永久磁石製品の一般的な磁気回路設計：技術概要

永久磁石は、高効率モーターや高精度センサーから高度な自動化システムまで、様々な工学分野における基本的な部品です。永久磁石材料の固有の特性がその潜在能力を決定づけますが、実際の用途においてその性能を真に引き出すのは磁気回路設計です。効果的な磁気回路設計磁束利用率を最大化し、磁場を方向付け、所望の性能特性を達成するには、磁気回路設計が不可欠です。このブログ記事では、永久磁石製品に採用されている標準的な磁気回路設計の技術的概要を説明し、その原理、利点、限界、そして一般的な用途について考察します。AIC Magneticsでは、磁気回路設計における深い専門知識を活かし、現代の産業の進化するニーズに応える最適なソリューションを開発しています。

1. 閉磁気回路

• 基本原則閉磁気回路は、磁束を高透磁率の経路内に閉じ込め、漏れを最小限に抑え、特定の空隙内の磁束密度を最大化するように設計されています。電流が閉ループを流れる電気回路と同様に、閉回路内の磁束は主に磁気抵抗の低い強磁性材料内を流れます。
•構造閉磁気回路では通常、鉄、鋼、フェライトなどの軟磁性材料を用いて磁束の閉ループ経路を形成します。このループ内に永久磁石が配置され、多くの場合、磁極片が磁束を空隙に集中させます。標準的な構成としては、U字型コア、C字型コア、リング型コアなどがあります。

利点

• エアギャップ内の高磁束密度: 閉回路は磁気抵抗を最小限に抑えることでエアギャップ内の高磁束密度を実現します。これは、強力な磁場を必要とするアプリケーションにとって重要です。
• 効率的なフラックス利用: 磁束漏れが最小限に抑えられ、永久磁石によって生成される磁束のほとんどが目的の作業領域で効果的に使用されます。
• 外部漏洩磁場の低減: 強磁性コアにより磁場がほぼ閉じ込められ、漂遊磁場が減少し、周囲のコンポーネントとの干渉が最小限に抑えられます。

デメリット

• 材料費と重量の増加: オープン回路と比較して、強磁性コアを使用すると材料コストと全体の重量が増加します。
• 飽和に関する懸念: 強磁性材料は高磁束密度で飽和し、達成可能な磁場強度が制限され、非線形動作につながる可能性があります。
• より複雑な組み立て: 閉磁気回路の製造と組み立ては、複数のコンポーネントと正確な位置合わせの要件により、より複雑になる可能性があります。

代表的な用途

• 電気モーター閉磁気回路は、DCモーター、サーボモーター、同期モーターなど、ほとんどの電気モーター設計の基本です。ローターとステーター間の空隙における高い磁束密度は、トルク発生に不可欠です。
• 磁気センサーホール効果センサーやフラックスゲート磁力計では、磁束を集中させて外部磁場に対する感度を高めるために、閉磁気回路が採用されることが多いです。
• 磁気カップリングとクラッチ: 閉磁気回路は、カップリングやクラッチに強力かつ効率的な磁気連結を提供し、信頼性の高い動力伝達や接続/切断機構を実現します。
•磁気分離機高勾配磁気分離機は、閉磁気回路を利用して強力な磁場を発生させ、磁性材料を効率的に分離します。

2. 開磁気回路

• 基本原則一方、開磁気回路では、磁束は強磁性体内に完全に閉じ込められるわけではありません。磁束経路の大部分は、高い磁気抵抗を持つ空気によって構成されます。
• 構造開放型磁気回路は通常、単独で使用される永久磁石、または完全な強磁性帰還路を持たない単純な磁極片で構成されます。例としては、強磁性保持器を持たない棒状磁石、ブロック状磁石、馬蹄形磁石などがあります。

利点

• シンプルさと低コスト: オープン回路は一般に設計と製造が簡単で、必要な部品と材料が少なくなるため、コストと重量が削減されます。
• 磁場へのアクセス: 磁石の周囲のオープンスペースで磁場に容易にアクセスできるため、特定の用途には有利です。
• 飽和の問題なし: 強磁性コアがない場合、オープン磁気回路では飽和が制限要因にはなりません。

