JP3665878B2 - 軸受装置およびその始動方法 - Google Patents
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Description
【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回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置、またはジャイロスコープなどに適用される軸受装置に関し、とくに固定部と、垂直軸を中心に回転する回転体と、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段と、回転体を固定部に対してラジアル方向に非接触支持する軸受手段とを備えた軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種軸受装置として、回転体に同心状にかつ固定状に設けられた永久磁石と、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固定部に配置された第２種超電導体とよりなり、かつ永久磁石が、回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように配置されるとともに、第２種超電導体が、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置に配置されている超電導軸受を備えており、固定部と回転体との間に、第２種超電導体に永久磁石の磁束がピン止めされて回転体が回転作動するまでの固定部と回転体との相対位置を決定するための初期位置決め装置が設けられている超電導軸受装置が考えられている。
【０００３】
この超電導軸受装置は次のようにして始動させられる。すなわち、第２種超電導体の臨界温度以上の温度において、初期位置決め装置により固定部と回転体との相対位置を決定し、これにより第２種超電導体を、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置に配置して第２種超電導体を永久磁石の磁場により磁化する。ついで、第２種超電導体を臨界温度以下の温度に冷却して、第２種超電導状態が出現する温度に保持し、第２種超電導体に侵入した磁束をピン止めする。ついで、初期位置決め装置による回転体の支持をなくし、回転体を、その重量と超電導軸受のピン止めと釣り合う位置に停止させ安定化させる。こうして、超電導軸受装置が始動させられる。
【０００４】
この超電導軸受装置では、永久磁石から発生する磁束を、臨界温度以上の温度で超電導体の内部に侵入させた後、超電導体を臨界温度以下の温度に冷却（磁場冷却）して拘束し、その結果、いわゆるピン止め力により、固定部に対して回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触状態で支持するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の超電導軸受装置では、超電導体に拘束された磁束のピン止め力によって回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に支持できるが、とくにアキシアル方向（重力方向）の支持力（負荷容量）には限界があり、重量の大きい回転体を支持することはできないという問題がある。たとえば、電力貯蔵装置においては、電力貯蔵効率を向上させるためにフライホイールを大型化する必要があるが、このような場合に回転体の重量を支持することができないという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、アキシアル方向の負荷容量を向上させることができる軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の軸受装置は、
固定部と、垂直軸を中心に回転する回転体と、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段と、回転体を固定部に対してラジアル方向に非接触支持する軸受手段とを備えた軸受装置であって、
固定部が下向き面および上向き面を有するとともに、回転体が固定部の下向き面に対向する上向き面および固定部の上向き面に対向する下向き面を有しており、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段が、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する制御型磁気軸受と、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する永久磁石軸受と、固定部の上向き面と回転体の下向き面との間に設けられかつ反発力により回転体を上向きに付勢する磁力利用軸受とよりなり、制御型磁気軸受が、固定部に設けられた環状の電磁石および回転体に設けられた環状の強磁性体を備えており、永久磁石軸受が、固定部における制御型磁気軸受の環状電磁石に囲まれた部分に設けられた永久磁石および回転体における環状強磁性体に囲まれた部分に設けられた永久磁石を備えており、磁力利用軸受が、固定部に設けられた軸受構成体および回転体に設けられた軸受構成体からなり、かつ固定部側の軸受構成体が上下動するようになされているものである。
第２の発明の軸受装置の始動方法は、
第１の発明の軸受装置を始動する方法であって、
磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を下降させておくこと、制御型磁気軸受の環状電磁石に通電し、制御型磁気軸受の環状電磁石からの吸引力により環状強磁性体を上向きに付勢するとともに、永久磁石軸受の固定永久磁石からの吸引力により回転永久磁石を上向きに付勢し、これにより回転体の重量の一部を支持すること、磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を上昇させ、この軸受構成体からの反発力により回転体側の軸受構成体を上向きに付勢すること、ならびに上記吸引力および反発力により回転体をアキシアル方向に非接触支持することを含むものである。
【０００８】
【作用】
第１の発明の軸受装置によれば、制御型磁気軸受における電磁石からの磁気吸引力は、従来の超電導軸受装置の超電導軸受において、上記磁場冷却時のピン止め力により、固定部に対して回転体をアキシアル方向に非接触状態で支持する力よりも大きくなる。しかも、回転体の重量は、磁力利用軸受の両軸受構成体間の磁気反発力によっても回転体の重量の一部が支持される。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上する。
【０００９】
また、第１の発明の軸受装置は、第２の発明の始動方法によって始動させられるが、これにより制御型磁気軸受の電磁石と強磁性体との間隔を、電磁石から強磁性体に作用する吸引力が大きくなるような間隔にすることができるとともに、磁力利用軸受の両軸受構成体間の間隔を、両軸受構成体間に作用する反発力が大きくなるような間隔にすることができる。したがって、上記吸引力および反発力を効果的に使用することになり、その結果アキシアル方向の負荷容量が向上する。
【００１０】
第１の発明の軸受装置において、制御型磁気軸受が、固定部に設けられた環状の電磁石および回転体に設けられた環状の強磁性体を備えており、永久磁石軸受が、固定部における制御型磁気軸受の環状電磁石に囲まれた部分に設けられた永久磁石および回転体における環状強磁性体に囲まれた部分に設けられた永久磁石を備えていると、この永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されるので、アキシアル方向の負荷容量が向上する。また、永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されると、制御型磁気軸受の電磁石に流す電流を小さくすることができるので、うず電流損を減少させることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１および図２は軸受装置を適用した電力貯蔵装置の全体構成を概略的に示し、図１は停止状態、図２は作動状態である。
【００１３】
図１および図２において、電力貯蔵装置は、真空チャンバ（固定部）(1)と、真空チャンバ(1)内にアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように配置された回転体(2)とを備えている。
【００１４】
回転体(2)は、アルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体により形成されたものであり、垂直な回転軸(3)と、回転軸(3)の上端に一体に形成されたフライホイール(4)とよりなる。フライホイール(4)の外周に、ＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状補強部材(5)が圧入固定されている。
【００１５】
回転体(2)は、高周波電動機(6)で回転させられるようになっている。高周波電動機(6)は、回転体(2)の回転軸(3)に取付けられたロータ(7)と、ロータ(7)の周囲において真空チャンバ(1)の周壁(1a)に取付けられたステータ(8)とよりなる。
【００１６】
真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面（下向き面）と回転体(2)のフライホイール(4)上面（上向き面）とが対向し、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面（上向き面）と回転体(2)の回転軸(3)下面（下向き面）とが対向している。
