JP4331850B2

JP4331850B2 - Superconducting bearing

Info

Publication number: JP4331850B2
Application number: JP2000062201A
Authority: JP
Inventors: 英一手嶋; 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: JP2001248642A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵用フライホイールや高速回転機器などに用いられる超電導軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導軸受は、超電導体と磁石との間のピンニング効果を利用したものであり、物体を制御なしで非接触で安定に浮上・回転できる機能を有する軸受である。超電導軸受における超電導体と磁石の位置関係には、主にアキシャル軸受型配置とラジアル軸受型配置がある。図１６に示すように、アキシャル軸受型配置では、超電導体と磁石は軸方向に対向している。一方、図１７に示すように、ラジアル軸受型配置では、超電導体と磁石は動径方向に対向している。
【０００３】
超電導軸受には、単結晶状に作製された大型の酸化物系超電導体が用いられる。しかし、単結晶状の酸化物系超電導体には結晶方位による異方性があり、結晶のc軸に平行な方向と、結晶のc軸に垂直な方向、すなわち結晶のa軸とb軸で形成するa-b面内に平行な方向との間で、超電導特性が大きく異なる。その結果、磁石に対する超電導体の結晶方位をどちらに向けるかによって浮上力が大きく異なる。従来は、浮上力を大きくするため、超電導体のc軸を磁石の方に向ける、すなわち超電導体のc軸が磁石の面に垂直になるような結晶配置で用いられるのが一般的であった。すなわち、アキシャル軸受型配置では、超電導体のc軸は軸方向に向いたアキシャル配向であり、ラジアル軸受型配置では、超電導体のc軸は動径方向を向いたラジアル配向であった。
【０００４】
アキシャル軸受型配置では、軸受を構成する超電導体全体のc軸をアキシャル配向させることは可能である。しかしながら、ラジアル軸受型配置では、軸受を構成する超電導体のc軸を軸受全周にわたってラジアル配向させることは、単一の結晶では不可能である。従って、従来技術としては、図１８に示すように、いくつかの試料を作製し、それぞれを扇形状に加工し、それらを組み合わせて１つの軸受を構成する超電導体とし、軸受を構成する個々の要素部材のc軸をラジアル配向させる手法がとられている。このとき、個々の扇形状部材間の接合方法は、個々の部材を単に冷却容器に収納することによって物理的に接合しているだけか、あるいは冷却容器に収納する際にお互いに接着剤で接合固定しているだけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８のような手法で超電導軸受の超電導体を作製すると、個々の要素部材は単に物理的に結合されているだけであり、各要素部材間の境界では超電導電流は流れない。しかも、厳密には個々の要素部材のc軸がラジアル配向している部分は要素部材の中央部だけであり、中央部からずれるにつれてc軸と動径方向とのずれは大きくなる。そのため、軸受全体としての超電導体のc軸が動径方向へ配向している度合いを改善するには、要素部材の数を多くすることになるが、このことは逆に超電導電流の流れない要素部材間の境界の数も増やすことになる。従って、ラジアル軸受型配置においては、従来の方法では、軸受全体の結晶の配向性を向上させることと超電導電流が流れない境界面の数を低減させることが相反する性質を有しているため、浮上力を改善することが難しいという問題があった。
【０００６】
また、アキシャル軸受型配置でも、軸受サイズが大きくなると、単結晶状の超電導体を一体もので作製することは困難なので、複数の超電導体を組み合わせることになる。この場合にも、個々の超電導体間に超電導電流が流れないので、浮上力を改善することが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導体と磁石は動径方向に対向しているラジアル軸受型配置で高い浮上力を得る超電導軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本参考例の超電導軸受は、超電導体と磁石が動径方向に対向しているラジアル型の超電導軸受において、超電導軸受を構成している超電導体が内部に複数個の単結晶状領域を有し、超電導体内の個々の単結晶状領域のc軸が軸受の動径方向に向いて、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が90°以下であることを特徴とする超電導軸受である。
【００１０】
本発明による第１の超電導軸受は、超電導体と磁石が動径方向に対向しているラジアル型の超電導軸受において、超電導軸受を構成する超電導体が複数個の要素部材からなり、個々の要素部材が動径方向に積層構造を形成し、かつ隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれ、単結晶状領域のc軸が動径方向に向いていることを特徴とする超電導軸受である。
本発明による第２の超電導軸受は、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さが5mm以下であることを特徴とする本発明による上記第１の超電導軸受である。
【００１２】
本参考例の超電導軸受の構成によれば、超電導体が内部に存在する複数個の単結晶状領域の間の境界にも超電導電流が流れるために、超電導電流が全く流れない単なる物理的な結合であった場合に比べて、浮上力が改善する。
【００１３】
本参考例の超電導軸受で、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度を90°以下に限定した理由について述べる。軸受全体の動径方向への配向性を向上させるには、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が小さければ小さいほどよい。しかし、角度が小さいほど１つの試料内の単結晶領域の数も増えるので、作製プロセスは煩雑になる可能性がある。そこで、１つの試料内の単結晶領域の数を減らしていき、どこまで浮上力改善の効果があるかについて調べてみた。参考例で示すように、１つのリング形状の超電導体内に４個の単結晶状領域がある場合には浮上力は大幅に改善したが、１つのリング形状の超電導体内に３個の単結晶状領域がある場合には浮上力は改善するもののその効果は小さかった。前者の場合の隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は90°であるが、後者の場合の隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は120°である。従って、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度を90°以下に限定した。
