令和 4 年度
所属

学生番号
論文題目

卒業論文概要物理情報工学科・電子物理工学コース
192C3072

学生氏名

中塘 彩友美指導教員

小田部 荘司超伝導線材を用いた磁気浮上工具の性能向上及び電磁界解析

1. 緒言用し(Fig. 2 内上)、2 通りのモデルを製作した。超伝導線材

超伝導の性質であるピン止め効果による反発力を利用を 6 枚正方形の形に 1 枚の平面を作り、それぞれ平行した磁気浮上の技術がある。これを応用している中空加工に 5 層 100 μm 間隔で積み上げたものを Parallel type(Fig. 2

技術は、部品形成が容易かつ消費電力削減のため、短時間内左下)、互い違いに積み上げたものを Alternate type(Fig. 2で加工可能であることが求められている。その解決策の一内右下)とした。ここで 100 μm 間隔について、超伝導線材つとして主に超伝導バルクと永久磁石で構成されているは保護層、超伝導層、中間層、金属基盤、安定化層の 5 つ磁気浮上工具に注目した[1]。既に九州工業大学大学院情の層で構成されており、その中の超伝導層の厚さは 2 μm

報工学研究院知的情報系鈴木研究室では、超伝導バルクをである。これらの層と積層する際に生じる隙間を考慮し、用いた磁気浮上工具で永久磁石を 6 mm 浮上させ、約100 μm 空けて積層モデルを作成している。永久磁石につ40 N の反発力の測定に成功している。更なる性能向上のいては上述したもので内径が9.5 mmのものを用いた。

ため、超伝導バルクに比べ、臨界電流密度𝐽c と磁束密度𝐵

また、モデル作成の際は、計算の簡易化のため、永久磁を用いた超伝導特性を表す𝐽c - 𝐵特性が優れている超伝導石、超伝導線材、取り巻く空気の 3 要素のみで構成し、解線材を使用し、磁気浮上工具(SUAM)の性能評価が必要で析を行なった。反発力については、永久磁石を超伝導線材あると考えた。本研究では、永久磁石と超伝導線材を用いに近づけていくことで解析を行なった。

た円型モデルと積層モデルを作成し、電磁界解析を行い、より強い反発力を得る方法を調べた。

2. 解析
2.1.解析方法およびモデルの作成
本研究では、基本的な電磁界解析として、シミュレーションソフト JMAG Designer 20.0 で有限要素法(FEM)を用いて解析を行った。
超伝導線材を用いた 1 つ目のモデル作成について、
GdBa2 Cu3 O7−δ 超伝導線材で、理想円型にカットし解析をFig. 1- Five- circular- models- using- superconducting- tapes-行なった。線材のサイズは、内径9.5 mm、外径29.5 mm、changing-the-number-of-cutting-and-changing-the-angle

厚さ10 μm に設定し、反発力と切断数、切断の角度の影響を見るために 5 つのモデルにて比較を行った(Fig.- 1)。また、永久磁石は内径10 mm、外径29.5 mm、厚さ10 mm、磁石表面の磁束密度が450 mTのリング型 4 極ネオジム磁Parallel-type

Alternate-type

石を用いた。
2 つ目のモデル作成について、1 つ目のモデルは、現在、幅の広い線材が商品として無く、実現が難しいため、本モデルでは、実際に鈴木研究室で使用されている長尺線材の幅のサイズを基に作成をおこなった。線材のサイズは長さ

Fig. 2-Two-models,-Parallel-type-and-Alternate-type,-stack-up-to-

72 mm、幅12 mm、厚さ2 μm に設定した。1 層に 6 枚使

5-layers-using-superconducting-tapes

2.2. 電磁界解析内容
永久磁石を超伝導線材または超伝導バルクのモデルの上部にて着磁位置 10 mm で着磁を行い、永久磁石を超伝導線材方向に垂直に 10 mm から 1 mm まで移動した際に発生する超伝導線材から永久磁石への反発力を計算した。
また、超伝導バルクと超伝導線材を組み合わせて用いた際の反発力の比較および側面に線材を配置した際の影響を見るため、上述同様に着磁を行い、反発力を計算した。

3. 結果および考察

Fig. 4-Repulsive-force-when-magnetized-distance-is-1-–-10-mm-

3.1. 線材を用いた理想円モデルの反発力比較

for-Alternate-type-and-Parallel-type

磁気浮上工具の理想円モデルの FEM による反発力の計
算結果を Fig.-3 に示す。グラフより、切断数の少ないモデ

これは線材間の隙間による磁束線を受け取る面積の差がルの方が、より反発力が大きく、その中でも角度をつけたAlternate type の方が少ないからであると考えられる。

ものは、永久磁石の NS 極との境界線上に切断による隙間が重なったものの方がわずかながら反発力が大きい結果

4. 結言が得られた。これは、45°テープに流れる電流が磁石の境

本研究では、超伝導線材を用いた磁気浮上工具の性能向界線で分断され、より狭い範囲で電流が流れるため、十分上のため、FEM を用いて電磁界解析と反発力比較を行っな磁束密度が得られないことが影響していると考えられた。結果より、切断数が少なく、切断されたモデルでも、る。

切断による隙間が永久磁石の境界線と重なるモデルの方が、反発力が大きくなることがわかった。また、永久磁石

3.2. 現実的な線材を用いたモデルの反発力比較の影響が得やすい面積の大きいモデルの方が反発力を大磁気浮上工具の Parallel- type と Alternate- type の FEM にきくなることがわかった。そのため、わずかながらではあよる反発力の計算結果を Fig.-4 に示す。グラフより、着磁る が 、 隙 間 の 面 積 が 36 mm2 で あ る Parallel- Type と 、位置の距離 10 mm では力はゼロであり、着磁位置から永0.25 mm2 で あ る Alternate- type と で は 、 隙 間 の 少 な い

久磁石を近づけると反発力が働き、近づく程反発力は大きAlternate-type の方が高い反発力が得られた。

な値を示すことが分かる。また、わずかながら以上より、切断数が少ないモデルかつ、切断する際は切Alternate type の方が、反発力が大きいことが分かる。

断の隙間が永久磁石の NS 極の境界線上に重なるよう設計すると反発力が多く得られると考えられ、また、磁石の影響を多く得るために、切断による隙間を埋められる重ね方、
すなわち Alternate- type のように設計すると反発力がより得られると考えられる。

参考文献[1]-Y.-Kinoshita，et al.:-J.-Phys.-Conf.-Ser.-1590-(2020)-012023
研究実績
A.-Nakato,-S.-Iwasaki,-H.-Ishii,-E.S.-Otabe,-K.-Matuo,Fig. 3-Repulsive-force-when-magnetized-distance-is-1-–-10-mmfor-five-types-of-models-changing-the-number-of-cutting,-0,-4-and8-cuts,-and-with-changing-the-angle-for-45-degree

K.-Suzuki,-The-7th-Asian-Applied-Physics-Conference-(AsianAPC),-November-26-–-27,-2022,-Oita-University,-DannoharuCampus