JPH11315836A - 強い浮上力の高温超伝導ベアリング、およびこれを用いた水平軸のフライホイ―ルエネルギ―貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的エネルギーを回転体の運動エネルギー
と変換して貯蔵し、必要の時再び電気エネルギーに変換
して使用することが可能のようにする、強い浮上力の高
温超伝導ベアリング、およびこれを用いた水平軸のフラ
イホイール（ｆｌｙ ｗｈｅｅｌ）エネルギー貯蔵装置
を提供する。 【解決手段】 回転子１１０の周りに円筒型の高温超伝
導体１０５を設置し、上記高温超伝導体１０５の上部と
下部とにはそれぞれ多数の磁石１０６、１０７を配列設
置した。この形態は、重力のように大体的な方向を有す
る力が回転子１１０に常に働くとき、強い浮上力を提供
して無接触の回転を実現させるために使われることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転装置が利用さ
れるあらゆる分野において、高温超伝導体を用いて無抵
抗のベアリングとして使われることができる強い浮上力
の高温超伝導ベアリングと、これを用いて電気的エネル
ギーを回転体の運動エネルギーと変換して貯蔵し、必要
の時再び電気エネルギーに変換して使用することが可能
のようにする、強い浮上力の高温超伝導ベアリング、お
よびこれを用いた水平軸のフライホイール（ｆｌｙ ｗ
ｈｅｅｌ）エネルギー貯蔵装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ベアリングは、現在使用されている全て
の回転装置において欠かせない部品である。通常的に回
転体の摩擦によって損失されるエネルギーを減らせるた
めにボールベアリングとか流体を用いたジャーナル・ベ
アリングを使っているが、これらは根本的に接触によっ
て固定力のみを提供するので摩擦による損失を減らせる
には限界がある。

【０００３】従って、永久磁石と電磁石を用いた無接触
のベアリングが開発された。上記ベアリングでは永久磁
石、あるいは電磁石の引力と斥力とを使って回転体を浮
上させ摩擦のない回転を実現するが、その軸を支持する
ために能動制御（ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）をす
るべきである。このような方法にはその制御のための回
路および制御装置の製作に多くの費用が必要とし、ベア
リングの動作時に継続的にエネルギーが消耗されるとい
う問題点がある。

【０００４】最近、高温超伝導体の発見以後、高温超伝
導体が磁束を通過させない反磁性と、一旦侵入した磁束
は磁束の固定点によって抜け出さないように固定される
性質を用いて能動制御が必要でない無接触のベアリング
が開発された。

【０００５】図１は、従来技術において永久磁石（ｐｅ
ｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ）１１と高温超伝導体１
２とを用いた磁気固定の例を示した斜視図である。

【０００６】永久磁石１１による磁束が高温超伝導体１
２の内部に固定することによって、上記磁石１１は高温
超伝導体１２に超伝導転移が生ずる時の相対位置で弾力
を有して固定される。上記磁石１１は磁束密度の変化の
ない方向には運動の抵抗を受けないので、この場合、抵
抗のない回転が可能である。

【０００７】図２〜図４は、従来の技術による既存のス
ラスト・ベアリングの概略的構造を示したものである。

【０００８】図２は、多数の永久磁石２１を含む回転子
２２の底面図および断面図を示したものであって、回転
子を全体的に一つの永久磁石として構成できないという
問題点を解消するための構成を示したものである。上記
回転子２２には一定の間隔で仕様と特性とが最大限に類
似した磁石などでなされた多数の永久磁石２１が挿入設
置されている。

【０００９】図３は、上記永久磁石２１を含む回転子に
よる大略的な磁束密度分布を示したものであって、図示
された磁束密度曲線２３から分れるように、回転方向へ
不均一な磁束密度を有する。図面とは違ってシリンダー
型の磁石を使わずに円弧形態の磁石を強制結束して環形
として回転体を製作しても、材料上の欠陥とか結束前の
減磁（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）による磁束密
度の不均一性は相変わらず存在し、回転の損失として作
用することになる。

【００１０】図４は、多数の磁石２１を含む回転子２２
が高温超伝導体１２上に磁機固定された様子を示した斜
視図である。

【００１１】図５は、従来技術において、永久磁石を用
いた高温超伝導ジャーナル・ベアリングの概略的構造を
示したものである。ここで回転子３２は、図６および図
７に示したように多数の円筒型磁石、あるいは環形磁石
を含むものであって、管型の高温超伝導３３に設けられ
た状態である。

【００１２】図６は、上記従来の超伝導ジャーナル・ベ
アリングに当てはめられる回転子等の具体的な構成状態
を示したものであって、図７は円筒型磁石３１の磁極を
隣接する磁石３１と反対極同士に当接させた磁石の配列
状態であり、図７は別途の回転子軸３４を中央に置いて
環形磁石３５を同一極同士に隣接するように組み立てた
磁石の配列状態を示したものである。

【００１３】上記回転子軸３４は、非磁性体（ｎｏｎ−
ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）とか反磁性体
（ｄｉａｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）から構
成される。

