JP2009240061A - Superconducting actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導アクチュエータに関し、詳しくは、超電導コイルを用いて磁気浮上させるアクチュエータに関する。 The present invention relates to a superconducting actuator, and more particularly, to an actuator for magnetic levitation using a superconducting coil.
この種の超電導アクチュエータとして、本出願人は特開2007−60851号公報(特許文献1)を提供している。
該特許文献1の超電導アクチュエータは、浮上原理を観察できる教材用やデモ用として好適に用いられるもので、図10に示す構成としている。
即ち、電源に接続された一次コイル1と、超電導線の両端を接続して閉回路とした浮上用の二次コイル2とを軸線方向を一致させて対向配置し、一次コイル1への通電時に、該一次コイルに発生する磁束F1と反発する磁束F2を二次コイル2に発生させ、この一次コイル1の磁束F1と二次コイルの磁束F2との反発力で二次コイル2を浮上させる構成としている。
前記一次コイル1と二次コイル2とはガイド軸3に外嵌すると共に、4本の連結棒4で二次コイル2の内周と外周とをガイドして、浮上する二次コイル2の中心軸線を一次コイル1の中心軸線と一致するように保持している。
As this type of superconducting actuator, the present applicant provides Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-60851 (Patent Document 1).
The superconducting actuator of
That is, the
The
前記図10に示すように、浮上コイルとなる二次コイル2の内周をガイド軸3で規制すると共に、外周を連結棒4で規制し、二次コイル2自体を回転不可に配置すると、該二次コイル2の中心軸線を一次コイル1の中心軸線と一致させ、二次コイル2と一次コイル1の軸直角方向の端面2aと1aとを平行に保持して、一次コイル1に発生する磁束に対して反発する磁束を二次コイル2に発生させ、二次コイル2を中心軸線に沿って安定して浮上させることができる。
As shown in FIG. 10, when the inner periphery of the
しかしながら、二次コイルの内外周をガイド手段で保持した状態で二次コイルを浮上させた場合より、これらガイド手段なしで二次コイルを浮上させると、二次コイルの浮上の原理をより明白に示すことができ、学習用やデモ用教材とした場合に興味を引き付けることができる。
また、学習用やデモ用教材以外の産業上利用する場合、二次コイルの内外周を規制するガイド手段を設けることができない場合も多々存在する。かつ、これらのガイド手段を設けずに二次コイルを浮上させ、該浮上する二次コイルに浮上物を取り付け、該二次コイルを安定して浮上させることができる構成とすると、超電導アクチュエータの用途を広げることができる。
However, if the secondary coil is levitated without these guide means when the secondary coil is levitated with the inner and outer circumferences of the secondary coil held by the guide means, the levitation principle of the secondary coil becomes clearer. It can be shown and attracts interest when used as a learning or demonstration material.
In addition, there are many cases in which guide means for regulating the inner and outer circumferences of the secondary coil cannot be provided for industrial use other than learning and demonstration materials. In addition, when the secondary coil is levitated without providing these guide means, a levitating object is attached to the levitating secondary coil, and the secondary coil is stably levitated, the use of the superconducting actuator Can be spread.
一方、浮上用コイルとなる二次コイルに内外周に配置するガイド手段を設けていない場合、浮上した二次コイルの回転を規制できず、振動等が負荷されると二次コイルが回転する。この場合、一次コイルに発生する磁束方向と、二次コイルに発生する反発方向の磁束の方向が一致せず、二次コイルを浮上させる反発力が弱まり、二次コイルを安定して浮上させることができない。例えば、二次コイルが90度回転すると、二次コイルの軸線方向が一次コイルの軸線方向と直交方向となり、前記磁束の反発力が発生せず、二次コイルは落下することになる。 On the other hand, when the secondary coil that is the levitation coil is not provided with guide means arranged on the inner and outer circumferences, the rotation of the levitation secondary coil cannot be regulated, and the secondary coil rotates when vibration or the like is applied. In this case, the direction of the magnetic flux generated in the primary coil and the direction of the magnetic repulsion generated in the secondary coil do not coincide with each other, and the repulsive force for levitating the secondary coil is weakened, and the secondary coil is stably levitated. I can't. For example, when the secondary coil rotates 90 degrees, the axial direction of the secondary coil becomes a direction orthogonal to the axial direction of the primary coil, the repulsive force of the magnetic flux is not generated, and the secondary coil falls.
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、二次コイルに回転を規制するガイド手段を設けることなく浮上させた場合において、振動等により二次コイルが回転しても、二次コイルに一次コイルの磁束に対する反対方向の磁束を発生させて、二次コイルを安定した状態で浮上させることを課題としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and when the secondary coil is levitated without providing a guide means for restricting rotation, even if the secondary coil rotates due to vibration or the like, the secondary coil It is an object to generate a magnetic flux in the opposite direction to the magnetic flux of the primary coil to levitate the secondary coil in a stable state.
