JP3104111B2 - 超電導軸受装置 - Google Patents

超電導軸受装置

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JP3104111B2 JP05108980A JP10898093A JP3104111B2 JP 3104111 B2 JP3104111 B2 JP 3104111B2 JP 05108980 A JP05108980 A JP 05108980A JP 10898093 A JP10898093 A JP 10898093A JP 3104111 B2 JP3104111 B2 JP 3104111B2
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    • 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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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば高速回転を
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に変換して貯蔵する電力貯蔵装置、
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】従来、この種超電導軸受装置として、回
転体と、回転体の周囲に隙間をおいて配置されかつ中空
部を有する環状ハウジングと、回転体の回転軸心の周囲
の磁束分布が回転によって変化しないように、回転体に
同心状にかつ固定状に設けられた環状永久磁石と、永久
磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転
体の回転によって侵入磁束の分布が変化しないように、
環状ハウジングの中空部内に配置されている超電導体
と、環状ハウジングの中空部内に冷却流体を循環させる
手段とを備えており、環状ハウジングが２つの構成部材
により形成されており、両構成部材が相互に溶接されて
いるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超電導軸受装置では、環状ハウジングの両構成部材が相
互に溶接されているので、その内部に配置された超電導
体を取り出すことができず、超電導体の交換や、超電導
体の点検などの保守作業を行うことができないという問
題があった。
【０００４】この発明の目的は、上記問題を解決した超
電導軸受装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明による超電導軸
受装置は、回転体と、回転体の周囲に隙間をおいて配置
されかつ中空部を有する環状ハウジングと、回転体の回
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、回転体に同心状にかつ固定状に設けられた環状永久
磁石と、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であ
ってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化し
ないように、環状ハウジングの中空部内に配置されてい
る第２種超電導体と、環状ハウジングの中空部内に冷却
流体を循環させる手段とを備えている超電導軸受装置に
おいて、環状ハウジングが２つの構成部材により形成さ
れており、両構成部材が、金属製シール部材を介して中
空部が密封状態となるように、ねじ手段により相互に着
脱自在に固定されているものである。
【０００６】上記超電導軸受装置において、環状ハウジ
ングが上下２つの構成部材により形成されており、いず
れか一方の構成部材に回転体の周囲に隙間をおいて位置
しかつ軸方向の長さが環状ハウジングの軸方向の長さよ
りも長くされるとともに中空部の周壁の一部を構成する
円筒状薄壁部分が形成されており、円筒状薄壁部分の長
さの中間部に外向きフランジが固定状に設けられるとと
もに、円筒状薄壁部分の外向きフランジよりも先端部側
の外周面におねじが形成され、他方の構成部材に、先端
部が円筒状薄壁部分の外向きフランジにおける円筒状薄
壁部分先端側を向いた面に金属製シール部材を介して当
接させられるとともに中空部の周壁の一部を構成する水
平状薄壁部分が形成され、円筒状薄壁部分における水平
状薄壁部分よりも先端側に押えリングが嵌め被せられる
