JPH06100225B2 - 超電導軸受装置 - Google Patents

超電導軸受装置

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JPH06100225B2
JPH06100225B2 JP3051429A JP5142991A JPH06100225B2 JP H06100225 B2 JPH06100225 B2 JP H06100225B2 JP 3051429 A JP3051429 A JP 3051429A JP 5142991 A JP5142991 A JP 5142991A JP H06100225 B2 JPH06100225 B2 JP H06100225B2
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    • Y10S505/903—Suspension, e.g. magnetic, electrodynamic

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば高速回転を
必要とする流体機械や工作機械、または余剰電力をフラ
イホイールの運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵
装置に適用される超電導軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導軸受として、たとえば、特開昭６
３−２４３５２３号公報に示すようなものが知られてい
る。
【０００３】この超電導軸受は、第１種超電導体すなわ
ち磁束侵入を完全に阻止する超電導体を用いており、超
電導体の完全反磁性現象を利用したものである。この超
電導軸受は、超電導体からなる回転軸の両端を、それぞ
れ一方磁極の磁気を帯びた磁性体からなる１対の支持部
材の凹みにそれぞれ入れ、回転軸をアキシアル方向に非
接触支持するように構成されている。
【０００４】ところで、この従来の超電導軸受では、上
述したように、完全反磁性の性質を利用して非接触支持
を行なうものゆえ、反発方向と直交する方向が不安定と
なるため、回転軸の両端を支持する支持部材について、
回転軸の両端を包み込む形状に加工する必要があるとと
もに、回転軸の両端と支持部材との間でアキシアル方向
およびラジアル方向で対向する部分を、磁化させる必要
があり、製作、設計が面倒なものであった。
【０００５】そこで、本出願人は、簡単な構成で安定的
に回転の支持が行なえる超電導軸受として、回転軸に取
付けられた永久磁石と、これに対向するように配置され
る超電導体とからなり、上記永久磁石が、上記回転軸の
回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないよ
うに上記回転軸に取付けられたものであり、上記超電導
体が、上記永久磁石の磁束侵入を許容するもので、上記
永久磁石の磁束が所定量侵入する離間位置であってかつ
上記回転軸の回転によって侵入磁束の分布が変化しない
位置に配置されるものである超電導軸受を提案した（特
願平２−１８８６９３号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のような超電導軸
受の運転を開始する前には、超電導体と磁気軸受の相対
位置を決定する機構がないため、超電導軸受の運転効率
が悪いという問題がある。また、超電導体が万一常電導
化（クエンチ）した場合、回転軸およびそのまわりの部
品が破損するという問題がある。
【０００７】この発明の目的は、上記の問題を解決した
超電導軸受装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明による超電導軸
受装置は、固定部分に対して回転軸心方向および回転軸
心方向に直交する方向の移動ならびに回転ができるよう
に配置された回転体が、超電導軸受により非接触状態に
回転支持されるようになされた超電導軸受装置におい
て、上記超電導軸受が、上記回転体に取付けられた永久
磁石と、これに対向するように上記固定部分に取付けら
れた超電導体とからなり、上記永久磁石が、上記回転体
の回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって変化しない
ように上記回転体に取付けられたものであり、上記超電
導体が、上記永久磁石の磁束侵入を許容するもので、上
記永久磁石の磁束が所定量侵入する離間位置であってか
つ上記回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しな
い位置にくるように固定部分に取付けられており、固定
部分と回転体との間に、前者が下方にくるように相対向
する部分が設けられ、この対向部分にスラスト玉軸受で
構成されるタッチダウン軸受が配置され、固定部分と回
転体との間に、タッチダウン軸受の固定部分側の軌道輪
を昇降させて固定部分と回転体との相対位置を設定する
ための初期位置決め機構が設けられていることを特徴と
するものである。
【０００９】
【作用】超電導軸受の超電導体に侵入した永久磁石の磁
束による拘束作用でもって、永久磁石と超電導体とが所
定の間隔をあけて対向した状態で保持される。この状態
においては、永久磁石を備える回転体をその軸心まわり
に回転させることが可能である。このとき、超電導体に
侵入した磁束は、磁束分布が回転軸心に対して均一で不
変である限り、回転を妨げる抵抗とはならない。したが
って、超電導体に対して所定の位置に回転体に備える永
久磁石を相対位置させるだけで、アキシアル方向および
