(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気浮上式鉄道のガイドウェイに車両の進行方向に沿って連続的に設置され、前記車両の少なくとも浮上機能を発揮する地上コイルであって、
前記地上コイルを不等ピッチで取り付けたことを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルにおいて、
前記地上コイルは、前記不等ピッチに見合った大きさに形成されていることを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルにおいて、
前記地上コイルは、同一の大きさに形成されていることを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルにおいて、
前記不等ピッチはランダムであることを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【請求項５】
請求項１〜３の何れかに記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルにおいて、
前記不等ピッチがｎ（ｎ≧２）種類の場合、当該ｎ種類の不等ピッチが一定の順番で繰り返すように構成したことを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【請求項６】
請求項１〜３の何れかに記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルにおいて、
前記不等ピッチがｎ（ｎ≧２）種類の場合、前記車両に搭載されている超電導磁石に対する加振周波数としてｎ種類の各ピッチに起因するもの及びｎ種類の内の２種類以上ｎ種類以下のピッチの各組合せに起因するものの影響度が相対的に小さくなる不等ピッチとしたことを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気浮上式鉄道の少なくとも浮上のために用いられる地上コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
磁気浮上式鉄道においては、車両を浮上、案内、推進させるための地上コイルをガイドウェイに連続的に設置している。この地上コイルは、車両の超電導磁石の極ピッチ（同一超電導磁石内で隣り合う超電導コイルの中心間の長手方向距離）に応じた長さのものを等ピッチで連続的に設置している。例えば山梨実験線であれば、浮上・案内用の地上コイルが４５ｃｍの等ピッチで配置されている。
【０００３】
車上の超電導磁石が車両速度に応じた特定の周波数で加振され、超電導磁石の共振周波数によっては、熱負荷が大きくなって液体ヘリウムが気化する量が大きくなる。このような不都合を防止するためには、例えば、共振周波数を磁気浮上式鉄道の通常の運用速度で発生する周波数より高く設定することが考えられる。但し、これを実現するためには、超電導磁石に重量をかけて強固に構成する必要がある。また、気化したヘリウムを再液化するための冷凍機の容量を大きくする必要があり、重量と消費電力量の増加につながる。そのため現実には、加振される超電導磁石の持つ複数の振動モードすべての共振周波数が磁気浮上式鉄道の通常の運用速度で発生する周波数よりも高くなるよう設定することは非常に困難である。
【０００４】
そのため、磁気浮上式鉄道の通常の運用速度範囲内に共振周波数が存在してしまうことを前提としながら、そのような共振周波数で磁気浮上式鉄道が等速走行することを避けるようにすることも考えられる。逆に言えば、通常は等速走行することが少ないと思われる所定速度αｋｍ／ｈにて磁気浮上式鉄道が走行する際に共振周波数が存在するよう超電導磁石を設計するのである。
【０００５】
しかしながら、超電導磁石の共振周波数は製作のバラツキにより必ずしも一定ではなく、１編成中の複数の超電導磁石のそれぞれの共振周波数を考慮する必要がある。そのため、ある程度幅をもった速度域における走行を制限する必要が出てくる。さらに、通常は等速走行することが少ないと思われるαｋｍ／ｈを想定したとしても、これはあくまで想定であり、種々の事情によってはそのような速度で等速走行せざるを得ない状況も考えられる。
【０００６】
