JP3785096B2 - 超電導磁気軸受 - Google Patents
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- F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
- F16C2361/55—Flywheel systems
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電力を貯蔵するためのフライホイールが設けられた回転軸を、超電導体を用いて、非接触に浮上させた状態にて支持する超電導磁気軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力をフライホイールの回転エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置においては、フライホイールや発電電動機の回転子等の回転体をできるだけ摩擦等の損失が低い状態で回転させる必要があり、回転体を真空容器に収納するとともに、回転体を支持する軸受に超電導磁気浮上装置を採用している。
【０００３】
まず、電力貯蔵装置を、図７を参照しながら説明する。
図７は、超電導磁気受１を有する電力貯蔵装置の概略図である。超電導磁気軸受１を用いたフライホイール電力貯蔵装置システムは、フライホイール２を超電導磁気軸受１で支持し、回転軸６に発電電動機３を持つ。これらの装置は、回転軸６の回転損失を低減する為に、真空容器９に収納される。電力貯蔵装置に電力を貯蔵する場合には、発電電動機３を電動機として駆動させてフライホイール２を回転させる。このとき、電力エネルギーがフライホイール２の回転エネルギーとして貯蔵される。電力貯蔵装置から電力を取り出す場合には、発電電動機３をフライホイール２の回転によって駆動し発電機として用いることによって、フライホイール２の回転エネルギーを電力エネルギーに変換し、フライホイール２から電力を取り出す。また、電力貯蔵装置の待機時では、回転損失を低減させるために、昇降装置８により、発電電動機３の回転子と固定子（共に図示省略）との間を広げるようにしている。
【０００４】
超電導磁気軸受１は、超電導体７と永久磁石４，５との間に働く拘束力（反発力）によって、回転軸６に働く荷重を受ける軸受である。回転軸６が回転するときに、永久磁石４，５を回転方向に沿って磁場が変化しないように並べて回転軸６が回転しても永久磁石４，５から発生する磁場変動が起こらないようにすると、回転によって超電導体７が受ける磁場変化がなくなり、回転軸６が回転による抗力を受けないことになる。すなわち、軸受損失が零となる。通常、超電導体７の冷却の必要性から、超電導磁気軸受１の固定側に超電導体７が用いられ、回転側に永久磁石４，５が用いられる。
【０００５】
超電導磁気軸受には、図８（ａ）に示すように、回転軸６と直角に超電導体７及び永久磁石４を配置したアキシャルギャップ型軸受と、図８（ｂ）に示すように、回転軸６と平行に超電導体７及び永久磁石５を配置したラジアルギャップ型軸受と、図８（ｃ）に示すように、回転軸６と直角及び平行の両方向に超電導体７及び永久磁石４，５を配置したアキシャルラジアル併用型軸受とがある。図７に示した超電導磁気軸受１は、アキシャルラジアル併用型軸受であり、この超電導磁気軸受１には、回転軸６の回転方向に一様な磁場を持つ永久磁石４が必要とされる。今回の発明は、高速回転するアキシャルギャップ型軸受及びアキシャルラジアル併用型軸受に用いられる永久磁石４の配置によって、回転による磁場変動を低減するものである。
【０００６】
以下、超電導磁気受１について、図９を参照しながら説明する。
超電導磁気軸受１の回転軸６には、円盤状の強磁性体からなるフランジ６ｅが設けられている。このフランジ６ｅの下面には、内側に配置された内側永久磁石４ａと外側に配置された外側永久磁石４ｂとの２つのリング状磁石が、磁気吸着によって固定されている。外側永久磁石４ｂの外周側には、非磁性体からなる補強リング６ｂが設けられている。この補強リング６ｂは、その上部が、回転軸６のフランジ６ｅの内周面に機械的に固定されている。補強リング６ｂは、回転時において、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとを同心軸上に保つ働きをする。
【０００７】
上記内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂは、超電導磁気軸受１が小型の場合には、一体成形のリング状の永久磁石から構成される。しかし、超電導磁気軸受１が大型の場合では、永久磁石の強度の問題や永久磁石の成形設備などの制約により、一体成形のリング状の永久磁石を使用することが困難である。そのため、内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂは、図１０に示すように、円弧状に分割された複数の分割磁石４ａ１，４ｂ１から構成され、これら分割磁石４ａ１，４ｂ１をそれぞれ周方向に並べることでリング状の内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂが形成される。
【０００８】
