KR20070106742A

KR20070106742A - 자기 부상 장치

Info

Publication number: KR20070106742A
Application number: KR1020077019882A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 바이아; 올리와 데 하스; 토르스텐 리데리흐; 루드위그 슐쯔
Original assignee: 레이베니츠-인스티투트 푸어 페스트코르페르 운트 베르크스토프포르숭 드레스덴 에.파우
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-29
Publication date: 2007-11-05
Also published as: JP2008529465A; US8391936B2; CN101111407B; DE102005005706A1; DE102005005706B4; CA2596356A1; WO2006079658A1; EP1843913A1; US20080207457A1; JP5322089B2; CN101111407A

Abstract

본 발명은 마그네틱 및 초전도체 재료에 관한 것으로, 예컨대 초전도 비접촉 운송 장치 또는 선형이나 방사상 부양 베어링에서 이용될 수 있는 자기 부상 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 자기 부상 장치의 로딩 및 언로딩시에도 트랙 가이드의 향상된 강성 또는 안정된 베어링 가이드가 달성되는 자기 부상 장치를 제공하는 것이다. 상기 목적은, 마그네틱 가이드 트랙 위에 저장된 자기장 배열들을 갖는 두 개 이상의 초전도 성형체를 포함하고, 상기 두 개 이상의 초전도 성형체는 가이드 트랙으로부터 상이한 수직 간격을 가지는 저장된 자기장 배열 및/또는 가이드 트랙으로부터 상이한 수평 위치에 저장된 자기장 배열을 가지며, 상기 두 개 이상의 초전도 성형체는 가이드 트랙 위의 저장 위치로부터 벗어난 위치에 기계적으로 지지되고 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치에 의해 달성된다.

초전도체, 자기 부상 장치, 초전도 비접촉 운송 장치, 방사상 부양 베어링, 자기장 배열

Description

자기 부상 장치{MAGNETIC LEVITATION DEVICE}

본 발명은 마그네틱 및 초전도체 소재에 관한 것으로, 예컨대 초전도 비접촉 운반 장치 또는 선형이나 방사상 부양 베어링에 사용될 수 있는 자기 부상 장치에 관한 것이다.

초전도 자기 부상 장치는 가이드 트랙 또는 고정된 카운터베어링을 필요로 하며, 상기 장치는 운동 방향으로 수직의 일정한 강한 장 기울기를 가지는 자기장을 제공한다. 움직일 수 있는 부분(운송차)에 배치된 초전도체는 하드 유형 II 초전도체(hard type II superconductor)일 때 상기 자기장에서 안정된 위치를 차지할 수 있다.

자기장는 양자화된 자속선(magnetic flux lines) 형태의 유형 II 초전도체를 관통할 수 있으며, 상기 자속선은 나노 크기의 침전물 또는 구조 오류에 의해 초전도 매트릭스에 붙들려 있을 수 있다. 따라서, 외부 자기장 배열(magnetic field configuration)을 이러한 유형의 초전도체 내에 단단히 정착시키는 것이 가능하다. 가이드 트랙에 의해 발생되는 자기장이 초전도체의 냉각에 의해 가이드 트랙으로부 터 고정된 거리에 일반 전도 상태에서 초전도 상태로 초전도체에 정착되면, 초전도체는 복원력을 가지고 냉각 위치로부터 편향에 응답하고, 복원력에 의하여 되돌아 온다. 복원력은 자기장의 변화에 좌우되며, 따라서 편향의 크기에 좌우된다. 자기장의 변화가 크면 클수록, 복원력도 커진다.

비접촉 운송 장치에서 초전도 자기 부상 장치 및 선형 또는 만곡된 부양 베어링에서, 운송력 외에도 특정 위치에서 수직 방향 및 수평 방향의 안정성도 매우 중요하다. 안정성을 위한 척도는 표시된 방향에서의 강성이다. 강성은 N/mm 로 주어지며, 자기 부상 장치의 움직일 수 있는 부분을 1 mm 만큼 옮기기 위해 필요한 힘으로 나타낸다. 그러나, 힘은 냉각 위치 둘레의 편향에 정밀하게 좌우되기 때문에, 크고 완벽한 응력 역전을 가진 위치의 강성에 있어서의 높은 요구를 만족시키는 것은 불가능하다.

