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 に 適 用 する 超 電 導 磁 気 軸 受 の 研 究 開 発 を 行 っている 1) 超 電 導 技 術 を 適 用 した 軸 受 で, 軸 受 部 分 のメンテナンス 性 を 向 上 するとともに, 運 転 効 率 の 向 上 を 図 ることを 目 指 している 本 報 告 では,この 研 究 開 発 における 超 電 導 磁 気 軸 受 と, 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 する 電 磁 力 解 析 について 報 告 する 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 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 置 したフライホイールと 外 部 の 電 動 発 電 機 とのエネル ギ 授 受 を 行 う 要 素 部 品 であり,クライオスタット 容 器 を 介 して 非 接 触 でトルクを 伝 達 するものである 3) 電 磁 力 解 析 では, 磁 界 分 布 を 解 析 から 求 めて, 発 生 電 磁 力 を 予 測 した また,それらを 実 験 結 果 と 比 較 するこ とで, 解 析 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 性 を 予 測 した * 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 電 磁 力 解 析 には,3 次 元 非 線 形 動 磁 場 解 析 ソフトウェ ア ELF/MAGIC を 用 いた ELF/MAGIC は,マックスウ エル 方 程 式 の 積 分 形 を 解 く 積 分 要 素 法 を 用 いており, 磁 気 モーメント 法, 表 面 磁 荷 法, 表 面 電 流 法,ネットワー ク 法 を 組 み 合 わせて 精 度 を 向 上 している メッシュ 分 割 は 物 質 のみで 空 間 メッシュが 不 要 であること, 磁 性 体 の メッシュを 粗 く 分 割 できること, 境 界 条 件 が 不 要 である といった 利 点 がある 3. 超 電 導 磁 気 軸 受 の 電 磁 力 解 析 と 評 価 3. 1 試 験 用 超 電 導 磁 気 軸 受 本 研 究 では, 超 電 導 磁 気 軸 受 の 実 用 性 を 確 認 するため に, 実 用 に 供 す 規 模 の 荷 重 支 持 能 力 を 有 する 試 験 用 超 電 導 軸 受 を 開 発 した 研 究 開 発 の 第 一 段 階 では, 液 体 窒 素 冷 却 した 超 電 導 バルク 体 を 回 転 体 側 に 配 置 し, 固 定 側 に 超 電 導 磁 石 を 配 置 する 構 成 を 採 用 し,これをスラスト 軸 受 に 適 用 した 超 電 導 磁 石 のコイル 巻 線 には, 臨 界 温 度 10K の Nb-Ti 超 電 導 体 を 使 用 している 静 荷 重 で 10kN の 荷 重 容 量 を 確 認 した 後,5kN のスラスト 荷 重 負 荷 で 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 䋨㱢60 䋨㱢 60㬍t20 t20䋩 ᶧ ⓸ ᢿᾲ ኈ 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 㱢㪍 㪍 㔚ዉ䉮䉟䊦䋨 䋩 㪋 㑆 ଔⷐ 䋨න 㩷㫄㫄䋩 䋨න 㩷㫄㫄 図３ 解析モデル例 ディスク形状 䋨㪫䋩 㪍㪅㩷 㔚ዉ䉮䉟䊦䋨ਅ䋩 㪌㪅㪌㩷 㪌㪅㩷 䉮䉟䊦 㪋㪅㪌㩷 㪋㪅㩷 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 㪊㪅㩷 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 㪉㪅㩷 㪈㪅㪌㩷 㪈㪅㩷 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 㪅㪌㩷 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 㪅 ቢ ᕈ 㪈㪫 ଚ ᡆ 㪈㪫 ଚ ᡆ 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
