JP2547287B2 - 超電導軸受装置 - Google Patents
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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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- F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
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- F16C2300/34—Vertical, e.g. bearings for supporting a vertical shaft
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば、高速回転を
必要とする流体機械や工作機械、余剰電力をフライホイ
ールの運動エネルギーに変換して貯蔵する電力貯蔵装
置、又はジャイロスコープなどに適用される超電導軸受
装置に関する。
必要とする流体機械や工作機械、余剰電力をフライホイ
ールの運動エネルギーに変換して貯蔵する電力貯蔵装
置、又はジャイロスコープなどに適用される超電導軸受
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、非接触状態で回転体を支持し得る
超電導軸受装置が考えられている。
超電導軸受装置が考えられている。
【０００３】これらの超電導軸受装置としては、当初は
回転体に同心状に設けられ、かつ回転軸心方向両端部が
互いに逆の極性の磁気を帯びた１つの環状永久磁石と、
この永久磁石の端面に対して回転体の回転軸心方向に間
隔をおいて対向するように配置された環状超電導体とを
備えているものが用いられた。その後、負荷容量及び剛
性を高めるために複数の環状永久磁石を同心状且つ隣接
する磁石の極性が逆になるように配置するものが提案さ
れた（平成3年特許願051430号）。
回転体に同心状に設けられ、かつ回転軸心方向両端部が
互いに逆の極性の磁気を帯びた１つの環状永久磁石と、
この永久磁石の端面に対して回転体の回転軸心方向に間
隔をおいて対向するように配置された環状超電導体とを
備えているものが用いられた。その後、負荷容量及び剛
性を高めるために複数の環状永久磁石を同心状且つ隣接
する磁石の極性が逆になるように配置するものが提案さ
れた（平成3年特許願051430号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
超電導軸受装置では、多量の超電導体及び永久磁石を必
要とするために、製造コストが高いという問題がある。
超電導軸受装置では、多量の超電導体及び永久磁石を必
要とするために、製造コストが高いという問題がある。
【０００５】このような問題の生じる理由は次の通りで
あると考えられる。すなわち、永久磁石及び超電導体の
寸法が大きいほど、永久磁石部と超電導体との間隔が広
く採れ、且つ、負荷容量が高いと考えられるが、この効
果の顕著な範囲が不明なため、過剰に磁石及び超電導体
を配置する弊がある。
あると考えられる。すなわち、永久磁石及び超電導体の
寸法が大きいほど、永久磁石部と超電導体との間隔が広
く採れ、且つ、負荷容量が高いと考えられるが、この効
果の顕著な範囲が不明なため、過剰に磁石及び超電導体
を配置する弊がある。
【０００６】可動側の回転体に、その回転軸心を中心軸
とする円板部を形成し、この円板部に前記回転軸心を同
心とする環状の永久磁石を設け、この永久磁石の前記円
板部の表面側と裏面側に位置する部位を、両者の極性が
互いに逆の極性を帯びるように着磁して、前記円板部と
永久磁石とからなる永久磁石部として構成するととも
に、前記永久磁石部の円板部と間隔をあけて対向する固
定側の超電導体部に、前記永久磁石部を浮上させるイッ
トリウム系高温超電導体を前記回転軸心と同心円状に設
け、前記永久磁石部と前記超電導体部とを前記回転軸心
方向に間隔をあけて対向させた超電導軸受装置におい
て、前記永久磁石の半径方向の長さとしての幅と、前記
永久磁石の前記回転軸心方向の長さとしての厚さとを、
前記永久磁石部と超電導体部との対向間隔の５倍乃至１
０倍に設定したことを特徴とする。
とする円板部を形成し、この円板部に前記回転軸心を同
心とする環状の永久磁石を設け、この永久磁石の前記円
板部の表面側と裏面側に位置する部位を、両者の極性が
互いに逆の極性を帯びるように着磁して、前記円板部と
永久磁石とからなる永久磁石部として構成するととも
に、前記永久磁石部の円板部と間隔をあけて対向する固
定側の超電導体部に、前記永久磁石部を浮上させるイッ
トリウム系高温超電導体を前記回転軸心と同心円状に設
け、前記永久磁石部と前記超電導体部とを前記回転軸心
方向に間隔をあけて対向させた超電導軸受装置におい
て、前記永久磁石の半径方向の長さとしての幅と、前記
