JP2006101585A - 超電導軸受と磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転及び並進運動時に損失の少ない超電導部材及び磁気浮上装置を提供する。
【解決手段】 複数の超電導体を接合した超電導体層を積層した超電導部材であって、（a1）超電導体の臨界電流密度が層間で異なり、かつ、（b1）超電導体の接合面が他層の超電導体の接合面の間に位置することを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材、及び、（a2）一方の層の超電導体の全部又は一部が山状に形成され、かつ、（b2）他方の層の超電導体の接合面が上記山状部分の頂部に位置することを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
【選択図】 図５

Description

本発明は、磁気浮上用超電導部材及び超電導磁気浮上装置に関し、特に、電力貯蔵用フライホイール等の高速回転機器に用いられる超電導軸受及びリニアモータ等の搬送機器の磁気浮上装置に関する。

超電導磁気軸受は、超電導体のピン止め効果を利用し、回転体を非接触で安定に支持できる軸受である。超電導軸受には、超電導体と磁石との位置関係からアキシャル型とラジアル型の２種類が存在する。

アキシャル型は、図１に示すように、超電導体と磁石が軸方向に対向しており、ラジアル型は、図２に示すように、超電導体と磁石が動径方向に対向している。

従来技術では、ラジアル型において、ｃ軸を、軸受全周にわたってラジアル配向させることは、単一の結晶では不可能であるので、複数個の超電導要素部材にて軸受を構成し、個々の要素部材のｃ軸をラジアル配向させる手法が用いられてきた。

アキシャル型においては、軸受を構成する超電導体全体のｃ軸をアキシャル配向させることは可能であるものの、軸受サイズが大きくなると、製作上の制約から、複数個の超電導要素部材にて軸受を構成する手法が用いられてきた。また、図３に示す超電導搬送装置、同様に、複数個の超電導体を組み合わせて構成されている。

ところが、このように、複数個の超電導体で超電導部材を作製すると、各要素部材間の境界で超電導電流が流れず、そのため、結果として、超電導体の回転方向又は並進方向の特性が不均一となる。これが原因で、磁石内に誘導電流が誘起し、エネルギー損失が生じる（特許文献１及び２、参照）。

特許文献１には、超電導体の特性の改善を図る手法がいくつか記載されているが、この手法では、特性の均一化の改善幅が小さく、特に、高磁場（Ｂ≧１Ｔ）での改善効果は薄い。

特許文献２に記載の“積層構造を持つ超電導部材を用いた場合の改善効果”は、特許文献１に記載の改善効果より大きいが、大きい改善効果を得るためには、磁石に近い超電導体層のｃ軸方向厚さを、非常に薄く加工する必要があり、製作上の問題がある。

特開２００４−３９９４９号公報 特開２００１−２４８６４２号公報

本発明は、上記の課題を解決し、回転及び並進運動時に損失の少ない超電導部材、及び、磁気浮上装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の要旨は、以下の通りである。

（１）複数の超電導体を接合した超電導体層を積層した超電導部材であって、
（a1）超電導体の臨界電流密度が層間で異なり、かつ、
（b1）超電導体の接合面が他層の超電導体の接合面の間に位置する
ことを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（２）前記超電導体層において、一方の層が磁石と対向することを特徴とする前記（１）に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（３）前記超電導体層において、磁石磁場強度下における磁石と反対側の超電導体の臨界電流密度が、磁石に対向する側の超電導体の臨界電流密度より高いことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（４）前記超電導体層において、磁石と反対側の超電導体層の厚さが、他の超電導体層の厚さより大きいことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（５）複数の超電導体を接合した超電導体層を積層した超電導部材であって、
（a2）一方の層の超電導体の全部又は一部が山状に形成され、かつ、
（b2）他方の層の超電導体の接合面が上記山状部分の頂部に位置する
ことを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（６）前記超電導体層において、一方の層が磁石と対向することを特徴とする前記（５）に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（７）前記超電導体層において、超電導体の臨界電流密度が層間で異なることを特徴とする前記（５）又は（６）に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（８）前記超電導体層において、磁石磁場強度下における磁石と反対側の超電導体の臨界電流密度が、磁石に対向する側の超電導体の臨界電流密度より高いことを特徴とする前記（５）〜（７）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（９）前記超電導体層において、磁石と反対側の超電導体層の厚さ（山状部分の頂部までの厚さ）が、磁石と対向する側の超電導体層の最大厚さより大きいことを特徴とする前記（５）〜（８）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（１０）前記各層の超電導体がＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_ｘ（ＲＥはＹを含む希土類元素の１種類又はその組み合わせ）系の超電導体であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（１１）前記一方の層の超電導体がＹＢＣＯ系の超電導体であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（１２）前記他方の層の超電導体がＧｄＢＣＯ系の超電導体であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（１３）前記超電導体が、ｃ軸が磁石対向面に垂直な単結晶体であることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。