【００１４】上記図７に示されたように、磁石の同一極
同士に相互隣接するように配列した構成では磁束が磁石
等の間から出るので、図６の反対極同士に当接するよう
に配列した構成に比べてさらに強い固定力が得られる。
磁石等の間をμ−メタル（μ−ｍｅｔａｌ）のような高
導磁性物質（ｈｉｇｈ−ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｍａ
ｔｅｒｉａｌ）とか強磁性物質に詰め込んで磁気抵抗
（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）を減らせることもある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来の構造において
は、ジャーナル・ベアリング回転子の磁石３１を図６の
ようにＮ−Ｓ・Ｎ−Ｓ・Ｎ−Ｓ・Ｎ−Ｓ極式として配列
させて回転子３２を構成した。しかし、このような方式
のベアリングの場合、配列された回転子磁石全体の両端
付近だけが固定力に寄与するため、超伝導体を効果的に
使用することができない。それで図７のように環形磁石
３５を隣接する磁石が同一極同士に対向するように、即
ち、Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ極式に配列して中
央に回転子軸３４を入れて磁石らを固定させた構造が開
発された。

【００１６】図４のようなディスク型スラスト・ベアリ
ングの場合、高温超伝導体を液体窒素容器に入れて底に
位置させ、磁石の極面が回転子の底面になるように付着
させ、この磁石から発生した磁束によって回転子と高温
超伝導体との間に固定力が発生するようにしている。

【００１７】一方、最近には高温超伝導体の代わりに低
温超伝導磁石を底に置いて、上面の回転子に高温超伝導
体を付着させて回転体の荷重を支持しながら回転するよ
うに構成したスラスト・ベアリングも登場した。この際
の低温超伝導磁石は、コイルを適切に構成して麦藁帽子
形態の磁石密度の分布を有するように製作した後、凹ん
でいる中に上記の上面の回転子の高温超伝導体を入れて
回すことになる。

【００１８】固定力の強いスラスト・ベアリングを得る
ためには強くて大きな磁石が必要である。しかし、磁化
が均一な大きい磁石を製作し難くなるため、回転板に多
数の磁石を付着させることになるが、どんなに類似した
特性を有する磁石を緻密に付着するとしても、材料上の
欠陥とか結束前の減磁による磁束密度の不均一性は相変
わらず存在して、回転損失として作用することになる。

【００１９】さらに、低温超伝導磁石を用いて磁束密度
を回転方向に均一に製作した従来技術は既存の磁石より
遥かに強い磁場を作り出されるという長所があるが、高
温超伝導体が磁束を通過させない反磁性を用いるため重
力方向の安定性だけを提供し、回転子に付着された高温
超伝導体に回転方向に非対称的な磁束固定が発生したと
き振動と回転損失が発生することがあるという問題点か
ある。

【００２０】従来技術を適用したジャーナル・ベアリン
グの場合、回転体磁石配列の中央に軸を入れるので、固
定力に寄与する磁石の量が減少するという問題点があ
り、重力等の強い力が回転体に加えるとき、回転体の無
接触回転に必要な浮上力が高温超伝導体の磁束固定によ
りのみ提供されるため、比較的に弱いという問題点があ
る。

【００２１】結論的に従来技術の超伝導スラスト・ベア
リングの場合、磁束密度の不均一性のための回転損失が
多いし、ジャーナル・ベアリングの場合、強い浮上力を
得ることが困難であるという問題点がある。

【００２２】このような問題点を改善するための本発明
の目的は、超伝導スラスト・ベアリングで回転子に付着
する磁石として高温超伝導磁石を使って磁束密度の不均
一性のための回転損失を減少させるとともに固定力を向
上させ、ジャーナル・ベアリングで回転子構造改善によ
って発生磁束密度分布を向上させ、固定子として磁石と
高温超伝導体とを同時に使用した複合型構成を採択して
浮上力を増加させようとする。

【００２３】この本発明においては、フライホイールエ
ネルギー貯蔵装置において、回転軸を重力方向に垂直な
水平軸として上記の高温超伝導ジャーナル・ベアリング
とフライホイール、電動／発電機を設置する構造を採択
することによって、上記エネルギー貯蔵装置の安定性を
向上させると同時に、多数のフライホイールとベアリン
グとの直列連結による大容量化を容易にすることができ
る高温超伝導ベアリングを用いた水平軸のフライホイー
ルエネルギー貯蔵装置を提供することにその目的があ
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達するために
本発明では、超伝導体と磁石との間の相互作用を用いて
回転子を浮上、および固定させる無接触ジャーナル・ベ
アリングからなる強い浮上力の高温超伝導ベアリングを
次のように構成した。

【００２５】回転子を構成する上記磁石としては、高温
超伝導フィルムから形成した高温超伝導磁石を使用し、
多数の磁石を同一極が隣り合うようにＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・
Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ極極の手順で所定間隔を隔てて非磁性体
の円筒内に強制配列して、磁束の方向が回転子の外側方
向に形成することにした。１つ、あるいは多数の高温超
伝導体からなされた円筒型の固定子超伝導体で上記回転
子の磁束を固定させて回転体の離脱を防止し、回転体に
働く重力などの力を磁気圧力（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒ
ｅｓｓｕｒｅ）において相殺させることができるように
した。

