ハルバッハ配列 (ハルバッハ配列) 磁石アセンブリ: 設計、公差、および調達ガイド

ハルバッハ配列は、各磁石が隣の磁石に対して約 90 度回転する永久磁石アセンブリであり、一方の面に磁束を集中させ、もう一方の面では磁束を打ち消します。特別な材料は必要ありません。標準の焼結 NdFeB セグメントが機能します。 「hallbach array」を検索した場合は、同じジオメトリが表示されます。スペルが異なるだけです。

前もっての実際的な答えは、同じ磁石の体積の場合、適切に構築されたハルバッハ配列は、従来の平行磁化ブロックよりも多くの利用可能な磁束をエアギャップに入れ、バックアイアンをほとんどまたはまったく必要としないということです。コストは、部品数、方向の公差、および組み立ての労働力として支払われます。従来の設計で 4 つのブロックから構築されたローターは、ハルバッハ バージョンで同じエンベロープを満たすために、個別に配向された 32 個のセグメントが必要になる場合があります。

次に、ローテーション ルール、パフォーマンスを決定するパラメータ、追加コストが正当化されるアプリケーション、および組立ベンチでプロトタイプが失敗しないようにするためのチェックについて説明します。

ハルバッハ配列の仕組み

ハルバッハ配列が機能するのは、各セグメントを 90 度回転すると磁束ベクトルが作用面で強化され、背面で相殺されるためです。

アレイの幅全体にわたって 0°、90°、180°、270° で磁化された 4 つのセグメントを連続して取得します。上面では、すべてのセグメントの垂直コンポーネントが同じ方向を指すため、4 つの寄与が合計されます。底面では、これらの同じコンポーネントが表面から離れる方向を向いている一方で、水平コンポーネントは逃げずに隣接するセグメントを通ってループを閉じます。バックから出る光束はほとんどありません。

実際のローテーション規則

実際のアレイでは、極ごとに 4 つのセグメントで停止することはほとんどありません。セグメントが増えると、より滑らかで正弦波状のフィールドが得られますが、セグメントごとに接着ジョイント、処理手順が追加され、方向エラーが発生する可能性がさらに高まります。

• 極ごとに 4 つのセグメント: 最も単純な構造で高調波が強く、カップリングや単純なセンサーに適しています。
• 極ごとに 8 つのセグメント: ブラシレス モーターと磁気カップリングの通常の妥協点。
• 極あたり 12 以上: 最も滑らかなフィールド。コギング トルクを低く抑える必要がある場合、またはセンサー トラックが正確である必要がある場合に使用されます。

ローター設計にとっての意味

背面には磁場がほとんどないため、ハルバッハ ローターでは、厚いスチール ヨークの代わりに、薄い非磁性スリーブや軽量の保持リングを使用できることがよくあります。これにより、回転アセンブリから質量と直径が除去され、スチールヨークが生み出す磁気吸引力も除去されるため、ダイレクトドライブ設計でのベアリングの選択が簡素化されます。

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ハルバッハ アレイと従来の磁石アレイの比較

キログラムあたりのコストよりも片面の質量単位あたりの磁束が重要な場合は、ハルバッハ配列を選択します。部品数、組み立て時間、単価がプロジェクトを決定する場合は、従来の並列アレイを選択してください。以下の比較では、同じグレードと同じ全体的なエンベロープを前提としています。これがトレードオフを判断する唯一の公正な方法です。

性能を決定する設計パラメータ

ハルバッハ アレイが意図したとおりに動作するかどうかは、極ごとのセグメント、磁化角度の許容差、グレードと温度クラス、機械的保持、表面保護の 5 つのパラメータによって決まります。

• 極ごとのセグメント。 サプライヤーが生産できるものではなく、アプリケーションにカウントを一致させます。 1 極あたり 8 個がモーターの健全なデフォルトです。多くの場合、カップリングには 4 つで十分です。
• 角度の許容差。 誤差は平均化されません。ハルバッハ パターンでは、レイアウトが依存する補強を部分的にキャンセルするため、ずさんな角度を持つスタックは、同じ質量の単純なブロック配列よりも弱くなってしまう可能性があります。
• グレードと温度クラス。 N42 と N45 が一般的な開始点であり、動作温度が上昇すると H、SH、または UH グレードになります。室温ではなく、磁石が感知する最も熱い点で磁束を評価します。の 公表されている減磁曲線 は正しい参照です。
• 保持。 焼結 NdFeB は脆く、アレイは個別に配向されたピースのセットであるため、衝撃や熱サイクルに耐えるためには、ポケット、エポキシ、保持スリーブ、またはその組み合わせが必要です。
• 表面保護。 ニッケル-銅-ニッケル、亜鉛、エポキシ、およびリン酸塩のコーティングは、塩水噴霧と接着接合部では異なる挙動を示します。この詳細は、いくつかの磁石面が周囲の構造に露出したままの場合、通常よりも重要になります。

