ハルバッハ配列な日々

    

　　　　　４１　　　損して得とれ　／　山沢損（さんたくそん）

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　   

  
　　　　　　　　※　損とは、損減、損失のことであるが、単なる損害ではなく、
　　　　　　　　　　むしろ奉仕という言葉に近い。自分の力をさいて、他人に
　　　　　　　　　　与える。社会に奉仕することである。一文の得にもならぬ
　　　　　　　　　　ぬことをと、まわりから嘲笑されながらも、一念を貫き通
　　　　　　　　　　す、これが「損」の道である。それを単なる損失と見るか、
　　　　　　　　　　喜びを見出すかは、その人間の精神にかかかる問題である。
　　　　　　　　　　大目的のために小欲を捨てる、損して得をとる、愛するも
　　　　　　　　　　ののために自己を犠牲にする。つまり目先の利益を捨てて、
　　　　　　　　　　遠い未来をからとることが大切である。卦の形は、山（艮）
　　　　　　　　　　のふもとの沢（兌）、沢がおのれを低くしてこそ、山はよ
　　　　　　　　　　り高くなる。

 

【ハルバッハ配列磁界の応用展開】

今夜は、風見鶏ならぬ風力翼（Wind Vane）の制動システムへのハルバッハ配列磁界の応用展開として、下記
特許事例を考察する。これにより、突然の強風や風向変化や凍結による、主に垂直型風力発電システムのリ
スクを回避回避し、高性能なスマート風力タービンの実現に役立てる。

●　特許事例：US 9291637B2　System and method for damping a wind vane
　　　　　　　　　　　　    　風力翼を減衰させるためのシステムおよび方法

風身鳥とも呼ばれる風力翼（Wind Vane）は、一般的に、風の方向を決定するように構成される。全
てではないが、大部分のタイプの風車は共通の構成要素を共有し、風向きを決定する際に同様の方法
で動作する。例えば、風車は、回転部分と静止部分とで構成される。回転部分は、尾部に結合された
ヘッドで構成、静止部分は、基部で構成、頭部および尾部は、基部に対して垂直な回転軸を中心に（
すなわち、垂直な平面に平行な方向回転軸に対し）回転する。

風力翼は、空気力学的に風と整列し構成する。特に、回転部は風向きの変化に応じ移動（例えば、回
転）するように構成。静止部分と回転部分との間の角度位置の差は風向に対応する。風車は様々な用
途に使用できる。例えば、風力エネルギー分野では、風力タービン制御システムに含まれる。これら
のタイプの風車は、タービン制御風車と呼ばれ、風力タービンは、風力の強い地域で使用され、瞬時
に方向を変える強風の影響を受ける。風力タービンが常に最大風力を受けるために、風力タービンの
運動は、タービン制御システムで制御でき、タービンの最も効率的な最大エネルギーを得る位置の決
定の際に、例えば風速および風向などの様々な風力パラメータを考慮する。

このように、タービン制御システムは、風力タービンの最適配置決定に、風向表示のための１つ以上
のタービン制御ベーンから構成される。タービン制御翼を含む風力翼の共通の特徴は、風向きが変化
したときに、回転部分が風向きを指す前に、回転軸が垂直軸を中心に数回振動する。さらに、乱気流
は、回転部分が風ベクトルに対しオフラインに位置付けされ、ある時間ずれを生じる。

例えば、運転中、タービン制御ベーンは、突風、風向の突然の変化などにより妨害され、タービン制
御ベーンを揺動させ制御不能に状態に陥る可能性がある。例えば、タービン制御ベーンは、風力ター
ビン上に配置しても、風力タービンロータの後流で動作させてもよい。このように、タービン制御ベ
ーンは、風速および方向が著しく迅速に変化し得る乱流にさらされ得る。その結果、激しく揺動し、
時には１回転することもある。タービン制御風力翼に結合され通信するタービン制御システムは、風
力タービンの適切な位置決めに、タービン制御風力翼からの指向性データに依存させもよい。

