JP2008249130A - 高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法及びその磁気軸受 - Google Patents

高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法及びその磁気軸受 Download PDF

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Abstract

【課題】 高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があっても、軸受能力が変動しない磁気軸受の安定化方法及びその磁気軸受を提供する。
【解決手段】 高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、回転軸3に組み込まれる高温超電導バルク体4と、この高温超電導バルク体4に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるように固定側に配置した磁気発生装置としての電磁石5と、この電磁石5の発生する電磁力を調整する電磁力調整手段とを具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法及びその磁気軸受に関するものである。
従来、超電導バルク体を利用した磁気軸受においては、超電導バルク体の磁気浮上特性が時間的に劣化するという問題がある。この現象があると回転軸が降下するという現象が発生する(下記特許文献1、非特許文献1参照)。
また、下記非特許文献2によれば、回転時に曝される磁場変動、例えば高温超電導バルク体が左右方向に変位することで、高温超電導バルク体が1回転する際に経験する磁場が変動することなどによって回転損失が生じて、浮上力に変化が生じることがある。
前者においては、予荷重法といって、あらかじめ軸受負担荷重より大きな荷重を与えて磁束クリープを促進させておくことで、通常の使用荷重での磁束クリープ量を減少させて、軸の降下を抑制する方法が提案されている。また、冷却温度を高温超電導バルク体の臨界温度以下で通常の使用温度より高い値に設定して荷重と磁場を付与した後、通常の使用温度に冷却することで予荷重法と同じ効果を発揮させるという過冷却法という方法が提案されている。
図14は、従来のスラスト磁気軸受の一例を示す断面図である。
回転軸101に高温超電導バルク体102を適用し、軸受の浮上力や案内力となる電磁力を高温超電導バルク体102に作用させるために磁気発生装置を固定側に配置している。なお、105は高温超電導バルク体102を浸している冷媒である。
これは高温超電導バルク体102でスラスト方向の荷重を支持する磁気軸受を表したもので、回転軸101のラジアル方向支持等については省略している。電磁石103にはソレノイド型のコイル104を用いている。電磁石103と高温超電導バルク体102との間に作用する電磁力の大きさは、高温超電導バルク体102の置かれた磁場の大きさと、その場所での磁場の変化率を乗じた磁気力場という指標で表すことができる。
ここで、超電導体バルク体が発生する電磁力(軸方向)FZ について説明する。
Z ={(π2 d 4 )/〔Lcyl (Rd ,t)〕}×〔(Bz )(∂Bz /∂z)
ここで、Lcyl は超電導バルク体に流れる超電導シールド電流の自己インダクタンス、Rd は超電導バルク体の半径、tは超電導バルク体の厚さであり、(π2 d 4 )/〔Lcyl (Rd ,t)〕は、超電導バルク体の形状因子となる。Bz は超電導バルク体の置かれた空間の軸方向の磁場であり、∂Bz /∂zは磁場勾配(軸方向)、Bz (∂Bz /∂z)は磁気力場(軸方向)と呼ばれる超電導コイルの磁場分布を表す指標である。つまり、電磁石と超電導バルク体との間に作用する電磁力の大きさは、超電導バルク体の形状と磁気力場とで表すことができる。
図中では、磁場分布を実曲線、磁気力場の分布を破線で示している。これらのカーブは回転軸101の中心線上のZ方向成分を表したものである。浮上力を支持する目的で利用する場合は、このように高温超電導バルク体102が下に行くほど磁気力場が大きくなるので、それに従って浮上力となる電磁力が大きくなる位置を選択する。この場合、高温超電導バルク体102の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があると、回転軸101を支持している高温超電導バルク体102が下がろうとするが、それに伴い磁気力が大きくなるため、浮上力が大きくなる。従って、短時間ではほぼ同じ位置を保つことが可能である。しかしながら、長時間運転により時間劣化や回転損失が進むと、高温超電導バルク体102の劣化の度合いが磁気力場の増加と釣り合わなくなる時点で突然、軸受に負荷されている荷重を支えられなくなり、回転軸101が瞬時に落下してしまう危険性がある。
図15に従来技術を模擬した高温超電導バルク体の回転実験の一例を示す。図15において、Gはコイル電流、Hは浮上力、Iは回転速度を示している。これは、高温超電導バルク体を回転体として配置し、固定側に超電導コイルを適用した磁気軸受において、高温超電導バルク体におよそ2.5kNの浮上力が発生している状態で、1000rpmで回転させて10分間の浮上力の変化をモニタしたものである。また、図16にはこの従来技術の模擬試験の結果のうち、浮上力の変化を拡大表示したものを示す。図16において、Jは浮上力、Kは回転速度を示している。
