Comments
Description
Transcript
超電導磁気軸受と永久磁石磁気クラッチの電磁力解析と評価
特 集 論 文 特集：浮上式鉄道技術とその応用 超電導磁気軸受と永久磁石磁気クラッチの電磁力解析と評価 清野 寛＊ 長谷川 均＊ 池田 雅史＊＊ 長嶋 賢＊ 村上 雅人＊＊＊ Numerical Analysis and Evaluation of Electromagnetic Forces in Superconducting Magnetic Bearings and Non-contact Permanent Magnetic Clutch Hiroshi SEINO Hitoshi HASEGAWA Masashi IKEDA Ken NAGASHIMA Masato MURAKAMI The RTRI is developing a superconducting magnetic bearing and a non-contact permanent magnetic clutch applicable to the flywheel energy storage system for railways. In this paper, the electromagnetic force analyses method concerning the superconducting magnetic bearings and the permanent magnetic clutch under development are reported. In the electromagnetic force analysis, the electromagnetic force that is generated in the superconducting magnetic bearings and the non-contact permanent magnetic clutches were estimated based on the magnetic field distribution obtained by the numerical analysis. Then, the validity of the analysis was evaluated by comparing them with the outcome of an experiment. The analytical results well correspond to the outcome of the experiment. It was confirmed that this analysis method is effective for estimation of electromagnetic force of electromagnetic equipment containing the bulk superconductor, and is applicable to the designing. キーワード：エネルギ貯蔵，フライホイール，磁気軸受，超電導磁石，超電導バルク体，極低温 １．はじめに ２．電磁力解析の手法 （財） 鉄道総合技術研究所ではフライホイール蓄電装置 電磁力解析には，3 次元非線形動磁場解析ソフトウェ に適用する超電導磁気軸受の研究開発を行っている１）。 ア ELF/MAGIC を用いた。