一対の超電導バル ク磁石 と着磁用電磁石の併用 による
小型強磁性体の浮上 と制御
ニ ノ 宮 晃*1,瓜 生 芳 久*2 LevitationandcontrolofsmallferromagneticmaterialsbythecombineduseofapairofHTS superconductingbulkmagnetsandanelectromagnet AkiraNINOMIYA*1,Y6shihisaURIU*2ABSTRACT:Wefoundoutthatapairoftrappedmagneticfieldofhightemperaturesuperconducting
bulkmagnetsiscapableoffloatingtheironblockinitsspace.Andalso,thegapspacebetweenthetwo
HTSbulkmagnetsisveryimportanttolevitatetheironobject.Thatistosay,ifittriestolevitatesmaller
ironobjectinaconstantgapspace,theobjectwillbeattractedonesideofHTSbulkmagnet.Then,we
conductedtheimprovementofthismethodtobeabletolevitatesmallerironobjectinaconstantgapspace.
Asaresult,itwasfoundthatwhenanelectromagnet,whichusestheHTSbulkmagnetmagnetization,
utilizestogetherwiththetrappedmagneticfieldofHTSbulkmagnets,itispossibletolevitatesmalleriron
objectinconstantgapspace.Andalsothesuperimposedmagneticfield,whichcomposedofelectromagnet
andHTSbulkmagnet,cancreatetheconstantmagneticfieldinthegap.Byusingthisfield,wefoundthat
magneticparticlessuchasironsandcanmoveinlargergapspace.
Keywords:HTSbulkmagnet,electromagnet,levitation,ferromagneticmaterial,uniformmagneticfield (ReceivedSep.26,2012) 1.は じ め に HTSバ ル ク 磁 石 の 応 用 の 一 つ に磁 気 浮 上 が あ る。そ の 研 究 の 多 く は,超 電 導 体 と永 久 磁 石 の 組 み 合 わ せ で あ る 。 こ れ は,非 接 触 か つ 能 動 的 な 制 御 を 必 要 と し な い こ と か ら電 力 貯 蔵 用 フ ライ ホ イ ー ル(磁 気 軸 受 け)や 輸 送 装 置 な ど広 く検 討 され て い る1),2),3)。ま た,HTSバ ル ク磁 石 と軟 鉄 材 料 を 用 い た 磁 気 浮 上 に つ い て も 検 討 が な さ れ て い る4),5)。 著 者 ら は,こ れ ら の 手 法 を 基 に,新 た に 一 対 のHTSバ ル ク 磁 石 を 用 い て 一 定 の ギ ャ ッ プ 中(20∼37㎜)に 直 径10 ∼20㎜ φ程 度 の 軟 鉄 製 の 球 や 円 柱 が 浮 上 で き る こ と を 見 出 し,浮 上 体 に 加 わ る磁 気 力 測 定 よ り浮 上 体 に は ギ ャ ッ プ 中 央 を 向 く復 元 力 が 働 く こ と を 明 ら か に して き た 。そ れ と 同 時 に,ギ ャ ッ プ を 広 げ る と磁 性 体 は 浮 上 で き な い こ と も 明 らか に な っ た6),7)。 これ は,HTSバ ル ク 磁 石 の 磁 場 値 *1:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 助 教(ninomiya@stseikei .acjp) *2:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 教 授 やHTSバ ル ク磁 石 近 傍 で の 磁 場 勾 配 が浮 上 体 サ イ ズ と ギ ャ ップ 間 隔 に密 接 な 関係 を与 えて い る結 果 で あ る。そ こで, 本 論 文 で は浮 上 原 理 を把 握 す るた め に,バ ル ク磁 石 近 傍 の 磁 気 的 な性 質,特 に浮 上体 がバ ル ク磁 石 に接 近 した ときの 磁 気 的 な振 る舞 い に つ い て 実 験 的検 討 を 通 して 明 らか に す る こ とを 目的 に実施 した。そ して,得 られ た知 見 を基 に ギ ャ ップ 間 隔 を変 え る こ と無 く,よ り小 型 の磁 性 材 料(磁 性 粒 子 を含 む)の 浮 上 可能 性 につ い て 検討 した。 なお,浮 上 に は 上 下(重 力)方 向お よび こ れ に 垂 直 な左 右 方 向 の 両 方 につ い て検 討 す る必要 が あ るが,こ こ で は左 右 方 向 につ い ての み検 討 して い る。 これ よ り,磁 性 体 が ギ ャ ップ 空 間 で浮 上す る とき は, バ ル ク体 の 内表 面 に遮 蔽 電 流 が誘 起 され る こ とを確 認 し た。 ま た,よ り小 型 の磁 性 材 料 を浮 上 させ るに は,空 間 の磁 場 特 性 を変 化 させ て一 様 化 させ る こ とが効 果 的 で あ る こ とを 見 出 した。この 磁 場 の 一 様 化 に利 用 した 設 備 は, バ ル ク磁 石 の着 磁 に利 用 した電 磁 石 で あ る。 超 電 導バ ル ク磁 石 の磁 気 作 用 は ま さ し く永 久電 流 で あ る。 この 電流の 向 き が 逆 に な る よ うに新 た に 電 流 を誘 導 させ る と磁 場 は 弱 ま るが,そ の 強 さを調 整 す る と浮 上 特性 に どの よ う な 変 化 が 現 れ るか 注視 して 実 験 を進 め た 。 そ の 手 法 は, フ ィー ル ドク ー ル 法(FC法)で 着 磁 したHTS磁 石 に,電 磁 石 を 用 い て 着磁 時 と同 一 方 向 の磁 場 を超 電 導 状 態 の バ ル ク磁 石 に 印加 す る もの で あ る。 この とき,バ ル ク磁 石 に誘 起 され る電 流 の 向 き は,FC法 で 着磁 した そ れ とは 逆 に な る。 これ に つ い て 実施 した 結 果,外 部磁 場 を 印加 す る以 前 は バ ル ク磁 石 に 引 き っ い てL・た磁 性 体(直 径5㎜ φ,高 さ5mmの 鉄 円柱;5mmφ ×5mmHと 表 記)が, 外 部磁 場 を加 え て い く と浮 上 し始 め,ギ ャ ップ 中 央 ま で 移 動 で き る こ とが 可 能 に な っ た 。 