JP2008253126A - 磁気浮上機構 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、浮上力を付加的に付与し、走行体を浮上させるための浮上コイルの負荷を低減させることができる磁気浮上機構を提供する。
【解決手段】本発明は、軌道１の側壁２の上部に、浮上走行体４の走行方向に沿うように超電導磁石８との間に吸引力を発生させる磁性体１２を配置する。そして、この磁性体１２により生じる吸引力によって、浮上走行体４に対する浮上力を付加的に増加させ、走行体４を浮上させるための浮上コイル１０の負荷を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は浮上走行体（車体）の浮上力の向上を図ることが可能な誘導反発式の磁気浮上機構に関する。

従来、この種の誘導反発式の磁気浮上機構として、下記の特許文献１に示される技術が知られている。この公報に示される磁気浮上機構は、両側に側壁を有しこれら側壁間にＵ字溝を形成する軌道と、この軌道のＵ字溝に沿って走行される浮上走行体と、この浮上走行体の両側部に設けられた超電導磁石と、軌道の側壁内側に浮上走行体の超電導磁石と対向しかつ該浮上走行体の走行方向に沿うように配置された複数の浮上案内兼用電気コイルと、を有するものであって、これら浮上案内兼用電気コイル間に生じる誘導電流によって浮上走行体に浮上力を発生させる。また、それぞれの浮上案内兼用電気コイルは、軌道の両側壁にそれぞれ２つづつ上下に取付け、かつその巻線の端部が電気的に接続されているものであって、浮上走行体が走行する際に、浮上走行体上の磁石によって作られた磁束、及び浮上案内兼用電気コイルを貫通することによって発生する電圧の互いの相殺により、側壁面に取付けた浮上案内兼用電気コイルのみで浮上走行体の浮上ならびに走行案内を可能とする。
特公平７−５５００３号公報

ところで、上記公報に示される磁気浮上機構では、浮上案内兼用電気コイルによって軌道内の浮上走行体に対して浮上力が付与されるものであるが、その際、浮上走行体は、浮上案内兼用電気コイルから得た浮上力によって全ての浮上がなされるものであるので、浮上案内兼用電気コイルに負担がかかり、該コイルの耐久性を低下させるという問題があった。また、浮上案内兼用電気コイルに電流が流れることにより、該コイルが必要以上に加熱して温度上昇が生じ、浮上走行体の走行に対して余計な抵抗が生じるという問題があった。
更に、前述の浮上案内兼用電気コイルに負担がかかり、該コイルの耐久性を低下させるという問題、コイルが必要以上に加熱して温度上昇が生じ、浮上走行体の走行に対して余計な抵抗が生じるという問題を解決する際、できるだけ低コストで実現できること、更なる走行抵抗の低減を実現できることが好ましい。
更にまた、この種の磁気浮上走行体において、複線区間を想定した場合、対向車線側の磁界が、隣接する他の車線側の浮上走行体に影響を及ぼすことが懸念されている。

本発明は、従来の有していた問題を解決しようとするものであって、軌道の側壁に設けた磁性体により浮上力を付加的に付与し、走行体を浮上させるための浮上コイルの負荷を低減させることができる磁気浮上機構の提供を目的とする。
また、本発明は、走行体を浮上させるための浮上コイルの負荷を低減させることをできる限り低コストで実現し、浮上力補助の実現を図るとともに、複線区間における対向車線側の磁界の影響を排除することができる軸浮上機構の提供を目的とする。

そして、上記目的を達成するために本発明の課題解決手段では、両側に側壁を有しこれら側壁間にＵ字溝を形成する軌道と、この軌道のＵ字溝に沿って走行する浮上走行体と、この浮上走行体の両側部に設けられた超電導磁石と、軌道の側壁内側にて浮上走行体の超電導磁石と対向しかつ該浮上走行体の走行方向に沿うように配置された浮上・推進コイルと、を有する磁気浮上機構であって、前記軌道の側壁の上部でかつ前記浮上コイルの上方位置には、前記浮上走行体の走行方向に沿うように、超電導磁石との間に吸引力を発生させる磁性体が配置されていることを特徴とする。