前記課題を解決するため、本発明は、電源と接続されて所定位置に保持された一次コイルと、超電導線の両端を接続して閉回路としている浮上用の二次コイルとを備え、前記一次コイルへの通電時に、前記一次コイルに発生する磁束と反発する磁束を二次コイルに発生させ、磁束の反発により二次コイルを浮上させる超電導アクチュエータであって、
前記浮上用の二次コイルは、第1〜第3コイルからなる3つのコイルで構成し、第1〜第3コイルは同一中心点を通るX軸、Y軸、Z軸を軸線方向として、互いに嵌合して結合し、かつ、前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して1.2倍以上100倍以下としており、該二次コイルの内の1つのコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と同一方向となるように前記反発する磁束が発生し、二次コイルの浮上を保持する構成としていることを特徴とする超電導アクチュエータを提供している。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises a primary coil connected to a power source and held in a predetermined position, and a levitation secondary coil connecting both ends of a superconducting wire to form a closed circuit, A superconducting actuator that, when energized to the coil, generates a magnetic flux repelling the magnetic flux generated in the primary coil in the secondary coil, and levitates the secondary coil due to the repulsion of the magnetic flux,
The levitating secondary coil is composed of three coils including first to third coils, and the first to third coils are set to each other with the X-axis, Y-axis, and Z-axis passing through the same center point as axial directions. The outer diameter of the primary coil is 1.2 times to 100 times the outer diameter of the secondary coil, and the central axis of one of the secondary coils The superconducting actuator is characterized in that the repulsive magnetic flux is generated so as to be in the same direction as the central axis of the primary coil, and the floating of the secondary coil is maintained.
前記二次コイルの第1〜第3コイルの中心軸線は同一中心点を通るX軸方向、Y軸方向、Z軸方向としているが、互いに90度±10度の範囲でX,Y,Z方向にずらせている場合も含まれる。
前記のように、本発明では、浮上用の二次コイルをそれぞれ約90度ずつずらせて結合した3つのコイルで形成し、これらコイルで囲まれた仮想球体に内接する正八面体に3つのコイルで分割した構成とし、二次コイルがX、Y,Zのいずれの方向に90度回転しても、3つのコイルのうち、いずれか1つのコイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と概略一致する設定としている。
The central axes of the first to third coils of the secondary coil are the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction that pass through the same center point, but in the range of 90 ° ± 10 ° to each other, It also includes the case where it is shifted.
As described above, in the present invention, the secondary coil for levitation is formed by three coils that are shifted by about 90 degrees and coupled to each other by three coils on a regular octahedron inscribed in a virtual sphere surrounded by these coils. Even if the secondary coil rotates 90 degrees in any of X, Y, and Z directions, the central axis of any one of the three coils substantially coincides with the central axis of the primary coil. It is set.
前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して1.2倍以上100倍以下、より好ましくは1.5倍以上20倍以下、さらに好ましくは2倍以上4倍以下としている。
また、前記一次コイルとして超電導線を用い、該一次コイルはダブルパンケーキコイルの積層体で形成してもよい。
前記構成とすると、超電導線からなると共に外径を大とした一次コイルに発生する磁束を強くできると共に磁束範囲を広くでき、該一次コイルの磁束範囲内に二次コイルの3つのコイルを配置できる。
前記一次コイルに発生する垂直方向の磁束は、一次コイルの中心軸線上よりも該中心軸線を囲む周囲の方が大きい。よって、一次コイルの中心軸線上で浮上した二次コイルが一次コイルの中心軸線上から位置ズレした位置に移動しそうになると、二次コイルは、一次コイルと二次コイルの反発力が大きくなる軸線の周囲位置から反発力が小さくなる一次コイルの中心軸線上に戻って安定した状態で浮上する領域がある。これにより、二次コイルを移動させずに、一定位置で安定して浮上させることができる。
The outer diameter of the primary coil is 1.2 times or more and 100 times or less, more preferably 1.5 times or more and 20 times or less, and further preferably 2 times or more and 4 times or less than the outer diameter of the secondary coil.
Also, a superconducting wire may be used as the primary coil, and the primary coil may be formed of a double pancake coil laminate.
With the above configuration, the magnetic flux generated in the primary coil made of a superconducting wire and having a large outer diameter can be strengthened and the magnetic flux range can be widened, and the three coils of the secondary coil can be arranged within the magnetic flux range of the primary coil. .
The vertical magnetic flux generated in the primary coil is larger around the central axis than on the central axis of the primary coil. Therefore, when the secondary coil levitated on the central axis of the primary coil is likely to move to a position shifted from the central axis of the primary coil, the secondary coil is an axis that increases the repulsive force between the primary coil and the secondary coil. There is an area where the repulsive force returns from the peripheral position of the coil to the center axis of the primary coil and floats in a stable state. Accordingly, the secondary coil can be stably levitated at a fixed position without moving the secondary coil.
浮上用の二次コイルを前記構成としているため、二次コイルのうち第1コイルの軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させて浮上させていた場合に、二次コイルが振動等により回転すると、第1コイルへ鎖交する一次コイルの磁束が減少して第1コイルによる浮上力が減少するが、二次コイルが回転することにより他の第2コイルまたは第3コイルへ一次コイルの磁束が鎖交して、第2コイルまたは第3コイルに一次コイルの磁束に反発する磁束が発生し、二次コイルは略同じ高さで浮上し続ける。 Since the secondary coil for levitation has the above-described configuration, when the secondary coil rotates due to vibration or the like when the axial direction of the first coil of the secondary coils is made to coincide with the axial direction of the primary coil, The magnetic flux of the primary coil interlinked with the first coil is reduced and the levitation force by the first coil is reduced. However, when the secondary coil rotates, the magnetic flux of the primary coil is transferred to the other second coil or the third coil. Interlinking causes a magnetic flux repelling the magnetic flux of the primary coil to be generated in the second coil or the third coil, and the secondary coil continues to float at substantially the same height.
