(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気浮上した浮上体に作用する磁力を制御できる磁気浮上制御装置であって、
前記浮上体に対向する磁極から該浮上体を磁気浮上させる磁束を発生する支持力発生用永久磁石と、
前記支持力発生用永久磁石の前記浮上体に対向する側で、前記磁極と同一の磁極が互いに向き合い、反対の磁極が向き合わないように配置された複数の磁力制御用永久磁石と、
前記磁力制御用永久磁石の向き合う前記磁極の間隔を、前記浮上体に作用する磁力を強めるときには狭くし、前記浮上体に作用する磁力を弱めるときには拡げるように前記磁力制御用永久磁石を動かすアクチュエータと、
を備えることを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気浮上制御装置であって、前記支持力発生用永久磁石が、前記浮上体に対向する側を除き、継鉄で囲まれていることを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気浮上制御装置であって、前記磁力制御用永久磁石の一対を備え、前記アクチュエータが、前記磁力制御用永久磁石のそれぞれに設けられていることを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の磁気浮上制御装置であって、前記浮上体が、前記支持力発生用永久磁石から発生する磁力によって吊り下げられることを特徴とする磁気浮上制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気浮上する物体に作用する磁力を制御可能にした磁気浮上制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気浮上は、磁石の吸引力や反発力を利用して物体を空中に浮かす技術であり、磁石の吸引力を利用して物体を上から吊り上げる方式と、反発力を利用して物体を下から支える方式とが存在する。いずれの方式でも、浮上体は非接触状態に保たれる。
この磁気浮上は、鉄道車両の浮上、軸受やポンプの回転部分の支持、被加工物を非接触状態で移送する搬送装置やステージ装置、測定対象物を非接触状態で保持する風洞試験装置など、多くの分野で使用されている。
浮上体を磁石の吸引力で非接触保持する方式では、浮上体の重力と吸引力とがバランスするように、浮上体に作用する磁力を制御して、浮上体の落下や、浮上体と磁石との衝突を防ぐ必要がある。反発力を利用して浮上体を下から非接触支持する方式では、浮上体の落下や磁石との衝突の危険性は少ないが、浮上体の浮上高さを調節する場合には、浮上体に作用する磁力の制御が必要になる。
【０００３】
本発明者等は、磁気浮上体に作用する磁力が制御可能な磁気浮上制御装置を下記非特許文献１で提案している。
この装置は、図７に示すように、強磁性体から成る浮上体３０を吊り下げるため、吸引力を発生する支持力発生用永久磁石２１と、支持力発生用永久磁石２１に還流する磁束の磁気回路を構成する継鉄２２と、継鉄２２の開口側に配置された強磁性体板２３、２４と、強磁性体板２３、２４間の間隔を制御するために強磁性体板２３、２４の位置を移動するアクチュエータ２５、２６とを備えている。
なお、図７では、支持力発生用永久磁石２１のＳ極側とＮ極側とを、色を違えて示している。
【０００４】
この装置では、アクチュエータ２５、２６を駆動して強磁性体板２３、２４間の間隔を拡げたり狭めたりする。
支持力発生用永久磁石２１の浮上体３０に対向する磁極から発生した磁束（点線の矢印で示す。）の一部は、強磁性体板２３、２４の間隙を通って浮上体３０に達し、残りの磁束は、強磁性体板２３、２４を経由して継鉄２２に進入し、支持力発生用永久磁石２１の異極に還流する。
図７（ａ）に示すように、強磁性体板２３、２４間の間隔が拡がると、継鉄２２に進入する磁束が減少し、浮上体３０に達する磁束が増加する。そのため、浮上体３０に作用する吸引力３１が大きくなる。
一方、図７（ｂ）に示すように、強磁性体板２３、２４間の間隔が狭まると、継鉄２２に進入する磁束が増加し、浮上体３０に達する磁束が減少する。そのため、浮上体３０に作用する吸引力３１が小さくなる。
【０００５】
