JP2006501799A - 磁力を利用した、浮遊、誘導及び推進輸送手段 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は本発明に従ったシステムにおける、基礎となるサスペンション(または、浮上)のデザインの断面を示している。乗物は両側に配置された一連の磁石によって支持され、これらの磁石はガイドウェイ(または、案内路)上の積層状のスチールレールへの引力を発生する。図1に示されている寸法は、例えば、以下の複数の要因を考慮して選択される。
・マグレブ式輸送手段の重量は積荷にも依るが、商業上、1メートル当たり約0.9トン程度であると予想される。図示された実施例において、マグネットポッドが乗物の長さの大部分に拡張すると仮定すると、各ポッドは1メートル当たり約0.5トンを支持しなければならない。また、図示された実施例において、これは容易に入手可能な約20mmの磁気ギャップ(magnetic gap)とともに永久磁石及び約80mm幅のスチールレールを使用して達成される。
・好まれるものとして、上昇を与えるマグネットと同一のマグネットが誘導(または、案内)も与える。横方向の誘導力に対する要求は、例えば、カーブや強風等のワースト条件の下で、0.4g程度であるだろう。本発明は、ガイドウェイ上のスチールレールが磁気ギャップの定格値の約4倍程度の幅であれば、これを達成できることを見出した。上述の例の場合、20mmの磁気ギャップに対して80mm幅のレールを使用しており、この条件を満たしている。
・図示された実施例において、スチールレールの中央から中央の間の間隔は1700mmに選択されており、レールの内側の端の間の間隔が1435mmである従来の鉄道に比べいくらか広い。
図2aには、図1のサスペンション構造の側面図が示されている。磁場は波長と呼ばれる間隔ごとに繰り返される。波長の最適な値は乗物の寸法、速度、重量及び加速度等の要件に応じて大きな範囲で変化してもよい。図1に示されている寸法に対し、波長に対する適当な選択は波長が約0.5メートルに等しくなるようにすることである(もちろん、他の寸法が使用されてもよい)。これは結果的に、断面が概ね正方形であり、容認可能な程度に小さい推進用巻線のインダクタンスを生ずる推進コイルとなる。波長が0.5メートル及び乗物の速度が45m/s(163km/h)の場合、線形同期モーター(LSM(linear synchronous motor))の励起周波数は90Hzである。長めの波長の実施例の場合、固定子のレール及び乗物の磁石に対して多め(または、大きめ)の地鉄(back iron)を使用してもよい(しかしながら、これはガイドウェイのコスト及び乗物の重量を増大させるだろう)。短めの波長の実施例の場合、大きめの励起周波数を使用してもよい(しかしながら、これは渦電流損失及び巻線インダクタンスに関する問題を増大させるだろう)。
現在の技術における、磁石の材料に対する適当な選択はネオジミウム−鉄−ボロン(NdFeB)である。等級の選択において、好まれる最大エネルギー積及び消磁のために必要な保磁力は可能な動作温度の最大値で評価される。図示された実施例は、温度50度で磁束が0に駆動されたとき実質的に消磁しない条件で、40MGOのエネルギー積の定格を有する材料を使用する。40MGOを超過するエネルギー積を有するNdFeB磁石が使用されてもよいが、現在有効な材料の場合、それらはより容易に消磁しやすい。本発明のいくつかの実施例に対する材料の選択における、選択の目的は制御電流が磁束を(ギャップが最小値のときに)ギャップを増大するために必要なレベルまで減少させるときに、磁石の全ての有効な部分の消磁が十分に小さいことを確実することである。他の実施例においては、ハルバック配列(Halbach Array)等の、異なった磁石の構成が使用されてもよいが、これは実質的にデザインに影響しない。
本発明に従ったシステムにおいて、乗物の磁石の配列は通常、数波長分程度の長さしか有さない。以下の記述は終端の磁石の配置を決定するときに、好まれるものとして考慮されるべき内容である。