【００１７】
真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面と回転体(2)のフライホイール(4)上面との間に制御型アキシアル磁気軸受(9)が設けられ、同じく真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面と回転体(2)のフライホイール(4)上面との間に、磁気吸引力により回転体(2)を上向きに付勢する永久磁石軸受(10)が設けられ、回転体(2)の回転軸(3)の下面と真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面との間に磁気反発力により回転体(2)を上向きに付勢する超電導軸受（磁力利用軸受）(11)が設けられ、回転体(2)の回転軸(3)の周面と真空チャンバ(1)の周壁(1a)内周面との間に、回転体(2)の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(12)(13)が設けられている。
【００１８】
制御型アキシアル磁気軸受(9)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に回転軸心(A)と同心状に取付けられかつ回転体(2)をアキシアル方向（Ｚ軸方向）の上側から吸引して同方向の回転体(2)の位置を制御するための環状電磁石部(14)と、電磁石部(14)に対して上下方向に対向するように、回転体(2)のフライホイール(4)の上面に設けられた環状強磁性体部(15)とを備えている。電磁石部(14)は、環状電磁石(16)と、電磁石(16)の内周面、上面、外周面および下面の外周側部分を覆うヨーク部材(17)とよりなる。ヨーク部材(17)の両側縁部にそれぞれ環状の下方突出部(17a)が一体に形成されている。フライホイール(4)の上面に固定されたアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる円板状の回転部材(18)の上面に環状凹溝(19)が回転軸心(A)と同心状に形成され、環状凹溝(19)内に環状強磁性体(20)が嵌められて固定されることにより、強磁性体部(15)が構成されている。強磁性体(20)の上面には、ヨーク部材(17)の２つの下方突出部(17a)と対向するように、２つの環状上方突出部(20a)が一体に形成されている。なお、図示は省略したが、アキシアル磁気軸受(9)は、回転体(2)のＺ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、電磁石(16)および変位センサが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基いて電磁石(16)の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果回転体(2)のアキシアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、アキシアル磁気軸受(9)およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１９】
永久磁石軸受(10)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に設けられた固定永久磁石部(21)と、回転体(2)のフライホイール(4)の上面に設けられた回転永久磁石部(22)とよりなる。固定永久磁石部(21)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に固定されたアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる水平円板(23)を備えている。水平円板(23)の下面の中心部に円筒状穴(24)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(25)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(24)内に円柱状固定永久磁石(26)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(25)内に環状固定永久磁石(27)が嵌められて固定されることにより、固定永久磁石部(21)が構成されている。両固定永久磁石(26)(27)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状固定永久磁石(26)と環状固定永久磁石(27)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状固定永久磁石(26)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状固定永久磁石(27)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。フライホイール(4)の上面に固定された回転部材(18)の上面の中心部に円筒状穴(28)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(29)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(28)内に円柱状回転永久磁石(30)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(23)内に環状回転永久磁石(31)が嵌められて固定されることにより、回転永久磁石部(22)が構成されている。各回転永久磁石(30)(31)は、各固定永久磁石(26)(27)と対向するように配置されている。両回転永久磁石(30)(31)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状回転永久磁石(30)と環状回転永久磁石(31)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。また、各回転永久磁石(30)(31)と各固定永久磁石(26)(27)の互いに対向する端部は逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状回転永久磁石(30)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状回転永久磁石(31)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００２０】
超電導軸受(11)は、回転体(2)の回転軸(3)の下面に設けられた永久磁石部（回転体側軸受構成体）(32)と、永久磁石部(32)に対して上下方向に間隔をおいて対向するように、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面に上下動自在に設けられた超電導体部（固定部側軸受構成体）(33)とよりなる。回転軸(3)の下面の中心部に円筒状穴(34)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(35)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(34)内に円柱状永久磁石(36)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(35)内に環状永久磁石(37)が嵌められて固定されることにより、永久磁石部(32)が構成されている。両永久磁石(36)(37)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状永久磁石(36)と環状永久磁石(37)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状永久磁石(36)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状永久磁石(37)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。超電導体部(33)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に取付けられた昇降装置(38)の上向きの昇降ロッド(39)の上端に固定状に設けられている上方に開口した箱状保持部材(40)内に図示しない断熱材を介して嵌め入れられた冷却ケース(41)を備えている。冷却ケース(41)は、たとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる。冷却ケース(41)内の空間に環状超電導体(42)が固定状に配置されている。冷却ケース(41)内の空間は可撓性を有する冷却流体供給管(43)および同排出管(44)を介して図示しない冷却装置に接続されており、この冷却装置により、たとえば液体窒素などの冷却流体が供給管(43)、冷却ケース(41)内の空間および排出管(44)を介して循環させられ、これによって超電導体(42)が冷却されるようになっている。超電導体(42)は第２種超電導体であり、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ２ Ｃｕ３ Ｏ７−Ｘ からなるバルクの内部に常電導体（Ｙ２ Ｂａ１ Ｃｕ１ ）を均一に混在させたものからなる。そして、超電導体(42)は、これを永久磁石(36)(37)の磁界を受けない離隔位置に配置した後臨界温度以下の温度に冷却（以下、この冷却をゼロ磁場冷却という）することにより、反磁性を示すものである。
【００２１】
