磁石ハルバッハ配列

ハルバッハ配列は、一方の側の磁場をもう一方の側の磁場よりも大幅に強くするために作成された交互極性永久磁石の独自の構成です。

例: 下のフィールドは上のフィールドよりも下にあります。

1. 大きな電力密度

ハルバッハ磁石設計のモーターは、従来の永久磁石モーター構造と比較してモーターの出力密度を向上させながら、モーターのサイズを効率的に最小化します。 これは、ハルバッハ磁気リングを分解すると平行磁場と放射状磁場が重なり、反対側の磁場の強度が大幅に強化されたためです。

2. ハルバッハ配列マグネットローターはシュートを必要としません。

エアギャップ磁界高調波の存在が避けられないため、従来の永久磁石モータの固定ロータ構造では、その影響を軽減するためにシュートが必要となることがよくありました。 ハルバッハ モーターの高い空隙磁場の正弦分布と低い高調波成分により、ステーターにはシュートがありません。

3. このローターの製造には非コア材料を使用できます。

ロータに磁性材料の経路を提供する必要がなくなったため、ハルバッハ磁石の自己シールド効果によって生成される一方向の磁場分布により、システムの慣性モーメントが低くなり、優れた取り付け性能が得られます。

4. 永久磁石の利用率が高い。

ハルバッハ磁石が磁化結果に分割されるため、永久磁石の使用が改善され、永久磁石の動作が通常 0.9 よりも高くなります。

1. 円柱ハルバッハ配列

従来のハルバッハ アレイは、中央のエア ギャップにダイポール (2 極) パターンを持つシリンダー/リングです。 リングでは、磁場は中央の穴全体にわたって強力かつ均一 (平行な磁力線) になります。

NdFeB ハルバッハ配列リングは 8 個の磁石 (それぞれが異なる磁化方向を持ち、45 度の円弧セグメントに配置されている) で構成されています。 アークの各セグメントは、磁場が磁石材料の中や周囲に「向けられる」前に中央の空隙を通って伝わるような方法で磁化されます。

当社では、直径 30- mm の中央穴を備えた 2 極、直径 110 mm の NdFeB ハルバッハ アレイを提供しています。 軸方向の長さは40mmです。 従来の NdFeB (ネオジム鉄ボロン) を採用しており、推奨動作温度はプラス 80 度です。 室温では、エアギャップの中央の磁場は少なくとも 10、000 ガウス/1 テスラです。 外側の保護スリーブは真鍮製です。

SmCoタイプもご用意しております。 16 個の磁石 (22.5 度の円弧セグメント、それぞれが独自の磁化方向を持つ) が SmCo ハルバッハ アレイ リングを構成します。 アークの各セグメントは、磁場が磁石材料の中や周囲に誘導される前に中央の空隙を通って伝わるような方法で磁化されます。 この特定のアレイは、完全に密閉されており、液体ヘリウムに対して摂氏 -269 度での動作を可能にする極低温接着剤を採用しているため、独特です。

2. ブロックハルバッハ配列

交互に磁化された強磁性材料（永久磁化可能な材料）のストリップが混合されると、複合構造の平面上で磁場が整列しますが、構造の下の磁場は反対方向になり、打ち消し合います。 交流磁化成分は実際には 90 度位相がずれており、つまり p/2 です。

上で示したように、理想的な状況では、平面の下には磁場が存在せず、構造が均一に磁化されている場合の 2 倍の大きさの磁場が平面上に発生します。 しかし、実際には、非常に控えめな磁場のみが下側に生成され、理想的な状態は決して観察されません。 このパターンを永久に続けることで、大きな配列を作成できます。

ジョン C. マリンソンは 1973 年にこれらの「片面磁束」形成を最初に発見し、磁気テープ記録技術を進歩させる可能性のある「珍品」であると説明しました。 しかし、バークレーの物理学者クラウス ハルバッハがこの磁気現象を独自に発見し、粒子加速器で使用するハルバッハ アレイを開発した 1980 年代になって初めて、その真の可能性が明らかになりました。粒子加速器ビームを集束および誘導するための強力な磁場を生成するために、ハルバッハは、強磁性元素コバルトを使用してアレイを作成しました。

ハルバッハ配列は現在、さまざまな複雑さのさまざまなシステムで使用されており、多数の用途があります。 冷蔵庫の磁石では、ハルバッハ配列は最も基本的な方法の 1 つで使用されます。 この場合、片面磁束の特徴を利用して磁石の保持力を高めます。 簡単なロック システムは、磁気ロッドの可変配列を組み合わせることによっても作成できます。 磁束閉じ込めは、磁場が面の上で最大になり、面の下で最小になるようにロッドの磁化が調整されている場合、各ロッドを 90 度回転することによって逆転できます。

インダクトトラックとしても知られるリニアモーターカーの線路は、磁気浮上を使用して車両を支持しており、動作中のハルバッハ アレイのより洗練された例です。 列車は、磁石の 50 倍までの重量を支えることができる磁気アレイによって線路から少しだけ持ち上げられます。 このプロセスは帰納法原理に基づいています。 アレイが金属トラックのコイル上を移動すると、磁場の変化によってトラック内に電圧が誘導されます。 線路によって生成される磁場がハルバッハ配列によって生成される磁場と一致すると、棒磁石の 2 つの極を押し合わせようとするときと同じように、反発力によって列車が浮遊します。 リニアモーターカーは、従来の車輪付き列車の速度を低下させる多くの摩擦力によって妨げられないため、高速輸送が可能です。 実際、日本のリニアモーターカーシステムは現在、2003 年に時速 561 マイルに達して以来、最速の鉄道輸送としてギネス世界記録を保持しています。

ハルバッハ アレイはハルバッハ「ウィグラー」とも呼ばれ、シンクロトロンや自由電子レーザー (FEL) で行われる最先端の科学研究に使用されています。 FEL は医療から軍事まで幅広い分野で使用されており、非常に広範囲で高度に調整可能な周波数範囲を備えています。 FEL の基本的な部分の 1 つは、アレイの磁場を使用して荷電粒子 (通常は電子) のビームを周期的に「ウィグル」させるハルバッハ ウィグラーです。 小刻みなエフェクトによるパーティクルの方向の変化の結果として、パーティクルの加速度が変化します。 外部レーザー源と組み合わせると、高強度のシンクロトロン放射 (光子) が放出されます。

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