WO2009072636A1 - 磁気浮上推進装置 - Google Patents

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Nobuhiko Takahashi
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Nobuhiko Takahashi
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/025—Asynchronous motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N15/00—Holding or levitation devices using magnetic attraction or repulsion, not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to levitation and propulsion using magnetism.
  • magnetism In order to realize high-speed railways, it is effective to use magnetism to levitate and propel the vehicle body.
  • This includes a magnetic levitation device that uses any one of normal electromagnets, superconducting coils, and permanent magnets.
  • the combination of propulsion devices with linear motors is also being considered.
  • a magnetic levitation device using a superconducting coil requires a cooling device that can cope with extremely low temperatures in order to maintain the superconducting state of the coil.
  • a magnetic levitation device using a normal conducting magnet must always control the flying height.
  • a magnetic levitation device that does not use a superconducting coil and does not require control of the flying height is called an induct track using a permanent magnet.
  • the Induct track does not rise when it is stationary, it is necessary to separately install wheels that support the vehicle body when stopped and at low speeds when applied to railways.
  • the present invention is intended to solve the problems of such conventional magnetic levitation propulsion devices, does not use a superconducting coil, does not dynamically control the flying height, and travels in the direction of travel.
  • the objective is to realize a magnetic levitation propulsion device that can levitate even in a stationary state and can also be propelled at the same time. Disclosure of the invention
  • the vertical electromagnet with the levitation direction as the axis and the horizontal electromagnet with the propulsion direction as the axis are alternately arranged while reversing the direction of the magnetic poles during energization.
  • the sub-array that takes the shape of the main array is wound around the outside or inside of the individual electromagnets of the main array, and the main array is placed at a position shifted by one electromagnet in the longitudinal direction of the array.
  • the main and sub-arrays are arranged with the side surfaces where the vertical and horizontal electromagnets reinforce each other's magnetic field facing the laminated coils formed by stacking a number of short-circuit coils in the longitudinal direction of the electromagnet arrangement in the same way as the Induct track. Connect AC power supplies that are 90 degrees out of phase.
  • the magnetic field created by alternating current with the main and sub-arrays out of phase has a periodically varying intensity distribution in the longitudinal direction of the electromagnet array, similar to the magnetic field generated by the Halbach array that constitutes the Induct track. Since the electromagnet arrangement of the present invention is stationary with respect to the laminated coil, the electromagnet arrangement of the present invention is electromagnetically similar to the Halbach arrangement traveling on the laminated coil in the inductor track. The influence is exerted on the laminated coil of the present invention.
  • the present invention does not perform dynamic control of the flying height, does not use a superconducting coil, generates a levitation force between the electromagnet arrangement and the laminated coil even in a stationary state, and does not provide a separate propulsion device. However, a propulsive force in the longitudinal direction of the electromagnet arrangement is generated.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing electrical wiring to an electromagnetic stone arrangement constituting the present invention
  • FIG. 3 is a main arrangement constituting an electromagnet arrangement
  • Fig. 4 shows the magnetic field intensity distribution generated by the main array when a DC power supply is connected.
  • Fig. 4 shows the sub-array that constitutes the electromagnet arrangement.
  • Fig. 5 shows the connection of the AC power supply. This shows the time variation of the intensity distribution when the magnetic field created by the magnetite array on the laminated coil side is the north pole.
  • the vertical electromagnet 2 and the horizontal electromagnet 4 in the electromagnet arrangement 5 both reverse the direction of their magnetic poles by reversing the winding direction or the direction of the energizing current. Yes.
  • the positions where the magnetic poles are reversed are vertical electromagnet 2 and horizontal magnet 4, which are shifted by one electromagnet in propulsion direction 3.
  • the wirings from the AC power supply 8 are connected together as a set of alternating magnetic poles that are reversed in direction. Similarly, the remaining electromagnets are combined into one set, and the wiring 11 from the AC power source 10 is connected.
  • the set of electromagnets connected to wiring 9 is the main array 12.