永久磁石の前記回転軸心方向の長さとしての厚さとを、
前記永久磁石部と超電導体部との対向間隔の５倍乃至１
０倍に設定したことを特徴とする。
【０００７】又、本発明の第2の超電導軸受装置は、第1
の発明にかかる超電導軸受装置において、前記超電導体
の厚さを永久磁石の幅の0．5倍乃至1．5倍としたことを
特徴とする。
の発明にかかる超電導軸受装置において、前記超電導体
の厚さを永久磁石の幅の0．5倍乃至1．5倍としたことを
特徴とする。
【０００８】可動側の回転体に設けられる永久磁石部
が、回転体に固定状に設けられた円板部と、この円板部
に同心状に配置された環状の永久磁石とから構成され、
前記回転体を回転させる固定側の超電導体部が、前記円
板部の外周端部から前記回転体の半径方向に間隔をあけ
て対向して配置されるイットリウム系高温超電導体を備
え、前記永久磁石の各々は、その回転軸心側の端部の極
性と外周端部側の端部の極性が互いに逆の磁気を帯びて
いる超電導軸受装置において、前記永久磁石の幅及び厚
さを前記永久磁石部と前記超電導体部との対向間隔の５
倍乃至１０倍としたことを特徴とする。
が、回転体に固定状に設けられた円板部と、この円板部
に同心状に配置された環状の永久磁石とから構成され、
前記回転体を回転させる固定側の超電導体部が、前記円
板部の外周端部から前記回転体の半径方向に間隔をあけ
て対向して配置されるイットリウム系高温超電導体を備
え、前記永久磁石の各々は、その回転軸心側の端部の極
性と外周端部側の端部の極性が互いに逆の磁気を帯びて
いる超電導軸受装置において、前記永久磁石の幅及び厚
さを前記永久磁石部と前記超電導体部との対向間隔の５
倍乃至１０倍としたことを特徴とする。
【０００９】本発明の第4の超電導軸受装置は、第３の
発明にかかる超電導軸受装置において、超電導体の厚さ
を永久磁石の厚さの0．5倍乃至1．5倍としたことを特徴
とする。
発明にかかる超電導軸受装置において、超電導体の厚さ
を永久磁石の厚さの0．5倍乃至1．5倍としたことを特徴
とする。
【００１０】
【作用】 第１乃至第4のいずれの発明の場合も、永久
磁石部と超電導体とが所定の間隔をあけて対向した状態
で保持され、回転体が非接触状態で支持される。
磁石部と超電導体とが所定の間隔をあけて対向した状態
で保持され、回転体が非接触状態で支持される。
【００１１】第1及び第2の発明を例とすれば、永久磁石
部が、回転体に対して回転軸心と同心状に固定した円板
部と、環状の永久磁石とからなり、各永久磁石の軸線方
向両端部が互いに逆の極性の磁気を帯びていれば、軸方
向に磁束が放射・吸収されるので、磁束密度は軸方向に
遠ざかるにしたがって減少し、磁石の幅相当の位置で１
／３乃至１／５となる（図９参照）。磁束密度の現象割
合（勾配）が半減する位置もほぼ同じである。
部が、回転体に対して回転軸心と同心状に固定した円板
部と、環状の永久磁石とからなり、各永久磁石の軸線方
向両端部が互いに逆の極性の磁気を帯びていれば、軸方
向に磁束が放射・吸収されるので、磁束密度は軸方向に
遠ざかるにしたがって減少し、磁石の幅相当の位置で１
／３乃至１／５となる（図９参照）。磁束密度の現象割
合（勾配）が半減する位置もほぼ同じである。
【００１２】超電導体の磁石に対する反発力（回転体の
浮上力）は、磁束密度の減少割合（勾配）に比例するの
で、磁石の表面と磁石の幅相当隔てた面との間に超電導
体をできるだけ磁石に近く配置すれば、大きい浮上力を
得ることが出来る。
浮上力）は、磁束密度の減少割合（勾配）に比例するの
で、磁石の表面と磁石の幅相当隔てた面との間に超電導
体をできるだけ磁石に近く配置すれば、大きい浮上力を
得ることが出来る。
【００１３】本発明のフライホイールは，冷却前に永久
磁石の磁束が超電導体を貫いていると，冷却後もその磁
束は排除されずに貫通状態を保つという，第２種超電導
体のピン止め効果によって浮上する。この浮上力を載荷
力というが，載荷力は磁束密度及び面積Ｓに比例して増
大する。 しかし，磁石の面積Ｓを大きくすると，軸受
を構成するロータ部分の重量も増大するため，ロータを
浮上する正味の載荷力が増大しない。 本発明の超電導
軸受は，リング状永久磁石の幅および厚さとギャップと
の良好な比率を呈示するので，磁石部と超電導体とのギ
ャップが定められていても，ロータ重量を抑えながら，
十分な載荷力を得ることができる。
磁石の磁束が超電導体を貫いていると，冷却後もその磁
束は排除されずに貫通状態を保つという，第２種超電導
体のピン止め効果によって浮上する。この浮上力を載荷
力というが，載荷力は磁束密度及び面積Ｓに比例して増
大する。 しかし，磁石の面積Ｓを大きくすると，軸受
を構成するロータ部分の重量も増大するため，ロータを
浮上する正味の載荷力が増大しない。 本発明の超電導
軸受は，リング状永久磁石の幅および厚さとギャップと
の良好な比率を呈示するので，磁石部と超電導体とのギ
ャップが定められていても，ロータ重量を抑えながら，
十分な載荷力を得ることができる。
