JPH1066205A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量かつ高剛性の外槽を実現することによっ
て、振動を低減し、大幅に熱負荷を抑制できる超電導磁
石装置を得ることを目的とする。 【解決手段】 外板６Ｂの一面からハニカム状の開孔を
削り出し、この開孔の底板に穴を開けて超電導磁石の外
板６Ｂにスポット溶接等で貼り付け固定する。このよう
な構成により、外槽の外板６Ｂが実質的にハニカム構成
板となるので、軽量化が図れるとともに、高剛性化によ
り地上側コイル等から付勢される高周波振動等の影響を
回避でき、熱負荷が抑制され、安定した超電導磁石装置
を実現できる。また、必要に応じ、ハニカムによる開孔
内部に制振材を充填して耐振性をより高めることができ
る。

Description

【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
超電導磁石装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気浮上式鉄道における超電導磁石装置
は、車両の浮上、案内及び推進のため、軌道に設けられ
た地上側コイルに対応して、車両の下部の台車の左右両
側面に設置される。従来の超電導磁石装置は、超電導コ
イルと、これを内蔵し液体ヘリウムで極低温に維持する
内槽と、これを覆う熱シールドと、更にこれらを断熱し
保持するため、内槽を支持カラムを介して宙吊りに収容
し真空容器を形成した外槽とで構成される。

【０００３】上記構成の超電導磁石装置は、車両台車に
おける車輪と駆動電動機の役割を担うものであるから、
装置自体は車両駆動を維持できるだけの機械的強度や剛
性の確保とともに、車両の運動性能の面からは、車両重
量の一部を構成するものとして、磁気浮上力確保のため
により軽量化が要求される。

【０００４】また超電導磁石装置は、冷却用液体ヘリウ
ムの消費量を抑えるためにも、超電導コイルを内蔵する
内槽への外部からの熱の侵入を抑制するとともに、加熱
による液体ヘリウムの気化を最小限に押さえることが要
求される。従って、内槽につながる構造体は、熱伝導は
できるだけ抑えることが要求されるから、内槽と外槽と
の間の支持カラムもあまり大きな構造体とするわけには
ゆかない。

【０００５】更に、磁気浮上式鉄道の超電導磁石装置
は、軌道に連続的に配置された地上コイルに発生する移
動磁束に従って移動するものであるが、その地上コイル
側から作用する電磁力には高次高調波が含まれることか
ら、その高次高調波や車体運動等による電磁的及び機械
的加振を受けて振動するので、このような負荷に耐え得
ることが要求された。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、磁気浮
上式鉄道の超電導磁石装置は、装置自体の軽量化ととも
に、高調波加振等に耐え得るような構造であることが要
求される。とりわけ高調波加振の振動周波数は数百ヘル
ツにもおよぶので、この高調波加振が超電導磁石装置を
構成する各構造体に部分振動を引起こし、この部分振動
が磁力線への磁束鎖交数の時間的変化をもたらすことか
ら、それに起因して発生する渦電流による熱損失にも配
慮する必要があった。従って、たとえば内槽と外槽との
間で相対振動が発生し、その相対振動に基づく損失が熱
負荷増となり、内槽での損失を招くという問題が生じ
た。

【０００７】超電導磁石装置における外槽の外板は、外
槽自体の剛性を高めて機械的振動を極力抑えるため、構
造的寸法的及び重量的に許容される最大の厚板で形成さ
れ、支持カラム及び内槽を支持し固定するように構成さ
れている。しかし外槽外板の板厚には限界があるから、
数百ヘルツの高調波加振により部分的な機械振動が誘起
され、その振動が外槽から支持カラムを介して内槽に伝
達されたので、内槽内の超電導磁石コイルを安定に保持
することは容易でなかった。その結果、超電導磁石コイ
ル自体が地上コイルからの高調波加振により渦電流が発
生し、液体ヘリウムの消費を増大させ、クエンチに至る
可能性があった。

