JP3928094B2 - 超電導軸受装置の起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、または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などに適用される超電導軸受装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、簡単な構成で安定的に回転の支持が行える超電導軸受装置として、回転体に取付けられた永久磁石と、これに対向するように配置された第２種超電導体とからなり、永久磁石が、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取付けられ、超電導体が、永久磁石の磁束侵入を許容するもので、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位置に配置されたものを提案した（特開平４−７８３１６号公報参照）。
【０００３】
この超電導軸受装置の運転を開始する前には、超電導体と永久磁石の相対位置を決定する機構がないため、回転時に駆動用の内蔵型電動機のステータとロータの位置がずれて超電導軸受装置の運転効率が悪いという問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、さらに、固定部分内に鉛直状に配置された回転体、回転体を少なくともアキシアル方向に支持して非接触浮上させる超電導軸受、回転体のラジアル方向の変位を検出するためのラジアル変位センサ、回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受、回転体のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位センサ、必要に応じて前記回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受、ラジアル変位センサおよびアキシアル変位センサの出力信号に基づいてラジアル磁気軸受、アキシアル磁気軸受および超電導軸受を制御する制御装置、ならびに回転体を回転駆動する電動機を備えており、超電導軸受が、回転体に取付けられた永久磁石、および永久磁石の下方の固定部分側に昇降自在に設けられた第２種超電導体よりなる超電導磁気軸受装置を提案した（特開平１０−２３１８４０号公報参照）。
【０００５】
この超電導軸受装置では、次のように、回転体をラジアル磁気軸受とアキシアル磁気軸受で所望の運転位置に位置決めした後、ラジアル磁気軸受と超電導磁気軸受でこの運転位置に非接触支持して運転を開始することができ、したがって、効率の良い運転をすることができる。
【０００６】
まず、電動機を停止させた状態で、回転体を、ラジアル磁気軸受によりラジアル方向（水平方向）に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受によりアキシアル方向（鉛直方向）に非接触支持し、固定部分に対して所定の運転位置（安定回転位置）に浮上させる。アキシアル磁気軸受は、通常、回転体のフランジ部をアキシアル方向の両側から挟んで吸引する上下１対の電磁石を備えており、各電磁石には、制御装置からフランジ部を吸引するための励磁電流が供給される。
【０００７】
上記のように回転体を運転位置に浮上させたとき、回転体の重量はアキシアル磁気軸受だけで支持されているので、上側の電磁石による上向きの吸引力は下側の電磁石による下向きの吸引力に比べて回転体の重量分だけ大きく、アキシアル磁気軸受全体として上向きの支持力を発生している。また、このとき、超電導軸受の固定部分側の超電導体は常温の常電導状態に保持し、超電導体を超電導軸受の回転体側の永久磁石から下方に十分離れた位置（永久磁石の磁束の影響をほとんど受けない位置）まで下降させておく。そして、この位置において、超電導体を所定の温度まで冷却して第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。
【０００８】
次に、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受により回転体を運転位置に保持した状態で、超電導体を永久磁石に対して所定の間隙をあけて対向する位置まで上昇させる。すると、永久磁石から発せられる磁束の一部が超電導体内に部分的に侵入し、この侵入した磁束が超電導体内部のピン止め点にピン止めされる。
【０００９】
次いで、超電導体をさらに上昇させる。アキシアル磁気軸受により回転体を運転位置に保持した状態で、作動状態になった超電導軸受の超電導体を上昇させると、超電導軸受による上向きの支持力が徐々に大きくなり、その分、アキシアル磁気軸受による上向きの支持力が徐々に小さくなる。すなわち、アキシアル磁気軸受の上側の電磁石による上向きの吸引力が徐々に小さくなって、その分、下側の電磁石による下向きの吸引力が徐々に大きくなり、アキシアル磁気軸受全体の上向きの支持力が徐々に小さくなる。そして、アキシアル磁気軸受の上側の電磁石による上向きの吸引力と下側の電磁石による下向きの吸引力が互いに等しくなって、アキシアル磁気軸受全体の上向きの支持力すなわちアキシアル方向の支持力が零になった時点で、超電導体を停止させる。そして、アキシアル磁気軸受の電磁石に対する励磁電流の供給を停止して、これを非作動状態にする。
【００１０】
これにより、回転体の重量が超電導軸受のみによって支持され、回転体は超電導軸受とラジアル磁気軸受により、運転位置に非接触支持される。このように回転体を超電導軸受とラジアル磁気軸受で支持させたならば、電動機を駆動する。これにより、超電導軸受装置は運転を開始し、回転体は、超電導軸受とラジアル磁気軸受により運転位置に保持された状態で、回転させられる。
【００１１】
ところで、鉛直状の回転体を超電導軸受でアキシアル方向に支持して非接触浮上させる上記のような超電導軸受装置では、回転体をラジアル磁気軸受と超電導軸受で支持して回転させている運転中に、時間経過とともに超電導軸受の磁束クリープにより超電導軸受による磁気浮上力が低下し、回転体の位置が徐々に下に下がり、ついにはタッチダウンしてしまう。このようにタッチダウンが生じた場合には、回転体を停止させ、上記のように回転体の初期位置決めを行って運転を再開する必要があり、運転再開のための作業が非常に面倒である。しかも、タッチダウンを何回も行うと、タッチダウン軸受が破損する。
【００１２】
このような問題を解消するため、上記の超電導装置では、次のように、制御装置が、回転体がラジアル磁気軸受および超電導軸受により非接触支持されて回転している状態において、アキシアル変位センサの出力に基づいて超電導体の上下方向の位置を制御することにより回転体を運転位置に支持し、超電導体の位置の制御による回転体の位置の制御が限界に達したときにアキシアル磁気軸受を作動させて回転体を運転位置に支持させるようになっている。
【００１３】
すなわち、制御装置は、運転中、時間経過とともに磁束クリープにより超電導軸受による磁気浮上力が低下し、回転体の位置が運転位置から徐々に下に下がると、回転体の変位量をアキシアル変位センサで検出し、その分超電導体を上昇させて、回転体を運転位置に保つようにフィードバック制御する。この制御は超電導体が所定の上昇限界位置に達するまで行い、その後は、回転体が所定の下降限界位置まで下がるまで、超電導体の位置の制御は行わない。そして、回転体が下降限界位置より下がった時点で、アキシアル磁気軸受を作動させ、再びアキシアル磁気軸受により回転体が運転位置に保持される。このとき、回転体は回転を続けている。
【００１４】
上記の下降限界位置は、回転体がタッチダウンする位置よりも上方に設定されており、したがって、回転体がタッチダウンする前に、回転体を回転させたまま、アキシアル磁気軸受で運転位置に支持することができる。そして、回転体をアキシアル磁気軸受とラジアル磁気軸受で保持して回転させた状態で、超電導体を下降させて、再び完全な第２種超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導体を上昇させて、超電導軸受のみで回転体の重量を支持させ、アキシアル磁気軸受を非作動状態にする。これにより、超電導軸受装置の運転が再開され、再び、回転体は超電導軸受とラジアル磁気軸受により運転位置に支持されて、回転を続ける。
【００１５】
このように、超電導軸受による磁気浮上力が低下して、回転体の位置が下がっても、これがタッチダウンする前に、アキシアル磁気軸受を使用して、回転体を回転させたまま、運転を再開することができる。したがって、回転体をタッチダウンさせずに、長時間連続して運転することが可能である。
【００１６】
ところが、このようにしても、運転開始後の初期の段階で、超電導軸受の磁束クリープが発生し、下降しようとする回転体を運転位置に支持するために、超電導体が急上昇する。このため、超電導軸受の永久磁石と超電導体のギャップが急激に減少し、超電導体が上昇限界位置に達するまでの時間が短くなる。したがって、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間が短くなる。
【００１７】
超電導軸受装置を構成する超電導軸受には、上記のように永久磁石と超電導体とがアキシアル方向に対向するものの他に、これらがラジアル方向に対向するものもあるが、この場合にも上記と同様の問題がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間を長くすることができる超電導軸受装置の起動方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による超電導軸受装置の起動方法は、固定部分内に鉛直状に配置された回転体、前記回転体を少なくともアキシアル方向に支持して非接触浮上させる超電導軸受、前記回転体をラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受、必要に応じて前記回転体をアキシアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受、および前記回転体を回転駆動する電動機を備えており、前記超電導軸受が、前記回転体に取付けられた永久磁石、および前記固定部分側に昇降自在に設けられて前記永久磁石に対向させられる超電導体よりなる超電導磁気軸受装置の起動方法であって、前記ラジアル磁気軸受により前記回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、前記アキシアル磁気軸受に上向きの支持力を発生させることにより前記回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持した状態で、超電導状態にした前記超電導体を、前記超電導軸受に前記回転体の重量より大きい予め設定した値の上向きの支持力を発生させて前記アキシアル磁気軸受に下向きの支持力を発生させる位置まで上昇させた後、前記アキシアル磁気軸受による支持力を零にする位置まで下降させ、前記アキシアル磁気軸受を非作動状態にすることを特徴とするものである。
【００２０】
超電導軸受の永久磁石と超電導体とは、鉛直方向に対向する場合と水平方向に対向する場合とがある。
【００２１】
たとえば、前記超電導体が、冷却により第２種超電導状態を出現し、かつ第２種超電導状態において、侵入する磁束を拘束してピン止めする性質を有する第２種超電導体であり、前記超電導軸受が、前記超電導体のピン止め力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するものである。この場合、超電導軸受の永久磁石は、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取付けられ、第２種超電導体は、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位置に配置される。
【００２２】