内側永久磁石４ａ，外側永久磁石４ｂが回転されると、図１１中の矢印に示すように、内側永久磁石４ａに働く遠心力による荷重が外側永久磁石４ｂに掛かり、外側永久磁石４ｂに働く遠心力による荷重が補強リング６ｂに掛かり、その結果、補強リング６ｂが内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの径方向の荷重を支持して、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとがリング形状に保たれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電力貯蔵フライホイールシステムの電力貯蔵効率を高めるためには、フライホイール２が回転するときの軸受損失を低減する必要がある。軸受損失の原因の一つとして、回転軸６の回転による磁場変動がある。電力貯蔵フライホイールシステムに用いる超電導磁気軸受１の永久磁石４は、高速回転されるため遠心力の影響を受ける。永久磁石４の強度や製造コストの問題などから、永久磁石４がドーナツ型の永久磁石を周方向に分割した分割磁石４ａ１，４ｂ１からなっている場合では、高速回転されると遠心力の影響により補強リング６ｂの径が膨らみ、分割磁石４ａ１，４ｂ１間の隙間が開くため、磁場のギャップができ、回転方向の磁場が変化する。つまり、回転軸６の高速回転時においては、内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂが遠心力により補強リング６ｂの内径を拡大させるため、図１２に示すように、互いに隣接する分割磁石４ａ１間及び分割磁石４ｂ１間に、それぞれ間隙４ｇ，４ｈが生じ、リング形状が崩れてしまう。その結果、超電導体７に面する磁場が不均一となり、回転軸６の回転に拘束力が働いて、フライホイール２の回転数が低下し、フライホイール２に貯蔵されているエネルギーを損失させてしまう。
【００１０】
また、軸受損失の他の原因として、超電導磁気軸受１の機械的不釣合がある。回転軸６が高速回転すると、永久磁石４の内径と永久磁石４を保持している補強リング６ｂの内径とが遠心力によって拡大する。このときに、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの同心が保てないと、機械的不釣合が生じ、振動が発生する。これが、軸受損失の原因となる。
さらに、上記超電導磁気軸受１においては、内側永久磁石４ａ、外側永久磁石４ｂ及び補強リング６ｂの半径方向の遠心力が、すべて回転軸６に設けられたフランジ６ｅの外周に掛かるため、フランジ６ｅが軸方向に反ってしまうという問題もある。
【００１１】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、遠心力による部品の不具合がなく、軸損失なく回転軸を支持することが可能な超電導磁気軸受を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の超電導磁気軸受は、鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、この回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、永久磁石の下方側に対向させて、回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、超電導体と永久磁石との反発力により、回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸の停止時においてこれら分割磁石のうちの半数が補強リングの内周面から離間した状態に配置され、回転軸が回転された際に、遠心力により、分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されることを特徴としている。
【００１３】
したがって、高速回転時において、永久磁石を間隙のないリング形状に保ち、超電導体と永久磁石とによって生じる磁場の周方向の分布を均一化することができるので、回転軸に周方向への拘束力が働くのを抑え、軸受でのエネルギーの損失を低減することができる。
【００１４】
請求項２記載の超電導磁気軸受は、鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、この回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、永久磁石の下方側に対向させて、回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、超電導体と永久磁石との反発力により、回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸が回転された際に、遠心力により、分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されるとともに、互いに隣接する分割磁石の接合面が、径方向に対して所定の角度に傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に分割磁石に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１５】
請求項３記載の超電導磁気軸受は、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ逆方向へ傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１６】
請求項４記載の超電導磁気軸受は、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ同一方向へ傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１７】
請求項５記載の超電導磁気軸受は、請求項１〜４のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、永久磁石が、複数のリングを有し、リングの外周側に、補強リングがそれぞれ設けられていることを特徴としている。
したがって、各リングの径方向に掛かる荷重を、それぞれの補強リングにて支持させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の超電導磁気軸受を、図１〜図６を参照して説明する。なお、従来の超電導磁気軸受の構成要素と同じ構成要素に対しては、同一符号を付して、その説明を省略する。
（第１実施形態例）