냉각 위치로부터의 편향에서, 역행하는 힘의 증가는 불균형적으로 크며, 따라서 보다 큰 편향을 위해 보다 큰 힘 및 강성이 달성될 수 있다. 운송 장치를 위해 보다 큰 강성을 달성하기 위해, 자기 부상 장치는 "프리스트레스(prestress)"된다. 선행기술에 따르면, 이는 이용 부하와 비교하여 볼 때 운송 장치의 높은 고유 무게에 의해 달성되었다. 그러나, 이는 구동 유닛의 높은 에너지 소모를 야기한다.

자기 부상 장치 및 방사상 베어링에서 하드 유형 II 초전도체(hard type II superconductor)의 사용을 위한 일반적인 개요는 L. Schultz 등 (Z. Metallkd. 93(10) 1057-1064(2002))에 제공되어 있다. J. Hull 등 (J. Appl. Phys. 86(11) 6396(1999))의 분석에 따르면, 특정 냉각 위치를 위해 존재하는 측면 방향 강성은 항상 수직 방향 강성의 절반이다. J. Wang 등 (Physica C 378-381(1) 809-814(2002))은 초전도 부양을 기초로 새로운 부양 시스템의 디자인을 기술하고 있으며, 또한 차량의 측면 강성이 증가하는 질량의 증가와 함께 증가함을 보여준다(Physica C 386, 431-437(2003)). C. Navau 등 (Supercond. Sci.Technol. 17 (2004) 828-832)은 냉각 위치에 따라 균형 상태를 계산하는 모델을 기술하고 있다. Z. Ren 등 (Physica C 378-381 (1) 873-876(2002))은 차량에서 초전도체와 영구 자석의 상호 작용에 의해 선형 운송 시스템을 위한 수직 및 측면 강성의 상승을 위한 방법을 기술하고 있다. 이때, 2 개의 동일한 마그네틱 폴 사이의 강한 반발력이 이용된다.

따라서, 공지의 선행기술에서 실질적인 이용을 위한 강성 문제가 인식되나, 이러한 문제의 충분한 고려나 실질적인 해결책이 제시되지 않은 것을 알 수 있다.

본 발명의 목적은, 자기 부상 장치의 로딩 및 언로딩시에도 트랙 가이드의 향상된 강성 또는 안정된 베어링 가이드가 달성되는 자기 부상 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위에 기재된 발명에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태들은 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 자기 부상 장치는, 마그네틱 가이드 트랙 위에서 저장된 자기장 배열(magnetic field configurations)을 갖는 두 개 이상의 초전도 성형체(superconductor molded body)를 포함한다. 상기 두 개 이상의 초전도 성형체는, 가이드 트랙으로부터 상이한 수직 거리를 가지는 저장된 자기장 배열 및/또는 가이드 트랙에 대해 상이한 수평 위치에서 저장된 자기장 배열을 구비하며, 상기 초전도 성형체들은 가이드 트랙 위에서 저장 위치로부터 벗어난 위치에서 기계적으로 유지되고, 서로 연결되어 있다.

바람직하게는, 각각 2 개의 또는 3 개의 초전도 성형체는 동일한 저장된 자기장 배열을 구비한다.

바람직하게는, 초전도 성형체는 솔리드 바디(solid bodies)이다.

더 바람직하게는, 초전도 성형체는 하드 유형 II 초전도체이다.

바람직하게는, 적어도 하나의 초전도 성형체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 아래에 고정된 자기장 배열을 가지고, 적어도 다른 하나의 초전도 성형체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위에 고정된 자기장 배열을 가지며, 이는 특히 적어도 2 개의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위쪽과 아래쪽 위치들의 간격이 동일한 것이 더 바람직하다.

또한 바람직하게는, 적어도 하나의 초전도 성형체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치에서 자기 부상 장치의 운동 방향 오른쪽으로 측방향 이동된 위치 아래에 고정된 자기장 배열을 가지고, 적어도 다른 하나의 초전도 성형체는 두 개 이사의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치에서 자기 부상 장치의 운동 방향 왼쪽으로 측방향 이동된 위치 위에 고정된 자기장 배열을 가지며, 이는 특히 적어도 2 개의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위와 아래 및 오른쪽과 왼쪽 위치들의 간격들이 동일한 것이 더 바람직하다.

본 발명에 따른 구성에 의하여, 자기 부상 장치 또는 부양 베어링의 '프리스트레싱(prestressing)'의 새로운 가능성이 실현된다.

