JP5335260B2 - 高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型で高速回転が可能な高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置に関するものである。

現在開発されている超電導フライホイールは装置全体を真空にしている。また、フライホイールはコマのような形状である。このためオイラーの運動方程式により、回転軸ぶれが起こり易い。更に、従来の装置は大型で構造が複雑であるといった問題があった。
また、鉛直状の回転体を、制御型ラジアル磁気軸受と制御型アキシャル磁気軸受で安定回転位置に支持した状態で、超電導体を冷却して超電導軸受を作動状態にし、超電導軸受とラジアル磁気軸受で回転体を安定回転位置に支持し、回転体を回転させて運転を開始するようにした超電導軸受装置が提案されている（下記特許文献１参照）。

しかしながら、従来の装置は、構造が大型でかつ複雑であり、コストが上昇するといった問題があった。
特開平１０−２３１８４０号公報

本発明は、上記状況に鑑みて、小型で高速回転が可能な高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、回転体の軸芯部に配置される１個の磁気シャフトの働きをする磁石と、この１個の磁気シャフトの働きをする磁石の回りに回転を安定化させる働きをする磁気円盤を構成するための複数のリング状磁石を組み込んだものを一組として、前記回転体の上下にそれぞれ組み込んだ浮上用磁石と、前記回転体の側面の中央部、前記回転体の側面の上下部、あるいは側面全面に回転推進用の凹凸を具備するとともに前記回転体の上下に配置される円柱状の磁石は、第１の構成部材（１２）をスペーサとして、前記回転体の軸芯部の上端部及び下端部に固定され、側面を第２の構成部材（１５）により固定されることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記複数個のリング状磁石は、第３の構成部材（１６）と第４の構成部材（１７ａ，１７ｂ）により上下面が固定され、前記第２の構成部材（１５）と第５の構成部材（１８ａ，１８ｂ）により側面が固定されることを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記発電用磁石は、前記第３の構成部材（１６）により内周面が固定され、前記第４の構成部材（１７ａ，１７ｂ）と第５の構成部材（１８ａ，１８ｂ）により上下面が固定されることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記発電用磁石は、薄板状磁石あるいはセグメント型磁石と高分子、ＦＲＰあるいは非磁性金属の保持体からなることを特徴とする。

本発明によれば、小型で高速回転が可能な高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置を得ることができる。

本発明の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置は、回転体の軸芯部に配置される１個の磁気シャフトの働きをする磁石と、この１個の磁気シャフトの働きをする磁石の回りに回転を安定化させる働きをする磁気円盤を構成するための複数のリング状磁石を組み込んだものを一組として、前記回転体の上下にそれぞれ組み込んだ浮上用磁石と、前記回転体の側面の中央部、前記回転体の側面の上下部、あるいは側面全面に回転推進用の凹凸を具備するとともに前記回転体の上下に配置される円柱状の磁石は、第１の構成部材をスペーサとして、前記回転体の軸芯部の上端部及び下端部に固定され、側面を第２の構成部材により固定される。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の模式図、図２はその円筒型発電装置の二磁極軸回転体の正面を示す図面代用の写真、図３はその円筒型発電装置の二磁極軸回転体の底面を示す図面代用の写真、図４はその円筒型発電装置の二磁極軸回転体の断面図、図５はその円筒型発電装置の二磁極軸回転体の分解断面図である。

図１に示すように、下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２との間にスペーサ３と４を介して磁気浮上式回転電機の回転体１０が配置される。この回転体１０の外側には第１の固定台５上に第１の高温超電導体コイル６が配置され、この第１の固定台５及び第１の高温超電導体コイル６とに対向するように、第２の固定台７上に第２の高温超電導体コイル８とが配置される。なお、下部の超電導バルク体ヘッド１及び上部の超電導バルク体ヘッド２はパルス管冷凍機（図示なし）により十分に冷却される。つまり、下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２内には、図示しないが、真空層を介在させた超電導バルク体が内蔵され、下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２の右側端はパルス管冷凍機の冷却部と連結され、下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２とは十分に冷却されるように構成されている。

