JP2014175595A

JP2014175595A - 磁気浮上装置

Info

Publication number: JP2014175595A
Application number: JP2013049172A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Mizuno; 毅水野
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: JP6097102B2

Abstract

【課題】浮上体への大電力供給が可能で、浮上体の安定浮上制御機構が不要な磁気浮上装置を提供する。
【解決手段】静止側の電磁石１０の一次コイル１２と浮上体２０の電磁石の二次コイル２２とが磁界共有結合により結合して、一次側から二次側に電力が効率的に非接触給電される。静止側の電磁石１０の入力周波数は、磁界共振結合の共振周波数ｆ１（＜ｆ０）の近傍に設定され、浮上体２０の重力に釣り合う吸引力は、浮上体２０と静止側１０とのギャップが増加すると吸引力が増加し、ギャップが減少すると吸引力が減少する範囲に設定される。この磁気浮上装置は自己平衡性を有し、浮上体２０を安定浮上させるための制御機構が不要である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁石の磁力で浮上体を非接触支持する磁気浮上装置に関し、電磁石のコイルを利用して、磁気浮上中の浮上体に大電力を非接触で伝送することを可能にしたものである。

下記特許文献１には、図１５に示すように、固定側が、電磁石を構成する一次側コイルを備え、浮上体側が、一次側コイルに対向する二次側コイルと、二次側コイルのインピーダンスを制御するインピーダンス制御回路とを備える交流磁気浮上装置が従来例として紹介されている。
この装置では、磁気浮上中の浮上体に対し、一次側コイル及び二次側コイルを通じて非接触給電が行われる。また、浮上体を安定浮上させるため、固定側と浮上体との空隙が検知され、その検知結果に基づいて二次側コイルのインピーダンスがインピーダンス制御回路で制御される。

特開２００３−３３８４１５号公報

しかし、図１５の装置は、固定側から浮上体へのエネルギー伝送効率が低く、また、浮上体の安定浮上を図るためにインピーダンス制御回路が必要であり、高コストになると言う課題がある。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、浮上中の浮上体に大電力を供給することができ、また、浮上体を安定浮上させるための制御機構が不要である磁気浮上装置を提供することを目的としている。

本発明は、一次側電磁石を構成する一次側コイルと一次側コイルに高周波の交流を供給する高周波電源とを有する静止側と、二次側電磁石を構成する二次側コイルを有し、一次側電磁石から発生される磁力で浮上するとともに、一次側コイル及び二次側コイルを通じて静止側から非接触で給電が行われる浮上側と、を備える磁気浮上装置であって、
静止側が、一次側コイルを含む共振周波数ｆ０の一次側共振回路を有し、浮上側が、二次側コイルを含む共振周波数ｆ０の二次側共振回路を有する、ことを特徴とする。

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上側と静止側との間隔は、一次側共振回路と二次側共振回路とが周波数ｆ１（＜ｆ０）及びｆ２（＞ｆ０）で共振する磁界共振結合が維持される間隔に保たれる。

磁界共振結合は、２００６年にＭＩＴからＷｉＴｒｉｃｉｔｙという名称で発表された非接触の電力伝送技術であり、高効率な非接触給電が可能である。この磁界共振結合では、共通の共振周波数ｆ０を持つ一次側コイルと二次側コイルとの距離が近づくにつれ、１つであった共振周波数ｆ０が２つ（ｆ１、ｆ２）に分かれる。

また、本発明の磁気浮上装置では、高周波電源から出力される交流の周波数は、周波数ｆ１またはその前後の周波数であって、静止側の一次側電磁石と、静止側の下側で磁気浮上する浮上側の二次側電磁石との間に吸引力が作用する周波数に設定される。
浮上側が静止側の下側で磁気浮上する吊下げ型の磁気浮上装置では、一次側コイルに供給する交流の周波数をｆ１近傍に設定することで静止側の一次側電磁石と浮上側の二次側電磁石との間に吸引力が作用する。

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上側の重力に釣り合う吸引力は、浮上側と静止側との間隔が増加すると吸引力が増加し、この間隔が減少すると吸引力が減少する範囲に設定される。
「静止側と浮上側との間隔（ギャップ）」と「吸引力」との関係が“ギャップが増加すると吸引力が増加し、ギャップが減少すると吸引力が減少する”範囲に浮上している浮上側は、静止側との間隔が変動しても自らバランス位置に戻る自己平衡性を有している。