本発明の課題解決手段では、前記磁性体は、複数の鉄線の周囲を絶縁体で被覆してなる鉄線束により形成されていることを特徴とする。
本発明の課題解決手段では、前記磁性体は、複数の鉄線が撚り合わされて前記軌道の側壁の鉄筋を形成するプレストレス鋼線であることを特徴とする。
本発明の課題解決手段では、前記磁性体は、磁性体基板を複数、フラックスバリア層となる非磁性体層を介して積層してなる積層鉄心により形成されていることを特徴とする。
本発明の課題解決手段では、前記磁性体は、磁性体基板と非磁性体層の面方向を浮上走行体の進行方向に沿わせ、前記側壁の厚さ方向に積層方向を向けて前記側壁に配置されてなることを特徴とする。
本発明の課題解決手段では、前記磁性体基板が、磁性粉末の焼結合金板からなることを特徴とする。
本発明の課題解決手段では、前記浮上走行体の側部には、垂直軸を中心として回転自在なガイドローラが設けられており、前記磁性線状体は、側壁内面に沿って設けられて、前記走行浮上体が揺動した際に、ガイドローラと接触するガイドレールであることを特徴とする。

本発明の磁気浮上機構では、軌道の側壁の上部でかつ前記浮上コイルの上方位置に、浮上走行体の走行方向に沿うように超電導磁石との間に吸引力を発生させる磁性体を配置したので、この磁性体により生じる吸引力によって、浮上走行体に対する浮上力を付加的に増加させることができる。これによって走行体を浮上させるための浮上コイルの負荷を低減させ、浮上コイルの耐久性が低下すること、浮上コイルが必要以上に加熱して抵抗が生じることを防止できる効果がある。

また、本発明の磁気浮上機構では、複数の鉄線の周囲を絶縁体で被覆してなる鉄線束により磁性体を構成したので、鉄線束内の磁束により生じる渦電流が個々の鉄線内に限定され、複数の鉄線間を跨って流れる渦電流が抑止されるため、過大な磁気抗力を生じさせることなく、これによって磁性体と超電導磁石との間にて、吸収力を効率よく発生させることができる。また、絶縁体により鉄線を個々に被覆しているので、鉄線に対する防錆効果も得られる。

また、本発明の磁気浮上機構では、複数の鉄線が撚り合わされかつ軌道の側壁の鉄筋を形成するプレストレス鋼線を、磁性体として用いることも可とする。すなわち、軌道の側壁の鉄筋を形成するプレストレス鋼線を、浮上走行体に対して補助的な浮上力を与える磁性体に兼用して構成を共通化することで、全体の構造を簡素化することが可能となる。

本発明の磁気浮上機構では、磁性体基板を複数、非磁性体層を介して積層してなる積層鉄心により磁性体を形成したので、複数の鉄線の周囲を絶縁体で被覆してなる鉄線束により磁性体を構成する場合に比較し低コストで目的を実現できる効果を奏する。即ち、１本１本の鉄線を個々に絶縁して撚り合わせて製造するよりも、磁性体基板と非磁性体層を交互積層する方が製造が容易にでき、安価に提供できる。
また、積層鉄心により磁性体を構成する場合、磁性体基板と非磁性体層の面方向を浮上走行体の進行方向に沿わせ、前記側壁の厚さ方向に積層方向を向けて前記側壁に配置することにより、磁性体基板を用いていても、渦電流損失を抑制しつつ必要な吸引力を効率良く発生させ、目的を達成できる。即ち、浮上走行体の超電導磁石からの磁界が積層鉄心に作用した場合であっても、積層面に入る磁界成分をできるだけ小さくできるので、渦電流損失を小さくしながら目的を達成できる。

