JP2004193265A - 超電導磁気遮蔽機構、磁気勾配浮上システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気勾配浮上システムにおける磁気遮蔽効果を向上させる。
【解決手段】補助超電導コイル４は、超電導線を閉じたループ状に形成したものであり、磁気遮蔽体２の外側、且つ磁場発生用超電導コイル１の上下にそれぞれ配置されている。磁場発生用超電導コイル１によって発生する磁場が増加すると、補助超電導コイル４内に誘導電流が誘起され、補助超電導コイル４によって大まかに磁気遮蔽された後に、磁気遮蔽体２が精細な磁気遮蔽効果を発揮する。その場合に内部に流れる遮蔽用の誘導電流は、補助超電導コイル４によって既に大まかな磁気遮蔽がなされている分だけ少なくなる。そのため、結果的に容易に遮蔽することができるようになり、あるいは、より強い磁場に対して有効な遮蔽機能を確保することができることとなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導材料による磁気遮蔽機能の性能向上や、超電導磁石と磁気遮蔽機能を組み合わせて構成する磁気勾配浮上システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
超電導材料の特徴の一つとして、外部からの磁場を遮蔽する機能がある。これは、例えば超電導材料によって形成した板を超電導状態にした後、外部から磁場を増加させると、磁場の侵入を妨げるために超電導板内部に発生する誘導電流が減衰しないため、磁気遮蔽効果が継続するためである。このとき、外部からの磁場が強くなるに伴って発生する誘導電流の値は大きくなるが、無限に大きくなることができるわけではなく、超電導材料特有の臨界電流値を迎えると超電導状態を維持できなくなり、流れていた誘導電流は減衰して、遮蔽効果が消滅することになる。そのため、より有効な磁気遮蔽効果を期待するには、超電導材料自体の特性改善を行うか、別の方策によって改善する必要がある。
【０００３】
このような磁気遮蔽効果を有効に利用する特殊なシステムとして、磁気勾配浮上システム（別名ミックスドミュー［Ｍｉｘｅｄ−μ］浮上システム）がある。磁気勾配浮上システムは、一般に強力な磁場を発生する超電導磁石と超電導材料からなる磁気遮蔽体を組み合わせることによって、対象となる空間に特殊な磁場分布を形成し、これによって該空間に強磁性体を浮上させたり、あるいは逆に自らが空間に浮上することのできるシステムである。
【０００４】
一般に強磁性体は、磁場中に置くとより磁場の強い方向に引き寄せられ、結果的に磁場発生源に吸着してしまうものであるが、本システムでは、上記磁気遮蔽体の効果によって空間内に特殊な磁場分布、具体的には鉄などの強磁性体との相対変位に対して安定な復元力が得られるような磁気勾配を作ることができ、強磁性体あるいは自システムの完全浮上を可能とするものである。このような現象は、超電導体を使用しない限り発生させることは不可能な事柄であり、磁気勾配浮上システムは、今後の発展が期待される新しいシステムである。
【０００５】
図３に、磁気勾配浮上システムに関する代表的な構成例を示す。この磁気勾配浮上システムは、磁場発生用超電導コイル１、磁気遮蔽体２、強磁性体３から構成されている。磁場発生用超電導コイル１によって強力な磁場が発生するが、磁気遮蔽体２を貫通しようとする磁場はその磁気遮蔽機能によって遮蔽される。これによって、磁気遮蔽体２の内側（磁場発生用超電導コイル１の内側）領域では、磁気遮蔽体２に近い領域ほど磁場の弱い領域が形成され、その領域に配置された強磁性体３は、中央位置から磁気遮蔽体２の方向に近づくと、中央に戻る方向へ磁気力が働くこととなり、左右方向の安定性が確保できる。また、上下方向についても同様に、強磁性体３の安定位置は中央になる。これによって、中央に配置された強磁性体３は、安定的に中央空間に完全に浮上することができる。これが磁気勾配浮上である。