特 集 : 浮 上 式 鉄 道 技 術 とその 応 用 図 5 バルク 体 の 発 生 電 磁 力 ( 解 析 と 実 験 値 比 較 ) 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 したことが 推 測 できる また,ディスク 形 状 の 場 合 は, 超 電 導 コイル 出 力 が60%を 超 えない,つまりバルク 位 置 の 最 大 磁 場 が 2T を 超 えない 領 域 でほぼ 完 全 な 反 磁 性 状 態 が 保 持 できているものと 推 測 できる リング 形 状 バルク 体 の 磁 束 侵 入 量 について, 実 験 結 果 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 ロットした 結 果 を 図 6 に 示 す コイル 出 力 70% 程 度 より 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 次 に, 実 用 荷 重 までの 特 性 向 上 を 目 的 とした 高 荷 重 化 改 良 の 効 果 を 見 積 もった 表 2に 示 した 高 荷 重 化 対 応 バ ルク 体 を 4 個 使 用 する z=-20mm の 位 置 にディスク 形 状 のバルク 体 を,またz=190mmの 位 置 にリング 形 状 バル ク 体 を 配 置 した(z=0は 超 電 導 コイル 間 の 上 下 中 心 位 置 ) 直 径 60mm バルク 体 を 適 用 した 超 電 導 磁 気 軸 受 ( 改 良 前 )と, 直 径 80mm のバルク 体 を 2 箇 所 に 配 置 した 磁 気 軸 受 ( 改 良 後 )の 発 生 電 磁 力 解 析 結 果 の 比 較 と, 改 良 後 の 実 験 結 果 5) を 図 7 に 示 す 解 析 は 完 全 反 磁 性 条 件 で 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 図 6 バルク 体 への 磁 束 侵 入 模 擬 ( 実 験 値 との 比 較 ) がら, 実 験 では,コイル 磁 気 力 40%を 超 えたあたりから 発 生 電 磁 力 が 解 析 より 低 めに 推 移 し, 起 磁 力 64% で 20kN が 発 生 した 65K 冷 却 の 実 験 結 果 では 解 析 と 実 験 値 がほぼ 一 致 していることから,これは, 磁 束 侵 入 の 影 響 であると 考 えられる 解 析 結 果 は, 実 験 結 果 とよく 一 致 しており, 磁 束 侵 入 の 影 響 を 考 慮 することで,より 正 確 な 電 磁 力 予 測 が 可 能 となることが 確 認 できた 3. 2 高 温 超 電 導 磁 気 軸 受 の 設 計 研 究 開 発 の 第 二 段 階 では,スラスト,ラジアル 双 方 の 荷 重 を 一 組 の 超 電 導 磁 気 軸 受 で 支 持 し, 回 転 体 を 非 接 触 で 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 図 を 示 す クライオスタット( 低 温 容 器 )に,フライホイー 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 し, 外 部 とのエネルギ 授 受 を 永 久 磁 石 磁 気 クラッチで 行 う 計 画 である 回 転 体 質 量 は100kg 程 度 である この 装 置 に 適 用 する 超 電 導 磁 気 軸 受 を 電 磁 力 解 析 で 設 計 した 図 8 高 温 超 電 導 磁 気 軸 受 実 験 装 置 構 想 図 31
㪉㪌 㪉 ル バルク体形状をパラメータとして検討した６ 㪉 㪈 シングルコイルでは 通常 浮上力と径方向案内の復 㪈㪌 㪈 㪄㪈 㪌 㪄㪉 㪄㪊 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 ᶋ ജ㩷㪝㩷䋨㪥䋩 ᶋ ജ㩷㪝㩷 超電導コイル バルク体とも高温超電導体とし コイ 㪄㪌 Fz 㪄㪈 㪄㪋 Fr 㪄㪌 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 㪄㪍 㪄㪋 㪄㪉 㪉 㪋 㪍 㪏 䈫䉮䉟䊦䈱ゲᣇะ ኻᄌ 㩷㩷 䈫䉮䉟䊦䈱ゲᣇะ ኻᄌ 㩷㩷䋨㫄㫄 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 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 㜞 㔚ዉ䉮䉟䊦 䈘 㔚ዉ䉮䉟䊦 㪉 㱢㪍 ᓘ 㪃 ᔕജ ଔ㕙 ᄖᓘ 㔚ዉ䉮䉟䊦 㱢㪌㪊㪅㪌 㱢㪉㪈㪅㪈 ᒻ 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 䈘 ᢙ 㩿 㪀 ᓘ 60 20 1 46 30 1 56 ᄖᓘ 270 䈘 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