タービン制御風力翼が制御不能な場合、風力翼は、タービン制御システムにある許容誤差を超えて出
力誤差を与える可能性があり、そのデータの受信により、制御システムは、安全対策として風車を停
止するように構成されてもよい。より具体的には、タービン制御ベーンの制御不能な揺れには、風車
が現在の位置で動作し続けることが許される場合、風車を損傷させる可能性のある強風、風力翼の制
御不能な回転は、摩耗を増加させ、ベーン寿命を低下させる。

このように、タービン制御風力翼を含むいくつかの風力翼が、突風、風向変化などの外乱に対処する
ための減衰手段を有することができるが、現在の減衰手段にはいくつかの欠点――例えば、いくつか
の風車は、強風時に著しく減衰する場合があり、また微風状態で風車が応答しなくなる場合がある。
さらに、風力翼に組み込まれた加熱システムを無効にし、風力翼および風力タービンを氷結させる。

従って、この特許事例では、風力翼制動システムが、風車の少なくとも一部の回転運動を減衰させ、
渦電流が利用できる減衰構造体を有す。減衰構造体は、風速が急激に変化するのに対応するために、
風車の減衰を提供する。一方、風速が低風条件では正確な測定と応答が維持できるようにする。減衰
構造体は、風力翼の振動に対する感受性を低減し、風力翼の精度を向上する構成・構造及びその方法
を提示する。 

【実施形態】

この新規考案は、風車制動システムとその方法に関するものである。より具体的には、①風向を決定
し、②風向に対応する出力を風力タービン制御システムに伝達するように構成された風力翼を有し、
風力翼は、風力翼の少なくとも一部の回転運動を減衰させるように渦電流を誘導するように構成され
た減衰アセンブリを含む。本事例一致する減衰構造体は、風向きの急激な変化に対応するために風車
の減衰を提供する一方で、風向きが低風条件で正確な測定および応答を維持することを可能にする。
さらに、本開示と一致する減衰構造体は、風力翼の振動に対する感受性を低減し、それによって風力
翼の精度を改善することができる。

図１は、本開示に従う風力翼の図である。一般に、風力翼10は、静止部材14（以下、「ベース14」と
いう）に連結された回転可能な部材12を含むことができる。回転可能な部材12は、そこから延びる尾
部18を有する頭部16を有す。頭部及び尾部16,18は、基部14に対して、垂直軸線Aの周りに回転するよ
うに（垂直軸線Aに垂直な平面に平行な方向に回転）構成する。図示のように、垂直軸線Aは、頭部16
の中心を通って延びる。

また、動作中、回転可能部材12（頭部および尾部16,18）は、風向変化に応答して軸Aを中心として時
計回りおよび/または反時計回りの方向に移動（回転）するようにしてもよく、特に、回転可能な部
材12は、0°の範囲内で自由に回転できる。 360度 （すなわち、完全な回転）。ベース14と回転部材
12との間の角度位置の差は、風向きに対応し得る。

また、下図2及び図3は、上図1の風向羽根10の一部の分解図である。図示されているようにベース14
は、回転可能な部材12を支持するように構成された本体22を有す。本体22は、回転可能なヘッド12の
回転運動に基づいて風向を決定し、（例えば、風力タービン制御装置、プログラマブル論理制御装置
（PLC）、データロガーなど）に適用できる。特に、シャフト部材24は、本体22から垂直軸Aに沿っ
て延在してもよく、シャフト部材24は、回転部材12のヘッド部分16の一部分（すなわちボア25）をさ
らに貫通しこれに連結してもよい。図示の実施形態では、基部14は、本体22の一部分に結合されたヒ
ーター要素26をさらに含むこともできる。ヒーター要素26は、回転部材12および/または基部14を加
熱する（熱エネルギーを提供する）風力翼10が低温状態（すなわち、凍結温度以下の温度にさらされ
た風力翼10）で動作するように、風力翼10を配置することができる。回転部材12、具体的には頭部16
は、ベース14に隣接する底部に形成されたキャビティ28を含むことができる。キャビティ28は、風力
翼が組み立てられたときにベース14の一部を受けるように構成してもよい（基部14に結合された部材
12）。

