JPH04133656A - 推力発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は推力発生装置に関し、船舶推進、海上ステーシ
ョンの位置保持、電磁ポンプ等用の超電導電磁推進力発
生装置とするのに適し、またＭＨＤ発電機や揚水発電機
等用のポンプや発電機として使用するのに適するものに
関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来、
上述のような用途に使用される超電導電磁推進力発生装
置としては、ダイポール型やぐら型、若しくはレースト
ラック型の超電導コイルを用いるものが広く知られてい
る。

しかしながら、上述した従来の推力発生装置は実機とし
て採用可能な程度の推進力を得るためには非常に大きな
規模のものになるという問題がある。

例えば電磁推進船等に用いられる電磁推進装置にあって
は、実船に使用できる推進効率３得るためには１０〜２
０Ｔの強磁界を必要とするとされている。ところが、ス
ペースが限られている船体に設置するために、装置のサ
イズ、重量等が制限され、そのような要求される条件を
満足する装置が現在のところ出現しておらず、この点が
電磁推進船の開発設計上の問題点となっている。

発明者らはこれらの問題に鑑み、高磁場の電磁力を発生
でき、軽量かつ省スペースな推力発生装置を提供するた
め、国稈出、願ＰＣＴ／ＪＰ８９１０１１５３において
、ソレノイドコイル型の超電導マグネットの中空内部に
、蔓巻状の推進ダクトを挿通させ、該推進ダクトの内面
の一側に正電極を、他側に負電極を夫々連続的に配置し
て対向させると共に、該推進ダクトの入側及び出側開口
部を上記超電導マグネットの中心軸線に添わせて開口さ
せてなる推力発生装置を提案した。

ところが、このような推力発生装置は、従来公知の装置
における問題点は解決できるものの、電磁流体の流速が
非常に大きくなると推進ダクト壁との流体摩擦損失が非
常に大きくなってしまい、推力発生エネルギ効率が低下
するという問題が判明した。

本発明は上記の問題に鑑み、推進ダクト壁を移動させて
その移動速度と電磁流体の流速とを同一化することによ
り、上述のような流体摩擦をできるだけ発生させないよ
うにし、さらに高効率な推力発生装置を提供しようとす
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

するために、ソレノイドコイル型の超電導マグネットと
、該超電導マグネットの中空内部に回転自在に支持した
電磁流体を通すための蔓巻状のダクトと、該ダクト内面
に設けた正、負電極と、及び両電極間にある電磁流体に
電流を供給して該電磁流体中に磁界とローレンツ力を発
生させる給電装置とからなる。そして上記ダクトは、入
側及び出側開口部を上記超電導マグネットの中心軸線に
沿わせて開口させ、かつ内面の一側に上記正電極を、他
側に上記負電極を夫々連続的に対向配置して備える。ま
た上記給電装置は、上記ダクトの内周壁もしくは外周壁
の少なくともいずれが一方に、上記電極間への電流供給
用の複数の電流リード部を等間隔で固設し、該供給電流
により該電流リード部に磁界及びローレンツ力を発生さ
せ、該ローレンツ力により上記ダクトを回転させる。

本発明に係る推力発生装置は、上記複数の電流リード部
に電流を供給するための母線装置を備えることができる
。この母線装置は、上記ダクトと同心のリング部と、上
記、ダクトの長さ方向に伸びるブスバー部とからなる。

そして上記ブスバー部を上記電流リード部に接触させる
。そして、上記母線装置を上記ダクトと共に回転可能と
した構成とすることができる。このため上記ブスバー部
を上記電流リード部に固定する０才な、上記ｆｆｉ：線
装置３電源に接続するために、上記リング部の内周面も
しくは外周面に電源からの給電端子を接触させる構成と
することができる。このような構成にすると、機械的構
造が簡単になり、給電端子にローラ状のものを採用すれ
ば摩擦損失を小さくできる。もっとも回転するダクト及
び給電装置の重量を支えるための回転支持装置が必要と
なる。

また本発明に係る推力発生装置は、上記母線装置が回転
せぬよう位置固定とした構成とすることができる。この
場合、上記電流リード部と上記ブスバー部との間にはリ
ングブスバー部を介在させる。このような構成にすると
、機械的構図は複雑になり、電流リード部とリングブス
バー部との摺接による摩擦損失が大きくなる。但し、ダ
クト重量を支える回転支持装置と給、型装置とを一体化
できる。