この発明の方法によれば、ラジアル磁気軸受により回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受に上向きの支持力を発生させることにより回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持した状態で、超電導状態にした超電導体を、超電導軸受に回転体の重量より大きい予め設定した値の上向きの支持力を発生させてアキシアル磁気軸受に下向きの支持力を発生させる位置まで上昇させた後、アキシアル磁気軸受による支持力を零にする位置まで下降させることにより、超電導軸受にプリロードをかけて、運転開始初期に超電導軸受に発生する磁束クリープを予め発生させておくことになり、運転開始の初期の段階で磁束クリープによる回転体の下降およびこれによる超電導体の急上昇が発生することがない。このため、超電導体が上昇限界位置に達するまでの時間が長くなり、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間が長くなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１および図２は、この発明を電力貯蔵装置に適用した第１実施形態を示している。
【００２５】
図１は電力貯蔵装置の超電導軸受装置の全体構成の１例を概略的に示し、図２はその電気的構成の１例を示している。
【００２６】
超電導軸受装置は、鉛直軸状の回転体(1)、超電導軸受(2)、上下２組のラジアル変位検出ユニット(3)(4)、上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(5)(6)、アキシアル変位センサ(7)、制御型アキシアル磁気軸受(8)および内蔵型電動機(9)を備 えており、これらが固定部分(A)を構成する上部ハウジング(10)、中間ハウジン グ(11)および下部ハウジング(12)の内部に配置されている。上部ハウジング(10)は、上下に比較的短く、かつ下側の約半分の部分の径が大きい段付き鉛直円筒状をなす。中間ハウジング(11)は、上部ハウジング(10)の上側の小径部とほぼ同径で、上下に比較的長い鉛直円筒状をなす。下部ハウジング(12)は、上部ハウジング(10)の下側の大径部とほぼ同径で、上下に比較的短い鉛直円筒状をなす。３つのハウジング(10)(11)(12)は、複数の部品を結合することにより一体状にかつ同心状に形成されている。
【００２７】
なお、以下の説明において、アキシアル方向の軸（鉛直軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交する１つのラジアル方向の軸（水平軸）をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸と直交するラジアル方向の軸（水平軸）をＹ軸とする。
【００２８】
回転体(1)は、ハウジング(10)(11)(12)内の中心に同心状に配置されている。 回転体(1)の上部に、上部ハウジング(10)の下側の大径部内に位置する上部フラ イホイール(13)が固定され、回転体(1)の下部に、下部ハウジング(12)内の上部 に位置する下部フライホイール(14)が固定されている。これらのフライホイール(13)(14)は、余剰電力を運動エネルギとして貯えておくためのものである。
【００２９】
超電導軸受(2)は、回転体(1)をアキシアル方向およびラジアル方向に支持して非接触浮上させるためのものであり、回転体(1)の下端部に同心状に固定された 環状永久磁石部(15)および永久磁石部(15)とアキシアル方向に対向するように固定部分(A)側に設けられた環状超電導体部(16)よりなる。
【００３０】
永久磁石部(15)は、回転体(1)の下端部に同心状に固定された支持部材として の支持円板(17)を備えており、この円板(17)の外周に、複数の環状永久磁石(18)が環状の強磁性体(19)を介して固定されている。たとえば、各永久磁石(18)は、径方向の両端に磁極を有し、全永久磁石(18)の径方向に相対する側の磁極が同極性となるように配置されている。また、永久磁石(18)は回転体(1)と同心になる ように径方向に並べて配置され、回転体(1)の回転軸心の周囲における永久磁石(18)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されている。
【００３１】
詳細な図示は省略したが、固定部分(A)の下部の適当箇所に、回転体(1)と同心の鉛直軸状の昇降部材(20)が設けられている。昇降部材(20)の上部は下部ハウジング(12)の底壁を貫通してその内部に入っており、その上端に超電導体部(16)が固定されており、昇降部材(20)の昇降にともなって超電導体部(16)も昇降するようになっている。
【００３２】
超電導体部(16)は、回転体(1)と同心になるように昇降部材(20)の上端に固定 された環状の冷却タンク（クライオスタット）(21)を備えている。タンク(21)は鉛直で背の低い偏平二重円筒状をなし、その上端面が永久磁石部(15)の永久磁石(18)の下端面に対向するようになっている。永久磁石(18)に対向するタンク(21)の上端壁の部分は肉厚が薄くなっており、この部分の内側のタンク(21)内に鉛直な偏平環状の第２種超電導体(22)が固定されている。超電導体(22)は回転体(1) と同心になるように配置され、タンク(21)の薄い上端壁と空隙を介して永久磁石(18)とアキシアル方向に対向している。
【００３３】
超電導体(22)は、たとえばイットリウム系超電導体、たとえばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ2ＢａＣｕ）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(18)から発せられる磁束を拘束してピン止めする性質を有するものである。そして、超電導体(22)は、上記のように配置されることにより、昇降部材(20)が所定位置まで上昇した状態において、永久磁石(18)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(1)の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に位置するように なっている。
【００３４】
タンク(21)は冷却流体供給管(23)および同排出管(24)を介して図示しない適当な冷却装置に接続されており、この冷却装置により、タンク(21)内をたとえば液体窒素からなる冷却流体が循環させられ、タンク(21)内に満たされる冷却流体により超電導体(22)が冷却されるようになっている。
【００３５】
昇降部材(20)は、適当な昇降装置(29)により昇降させられる。下部ハウジング(12)より下方に位置する昇降部材(20)の中間部に、昇降部材(20)すなわち超電導体(22)に作用する鉛直方向下向きの荷重を測定するためのロードセル(30)が設けられている。また、図示は省略したが、超電導軸受装置の適当箇所に、回転体(1)が後述する下降限界位置まで下降したときに、永久磁石部(15)と超電導体部(16)との接触を防止するために、昇降部材(20)が所定の上昇限界位置より上昇する ことを防止する適当なストッパが設けられている。
【００３６】
ラジアル磁気軸受(5)(6)は、回転体(1)を非接触支持するとともに回転体(1)の互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の位置を制御するためのものであり、中間ハウジング(11)内の上下２箇所に設けられている。各ラジアル磁気軸受(5)(6)は、それぞれ、回転体(1)をＸ軸方向の両側から挟むように ハウジング(11)内に固定されて回転体(1)をＸ軸方向の両側に吸引する１対のＸ 軸方向電磁石(5x)(6x)と、回転体(1)をＹ軸方向の両側から挟むようにハウジン グ(11)内に固定されて回転体(1)をＹ軸方向の両側に吸引する１対のＹ軸方向電 磁石(5y)(6y)とを備えている。この実施形態の場合、ラジアル磁気軸受(5)(6)の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)には全て同じものが使用されている。
【００３７】
ラジアル変位検出ユニット(3)(4)は、回転体(1)のラジアル方向の変位を検出 するためのラジアル変位検出手段を構成している。上部検出ユニット(3)は上部 ラジアル磁気軸受(5)の近傍に、下部検出ユニット(4)は下部ラジアル磁気軸受(6)の近傍にそれぞれ設けられている。各検出ユニット(3)(4)は、回転体(1)をＸ軸方向の両側から挟むようにハウジング(11)内に固定されて回転体(1)のＸ軸方向 の変位を検出する１対のＸ軸方向変位センサ(3x)(4x)と、回転体(1)をＹ軸方向 の両側から挟むようにハウジング(11)内に固定されて回転体(1)のＹ軸方向の変 位を検出する１対のＹ軸方向変位センサ(3y)(4y)とから構成されている。
【００３８】
アキシアル磁気軸受(8)は、回転体(1)のアキシアル方向（Ｚ軸方向）の位置を制御して、回転体(1)をアキシアル方向の所定位置に位置決めするためのもので あり、上部ハウジング(10)の上側の小径部内に設けられている。回転体(1)の上 端部近傍に、水平な外向きフランジ(25)が固定されている。アキシアル磁気軸受(8)は、フランジ(25)の外周寄りの部分をＺ軸方向の両側から挟むようにハウジ ング(10)内に固定されて回転体(1)をＺ軸方向の両側に吸引する上下１対のＺ軸 方向電磁石(8a)(8b)を備えている。この実施形態の場合、アキシアル磁気軸受(8)の電磁石(8a)(8b)には同じものが使用されている。
【００３９】
アキシアル変位センサ(7)は、回転体(1)のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位検出手段を構成しており、固定部分(A)の適当箇所たとえば 上部ハウジング(10)の上端部内に設けられている。
【００４０】
各磁気軸受(5)(6)(8)の各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)(8a)(8b)は制御装置(26)に 接続され、この制御装置(26)から各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)(8a)(8b)に励磁電流が供給される。励磁電流は、一定の定常電流と回転体(1)の変位によって変化す る制御電流とを合わせたものである。通常、ラジアル磁気軸受(5)(6)の全ての電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、定常電流の値は互いに等しい。また、各ラジアル磁気軸受(5)(6)の対応する各１対の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、制御電流の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆になる。アキシアル磁気軸受(8)の上下１対の電磁石(8a)(8b)について、定常電流の値は互いに等しく、制御電 流の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆になる。そして、制御装置(26)がアキシアル変位センサ(7)の出力信号に基づいてアキシアル磁気軸受(8)の各電磁石(8a)(8b)の制御電流の大きさを制御することにより、回転体(1)のアキシア ル方向の位置が制御され、ラジアル変位センサ(3x)(3y)(4x)(4y)の出力信号に基づいてラジアル磁気軸受(5)(6)の各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)の制御電流の大きさを制御することにより、回転体(1)のラジアル方向の位置が制御される。
【００４１】
昇降部材(20)のロードセル(30)は、制御装置(26)に接続されている。昇降部材(20)の昇降装置(29)も制御装置(26)に接続され、これにより昇降部材(20)すなわち超電導体(22)の上下方向の位置が制御される。