  • the magnetic field created by the main array 1 2 is the opposite of the vertical electromagnet 2 as shown in 14 and 15 of Fig. 3. .
  • the magnetic field 14 on the laminated coil 7 side is strengthened by the adjacent electromagnet in the main array 12, and the magnetic field 15 on the opposite side to the laminated coil 7 is weakened.
  • the magnetic field intensity 14 generated when the electromagnet arrangement 5 is formed on the laminated coil 7 side and the propulsion direction 3 is the north pole is 16 for the horizontal electromagnet 4 or the vertical electromagnet 2.
  • a sinusoidal distribution with a length of 4 cycles is 1 7, and the magnetic field strength in the levitating direction is 1 8, which is a sinusoidal distribution with a phase shifted by 90 degrees in the propulsion direction 3 1 9
  • a set of electromagnets connected to the wiring 11 is a sub-array 2 0. If the DC power supply 13 is connected to the wiring 11, the magnetic field generated by the sub array 20 outside has the same intensity distribution as that of the main array 12. However, the magnetic field distribution of the sub-array 20 is shifted from the main array 12 in the propulsion direction 3 by the length of one horizontal electromagnet 4 or one vertical electromagnet 2.
  • alternating currents with the same current value but 90 degrees out of phase flow from the alternating current power supply 8 and the alternating current power supply 10.
  • the intensity distribution 1 9 of the magnetic field generated by the main array 1 2 on the laminated coil 7 side when the levitation direction 1 is the N pole is shown in Fig. 5.
  • the intensity distribution of the magnetic field generated by the sub-array 20 on the side of the laminated coil 7 when the levitation direction 1 is the N pole is from 26 to 27, 28, 29, 30 in Fig. 5. It changes periodically in this order.
  • the magnetic flux directed in the levitation direction 1 and the magnetic flux directed in the propulsion direction 3 alternately cross the portion of the arbitrary short-circuiting coil 6 constituting the laminated coil 7 facing the electromagnet arrangement 5.
  • the direction of the magnetic flux at this time is clockwise when the magnetic field travel direction is 3 o'clock and the flying direction 1 is 12 o'clock.
  • this current receives a force according to Fleming's left-hand rule from the magnetic flux directed in the levitation direction 1
  • a force acts in the traveling direction of the magnetic field in the laminated coil 7, and as a reaction, the magnetic field in the electromagnet array 5
  • the force opposite to the direction of travel is working.
  • the magnetic levitation propulsion device of the present invention uses this force as a propulsive force. Also, if the traveling speed of the magnetic field generated by the electromagnet array 5 is sufficiently fast, the magnetic flux directed in the propulsion direction 3 is short-circuited while the current generated in the short-circuit coil 6 by the magnetic flux directed in the levitation direction 1 is still maintained.
  • the current of the short-circuited coil 6 is subjected to a force according to Fleming's left-hand law from the magnetic flux in the propulsion direction 3.
  • a force repelling from the electromagnet arrangement 5 in the flying direction 1 acts on the laminated coil 7, and a repulsive force from the laminated coil 7 acts on the electromagnet arrangement 5 as a reaction.
  • the magnetic levitation propulsion device of the present invention uses this repulsive force as the levitation force.
  • the magnetic levitation propulsion apparatus is useful as a levitation and propulsion means for a magnetic levitation railway.
  • the magnetic levitation propulsion apparatus is also useful for levitation guidance of an ultra-precise positioning stage in which the guide is non-contact because of improved positioning accuracy by reducing friction.
  • an ultra-precise positioning stage is required in a vacuum environment
  • a differential exhaust seal with a conventional vacuum environment has been used. Floating guides that are less likely to contaminate the vacuum than static air pressure guides can be realized.

