JP2565582B2 - 超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システ
ムに関するものである。

〔従来の技術〕

超電導磁石を用いた磁気浮上鉄道は第12図（ａ）に示
されているように、浮上・推進用超電導コイル1a、1bを
搭載した車体２を、地上に設置した推進コイル3a、3b、
3c、（3d、3e、3f）に、縦軸に電流をとり、横軸に時間
をとって示した第10図に示されているような３相の正弦
波の電流を与えることにより生ずる移動磁界によって推
進させる。また浮上はそれとは別のコイル間を８の字状
に接続して形成された８字の形をした浮上コイル4a、4
b、4c、4d、4e、4fに、第12図（ｂ）に示されている矢
印のように、誘起される反発磁束による力を利用するこ
とによってなされるもので、供給される正弦波の周波数
を変化させることにより、始動から最終的には約500km/
時の超高速まで達することができる。なお同図において
５はガイドウエイである。

超電導磁気浮上システムでは車上用補助電源システム
として、地上コイルに誘起される移動磁界のうち余分な
成分である高調波を利用した非接触集電システムが考え
られてちる。しかしこの高調波の含まれている割合は地
上コイルの配置により異なり、場合によっては十分な電
力がとれないことも考えられる。そのため集電の目的の
ために超電導コイルを車上に搭載することが、例えば第
13図（ａ）、（ｂ）に示されているように提案されてい
る。これは同図（ａ）に示されているように、集電用超
電導コイル6b、6dおよび集電コイル7a、7c、7eが夫々車
体の長手方向に沿って１列に配置されている。この車上
に搭載した集電用超電導コイル6b、6dが車両とともに移
動することによって生ずる磁束変化によって、同図
（ｂ）の矢印のように地上の浮上コイル4b、4d、（4f、
浮上コイルの下部）に起電力が生じ、８字に接続された
浮上コイル4a、4c、（4e、浮上コイルの上部）に電流が
流れることにより生成された磁束を、車上の集電コイル
7a、7c、7eによってひろいあげることにより、集電する
ものである。

なお、この種システムに関するものに、対向浮上方式
の場合の非接触集電方式、例えば特開昭54−157205号公
報がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では集電用超電導コイルと集電コイルと
が上下に夫々１列に配置されるので、発生する磁束量が
少なくて集電の力が小さい欠点があった。また超電導磁
石は人体または他の機械への悪影響をなくすため磁気シ
ールドが必要であるが、列車の進行方向に必要な空間を
多くとらなければならず、はなはだ不経済であった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、 集電能力の向上を可能とした集電システムを提供する
こと。

集電効率の向上を可能とした集電システムを提供する
こと。

製作を容易にすることを可能とした集電用超電導コイ
ルおよび集電コイルを提供すること。

保守、点検を容易にすることを可能とした集電用超電
導コイルおよび集電コイルを提供すること。

浮上特性に悪影響を及ぼさないようにすることを可能
とした集電用超電導コイルを提供すること。

車両の空間を有効に利用することを可能とした集電シ
ステムを提供すること。

を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

集電能力の向上を可能とした集電システムを提供する
のに、集電用超電導コイルおよび集電コイルを、浮上コ
イルのそれと同じようにその上下に配置したコイル間を
８の字状に接続してなる８字形形状とした。また、集電
用超電導コイルおよび集電コイルを、その上下に配置し
たコイルが夫々異なる極を有している異極配置とした。

集電効率の向上を可能とした集電システムを提供する
のに、集電用超電導コイルのポールピッチを、浮上・推
進用超電導コイルのポールピッチより小さくした。

製作を容易にすることを可能とした集電用超電導コイ
ルおよび集電コイルを提供するのに、集電用超電導コイ
ルおよび集電コイルを、円形状または楕円状に形成し
た。

保守、点検を容易にすることを可能とした集電用超電
導コイルおよび集電コイルを提供するのに、集電用超電
導コイルおよび集電コイルを、特定の車両に搭載した。

浮上特性に悪影響を及ぼさないようにすることを可能
とした集電用超電導コイルを提供するのに、集電用超電
導コイルおよび集電コイルを、その上下に配置されたコ
イル間の距離を浮上コイルの上下間の距離よりも大きく
した。また、集電用超電導コイルおよび集電コイルを、
昇降装置で上下に移動自在に形成した。