デメリット

• 低い磁束密度と非効率性空気の抵抗率が高いため、開回路では動作領域における磁束密度が低下し、磁束の利用効率が低下します。磁束の大部分が周囲の空間に漏れ出します。
• 大きな漂遊磁場: 開回路では大きな漂遊磁場が発生し、近くの電子部品に干渉を引き起こしたり、特定の環境で安全上の懸念が生じたりする可能性があります。
• エアギャップの変動の影響を受けやすい性能開磁気回路内のエアギャップの変化は、磁場の分布と強度に大きな影響を与える可能性があります。

代表的な用途

•磁気チャックおよび保持装置オープン磁気回路は、磁石が強磁性ワークピースを直接吸着する磁気チャックや保持装置に使用されます。その主な利点は、シンプルさと磁界への直接アクセスです。
•磁気分離機: 低勾配磁気分離機は、要求の厳しくない分離作業にオープン磁気回路を使用できます。
• 磁気共鳴画像法（MRI）: 抵抗型MRIシステムは、従来、大型の開回路電磁石を使用していました。現在では閉回路内の超伝導磁石が主流ですが、開回路は基本的な概念を示しています。
• シンプルな磁気ラッチとキャッチ基本的な磁気ラッチとキャッチでは、実装が簡単でコストが低いため、単純なオープン磁気回路が採用されることが多いです。

3. ハイブリッド磁気回路

基本原則ハイブリッド磁気回路は、永久磁石と軟磁性材料（場合によっては電磁コイル）の両方の利点を組み合わせることで、最適な磁気性能を実現します。永久磁石によって生成される磁束を成形し、方向付けるために、強磁性材料を戦略的に使用します。
構造ハイブリッド回路は、永久磁石を主要な磁場源として用い、強磁性部品を用いて磁場分布を調整したり、特定領域の磁束密度を高めたり、磁束経路を提供したりします。これらの設計は、閉回路または開回路の比較的単純な変更から、非常に複雑な構成まで多岐にわたります。一部のハイブリッド設計では、磁場の制御または変調を可能にするために電磁コイルも組み込まれており、ハイブリッド励磁システムを形成します。

利点

• カスタマイズされた磁場分布ハイブリッド回路は、閉回路や開回路よりも磁場を形成する上で柔軟性に優れています。強磁性部品は、必要に応じて磁束を集束、遮蔽、または誘導するように設計できます。
• 強化されたパフォーマンスメトリック: ハイブリッド設計では、磁束経路を最適化し、漏れを最小限に抑えることで、より単純な回路に比べて磁束密度、磁場の均一性、効率のバランスが向上します。
• 設計の柔軟性: さまざまな磁性材料とコンポーネントを組み合わせることで、特定のアプリケーション要件を満たす幅広い設計が可能になります。

デメリット

• 設計の複雑さの増大効果的なハイブリッド磁気回路には、永久磁石と強磁性材料間の相互作用を最適化するための、より高度な解析およびシミュレーションツールが必要です。
• 潜在的にコストが高くなり、製造が複雑になる: 設計によっては、ハイブリッド回路は基本的な閉回路や開回路よりも高価で複雑になる場合があります。
• パフォーマンスパラメータのトレードオフ: 1 つのパフォーマンスパラメータ (例: 磁束密度) を最適化すると、他のパラメータ (例: 磁場の均一性または漂遊磁場) が損なわれる場合があります。

代表的な用途

• 高性能モーター: 内部永久磁石同期モーター (IPMSM) はハイブリッド回路の代表的な例であり、回転子コア内に永久磁石を埋め込むことで磁気抵抗トルクを活用し、効率を向上させます。
• 高度なセンサー高精度エンコーダーや磁気共鳴センサーなどの高度な磁気センサーでは、正確な磁場形成と高感度を実現するためにハイブリッド回路が採用されることが多いです。
• 磁気軸受ハイブリッド磁気軸受は、受動的な浮上またはバイアス磁場用の永久磁石と、能動的な制御および安定化用の電磁コイルを組み合わせたものです。
• 特殊アクチュエータ: ハイブリッド磁気回路設計は、特定のバルブや磁気グリッパーなど、カスタマイズされた力変位特性や高度に集中した磁場を必要とするアプリケーションでメリットを得られる可能性があります。

