JP2007120569A

JP2007120569A - 超電導磁気軸受の適用方式

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Publication number: JP2007120569A
Application number: JP2005311372A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Higasa; 博正樋笠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP5008297B2

Abstract

【課題】超電導磁気軸受を構成要素とする回転機械システム全体としての最適な組み合わせ、配置を考案し、横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする超電導磁気軸受システムとしての超電導磁気軸受の適用方式を提供する。
【解決手段】アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受３において、筒状永久磁石回転軸２を構成する永久磁石集合体６の着磁方向を、回転軸の軸方向に対し直角方向の回転軸の半径方向とし、回転中心線から外周方向を見た同一円周上に、例えば着磁方向を外向きの正に統一した円環状永久磁石体があって、これを回転軸の軸方向に多層積層する方式は、超電導磁気軸受の軸受特性として、回転軸の軸方向に比べ、回転軸半径方向高載荷力・高剛性特性を呈し、円環状永久磁石体の着磁方向を一層毎正負交互に変えて積層する方式は、回転軸々方向高載荷力・高剛性特性を呈する。
【選択図】図１

Description

本発明は、横軸または縦軸回転体を擁する諸々の回転機械に供用される超電導磁気軸受システムに関する。

これまでの代表的な超電導磁気軸受装置については、特開平４−１９１５２０、特開平７−３５１３８、特開平１０−０９８８９０、特開２００５−１３３９１３などに公知の記述があるが、爾来、超電導磁気軸受の回転軸々方向特性と回転軸半径方向特性を比較し特質を論じたものは無く、また、横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする超電導磁気軸受システムについて論じたものも無い。

諸々の横軸または縦軸回転機械に供用される超電導磁気軸受の適用設計に当たっては、多種ある超電導磁気軸受の中から回転機械システム全体として最適な組み合わせ配置を考案し、横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする超電導磁気軸受システムとしての超電導磁気軸受の適用方式を提供する事を課題とする。

請求項１に記載のアウターローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムは、上記の課題を解決するため、円環状に構成した第二種超電導バルクの円環高さ方向に積層した筒状第二種超電導集合体を冷媒に浸漬し超電導状態を発現できるよう包容した中空円柱状クライオスタットを成した中空円柱状固定部（以下、中空円柱状クライオスタット固定軸という）と、前記中空円柱状クライオスタット固定軸の外周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する磁場発生用筒状永久磁石集合体を内設した筒状可動部（以下、筒状永久磁石回転軸という）からなるアウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受において、前記筒状永久磁石回転軸が形成する磁場空間で主要な磁場分布を発現する永久磁石集合体の着磁方向を、当該筒の高さ方向（以下、回転軸の軸方向という）に対し直角方向の筒状永久磁石回転軸断面の半径方向（以下、回転軸の半径方向という）に、回転中心線から外周方向を見た同一円周上には全て、例えば、回転中心から外周方向を見て画いた放射状線条の発散方向を正、集束方向を負とすれば、前記放射状線条の正または負の方向に着磁方向を統一した、円環状永久磁石体を配列する。
ここで、同一着磁方向の前記円環状永久磁石体を回転軸の軸方向に多層積層する方式は、超電導磁気軸受の軸受特性として、回転軸の軸方向の載荷力、剛性よりも回転軸の半径方向の載荷力、剛性の方が相対的に強大な回転軸半径方向高載荷力・高剛性特性を呈し、異着磁方向の円環状永久磁石体を回転子軸の軸方向に一層毎着磁方向を正負交互に変えて積層する方式は、回転軸々方向高載荷力・高剛性特性を呈する。
以上の技術により得られる前記回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受と回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を併用して横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする。

請求項２に記載のインナーローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムは、上記の課題を解決するため、請求項１における中空円柱状クライオスタット固定軸の内周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸からなるインナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受において、請求項１の回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する筒状永久磁石回転軸の永久磁石集合体に適用したと同様な着磁方向および配列を前記インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する筒状永久磁石回転軸の永久磁石集合体の着磁方向および配列に採る事により得られる、回転軸の軸方向の載荷力、剛性よりも回転軸の半径方向の載荷力、剛性の方が相対的に強大な特徴を有する回転軸半径方向高載荷力・高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受と請求項１の回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する筒状永久磁石回転軸の永久磁石集合体に適用したと同様な着磁方向および配列を前記インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する永久磁石集合体の着磁方向および配列に採る事により得られる、回転軸々方向高載荷力・高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を併用して横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする。

