JP2006153261A - 超電導利用支持機構及び永久磁石利用支持機構 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導を利用して回転体等を浮上支持する機構において、大型の回転体等の支持に有効な機構を提案する。
【解決手段】回転体２は、超電導コイル１の中心軸（コイル中心軸）１ａ周りに回転可能に支持されると共に、そのコイル中心軸１ａ方向にスライド可能に構成されている。一方、低温容器３内に配置された超電導コイル１は正円環状に構成されており、この環状の超電導コイル１に囲まれるよう回転体２の強磁性体２ａを配置する。さらに詳しくは、回転体２の強磁性体２ａを、超電導コイル１の中心面（コイル中心面）Ｓ１からコイル中心軸１ａ方向に遠ざかるにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に配置させることによって、その回転体２が（回転体２の）回転軸２ｂ方向に支持されるよう構成されている。
【選択図】 図１

Description

超電導や永久磁石を利用して回転体や移動体を浮上支持するための機構に関する。

非接触のスラスト軸受けとして最も一般的なものとしては、制御型磁気軸受けが知られており、例えば図５（ａ）に示すように電磁石を利用した軸受けによって回転体の回転軸を支えるようにした構成のものや、非特許文献１に開示される構成のようなものがある。また超電導を利用した軸受けとしては、超電導バルクと永久磁石を利用した軸受けが開発されており、例えば図５（ｂ）に示すように回転体の下部に永久磁石を設けると共にその永久磁石と超電導バルクを対向配置させた構成のもの（特許文献１も参照）や、非特許文献２，３に開示される構成のようなものがある。
「KOYO Engineering Journal No.158(2000)」，光洋精工株式会社，２０００年７月２３日印刷），第１６〜２０頁 特開２００１−３４３０２０号公報 「KOYO Engineering Journal No.156(1999)」，光洋精工株式会社，第９〜１４頁 「KOYO Engineering Journal No.151(1997)」，光洋精工株式会社，第１２〜１６頁

しかしながら、これらの方式のスラスト軸受けにおいては次のような課題がある。例えば制御型磁気軸受けに関しては、幅広く実用化されているが、非常に大きな軸力を対象とするには大きな電力が必要になることに併せて、回転方向に伴う磁場変動に伴う回転損失も発生する。また、超電導バルクを使用するものに関しては、負担可能な重量に制約があり、大型のものを浮上支持対象とするには現実的ではないという問題がある。

そこで本発明は、超電導を利用して回転体や移動体を浮上支持する機構において、大型の回転体や移動体の浮上支持に有効な機構を提案することを第１の目的とする。
また、超電導を利用した支持機構の場合には、上述のように大型の回転体や移動体の浮上支持に有効であるが、そのような大型の回転体等を対象としないのであれば永久磁石を用いることも考えられる。永久磁石を利用した非接触のスラスト方向軸受構成としては、永久磁石の強磁性体に対する吸引力を利用するものが考えられる。その例として、強磁性体が完全に吸着してしまわない程度にスラスト力を発生し、残りの荷重は機械的に支持する方法、もしくは制御型磁気軸受けを併用し、完全に非接触で支持する方法の二通りが考えられる。

しかしながら、前者の構成では、完全に非接触の構成は困難であり、結局はかなりの荷重負担を機械的な接触支持に頼ることになる。後者の構成では、完全非接触が可能となるが、制御磁気軸受けを併用することが不可欠であり、コスト面ならびに発生するエネルギー損失の面から望ましいとはいえない。

そこで本発明は、永久磁石を利用して回転体や移動体を浮上支持する機構において、相対的に軽量な回転体や移動体の浮上支持に有効な機構を提案することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するためになされた請求項１に係る超電導利用支持機構は、超電導コイル（１，２１，３１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄で用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。））と、強磁性体（２ａ，２２ａ，３２ａ）とを備え、超電導コイル（１，２１，３１）の中心軸（１ａ，２１ａ，３１ａ）方向にスライド可能に構成された強磁性体（２ａ，２２ａ，３２ａ）、または中心軸（１ａ，２１ａ，３１ａ）方向にスライド可能に構成された超電導コイル（１，２１，３１）の何れか一方を、超電導コイル（１，２１，３１）の中心面（Ｓ１，Ｓ１１）と強磁性体（２ａ，２２ａ，３２ａ）の中心面（Ｓ２，Ｓ１３）とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させることを特徴とする。なお、「コイルの中心面」とは、コイルの幾何学中心とは必ずしも一致しないことを確認的に述べておく。

