CN1299302C - 超导部件、超导磁悬浮装置及超导磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种例如用于超导磁悬浮装置及超导磁轴承的超导部件。该超导部件由多个超导要素部件整体化构成，具有相互平行的两个平行面。超导要素部件彼此的边界的至少一部分与平行面形成的交叉角度大于0°、小于90°。
Description
技术领域
本发明涉及超导部件、超导磁悬浮装置及超导磁轴承，特别涉及储电用飞轮及高速旋转设备等所使用的超导磁轴承、线性电机等的传送设备所使用的超导磁悬浮装置、以及适用于上述这些超导磁轴承及超导磁悬浮装置的超导部件。
背景技术
超导磁轴承利用超导体与磁铁之间的钉扎效应(pinningeffect)，具有非控制非接触而使物体稳定悬浮及旋转的功能。在超导磁轴承的超导体和磁铁的位置关系中，主要有轴向轴承型配置和径向轴承型配置。如图1所示，在轴向轴承型配置中，超导体1和永久磁铁2与轴承的轴向对置(相对向)。另外，如图2所示，在径向轴承型配置中，超导体1和永久磁铁2与轴承的矢径方向对置。
超导磁轴承采用制成单晶状的大型氧化物系超导体。但是，单晶状的氧化物系超导体有结晶方位造成的各向异性。而且，在与结晶的c轴平行的方向和与结晶的c轴垂直的方向、即与包括结晶的a轴及b轴的a-b面平行的方向之间，超导特性有很大不同。结果是，在磁铁的形状及方向方面，悬浮力随超导体的结晶方位的朝向而发生较大变化。现有，为提高悬浮力，一般采用使超导体的c轴朝向磁铁一方、即超导体的c轴与磁铁的表面垂直那样的结晶配置。因此，在轴向轴承型配置中，超导体的c轴朝向轴承的轴向，在径向轴承型配置中，超导体的c轴朝向轴承的矢径方向。
在轴向轴承型配置中，使构成轴承的超导体整体的c轴轴向取向是可能的。但是，在径向轴承型配置中，在使用单一结晶时，不可能使构成轴承的超导体的c轴跨过轴承的全周径向取向。因此，如图2所示，制作了多个样品，并将其加工成扇形形状作为要素部件1a，然后组合上述这些部件，形成构成一个轴承的超导体。此时，使构成轴承的每个要素部件1a径向取向。此外，作为接合每个扇形状要素部件1a而形成圆筒状超导体1的方法，通过将每个要素部件1a单独收纳在冷却容器内，可以采用只进行物理接触的方法、或在收纳于冷却容器内时只用粘接剂粘合来固定的方法。日本特开2001-248642号公报记述了上述现有技术。
同样，即使在轴向轴承型配置中，如增大轴承的尺寸，则很难整体制作单晶状的超导体，所以如图1所示，需要通过组合多个要素部件1a才能构成超导体1。
此外，对于旋转运动的轴承，作为并进运动的磁悬浮(磁浮)装置，有线性电机传送装置等，图3示出了超导传送装置的基本构成。如图3所示，超导传送装置也是通过相互接合多个单晶状的超导要素部件1a来构成超导体1的。
在轴承或传送装置增加载荷等荷载时，超导体实质上具有超导磁铁的功能，产生承载力(斥力或悬浮力)。超导磁轴承及超导传送装置就是利用这样的作用。
但是，如图1、图2及图3所示，在用多个超导要素部件制作超导体时，各超导要素部件只单纯以物理形式相接，在各要素部件间的边界不流动超导电流。而且，在径向型轴承时，各要素部件1a的c轴径向取向的部分只是要素部件1a的中央部，随着偏离中央部，c轴和矢径方向的偏移加大。为此，为了提高作为轴承整体的超导体1的c轴向矢径方向取向的程度，需要增加要素部件1a的数量。但是，如增加要素部件1a的数量，相反会增加不流通超导电流的要素部件1a之间的边界数量。这样，采用现有的结构，不能同时提高轴承整体的结晶的取向性和减少不流通超导电流的部分。因此，在径向型轴承配置中，存在难于改进悬浮力及旋转损耗的问题。
此外，在轴向轴承型配置中，在通过组合多个要素部件1a构成超导体1的情况下，由于在各要素部件1a之间不流通超导电流，也存在难于改进悬浮力及旋转损耗的问题。