この 方 式 を進 め れ ば,よ り小径 の磁 性 体 も浮 上 で き る の で は な い か 検討 を加 え た が3mmφ の 鉄 球 が バ ル ク体 近傍 で 浮 上 す るだ け で あ っ た 。 しか しな が ら,ギ ャ ップ 磁 場 を 一様 化 させ る効 果 を利 用 す る と,移 動 させ た い 場 所 に 新 た に磁 性 体 を 置 くだ け で磁 性 粒 子 を 移 動 させ る こ とが で き る こ とを 見 出 した 。 本 論 文 は,こ れ ら一 連 の 実 験 結 果 を ま とめ た もの で あ る。 2.実 験 方 法 お よ び 検 討 結 果 2.1使 用 機 器 とHTSバ ル ク 体 の 着 磁 方 法 本 研 究 に 用 い た 設 備 は,HTSバ ル ク磁 石2個 と 着 磁 用 の ヘ ル ム ホ ル ツ 型 電 磁 石 そ し て 励 磁 用 の 直 流 電 源 の み で あ る。 諸 元 と 実 験 装 置 をTable1,Fig.1に 示 す 。 バ ル ク Table.lSpecificationofHTSbulkandHelmholtztype electromagnet HTSBulkmagnet Helmholtztypeelectromagnet Size:66mmcpX20mm height RE-QMGHTSBulkMagnet (NipponSteelCorporation) Gaplength:0‐37mm Rating100V/10A Magneticfieldrateatcenter position:35mT/A@23 mmGap .. Fig.lSchematicillustrationofmagnetizationmethodof HTSbulkmagnet. 体 の 着 磁 方 法 はFC法 で あ る 。 そ の 手 順 は,ま ず バ ル ク 体 を 冷 却 用 ケ ー ス(ベ ー ク ラ イ ト製)に 入 れ,一 定 間 隔(20 ∼37mm)を 保 つ た め に 問 に 非 磁 性 材 料(木 材 を 使 用) を 入 れ て 固 定 す る。 つ ぎ に,常 温 環 境 下 で 電 磁 石 を 用 い て 磁 場 をHTSバ ル ク 磁 石 に 加 え る 。 こ の 状 態 に セ ッ ト し た 後,液 体 窒 素 に よ りバ ル ク 体 を 冷 却 し て 着 磁 させ る。 着 磁 後 は,フ ラ ッ ク ス ク リ ー プ 等 に よ る磁 場 減 衰 を 考 慮 し て5分 間 程 度 放 置 す る。 そ の 後,鉄 材 料 を 挿 入 す る。 Fig.2は,こ う し て 浮 上 させ た1例 で あ る7)。 これ は, 20mmφ ×15mmHの 軟 鉄 製 材 料 を25mmギ ャ ッ プ 間 Fig.2Floatingviewofsoftironcylinderwith20mm diameterandl5mmheight,20mmφ ×15mmH, wheretheheightofthecylinderisperpendicularto theplane'. 一 一 +./1
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= 1く - 〆 1L 、・)墨h4 hl∼h4=H芝 皿sαBO偲 Fig.3Schematicillustrationforthemeasurementsystemof magneticfluxdensity. マ1 Fig.4Twenty-firstHallelementsonthecoolingcase (hl,h4);sensornumberisassignedfromrighttoleft with3mmclearance,andthepositionofNoll sensoristhecentralpositionoftheHTSbulk magnet.Measuringmagneticfieldcomponentis z-direction.で 浮 上 させ た も の で あ り,こ の 鉄 円 柱 は 引 き 込 ま れ る よ うに し て 浮 上 す る。 浮 上 は,磁 気 回 路 内 の 磁 気 抵 抗 を 小 さ く す る よ うに 浮 上 す る の で,高 さ が 直 径 よ り も 短 い こ の 試 料 で は 円 形 部 分 を 正 面 に し て 浮 上 す る 。 Fig.3は,浮 上 体 お よ びHTSバ ル ク 磁 石 近 傍 の 磁 場 計 測 用 の 概 念 図 で あ る。 こ こ で,h1とh4は バ ル ク 磁 石 を 冷 却 す る ケ ー ス に 取 り付 け た ホ ー ル 素 子(旭 化 成 電 子 製; HGIO6C,寸 法2.5mm×1.5mm,ア ク テ ィ ブ サ イ ズ:0.3 mmφ)で あ る 。 これ をFig.4に 示 す 。 ホ ー ル 素 子 の 取 り 付 け 位 置 は バ ル ク 体 の 直 径 上 で あ り,こ の 領 域 のz方 向 磁 場(Bz)を 水 平 に 測 定 す る た め に3mm間 隔 で 合 計21個 取 り付 け た 。 こ の と き,11番 目 が バ ル ク 体 中 央 部 に な る (番 号 は 右 か ら順 に つ け て あ る)。こ の ホ ー ル 素 子 ア レ イ を 作 成 し た 理 由 は,浮 上 体 挿 入 時 の バ ル ク磁 石 近 傍 の 磁 場 特 性 を 同 時 計 測 す る た め で あ る 。 な お,こ の ホ ー ル 素 子 の 較 正 に は,ヘ ル ム ホ ル ツ 型 電 磁 石(バ ル ク 磁 石 着 磁 用)を 用 い て 電 磁 石 の 中 央 部 に 素 子 を セ ッ ト し,ケ ー ス 内 に 液 体 窒 素 を 満 た し た 場 合 と 空 の 場 合 に つ い て 発 生 磁 場 に 対 す る 起 電 力 を 測 定 し て 冷 却 時 と 室 温 時 の 特 性 と し た 。 こ の と き,事 前 に ホ ー ル 素 子 位 置 で の 磁 束 密 度 値 を ガ ウ ス メ ー タ に よ り測 定 し て い る 。 ま た,こ れ 以 外 に ギ ャ ッ プ 空 間 の 半 径 方 向 お よ び 軸 方 向 磁 場 を 計 測 す る ホ ー ル も 利 用 し た(h2,h3に は,Lake Shore製HGA-2010,HGT-2010を 使 用)。 2.2検 討 結 果 こ れ ま で の 研 究 で 判 っ た こ と は,Fig.2の 浮 上 に は ギ ャ ッ プ 間 隔 と 浮 上 体 サ イ ズ に 一 定 の 関 係 が あ る と き の み 可 能 に な る こ と で あ る。 こ の 関 係 を 浮 上 体 に 加 わ る磁 気 力 特 性,浮 上 体 周 囲 の 磁 場 特 性 か ら 明 ら か に し た6)の 。 そ こ で,検 討 を 加 え て い な いHTSバ ル ク 磁 石 周 辺 の 磁 気 的 性 質 に っ い て 実 験 的 に 実 施 す る こ と と し た 。 