JPH0968224A - 超電導軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 用いられる回転体の重量を大きくする。 【解決手段】 垂直状回転体１と、回転体１の周囲に隙
間をおいて配置されかつ中空部30b を有する環状ハウジ
ング30と、回転体１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、環状ハウジング30に対して
回転体１の回転軸心方向に間隔をおいて回転体１に同心
状にかつ固定状に設けられた環状永久磁石11と、永久磁
石11の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転
体１の回転によって侵入磁束の分布が変化しないよう
に、環状ハウジング30の中空部30b 内に配置されている
第２種超電導体38と、環状ハウジング30の中空部30b 内
に冷却流体を循環させる手段とを備えている超電導軸受
装置である。環状ハウジング30の底壁部の上面に、環状
ハウジング30の中空部30b 内を複数の区画36に分割する
仕切壁37を固定状に設ける。各区画36内に第２種超電導
体38を配置する。すべての区画36を連通させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、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、ジャイロスコープなどに適用される超電導軸受装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種超電導軸受装置として、特開平６
−８１８４１号公報に記載されているものが知られてい
る。

【０００３】この超電導軸受装置は、図６に示すよう
に、垂直な軸状の回転体(1) と、回転体(1) の回転軸心
方向に間隔をおいて設けられかつ回転体(1) を図示しな
い固定部に対して非接触状態で支持する超電導軸受部
(2) とを備えている。

【０００４】回転体(1) は、駆動用高周波電動機(4) で
高速回転させられるようになっている。高周波電動機
(4) は、上下の超電導軸受部(2) の間の部分で回転体
(1) に取付けられたロータ(5) と、その周囲に配置され
て図示しない固定部に固定状に設けられたステータ(6)
とよりなる。

【０００５】両超電導軸受部(2) は、それぞれ回転体
(1) に同心状に設けられた水平円板状永久磁石部(7A)(7
B)と、永久磁石部(7A)(7B)の回転軸心方向の外側におい
てそれぞれ永久磁石部(7A)(7B)に対して回転軸心方向に
間隔をおいて対向するように配置されかつ固定部に固定
状に設けられた環状超電導体部(8A)(8B)とよりなる。超
電導軸受部(2) は、ラジアル荷重およびアキシアル荷重
を支持しうる。

【０００６】両水平円板状永久磁石部(7A)(7B)は、それ
ぞれ回転体(1) に固定状に設けられた、たとえば銅など
の非磁性体からなる水平円板(9) を備えている。上側の
永久磁石部(7A)の円板(9) の上面、および下側の永久磁
石部(7B)の円板(9) の下面に、それぞれ回転体(1) と同
心状に環状凹みぞ(10)が形成されており、これらの凹み
ぞ(10)内にそれぞれ環状永久磁石(11)が嵌められて固定
されている。永久磁石(11)は、回転体(1) 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。

【０００７】環状超電導体部(8A)(8B)は、たとえば銅あ
るいは非磁性ステンレス鋼などの非磁性体からなりかつ
固定部に固定された水平環状ハウジング(12)を備えてい
る。両超電導体部(8A)(8B)の水平環状ハウジング(12)
は、電動機(4) および両永久磁石部(7A)(7B)を囲繞する
ように配置されかつ永久磁石部(7A)(7B)の外径よりも大
きな内径を有する円筒状体(16)の上下両端面に固定され
ている。環状ハウジング(12)の中心にはこれを上下に貫
通する穴(12a) が形成され、この貫通穴(12a) に回転体
(1) が隙間をあけて通されている。環状ハウジング(12)
内に環状中空部(12b) 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するように、複数の円板状超
電導体(13)が配置されている。全ての円板状超電導体(1
3)の体積は等しくなっている。環状ハウジング(12)に、
その内部の環状中空部(12b) と連通するように、冷却流
体供給管(14)および同排出管(15)が接続されている。冷
却流体供給管(14)および同排出管(15)は、図示しない温
度制御ユニットを介して冷却装置などに接続されてい
る。そして、冷却装置により冷却流体供給管(14)、中空
部(12b) および冷却流体排出管(15)を介して、たとえば
液体窒素からなる冷却流体が循環させられ、中空部(12
b) 内に満たされる冷却流体により超電導体(13)が冷却
される。

