JP3854281B2

JP3854281B2 - 磁気誘導浮上機構

Info

Publication number: JP3854281B2
Application number: JP2004120505A
Authority: JP
Inventors: 洋中島; 俊輔藤原; 一夫澤田
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005304258A

Description

本発明は、磁気誘導浮上機構に係り、特に磁気誘導浮上システムのコイル配置に関するものである。

従来の磁気誘導浮上機構としては、本願発明者の提案にかかる下記の特許文献１に開示されるようなものがあった。

図９は従来の磁気誘導浮上機構（その１）の原理を示す模式図である。

この図において、１０１は磁気浮上式鉄道の軌道路に配置される地上側コイル、１０２は磁気浮上車両（図示なし）に搭載され、地上側コイル１０１と対向し、その地上側コイル１０１上を移動する車両側コイル（超電導コイル）である。

この磁気誘導浮上機構は地上側コイル１０１に車両側コイル（超電導コイル）１０２が対向して浮上走行するシステムであり、車両側コイル（超電導コイル）１０２が浮上力のすべてを受ける。そのため、本構成では浮上力は十分に確保できるが、地上側コイル１０１に電流が流れ過ぎるため揚抗比は悪い。

図１０は従来の磁気誘導浮上機構（その２）の原理を示す模式図である。

この図において、１１１は磁気浮上式鉄道の軌道路の側壁に配置される地上側コイル、１１２はその地上側コイル１１１に対向し、移動する車両側コイル（超電導コイル）であり、磁気浮上車両（図示なし）の両側面に配置されている。１１３は軌道の左右の地上側コイル１１１同士を接続するヌルフラックス線である。この磁気誘導浮上機構は、上記した地上側コイル１１１と車両側コイル（超電導コイル）１１２との磁気誘導により浮上走行するシステムである。

上記した従来の誘導磁気浮上機構では、地上側コイル１１１に電流を誘導する機能と浮上力を発生する機能との両方を持たせるようにしていたが、軌道路の左右の地上側コイル１１１同士を接続するヌルフラックス線１１３を設置する必要があった。
米国特許第４，９１３，０５９号公報特公平７−５５００３号公報特公平６−６９２４６号公報

磁気誘導浮上機構としては、浮上力と磁気抗力の比である揚抗比は大きいほど望ましい。従来の磁気誘導浮上機構は、車両側コイル（超電導コイル）側で磁石を組み合わせて、誘導する電流を互いに打ち消しあって小さくするか、または、地上側コイルで、流れる電流を少なくするような形状の工夫をするようにしていた。

しかしながら、車両側コイル（超電導コイル）側で磁石の組み合わせを工夫すると、配置の自由度が小さくなり、現実的な構成が難しい。また、地上側コイルで形状を工夫すると、コイルの形状が複雑にならざるを得ないといった問題があった。

また、図９に示す方式では、地上側コイルに流す電流の大きさを大きくしなければならため、揚抗比が悪いといった問題があった。

さらに、図１０に示す方式では、揚抗比を大きくするために地上コイルを８字状の巻き線にすることで、コストが嵩むといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、構成が簡便で、かつコストが低減され、かつ、地上側コイルに流す電流の大きさが小さくても大きい揚抗力を得ることができる磁気誘導浮上機構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〕磁気誘導浮上機構において、軌道路に対して垂直に配置される磁場発生源である車両側主コイルと、前記軌道路に対して水平に配置される閉回路を形成する地上側コイルと、前記軌道路に対して水平に配置される磁場発生源である車両側補助コイルとを具備し、前記車両側主コイルと前記車両側補助コイルを搭載した移動体が前記地上側コイルと前記移動体の進行方向に相対変位した時に、主に前記車両側補助コイルが前記地上側コイルに誘導電流を発生させ、前記車両側主コイルと前記地上側コイルの相互インダクタンスがゼロになる上下方向相対位置の近傍においても、前記車両側主コイルに有効な電磁気力を働かせることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の磁気誘導浮上機構において、前記車両側主コイルと一体的に移動する前記車両側補助コイルに対向して、前記地上側コイル群を進行方向に沿って配置するとともに、前記車両側主コイルの中心高さを前記地上側コイル群の高さ位置とすることにより、前記車両側主コイルと前記地上側コイルの相互インダクタンスがゼロになるようにすることを特徴とする。