【００１４】
本発明による上記第１の超電導軸受の構成によれば、超電導体が単に物理的に結合している境界面の位置に、隣り合う層の超電導体が存在しているために、境界面で超電導的な繋がりが弱まる効果を小さくする働きがある。そのため、超電導体を積層構造にしていない従来例の場合に比べて、浮上力が改善する。
【００１５】
本発明による上記第２の超電導軸受で、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さを5mm以下に限定した理由について述べる。本発明者らは、超電導体の厚さと浮上力との関係を調べたところ、超電導体の厚さが5mm以下の範囲では試料厚さが厚くなると浮上力も大きくなるが、試料厚さが5mmよりも大きくなると浮上力はほとんど一定であることを見出した。すなわち、磁石に最も近い層の厚さを5mmよりも大きくすると、超電導体を積層構造にする効果が非常に小さくなる。従って、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さを5mm以下に限定した。
【００２０】
本発明に用いる超電導体は、ピンニング効果を発揮し得るものであれば特に制限されるものではないが、好ましくは、ピンニング力の強い超電導体が望ましい。本実施例で用いた超電導体は、QMG材と呼ばれるもので、単結晶状のREBa₂Cu₃O_x相（REはYまたは希土類元素およびその組み合わせ）中にRE₂BaCuO₅相が微細分散している酸化物系超電導体で、液体窒素温度でピンニング力の強い材料である（特許登録番号第1869884号）。また、本発明に用いる磁石は、軸受構造が簡単になるので永久磁石が望ましいが、電磁石や超電導磁石でもよい。超電導体と対向する表面の磁束密度が大きいほど浮上力も大きくなるので、永久磁石を用いる場合には、希土類系の永久磁石のように表面磁束密度の大きい材料、例えば、Nd-Fe-B系やPr-Fe-B系、Sm-Co系等の永久磁石が望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳述する。
図１は、超電導軸受の一形態を示す概略図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図ある。図１では、超電導体と永久磁石が動径方向に対向するラジアル軸受型配置で、超電導体のc軸の方向が、軸受の動径方向ではなく、軸受の軸方向を向いている。図１では、超電導体を冷却する冷却系は示されていないが、超電導体は冷却容器に収納され、液体窒素等の冷媒によって冷却されるか、あるいは冷凍機によって冷却される。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、上述した参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸がリングの軸方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を作製し、また従来例の超電導体として、図２（ｂ）に示すようにY系の酸化物超電導体で、中心部が動径方向を向いた扇形状試料を4個を本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせたものを作製し、それぞれに対して浮上力を測定し、比較した。浮上力の測定は、収納冶具に固定した超電導体をリング形状の磁石の中に入れた状態で液体窒素を用いて冷却し、超電導体が十分冷却した後、超電導体と永久磁石間の距離を遠ざけながら行った。
【００２３】
図３に、浮上力特性曲線の測定の一例を示す。超電導体と永久磁石間の距離が大きくなるにつれて、浮上力は最初急激に大きくなり、最大値を取った後、徐々に小さくなった。ここでは、浮上力の最大値のことを単に浮上力と呼ぶことにする。図２（ｂ）の従来例の浮上力が122Nであったのに対し、図２（ａ）の本参考例の超電導体の浮上力は148Nであった。
【００２４】
図２（ａ）の本参考例の超電導体が一体ものの超電導体であったように、本発明に用いる超電導体は周方向および軸方向とも切れ目がない一体物の試料であることが望ましい。しかし、超電導軸受の大きさが大きくなるにつれて、一体物の単結晶状試料を作製することが困難になってくる。その場合でも、いくつかの超電導体を組み合わせることになるが、それぞれの超電導体のc軸を軸受の軸方向に向けることによって、同様の効果を得ることができる。組み合わせ方としては、軸受に必要な超電導体の大きさによって、図４（ａ）に示すように、周方向に切れ目のない試料を軸方向に積み重ねてもよいし、また図４（ｂ）のように軸方向に切れ目のない試料を周方向に組み合わせてもよいし、また図４（ｃ）のように軸方向および周方向ともいくつかの試料を組み合わせてもよい。
【００２５】
図５は、超電導軸受の一参考例の形態を示す概略図である。なお、図５では、永久磁石は記載されていないが、図１と同様に動径方向にあるものとする。図５では、超電導軸受を構成している超電導体が一体もので、試料内に４個の単結晶状領域が存在する試料であり、個々の単結晶状領域のc軸が動径方向を向いている。
【００２６】
前記の効果を調べるため、本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、図５に示すようなc軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を作製した。一体ものの試料の中に４個の単結晶状領域を作るために、図６に示すように、試料を作製するときに、種結晶を４個用いて結晶成長させた。また、それぞれの種結晶のc軸の向きを動径方向にすることによって、各単結晶状領域のc軸も動径方向に向けることができた。本試料の浮上力を測定したところ、165Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本参考例によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。