車両の空間を有効に利用することを可能とした集電シ
ステムを提供するのに、集電用超電導コイルを、同一の
極低温容器に収納した。

〔作用〕

集電用超電導コイルおよび集電コイルを、浮上コイル
のそれと同じようにその上下に配置したコイル間を８の
字状に接続してなる８字形形状とした。また、その上下
に配置したコイルが夫々異なる極を有している異極配置
としたので、浮上コイルに流れる電流が従来に比べて約
２倍になって、車上の集電コイルに誘起される電圧が約
２倍となる。

集電用超電導コイルのポールピッチを、浮上・推進用
超電導コイルのポールピッチより小さくしたので、次数
の少ない高調波を利用することができるようになって、
振幅の大きい磁束が利用できるようになる。

集電用超電導コイルおよび集電コイルを円形状または
楕円状に形成したので、集電用超電導コイルおよび集電
コイルが作り易くなる。

集電用超電導コイルおよび集電コイルを特定の車両に
搭載したので、特定の車両のみ保守、点検すればよくな
る。

集電用超電導コイルおよび集電コイルを、その上下に
配置されたコイル間の距離を夫々浮上コイルの上下間の
距離よりも大きくしたので、車体の上下変動時でも上向
きの力が存在するようになって、浮上特性の平衡特性が
保たれるようになる。

集電用超電導コイルを同一の極低温容器に収納したの
で、異極配置時の集電用超電導コイルも同一のクライオ
スタット内に配置されるようになる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。
第１図（ａ）、（ｂ）には本発明の一実施例が示されて
いる。なお従来と同じ部分には同じ符号を付したので説
明を省略する。本実施例では集電用超電導コイル6a、6
b、…および集電コイル7a、7b、7c、7d、7e、7f…を、
浮上コイル4a、4b、4c、4d、4e、4f…のそれと同じよう
にその上下に配置したコイル（6a、6b）、（7a、7b…）
間を８の字状に接続してなる８字形形状とした。このよ
うにすることにより浮上コイル4a、4b、4c、4d、4e、4f
…に流れる電流Ｉが従来に比べ約２倍となって、車体の
集電コイル7a、7b、7c、7d、7e、7f…に誘起される電圧
が約２倍となり、集電能力の向上を可能とした集電シス
テムを得ることができる。

すなわち車上に搭載された集電用超電導コイル6a、6b
…は８字形に接続されている。この集電用超電導コイル
6a、6b…を搭載した車両が例えば500km/時で走行する
と、電磁誘導により地上に設置された８字状に接続して
なる８字形をした浮上コイル4a、4b、4c、4d、4e、4f…
に第10図に示されているように、３相の正弦波状の電流
が流れる。この３相の正弦波状電流の作る集電コイル7
a、7b、7c、7d、7e、7f…の位置における磁場の分布
は、第11図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、に示されているよ
うに、同図（ａ）記載の磁場には同図（ｂ）の列車と共
に進む基本波の他にさらに同図（ｃ）に記載されている
ように、周波数の高い高調波（第２次空間高調波）が含
まれている。基本波は列車と共に進むので列車側からは
単に直流成分にしかならないが、高調波成分は列車の数
倍の速さで進むので、上述のようにこの成分を利用して
集電能力を得ることができる。この高調波磁場を取り出
すのが車上に設置された集電コイル7a、7b、7c、7d、7
e、7f…であり、これも８字形に接続されている。従っ
て集電コイル7a、7b、7c、7d、7e、7f…の数が従来に比
べて同じ長手方向長さあたり２倍となり、夫々の電圧も
約２倍となり、取り出される磁束も同じ長手方向長さあ
たり約５〜８倍となる。この集電コイル7a、7b、7c、7
d、7e、7fは第14図に示されているように、コンバータ
８、バッファ用蓄電池９、更にインバータ10に接続さ
れ、最終的に負荷11に接続される。なお第１図（ｂ）に
おいて12は車輪である。

