JP5504532B2 - High speed rotating device - Google Patents

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Description

本発明は、フライホイール電力貯蔵装置や高速タービンなどの電力機器、高速回転機械などの分野において、ロータ(回転体)を安定して支持する非接触軸受装置を備えた高速回転装置に関している。   The present invention relates to a high-speed rotating device including a non-contact bearing device that stably supports a rotor (rotating body) in the fields of power equipment such as a flywheel power storage device and a high-speed turbine, and a high-speed rotating machine.

現在、データセンターや病院、鉄道、通信においては、瞬時電圧低下や停電があれば甚大な被害を受ける。そのため、機器や電力系統に影響を与えないための電力貯蔵用フライホイールや精密機器の軸受装置として、超電導軸受を用いた非接触軸受装置が利用されている。   Currently, data centers, hospitals, railways, and communications are severely damaged if there is an instantaneous voltage drop or power outage. Therefore, a non-contact bearing device using a superconducting bearing is used as a power storage flywheel and a precision device bearing device that does not affect the device and the power system.

超電導体は、臨界温度以下において、マイスナー効果およびピン止め効果を有する。マイスナー効果とは、超電導体の示す完全反磁性のことを称し、ピン止め効果とは、超電導体内の磁界を固定する力を言う。この2つの効果を有する超電導体と永久磁石を対向させることにより、回転主軸を非接触保持する超電導軸受装置が開発されている。これによって、浮上体が平衡状態からずれた場合、磁力線がピン止めされているため復元力が働き元の位置に戻ろうとする。このように、超電導を利用した非接触浮上装置は、構造が簡単で安価な非接触浮上装置を実現させることができる。   The superconductor has a Meissner effect and a pinning effect below the critical temperature. The Meissner effect refers to the complete diamagnetism exhibited by the superconductor, and the pinning effect refers to the force that fixes the magnetic field in the superconductor. A superconducting bearing device has been developed that holds a rotating main shaft in a non-contact manner by making a superconductor having these two effects and a permanent magnet face each other. As a result, when the levitation body deviates from the equilibrium state, the restoring force works to return to the original position because the magnetic field lines are pinned. Thus, the non-contact levitation apparatus using superconductivity can realize a non-contact levitation apparatus that has a simple structure and is inexpensive.

しかし、回転主軸を回転させたときには、超電導軸受のラジアル剛性が小さいため、回転主軸の持つアンバランスまたはモータ等の外部から加わる外乱により、回転主軸は大きく振れ回る。そこで、超電導軸受のラジアル剛性を高めるために、ラジアル方向にも超電導体と永久磁石によるラジアル軸受を持つ超電導軸受装置が提案されている。   However, when the rotating main shaft is rotated, the radial rigidity of the superconducting bearing is small, so that the rotating main shaft shakes greatly due to unbalance of the rotating main shaft or external disturbance such as a motor. Therefore, in order to increase the radial rigidity of the superconducting bearing, a superconducting bearing device having a radial bearing composed of a superconductor and a permanent magnet in the radial direction has been proposed.

図12は、上記のようなラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができるように提案された従来技術を説明する図である(特許文献1参照)。図示の超電導軸受装置は、回転主軸の軸方向両端部にはそれぞれ、第1の永久磁石が取付けられる。この取付けられた第1の永久磁石に対向するようにハウジングには、それぞれ第1の超電導体が取付けられる。また、回転主軸の外径側面には、モータロータが取付けられ、モータロータと対向するようにハウジング内面に、モータステータが取付けられる。さらに、図示の超電導軸受装置は、回転主軸の軸端部には、それぞれ円筒状の第2の永久磁石が取付けられる。これらの第2の永久磁石に対向するようにハウジングには、ブロック形状の第2の超電導体が配向性の方向と回転主軸の径方向を一致させて、取付けられる。   FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional technique proposed so as to increase the radial rigidity of the radial bearing as described above (see Patent Document 1). In the illustrated superconducting bearing device, first permanent magnets are attached to both ends of the rotating main shaft in the axial direction. A first superconductor is attached to each housing so as to face the attached first permanent magnet. A motor rotor is attached to the outer diameter side surface of the rotating main shaft, and a motor stator is attached to the inner surface of the housing so as to face the motor rotor. Further, in the illustrated superconducting bearing device, a cylindrical second permanent magnet is attached to the shaft end of the rotating main shaft. A block-shaped second superconductor is attached to the housing so that these second permanent magnets are opposed to each other, with the orientation direction and the radial direction of the rotating spindle aligned.

これによって、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、超電導体のマイスナー効果およびピン止め効果により、回転主軸は非接触保持される。さらに、ハウジングに取付けられたモータステータを駆動することにより、回転主軸に取付けられたモータロータが回転駆動するため、回転主軸を回転させることができる。さらに、この超電導軸受装置は、回転主軸の上下両軸端部においてそれぞれ、超電導体の持つ配向性の方向とラジアル方向を一致させることにより、超電導体と永久磁石により形成されるラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができ、回転部材のラジアル方向の振れを抑えることができる。   Thus, by cooling the superconductor to a critical temperature or lower using a refrigerant or the like, the rotating main shaft is held in a non-contact manner due to the Meissner effect and the pinning effect of the superconductor. Furthermore, by driving the motor stator attached to the housing, the motor rotor attached to the rotating spindle is driven to rotate, so that the rotating spindle can be rotated. Furthermore, this superconducting bearing device has a radial rigidity of a radial bearing formed by a superconductor and a permanent magnet by matching the orientation direction of the superconductor with the radial direction at both ends of the upper and lower shafts of the rotating main shaft. And can prevent the rotating member from swinging in the radial direction.

しかしながら、このような超電導軸受装置は、超電導体の持つ配向性の方向とラジアル方向の一致を、回転主軸の上下両軸端部のそれぞれにおいて達成する必要があるが、上下両軸端部の回転中心を一致させることは困難であり、回転中心がずれることによりエネルギーロスが生じていた。   However, in such a superconducting bearing device, it is necessary to achieve alignment between the orientation direction of the superconductor and the radial direction at each of the upper and lower shaft ends of the rotating main shaft. It is difficult to make the centers coincide with each other, and energy loss occurs due to the shift of the center of rotation.