第二種超電導体を用いた高温超電導磁気軸受におけて、此れまで弱点とされた回転軸半径方向高載荷力・高剛性機能の発明活用により横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する道を開拓した。これにより、高温超電導軸受の軸受性能はシステム的に著しい向上が計られ、今後の地球環境問題の改善並びに産業界の発展に貢献できる。

図１は、アウターローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムに本発明の請求項１が適用された場合の説明図である。
図１（ａ）は、横軸回転体を非接触で制振・安定支持する場合の適用例に当たり、水平に固定した中空円柱状クライオスタット固定軸（１）の外周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸（２）がある。同図の回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受（３）は、横軸回転体に対する載荷機能と横軸回転体の軸振動抑制機能を主として受け持ち、同図の回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受（４）は、横軸回転体の比較的小さい軸方向荷重に主として対応する。本適用例では、説明の便宜上、軸受（３），（４）は一所・短小に纏めて図示したが、実用に当たっては、横軸回転体の回転軸の荷重分布、軸振動特性に応じて、軸受（３），（４）夫々の応分の機能の達成に必要な同回転軸ジャーナル部の位置を選定して回転軸の長さ方向に分散・複数配置すると共に、場合によっては大型化して機能を強化し、夫々載荷力、剛性、減衰を充足するものとする。
図１(b)は、縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する場合の適用例に当たり、垂直に固定した中空円柱状クライオスタット固定軸（１）の外周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸（２）がある。同図の回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受（４）は、縦軸回転体に対する載荷機能を主として受け持ち、同図の回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受（３）は、縦軸回転体の軸振動抑制機能に主として対応する。本適用例では、説明の便宜上、軸受（３），（４）は一所・短小に纏めて図示したが、実用に当たっては、縦軸回転体の回転軸の荷重分布、軸振動特性に応じて、軸受（３），（４）夫々の応分の機能の達成に必要な同回転軸ジャーナル部の位置を選定して回転軸の長さ方向に分散・複数配置すると共に場合によっては大型化して機能を強化し、夫々載荷力、剛性、減衰を充足するものとする。

図２は、インナーローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムに本発明の請求項２が適用された場合の説明図である。
図２(a)は、横軸回転体を非接触で制振・安定支持する場合の適用例に当たり、水平に固定した中空円柱状クライオスタット固定軸（１）の内周にギャップを開けて同心非接触で回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸（２）がある。同図の回転軸半径方向高載荷力、高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受（３）は、横軸回転体に対する載荷機能と横軸回転体の軸振動抑制機能を主として受け持ち、同図の回転軸々方向高載荷力、高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受（４）は、横軸回転体の比較的小さい軸方向荷重に主として対応する。本適用例では、説明の便宜上、軸受（３），（４）は一所・短小に纏めて図示したが、実用に当たっては、横軸回転体の回転軸の荷重分布、軸振動特性に応じて、軸受（３），（４）夫々の応分の機能の達成に必要な同回転軸ジャーナル部の位置を選定して回転軸の長さ方向に分散・複数配置すると共に場合によっては大型化して機能を強化し、夫々載荷力、剛性、減衰を充足するものとする。
図２(b)は、縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する場合の適用例に当たり、垂直に固定した中空円柱状クライオスタット固定軸（１）の内周にギャップを開けて同心非接触で回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸（２）がある。同図の回転軸々方向高載荷力、高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受（４）は、縦軸回転体に対する載荷機能を主として受け持ち、同図の回転軸半径方向高載荷力、高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受（３）は、縦軸回転体の軸振動抑制機能に主として対応する。本適用例では、説明の便宜上、軸受（３），（４）は一所・短小に纏めて図示したが、実用に当たっては、縦軸回転体の回転軸の荷重分布、軸振動特性に応じて、軸受（３），（４）夫々の応分の機能の達成に必要な同回転軸ジャーナル部の位置を選定して回転軸の長さ方向に分散・複数配置すると共に場合によっては大型化して機能を強化し、夫々載荷力、剛性、減衰を充足するものとする。

アウターローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムインナーローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システム。

符号の説明

１中空円柱状クライオスタット固定軸
２筒状永久磁石回転軸
３回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター（図１）／インナーローター
（図２）・ラジアル型超電導磁気軸受
４回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター（図１）／インナーローター
（図２）・ラジアル型超電導磁気軸受
５筒状第二種超電導集合体
６筒状永久磁石集合体

