JP4253823B1 - 磁気浮上推進装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】超伝導コイルを用いず、動的制御も行わず、また静止した状態でも浮上し、同時に推進も行える磁気浮上推進装置を実現する。
【解決手段】浮上方向４を軸とする垂直電磁石１１と推進方向１を軸とする水平電磁石１２を、それぞれ通電時の磁極の向きを逆転させながら交互に並べて推進方向を長手方向とする主配列を構成し、同様の構成をとる副配列を、主配列の個々の電磁石の外側ないし内側にコイルを巻きつけるようにして、主配列とは配列の長手方向に電磁石１個分ずれた位置に設置して電磁石配列を構成し、垂直電磁石と水平電磁石が互いの磁場を強めあう側面を、短絡コイルを電磁石配列の長手方向に多数重ねて構成した積層コイル３に向けて配置し、主配列及び副配列にそれぞれ位相が９０度異なる交流電流を流す。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気を用いた浮上と推進に関するものである。
鉄道の高速化を実現するためには、磁気を用いて車体の浮上と推進を行うことが有効であり、これには常伝導電磁石、超伝導コイル並びに永久磁石のいずれかを用いた磁気浮上装置とリニアモーターによる推進装置を組み合わせることが検討されている。
上記の磁気浮上装置のうち、永久磁石を用いたものはインダクトラックと呼ばれるものであり、その作動原理は本発明と密接に関わるものである（例えば、非特許文献参照。）。
以下、インダクトラックの作動原理を図１〜図３に基づいて説明する。
インダクトラックは次に述べる２つの要素の間に浮上力を発生させる。一つは図１に示すように、装置の推進方向１を右としたとき、永久磁石の磁極の向きを下、左、上、右、下の順に変えながら、推進方向１に沿って任意の個数配置して構成したハルバッハ配列２である。もう一つは磁場に対して垂直な短絡コイルを互いに絶縁した状態で推進方向１に積み重ねて構成した積層コイル３であり、インダクトラックを磁気浮上式鉄道に利用する場合は、この積層コイル３が軌道となる。
ハルバッハ配列２が外部に作る磁場は、図２の５及び６に示すように、磁極が浮上方向４に平行な永久磁石を挟んで対向している。このうち、積層コイル３側の磁場５は隣接する磁石により強化されており、積層コイル３とは反対側の磁場６は逆に弱められている。そのため、図３に示すように、ハルバッハ配列２が積層コイル側に作る磁場５の、推進方向１をＮ極とした場合の強度７は正弦波状の分布８となり、推進方向１と垂直な浮上方向４の磁場強度９は、これとは位相が９０度ずれた正弦波状の分布１０となる。
このため、ハルバッハ配列２が積層コイル３上を推進方向１に進行すると、積層コイル３上に磁場分布８及び１０とは磁力の向きが逆の正弦波状磁場が発生する。これにより、積層コイル３に誘導起電力が生じ、その結果、推進方向１に進行するハルバッハ配列２には、推進方向１と逆向きの抗力と、浮上方向４の浮上力が生じる。また、ハルバッハ配列２と積層コイル３が接近するに従って浮上力が強まるため、インダクトラックでは浮上量を適正に保つための動的制御が不要となる。以上の作動原理により、磁気浮上が行われる。
「電気学会論文誌Ｄ 産業応用部門誌」１２１巻、１０号、２００１年、ｐ．１０４９
以上に述べた磁気浮上推進装置のうち、常伝導電磁石を用いて浮上を行う方式では、浮上量を適正に保つための動的制御が必要となり、また、超伝導電コイルを用いて浮上を行う方式では、コイルを超伝導状態に保つための冷却装置が必要となる。
また、作動原理からも明らかなように、インダクトラックは静止状態では浮上しないため、鉄道に応用する場合は停車時及び低速時に車体を支持する車輪を別途設置する必要がある。
いずれの方式でも、推進用のリニアモーターを別に設置する必要がある。
本発明は、このような従来の磁気浮上推進装置が有していた問題を解決しようとするものであり、超伝導コイルを用いず、動的制御も行わず、また静止した状態でも浮上し、同時に推進も行える磁気浮上推進装置を実現することを目的とするものである。
浮上方向を軸とする垂直電磁石と推進方向を軸とする水平電磁石を、それぞれ通電時の磁極の向きを逆転させながら交互に並べて推進方向を長手方向とする主配列を構成し、同様の構成をとる副配列を、主配列の個々の電磁石の外側ないし内側にコイルを巻きつけるようにして、主配列とは配列の長手方向に電磁石１個分ずれた位置に設置して電磁石配列を構成し、垂直電磁石と水平電磁石が互いの磁場を強めあう側面を、短絡コイルを電磁石配列の長手方向に多数重ねて構成した積層コイルに向けて配置し、主配列及び副配列にそれぞれ位相が９０度異なる交流電源を接続する。
上記の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、主配列と副配列が位相のずれた交流電流によって作る磁場は、ハルバッハ配列が作る磁場と同様、電磁石配列の長手方向に周期的に変化する強度分布を持っており、かつ長手方向に向かって進行するため、たとえ電磁石配列が積層コイルに対して静止していたとしても、進行するハルバッハ配列と同様の作用を積層コイルに対して及ぼすことができる。
