| 研究課題/領域番号 |
15K18163
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| 研究機関 | 八戸工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
佐々木 修平 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (30707261)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 超電導バルク体 / 磁気浮上 / 免震 |
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| 研究実績の概要 |
日本は4つのプレート上に位置しており，世界でも有数な地震大国である。近年，死者を伴う大規模地震が約5年間隔で発生し，多大なる被害がもたらされている。今後も東海地震をはじめ大都市圏における大規模地震の発生確率が高く，今まで以上に地震対策を施すことが重要となる。そこで，地震被害を抑制するために，本研究では，超電導バルク体と永久磁石の磁気浮上技術を用いて建築物や設備機器を浮上させ，被害をもたらす水平方向の振動を完全に排除する（大きな免震効果が得られる），既存の免震装置とは全く異なるタイプの免震装置の開発を手がけている。
磁気浮上型超電導免震装置の実用化に向けて，重要要素となる1)磁気浮上力の高効率化，2)振動除去効果の確立（水平・鉛直振動伝達抑制），3)冷却システム技術の構築，これらの設計指針を確立することが課題である。特に，磁気浮上力は免震対象物の許容重量，水平振動伝達抑制（振動除去）は本提案装置の免震性能を示す重要な事項である。
課題研究初年度は，効果的に磁気浮上力が得られる永久磁石配列を検討するとともに，磁性体を用いた磁束密度操作によって磁気浮上力の向上を図った。これらの結果を組み合わせることにより，単位面積当たりの磁気浮上力を大幅に増加させること（機器装置の免震レベル：約8 kN/m2）に成功した。二年目は，初年度に得られた有効な固定層と浮上層の構成を用いて鉛直振動に対する伝達特性を評価した。その結果，印加振動の周波数が高くなるにつれて振動伝達が増幅することが分かり，その改善策として，超電導バルク体の周囲に超電導線材コイルを設け，振動伝達の抑制を図った。これにより，地震波周波数における振動伝達を数％以内の増加に抑えることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本提案装置を実用化するためには，建築物や設備機器を浮上支持するための大きな磁気浮上力が必要となる。初年度において，効果的かつ効率的に磁気浮上力が得られる固定層と浮上層の構成方法について検討した。固定層にラジアル型のHalbach配列永久磁石，浮上層に新たな永久磁石を設けることで，超電導バルク体の復元力と永久磁石同士の吸引力が足し合わされ，機器免震レベルの浮上力を獲得することができた。二年目は，この構成を用いたモデル装置を製作し，鉛直振動印加試験を行った。その結果，周波数を高くなるにつれ，振動伝達が増幅していくことが分かった。これを振動系に置き換えると，共振周波数が地震波周波数以上にあることになり，今後，磁気浮上支承のために磁気結合を増加させると，さらに振動が伝達しやすくなり，浮き上がりによる被害を招くことが予想される。そこで，鉛直振動伝達を抑制するために，超電導線材によるコイル機構を新たに設けた。これは，磁気浮上力を得るための超電導バルク体の側面に超電導線材のコイルを設けることにより，鉛直振動に対して超電導バルク体に鎖交する磁界変化を電磁誘導によって打ち消すことを図った構成である。また，超電導バルク体と超電導線材を同時に液体窒素で冷却していることから，冷媒の有効利用（効率化）にもつながっている。超電導線材によるコイルを用いることによって，振動伝達率を大幅に減少させることに成功した。しかしながら，このコイル構成は超電導バルク体に発生する磁気浮上力を減少させることにつながるため，振動伝達の抑制と磁気浮上力の確保がトレードオフの関係にあり，適切な設計条件を図ることが求められることが分かった。
以上を踏まえ，おおむね順調に研究が進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
二年目の研究では，提案する免震装置の鉛直振動伝達特性を評価した。超電導バルク体の周囲に超電導線材で構成されたコイルを用いることによって，磁気浮上力はわずかに減少するものの鉛直振動伝達を抑制することに成功した。そこで最終年度（三年目）においては，永久磁石から発生する磁束密度分布の観点から多重コイルや８の字コイルなどを配置し，振動伝達抑制に効果的なコイル構成を検討する。目標として磁気浮上力の減少を抑えつつ，地震波周波数領域において振動伝達率が1となることを目指す。
また，永久磁石レールにおける磁束密度分布の解析についても進める。対向磁極配列を用いることで超電導が鎖交する単位面積あたりの磁束密度は高まるが，磁路の不安定性からレール構成することが極めて困難である。単位面積（単位体積）あたりの磁気浮上力を向上させるために，対となる永久磁石レールの磁束を利用した磁路を形成し，安定した永久磁石レールの構成を検討する。
さらに，本提案装置は水平振動を排除するために水平方向の復元力を持たないのが特徴であるが，モデル装置において風などの擾乱によって，免震対象物の静止安定浮上が困難であることが確認された。そのため，平常時においては静止安定浮上を実現する制動機構を構築することが必要となる。しかし，単純な制動機構では振動源と浮上部間に新たな結合が生じて免震対象物へ振動が伝達しやすくなることが予想されるため，振動時の振動源と浮上部の結合が超電導免震装置特有の振動伝達特性に影響を及ぼさない構成を検討する。
以上より，今後は製作したモデル装置に各要素技術を追加し，基礎の振動に対する免震対象物への水平・鉛直振動伝達特性（免震性能）を評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
初年度の研究成果を基に今年度は，磁気浮上力に効果的な構成のモデル装置を試作した。試作は設計通りに行うことができ，永久磁石や部材等を追加購入せずに済んだため，費用の節減につながった。また，そのモデル装置を用いて振動伝達特性（免震効果）を評価するために加振器における印加磁界用のバイポーラ電源を購入したが，性能を満足する電源が計上額よりも安価に購入することができたため，費用を抑制することができた。以上のことより，わずかではあるが翌年度に繰越が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
最終年度の研究では，平常時における風揺れ等の不安定性を解消するための制動用磁気支持を検討する予定である。そのため，大型の超電導バルク体と永久磁石の購入を予定している。その計上額は合わせて30万円である。その他に部材や液体窒素などの消耗品に10万円，残りは学会参加のための旅費5万円として計上している。
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