特に、キャビティ28は、本体22のヒータ要素26およびシャフト部材24を受け入れるような形状および
/またはサイズにすることができる。加熱風車は、加熱風車の建設のために、加熱されていない風車
よりも高い慣性及びより低い空力減衰を有する。これらの特性は、アンダーダンピング（不足減衰・
制動）を悪化させる傾向がある。例えば、加熱された風力翼10の回転可能な部材12は、（相対的に高
い熱伝達率を有する）比較的高い密度を有する材料で構成されてもよい。回転部材12は、熱源から例
えば尾羽のような空力要素までの材料に沿った比較的短い距離で、厚い部分（すなわち、伝熱のため
の断面積がより大きい）とさらに構成してもよい。

その結果、加熱された風力翼は、平衡位置から所定の角度距離だけ比較的低いトルクを生成すること
がある。回転する構成要素の摩擦抵抗と組み合わせると、風の弱い状況では、加熱された風力翼が不
正確でありかつ/または応答しないことがある。さらに、比較的重いおよび/または回転軸と空気力学
的要素との間の比較的短い距離を有する風力翼は、微弱な空気力学的減衰特性を有す。

したがって、風向き羽根10は、低風条件での精度および応答性を犠牲にすることなく、回転可能な部
材12の回転運動を減衰させるように構成された減衰構造体30をさらに有すことができる。図示するよ
うに、減衰構造体は、第1の磁石アレイ32Aと、第1の磁気アレイアレイに対向する第2の磁石アレイ32B
とを有すことができる。図示されるように、磁石の第1のアレイは通常の位置（すなわち、本明細書
で詳細に説明されるハルバッハ配列）で示され、磁石32Bの第2のアレイは、第2のアレイ32Bに含まれ
る個々の磁石を示すために離間して描かれている。

減衰構造体30は、第1および第2の磁石アレイ32A、32Bがそれぞれの磁界を投影する固定導電体部材26
をさらに含むことができる。 図示された実施形態では、加熱素子26は導電性材料を含むことができ、
したがって、導電部材26（以下、「導電体26」という）として機能する。 他の実施形態によれば、
この開示と一致する風力翼は、加熱器部材から分離した導電性部材を有することもある。 さらに、
いくつかの実施形態によれば、本開示と一致する風力翼は、加熱素子を含まなくてもよい。

現在および第2の磁石および磁石のアレイ32A、32Bは、回転可能な部材12のヘッド部分16内で調整で
きる。特に、第1および第2のアレイ32A、32Bは、回転部材12のキャビティ16の内周に沿って画定され
た対応する凹部33A、33B内で決定されてもよい。減衰構造体30 30は、第1および第2の磁石アレイ32A、
32Bをリング部材34などの追加の凹部33A、33B内に保持する手段をさらに含むことができる。図示さ
れているように、第1および第2のアレイ32A、32Bは、頭部16の内周の少なくとも一部に分布していて
もよい。第1および第2のアレイ32A、32B内の各磁石は、円周方向導体26に対して垂直であり、渦電流
減衰を生じさせるための所与の回転量に対して導体26の導体材料のサイズより大きい長さLを有する
ことができる 詳細については、ここで説明する。

電界強度を高めるために、磁石32A、32Bのの数および/または第1および第2の磁石配列磁石の大きさ
を増加することで調整することができる。また、磁性材料には、ネオジミウム鉄ホウ素、サマリウム
コバルトおよびアルニコが含まれ得るが、これらに限定されない。磁石材料は、少なくとも部分的に
は、磁場強度、耐食性、コスト、温度抵抗、組み立ての容易さおよび/または入手可能性に関して選
択することができる。

減衰構造体30は、風向計10に低風状態での正確な測定と応答の維持のために、一方風向の急激な変化
に適応するように回転部材12の回転運動を減衰するために、渦電流を利用できるように構成されても
よい。十分に渦電流を使用し減衰制動するには、できるだけ多くの導電性材料に強い磁場生成できる
することが望ましい。（低磁場で）磁場を導体26の中に及び/又は導体26を通して（磁場を形成）投射
するおとも有す。運動の大きさ（回転）の変化を作り出すことが望ましいことがある。また、旋回す
る、近くのデバイスからの風力翼10への影響を最小限に影響を最小限にするように風力翼10に少し磁
場を生成することが望ましい場合もある。