回転体１０は、図５に示すように、浮上用磁石１１と発電用磁石２１とから構成される。
浮上用磁石１１はシリンドリカル磁石（球状磁石、あるいはリング状磁石でもよい）と複数個のリング状磁石からなる。下方がＳ極のシリンドリカル磁石（円柱状のＮｄ磁石：直径２０ｍｍ，高さ１０ｍｍ、０．４５Ｔ）１３（球状磁石、あるいはリング状磁石でもよい）は、中央のアクリル製の第１のパイプ（例えば，内径１０ｍｍ、外径２０ｍｍ）１２の下部に配置され、その第１のパイプ１２の上部には上方がＮ極のシリンドリカル磁石１４（球状磁石、あるいはリング状磁石でもよい）が配置される。それらの外周にアクリル製の第２のパイプ１５（例えば，内径２０ｍｍ、外径３０ｍｍ）を配置する。さらに、その第２のパイプ１５の中央部の外周にアクリル製の第３のパイプ１６（例えば、内径３０ｍｍ、外径４０ｍｍ）が設けられ、その第３のパイプ１６の上下に一対のアクリル製第４のパイプ１７ａ，１７ｂ（例えば，内径４０ｍｍ、外径６０ｍｍ）を配置する。それらの第４のパイプ１７ａ，１７ｂの外周に一対のアクリル製の第５のパイプ１８ａ，１８ｂ（例えば、内径６０ｍｍ、外径７０ｍｍ）が配置される。すると、回転体１０の上下に第１のリング状の空間１９ａ，１９ｂとが設けられる。この第１のリング状の空間１９ａ，１９ｂに、下部にＮ極を有するリング磁石（リング状Ｎｄ磁石：外径５０ｍｍ、内径３０ｍｍ、高さ５ｍｍ、０．３３Ｔ）２０と上部にＳ極を有するリング磁石２１とによって挟まれたアクリル製のディスク２２及び下部にＮ極を有するリング磁石２３と上部にＳ極を有するリング磁石２４とによって挟まれたアクリル製のディスク２５が嵌着される。

以上のように、浮上用磁石を構成すると、回転体１０の中央部に第２のリング状の空間３２が形成されるので、この第２のリング状の空間３２に発電用磁石３１が配置される。発電用磁石３１は薄板状の磁石〔薄い板状Ｎｄ磁石：２０×１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、０．２３Ｔ）を４極構成〕３３をリング状の高分子、ＦＲＰあるいは非磁性金属の保持体に組み込んで構成される。

上記したように、種々の径のアクリルパイプを組み合わせて構成された回転体１０は、外径７０ｍｍ、高さ７０ｍｍになる。浮上用磁石１１は、下方がＳ極のシリンドリカル磁石１３の回りに下部にＮ極を有するリング磁石２３及び上部にＮ極を有するリング磁石２４を、上方がＮ極のシリンドリカル磁石１４の回りに下部にＮ極を有するリング磁石２０及び上部にＮ極を有するリング磁石２１を配置する。つまり、中央のシリンドリカル磁石（球状磁石、あるいはリング状磁石でもよい）１個の回りにリング磁石２個を組み込んだものを一組として、回転体の上下にそれぞれ配置した。また、回転体横断面中央の位置に配置した発電用磁石３１は、リング状の高分子、ＦＲＰあるいは非磁性金属の保持体の外径から１０ｍｍの位置に薄板状の磁石３３を４極構成とするように組み込んでいる。なお、薄板状の磁石３３に代えてセグメント型磁石を用いてもよい。

図６は本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体の永久磁石磁場を示す図である。
この図から明らかなように、回転体１０の永久磁石の磁束密度は、メキシカン−ハット（Ｍｅｘｉｃａｎ−Ｈａｔ）型にすることができた。
この回転体１０の下部には上記した下部の超電導バルク体ヘッド１が配置されており、回転体１０はメキシカン−ハット型の磁束密度と相まって良好に磁気浮上させることができるとともに、回転体１０の上部にも上部の超電導バルク体ヘッド２を設置する構造としたので、回転体１０は安定した高速回転が得られる。

以下、上記した磁気浮上式回転電機の実験とその結果について説明する。
図７は本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の全体模式図、図８は０．４９ＭＰａの窒素ガスを吹き付けた時の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の出力正弦波を示す図、図９は窒素ガスの圧力に対する回転数の特性図である。

上記したように構成した回転体１０を２．５ｍｍのスペーサ３，４を介して、下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２との間に置いた後、磁場中冷却を行った。設定温度は６０Ｋで、設定温度到達まで１０時間であった。磁場中冷却後、スペーサ３，４を外し、回転体１０が下部の超電導バルク体ヘッド１と上部の超電導バルク体ヘッド２との間に固定されたことを確認した。

その後、回転体１０の横に第１の固定台５上に配置された第１の高温超電導体コイル６及び第２の固定台７上に配置された第２の高温超電導体コイル８を設置し、オシロスコープ９に接続した。これらの高温超電導体コイル６，８の横にガスノズル４２，４３を設置し、窒素ガスボンベ４１にシリコンチューブを介して繋いだ。ガスノズル４２，４３は回転体１０の外径にガスが吹き付けられるように位置を調整した。

このようにしてスペースを介して下部の超電導バルクヘッド１と上部の超電導バルクヘッド２との間に回転体１０が非接触状態で磁気浮上された状態で、窒素ガスボンベ４１から窒素ガスを吹き付け回転を始めた。０．２４５ＭＰａから０．５８８ＭＰａまで、０．１ＭＰａ毎に窒素ガスの圧力を上げて測定した。その結果、図９に示すように、窒素ガス圧力が０．５ＭＰａ近傍で、最高約２０００ｒｐｍを記録することができた。数度の回転実験を行ったが、回転体１０は下部の超電導バルクヘッド１と上部の超電導バルクヘッド２との間で安定浮上を維持した。

