JPH1154317A - 磁気浮上列車用超電導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気浮上列車など、外部から振動を受ける用
途に使用される超電導磁石であって、外槽に収納された
内槽内に冷却媒体と共に収納された超電導コイルで構成
されるものでは、外部の振動によって外槽が振動する
と、この振動が内槽に伝わって、内槽が磁場内を移動す
るため、渦電流で発熱し超電導コイルの性能が低下す
る。そこで、内槽を外槽に支持、外槽の振動が内槽に伝
わりにくく、なおかつ、内槽が動くことがないような荷
重支持材を得る。 【解決手段】 外槽４の振動が、外槽４の辺を通る中心
線（第１の線９６、第２の線９７）を節として振動する
ことに着目し、内槽２を支持固定する荷重支持材３０を
上記第１の線９６、第２の線９７上に設置する。また、
荷重支持材３０は一方向にのみ剛体であるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導コイルに
より構成され動的外力が作用する環境（例えば列車）で
使用される超電導磁石の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石は液体ヘリウムなどの冷媒に
より極低温に保つことが必要である。図１２は特開平６
−１６３２４６号公報に示された、又、図１３は特開平
６−１４０２３９号公報に示された磁気浮上列車用の従
来の超電導磁石の構造図である。

【０００３】図に於いて、１はレーストラック形状（２
つの直線部と２つの半円周部とで構成された長円形状）
の平面の巻き線面４１内に、超電導線材を巻回してなる
超電導コイル、２は超電導コイル１を格納しこれを冷却
する液体ヘリウム（図示しない）のような冷媒の容器で
もある内槽である。３は内槽２を外部から断熱的、か
つ、高剛性に支持し、超電導コイル１に作用する電磁力
を外部に伝達する荷重支持材、３１は同じく内槽２の外
周部のコーナを支持しているコーナ部支持材、３２は同
じく内槽２の内周、外周の側面部を支持している側面支
持材である。４は前記荷重支持材３、コーナ部支持材３
１、側面支持材３２を保持すると共に、前記内槽２を外
部と断熱状態に保って格納するために真空を維持するた
めのほぼ矩形状の外槽である。１５は内槽２の巻き線面
４１内の一軸方向に大きい剛性を有する荷重支持材であ
る。

【０００４】極低温装置では一般的に言えることである
が、特に磁気浮上列車用超電導磁石のように、あまり大
きい冷却能力が期待できない場合には、運用中の静的な
外部からの熱の侵入の低減と共に、動的な内部での発熱
を出来るだけ減らすことが必要である。

【０００５】外部からの熱は言うまでもなく荷重支持材
３、１５、コーナ部支持材３１、側面支持材３２を伝わ
って侵入するから、これら支持材の数は少ない方がよ
い。一方、内部での発熱は外部の列車振動や、加速度変
化が原因で内槽２が外槽の内部で運動する（揺動や振
動）することによって、磁場変動が発生し、変動する磁
場の中にある構造体（外槽４、荷重支持材３、側面支持
材３２など）に渦電流が発生してジュール熱が生じるこ
と、あるいは振動変形に伴う金属内部での摩擦発熱など
が原因で生じるものであるから、この面からは出来る限
り剛性を高めた保持を行う、即ち荷重支持材３、１５、
コーナ部支持材３１、側面支持材３２の数も多い方がよ
いのであり、前述したこととは矛盾すると言う問題があ
る。

【０００６】図１２のものは超電導コイル１の振動を低
減し、振動に伴う発熱を抑制するために内槽２を高剛性
な荷重支持材３（高剛性であるということは一般に断面
積も大きく熱抵抗が少ない）により外槽４に支持してお
り、図１３のものは荷重支持材３、１５、コーナ部支持
材３１、側面支持材３２などで支持点数を多くすること
により支持剛性を高めている。結果的に、従来の超電導
磁石では熱伝導による熱の侵入を減らせば振動による発
熱が増え、振動を減らせば熱伝導による熱の侵入が増え
るという矛盾が解決できず、適当なところで妥協するほ
かないという問題があった。

【０００７】また、内槽２の長さ（長円の長径）が長く
なると、高剛性な荷重支持材３、１５には、内槽２の熱
収縮に伴うストレスがかかり、強度的に好ましくない問
題が生じるという問題もあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の超電導電磁石
は、以上のように構成されているので内槽の振動に伴う
発熱を抑制するため、高剛性な（熱抵抗の低い）荷重支
持材を使うとか、その数を増やすなどの必要性から、外
部からの熱の侵入を最小にすることが出来なかった。