具体的には、二次コイルが振動等により45度未満の角度で回転した時、前記3つのコイルのうちの2個のコイルとの間で発生する反発力で、回転前に中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していたコイルが原状位置に戻るように回転される。
即ち、二次コイルの第1コイルの中心軸線が、一次コイルの中心軸線と一致していた状態から45度未満の角度で回転し、第1コイルの中心軸線と一次コイルの中心軸線とが45度未満で位相すると、二次コイルの第2コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と45度以上90度未満となって近接し、第2コイルにも一次コイルとの間に反発方向の磁束が発生し、二次コイルがさらに回転することを抑制し、かつ、前記第1コイルの軸線方向が一次コイルの軸線方向と一致するように二次コイルを原状位置に戻るように回転させる。
Specifically, when the secondary coil rotates at an angle of less than 45 degrees due to vibration or the like, the central axis is primary before the rotation due to the repulsive force generated between two of the three coils. The coil that coincides with the central axis of the coil is rotated so as to return to the original position.
That is, the central axis of the first coil of the secondary coil rotates at an angle of less than 45 degrees from the state in which it matches the central axis of the primary coil, and the central axis of the first coil and the central axis of the primary coil are 45 When the phase is less than 50 degrees, the center axis of the second coil of the secondary coil is close to the center axis of the primary coil at 45 degrees or more and less than 90 degrees, and the magnetic flux in the repulsive direction is also between the second coil and the primary coil. Is generated, the secondary coil is prevented from further rotating, and the secondary coil is rotated back to the original position so that the axial direction of the first coil coincides with the axial direction of the primary coil.
また、前記二次コイルの回転角度が45度を越えた時、前記3つのコイルのうちの2個のコイルとの間で発生する反発力で、回転前に中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していたコイルとは別のコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と一致するように二次コイルが回転される。
即ち、二次コイルの第1コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致していた状態から、45度を越えて90度未満で回転すると、第1コイルの軸線が一次コイルの中心軸線に対して45度を越える角度で位相する一方、第2コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線に対して45度未満の位相角度で近接し、該第2コイルと一次コイルとの間に発生する反発力が第1コイルとの反発力よりも大きくなり、第2コイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致するように回転する。
In addition, when the rotation angle of the secondary coil exceeds 45 degrees, the repulsive force generated between two of the three coils causes the central axis to rotate with the central axis of the primary coil before rotation. The secondary coil is rotated so that the central axis of a coil different from the matched coil matches the central axis of the primary coil.
That is, when the center axis of the first coil of the secondary coil coincides with the center axis of the primary coil and rotates more than 45 degrees and less than 90 degrees, the axis of the first coil becomes the center axis of the primary coil. While the phase is greater than 45 degrees, the center axis of the second coil is close to the center axis of the primary coil at a phase angle of less than 45 degrees and is generated between the second coil and the primary coil. The repulsive force becomes larger than the repulsive force with the first coil, and the central axis of the second coil rotates so as to coincide with the central axis of the primary coil.
また、前記二次コイルの第1〜第3コイルに発生する磁束の大きさは、第1〜第3コイルの径、巻き数、使用する超電導線の長さによって異なる。
例えば、二次コイルの第1〜第3コイルの巻き数を同等とした場合、コイル径が小さい程、鎖交磁束数が少なくなるため、コイルに発生する磁束が小さくなり、浮上力も小さくなる。
さらに、コイルの巻き数を多くする程、コイルに発生する磁束が大きくなるため、径が小さなコイルほど巻き数を多くする一方、径が大きなコイルほど巻き数を少なくして、各コイルに使用する超電導線の長さを均一にすれば、各コイルの浮上力を同等にすることができる。この場合、二次コイルを回転運動させると、回転力が空気抵抗等で減衰するまで二次コイルは回転し続ける。
Moreover, the magnitude | size of the magnetic flux which generate | occur | produces in the 1st-3rd coil of the said secondary coil changes with the diameter of the 1st-3rd coil, the number of turns, and the length of the superconducting wire to be used.
For example, when the number of turns of the first to third coils of the secondary coil is made equal, the smaller the coil diameter, the smaller the number of interlinkage magnetic fluxes, so that the magnetic flux generated in the coil becomes smaller and the levitation force becomes smaller.
Furthermore, since the magnetic flux generated in the coil increases as the number of turns of the coil increases, the number of turns increases as the coil with a smaller diameter, while the number of turns decreases as the coil with a larger diameter is used for each coil. If the length of the superconducting wire is made uniform, the levitation force of each coil can be made equal. In this case, when the secondary coil is rotated, the secondary coil continues to rotate until the rotational force is attenuated by air resistance or the like.
このように、ガイド手段で規制せずに回転可能に浮上させた二次コイルが振動などにより回転しても、第1〜第3のいずれかのコイルと一次コイルとの間に発生する反発力により、いずれかのコイルの中心軸線が一次コイルの中心軸線と一致する方向に自動的に回転して二次コイルを浮上させ、信頼性の高い浮上システムとすることができる。
前記のように、一次コイルに通電した状態で、二次コイルの浮上を確保できるため、一次コイルと二次コイルの電気的な絶縁を確実に図ることができる。よって、一次コイルと二次コイルとを絶縁を図る必要がある産業用のアクチュエータとして幅広く利用することができる。
Thus, even if the secondary coil that is levitated so as to be able to rotate without being regulated by the guide means is rotated by vibration or the like, the repulsive force generated between any one of the first to third coils and the primary coil. Thus, the central axis of any of the coils is automatically rotated in a direction that coincides with the central axis of the primary coil, and the secondary coil is levitated, so that a highly reliable levitating system can be obtained.