【００４２】
電動機(9)は、回転体(1)を高速で回転駆動するためのものであり、上下のラジアル磁気軸受(5)(6)の間の中間ハウジング(11)内に設けられている。この電動機(9)は、回転体(1)の外周部に設けられたロータ(9a)と、ハウジング(11)内に固定されてロータ(9a)の周囲に配置されたステータ(9b)とからなる。
【００４３】
中間ハウジング(11)内の上端近傍および下端近傍に、超電導軸受(2)および磁 気軸受(5)(6)(8)による支持がなくなったときに回転体(1)をタッチダウンさせて機械的に支持するためのタッチダウン軸受(27)(28)が設けられている。
【００４４】
上記の電力貯蔵装置が運転を停止しているとき、電動機(9)、超電導軸受(2)および磁気軸受(5)(6)(8)は非作動状態にあり、回転体(1)は回転を停止し、タッチダウン軸受(27)(28)により支持されている。また、超電導軸受(2)の固定部分(A)側の超電導体(22)は、常温の常電導状態で、回転体(1)側の永久磁石(18)から下 方に十分に離れてその磁束の影響をほとんど受けない下端位置まで下降している。
【００４５】
そして、このような状態から、たとえば、次のようにして運転が開始される。
【００４６】
まず、磁気軸受(5)(6)(8)を作動状態にし、停止状態の回転体(1)を、ラジアル磁気軸受(5)(6)によりラジアル方向に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受(8)によりアキシアル方向に非接触支持し、固定部分(A)に対して所定の運転位置（安定回転位置）に浮上させる。この実施形態の場合、運転位置に浮上したとき、回転体(1)はハウジング(10)(11)(12)の中心に位置し、アキシアル磁気軸 受(8)の上下の電磁石(8a)(8b)と回転体(1)のフランジ(25)との間のアキシアル方向の空隙の大きさは互いに等しく、ラジアル磁気軸受(5)(6)の各１対の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、回転体(1)との間のラジアル方向の空隙の大きさは互 いに等しい。このとき、超電導軸受(2)はまだ非作動状態であるから、回転体(1)の重量はアキシアル磁気軸受(8)だけで支持されており、したがって、上部電磁 石(8a)による上向きの吸引力は下部電磁石(8b)による下向きの吸引力に比べて回転体(1)の重量分だけ大きく、アキシアル磁気軸受(8)全体として上向きの支持力を発生している。すなわち、上部電磁石(8a)の制御電流は正の値、下部電磁石(8b)の値は負の値となり、上部電磁石(8a)の励磁電流の値は、下部電磁石(8b)の励磁電流の値に比べて、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力（回転体(1)の重量）分だけ大きくなっている。
【００４７】
磁気軸受(5)(6)(8)により回転体(1)を運転位置に保持したならば、冷却タンク(21)に冷却流体を供給し、超電導体(22)を上記の位置において所定の温度まで冷却して第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。
【００４８】
次に、磁気軸受(5)(6)(8)により回転体(1)を運転位置に保持した状態で、超電導体(22)を永久磁石(18)に対して所定の間隙をあけて対向する位置まで上昇させる。すると、永久磁石(18)から発せられる磁束の一部が超電導体(22)内に部分的に侵入し、この侵入した磁束が超電導体(22)内部のピン止め点にピン止めされる。
【００４９】
次いで、超電導体(22)をさらに上昇させる。アキシアル磁気軸受(8)により回 転体(1)を運転位置に保持した状態で、作動状態になった超電導軸受(2)の超電導体(22)を上昇させると、超電導軸受(2)による上向きの支持力が徐々に大きくな り、その分、アキシアル磁気軸受(8)による上向きの支持力が徐々に小さくなる 。すなわち、アキシアル磁気軸受(8)の上部電磁石(8a)による上向きの吸引力が 徐々に小さくなって、その分、下部電磁石(8b)による下向きの吸引力が徐々に大きくなり、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力が徐々に小さくなる。 そして、やがて、アキシアル磁気軸受(8)の上部電磁石(8a)による上向きの吸引 力と下部電磁石(8b)による下向きの吸引力が互いに等しくなって、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力すなわちアキシアル方向の支持力が零になる。 このとき、回転体(1)の重量は超電導軸受(2)によって支持され、超電導軸受(2) による上向きの支持力は回転体(1)の重量と等しい。超電導軸受(2)による上向きの支持力は超電導体(22)に作用する下向きの荷重と等しく、これはロードセル(30)によって測定される。
【００５０】
上記のようにアキシアル磁気軸受(8)全体のアキシアル方向の支持力が零にな った後も、さらに超電導体(22)を上昇させる。すると、超電導軸受(2)による上 向きの支持力が回転体(1)の重量より徐々に増加し、この増加分に等しい下向き の支持力がアキシアル磁気軸受(8)に発生する。そして、超電導軸受(2)による上向きの支持力あるいはその増加分が予め設定した値に達した時点で、超電導体(22)を停止させる。
【００５１】
この後、超電導体(22)を下降させ、再びアキシアル磁気軸受(8)の支持力が零 になった時点で、超電導体(22)を停止させる。そして、アキシアル磁気軸受(8) の電磁石(8a)(8b)に対する励磁電流の供給を停止して、これを非作動状態にする。これにより、回転体(1)の重量が超電導軸受(2)のみによって支持され、再び回転体(1)は超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により、運転位置に非接触支持される。
【００５２】
上記の装置の場合、アキシアル磁気軸受(8)の上下の電磁石(8a)(8b)に同じも のを使用し、しかも回転体(1)が運転位置にある状態で上下の電磁石(8a)(8b)と 回転体(1)のフランジ(25)との間の空隙の大きさが互いに等しいので、上下の電 磁石(8a)(8b)について、励磁電流の値と吸引力との関係が同じになる。したがって、上下の電磁石(8a)(8b)の励磁電流が等しくなったことを検知することにより、上下の電磁石(8a)(8b)の吸引力が等しくなったことを知ることができる。
【００５３】
超電導軸受装置によっては、アキシアル磁気軸受の上下の電磁石に仕様の異なるものを使用したり、あるいは運転位置にある回転体と上下の電磁石との空隙の大きさが等しくないこともありうる。しかし、このような場合でも、運転位置は一定であるから、各電磁石について、励磁電流の値と吸引力の値との関係は一定で、しかも予め知ることができる。したがって、上下の電磁石の吸引力が等しくなるときの上下の電磁石の励磁電流の値の関係を予め調べておけば、上下の電磁石の励磁電流の値が上記の関係になったことを検知することにより、上下の電磁石の吸引力が等しくなったことを知ることができる。
【００５４】
上記のように回転体(1)を超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)で支持させたならば、電動機(9)を駆動する。これにより、超電導軸受装置は運転を開始し 、回転体(1)は、超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により運転位置に保持された状態で、回転させられる。このとき、超電導体(22)に侵入した磁束は、磁束分布が回転体(1)の回転軸心に対して均一で不変である限り、理想的には回転 を妨げる抵抗とはならない。
【００５５】
上記の装置の場合、回転体(1)は第２種超電導体(22)を使用した超電導軸受(2)によっても若干ラジアル方向に支持されるので、その分、ラジアル磁気軸受(5)(6)による支持力は小さくてすみ、ラジアル磁気軸受(5)(6)を小型化することができる。
【００５６】
また、運転開始時に、最初からアキシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で回転体(1)を運転位置に保持し、超電導軸受(2)でそのまま運転位置に保持 するので、回転体を一旦運転位置より上方に持ち上げる必要がない。したがって、その分、回転体(1)の長さを短くすることができる。
【００５７】
上記の装置の運転中、時間経過とともに磁束クリープにより超電導軸受(2)に よる磁気浮上力が低下し、回転体(1)の位置が運転位置から徐々に下に下がるが 、制御装置(26)は、回転体(1)の変位量をアキシアル変位センサ(7)で検出し、その分超電導体(22)を上昇させて、回転体(1)を運転位置に保つようにフィードバ ック制御する。
【００５８】
たとえば、回転体(1)が運転位置から所定量（たとえば０．１ｍｍ）下降する と、回転体(1)が運転位置に戻るまで昇降装置(29)により昇降部材(20)を上昇さ せる。この制御は、昇降部材(20)が前記のストッパにより上昇限界位置に停止させられるまで繰返される。
【００５９】
昇降部材(30)が上昇限界位置に停止した後も、回転体(1)は下降するが、運転 位置より所定量（たとえば０．８ｍｍ）下降して所定の下降限界位置より下がると、その時点で、アキシアル磁気軸受(8)が作動させられ、再びアキシアル磁気 軸受(8)により回転体(1)が運転位置に保持される。このとき、回転体(1)は回転 を続けている。上記の下降限界位置は、回転体(1)がタッチダウン軸受(27)(28) にタッチダウンする位置よりも上方に設定されており、したがって、回転体(1) がタッチダウンする前に、回転体(1)を回転させたまま、アキシアル磁気軸受(8)で運転位置に支持することができる。
【００６０】
そして、回転体(1)をアキシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で保持して回転させた状態で、超電導体(22)を下降させて、再び完全な第２超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導体(22)を上昇させて、超電導軸受(2)のみで回転体(1)の重量を支持させ、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態に する。これにより、超電導軸受(2)による装置の運転が再開され、再び、回転体(1)は超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により運転位置に支持されて、回 転を続ける。
【００６１】
このように、超電導軸受(2)による磁気浮上力が低下して、回転体(1)の位置が下がっても、これがタッチダウンする前に、アキシアル磁気軸受(8)を使用して 、回転体(1)を回転させたまま、運転を再開することができる。したがって、回 転体(1)をタッチダウンさせずに、長時間連続して運転することが可能である。
【００６２】
回転体(1)を所定の運転位置に保つために昇降部材(20)を上昇させて回転体(1)の下降を防止する上記の制御過程において、運転中の回転体(1)のアキシアル方 向の振動が発生した場合は、それを抑制するために、運転中にも、アキシアル磁気軸受(8)を作動させ、その電磁石(8a)(8b)に制御電流もしくは制御電流と通常 の定常電流より小さいバイアス電流を流して制御することも可能である。なお、回転体(1)のアキシアル方向の振動の発生は、アキシアル変位センサ(7)によって検知することができる。
【００６３】
