JP2656659B2 - 高温超電導体を用いた物品搬送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導体を浮上走行させる高温超電導体を用
いた物品搬送装置の構造に関する。

〔従来の技術〕

非接触型の搬送装置は、走行面における摩擦が無いた
めに高速化や無塵搬送が可能である。非接触搬送装置の
一つとして、磁気浮上式のリニアモータがある。その中
で一般に良く知られている磁気反発型の磁気浮上式鉄道
は旅客の高速輸送を主眼に開発されたもので、車体の自
重や乗客を支持するために高磁界が要求され、超電導マ
グネットが用いられている。一方で、病院や半導体工業
など粉塵を嫌う場所では無塵搬送を主目的にした磁気反
発型あるいは磁気吸引型の磁気浮上式リニアモータが用
いられている。無塵搬送用では重量物の搬送は特に要求
されていないので常電導磁石が用いられている。以上述
べたように、磁気浮上式のリニアモータは用途に合わせ
て種々のものがある。しかしながら、いずれの場合も浮
上支持のための磁界コントロールが難かしく、搬送装置
としては高価なものになる。

ところで、液体窒素温度以上の臨界温度を有する高温
超電導体の発見で、超電導体の反磁性を利用した磁気浮
上走行は磁石と超電導体の組合せで実現でき、上記した
従来の磁気浮上式リニアモータを用いた搬送装置とは全
く異なる、安価な無塵用の非接触搬送を可能にする。

高温超電導体を用いた反磁性型の磁気浮上装置の例を
以下に示す。第１例は昭和62年11月25に日発行の日刊工
業新聞に記載されている様に、高温超電導体を傾斜に沿
って敷いたレールとし、磁石を浮上体として用いて、重
力を推進力にして水平方向に動かすもの。

第２例は平成元年３月28日発行の読売新聞に記載され
ており、第１例における高温超電導体と磁石の配置を反
転させたタイプで、超電導体を浮上体にしたものであ
り、第１例と同様、傾斜を利用して推進力を得るもので
ある。

第３例は昭和63年９月30日に第12回日本応用磁気学会
学術講演概要集p.18記載されている様に、磁石上に浮上
させた超電導体を、機械的に動かした地上側の磁石に追
従させて水平方向に移動させるものである。

第４例は昭和62年度秋季低温工学会予稿集に記載され
ているように地上側の分割されたストライプ状超電導体
の上に浮上させた磁石を、個々の超電導体の超電導状態
を制御することで水平方向に移動させるものである。す
なわち、超電導一常電導転移を推進力に利用している。

第５例は特願平１−70634号で提案した方法で、走行
方向に対して均一な磁場が得られる軌道を浮上用磁石で
構成して、その上に浮上した超電導体を推進用磁石の変
動する磁場により水平方向に移動させるものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来技術は第１及び第２例では、傾斜によって
移動の速さと方向が決定してしまい、浮上体の水平方向
の移動に対する制御方法について配慮されておらず、ま
た、第３例では、磁石を機械的に移動させることが必要
であり、磁石と浮上している超電導体の相対的位置は変
化していない。いずれの場合も、浮上という立場におい
ては走行方法について解決されていない。第４例では、
超電導−常電導転移におい転移速度、すなわち浮上体の
走行速度の制御が難しく、また大きな推進力が得られな
い問題があった。第５例においても、超電導体から成る
浮上体の推進方法について十分な配慮がされておらず、
推進効率の良い、推進用磁石の配置，形状，励磁方法に
ついて詳述されていなかった。例えば、上記従来技術の
実施例で述べられている推進用磁石の配置は、浮上用磁
石脇の側面にあり、磁石の中心軸と超電導体の浮上面は
直交しておらず、超電導体との磁気的結合は弱い。ま
た、推進用磁石の励磁方法では直流電源を用いてパルス
励磁して、浮上用磁石の走行方向に均一な磁場において
磁場勾配を生じさせて、磁場ポテンシャルの低い方へ浮
上体を移動させると記述されている。しかしながら、こ
の励磁方法では大きな推進力は得られない。さらにパル
ス法では浮上体の動きに同期して磁石を励磁する必要が
ある、そのタイミングの取り方が難しく推進の制御性に
問題があった。