この超電導利用支持機構の適用先は種々考えられるが、例えば回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、請求項２に示すようになる。つまり、強磁性体（２ａ，２２ａ）を含む回転体（２，２２）を備え、その回転体（２，２２）は、超電導コイル（１，２１）の中心軸（１ａ，２１ａ）周りに回転可能に構成されると共に、超電導コイル（１，２１）の中心軸（１ａ，２１ａ）方向にスライド可能に構成されており、超電導コイル（１，２１）の中心面（Ｓ１）と強磁性体（２ａ，２２ａ）の中心面（Ｓ２）とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、回転体（２，２２）を浮上支持させるのである。これによって、回転体（２，２２）を超電導コイル（１，２１）の中心軸（１ａ，２１ａ）方向に浮上支持させる上で、本質安定で強大なスラスト支持力が得られることとなる。

そして、このような回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、さらに下記のような構成を採用しても良い。つまり、強磁性体（２２ａ）は、略リング状または略円柱状で、且つ軸方向の上下端に径方向外側へ突出する鍔部（２２１ａ）が形成されている。また、断面略コ字状であって、超電導コイル（２１）を収容する低温容器（２３）を保持する環状部材（２６）を備え、その環状部材（２６）は、開口部が径方向内側を向き、且つ超電導コイル（２１）の軸方向の上下端付近に位置する凸部（２６ａ）の内径が超電導コイル（２１）の内径よりも小さく構成されている。さらに、強磁性体（２２ａ）の軸方向上下端に形成された鍔部（２２１ａ）と、環状部材（２６）の凸部（２６ａ）とが、対向するよう配置されている。

環状部材（２６）の凸部（２６ａ）は、超電導コイル（２１）によって発生する磁力の磁路として機能する。そして、その環状部材（２６）の凸部（２６ａ）は、強磁性体（２２ａ）の軸方向上下端に形成された鍔部（２２１ａ）と対向配置されているため、環状部材（２６）の凸部（２６ａ）と強磁性体（２２ａ）の鍔部（２２１ａ）とが対向する位置にある場合には、超電導コイル（２１）の中心面（Ｓ１）と強磁性体（２２ａ）の中心面（Ｓ２）とが一致しており軸方向磁気吸引力が作用しないが、環状部材（２６）の凸部（２６ａ）と強磁性体（２２ａ）の鍔部（２２１ａ）とが対向する位置から軸方向に相対的にずれた場合には、超電導コイル（２１）の中心面（Ｓ１）と強磁性体（２２ａ）の中心面（Ｓ２）とが離間し、軸方向磁気吸引力が作用する。

また、リニア移動タイプの移動体支持機構に適用した場合には、請求項３に示すようになる。つまり、超電導コイル（３１）を含む移動体（３３）と、強磁性体（３２ａ）を含む軌道（３２）とを備え、移動体（３３）は、軌道（３２）に沿って移動可能に構成されると共に、超電導コイル（３１）の中心軸（３１ａ）方向にスライド可能に構成されており、超電導コイル（３１）の中心面（Ｓ１１）と強磁性体（３２ａ）の中心面（Ｓ１３）とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、移動体（３３）を浮上支持させるのである。これによって、移動体（３３）を超電導コイル（３１）の中心軸（３１ａ）方向に浮上支持する上で、本質安定で強大な支持力が得られることとなる。

上述した従来技術において提案されているような永久磁石と超電導バルクとの組み合わせの場合には、双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、安定した支持の点で問題がある。それに対して本発明の超電導利用支持機構では超電導コイルを利用しており、この超電導コイルの場合には、形状的な精度を容易に上げることができ、安定した浮上支持の点で有利である。また、支持対象である回転体あるいは移動体は例えば鉄等の強磁性体を有しておればよく、特殊な材料を必要としない点でも有利である。

ここで、従来、本願発明のような発想がなかった理由に関して付言しておく。超電導を利用した軸受けに関する技術の流れとしては、永久磁石と超電導バルクの組み合わせを前提としたものが主流であり、その組み合わせを前提としながら、材料の性能向上によって上記制約を解決しようとする研究開発が進められている。この組み合わせは浮上方向にも左右方向にも支持できるため、理想的には適切な構成であるが、現実面では、永久磁石とバルクの双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、安定した支持の点では問題がある。そのような問題点に着目した本願発明者は、超電導コイルの場合には強力な磁場を容易に構成可能であることに加え、形状的な精度を容易に上げることができる点に注目した。そして、超電導コイルの中心面から中心軸方向に遠ざかるにつれて磁気吸引力が大きくなる範囲に強磁性体を配置すれば、コイル中心面を安定点として安定なばね特性を有することを利用できることを見出し、上述した発明を創作したのである。これによって、従来では考えられないような重量物の支持機構を実現できる。