ラジアル磁気軸受(12)(13)は、高周波電動機(6)の上下両側に設けられている。各ラジアル磁気軸受(12)(13)は、詳細な図示は省略したが、回転体(2)を互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の両側から吸引して同方向の回転体(2)の位置を制御するための電磁石、ならびに回転体(2)のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、これらが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基いて電磁石の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果回転体(2)のラジアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、ラジアル磁気軸受(12)(13)およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００２２】
真空チャンバ(1)の周壁(1a)内周面における上側のラジアル磁気軸受(12)の上方および下側のラジアル磁気軸受(13)の下方に、それぞれ非常時に回転体(2)の回転軸(3)の上下両端寄りの部分を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受(45)(46)が設けられている。
【００２３】
電力貯蔵装置の始動は次のようにして行われる。なお、停止状態においては、図１に示すように、回転体(2)は上下のタッチダウン軸受(45)(46)により支持されている。また、昇降装置(38)の昇降ロッド(39)は下降位置にあり、超電導軸受(11)の超電導体(42)が、永久磁石(36)(37)の磁界を受けず、その磁束が侵入しないような位置まで離隔させられている。このとき、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石部(14)のヨーク部材(17)における下方突出部(17a)と強磁性体(20)の上方突出部(20a)とのアキシアル方向の間隔は、ヨーク部材(17)の下方突出部(17a)間のラジアル方向の間隔よりも小さくなっている。そして、まず真空チャンバ(1)内を真空状態にする。ついで、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石(16)に通電し、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石部(14)のヨーク部材(17)と、強磁性体部(14)の強磁性体(20)との間に図１に破線で示すような磁気回路を形成する。すると、強磁性体(20)が上向きの吸引力を受け、これによって回転体(2)の重量の一部が支持される。このとき、永久磁石軸受(10)の回転永久磁石(30)(31)が固定永久磁石(26)(27)から上向きの吸引力を受け、これによっても回転体(2)の重量の一部が支持される。強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力と、回転永久磁石(30)(31)が受ける上向きの吸引力との和は、回転体(2)の重量よりも小さく、たとえば全重量の５０％程度である。したがって、回転体(2)はいまだ浮上せず、アキシアル方向に非接触状態とはならない。ついで、冷却装置により超電導軸受(11)の冷却ケース(41)内に冷却流体を循環させ、超電導体(42)を臨界温度以下の温度に冷却して超電導状態にし、この状態で保持する。すなわち、超電導体(42)に反磁性状態を出現させる。ついで、昇降装置(38)の昇降ロッド(39)を上昇させ、超電導体部(33)を上昇させて永久磁石部(32)に接近させる。すると、永久磁石(36)(37)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の残りの重量が支持されることになり、回転体(2)が浮上する。その結果、アキシアル磁気軸受(9)のヨーク部材(17)の下方突出部(17a)と強磁性体(20)の上方突出部(20a)との間隔が小さくなり、強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力が大きくなる。しかも、永久磁石軸受(10)の固定永久磁石(26)(27)と回転永久磁石(30)(31)との間隔も小さくなり、回転永久磁石(30)(31)が固定永久磁石(26)(27)から受ける上向きの吸引力も大きくなる。したがって、回転体(2)は、極めて安定した状態でアキシアル方向に非接触支持されることになる。ついで、上下のラジアル磁気軸受(12)(13)によって、回転体(2)のラジアル方向の初期位置決めを行う。これにより、図２に示すように、回転体(2)は、アキシアル磁気軸受(9)、永久磁石軸受(10)、超電導軸受(11)およびラジアル磁気軸受(12)(13)によって非接触支持されたことになる。回転体(2)が非接触支持されたならば、高周波電動機(6)を作動させて回転体(2)を回転させる。そして、回転体(2)が回転している間に、電気エネルギが回転運動エネルギに変換されてフライホイール(4)に貯蔵される。回転体(2)が回転しているさいに、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の位置制御機能により、回転体(2)にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２４】
回転体(2)が回転しているときに停電が発生した場合、高周波電動機(6)は停止するが、フライホイール(4)により、回転体(2)はわずかに減速するものの継続して回転させられる。その結果、高周波電動機(6)が発電機として作動し、フライホイール(4)に貯蔵されていた回転運動エネルギが電気エネルギとして取り出され、図示しない蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられた電力は、図示しない外部の電力消費財および超電導軸受(11)の冷却装置に送られ、電力消費財および超電導軸受(11)が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部はアキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の磁気軸受制御装置に送られ、これによりこれらの磁気軸受(9)(12)(13)の位置制御機能が作動させられる。そして、フライホイール(4)に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転体(2)が停止するまでの間、回転体(2)はアキシアル磁気軸受(9)、永久磁石軸受(10)、超電導軸受(11)およびラジアル磁気軸受(12)(13)によって非接触支持される。しかも、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の位置制御機能により、回転体(2)にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２５】
上記実施例においては、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)は、それぞれ変位センサを備えた磁気軸受であるが、これに代えて、公知のセンサレス磁気軸受を用いることもできる。この場合、センサ回路の故障による安全性の低下が防止される。
【００２６】
また、上記実施例においては、回転体(2)は高周波電動機(6)により回転させられるようになっているが、これに代えて、ラジアル磁気軸受(12)(13)の少なくとも１組を、回転体(2)の位置制御機能の他に、回転体(2)を回転駆動する電動駆動機能を有するものにしてもよい。この場合、高周波電動機(6)は不要になる。
【００２７】
また、上記実施例において、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石(16)のコイルとして、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力は一層大きくなる。
【００２８】
また、上記実施例においては、電力貯蔵装置の始動にさいし、超電導体(42)をゼロ磁場冷却しているが、これに代えて、永久磁石(36)(37)の磁界を利用して超電導体(42)を磁場冷却してもよい。この場合、ピン止め力により生じる磁気反発力によって永久磁石(36)(37)が上向きに付勢される。但し、超電導体(42)を磁場冷却する場合には、予めラジアル磁気軸受(12)(13)により回転体(2)のラジアル方向の初期位置決めを行っておく必要がある。
【００２９】
さらに、上記実施例において、超電導軸受(11)の超電導体として、水銀、鉛などからなる完全反磁性を示す第１種超電導体を用いてもよい。この場合、超電導軸受部の超電導体のマイスナー効果による磁気反発力によって、永久磁石が超電導体により上向きに付勢される。
【００３０】
図３〜図６は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面と回転体(2)の回転軸(3)の下面との間に設けられかつ反発力により回転体(2)を上向きに支持する磁力利用軸受の変形例を、一部を省略して概略的に示す。なお、図３〜図６において、図１および図２に示すものと同一物には同一符号を付す。さらに、図３〜図６を通じて同一物には同一符号を付す。
【００３１】
