JP3554054B2

JP3554054B2 - 超電導軸受装置

Info

Publication number: JP3554054B2
Application number: JP32912394A
Authority: JP
Inventors: 紀夫伊東; 寛今泉; 博正樋笠; 文彦石川
Original assignee: Seiko Epson Corp; Shikoku Research Institute Inc
Current assignee: Seiko Epson Corp; Shikoku Research Institute Inc
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JPH08177856A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、高速回転を必要とする流体機械や工作機械や、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等に用いられる超電導体を利用した超電導軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超電導体を利用して、回転体（以下、回転軸を含む意味で用いる。）を非接触状態で軸支することにより高速回転を可能とした超電導軸受装置が開発されている。当初は、軸心を垂直にした回転体に同心状に設けられ、且つ回転体の軸心方向に沿った両端部が互いに逆の極性を帯びた１つの環状永久磁石と、この永久磁石の対向面に対して回転軸心方向に間隔をおいて対向設置された環状超電導対とを備えて構成されていた。その後、環状永久磁石の多重化を行い、隣接する環状永久磁石の着磁方向を逆方向にすることにより超電導体部への磁場強度向上を図り、軸受の浮上力、剛性の向上策が提案されていた（例えば特開平５−１８０２５５号）。
【０００３】
また、環状超電導体と環状永久磁石とを半径方向に間隔を設けて対向させて半径方向の剛性向上を図る提案や、剛性の更なる向上策として軸方向に同径の永久磁石を複数並べ、隣接する環状永久磁石の着磁方向を逆方向としている例等が開示されていた（例えば特開平４−１９１５２０号）。
【０００４】
更に、更なる剛性の向上策として、環状磁性体を挟んで、互いに軸方向に反発する方向に着磁された複数の環状永久磁石を設けた構成とし、前記環状磁性体から超電導体部への磁場強度の向上を図った例が開示されていた（例えば特開平６−８１８４５号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報記載の従来例では、以下のような課題を抱えていた。即ち、特開平５−１８０２５５号公報に示されているような超電導体と永久磁石の組合せでは、従来、非接触軸受として一般的な能動制御型の磁気軸受と較べて剛性が低く、特に軸受にとって重要な半径方向の剛性が非常に低く、実用性を欠くものとなっていた。超電導体と永久磁石を使用した超電導軸受の剛性は、永久磁石の発生する磁場勾配と超電導体の磁化モーメントの大きさに比例する。前記公報のような構成で剛性向上を図るためには、ピン止め力の大きな超電導体を使用するか、又は永久磁石の高性能化を図る以外に方法は見あたらない。そこで前記特開平４−１９１５２０号公報にて示されているように、半径方向の剛性を高めるべく環状超電導体と環状永久磁石を径方向に配置した提案がなされているが、同公報のように環状磁石を半径方向に配向させて着磁（ラジアル着磁）することは極めて難しい。そこで通常、前記特開平４−１９１５２０号公報に示されたような着磁を行なうには、図１９に示すように、着磁のなされた複数の永久磁石片を円周方向に接合することにより、環状永久磁石を作製するのが一般的である。ところがこのような環状永久磁石磁石においては、図２０に示すように、回転方向での磁場の均一度が磁石の継目部分で悪化して磁束むらを生じ、軸受での回転エネルギー損失が増大する不具合を生ずる。
【０００６】
また、特開平６−８１８４５号に示されるような例では、磁場強度の向上に対して有効となることに加えて、磁石の着磁方法が容易となる優位性はあるが、磁石自体の機械的強度が他の金属材料に比べて弱いために、高速回転化が難しい。
【０００７】
更に、超電導体と永久磁石のピンニング効果を利用した超電導軸受は、大きな載荷力を発生する特徴も有する。その特徴を生かしてフライホイールのような重量物を高速に回転させて、フライホイールの運動エネルギーとして、電力を貯蔵する電力貯蔵装置への応用が考えられる。その際、超電導軸受に要求されることは、高速回転に耐えられる機械的強度の確保と、重量物を支える載荷力（浮上力）の確保である。回転強度を向上させるには、例えば回転部が磁石の場合は、その磁石の機械的な強度の向上を必要とするが、材料強度の向上のみでは対応できず、外部から別の強化部材にて、強度を確保する必要がある。しかし、それでも磁石材料の圧縮応力の制約により、磁石の配置できる径寸法は制限されることになる。一方、載荷力を増加させるためには、磁石の磁場強度の向上とともに、超電導体と永久磁石の対向面積を大きくする必要がある。面積を確保するためには磁石部の外径を大きくする必要があるが、前述したように、回転強度の限界から磁石部の外径寸法には大きな制約が生ずる。
【０００８】