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上側を静止側の上側で非接触支持する場合、一次側コイルに供給する交流の周波数をｆ２近傍に設定することで静止側の一次側電磁石と浮上側の二次側電磁石との間に反発力が作用する。また、「静止側と浮上側との間隔（ギャップ）」と「反発力」との関係が“ギャップが増加すると反発力が減少し、ギャップが減少すると反発力が増加する”範囲に浮上している浮上側は、自己平衡性を有しており、静止側との間隔が変動しても自らバランス位置に戻ることができる。

また、本発明の磁気浮上装置では、一次側共振回路が、一次側コイルに直列接続されたコンデンサを有し、二次側共振回路が、二次側コイルに直列接続されたコンデンサを有している。
一次側共振回路及び二次側共振回路は、それぞれ単独では、共通の共振周波数ｆ０を持つＬＣ共振回路である。

また、本発明の磁気浮上装置は、浮上側と静止側との間隔を制御する制御機構を持たない。
浮上側が自己平衡性を有しているため、浮上側と静止側との間隔を制御するための制御機構が不要である。

また、本発明の磁気浮上装置では、高周波電源から出力される交流の周波数が５００Ｈｚ以上に設定される。
磁界共振結合はＭＨｚ帯での技術として発表されたが、磁気浮上を行うにあたり、この周波数帯では浮上が難しい。しかし、５００Ｈｚ以上であれば磁界共振結合が達成されることを実験で確認できた。

また、本発明の磁気浮上装置は、浮上側が、静止側から給電された電力を変換する電力変換装置と、変換された電力によって駆動される電気機械とを備える装置などに適用できる。
電力変換装置が、静止側から供給された交流を直流や所望の周波数の交流に変換し、モータ等の電気機械が、変換された電力で駆動される。

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上側が、さらに、電力変換装置で変換された電力を蓄積する電力貯蔵装置を備え、電気機械が、電力貯蔵装置に蓄積された電力によって駆動されるようにしても良い。
例えば、電力変換装置が、静止側から供給された交流を直流に変換し、その直流が電力貯蔵装置に蓄積され、電気機械が、蓄積された電力で駆動される。

本発明の磁気浮上装置では、静止側と浮上側とが磁界共振結合で結合されているため、静止側から浮上側に大電力を効率的に非接触伝送することができる。
また、自己平衡性を有する浮上側は、安定浮上のための制御機構が不要であり、装置の低コスト化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を模式的に示す図図１の磁気浮上装置の等価回路図図１の磁気浮上装置の特性を測定するために用いた実験装置を示す図磁界共振結合における共振周波数のギャップによる変化を示す図図１の磁気浮上装置の共振周波数を示す図図１の磁気浮上装置の入力周波数と吸引力との関係を示す図電磁石間の吸引力と反発力とを説明する図図１の磁気浮上装置のギャップと吸引力との関係を示す図図１の磁気浮上装置の自己平衡性を説明する図図１の磁気浮上装置の入力周波数を変えたときのギャップと吸引力との関係を示す図図１の磁気浮上装置のギャップと電力伝送効率との関係を示す図図１の磁気浮上装置の自己平衡性に関する測定結果を示す図本発明が適用された磁気浮上装置を模式的に示す図図１３の磁気浮上装置の変形例を示す図従来の交流磁気浮上装置を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る磁気浮上装置を模式的に示している。
この装置は、磁力を発生する静止側１０と、静止側１０の下側で磁気浮上する浮上体２０とから成り、静止側１０は、一次側電磁石を構成するＥ型コア１１及び一次側コイル１２と、一次側コイル１２に高周波交流を供給する高周波電源１４と、一次側コイル１２に直列接続したコンデンサ１３とを備えている。
一方、浮上体２０は、二次側電磁石を構成するＥ型コア２１及び二次側コイル２２と、二次側コイル２２に直列接続したコンデンサ２３とを備えている。

静止側１０の一次側コイル１２及びコンデンサ１３は、共振周波数ｆ０で共振する一次側共振回路を構成し、浮上体２０の二次側コイル２２及びコンデンサ２３は、同じ共振周波数ｆ０で共振する二次側共振回路を構成している。
図２（ａ）は、一次側共振回路の一次側コイル１２と二次側共振回路の二次側コイル２２とが非接触給電を行うトランスとして機能するときの等価回路を示している。