1.終端磁石は好まれるものとして、周期的な配列の部分の磁石が乗物の配列が非常に長い場合の磁束に類似した固定子磁束を生成するように、周期的な配列の部分からの磁束を終結させる。
2.周期的な配列がコギング力(cogging force)を生じない場合、終端の磁石は好まれるものとしてコギングを生じない。
3.終端磁石は好まれるものとして、配列上に過度のピッチ力(または、縦揺れ力)を生じない。
1.磁石は概ね通常の磁石と同じくらいの長さを有するが、減少した高さを有する。寸法及び配置は、隣り合った磁石からの磁束の半分が両方向に行くように選択される。
2.終端磁石の長さ及び間隔はコギングが生じないように選択される。
3.周期的配列で使用される磁石の数は偶数であり、終端磁石によって生ずるピッチ力が非常に小さくなるように詳細に計算された寸法及び配置が使用される。
本発明に従ったシステムにおいて、浮遊磁石の周囲に巻かれたコイル内の電流の変化は垂直方向の浮遊力(または、浮上力)を制御する。以下に制御の目的を記す。
1.不安定な平衡点を安定した平衡点に変換する。
2.磁気ギャップを制御コイル内の電力消散を最小にする値に調節する。
図示された実施例の線形同期モーター(LSM(linear synchronous motor))は前述の出願(米国特許出願No.60/326,278及び同日に出願されたそれの関連出願)に開示されたものに基づいたものであってもよいし、あるいは、(従来技術等の)他の設計方法が使用されてもよい。好まれるものとして、LSM及び浮遊デザインは、誘導を与えるための付加的な磁気構造に対する必要性を排除するために十分な横方向の力が存在するように選択される。ギャップが小さい場合、これは(日本のHSSTマグレブシステムと同様な様式で)サスペンションレール(または、浮遊レール)を、各々が誘導を与える2つまたはそれ以上の部分に分割することを含んでもよい。LSMは図6の制御システムのブロック図で示されているような多相インバーターを駆動するマイクロプロセッサーによって制御されてもよい。
図1、2a、2bに示されているデザインはカーブに対処し、横方向の風圧に耐性を有することを可能にするのに十分な程度の横方向の力を生成する。横方向の力の減衰を与えるために、磁石の組は、図9に示されているようにオフセットを有する。図9は4つの完全な長さの磁石91、92及び2つの終端磁石93を備えた本発明に従った短い磁石ポッドの上面図である。
本発明に従った1つの実施例において、永久磁石の代わり、またはそれらに加えて超伝導磁石を使用することが可能である。これは、例えば、ギャップを安定させるために超伝導コイル内の電流を制御することによって、あるいは、永久電流モード(または、一定電流モード)の超伝導コイル及び(永久磁石による浮遊とともに上述したような)外部の制御コイルを使用することによって実施することができる。後者の手法は超伝導磁石を非常に簡略化することができるという長所を有する。
本発明のさらなる実施例はケーブルカー(または、ロープウェイ)が頭上のケーブルによって支持されるのと同様な様式で乗物を支持する単一の高架サスペンションレールを使用する。
・単一のサスペンションレール及び単一の推進用巻線のみを必要とするのでコストを削減できる。
・高速作用スイッチの設計が容易である。
・支持用ビームが小型になり、邪魔にならない。
本発明に従った浮遊システム(または、サスペンションシステム)の寸法は旅客用に適しているが、荷物の運搬に対しては最適ではないかもしれない。例えば、半導体工場等のクリーンルームで使用される小さめの寸法のシステムを構成する場合、車輪ベースのサスペンションからの汚染は問題を呈するだろう。放射性材料を運搬するためのもう1つの実施例の場合、輸送手段が密閉されたダクト内で動作するのに対し、推進用巻線はダクトの外部に配置されなければならないだろう。本発明のデザインはより強力な力を扱うために広めの浮遊レール(または、サスペンションレール)を使用することによって大きめの寸法にされてもよいし、または、大きめのギャップ及び長めの波長とともに高速で動作するデザインが使用されてもよい。これらの変更は全て可能であり、上述の設計の原理を適用することが可能である。
92 磁石
93 終端磁石
