JPH04165902A - 高温超電導体を用いた物品搬送装置 - 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〕 本発明は超電導体を浮上走行させる超電導磁気浮上装置
の構造に関する。

〔従来の技術〕

非接触型の搬送装置は、走行面における摩擦が無いため
に高速化や無塵搬送が可能である。非接触搬送装置の一
つとして、磁気浮上人のリニアモータがある。その中で
一般に良く知られている磁気反発型の磁気浮上式鉄道は
旅客の高速輸送を主眼に開発されたもので、車体の自重
や乗客を支持するために高磁界が要求され、超電導マク
ネソｈが用いられている。一方で、病院や半導体工業な
ど粉塵を嫌う場所では無塵搬送を主目的にした磁気反発
型あるいは磁気吸引型の磁気浮上式リニアモータが用い
られている。無塵搬送用では重量物の搬送は特に要求さ
れないのて常電導磁石が用いられている。以上述へたよ
うに、磁気浮上式のリニアモータは用途に合わせて種々
のものがある。

しかしながら、いずれの場合も浮上支持のための磁界コ
ントロールが難かしく、搬送装置としては高価なものに
なる。

ところで、液体窒素温度以上の臨界温度を有する高温超
電導体の発見で、超電導体の反磁性を利用した磁気浮上
走行は磁石と超電導体の組合せて実現でき、上記した従
来の磁気７４上式リニアモータを用いた搬送装置とは全
く異なる、安価な無塵用の非接触搬送を可能にする。

高温超電導体を用いた反磁性型の磁気浮上装置の例を以
下に示す。第１例は昭和６２年１１月２５日発行の日刊
工業新聞に記載されている様に、高温超電導体を傾斜に
沿って敷いたレールとし、磁石を浮上体として用いて、
重力を推進力にして水平方向に動かすもの。

第２例は平成元年３月２８日発行の読売新聞に記載され
ており、第１例における高温超電導体と磁石の配置を反
転させたタイプで、超電導体を浮上律にしたものであり
、第１例と同様、傾斜を利＝４− 用して推進力を得るものである。

第３例は昭和６３年９月３０日に第１２回日本応用磁気
学会学術講演概要集ｐ、］８記載されている様に、磁石
上に浮上させた超電導体を、機械的に動かした地上側の
磁石に追従させて水平方向に移動させるものである。

第４例は昭和６２年度秋季低温工学会予稿集に記載され
ているように地上側の分割されたスＩ−ライブ状超電導
体の上に浮上させた磁石を、個々の超電導体の超電導状
態を制御することで水平方向に移動させるものである。

すなわち、超電導−常電導転移を推進力に利用している
。

第５例は特願平１−７０６３４号で提案した方法で、走
行方向に対して均一な磁場が得られる軌道を浮上用磁石
で構成して、その上に浮上した超電導体を推進用磁石の
変動する磁場により水平方向に移動させるものであった
。

〔発明か解決しようとする課題〕

上記の従来技術は第１及び第２例では、傾斜によって移
動の速さと方向が決定してしまい、浮」ニ体の水平方向
の移動に対する制御方法について配慮されておらす、ま
た、第３例では、磁石を機械的に移動させることが必要
であり、磁石と浮上している超電導体の相対的位置は変
化していない。

いずれの場合も、’ｔ’！−１という立場においては走
行方法について解決されていない。第４例では、超電導
−常電導転移におい転移速度、すなわち浮」１体の走行
速度の制御が難しく、また大きな推進力が得られない問
題があった。第５例においても、超電導体から成る浮上
体の推進方法について十分なＰＩ［！慮がされておらす
、推進効率の良い、推進用磁石の配置、形状、励磁方法
について詳述されていなかった。例えば、」−記従来技
術の実施例で述へられている推進用磁石の配置は、Ｉｌ
上用磁石脇の側面にあり、磁石の中心軸と超電導体の浮
上面は直交しておらす、超電導体との磁気的結合は弱い
。また、推進用磁石の励磁方法では直流電源を用いてパ
ルス励磁して、浮上用磁石の走行方向に均一な磁場にお
いて磁場勾配を生しさせて、磁場ポテンシャルの低い方
へ浮り体を移動させると記述されている。しかしながら
、この励磁方法では大きな推進力は得られない。さらに
パルス法では浮上体の動きに同期して磁石を励磁する必
要がある、そのタイミングの取り方が難しく推進の制御
性に問題があった。