また、図３は、この磁気浮上装置の特性を測定するために用いた実験装置を示している。この装置では、静止側１０を固定し、静止側１０に対向する浮上体２０の浮上方向を垂直方向のみに限定するため、浮上体２０が固定された可動体３１の左右をそれぞれ２本の板３２と軸受３３とで支持している。また、２本の板３２の浮上体２０と反対の側にカウンターウェイト３４を取り付けて、静止側１０の電磁石が支持する重力を調節できるようにしている。また、浮上体２０に作用する吸引力は、可動体３１の下側に取り付けたロードセル３５で測定し、静止側１０と浮上体２０とのギャップは、可動体３１の下面位置までの距離を渦電流形変位センサ３６で測定して求めている。なお、この実験装置では、浮上体２０の可動範囲をストッパーで２．２ [ｍｍ]に制限している。
静止側１０及び浮上体２０の電磁石は、共に、ホルマル銅線を２６０回巻きしたボビンを、積層ケイ素鋼板のＥ型コアに取り付けて構成している。

磁界共振結合は、図４に示すように、共通の共振周波数を持つ送信コイルと受信コイルとの距離が近づくと、１つであった共振周波数が２つに分かれる点に特徴がある。
磁界共振結合は、２００６年にＭＩＴからＭＨｚ帯での技術として発表されたが、その後の研究で、ＭＨｚ以外のｋＨｚ帯やＧＨｚ帯においても同様の結合が利用できることが明らかにされている。

図５は、図３の装置において、静止側１０の電磁石単体のコンダクタンスと電磁石への入力周波数との関係について測定した結果（１）と、静止側１０及び浮上体２０の２つの電磁石を近づけたときのコンダクタンスと入力周波数との関係について測定した結果（２）とを示している。測定は、インピーダンスアナライザを用いて行っている。
２つの電磁石を近づけた場合、電磁石単体での共振周波数ｆ０より低い共振周波数ｆ１と、共振周波数ｆ０より高い共振周波数ｆ２とが現われている。これにより、静止側１０の一次側共振回路と浮上体２０の二次側共振回路とが磁界共振結合により結合していることが確認できる。
この磁気浮上装置では、電磁石の入力周波数が５００Ｈｚ以上において、磁界共振結合が達成できることを確認した。

共振周波数ｆ０、ｆ１及びｆ２は、図２（ａ）の等価回路の抵抗成分を無視し（即ち、Ｒ１＝Ｒ２＝ＲＬ＝０）、一次側共振回路及び二次側共振回路で同じコイル及びコンデンサを使う（即ち、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ）こととする図２（ｂ）の等価回路で考えると、次の（数１）（数２）（数３）のように表すことができる。
ここで、ｋは一次側共振回路と二次側共振回路との結合係数であり、
ｋ＝Ｌｍ／（Ｌ１・Ｌ２）^1/2＝Ｌｍ／Ｌ
で表される。

図６は、図３の実験装置により、静止側１０の電磁石の入力周波数を変えて吸引力の変化を測定した結果を示している。図６から、共振周波数ｆ１（１０５０Ｈｚ）の付近では吸引力が発生し、共振周波数ｆ２（１９１０Ｈｚ）の付近では反発力が発生していることが分かる。
なお、図６では、反発力の方が吸引力に比べて力が弱いが、これは、浮上体２０を静止側１０の下側に配置して測定しているため、反発力により浮上体２０と静止側１０とのギャップが拡がり、吸引力に比べて磁束漏れが多くなることが原因している。

入力周波数により吸引力と反発力とが発生する現象は、次のように説明できる。
図２（ｂ）の等価回路において、一次側共振回路に流れる電流Ｉ１は、次式（数４）で表され、二次側共振回路に流れる電流Ｉ２は、式（数５）で表される。
ここで、ωは入力角周波数である。
このＩ１及びＩ２は、０＜ω＜ω０のとき異符号となり、ω０＜ωのとき同符号となる。Ｉ１及びＩ２が異符号の場合は、図７（ａ）に示すように、静止側１０の電磁石で発生する磁束φ１と浮上体２０の電磁石で発生する磁束φ２とが同じ向きになり、両者間に吸引力が発生する。一方、Ｉ１及びＩ２が同符号の場合は、図７（ｂ）に示すように、静止側１０の電磁石で発生する磁束φ１と浮上体２０の電磁石で発生する磁束φ２とが逆向きになり、反発力が発生する。

また、図８は、図３の実験装置により、静止側１０の電磁石の入力周波数を吸引力が最大になる周波数（１０２０Ｈｚ）に設定し、静止側１０及び浮上体２０間のギャップを変えて吸引力の変化を測定した結果を示している。
図８において、ギャップが、最大吸引力をもたらすギャップより狭いＧ１〜Ｇ２の範囲では、ギャップの増加に伴って吸引力が増大する。そのため、浮上体２０の重力に釣り合う吸引力が、この範囲内に存在すると、何らかの原因でギャップが拡がった場合、図９（ａ）に示すように、吸引力が増加して、浮上体２０の重力より吸引力が勝り、浮上体２０は、ギャップを狭める方向に移動して元の位置に戻る。