2.2.1強 磁 性 体 浮 上 時 に お け るHTSバ ル ク 磁 石 周 辺 の 磁 場 特 性 Fig.5は,10mmφ ×10mmHの 鉄 円 柱 を 浮 上 さ せ て い る 状 態 で 鉄 円 柱 を ギ ャ ッ プ 中 心 部 か ら 右 側 バ ル ク磁 石 の 方 に 水 平 に 移 動 させ て ホ ー ル 素 子h4で 測 定 し たz軸 方 向 磁 場(Bz)特 性 で あ る。 浮 上 状 態 は,Fig.2の 写 真 を90度 回 転 させ 円 形 部 分 が バ ル ク 体 に 平 行 に な る 状 態 で あ る。こ の と き,着 磁 電 流 は5A,ギ ャ ッ プ 間 隔 は23mm, ギ ャ ッ プ 中 心 位 置 で の 着 磁 磁 場 は175mTで あ る 。浮 上 位 置 は ギ ャ ッ プ 中 央 部 だ が,中 心 位 置 か ら は 水 平 に 約6㎜ ず れ た 位 置(ホ ー ル 素 子 位 置6番 目∼8番 目,高 さ は30 mm)で あ っ た 。 こ の 特 性 か ら 判 断 で き る こ と は,つ ぎ の2つ で あ る。 ・ 浮 上 体 が バ ル ク 体 に 接 近 す る と ,浮 上 体 の 存在 す る 240
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〇i23456 260 雪 ・4・ 箋22。 巷 尋2・ ・ 巨 180 0 displacementofZ-directionfromGapcenter(mm) $ m 薯ζ $ ■ ■ ■ oNo.ll No.12 1 123456 displacementofZ-directionfromtheGapcenter(mm) Fig.SAxialdirectionmagneticfieldcharacteristics,Bz,locatedat theHTSbulkmagnetaround;wherethesizeofiron cy㎞derislO㎜ φ ×10inmH.(a).Affectedregion ofironcylinder;wheremark(●)showsfloating position. (b).Unaffectedregionofironcylinder. 領 域 で は,磁 石 に接 近 す るに も関 わ らず 磁 場 が 弱 く な る。 ・ 浮 上体 が存 在 しな い領 域 の磁 場 は 強 くな る。 こ こで,HTSバ ル ク磁 石 に近 づ け た とき に磁 場 が 弱 ま る特 性 は,バ ル ク磁 石 の反 磁 性 効 果 に よっ て誘 導 され た 遮 蔽 電 流 に よる もの と考 え られ,鉄 円柱 の存 在 す る領 域 に の み現 れ る局 所 的 な現 象 で あ る。 この 実験 を超 伝 導バ ル ク磁 石 の代 わ りに電 磁 石 で行 う と,浮 上 体 の存 在 す る 領 域 の磁 場 はFig.5(b)の よ うに 上昇 す る。 この よ うに, 一 対 のHTSバ ル ク超 電 導 磁 石 を用 い る と これ に挟 ま れ た ギ ャ ップ 空 間 で は 常電 導 磁 石 とは異 な る磁 気 的 な振 る舞 い をす る こ とが把 握 で き る。 Fig.6は,鉄 円柱 を磁 場 空 間 に挿 入 して浮 上す るま で の過 渡 特 性 の測 定結 果 で あ る。 ギ ャ ップ 間 隔 は20mm, 浮 上体 サイ ズ と測 定用 ホ ール 素子 はFig.5と 同 一 で あ る。 な お,こ こ で は着 磁 電 流 を3Aに 変 更 して ギ ャ ップ 中 心 で の着 磁 磁 場 を90mTに 変 更 した。 これ は,着 磁 磁 場 が こ の値 よ り高 い と磁 性 体 の浮 上位 置 が ホ ール 素子 の あ る位 置 よ り も高 くな り,浮 上体 挿 入 時 のバ ル ク 体周 辺 の 正確 な磁 場 が把 握 で き な い た め で あ る。 得 られ た特 性 か ら, バ ル ク体 に はつ ぎ の3つ の性 質 を持 つ領 域 の あ る こ とが 分 か る。 ・ 浮 上体 の挿 入 に よ り磁 場 の増 加 が現 れ,そ の後 そ の 値 が継 続 す る領 域(Fig.6(a))。 ・ 浮 上体 の挿 入 に よ り磁 場 の増 加 が現 れ ,そ の後磁場が減 少 す る領 域(Fig.(b))。 ・ 浮 上 体 の 有 無 に 依 らず 変 化 の 無 い領 域(Fig .6(c))。 これ らの 特性 を バ ル ク超 電 導 体 の遮 蔽 効 果 を 基 に 考 察 す る と以 下 とな る。 磁 場 中 に 強磁 性 体 が挿 入 され る と,そ の 周 辺 で は磁 束 の集 中 が 起 こ り周 辺磁 場 を 変 化 させ る(こ こで は 浮 上 体 周 辺 の磁 場 は 増加 す る)。この とき,バ ル ク体 は マ イ ス ナ ー 効 果 に よ り磁 性 体挿 入 前 の磁 場値 を保 つ よ うに 振 る舞 うこ とが 予想 され る。 す な わ ち,超 電 導 体 は磁 場 変 化 を 遮 蔽 す る。 これ をFig.6(b)のNo.6の 特性 に 当 て は め る と, 鉄 円 柱挿 入 直 後,磁 場値 の 増加 が観 測 され,そ の 後 減 少 して 元 に 戻 る変化 を 呈 して い る。 これ は,マ イ ス ナ ー 効 果 の影 響 が 最 も顕 著 に 現 れ て い る領 域 と考 え られ,No.6 ∼No .8が 同様 な変 化 を示 して い る。 そ して,こ の よ う 160 自 目120 と 旬 竃昌80 壱呂 譜40 目 0 160 Hl20 旦 コ 遇80 §害 40 譜 日0 160 .一. H 目120 ピ 凄80 § 540 譜 目0 (a) の、ノ
,o、"Y-騨
一、プ隔一璽▲ 一一一No .ll ‐No .10 ‐No .9 0 12 time(s) 3 (b)庶
