JP2007209129A

JP2007209129A - 超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置

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Publication number: JP2007209129A
Application number: JP2006025637A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kiyono; 寛清野; Masaru Nagashima; 賢長嶋
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: JP4772525B2

Abstract

【課題】１対の反磁性体（超電導バルク）と、それらを連結する「連結ロッド」と、その連結ロッドに取り付けたロードセルだけで簡便に試験ができる超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置を提供する。
【解決手段】超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置において、超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、このクライオスタット（１）の上方に配置される支持物を有する第１の反磁性体（５）と、この第１の反磁性体（５）に連結される連結ロッド（７）と、この連結ロッド（７）に固定される第２の反磁性体（６）と、前記連結ロッド（７）に取り付けられる電磁力測定用ロードセル（１２）とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置に関するものである。

電磁力を利用した支持装置やベアリングは非接触であることから高速回転させても損失が少ないという利点がある。

そのような電磁力を利用した支持装置においては、従来から永久磁石が使用されてきたが、それに使用する永久磁石の発する磁束密度には限界があることから載荷力に限界があった。

そこで、重載荷力を増やす一つの方法として、バルク（固まり状態）の超電導物質の反磁性効果と永久磁石の間に働く電磁力を利用する方法が考えられている。例えば、国内ではＮＥＤＯの開発（非特許文献１参照）、アメリカではアルゴンヌ研究所（非特許文献２参照）の例がある。

また、より大きな載荷力を得られるものとして、超電導コイルとバルク超電導物質の相互作用力を利用したものも考えられている（特許文献１参照）。
特開２００３−２１９５８１号公報新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フライホイール電力貯蔵要超電導磁気軸受け技術研究開発」Ｔ．Ｍ．Ｍｕｌｃａｈｙｅｔａｌ．：ＩＥＥＥＴｒａｎ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｉｔｙ，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１（２００１），ｐｐ．１７２９−１７３２．

しかしながら、上記したような電磁力支持装置において、従来の超電導磁石をそのまま使用して大きな荷重を保持させようとすると、クライオスタット内で超電導コイルを断熱支持している断熱荷重支持材に大きな荷重がかかってしまう。

以下、従来の超電導磁石を用いた電磁力支持装置について詳細に説明する。

図６は従来の反磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。

この図において、１０１はクライオスタット、１０２は超電導コイル、１０３は超電導コイル１０２の周方向断熱荷重支持材、１０４は超電導コイル１０２の上下方向断熱荷重支持材、１０５は上方に配置され支持物１０６を有する反磁性体、１０７は超電導コイル１０２と反磁性体１０５間の電磁気的な相互作用によって生じる磁気ばね、１０８は路盤１０９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台、１１０は超電導コイル１０２に作用する付加荷重、１１１は超電導コイル１０２の上下方向断熱荷重支持材１０４に作用する付加荷重、１１２は架台１０８の脚部に作用する付加荷重、１１３は路盤１０９に作用する付加荷重であり、この付加荷重１１３に対して反力１１４と力の釣合いがとれることになる。

図７は従来の強磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。

この図において、２０１はクライオスタット、２０２は超電導コイル、２０３は超電導コイル２０２の周方向断熱荷重支持材、２０４は超電導コイル２０２の上下方向断熱荷重支持材、２０５は下方に配置され支持物２０６を有する強磁性体、２０７は超電導コイル２０２と強磁性体２０５間の電磁気的な相互作用によって生じる磁気ばね、２０８は路盤２０９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台、２１０は超電導コイル２０２に作用する付加荷重、２１１は超電導コイル２０２の上下方向断熱荷重支持材２０４に作用する付加荷重、２１２は架台２０８の脚部に作用する付加荷重、２１３は路盤２０９に作用する付加荷重であり、この付加荷重２１３に対して反力２１４と力の釣合いがとられることになる。

上記したように、これらの電磁力支持装置は、反磁性体１０５と超電導コイル１０２の反発力、または強磁性体２０５と超電導コイル２０２の吸引力を利用して支持物１０６，２０６を支持する。その際に、従来の超電導コイル１０２，２０２では、超電導コイル１０２，２０２に加わる電磁力を上下方向断熱荷重支持材１０４，２０４でクライオスタット１０１，２０１に伝えて、それを架台１０８，２０８等を介して路盤１０９，２０９等に固定する。

なお、ここでは、断熱支持材を上下、左右に分けて説明しているが、一つもしくは一組の部品で上下、左右の荷重支持を担う場合でも機能上は上下、左右の各断熱荷重支持材であり、上記説明と同じである。

