JP2001124078A - 高温超電導浮上軸 - Google Patents
高温超電導浮上軸Info
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- JP2001124078A JP2001124078A JP34662599A JP34662599A JP2001124078A JP 2001124078 A JP2001124078 A JP 2001124078A JP 34662599 A JP34662599 A JP 34662599A JP 34662599 A JP34662599 A JP 34662599A JP 2001124078 A JP2001124078 A JP 2001124078A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
- F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は非接触無制御で、かつ安定な浮上回転
の得られる剛性の高い軸を構成するものである。 【構成】フレームの底部に高温超電導円板４を置き、そ
の真上のフレームに穴明き永久磁石３を取り付ける。下
端に円板型の永久磁石１を取り付けた軸を超電導円板４
と磁石１の間に適当な軸方向空隙を設けて置き、その軸
を磁石３の穴を貫通させて上に突き出させ、軸上端に磁
石３とＮ極とＳ極が対向するように適当な空隙を設けて
永久磁石２を取り付ける。この状態で高温超電導体４を
液体窒素で冷却し、軸を超電導体のピン留め力で浮上さ
せ、上部磁石２−３間の吸引不安定力を高温超電導体の
ピン留め力で安定化させることにより、非接触無制御で
安定な浮上回転を得る。
の得られる剛性の高い軸を構成するものである。 【構成】フレームの底部に高温超電導円板４を置き、そ
の真上のフレームに穴明き永久磁石３を取り付ける。下
端に円板型の永久磁石１を取り付けた軸を超電導円板４
と磁石１の間に適当な軸方向空隙を設けて置き、その軸
を磁石３の穴を貫通させて上に突き出させ、軸上端に磁
石３とＮ極とＳ極が対向するように適当な空隙を設けて
永久磁石２を取り付ける。この状態で高温超電導体４を
液体窒素で冷却し、軸を超電導体のピン留め力で浮上さ
せ、上部磁石２−３間の吸引不安定力を高温超電導体の
ピン留め力で安定化させることにより、非接触無制御で
安定な浮上回転を得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は高温超電導浮上軸に関
するものである。この発明は高温超電導体を用いた非接
触安定化浮上を実現するもので、通常の軸受を使用でき
ない特殊環境で使用される。例えば、クリーンルーム内
の送風機をはじめとする各種のモータ軸、エネルギ損失
の少ないフライホイールシステムの軸、高速発電機軸お
よび宇宙空間の各種機器のモータ等に使用される。
するものである。この発明は高温超電導体を用いた非接
触安定化浮上を実現するもので、通常の軸受を使用でき
ない特殊環境で使用される。例えば、クリーンルーム内
の送風機をはじめとする各種のモータ軸、エネルギ損失
の少ないフライホイールシステムの軸、高速発電機軸お
よび宇宙空間の各種機器のモータ等に使用される。
【０００２】
【従来の技術】高温超電導浮上は軸方向および軸直角方
向の両方向にピン留め力を有するため、無制御で安定に
浮上する。これらの研究で、磁気軸受に関しては、高温
超電導体１個の浮上と回転を取り上げたものがほとんど
で、軸を有する、いわゆる回転軸に関する研究は少な
い。その理由は、ピン留め力が小さく、軸を取り付けた
場合は、ピッチングにより回転が不可能となるためであ
る。回転軸を浮上回転させる方法として、軸の両端に超
電導体を配置する方法が考えられる。このシステムの利
点は、両端支持により安定に浮上させられることである
が、反面、２個の超電導体を必要とし、装置が複雑とな
り、かつ液体窒素の消費が多く、ランニングコストも高
くなる欠点がある。もう一つの方法は、下部に非常に大