【００１４】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例を
説明する。
説明する。
【００１５】図1は、第1実施例の超電導軸受の主要部を
概略的に示している。
概略的に示している。
【００１６】超電導軸受装置は図示しないハウジングを
備え、ハウジング内には垂直方向に向けられる軸状の回
転体1と超電導体部3が配設されている。
備え、ハウジング内には垂直方向に向けられる軸状の回
転体1と超電導体部3が配設されている。
【００１７】回転体1には平円板状の永久磁石部2が同心
円状に設けられており、ハウジングには永久磁石部2の
下端面に対して回転体の軸心方向に対向するように環状
の超電導体部3が配置されており、永久磁石部2はハウジ
ングに支持される環状の超電導体部3の超電導作用によ
り浮上する。
円状に設けられており、ハウジングには永久磁石部2の
下端面に対して回転体の軸心方向に対向するように環状
の超電導体部3が配置されており、永久磁石部2はハウジ
ングに支持される環状の超電導体部3の超電導作用によ
り浮上する。
【００１８】永久磁石部2は回転体1に固定された例えば
銅からなる水平円板部4を備えている。円板部4の下面に
は、回転体1と同心状の環状の凹みぞ5が形成されてお
り、これらの凹溝5内にそれぞれ環状の永久磁石6が嵌合
されて固定されている。永久磁石6の上面部と下面部と
は互いに逆の極性の磁気を帯びており、しかも、回転軸
心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないようにな
っている。永久磁石6の幅及び厚さは、例えば、10mm及
び12mmと設定され、永久磁石部2と回転体1との対向間隔
2mmの5倍とされている。ここで、永久磁石6の幅とは、
回転体1のラジアル方向の距離をいい、永久磁石6の厚さ
とは、回転体1の軸心の延びる方向をいう。
銅からなる水平円板部4を備えている。円板部4の下面に
は、回転体1と同心状の環状の凹みぞ5が形成されてお
り、これらの凹溝5内にそれぞれ環状の永久磁石6が嵌合
されて固定されている。永久磁石6の上面部と下面部と
は互いに逆の極性の磁気を帯びており、しかも、回転軸
心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないようにな
っている。永久磁石6の幅及び厚さは、例えば、10mm及
び12mmと設定され、永久磁石部2と回転体1との対向間隔
2mmの5倍とされている。ここで、永久磁石6の幅とは、
回転体1のラジアル方向の距離をいい、永久磁石6の厚さ
とは、回転体1の軸心の延びる方向をいう。
【００１９】超電導体部3は、例えば銅からなる円板状
支持体7と超電導体8とで構成される。
支持体7と超電導体8とで構成される。
【００２０】円板状支持体7は、ハウジングの冷凍機9及
び冷凍機9の温度制御ユニット10により冷却される冷却
ケース11上に水平に固定され、回転体1の軸心を中心軸
とする円板形状とされている。円板状支持体7は回転体1
の下端部を遊挿する穴7aを有している。円板状支持体7
の穴7aの周囲には、複数の円板状の超電導体8が埋設さ
れている。
び冷凍機9の温度制御ユニット10により冷却される冷却
ケース11上に水平に固定され、回転体1の軸心を中心軸
とする円板形状とされている。円板状支持体7は回転体1
の下端部を遊挿する穴7aを有している。円板状支持体7
の穴7aの周囲には、複数の円板状の超電導体8が埋設さ
れている。
【００２１】超電導体8は、穴7aの中心を中心とする円
環状に配設されており、ここの超電導体8の上面部は永
久磁石6の下面部と対向している。即ち、超電導体8は永
久磁石部2が発生する磁束が所定量侵入する離間位置で
あって且つ上記回転体の回転によって侵入磁束の分布が
変化しない位置に配置されている。超電導体8の厚さ
は、例えば、永久磁石6の幅と等しく設定されている。
超電導体8は、イットリウム系高温超電導体、例えば、
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる基板の内部に常電導粒子（Ｙ2
Ｂａ1Ｃｕ1）を均一に混在させたものからなり、永久磁
石部2が発生する磁束侵入を拘束する性質を持つ。
環状に配設されており、ここの超電導体8の上面部は永
久磁石6の下面部と対向している。即ち、超電導体8は永
久磁石部2が発生する磁束が所定量侵入する離間位置で
あって且つ上記回転体の回転によって侵入磁束の分布が
変化しない位置に配置されている。超電導体8の厚さ
は、例えば、永久磁石6の幅と等しく設定されている。
超電導体8は、イットリウム系高温超電導体、例えば、
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる基板の内部に常電導粒子（Ｙ2
Ｂａ1Ｃｕ1）を均一に混在させたものからなり、永久磁
石部2が発生する磁束侵入を拘束する性質を持つ。
【００２２】超電導軸受装置を作動させる場合、超電導
体8は冷却ケース11内に循環させられる適当な冷媒によ