図１は、超電導磁気軸受１の永久磁石４の横断面図である。この永久磁石４は、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとを有している。内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの外周側には、補強リング６ａ，６ｂがそれぞれ設けられている。
【００１９】
内側永久磁石４ａは、周方向に分割された複数のセグメント状の分割磁石４ａ１と４ａ２とから構成されており、これら分割磁石４ａ１，４ａ２は、交互に配置されることでリング形状を形成する。このリングの外径は、所定の回転速度で回転されると、補強リング６ａの内径に一致する大きさとされている。分割磁石４ａ１，４ａ２の両側面からなる接合面４ｅは、分割磁石４ａ１で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｅと、分割磁石４ａ２で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに近接する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｅとが交互に存在する。
これら分割磁石４ａ１，４ａ２は、停止時に分割磁石４ａ１の外周が補強リング６ａの内周面に接するように、分割磁石４ａ２が分割磁石４ａ１よりも内側にずらされた状態（即ち、補強リング６ａとの間に隙間がある状態）で、回転軸６のフランジ６ｅに磁気吸着している。
【００２０】
外側永久磁石４ｂは、周方向に分割された複数のセグメント状の分割磁石４ｂ１，４ｂ２から構成されており、これらが交互に配置されることでリング形状を形成する。このリングの外径は、所定の回転速度で回転されると、補強リング６ｂの内径に一致する大きさとされている。分割磁石４ｂ１と分割磁石４ｂ２との接合面４ｆは、分割磁石４ｂ１で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｆと、分割磁石４ｂ２で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに近接する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｆとが交互に存在する。
これら分割磁石４ｂ１，４ｂ２は、停止時に分割磁石４ｂ１の外周が補強リング６ｂの内周面に接するように、分割磁石４ｂ２が分割磁石４ｂ１よりも内側にずらされた状態（即ち、補強リング６ｂとの間に隙間がある状態）で、回転軸６のフランジ６ｅに磁気吸着している。
【００２１】
図２は、図１におけるＸ−Ｘ’断面図であり、図３は、図１におけるＹ−Ｙ’断面図である。これら図２及び図３に示すように、補強リング６ａ，６ｂの上部には、内周面から径方向内方へ突出した係合部６ｆ，６ｇがそれぞれ設けられている。また、フランジ６ｅの下面には、凹部６ｃ，６ｄが周方向に沿って設けられている。この凹部６ｃの内周面には、停止した状態の補強リング６ａの係合部６ｆが当接し、外周面には、所定の回転速度で回転すると補強リング６ａの外周面が当接する。また、凹部６ｄの内周面には、停止した状態の補強リング６ｂの係合部６ｇが当接し、外周面には、所定の回転速度で回転すると補強リング６ｂの外周面が当接するようになっている。
【００２２】
補強リング６ａは、係合部６ｆが内側永久磁石４ａの上面に係合され、内側永久磁石４ａの磁気吸着力によりフランジ６ｅの凹部６ｃに押し付けられている。補強リング６ｂも、補強リング６ａと同様に、係合部６ｇが外側永久磁石４ｂの上面に係合され、外側永久磁石４ｂの磁気吸着力によりフランジ６ｅの凹部６ｄに押し付けられている。
【００２３】
回転軸６を所定の回転速度で回転させると、図４に示すように、径方向に働く遠心力により、補強リング６ａの内径が広がる。これに伴い、分割磁石４ａ２がスライドして径方向へと移動し、また、分割磁石４ａ１も径方向へと移動する。その結果、図５に示すように、分割磁石４ａ１，４ａ２の外径が補強リング６ａの内径に一致するリングが形成される。
同様にして、分割磁石４ｂ１，４ｂ２の外径が補強リング６ｂの内径に一致するリングが形成される。
【００２４】
上記構造の永久磁石４によれば、高速回転時において、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとにより間隙のないリングが形成され、永久磁石４によって生じる磁場の周方向の分布が均一化されるので、回転軸６に周方向への拘束力が働くのが抑えられ、軸受損失が低減される。これにより、フライホイール２に貯蔵されるエネルギーの損失が低減される。
【００２５】
さらに、分割磁石４ａ１，４ａ２と分割磁石４ｂ１，４ｂ２とには、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ傾斜された接合面４ｅ，４ｆと、径方向外方へ行くに従い近接する方向へ傾斜された接合面４ｅ，４ｆとが、それぞれ交互に形成されているので、停止時に、それぞれ補強リング６ａ，６ｂの内周面より内側にずらして配置した分割磁石４ａ２，４ｂ２が、回転時に、径方向に掛かる遠心力によって、径方向へスライドされて、円滑にリングが形成される。
【００２６】
また、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの外周側には、補強リング６ａ，６ｂがそれぞれ設けられており、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの径方向に掛かる遠心力が、それぞれの補強リング６ａ，６ｂに支持されるため、永久磁石４の径方向の遠心力がフランジ６ｅに分散して支持されることになり、フランジ６ｅが軸方向に反るのが防止される。
【００２７】
次に、本発明の他の実施形態に係る超電導磁気軸受を説明する。なお、以下に記載される永久磁石は、内側永久磁石と外側永久磁石とが同一構成となっているので、内側永久磁石についてのみ説明する。
【００２８】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石４である。この永久磁石４の分割磁石４ａ１は、両側面からなる接合面４ｅが、径方向に対して同じ方向へ傾斜されており、周方向に並べられることで、所定の回転速度で回転された補強リング６ａの内径に外径が一致するリングを形成する。