図16において、高温超電導バルク体が回転を開始したA点から回転を停止したB点まで、浮上力は徐々に低下している。回転を停止したB点では浮上力は一定に落ち着いている。この実験は回転損失を模擬したような結果になっているが、この浮上力の低下がクリープによるものであったとしてもほぼ同じ傾向を示す。
特開2004−197767号公報 「フライホイール電力貯蔵用超電導軸受技術研究開発」中間評価報告書 新エネルギー・産業技術総合開発機構、産業技術総合研究所技術評価委員会 2003年8月 「超電導磁気軸受の回転特性」,清野 寛ほか,第15回MAGDAコンファレンスin桐生,電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス講演論文集、日本AEM学会,2006年11月1日
上記したように、高温超電導バルク体を利用した磁気軸受においては、高温超電導バルク体の磁気浮上特性が時間的に劣化するという問題がある。この現象があると回転軸の降下現象が発生する。また、回転時に曝される磁場変動、例えば、高温超電導バルク体が左右方向に変位することで、高温超電導バルク体が1回転する際に経験する磁場が変動することなどによって回転損失が生じて浮上力が低下するという問題もある。
更に、回転軸に高温超電導バルク体を適用し、軸受の浮上力や案内力となる電磁力を高温超電導バルク体に作用させるための磁気発生装置を固定側に配置した磁気軸受では、短時間運転では軸の降下がほとんど生じないが、長時間運転により時間劣化や回転損失が進むと、高温超電導バルク体の劣化の度合いが磁気力場の増加と釣り合わなくなる時点で突然、軸受に負荷されている荷重を支えられなくなり、回転軸が瞬時に落下する可能性がある。この現象は回転軸の破壊につながりかねない不安定挙動であり、大変危険である。
本発明は、上記状況に鑑みて、高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があっても、軸受能力が変動しない磁気軸受の安定化方法及びその磁気軸受を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、回転軸に高温超電導バルク体を組み込み、この高温超電導バルク体に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるための磁気発生装置を固定側に配置し、この磁気発生装置の発生する電磁力を調整することにより、前記高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失が発生しても、軸受能力に変動を生じさせないようにしたことを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、磁気軸受の負担荷重を検出して、その情報を利用して前記固定側に配置された磁気発生装置の磁場を調整して磁気軸受を安定化させることを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、前記磁気発生装置が電磁石からなることを特徴とする。
〔4〕上記〔3〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、前記電磁石が超電導材料からなるコイルを有することを特徴とする。
〔5〕高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、回転軸に組み込まれる高温超電導バルク体と、この高温超電導バルク体に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるように固定側に配置した磁気発生装置と、この磁気発生装置の発生する電磁力を調整する電磁力調整手段とを具備することを特徴とする。
〔6〕上記〔5〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、磁気軸受の負担荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の情報を利用して前記固定側に配置された磁気発生装置の磁場を調整する電磁力調整手段を具備することを特徴とする。
〔7〕上記〔5〕又は〔6〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記磁気発生装置が電磁石であることを特徴とする。
〔8〕上記〔5〕又は〔6〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記電磁石が超電導材料からなるコイルを具備することを特徴とする。
〔9〕上記〔5〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、超電導磁気軸受の電磁力劣化を防止するための制御に使用する荷重検出器を超電導磁気軸受の磁場発生装置と分離して、荷重の変化分のみを検出するために別置したことを特徴とする。
〔10〕上記〔9〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部にスラスト軸受を設置して、このスラスト軸受を介して片持ち梁からなるカンチレバーの曲げを検出することによって回転体の上下方向の荷重変化を検出するようにしたことを特徴とする。