【００２７】
図６は１つの試料内に４個の単結晶状領域を含む場合であったが、図７に示すように、１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む場合についても効果を調べてみた。本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を、図７に示すように、c軸を動径方向に向けた種結晶を６個用いて作製した。また、比較のため、図８のようにY系の酸化物超電導体で、中心部でc軸が動径方向を向いた扇形状試料を６個用いて、本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせ収納冶具に固定したものを準備した。本参考例の試料の浮上力は172Nであり、比較例の浮上力は138Nであった。本参考例によって、浮上力が改善することが確認できた。
【００２８】
図９に示すように、１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む場合についても参考例として調べてみた。本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を、図９に示すように、c軸を動径方向に向けた種結晶を３個用いて作製した。また、比較のため、図１０のようにY系の酸化物超電導体で、中心部でc軸が動径方向を向いた扇形状試料を３個用いて、本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせ収納冶具に固定したものを準備した。本参考例の試料の浮上力は126Nであり、比較例の浮上力は119Nであった。
【００２９】
図６のような１つの試料内に４個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は90°である。図６の例では、浮上力は122Nから165Nと43N改善している。また、図７のような１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は60°である。図７の例では、浮上力は138Nから172Nと34N改善している。一方、図９のような１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は120°である。図９の例では浮上力は119Nから126Nと7N改善しているが、図６や図７の場合に比べて浮上力改善の効果が小さい。従って、浮上力改善の効果を大きくするためには、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が90°以下にしたほうが望ましい。
【００３０】
これまで述べた本参考例では、１つの超電導体内に複数個の単結晶状領域を作製するのに、試料作製時に複数個の種結晶を用いる作製プロセスを行ったが、本参考例は本作製プロセスに限定するものではない。別の作製プロセスの例を図１１に示す。図１１では、扇形状の超電導体を予め作製しておき、それらを超電導的に結合する後処理を施すことで１つの試料とする作製プロセスを示している。
【００３１】
図１１の方法では、超電導的に結合する後処理工程として、本体を結晶成長温度1000℃のY系酸化物超電導体で作製し、それらの間に結晶成長温度900℃のYb系酸化物超電導体を挿入した状態で、900℃以上に加熱し、900℃前後の温度を徐冷するという工程で行った。すなわち、結晶成長温度の低い超電導体をはんだとして用い、結晶成長温度の高い超電導体を結合するという工程で行った。本作製プロセスで、外径46mm、内径15mm、高さ20mmのリング形状試料を作製し、浮上力を測定したところ145Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本参考例によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。
【００３２】
これまで述べた本参考例では、軸受を構成する超電導体は一体ものの超電導体であったが、超電導軸受の大きさが大きくなるにつれて、一体ものの試料を作製することが困難になってくる。その場合には、いくつかの超電導体を組み合わせることになるが、図１２に示すように、それぞれの超電導体の内部に複数個の単結晶状領域を設け、各単結晶状領域のc軸が軸受の動径方向に向けるようにすることによって同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図１３は、本発明の請求項１に基づいた超電導軸受の一実施形態を示す概略図である。なお、図１３では、永久磁石は記載されていないが、図１と同様に動径方向にあるものとする。図１３では、超電導軸受を構成している超電導体が、動径方向に煉瓦状に積層構造になっている。また、図１４は、本発明の請求項２に基づいた超電導軸受の一実施形態を示す概略図である。なお、図１４でも、永久磁石は記載されていないが、永久磁石は動径方向にあるものとし、永久磁石に最も近い層の厚さが薄くなっている。
【００３４】
永久磁石に最も近い層の厚さの効果を調べるため、Y系酸化物超電導体で、外径46mm、高さ20mで、リングの動径方向の厚さを変化させた試料に対して浮上力を測定したところ、図１５に示すような結果が得られた。図１５から、動径方向の厚さが5mmより大きくなると、浮上力がほぼ一定になることが分かる。従って、超電導体を積層構造にした場合、永久磁石に最も近い層の厚さを5mmよりも大きくしても、浮上力改善の効果が小さい。
【００３５】
本発明の効果を調べるため、本実施例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、図１４に示すようなc軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmのリング形状試料を積層構造で作製した。動径方向の積層構造は2層とし、永久磁石に最も近い層の厚さは3mm、第2層目の厚さは12.5mmであり、また周方向分割数は４とした。本実施例の試料に対して浮上力を測定したところ、146Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本発明によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。本実施例では、超電導体のc軸を動径方向に向けた場合で行ったが、本発明の請求項1に基づいた超電導軸受のように超電導体のc軸が軸方向に向いている場合にも、積層構造にすることによって同様の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の超電導軸受によれば、超電導体と永久磁石が動径方向に対向するラジアル軸受型配置で高い浮上力を提供できるので、電力貯蔵用フライホイールや高速回転機器に用いられる超電導軸受の実現可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図２】超電導軸受の超電導体の（ａ）一参考例とその（ｂ）比較例を示す図である。