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、 、 、 u 一一一 v 一 一一一一A ・: ‐No .7 ‐No .6 0 1 times) 2 (c) へ v ‐No .S‐No.4 ‐No .3‐No.2 1 0 1 times) 2 3 3 Fig.6TransientBzcharacteristicsnearbytheHTSbulk magnetatthetimeof10mmφ ×10mmHiron cylinderinsertion.(a).Magneticfieldincreasing region.(b).Regionbacktotheoriginalmagnetic field.(c).Smallchangeregionofthemagneticfield. な変 化 は,こ の領 域 以外 で は観 測 され て い な い。 Fig.6(a)の 領 域 で は,磁 場 値 の 上昇 が 見 られ る。 これ は浮 上体 と超 電 導 体 間 の 空 間部 分 に お い て,磁 性 体 か ら 空 間 に 出 る磁 束 の広 が りに よ り現 れ た変 化 と考 え られ る。 この変 化 に対 して も超 電 導 体 は磁 束 の侵 入 を拒 む はず で あ る が遮 蔽 効 果 の よ うな変 化 が現 れ て い な い。 従 っ て, この領 域 で はバ ル ク体 表 面 に お い て磁 束 密 度 の軸 方 向成 分(Bz)が 径 方 向 成 分(Br)へ と方 向 を変 え て い る こ と が予 想 され る。 この よ うな磁 気 的 な変 化 が 両サ イ ドのHTSバ ル ク磁 石 に生 じる と,磁 性 体 は 空 間 で浮 上す る こ とに な る。 この よ うに考 察 す る とFig.5(b)とFig.6(a),Fig.5(a)とFig. 6(b)は 類 似 した 特 性 で あ る こ とが 分 か る。 2.2.2外 部 磁 場 重 畳 時 に お け る バ ル ク体 周 辺 の 磁 場 特 性 小 型 の磁 性 体 を空 間 に浮 上 させ る とき,HTSバ ル ク磁 石 の着 磁 に用 い たヘ ル ム ホル ツ型 電 磁 石 の磁 場(こ れ を 外 部磁 場 と してBexで 表 記 す る)を 着 磁 磁 場 に重 畳 させ る。 こ うす る と,バ ル ク体 周 辺 の磁 場 が変 化 し小 型 の磁 性 体 も浮 上 し易 くな る。 これ に つ い て は,2.2.4で 詳 述す る。 そ こで,こ こで は外 部 磁 場 重 畳 時 のバ ル ク 体周 辺 の 磁 場 特 性 につ い て検 討 して お く こ と とす る。 な お,電 磁 石 に通 電 す る電 流 の 向 き は着 磁 時 と同一 で あ る。 Fig.7は,着 磁 時 お よび 外 部磁 場(Bex)重 畳 時 の磁 場 特 性 で あ る。測 定 は,左 側 バ ル ク磁 石 直径 上(高 さ30mm) を水 平 に行 い,半 径 方 向成 分(Br)と 軸 方 向成 分(Bz)を 計 測 した。 なお,ギ ャ ップ 間隔 は20mmで あ る。 得 られ た特 性 を以 下 に示 す 。 ①0印 の 特 性 はHTSバ ル ク磁 石 着 磁 時 の特 性 で あ る。 これ は電 磁 石 に4Aを 通 電 させ て ギ ャ ップ 中央 部 で121mTの 磁 場 を発 生 させ て い る状 態 で あ る。 発 生 したBr成 分 はバ ル ク体 外 側 が 大 き く,中 心 で は ゼ ロ とな る分 布 で あ り,Bz成 分 は 中 心 が 大 き く外 側 に 行 くに従 い小 さ くな る特 性 で あ る。 ② ▲ 印 の フ ラ ッ トな特 性 は,電 磁 石 に5.2Aを 通 電 させ て① の 状 態 にギ ャ ップ 中央 部 で158mTの 外 部 磁 場 を重 畳 させ た特 性 で あ る。Br成 分 お よびBz成 分 共バ ル ク体 直径 上 で は一 様 で あ り,そ の値 は 中央 部 でBr 値 がOmT,Bz値 が142mTで あ る。 ③ ● 印 の特 性 は② の 特 性 か ら① の特 性 を 引い て 外 部磁 場 特 性 を算 出 した もの で あ る。 こ の特 性 よ り,外 部 磁 場 を加 え る とバ ル ク体 全 体 に着 磁 時 とは逆 向 きの 電 流 が誘 導 され,こ れ に よる磁 場 が ギ ャ ップ 磁 場 を 一 様 に させ る働 き を して い る こ とが推 定 で き る 。80 H、 。 三w o ... &-40窪 一80 (a)、 oTrappedfield;Br ・Shieldedfield;Br ▲Trappedfield+Shieldedfield;Br .,.... "▲▲▲ [.Y.・ ・. ノ 声 一闘
＼
q幽 ・ 一 / v 一40 一20020 radialdirection(mm) 40 200 自旦 150 寒 ζ昌100 U ...i 島50 8 0 -40-2002040 radialdirection(mm) Fig.7TrappedandshieldedmagneticfieldontheHTS bulkmagnetwhentheexternalfield(Bex)is superimposedonthetrappedHTSbulkmagnetand uniformmagneticfieldisgenerated,wherethe trappedfieldis121mTandBexis158mTonthe centerpositionoftheHTSbulkmagnet.(a).Br characteristics.(b).Bzcharacteristics. oTrappedfield;Bz ・Shieldedfield;Bz ・Trappedfield+Shieldedfield;Bz (b) 一 一 評 一 一一 一 一一曙1<
-一"O C 、㌧
一 匿一 一.一 肉■ 60 竃 ・・ 季 ・・ 尋o -20 an 鐘 一40 一60 oHTS121mT十Bex158mT十Fe6mmcp 一40 ノ 。% 一》 螺 塵盛 趣 ■鯉 璽 二 計 一 一 一 一 ㎡惹
一20020 radialdistance(mm) 40 こ の 一 様 磁 場 空 間 中 に6mmφ の 鉄 球 を 挿 入 し た 特 性 がFig.8(a),(b)で あ る。 浮 上 位 置 は ギ ャ ッ フ.中央 部 で は あ る が,4,5mm中 心 か らZ軸 方 向 左 側 に ず れ て い た 。 浮 上 高 さ は20㎜ で あ る 。 測 定 は,Fig.7同 様 左 側 バ ル ク 磁 石 の 浮 上 位 置 で 行 っ た 。Fig.8(c)は,Br成 分 お よ びBz 成 分 の 説 明 図 で あ り,電 流 は バ ル ク 体 表 面 上 を 時 計 回 り に 流 れ て い る と し て い る。 こ のFig.8(a),(b)の 特 性 か ら 以 下 の こ と が 分 か る。 ① 口 印 の 一 様 磁 場 特 性 は,電 磁 石 に5.1Aを 通 電 さ せ て 外 部 磁 場153mTを 重 畳 さ せ た 特 性 で あ る。 測 定 は Fig.7に 引 き 続 き 実 施 し た の だ が,若 干 磁 場 値 が 低 下 し た も の の,Brお よ びBzの 両 成 分 と も バ ル ク 体 周 辺 で 一 様 に な り,そ の 値 はBrが 一15mT,Bzが140mT で あ っ た 。 ② ○ 印 の 特 性 は,一 様 磁 場 中 に6mmφ の 鉄 球 を 挿 入 し て 浮 上 させ た 特 性 で あ る 。 こ の と き の 浮 上 状 態 は 以 下 の よ うで あ っ た 。 一 様 磁 場 中 に 鉄 球 を 挿 入 す る と,外 側 の 磁 場 空 間 で は,鉄 球 は ど ち ら か の バ ル ク 磁 石 に 引 き つ く。 し か し な が ら,磁 場 空 間 の 中 心 部 に ま で 鉄 球 を 持 ち 込 む と,鉄 球 は 浮 上 し は じ め る 。 