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【発明の名称】 磁気浮上式移動体システム及びそのコイル配置構造
【発明者】 【氏名】村井 敏昭

【氏名】吉岡 博

【氏名】岩松 勝

【氏名】藤本 健

【氏名】笹川 卓
【要約】 【課題】磁気浮上式移動体システムにおいて、車両を推進・浮上案内させるための８字型コイルの加振力による超電導磁石の振動を小さくしながら、かつ良好な推進・浮上・案内性能を得る。

【解決手段】超電導磁石の振動を低減するためには、加振力周波数と発生する振動モードとが一致しないようなコイルピッチを選択すればよい。超電導磁石の電気角３６０度に対してコイルを４個設ける９０ピッチでは、隣接コイルの加振力が同位相となり、超電導磁石全体の振動モードを引き起こす共振周波数が大きくなる一方、その加振周波数は小さい。従って、超電導磁石振動に対するコイルピッチとしては９０度ピッチが有利である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数のコイルが配列されると共に、このコイルと対向して複数の磁石が配置された移動体を有し、各コイルに所定の位相差を以って電流を通じることにより移動体を浮上させると共に、浮上した移動体をコイルの配列方向に移動させるようにした磁気浮上式移動体システムにおいて、一対の磁石が作るＮ極とＳ極の間を３６０度とするとき各コイルを略９０度ピッチで配置したことを特徴とする磁気浮上式移動体システム。
【請求項２】 前記磁石は、低温容器に収納された超電導コイルからなる超電導磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上式移動体システム。
【請求項３】 前記コイルは、８字型コイルであることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気浮上移動体システム。
【請求項４】 前記８字型コイルは上下非対称に形成されていることを特徴とする請求項３記載の磁気浮上式移動体システム。
【請求項５】 前記８字型コイルは、下側コイルの高さが大きく形成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気浮上式移動体システム。
【請求項６】 前記コイルは、電源に接続されない磁気浮上用のコイル及び／又は電源に接続されて電流を通じる推進用のコイルとからなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の磁気浮上式移動体システム。
【請求項７】 複数のコイルが配列されると共に、このコイルと対向して複数の磁石が配置された移動体を有し、各コイルに所定の位相差を以って電流を通じることにより移動体を浮上させると共に、浮上した移動体をコイルの配列方向に移動させるようにした磁気浮上式移動体システムにおける前記コイルの配置構造であって、一対の磁石が作るＮ極とＳ極の間を３６０度とするとき各コイルを略９０度ピッチで配置したことを特徴とする磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造。
【請求項８】 前記磁石は、低温容器に収納された超電導コイルからなる超電導磁石であることを特徴とする請求項７記載の磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造。
【請求項９】 前記コイルは、８字型コイルであることを特徴とする請求項７又は８記載の磁気浮上移動体システムのコイル配置構造。
【請求項１０】 前記８字型コイルは上下非対称に形成されていることを特徴とする請求項９記載の磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造。
【請求項１１】 前記８字型コイルは、下側コイルの高さが大きく形成されていることを特徴とする請求項１０記載の磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造。
【請求項１２】 前記コイルは、電源に接続されない磁気浮上用のコイル及び／又は電源に接続されて電流を通じる推進用のコイルとからなることを特徴とする請求項７〜１１の何れか１項に記載の磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気浮上方式により車両等の移動体を走行させる磁気浮上式移動体システム及びこのシステムで用いられるコイルの配置構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般にリニアモータカーとして知られる磁気浮上方式による鉄道システムにおいては、超電導磁石を車両の側面に取り付けると共に、車両のガイドウェイの側壁に超電導磁石と所定の空隙を介して多数のコイルを車両の進行方向に配列している。超電導磁石は、複数の超電導コイルが冷却液と共に低温容器に収納されてなるものが用いられる。
【０００３】コイルとしては、車両の推進用コイルと浮上・案内用コイルとが上記側壁に重ねて設けられ、推進用コイルは駆動電源に接続され、浮上・案内用コイルは電源には接続されていない。この浮上・案内用コイルとしては８字型コイルが用いられている。また、最近では８字型コイルを電源に接続して１つのコイルで推進機能と浮上・案内機能を兼用できる推進・浮上・案内兼用コイルが提案されている。