4. 特殊な磁気回路

• 基本原則このカテゴリには、基本的な閉回路、開回路、ハイブリッド回路といった構成を超えた、高度で特殊な磁気回路設計が含まれます。これらの設計では、独自の磁場特性を実現するための、ハルバッハアレイ、磁気集束構造、磁気集中構造などが挙げられます。これらの設計では、磁場を革新的な方法で操作するために、特殊な磁石の配置や形状が用いられることがよくあります。

• 構造と例:

ハルバッハ配列

前回のブログ記事で詳しく説明したように、ハルバッハ配列ハルバッハ配列は、片側に磁束を集中させ、反対側では磁束を打ち消すように設計された、独特な磁石の配置です。これは、磁化パターンを空間的に回転させることによって実現されます。

磁気集束構造

これらの設計は、磁束を特定の小さな領域に集中させ、その領域で非常に高い磁束密度を達成することを目的としています。多くの場合、成形された強磁性磁極片と戦略的に配置された永久磁石が用いられます。例としては、粒子ビーム集束用の磁気レンズや特殊な磁気センサーなどが挙げられます。

磁気集中構造

集束構造と同様に、集束構造は磁束密度を高めることを目的としていますが、多くの場合、より広い面積または体積にわたって行われます。集束構造では、テーパー状の磁極片や磁石の特定の配置を用いて、磁束を目的の領域に「集中」させます。磁気チャックや磁気カップリングなどの部品は、集束構造を採用することができます。

利点

• 高度にカスタマイズされた磁場: 特殊回路により、基本的な回路タイプでは実現できない、独自の正確に制御された磁場プロファイルを作成できます。
• 極めて優れたパフォーマンス能力ハルバッハアレイのような設計により、モーターのトルク密度の向上やセンサー感度の向上など、特定のアプリケーションで大幅に強化されたパフォーマンスを実現できます。
• 革新的なソリューション: 特殊な磁気回路により、これまでは実用的ではなかった、あるいは不可能だった新しい機能やアプリケーションが可能になります。

デメリット

• 複雑な設計と最適化これらの回路を設計するには、高度な磁気モデリング、シミュレーション、最適化技術が必要です。
• 専門製造業特殊な磁気回路の製造には、複雑な磁石の形状、正確な組み立て許容差、特殊な磁化プロセスが必要になる場合があります。
• 潜在的にコストが高くなる: 特殊な磁気回路は設計と製造が複雑なため、単純な設計よりも高価になる可能性があります。

代表的な用途

• 高性能モーターと発電機ハルバッハアレイは、与えられたサイズと重量でトルクまたは出力を最大化することが重要な高出力密度モーター、発電機、および風力タービン発電機で使用されます。
• 粒子加速器とビームライン磁気集束構造は、科学研究施設における粒子ビームの操縦と集束に不可欠です。
• 先進医療機器: 特殊な磁気回路は、精密に制御され局所化された磁場を必要とする高度な医療用画像診断、治療、および薬物送達システムに使用されます。
• 最先端の研究開発磁気浮上、冷凍、核融合エネルギーなどの新興技術のために、特殊な磁気回路設計が常に研究され、開発されています。

AIC Magnetics 磁気回路設計の専門知識

AIC Magneticsでは、磁気回路の原理に関する深い理解と、様々な磁気回路の設計・製造における豊富な経験を有しています。永久磁石アセンブリ当社のエンジニアリングチームは、磁石材料、磁気シミュレーション、高度な製造技術に関する専門知識を組み合わせ、お客様の特定のニーズに合わせて最適化された磁気回路ソリューションを提供します。最先端の技術を活用しています。有限要素解析（FEA）磁気回路のモデリングとシミュレーションを行うソフトウェアにより、正確な性能予測と設計最適化を実現します。当社のエンジニアは、シンプルなオープン回路から複雑なハイブリッドシステム、特殊なハルバッハ配列まで、革新的で効果的な磁気回路設計を提供できます。当社は、初期構想から最終生産までお客様と緊密に連携し、包括的なエンジニアリングサポートを提供することで、お客様の磁気製品アプリケーションの成功を確実なものにすることに尽力しています。

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投稿日時: 2025年2月13日