従来の超電導軸受装置は併用して用いる複数の軸受のそれぞれの回転中心が異なるために、エネルギーロスが生じているという問題を解決するために、特許文献2は、回転主軸の下端を1つの超電導軸受によって支持する非接触軸受装置を開示する。しかし、特許文献2に開示の非接触軸受装置も、回転主軸の上端をラジアル方向に支持する永久磁石軸受が必要である。図13は、特許文献2に開示の非接触軸受装置を示す図であり、図14は、図13に示した各軸受装置の動作を説明するための概念図である。図示の非接触軸受装置は、回転主軸に固定されたモータロータとハウジング側に取り付けられたモータステータからなる発電電動機、及び回転主軸に固定されたフライホイールを備えている。このような、回転主軸は、回転主軸の軸方向下側端部において、回転主軸をアキシャル方向に支持する浮上用の永久磁石磁気軸受装置が取り付けられている。さらに、回転主軸の下端には、回転主軸の下端部をラジアル方向に支持する位置決め用の超電導軸受装置が備えられている。位置決め用の超電導軸受装置は、回転主軸の下端外周面に固定された永久磁石と、これに対向してハウジングに取り付けられた超電導体によって構成されて、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定化を図る。回転主軸の上端部に取り付けられる位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受は、回転主軸の上端外周面に固定された永久磁石と、該永久磁石に対向するようにハウジングに取り付けられる別の永久磁石とから構成される。   In order to solve the problem of energy loss due to different rotation centers of a plurality of bearings used in combination with a conventional superconducting bearing device, Patent Document 2 discloses that one lower end of a rotating main shaft is connected to one superconducting shaft. A non-contact bearing device supported by a bearing is disclosed. However, the non-contact bearing device disclosed in Patent Document 2 also requires a permanent magnet bearing that supports the upper end of the rotating spindle in the radial direction. FIG. 13 is a diagram showing the non-contact bearing device disclosed in Patent Document 2, and FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining the operation of each bearing device shown in FIG. The illustrated non-contact bearing device includes a generator motor including a motor rotor fixed to a rotating main shaft and a motor stator attached to the housing side, and a flywheel fixed to the rotating main shaft. Such a rotating main shaft is attached with a levitation permanent magnet magnetic bearing device that supports the rotating main shaft in the axial direction at the lower end of the rotating main shaft in the axial direction. Furthermore, a superconducting bearing device for positioning is provided at the lower end of the rotating main shaft to support the lower end portion of the rotating main shaft in the radial direction. The superconducting bearing device for positioning is composed of a permanent magnet fixed to the outer peripheral surface of the lower end of the rotating main shaft and a superconductor attached to the housing so as to oppose it, and stabilizes in the radial direction and the axial direction. A permanent magnet repulsive magnetic bearing for positioning attached to the upper end of the rotating spindle includes a permanent magnet fixed to the outer peripheral surface of the upper end of the rotating spindle and another permanent magnet attached to the housing so as to face the permanent magnet. Consists of

このような構成により、ハウジングに取り付けられたモータステータを駆動することにより、回転主軸に取り付けられたモータロータが回転駆動するため、回転主軸を通常に回転させることができる。このとき、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、超電導体のマイスナー効果およびピン止め効果により、回転主軸は非接触保持される。このように、図示の非接触軸受装置は、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定化を図るように回転主軸の下端に配置した超電導軸受は1つのみであるが、回転主軸の上端に配置した永久磁石軸受の助けを借りて位置決めすることにより、冷却を容易にすると共に、回転主軸を安定に浮上させることが可能となる。   With such a configuration, by driving the motor stator attached to the housing, the motor rotor attached to the rotating spindle is driven to rotate, so that the rotating spindle can be rotated normally. At this time, by cooling the superconductor to a critical temperature or lower using a refrigerant or the like, the rotating main shaft is held in a non-contact manner due to the Meissner effect and the pinning effect of the superconductor. In this way, the illustrated non-contact bearing device has only one superconducting bearing disposed at the lower end of the rotating spindle so as to stabilize the radial direction and the axial direction, but the permanent magnet disposed at the upper end of the rotating spindle. Positioning with the help of a bearing facilitates cooling and makes it possible to float the rotating spindle stably.

しかし、フライホイール電力貯蔵装置や高速タービン装置などは、回転時にロータに大きな振動を発生させること無く回転体の安定性を確保しつつ、より一層フライホイール回転数を上昇させることが望まれている。   However, flywheel power storage devices, high-speed turbine devices, and the like are desired to further increase the rotational speed of the flywheel while ensuring the stability of the rotating body without generating large vibrations in the rotor during rotation. .

特開平7−42737JP 7-42737 特開2006−234124JP 2006-234124 A

フライホイール電力貯蔵装置や高速タービン装置などにおける高速回転体は、より一層高速回転させることが望まれている。本発明は、高速回転時の振動発生を抑制すると共に、高速回転体の回転時だけでなく、静止時においても安定な状態に維持することを目的としている。本発明は、回転体の重心を支持軸受部より低くすることで、回転体を安定な状態で支持することにより、今まで軸受のみでは不可能であった安定性を確保する。   It is desired that a high-speed rotating body in a flywheel power storage device, a high-speed turbine device, and the like be rotated at a higher speed. An object of the present invention is to suppress the occurrence of vibration during high-speed rotation and to maintain a stable state not only when the high-speed rotating body rotates but also when stationary. The present invention secures stability that has been impossible only with a bearing until now by supporting the rotating body in a stable state by making the center of gravity of the rotating body lower than the support bearing portion.

本発明の高速回転装置は、回転主軸上にフライホイールを固定して回転体を構成し、該回転体を非接触支持する軸受の固定側をハウジングに取り付ける。この回転体の下端側を非接触支持する軸受として、1つのみの超電導軸受を備える。フライホイールは円板部と、その外周に固定或いは一体形成された円筒部から構成され、かつ、この円筒部は、超電導軸受の外周側に位置して覆うように配置される。   In the high-speed rotating device of the present invention, a flywheel is fixed on a rotating spindle to form a rotating body, and a fixed side of a bearing that supports the rotating body in a non-contact manner is attached to a housing. Only one superconducting bearing is provided as a bearing that supports the lower end of the rotating body in a non-contact manner. The flywheel is composed of a disk part and a cylindrical part fixed or integrally formed on the outer periphery thereof, and this cylindrical part is arranged so as to be located on the outer peripheral side of the superconducting bearing.

