(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車の進行方向に沿って並行に延びる二つの直線部と前記直線部の両端部を連結する二つの円弧部とからなり、列車の進行方向に沿って間隔をおいて複数個配置されたレーストラック状超電導コイルと、前記超電導コイルを格納する内槽と、前記内槽を取り囲む輻射シールド板と、前記超電導コイル、内槽及び輻射シールド板を格納する外槽と、前記内槽を前記輻射シールド板を介して前記外槽に支持する荷重支持体とを備えた超電導磁石を車上に搭載する磁気浮上式列車用誘導集電装置において、地上に進行方向に沿って複数の地上コイルを配置し、前記地上コイルに対向する前記外槽の表面に、前記超電導コイルの直線部と同方向に延びる水平方向導体および垂直方向に延びる垂直方向導体とからなる複数個の集電コイルを進行方向に沿って不等間隔のピッチで設置し、前記外槽面の外方向電磁力が最大となる超電導コイル円弧部以外の領域に前記集電コイルの垂直方向導体が位置するようにしたことを特徴とする磁気浮上式列車用誘導集電装置。
【請求項２】
列車の進行方向に沿って並行に延びる二つの直線部と前記直線部の両端部を連結する二つの円弧部とからなり、連射の進行方向に沿って間隔をおいて複数個配置されたレーストラック状超電導コイルと、前記超電導コイルを格納する内槽と、前記内槽を取り囲む輻射シールド板と、前記超電導コイル、内槽及び輻射シールド板を格納する外槽と、前記内槽を前記輻射シールド板を介して前記外槽に支持する荷重支持体とを備えた超電導磁石を車上に搭載する磁気浮上式列車用誘導集電装置において、地上に進行方向に沿って複数の地上コイルを配置し、前記地上コイルに対向する前記外槽の表面に、前記超電導コイルの直線部と同方向に延びる水平方向導体および垂直方向に延びる垂直方向導体とからなる複数個の集電コイルを進行方向に沿って設置し、前記集電コイルの配置ピッチを前記外槽の表面に発生する高調波の周期の２／３よりも小さくし、前記外槽面の外方向電磁力が最大となる超電導コイル円弧部以外の領域に前記集電コイルの垂直方向導体が位置するようにしたことを特徴とする磁気浮上式列車用誘導集電装置。
【請求項３】
列車の進行方向に沿って並行に延びる二つの直線部と前記直線部の両端部を連結する二つの円弧部とからなり、連射の進行方向に沿って間隔をおいて複数個配置されたレーストラック状超電導コイルと、前記超電導コイルを格納する内槽と、前記内槽を取り囲む輻射シールド板と、前記超電導コイル、内槽及び輻射シールド板を格納する外槽と、前記内槽を前記輻射シールド板を介して前記外槽に支持する荷重支持体とを備えた超電導磁石を車上に搭載する磁気浮上式列車用誘導集電装置において、地上に進行方向に沿って複数の地上コイルを配置し、前記地上コイルに対向する前記外槽の表面に、前記超電導コイルの直線部と同方向に延びる水平方向導体および垂直方向に延びる垂直方向導体とからなる複数個の集電コイルを進行方向に沿って設置し、前記レーストラック状超電導コイル同士の境界付近に前記集電コイル同士の境界が位置するように前記集電コイルを設置し、前記外槽面の外方向電磁力が最大となる超電導コイル円弧部以外の領域に前記集電コイルの垂直方向導体が位置するようにし、さらに、前記集電コイルは、各相毎に順方向および逆方向に直列接続された複数のコイルからなり、それによってほぼ平衡した３相電力を発生することを特徴とする磁気浮上式列車用誘導集電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地上に設置される地上コイルに対向するように車上に超電導磁石を設置し、その超電導磁石上の地上コイルに面する位置に集電コイルを設置した磁気浮上式列車用誘導集電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気浮上式列車用の誘導集電装置は、走行する列車へ地上から車内用の電力を供給するものであり、通常、車両台車の両側に載置されている。車両側に設けられる超電導磁石は、超電導線を長円環状(レーストラック状)に巻回した超電導コイルを内槽内に格納し、その内槽の外周を隙間を介して輻射シールド板で包囲し、さらに全体を外槽に格納することにより形成される。