また、第５例で提案した従来技術は浮上用磁石は形状
について、あまり考慮されていなかった。すなわち、浮
上用磁石を複数個の磁石片から構成すると、磁石片連結
部の継目で磁場の均一性が乱れるので、浮上用磁石全体
として均一な磁場が得にくかった。

その他、第５例は超電導体が浮上用磁石の軌道上を浮
上走行する時の横方向に対する安定性、すなわち案内力
を浮上用磁石から印加された磁界によって超電導体に侵
入して補足される磁束力でまかなっており、十分な案内
力が得られなかった。このために、浮上走行時の超電導
体は不安定であり、横振れしたり軌道から逸脱する問題
があった。

本発明は、浮上体を効率良く、しかも制御性良く推進
させて、大きな推進力を生じせしめるとともに、走行方
向に均一で、横方向に案内力の働く浮上用磁場を得て、
浮上体を安定に浮上走行させる物品搬送装置を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、軌道を構成する浮上用磁
石と高温超電導体から成る浮上体及びこの超電導性を保
持するための冷却装置を備えた物品搬送装置において、
浮上体を走行させるための磁場印加を行う推進用の電磁
石として、複数個のコイルを浮上用磁石の上に設けた。
前記コイルとして偏平形状の空芯コイルを用い、これを
多相の交流で励磁した。なお、多相交流のうち３相交流
は商用として手軽に利用できるので、後述する実施例で
は全て３相交流を用いた。

また、前記浮上用磁石には浮上体の走行方向に均一磁
場を得やすくするために、走行方向に長尺形状の磁石を
用いた。ここで長尺形状の磁石とは長尺形状に限定する
ものではなく、軌道の形状に合わせて、平行四辺形や円
弧状などに成形されたものを用いても良い。

安定な浮上走行のために、浮上用磁石を幅方向すなわ
ち、浮上体の走行方向と直交する方向に２列以上配列し
て並べ、幅方向に急峻な磁場勾配を生じさせた。この
時、幅方向に軸べる浮上用磁石の長さ及び幅は第９図及
び第11図のように異なってもかまわない。また、幅方向
に隣り合う磁極は同極あるいは異極でもかまわないが、
隣り合う磁石を密着させる場合には異極配置とする。以
上述べた幅方向の磁石は２列配列でも良いが３列配列の
方がより安定となる。

〔作用〕

超電導体の表面には浮上用磁石からの磁束を排斥する
ように、シールド電流が流れる。そして超電導体は、そ
の安定配置として浮上用磁石と対向するように浮上す
る。従って、浮上用磁石の上に並べられたコイルは、そ
の上方に浮上している超電導体と対向するので、コイル
を浮上用磁石脇に配置した場合に比べて超電導体との磁
気的結合が強くなる。また、浮上用磁石と超電導体との
間隙に位置する前記コイルは偏平状であるので、その間
隙を大きく失うことはない。さらに、空芯構造であるの
で、走行方向に均一である浮上用磁石からの磁場を乱す
ことなく、コイルを励磁した時のみ該均一なバイアス磁
場は、上記コイルすなわち推進用磁石を多相交流で励磁
して得られる進行波である。浮上体である高温超電導体
は粒子の集合体であり、全体としては前述したようにシ
ールド電流が流れて反磁性体の挙動を示すが、粒子間の
いわゆる粒界は弱磁場が印加されただけで容易に超電導
状態が失われる弱結合となっている。従って、浮上体内
部は完全に磁場が零とはなっておらず、そのために変動
磁場を与えると、Ｅ＝ｄφ/dtで示される起電力により
渦電流が流れる。これによって超電導体は、誘導型モー
タの回転子と同様に、進行波に対してある遅れをもって
（すべりを生じて）追従する。この時、超電導体には推
進用磁石の励磁電圧の２乗に比例したトルクが得られ
る。また、超電導体の走行速度は推進用磁石の周波数に
よって容易に制御できる。なお、粉末法のような従来法
で作製した高温超電導体では上記のすべりは大きいが、
溶融法で作成した高温超電導体では磁束のピン止め力が
強いのですべりを小さくすることができる。

