JP6535168B2 - 超電導磁気軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、超電導磁気軸受に係り、例えば超電導フライホイール蓄電システムなどに適用可能な超電導磁気軸受に関するものである。
従来、本特許出願人が開発を進めている超電導フライホイール蓄電システムは、超電導磁気軸受によってロータを非接触で浮上させているため、数トン級の大型のフライホイールを使用しても、損失が少なく、長期間の安定した運用が可能なシステムにする必要から、超電導磁気軸受のロータは、数トン級の高荷重を支えることと、熱侵入が少ないことを両立可能な高剛性・断熱支持構成とすることが望まれる。
特開2008−249130号公報 特開2012−007708号公報
しかしながら、高速回転するロータの超電導バルクと、直流磁界を発生するステータの超電導コイルを組合わせたことを特徴とする超電導磁気軸受において、ロータのバルク設置部は概ねマイナス220℃以下に維持する必要があるため、冷凍機の冷凍能力との兼ね合いで、室温からの伝導熱侵入量を数W以下になるように低熱侵入化する必要がある。一方、数トン級のフライホイールの大荷重を支える必要もあり、高断熱で高強度のロータを実現する必要がある。
本発明は、上記状況に鑑みて、数トン級のフライホイールの大荷重を支えるとともに、高断熱で高強度のロータを実現する、超電導磁気軸受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〕超電導磁気軸受において、ロータが、微細なアルミナ長繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱の外筒と、該外筒の内側の回転軸中心位置に配置され、微細なアルミナ長繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱のロッド部材と、前記外筒の常温側端及び前記ロッド部材の常温側端に取り付けられた常温側フランジと、前記外筒の低温側端及び前記ロッド部材の低温側端に取り付けられた低温側フランジと、該低温側フランジに収納され、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる超電導バルク材とを備え、前記常温側フランジ及び低温側フランジによって、前記外筒には予圧縮力が付与され、前記ロッド部材には予張力が付与されていることを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒の肉厚を数mm以下としたことを特徴とする。
〔3〕上記〔2〕記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒を構成するアルミナ繊維をフィラメントワインディング法により構成したことを特徴とする。
〔4〕上記〔3〕記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒の内側にアルミニウム蒸着マイラーフィルムを一体成型したことを特徴とする。
〕上記〔〕記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱のロッド部材に円盤状の熱遮蔽部材を複数個設置したことを特徴とする。
〕上記〔〕記載の超電導磁気軸受において、前記円盤状の熱遮蔽部材がFRP製板で、かつその表面にアルミニウムを厚さ数十から数百オングストローム形成したことを特徴とする。
〕上記〔〕記載の超電導磁気軸受において、前記円盤状の熱遮蔽部材において前記FRP製板成形時にアルミニウム蒸着マイラーフィルムを一体化したことを特徴とする。
〕上記〔1〕記載の超電導磁気軸受において、前記ロータが液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる希土類系超電導バルクを配置したことを特徴とする。
10〕上記〔〕記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包する材料が厚さ数mmのFRP部材から構成されることを特徴とする。
11〕上記〔10〕記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包するFRP部材がシートワインディング法により作製されたことを特徴とする。
12〕上記〔10〕記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包するFRP部材において、セットビス等の回転バランス調整部品を外付け可能な構成となっていることを特徴とする。
本発明によれば、超電導磁気軸受のロータ構成において、室温からの伝導熱侵入量が数W以下に低熱侵入化することができ、かつ数トン級のフライホイールの大荷重を支えることが可能な超電導磁気軸受が実現できる。