【０００６】
本システムを構成するにあたっては、強力な磁石と有効な磁気遮蔽機能が要求されるが、前者は超電導磁石を使用することによって近年容易に満足の得られるものが達成できるようになってきている。これに対して後者の磁気遮蔽に関しては、従来一般的には、超電導材料によって形成された板又は超電導バルクを用いて磁気遮蔽体２を構成することが考えられるが、現実には強力な超電導磁石の磁場を有効に遮蔽するには不十分な面があった。すなわち、磁気遮蔽を司る磁気遮蔽体２が十分な磁気遮蔽をできないまま、内部に生じる遮蔽電流が大きくなり、臨界電流値を超えて遮蔽効果が消失してしまうという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、磁気勾配浮上システムにおける磁気遮蔽効果を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の超電導磁気遮蔽機構は、磁気遮蔽体に補助用の超電導コイルを付加することによって、おおまかな領域での磁気遮蔽を補助用超電導コイルで行い、細かい領域を含めた磁気遮蔽を磁気遮蔽体にて行う。これによって磁気遮蔽体の負担を小さくさせながらより強力な磁気遮蔽効果を発揮させることができ、磁気遮蔽効果の向上が実現できる。
【０００９】
また、請求項２記載の磁気勾配浮上システムは、磁場発生源と超電導磁気遮蔽機構とを組み合わせて、所定の特殊な磁場分布空間を構成することにより鉄等に代表される強磁性体を空間に浮上させるシステムであるが、この超電導磁気遮蔽機構として請求項１に記載の構成を用いる。磁気遮蔽効果が向上するため、有効な（適切な）磁場空間を構成することができ、強磁性体に対する強力な浮上力を確保することができる。
【００１０】
ところで、磁場発生源としては種々のものを用いることができるが、例えば請求項３に示すように、超電導コイルを用いた場合には、補助用超電導コイルを磁場発生用の超電導コイルと接続するか又は単独に電流供給可能に構成することが考えられる。また、磁場発生源としては、請求項４に示すように、常電導コイル又は永久磁石を用いてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００１２】
図１（ａ）は、本実施例の磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。なお、図３に示した従来構成と同様の部分については、同様の番号を付してある。
図１（ａ）に示すように、本実施例の磁気勾配浮上システムは、磁場発生用超電導コイル１と、磁気遮蔽体２と、磁気遮蔽体２に付帯する設備として補助超電導コイル４を備えている。なお、本実施例では、磁場発生用超電導コイル１、補助超電導コイル４がそれぞれ特許請求の範囲における「磁場発生用の超電導コイル」、「補助用の超電導コイル」に相当し、また、磁気遮蔽体２と補助超電導コイル４が特許請求の範囲における「超電導磁気遮蔽機構」に相当する。磁場発生用超電導コイル１はレーストラック形状にされており、その内側に、超電導材料によって形成された板又は超電導バルクを用いて形成された長方形状の磁気遮蔽体２が対向して配置されている。そして、その対向配置された磁気遮蔽体２の間に鉄等に代表される強磁性体３が配置され、その強磁性体３を空間に浮上させるシステムを構成する。
【００１３】