また、第５例で提案した従来技術は厚」１川磁石の形状
について、あまり考慮されていなかった。

すなわち、浮上用磁石を複数個の磁石片から構成すると
、磁石片連結部の継目で磁場の均一性が乱れるので、浮
上用磁石全体として均一な磁場が得にくかった。

その他、第５例は超電導体が浮」１川磁石の軌道上を浮
上走行する時の横方向に対する安定性、すなわち案内力
を浮」１川磁石から印加された磁界によって超電導体に
侵入して補足される磁束力でまかなっており、十分な案
内力が得られなかった。

このために、浮上走行時の超電導体は不安定であり、横
振れしたり軌道から逸脱する問題があった。

本発明は、浮上体を効率良く、しかも制御性良く推進さ
せて、大きな推進力を生じせしめると゛ともに、走行方
向に均一・て、横方向に案内力の働く浮上用磁場を得て
、浮上体を安定に浮上走行させる超電導磁気浮上装置を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、軌道を構成する浮上用磁石
と高温超電導体から成る浮」１体及びこの超電導性を保
持するための冷却装置を備えた超電導磁気浮上装置にお
いて、浮上体を走行させるための磁場印加を行う推進用
の電磁石として、複数個のコイルを７１土用磁石の上に
設けた。前記コイルとして偏平形状の空芯コイルを用い
、これを多層の交流で励磁した。なお、多層交流のうち
３相交流は商用として手軽に利用できるので、後述する
実施例では全て３相交流を用いた。

また、前記浮上用磁石には浮上体の走行方向に均一磁場
を得やすくするために、走行方向に長尺形状の磁石を用
いた。ここて長尺形状の磁石とは長尺形状に限定するも
のではなく、軌道の形状に合わせて、平行四辺形や円弧
状などに成形されたものを用いても良い。

安定な浮上走行のために、浮上用磁石を幅方向すなわち
、浮」１体の走行方向と直交する方向に２列以上配列し
て並べ、幅方向に急峻な磁場勾配を生じさせた。この時
、幅方向に軸べる浮上用磁石の長さ及び幅は第９図及び
第１１図のように異なってもかまわない。また、幅方向
に隣り合う磁極は同極あるいは異極てもかまわないが、
隣り合う磁石を密着させる場合には異極配置とする。以
」二述入た幅方向の磁石は２列配列でも良いが３列配列
の方がより安定となる。

〔作用〕

超電導体の表面には浮上用磁石からの磁束を排斥するよ
うに、シールド電流が流れる。そして超電導体は、その
安定ｉ！ｊ［！置として浮上用磁石と対向するように浮
上する。従って、浮上用磁石の」二に並へられたコイル
は、その上方に浮」ニジている超電導体と対向するので
、コイルを浮上用磁石線に配置した場合に比べて超電導
体との磁気的結合が強くなる。また、浮上用磁石と超電
導体との間隙に位置する前記コイルは偏平状であるので
、その間隙を大きく失うことはない。さらに、空芯構造
であるので、走行方向に均一である浮上用磁石からの磁
場を乱すことなく、コイルを励磁した時のみ該均−なバ
イアス磁場は、」１記コイルすなわち推進用磁石を多相
交流で励磁して得られる進行波である。浮上体である高
温超電導体は粒子の集合体であり、全体としては前述し
たようにシールド電流が流れて反磁性体の挙動を示すが
、粒子間のいわゆる粒界は弱磁場が印加されただけて容
易に超電導状態か失われる弱結果となっている。従って
、浮上体内部は完全に磁場が零とはなっておらす、その
ために変動磁場を与えると、Ｅ＝ｄφ／ｄｔで示される
起電力により渦電流が流れる。これによって超電導体は
、誘導型モータの回転子と同様に、進行波に対しである
遅れをもって（すべりを生して）追従する。この時、超
電導体には推進用磁石の励磁電圧の２乗に比例した１〜
ルクが得られる。また、超電導体の走行速度は推進用磁
石の周波数によって容易に制御できる。なお、粉末法の
ような従来法で作製した高温超電導体では」−記のすへ
りは大きいが、溶融法で作成した高温超電導体では磁束
のピン止め力が強いのですへりを小さくすることができ
る。