本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電システムに適用可能な超電導磁気軸受の基本構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの内部斜視図である。 図2のA−A線矢視図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの上面図である。 図2のB部拡大断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第1製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第2製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第3製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第4製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第5製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第6製作工程説明図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第7製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第8製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第9製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの第10製作工程断面図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの外筒の構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータのロッド部材の構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッド部材の埋込みボルトの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッド部材の2つ割スリーブの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの熱遮蔽板(バッフル)の構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッド部材の2つ割のカラー(上側)の構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの凹凸カラーの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトのバルクホルダー取付フランジの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの上部ベース取付フランジの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの超電導バルク(小)のバルクホルダーの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの超電導バルク(大)のバルクホルダー下フランジの構成図である。
本発明の超電導磁気軸受は、ロータが、微細なアルミナ繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱の外筒と、ロッド部材と、常温側フランジと、低温側フランジと、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる超電導バルク材から構成され、前記高強度かつ高断熱の外筒の内側の回転軸中心位置に微細なアルミナ長繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱のロッド部材を配置し、外筒に数トンの予圧縮力を付与可能な機構を有する。
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超電導フライホイール蓄電システムに適用可能な超電導磁気軸受の基本構成図である。
この図において、1は超電導磁気ベアリング(SMB)、2はフライホイール、3は真空容器、4はモーター/発電機、5は直流磁界を発生する超電導コイルを有するステータ、6はフライホイールシャフト、7は断熱シャフト、8はコンクリートベース、9は磁性流体真空シール、9Aはタッチダウン軸受、9BはAMB(Active Magnetic Bearing)である。
図2は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの構成図である。
この図において、10はロータ(断熱シャフトとも総称する)、11は外筒(断熱パイプ)、12は熱遮蔽板(対流防止板:FRP板、SUS,Alなどの非磁性金属でもよい)、13はロッド部材(シャフト)、14は断熱ロッド常温側フランジ、15は断熱ロッド低温側フランジ、16は常温側フランジ、17は低温側フランジ、18は超電導バルク(大)、19は超電導バルク(小)、20は超電導バルク(大)ホルダー、21Aは上部カラー、21Bは中間カラー、21Cは下部カラー、22Bはボルト、23A、23Bは超電導バルク(小)を外包するFRP部材である。
超電導磁気軸受のロータ10を、アルミナを主成分とする長繊維にエポキシ樹脂を含浸し直径約160mmの巻軸にらせん状にかつ交互に規則的に巻いた後、加熱硬化させて脱芯し製作した厚さ数mmの外筒(FRPパイプ)11の内部に板厚数mm、直径約150mmの円板状の熱遮蔽板(FRP板)12を十数枚軸方向に規則的な間隔で離間させて配置したものから構成することにより、室温からの熱侵入量が数W以下に低熱侵入化でき、かつ数トン級のフライホイールの大荷重を支えることが両立可能になる。