また、逆に、ギャップが狭くなったときは、図９（ｂ）に示すように、吸引力が減少して、浮上体２０の重力が吸引力に勝り、浮上体２０は、ギャップを拡げる方向に移動して元の位置に戻る。
このように、浮上体２０の重力に釣り合う吸引力が、ギャップの増加に伴って吸引力が増大する範囲にあれば、ギャップが変動しても自らバランス位置に戻る“自己平衡性”を有している。

また、図１０は、静止側１０の電磁石の入力周波数を共振周波数ｆ１の近傍で変えて、ギャップと吸引力との関係を測定した結果を示している。ここでは、電磁石の入力周波数を１０００Ｈｚ、１０５０Ｈｚ及び１１００Ｈｚに設定している。図１０から、高い周波数の方が自己平衡性を示すギャップ範囲が広がることが分かる。そのため、浮上体２０を広いギャップで浮かせたい場合には、共振周波数ｆ１の近傍でなるべく高い周波数を用いれば良い。

また、図１１は、静止側１０の電磁石の入力周波数を、浮上体２０の磁気浮上と浮上体２０への電力伝送とが両立する共振周波数ｆ１近傍に設定して、そのときの電力伝送効率ηとギャップとの関係を示している。
なお、電力伝送効率ηは、図２（ａ）の回路において、Ｖ１とＩ１との位相差をθとして、
η＝（Ｖ２／Ｖ１）（Ｉ２／Ｉ１）（１／ｃｏｓθ）
と表される。
従来の交流磁気浮上装置の電力伝送効率は０．１程度であり、それに比べて、静止側１０と浮上体２０とが磁界共振結合で結合された磁気浮上装置の電力伝送効率は、高い値を示している。また、ギャップが増加しても、電力伝送効率の低下は少ない。

また、図１２は、図３の可動体３１にＶＣＭを取り付けて浮上体２０にステップ状の外乱を加え、浮上体２０の応答を測定した結果を示している。図１２から、磁気浮上の安定化を図る制御機構が無くても、自己平衡性により安定な浮上が達成できることが確認できる。

このように、静止側１０の電磁石の入力周波数を、磁界共振結合の共振周波数ｆ１（＜ｆ０）近傍に設定し、浮上体２０の重力に釣り合う吸引力を、浮上体２０と静止側１０とのギャップが増加すると吸引力が増加し、ギャップが減少すると吸引力が減少する“自己平衡性の発揮可能なギャップ範囲”に設定した磁気浮上装置は、浮上体２０に対して効率的に電力を伝送することができ、また、制御機構が無くても安定な浮上が達成できる。

なお、これまで、浮上体２０に吸引力を及ぼして、浮上体２０を静止側１０の下側で磁気浮上させる吊下げ型の磁気浮上装置について説明してきたが、浮上体２０に反発力を及ぼして、浮上体２０を静止側１０の上側で支持する磁気浮上装置の場合は、静止側１０の電磁石の入力周波数を、磁界共振結合の共振周波数ｆ２（＞ｆ０）近傍に設定し、浮上体２０の重力を支える反発力を、浮上体２０と静止側１０とのギャップが増加すると反発力が減少し、ギャップが減少すると反発力が増加する“自己平衡性の発揮可能なギャップ範囲”に設定すれば良い。

本発明は、電気エネルギーが必要な浮上体の磁気浮上装置に適用することができる。
図１３は、この磁気浮上装置を模式的に示している。この装置の浮上体２０は、静止側１０から非接触給電された電力を変換する電力変換装置４１と、変換された電力により駆動される電気機械４２とを備えている。
電力変換装置４１は、インバータなどであり、静止側１０から供給された交流を直流や所望の周波数の交流に変換する。電気機械４２は、モータなどであり、電力変換装置４１により変換された電力で駆動される。

特開２００９−９７５９７号公報には、磁気軸受により非接触支持された回転体に電動モータのロータが設けられ、ケーシングなどの固定部側に電動モータのステータが設けられた磁気軸受装置が記載されている。非接触支持された回転体は、電動モータにより回転する。
この磁気軸受装置に本発明を適用すれば、電動モータのロータ側に供給する電力の位相を電力変換装置４１で適宜変換することにより、モータの回転を自由に制御することが可能になる。