また、走行方向に長尺形状の磁石で７４上用磁石を構成
したので、連結部分か少なくなり、その結果、磁場の均
一性が向」−シた。

浮上用磁石を幅方向に２列以上配列した時の作用につい
て、走行安定性が顕著に得られる３列配置を例にして説
明する。

第９図、第１１図、第１３図のように浮上用磁石を並べ
た場合、各々第１．　ｏ　Ｉｆ”Ｉ　＋第１２図、第１
４図の磁場分布が得られる。これらの磁場分布は超電導
体が浮上している位置における鉛直成分、すなわち、７
ワ」二方向の磁場成分を磁石幅方向について示したもの
である。なお、比較のために浮上用磁石が」列の場合を
第１５図に、その時の磁場分布を第１６図に示す。磁場
分布の図かられかるように、浮上用磁石を３列にした場
合には、第１６図の１例の場合に比べて、磁石幅方向の
磁場勾配が急峻になる。この急峻な磁場勾配は、超電導
体が浮上走行する軌道に沿って連続的に存在して、超電
導体に対して磁場の壁となり、走行時の案内力として作
用する。この案内力により、超電導体は軌道から逸脱す
ることなく安定に浮上走行できる。なお、第１３図のよ
うに幅方向に同極が並ぶよりも第９図、第１１図のよう
に異極面が並ぶ配置の方が磁場勾配は急で、このうち第
９図のように幅方向の磁石を密着させて異極とした場合
には特に急峻な磁場勾配が得られろ。また、磁石の厚み
及び着磁方向を変えた磁石を第１７図のように配置して
も第９図の場合と同様に、急峻な磁場勾配が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１） 第１図により、実施例１を説明する。長尺状のＳｍ（サ
マリウム）−Ｃｏ（コバル１−）永久磁石］を浮上用に
用いた。寸法は走行方向の長さが５０１１ＩＩｌｌ、横
方向の１備が１−．５　ｎ＋＋１１．浮上方向の厚さが
５１１１Ｉｎであり、厚さ方向に着磁されている。この
浮上用磁石の複数個を磁極をそろえて走行方向に並べて
、その上に厚さＯ、］、　ｍｎ＋の鉄製シート（図示せ
ず）を配置して軌道とした。軌道の」二に、直径Ｑ　、
　２　ｍｎ＋のエナメル銅線を１００ターン巻回した厚
さ１胴の偏平状の空芯コイル２を図に示す如く、瞬り合
うコイルとラップする様に配置した。コイルどうし重な
り合う部分は軌道の外側になるようにしである。

この軌道」二に、液体窒素で冷却した直径］、　５　ｎ
ｕｎのＴｆｌ系高温超電専体（図示せず）を浮上させ、
推進用のコイル２を図の如く、３相交流で励磁したとこ
ろ、浮」ニした超電導体は円滑に走行した。

本実施例では、連結した長尺状磁石の」二に薄肉の鉄製
シートを配置することにより、磁石連結部の磁場均一性
をより向上させることができた。

（実施例２） 第２図により、実施例２を説明する。長さ５０ｍｍ　Ｘ
幅１５＋＋＋ｍＸ厚さ５圃１のＮｄ　（ネオジム）−Ｆ
ｅ（鉄）永久磁石１ａ及び長さ５０１１ＩＩＩＩＸ幅５
ｍｍ×厚さ７１１１１１１のＳ　ｍ　−Ｃｏ永久磁石１
ｂを図のように配置して軌道を構成した。中央部の７７
上用磁石１ａ上のｒ１４：に、厚さ２皿の推進用コイル
２を図のように配置した。コイル２は直径Ｑ　、　２　
ｎｕｎ　のエナメル銅線を１．５０タ一ン巻回したもの
である。