本発明によれば、地上側コイルを複雑な構成にすることなく、揚抗比の高い磁気誘導浮上機構を構築することができる。

地上側コイルに対して浮上力を発生する車両側主コイルと、地上側コイルに電流を誘導する車両側補助コイルとを配置する。ここで、浮上力を発生する車両側主コイルはそれ自身では電流を誘導しない（または電流が小さい）が、地上側コイルに電流が流れていれば浮上力を発生し、高い揚抗比が得られる。地上側コイルに電流を誘導する車両側補助コイルは起磁力が小さくとも良いため、力の分担割合が小さい。これらを組み合わせると、揚抗比の高い組み合わせとすることができる。

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磁気誘導浮上機構の模式図、図２はその磁気誘導浮上機構の配置例を示す断面図であり、図２（ａ）はその横断断面の全体図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。

これらの図において、１は軌道路、２はその軌道路１の底面、３は軌道路の底面２の突出部、３Ａはその突出部３の上面部、５は突出部３の上面部３Ａに水平に配置される地上側コイル、６は超電導コイルを収納した超電導磁石の容器、７はその超電導磁石を支持する車両Ｖの台車、８は突出部３の側面に対向し、軌道路１の底面２に垂直になるように超電導磁石の容器６内に配置される車両側主コイル（超電導コイル）、９は地上側コイル５の上部に対向するとともに、軌道路１の底面２に対して水平に配置され、超電導磁石の容器６内に配置される車両側補助コイル（超電導コイル）である。

そこで、本発明の磁気誘導浮上機構の作用を従来の磁気誘導浮上機構と対比しながら説明する。

図３は従来の磁気誘導浮上機構の動作の説明図であり、図３（ａ）はその模式図、図３（ｂ）は進行方向に直角な断面模式図である。

（Ａ）車両側コイル２０１は地上側コイル２０２に交わる多くの磁束（コイルに対して垂直方向の磁束）を作っており、この磁束の（車両進行による）時間変化で地上側コイル２０２に電流を誘導する。

（Ｂ）また、地上側コイル２０２に電流が流れていると、車両側コイル２０１が、地上側コイル２０２の進行方向を向いた辺ＡＢと辺ＣＤが関与する横方向の磁束（磁界）との間で上下方向の力（浮上力）を発生する。

この方式では、垂直方向の磁束が多く、大きな電流を誘導するので、浮上力も大きいが磁気抗力も大きい。結果として揚抗比＝（浮上力）／（磁気抗力）はあまり大きくない。

これに対して、図４は本発明の磁気誘導浮上機構の動作の説明図であり、図４（ａ）はその模式図、図４（ｂ）は進行方向に直角な断面模式図である。ここで、ｈは車両側主コイル８の高さを示している。

なお、以下の説明では地上側コイル５には電流が流れているものとする。
（１）車両側主コイル８が地上側コイル５の位置に作る磁界φ₁は横方向を向いており、地上側コイル５に交わる磁束は０であり、地上側コイル５自身で電流を誘導することはできない。
（２）しかし、地上側コイル５に電流が流れていると、車両側主コイル８が作る横方向磁界φ₁と地上側コイル５の辺ＡＤ及び辺ＢＣに流れる電流との間で上下方向の力が発生する。
（３）車両側主コイル８が地上側コイル５の近傍にあっても、地上側コイル５には新たに電流を誘導しないので、車両側主コイル８の起磁力を大きくすることにより、磁気抗力を発生することなく十分な浮上力を発生させることができる。
（４）車両側補助コイル９で誘導する電流を小さくし、車両側主コイル８で発生する力が大きくなるように設計をしておけば全体としての揚抗比は大きくなる。