【０００４】図６は上記推進・浮上・案内兼用コイルとしての８字型コイル１０と超電導磁石２０との配置関係を示すものである。この図では、一対の超電導磁石２０が作るＮ極とＳ極との間を電気角で３６０度とするとき、この３６０度に対して３個の８字型コイル１０を配置することで、コイルピッチを１２０度とした場合を示している。図６において、ガイドウェイの左右側壁には多数の８字型コイルが１２０度ピッチで配され、各コイルはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相駆動電源に接続されている。左右側壁で対向する２つの８字型コイル１０はヌルフラックス線３０を介して接続され、ループが形成されている。
【０００５】上記構成によれば、各相の８字型コイル１０に１２０度位相の異なる電流を通じることにより、超電導磁石２０との間で電磁力による推進力が働いて車両が走行すると共に、車両、即ち、超電導磁石が下側に偏ると、対応する８字型コイルに電流が誘起されて、８字型コイルの下側コイルには反発力が、上側コイルには吸引力がはたらくことにより、車両は浮上するとともに、車両即ち超電導磁石が左右どちらかに偏ると、対応するコイルのループに電流が誘起されて、車両が近づいた方のコイルには反発力が、車両が離れた方のコイルには吸引力が働くことにより、車両はガイドウェイの中央を走行することになる。
【０００６】図７（ａ）〜（ｄ）は上記コイルピッチをそれぞれ６０度、７２度、９０度、１２０度とした場合の超電導磁石２０と８字型コイル１０との関係を示す。図において、４０は超電導磁石２０を左右の側面に取り付けた車両を示すもので、この図は車両４０を上から見た場合を示している。尚、図示では８字型コイル１０及び超電導磁石２０は、矢印で示す進行方向に対して左側のみに図示されているが、８字型コイル１０及び超電導磁石２０は右側にも同様に設けられているものとする。図示のように、超電導磁石２０のＮ・Ｓ磁極間の３６０度に対して、６０度ピッチの場合は、８字型コイル１０は６個設けられ、７２度ピッチの場合は、８字型コイル１０は５個設けられ、９０度ピッチの場合は、８字型コイル１０は４個設けられ、１２０度ピッチの場合は、８字型コイル１０は３個設けられている（図６と同じ）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように推進・浮上・案内兼用コイルの推進・浮上・案内機能により車両を浮上させて走行させる場合、コイルにより定常的な浮上力が発生するが、これと共に車両の走行に伴って各コイル間の間隙や超電導磁石間の間隙により脈動が発生する。この脈動により超電導コイルを収納した低温容器が加振され、このため、超電導コイル及び低温容器が歪んで、場合によっては超電導状態の消失、超電導磁石の破壊に繋がる等の問題があった。また、この超電導磁石は車両重量等の関係で強固なものを製作することが困難であった。また、従来では、コイルピッチを主として１２０度、６０度とした場合について推進・浮上・案内の各性能の最適化についての研究がなされて来たが、上記のような超電導磁石の振動についての問題をコイルピッチと関連させて考える研究は未だ不十分であった。
【０００８】本発明は、上記の実状に鑑みなされたもので、磁気浮上式移動体システムにおいて、超電導磁石の振動を小さくしながら、かつ良好な推進・浮上・案内性能を得るようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明による磁気浮上式移動体システムは、複数のコイルが配列されると共に、このコイルと対向して複数の磁石が配置された移動体を有し、各コイルに所定の位相差を以って電流を通じることにより移動体を浮上させると共に、浮上した移動体をコイルの配列方向に移動させるようにした磁気浮上式移動体システムにおいて、一対の磁石が作るＮ極とＳ極の間を３６０度とするとき各コイルを略９０度ピッチで配置したことを特徴とするものである。
【００１０】また、本発明による磁気浮上式移動体システムのコイル配置構造は、複数のコイルが配列されると共に、このコイルと対向して複数の磁石が配置された移動体を有し、各コイルに所定の位相差を以って電流を通じることにより移動体を浮上させると共に、浮上した移動体をコイルの配列方向に移動させるようにした磁気浮上式移動体システムにおける前記コイルの配置構造であって、一対の磁石が作るＮ極とＳ極の間を３６０度とするとき各コイルを略９０度ピッチで配置したことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】従って、本発明によれば、推進コイル及び／又は浮上・案内コイル、あるいは推進・浮上・案内を兼用する推進・浮上・案内兼用コイル等の８字型コイルのコイルピッチを加振周波数と発生する振動モードとが一致しない９０度とすることにより、超電導磁石の振動を低減しながら、かつ推進・浮上・案内の各性能を最適化することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。まず、前述した超電導磁石の振動について述べる。超電導磁石を構成する超電導コイルがｘ＝ｊτ（ｊ＝・・−１，０，１・・）の位置にあるとき、各超電導コイルに作用する電磁力Ｆij（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ）は、フーリエ級数を用いた解析手法により以下のように表される。
【００１３】
【数１】