図３において、超電導軸受（磁力利用軸受）(50)は、回転体(2)の回転軸(3)の下面の中心部に形成された円筒状穴(51)内に嵌められて固定された円柱状永久磁石（回転体側軸受構成体）(52)を備えている。永久磁石(52)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、たとえば上端部がＳ極、下端部がＮ極の磁気を帯びている。また、超電導軸受(50)は、超電導体部(33)の下側に永久磁石(52)に対向するように配置された永久磁石(53)を備えている。超電導体部(33)と永久磁石(53)は、一緒に上下動させられるようになっている。超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)は、回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、かつ回転体(2)側の永久磁石(52)対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(53)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３２】
このような超電導軸受(50)を備えている場合、超電導体(42)に出現した反磁性によって永久磁石(52)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、永久磁石(52)に作用する超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)の磁気反発力によっても回転体(2)の重量の一部を支持できる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００３３】
図４において、超電導軸受（磁力利用軸受）(55)は、超電導体部(33)の下側に永久磁石(52)に対向するように配置された電磁石(56)を備えている。超電導体部(33)と電磁石(56)は、一緒に上下動させられるようになっている。電磁石(56)は、回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。電磁石(56)は、その上下両端部が逆の極性の磁気を帯び、かつ永久磁石(52)と対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びるようになされている。たとえば、電磁石(56)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びるようになっている。
【００３４】
このような超電導軸受(55)を備えている場合、超電導体(42)に出現した反磁性によって永久磁石(52)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、永久磁石(52)に作用する電磁石(56)の磁気反発力によっても回転体(2)の重量の一部を支持できる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００３５】
なお、図４において、電磁石(56)のコイルとしては、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、永久磁石(52)に作用する電磁石(56)の磁気反発力は一層大きくなる。
【００３６】
図５において、永久磁石軸受（磁力利用軸受）(60)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に上下動自在に配置された永久磁石（固定部側軸受構成体）(61)を備えている。この永久磁石(61)は回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。上下動自在の永久磁石(61)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(61)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３７】
このような永久磁石軸受(60)を備えている場合、両永久磁石(52)(61)と永久磁石との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部が支持される。
【００３８】
図６において、磁力利用軸受(65)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に上下動自在に配置された電磁石（固定部側軸受構成体）(66)と、電磁石(66)の下側に電磁石(66)と一緒に上下動するように配置された永久磁石(67)とを備えている。電磁石(66)および永久磁石(67)は回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。電磁石(66)は、その上下両端部が逆の極性の磁気を帯び、かつ回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部がこの永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びるようになされている。たとえば、電磁石(66)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びるようになっている。また、電磁石(66)の下側の永久磁石(67)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部がこの永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(67)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３９】
このような磁力利用軸受(65)を備えている場合、電磁石(66)と回転体(2)側の永久磁石(52)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、電磁石(66)の磁気反発力がその下側の永久磁石(67)によって増大させられる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００４０】
なお、図６において、電磁石(66)のコイルとしては、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、永久磁石(52)に作用する電磁石(66)の磁気反発力は一層大きくなる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明の軸受装置およびその始動方法によれば、上述のように、アキシアル方向の負荷容量が向上する。したがって、より重量の大きい回転体を支持することが可能になる。その結果、たとえば電力貯蔵装置に適用した場合には、大型のフライホイールを有する回転体を支持することが可能になり、電力貯蔵効率が向上する。
【００４２】
この発明の軸受装置において、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に、さらに吸引力により回転体を上向きに付勢する永久磁石軸受が設けられていると、この永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されるので、アキシアル方向の負荷容量が向上する。また、永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されると、制御型磁気軸受の電磁石に流す電流を小さくすることができるので、うず電流損を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例を示す軸受装置を適用した停止状態の電力貯蔵装置の概略縦断面図である。
【図２】 この発明の実施例を示す軸受装置を適用した作動状態の電力貯蔵装置の概略縦断面図である。
【図３】 磁力利用軸受の第１の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図４】 磁力利用軸受の第２の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図５】 磁力利用軸受の第３の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図６】 磁力利用軸受の第４の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【符号の説明】
(1) 真空チャンバ（固定部）
(2) 回転体
(9) 制御型アキシアル磁気軸受
(11) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(12) 制御型ラジアル磁気軸受
(13) 制御型ラジアル磁気軸受
(16) 電磁石
(20) 強磁性体
(32) 永久磁石部（回転体側軸受構成体）
(33) 超電導体部（固定部側軸受構成体）
(50) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(52) 永久磁石（回転体側軸受構成体）
(55) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(60) 永久磁石軸受（磁力利用軸受）
(61) 永久磁石（固定部側軸受構成体）
(65) 磁力利用軸受
(66) 電磁石（固定部側軸受構成体）