Abstract

推進方向を軸とする電磁石と浮上方向を軸とする電磁石を組み合わせ、推進方向に並べて構成した電磁石配列、及び、推進方向を軸とする短絡コイルを推進方向に多数積層した積層コイルから構成される磁気浮上推進装置である。電磁石配列に二相交流電流を通電することによって周期的な強度分布を有する磁界が電磁石配列の長手方向に進行し、積層コイルを構成する個々の短絡コイルに誘導電流を発生させる。電磁石配列が発生する磁界と短絡コイルの誘導電流が発生する磁界の相互作用により、電磁石配列と積層コイルの間に浮上力及び推進力を作り出すことができる。

Description

明細書 磁気浮上推進装置
技術分野
本発明は、 磁気を用いた浮上と推進に関するものである。
背景技術
鉄道の高速化を実現するためには、 磁気を用いて車体の浮上と推進を行うことが 有効であり、 これには常伝導電磁石、 超伝導コイル並びに永久磁石のいずれかを用い た磁気浮上装置と、 リニァモーターによる推進装置を組み合わせることが検討されて いる。
しかしながら、 超伝導コイルを用いた磁気浮上装置は、 コイルの超伝導状態を維 持するため、 極低温に対応した冷却装置が必要とされる。
また、 常伝導電磁石を用いた磁気浮上装置は、 常に浮上量を制御し続ける必要が ある。
超電導コイルを用いず、 浮上量の制御も不要な磁気浮上装置と して、 永久磁石を 用いたインダク トラックと呼ばれるものがあり、 例えば、 IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 1 0， NO. 1， The Inductrack : A Simpler Approach to Magnetic Levitationにはハルバッハ酉己歹 Ijと呼ばれる、 周期的に変化する 強度分布を有する磁場を発生する永久磁石の配列と、 短絡コイルを進行方向に多数重 ねて構成した積層コイルからなるインダク トラックの浮上力の発生機構が示されてい る。 しかしながら、 インダク トラックは静止状態では浮上しないため、 鉄道に応用す る場合は停車時及び低速時に車体を支持する車輪を別途設置する必要がある。
いずれの方式でも、 鉄道等に応用する場合は、 推進用のリ ニアモーターを別に設 置する必要がある。
本発明は、 このよ うな従来の磁気浮上推進装置が有していた問題を解決しよ う と するものであり、 超伝導コイルを用いず、 浮上量の動的制御も行わず、 また進行方向 に対して静止した状態でも浮上し、 同時に推進も行える磁気浮上推進装置を実現する ことを目的とするものである。 発明の開示
浮上方向を軸とする垂直電磁石と推進方向を軸とする水平電磁石を、 それぞれ通 電時の磁極の向きを逆転させながら交互に並べて推進方向を長手方向とする主配列を 構成し、 同様の構成をとる副配列を、 主配列の個々の電磁石の外側ないし内側にコィ ルを巻きつけるよ うにして、 主配列とは配列の長手方向に電磁石 1個分ずれた位置に 設置して電磁石配列を構成し、 垂直電磁石と水平電磁石が互いの磁場を強めあう側面 を、 ィンダク トラック と同様に短絡コイルを電磁石配列の長手方向に多数重ねて構成 した積層コイルに向けて配置し、 主配列及び副配列にそれぞれ位相が 9 0度異なる交 流電源を接続する。
主配列と副配列が位相のずれた交流電流によって作る磁場は、 電磁石配列の長手 方向に、 インダク トラックを構成するハルバッハ配列が発生する磁場と同様の、 周期 的に変化する強度分布を持っており、 かつ長手方向に向かって進行するため、 本発明 の電磁石配列は、 たとえ積層コイルに対して静止していたと しても、 インダク トラッ クにおいて積層コイル上を進行するハルバッハ配列と同様の電磁的な影響を、 本発明 の積層コイルに対して及ぼす。
これにより、 本発明は浮上量の動的制御を行わず、 超伝導コイルを用いず、 静止 状態であっても上記の電磁石配列と積層コイルの間に浮上力を生じ、 別に推進装置を 設けなくても電磁石配列長手方向の推進力が生じる。