また、浮上走行体の側部に、垂直軸を中心として回転自在で前記軌道の側壁内面に接触するガイドローラを設け、前記走行浮上体が揺動した際に、このガイドローラに、側壁内面に沿って設けたガイドレールを接触させるものにおいて、本発明では、ガイドレールを磁性体で構成した。つまり、本発明では、磁性体をガイドレールと兼用させており、これにより、上記と同様に全体の構造を簡素化することが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は本発明に係わる磁気浮上機構の正面概略図であって、この図において符号１は軌道である。この軌道１は、両側に側壁２を有しこれら側壁２間にＵ字溝３を形成するものであって、この軌道１のＵ字溝３に沿って浮上走行体４が走行する（図１では紙面と直交する方向に走行する）。この浮上走行体４は、台車５と、この台車５の上方に空気バネ６を介して連結された車体７とを具備するものであって、台車５の下部には、Ｕ字溝３上の車輪走行路３Ａを走行する車輪（図示略）、補助車輪（図示略）が設けられている。

この浮上走行体４の両側には超電導磁石８が設けられている。また、浮上走行体４には超電導磁石８にヘリウムを供給するヘリウムタンクが設けられているが、図面上では省略されている。一方、軌道１の側壁２内側には、浮上走行体４の超電導磁石８と対向しかつ該浮上走行体４の走行方向に沿うように浮上コイル１０及び推進コイル１１が設けられている。浮上コイル１０は側壁２に上下に配置されているものであって、超電導磁石８との間に吸引力を発生させ、この吸引力から、軌道１のＵ字溝３内にて浮上走行体４を浮上させる浮上力を発生させる。また、推進コイル１１は、Ｕ字溝３内にて浮上した浮上走行体４を軌道１に沿って走行させる推進力を与えるものである。なお、これら浮上コイル１０及び推進コイル１１については、「背景技術」に示した特公平７−５５００３号公報の他、特開平８−２０５３１５号公報、特開２００６−１４４２０号公報等に詳細に示される。また、本実施形態では、浮上コイル１０及び推進コイル１１を別体にしたが、背景技術の特許文献１に示されるような一体型のものを使用しても良い。

一方、軌道１の側壁２の上部でかつ浮上コイル１０の直上位置には、浮上走行体４の走行方向に沿うように超電導磁石８との間に吸引力を発生させる磁性体（磁性線状体）１２が配置されている。この磁性線状体１２は、例えば、図２に示されるように、複数の鉄線１３の周囲を絶縁体１４で被覆してなる鉄線束により形成されているものであって、各鉄線束内には、矢印Ａで示すような磁束が形成され、この磁束によって、超電導磁石８との間に浮上走行体４を浮上させるための浮上力となる吸引力（図１に符号Ｂで示す）が発生する。また、このような磁性線状体１２では、複数の鉄線１３の周囲を被覆した絶縁体１４が設けられているので、図２に符号Ｃで示すような渦電流が発生したとしても、これら鉄線束内の磁束により生じる渦電流が個々の鉄線１３内に限定され、複数の鉄線１３間を跨って流れる渦電流が抑止されるため、過大な磁気抗力を生じさせることなく、これによって磁性線状体と超電導磁石との間にて、吸収力を効率良く発生させることができる。

以上詳細に説明した本実施形態に示される磁気浮上機構では、軌道１の側壁２の上部でかつ浮上コイル１０の直上位置に、浮上走行体４の走行方向に沿うように超電導磁石８との間に吸引力を発生させる磁性線状体１２を配置したので、この磁性線状体１２により生じる吸引力によって、浮上走行体４に対する浮上力を付加的に増加させることができる。
これによって、走行体４を浮上させるための浮上コイル１０の負荷を低減させ、浮上コイル１０の使用過多により耐久性が低下すること、浮上コイル１０が必要以上に加熱して走行抵抗が生じることを防止できる効果がある。
また、上記の磁気浮上機構では、複数の鉄線１３の周囲を絶縁体１４で被覆してなる鉄線束により磁性線状体１２を構成したので、鉄線束内の磁束により生じる渦電流が個々の鉄線１３内に限定され、複数の鉄線１３間を跨って流れる渦電流が抑止されるため、過大な磁気抗力を生じさせることなく、これによって磁性線状体と超電導磁石との間にて、吸収力を効率よく発生させることができる。