フライホイールを含む前記回転体の重心を、回転体重量を支えている超電導軸受の支持点より低くする。フライホイールの円板部の上面の中心に、回転主軸の端部が固定され、かつ円板部の下面に超電導軸受のための永久磁石が固定される。発電電動機を備え、該発電電動機のステータ側をハウジングに取り付けると共に、ロータ側の永久磁石を前記フライホイールの円板部の上面に取り付ける。   The center of gravity of the rotating body including the flywheel is set lower than the support point of the superconducting bearing supporting the weight of the rotating body. At the center of the upper surface of the disc portion of the flywheel, the end of the rotating main shaft is fixed, and the permanent magnet for the superconducting bearing is fixed to the lower surface of the disc portion. A generator motor is provided, a stator side of the generator motor is attached to the housing, and a permanent magnet on the rotor side is attached to the upper surface of the disk portion of the flywheel.

超電導軸受は、ハウジングに取り付けられた円筒形状の超電導体と、この超電導体にラジアル方向及びアキシャル方向に対向するラジアル方向永久磁石及びアキシャル方向永久磁石により構成した。   The superconducting bearing is composed of a cylindrical superconductor attached to the housing, a radial permanent magnet and an axial permanent magnet facing the superconductor in the radial direction and the axial direction.

本発明は、回転体の上端側を支持する軸受を備えずに、前記超電導軸受によって、回転体の下端側のみを非接触支持することで、安定な状態に維持することができる。但し、本発明は、回転体の上端側を非接触支持する永久磁石軸受を備えることができる。この永久磁石軸受は、ロータ側とステータ側にそれぞれ複数個の永久磁石を軸方向に重ねて、さらにそれぞれの永久磁石の間にスペーサを挟んで構成する。   The present invention can be maintained in a stable state by not providing a bearing for supporting the upper end side of the rotating body, and by supporting only the lower end side of the rotating body in a non-contact manner by the superconducting bearing. However, the present invention can include a permanent magnet bearing that supports the upper end side of the rotating body in a non-contact manner. This permanent magnet bearing is configured by stacking a plurality of permanent magnets in the axial direction on the rotor side and the stator side, and further sandwiching a spacer between the permanent magnets.

本発明によれば、従来のフライホイール電力貯蔵装置と比較して、以下に示す効果を有する。
(1)フライホイールや高速タービンなどの回転体の重心を支持軸受の支持点より低くした、いわゆるヤジロベエの原理を用いることで、回転体は回転時だけでなく静止時にも安定して浮上支持することができる。
(2)回転体は回転時に安定かつ超高速回転することが容易にできる。
(3)慣性モーメントを増大することが容易なので、フライホイール電力貯蔵量を増大することが容易である。
(4)ヤジロベエの様に基本的に1点支持構造なので、電力貯蔵装置は全体的に小型化が容易である。
According to the present invention, the following effects can be obtained as compared with the conventional flywheel power storage device.
(1) By using the so-called Yajiro Bey principle in which the center of gravity of a rotating body such as a flywheel or a high-speed turbine is lower than the support point of the support bearing, the rotating body stably supports levitation not only when rotating but also when stationary. be able to.
(2) The rotating body can easily rotate stably and at an ultra-high speed.
(3) Since it is easy to increase the moment of inertia, it is easy to increase the amount of stored flywheel power.
(4) Since it is basically a one-point support structure like a jirobee, the power storage device can be easily downsized as a whole.

本発明の高速回転装置を具体化した電力貯蔵用フライホイールシステム構造を示す図である。It is a figure which shows the flywheel system structure for electric power storage which actualized the high-speed rotation apparatus of this invention. 超電導軸受の概念図である。It is a conceptual diagram of a superconducting bearing. 発電電動機の概念図である。It is a conceptual diagram of a generator motor. 2相4極のブラシレスDC モータとして具体化した発電電動機を示す図である。It is a figure which shows the generator motor embodied as a 2 phase 4 pole brushless DC motor. 電力貯蔵用超電導フライホイールの実験装置を示す図である。It is a figure which shows the experimental apparatus of the superconducting flywheel for electric power storage. 電力貯蔵用フライホイールをエネルギー充放電システムに適用した場合を例示する図である。It is a figure which illustrates the case where the flywheel for electric power storage is applied to an energy charging / discharging system. 電力貯蔵用フライホイールをエネルギー貯蔵システムに適用した場合のフリーラン測定実験概略図である。It is a free run measurement experiment schematic diagram at the time of applying a flywheel for power storage to an energy storage system. 永久磁石軸受の概念図である。It is a conceptual diagram of a permanent magnet bearing. 永久磁石軸受と超電導軸受でのフリーラン特性結果を示すグラフであり、(a)は上部変位センサ(永久磁石軸受付近)、(b)は下部変位センサ(超電導軸受付近)の測定結果を示している。It is a graph which shows the free run characteristic result in a permanent magnet bearing and a superconducting bearing, (a) shows an upper displacement sensor (near a permanent magnet bearing), (b) shows a measurement result of a lower displacement sensor (near a superconducting bearing) Yes. 充電エネルギー量確保システムとして適用した際のエネルギー貯蔵状態を示す図である。It is a figure which shows the energy storage state at the time of applying as a charge energy amount ensuring system. 電力貯蔵用フライホイールを適用したエネルギー充電システムにおいて、負荷に瞬低を生じさせたときのフライホイール放電状態を示す図である。It is a figure which shows a flywheel discharge state when the instantaneous drop is produced in load in the energy charging system to which the flywheel for power storage is applied. 特許文献1に開示の従来技術を説明する図である。It is a figure explaining the prior art disclosed by patent document 1. FIG. 特許文献2に開示の非接触軸受装置を示す図である。It is a figure which shows the non-contact bearing apparatus disclosed by patent document 2. FIG. 図13に示した各軸受装置の動作を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating operation | movement of each bearing apparatus shown in FIG.