【図３】ラジアル軸受型配置での浮上力の測定データの一例のグラフを示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ超電導軸受の超電導体の別の参考例を示す図である。
【図５】超電導軸受の超電導体の一参考例を示す図である。
【図６】超電導軸受の超電導体の作製プロセスの一参考例を示す図である。
【図７】１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む超電導体の作製プロセスの一例を示す図である。
【図８】図７に対する比較例を示す図である。
【図９】１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む超電導体の作製プロセスの一例を示す図である。
【図１０】図９に対する比較例を示す図である。
【図１１】超電導軸受の超電導体の作製プロセスの別の参考例を示す図である。
【図１２】超電導軸受の超電導体の別の参考例を示す図である。
【図１３】本発明の請求項１に基づいた超電導軸受の超電導体の一実施例を示す図である。
【図１４】本発明の請求項２に基づいた超電導軸受の超電導体の一実施例を示す図である。
【図１５】浮上力と超電導体の動径方向厚さとの関係のグラフを示す図である。
【図１６】従来のアキシャル型超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図１７】従来のラジアル型超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図１８】ラジアル軸受用超電導体の作製プロセスの従来例を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting bearing used in a power storage flywheel, a high-speed rotating device, or the like.
[0002]
[Prior art]
A superconducting bearing uses a pinning effect between a superconductor and a magnet, and has a function of stably floating and rotating an object without contact without contact. The positional relationship between the superconductor and the magnet in the superconducting bearing mainly includes an axial bearing type arrangement and a radial bearing type arrangement. As shown in FIG. 16 , in the axial bearing type arrangement, the superconductor and the magnet face each other in the axial direction. On the other hand, as shown in FIG. 17, in the radial bearing type arrangement, the superconductor and the magnet face each other in the radial direction.
[0003]
A large oxide superconductor made in a single crystal form is used for the superconducting bearing. However, single-crystal oxide superconductors have anisotropy due to crystal orientation, and are parallel to the crystal c-axis and perpendicular to the crystal c-axis, that is, the crystal a-axis and b-axis. The superconducting characteristics differ greatly between the direction parallel to the ab plane to be formed. As a result, the levitation force varies greatly depending on the orientation of the crystal orientation of the superconductor relative to the magnet. Conventionally, in order to increase the levitation force, it is common to use a crystal arrangement in which the c-axis of the superconductor is directed toward the magnet, that is, the c-axis of the superconductor is perpendicular to the surface of the magnet. there were. In other words, in the axial bearing type arrangement, the c-axis of the superconductor was axially oriented in the axial direction, and in the radial bearing type arrangement, the c-axis of the superconductor was radially oriented in the radial direction.