〔11〕上記〔9〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部に磁気支持を利用して、前記回転体に接触することなく回転体を支持している上下方向の荷重変化を検出するようにしたことを特徴とする。
〔12〕上記〔11〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部の磁気支持に、永久磁石と磁性材による吸引力を用いるようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があっても、軸受能力が変動しない、安定した磁気軸受を提供することができる。
また、磁気軸受により支持されている回転体が大型化すると荷重検出精度が低下するといった問題点を解決し、回転体を支持する電磁力の大きさに影響を受けずに精度よく、電磁力の変化を検出することができる。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法は、回転軸に高温超電導バルク体を組み込み、この高温超電導バルク体に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるための磁気発生装置を固定側に配置し、この磁気発生装置の発生する電磁力を調整することにより、前記高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失が発生しても、軸受能力に変動を生じさせないようにした。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明の第1実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受を示す模式図である。
この図において、1は架台、2はその架台1に配置される回転子2Aと電機子2Bとからなる電動・発電機(M/G)、3はその電動・発電機(M/G)2からつり下げられる回転軸、4はその回転軸3に組み込まれる高温超電導バルク体、4Aは真空断熱容器、4Bは高温超電導バルク体4を浸している冷媒、5は固定側に配置される磁気発生装置としての電磁石、5Aは電磁石5のコイル、6は電磁石架台、7はこの電磁石架台6内で回転軸の下端に配置されるフライホイール、8は電磁石5の下に配置される荷重検出器、9は第1のラジアル軸受、10は第2のラジアル軸受、11はバックアップ用スラスト軸受である。
このように、回転軸3に高温超電導バルク体4を組み込み、軸受の浮上力や案内力となる電磁力を高温超電導バルク体4に作用させるために磁気発生装置としての電磁石5を固定側に配置した磁気軸受を例にとって説明する。
これはスラスト方向に高温超電導バルク体4を用いた磁気軸受を適用した電力貯蔵用フライホイールの一例である。磁気発生装置としての電磁石5にはソレノイド型を用いている。スラスト方向の磁気軸受について述べるため、ラジアル方向磁気軸受9,10とバックアップ用スラスト軸受11については略号で示している。
本発明では、磁気発生装置としての電磁石5の下に配置した荷重検出器8で磁気軸受が負担している軸受荷重を検知して、その荷重を変化させないように磁気発生装置としての電磁石5の通電電流値を調整する。これにより、高温超電導バルク体4の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があっても、磁気軸受の発生力は安定しており、回転軸3の降下が発生することはない。
図5及び図6に示した従来技術の模擬実験に対して、本発明の適用例として超電導コイルの通電電流値を変化させて、浮上力を一定に保った実験を行った。
図2は従来技術の模擬実験結果と本発明の適用例の模擬実験結果を併せて示す図である。図2において、Aは本発明の固定側のコイルの制御ありの場合の浮上力、Bは従来の制御なしの場合の浮上力、Cは回転速度を示している。
図3に本発明の適用例の詳細を示している。図3において、Dは浮上力、Eは超電導コイル電流、Fは超電導コイル電圧を示している。
本実施例では、回転軸3の浮上力の低下をモニタして、磁気発生装置としての電磁石5の磁石のコイル5Aの通電電流を30秒から1分間隔で調整している。電圧の立ち上がっている箇所が電流を変化させたところである。このように荷重検出器8による荷重変化をモニタし、その荷重の変化に応じて浮上力を制御することで回転軸3の浮上力をほぼ一定に保つことが可能である。
図4は本発明の第2実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の荷重検出装置の上面図、図5は図4のA−A線断面図、図6は図4のB−B線断面図におけるカンチレバーを示す図、図7はそのカンチレバーに設けられる荷重検出装置の一例を示す図である。
これらの図において、20は固定部、21は回転体の回転軸、22はスラスト軸受であり、このスラスト軸受22は、玉、保持器からなるボールベアリング組立体24、ハウジング軌道盤24a、軸軌道盤24bで構成される。軸軌道盤24bを回転体の回転軸21に固定したリング23の構部分に嵌め合わせる。25は片持ち梁(カンチレバー)であり、26はそのカンチレバーに配置される荷重検出器である。これは、カンチレバー25の曲げを検出する歪ゲージでも良い。
この荷重検出器26は、図7に示すように、カンチレバー25の根元部分に4アクティブゲージを配置する。