図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の実施形態を示す図であり、 第 2図は、 本発明を構成する電磁 石配列への電気配線を示す図であり、 第 3図は電磁石配列を構成する主配列と、 仮に 直流電源を接続した際に主配列が発生する磁場の強度分布を示すものであり、 第 4図 は電磁石配列を構成する副配列を示すものであり、 第 5図は交流電源を接続した電磁 石配列が積層コイル側に作る磁場の、 浮上方向を N極と した場合の強度分布の時間変 化を示すものである。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために、 添付の図面に従ってこれを説明する。
第 1図に示すよ うに、 浮上方向 1 を軸とする垂直電磁石 2の内側または外側に、 浮上方向 1に対して直角をなす推進方向 3を軸とする水平電磁石 4を重ねたものを推 進方向 3に任意の個数並べて、 推進方向 3を長手方向とする電磁石配列 5を構成する。 また、 ィンダク トラック と同様に短絡コイル 6を互いに絶縁した状態で推進方向 3に 多数積み重ねて積層コイル 7を構成し、 電磁石配列 5の、 垂直電磁石 2 と水平電磁石 4が互いの磁場を強めあう側面に沿って設置する。
第 2図に示すよ うに、 電磁石配列 5の垂直電磁石 2 と水平電磁石 4は、 どちらも 2個おきに卷線方向ないし通電する電流の向きを逆転させることによって、 その磁極 の向きを逆転している。 また磁極の向きが逆転する位置は、 垂直電磁石 2 と水平電磁 石 4で、 推進方向 3に電磁石 1個分ずれている。
電磁石配列 5を構成する水平電磁石 4 と垂直電磁石 2のうち、 それぞれ磁極の向 きを逆転させながら交互に並べたものを一組と して、 交流電源 8からの配線 9を接続 する。 残りの電磁石も同様に一組と して、 交流電源 1 0からの配線 1 1を接続する。
第 3図に示すよ うに、 配線 9を接続した電磁石の組を主配列 1 2 とする。 仮に、 配線 9に直流電源 1 3を接続した場合に主配列 1 2が外部に作る磁場は、 第 3図の 1 4 と 1 5に示すような、 垂直電磁石 2を挟んで対向したものとなる。 このうち、 積層 コイル 7側の磁場 1 4は、 主配列 1 2内で隣接する電磁石により強化されており、 積 層コイル 7 とは反対側の磁場 1 5は逆に弱められている。 そのため、 第 3図に示すよ うに、 電磁石配列 5が積層コイル 7側に作る磁場 1 4の、 推進方向 3を N極と した場 合の磁場強度 1 6は、 水平電磁石 4ないし垂直電磁石 2の 4個分の長さを 1周期とす る正弦波状の分布 1 7 となり、 浮上方向 1の磁場強度 1 8は、 これとは位相が推進方 向 3に 9 0度ずれた正弦波状の分布 1 9 となる。
第 4図に示すように、配線 1 1を接続した電磁石の組を副配列 2 0 とする。仮に、 配線 1 1に直流電源 1 3を接続した場合に副配列 2 0が外部につく る磁場は、 主配列 1 2の場合と同様の強度分布を持つ。 ただし、 副配列 2 0の磁場の分布は、 主配列 1 2から推進方向 3に水平電磁石 4ないし垂直電磁石 2の 1個分の長さだけずれている。
ここで、 交流電源 8 と交流電源 1 0から、 同じ電流値で位相が 9 0度異なる交流 電流を流す。 この電流により、 主配列 1 2が積層コイル 7側に発生させる磁場の、 浮 上方向 1を N極と した場合の強度分布 1 9は、 第 5図の 2 1から 2 2、 2 3、 2 4、 2 5の順に周期的に変化する。
また、 副配列 2 0が積層コイル 7側に発生させる磁場の、 浮上方向 1を N極と し た場合の強度分布は、 第 5図の 2 6から 2 7、 2 8、 2 9、 3 0の順に周期的に変化 する。
