JP5425723B2

JP5425723B2 - 超電導磁気軸受装置

Info

Publication number: JP5425723B2
Application number: JP2010146070A
Authority: JP
Inventors: 寛清野
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: JP2012007708A

Description

本発明は、超電導磁気軸受装置に関するものである。

本願発明者らは、フライホイールの高効率化を向上させる目的で、超電導磁気軸受を適用した電力貯蔵用フライホイール蓄電装置を提案している（下記特許文献１参照）。
超電導バルク体と超電導磁石（コイル）で構成された超電導磁気軸受には、高荷重容量のメリットがある。超電導コイルを使うメリットの一つに、空芯コイルで均一かつ大きな磁界を発生できるという点がある。この大空間にバルク体を挿入して、高磁界を印加することで、コイルとバルク体との間に働く電磁力を大きくすることができる。

図６はかかる従来のロータが超電導バルク体である超電導磁気軸受装置の模式図、図７はそのロータが超電導バルク体である超電導磁気軸受装置の超電導バルク体（ロータ）と超電導コイル（ステータ）の構成図であり、図７（ａ）は超電導バルク体（ロータ）と超電導コイル（ステータ）の上面模式図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図において、１０１は冷凍機、１０２は冷却容器（クライオスタット）、１０３は超電導コイル（ステータ）、１０４は超電導バルク体（ロータ）、１０５は超電導バルク体の断熱保冷容器、１０６は冷却容器１０２のコイル中央部分に設けられた室温空間であり、超電導バルク体（ロータ）１０４の外径ｄ₁₁は１４０ｍｍ、超電導コイル（ステータ）１０３の外径ｄ₁₂は４５０ｍｍ、内径ｄ₁₃は２５０ｍｍ、厚みｄ₁₄は１７０ｍｍ、超電導コイル（ステータ）の厚みｄ₁₄の中心線から超電導バルク体（ロータ）１０４の厚みの中心線までの距離ｄ₁₅は１００ｍｍである。なお、超電導バルク体１０４の直径が１４０ｍｍの場合、約３ｔの浮上力を得ることができる。

特開２００８−２２８５３５号公報

森田充，手嶋英一，平野芳生，「酸化物超電導材料の進展−超電導バルク材料（ＱＭＧ）とそのマグネット応用−」，新日鉄技報第３８３号（２００５），ｐｐ．１６−２０新日鉄製鐵株式会社：高温超電導バルク材−ＱＭＧ−（商標）−，パンプレット，２０１０年度低温工学・超電導学会講演概要集清野寛，長嶋賢，「２０ｋＮ対応超電導磁気軸受の開発」，２００９年度春季低温工学・超電導学会講演概要集，ｐｐ．４７清野寛，長嶋賢，田中芳親，中内正彦，「フライホイール用高温超電導バルク体磁気軸受の基礎検討」，ＲＴＲＩＲＥＰＯＲＴＶｏｌ．２２，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ．２００８，ｐｐ．３５−４０清野寛，長谷川均，池田雅史，長嶋賢，村上雅人，「超電導磁気軸受と永久磁石磁気クラッチの電磁力解析と評価」，ＲＴＲＩＲＥＰＯＲＴＶｏｌ．２４，Ｎｏ．１，Ｊａｎ．２０１０，ｐｐ．２９−３４

しかしながら、サイズが大きく均質な超電導バルク体を製作するのは容易ではない。８５ｍｍの大型バルク体の製作が報告されており（上記非特許文献１参照）、２０１０年度より１５０ｍｍ規模の製作が行われるという情報（上記非特許文献２参照）もあるが、これらのサイズはそれぞれ焼結時最大サイズであり、実際の加工品サイズでは８０ｍｍ、１４０ｍｍ程度になる。

バルク体のサイズの限界により、大口径の空芯コイルである超電導コイルを使うことに対して制約が生じている。
また、高温超電導材料は冷却温度を下げることで臨界電流密度が向上するというメリットがあるが、現在のバルク体サイズで安定した超電導特性を得ようとすると、液体窒素より低い冷却温度が必要となる。

