JP4790661B2 - 磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石 - Google Patents

Description

本発明は、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石に係り、特に、ＲＥ系ＨＴＳ−ＳＣＭ（希土類元素系高温超電導体を用いた超電導磁石）に関するものである。

従来、希土類元素系高温超電導磁石（下記特許文献１参照）や、Ｙ系超電導コイル（下記非特許文献１参照）などが提案されている。
米国特許第５，７２４，８２０号公報 特開２００５−３２８６１号公報 「超電導コイル応用」，石山 敦士，長屋 重夫，ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｖｏｌ．１２６，Ｎｏ．５，２００６，ｐｐ．２８６−２８７ 超電導ハンドブック、電気学会、オーム社、昭和４３年８月２５日初版発行、ｐｐ．１９３〜２１１

そこで、本願発明者は、上記した希土類元素系高温超電導磁石を磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石として利用することを検討した。

図８は従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムの模式図、図９はその磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石（低音ＳＣＭ）の模式図である。

図８において、１００は磁気浮上式鉄道車両に搭載されるヘリウム圧縮機、１０１は外槽、１０２は輻射シールド板、１０３はＮｂＴｉ合金を用いた超電導コイル、１０４は電流リード、１０５は永久電流スイッチ、１０６は窒素冷凍機、１０７はヘリウム冷凍機、１０８は窒素タンク、１０９はヘリウムタンクである。

また、図９において、２０１は超電導コイル、２０２は超電導コイル締付金具、２０３は内槽、２０４Ａは左右荷重支持材、２０４Ｂは上下荷重支持材、２０５は輻射シールド板、２０６は外槽、２０７は車載冷凍機、２０８は液体ヘリウムタンク、２０９は液体窒素タンクである。

図１０はかかる磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す図である。

この図に示すように、車体１７０の下部には台車１７２が構成されており、台車枠１７３にはＮｂＴｉ合金超電導コイル１６１、クライオスタット１６２等を具備する超電導磁石１６０が搭載され、更に、補助案内装置１７４、緊急着地装置１７６などが設けられる。また、軌道１３０の両側壁１３１の凹所１３２には、地上コイル１４１，１４２が配置され、ヌルフラックス線１４５が接続される。ここで、軌道１３０の両側壁１３１の高さはＨ₁ である。

このように現在の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、複雑な構造を有し、また、容積が大きく、信頼性の面でも問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システム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〕磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、この超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする。

〔２〕磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、輻射シールド板を省略して前記超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする。

〔３〕磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、輻射シールド板や超電導磁石内の配管を省略して前記超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの励磁方法をフラックスポンプ方式とすることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルに熱電素子を取り付けて熱起電力で励磁することを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの電流リード及び冷却配管を省略して前記超電導コイルを収めた真空容器の高さを低くすることにより磁気浮上式鉄道車両の案内輪の位置を下げることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの形状を矩形化することを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルは、複数のコイルを組み合わせてラダー構造にすることを特徴とする。

本発明によれば、構造が簡単になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムが構成可能である。

本発明の磁気浮上式鉄道用超電導磁石は、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、この超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の構成図であり、図１（ａ）はその内部を示す断面図、図１（ｂ）は側面断面図である。

図１に示すように、本発明の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、この超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却するようにしている。

図１において、外槽１内に希土類元素系高温超電導コイル２を配置するだけでよい。ここで用いる希土類元素系高温超電導コイル２は、希土類元素系線材であり、希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材である。

なお、３は希土類元素系高温超電導コイル２の内槽、４は希土類元素系高温超電導コイル２の支持部材、５は一段冷凍機、６は電流端子、７は電流リード、９はＰＬ（パワーリード）熱アンカ冷却伝熱板、１０はコイル冷却伝熱板、１１は排気ポートである。

このように構成したので、本発明の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル２を具備し、この超電導コイル２を一段冷凍機５のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することができる。

図２は本発明の第２実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の構成図である。

この図において、２１は外槽、２２は希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル、２３は高温超電導コイル内槽、２４は荷重支持部材、２５は一段冷凍機である。

