JPH1012432A - 可変磁場型磁気回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い範囲で磁場強度を可変にでき、極性を変
えることができる、構造・駆動の比較的簡単な永久磁石
を用いた可変磁場型磁気回路を提供する。 【解決手段】 回転又は移動可能に設けられた永久磁石
２と、途中で該永久磁石２を挟み込む直線部１ａを有
し、且つ他の所定位置に空隙４を有する磁性ヨーク１と
から成り、前記永久磁石２を回転又は移動させることに
より前記磁性ヨーク１の前記空隙４に発生する磁場を可
変にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変磁場型磁気回
路に関する。更に詳しくは、磁場強度が１Ｔ以下の場合
に用いて最適であり、磁場計測器・磁場配向・放電プラ
ズマ発生・鉄材吸引などに適用可能な、永久磁石を用い
た可変磁場型磁気回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、永久磁石と磁性材により構成
された永久磁石磁気回路では、該回路の空隙に発生する
磁場は強度と方向が一定であり、変化させることができ
ない。永久磁石磁気回路の利用において、磁場固定で可
変でないことが汎用性に欠ける点の１つであり、利用上
の障害になることがあった。また、作業上の必要で、永
久磁石磁気回路に作業者が接する場合、磁場が存在して
いるため、鉄材、鉄製工具を近付けられないことや、身
体への磁場の影響が懸念されることなどの問題があっ
た。

【０００３】一方、電磁石では、コイルに流す電流値を
変えることにより、磁場を可変にすることが可能であ
る。更に、電流を反転させれば、磁場方向を逆転するこ
ともでき、磁場強度可変や強い磁場（〜２Ｔ前後まで）
が容易に得られる利点がある。

【０００４】しかし、電磁石で十分な起磁力を得るため
には、コイルを多く巻き、起磁力を稼がなければならな
い。該コイルのため電磁石回路の体積は大きくなり、使
用空間の大きさに制限がある場合、電磁石を利用できな
いことが多い。また、必要磁場発生空間が大きい場合や
必要磁場強度が大きい場合、コイルに流す電流が多くな
るため、コイルの発熱や消費電力が無視できなくなり、
コイル電源の容量が大きくなり、高価になる。

【０００５】また、電磁石はポールピースにコイルを巻
き付けてなるが、磁場はポールピースに垂直な方向に発
生するので、例えば内筒空隙の軸方向に磁場が必要なと
きは適用できない。このような場合、空心コイルが適用
できるが、強い磁場を発生することは容易でない。例え
ば、該空心コイルで大きな空間に１００ｍＴ以上の磁場
を発生することは不可能ではないが難しい。また、磁場
強度や発生磁場空間が大きくなった場合、コイル電流を
高くしなければならないため、コイル発熱や消費電力な
ど、通常の電磁石と同じ問題が生じる。

【０００６】このように、電磁石では種々の問題がある
ため、永久磁石を用いた可変磁場磁気回路が考案されて
いる。例えば、図５に示すように、対向する一対の永久
磁石５１，５２の空隙距離を変えることにより、磁場を
可変にすることができる。該磁気回路では、空隙距離を
大きくすると磁場強度は減少し、空隙距離を小さくする
と磁場強度は増加する。磁場強度の変化は、空隙距離に
対して比例するのではなく、図６に示すように、空隙距
離が短くなると急激に磁場強度は増加し、空隙距離が長
くなると磁場強度は漸減し、ある程度以上空隙距離を広
げても磁場強度はあまり小さくならない。

【０００７】しかし、上記可変磁場磁気回路では、磁場
発生方向を反転することは不可能である。また、空隙距
離を大きくすると、空隙内の磁場均一度は低下する。し
たがって、該可変磁場磁気回路は、磁場可変範囲が小さ
くて済む場合はよいが、大きい場合には不適である。

【０００８】図７は、ダイポールリングを二重に入れた
構造で組み合わせた、二重ダイポールリング磁気回路を
示す。本磁気回路は、内筒ダイポールリング回路７１が
内部空間に発生する径方向磁場強度と、外筒ダイポール
リング回路７２が内部空間に発生する径方向磁場強度を
同一にして、外筒空間内に内筒を挿入設置する。内筒と
外筒を互いに反対方向に回転すると、磁場方向を変化さ
せることなく、磁場強度を＋から−まで変化させること
ができる。該磁気回路では、内筒と外筒の磁場強度が加
算されるため、可変磁場強度範囲が広くなる。