【０００８】そこで、本発明は特に外槽の軽量化を実現
しつつ機械的強度を高め、振動の軽減を図り、安定した
電磁石コイルを構成できる超電導磁石装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による超電導磁石
装置は、上記従来の課題を解決するもので、超電導コイ
ルを内蔵して極低温に維持する内槽と、この内槽を真空
状態で収容する外槽とを備え、磁気浮上式鉄道の車両台
車の側面に配置される超電導磁石装置において、前記外
槽の前記車両台車側の外板にハニカム構造板を備えたこ
とを特徴とする。 このように本発明装置は、外槽の車
両台車側の外板にハニカム構造板を備えた結果、重量の
軽減と同時に剛性の強化が達成され、外板の機械的変形
が抑制されることから、内槽内電磁石コイルの動作の安
定化が図られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による超電導磁石装
置の一実施の形態を図１乃至図１６を参照し詳細に説明
する。

【００１１】図１乃至図７は、本発明による超電導磁石
装置の第１の実施の形態を示す説明図である。

【００１２】すなわち、図１に示すように、超電導コイ
ル１は内槽２の中に固定され、液体ヘリウムにより冷却
される。内槽２の内側には内槽中梁３により支持カラム
内槽座４が設けられている。超電導コイル外槽の２枚の
外板、即ち表側の外板（地上コイル側）６Ａ、裏側の外
板（台車側）６Ｂには、それぞれに支持カラム外槽座８
が溶接により固定され、その間に支持カラム５が固定さ
れている。

【００１３】支持カラム５は金属製円筒管とＦＲＰ製円
筒管の多層折返し管とによって構成され、大きな荷重に
耐えることができ、同時に外部よりの熱侵入をその長い
折返し構造により最小限に抑えるよう機能する。

【００１４】外槽の内部は断熱のため真空にされてお
り、また内槽は輻射による外からの熱侵入を最小限に抑
えるため図示はしていないが熱シールド板でカバーされ
ている。 外槽の内部を真空に保持する必要から、外槽
を構成する板材の溶接部には真空気密溶接法が採用さ
れ、また外槽の板厚は、少なくとも６ミリ程度とした。

【００１５】更に、外槽外板６Ｂの台車側面には、削り
出しハニカム構造板９が貼り付け固定されるとともに、
そのハニカム構造板９は図１に示すように外槽取付座１
１を介して支持カラム外槽座８の上に固定されるかある
いは台車側の支持部１０に固定された。このように外槽
はハニカム構造板９を介して台車に取り付けられ、内槽
内の超電導コイル１が地上側コイルに対応するように構
成された。

【００１６】次に、削り出しハニカム構造板９の詳細構
成と外槽外板６Ｂへの貼り付け構造を図２及び図３を参
照して説明する。

【００１７】すなわち、図２に示すように、ハニカム構
造板９は、板面の一方側からハニカムを構成するよう六
角形の開孔１３を削り込んで穿ち、同様に板面の逆（反
対）側からも同様形状の六角形の開孔１４を削り出して
構成した。このとき、開孔１３は同じ方向から削り込ん
だ他の開孔１３が隣接することがないように三角メッシ
ュ状配置に構成した。このようにハニカム構造板９は、
逆向き同士の開孔１３及び１４を複数個形成して構成し
た。

【００１８】上記構成のハニカム構造板９と外板６Ｂと
の接合は次のようにして行った。

【００１９】すなわち、図３に示すように、一方の削り
出しハニカム開孔１３の底板に穴を明け、スミ肉溶接ま
たは栓溶接１５を上方から行うことによって、削り出し
ハニカム構造板９を外板６Ｂに貼り付けたもので、これ
により外板を多重構造化されたハニカム構造とした。

【００２０】更に、このようにして構成したハニカム構
造板９の開孔１３、１４の位置と外板６Ｂ及び支持カラ
ム５の位置との関係について、図１に加えて、図４乃至
図７を参照して説明する。