とともに、おねじにナットがねじ嵌められ、これにより
水平状薄壁部分が金属製シール部材を介して外向きフラ
ンジに圧接させられていることがある。
【０００７】
【作用】環状ハウジングが２つの構成部材により形成さ
れており、両構成部材が、金属製シール部材を介して中
空部が密封状態となるように、ねじ手段により相互に着
脱自在に固定されていると、両構成部材をねじ手段によ
り相互に固定している場合には、金属製シール部材の働
きにより中空部を確実に密封状態に保つことができる。
また、両構成部材は、ねじ手段により相互に着脱自在に
固定されていると、環状ハウジングの両構成部材を相互
に取外すことにより超電導体を取り出すことができる。
【０００８】環状ハウジングが上下２つの構成部材によ
り形成されており、いずれか一方の構成部材に回転体の
周囲に隙間をおいて位置しかつ軸方向の長さが環状ハウ
ジングの軸方向の長さよりも長くされるとともに中空部
の周壁の一部を構成する円筒状薄壁部分が形成されてお
り、円筒状薄壁部分の長さの中間部に外向きフランジが
固定状に設けられるとともに、円筒状薄壁部分の外向き
フランジよりも先端部側の外周面におねじが形成され、
他方の構成部材に、先端部が円筒状薄壁部分の外向きフ
ランジにおける円筒状薄壁部分先端側を向いた面に金属
製シール部材を介して当接させられるとともに中空部の
周壁の一部を構成する水平状薄壁部分が形成され、円筒
状薄壁部分における水平状薄壁部分よりも先端側に押え
リングが嵌め被せられるとともに、おねじにナットがね
じ嵌められ、これにより水平状薄壁部分が金属製シール
部材を介して外向きフランジに圧接させられていると、
両薄壁部分間での中空部の密封を簡単かつ確実に行うこ
とができる。
【０００９】
【実施例】以下、この発明の１実施例を、図面を参照し
て説明する。
【００１０】図１は超電導軸受装置の主要部を概略的に
示し、図２および図３はその要部を拡大して示し、図４
は環状ハウジングの固定部への取付け方を示す。
【００１１】図１において、超電導軸受装置は、垂直な
軸状の回転体(1) を備えている。回転体(1) は、大径部
(1a)、中径部(1b)および小径部(1c)を備えている。回転
体(1) の小径部(1c)に第１の環状永久磁石部(2) が同心
状にかつ固定状に設けられている。第１の永久磁石部
(2) は次のように構成されている。すなわち、小径部(1
c)の周囲に、複数の環状永久磁石(3A)(3B)(3C)が、回転
軸心方向に間隔をおいて嵌められている。隣接する永久
磁石(3A)〜(3C)どうしの間において、それぞれ環状スペ
ーサ(4) が小径部(1c)の周囲に嵌められている。また、
下端の永久磁石(3C)の下側において、小径部(1c)の周囲
に固定リング(5) が嵌め止められ、これにより永久磁石
(3A)〜(3C)およびスペーサ(4) が固定されている。永久
磁石(3A)〜(3C)およびスペーサ(4) の外周面は、中径部
(1b)と面一になっている。各永久磁石(3A)〜(3C)は上下
両端部が互いに逆の極性の磁気を帯び、隣接する２つの
永久磁石(3A)(3B)および(3B)(3C)のスペーサ(4) を介し
て対向する端部が同一の極性の磁気を帯びている。たと
えば、上端の永久磁石(3A)の上端部はＮ極、下端部はＳ
極の磁気を帯びており、中央の永久磁石(3B)の上端部は
Ｓ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、下端の永久磁
石(3C)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びてい
る。そして、各永久磁石(3A)〜(3C)の回転軸心の周囲の
磁束分布が、回転体(1) の回転によって変化しないよう
になっている。
【００１２】回転体(1) の中径部(1b)に第２の環状永久
磁石部(6) が同心状にかつ固定状に設けられている。第
２の永久磁石部(6) は次のように構成されている。すな
わち、中径部(1b)の周囲に、非磁性材料からなる水平円
板(7) が、回転体(1) と同心状にかつ固定状に設けられ
ている。水平円板(7) の外周縁部に円筒状垂下壁(8)が
一体に形成されている。垂下壁(8) の内側に複数の環状
永久磁石(9A)(9B)(9C)が半径方向に間隔をおいて配置さ
れている。隣接する永久磁石(9A)〜(9C)どうしの間にお
いて、それぞれ環状スペーサ(10)が配置されている。ま
た、最も内側の永久磁石(9A)の内側において、中径部(1
b)の周囲に固定リング(11)が嵌め止められ、これにより