[0004]
In the axial bearing type arrangement, it is possible to orient the c-axis of the entire superconductor constituting the bearing in the axial direction. However, in the radial bearing type arrangement, it is not possible with a single crystal to radially orient the c-axis of the superconductor constituting the bearing over the entire circumference of the bearing. Therefore, as shown in FIG. 18 , as a conventional technique, several samples are manufactured, each is processed into a fan shape, and they are combined to form a superconductor constituting one bearing, and individual bearings are formed. A technique is employed in which the c-axis of the element member is radially oriented. At this time, the method for joining the individual fan-shaped members is to physically join the individual members by simply storing them in the cooling container, or to bond them with an adhesive when they are stored in the cooling container. It is only fixed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the superconductor of the superconducting bearing is manufactured by the method as shown in FIG. 18 , the individual element members are merely physically coupled, and the superconducting current does not flow at the boundary between the element members. In addition, strictly speaking, the portion where the c-axis of each element member is radially oriented is only the center portion of the element member, and the deviation between the c-axis and the radial direction increases as the distance from the center portion increases. Therefore, to improve the degree of c-axis of the superconductor as a whole bearing is oriented in the radial direction is made to increase the number of element members, the flow of the superconducting current in contrast to the saw this The number of boundaries between missing element members will also increase. Therefore, in the radial bearing type arrangement, the conventional method has the contradictory properties of improving the crystal orientation of the entire bearing and reducing the number of boundary surfaces where the superconducting current does not flow. There was a problem that it was difficult to improve the levitation force.
[0006]
Further, even in the axial bearing type arrangement, when the bearing size is increased, it is difficult to produce a single crystal superconductor as a single body, and thus a plurality of superconductors are combined. In this case as well, there is a problem that it is difficult to improve the levitation force because the superconducting current does not flow between the individual superconductors.
[0007]
An object of the present invention is to provide a superconducting bearing that solves the above problems and obtains a high levitation force in a radial bearing type arrangement in which a superconductor and a magnet face each other in the radial direction .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The superconducting bearing of this reference example is a radial superconducting bearing in which a superconductor and a magnet face each other in the radial direction. The superconductor constituting the superconducting bearing has a plurality of single crystal regions inside. The superconducting bearing is characterized in that the c-axis of each single crystal region in the superconductor faces the radial direction of the bearing, and the angle formed by the c-axis direction of adjacent single crystal regions is 90 ° or less. is there.
[0010]
A first superconducting bearing according to the present invention is a radial type superconducting bearing in which a superconductor and a magnet are opposed in a radial direction. The superconductor constituting the superconducting bearing is composed of a plurality of element members, and each element member Has a laminated structure in the radial direction, and the position of the boundary surface between the element members is shifted for each adjacent layer, and the c-axis of the single crystal region is oriented in the radial direction. It is.
Second superconducting bearing according to the invention are the first superconducting bearing according to the invention, wherein the thickness of the layer closest to the magnet of the superconductor having a layered structure is 5mm or less.
[0012]
According to the configuration of the superconducting bearing of this reference example , since the superconducting current flows also at the boundary between the plurality of single crystal regions in which the superconductor is present, the physical coupling is not performed at all. Compared to the case, the levitation force is improved.
[0013]
The reason why the angle formed by the c-axis direction of adjacent single crystal regions in the superconducting bearing of this reference example is limited to 90 ° or less will be described. In order to improve the orientation in the radial direction of the entire bearing, the smaller the angle formed between the c-axis directions of adjacent single crystal regions, the better. However, the smaller the angle, the greater the number of single crystal regions in one sample, so that the manufacturing process may be complicated. Therefore, the number of single crystal regions in one sample was reduced, and the extent to which the levitation force was improved was examined. As shown in the reference example, when there are four single-crystal regions in one ring-shaped superconductor, the levitation force was greatly improved, but three single-crystal regions in one ring-shaped superconductor. When there was an area, the levitation force improved, but the effect was small. In the former case, the angle formed in the c-axis direction between adjacent single crystal regions is 90 °, whereas in the latter case, the angle formed in the c-axis direction between adjacent single crystal regions is 120 °. Therefore, the angle formed by the c-axis direction of adjacent single crystal regions is limited to 90 ° or less.
[0014]
According to the configuration of the first superconducting bearing according to the present invention, the superconductor of the adjacent layer exists at the position of the boundary surface where the superconductors are merely physically coupled. It works to reduce the effect of weakening the general connection. For this reason, the levitation force is improved as compared with the conventional example in which the superconductor does not have a laminated structure.
