明細書 :超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置

発行国

日本国特許庁(JP)

公報種別

特許公報(B2)

特許番号

特許第4772492号 (P4772492)

公開番号

特開2007-174749 (P2007-174749A)

登録日

平成23年7月1日(2011.7.1)

発行日

平成23年9月14日(2011.9.14)

公開日

平成19年7月5日(2007.7.5)

発明の名称または考案の名称

超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置

国際特許分類

H02N 15/04 (2006.01)

ＦＩ

H02N 15/04

請求項の数または発明の数

全頁数

出願番号

特願2005-365774 (P2005-365774)

出願日

平成17年12月20日(2005.12.20)

審査請求日

平成20年4月3日(2008.4.3)

特許権者または実用新案権者

【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

発明者または考案者

【氏名】清野寛
【氏名】長嶋賢

個別代理人の代理人

【識別番号】100089635、【弁理士】、【氏名又は名称】清水守
【識別番号】100096426、【弁理士】、【氏名又は名称】川合誠

審査官

【審査官】杉浦貴之

参考文献・文献

特開２００３－２１９５８１（ＪＰ，Ａ）
実開平０５－０７６０６２（ＪＰ，Ｕ）
特開平０７－０２７１３６（ＪＰ，Ａ）
特開平０８－０８５６２５（ＪＰ，Ａ）
特開平０４－２６６０７７（ＪＰ，Ａ）
特開平０１－２０２１８３（ＪＰ，Ａ）
特開平０２－２３７４８５（ＪＰ，Ａ）
特開２００３－００７５２５（ＪＰ，Ａ）
特開平０７－２１３０８２（ＪＰ，Ａ）
特開２０００－０７７２２５（ＪＰ，Ａ）
特開２００３－２８９００４（ＪＰ，Ａ）

調査した分野

Ｈ０２Ｎ１５／０４

特許請求の範囲

【請求項1】
（ａ）超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、
（ｂ）該クライオスタット（１）の上方に配置される支持物（６）を有する第１の反磁性体（５）と、
（ｃ）路盤（９）上に配置される位置調整装置（１２）を介して支持体（１３）により支持される第２の反磁性体（１１）とを備え、
（ｄ）前記第２の反磁性体（１１）を前記第１の反磁性体（５）と前記超電導コイル（２）の長手方向の中心線上で対向させて、前記第１の反磁性体（５）により前記超電導コイル（２）に作用する付加荷重（１０）と対向する付加荷重（１４）を作用させるように構成し、前記上下方向断熱荷重支持材（４）に作用する荷重を相殺させることを特徴とする超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置。
【請求項2】
（ａ）超電導コイル（２２）を周方向断熱荷重支持材（２３）と上下方向断熱荷重支持材（２４）で支持したクライオスタット（２１）と、
（ｂ）該クライオスタット（２１）の下方に配置される支持物（２６）を有する第１の強磁性体（２５）と、
（ｃ）前記クライオスタット（２１）の上方に位置調整装置（３３）と固定部材（３４）を介して吊り下げられる第２の強磁性体（３１）とを備え、
（ｄ）前記第２の強磁性体（３１）を下方に配置される前記第１の強磁性体（２５）と前記超電導コイル（２２）の長手方向の中心線上で対向させて、前記第１の強磁性体（２５）により前記超電導コイル（２２）に作用する付加荷重（３０）と対向する付加荷重（３５）を作用させるように構成し、前記上下方向断熱荷重支持材（２４）に作用する荷重を相殺させることを特徴とする超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置。

発明の詳細な説明

【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電磁力を利用した支持装置やベアリングは非接触であることから高速回転させても損失が少ないという利点がある。
そのような電磁力を利用した支持装置においては、従来から永久磁石が使用されてきたが、それに使用する永久磁石の発する磁束密度には限界があることから載荷力に限界があった。
【0003】
そこで、重載荷力を増やす一つの方法として、バルク（固まり状態）の超電導物質の反磁性効果と永久磁石の間に働く電磁力を利用する方法が考えられている。例えば、国内ではＮＥＤＯの開発（非特許文献１参照）、アメリカではアルゴンヌ研究所（非特許文献２参照）の例がある。
また、より大きな載荷力を得られるものとして、超電導コイルとバルク超電導物質の相互作用力を利用したものも考えられている（特許文献１参照）。