って冷却され、超電導状態に保持される。超電導状態に
なると、回転体1の永久磁石部2から発生する磁束の多く
が超電導体8の内部に侵入する（ピンニング現象）。超
電導体8の内部には、常電動体粒子が均一に混在してい
るため、超電導体8内部への侵入磁束の分布が一定とな
る。そのため、あたかも超電導体8に立設した仮想ピン
に回転体1の永久磁石部2が貫かれたようになり、回転体
1が永久磁石部2と共に超電導体8に拘束される。これに
よって、回転体1は極めて安定的に浮上した状態でアキ
シャル方向及びラジアル方向に支持されることになる。
体8は冷却ケース11内に循環させられる適当な冷媒によ
って冷却され、超電導状態に保持される。超電導状態に
なると、回転体1の永久磁石部2から発生する磁束の多く
が超電導体8の内部に侵入する（ピンニング現象）。超
電導体8の内部には、常電動体粒子が均一に混在してい
るため、超電導体8内部への侵入磁束の分布が一定とな
る。そのため、あたかも超電導体8に立設した仮想ピン
に回転体1の永久磁石部2が貫かれたようになり、回転体
1が永久磁石部2と共に超電導体8に拘束される。これに
よって、回転体1は極めて安定的に浮上した状態でアキ
シャル方向及びラジアル方向に支持されることになる。
【００２３】永久磁石部2の下端部にある永久磁石6の下
方の空間においては、磁束密度が図5のように変化して
おり、磁石の幅に相当する10mmの位置まで、磁束密度の
変化率dＢ／dＺが大きい。この実施例では、永久磁石6
の下方空間であって永久磁石6の幅の0．33倍から1．5倍
に至る空間を超電導体8が占有しているから、永久磁石
部2と超電導体部3との磁気反発力が大きいものとなって
いる。しかも、永久磁石部2と超電導体8との離間間隔
が、磁気反発力とピン止め力とが釣り合う距離よりも回
転体1の軸心方向に僅かに大きくなるだけで、両者間に
大きな磁気反発力が作用する。従って、回転体1の負荷
容量及び剛性が向上する。
方の空間においては、磁束密度が図5のように変化して
おり、磁石の幅に相当する10mmの位置まで、磁束密度の
変化率dＢ／dＺが大きい。この実施例では、永久磁石6
の下方空間であって永久磁石6の幅の0．33倍から1．5倍
に至る空間を超電導体8が占有しているから、永久磁石
部2と超電導体部3との磁気反発力が大きいものとなって
いる。しかも、永久磁石部2と超電導体8との離間間隔
が、磁気反発力とピン止め力とが釣り合う距離よりも回
転体1の軸心方向に僅かに大きくなるだけで、両者間に
大きな磁気反発力が作用する。従って、回転体1の負荷
容量及び剛性が向上する。
【００２４】（具体的実験例１）この実験例は、図1の
装置を用いて永久磁石部2及び超電導体部3の剛性に及ぼ
す離間距離Z及び磁石の厚さtの影響を調べたものであ
る。
装置を用いて永久磁石部2及び超電導体部3の剛性に及ぼ
す離間距離Z及び磁石の厚さtの影響を調べたものであ
る。
【００２５】永久磁石6として、外径９０ｍｍ、内径７
０ｍｍ、厚さ１２ｍｍ、表面磁束４０００ガウスの環状
の希土類磁石を１個或は２、３個使用した。又、超電導
体８として直径３５ｍｍ、厚さ１２ｍｍのものを８個使
用し、これらの中心が直径８０ｍｍの円の円周上に等間
隔で位置するように円板状支持体7に埋設した。
０ｍｍ、厚さ１２ｍｍ、表面磁束４０００ガウスの環状
の希土類磁石を１個或は２、３個使用した。又、超電導
体８として直径３５ｍｍ、厚さ１２ｍｍのものを８個使
用し、これらの中心が直径８０ｍｍの円の円周上に等間
隔で位置するように円板状支持体7に埋設した。
【００２６】永久磁石部２と超電導体部８の相対的位置
決めを行なった後、超電導体部8を冷却して超電導状態
に保持した。その後、引っ張り圧縮試験機を用いて永久
磁石部２と超電導体部３とを相対的に接近、あるいは離
間させ、それに必要な荷重を測定した。その結果を表１
に示す。
決めを行なった後、超電導体部8を冷却して超電導状態
に保持した。その後、引っ張り圧縮試験機を用いて永久
磁石部２と超電導体部３とを相対的に接近、あるいは離
間させ、それに必要な荷重を測定した。その結果を表１
に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】表１は、本発明の永久磁石と超電導体の対
向間隔の距離及び磁石の厚さの相関関係を数値により表
わした表である。距離Ｚが２ｍｍ（ｚ／ｗが０．２）の
場合の剛性は４．０Ｋｇｆ／ｍｍであり、距離ｚが３ｍ
ｍ（ｚ／ｗが０．３）の場合の剛性は１．１Ｋｇｆ／ｍ
ｍであった。剛性Ｋと距離ｚとの関係は図３に示す。こ
れにより、
向間隔の距離及び磁石の厚さの相関関係を数値により表
わした表である。距離Ｚが２ｍｍ（ｚ／ｗが０．２）の
場合の剛性は４．０Ｋｇｆ／ｍｍであり、距離ｚが３ｍ
ｍ（ｚ／ｗが０．３）の場合の剛性は１．１Ｋｇｆ／ｍ
ｍであった。剛性Ｋと距離ｚとの関係は図３に示す。こ
れにより、
【００２９】
【数１】
【００３０】が成立する。
【００３１】永久磁石を２段或は３段に重ねた場合の実
験も行なった。他の実験データを参照するとｎの値は1.