特に、請求項２に係る超電導利用支持機構のように、支持対象が回転体である場合、超電導コイルを用いることで、きわめて歪みの少ない円形磁場分布を容易に得ることができる。そのため、そのような観点でも、永久磁石とバルクとの組み合わせに対する大きなアドバンテージがある。そして、円形の超電導コイルを用いれば、非接触でのスラスト方向力を維持したまま強磁性体を有する回転体を回転させても、渦電流損失もしくはヒステリシス損失が原理的に発生しないという利点もある。

上記第２の目的を達成するためになされた請求項４に係る永久磁石利用支持機構は、軸方向に着磁されたリング状の永久磁石（５１）と、強磁性体（５２ａ）とを備え、リング状の永久磁石（５１）の中心軸方向にスライド可能に構成された強磁性体（５２ａ）、または中心軸方向にスライド可能に構成されたリング状の永久磁石（５１）の何れか一方を、リング状の永久磁石（５１）の中心面と強磁性体（５２ａ）の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させることを特徴とする。

この永久磁石利用支持機構の適用先は種々考えられるが、例えば回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、請求項５に示すようになる。つまり、強磁性体（５２ａ）を含む回転体（５２）を備え、その回転体（５２）は、リング状の永久磁石（５１）の中心軸周りに回転可能に構成されると共に、リング状の永久磁石（５１）の中心軸方向にスライド可能に構成されており、リング状の永久磁石（５１）の中心面と強磁性体（５２ａ）の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、回転体（５２）を浮上支持させるのである。これによって、回転体（５２）をリング状の永久磁石（５１）の中心軸方向に浮上支持させる上で、本質安定で強大なスラスト支持力が得られる。

そして、このような回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、下記のような構成を採用しても良い。つまり、強磁性体（５２ａ）は、略リング状または略円柱状で、且つ軸方向の上下端に径方向外側へ突出する鍔部が形成されている。また、リング状の永久磁石（５１）の軸方向の上下端には、リング状の永久磁石（５１）よりも内径が小さな強磁性体リング（５６）が同心状に固定されている。そして、強磁性体（５２ａ）の軸方向上下端に形成された鍔部と、リング状の永久磁石（５１）の軸方向上下端に固定された強磁性体リング（５６）とを、対向するよう配置するのである。

リング状の永久磁石（５１）の軸方向上下端に固定された強磁性体リング（５６）は、永久磁石（５１）によって発生する磁力の磁路として機能する。そして、その強磁性体リング（５６）は、強磁性体（５２ａ）の軸方向上下端に設けられた鍔部と対向配置されているため、強磁性体リング（５６）と強磁性体（５２ａ）の鍔部とが対向する位置にある場合には、リング状の永久磁石（５１）の中心面と強磁性体（５２ａ）の中心面とが一致しており軸方向磁気吸引力が作用しないが、強磁性体リング（５６）と強磁性体（５２ａ）の鍔部とが、対向する位置から軸方向に相対的にずれた場合には、リング状の永久磁石（５１）の中心面と強磁性体（５２ａ）の中心面とが離間し、軸方向磁気吸引力が作用する。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の超電導利用支持機構の概略端面図である。

図１に示すように、この超電導利用支持機構は、超電導コイル１と、鉄等の強磁性体２ａを含む回転体２と、超電導コイル１を収容する低温容器３と、制御軸受け５と、これら超電導コイル１、回転体２、低温容器３、制御型磁気軸受け５を収容するケーシング７などを備えている。

回転体２は、超電導コイル１の中心軸（コイル中心軸）１ａ周りに回転可能に支持されると共に、そのコイル中心軸１ａ方向にスライド可能に構成されている。具体的には、円盤状の強磁性体２ａの中心を貫くように回転体２の回転軸２ｂが設けられており、その回転軸２ｂの上端部及び下端部の両方において、電磁石等を利用した制御型磁気軸受け５により非接触で（その回転軸２ｂを）支えるよう構成されている。これにより、回転体２がコイル中心軸１ａ周りに回転可能に支持されると共に、コイル中心軸１ａ方向にスライド可能となる。なお、このような磁気による制御軸受けではなく、空気軸受けであっても非接触の軸受けを実現できる。また、非接触にこだわらないのであれば、ベアリング等を利用した機械式の軸受けを用いてもよい。