上記の超電導軸受装置では、運転開始時あるいは運転再開時に、上記のように、回転体(1)をラジアル磁気軸受(5)(6)とアキシアル磁気軸受(8)により非接触支持した状態で、作動状態にした超電導軸受(2)の超電導体(22)を上昇させ、回転 体(1)の重量が超電導軸受(2)で支持されてアキシアル磁気軸受(8)のアキシアル 方向の支持力が零になった後も、アキシアル磁気軸受(8)に下向きの支持力が発 生する位置まで超電導体(22)を上昇させて、超電導軸受(2)に回転体(1)の重量より大きい荷重を負荷し、その後、超電導体(22)を下降させて、アキシアル磁気軸受(8)の支持力が零になった時点で超電導体(22)を停止させ、アキシアル磁気軸 受(8)を非作動状態にしているので、超電導軸受(2)にプーリロードをかけて、運転開始初期に発生する磁束クリープを予め発生させておくことになる。このため、運転開始の初期の段階で磁束クリープによる回転体(1)の下降およびこれによ る超電導体(22)の急上昇が発生することがなく、したがって、超電導体(22)が上昇限界位置に達するまでの時間が長くなり、超電導軸受(2)で連続して回転体(1)を支持できる時間が長くなる。
【００６４】
上記の実施形態では、第２種超電導体(22)を用いた超電導軸受(2)を使用して いるが、その代わりに、冷却により第１種超電導状態を出現する第１種超電導体を用いた超電導軸受を使用することもできる。その場合、超電導軸受の全体構成は上記の超電導軸受(2)と同様になり、上記の第２種超電導体(22)の代わりに第 １種超電導体が使用される。第１種超電導体を用いた超電導軸受は、第１種超電導体の第１種超電導状態における完全反磁性現象を利用して回転体(1)を磁気浮 上させるものであり、回転体(1)は超電導体からアキシアル方向上向きの支持力 だけを受け、アキシアル方向にのみ支持される。そして、回転体(1)は、ラジア ル磁気軸受(5)(6)だけでラジアル方向に支持される。
【００６５】
第１種超電導体を用いた超電導軸受を使用した場合も、上記とほぼ同様に、運転を開始することができ、また、超電導軸受による磁気浮上力が低下して回転体(1)の位置が下がっても、回転体(1)をタッチダウンさせずに、回転させたまま、運転を再開することができる。
【００６６】
運転開始の場合、回転体(1)を磁気軸受(5)(6)(8)により運転位置に保持した状態で、超電導体を下端位置において冷却して、第１種超電導状態を出現させ、その後、超電導体を徐々に上昇させる。超電導体が永久磁石(18)にある程度接近すると、超電導体の完全反磁性現象により、回転体(1)は上向きの支持力を受け、 この支持力は超電導体の上昇に伴って大きくなり、逆に、アキシアル磁気軸受のよる支持力は徐々に小さくなる。そして、アキシアル磁気軸受(8)による支持力 が零になって、回転体(1)の全重量が超電導軸受によって支持された後も、アキ シアル磁気軸受(8)に下向きの支持力が発生する位置まで超電導体を上昇させて 、超電導軸受に回転体(1)の重量より大きい荷重を負荷し、その後、超電導体を 下降させて、アキシアル磁気軸受(8)の支持力が零になった時点で超電導体を停 止させ、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態にして、回転体(1)を超電導軸受とラジアル磁気軸受(5)(6)によって運転位置に支持し、電動機(9)を駆動して、運 転を開始する。
【００６７】
運転中に、時間経過とともに超電導軸受による磁気浮上力が低下して、回転体(1)の位置が運転位置から徐々に下に下がった場合、昇降部材(20)および超電導 体を上昇させて回転体(1)を運転位置に保つフィードバック制御が行われ、昇降 部材(20)が上昇限界位置より上昇できなくなった後、回転体(1)が下降限界位置 より下がった時点で、アキシアル磁気軸受(8)が作動させられ、再びアキシアル 磁気軸受(8)により回転体(1)が運転位置に保持される。そして、回転体(1)をア キシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で保持して回転させた状態で、 超電導体を下降させて、再び完全な第１超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導を上昇させて、超電導軸受のみで回転体(1)の重量を支持させ 、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態にし、運転を再開する。
【００６８】
超電導軸受、アキシアル磁気軸受、ラジアル磁気軸受、電動機などの構成、電力貯蔵装置の全体構成などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００６９】
また、この発明は、電力貯蔵装置以外の超電導軸受装置にも適用することができる。
【００７０】
図３は、第２実施形態を示している。
【００７１】
第２実施形態の超電導軸受装置は、フライホイール(13)(14)が設けられていない点と超電導軸受(40)の構成が異なる点を除いて、第１実施形態の超電導軸受装置と同様の構成を有する。また、第２実施形態の超電導軸受装置の電気的構成は、図２のものと同じである。第２実施形態において、第１実施形態のものと同じ部分には同一の符号を付している。
【００７２】
超電導磁気軸受(40)は、回転体(1)の下端部に同心状に固定された環状永久磁 石部(41)および永久磁石部(41)とラジアル方向に対向するように昇降部材(20)の上端部に固定された環状超電導体部(42)よりなる。
【００７３】
回転体(1)の下端部に水平支持円板(43)が固定され、その下面に永久磁石部(41)が固定されている。永久磁石部(41)は、回転体(1)と同心になるように円板(43)の下面に固定された鉛直円筒状の支持筒(44)を備えており、支持筒(44)の内周に、上下複数の環状永久磁石(45)が環状鉄製ヨーク(46)を介して配置され、支持筒(44)の下端面に固定された環状係止部材(47)により固定されている。たとえば、各永久磁石(45)は軸方向の両端面に磁極を有し、上下に隣接する永久磁石(45)の対向する磁極が同極性となるように配置されており、ヨーク(46)が磁極となる。また、永久磁石(45)は回転体(1)と同心状に配置され、回転体(1)の回転軸心の周囲における永久磁石(45)の磁束分布が回転体(1)の回転によって変化しないよう になされている。
【００７４】
昇降部材(20)の上端部に水平支持円板(48)が固定され、その上面に超電導体部(42)が固定されている。超電導体部(42)は、回転体(1)と同心になるように円板(48)の上面に固定された環状の冷却タンク(49)を備えている。タンク(49)は鉛直 で比較的背の高い二重円筒状をなし、その内部に、軸線を通る断面形状が長方形状の環状の冷却空間(49a)が形成されている。そして、昇降部材(20)が所定位置 まで上昇させられた状態において、タンク(49)が永久磁石部(41)の内側に入り、タンク(49)の外周面が永久磁石部(41)の内周面とわずかな間隔をあけて対向するようになっている。
【００７５】
鉛直円筒状の第２種超電導体(50)が、回転体(1)と同心になるように、タンク(49)の外側周壁の内側上部にはめられ、冷却空間(49a)内の外周寄り下部に配置された支持部材(51)により固定されている。超電導体(50)の材料には、第１実施形態の場合と同じものが使用される。超電導体(50)の外周面はタンク(49)の外側周壁の内面に密着しており、昇降部材(20)が所定位置まで上昇させられた状態において、超電導体(50)は、タンク(49)の薄肉の外側周壁と環状の微小な空隙を介して永久磁石部(41)の永久磁石(45)に対向し、永久磁石(45)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(1)の回転によって侵入磁束の分布が変化しない 位置に位置するようになっている。超電導体(50)の内径はタンク(49)の内側周壁の外径よりかなり大きく、内側周壁と超電導体(50)との間には比較的大きな間隔があいている。このため、超電導体(50)の内周面は、冷却空間(49a)内に完全に 露出している。
【００７６】
タンク(49)の底壁に、外周面からラジアル方向内側にのびた後に上向きにのびてタンク内の底壁の上面に抜ける冷却流体流入穴(52)と冷却流体流出穴(53)が形成されている。流入穴(52)の水平部分のラジアル方向外側端部に冷却液供給管(23)が接続されており、タンク(49)内の底壁の上面にある流入穴(41)の鉛直部分の上端部が流入穴(52)から冷却空間(49a)への冷却流体出口（吐出口）(52a)となっている。冷却流体出口(52a)は、冷却空間(49)内の最下部であって超電導体(50) の最下部より下方に位置している。流出穴(53)の水平部分のラジアル方向外側端部に、冷却流体排出管(24)が接続され、タンク(49)内の底壁の上面に抜ける流出穴(53)の鉛直部分に、鉛直状の冷却流体吸込管(54)の下端部が接続されている。吸込管(54)の上端は、タンク(49)の頂壁の径方向内側の部分の下面より少し下方であって、超電導体(9)の上端の高さとほぼ同じかあるいはこれより少し上方に 位置している。タンク(49)内の吸込管(54)の上端が冷却空間(49a)から吸込管(54)への冷却流体入口（吸込口）(54a)となっている。
【００７７】
第１実施形態の場合と同様の冷却装置により、冷却液である液体窒素が次のようにタンク(49)の冷却空間(49a)を通して循環されられ、冷却空間(49a)内に満たされる液体窒素により超電導体(50)が冷却される。
【００７８】
冷却装置から出た液体窒素は、供給管(23)および流入穴(52)を通って、冷却流体出口(52a)から冷却空間(49a)に入り、冷却空間(49a)内に満たされる。そして 、冷却空間(49a)内の液体窒素は、冷却流体入口(54a)から吸込管(54)に入り、流出穴(53)および排出管(24)を通って冷却装置に戻される。液体窒素の一部は、上記のように循環している間に気化して窒素ガスとなり、その一部は冷却空間(49a)内の上部に溜まる。しかし、窒素ガスの層の最下部が冷却流体入口(54a)の高さまで下がると、窒素ガスは冷却流体入口(54a)から吸込管(54)に入って排出され るため、窒素ガスは冷却流体入口(54a)より下方に溜まることはない。すなわち 、窒素ガスは、冷却流体入口(54a)より上方の冷却空間(49a)内の最上部のわずかな部分に溜まるだけである。そして、冷却流体入口(54a)が超電導体(50)の最上 部とほぼ同じ高さかこれより上方に位置しているので、超電導体(50)の周囲には窒素ガスは溜まらない。このため、超電導体(50)の周囲には液体窒素だけが充満し、超電導体(50)が常に液体窒素によって完全に冷却され、良好な超電導状態が得られる。また、超電導体(50)はその内周面全体と下端面の大部分とを合わせた広い範囲で液体窒素と接触するので、超電導体(50)を効率良く冷却することができる。
【００７９】
第２実施形態における超電導軸受装置の起動方法、運転中の制御方法などは、第１実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の第１実施形態を示す電力貯蔵装置の超電導軸受装置の概略構成図である。
【図２】図２は、超電導軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施形態を示す超電導軸受装置の概略構成図である。
【符号の説明】
(1) 回転体
(2)(40) 超電導軸受
(5)(6) ラジアル磁気軸受
(8) アキシアル磁気軸受
(9) 電動機
(18)(45) 永久磁石
(22)(50) 超電導体
【発明の属する技術分野】
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、または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などに適用される超電導軸受装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、簡単な構成で安定的に回転の支持が行える超電導軸受装置として、回転体に取付けられた永久磁石と、これに対向するように配置された第２種超電導体とからなり、永久磁石が、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取付けられ、超電導体が、永久磁石の磁束侵入を許容するもので、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位置に配置されたものを提案した（特開平４−７８３１６号公報参照）。