【０００８】円板状超電導体(13)は第２種超電導体であ
り、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ_２Ｃ
ｕ_３Ｏ_ｘからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ_２Ｂａ
_１Ｃｕ_１）を均一に混在させたものからなり、第２種超
電導状態が出現する環境下において、永久磁石(11)から
発せられる磁束を内部に拘束する性質を持つものであ
る。そして、超電導体(13)は、永久磁石(11)の磁束が所
定量侵入する離隔位置であってかつ上記回転体(1) の回
転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁
石(11)と対向するように配置されている。

【０００９】また、超電導軸受装置は、上側の超電導軸
受部(2) の上方および下側の超電導軸受部(2) の下方に
それぞれ離隔して設けられた磁気軸受部(17)を備えてい
る。両磁気軸受部(17)は、それぞれ２つの制御形磁気軸
受(A)(B)を備えている。すなわち、回転体(1) の互いに
直交する２つのラジアル方向にのびる軸をＸ軸およびＹ
軸とすると、両磁気軸受部(17)は、それぞれＸ軸方向の
制御形磁気軸受(A) と、Ｙ軸方向の制御形磁気軸受(B)
とよりなる。両磁気軸受(A)(B)は、それぞれＸ軸および
Ｙ軸上に、回転体(1) を両側から吸引するように配置さ
れた２つの電磁石(A1)(A2)(A3)(A4)(B1)(B2)(B3)(B4)を
備えている。電磁石(A1)(A2)(A3)(A4)(B1)(B2)(B3)(B4)
の近傍には、それぞれ１つのラジアル方向変位センサ(X
1)(X2)(X3)(X4)(Y1)(Y2)(Y3)(Y4)が配置されている。両
磁気軸受(A)(B)の２個の変位センサ(X1)(X2)(X3)(X4)
は、それぞれ回転体(1) をＸ軸方向の両側から挟み、こ
の部分の回転体(1) のＸ軸方向の変位を検出する。残り
の２個の変位センサ(Y1)(Y2)(Y3)(Y4)は、それぞれ回転
体(1) をＹ軸方向の両側から挟み、この部分の回転体
(1) のＹ軸方向の変位を検出する。

【００１０】磁気軸受部(17)は、回転体(1) の初期位置
決め、回転開始から安定回転領域に達するまでの間の回
転体(1) のふれの補正、および安定回転領域から停止す
るまでの回転体(1) のふれの補正を行うためのものであ
り、電磁石(A1)(A2)(A3)(A4)(B1)(B2)(B3)(B4)およびラ
ジアル方向変位センサ(X1)(X2)(X3)(X4)(Y1)(Y2)(Y3)(Y
4)は、それぞれ図示しない制御装置に接続されている。

【００１１】上記の超電導軸受装置には、次のように、
運転前にハウジングと回転体(1) のアキシアル方向の相
対位置を設定するための初期位置決め装置が設けられて
いる。

【００１２】回転体(1) の下方に、固定部に対して昇降
させられる昇降部材(18)が設けられている。昇降部材(1
8)の上端面にタッチダウン軸受(19)が設けられており、
停止状態の回転体(1) は、このタッチダウン軸受(19)に
より支持される。昇降部材(18)の下面に円筒穴(18a) が
形成されており、この円筒穴(18a) に、固定部に設けら
れているたとえばエアシリンダのプランジャ(20)が嵌合
している。昇降部材(18)は、軸受装置の運転状態におい
ては、回転体(1) の下端がタッチダウン軸受(19)に接触
しない下降位置にある。この実施例において、回転体
(1) の固定部分に対する初期位置決め、すなわち永久磁
石部(7A)(7B)と超電導体部(8A)(8B)の相対的位置決め
は、昇降部材(18)と磁気軸受部(17)によって行われる。