これは、具体的には、車両側主コイル８の起磁力を車両側補助コイル９の起磁力より大きくする、あるいは車両側主コイル８を車両側補助コイル９より地上側コイル５に近い位置に配置する等の方法で実現することができる。

図４によれば、電流を誘導するための車両側補助コイル９の起磁力を増せば、誘導される電流が増すので浮上力が増大する。しかしその場合、地上側コイル５に流れる電流による損失すなわち効力が増すので揚抗比は低下して行く。したがって、システム毎に適切な起磁力の組み合わせを選択することになる。

このように、本発明の磁気誘導浮上機構では、
（Ａ）自身では地上側コイル５に電流を誘導できないが、地上側コイル５に電流が流れていれば大きな浮上力を発生し、磁気抗力が極めて小さいような位置に車両側主コイル８を配置する。
（Ｂ）同時に地上側コイル５に電流を誘導するための車両側補助コイル９を配置する。この車両側補助コイル９は電流を誘導するとともに、浮上力、磁気抗力を発生するが、車両側主コイル８の発生する浮上力の割合が大きいので全体として揚抗比の大きいシステムとなる。

図５は本発明の磁気誘導浮上機構のコイルの模式図である。

この図を参照して、具体例について説明する。

軌道路の底面の突出部（図示なし）上に地上側コイル１１を水平に配置し、その両脇に垂直に車両側主コイル１２を配置し、水平に車両側補助コイル１３を配置した容器（台車で支持される）（図示なし）より構成される。計算上は車両側主コイル１２は片側だけとする。また、ここで、地上側コイル１１はヌルフラックス方式とする。

基準とするコイル仕様を表１に示す。

車両側主コイル１２：長さ（進行方向の長さ）は０．９６２ｍ（矩形）、高さ（垂直方向の幅）は０．５〜０．３ｍ、ピッチは１．３５ｍ、起磁力は５００ｋＡ（因みに、従来は７００ｋＡ）である。

車両側補助コイル１３：長さ（進行方向の長さ）は０．９６２ｍ、幅は０．４ｍ、起磁力は５００ｋＡ〜−２００ｋＡである。

地上側コイル１１：長さ（進行方向の長さ）は０．３５ｍ、幅は０．４ｍ、ピッチは０．４５ｍ、導体幅は０．０３８ｍ、導体厚は０．０７８ｍである。

そこで、まず、車両側補助コイル１３の効果について説明する。

車両側補助コイル１３の起磁力を変えて、特性の変化を見た結果を図６に示す。以下、図６は車両側補助コイルの起磁力の効果を示す図であり、図６（ａ）はその起磁力と浮上力及び揚抗比の特性図、図６（ｂ）はその起磁力と左右ばね定数の特性図である。

ここでは車両側主コイルの高さが５００ｍｍで大きすぎることを念頭におく必要がある。

図６（ａ）に示すように、車両側補助コイル１３の起磁力が大きければ、浮上力が増大し、揚抗比は低下することがわかる。

車両側主コイル１２の起磁力が５００ｋＡで片側のみであると、１台車で２０ｔｏｎの浮上力を得るためには、車両側補助コイル１３の起磁力が４００ｋＡ程度必要で、揚抗比は５０前後になる。

従って、車両側に搭載される超電導コイルの数だけで判断すると、車両側主コイル１２を片側のみに配置して車両側補助コイル１３を配置するより、車両側主コイル１２を両側に配置し、車両側補助コイル１３の起磁力を低減する方が揚抗比を高めることができる。