As described above, since the floating of the secondary coil can be ensured while the primary coil is energized, the electrical insulation between the primary coil and the secondary coil can be reliably achieved. Therefore, it can be widely used as an industrial actuator that requires insulation between the primary coil and the secondary coil.
また、一次コイルは永久磁石ではなく電源に接続したコイルとしているため、一次コイルへの通電量を調節することにより、一次コイルに発生する磁束の大きさも変えることができ二次コイルの浮上高さを調節することができる。
即ち、一次コイルへの通電量を大きくすれば二次コイルが一次コイルに対して離反方向へ移動する一方、一次コイルへの通電量を小さくすれば二次コイルが一次コイルに対して近接する方向へ移動する。よって、一次コイルへの通電量を周期的に変化させると、二次コイルを往復直線運動させて動力を得ることができる。
特に、本発明を教材用とした場合、二次コイルが一定位置で浮上しているだけでなく、一次コイルに通電する電流値を変化させることにより、二次コイルが一次コイルに対して離反および近接方向に移動するため、学習者の関心を惹きつけることができる。
In addition, since the primary coil is not a permanent magnet but a coil connected to a power source, the amount of magnetic flux generated in the primary coil can be changed by adjusting the amount of current supplied to the primary coil, and the flying height of the secondary coil Can be adjusted.
That is, if the energization amount to the primary coil is increased, the secondary coil moves away from the primary coil, while if the energization amount to the primary coil is decreased, the secondary coil is closer to the primary coil. Move to. Therefore, when the energization amount to the primary coil is periodically changed, power can be obtained by reciprocating linear motion of the secondary coil.
In particular, when the present invention is used for teaching materials, not only the secondary coil is floating at a fixed position, but also the secondary coil is separated from the primary coil by changing the value of the current supplied to the primary coil. Since it moves in the proximity direction, it can attract the interest of the learner.
前記二次コイルの第1〜第3の3つのコイルは内径を相違させ、第1コイルに第2コイルを外嵌固定し、第2コイルに第3コイルを外嵌固定して結合している。
具体的には、前記外嵌状態で接触する部分を接着剤で固定している。
なお、第1〜第3コイルの内径とは、コイルの内周側に巻枠を設けている場合には、この巻枠の内径を意味し、第1〜第3コイルの外径とは、コイルの外周面に絶縁テープ等を巻き付けている場合には、該絶縁テープ等を巻き付けた状態の外径を意味する。
The first to third coils of the secondary coil have different inner diameters, the second coil is fitted and fixed to the first coil, and the third coil is fitted and fixed to the second coil. .
Specifically, the part which contacts in the said external fitting state is being fixed with the adhesive agent.
The inner diameter of the first to third coils means the inner diameter of the winding frame when the winding frame is provided on the inner peripheral side of the coil, and the outer diameter of the first to third coils is When an insulating tape or the like is wound around the outer peripheral surface of the coil, it means an outer diameter in a state where the insulating tape or the like is wound.
なお、第1〜第3の3つのコイルの結合形態としては、第1コイルの外周面に周方向に90度間隔をあけて4個の嵌合凹部を設けると共に、第2コイルの外周面に周方向に180度間隔をあけて2個の嵌合凹部を設け、第1コイルの対向する2個の嵌合凹部に第2コイルを嵌合させて、第1コイルに第2コイルを外嵌し、さらに、第1コイルの対向する残りの2個の嵌合凹部と第2コイルの対向する2個の嵌合凹部に第3コイルを嵌合させて、第1、第2コイルに第3コイルを外嵌して、前記二次コイルを形成してもよい。
前記コイルの外周面に設ける凹部は、コイルとする超電導線の巻き付け時に部分的に内径を突出させて、外周に凹部を設けている。
In addition, as a coupling form of the first to third coils, four fitting recesses are provided on the outer circumferential surface of the first coil at intervals of 90 degrees in the circumferential direction, and on the outer circumferential surface of the second coil. Two fitting recesses are provided at an interval of 180 degrees in the circumferential direction, the second coil is fitted into two opposing fitting recesses of the first coil, and the second coil is externally fitted to the first coil. Furthermore, the third coil is fitted to the first and second coils by fitting the remaining two fitting recesses facing the first coil and the two fitting recesses facing the second coil. The secondary coil may be formed by externally fitting a coil.
The concave portion provided on the outer peripheral surface of the coil is provided with a concave portion on the outer periphery by partially projecting the inner diameter when winding a superconducting wire serving as a coil.
前記超電導線からなる二次コイルの第1〜第3コイルを1つの冷却容器に収容し、または、第1〜第3コイルをそれぞれ円環筒形状の冷却容器に収容している。
また、一次コイルを超電導線で形成した場合には、二次コイルと同様に、冷却容器に収容しておく必要がある。
The 1st-3rd coil of the secondary coil which consists of the said superconducting wire is accommodated in one cooling container, or the 1st-3rd coil is each accommodated in the annular cylindrical cooling container.
In addition, when the primary coil is formed of a superconducting wire, it is necessary to accommodate it in a cooling container as with the secondary coil.