こ の と き,浮 上 が 安 定 す る ま で に5秒 程 度 か か っ た 。 こ れ は 磁 場 の 均 一 化 が 影 響 し て,浮 上 安 定 位 置 が 定 ま りに く い こ と が 原 因 し て い る こ と が 考 え ら れ る 。 な お,着 磁 磁 場 の み で は 浮 上 体 は バ ル ク 磁 石 に 引 き っ い た ま ま で あ る。 180 ρ160 旦140 N120 9100 b80 モ60遍 40 島20 箋o -20 (b) 碑 V oHTS121mT+Bex158mT+Fe6mmcp HTS121mT+Bex158mT ●Fe6㎜ 甲 I l■ ・ ■ r -境 ソ 巳」● 一 . L -一一一一一 一一_一-_一 一 冒一冒 一一一 -一4a 一aaoao radialdirection(mm) 宣o・6 巴0.4 N o.2 話 。 臨.2 薯 一〇.4 藷 ℃.6 -1 ・ShieldingField;Br ShieldingField;Bz oTrappedField;Br (d) 一 一 一 一 ●膠 一 一
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一〇.soo.s radialdistance(a.u.) 4a 今 量 占 薯 竈 ①婁 自 m 8 6 4 2 0 2 4 め 唱 40 1 Fig.8BrandBzcharacteristicsnearbytheHTSbulk magnetsuperimposedontheexternalmagneticfield, Bex,withandwithoutironsphereofthe6mmφ. (a).Brcharacteristics;wheremark(●)showsfloating position.(b).Bzcharacteristics.(c).Explanationofthe signofBrandBzcomponentsbetweenexperiment andcalculation.(d).Calculationresultsofthe magneticfield,wherethemark(0)showsthe trappedfieldof"Br"andthemark(●)and(■) showtheshieldingfieldof"Br"and"Bz" respectively.Thetrappedfieldiscalculatedassuming adistributedcurrentovertheHTSbulkmagnet.On theotherhand,theshieldcurrentisoneturnring currentontheradiusofO.1andthedirectionofthe currentloopisclockwisedirection.Thez-position fromtheHTSbulksurfaceisO.2,whichmeans nearbytheHTSbulk.③ ● 印 の 特 性 は,浮 上 体 の み の 特 性 を 抽 出 し た も の で あ り,② か ら ① を 差 し 引 い て 求 め た 特 性 で あ る 。 こ の ③ で 取 得 し た 浮 上 体 の み の 特 性 とFig.7の 着 磁 特 性 よ り,着 磁 時 と 浮 上 時 の 磁 場 特 性 に つ い て 検 討 す る と 以 下 の こ と が 分 か る。 ・ 着 磁 時 のBr特 性(Fig .7(a)○ 印)は,中 心 か ら 右 側 が 正,左 側 が 負 の 特 性 で あ る の に 対 し てFig.8(a)の 浮 上 体 の み のBr特 性(● 印)は,中 心 が 半 径 方 向 に4mm 程 ず れ て は い る が,中 心 か ら右 側 が 負,左 側 が 正 の 特 性 で あ り,着 磁 時 と は 符 号 が 異 な る 。 ・Fig .8(b)の 浮 上 体 の み の 特 性(● 印)は,中 心 で の 磁 場 値 が 正 方 向 に 強 く な る 特 性 で あ る 。 こ れ ら の 特 性 を 検 証 す る た め に,浮 上 体 挿 入 時 に バ ル ク 体 に 誘 導 さ れ る 電 流 に つ い て 計 算 に よ る 検 討 を 試 み た 。 Fig.8(d)は,こ の と き の 計 算 結 果 で あ る。計 算 方 法 は, 半 径aの 円 形 電 流 が 任 意 の 点P(r,θ,z)に つ く る ベ ク トル ポ テ ン シ ャ ル を 求 め,こ れ の 回 転 か ら磁 束 密 度 を 算 出 す る 方 法 と した 。 座 標 系 は 円 筒 系 と し,r成 分 お よ びz成 分 の ベ ク トル ポ テ ン シ ャ ル が ゼ ロ に な る こ と を 考 慮 し て θ 成 分 の み を 対 象 と し た 。 利 用 し た ベ ク トル ポ テ ン シ ャ ル Aθ は 式(1)で あ る8)0 A・ 一 辮{(・-kZ2)K(k)-E(k)} (a) (1) こ こ で,k2-Oar( a+r)z+zzな おK(姫(k)はkを 騰 と す る 第1種,第2種 の 完 全 楕 円 積 分 で あ る 。 そ し て,磁 束 密 度 は 式(2)を 用 い た 。 B-…A・ 一 一aaeia zr+}{嘉(・A・)}IZ(2) (b) こ こ で は,2種 類 の 計 算 を 実 施 し た 。 一 方 は,着 磁 時 のBr特 性 で あ る。 こ れ は,バ ル ク 体 の 半 径 を1.0と し, こ こ に 同 心 状 の 円 形 電 流 が 分 布 し て 流 れ て い る 状 態 を 想 定 し た 。 電 流 の 大 き さ は,0.1∼0.7が0.33,そ の 外 側 のo.8∼1.oま で は1.oで あ る 。 こ れ は,Fig.7(b)の 着 磁 時 のBz特 性 を 用 い て 臨 界 状 態 モ デ ル を想 定 し,バ ル ク 体 の 内 側 と 外 側 の 磁 場 勾 配 を1対3と し て 算 出 し た 。な お, 電 流 の 向 き は 反 時 計 回 りで あ る 。 他 方 は,遮 蔽 電 流 を 想 定 し て 計 算 し た も の で,HTSバ ル ク 体 の 大 き さ は 半 径1で 着 磁 時 と 同 一 に し,浮 上 体 の 大 き さ に 相 当 す る 半 径0.1の と こ ろ に1タ ー ン の 円 形 電 流 が 原 点 を 中 心 に 時 計 回 りに 流 れ て い る 状 態 を 想 定 し た 。 計 算 し た 磁 場 値 は,Br成 分 とBz成 分 で あ る 。 な お,両 計 算 に お け るz方 向 位 置 は,バ ル ク磁 石 間 の 間 隔 を2と し た とき に0.2の 位 置 で あ る。 Fig.8(d)の 計 算 結 果 を考 慮 してFig.7(a),Fig.8(a),(b)の の特 性 につ い て ま とめ る と以 下 の こ とに気 づ く。 ・ 着 磁 時 お よび浮 上 時 のBr特 性 は ,実 験値 と計算値 が 類 似 した特 性 とな り,着 磁 時 はバ ル ク 体 に は分 布 電 流 が流 れ て い る こ とが わ か り,鉄 球 挿 入 時 は浮 上 体 の大 き さに相 当す る領 域 に着 磁 時 とは 逆 向 き の遮 蔽 電 流 が誘 起 され て い る こ とが分 か る。 ・Bz特 性 は 問題 が あ り,測 定 した 磁 場 の 向 き は,想 定 した遮 蔽 電 流 が作 る磁 場 の 向 き とは 異 な る こ とに気 づ く。 す な わ ち,測 定 した磁 場 特 性 は遮 蔽 電流 に よ る もの で無 い。 こ こで,後 者 に つ い て再 検 討 す る。 測 定 は6mmcpの 鉄 球 が 中央 で浮 上 して い る状 態 で行 っ た。 この とき,浮 上体 周 辺 磁 場 は鉄 球 が存 在 す る こ とに よ り,局 所 的 に増 加 す る。 ま た,両 サ イ ドに はHTSバ ル ク磁 石 が あ るの で バ ル ク体 周 辺 で は変 化 磁 場 を遮 蔽 す る電 流 が存 在 す る。 この 点 を考 慮 す る と,測 定 したBz成 分 は 鉄 球 の存 在 に よる正 方 向磁 場 の増 加 分 と遮 蔽 電 流 に よ る負 方 向磁 場 の減 少 分 を重 ね 合 わせ た 特 性 に な る。 従 っ て,Fig.8(b) で抽 出 した浮 上体 の み のBz特 性 は,浮 上 して い る磁 性 体 の磁 場 増 加 成 分 を 主 と して検 出 した特 性 で あ る こ とが 考 え られ る。 こ の こ と を 考 慮 して 浮 上 体 に 加 わ る軸 方 向磁 気 力Fz につ い て考 察 す る と以 下 の こ とが推 定 で き る。 磁 気 力 は,式(3)に 示 す よ うに 磁 場Bと そ の勾 配 に比 例 す る。 従 っ て,浮 上体 がバ ル ク磁 石 に接 近 す る と,浮 上 体 左 右 の磁 束 密 度 の 強 さが変 わ り,バ ル ク磁 石 よ り離 れ た側 が接 近 した側 よ り も強 い と浮 上体 は ギ ャ ップ 中 心部 方 向 に移 動 す る こ とが考 え られ る。 そ して,磁 性 体 は周 辺 磁 場 を 上昇 させ,超 電 導 磁 石 は近 傍 磁 場 を遮 蔽 す る。 こ こに ギ ャ ップ空 間 を一 様 に させ る効 果 が加 わ る と,浮 上 しや す い状 態 を 引 き 出 し易 くな る こ とが推 測 で き る。 dBF ZaBaZ (3) ま た,軸 方 向磁 気 力 に つ い て別 の 見方 をす る と,浮 上 体 を ギ ャ ップ 中央 に移 動 させ る力 は,式(4)に 示 す よ うに バ ル ク磁 石 内 に発 生 した遮 蔽 電 流(lsh)とIshを 横 切 る半 径 方 向磁 場Brの ベ ク トル 積 で表 せ る。 FZalShxBr (4) これ よ り,バ ル ク 体 に 加 わ る力 と浮 上 体 に 加 わ る力 に つ い てFig.8(a),(d)を 用 い て 検 討 す る と 以 下 に な る。 遮 蔽 電 流 の 向 き は 時 計 回 り で あ る。着 磁 時 のBr磁 場 は,
左 側 バ ル ク磁 石 の 場 合 バ ル ク 体 中 心 に 放 射 状 内側 に 入 る 向 きで あ る。 従 っ て,HTSバ ル ク磁 石 に は,マ イ ナ スz 方 向 に 力 が加 わ る。 この 力 は,バ ル ク磁 石 の 間 隔 を 広 げ る方 向 で あ る。 しか しな が ら,バ ル ク磁 石 は 固 定 され て い て移 動 で き な い。 こ うな る と,こ の 力 は 浮 上 体 を ギ ャ ップ 中 央 に 押 し戻 す 反 作 用 力 に な る。 この よ うに想 定 す る と,磁 気 力 が左 右 の バ ル ク磁 石 に 均 等 に加 わ る位 置 で は そ の 力 は 打 ち 消 し合 うこ とに な る。 す な わ ち,ギ ャ ップ 中 心 部 で は 浮 上 体 は 浮 上 で き な い こ とが 予想 され る。Fig.9は,こ れ に つ い て 検 討 した 結 果 で あ る。 着磁 磁 場 は90mT(ギ ャ ップ 中央 部),浮 上 体 は 10mmφ ×10mmHの 鉄 円 柱 で あ る。 こ こで,電 磁 石 の磁 極 中 心 とバ ル ク 体 の 中 心 は 一 致 させ て い る。そ して, 鉄 円柱 の 浮 上 状 態 を 変化 させ るた め に 電磁 石 の 電 流 を 変 化 させ てBr成 分 を 測 定 した。 測 定 場 所 は,バ ル ク 体 直 径 上 を 水 平 に10mm∼30mmま で を5mm間 隔 で行 っ た。 そ の 結 果,電 流 の 増加 と と もに 各位 置 で のBr値 が 一 定 値 に 収 束 して い き3.3Aの とき鉄 円柱 は 中央 部 で落 下 した。 当 初Br値 が ゼ ロ とな る と ころ で 落 下 す る と予想 した が, や や設 定 が ず れ た よ うで あ る。しか しな が ら,浮 上 体 は, 中 心位 置 で は 浮 上 で き な い こ とが 判 断 で き た と考 え て お り,Fig.5,6お よびFig.8に お い て 中心 か らず れ て 浮 上 す る理 由 が把 握 で き た と考 え て い る。 40 自20 邑 署o 碧 一20 害 響 一40 自 一60 〉,(a) 不l T邑 ※ 一一 泰 一 ◆ < frad rad rad xrad ×rad alposition alposirion alposition alposition alposition lOmm 15mm 20mm 25mm 30mm ◆ 01234 electromagnetexcitationcurrent(A) Fig.9BrcharacteristicsaroundtheHTSbulkatthetimeof theelectromagnetexcitationcurrent(lmag)increasing, wherefloatingironsizeis10mmcpx10mmHand thecurrentforthetrappedfieldofHTSbulkis3A, thatisthevalueof90mTatgapcenter.(a).Br characteristicsontheradialpositionoftheHTSbulk magnet.(b).Imagis3A.(c).Imagis3.3A. 2.2.3ギ ャ ッ プ 空 間 磁 場 の 均 一 化 外 部 磁 場 は,HTSバ ル ク 磁 石 周 辺 の 磁 場 を 一 様 に させ る 働 き の あ る こ と が 分 か っ た 。Fig.7,8で これ を 確 認 し た 。 そ こ で,こ の 効 果 が ギ ャ ッ プ 空 間 で は ど の よ うに な っ て い る か 測 定 し た 。 こ れ を 行 う に あ た り,HTSバ ル ク 磁 石 の 着 磁 法 に つ い て 再 考 す る。 