JP2007165660A - Designing method of magnetic field generating device, air-core motor, electromagnetic oscillator and multi-layer coil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界発生装置、空心モータ、電磁加振装置及び多層コイルの設計方法に係り、特に、多層コイルを用いて磁界を発生する磁界発生装置、空心モータ、電磁加振装置及び多層コイルの設計方法に関する。 The present invention relates to a magnetic field generator, an air core motor, an electromagnetic vibration device, and a multilayer coil design method, and more particularly, to a magnetic field generator, an air core motor, an electromagnetic vibration device, and a multilayer coil that generate a magnetic field using a multilayer coil. It relates to the design method.
超電導磁気浮上式鉄道において、超電導磁石の性能評価に関して多くの試験が行われ、その１つとして電磁加振試験がある。電磁加振試験は、主として現車試験前に超電導磁石の基本性能を確認するものである。具体的には、超電導磁石に対向した電磁加振コイルに走行時と同様な高調波磁界を発生させ、その時の超電導磁石のＡＣ損失（交流損失）、各部振動、そして振動に伴う発熱を評価する。 In the superconducting magnetic levitation railway, many tests are performed regarding the performance evaluation of the superconducting magnet, and one of them is an electromagnetic excitation test. The electromagnetic excitation test mainly confirms the basic performance of the superconducting magnet before the current vehicle test. Specifically, a harmonic magnetic field similar to that generated during traveling is generated in the electromagnetic excitation coil facing the superconducting magnet, and the AC loss (alternating current loss) of the superconducting magnet at that time, each part vibration, and the heat generated by the vibration are evaluated. .
このような電磁加振試験を行うため、磁気支持電磁加振装置及び加振方法が提案されている（特許文献１を参照。）。この電磁支持加振装置は、加振対象に対向して平面的に配置される多相コイルであって、各相のコイルが互いに極性の異なる２以上のコイルから形成されている電磁加振コイルと、電磁加振コイルに対して加振対象の電磁支持力に応じた直流分と電磁加振力に応じた交流分とを含んだ電流を通電する通電制御手段とを備えている。これにより、超電導磁石及びそれを搭載する台車等の加振対象を定置にて磁気支持するとともに、１種類の電磁加振コイルにて電磁加振と磁気支持の両方を行っている。
現在、このような電磁加振装置に対して、表層コイル及び裏層コイルからなる２層構造の電磁加振コイルを用いて、電磁加振の等価性向上及び高機能化を図ることが検討されている。 At present, it is considered to improve the equivalence of electromagnetic excitation and to improve the function by using an electromagnetic excitation coil having a two-layer structure consisting of a surface layer coil and a back layer coil for such an electromagnetic excitation device. ing.
しかし、表層コイルと裏層コイルは所定距離隔てて互いに対向しているため、超電導磁石位置における表層コイルの起磁力分布と裏層コイルの起磁力分布が異なってしまう。そのため、超電導磁石位置において磁界歪みが発生し、その結果、不要な波長の磁界が生じ、電磁加振と実走行の等価性を損ねる問題がある。 However, since the surface layer coil and the back layer coil face each other at a predetermined distance, the magnetomotive force distribution of the surface coil and the back layer coil at the superconducting magnet position are different. Therefore, magnetic field distortion occurs at the position of the superconducting magnet, and as a result, a magnetic field with an unnecessary wavelength is generated, and there is a problem that the equivalence between electromagnetic excitation and actual traveling is impaired.
また、同様の理由により、超電導磁気浮上式鉄道の推進系などに適用される複数層の電機子コイルを有する空心構造のモータにおいても磁界歪みが発生し、その結果、推力脈動（コギング）、騒音、渦電流損失が生じる問題がある。 For the same reason, magnetic field distortion also occurs in air-core motors with multiple layers of armature coils applied to superconducting magnetic levitation railway propulsion systems. As a result, thrust pulsation (cogging), noise There is a problem that eddy current loss occurs.
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、多層コイルの層変位に起因する磁界歪みを低減する磁界発生装置、空心モータ、電磁加振装置及び多層コイルの設計方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed to solve the above-described problems, and includes a magnetic field generator, an air core motor, an electromagnetic excitation device, and a multilayer coil design method for reducing magnetic field distortion caused by layer displacement of the multilayer coil. The purpose is to provide.
