JP2893291B2 - 制動装置 - Google Patents

制動装置

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、磁束侵入を許容する超伝導体を用いて回転
体を制動させる制動装置に関する。
<従来の技術> 従来から、回転体を制動するブレーキとして、例えば
電磁ブレーキやパウダーブレーキなどが知られている
が、いずれも磁気の吸引力を利用して制動するようにな
っており、制動時には物体どうしを接触させることによ
る摩擦で回転抵抗力を与えている。
<発明が解決しようとする課題> ところで、上記従来の制動装置では、摩擦による摩耗
や発熱が発生し、経時的な部品交換が必要になる。
本発明はこのような事情に鑑みて創案されたもので、
非接触での制動として、半永久的に部品交換を必要とし
ない制動装置の提供を目的としている。
<課題を解決するための手段> 本発明は、このような目的を達成するために、次のよ
うな構成をとる。
第1の発明の制動装置は、超伝導体に対する永久磁石
の磁束侵入量を制御して、回転体に適宜な回転抵抗力を
与えることにより回転体を制動するものであって、 回転体に永久磁石または永久磁石の磁束侵入を許容す
る超伝導体のいずれか一方を設け、それと対向する位置
に前記いずれか他方を配置し、前記回転体に設けられる
一方部材に対する他方部材の離間距離を変位手段で可変
することに特徴を有する。
第2の発明の制動装置は、超伝導体に対する永久磁石
の磁束侵入量を制御して、回転体に適宜な回転抵抗力を
与えることにより回転体を制動するものであって、 回転体に設けられかつ永久磁石の磁束侵入を許容する
超伝導体と、該超伝導体に対向配置される電磁石と、該
電磁石から発生する磁界強度を制御する制御手段とを具
備していることに特徴を有する。
<作用> 本発明における超伝導体は、永久磁石や電磁石から発
する磁束の侵入を許容する性質を持ついわゆる第2種超
伝導体である。この超伝導体は、永久磁石からの磁束が
侵入すると、永久磁石に対して相対離間位置を保つとい
う性質を持つ。ところで、超伝導体を回転させる場合、
当該超伝導体に侵入した磁束の分布が回転軸心に対して
均一で不変である限り、侵入磁束が回転抵抗にならな
い。しかし、磁束の分布が回転軸心に対して不均一にな
ると、侵入磁束が回転抵抗となる。
つまり、本発明は、超伝導体への侵入磁束が回転抵抗
となりうることに着目して、制動装置への適用を考えた
のである。
本発明によると、永久磁石または電磁石から発っせら
れる磁束を超伝導体に侵入させるのであるが、永久磁石
または電磁石と超伝導体とは回転体の回転によって相対
位置が常に変化するため、超伝導体における侵入磁束の
分布が回転軸心に対して不均一になり、結局、侵入磁束
が回転体の回転を妨げる抵抗となって回転体を制動する
ことになる。
特に、この第1の発明では、超伝導体に対する侵入磁
束量を、変位手段で超伝導体と永久磁石との相対離間距
離を可変することによって調整するようにしている。
また、第2の発明では、超伝導体に対する侵入磁束量
を、制御手段で電磁石から発生させる磁界強度を可変す
ることによって調整するようにしている。
<実施例> 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
第1図に第1の発明の第1実施例を示している。図
中、1は回転軸、2は回転軸1の軸端に取り付けられる
円板状の永久磁石、3は永久磁石2に所定間隔離されて
平行に対向配置される円板状の超伝導体である。
4は回転軸1をラジアル方向およびアキシャル方向に
非接触で支持する気体軸受装置である。5はエア供給源
であり、このエア供給源5から供給されるエアは、回転
軸1の中央付近に設けられたタービン羽根6に対して吹
きつけられて回転軸1を回転駆動する。7は回転軸1の
回転数を検出する回転計である。
8は超伝導体3を保持する冷却槽で、この冷却槽8に
充填される液体窒素でもって超伝導体3が超伝導状態を
呈する臨界温度に保たれる。9はこの冷却槽8を上下方
向に昇降させるリフトで、このリフト9により回転軸1
に取り付けられた永久磁石2に対する超伝導体3の離間
距離hが任意に調整されるようになっている。このリフ
ト9が請求項(1)に記載の変位手段に相当する。