かかる従来の電磁力支持装置の構造では、以下の問題が生じる。

（１）断熱荷重支持材を介して荷重を伝達するため、断熱荷重支持材の高荷重化が必要である。

（２）断熱荷重支持材の高荷重化に伴い、超電導コイルへの熱侵入が増大する。

（３）冷凍負荷が増大することにより、冷凍機の大型・高容量化が必要となる。

本発明は、上記状況に鑑みて、１対の反磁性体（超電導バルク）と、それらを連結する「連結ロッド」と、その連結ロッドに取り付けたロードセルだけで簡便に試験ができる超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置において、超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、このクライオスタット（１）の上方に配置される反磁性体（５）と、この反磁性体（５）に連結される連結ロッド（７）と、この連結ロッド（７）に固定される反磁性体（６）と、前記連結ロッド（７）に取り付けられる電磁力測定用ロードセル（１２）とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置において、前記反磁性体（６）が路盤（１１）上に配置される位置調整装置（９）とロードセル（１３）を介して支持ロッド（８）により支持されることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

超電導コイルへ外部から加わる電磁力、例えば反磁性体との反発力に関する耐荷重は断熱荷重支持材の強度で決定される。通常の超電導コイルでは外部からの熱侵入を抑えるために断熱荷重支持材の断面をなるべく小さく設計する。そのため、汎用の超電導コイルでは外部から大きな電磁力を加えることができない。このような現状に対して、本発明の試験装置によれば、
（１）第１と第２の反磁性体（超電導バルク）間の反発力と超電導コイル間の力が超電導コイル部で内力として釣り合うので、断熱荷重支持材に新たに電磁力は付加されない。従って、超電導コイルの上下、左右に断熱荷重支持材の耐荷重以上の荷重をかけることができる。

（２）大きな電磁力を付与することを考慮していない汎用の超電導マグネットでも大きな載荷力を与える試験ができる。

（３）基本的には１対の反磁性体（超電導バルク）と、それらを連結する「連結ロッド」と、その連結ロッドに取り付けたロードセルだけで試験ができ、簡便である。

本発明の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置は、超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、このクライオスタット（１）の上方に配置される反磁性体（５）と、この反磁性体（５）に連結される連結ロッド（７）と、この連結ロッド（７）に固定される反磁性体（６）と、前記連結ロッド（７）に取り付けられる電磁力測定用ロードセル（１２）とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す反磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の試験装置の模式図である。

この図において、１はクライオスタット、２は超電導コイル、３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、４は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材、５は超電導コイル２の中央部であって上方に配置される第１の反磁性体（超電導バルク体）、６は連結ロッド７を介して第１の反磁性体５の下部に配置される第２の反磁性体（超電導バルク体）、８は第２の反磁性体（超電導バルク体）６の下部に配置される支持ロッド、９は支持ロッド８の下部に配置される位置調整機構、１０は路盤１１上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台である。また、１２は第１の反磁性体５と第２の反磁性体６との間に配置される電磁力測定用ロードセル、１３は支持ロッド８に配置される断熱荷重支持材付加荷重測定用ロードセルである。

超電導コイル２の水平方向中心からの距離を等しくとって超電導バルク５と６を対向して配置すると、超電導バルク５と超電導コイル２との間に働く電磁力と超電導バルク６と超電導コイル２との間に働く電磁力は大きさが同じで、付与方向が逆転することになる。このためバルクを配置したことにより発生する電磁力は超電導コイル２部分で圧縮内力として釣り合い、断熱荷重支持材に新たな外力は負荷されない。

また、超電導バルク５と６とをつないだ連結ロッド７により、超電導バルク側に加わる電磁力も連結ロッド７に加わる引張内力として釣り合うために外部への荷重伝達経路が必要でなくなる。

したがって、
（１）大きな電磁力を付与することを考慮していない汎用の超電導マグネットでも大きな載荷力を与えた試験ができる。

（２）基本的には１対のバルクと、それらを連結する連結ロッドと、連結ロッドに取り付けたロードセルだけで試験ができ、簡便である。

なお、楕円で囲まれたセット１４（支持ロッド８、断熱荷重支持材付加荷重測定用ロードセル１３、位置調整機構９）は、断熱荷重支持材に加わる荷重をモニタするためのもので、基本構成ではなく、オプション機器である。

また、φＡは超電導バルク体５，６の直径、φＢは超電導コイル２の直径、Ｌは超電導コイル２の高さ、ｓは超電導バルク体５と６の間隔を示している。ここで、φＡを６０ｍｍ，厚さｔは１５ｍｍ、φＢを１７０ｍｍ、Ｌは１８０ｍｍ、ｓを２４０，１４０ｍｍとして実施した計算結果を図２〜図５に示す。

図２はバルク体のＪｃ−Ｂ特性図であり、横軸は印加磁場〔Ｔ〕、縦軸は臨界電流密度Ｊｃ〔Ａ／ｃｍ²〕である。実線は６３Ｋ、点線は７７Ｋの場合を示している。バルク体の特性はＧｄ系のものを用いた。