102 超伝導コイル
103 スチールポール
Claims (13)
- 1つまたは複数の強磁性体のレールを備えるガイドウェイであって、少なくとも1つの前記レールが線形同期モーターのための巻線を備えるガイドウェイ;
1つまたは複数の磁石の配列を備える輸送手段であって、少なくとも1つの前記磁石の配列が:
少なくとも1つの前記ガイドウェイレールへの磁気的な引力を生じさせ;
前記輸送手段に横方向の復元用の力を生じさせ;さらに、
1つまたは複数の前記巻線内の電流への応答で縦方向の力を生じさせる輸送手段;及び、
実質的に安定な垂直方向のギャップを生じさせるために前記磁石の周囲に巻かれた少なくとも1つの制御コイルを備える磁気浮遊システム。 - 前記コイルを制御するために有効な第1の制御システムをさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- 前記同期モーターの前記巻線を駆動するために有効な第2の制御システムをさらに備える、請求項2に記載の磁気浮遊システム。
- スウェイ及びヨー力を減衰するために横方向にオフセットを有して配置された少なくとも1つの磁石の組をさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- ヒーブ、ロール、スウェイ、及びヨーの振動を減衰するために有効な、前記輸送手段上に配置された1つまたは複数の装置をさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- 実質的なコギング力を生ぜずに、実質的に滑らかな力を生成するために有効な線形同期モーターをさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- 前記輸送手段の前記ガイドウェイに対する位置を決定するために有効な位置感知システムをさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- 前記磁石の配列が終端効果及びコギング力を最小にするような寸法及び配置を有する終端磁石をさらに備える、請求項1に記載の磁気浮遊システム。
- 前記磁石の配列が横方向のオフセットを有するように配置された少なくとも1組の磁石をさらに備える、請求項8に記載の磁気浮遊システム。
- ヒーブ、スウェイ、及びヨーの振動を減衰するために有効な、前記輸送手段上に配置された1つまたは複数の装置をさらに備える、請求項8に記載の磁気浮遊システム。
- 1つまたは複数の強磁性体のレールを備えるガイドウェイであって、少なくとも1つの前記レールが線形同期モーターのための巻線を備えるガイドウェイ;
1つまたは複数の超伝導磁石の配列を備える輸送手段であって、少なくとも1つの前記磁石の配列が:
少なくとも1つの前記ガイドウェイレールへの磁気的な引力を生じさせ;
前記輸送手段に横方向の復元用の力を生じさせ;さらに、
1つまたは複数の前記巻線内の電流への応答で縦方向の力を生じさせる輸送手段;及び、
垂直方向のギャップを実質的に安定させるために有効なシステムを備える磁気浮遊システム。 - 加速力を生成するために有効な巻線制御システムをさらに備える、請求項11に記載の磁気浮遊システム。
- 1つまたは複数の強磁性体のレールを備えるガイドウェイであって、少なくとも1つの前記レールが線形同期モーターのための巻線を備えるガイドウェイ;
少なくとも1つの超伝導磁石の配列を備える輸送手段であって、少なくとも1つの前記磁石の配列が:
少なくとも1つの前記ガイドウェイレールへの磁気的な引力を生じさせ;
前記輸送手段に横方向の復元用の力を生じさせ;さらに、
1つまたは複数の前記巻線内の電流への応答で縦方向の力を生じさせる輸送手段;
実質的に安定な垂直方向のギャップを生じさせるために前記磁石の周囲に巻かれた少なくとも1つの制御コイル;
前記コイルを制御するために有効な第1の制御システム;及び、
前記輸送手段の加速力を生成するため、前記巻線を駆動するために有効な第2の制御システムを備える磁気浮遊システム。
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