そこで本発明は、磁気浮上式鉄道の通常の運用速度範囲内に共振周波数が存在する前提でありながら、共振周波数に一致する状況を極力防止可能な地上コイルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の磁気浮上式鉄道の地上コイルは、磁気浮上式鉄道のガイドウェイに車両の進行方向に沿って連続的に設置されるのであるが、不等ピッチで取り付けられている。車両に搭載される超電導磁石が特定の共振周波数で加振される原因は、浮上させるための地上コイルが等ピッチで配置されていることであるため、本発明によれば地上コイルを不等ピッチで取り付けることにより、共振周波数のピークを小さくできる。これにより、磁気浮上式鉄道の通常の運用速度範囲内に共振周波数が存在することを前提としても、共振周波数に一致する状況が従来に比べて発生しにくくなる。したがって、従来に比べて熱負荷が小さくなり液体ヘリウムが気化する量を抑制できる。これは、気化したヘリウムを再液化するための冷凍機の容量を相対的に小さくできることを意味する。また、共振周波数自体は磁気浮上式鉄道の通常の運用速度で発生する周波数範囲に存在することを許容しているため、超電導磁石に重量をかけて強固に構成することで重量と消費電力量の増加につながるといった不都合も生じない。
【０００８】
ところで、地上コイルの取付ピッチが不等ピッチとなるよう配置することがポイントであるため、地上コイル自体は、例えば不等ピッチに見合った大きさに形成してもよいし（請求項２）、同一の大きさに形成してもよい（請求項３）。同一の大きさに形成してあっても、取付ピッチ自体が不等ピッチであれば、超電導磁石が特定の共振周波数で加振される度合いを従来構成よりも低減できる。
【０００９】
なお、超電導磁石の発熱量のピークを抑えるという点からすればこれらはいずれも従来構成よりは有利ではあるが、請求項２のように不等ピッチに見合った大きさに地上コイルを形成した方が、請求項３のように同一の大きさに形成するよりも、浮上力の点では有利である。つまり、請求項３のように同一の大きさにした場合には、コイル間に隙間が開くためこの部分は浮上力が得られないのに対し、請求項２のように不等ピッチに見合った大きさに地上コイルを形成すれば、連続的に浮上力を得易くなるからである。
【００１０】
また、取付ピッチを不等ピッチとする場合、請求項４に示すようにランダムに構成してもよいし、請求項５に示すように、一定の順番で繰り返すように構成してもよい。例えば２種類のピッチを用いた場合であっても、それらを交互に配置してもよいし、ランダムに配置してもよい。
【００１１】
この両者の優劣に関しては、次の観点からランダムに配置する方がむしろ望ましいと考えられる。例えばＡのピッチとＢのピッチの２種類を用いるとすると、交互に配置した場合は、超電導磁石に対する加振周波数として、Ａ、Ｂそれぞれに起因するもの、Ａ＋Ｂに起因するものが発生する。従って、２種類のピッチのコイルを配置する場合でも、Ａ、Ｂ、またはこれらの組み合わせ（Ａ＋Ｂ、Ａ＋Ａ＋Ｂ、Ａ＋Ｂ＋Ｂ等）の影響度が最も小さくなるような最適解がある。また、これらＡ、Ｂ、またはこれらの組み合わせの加振周波数に対する応答倍率は、Ａ単独、Ｂ単独と比較した場合、定性的には小さくなる。したがって、このような観点から、必ずしも交互に配置するのが最適とは言えない。
【００１２】
なお、このような不等ピッチの組合せによる影響度を加味すると、請求項６に示すように、「不等ピッチがｎ（ｎ≧２）種類の場合、車両に搭載されている超電導磁石に対する加振周波数としてｎ種類の各ピッチに起因するもの及びｎ種類の内の２種類以上ｎ種類以下のピッチの各組合せに起因するものの影響度が相対的に小さくなる不等ピッチとする」という技術思想を採用することも有効であると考えられる。
【００１３】
本発明の対象となる地上コイルは、車両の少なくとも浮上機能を発揮できればよく、浮上コイル、浮上・案内コイル、浮上・推進コイル、浮上・案内・推進コイルなどに適用できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００１５】
図１は超電導磁気浮上式鉄道のガイドウェイ１３及び超電導リニア車両（以下、単に車両と称す。）１０を示す断面図であり、図２は、浮上・案内コイル１，１’の配置及び配線の概要を示す説明図である。
浮上・案内コイル１，１’は、１つのコイルで浮上・案内の機能が実現できるコイルであり、断面略Ｕ字状のガイドウェイ１３の側壁に車両進行方向に沿って連続的に配置される。ここでは片方の側壁に配置されたものに１と付番し、他方の側壁に配置されたものを１’と付番する。なお、この車両進行方向に沿って連続的に配置する際にどのような間隔で配置するかに特徴があるが、この点については後述することとし、基本的な構成について先に説明する。
【００１６】