【０００３】
磁気浮上列車の集電方式には主に集中形集電方式と分散形集電方式があり、集中形集電方式は特開平８−２８０１０２に記載されているような浮上および推進用コイルとは別個の独立した集電用の超電導コイルを持った方式である。また、分散形集電方式は特開平９−１９１５０２に記載されているような、浮上および推進用に車上に設置された超電導磁石の地上コイル対抗面に集電コイルを設置する方式である。
【０００４】
分散形集電方式では、集電コイルを車上に設けられる超電導磁石の地上コイル面に対向する外槽表面に配置し、台車の両側に設置される超電導コイルに対向するように地上に設けられた地上コイルの磁場を利用して電力を得ている。すなわち、磁気浮上式列車の走行方向に沿って連続して配置された多数の地上コイルが、超電導磁石の外槽表面に設置された集電コイル部に高周波磁界を発生することにより、集電を行い、車上用の電力として利用する。
【０００５】
磁気浮上式列車用超電導磁石に分散形誘導集電用集電コイルが設置された例を図４、図５、図１３に示す。分散形誘導集電用超電導磁石の場合は、図１３に示すように地上コイル１１に対向する外槽４の側部表面に進行方向に沿って複数の集電用の８の字状コイル３０が設置されている。また、車体側部の両側に設けられる磁気浮上式列車用超電導磁石５０は、ねじり剛性強化や製作上の都合から仕切り板によって進行方向に２分割されている。
【０００６】
分散形誘導集電用集電コイルの配置例を示す図５および、図１３から明らかなように、軌道４０上の側壁４１に設けられた地上コイル（浮上用）１１が発生する高調波によって超電導磁石５０の地上コイル側外槽表面に、例えば、５４０ｍｍを１周期とする高調波(空間５次)が発生する。集電電力を３相とすると、集電コイル３０の配置ピッチaを外槽４の表面に発生する高調波の周期の２／３、つまり５４０×２／３＝３６０ｍｍとすることにより地上コイル１１（浮上用コイル）の高調波を利用した集電が可能となる。
【０００７】
３相の各位相名をＲ、Ｓ、Ｔとすると、各集電コイル３０の位相は図５に示した通りとなる。超電導コイル１のピッチＬを例えば１３５０ｍｍとし、超電導コイル１を４個用いて１個の超電導磁石５０を構成する場合には、集電コイル３０の個数ｎは１３５０×４／３６０＝１５コイルが適当であり、１相当たり５コイルとなる。これらの分散形誘導集電コイル３０は、集電能力や集電コイル間の相間平衡の観点から進行方向に沿って、図５に示すように等ピッチで設置される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
分散形誘導集電装置における課題の一つに、集電コイルに働く電磁力が外槽に印加されることによる超電導磁石の振動の抑制がある。走行時において、超電導磁石の外槽には、地上コイルの磁場により発生する高調波が電磁力を発生する。この電磁力は外槽を振動させるとともに、外槽の内部に組込まれ極低温に冷却されている内槽を振動させる。
【０００９】
この振動により内槽は機械的に発熱し、冷媒として使用している液体ヘリウムを蒸発させることになる。集電コイルに働く電磁力が重畳され外槽の振動が増大すると、機械的発熱が増大して液体ヘリウムの蒸発の増加を招くことになる。したがって、本発明の目的は集電コイルに発生する電磁力を減少させ、外槽の振動を抑制した分散形誘導集電装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では振動の主な原因が外槽の地上コイル側表面に外方向に働く電磁力により発生していることに着目し、外方向に働く電磁力が弱くなるような位置に集電コイルを設置するものである。
【００１１】
図６は、超電導磁石５０の断面内に超電導コイル１がつくる磁場２９の分布状態を示す図で、これにより図７に示すように外槽４の地上コイル側表面２７に矢印で示された方向の磁場２９が発生する。ハッチングを施した部分が磁場強度が大きい部分である。