実 施 し た 着 磁 法 は,フ ィ ー ル ド ク ー ル 法(FC法)で あ る 。 そ の 後,新 た に 電 磁 石 の 磁 場 を 加 え る段 階 は,超 電 導 状 態 下 で の 外 部 磁 場 増 磁 過 程 で あ る 。 これ は,HTSバ ル ク 体 着 磁 法 の1手 法 で あ る ゼ ロ フ ィ ー ル ド ク ー ル 法 (ZFC法)の 増 磁 過 程 と類 似 し て い る9)。 こ こ で 重 要 な こ と は,FC法 時 と外 部 磁 場 増 磁 時 の 電 流 の 向 き で あ る 。 外 部 磁 場 を 加 え る と き は,バ ル ク 体 に は 着 磁 時 と は 逆 向 き の 電 流 が 流 れ る 。 これ は,着 磁 磁 場 を 弱 め る 作 用 を す る が,外 部 磁 場 を 加 え 続 け て い る状 態 で は 空 間 磁 場 を 一 様 に させ る 効 果 が 期 待 で き る。 な お,我 々 は 電 磁 石 の 配 線 を 一 切 変 更 し て い な い 。 Fig.10は,こ れ を 実 施 し た 特 性 で あ り,着 磁 後 のHTS バ ル ク 磁 石 に 外 部 磁 場(Bex)を 印 加 し て 空 間 磁 場 が ど う変 化 す る か を 計 測 し た 結 果 で あ る。 こ こ で,着 磁 磁 場 は ギ ャ ッ プ 中 心 で121mT,Bex値 は ゼ ロ か ら着 磁 磁 場 以 上 ま で 加 え て い る 。 な お,測 定 はHTSバ ル ク 磁 石 間 中 心 軸 上 のBz成 分 で あ る 。 こ れ よ り,Bexの 大 き さ に よ り ギ ャ ッ プ 空 間 磁 場 が 変 化 し始 め,Bex値160mTの と き 中 央 部 の 磁 場 値 に 対 し左 右8㎜ の 醐 こお い て ほ ぼ 均 一 な 磁 場 特 性 が 得 られ た 。こ の と き,磁 場 均 一 度 は 平 均 値139 mTに 対 して 最 大1.7mTの ば らつ き が あ り,Bex値 が165 mTに な る と 均 一 性 は 失 わ れ た 。 2.2.4小 型 強 磁 性 体 の 浮 上 制 御 一 定 の ギ ャ ッ プ 中 で 軟 鉄 材 料 を 浮 上 させ る と き,ギ ャ 180 H 日160
言
局 頃140 碧 書 評120 日 100 ・HTS(121mT fHTS(121mT)+Bex(OmT) HTS(121mT)+Bex(123mT) fHTS(121mT)+Bex(138mT) XHTS(121mT)+Bex(153mT) ×HTS(121mT)+Bex(160mT) +Bex(165mT) ● ● ● ● ●零顛1
● L▲ ▲ ▲ ▲ 4i■凶 逼x ・1 ・ … レ憲 遇X》 ,● ●XX 八 く く ◆ ◆ ◆ 〈 國 ■ ■ レ◆ ◆ ◆ ◆ i幽 画 ●i● 薗 ● 、6◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 一10 一505 Zdirection(mm) 10 Fig.10Bzcharacteristicsonthecentralaxisbetweena pairofHTSbulkmagnetwhenanexternal magneticfield,Bex,ischanging.ップ 間 隔 と浮 上 体 サ イ ズ の 間 に は密 接 な 関係 が 存 在 す る。 す な わ ち,ギ ャ ップ20mmの 場 合10mmφ ×10mmH 鉄 円 柱 は 浮 上 す るが,半 分 の5mmφ ×5mmHに す る と浮 上 で き ず に バ ル ク磁 石 に 引 き つ い て しま う。そ こ で, ギ ャ ップ 間 隔 を 変 え ず に,よ り小 さい磁 性 体 を 浮 上 させ るた め に外 部 磁 場(Bex)を 重 畳 させ て 空 間 磁 場 の 一 様 化 させ る こ とで 浮 上 す るか を 実 際 に 検討 した 。 Fig.llは,5mmφ ×5mmHの 鉄 円 柱 を 用 い て 実 施 した 結 果 で あ る。着磁 磁 場 は,ギ ャ ップ 中央 部 で175mT, こ こにBexを ギ ャ ップ 中央 部 で0∼200mTま で 増加 さ せ た。 測 定 は,左 側 冷 却 ケ ー ス に 取 り付 け た ホ ー ル 素 子 (Fig.3のh1)で 行 っ た 。 この とき の 浮 上 体 の 状 態 を1∼v に 分 け て検 討 す る。 ・1と11の 状 態 は ,着 磁時の5mmφ ×5mmHの 鉄 円 柱挿 入 時 の 特性 で あ る。 この とき,浮 上 体 は 左 側 の バ ル ク磁 石 に 引 き 付 い て い る。 ・ 皿 の 状 態 は,Bexを 加 えて 着磁 時 と同 じ磁 場 値 ま で 上 昇 させ て い る段 階 で あ る。 この とき,浮 上 体 は ま だ バ ル ク磁 石 に 引 き 付 い た ま ま で あ る。 ・IVの 状 態(100∼250s)は ,Bex値 を 着磁 磁 場 以 上 の 175mTま で加 えて い る状 態 で,鉄 円柱 が 浮 上 しは じ め て 中 央 に移 動 して い る段 階 で あ る。 この とき,浮 上 体 は バ ル ク磁 石 か ら離 れ て い くに も関 わ らず磁 束 密 度 は 低 下せ ず に や や 上 昇 した 後 に 一 定値 を保 っ て い る。 ・Vの 状 態 は ,浮 上体を取 り出 した状態であ る。 こ こで,IVの 段 階 が 小型 の 強磁 性 材 料 の 浮 上 に お い て 重 要 とな る。 この 点 に つ い て 考 察 す る と以 下 とな る。 磁 性 体 挿 入 時,HTSバ ル ク磁 石 に は浮 上 体 の 直 径 に 相 当 す る領 域 に遮 蔽 電 流 が誘 導 され る。 この 電 流 は,直 近 の磁 場 を 変 化 させ る よ うに働 くが 浮 上 させ るま で に は 至 っ て い な い。 こ こに,外 部磁 場 を加 え て 着磁 磁 場 以 上 に す る とバ ル ク磁 石 近傍 を含 め 空 間磁 場 が 一様 化 して く る。 これ に よ り,浮 上 体 表 面 に誘 導 され た遮 蔽 電 流 に よ る効 果 が よ り強 く現 れ,バ ル ク磁 石 に接 近 した側 よ りも反 対 側 の磁 場値 が 大 き くな る状 態 を 作 り出 して い る こ とが想 定 され る。 特 に,バ ル ク磁 石 か ら離 れ て い くに も関 わ ら ず,磁 場 が 上 昇 して い る段 階 は,こ れ を 示 して い る もの と考 え られ る。 2.2.5磁 性 粒 子 の 移 動 これ ま で の 検 討 よ り,一 対 のHTSバ ル ク磁 石 を 用 い て 一 定 の ギ ャ ップ 中 で 大 き さの 異 な る強磁 性 材 料 を 浮 上 さ せ るに は,外 部磁 場 を 重 畳 させ て 空 間磁 場 値 を 一様 化 さ せ,磁 性 体 挿 入 時 にHTSバ ル ク磁 石 に誘 導 され る遮蔽 効 果 を積 極 的 に 引 き 出 す こ とで 可 能 に な る こ とが 分 っ て き 180 ,.F _"170E 暑 CC160 v .., iso E 140 0 50 100 150 time(sec) 昌 ■ ■■ ■ 鴫 (c) 200