そこで、次に、車両側主コイル１２の高さの影響について見る。

車両側主コイル１２の高さは浮上特性に大きく影響することが予想されるので、車両側主コイル１２の高さと特性の関係を求めた。その結果を図７に示す。

図７は車両側主コイルの高さの効果を示す図であり、図７（ａ）はそのコイルの高さと浮上力の特性図、図７（ｂ）はそのコイルの高さと揚抗比の特性図、図７（ｃ）はそのコイルの高さと左右ばね定数の特性図である。

図７（ａ）から明らかなように、車両側主コイル１２の高さが２００ｍｍ前後で浮上力が最大となる。この浮上力が最大となる位置は地上側コイル１１とのコイル中心間距離によって変わるものと思われる。

ここで、浮上力の増大とともに負の左右ばね定数の絶対値が増加している。

また、揚抗比はこの範囲では大きく変化していない。

そこで、車両側主コイル１２の高さを３６０ｍｍとして、上下変位と浮上力等の関係を求めたものを図８に示す。

図８は車両側主コイルの上下変位の効果を示す図であり、図８（ａ）はその車両側主コイルの上下変位と浮上力の特性図、図８（ｂ）はその車両側主コイルの上下変位と揚抗比の特性図、図８（ｃ）はその車両側主コイルの上下変位と左右ばね定数の特性図である。

この図８に示すように、７０ｍｍ程度の変位では浮上力はほとんど上下変位に比例する。また、上下ばね定数は比較的小さく、しかも車両側補助コイル１３の起磁力によらないことが分かる。上下ばね定数は両側に車両側主コイル１２を配置する場合に換算して１．２６ＭＮ／ｍである。

ここで、車両側主コイル１２の高さが低い方が上下ばね定数は大きい。また、ある領域では左右ばね定数は正になる。

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。

本発明の磁気誘導浮上機構は、構成が簡便な磁気浮上式鉄道に好適である。

本発明の実施例を示す磁気誘導浮上機構の模式図である。本発明の実施例を示す磁気誘導浮上機構の配置例を示す断面図である。従来の磁気誘導浮上機構の動作の説明図である。本発明の磁気誘導浮上機構の動作の説明図である。本発明の磁気誘導浮上機構のコイルの模式図である。本発明の車両側補助コイルの起磁力とその特性図である。本発明の車両側主コイルの高さとその特性図である。本発明の車両側主コイルの高さを０．３６ｍとした場合の上下変位とその特性図である。従来の磁気誘導浮上機構（その１）の原理を示す模式図である。従来の磁気誘導浮上機構（その２）の原理を示す模式図である。

符号の説明

１軌道路
２軌道路の底面
３軌道路の底面の突出部
３Ａ突出部の上面部
５，１１，２１，３１地上側コイル
６超電導磁石の容器
７車両の台車
８，１２車両側主コイル（超電導コイル）
９，１３車両側補助コイル
Ｖ車両

Claims

（ａ）軌道路に対して垂直に配置される磁場発生源である車両側主コイルと、
（ｂ）前記軌道路に対して水平に配置される閉回路を形成する地上側コイルと、
（ｃ）前記軌道路に対して水平に配置される磁場発生源である車両側補助コイルとを具備し、
（ｄ）前記車両側主コイルと前記車両側補助コイルを搭載した移動体が前記地上側コイルと前記移動体の進行方向に相対変位した時に、主に前記車両側補助コイルが前記地上側コイルに誘導電流を発生させ、前記車両側主コイルと前記地上側コイルの相互インダクタンスがゼロになる上下方向相対位置の近傍においても、前記車両側主コイルに有効な電磁気力を働かせることを特徴とする磁気誘導浮上機構。
請求項１記載の磁気誘導浮上機構において、前記車両側主コイルと一体的に移動する前記車両側補助コイルに対向して、前記地上側コイル群を進行方向に沿って配置するとともに、前記車両側主コイルの中心高さを前記地上側コイル群の高さ位置とすることにより、前記車両側主コイルと前記地上側コイルの相互インダクタンスがゼロになるようにすることを特徴とする磁気誘導浮上機構。