[0015]
The reason for limiting the thickness of the layer closest to the magnet of the superconductor having a laminated structure to 5 mm or less in the second superconducting bearing according to the present invention will be described. The present inventors investigated the relationship between the thickness of the superconductor and the levitation force.When the thickness of the superconductor is 5 mm or less, the levitation force increases as the sample thickness increases, but the sample thickness exceeds 5 mm. I found that the levitation force was almost constant as the value increased. That is, if the thickness of the layer closest to the magnet is larger than 5 mm, the effect of making the superconductor a laminated structure becomes very small. Therefore, the thickness of the layer closest to the superconductor magnet having a laminated structure is limited to 5 mm or less.
[0020]
The superconductor used in the present invention is not particularly limited as long as it can exhibit a pinning effect, but a superconductor having a strong pinning force is preferable. The superconductor used in this example is called a QMG material. The RE ₂ BaCuO ₅ phase is finely dispersed in a single-crystal REBa ₂ Cu ₃ O _x phase (RE is Y or a rare earth element and a combination thereof). It is a material with strong pinning power at liquid nitrogen temperature (patent registration number 1869884). The magnet used in the present invention is preferably a permanent magnet because the bearing structure becomes simple, but may be an electromagnet or a superconducting magnet. Since the levitation force increases as the magnetic flux density on the surface facing the superconductor increases, when using a permanent magnet, a material having a high surface magnetic flux density such as a rare earth permanent magnet, such as the Nd-Fe-B A permanent magnet such as Pr-Fe-B or Sm-Co is desirable.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Figure 1 is a schematic diagram showing a Ichikatachi state of superconducting bearing (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view. In FIG. 1, in the radial bearing type arrangement in which the superconductor and the permanent magnet face each other in the radial direction, the c-axis direction of the superconductor faces the axial direction of the bearing, not the radial direction of the bearing. Although a cooling system for cooling the superconductor is not shown in FIG. 1, the superconductor is housed in a cooling container and cooled by a refrigerant such as liquid nitrogen or cooled by a refrigerator.
[0022]
As shown in Fig. 2 (a), the superconductor of the above-mentioned reference example is a Y-based oxide superconductor, with an outer diameter of 46mm, an inner diameter of 15mm, and a height of 20mm, with the c-axis facing the axial direction of the ring. As shown in Fig. 2 (b), a ring-shaped sample of the material was prepared, and as shown in Fig. 2 (b), four fan-shaped samples with a central portion facing the radial direction were used. What was combined in the ring shape of the same size as this reference example was produced, and levitation force was measured and compared with each. The levitation force is measured by cooling the superconductor fixed to the storage jig with liquid nitrogen in a ring-shaped magnet. After the superconductor has cooled sufficiently, the distance between the superconductor and the permanent magnet is measured. I went away.
[0023]
FIG. 3 shows an example of measurement of the levitation force characteristic curve. As the distance between the superconductor and the permanent magnet increased, the levitation force increased rapidly at first and then gradually decreased after taking the maximum value. Here, the maximum value of the levitation force is simply called the levitation force. Conventional levitation force of FIG. 2 (b) while was 122N, levitation force of the superconductor of the present embodiment shown in FIG. 2 (a) was 148N.
[0024]
As the superconductor of this reference example in FIG. 2A is an integral superconductor, it is desirable that the superconductor used in the present invention is an integral sample without any break in the circumferential direction and the axial direction. However, as the size of the superconducting bearing increases, it becomes difficult to produce a single-crystal sample as a single piece. Even in that case, several superconductors are combined, but the same effect can be obtained by orienting the c-axis of each superconductor in the axial direction of the bearing. As a method of combination, depending on the size of the superconductor required for the bearing, as shown in FIG. 4 (a), samples having no discontinuities in the circumferential direction may be stacked in the axial direction, or as shown in FIG. 4 (b). Thus, samples that are not cut in the axial direction may be combined in the circumferential direction, or several samples may be combined in both the axial direction and the circumferential direction as shown in FIG.
[0025]
Figure 5 is a schematic diagram showing the form of a single reference example of superconducting bearings. In FIG. 5, the permanent magnet is not shown, but it is assumed to be in the radial direction as in FIG. In FIG. 5, the superconductors constituting the superconducting bearing are integrated, and there are four single-crystal regions in the sample, and the c-axis of each single-crystal region faces the radial direction. ing.