図８，図９にロータに超電導バルク体を配置し、ステータに超電導コイルを配置した超電導磁気軸受の静荷重試験結果を示す。直径８０ｍｍ，厚さ２０ｍｍの超電導バルク体４個と、２個のコイルで組み立てられるカスプ磁場を発生する超電導磁石を組み合わせた軸受である。これは、、非特許文献３で報告されている軸受の試験結果である。超電導バルク体の配置位置、配置位置における空間磁気密度はこの報告の通りである。

図８は液体窒素冷却（７７Ｋ）および減圧により温度降下させた液体窒素冷却（６５Ｋ）の静荷重試験結果と電磁力解析結果を比較したもので、図９は７７Ｋ冷却および６５Ｋ冷却時の励消磁における発生電磁力ヒステリシス測定値である。７７Ｋ冷却では超電導コイル出力６４％で、６５Ｋ冷却では同出力５７％で１９．６ｋＮの浮上力が発生している。６５Ｋ冷却はバルク体完全反磁性での電磁力計算とほぼ一致しているが、７７Ｋ冷却ではコイル出力４０％程度から徐々に計算値より下方に推移している。これは磁束侵入によるものと考えられる。図９の励消磁ヒステリシスをみると、７７Ｋ冷却では励消磁の同一コイル出力に対する荷重差が大きいのに対し、６５Ｋ冷却ではほとんどない。この試験では１時間ほど２０ｋＮを保持しているが、７７Ｋの場合はこの間の荷重の低下が２ｋＮほどある。この励消磁曲線で囲われた面積が磁束侵入の度合いを表す指標となる。従って、６５Ｋ冷却では若干の磁束侵入はあるものの発生電力（浮上力）としてはほぼ完全反磁性の状態が保持できている。よって、現在のバルク体サイズでは液体窒素より低い冷却温度、例えば６５Ｋが必要となる。冷却温度を下げるフライホイール装置も提案されているが、冷却温度を下げることは、冷却に要するエネルギーが大きくなることを意味しており、装置としては課題が残されている。

本発明は、上記状況に鑑みて、超電導磁気軸受装置のロータの大型化を図り、単位面積あたりの負担荷重を減らすことで、冷却温度の向上を図り得る超電導磁気軸受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〕ステータとしての超電導磁石に対応したロータを、超電導線を巻回した大口径の閉ループの超電導コイルで構成する超電導磁気軸受装置であって、前記超電導コイルは閉ループをなす複数個のコイルを軸（ｚ）方向と径（ｒ）方向に組み合わせてなり、前記大口径の閉ループの超電導コイルの外径が２００ｍｍ〜３００ｍｍ、内径が１００ｍｍ〜１５０ｍｍであることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）超電導バルク体と超電導磁石（コイル）で構成された超電導磁気軸受装置のバルク体側を大口径の閉ループコイルで構成することで、ロータ側超電導体の大型化を図ることができる。
（２）ロータ側超電導体を複数個の閉ループコイルの組み合わせで製作することで、外乱に対する安定性を確保することができる。

（３）ロータの大型化を図ることで、液体窒素レベルの冷却温度でも十分な電磁力を発生させることが可能であり、冷却のためのエネルギー損失を低減することができる。

本発明の超電導閉ループコイルロータを有する超電導磁気軸受装置の全体模式図である。本発明の実施例を示す超電導磁気軸受装置の超電導閉ループコイルロータと超電導コイル（ステータ）の構成図である。本発明に係る超電導磁気軸受での支持荷重を５ｋＮ，１０ｋＮ，１５ｋＮと設定し、１０００ｒｐｍで４０分連続運転した時の支持荷重の低下量をプロットした結果を示す図である。本発明の第２実施例を示すロータとしての大口径の閉ループの超電導コイルを示す断面図である。本発明の実施例を示すロータとしての大口径の閉ループの超電導磁気軸受の具体例を示す図である。従来のロータが超電導バルク体である超電導磁気軸受装置の模式図である。従来のロータが超電導バルク体である超電導磁気軸受装置の超電導バルク体（ロータ）と超電導コイル（ステータ）の構成図である。液体窒素冷却（７７Ｋ）および減圧により温度降下させた液体窒素冷却（６５Ｋ）の静荷重試験結果と電磁力解析結果を比較した図である。７７Ｋ冷却および６５Ｋ冷却時の励消磁における発生電磁力ヒステリシス測定値を示す図である。

