JP3792181B2

JP3792181B2 - 磁界形成装置

Info

Publication number: JP3792181B2
Application number: JP2002202037A
Authority: JP
Inventors: 充俊棗田
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: JP2003092213A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を用いて磁界を形成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気特性の高い永久磁石が開発されてきており、モータなどの各種機器において利用されている。このような永久磁石としては、例えば、希土類磁石があり、そのなかでもネオジム・鉄・ボロン系磁石は、高い磁気エネルギー積を示し、かつ、価格も比較的安いため、多くの用途が見込まれている。
【０００３】
機器において永久磁石を用いる場合、磁石のサイズや配置などを適切に選択することによって、所望の磁界を形成することが重要である。例えば、所定の方向における磁束密度の大きさが急激に変化する磁界を形成することが望ましい場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、磁気冷凍装置は、強磁性体や常磁性体に対して磁界の印加と無印加とを繰り返すことによって冷却を行なうが、強い磁界が発生している領域と、磁界がほとんど発生していない領域とが近接して設けられることが望ましい。この場合、上述のように強度が急激に変化する磁界を形成することが望ましいが、永久磁石を用いてこのような磁界を形成しようとした場合、強い磁界を形成するために強力な磁石を用いると、その近傍の領域の磁界強度も高くなる。従って、強い磁界が形成される領域と、磁界がほとんど形成されない領域とを近接して設けることは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、所定の場所において磁束密度が急激に変化する磁界を形成することができる磁界形成装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁界形成装置は、ヨーク材と、それぞれがＮ極とＳ極とを有し、前記ヨーク材に固定され磁気回路を形成する第１の一対の磁石であって、前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極から前記第１の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極に向かう第１の磁束を発生する第１の一対の磁石と、それぞれがＮ極とＳ極とを有し、前記第１の一対の磁石の近傍において前記第１の一対の磁石に対して並列して配置されるように前記ヨーク材に固定され、磁気回路を形成する第２の一対の磁石であって、前記第２の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極から前記第２の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極に向かう第２の磁束を発生する第２の一対の磁石とを備え、所定の面における前記第１の磁束の向きと、前記第２の磁束の向きとが逆向きである。
【０００７】
なお、前記所定の面は、典型的には、前記第１の一対の磁石のＮ極およびＳ極ならびに前記第２の一対の磁石のＮ極およびＳ極に対向する面である。
【０００８】
好ましい実施形態において、前記第１の一対の磁石のそれぞれの磁化方向は、前記第１の一対の磁石のそれぞれが前記ヨーク材に対して固定される面のそれぞれに対して略垂直であり、前記第２の一対の磁石のそれぞれの磁化方向は、前記第２の一対の磁石のそれぞれが前記ヨーク材に対して固定される面のそれぞれに対して略垂直である。
【０００９】
好ましい実施形態において、前記第１の一対の磁石に対向するように間隔を開けて設けられた第３の一対の磁石をさらに備え、前記第１の一対の磁石と、前記第３の一対の磁石とによって、互いに反発する磁界が形成される。
【００１０】
好ましい実施形態において、前記第２の一対の磁石に対向するように間隔を開けて設けられた第４の一対の磁石をさらに備え、前記第２の一対の磁石と前記第４の一対の磁石とは互いに反発する磁界を形成する。
【００１１】
好ましい実施形態において、前記第１の一対の磁石の各々の体積は、前記第２の一対の磁石の各々の体積の２倍以上である。
【００１２】