本発明の磁界発生装置は、複数層の巻線コイル列で構成される空心構造の多層コイルにより磁界を発生する磁界発生装置であって、前記複数層の巻線コイルのうちのいずれか１層の第１の巻線コイルと、前記複数層の巻線コイルのうちの第１の巻線コイルと異なる層の第２の巻線コイルと、前記第１の巻線コイルに電流を供給する第１の電流供給手段と、前記第２の巻線コイルに電流を供給する第２の電流供給手段と、を備え、前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するように、前記第２の巻線コイルの電流分布が形成されることを特徴とする。
The magnetic field generator of the present invention is a magnetic field generator that generates a magnetic field by a multi-layer coil having an air-core structure composed of a plurality of winding coil arrays, and any one of the plurality of winding coils. A first winding coil of the plurality of layers, a second winding coil of a layer different from the first winding coil of the plurality of layers of winding coils, and a first current for supplying current to the first winding
第１の巻線コイル及び第２の巻線コイルは、多層コイルを構成する巻線コイルのいずれかであればよく、多層コイルの中層にある巻線コイルであってもよい。そして、第１及び第２の電流供給手段は、それぞれ第１及び第２の巻線コイルに電流を供給する。 The first winding coil and the second winding coil may be any of the winding coils constituting the multilayer coil, and may be a winding coil in the middle layer of the multilayer coil. The first and second current supply means supply current to the first and second winding coils, respectively.
ここで、第２の巻線コイルを流れる電流の電流分布は、第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が第２の巻線コイルによって発生するように、形成される。 Here, the current distribution of the current flowing through the second winding coil is in the normal direction of the plane on which the first winding coil is arranged, and the position of the first winding coil and the second winding coil. In a half-open region after a position far from the reference position, a magnetic field equivalent to the magnetic field generated by the first winding coil is generated by the second winding coil.
したがって、上記発明は、第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、第１の巻線コイルにより発生される磁界と第２の巻線コイルによって発生される磁界とを一致させることができるので、磁界歪みを大幅に低減させることができる。 Therefore, in the above invention, the position in the normal direction of the plane on which the first winding coil is disposed and after the position farther from the reference position of either the position of the first winding coil or the position of the second winding coil In the half-open region, the magnetic field generated by the first winding coil and the magnetic field generated by the second winding coil can be matched, so that the magnetic field distortion can be greatly reduced.
また、第１の巻線コイル及び第２の巻線コイルの相対的な位置について、コイル列方向に変位していてもよい。この場合はコイル列方向の磁界分布について層変位に起因する磁界歪みを排除することができるので、磁界歪みを低減させることができる。 Further, the relative positions of the first winding coil and the second winding coil may be displaced in the coil array direction. In this case, the magnetic field distortion due to the layer displacement can be eliminated from the magnetic field distribution in the coil array direction, so that the magnetic field distortion can be reduced.
また、本発明の磁界発生装置は、第１の巻線コイルと、前記第１の巻線コイルに対向する第２の巻線コイルと、第１の巻線コイルに所定の電流を供給する第１の電流供給手段と、前記第２の巻線コイルに電流を供給する第２の電流供給手段と、を備え、前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第２の巻線コイルの位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するように、前記第２の巻線コイルの電流分布が形成されることを特徴とする。 The magnetic field generator of the present invention includes a first winding coil, a second winding coil facing the first winding coil, and a first current for supplying a predetermined current to the first winding coil. 1 current supply means, and second current supply means for supplying a current to the second winding coil, wherein the first winding coil is in the normal direction of the plane on which the first winding coil is disposed. The second winding coil generates a magnetic field equivalent to a magnetic field generated by the first winding coil in a half-open region after a position far from the position of the second winding coil. A current distribution of the winding coil is formed.
したがって、上記発明は、第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第２の巻線コイルの位置より遠い位置以降の半開領域において、第１の巻線コイルにより発生される磁界と第２の巻線コイルによって発生される磁界とを一致させることができるので、磁界歪みを大幅に低減させることができる。 Therefore, the above invention is generated by the first winding coil in the half-open region after the position that is in the normal direction of the plane on which the first winding coil is disposed and is far from the position of the second winding coil. The magnetic field generated by the second winding coil and the magnetic field generated by the second winding coil can be matched, so that the magnetic field distortion can be greatly reduced.
また、本発明の空心モータは、上述した磁界発生装置を電機子に備えることで、層変位に起因する磁界歪みのない磁界を発生し、推力脈動（コギング）、騒音、渦電流損失の少ない動作を可能とする。 In addition, the air-core motor of the present invention includes the above-described magnetic field generator in the armature, thereby generating a magnetic field free from magnetic field distortion caused by layer displacement, and operation with less thrust pulsation (cogging), noise, and eddy current loss. Is possible.
本発明の電磁加振装置は、超電導コイルを有する加振対象と、前記加振対象に対して、磁界を発生するように設けられた上述した磁界発生装置と、を備えている。したがって、上記発明は、磁界歪みのない磁界を用いて加振対象を正確に加振できる。 The electromagnetic vibration device of the present invention includes a vibration target having a superconducting coil and the above-described magnetic field generation device provided to generate a magnetic field with respect to the vibration target. Therefore, the above-described invention can accurately vibrate an object to be vibrated using a magnetic field having no magnetic field distortion.