【００１２】
外槽４の地上コイル側表面２７には浮上コイル１１の発生する高調波成分により、図８に示すような分布状態の渦電流２２(空間５次)が発生する。矢印は渦電流２２の向きである。この渦電流２２の電流分布は磁気浮上列車の進行とともに変化し、外槽４の表面を列車反進行方向に進行波となって移動する。
【００１３】
図９に磁場２９と渦電流２２を同一図面上に示している。電磁力は磁場２９と渦電流２２の外積で与えられるから、電磁力強度が強い部分は図中の領域２３で示される部分になる。この図のように超電導コイルレーストラック円弧部１４の上下が最も強い電磁力を受ける。すなわち、上部円弧部、下部円弧部の中央部に位置する領域２３には最大の電磁力が発生するのである。
【００１４】
なお、電磁力の方向は図４に示したような外槽表面に垂直(地上コイル方向)となる。先に述べたように、渦電流２２の分布は列車の進行に伴って移動するから、領域２３に渦電流２２が流れる時に外槽面に外方向に向かって大きな電磁力がかかることになる。
【００１５】
図１４は、外槽表面に集電コイル３０を設置した状態を示す。図に示したように超電導コイル１の円弧部に対向する面、特に領域２３に集電コイル３０の垂直導体部を設置すると、集電コイル３０に電流が流れるタイミングと、外槽面に発生する渦電流２２により外槽に強い電磁力がかかるタイミングとが一致してしまう。集電コイル３０は外槽に固定されているため、集電コイル３０に働く電磁力が外槽４に伝わり、渦電流２２により外槽４に働く電磁力と重畳されて、機械的振動が増大する恐れがある。
【００１６】
そこで、図１５に示すようにレーストラック状の超電導コイル１の円弧部の地上コイル側に面する外槽面に働く外方向電磁力の強い部分、すなわち、上部円弧部、下部円弧部の中央部領域２３を取り囲むように集電コイル３０を設置することにより、集電コイル３０の導体に働く強い電磁力を避けることが出来、かつ外槽に発生する渦電流２２により外槽４に強い電磁力がかかるタイミングをずらすことが出来るため、集電コイル３０の振動を抑え、かつ外槽４の振動を低減させることが出来る。
【００１７】
従来、地上コイルにより外槽上に流れる渦電流２２のピッチが同一であることから、外槽４に設置する集電コイルのピッチは一定であり、集電コイル３０に流れる電流の位相には周期性を持たせ、複数の集電コイルを直列に接続していた。しかし、集電コイル３０に発生する電磁力が外槽にかからないようにするためには、レーストラック状超電導コイルの円弧部の地上コイル側外槽に働く外方向電磁力の強い部分を取り囲むようにして、設置する集電コイルを大きくし、磁場と鎖交する電流を減らせば良い。この場合、集電コイルのピッチは不等間隔となる。このようにすることにより、集電コイルの振動を抑え、かつ外槽の振動を低減させることが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態例を図面を用いて説明する。図１０は、磁気浮上式列車用超電導磁石の構造を説明するもので、超電導磁石５０は、磁気浮上式列車の車両１２の下方側部の両側にそれぞれ搭載され、車両の両側に位置する地上には推進及び浮上・案内用の地上コイル１１が設置されている。地上コイル１１は、図では片側だけ示しているが、列車をはさんで進行方向に沿って両側に配置されている。
【００１９】
図２に示すように超電導磁石５０は、超電導コイル１、内槽２、輻射シールド板３、外槽４、補強用はり９を備えている。超電導物質からなる線材を巻回した超電導コイル１は、内槽２に格納され、内槽２の内部は液体ヘリウムが充填され極低温状態、すなわち絶対温度４．２Ｋに保たれている。
【００２０】
内槽２内の液体ヘリウムは、外槽４の上面に設置されたタンク１０から供給される。輻射シールド板３は、内槽２を覆っており、液体窒素で絶対温度７８Ｋ近傍に冷却されている。超電導コイル１は、後述するように２個の直線部と２個の円弧部（半円部）を有するレーストラック状の形状を持っている。補強用はり９は、内槽２が電磁力によって変形することを防ぐために用いられている。
