JPH0530328Y2

JPH0530328Y2 -

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Publication number: JPH0530328Y2
Application number: JP1987144094U
Authority: JP
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1993-08-03
Anticipated expiration: 2002-09-21
Also published as: JPS6448007U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］この考案は、各種アクチユエータに適用される
電磁アクチユエータに関する。

［従来の技術］従来の電磁アクチユエータには、強磁性材の鉄
心と永久磁石または電磁石を用いて相互の吸引力
を利用した電磁軸受が実用化されている。また一
方、超電導コイルを用い、その反発力を利用して
浮上させるものとして、磁気浮上列車の開発が行
なわれているが、電磁アクチユエータにおいても
超電導体を利用する研究が行なわれている。しか
して、本出願人は、超電導体を利用した電磁アク
チユエータについて、先に特願昭62−172250号に
て出願した。この先に出願した発明の電磁アクチ
ユエータは、第６図に示すような構成となつてい
る。同図において１は非磁性材でつくられた円筒
状のケーシングで、この内部に二つのコイル２，
３が所定間隔Ｌだけ相隔たつて同心状に配置され
る。上記二つのコイル２，３の中心軸には非磁性
材による駆動軸４が設けられ、超電導板５、超電
導軸６，７と共に一体的に構成される。上記超電
導板５は板厚をt₀としコイル２，３の間に配置さ
れる。また、上記超電導軸６はコイル２に、超電
導軸７はコイル３にそれぞれ相対する位置に配置
される。超電導軸６，７は、駆動軸４は駆動され
た際に、どの位置においても軸受反力、つまりコ
イル２，３の中心軸に沿つた位置に保持される力
を得るように、それぞれが相対するコイル２，３
から逸脱しない長さａ，ｂを有している。

こうして構成される電磁アクチユエータは超電
導体が用いられているため、動作時には例えば図
中矢印で示すように超電導体としての特性を示す
臨界温度以下に冷却さる。ただし、常温で超電導
が得られるものであれば冷却の必要はない。ま
た、コイル２，３は常電導コイルまたは超電導コ
イルのどちらでも良い。

上記電磁アクチユエータにおいて、駆動軸４を
例えば上方へ駆動させる場合は、コイル３に所定
の電流を供給する。この時、超電導板５には超電
導体特有のマイスナー効果により、超電導板５の
位置における磁場によつて表皮電流が同心状に流
れる。そして、この表皮電流による磁場とコイル
３に流れる電流に基づく磁場との反発作用により
駆動力が発生し、この駆動力により超電導板５が
押し上げられ、駆動軸４が上方へ駆動される。こ
の際の駆動力は、超電導板５とコイル３との距離
の関数として求められる。また、下方への駆動も
コイル２に所定の電流を流すことにより上記同様
にして駆動力を得ることができる。

一方、超電導軸６，７にもコイル２，３に流れ
る電流に応じて表皮電流が同心状に流れる。この
表皮電流による磁場とコイル２，３に流れる電流
による磁場との反発作用により軸受反力を得て、
最も安定な中心位置に保持される。

こうして、例えば上方に駆動軸４が駆動される
と、超電導板５がコイル３から遠ざかつたことに
よる反発力の減少と同時に、コイル２による磁場
と超電導板５の表皮電流による磁場との反発力が
重畳し、この時の駆動力は初期の駆動力に比して
小さくなる。このため一定値の駆動力を得るため
にはコイル２，３の通電電流を制御しなければな
らない。これにはコイルの通電量とコイルと超電
導板との距離の関係より通電電流を制御すれば、
駆動力を一定値にすることができる。このために
は駆動軸４の位置を検出し、所定の関数計算を行
なつて電流量を決定し、電源からのコイル２，３
への通電電流を制御する。

［考案が解決しようとする問題点］上記超電導板を用いた電磁アクチユエータは、
駆動軸の制御が容易で、また可動部分の結線の必
要がなくなるために構成を簡単にして信頼性を向
上させることができるが、所定間隔離した二つの
コイルを有し、このコイルの中心軸に沿つて保持
される駆動軸を駆動させるための超電導板と、こ
の駆動軸を所定位置に保持するための軸受反力を
得るための二つの超電導軸が必要である。また、
駆動力が超電導板とコイルとの距離の関数として
与えられるため、一定値の駆動力を得たい場合に
は通電電流の増減制御が必要である。

この考案は以上のような点に鑑みてなされたも
ので、構造が簡単で、且つ、被駆動部とコイルと
の相対位置との関係に依存しないで駆動力を得る
ことができる電磁アクチユエータを提供すること
を目的とする。

［問題点を解決するための手段］この考案は、同心状に配置した二つのコイルの
中央空隙部分に、所定のクリアランスを有して同
心状に配設される超電導軸とを具備して構成する
ものである。