针对上述问题，如图4及图5所示，日本特开2001-248642号公报记述了，通过将超导体制成叠层结构，且在各相邻层错开超导要素部件1a之间的边界面的位置，来使作为整体的超导体1的特性均匀化的方法。
在具有由多个超导要素部件构成的超导体的超导磁轴承中，各要素部件边界的存在及各要素部件内的特性的不均匀性表现为整体超导体的不均匀性。该整体的不均匀性是造成非均质性超导磁铁的原因，例如，即使永久磁铁的本来特性是均质的，在旋转运动或并进运动时，在永久磁铁内感应感应电流，导致能量损耗。此外，由于超导体的不均匀性，永久磁铁的表观磁场分布的均质性被降低。在用于超导飞轮储能装置用轴承时，需要降低这样的能量损耗。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供能够更简便、经济地降低旋转运动及并进运动时的损耗的超导部件、超导磁悬浮装置及超导磁轴承。
本发明的第1超导部件是由多个超导要素部件构成的超导部件，其特征在于：该超导部件的超导要素部件彼此的接合面的至少一部分与该超导要素部件的接合面相接的面的任何一面不垂直。
本发明的第2超导部件是由多个超导要素部件整体构成、且具有相互平行的两个平行面的超导部件，其特征在于：上述超导要素部件彼此的边界的至少一部分与上述平行面形成的交叉角度大于0°、小于90°。
本发明的超导磁悬浮装置，其特征在于：具有磁铁和上述超导部件的任何一种。
本发明的第1超导磁轴承是磁铁和超导部件在矢径方向径向型配置的超导磁轴承，其特征在于：上述超导部件是上述超导部件的任何一种。
本发明的第2超导磁轴承是磁铁和超导部件在轴向对置的轴向型配置的超导磁轴承，其特征在于：上述超导部件是上述超导部件的任何一种。
附图说明
图1是表示现有轴向型超导磁轴承构成及用于该轴承的超导部件的结构的图。
图2是表示现有径向型超导磁轴承构成及用于该轴承的超导部件的结构的图。
图3是表示现有并进型悬浮装置构成及用于该轴承的超导部件的结构的图。
图4是表示意在缓和超导要素部件间存在的接缝造成的不适合的现有超导部件结构的图。
图5是用于径向型轴承的超导部件，表示意在缓和超导要素部件间存在的接缝造成的不适合的现有超导部件结构的图。
图6是表示由两个充分磁化的超导体要素部件(交叉角度＝90°)构成的超导体的超导电流及捕捉磁通的图。
图7是表示由两个充分磁化的超导体要素部件(交叉角度＝30°)构成的超导体的超导电流及捕捉磁通的图。
图8是表示用于本发明实施方式的径向型超导磁轴承的超导部件的图。
图9是表示用于本发明实施方式的轴向型超导磁轴承的超导部件的图。
图10是表示用于本发明实施方式的并进型超导磁悬浮装置的超导部件的图。
图11是表示本发明实施方式的超导要素部件彼此的接合面(边界)的各种形态的图。
图12是用于本发明实施方式的径向型超导磁轴承的超导部件，表示超导部件的c轴与轴向平行的示例图。
图13是实施例1所用超导部件的形状及磁通密度的分布的图。
图14是实施例2所用轴向型超导磁轴承用超导部件的形状及磁通密度的分布的图。
图15是实施例3所用径向型超导磁轴承用超导部件的形状及磁通密度的分布的图。
具体实施方式
下面，以永久磁铁和超导体的自立稳定型的超导磁悬浮装置为例详细介绍本发明的内容。
研究有关超导体(超导部件)在永久磁铁的磁场中被冷却而达到超导状态，在超导体中捕捉永久磁铁发出的磁通，永久磁铁的位置位于稳定点时的状况。在要从稳定点位移永久磁铁时，在超导体内感应超导电流，以消除在从稳定点位移永久磁铁时发生的磁通变化。由于该超导电流，超导体成为磁铁，永久磁铁和超导磁铁之间的力发挥作用。该力是称为承载力(斥力或悬浮力)的力。由于该承载力的存在，永久磁铁要返回稳定点，实现稳定磁悬浮。即，承载力是稳定磁悬浮的原理上的力。这样，在磁悬浮中，超导体具有根据永久磁铁的位移使强度变化的作为控制磁铁的功能。