【００２１】
超電導コイル１を覆う内槽２および輻射シールド板３も同様にレーストラック状の形状を持っている。なお、輻射シールド板３は、内槽２を覆う矩形のものを用いてもよい。外槽４は、超電導コイル１、内槽２、輻射シールド板３を収納するとともに内部を真空状態に保ち、断熱している。
【００２２】
外槽４から超電導磁石５０を構成する超電導コイル１、内槽２、輻射シールド板３を断熱し、かつ車両上に支持する構造物として荷重支持体２０、２１、２４が設けられている。外槽４の外形は、ほぼ矩形をしており、これらで１つの超電導磁石５０を構成する。１つの超電導磁石５０は、例えば４個の超電導コイル１が車両進行方向に沿って設置されていて、隣り合う超電導コイル１は地上コイル側から見て異なった磁場極性になるように設定されている。
【００２３】
この実施の形態例は、分散形誘導集電超電導磁石を用いており、図１に示すようにそれぞれの超電導コイル１１、１２、１３、１４に対して、等間隔にそれぞれ４個ずつの集電コイル３１１、３１２、３１３、３１４、３２１、３２２、３２３、３２４、３３１、３３２、３３３、３３４、３４１、３４２、３４３、３４４が設置されている。
【００２４】
したがって、集電コイル３０を配置するピッチｂは、超電導コイル１の配置間隔をＬとすると、１３５０ｍｍ／４＝３３７.５ｍｍとなる。このピッチｂは、外槽４の表面に発生する高調波の周期の２／３であるピッチａ（図５の従来例）よりも小さくなっている。
【００２５】
このような構造をとることにより、レーストラック状超電導コイル同士の境界付近に前記集電コイル同士の境界が位置し、外槽の外方向電磁力が最大となる超電導コイルの円弧部に集電コイルの垂直方向導体が設置されないため、集電コイル３０に働く外方向電磁力を減少させることが出来る。
【００２６】
なお、集電コイル３０間の電流の位相差は、後述するように３相に相当する１２０°から若干ずれるが、接続の仕方やコンバータの調整により各相で同等の電力を引き出すことが出来る。実施の形態においては、各集電コイル３０は、上下二つのコイルを８の字形に接続し、各相Ｒ、Ｓ、Ｔ毎に直列にしている。
【００２７】
図１の実施の形態では、空間高調波の周期５４０ｍｍに対して、集電コイル３０のコイルピッチが３３７．５ｍｍであるので、隣合うコイルに発生する電圧の位相差は、337.5/540×360°=225°(=135°)となり、通常の三相交流（１２０°）よりずれているため、コイルを単に順方向に直列に接続するとそれぞれ非同期の発生電圧になる。
【００２８】
しかし、図１に示したようにコイルを逆に接続することにより図１６に示したように、あまり不平衡が発生しないような３相電力を得ることができる。各集電コイル３０は、集電コイル位相にマイナス記号が付加されていないもの、例えば、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ4、Ｒ5は、順方向接続であり、マイナス記号が付加されているもの、例えば、Ｒ3、Ｒ6は、コイル極性を逆、すなわち接続を逆にしたものを意味する。これは、図１に示すように他の集電コイルと逆方向に接続されている。
【００２９】
図３は、集電コイルシステムを示す図で、複数の集電コイル３０は３相集電の場合は３系統に別れて直列に接続されており、コンバータ３２により力率が制御された電流を集電コイルに流し、交流電力を直流電力に変換する。こうして得られた直流電力は蓄電池３５に充電されるとともに、インバータ３３によって安定化した交流に変換され車上負荷３４に供給される。
【００３０】
〔実施の形態例２〕
図１１は、本発明を磁気浮上式列車用超電導磁石に適用した場合の他の実施の形態例を示す。本実施の形態例では超電導磁石５０の超電導コイル１個に対して４個の集電コイル３１、３２、３３、３４を不等間隔に設置し、超電導コイル３０の境界２５、２６を集電コイル３０の境界と一致させたものである。本実施の形態例では超電導コイル１の円弧部に面する集電コイル３０の幅寸法が大きく設定されている。このようにすることにより、集電コイル３０に働く面外電磁力を減少させることが出来る。