【０００９】しかし、該磁気回路では、外筒内に内筒を
入れ込む必要があるため、外筒の内径が大きくなり、磁
気回路全体が大きくなるとともに、使用磁石重量も増加
する。特に、該ダイポールリング回路の磁石部は複雑で
あるため、磁石のみで構造体を構成することは難しい。
磁石部を保持するヨーク構造体を、外側面に配置するた
め、外径は大きくなりやすい。

【００１０】したがって、外筒の内径は必要以上に大き
くする必要がある。また、外筒内部に内筒を入れ込み回
転するため、回転機構が複雑で規模が大きくなる。ま
た、磁場強度ゼロの時、内筒と外筒の逆方向磁場を内部
で対向させるため、反発力も大きくなり、回路保持構造
強度を増し、回転トルクも大きくしなければならない。
したがって、磁場可変範囲は広く取れるが、構造上・機
構上で種々の問題点が存在する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、広い範
囲で磁場強度を可変にでき、極性を変えることができ
る、構造・駆動の比較的簡単な永久磁石磁気回路が望ま
れている。そこで本発明は、磁場発生方向が一定で、磁
場強度が＋から−まで広い範囲で可変にでき、極性を変
えることができる、構造の簡単な永久磁石を用いた可変
磁場磁気回路を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１記載の発
明は、回転又は移動可能に設けられた永久磁石と、途中
で該永久磁石を挟み込む直線部を有し、且つ他の所定位
置に空隙を有する磁性ヨークとから成り、前記永久磁石
を回転又は移動させることにより前記磁性ヨークの前記
空隙に発生する磁場を可変にすることを特徴とする可変
磁場型磁気回路を提供する。

【００１３】本願の請求項２記載の発明は、前記磁性ヨ
ークが複数個の永久磁石を並列に挟み込む複数の直線部
を有し、各永久磁石の回転位置又は移動位置を調整する
ことにより前記空隙に発生する磁場を可変にすることを
特徴とする請求項１記載の可変磁場型磁気回路を提供す
る。

【００１４】本願の請求項３記載の発明は、前記永久磁
石は円柱状をなし、磁化方向が円柱軸に対して垂直であ
り、且つ前記磁性ヨークの前記直線部に対して垂直な円
柱軸を中心にして回転可能に設けられていることを特徴
とする請求項１又は２記載の可変磁場型磁気回路を提供
する。

【００１５】本願の請求項４記載の発明は、前記永久磁
石は前記磁性ヨークの前記直線部に平行な方向に磁化さ
れており、且つ前記直線部に垂直な方向に移動可能に設
けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の可
変磁場型磁気回路を提供する。

【００１６】本発明の可変磁場型磁気回路は、磁性ヨー
クに挟み込まれた永久磁石の回転又は移動により、磁性
ヨークに設けられた空隙の磁場強度を可変にするもので
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る可変磁場型
磁気回路の一実施形態を示す。永久磁石２は円柱状であ
り、円柱軸に垂直な方向に磁化されている。永久磁石２
は、図示しない回転駆動手段により水平な該円柱軸を中
心にして回転駆動される。磁性ヨーク１は例えば鉄製で
あり、永久磁石２を途中で挟み込む直線部１ａを有して
おり、他の場所には所定間隔の空隙４を有している。こ
の磁性ヨーク１は、永久磁石２及び空隙４を介して四角
状の閉磁路を形成する。

【００１８】次に、上記可変磁場型磁気回路における磁
場の可変動作について、図２の模式図を参照しながら説
明する。まず、最初は永久磁石２の磁化方向を右向きに
しておく（図２（ａ））。このとき永久磁石２より発生
する磁束は、磁性ヨーク１中を通り、磁性ヨーク１の空
隙４空間に滲み出し、反対側ヨークに再度侵入して永久
磁石２の反対極に戻るような閉磁路を形成する。この
時、空隙４に発生する磁場は、閉磁路に平行且つ左向き
となり、磁場強度は最大となる。

【００１９】上記向きから永久磁石２を回転させて磁化
方向を徐々に回転させることにより、磁性ヨーク１を通
って閉磁路を形成する磁束の流れは、永久磁石２の磁化
方向と閉磁路の向きとのずれが大きくなるに従って徐々
に少なくなっていく（図２（ｂ））。そして、永久磁石
２の磁化方向が閉磁路に対して９０°に直行したとき、
永久磁石２の左右のヨークに流れる磁束量は等しくなる
ので、空隙４中に発生する磁場強度は“０”となる（図
２（ｃ））。

【００２０】永久磁石２を更に回転させると、空隙４の
磁場は反転して、逆方向（右側）への磁場強度が徐々に
強くなる。永久磁石２が最初の位置から１８０°回転し
て左向きになったとき、空隙４における逆方向磁場強度
は最大となる（図２（ｄ））。