そこで、本発明は、環状磁石による円周方向（回転方向）の磁束むらを低減して円周方向における表面磁束密度の均一性が向上し、更に環状磁石の半径方向の磁場強度を増大することによって半径方向の剛性が向上し、環状磁石部の外形状を大きくしないで、軸受の載荷力を大きくすることができ、また、高速回転化に対して磁石の機械的強度を向上させることができ、その結果、安定し且つ載荷力の大きな超電導軸受装置を提供することを目的にしている。
【００１１】
上記目的を達成するために、本願第１請求項に係る超電導軸受装置は、回転体部及び固定体部の一方に装着される超電導体部と他方に装着される磁石部とを備える形式の超電導軸受装置において、
前記超電導体部は、前記磁石部との間に復原力を有する超電導体と、この超電導体を支持する支持体とから構成され、
前記磁石部は、前記回転体部の軸心を同心とする環状磁石を備えて構成され、
前記環状磁石と前記超電導体部とが、前記回転体の半径方向で間隔を設けて向き合うように配設され、
前記磁石部は、前記超電導体部の内径側に位置するとともに、環状磁性体を挟んで軸方向に反発する方向に着磁された少なくとも２つの環状磁石にて構成され、
更に、前記環状磁性体の内径寸法が、前記環状磁石の内径寸法よりも大きい構成の超電導軸受装置である。
【００１２】
本願第２請求項に係る超電導軸受装置は、回転体部及び固定体部の一方に装着される超電導体部と他方に装着される磁石部とを備える形式の超電導軸受装置において、
前記超電導体部は、前記磁石部との間に復原力を有する超電導体と、この超電導体を支持する支持体とから構成され、
前記磁石部は、前記回転体部の軸心を同心とする環状磁石を備えて構成され、
前記環状磁石と前記超電導体部とが、前記回転体の半径方向で間隔を設けて向き合うように配設され、
更に、前記磁石部は、前記超電導体部の外径側に位置するとともに、前記環状磁性体の外径寸法が、前記環状磁石の外径寸法よりも小さい構成の超電導軸受装置である。
【００２１】
【作用】
この種の超電導軸受装置において、少なくとも２つの前記環状磁石に挟まれた磁性体を配設することによって、半径方向の磁場強度を増大させるとともに円周方向の磁束むらを低減し、円周方向における表面磁束密度の均一性が向上する。
【００２２】
そして前記環状磁石を超電導体の外周側に配置するとともに、これら環状磁石が、環状の磁石ケースの内周溝に収納されるので、前記環状磁石の機械強度補強が容易となり、前記環状磁石の高速回転化が可能となる。
【００２５】
そして、環状磁性体と環状磁石との半径方向の寸法を変えることとした場合は、磁束漏洩の低減とともに、磁場強度の更なる増大が図られる。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
図１は、外転型の超電導軸受装置の主要部の縦断面図であり、この超電導軸受装置１は、固定されて設けられた筒形状の固定体部Ｂの回りに、後述する超電導体と永久磁石のピン止め力（ピンニング現象）により、環形状の回転体部Ａを配設して構成され、図示しないハウジングに収納されている。この固定体部Ｂには、超電導体部５が、また回転体部Ａには、後述する磁石部８が、それぞれ設けられている。更に、この超電導体部５は、支持体３と超電導体４とにより構成されている。
【００２８】
即ち、このハウジング内には、ハウジングに支持固定された円筒状の冷却ケース２が設けられ、この冷却ケース２の外径側には、環状の支持体３が固定されている。この支持体３は、銅又は他の金属材料により形成されており、支持体３内部には、超電導体４が環状に埋設されている。
【００２９】
前記超電導体４は、イットリウム系高温超電導体、例えば、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘからなる基板の内部に、常電導粒子Ｙ_２Ｂａ_１Ｃｕ_１を均一に混在させたものからなり、後述する環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂが発生する磁束の侵入を拘束する性質を有している。また、超電導体４の回転軸方向の長さと、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの回転軸方向の合計した長さは、略等しく設定されているか、又は、超電導体の回転軸方向の長さの方が短く設定されている。
【００３０】
更に、超電導体４は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂと半径方向に対面し、この環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂからの磁束が所定量侵入する位置において、回転体部Ａの回転により後述する侵入磁束の分布が変化しない位置で、離間して配置されている。
【００３１】
尚、図１中、１３はハウジング内の冷却ケース２を冷却する冷凍機、１４は冷凍機１３の温度制御を行なう温度制御ユニットを示す。
【００３２】
