の最大化（90°回転，α座標）を示すグラフである。総質量比磁束鎖交数の最大化（α座標）を示すグラフである。

デュアルハルバッハ配列界磁は、例えば図１に示すように、着磁方向に平行な正方形断面を持つ永久磁石の着磁方向を90°ずつ回転させて構成される。
この場合のポールピッチτは、図１に示すように、正方形断面の１辺の長さを「l_m」とすれば、τ = 2 l_m である。
一方、着磁方向を45°ずつ回転させてデュアルハルバッハ配列界磁を構成したものを図２に示す。この場合のポールピッチはτ = 4 l_m となる。
同様にして、120°ではτ = 1.5 l_m 、72°ではτ = 2.5 l_m 、60°ではτ = 3 l_m 、・・・、22.5°ではτ = 8 l_m となる。
このようにデュアルハルバッハ配列界磁では、ポールピッチを、正方形断面を持つ永久磁石の数で規定することができる。

集中巻コイル１相当たりに鎖交する磁束について装置重量当たりの最大磁束鎖交数が得られるギャップ長は次のように求められる。なお、図３、図４では磁束鎖交数ψ(ａ,ｒ)の値を各回転角の時のａ= 1 、ｒ= 1.0 およびａ= 2 、ｒ= 1.0 の時の値でそれぞれ規格化している。

永久磁石とコイルに加えこれら以外の装置構成材の重量から下記の数式１で定義されるεだけ右にシフトさせた磁束鎖交数ψ(ａ,ｒ)（3次元磁場解析値）に向けて図３中の横軸Ｅの原点から接戦を引くと、接点Ａの座標から装置の質量当たりの最大磁束鎖交数が得られるギャップ長を得る。回転角が45°の場合も同様である。図４ではコイルの厚さｒを1.0から0.2まで減少させたときの接点Ｂが示されている。

この手法は下記の数式２より接線の開始点となる原点をεだけ左にシフトできるので、図５、図６に示すように横軸をａとして磁石正方形断面の一辺の長さ「l_m」に対してギャップ長をａ倍、コイルの厚さをギャップ長ａ l_m のｒ倍としたときの磁束鎖交数ψ(ａ,ｒ)の曲線に対し、−εだけ左にずらした点Ｐから接線を引き、その接点Ａや接点Ｂのａ座標を求めることと等価である。

さらに、ギャップ長を l_m に対するギャップ長の比率ａに替えて、ポールピッチτに対するギャップ長の比率αで磁束鎖交数ψ(α,ｒ)を表すと、図７のように横軸αは横軸ａの座標をポールピッチ内の永久磁石の個数で割った値となるとともに点Ｐの位置−εもポールピッチ内の永久磁石の個数で割った値となる。この場合、図８に示すようにψ(α,ｒ)は着磁方向の回転角（例えば90°、45°、22.5°）に無関係に同じ形となる。一方、接線の開始点ＰはＰ → Ｐ’ → Ｐ” のように回転角によって移動する。したがって、ψ(α,ｒ)上の接点の位置も移動するが、その時の接点のα座標の移動範囲は限定的である。

以上のことから、εを決定する装置重量をリーズナブルな値に設定するとαが0.3〜0.6の範囲で装置質量に対する最大鎖交磁束を得ことができる。また、αを0.6〜1.0の範囲で規定すれば最大の磁束鎖交数が得られることも図８より明らかである。ただし、この場合は公知例（特願2012-083282）のため90°回転の場合を請求の範囲から除外する必要がある。

なお、本発明は着磁方向に平行な永久磁石断面の形状を何ら限定するものではなく、正方形断面を持つ永久磁石を公知例（特願2009-136335．特願2013-156207）に基づいて変形したものであっても何ら差し支えない。要は、変形された断面形状が正方形断面に逆変換されたときのハルバッハ配列界磁のポールピッチと前記ギャップの間隔の比が限定されている。

Claims

着磁方向に平行な正方形断面を持つ永久磁石を、360°を整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら当該正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において、
界磁ポールピッチの0.3〜0.6倍の間隔に前記ギャップを設定する、ことを特徴とするデュアルハルバッハ配列界磁。
360°を3または5以上の整数で除した角度ずつ着磁方向を回転させながら前記正方形断面に平行に並べて形成される２つのハルバッハ配列を互いの発生する磁束が強まるようにギャップを介して対向させたデュアルハルバッハ配列界磁において、
前記ギャップを界磁ポールピッチの0.6〜1.0倍の間隔に設定する、ことを特徴とする請求項１に記載のデュアルハルバッハ配列界磁。