因此，在利用超导体而磁悬浮状态，在永久磁铁和超导体发生相对位移时，即使永久磁铁的磁场分布均匀，超导体的特性不均匀时，也由于超导磁铁的不均匀磁场，而在永久磁铁内产生感应电流，并造成能量损耗。要减小这样的能量损耗，需要采用均质的永久磁铁，而且作为整体还需要采用更均质的超导体。在超导体的不均质的主要因素中，有各要素部件内的不均质和各要素部件彼此的接缝(边界)的存在而造成的不均质。本发明主要是比较简便地改进各要素部件的接缝造成的不均质。
由于超导体具有磁铁的功能，故使采用磁场中冷却等方法磁化的各要素部件及接缝的磁通分布均质化，有助于降低伴随相对运动的磁悬浮的能量损耗。
图6示出了由两个充分磁化的超导体要素部件构成的超导体的超导电流及捕捉磁通。图6(a)示出了超导体内的超导电流的流动，图6(b)示出了从图6(a)中箭头方向看时的磁通分布，图6(c)示出了超导体的表面的磁通密度。如图6所示，在与超导体1的永久磁铁(未图示)对置的面(主面)和要素部件1a彼此的接合面(边界)的整体相互垂直时，极性在对置面发生反转等，磁通密度分布显著变化，超导体1成为极不均质的超导磁铁。这就是现有的状态。
对此，如图7所示，在与超导体3的永久磁铁对置的面与超导要素部件3a彼此的接合面在局部不垂直时，例如在以倾斜重合的方式接合时，接合面的磁场的均匀性变高。
此外，在本申请说明书及权利要求范围中，超导要素部件彼此的接合面(边界)与超导体的相互平行的两个平行面形成的角度称为交叉角度。但是，交叉角度大于0°、小于90°。
通常，在磁悬浮中，在从稳定点完全分离时才达到上述充分磁化的状态。实际上，在磁悬浮中，相对于比较小的位移，只有超导体的一部分处于电流流动的状态。比较图6和图7可以看出，图7的磁场分布更为均匀。
基于上述原理得知，在构成轴向型超导磁轴承、径向型超导磁轴承、并进型传送装置等时，相对于图1、图2、图3所示的现有超导体，从能量损耗方面考虑，图8、图9、图10示出的超导体的结构更为合理。
但是，与超导体的与磁铁的对置面和要素部件3a彼此的接合面不必非是倾斜的平面接合。图11示出了接合面的形状示例。
例如，接合面也可以是图11(a)所示的曲面。但是，从易于加工的角度考虑，最好是图11(b)所示的平面。
此外，如图11(c)所示，也可以只在与磁铁的对置面侧与要素部件3a接合，在相反侧不与要素部件3a接合。在采用这样的结构时，均匀性损耗不大，由于能采用更小型的要素部件，在经济方面(成本方面)具有优势。此外，在该结构中，机械强度稍有降低。为此，从增加强度角度考虑，要素部件3a间不存在超导物质的区域最好尽量小。此外，也可以在该空间内存在非超导物质。
此外，在本发明中。要素部件3a彼此的接合面的整体也可以不与超导体3的与磁铁的对置接合面垂直，例如，如图11(b)及(e)所示，即使接合面的一部分与对置面垂直，如果接合面的其它部分不垂直，也能利用该部分的效果，作为整体提高磁场的均匀性。
本发明所用的超导体材料，如果是能发挥钉扎效应的材料，虽然没有特别限定，但优选钉扎力强的材料。例如，采用称为QMG材的材料，可以采用在单晶状的REBa2Cu3Ox相(RE为含Y的稀土元素及其混合物)中RE2Ba2CuO5相微细分散的氧化物系超导体材料(专利登记号第1869884号)。该材料在液态氮温度(77K)具有强钉扎力。
关于QMG材料，在与作为超导相的REBa2Cu3Ox相的结晶学方位的c轴垂直的面(a-b面)之间具有劈开(解理)性，在该部分容易发生微细裂纹。因此在采用QMG材时，如图8～10及图12所示，最好采用在a-b面内感应超导电流的结构(轴承结构或传送装置结构)。在图9及图12中，c轴与旋状轴形成角度为0°，在图8中，c轴与旋转轴形成的角度为90°。此外，在图示中，c轴与磁铁的移动方向垂直。