図８は、この装置の強磁性体板２３、２４間の間隔を変えて吸引力の変化を測定した結果について示している。この測定では、支持力発生用永久磁石２１として直径５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱型のネオジューム磁石を使用し、浮上体３０として質量１．０ｋｇ、直径６３．５ｍｍのＳＳ４００製の鉄球を使用し、強磁性体板２３、２４としてＳＳ４００製の板を使用した。また、図１０に示すように、強磁性体板２３（２４）の先端から浮上体３０の中心を通る垂線までの距離をＷ（ｍｍ）、支持力発生用永久磁石２１から浮上体３０までの距離をＧ（ｍｍ）として、Ｇを１２．５ｍｍ、１４．０ｍｍ、１５．５ｍｍ及び１７．０ｍｍの４段階に変えたときの、各段階でのＷ（横軸）と吸引力（Ｎ）（縦軸）との関係を示している。
【０００６】
図８から明らかなように、吸引力は、強磁性体板２３、２４の間隔（２×Ｗ）が拡がるに連れて増加している。
従って、アクチュエータ２５、２６を制御して強磁性体板２３、２４の間隔を変えることで、浮上体３０に作用する吸引力を変化させることができる。
この磁気浮上制御装置では、強磁性体板２３、２４の運動方向が吸引力を生み出す磁束の方向と直交しているので、強磁性体板２３、２４を駆動するアクチュエータ２５、２６は、浮上体３０の重量を支持する力を発生する必要がない。そのため、発生力の小さなアクチュエータ２５、２６を用いて、質量の大きな浮上体の非接触支持を制御することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】水野毅他:「磁路制御形磁気浮上の提案と実験」，日本ＡＥＭ学会誌vol.4，No.3，pp346-352，(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図７に示す磁気浮上制御装置では、支持力発生用永久磁石２１から発生した磁束の一部が強磁性体板２３、２４で遮蔽されるため、浮上体３０に届く磁束が減少し、非接触支持できる物体の質量が制限される。強力な支持力発生用永久磁石を使用して非接触支持可能な物体の質量を上げるのでは、コストが嵩むことになる。
【０００９】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、従来に比べて質量の大きな物体の非接触支持が可能な磁気浮上制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、磁気浮上した浮上体に作用する磁力を制御できる磁気浮上制御装置であって、浮上体に対向する磁極から浮上体を磁気浮上させる磁束を発生する支持力発生用永久磁石と、支持力発生用永久磁石の浮上体に対向する側で、前記磁極と同一の磁極が互いに向き合い、反対の磁極が向き合わないように配置された複数の磁力制御用永久磁石と、磁力制御用永久磁石の向き合う磁極の間隔を、浮上体に作用する磁力を強めるときには狭くし、浮上体に作用する磁力を弱めるときには拡げるように磁力制御用永久磁石を動かすアクチュエータと、を備えることを特徴とする。
この装置では、磁力制御用永久磁石の間隔を狭くすると、浮上体に達する支持力発生用永久磁石の磁束が集中し、浮上体に作用する磁力が強くなる。逆に、磁力制御用永久磁石の間隔を広くすると、磁束の集中が緩和され、浮上体に作用する磁力が弱くなる。
【００１１】
また、本発明の磁気浮上制御装置では、支持力発生用永久磁石が、浮上体に対向する側を除き、継鉄で囲まれている。
支持力発生用永久磁石を囲む継鉄により、支持力発生用永久磁石から発生する磁束の拡散を防ぐことができる。
【００１２】
また、本発明の磁気浮上制御装置では、磁力制御用永久磁石を一対設け、この磁力制御用永久磁石のそれぞれにアクチュエータを設けるようにしても良い。
アクチュエータを制御して一対の磁力制御用永久磁石の間隔を変え、浮上体に作用する磁力を調整する。
【００１３】
また、本発明の磁気浮上制御装置は、浮上体を、支持力発生用永久磁石から発生する磁力で吊り下げる磁気浮上装置に好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気浮上制御装置では、支持力発生用永久磁石で発生する磁束の多くが、遮られずに浮上体に届くため、浮上体に作用する磁力が強くなり、従来の装置に比べて重い物体の磁気浮上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気浮上制御装置を示す図