ELF/MAGIC は，マックスウ 超電導技術を適用した軸受で，軸受部分のメンテナンス エル方程式の積分形を解く積分要素法を用いており，磁 性を向上するとともに，運転効率の向上を図ることを目 気モーメント法，表面磁荷法，表面電流法，ネットワー 指している。 ク法を組み合わせて精度を向上している。メッシュ分割 本報告では， この研究開発における超電導磁気軸受と， は物質のみで空間メッシュが不要であること，磁性体の 要素技術として開発している永久磁石磁気クラッチに関 メッシュを粗く分割できること，境界条件が不要である する電磁力解析について報告する。 といった利点がある。 超電導磁気軸受はロータに超電導バルク体，ステータ に超電導コイルを適用したもので，両者を超電導化する ３．超電導磁気軸受の電磁力解析と評価 ことで荷重容量の大きな超電導磁気軸受ができる２）。ま た，永久磁石磁気クラッチは，クライオスタット内に配 3. 1 試験用超電導磁気軸受 置したフライホイールと外部の電動・発電機とのエネル 本研究では，超電導磁気軸受の実用性を確認するため ギ授受を行う要素部品であり，クライオスタット容器を に，実用に供す規模の荷重支持能力を有する試験用超電 介して非接触でトルクを伝達するものである３）。 導軸受を開発した。研究開発の第一段階では，液体窒素 電磁力解析では，磁界分布を解析から求めて，発生電 冷却した超電導バルク体を回転体側に配置し，固定側に 磁力を予測した。また，それらを実験結果と比較するこ 超電導磁石を配置する構成を採用し，これをスラスト軸 とで，解析の妥当性を評価した。そのうえで，磁気軸受 受に適用した。超電導磁石のコイル巻線には，臨界温度 およびクラッチの応用形態を解析により検討し，その電 10K の Nb-Ti 超電導体を使用している。静荷重で 10kN 磁力特性を予測した。 の荷重容量を確認した後， 5kN のスラスト荷重負荷で ＊ 浮上式鉄道技術研究部（低温システム） ＊＊ 芝浦工業大学大学院 ＊＊＊ 芝浦工業大学 RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010 3000rpm までの回転試験を実施している。引き続き，ス ラスト荷重を実用的なレベルである 20kN まで引き上げ ることを目標として，開発を継続している。この試験用 29 特集：浮上式鉄道技術とその応用 ⩄㊀ ࿁ォ⹜㛎↪䊂䊠䊪䊷 表２ 超電導バルク体形状一覧 ࿁ォゲ 㔚ዉ䊋䊦䉪 䋨㱢60 䋨㱢 60㬍t20 t20䋩 ᶧ⓸⚛ᢿᾲ಄ኈེ 䊨䊷䉺㪔࿁ォゲ 䊨䊷䉺 ࿁ォゲ 20 500 㔚ዉ䉮䉟䊦 㩿㪥㪹㪄㪫㫀Ꮞ✢ 㩿㪥㪹㪄㪫㫀 Ꮞ✢㪀 ディスク形状 リング形状 高荷重化対応 （ディスク＆リング） 㱢120 120 㔚ዉ⏛⍹ 㩿䉴䊁䊷䉺 䉴䊁䊷䉺㪔࿕ቯ䋩 ࿕ቯ䋩 超電導バルク体 応力評価面 外直径 内直径 厚み 外直径 内直径 厚み （mm ） （mm）（mm）（mm） （mm）（mm） 対象モデル 60 60 - 40 40 66 66 - 20 18 44 44 80 (30) 40 88 (18) 44 ※高荷重化対応（）内数字はリング形状のもの 㱢600 600 㱢㪍㪍 න㩷㫄㫄㪀 㩷㫄㫄㪀 㩿න 㪋㪋 図１ 試験用超電導磁気軸受 ⓨ㑆⏛᧤⹏ଔⷐ⚛ ⓨ㑆⏛᧤⹏ଔⷐ⚛ 䊙䉾䉪䉴䉡䉢䊦ᔕജ⹏ଔ㕙 㔚ዉ䊋䊦䉪 㱢㪍㪇 㪍㪇 㫑 㔚ዉ䉮䉟䊦䋨䋩 㪋㪇 㫐 㫏 ⓨ㑆⏛᧤⹏ଔⷐ⚛ 䋨න㩷㫄㫄䋩 䋨න㩷㫄㫄 㔚ዉ䊋䊦䉪 図３ 解析モデル例（ディスク形状） 㔚ዉ䊋䊦䉪 䋨㪫䋩 㪍㪅㪇㩷 㔚ዉ䉮䉟䊦䋨ਅ䋩 㪌㪅㪌㩷 㪌㪅㪇㩷 䉮䉟䊦 㪋㪅㪌㩷 㪋㪅㪇㩷 図２ 解析モデル例 㪊㪅㪌㩷 表１ モデル要素一覧 モデリング対象 超電導コイル 超電導バルク体 応力評価面 空間磁場評価 㪊㪅㪇㩷 㔚ዉ䊋䊦䉪 要素種別 電流要素 ループ電流要素 マクスウェル応力評価要素 空間磁場評価要素 㪉㪅㪇㩷 㪈㪅㪌㩷 㪈㪅㪇㩷 図 1 に試験用超電導磁気軸受の模式図を示す。