また、本発明の多層コイルの設計方法は、第１及び第２の巻線コイルを異なる層に含む複数層の巻線コイル列で構成される多層コイルの設計方法であって、前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するような前記第２の巻線コイルの電流分布を形成するように、前記第２の巻線コイルの断面形状を成形することを特徴とする。 A multilayer coil design method according to the present invention is a multilayer coil design method including a plurality of winding coil arrays including first and second winding coils in different layers. In the half-open region after the normal direction of the plane in which the winding coil is disposed and the position of the first winding coil or the position of the second winding coil is far from the reference position, the first opening A cross section of the second winding coil so as to form a current distribution of the second winding coil such that a magnetic field equivalent to the magnetic field generated by the winding coil is generated by the second winding coil. It is characterized by forming a shape.
本発明は、多層コイルの層変位に起因する磁界歪みを低減することができる。 The present invention can reduce magnetic field distortion caused by layer displacement of a multilayer coil.
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［構成例］
図１は、本発明の実施の形態に係る電磁加振装置の構成を示す図である。電磁加振装置は、第１の電磁加振コイル群１０と、第２の電磁加振コイル群２０と、第３の電磁加振コイル群３０と、第４の電磁加振コイル群４０と、各コイル群にそれぞれ電流を供給するインバータ５１〜５４と、加振対象である台車６０と、を備えている。さらに、台車６０は、冷却液と共に低温容器に収納された複数の超電導コイル６１〜６４を備えている。本実施形態では、台車６０は、４つの超電導コイル６１〜６４を備えているが、超電導コイルの個数は限定されるものではない。
[Configuration example]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electromagnetic excitation device according to an embodiment of the present invention. The electromagnetic excitation device includes a first electromagnetic
第１の電磁加振コイル群１０及び第２の電磁加振コイル群２０は、ｘ方向（台車６０の進行方向）に向かって、例えば台車６０の右側に配置されている。ここで、第１の電磁加振コイル群１０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各々の表層コイル１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗを有している。第２の電磁加振コイル群２０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各々の裏層コイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを有している。
The first electromagnetic
第３の電磁加振コイル群３０及び第４の電磁加振コイル群４０は、ｘ方向に向かって、例えば台車６０の左側に配置されている。ここで、第３の電磁加振コイル群３０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各々の表層コイル３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗを有している。第４の電磁加振コイル群４０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各々の裏層コイル４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗを有している。
The third electromagnetic
そして、各コイルは、例えば矩形状の巻線コイルで構成され、ｘ方向に対して直交するｙ方向（台車６０）に向けてそれぞれ磁界を発生するように配置されている。 Each coil is formed of, for example, a rectangular winding coil, and is arranged to generate a magnetic field in the y direction (cart 60) perpendicular to the x direction.
インバータ５１は、第１の電磁加振コイル群１０の表層コイル１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗに、それぞれ３相交流電流を供給する。インバータ５２は、第２の電磁加振コイル群２０の各裏層コイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに、それぞれ３相交流電流を供給する。インバータ５３は、第３の電磁加振コイル群３０の各表層コイル３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗに、それぞれ３相交流電流を供給する。インバータ５４は、第４の電磁加振コイル群４０の各裏層コイル４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗに、それぞれ３相交流電流を供給する。
The
台車６０は、ｘ方向に沿って、右側に超電導コイル６１、６２と、左側に超電導コイル６３、６４と、を備えている。超電導コイル６１、６２は、ｙ方向（第１の電磁加振コイル群１０）に向けてそれぞれ磁界を発生するように配置されている。超電導コイル６３、６４は、ｙ方向（第３の電磁加振コイル群３０）に向けてそれぞれ磁界を発生するように配置されている。
The
なお、電磁加振装置の構成は図１に示すものに限定されるものではない。例えば本実施形態では、各電磁コイル群のコイルの個数は８つとしたが、この個数に限定されるものではない。また、図１では、表層コイルと裏層コイルのＵ、Ｖ、Ｗ相の各々の位置を半ピッチずらしているが、ずらす量はこれに限定されない。 The configuration of the electromagnetic vibration device is not limited to that shown in FIG. For example, in this embodiment, the number of coils in each electromagnetic coil group is eight, but the number is not limited to this number. In FIG. 1, the positions of the U, V, and W phases of the surface layer coil and the back layer coil are shifted by a half pitch, but the shift amount is not limited to this.