実施例上と同様に、コイル２を３相交流て励磁すること
により、軌道」二を走行する超電導体は円滑に走行した
。

第３図は長尺磁石として下行四辺形状のものを用いるこ
とで、図のような分岐軌道を構成した。

コイルの励磁は走行軌道に沿って行えば良いが、未使用
コイルのうち分岐部分にあるものを直流電流でパルス励
磁することにより、効果的に分岐できる。例えは、図に
おいて超電導体が直進する場合には、超電導体か分岐点
にさしかかる時、コイル２ｂをパルス励磁して磁場の壁
を発生させ、分岐点て曲がる場合にはコイル２ａをパル
ス励磁する。

本発明によれば、分岐軌道が構成でき、？７．Ｊ、：　
している超電導体を２吹元的に１）Ｊかすことかできる
。

（実施例３） 第４図により、実施例３を説明する。第１の実施例で用
いたのと同じ浮上相磁石を磁極を交互に３列にして（磁
極は図示せず）、走行方向に磁極をそろえて並へた。ま
た、コーナ部には前述の磁石と同し幅と厚みて、同程度
の長さを有する円弧状磁石］の上に、実施例１と同様に
配置した。底部に直径Ｑ　、　５　ｍｍの穴が複数個あ
いた冷却装置４を軌道上に設けた。この冷却装置に液体
窒素を充填して、液滴を落下させた。浮上磁石］の」二
に幅１５ＩＩＩｍ×長さ３０　ｍｍ　Ｘ厚さ２　ｎｕｎ
の長方形状の超電導体３を浮」ニさせ、推進用コイル２
を１２０ヘルツで励磁して走行させた。

本実施例によれば、軌道横方向に磁場の急勾配が存在し
、実施例１に比べて浮上体の走行安定性が高められる。

（実施例４） 第Ｓ図により、実施例４を説明する。実施例３と同様の
軌道を平行に２つ設け、長さ１．０ｍの搬送路とした。

厚」二用磁石１は厚さ１．　、５　ｍｍ　の鉄板に吸引
させ、その吸引力により連結している。各軌道上の超電
導体３には厚さＯ、ｌ　ｎｌｎの伝熱板６が密着させら
れ、断熱材７を介して連イＪ１棒８で連結されている。

また、伝熱板６の」二には綿を冷媒吸収剤９として貼付
する。液体窒素５を充填した冷却装置４は搬送路１．２
　ｍ間隔て配置した。

以」−の様にして、連結棒８の−「、に載せた搬送物」
Ｏを地−Ｌとは非接触で「役送することができた。

本実施例によれば、冷媒吸収材９と伝熱板６により、超
電導体３の熱的安定性が向ゴーする。なお、本実施例で
は冷媒吸収材として綿を用いたか、材質はこれに限るも
のではなく紙や布などを用いても同様の効果がある。

（実施例１５） 第６図により、実施例５を説明する。実施例４と同し軌
道と浮」１体を真空断熱月１−２で囲んだ。

真空断熱材」２には冷凍機］３か取り伺けられている。

また、真空断熱材１２には冷凍機１３が取り付けられて
いる。また、真空断熱材１２は軌道の基板である鉄板］
１に対して断熱材７′及び真空シール材１４を介してシ
ールされている。

＝１６− 以上のようにし、実施例４同様、搬送物１０を非接触で
搬送することができた。

本実施例によれば、搬送路が真空断熱月１２により連続
的に覆れ、冷凍機１３により高温超電導体３の臨界温度
より低い温度に保持されているため、浮」１体を搬送路
中の任意の位置で連続的に停止させておくことができる
。また、実施例４ては得られなかった超低続度での搬送
も可能である。