ここで、歪み量εO =ε1 −ε2 +ε3 −ε4 において、ε1 ,ε2 ,ε3 ,ε4 の絶対値が等しく、ε1 とε3 が引張歪み、ε2 とε4 が圧縮歪みになるように結線すれば、1ゲージの場合4倍の歪み量を得ることができる。
この第2実施例では、上記した第1実施例のように磁気発生装置としての電磁石5の下に配置した荷重検出器8で磁気軸受が負担している軸受荷重を検知するのに代えて、荷重検出器26にスラスト軸受22を取り付けて、この固定側を片持ち梁(カンチレバー)25で支持して、その曲応力により、荷重を検出するようにした。この荷重検出器26のスラスト軸受22は負担荷重が小さいため、大きな抵抗にはならない利点がある。
図8は本発明の第3実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の荷重検出装置の断面図、図9は図8の上面図(C−C線位置より下側を見た状態の断面図)、図10は図8の底面図(A−A線位置より上側を見た状態の断面図)、図11は図8のB−B線位置より上側を見た状態の断面図、図12は図11のD−D線断面図、図13は磁石と鉄板との距離(X)と吸引力(F)との関係を示す図である。
これらの図において、30は固定部、31は固定部30から突出する基台、32は回転体の回転軸、33は回転軸32に固定される磁性材リング、34は複数のネオジウム磁石35を支持する支持体、36は支持体34の水平面内の位置を固定して、上下方向の自由度を許容するためのリニアガイド、37は基台31に配置され、リニアガイド36で案内される支持体34の上下方向の荷重を受ける荷重検出器である。
この実施例では、永久磁石(ネオジウム磁石35)と鉄(磁性材リング33)による吸引力を利用するようにしている。
荷重検出器37に磁気を利用した非接触荷重伝達方式を採用することで、抵抗を全く排除することが可能となる。
より具体的には、φ20×10mmのネオジウム磁石(Neo48)35を支持体34としての固定側リング上に同心円上に10個配置する。なお、各磁石間には十分な離隔がとってあるので、磁力が相互に干渉しないようになっている。回転体側の回転軸32には磁性材リング33を設けておき、この磁性材リング33と固定側リング(支持体34)に固定したネオジウム磁石35との空隙が3mm程度となるように設定する。
図13に示すように、縦軸に吸引力F、横軸に磁石と鉄板との距離Xをとると、曲線aのようになる(磁石マグネットNeoMag通信2006年8月号、1/2ページ参照)。これから明らかなように、ネオジウム磁石35の1個当たりの磁性材リング33との吸引力は、空隙2〜4mmで9〜5kgf程度に変化する。したがって、磁気支持のばね定数は2kgf/mm程度となる。10個の並列ばねでは、20kgf/mmである。0.1mmの変位で2kgfの荷重変化が生じる。固定側リング(支持体34)に小容量で高精度な荷重検出器(荷重変換器)37を設置することで、荷重変化を検出して、非接触で電磁力変化を検出することができる。
このように、本発明では、従来の発明において、電磁力を計測している荷重検出器を、固定側磁場発生装置から分離させて、電磁力の変化分のみを測定する荷重検出器を設置する。これにより、回転体質量、すなわち、回転体を支持する電磁力の大きさに影響を受けずに精度よく、電磁力の変化を検出することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受は、高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失があっても、軸受能力が変動しない、安定した磁気軸受として利用可能である。
本発明の第1実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受を示す模式図である。 従来技術の模擬実験結果と本発明の適用例の模擬実験結果を併せて示す図である。 本発明の適用例の詳細を示す図である。 本発明の第2実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の荷重検出装置の上面図である。 図4のA−A線断面図である。 図4のB−B線断面図におけるカンチレバーを示す図である。 図4のB−B線断面図におけるカンチレバーに設けられる荷重検出装置の一例を示す図である。 本発明の第3実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の荷重検出装置の断面図である。 図8の上面図(C−C線位置より下側を見た状態の断面図)である。 図8の底面図(A−A線位置より上側を見た状態の断面図)である。 図8のB−B線位置より上側を見た状態の断面図である。 図11のD−D線断面図である。 磁石と鉄板との距離と吸引力との関係を示す図である。 従来のスラスト磁気軸受の一例を示す断面図である。 従来技術を模擬した高温超電導バルク体の回転実験の一例を示す図である。 従来技術の模擬実験の結果例を(浮上力変化を拡大表示)示す図である。
符号の説明
1 架台
2 電動・発電機(M/G)
2A 回転子
2B 電機子
3 回転軸
4 高温超電導バルク体
4A 真空断熱容器
4B 冷媒
5 磁気発生装置としての電磁石
5A 磁石のコイル
6 電磁石架台
7 フライホイール
8 荷重検出器
9 第1のラジアル軸受
10 第2のラジアル軸受
11 バックアップ用スラスト軸受
20,30 固定部
21,32 回転体の回転軸
22 スラスト軸受