【００１３】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。

【００１４】まず、エアシリンダのプランジャ(20)を上
昇させることにより、昇降部材(18)を上方の設定位置ま
で上昇させる。昇降部材(18)が上昇すると、タッチダウ
ン軸受(19)を介して回転体(1) が上に持ち上げられる。
このように回転体(1) が持ち上げられることにより、永
久磁石部(7A)(7B)と超電導体部(8A)(8B)のアキシアル方
向の相対位置が設定され、回転体(1) の固定部に対する
アキシアル方向の位置決めが行われる。ついで、磁気軸
受部(17)により永久磁石部(7A)(7B)と超電導体部(8A)(8
B)のラジアル方向の相対位置が設定され、回転体(1) の
固定部に対するラジアル方向の位置決めが行われる。

【００１５】その後、各超電導体(13)を環状中空部(12
b) 内に循環させられる冷却流体によって冷却し、第２
種超電導状態に保持する。すると、回転体(1) の永久磁
石(11)から発せられる磁束の多くが超電導体(13)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(13)はその内部に常電導体粒子が均一
に混在されているため、超電導体(13)内部への侵入磁束
の分布が一定となり、そのため超電導体(13)に対して永
久磁石(11)とともに回転体(1) が拘束される。したがっ
て、回転体(1) 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。このとき、超電導体(13)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。超電導体(13)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、昇降部材(18)を下降位置まで下降させて、これによ
る支持をなくす。昇降部材(18)による支持力がなくなる
と、回転体(1) は自重で若干下降して、超電導軸受部
(2) の磁気力、すなわち上部超電導体部(8A)の磁気吸引
力と下部超電導体部(8B)の磁気反発力に釣合う位置に停
止する。そして、回転体(1) が高周波電動機(4) により
回転させられる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超電導軸受装置には、次のような問題があることが判
明した。すなわち、超電導軸受部(2) により回転体(1)
を非接触状態で支持したさいには、回転体(1) は、両超
電導軸受部(2) の磁気力、すなわち上部超電導体部(8A)
の磁気吸引力と下部超電導体部(8B)の磁気反発力に釣合
う位置にあるので、回転体(1) の重量が上下両超電導体
部(8A)(8B)の超電導体(13)に作用し、その結果回転体
(1) の重量が上下両超電導体部の環状ハウジング(12)の
底壁部に作用することになる。そして、従来の環状ハウ
ジング(12)では、その底壁部の強度が十分ではなく、こ
れの破損を防止するためには、回転体の重量を大きくで
きないという問題がある。また、環状ハウジング(12)内
部は、冷却流体を流す必要があるため大気圧以上にする
必要がある一方で、環状ハウジング(12)外部は真空環境
になっていることもある。この場合、その圧力差に対し
て底壁部の強度が十分ではないという問題もある。

【００１７】この発明の目的は、上記問題を解決した超
電導軸受装置を提供することにある。

【００１８】

【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、垂直状回転体と、回転体の周囲に隙間をおい
て配置されかつ中空部を有する環状ハウジングと、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、環状ハウジングに対して回転体の回転軸心方
向に間隔をおいて回転体に同心状にかつ固定状に設けら
れた環状永久磁石と、永久磁石の磁束が所定量侵入する
離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の
分布が変化しないように、環状ハウジングの中空部内に
配置されている第２種超電導体と、環状ハウジングの中
空部内に冷却流体を循環させる手段とを備えている超電
導軸受装置において、環状ハウジングの底壁部の上面
に、環状ハウジングの中空部内を複数の区画に分割する
仕切壁が固定状に設けられ、各区画内に第２種超電導体
が配置され、すべての区画が連通させられているもので
ある。

【００１９】上記超電導軸受装置によれば、環状ハウジ
ングの底壁部の上面に、環状ハウジングの中空部内を複
数の区画に分割する仕切壁が固定状に設けられているの
で、仕切壁の存在により底壁部の強度が増大する。

【００２０】また、環状ハウジングの中空部内が複数の
区画に分割され、各区画内に第２種超電導体が配置され
ているので、第２種超電導体を分割し、その大きさを小
さくすることができる。したがって、第２種超電導体の
製造が容易になって低コストで大量生産することが可能
になるとともに、回転体が非接触状態で支持されたさい
の第２種超電導体の破損が防止される。