図１４は、図１３の磁気浮上装置の変形例を示しており、この装置の浮上体２０は、電力変換装置４１及び電気機械４２の他に、電力変換装置４１で変換された電力を蓄積する電力貯蔵装置４３を備えている。
電力貯蔵装置４３は、例えば、電力変換装置４１で交流から変換された直流を蓄積し、電気機械４２は、電力貯蔵装置４３に蓄積された電力で駆動される。

また、本発明は、磁気浮上する搬送装置や磁気浮上鉄道に対して、磁気浮上状態を保ったまま充電用電力等を供給するために利用することができる。また、磁気浮上を利用する除振装置、軸受、慣性センサ、ターボ分子ポンプ等において、浮上体に検出装置や記憶装置、駆動装置、情報発信装置等を搭載して、それら搭載装置への電力供給を、本発明を利用して行うことができる。そのため、本発明を適用して、新たな機能を備える磁気浮上装置の開発が期待できる。

本発明の磁気浮上装置は、簡単な構成で浮上体の磁気浮上と、浮上体への非接触給電とを行うことができ、搬送装置や磁気浮上鉄道、除振装置、軸受、慣性センサ、ターボ分子ポンプ等、磁気浮上を利用する各種の装置に広く利用することができる。

１０静止側
１１Ｅ型コア
１２一次側コイル
１３コンデンサ
１４高周波電源
２０浮上体
２１Ｅ型コア
２２二次側コイル
２３コンデンサ
３１可動体
３２板
３３軸受
３４カウンターウェイト
３５ロードセル
３６渦電流形変位センサ
４１電力変換装置
４２電気機械
４３電力貯蔵装置

Claims

一次側電磁石を構成する一次側コイルと該一次側コイルに高周波の交流を供給する高周波電源とを有する静止側と、
二次側電磁石を構成する二次側コイルを有し、前記一次側電磁石から発生される磁力で浮上するとともに、前記一次側コイル及び二次側コイルを通じて前記静止側から非接触で給電が行われる浮上側と、
を備える磁気浮上装置であって、
前記静止側は、前記一次側コイルを含む共振周波数ｆ０の一次側共振回路を有し、
前記浮上側は、前記二次側コイルを含む共振周波数ｆ０の二次側共振回路を有する、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項１に記載の磁気浮上装置であって、
前記浮上側と前記静止側との間隔は、前記一次側共振回路と前記二次側共振回路とが周波数ｆ１（＜ｆ０）及びｆ２（＞ｆ０）で共振する磁界共振結合が維持される間隔に保たれる、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項２に記載の磁気浮上装置であって、
前記高周波電源から出力される交流の周波数は、周波数ｆ１またはその前後の周波数であって、前記静止側の一次側電磁石と、前記静止側の下側で磁気浮上する前記浮上側の二次側電磁石との間に吸引力が作用する周波数に設定される、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項３に記載の磁気浮上装置であって、
前記浮上側の重力に釣り合う前記吸引力は、前記浮上側と前記静止側との間隔が増加すると該吸引力が増加し、前記間隔が減少すると該吸引力が減少する範囲に設定されている、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項２に記載の磁気浮上装置であって、
前記高周波電源から出力される交流の周波数は、周波数ｆ２またはその前後の周波数であって、前記静止側の一次側電磁石と、前記静止側の上側で磁気浮上する前記浮上側の二次側電磁石との間に反発力が作用する周波数に設定され、
前記浮上側の重力に釣り合う前記反発力は、前記浮上側と前記静止側との間隔が増加すると該反発力が減少し、前記間隔が減少すると該反発力が増加する範囲に設定されている、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項１から５のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記一次側共振回路は、前記一次側コイルに直列接続されたコンデンサを有し、前記二次側共振回路は、前記二次側コイルに直列接続されたコンデンサを有することを特徴とする磁気浮上装置。
請求項１から６のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記浮上側と前記静止側との間隔を制御する制御機構を持たないことを特徴とする磁気浮上装置。
請求項１から７のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記高周波電源から出力される交流の周波数が５００Ｈｚ以上であることを特徴とする磁気浮上装置。
請求項１から８のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記浮上側が、前記静止側から給電された電力を変換する電力変換装置と、変換された電力によって駆動される電気機械とを備えていることを特徴とする磁気浮上装置。
請求項９に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上側は、さらに、前記電力変換装置で変換された電力を蓄積する電力貯蔵装置を備え、前記電気機械が、前記電力貯蔵装置に蓄積された電力によって駆動されることを特徴とする磁気浮上装置。