이를 위해, 마그네틱 가이드 트랙 위에 2 개 이상의 초전도 성형체를 포함하는 자기 부상 장치가 존재한다. 2 개 이상의 초전도 성형체는 가이드 트랙 위에서 상이한 간격으로 배치되고 임계 온도 이하로 냉각된다. 이로 인해, 각 위치에 존재하는 자기장 배열은 각 초전도 성형체 내에 고정된다. 이어, 이 초전도 성형체는 기계적인 장치에 의해 마그네틱 가이드 트랙 위의 공통 위치로 옮겨지며, 이때 이 위치는 초전도 성형체가 냉각되어 자기장 배열을 고정하는 가이드 트랙 위의 각 위치들로부터 벗어난다. 기계적인 지지를 통해 냉각 위치로부터 벗어나는 위치에 초전도 성형체의 복원력이 작용한다. 이 복원력은 가이드 트랙 위의 평형 위치에서 전체 자기 부상 장치의 특정 배치를 야기하며, 이 위치에서 복원력의 합계는 영(zero)이다. 즉, 이 위치에서 마그네틱 가이드 트랙 위의 자기 부상 장치에 작용하는 힘의 양의 평형(balance)이 달성된다.

이에 의해, 초전도 성형체 둘레에 보다 큰 강성 구역이 형성되며, 이는 또한 전체 자기 부상 장치의 강성을 향상시킨다.

본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서는, 적어도 2 개의 초전도 성형체가 존재하며, 적어도 하나의 초전도 성형체는 적어도 2 개의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되는 위치의 아래에 저장된 자기장 배열을 구비하고, 적어도 다른 초전도 성형체는 적어도 2 개의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되는 위치의 위에 저장된 자기장 배열을 구비한다.

이 양 저장위치들 사이의 높이에서 이어지는 배치 및 적어도 2 개의 초전도 성형체의 기계적 지지를 통해, 각각 마그네틱 가이드 트랙 위에서 하나의 초전도 성형체는 그 저장위치로부터 국부적으로 보다 높은 위치로 강제이동되며, 다른 초전도 성형체는 그 저장위치로부터 국부적으로 보다 낮은 위치로 강제이동된다. 저장위치로부터 이러한 편향으로 인해, 각 회복력은 위로 강제이동되는 초전도 성형체를 통해 가이드 트랙에 대해 견인력으로 작용하고, 아래로 강제이동되는 초전도 성형체를 통해 반발력으로 작용한다. 반대로 작용하는 이 힘들의 크기가 동일하지 않다면, 전체 자기 부상 장치는 가이드 트랙에 대해 작용하는 힘들의 크기가 균형을 이룰때까지 보다 큰 힘의 방향으로 이동된다.

강성을 증가시키는 다른 가능성은 가이드 트랙 위의 상이한 높이들에 저장 위치를 형성하는 것 뿐만 아니라 가이드 트랙 위 자기 부상 장치 운동 방향에 가로방향으로 상이한 위치들에 저장 위치를 형성하는 것이다. 따라서, 자기장 배열의 저장 중 배치는 단지 상이한 높이들에 또는 상이한 가로 위치들에 실행될 수 있으나, 바람직하게는 가이드 트랙에 대해 동시에 상이한 높이들 및 상이한 가로 위치들에 실행하여 양 가능성을 혼합할 수 있다.

가로 방향의 상이한 저장 위치들의 추가적인 장점은 전체 자기 부상 장치의 강성을 추가로 개선할 수 있을 뿐 아니라 가이드 트랙 위에서 자기 부상 장치의 부양력을 증가시킬 수 있다는 점이다.

본 발명에 따른 구성을 통해, 높은 요건들을 만족하는 자기 부상 장치의 높은 강성을 달성할 수 있다. 예컨대 로딩 및 언로딩시에도 가이드 트랙 위의 운송 장치의 강성을 유지할 수 있고, 선형 부양 베어링 또는 방사상 부양 베어링의 높은 정밀성을 만족할 수 있다. 이때, 초전도 자기 부상 장치의 본질적인 특징들, 무마마찰, 무마모 및 비기계적 베어링이 유지된다.

본 발명에 따른 구성은 특히 청정 환경의 작은 운송 장치에 적합하며, 이때 입자에 의한 오염 없는 거의 무소음 작업이 실현될 수 있다.

이하, 본 발명을 여러 실시예들을 참조로 상세히 설명한다.