Claims

円環状に構成した第二種超電導バルクの円環高さ方向に積層した筒状第二種超電導集合体を冷媒に浸漬し超電導状態を発現できるよう包容した中空円柱状クライオスタットを成した中空円柱状固定部（以下、中空円柱状クライオスタット固定軸という）と、前記中空円柱状クライオスタット固定軸の外周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する磁場発生用筒状永久磁石集合体を内設した筒状可動部（以下、筒状永久磁石回転軸という）からなるアウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受において、前記筒状永久磁石回転軸が形成する磁場空間で主要な磁場分布を発現する永久磁石集合体の着磁方向を、当該筒の高さ方向（以下、回転軸の軸方向という）に対し直角方向の筒状永久磁石回転軸断面の半径方向（以下、回転軸の半径方向という）に、回転中心線から外周方向を見た同一円周上には全て、例えば、回転中心から外周方向を見て画いた放射状線条の発散方向を正、集束方向を負とすれば、前記放射状線条の正または負の方向に着磁方向を統一した、円環状永久磁石体を配列する。
ここで、同一着磁方向の前記円環状永久磁石体を回転軸の軸方向に多層積層する方式は、超電導磁気軸受の軸受特性として、回転軸の軸方向の載荷力、剛性よりも回転軸の半径方向の載荷力、剛性の方が相対的に強大な回転軸半径方向高載荷力・高剛性特性を呈し、異着磁方向の円環状永久磁石体を回転子軸の軸方向に一層毎着磁方向を正負交互に変えて積層する方式は、回転軸々方向高載荷力・高剛性特性を呈する。
以上の技術により得られる前記回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受と回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を併用して横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とするアウターローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システム。
また、この種のアウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受として、筒状永久磁石回転軸の構成要素である、永久磁石集合体の着磁方向を回転軸の軸方向とし、回転中心線から外周方向を見た同一円周上の円環状永久磁石体の着磁方向には全て、例えば、縦軸回転軸の場合には、先ず上向き方向なら上向き方向に統一した円環状永久磁石体を配列し、軸方向に積層する次の層には、着磁方向を下向き方向に統一した円環状永久磁石体を配列する一層毎着磁方向を上向き下向きと交互に変えて積層する方式が知られている。この場合、超電導磁気軸受の軸受特性として、回転軸の半径方向の載荷力、剛性よりも回転軸の軸方向の載荷力、剛性の方が相対的に強い回転軸々方向高載荷力・高剛性特性を呈するので、これと前記回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を併用して横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とするアウターローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システムにシステム化する事が出来る。
請求項１における中空円柱状クライオスタット固定軸の内周にギャップを開けて同心非接触で磁気浮上し回転可能に対向する筒状永久磁石回転軸からなるインナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受において、請求項１の回転軸半径方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する筒状永久磁石回転軸の永久磁石集合体に適用したと同様な着磁方向および配列を前記インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する永久磁石集合体の着磁方向および配列に採る事により得られる、回転軸の軸方向の載荷力、剛性よりも回転軸の半径方向の載荷力、剛性の方が相対的に強大な特徴を有する回転軸半径方向高載荷力・高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受と請求項１の回転軸々方向高載荷力・高剛性・アウターローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する筒状永久磁石回転軸の永久磁石集合体に適用したと同様な着磁方向および配列を前記インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を構成する永久磁石集合体の着磁方向および配列に採る事により得られる、回転軸々方向高載荷力・高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受を併用して横軸または縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とするインナーローター・タイプのラジアル型超電導磁気軸受システム。
また、超電導磁気軸受には、第二種超電導バルクで構成した水平円盤状第二種超電導集合体を冷媒に浸漬し超電導状態を発現できるよう包容した水平円盤状クライオスタットを成した水平円盤状固定部と、その水平円盤状クライオスタット固定部の真上、平行に同心非接触で磁気浮上し回転可能にギャップを開けて対向する磁気発生用水平円盤状永久磁石集合体浮上部並びに当該浮上部に固定した同心垂直回転軸部からなるアキシャル型超電導磁気軸受が知られている。この種の超電導磁気軸受は、技術開発の初期に、専ら回転軸々方向荷重に対応するのに用いられた経緯があるに過ぎないが前記回転軸半径方向高載荷力・高剛性・インナーローター・ラジアル型超電導磁気軸受と併用する事で縦軸回転体を非接触で制振・安定支持する事を特徴とする超電導磁気軸受システムにシステム化する事が出来る。