【００２１】支持カラム５と外板６Ｂとの結合部では、
各支持カラム外槽座８がいずれも開孔１３と合致するよ
うにした。しかし各支持カラム５間のピッチは必ずしも
ハニカム構造の寸法の倍数関係にるとは限らないから、
ハニカム構造の六角形の開孔は正六角形にこだわること
なく、適宜に変形させ位置を合わせるようにした。

【００２２】また、支持カラム外槽座８は、内槽２並び
に超電導コイル１を外部から支持する重要な座面である
ので、ハニカム構造板９と強固に結合させる必要があ
る。従って、取付座１１の形状や大きさも考慮し、ハニ
カム構造板９のハニカム六角形の位置や大きさを、支持
カラム外槽座８とハニカム構造板９とが溶接可能となる
ように定める必要がある。

【００２３】図５は、図４に示した削り出しハニカム構
造板９を裏側（台車側）から見た図で、ハニカム開孔１
３の底面が六角形の面を形成し、ハニカム壁体１８で連
結された状態を示している。

【００２４】また図６は、スポット溶接によりハニカム
開孔１３の削り込み部底面と外板６Ｂを貼り合せたとき
のナゲット（ｎｕｇｇｅｔ）構造を示す断面図で、図７
は同様に貼り合わせ結合にレーザの如きシャープな熱線
を照射して溶接したときの溶着構造を示した断面図であ
る。図６及び図７に示したように、外板６Ｂ自体は一つ
の面を構成し、その外板６Ｂとハニカム構造板９とはハ
ニカム開孔１３の底板部で一体となるように接合され
る。

【００２５】上記のように構成された外槽の外板には、
以下のような作用効果がある。すなわち、六角形の開口
１３は外方（台車側）に向いているが、逆向きの開孔１
４の底板が開孔１３をとりかこんで連続した面板を構成
し、ハニカム構造を形成しているので、どの方向からの
力が作用しても、外板に対する面外曲げ力の作用は極め
て小さく、軽量にして大きな外力に耐えることができ
る。

【００２６】また、外板６Ｂとハニカム構造板９とが一
体となって高い剛性を発揮するためには、外板６Ｂの面
とハニカム開孔１４の底板部とで、剪断力に対し対抗す
ることが重要である。その点については、外槽外板６Ｂ
とハニカム開孔１３の底板とが溶接により強固に固定さ
れており、しかもそれを結ぶハニカム壁１８がハニカム
状に相互に三方向にふんばった壁のメッシュを構成した
ので、どの方向から作用する剪断力に対しても変形が阻
止され、ハニカム構造特有の軽量で極めて剛性の高い構
造を形成している。

【００２７】従って、上記構成の超電導磁石装置は、超
電導コイルを収納した内槽及び外槽が組み立てられ、真
空保持機能が確認された後に、ハニカム構造板９が外板
６Ｂに溶接されるが、あたかも外板が最初からハニカム
構造板で構成されたのと同様な効果を発揮する。

【００２８】すなわち、外槽の他方の外板６Ａは、地上
側コイルに対向し、超電導磁石に推力及び浮上力を与え
る電磁力を有効に作用させる必要があるから、外板６Ａ
の板厚には自ずから限度がある。しかし、外板６Ｂは台
車との間の位置関係を考慮するだけであるから、機械的
強度のみを考えるならば、剛性の十分高い厚目の板厚を
採用することもできるが、上述のように、厚板の増加は
重量増加につながり、浮上力に対する軽量化要求に反す
ることとなる。

【００２９】その点、本実施の形態によれば、外槽の外
板６Ｂにハニカム構造板９を接合し、内部に空間部を有
する実質的な多重構造化を図ったことにより、重量増加
なくして外槽の剛性を大幅に高めることができた。外槽
の剛性の強化は、支持カラムを支持する剛性を高め、高
調波加振に起因した内槽の振動を軽減するから、特性の
安定した良好な電磁石コイルを構成することができる。