図３はバルク体に働く上下方向の電磁力を示す図（その１）であり、横軸は印加磁場〔Ｔ〕、縦軸は電磁力〔ｋｇｆ〕である。実線は６３Ｋ、点線は７７Ｋを示している。

これは超電導コイル２の水平方向中心位置から上方に７０ｍｍ離れた位置にバルク体５を配置したもので、対向するバルク体６は配置していない。液体窒素温度の７７Ｋでは上下反発力が１００ｋｇｆ程度で頭打ちになるのに対して、固体窒素温度の６３Ｋに冷却すると、１．５Ｔで１００ｋｇを越えて３．５Ｔで５００ｋｇに達する。今回の例で用いた超電導コイルのサイズでは断熱荷重支持材の上下方向の耐荷重はおおむね１００ｋｇｆ程度である。このため、超電導バルク１つの配置では７７Ｋまでの冷却までしか試験ができないことになる。

図４は、バルク体に働く上下方向の電磁力 (図３参照）を超電導コイルの発生する磁場分布に沿って、超電導コイルの上下方向の位置と電磁力の関係として表した図である。バルク体の温度は６３Ｋとし、印加磁場を３．５Ｔとして計算した。横軸は上下方向の位置を表し、Ｚ＝０は超電導コイル２の水平方向中心位置を示している。ｚが正の値で中心より上、負の値で中心より下となる。また、縦軸は上下方向の電磁力（ｋｇｆ) である。電磁力は正が上向き、負で下向きの力になっている。図４（ａ）ではバルク体５、６の間隔ｓを１４０ｍｍとした図を重ね合わせ、図４（ｂ）では間隔ｓを２４０ｍｍにした図を重ね合わせている。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、図４（ａ）および図４（ｂ）のバルク体配置のものを上下方向に変位させた時の電磁力の変化を各々表したものである。実線がバルク体５、６と超電導コイル２間に働く電磁力を表し、点線は連結ロッド７、ロードセル１２および超電導コイル２に加わる内力を表す。横軸は上下方向の位置を表しており、ｚ＝０はバルク体５，６が超電導コイルの水平方向中心線から同じ距離にあることを示し、ｚが正の値で中心より上への変位を、また、負の値で中心より下方へ変位することを表している。縦軸は上下方向の電磁力（ｋｇｆ) と内力（ｋｇｆ) を表す。電磁力は正が上向き、負で下向きの力になっており、内力は正が引っ張り、負では圧縮になる。ｚ＝０では、荷重は内力だけになり、外力は発生しない。このため基本的には１対のバルク５、６とそれらを連結する連結ロッド７とこの連結ロッド７に取り付けたロードセル１２だけで試験ができる。この時、超電導バルク５と６は超電導コイル２の水平方向中心線からの距離が等しいので、超電導バルク５と超電導コイル２との間に働く電磁力と超電導バルク６と超電導コイル２との間に働く電磁力は大きさが同じで、付与方向が逆転することになる。このため、バルクを配置したことにより発生する電磁力は超電導コイル２部分で圧縮内力として釣り合い、断熱荷重支持材に新たな外力は負荷されない。

実施例では、１対のバルク対５、６の間隔を１４０ｍｍと２４０ｍｍとしている。１４０ｍｍの方がバルク体に加わる上下方向電磁力を大きくできるが、ｚ＝０付近で変位させると外力が変位を助長する方向に働いて変位に対して安定性が良くない。

一方、２４０ｍｍでは１４０ｍｍほど電磁力が大きくないが、ｚ＝０で変位させると外力は復元方向に働くので安定性が良い。このように、本発明では１対のバルク対２、６を接続する連結ロッドの長さを調節することで安定した試験ができる。

更に、楕円で囲まれたセット１４（支持ロッド８、断熱荷重支持材付加荷重測定用ロードセル１３、位置調整機構９）を設置すると、断熱荷重支持材への荷重が０であることを確認しながら試験を行うことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置は、磁気浮上式鉄道車両に搭載する超電導磁石装置などの試験装置として利用可能である。

本発明の実施例を示す反磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の試験装置の模式図である。バルク体のＪｃ−Ｂ特性図である。バルク体に働く電磁力を示す図（その１）である。バルク体に働く電磁力を示す図（その２）である。バルク体に働く電磁力を示す図（その３）である。従来の反磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。従来の強磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。

符号の説明

１クライオスタット
２超電導コイル
３超電導コイルの周方向断熱荷重支持材
４超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材
５第１の反磁性体（超電導バルク体）
６第２の反磁性体（超電導バルク体）
７連結ロッド
８支持ロッド
９位置調整機構
１０架台
１１路盤
１２電磁力測定用ロードセル
１３断熱荷重支持材付加荷重測定用ロードセル
１４セット

Claims

（ａ）超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、
（ｂ）該クライオスタット（１）の上方に配置される反磁性体（５）と、
（ｃ）該反磁性体（５）に連結される連結ロッド（７）と、
（ｄ）該連結ロッド（７）に固定される反磁性体（６）と、
（ｅ）前記連結ロッド（７）に取り付けられる電磁力測定用ロードセル（１２）とを具備することを特徴とする超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置。
請求項１記載の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置において、前記反磁性体（６）が路盤（１１）上に配置される位置調整装置（９）とロードセル（１３）を介して支持ロッド（８）により支持されることを特徴とする超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置の試験装置。