JP2608125B2 - 滑走型誘導浮上装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は磁気浮上方式の超高速鉄道などに好適な滑
走型誘導浮上装置に関するものである。

［従来の技術］ リニアモータを利用した超高速鉄道の車両浮上方式と
して知られているものは、磁気吸引浮上方式と磁気誘導
反発浮上方式の二種類があり、前者は励磁電流を制御で
きる常電導磁石を、後者は超電導磁石を採用している。
このため両者では浮上高さに大差があり、磁気吸引浮上
方式では浮上支持の空隙を10mm以内、磁気誘導反発浮上
方式では同じく100mm以上としている。また従来の常電
導磁石を使用した磁気吸引浮上方式においては地上コイ
ルを浮上用だけでなく駆動用にも兼用してこれに左右案
内用の電磁システムを組合せており、一方、超電導磁石
を用いた磁気誘導反発浮上方式においては浮上用の電磁
誘導反発システムの他に駆動と案内兼用のリニアモータ
システムを組んでいる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の磁気浮上方式のうち、前述磁気吸引浮上方式で
は浮上支持の空隙を大きくとれないので完全浮上の超高
速鉄道には不向きであり、又、前述磁気誘導反発浮上方
式は制御不要の浮上方式であるという利点はあるもの
の、超電導磁石を使う場合に浮上高さが100mm以上と大
きくなるために走行浮上時に発生する抗力が大きくなる
ほか、高速域以上でないと充分な浮上力が得られない欠
点がある。

この発明はこれらの欠点を解消すると共に、リニアモ
ータによる駆動および左右案内系と夫々独立した新規な
磁気誘導浮上方式の滑走型誘導浮上装置を提供しようと
するものである。

［課題を解決するための手段］ 上述の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
駆動用リニアモータによって走行路に沿って移動する移
動体に、該移動体の自重に抗して走行路から浮上させる
力を電磁誘導作用によって付与するものにおいて、前記
駆動用リニアモータの敷設位置に対して走行路の幅方向
に離れた別の位置に、夫々短絡閉回路を形成する複数の
矩形短絡コイルを各コイルのコイル面が垂直面内に位置
するように縦配列して前記走行路の長さ方向に沿って固
定配列してなる短絡コイル列と、前記短絡コイル列に上
から跨がり、前記短絡コイル列の各矩形短絡コイルの上
辺導体部の左右両側面に間隙を介して対面した状態で相
対移動するように前記移動体に取り付けられた一対の対
向磁極面を有する単極型磁石とを備え、前記矩形短絡コ
イルが、少なくとも上辺導体部が複数の平角断面導体を
重ねた多分割コイルであり、前記移動体の停止状態にお
いて前記単極型磁石の対向磁極面が、前記矩形短絡コイ
ルの前記上辺導体部の上縁から下縁を含み且つ該下縁よ
りも前記移動体の浮上高さ寸法だけ下方のコイル内空孔
へ広がる高さ寸法の領域に亙って水平磁束を生じるよう
になされており、前記単極型磁石のつくる水平磁束を、
前記閉回路を形成する各矩形短絡コイルの上辺導体部と
錯交させ、この錯交磁束が移動体の走行移動に伴って矩
形短絡コイルに対して相対移動することにより生じる電
磁誘導作用によって、前記水平磁束と錯交する矩形短絡
コイルに起電力を生ぜしめ、この起電力によって矩形短
絡コイルに流れる短絡電流と前記水平磁束との前記上辺
導体部における電磁相互作用により、走行中の前記移動
体を磁気反発浮上させるものであることを特徴とする滑
走型誘導浮上装置を提供する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された発明に
おいて、前記走行路の上面の幅方向両側に前記短絡コイ
ル列が夫々敷設されると共にこれら両短絡コイル列の間
に移動体駆動用の地上一次式リニアモータの地上コイル
と移動体の幅方向案内用の磁気吸引浮上式の一対の磁性
体レールとが別々に敷設され、前記移動体には、前記両
短絡コイル列と各々協動する一対の前記単曲型磁石と、
前記地上コイルと協動して前記リニアモータを構成する
磁石装置と、前記一対の磁性体レールと協動して前記磁
気吸引浮上式の幅方向案内を行うための一対の電磁石装
置とが互いに独立して設けられていることを特徴とする
滑走型誘導浮上装置を提供する。