鵠
250 Fig.11FloatingcharacteristicsofsmmcpXsmmHiron cylinder,wherefirstlyfloatingobjectisattachedon theleft-hand-sideHTSbulkmagnetandwhenthe electromagnetisexcitedmorethantrapped magneticfield,Bexis175mT,ironobjectstartto landingandmovingtothecentralposition; (1):initialstate,(II):ironcylinderinsertion, (皿):BexincreasesfヒomOto175mT,(1▽):Bex increasesfrom175to200mT,and(V):Bex decreaseszeroandironcylinderremoved.(a). Magneticfieldcharacteristicsof"hl"holesensors attachedonthelefthandsideofHTSBulkcooling case.(b).BexisOmT.(c).Bexis180mT.(d).Bexis 200mT. た。 しか しな が ら,こ の外 部 磁 場 の重 畳 は,超 電 導状 態 のHTSバ ル ク磁 石 か らす る と全 体 的 な遮 蔽 効 果 で あ り, FC時 の着 磁 磁 場 を 弱 め る こ とに な り,強 い磁 場 空 間 は 作 れ な い。 た とえ 強磁 場 が発 生 で き た と して も,一 様 磁 場 の み で は浮 上体 サ イ ズ が小 さ くな る と磁 場 変化 が少 な く な り,遮 蔽 電 流 値 の 大 き さ もル ー プ 半径 も小 さ くな る。 これ で は小 型 の 強磁 性 体 は浮 上 で き な い。 そ こで,一 様 磁 場 を利 用 して,よ り小 さな磁 性 粒 子 を 浮 上 させ る に は,一 様 の磁 場 空 間 に加 え て磁 場 勾配 を積 極 的 に作 る た め の補 助 磁 性 材 料 が必 要 で あ る と考 え た。 現 状 に お い て,我 々 は一 様 磁 場 空 間 の発 生方 法 を習 得 し て い る。これ を用 い て,新 た に 空 間 に磁 場 勾配 を 作れ ば, そ こに軽 い磁 性 体 を 引 き付 け る こ とが で き る と考 え た。 す な わ ち,一 様 磁 場 空 間 に新 た に 強磁 性 材 料 を持 ち 込 め ば,こ れ が磁 化 して新 た な磁 場 環 境 を作 り,こ こに磁 性 粒 子 を移 動 させ る こ とが 可能 に な る と考 え た。 これ を確 か めた の がFig.12で あ る。 実 施 方 法 は,着 磁 磁 場100mT(ギ ャ ップ 中央 部)でHTSバ ル ク磁 石 を着 磁 さ せ た後,外 部 磁 場(Bex)を 加 えて 空 間磁 場 を一様 化(Bex 値 は ギ ャ ップ 中央 部 で128mT)さ せ た 。そ して,こ の 一Fig.12Movementofmagneticparticlesinauniformmagnetic fieldthroughtheuseofirondisk(10mmcpX3irunH). (a).Initialcondition(耳TSlOOmT+Bex128mT).(b). Irondiskinsertion.(c).IrondiskremovalandBexisO mT. 様 磁 場 空 間 に ア ク リル ケ ー ル に 入 れ た 砂 鉄 を左 右 に配 置 し,中 央 部 に磁 性 体 が挿 入 で きる5㎜ の 隙 間 を確 保 した。 挿 入 す る磁 性 体 は直 径10㎜ 厚 さ3㎜ の軟 鉄製 円盤 で あ る。 なお,ギ ャ ップ 間 隔 は35mmに 広 げ て い る。 これ よ り,砂鉄 はHTSバ ル ク磁 石 のみ の磁 場 お よびBex を加 え て 空 間磁 場 を 一様 化 させ た だ け で は 両 サ イ ドの バ ル ク磁 石 に 引 き つ い た ま ま で あ っ た が,中 央 部 に 軟 鉄製 円板 を挿 入 す る と円板 の 方 に移 動 す る こ とを確 認 した 。 そ して,こ の 中 央 に移 動 した 後,鉄 円盤 を 取 り除 き,更 にBex値 を ゼ ロ に して 着 磁 磁 場 の み の 状 態 に し た と き に お い て も,磁 性 粒 子 の 一 部 は移 動 した 状 態 を保 っ て い る こ とが 分 っ た。 これ は,磁 気 抵 抗 の 小 さい 状 態 が1度 形成 され る と,そ の 状 態 が維 持 し易 くな る こ とを 示 して い る もの と考 え られ る。 3.ま と め 本研 究 は,一 対 の 着 磁 したHTSバ ル ク磁 石 と電 磁 石 を 用 い て 軟 鉄製 材 料 の 浮 上 と制御 に つ い て 検討 した もの で あ る。 得 られ た 結 果 を ま とめ る と以 下 とな る。 ・ 着磁 したHTSバ ル ク磁 石 とこれ を励 磁 す る電磁 石 を 併 用 す る と,こ れ らが 作 る磁 場 環 境 下 に お い て磁 性 材 料 を 浮 上,制 御 させ る こ とが 可 能 に な る。 ・ 本 手 法 で は ,バ ルク超 電導体の磁 気遮蔽 効果が大き く寄 与 す る。 ・ 浮 上 体挿 入 時 の遮 蔽 電 流 は 局 所 的 に発 生 す る。そ し て 浮 上 体 の 形 が 円 柱 や 球 の 場 合,遮 蔽 電 流 ル ー プ の 大 き さは 浮 上 体 形 状 に ほ ぼ 等 し くな る。 ・ 電磁 石 の磁極 中心 とバ ル ク体 の 中心 を 一致 させ る と, ギ ャ ップ 中央 中心 部 で は浮 上 しな い。 ・ 浮 上 体 の 大 き さ とHTSバ ル ク磁 石 の 間 隔 は密 接 に 関 係 す る。 この とき,ギ ャ ップ 間 隔 を 一 定 に保 っ た ま ま,よ り小型 の 強磁 性 体 を 浮 上 させ るに は 着磁 時 に 用 い た 電 磁 石 を併 用 してHTSバ ル ク磁 石 間 の磁 場 空 間 を 一様 に させ る こ とが 効 果 的 で あ る。 ・ 一 様 磁 場 中 に新 た に鉄 円盤 の よ うな補 助 強磁 性 体 を 挿 入 す る と,磁 性 粒 子 を磁 場 空 間 中 で移 動 させ る こ とが 可能 に な る。 そ して,一 度 磁 性 粒 子 を移 動 した 後 は,外 部 磁 場 や 補 助 強磁 性 体 を 除去 して も一部 の 磁 性 粒 子 は移 動 した状 態 を維 持 す る。