23,33 磁性材リング
24 ボールベアリング組立体
24a ハウジング軌道盤
24b 軸軌道盤
25 片持ち梁(カンチレバー)
26 カンチレバーに配置される荷重検出器
31 固定部から突出する基台
34 複数のネオジウム磁石を支持する支持体
35 ネオジウム磁石
36 支持体に固定されるリニアガイド
37 荷重検出器

Claims (12)

  1. 回転軸に高温超電導バルク体を組み込み、該高温超電導バルク体に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるための磁気発生装置を固定側に配置し、該磁気発生装置の発生する電磁力を調整することにより、前記高温超電導バルク体の磁気浮上特性の時間的劣化や回転損失が発生しても、軸受能力に変動を生じさせないようにしたことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法。
  2. 請求項1記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、磁気軸受の負担荷重を検出して、その情報を利用して前記固定側に配置された磁気発生装置の磁場を調整して磁気軸受を安定化させることを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法。
  3. 請求項1又は2記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、前記磁気発生装置が電磁石からなることを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法。
  4. 請求項3記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法において、前記電磁石が超電導材料からなるコイルを有することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受の安定化方法。
  5. 高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、
    (a)回転軸に組み込まれる高温超電導バルク体と、
    (b)該高温超電導バルク体に浮上力や案内力となる電磁力を作用させるように固定側に配置した磁気発生装置と、
    (c)該磁気発生装置の発生する電磁力を調整する電磁力調整手段とを具備することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  6. 請求項5記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、磁気軸受の負担荷重を検出する荷重検出手段と、該荷重検出手段の情報を利用して前記固定側に配置された磁気発生装置の磁場を調整する電磁力調整手段を具備することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  7. 請求項5又は6記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記磁気発生装置が電磁石であることを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  8. 請求項5又は6記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記電磁石が超電導材料からなるコイルを具備することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  9. 請求項5記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、超電導磁気軸受の電磁力劣化を防止するための制御に使用する荷重検出器を超電導磁気軸受の磁場発生装置と分離して、荷重の変化分のみを検出するために別置したことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  10. 請求項9記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部にスラスト軸受を設置して、該スラスト軸受を介して片持ち梁からなるカンチレバーの曲げを検出することによって回転体の上下方向の荷重変化を検出するようにしたことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  11. 請求項9記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部に磁気支持を利用して、前記回転体に接触することなく回転体を支持している上下方向の荷重変化を検出するようにしたことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
  12. 請求項11記載の高温超電導バルク体を利用した磁気軸受において、前記荷重検出器を備える荷重検出部の磁気支持に、永久磁石と磁性材による吸引力を用いるようにしたことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気軸受。
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