卒業論文要旨

共鳴形非接触給電を用いた MC 形磁気浮上システムの開発
Development of MC type magnetic levitation system using resonance type contactless power supply

システム工学群
機械・航空システム制御研究室

1180043

梶澤 勇亮

1 緒言
磁気浮上システムは，非接触で物体を支持できる機構で，摩擦，2.2 現在の問題点潤滑，塵埃などの問題を解決できる可能性があり，磁気浮上式列車，現在，図 1 の機構により浮上制御が成功している．しかし，ロー

真空中やクリーンルームなど特殊環境でよく利用されている．磁気レンツ力を用いた完全な浮上機構を実現するためには，浮上コイル浮上には永久磁石の磁性や，電磁石の吸引力を利用したものなどだけでなく給電装置全体も浮上させる必要がある．このため浮上コ様々な形式があるが，ローレンツ力を利用した磁気浮上システムはイルと受電部の一体化を図る．また，これまで行った鉛直方向の制浮上力を得ることが難しいため応用例が少ない．またローレンツ力御に加え水平方向の能動制御も加えることにより，浮上コイルの安を用いるためには浮上物に電流を供給する必要があるが，地上側よ定化を図る必要がある．現在の装置では新たにセンサなどを配置す

り給電すると非接触にならない．この問題を解決するために非接触る十分なスペースがなく物理的な面から不可能である．このため新給電を用いることにより電力を供給することを考えた．

しい装置を設計した．

今回は非接触給電を用いた電力に基づいて，ローレンツ力を用いた磁気浮上システムに着目し，非接触浮上実験を行った．以下で，3 新機構の設計その機構，制御方法を示し，新機構での浮上実験を行う．

3.1 新機構の開発
新機構では，図 1 の現在センサがある中央部分に非接触給電機構

2 新機構の提案を取り付ける配置が対称性の面から望まれる．新たに必要となる装2.1 既存の機構

置は水平方向制御用電磁石，センサなどとなるが限られたスペース

これまでに試作した磁気浮上システムを図 1 に示す．非接触給電の受電部で得られた交流電流を整流回路で直流電流に変換し浮上コイルに電流を流す．浮上コイルの両側に永久磁石と電磁石を配置することで，浮上コイルに流れる電流と磁石の間にローレンツ力が発生し，重力とつりあわせることで浮上が可能となる．また，電磁石の電流を制御することでその間に働くローレンツ力を調節し，コイに配置する必要がある．そのため，磁石の必要個数およびそれらの位置について再検討した．
磁石の数については，浮上体の重量支持のための永久磁石は 3 個で十分であることが確認された．鉛直方向位置制御用電磁石も同数の 3 個とした．水平方向位置制御用電磁石は新たな設計となり，余裕を持たすために今回 4 個用いることにした．

ルの浮上位置を安定化させるものとする．

Fig.2 New mechanism modelFig.1 Existing magnetic levitation system

3.2 電磁石の設計
磁石の配置は図 2 に示すように鉛直方向用磁石は 120°毎に，水平方向用磁石は 90°毎に配置した．
完全な非接触浮上のためには，水平方向と鉛直方向に能動的な位置決め制御が必要である．その制御のために，電磁石によるローレンツ力を用いる．図 3 に，水平方向と鉛直方向の電磁石の配置を示す．このような電磁石を浮上コイルの周囲に設置することにより，それぞれの方向の力を発生し，フィードバック制御により非接触浮上を実現する．

Fig.5

Magnetic field air gap distance and Lorentz force

鉛直方向の制御を行う電磁石の詳細を図 4 に示す．電磁石が発生するローレンツ力を磁界解析ソフト JMAG を用いて解析した．解析条4 制御実験件を以下に示す．

4.1 鉛直方向の制御
今回は位置制御を行っていく上で基礎実験として PID 制御で実•浮上コイル電流：1Ａ•

図 4 に示す Z＝0mm の X 軸上に 0〜40mm までの 5mm 間隔で解析験を行った．図 3 のようにローレンツ力が Z 軸方向に働くように電を行う．

磁石の向きを配置することで，鉛直方向の浮上位置の制御する．出

•電磁石のコイルおよびコイルの電流：150 回巻 1A力として電磁石に供給される電流は，電磁石の左右に位置する永久•電磁石の磁極間距離：15mm と 30mm の 2 種類

磁石間の浮上位置を測定しているセンサの出力値を，それぞれ足して 2 で割った値と目標値との偏差に PID 補償をかけることで制御

JMAG による解析の結果を図 5 に示す．図に示すように発生するされる．

ローレンツ力は比較的小さいものであり，発生力は磁極の中心部で実験結果を図 6 に示す．実験は，浮上コイルに永久磁石のみで十最も大きくなった．よって，この部分を浮上の平衡位置に設定する分浮上できる電流を浮上コイルに流し，後に目標とする浮上位置をことが適切であると考えられる．浮上支持力は永久磁石とのローレ4ｍｍとし鉛直方向の制御を開始した．図が示すように制御が開始

ンツ力で発生させ，電磁石の発生力は，浮上制御のためだけに用いされてから 4ｍｍの位置に収束しており実験は成功したといえる．

る．このことを考えると，これらの発生力は十分であると考える．
しかし，制御性能の向上を考慮し，より発生力が大きい磁極の空隙距離が 15mm のものを採用した．

Fig.3 Control method

Fig.6

Vertical control

4.2 水平方向の制御
図 7 に水平方向の制御用に取り付けた反射型センサ①，センサ②と XY 軸上に配置された水平方向制御用電磁石との位置関係を示す．制御方法は，センサ①②の出力値にそれぞれsin 45°，0cos 15°をかけた値に PID をし，水平方向の電磁石に出力する．これにより図 7 に示す XY 軸上における目標値との偏差を読み取ることを可能としている．
実験結果を図 8 に示す．操作手順として 4.1 の実験後に XY 方向ともに目標値 4ｍｍとし鉛直方向と水平方向の実験を行った．図か
ら水平方向の制御の直後に浮上コイルが約 1ｍｍ程度上下方向にも動いているがその後は目標値に収束しているため鉛直方向および水平方向の同時制御が成功したといえる．上下に振動した理由として