【特許文献1】特開２００３－２１９５８１号公報
【非特許文献1】新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フライホイール電力貯蔵要超電導磁気軸受け技術研究開発」
【非特許文献2】Ｔ．Ｍ．Ｍｕｌｃａｈｙｅｔａｌ．：ＩＥＥＥＴｒａｎ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｉｔｙ，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１（２００１），ｐｐ．１７２９－１７３２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記したような電磁力支持装置において、従来の超電導磁石をそのまま使用して大きな荷重を保持させようとすると、クライオスタット内で超電導コイルを断熱支持している断熱荷重支持材に大きな荷重がかかってしまう。
以下、従来の超電導磁石を用いた電磁力支持装置について詳細に説明する。
図５は従来の反磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。
【0005】
この図において、１０１はクライオスタット、１０２は超電導コイル、１０３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、１０４は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材、１０５は上方に配置され支持物１０６を有する反磁性体、１０７は超電導コイルと反磁性体間の電磁気的な相互作用によって生じる磁気ばね、１０８は路盤１０９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台、１１０は超電導コイルに作用する付加荷重、１１１は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材１０４に作用する付加荷重、１１２は架台１０８の脚部に作用する付加荷重、１１３は路盤１０９に作用する付加荷重であり、この付加荷重１１３に対して反力１１４と力の釣合いがとれることになる。
【0006】
図６は従来の強磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。
この図において、２０１はクライオスタット、２０２は超電導コイル、２０３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、２０４は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材、２０５は下方に配置され支持物２０６を有する強磁性体、２０７は超電導コイルと強磁性体間の電磁気的な相互作用によって生じる磁気ばね、２０８は路盤２０９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台、２１０は超電導コイルに作用する付加荷重、２１１は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材２０４に作用する付加荷重、２１２は架台２０８の脚部に作用する付加荷重、２１３は路盤２０９に作用する付加荷重であり、この付加荷重２１３に対して反力２１４と力の釣合いがとられることになる。
【0007】
上記したように、これらの電磁力支持装置は、反磁性体１０５と超電導コイル１０２の反発力、または強磁性体２０５と超電導コイル２０２の吸引力を利用して支持物１０６，２０６を支持する。その際に、従来の超電導コイル１０２，２０２では、超電導コイル１０２，２０２に加わる電磁力を上下方向断熱荷重支持材１０４，２０４でクライオスタット１０１，２０１に伝えて、それを架台１０８，２０８等を介して路盤１０９，２０９等に固定する。
【0008】
なお、ここでは、断熱支持材を上下、左右に分けて説明しているが、一つもしくは一組の部品で上下、左右の荷重支持を担う場合でも機能上は上下、左右の各断熱荷重支持材であり、上記説明と同じである。
かかる従来の電磁力支持装置の構造では、以下の問題が生じる。
（１）断熱荷重支持材を介して荷重を伝達するため、断熱荷重支持材の高荷重化が必要である。
【0009】
（２）断熱荷重支持材の高荷重化に伴い、超電導コイルへの熱侵入が増大する。
（３）冷凍負荷が増大することにより、冷凍機の大型・高容量化が必要となる。
本発明は、上記状況に鑑みて、断熱荷重支持材への荷重および超電導コイルへの熱侵入を低減し、冷凍機の小型化、小容量化を図ることができる超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置において、超電導コイル（２）を周方向断熱荷重支持材（３）と上下方向断熱荷重支持材（４）で支持したクライオスタット（１）と、このクライオスタット（１）の上方に配置される支持物（６）を有する第１の反磁性体（５）と、路盤（９）上に配置される位置調整装置（１２）を介して支持体（１３）により支持される第２の反磁性体（１１）とを備え、前記第２の反磁性体（１１）を前記第１の反磁性体（５）と前記超電導コイル（２）の長手方向の中心線上で対向させて、前記第１の反磁性体（５）により前記超電導コイル（２）に作用する付加荷重（１０）と対向する付加荷重（１４）を作用させるように構成し、前記上下方向断熱荷重支持材（４）に作用する荷重を相殺させることを特徴とする。