きな超電導体を置き、軸に大きな環状磁石を取り付け、
円板の傾きを抑制した方法が電力貯蔵用フライホイール
の試験研究で提案されている。しかしこの方法では、非
常に大きな超電導体を必要とするため、高価であり、ま
た超電導体の冷却体積も大きくなるので、多くの液体窒
素を消費し、ランニングコストが高くなる。また目下の
ところ無制御で高速回転させることは困難のようで５軸
アクティブ制御で回転の安定化が図られている。いずれ
にしても、超電導体だけで無制御で危険速度を通過する
高速回転を実現した軸の研究は見受けられない。上記と
は別に、比較的小さな高温超電導円板１個を軸下部に置
き、軸上端の支持に吸引型永久磁石を用いて、無制御で
非接触浮上を実現する回転軸が考えられる。このシステ
ムは、安価で構造が簡単で、かつ液体窒素の消費も少な
い。しかしこのシステムは、軸方向に大きなピン留め力
を有するが、軸直角方向の剛性が極めて小さい。
向の両方向にピン留め力を有するため、無制御で安定に
浮上する。これらの研究で、磁気軸受に関しては、高温
超電導体１個の浮上と回転を取り上げたものがほとんど
で、軸を有する、いわゆる回転軸に関する研究は少な
い。その理由は、ピン留め力が小さく、軸を取り付けた
場合は、ピッチングにより回転が不可能となるためであ
る。回転軸を浮上回転させる方法として、軸の両端に超
電導体を配置する方法が考えられる。このシステムの利
点は、両端支持により安定に浮上させられることである
が、反面、２個の超電導体を必要とし、装置が複雑とな
り、かつ液体窒素の消費が多く、ランニングコストも高
くなる欠点がある。もう一つの方法は、下部に非常に大
きな超電導体を置き、軸に大きな環状磁石を取り付け、
円板の傾きを抑制した方法が電力貯蔵用フライホイール
の試験研究で提案されている。しかしこの方法では、非
常に大きな超電導体を必要とするため、高価であり、ま
た超電導体の冷却体積も大きくなるので、多くの液体窒
素を消費し、ランニングコストが高くなる。また目下の
ところ無制御で高速回転させることは困難のようで５軸
アクティブ制御で回転の安定化が図られている。いずれ
にしても、超電導体だけで無制御で危険速度を通過する
高速回転を実現した軸の研究は見受けられない。上記と
は別に、比較的小さな高温超電導円板１個を軸下部に置
き、軸上端の支持に吸引型永久磁石を用いて、無制御で
非接触浮上を実現する回転軸が考えられる。このシステ
ムは、安価で構造が簡単で、かつ液体窒素の消費も少な
い。しかしこのシステムは、軸方向に大きなピン留め力
を有するが、軸直角方向の剛性が極めて小さい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
解消するもので、非接触無制御で、かつ安定な浮上回転
の得られる剛性の高い軸を構成することを目的とする。
すなわち、底部に比較的小さな超電導円板を置き、軸上
端を一対の永久磁石で支え、かつ永久磁石間の吸引力を
下向きに作用させる構成とすることで、軸方向および軸
直角方向に剛性の大きい軸受を構成するものである。
解消するもので、非接触無制御で、かつ安定な浮上回転
の得られる剛性の高い軸を構成することを目的とする。
すなわち、底部に比較的小さな超電導円板を置き、軸上
端を一対の永久磁石で支え、かつ永久磁石間の吸引力を
下向きに作用させる構成とすることで、軸方向および軸
直角方向に剛性の大きい軸受を構成するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】フレームの底部に高温超
電導円板４を置き、その真上のフレームに穴明き永久磁
石３を取り付ける。下端に円板型の永久磁石１を取り付
けた軸を超電導円板４と磁石１の間に適当な軸方向空隙
を設けて置き、その軸を磁石３の穴を貫通させて上に突
き出させ、軸上端に磁石３とＮ極とＳ極が対向するよう
に適当な空隙を設けて永久磁石２を取り付ける。この状
態で高温超電導体４を液体窒素で冷却し、軸を超電導体
のピン留め力で浮上させ、上部磁石２−３間の吸引不安
定力を高温超電導体のピン留め力で安定化させる。この