上記ダクｌ〜内を流れる流体が海水等の場合、負電極に
水素ガスが発生して有効面積を減らすことになるので、
上記正電極を上記ダクトの内径側の面に、上記負電極を
上記ダクトの外径側の面に設けるようにするとよい。

上記ダクトは外径と内径の比を略１：３．５にすると最
も大きな推力を発生する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本実施例の推力発生装置は、主にソレノイドコイル型の
超電導マグネット１、推進ダクト２及び給電装置３から
構成される。

超電導マグネット１は、詳細には図示せぬが勿論クライ
オスタットとしての構造を有するもので、内部には超電
導コイル４が巻き回してあり、中空部５内に磁場を発生
させるようになっている。なお、超電導コイル４へ電流
を流すための発電機は図示を省略しである。また超電導
コイル４の形１まレイヤー巻でもパンケーキ巻でもいず
れでもよい。

推進ダクト２は、断面が矩形の中空ダクトを蔓巻状にし
てなるもので、入側端部６及び出側端部７は夫々の先端
開口６ａ、７ａの開口中心が超電導マグネット１の中心
軸線ｌａ上に位置し、中心軸線１ａに沿って伸びている
０図示せぬが、超電導マグネット１の両端開口は勿論閉
塞され、推進ダクト２は入側端部６及び出側端部７のみ
が外部に露出している。なお、図示せぬが推進ダクト２
は超電導マグネット内で適宜の支持装置（例えばローラ
を用いた支持装置）により回転可能に支持する。また本
発明においては、ダクトの形状はこの例の推進ダクト２
の形状に限定されず、円筒形等他の形状であってもよい
。

推進ダクト２の内面には、正、負の電極８．９が貼り付
けである０図示の例では、推進ダクト２内を流れる海水
等の電磁流体１０によって負電極９に水素ガスが発生し
、有効面積を減らすことを勘案して正電極８を推進ダク
ト２の内径側に、負電極９を外径側に配してあ、る、本
発明は、勿論この配置態様に限定されることはない。

給電装置３は複数の電流リード部１１．１２とこの電流
リード部に電流を供給する母線装置１３．１４とからな
る。

即ち、ダクト２の内周側中空部には９０”間隔で内周側
電流リード部１１・・・が設けてあり、また推進ダクト
２の外周側で超電導コイル１の内周面との間には４５°
間隔で外周側電流リード部１２・・・が設けである０両
電流リード部１１．１２は夫々基端を推進ダクト２に埋
設して固定しており、かつ内周側電流リード部１１は正
電極８と、外周側電流リード部１２は負電極９と接続し
ている。

内周側の母線装置１３はリング部１５と、このリング部
１５から伸びる四本のブスバー部１６・・・とからなる
、リング部１５は推進ダクト２と同心に配置してあり、
内面にはローラ状の給電端子１７．１７が接触している
。また、ブスバー部１６は、内周側電流リード部１１と
対応する位置で推にあるすべての内周ｒＭ電電流リド８
部１と接続している。

外周側の母線装置１４は、内周側母線装置１３と同様に
、リング部１８と、このリング部１８から伸びる八本の
ブスバー部１９・・・とからなる。

リング部１８は推進ダクト２と同心に配置してあり、内
面にはローラ状の給電端子２０・・・が接触している。

また、ブスバー部１９は、外周側電流リード部１２と対
応する位置で推進ダクト２の外周に沿わせて配置してあ
って、推進ダクト２の外周側で対応位置にあるすべての
外周側電流り−ド部１２と接続している。

この実施例では、電極電流は内周側の母線装置１３の給
電端子１７からリング部１５を経て四本のブスバー部１
６に流れ、ブスバー部１６から内周側電流リード部１１
を通って正電極８に至り、電磁流体１０中に供給される
。そして供給された電流は、電磁流体１０から負電極９
、外周側電流リード部１２、ブスバー１９、リング部１
８、給電端子２０という回路を流れる。

超電導マグネット１により発生する磁場Ｂ、正負電極８
．９闇に流れる電極電流Ｊ、及びローレンツ力Ｆは、図
中に夫々矢印で示す方向に向く。

このため、電磁流体１０は入側端部６の開口６ａから推
進ダクト２内に入って、推進ダクト２内で連続的にロー
レンツ力Ｆを受けて加速され、出側端部７の開ロアａか
ら外部に噴出し、その噴出力の反力が推力となる。