また、高温超電導体コイル６と７から、図８に示すような正弦波を得ることができた。図８において、◆は第１の高温超電導体コイル６の出力電圧、■は第２の高温超電導体コイル８の出力電圧を示している。
本発明は、回転体の上下に所謂磁気ベアリングを設置するいわゆる磁気シャフト構造としたので、上記したように安定した回転を得ることができた。

図１０は本発明の他の実施例を示す板状磁石を用いた８極発電装置の模式図である。
この図において、５１は回転体であり、軸貫通穴５２と、保持体５３に保持された板状磁石５４と、回転推進用凹凸５５を有する磁石保持円筒５６とからなる。
図１１は本発明の更なる他の実施例を示すセグメント型磁石を用いた４極発電装置の模式図である。

この図において、６１は回転体であり、軸貫通穴６２と、非磁性磁石保持円筒６３と、非磁性磁石保持ボルト６４と、回転推進用凹凸６５を有するセグメント型磁石６６とからなる。
このように、回転体は種々の形状の磁石と、種々の形状の保持体とで構成することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置は、コンパクトで高速回転が可能な円筒型発電装置として利用可能である。

本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の模式図である。 本発明の実施例を示す円筒型発電装置の二磁極軸回転体の正面を示す図面代用の写真である。 本発明の実施例を示す円筒型発電装置の二磁極軸回転体の底面を示す図面代用の写真である。 本発明の実施例を示す円筒型発電装置の二磁極軸回転体の断面図である。 本発明の実施例を示す円筒型発電装置の二磁極軸回転体の分解断面図である。 本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体の永久磁石磁場を示す図である。 本発明の実施例を示す高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の全体模式図である。 ０．４９ＭＰａの窒素ガスを吹き付けた時の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置の出力正弦波を示す図である。 窒素ガスの圧力に対する回転数の特性図である。 本発明の他の実施例を示す板状磁石を用いた８極発電装置の模式図である。 本発明の更なる他の実施例を示すセグメント型磁石を用いた４極発電装置の模式図である。

１ 下部の超電導バルク体ヘッド
２ 上部の超電導バルク体ヘッド
３，４ スペーサ
５ 第１の固定台
６ 第１の高温超電導体コイル
７ 第２の固定台
８ 第２の高温超電導体コイル
１０，５１，６１ 回転体
１１ 浮上用磁石
１２ アクリル製の第１のパイプ
１３ 下方がＳ極の円柱状の磁石（下部）
１４ 上方がＮ極の円柱状の磁石（上部）
１５ アクリル製の第２のパイプ
１６ アクリル製の第３のパイプ
１７ａ，１７ｂ アクリル製の第４のパイプ
１８ａ，１８ｂ アクリル製の第５のパイプ
１９ａ，１９ｂ 第１のリング状の空間
２０，２３ 下部にＮ極を有するリング状磁石
２１，２４ 上部にＳ極を有するリング状磁石
２２，２５ アクリル製のディスク
３１ 発電用磁石
３２ 第２のリング状の空間部
３３ 薄板状の磁石
３４ リング状の保持体
４１ 窒素ガスボンベ
４２，４３ ガスノズル
５２，６２ 軸貫通穴
５３ 保持体
５４ 板状磁石
５５，６５ 回転推進用凹凸
５６ 磁石保持円筒
６３ 非磁性磁石保持円筒
６４ 非磁性磁石保持ボルト
６６ セグメント型磁石

Claims (4)

1. 回転体の軸芯部に配置される１個の磁気シャフトの働きをする磁石と、該１個の磁気シャフトの働きをする磁石の回りに回転を安定化させる働きをする磁気円盤を構成するための複数のリング状磁石を組み込んだものを一組として、前記回転体の上下にそれぞれ組み込んだ浮上用磁石と、前記回転体の側面の中央部、前記回転体の側面の上下部、あるいは側面全面に回転推進用の凹凸を具備するとともに、前記回転体の上下に配置される円柱状の磁石は、第１の構成部材をスペーサとして、前記回転体の軸芯部の上端部及び下端部に固定され、側面を第２の構成部材により固定されることを特徴とする高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置。
2. 請求項１記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記複数個のリング状磁石は、第３の構成部材と第４の構成部材により上下面が固定され、前記第２の構成部材と第５の構成部材により側面が固定されることを特徴とする高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置。
3. 請求項２記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記発電用磁石は、前記第３の構成部材により内周面が固定され、前記第４の構成部材と第５の構成部材により上下面が固定されることを特徴とする高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置。
4. 請求項３記載の高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置において、前記発電用磁石は、薄板状磁石あるいはセグメント型磁石と高分子、ＦＲＰあるいは非磁性金属の保持体からなることを特徴とする高温超電導体により浮上させた二磁極軸回転体を有する円筒型発電装置。