好ましい実施形態において、前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石と、前記第１の一対の磁石のうちの他方の磁石との間に設けられ、前記第１の一対の磁石が形成する前記第１の磁束と平行な方向に磁化方向を有する第５の磁石をさらに有する。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記第５の磁石は、前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極部分と、第１の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極部分との間において設けられ、前記第５の磁石のＮ極が前記一方の磁石のＮ極部分と対向し、かつ、前記第５の磁石のＳ極が前記他方の磁石のＳ極部分と対向する。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記第５の磁石は、前記第１の一対の磁石より保磁力が高い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の磁界形成装置１００の構成を示す斜視図である。磁界形成装置１００は、炭素鋼などの高透磁率の磁性体材料から形成された断面コ字型のヨーク材１０と、ヨーク材１０の下部内側面１０Ｌ上に固定された、一対のメイン磁石１２ａおよび１２ｂと、同じく下部内側面１０Ｌ上に固定された一対のサブ磁石１４ａおよび１４ｂとを備えている。通常、メイン磁石１２ａ、１２ｂの体積はサブ磁石１４ａ、１４ｂの体積よりも大きいことが好ましい。
【００１７】
なお、図１には、メイン磁石１２ａおよび１２ｂとサブ磁石１４ａおよび１４ｂとの間に間隙が設けられた形態を示しているが、これらは互いに接するように配置されていても良い。また、メイン磁石１２ａとメイン磁石１２ｂ、および、サブ磁石１４ａとサブ磁石１４ｂは、それぞれ、密着していなくともよい。
【００１８】
また、ヨーク材１０の上部内側面１０Ｕには、一対のメイン磁石１２ａおよび１２ｂにギャップを開けて対向するように設けられた一対の対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂが固定されている。また、上部内側面１０Ｕには、一対のサブ磁石１４ａおよび１４ｂにギャップを開けて対向するように設けられた一対の対向サブ磁石１８ａおよび１８ｂも固定されている。メイン磁石１２ａおよび１２ｂと対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂとの間およびサブ磁石１４ａおよび１４ｂと対向サブ磁石１８ａおよび１８ｂとの間には、空間２０が設けられている。
【００１９】
メイン磁石１２ａおよび１２ｂ、ならびにメイン磁石１６ａおよび１６ｂは、それぞれ、第１の一対の磁石または第３の一対の磁石に相当する。また、サブ磁石１４ａおよび１４ｂ、ならびにサブ磁石１８ａおよび１８ｂは、それぞれ、第２の一対の磁石または第４の一対の磁石に相当する。
【００２０】
なお、これらの磁石としては、表面をアルミニウムやニッケルなどで覆った希土類焼結磁石を用いることができ、ヨーク材１０への固定は接着剤を用いて行なわれる。メイン磁石１２ａおよび１２ｂおよび対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂとしては、例えば、住友特殊金属社製のＮＥＯＭＡＸ−４４Ｈ（Ｈ_cJ：１２７３ｋＡ／ｍ）を用いることができ、サブ磁石１４ａおよび１４ｂおよび対向サブ磁石１８ａおよび１８ｂとしてはＮＥＯＭＡＸ−５０を用いることができる。
【００２１】
また、ヨーク材１０は、上部内側面１０Ｕおよび下部内側面１０Ｌを含む部分が磁性体材料によって形成されていればよく、必ずしも全体が磁性体材料で一体的に形成されている必要はない。
【００２２】
一対のメイン磁石１２ａおよび１２ｂは、ヨーク１０の下部内側面１０Ｌに対して垂直な方向（ｚ軸方向）において、互いに対して逆向きに磁化されており、磁気回路を形成している。これによって、一方のメイン磁石１２ａのＮ極から、他方のメイン磁石１２ｂのＳ極に向かう磁束が形成される。この磁束のｘ−ｙ面における射影（磁束の向き）は矢印Ａ１で示される方向である。
【００２３】
また、一対の対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂのそれぞれは、上部内側面１０Ｕに対して垂直な方向（ｚ軸方向）において、互いに対して逆向きに磁化されており、磁気回路を形成している。また、対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂのそれぞれは、メイン磁石１２ａおよび１２ｂのそれぞれに対して、同じ極同士が対向するように磁化されている。すなわち、メイン磁石１２ａのＮ極と対向メイン磁石１６ａのＮ極とが対向し、メイン磁石１２ｂのＳ極と対向メイン磁石１６ｂのＳ極とが対向する。これによって、メイン磁石１２ａおよび１２ｂと対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂとの間で反発する磁界が形成されている。
【００２４】
このようにして、メイン磁石１２ａおよび１２ｂと対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂとの間の空間２０では、図に示すｘ−ｙ面（水平面）内においてｘ軸方向に発生する磁束Ａ１を主とする磁界が形成される。
【００２５】