【００２１】さらに、環状ハウジングの中空部のすべて
の区画が連通させられているので、環状ハウジングの中
空部内に冷却流体を循環させる手段の冷却流体供給管お
よび同排出管を、それぞれ１つの区画内に連通するよう
に環状ハウジングに接続しておけば、冷却流体はすべて
の区画に行き渡った後に環状ハウジングから排出される
ことになる。

【００２２】

【発明の実施形態】以下、この発明の実施形態を、図面
を参照して説明する。

【００２３】図１および図２はこの発明による超電導軸
受装置における超電導軸受部の環状超電導体部のみを示
す。

【００２４】図１および図２において、上下の超電導体
部(8A)(8B)は、たとえば銅あるいは非磁性ステンレス鋼
などの非磁性体からなりかつ固定部に固定される水平環
状ハウジング(30)を備えている。環状ハウジング(30)の
中心にはこれを上下に貫通し、かつ回転体(1) を通すた
めの穴(30a) が形成されている。環状ハウジング(30)内
に環状中空部(30b) が形成されている。

【００２５】環状ハウジング(30)は、上下２つの構成部
材(31)(32)により形成されている。上部構成部材(31)は
円板状で、その中心部に貫通穴(31a) が形成されてい
る。下部構成部材(32)は円板状本体(33)と、円板状本体
(33)の周縁部に固定状に設けられた円筒状立ち上がり壁
(34)とを備えている。円板状本体(33)の中心部に貫通穴
(33a) が形成されており、貫通穴(33a) の周縁部に円筒
状立ち上がり壁(35)が固定状に設けられている。２つの
円筒状立ち上がり壁(34)(35)の高さは互いに等しくなっ
ている。そして、下部構成部材(32)の両立ち上がり壁(3
4)(35)の上端が上部構成部材(31)の下面に溶接などによ
り固定されており、上部構成部材(31)全体が環状ハウジ
ング(30)の頂壁部となり、下部構成部材(32)の円板状本
体(33)が環状ハウジング(30)の底壁部となり、下部構成
部材(32)の外周側の立ち上がり壁(34)が環状ハウジング
(30)の外周壁部となり、下部構成部材(32)の内周側立ち
上がり壁(35)が環状ハウジング(30)の内周壁部となって
いる。また、上部構成部材(31)の貫通穴(31a) と、下部
構成部材(32)の本体(33)の貫通穴(33a) と、下部構成部
材(32)の内周側の立ち上がり壁(35)とにより環状ハウジ
ング(30)の貫通穴(30a) が形成されている。

【００２６】下部構成部材の本体(33)上面に、環状ハウ
ジング(30)の中空部(30b) 内を複数の区画(36)に分割す
る複数の仕切壁(37)が放射状にかつ固定状に設けられて
いる。各仕切壁(37)の両端は内外の立ち上がり壁(35)(3
4)にそれぞれ固定一体化されている。各区画(36)内に第
２種超電導体(38)が配置されている。なお、図１には、
１つの区画(36)内に配置される１つの第２種超電導体(3
8)のみが示されており、他の第２種超電導体(38)は省略
されている。仕切壁(37)の高さは両円筒状立ち上がり壁
(34)(35)の高さよりも低くなっており、上部構成部材(3
1)との間に間隙(39)が形成され、この間隙(39)を通じて
すべての区画(36)が連通させられている。

【００２７】環状ハウジング(30)の下部構成部材(32)の
外周側立上がり壁(34)に、それぞれ中空部(30b) の１つ
の区画(36)と連通するように、冷却流体供給管(14)およ
び同排出管(15)が接続されている。そして、冷却流体供
給管(14)から１つの区画(36)内に送り込まれた冷却流体
は、間隙(39)を通ってすべての区画(36)に行き渡った後
に冷却流体排出管(15)から排出され、これにより第２種
超電導体(38)が冷却されて第２種超電導状態に保持され
るようになっている。

【００２８】他の構成は、上述した従来の超電導軸受装
置と同じである。

【００２９】図３〜図５はこの発明の他の実施形態の超
電導軸受装置における超電導軸受部の環状超電導体部の
みを示す。なお、図３〜図５において、図１に示すもの
と同一物には同一符号を付す。