車両１０の両側には、超電導磁石２０，２０’が、浮上・案内コイル１，１’とそれぞれ対向するよう垂直に装着されている。なお、超電導磁石２０は浮上・案内コイル１と対向し、超電導磁石２０’は浮上・案内コイル１’と対向する。以降の説明においても、車両の進行方向の左右に両方存在する構成に関しては、同じ番号を用いながら一方の番号に’を付することで、’の有無によってそれらが同じ側の構成であることを示すこととする。車両１０を構成する車体は、鉄車輪とレールにより走行を行う従来の鉄道車両の車体と同様、客室や乗降用ドア等（図示せず）を有するものである。車両１０に対しては、超高速浮上走行という特異な走行条件から、徹底した軽量化と高強度化が求められているため、車体の構体材料にはアルミニウム合金が用いられており、その構造も航空機と同様のセミモノコック構造になっている。また、走行時の空気抵抗を最小限に抑えるために、車体の表面は全体的に滑らかになっている。
【００１７】
車体は台車に搭載されており、この台車に超電導磁石２０，２０’やタイヤ１２が設けられている。超電導磁石２０，２０’と推進コイル（図示せず）との磁気相互作用によって生じる推進力により車両１０が推進することとなる。超電導磁石２０，２０’は、複数の超電導コイルが車両全長方向に隣接設置して構成されており、各超電導コイルは、図示しないステンレス製の内槽容器の中に液体ヘリウムとともに収納されている。この超電導コイルはニオブ・チタン合金等の超電導線材を数千回巻いて構成されており、電流を流すことによって磁界が発生する。そして、図示しないステンレス製の内槽容器の中に液体ヘリウムとともに収納されている。また超電導磁石２０，２０’には、超電導コイルを冷却して超電導状態に保つための、液体ヘリウムを有する車載冷凍機（図示せず）も設けられている。超電導磁石２０，２０’を構成する隣接した複数個の超電導コイルの極性は、隣り合う極が互いに異極となるように（つまりＮ極とＳ極が交互に並ぶように）配置されている。この隣り合う超電導コイルの中心間距離を「極ピッチ」と呼ぶ。
【００１８】
一方、浮上・案内コイル１，１′は、図２に示すように、上方のコイル２，２’及び下方のコイル３，３’とをヌルフラックス接続した閉回路からなっている。具体的には、一方の側壁の浮上・案内コイルの上方コイル２と、それと対向する（反対側の側壁の）浮上・案内コイル１’の上方コイル２’とがヌルフラックスケーブル４，５を介して図２に示すようにヌルフラックス接続されている。車両１０がタイヤ１２を介して地上に着座している時における車両１０側の超電導磁石２０，２０’の垂直方向の中心と浮上・案内コイル１，１’の垂直方向の中心とは同一水平線上にあるように設定されている。
【００１９】
また、図示しないが、ガイドウェイ１３の側壁と浮上・案内コイル１，１’との間には推進コイルが配置されている。具体的には、推進コイルは表裏２層からなっており、したがってガイドウェイ１３の側壁には、表裏２層の推進コイルを取り付けた後、その表面に浮上・案内コイル１，１’を取り付けて合計３層の地上コイル構成としてある。推進コイルは、車両進行方向に沿って連続的に配置されているのであるが、各推進コイルから磁界を発生させるための電力が図示しない電力変換変電所から供給されている。より具体的には、本実施形態では、各推進コイルには、走らせたい車両速度に応じた周波数の三相交流電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）がそれぞれ流れる。そして、各々の推進コイルから発生する磁界が重なり合うことにより、結果として推進コイルからはＮ極とＳ極が交互にしかも連続的に変化する磁界が発生する。
【００２０】
このような基本的な構成によって、次の▲１▼〜▲３▼に示す浮上力・案内力・推進力が得られる。
▲１▼浮上力
車両１０がタイヤ１２を介して低速走行している時は、超電導磁石２０，２０’と浮上・案内コイル１，１’との位置的関係は上述のごとく設定されており、かつ上方及び下方コイル２，２’，３，３’はヌルフラックス接続されているので、浮上・案内コイル１，１’の鎖交磁束は０、電流は０であって電磁気的な走行抵抗は０である。車両１０の（タイヤ１２を引き込めての）浮上走行時には超電導磁石２０，２０’の垂直方向の中心が浮上・案内コイル１，１’の垂直方向の中心より下方に移行し、上方コイル２，２’及び下方コイル３，３’間で鎖交する磁束に差が生じ、上方及び下方コイル２，２’，３，３’に図３に示すような電流が誘起され、反撥と吸引によって超電導磁石２０，２０’を上方へ戻そうとする浮上力が発生し、車両の重量とバランスした位置で安定する。この場合も上方及び下方コイル２，２’，３，３’は小さい電流で有効に浮上力を発生するので、電磁気的な走行抵抗を小さくすることができる。
【００２１】
▲２▼案内力