超電導 バルク体は，上下に配置した超電導コイルの中心位置よ 㪇㪅㪌㩷 㫑 㫐 超電導磁気軸受に関する電磁力解析について報告する。 㪉㪅㪌㩷 ਅ䉮䉟䊦 㫏 㪇㪅㪇 ቢో⏛ᕈ 㪈㪫⏛᧤ଚᮨᡆ 㪈㪫⏛᧤ଚᮨᡆ 䊥䊮䉫ᒻ⁁䊋䊦䉪䉕㈩⟎ 䉮䉟䊦䈱䉂 図４ 磁界分布計算例 り 20mm下がった位置に配置している。超電導磁石は，直 形状バルク体モデルをコイル内に挿入した時を比較した 列に配置した 2 個のコイルを有しており，これらを異極 もので，バルク体は完全反磁性（中央）と 1T の磁束侵入 に励磁することで，カスプ磁場を発生させる。定格起磁 を模擬している（右）。 力は 1032A である。図 2，表 1 に解析モデルと使用した バルク体上下面の内径エッジ部の一部に磁束変化が見 モデル要素種別をそれぞれ示す。図2の右側には，バルク られるが，これはミクロンレベルピンホールの影響であ 体周囲および内側の磁束評価面部分を拡大して示す。 る。ループ電流要素で閉空間を作ると計算が収束しない ディスク形状とリング形状の 2 種類の超電導バルク体で ため，ピンホールを設けている。磁界分布から，バルク 計算を実施した。また，表 2，図 3 に今回の解析でモデル 体モデルの表面で反磁性もしくは設定した磁束（1T）が 化したバルク体の形状一覧と超電導バルク体のモデル例 保持できていることが確認できる。 （ディスク形状）を示す。 超電導バルク体には，4 本の線分電流によって構成さ 図 5 に解析結果と静荷重測定実験結果の比較４） を示 す。横軸は超電導磁石の定格起磁力を 100％として表示 れるループ電流で要素の中心位置の磁場をゼロまたは指 している。リング形状のバルク体ではコイル出力が 70％ 定した値に定義できる要素を適用した。超電導バルク体 を超えたところで実験値と解析結果に乖離が見られるも 要素の外側を応力評価面で囲って，バルク体の遮蔽電流 のの，ディスク形状バルク体では，実験結果と解析結果 によって生じる電磁力を計算した。図 4 に磁界分布の計 がよく一致している。リング形状バルク体では，バルク 算例を示す。コイルのみで通電した時（同図左），リング 体の置かれた磁場が大きくなるに連れて磁束の侵入が大 30 RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010 特集：浮上式鉄道技術とその応用 㪉㪇 ࡦࠣ ࠺ࠖࠬࠢ ࡦࠣ ࠺ࠖࠬࠢ 㪈㪇 㪈㪏 ⸃ᨆ୯ 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ㩷䋨㫂㪥 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ 㫂㪥䋩 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ䋨㫂㪥 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ䋨 㫂㪥䋩 㪈㪉 ታ㛎୯ 㪏 㪍 㪋 㪉 㪈㪍 ᡷ⦟೨䋨⸃ᨆ䋩 ᡷ⦟ᓟ䋨⸃ᨆ䋩 ᡷ⦟ᓟ䋨ታ㛎䋩 㪈㪋 㪈㪉 㪈㪇 㪏 㪍 㪋 㪉 㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 㔚ዉ⏛⍹⏛ജ䋨䋦䋩 㪏㪇 㪈㪇㪇 図５ バルク体の発生電磁力（解析と実験値比較） 㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 㪏㪇 㔚ዉ䉮䉟䊦⏛ജ䋨䋦䋩 㪈㪇㪇 図７ 改良磁気軸受の能力試算と実験値との比較 きくなり，印加磁場の上昇に伴う浮上力の上昇率が低下 がら，実験では，コイル磁気力 40% を超えたあたりから したことが推測できる。