ここで、表層コイル（例えば表層コイル１１Ｕ）と裏層コイル（例えば裏層コイル２１Ｕ）は、ｙ方向に例えば１００ｍｍのギャップがある。このため、例えば図２（ａ）に示すように、表層コイルから１１８ｍｍ離れた位置におけるｘ方向の磁場評価ラインにおいて、電磁加振コイル１１Ｕによって発生する磁界と、裏層コイル２１Ｕによって発生する磁界との整合がとれなくなって磁界歪みが生じるおそれがある。
Here, the surface layer coil (for example, the surface layer coil 11U) and the back layer coil (for example, the
そこで、本実施形態の電磁加振装置は、このような磁界歪みが生じないようにすべく、図２（ｂ）に示すように、表層コイルとして仮想的な等価コイルを考え、２つの磁界を整合させている。以下、磁界歪みが生じないようにするための原理について説明する。 Therefore, in order to prevent such a magnetic field distortion from occurring, the electromagnetic vibration device according to the present embodiment considers a virtual equivalent coil as a surface layer coil as shown in FIG. Aligned. Hereinafter, the principle for preventing magnetic field distortion will be described.
［原理］
図３（ａ）は、ｘｙｚ空間のｘ方向にＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、・・・の各コイルが順に配列されたモデルを示す図である。図３（ｂ）は、ｙｚ平面から見たときの上記モデルの導体断面を示す図である。座標原点は、ある１つのＵ相コイルの中心にある。導体断面は、ｘｚ平面内のみに面積を有する電流とする。なお、ここではＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルは矩形であり、ｘ方向のコイル幅を２ａ１、ｚ方向のコイルの高さを２ｂ１とする。
[principle]
FIG. 3A is a diagram showing a model in which coils of U phase, V phase, W phase, U phase, V phase, W phase,... Are arranged in order in the x direction of the xyz space. FIG. 3B is a diagram illustrating a conductor cross section of the model when viewed from the yz plane. The coordinate origin is at the center of one U-phase coil. The conductor cross section is a current having an area only in the xz plane. Here, the U-phase, V-phase, and W-phase coils are rectangular, and the coil width in the x direction is 2a 1 , and the height of the coil in the z direction is 2b 1 .
図３においてＵ相コイルのみに単位起磁力の電流を通電した場合、このコイルがｚ方向に２ＬＺの仮想ピッチにて周期的に配置されると仮定すると、磁束密度分布Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）（以下「Ｂ」と表記する。）は、（１）式で表される。 When a current is passed a current of the unit magnetomotive force only U-phase coil 3, when the coil is assumed to be periodically arranged at a virtual pitch 2L Z in the z-direction, the magnetic flux density distribution B (x, y, z) (hereinafter referred to as “B”) is expressed by the following equation (1).
複合は、ｙ≧０のときに上側、ｙ＜０のときに下側をとる。 The composite takes the upper side when y ≧ 0 and the lower side when y <0.
但し、ｅｘ、ｅｙ、ｅｚは、それぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の単位ベクトルとする。また、（１）式のλｘ，ｎ、λｙ，ｎ，ｍ、λｚ，ｍは次の式（２）〜（４）を満たす。 However, e x , e y , and e z are unit vectors in the x, y, and z directions, respectively. In addition, λ x, n , λ y, n, m and λ z, m in the equation (1) satisfy the following equations (2) to (4).
ｆ１（ｎ，ｍ）は、フーリエ級数表記の解析式上でコイルの形状を表す関数である。図３に示すような矩形コイルの場合、ｆ１（ｎ，ｍ）は（５）式となる。 f 1 (n, m) is a function representing the shape of the coil on the analytical expression expressed in Fourier series. In the case of a rectangular coil as shown in FIG. 3, f 1 (n, m) is expressed by equation (5).
ここで、中心がＯ１（０，ｙ１，０）に位置し、形状がｆ１（ｎ，ｍ）で表現されるコイルが発生する磁界をＢ１、また中心がＯ２（０，ｙ２，０）に位置し、形状（分布）がｆ２（ｎ，ｍ）で表現される電流（ｘ、ｚ成分のみ）が発生する磁界をＢ２とすると、（６）式が成り立つ。 Here, the magnetic field generated by the coil whose center is located at O 1 (0, y 1 , 0) and whose shape is represented by f 1 (n, m) is B 1 , and the center is O 2 (0, y). (2 ), (0), and a magnetic field generated by a current (only x and z components) whose shape (distribution) is expressed by f 2 (n, m) is B 2 , Equation (6) is established.
複合は、ｙ≧ｙｉのときに上側、ｙ＜ｙｉのときに下側をとる。ここで、図４（ａ）に示すように、ｙ≧maximum（ｙ１，ｙ２）において、両磁界が等しいとおくと、（７）式が成立する。 The composite takes the upper side when y ≧ y i and the lower side when y <y i . Here, as shown in FIG. 4A, when both magnetic fields are equal in y ≧ maximum (y 1 , y 2 ), the equation (7) is established.
