ハルバッハ配列

ハルバッハアレイの利点とは?

ハルバッハ・アレイは、強力な片側磁場を作り出す永久磁石の配列である。このユニークな機能により、ハルバッハ・アレイはブラシレス・モーター、磁気軸受、磁気浮上式鉄道、粒子加速器などの用途に理想的です。

この記事では、プロフェッショナルとして ハルバッハアレイメーカーを説明しよう。 ハルバッハアレイを使用する主な利点 従来のマグネット・レイアウトと比較して最後には、なぜこのようなアレイが各業界で人気を集めているのか、その理由がよく理解できることだろう。

ハルバッハアレイとは?

まず最初に、ハルバッハアレイとは一体何なのか?

簡単に言えば、ハルバッハアレイとは、各磁石がアレイ内の次の磁石に対して90度の方向を向いている、特殊な磁石のレイアウトのことである。視覚的にはこのように見える:

ハルバッハ配列図

上記のように磁石を一列に並べることもできるし、円形に曲げて「ハルバッハ・シリンダー」を作ることもできる。しかし、どのような場合でも、ハルバッハアレイをユニークなものにしている重要な点は 回転磁気配向 それぞれの磁石の

この回転は非常に意図的なもので、磁場をアレイの片側だけに導くという驚くべき効果がある。そして、反対側からの磁場はほとんど完全にキャンセルされる。

説明しよう

ハルバッハアレイの利点とは?

特典#1:強力な片側磁場

ほとんどの永久磁石のレイアウトでは、北極と南極の両方から等しい量の磁場が発生します。

例えば、「北が南を引きつける」という規則的な配置の単純な2つの磁石構成があるとしよう:

標準マグネットアライメント

磁力線は、それぞれの磁石の北極から南極へと均等に流れる。

もし、これらの磁石の両側に鉄板を追加したとすると、両方の鉄板は磁石の方に引っ張られる同じ強い吸引力を経験することになる。

しかし、ハルバッハのアレイを使えば、驚くべきことが起こる。

磁石の回転は、「働く側」の磁場を外に導き、「働かない側」の磁場を打ち消す:

そのため、鉄板を動かない側に寄せても、ほとんど引っ張られることはない!

しかし、作業側では、フィールドが大幅に強化される。従来の磁石レイアウトに比べて何倍も強い力を発揮できる。

この片側磁場により、ハルバッハ・アレイは、磁気ベアリングや磁気浮上式鉄道の線路のように、一方向の力しか必要としない用途に最適となる。

また、通常のマグネット・ローターと比べて、ブラシレス・モーターのトルクが大幅に向上する。ほぼすべてのフィールドをモーター巻線に集中させることができるからだ。

しかし、その強烈な一方的なフラックスには、もうひとついいことがある......。

メリット#2:超軽量構造

標準的な永久磁石モーターを考えてみよう:

標準PMモーター

ローターマグネットがエアギャップを横切って磁界を発生させます。しかし、その磁束を戻すためには、強磁性鋼板(「バックアイアン」と呼ばれる)も必要です。

このバックアイアンがなければ、磁石の磁場のほとんどはエアギャップを横切ることなく、そのままエアギャップに漏れてしまう。そして、有用なトルクはほとんど得られない。

しかし、ハルバッハのアレイローターなら、バックアイアンを完全に捨てることができる。

アレイの回転により、ローターのほぼ100%の界磁がすでにステーターに向かってエアギャップを横切っている。鉄の磁束誘導は必要ない。

この冗長なスチールウェイトを取り除くことで、超軽量のPMモーターやジェネレーターを作ることができる。

トロント大学の研究者によるこの印象的なプロトタイプを見てほしい:

この3kWモーターは、ハルバッハ・アレイ・ローターを使用し、バックアイアンを一切持たない。それでいて、総質量はわずか1.3kgと、サイズの割に高トルクを発揮する!