［作用］ 請求項１に記載の発明に係る滑走型誘導浮上装置にお
いては、走行路を移動体が移動すると、移動体に取り付
けられた単極型磁石（例えば永久磁石）の一対の対向磁
極面が水平磁束を前記各矩形短絡コイルの前記上辺導体
部と専ら鎖交させつつ移動磁界を与えるので、前記移動
体の走行移動に伴う前記移動磁界の水平磁束が各矩形短
絡コイルと次々に鎖交し、これによって個々の矩形短絡
コイルに水平に鎖交する磁束が時間的に変化するので、
走行中の移動体の単極型磁石が位置している箇所では矩
形短絡コイルの上辺導体部にファラデーの法則に従う電
磁誘導による起電力が生じ、この起電力によって矩形短
絡コイルの短絡閉回路に短絡電流が流れ、この短絡電流
により前記上辺導体部において生じる磁界と前記移動磁
界の水平磁束との電磁相互作用により、フレミングの左
手の法則に従う電磁力が単極型磁石に反動浮上力として
作用する。

これにより走行中の前記移動体が磁気反発浮上される
ことになり、その浮上力は速度の関数である。

矩形コイル上辺導体部の高さ範囲全体が前記対向磁極
面からの磁束と鎖交しているうちは浮上力は速度の上昇
に従って比例的に上昇し、それによる移動体の浮上上昇
で矩形コイル上辺導体部の下縁部が磁束と鎖交しなくな
ると浮上力の増加が急激に減じ、浮上が抑制されるよう
になる。つまり或る速度以上では浮上力が平衡状態とな
り、ほぼ一定の浮上高さでの滑走状態が得られるように
なる。

また、本願発明に係る装置では、前記単極型磁石の対
向磁極面が、前記移動体の停止状態において前記矩形短
絡コイルの前記上辺導体部の上縁から下縁を含み且つ該
下縁よりも所定寸法だけ下方のコイル内空孔へ広がる高
さ方向の領域に亙って前記水平磁束を生じるように構成
してあるので、浮上力が前述のような平衡状態に達する
浮上高さは、対向磁極面の前述所定寸法によって予め設
定することが可能である。すなわち、移動体の走行速度
が上昇するにつれてこの所定寸法を超えて移動体が浮上
しようとすると、矩形コイル上辺導体部の下縁部が磁束
と鎖交しなくなるので浮上力の増加が急激に減じ、平衡
状態になる。

また、本発明に係る装置では、矩形短絡コイルが、少
なくともその上辺導体部が複数の平角断面導体を重ねた
多分割コイルで構成されているので、高速領域以上でコ
イル導体内に生じる渦電流損失を低減することができ
る。すなわち、矩形短絡コイルの導体断面形状は、縦長
のものであり、これに横方向の磁束が錯交するため高速
領域以上では渦電流損失が無視できなくなり、移動体の
推進力に制動力が加わることになる。しかし、磁束と錯
交する短絡コイルの上辺導体部のコイル導体を複数に分
割することにより、コイル導体に層じる渦電流を抑制
し、この結果単一コイルの場合と比較して、渦電流損失
を低減することができる。従って、渦電流損失による移
動体に加わる制動力を防止することができ、移動体の安
定した走行を維持することができる。

請求項２に記載の発明に係る装置では、前記走行路の
上面の幅方向両側に前記短絡コイル列を夫々敷設すると
共にこれら両短絡コイル列の間に移動体駆動用の地上一
次式リニアモータの地上コイルと移動体の幅方向案内用
の磁気吸引浮上式の一対の磁性体レールとを別々に敷設
し、前記移動体には、前記両短絡コイル列と各々協動す
る一対の前記単極型磁石と、前記地上コイルと協動して
前記リニアモータを構成する磁石装置と、前記一対の磁
性体レールと協動して前記磁気吸引浮上式の幅方向案内
を行うための一対の電磁石装置とを互いに独立して設け
てあるので、前述の各作用を行う左右一対の磁気浮上シ
ステムと、所謂中央駆動を可能とするリニアモータシス
テムと、更に移動体の非接触左右案内用の磁気吸引シス
テムとを、個々の機能のみならず相互の機能の協調をと
って設計することが可能である。この場合、移動体側の
前記単極型磁石は永久磁石で構成でき、また前記リニア
モータ用の磁石装置も単極型磁石、例えば永久磁石で構
成できる。このような単極型磁石を用いる場合、コイル
との空隙をあまり大きくすると強い磁石、すなわち磁石
重量を大きくしなければならなくなるので、移動体の左
右案内システムには空隙を常に最小となるように維持す
ることのできる磁気吸引方式を利用したシステムを採用
している。また、好ましくは移動体駆動用の地上一次式
リニアモータの地上コイルは走行路の幅方向中央に敷設
し、この地上コイルの近くで移動体の幅方向案内を行う
ように前記磁気吸引浮上式の一対の磁性体レールを配置
する。