また、サブ磁石１４ａおよび１４ｂは、ヨーク１０の下部内側面１０Ｌに垂直な方向（ｚ軸方向）において、互いに対して逆向きに磁化されており、磁気回路を形成している。ただし、これらの磁石１４ａおよび１４ｂは、メイン磁石１２ａおよび１２ｂが発生させる磁束と逆向きの磁束を発生させるように磁化されている。これによって、一方のサブ磁石１４ｂのＮ極から、他方のサブ磁石１４ａのＳ極に向かって、ｘ−ｙ面への射影が矢印Ａ２で示されるような方向に進む磁束が形成される。メイン磁石１２ａ、１２ｂとサブ磁石１４ａ、１４ｂの磁石との間で磁石どうしが対向する面の間隔（Ｙ軸方向の距離）は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に設定することが好ましい。
【００２６】
対向サブ磁石１８ａおよび１８ｂのそれぞれは、サブ磁石１４ａおよび１４ｂのそれぞれに対して同じ極同士が対向するように磁化されており、これらによって反発する磁界が形成される。これにより、ｘ−ｙ面（水平面）内において磁束Ａ１と逆向きに発生する磁束Ａ２を主とする磁界が形成される。
【００２７】
このように、空間２０における水平面（ｘ−ｙ面）において、メイン磁石１２ａおよび１２ｂがｘ軸方向に沿う第１の方向に強い磁界を形成するとともに、サブ磁石１４ａおよび１４ｂがｘ軸方向に沿い第１の方向とは反対向きの第２の方向に或る程度の強さを有する磁石を形成することで、そのｘ軸方向における磁束密度がｙ軸方向（メイン磁石およびサブ磁石によって形成される磁束とほぼ直交する方向）に沿って急激に変化する磁界が形成される。つまり、メイン磁石１２ａおよび１２ｂのｙ軸方向における奥側では、ｘ軸方向の磁束密度が大きいが、メイン磁石１２ａおよび１２ｂとサブ磁石１４ａおよび１４ｂとの間の位置では、これらの磁石が形成する磁界が干渉する（打ち消しあう）ことによって、ｘ軸方向の磁束密度が低下する。これにより、ｙ軸方向に沿って強い勾配をもった磁界が形成される。
【００２８】
なお、残留磁束密度が略等しい磁石材料を用いる場合、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの体積は、サブ磁石１４ａおよび１４ｂの体積の２倍以上であることが望ましい。これは、メイン磁石１２ａおよび１２ｂが形成する磁界の強度を、サブ磁石１４ａおよび１４ｂが形成する磁界の強度よりも十分に大きくするためである。所定の領域では十分に強く、かつ、その近傍の領域では非常に弱いような磁界を形成するためには、上述のようにメイン磁石１２ａおよび１２ｂとサブ磁石１４ａおよび１４ｂとの体積差を或る程度大きくとることが望ましい。
【００２９】
なお、メイン磁石１２ａおよび１２ｂとサブ磁石１４ａおよび１４ｂとの下部内側面１０Ｌにおける配置は、図２（ａ）に示すように全ての磁石が接するような配置でもよいし、図２（ｂ）に示すように、全てが間隔を開けて配置されていてもよい。また、図２（ｃ）に示すように、磁石の端面が円形の磁石（すなわち円柱状の磁石）を用いて構成されていてもよい。
【００３０】
また、ヨークの下部内側面１０Ｌおよび上部内側面１０Ｕは、１つの平坦な面である必要はなく、図２（ｄ）に示すように、段差を有していてもよい。さらに、曲面であってもよい。
【００３１】
（実施形態２）
図３は、実施形態２の磁界形成装置２００の構成を示す斜視図である。磁界形成装置２００が、実施形態１の磁界形成装置１００と異なる主な点は、一方のメイン磁石１２ａと他方のメイン磁石１２ｂとの間の位置に、さらなるサブ磁石２２が設けられている点である。さらなるサブ磁石２２としては、メイン磁石１２ａ、１２ｂよりも保磁力が高い住友特殊金属社製のＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ（Ｈ_cJ：１６７１ｋＡ／ｍ）を使用することができる。このさらなるサブ磁石２２は、第５の磁石に相当する。
【００３２】
図４は、下側のメイン磁石１２ａおよび１２ｂと、サブ磁石２２とを示す斜視図である。図示するように、サブ磁石２２は、メイン磁石１２ａとメイン磁石１２ｂとの境界に形成された切り欠き部１２ｃにおいて、その切り欠き部１２ｃの上半分のみに設けられており、メイン磁石１２ａとメイン磁石１２ｂとによって挟まれている。また、このサブ磁石２２の磁化方向は、水平面（ｘ−ｙ面）において、メイン磁石１２ａおよび１２ｂによって形成される磁束の方向Ａ１と略平行な方向であり、メイン磁石１２ａのＮ極部分と、サブ磁石２２のＮ極とが対向し、かつ、メイン磁石１２ｂのＳ極部分とサブ磁石２２のＳ極とが対向している。なお、ここでは、Ｎ極とＳ極とを有する磁石において、Ｓ極よりもＮ極に近い部分をＮ極部分と呼び、Ｎ極よりもＳ極に近い部分をＳ極部分と呼んでいる。また、図には、サブ磁石２２を２つの磁石から構成した場合を示しているが、サブ磁石２２は１つの磁石から構成されていても良い。なお、サブ磁石２２を２つの磁石から構成すれば、左右に対称な磁界を形成しやすいという利点が得られる。
【００３３】