［作用］環状コイルの中央空隙部の磁場を利用すること
により、一本の超電導軸のマイスナー効果に基づ
く反発力を駆動力と軸受反力として利用し、これ
により構造の簡素化と被駆動部とコイルとの相対
位置の関係に依存しない駆動力を得ることができ
る。

［考案の第１実施例］以下、図面を参照してこの考案の実施例を説明
する。第１図はこの考案の第１実施例に係わる電
磁アクチユエータの構成概念を示す縦断面図であ
る。同図に示すようにコイル１１，１２の二つの
環状コイルが同心状に連続して配置される。この
コイル１１，１２は常電導コイルでも超電導コイ
ルでもよい。ただし、超電導コイルとした場合、
第１実施例においては完全反磁性を示さないもの
とする。完全反磁性を示す超電導コイルを用いた
場合の効率的な構造は第２実施例で説明する。上
記二つのコイル１１，１２の中央空隙部には、無
理なく上下に移動しうるようクリアランスｔを有
して同心状に嵌合するように超電導軸１３が配設
される。そして、この超電導軸１３の上部には非
磁性材によるアクチユエータ駆動軸１４が中心軸
に取付けられている。図中に示す超電導軸１４の
位置は正方向駆動時の初期位置を示し、破線で示
した位置は正方向駆動時の最終位置、すなわち逆
方向駆動時の初期位置を示している。ここでコイ
ル１１の軸方向の長さをL_A、超電導軸１３の長
さをｌ、正方向駆動時の初期深さをａとした時、
L_A＜ｌ＋ａ，ａ＞０の関係を持たせる。また、
コイル１２の軸方向長さをL_B、逆方向駆動時の
初期深さをｂとした時、L_B＜ｌ＋ｂ，ｂ＞０の
関係を持たせる。この時、駆動軸１３の可動範囲
ストロークＳは、Ｓ＝L_A＋L_B−ｌ−ａ−ｂであ
る。従つて、所要のストロークＳを要する場合
は、上記関係式に基づきL_A，L_B，ｌ，ａ，ｂが
設定される。なお、装置単純化のためにL_A＝L_B，
ａ＝ｂとするのが一般的である。

次に上記実施例の動作を第２図を参照しながら
説明する。上記電磁アクチユエータの運転時は、
超電導軸１４が臨界温度Tc以下に保持され超電
導状態におかれる。すなわち、臨界温度以下の環
境下に設置され使用されるか、または冷媒にて冷
却されて使用される。第２図ａは超電導軸１４を
設置していない場合の、コイル１１に通電させた
時の磁力線分布の様子を示す模式図である。コイ
ル１１には図中の記号〓で示す方向に電流I_Aが
通電され、これに基づく磁力線が矢印で示されて
いる。この時、中央空隙中での平均的磁場はB₀
（磁束密度）とする。次に第２図ｂは超電導軸１
４を正方向駆動時の初期位置に設定した状態で、
コイル１１に通電励磁した時の磁力線分布の様子
を示す模式図である。ただし、ここでは駆動軸を
図示していない。コイル１１の励磁により図中矢
印の方向に発生した磁力線は、超電導体特有のマ
イスナー効果により超電導軸１４の内部には侵入
できず、周囲のクリアランスｔの部分へ集中した
形となり反対面へ流出しターンを形成する。ま
た、超電導軸１４には軸の各部で分布を持つ表皮
電流ｉが軸表面を同心状に流れる。この時、コイ
ル１１の通電により発生した超電導軸１４の下端
面側の平均的な磁場は、コイル１１に対して初期
設定深さ（ａ＞０）があるために、B₀に概ね等
しいB₁となる。また、L_A＜ｌ＋ａの長さの関係
に基づき磁力線がターンを開始するために、上端
面側での平均的磁場はB₀より小さいB₂となる。
つまり、下端面側の磁場が上端側の磁場より大き
くなる。従つて、超電導軸１４とコイル１１の通
電に基づく磁場との反発力は、上端面より下端面
での方が大きくなり正方向の駆動力が発生する。
この駆動力F_Aは次式で示される。

F_A∝Ａ／2μ₀・（B₁ ²−B₂ ²）ただし、Ａ＝πd²，μ₀は真空の透磁率である。
この式のB₁，B₂は平均的な磁場を用いているが、
厳密にはこれらの磁場は位置の関数であるので
F_Aも位置の関数の積分形となる。

一方、クリアランスｔの部分に集中した磁場
（磁束密度B₃）により、超電導軸１４はコイルの
中心軸に向けた反発作用、つまり軸受反力を受け
コイルの内側面に接触しない無接触軸受けとして
機能する。

上記したように駆動軸１４が駆動力F_Aにより
駆動され、正方向駆動時の最終位置に達した状態
を第２図ｃに示している。この状態においても、
駆動軸１４に対して駆動力F_Aは正方向に作用し
ているので、停止金具（図示せず）により受止め
ると同時に、コイル１１への通電及び励磁状態を
停止する。こうして正方向駆動の最終位置にて駆
動軸１４が停止、保持される。