また，ディスク形状の場合は，超 発生電磁力が解析より低めに推移し，起磁力 64% で 電導コイル出力が 60% を超えない，つまりバルク位置の 20kN が発生した。65K 冷却の実験結果では解析と実験 最大磁場が 2T を超えない領域でほぼ完全な反磁性状態 値がほぼ一致していることから，これは，磁束侵入の影 が保持できているものと推測できる。 響であると考えられる。 リング形状バルク体の磁束侵入量について，実験結果 解析結果は，実験結果とよく一致しており，磁束侵入 の発生浮上力に見合うだけの侵入量を解析で同定してプ の影響を考慮することで，より正確な電磁力予測が可能 ロットした結果を図 6 に示す。コイル出力 70% 程度より となることが確認できた。 徐々に磁束侵入が始まり，定格磁界（100%）下では 0.3 ～ 0.5T 程度の磁束が侵入していたものと推測できる。 3. 2 高温超電導磁気軸受の設計 次に，実用荷重までの特性向上を目的とした高荷重化 研究開発の第二段階では，スラスト，ラジアル双方の荷 改良の効果を見積もった。表 2 に示した“高荷重化対応バ 重を一組の超電導磁気軸受で支持し，回転体を非接触で ルク体”を 4 個使用する。z=-20mm の位置にディスク形 磁気支持することを目指している。図8に実験装置の構想 状のバルク体を，また z=190mm の位置にリング形状バル 図を示す。クライオスタット（低温容器）に，フライホイー ク体を配置した （z=0は超電導コイル間の上下中心位置） 。 ルとそれを磁気支持する2組の小型超電導磁気軸受を配置 直径 60mm バルク体を適用した超電導磁気軸受（改良 し，外部とのエネルギ授受を永久磁石磁気クラッチで行 前）と，直径 80mm のバルク体を 2 箇所に配置した磁気 う計画である。回転体質量は 100kg 程度である。この装置 軸受（改良後）の発生電磁力解析結果の比較と，改良後 に適用する超電導磁気軸受を電磁力解析で設計した。 の実験結果５） を図 7 に示す。解析は完全反磁性条件で 㔚േ 㔚േᯏ േᯏ 行った。解析では改良を実施することで，57% 起磁力で 目標とする 20kN が得られる見込みであった。しかしな ᭂૐ᷷↪಄ಓᯏ ᳗ਭ⏛⍹⏛᳇䉪䊤䉾䉼 ᳗ਭ⏛⍹⏛᳇䉪䊤䉾 ᳗ਭ⏛⍹⏛᳇䉪䊤 ᳗ ⏛⍹⏛᳇ ⏛⍹⏛᳇䉪 ⏛⍹⏛᳇䉪䊤䉾䉼 ⏛⍹⏛᳇䉪䊤 ᳇䉪䊤䉾 䉪 䉼 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ䋨㫂㪥 䊋䊦䉪⊒↢ᶋജ䋨 㫂㪥䋩 㪉㪌 ታ㛎୯ 㪝㫇㪔㪇㪫 㪝㫇㪔㪇㪅㪈㪫 㪝㫇㪔㪇㪅㪉㪫 㪝㫇㪔㪇㪅㪊㪫 㪝㫇㪔㪇㪅㪌㪫 㪉㪇 㪈㪌 ૐ᷷ኈེ 㧔ࠢࠗࠝࠬ࠲࠶࠻㧕 ⸃ᨆ୯ 㪈㪇 ࡈࠗࡎ࡞ ⺞㔚ዉ⏛᳇ゲฃ 㪌 ౝᮏ 㧔ᭂૐ᷷㧕 㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 㪏㪇 㔚ዉ⏛⍹⏛ജ䋨䋦䋩 㪈㪇㪇 図６ バルク体への磁束侵入模擬（実験値との比較） RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010 ⌀ⓨᮏ ⌀ⓨᮏ ᢿᾲᮏ㧕 図８ 高温超電導磁気軸受実験装置構想図 31 㪉㪌㪇㪇 㪉㪇 ル，バルク体形状をパラメータとして検討した６）。 