4乃至1.8であったが、例えば、ｎの値を1.5とすると、
図３のデータはＫ＝２３（1＋ｚ）-1.5で表わされた。
験も行なった。他の実験データを参照するとｎの値は1.
4乃至1.8であったが、例えば、ｎの値を1.5とすると、
図３のデータはＫ＝２３（1＋ｚ）-1.5で表わされた。
【００３２】永久磁石部2を2段或は3段に重ねた場合の
実験も行なった。ｚが３ｍｍの場合の剛性は３．２Ｋｇ
ｆ／ｍｍ及び３．４Ｋｇｆ／ｍｍであって、図４に示す
ように、1段の場合の１１％増、及び１８％増に留まっ
た。すなわち、磁石の厚さは磁石の幅相当で良いことが
わかった。
実験も行なった。ｚが３ｍｍの場合の剛性は３．２Ｋｇ
ｆ／ｍｍ及び３．４Ｋｇｆ／ｍｍであって、図４に示す
ように、1段の場合の１１％増、及び１８％増に留まっ
た。すなわち、磁石の厚さは磁石の幅相当で良いことが
わかった。
【００３３】（具体的実験例2）この実験例は、図2の装
置を用いて剛性に及ぼす磁石の幅Ｗ及び超電導体の厚さ
ｔの影響を調べたものである。図２において、20は永久
磁石部、21は永久磁石、22は超電導体部、23は超電導体
である。
置を用いて剛性に及ぼす磁石の幅Ｗ及び超電導体の厚さ
ｔの影響を調べたものである。図２において、20は永久
磁石部、21は永久磁石、22は超電導体部、23は超電導体
である。
【００３４】永久磁石21としては、外径90mm、内径70m
m、厚さ12mm、表面磁束密度４０００ガウスのものと、
外径２００ｍｍ、内径１３０ｍｍ、表面磁束密度３２０
０ガウスのものとの２種類を用いた。
m、厚さ12mm、表面磁束密度４０００ガウスのものと、
外径２００ｍｍ、内径１３０ｍｍ、表面磁束密度３２０
０ガウスのものとの２種類を用いた。
【００３５】超電導体部22は超電導体23の位置や厚さを
変えて保持し易いように開放型とした。直径が３５ｍ
ｍ、厚さが１２ｍｍの超電導体23は、上記の永久磁石21
に対応するべく、直径がそれぞれ８０ｍｍ或は１６５ｍ
ｍの円の円周上に１２０度の間隔で配置することを原則
とし、0.5段、1段、2段或は3段重ねて超電導体23の厚み
ｔを調節した。
変えて保持し易いように開放型とした。直径が３５ｍ
ｍ、厚さが１２ｍｍの超電導体23は、上記の永久磁石21
に対応するべく、直径がそれぞれ８０ｍｍ或は１６５ｍ
ｍの円の円周上に１２０度の間隔で配置することを原則
とし、0.5段、1段、2段或は3段重ねて超電導体23の厚み
ｔを調節した。
【００３６】永久磁石部20と超電導体部22との相対的な
位置決めを行なった後に、超電導体23を冷却して超電導
状態に保持した。その後引っ張り圧縮試験機を用いて、
永久磁石部20と超電導体部22とを相対的に接近、或は離
間させて、それに必要な荷重を測定した。実験結果を表
2に示す。
位置決めを行なった後に、超電導体23を冷却して超電導
状態に保持した。その後引っ張り圧縮試験機を用いて、
永久磁石部20と超電導体部22とを相対的に接近、或は離
間させて、それに必要な荷重を測定した。実験結果を表
2に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】表２は本発明の永久磁石の幅と超電導体の
厚さの相関関係を数値により表わした表である。外径が
９０ｍｍの永久磁石21を用いて、超電導体23の厚さｔを
１２ｍｍ（ｔ／ｗ＝１）とした上で、距離ｚを３ｍｍ
（ｚ／ｗが０．３）とした場合の剛性を測定した。値は
０．８２Ｋｇｆ／ｍｍであり、超電導体23を円周上に8
個配置した場合（実験例1）の値の3／8倍に近い。
厚さの相関関係を数値により表わした表である。外径が
９０ｍｍの永久磁石21を用いて、超電導体23の厚さｔを
１２ｍｍ（ｔ／ｗ＝１）とした上で、距離ｚを３ｍｍ
（ｚ／ｗが０．３）とした場合の剛性を測定した。値は
０．８２Ｋｇｆ／ｍｍであり、超電導体23を円周上に8
個配置した場合（実験例1）の値の3／8倍に近い。
【００３９】外径が２００ｍｍの永久磁石21を用いて、
超電導体23の厚さｔを３６ｍｍ（ｔ／ｗ＝１．０２）に
対してプロットすると、図５のようであった。用いた永
久磁石21の表面磁束密度及び超電導体との交差面積が異
なるために、データは2群に分かれているが、これらを
補正すると、剛性Ｋは無次元化した離間距離ｚ／ｗで一
意的に表示されることがわかった。
超電導体23の厚さｔを３６ｍｍ（ｔ／ｗ＝１．０２）に
対してプロットすると、図５のようであった。用いた永
久磁石21の表面磁束密度及び超電導体との交差面積が異
なるために、データは2群に分かれているが、これらを
補正すると、剛性Ｋは無次元化した離間距離ｚ／ｗで一
意的に表示されることがわかった。
【００４０】
【数２】
【００４１】nの値は1.4乃至1.8、αの値は０．１〜
０．３である。
０．３である。
【００４２】剛性に及ぼす超電導体23の厚さの影響を調
べるために、相対厚さｔ／ｗを0.2乃至3.6の範囲で変化
させて剛性を測定した。永久磁石21の幅で無次元化した
超電導体23の厚さ（ｔ／ｗ）に対してプロットすると、
図６のようであった。超電導体23の厚さは磁石の幅の0.