【００２９】
この分割磁石４ａ１は、停止時において、図６の下部に示すように、接合面４ｅが傾斜する方向の外側の鋭角４ｉが補強リング６ａの内周面に当接され、もう一方の外側の鋭角４ｊが補強リング６ａの内周面より内側にずらされて周方向に並べられる。
【００３０】
そして、回転軸６が回転され、径方向に働く遠心力により補強リング６ａの内径が広がると、分割磁石４ａ１は、鋭角４ｉを基点として隣接する分割磁石４ａ１の接合面４ｅをスライドし、外周面が補強リング６ａの内周面に当接される。これにより、図６の上部に示すように、回転される補強リング６ａの内径に外径が一致するリングが形成される。
【００３１】
上記永久磁石４を有する超電導磁気軸受によれば、第１実施形態の超電導磁気軸受と同様に、回転時において、超電導体７と永久磁石４とによって生じる磁場の周方向の分布が均一化されるので、回転軸６に周方向への拘束力が働くのを抑え、フライホイール２に貯蔵されるエネルギーの損失が低減される。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の超電導磁気軸受によれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の超電導磁気軸受によれば、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸が回転された際に、遠心力により分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ隣り合う分割磁石同士が互いに当接して隙間なくリング状に配置されるので、回転時において、永久磁石を間隙のないリング形状に保ち、永久磁石によって生じる磁場の周方向の分布を均一化する。したがって、回転軸に周方向への拘束力が働くのを抑え、軸受損失を低減することができる。
【００３３】
請求項２記載の超電導磁気軸受によれば、互いに隣接する分割磁石の接合面が、径方向に対して所定の角度に傾斜されているため、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の側面にそって径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３４】
請求項３記載の超電導磁気軸受によれば、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれが逆方向へ傾斜されているので、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３５】
請求項４記載の超電導磁気軸受によれば、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ同一方向へ傾斜されているため、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３６】
請求項５記載の超電導磁気軸受によれば、永久磁石が、複数層のリングをなし、このリングの外周側には、補強リングがそれぞれ設けられているので、各リングの径方向に掛かる遠心力を、それぞれの補強リングにて支持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、停止における永久磁石の横断面図である。
【図２】 永久磁石のＸ−Ｘ’縦断面図である。
【図３】 永久磁石のＹ−Ｙ’縦断面図である。
【図４】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図５】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図６】 本発明の第２実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図７】 従来の超電導磁気軸受を説明するための、電力貯蔵装置の縦断面図である。
【図８】 超電導磁気軸受の型式を説明するための図である。
【図９】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図１０】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図１１】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図１２】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【符号の説明】
１ 超電導磁気軸受
４ 永久磁石
４ａ１，４ａ２，４ｂ１，４ｂ２ 分割磁石
４ｅ，４ｆ 接合面
４ｉ，４ｊ 鋭角
６ 回転軸
６ａ、６ｂ 補強リング
６ｅ フランジ
６ｃ，６ｄ 凹部
６ｆ，６ｇ 係合部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電力を貯蔵するためのフライホイールが設けられた回転軸を、超電導体を用いて、非接触に浮上させた状態にて支持する超電導磁気軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力をフライホイールの回転エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置においては、フライホイールや発電電動機の回転子等の回転体をできるだけ摩擦等の損失が低い状態で回転させる必要があり、回転体を真空容器に収納するとともに、回転体を支持する軸受に超電導磁気浮上装置を採用している。
【０００３】
まず、電力貯蔵装置を、図７を参照しながら説明する。