【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回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置、またはジャイロスコープなどに適用される軸受装置に関し、とくに固定部と、垂直軸を中心に回転する回転体と、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段と、回転体を固定部に対してラジアル方向に非接触支持する軸受手段とを備えた軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種軸受装置として、回転体に同心状にかつ固定状に設けられた永久磁石と、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固定部に配置された第２種超電導体とよりなり、かつ永久磁石が、回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように配置されるとともに、第２種超電導体が、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置に配置されている超電導軸受を備えており、固定部と回転体との間に、第２種超電導体に永久磁石の磁束がピン止めされて回転体が回転作動するまでの固定部と回転体との相対位置を決定するための初期位置決め装置が設けられている超電導軸受装置が考えられている。
【０００３】
この超電導軸受装置は次のようにして始動させられる。すなわち、第２種超電導体の臨界温度以上の温度において、初期位置決め装置により固定部と回転体との相対位置を決定し、これにより第２種超電導体を、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置に配置して第２種超電導体を永久磁石の磁場により磁化する。ついで、第２種超電導体を臨界温度以下の温度に冷却して、第２種超電導状態が出現する温度に保持し、第２種超電導体に侵入した磁束をピン止めする。ついで、初期位置決め装置による回転体の支持をなくし、回転体を、その重量と超電導軸受のピン止めと釣り合う位置に停止させ安定化させる。こうして、超電導軸受装置が始動させられる。
【０００４】
この超電導軸受装置では、永久磁石から発生する磁束を、臨界温度以上の温度で超電導体の内部に侵入させた後、超電導体を臨界温度以下の温度に冷却（磁場冷却）して拘束し、その結果、いわゆるピン止め力により、固定部に対して回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触状態で支持するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の超電導軸受装置では、超電導体に拘束された磁束のピン止め力によって回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に支持できるが、とくにアキシアル方向（重力方向）の支持力（負荷容量）には限界があり、重量の大きい回転体を支持することはできないという問題がある。たとえば、電力貯蔵装置においては、電力貯蔵効率を向上させるためにフライホイールを大型化する必要があるが、このような場合に回転体の重量を支持することができないという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、アキシアル方向の負荷容量を向上させることができる軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の軸受装置は、
固定部と、垂直軸を中心に回転する回転体と、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段と、回転体を固定部に対してラジアル方向に非接触支持する軸受手段とを備えた軸受装置であって、
固定部が下向き面および上向き面を有するとともに、回転体が固定部の下向き面に対向する上向き面および固定部の上向き面に対向する下向き面を有しており、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段が、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する制御型磁気軸受と、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する永久磁石軸受と、固定部の上向き面と回転体の下向き面との間に設けられかつ反発力により回転体を上向きに付勢する磁力利用軸受とよりなり、制御型磁気軸受が、固定部に設けられた環状の電磁石および回転体に設けられた環状の強磁性体を備えており、永久磁石軸受が、固定部における制御型磁気軸受の環状電磁石に囲まれた部分に設けられた永久磁石および回転体における環状強磁性体に囲まれた部分に設けられた永久磁石を備えており、磁力利用軸受が、固定部に設けられた軸受構成体および回転体に設けられた軸受構成体からなり、かつ固定部側の軸受構成体が上下動するようになされているものである。
第２の発明の軸受装置の始動方法は、
第１の発明の軸受装置を始動する方法であって、
磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を下降させておくこと、制御型磁気軸受の環状電磁石に通電し、制御型磁気軸受の環状電磁石からの吸引力により環状強磁性体を上向きに付勢するとともに、永久磁石軸受の固定永久磁石からの吸引力により回転永久磁石を上向きに付勢し、これにより回転体の重量の一部を支持すること、磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を上昇させ、この軸受構成体からの反発力により回転体側の軸受構成体を上向きに付勢すること、ならびに上記吸引力および反発力により回転体をアキシアル方向に非接触支持することを含むものである。
【０００８】
【作用】
第１の発明の軸受装置によれば、制御型磁気軸受における電磁石からの磁気吸引力は、従来の超電導軸受装置の超電導軸受において、上記磁場冷却時のピン止め力により、固定部に対して回転体をアキシアル方向に非接触状態で支持する力よりも大きくなる。しかも、回転体の重量は、磁力利用軸受の両軸受構成体間の磁気反発力によっても回転体の重量の一部が支持される。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上する。
【０００９】
また、第１の発明の軸受装置は、第２の発明の始動方法によって始動させられるが、これにより制御型磁気軸受の電磁石と強磁性体との間隔を、電磁石から強磁性体に作用する吸引力が大きくなるような間隔にすることができるとともに、磁力利用軸受の両軸受構成体間の間隔を、両軸受構成体間に作用する反発力が大きくなるような間隔にすることができる。したがって、上記吸引力および反発力を効果的に使用することになり、その結果アキシアル方向の負荷容量が向上する。
【００１０】
第１の発明の軸受装置において、制御型磁気軸受が、固定部に設けられた環状の電磁石および回転体に設けられた環状の強磁性体を備えており、永久磁石軸受が、固定部における制御型磁気軸受の環状電磁石に囲まれた部分に設けられた永久磁石および回転体における環状強磁性体に囲まれた部分に設けられた永久磁石を備えていると、この永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されるので、アキシアル方向の負荷容量が向上する。また、永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されると、制御型磁気軸受の電磁石に流す電流を小さくすることができるので、うず電流損を減少させることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１および図２は軸受装置を適用した電力貯蔵装置の全体構成を概略的に示し、図１は停止状態、図２は作動状態である。
【００１３】
図１および図２において、電力貯蔵装置は、真空チャンバ（固定部）(1)と、真空チャンバ(1)内にアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように配置された回転体(2)とを備えている。
【００１４】
回転体(2)は、アルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体により形成されたものであり、垂直な回転軸(3)と、回転軸(3)の上端に一体に形成されたフライホイール(4)とよりなる。フライホイール(4)の外周に、ＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状補強部材(5)が圧入固定されている。
【００１５】
回転体(2)は、高周波電動機(6)で回転させられるようになっている。高周波電動機(6)は、回転体(2)の回転軸(3)に取付けられたロータ(7)と、ロータ(7)の周囲において真空チャンバ(1)の周壁(1a)に取付けられたステータ(8)とよりなる。
【００１６】
真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面（下向き面）と回転体(2)のフライホイール(4)上面（上向き面）とが対向し、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面（上向き面）と回転体(2)の回転軸(3)下面（下向き面）とが対向している。
【００１７】
真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面と回転体(2)のフライホイール(4)上面との間に制御型アキシアル磁気軸受(9)が設けられ、同じく真空チャンバ(1)の頂壁(1b)下面と回転体(2)のフライホイール(4)上面との間に、磁気吸引力により回転体(2)を上向きに付勢する永久磁石軸受(10)が設けられ、回転体(2)の回転軸(3)の下面と真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面との間に磁気反発力により回転体(2)を上向きに付勢する超電導軸受（磁力利用軸受）(11)が設けられ、回転体(2)の回転軸(3)の周面と真空チャンバ(1)の周壁(1a)内周面との間に、回転体(2)の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(12)(13)が設けられている。