また、走行方向に長尺形状の磁石で浮上用磁石を構成
したので、連結部分が少なくなり、その結果、磁場の均
一性が向上した。

浮上用磁石を幅方向に２列以上配列した時の作用につ
いて、走行安定性が顕著に得られる３列配置を例にして
説明する。

第９図，第11図，第13図のように浮上用磁石を並べた
場合、各々第10図，第12図，第14図の磁場分布が得られ
る。これらの磁場分布は超電導体が浮上している位置に
おける鉛直成分、すなわち、浮上方向の磁場成分を磁石
幅方向について示したものである。なお、比較のために
浮上用磁石が１列の場合を第15図に、その時の磁場分布
を第16図に示す。磁場分布の図からわかるように、浮上
用磁石を３列にした場合には、第16図の１列の場合に比
べて、磁石幅方向の磁場勾配が急峻になる。この急峻な
磁場勾配は、超電導体が浮上走行する軌道に沿って連続
的に存在して、超電導体に対して磁場の壁のとなり、走
行時の案内力として作用する。この案内力により、超電
導体は軌道から逸脱することなく安定に浮上走行でき
る。なお、第13図のように幅方向に同極が並ぶよりも第
９図，第11図のように異極面が並ぶ配置の方が磁場勾配
は急で、このうち第９図のように幅方向の磁石を密着さ
せて異極とした場合には特に急峻な磁場勾配が得られ
る。また、磁石の厚み及び着磁方向を変えた磁石を第17
図のように配置しても第９図の場合と同様に、急峻な磁
場勾配が得られる。超電導体を浮上用磁石上に配置する
と、超電導体は磁束を排斥しようとして、超電導体表面
にシールド電流が流れる。このシールド電流の大きさ
は、超電導体が経験する磁場の逆向きの磁場が発生する
ように決まる。磁場が臨界電流より小さければ、マイス
ナー状態で完全反磁性の振舞となる。浮上体を浮上用磁
石にさらに近づける（押しつける）と超電導体の経験磁
場は強くなり、下部臨界電流を越えるので、磁束線は超
電導体内部にも侵入するが、反磁性のシールド電流は流
れる。このときシールド電流の流れる領域は磁束線が侵
入した厚みである。超電導体が浮上するのはこのような
超電導体が発生する逆磁場による浮上用磁石による反発
力である。したがって、大きな反発力を得るには、大き
なシールド電流の流れる状況を作ることである。浮上体
としての超電導体の質の違いでこの浮上力を大きく変化
する。すなわち、通常の粉末法による超電導体では結晶
粒が小さく、かつ結晶粒間は磁場にされされると容易に
超電導が破れてしまい、結果として浮上体全体としての
シールド電流ループが小さくなってしまい、浮上力が大
きくとれない。それに対して、溶融法で作製した浮上体
では結晶粒も一桁以上大きくすることができ、かつ結晶
もピン止め力が強い良質のものができるので、大きなシ
ールド電流ループと大きなシールド電流が流れる。本願
で溶融法で作製した浮上体を用いる利点の一つである。
本願の特徴の一つは、走行メカニズムにあり、リニア駆
動を実現したところにある。そのために、推進コイルを
多相交流で励磁し、走行路に沿って推進コイル列が発生
する磁場を進行波としている。このように、推進力を与
えるのは進行波に伴う浮上体側で発生する渦電流がその
一つである。このとき、進行波に対してある遅れをもっ
て追従するが、これが駆動のためのトルクとなる。駆動
のためのトルクとして浮上体に捕捉された磁束線との相
互作用が第２の発生源となる。特に溶融法で作製した高
温超電導体ではすべりが小さくなり、コイルの励磁周波
数による走行速度の追随性が飛躍的に向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１） 第１図により、実施例１を説明する。長尺状のSm（サ
マリウム）−Co（コバルト）永久磁石１を浮上用に用い
た。寸法は走行方向の長さが50mm、横方向の幅が15mm、
浮上方向の厚さが5mmであり、厚さ方向に着磁されてい
る。この浮上用磁石の複数個を磁極をそろえて走行方向
に並べて、その上に厚さ0.1mmの鉄製シート（図示せ
ず）を配置して軌道とした。軌道の上に、直径0.2mmの
エナメル銅線を100ターン巻回した厚さ1mmの偏平状の空
芯コイル２を図に示す如く、隣り合うコイルとラップす
る様に配置した。コイルどうし重なり合う部分は軌道の
外側になるようにしてある。

