電磁サスペンション

電磁サスペンション( EMS ) は、フィードバック ループを使用して電磁石によって生成される磁場の強度を常に変更することで、物体を磁気浮上させる方法です。ほとんどの場合、浮上効果は電力消費のない永久磁石によるもので、電磁石は効果を安定させるためにのみ使用されます。

アーンショウの定理によれば、常磁性体は重力場と静磁場の組み合わせに置かれると、安定した平衡状態を保つことができません。このような種類の磁場では、不安定な平衡状態が存在します。静磁場は安定性を与えることができませんが、EMS は電磁石に送られる電流を継続的に変更して磁場の強度を変え、安定した浮揚を実現しています。EMS では、物体の動きを修正するために 1 つ以上の電磁石を継続的に調整するフィードバック ループを使用して、不安定性を解消します。

多くのシステムでは、このようなシステムでは重力に逆らって上向きに引っ張る磁気吸引力を使用しています。これにより、ある程度の横方向の安定性が得られますが、磁気吸引力と磁気反発力を組み合わせて上向きに押し上げるシステムもあります。

磁気浮上技術は、エネルギー消費量を減らし、摩擦を大幅に減らすため重要です。また、摩耗を防ぎ、メンテナンスの必要性も非常に少なくなります。磁気浮上技術の応用は、磁気浮上列車の役割で最もよく知られています。

サミュエル・アーンショウは1839年に「静電場に置かれた帯電体は電気力の影響のみでは安定した平衡状態で浮上できない」ことを発見した人物である。^{[1]同様に、}誘電率の制限により、永久磁石または定電流電磁石のシステムでは静磁場内で安定した浮上または浮上を実現できない。ブラウンベックの拡張（1939年）では、安定した静磁気浮上または浮上を得るためには、永久磁石のシステムに反磁性材料または超伝導体も含まれていなければならないと述べている。 ^[2]

エミール・バシュレはアーンショウの定理とブラウンベックの拡張を応用し、電流の強さを制御し、電磁石への電力を所望の周波数でオン/オフすることで磁力を安定化しました。彼は1912年3月に「浮上送信装置」（特許番号1,020,942）で特許を取得しました。^[3]彼の発明は当初、小型の郵便輸送システムへの応用を意図していましたが、大型の列車のような車両への応用の可能性は明らかです。

1934年、ヘルマン・ケンパーはバチェレの構想を大規模に応用し、「車輪のないモノレール車両」と名付けました。彼はこの発明によりライヒ特許番号643316を取得し、多くの人から磁気浮上式の発明者ともみなされています。

1979 年、トランスラピッド電磁懸架列車は、第 1 回国際交通博覧会 (IVA 79) で ハンブルクの 908 メートルの線路上で数か月間デモンストレーションとして乗客を運びました。

定期運行用の最初の商用磁気浮上列車は、電磁サスペンションと推進用のリニア誘導モーターを使用し、1984年にイギリスのバーミンガムで開通しました。

電流が電線を通過すると、その電線の周囲に磁場が発生します。発生する磁場の強さは、電線を流れる電流に比例します。電線をコイル状に巻くと、発生した磁場はコイルの中心に集中します。この磁場の強さは、コイルの中心に強磁性体を配置することで大幅に増加できます。この磁場は、電線にさまざまな電流を流すことで簡単に操作できます。したがって、永久磁石と電磁石の組み合わせは、浮上目的に最適な配置です。^[1]平均電力要件を削減するために、多くの場合、電磁サスペンションは浮上を安定させるためだけに使用され、重力に対する静的揚力は、鉄や鋼などの比較的安価な柔らかい強磁性体の方に引き寄せられる二次永久磁石システムによって提供されます。

吊り下げられた物体の位置は光学的または磁気的に検出できますが、他の方式が使用される場合もあります。

フィードバック回路は電磁石を制御して、吊り下げられた物体を正しい位置に維持しようとします。

しかし、位置を単純に制御するだけでは、コイルのインダクタンスと位置の検知におけるわずかな時間遅延により、通常は不安定になります。そのため、実際には、フィードバック回路は時間の経過に伴う位置の変化を利用して速度を決定し、減衰させる必要があります。

21世紀には、電磁石に永久磁石を追加して永久磁石アレイと呼ばれるものを形成することにより、古典的なEMS構成のアップグレードとしてハイブリッド電磁サスペンション（H-EMSとも呼ばれる）を使用するという提案がいくつかありました。^{[4]この構成は、エアギャップを増やし、エネルギー消費を削減することが証明されており、}磁気浮上とハイパーループの専門家の両方によって使用されています。^{[5] [6]}

磁気浮上式鉄道（マグレブ）は、電磁力の原理により車両をガイドレール上に吊り下げる輸送システムです。マグレブは、車輪と線路の物理的接触を大幅に排除するため、車輪式輸送よりも静かでスムーズという利点があります。マグレブにはガイドレールが必要なため、主に電車などのレール式輸送システムで使用されています。

1984年にイギリスのバーミンガムで最初の商用磁気浮上列車が開通して以来、 Mバーンやトランスラピッドなどの他の商用EMS磁気浮上列車システムも限定的に使用されています。（電気力学的サスペンション技術に基づく磁気浮上列車も開発され、配備されています。）30.5kmの上海磁気浮上列車を除いて、主要な長距離EMS磁気浮上路線は建設されていません。

アクティブ磁気軸受 (AMB) は、電磁サスペンションの原理に基づいて動作し、電磁石アセンブリ、電磁石に電流を供給するパワーアンプのセット、コントローラ、およびギャップ内のローターの位置を制御するために必要なフィードバックを提供する関連電子機器を備えたギャップセンサーで構成されます。これらの要素は図に示されています。パワーアンプは、ローターの反対側にある 2 組の電磁石に等しいバイアス電流を供給します。この絶え間ない綱引きは、ローターが中心位置からわずかにずれると、等しいが反対方向の電流の摂動によってバイアス電流を相殺するコントローラによって調整されます。

ギャップ センサーは通常、誘導性があり、差動モードで感知します。最新の商用アプリケーションのパワー アンプは、パルス幅変調(PWM) 構成で動作するソリッド ステート デバイスです。コントローラーは通常、マイクロプロセッサまたはDSPです。

NASAは宇宙船を推進するために磁気浮上システムを使用した打ち上げ補助装置を開発している。磁気浮上打ち上げ補助装置の支持者は、設計と打ち上げコストを節約し、より安全な打ち上げ方法を提供すると主張している。^[7]

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