JP2022117574A

JP2022117574A - 磁気浮上装置

Info

Publication number: JP2022117574A
Application number: JP2021014140A
Authority: JP
Inventors: 敏樹杉山; Toshiki Sugiyama
Original assignee: EKBO KK
Current assignee: EKBO KK
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-12

Abstract

【課題】電力不使用、永続浮上、高重量負荷の条件下でも磁石を安定浮上させる装置を提供する。【解決手段】浮上ユニット１と、浮上ユニット１に浮力を与える固定ユニット２から構成されている。浮上ユニット１は、浮上磁石１１と下垂軸１２と重り１３を備えており、固定ユニット２はリング磁石２１と支柱２２を備えている。浮上ユニット１は、リング磁石２１の中央の穴を鉛直方向に貫通している。この構成において、リング磁石２１が浮上磁石１１に対して斥力を与え、浮上ユニット１を安定浮上させるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、電子制御を必要とせずに、目的物を空間に浮上させることができる磁気浮上装置に関する。

磁気浮上は、磁力のみによって物体を空中浮揚させる方法である。重力に抗する力として磁力が用いられる。

いくつかの場合には、浮上のための力としては磁気浮上を用いるものの安定化のために微少な力を加える支持機構が用いられる。これは疑似磁気浮上と呼ばれ、磁気浮上とは区別される。以下、支持機構を必要とせず、安定浮上を可能とする背景技術を述べる。大別すると５種類ある。
１．超伝導体による安定浮上
２．反磁性による安定浮上
３．回転による安定浮上
４．サーボ機構による安定浮上
５．誘導電流・渦電流による安定浮上

１について、超伝導体はマイスナー効果により完全反磁性体を示し、外部からの磁場を完全に排斥するため浮上する。さらにピン止め効果によって安定に静止する。この方式は、超伝導体を冷却させる設備が別に必要となり、浮上を永続させるために冷凍機の電力消費が伴うという問題点がある。

２について、非特許文献１の反磁性体の反磁性は、超伝導体に比較すると弱いが、強力な磁場中では自重に拮抗する反発力を生む場合がある。たとえば、水は反磁性体であり、超伝導磁石が作り出した磁場中に水を浮上させることができる。また、熱分解炭素は、ネオジム磁石による磁界で浮上することができる。この方式は浮上対象物を薄板・細線・粉末などの形状で用いてようやく自重を支えることができるため、重量負荷を加えて浮上させることが困難であるという問題点がある。

３について、環状磁石がつくるトロイダル磁場の中で磁石を回転させることでジャイロスコープのように安定化させると反発浮上させることができる。ただし、これは歳差の周期が遅くなってある閾値を下回るまでの間しか続かず、安定領域は空間的にも歳差周期の面でも非常に狭い。この現象を最初に発見したのは米国の発明家ＲｏｙＨａｒｒｉｇａｎであり、それに基づいた特許文献１がある。この方式は、磁石を安定させるために回転を維持する必要があり、回転が惰性で維持されている場合は回転が自然停止すると浮上も不安定となる問題点がある。

４について、強さが一定の磁石による引力は、距離が離れると弱まり、近づくと強まる。このような系は「不安定」と呼ばれる。安定な系とするには、その逆に、安定点からずれると元の位置に戻そうとする力が働く必要がある。安定な磁気浮上は、物体の位置と速度を測り、その動きを補正するようにいくつかの電磁石を調整し続けるようなフィードバックシステムを用いることで実現され、したがってサーボ機構によるものとなる。この種の機構を用いた系の多くは、重力に逆らって磁力で物体を引き上げる方式とすることで、鉛直方向の安定性が得られることを利用している。この方式はサーボ機構を機能させるための電力供給が必要であり、サーボ回路の故障もしくは停電すると浮上できないという問題がある。

５について、交流電磁界を発生するコイルに銅・アルミニウムなどの導体を近づけると導体に渦電流が生ずる。レンツの法則により渦電流はコイルの磁界に対し斥力を受ける。この力を利用して安定浮上させることが可能となる。たとえばリニアモーターカーの浮上原理に利用されている。この方式は、４と同様にコイルに通電するための電力供給が必要であり、コイルの断線もしくは停電が起こると浮上できないという問題点がある。