5乃至1.5が妥当なことがわかる。
べるために、相対厚さｔ／ｗを0.2乃至3.6の範囲で変化
させて剛性を測定した。永久磁石21の幅で無次元化した
超電導体23の厚さ（ｔ／ｗ）に対してプロットすると、
図６のようであった。超電導体23の厚さは磁石の幅の0.
5乃至1.5が妥当なことがわかる。
【００４３】（具体的な解析例）以上では、永久磁石21
の幅を基準にして、永久磁石21の厚さ及び超電導体23の
厚さを最適化するルールを提案した。ついで、磁石の幅
の最適化ルールを解析的に検討した。
の幅を基準にして、永久磁石21の厚さ及び超電導体23の
厚さを最適化するルールを提案した。ついで、磁石の幅
の最適化ルールを解析的に検討した。
【００４４】一般に、回転側（永久磁石部20）と固定側
（超電導体部22）との離間距離ｚ（以下、ギャップとい
う）は製造工程或は組立工程の可能な精度で決められ
る。通常は、最大寸法の５／１０００程度（１ｍ直径で
５ｍｍ）が採用される。
（超電導体部22）との離間距離ｚ（以下、ギャップとい
う）は製造工程或は組立工程の可能な精度で決められ
る。通常は、最大寸法の５／１０００程度（１ｍ直径で
５ｍｍ）が採用される。
【００４５】与えられたギャップの下で剛性を高めるた
めには、式2で表わしたように、永久磁石21の幅（及び
厚さ）を増加して、相対離間距離ｚ／ｗを減少させるこ
とが有効である。一方、磁石の幅ｗの増大は、軸受面積
を増大させて面剛性を減じ、更に回転側の重量増及び軸
受全体のコスト増となるので、上限がある筈である。
めには、式2で表わしたように、永久磁石21の幅（及び
厚さ）を増加して、相対離間距離ｚ／ｗを減少させるこ
とが有効である。一方、磁石の幅ｗの増大は、軸受面積
を増大させて面剛性を減じ、更に回転側の重量増及び軸
受全体のコスト増となるので、上限がある筈である。
【００４６】平均直径がＤ、幅がＷの環状磁石を単独で
用いる場合に、磁石直下及び半幅相当の周縁部の超電導
体が磁気相互作用を受けるので、軸受面積は２πＤＷで
評価する。複数個の磁石を用いる場合も互いに悪影響を
及ぼさないように磁石の幅程度の距離で間隔を開けるの
で、この場合も磁石１個当たりの軸受面積を２πＤＷで
評価できる。以上のことにより、単位面積当たりの剛性
（面剛性）は次式で表される。
用いる場合に、磁石直下及び半幅相当の周縁部の超電導
体が磁気相互作用を受けるので、軸受面積は２πＤＷで
評価する。複数個の磁石を用いる場合も互いに悪影響を
及ぼさないように磁石の幅程度の距離で間隔を開けるの
で、この場合も磁石１個当たりの軸受面積を２πＤＷで
評価できる。以上のことにより、単位面積当たりの剛性
（面剛性）は次式で表される。
【００４７】
【数３】
【００４８】数式３によると、永久磁石21の幅を増加し
た場合の、面剛性の増加を見積ることが出来る。nが1.5
でαが０．１〜０．３の場合の解析結果を図7に示す。
これによると、ギャップに対して５倍以下の幅の磁石で
は剛性が不足し、１０倍以上の磁石では剛性増加の効果
がなく、むしろ、磁石量の増加や軸受ロータの質量増の
害が顕在化することがわかる。
た場合の、面剛性の増加を見積ることが出来る。nが1.5
でαが０．１〜０．３の場合の解析結果を図7に示す。
これによると、ギャップに対して５倍以下の幅の磁石で
は剛性が不足し、１０倍以上の磁石では剛性増加の効果
がなく、むしろ、磁石量の増加や軸受ロータの質量増の
害が顕在化することがわかる。
【００４９】図8は、第2実施例の超電導軸受装置の主要
部を概略的に示している。
部を概略的に示している。
【００５０】この場合、永久磁石部30は、回転体1に固
着される円板部31を有し、この円板部31の外周面に環状
凹溝32が形成されている。この環状凹溝32には環状の永
久磁石33が嵌合して固定されている。永久磁石33の回転
体1の軸心側の端部と永久磁石33の外周端部側とは、互
いに逆の極性を帯びている。永久磁石33の軸方向の大き
さ（厚さ）及び半径方向の大きさ（幅）は永久磁石部30
と超電導体部34との間隔の5倍とし、載荷力及び剛性が
高められていると共に、超電導体35の厚さを永久磁石33
の幅の0.5乃至1.5倍と設定することにより、製造コスト
を低減させている。
着される円板部31を有し、この円板部31の外周面に環状
凹溝32が形成されている。この環状凹溝32には環状の永
久磁石33が嵌合して固定されている。永久磁石33の回転
体1の軸心側の端部と永久磁石33の外周端部側とは、互
いに逆の極性を帯びている。永久磁石33の軸方向の大き
さ（厚さ）及び半径方向の大きさ（幅）は永久磁石部30
と超電導体部34との間隔の5倍とし、載荷力及び剛性が
高められていると共に、超電導体35の厚さを永久磁石33
の幅の0.5乃至1.5倍と設定することにより、製造コスト
を低減させている。
【００５１】本発明の超電導軸受装置は，リング状永久
磁石の幅および厚さとギャップとの良好な比率を呈示す
るので，磁石部と超電導体とのギャップが定められてい
る場合でも，ロータ部分の重量を抑えながら，十分な載
荷力を得ることができる。このため，回転体の負荷容量
および剛性が向上して回転体の軸ブレが防止され，回転
体を非接触状態で安定して支持できると共に，磁石の寸
法を必要最小限抑えて製造原価を低下できる。
磁石の幅および厚さとギャップとの良好な比率を呈示す
るので，磁石部と超電導体とのギャップが定められてい
る場合でも，ロータ部分の重量を抑えながら，十分な載
荷力を得ることができる。このため，回転体の負荷容量
および剛性が向上して回転体の軸ブレが防止され，回転
体を非接触状態で安定して支持できると共に，磁石の寸
法を必要最小限抑えて製造原価を低下できる。
【図１】 第1実施例の超電導軸受装置の主要部の概略
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】 第1実施例の超電導軸受装置の主要部の概略
斜視図である。
斜視図である。
【図３】 第1実施例の超電導軸受装置を用いて行なっ