ラジアル方向に非接触状態で支持することができる。
【００１０】超電導軸受の運転を開始する前に、初期位
置決め機構により、スラスト玉軸受で構成されるタッチ
ダウン軸受の固定部分側の軌道輪を上昇させると、回転
体が持ち上げられて固定部分と回転体の回転軸心方向の
位置決めがなされるとともに、タッチダウン軸受の軌道
輪の軌道みぞと玉との働きにより両者の回転体の回転軸
心と直交する半径方向の位置決めがなされ、固定部分側
の超電導体と回転体側の永久磁石の相対位置を設定する
ことができる。そして、この相対位置を適当に設定する
ことにより、超電導軸受の効率の良い運転が可能にな
る。
【００１１】固定部分と回転体との間に、前者が下方に
くるように相対向する部分が設けられており、この対向
部分にタッチダウン軸受が設けられていれば、超電導軸
受が万一クエンチした場合でも、回転軸およびそのまわ
りの部品の破損が防止される。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。
【００１３】図１は超電導軸受装置の全体構成を概略的
に示しており、この軸受装置は、垂直に配置されるハウ
ジング（固定部分）(1) と、ハウジング(1) 内の中心に
非接触状態に回転支持される垂直な回転軸（回転体）
(2) とを備えている。
【００１４】ハウジング(1) 内に回転軸(2) を高速回転
させるための高周波電動機(3) が設けられ、その下方に
回転軸(2) を非接触状態に支持するための超電導軸受
(4) が設けられている。
【００１５】電動機(3) は、回転軸(2) に取付けられた
ロータ(5) と、ロータ(5) の周囲に配置され、かつ図示
しない支持部材を介してハウジング(1) に取付けられた
ステータ(6) とから構成されている。
【００１６】超電導軸受(4) は、次のように構成されて
いる。ハウジング(1) の内周面に、上下に所定間隔をお
いて１対の水平環状体(7)(8)が固定されている。両環状
体(7)(8)の中心にはそれぞれこれらを上下に貫通する貫
通穴(9)(10) が形成され、これらの穴(9)(10) に回転軸
(2) が隙間をあけて通されている。下の穴(10)の径は上
の穴(9) の径よりも小さくなっている。
【００１７】上下の環状体(7)(8)間において、回転軸
(2) には、水平円板状永久磁石部(11)が同心状に設けら
れている。永久磁石部(11)は、回転軸(2) に固定状に設
けられた水平円板(12)を備えている。円板(12)の上下両
面にそれぞれ回転軸(2) と同心状に環状凹みぞ(13)が形
成されており、これらの凹みぞ(13)内にそれぞれ環状永
久磁石(14)が嵌められて固定されている。永久磁石(14)
は、回転軸(2) の回転軸心の周囲の磁束分布が回転によ
って変化しないように設けられている。
【００１８】両環状体(7)(8)内にそれぞれ環状中空部(1
5)(16)が形成され、この中に、周方向に等間隔をおいて
互いに近接して複数の板状超電導体(17)が配置されてい
る。超電導体(17)は、イットリウム系高温超電導体、た
とえばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる基板の内部に常電導
粒子（Ｙ２Ｂａ１Ｃｕ１）を均一に混在させたものから
なり、永久磁石(14)から発せられる磁束侵入を拘束する
性質を持つものである。そして、超電導体(17)は、永久
磁石(14)の磁束が所定量侵入する離間位置であってかつ
上記回転軸(2) の回転によって侵入磁束の分布が変化し
ない位置に配置されている。
【００１９】上下の中空部(15)(16)は、ハウジング(1)
内に形成された連通路(18)によって連通させられてい
る。連通路(18)に、温度制御ユニット(19)付きの冷却装
置(20)が接続されている。そして、冷却装置(20)によ
り、たとえば液体窒素などの冷却剤が連通路(18)および
中空部(15)(16)を通して循環させられ、中空部(15)(16)
内に満たされる冷却剤によって超電導体(17)が冷却され
る。このため、超電導体(17)が超電導状態になって、永
久磁石部(11)の永久磁石(14)から発せられる磁束の多く
が超電導体(17)の内部に侵入して拘束されることになる
（ピンニング現象）。ここで、超電導体(17)はその内部
に常電導粒子が均一に混在されているため、超電導体(1
7)内部への侵入磁束の分布が一定となり、そのため、あ
たかも超電導体(17)に立設した仮想ピンに永久磁石(14)
が貫かれたようになり、超電導体(17)に対して永久磁石
部(11)とともに回転軸(2) が拘束される。そのため、回
転軸(2) は、きわめて安定的に浮上した状態で、アキシ
アル方向およびラジアル方向に支持されることになる。
【００２０】永久磁石部(11)の下面と下側の環状体(8)
の上面との相対向する部分に、セラミックス製のスラス
ト玉軸受よりなるタッチダウン軸受(21)が回転軸(2) と
同心状に設けられている。タッチダウン軸受(21)の上側
の軌道輪(22)は円板(12)の下面に同心状に形成された環
状みぞ(25)内に嵌められて固定され、下側の軌道輪(23)
は環状体(8) の上面にみぞ(25)と対向するように形成さ
れた環状みぞ(26)内に昇降自在でかつ半径方向に若干移
動自在に配置されている。両軌道輪(22)(23)の軌道みぞ
(22a)(23a)間に複数の玉(24)が配置されている。みぞ(2
6)内において軌道輪(23)の下方に軌道輪(23)を昇降させ
る昇降装置(27)が設けられている。昇降装置(27)は、た
とえば複数の圧電素子を積層状に配置することにより構