【０００９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、外槽の振動を内槽にほとんど伝
えることのない内槽の荷重支持材の取付け方法を、出来
るだけ少ない荷重支持材の数で実現し、このような支持
方法を用いた超電導磁石を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る磁気浮上
列車用超電導磁石は、超電導物質からなる線材を平面の
巻き線面内に巻回した超電導コイル、前記超電導コイル
を冷却冷媒とともに収納する内槽、前記内槽の周囲を取
囲んで真空状態に保ち断熱するほぼ矩形箱形状の外槽、
前記内槽を前記外槽に断熱支持する荷重支持材を含む磁
気浮上列車用超電導磁石であって、前記荷重支持材は前
記巻き線面に平行な前記外槽の１つの面の周囲を構成す
る４辺のうちの、対向する２辺のそれぞれの中央部を結
ぶ第１の線上と、前記２辺とは異なる他の対向する２辺
のそれぞれの中央部を結ぶ第２の線上とに設けられてい
るものである。

【００１１】また、前記荷重支持材は前記第１の線に平
行する方向に対する剛性と前記第２の線に平行する方向
に対する剛性とが、ともに前記第１の線と前記第２の線
のいずれにも直交する方向に対する剛性より小さいもの
である。

【００１２】また、内槽が外槽の中央に設置され、２つ
の直線部と２つの半円周部とからなるレーストラック形
状であるものにおいて、荷重支持材は前記内槽の前記２
つの半円周部のそれぞれの中央を結ぶ第３の線上、また
は、前記２つの直線部のそれぞれの中央を結ぶ第４の線
上に設けられているものである。

【００１３】また、第３の線上に設けた荷重支持材は、
この第３の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性が
第４の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性よりも
小さいものである。

【００１４】また、第４の線上に設けた荷重支持材は、
この第４の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性が
第３の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性よりも
小さいものである。

【００１５】また、外槽の第１の線、又は第２の線上に
設けたポストと、このポストと内槽を接続する荷重支持
材とを有するものである。

【００１６】外槽は矩形であるので、外槽がねじれると
きのねじれ方にはある特徴がある。そしてねじれた際に
は外槽の面上に変形が大きい部分と変形が小さい部分と
が生じる。外槽の外面の内、超電導コイルの巻き線面と
平行な面の四辺の内、対向する２辺のそれぞれの中央部
を結ぶ第１の線上と、前記２辺とは異なる他の対向する
２辺のそれぞれの中央部を結ぶ第２の線上とが、この変
形の小さい部分に相当する。内槽をささえる荷重支持材
は、この変形の小さい位置に取付けるので外槽の変形が
内槽に伝わることが少なくなる。

【００１７】特定の方向に対する剛性を小さくした荷重
支持材は、剛性の小さい方向の振動を伝えない作用があ
るので、外槽の特定の方向の振動を内槽に伝えることが
少なくなる。第１の線又は第２の線上に設けたポスト
と、このポストと内槽を接続する横方向柔軟性支持材
は、内槽の回転や揺動を防ぐことが出来る。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．本発明の実施の形態１による磁気浮上列
車用超電導磁石５１の平面図を図１に示す。図１におい
て、１はレーストラック形状（２つの直線部と２つの半
円周部とで構成された長円形状）の平面の巻き線面４１
内に超電導線材を巻回してなる超電導コイル、２は超電
導コイル１を格納しこれを冷却する液体ヘリウム（図示
しない）のような冷媒の容器でもある内槽、３０は内槽
２を外部から断熱的に支持し、超電導コイル１の面外方
向に大きな剛性を有し、面内方向に対してはフレキシブ
ルである柔軟性荷重支持材、４は内槽２、柔軟性荷重支
持材３０を格納し断熱のため真空を保持する外槽であ
る。

【００１９】図２に、図１の超電導磁石５１の外槽４
に、ねじり変形が生じた際の変形模式図を示す。更に、
外槽４の振動のモードについての理解を助けるため、図
３ａ）に図２の側面方向から見た振動モードを、また図
３ｂ）に図２の上面方向から見た振動モードを示す。図
３の点線は振動している外槽４の変形状態を示すもので
ある。図３から明らかなように、ねじれ振動は外槽４の
中央を通る線（図中に補助線９６で示すものは超電導コ
イル１の巻き線面４１に平行な外槽４の１つの面の周囲
を構成する４辺のうちの、対向する２辺のそれぞれの中
央部を結ぶ第１の線、また、９７で示すものは前記２辺
とは異なる他の２辺の中央部を結ぶ第２の線である）を
節とした振動となる。もちろん物理的には更に高次の
（即ち節が複数個生じるような）振動も発生し得るので
あるが、現実に問題となるのは図３に示す振動モードの
みである。

