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1 永久磁石ハルバッハ配列界磁の特徴と電気機器への応用 工学院大学工学部電気システム工学科教授森下明平 1

2 研究背景 コア ( 鉄心 ) 従来 PM モータ ステータ ロータ 永久磁石モータ 市場要求 小型 軽量 高トルク モータに使用される鉄心は 比重が大きく磁気飽和が発生 軽量化 高トルク化に限界がある コギングやトルクリップが発生し 振動 騒音の原因となる 鉄心のないイノベーティブなモータを開発する必要がある 2

3 ハルバッハ配列とは 磁界が磁石両側に広がる 磁石片側に磁界が集中 S N N S S N S N N S S N N-S 配列 ハルバッハ配列 1980 年代 Klaus Halbach 氏が発明当初 電子ビーム加速器などに利用近年 モータ リニアモータなどでの利用が増加 3

4 ハルバッハ配列界磁 磁界が強まる側を向かい合わせて 2 列のハルバッハ磁石を配置 倍 二列ハルバッハ配列 ハルバッハ配列 N S 配列 磁束密度 [T] 電気角 [deg] 各磁石の磁束密度分布 4

5 モータ / 発電機の基本構成 ハルバッハ配列界磁を用い モータ / 発電機を構成 コア ( 鉄心 ) ステータ ロータハルバッハ配列磁石 従来 PM モータ / 発電機 ロータ ステータコイル ハルバッハ配列磁石コアレスモータ / 発電機 トルクが大きく 低振動 5

6 研究目的 ハルバッハ配列界磁を用いたモータ / 発電機の電気設計指針を確立し 最適設計時の機器特性を把握する キーメトリック ( コアレス コイルスペース増大 ) 出力 / 重量比トルク脈動率定格運転時の効率 6

7 研究成果 界磁中の磁束 1/2 R 1/2 R 1/2 H m l m R H m l m R R 2a R 1 R 1/2 H m l m 2a R 2a(1-2) R 3 2/a R 2/a R 2/a R 2/a R 2/a R 2/a R 2a(1-2) R 2a R 2a R 2 R 1/2 Hm l R m 1/2 H m l m 図界磁中の磁束線 R 1/2 R H m l m R 1/2 R 図磁気回路構成 7

8 研究成果 ギャップ中の磁束 R lm μ 0S 1 a 2 a H ml 3a R a m H 2 1R a 2 m l m l m :PM 一辺の長さ S:PM の磁路断面積 R:PM の磁気抵抗 : 真空の透磁率 a 2 3 2a a : ギャップ長 / l m の比 : 横向き PM 表面から磁気回路垂直部分までの距離 / l m の比 :PM 配列から磁気回路ギャップ中の水平部分までの距離 / ギャップ長の比 ポールピッチ間の y 方向平均磁束密度 : B a 2 B r B r :PM の残留磁束密度 8

9 研究成果 =0.20, =0.22のとき ギャップ長比 a の関数として表されるポールピッチ間平均磁束密度 B が磁場解析値と最もよく一致する a = 1.0 a = 0.5 a = ただし B r = 1.3 (T) のとき By (T) Bt T a = 1.5 a = Position (p.u.) 図界磁中の縦方向磁束密度分布 Gap ratio a 図ポールピッチ間平均磁束密度 9

10 研究成果 ギャップ中にコイルを配置するとき コイルの磁束鎖交数は コイルと界磁間のギャップ長の総和と l m との比を r として以下ように表せる N a, r 2SB a B N d 4( a r) l πs c 2 m a 2B m π a rl mw s c d 2 sin 2 2SB a sin d sin 2 d 2 sin B m : 最大磁束密度図コイル鎖交磁束 w: 素線部コイル幅 d: 素線部コイル幅の電気角換算値 b: ボビン幅 : コイル全幅位置の電気角換算値 N: コイル巻き回数 d 2 B m w d 0 b 0 level w 10