尚、本発明において移動体は浮上するまでは適当な支
持車輪の転動によって走行し、加速に伴う浮上力の上昇
と共にそれが移動体重量を超えたときに浮上を開始す
る。減速時の場合はこの逆である。この場合、加減速時
の移動体の浮上と降下を滑らかにするために、前記支持
車輪と移動体との間に適当なばねクッション装置を介在
装備させることは好ましいことであり、さらにはこのば
ねクッション装置を適当に設計することで移動体の浮上
走行中も常に支持車輪だけは走行路上を転動させるとい
う所謂半浮上方式も可能である。

本発明を実施例図面と共に詳述すれば以下の通りであ
る。

［実施例］ 第１図にこの発明の実施例に係る滑走型誘導浮上方式
のリニアモータ鉄道システムが模式的に示されている。

第１図において、Ｕ型支持桁11上には横桁12が渡さ
れ、これらが長さ方向（図において紙面の表裏方向）に
間隔をあけて連設されると共に、横桁12の両側に一対の
鉄レール９が敷設されて高架走行路が形成されている。
この走行路の上面の幅方向両側には前記レール９の外側
位置において夫々矩形短絡コイル１の列（短絡コイル
列）が縦配置で敷設され、これら矩形短絡コイル１の両
方の列の間で前記横桁12上に地上一次式リニアモータの
地上コイル６の列が同様に縦配置で敷設され、この地上
コイル６の支持構造体の両側面には幅方向案内用の磁気
吸引浮上式の一対の鉄系磁性体レール４が別に敷設され
ている。

一方、前記移動体として車両20が高架走行路上に配置
されており、この車両20は、前記レール９上を転動可能
な車輪10を有する台車13の上に支持ばね14を介して支持
されている。

台車13は、両方の矩形短絡コイル１の列に各々上から
跨って協動する逆Ｕ字状の単極型磁石２を両脇に有し、
また、前記地上コイル６に上から跨って駆動用の地上一
次式リニアモータを構成する別の逆Ｕ字状の単極型磁石
７を中央部に有し、この中央部の磁石７の両脇に前記一
対の磁性体レール４と協動して磁気吸引浮上方式の左右
案内を行うための一対の制御電磁石装置５を有してい
る。

磁気浮上用の各単極型磁石２は各々一対の永久磁石３
を対面させて間に短絡コイル列１の入り込む間隙を形成
したものであり、リニアモータ用の単極型磁石７もほぼ
同様に一対の永久磁石８を対面配置したものである。こ
のように車両側の単極型磁石2,7に永久磁石3,8を使用す
る関係上、地上側と短絡コイル１または地上コイル６と
の空隙をできるだけ小さくすることが必要になるが、こ
の目的のためには前記のように左右案内方式を最小空隙
で非接触案内ができる磁気吸引浮上方式を利用した磁性
体レール４と制動電磁石５との組みあわせによって構成
するのが有利である。

また、駆動用リニアモータは、走行路の中央に設ける
ことから、一般的なリニア直流モータとしてある。この
場合、リニア直流モータの地上コイル６の列（電磁レー
ルとも呼ばれる）を走行路中央に逆Ｔ字状に縦配列でき
るので、その両側面を利用して案内用の磁性体レール４
を敷設し、リニアモータの近傍で磁気吸引浮上方式を利
用した左右案内を効果的に行っている。

本発明に係る滑走型誘導浮上方式では、車上界磁に永
久磁石３をもつ単極型磁石２を採用して中速度でも充分
な浮上力が得られるようになっており、また車両の最高
運転速度に応じて浮上高さを予め定め、誘導浮上時に発
生する抗力に対して駆動力が打ち勝つようにしてある。

すなわち、第2A,2B図に本発明の浮上システム部の要
部を示すが、地上側の矩形短絡コイル１は走行路の両サ
イドで逆Ｔ字状に縦配列されており、これに対して相手
車両側の単極型磁石２はその逆Ｕ字状の構成を以って地
上側の短絡コイル１の上に跨るように配置されている。
この場合、第2A図に示すように単極型磁石２の永久磁石
３のつくる磁界の高さ寸法をHf,短絡コイル１の上辺導
体の高さ寸法をHcすると、浮上前の状態において、短絡
コイル１の上辺導体1aの上縁は磁石３の磁界上縁と同じ
か又はそれより低い位置にあり、磁石３の磁界の下縁は
短絡コイル１の上辺導体の下縁よりもHoだけ低い位置に
ある。すなわち磁石３とコイル１の上辺導体1aとの各高
さ寸法は、Hf＝Hc＋Hoとなるようにする。ここで前記Ho
は、浮上高さ調整代に相当するものであり、好ましくは
Ho≦Hc/2として車両等移動体の最高運転速度に応じて設
定する。