（６）式及び（７）式より（８）式を得る。 Equation (8) is obtained from Equation (6) and Equation (7).
改めて、磁界Ｂ２は（９）式となる。 Again, the magnetic field B 2 is (9).
ここで、ｆ２（ｎ，ｍ）で表現される電流分布の電流ベクトルを
κ２＝（κｘ２，０，κｚ２）
とする。このとき、平面ｙ＝ｙ２において（１０）式の境界条件が成り立つ。
Here, the current vector of the current distribution expressed by f 2 (n, m) is represented by κ 2 = (κ x2 , 0, κ z2 ).
And At this time, the boundary condition of the expression (10) is satisfied in the plane y = y 2 .
これにより、（１１）式、（１２）式が成り立つ。 Thereby, (11) Formula and (12) Formula are formed.
これらをまとめると、（１３）式となる。 These are summarized as equation (13).
（１３）式は、「位置ｙ＝ｙ１に存在するｆ１（ｎ，ｍ）で表現されるコイル電流とｙ≧maximum（ｙ１，ｙ２）において等価磁界を形成する平面ｙ＝ｙ２内の等価電流」を示している。但し、例えば図４（ｂ）に示すように、ｙ２＜ｙ１の場合、（１１）〜（１３）式をそのまま計算すると発散する。このときは再現する磁界波長の最小値を制限するものとする。すなわち、（１１）〜（１３）式において、ｎ、ｍを有限とする（ｎ→Ｎｍａｘ、ｍ→Ｍｍａｘ）。 Expression (13) is expressed as follows: “A plane y = y 2 that forms an equivalent magnetic field at y ≧ maximum (y 1 , y 2 ) and a coil current expressed by f 1 (n, m) existing at position y = y 1. Equivalent current ”. However, for example, as shown in FIG. 4B, when y 2 <y 1 , the divergence occurs when the equations (11) to (13) are calculated as they are. In this case, the minimum value of the magnetic field wavelength to be reproduced is limited. That is, in equations (11) to (13), n and m are finite (n → N max , m → M max ).
なお、等価磁界は、半開空間ｙ≧maximum（ｙ１，ｙ２）の任意位置で成立するため、コイル設計が加振コイルと超電導コイルのギャップ方向の位置に依存せず、例えば、試験時
のギャップ設定の自由度を制限しない。
Since the equivalent magnetic field is established at an arbitrary position in the half-open space y ≧ maximum (y 1 , y 2 ), the coil design does not depend on the position in the gap direction between the exciting coil and the superconducting coil. Does not limit the degree of freedom in setting the gap.
［数値例］
１つの単位コイル（２ａ１＝０．３５０ｍ，２ｂ１＝０．３４０ｍ，２Ｄｂ１＝０．０８０ｍ）を平面ｙ＝ｙ１＝０に位置するｆ１（ｎ，ｍ）で表現されるコイルとおき、起磁力１Ａ／ｍ（０．０８Ａ）を与えた場合の等価電流分布κ２を求める。
[Numeric example]
One unit coil (2a 1 = 0.350 m, 2b 1 = 0.340 m, 2D b1 = 0.080 m) is a coil represented by f 1 (n, m) located on a plane y = y 1 = 0 Then, an equivalent current distribution κ 2 when a magnetomotive force of 1 A / m (0.08 A) is given is obtained.
図５は、直線（ｙ＝ｙ２，ｚ＝０）上の等価電流分布κ２を示す図である。同図より、ｙ２≧０においてはｙ２の変化に係わらず電流密度強度の最大位置が不動であり、ｙ２の増加に伴い次第になだらかな電流分布となる。なお、ここではｙ２＜０の領域は省略した。 FIG. 5 is a diagram showing an equivalent current distribution κ 2 on a straight line (y = y 2 , z = 0). From the figure, in the y 2 ≧ 0 it is stationary the maximum position of the current density intensity regardless of a change in y 2, a gradually gentle current distribution with increasing y 2. Here, the region of y 2 <0 is omitted.
等価磁界を実現するコイルを設計するに際し、厳密に図５に示す電流密度κ２を再現することは困難である。そこで本実施形態では、コイル幅、高さを変更せずに、（１）コイル導体の断面を階段状に、或いは（２）扁平にすることによって、近似的に電流分布を再現する。 When designing a coil that realizes an equivalent magnetic field, it is difficult to strictly reproduce the current density κ 2 shown in FIG. Therefore, in the present embodiment, without changing the coil width and height, the current distribution is approximately reproduced by (1) making the cross section of the coil conductor stepwise or (2) flattening.
