JP7429441B2 - 磁石列ユニットおよび電磁装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機、発電機、電磁誘導装置またはＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等の強磁界電磁機器・装置の磁気回路に好適に利用可能な磁石配列構造に関する。

電動機または発電機等の電磁機器におけるエネルギー変換効率の向上のため、ハルバッハ配列という周期的な強磁界を生じさせる永久磁石の配列法が知られている。一般的な磁石配列では、複数の永久磁石をＮ極とＳ極との向きがそれぞれ交互に反転するように配置しているが、ハルバッハ配列においては、磁石の各磁極を配列方向に９０°ずつ回転させて配置している。このような磁石の配列により、磁石列の片面側に磁束を集中させることができる（図１参照）。また、２つのハルバッハ磁石列を対向させて得られる正弦波状の磁界は、界磁ギャップ長を広げても磁束密度があまり低下しないことが知られている。このような特性を利用して、これまでに、例えばデュアルハルバッハ配列と電機子コイルとの鎖交磁束数の最適化を図った電磁誘導装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３－２１５０２１号公報

上述したようにハルバッハ配列では、互いに隣接する永久磁石の磁極の向きが９０°異なっている。そのような磁極配列の構造上、特にネオジム磁石等の強い磁力を有する永久磁石を配列する場合には、互いの磁力の相互作用（反発力と吸着力）が甚大となり、そのため磁石列の製造を自動化することは容易ではなかった。また、ハルバッハ配列された磁石列ユニットは、Ｎ極とＳ極が交互に反転する一般的な磁石列よりも使われる永久磁石の量が多く、コストが嵩むという課題もある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、従来よりも生産性を向上させることができ、またコストを低減することができる等の磁石列ユニットおよびそれを用いた電磁装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、複数の永久磁石を所定の配列方向に配列してなる磁石列ユニットであって、前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない磁性体が配置されている磁石列ユニットである。

磁石列ユニットは、前記配列方向に沿う配列線と前記各永久磁石の磁極の向きとが４５°で交差しているものでもよい。

また、本発明は、回転軸を中心とした所定半径の配列線に沿って複数の永久磁石が環状に配列されて円筒状の磁石列をなし、前記回転軸を中心に回転可能に設けられたアウターロータと、円筒状のコアおよび前記コアの外周沿って環状に配列された複数のコイルを有し、前記アウターロータの内側で前記コイルが前記磁石列に対向して配置されたステータとを備えた電磁装置であって、前記アウターロータの磁石列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列線に沿う配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない磁性体が配置されている、回転電磁装置である。

回転電磁装置は、前記アウターロータの磁石列を構成する前記永久磁石の個数がｎ個の場合において、互いに隣接する２つの前記永久磁石の磁極の向きがなす角度が９０°＋３６０°／ｎであることが好ましい。

また、本発明は、回転軸を中心とした所定半径の配列線に沿って複数の永久磁石が環状に配列されて円筒状の磁石列をなし、前記回転軸を中心に回転可能に設けられたインナーロータと、円筒状のコアおよび前記コアの内周に沿って環状に配列された複数のコイルを有し、前記インナーロータの外側で前記コイルが前記磁石列に対向して配置されたステータとを備えた電磁装置であって、前記インナーロータの磁石列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列線に沿う配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない磁性体が配置されている、回転電磁装置である。

回転電磁装置は、前記インナーロータの磁石列を構成する前記永久磁石の個数がｎ個の場合において、互いに隣接する２つの前記永久磁石の磁極の向きがなす角度が９０°－３６０°／ｎであることが好ましい。

また、本発明は、長手方向に沿って複数のコイルが配列されてなる固定子と、前記コイルに対向し前記長手方向に沿って移動可能に設けられ、複数の永久磁石が直線状に配列されてなる可動子とを備えたリニアモータであって、前記可動子の磁石列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない磁性体が配置されている、リニアモータである。

