JPH0378214A - 電磁石磁気回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は磁気を利用したｉａ器に関わり、定常的に高磁
界を効率よ（発生させることができ、かつ磁界の大きさ
を連続的に変化させることのできる電磁石磁気回路に関
する。

［従来の技術］ 現在、種々の分野の生産機械、分析装置、測定装置、動
力装置等において、電磁石により発生した磁界が、利用
されている。この電磁石による磁界発生装置は、第２図
に示されるごとく主として銅コイル、冷却管よりなる励
磁用電磁石コイル部および主として鉄より成る継鉄部、
磁極部および磁極間空隙部から成り立っている。ここで
磁極部は一般に磁極と呼ばれ、磁極側面、磁極底面、磁
極先端面を持った磁極片と継鉄の一部から成っている。

この磁極片はしばしば高収束のために円錐台形をしてい
る。使用に際しては、励磁用電磁石コイルに電流を流し
磁界を発生させ、この発生した磁界を継鉄部、磁極部か
ら成る磁気回路中を流しながら、磁極間空隙部に集め、
この磁極間空隙部に発生した磁界を利用する。特に高磁
界発生が必要とされる場合は磁束漏洩を最小限に食い止
め、磁束を収束させるように、円錐台形磁極片の形を変
えたり、頂角を変えたり、磁極片の材質を飽和磁束密度
の高い純鉄やバーメンジエール（５０％Ｆｅ５０％Ｃｏ
合金）を利用する等の磁極片の材質と磁極片の形を改良
する工夫がなされていた。

以上の改良への努力にもかかわらず磁極間空隙部の発生
磁界の最大値は継鉄と磁極から成る磁気回路の磁気的飽
和により制限されてしまい、−例を上げれば重量２トン
、磁極先端面直径１００ｍｍψ、磁極間空隙５０ｍｍφ
の電磁石では、２Ｔ程度の最高磁界を発生することが限
度であった。またこのとき磁界を発生させるために必要
な電流は１００Ａ以上であり、大きく高価な電磁石に加
えて、大きく高価な電磁石用電源が必要であった。さら
にこの１００Ａの大電流を一定値に安定して制御するこ
とは大変困難で、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や電子磁気
共鳴装置（ＥＳＲ）等の安定度の高い磁界が必要な場合
はさらに大型で高価な電源装置を使用しなければならな
かった。

また実験物理学講座１７「磁気ＪＰ、１６１に示された
如（、磁極間空隙内の磁界の均一度は励磁用電磁石コイ
ルに流す電流値により大きく変化することが知られてい
る。これは高い電流を流すこと、すなわち高い磁界を発
生させると磁界の均一度は磁極側面からの漏洩磁束によ
り著しく悪化し、利用上好ましくなくなる。この磁界の
均一度を向上させるために磁極片の型を変える方法や付
加的な磁極（シム）を磁極部に取り付ける方法が提案さ
れているが、上記漏洩磁束を減少させる根本的な解決方
法ではなく、またその効果も弱い。

以上の磁界の安定度、均一度の低下の問題は多（の分析
装置、測定装置の大きな技術的障害になっている。また
磁界を大きくしたり、磁界の安定度、均一度を向上させ
る技術として次のような技術が知られている。その一つ
は励磁用電磁石コイルとして超伝導綿製コイルを用いる
技術である。

これは超伝導線を冷却するのに多（の寒剤、または大型
の冷却装置が必要であり、運転コストとともに冷却およ
び低温を維持するための設備コストがかさみ、特別な場
合を除き産業上広く利用できる技術ではなかった。

一方、例えば第９回「希土類磁石とその応用国際会議」
論文集論文番号　Ｗ３・２　　ｐ、１１０−１１２（Ｐ
ａｐｅｒ　Ｎｏ、Ｗ３．２　ｐ、１１０−１１２　ａｔ
　ｔｈｅ　９ｔｈ　Ｉｎｔｅｒ−ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｗ
ｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ　Ｍａｇ
ｎｅｔｓ　ａｎｄＴｈｅｉｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｓ）に報告されたように、永久磁石により発生させた磁
界を永久磁石の覆いにより収束させる技術が提案されて
いる。しかしこの技術は一定磁界しか発生させることが
できず、磁界の大きさを変えたり、零にすることができ
ず、工業上の用途は極めて限定されていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の電磁石磁気回路では、磁気回路の磁気的な飽和現
象により磁極間空隙部に得られる磁界の量大値は限られ
ており、高い磁界を得るためには大型かつ高価な電磁石
および電磁石用電源装置を用いなければならなかった。