前記超電導線としては、例えば、ビスマス系超電導線等の高温超電導線が好適に用いられる。ビスマス系超電導線は77ケルビン程度で十分に超電導状態となるため、前記冷却容器内に充填する冷却媒体として比較的安価な液体窒素を用いることができる。
このように、冷却容器内に3つの二次コイルを収容して超電導温度に保持しておくことで、二次コイルの浮上を継続することができる。
なお、前記冷却容器を透明な素材により形成しておけば、二次コイルを冷却容器に収容したままで二次コイルが浮上した状態を見せることができるため、学習用やデモ用としては好適となる。
As the superconducting wire, for example, a high-temperature superconducting wire such as a bismuth-based superconducting wire is preferably used. Since the bismuth superconducting wire is sufficiently superconducting at about 77 Kelvin, relatively inexpensive liquid nitrogen can be used as the cooling medium filled in the cooling vessel.
As described above, by housing the three secondary coils in the cooling container and keeping them at the superconducting temperature, the secondary coil can continue to float.
If the cooling container is made of a transparent material, the secondary coil can be shown floating while the secondary coil is housed in the cooling container, which is suitable for learning and demonstration purposes. Become.
前述したように、本発明によれば、浮上上の二次コイルを同一中心点を通るX軸、Y軸、Z軸方向の中心軸線を有する第1〜第3の3つのコイルを結合して形成しているため、二次コイルが振動等により回転しても、二次コイルのいずれかのコイルとの間に反発力が発生して、二次コイルを落下させずに浮上を保持することができる。よって、二次コイルを回転不可に規制するガイド手段を設ける必要がなく、安定した浮上を保持することができる。 As described above, according to the present invention, the levitating secondary coil is combined with the first to third coils having the central axes in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions passing through the same central point. Because it is formed, even if the secondary coil rotates due to vibration etc., repulsive force is generated between any of the secondary coils and keeps floating without dropping the secondary coil Can do. Therefore, there is no need to provide guide means for restricting the secondary coil to be non-rotatable, and stable levitation can be maintained.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1乃至図5に、本発明の第1実施形態を示す。
本実施形態のアクチュエータ10は、一次コイル11と二次コイル12を共にビスマス系超電導線で形成した超電導アクチュエータからなる。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show a first embodiment of the present invention.
The
前記一次コイル11は、2層のコイル部を最内周ターンの渡り部で連続させたダブルパンケーキコイルを軸線方向に複数積層し、隣接するダブルパンケーキコイルの超電導線を接続して1つの超電導コイルとしている。該一次コイル14の軸線方向両端のダブルパンケーキコイルの超電導線端末にリード線22を介して直流電源20を接続している。
本実施形態では、一次コイル11の内径230mm、外径264mm、巻き数106ターンのダブルパンケーキコイルを3層積層して、高さ30mmとしている。
The
In the present embodiment, three layers of double pancake coils having an inner diameter of 230 mm, an outer diameter of 264 mm, and a winding number of 106 turns are laminated to a height of 30 mm.
一方、二次コイル12は第1コイル13、第2コイル14、第3コイル15の3つの超電導コイルから形成している。これら第1〜第3コイル13〜15はそれぞれ超電導線の両端を銀導電材を用いて接続し、それぞれ閉回路としている。
これら3つの第1〜第3コイル13〜15は、同一中心点Oを通るX軸線、Y軸線、Z軸線を軸線方向とし、約90度ずつずらせて結合し、これら3つのコイル13〜15で囲まれた仮想球体を、該3つのコイル13〜15により正八面体状に分割した構成としている。
On the other hand, the
These three first to
詳細には、第1コイル13、第2コイル14、第3コイル15はコイルの巻数を同一としているが、径を相違させている。
第1コイル13は軸線方向をX方向と、該第1コイル13に軸線方向をY方向とした第2コイル14を外嵌し、第1コイル13の外周面と第2コイル14の内周面との接触面を接着剤を介して固定している。さらに、該第2コイル14に軸線方向をZ方向とした第3コイル15を外嵌し、第2コイル14の外周面と第3コイル15の内周面との接触面を接着剤を介して固定して、第1〜第3コイル13〜15により1つの二次コイル12を形成している。
即ち、二次コイル12の第1〜第3コイル13〜15のうち、第3コイル15を最大径とし、該第3コイル15の外径を60mmとして、一次コイル11の外径(264mm)よりも小としている。