㪏 㪏 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 㪍 試作品モデルの磁石配置内径 外径を同一にしている 㪍 㪋 永久磁石は 残留磁束密度を 12.85kG 保持力を 㪌 㪉 㪋 㪊 㪄㪉 㪉 㪄㪋 ᶋ ജ 䊤䉳䉝䊦ᣇะ ജ 㪈 㪄㪌 㪄㪋 㪄㪊 㪄㪉 㪄㪈 㪈 㪉 㪊 㪋 䊤䉳䉝䊦ᣇะ ജ䋨㪥䋩 䊤䉳䉝䊦ᣇะ ജ䋨 ᶋ ജ䋨㪥䋩 ᶋ ജ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 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 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 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 㪄㪅㪌 置による実験結果の評価を示す 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 㪄㪅㪌㪄 㪙㩷㩿㪫㪀 超電導磁気軸受を適用したフライホイール蓄電装置の 㪄㪈㪄㪄㪅㪌 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 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 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 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 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 㪙㩷㩿㪫㪀 㪅㪋 㪅㪉 㪄㪅㪉 㪄㪅㪋 㪄㪅㪍 㪄㪅㪏 㪄㪈 㪋 㪉㪌 㪅㪏㪄㪈 㪅㪍㪄㪅㪏 㪅㪋㪄㪅㪍 㪅㪉㪄㪅㪋 㪄㪅㪉 㪄㪅㪉㪄 㪄㪅㪋㪄㪄㪅㪉 㪄㪅㪍㪄㪄㪅㪋 㪄㪅㪏㪄㪄㪅㪍 㪄㪈㪄㪄㪅㪏 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 㩿㪸㪀㩷㩷 䊝䊂䊦 ಽᏓ 㩿㪸㪀㩷㩷 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 㪰㩷㩿㫄㫄㪀 㪄㪐 㪐 㪄㪐 㪍㪈㪅㪌 㪈㪋㪈㪅㪌 㪯㩷㩿㫄㫄㪀 㪰㩷㩿㫄㫄㪀 㪄㪐 㪐 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 ਭ ᔕജ ଔ㕙䋨䊃䊦䉪 ଔ䋩 න ਭ 㪙 න ਭ න ਭ න ਭ 㪘 䊝䊂䊦 ᨆ୯ 㪎 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 ታ㛎 ᨐ 㪏 䋨න 㩷㫄㫄 䋨න 㩷㫄㫄䋩 䊊䊦䊋䉾䊊㈩ ᨆ୯ 㪍 㪌 㪋 㪊 㪉 න ਭ 㪈 䊝䊂䊦 䊊䊦䊋䉾䊊㈩ 䊝䊂䊦 図 14 解析モデル 㪈 㪉 㪊 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 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 各 モデルの 極 数 を16 極,24 極 と 拡 大 した 時 の 最 大 伝 達 トルクの 解 析 値 を 図 17に 示 す ギャップは16mmとした 個 々の 永 久 磁 石 の 形 状 は, 図 14 に 示 す 基 本 形 状 とし, 配 置 位 置 ( 径 )を 拡 大 することで 極 数 を 増 加 している また, 図 17には,トルク 伝 達 能 力 を 具 体 的 に 評 価 するために, 本 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 定 格 トルク, 一 例 としてIHIが 開 発 している 低 消 費 電 力 フ ライホイール 9, 10) の 定 格 トルク 推 測 値 を 明 示 してある 解 析 結 果 から, 多 極 化 することで, 実 用 的 なトルク 伝 達 ができることが 確 認 できた また, 同 心 円 状 に 配 置 し てもこの 配 置 半 径 であれば, 相 互 の 磁 界 干 渉 はほとんど ないことから,さらに 大 きなトルク 伝 達 が 可 能 であり, 実 用 性 は 十 分 あると 考 えている 34 図 17 クラッチの 実 用 性 検 討 結 果 ( 解 析 値 ) 5.