（１４）前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を備えることを特徴とする超電導磁気浮上装置。

（１５）前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を、動径方向に対向して配置したことを特徴とするラジアル型超電導磁気軸受。

（１６）前記（１）〜（９）のいずれかに記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を、軸方向に対向して配置したことを特徴とするアキシャル型超電導磁気軸受。

以上述べたように、本発明の超電導軸受は、回転及び並進運動時に損失の少ない超電導部材及び磁気浮上装置を提供するものであり、電力貯蔵用フライホイール等の高速回転機器に用いられる超電導軸受及び磁気浮上装置等、広範囲な応用分野を切り開くことができ、産業上極めて有効である。

均質な永久磁石と複数個の超電導部材によって構成される超電導磁気浮上装置を例に、本発明の内容を詳述する。

図８（ａ）は、複数個の超電導部材を用いた従来の最も単純な形状及び配列方法を示している。ここで、ｘｙ上平面に均質な永久磁石を対向させ、その磁場中で、超電導状態に冷却した状態を考える。なお、個々のｃ軸は、磁石対向面に垂直な方向、即ち、ｚ方向とし、永久磁石の磁場も同方向とする。

永久磁石がｚ方向に変位しようとした場合、その磁束変化を妨げる方向に、超電導体内に超電導電流が誘起され、結果として、浮上力（載荷力）を得ることができる。各部材間の境界では、超電導電流が流れないので、ｘｙ上平面表面での磁束密度のｚ成分は、図８（ｃ）のように表される。

従って、永久磁石と超電導部材の相対変位（運動）方向をｘ方向とすると、永久磁石側が受ける磁場は周期関数（交流成分実効値Ｂ、１次周波数ｆ）で表されることから、磁石内で渦電流が発生し、エネルギー損失（Ｗ∝ｆ²Ｂ²）が生じる。

本発明は、Ｂを小さくすることにより、結果として、Ｗを減少させる手法を提案するものである。

この磁場変動を抑制するのに有効な超電導部材の形状及び配列方法として、図１０（ａ）に示す形状及び配列方法が、既に、特許文献２に記載されているが、より高い改善効果を得る形状及び配列方法を提供するのが本発明であり、それらは、大きく２つに大別される。

まず、第１案は、図１０（ａ）に示す形状及び配列方法と同じ形状及び配列方法であるが、磁石に対向する層と反対側の層で、臨界電流密度の異なる超電導部材を用いる方法である。特に、磁石と反対側の層に、磁石に対向する側の層に比べて磁石の磁場強度下における臨界電流密度の高い超電導部材を配置することにより、高い改善効果が得られる。

第２案は、形状及び配列方法を変更し、図１１（ａ）に示すように、前記（５）の発明の（ａ２）及び（ｂ２）で規定する超電導部材の形状及び配列方法である。この方法によれば、両層の臨界電流密度が同じであっても、山状頂部の角度を変化させることにより、高い改善効果を得ることができる。