Specifically, the
The
That is, of the first to
前記二次コイル12の第1〜第3コイル13〜15の外周面には粘着テープを巻き付けていると共に、内周側には超電導線を巻回する巻枠16を配置しており、嵌合した第1コイル13と第2コイル14、第2コイル14と第3コイル15は互いに絶縁している。
Adhesive tape is wound around the outer peripheral surfaces of the first to
前記二次コイルを構成する3つの第1〜第3コイル13〜15および一次コイル11は高温超電導材からなるビスマス系超電導材で形成している。
The three first to
本実施形態の超電導アクチュエータは教材用としているため、液体窒素を充填した冷却容器を別に設け、該液体容器内に前記一次コイル11、二次コイル12を浸漬して、超電導温度とした後に取り出して用いている。さらに、一次コイルと接続する電源として乾電池を用いコード22を介して接続し、かつ、該乾電池との接続部にスイッチを設け、一次コイルへの通電量を複数段階で増減できるようにしている。
Since the superconducting actuator of this embodiment is used for teaching materials, a cooling container filled with liquid nitrogen is provided separately, and the
次に、アクチュエータ10の作動方法について説明する。
まず、前記アクチュエータ10を作動させる前に、液体窒素が貯留された冷却容器(図示せず)に一次コイル11と二次コイル12を収容して冷却する。
次いで、一次、二次コイル11、12を超電導温度にまで冷却した後、一次コイル11と二次コイル12を冷却容器より取り出し、一次コイル11のコイル軸線方向が垂直方向となるように配置すると共に二次コイル12を一次コイル11の上端面上に配置する。このとき、二次コイル12のうちのいずれかのコイルの軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させており、本実施形態では、第3コイル15の軸線方向を一次コイルの軸線方向と一致させている。
Next, an operation method of the
First, before operating the
Next, after the primary and
次いで、電源20のスイッチをオンして、一次コイル11に所要の電流を流すと、図3(A)に示すように、一次コイル11内に矢印で示す軸線方向の磁束F1が発生し、一次コイル11と端面同士が対向配置された第3コイル15に一次コイル11の磁束F1が通過して、該磁束F1を打ち消そうとする磁束F2を発生させるように誘導電流が流れる。これにより、二次コイル12が一次コイル11に反発し、一次コイル11上に浮上する。
二次コイル12は超電導線からなるため、銀導電材により接続した部分以外は抵抗がなく、極めて低抵抗であるため、一旦電流が流れると長時間流れ続け、二次コイル12が所要高さで浮上した状態で維持される。
Next, when the switch of the
Since the
このように二次コイル12の第3コイル15に誘導電流が流れて二次コイル12が浮上している状態で、振動等により、二次コイル12が中心点Oを支点として90度回転すると、図3(B)に示すように、二次コイル12が第2コイル14の中心軸線が一次コイル11の中心軸線と同一方向となり、第2コイル14の軸線方向の端面14aが一次コイル11の端面11aと対向配置され、第2コイル14内に一次コイル11の磁束F1が通過する。これにより、第2コイル14に誘導電流が流れて一次コイル11に発生した磁束F1を打ち消そうとする磁束F2が発生し、二次コイル12が一次コイル11上に浮上し続ける。
When the
また、図4(A)に示す第3コイル15の中心軸線が一次コイル12と同一軸線状態から90度回転して、図4(B)で示すように、第1コイル13の中心軸線が一次コイル11の中心軸線と同一方向となり、第1コイル13の軸線方向の端面13aが一次コイル11の端面11aと対向配置されると、第1コイル13内に一次コイル11の磁束F1が通過する。これにより、第1コイル13に誘導電流が流れて一次コイル11に発生した磁束F1を打ち消そうとする磁束F2が発生し、二次コイル12が一次コイル11上に浮上し続ける。
このように、浮上した二次コイル12は3つの第1〜第3コイル13〜15を軸線方向をX、Y、Z方向に90度ずつずらせて結合していることで、二次コイルが浮上中に90度回転しても、いずれかのコイル13〜15に磁束F2が発生し、二次コイルの浮上を継続することができる。
Further, the central axis of the
In this manner, the levitated
また、振動等により、二次コイル12の第1コイル13の中心軸線が、一次コイル11の中心軸線と一致していた状態から45度未満の角度で回転し、第1コイル13の中心軸線と一次コイルの中心軸線とが45度未満で位相すると、二次コイルの第2コイル14の中心軸線が一次コイルの中心軸線と45度以上90度未満となって近接し、第2コイル14にも一次コイルとの間に反発方向の磁束が発生し、二次コイル12がさらに回転することを抑制し、かつ、第1コイル13の軸線方向が一次コイル11の軸線方向と一致するように二次コイルを原状位置に戻るように回転させる。
Further, due to vibration or the like, the central axis of the
さらに、前記二次コイル12が45度を越えて90度未満で回転し、二次コイルの第1コイル13の中心軸線が一次コイル11の中心軸線と45度を越えて90度未満の範囲で位相し、第3コイル15の回転軸線が一次コイル11の回転軸線に対して45度未満の角度で近接した時、第1コイル13より第3コイル15の反発力が大となり、第3コイル15の中心軸線が一次コイル11の中心軸線と一致する方向に二次コイル12が回転される。
Further, the
このように、二次コイル12をX、Y、Z方向に90度ずつずらせて結合した3つの第1〜第3コイル13〜15を備えていることにより、二次コイル12が振動等により回転しても、常に、いずれかのコイルの中心軸線が一次コイル11の中心軸線と一致するように自動的に回転され、二次コイル12を落下させることなく浮上を継続できる。
In this way, the
さらに、一次コイル11の外径を二次コイル12の外径よりも4倍以上大きくしているため、一次コイル11に発生する磁束F1の磁束範囲内に二次コイル12の第1〜第3コイル13〜15を位置させることができる。