另一方面，如“Proceedings of the fifth U.S.-Japan Workshopon high Tc superconductor(November 10，1992，P95，Tsukuba，Japan)”中记载，在单晶状的QMG材料的超导相中，存在结晶方位的摆动。c轴方向的摆动在几mm的范围内，大约±6°。此外，在几cm的范围内有时摆动达到大约±30°。但是，相邻的亚晶粒边界的方位差在几°以内。因此，如不形成使临界电流极度降低的弱接合，不引起其他特别的问题，则该摆动是允许的。
此外，为了使轴承结构简单化，本发明采用的磁铁最好采用永久磁铁，但也可以采用电磁铁及超导磁铁。特别是，由于与超导体对置的面的磁通密度越大悬浮力越大，所以在采用永久磁铁时，最好采用如稀土系永久磁铁那样的表面磁通密度大的材料。例如，最好是Nd-Fe-B系、Pr-Fe-B系、Sm-Co系等永久磁铁。
采用超导体的磁悬浮装置及磁轴承，除适宜调整与磁铁的间隙外，在正常的传导状态，与磁铁例如永久磁铁对置后，用液态氮等制冷剂或制冷机，将超导体冷却到临界温度以下，转变成超导状态。并且，在将超导体冷却到临界温度以下的预定温度后，如施加永久磁铁的重量及飞轮的重量等的荷载，则从超导体和磁铁间的无荷载下的平衡状态发生移位，超导电流在超导体中流动，达到新的平衡点。
线性电机的情况，虽然进行并进运动，但与导轨相对应的一侧可以是超导体(超导部件)，也可以是磁铁。如使用采用本发明的超导部件的线性电机，则由于能得到更均质的磁场分布，所以可进行摆动小的稳定行走。
此外，关于轴承，从超导体(超导部件)的机械强度角度考虑，转子侧最好采用永久磁铁，但转子侧也可以采用超导体。
接着，对有关本发明人实际进行实验的结果进行说明。
(实施例1)
如图13(a)所示，制作两个厚5mm、宽25mm、长约50mm的超导要素部件4a，并通过使它们相互物理接合而制造超导体(超导部件)4。各超导要素部件4a的接合侧端面制成平面。此外，此时的交叉角度设定为90°。另外，用与超导要素部件4a端面形状不同的、交叉角度为45°、30°、20°的3组超导要素部件，制作3种超导体。此时，作为超导要素部件的材料，采用在单晶状的YBa2Cu3Ox相中分散大约20体积％的1μm左右的Y2BaCuO5相的氧化物系超导体(QMG材料)。此外，YBa2Cu3Ox相的结晶学的方位的c轴与各超导体的板面垂直。
然后，对上述这些超导体，在1T及0.14T的磁场中冷却至77K后，测定去除外部磁场时的接合界面附近的超导材料表面的磁通密度分布。此时，磁场外加方向与构成超导体的要素部件的c轴平行，主要根据要素部件的a-b面内流动的超导电流测定c轴方向的磁场。
图13(b)示出了沿图13(a)中的I-I线的截面的超导磁通密度分布(交叉角度：90°)。如图13(b)所示，由于在接合面磁极反转，磁通密度在此部分显示出最低值。在表1及表2中，作为磁通密度分布示出了在1T及0.14T中同样冷却具有各交叉角度的超导体时的最高磁通密度Bmax及最低磁通密度Bmin。
表1
| 1T中冷却时的磁通密度分布 | |||
| 交叉角度(°) | 最高磁通密度Bmax(T) | 最低磁通密度Bmin(T) | Bmin/Bmax |
| 90 | 0.33 | -0.02 | -0.06 |
| 45 | 0.33 | 0.01 | 0.03 |
| 30 | 0.33 | 0.09 | 0.27 |
| 20 | 0.33 | 0.12 | 0.36 |
表2
| 0.14T中冷却时的磁通密度分布 | |||
| 交叉角度(°) | 最高磁通密度Bmax(T) | 最低磁通密度Bmin(T) | Bmin/Bmax |