【００１４】ここで、τは超電導コイルのピッチ、τ１は８字型コイルのピッチ、ＩL （ｍ）は８字型コイルの電流、Ｐ0i（ｍ）は超電導コイル及び８字型コイルの寸法、位置関係による関数である。また、２lνは時間調波成分の次数、ｍ′は空間調波成分を表している。これらの高調波成分は、一般に上記二種類の次数が低い方が大きいため、超電導コイルへの加振力として問題となるのは、ｍ＝１，ν＝−１及びｍ＝−１，ν＝１の成分である。また、上記式（１）は電磁力のみを示すが、モーメントに関しても略同様な式となる。
【００１５】上記式（１）から、超電導コイルへの加振力の特徴は、その振動周波数が２ｌに比例すること、隣り合うコイルの加振力が２ｌ＝奇数のとき逆位相、２ｌ＝偶数のとき同位相であることが分かる。このことを表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】表１は超電導磁石の極ピッチを１．３５ｍ、車両速度を１００〜５００ｋｍ／ｈとした場合における各コイルピッチに対する加振周波数と隣接コイルの加振力の位相を示している。
【００１８】また、超電導磁石の振動は、磁石全体の振動モードに関係する。図１は左右方向を例として、超電導磁石全体に作用する加振力及びそのときの振動モードの関係を示すものである。図１において、５０は超電導コイルを収納する低温容器であり、図示では低温容器５０を上から見た場合の加振力による左右の歪みの様子を示している。この低温容器５０には、４個の超電導コイルＣ１、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が収納固定されている。
【００１９】同図（ａ）は、次数が３次、５次の奇数次の場合における左右方向の加振力を矢印で示している。図示のように、隣り合うコイルの加振力は逆相となっており、このため、低温容器５０は大きく歪んでいる。（ｂ）は、奇数次の場合におけるヨーモーメントを示す。図示のように、隣り合うコイルで反対方向のモーメントが作用し、低温容器５０は大きな曲げピッチで歪んでいる。
【００２０】（ｃ）は、４次、６次の偶数次の場合における左右方向の加振力を矢印で示している。図示のように、隣り合うコイルの加振力は同相となっており、このため、低温容器５０は歪み難くなっている。（ｄ）は、偶数次の場合におけるヨーモーメントを示す。図示のように、隣り合うコイルで同方向のモーメントが作用し、低温容器５０は小さい曲げピッチで歪んでいる。曲げピッチが小さい場合は、そのモードにおける共振周波数が高くなっている。
【００２１】図１からコイルピッチが奇数次の場合は、２次曲げ、３次曲げ等、比較的低い周波数の振動モードが発生し易く、また、コイルピッチが偶数次の場合は、並進モードも見られるが、極ピッチ程度の波長で高い周波数の振動モードが発生し易いことが分かる。
【００２２】以上のことから、超電導磁石の振動を低減するためには、加振周波数と発生する振動モードとが一致しないようなコイルピッチを選択すれば良いことが分かる。例えば、９０度ピッチを選択した場合、９０度ピッチは偶数次であるので、高い共振周波数の振動モードを発生する加振力であるのに対してその加振周波数は低くなっている。
【００２３】図２は、各コイルピッチにおいて、加振力を用いて計算した４個の超電導コイルが低温容器に収納される超電導磁石の振動応答の計算例を示すもので、４個の超電導コイルのうち、進行方向の先頭から１番目及び３番目の超電導コイルＣ１，Ｃ３における各６点の最大振動加速度をそれらの最大値で規格化した値で示したものである。
【００２４】この図２から、超電導磁石振動は、（ａ）の１２０度ピッチが１５０Ｈｚ弱、（ｂ）の９０度ピッチが１５０Ｈｚ強、（ｃ）の７２度ピッチが２３０Ｈｚ弱、（ｂ）の６０度ピッチが３００Ｈｚ強で最大となり、その値は、１２０度＞７２度＞９０度＞６０度の順となり、隣接コイルの加振力が逆位相となる奇数次のコイルピッチにおいて大きいことが分かる。特に、１２０度ピッチの１５０Ｈｚ弱の振動は非常に大きい値である。尚、超電導磁石振動により発生する熱負荷は、超電導コイルが剛体モードの場合に小さく、弾性モードの場合に大きく、２００Ｈｚ以上の加振周波数では超電導コイルが弾性モードとなるので、その周波数成分を持つ７２度ピッチ、６０度ピッチでは、超電導磁石振動は小さくても、熱負荷が大きくなる可能性がある。以上説明したことから、超電導磁石振動に対するコイルピッチとしては９０度ピッチが最適であると考えられる。
【００２５】次に推進・浮上・案内の各性能を最適にするコイルピッチについて説明する。ここでは、上記各性能を最適化する諸元及びそのときの特性を最適化計算によるシミュレーションにより求めて比較検討することにする。まず、基本的な検討条件を次に示す。
（１）超電導コイルの諸元は一定とする。
（２）８字型コイルの単位長さ当たりの導体量を一定とする。
（３）８字型コイルは、各コイルの高さ、導体幅、導体厚さを任意とし、長さを単層配置できるものとする。
（４）実空隙を一定とする。
（５）車両を支持するための必要な浮上力が得られるものとする。
（６）浮上の安定性を確保するために必要な等価案内ばね及び等価ロールばねが得られるものとする。
（７）浮上に伴う磁気抵抗力、その他の走行抵抗及び加速余裕の和で表される必要推力が得られるものとする。
【００２６】計算に当たっては、表２に示す全体システムとコイル諸元からなる検討条件を用いる。
【００２７】
【表２】