本発明の目的は、小型かつ低価格な電磁石および電磁石
用電源装置を用い、連続可変な高磁界を定常的に発生す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者は誠意努力した結果、以下の手段により、一方
向にのみ効率よく高磁界を発生できることを見い出し、
計算機シュミレーション実験によりこの効果が確かなも
のであることを確認し、発明を完成させた。すなわち、
磁極間空隙部以外の部分で特に大きく磁束が漏れている
磁極側面部分に永久磁石で作られた覆いを第１図に示し
た如く覆うことにより漏れ磁束を減少させ、磁束の収束
を助け、磁極間空隙部の磁界を増大させる。また、第３
図に示したように、このとき覆いの永久磁石が作る磁束
も同時に合流し、収束するので、磁極間空隙部の磁界を
より一層増大することができ、これまで発生することが
大変困難であった高磁界を発生することができる。一方
、励磁用電磁石に流していた励磁電流を零にしても、永
久磁石の覆いが作る磁界が磁極間空隙部に残る。そこで
この高磁界と逆向きの磁界を発生させる電流を流せば、
今度は逆に覆いの永久磁石が磁気的に飽和するまで磁束
を磁極側面から漏らすことを助長し、逆向きの電流を増
加させるとやがて磁極間空隙部の磁界は零になる。この
結果は、「電磁石は励磁電流が零のときは、磁極間空隙
部にはわずかな残留磁界を除けば発生した磁界の量は零
であり、励磁電流を流したときのみ、その向きと大きさ
に応じた磁界が発生する。」という従来の常識に反する
ものである。本発明者は、産業上の電磁石の用途、例え
ば永久磁石磁気性能測定装置、磁気天秤、試料振動型磁
力計、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や電子磁気共鳴装置（
ＥＳＲ）等では、一方向にのみ高い磁界を発生できれば
むしろ好都合な場合があると気付いた。本発明は、それ
らの産業用途に対して新しい利益をもたらす。

例えば、最高発生磁界が２Ｔであった電磁石に本発明に
よる永久磁石の覆いを取り付けることにより、３Ｔ以上
の最高磁界を得ることができる。

また本発明の場合、利用最高磁界が２ＴＬか必要としな
い場合は、コイルに流す電流値が従来の約１７２でも２
Ｔの磁界を得ることができるようになる。その結果同じ
磁界を発生させるのに、電磁石装置や励磁用電源装置は
従来のものと比較して小型のものが利用でき、いづれの
場合も本発明により問題点が解決されたことを示してい
る。

また本発明によれば、安定度の高い低励磁電流で高い磁
界発生が可能であることを示している。

磁極間空隙部内の磁界の均一度が悪化することの主な原
因が磁極側面からの漏洩磁束に起因して起こされる現象
であるので、本発明による永久磁石の覆いによりこの磁
界の不均一が本質的に著しく改善され、磁界が均一な部
分の面積が広くなり、その結果電磁石装置や励磁用電源
装置をより一層小型化できるようになる。ただし、空隙
に発生する磁界は励磁電流に対して偏向しているので、
使い方を工夫しなくてはならない。空隙部内の磁界は永
久磁石が作る磁界と逆向きの磁界を電磁石により発生さ
せて零にすることができる。

本発明のもっとも重要な点は永久磁石の覆い方法にある
。この覆いは第１図に示した如く両磁極側面を永久磁石
の逆向きの極がそれぞれ覆わなければならない。すなわ
ち片方の磁極側面を永久磁石のＮ極が接するように覆っ
た場合、残り一方の磁極側面を永久磁石のＳ極が接する
ように覆う。

この永久磁石の覆いは第４図ａ、ｂに示したように磁極
側面と同じ内径を持った永久磁石の磁極内表面が密着す
るようにかぶせるが、大量生産上好都合な永久磁石を複
数個適当に組み合わせて覆ったり、磁極側面の全面でな
くその一部のみを覆った場合や、磁石と磁極側面との間
に隙間や接着剤などの他のものが存在しても本発明の効
果は発揮される。