また、図3に示すように、常温側フランジ16と超電導バルク(大)18を収納する低温側フランジ17を直結するアルミナを主成分とする長繊維とエポキシ樹脂からなるA(アルミナ)FRPロッド部材(シャフト)13に予張力を付与する形で設置することにより、常温側フランジ16と低温側フランジ17と断熱パイプ11が強固に一体化できるのでロータ(断熱シャフト)10の剛性をより高くすることができる。
さらに、図4および図5に示すように、前記希土類系超電導バルクを外包するFRP部材23A、23Bにおいて、嵌合ピン24Aで組み付けることで回転中心を正確に一致させることができる。
さらに、図6のように、熱遮蔽板(FRP板)12はカラー21A、21Bによって固定され組み上げられて上部の押付力付与ボルト29で押付力が付与される機構となっている。
以下、ロータ(断熱シャフト)10の製作手順について説明する。
(1)図7に示すように、手順0−1:2つ割りのカラーは合いマークを入れて、セット組みの区別をする。手順0−2:ロッド部材(シャフト)13を低温側フランジ(下部ベース)15に挿入し、スリーブ25と埋め込みボルト26Bを治具に固定する。手順0−3:保護フィルム付の熱遮蔽板12とカラー21A〜21Bを10段仮組みし、部品の加工寸法を確認する。
(2)図8に示すように、手順1−1:カラー21A〜21Bを取外し、保護フィルム付の熱遮蔽板12を10枚重ねる。手順1−2:次に2つ割のスリーブ25を入れ埋め込みボルト26Bで固定する。
(3)図9に示すように、手順2−1:周囲温度と物温度が20℃以上であることを確認、記録する。これは使用する接着剤の反応条件により決まるものである。手順2−2:上部ベースのフランジ面4箇所(90°等配)をダイアルゲージで測定し、レベルを出しながらボルト27を締め付ける。ロードセルの値を見ながらボルト27を締め上げ、最後はトルク値780kgf・cmで締める。手順2−3:ロードセルの値を読み、3500kgf前後の与張力を確認する。手順2−4:極低温用補強材入り接着剤SK229は主剤: 硬化剤=1g: 1g(合計2g)を混ぜる。接着剤を混ぜ始めた時刻を記録する。最下段のカラー21Bの内径(シャフト接触面)に接着剤SK229をヘラで均一に塗り、カラー21A〜21Bを組み込む。手順2−5:同手順にて熱遮蔽板12と接着剤SK229を塗布したカラー21A〜21Bを10段組み上げる。接着終了時刻を記録する。手順2−6:頭バネ付きボルトとナットを超音波洗浄器で脱脂洗浄し、接着剤SK229を塗布する。
(4)図10に示すように、手順3−1:SUS板を接着したカラーに接着剤SK229を塗布し組み込む。手順3−2:ボルト・ナットを締め、時刻を記録する。手順2−4から手順3−2までに要した時間が60分以内を目標とする。手順3−3:フランジ面間寸法を測定する。手順3−4:上部埋込みボルト26Aを入れて締める。手順3−5:下部埋込みボルト26Bを入れて締める。手順3−6:一定温度が40℃に昇温しオーブンに12時間以上加熱、硬化させる。なお、上部埋込みボルト26Aと下部埋込みボルト26Bは同じ部品である。
(5)図11に示すように、手順4−1:上部治具28を外し、張力をなくす。手順4−2:フランジ面間寸法を測定する。
(6)図12に示すように、手順5−1:部品の寸法を測定する。手順5−2:フランジ面間寸法を測定する。なお、24はロータのバランスを調整する1g以下のセットビスいわゆるイモねじである。
(7)図13に示すように、手順6−1:周囲温度と物温度が20℃以上であることを確認、記録する。手順6−2:外筒11の接着部を#400サンドペーパーで荒らし、シンナーで脱脂する。脱脂後、平均粒径約16μm窒化ケイ素ビーズを入れた接着剤SK229をヘラで均一に塗る。接着剤SK229は主剤: 硬化剤: 窒化ケイ素ビーズ=1g: 1g: 0.2g(合計2.2g)を混ぜる。接着剤を混ぜ始めた時間と、接着終了時刻を記録し、60分以内を目標とする。手順6−3:バルクホルダー取付フランジを挿入してボルトをトルク値780kgf・cmで締め込む。ボルトは超音波洗浄器で脱脂洗浄し、接着剤SK229を塗布する。接着剤を混ぜ始めた時間と、ボルト締め込み完了時刻を記録し、60分以内を目標とする。手順6−4:上部ベース取付フランジを挿入してボルトをトルク値920kgf・cmで締め込む。ボルトは超音波洗浄器で脱脂洗浄し、接着剤SK229を塗布する。接着剤を混ぜた時間と、ボルト締め込み完了時刻を記録し、60分以内を目標とする。手順6−5 :0.01tのスキマゲージが入らないことを確認する。手順6−6:フランジ面間寸法を測定する。手順6−7:バルクホルダー23Aをバルクホルダーフランジ23Bに接着する。接着剤SK229は主剤: 硬化剤=0.5g: 0.5g(合計1g)を混ぜる。接着剤を混ぜ始めた時間と、接着完了時刻を記録し、60分以内を目標とする。なお、30は接着部である。
(8)図14に示すように、手順7−1:一定温度が40℃に昇温したオーブンに12時間以上加熱,硬化させる。手順7−2:その後、オーブンから取り出し、乾燥剤シリカゲル等の乾燥剤を入れたデシケーターに保管する。
(9)図15に示すように、手順8−1、8−2:バランス取り用軸AおよびBを取り付ける。手順8−3:芯振れ度合いの確認と回転中心合せの調整をする。ダイアルゲージ値で0.03以内を良とする。
(10)図16に示すように、手順9−1:周囲温度と物温度が20℃以上であることを確認、記録してから作業する。手順9−2:回転バランス取りマシーンにセットし、セットビス(イモねじともいう)調整にてバランス取りを行う。回転数約1000rpmで回転バランス取りを行う。上部側A下部側B共に表示値50mg以下を良とする。上部側下部側共に、セットビス調整(ビス頭が外部に出ないようにする)。セットビスに接着剤SK229を塗布する。手順9−3:バランス取り完了時刻を記録する。手順9−2に要した時間が、60分以内を目標とする。バランス取り完了後、断熱シャフトはシリカゲル等の乾燥剤を入れたデシケーターに保管する。なお、31は回転力伝達ベルトである。