永久磁石(9A)〜(9C)およびスペーサ(10)が固定されてい
る。各永久磁石(9A)〜(9C)は上下両端部が互いに逆の極
性の磁気を帯び、隣接する２つの永久磁石(9A)(9B)およ
び(9B)(9C)のスペーサ(10)を介して対向する端部が逆の
極性の磁気を帯びている。たとえば、最も内側の永久磁
石(9A)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びてお
り、中央の永久磁石(9B)の上端部はＮ極、下端部はＳ極
の磁気を帯びており、最も外側の永久磁石(9C)の上端部
はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びている。そして、各
永久磁石(9A)〜(9C)の回転軸心の周囲の磁束分布が、回
転体(1) の回転によって変化しないようになっている。
【００１３】第１永久磁石部(2) の外周面に対して半径
方向に間隔をおいて対向するとともに、第２永久磁石部
(6) の下端面に対して回転体(1) の回転軸心方向に間隔
をおいて対向するように、環状超電導体部(12)が配置さ
れて固定部(13)に固定されている。超電導体部(12)は、
たとえば銅あるいは非磁性ステンレス鋼からなる水平環
状ハウジング(14)を備えている。環状ハウジング(14)の
中心にはこれを上下に貫通する穴(14a) が形成され、こ
の貫通穴(14a) に回転体(1) が隙間をおいて通されてい
る。環状ハウジング(14)はその半径方向内側の部分に環
状中空部(15)を備えており、この環状中空部(15)内に、
複数の円板状第２種超電導体(16)が、周方向に等間隔を
おいて互いに近接するように配置されている。全ての円
板状超電導体(16)の体積は等しくなっている。環状ハウ
ジング(14)に、その内部の中空部(15)と連通するように
冷却流体供給管(17)および同排出管(18)が接続されてい
る。冷却流体供給管(17)および同排出管(18)は、図示し
ない温度制御ユニットを介して冷却装置に接続されてい
る。そして、冷却装置により冷却流体供給管(17)、環状
中空部(15)および冷却流体排出管(18)を介して、たとえ
ば液体窒素などの冷却流体が循環させられ、中空部(15)
内に満たされる冷却流体により超電導体(16)が冷却され
る。
【００１４】第２種超電導体(16)はイットリウム系高温
超電導体、たとえばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘからなるバルク
の内部に常電導粒子（Ｙ２Ｂａ１Ｃｕ１）を均一に混在
させたものからなり、第２種超電導状態が出現する環境
下において、永久磁石(3A)〜(3C)、(9A)〜(9C)から発せ
られる磁束を内部に拘束する性質を持つものである。そ
して、超電導体(16)は、永久磁石(3A)〜(3C)、(9A)〜(9
C)の磁束が所定量侵入する離間位置であってかつ上記回
転体(1) の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位
置に、第１永久磁石部(2) の永久磁石(3A)〜(3C)と回転
体(1) の半径方向に間隔をおいて対向するとともに、第
２永久磁石部(6) の永久磁石(9A)〜(9C)と回転体(1) の
回転軸心方向と間隔をおいて対向するように配置されて
いる。
【００１５】環状ハウジング(14)は、上下２つの構成部
材(19)(20)により形成されている。上部構成部材(19)
は、半径方向外側の部分を構成する厚肉部(19a) を備え
ている。厚肉部(19a) には半径方向にのびた貫通穴(21)
が形成されており、この貫通穴(21)に冷却流体排出管(1
8)が挿入固定されている。図２に示すように、厚肉部(1
9a) の下面における内周縁寄りの部分に環状凹溝(22)が
形成されている。また、厚肉部(19a) の内周面の上端部
には、環状中空部(15)の上壁を形成する水平状薄壁部分
(23)が半径方向内方に突出するように一体に形成され、
水平状薄壁部分(23)の半径方向内周縁に、回転体(1) の
第１永久磁石部(2) の周囲に隙間をおいて位置しかつ軸
方向の長さが環状ハウジング(14)の軸方向の長さよりも
長くされた円筒状薄壁部分(24)が下方に突出するように
一体に形成されている。円筒状薄壁部分(24)の長さの中
間部に外向きフランジ(24a) が一体に形成され、円筒状
薄壁部分(24)の外向きフランジ(24a) よりも下側の部分
の外周面におねじ(24b) が形成されている。
【００１６】下部構成部材(20)は、半径方向外側の部分