ような構成とすることで、軸を非接触無制御で安定に浮
上回転させることができる。
電導円板４を置き、その真上のフレームに穴明き永久磁
石３を取り付ける。下端に円板型の永久磁石１を取り付
けた軸を超電導円板４と磁石１の間に適当な軸方向空隙
を設けて置き、その軸を磁石３の穴を貫通させて上に突
き出させ、軸上端に磁石３とＮ極とＳ極が対向するよう
に適当な空隙を設けて永久磁石２を取り付ける。この状
態で高温超電導体４を液体窒素で冷却し、軸を超電導体
のピン留め力で浮上させ、上部磁石２−３間の吸引不安
定力を高温超電導体のピン留め力で安定化させる。この
ような構成とすることで、軸を非接触無制御で安定に浮
上回転させることができる。
【０００５】
【実施例】図１は超電導浮上軸を示したもので、クライ
オスタット底部に高温超電導円板４が置かれている。軸
は非磁性材で、永久磁石円盤１が下端部に、中間に軸を
回転させるための円盤ロータ５が取り付けられている。
この円板ロータには円周方向に磁極の向きが８極に変化
する磁石が取り付けられており、それをフレームに取り
付けられた円周方向に配置された６個のコイルで駆動す
るようになっている。軸は永久磁石３の穴を貫通してお
り、その上端に永久磁石２が取り付けられている。この
系で、クライオスタット内の超電導円板を液体窒素で冷
却し、軸をその上に載せると、超電導体１と永久磁石１
の間に空隙をおいて浮上する。また軸上端の永久磁石の
間には吸引力が作用し、軸は下方向に押し下げられる。
しかし、超電導体４によるピン留め力は下方向に大きい
ので、磁石２−３間の空隙を小さくすると、１と４の間
の剛性および２−３間の剛性がともに大きくなる。この
ことは、軸の固有振動数が増加し、回転中の振動に対す
る抵抗が大きいことを意味する。この軸を回転させた時
のｚ、ｙ、ｚ方向の変位をレーザギャップセンサで検出
し、周波数応答を示したものが図２である。図中実線は
理論値を表し、破線は実験値である。
オスタット底部に高温超電導円板４が置かれている。軸
は非磁性材で、永久磁石円盤１が下端部に、中間に軸を
回転させるための円盤ロータ５が取り付けられている。
この円板ロータには円周方向に磁極の向きが８極に変化
する磁石が取り付けられており、それをフレームに取り
付けられた円周方向に配置された６個のコイルで駆動す
るようになっている。軸は永久磁石３の穴を貫通してお
り、その上端に永久磁石２が取り付けられている。この
系で、クライオスタット内の超電導円板を液体窒素で冷
却し、軸をその上に載せると、超電導体１と永久磁石１
の間に空隙をおいて浮上する。また軸上端の永久磁石の
間には吸引力が作用し、軸は下方向に押し下げられる。
しかし、超電導体４によるピン留め力は下方向に大きい
ので、磁石２−３間の空隙を小さくすると、１と４の間
の剛性および２−３間の剛性がともに大きくなる。この
ことは、軸の固有振動数が増加し、回転中の振動に対す
る抵抗が大きいことを意味する。この軸を回転させた時
のｚ、ｙ、ｚ方向の変位をレーザギャップセンサで検出
し、周波数応答を示したものが図２である。図中実線は
理論値を表し、破線は実験値である。
【０００６】図１で単に磁石２と３を空隙を置いて配置
すると、超電導体の軸上方向のピン留め力により、磁石
２−３間の吸引不安定が解消し、この場合も無制御で安
定に軸を浮上させることができる（以下この浮上軸を簡
易浮上軸と称する）。しかし、この場合は、軸を上方向
に持ち上げて力の釣り合いを取っているので、剛性は本
発明の軸に対して減少する。この軸を回転させた時の
ｚ、ｙ、ｚ方向の変位をレーザギャップセンサで検出
し、周波数応答を示したものが図３である。図中実線は
理論値を表し、破線は実験値である
すると、超電導体の軸上方向のピン留め力により、磁石
２−３間の吸引不安定が解消し、この場合も無制御で安
定に軸を浮上させることができる（以下この浮上軸を簡
易浮上軸と称する）。しかし、この場合は、軸を上方向
に持ち上げて力の釣り合いを取っているので、剛性は本
発明の軸に対して減少する。この軸を回転させた時の
ｚ、ｙ、ｚ方向の変位をレーザギャップセンサで検出