ここで電極電流、電極間電圧の初期値をそれぞれＪ（Ａ
）、Ｖ（Ｖ）とすると、これらはそれぞれ、Ｊ−ｊ（２
πｒｃｍｂ）ｎ−ｊ（２πｒｅ）１Ｖ−（（ｒｃｊ）／
σ）　１ｎ（ｒａ／ｒＩ）と表される。

ただし、 ｊ：推進ダクトの代表半径における電流密度（Ａ／ｍ’
） ｒＣ“代表半径（ｍ）−（ｒｏ＋ｒｒ）／２ｒｏ・推進
ダクトの外半径（ｍ） ｒｌ：推進ダクトの内半径、（ｍ） ｂ＝推進ダクトのセルの長さ（ｍ） ｎ：推進ダクトのセル数 ｌ：推進ダクトの長さ σコ海水導電率（Ｓ／ｍ） である。

そして投入電力の初期値Ｐ（Ｗ）は、 Ｐ−Ｊ・■ −Ｊ・（ｒｅ　／σ）・２π１・１ｎ（ｒｏ／ｒ＋）と
なる。

また推進ダクト２の内部空間、即ち電磁流体１０の通路
体積Ｓ（ｍ’）は、概略 Ｓ−π（ｒｏ　　ｒＩ　）ｂｎ と表される。

するとローレンツ力の初期値Ｆ（Ｎ）は、−ｊＢＳ −ｊＢ（ｒｏ　−ｒＩ　）　ｙｒ　ｂｎ＝ｊＢ（ｒａ　
−ｒＩ　）π１ このローレンツ力Ｆと投入電力の初期値Ｐの関係は、 ｒｃ　　Ｉｎ（ｒｏ／ｒｉ） ここで、ＰσＢ２π１／２−Ａとすると上式は、（ｒｏ
　　ｒＩ） 　　−４Ａ Ｉｎ（ｒａ／ｒｔ） となり、ローレンツ力Ｆの極値はδＦ２／δｒｉ−Ｑの
ときである。そしてこれを数値的に解くと、ｒｏ〜３．
５ｒＩの時にもっとも大きな推力が得られる。

また内周側電流リード部１１、外周側電流リード部１２
等の各要素にも超電導マグネット１により発生する磁場
Ｂと各要素に流れる電極電流Ｊによりローレンツ力ｆが
発生する。このローレンツ力ｒは、推進ダクト２に直接
に掛かって、推進ダクト２を回転駆動する。

ここで第５図に示すモデルにより電流リード部に発生す
る回転駆動力について説明する。なお第５図では外周側
電流リード部１２を示している。

電流リード部の寸法を図示のとおり横ｗ　（ｍ　）、縮
ｈ　ｏ　（ｍ、　）、奥行きｄ（ｍ、）とする、またこ
のような電流リード部が推進ダクト２．の外周にｍ個、
軸１ａ方向に推進ダクト２のセル数と同じくｎ個設けで
あるとする。

電流リード部の平均電流密度ｊは ｊ−（Ｊ／ｍｎ）（１／ｄｗ）　　（Ａ、／ｍ２）とな
る、これが磁場Ｂ（Ｔ）中にあるため単位体積当たりの
ローレンツ力ｆｏは、 ｒｏ−ｊＢ ＝（Ｊ／ｍｎ）（１／ｄｗ）Ｂ　　（Ｎ／ｍ　’）とな
る、そのため−個の電流リード部に発生するローレンツ
力ｆｅは、 ｆｃ”ｆ　Ｏｄｗｈｏ　　　　（Ｎ　）であり、ｍｒｔ
個の電流リード部に発生する全ローレンツ力Ｆ、は、 Ｆｅ−ｍｎｆｅ −ｍ、ｎ、（Ｊ／ｍｎ）（ｗ／ｄｈｏ）Ｂｄｗｈ。

−ＪＢｈ、、　　　（Ｎ） となる、即ち、上式より明らかなように電磁リード部に
発生するローレンツ力ｆは電極電流Ｊ、磁場Ｂを一定と
すると、電流リード部の厚みり。により決定されること
になる。そして推進ダクト２を回転させる回転モーメン
トＴｏは、ローレンツ力Ｆｅと半径ｒＯとの積になり、 Ｔｏ−ｍｎｆｃ・２ｒ。

一２ＪＢｈｏｒ。

となる、さらに内周側に発生する回転モーメントＴｉも
上記と同様に求めると、 Ｔｒ−２ＪＢｈ１ｒｉ となる、ただし、ｈｌは内周側電流リード部の厚み、ｒ
は推進ダクト２の内周側の半径である。