本発明によれば、従来よりも生産性を向上させることができ、また製造コストを低減させた磁石列ユニット、回転電磁装置またはリニアモータを提供することができる。

従来のハルバッハ配列及び発生する磁界を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態による磁石列ユニットの構成を模式的に示す断面図である。 図２の磁石列ユニットの配列方向を直線に展開した場合の断面図である。 本発明の第２の実施形態による磁石列ユニットの構成を模式的に示す断面図である。 図４の磁石列ユニットの配列方向を直線に展開した場合の断面図である。 本発明の第３の実施形態による回転電磁装置の構成を模式的に示す断面図である。 比較例による回転電磁装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第４の実施形態による回転電磁装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第５の実施形態によるリニアモータの構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態をいくつか説明する。参照される各図面において、共通しまたは対応する構成要素については同一の符号を付している。また、各図面において、磁石列を構成する永久磁石要素に付した矢印の方向は、当該永久磁石が着磁しているＳ極からＮ極に向かう磁極の向きを示している。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態による磁石列ユニット１０を模式的に示す断面図である。図３は、図２の磁石列の配列方向を直線に展開した場合の断面図である。本実施形態において磁石列ユニット１０は、着磁された永久磁石１１と、着磁されていない磁性体１２とが、交互に、仮想の配列線１３に沿って複数配列して形成されている。複数の永久磁石１１、１１、・・・は、それぞれの磁極の向きが配列線１３の方向（これを「配列方向」という。）に沿って９０°ずつ回転させて配置された、いわゆるハルバッハ配列を構成している。

ここで、ハルバッハ配列では、永久磁石１１、１１、・・・が配列方向に沿ってそれぞれの磁極の向きを９０°ずつ回転させて配置されることから、配列の一方の側（例えば図２では外側、図３では上側）に強められた周期的な磁界を生じさせ、配列の他方の側（例えば図２では内側、図３では下側）では発生する磁界が弱められる。

永久磁石１１は、例えばネオジム磁石（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）、サマコバ磁石（Ｓｍ－Ｃｏ）、フェライト磁石等であるが、強磁界を生じさせるものであればこれらに限定されない。

互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の間には、着磁されていない磁性体１２が配置されている。磁性体１２の材料としては、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の強磁性体を用いることができる。

永久磁石１１と磁性体１２とは、例えば樹脂系接着材で互いに接着されている。また、図示はしないが、アルミニウムやステンレス等の非磁性体または鉄などの強磁性体の基板上に永久磁石１１および磁性体１２を接着・固定してもよい。

永久磁石と着磁されていない磁性体の割合（容積比）は永久磁石を１とすると１：０．５～１：１．５、好ましくは１：０．８～１：１．２、最も好ましくは１：０．９～１：１．１とする磁石列ユニットである。着磁されていない磁性体の割合が小さいと出力のトルクは大きくなるが、コストも高くなる。また、着磁されていない磁性体の割合が大きいと、コストは安くなるが出力トルクがちいさくなる。トルクリップルは着磁されていない磁性体の割合が大きすぎても小さすぎても増大する。

本実施形態の磁石列ユニット１０によれば、次の有利な効果を奏する。
（１）磁極の向きがそれぞれ異なる２つの永久磁石１１、１１の間に、着磁されていない磁性体１２を介在させてハルバッハ配列を構成するようにした。それにより、永久磁石１１を装着する際の反発力を低減させ、逆に磁性体１２に対しては吸着力が作用するため、磁石列のアッセンブルが容易となる。
（２）また、従来のハルバッハ配列よりも永久磁石の量を少なくすることができ、製造コストを抑えることができる。
（３）また、着磁されていない磁性体１２が、両端の永久磁石１１、１１によってなだらかに分極し、正弦波に近い磁界を生じさせることができる。したがって、モータ等の磁気回路に用いた場合に、コギングやトルクリップル（脈動）の発生を従来よりも低減させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による磁石列ユニット２０の模式断面図である。図５は、図４の磁石列の配列方向を直線に展開した場合の断面図である。本実施形態において磁石列ユニット２０は、互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の間に、着磁されていない磁性体１２が配置されている。永久磁石１１、１１、・・・は、それぞれの磁極の向きが、配列方向に９０°ずつ回転させて配置されている。ただし、各永久磁石１１の磁極の向きは、それらの配列方向に沿う配列線１３に対し４５°で交差している。

第２の実施形態による磁石列ユニット２０も、上述の第１の実施形態による磁石列ユニット１０と同様に従来よりも製造し易く、コストを低減することができる。また、ハルバッハ配列させた永久磁石１１の磁極の向きを配列線１３に対し４５°に交差させたことにより、磁界をより滑らかな正弦波に近づけることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、シングルハルバッハ配列アウターロータ型の回転電磁装置３０を説明する。ここで、図６は、回転電磁装置３０の構成を模式的に示す断面図である。回転電磁装置３０は、例えば回転モータであるが、例えば図示しないタービンにアウターロータ３１を連結させた発電機に本磁気回路を応用してもよい。なお、図６は、アウターロータ３１の回転軸３１１に直交する面で切断した場合の断面を示している。