【０００３】
この超電導軸受装置の運転を開始する前には、超電導体と永久磁石の相対位置を決定する機構がないため、回転時に駆動用の内蔵型電動機のステータとロータの位置がずれて超電導軸受装置の運転効率が悪いという問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、さらに、固定部分内に鉛直状に配置された回転体、回転体を少なくともアキシアル方向に支持して非接触浮上させる超電導軸受、回転体のラジアル方向の変位を検出するためのラジアル変位センサ、回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受、回転体のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位センサ、必要に応じて前記回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受、ラジアル変位センサおよびアキシアル変位センサの出力信号に基づいてラジアル磁気軸受、アキシアル磁気軸受および超電導軸受を制御する制御装置、ならびに回転体を回転駆動する電動機を備えており、超電導軸受が、回転体に取付けられた永久磁石、および永久磁石の下方の固定部分側に昇降自在に設けられた第２種超電導体よりなる超電導磁気軸受装置を提案した（特開平１０−２３１８４０号公報参照）。
【０００５】
この超電導軸受装置では、次のように、回転体をラジアル磁気軸受とアキシアル磁気軸受で所望の運転位置に位置決めした後、ラジアル磁気軸受と超電導磁気軸受でこの運転位置に非接触支持して運転を開始することができ、したがって、効率の良い運転をすることができる。
【０００６】
まず、電動機を停止させた状態で、回転体を、ラジアル磁気軸受によりラジアル方向（水平方向）に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受によりアキシアル方向（鉛直方向）に非接触支持し、固定部分に対して所定の運転位置（安定回転位置）に浮上させる。アキシアル磁気軸受は、通常、回転体のフランジ部をアキシアル方向の両側から挟んで吸引する上下１対の電磁石を備えており、各電磁石には、制御装置からフランジ部を吸引するための励磁電流が供給される。
【０００７】
上記のように回転体を運転位置に浮上させたとき、回転体の重量はアキシアル磁気軸受だけで支持されているので、上側の電磁石による上向きの吸引力は下側の電磁石による下向きの吸引力に比べて回転体の重量分だけ大きく、アキシアル磁気軸受全体として上向きの支持力を発生している。また、このとき、超電導軸受の固定部分側の超電導体は常温の常電導状態に保持し、超電導体を超電導軸受の回転体側の永久磁石から下方に十分離れた位置（永久磁石の磁束の影響をほとんど受けない位置）まで下降させておく。そして、この位置において、超電導体を所定の温度まで冷却して第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。
【０００８】
次に、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受により回転体を運転位置に保持した状態で、超電導体を永久磁石に対して所定の間隙をあけて対向する位置まで上昇させる。すると、永久磁石から発せられる磁束の一部が超電導体内に部分的に侵入し、この侵入した磁束が超電導体内部のピン止め点にピン止めされる。
【０００９】
次いで、超電導体をさらに上昇させる。アキシアル磁気軸受により回転体を運転位置に保持した状態で、作動状態になった超電導軸受の超電導体を上昇させると、超電導軸受による上向きの支持力が徐々に大きくなり、その分、アキシアル磁気軸受による上向きの支持力が徐々に小さくなる。すなわち、アキシアル磁気軸受の上側の電磁石による上向きの吸引力が徐々に小さくなって、その分、下側の電磁石による下向きの吸引力が徐々に大きくなり、アキシアル磁気軸受全体の上向きの支持力が徐々に小さくなる。そして、アキシアル磁気軸受の上側の電磁石による上向きの吸引力と下側の電磁石による下向きの吸引力が互いに等しくなって、アキシアル磁気軸受全体の上向きの支持力すなわちアキシアル方向の支持力が零になった時点で、超電導体を停止させる。そして、アキシアル磁気軸受の電磁石に対する励磁電流の供給を停止して、これを非作動状態にする。
【００１０】
これにより、回転体の重量が超電導軸受のみによって支持され、回転体は超電導軸受とラジアル磁気軸受により、運転位置に非接触支持される。このように回転体を超電導軸受とラジアル磁気軸受で支持させたならば、電動機を駆動する。これにより、超電導軸受装置は運転を開始し、回転体は、超電導軸受とラジアル磁気軸受により運転位置に保持された状態で、回転させられる。
【００１１】
ところで、鉛直状の回転体を超電導軸受でアキシアル方向に支持して非接触浮上させる上記のような超電導軸受装置では、回転体をラジアル磁気軸受と超電導軸受で支持して回転させている運転中に、時間経過とともに超電導軸受の磁束クリープにより超電導軸受による磁気浮上力が低下し、回転体の位置が徐々に下に下がり、ついにはタッチダウンしてしまう。このようにタッチダウンが生じた場合には、回転体を停止させ、上記のように回転体の初期位置決めを行って運転を再開する必要があり、運転再開のための作業が非常に面倒である。しかも、タッチダウンを何回も行うと、タッチダウン軸受が破損する。
【００１２】
このような問題を解消するため、上記の超電導装置では、次のように、制御装置が、回転体がラジアル磁気軸受および超電導軸受により非接触支持されて回転している状態において、アキシアル変位センサの出力に基づいて超電導体の上下方向の位置を制御することにより回転体を運転位置に支持し、超電導体の位置の制御による回転体の位置の制御が限界に達したときにアキシアル磁気軸受を作動させて回転体を運転位置に支持させるようになっている。
【００１３】
すなわち、制御装置は、運転中、時間経過とともに磁束クリープにより超電導軸受による磁気浮上力が低下し、回転体の位置が運転位置から徐々に下に下がると、回転体の変位量をアキシアル変位センサで検出し、その分超電導体を上昇させて、回転体を運転位置に保つようにフィードバック制御する。この制御は超電導体が所定の上昇限界位置に達するまで行い、その後は、回転体が所定の下降限界位置まで下がるまで、超電導体の位置の制御は行わない。そして、回転体が下降限界位置より下がった時点で、アキシアル磁気軸受を作動させ、再びアキシアル磁気軸受により回転体が運転位置に保持される。このとき、回転体は回転を続けている。
【００１４】
上記の下降限界位置は、回転体がタッチダウンする位置よりも上方に設定されており、したがって、回転体がタッチダウンする前に、回転体を回転させたまま、アキシアル磁気軸受で運転位置に支持することができる。そして、回転体をアキシアル磁気軸受とラジアル磁気軸受で保持して回転させた状態で、超電導体を下降させて、再び完全な第２種超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導体を上昇させて、超電導軸受のみで回転体の重量を支持させ、アキシアル磁気軸受を非作動状態にする。これにより、超電導軸受装置の運転が再開され、再び、回転体は超電導軸受とラジアル磁気軸受により運転位置に支持されて、回転を続ける。
【００１５】
このように、超電導軸受による磁気浮上力が低下して、回転体の位置が下がっても、これがタッチダウンする前に、アキシアル磁気軸受を使用して、回転体を回転させたまま、運転を再開することができる。したがって、回転体をタッチダウンさせずに、長時間連続して運転することが可能である。
【００１６】
ところが、このようにしても、運転開始後の初期の段階で、超電導軸受の磁束クリープが発生し、下降しようとする回転体を運転位置に支持するために、超電導体が急上昇する。このため、超電導軸受の永久磁石と超電導体のギャップが急激に減少し、超電導体が上昇限界位置に達するまでの時間が短くなる。したがって、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間が短くなる。
【００１７】
超電導軸受装置を構成する超電導軸受には、上記のように永久磁石と超電導体とがアキシアル方向に対向するものの他に、これらがラジアル方向に対向するものもあるが、この場合にも上記と同様の問題がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間を長くすることができる超電導軸受装置の起動方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による超電導軸受装置の起動方法は、固定部分内に鉛直状に配置された回転体、前記回転体を少なくともアキシアル方向に支持して非接触浮上させる超電導軸受、前記回転体をラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受、必要に応じて前記回転体をアキシアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受、および前記回転体を回転駆動する電動機を備えており、前記超電導軸受が、前記回転体に取付けられた永久磁石、および前記固定部分側に昇降自在に設けられて前記永久磁石に対向させられる超電導体よりなる超電導磁気軸受装置の起動方法であって、前記ラジアル磁気軸受により前記回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、前記アキシアル磁気軸受に上向きの支持力を発生させることにより前記回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持した状態で、超電導状態にした前記超電導体を、前記超電導軸受に前記回転体の重量より大きい予め設定した値の上向きの支持力を発生させて前記アキシアル磁気軸受に下向きの支持力を発生させる位置まで上昇させた後、前記アキシアル磁気軸受による支持力を零にする位置まで下降させ、前記アキシアル磁気軸受を非作動状態にすることを特徴とするものである。
【００２０】
超電導軸受の永久磁石と超電導体とは、鉛直方向に対向する場合と水平方向に対向する場合とがある。
【００２１】
たとえば、前記超電導体が、冷却により第２種超電導状態を出現し、かつ第２種超電導状態において、侵入する磁束を拘束してピン止めする性質を有する第２種超電導体であり、前記超電導軸受が、前記超電導体のピン止め力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するものである。この場合、超電導軸受の永久磁石は、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取付けられ、第２種超電導体は、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位置に配置される。
【００２２】
この発明の方法によれば、ラジアル磁気軸受により回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受に上向きの支持力を発生させることにより回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持した状態で、超電導状態にした超電導体を、超電導軸受に回転体の重量より大きい予め設定した値の上向きの支持力を発生させてアキシアル磁気軸受に下向きの支持力を発生させる位置まで上昇させた後、アキシアル磁気軸受による支持力を零にする位置まで下降させることにより、超電導軸受にプリロードをかけて、運転開始初期に超電導軸受に発生する磁束クリープを予め発生させておくことになり、運転開始の初期の段階で磁束クリープによる回転体の下降およびこれによる超電導体の急上昇が発生することがない。このため、超電導体が上昇限界位置に達するまでの時間が長くなり、超電導軸受で連続して回転体を支持できる時間が長くなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１および図２は、この発明を電力貯蔵装置に適用した第１実施形態を示している。