そして推進ダクト２を回転させる全回転モーメントＴは
、 Ｔ−ＴＯ＋Ｔｉ −２ＪＢ（ｈｏｒｏ＋ｈｉｒｒ）　　　　（Ｎｒｎ）と
なる。

例えばＪ４０００Ａ、Ｂ−１０Ｔ、ｒａ−０，８ｍ、ｒ
Ｉ＝０．２２８ｍ　、　ｈａ−ｈＩ−０，１ｍとすると
、Ｔｏ−６４００（Ｎｍ）−６５３（ｋｇｉｍ）Ｔｉ−
１８２４（Ｎｍ）ｉｌｌ！６（ｋｇｉｍ）Ｔ　＝８２２
４（Ｎｍ）−８３９（ｋｇｆ・ｍ）となる。

ここで、推進ダクト２が軸線周りに一周する場合に軸方
向に進む距離、即ちリードをｋとし、リード角をβとし
て、推進ダクト２のセンタの代表位置での速度線図を示
すと第６図のようになる。

仮に推進ダクト２の壁面と電磁流体１０との間に摩擦が
なく、電磁流体１０が静止状態にありかつ推進ダクト２
が周速Ｃｃで回転しているとすると、電磁流体１０は推
進ダクト２の壁から力を受は図中ＡＤ力方向移動する。

この移動の速度はＣｃｔａｎβで表される。但しｔａｎ
βは、 ｔａｎβ−に／２πｒｅ である。

一方、推進ダクト２が停止していれば、電磁流体１０は
推進ダクト２に沿ってＯＡ力方向流れる。

その流速を■。とする、そして、この状態で推進ダクト
２が周速Ｃｃで図中ＯＢの方向に回転すると、電磁流体
１０は図に示すように、流速Ｗｃで６５一方向に流れる
ことになる。この流速ＷＣと推進ダクト２の回転を考慮
すると、電磁流体１０は回転する相対座標系の上で、流
速ＵｃでＢＤ方向に流れることになる。ここで流速頃の
大きさは、 Ｌｌ　ｃ　：　Ｖ　ｃ　−Ｖ　ｃ　ｃ　ｏ　ｓβ−Ｃｃ
　：　Ｖ　ｅ　ｃ　ｏ　ｓβとなるから、 Ｕ　ｃ　−Ｖ　ｃ　（Ｖ　ｅ　ｃ　ｏ　ｓβ−Ｃｃ）／
Ｖｃｃｏｓβ−（Ｖｃｃｏｓβ−Ｃｃ）／ｃｏｓβ ＝　Ｖ　ｃ　　（Ｃｃ／　ＣＯＳβ） と求められる。

即ち、推進ダクト２が静止している場合、電磁流体１０
と推進ダクト２の壁面との速度差は■。

であるのに対し、 推進ダクト２が周速度で回転している場合の電磁流体１
０と推進ダクト２の壁面の速度差はＬｌｃ（＜Ｖｃ）と
なり、流体摩擦損失は推進ダクト２が回転していない場
合に比べて小さくできる。もちろん、Ｃｃ−Ｖｃｃｏｓ
βの場合には、Ｕｃがゼロとなり、流体摩擦がないこと
になる。

ここで推進ダクト２が周速Ｃｃを得るための回転数ｎ（
ｒｐｍ）は、角速度をωとすると、Ｃｃ−ｒｃω−ｒｅ
・２πｎ／６０ より、 ｎ−（３０／π）・（Ｃｃ／ｒｃ）　　　（ｒｐｍ）と
なる。

そしてＵＣのＶｃに対する割合、即ち流体擦損失の割合
は、 Ｕｃ／Ｖｃ−（Ｖｃ　　（Ｃｃ／ｃｏｓβ）ｌ／ＶＣ−
１（Ｃｃ／Ｖｃ）・（１／ＣＯ５β）で与えられる。こ
の式をグラフとしたのが第７図である。そして第７図に
示すように、例えばリード角βが３０°とし、推進ダク
ト２の周速を電磁流体１０の流速の８０％に設定すれば
、流体摩擦損失を約９０％も低減できることがわかる。