예 1

선형 자기 부상 장치(linear magnetic levitation device)에서, 마그네틱 가이드 트랙(guide track)으로는 2 개의 NdFeB-영구 마그네트(높이 50 mm, 폭 40 mm)로 만들어진 마그네틱 레일(rail)이 존재하며, 상기 영구 마그네트들은 동일한 마그네틱 폴들(poles)이 서로 마주하여 놓이도록 무커팅 스틸(두께: 중앙 12 mm, 가장자리 3 mm)의 소프트 마그네틱 플레이트들로 만들어진 요크(yoke) 안에 설치된다. 이로 인해, 레일위에서 자기 부상 장치의 운동의 방향이 사전 세팅된다. 이로부터, 폭 98 mm 및 높이 50 mm의 레일이 형성된다. 레일의 길이는 150 mm 이다. 소프트 마그네틱 재료는 영구 마그네트들의 자기장를 위한 컬렉터(collector) 및 증 폭기로서 작용한다. 따라서, 레일위에서, 가이드 트랙을 따라 운동 방향으로(종방향) 균일한 자기장이 발생된다. 가이드 트랙 위에서 다른 두 공간방향으로(폭 및 높이 방향으로), 각 자기장는 매우 이질적이다. 자기장의 수직 요소들의 최대량은 정확히 가이드 트랙을 따라 마그네틱 레일의 폭의 중앙 위에 놓이며, 레일 표면 1.1 T 위에서는 0.5 mm 이고, 레일 표면 0.5 T 위에서는 10 mm 이다.

초전도체로는 2 개의 90 x 35 x 15 mm³YBaCuO 블록(하드 유형 II 초전도체)이 사용되며, 상기 블록들은 용융 텍스처링(melt texturing)의 방법에서 각각 3 개의 시드 크리스탈(seed crystals)을 가지고 제조된 것이다.

2 개의 초전도체가 자기 부상 장치의 차량(vehicle) 내에 설치된다. 이 차량은 내부 치수 110 x 80 x 60 mm³을 갖는 크라이오스탯(cryostat)이다. 초전도체는 이제 원하는 위치를 조정하기 위해 크라이오스탯 내에서 기계적 장치에 의해 이동될 수 있다. 이제 하나의 초전도체 블록은 레일 표면의 중앙위 10 mm 높이에서 기계적 장치에 배치되며, 다른 초전도체 블록은 레일 표면의 중앙위 20 mm 높이에 배치된다. 이 위치들에서 크라이오스탯 내의 초전도체는 77 K (-196 ℃)의 온도로 냉각되며, 이 온도로 유지된다. 이 양 저장위치들에서, 레일의 자기장을 통해 미리 정해진 자기장 배열은 초전도체 내에 고정된다. 이어서, 양 초전도체 블록들은 기계적 장치에 의해 공통 위치로 옮겨지고, 그곳에 영구적으로 고정된다. 힘의 균형으로 인해, 레일 표면 위에서 차량의 영구적인 높이는 13 mm 이다.

측정된 측면 강성은 16.7 N/mm 였다.

예 2 (선행기술)

예 1에 따른 장치로서 마찬가지로 2 개의 초전도체 블록을 포함하며, 초전도체 블록의 저장 위치들은 레일 자기장의 자기장 배열을 위해 각각의 경우 레일 표면 위 20 mm 이다.

차량의 무게로 인해, 두 개의 초전도체들은 레일 위 15 mm 의 높이에 배치된다.

측정된 측면 강성은 12.7 N/mm 였다.

예 3

예 1에 따른 장치로서 예 1에 따른 초전도체 블록을 3 개 포함하며, 블록들은 가이드 트랙을 따라 3 개의 그룹에 배치된다. 3 개의 그룹에서 레일 자기장의 자기장 배열을 위한 초전도체의 저장 위치는, 레일 표면 위에서 중앙 초전도체 블록은 5 mm 의 높이에 레일 자기장의 자기장 배열을 고정하고, 양 외부 초전도체 블록들은 20 mm 의 높이에 레일 자기장의 자기장 배열을 고정한다. 이어서, 모든 3 개의 초전도체 블록들은 기계적 장치에 의해 공통 위치로 옮겨지며, 그곳에서 영구적으로 고정된다. 힘들의 균형으로 인해, 레일 표면 위에서 차량의 영구적 높이는 15 mm 이다.

측정된 측면 강성은 16.9 N/mm 였다.

예 4

2 개의 초전도체 블록들을 갖는 예 1에 따른 장치에서, 레일 자기장의 자기장 배열을 위한 초전도체 블록들 중 하나의 저장 위치는 레일 표면 위 20 mm 높이 에 형성되며, 다른 초전도체 블록의 저장 위치는 5 mm 높이에 형성된다. 이어서, 초전도체 블록들은 기계적 장치에 의해 공통 위치로 옮겨지며, 그곳에 영구적으로 고정된다. 힘들의 균형으로 인해, 레일 표면 위에서 차량의 영구적 높이는 10 mm 이다.