［コイル導体の断面を階段状にする場合］
図５の結果を利用してｙ２＝１００ｍｍに位置する近似等価コイルの設計を試みる。図６（ａ）は基準となる裏層コイルの断面形状を示す図、同（ｂ）は、図５のｙ２＝１００ｍｍのときの等価電流分布κ２を示す図、同（ｃ）は近似等価コイルである表層コイルの断面形状を示す図である。
[When the coil conductor cross-section is stepped]
An attempt is made to design an approximate equivalent coil located at y 2 = 100 mm using the result of FIG. 6A is a diagram showing a cross-sectional shape of a reference back layer coil, FIG. 6B is a diagram showing an equivalent current distribution κ 2 when y 2 = 100 mm in FIG. 5, and FIG. 6C is an approximation. It is a figure which shows the cross-sectional shape of the surface layer coil which is an equivalent coil.
図６（ｂ）では、ｘ方向を５０ｍｍで分割し、ｘ方向位置に対して起磁力分布を階段状に割り当てる。この階段状の起磁力分布に応じて導体断面厚を決定することで、図６（ｃ）のコイル形状を得る。したがって、表層コイルは、同図（ｂ）の分割幅に対応するように階段状に成形されている。そして、起磁力（電流密度）が大きい箇所では導体断面厚が大きく、それが小さい箇所では導体断面厚は小さくなる。 In FIG. 6B, the x direction is divided by 50 mm, and the magnetomotive force distribution is assigned stepwise to the position in the x direction. By determining the conductor cross-sectional thickness according to this stepwise magnetomotive force distribution, the coil shape of FIG. 6C is obtained. Therefore, the surface coil is formed in a step shape so as to correspond to the division width of FIG. The conductor cross-sectional thickness is large where the magnetomotive force (current density) is large, and the conductor cross-sectional thickness is small where the magnetomotive force (current density) is small.
図７は、変位前の表層コイル、１００ｍｍ変位させて起磁力のみを調整した表層コイル、１００ｍｍ変位の等価コイルのそれぞれの磁界を示す図であり、（ａ）はｙ＝２１８ｍｍ、ｚ＝０ｍｍにおけるｘ方向の分布、（ｂ）はｘ＝０ｍｍ、ｚ＝０ｍｍにおけるｙ方向の分布、（ｃ）はｘ＝０ｍｍ、ｙ＝２１８ｍｍにおけるｚ方向の分布である。ここでは、変位前の表層コイルに起磁力１ｋＡを与えて計算した。同図に示すように、ｘ、ｙ、ｚのいずれの方向の分布においても、起磁力のみ調整した表層コイルに比べて、断面形状を成形した表層コイル（等価コイル）の方が、変位前の表層コイルの磁界波形に近くなっている。 FIG. 7 is a diagram showing the respective magnetic fields of a surface layer coil before displacement, a surface layer coil displaced by 100 mm and adjusting only the magnetomotive force, and an equivalent coil of 100 mm displacement, (a) at y = 218 mm and z = 0 mm The distribution in the x direction, (b) is the distribution in the y direction when x = 0 mm and z = 0 mm, and (c) is the distribution in the z direction when x = 0 mm and y = 218 mm. Here, the calculation was performed by applying a magnetomotive force of 1 kA to the surface coil before displacement. As shown in the figure, the surface layer coil (equivalent coil) having a cross-sectional shape is more pre-displaced than the surface layer coil in which only the magnetomotive force is adjusted in the distribution in any direction of x, y, and z. It is close to the magnetic field waveform of the surface coil.
図８は、裏層コイルと表層コイルの磁場評価ラインにおける磁界波形の一例を示す図である。表層コイルの断面形状を上述のようにすることによって、図２（ａ）に比べて、裏層コイルによる磁界と表層コイルによる磁界がほぼ一致している。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a magnetic field waveform in the magnetic field evaluation line of the back layer coil and the surface layer coil. By making the cross-sectional shape of the surface coil as described above, the magnetic field due to the back layer coil and the magnetic field due to the surface layer coil substantially coincide with each other as compared with FIG.
［コイル導体の断面を扁平にする場合］
図９（ａ）は基準となる裏層コイルの断面形状を示す図、同（ｂ）は、図５のｙ２＝１００ｍｍのときの等価電流分布κ２を示す図、同（ｃ）は扁平コイルである表層コイルの断面形状を示す図である。
[When flattening the cross section of the coil conductor]
9A is a diagram showing the cross-sectional shape of the reference back layer coil, FIG. 9B is a diagram showing the equivalent current distribution κ 2 when y 2 = 100 mm in FIG. 5, and FIG. It is a figure which shows the cross-sectional shape of the surface layer coil which is a coil.