㪉㪇㪇㪇 㪈㪇 シングルコイルでは，通常，浮上力と径方向案内の復 㪈㪌㪇㪇 㪇 㪈㪇㪇㪇 㪄㪈㪇 㪌㪇㪇 㪄㪉㪇 㪇 㪄㪊㪇 元力の両立ができない。安定した磁気浮上を実現させる ためには，試験用超電導磁気軸受のようなカスプ磁場が 有効であるが，この場合，コイル巻線が 2 倍でも，浮上 力は 2/3 程度となる。したがって，カスプ磁場を採用す るとステータ側の磁石のコストが高くなる欠点がある。 ᶋജ㩷㪝㫑㩷䋨㪥䋩 ᶋജ㩷㪝㫑㩷 超電導コイル，バルク体とも高温超電導体とし，コイ 㪄㪌㪇㪇 Fz 㪄㪈㪇㪇㪇 㪄㪋㪇 Fr 㪄㪌㪇 と，コイルの方が大きい。このため，バルク体の形状を 㪄㪈㪌㪇㪇 㪄㪍㪇 㪄㪋㪇 㪄㪉㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 㪏㪇 㔚ዉ䊋䊦䉪䈫䉮䉟䊦䈱ゲᣇะ⋧ኻᄌ㩷㫑㩷 㔚ዉ䊋䊦䉪䈫䉮䉟䊦䈱ゲᣇะ⋧ኻᄌ 㩷㫑㩷䋨㫄㫄 㫄㫄䋩 パラメータとして，シングルコイルにおいても安定した 図 10 高温超電導磁気軸受解析結果例 超電導バルク体と超電導コイルの製作コストを比較する ᓘᣇะ㔚⏛⏛ജ㩷㪝㫉㩷 ᓘᣇะ㔚⏛⏛ജ 㩷㪝㫉㩷䋨㪥䋩 特集：浮上式鉄道技術とその応用 浮上・案内ができる軸受を設計した。 バルク体は直径 46mm，厚さ 15mm のディスク形状と に働くか，ほぼ 0 となり不安定となる。 し，コイル内直径は 53.5mm，起磁力は 98kA とした。解 径方向電磁力（Fr）が復元力として発揮される -20 < 析の基本モデルを図 9 に示す。また，図 10 にコイル内に z < 20 の領域では，上下方向電磁力（Fz）に復元力が発 バルク体を配置し，それを上下方向に移動させた時の両 生しないために，安定浮上はできない。また，上下方向 者の相対位置と発生電磁力の関係を示す。なお本解析で に安定浮上できる z > 18 の領域では，径方向の電磁力 は，バルク体は完全反磁性とし，径方向復元力を評価す （Fr）が不安定となる。従って，シングルコイルを磁場発 るために 1mm の径方向変位を付与している。 生源とした場合は，超電導バルク体を安定して浮上支持 図 10の横軸は，超電導バルク体と超電導コイルとの軸 することができない。一方で見方を変えれば，コイル中 方向相対変位を表している。z=0 で両者の高さ中心が一 心部付近の径方向復元力が大きい領域に径方向案内用の 致しており，z が負でバルク体がコイルより下方，正で バルク体を，浮上力の安定するコイル上部に浮上用バル 上方に位置する。z > 0 で上下方向電磁力（Fz）は浮上力 ク体を配置することにより，安定した浮上支持ができる となるが，このうち z < 18 の領域では，バルク体の高 可能性がある。これを解析によって確認した。 さが下がるほど，浮上力が小さくなるので。下方に変位 図 11 に設計した高温超電導磁気軸受の基本形状を示 したときの復元力は発生せず安定しない． 一方，z > 18 す。また，図 12 にロータ側バルク体とコイルとの相対変 の領域では，バルク体の高さが下がるほど，浮上力は大 位と浮上力・径方向電磁力の解析結果を示す。上向き変 きくなるので，復元力が発生して安定浮上ができる。 位（正変位）で浮上力が低下し，下向き変位（負変位）で 径方向電磁力（Fr）については，コイル中心高さ（z =0） 浮上力が増加するので，一定質量の浮上体を磁気支持し 付近で大きく，コイル中心高さより遠ざかる（z > 20，z た場合は復元力となる。