アメリカ合衆国特許第４，３８２，２４５号

Ｍ．Ｄ．Ｓｉｍｏｎｅｔａｌ．"Ｄｉａｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｓｔｂｉｌｉｚｅｄｍａｇｎｅｔｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ"，ＡｍｅｒｉｃａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６９，ｐ．７０２（２００１）

このような現状において、浮上させるための電力を必要とせず、継続する浮上、高荷重の全てを満たすことができない。このような問題に対し、本発明は浮上磁石に鉛直軸に沿った棒と重りを付加することにより、磁石を安定浮上させる方法を見出した。本発明の目的は、電力不使用、永続浮上、高重量負荷の条件下でも磁石を安定浮上させる装置を提供することにある。

このような目的は、下記の（１）、（２）の本発明により達成される。

（１）中央に穴を有するリング磁石と、前記リング磁石の穴の中心軸を貫通するように浮上ユニットを配置した構成であり、前記浮上ユニットは、磁石と下垂軸と重りから成る磁気浮上装置。

（２）前記リング磁石の代わりに、円周方向に分割された磁石を配置し、前記磁石の水平方向位置を微調整して、前記浮上ユニットの浮力を微調整可能とした磁気浮上装置。

本発明によれば、電力を使用せずに浮上ユニットの安定浮上を継続させることができ、また浮力を調節する機構を操作することにより、浮上ユニットの荷重が異なる場合でも安定浮上を得ることができる。

本発明の実施形態に係る磁気浮上装置を示す斜視図である。図１に係る磁気浮上装置の上面および横断面図である。図１に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するための断面図である。図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、浮上磁石１１の位置がＺ方向に推移した場合に浮上磁石１１がＺ方向に受ける斥力を表したものである。図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、浮上磁石１１の位置がＸ方向に推移した場合に浮上磁石１１がＸ方向に受ける力を表したものである。図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、安定浮上点において浮上ユニット１の姿勢が傾いた場合に受けるトルクを表したものである。本発明の別の実施形態に係る磁気浮上装置を示す斜視図である。

以下、本発明の磁気浮上装置を図１～図７を参照して、詳述する。図１は、本発明の実施形態に係る磁気浮上装置を示す斜視図である。図２は、図１に係る磁気浮上装置の上面および横断面図である。図３は、図１に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するための断面図である。図４は、図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、浮上磁石１１の位置がＺ方向に推移した場合に浮上磁石１１がＺ方向に受ける斥力を表したものである。図５は、図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、浮上磁石１１の位置がＸ方向に推移した場合に浮上磁石１１がＸ方向に受ける力を表したものである。図６は、図３に係る磁気浮上装置の安定浮上原理を説明するためのグラフであり、安定浮上点において浮上ユニット１の姿勢が傾いた場合に受けるトルクを表したものである。図７は、本発明の別の実施形態に係る磁気浮上装置を示す斜視図である。

図１に示されているように、本発明の磁気浮上装置は、浮上ユニット１と、浮上ユニット１に浮力を与える固定ユニット２から構成されている。浮上ユニット１は、浮上磁石１１と下垂軸１２と重り１３を備えており、固定ユニット２はリング磁石２１と支柱２２を備えている。

図２に示されているように、本発明の磁気浮上装置の浮上ユニット１は、リング磁石２１の中央の穴を鉛直方向に貫通している。この構成において、リング磁石２１が浮上磁石１１に対して斥力を与え、浮上ユニット１を安定浮上させるものである。

浮上ユニット１が安定浮上する原理を以下に説明する。図３に示されているように、浮上磁石１１の取り得る位置と傾きをＸ，Ｚ，θで表す。磁石の寸法は、下記のように仮定する。リング磁石２１について、外径は７０ｍｍ、内径は４０ｍｍ、厚さは１３ｍｍであり、浮上磁石１１について、外径は１０ｍｍ、厚さは６ｍｍである。