【００２１】以上のように、永久磁石の回転に対応し
て、空隙４の磁場強度を可変にでき、且つ方向を反転す
ることが可能となる。また、該磁気回路ではヨーク空隙
中に磁場が発生するため、磁場方向は常に一定であり、
その向きが反転するのみである。

【００２２】図３は、本発明に係る可変磁場型磁気回路
の他の実施形態を示す。この可変磁場型磁気回路は、基
本的には図１に示した磁気回路と同一構成であるが、ほ
ぼ同等特性の永久磁石１２及び１３を設け、磁性ヨーク
１１は両永久磁石を並列に挟み込む直線部１１ａ，１１
ｂを有し、且つ他の所定の位置に空隙１４が設けられて
いる。

【００２３】上記可変磁場型磁気回路は、ほぼ同等特性
の永久磁石各々を回転することにより、空隙１４中の磁
場強度を可変にすることが可能である。該磁気回路での
各永久磁石の回転位置と空隙１４中に発生する磁場方向
及び強度との関係は、永久磁石が１つの時より複雑にな
る。

【００２４】次に、上記可変磁場型磁気回路における磁
場の可変動作について、図４の模式図を参照しながら説
明する。まず、最初は永久磁石１２，１３はどちらも磁
性ヨークの直線部１１ａ，１１ｂに平行な方向右側に向
けておく（図４（ａ））。この時、両永久磁石から発生
する磁束は両方とも空隙１４を含む磁路方向に回り、閉
磁路を形成する。この時、空隙１４には左側向きに最大
磁場が得られる。

【００２５】次に、例えば永久磁石１３を固定してお
き、永久磁石１２を回転させると、永久磁石１２，１３
の発生する磁束のうち、空隙１４を含む閉磁路を通る磁
束は徐々に減少し、直線部１１ａから直線部１１ｂへ至
る閉磁路を通る磁束が増加する（図４（ｂ））。何故な
ら、永久磁石１２が回転するに従って磁束が直線部１１
ａを左側へ流れやすくなり、且つ空隙１４を含む磁路の
方が磁気抵抗が大きいためである。そして、永久磁石１
２を１８０°回転して磁化方向が直線部１１ａに平行な
方向左側に向いた時、空隙１４に発生する磁場はほぼ
“０”となる（図４（ｃ））。この後、永久磁石１２を
更に同一方向に回転させれば空隙１４には左側向きの磁
場が徐々に大きくなり、３６０°回転して最初の位置に
戻ったときに、空隙１４には再び左側向きに最大磁場が
得られる。

【００２６】次に、図４（ｃ）の状態から、今まで回転
していた永久磁石１２を最初の位置から１８０°回転さ
せた状態、すなわち磁化方向が直線部１１ａに平行な方
向左向きで固定し、今まで固定していた永久磁石１３を
回転させる（図４（ｄ））。すると、空隙１４には、今
までと逆方向の磁場（右側方向）が発生し、永久磁石１
３の回転により徐々に磁場強度が増加する。永久磁石１
３を１８０°回転させて磁場方向が直線部１１ｂに平行
な方向左向きになった時、最初と方向が逆で絶対値の等
しい磁場が、空隙１４中に得られる。

【００２７】図３の可変磁場型磁気回路の場合、上記の
他にも磁石回転方法があり、上下２個の磁石を同時に同
一方向か逆方向に回転しても、空隙１４中の磁場を可変
にできる。

【００２８】図３に示したような磁石を２個にした場合
の利点は、ヨーク空隙に対する永久磁石の漏れ磁場の影
響を小さくできることである。図１に示した磁石１個の
場合、永久磁石を軸方向に対して９０°方向に向けた
時、空隙磁場強度は０となる。しかし、磁石の磁極面が
空隙方向を向いているため、該磁石と空隙空間の距離が
近い場合、該空隙空間に永久磁石よりの漏洩磁場が発生
し、完全に磁場が０にならない場合がある。

【００２９】これを防ぐには、永久磁石と空隙空間の距
離を広げる必要がある。しかし、この場合、使用ヨーク
重量が増し、磁気回路が大型になる。一方、磁石２個を
使用する磁気回路では、磁石の動きは少し複雑になる
が、一方の磁石を回転する時、常に磁石−磁石間の磁路
が存在するため、磁石−空隙間の磁気抵抗の高い方向に
磁束が漏れることは少ない。