この軌道上に、液体窒素で冷却した直径15mmのTl系高
温超電導体（図示せず）を浮上させ、推進用コイル２を
図の如く、３相交流で励磁したところ、浮上した超電導
体は円滑に走行した。

本実施例では、連結した長尺状磁石の上に薄肉の鉄製
シートを配置することにより、磁石連結部の磁場均一性
をより向上させることができた。

（実施例２） 第２図により、実施例２を説明する。長さ50mm×幅15
mm×厚さ5mmのNd（ネオジム）−Fe（鉄）永久磁石1a及
び長さ50mm×幅5mm×厚さ7mmのSm−Co永久磁石1bを図の
ように配置して軌道を構成した。中央部の浮上用磁石1a
上の溝に、厚さ2mmの推進用コイル２を図のように配置
した。コイル２は直径0.2mmのエナメル銅線を150ターン
巻回したものである。

実施例１と同様に、コイル２を３相交流で励磁するこ
とにより、軌道上を走行する超電導体は円滑に走行し
た。

第３図は長尺磁石として平行四辺形状のものを用いる
ことで、図のような分岐軌道を構成した。コイルの励磁
は走行軌道に沿って行えば良いが、未使用コイルのうち
分岐部分にあるものを直流電流パルス励磁することによ
り、効果的に分岐できる。例えば、図において超電導体
が直進する場合には、超電導体が分岐点にさしかかる
時、コイル2bをパルス励磁して磁場の壁を発生させ、分
岐点で曲がる場合にはコイル2aをパルス励磁する。

本発明によれば、分岐軌道が構成でき、浮上している
超電導体を２次元的に動かすことができる。

（実施例３） 第４図により、実施例３を説明する。第１の実施例で
用いたのと同じ浮上用磁石を磁極を交互に３列にして
（磁極は図示せず）、走行方向に磁極をそろえて並べ
た。また、コーナ部には前述の磁石と同じ幅と厚みで、
同程度の長さを有する円弧状磁石１の上に、実施例１と
同様に配置した。底部に直径0.5mmの穴が複数個あいた
冷却装置４を軌道上に設けた。この冷却装置に液体窒素
を充填して、液滴を落下させた。浮上磁石１の上に幅15
mm×長さ30mm×厚さ2mmの長方形状の超電導体３を浮上
させ、推進用コイル２を120ヘルツで励磁して走行させ
た。

本実施例によれば、軌道横方向に磁場の急勾配が存在
し、実施例１に比べて浮上体の走行安定性が高められ
る。

（実施例４） 第５図により、実施例４を説明する。実施例３と同様
の軌道を平行に２つ設け、長さ10mの搬送路とした。浮
上用磁石１は厚さ1.5mmの鉄板に吸引させ、その吸引力
により連結している。各軌道上の超電導体３には厚さ0.
1mmの伝熱板６が密着させられ、断熱材７を介して連結
棒８で連結されている。また、伝熱板６の上には綿を冷
媒吸引剤９として貼付する。液体窒素５を充填した冷却
装置４は搬送路上2m間隔で配置した。

