回転永久磁石を用いた磁気浮上推進システムの開発　

２０２０年　６月１７日
２０２０年　１０月２２日
２０２１年　２月　２日
２０２１年　３月　３日
２０２１年　６月　８日
２０２１年１１月１７日
２０２２年　５月１０日
２０２２年　６月１７日
２０２２年　１１月１０日
２０２３年　１　月２４日

関西大学システム理工学部　
電気電子情報工学科　

超高周波工学研究室　教員　佐伯　拓
　　　　　　　　　　　　　　　学生　稲生、上原、 Ｌｉ、桑原、加藤、寿崎

物理・応用物理学科　　教員　稲田 貢



磁気浮上推進システム 4基磁気車輪搭載
上記システムはＰＣからの無線信号により左右に移動が可能




磁気車輪＋ブラシレスモータ　 １基分　　　PID制御実験装置



磁気車輪搭載磁気浮上推進装置　レール長　1m


磁気車輪搭載磁気浮上推進装置　自由空間移動タイプ
Magnetic Levitation Bike(ＭＬＢ)

金属板から数ミリ浮上した状態で通常の前進、後進、右折、左折が同様に可能
現在流行中のメカナムホイールのようにスライド運動が可能
２つの大型磁気車輪のみ使用。





20cmクラス大型磁気車輪の浮上力計測実験

研究内容
超伝導を用いない回転する永久磁石での渦電流発生・浮上力発生による磁気浮上システムの研究が幾つかのグループによりすでに行われている。　これに用いられる磁石が固定された回転体は、磁気車輪と呼ばれている。
本研究室では、各種金属ナノ粒子を用いた焼成金属を作製している。
磁気浮上システムへの焼成ナノ金属多結晶体の応用に関して、各種の検討、及び、基礎研究を進めている。
今現在10ｋｇ以上の浮上力をすでに達成している。

　１．薄型アキシャルギャップモータを用いた磁気浮上システムの開発　-焼成ナノ金属の応用-
　２．浮上に必要な金属板の厚み最適化
　３．対称型可変磁気浮上システムの速度・加速度　計測
　４．磁気車輪の浮上力計測　ブラシレスモータ等の組み合わせ
　５．磁気車輪の回転速度のＰＩＤ制御
　６．無線マイコンによる制御


磁気車輪の浮上力計測と回転速度の最適化
　磁気車輪の浮上に必要な消費電力は、回転速度とトルクの積で与えられる。ブラシレスモータは、仕様により回転速度＝トルク特性が異なる。
効率の良い、金属板の厚みが薄くなるような磁気車輪とブラシレスモータの組み合わせに関して、最適化を行なっている。

薄型アキシャルギャップ型モータを用いた磁気浮上システムの開発
　磁気車輪駆動のためのモータの薄型化のため、アキシャルギャップモータを用いた磁気浮上システムの開発を行なっている。
アキシャルギャップモータは、構造上、電気エネルギー入力に対する出力の効率が高く、ヨーロッパ等で電動バイクや自動車用に開発が進められている。

磁気車輪の回転速度のＰＩＤ制御に関する研究
　磁気車輪とモータを結合し高速回転することで金属板から装置が浮上するが、金属板からゆっくり衝撃を抑えながら浮上させる研究を進めている。
　モータ回転速度の制御にはＰＩＤ制御を用いるが、磁気浮上システムの浮上力が非線形過程のため、通常のＰＩＤ制御ではゲイン調整が困難であると考えられる。また、磁気浮上システムの加重によっても制御パラメータは変化すると考えられる。ここでは、ニューラルネットワーク小脳演算モデル（ＣＭＡＣ）を用いたＰＩＤ制御、機械学習によるゲインの自動生成の導入を進めている。
　制御に関して、伝達関数を離散化、時間発展を考慮した計算機シミュレーションによるＰＩＤ制御ゲインの最適化と、機械学習コードのマイコン制御による実機への搭載について検討を行い、実際の搭載を進めている。

磁気車輪の磁石のハルバッハ配列による浮上力の強化
磁石をハルバッハ配列化することで浮上力の強化を図って実験を進めている。
ハルバッハ配列された大型磁気車輪の開発を進め、１基辺り数10kgの浮上力の発生を計画している。





技術報告

2022.05.04
磁気浮上機の磁気車輪のサイズについての検討



参考文献
　磁気浮上推進システムの磁気車輪傾斜の推力アンバランスによる推進方向の制御
1.T. Saiki , D. Yonetsu, M. Inada,
”Control of Propulsion Direction and Speed for Magnetic Floating Systems Using Rotating Permanent Magnets”,  viXra:2103.0016(2021.03.08)
2.　山本透他、”データ指向型ＰＩＤ制御”、森北出版　２０２０年

3. 佐伯 拓、稲生 一優、稲田 貢、
“永久磁石を用いた磁気浮上推進システムにおける磁気車輪回転速度と金属板厚みの最適化”、
T. Saiki,K. Ino,M. Inada, “Optimization on Pole Pitch of Magnetic Wheels and Thickness of Metal Plate for Floating and Propulsion System using Permanent Magnets”、Submitted. viXra:2205.0101 (2022.05.20)


学会論文発表
4．稲生一優, 米津大吾, 稲田 貢, 佐伯 拓
"回転永久磁石を用いた磁気浮上推進システムの開発",
第82回　応用物理学会秋期学術講演会、オンライン、2021年9月21日、21a-P04-3

5. 佐伯 拓, 稲生一優, 稲田 貢
"回転永久磁石を用いた磁気浮上推進システムでの金属板厚みの最適化",
第69回応用物理学会春季学術講演会、オンライン、2022年3月

6. 佐伯 拓、稲田 貢、
“ハルバッハ配列回転永久磁石を用いた磁気車輪の浮上力特性 ”
第84回応用物理学会秋季学術講演会、宮城県、東北大学　川内北キャンパス＋オンライン　、2022年9月.

7. 佐伯 拓、森 慶一、稲田 貢、
“回転永久磁石を用いた磁気浮上推進システムの推進力特性”
第84回応用物理学会秋季学術講演会、宮城県、東北大学　川内北キャンパス＋オンライン　、2022年9月.

8. 上原 裕貴、リ サイショウ、稲田 貢、佐伯 拓、
“磁気浮上推進システムにおける磁気車輪の回転速度 PID 制御”
第83回応用物理学会秋季学術講演会、宮城県、東北大学　川内北キャンパス＋オンライン　、2022年9月.

9 リ サイショウ、上原 裕貴、稲田 貢、佐伯 拓、
“磁気車輪回転速度 PID 制御での機械学習ゲインパラメータ自動生成”
第83回応用物理学会秋季学術講演会、宮城県、東北大学　川内北キャンパス＋オンライン　、2022年9月.

国際会議
K. Ino, K. Nagatani, M. Inada, T. Saiki
"Magnetic Levitation Propulsion System Using Rotating Permanent Magnets"
OPIC LSSE2022, Yokohama Japan, (2022), Online. Apr. 19th.LSSE4-03.

発表論文
T. Saiki, K. Ino, M. Inada, “Optimization on Pole Pitch of Magnetic Wheels and Thickness of Metal Plate for Floating and Propulsion System using Permanent Magnets”,
Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 36 2022, in press.