磁気の川

マグネティックリバーは、 1974年にフレデリック・イーストハムとエリック・レイスウェイトによって設計された電磁磁気浮上（マグレブ）システムです。ACリニア誘導モーター上の薄い導電板で構成されています。横方向の磁束と形状により、揚力、安定性、推進力が得られ、比較的^[漠然と]効率的です。名前は、川の水の流れに似た動作で、縦軸に沿って安定性を提供する動作を指します。

リニア誘導モーター(LIM) は、基本的に、一次側が「巻き戻されて」平らに配置されている従来の誘導モーターです。通常、何らかの形に巻かれた一連の導体で構成されるローターは、磁気の影響を受けやすい金属のシートに置き換えられます。アルミニウムは、その優れた伝導率と重量比のため、この「ステーター プレート」にほぼ常に使用されます。一次側に電流が供給されると、ステーター プレートに磁場が誘導され、プレートから遠ざかる方向とプレートに沿って力が発生します。^[1]

これらの力を利用して直線運動を生み出す最も簡単な方法は、1 つのステーター プレートの両側に 2 つのモーターを配置することです。この方法では、一方のモーターからの揚力はもう一方のモーターの揚力と反対になり、2 つのモーターを一緒に締め付けると、横方向の正味の力は発生しません (クランプの応力に含まれています)。これは通常、垂直のステーター プレートの上に吊り下げられた C 字型の装置に配置されます。この種の配置は、1960 年代の多くの先駆的な交通システムでよく見られ、通常は車両床の中央のスロットを通っています。^[1]

1960 年代後半までに、この「サンドイッチ モーター」の配置に致命的な欠陥が発見されました。ステーター プレートは数キロメートルに及ぶため、単一の鋳造品で作ることはできません。代わりに、多数の小さなプレートを溶接して作ります。これらの溶接部の強度はプレート自体よりもはるかに小さく、寒い気候では破損しやすくなります。車両が通過するときに、モーターとステーターの間にずれがあると、非常に大きな力が発生し、プレートがモーターの中心に押し戻されます。これらの力は、プレート間の溶接部を破損させるか、単に変形させるほど大きい場合があります。この場合、後続車両のモーターがプレートに衝突して壊滅的な被害を与える可能性があります。^[2]

サンドイッチ モーターで見つかった問題に対処するため、1967 年からEric Laithwaiteと彼のチーム (インペリアル カレッジ ロンドン)は片側 LIM 配置の実験を開始しました。この配置では、ステータの「反対側」に対応する磁場セットがないため、完全な磁束経路を作成するには別のシステムを使用する必要があります。^[3]

チームは当初、変圧器のコアに使われるような小さな軟鉄板を検討した。磁束配置のサイズ、つまり必要な鉄板のサイズは、車両の速度、電力周波数、磁石のサイズによって決まる。磁石のサイズは、磁石内部での電力消費量によって決まるため、どのタイプの車両でも固定サイズとなる。より高速の車両で使用される高電力レベルには、より大きな磁石が必要となる。したがって、唯一の実際の変数は電源周波数である。当時、効率的な高電力周波数変換は高価で重かったため、標準的な 50 Hz 主電源を使用するのが唯一の実用的なシステムであった。これらの入力を考慮すると、片面 LIM には約 30 cm の深さの磁束「コア」が必要となり、線路のコストが大幅に増加することになる。^[4]

1969 年 2 月、レイスウェイトのチームは、片面 LIM の高速使用における実用性を向上させる画期的な発明を成し遂げました。彼らは、モーターの車両搭載ローター側を 90 度回転させて、トラックに沿ってではなくトラックを横切るように配置することで、磁束がステーター プレート全体に広がるため、深さの問題が解消されることに気付きました。ここでも、単純な薄いアルミニウム シートが適切なステーター プレートとして機能します。レイスウェイトが後に指摘したように、この設計を最初から検討しない理由はなく、LIM の開発中に、以前の LIM と同じようにプライマリがステーターに沿って配置されていた回転式電気モーターからこの設計が単に思いつかなかっただけなのです。^{[5]これらの新しい配置は、}トラバース フラックス マシン、またはTFMとして知られていました。^[4]