| 90 | 0.12 | -0.01 | -0.08 |
| 45 | 0.12 | 0.01 | 0.08 |
| 30 | 0.12 | 0.07 | 0.58 |
| 20 | 0.12 | 0.10 | 0.83 |
如表1及表2所示，即使在交叉角度为45°时仍具有使磁场分布均匀化的效果，在30°以下，有极大的均匀化效果。此外，与在1T中进行充分磁化时相比，在比较弱的磁场中(0.14T)，在进行超导体未充分磁化程度的磁化时显示出更大的均匀化效果。
如上所述，通过减小交叉角度进行超导体的均质化，在伴随并进运动及旋转运动的磁悬浮装置中，能够降低与磁铁的相对运动造成的损耗。
(实施例2)
如图14所示，用8个超导要素部件5a制作外径180mm、内径100mm、厚15mm的超导体(超导部件)5，并通过使外径170mm、内径120mm、厚10mm的Sm-Co系永久磁铁与之对置，来制作轴向型超导磁轴承。此时，作为超导要素部件5a的材料，采用在单晶状的YBa2Cu3Ox相中分散大约20体积％的1μm左右的Y2BaCuO5相的氧化物系超导体(QMG材料)。此外，YBa2Cu3Ox相的c轴与旋转轴平行。此外，交叉角度为30°。另外，关于永久磁铁，使用无接缝的整体磁铁，磁化产生与旋转轴平行的磁场。
然后，测定如上构成的轴向型超导磁轴承的旋转数的衰减率。具体是，在真空室内，在永久磁铁和超导体5相隔10mm的状态下，在液态氮(77K)中冷却超导体5。此外，高速旋转到3000rpm，然后测定衰减到2500rpm的时间，评价衰减率。结果得到2.0％/h的衰减率。
此外，作为比较例，制作由8个交叉角度为90°的要素部件构成的超导体，进行同样的测定，衰减率为4.0％/h。
结果表明，与交叉角度为90°时相比，交叉角度为30°时的衰减率大大降低，降低了损耗。
(实施例3)
如图15所示，用8个超导要素部件6a制作外径120mm、内径100mm、高50mm的超导体(超导部件)6，并通过使外径146mm、内径126mm、厚40mm的Sm-Co系永久磁铁与之对置，来制作径向型超导磁轴承。此时，作为超导要素部件的材料，采用在单晶状的GbBa2Cu3Ox相中分散大约20体积％的1μm左右的GbBa2CuO5相、并分散大约15体积％的几百μm的银粒子的氧化物系超导体(QMG材料)。此外，GbBa2Cu3Ox相的c轴与旋转轴平行。此外，交叉角度为35°。另一方面，关于永久磁铁，使用无接缝的整体磁铁，磁化产生与旋转轴平行的磁场。
然后，测定如上构成的径向型超导磁轴承的旋转数的衰减率。具体是，在真空室内，在永久磁铁和超导体的间隙为3mm的状态下，在液态氮(77K)中冷却超导体6。此外，高速旋转到3000rpm，然后测定衰减到2500rpm的时间，评价衰减率。结果得到2.8％/h的衰减率。
此外，作为比较例，制作由8个交叉角度为90°的要素部件构成的超导体，进行同样的测定，衰减率为4.6％/h。
结果表明，与交叉角度为90°时相比，交叉角度为35°时的衰减率大大降低，降低了损耗。
发明效果
综上所述，采用本发明，能够显著降低随旋转移动或平行移动时的能量损耗。所以，本发明适用于贮电用飞轮及高速旋转设备等用的超导磁轴承、及线性电机等的传送设备等的磁悬浮装置，其工业应用效果很大。
Claims (24)
1.一种超导部件，由多个超导要素部件构成，其特征在于：
该超导部件的超导要素部件彼此接合的面的至少一部分与该超导要素部件的接合面相接的面的任何一面不垂直。
2.如权利要求1记载的超导部件，其特征在于：上述超导部件是具有环形形状的部件。
3.如权利要求1记载的超导部件，其特征在于：上述超导要素部件接合面的至少一部分与上述超导要素部件的接合面相接的面的任何一面，具有大于0°、不大于45°的交叉角度。