【0011】
〔２〕超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置において、超電導コイル（２２）を周方向断熱荷重支持材（２３）と上下方向断熱荷重支持材（２４）で支持したクライオスタット（２１）と、このクライオスタット（２１）の下方に配置される支持物（２６）を有する第１の強磁性体（２５）と、前記クライオスタット（２１）の上方に位置調整装置（３３）と固定部材（３４）を介して吊り下げられる第２の強磁性体（３１）とを備え、前記第２の強磁性体（３１）を下方に配置される前記第１の強磁性体（２５）と前記超電導コイルの長手方向の中心線上で対向させて、前記第１の強磁性体（２５）により前記超電導コイル（２２）に作用する付加荷重（３０）と対向する付加荷重（３５）を作用させるように構成し、前記上下方向断熱荷重支持材（２４）に作用する荷重を相殺させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）超電導コイルには荷重が付加されるが、断熱荷重支持材には荷重が付加されないようにすることができる。
（２）断熱荷重支持材の荷重条件が緩和されるので、コイルへの熱侵入を抑制することができる。
【0013】
（３）冷凍負荷を抑制できるので、冷凍機の小型・小容量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置は、超電導コイル２を周方向断熱荷重支持材３と上下方向断熱荷重支持材４で支持したクライオスタット１と、このクライオスタット１の上方に配置される支持物６を有する第１の反磁性体５と、路盤９上に配置される位置調整装置１２を介して支持体１３により支持される第２の反磁性体１１とを備え、前記第２の反磁性体１１を前記第１の反磁性体５と前記超電導コイル２の長手方向の中心線上で対向させて、前記第１の反磁性体５により前記超電導コイル２に作用する付加荷重１０と対向する付加荷重１４を作用させるように構成し、前記上下方向断熱荷重支持材４に作用する荷重を相殺させる。
【実施例】
【0015】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す反磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
この図において、１はクライオスタット、２は超電導コイル、３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、４は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材、５は上方に配置される支持物６を有する第１の反磁性体、７は超電導コイル２と第１の反磁性体５間の電磁的な相互作用によって生じる磁気ばね、８は路盤９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台であり、１０は第１の反磁性体５により超電導コイル２に作用する付加荷重である。
【0016】
本実施例では、さらに、下方に第２の反磁性体１１を配置する。つまり、位置調整装置１２を介して支持体１３により第２の反磁性体１１を、上方に配置される第１の反磁性体５と超電導コイル２の長手方向の中心線上で対向させて、第１の反磁性体５により超電導コイル２に作用する付加荷重１０に対向する付加荷重１４を作用させるように構成する。なお、本実施例では、クライオスタット１の下に配置したロードセル１５で上下方向断熱荷重支持材４への付加荷重をモニタして位置調整装置１２で第２の反磁性体１１の高さを調整して付加荷重１４と付加荷重１０の絶対値を合わせている。
【0017】
このように、超電導コイル２に作用する付加荷重１０と付加荷重１４が同じ値で対向しているために、従来は、超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材４に作用していた付加荷重１０と付加荷重１４が相殺されて、支持物６を支えるための新たな付加荷重が断熱荷重支持材にかからなくなる。
したがって、断熱荷重支持材への荷重を低減することができ、断熱荷重支持材の構造体を小型化することができるため、超電導コイルへの熱侵入を低減することができる。よって、冷凍負荷が低減されることにより、冷凍機の小型化・小容量化を達成することができる。
【0018】
図２は本発明の第２実施例を示す強磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
この図において、２１はクライオスタット、２２は超電導コイル、２３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、２４は超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材、２５は下方に配置される支持物２６を有する第１の強磁性体、２７は超電導コイル２２と第１の強磁性体２５間の磁気ばね、２８は路盤２９上に配置され、上記した電磁力支持装置を支持する架台、３０は第１の強磁性体２５により超電導コイル２２に作用する付加荷重である。
【0019】