を構成する厚肉部(20a) を備えている。厚肉部(20a) に
は半径方向にのびた貫通穴(25)が形成されており、この
貫通穴(25)に冷却流体供給管(17)が挿入固定されてい
る。図２に示すように、厚肉部(20a) の上面における内
周縁寄りの部分に、環状凹溝(22)に嵌まる環状突起(26)
が形成されている。環状突起(26)の先端は金属製、たと
えばインジウム製シール部材(27)を介して環状凹溝(22)
の底面に当接させられている。厚肉部(20a) の下面の外
周縁部に円筒状垂下壁(28)が一体に形成されており、垂
下壁(28)の内周面に、円周方向に間隔をおいて複数の突
部(28a) が形成されている。また、厚肉部(20a) の内周
面の下端部には、環状中空部(15)の下壁を形成する水平
状薄壁部分(29)が一体に形成されている。図３に示すよ
うに、水平状薄壁部分(29)の先端部は、円筒状薄壁部分
(24)の外向きフランジ(24a) の下面に金属製、たとえば
インジウム製シール部材(30)を介して当接させられるよ
うになっている。
【００１７】上下の構成部材(19)(20)は次のようにして
互いに固定され、環状ハウジング(14)が組立てられてい
る。すなわち、上部構成部材(19)の環状凹溝(22)内に金
属製、たとえばインジウム製のシール部材(27)が嵌め入
れられるとともに下部構成部材(20)の環状突起(26)が嵌
め入れられている。また、下部構成部材(20)の水平状薄
壁部分(29)の先端部が上部構成部材(19)の円筒状薄壁部
分(24)の外向きフランジ(24a) の下面にインジウム製シ
ール部材(30)を介して当接させられる。そして、下部構
成部材(20)の厚肉部(20a) に形成された垂直状貫通穴(3
1)に下方から通されたボルト(32)が、上部構成部材(19)
の厚肉部(19a) に形成された垂直状ねじ穴(33)にねじ嵌
められている。さらに、円筒状薄壁部分(24)における水
平状薄壁部分(29)よりも先端側に押えリング(34)が嵌め
被せられるとともに、おねじ(24b) にナット(35)がねじ
嵌められ、これにより水平状薄壁部分(29)の先端部がシ
ール部材(30)を介して外向きフランジ(24a) に圧接させ
られている。
【００１８】環状ハウジング(14)は、固定部(13)の水平
壁(13a) 上に環状断熱材(36)を介して載せられ、水平壁
(13a) に固定されている。図４に示すように、水平壁(1
3a)の上面に環状の浅い凹所(37)が形成されている。凹
所(37)の半径方向内側の周面に、円周方向に間隔をおい
て複数の突部(37a) が形成されている。断熱材(36)は、
その内周面が凹所(37)の突部(37a) に接触し、外周面が
下部構成部材(20)の突部(28a) と接触するように配置さ
れている。そして、環状ハウジング(14)の両構成部材(1
9)(20)の厚肉部(19a)(20a)および断熱材(36)を上方から
貫通したボルト(38)を、水平壁(13a) の凹所(37)の底面
に形成されたねじ穴(39)にねじ嵌めることにより環状ハ
ウジング(14)が固定部(13)に固定されている。ボルト(3
8)が断熱材(36)を貫通した部分において、断熱材(36)の
上下両面と、下部構成部材(20)の下面および水平壁(13
a) の凹所(37)の底面との間に、それぞれスペーサ(40)
が配置されてボルト(38)の周囲に嵌められている。
【００１９】超電導軸受装置を作動させる場合、超電導
体(16)は、環状ハウジング(14)の中空部(15)内に循環さ
せられる適当な冷却流体によって冷却され、第２種超電
導状態に保持される。このため、回転体(1) の２つの永
久磁石部(2)(6)から発せられる磁束の多くが超電導体(1
6)の内部に侵入して拘束されることになる（ピンニング
現象）。ここで、超電導体(16)はその内部に常電導体粒
子が均一に混在されているため、超電導体(16)内部への
侵入磁束の分布が均一となり、超電導体(16)に対して永
久磁石部(2)(6)とともに回転体(1) が拘束される。その
ため、回転体(1) は、きわめて安定的に浮上した状態
で、アキシアル方向およびラジアル方向に支持されるこ
とになる。
【００２０】環状ハウジング(14)内の超電導体(16)を交
換する場合や、環状超電導体部(12)の保守作業のために
超電導体(16)を点検する場合、ボルト(38)を外して環状
ハウジング(14)を固定部(13)から取り外し、さらにボル
ト(32)を外すとともにナット(35)を外し、両構成部材(1
9)(20)を相互に取外して行なえばよい。