【００３０】図３〜図５において、環状ハウジング(30)
の下部構成部材(32)の本体(33)上面に、環状ハウジング
(30)の中空部(30b) 内を複数の区画(40)(40A) に分割す
る複数の仕切壁(41)(41A) が格子状にかつ固定状に設け
られている。すべての区画(40)(40A) のうち冷却流体供
給管(14)および同排出管(15)と連通している区画(40A)
を除いた各区画(40)内に第２種超電導体(42)が配置され
ている。なお、図３には、１つの区画(40)内に配置され
る１つの第２種超電導体(42)のみが示されており、他の
第２種超電導体(42)は省略されている。すべての仕切壁
(41)(41A) の高さは両円筒状立ち上がり壁(34)(35)の高
さよりも低くなっており、上部構成部材(31)との間に間
隙(43)が形成され、この間隙(43)を通じてすべての区画
(40)(40A) が連通させられている。各仕切壁(41)(41A)
の両端は、内外の立ち上がり壁(34)(35)、外側の立ち上
がり壁(34)、または内側の立ち上がり壁(35)と他の仕切
壁(41A) とにそれぞれ固定一体化されている。冷却流体
供給管(14)および同排出管(15)と連通している区画(40
A) を形成する仕切壁(41A) を除いたすべての仕切壁(4
1)の交差部分の上面に、上方に突出した段付き突起(44)
が固定状に設けられている。また、環状ハウジング(30)
全体としての強度が十分である場合には、仕切壁(41)(4
1A) の高さを低くしてもよい。この場合、上部構成部材
(31)と下部構成部材(32)とは、長さを延長した段付き突
起(44)を利用して固定される。

【００３１】上部構成部材(31)の段付き突起(44)と対応
する部分には、段付き突起(44)の小径部(44a) が嵌まる
穴(45)が形成されており、段付き突起(44)の小径部(44
a) が穴(45)に挿入されて上部構成部材(31)に溶接され
ている。したがって、上部構成部材(31)の強度も増大す
る。

【００３２】そして、冷却流体供給管(14)から１つの区
画(40A) 内に送り込まれた冷却流体は、間隙(43)を通っ
てすべての区画(40)(40A) に行き渡った後に冷却流体排
出管(15)から排出され、これにより第２種超電導体(42)
が冷却されて第２種超電導状態に保持されるようになっ
ている。

【００３３】

【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、環状ハウジングの底壁部の強度が増大す
る。したがって、従来の超電導軸受装置における環状ハ
ウジングに比べて大きな重量を支持することが可能にな
り、その結果用いられる回転体の重量を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態の超電導軸受装置に
おける超電導軸受部の超電導体部を示す分解斜視図であ
る。

【図２】同じく第２種超電導体を省略して示す超電導体
部の部分垂直断面図である。

【図３】この発明の第２の実施形態の超電導軸受装置に
おける超電導軸受部の超電導体部を示す分解斜視図であ
る。

【図４】同じく環状ハウジングの下部構成部材の一部分
を拡大して示す斜視図である。

【図５】同じく第２種超電導体を省略して示す超電導体
部の部分垂直断面図である。

【図６】従来の超電導軸受装置の全体構成を概略的に示
す一部切欠き斜視図である。

【符号の説明】

(1) 回転体 (11) 環状永久磁石 (30) 環状ハウジング (30b) 中空部 (36) 区画 (37) 仕切壁 (38) 第２種超電導体 (40)(40A) 区画 (41)(41A) 仕切壁 (42) 第２種超電導体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直状回転体と、回転体の周囲に隙間を
   おいて配置されかつ中空部を有する環状ハウジングと、
   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、環状ハウジングに対して回転体の回転軸
   心方向に間隔をおいて回転体に同心状にかつ固定状に設
   けられた環状永久磁石と、永久磁石の磁束が所定量侵入
   する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁
   束の分布が変化しないように、環状ハウジングの中空部
   内に配置されている第２種超電導体と、環状ハウジング
   の中空部内に冷却流体を循環させる手段とを備えている
   超電導軸受装置において、 環状ハウジングの底壁部の上面に、環状ハウジングの中
   空部内を複数の区画に分割する仕切壁が固定状に設けら
   れ、各区画内に第２種超電導体が配置され、すべての区
   画が連通させられている超電導軸受装置。