図1は、本発明の高速回転装置を具体化した電力貯蔵用フライホイールシステム構造を示す図である。図示の電力貯蔵用フライホイールシステムは、後述の実施例の項に記載したように、エネルギー充放電システム、エネルギー貯蔵システム、充電エネルギー量確保システム、エネルギー充電システムなどにさらに具体化することができる。例示の電力貯蔵用フライホイールシステムは、超電導体を冷却するために、例えば、図5を参照して後述するように、チャンバー内に収容して、真空排気装置により高真空化した上で、冷凍機により或いは液体窒素などにより、超電導現象が起きる温度まで冷却する。高真空化することで、フライホイール回転時の風損を抑え、超電導体冷却時の断熱効果をもたらすことが可能になる。   FIG. 1 is a diagram showing a power storage flywheel system structure embodying a high-speed rotation device of the present invention. The illustrated power storage flywheel system can be further embodied in an energy charging / discharging system, an energy storage system, a charging energy amount securing system, an energy charging system, and the like, as described in the section of the embodiment described later. In order to cool the superconductor, the exemplary power storage flywheel system is housed in a chamber and refrigerated after being evacuated by a vacuum exhaust device, as described later with reference to FIG. Cool to a temperature at which the superconducting phenomenon occurs by using a machine or liquid nitrogen. By making the vacuum high, it is possible to suppress the windage loss when the flywheel rotates and to provide a heat insulating effect when cooling the superconductor.

図1に示すように、冷凍機により冷却される冷凍台の上に銅製の土台と、冷凍台に結合された背板を備え、この土台には超電導軸受の固定側(超電導体)を、背板には発電電動機のステータ側が取り付けられている。下端で、超電導軸受により非接触支持されるロータは、回転主軸に取り付けられた発電電動機及びフライホイールにより構成している。回転主軸の下端は、フライホイール円板部上面側の中心を固定している。フライホイールの円板部の下面側には、超電導軸受用の永久磁石が固定される。或いは、回転主軸を下方に延長させて、回転主軸下端部にフライホイール円板部及び超電導軸受用の永久磁石を取り付けることも可能である。   As shown in FIG. 1, a copper base and a back plate coupled to the freezer are provided on a freezer cooled by a refrigerator, and a fixed side (superconductor) of a superconducting bearing is provided on the base. The stator side of the generator motor is attached to the plate. At the lower end, the rotor that is supported in a non-contact manner by the superconducting bearing is constituted by a generator motor and a flywheel attached to the rotating main shaft. The lower end of the rotation main shaft fixes the center of the flywheel disc part upper surface side. A permanent magnet for a superconducting bearing is fixed to the lower surface side of the disc portion of the flywheel. Alternatively, it is possible to extend the rotating main shaft downward and attach the flywheel disc and the permanent magnet for the superconducting bearing to the lower end of the rotating main shaft.

フライホイールは円板部とその下面外周に同軸に固定(或いは一体成形)された重りとして機能する円筒部から構成され、かつ、この円筒部は、超電導軸受の外周側に位置して覆うように配置される。フライホイール円板部は超電導軸受用の永久磁石の直上に取り付けられ、かつ永久磁石の一部(アキシャル方向永久磁石)は、フライホイール円板部の下面側に埋め込み取り付けている。発電電動機の永久磁石もフライホイール円板部の上面側に埋め込み取り付けられている。フライホイール円板部の下面側外周に円筒部を設けて、フライホイールの重心を低くすることによって、回転体(ロータ)の重心が超電導軸受の支持点より低くなるようにしている。超電導軸受の支持点は、ラジアル方向とスラスト方向に支持力を分けて考え,それぞれの方向の支持力の中心点である。   The flywheel is composed of a disc portion and a cylindrical portion functioning as a weight fixed coaxially (or integrally formed) on the outer periphery of the lower surface thereof, and this cylindrical portion is located on the outer peripheral side of the superconducting bearing so as to cover it. Be placed. The flywheel disc portion is attached immediately above the permanent magnet for the superconducting bearing, and a part of the permanent magnet (axial permanent magnet) is embedded and attached to the lower surface side of the flywheel disc portion. The permanent magnet of the generator motor is also embedded and attached to the upper surface side of the flywheel disc. A cylindrical portion is provided on the outer periphery on the lower surface side of the flywheel disc portion to lower the center of gravity of the flywheel so that the center of gravity of the rotating body (rotor) is lower than the support point of the superconducting bearing. The support point of the superconducting bearing is the center point of the support force in each direction, considering the support force separately in the radial direction and the thrust direction.

静止時においては,ロータの重心は超電導軸受の支持点より低ければ低いほど安定である。回転時においては,遠心力によるロータの変形などがあるため運転する回転速度に応じて変化するが、超電導軸受の支持点より低くする。これによって、いわゆるヤジロベエの原理で、回転体は回転時だけでなく静止時にも安定して浮上支持することができる。さらには、発電電動機のロータ用永久磁石及び超電導軸受用の永久磁石の一部を、それぞれフライホイール円板部の上面側及び下面側に埋め込み取り付けることによりロータのアキシャル方向の長さを短くすることができる。また、従来必要としたようなロータ上端側の永久磁石軸受(図13参照)を、必ずしも必要としないことにより、さらに、ロータの重心を低くすることができる。但し、ロータ上端側に永久磁石軸受(図7,図8参照)を設けることにより、より振動を低下させることができる。   When stationary, the center of gravity of the rotor is lower the lower the support point of the superconducting bearing, the more stable it is. During rotation, the rotor is deformed due to centrifugal force, etc., so that it varies depending on the rotational speed of operation, but is lower than the support point of the superconducting bearing. As a result, the rotating body can be stably levitated and supported not only when rotating but also when stationary due to the so-called Yajirobei principle. Furthermore, the length of the rotor in the axial direction is shortened by embedding and attaching a part of the permanent magnet for the rotor of the generator motor and the permanent magnet for the superconducting bearing to the upper surface side and the lower surface side of the flywheel disc part, respectively. Can do. Moreover, the center of gravity of the rotor can be further lowered by not necessarily requiring a permanent magnet bearing (see FIG. 13) on the upper end side of the rotor as conventionally required. However, the vibration can be further reduced by providing a permanent magnet bearing (see FIGS. 7 and 8) on the upper end side of the rotor.