【００２５】
図１は電力貯蔵装置の超電導軸受装置の全体構成の１例を概略的に示し、図２はその電気的構成の１例を示している。
【００２６】
超電導軸受装置は、鉛直軸状の回転体(1)、超電導軸受(2)、上下２組のラジアル変位検出ユニット(3)(4)、上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(5)(6)、アキシアル変位センサ(7)、制御型アキシアル磁気軸受(8)および内蔵型電動機(9)を備 えており、これらが固定部分(A)を構成する上部ハウジング(10)、中間ハウジン グ(11)および下部ハウジング(12)の内部に配置されている。上部ハウジング(10)は、上下に比較的短く、かつ下側の約半分の部分の径が大きい段付き鉛直円筒状をなす。中間ハウジング(11)は、上部ハウジング(10)の上側の小径部とほぼ同径で、上下に比較的長い鉛直円筒状をなす。下部ハウジング(12)は、上部ハウジング(10)の下側の大径部とほぼ同径で、上下に比較的短い鉛直円筒状をなす。３つのハウジング(10)(11)(12)は、複数の部品を結合することにより一体状にかつ同心状に形成されている。
【００２７】
なお、以下の説明において、アキシアル方向の軸（鉛直軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交する１つのラジアル方向の軸（水平軸）をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸と直交するラジアル方向の軸（水平軸）をＹ軸とする。
【００２８】
回転体(1)は、ハウジング(10)(11)(12)内の中心に同心状に配置されている。 回転体(1)の上部に、上部ハウジング(10)の下側の大径部内に位置する上部フラ イホイール(13)が固定され、回転体(1)の下部に、下部ハウジング(12)内の上部 に位置する下部フライホイール(14)が固定されている。これらのフライホイール(13)(14)は、余剰電力を運動エネルギとして貯えておくためのものである。
【００２９】
超電導軸受(2)は、回転体(1)をアキシアル方向およびラジアル方向に支持して非接触浮上させるためのものであり、回転体(1)の下端部に同心状に固定された 環状永久磁石部(15)および永久磁石部(15)とアキシアル方向に対向するように固定部分(A)側に設けられた環状超電導体部(16)よりなる。
【００３０】
永久磁石部(15)は、回転体(1)の下端部に同心状に固定された支持部材として の支持円板(17)を備えており、この円板(17)の外周に、複数の環状永久磁石(18)が環状の強磁性体(19)を介して固定されている。たとえば、各永久磁石(18)は、径方向の両端に磁極を有し、全永久磁石(18)の径方向に相対する側の磁極が同極性となるように配置されている。また、永久磁石(18)は回転体(1)と同心になる ように径方向に並べて配置され、回転体(1)の回転軸心の周囲における永久磁石(18)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されている。
【００３１】
詳細な図示は省略したが、固定部分(A)の下部の適当箇所に、回転体(1)と同心の鉛直軸状の昇降部材(20)が設けられている。昇降部材(20)の上部は下部ハウジング(12)の底壁を貫通してその内部に入っており、その上端に超電導体部(16)が固定されており、昇降部材(20)の昇降にともなって超電導体部(16)も昇降するようになっている。
【００３２】
超電導体部(16)は、回転体(1)と同心になるように昇降部材(20)の上端に固定 された環状の冷却タンク（クライオスタット）(21)を備えている。タンク(21)は鉛直で背の低い偏平二重円筒状をなし、その上端面が永久磁石部(15)の永久磁石(18)の下端面に対向するようになっている。永久磁石(18)に対向するタンク(21)の上端壁の部分は肉厚が薄くなっており、この部分の内側のタンク(21)内に鉛直な偏平環状の第２種超電導体(22)が固定されている。超電導体(22)は回転体(1) と同心になるように配置され、タンク(21)の薄い上端壁と空隙を介して永久磁石(18)とアキシアル方向に対向している。
【００３３】
超電導体(22)は、たとえばイットリウム系超電導体、たとえばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ2ＢａＣｕ）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(18)から発せられる磁束を拘束してピン止めする性質を有するものである。そして、超電導体(22)は、上記のように配置されることにより、昇降部材(20)が所定位置まで上昇した状態において、永久磁石(18)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(1)の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に位置するように なっている。
【００３４】
タンク(21)は冷却流体供給管(23)および同排出管(24)を介して図示しない適当な冷却装置に接続されており、この冷却装置により、タンク(21)内をたとえば液体窒素からなる冷却流体が循環させられ、タンク(21)内に満たされる冷却流体により超電導体(22)が冷却されるようになっている。
【００３５】
昇降部材(20)は、適当な昇降装置(29)により昇降させられる。下部ハウジング(12)より下方に位置する昇降部材(20)の中間部に、昇降部材(20)すなわち超電導体(22)に作用する鉛直方向下向きの荷重を測定するためのロードセル(30)が設けられている。また、図示は省略したが、超電導軸受装置の適当箇所に、回転体(1)が後述する下降限界位置まで下降したときに、永久磁石部(15)と超電導体部(16)との接触を防止するために、昇降部材(20)が所定の上昇限界位置より上昇する ことを防止する適当なストッパが設けられている。
【００３６】
ラジアル磁気軸受(5)(6)は、回転体(1)を非接触支持するとともに回転体(1)の互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の位置を制御するためのものであり、中間ハウジング(11)内の上下２箇所に設けられている。各ラジアル磁気軸受(5)(6)は、それぞれ、回転体(1)をＸ軸方向の両側から挟むように ハウジング(11)内に固定されて回転体(1)をＸ軸方向の両側に吸引する１対のＸ 軸方向電磁石(5x)(6x)と、回転体(1)をＹ軸方向の両側から挟むようにハウジン グ(11)内に固定されて回転体(1)をＹ軸方向の両側に吸引する１対のＹ軸方向電 磁石(5y)(6y)とを備えている。この実施形態の場合、ラジアル磁気軸受(5)(6)の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)には全て同じものが使用されている。
【００３７】
ラジアル変位検出ユニット(3)(4)は、回転体(1)のラジアル方向の変位を検出 するためのラジアル変位検出手段を構成している。上部検出ユニット(3)は上部 ラジアル磁気軸受(5)の近傍に、下部検出ユニット(4)は下部ラジアル磁気軸受(6)の近傍にそれぞれ設けられている。各検出ユニット(3)(4)は、回転体(1)をＸ軸方向の両側から挟むようにハウジング(11)内に固定されて回転体(1)のＸ軸方向 の変位を検出する１対のＸ軸方向変位センサ(3x)(4x)と、回転体(1)をＹ軸方向 の両側から挟むようにハウジング(11)内に固定されて回転体(1)のＹ軸方向の変 位を検出する１対のＹ軸方向変位センサ(3y)(4y)とから構成されている。
【００３８】
アキシアル磁気軸受(8)は、回転体(1)のアキシアル方向（Ｚ軸方向）の位置を制御して、回転体(1)をアキシアル方向の所定位置に位置決めするためのもので あり、上部ハウジング(10)の上側の小径部内に設けられている。回転体(1)の上 端部近傍に、水平な外向きフランジ(25)が固定されている。アキシアル磁気軸受(8)は、フランジ(25)の外周寄りの部分をＺ軸方向の両側から挟むようにハウジ ング(10)内に固定されて回転体(1)をＺ軸方向の両側に吸引する上下１対のＺ軸 方向電磁石(8a)(8b)を備えている。この実施形態の場合、アキシアル磁気軸受(8)の電磁石(8a)(8b)には同じものが使用されている。
【００３９】
アキシアル変位センサ(7)は、回転体(1)のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位検出手段を構成しており、固定部分(A)の適当箇所たとえば 上部ハウジング(10)の上端部内に設けられている。
【００４０】
各磁気軸受(5)(6)(8)の各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)(8a)(8b)は制御装置(26)に 接続され、この制御装置(26)から各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)(8a)(8b)に励磁電流が供給される。励磁電流は、一定の定常電流と回転体(1)の変位によって変化す る制御電流とを合わせたものである。通常、ラジアル磁気軸受(5)(6)の全ての電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、定常電流の値は互いに等しい。また、各ラジアル磁気軸受(5)(6)の対応する各１対の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、制御電流の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆になる。アキシアル磁気軸受(8)の上下１対の電磁石(8a)(8b)について、定常電流の値は互いに等しく、制御電 流の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆になる。そして、制御装置(26)がアキシアル変位センサ(7)の出力信号に基づいてアキシアル磁気軸受(8)の各電磁石(8a)(8b)の制御電流の大きさを制御することにより、回転体(1)のアキシア ル方向の位置が制御され、ラジアル変位センサ(3x)(3y)(4x)(4y)の出力信号に基づいてラジアル磁気軸受(5)(6)の各電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)の制御電流の大きさを制御することにより、回転体(1)のラジアル方向の位置が制御される。
【００４１】
昇降部材(20)のロードセル(30)は、制御装置(26)に接続されている。昇降部材(20)の昇降装置(29)も制御装置(26)に接続され、これにより昇降部材(20)すなわち超電導体(22)の上下方向の位置が制御される。
【００４２】
電動機(9)は、回転体(1)を高速で回転駆動するためのものであり、上下のラジアル磁気軸受(5)(6)の間の中間ハウジング(11)内に設けられている。この電動機(9)は、回転体(1)の外周部に設けられたロータ(9a)と、ハウジング(11)内に固定されてロータ(9a)の周囲に配置されたステータ(9b)とからなる。
【００４３】
中間ハウジング(11)内の上端近傍および下端近傍に、超電導軸受(2)および磁 気軸受(5)(6)(8)による支持がなくなったときに回転体(1)をタッチダウンさせて機械的に支持するためのタッチダウン軸受(27)(28)が設けられている。
【００４４】