この 2つの磁場は、 発生位置が推進方向 3に水平電磁石 4ないし垂直電磁石 2の 1個分の長さだけずれており、 時間変化が交流電流の 4分の 1周期分ずれているため、 2つの磁場の合成により作られる磁場の浮上方向 1を N極と した場合の強度分布は、 第 5図の 3 1から 3 2、 3 3、 3 4、 3 5の順に推進方向 3に進行する。 同様に推進 方向 3を N極と した場合の磁場の強度分布も推進方向 3に進行する。
これにより、 電磁石配列 5は、 たとえ積層コイル 7に対して静止していたと して も、 インダク トラックにおいて積層コイル上を進行するハルバッハ配列と同様の電磁 的な影響を、 本発明の積層コイル 7に対して及ぼすことができる。
その結果、 積層コイル 7を構成する任意の短絡コイル 6の電磁石配列 5に面した 部分を、 浮上方向 1 を向いた磁束と推進方向 3を向いた磁束が交互に横切る。 この時 の磁束の向きは、 磁場の進行方向を 3時、 浮上方向 1 を 1 2時と した場合、 時計回り となる。 浮上方向 1 を向いた磁束が短絡コイル 6の電磁石配列 5に面した部分を横切 る際、 フレミ ングの右手の法則に従って短絡コイル 6に電流が流れる。 この電流が浮 上方向 1を向いた磁束からフレミングの左手の法則に従う力を受けることにより、 積 層コイル 7には磁場の進行方向に力が働き、 その反作用と して電磁石配列 5には磁場 の進行方向とは逆の力が働く。 本発明の磁気浮上推進装置はこの力を推進力と してい る。 また、 電磁石配列 5が作る磁場の進行速度が十分速ければ、 浮上方向 1 を向いた 磁束が短絡コイル 6に発生させた電流がまだ持続している間に推進方向 3を向いた磁 束が短絡コイル 6の電磁石配列 5に面した部分を横切り、 短絡コイル 6の電流は推進 方向 3を向いた磁束からフレミングの左手の法則に従う力を受ける。 これにより、 積 層コイル 7には電磁石配列 5 とは浮上方向 1に反発する力が働き、 その反作用と して 電磁石配列 5には積層コイル 7からの反発力が働く。 本発明の磁気浮上推進装置はこ の反発力を浮上力と している。
産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかる磁気浮上推進装置は、 磁気浮上式鉄道の浮上及び 推進手段と して有用である。
また、 本発明にかかる磁気浮上推進装置は、 摩擦の低減による位置決め精度の向 上のため、 案内を非接触と している超精密位置決めステージの浮上案内にも有用であ る。 特に真空環境下にて超精密位置決めステージが必要とされる場合、 本発明にかか る磁気浮上推進装置をステージの案内に用いれば、 従来真空環境下で用いられてきた、 差動排気シール付空気静圧案内よ り も真空を汚染しにくい浮上案内が実現可能である。

Claims

請求の範囲
1. 浮上方向を軸とする垂直電磁石と推進方向を軸とする水平電磁石を、それぞれ通電 時の磁極の向きを逆転させながら交互に並べて推進方向を長手方向とする主配列 を構成し、 同様の構成をとる副配列を、 主配列の個々の電磁石の外側ないし内側に コイルを卷きつけるようにして、主配列とは配列の長手方向に電磁石 1個分ずれた 位置に設置して構成した電磁石配列に対して、主配列及び副配列にそれぞれ位相が
9 0度異なる交流電流を流すことにより、配列の長手方向に周期的に変化する強度 分布を有し、 長手方向に任意の速度で進行する磁場が、 電磁石配列中の垂直電磁石 と水平電磁石が互いの磁場を強めあう側面に発生し、 その磁場が、 短絡コイルを電 磁石配列の長手方向に多数重ねて構築した積層コイルに誘導起電力を生じ、その結 果、 電磁石配列と積層コイルの間に、 両者が静止状態であっても電磁的相互作用に 起因する浮上力を発生することを特徴とする磁気浮上推進装置。
2. 前記の電磁石配列が発生する磁場の進行により、 積層コイルに誘導起電力を生じ、 その結果電磁石配列と積層コイルの間に電磁的相互作用に起因する推進力を発生 することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の磁気浮上推進装置。
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