ロータの下端側は反発型の超電導軸受により回転可能に非接触支持されている。ロータの軸方向下側端部に取り付けられる超電導軸受は、ハウジング(土台)に取り付けられた円筒形状の超電導体と、この超電導体にラジアル方向及びアキシャル方向に対向するラジアル方向永久磁石及びアキシャル方向永久磁石により構成する。ラジアル方向永久磁石は、円筒形状超電導体の内部に径方向に対向して、回転主軸下端部をラジアル方向に支持する一方、アキシャル方向永久磁石は、円筒形状超電導体の上端面に対向してアキシャル方向にロータを支持する。これら両方向永久磁石によって、ロータ下端部を位置決めしかつ浮上支持して、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定化を図ることができる。このように、超電導軸受の1つのみを用いて、ロータ下端部を位置決めしかつ浮上支持することによって、ロータの重心を低くすることが可能になる。図1に示すように、ラジアル方向永久磁石とアキシャル方向永久磁石の間に備えた非磁性体からなるスペーサは、両方向磁石相互の干渉を防ぐため、及び大きさの異なる2種類の永久磁石を取り付けるために備えている。   The lower end side of the rotor is rotatably supported by a repulsive superconducting bearing. The superconducting bearing attached to the lower end of the rotor in the axial direction is composed of a cylindrical superconductor attached to a housing (base), a radial permanent magnet and an axial permanent permanent facing the superconductor in the radial direction and the axial direction. It consists of a magnet. The radial permanent magnet is radially opposed to the inside of the cylindrical superconductor and supports the lower end of the rotating spindle in the radial direction, while the axial permanent magnet is axially opposed to the upper end surface of the cylindrical superconductor. Support the rotor in the direction. With these two-way permanent magnets, the lower end of the rotor can be positioned and supported in a levitating manner to stabilize the radial direction and the axial direction. Thus, the center of gravity of the rotor can be lowered by positioning and supporting the lower end of the rotor by using only one of the superconducting bearings. As shown in FIG. 1, a spacer made of a non-magnetic material provided between a radial permanent magnet and an axial permanent magnet is used to prevent interference between the bidirectional magnets and to attach two types of permanent magnets having different sizes. In preparation for.

次に、図1に示した「超電導軸受」「発電電動機」「フライホイール」について、さらに説明する。
(超電導軸受)
図2は、超電導軸受の概念図である。超電導軸受用の永久磁石は、ロータ下端部において、フライホイール円板部の下面に取り付けられたラジアル方向とアキシャル方向の両方の永久磁石によって構成されている。ロータの重量を支えている超電導軸受に、ラジアル方向とアキシャル方向の永久磁石を用いることにより、回転時のロータの振動を抑えることが可能になる。ラジアル方向永久磁石は、永久磁石部の直径が小さくても軸方向に複数個(4個として例示)積層して延ばせば表面積を稼げるため浮上力が大きくなり、回転数が速くても重量が支えられ、また制振効果(軸振れ防止効果)を持たせ易い。また、アキシャル方向永久磁石によって、主にロータの自重を支持すると同時に、ラジアル方向、アキシャル方向の振動を抑制している。
Next, the “superconducting bearing”, “generator motor”, and “flywheel” shown in FIG. 1 will be further described.
(Superconducting bearing)
FIG. 2 is a conceptual diagram of a superconducting bearing. The permanent magnet for the superconducting bearing is composed of both radial and axial permanent magnets attached to the lower surface of the flywheel disc at the lower end of the rotor. By using permanent magnets in the radial direction and the axial direction for the superconducting bearing that supports the weight of the rotor, vibration of the rotor during rotation can be suppressed. Radial permanent magnets increase the surface area if they are stacked and extended in the axial direction even if the diameter of the permanent magnet portion is small (for example, four), increasing the levitation force, and supporting the weight even at high rotational speeds. In addition, it is easy to provide a vibration damping effect (shaft shake prevention effect). Further, the axial permanent magnets mainly support the weight of the rotor, and at the same time suppress vibrations in the radial direction and the axial direction.