このパワーウェイトレシオは本当にすごい。そしてそれは、ハルバッハアレイが誘導用スチールを不要にしたおかげでもある。

このローターの軽量化によって、より微妙なメリットも生まれる:

  • 慣性の低下 - 軽量化されたローターは驚くほど速くスピードに乗る
  • ベアリング荷重の低減 - 軽量化されたローターは、モーターベアリングへの負担を軽減

このマシンのような軽量なハルバッハのマシンは、標準的なモーターが扱える回転数をはるかに超える高回転に達することができる。

メリット#3:完璧なフィールド定位

ハルバッハアレイのもう一つの利点は、完璧なフィールド定位である。

先に取り上げたように、ハルバッハ・アレイ・マグネットやモーターの非作動面の磁場はほぼゼロである。そして、作動面ではわずか数ミリメートルで強烈な強磁場に変化する。

このコンパクトな定位により、ハルバッハアレイは高電界の集中エリアが必要なアプリケーションに最適です。

良い例をいくつか挙げよう:

粒子加速器

ハルバッハアレイはもともと、加速器トンネル内で粒子ビームを集束させるために開発された。

ハルバッハの "ウィグラー "が提供するコンパクトな磁場エリアは、陽子や電子を狭い屈曲部で加速するための理想的な磁気キックを提供します。その一方で、迷走磁場による干渉を避けることができます。

MRIスキャナー

研究グレードのMRIスキャナーでは、イメージングコイル内にハルバッハシリンダーを使用することが多い。

これにより、ランダムな外部磁場からの干渉を避けながら、患者ギャップへの磁場照射を最大化することができる。また、標準的な電磁石とは異なり、永久ハルバッハ設計は電力や冷却を必要としません。

磁気浮上式鉄道

いくつかの企業がハルバッハ・アレイをベースにしたものを開発している。 磁気浮上式鉄道 高速個人輸送アプリケーション用。

ハルバッハ磁場設計により、磁気吸引力を軌道表面からわずか数センチ上に集中させるコンパクトなガイドウェイが実現した。これにより、磁気浮上式鉄道はルート上を素早く浮遊することができる。沿線のインフラとの磁気干渉問題を回避しながら。

このように、高度に集束された磁場が要求される用途では、ハルバッハアレイは完璧なソリューションです。

強度と指向性の集中は、標準的な磁石のレイアウトでは対応できない。

メリット#4:効率と寿命の向上

磁束を単一の領域に集中させることにより、ハルバッハアレイは磁石材料のごく一部を使って所定の磁場強度を発生させる。

標準的な多極ローター設計に比べ、磁気効率がはるかに高い。

研究者たちは、ハルバッハアレイから最大96%の磁場を測定し、まったく同じ体積と材質のマグネットを使用した従来の設計と比較した。

このように磁石の使用量が減ることで、うれしい副作用もある:

低コスト - 同じ性能のために、より少ない総磁石材料を使用

寿命の延長 - 各マグネットセグメントへの負担が少ないため、時間の経過に伴う減磁が少ない

そのため、ハルバッハのマシンは性能の向上だけでなく、従来のマグネット・ローターやベアリング・システムよりも長持ちすることが多いのです。さらに、ハルバッハのライフタイム・バリュー・プロポジションに拍車をかけています。

利点#5:正弦波電圧とコギングトルクの低減

モーター・ローターのハルバッハ・アレイは、回転するステーターに完全に滑らかな正弦波電圧パターンを作り出す。

これにより、高効率の可変速運転に最適な条件が得られます。非正弦波システムに伴う高周波損失を回避。

また、磁場が極から極まで非常に均一であるため、ハルバッハ・モーターでは、ディテントトルクや「コギング」トルクがほとんど発生しない。

全回転域でスムーズで効率的な運転を可能にする。

どのような場合にハルバッハ・アレイを使うべきか?

ハルバッハアレイのユニークな利点は、以下のような用途に最適である:

  • 超軽量電気モーター
  • 小型MRIスキャナー用コイル
  • 効率的な磁気浮上式鉄道推進
  • 次世代粒子加速器
  • 精密磁気ベアリング

基本的に、どんなアプリケーションでも必要だ:

  • 強い磁場
  • 完璧なフィールドコントロールと定位
  • 高いパワーウェイトレシオ

ハルバッハアレイが大きな利点をもたらす他のケースは、物理学や電気工学の研究室におけるモデリング実験である。

強度と方向精度は、標準的な磁石では不可能な条件をシミュレートするのに役立つ。

とはいえ、ドアを開けたままにするような単純な用途では、標準的なマグネット・ストリップが最適だろう。このような基本的な使用例では、ハルバッハアレイの特別な精度と強度は必要ない。

結論として

このガイドで、ハルバッハ・アレイ・マグネット・システムが多くの最先端領域で提供する大きなメリットを感じていただければ幸いです。そのユニークな特性は、高速輸送、最先端科学研究、そして革命的な産業応用におけるブレークスルーを可能にしています。

また、高強度磁石材料の入手しやすさと製造技術が向上したおかげで、ハルバッハアレイは今後10年で、あらゆる産業で急速に普及することになるだろう。

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