以下、ロータ(断熱シャフト)10の各部品について説明する。
図17は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの外筒の構成図であり、図17(a)は軸方向断面図、図17(b)は軸方向からみた図、図17(c)は斜視図である。
この外筒11は, 直径7〜25μmのアルミナ繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱の外筒(パイプ部材)であり、アルミナ繊維をフィラメントワインディング法で巻き、エポキシ樹脂で固めて作製される。厚さ2mmのパイプ部材ながら、40トンの圧縮力に耐える高強度断熱部材である。また、この高強度かつ高断熱の外筒11の内側にアルミニウム蒸着マイラーフィルム11aを接着しても良い。
図18は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータのロッド部材(シャフト)13の構成図であり、図18(a)は側面図、図18(b)は斜視図である。
この超電導磁気軸受ロータのロッド部材(シャフト)13はアルミナ繊維を一方向に配置しエポキシ樹脂で固めたものであり、引張りに強く、10トンの張力によっても破断しない。また、両端部には端に向かって拡がるテーパー面13Aが形成されている。
図19は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッド部材の埋込みボルト26Bの構成図であり、図19(a)は側面図、図19(b)は上面図、図19(c)は斜視図である。なお、埋込みボルト26A(26Bも同様)の中心部にはボルト固定用六角穴26Cが設けられている。
この埋込みボルト26A(26Bも同様)は断熱ロッド張力付与後に所定トルクで断熱ロッドを固定するSUS製ボルトである。
図20は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッドの2つ割スリーブの構成図であり、図20(a)は上面図、図20(b)は断面図、図20(c)は斜視図である。
このスリーブ22は、断熱ロッド部材(シャフト)13とSUSフランジの
間に設置され、かしめの緩衝材の役割を担う。
図21は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの熱遮蔽板(バッフル)の構成図であり、図21(a)は上面図、図21(b)は断面図、図21(c)は斜視図である。
この熱遮蔽板(バッフル)12は、FRP製の厚さ数mmの円板からなり、両側の表面にアルミニウム12Aを厚さ数十から数百オングストローム形成する。
図22 は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッド部材の2つ割のカラー(上側)の構成図であり、図22(a)は上面図、図22(b)は断面図、図22(c)は斜視図である。
この断熱ロッドのカラー(上側)21Aは、2つ割りGFRP部品からなり、熱遮蔽板(バッフル)の固定用として機能する。
図23は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱ロッドの凹凸カラーの構成図であり、図23(a)は上面図、図23(b)は断面図、図23(c)は斜視図である。
この断熱ロッドの凹凸カラー21A,21B,21Cも、2つ割りGFRP部品からなり、断熱ロッドと熱遮蔽板(バッフル)の固定用として機能する。
図24は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトのバルクホルダー取付フランジの構成図であり、図24(a)は上から見た図、図24(b)は断面図、図24(c)は下から見た図、図24(d)は図24(a)のバランス調整用イモねじ部のB−B線断面図、図24(e)は図24(a)のガス抜け穴のC−C線断面図、図24(f)は斜視図である。
図25は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの上部ベース取付フランジの構成図であり、図25(a)は上面図、図25(b)は断面図、図25(c)は図25(a)のバランス調整用イモねじ部のB−B線断面図、図25(d)は図25(a)のフライホイールシャフトとの接続構成のC−C線断面図、図25(e)は斜視図である。
図番24は、回転バランス調整部品であり、調整ネジ(イモねじ)24の挿入箇所が設けられている。
図26は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの超電導バルク(小)のバルクホルダー用の構成図であり、図26(a)は上面図、図26(b)は断面図、図26(c)は図26(b)のA−A線矢視図であり、超電導バルク冷却用の貫通穴23Cが設けられている。
このバルクホルダーは、超電導バルクを外包するGFRP部であり、シートワインディング法で製作され超電導バルク(小)を液体窒素で冷やして縮めて、通常のバルクホルダ内に収納する冷やし嵌め法で組立てることも可能である。
