JP2799802B2 - 超電導浮上型回転装置 - Google Patents

超電導浮上型回転装置

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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
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    • F16C32/0438Passive 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

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、酸化物超電導体の超
電導磁気浮上力を利用した電力貯蔵装置用のフライホイ
ールや磁気軸受装置に使用する非接触の超電導浮上型回
転装置の改良に係り、リング状永久磁石の酸化物超電導
体対向面にリング状金属軟質磁性材料を固着してリング
状永久磁石の発生する表面磁束密度を均一にし、回転盤
の極めて円滑な回転を可能にした超電導浮上型回転装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、超電導体の物理的特性を生か
した技術の研究が盛んに行われているが、特に最近で
は、マイスナー効果及びピン止め効果による超電導浮上
力を利用した非接触の超電導浮上型回転装置は、原理的
にそれがエネルギー不要、低摩擦、高速回転等を可能と
するため、磁気軸受装置や、電力貯蔵装置用大型フライ
ホイール等への利用が研究されている。
【0003】特に、液体窒素温度で作動する酸化物超電
導体の発見によって、冷却体として安価で取扱いの容易
な液体窒素が使用できるようになったこと、及び強い超
電導浮上力を持つ高温超電導バルク材料が開発されたこ
とが超電導体に対する浮上力を利用した研究の大きな契
機となった。
【0004】フライホイールによる電力貯蔵は、電力を
回転エネルギーに蓄え、必要な時に電力として取り出し
て使用するものである。超電導フライホイールを大型化
すれば、より多くの電力貯蔵が可能となり、このような
装置の大型化は、永久磁石と超電導体の数を増やすこと
によって達成できる。
【0005】磁気軸受においても、大きな負荷が加わる
場合でも安定した回転を維持するために、又用途の拡大
等の観点から、これらの大型化が要求されている。軸受
の具体的な構成としては下記の如き構成が知られてい
る。すなわち、図4(四国電力(株)、(株)四国総合
研究所、平成3年6月発行の研究期報No.57に所載
(52〜61頁)の芝山宗昭、高畑良一ら執筆の「超電
導磁気軸受の基本特性および大型フライホイール軸受へ
の適用化検討」より転用)を参照して説明すると、8個
の円板形イットリウム系超電導体6を環状に埋め込んだ
一対の円盤5を空隙を形成して対向させ、その空隙内に
両面にリング状永久磁石1を埋め込んだ回転盤3を、各
超電導体表面から所定の隙間を設けて前記円盤と同心状
に配置する。リング状永久磁石1は通常、複数に分割さ
れた弓形状のNd−Fe−B系永久磁石から構成され、
軸2に一体化された非磁性材からなる回転盤3に埋め込
む。軸2の上方には駆動用モータ7が設置されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の装置において、
永久磁石を組み込んだ回転盤3に駆動モータ7によって
回転力を付与すると、前記のイットリウム系超電導体と
永久磁石とのマイスナー効果によって発生する浮上力に
より、原理的には非接触状態を維持したまま半永久的に
回転する。しかし、現実的には各磁石の磁力不均一等を
要因として円盤の回転に偏心が起こり、やがて回転は停
止する。
【0007】また、上記永久磁石が円盤状で大径になる
と、その中心部分での磁束は外周部に比べて小さくな
り、磁石自体あまり効率的な使用ができなくなるため、
通常リング状として使用し、さらに所要の浮上力を得る
ために複数のリング状磁石を同心状に配置して用いる。
【0008】しかし、大型のリング状の永久磁石を一体
品で製造するには制限があり、製造可能制限内の大きさ
の磁石を複数個接着してリング状に配置する。また、リ
ング状永久磁石の磁力を均一にするために、複数個の磁
石の中から磁力が近似する磁石を選び出して配置する必