この実施例では、上記のように構成したので、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル２２を具備し、従来用いられていた輻射熱シールド板は省略し、一段冷凍機２５のみで前記超電導コイル２２が超電導状態となる温度以下まで冷却することができる。

また、輻射熱シールド板を省略することで、超電導コイル中心からコイル外槽表面までの距離が、従来の超電導コイル中心からコイル外槽表面までの距離より減らすことができる。

従って、超電導コイルの起磁力が同じであるならば、より大きな磁束密度が得られ、同じ磁束密度で良いのであれば、超電導コイルの起磁力を低減することができる。

更に、本発明では、図１又は図２に示したように、従来用いられていた輻射熱シールド板や超電導磁石内の配管を省略して、コンパクトでかつ簡素な磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石を得ることができる。

さらに、本発明では希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルの励磁方法をフラックスポンプ（ｆｌｕｘ ｐｕｍｐ）方式とする。

図３は本発明にかかる高温超電導体からなる超電導コイルの励磁方法であるフラックスポンプ方式の説明図である。

ここで、フラックスポンプ方式とは、図３に示すように、臨界温度以下に冷やしたとき、小さな交流電流入力Ｉ_p を大きな直流出力に変える超電導磁石励磁方式である。出力電流Ｉ_l はポンプ運動のように各ステップ毎に強くなる（マグローヒル科学技術用語大辞典、改訂第３版、日刊工業新聞社、ｐｐ．１６０１参照）。なお、フラックスポンプ方式には、Ｍｅｎｄｅｌｓｓｏｈｎ、Ｏｌｓｅｎ、Ｂｕｃｋｈｏｌｄ、Ｖｏｌｇｅｒ、Ｗｉｐｆ、移動磁界形、回転磁界型などの種々のものがある（上記非特許文献２参照）。

次に、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルに熱電素子を取り付けて熱起電力で励磁するように構成した場合について説明する。

図４はその熱起電力励磁型高温超電導磁石の模式図である。なお、上記した特許文献２として、熱電能材に温度差を生じさせて熱起電力を発生させ、これを電源として超電導コイルに電流を流す超電導マグネット装置において、熱電能材に起因する超電導コイルへの侵入熱を低減してシステム効率を高めるようにした提案がなされている。

図４において、３１は断熱容器、３２は希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル、３３は熱伝導材、３４は高温超電導電流リード、３５は熱電素子、３６はヒーター、３７は冷凍機である。

この熱起電力励磁型高温超電導磁石は、高温超電導コイル３２と熱電素子〔ペルチェ素子等：熱電材料は、例えばＢｉＴｅ（ｐ，ｎタイプ）〕３５を直列に接続し閉回路を構成し、熱電素子３５の両端に発生する熱起電力を利用して高温超電導コイル３２に電流を流す。この回路ではその起電力を熱電素子３５自体の内部抵抗と高温超電導コイル３２のフロー抵抗で消費するため、これらの抵抗値により回路に流れる電流が決まる。この熱起電力励磁型高温超電導磁石は、熱電素子３５の低温側を冷凍機３７で冷却し、さらに、高温超電導コイル３２と熱電素子３５との間に電流リード３４を設けた構成とすることで高温超電導コイル３２への侵入熱を低減する。なお、高温超電導コイル３２の電流を制御するため熱電素子３５の高温側及び低温側の温度制御を行う（例えば、第６８回、２００３年度春季低温工学・超電導学会、ｐｐ．２３９参照）。

前述のフラックスポンプによる励磁では、高温超電導コイルの電流リードを省略して超電導コイルを収めた真空容器の高さを低くすることにより、磁気浮上式鉄道車両の案内輪の位置を下げることができる。

図５は本発明の磁気浮上式鉄道車両の右側の半分の断面図である。

図５に示すように、車体４１の下部には台車４３が構成されており、台車枠４４には希土類元素系高温超電導コイル４７、クライオスタット４８等を具備する高温超電導磁石５０が搭載され、更に、補助案内装置５１、緊急着地装置５３などが設けられる。また、軌道６０の両側壁６１の凹所６２には、地上コイル７１，７２が配置され、ヌルフラックス線７５が接続される。