第８図は他の実施例を示し、先の実施例を集中給電方式
とすれば、二の実施例の装置は分割給電方式と言えるも
のである１本実施例では給電装置３の母線装置１３．１
４は夫々リングブスバー２１．２２を備えて位置を固定
とし、推進ダクト２が回転しても静止しているようにし
である。先の例に比べ構造が複雑化し、電流リングブス
バー２１．２２と電流リード部１１．１２との摺接によ
る摩擦損失が増えるが、推、進ダクト２の重量を支える
支持装置（ＰＡえばローラ支持装置）に母線装置１３．
１４を一体化できる利点がある８本実施例のその他の構
造、作用は先の例と同一であるので説明は省略する。

なお、本発明の推力発生装置は単独で用いてもよいが、
本発明者等がなした先の国際出願ＰＣ丁／ＪＰ　８９７
０１１５３において開示したように、複数連結して用い
ることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明に俤る推力発生装置は、以上説明してきたような
ものなので、推力を水平に発生させるようにすれば船舶
等の推進装置として用いることができ、また水平及び垂
直に推力を発生させれば海上ステーションの位置保持装
置として使用できる。

一方、推力発生装置を固定してダクト中の電磁流体に電
流が流れるようにすればローレンツ力により電磁流体が
ダクトから噴射されるので大容量海水ポンプ等として使
用できる。

さらに推力発生原理を逆にしてダクト中に電磁流体を流
せば発電が可能になるので、７Ｆ６流ＭＨＤ発電装置等
の大容量発電機としても使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を一部破断して示す斜視図
、第２図は第１図中の推進ダクトの拡大部を断面図、第
３図は第２図中の矢印ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、
第４図は給電装置の部を斜視面、第５図は電流リード部
におけるローレンツ力の発生状態を示す斜視図、第６図
は推進ダクトの回転速度と電磁流体の流速との関連を示
す速度線図、第７図は推進ダクトの回転速度変化による
電磁流体の流体摩擦損失を示すグラフ、そして第８図は
本発明の第二の実施例を示す第２図相当の断面図である
。 １９．超電導マグネット 〕ａ、、超電導マグネットの中心軸線 ２゜推進ダクト　　　　　３１０．給電装置４　超電導
コイル　　　５８．中空部 ６１１．入側端部　　　　　７．出側端部８４９．正電
極　　　　　　　９．負電極１０９．電磁流体 １１．１２．４電流リ一ド部 １３．１４　母線装置　　１５　リング部１６、ブスバ
ー部　　　１７９．給電端子１８、リング部　　　　　
１９　、、、ブスバー部２０、給電端子 ２］、、２２．、電流リングブスバー 第２図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ソレノイドコイル型の超電導マグネット、該超電
   導マグネットの中空内部に回転自在に支持した電磁流体
   を通すための蔓巻状のダクト、該ダクト内面に設けた正
   、負電極、及び両電極間にある電磁流体に電流を供給し
   て該電磁流体中に磁界とローレンツ力を発生させる給電
   装置とからなり、上記ダクトは、入側及び出側開口部を
   上記超電導マグネットの中心軸線に沿わせて開口させ、
   かつ内面の一側に上記正電極を、他側に上記負電極を夫
   々連続的に対向配置して備え、 上記給電装置は、上記ダクトの内周壁もしくは外周壁の
   少なくともいずれか一方に、上記電極間への電流供給用
   の複数の電流リード部を等間隔で固設し、該供給電流に
   より該電流リード部に磁界及びローレンツ力を発生させ
   、該ローレンツ力により上記ダクトを回転させることを
   特徴とする推力発生装置。
2. （２）上記複数の電流リード部に電流を供給する母線装
   置を備え、該母線装置は、上記ダクトと同心のリング部
   と、上記ダクトの長さ方向に伸びるブスバー部とからな
   り、該ブスバー部を上記電流リード部に接触させる請求
   項１の推力発生装置。
3. （３）上記ブスバー部を上記電流リード部に固定し、上
   記母線装置を上記ダクトと共に回転可能とした請求項２
   の推力発生装置。
4. （４）上記リング部の内周面もしくは外周面に電源から
   の給電端子を接触させた請求項３の推力発生装置。
5. （５）上記母線装置は、上記電流リード部と上記ブスバ
   ー部との間にリングブスバー部を介在させ、かつ回転せ
   ぬよう位置固定とした請求項２の推力発生装置。
6. （６）上記正電極を上記ダクトの内径側の面に、上記負
   電極を上記ダクトの外径側の面に設けた請求項１ないし
   ５のいずれかの推力発生装置。
7. （７）上記ダクトの外径と内径の比を略１：３．５とし
   た請求項１ないし６のいずれかの推力発生装置。