これは、導体26の周りの１回転の間に磁場強度および極性を実質的に変化させるように構成された磁
場パターンにより達成し得る。適切な断面（例えば、厚さ）の高導電性材料を使用し、中断されてい
ない電気経路を用いて、導体26の導電率を最大にすることがに望ましいことがある。例えば、導電性
材料は、アルミニウム、銅、銀及び金を含むことができるが、これらに限定されない。

比較的強い磁場は、例えば、風力翼10の外側の強磁場が、風力翼センサに磁性材料を引き寄せ、回転
部材12内またはその上に位置するセンサ磁石を、近くの他の品物に引き付けることもできる。このよ
うな引力は、センサが風ではなくこれらの他の品目に応答している可能性があるため、センサの精度
を低下させる可能性がある。シールドはこれらの影響を低減できるが、比較的大量のシールドを使用
しなければ効果的ではない場合がある。さらに、構成に応じて、回転部材12への熱伝達は、これらの
設計選択肢のうちの１つ以上によって損なわれる可能性もある。

上図４は、本開示に一致する磁石のハルバッハ配列の一実施形態の斜視図である。また、上図５、図
１の磁石の円形ハルバッハ配列の磁束パターンを示す図である（図２を参照）。図４に示すように、
ハルバッハ配列40は、所望の磁場形成の提供に利用され、風力翼10の外部の磁場を制限することがで
きる。前述したように、例えば、磁石32A、32Bの第1及び第2配列は、ハルバッハ（Halbach）配列に
配置されてもよい。当業者によって一般に理解されるように、ハルバッハ配列は、アレイの反対側に
不等磁界を提供するように構成することもできる。ハルバッハ配列は、アレイの一方の側でそのフィ
ールドを制限するので、反対側のアレイに垂直な強いフィールドを投影しながら一方の側で遮蔽する
必要性を排除することもできる。例えば、図５に示すように、図４では、磁石41（1）－41（n）のハ
ルバッハ配列40がリング形態で示されている。しかしながら、本開示と一致するハルバッハ配列、例
えば、半円形、曲線状、棒状、シート状など、用途に応じて様々な形状および/または寸法を有すこ
もできることを留意すべきである。

図示されているように、配列内の各磁石41（1）－41（n）（以下、説明の便宜上、「磁石41」と呼ぶ
）の磁気配向は矢印で示されている。 矢印の頭はN極を示し、矢印の尾は各磁石41のS極を示す。図
示のように、アレイ内の各磁石41は、各磁石の向きがアレイ内の隣接する磁石41の向きと直角になる
ように配置することができる。図示された磁石41の向きによれば、リングの中心Cに向かって、矢印
（インナー）によって示されるように、比較的強い磁場が内半径方向に生成され得る。

リングの外面から矢印（外）で示されるように、比較的弱い磁場が、半径方向の外側に生成され得る。
図2を参照する。 図５に示すリングハルバッハ配列40の磁束パターンは、図４に示す。前述したよう
に、第1および第2の磁石アレイ32A、32Bは、 図４および図５に示すように、ハルバッハ配列であっ
てもよく、導体14がベース14（静止部分）上に配置された状態で、風力翼10の回転可能な部材12に配
置されてもよい。

別の実施形態では、ハルバッハ配列40の磁石41のいくつかの向きを逆転させ、ハルバッハ配列40の内
側および外側半径方向の磁場の強度を逆転させることができる。特に、図１のハルバッハ配列40に関
して、図４に示すように、円周方向に磁化された各磁石（例えば、41（1）および41（3））の磁場の
向きが逆転している間に、ハルバッハ配列40の各半径方向に磁化された磁石（例えば41（2）および
41 ）は、変化しない。 第１および第２のアレイ32A、32Bにおける放射状に磁化された各磁石の向き
が逆転すると、比較的弱い磁界が内側半径方向に生成され、比較的強い磁界が外側半径方向に生成さ
れ得る。この実施例（半径方向に磁化された各磁石の向きを反転させる）によれば、磁石32A、32Bの
第1および第2のアレイは、風羽根10のベース14（静止部材）の一部に配置されてもよく、導体26は、
回転部材12の一部に配置されている。