また、前記回転体部Ａは、ハウジング内に収納された環状の回転体７と、この回転体７に固着された磁石部８とから構成されている。この磁石部８は、本実施例においては、図２に示すように、環状の磁石ケース９の内周側に凹溝１０を設け、この凹溝１０内に、環状の磁性体１２を挟み込んだ２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂを、嵌挿した構成に設けられている。これらの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの着磁方向は、環状磁性体１２を挟んで、互いに軸方向に同極が向き合う方向となっている。このように環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂとその間に挟み込まれた環状磁性体１２は、磁石ケース９に設けられた凹溝１０内に配設され強固に固定されている。
【００３３】
本実施例では、前記環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂには例えばＰｒ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系の熱間加工方法で製造された永久磁石を、また、環状磁性体１２には純鉄等の軟鉄を使用した。このような構造においては、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１ＢのＮ極からの磁束は、図２に矢印で示すように、環状磁性体１２を通り、それぞれの環状永久磁石１１Ａ，１１ＢのＳ極に戻る。この際、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂからの磁束は、環状磁性体１２により絞られるため、前記超電導体４に作用する磁束密度は大幅に増大する。
【００３４】
この場合の表面磁束分布は、図３に示すように、環状磁性体１２の表面付近で磁束密度が大きくなっている。また、磁束密度のピークの大きさについては、図４に示すように、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂと環状磁性体１２の軸方向の厚みＵを変化させることによって可変させることが可能である。もっとも、本発明の効果を発揮させるためには、少なくとも環状磁性体１２の厚みＵは環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂよりも薄くする必要がある。
【００３５】
このような超電導軸受装置１においては、超電導体４が冷却ケース２内の循環冷媒により冷却され、超電導状態に保持される。そして超電導状態では、回転体７の環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂからの磁束が超電導体４内部に侵入し、超電導体４内部では、均一に混在された常電導体粒子により超電導体４内部の侵入磁束分布が一定となり、あたかも超電導体４に立設した仮想ピンに回転体７の環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂが貫かれたように、回転体７が環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂとともに、超電導体４に拘束された状態（ピンニング現象）で、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂが回転する。
【００３６】
本実施例において、前述した通り、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂ間に挟まれた環状磁性体１２により、磁束密度のピークを大きくすることが可能であり、このように超電導体４に作用する磁束密度を大きくすることは、磁石部８と超電導体４との剛性を向上させることになる。
【００３７】
また、これ以外の効果として、環状磁性体１２は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの磁束むらを緩和する役目を果たす。即ち、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂには、製造上、表面磁束密度むらが存在し、回転周方向の磁束むらは超電導体４内部にて回転エネルギー損失を生むこととなる。ところが、この環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの磁束むらを、環状磁性体１２が拡散させるため、回転周方向の磁束むらを減少させることができ、回転エネルギー損失を軽減することができる。
【００３８】
更に、本実施例においては、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの発する磁束が環状磁性体１２内で飽和状態になるように、環状磁性体１２の軸方向の厚さを決定ししている。即ち、環状磁性体１２内の磁束密度は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの総磁束量と、環状磁性体の軸方向の厚みによって変わることになるが、本実施例では環状磁性体１２内の磁束が飽和状態になるように、当該環状磁性体の厚さを選んだ。このように磁束が飽和状態になった環状磁性体１２は、それ以上厚さを薄くすると表面磁束密度はあまり増えず、環状磁性体１２を挟んで対向する環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂに減磁界を与える。逆に、それ以上環状磁性体１２の軸方向の厚さを厚くすると、表面に現われる磁束密度のピークは減少し、軸受剛性は低減するが、磁束むらの緩和効果が上がり、より回転エネルギー損失の低減に役立つこととなる。