[0026]
In order to investigate the above effect, the superconductor of this reference example is a Y-based oxide superconductor having an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 15 mm, and a height of 20 mm with the c-axis facing the radial direction as shown in FIG. An integral ring-shaped sample was prepared. In order to form four single crystal regions in a monolithic sample, as shown in FIG. 6, when the sample was produced, crystal growth was performed using four seed crystals. In addition, by making the c-axis direction of each seed crystal the radial direction, the c-axis of each single crystal region could also be oriented in the radial direction. The levitation force of this sample was measured and found to be 165N. Since the floating force of the superconductor in the conventional example shown in the right side of FIG. 2 was 122N, the present embodiment, floating force was confirmed to be improved as compared with the conventional example.
[0027]
6 was the case including four single crystalline regions in one sample, as shown in FIG. 7, the effect also when containing six single crystalline regions in one sample I examined it. As a superconductor of this reference example, a ring-shaped sample of an Y-type oxide superconductor having an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 15 mm, and a height of 20 mm with the c-axis facing the radial direction is shown in FIG. These were prepared using six seed crystals with the c-axis directed in the radial direction. Also, for comparison, a ring shape having the same size as that of this reference example was used by using six Y-shaped oxide superconductors with a c-axis facing the radial direction at the center as shown in FIG. A combination fixed to a storage jig was prepared. The levitation force of the sample of this reference example was 172N, and the levitation force of the comparative example was 138N. By this reference example, levitation force it was confirmed that improvement.
[0028]
As shown in FIG. 9, the case where three single crystal regions were included in one sample was examined as a reference example . As a superconductor of this reference example, a ring-shaped sample of a Y-type oxide superconductor having an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 15 mm, and a height of 20 mm with the c-axis facing the radial direction is shown in FIG. , Using three seed crystals with the c-axis directed in the radial direction. For comparison, a ring shape having the same size as that of this reference example was used by using three Y-shaped oxide superconductors as shown in FIG. A combination fixed to a storage jig was prepared. The levitation force of the sample of this reference example was 126N, and the levitation force of the comparative example was 119N .
[0029]
In the case where four single crystal regions are included in one sample as shown in FIG. 6, the angle formed between the adjacent single crystal regions in the c-axis direction is 90 °. In the example of FIG. 6, the levitation force is improved from 122N to 165N and 43N. In addition, in the case where six single crystal regions are included in one sample as shown in FIG. 7, the angle formed between the adjacent single crystal regions in the c-axis direction is 60 °. In the example of FIG. 7, the levitation force is improved from 138N to 172N and 34N. On the other hand, when three single crystal regions are included in one sample as shown in FIG. 9, the angle formed by the adjacent single crystal regions in the c-axis direction is 120 °. In the example of FIG. 9, the levitation force is improved from 119N to 126N by 7N, but the effect of improving the levitation force is small compared to the cases of FIGS. Therefore, in order to increase the effect of improving the levitation force, it is desirable that the angle formed by the c-axis direction between adjacent single crystal regions be 90 ° or less.
[0030]
In the present embodiment described so far, for producing a single superconductor plurality of single crystalline region, were subjected to fabrication processes using a plurality of seed crystals at the time of sample preparation, this reference example this manufacturing It is not limited to processes. An example of another manufacturing process is shown in FIG. FIG. 11 shows a manufacturing process in which a fan-shaped superconductor is prepared in advance and a post-treatment for superconducting them is performed to form one sample.
[0031]
In the method of FIG. 11, as a post-processing step for superconducting bonding, the main body is made of a Y-based oxide superconductor having a crystal growth temperature of 1000 ° C., and a Yb-based oxide superconductor having a crystal growth temperature of 900 ° C. therebetween. In the state of inserting, the heating was performed to 900 ° C. or higher, and the temperature was gradually cooled to about 900 ° C. That is, the process was performed using a superconductor having a low crystal growth temperature as solder and bonding the superconductor having a high crystal growth temperature. In this manufacturing process, a ring-shaped sample having an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 15 mm, and a height of 20 mm was manufactured, and the flying force was measured to be 145N. Since the floating force of the superconductor in the conventional example shown in the right side of FIG. 2 was 122N, the present embodiment, floating force was confirmed to be improved as compared with the conventional example.
[0032]
In this reference example described so far, the superconductor constituting the bearing is an integral superconductor. However, as the size of the superconducting bearing increases, it becomes difficult to produce an integral sample. In that case, several superconductors are combined. As shown in FIG. 12, a plurality of single crystal regions are provided inside each superconductor, and the c-axis of each single crystal region is A similar effect can be obtained by directing in the radial direction of the bearing.