第２図には本発明の他の実施例が示されている。本実
施例は集電用超電導コイル6a、6b…を、その上下に配置
したコイル（6a、6b）が夫々異なる極を有している異極
配置とした。このようにすることにより、集電用超電導
コイル6a、6b…に流れる電流Ｉが、第１図のそれと同じ
ように、上下のコイル6a、6b間で反対方向に流れるよう
になって、浮上コイル4a〜4fに流れる電流が従来に比べ
て約２倍となり、前述の場合と同様な作用効果を奏する
ことができる。

第３図には以上の実施例でどの程度の集電が可能かど
うかの検討を行った結果が示されている。これは同図記
載の数値、浮上コイル（８字１ターン）4a、4bの自己イ
ンダクタンス（Ｌ）0.98μＨ、抵抗（Ｒ）33.8μΩ、集
電コイル（８字ターン）7a、7b…の自己インダクタンス
（Ｌ）6.66μＨ、抵抗（Ｒ）437μΩ、集電用超電導コ
イル6a…の幅0.60m、高さ0.34m、集電コイル7a、…の幅
0.175m、高さ0.34m、浮上コイル4a、…の幅0.35m、高さ
0.34m等を用いて検討したものである。集電用超電導コ
イル6a、…に300kATのDC電流を流すと、地上の浮上コイ
ル4a、…には実効値で42kAT、102.9HzのAC電流が流れる
（500km/時）。このAC電流の作る磁束によって誘起され
る車上の集電コイル7a、…１ターンあたりの起電力は第
２次空間高調波（第２次空間高調波は時間的には３次と
なる）を利用するので、実効値7.4V、308.7Hzとなる。
同図（ａ）の装置を先頭車両と後尾車両の左右に、列車
進行方向に5.4mの長さ設置すると、１車両あたり３相線
間電圧600V、最大で408kW（１編成ではその２倍の816k
W）の電力がとれる（同図（ｃ）参照）。

第４図には本発明の更に他の実施例が示されている。
本実施例では集電用超電導コイル6a、6b、6c、6dのポー
ルピッチP₁を、浮上・推進用超電導コイル1a、1bのポー
ルピッチP₂より小さくした。このようにすることにより
次数の少ない高調波を利用することができるようになっ
て、振幅の大きい磁束が利用できるようになり、集電シ
ステムの集電効率を向上させることができる。

すなわち集電用超電導コイル6a、6b、6c、6dのポール
ピッチP₁を浮上・推進用超電導コイル1a、1bのポールピ
ッチP₂のそれぞれ1/2にした。集電用超電導コイル6a、6
b、6c、6dのポールピッチP₁が浮上・推進用超電導コイ
ル1a、1bのポールピッチP₂と同じ場合は第11図（ｄ）、
（ｅ）、（ｆ）に見られるように、集電コイル位置に見
られる磁場分布は、基本波（同図（ｅ）参照）に第５次
空間高調波（第５次高調波）が乗っているものである
（同図（ｆ）参照）。これに対してポールピッチが1/2
の場合は前述の第11図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に見られ
るように基本波（同図（ｂ）参照）に第２次空間高調波
が乗るもの（同図（ｃ）参照）で、振幅が第11図（ｆ）
のそれよりも大きい。従ってこの大きい振幅を利用する
ので、ポールピッチが同じ場合に比べて非接触集電能力
が増大する。なお第11図（ｄ）は同図の（ｅ）、（ｆ）
を合成した磁場の変化を示したものである。

第５図（ａ）、（ｂ）には本発明の更に他の実施例が
示されている。本実施例は集電用超電導コイル6a、6b、
6c、6dの形状をそれぞれ円形（同図（ａ）参照）、楕円
形（同図（ｂ）参照）にしたものである。このようにす
ることにより円形または楕円形なので集電用超電導コイ
ル6a、6b、6c、6dの製作を容易にすることかできる。な
お、本実施例では集電用超電導コイル6a、6b、6c、6dを
円形状または楕円状に形成した場合について述べたが、
集電コイルについても同様に実施し、同様の効果をあげ
ることができる。