【００２０】図１の構成は、図３の外槽４の振動の節
（外槽４の第１の線９６、第２の線９７）上に柔軟性荷
重支持材３０を設けたもので、このように構成すること
により、図２のように外槽４がねじり変形した場合に、
内槽２を支持している柔軟性荷重支持材３０の位置は、
ねじり振動の節となるため、また、柔軟性荷重支持材３
０が横方向の振動を伝達しないため、外槽４のねじり変
形が内槽２には僅かしか伝わらない。したがって、内槽
２は、外槽４のねじり振動によりねじり変形を生ずるこ
となく、変形による内槽２の発熱を抑制する効果があ
る。

【００２１】外槽４の上記の位置に取付けられた柔軟性
荷重支持材３０の内槽２への取付け位置は、図４、図５
に示すように２つの半円周部の先端の中央をそれぞれ結
ぶ線（以後第３の線９８という）の近傍、および、レー
ストラック形状の内槽２の直線部のそれぞれの中央を結
ぶ線（以後第４の線９９という）の近傍でさえあれば、
レーストラックの外側、内側あるいはレーストラック上
であっても同様の効果を奏する。第３の線９８はレース
トラック形状の長軸、第４の線９９はレーストラック形
状の短軸とも言う。

【００２２】なお、図１〜図５において、柔軟性荷重支
持材３０は、その軸に直交する方向へはフレキシブルで
あると説明したが、あらゆる方向に対して剛性が高いも
のであっても、外槽４の振動の節に取付けてあるので、
内槽２に伝わる振動は減らすことが出来る。柔軟性荷重
支持材３０はこの発明に言う荷重支持材である。

【００２３】実施の形態２．この発明の実施の形態２に
よる超電導磁石の構成を図６に示す。図に於いて、４０
は外槽４の振動の節上（第１の線９６又は第２の線９７
であるが図では第１の線９６上に設けた場合を示してい
る）に設けられたポスト（剛体の棒）である。５はポス
ト４０と内槽２とを連結する横方向柔軟性荷重支持材
で、コイルの巻き線面４１の面内で直交する２方向に取
付けてある。横方向柔軟性荷重支持材５は柔軟性荷重支
持材３０と同様に、その軸方向にのみ剛であり、その軸
に直交する方向に対しては、比較的フレキシブルな構造
になっていて、内槽２の面内方向の振動、揺動を抑える
ためのものである。上記以外の点は実施の形態１の図１
と同じ構成である。

【００２４】図７、図８は図６の構成のものの振動の状
態を説明するための図である。図に於いて７は外槽４の
ねじり変形に伴って柔軟性荷重支持材３０に発生するモ
ーメント（この発明に言う曲げモーメント）を示してい
る。図６の構成の場合にも、内槽２の曲げ剛性と柔軟性
荷重支持材３０の曲げ剛性の関係によっては、外槽４の
ねじり変形に伴い柔軟性荷重支持材３０に曲げモーメン
ト７が作用し、このモーメント７により、内槽２にねじ
り力が伝達される。しかしながら、図８に示す如く、柔
軟性荷重支持材３０の横方向の柔軟性が高ければ、外槽
４のねじり変形に対して柔軟性荷重支持材３０が撓むこ
とで接続部の曲げモーメントは開放され、内槽２にねじ
り力は少ししか作用せず、ねじり変形による発熱は抑制
される。

【００２５】しかし、荷重支持材３０の横方向の柔軟性
が高ければ、内槽２が内槽２の面内で左右、上下に移動
もしくは回転する動きを止める力は小さいから、このよ
うな動きを減らすために、図６に示すように第１の線９
６上（図には示していないが第２の線９７上でもよい）
に設けた剛性の高いポスト４０と内槽２とを、直交する
２方向の横方向柔軟性荷重支持材５で連結する。