以上の様にして、連結棒８の上に載せた搬送物10を地
上とは非接触で搬送することができた。

本実施例によれば、冷媒吸収材９と伝熱板６により、
超電導体３の熱的安定性が向上する。なお、本実施例で
は冷媒吸収材として綿を用いたが、材質はこれに限るも
のではなく紙や布などを用いても同様の効果がある。

（実施例15） 第６図により、実施例５を説明する。実施例４と同じ
軌道と浮上体を真空断熱材12で囲んだ。真空断熱材12に
は冷凍機13が取り付けられている。また、真空断熱材12
には冷凍機13が取り付けられている。また、真空断熱材
12は軌道の基板である鉄板11に対して断熱材７′及び真
空シール材14を介してシールされている。

以上のようにし、実施例４同様、搬送物10を非接触で
搬送することができた。

本実施例によれば、搬送路が真空断熱材12により連続
的に覆れ、冷凍機13により高温超電導体３の臨界温度よ
り低い温度に保持されているため、浮上体を搬送路中の
任意の位置で連続的に停止させておくことができる。ま
た、実施例４では得られなかった超低続度での搬送も可
能である。

（実施例６） 第７図により、実施例６を説明する。浮上体３に溶融
法で作製した高温超電導体を用いた。この超電導体を液
体窒素５で冷却して超電導状態に転移させた後に、浮上
用磁石１に十分近づけて浮上用磁石１の磁束を侵入させ
た。

以上の手順により浮上体３を、浮上用磁石１及び推進
用コイル２から成る軌道の下に吊り下げるように浮上さ
せ、推進させた。

本実施例によれば、浮上体を磁石の下方向に浮上させ
ることができ、軌道下にプールした液体窒素で浸漬冷却
して浮上時間を長くすることができる。また、溶融法で
作製した浮上体は磁束ピン止め力が強く、推進コイルの
進行磁場への追従性が良く、すべりが小さくなる。なお
本実施例では浮上体に磁石の下方向に浮上させたが、前
記した実施例１から５と同様に磁石の上に浮上させるこ
とも可能であることは言うまでもない。

（実施例７） 以上の実施例では高温超電導体を浮上体にした例につ
いて述べたが、ここでは実施例７として高温超電導体を
軌道，磁石を浮上体にした場合によつて、第８図を用い
て説明する。

高温超電導体３を銅パイプ15にハンダ16で含侵して、
軌道を構成した。ハンダ材には低融点であり、かつ高温
超電導体と反応しにくいインジウムを用いた。推進コイ
ル２は軌道の下側に配置した。銅パイプ15に液体窒素を
流して高温超電導体３を超電導状態に移転させて、磁石
１′を軌道の上に浮上させた。しかる後に、推進コイル
２は３相交流で励磁して進行磁場を発生させ、軌道上に
浮上している磁石１′を走行させた。

本実施例によれば、推進コイル２を高温超電導体３の
下側に配置しているので、磁石１′の浮上ギャップすな
わちクリアランスを損なうことはない。このような配置
においても、推進コイル２から発生する磁束は高温超電
導体の粒界等の弱結合部分を通り抜けるので、磁石１′
と磁気的に作用されることができる。なお、本実施例で
は、磁石１′の走行速度は進行磁場に対しての遅れがな
く、同期速度となっている。