径方向変位についても，変位方 < -20）と，径方向電磁力（Fr）が変位を増長させる方向 向に対して逆向きの電磁力が発生するので復元力とな る。よって，安定浮上できることが確認できる。図 8 の 構想図のように，この軸受をフライホイール上下に配置 㔚ዉ䊋䊦䉪 㱢㪋㪍 ᔕജ⹏ଔ㕙 することで，回転体質量と均衡する位置において回転体 㪈㪌 が浮上し，2 倍の軸支持剛性が期待できる。 㜞᷷㔚ዉ䊋䊦䉪 㜞᷷㔚ዉ䉮䉟䊦 ෘ䈘 㔚ዉ䉮䉟䊦 㪉㪇 㱢㪍㪇 ౝᓘ 㔚ዉ䊋䊦䉪 㔚ዉ䊋䊦䉪㪃 ᔕജ⹏ଔ㕙 ᄖᓘ 㔚ዉ䉮䉟䊦 㱢㪌㪊㪅㪌 㱢㪉㪇㪈㪅㪈 ᒻ⁁ 㫑 ᧼⁁ 㫏 㫐 䋨න㩷㫄㫄 䋨න 㩷㫄㫄䋩 図９ 高温超電導磁気軸受解析モデル例 32 ࿁ォ䋨䊨䊷䉺䋩 ࿕ቯ䋨䉴䊁䊷䉺䋩 㜞᷷㔚ዉ䊋䊦䉪 㜞᷷㔚ዉ䉮䉟䊦 ⋥ᓘ 㩿mm㪀 ෘ䈘 㩿mm㪀 ↪ᢙ 㩿㪀 ౝᓘ 㩿mm㪀 60 20 1 46 30 1 56 ᄖᓘ 㩿mm㪀 270 ෘ䈘㩿mm㪀 ෘ䈘 30 ⏛ജ 㩿kA㪀 314 図 11 設計した高温超電導磁気軸受の基本形状 RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010 㪏㪇㪇㪇 㪏㪇㪇 の異なる 2 種類の単位永久磁石で構成されている。なお， 㪎㪇㪇㪇 㪍㪇㪇 試作品モデルの磁石配置内径，外径を同一にしている。 㪍㪇㪇㪇 㪋㪇㪇 永久磁石は，残留磁束密度を 12.85kG ，保持力を 㪌㪇㪇㪇 㪉㪇㪇 㪋㪇㪇㪇 㪇 㪊㪇㪇㪇 㪄㪉㪇㪇 㪉㪇㪇㪇 㪄㪋㪇㪇 ⊒↢ᶋജ 䊤䉳䉝䊦ᣇะ⊒↢ജ 㪈㪇㪇㪇 㪇 㪄㪌 㪄㪋 㪄㪊 㪄㪉 㪄㪈 㪇 㪈 㪉 㪊 㪋 䊤䉳䉝䊦ᣇะ⊒↢ജ䋨㪥䋩 䊤䉳䉝䊦ᣇะ⊒↢ജ䋨 ⊒↢ᶋജ䋨㪥䋩 ⊒↢ᶋജ䋨 特集：浮上式鉄道技術とその応用 12.217Oe，最大エネルギ積を 39.34MGOe とした。 図 15に磁界分布の解析結果の一例を示す。図中の凡例 は色分けした Bz の範囲である。また，図 16 に伝達トル クの解析結果と実験結果の比較８） を示す。 解析は理想的な位置関係での最大トルクとして算出し 㪄㪍㪇㪇 たもので，実験値は，極低回転で脱調トルクを測定した 㪄㪏㪇㪇 ものである。横軸は，クラッチ間のギャップである。 㪌 試作品形状の解析値と実験値は良く一致しており，解 ၮḰ⟎䈎䉌䈱ᄌ䋨㫄㫄 ၮḰ⟎䈎䉌䈱ᄌ䋨 㫄㫄䋩 析の妥当性が確認できる。また，解析で試作品モデルと 図 12 高温超電導磁気軸受の電磁力解析結果 ハルバッハ配列を比較すると，ハルバッハ配列にするこ ４．永久磁石磁気クラッチの電磁力解析と評価 㪇㪅㪌㪄㪈 㪈 次に，永久磁石磁気クラッチの電磁力解析と，試作装 㪇㪄㪇㪅㪌 置による実験結果の評価を示す。 㪇㪅㪌 研究開発において，永久磁石磁気クラッチは，クライオス 㪄㪇㪅㪌㪄㪇 㪙㫑㩷㩿㪫㪀 超電導磁気軸受を適用したフライホイール蓄電装置の 㪇 㪄㪈㪄㪄㪇㪅㪌 タット内に配置したフライホイールと，外部の電動・発電 㪄㪇㪅㪌 機とのエネルギ授受を行う要素部品として位置付けてい る３）。クライオスタット容器を介して非接触でトルクを 㪐㪇 㪇 㪄㪈 伝達するために，永久磁石を利用している。この磁気ク 㪄㪐㪇 㪯㩷㩿㫄㫄㪀 ラッチの特性を電磁力解析で予測するとともに，試作装 図 13 に試作クラッチを示す。