逆方向駆動の場合は、コイル１２に電流I_Bを通
電させることにより正方向駆動と同様に駆動力を
得る。この動作を第３図に示している。超電導軸
１４が正方向駆動の最終位置、すなわち逆方向駆
動の初期位置にある状態を第３図ａに示してい
る。この状態でコイル１２に電流I_Bを通電させる
と、図中矢印で示す方向に磁力線を発生する。こ
れにより超電導軸１４の上端側の磁界はB₁、下
端側の磁界をB₂とすると磁界B₁の方が大きいた
め、駆動軸１４との反発力が上端側の方が大きく
なり、駆動力F_Bが発生し駆動軸１４が下方に駆
動される。第３図ｂは超電導軸１４が駆動力F_B
により駆動され、逆方向駆動の最終位置にある状
態を示している。

以上の説明では駆動軸１４を駆動させる動作の
説明のために、コイル１１，１２の何れかに通電
させた場合について説明した。しかし、実際には
適正な軸受反力を得るために、コイル１１，１２
に同時に通電することが適している。すなわち、
正方向駆動を行なうためにコイル１１のみに通電
させる場合では、超電導軸１３が駆動されコイル
１１の領域から離れコイル１２の領域に入ると、
これにしたがつて軸受反力を受ける部分が少なく
なり不安定となる。このため、コイル１２の領域
においても適当な軸受反力を得ることができるよ
うにコイル１２にも通電する。ただし駆動力を得
るためにI_A＞I_B＞０とすることは当然である。ま
た、逆方向駆動の場合も同様であり０＜I_A＜I_Bと
することは勿論である。

［考案の第２実施例］次にこの考案の第２実施例について説明する。
この実施例ではコイル１１，１２に超電導コイル
を用いて強力磁場の発生、すなわち大駆動力の発
生を図る場合に適した構成を示している。第４図
に示すようにコイル１１とコイル１２を距離L_AB
だけ離して配設し、各部の寸法を以下の通りに設
定したものである。

L_A＜ｌ＋ａ，ａ＞０，L_B＜ｌ＋ｂ，ｂ＞０，Ｓ
＝L_A＋L_B＋L_AB−ｌ−ａ−ｂこれはコイル１１，１２の超電導導体材料が、
第１種超電導体の中間状態または第２種超電導体
の混合状態を示すような条件下で用いられる場合
を除いた、完全反磁性を示す条件下で用いられる
場合に特に効果的な配設方法である。コイル１
１，１２が完全反磁性を示すような条件下にある
場合では、第５図ａに示す第１実施例におけるコ
イルの配設では、コイル１１に電流I_Aを通電させ
ることにより発生する磁力線はコイル１２に侵入
することができない。このため図中矢印で示すよ
うに、磁力線はコイル１２の中央空隙領域へと連
続し、コイル１２の上部でターンを形成する。こ
れにより超電導軸１３の上下端面での磁場は、共
に概ねB₁となるため駆動力が発生しない。これ
に対し、第５図ｂに示すようなコイル１１，１２
の配設の場合には、コイル１１に電流I_Aを通電さ
せることにより発生する磁力線は、コイル１１と
コイル１２との間の空間より外部へ漏れターンす
るので、コイル１２の中央空隙への磁束集中はあ
まり存在しない。このため超電導軸１３の上端側
の磁場はB₂、下端側の磁場はB₂で、B₁＞B₂とな
るため十分な駆動力が発生する。また、コイル１
２の通電による逆方向駆動の場合も同様にして駆
動力を得ることができる。

［考案の効果］以上のようにこの考案によれば、超電導軸を同
心状に配置された二つのコイルの中央空隙部に所
定のクリアランスを設けて配置して、コイルの通
電操作により発生する磁場との反発力により駆動
力及び軸受反力を得るようにしたので、可動部分
への電気的結線等の必要が無いために組立て及び
構成が簡単となり信頼性が高くなり、また、コイ
ルへの一定通電により磁場との反発力に基づく柔
らかな動作特性を持つ一定駆動力が簡単に得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の第１実施例に係わる電磁ア
クチユエータの構成を示す縦断面図、第２図は同
実施例の正方向駆動時の動作を説明するための
図、第３図は逆方向駆動時の動作を説明するため
の図、第４図はこの考案の第２実施例の構成を示
す縦断面図、第５図は第２実施例の動作を説明す
るための図、第６図は従来の超電導体を用いた電
磁アクチユエータの構成を示す縦断面図である。１１，１２……コイル、１３……超電導軸、１
４……駆動軸。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

同心状に配置した二つのコイルと、このコイル
の中央空隙部分に所定のクリアランスを有して同
心状に配設される超電導軸とを具備したことを特
徴とする電磁アクチユエータ。