た実験結果のうち、離間距離による影響を表わしたグラ
フである。
た実験結果のうち、離間距離による影響を表わしたグラ
フである。
【図４】 第1実施例の超電導軸受装置を用いて行なっ
た実験結果のうち、永久磁石の厚さの影響を表わしたグ
ラフである。
た実験結果のうち、永久磁石の厚さの影響を表わしたグ
ラフである。
【図５】 第1実施例の超電導軸受装置を用いて行なっ
た実験結果のうち、永久磁石の幅と離間距離の影響を併
せて表わしたグラフである。
た実験結果のうち、永久磁石の幅と離間距離の影響を併
せて表わしたグラフである。
【図６】 第1実施例の超電導軸受装置を用いて行なっ
た実験結果のうち、超電導体の厚さの影響を表わしたグ
ラフである。
た実験結果のうち、超電導体の厚さの影響を表わしたグ
ラフである。
【図７】 第1実施例に関する解析で、磁石の幅と離間
距離とが面剛性に及ぼす影響を併せて表わしたグラフで
ある。
距離とが面剛性に及ぼす影響を併せて表わしたグラフで
ある。
【図８】 第2実施例の超電導軸受装置の主要部の概略
縦断面図である。
縦断面図である。
【図９】 第1実施例の超電導軸受装置の永久磁石の磁
束密度の空間分布を示したグラフである。
束密度の空間分布を示したグラフである。
１ 回転体 ２ 永久磁石部 ３ 超電導体部 ４ 円板部 ５ 凹溝 ６ 永久磁石 ７ 円板状支持体 ８ 超電導体 ２０ 永久磁石部 ２１ 永久磁石 ２２ 超電導体部 ２３ 超電導体 ３０ 永久磁石部 ３１ 円板部 ３３ 永久磁石 ３４ 超電導体部 ３５ 超電導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多田健紀 香川県高松市岡本町1557−106 (72)発明者 小山央二 香川県高松市屋島西町1420 (72)発明者 石川文彦 香川県高松市木太町2869−４ (72)発明者 樋笠博正 香川県高松市木太町2911−５ (56)参考文献 実開 平１−104430（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−100924（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−186520（ＪＰ，Ｕ)
Claims (4)
- 【請求項１】 可動側の回転体に、その回転軸心を中心
軸とする円板部を形成し、この円板部に前記回転軸心を
同心とする環状の永久磁石を設け、この永久磁石の前記
円板部の表面側と裏面側に位置する部位を、両者の極性
が互いに逆の極性を帯びるように着磁して、前記円板部
と永久磁石とからなる永久磁石部として構成するととも
に、前記永久磁石部の円板部と間隔をあけて対向する固
定側の超電導体部に、前記永久磁石部を浮上させるイッ
トリウム系高温超電導体を前記回転軸心と同心円状に設
け、前記永久磁石部と前記超電導体部とを前記回転軸心
方向に間隔をあけて対向させた超電導軸受装置におい
て、 前記永久磁石の半径方向の長さとしての幅と、前記永久
磁石の前記回転軸心方向の長さとしての厚さとを、前記
永久磁石部と超電導体部との対向間隔の５倍乃至１０倍
に設定したことを特徴とする超電導軸受装置。 - 【請求項２】 前記超電導体の厚さを永久磁石の幅の
０．５倍乃至１．５倍としたことを特徴とする請求項１
に記載の超電導軸受装置。 - 【請求項３】 可動側の回転体に設けられる永久磁石部
が、回転体に固定状に設けられた円板部と、この円板部
に同心状に配置された環状の永久磁石とから構成され、
前記回転体を回転させる固定側の超電導体部が、前記円
板部の外周端部から前記回転体の半径方向に間隔をあけ
て対向して配置されるイットリウム系高温超電導体を備
え、前記永久磁石の各々は、その回転軸心側の端部の極
性と外周端部側の端部の極性が互いに逆の磁気を帯びて
いる超電導軸受装置において、 前記永久磁石の幅及び厚さを前記永久磁石部と前記超電
導体部との対向間隔の５倍乃至１０倍としたことを特徴
とする超電導軸受装置。 - 【請求項４】 超電導体の厚さを永久磁石の厚さの０．
５倍乃至１．５倍としたことを特徴とする請求項３の電
導軸受装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3190353A JP2547287B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 超電導軸受装置 |
| EP92402174A EP0526325B1 (en) | 1991-07-30 | 1992-07-28 | Superconduction bearing |
| DE69227161T DE69227161T2 (de) | 1991-07-30 | 1992-07-28 | Supraleitendes Lager |
| US07/921,659 US5313130A (en) | 1991-07-30 | 1992-07-30 | Superconduction bearing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3190353A JP2547287B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 超電導軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06323334A JPH06323334A (ja) | 1994-11-25 |
| JP2547287B2 true JP2547287B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=16256782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3190353A Expired - Fee Related JP2547287B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 超電導軸受装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5313130A (ja) |