一方、超電導コイル１は正円環状に構成されており、回転体２の強磁性体２ａを囲むよう配置される。具体的には、ケーシング７の内周面に低温容器３が固定され、その低温容器３内に超電導コイル１が配置される。そして、この環状の超電導コイル１に囲まれるよう回転体２の強磁性体２ａを配置することとなる。さらに詳しくは、強磁性体２ａの中心面（強磁性体中心面）Ｓ２と超電導コイル１の中心面（コイル中心面）Ｓ１とがコイル中心軸１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に回転体２の強磁性体２ａを配置させることによって、その回転体２が（回転体２の）回転軸２ｂ方向に支持されるよう構成されている。なお、コイル中心面Ｓ１は、一般論としては超電導コイル１の幾何学中心とは必ずしも一致するとは言えないが、本実施形態の場合は、超電導コイル１が対称形に形成されているため、幾何学的な中心面とコイル中心面Ｓ１が一致している。また、コイル中心軸１ａはコイル中心面Ｓ１の法線方向に一致する。なお、本実施形態の強磁性体２ａは、対称形の円盤状に形成されているため、その円盤状の強磁性体２ａの幾何学的な中心面を強磁性体中心面Ｓ２と称することとする。

ここで、「強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１とがコイル中心軸１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に回転体２の強磁性体２ａを配置させる」という意味について説明する。超電導コイル１によって形成される磁場に強磁性体２ａを配置した場合、強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１が一致している場合には、強磁性体２ａを引き戻す磁気吸引力はキャンセルされて軸方向力が発生しない。これに対して図１に示すように、強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１が一致していない場合には、強磁性体中心面Ｓ２がコイル中心面Ｓ１に一致する方向へ強磁性体２ａを引き戻す磁気吸引力が発生し、強磁性体２ａを超電導コイル１の中心面Ｓ１に戻す力（ばね力）が発生する。しかしながら、この磁気吸引力は、強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１との距離が所定範囲内の場合には、「強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１とがコイル中心軸１ａ方向に離間するにつれて（つまり、強磁性体中心面Ｓ２がコイル中心面Ｓ１からコイル中心軸１ａ方向に遠ざかるにつれて）磁気吸引力が大きく」なると言えるが、所定範囲外となると、「強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１とがコイル中心軸１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力も小さく」なる。そこで、本実施形態においては、前者の「強磁性体中心面Ｓ２とコイル中心面Ｓ１とがコイル中心軸１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きく」なる所定範囲内に強磁性体２ａを配置することとした。

このような配置により、回転体２をコイル中心軸１ａ方向に浮上支持する上で、本質安定で強大な支持力が得られる。そして、従来技術において提案されているような永久磁石と超電導バルクとの組み合わせの場合に対して以下のような有利な点がある。

（１）従来構成の場合は、永久磁石、超電導バルク双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、安定した支持の点で問題がある。それに対して本実施形態の超電導利用支持機構では超電導コイル１を利用しており、この超電導コイル１の場合には、形状的な精度を容易に上げることができ、安定した浮上支持の点で有利である。
（２）超電導バルクを使用するものに関しては、負担可能な重量に制約があり、大型のものを支持対象とするには現実的ではない。それに対して本実施形態は超電導コイル１を利用しているが、この超電導コイル１の場合には、強力な磁場を発生させることが比較的容易であり、また大型の超電導コイル１を得ることも比較的容易である。そのため、負担可能な重量を相対的には大きくすることが容易である。このように超電導コイル１を利用しない限り、支持対象物の重量が大きくなった場合に必要な磁場を発生可能なコイルは非常に大きくなるか、あるいは支持対象物の重量によっては実質不可能となると考えられる。その意味で、超電導コイル１を利用することが非常に有効である。

（３）また、支持対象である回転体２は鉄等の強磁性体２ａを有しておればよく、特殊な材料を必要としない点でも有利である。
（４）また、超電導コイル１を用いることで、きわめて歪みの少ない円形磁場分布を容易に得ることができる。そのため、そのような観点でも、従来構成のような永久磁石と超電導バルクとの組み合わせに対する大きなアドバンテージがある。そして、円形の超電導コイル１を用いているため、非接触でのスラスト方向力を維持したまま強磁性体２ａを有する回転体２を回転させても、渦電流損失もしくはヒステリシス損失が原理的に発生しないという利点もある。つまり、回転体２の回転軸２ｂがコイル中心軸１ａと一致している限りにおいて、回転体２を回転させても強磁性体２ａの各部において磁場変化は発生しないため、磁気的な要因の回転抵抗が発生することはないからである。