11 研究成果 r =0,a =1.2 の場合の鎖交磁束数を基準とし, r を 0 ~ 0.4 まで変化させた場合の鎖交磁束数 (a, r) は以下のようになる a, r 1.2, 0p.u r = 0 r = 0.1 r = 0.2 r = 0.3 r = Gap ratio a p.u. 図磁束鎖交数 11

12 研究成果 したがって コイルと界磁の空隙に応じて界磁のギャップ長を永久磁石一辺の長さの 1.2~1.5 に設定してやれば最大の鎖交磁束数を得ることができる 従来は 界磁ギャップ中で できるだけ強い磁束が得られ かつ磁束分布が正弦波状になるよう磁石一辺の長さとギャップ長を大体等しく設定していた 12

13 応用例 1: 同期リニアモータ デュアルハルバッハ配列コアレスリニア同期モータ Shield (Iron) Stator(Halbach arryas) Mover(Armature coil ) 図応用例 1 13

14 応用例 1: 同期リニアモータ リニアモータの構成 可動部出力軸 固定部 支持用ロッド 14

15 応用例 1: 同期リニアモータ 縦断面 永久磁石デュアルハルバッハ界磁 可動コイル 可動部出力軸 15

16 応用例 2: 同期発電機 デュアルハルバッハ配列コアレスリニア同期モータ 表試作電機の仕様 Rated output 200 (W) Height 35 (mm) Line voltage No load: 40 (V 0-p ) Rotor diameter 240 (mm) Rated speed 300 (rpm) Number of coils 24 Phase 3-Y-connection Number of poles 32 図 試作した発電機 Outside Magnet number of pieces Insid e Sum total Magnet specifications Coercive force Remanent flux density (ka/m) 1.3 (T) 16

17 応用例 2: 同期発電機 発電機の構成 図ステータ ( コイル ) 図ロータ ( 磁石 ) 17

18 応用例 2: 同期発電機 ロータ製造工程 ロータフレーム 磁石貼付けジグを組み合わせ 接着剤にて磁石を貼付け 完成したロータ 18

19 新技術の特徴 従来技術との比較 従来のコアレスモータ / 発電機との比較 同じサイズ, 同じ電圧でおよそ 2 倍の出力が得られる 従来の埋め込み磁石同期モータとの比較 同じサイズで同等の出力値が得られる 同じサイズで重量が20~30% 軽くなる コギングがない トルクリップルが数 10 分の1に低減 巻線の自己インダクタンスLが数 100 分の1 製造時に金型が不要 鉄芯が無いためコイルスペースが広い 巻線損失の低減 19

20 小形風力発電機 想定される用途 コギングトルクがない 微風からでも発電可能 低音域スピーカ用ボイスコイルモータ Lが小さい 信号に遅れが無い トルクリップルがない 高調波ノイズが発生しない インホイールモータ 重量が軽い ばね下重量の低減 サーボモータ トルクリップル, コギングがない 高精度位置決めが容易 DC ブラシレスモータ 自己インダクタンスが極端に小さい 低振動 低騒音 20

21 実用化に向けた課題 ハルバッハ配列の製作性が良くない 量産に適した製作方法がまだ見つかっていない 界磁を回転させる場合 遠心力に対する対策が必要 永久磁石を円環で固定する場合 コイルスペースが狭くなる 永久磁石が高価 国産ブランド牛肉程度 :1.5~2.0 千円 /100 g 21

22 企業への期待 未解決の量産および価格については 磁石メーカの技術により克服できると考えている コイルのモールド技術を持つ企業または磁石製造メーカとの共同研究を希望 大出力小口径低周波スピーカや高精度位置決め用モータ, インホイールモータ, 低回転高トルク発電機を開発中の企業は本技術の導入が開発促進に有効と思われる 22

23 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 電磁誘導装置 出願番号 : 特願 P 出願人 : 工学院大学 発明者 : 森下明平, 横山修一 23

24 お問い合わせ先 工学院大学総合研究所研究推進課山岸勉 Tel : Fax : E mail :tsutomu_yamagishi@sc.kogakuin.ac.jp タマティーエルオー株式会社 産学連携事業部 松永義則 Tel : Fax : E mail : tech@tama tlo.com 24

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