また覆いの永久磁石としては、保磁力、飽和磁束密度共
に大きな希土類永久磁石（Ｓｍ−Ｃｏ永久磁石、　Ｎｄ
−Ｆｅ−Ｂ　　系永久磁石等）や、更に成型性に優れた
希土類ボンド磁石を使うことにより本発明の効果をより
よく発揮できる。更に複数の種類の永久磁石、例えば希
土類永久磁石と低価格のフェライト永久磁石を組み合わ
せて覆いを作成すれば、本発明としてはより好ましくな
る。

また本発明による永久磁石の覆いは第４図ａのように磁
極側面を対象としているが、第４図すに示したように磁
極片に隣接する継鉄部を同時に覆い、漏れ磁束を更に減
少させても本発明の範囲を超えるものではない。

また従来の磁極片は通常円錐台の形をしているが、覆い
の永久磁石は両磁極面が平行な永久磁石を使用すること
が大量生産上好ましいので、第５図のように磁極片が角
錐台の形をしたものを利用すれば両磁極面が平行な永久
磁石による覆いができ、工業生産上大変好ましくなる。

［作用］ 本発明は電磁石磁気回路の中で高磁界発生にともないも
っとも大きな漏洩磁束を生ずる磁極側面部分に永久磁石
の覆いを取り付けることにより、磁束の漏洩を防ぎ、収
束を助け、更に覆いの永久磁石からの磁束も加えること
により、一方向にのみ効率よく高磁界を発生させること
を可能にした。さらに低い励磁電流で高磁界発生が可能
になるため、安定度が向上するうえに、磁界の均一度も
向上する利点があり、従来よりも小型、低価格の電磁石
機器で従来の電磁石機器を置き換えることができたり、
従来の電磁石機器の性能を向上できるようになる。

［実施例１］ 以下に述べる手法で本発明の実施を行なった。

１、計算法 軸対称環のハイブリッド型無限要素を用いた有限要素法
。

２、計算対象および測定対象とした電磁石（１）、励磁
コイル 断面積１２０ｍｍ”の銅製の導線を１０００回巻いたコ
イル。

（２）、磁極片 磁極先端面の直径が４０ｍｍφ、継鉄とつながる磁極根
本面の直径が１００ｍｍφ、絞り角が４５度の円錐台形
をした純鉄製の磁極片。

（３）、磁極間空隙距離 ０ｍｍ （４）、励磁電流 最高６０Ａまでの直流電流。

３、覆いの永久磁石 Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石製、残留磁束密度１．２１
Ｔ、保磁力は１ｏｋｏｅの磁気特性を持つ。

４、結果 （１）、初めに計算法の正確さの確認を行なった。永久
磁石の覆いがない電磁石に対して実際に励磁電流を流し
、そのとき電極間空隙部に実際に発生した磁束密度を測
定した。磁束密度の測定にはホール素子を用いた。

次に同様の電磁石に対して上記ｌ計算法に従い、励磁電
流を変化させた場合の電極間空隙部に発生する磁束密度
の大きさを計算した。

その結果、電極間空隙部に発生する磁束密度の大きさの
実測結果と計算結果は誤差範囲内で一致することを確認
した。またこの結果を本発明の比較例とした。

（２）１次に厚さ３ｃｍの本発明の上記永久磁石の覆い
を取り付けたときに、電極間空隙部に発生する磁束密度
の大きさを計算した。その結果を第６図に示す。この結
果によれば、本発明では励磁電流が６０Ａで３．４１Ｔ
の高磁束が発生している。一方覆いのない比較例では２
．０６Ｔの磁束しか発生していない。また比較例では、
２Ｔの磁束を発生させるのに５０Ａの励磁電流を必要と
しているが、本発明の場合はわずか１５Ａの励磁電流で
２Ｔの磁束が発生している。

（３）１次に永久磁石の覆いの厚さｔをＯｃｍ。

１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍと変え、磁極側面からの磁束の
漏れが電極間空隙部に収束されることを調べるために、
磁極間空隙中央部から磁極面に平行な方向への磁束密度
の大きさの変化を計算した。

その結果を第７図に示す。

本発明による永久磁石の覆いの厚さｔが増加するに伴い
、磁極側面の漏れ磁束密度の大きさが減少し、その反対
に電極間空隙部の磁束密度の大きさが増加することが確
認できた。

（４）、つぎに（２）の条件の場合、逆向きの励磁電流
を流し、逆向きの磁界を励磁コイルに発生させ、そのと
きに電極間空隙部に発生する磁束の変化を計算により調
べた。その結果、磁束は磁極側面から多（漏洩し、約５
Ａの逆向きの励磁電流を流したとき、磁極間空隙の磁界
を零にすることができた。