［第１実施形態の別態様］
図２は、第１実施形態の別態様の超電導利用支持機構の概略端面図である。
図１に示す例では、回転体２の最も径が太くなる部分、すなわち円盤状の強磁性体２ａの外周を囲むように超電導コイル１が配置されていたが、大型機を念頭においた場合には、図２に示す構成も有効である。

図２に示す超電導利用支持機構は、超電導コイル２１と、鉄等の強磁性体２２ａを含む回転体２２と、超電導コイル２１を収容する低温容器２３と、制御型磁気軸受け２５と、これら超電導コイル２１、回転体２２、低温容器２３、制御型磁気軸受け２５を収容するケーシング２７などを備えている。

本別態様の回転体２２は、フライホイールであり、その中心を貫くように回転体２２の回転軸２２ｂが設けられている。そして、強磁性体２２ａは、回転体２２と同心状に回転軸２２ｂに取り付けられている。強磁性体２２ａの外径と回転体２２の外径とを比較すると、強磁性体２２ａの外径に比して回転体２２の外径はかなり大きくなっている。つまり、大型の回転体２２を回転させることを目的としている。しかしながら回転体２２のスラスト方向の支持は強磁性体２２ａ部分で行う。したがって、その強磁性体２２ａを囲むように、正円環状の超電導コイル２１が配置される。具体的には、ケーシング２７の内周面に断面略コ字状の環状部材２６が固定され、その環状部材２６によって低温容器２３を保持する。そして、その低温容器２３内に超電導コイル２１が配置される。

強磁性体２２ａは、略円柱状であるがその上下端には鍔部２２１ａが形成されており、上下対称の形状である。この鍔部２２１ａは、上述した断面略コ字状の環状部材２６の上下に形成されている凸部２６ａと対向可能な位置に形成されている。この環状部材２６は強磁性体によって形成されており、やはり上下対称の形状である。環状部材２６の凸部２６ａは、環状部材２６が保持する低温容器内に配置された超電導コイル２１によって発生する電磁力の磁路として機能する。そのため、強磁性体２２ａの鍔部２２１ａと環状部材２６の凸部２６ａとが対向する位置にある場合には、超電導コイル２１の中心面Ｓ１と強磁性体２２ａの中心面Ｓ２とが一致しており軸方向磁気吸引力が作用しないが、超電導コイル２１の中心面Ｓ１と強磁性体２２ａの中心面Ｓ２とが離間すると軸方向磁気吸引力が作用する。

このような構成の超電導利用支持機構においても、図１で示したような超電導利用支持機構と同様の効果が得られる。そして、上述のように大型のフライホイールである回転体２２の浮上支持に有効である。つまり、例えば回転体２２を強磁性体にて構成し、その外周を囲むように超電導コイル２１を配置するとなると、超電導コイル２１も大型化してしまうが、回転体２２の支持のための磁気吸引力を発揮する上でそのような大型の超電導コイル２１が不要な場合も想定される。したがって、そのような場合の対処として、回転体２２よりも外径の小さな強磁性体２２ａを別途準備し、上述のように、その強磁性体２２ａと超電導コイル２１との間での磁気吸引力によってスラスト方向の支持力を得るようにすれば、無用な大型化を防止できる。

［第２実施形態］
図３（ａ）は、第２実施形態の超電導利用支持機構の概略斜視図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ端面図である。

上述した第１実施形態では、回転体の支持機構として実現した具体例を説明したが、第２実施形態では、移動体の支持機構として実現した具体例を説明する。
図３に示すように、この超電導利用支持機構は、超電導コイル３１を含む移動体３３と、強磁性体３２ａを含む軌道３２を備えている。なお、図３では超電導コイル３１部分のみを示しているが、移動体３３はこの超電導コイル３１を含み図示しない構成も有している。但し、支持機構部分を説明する上では超電導コイル３１部分が示されていれば十分なので、図３では移動体３３の全てを示しているわけではない。軌道３２は、２本の長方形板状の強磁性体３２ａの面同士が対向するよう平行配置されて構成されている。この場合の強磁性体３２ａとしては鉄が考えられ、２本の鉄レールを構成することとなる。