本実施例では、クリアランスを損なわないように推進
コイル２を高温超電導体３の下側に配置したが、当然の
ことながら、高温超電導体３の上側に配置しても磁石
１′を走行させることはできる。また、高温超電導体３
の冷却用に液体窒素を銅パイプ15に流したが、冷却材は
これに限定されるものではなく、例えば冷却されたヘリ
ウムガス，窒素ガス等、臨界温度以下のものであれば良
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、推進用コイルの配置，形状，励磁方
法の最適化により、浮上体のクリアランス（浮上体と浮
上用磁石の間隙）を保ったまま、浮上体を効率良く走行
させることができ、推進力や走行速度の制御性を高める
ことができた。

また、浮上用磁石による走行方向の磁場の均一性が向
上したため、浮上体をより滑らかに走行させることがで
きる。さらに、走行方向に対して直角、すなわち浮上用
磁石の幅方向の磁場勾配を急峻にしたので、浮上体の走
行安定性を高めることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１のコイル配置を示す平面図、第２図は
実施例２を示す斜視図、第３図は実施例２の変形例で分
岐軌道の平面図、第４図は実施例３を示す斜視図、第５
図は本発明の物品搬送装置を搬送に用いた実施例４の正
面図、第６図は実施例４の変形例で、冷却装置が異なる
実施例５を示す正面図、第７図は溶融法で作製した高温
超電導体を用いて、磁石の下に浮上させた実施例６を示
す側面図、第８図は磁石を浮上体にした実施例７を示す
正面図、第９図，第11図，第13図，第15図は浮上用磁石
の配置を示す斜視図、第10図，第12図，第14図，第16図
は各々の磁場分布を示す図、第17図は第９図から第13図
の変形例で厚さ及び着磁方向の異なる浮上用磁石を組合
わせた斜視図である。 1,1a,1b……浮上用磁石、１′……浮上体磁石、2,2a,2b
……推進用コイル、３……高温超電導体、４……冷却装
置、５……液体窒素、６……伝熱板、7,7′……断熱
材、８……連結棒、９……冷媒吸収材、10……搬送物、
11……鉄板、12……真空断熱容器、13……冷凍機、14…
…真空シール材、15……銅パイプ、16……ハンダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 征規 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 平４−140003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−257406（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−69402（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−26308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−23704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−101558（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−72674（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】搬送すべき物品と共に浮上させる高温超電
   導体からなる浮上体と、 該浮上体を浮上させるための磁場印加を行う浮上用磁石
   と、該浮上体を冷却する装置を備えた物品搬送装置であ
   って、 該浮上体を走行させるための多相交流で励磁する複数個
   の扁平状の空心の推進用コイルを該浮上用磁石と近接し
   て地上側に設け、推進用コイルによって生じた変動磁場
   によって前記浮上体に推進用のトルクを与えることを特
   徴とする高温超電導体を用いた物品搬送装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の物品搬送装置であって、前
   記浮上用磁石として、浮上体の走行方向に長尺形状であ
   る磁石を少なくとも３列以上配置したことを特徴とする
   高温超電導体を用いた物品搬送装置。
3. 【請求項３】請求項１あるいは２に記載の物品搬送装置
   であって、前記浮上用磁石と推進コイルの間に強磁性体
   からなる薄肉状シートを挿入したことを特徴とする高温
   超電導体を用いた物品搬送装置。
4. 【請求項４】請求項２記載の物品搬送装置であって、前
   記長尺形状の浮上用磁石のうち少なくとも１個以上に、
   浮上体との対向面が台形または平行四辺形の磁石を用
   い、浮上体の走行軌道を少なくとも２つ以上の分岐構造
   とし、走行する軌道上の推進コイルを多相交流で励磁す
   るとともに、分岐点の走行しない軌道上の推進コイルの
   少なくとも１つをパルス状の直流で浮上用磁石と同じ向
   きの磁束が発生するように励磁して浮上体を分岐させる
   ことを特徴とする高温超電導体を用いた物品搬送装置。
5. 【請求項５】請求項１あるいは２に記載の物品搬送装置
   であって、前記超電導体として、溶融法で作成した高温
   超電導体を用いることを特徴とする高温超電導体を用い
   た物品搬送装置。