このような超電導軸受のステータ側には、例えば、円環状の酸化物高温超電導体(例えば、外径45mm、幅16mmの円筒体)を使用する。超電導体の内部に位置して径方向に対向するロータ側には、例えば、円環状の希土類磁石(外径24mm、幅4mm)を、ラジアル方向永久磁石として複数個(4個として例示)配置する。希土類磁石の磁極はNS-SN-NS-SN と隣り合う永久磁石の磁極が同極となるように配置してあり、超電導体に磁束が補足され易いように配置する。また、フライホイール下端面に埋め込まれているアキシャル方向の磁石は、ラジアル方向永久磁石よりも大きな外径、例えば外径42mmのリング状磁石を使用し,酸化物超電導体とアキシャル方向に対向させている。
(発電電動機)
図3は、発電電動機の概念図である。発電電動機は、非接触状態でフライホイールを回転駆動し、或いは逆に、回転駆動しているフライホイールロータから発電する。図4は、コイルX1、Y1 とコイルX2、Y2 の2相4極のブラシレスDC モータとして具体化した発電電動機を示している。DCモータのロータ用の永久磁石はフライホイールの上部に埋め込んで設置する。この永久磁石は、リング型のネオジム磁石によって構成することができる。ロータ用の永久磁石は発電電動機のステータコイルに対向するように配置されており、ステータ側に配置したホール素子により磁極を読み取り、励磁するコイルを切り替える仕組みとなっている。このように、例示の発電電動機はそれ自体は周知のブラシレスDC モータとして構成されている。駆動時の励磁の切り替えは、対向するコイルを対に結線し、2極をパワーアンプによって励磁する2相励磁の方式を用いている。例えば、ホール素子がS 極を感知するとコイルX1、Y1 がN 極に、コイルX2、Y2 がS 極に励磁させる。これにより、ホール素子前のS 極はN 極に励磁されているコイルX1 に引き付けられ、このように電動機側2相を同時に励磁する駆動方式とすることで、回転力を増大させてフライホイール回転数を上昇させることができる。また、例示のモータは永久磁石モータであるので、フレミングの右手の法則によって発電する発電機としても機能する。
(フライホイール)
図1に示すように、フライホイールは円板部と、その外周に固定或いは一体成形された円筒部から構成され、かつ、この円筒部は、超電導軸受の外周側に位置して覆うように配置される。フライホイールの円板部と円筒部は一体構造とすることも、或いは別々に構成した後に一体に固定することもできる。その材質としては、重量のある非磁性体、例えば、繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics, FRP)を用いることができる。
For example, an annular oxide high temperature superconductor (for example, a cylindrical body having an outer diameter of 45 mm and a width of 16 mm) is used on the stator side of such a superconducting bearing. For example, a plurality of annular rare earth magnets (outer diameter: 24 mm, width: 4 mm) are arranged as radial permanent magnets (exemplified as four) on the rotor side located inside the superconductor and facing in the radial direction. . The magnetic poles of the rare earth magnets are arranged so that the magnetic poles of the permanent magnets adjacent to NS-SN-NS-SN are the same, and are arranged so that the magnetic flux is easily captured by the superconductor. Also, the axial magnet embedded in the lower end surface of the flywheel uses a ring-shaped magnet with an outer diameter larger than that of the radial permanent magnet, for example, an outer diameter of 42 mm, facing the oxide superconductor in the axial direction. Yes.
(Generator motor)
FIG. 3 is a conceptual diagram of a generator motor. The generator motor rotates the flywheel in a non-contact state or, conversely, generates power from the rotationally driven flywheel rotor. FIG. 4 shows a generator motor embodied as a two-phase four-pole brushless DC motor of coils X1, Y1 and coils X2, Y2. The permanent magnet for the rotor of the DC motor is installed in the upper part of the flywheel. This permanent magnet can be composed of a ring-type neodymium magnet. The permanent magnet for the rotor is arranged so as to face the stator coil of the generator motor, and the magnetic pole is read by the Hall element arranged on the stator side and the coil to be excited is switched. As described above, the illustrated generator motor is configured as a well-known brushless DC motor. The switching of excitation during driving uses a two-phase excitation method in which opposing coils are connected in pairs and two poles are excited by a power amplifier. For example, when the Hall element senses the S pole, the coils X1 and Y1 are excited to the N pole, and the coils X2 and Y2 are excited to the S pole. As a result, the S pole in front of the Hall element is attracted to the coil X1 that is excited to the N pole. Thus, the drive system that simultaneously excites the two phases on the motor side increases the rotational force and rotates the flywheel. The number can be increased. Further, since the illustrated motor is a permanent magnet motor, it also functions as a generator that generates power according to Fleming's right hand rule.
(Flywheel)
As shown in FIG. 1, the flywheel is composed of a disk part and a cylindrical part fixed or integrally formed on the outer periphery thereof, and this cylindrical part is arranged so as to be positioned and covered on the outer peripheral side of the superconducting bearing. Is done. The disc portion and the cylindrical portion of the flywheel can be integrated, or can be fixed together after being configured separately. As the material, a heavy non-magnetic material such as fiber reinforced plastics (FRP) can be used.

フライホイールの重心を低くしているため、安定性があり、無回転時にも倒れにくくなる。回転時には、ジャイロ効果の安定性が加わるため、倒れることがなく回転を続ける。また、フライホイール外周側に、重りとして機能する円筒部を備えることにより、エネルギー貯蔵に対しても有効である。フライホイールに貯蔵できる回転の運動エネルギー量E[J]は、式(1)で表される。ここで、m[kg]:回転体質量、 r[m]:回転体半径、 ω[rad/s]:回転角速度、である。   Since the center of gravity of the flywheel is lowered, it is stable and less likely to collapse even when there is no rotation. During rotation, the stability of the gyro effect is added, so the rotation continues without falling down. Moreover, it is effective also for energy storage by providing the cylindrical part which functions as a weight on the flywheel outer peripheral side. The amount of rotational kinetic energy E [J] that can be stored in the flywheel is expressed by equation (1). Here, m [kg]: mass of rotating body, r [m]: radius of rotating body, ω [rad / s]: angular velocity of rotation.

E=m/4(rω)2 (1) E = m / 4 (rω) 2 (1)

図5は、電力貯蔵用超電導フライホイールの実験装置を示す図である。本実験装置は主に超電導フライホイールを収めた真空チャンバー、制御用PC、ロータの回転角度用位置センサ、超電導体冷却用冷凍機、真空ポンプ、瞬時電圧低下模擬回路、温度回復用ヒータからなる。瞬時電圧低下模擬回路は制御用PC により制御駆動される。冷凍機は超電導体を超電導現象が起きる温度まで冷却するためのもので、真空排気装置によりチャンバー内を高真空化することで、フライホイール回転時の風損を抑え、超電導体冷却時の断熱効果をもたらす。   FIG. 5 is a diagram showing an experimental apparatus for a superconducting flywheel for power storage. This experimental apparatus mainly consists of a vacuum chamber containing a superconducting flywheel, a control PC, a rotor rotational angle position sensor, a superconductor cooling refrigerator, a vacuum pump, an instantaneous voltage drop simulation circuit, and a temperature recovery heater. The instantaneous voltage drop simulation circuit is controlled by a control PC. The refrigerator is used to cool the superconductor to a temperature at which superconductivity occurs, and by using a vacuum evacuation system, the chamber is highly evacuated to reduce windage loss during rotation of the flywheel and to insulate the superconductor. Bring.

図6は、電力貯蔵用フライホイールをエネルギー充放電システムに適用した場合を例示する図である。装置は、フライホイール、瞬時電圧低下模擬回路、制御用PCなどから構成される。フライホイールの回転数はタコメータにより常時モニタされ、制御用PCによって一定範囲の回転数を維持するようになっている。瞬時電圧低下模擬回路によって通常の5V電圧を3Vに瞬時低下させることができる。この瞬時電圧低下は制御用PCによってモニタされており、瞬時電圧低下が検知された場合、制御用PCによってリレーが切り替えられフライホイールから負荷に電力が供給される。   FIG. 6 is a diagram illustrating a case where a power storage flywheel is applied to an energy charge / discharge system. The device consists of a flywheel, an instantaneous voltage drop simulation circuit, a control PC, and the like. The rotational speed of the flywheel is constantly monitored by a tachometer, and the rotational speed in a certain range is maintained by a control PC. The normal 5V voltage can be instantaneously reduced to 3V by the instantaneous voltage drop simulation circuit. This instantaneous voltage drop is monitored by the control PC. When an instantaneous voltage drop is detected, the relay is switched by the control PC and power is supplied from the flywheel to the load.