車両１０がガイドウェイ１３の中央に位置する時は、浮上・案内コイル１，１’はガイドウェイ１３の長手方向中心線に対して対称に配置され、かつ対向する上方コイル２，２’はヌルフラックスケーブル４，５を介してヌルフラックス接続されているので、浮上・案内コイル１，１’の鎖交磁束は０、電流は０で、電磁気的な走行抵抗は０である。浮上走行中、車両１０が左右方向へ変位すると、左右の上方コイル２，２’間および左右の下方コイル３，３’間で鎖交する磁束に差が生じ、図４に示すような電流が誘起され、それによって超電導磁石２０，２０’を中央へ戻す案内力が生ずる。
【００２２】
▲３▼推進力
推進コイルに電力（本実施形態では三相交流電力）を供給して磁界を発生させ、しかも車両進行方向に隣り合う３つの推進コイルの各々に、走らせたい車両速度に応じた周波数の三相交流電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）をそれぞれ流すると、各々の推進コイルから発生する磁界が重なり合うことにより、結果としてＮ極とＳ極が交互にしかも連続的に変化する磁界が発生する。これによって、各推進コイルと対向する車両１０側の超電導磁石２０，２０‘との間に相互作用（吸引力又は反発力）が生じて、車両１０が推進する。これは、リニアシンクロナスモータによる推進原理を利用したものである。
【００２３】
次に、浮上・案内コイル１，１’を車両進行方向に沿ってどのような間隔で配置するかについて図５を参照して説明する。なお、本実施例では、左右の浮上・案内コイル１，１’は対称に配置されるので、一方の浮上・案内コイル１について取り上げて説明することにする。
【００２４】
従来は同一形状の浮上・案内コイル１が同一ピッチで連続的に配置されていたが、本実施例では、これを不等ピッチにする。ここでピッチとは、隣接する浮上・案内コイル１同士の中心間距離を指すものとする。不等ピッチにする場合には、理論的には、すべての浮上・案内コイル１間距離が異なる完全なランダムの不等ピッチであれば、共振が発生しないと考えられる。しかし、現実問題としては完全にランダムとすることは困難であるため、複数種類のピッチを組み合わせて不等ピッチを構成することとなる。その場合の具体例を３つ説明する。
【００２５】
図５（ａ）に示す例は、５種類の異なる幅を持つ浮上・案内コイル１が一定スパンＳ内において所定の順番で配置されており、その順番で配置された５つの浮上・案内コイル１のセットが繰り返し配置される構成である。つまり、５種類の異なる幅を持つ浮上・案内コイル１をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆと表すと、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→……という配置になる。
【００２６】
また、図５（ｂ）に示す例は、図５（ａ）の場合と同様に５種類の異なる幅を持つ浮上・案内コイル１を用いるのであるが、それをランダムに配置している。つまり、同じ形状の浮上・案内コイル１が同じ順番で繰り返し出現することはない。
【００２７】
また、図５（ｃ）に示す例は、同じ形状の浮上・案内コイル１を用いているが、隣接する浮上・案内コイル１同士の間隔を異ならせることによって、結果的に不等ピッチを構成している。
ここで不等ピッチとして採用できる範囲について説明する。基本的には極ピッチの半分が上限値である。なお、極ピッチとは、同一超電導磁石２０、２０’内で隣り合う超電導磁石の中心間の長手方向距離（つまりＮ極Ｓ極１組の長さ）である。この上限値を超えると、Ｎ極とＳ極が同時に同じ浮上・案内コイル１，１’内に入り、浮上・案内コイル１，１’内にうまく電流が流れず、その結果として、浮上力が発生しないためである。下限値としては物理的に構成可能な大きさまで採用可能である。
【００２８】
このように不等ピッチにすることによって、次のような効果が得られる。つまり、車両１０に搭載される超電導磁石２０，２０’が特定の共振周波数で加振される原因は、浮上させるための地上コイルが等ピッチで配置されていることであったが、本実施例の浮上・案内コイル１，１’は不等ピッチで配置されているので、共振周波数のピークを小さくできる。これにより、車両１０の取り得る走行速度範囲内に共振周波数が存在しても、共振周波数に一致する状況が従来に比べて発生しにくくなる。したがって、従来に比べて熱負荷が小さくなり液体ヘリウムが気化する量を抑制でき冷凍機の容量を相対的に小さくできることとなる。
【００２９】