この例を続けると、導体26が第1および第2のアレイ32A、32Bと磁極片との間に位置するように、磁極
片（図示せず）を配置することができる。磁極片は、外部磁場を低減および/または最小にするように
構成されてもよい。

上図６は、図４の風力翼の部分断面斜視図である。図示のように、第１および第２の磁石アレイ32A、
32Bは、頭部16の空洞28の内周の一部に沿って配置されてもよい。 第１および第2のアレイ32A、32B
の磁石のそれぞれは、永久磁石であってもよく、ベース14上に配置された導体26に関連する磁界を投
影するように構成されてもよい。前述したように、磁石の第1および第2のアレイ32A、32Bはハルバッ
ハ配列であってもよい。

少なくとも第１のアレイ32Aの各磁石の磁化方向が示されている。 他の実施形態では、第１および第
２のアレイ32A、32Bをベース14（固定部材）上に配置し、導体26を回転可能部材12上に配置すること
ができることに留意されたい。ベース14上に配置された固定された第1および第2の磁石アレイ32A、
32Bの周りを回転する。したがって、上述したように、第1および/または第2のアレイ32A、32Bの磁石
のうちのいくつかの磁石の向きは、逆転されてもよい。より具体的には、半径方向に磁化された磁石
の磁場の向きは、周方向に磁化された磁石の磁場の向きが同じままである間に逆転されてもよい。

上図７は、図３の風力翼10の回転可能な部材12およびベース14の部分断面斜視図である。図１には、
減衰アセンブリ30によって供給される磁束36および渦電流38が示されている。図示のように、回転部
材12のヘッド部分16が基部14に対して回転すると（矢印20で示す）、第1および第2の磁石アレイ32A、
32Bにより生成された磁界（磁束36）によって、導電性材料26の一部の磁界強度および方向を変化さ
せる。変化する磁場は、導体26内に流れる電流（矢印38で示す渦電流）を誘起することができる。

より具体的には、渦電流38は、第1および第2のアレイ32A、32Bの磁石（Lenz 'Law）の磁場（すなわち
磁束36）に対抗する第2の磁場（図示せず）を生成することができる。これにより、第2の磁界は、第1
及び第2のアレイ32A、32Bの磁石の運動に対抗し、回転部材12のヘッド部分16の運動に対抗し、渦電
流ダンピングを生じ得る。 誘導された渦電流38は、ベース14に対するヘッド部分16の回転に対抗し、
それによりベース14に対するヘッド部分の角速度に比例する減衰を提供する。言い換えれば、減衰に
より提供される減衰組立体30は、ベース14に対する回転部材12の回転速度に比例する。 渦電流38に
よりて生成される「抗力」は、回転部材12の回転速度に比例し、零回転速度でゼロに減少するように
構成される。従って、回転速度依存抗力は、低風速方向感知精度に影響を及ぼさず、比較的高い風速
で羽根旋回を減衰させる可能性がある。

また、上図8Aおよび図8Bは、所与の風速において従来の風車（ハルバッハ・アレイを有さない風車）
の減衰を示す大きさおよび位相対周波数のプロットである。また、図9Aおよび9Bは、下図9の風力翼
の減衰を示す大きさおよび位相対周波数のプロットである。 （ハルバッハ配列を有する）図１の従
来の風羽根と同じ風速で、図8Aおよび図8B。この事例と一致する減衰構造体のない従来の風力翼は、
約18dBの共鳴ピークを有する0.5と1Hzとの間の固有共振をもたらす。本開示と一致する減衰構造体
を有する風ベーンは、約5dBの共鳴ピークを生じる。他の風速でも同様の利点が生じる。

上記のいくつかの実施形態では、回転可能部材のヘッド部分にハルバッハ配列を配置し、導体をベー
スに配置したことに留意されたい。他の実施形態では、ハルバッハ配列をベースに配置し、導体を回
転可能部材のヘッド部分に配置した。ヘッド部分に配置されたハルバッハ配列を有する実施形態では、
外部磁場は、一般に、磁極片を使用せずに低減および/または除去された。しかし、この実施形態は、
風ベーンの非回転部分上の磁性材料に敏感であり得る。