本発明の超電導磁気軸受装置は、ステータとしての超電導磁石に対応したロータを、超電導線を巻回した大口径の閉ループの超電導コイルで構成する超電導磁気軸受装置であって、前記超電導コイルは閉ループをなす複数個のコイルを軸（ｚ）方向と径（ｒ）方向に組み合わせてなり、前記大口径の閉ループの超電導コイルの外径が２００ｍｍ〜３００ｍｍ、内径が１００ｍｍ〜１５０ｍｍである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の超電導閉ループコイルロータを有する超電導磁気軸受装置の全体模式図、図２は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受装置の大口径の閉ループの超電導コイル（ロータ）と超電導コイル（ステータ）の構成図であり、図２（ａ）は大口径の閉ループの超電導コイル（ロータ）と超電導コイル（ステータ）の上面模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図において、１は冷凍機、２は冷却容器（クライオスタット）、３は超電導コイル（ステータ）、４はロータとしての超電導線を巻回した大口径の閉ループの超電導コイル、５は回転デュワー（断熱保冷容器）、６は冷却容器２のコイル中央部分に設けられた室温空間である。例えば、この大口径の閉ループの超電導コイル４は、外径ｄ₁が２５０ｍｍ、内径ｄ₂が１３２ｍｍである。なお、超電導コイル（ステータ）の外径ｄ₃は５６０ｍｍ、内径ｄ₄は３６０ｍｍ、厚みｄ₅は１７０ｍｍ、超電導コイル（ステータ）の厚みｄ₅の中心線から大口径の閉ループの超電導コイル４の厚みの中心線までの距離ｄ₆は１２０ｍｍである。超電導線の線材としては、ビスマス系またはイットリウム系線材を用いることができる。

なお、本発明における前記大口径の閉ループの超電導コイルの外径は２００ｍｍ〜３００ｍｍ、内径は１００ｍｍ〜１５０ｍｍとすることができる。
本発明によれば、従来例として示した図６との対比からも明らかなように、超電導磁気軸受装置のロータの大型化が可能である。
このロータのサイズは、従来技術である超電導バルク体ロータを基準に選定した。従来技術では直径１４０ｍｍ、厚さ４０ｍｍである。これに対して、本発明では外径を２５０ｍｍ、内径を１３２ｍｍとし、厚さを３５ｍｍとした。この形状とすることで、バルク体のおよそ２倍の体積となる。図２（ａ），（ｂ）に示す本発明の形状、配置で電磁力計算をした結果、発生浮上力（電磁力）は５５００Ｎとなる。これに対して図７（ａ），（ｂ）に示す従来の超電導バルク体を適用したものの計算結果は、３３００Ｎの発生浮上力となり、本発明おいては、従来技術の約１．７の浮上力が発生することになる。電磁力の計算は、ＥＬＦ／ＭＡＧＩＣを用いて行った。手法の一例は、上記した非特許文献５と同様であり、この計算手法においては、実験結果と比較した際に、両者が良く一致していることが確認できている。よって、磁界中に配置された超電導体の反磁性効果による発生電磁力がほぼ正確に把握できる。本発明の閉ループコイルについて、超電導巻線の反磁性効果を適用していることから、形状を定義した超電導体の完全反磁性モデルで十分評価できる。

閉ループコイルで形状を大型化することは、浮上力の単純な増加につながることはもちろん、この浮上力増加分は支持能力の安定化にも役に立つ。
図３に本発明に係る超電導磁気軸受での支持荷重を５ｋＮ，１０ｋＮ，１５ｋＮと設定し、１０００ｒｐｍで４０分連続運転した時の支持荷重の低下量をプロットした結果を示す。予荷重の有無、外部磁界の強さをパラメータとして実施した。予荷重は１０％荷重を付加して１０分間保持した後、徐荷した。外部磁界については、浮上力を発生する前にバルク体を磁場中で冷却し、冷却後に追加で外部磁場を印加させることで、条件設定した。試験結果より、磁界が強くなるほど、また負担荷重が大きくなるほど回転時の荷重降下量が大きくなることが確認できた。このことから、同じサイズのバルク体であっても、負担荷重を減ずることで、回転体支持時の安定性が向上することがわかる。つまり、同じ負担荷重であれば、バルク体を大きくして、単位体積もしくは面積あたりの負担荷重を減じることで電磁支持力の安定性が向上する。従って、冷却温度を下げなくとも安定化させることができる。