まとめ ロータ / ステータともに 超 電 導 体 で 構 成 する 磁 気 軸 受 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 いる この 研 究 開 発 において, 超 電 導 磁 気 軸 受 と, 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 する 電 磁 力 解 析 を 実 施 し, 実 験 結 果 と 比 較 することで, 解 析 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 性 を 予 測 した 解 析 には,ELF/MAGIC を 適 用 し,ロータ 側 に 配 置 す る 超 電 導 バルク 体 には,4 本 の 線 分 電 流 で 構 成 される 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 設 定 できる 要 素 を 適 用 した 以 下 に 結 果 をまとめる (1) 解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 比 較 において 両 者 は 良 く 一 致 し, 超 電 導 バルク 体,コイルおよび 永 久 磁 石 要 素 から 構 成 される 部 品 の 電 磁 力 特 性 がほぼ 正 確 に 把 握 でき ることが 確 認 できた (2) 高 温 超 電 導 磁 気 軸 受 を 解 析 により 検 討 した 結 果, 従 来 は 安 定 した 浮 上 のために 2 つのコイルでつくるカ スプ 磁 場 が 必 要 であったが,バルク 体 側 の 形 状 を 最 適 化 することで,シングルコイルにおいても 安 定 し た 浮 上 案 内 力 を 有 する 超 電 導 磁 気 軸 受 ができる 見 通 しを 得 た (3) 永 久 磁 石 磁 気 クラッチにおいては, 極 数 を 増 加 させ ることで, 実 用 的 な 負 荷 レベルのトルク 伝 達 ができ る 見 通 しを 得 た なお, 高 温 超 電 導 磁 気 軸 受, 永 久 磁 石 軸 クラッチについ ては, 本 解 析 結 果 をもとに, 現 在, 試 作 品 を 製 作 中 である 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 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 文 献 1) 清 野 寛, 長 嶋 賢, 田 中 芳 親, 中 内 正 彦 :フライホイール 用 高 温 超 電 導 バルク 体 磁 気 軸 受 の 基 礎 検 討, 鉄 道 総 研 報 告, Vol. 22, No. 11, pp. 35-40, 2008 2) 長 嶋 賢, 清 野 寛, 宮 崎 佳 樹, 荒 井 有 気, 坂 井 直 道, 村 上 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 載 荷 力 密 度, 鉄 道 総 研 報 告,Vol. 21, No. 9, pp. 29-34, 2007 3) 清 野 寛, 長 嶋 賢 : 超 電 導 技 術 を 適 用 して 磁 気 軸 受 を 創 る, 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) 清 野 寛, 長 嶋 賢 :20kN 対 応 超 電 導 磁 気 軸 受 の 開 発,2009 年 度 春 季 低 温 工 学 超 電 導 学 会 講 演 概 要 集,p. 47, 2009 6) 清 野 寛, 長 嶋 賢 : 高 温 超 電 導 ロータ ステータで 構 成 され る 磁 気 軸 受 の 電 磁 力 解 析,2009 年 度 秋 季 低 温 工 学 超 電 導 学 会 講 演 概 要 集,p. 202(11 月 中 旬 確 定 ), 2009 7) 池 田 雅 史, 竹 田 圭 吾, 村 上 雅 人, 長 谷 川 均, 清 野 寛, 長 嶋 賢 : 永 久 磁 石 型 非 接 触 磁 クラッチの 特 性 解 析, 平 成 21 年 電 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 雅 人 : 永 久 磁 石 型 非 接 触 磁 クラッチの 特 性 試 験 結 果, 平 成 21 年 電 気 学 会 全 国 大 会 講 演 論 文 集,p. 298, 2009 9)Kuwata, Sugitani, Saito: "Development of Low Loss Active Magnetic Bearing for Flywheel UPS", Aug. 2006, Proceedings of The 10th international Symposium on Magnetic Bearings (ISBM 10). 10) 斉 藤 修, 桑 田 厳, 温 見 寿 範, 岩 崎 郁 夫, 真 島 隆 司 : 機 械 式 2 次 電 池 の 開 発,IHI 技 報,Vol. 49, No. 1, pp. 54-59, 2009