換言すれば、磁石は磁性材料と整列する傾向があり、そのような整列傾向は低風速精度に悪影響を及
ぼすことがある。ベース内の磁石を回転部材内の導体材料で位置決めすることにより、磁性材料に対
する感度を低下させることができる。 しかしながら、ベースに配置されたハルバッハ配列は、磁極
片が使用されない場合には比較的減衰が少ない。このように、外部磁場を低減および/または排除す
るために、磁極片を有することができる。磁極片を使用することにより、導体の電場強度を高めるこ
とができ、および/または漂遊磁場を低減することができる。

 

  ●　今夜の一曲

 モーツァルト: フルート四重奏曲 Flute Quartet, in D, K.285

フルート四重奏曲は、ヴォルフガング・アマデウス・モーツァルトが作曲した室内楽曲で、全部で４
曲残されているフルート四重奏曲のうち３曲はマンハイムで書かれている。第１番が有名。1777年9
月、21歳のモーツァルトは職探しの目的でパリへの旅行へ、その途次、長期間滞在したマンハイムに
は、当時のヨーロッパで有数の宮廷オーケストラ。モーツァルトはこのオーケストラへの就職を希望
したが、成功せず、このオーケストラの名フルート奏者ヨハン・バプティスト・ヴェンドリングとい
う人物と親交を結ぶが、ヴェンドリングは、オランダの裕福な商人フェルディナント・ドゥジャン（
ド・ジャンとも）をモーツァルトに紹介する。音楽愛好家で、自身もフルートを吹くというドゥジャ
ンは、モーツァルトに200フローリンで「小さくて軽く短い協奏曲を3曲と四重奏曲を何曲か、フルー
トのために作って」くれるように注文。少しでも収入が欲しかったモーツァルト。これに応じ、結局
出来上がったのはフルート協奏曲第１番、第２番と３曲のフルート四重奏曲であった。しかし約束が
違うということで、報酬は当初の話の半分以下の96フローリンにされている。

【楽曲構成】

ドゥジャンのための３曲の四重奏曲の最初のもので、1777年12日25日に完成された。４曲中最も有名
な作品である。

• 第１楽章  アレグロ：ニ長調、4分の4拍子、ソナタ形式、フルートが輝かしく縦横無尽に活躍。
• 第２楽章  アダージョ：ロ短調、4分の3拍子、３部形式、弦のピッツィカートの上にフルート
  　　　　　の 情緒纏綿たる悲歌が流れる。そのまま次の楽章に移行する。
• 第３楽章  ロンド：ニ長調、4分の2拍子、ロンド形式。精力的な楽想が連続する楽章。
  
  
  

●　常在戦場時代：スウェーデン再徴兵制に

　Mar. 3, 2017 CNN

 

スウェーデン政府は2日、2010年に廃止していた徴兵制を復活させると発表した。18歳の男女を対象
に来年から兵役に就かせる。ロシアがバルト海（Baltic Sea）周辺で活動を活発化させるなど、世界
的な安全保障環境の変化に対応する。 

ペーテル・フルトクビスト（Peter Hultqvist）国防相はAFPに対し「ロシアが（ウクライナの）クリミ
ア（Crimea）を併合した現状がある」と指摘。さらに「ロシアはわが国のごく近傍での演習を増やし
ている」と警戒感を示した。スウェーデンは現代的な軍に必要な条件を満たせないとみて2010年に
徴兵制を廃止。志願制に切り替えていた。 

今年7月1日から、1999年以降に生まれた男女全員が徴兵対象となる。スウェーデンで徴兵制が女性に
も適用されるのは初めて。兵役に就くのは来年1月1日からで期間は11か月。　7月1日以降、1999年以
降生まれの国民は全員連絡を受け、質問票への回答を求められる。回答内容に基づいて1万3000人が
招集され、毎年4000人ずつ徴集される（AFP Mar. 3.,2017）。