図９（ｃ）に示す表層コイル１００は、中心軸を対称に同一平面上に配置された６つの相似形の巻線コイル１００ａ〜１００ｆを備えている。各巻線コイルは、最小径のものから径が大きくなる順に、径方向外側に設けられている。隣り合う巻線コイルは、径の外側と内側が互いに電気的に絶縁されながら接している。
A
各巻線コイルの径方向の幅は、図９（ｂ）の分割幅と同様に５０ｍｍである。そして、各巻線コイルには、例えば図１に示すインバータ５１によって電流を供給するが、図９（ｂ）に示す各分割幅における電流密度の電流が供給されるように、例えば外部回路において抵抗器を用いて分流したものを各々の巻線コイルに繋げる。
The width in the radial direction of each winding coil is 50 mm, similar to the division width in FIG. Then, each winding coil is supplied with a current by, for example, the
これにより、図９（ｂ）に示す電流密度を実現することができる。例えば、巻線コイル１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆの電流密度は、それぞれ順に、約０．０７Ａ／ｍ、約０．１４５Ａ／ｍ、約０．１９Ａ／ｍ、約０．１５５Ａ／ｍ、約０．１０Ａ／ｍ、約０．０８Ａ／ｍになる。
Thereby, the current density shown in FIG. 9B can be realized. For example, the current densities of the winding
以上のように、本発明の実施の形態に係る電磁加振装置は、裏層コイルにより発生される磁界と等価な磁界が表層コイルによって発生するように、表層コイルの電流分布を形成するにあたり、表層コイルの断面形状をその電流分布に対応するように成形し、又は、そのような電流分布を実現できるような複数層の巻線コイルからなる表層コイルを用いた。 As described above, the electromagnetic excitation device according to the embodiment of the present invention forms the current distribution of the surface coil so that a magnetic field equivalent to the magnetic field generated by the back layer coil is generated by the surface coil. The cross-sectional shape of the surface coil was formed so as to correspond to the current distribution, or a surface coil composed of a plurality of layers of winding coils capable of realizing such a current distribution was used.
上記電磁加振装置は、このような表層コイルを用いることにより、表層コイルと裏層コイルによる磁界波形を一致させるので、ｘ方向の磁界分布について層変位に起因する磁界歪みを低減させることができる。そして、電磁加振装置は、表層コイルと裏層コイルによる歪みの少ない磁界によって台車６０を加振することができるので、目的とする波長の磁界による正確な加振試験を行うことができる。
The electromagnetic excitation device uses such a surface layer coil to match the magnetic field waveforms of the surface layer coil and the back layer coil, so that the magnetic field distortion due to the layer displacement can be reduced in the magnetic field distribution in the x direction. . And since the electromagnetic vibration apparatus can vibrate the trolley |
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can also be applied to a design modified within the scope of the claims.
例えば、上述した実施の形態では、多層コイルの一例として２層コイルを挙げて説明したが、３層以上の多層コイルであってもよい。すなわち、多層コイルのうちのいずれか１つを裏層コイルとし、多層コイルの他のいずれか１つを表層コイルとすればよい。また、多層コイルのうちの表層コイル及び裏層コイルに限らず、各コイルの間にあるコイルにも適用可能である。 For example, in the embodiment described above, a two-layer coil has been described as an example of a multilayer coil, but a multilayer coil having three or more layers may be used. That is, any one of the multilayer coils may be a back layer coil, and any other one of the multilayer coils may be a surface layer coil. Moreover, it is applicable not only to the surface layer coil and the back layer coil in the multilayer coil but also to a coil between the coils.
また、等価電流密度を近似する場合、分割幅は一定であったが、分割幅を変えてもよい。このとき、分割幅に合わせて表層コイルの断面形状の階段幅を変えたり、又は相似形の各巻線コイルの径方向の幅を変えたりすればよい。 Further, when the equivalent current density is approximated, the division width is constant, but the division width may be changed. At this time, the step width of the cross-sectional shape of the surface coil may be changed in accordance with the division width, or the radial width of each of the similar winding coils may be changed.
さらに、上述した２層コイルは、電磁加振装置だけでなく、空心構造の空心モータの電機子に適用することもできる。このような空心モータは、層変位に起因する磁界歪みのない磁界を発生するので、推力脈動（コギング）、騒音、渦電流損失の少ない動作が可能である。 Furthermore, the above-described two-layer coil can be applied not only to an electromagnetic vibration device but also to an armature of an air-core motor having an air-core structure. Such an air core motor generates a magnetic field free from magnetic field distortion caused by the layer displacement, and thus can operate with less thrust pulsation (cogging), noise, and eddy current loss.