なお、浮上コイル１０の上方に配置した磁性線状体１２は、付加浮上力を可能な限り大きくするため、浮上コイル１０の上方位置でかつ該浮上コイル１０に近接した位置（すなわち直上位置）に設置し、かつ超電導磁石８に近接した位置に設置することが好ましい。

また、上記磁性線状体１２として上述した複数の鉄線１３の周囲を絶縁体１４で被覆してなる鉄線束を使用せず、軌道１の側壁２を形成するコンクリート内の鉄筋に磁性を帯びさせたものを、上述した磁性線状体１２として使用し、このような磁性線状体１２によって浮上走行体４に対して付加的な浮上力を付与しても良い。また、このような軌道１の側壁２を形成する鉄筋を使用した場合に、この鉄筋として、複数の鉄線が撚り合わされて側壁２に対してプレストレス（圧縮力）を与えるプレストレス鋼線を使用しても良い。すなわち、軌道１の側壁２内にある鉄筋を、浮上走行体４に対して補助的な浮上力を与える磁性線状体１２に兼用することで構成を共通化しかつ全体の構造を簡素化することができる。

また、上述した磁性線状体として、複数の鉄線１３の周囲を絶縁体１４で被覆してなる鉄線束、又は軌道１の側壁２の鉄筋を使用することに限定されず、軌道１の側壁２の内面に浮上走行体４の走行方向に沿うように設けられた図３に示す構成のガイドレール２０を使用しても良い。
このガイドレール２０は、図３に示されるように、浮上走行体４の側部にある垂直軸２１を中心として回転自在なガイドローラ２２に接触されるものであって、その接触は、ガイドローラ２２が、例えば進行方向と直交する方向に浮上走行体４が揺動した場合になされる。そして、このようなガイドレール２０を磁性体で構成する、すなわち、軌道１の側壁２の内面に、浮上走行体４のガイドローラ２２に接触する線状磁性体からなるガイドレール２０を設けることにより、付加的に浮上力を与えるための手段を、ガイドローラ２２のレールと兼用して構成を共通化することができ、上記と同様に全体の構造を簡素化することが可能となる。

また、側壁２に沿って配置される磁性線状体１２は、側壁２の継ぎ目部分において切れ目が生じ、この部分において補助的な浮上力が弱まり走行浮上体４に振動が生じることになるが、これを防止するために、このような継ぎ目部分に追加的に磁力を付与する磁力発生装置を設け、浮上力を連続して維持することが好ましい。

図４は、先の図１に示す実施の形態における磁気浮上機構において、磁性線状体（磁性体）１２に代えて積層鉄心からなる磁性体３０を設けた例について示す正面概略図であり、図４に磁性体３０を部分的に拡大してその斜視状態を示す。図４に示す形態の磁気浮上機構において、図１に示す磁気浮上機構と同等の構成部分には同一符号を付してそれら構成部分の説明は略する。
図４に示す形態においては、磁性線状体１２が設けられていた部分に積層鉄心３０として、磁性体基板３１をフラックスバリアとなるべき樹脂などの非磁性体層３２を介して複数積層してなる積層構造の鉄心を用いた点に特徴を有する。
前記積層鉄心３０の磁性体基板３１は、鉄板、珪素鋼板、あるいはＦｅ系の強磁性体合金材料からなる磁性体基板から、あるいは強磁性体合金粉末を絶縁層で被覆してなる強磁性体粉末複合体を焼結した焼結材料製の磁性体基板などから形成されている。磁性体基板３１を構成する材料として、その他、一般的には飽和磁束密度が大きく、かつ、ヒステリシス損失が小さく、電気伝導率の小さい磁性材料などを適用することが好ましい。
前記フラックスバリアとなるべき非磁性体層３２は樹脂などの絶縁性の非磁性体基板などからなる磁気的絶縁層であることが好ましい。そのためには、ＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）などのように強度的に高く絶縁性に優れた樹脂が好ましく、この他には、鉄系の合金材料のうち、非磁性体からなる材料など、前述の磁性体と線膨張係数の近い材料からなることが好ましい。