移動体３３は、超電導コイル３１の中心軸（コイル中心軸）３１ａを含み且つ移動体３３の進行方向軸３３ａを含む面（案内面）Ｓ１２に沿って案内されると共に、そのコイル中心軸３１ａ方向にスライド可能に構成されている。この案内面Ｓ１２に沿って案内されると共に、コイル中心軸３１ａ方向にスライド可能とするための構成に関しては詳しくは図示しないが、概略的には以下のようになっている。つまり、移動体３３は例えば下端に案内輪を有しており、この案内輪の回転方向は、移動体３３の進行方向にのみ向いている。このような案内輪ではもともと上下方向の拘束力がないため、案内輪が回転して進行方向へ移動中であれば上下方向には比較的自由にスライド可能になる。これによって、移動体３３は、案内面Ｓ１２に沿って案内されると共に、コイル中心軸３１ａ方向にスライド可能となる。

超電導コイル３１はレーストラック状に構成されており、軌道３２の２本の長方形板状の強磁性体３２ａ（鉄レール）の間に配置される。具体的には、図示しない低温容器内に超電導コイル３１が配置され、その超電導コイル３１を強磁性体３２ａに挟まれるように配置することとなる。さらに詳しくは、強磁性体３２ａの中心面（強磁性体中心面）Ｓ１３と超電導コイル３１の中心面（コイル中心面）Ｓ１１とがコイル中心軸３１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に移動体３３の超電導コイル３１を配置させることによって、移動体３３がコイル中心軸３１ａ方向に浮上支持されるよう構成されている。なお、上述した第１実施形態の場合と同様、コイル中心面Ｓ３１は、一般論としては超電導コイル３１の幾何学中心とは必ずしも一致するとは言えないが、本実施形態の場合は、超電導コイル３１が対称形に形成されているため、幾何学的な中心面とコイル中心面Ｓ１１が一致している。また、コイル中心軸３１ａはコイル中心面Ｓ１１の法線方向に一致する。なお、本実施形態の強磁性体３２ａは、同一形状の２本の部材が対称形に配置されているため、図３（ｂ）に示すように、それら並列配置された２本の長方形板状の強磁性体３２ａの幾何学的な中心面を強磁性体中心面Ｓ１３と称することとする。

ここで、「強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１とがコイル中心軸３１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に移動体３３の超電導コイル３１を配置させる」という意味については上述した第１実施形態の場合と同様である。つまり、図３（ｂ）に示すように、強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１が一致していない場合には、強磁性体中心面Ｓ１３がコイル中心面Ｓ１１に一致する方向へ強磁性体３２ａを引き戻す磁気吸引力が発生する。しかしながら、この磁気吸引力は、強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１との距離が所定範囲内の場合には、「強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１とがコイル中心軸３１ａ方向に離間するにつれて（つまり、コイル中心面Ｓ１１が強磁性体中心面Ｓ１３からコイル中心軸３１ａ方向に遠ざかるにつれて）磁気吸引力が大きく」なると言えるが、所定範囲外となると、「強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１とがコイル中心軸３１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力も小さく」なる。そこで、本実施形態においては、前者の「強磁性体中心面Ｓ１３とコイル中心面Ｓ１１とがコイル中心軸３１ａ方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きく」なる所定範囲内に移動体３３の超電導コイル３１を配置した。

このような配置により、移動体３３をコイル中心軸３１ａ方向に浮上支持する上で、本質安定で強大な支持力が得られることとなる。
また、以下に示す、上述した第１実施形態の場合と同様の効果も奏する。
（１）従来構成の場合は、永久磁石、超電導バルク双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、安定した支持の点で問題がある。それに対して本実施形態の超電導利用支持機構では超電導コイル３１を利用しており、この超電導コイル３１の場合には、形状的な精度を容易に上げることができ、安定した浮上支持の点で有利である。
（２）超電導バルクを使用するものに関しては、負担可能な重量に制約があり、大型のものを支持対象とするには現実的ではない。それに対して本実施形態は超電導コイル３１を利用しているが、この超電導コイル３１の場合には、強力な磁場を発生させることが比較的容易であり、また大型の超電導コイル３１を得ることも比較的容易である。そのため、負担可能な重量を相対的には大きくすることが容易である。このように超電導コイル３１を利用しない限り、支持対象物の重量が大きくなった場合に必要な磁場を発生可能なコイルは非常に大きくなるか、あるいは支持対象物の重量によっては実質不可能となると考えられる。その意味で、超電導コイル３１を利用することが非常に有効である。