측정된 측면 강성은 19.9 N/mm 였다.

예 5 (선행기술)

방사상 부양 베어링에서, 초전도 중공 실린더가 8 개의 YbaCuO 블록들로부터 조립되며, 상기 실린더는 55 mm 의 외부 직경, 41 mm 의 내부 직경 및 50 mm 의 길이를 가진다. 중공 실린더의 내부로 40 mm 직경 및 50 mm 길이를 갖는 베어링이 삽입된다. 베어링의 회전자는 영구 마그네트 및 아이론 디스크(iron disks) 스택(stack)으로 구성되며, 인접한 마그네트들은 반대 극성을 가진다. 아이론 디스크들은 자기장를 위한 컬렉터(collector)로서 작용한다. 따라서, 회전 방향으로 균일한 자기장이 발생된다. 다른 두 공간방향으로(방사상 및 축방향), 각 자기장는 매우 이질적이다. 장치를 냉각하기 전에, 중공 실린더와 회전자 사이의 틈 안으로 스페이서가, 전체 회전자 주변 둘레로 중공 실린더에 대해 0.5 mm 의 간격이 형성되도록 삽입된다. 77 K (-196℃) 의 온도로 전체 배치를 냉각하는 동안, 자기장는 초전도체 블록 내에 이 위치에서 고정된다. 장치는 이 온도에서 유지된다. 스페이서를 제거한 후, 중공 공간과 회전자 사이에는 0.5 mm 의 틈이 남아 있다.

측정된 측면 강성은 방사상 방향에서 160 N/mm 였다.

예 6

예 5에 따른 방사상 부양 베어링에서, 마찬가지로 중공 실린더로부터 각각 0.5 mm 의 방사상 간격을 가지고 길이에 대하여 중공 실린더와 일치하는 위치의 축방향으로 1 mm 옮겨진 위치의 회전자가, 길이에 있어 초전도체의 절반만이 77 K (-196℃) 의 온도로 냉각되고 유지된다. 이어서, 회전자는 길이에 있어 일치하는 위치에서 -1 mm 만큼 옮겨지며, 중공 실린더의 나머지가 77 K (-196℃) 온도로 냉각되고 유지된다.

힘들이 균형을 이룬후 위치는, 길이에 있어 중공 실린더 및 회전자가 일치하고 또한 이상적인 위치이다.

측정된 측면 강성은 240 N/mm 였다.

Claims

마그네틱 가이드 트랙 위에 저장된 자기장 배열들을 갖는 두 개 이상의 초전도 성형체를 포함하고, 상기 두 개 이상의 초전도 성형체는 가이드 트랙으로부터 상이한 수직 간격을 가지는 저장된 자기장 배열 및/또는 가이드 트랙으로부터 상이한 수평 위치에 저장된 자기장 배열을 가지며, 상기 두 개 이상의 초전도 성형체는 가이드 트랙 위의 저장 위치로부터 벗어난 위치에 기계적으로 지지되고 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,

각각 두 개 또는 세 개의 초전도 성형체는 동일한 저장된 자기장 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,

상기 초전도 성형체는 솔리드 바디인 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,

상기 초전도 성형체는 하드 유형 II 초전도체인 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,

적어도 하나의 초전도 성형체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 아래에 고정된 자기장 배열을 가지고, 적어도 다른 하나의 초전도 성형체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위에 고정된 자기장 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제5항에 있어서,

두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위쪽 위치 및 아래쪽 위치의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,

적어도 하나의 초전도체는 두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치에서 자기 부상 장치의 운동 방향 오른쪽으로 측방 이동된 위치의 아래에 고정된 자기장 배열을 가지고, 적어도 다른 하나의 초전도 성형체는 두 개 이 상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치에서 자기 부상 장치의 운동 방향 왼쪽으로 측방 이동된 위치의 위에 고정된 자기장 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.
제7항에 있어서,

두 개 이상의 초전도 성형체가 기계적으로 지지되어 있는 위치의 위쪽 위치와 아래쪽 위치, 및 오른쪽 위치와 왼쪽 위치의 간격은, 위쪽과 아래쪽에 관련하여 및 오른쪽과 왼쪽에 관련하여 각각 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 자기 부상 장치.