第６図には本発明の更に他の実施例が示されている。
本実施例は集電用超電導コイル6a、6b、6c、6dを特定の
車両に搭載した。すなわち集電用超電導コイル6a、6b、
6c、6dを、例えば先頭車両または後尾車両に集中して配
置するようにした。このようにすることにより先頭車両
または後尾車両を点検すればよくなって、集電用超電導
コイル6a、6b、6c、6dの保守点検を容易にすることがで
きる。なお、この場合、その車両を集電のみを目的とし
た専用車両とすることも含む。なおまた、本実施例では
集電用超電導コイル6a、6b、6c、6dについて述べたが、
集電コイルについても同様に実施することができる。

第８図（ａ）、（ｂ）には本発明の更に他の実施例が
示されている。本実施例では集電用超電導コイル6a、6b
…の上下に配置されたコイル（6a、6b）間の距離を、浮
上コイル4a、4bの上下間の距離よりも大きくした。この
ようにすることにより車体の上下変動時でも上向きの力
が存在するようになって、浮上特性の平衡特性が保たれ
るようになり、集電用超電導コイル6a、6b…の浮上特性
に悪影響を及ぼすのを防止することができる。

すなわち第１図（ｂ）のように、集電用超電導コイル
6a、6bと浮上コイル4a、4bとの上下のコイル配置が等し
い場合では、主に加速、減速時の低速走行時において、
集電用超電導コイル6a、6bの中心位置が浮上コイル4a、
4bのそれよりも下にずれた場合、第７図に示されている
ように図中矢印表示の下向きの力だけが働くので、集電
用超電導コイル6a、6bが浮上特性に悪影響を及ぼす。こ
の場合は例えば第８図（ａ）のように、集電用超電導コ
イル6a、6bの上下の距離、すなわち6a、6b間の距離を浮
上コイル4a、4bのそれより離して配置することにより、
中心位置の一致する定速走行時のみならず、加速時また
は減速時においてその中心位置が下側にずれた場合に
も、集電用超電導コイル6a、6bの上部のコイル6aが浮上
コイル4a、4bの上部のコイル4aより上に位置するように
なって、上向きの力が働き、浮上力に悪影響を及ぼさな
いようにすることができる。

また第８図（ｂ）のように、列車の浮上位置を検出す
る検出装置13を設け、さらにその検出された位置に従っ
て集電用超電導コイル6a、6bおよび集電コイル7a、7bを
昇降させる昇降装置14を設けることにより、あらゆる速
度において前述の場合と同様な作用効果を奏することが
できる。

第９図は本発明の更に他の実施例を示すもので、集電
用超電導コイル6a、6bを８の字に接続した場合のみなら
ず、そうでない場合（異極配置）でも同じクライオスタ
ット15に入れたものである。このようにすることによ
り、列車の空間を有効に利用することができる。

以上述べてきた実施例によれば次に述べるような効果
を奏することができる。

（１）集電用超電導コイルおよび集電コイルを８字、ま
たはそれと同等の機能を持つように異極配置し、さらに
上下２重に配重したので集電の能力が増大し、また列車
の進行方向に必要な磁気シールドのための空間を少なく
することができる。

（２）集電用超電導コイルのポールピッチを浮上・推進
用コイルのそれより小さくした、例えば1/2にすること
により、効率の向上を可能とした集電が可能になる。

（３）集電用超電導コイルおよび集電コイルを円形また
は楕円形にすることにより、これらコイルの製作を容易
にすることができる。

（４）集電用超電導コイルおよび集電コイルを特定の車
両に搭載することにより、集電システムの保守、点検を
容易にすることができる。

（５）集電用超電導コイルおよび集電コイルの上下間距
離を浮上コイルの上下間距離より離すことにより、また
集電用超電導コイルおよび集電コイルを上下に移動させ
る昇降装置を設置することにより、磁気浮上列車の浮上
力に悪影響を及ぼさないようにできる。