Fig.4

Vertical electromagnet

図 2 における水平方向電磁石が上下方向用電磁石に数 mm 程度しか間隔がなくお互いが発生させる磁場が影響しあったのではないかと考える．また，この実験を行った際，図 2 に示す水平方向用電磁石 A,D が永久磁石の影響を受け磁気を帯びたためこの実験では取り外して制御を行っている．

φ＝0.3mm 7 twisted ritz wire coils

Fig.10
Fig.7

Position relation

Fig.11
Fig.8

Horizontal control experiment

φ＝0.5mm PEW wire coil

5.2 回路の試作方法
回路は 2 種類試作する．手順は下記の（1），（2）に示す．2 つの5 給電装置の性能向上の検討

回路の差異は，コンデンサの求め方である．前者は非接触給電用コ5.1 給電コイル

イルの自己インダクタンスを基にコンデンサの理論値を求めている先行研究にて，給電装置に使われているリッツ線および回路については試作段階の物であり，伝送効率など性能性についての検討がが，後者は仮定した共振周波数を基に，コンデンサの理論値を求めている．

行われていない．そこで図 9.図 10.図 11 に示す 3 種類のリッツ線①浮上コイルの抵抗𝑅𝐿 を測定を使った 50 回巻きのコイルを用意し，またそれらに 2 種類の回路②非接触給電のコイルのインダクタンスLを求めるを試作することで伝送効率の比較および検討を行った．
（1）

𝐿③√ ＝𝑅𝐿 から必要なコンデンサ C を求める
𝐶

④ ｆ＝

12𝜋√𝐿𝐶より共振周波数ｆを求める①f=10k［Ｈz］と条件をつける②非接触給電コイルのインダクタンスＬを求める

（2）

③ｆ＝

12𝜋√𝐿𝐶よりコンデンサＣを求める

5.3 コンデンサの導出
LCR メータにより自己インダクタンス L を測定した結果を表 1.表Fig.9

φ＝0.08mm 30 twisted ritz wire coils

2.表 3 に示す．また，LCR メータのはさみ方により数値が増減した
ため，5 回の平均を使用した．測定した自己インダクタンスからコンデンサ C をそれぞれの手順により求めた結果を表 4 に示す．
Table.1 30 twisted ritz wire coilsAB

φ ＝0.08ｍｍ Ritz wire 30 twists 50 turns [μ H]
1time
2time
3time
4time
5time
average
78.57
80.00
79.96
80.76
80.59
79.98
76.19
76.47
76.44
76.24
76.23
76.31

結言

Table.2 7 twisted ritz wire coilsAB

φ ＝0.3ｍｍ Ritz wire 7 twists 50 turns
1time
2time
3time
4time
103.20103.30103.60102.20101.00101.20101.60101.80AB

φ ＝0.5ｍｍ PEW wire 50 turns [μ H]
1time2time
3time
4time
5time
average
77.84
77.93
77.88
77.96
77.98
77.92
78.68
78.70
78.63
78.60
78.57
78.64

[μ H]
5time
average102.80103.02101.80101.48新機構の磁気浮上システムを提案し，既存の装置の問題点を改善するよう設計を行った．浮上実験により鉛直方向と水平方向の同時制御に成功した．

Table.3 PEW wire coil

Table.4 Deriving capacitor
AB
Ritz wire 30 twists 2.49［μ F］ 2.37［μ F］
Ritz wire 7 twists 3.20［μ F］ 3.16［μ F］
PEW wire
2.42［μ F］ 2.45［μ F］
Ritz wire 30 twists 3.17［μ F］ 3.32［μ F］
Ritz wire 7 twists 2.46［μ F］ 2.50［μ F］
PEW wire
3.25［μ F］ 3.22［μ F］

(1)

(2)

謝辞
（B）25289052 の助成を受けたものです．
参考文献
（1）

荻原述史 電磁結合による非接触電力伝送の原理について 電磁学会論文誌 D（産業応用部問誌）vol.131 No.5
p703-713（2）

小栗佑斗，岡宏一 非接触給電を用いた磁気浮上システムの開発 日本機械学会 第 15 回「運動と振動の制御」シンポジウム（MoViC2017）プログラム A21

5.4 伝送効率実験（3）5.3 により導出したコンデンサを回路に組み込み受電側にかかる電圧を調べることで伝送効率の比較を行った．結果を回路の試作方法により分け手順（1）により作成した回路を使った場合を図 12 に示し，手順（2）によるものを図 13 に示す．またこの時の電源電圧は 1[V]とした．
図 12，13 より実験結果はどちらの手順においてもコイル直径φ＝0.3mm の 7 本撚りリッツ線を使用したコイルの伝送効率が良いことがわかった．またそれぞれの共振周波数は，8600Hz，9800Hz であることがわかった．

Fig.12(1)Transmission efficiency

Fig.13(2)Transmission efficiency

梶澤勇亮 共鳴形非接触給電を用いた MC 形磁気浮上シス
テム 計測自動制御学会四国支部学術講演会，（2017）