図７は、超電導磁気受１を有する電力貯蔵装置の概略図である。超電導磁気軸受１を用いたフライホイール電力貯蔵装置システムは、フライホイール２を超電導磁気軸受１で支持し、回転軸６に発電電動機３を持つ。これらの装置は、回転軸６の回転損失を低減する為に、真空容器９に収納される。電力貯蔵装置に電力を貯蔵する場合には、発電電動機３を電動機として駆動させてフライホイール２を回転させる。このとき、電力エネルギーがフライホイール２の回転エネルギーとして貯蔵される。電力貯蔵装置から電力を取り出す場合には、発電電動機３をフライホイール２の回転によって駆動し発電機として用いることによって、フライホイール２の回転エネルギーを電力エネルギーに変換し、フライホイール２から電力を取り出す。また、電力貯蔵装置の待機時では、回転損失を低減させるために、昇降装置８により、発電電動機３の回転子と固定子（共に図示省略）との間を広げるようにしている。
【０００４】
超電導磁気軸受１は、超電導体７と永久磁石４，５との間に働く拘束力（反発力）によって、回転軸６に働く荷重を受ける軸受である。回転軸６が回転するときに、永久磁石４，５を回転方向に沿って磁場が変化しないように並べて回転軸６が回転しても永久磁石４，５から発生する磁場変動が起こらないようにすると、回転によって超電導体７が受ける磁場変化がなくなり、回転軸６が回転による抗力を受けないことになる。すなわち、軸受損失が零となる。通常、超電導体７の冷却の必要性から、超電導磁気軸受１の固定側に超電導体７が用いられ、回転側に永久磁石４，５が用いられる。
【０００５】
超電導磁気軸受には、図８（ａ）に示すように、回転軸６と直角に超電導体７及び永久磁石４を配置したアキシャルギャップ型軸受と、図８（ｂ）に示すように、回転軸６と平行に超電導体７及び永久磁石５を配置したラジアルギャップ型軸受と、図８（ｃ）に示すように、回転軸６と直角及び平行の両方向に超電導体７及び永久磁石４，５を配置したアキシャルラジアル併用型軸受とがある。図７に示した超電導磁気軸受１は、アキシャルラジアル併用型軸受であり、この超電導磁気軸受１には、回転軸６の回転方向に一様な磁場を持つ永久磁石４が必要とされる。今回の発明は、高速回転するアキシャルギャップ型軸受及びアキシャルラジアル併用型軸受に用いられる永久磁石４の配置によって、回転による磁場変動を低減するものである。
【０００６】
以下、超電導磁気受１について、図９を参照しながら説明する。
超電導磁気軸受１の回転軸６には、円盤状の強磁性体からなるフランジ６ｅが設けられている。このフランジ６ｅの下面には、内側に配置された内側永久磁石４ａと外側に配置された外側永久磁石４ｂとの２つのリング状磁石が、磁気吸着によって固定されている。外側永久磁石４ｂの外周側には、非磁性体からなる補強リング６ｂが設けられている。この補強リング６ｂは、その上部が、回転軸６のフランジ６ｅの内周面に機械的に固定されている。補強リング６ｂは、回転時において、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとを同心軸上に保つ働きをする。
【０００７】
上記内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂは、超電導磁気軸受１が小型の場合には、一体成形のリング状の永久磁石から構成される。しかし、超電導磁気軸受１が大型の場合では、永久磁石の強度の問題や永久磁石の成形設備などの制約により、一体成形のリング状の永久磁石を使用することが困難である。そのため、内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂは、図１０に示すように、円弧状に分割された複数の分割磁石４ａ１，４ｂ１から構成され、これら分割磁石４ａ１，４ｂ１をそれぞれ周方向に並べることでリング状の内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂが形成される。
【０００８】
内側永久磁石４ａ，外側永久磁石４ｂが回転されると、図１１中の矢印に示すように、内側永久磁石４ａに働く遠心力による荷重が外側永久磁石４ｂに掛かり、外側永久磁石４ｂに働く遠心力による荷重が補強リング６ｂに掛かり、その結果、補強リング６ｂが内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの径方向の荷重を支持して、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとがリング形状に保たれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電力貯蔵フライホイールシステムの電力貯蔵効率を高めるためには、フライホイール２が回転するときの軸受損失を低減する必要がある。軸受損失の原因の一つとして、回転軸６の回転による磁場変動がある。電力貯蔵フライホイールシステムに用いる超電導磁気軸受１の永久磁石４は、高速回転されるため遠心力の影響を受ける。永久磁石４の強度や製造コストの問題などから、永久磁石４がドーナツ型の永久磁石を周方向に分割した分割磁石４ａ１，４ｂ１からなっている場合では、高速回転されると遠心力の影響により補強リング６ｂの径が膨らみ、分割磁石４ａ１，４ｂ１間の隙間が開くため、磁場のギャップができ、回転方向の磁場が変化する。つまり、回転軸６の高速回転時においては、内側永久磁石４ａ及び外側永久磁石４ｂが遠心力により補強リング６ｂの内径を拡大させるため、図１２に示すように、互いに隣接する分割磁石４ａ１間及び分割磁石４ｂ１間に、それぞれ間隙４ｇ，４ｈが生じ、リング形状が崩れてしまう。その結果、超電導体７に面する磁場が不均一となり、回転軸６の回転に拘束力が働いて、フライホイール２の回転数が低下し、フライホイール２に貯蔵されているエネルギーを損失させてしまう。
【００１０】
また、軸受損失の他の原因として、超電導磁気軸受１の機械的不釣合がある。回転軸６が高速回転すると、永久磁石４の内径と永久磁石４を保持している補強リング６ｂの内径とが遠心力によって拡大する。このときに、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの同心が保てないと、機械的不釣合が生じ、振動が発生する。これが、軸受損失の原因となる。