TFM の開発中、磁気浮上車両は特にドイツで主要な研究分野でした。レイスウェイトはこれらの設計に常に興味を持っており、独自のバージョンの開発に力を注いでいました。ほとんどの磁気浮上システムは、一連の磁石を使用して揚力を生み出し、別のセットを使用してレールに沿って左右に誘導します。これらの設計はすべて安定性にかなりの問題があり、乗り心地を維持するために電子システムが必要でした。レイスウェイトは、揚力に引力を使用する設計に非常に批判的で、自然に安定する反発システムのほうが優れた設計だと感じていました。

レイスウェイトは、磁束板の両側に設置された 2 本の長い導体を使用した反発ベースの磁気浮上式磁気浮上装置を開発した。導体は、端から板の上部を下り、180 度曲げられ、その後板の上部に沿って戻り、長い U 字型を形成する。ワイヤのループに電流を流すと、ループ上で反発し、ループ間の領域で吸引する磁場が発生する。つまり、モーターがステーター プレートに対して中心からずれると、モーターは自然に中心に引き戻される力を感じる。このアプローチの唯一の欠点は、適切な位置にある車両は吸引力と反発力の両方を感じることであり、必要な量の揚力を提供するにはより大きなエネルギーが必要になる。このシステムは推力ではなく揚力のみを提供するため、チームは 2 つの揚力コイルの間に薄い LIM を配置することを提案した。^[6]

トラックド・ホバークラフト・チームのトム・フェローズは、レイスウェイトに、近々開催されるトランスポ '72トレードショーに向けて磁気浮上システムのモデルを製作するよう依頼した。反発設計を採用した彼は、モデルには非常に幅の広いモーターが必要であることを発見した。長さがわずか 9 メートルのトラックに対して、約 25 センチの幅である。そこでレイスウェイトは、システムのサイズを縮小する方法を検討し始めた。初期の変更の 1 つは、モーターの上部にある導体を、磁束板の下にループの半分を配置するように移動することだった。これにより、システムが不安定になることがわかったが、誰かが誤ってリフト導体を「間違った方向」に接続したため、2 つのループで電流が同じ方向に流れるようになった。これにより、システムはすぐに安定した。^[6]

レイスウェイトが模型製作のためにエンジニアリング会社を雇ったとき、9メートルの鉄板の積み重ねが米国までの旅を無傷で乗り切ることはまずあり得ないことに気付いた。この問題を考慮して、フレデリック・イーストハムは、線路を複数のセクションに分割し、それぞれにリフトループを設けることを検討した。これにより、一連のU字型鉄心とループ状のワイヤを使用して、変圧器コアの半分に相当する磁束を発生させる設計が生まれた。この配置を試したところ、U字型の両腕から揚力が得られることがわかり、2列のリフトコイルは不要になった。最後に、U字型を3相電源に接続することで推力が生成された。これが磁気川である。^[6]

磁気流では、導電板の幅はその下の磁石に対して臨界幅となります。

リニアモーター用の磁石の列にはそれぞれ 2 つの極があり、極は U 字型のコアを持つ「川」に対して横方向に配置され、AC 電流で励起されます。

通電すると、磁石は振動する横方向の磁場を生成し、プレートを切断します。すると、プレートは各極の上に 1 つずつ、合計 2 つの渦電流を生成します。

しかし、エッジは円形の電流を妨害するため、各側の渦電流の大きさを減少させます。プレートを横に動かすと、エッジの妨害が少なくなり、その側が押し上げられるため、片側の電流が増加します。プレートは電流によって横方向に中央に向かって引っ張られるため、横方向の動きが安定します。

この安定化は、プレートが広すぎたり狭すぎたりしない場合にのみ機能し、また、浮上高さにも多少依存するため、揚力が高いほどプレートを広くする必要があります。

• レイスウェイト、エリック（1973 年 6 月 28 日）、「高速車両用リニア モーター」、ニュー サイエンティスト、pp. 802–805
• カーティス、アンソニー（1973 年 6 月 28 日）、「磁気河川は揚力と推力を混合する」、ニューサイエンティスト、p. 805

• インペリアル カレッジのマグネティック リバーのビデオ
• エリック・レイスウェイト教授の訃報