ここで、補助超電導コイル４は、超電導線を閉じたループ状に形成したものであり、磁気遮蔽体２の側方、詳しくは磁気遮蔽体２の外側で且つ磁場発生用超電導コイル１の上下に、磁場発生用超電導コイル１のループ面と直交する面内でループを形成するようにしてそれぞれ配置されている。なお、図１（ａ）では一方の磁気遮蔽体２付近の補助超電導コイル４のみ示しているが、実際には、両方の磁気遮蔽体２の外側且つ磁場発生用超電導コイル１の上下に計４つ備えている。この補助超電導コイル４は、上述のように超電導線でループ状に構成されているが、このループの電気抵抗が可能な限り小さくされている。したがって、超電導線を巻いた後に、線材の両端を超電導的に接続することが望ましい。なお、超電導線同士を超電導的に接続する技術は既に確立されており、このような技術自体を現実に実施可能なことも周知の通りである。
【００１４】
このようなシステムにおいては、磁場発生用超電導コイル１によって強力な磁場が発生する。一方、補助超電導コイル４は磁気遮蔽体２と共に磁気遮蔽機構を構成するものであるが、補助超電導コイル４に流れる誘導電流は減衰することなく流れ続けることができ、全体として磁気遮蔽効果が期待できる。但し、補助超電導コイル４のみでは、おおまかな磁気遮蔽しか期待できず、磁気勾配浮上の特性を確保するには不十分である。そのため本実施例では、精細な磁気遮蔽を期待できる超電導材料からなる板等を用いた磁気遮蔽体２と組み合わせ、両者で磁気遮蔽機能を発揮するようにした。
【００１５】
すなわち、磁場発生用超電導コイル１によって発生する磁場が増加すると、補助超電導コイル４内に誘導電流が誘起され、補助超電導コイル４を貫通しようとする磁場は完全に遮蔽され、且つ容易に臨界電流を迎えることのない強力な磁気遮蔽効果を期待できる。ただし、この遮蔽効果は補助超電導コイル４全体で考えた合計値に対しては完全遮蔽効果を有するが、ローカルに見た場合には磁場の出入りは存在することとなる。これは、コイルという形状で磁気遮蔽を行う場合の必然的な現象である。
【００１６】
このように、補助超電導コイル４によって大まかに磁気遮蔽された後に、磁気遮蔽体２が精細な磁気遮蔽効果を発揮するが、その場合に内部に流れる遮蔽用の誘導電流は、補助超電導コイル４によって既に大まかな磁気遮蔽がなされている分だけ少なくなる。そのため、結果的に容易に磁場を遮蔽することができるようになり、あるいは、より強い磁場に対して有効な遮蔽機能を確保することができることとなる。
【００１７】
［別実施例］
（１）上記実施例では、補助超電導コイル４を磁気遮蔽体２の側方に設けたが、図１（ｂ）に示す別実施例の場合には、補助超電導コイル１４を磁場発生用超電導コイル１とほぼ同様な形状とし、磁場発生用超電導コイル１のループ面と平行な面内で、且つ磁気遮蔽体２の上下にそれぞれ配置した。なお、図１（ｂ）では補助超電導コイル１４の一部を省略して示してあるが、実際にはループ状に形成されている。この補助超電導コイル１４は、長方形状の磁気遮蔽体２の端部（図１（ｂ）中では上端及び下端部）における磁束の集中が磁気遮蔽体２の遮蔽効果の限界をもたらすことに注目し、この部分における磁束の集中を緩和させて、結果的に、より強力な磁場に対して有効な磁気遮蔽効果を確保することにした。
【００１８】
つまり、補助超電導コイル１４に磁場発生用超電導コイル１と同じ方向の電流を流すことによって、磁気遮蔽体２の端部における磁場発生用超電導コイル１からの磁場を低減させ、磁気遮蔽体２の中に流れる遮蔽電流を緩和させる役割を持たせる。図１（ｂ）の構成例においては、補助超電導コイル１４に流れる電流は、誘導電流に頼るよりは磁場発生用超電導コイル１と同時に強制的に電流を供給することが有効な手段とも考えられる。そのようにするのであれば、補助超電導コイル１４は、磁場発生用超電導コイル１と直列に接続するか、別途、独自に外部から電流を供給する方法が考えられる。この場合に通電した後に永久電流モードで閉じた状態にできるのは、自明である。
【００１９】
（２）上記実施例では、レーストラック形状にされた磁場発生用超電導コイル１の内側に磁気遮蔽体２を対向して配置し、その対向配置された磁気遮蔽体２の間において強磁性体３を空間に浮上させるシステムを取り上げたが、例えば図２に示す別実施例は、連続した長いレール状の強磁性体３を採用した場合について示したものである。