ロータの大型化を図ることで、液体窒素レベルの冷却温度でも十分な電磁力を発生させることが可能であり、冷却のためのエネルギー損失を低減させることができる。
図４は本発明の実施例を示すロータとしての大口径の閉ループの超電導コイルを示す断面図、図５はその大口径の閉ループの超電導磁気軸受の具体例を示す図である。ここでは、ロータの軸方向（垂直方向）をｚ軸とし、ロータの径方向（水平方向）をｒ軸としている。

より具体的には、閉ループコイルはビスマスまたはイットリウム系線材を用いるが、実施例では、ビスマス線材を適用した。線材はテープ形状で、幅５ｍｍ、真空樹脂含浸処理も考慮して一巻きの厚さは０．４１ｍｍである。コイルはこのテープ線材をパンケーキ巻で製作し、巻きはじめと巻終わりを接続して閉ループコイルを成す。
ロータとしての超電導線を巻回した大口径の閉ループの超電導コイル１０は、一般的にはその超電導コイルの外径が２００ｍｍ〜３００ｍｍ、内径が１００ｍｍ〜１５０ｍｍである。より具体的には、軸（ｚ）方向に７層パンケーキａ〜ｇを積層する。また、径（ｒ）方向は１層であり、同心円状に内周から１１〜１７の７個の閉ループコイルを配置して構成する。内周コイル（１１）のみ、巻数が２４で巻厚ｄ₇が９．８ｍｍとし、その他の６巻（１２，１３，１４，１５，１６，１７）は、巻数２０で巻厚ｄ₈が８．２ｍｍである。これら７個の閉ループコイル（１１〜１７）を１層分円周状に重ね合わせて組み立てると、内径１３２ｍｍ、外径２５０ｍｍ、厚さｄ₉が５ｍｍのパンケーキ１層（ａ）ができる。これを７層（ａ〜ｇ）積み重ねることで、積層されたパンケーキ厚さは３５ｍｍとなる。なお、各巻線の径（ｒ）方向線間、コイル単位間、パンケーキ層間は絶縁されている。

このように、閉ループを軸（ｚ）方向と径（ｒ）方向に複数組み合わせることにより、支持容量の向上が可能であり、外乱に対する安定性を確保することができる。
また、本発明によれば、シングルコイルではなく、大口径の閉ループを複数組み合わせるようにしたので、超電導コイルの一部断線があっても出力を維持することができ、信頼性の向上に寄与することができる。

なお、閉ループの作り方については、パンケーキを２枚重ねたダブルパンケーキ巻きにすると、巻き始めき巻き終わりが同一半径内に配置可能であるので、そのような方法を取ることもできる。この場合、コイル積層数は偶数になる。
また、本発明によれば、従来のバルク体の作製サイズを越える口径の超電導コイルが作製できるので、優位性がある。

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。

本発明の超電導磁気軸受装置は、超電導磁気軸受装置のロータの大型化を図り、単位面積あたりの負担荷重を減らすことで、冷却温度の向上を図り得る超電導磁気軸受装置として利用可能である。

１冷凍機
２冷却容器（クライオスタット）
３超電導コイル（ステータ）
４，１０閉ループの超電導コイル
５回転デュワー（断熱保冷容器）
６室温空間
１１〜１７閉ループコイル
ａ〜ｇパンケーキ１層

Claims

ステータとしての超電導磁石に対応したロータを、超電導線を巻回した大口径の閉ループの超電導コイルで構成する超電導磁気軸受装置であって、前記超電導コイルは閉ループをなす複数個のコイルを軸（ｚ）方向と径（ｒ）方向に組み合わせてなり、前記大口径の閉ループの超電導コイルの外径が２００ｍｍ〜３００ｍｍ、内径が１００ｍｍ〜１５０ｍｍであることを特徴とする超電導磁気軸受装置。