【００３９】
また、本実施例では、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。そして、超電導体は高価で加工性に難があるところ、前述したように磁石部からの磁束の殆どは環状磁性体から生ずるため、対向する超電導体の軸方向の長さは、環状永久磁石の軸方向の長さよりも短くすることが可能であり、従って、超電導体を小さくすることができるので、このような問題に対処することができる
本実施例にて示した環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂは軸方向の着磁であり、着磁作業は容易である。また、超電導軸受装置の軸受が大型化して、一体の環状永久磁石が製造できず、従って図５に示すように、複数の永久磁石を各々接合して環状磁石１１Ａ，１１Ｂを構成した場合でも、両磁石１１Ａ，１１Ｂ間に環状磁性体１２を配設した本発明の構成によれば、磁束むらを生じさせない大型軸受を作成することが可能となる。
【００４０】
また、本実施例においては、超電導体４を備えた固定体部Ｂの回りに、環状の磁石ケース９の内周溝１０に環状磁石１１Ａ，１１Ｂを収納した回転体Ａを配設した外転型に構成したので、回転動作時には、磁石ケース９が環状磁石１１Ａ，１１Ｂの飛散防止の役割を果たすために、工作機械用のスピンドル用軸受等の高速回転化が必要な用途には最適となる。
【００４１】
更に、本実施例において、回転体Ａは前述したように外転型であるため、内転型のものに比べ、次のような利点がある。外転型の場合は、大口径の軸受を構成する必要がある場合や、外径より回転出力を取り出すような用途にも好適である。内転型の場合は大口径の軸受を構成することが困難である。すなわち、内転型で大口径の軸受を形成すると、内外周差が大きくなってしまい、回転張力により回転体の中心部に応力が集中し破壊する虞を生じる。尚、この観点からは、外転型の場合も、前記環状磁石１１Ａ、１１Ｂの内外周の寸法差を可及的に小さくすることが好ましい。また、内転型の場合は、回転体の外側に固定体を配置しなければならないから、以外と組み立てにくいものであるが、外転型の場合はそのような不都合はない。
【００４２】
尚、本実施例及び以下に述べる各実施例において、超電導体４の冷却に間接冷却方法を使用した例を示しているが、冷却効率を高めるために支持体３を中空として、内部に液体窒素等の冷媒を流すように構成した直接冷却方法を使用してもも良い。その場合は、支持体３は外部への熱的な漏洩を防ぐために、熱電導の低い材料を使用するのが望ましい。
【００４３】
（実施例２）
次に第２実施例を説明する。本実施例は、磁石部を積層構造として更なる高剛性化を図った外転型の超電導軸受装置である。図６は、超電導軸受装置１の主要部の縦断面図を示し、この超電導軸受装置１は、図示を省略したハウジングに固定され、超電導体部５が設けられた固定体部Ｂの回りに、磁石部８が設けられた回転体部Ａを配設して構成されている。また、同図において、磁石部８は、複数の環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅと複数の環状磁性体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの積層構造からなり、各環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの着磁方向は、環状磁性体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを挟んで同極が向き合う軸方向となっている。尚、以下の各実施例では、前記第１実施例と共通する構成については同一符号を付して説明を省略し、実施構成の要点について説明する。
【００４４】
図７に示すように、本実施例における磁石部８では、軸方向の上下に挟まれた環状永久磁石１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄからの磁束は、図７中の矢印にて示すように流れ、環状磁性体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ間の空間中の磁路が短くなる。従って、第１実施例にて示したものよりは、環状磁石永久磁石１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄのパーミアンスを高めることができ、従って超電導体部５への磁束密度をより一層向上させることが可能となる。
【００４５】
また、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅと環状磁性体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの積層数を、超電導体部５との対向面積によって任意に変えることによって、磁石部８を最適化したまま軸受剛性を可変することが可能となり、設計自由度を大きく広げることができる。本実施例において、軸受の径方向の剛性向上に寄与することは既に述べた通りであるが、更に本実施例では軸方向の磁場変化が大きくなるために、軸受の軸方向の力、即ち軸受の載荷力を大きくすることが可能となる。
【００４６】
