高温超電導テープ線材と永久磁石を適用した磁気浮上型超電導免震装置の浮上力向上

Research Project

Project/Area Number	22K04062
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21010:Power engineering-related
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	長崎陽東北大学, 工学研究科, 准教授 (60823747)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	津田理東北大学, 工学研究科, 教授 (10267411)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	超電導免震装置 / 高温超電導テープ線材 / 免震 / 永久磁石 / 復元力 / 浮上力
Outline of Research at the Start	本研究では、浮上力向上のために、超電導バルク体に比べて設計の自由度が高く大規模化が容易な超電導テープ線材および永久磁石を適用したハイブリッド型超電導免震装置の研究開発を行う。超電導線材に発生する浮上力特性を明らかにするとともに、浮上方向だけでなく様々な方向に働く永久磁石同士の磁気力を併用した際に、浮上安定性を維持しつつ浮上力を向上可能な構成を明確化する。本研究でハイブリッド型超電導免震装置の設計指針を明らかにし、実応用を想定したモデル装置を製作・試験することで超電導線材と永久磁石を適用した超電導免震装置が安定稼働可能であり、浮上力・浮上効率の向上が可能であることを実証する。
Outline of Annual Research Achievements	本年度はHTSテープ線の案内力・復元力特性を明らかにし、案内力・復元力特性を向上可能な構成方法に関する検討を行った。まず、昨年度実施した浮上力向上に適したHTSテープ線の構成方法について復元力を測定し、同条件で測定されたHTSバルク体の復元力と比較を行った。その結果、HTSテープ線はHTSバルク体よりも復元力が大きい一方で、ヒステリシス性が生じることがわかった。また、振動実験を行い永久磁石レールと超電導体の振動伝達特性を測定した。その結果、HTSテープ線はHTSバルク体と比較して、大きい振動に対しても高い追従性を示し、振動中の永久磁石レールと超電導体間に生じる相対変位は小さかった。以上の結果から、HTSテープ線はHTSバルク体より高い復元力、追従性があることがわかった。つづいて、復元力の向上に適したHTSテープ線の構成方法について検討を行った。まず、HTSテープ線の積層のさせ方を変えて復元力特性を測定し比較することで、適切な積層方法を検討した。また、着磁位置を変えた際の復元力特性を解析によって算出することで、適切な配置方法を決定した。その結果、永久磁石レール幅方向に水平な向きの層と、長手方向に水平な向きの層を交互に積層させ、永久磁石レール中央をx軸原点として±5mm<x<±15mm、±25mm<x<±35mmの領域にHTSテープ線を配置することで復元力が大きくなることがわかった。復元力の向上に適した構成方法について、浮上力向上に適した構成方法と、復元力・浮上力を測定して比較し評価した。使用するHTSテープ線の量を一致させた場合、復元力向上に適した構成方法は浮上力向上に適した構成方法と比較して、浮上力は0.7倍、復元力は4倍となった。このことから構成方法において復元力と浮上力はトレードオフの関係であり、本年度の提案構成は大地震を想定した場合に有効な構成方法であると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は高温超電導（HTS）テープ線および永久磁石を適用したハイブリッド型超電導免震装置の設計指針の確立のために、HTSテープ線の案内力・復元力特性に関して検討を行った。実験および解析的に、HTSテープ線がHTSバルク体と比較して復元力特性・振動追従性に優れていることが明らかになった。この結果は、HTSテープ線を用いた超電導免震装置の実現に向けて非常に重要な成果である。また、HTSテープ線の復元力特性から復元力向上に適した超電導免震装置の構成方法について実験および解析的に検討し、これまでの検討と比較して4倍程度復元力を向上させることに成功している。復元力が向上することで大地震にも対応可能な免震装置を実現することができるため、提案する構成方法によって少ないテープ線使用量において優れたパフォーマンスが期待できる。以上より、順調に本研究課題が進展していると評価できる。
Strategy for Future Research Activity	これまでの検討により、高温超電導（HTS）テープ線に発生する浮上力・案内力・復元力特性を明らかにし、浮上効率および復元力特性向上に適した超電導免震装置の構成方法を明らかにした。また、振動時における振動伝達特性に関しても実験的に評価し、HTSテープ線を用いた免震装置が十分な復元力・振動追従性を備えていることがわかった。今後は、HTSテープ線を配置する隙間部分に永久磁石を配置することによって、浮上安定性を損なわずに浮上力向上が可能かどうかについて評価を行う。永久磁石の併用によって、案内力・復元力特性を維持した状態で浮上力向上が可能となれば、より大きな積層重量下において大地震に対応可能な免震装置が実現可能となる。浮上安定性の解析においては、HTSテープ線に発生する浮上力・復元力と永久磁石に働く磁気反発力を比較した静的な安定性解析と、実際に振動を印加した際の動的な安定性解析に取り組む。様々なHTSテープ線および永久磁石の配置・構成を想定して浮上安定性および浮上力を評価し、最適なハイブリッド型免震装置の構成方法を明らかにする。さらに、解析結果に基づいてハイブリッド型免震装置を試作し、振動を印加した際の振動伝達特性を検討することによって、解析結果の妥当性およびハイブリッド型免震装置の実証を行う。