【００３０】したがって、磁石が９０°方向を向いた時
も、磁石から空隙への磁束の直接漏洩は少なく、確実に
空隙空間の磁場強度を０にできる。磁石２個を使用する
場合、既に述べたように基本的に３通りの回転モードが
存在するが、磁石を同時に同方向に回転することは、上
記のような理由で好ましくない。

【００３１】磁石の個数は、１個の場合と２個の場合に
ついて開示したが、勿論３個以上でもよい。

【００３２】上記のように永久磁石を回転することによ
り起磁力を可変にするだけでなく、永久磁石をヨーク軸
にほぼ垂直方向に挿入・引き抜きして、起磁力を変化さ
せてもよい。例えば図１に示した可変磁場型磁気回路に
おいて、永久磁石２の磁場方向が直線部１ａに平行な方
向右向き又は左向きに固定されていて、直線部１ａに垂
直な方向に移動可能な構成にすればよい。

【００３３】ただし、磁石が１個だけの場合、磁石全体
が一方向に着磁されている磁石の抜き差しだけでは、磁
場強度は変えられるが、磁場方向（極性）を変えること
は困難である。この場合、１個の磁石を右方向と左方向
の２極に着磁し、該磁石を挿入・引き抜きして直線的に
変化させれば、磁場強度と極性を変化させることが可能
である。また、磁石が２個以上の場合は、回転型の磁石
と同様に幾つかの駆動モードが考えられるが、各磁石を
同時に又は個別に移動することにより、磁場強度と磁場
極性を変化させることが可能である。

【００３４】永久磁石の回転・移動はモータ等で駆動す
ればよく、駆動源は電気、油圧、空圧等、特に限定され
ない。なお、モータで駆動する場合、モータで直接磁石
を駆動してもよいし、減速機を入れてモータの必要トル
クを下げてもよい。また、複数個の磁石を使用する場
合、１個のモータで回転することも可能であるが、磁石
それぞれを複数個のモータで回転する方が、各磁石を精
密に回転制御可能なので望ましい。

【００３５】上記可変磁場型磁気回路は、磁気回路とし
てみた場合、起磁力発生源がコイルではなく永久磁石で
ある点以外は基本的に電磁石と同一構成である。したが
って、電磁石と同一の使用方法が可能である。発生磁場
が同一のとき、起磁力源として永久磁石を使用した方
が、磁気回路の大きさが小さくできる。また、電力を消
費しないため、熱発生を心配する必要がなく、経済的に
も優れている。ただし、普通に空隙中に発生可能な磁場
強度は、空隙距離にも依存するが、概ね最大で１Ｔ程度
である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、磁場
強度可変で磁場方向且つ極性反転が可能な可変磁場型磁
気回路が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変磁場型磁気回路の一実施形態を示
す斜視図である。

【図２】図１の可変磁場型磁気回路の磁場可変動作を示
す説明図である。

【図３】本発明の可変磁場型磁気回路の他の実施形態を
示す斜視図図である。

【図４】図３の可変磁場型磁気回路の磁場可変動作を示
す説明図である。

【図５】従来の可変磁場型磁気回路の一例示す説明図で
ある。

【図６】図５の可変磁場型磁気回路における空隙間距離
と磁場強度の関係を示すグラフである。

【図７】二重ダイポールリング磁気回路の一例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１，１１ 磁性ヨーク １ａ，１１ａ，１１ｂ 直線部 ２，１２，１３ 永久磁石 ４，１４ 空隙

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転又は移動可能に設けられた永久磁石
   と、途中で該永久磁石を挟み込む直線部を有し、且つ他
   の所定位置に空隙を有する磁性ヨークとから成り、前記
   永久磁石を回転又は移動させることにより前記磁性ヨー
   クの前記空隙に発生する磁場を可変にすることを特徴と
   する可変磁場型磁気回路。
2. 【請求項２】 前記磁性ヨークが複数個の永久磁石を並
   列に挟み込む複数の直線部を有し、各永久磁石の回転位
   置又は移動位置を調整することにより前記空隙に発生す
   る磁場を可変にすることを特徴とする請求項１記載の可
   変磁場型磁気回路。
3. 【請求項３】 前記永久磁石は円柱状をなし、磁化方向
   が円柱軸に対して垂直であり、且つ前記磁性ヨークの前
   記直線部に対して垂直な円柱軸を中心にして回転可能に
   設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の
   可変磁場型磁気回路。
4. 【請求項４】 前記永久磁石は前記磁性ヨークの前記直
   線部に平行な方向に磁化されており、且つ前記直線部に
   垂直な方向に移動可能に設けられていることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の可変磁場型磁気回路。