【００３０】なお、図６に示したように、外板６Ｂとハ
ニカム開孔１３の底板部との接合はスポット溶接によっ
て行なったが、スポット溶接は一般的に上下の電極間に
被溶接材をはさみ込んで行うことから、超電導磁石外槽
として組み立てられた後では溶接作業はやりにくいもの
となる。しかしこの実施の形態による構造によれば、互
いに隣接する２つのハニカム開孔１３の底板部に互いに
異極の電極を入れて加圧通電することで、容易に溶接で
き、またこれによって２個所同時に溶接できるという利
点もある。

【００３１】また、図７に示したように、レーザ溶接の
如く高エネルギービームを照射する方法により溶接を行
った場合は、細く深い溶け込みを得られるが、このよう
な溶接では中央付近に１か所行うだけでなく、ハニカム
開孔の底板部の複数か所を溶接し、接合をより強固なも
のとすることができる。

【００３２】以上述べたように、外槽外板部に、削り出
しハニカム構造板を貼り付け固定し、多重構造としたの
で、軽量で剛性の高い超電導磁石装置を構成することが
できるとともに、内槽を支持する支持カラムの支持剛性
も高まり、超電導コイルが高調波加振による振動等に起
因して、内槽内が加熱するのを阻止することができる。
上記第１の実施の形態における超電導磁石装置では、
ハニカム構造板９の各ハニカム開孔が六角形となるよう
に削り出すものとして説明したが、この構造ではハニカ
ム壁１８が凹凸をなしてつらなる構造となる。従って、
このようなハニカム構造板９を単にそのまま矩形状の外
槽の外板６Ｂに接合した場合、外板６Ｂの周縁部では、
直線状の外板外形に合わせにくくなる。従ってハニカム
開孔の形状を六角形に限らず、三角形、四角形あるいは
五角形等の他の削り込み構造を任意に採用し、また応力
を考慮して大きさも適宜選択し、さらにそれらの任意の
組み合わせによりハニカム構造板９を構成して外板６Ｂ
と接合させることができる。 すなわち、本発明装置の
第２の実施の形態では、六角形のハニカム開孔は、外槽
外板の周縁部や特に応力が強く働く着力点近辺を除いて
配置し、その外板の周縁部や着力点近辺には、応力に対
応し得る剛性を得るため、またその応力を周辺に分散さ
せるために三角形状のハニカム開孔を採用した。

【００３３】また図８の要部断面図に示すように、削り
込み開孔部１３を開口状態とすることなく、塞ぎ板１９
を配し、これを固定溶接ビード２０で取付け閉鎖した。
この塞ぎ板１９を配したハニカム構造板は、外槽外板６
Ｂとハニカム開孔１４の底板部と塞ぎ板１９とにより完
全なハニカム板を構成することとなり、より一層高い剛
性を得ることができる。

【００３４】また、外槽外板６Ｂと削り出しハニカム開
孔１４の底板部との空間に、制振材を収納し、機械的振
動を吸収減衰させ、超電導コイルの安定化を図ることが
できる。

【００３５】すなわち、図９は本発明装置の第３の実施
の形態を説明する要部断面図で、外槽外板６Ｂと削り出
しハニカム開孔１４の底板部との空間に制振材２１を収
納し、固定溶接ビード２３で外板６Ｂに制振材押え２２
を取付ける構造とした。このように制振材２１を制振材
押え２２による適当な大きさの圧縮応力で挟み込むこと
により、高い剛性が得られるとともに、減衰能力の大き
い外槽外板を構成できる。 この第３の実施の形態で
は、外板６Ｂとハニカム開孔１４の底板部との空間に、
制振材２１を収納したが、有機系制振材を充填しても同
様に大きな減衰機能を得ることができる。

【００３６】すなわち、図１０及び図１１は本発明装置
の第４の実施の形態を説明する要部断面図で、図１０に
示すとおり、ハニカム開孔１４の底板に有機系制振材注
入口２５を開け、外板６Ｂとハニカム開孔１４の底板と
の間の空間に、有機系制振材２４を注入充填したもので
ある。この有機系制振材２４の制振作用により、超電導
磁石の振動を大幅に低減出来る。

【００３７】なお、図１１に示すように、ハニカム開孔
１４の底板から空間内に有機系制振材支え２６を突設
し、底板につながる制振材支え２６と有機系制振２４と
の間の接触面積の増大化により、振動の低減効果を高め
ることができる。