図27は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受ロータの断熱シャフトの超電導バルク(大)のホルダー下フランジの構成図であり、シートワインディング法で製作されたGFRP部23Aである。図27(a)は上面図、図27(b)は断面図、図27(c)は斜視図である。
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。
本発明は、数トン級のフライホイールの大荷重を支えるとともに、高断熱で高強度のロータを実現する、超電導磁気軸受として利用可能である。
1 超電導磁気軸受(SMB)
2 フライホイー
3 真空容器
4 モーター/発電機
5 直流磁界を発生する超電導コイルを有するステータコイル
6 フライホイール用シャフト
7 仮組み治具
8 コンクリートベース
9 磁性流体真空シール
9A タッチダウン軸受
9B AMB(アクティブ・マグネティックベアリング)
10 ロータ(断熱シャフト)
11 断熱パイプ(外筒)
12 熱遮蔽板
12A アルミニウム等薄膜
13 ロッド部材(シャフト)
14 断熱ロッド常温側フランジ
15 断熱ロッド低温側フランジ
16 常温側フランジ
17 低温側フランジ
18 超電導バルク(大)
19 超電導バルク(小)
20 超電導バルク(大)用ホルダー
21A 上部カラー
21B 中間カラー
21C 下部カラー
22A,22B ボルト
23A,23B 超電導バルクを外包するGFRP部材
23C 超電導バルク冷却用の貫通
24 回転バランス調整部品(イモねじ、セットビス)
24A 嵌合ピン
25 かしめスリーブ
26A,26B 埋め込みボルト
26C ボルト固定用六角穴
27 吊り上げボルト
28 上部治具
29 押付力付与ボルト
30 接着部
31 回転力伝達ベルト

Claims (11)

  1. 超電導磁気軸受において、
    ロータが、
    微細なアルミナ長繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱の外筒と、
    該外筒の内側の回転軸中心位置に配置され、微細なアルミナ長繊維とエポキシ樹脂を主材料とする高強度かつ高断熱のロッド部材と、
    前記外筒の常温側端及び前記ロッド部材の常温側端に取り付けられた常温側フランジと、
    前記外筒の低温側端及び前記ロッド部材の低温側端に取り付けられた低温側フランジと、
    該低温側フランジに収納され、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる超電導バルク材とを備え、
    前記常温側フランジ及び低温側フランジによって、前記外筒には予圧縮力が付与され、前記ロッド部材には予張力が付与されていることを特徴とする超電導磁気軸受。
  2. 請求項1記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒の肉厚を数mm以下としたことを特徴とする超電導磁気軸受。
  3. 請求項2記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒を構成するアルミナ繊維をフィラメントワインディング法により構成したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  4. 請求項3記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱の外筒の内側にアルミニウム蒸着マイラーフィルムを一体成型したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  5. 請求項1記載の超電導磁気軸受において、前記高強度かつ高断熱のロッド部材に円盤状の熱遮蔽部材を複数個設置したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  6. 請求項記載の超電導磁気軸受において、前記円盤状の熱遮蔽部材がFRP製板で、かつその表面にアルミニウムを厚さ数十から数百オングストローム形成したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  7. 請求項記載の超電導磁気軸受において、前記円盤状の熱遮蔽部材において前記FRP製板成形時にアルミニウム蒸着マイラーフィルムを一体化したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  8. 請求項1記載の超電導磁気軸受において、前記ロータが液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる希土類系超電導バルクを配置したことを特徴とする超電導磁気軸受。
  9. 請求項記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包する材料が厚さ数mmのFRP部材から構成されることを特徴とする超電導磁気軸受。
  10. 請求項記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包するFRP部材がシートワインディング法により作製されたことを特徴とする超電導磁気軸受。
  11. 請求項記載の超電導磁気軸受において、前記希土類系超電導バルクを外包するFRP部材において、セットビス等の回転バランス調整部品を外付け可能な構成となっていることを特徴とする超電導磁気軸受。
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