さらに、上記超電導磁気軸受１においては、内側永久磁石４ａ、外側永久磁石４ｂ及び補強リング６ｂの半径方向の遠心力が、すべて回転軸６に設けられたフランジ６ｅの外周に掛かるため、フランジ６ｅが軸方向に反ってしまうという問題もある。
【００１１】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、遠心力による部品の不具合がなく、軸損失なく回転軸を支持することが可能な超電導磁気軸受を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の超電導磁気軸受は、鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、この回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、永久磁石の下方側に対向させて、回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、超電導体と永久磁石との反発力により、回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸の停止時においてこれら分割磁石のうちの半数が補強リングの内周面から離間した状態に配置され、回転軸が回転された際に、遠心力により、分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されることを特徴としている。
【００１３】
したがって、高速回転時において、永久磁石を間隙のないリング形状に保ち、超電導体と永久磁石とによって生じる磁場の周方向の分布を均一化することができるので、回転軸に周方向への拘束力が働くのを抑え、軸受でのエネルギーの損失を低減することができる。
【００１４】
請求項２記載の超電導磁気軸受は、鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、この回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、永久磁石の下方側に対向させて、回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、超電導体と永久磁石との反発力により、回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸が回転された際に、遠心力により、分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されるとともに、互いに隣接する分割磁石の接合面が、径方向に対して所定の角度に傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に分割磁石に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１５】
請求項３記載の超電導磁気軸受は、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ逆方向へ傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１６】
請求項４記載の超電導磁気軸受は、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ同一方向へ傾斜されていることを特徴としている。
したがって、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせて、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００１７】
請求項５記載の超電導磁気軸受は、請求項１〜４のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、永久磁石が、複数のリングを有し、リングの外周側に、補強リングがそれぞれ設けられていることを特徴としている。
したがって、各リングの径方向に掛かる荷重を、それぞれの補強リングにて支持させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の超電導磁気軸受を、図１〜図６を参照して説明する。なお、従来の超電導磁気軸受の構成要素と同じ構成要素に対しては、同一符号を付して、その説明を省略する。
（第１実施形態例）
図１は、超電導磁気軸受１の永久磁石４の横断面図である。この永久磁石４は、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとを有している。内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの外周側には、補強リング６ａ，６ｂがそれぞれ設けられている。
【００１９】
内側永久磁石４ａは、周方向に分割された複数のセグメント状の分割磁石４ａ１と４ａ２とから構成されており、これら分割磁石４ａ１，４ａ２は、交互に配置されることでリング形状を形成する。このリングの外径は、所定の回転速度で回転されると、補強リング６ａの内径に一致する大きさとされている。分割磁石４ａ１，４ａ２の両側面からなる接合面４ｅは、分割磁石４ａ１で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｅと、分割磁石４ａ２で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに近接する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｅとが交互に存在する。
これら分割磁石４ａ１，４ａ２は、停止時に分割磁石４ａ１の外周が補強リング６ａの内周面に接するように、分割磁石４ａ２が分割磁石４ａ１よりも内側にずらされた状態（即ち、補強リング６ａとの間に隙間がある状態）で、回転軸６のフランジ６ｅに磁気吸着している。
【００２０】