上記の電力貯蔵装置が運転を停止しているとき、電動機(9)、超電導軸受(2)および磁気軸受(5)(6)(8)は非作動状態にあり、回転体(1)は回転を停止し、タッチダウン軸受(27)(28)により支持されている。また、超電導軸受(2)の固定部分(A)側の超電導体(22)は、常温の常電導状態で、回転体(1)側の永久磁石(18)から下 方に十分に離れてその磁束の影響をほとんど受けない下端位置まで下降している。
【００４５】
そして、このような状態から、たとえば、次のようにして運転が開始される。
【００４６】
まず、磁気軸受(5)(6)(8)を作動状態にし、停止状態の回転体(1)を、ラジアル磁気軸受(5)(6)によりラジアル方向に非接触支持するとともに、アキシアル磁気軸受(8)によりアキシアル方向に非接触支持し、固定部分(A)に対して所定の運転位置（安定回転位置）に浮上させる。この実施形態の場合、運転位置に浮上したとき、回転体(1)はハウジング(10)(11)(12)の中心に位置し、アキシアル磁気軸 受(8)の上下の電磁石(8a)(8b)と回転体(1)のフランジ(25)との間のアキシアル方向の空隙の大きさは互いに等しく、ラジアル磁気軸受(5)(6)の各１対の電磁石(5x)(5y)(6x)(6y)について、回転体(1)との間のラジアル方向の空隙の大きさは互 いに等しい。このとき、超電導軸受(2)はまだ非作動状態であるから、回転体(1)の重量はアキシアル磁気軸受(8)だけで支持されており、したがって、上部電磁 石(8a)による上向きの吸引力は下部電磁石(8b)による下向きの吸引力に比べて回転体(1)の重量分だけ大きく、アキシアル磁気軸受(8)全体として上向きの支持力を発生している。すなわち、上部電磁石(8a)の制御電流は正の値、下部電磁石(8b)の値は負の値となり、上部電磁石(8a)の励磁電流の値は、下部電磁石(8b)の励磁電流の値に比べて、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力（回転体(1)の重量）分だけ大きくなっている。
【００４７】
磁気軸受(5)(6)(8)により回転体(1)を運転位置に保持したならば、冷却タンク(21)に冷却流体を供給し、超電導体(22)を上記の位置において所定の温度まで冷却して第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。
【００４８】
次に、磁気軸受(5)(6)(8)により回転体(1)を運転位置に保持した状態で、超電導体(22)を永久磁石(18)に対して所定の間隙をあけて対向する位置まで上昇させる。すると、永久磁石(18)から発せられる磁束の一部が超電導体(22)内に部分的に侵入し、この侵入した磁束が超電導体(22)内部のピン止め点にピン止めされる。
【００４９】
次いで、超電導体(22)をさらに上昇させる。アキシアル磁気軸受(8)により回 転体(1)を運転位置に保持した状態で、作動状態になった超電導軸受(2)の超電導体(22)を上昇させると、超電導軸受(2)による上向きの支持力が徐々に大きくな り、その分、アキシアル磁気軸受(8)による上向きの支持力が徐々に小さくなる 。すなわち、アキシアル磁気軸受(8)の上部電磁石(8a)による上向きの吸引力が 徐々に小さくなって、その分、下部電磁石(8b)による下向きの吸引力が徐々に大きくなり、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力が徐々に小さくなる。 そして、やがて、アキシアル磁気軸受(8)の上部電磁石(8a)による上向きの吸引 力と下部電磁石(8b)による下向きの吸引力が互いに等しくなって、アキシアル磁気軸受(8)全体の上向きの支持力すなわちアキシアル方向の支持力が零になる。 このとき、回転体(1)の重量は超電導軸受(2)によって支持され、超電導軸受(2) による上向きの支持力は回転体(1)の重量と等しい。超電導軸受(2)による上向きの支持力は超電導体(22)に作用する下向きの荷重と等しく、これはロードセル(30)によって測定される。
【００５０】
上記のようにアキシアル磁気軸受(8)全体のアキシアル方向の支持力が零にな った後も、さらに超電導体(22)を上昇させる。すると、超電導軸受(2)による上 向きの支持力が回転体(1)の重量より徐々に増加し、この増加分に等しい下向き の支持力がアキシアル磁気軸受(8)に発生する。そして、超電導軸受(2)による上向きの支持力あるいはその増加分が予め設定した値に達した時点で、超電導体(22)を停止させる。
【００５１】
この後、超電導体(22)を下降させ、再びアキシアル磁気軸受(8)の支持力が零 になった時点で、超電導体(22)を停止させる。そして、アキシアル磁気軸受(8) の電磁石(8a)(8b)に対する励磁電流の供給を停止して、これを非作動状態にする。これにより、回転体(1)の重量が超電導軸受(2)のみによって支持され、再び回転体(1)は超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により、運転位置に非接触支持される。
【００５２】
上記の装置の場合、アキシアル磁気軸受(8)の上下の電磁石(8a)(8b)に同じも のを使用し、しかも回転体(1)が運転位置にある状態で上下の電磁石(8a)(8b)と 回転体(1)のフランジ(25)との間の空隙の大きさが互いに等しいので、上下の電 磁石(8a)(8b)について、励磁電流の値と吸引力との関係が同じになる。したがって、上下の電磁石(8a)(8b)の励磁電流が等しくなったことを検知することにより、上下の電磁石(8a)(8b)の吸引力が等しくなったことを知ることができる。
【００５３】
超電導軸受装置によっては、アキシアル磁気軸受の上下の電磁石に仕様の異なるものを使用したり、あるいは運転位置にある回転体と上下の電磁石との空隙の大きさが等しくないこともありうる。しかし、このような場合でも、運転位置は一定であるから、各電磁石について、励磁電流の値と吸引力の値との関係は一定で、しかも予め知ることができる。したがって、上下の電磁石の吸引力が等しくなるときの上下の電磁石の励磁電流の値の関係を予め調べておけば、上下の電磁石の励磁電流の値が上記の関係になったことを検知することにより、上下の電磁石の吸引力が等しくなったことを知ることができる。
【００５４】
上記のように回転体(1)を超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)で支持させたならば、電動機(9)を駆動する。これにより、超電導軸受装置は運転を開始し 、回転体(1)は、超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により運転位置に保持された状態で、回転させられる。このとき、超電導体(22)に侵入した磁束は、磁束分布が回転体(1)の回転軸心に対して均一で不変である限り、理想的には回転 を妨げる抵抗とはならない。
【００５５】
上記の装置の場合、回転体(1)は第２種超電導体(22)を使用した超電導軸受(2)によっても若干ラジアル方向に支持されるので、その分、ラジアル磁気軸受(5)(6)による支持力は小さくてすみ、ラジアル磁気軸受(5)(6)を小型化することができる。
【００５６】
また、運転開始時に、最初からアキシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で回転体(1)を運転位置に保持し、超電導軸受(2)でそのまま運転位置に保持 するので、回転体を一旦運転位置より上方に持ち上げる必要がない。したがって、その分、回転体(1)の長さを短くすることができる。
【００５７】
上記の装置の運転中、時間経過とともに磁束クリープにより超電導軸受(2)に よる磁気浮上力が低下し、回転体(1)の位置が運転位置から徐々に下に下がるが 、制御装置(26)は、回転体(1)の変位量をアキシアル変位センサ(7)で検出し、その分超電導体(22)を上昇させて、回転体(1)を運転位置に保つようにフィードバ ック制御する。
【００５８】
たとえば、回転体(1)が運転位置から所定量（たとえば０．１ｍｍ）下降する と、回転体(1)が運転位置に戻るまで昇降装置(29)により昇降部材(20)を上昇さ せる。この制御は、昇降部材(20)が前記のストッパにより上昇限界位置に停止させられるまで繰返される。
【００５９】
昇降部材(30)が上昇限界位置に停止した後も、回転体(1)は下降するが、運転 位置より所定量（たとえば０．８ｍｍ）下降して所定の下降限界位置より下がると、その時点で、アキシアル磁気軸受(8)が作動させられ、再びアキシアル磁気 軸受(8)により回転体(1)が運転位置に保持される。このとき、回転体(1)は回転 を続けている。上記の下降限界位置は、回転体(1)がタッチダウン軸受(27)(28) にタッチダウンする位置よりも上方に設定されており、したがって、回転体(1) がタッチダウンする前に、回転体(1)を回転させたまま、アキシアル磁気軸受(8)で運転位置に支持することができる。
【００６０】
そして、回転体(1)をアキシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で保持して回転させた状態で、超電導体(22)を下降させて、再び完全な第２超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導体(22)を上昇させて、超電導軸受(2)のみで回転体(1)の重量を支持させ、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態に する。これにより、超電導軸受(2)による装置の運転が再開され、再び、回転体(1)は超電導軸受(2)とラジアル磁気軸受(5)(6)により運転位置に支持されて、回 転を続ける。
【００６１】
このように、超電導軸受(2)による磁気浮上力が低下して、回転体(1)の位置が下がっても、これがタッチダウンする前に、アキシアル磁気軸受(8)を使用して 、回転体(1)を回転させたまま、運転を再開することができる。したがって、回 転体(1)をタッチダウンさせずに、長時間連続して運転することが可能である。
【００６２】
回転体(1)を所定の運転位置に保つために昇降部材(20)を上昇させて回転体(1)の下降を防止する上記の制御過程において、運転中の回転体(1)のアキシアル方 向の振動が発生した場合は、それを抑制するために、運転中にも、アキシアル磁気軸受(8)を作動させ、その電磁石(8a)(8b)に制御電流もしくは制御電流と通常 の定常電流より小さいバイアス電流を流して制御することも可能である。なお、回転体(1)のアキシアル方向の振動の発生は、アキシアル変位センサ(7)によって検知することができる。
【００６３】
上記の超電導軸受装置では、運転開始時あるいは運転再開時に、上記のように、回転体(1)をラジアル磁気軸受(5)(6)とアキシアル磁気軸受(8)により非接触支持した状態で、作動状態にした超電導軸受(2)の超電導体(22)を上昇させ、回転 体(1)の重量が超電導軸受(2)で支持されてアキシアル磁気軸受(8)のアキシアル 方向の支持力が零になった後も、アキシアル磁気軸受(8)に下向きの支持力が発 生する位置まで超電導体(22)を上昇させて、超電導軸受(2)に回転体(1)の重量より大きい荷重を負荷し、その後、超電導体(22)を下降させて、アキシアル磁気軸受(8)の支持力が零になった時点で超電導体(22)を停止させ、アキシアル磁気軸 受(8)を非作動状態にしているので、超電導軸受(2)にプーリロードをかけて、運転開始初期に発生する磁束クリープを予め発生させておくことになる。このため、運転開始の初期の段階で磁束クリープによる回転体(1)の下降およびこれによ る超電導体(22)の急上昇が発生することがなく、したがって、超電導体(22)が上昇限界位置に達するまでの時間が長くなり、超電導軸受(2)で連続して回転体(1)を支持できる時間が長くなる。
【００６４】