【００３８】第４の実施の形態では、外板６Ｂとハニカ
ム開孔１４の底板部との空間に、制振材を収納したが、
有機系制振材に、オーステナイト系鋳鉄などの金属系制
振材との組み合わせにより、同様に振動の大幅低減が可
能である。

【００３９】すなわち、図１２及び図１３は本発明装置
の第５の実施の形態を説明する要部断面図で、図１２に
示すとおり、粘弾性高分子材料による有機系制振材２４
にオーステナイト系鋳鉄などの金属系制振材２７を組み
合わせ付加し、超電導磁石における振動の低減化を可能
とした。

【００４０】また、図１３は、削り出しハニカム開孔１
４の底板部に制振板ガイド２９を設け、その中に弾性体
３０を配し、その弾性体３０により制振板２８を外板６
Ｂへ押し付け、制振板２８に圧縮力を与えることによっ
て、振動を低減させるようにしても良い。

【００４１】なお、上記図９乃至図１３に示した各実施
の形態では、いずれも外槽外板６Ｂとハニカム開孔１４
の底板部との空間に制振機能を高め得る構造を付加した
ものであるが、ハニカム構造をその開口が外側に向け形
成された構造とし、剛性を高め、また振動の減衰効果を
得る超電導磁石装置を提供することができる。

【００４２】すなわち、図１４及び図１５は本発明装置
の第６の実施の形態を示す説明図で、図１４の斜視図及
び図１５の断面図に示すように、削り出しハニカム開孔
１４の開口部において、面板の連続性を確保しより高め
るために、開口部の孔面積を内部に比べ小さくなるよ
う、つば３１部を設けたものである。このように構成し
たことにより、剛性は向上し、振動を大幅に低減するこ
とができる。

【００４３】また、図８を参照して説明した第２の実施
の形態の説明で、ハニカム開孔の形状を六角形のみに限
らず、他の三角形や四角形あるいは五角形等の削り込み
構造を採用したり、あるいは適宜これらの組み合わせ構
造とすることができる旨を説明したが、具体的に、荷重
の集中する荷重支持部の近辺において、ハニカム開孔の
開口形状及び大きさを適宜選択組み合わせ、他の部分よ
りもハニカム壁１８の密度が高まるよう配置した。

【００４４】すなわち、図１６は本発明装置の第７の実
施の形態を示す要部正面図で、荷重の集中する荷重支持
部３２の近辺で、他の部分よりもハニカム壁１８が密に
なるよう配置したものである。荷重支持カラム近傍は比
較的振動量が大となる。従ってこのように荷重支持部３
２の近傍のハニカム開孔の開口形状を、六角形に限ら
ず、五角形との組み合わせ構造とし、しかも大きさを変
えた組み合わせでハニカム壁１８の密度を高めた結果、
剛性が向上し、支持カラム取付部の部分変形が特に阻止
され、振動の大幅低減が可能となった。

【００４５】以上説明のように、本発明によれば、真空
容器である外槽の外板を、例えば削り出しにより形成し
たハニカム構造板材の接合により、実質的な多重構造化
が図られ、軽量化と同時に高い剛性が得られるものであ
り、支持カラム取付部等の部分変形をも効果的に抑制
し、内槽の振動を防止して信頼性の高い超電導磁石装置
を提供することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述のように、本発明によれば、外
槽裏外板のハニカム構造板により、軽量構造で剛性の大
幅な増加が実現し、信頼性の高い超電導磁石装置を提供
することができるもので実用上の効果大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導磁石装置の第１の実施の形
態を示す正面断面図である。