（６）上下の集電用超電導コイルを同一のクライオスタ
ットに収納することにより、同一のクライオスタットに
収納しない場合に比べて空間を有効に利用することがで
きる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は、次に述べる効果を奏すること
ができる。

集電システムの集電能力が向上するようになって、集
電能力の向上を可能とした集電システムを得ることがで
きる。

集電システムの集電効率が向上するようになって、集
電効率の向上を可能とした集電システムを得ることがで
きる。

集電用超電導コイルおよび集電コイルの製作が容易と
なって、製作を容易にすることを可能とした集電用超電
導コイルおよび集電コイルを得ることができる。

集電用超電導コイルおよび集電コイルの保守、点検が
容易となって、保守、点検を容易にすることを可能とし
た集電用超電導コイルおよび集電コイルを得ることがで
きる。

集電用超電導コイルを浮上特性に悪影響を及ぼさない
ようにすることができるようになって、浮上特性に悪影
響を及ぼさないようにすることを可能とした集電用超電
導コイルを得ることができる。

集電システムを車両の空間を有効に利用できるように
なって、車両の空間を有効に利用することを可能とした
集電システムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の超電導磁気浮上方式鉄
道用非接触集電システムの一実施例の集電用超電導コイ
ル、集電コイル、浮上コイルの配置を示すもので（ａ）
は進行方向と垂直な方向から見た説明図、（ｂ）は進行
方向と同じ方向から見た説明図、第２図は本発明の超電
導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システムの他の実施例
の進行方向と垂直な方向から見た集電用超電導コイル、
集電コイル、浮上コイルの配置を示す説明図、第３図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は第１図、第２図による集電の
効果を検討するもので、（ａ）は集電用超電導コイル、
集電コイル、浮上コイルの夫々の所要寸法を示す説明
図、（ｂ）は集電用超電導コイル、集電コイル、浮上コ
イル間の寸法を示す説明図、（ｃ）は発生電圧を示す説
明図、第４図は本発明の超電導磁気浮上方式鉄道用非接
触集電システムの更に他の実施例の浮上・推進用超電導
コイル、集電用超電導コイルのポールピッチの大きさを
示す説明図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の超電導磁
気浮上方式鉄道用非接触集電システムの更に他の実施例
の集電用超電導コイルの形状を示すもので、（ａ）は円
形状、（ｂ）は楕円状に形成した場合の説明図、第６図
は本発明の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システ
ムの更に他の実施例の集電用超電導コイルの配置を示す
説明図、第７図は集電用超電導コイルが浮上特性に悪影
響を及ぼす状態を示す説明図、第８図（ａ）、（ｂ）は
本発明の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システム
の更に他の実施例の浮上特性に悪影響に及ぼさない集電
用超電導コイルおよび集電コイルの配置を示すもので、
（ａ）はこれら両コイル間の夫々の距離を浮上コイルの
上下間距離より離した場合を示す説明図、（ｂ）は集電
用超電導コイルおよび集電コイルに昇降装置を設けた場
合を示す説明図、第９図は本発明の超電導磁気浮上方式
鉄道用非接触集電システムの更に他の実施例の異極配置
の集電用超電導コイルをクライオスタット内に収納した
状態を示す説明図、第10図は集電用超電導コイルによっ
て浮上コイルに誘起される３相の正弦波状電流の波形
図、第11図（ａ）〜（ｆ）は浮上コイルに誘起される正
弦波状電流によって集電コイルの位置に生成される磁場
分布を示すもので、（ａ）〜（ｃ）は集電用超電導コイ
ルのポールピッチが浮上・推進用超電導コイルの1/2の
場合で（ａ）は合成波、（ｂ）基本波、（ｃ）は第２次
空間高調波の波形図、（ｄ）〜（ｆ）は集電用超電導コ
イルのポールピッチが浮上・推進用超電導コイルのポー
ルピッチと同じ場合で（ｄ）は合成波、（ｅ）は基本
波、（ｆ）は第５次空間高調波の波形図、第12図
（ａ）、（ｂ）は従来の磁気浮上列車の基本的な動きを
説明するもので、（ａ）は各種コイルの配置を列車進行
方向の横から見た状態を示す説明図、（ｂ）は進行方向
から見た説明図、第13図（ａ）、（ｂ）は従来の超電導
磁気浮上方式鉄道用非接触集電システムを示すもので、
（ａ）は各種コイルの配置を列車進行方向の横から見た
状態を示す説明図、（ｂ）は車上の集電コイルによる集
電状態を示す説明図、第14図は集電コイルがコンバー
タ、バッファ用蓄電池およびインバータを介して負荷に
接続された状態を示す説明図である。 1a,1b……浮上・推進用超電導コイル、3a,3b,3c,3d,3e,
3f……推進コイル、4a,4b,4c,4d,4e,4f……浮上コイ
ル、6a,6b,6c,6d……集電用超電導コイル、7a,7b,7c,7
d,7e,7f……集電コイル、14……昇降装置、15……クラ
イオスタット（極低温容器）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 敏雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 孝司 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 澤野 英二 千葉県習志野市谷津６―19―４―206 (72)発明者 大島 浩 東京都板橋区櫻川３―１―５ 上板橋寮