図7は、電力貯蔵用フライホイールをエネルギー貯蔵システムに適用した場合のフリーラン測定実験概略図である。フライホイールの設置されたロータは、上端側で永久磁石軸受により、かつ下端側で超電導軸受により非接触支持される。この状態で、発電電動機によりフライホイールを回転駆動し、適当な回転数で発電電動機の駆動を止める。その時の回転数をタコメータにより計測する。尚、フライホイール回転中のロータの変位は上部変位センサと下部変位センサで変位評価する。   FIG. 7 is a schematic diagram of a free-run measurement experiment when the power storage flywheel is applied to an energy storage system. The rotor on which the flywheel is installed is supported in a non-contact manner by a permanent magnet bearing on the upper end side and by a superconducting bearing on the lower end side. In this state, the flywheel is rotationally driven by the generator motor, and the drive of the generator motor is stopped at an appropriate rotational speed. The rotation speed at that time is measured with a tachometer. Note that the displacement of the rotor during rotation of the flywheel is evaluated by an upper displacement sensor and a lower displacement sensor.

また、図示のように、ロータ上端側に永久磁石軸受を設けることにより、さらに振動を低下させることができる。図8は、永久磁石軸受の概念図である。回転主軸の上端部に取り付けられる永久磁石軸受は、回転主軸の上端外周面に固定されたロータ側永久磁石と、該永久磁石に対向するように永久磁石取付部を介してハウジング(図1に示す背板)に取り付けられる固定側永久磁石とから構成される。   Further, as shown in the figure, the vibration can be further reduced by providing a permanent magnet bearing on the upper end side of the rotor. FIG. 8 is a conceptual diagram of a permanent magnet bearing. The permanent magnet bearing attached to the upper end portion of the rotating main shaft includes a rotor-side permanent magnet fixed to the outer peripheral surface of the upper end of the rotating main shaft and a housing (shown in FIG. 1) via the permanent magnet mounting portion so as to face the permanent magnet. And a fixed permanent magnet attached to the back plate.

ロータの重心を超電導軸受部の支持点よりも低くするためには、永久磁石軸受についても小型化することが望ましい。図示の永久磁石軸受は、ロータ側とステータ側にそれぞれ複数個(2個ずつとして例示)の永久磁石を軸方向に重ねて、さらにそれぞれの永久磁石の間にスペーサ(例えば、幅1mm)を用いている。永久磁石極性は、下側永久磁石同士は互いに吸引するように異極性にして対向し、かつ、上側永久磁石同士は互いに反発するように同極性にして対向させる。このように、スペーサを挿入したことにより、上側(或いは下側)ステータ側永久磁石と、下側(或いは上側)ロータ側永久磁石との間で、互いに反発(或いは吸引)させること無く、アキシャル方向に厚さを薄くした小型化を達成することが可能になる。   In order to make the center of gravity of the rotor lower than the support point of the superconducting bearing portion, it is desirable to reduce the size of the permanent magnet bearing. In the illustrated permanent magnet bearing, a plurality of permanent magnets (illustrated as two) are stacked on the rotor side and the stator side in the axial direction, and a spacer (for example, 1 mm width) is used between the permanent magnets. ing. The permanent magnets have opposite polarities so that the lower permanent magnets attract each other, and the upper permanent magnets face each other with the same polarity so as to repel each other. Thus, by inserting the spacer, the upper (or lower) stator side permanent magnet and the lower (or upper) rotor side permanent magnet do not repel (or attract) each other in the axial direction. In addition, it is possible to achieve downsizing with a reduced thickness.

図9に永久磁石軸受と超電導軸受でのフリーラン特性結果を示し、(a)は上部変位センサ(永久磁石軸受付近)、(b)は下部変位センサ(超電導軸受付近)の測定結果を示している。図9(a)(b)に示すフリーラン時間は、いずれも約20 秒であまり変化は見られない。回転時の振動は超電導軸受付近で0.03mmo-p程度以下、永久磁石軸受付近で0.12mmo-p 程度以下に抑えることができた。振動特性においては2,000〜3,000rpm付近で共振が発生している。超電導軸受付近での振動はかなり抑えられている。   FIG. 9 shows the results of free run characteristics of the permanent magnet bearing and the superconducting bearing, (a) shows the measurement result of the upper displacement sensor (near the permanent magnet bearing), and (b) shows the measurement result of the lower displacement sensor (near the superconducting bearing). Yes. The free run times shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) are both about 20 seconds and do not change much. Vibration during rotation was suppressed to about 0.03 mmo-p or less near the superconducting bearing and to about 0.12 mmo-p or less near the permanent magnet bearing. In the vibration characteristics, resonance occurs around 2,000 to 3,000 rpm. Vibration near the superconducting bearing is considerably suppressed.

図10は、充電エネルギー量確保システムとして適用した際のエネルギー貯蔵状態を示す図である。4,000rpm まで回転数が下がると4,500rpm まで発電電動機でフライホイールを回転駆動させ、ある一定量のエネルギーを任意に貯蔵できることを確認した。図中の上部変位及び下部変位は、上部変位センサ及び下部変位センサ(図7参照)により測定した振動変位を表している。最低貯蔵エネルギー、最大値エネルギーは各々16.0J(4,000rpmのとき)、20.2J(4,500rpmのとき) となる。また、共振を起こす回転数以上での貯蔵では、発電電動機の駆動の繰り返しにおいてロータの振動に変化が見られないため、このシステムは有効であると考えられる。また、このシステムにより常に充電している必要が無いためエネルギーロスが減少するものと思われる。   FIG. 10 is a diagram showing an energy storage state when applied as a charging energy amount securing system. When the rotational speed decreased to 4,000 rpm, the flywheel was rotated by a generator motor to 4,500 rpm, and it was confirmed that a certain amount of energy could be stored arbitrarily. The upper displacement and the lower displacement in the figure represent the vibration displacement measured by the upper displacement sensor and the lower displacement sensor (see FIG. 7). The minimum storage energy and maximum energy are 16.0 J (at 4,000 rpm) and 20.2 J (at 4,500 rpm), respectively. In addition, in storage at a rotational speed that causes resonance, the rotor vibration does not change during repeated driving of the generator motor, so this system is considered to be effective. In addition, it is considered that energy loss is reduced because there is no need to always charge with this system.