これにより、上記の電磁石配列と積層コイルの間に浮上力が生じ、同時に電磁石配列長手方向の推進力が生じる。
さらに、インダクトラックと同様に電磁石配列と積層コイルが接近するに従って浮上力が強まる。
上述したように本発明の磁気浮上推進装置は、静止状態においても浮上可能であり、浮上量の減少に伴って浮上力が増加するため、冷却装置が必要な超伝導コイルを用いなくても、浮上量の動的制御を不要とすることができる。
また、リニアモータ等の推進装置を別途設置することなく推進可能である。
以下、本発明の実施の形態を図４〜図８に基づいて説明する。
図４に示すように、浮上方向４を軸とする方形の垂直電磁石１１の内側または外側に、推進方向１を軸とする水平電磁石１２を重ねたものを推進方向１に任意の個数並べて、推進方向１を長手方向とする電磁石配列１３を構成する。
図５に示すように、電磁石配列１３の垂直電磁石１１と水平電磁石１２は、どちらも２個おきに巻線方向ないし通電する電流の向きを逆転させることによって、その磁極の向きを逆転している。また磁極の向きが逆転する位置は、垂直電磁石１１と水平電磁石１２で、推進方向１に電磁石１個分ずれている。電磁石配列１３を構成する水平電磁石１２と垂直電磁石１１のうち、それぞれ磁極の向きを逆転させながら交互に並べたものを一組として、交流電源１４からの配線１５を接続する。残りの電磁石も同様に一組として、交流電源１６からの配線１７を接続する。
図６及び図７に示すように、配線１５を接続した電磁石の組を主配列１８とし、配線１７を接続した電磁石の組を副配列１９とする。仮に、配線１５に直流電源２０を接続した場合、主配列１８はハルバッハ配列２と同様の磁場を発生させる。副配列１９に関しても同様である。ただし、副配列１９の磁場の分布は、主配列１８から推進方向１に電磁石１個分ずれている。
ここで、交流電源１４と交流電源１６から、同じ電流値で位相が９０度異なる交流電流を流す。この電流により、主配列１８が積層コイル３側に発生させる磁場の、浮上方向４の強度分布は、図８の２１から２２、２３、２４、２５の順に周期的に変化する。また、副配列１９が積層コイル３側に発生させる磁場の、浮上方向４の強度分布は、図８の２６から２７、２８、２９、３０の順に周期的に変化する。この２つの磁場は、発生位置が推進方向１に電磁石一個分ずれており、時間変化が交流電流の４分の１周期分ずれているため、２つの磁場の合成により作られる磁場の浮上方向の分布は、図８の３１から３２、３３、３４、３５の順に推進方向１に進行する。同様に推進方向１の磁場の強度分布も推進方向１に進行する。
以上より、ハルバッハ配列２の進行により生じる磁場の変化を、積層コイル３に対して静止した電磁石配列１３により再現できる。その結果、積層コイル３上の電磁石配列１３に浮上力が作用する。また、ハルバッハ配列２が積層コイル３上を進行する際に受ける抗力は、電磁石配列１３の場合、推進力として作用する。
永久磁石を用いた磁気浮上装置の斜視図 永久磁石を用いた磁気浮上装置を側面から見た外観図 ハルバッハ配列が積層コイル側に作る磁場の強度分布 本発明の実施形態を示す磁気浮上推進装置 電磁石配列の配線図 仮に直流電源を接続した際の主配列の配線図 仮に直流電源を接続した際の副配列の配線図 電磁石配列が積層コイル側に作る磁場の強度分布の時間変化
符号の説明
１ 推進方向
２ ハルバッハ配列
３ 積層コイル
４ 浮上方向
５ 積層コイル側磁場
６ 積層コイルとは反対側の磁場
７ 推進方向の磁場強度
８ 推進方向の磁場強度分布
９ 浮上方向の磁場強度
１０ 浮上方向の磁場強度分布
１１ 垂直電磁石
１２ 水平電磁石
１３ 電磁石配列
１４ 交流電源
１５ 配線
１６ 交流電源
１７ 配線
１８ 主配列
１９ 副配列
２０ 直流電源
２１ 主配列が作る磁場の浮上方向の強度分布
２６ 副配列が作る磁場の浮上方向の強度分布
３１ 電磁石配列が作る磁場の浮上方向の強度分布

Claims (2)

  1. 浮上方向を軸とする垂直電磁石と推進方向を軸とする水平電磁石を、それぞれ通電時の磁極の向きを逆転させながら交互に並べて推進方向を長手方向とする主配列を構成し、同様の構成をとる副配列を、主配列の個々の電磁石の外側ないし内側にコイルを巻きつけるようにして、主配列とは配列の長手方向に電磁石１個分ずれた位置に設置して構成した電磁石配列に対して、主配列及び副配列にそれぞれ位相が９０度異なる交流電流を流すことにより、配列の長手方向に周期的に変化する強度分布を有し、長手方向に任意の速度で進行する磁場が、電磁石配列中の垂直電磁石と水平電磁石が互いの磁場を強めあう側面に発生し、その磁場が、短絡コイルを電磁石配列の長手方向に多数重ねて構築した積層コイルに誘導起電力を生じ、その結果、電磁石配列と積層コイルの間に、両者が静止状態であっても電磁的相互作用に起因する浮上力を発生することを特徴とする磁気浮上推進装置。
  2. 前記の電磁石配列が発生する磁場の進行により、積層コイルに誘導起電力を生じ、その結果電磁石配列と積層コイルの間に電磁的相互作用に起因する推進力を発生することを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上推進装置。
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