更に、本実施例では、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００４７】
このように本実施例において、要求される載荷力に応じて、環状永久磁石と環状磁性体の積層数を可変することにより、載荷力を任意に変えられることになる。このことは、軸受形状が半径方向には広げられないような形状的に制約がある場合や、高速回転化と高載荷力化の両方の対応が必要なフライホイール用の超電導軸受には極めて有効となる。
【００４８】
（実施例３）
一般に、磁束密度が集中する磁石部と超電導体部との対向面部は、僅かな寸法偏差が生じても磁束むらの増大を招く危険性があるため、磁石部の環状永久磁石及び環状磁性体の内径部分の加工精度を上げる必要がある。前記第１実施例では、超電導体４と対向する磁石部８の環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの内径部分と、環状磁性体１２の内径部分とが同一面となっている場合であり、そして、このように環状永久磁石と環状磁性体の内径を同一面に形成するには、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂと環状磁性体１２を同時に加工する必要がある。ところが、永久磁石と他の金属材料とは加工性が異なるので、通常は、加工条件を変えることとなる。
【００４９】
本実施例は、この点に鑑み、これを実現するために環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂと環状磁性体１２の半径方向の幅を変え、独立に加工できるように構成したものである。即ち、図８は、磁石部８と超電導体部５の要部の縦断面図を示しており、図１と同様に磁石部８と超電導体部５とは、固定体部Ｂの中心軸を同心として、半径方向に所定の間隔を設けて対向配置され、磁石部８は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂが環状磁性体１２を挟んだ積層構造を採っている。更に、超電導体部５と磁石部８の対向面において、超電導体部５に対する環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂと環状磁性体１２との間隔は異なり、環状磁性体１２と超電導体部５との間隔のほうが、環状磁石部１１Ａ，１１Ｂと超電導体部５との間隔より狭く形成している。
【００５０】
図９は、本実施例における磁束の流れを説明するための要部を示すもので、同図に示されるように、環状磁性体１２は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの磁束を集中させるとともに、磁束を内部で拡散する役目を果たし、空間中に発散する磁束はその殆どが環状磁性体１２からのものとなる。即ち、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂより直接発する磁束には磁石の継目部等により磁束むらが存在するが、環状磁性体１２を磁石面より突出させることによって、むらの存在する環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂから直接発する磁束の影響を軽減させることができる。
【００５１】
また、超電導体部５と環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂとの間隔を、超電導体部５と環状磁性体１２との間隔よりも広くしても、超電導体部５と環状磁性体１２との間隔を変えなければ、実際に超電導体部５に作用する磁束の減少は殆ど無いので問題はない。
【００５２】
本実施例によれば、環状永久磁石部１１Ａ，１１Ｂと環状磁性体１２の内径部分は別々に加工することが可能となり、環状磁性体１２の内径部分の加工精度を向上させることができる。この場合、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂからの漏れ磁束は超電導体部５に作用し難くなるため、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの漏れ磁束にむらが存在しても、超電導体部５内の回転エネルギー損失となることは殆ど無い。
【００５３】
更に、前記実施例と同様に、本実施例においても、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００５４】
（実施例４）
本実施例においては、磁石部からの漏れ磁束を低減させ、更なる剛性向上を図るとともに、漏れ磁束による弊害を低減させた例を示す。図１０は磁石部８と超電導体部５の要部の縦断面図を示すもので、磁石部８において、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの内径寸法と、これらの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂに挟まれた環状磁性体１２の内径寸法を変えたものであり、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの内径寸法の方を大きく設けている。このように構成することにより、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂから発した磁束は環状磁性体１２が内径側には無いため、内径方向への磁束の漏洩が減少し、超電導体部５側の磁束密度が向上することとなる。