外側永久磁石４ｂは、周方向に分割された複数のセグメント状の分割磁石４ｂ１，４ｂ２から構成されており、これらが交互に配置されることでリング形状を形成する。このリングの外径は、所定の回転速度で回転されると、補強リング６ｂの内径に一致する大きさとされている。分割磁石４ｂ１と分割磁石４ｂ２との接合面４ｆは、分割磁石４ｂ１で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｆと、分割磁石４ｂ２で見た場合、径方向外方へ行くに従い互いに近接する方向へ所定の角度に傾斜された接合面４ｆとが交互に存在する。
これら分割磁石４ｂ１，４ｂ２は、停止時に分割磁石４ｂ１の外周が補強リング６ｂの内周面に接するように、分割磁石４ｂ２が分割磁石４ｂ１よりも内側にずらされた状態（即ち、補強リング６ｂとの間に隙間がある状態）で、回転軸６のフランジ６ｅに磁気吸着している。
【００２１】
図２は、図１におけるＸ−Ｘ’断面図であり、図３は、図１におけるＹ−Ｙ’断面図である。これら図２及び図３に示すように、補強リング６ａ，６ｂの上部には、内周面から径方向内方へ突出した係合部６ｆ，６ｇがそれぞれ設けられている。また、フランジ６ｅの下面には、凹部６ｃ，６ｄが周方向に沿って設けられている。この凹部６ｃの内周面には、停止した状態の補強リング６ａの係合部６ｆが当接し、外周面には、所定の回転速度で回転すると補強リング６ａの外周面が当接する。また、凹部６ｄの内周面には、停止した状態の補強リング６ｂの係合部６ｇが当接し、外周面には、所定の回転速度で回転すると補強リング６ｂの外周面が当接するようになっている。
【００２２】
補強リング６ａは、係合部６ｆが内側永久磁石４ａの上面に係合され、内側永久磁石４ａの磁気吸着力によりフランジ６ｅの凹部６ｃに押し付けられている。補強リング６ｂも、補強リング６ａと同様に、係合部６ｇが外側永久磁石４ｂの上面に係合され、外側永久磁石４ｂの磁気吸着力によりフランジ６ｅの凹部６ｄに押し付けられている。
【００２３】
回転軸６を所定の回転速度で回転させると、図４に示すように、径方向に働く遠心力により、補強リング６ａの内径が広がる。これに伴い、分割磁石４ａ２がスライドして径方向へと移動し、また、分割磁石４ａ１も径方向へと移動する。その結果、図５に示すように、分割磁石４ａ１，４ａ２の外径が補強リング６ａの内径に一致するリングが形成される。
同様にして、分割磁石４ｂ１，４ｂ２の外径が補強リング６ｂの内径に一致するリングが形成される。
【００２４】
上記構造の永久磁石４によれば、高速回転時において、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとにより間隙のないリングが形成され、永久磁石４によって生じる磁場の周方向の分布が均一化されるので、回転軸６に周方向への拘束力が働くのが抑えられ、軸受損失が低減される。これにより、フライホイール２に貯蔵されるエネルギーの損失が低減される。
【００２５】
さらに、分割磁石４ａ１，４ａ２と分割磁石４ｂ１，４ｂ２とには、径方向外方へ行くに従い互いに離間する方向へ傾斜された接合面４ｅ，４ｆと、径方向外方へ行くに従い近接する方向へ傾斜された接合面４ｅ，４ｆとが、それぞれ交互に形成されているので、停止時に、それぞれ補強リング６ａ，６ｂの内周面より内側にずらして配置した分割磁石４ａ２，４ｂ２が、回転時に、径方向に掛かる遠心力によって、径方向へスライドされて、円滑にリングが形成される。
【００２６】
また、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの外周側には、補強リング６ａ，６ｂがそれぞれ設けられており、内側永久磁石４ａと外側永久磁石４ｂとの径方向に掛かる遠心力が、それぞれの補強リング６ａ，６ｂに支持されるため、永久磁石４の径方向の遠心力がフランジ６ｅに分散して支持されることになり、フランジ６ｅが軸方向に反るのが防止される。
【００２７】
次に、本発明の他の実施形態に係る超電導磁気軸受を説明する。なお、以下に記載される永久磁石は、内側永久磁石と外側永久磁石とが同一構成となっているので、内側永久磁石についてのみ説明する。
【００２８】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石４である。この永久磁石４の分割磁石４ａ１は、両側面からなる接合面４ｅが、径方向に対して同じ方向へ傾斜されており、周方向に並べられることで、所定の回転速度で回転された補強リング６ａの内径に外径が一致するリングを形成する。
【００２９】
この分割磁石４ａ１は、停止時において、図６の下部に示すように、接合面４ｅが傾斜する方向の外側の鋭角４ｉが補強リング６ａの内周面に当接され、もう一方の外側の鋭角４ｊが補強リング６ａの内周面より内側にずらされて周方向に並べられる。
【００３０】
そして、回転軸６が回転され、径方向に働く遠心力により補強リング６ａの内径が広がると、分割磁石４ａ１は、鋭角４ｉを基点として隣接する分割磁石４ａ１の接合面４ｅをスライドし、外周面が補強リング６ａの内周面に当接される。これにより、図６の上部に示すように、回転される補強リング６ａの内径に外径が一致するリングが形成される。
【００３１】
上記永久磁石４を有する超電導磁気軸受によれば、第１実施形態の超電導磁気軸受と同様に、回転時において、超電導体７と永久磁石４とによって生じる磁場の周方向の分布が均一化されるので、回転軸６に周方向への拘束力が働くのを抑え、フライホイール２に貯蔵されるエネルギーの損失が低減される。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の超電導磁気軸受によれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の超電導磁気軸受によれば、永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、これら分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、回転軸が回転された際に、遠心力により分割磁石が補強リングの内周面に当接され、且つ隣り合う分割磁石同士が互いに当接して隙間なくリング状に配置されるので、回転時において、永久磁石を間隙のないリング形状に保ち、永久磁石によって生じる磁場の周方向の分布を均一化する。したがって、回転軸に周方向への拘束力が働くのを抑え、軸受損失を低減することができる。