また，図 14 に解析モデル 㪇㪅㪏 グ面に集中させるハルバッハ配列にしたモデルで実施し 㪇㪅㪍 向に着磁した磁石を埋め込んだような形状で、着磁方向 㪙㫑㩷㩿㪫㪀 㪇㪅㪋 㪇㪅㪉 㪇 㪄㪇㪅㪉 㪄㪇㪅㪋 㪄㪇㪅㪍 㪄㪇㪅㪏 㪄㪈 㪋㪇 㪉㪌 㪇㪅㪏㪄㪈 㪇㪅㪍㪄㪇㪅㪏 㪇㪅㪋㪄㪇㪅㪍 㪇㪅㪉㪄㪇㪅㪋 㪇㪄㪇㪅㪉 㪄㪇㪅㪉㪄㪇 㪄㪇㪅㪋㪄㪄㪇㪅㪉 㪄㪇㪅㪍㪄㪄㪇㪅㪋 㪄㪇㪅㪏㪄㪄㪇㪅㪍 㪄㪈㪄㪄㪇㪅㪏 㪈 を示す。解析は，試作モデルに加え，磁束をカップリン 列は，試作モデルで空間となっていた部分に紙面垂直方 㪐㪇 㩿㪸㪀㩷㩷⹜ຠ䊝䊂䊦⏛⇇ಽᏓ 㩿㪸㪀㩷㩷 ⹜ຠ䊝䊂䊦⏛⇇ಽᏓ 置での実験結果と比較して，解析の妥当性を評価した。 た７）。各モデルは，8 極で構成されている。ハルバッハ配 㪇 㪰㩷㩿㫄㫄㪀 㪄㪐㪇 㪐㪇 㪇 㪄㪐㪇 㪍㪈㪅㪌 㪈㪋㪈㪅㪌 㪯㩷㩿㫄㫄㪀 㪰㩷㩿㫄㫄㪀 㪄㪐㪇 㪇 㪐㪇 㩿㪹㪀㩷㩷䊊䊦䊋䉾䊊䊝䊂䊦⏛⇇ಽᏓ 㩿㪹㪀㩷㩷 䊊䊦䊋䉾䊊䊝䊂䊦⏛⇇ಽᏓ 図 15 クラッチにおける磁界分布計算例 㪐㪇 ᳗ਭ⏛⍹⏛᳇ࠢ࠶࠴ ᔕജ⹏ଔ㕙䋨䊃䊦䉪⹏ଔ䋩 න᳗ਭ⏛⍹㪙 න᳗ਭ⏛⍹ න᳗ਭ⏛⍹ න᳗ਭ⏛⍹㪘 ⹜ຠ䊝䊂䊦⸃ᨆ୯ 㪎㪇 વ㆐䊃䊦䉪㩷㩿㪥 વ㆐䊃䊦䉪 㩷㩿㪥䊶㫄㪀 㫄㪀 図 13 永久磁石磁気クラッチ（試作品） ⹜ຠታ㛎⚿ᨐ 㪏㪇 䋨න㩷㫄㫄 䋨න 㩷㫄㫄䋩 䊊䊦䊋䉾䊊㈩⸃ᨆ୯ 㪍㪇 㪌㪇 㪋㪇 㪊㪇 㪉㪇 න᳗ਭ⏛⍹ 㪈㪇 㫑 㫐 㫏 ⹜ຠ䊝䊂䊦 㪇 䊊䊦䊋䉾䊊㈩䊝䊂䊦 図 14 解析モデル RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010 㪇 㪈㪇 㪉㪇 㪊㪇 䉪䊤䉾䉼㑆䉩䊞䉾䊒㩷㩿㫄㫄㪀 䉪䊤䉾䉼㑆䉩䊞䉾䊒㩷㩿㫄㫄㪀 㪋㪇 図 16 解析結果と実験結果の比較 33 特集：浮上式鉄道技術とその応用 とで伝達トルクがおよそ 3 倍となることが分かる。 構成される部品の電磁力特性がほぼ正確に把握でき 各モデルの極数を 16 極，24 極と拡大した時の最大伝達 ることが確認できた。 トルクの解析値を図 17 に示す。ギャップは 16mm とした。 （2）高温超電導磁気軸受を解析により検討した結果，従 個々の永久磁石の形状は，図 14 に示す基本形状とし，配 来は安定した浮上のために 2 つのコイルでつくるカ 置位置（径）を拡大することで極数を増加している。また， スプ磁場が必要であったが，バルク体側の形状を最 図17には，トルク伝達能力を具体的に評価するために，本 適化することで，シングルコイルにおいても安定し 開発で製作した試験用超電導磁気軸受の回転試験装置の た浮上・案内力を有する超電導磁気軸受ができる見 定格トルク，一例として IHI が開発している低消費電力フ 通しを得た。 ライホイール９ , 10） の定格トルク推測値を明示してある。 （3）永久磁石磁気クラッチにおいては，極数を増加させ 解析結果から，多極化することで，実用的なトルク伝 ることで，実用的な負荷レベルのトルク伝達ができ 達ができることが確認できた。また，同心円状に配置し る見通しを得た。 てもこの配置半径であれば，相互の磁界干渉はほとんど なお，高温超電導磁気軸受，永久磁石軸クラッチについ ないことから，さらに大きなトルク伝達が可能であり， ては，本解析結果をもとに，現在，試作品を製作中である。 実用性は十分あると考えている。 以上より，本解析が，超電導バルク体を含んだ電磁力 利用機器の電磁力予測に有効であり，設計に適用できる ⸃ᨆ⚿ᨐ ⹜ຠ䊝䊂䊦㪀 ⸃ᨆ⚿ᨐ㩿⹜ຠ䊝䊂䊦 ⸃ᨆ⚿ᨐ㩿䊊䊦䊋䉾䊊㈩ㆡ↪ 䊊䊦䊋䉾䊊㈩ㆡ↪㪀 ⸃ᨆ⚿ᨐ ࿁ォ⹜㛎ⵝ⟎䊦㩿㪌㪇㪇㫂㪾㪃㪉㪉㫂㪮㪀 ࿁ォ⹜㛎ⵝ⟎䊦㩿㪌㪇㪇㫂㪾㪃㪉㪉㫂㪮㪀 ᡷ⦟⹜㛎ⵝ⟎㩿㪉㪇㪇㪇㫂㪾㪃㪎㪌㫂㪮㪀 ᡷ⦟⹜㛎ⵝ⟎ 㩿㪉㪇㪇㪇㫂㪾㪃㪎㪌㫂㪮㪀 㪠㪟㪠㩿㪉㪅㪊㫂㪮㪿㪃㩷㪉㪇㪇㫂㪮㪀 ことを確認した。 