アウターロータ３１は、上述した第１の実施形態の磁石列を、回転軸３１１を中心軸とする所定半径の円筒状に形成したものである。すなわち、複数の永久磁石１１、１１、・・・は、回転軸３１１を中心とした円状の配列線３１２に沿って、その磁極の向きを９０°ずつ回転させて等間隔に配置されている。また、互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の間には、着磁されていない磁性体１２が配置されている。

アウターロータ３１の磁石列を構成する永久磁石１１、１１、・・・の個数をｎ個（ｎは正の整数である。）とした場合、互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の磁極の向きがなす角度は、配列線に沿って配列方向に９０°ずつ回転されて配置されることから、９０°＋３６０°／ｎとすることが好ましい。このような磁石列により、アウターロータ３１の半径方向の内側に滑らかな正弦波状の強い磁界を生じさせることができる。

なお、図６には８個（ｎ＝８）の永久磁石１１が例示され、隣接する２つの永久磁石１１、１１の磁極の向きがなす角度は１３５°（配列線に対して９０°）である。ただし、永久磁石１１の個数はこの個数に限定されない。

アウターロータ３１の内側には、上述の磁石列にコイル３２２、３２２、・・・を対向させたステータ３２が配置されている。ステータ３２は、円筒状の例えば鉄製ヨークであるコア３２１を有し、コイル３２２、３２２、・・・は、コア３２１の外周沿って環状に配列されている。

表１に、本発明の実施例と比較例とによるシングルハルバッハ配列アウターロータ型回転モータの仕様を示す。なお、比較例の回転モータでは、図７に示すように、永久磁石１１、１１間に磁性体を用いていない。

実施例と比較例とで測定したモータ性能（逆起電力定数とトルクリップル）を表２に示す。

表２の結果によれば、実施例では、永久磁石の量を減らしたにも拘わらず、比較例とほぼ同一の出力が得られ、トルクリップルはやや小さく改善されている。

なお、第２の実施形態として説明したような、永久磁石１１、１１、・・・の磁極の向きを、円状の配列線３１２に対し４５°で交差させた磁石列をアウターロータ３１に使用してもよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態として、シングルハルバッハ配列インナーロータ型の回転電磁装置４０を説明する。図８は、回転軸４１１に直交する面で切断した場合の回転電磁装置４０の模式断面図である。回転電磁装置４０は、第３の実施形態と同様に、回転モータまたは発電機とすることができる。

インナーロータ４１は、上述した第１の実施形態または第２の実施形態の磁石列を、回転軸４１１を中心軸とする所定半径の円筒状に形成したものである。すなわち、複数の永久磁石１１、１１、・・・は、回転軸４１１を中心とした円状の配列線４１２に沿って、その磁極の向きを９０°ずつ回転させて等間隔に配置され、そして互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の間には、着磁されていない磁性体１２が配置されている。

インナーロータ４１の磁石列を構成する永久磁石１１、１１、・・・の個数をｎ個（ｎは正の整数である。）とした場合、互いに隣接する２つの永久磁石１１、１１の磁極の向きがなす角度は、配列線に沿って配列方向に９０°ずつ回転されて配置されることから、９０°－３６０°／ｎとすることが好ましい。このような磁石列により、インナーロータ４１の半径方向の外側に滑らかな正弦波状の強い磁界を生じさせることができる。

インナーロータ４１の外側には、上述の磁石列にコイル４２２、４２２、・・・を対向させたステータ４２が配置されている。ステータ４２は、円筒状の例えば鉄製ヨークであるコア４２１を有し、コイル４２２、４２２、・・・は、コア４２１の内周沿って環状に配列されている。

この第４の実施形態においても、第３の実施形態と同様に、高トルクでトルクリップルが小さく低コストの回転電磁装置４０を提供することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態として、上述した第１の実施形態または第２の実施形態の磁石列を応用したリニアモータ５０を説明する。図９は、本実施形態によるリニアモータ５０の模式断面図である。リニアモータ５０は、長尺状の固定子５１と、固定子５１の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動子５２とを備えている。なお、図９は、固定子５１の長手方向、すなわち可動子５２の移動線を含む面で切断した場合の断面を示している。