【００３３】
請求項２記載の超電導磁気軸受によれば、互いに隣接する分割磁石の接合面が、径方向に対して所定の角度に傾斜されているため、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の側面にそって径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３４】
請求項３記載の超電導磁気軸受によれば、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれが逆方向へ傾斜されているので、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３５】
請求項４記載の超電導磁気軸受によれば、分割磁石の両側面からなる接合面が、それぞれ同一方向へ傾斜されているため、回転時に掛かる径方向への遠心力によって、分割磁石を隣接する分割磁石の接合面に沿って径方向へスライドさせ、円滑にリング形状を形成させることができる。
【００３６】
請求項５記載の超電導磁気軸受によれば、永久磁石が、複数層のリングをなし、このリングの外周側には、補強リングがそれぞれ設けられているので、各リングの径方向に掛かる遠心力を、それぞれの補強リングにて支持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、停止における永久磁石の横断面図である。
【図２】 永久磁石のＸ−Ｘ’縦断面図である。
【図３】 永久磁石のＹ−Ｙ’縦断面図である。
【図４】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図５】 本発明の第１実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図６】 本発明の第２実施形態に係る超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図７】 従来の超電導磁気軸受を説明するための、電力貯蔵装置の縦断面図である。
【図８】 超電導磁気軸受の型式を説明するための図である。
【図９】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図１０】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【図１１】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の縦断面図である。
【図１２】 従来の超電導磁気軸受の永久磁石を説明するための、永久磁石の横断面図である。
【符号の説明】
１ 超電導磁気軸受
４ 永久磁石
４ａ１，４ａ２，４ｂ１，４ｂ２ 分割磁石
４ｅ，４ｆ 接合面
４ｉ，４ｊ 鋭角
６ 回転軸
６ａ、６ｂ 補強リング
６ｅ フランジ
６ｃ，６ｄ 凹部
６ｆ，６ｇ 係合部
Claims (5)
- 鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、該回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、該永久磁石の下方側に対向させて、前記回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、該超電導体と前記永久磁石との反発力により、前記回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、前記永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、該分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、前記回転軸の停止時において前記分割磁石のうちの半数が前記補強リングの内周面から離間した状態に配置され、前記回転軸が回転された際に、遠心力により、前記分割磁石が前記補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する前記分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されることを特徴とする超電導磁気軸受。
- 鉛直方向に支持されて回転可能に設けられた回転軸と、該回転軸の軸周りに設けられた永久磁石と、該永久磁石の下方側に対向させて、前記回転軸の周方向に沿って設けられた超電導体とを有し、該超電導体と前記永久磁石との反発力により、前記回転軸を回転可能に支持する超伝導磁気軸受であって、
前記永久磁石は、周方向に配置されてリング形状をなす複数の分割磁石からなり、
該分割磁石の外周側には、補強リングが設けられ、
前記回転軸が回転された際に、遠心力により、前記分割磁石が前記補強リングの内周面に当接され、且つ互いに隣接する前記分割磁石同士が当接して隙間なくリング状に配置されるとともに、
互いに隣接する前記分割磁石の接合面は、径方向に対して所定の角度に傾斜されていることを特徴とする超電導磁気軸受。 - 前記分割磁石は、その両側面からなる接合面が、それぞれ逆方向へ傾斜されていることを特徴とする請求項２記載の超電導磁気軸受。
- 前記分割磁石は、その両側面からなる接合面が、それぞれ同一方向へ傾斜されていることを特徴とする請求項２記載の超電導磁気軸受。
- 前記永久磁石は、複数のリング層を有し、該リングの外周側には、前記補強リングがそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の超電導磁気軸受。
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