上記の実施形態では、第２種超電導体(22)を用いた超電導軸受(2)を使用して いるが、その代わりに、冷却により第１種超電導状態を出現する第１種超電導体を用いた超電導軸受を使用することもできる。その場合、超電導軸受の全体構成は上記の超電導軸受(2)と同様になり、上記の第２種超電導体(22)の代わりに第 １種超電導体が使用される。第１種超電導体を用いた超電導軸受は、第１種超電導体の第１種超電導状態における完全反磁性現象を利用して回転体(1)を磁気浮 上させるものであり、回転体(1)は超電導体からアキシアル方向上向きの支持力 だけを受け、アキシアル方向にのみ支持される。そして、回転体(1)は、ラジア ル磁気軸受(5)(6)だけでラジアル方向に支持される。
【００６５】
第１種超電導体を用いた超電導軸受を使用した場合も、上記とほぼ同様に、運転を開始することができ、また、超電導軸受による磁気浮上力が低下して回転体(1)の位置が下がっても、回転体(1)をタッチダウンさせずに、回転させたまま、運転を再開することができる。
【００６６】
運転開始の場合、回転体(1)を磁気軸受(5)(6)(8)により運転位置に保持した状態で、超電導体を下端位置において冷却して、第１種超電導状態を出現させ、その後、超電導体を徐々に上昇させる。超電導体が永久磁石(18)にある程度接近すると、超電導体の完全反磁性現象により、回転体(1)は上向きの支持力を受け、 この支持力は超電導体の上昇に伴って大きくなり、逆に、アキシアル磁気軸受のよる支持力は徐々に小さくなる。そして、アキシアル磁気軸受(8)による支持力 が零になって、回転体(1)の全重量が超電導軸受によって支持された後も、アキ シアル磁気軸受(8)に下向きの支持力が発生する位置まで超電導体を上昇させて 、超電導軸受に回転体(1)の重量より大きい荷重を負荷し、その後、超電導体を 下降させて、アキシアル磁気軸受(8)の支持力が零になった時点で超電導体を停 止させ、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態にして、回転体(1)を超電導軸受とラジアル磁気軸受(5)(6)によって運転位置に支持し、電動機(9)を駆動して、運 転を開始する。
【００６７】
運転中に、時間経過とともに超電導軸受による磁気浮上力が低下して、回転体(1)の位置が運転位置から徐々に下に下がった場合、昇降部材(20)および超電導 体を上昇させて回転体(1)を運転位置に保つフィードバック制御が行われ、昇降 部材(20)が上昇限界位置より上昇できなくなった後、回転体(1)が下降限界位置 より下がった時点で、アキシアル磁気軸受(8)が作動させられ、再びアキシアル 磁気軸受(8)により回転体(1)が運転位置に保持される。そして、回転体(1)をア キシアル磁気軸受(8)とラジアル磁気軸受(5)(6)で保持して回転させた状態で、 超電導体を下降させて、再び完全な第１超電導状態にした後、前記の運転開始時と同様に、超電導を上昇させて、超電導軸受のみで回転体(1)の重量を支持させ 、アキシアル磁気軸受(8)を非作動状態にし、運転を再開する。
【００６８】
超電導軸受、アキシアル磁気軸受、ラジアル磁気軸受、電動機などの構成、電力貯蔵装置の全体構成などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００６９】
また、この発明は、電力貯蔵装置以外の超電導軸受装置にも適用することができる。
【００７０】
図３は、第２実施形態を示している。
【００７１】
第２実施形態の超電導軸受装置は、フライホイール(13)(14)が設けられていない点と超電導軸受(40)の構成が異なる点を除いて、第１実施形態の超電導軸受装置と同様の構成を有する。また、第２実施形態の超電導軸受装置の電気的構成は、図２のものと同じである。第２実施形態において、第１実施形態のものと同じ部分には同一の符号を付している。
【００７２】
超電導磁気軸受(40)は、回転体(1)の下端部に同心状に固定された環状永久磁 石部(41)および永久磁石部(41)とラジアル方向に対向するように昇降部材(20)の上端部に固定された環状超電導体部(42)よりなる。
【００７３】
回転体(1)の下端部に水平支持円板(43)が固定され、その下面に永久磁石部(41)が固定されている。永久磁石部(41)は、回転体(1)と同心になるように円板(43)の下面に固定された鉛直円筒状の支持筒(44)を備えており、支持筒(44)の内周に、上下複数の環状永久磁石(45)が環状鉄製ヨーク(46)を介して配置され、支持筒(44)の下端面に固定された環状係止部材(47)により固定されている。たとえば、各永久磁石(45)は軸方向の両端面に磁極を有し、上下に隣接する永久磁石(45)の対向する磁極が同極性となるように配置されており、ヨーク(46)が磁極となる。また、永久磁石(45)は回転体(1)と同心状に配置され、回転体(1)の回転軸心の周囲における永久磁石(45)の磁束分布が回転体(1)の回転によって変化しないよう になされている。
【００７４】
昇降部材(20)の上端部に水平支持円板(48)が固定され、その上面に超電導体部(42)が固定されている。超電導体部(42)は、回転体(1)と同心になるように円板(48)の上面に固定された環状の冷却タンク(49)を備えている。タンク(49)は鉛直 で比較的背の高い二重円筒状をなし、その内部に、軸線を通る断面形状が長方形状の環状の冷却空間(49a)が形成されている。そして、昇降部材(20)が所定位置 まで上昇させられた状態において、タンク(49)が永久磁石部(41)の内側に入り、タンク(49)の外周面が永久磁石部(41)の内周面とわずかな間隔をあけて対向するようになっている。
【００７５】
鉛直円筒状の第２種超電導体(50)が、回転体(1)と同心になるように、タンク(49)の外側周壁の内側上部にはめられ、冷却空間(49a)内の外周寄り下部に配置された支持部材(51)により固定されている。超電導体(50)の材料には、第１実施形態の場合と同じものが使用される。超電導体(50)の外周面はタンク(49)の外側周壁の内面に密着しており、昇降部材(20)が所定位置まで上昇させられた状態において、超電導体(50)は、タンク(49)の薄肉の外側周壁と環状の微小な空隙を介して永久磁石部(41)の永久磁石(45)に対向し、永久磁石(45)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(1)の回転によって侵入磁束の分布が変化しない 位置に位置するようになっている。超電導体(50)の内径はタンク(49)の内側周壁の外径よりかなり大きく、内側周壁と超電導体(50)との間には比較的大きな間隔があいている。このため、超電導体(50)の内周面は、冷却空間(49a)内に完全に 露出している。
【００７６】
タンク(49)の底壁に、外周面からラジアル方向内側にのびた後に上向きにのびてタンク内の底壁の上面に抜ける冷却流体流入穴(52)と冷却流体流出穴(53)が形成されている。流入穴(52)の水平部分のラジアル方向外側端部に冷却液供給管(23)が接続されており、タンク(49)内の底壁の上面にある流入穴(41)の鉛直部分の上端部が流入穴(52)から冷却空間(49a)への冷却流体出口（吐出口）(52a)となっている。冷却流体出口(52a)は、冷却空間(49)内の最下部であって超電導体(50) の最下部より下方に位置している。流出穴(53)の水平部分のラジアル方向外側端部に、冷却流体排出管(24)が接続され、タンク(49)内の底壁の上面に抜ける流出穴(53)の鉛直部分に、鉛直状の冷却流体吸込管(54)の下端部が接続されている。吸込管(54)の上端は、タンク(49)の頂壁の径方向内側の部分の下面より少し下方であって、超電導体(9)の上端の高さとほぼ同じかあるいはこれより少し上方に 位置している。タンク(49)内の吸込管(54)の上端が冷却空間(49a)から吸込管(54)への冷却流体入口（吸込口）(54a)となっている。
【００７７】
第１実施形態の場合と同様の冷却装置により、冷却液である液体窒素が次のようにタンク(49)の冷却空間(49a)を通して循環されられ、冷却空間(49a)内に満たされる液体窒素により超電導体(50)が冷却される。
【００７８】
冷却装置から出た液体窒素は、供給管(23)および流入穴(52)を通って、冷却流体出口(52a)から冷却空間(49a)に入り、冷却空間(49a)内に満たされる。そして 、冷却空間(49a)内の液体窒素は、冷却流体入口(54a)から吸込管(54)に入り、流出穴(53)および排出管(24)を通って冷却装置に戻される。液体窒素の一部は、上記のように循環している間に気化して窒素ガスとなり、その一部は冷却空間(49a)内の上部に溜まる。しかし、窒素ガスの層の最下部が冷却流体入口(54a)の高さまで下がると、窒素ガスは冷却流体入口(54a)から吸込管(54)に入って排出され るため、窒素ガスは冷却流体入口(54a)より下方に溜まることはない。すなわち 、窒素ガスは、冷却流体入口(54a)より上方の冷却空間(49a)内の最上部のわずかな部分に溜まるだけである。そして、冷却流体入口(54a)が超電導体(50)の最上 部とほぼ同じ高さかこれより上方に位置しているので、超電導体(50)の周囲には窒素ガスは溜まらない。このため、超電導体(50)の周囲には液体窒素だけが充満し、超電導体(50)が常に液体窒素によって完全に冷却され、良好な超電導状態が得られる。また、超電導体(50)はその内周面全体と下端面の大部分とを合わせた広い範囲で液体窒素と接触するので、超電導体(50)を効率良く冷却することができる。
【００７９】
第２実施形態における超電導軸受装置の起動方法、運転中の制御方法などは、第１実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の第１実施形態を示す電力貯蔵装置の超電導軸受装置の概略構成図である。
【図２】図２は、超電導軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施形態を示す超電導軸受装置の概略構成図である。
【符号の説明】
(1) 回転体
(2)(40) 超電導軸受
(5)(6) ラジアル磁気軸受
(8) アキシアル磁気軸受
(9) 電動機
(18)(45) 永久磁石
(22)(50) 超電導体
Claims (2)
- 固定部分内に鉛直状に配置された回転体、前記回転体を少なくともアキシアル方向に支持して非接触浮上させる超電導軸受、前記回転体をラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受、必要に応じて前記回転体をアキシアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受、および前記回転体を回転駆動する電動機を備えており、前記超電導軸受が、前記回転体に取付けられた永久磁石、および前記固定部分側に昇降自在に設けられて前記永久磁石に対向させられる超電導体よりなる超電導磁気軸受装置の起動方法であって、
前記ラジアル磁気軸受により前記回転体をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、前記アキシアル磁気軸受に上向きの支持力を発生させることにより前記回転体をアキシアル方向の所定位置に非接触支持した状態で、超電導状態にした前記超電導体を、前記超電導軸受に前記回転体の重量より大きい予め設定した値の上向きの支持力を発生させて前記アキシアル磁気軸受に下向きの支持力を発生させる位置まで上昇させた後、前記アキシアル磁気軸受による支持力を零にする位置まで下降させ、前記アキシアル磁気軸受を非作動状態にすることを特徴とする超電導軸受装置の起動方法。 - 前記超電導体が、冷却により第２種超電導状態を出現し、かつ第２種超電導状態において、侵入する磁束を拘束してピン止めする性質を有する第２種超電導体であり、前記超電導軸受が、前記超電導体のピン止め力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するものであることを特徴とする請求項１の超電導軸受装置の起動方法。
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