そして、永久磁石2としては、適当な磁界強度でかつ
磁界強度分布が適当にばらついたものが採用される。超
伝導体3は、イットリウム系高温超伝導体、例えばYBa2
Cu3Oxからなる基板の内部に常伝導粒子(Y2Ba1Cu1)を
均一に混在させたものからなり、永久磁石から発っせら
れる磁束侵入を拘束する性質を持ついわゆる第2種超伝
導体である。
次に動作を説明する。
リフト9で冷却槽8を所定位置まで下降させることに
より、回転軸1に取り付けられる永久磁石2に対して超
伝導体3を遠くに離して、永久磁石2の磁束が超伝導体
3に全く関与しないようにしておく。この状態では、回
転軸1と一体の永久磁石2から発する磁束が超伝導体3
に全く関与しないので、回転軸1を所定の回転数で回転
させても回転抵抗を受けずに回転する。
このように回転している回転軸1を停止させるとき
は、リフト9で冷却槽8ごと超伝導体3を持ち上げて回
転軸1の永久磁石2に対して接近させる。すると、永久
磁石2がまだ超伝導体3から比較的遠い位置に存在して
いると、永久磁石2それぞれから発する磁束が僅かに超
伝導体3に侵入するもののほとんどが超伝導体3から反
発する(マイスナー効果)。この状態では、回転抵抗力
はほとんど働かない。そして、前記位置からさらに超伝
導体3を永久磁石2に接近させた位置では、永久磁石2
から発する磁束の一部が超伝導体3の内部に侵入するこ
とになる(トラップ現象)。この状態では、回転軸1の
回転によって磁界強度分布が不均一な永久磁石2の場
合、超伝導体3が受ける磁界強度が常に変化させられる
ため、超伝導体3における侵入磁束の分布が回転軸心に
対して不均一になり、結局、侵入磁束が回転軸1の回転
を妨げる抵抗となって回転軸1を徐々に停止させること
になる。
以上説明したような永久磁石2と超伝導体3とによる
制動作用を、第2図に示す実験結果に基づいて説明す
る。
この実験では、四種類の永久磁石2を用いた。すなわ
ち、四つの永久磁石2の磁界強度はいずれも約1000ガウ
スに設定されているが、回転に対する磁界強度分布はそ
れぞれ約±25ガウス、約±50ガウス、約±100ガウス、
約±200ガウスとばらつきを持つ。このような磁界強度
分布のばらつきの異なる四種類の永久磁石2を用意し
た。ちなみに、磁界強度分布のばらつき測定は、第1図
において回転軸1の永久磁石2に対してホール素子を対
向配置させ、回転軸1を回転させることにより行った。
そして、上記四種類の永久磁石を用いた場合につい
て、回転軸1を300rpmで回転させた状態にて制動開始か
ら完全に停止するまでに要する時間は次のとおりとなっ
た。まず、約±25ガウスのばらつきを持つ永久磁石2の
場合、第2図中のaで示すように50秒以上、約±50ガウ
スのばらつきを持つ永久磁石2の場合、第2図中のbで
示すように約40秒、約±100ガウスのばらつきを持つ永
久磁石2の場合、第2図中のcで示すように約30秒、約
±200ガウスのばらつきを持つ永久磁石2の場合、第2
図中のdで示すように約15秒である。
このように、永久磁石2の磁界強度が同一であっても
回転に対する磁界強度分布のばらつきが大きいもの程、
制動力が大きくなることが判った。
なお、上記実施例では、回転軸1に永久磁石2を、そ
れと対向する位置に超伝導体3を配置した場合を例に挙
げているが、本発明はそれのみに限定されず、永久磁石
2と超伝導体3との取付状況を前記とは反対として実施
することができる。具体的に、第1の発明の第2実施例
を第3図に、第3実施例を第4図にそれぞれ示してい
る。すなわち、第2実施例では、第3図に示すように、
回転軸1の下端に円板状の超伝導体3を取り付け、それ
と軸方向で相対するように一個(またはそれ以上)の永
久磁石2を設けるとともに、この永久磁石2を超伝導体
3に対して遠近変位させる変位装置9aを設けている。こ
の実施例の場合、超伝導体3への侵入磁束量を、変位装
置9aで永久磁石2の変位量を可変することにより調節す
るようになっている。第3実施例では、第4図に示すよ
うに、回転軸1の下端において、外周全周を覆うように
リング状の超伝導体3を取り付け、この超伝導体3の円
周上の一ケ所(またはそれ以上)に径方向で対向するよ
うに永久磁石2を配置するとともに、この永久磁石2を
超伝導体3に対して遠近変位させる変位装置9aを設ける