よって、二次コイル12を一次コイル11の中心軸線上に浮上させた場合、図5に示すように、二次コイル12の浮上位置よりも二次コイル12を囲む周囲の方が一次コイル11に発生する垂直方向の磁束が大きい。よって、二次コイル12が一次コイル11の中心軸線上から位置ズレしそうになると、二次コイル12は、一次コイル11と二次コイル12の反発力が大きくなる軸線の周囲位置から反発力が小さくなる一次コイル11の中心軸線上に戻って安定した状態で浮上することとなる。
これにより、一次コイル11の中心軸線上に浮上させた二次コイル12を一次コイル11の中心軸線上から位置ズレさせることなく一定位置に浮上させておくことができる。
Furthermore, since the outer diameter of the
Therefore, when the
Thereby, the
また、電源20により一次コイル11に通電される電流値の大きさを変化させると、一次コイル11と二次コイル12に発生する磁束F1、F2の大きさも変化し、磁束F1、F2の変化により一次コイル11と二次コイル12との間に発生する反発力も変化して、二次コイル12の浮上高さを調節することができる。
このように一次コイル11に通電する電流値を変えることにより、二次コイル12を上下方向に移動させることができ、二次コイル12を往復直線運動させることができる。
Further, when the magnitude of the current value energized to the
In this way, by changing the value of the current supplied to the
前記のように、教材用とする本実施形態のアクチュエータ10では、一次コイル11と二次コイル12を冷却容器から取り出した状態で一次コイル12に電流を流すと、二次コイル12を浮上させて、二次コイル12が浮上する様子を外部から目視させることができる。
かつ、磁気的反発力により浮上した二次コイルが振動等により回転しても、あるいは、教材として説明する際に故意に振動を与えても、第1〜第3コイル13〜15のうちのいずれかのコイルの軸線方向の端面を一次コイル11の軸線方向の端面11aと対向するように自動的に回転させることができ、二次コイルの回転を規制するガイド手段を用いることなく、浮上させた二次コイル12を安定した状態で浮上させておくことができる。
さらに、二次コイル12を超電導線により形成しているため、超電導線の両端を接続した接続部以外は抵抗がなく、二次コイル12に一旦電流が流れると長時間流れ続け、二次コイル12を一次コイル11から離反した所定の位置に留めておくことができる。
As described above, in the
In addition, even if the secondary coil levitated by the magnetic repulsive force rotates due to vibration or the like, or is intentionally given vibration when explained as a teaching material, any of the first to
Furthermore, since the
なお、本実施形態では、一次コイル11はダブルパンケーキコイルとしているが、シングルパンケーキコイルでもよく、また、超電導線に限らず、銅線等の常電導線で形成してもよい。二次コイル12はシングルパンケーキコイルに限らず、ダブルパンケーキコイルでもよい。
In the present embodiment, the
図6に、第1実施形態の変形例を示す。
本変形例は、教材用ではなく、二次コイルの往復直線運動をシリンダーの代わりに用いたり、二次コイルの直線運動を回転運動に変換することによりモータとして用いる等、本発明の超電導アクチュエータを産業用利用する場合に適した構成としている。
FIG. 6 shows a modification of the first embodiment.
This modification is not for teaching materials, but uses the superconducting actuator of the present invention such as a reciprocating linear motion of a secondary coil instead of a cylinder or a motor by converting the linear motion of a secondary coil into a rotational motion. The configuration is suitable for industrial use.
一次コイル11および二次コイル12を液体窒素が貯留された冷却容器30、40にそれぞれ収容した状態でアクチュエータ10を作動できる構成としている。
一次コイル11を収容する冷却容器30は中空の円柱形状とし、樹脂製のスペーサ31により一次コイル11を冷却容器30内に位置決めしている。
一方、二次コイル12を収容する冷却容器40は中空の球状とし、樹脂製のスペーサ41により二次コイル12の第3コイル15を位置決めして、二次コイル12を冷却容器40内に位置決めしている。
The
The cooling
On the other hand, the cooling
前記構成によれば、アクチュエータ10の作動中も一次コイル11と二次コイル12をそれぞれ冷却容器30、40に収容して冷却し続けることができるため、二次コイル12の超電導状態を維持してより長時間浮上させ続けることができる。
なお、本変形例では冷却容器30、40を1槽のみからなる構成としているが中空断熱層を介して内槽と外槽を設けた構成としてもよい。
他の構成及び作用効果は第1実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
According to the above configuration, since the
In addition, in this modification, the cooling
Since other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
図7に、第1実施形態の第2変形例を示す。
本変形例では、二次コイル12を収容する冷却容器を第1変形例と相違させており、二次コイル12の第1〜第3コイル13〜15をそれぞれ中空の円環筒形状の冷却容器42、43、44に収容し、第1コイル13を収容した冷却容器42に第2コイル14を収容した冷却容器43を外嵌して接着剤を介して固定すると共に、該冷却容器43に第3コイル15を収容した冷却容器44を外嵌して接着剤を介して固定している。
なお、他の構成及び作用効果は第1実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 7 shows a second modification of the first embodiment.