【００２８】尚、表２の検討条件は前述した超電導磁石振動の説明においても用いられている。また、図３に示すように８字型コイル１０は、上下部分で形成されるが、上部分の高さｈ１と下部分の高さｈ２とが同じ対称コイルと、ｈ１とｈ２とが異なる非対称コイルについてそれぞれ検討するものとする。
【００２９】まず、浮上案内特性について検討する。案内系を最適化したときの例として、各コイルピッチにおいて、浮上開始速度の等価安定ばね又は等価ロールばねを最大化したときのコイル高さ及び上記各ばね定数を図４に示す。同図（ａ）は各コイルピッチにおける等価案内ばねを示し、同図（ｂ）は各コイルピッチにおける等価ロールばねを示す。尚、図４（ａ）における上下コイル（対称）のコイル高さ（同図における−〇−のプロット）は、下コイル（非対称）のコイル高さ（同図における−△−のプロット）に重なっている。尚、６０度ピッチ対称コイルは、（ｂ）に示すように等価ロールばねを大きくしたときでも、必要な等価ロールばねが得られず、表２の条件を満たす諸元が存在しなかった。
【００３０】図４から、等価案内ばね、等価ロールばねは９０度ピッチが最大であり、案内系については、９０度ピッチが最適であることが分かる。また、コイルピッチに関係なく、下コイルの高さが大きい非対称コイルが対称コイルより各性能が優れていることが分かる。特に、等価ロールばねの場合にその著しい。また、６０度ピッチでは、等価案内ばね、等価ロールばね共検討条件の限界にあり、設計の裕度が小さい。
【００３１】次に、推進特性について検討する。推進系を最適化したときの例として、各コイルピッチにおいて推力一定として巡航速度の皮相電力を最小化したときのコイル高さ及びリニアモータの効率×力率を図５（ａ）に示す。また、浮上推進系を最適化したときの例として、各コイルピッチにおいて、磁気抗力を含む推力に対して巡行速度の皮相電力を最小化したときのコイル高さ及び皮相電力を同図（ｂ）に示す。
【００３２】図５（ａ）から、リニアモータの効率×力率は、９０度ピッチが最大であり、推進系については９０度ピッチが最適であることが分かる。また、同図（ｂ）から、磁気抗力を考慮した場合の皮相電力も９０度ピッチが最小であり、浮上推進系についても９０度ピッチが最適であることが分かる。さらに、コイルピッチに関係なく、下コイルの高さが大きい非対称コイルが対称コイルより各性能が優れていることが分かる。
【００３３】以上説明したことを整理すると次の検討結果を得ることができる。
（１）超電導磁石の振動については、隣接コイルの加振力が同位相となる９０度ピッチが有利である。
（２）推進・浮上・案内の基本性能に関する最適化計算によれば、推進案内系、推進浮上系共９０度ピッチが有利である。
（３）各コイルピッチの各性能において、下コイルが大きい非対称コイルが有利である。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、磁気浮上式移動体システムにおいて、８字型コイル等の推進コイル及び／又は浮上案内コイルの超電導磁石に対するコイルピッチを略９０度としたことにより、超電導磁石の振動を小さくしながら、かつ推進・浮上・案内の各性能を最適化することができる。
【出願人】 【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【出願日】 平成１４年３月５日（２００２．３．５）
【代理人】 【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外１名）
【公開番号】 特開２００３−２５９５１０（Ｐ２００３−２５９５１０Ａ）
【公開日】 平成１５年９月１２日（２００３．９．１２）
【出願番号】 特願２００２−５９２３５（Ｐ２００２−５９２３５）