成される。そして、タッチダウン軸受(21)と昇降装置(2
7)によって環状体(8) と永久磁石部(11)との相対位置を
設定するための初期位置決め機構が構成されている。
【００２１】運転中に、万一、超電導軸受(4) の超電導
体(17)が常電導化して支持力がなくなったような場合、
タッチダウン軸受(21)の上側の軌道輪(22)が、下側の軌
道輪(23)の軌道みぞ(23a) 内に配置されている玉(24)に
接触し、回転軸(2) が回転支持される。このため、回転
軸(2) およびそのまわりの部品の破損が防止される。
【００２２】運転時には、昇降装置(27)は下方の運転位
置まで下降しており、前記のように超電導軸受(4) によ
って回転軸(2) が支持されることにより、上側の軌道輪
(22)が玉(24)から離れている。また、回転軸(2) はハウ
ジング(1) のほぼ中心に支持された状態で回転し、永久
磁石部(11)は両環状体(7)(8)のほぼ上下中央に支持され
ている。
【００２３】停止時には、通常、冷却装置(20)からの冷
却剤の供給も停止している。このため、超電導体(17)は
常電導状態になり、支持力がなくなっている。このた
め、回転軸(2) は、タッチダウン軸受(21)を介してハウ
ジング(1) に支持された状態で停止している。
【００２４】このような停止状態の軸受装置は、次のよ
うにして運転状態にされる。
【００２５】まず、昇降装置(27)によりタッチダウン軸
受(21)の下側の軌道輪(23)を上方の設定位置まで上昇さ
せる。軌道輪(23)が上昇すると、玉(24)が両軌道輪(22)
(23)の軌道みぞ(22a)(23a)に接触して回転軸(2) が上に
持ち上げられ、下側環状体(8) と永久磁石部(11)の上下
方向の位置決めがなされるとともに、タッチダウン軸受
(21)の両軌道輪(22)(23)の軌道みぞ(22a)(23a)と玉(24)
の作用によって、半径方向の位置決めがなされ、回転軸
(2) とハウジング(1) との相対的位置決めがされる。こ
のとき、上側の永久磁石(14)は上側環状体(7) の下面に
接近し、上側環状体(7) の下面から上側永久磁石(14)の
上面までの距離は下側環状体(8) の上面から下側永久磁
石(14)の下面までの距離より小さくなっている。
【００２６】このように回転軸(2) が位置決めされたな
らば、冷却装置(20)により中空部(15)(16)に冷却剤を循
環させて、超電導体(17)を冷却する。超電導体(17)が冷
却されて超電導状態になると、前述のように支持力が発
生するので、初期位置決め装置(27)を運転位置まで下降
させて、これによる支持をなくす。初期位置決め装置(2
7)による支持力がなくなると、回転軸(2) は自重で若干
下降して、超電導軸受(4) の磁気反発力およびピン止め
力と釣合う位置に停止する。これにより、永久磁石部(1
1)が両環状体(7)(8)のほぼ上下中央に支持され、回転軸
(2) が前述のように非接触状態に支持されるので、電動
機(3) により回転軸(2) を回転させて、運転を開始す
る。
【００２７】
【発明の効果】この発明の超電導軸受装置によれば、上
述のように、簡単な構造の超電導軸受で回転体を安定的
に支持することができるとともに、運転前に初期位置決
め機構でタッチダウン軸受の固定部分側の軌道輪を上昇
させることにより固定部分と回転体の相対位置を適当に
設定して、効率の良い運転をすることができる。また、
固定部分と回転体との対向部分にタッチダウン軸受を設
けることにより、超電導軸受が万一常電導化した場合で
も、回転体およびそのまわりの部品の破損を防止するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す超電導軸受装置の概略
縦断面図である。
【符号の説明】
１ ハウジング（固定部分） ２ 回転軸（回転体） ４ 超電導軸受 １４ 永久磁石 １７ 超電導体 ２１ タッチダウン軸受 ２３ 軌道輪 ２７ 昇降装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固定部分に対して回転軸心方向および回
    転軸心方向に直交する方向の移動ならびに回転ができる
    ように配置された回転体が、超電導軸受により非接触状
    態に回転支持されるようになされた超電導軸受装置にお
    いて、 上記超電導軸受が、上記回転体に取付けられた永久磁石
    と、これに対向するように上記固定部分に取付けられた
    超電導体とからなり、上記永久磁石が、上記回転体の回
    転軸心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないよう
    に上記回転体に取付けられたものであり、上記超電導体
    が、上記永久磁石の磁束侵入を許容するもので、上記永
    久磁石の磁束が所定量侵入する離間位置であってかつ上
    記回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位
    置にくるように固定部分に取付けられており、固定部分
    と回転体との間に、前者が下方にくるように相対向する
    部分が設けられ、この対向部分にスラスト玉軸受で構成
    されるタッチダウン軸受が配置され、固定部分と回転体
    との間に、タッチダウン軸受の固定部分側の軌道輪を昇
    降させて固定部分と回転体との相対位置を設定するため
    の初期位置決め機構が設けられていることを特徴とする
    超電導軸受装置。
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