次に、図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、このサブ磁石２２の機能を説明する。図５（ａ）は、サブ磁石２２を設けない場合のメイン磁石１２ａおよび１２ｂ（および対向メイン磁石１６ａおよび１６ｂ）が形成する磁束を表す磁力線を示し、図５（ｂ）は、サブ磁石２２を設けた場合の磁力線を示す。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、サブ磁石２２を設けない場合、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの中央部Ｃから離れたところで発生する磁束（磁力線Ｍ１）は、空間２０のｚ軸方向（高さ方向）中央部２０’付近を通るのに対し、中央部Ｃの近傍で発生する磁束（磁力線Ｍ２）は、空間２０における磁石表面に近い領域を通ることになる。このような磁界を形成している場合、空間２０の中央部２０’における磁束密度を向上することは困難である。
【００３５】
これに対し、サブ磁石２２を設けた場合、サブ磁石２２のＮ極と、メイン磁石１２ａ（または対向メイン磁石１６ａ）のＮ極部分とが反発し合うので、中央部Ｃから離れたところで発生する磁束（磁力線Ｍ１）だけでなく、中央部Ｃの近傍で発生する磁束（磁力線Ｍ２）も、空間２０の中央部２０’を通るようになる。これによって、空間２０の中央部２０’における磁束密度を特に向上させることができる。
【００３６】
なお、このようにサブ磁石２２を設ける場合、上述のようにメイン磁石１２ａとの間で反発する磁界を形成するためには、サブ磁石２２を切り欠き部１２ｃの上半分（すなわち、メイン磁石１２ａのＮ極部分に対応する部分）だけに設けることが望ましい。このため、サブ磁石２２の高さｈ２は、メイン磁石１２ａの高さｈ１の５０％以下であることが好ましい。ただし、磁束を空間２０の中央部２０’に集めるという効果を得るためには、サブ磁石２２は或る程度の体積を有している必要があり、メイン磁石１２ａの高さｈ１の１０％以上であることが望ましい。なお、サブ磁石２２の高さは、メイン磁石１２ａの高さｈ１の１０％〜６６％程度であれば磁束を強めるための磁石として有効に機能する。また、サブ磁石２２によって、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの中央付近の磁束を有効に利用するようにするためには、サブ磁石の幅Ｗ２を、メイン磁石全体の幅Ｗ１の１％〜３０％に設定することが望ましい。
【００３７】
以上のように構成された磁界形成装置２００によって形成される磁界を図６に示す。図に示すように、メイン磁石１２ａおよび１２ｂがｘ軸方向において形成する磁界は、サブ磁石２２によって強められるため、この部分では比較的高い磁界を形成することができるとともに、サブ磁石１４ａおよび１４ｂの近傍では、磁界が干渉するため、ｘ軸方向にはほとんど磁界が形成されない。従って、急激に強度が変化する磁界を形成することが可能になる。
【００３８】
なお、サブ磁石２２は、メイン磁石１２ａおよび１２ｂよりも保磁力が高いことが望ましい。サブ磁石２２は、体積が比較的小さく、形成する磁界の強度は小さいため、メイン磁石１２ａおよび１２ｂからの磁界の影響を強く受けるが、この影響によって、サブ磁石２２の減磁が生じることを防止するためである。
【００３９】
（実施例および比較例）
図７は、サブ磁石１４ａおよび１４ｂまたは２２を有さない磁界形成装置（比較例）、実施形態１の磁界形成装置１００（実施例１）および実施形態２の磁界形成装置２００（実施例２）にそれぞれを用いた場合における、ｘ軸方向の磁束密度をｙ軸方向に沿って位置を変えて測定したときのグラフを示す。なお、グラフに示す位置Ｐ１は、メイン磁石１２ａおよび１２ｂのサブ磁石１４側の端面に対応している。また、グラフに示す位置Ｐ２は、サブ磁石１４ａおよび１４ｂが設けられている位置に相当する。なお、グラフでは、グラフの右側がメイン磁石１２ａおよび１２ｂ側を表し、グラフの左側がサブ磁石１４ａおよび１４ｂ側を表している。また、磁束密度の測定は、図３に示すように、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの中央を通り、空間２０の高さ方向中央部の高さにおいて、ｙ方向に沿って破線Ｂｒで示す方向を測定している。磁束密度の測定は、ベル社製のガウスメータを用いて測定した。
【００４０】
グラフからわかるように、比較例では、メイン磁石によって強い磁束密度が得られる代わりに、メイン磁石から離れた点においても、比較的強い磁束密度が観察され、磁束密度を十分に低下させることができない。この比較例では、メイン磁石の端部において、１ｍｍあたり０．０４Ｔの低下が生じるような傾斜の小さい磁界しか形成できなかった。
【００４１】
これに対して実施例１では、サブ磁石１４ａおよび１４ｂの影響で、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの比較的近くであっても、磁束密度をほとんど０にすることができる。
【００４２】