また、第１案と同様に、各層で、臨界電流密度の異なる超電導部材を用いることで、高い改善効果を得ることができる。

磁石側層のｚ方向厚さ（図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）中のｚ１、参照）は、薄く設計した方が改善効果は大きくなるので、特に制限されるものではないが、製作加工の容易さ、超電導体の強度、捕捉磁場能大きさ等を考慮すれば、３ｍｍ以上が望ましい。

一方、他層のｚ方向厚さ（図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）中のｚ２、参照）は、厚く設計した方が改善効果は大きくなるが、磁石側層の捕捉磁場能を超え、過剰補償となる可能性もあるので、磁石側層の捕捉磁場能、寸法等に応じて調節することが望ましい。

図１１（ｂ）中の厚さｚ３に関しては、薄く設計した方が改善効果は大きいが、製作加工の容易さ、超電導体の強度を考慮して設計する必要がある。また、過剰補償となる可能性もあるので、各層の捕捉磁場能、寸法等に応じて調整することが望ましい。

ただし、ここでの過剰補償とは、最適値を超えてしまい、磁束密度関数の周波数２次成分が増加し、改善効果が低下することを意味するもので、改善効果がないことを意味するものではない。なお、最適値は、各超電導体のｘｙ面積、各層を構成する超電導部材の臨界電流密度・材質、使用する磁石の磁場強度等に大きく左右される。

本発明に用いる超電導体は、ピンニング効果を発揮し得るものであれば、特に制限されるものではないが、ピンニング力の強い超電導体であることが望ましい。

また、本発明に用いる磁石は、永久磁石に限らず、電磁石や超電導磁石でもよい。超電導体と対向する表面の磁束密度が大きいほど改善効果は大きいので、表面磁束密度が１Ｔ以上の磁石を用いることが望ましい。

上記原理に基づき、アキシャル型超電導軸受、ラジアル型超電導軸受、又は、並進型搬送装置等を構成する場合、図１〜３に示す従来の超電導体に比べて、図４〜７に示す本発明の軸受の方が、エネルギー損失の面で優れている。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

以下に示す実施例は、電磁場解析ソフトでシミュレーションした結果である。また、エネルギー損失は下記式を用い、図９に示すように、上下の層間で接合部をずらさない場合を１００％としたときの百分率で表した。
エネルギー損失：Ｗ∝ｆ²Ｂ²〔Ｗ／ｍ^３〕

（実施例１）
図１３に示すように、幅３ｃｍ、長さ３ｃｍ、磁石に対向する側の超電導体厚さ３、４、及び、５ｍｍ、磁石と反対側の超電導体厚さ１０ｍｍのモデルを作製した。磁石に対向する側の超電導体はＹＢＣＯとし、磁石と反対側の超電導体はＧｄＢＣＯとした。超電導体の臨界電流密度特性を図１２に示す。

上記超電導体に対し、０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの磁場を印加し、各磁場中で冷却した後、外部磁場を取り除いた時の接合面付近における超電導体表面の磁束密度分布を測定した。磁場印加方向は、ｃ軸と平行であり、主に、超電導体のａ−ｂ面内に流れる超電導電流によるｃ軸方向の磁場を測定して、エネルギー損失を計算した。

表１、表２、及び、表３に、図９に示すモデルにおける磁束密度とエネルギー損失（表中（Ａ）、参照）、及び、図１３に示すモデルにおいて、磁石に対向する側の超電導体厚さを変化させた時の０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの外部磁場における磁束密度とエネルギー損失（表中（Ｂ）、参照）を示す。

図１３に示す構造において、磁石と反対側の超電導体をＧｄＢＣＯにすると、磁場分布の均一化効果が大きくなり、エネルギー損失を低減できる。また、磁石に対向する側の超電導体厚さを薄くすると、均一化効果が大きくなり、エネルギー損失をより低減できる。