【００１８】
制御型アキシアル磁気軸受(9)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に回転軸心(A)と同心状に取付けられかつ回転体(2)をアキシアル方向（Ｚ軸方向）の上側から吸引して同方向の回転体(2)の位置を制御するための環状電磁石部(14)と、電磁石部(14)に対して上下方向に対向するように、回転体(2)のフライホイール(4)の上面に設けられた環状強磁性体部(15)とを備えている。電磁石部(14)は、環状電磁石(16)と、電磁石(16)の内周面、上面、外周面および下面の外周側部分を覆うヨーク部材(17)とよりなる。ヨーク部材(17)の両側縁部にそれぞれ環状の下方突出部(17a)が一体に形成されている。フライホイール(4)の上面に固定されたアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる円板状の回転部材(18)の上面に環状凹溝(19)が回転軸心(A)と同心状に形成され、環状凹溝(19)内に環状強磁性体(20)が嵌められて固定されることにより、強磁性体部(15)が構成されている。強磁性体(20)の上面には、ヨーク部材(17)の２つの下方突出部(17a)と対向するように、２つの環状上方突出部(20a)が一体に形成されている。なお、図示は省略したが、アキシアル磁気軸受(9)は、回転体(2)のＺ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、電磁石(16)および変位センサが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基いて電磁石(16)の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果回転体(2)のアキシアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、アキシアル磁気軸受(9)およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１９】
永久磁石軸受(10)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に設けられた固定永久磁石部(21)と、回転体(2)のフライホイール(4)の上面に設けられた回転永久磁石部(22)とよりなる。固定永久磁石部(21)は、真空チャンバ(1)の頂壁(1b)の下面に固定されたアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる水平円板(23)を備えている。水平円板(23)の下面の中心部に円筒状穴(24)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(25)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(24)内に円柱状固定永久磁石(26)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(25)内に環状固定永久磁石(27)が嵌められて固定されることにより、固定永久磁石部(21)が構成されている。両固定永久磁石(26)(27)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状固定永久磁石(26)と環状固定永久磁石(27)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状固定永久磁石(26)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状固定永久磁石(27)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。フライホイール(4)の上面に固定された回転部材(18)の上面の中心部に円筒状穴(28)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(29)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(28)内に円柱状回転永久磁石(30)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(23)内に環状回転永久磁石(31)が嵌められて固定されることにより、回転永久磁石部(22)が構成されている。各回転永久磁石(30)(31)は、各固定永久磁石(26)(27)と対向するように配置されている。両回転永久磁石(30)(31)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状回転永久磁石(30)と環状回転永久磁石(31)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。また、各回転永久磁石(30)(31)と各固定永久磁石(26)(27)の互いに対向する端部は逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状回転永久磁石(30)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状回転永久磁石(31)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００２０】
超電導軸受(11)は、回転体(2)の回転軸(3)の下面に設けられた永久磁石部（回転体側軸受構成体）(32)と、永久磁石部(32)に対して上下方向に間隔をおいて対向するように、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面に上下動自在に設けられた超電導体部（固定部側軸受構成体）(33)とよりなる。回転軸(3)の下面の中心部に円筒状穴(34)が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝(35)が回転軸心(A)と同心状に形成され、円筒状穴(34)内に円柱状永久磁石(36)が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝(35)内に環状永久磁石(37)が嵌められて固定されることにより、永久磁石部(32)が構成されている。両永久磁石(36)(37)は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状永久磁石(36)と環状永久磁石(37)の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状永久磁石(36)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、環状永久磁石(37)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。超電導体部(33)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に取付けられた昇降装置(38)の上向きの昇降ロッド(39)の上端に固定状に設けられている上方に開口した箱状保持部材(40)内に図示しない断熱材を介して嵌め入れられた冷却ケース(41)を備えている。冷却ケース(41)は、たとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる。冷却ケース(41)内の空間に環状超電導体(42)が固定状に配置されている。冷却ケース(41)内の空間は可撓性を有する冷却流体供給管(43)および同排出管(44)を介して図示しない冷却装置に接続されており、この冷却装置により、たとえば液体窒素などの冷却流体が供給管(43)、冷却ケース(41)内の空間および排出管(44)を介して循環させられ、これによって超電導体(42)が冷却されるようになっている。超電導体(42)は第２種超電導体であり、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ２ Ｃｕ３ Ｏ７−Ｘ からなるバルクの内部に常電導体（Ｙ２ Ｂａ１ Ｃｕ１ ）を均一に混在させたものからなる。そして、超電導体(42)は、これを永久磁石(36)(37)の磁界を受けない離隔位置に配置した後臨界温度以下の温度に冷却（以下、この冷却をゼロ磁場冷却という）することにより、反磁性を示すものである。
【００２１】
ラジアル磁気軸受(12)(13)は、高周波電動機(6)の上下両側に設けられている。各ラジアル磁気軸受(12)(13)は、詳細な図示は省略したが、回転体(2)を互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の両側から吸引して同方向の回転体(2)の位置を制御するための電磁石、ならびに回転体(2)のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、これらが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基いて電磁石の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果回転体(2)のラジアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、ラジアル磁気軸受(12)(13)およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００２２】