4.如权利要求1记载的超导部件，其特征在于：上述超导要素部件接合面的至少一部分是平面。
5.一种超导部件，由多个超导要素部件整体化构成、且具有相互平行的两个平行面，其特征在于：
上述超导要素部件彼此的边界的至少一部分与上述平行面形成的交叉角度大于0°、小于90°。
6.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：上述交叉角度不大于45°。
7.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：上述多个超导要素部件由单晶体构成。
8.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：上述超导要素部件彼此的边界的至少一部分形成为平面。
9.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：
该超导部件的形状为环状，
上述平行面形成圆周面。
10.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：
该超导部件的形状为环状，
上述平行面形成为垂直于圆周面的端面。
11.如权利要求5记载的超导部件，其特征在于：
该超导部件的形状为平板状，
上述平行面为主面。
12.如权利要求5～10任何一项记载的超导部件，其特征在于：上述多个超导要素部件的在结晶学上的c轴与上述平行面垂直。
13.一种超导磁悬浮装置，其特征在于：具有磁铁和如权利要求1～11任何一项记载的超导部件。
14.一种超导磁悬浮装置，其特征在于：具有磁铁和如权利要求12记载的超导部件。
15.一种磁铁和超导部件在矢径方向对置的径向型配置的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导部件是如权利要求1～10任何一项记载的超导部件。
16.一种磁铁和超导部件在矢径方向对置的径向型配置的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导部件是如权利要求12记载的超导部件。
17.如权利要求15记载的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导要素部件为单晶状；
且上述超导要素部件的在结晶学上的c轴与旋转轴形成的角度在90°±30°的范围内。
18.如权利要求17记载的超导磁轴承，其特征在于：上述c轴与旋转轴形成的角度为90°。
19.如权利要求15记载的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导要素部件为单晶状；
且上述超导要素部件的在结晶学上的c轴与旋转轴形成的角度在0°±30°的范围内。
20.如权利要求19记载的超导磁轴承，其特征在于：上述c轴与旋转轴形成的角度为0°。
21.一种磁铁和超导部件在轴向对置的轴向型配置的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导部件是如权利要求1～11任何一项记载的超导部件。
22.一种磁铁和超导部件在轴向对置的轴向型配置的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导部件是如权利要求12记载的超导部件。
23.如权利要求21记载的超导磁轴承，其特征在于：
上述超导要素部件为单晶状；
且上述超导要素部件的在结晶学上的c轴与旋转轴形成的角度在0°±30°的范围内。
24.如权利要求23记载的超导磁轴承，其特征在于：上述c轴与旋转轴形成的角度为0°。
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