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地上に浮上用コイルと推進用地上コイルを
   設けるとともに、車上に浮上・推進用超電導コイルを設
   け、前記車上には車両の運動エネルギーを前記地上コイ
   ルを介して車両電力に変換する集電用超電導コイルおよ
   び集電コイルが設けられている超電導磁気浮上方式鉄道
   用非接触集電システムにおいて、前記集電用超電導コイ
   ルおよび集電コイルが、前記浮上用コイルのそれと同じ
   ようにその上下に配置したコイル間を８の字状に接続し
   た８字形形状であることを特徴とする超電導磁気浮上方
   式鉄道用非接触集電システム。
2. 【請求項２】前記集電用超電導コイルおよび集電コイル
   が、前記浮上用コイルのそれと同じようにその上下に配
   置したコイル間を８の字状に接続してなる８字形形状に
   代えて、その上下に配置したコイルが夫々異なる極を有
   している異極配置とされた請求項１記載の超電導磁気浮
   上方式鉄道用非接触集電システム。
3. 【請求項３】前記集電用超電導コイルが、同一の極低温
   容器に収納された請求項２記載の超電導磁気浮上方式鉄
   道用非接触集電システム。
4. 【請求項４】前記集電用超電導コイルのポールピッチ
   が、前記浮上・推進用超電導コイルのポールピッチより
   小さくされた請求項１または請求項２記載の超電導磁気
   浮上方式鉄道用非接触集電システム。
5. 【請求項５】前記集電用超電導コイルおよび集電コイル
   が、円形状または楕円状に形成された請求項１または請
   求項２記載の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電シス
   テム。
6. 【請求項６】前記集電用超電導コイルおよび集電コイル
   が、特定の前記車両に搭載された請求項１または請求項
   ２記載の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集電システ
   ム。
7. 【請求項７】前記集電用超電導コイルおよび集電コイル
   が、その上下に配置されたコイル間の距離を夫々前記浮
   上用コイルの上下間の距離よりも大きくされた請求項１
   または請求項２記載の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触
   集電システム。
8. 【請求項８】前記集電用超電導コイルおよび集電コイル
   が、昇降装置で上記に移動自在に形成された請求項１ま
   たは請求項２記載の超電導磁気浮上方式鉄道用非接触集
   電システム。
9. 【請求項９】地上に浮上用コイルと、推進用地上コイル
   を設け、車上に浮上・推進用超電導コイルを設けるとと
   もに、前記車上には車両の運動エネルギーを前記地上コ
   イルを介して車両電力に変換する集電用超電導コイルお
   よび集電コイルが設けられている超電導磁気浮上方式鉄
   道用非接触集電システムにおいて、前記集電用超電導コ
   イルのポールピッチが、前記浮上・推進用超電導コイル
   のポールピッチの1/2であることを特徴とする超電導磁
   気浮上方式鉄道用非接触集電システム。