In this modification, the cooling container that accommodates the
In addition, since another structure and an effect are the same as that of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
図8に、本発明の第2実施形態を示す。
本実施形態では、二次コイル12の形状を第1実施形態と相違させており、第1〜第3コイル13〜15の径を同一とし、第1コイル13の外周面に90度間隔をあけて4つのコイル嵌合用の凹部13b、13cを設けると共に、第2コイル14の外周面に180度間隔をあけて2つのコイル嵌合用の凹部14bを設けている。
前記第1コイル13の対向する凹部13b(図8中、上下位置)に第2コイル14を嵌め込んで、第1コイル13に第2コイル14を外嵌している。このとき、第1コイル13の残りの対向する凹部13c(図8中、左右位置)と第2コイル14の凹部14bを同一円周上に配置している。
さらに、第1コイル13の対向する凹部13cと第2コイル14の凹部14bに第3コイル15を嵌め込んで、第1、第2コイル13、14に第3コイル15を外嵌している。
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the shape of the
The
Further, the
前記構成によれば、第1〜第3コイル13〜15により形成する二次コイル12の外周面をより球状に近付けることができ、二次コイル12を安定した状態で浮上させることができる。かつ、アクチュエータを教材用として用いる場合には、外観を良好なものとすることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第1実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
According to the said structure, the outer peripheral surface of the
In addition, since another structure and an effect are the same as that of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
図9に、本発明の第3実施形態を示す。
本実施形態では、二次コイル12の第1〜第3コイル13〜15を前記実施形態と相違させており、第1〜第3コイル13〜15を超電導線の両端を銀導電材を用いて接続した巻き数が1ターンのループ状のコイルとしている。超電導線は前記実施形態と同様のものとしている。
前記第1コイル13の外径を60mm、第2コイル14の外径を第1コイルの外径よりも1mm大きい61mm、第3コイル15の外径を第2コイルの外径よりも1mm大きい62mmとし、第1〜第3コイル13〜15の各コイルの超電導線の長さを略同等としている。
第1〜第3コイル13〜15の超電導線が交差する位置に絶縁材(図示せず)を介在させ、コイル同士が導通しないようにし、接着剤を介して各コイルを接着している。なお、超電導線が交差する位置にテープを巻きつけて第1〜第3コイル13〜15を組み合わせてもよい。
FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention.
In this embodiment, the first to
The outer diameter of the
An insulating material (not shown) is interposed at the position where the superconducting wires of the first to
前記構成によれば、第1〜第3コイル13〜15の各コイルを形成する超電導線の長さを略同等としているため、第1〜第3コイル13〜15で発生する磁束を均一にでき、安定した状態で二次コイルを浮上させることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第1実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
According to the said structure, since the length of the superconducting wire which forms each coil of the 1st-3rd coils 13-15 is made substantially equivalent, the magnetic flux which generate | occur | produces in the 1st-3rd coils 13-15 can be made uniform. The secondary coil can be levitated in a stable state.
In addition, since another structure and an effect are the same as that of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。 The above-described embodiments are exemplifications in all points, and are not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and all modifications within the scope equivalent to the scope of claims are made. Is included.
なお、一次コイルおよび二次コイル銅線からなる常電導線で形成し、一次コイルにリード線を介して交流電源を接続し、前記二次コイルを本発明と同様に3つの直交方向に組み合わせた第1〜第3コイルで形成すると、本発明と同様な機能を有する浮上コイルを備えたアクチュエータとすることは可能である。 In addition, it formed with the normal conducting wire which consists of a primary coil and a secondary coil copper wire, connected the alternating current power supply via the lead wire to the primary coil, and combined the said secondary coil in three orthogonal directions like this invention. When formed with the first to third coils, it is possible to provide an actuator including a levitation coil having the same function as the present invention.
本発明の超電導アクチュエータは、搬送装置、鉄道車両、遊園地等におけるアトラクション、シリンダーやモータ、加振機、スピーカ等の産業用として用いることができ、また、建物を一定位置に浮上させて免震構造を構成することもできる。さらに、超電導の性能を示すための教材用として好適に用いることができる。 The superconducting actuator of the present invention can be used for industrial purposes such as attraction in transfer devices, railway vehicles, amusement parks, cylinders, motors, shakers, speakers, etc. A structure can also be constructed. Furthermore, it can be suitably used as a teaching material for showing the performance of superconductivity.
10 アクチュエータ
11 一次コイル
12 二次コイル
13 第1コイル
14 第2コイル
15 第3コイル
20 電源
30、40、42〜44 冷却容器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記浮上用の二次コイルは、第1〜第3コイルからなる3つのコイルで構成し、第1〜第3コイルは同一中心点を通るX軸、Y軸、Z軸を軸線方向として、互いに嵌合して結合し、かつ、前記一次コイルの外径は前記二次コイルの外径に対して1.2倍以上100倍以下としており、該二次コイルの内の1つのコイルの中心軸線が前記一次コイルの中心軸線と同一方向となるように前記反発する磁束が発生し、二次コイルの浮上を保持する構成としていることを特徴とする超電導アクチュエータ。 A primary coil connected to a power source and held in place, and a levitation secondary coil that connects both ends of the superconducting wire to form a closed circuit, and is generated in the primary coil when the primary coil is energized A superconducting actuator that generates a repulsive magnetic flux and a repelling magnetic flux in the secondary coil, and levitates the secondary coil due to the repulsion of the magnetic flux,
The levitating secondary coil is composed of three coils including first to third coils, and the first to third coils are set to each other with the X-axis, Y-axis, and Z-axis passing through the same center point as axial directions. The outer diameter of the primary coil is 1.2 times to 100 times the outer diameter of the secondary coil, and the central axis of one of the secondary coils The superconducting actuator is characterized in that the repulsive magnetic flux is generated so as to be in the same direction as the central axis of the primary coil and the floating of the secondary coil is maintained.
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CN101794653A (en) * | 2010-03-12 | 2010-08-04 | 中国科学院电工研究所 | Superconducting magnet generating rotating magnetic field |
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2008
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WO2011109929A1 (en) * | 2010-03-12 | 2011-09-15 | 中国科学院电工研究所 | Superconductive magnet generating rotating magnetic field |
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