真空チャンバ(1)の周壁(1a)内周面における上側のラジアル磁気軸受(12)の上方および下側のラジアル磁気軸受(13)の下方に、それぞれ非常時に回転体(2)の回転軸(3)の上下両端寄りの部分を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受(45)(46)が設けられている。
【００２３】
電力貯蔵装置の始動は次のようにして行われる。なお、停止状態においては、図１に示すように、回転体(2)は上下のタッチダウン軸受(45)(46)により支持されている。また、昇降装置(38)の昇降ロッド(39)は下降位置にあり、超電導軸受(11)の超電導体(42)が、永久磁石(36)(37)の磁界を受けず、その磁束が侵入しないような位置まで離隔させられている。このとき、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石部(14)のヨーク部材(17)における下方突出部(17a)と強磁性体(20)の上方突出部(20a)とのアキシアル方向の間隔は、ヨーク部材(17)の下方突出部(17a)間のラジアル方向の間隔よりも小さくなっている。そして、まず真空チャンバ(1)内を真空状態にする。ついで、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石(16)に通電し、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石部(14)のヨーク部材(17)と、強磁性体部(14)の強磁性体(20)との間に図１に破線で示すような磁気回路を形成する。すると、強磁性体(20)が上向きの吸引力を受け、これによって回転体(2)の重量の一部が支持される。このとき、永久磁石軸受(10)の回転永久磁石(30)(31)が固定永久磁石(26)(27)から上向きの吸引力を受け、これによっても回転体(2)の重量の一部が支持される。強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力と、回転永久磁石(30)(31)が受ける上向きの吸引力との和は、回転体(2)の重量よりも小さく、たとえば全重量の５０％程度である。したがって、回転体(2)はいまだ浮上せず、アキシアル方向に非接触状態とはならない。ついで、冷却装置により超電導軸受(11)の冷却ケース(41)内に冷却流体を循環させ、超電導体(42)を臨界温度以下の温度に冷却して超電導状態にし、この状態で保持する。すなわち、超電導体(42)に反磁性状態を出現させる。ついで、昇降装置(38)の昇降ロッド(39)を上昇させ、超電導体部(33)を上昇させて永久磁石部(32)に接近させる。すると、永久磁石(36)(37)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の残りの重量が支持されることになり、回転体(2)が浮上する。その結果、アキシアル磁気軸受(9)のヨーク部材(17)の下方突出部(17a)と強磁性体(20)の上方突出部(20a)との間隔が小さくなり、強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力が大きくなる。しかも、永久磁石軸受(10)の固定永久磁石(26)(27)と回転永久磁石(30)(31)との間隔も小さくなり、回転永久磁石(30)(31)が固定永久磁石(26)(27)から受ける上向きの吸引力も大きくなる。したがって、回転体(2)は、極めて安定した状態でアキシアル方向に非接触支持されることになる。ついで、上下のラジアル磁気軸受(12)(13)によって、回転体(2)のラジアル方向の初期位置決めを行う。これにより、図２に示すように、回転体(2)は、アキシアル磁気軸受(9)、永久磁石軸受(10)、超電導軸受(11)およびラジアル磁気軸受(12)(13)によって非接触支持されたことになる。回転体(2)が非接触支持されたならば、高周波電動機(6)を作動させて回転体(2)を回転させる。そして、回転体(2)が回転している間に、電気エネルギが回転運動エネルギに変換されてフライホイール(4)に貯蔵される。回転体(2)が回転しているさいに、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の位置制御機能により、回転体(2)にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２４】
回転体(2)が回転しているときに停電が発生した場合、高周波電動機(6)は停止するが、フライホイール(4)により、回転体(2)はわずかに減速するものの継続して回転させられる。その結果、高周波電動機(6)が発電機として作動し、フライホイール(4)に貯蔵されていた回転運動エネルギが電気エネルギとして取り出され、図示しない蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられた電力は、図示しない外部の電力消費財および超電導軸受(11)の冷却装置に送られ、電力消費財および超電導軸受(11)が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部はアキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の磁気軸受制御装置に送られ、これによりこれらの磁気軸受(9)(12)(13)の位置制御機能が作動させられる。そして、フライホイール(4)に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転体(2)が停止するまでの間、回転体(2)はアキシアル磁気軸受(9)、永久磁石軸受(10)、超電導軸受(11)およびラジアル磁気軸受(12)(13)によって非接触支持される。しかも、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)の位置制御機能により、回転体(2)にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２５】
上記実施例においては、アキシアル磁気軸受(9)およびラジアル磁気軸受(12)(13)は、それぞれ変位センサを備えた磁気軸受であるが、これに代えて、公知のセンサレス磁気軸受を用いることもできる。この場合、センサ回路の故障による安全性の低下が防止される。
【００２６】
また、上記実施例においては、回転体(2)は高周波電動機(6)により回転させられるようになっているが、これに代えて、ラジアル磁気軸受(12)(13)の少なくとも１組を、回転体(2)の位置制御機能の他に、回転体(2)を回転駆動する電動駆動機能を有するものにしてもよい。この場合、高周波電動機(6)は不要になる。
【００２７】
また、上記実施例において、アキシアル磁気軸受(9)の電磁石(16)のコイルとして、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、強磁性体(20)が受ける上向きの吸引力は一層大きくなる。
【００２８】
また、上記実施例においては、電力貯蔵装置の始動にさいし、超電導体(42)をゼロ磁場冷却しているが、これに代えて、永久磁石(36)(37)の磁界を利用して超電導体(42)を磁場冷却してもよい。この場合、ピン止め力により生じる磁気反発力によって永久磁石(36)(37)が上向きに付勢される。但し、超電導体(42)を磁場冷却する場合には、予めラジアル磁気軸受(12)(13)により回転体(2)のラジアル方向の初期位置決めを行っておく必要がある。
【００２９】
さらに、上記実施例において、超電導軸受(11)の超電導体として、水銀、鉛などからなる完全反磁性を示す第１種超電導体を用いてもよい。この場合、超電導軸受部の超電導体のマイスナー効果による磁気反発力によって、永久磁石が超電導体により上向きに付勢される。
【００３０】
図３〜図６は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)上面と回転体(2)の回転軸(3)の下面との間に設けられかつ反発力により回転体(2)を上向きに支持する磁力利用軸受の変形例を、一部を省略して概略的に示す。なお、図３〜図６において、図１および図２に示すものと同一物には同一符号を付す。さらに、図３〜図６を通じて同一物には同一符号を付す。
【００３１】
図３において、超電導軸受（磁力利用軸受）(50)は、回転体(2)の回転軸(3)の下面の中心部に形成された円筒状穴(51)内に嵌められて固定された円柱状永久磁石（回転体側軸受構成体）(52)を備えている。永久磁石(52)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、たとえば上端部がＳ極、下端部がＮ極の磁気を帯びている。また、超電導軸受(50)は、超電導体部(33)の下側に永久磁石(52)に対向するように配置された永久磁石(53)を備えている。超電導体部(33)と永久磁石(53)は、一緒に上下動させられるようになっている。超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)は、回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、かつ回転体(2)側の永久磁石(52)対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(53)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３２】
このような超電導軸受(50)を備えている場合、超電導体(42)に出現した反磁性によって永久磁石(52)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、永久磁石(52)に作用する超電導体部(33)の下側の永久磁石(53)の磁気反発力によっても回転体(2)の重量の一部を支持できる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００３３】