し、周波数応答を示したものが図３である。図中実線は
理論値を表し、破線は実験値である
【０００７】
【発明の効果】本発明の効果を表したものが図２であ
る。図２と図３を比較すると、本発明の周波数応答（図
２）の共振周波数が簡易浮上軸の応答（図３）より右に
シフトしており、また共振ピークが軸直角方向、軸方向
ともに極端に小さくなっていることが認められる。すな
わち、 （１）本発明の軸は簡易浮上軸に比べ剛性が大きく、振
動も小さく、優れている。 （２）本発明では、従来用いられてきた５軸アクティブ
制御を必要とせず、無制御で安定な浮上回転を得ること
ができる。
る。図２と図３を比較すると、本発明の周波数応答（図
２）の共振周波数が簡易浮上軸の応答（図３）より右に
シフトしており、また共振ピークが軸直角方向、軸方向
ともに極端に小さくなっていることが認められる。すな
わち、 （１）本発明の軸は簡易浮上軸に比べ剛性が大きく、振
動も小さく、優れている。 （２）本発明では、従来用いられてきた５軸アクティブ
制御を必要とせず、無制御で安定な浮上回転を得ること
ができる。
【図１】 この発明の実施例における装置の側面図
【図２】 本発明の軸先端の周波数応答
【図３】 簡易浮上軸の軸先端の周波数応答
【図１】１ 永久磁石円板 ２ 永久磁石円板 ３
有孔永久磁石円板 ４ 高温超電導円板 ５ ８極磁石を有するロータ ６
コイル Ｌ−ｘ、Ｌ−ｙ、Ｌ−ｚ：レーザギャップセンサ
有孔永久磁石円板 ４ 高温超電導円板 ５ ８極磁石を有するロータ ６
コイル Ｌ−ｘ、Ｌ−ｙ、Ｌ−ｚ：レーザギャップセンサ
【図２】実線：理論応答曲線 破線：実験値
【図３】実線：理論応答曲線 破線：実験値
Claims (1)
- 【請求項１】 フレームの底部に高温超電導円板４を置
き、その真上のフレームに穴明き永久磁石３を取り付け
る。下端に円板型の永久磁石１を取り付けた軸を超電導
円板４と磁石１の間に適当な軸方向空隙を設けて置き、
その軸を磁石３の穴を貫通させて上に突き出させ、軸上
端に磁石３とＮ極とＳ極が対向するように適当な空隙を
設けて永久磁石２を取り付ける。この状態で高温超電導
体４を液体窒素で冷却し、軸を超電導体のピン留め力で
浮上させ、上部磁石２−３間の吸引不安定力を高温超電
導体のピン留め力で安定化させることにより、非接触無
制御で安定に浮上回転することを特徴とする軸
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34662599A JP2001124078A (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | 高温超電導浮上軸 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34662599A JP2001124078A (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | 高温超電導浮上軸 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001124078A true JP2001124078A (ja) | 2001-05-08 |
Family
ID=18384717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34662599A Pending JP2001124078A (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | 高温超電導浮上軸 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001124078A (ja) |
-
1999
- 1999-10-29 JP JP34662599A patent/JP2001124078A/ja active Pending
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