【００２０】
すなわち、図２の構成の場合は、長手方向に連続的、且つ上下に平行して配置した２本の強磁性体３に対向する両側に磁場発生用超電導コイル１を複数個配置し、それぞれの磁場発生用超電導コイル１と強磁性体３との間に磁気遮蔽体２を配置する。さらに、磁気遮蔽体２と磁場発生用超電導コイル１の間に補助超電導コイル４を配置する。磁場発生用超電導コイル１、磁気遮蔽体２及び補助超電導コイル４を一体構成とすることにより、強磁性体３に対して長手方向に移動可能な状態で安定的に浮上させることが可能になる。
【００２１】
なお、図２には、レーストラック形状の磁場発生用超電導コイル１を強磁性体３の両側に配置する構成例を示したが、磁場発生用超電導コイル１を片側にのみ配置する構成や、磁場発生用超電導コイル１をレーストラック形状ではなく「鞍型」の巻き線構造にして配置する構成など、種々の変形が考えられる。これらの構成であっても補助超電導コイル４が有効に作用することは当然である。
【００２２】
（３）上記実施例では、磁気勾配浮上システムの構成例として、磁場発生用超電導コイル１をレーストラック形状のコイルとし、磁気遮蔽体２を平板として表現した。しかし、磁場発生用超電導コイル１が円形であり、磁気遮蔽体２が円筒形状の場合についても全く同様の考え方を適用できる。
【００２３】
（４）上記実施例では、磁場発生用として超電導コイルを採用したが、必ずしも超電導材料によって構成する必要はなく、例えば常電導コイルや永久磁石によって構成してもよく、原理的には何ら変わりはない。
（５）図１（ａ）に示した実施例では、磁気遮蔽体２の外側で且つ磁場発生用超電導コイル１の上下に補助超電導コイル４をそれぞれ設けたが、いずれか一方であってもよいし、逆に上下合わせて３つ以上配置してもよい。同様に、図１（ｂ）に示す別実施例の場合には、補助超電導コイル１４を磁気遮蔽体２の上下にそれぞれ配置したが、いずれか一方であってもよいし、上下合わせて３つ以上配置してもよい。同様に、図２に示す別実施例の場合には、補助超電導コイル４を磁気遮蔽体２の上下にそれぞれ配置したが、いずれか一方であってもよいし、合わせて５段以上配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】コイル配置等の別実施例を示す説明図である。
【図３】従来の磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１…磁場発生用超電導コイル
２…磁気遮蔽体
３…強磁性体
４，１４…補助超電導コイル

Claims (4)

1. 超電導材料によって形成された板又は超電導バルクを単体で又は複数組み合わせて構成した超電導磁気遮蔽機構において、
   閉じたループ状に形成されて磁気遮蔽機能を発揮可能な補助用の超電導コイルを付加したことを特徴とする超電導磁気遮蔽機構。
2. 請求項１に記載の超電導磁気遮蔽機構と磁場発生源とを組み合わせて所定の磁場分布空間を構成し、強磁性体との間での相対変位に対して復元力を発生させることによって前記強磁性体を空間に浮上させる又は自らが空間に浮上することを特徴とする磁気勾配浮上システム。
3. 請求項２記載の磁気勾配浮上システムにおいて、
   前記磁場発生源として超電導コイルを用いると共に、前記超電導磁気遮蔽機構における補助用の超電導コイルについては、前記磁場発生用の超電導コイルと接続するか又は単独に電流供給可能に構成したことを特徴とする磁気勾配浮上システム。
4. 請求項２記載の磁気勾配浮上システムにおいて、
   前記磁場発生源として常電導コイル又は永久磁石を用いたことを特徴とする磁気勾配浮上システム。

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