【００２１】上記実施例においては、冷却流体排出管(1
8)が冷却流体供給管(17)よりも上方に位置しているの
で、環状ハウジング(14)の中空部(15)内で気化したガス
状冷却流体が、中空部(15)内に溜まることなく冷却流体
排出管(18)から排出される。したがって、超電導体(16)
の冷却効率が向上する。
【００２２】また、上記実施例においては、環状ハウジ
ング(14)は断熱材(36)を介して固定部(13)に載せられて
おり、しかも断熱材(36)は突部(28a)(37a)およびスペー
サ(40)を介して下部構成部材(20)および固定部(13)に接
触しているので、環状ハウジング(14)への熱の流入が少
なく、超電導体(16)の冷却効率が向上する。
【００２３】
【発明の効果】この発明の超電導軸受装置によれば、上
述のように、金属製シール部材の働きにより中空部を確
実に密封状態に保つことができるので、中空部内に循環
させられかつ超電導体を超電導状態に保持するための低
温の冷却流体の洩れを防止することができる。また、環
状ハウジングの両構成部材を相互に取外すことにより超
電導体を取り出すことができるので、保守作業時の超電
導体の点検や、超電導体の交換を簡単に行うことができ
る。
【００２４】また、環状ハウジングの一方の構成部材の
円筒状薄壁部分と、他方の構成部材の水平状薄壁部分と
の間での中空部の密封を簡単かつ確実に行うことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導軸受装置の主要部を概略的に示す縦断面
図である。
【図２】図１の一部分を拡大して示す図である。
【図３】図１の他の一部分を拡大して示す図である。
【図４】環状ハウジングの固定部への取付け方を示す分
解斜視図である。
【符号の説明】
１ 回転体 3A〜3C 永久磁石 9A〜9C 永久磁石 １４ 環状ハウジング １５ 中空部 １６ 第２種超電導体 １７ 冷却流体供給管 １８ 冷却流体排出管 １９ 上部構成部材 ２０ 下部構成部材 ２４ｂ おねじ ２７ シール部材 ３０ シール部材 ３２ ボルト ３３ ねじ穴 ３４ 押えリング ３５ ナット

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回転体と、回転体の周囲に隙間をおいて配
    置されかつ中空部を有する環状ハウジングと、回転体の
    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、回転体に同心状にかつ固定状に設けられた環状永
    久磁石と、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置で
    あってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化
    しないように、環状ハウジングの中空部内に配置されて
    いる第２種超電導体と、環状ハウジングの中空部内に冷
    却流体を循環させる手段とを備えている超電導軸受装置
    において、 環状ハウジングが２つの構成部材により形成されてお
    り、両構成部材が、金属製シール部材を介して中空部が
    密封状態となるように、ねじ手段により相互に着脱自在
    に固定されている超電導軸受装置。
  2. 【請求項２】 環状ハウジングが上下２つの構成部材に
    より形成されており、いずれか一方の構成部材に回転体
    の周囲に隙間をおいて位置しかつ軸方向の長さが環状ハ
    ウジングの軸方向の長さよりも長くされるとともに中空
    部の周壁の一部を構成する円筒状薄壁部分が形成されて
    おり、円筒状薄壁部分の長さの中間部に外向きフランジ
    が固定状に設けられるとともに、円筒状薄壁部分の外向
    きフランジよりも先端部側の外周面におねじが形成さ
    れ、他方の構成部材に、先端部が円筒状薄壁部分の外向
    きフランジにおける円筒状薄壁部分先端側を向いた面に
    金属製シール部材を介して当接させられるとともに中空
    部の周壁の一部を構成する水平状薄壁部分が形成され、
    円筒状薄壁部分における水平状薄壁部分よりも先端側に
    押えリングが嵌め被せられるとともに、おねじにナット
    がねじ嵌められ、これにより水平状薄壁部分が金属製シ
    ール部材を介して外向きフランジに圧接させられている
    請求項１記載の超電導軸受装置。
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