以上のように、本発明によれば、超電導磁石で形成する磁場の均一化が図られ、並進及び回転運動を伴う磁気浮上装置において、磁石との相対運動による損失を低減できることが判明した。

（実施例２）
図１４に示すように、幅３ｃｍ、長さ３ｃｍ、上層超電導体の頂部厚さを４ｍｍとし、そして、上層超電導体の接合面厚さを４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、及び、１ｍｍの４種類とし、上層超電導体の接合面が下層超電導体の頂部に位置するモデルを作成した。上層超電導体はＹＢＣＯとし、下層超電導体はＹＢＣＯとした。超電導体臨界電流密度特性を図１２に示す。

上記超電導体に対し、０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの磁場を印加し、磁場中で冷却した後、外部磁場を取り除いた時の接合面付近における超電導体表面の磁束密度分布を測定した。磁場印加方向はｃ軸と平行であり、主に、超電導体のａ−ｂ面内に流れる超電導電流によるｃ軸方向の磁場を測定して、エネルギー損失を計算した。

表４、表５、及び、表６に、図９に示すモデルにおける磁束密度とエネルギー損失（表中（Ａ）、参照）、及び、図１４に示すモデルにおいて、磁石に対向する側の超電導体厚さを変化させた時の０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの外部磁場における磁束密度とエネルギー損失（表中（Ｂ）、参照）を示す。

図１４に示す構造においては、磁場分布の均一化効果が大きくなり、エネルギー損失を大きく低減できる。また、磁石対向側の超電導体の接合面厚さを薄くすると、磁場分布の均一化効果が大きくなり、エネルギー損失をより低減できる。

以上のように、本発明によれば、超電導磁石の磁場の均一化がより図られ、並進及び回転運動を伴う磁気浮上装置において、磁石との相対運動による損失を低減できることが判明した。

（実施例３）
図１５に示すように、幅３ｃｍ、長さ３ｃｍ、上層超電導体の頂部厚さ４ｍｍ、上層超電導体の接合面厚さを４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、及び、１ｍｍの４種類とし、上層超電導体の接合面が下層超電導体の頂部に位置するモデルを作成した。上層超電導体はＹＢＣＯとし、下層超電導体はＧｄＢＣＯとした。超電導体の臨界電流密度特性を図１２に示す。

上記超電導体に対して、０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの磁場を印加し、磁場中で冷却した後、外部磁場を取り除いた時の接合面付近における超電導体表面の磁束密度分布を測定した。磁場印加方向はｃ軸と平行であり、主に、超電導体のａ−ｂ面内に流れる超電導電流によるｃ軸方向の磁場を測定して、エネルギー損失を計算した。

表７、表８、及び、表９に、図９に示すモデルにおける磁束密度とエネルギー損失（表中（Ａ）、参照）、及び、図１５に示すモデルにおいて、磁石に対向する側の超電導体厚さを変化させた時の０．５Ｔ、１Ｔ、及び、１．５Ｔの外部磁場における磁束密度とエネルギー損失（表中（Ｂ）、参照）を示す。

図１５に示す構造においては、磁場分布の均一化効果が大きくなり、エネルギー損失を低減できる。また、磁石対向側の超電導体の接合面厚さを薄くすると、磁場分布の均一化効果が大きくなり、エネルギー損失をより低減できる。

以上のように、本発明によれば、超電導磁石の磁場の均一化がより図られ、並進及び回転運動を伴う磁気浮上装置において、磁石との相対運動による損失を低減できることが判明した。

前述したように、本発明の超電導軸受は、回転及び並進運動時に損失の少ない超電導部材及び磁気浮上装置を提供するものであり、電力貯蔵用フライホイール等の高速回転機器に用いられる超電導軸受及び磁気浮上装置等、広範囲な応用分野を切り開くことができ、産業上極めて利用可能性の大きいものである。