すなわち、Ho＝Hc/2のときには、車両総重量Ｗの２倍
の浮上力ｆが発生すれば車両はHoだけ浮上し、その後の
浮上は矩形コイル１の上辺導体1aに鎖交する磁界でつく
られる浮上力によるので、浮上高さが増加すると浮上力
の増加が急に減少し、速度が増えても浮上高さは変わら
なくなるという動作が得られる。

従って、Ho≦Hc/2とすれば、車両は、第2A図の状態を
高さ零とすると、ｆ≦2Wの浮上力で第２図Ａの状態から
Hoだけ上の位置へ浮上することができる。またHo＝０と
したときは、短絡コイル１の上辺導体1aの高さ部分のみ
における浮上となる。尚、第2B図は短絡コイル列を側面
からみた模式図で、単極型磁石は鎖線で示してある。

第３図にこの実施例に係る滑走型誘導浮上方式の特性
カーブが示してある。

この第３図において、横軸は車両の走行速度Ｖ［km/
h］を示し、縦軸は浮上力ｆと抗力ｊ（車両共単位は［x
10³kgf］）および浮上高さｈ［mm］を示している。

車両が停止状態（ｖ＝ｏ）からスタートして、もし磁
石２を何等かの手段で浮上しないように押えたとする
と、車両速度が上昇するに従って磁石に作用する浮上力
は曲線fjのように増加し、発生抗力は曲線jiのように変
化することになる。

浮上可能な状態で走行する車両の速度がv₁になって発
生浮上力が車両総重量ｗと平衡する大きさfoに達する
と、この速度から車両の浮上が開始される。車両速度が
上昇してv₂（＞v₁）に達すると車両の浮上高さはHoにな
り、この速度v₁からv₂の間の車両の浮上は浮上力ｆの増
加に比例的に行われることになる。速度v₂からさらに加
速されると、速度上昇に伴う浮上力の増加で車両が高さ
Hoを超えて浮上するが、第３図で速度ｖ＝100km/h以上
になるとほぼ一定の浮上高さhoに平衡する。これは、速
度上昇に伴う浮上力の増加と、浮上によって磁石３の下
縁が短絡コイル１の上辺導体の下縁よりも上方へ位置す
ることによって生じる該上辺導体部分の磁束鎖交面積の
低下による浮上力の減少とが平衡するためである。つま
り、短絡コイル１の上辺導体部での誘導浮上は、或る車
両速度以上で浮上高さhoにほぼ一定となり、それ以上速
度が上昇してもほぼ一定浮上高さhoで滑走に似た浮上走
行が行われるようになる。

この滑走型誘導浮上方式では、前記調整代としての寸
法Hoを車両の最高運転速度に併せて予め決めておき、過
大な浮上が生じないようにしておくことにより、誘導浮
上時に発生する抗力ｊをリニアモータの駆動力の阻害に
ならないように抑制することが可能である。

一般に誘導浮上における発生抗力ｊは、短絡コイル１
の上辺導体部1aに鎖交する磁界の高さHfの二乗に比例し
て増大するので、磁界高さHfは車両の最高運転速度が低
くなれば小さくする必要がある。一例として標準的な速
度Ｖと浮上高さhoとの推奨例を示すと次の通りである。

Ｖ［km/h］ 200 300 400 500 ho［mm］ 20以下 30以下 40以下 50以下 また、誘導浮上における抗力ｊは、第３図においてハ
ッチングを施して示した曲線joのように車両が浮上を開
始する速度V₁付近で最大となるので、車両が浮上を開始
したら、できるだけ速やかに車両を調整浮上高さHo以上
に浮上させ、抗力joを速やかに低減させることが必要で
ある。このため好ましくは最大浮上力が車両総重量の４
倍以上になるように各部を設計する。

車両側に取付ける単極型磁石２は対極面に永久磁石３
をもち、磁極高さに相当する高さHfの平行磁界を走行路
の幅方向につくるが、磁極高さHcとの関連で磁極間隙が
大きくなると磁界強度が低下するので、磁極高さHcを磁
極間隙の約２倍以上にするのがよい。