（実施例６） 第７図により、実施例６を説明する。浮」１体３に溶融
法で作製した高温超電導体を用いた。この超電導体を液
体窒素５て冷却して超電心状態に転移させた後に、浮上
相磁石１に十分近づけて浮−１−用磁石１の磁束を侵入
させた、。

以」二の手順により浮上体３を、浮上用磁石１及び推進
用コイル２から成る軌道の下に吊り下げるように７７上
させ、推進させた。

本実施例によれば、浮」１体を磁石の下方向に浮」ニさ
せることができ、軌道下にプールした液体窒素で浸漬冷
却して浮上時間を長くすることがてきる。また、溶融法
で作製した浮上体は磁束ピン止め力が強く、推進コイル
の進行磁場への追従性が良く、すヘリが小さくなる。な
お本実施例では浮上体を磁石の下方向に浮」ニさせたが
、前記した実施例１から５と同様に磁石の上に浮上させ
ることも可能であることは言うまでもない。

（実施例７） 以上の実施例では高温超電導体を浮上体にした例につい
て述べたが、ここでは実施例７として高温超電導体を軌
道、磁石を浮上体にした場合によって、第８図を用いて
説明する。

高温超電導体３を銅バイブ１５にハンダ１Ｇで含浸して
、軌道を構成した。、ハンタ材には低融点であり、かつ
高温超電導体と反応しにくいインジウムを用いた。推進
コイル２は軌道の下側に配置した。銅パイプ１５に液体
窒素を流して高温超電導体３を超電導状態に転移させて
、磁石１′を軌道の上に浮上させた。しかる後に、推進
コイル２を３相交流で励磁して進行磁場を発生させ、軌
道上に浮上している磁石１′を走行させた。

本実施例によれば、推進コイル２を高温超電導体３の下
側に配置しているので、磁石１′の浮上ギヤツプすなわ
ちクリアランスを損なうことはない。このような配置に
おいても、推進コイル２から発生する磁束は高温超電導
体の粒界等の弱結合部分を通り抜けるので、磁石１′と
磁気的に作用させることができる。なお、本実施例では
、磁石１′の走行速度は進行磁場に対しての遅れがなく
、同期速度となっている。

本実施例では、クリアランスを損なわないように推進コ
イル２を高温超電導体３の下側に配置したが、当然のこ
とながら、高温超電導体３の］二側に配置しても磁石１
′を走行させることはできる。

また、高温超電導３の冷却用に液体窒素を銅パイプ１５
に流したが、冷却用はこれに限定されるものではなく、
例えば冷却されたヘリウムガス、窒素ガス等、臨界温度
以下のものであれば良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、推進用コイルの配置、形状。

励磁方法の最適化により、浮上体のクリアランス（浮−
に体と浮上用磁石の間隙）を保ったまま、浮」１体を効
率良く走行させることができ、推進力や走行速度の制御
性を高めることができた。