【００３１】
また、このように不等ピッチの集電コイル３０では実施の形態例１と同様に集電コイル３０の位相差が１２０度からずれるが、図１で説明したように接続の仕方やコンバータの調整により各相で同等の電力を引き出すことが出来る。
【００３２】
〔実施の形態例３〕
図１２に本発明を磁気浮上式列車用超電導磁石に適用した場合の他の実施の形態例を示す。本実施の形態例の分散形誘導集電超電導磁石は、超電導磁石の進行方向両側の超電導コイル部では超電導コイル１個に対して等間隔に集電コイル４個を設置し、中心部超電導コイルでは超電導コイル２個に対して集電コイルを等間隔に７個配置する。端部での集電コイルのピッチａは３６０ｍｍとし集電能力を向上させ、中心部での集電コイルピッチｃは等分割により３９０ｍｍとなる。これにより両端部超電導コイルの中心側と中央部超電導コイルの両側では、レーストラック状の超電導コイル円弧部に集電コイル垂直方向導体が設置されないため、集電コイル３０面に働く外方向電磁力を減少させることが出来る。
【００３３】
また、このように不等ピッチの集電コイル３０では実施の形態例１と同様に集電コイルの位相差が１２０度からずれるが、図１で説明したように接続の仕方やコンバータの調整により各相で同等の電力を引き出すことが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の分散形誘導集電用超電導磁石によれば、集電コイルを設置したときに発生する電磁力を減少させ、外槽の振動を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態を示す図である。
【図２】本発明が適用される磁気浮上列車用超電導磁石の模式図である。
【図３】本発明が適用される磁気浮上列車の誘導集電システムを示すブロック図である。
【図４】従来の磁気浮上列車用分散形誘導集電超電導磁石と集電コイルの概念図である。
【図５】従来の磁気浮上列車用分散形誘導集電超電導コイルと集電コイルの配置例である。
【図６】磁気浮上式列車の超電導磁石断面の超電導コイル磁場分布である。
【図７】磁気浮上式列車の超電導磁石外槽地上コイル側表面での超電導コイルが発生する磁場の向きを示す図である。
【図８】浮上コイル高調波により超電導磁石外槽地上コイル側表面に流れる渦電流分布を示す図である。
【図９】磁気浮上式列車の超電導磁石外槽地上コイル側表面での超電導コイルが発生する磁場の向きと浮上コイル高調波により超電導磁石外槽地上コイル側表面に流れる渦電流分布を説明する図である。
【図１０】磁気浮上列車全体の模式図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態を説明する図である。
【図１３】分散形誘導集電装置を備えた磁気浮上列車の構造を説明する図である。
【図１４】従来の集電コイル部の磁場分布と集電コイルに働く電磁力を説明するための図である。
【図１５】本発明の集電コイル部の磁場分布と集電コイルに働く電磁力を説明するための図である。
【図１６】図１の各集電コイルに発生する電圧を説明するベクトル図である。
【符号の説明】
１…超電導コイル、２…内槽、３…輻射シールド板、４…外槽、５…台車枠、９…補強はり、１０…液溜、１１…地上コイル(浮上コイル)、１２…車体、１３…超電導コイルレーストラック直線部、１４…超電導コイルレーストラック円弧部、２０…荷重支持体、２１…荷重支持体、２２…・渦電流、２３…面外電磁力が強い部分、２４…荷重支持体３、２５…・超電導磁石の境界、２６…・超電導磁石の境界、２７…・外槽側表面、２８…・超電導磁石の端部、２９…・磁場、３０…・集電コイル、３２…・コンバータ、３３…・インバータ、３４…・車上負荷、３５…・蓄電池、４０…軌道、４１…側壁。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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