このことからも解るように、地上側の短絡コイル１の
導体断面形状は縦長のものとなり、これに横方向の磁束
が鎖交するので高速領域以上では渦流損失が大きくなる
ことが考えられる。これを防ぐために、コイル導体を複
数の平角断面導体を縦に重ねたような多分割コイルにす
ることは効果的である。第4A,4B図は各短絡コイルを全
周につき多分割コイルとした例を示し、第5A,5B図は縦
辺導体と上辺導体部だけを多分割にして下辺導体部は一
体の縦長断面導体とした例を示し、第6A,6B図は更に下
辺導体の高さ寸法を支持用Ｌ型部材の高さと合わせた例
を示しているが、これらはいずれも単なる例示であって
本発明を限定するものではない。

［発明の効果］ 以上に述べたように、この発明によれば、中速度領域
から充分な浮上高さで車両等の移動体を磁気浮上支持す
ることのできるシステムが簡単に実現可能であり、高速
及び超高速領域でも浮上高さが或る設定値に平衡して一
定高さでの滑走型走行を行わせることができ、しかも駆
動力の障害となる抗力の発生も車両浮上後は低く抑制さ
れ、駆動用にリニアモータシステムおよび左右案内用の
電磁システムとそれぞれ独立的に組合せて最適の磁気浮
上超高速鉄道を構成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る滑走型誘導浮上方式の
リニアモータ鉄道システムの構成を示す模式図、第2A図
は誘導浮上装置の要部を模式的に示す正面図、第2B図は
導じく側面図、第３図は滑走型誘導浮上装置の特性線
図、第4Aおよび4B図は誘導浮上装置の変形例の要部を模
式的に示す正面図と側面図、第5Aおよび5B図は誘導浮上
装置の別の変形例の要部を模式的に示す正面図と側面
図、第6Aおよび6B図は誘導浮上装置の更に別の変形例の
要部を模式的に示す正面図と側面図である。 （主要部分の符号の説明） 1:矩形短絡コイル（列）、1a:上辺導体部、2:単極型磁
石、3:永久磁石、4:磁性体レール、5:制御電磁石装置、
6:地上コイル、7:単極型磁石、8:永久磁石、9:レール、
10:車輪、11:支持桁、12:横桁、13:台車、14:支持ば
ね、15:車体、20:車両。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動用リニアモータによって走行路に沿っ
   て移動する移動体に、該移動体の自重に抗して走行路か
   ら浮上させる力を電磁誘導作用によって付与するものに
   おいて、 前記駆動用リニアモータの敷設位置に対して走行路の幅
   方向に離れた別の位置に、夫々短絡閉回路を形成する複
   数の矩形短絡コイルを各コイルのコイル面が垂直面内に
   位置するように縦配列して前記走行路の長さ方向に沿っ
   て固定配列してなる短絡コイル列と、 前記短絡コイル列に上から跨がり、前記短絡コイル列の
   各矩形短絡コイルの上辺導体部の左右両側面に間隙を介
   して対面した状態で相対移動するように前記移動体に取
   り付けられた一対の対向磁極面を有する単極型磁石とを
   備え、 前記矩形短絡コイルが、少なくとも上辺導体部が複数の
   平角断面導体を重ねた多分割コイルであり、 前記移動体の停止状態において前記単極型磁石の対向磁
   極面が、前記矩形短絡コイルの前記上辺導体部の上縁か
   ら下縁を含み且つ該下縁よりも前記移動体の浮上高さ寸
   法だけ下方のコイル内空孔へ広がる高さ寸法の領域に亙
   って水平磁束を生じるようになされており、 前記単極型磁石のつくる水平磁束を、前記閉回路を形成
   する各矩形短絡コイルの上辺導体部と錯交させ、この錯
   交磁束が移動体の走行移動に伴って矩形短絡コイルに対
   して相対移動することにより生じる電磁誘導作用によっ
   て、前記水平磁束と錯交する矩形短絡コイルに起電力を
   生ぜしめ、この起電力によって矩形短絡コイルに流れる
   短絡電流と前記水平磁束との前記上辺導体部における電
   磁相互作用により、走行中の前記移動体を磁気反発浮上
   させるものである ことを特徴とする滑走型誘導浮上装置。
2. 【請求項２】前記走行路の上面の幅方向両側に前記短絡
   コイル列が夫々敷設されると共にこれら両短絡コイル列
   の間に移動体駆動用の地上一次式リニアモータの地上コ
   イルと移動体の幅方向案内用の磁気吸引浮上式の一対の
   磁性体レールとが別々に敷設され、前記移動体には、前
   記両短絡コイル列と各々協動する一対の前記単曲型磁石
   と、前記地上コイルと協動して前記リニアモータを構成
   する磁石装置と、前記一対の磁性体レールと協動して前
   記磁気吸引浮上式の幅方向案内を行うための一対の電磁
   石装置とが互いに独立して設けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の滑走型誘導浮上装置。