ハルバッハ配列が使用される場所

ハルバッハ アレイは、片面磁束、低いローター質量、または滑らかな磁場が追加の組み立てコストに見合う価値がある場合に選択されます (モーター、カップリング、ベアリング、センサーが最も多く使用されます)。

• ブラシレスモーターとスロットレスモーター。 片面磁束により、ローター壁が薄くなり、有効エアギャップが大きくなり、コギングが減少し、効率が向上します。素材は他のものと同じです NdFeBモーターマグネットの応用 ;方向だけが変わります。
• 磁気カップリングとギア。 向かい合った 2 つのハルバッハ リングは、シャフト シールのないバリアを介してトルクを伝達します。
• 磁気軸受と浮上。 キャンセルされた背面により、浮遊磁束が隣接する構造やセンサーから遠ざけられます。
• 位置センサーと計器。 正弦波磁化パターンにより、エンコーダとレゾルバにクリーンで再現可能な信号が得られます。
• 医療および航空宇宙用アクチュエーター。 質量とエンベロープが厳しく制限されている場合、鉄を元に戻すことで節約された重量で組み立てコストを正当化できます。

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公差、組み立ておよび調達のリスク

初めて購入する人のほとんどが陥る失敗は、磁石のグレードではありません。それは角度誤差、接着剤ラインのばらつき、および取り扱いによる損傷であり、これらはすべてアセンブリが接着され測定された後にのみ現れます。

• 角度誤差が蓄積されます。 極あたり 8 つのセグメントのそれぞれに 2 度の誤差があると、磁界パターンがシフトして作業面でのピーク磁束が減少する可能性があります。
• 接着線はスペースを消費します。 接着されたセグメントはアクティブな磁石の体積を減少させるため、計算された性能では接着剤の厚さを考慮する必要があります。
• 取り扱いは本当に危険です。 部分的に組み立てられたアレイは鋼鉄の表面に強く引き付けられ、指を挟んだり、部分が粉々になったりする可能性があります。
• 接着後に確認します。 作業面のガウス測定値は、組み立て後に方向性が残っているかどうかを最も早く確認する方法であり、外側半径の寸法チェックによって、アセンブリがまだスリーブに適合するかどうかを確認します。

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ハルバッハ アセンブリを指定する方法

ハルバッハ アセンブリを指定するには、必要なフィールドとそれが存在する環境を説明し、サプライヤーに形状、グレード、セグメント数を提案してもらいます。

1. 測定点が定義された、作業面の磁束またはエアギャップフィールドのターゲット。
2. エアギャップと周囲の構造: スチール、アルミニウム、または複合材。
3. 最大外径、軸長、ローター質量の制限。
4. 最悪の場合のストール状態を含む動作温度範囲。
5. 湿気、塩分、油、冷却剤、または真空にさらされる。
6. 予想される年間生産量と推奨される組み立て方法。

社内にオリエンテーションと磁化の能力を備えたメーカーは、通常、セグメント数と推奨グレードを 1 回のラウンドで回答できます。これは、拒否されたプロトタイプから回答を見つけるよりもコストがはるかに低くなります。

よくある質問

ハルバッハ配列は通常の磁石より強いですか?

一方の面ではより強く、もう一方の面ではほぼ中立です。従来の磁化材料の同じ体積に対して、作業面はより多くの磁束を運びますが、これはすべてのセグメントが正確に配向されている場合に限ります。

ハルバッハ配列には磁石が何個必要ですか?

極ごとに 4 つのセグメントが最小限の有用なパターンです。モーターの場合は極ごとに 8 個が一般的ですが、滑らかな正弦波磁場が必要な場合は 12 個以上が選択されます。総個数には極の数を掛けます。

標準的な NdFeB ブロックから構築できますか?

はい。標準的な長方形および円弧セグメントが日常的に使用されます。アレイは形状ではなく磁化の方向によって定義されます。円弧セグメントは円筒形ローターの接着剤の接合部を減らし、ブロックは安価で入手が容易です。

ハルバッハ配列にはバックアイアンが必要ですか?

通常はそうではないか、薄い保持スリーブのみです。バックフェースがほぼキャンセルされているため、ヨークを通って戻る磁束はほとんどなく、軽量化のほとんどはそこから来ています。

ハルバッハアセンブリのコストが高くなるのはなぜですか?

より多くの部品、より厳しい角度公差、専用の磁化固定具、およびより多くの組み立て労力が必要になります。材料費は同様かもしれません。加工費はかかりません。

ハルバッハ アレイは、ジオメトリを使用して、厚い磁石や重いヨークが実行しなければならない仕事を実行します。セグメント数、角度公差、温度クラスを適切に設定することで、より軽量で効率的な磁気回路が実現します。それらを間違えると、アセンブリは正しく見える一方で、静かにパフォーマンスが低下します。