【００５５】
また、磁石部８を超電導体４の回りに配置させ、外転型とした例を図１１を用いて説明する。図１１は、磁石部８と超電導体部５の要部の縦断面図を示すもので、同図の磁石部８において、環状磁性体１２の外径寸法は、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの外径寸法よりも小さく構成されている。このように構成することにより、外周側への磁束漏洩を減少させ、内径側の環状磁性体１２から超電導体４へ作用する磁束密度の向上を図り、高剛性化を図ることが可能となる。
【００５６】
また、本実施例でも、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００５７】
（実施例５）
次に、磁石部８の磁束を全面的に有効利用して、更に剛性向上を図った例を示す。図１２は、超電導軸受装置１の主要部の縦断面図を示し、この超電導軸受装置１は、図示を省略したハウジングに固定され、超電導体部５が設けられた固定体部Ｂと、磁石部８が設けられた回転体部Ａとから構成されている。即ち、この超電導体部５は、磁石部８の外周部と内周部にそれぞれ対面して、超電導体４Ａ，４Ｂを配置して構成されている。また、超電導体部５の超電導体４Ａ，４Ｂは、共通の冷却ケース２よって冷却され超電導状態を確保されている。従って、本実施例では、環状磁性体１２から発せられた磁束は図１３の矢印にて示されるように、内周側及び外周側に配置された超電導体４Ａ，４Ｂに対して有効に作用するので、極めて大きな剛性を発揮することができる。
【００５８】
また、本実施例では、環状磁性体１２の両側部から発する磁束を有効利用しているので、磁束漏洩を極めて小さくすることが可能となる。従って、この磁束漏洩の減少効果は、近傍に与える弊害を低減することができる。例えば、外周側の磁束漏洩が多い場合は、外周近傍に磁性体を配置することが困難となり、場合によっては磁気遮断対策を必要とすることもあるが、磁束漏洩が少なければそのような対策を要しないので便宜である。
【００５９】
また、本実施例でも、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００６０】
（実施例６）
本実施例は、永久磁石からの磁束を高める方法として、前述のような環状磁性体を使用せず、永久磁石のみで磁束密度の向上を果たし、高剛性化を実現したものである。図１４は、磁石部８と超電導体部５の要部の縦断面図を示している。磁石部８は２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂを軸方向に重ね合わせてあり、その着磁方向は矢印で示す方向に着磁されている。即ち、各環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの外径側且つ互いの接合部分にＮ極を設け、内径側且つ互いの接合部分から離れた部分にＳ極を設けて構成され、これらの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの着磁方向が、互いに斜めに向き合う方向に設定されている。従って、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂから生じる磁束の向きが、互いに斜めにぶつかりあって、超電導体部５への磁束密度を増大することになる。
【００６１】
次に、このように着磁された環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂによって磁束密度が高められることについて、図１５を用いて説明する。２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂから超電導体に作用する磁束は、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂが、互いに向き合った斜め方向に着磁されているので、矢印で示すように、各々の環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂからの磁束が互いに斜め方向にぶつかり合い、双方の磁束が反発し合って、図１５に示すように空気中にて双方の磁束が集中されることになり、双方の環状永久磁石１１Ａと１１Ｂとの境界面における磁束密度が大幅に増大する。この点、本実施例でも、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも幾分か短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００６２】
その結果、図１６に示すように、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの露出面の幅方向Ｔの磁束密度が大幅に増加することになり、大きな軸受剛性を得ることが可能となる。
【００６３】
尚、本実施例の効果を更に高めるために、前述の第２実施例で示したように、環状永久磁石を複数枚積層化してもよく、この場合には、永久磁石のパーミアンスを高め、更に磁束密度を向上させ、軸受の高剛性化を実現することができるものとなる。
【００６４】
（実施例７）