要があり、量産性の上からは効率的ではない。しかも、
各磁石を接着して一体化するため、磁石と磁石の円周方
向の継ぎ目の部分は、磁束密度が低くなることが避けら
れない。磁束密度の不均一性は、回転盤の回転に対する
抵抗力となり、回転停止の原因となる。
【0009】この発明は、上述の問題に鑑み永久磁石と
酸化物超電導体とを対向配置してなる超電導浮上型回転
装置において、該永久磁石の表面磁束密度を均一にで
き、完全非接触で実質的に永久作動を可能にした構成の
回転装置の提供を目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、空隙を形成
して対向する少なくとも1つのリング状永久磁石と、酸
化物超電導体とを相対的に回転可能に配置した非接触の
超電導浮上型回転装置において、前記リング状永久磁石
の酸化物超電導体対向面に対向方向に貫通する継ぎ目の
ないリング状金属軟質磁性材料を固着したことを特徴と
する超電導浮上型回転装置である。
【0011】この発明において、使用する超電導体は強
力な超電導磁気反発力を要するため、YBa2Cu
3x、Bi2Sr2Ca2Cu3x等の酸化物高温超電導
体が用いられる。特に、強い反発力と軸ずれに対する安
定性の得られるイットリウム系超電導体が適している。
【0012】この発明に用いる永久磁石としては、従来
の鋳造磁石やフェライト磁石等が用いられるが、特に超
電導体への対向面に強力な磁束を発生させ、装置の小型
化を可能にする最大エネルギー積の高いNd−Fe−B
系磁石等の希土類永久磁石が好ましい。永久磁石は前記
の如く、少なくとも1つのリング状永久磁石から構成す
る必要があるが、超電導体はこれらのリング状永久磁石
の良好なマイスナー効果及びピン止め効果による超電導
浮上を達成する構成であればいずれの構成でも良く、例
えば図3に示すような、円板状の複数の超電導体を前記
永久磁石に対向させて環状に配置する等、要求される諸
特性に応じて適宜選定することができる。さらに、リン
グ状永久磁石の外径が小さい場合は継ぎ目のない一体型
の永久磁石も利用でき、外径が大きい場合は実施例の如
く複数の弓型磁石を接続して所要内外径のリング状永久
磁石に組み立てることができる。
【0013】永久磁石と超電導体は、永久磁石の一方の
磁極対向面にのみ超電導体を配置する構成だけでなく、
一対の超電導体間に少なくとも1つの永久磁石を同心状
に配置する等、種々の構成が採用できる。永久磁石の磁
化方向は、いずれの場合も超電導体との対向方向と同一
方向となるが、各対向面に形成される磁極(N,S)
は、永久磁石と超電導体との空隙寸法(対向距離)によ
って選定することが望ましい。すなわち、半径方向に隣
接するリング状永久磁石の各々の磁極が同極である場合
は、比較的上記永久磁石と超電導体との対向距離とが大
きくても、永久磁石から発生する磁束が超電導体に効果
的に作用するが、隣接する磁極が異極である場合は、上
記距離があまり大きすぎると、磁束の一部が超電導体に
達しないものもあり、超電導体に対し有効に作用しな
い。これらのことを考慮して永久磁石の数量、形状、配
置等を選定することが好ましい。
【0014】回転盤に配置されるリング状永久磁石表面
に固着する金属軟質磁性材料は、例えば、1枚板から打
ち抜き成形して所要内外径の一体型リングとなすことが
でき、さらに外径が非常に大きい場合は、円周を所要数
に分割した円弧状の部材を接続してリング状に形成する
が、継ぎ目が永久磁石の酸化物超電導体対向面方向に貫
通して発生する磁束密度の低下を将来しないないよう
に、くさび状等の凹凸嵌合や傾斜面同士を重ね合うなど
の構造を採用する必要がある。また、金属軟質磁性材料
の厚みは、後述の材質や永久磁石の寸法などにより適宜
選定する。金属軟質磁性材料は、飽和磁束密度の高い材
料、例えばパーメンジュール等が望ましいが、パーマロ
イ、純鉄、もしくはけい素鋼板でも良い。金属軟質磁性
材料と永久磁石との接合方法は、ただ永久磁石上に金属
軟質磁性材料を設置して永久磁石の吸着力によって固着
させてもよいが、高速回転での使用を考慮すると、接着
剤等で強固に固着させることが望ましい。
【0015】上記の永久磁石を支持する回転盤は、実施
例で図示する円盤状の構成に限定されるものではなく、
1つのリング状磁石あるいは複数のリング状磁石を同心
状に支持でき、超電導体との相対的な回転を阻害しない