ようにしてもよい。
なお、上記第2,第3実施例において、永久磁石2を複
数個用いる場合、それぞれ超伝導体2に面する側の磁極
が隣り合うものに対して互いに異なるように配置され
る。例えば、四個の永久磁石2を用いる場合において、
任意の一つの永久磁石2の超伝導体3に面する側をN極
とすると、それの両隣りに位置する永久磁石2の超伝導
体3に面する側をS極とし、180度対向する位置の永久
磁石2の超伝導体3に面する側をN極とするようにそれ
ぞれ設定される。このようにすれば、隣り合う永久磁石
2の磁界強度の±の方向が反対となるために、両者の磁
場変化の差が大きくなって大きな回転抵抗力を産み出す
ことになる。
第5図に第2の発明の第1実施例を示している。第1
図の気体軸受装置4でもって支持される回転軸1の下端
に円板状の超伝導体3を取り付けて、この超伝導体3に
軸方向で対向するよう電磁石10を配置するとともに、こ
の電磁石10で発生する磁界強度を制御装置11にて可変制
御させるようにしている。つまり、この場合、超伝導体
3に対する侵入磁束量は、制御装置11にて電磁石10の磁
界強度を可変することにより調整するようになってい
る。
また、第6図に第2の発明の第2実施例を示してい
る。すなわち、ここでは、回転軸1の下端において、外
周全周を覆うようにリング状の超伝導体3を取り付け
て、この超伝導体3の円周上の任意の一ケ所(または数
ケ所)に径方向で対向するように電磁石10を配置してい
る。そして、この場合、超伝導体3に対する侵入磁束量
は、制御装置11にて電磁石10の磁界強度を可変すること
により調整するようにしている。
このような第1、第2実施例の場合、回転している回
転軸1を制動するに際して、制御装置11により電磁石10
で発生させる磁界強度をコントロールすることにより、
回転軸1を徐々に停止させることができる。特に、複数
の電磁石10を用いる場合には、隣り合う電磁石10それぞ
れを互いに異なる磁極に磁化させることにより、超伝導
体3に対して与える磁場変化の差を大きくすることがで
き、大きな回転抵抗力を得ることができるようになる。
なお、上記実施例において、回転軸1の支持構造や駆
動形態については特に限定されず、種々なものが考えら
れる。
<発明の効果> 以上説明したように、本発明の制動装置によれば、物
体相互の摩擦をなくして回転体を制動させることができ
るので、摩耗や発熱が全くなくて済み、結局、部品交換
が不要で寿命向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は第1の発明の第1実施例に係り、
第1図は制動装置の全体を示す縦断面図、第2図は回転
軸の回転数と停止時間との関係を表す図である。第3図
は第1の発明の第2実施例の要部を示す側面図、第4図
は第1の発明の第3実施例の要部を示す側面図である。 また、第5図は第2の発明の第1実施例の要部を示す側
面図、第6図は第2の発明の第2実施例の要部を示す側
面図である。 1……回転軸、2……永久磁石 3……超伝導体、9……リフト(変位手段) 10……電磁石、11……制御装置(制御手段)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超伝導体に対する永久磁石の磁束侵入量を
    制御して、回転体に適宜な回転抵抗力を与えることによ
    り回転体を制動する制動装置であって、 回転体に永久磁石または永久磁石の磁束侵入を許容する
    超伝導体のいずれか一方を設け、それと対向する位置に
    前記いずれか他方を配置し、前記回転体に設けられる一
    方部材に対する他方部材の離間距離を変位手段で可変す
    ることを特徴とする制動装置。
  2. 【請求項2】超伝導体に対する永久磁石の磁束侵入量を
    制御して、回転体に適宜な回転抵抗力を与えることによ
    り回転体を制動する制動装置であって、 回転体に設けられかつ永久磁石の磁束侵入を許容する超
    伝導体と、該超伝導体に対向配置される電磁石と、該電
    磁石から発生する磁界強度を制御する制御手段とを具備
    していることを特徴とする制動装置。
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