固定子５１は、長尺状の鉄製板材であるヨーク５１１と、ヨーク５１１の上面でその長手方向に沿って配列された複数のコイル５１２、５１２、・・・とを有している。

可動子５２は、着磁された永久磁石１１と、着磁されていない磁性体１２とが、交互に、直線状に複数配列して形成される。また、複数の永久磁石１１、１１、・・・は、それぞれの磁極の向きが配列方向に９０°ずつ回転させて配置されることにより、ハルバッハ配列を構成している。図９の例では、強磁界を発生させる磁石列の下側面が、固定子５２の複数のコイル５１２、５１２、・・・に対向している。

また、互いに隣接する２つの永久磁石１１の間には、着磁されていない磁性体１２が配置されている。これにより、可動子５２を構成する磁石列のアッセンブルを容易にすることができる。また、磁性体１２は、両端の永久磁石１１、１１によって内部でなだらかに分極し、正弦波に近い磁界を生じさせることができる。したがって、コギングをなくして可動子５２を円滑に移動させることができる。

１０ 磁石列ユニット（第１の実施形態）
１１ 永久磁石
１２ 磁性体
１３ 磁石列の配列線
２０ 磁石列ユニット（第２の実施形態）
３０ 回転電磁装置（第３の実施形態）
３１ アウターロータ
３２ ステータ
４０ 回転電磁装置（第４の実施形態）
４１ インナーロータ
４２ ステータ
５０ リニアモータ（第５の実施形態）
５１ 固定子
５２ 可動子
３１１ 回転軸
３１２ 配列線
３２１ コア（鉄製ヨーク）
３２２ コイル
４１１ 回転軸
４１２ 配列線
４２１ コア（鉄製ヨーク）
４２２ コイル
５１１ ヨーク
５１２ コイル

Claims (7)

1. 複数の永久磁石を所定の配列方向にハルバッハ配列してなる磁石列ユニットであって、
   前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない強磁性体が、それぞれ個別に配置されている磁石列ユニット。
2. 前記配列方向に沿う配列線と前記各永久磁石の磁極の向きとが４５°で交差している、請求項１に記載の磁石列ユニット。
3. 回転軸を中心とした所定半径の配列線に沿って複数の永久磁石が環状にハルバッハ配列されて円筒状の磁石列をなし、前記回転軸を中心に回転可能に設けられたアウターロータと、
   円筒状のコアおよび前記コアの外周沿って環状に配列された複数のコイルを有し、前記アウターロータの内側で前記コイルが前記磁石列に対向して配置されたステータとを備えた電磁装置であって、
   前記アウターロータのハルバッハ配列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列線に沿う配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない強磁性体が、それぞれ個別に配置されている、回転電磁装置。
4. 前記アウターロータのハルバッハ配列を構成する前記永久磁石の個数がｎ個の場合において、互いに隣接する２つの前記永久磁石の磁極の向きがなす角度が９０°＋３６０°／ｎである、請求項３に記載の回転電磁装置。
5. 回転軸を中心とした所定半径の配列線に沿って複数の永久磁石が環状にハルバッハ配列されて円筒状の磁石列をなし、前記回転軸を中心に回転可能に設けられたインナーロータと、
   円筒状のコアおよび前記コアの内周に沿って環状に配列された複数のコイルを有し、前記インナーロータの外側で前記コイルが前記磁石列に対向して配置されたステータとを備えた電磁装置であって、
   前記インナーロータのハルバッハ配列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを前記配列線に沿う配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない強磁性体が、それぞれ個別に配置されている、回転電磁装置。
6. 前記インナーロータのハルバッハ配列を構成する前記永久磁石の個数がｎ個の場合において、互いに隣接する２つの前記永久磁石の磁極の向きがなす角度が９０°－３６０°／ｎである、請求項５に記載の回転電磁装置。
7. 長手方向に沿って複数のコイルが配列されてなる固定子と、
   前記コイルに対向し前記長手方向に沿って移動可能に設けられ、複数の永久磁石が直線状にハルバッハ配列されてなる可動子とを備えたリニアモータであって、
   前記可動子のハルバッハ配列を構成する前記各永久磁石が、その磁極の向きを配列方向に９０°ずつ回転させて配置されており、かつ、互いに隣接する２つの永久磁石の間に着磁されていない強磁性体が、それぞれ個別に配置されている、リニアモータ。

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