本実施例は、前記第６実施例と同様に、永久磁石のみで磁束密度の向上を果たし、高剛性化を実現した外転型の超電導軸受である。図１７は、磁石部８と超電導体部５の要部の縦断面図を示している。
【００６５】
即ち、この磁石部８は、軸方向に２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂを直接、重ね合わせて構成され、その着磁方向は矢印で示すように、互いに向き合った斜め方向に着磁されている。従って、２つの環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂから生じる磁束の向きが、互いに斜めにぶつかりあうこととなり、互いの境界面で双方の磁束が集束強化されので、超電導体部５への磁束密度を増大でき、大きな軸受剛性を得ることができることになる。
【００６６】
尚、本実施例においても、環状永久磁石を複数枚積層化した構成とし、奏する効果を更に高めてもよい。
【００６７】
また、本実施例でも、磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４の軸方向の長さは、環状永久磁石１１Ａ，１１Ｂの軸方向の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００６８】
（実施例８）
次に剛性の更なる向上と、軸方向に重量物を搭載する場合の載荷力（浮上力）を高めた例を示す。本実施例は、複数の磁石と複数の超電導体を使用することで、外径方向を大きくしなくても、剛性と載荷力を大きくできる超電導軸受装置である。
【００６９】
図１８は、超電導体部５を有する固定体部Ｂの回りに、磁石部８を有する回転体部Ａを配設した外転型の超電導軸受装置１の主要部の縦断面図であり、この超電導軸受装置１は、半径方向に超電導体４Ａと対向した環状永久磁石１１と、軸方向に超電導体４Ｂと対向した環状永久磁石１５を配置して構成されている。即ち、磁石部８は円環状の回転体であり、軸方向に着磁された３つの環状永久磁石１１と、この環状永久磁石１１の間に挟まれた２つの環状磁性体１２、及び径方向に着磁された２重の環状永久磁石１５と、この環状永久磁石１５の間に挟まれた環状磁性体１６とから構成されている。また、固定部となる超電導体部５は、環状に軸方向に長く形成され、支持体３内に埋設された超電導体４Ａと、環状に径方向に大きく形成され且つ支持体６内に埋設された超電導体４Ｂとから構成されている。
【００７０】
この超電導軸受装置１は、径方向と軸方向の両方を、同時に超電導状態の磁気効果で支持する超電導軸受により構成しており、径方向の剛性の向上と軸方向剛性の向上、更には軸方向の載荷力の向上を同時に達成することができる。この場合、超電導軸受装置１の回転動作時には、回転体となる磁石部８において、回転による遠心応力により環状永久磁石１５の最大径が制限されるため、環状永久磁石１５の超電導体４Ｂとの最大対向面積が決まり、載荷力が制限されることになる。しかし、本実施例によれば、環状永久磁石１１による軸方向の載荷力を、環状永久磁石１１の積層数を増すことによって大きくすることができるので、磁石部８の外径に影響を与えること無く、全体としての載荷力を増大することができる。従って、大重量フライホイールを高速回転で回転させ、回転エネルギーによって電力貯蔵する電力貯蔵装置用超電導軸受装置には、本実施例は最適な構成となる。
【００７１】
また、本実施例では、アキシャル、ラジアルの両方とも磁石部８からの磁束の殆どは環状磁性体１２から生ずるため、対向する超電導体４のアキシャル及びラジアル方向の長さは、環状永久磁石１１，１５の長さよりも短くすることが可能である。従って、前記と同様の効果を奏する。
【００７２】
尚、前述した第１乃至８実施例において、超電導軸受装置は超電導体部５が固定体部Ｂに、磁石部８が回転体部Ａに、それぞれ設けられている構造について説明したが、本発明は、逆に超電導体部５が回転体部Ａに、磁石部８が固定体部Ｂに、それぞれ設けられる構造であっても同様な作用効果を奏することができるものである。
【００７３】
また、磁石にはＰｒ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系磁石を使用した例を示したが、本発明はこれに限らず、フェライト、アルニコ、或はネオジウム系、サマリウム系等、他の全ての永久磁石を使用することができることは勿論であり、更に電磁石、超電導コイル等、磁束を発生するもの全てが適用可能であり、加えて、ピンニング効果により磁束が封じ込められたいわば超電導体そのものを、固定体部、並びに固定体部に設置する磁石として使用することもできるものである。更に、超電導体についてもイットリウム高温超電導体を例に示してきたが、磁石との間で復原力をもつことのできる、例えば希土類系の元素を含む（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系等全ての超電導体が適用可能である。ここで、ＲＥはＹ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂからなる元素群から選ばれた１又は２以上の元素を表わす。