[0033]
Figure 13 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a superconducting bearing based on claim 1 of the present invention. In FIG. 13, the permanent magnet is not shown, but it is assumed to be in the radial direction as in FIG. In FIG. 13, the superconductor constituting the superconducting bearing has a brick structure in the radial direction in a brick shape. FIG. 14 is a schematic view showing an embodiment of a superconducting bearing based on claim 2 of the present invention. In FIG. 14, the permanent magnet is not shown, but the permanent magnet is assumed to be in the radial direction, and the thickness of the layer closest to the permanent magnet is thin.
[0034]
In order to investigate the effect of the thickness of the layer closest to the permanent magnet, the levitation force of a Y-based oxide superconductor with an outer diameter of 46 mm and a height of 20 m and with the ring radial thickness changed. As a result, the results as shown in FIG. 15 were obtained. From FIG. 15, it can be seen that the levitation force becomes substantially constant when the thickness in the radial direction is greater than 5 mm. Therefore, when the superconductor has a laminated structure, the effect of improving the levitation force is small even if the thickness of the layer closest to the permanent magnet is larger than 5 mm.
[0035]
In order to investigate the effect of the present invention, the superconductor of this example is a Y-based oxide superconductor, and the c-axis as shown in FIG. 14 has an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 15 mm, and a height of 20 mm. A ring-shaped sample was prepared in a laminated structure. The laminated structure in the radial direction was two layers, the thickness of the layer closest to the permanent magnet was 3 mm, the thickness of the second layer was 12.5 mm, and the number of circumferential divisions was four. The levitation force of the sample of this example was measured and found to be 146N. Since the levitation force of the superconductor of the conventional example shown on the right side of FIG. 2 was 122 N, it was confirmed that the levitation force was improved by the present invention compared to the conventional example. In this example, the c-axis of the superconductor was directed in the radial direction, but the c-axis of the superconductor was oriented in the axial direction as in the superconducting bearing according to claim 1 of the present invention. In addition, a similar effect can be obtained by using a laminated structure.
[0041]
【The invention's effect】
According to the superconducting bearing of the present invention, the superconductor and the permanent magnet is so cut with providing high levitation force radial bearing type disposed opposite the radial direction, of superconducting bearings for use in flywheel and high-speed rotating equipment power storage Feasibility can be increased.
[Brief description of the drawings]
1A is a perspective view and FIG. 1B is a cross-sectional view of a superconducting bearing.
FIG. 2 is a diagram showing (a) one reference example and (b) comparative example of a superconductor of a superconducting bearing.
FIG. 3 is a graph showing an example of measurement data of levitation force in a radial bearing type arrangement.
FIGS. 4A, 4B, and 4C are diagrams showing another reference example of the superconductor of the superconducting bearing, respectively.
5 is a diagram showing an Example of a superconductor superconducting bearing.
6 is a diagram showing an Example of production process of the superconductor superconducting bearing.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a superconductor including six single crystal regions in one sample.
8 is a diagram showing a comparative example with respect to FIG.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a superconductor including three single crystal regions in one sample.
10 is a diagram showing a comparative example with respect to FIG. 9. FIG.
11 is a diagram showing another reference example of production process of the superconductor superconducting bearing.
12 is a diagram showing another reference example of the superconductor of the superconducting bearing.
13 is a diagram showing an embodiment of a superconductor of the superconducting bearing based on claim 1 of the present invention.
FIG. 14 is a view showing an example of a superconductor of a superconducting bearing according to claim 2 of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a graph of the relationship between the levitation force and the radial thickness of the superconductor.
16A is a perspective view and FIG. 16B is a sectional view of a conventional axial superconducting bearing.
17A is a perspective view and FIG. 17B is a sectional view of a conventional radial superconducting bearing.
FIG. 18 is a diagram showing a conventional example of a manufacturing process of a radial bearing superconductor.

Claims

In a radial superconducting bearing in which a superconductor and a magnet face each other in the radial direction, the superconductor constituting the superconducting bearing is composed of a plurality of element members, and each element member forms a laminated structure in the radial direction. And the position of the interface between element members shifts for every adjacent layer, and the c-axis of the single crystal region is oriented in the radial direction.

The superconducting bearing according to claim 1 , wherein the thickness of the layer closest to the permanent magnet of the superconductor having a laminated structure is 5 mm or less.