１０ 第１の電磁加振コイル群
１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ、３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ 表層コイル
２０ 第２の電磁加振コイル群
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ、４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗ 裏層コイル
３０ 第３の電磁加振コイル群
４０ 第４の電磁加振コイル群
５１、５２、５３、５４ インバータ
６０ 台車
６１、６２、６３、６４ 超電導コイル
10 First electromagnetic
Claims (7)
前記複数層の巻線コイルのうちのいずれか１層の第１の巻線コイルと、
前記複数層の巻線コイルのうちの第１の巻線コイルと異なる層の第２の巻線コイルと、
前記第１の巻線コイルに電流を供給する第１の電流供給手段と、
前記第２の巻線コイルに電流を供給する第２の電流供給手段と、を備え、
前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するように、前記第２の巻線コイルの電流分布が形成されること
を特徴とする磁界発生装置。 A magnetic field generator for generating a magnetic field by a multi-layer coil having an air-core structure composed of a plurality of winding coil arrays,
A first winding coil of any one of the plurality of layers of winding coils;
A second winding coil of a layer different from the first winding coil of the plurality of layers of winding coils;
First current supply means for supplying current to the first winding coil;
Second current supply means for supplying current to the second winding coil,
In a half-open region after a position that is in the normal direction of the plane on which the first winding coil is disposed and is far from the reference position of either the position of the first winding coil or the position of the second winding coil, A current distribution of the second winding coil is formed such that a magnetic field equivalent to the magnetic field generated by the first winding coil is generated by the second winding coil. Generator.
前記第１の巻線コイルに対向する第２の巻線コイルと、
第１の巻線コイルに所定の電流を供給する第１の電流供給手段と、
前記第２の巻線コイルに電流を供給する第２の電流供給手段と、を備え、
前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第２の巻線コイルの位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するように、前記第２の巻線コイルの電流分布が形成されること
を特徴とする磁界発生装置。 A first winding coil;
A second winding coil facing the first winding coil;
First current supply means for supplying a predetermined current to the first winding coil;
Second current supply means for supplying current to the second winding coil,
Equivalent to the magnetic field generated by the first winding coil in the half-open region after the position normal to the plane where the first winding coil is disposed and far from the position of the second winding coil A magnetic field generating device characterized in that a current distribution of the second winding coil is formed such that a strong magnetic field is generated by the second winding coil.
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁界発生装置。 The cross-sectional shape of the second winding coil is shaped like a staircase so that an approximate current distribution is formed by the second winding coil when the current distribution is approximated to a staircase shape. The magnetic field generator according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記第２の電流供給手段は、前記電流分布を階段状に近似したときの近似電流分布が前記第２の巻線コイルで形成されるように、各相似形の巻線コイルに電流を供給すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁界発生装置。 The second winding coil has a plurality of similar winding coils arranged symmetrically with respect to the central axis,
The second current supply means supplies a current to each similar winding coil so that an approximate current distribution obtained by approximating the current distribution in a staircase pattern is formed by the second winding coil. The magnetic field generator according to claim 1 or claim 2, wherein
前記加振対象に対して、磁界を発生するように設けられた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁界発生装置と、
を備えた電磁加振装置。 An excitation object having a superconducting coil;
The magnetic field generator according to any one of claims 1 to 4, which is provided to generate a magnetic field with respect to the vibration target,
Electromagnetic excitation device with
前記第１の巻線コイルが配置された平面の法線方向であって第１の巻線コイルの位置と第２の巻線コイルの位置のいずれか基準位置より遠い位置以降の半開領域において、前記第１の巻線コイルにより発生される磁界と等価な磁界が前記第２の巻線コイルによって発生するような前記第２の巻線コイルの電流分布を形成するように、前記第２の巻線コイルの断面形状を成形すること
を特徴とする多層コイルの設計方法。 A method for designing a multi-layer coil comprising a plurality of winding coil arrays including first and second winding coils in different layers,
In a half-open region after a position that is in the normal direction of the plane on which the first winding coil is disposed and is far from the reference position of either the position of the first winding coil or the position of the second winding coil, The second winding coil forms a current distribution in the second winding coil such that a magnetic field equivalent to the magnetic field generated by the first winding coil is generated by the second winding coil. A method for designing a multilayer coil, characterized by forming a cross-sectional shape of a wire coil.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005360956A JP2007165660A (en) | 2005-12-14 | 2005-12-14 | Designing method of magnetic field generating device, air-core motor, electromagnetic oscillator and multi-layer coil |
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| JP2007165660A true JP2007165660A (en) | 2007-06-28 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103267650A (en) * | 2013-04-24 | 2013-08-28 | 中国矿业大学 | Model test gravity field simulation device and method based on permanent magnet |
| CN114696565A (en) * | 2020-12-30 | 2022-07-01 | 中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院） | Linear motor and magnetic suspension traffic system |
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2005
- 2005-12-14 JP JP2005360956A patent/JP2007165660A/en active Pending
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