【図２】図１に示した装置の削り出しハニカム構造板を
示す要部斜視図である。

【図３】図２に示したハニカム構造板の要部断面図であ
る。

【図４】図２に示したハニカム構造板の要部正面図であ
る。

【図５】図２に示したハニカム構造板の要部正面図であ
る。

【図６】図２に示したハニカム構造板の要部拡大断面図
である。

【図７】図２に示したハニカム構造板の要部拡大断面図
である。

【図８】本発明による超電導磁石装置の第２の実施の形
態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図９】本発明による超電導磁石装置の第３の実施の形
態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図１０】本発明による超電導磁石装置の第４の実施の
形態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図１１】同じく、本発明による超電導磁石装置の第４
の実施の形態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図１２】本発明による超電導磁石装置の第５の実施の
形態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図１３】同じく、本発明による超電導磁石装置の第５
の実施の形態を説明するハニカム開孔の断面図である。

【図１４】本発明による超電導磁石装置の第６の実施の
形態を説明するハニカム開孔の斜視図である。

【図１５】図１４に示したハニカム開孔の要部断面図で
ある。

【図１６】本発明による超電導磁石装置の第７の実施の
形態を説明するハニカム構造板の正面図である。

【符号の説明】

１……超電導コイル ２……内槽 ５……支持カラム ６Ａ…外槽外板（地上コイル側） ６Ｂ…外槽外板（台車側） ９……ハニカム構造板 １３……ハニカム開孔 １４……ハニカム開孔 １７……ハニカムレーザ溶接溶着金属 １８……ハニカム壁 １９……ふさぎ板 ２０……固定溶接ビード ２１……制振材 ２２……制振材押え ２４……有機系制振材 ２６……制振樹脂支え ２７……金属系制振材 ２８……制振板 ３１……つば部 ３２……荷重支持部

フロントページの続き (72)発明者 齊間 亨 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 山下 知久 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導コイルを内蔵して極低温に維持す
   る内槽と、この内槽を真空状態で収容する外槽とを備
   え、磁気浮上式鉄道の車両台車の側面に配置される超電
   導磁石装置において、 前記外槽の前記車両台車側の外板にハニカム構造板を備
   えたことを特徴とする超電導磁石装置。
2. 【請求項２】 前記ハニカム構造板は、前記外槽を支持
   する支持カラムの近傍のハニカム開孔面積が他の領域の
   ハニカム開孔面積よりも小さいことを特徴とする請求項
   １に記載の超電導磁石装置。
3. 【請求項３】 前記ハニカム構造板は、六角形の孔を基
   本として、応力が大きいかあるいは急変する部分に三角
   形、四角形または五角形のうちの少なくともいずれかの
   形の孔を形成したことを特徴とする請求項２に記載の超
   電導磁石装置。
4. 【請求項４】 前記ハニカム構造板は、一面に有底の孔
   を複数穿って構成し、他面を前記外槽外板に溶接して貼
   り付けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいづ
   れかに記載の超電導磁石装置。
5. 【請求項５】 前記ハニカム構造板の一面に設けられた
   有底の孔の内、一部を他面から穿って構成し、この他面
   から穿った孔の底を前記外槽外板に溶接して貼り付けた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいづれかに記
   載の超電導磁石装置。
6. 【請求項６】 前記外槽外側に溶接して貼り付けられる
   孔の面積を他の孔の面積よりも小さくしたことを特徴と
   する請求項５に記載の超電導磁石装置。
7. 【請求項７】 前記ハニカム構造板の前記外槽外板とは
   反対側を、塞ぎ板で塞いだことを特徴とする請求項１乃
   至請求項６のいづれかに記載の超電導磁石装置。
8. 【請求項８】 前記ハニカム構造板の前記孔に制振材を
   充填した上で外槽外板とは反対側を塞ぎ板で塞いだこと
   を特徴とする請求項７に記載の超電導磁石装置。
9. 【請求項９】 前記孔底部または前記塞ぎ板から前記制
   振材側に伸びる制振材押さえを備えたことを特徴とする
   請求項７または請求項８に記載の超電導磁石装置。
10. 【請求項１０】 前記ハニカム構造板の前記孔に制振材
    と弾性材とを組み合わせて、前記孔底部と前記塞ぎ板と
    の間に圧縮して挟み込んだことを特徴とする請求項７に
    記載の超電導磁石装置。