【図２】図１の装置の磁力制御用永久磁石の間隔と吸引力との関係を示す図
【図３】図１の装置の磁束線分布を示す図
【図４】図１の装置を用いた風洞試験装置を示す図
【図５】３枚の磁力制御用永久磁石を有する磁気浮上制御装置を示す図
【図６】図５の磁力制御用永久磁石の配置図
【図７】従来の磁気浮上制御装置を示す図
【図８】図７の装置の強磁性体板の間隔と吸引力との関係を示す図
【図９】図７の装置の磁束線分布を示す図
【図１０】測定試験での変更箇所を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る磁気浮上制御装置を示している。
この装置は、強磁性体から成る浮上体３０を吊り下げるため、吸引力を発生する支持力発生用永久磁石２１と、支持力発生用永久磁石２１の下面を除く周囲を囲む継鉄２２と、支持力発生用永久磁石２１から発生する磁束を集中させるために継鉄２２の開口側に配置された一対の磁力制御用永久磁石１３、１４と、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔を制御するために磁力制御用永久磁石１３、１４の位置を移動するアクチュエータ１５、１６とを備えている。
【００１７】
なお、図１では、支持力発生用永久磁石２１及び磁力制御用永久磁石１３、１４のＳ極側とＮ極側とを、色を違えて示しており、この装置では、支持力発生用永久磁石２１の浮上体３０に対向する磁極と、磁力制御用永久磁石１３、１４同士の対向する磁極とが、それぞれ同一磁極となるように設定されている。
【００１８】
支持力発生用永久磁石２１を囲む継鉄２２は、支持力発生用永久磁石２１の浮上体３０に対向する磁極から発生した磁束が、散乱して磁力制御用永久磁石１３、１４の異極に流れるのを防いでいる。
そのため、支持力発生用永久磁石２１の浮上体３０に対向する磁極から発生した磁束は、点線の矢印で示すように、磁力制御用永久磁石１３、１４の同一磁極から反発を受けながら、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隙を通り抜けて浮上体３０に達する。また、その一部は、浮上体３０から磁力制御用永久磁石１３、１４の異極側に達する。
アクチュエータ１５、１６の駆動で磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔が狭まると、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隙を通り抜ける磁束が集中し、磁束集中した磁束が浮上体３０に達する。逆に、アクチュエータ１５、１６の駆動で磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔が拡がると、磁束集中が緩和された磁束が浮上体３０に達する。
そのため、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔を狭めると、浮上体３０に作用する吸引力３２が強まり、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔を拡げると、浮上体３０に作用する吸引力３２が弱まる。
【００１９】
図２は、この装置の磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔を変えて吸引力の変化を測定した結果について示している。この測定では、図８の測定と同様に、支持力発生用永久磁石２１として直径５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱型のネオジューム磁石を使用し、浮上体３０として質量１．０ｋｇ、直径６３．５ｍｍのＳＳ４００製の鉄球を使用した。また、磁力制御用永久磁石１３、１４には、表面磁束密度１９０［ｍＴ]のフェライト磁石を使用した。
図２では、図１０に示すように、磁力制御用永久磁石１３（１４）の先端から浮上体３０の中心を通る垂線までの距離をＷ（ｍｍ）、支持力発生用永久磁石２１から浮上体３０までの距離をＧ（ｍｍ）として、Ｇを１２．５ｍｍ、１４．０ｍｍ、１５．５ｍｍ及び１７．０ｍｍの４段階に変えたときの、各段階でのＷ（横軸）と吸引力（Ｎ）（縦軸）との関係を示している。