このように構成したので、軌道６０の両側壁６１の高さＨ₂ は、図１０に示す従来の軌道１３０の両側壁１３１の高さＨ₁ に対して大幅に低減することができる。

さらに、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石における希土類元素系高温超電導コイルの形状を矩形化するとともに、隣接する希土類元素系高温超電導コイル同士は密に配置するようにすることが望ましい。

図６は本発明にかかる矩形化された高温超電導コイルの概略構成図である。

（１）高温超電導磁石８０の高温超電導コイル８１，８２，８３，８４の形状を矩形化する。

これにより、起磁力を向上させることができ、以下のような利点がある。

（ａ）磁気浮上式鉄道車両の浮上コイルの誘導電流が下げられ、その分温度上昇を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。

システム設計上は、高温超電導磁石の起磁力を増大させた分、地上コイルの導体量を低減することができる。因みに、コイル温度が１０℃上昇すればコイルの寿命は半減する。

（ｂ）磁気浮上式鉄道車両の浮上開始速度を低減することができる。

（ｃ）磁気浮上式鉄道車両の電磁バネが硬くなる。特に磁気浮上式鉄道車両の低速域では有利である。

（ｄ）磁気浮上式鉄道車両の浮上コイル電流が下げられるため、超電導コイルのＡＣロスが減少する。

（ｅ）磁気浮上式鉄道の揚杭比が増える。

（ｆ）推進系の特性が向上する（ＬＳＭ電流低減によるランニングコストを低減することができる）。

（２）矩形化された高温超電導コイル（Ｓ極）９１と高温超電導コイル（Ｎ極）９２の隣接する同士を密に配置するようにする。つまり、高温超電導コイルは、複数のコイルを組み合わせてラダー構造にすることができる。

これにより、図７に示すように、矩形化された高温超電導コイル９１の縦辺９３と矩形化された高温超電導コイル９２の縦辺９４とには互いに逆方向の電磁力９５と９６が作用することになるため、縦辺９３，９４においては電磁力がキャンセルされることになる。

これにより、磁気浮上式鉄道車両の電磁バネが硬くなり、特に磁気浮上式鉄道車両の低速域では有利である。

本発明の希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを有する磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、これまでのＮｂＴｉ合金を用いた超電導コイルを有する磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石と比べて下記のメリットがある。
（１）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材は、曲げ半径を１０ｍｍ程度にまで低減できる。つまり曲げに対して強い超電導コイルを製作することができる。
（２）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材からなる超電導コイルは高い応力にも耐えられる。
（３）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材は、高温、高磁場中での臨界電流密度を大きくできる。

このような希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料による線材のメリットを活かせば、図１に示すように、構造が簡単になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムが構成可能である。特に、交通機関の車上装置に求められることは安全性・信頼性と軽量化であるが、構成要素を減らすことは軽量化と同時に信頼性（安全性）の向上に役立つ。

具体的には、下記の理由により、単純な構成の高温超電導磁石システムを構成することができる。

（１）運転温度上昇（５０Ｋ以上）により、熱容量を増大させることができる。

（２）冷凍システム削減を図ることができる。つまり、従来の図８に示された窒素冷凍機やヘリウム冷凍機、ヘリウム圧縮機、窒素タンクやヘリウムタンク及び配管をなくすことができる。

これにより、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の重量低減、製造コスト低減、信頼性向上を図ることができる。

（３）フラックスポンプによる励磁により、電流リードをなくし、熱侵入量を低減することができ、冷凍保持時間の増大を図ることができる。

（４）外槽の高さを低減することができる。これにより、磁気浮上式鉄道車両の案内輪の低位置化を図ることができるとともに、ガイドウェイの高さを低減し、建設費低減化を図ることができる。