【００７４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、この種の超電導軸受装置において、少なくとも２つの前記環状磁石に挟まれた磁性体を配設することによって、半径方向の磁場強度を増大させるとともに円周方向の磁束むらを低減し、円周方向における表面磁束密度の均一性が向上する。そして、前記環状磁石を超電導体の外周側に配置したので、前記環状磁石の機械強度補強が容易となり、前記環状磁石の高速回転化が可能となる。
【００７７】
そして、環状磁性体と環状磁石との半径方向の寸法を変えることによって、磁束漏洩の低減とともに、磁場強度の更なる増大が図られる。
【００７９】
更にまた、超電導体は高価で加工性に難があるところ、前述したように磁石部からの磁束の殆どは環状磁性体から生ずるため、対向する超電導体のアキシャル或いはラジアル方向の長さは、環状永久磁石の軸方向の長さよりも短くすることが可能であり、従って、超電導体を小さくすることができるので、このような問題に対処することができる。
【００８０】
このように、本発明は、この種の超電導軸受装置において、環状磁石による円周方向の磁束むらを低減して円周方向における表面磁束密度の均一性が向上し、また、環状磁石による磁場強度がより一層増大し、半径方向の剛性が向上するとともに、軸方向の剛性と載荷力も大幅に向上し、更には磁石の回転機械強度を向上することが可能となるため、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、とりわけ載荷力を要求される大型のシステムに適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係り、超電導軸受装置の主要部の縦断面図。
【図２】本発明の第１実施例に係り、磁束の流れを示す永久磁石部の縦断面図。
【図３】本発明の第１実施例に係り、永久磁石部の表面磁束密度分布の特性図。
【図４】本発明の第１実施例に係り、環状磁性体の厚みと表面磁束密度のピークの関係を示す特性図。
【図５】本発明の第１実施例に係り、図１中の環状永久磁石と環状磁性体の斜視図。
【図６】本発明の第２実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図７】本発明の第２実施例に係り、磁束の流れを示す磁石部の縦断面図。
【図８】本発明の第３実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図９】本発明の第３実施例に係り、磁束の流れを示す永久磁石部の縦断面図。
【図１０】本発明の第４実施例に係り、超電導軸受装置の主要部の縦断面図。
【図１１】本発明の第４実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図１２】本発明の第５実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図１３】本発明の第５実施例に係り、磁束の流れを示す永久磁石部の縦断面図。
【図１４】本発明の第６実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図１５】本発明の第６実施例に係り、磁束の流れを示す永久磁石部の縦断面図。
【図１６】本発明の第６実施例に係り、永久磁石部の表面磁束密度分布の特性図。
【図１７】本発明の第７実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図１８】本発明の第８実施例に係り、磁石部と超電導体部の要部を示す縦断面図。
【図１９】従来の磁石部の斜視図。
【図２０】従来の磁石部の表面磁束密度の特性図。
【符号の説明】
１超電導軸受装置
２冷却ケース
３，３Ａ，６支持体
４，４Ａ，４Ｂ超電導体
５超電導体部
７回転体
８磁石部
９磁石ケース
１０凹溝
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１５環状永久磁石
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１６環状磁性体
１３冷凍機
１４温度制御ユニット
Ａ回転体部
Ｂ固定体部

Claims

回転体部及び固定体部の一方に装着される超電導体部と他方に装着される磁石部とを備える形式の超電導軸受装置において、
前記超電導体部は、前記磁石部との間に復原力を有する超電導体と、この超電導体を支持する支持体とから構成され、
前記磁石部は、前記回転体部の軸心を同心とする環状磁石を備えて構成され、
前記環状磁石と前記超電導体部とが、前記回転体の半径方向で間隔を設けて向き合うように配設され、
前記磁石部は、前記超電導体部の内径側に位置するとともに、環状磁性体を挟んで軸方向に反発する方向に着磁された少なくとも２つの環状磁石にて構成され、
更に、前記環状磁性体の内径寸法が、前記環状磁石の内径寸法よりも大きいことを特徴とする超電導軸受装置。
回転体部及び固定体部の一方に装着される超電導体部と他方に装着される磁石部とを備える形式の超電導軸受装置において、
前記超電導体部は、前記磁石部との間に復原力を有する超電導体と、この超電導体を支持する支持体とから構成され、
前記磁石部は、前記回転体部の軸心を同心とする環状磁石を備えて構成され、
前記環状磁石と前記超電導体部とが、前記回転体の半径方向で間隔を設けて向き合うように配設され、
更に、前記磁石部は、前記超電導体部の外径側に位置するとともに、前記環状磁性体の外径寸法が、前記環状磁石の外径寸法よりも小さいことを特徴とする超電導軸受装置。