このように支持対象物が大型・重量化する場合に本実施形態の構成は適しているため、例えば移動体３３としてリニアモーターカー等を想定した場合に、非常に有利である。
（３）また、軌道３２としては鉄等の強磁性体３２ａを有しておればよく、特殊な材料を必要としない点でも有利である。

［第３実施形態］
図４（ａ）は、第３実施形態の永久磁石利用支持機構の概略端面図である。
図４（ａ）に示すように、この永久磁石利用支持機構は、リング状の永久磁石５１及びその上下に設けられた「強磁性体リング」としての鉄リング５６と、「強磁性体」としての吸引用鉄５２ａを含む回転体５２と、機械式軸受け５５と、これら永久磁石５１、鉄リング５６、回転体５２、機械式軸受け５５を収容するケーシング５７などを備えている。なお、鉄リング５６と吸引用鉄５２ａについては、鉄以外の強磁性体で構成してもよい。

回転体５２は、円柱状のフライホイールであり、その中心を貫くように回転体５２の回転軸５２ｂが設けられており、その回転軸５２ｂの上端部及び下端部の両方において、ベアリングを利用した機械式軸受け５５により回転軸５２ｂを支えるよう構成されている。これにより、回転体５２がコイル中心軸１ａ周りに回転可能に支持される。

なお、このような機械式の制御軸受け５５ではなく、図４（ｂ）に示すように、電磁石等を利用した制御型磁気軸受け６５を採用しても良い。このように電磁石等を利用した制御型磁気軸受け６５を用いれば、非接触で回転体５２の回転軸５２ｂを支えるよう構成することができる。また、空気軸受けであっても非接触の軸受けを実現できる。

そして、吸引用鉄５２ａは、回転体５２と同心状に回転軸５２ｂに取り付けられている。吸引用鉄５２ａの外径と回転体５２の外径とを比較すると、吸引用鉄５２ａの外径に比して回転体５２の外径はかなり大きくなっている。この吸引用鉄５２ａは、略リング状であるが、軸方向の上下端には径方向外側へ突出する鍔部が形成されており、（軸方向を上下方向とした場合に）上下対称の形状とされている。

一方、リング状の永久磁石５１は、正円環状に形成され、軸方向に着磁されている。そして、このリング状の永久磁石５１の軸方向の上下端には、リング状の永久磁石５１よりも内径が小さな鉄リング５６が同心状に固定されている。これによって、図４ａからも明らかなように、リング状の永久磁石５１と鉄リング５６とを一体とみなした場合には、その軸方向上下端に径方向内側へ突出する鍔部（実態は鉄リング５６）が存在することとなり、こちらもやはり（軸方向を上下方向とした場合に）上下対称の形状とされている。

そして、この永久磁石５１と鉄リング５６とを一体とみなした場合に径方向内側へ突出する鍔部に相当する鉄リング５６と、上述した吸引用鉄５２ａの径方向外側へ突出する鍔部とが対向可能な位置に両者を配置する。

鉄リング５６は、永久磁石５１によって発生する磁力の磁路として機能する。そして、その鉄リング５６は、吸引用鉄５２ａの鍔部と対向配置されているため、鉄リング５６と吸引用鉄５２ａの鍔部とが対向する位置にある場合には、リング状の永久磁石５１の中心面と吸引用鉄５２ａの中心面とが一致しており、軸方向磁気吸引力が作用しないが、鉄リング５６と吸引用鉄５２ａの鍔部とが、対向する位置から軸方向に相対的にずれた場合には、リング状の永久磁石５１の中心面と吸引用鉄５２ａの中心面とが離間し、軸方向磁気吸引力が作用する。

なお、本実施形態の吸引用鉄５２ａは、（軸方向を上下方向とした場合に）上下対称形の略リング状に形成されているため、その幾何学的な中心面が、特許請求の範囲における「強磁性体の中心面」に相当する。また、永久磁石５１と鉄リング５６とを一体とみなした場合にもやはり（軸方向を上下方向とした場合に）上下対称形状となっているため、永久磁石５１の幾何学的な中心面が、特許請求の範囲における「永久磁石リングの中心面」に相当する。

このような構成により、回転体５２を中心軸５２ｂ方向に浮上支持する上で、本質安定の支持力が得られる。そして、本第３実施形態の場合には、第１、第２実施形態のような超電導コイル１，２１，３１ではなく永久磁石５１を利用しているため、安価に且つ極めて簡単な構造で、スラスト方向の支持力を得ることができる。