【００２６】超電導コイル１及び内槽２に作用する巻き
線面４１の面内力は、巻き線面４１の面内方向の振動を
抑えるための横方向柔軟性荷重支持材５で保持すること
が出来、巻き線面４１の面外方向の変形を抑える柔軟性
荷重支持材３０には、曲げモーメントは作用しない。な
お、ポスト４０はある程度距離をとって２カ所以上に設
けるのがよい。

【００２７】実施の形態３．図９に本発明の実施の形態
３による超電導磁石の構成を示す。３５は内槽２の２カ
所の直線部の中央（第４の線９９）上に設けた板状の荷
重支持材で、この第４の線９９回りの曲げ剛性を小さ
く、図の左右方向の中央線（第３の線９８）回りの剛性
は高くしたものである。３６は２カ所の半円周部に設け
た板状の荷重支持材で、左右方向の中央線（第３の線９
８）回りの曲げ剛性を小さく、上下方向の中央線（第４
の線９９）回りの剛性を高くしたものである。

【００２８】図１０のように外槽４がねじれた場合、荷
重支持材３５の取付け部６ａでは、上下軸回りのモーメ
ントが作用し、荷重支持材３６の取付け部６ｂでは、前
後軸回りのモーメントが作用する。この方法では、荷重
支持材３５に作用するモーメントの方向の曲げ剛性を小
さくすることにより、曲げモーメントは開放され、実施
の形態２の図６と同様の効果を奏する。しかも、荷重支
持材３５が内槽２に対して上下方向の、また、荷重支持
材３６が左右方向の移動を阻止するように働くので、図
６のポスト４０や荷重支持材５のようなものを設ける必
要がない。また、外槽４のねじりによるモーメントが作
用しない荷重支持材の軸方向の剛性は確保できるため、
超電導コイル１及び内槽２に作用する電磁力や巻き線面
４１の面内方向の振動は保持できるものとなる。

【００２９】実施の形態４．図１１に示すように本発明
の実施の形態４は、超電導コイル１の巻き線面４１の面
外方向に高い剛性を有した荷重支持材３５をレーストラ
ック形状をした内槽２の２カ所の直線部の中央（第４の
線９９上）に、また、軸方向にのみ剛性を有する荷重支
持材３０（図１の柔軟性荷重支持材３０と同じもの）を
２カ所のコーナ部先端（第３の線９８上）に配置したも
のであるが、第３の線９８上の２カ所の荷重支持材３５
は板状として、その上下軸回りの曲げ剛性を小さくし、
第４の線９９上の２カ所のコーナ部先端の荷重支持材３
０は棒状として、超電導コイル１の巻き線面４１の面内
方向の２軸回りの曲げ剛性を小さくしたものである。更
に、加えて、第３の線９８の線上にポスト４０を設け、
このポスト４０と内槽２とを第３の線９８に沿う方向
で、前後方向の面内振動を抑える荷重支持材９で連結し
たものである。

【００３０】外槽４がねじれた場合、上記のように第４
の線９９上の２カ所の荷重支持材３５の取付け部６ａで
は、上下軸回りのモーメントが作用し、第３の線９８上
２カ所のコーナ部先端の荷重支持材３０の取付け部６ｂ
では、前後軸回りのモーメントが作用する。また、内槽
２の形が特に前後方向に長い形の場合、内槽２が冷却さ
れたとき、前後方向の熱収縮により２カ所のコーナ部先
端の荷重支持材３０にはストレス（上下軸回りのモーメ
ント）も作用する。しかし図１１の構成では、これらの
モーメントやストレスは全て荷重支持材３５、３０の柔
軟性によって開放される。このように、図１１のように
構成すれば、荷重支持材３５、３０の外槽４への接続部
において作用するモーメントの方向の剛性を小さくする
ことにより、曲げモーメントは開放され、しかも、面内
方向の揺動、振動に対する剛性も確保される。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば磁気浮
上列車用超電導磁石において、内槽を支える荷重支持材
が外槽の振動モードの節に取付けられているので、外槽
がねじれた場合にも、そのねじれが内槽に伝わるのを減
少させることが出来る効果がある。そして外槽がねじり
変形した場合の内槽のねじり変形に伴う発熱が抑制され
ることにより、超電導磁石の発熱の増加が抑制でき、超
電導コイルがより安定化される効果がある。

【００３２】また、荷重支持材は、軸方向に対する剛性
に比して横方向に対する剛性が小さくしてあるので、振
動の節の上に設置され、振動によって僅かに生じる横方
向の変化もほとんど伝えないと言う効果がある。