この形態に示す積層鉄心３０を先の形態の磁性線状体１２の代わりに設けることで先の形態と同様に超電導磁石８との間に浮上走行体４を浮上させるための浮上力となる吸引力（図４に符号Ｂで示す）を発生させることができ、先の形態と同等の効果を得ることができる。
また、この形態では積層構造の磁性体基板３１と非磁性体層３２をそれらの面を縦方向（垂直方向）にしてそれらの面方向を台車５の走行方向に向け、側壁２の厚さ方向（枕木方向）に磁性体基板３１と非磁性体層３２の積層方向を向けることが好ましい。（図４の矢印で示す積層鉄心３０の拡大図とその方向参照）
これは、図４の積層鉄心３０に対して超電導磁石８からの磁界が矢印Ｅに示す如く作用することを考慮すると、この磁界Ｅに沿って磁性体基板３１の面方向が揃っている方が渦電流損失が生じ難いためである。これに対して図４に対する積層方向と直交方向に積層方向が向いていると、換言すると、上下方向に積層方向が向いていると、磁界Ｅの向きに沿って磁性体基板３１と非磁性体層３２とが交互に存在する領域が大きくなるので、換言すると、積層面に垂直に入る磁界成分が大きくなるので、渦電流損失が大きくなるおそれがある。
また、強磁性体合金粉末を絶縁層で被覆してなる強磁性体粉末複合体を焼結した焼結材料製の磁性体基板であるならば、強磁性体合金粉末自体が個々に絶縁層により被覆されていて、渦電流損失を低減できるので、渦電流損失の低減の面において好ましい。

更に、前記の各実施形態において採用した磁性体１２、３０を図１、図４に示す如く配置する磁気浮上機構を採用した場合、複線区間を想定すると、隣接する隣の区間に自車両の超電導磁石８の磁界が作用しようとした場合、磁性体１２、３０が磁気シールドの効果を奏するので、複線区間においては隣接する区間の対向車両に対して不要な磁界を作用させるおそれを低減できる特徴を有する。

図５に示す如く、Ｘを車両進行方向、Ｙを軌道の幅方向、Ｚを上下方向として、上下幅５００ｍｍの直立配置した超電導磁石８に対し、超電導磁石８からＹ方向に１６０ｍｍ離間し、超電導磁石８の中心高さから５３０ｍｍ高い位置にアスペクト比２の磁性体（図５の高さ１２５ｍｍ、幅２５０ｍｍ、奥行き無限大に設定した磁性体）を配置した場合の対向車窓側磁界をシミュレーションした。磁性体の構造は、ここでは電気伝導率が０の塊状鉄心とした。
対向車窓側磁界とは、図５に示す超電導磁石８を備えた浮上走行体４に対し、図７、図８に示す如くＹ方向に５．８ｍ離れた位置に他の斜線区間の浮上走行体４の中央部が位置した場合を想定し、Ｙ方向４．３ｍ、Ｚ方向０．５ｍ〜２．５ｍの位置における磁界強度を計算した結果を図６に示す。なお、浮上走行車両４においては車両の外殻４ａはＡｌ合金製、その客室を囲むようにＦｅ製のシールド部材４ｂが配置されている構造を図８に略記し、相手側浮上走行体の超電導磁石８の相対位置も示した。
図６に示す如く、自車両の側壁（ガイドウエイ）に２箇所ずつ、対向車両用側壁に２箇所ずつ、合計４箇所に磁性体を設けた場合の結果である。
図６に示す如く磁性体を設けた場合の対向車窓側磁界の強度は磁性体を設けない場合の磁界強度に対して１／２程度となった。
このことから、側壁に本発明に係る磁性体を設置することで、２車線区間において隣接する他の車線区間に存在する車両に対しての磁界の影響を１／２程度に削減できることが判明した。