なお、上述した第１、第２実施形態のように超電導コイル１，２１，３１を用いた場合には、相対的に大重量の支持対象物の支持に適していたが、相対的に軽量な支持対象物への適用と考えた場合には、本第３実施形態のような永久磁石５１を利用したものが非常に有効である。

ラジアル方向の軸受けとして、図４（ａ）では機械式軸受け５５、図４（ｂ）では制御型磁気軸受け６５を提案した。図４（ａ）のような機械式軸受け５５を採用した場合には構成が簡素である。一方、図４（ｂ）のような制御型磁気軸受け６５を採用した場合には、フライホイールとして完全に非接触で損失の少ない支持機構を実現できる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得る。
例えば、本発明の超電導利用支持機構の応用例として、大型船舶の推進軸の支持機構として実現することも考えられる。大型船舶の推進軸は、回転動力を伝達すると同時にスクリューの回転に伴い大きなスラスト力が加わることになる。そこで、第１実施形態のような構成を用いて、このような大きなスラスト力を非接触で支持することができれば、摩耗等の心配もなく優れた設備となる。

第３実施形態では、回転体の支持機構として実現した具体例を説明したが、このような永久磁石を用いた支持機構の場合も、回転体以外であってもその軸方向に非接触で支持する必要がある支持対象物であれば、同様に適用できる。

第１実施形態の超電導利用支持機構の概略端面図である。 第１実施形態の別態様の超電導利用支持機構の概略端面図である。 （ａ）は第２実施形態の超電導利用支持機構の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ端面図である。 第３実施形態の永久磁石利用支持機構の概略端面図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１…超電導コイル、１ａ…コイル中心軸、２…回転体、２ａ…強磁性体、２ｂ…回転軸、３…低温容器、５…制御型磁気軸受け、７…ケーシング、２１…超電導コイル、２１ａ…コイル中心軸、２２…回転体、２２ａ…強磁性体、２２１ａ…鍔部、２２ｂ…回転軸、２３…低温容器、２５…制御型磁気軸受け、２６…環状部材、２６ａ…鍔部、２７…ケーシング、３１…超電導コイル、３１ａ…コイル中心軸、３２…軌道、３２ａ…強磁性体、３３…移動体、３３ａ…進行方向軸、Ｓ１，Ｓ１１…コイル中心面、Ｓ１２…案内面、Ｓ２，Ｓ１３…強磁性体中心面、５１…永久磁石、５２…回転体、５２ａ…吸引用鉄、５２ｂ…回転軸、５５…機械式軸受け、５６…鉄リング、５７…ケーシング、６５…制御型磁気軸受け。

Claims (5)

1. 超電導コイルと、強磁性体とを備え、
   前記超電導コイルの中心軸方向にスライド可能に構成された前記強磁性体、または中心軸方向にスライド可能に構成された前記超電導コイルの何れか一方を、前記超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させること
   を特徴とする超電導利用支持機構。
2. 請求項１に記載の超電導利用支持機構において、
   前記強磁性体を含む回転体を備え、
   その回転体は、前記超電導コイルの中心軸周りに回転可能に構成されると共に、その超電導コイルの中心軸方向にスライド可能に構成されており、
   前記超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、前記回転体を浮上支持させること
   を特徴とする超電導利用支持機構。
3. 請求項１に記載の超電導利用支持機構において、
   前記超電導コイルを含む移動体と、前記強磁性体を含む軌道とを備え、
   前記移動体は、前記軌道に沿って移動可能に構成されると共に、前記超電導コイルの中心軸方向にスライド可能に構成されており、
   前記超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、前記移動体を浮上支持させること
   を特徴とする超電導利用支持機構。
4. 軸方向に着磁されたリング状の永久磁石と、強磁性体とを備え、
   前記リング状の永久磁石の中心軸方向にスライド可能に構成された前記強磁性体、または中心軸方向にスライド可能に構成された前記リング状の永久磁石の何れか一方を、前記リング状の永久磁石の中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させること
   を特徴とする永久磁石利用支持機構。
5. 請求項４に記載の永久磁石利用支持機構において、
   前記強磁性体を含む回転体を備え、
   その回転体は、前記リング状の永久磁石の中心軸周りに回転可能に構成されると共に、そのリング状の永久磁石の中心軸方向にスライド可能に構成されており、
   前記リング状の永久磁石の中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、前記回転体を浮上支持させること
   を特徴とする永久磁石利用支持機構。

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