従来のアキシャル型超電導磁気軸受における永久磁石と超電導体の配置例を示す図である。 従来のラジアル型超電導磁気軸受における永久磁石と超電導体の配置例を示す図である。 従来の並進浮上型装置における永久磁石と超電導体の配置例を示す図である。 本発明のラジアル型超電導磁気軸受における超電導体の配列例を示す図である。 本発明のラジアル型超電導磁気軸受における超電導体の別の配列例を示す図である。 本発明のアキシャル型超電導磁気軸受における超電導体の配列例を示す図である。 本発明の並進浮上型装置型における超電導体の配列例を示す図である。 従来手法による超電導体の配列における超電導体表面での磁束密度分布を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は超電導体の配列を示し、（ｃ）は磁束密度分布を示す。 従来手法による超電導体の積層における超電導体表面での磁束密度分布を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は超電導体の積層配列構造を示し、（ｃ）は磁束密度分布を示す。 本発明による超電導体の配列における超電導体表面での磁束密度分布を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は超電導体の積層配列構造を示し、（ｃ）は磁束密度分布を示す。 本発明による超電導体の別の配列における超電導体表面での磁束密度分布を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は超電導体の積層配列構造を示し、（ｃ）は磁束密度分布を示す。 実施例で用いた超電導体の臨界電流密度特性を示す図である。 実施例１で用いた超電導体の寸法・構造と材質を示す図である。（ａ）は寸法・構造を示し、（ｂ）は超電導体の材質を示す。 実施例２で用いた超電導体の寸法・構造と材質を示す図である。（ａ）は寸法・構造を示し、（ｂ）は超電導体の材質を示す。 実施例３で用いた超電導体の寸法・構造と材質を示す図である。（ａ）は寸法・構造を示し、（ｂ）は超電導体の材質を示す。

符号の説明

１ 永久磁石
２ 超電導体

Claims (16)

1. 複数の超電導体を接合した超電導体層を積層した超電導部材であって、
   （a1）超電導体の臨界電流密度が層間で異なり、かつ、
   （b1）超電導体の接合面が他層の超電導体の接合面の間に位置する
   ことを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
2. 前記超電導体層において、一方の層が磁石と対向することを特徴とする請求項１に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
3. 前記超電導体層において、磁石磁場強度下における磁石と反対側の超電導体の臨界電流密度が、磁石に対向する側の超電導体の臨界電流密度より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
4. 前記超電導体層において、磁石と反対側の超電導体層の厚さが、他の超電導体層の厚さより大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
5. 複数の超電導体を接合した超電導体層を積層した超電導部材であって、
   （a2）一方の層の超電導体の全部又は一部が山状に形成され、かつ、
   （b2）他方の層の超電導体の接合面が上記山状部分の頂部に位置する
   ことを特徴とする捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
6. 前記超電導体層において、一方の層が磁石と対向することを特徴とする請求項５に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
7. 前記超電導体層において、超電導体の臨界電流密度が層間で異なることを特徴とする請求項５又は６に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
8. 前記超電導体層において、磁石磁場強度下における磁石と反対側の超電導体の臨界電流密度が、磁石に対向する側の超電導体の臨界電流密度より高いことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
9. 前記超電導体層において、磁石と反対側の超電導体層の厚さ（山状部分の頂部までの厚さ）が、磁石と対向する側の超電導体層の最大厚さより大きいことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
10. 前記各層の超電導体がＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_ｘ（ＲＥはＹを含む希土類元素の１種類又はその組み合わせ）系の超電導体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
11. 前記一方の層の超電導体がＹＢＣＯ系の超電導体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
12. 前記他方の層の超電導体がＧｄＢＣＯ系の超電導体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
13. 前記超電導体が、ｃ軸が磁石対向面に垂直な単結晶体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材。
14. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を備えることを特徴とする超電導磁気浮上装置。
15. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を、動径方向に対向して配置したことを特徴とするラジアル型超電導磁気軸受。
16. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の捕捉磁場特性に優れた超電導部材を、軸方向に対向して配置したことを特徴とするアキシャル型超電導磁気軸受。

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