次に、図４に示す如く電気伝導率が０の塊状鉄心について、磁性体内の案内方向中心位置における磁束分布状態を磁束密度方向に表示した結果を図９に示す。
図９に示す結果から、進行方向磁界（Ｂｘ成分）に次いで上下方向磁束密度（Ｂｚ成分）が大きい。従って、図９においては渦電流損失を低減する観点からは、積層構造の磁性体を適用する場合は図４に示す配置「積層面に対する垂線が枕木方向に一致する」ことが望ましいと考えられる。

本発明に係わる磁気浮上機構の概略を示す正面図。 磁性線状体１２の具体的構成を示す図。 磁気浮上機構の磁性線状体の他形態を示す概略正面図。 本発明に係わる磁気浮上機構の第２の例を示す正面図。 実施例において行った磁界測定の試験条件を示す説明図。 図５に示す条件において計算された磁気シールド効果の計算結果を示す図。 実施例において測定した条件において車線区間を説明するための平面図。 同測定条件を説明するためにＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に沿って対向車両位置と磁性体の配置関係を示す説明図。 磁性体内部の３方向に沿う磁性体内部の磁束密度分布の計算結果を示す図。

符号の説明

１…軌道、２…側壁、３…Ｕ字溝、４…浮上走行体、８…超電導磁石、１０…浮上コイル、１１…推進コイル、１２…磁性線状体（磁性体）、１３…鉄線、１４…絶縁体、２０…ガイドレール（磁性線状体）、２２…ガイドローラ、３０…磁性体、３１…磁性体基板、３２…非磁性体基板。

Claims (7)

1. 両側に側壁を有しこれら側壁間にＵ字溝を形成する軌道と、この軌道のＵ字溝に沿って走行する浮上走行体と、この浮上走行体の両側部に設けられた超電導磁石と、軌道の側壁内側にて浮上走行体の超電導磁石と対向しかつ該浮上走行体の走行方向に沿うように配置された浮上・推進コイルと、を有する磁気浮上機構であって、
   前記軌道の側壁の上部でかつ前記浮上コイルの上方位置には、前記浮上走行体の走行方向に沿うように、超電導磁石との間に吸引力を発生させる磁性体が配置されていることを特徴とする磁気浮上機構。
2. 前記磁性体は、複数の鉄線の周囲を絶縁体で被覆してなる鉄線束により形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上機構。
3. 前記磁性体は、複数の鉄線が撚り合わされて前記軌道の側壁の鉄筋を形成するプレストレス鋼線であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上機構。
4. 前記磁性体は、磁性体基板を複数、フラックスバリア層となる非磁性体層を介して積層してなる積層鉄心により形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上機構。
5. 前記磁性体は、磁性体基板と非磁性体層の面方向を浮上走行体の進行方向に沿わせ、前記側壁の厚さ方向に積層方向を向けて前記側壁に配置されてなることを特徴とする請求項４に記載の磁気浮上機構。
6. 前記磁性体基板が、磁性粉末の焼結合金板からなることを特徴とする請求項４に記載の磁気浮上機構。
7. 前記浮上走行体の側部には、垂直軸を中心として回転自在なガイドローラが設けられており、
   前記磁性体は、側壁内面に沿って設けられて、前記走行浮上体が揺動した際に、ガイドローラと接触するガイドレールであることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上機構。

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