本研究の一部は国庫補助を受けて実施した。 㪊㪌㪇 文 献 વ㆐䊃䊦䉪㩷㩿㪥 વ㆐䊃䊦䉪 㩷㩿㪥䊶㫄㪀 㫄㪀 㪊㪇㪇 １）清野寛，長嶋賢，田中芳親，中内正彦：フライホイール用 㪉㪌㪇 㪈㪍ᭂ 㪈㪍 高温超電導バルク体磁気軸受の基礎検討，鉄道総研報告， 㪉㪇㪇 Vol. 22, No. 11, pp. 35-40, 2008 㪏ᭂ 㪈㪌㪇 㪉㪋 㪉㪋ᭂ 㪈㪇㪇 雅人：超電導バルク体と超電導コイルを用いた磁気軸受の 㪌㪇 載荷力密度，鉄道総研報告，Vol. 21, No. 9, pp. 29-34, 2007 ⹜ຠ㸢 㪇 ２）長嶋 賢，清野寛，宮崎佳樹，荒井 有気，坂井 直道，村上 㪇 㪈㪇㪇 ３）清野寛，長嶋賢：超電導技術を適用して磁気軸受を創る， 㪉㪇㪇 㪊㪇㪇 ᳗ਭ⏛⍹⟎ᄖඨᓘ䋨㫄㫄 ᳗ਭ⏛⍹⟎ᄖඨᓘ䋨 㫄㫄䋩 図 17 クラッチの実用性検討結果（解析値） Railway Research Review，Vol. 64, No. 12, pp. 24-27, 2007 ４）清野寛，長嶋賢：超電導コイル磁場中に配置した超電導バ ルク体に働く電磁力，秋季低温工学・超電導学会講演概要 集，p. 40, 2008 ５．まとめ ５）清野寛，長嶋賢：20kN 対応超電導磁気軸受の開発，2009 ロータ / ステータともに超電導体で構成する磁気軸受 ６）清野寛，長嶋賢：高温超電導ロータ・ステータで構成され を適用したフライホイール蓄電装置の研究開発を行って る磁気軸受の電磁力解析，2009 年度秋季低温工学・超電導 年度春季低温工学・超電導学会講演概要集，p. 47, 2009 いる。この研究開発において，超電導磁気軸受と，要素 学会講演概要集，p. 202 （11 月中旬確定）, 2009 技術として開発している永久磁石磁気クラッチに関する ７）池田雅史，竹田圭吾，村上 雅人，長谷川均，清野寛，長嶋 電磁力解析を実施し，実験結果と比較することで，解析 賢：永久磁石型非接触磁クラッチの特性解析，平成 21 年電 結果の妥当性を評価した。そのうえで，磁気軸受および クラッチの応用形態を解析により検討し，その電磁力特 気学会全国大会講演論文集，p. 23, 2009 ８）長谷川均，清野寛，長嶋 賢，池田雅史，竹田圭吾，村上 性を予測した。 雅人：永久磁石型非接触磁クラッチの特性試験結果，平成 解析には，ELF/MAGIC を適用し，ロータ側に配置す 21 年電気学会全国大会講演論文集，p. 298, 2009 る超電導バルク体には， 4 本の線分電流で構成される ９） Kuwata, Sugitani, Saito: "Development of Low Loss Active ループ電流で要素の中心位置の磁界をゼロまたは任意に Magnetic Bearing for Flywheel UPS", Aug. 2006, Proceed- 設定できる要素を適用した。 ings of The 10th international Symposium on Magnetic Bear- 以下に結果をまとめる。 ings (ISBM 10). （1）解析結果と実験結果の比較において両者は良く一致 10）斉藤修，桑田厳，温見寿範，岩崎郁夫，真島隆司：機械式 し，超電導バルク体，コイルおよび永久磁石要素から 2 次電池の開発，IHI 技報，Vol. 49, No. 1, pp. 54-59, 2009 34 RTRI REPORT Vol. 24, No. 1, Jan. 2010