（５）小さな曲げ半径で超電導コイルを構成することができ、高温高磁場特性の向上を図ることができる。よって、超電導コイル形状の矩形化（ラダー化）を図り、超電導磁石の構成の単純化を図ることができる。

さらには、起磁力を増大（１０００ｋＡ）することにより、車両走行時の地上コイルの通電電流を低減し、地上コイルの長寿命化乃至メンテナンスコストの低減を図ることができる。

本発明の希土類元素系ＨＴＳ−ＳＣＭは、以下のように構成することができる。
（１）希土類元素系ＨＴＳ−超電導磁石の重量を１トン以下にする。なお、現在の超電導磁石は１．６トン（圧縮機含み）となっている。
（２）運用温度を５０Ｋ以上とする。なお、輻射シールド板は省略する。
（３）夜間は車両基地で希土類元素系ＨＴＳ−超電導磁石の冷凍（８時間）を行い、昼間（１６時間）は冷凍なしで運用する。

例えば、冷凍機を引き抜き構造とし、冷凍機を下ろせば、圧縮機分２４０ｋｇの重量低減が可能である。

また、車上電源も８ｋＷ／ＳＣＭの電力低減となる。つまり、１車両当たり１６ｋＷの電力の低減となる。
（４）起磁力を１０００ｋＡＴとする。

なお、希土類元素としては、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙなどを用いることができる。

また、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。

本発明の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、構造が簡便になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石として利用可能である。

本発明の第１実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の構成図である。 本発明の第２実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の構成図である。 本発明にかかる高温超電導体からなる超電導コイルの励磁方法であるフラックスポンプ方式の説明図である。 本発明にかかる熱起電力励磁型高温超電導磁石の模式図である。 本発明の磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。 本発明にかかる矩形化された高温超電導コイルの概略構成図である。 本発明にかかる隣接する矩形化された高温超電導コイルを密に配置する例を示す図である。 従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムの模式図である。 従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石（低温ＳＣＭ）の模式図である。 従来の磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。

符号の説明

１，２１ 外槽
２，２２，３２，４５，４７，８１，８２，８３，８４ 希土類元素系高温超電導コイル
３，２３ 高温超電導コイルの内槽
４ 高温超電導コイルの支持部材
５，２５ 一段冷凍機
６ 電流端子
７ 電流リード
９ ＰＬ（パワーリード）熱アンカ冷却伝熱板
１０ コイル冷却伝熱板
１１ 排気ポート
２４ 荷重支持部材
３１ 断熱容器
３３ 熱伝導材
３４ 高温超電導電流リード
３５ 熱電素子
３６ ヒーター
３７ 冷凍機
４１ 車体
４２ 空気バネ
４３ 台車
４４ 台車枠
４６，４８ クライオスタット
５０，８０ 高温超電導磁石
５１ 補助案内装置
５２ 補助支持装置
５３ 緊急着地装置
６０ 軌道
６１ 軌道の両側壁
６２ 凹所
７１，７２，７３，７４ 地上コイル
７５，７６ ヌルフラックス線
９１ 高温超電導コイル（Ｓ極）
９２ 高温超電導コイル（Ｎ極）
９３，９４ 高温超電導コイル縦辺
９５，９６ 電磁力

Claims (8)

1. 希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、該超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
2. 希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、輻射熱シールド板を省略して前記超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
3. 希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを具備し、輻射熱シールド板や超電導磁石内の配管を省略して前記超電導コイルを一段冷凍機のみで超電導状態となる温度以下まで冷却することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
4. 請求項１から３の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの励磁方法をフラックスポンプ方式とすることを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
5. 請求項１から３の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルに熱電素子を取り付けて熱起電力で励磁することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
6. 請求項１から３の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの電流リード及び冷却配管を省略して前記超電導コイルを収めた真空容器の高さを低くすることにより磁気浮上式鉄道車両の案内輪の位置を下げることを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
7. 請求項１から３の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルの形状を矩形化することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
8. 請求項１から３の何れか一項記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記超電導コイルは、複数のコイルを組み合わせてラダー構造にすることを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。

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