浮上ユニット１の高さ方向の安定性について、図３，図４を用いて以下に説明する。図３において、浮上磁石１１の位置がＺ方向に推移した場合に浮上磁石１１がＺ方向に受ける斥力を図４に示す。ただし、Ｘ＝０，θ＝０とした。浮上ユニット１の重量がｍである場合、図４のポイントＰ（Ｚ＝４０ｍｍ）において、Ｚ方向の斥力と重量ｍが均衡する。ここで、浮上磁石１１が、Ｚ＝４０ｍｍより下方に推移した場合、斥力は増加する。浮上磁石１１が、Ｚ＝４０ｍｍより上方に推移した場合、斥力は減少する。その結果、浮上磁石１１の高さがＺ＝４０ｍｍから上または下方向に推移しても元の高さに復元し、高さ方向の安定性が実現する。なお、浮上ユニットの重量が変化した場合、均衡点ＰのＺ座標も変化するが、安定浮上できる範囲は図４のグラフ線が負の傾きを持っている範囲に限られる。

浮上ユニット１の水平方向の安定性について、図３，図５を用いて以下に説明する。図３において、浮上磁石１１が安定浮上高さＺ＝４０にあるとき、浮上磁石１１がリング磁石２１の中心軸からＸ方向へ反れた場合、Ｘ方向に受ける力を図５に示す。図５に描かれたグラフ線の第４象限において、Ｘが正の値のときに、浮上磁石１１には－Ｘの方向に力が働く。また、第２象限において、Ｘが負の値のときに、浮上磁石１１には＋Ｘの方向に力が働く。その結果、浮上磁石１１はリング磁石２１の中心軸へ引き戻され、水平方向の安定性が実現する。

浮上ユニット１の傾きの安定性について、図３，図６を用いて以下に説明する。図３において、浮上磁石１１が安定浮上高さＺ＝４０にあるとき、浮上ユニット１の下垂棒１２が鉛直方向から角度θほど傾いた場合、浮上ユニット１に働くトルクを図６に示す。浮上磁石１１がリング磁石２１から受けるトルクはＴ１であり、下垂棒１２と重り１３が重力から受けるトルクはＴ２である。Ｔ１とＴ２の向きは、逆の関係であり、Ｔ１が反時計回りのトルクであるとき、Ｔ２は時計回りのトルクとなる。ここで、軸棒１２の長さと重り１３の質量が適当な値以上である場合、Ｔ２の大きさはＴ１を上回ることができ、つまり下垂棒と重りに作用するトルクが磁石に作用するトルクに優り、条件Ｔ１＜Ｔ２を満たすときに、θは、０に向かう方向に復元され、浮上ユニット１の傾きの安定性が実現する。

ここで、図４について補足説明を述べる。浮上磁石１１がリング磁石２１から斥力を受けるとき、浮上磁石１１内部には、減磁効果が現れる。実際の斥力は、減磁効果を考慮しない場合よりも弱くなり、動作点ＰのＺ座標は小さい値になる。図４は、浮上磁石１１の減磁効果を考慮した場合のものである。浮上ユニット１が安定浮上するためには、浮上磁石１１が減磁効果を持つことにより実現するものである。なお、ここで述べた浮上磁石１１内の減磁効果は、可逆減磁であり、浮上磁石１１がリング磁石２１から受ける逆磁界の影響下にない場合は、浮上磁石１１が持つ磁力は元に戻る条件下で使用されるものとする。

図７は、本発明の別の実施形態に係る磁気浮上装置を示す斜視図であり、浮上ユニット３と、固定ユニット４から構成されている。前記図１の実施形態との違いは、図１のリング磁石２１の代わりに、図７の固定ユニット４には、分割された磁石４１が保持板４２に刻まれた溝に配置されており、磁石４１の水平方向の位置が、溝内で調節可能となっていることである。図７の装置の効果は、浮上ユニットの重量が異なる重量のものに取り替えられた場合でも、磁石４１の水平位置を調節することにより、浮上ユニット３に与える磁界の強さと斥力を変え、容易に安定浮上する条件を実現できることである。

１浮上ユニット
１１浮上磁石
１２下垂棒
１３重り
２固定ユニット
２１リング磁石
２２支柱
３浮上ユニット
４固定ユニット
４１磁石
４２保持板
４３支柱

Claims

中央に穴を有するリング磁石と、前記リング磁石の穴の中心軸を貫通するように浮上ユニットを配置した構成であり、前記浮上ユニットは、磁石と下垂軸と重りから成る磁気浮上装置。
前記リング磁石の代わりに、円周方向に分割された磁石を配置し、前記磁石の水平方向位置を微調整して、前記浮上ユニットの浮力を微調整可能とした磁気浮上装置。