図11は、電力貯蔵用フライホイールを適用したエネルギー充電システムにおいて、負荷に瞬低を生じさせたときのフライホイール放電状態を示す図であり、電源電圧(a)、負荷電圧(b)、フライホイール回転速度(c)、上部変位センサ(図7)により測定した上部変位(d)、及びフライホイールエネルギー(e)の状況を示したものである。フライホイールの回転数は4,300rpmであり、3V 約100msの瞬低を生じさせた。図11より電源電圧が20ms付近で5V から3V に下がっており、電源電圧が5V に復帰するのは約130msの時であり、110msの間瞬低が生じているのを模擬できていることがわかる。ここで電源電圧が一度0V に落ちているのはリレー回路により出力電圧を切り替えているためである。負荷電圧もリレーによる切り替えの段階で電圧が落ちているが、負荷機器の瞬低耐量瞬断時間データを基に最も厳しい瞬断時間となる汎用インバータの瞬低耐量瞬断時間が15ms であり、これが瞬断時間の要件となっているため問題にはならない。
FIG. 11 is a diagram showing a flywheel discharge state when an instantaneous voltage drop is caused in a load in an energy charging system to which a power storage flywheel is applied. The power supply voltage (a), load voltage (b), fly It shows the situation of the wheel rotation speed (c), the upper displacement (d) measured by the upper displacement sensor (FIG. 7), and the flywheel energy (e). The rotational speed of the flywheel was 4,300 rpm, causing a voltage drop of about 100 ms at 3V. From Fig. 11, the power supply voltage drops from 5V to 3V in the vicinity of 20ms, and the power supply voltage returns to 5V when it is about 130ms, and it can be simulated that the instantaneous drop occurs for 110ms. Recognize. The power supply voltage once drops to 0V because the output voltage is switched by the relay circuit. The load voltage also drops at the stage of switching by the relay, but the instantaneous low withstand voltage instantaneous interruption time of the general-purpose inverter that is the most severe instantaneous interruption time based on the instantaneous low withstand voltage instantaneous data of the load equipment is 15 ms, This is not a problem because it is a requirement for instantaneous interruption time.

Claims (6)

回転主軸上にフライホイールを固定して回転体を構成し、該回転体を非接触支持する軸受の固定側をハウジングに取り付けた高速回転装置において、
前記回転体の下端側を非接触支持する軸受として、前記フライホイールの円板部の軸方向下側端部に取り付けられる1つのみの超電導軸受を備え、
前記フライホイールは前記円板部と、その外周に固定或いは一体形成された円筒部から構成され、かつ、前記円筒部は、前記超電導軸受の外周側に位置して該外周側とは間隔を開けて覆うように配置し、
前記フライホイールを含む前記回転体の重心を、回転体重量を支えている超電導軸受の支持点より低くしたことから成る高速回転装置。
In a high-speed rotating device in which a flywheel is fixed on a rotating spindle to constitute a rotating body, and a fixed side of a bearing that supports the rotating body in a non-contact manner is attached to a housing.
As a bearing that supports the lower end side of the rotating body in a non-contact manner, the bearing includes only one superconducting bearing attached to the lower end portion in the axial direction of the disc portion of the flywheel ,
The flywheel and the disc portion is constituted by a cylindrical portion which is fixed or integrally formed on the outer periphery thereof, and said cylindrical portion, spaced from the outer peripheral side is positioned on the outer peripheral side of the superconducting bearing And place it so that it covers
A high-speed rotating device comprising a center of gravity of the rotating body including the flywheel lower than a support point of a superconducting bearing supporting the weight of the rotating body.
前記フライホイールの円板部の上面の中心に前記回転主軸の端部が固定され、かつ前記円板部の下面に前記超電導軸受のための永久磁石が固定される請求項1に記載の高速回転装置。 2. The high-speed rotation according to claim 1, wherein an end of the rotating main shaft is fixed to the center of the upper surface of the disc portion of the flywheel, and a permanent magnet for the superconducting bearing is fixed to the lower surface of the disc portion. apparatus. 発電電動機を備え、該発電電動機のステータ側をハウジングに取り付けると共に、ロータ側の永久磁石を前記フライホイールの円板部の上面に取り付けた請求項1に記載の高速回転装置。 The high-speed rotating device according to claim 1, further comprising a generator motor, wherein a stator side of the generator motor is attached to a housing, and a rotor-side permanent magnet is attached to an upper surface of a disc portion of the flywheel. 前記超電導軸受は、ハウジングに取り付けられた円筒形状の超電導体と、この超電導体にラジアル方向及びアキシャル方向に対向するラジアル方向永久磁石及びアキシャル方向永久磁石により構成した請求項1に記載の高速回転装置。 2. The high-speed rotating device according to claim 1, wherein the superconducting bearing is configured by a cylindrical superconductor attached to a housing, a radial permanent magnet and an axial permanent magnet facing the superconductor in a radial direction and an axial direction. . 前記回転体の上端側を支持する軸受を備えずに、前記超電導軸受によって、前記回転体の下端側のみを非接触支持する請求項1に記載の高速回転装置。 The high-speed rotating device according to claim 1, wherein a bearing for supporting the upper end side of the rotating body is not provided and only the lower end side of the rotating body is supported in a non-contact manner by the superconducting bearing. 前記回転体の上端側を非接触支持する永久磁石軸受を備え、かつ、該永久磁石軸受は、ロータ側とステータ側にそれぞれ複数個の永久磁石を軸方向に重ねて、さらにそれぞれの永久磁石の間にスペーサを挟んで構成した請求項1に記載の高速回転装置。 A permanent magnet bearing that supports the upper end side of the rotating body in a non-contact manner, and the permanent magnet bearing includes a plurality of permanent magnets axially stacked on the rotor side and the stator side, and The high-speed rotation device according to claim 1, wherein the high-speed rotation device is configured with a spacer interposed therebetween.
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