さらに、実施例２では、サブ磁石２２の影響によって、メイン磁石１２ａおよび１２ｂ側の磁束密度を比較的高くできるとともに、サブ磁石２２が設けられた位置の近傍においても比較的高い磁束密度が得られる。また、サブ磁石１４ａおよび１４ｂの影響で、サブ磁石２２から少し離れたところでは、磁束密度を十分に低下させることができている。測定の結果、実施例２では、メイン磁石１２ａおよび１２ｂの端部（すなわち、サブ磁石２２が設けられた部分）の近傍において、１ｍｍあたり０．０８Ｔの低下が生じるような傾斜の大きい磁界を形成することができた。このようにして、強い磁束密度を有する領域と、弱い磁束密度を有する領域とを、近接して設けることが可能になっている。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の磁界形成装置によれば、所定の領域において磁束密度が高く、所定の領域の近傍の領域においては磁束密度が非常に小さい、強度の勾配の大きい磁界を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る磁界形成装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る磁界形成装置の別の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る磁界形成装置の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る磁界形成装置の一部の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る磁界形成装置において形成される磁界を説明するための側面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る磁界形成装置において形成される磁界を示す平面図である。
【図７】比較例、実施例１、および実施例２における磁束密度を測定したグラフである。
【符号の説明】
１００、２００磁界形成装置
１０ヨーク材
１２ａおよび１２ｂメイン磁石
１４ａおよび１４ｂサブ磁石
１６ａおよび１６ｂ対向メイン磁石
１８ａおよび１８ｂ対向サブ磁石
２０空間
２２さらなるサブ磁石

Claims

ヨーク材と、
それぞれがＮ極とＳ極とを有し、前記ヨーク材に固定され磁気回路を形成する第１の一対の磁石であって、前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極から前記第１の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極に向かう第１の磁束を発生する第１の一対の磁石と、
それぞれがＮ極とＳ極とを有し、前記第１の一対の磁石から０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の間隔をおいて前記第１の一対の磁石に対して並列して配置されるように前記ヨーク材に固定され、磁気回路を形成する第２の一対の磁石であって、前記第２の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極から前記第２の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極に向かう第２の磁束を発生する第２の一対の磁石とを備え、
所定の面における前記第１の磁束の向きと、前記第２の磁束の向きとが逆向きである磁界形成装置であって、
前記第１の一対の磁石に対向するように間隔を開けて設けられ、前記第１の一対の磁石との間で互いに反発する磁界を形成する第３の一対の磁石と、
前記第２の一対の磁石に対向するように間隔を開けて設けられ、前記第２の一対の磁石との間で互いに反発する磁界を形成する第４の一対の磁石と、
前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石と、前記第１の一対の磁石のうちの他方の磁石との間に設けられ、前記第１の一対の磁石が形成する前記第１の磁束と平行な方向に磁化方向を有する第５の磁石と、
を更に備え、
前記第５の磁石は、前記第１の一対の磁石の向かいあう磁石の一端部に設けられた切り欠き部に接合され、前記第５の磁石の高さが前記第１の磁石の高さの１０〜６６％であり、前記ヨーク材と前記第５の磁石との間に空間が形成されている、磁界形成装置。
前記第１の一対の磁石のそれぞれの磁化方向は、前記第１の一対の磁石のそれぞれが前記ヨーク材に対して固定される面のそれぞれに対して略垂直であり、前記第２の一対の磁石のそれぞれの磁化方向は、前記第２の一対の磁石のそれぞれが前記ヨーク材に対して固定される面のそれぞれに対して略垂直である請求項１に記載の磁界形成装置。
前記第１の一対の磁石の各々の体積は、前記第２の一対の磁石の各々の体積の２倍以上である請求項１または２に記載の磁界形成装置。
前記第５の磁石は、前記第１の一対の磁石のうちの一方の磁石のＮ極部分と、第１の一対の磁石のうちの他方の磁石のＳ極部分との間において設けられ、前記第５の磁石のＮ極が前記一方の磁石のＮ極部分と対向し、かつ、前記第５の磁石のＳ極が前記他方の磁石のＳ極部分と対向する請求項１に記載の磁界形成装置。
前記第５の磁石は、前記第１の一対の磁石より保磁力が高い請求項４に記載の磁界形成装置。