【００３３】また、荷重支持材は、レーストラック状の
外形を有する内槽の中心線（第３の線、第４の線）上に
設けられているので、振動による変形によって伝わる外
力が回転モーメントに変化することがない。

【００３４】また、内槽の長軸方向に対する剛性が小さ
い荷重支持材を用いることにより、内槽の巻き線面内で
の移動を抑えると共に、冷却にともなう内槽の熱収縮に
よる荷重支持材の応力が緩和される効果がある。

【００３５】また、内槽の短軸方向に対する剛性が小さ
い荷重支持材を用いることにより、内槽の巻き線面内で
の移動を抑えることが出来る。

【００３６】また、外槽の振動の節上に設けたポストと
内槽を結ぶ荷重支持材を有するので、内槽の巻き線面内
の移動、回転、揺動を防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による超電導磁石の
平面図である。

【図２】 図１の磁石の外槽のねじれを示す説明図であ
る。

【図３】 図２のねじれを説明する図である。

【図４】 実施の形態１の超電導磁石の他の実施例を示
す図である。

【図５】 実施の形態１の超電導磁石の他の実施例を示
す図である。

【図６】 この発明の実施の形態２による超電導磁石の
構造説明図である

【図７】 図６の磁石の外槽のねじれを説明する説明図
である。

【図８】 図６の詳細な説明図である。

【図９】 実施の形態３による超電導磁石の構成図であ
る。

【図１０】 図９の磁石の動作説明図である。

【図１１】 実施の形態４による超電導磁石の構成図で
ある。

【図１２】 従来の超電導磁石の構成を示す図である。

【図１３】 従来の超電導磁石の他の構成を示す図であ
る。

【図１４】 図１２の超電導磁石の動作を説明するため
の構成図である。

【符号の説明】

１ 超電導コイル、 ２ 内槽、３
荷重支持材、 ４ 外槽、３０ 柔
軟性荷重支持材、 ４０ ポスト、４１ 平
面の巻き線面、５０、５１ 磁気浮上列車用超電導磁
石、９６ 第１の線、 ９７ 第２
の線、９８ 第３の線、 ９９ 第
４の線、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導物質からなる線材を平面の巻き線
   面内に巻回した超電導コイル、前記超電導コイルを冷却
   冷媒とともに収納する内槽、前記内槽の周囲を取囲んで
   真空状態に保ち断熱するほぼ矩形箱形状の外槽、前記内
   槽を前記外槽に断熱支持する荷重支持材を含む磁気浮上
   列車用超電導磁石であって、 前記荷重支持材は前記巻き線面に平行な前記外槽の１つ
   の面の周囲を構成する４辺のうちの、対向する２辺のそ
   れぞれの中央部を結ぶ第１の線上と、前記２辺とは異な
   る他の対向する２辺のそれぞれの中央部を結ぶ第２の線
   上とに設けられていることを特徴とする磁気浮上列車用
   超電導磁石。
2. 【請求項２】 前記荷重支持材は前記第１の線に平行す
   る方向に対する剛性と前記第２の線に平行する方向に対
   する剛性とが、ともに前記第１の線と前記第２の線のい
   ずれにも直交する方向に対する剛性より小さいものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上列車用超
   電導磁石。
3. 【請求項３】 内槽は、上下、左右、厚み方向とも外槽
   の中央に設置され、かつ、この内槽の形状が２つの直線
   部と２つの半円周部とからなるレーストラック形状であ
   るものにおいて、荷重支持材は前記内槽の前記２つの半
   円周部のそれぞれの中央を結ぶ第３の線上、または、前
   記２つの直線部のそれぞれの中央を結ぶ第４の線上に設
   けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮
   上列車用超電導磁石。
4. 【請求項４】 第３の線上に設けた荷重支持材は、この
   第３の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性が第４
   の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性よりも小さ
   いことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上列車用超
   電導磁石。
5. 【請求項５】 第４の線上に設けた荷重支持材は、この
   第４の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性が第３
   の線を軸とする曲げモーメントに対する剛性よりも小さ
   いことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上列車用超
   電導磁石。
6. 【請求項６】 外槽の第１の線、又は第２の線上に設け
   た複数のポストと、このポストと内槽を接続する横方向
   柔軟性荷重支持材とを有することを特徴とする請求項３
   に記載の磁気浮上列車用超電導磁石。