図４において、超電導軸受（磁力利用軸受）(55)は、超電導体部(33)の下側に永久磁石(52)に対向するように配置された電磁石(56)を備えている。超電導体部(33)と電磁石(56)は、一緒に上下動させられるようになっている。電磁石(56)は、回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。電磁石(56)は、その上下両端部が逆の極性の磁気を帯び、かつ永久磁石(52)と対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びるようになされている。たとえば、電磁石(56)の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びるようになっている。
【００３４】
このような超電導軸受(55)を備えている場合、超電導体(42)に出現した反磁性によって永久磁石(52)と超電導体(42)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、永久磁石(52)に作用する電磁石(56)の磁気反発力によっても回転体(2)の重量の一部を支持できる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００３５】
なお、図４において、電磁石(56)のコイルとしては、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、永久磁石(52)に作用する電磁石(56)の磁気反発力は一層大きくなる。
【００３６】
図５において、永久磁石軸受（磁力利用軸受）(60)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に上下動自在に配置された永久磁石（固定部側軸受構成体）(61)を備えている。この永久磁石(61)は回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。上下動自在の永久磁石(61)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部が永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(61)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３７】
このような永久磁石軸受(60)を備えている場合、両永久磁石(52)(61)と永久磁石との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部が支持される。
【００３８】
図６において、磁力利用軸受(65)は、真空チャンバ(1)の底壁(1c)に上下動自在に配置された電磁石（固定部側軸受構成体）(66)と、電磁石(66)の下側に電磁石(66)と一緒に上下動するように配置された永久磁石(67)とを備えている。電磁石(66)および永久磁石(67)は回転体(2)側の永久磁石(52)とほぼ対向するように配置されている。電磁石(66)は、その上下両端部が逆の極性の磁気を帯び、かつ回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部がこの永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びるようになされている。たとえば、電磁石(66)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びるようになっている。また、電磁石(66)の下側の永久磁石(67)の上下両端部は逆の極性の磁気を帯びており、回転体(2)側の永久磁石(52)と対向する端部がこの永久磁石(52)と同じ極性の磁気を帯びている。たとえば、永久磁石(67)の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。
【００３９】
このような磁力利用軸受(65)を備えている場合、電磁石(66)と回転体(2)側の永久磁石(52)との間に生じる磁気反発力により、回転体(2)の重量の一部を支持するさい、電磁石(66)の磁気反発力がその下側の永久磁石(67)によって増大させられる。したがって、アキシアル方向の負荷容量が向上し、より重量の大きい回転体(2)を支持することができる。
【００４０】
なお、図６において、電磁石(66)のコイルとしては、超電導線材からなるものを用いてもよい。この場合、永久磁石(52)に作用する電磁石(66)の磁気反発力は一層大きくなる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明の軸受装置およびその始動方法によれば、上述のように、アキシアル方向の負荷容量が向上する。したがって、より重量の大きい回転体を支持することが可能になる。その結果、たとえば電力貯蔵装置に適用した場合には、大型のフライホイールを有する回転体を支持することが可能になり、電力貯蔵効率が向上する。
【００４２】
この発明の軸受装置において、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に、さらに吸引力により回転体を上向きに付勢する永久磁石軸受が設けられていると、この永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されるので、アキシアル方向の負荷容量が向上する。また、永久磁石軸受の吸引力によっても回転体の重量の一部が支持されると、制御型磁気軸受の電磁石に流す電流を小さくすることができるので、うず電流損を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例を示す軸受装置を適用した停止状態の電力貯蔵装置の概略縦断面図である。
【図２】 この発明の実施例を示す軸受装置を適用した作動状態の電力貯蔵装置の概略縦断面図である。
【図３】 磁力利用軸受の第１の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図４】 磁力利用軸受の第２の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図５】 磁力利用軸受の第３の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【図６】 磁力利用軸受の第４の変形例を概略的に示す一部を省略した部分拡大断面図である。
【符号の説明】
(1) 真空チャンバ（固定部）
(2) 回転体
(9) 制御型アキシアル磁気軸受
(11) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(12) 制御型ラジアル磁気軸受
(13) 制御型ラジアル磁気軸受
(16) 電磁石
(20) 強磁性体
(32) 永久磁石部（回転体側軸受構成体）
(33) 超電導体部（固定部側軸受構成体）
(50) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(52) 永久磁石（回転体側軸受構成体）
(55) 超電導軸受（磁力利用軸受）
(60) 永久磁石軸受（磁力利用軸受）
(61) 永久磁石（固定部側軸受構成体）
(65) 磁力利用軸受
(66) 電磁石（固定部側軸受構成体）
Claims (2)
- 固定部と、垂直軸を中心に回転する回転体と、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段と、回転体を固定部に対してラジアル方向に非接触支持する軸受手段とを備えた軸受装置であって、
固定部が下向き面および上向き面を有するとともに、回転体が固定部の下向き面に対向する上向き面および固定部の上向き面に対向する下向き面を有しており、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受手段が、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する制御型磁気軸受と、固定部の下向き面と回転体の上向き面との間に設けられかつ吸引力により回転体を上向きに付勢する永久磁石軸受と、固定部の上向き面と回転体の下向き面との間に設けられかつ反発力により回転体を上向きに付勢する磁力利用軸受とよりなり、制御型磁気軸受が、固定部に設けられた環状の電磁石および回転体に設けられた環状の強磁性体を備えており、永久磁石軸受が、固定部における制御型磁気軸受の環状電磁石に囲まれた部分に設けられた永久磁石および回転体における環状強磁性体に囲まれた部分に設けられた永久磁石を備えており、磁力利用軸受が、固定部に設けられた軸受構成体および回転体に設けられた軸受構成体からなり、かつ固定部側の軸受構成体が上下動するようになされている軸受装置。 - 請求項１記載の軸受装置を始動する方法であって、
磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を下降させておくこと、制御型磁気軸受の環状電磁石に通電し、制御型磁気軸受の環状電磁石からの吸引力により環状強磁性体を上向きに付勢するとともに、永久磁石軸受の固定永久磁石からの吸引力により回転永久磁石を上向きに付勢し、これにより回転体の重量の一部を支持すること、磁力利用軸受の固定部側の軸受構成体を上昇させ、この軸受構成体からの反発力により回転体側の軸受構成体を上向きに付勢すること、ならびに上記吸引力および反発力により回転体をアキシアル方向に非接触支持することを含む軸受装置の始動方法。
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