構成であればいずれの形態でも良く、材質にはAl、C
u等の非磁性材が用いられる。
【0016】図面による発明の開示図1、図2にこの発
明による超電導浮上型回転装置用回転盤の一例を示して
いる。非磁性材の回転盤3aの片面には軸2を中心とし
て同心状に6分割、12分割、18分割のNd−Fe−
B系永久磁石からなるリング状永久磁石1を埋設配置さ
れ、各リング状永久磁石1上面には、磁石と同様形状の
リング状金属軟質磁性材料4が着設してある。
【0017】
【作用】この発明による超電導浮上型回転装置は、回転
盤に設けた分割型の永久磁石の表面磁束密度を均一にで
きるため、回転に対する抵抗が小さくなり、回転性能を
向上させることができる。さらに、永久磁石の対向面表
面に金属軟質磁性材料を接合することにより、磁束密度
は永久磁石のみの場合より大きくなるため、安定した浮
上力が得られる。
【0018】
【実施例】外径220mm、内径170mm、高さ20
mmのリング状Nd−Fe−B系磁石で6分割接着品の
表面磁束密度を測定した。図3の○印のプロットで示す
ように、接着部分(継ぎ目)で磁束密度が大きく低下し
ていることが分かる。そこで永久磁石に同じリング形状
で厚さ2mmのパーメンジュールからなる金属軟質磁性
材料を固着することによって、図3の□印のプロットで
示すように、表面の磁束密度を均一にすることができ
た。
【0019】また、図1に示した金属軟質磁性材料4を
リング状永久磁石1表面に固着して両面に配設した回転
盤3を、図4に示す超電導磁気軸受装置に使用した。こ
の装置の駆動用モータに電力を入力して作動させると、
リング状永久磁石表面に金属軟質磁性材料を固着しない
場合に比べて、回転数を上げることができ、非常に良い
回転性能であることが分かった。
【0020】
【発明の効果】この発明による超電導浮上型回転装置
は、分割型の永久磁石の発生する表面磁束密度を均一に
でき、回転に対する抵抗が小さくなり、円盤の回転に偏
心が発生せず、回転性能を向上させることができる。さ
らに、永久磁石表面に金属軟質磁性材料を着設すると磁
束密度は、着設前のより大きくなり安定した浮上力が得
られる利点がある。また、電力貯蔵装置用のフライホイ
ールの如く、回転盤の直径を大きくした場合には、必然
的に多数分割型の永久磁石を使用するが、この発明の金
属軟質磁性材料を永久磁石表面に着設することにより、
容易に永久磁石の発生する表面磁束密度を均一にでき、
半径数mクラスの回転盤でも容易に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による超電導浮上型回転装置に用いる
回転盤の一例を示す一部破断上面説明図である。
【図2】図1における直径方向の縦断説明図である。
【図3】回転盤の永久磁石の周方向角度と永久磁石表面
の磁束密度Bgとの関係を示すグラフである。
【図4】この発明による超電導浮上型回転装置の一例を
示す一部破断斜視説明図である。
【符号の説明】
1 リング状永久磁石 2 軸 3,3a 回転盤 4 金属軟質磁性材料 5 円盤 6 イットリウム系超電導体 7 駆動モータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F03G 3/00 ZAA F03G 3/08 ZAA F16C 32/04 ZAA H01L 39/00 ZAA H02K 7/09 ZAA

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空隙を形成して対向する少なくとも1つ
    のリング状永久磁石と、酸化物超電導体とを相対的に回
    転可能に配置した非接触の超電導浮上型回転装置におい
    て、前記リング状永久磁石の酸化物超電導体対向面に対
    向方向に貫通する継ぎ目のないリング状金属軟質磁性材
    料を固着したことを特徴とする超電導浮上型回転装置。
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JP3675010B2 (ja) * 1995-02-17 2005-07-27 セイコーエプソン株式会社 超電導軸受装置
JP3351203B2 (ja) * 1995-10-19 2002-11-25 住友電装株式会社 電線処理装置
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