| EP (1) | EP0526325B1 (ja) |
| JP (1) | JP2547287B2 (ja) |
| DE (1) | DE69227161T2 (ja) |
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| JPH0737812B2 (ja) * | 1991-03-15 | 1995-04-26 | 光洋精工株式会社 | 超電導軸受装置 |
| US5739606A (en) * | 1991-03-15 | 1998-04-14 | Koyo Seiko Co., Ltd. | Superconducting bearing device |
| JP2999607B2 (ja) * | 1991-09-30 | 2000-01-17 | 日本精工株式会社 | 超電導軸受装置とその操作方法 |
| EP0629789A4 (en) * | 1992-02-14 | 1996-04-10 | Seiko Epson Corp | SUPERCONDUCTIVE BEARING. |
| JPH06200942A (ja) * | 1992-10-13 | 1994-07-19 | Cornell Res Found Inc | 超伝導ベアリングアセンブリ |
| US5722303A (en) * | 1993-03-03 | 1998-03-03 | University Of Chicago | Mixed-mu superconducting bearings |
| WO1995020264A1 (fr) * | 1994-01-25 | 1995-07-27 | Kanagawa Academy Of Science And Technology | Dispositif de sustentation magnetique |
| US5557155A (en) * | 1994-05-23 | 1996-09-17 | University Of Chicago | Optimization of superconducting tiling pattern for superconducting bearings |
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| US6211589B1 (en) * | 1995-06-07 | 2001-04-03 | The Boeing Company | Magnetic systems for energy storage flywheels |
| US5747426A (en) * | 1995-06-07 | 1998-05-05 | Commonwealth Research Corporation | High performance magnetic bearing systems using high temperature superconductors |
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| DE10034922C2 (de) | 2000-07-18 | 2003-01-16 | Atlas Copco Energas | Magnetische Lagerung |
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| KR100920103B1 (ko) * | 2007-09-28 | 2009-10-01 | 한국전력공사 | 외륜형 고온초전도 저널 베어링 |
| DE102008028588A1 (de) | 2008-06-18 | 2009-12-24 | Schaeffler Kg | Magnetlager mit Hochtemperatur-Supraleiterelementen |
| US20100331974A1 (en) * | 2009-06-26 | 2010-12-30 | Schaper Jr Dale Thomas | Intraocular Kinetic Power Generator |
| DE102010004904A1 (de) | 2010-01-19 | 2011-09-15 | Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg | Permanentmagnetisches Lager mit supraleitendem Hilfslager |
| US8598759B2 (en) * | 2010-01-19 | 2013-12-03 | Rolls-Royce Plc | Magnetic gear arrangement |
| CN111224474B (zh) * | 2018-11-27 | 2022-08-19 | 深圳核心医疗科技有限公司 | 盘式电机 |
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|---|---|---|---|---|
| US3493274A (en) * | 1967-12-18 | 1970-02-03 | Little Inc A | Magnetic support systems |
| JPS5142285B1 (ja) * | 1969-10-09 | 1976-11-15 | ||
| JPS59186520U (ja) * | 1983-05-30 | 1984-12-11 | 日本精工株式会社 | スラスト磁気軸受 |
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