また、浮上用磁石による走行方向の磁場の均一性が向」
ニジたため、ｌｌ−に体をより滑らかに走行させること
ができる。さらに、走行方向に対して直角、すなわち浮
上用磁石の幅方向の磁場勾配を急峻にしたので、浮上体
の走行安定性を高めることかできた。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１のコイル配置を示す平面図、第２図は
実施例２を示す斜視図、第３図は実施例２の変形例で分
岐軌道の平面図、第４図は実施例３を示す斜視図、第５
図は本発明の超電魂磁気浮−Ｊ二装置を搬送に用いた実
施例４の正面図、第６図は実施例４の変形例で、冷却装
置が異なる実施例５を示す正面図、第７図は溶融法で作
製した高温超電導体を用いて、磁石の下に厚」ニさせた
実施例６を示す側面図、第８図は磁石を浮上体にした実
施例７を示す正面図、第９図、第１１図、第１３図、第
１５図は浮上用磁石の配置を示す斜視図、第１０図、第
］２図、第］４図、第１６図は各々の磁場分布を示す図
、第１７図は第９図から第１３図の変形例で厚さ及び着
磁方向の異なる７ワ」−用磁石を組合わせた斜視図であ
る。 １、、ｌａ、ｌｂ　　浮上用磁石、１′　浮上律磁石、
２．２ａ、２ｂ　　推進用コイル、３・高温超電導体、
４・冷却装置、５・・・液体窒素、６・・伝熱板、７．
７′　断熱材、８　連結棒、９　冷媒吸収利、１０　搬
送物、１１・鉄板、１２・・真空断熱容器、１３・冷凍
機、１４　真空シール材、］５　銅パ第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第７図 第８図 第９図　　　　第１１図 第１０図　　　　第１２図 第１３図　　　第１５図 第１７図 ３？り ／ 第１４図　　　　第１６図 １７一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温超電導体から成る浮上体と、該浮上体を浮上さ
   せるための磁場印加を行う浮上用磁石と、該浮上体を冷
   却する装置を備えた超電導磁気浮上装置において、前記
   浮上用磁石と近接して前記浮上体を走行させるための複
   数個の推進用コイルを設けたことを特徴とする超電導磁
   気浮上装置。 ２、請求項１記載の超電導磁気浮上装置において、前記
   推進用コイルを偏平形状の空芯コイルとしたことを特徴
   とする超電導磁気浮上装置。 ３、請求項１から２記載の超電導磁気浮上装置において
   、前記複数個の推進コイルの幅を浮上用磁石の幅よりも
   大きくし、かつ前記推進コイルを互いにラップさせて配
   置したことを特徴とする超電導磁気浮上装置。 ４、請求項３記載の超電導磁気浮上装置において、前記
   ラップさせた推進コイルの互いに重り合う部分を浮上用
   磁石の外側又は内側とし、浮上用磁石からはみ出した部
   分を下側に曲げたことを特徴とする超電導磁気浮上装置
   。 ５、請求項１から２記載の超電導磁気浮上装置において
   、前記推進コイルを多相交流で励磁したことを特徴とす
   る超電導磁気浮上装置。 ６、請求項１から２記載の超電導磁気浮上装置において
   、前記浮上用磁石として、浮上体の走行方向に長尺形状
   である磁石を用いたことを特徴とする超電導磁気浮上装
   置。 ７、請求項６記載の超電導磁気浮上装置において、前記
   浮上用磁石と推進用コイルの間に強磁性体から成る薄肉
   状シートを挿入したことを特徴とする超電導磁気浮上装
   置。 ８、請求項６記載の超電導磁気浮上装置において、前記
   浮上用磁石を少なくとも３列以上の配置とし、かつ中央
   部に位置する磁石の厚みを他のものより薄くして溝部を
   設けて、該溝部に推進用コイルを設置したことを特徴と
   する超電導磁気浮上装置。 ９、請求項６記載の超電導磁気浮上装置において、前記
   長尺形状の浮上用磁石のうち少なくとも１個以上に浮上
   体との対向面が台形又は平行四辺形の磁石を用い、浮上
   体の走行軌道を少なくても２つ以上の分岐構造とし、走
   行する軌道上の推進コイルを多相交流で励磁すると共に
   、分岐点の走行しない軌道上の推進コイルの少なくとも
   一つをパルス状の直流で浮上用磁石と同じ向きの磁束が
   発生するように励磁して浮上体を分岐させることを特徴
   とする超電導磁気浮上装置。 １０、請求項１記載の超電導磁気浮上装置において、前
   記超電導体として溶融法で作成した高温超電導体を用い
   ることを特徴とする超電導磁気浮上装置。 １１、請求項１から２記載の超電導磁気浮上装置におい
   て、浮上用磁石による印加磁場が浮上用磁石の幅方向で
   急峻な磁場勾配となるように浮上用磁石を少なくとも２
   列以上に配列して並べたことを特徴とする超電導磁気浮
   上装置。 １２、請求項１から１１記載の超電導磁気浮上装置を用
   いたことを特徴とする搬送装置。