本実施例では、さらに、上方に第２の強磁性体３１を配置する。つまり、この第２の強磁性体３１は支持筐体３２に固定される位置調整装置３３と固定部材３４を介して吊り下げられ、下方に配置される第１の強磁性体２５と超電導コイル２２の長手方向の中心線上で対向させて、第１の強磁性体２５により超電導コイル２２に作用する付加荷重３０に対向する付加荷重３５を作用させるように構成する。なお、本実施例では、クライオスタット２１の下に配置したロードセル３６で上下方向断熱荷重支持材２４への付加荷重をモニタして位置調整装置３３で第２の強磁性体３１の高さを調整して付加荷重３５と付加荷重３０の絶対値を合わせている。
【0020】
このように、超電導コイル２２に作用する付加荷重３０と付加荷重３５が同じ値で対向しているために、従来は、超電導コイル２２の上下方向断熱荷重支持材２４に作用していた付加荷重３０と付加荷重３５が相殺されて、支持物２６を支えるための新たな付加荷重が断熱荷重支持材にかからなくなる。
したがって、断熱荷重支持材への荷重を低減することができ、断熱荷重支持材の構造体を小型化することができるため、超電導コイルへの熱侵入を低減することができる。よって、冷凍負荷が低減されることにより、冷凍機の小型化・小容量化を達成することができる。
【0021】
本発明を適用することで、超電導コイルに加わる大きな力は、断熱荷重支持材に付加されなくなる。
図３は本発明の参考例を示す強磁性体と超電導コイルの吸引力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
この図において、４１はクライオスタット、４２は超電導コイル、４３は超電導コイルの周方向断熱荷重支持材、４４は上方に配置される強磁性体であり、この強磁性体４４は支持筐体４５に固定される位置調整装置４６と固定部材４７を介して吊り下げられる。４８は超電導コイル４２と強磁性体４４間の電磁的な相互作用によって生じる磁気ばねである。なお、５１は架台、５２は路盤である。
【0022】
この参考例では、強磁性体４４により、超電導コイル４２には上方に引き上げられる付加荷重４９が作用するので、本来は必要であった上下方向断熱荷重支持材をなくすことができる。その代わりに変位ストッパー５０を超電導コイル４２の上下方向のクライオスタット４１の容器に配置するようにしている。
このように、超電導コイル４２と強磁性体４４の吸引力を利用して超電導コイル部を浮上させて非接触支持するようにして超電導コイル部分への熱侵入を低減することができる。
【0023】
なお、超電導コイルを使用するためには４Ｋまで冷却しなければならない。この４Ｋを維持していくためにクライオスタット外部から極力熱侵入を低減する必要がある。通常、断熱荷重支持材からの熱伝導と輻射熱が熱侵入になるが、コイルを非接触で支持した場合、熱侵入は輻射のみとなり大幅に低減することができる。これにより冷凍機の小型・小容量化および冷媒の供給時間の大幅な延長が可能となる。
【0024】
図４は本発明の参考例にかかる強磁性体と超電導コイルの吸引力を利用した電磁力支持装置の鉄片の磁気吸引力を測定した結果の一例である。ここで、横軸はクライオ表面からのＺ寸法、縦軸は磁気吸引加速度（Ｇ）であり、超電導磁石は０．５Ｔ（◆）、１．０Ｔ（■）、２．０Ｔ（▲）、１．５Ｔ（●）について表示されている。Ｔはテスラを示している。
【0025】
図４から明らかなように、超電導コイル中心からの距離が近い場合、吸引力は位置の指数関数的に急上昇するが、十分な距離が保てれば、吸引力と位置の関係は一次関数的になっているため、鉄片の位置を調整することで十分吸引力を制御することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0026】
本発明の超電導磁石装置を用いた電磁力支持装置は、各種の支持物を磁気浮上させるための装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の第１実施例を示す反磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
【図2】本発明の第２実施例を示す強磁性体と超電導コイルの反発力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
【図3】本発明の参考例を示す強磁性体と超電導コイルの吸引力を利用した電磁力支持装置の模式図である。
【図4】本発明の参考例にかかる強磁性体と超電導コイルの吸引力を利用した電磁力支持装置の鉄片の磁気吸引力を測定した結果の一例を示す図である。
【図5】従来の反磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。
【図6】従来の強磁性体と超電導コイルの反発力利用の電磁力支持装置の模式図である。
【符号の説明】
【0028】
１，２１，４１クライオスタット
２，２２，４２超電導コイル
３，２３，４３超電導コイルの周方向断熱荷重支持材
４，２４超電導コイルの上下方向断熱荷重支持材
５第１の反磁性体
６，２６支持物
７超電導コイルと反磁性体間の磁気ばね
８，２８，５１架台
９，２９，５２路盤
１０，１４，３０，３５，４９付加荷重
１１第２の反磁性体
１２，３３，４６位置調整装置
１３支持体
１５，３６ロードセル
２５，３１，４４強磁性体
２７，４８超電導コイルと強磁性体間の磁気ばね
３２，４５支持筐体
３４，４７固定部材
５０変位ストッパー

図面

【図1】	【図2】
【図3】	【図4】
【図5】	【図6】