［実施例２］ 実施例１の円錐台形の磁極片を円柱形のものに取り替え
た場合に、本発明による永久磁石の覆いの効果があるか
否か計算した。その結果を表１に示す。磁極片先端が収
束していない円柱形のものでも本発明の効果は十分に発
揮されることが確認できた。

表１ ［実施例３］ 実施例１の円錐台形磁極片を、底面が正六角形をした角
錐台のものに取り替えた場合に、本発明による覆いの効
果があるか否か計算した。角錐台として底面が１辺５ｃ
ｍの正六角形、先端面が１辺２ｃｍの正六角形、高さが
７．２ｃｍのものを用いた。

その結果、第１図に示した結果とほぼ同様に本発明の効
果が十分に認められる計算結果が得られた。

［発明の効果］ 本発明によれば、磁界の大きさを連続的に変化させるこ
とができ、かつ均一度、安定度の高い一方向の高磁界を
効率よく発生することができるようになるので、電磁石
を利用した産業機器の性能向上、小型化、低価格化を成
しえる。

４、図の簡単な説明 第１図は本発明による永久磁石の覆いを電磁石に取り付
けた断面図である。ただし磁極部および覆いの磁石の大
きさを誇張している。

第２図は従来の電磁石の断面図を表わしている。

第３図は電磁石に本発明による永久磁石の覆いを取り付
け、漏れ磁束の収束を助け、更に覆いの永久磁石からの
磁束も同時に収束されている様子を表わしている磁気回
路図である。

第４図ａは片方の円錐台形の磁極片の磁極側面に本発明
による永久磁石の覆いを取り付けた斜視図である。

第４図すは、円錐台形の磁極側面に加えて継鉄部も同時
に本発明による永久磁石の覆いが取り付けられているこ
とを示す斜視図である。

第５図は角錐台形の磁極に本発明による両磁極面が平行
な永久磁石の覆いを取り付けたところを示している斜視
図である。

第６図は本発明による実施例１の結果を示しており、同
一電磁石に励磁電流を流した場合、本発明が大きな磁束
を発生しうることを示している。

第７図は本発明による実施例２の結果を示しており、覆
いの永久磁石の厚さｔが増えると共に磁極側面からの漏
れ磁束が本発明により防がれ、磁極間中央部に効率よく
高磁界が出現していることを示している。図中の点線は
磁極の位置を示しており、横軸２ｃｍまでが磁極面内で
あることを、２ｃｍからは磁極側面であることを示して
いる。

縦軸は磁束密度の大きさを示し、覆いのないし＝０の場
合を１としている。

［図中の記号の説明］ ■・・−覆いの永久磁石 ２・・・磁極先端面 ３・・・磁極側面 ４・・−磁極片 ５・・・励磁用コイル ６・・・継鉄 ７・・・磁極間空隙 ８・・・磁極根本面 ９・・・励磁用コイルにより作られた磁束（磁界） １０・・・覆いの永久磁石により作られた磁束（磁界） （以下余白） 第 回 １０ ネ毫用 ０ ０ ０ ０ ０ 電；た、　Ｉ　（Ａ） ２　　　３　　　牛　　　Ｓ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１），２つの磁極を持つ電磁石磁気回路において、両
   方の磁極側面を着磁した永久磁石で覆い、一方の磁極側
   面には該永久磁石のＮ極が接するように、他方の磁極側
   面には該永久磁石のＳ極が接するように覆うことにより
   、電磁石を一方向に励磁したとき、磁極側面からの磁束
   の漏洩が該永久磁石によって抑制され、電磁石をこれと
   逆方向に励磁したとき、磁極側面からの磁束の漏洩が該
   永久磁石によって助長され、磁極間空隙の一方向にのみ
   効率よく高磁界を発生できる、励磁電流に対して偏向し
   た電磁石磁気回路。
2. （２），電磁石の励磁電流が零のとき、空隙に一方向の
   一定磁界を持ち、これと逆行する磁界を電磁石の励磁に
   より発生させることにより、空隙部の磁界を実質的に零
   にできる特許請求範囲（１）項記載の電磁石磁気回路。
3. （３）．磁極が収束した特許請求範囲（１）および（２
   ）項記載の電磁石磁気回路。
4. （４）．磁極が角錐台である特許請求範囲（３）項記載
   の電磁石磁気回路。