【００２０】
図２から明らかなように、吸引力は、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔（２×Ｗ）が狭い程、強く、間隔が拡がるに連れて減少している。
この特性は、図７の装置（従来例）の特性（図８）と逆であり、従来の装置では、強磁性体板２３、２４の間隔を拡げると、吸引力が増加するが、本発明の装置では、磁力制御用永久磁石１３、１４の間隔を拡げると、吸引力が減少する。
また、図２と図８とを比較して明らかなように、本発明の装置と従来の装置とでは、吸引力の大きさが大きく異なっており、本発明の装置の方が凡そ３倍程度高い。
【００２１】
この吸引力の大きさの違いは、磁束線の分布を磁場解析ソフトで有限要素解析した結果でも裏付けられている。図９は、従来の装置の磁束線の分布であり、支持力発生用永久磁石から延びる磁束線の大部分は強磁性体板を通り、浮上体に作用する磁束線は少ない。
これに対し、図３は、本発明の装置の磁束線分布を示しており、磁束線が浮上体方向に延び、浮上体上部では磁束密度が高くなっている。それ故、吸引力も増加すると推定できる。
【００２２】
図４は、本発明の磁気浮上制御装置を用いた回転球体５０の風洞試験装置を示している。磁気浮上制御装置は、風洞試験装置の上方に配置されており、支持力発生用永久磁石２１の両側に磁力制御用永久磁石１３、１４を駆動するアクチュエータ１５、１６が配置されている。この風洞試験装置では、電磁石のコイル６１、６２への給電を制御して、回転球体５０の前後・左右方向の位置が調整される。また、変位検出手段７０が回転球体５０の上下方向（ｚ方向）の変位を検出すると、制御手段（不図示）がアクチュエータ１５、１６を制御して磁力制御用永久磁石１３、１４の間隙を変え、回転球体５０に作用する支持力発生用永久磁石２１の吸引力を調整して、その変位を解消する。
【００２３】
ここでは、一対の磁力制御用永久磁石を用いて浮上体への吸引力を制御する場合について説明したが、図５及び図６に示すように、磁力制御用永久磁石１０３、１０４、１０５の数は、３枚でも、それ以上でも良い。この場合、図６に示すＷを変えて浮上体３０への吸引力を制御する。磁力制御用永久磁石の枚数が増えると、吸引力の変化量が大きくなり、図２の特性の傾きが増加する。
なお、ここでは、浮上体を磁石の吸引力で吊り下げる場合について説明したが、磁気反発力を利用して浮上体を下から非接触支持する装置にも、本発明を適用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の磁気浮上制御装置は、浮上体に作用する磁力を、発生力の小さなアクチュエータで制御することが可能であり、磁気浮上を使用する鉄道車両、軸受、ポンプ、搬送装置、ステージ装置、風洞試験装置など、広い分野で、利用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１３    磁力制御用永久磁石
１４    磁力制御用永久磁石
１５    アクチュエータ
１６    アクチュエータ
２１    支持力発生用永久磁石
２２    継鉄
２３    強磁性体板
２４    強磁性体板
２５    アクチュエータ
２６    アクチュエータ
３０    浮上体
３１    吸引力
３２    吸引力
５０    回転球体
６１    コイル
６２    コイル
７０    変位検出手段
１０３  磁力制御用永久磁石
１０４  磁力制御用永久磁石
１０５  磁力制御用永久磁石
【図１】
0005670231.tif 000002
【図２】
0005670231.tif 000003
【図３】
0005670231.tif 000004
【図４】
0005670231.tif 000005
【図５】
0005670231.tif 000006
【図６】
0005670231.tif 000007
【図７】
0005670231.tif 000008
【図８】
0005670231.tif 000009
【図９】
0005670231.tif 000010
【図１０】
0005670231.tif 000011