なお、図５（ａ），（ｂ）は浮上・案内コイル１，１’を不等ピッチに見合った大きさに形成しているのに対して、図５（ｃ）の場合は不等ピッチではあるが、浮上・案内コイル１，１’自体は同一の大きさとなっている。超電導磁石２０、２０’の発熱量のピークを抑えるという点からすればいずれも従来構成よりは有利ではあるが、浮上力の点では図５（ａ），（ｂ）の方が図５（ｃ）の場合より有利である。つまり、図５（ｃ）の場合には、浮上・案内コイル１，１’間の隙間部分においては浮上力が得られないのに対し、図５（ａ），（ｂ）の場合は、連続的に浮上力を得られるからである。
【００３０】
また、図５（ａ），（ｂ）の両者について比較する。図５（ａ），（ｂ）の場合は５種類のピッチを前提としているが、まず２種類の場合について考えてみる。例えばＡのピッチとＢのピッチの２種類を用いるとすると、交互に配置した場合は、超電導磁石に対する加振周波数として、Ａ、Ｂそれぞれに起因するもの、Ａ＋Ｂに起因するものが発生する。従って、２種類のピッチのコイルを配置する場合でも、Ａ，Ｂ、またはこれらの組み合わせ（Ａ＋Ｂ，Ａ＋Ａ＋Ｂ，Ａ＋Ｂ＋Ｂ等）の影響度が最も小さくなるような最適解がある。また、これらＡ，Ｂ、またはこれらの組み合わせの加振周波数に対する応答倍率は、Ａ単独、Ｂ単独と比較した場合、定性的には小さくなる。
【００３１】
したがって、このような観点から、必ずしも交互に配置するのが最適とは言えず、ランダムに配置する方が共振周波数のピークを小さくできる可能性が高くなると言える。さらに上述したように、不等ピッチの組合せによる影響度を加味して設定することも有効である。なお、図５（ｂ）の場合には、５種類のピッチが存在するが、それら全ての組合せについて考慮してもよいし、一部について考慮してもよい。
【００３２】
一方、図５（ａ）のように一定スパンＳ内において所定の順番でコイルを配置する場合には、その順番で配置された５つの浮上・案内コイル１のセットを予め作成しておき、それを順番にガイドウェイ１３に配置するだけでよい。したがって、作業効率の点からすれば、この手法も有効である。
【００３３】
なお、図５（ａ），（ｂ）では例えば５種類の異なるピッチが存在することを前提としたが、複数であれば５種類以上でも以下でもよい。例えば３種類にした場合、上述したように上限は極ピッチの半分であり下限はハード構成から決まるため、例えば極ピッチの半分の（さらに）３／４のピッチと１／２のピッチと１／３のピッチを採用することが考えられる。もちろん、それ以外の組合せでもよい。また、２種類にする場合には、例えば極ピッチの半分の（さらに）２／３のピッチと１／３のピッチを採用することが考えられる。
【００３４】
［その他］
（１）上記実施例では、浮上・案内コイル１，１’を例にとって説明したが、車両１０の少なくとも浮上機能を発揮できればよく、浮上機能のみ発揮するコイル、浮上・案内機能を発揮するコイル、浮上・推進機能を発揮するコイル、さらには１つのコイルで浮上・案内・推進のすべての機能を発揮するコイルなどに適用できる。特に、１つのコイルで浮上・案内・推進のすべての機能を発揮するコイルに適用する場合には、推進機能の確保も必要であるため、上述した「極ピッチの半分の（さらに）２／３のピッチと１／３のピッチ」という２種類の組合せも有効である。
【００３５】
（２）上記実施例においては一つの浮上・案内コイル１，１’を構成している上方コイル２，２’と下方コイル３，３’が同一形状および同一寸法である場合の例について述べたが、これらは同一形状、同一寸法でない場合でも実現は可能である。
【００３６】
（３）上記実施例では、浮上機能を有するコイルをガイドウェイ側壁に設置するものを用いたが、これを走行路面（Ｕ字形の底面）に設置しても実現可能である。
（４）上記実施例ではガイドウェイ１３として断面Ｕ字状のものを用いたが、逆Ｔ字形や箱型断面、板状のもの等、種々の形状のものを用いることができ、ガイドウェイ１３の形状は、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の超電導磁気浮上式鉄道のガイドウェイ及び超電導リニア車両を示す断面図である。
【図２】浮上・案内コイルの配置及び配線の概要を示す説明図である。
【図３】浮上・案内コイルに流れる浮上のための電流の流れを示す回路図である。
【図４】浮上・案内コイルに流れる案内のための電流の流れを示す回路図である。
【図５】浮上・案内コイルの車両進行方向に沿う配置の説明図である。
【符号の説明】
１，１’…浮上・案内コイル、２，２’…上方コイル、３，３’…下方コイル、４，５…ヌルフラックスケーブル、１０…車両、１２…タイヤ、１３…ガイドウェイ、２０，２０’…超電導磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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