JP2022117574A - 磁気浮上装置 - Google Patents
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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.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Roy Harrigan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。
M.D.Simon et al."Diamagnetically stbilized magnet levitation",American Journal of Physics,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。
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
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 (2)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021014140A JP2022117574A (ja) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 磁気浮上装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021014140A JP2022117574A (ja) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 磁気浮上装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022117574A true JP2022117574A (ja) | 2022-08-12 |
Family
ID=82750327
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021014140A Pending JP2022117574A (ja) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 磁気浮上装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022117574A (ja) |
-
2021
- 2021-02-01 JP JP2021014140A patent/JP2022117574A/ja active Pending
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