【００２６】さらに、本発明においては、上記の構造の
固定子の高温超伝導体円筒の外周面上に対向して磁石を
設け、回転子の磁石に及ぼす引力と斥力とを補強して浮
上力を増加させることができるようにした。

【００２７】さらに他の例として固定子の上下面には磁
石らを対向設置して回転子と固定子との間に引力と斥力
とを発生させ、左右の側面には高温超伝導体を設け、回
転子に対する固定力を発生させるようにして浮上力をさ
らに増加させた。

【００２８】さらに、本発明においては、強い浮上力の
高温超伝導ベアリングを用いた水平軸のフライホイール
エネルギー貯蔵装置を次のように構成した。フライホイ
ールを設ける回転軸としては重力方向に垂直の水平軸を
使用し、超伝導体ジャーナル・ベアリングを使って浮上
力と固定力とを提供する。１つ、あるいは多数のフライ
ホイールと多数の高温超伝導ジャーナル・ベアリングと
を回転軸に設け、無接触の電動／発電機を軸に連結設置
して真空／安全容器の外部の電力変換設備と制御設備と
に連結する。このようなフライホイールエネルギー貯蔵
装置の大容量化のためには、多数のフライホイールとベ
アリングとを回転軸に軸設して回転慣性を増加させる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に基づいた強い浮上
力の高温超伝導ベアリング、およびこれを用いた水平軸
のフライホイールエネルギー貯蔵装置の一実施の形態に
ついて添付した図面に基づいて詳細に説明する。

【００３０】図８は本発明に適用された超伝導体磁石の
構成、および上記超伝導体磁石による磁束密度分布を示
したものである。高温超伝導フィルムからなされたｄｒ
ｉｖｅｎ−ｔｙｐｅの超電動磁石１０１と、その磁束密
度分布１０２とを調べて見れば回転方向に対して均一な
磁束密度が見られる。このような均一性の以外にも高温
超伝導磁石は既存の永久磁石に比べ、よほど強い磁気場
を有することができるという長所がある。

【００３１】図９は、上記高温超伝導磁石１０１と高温
超伝導体１０３とを用いた磁気固定状態を示したもので
あって、上記高温超伝導体１０３は固定子に該当するも
のである。上記高温超伝導磁石１０１を、図１０に示し
たように、いろいろな方式の高温超伝導ジャーナル・ベ
アリングに含まった磁石として使うことができる。

【００３２】図１０は、高温超伝導ジャーナル・ベアリ
ングの回転子から中心軸への磁束経路をなくし、発生さ
れた磁気場がジャーナルの外側方向へ向かうようにし、
固定子の高温超伝導体との作用を強化した形態を示した
断面図である。

【００３３】軸の役割をする非磁性体円筒１０４の内部
に同一極が隣り合うように、Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・Ｎ−Ｓ・
Ｓ−Ｎ極の手順で多数の高温超伝導磁石１０１を所定の
間隔を隔てて非磁性体の円筒１０４の内に強制配列し、
磁気場がジャーナルの外向に形成するように構成する。

【００３４】このような形態で回転子を構成する場合、
回転子の表面付近で半径方向の磁束密度の変化が大きい
ため、固定子の高温超伝導体の磁束固定による作用力が
強くなる。

【００３５】図１１は、図１０の回転子を採用した高温
超伝導ジャーナル・ベアリングの構造を示した断面図で
ある。上記回転子１１０の外側には上部と下部とにそれ
ぞれ磁束固定用の高温超伝導体１０５を設置した。

【００３６】上記回転体に働く重力等の力を磁気圧力
（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）によって相殺
させるために、半円筒型の磁束固定用高温超伝導体１０
５が間隔を隔てて隔離されている。ベアリングを磁気場
下で冷却（ｆｉｅｌｄ ｃｏｏｌｉｎｇ）させる際、回
転子１１０を力の方向の反対側に置いて、冷却のあとで
力を受け入れて設計時に予定した位置に来るようにする
とか、固定子の高温超伝導体１０５を磁気場外で冷却
（ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ ｃｏｏｌｉｎｇ）させた後、
図面のような位置に移動するなど、上・下部の固定子を
用度と動作方法とによって移動するように構成すること
ができる。

【００３７】上記磁束固定用高温超伝導体１０５の半円
筒は、それそれ隔離されないで連結されていても構わな
い。また、上記磁束固定用の高温超伝導体１０５は半円
筒でなくても構わないのである。

【００３８】図１２は、図１１のＡ−Ａ′線の断面図で
あって、本発明の回転子１１０の構成をより明確に示し
ている。上記回転子１１０は非磁性体の円筒１０４内に
多数の超電動磁石１０１を同一極同士に隣接するように
強制配列固定しており、上記回転子１１０の外側には上
部と下部とにそれぞれ磁束固定用の高温超伝導体１０５
を設置したものである。

【００３９】本発明の他の実施の形態としての図１３お
よび図１４は、図１１および図１２の構成に永久磁石と
か超伝導磁石を附加設置した構成であって、高温超伝導
体と磁石とを用いた複合型（ｈｙｂｒｉｄ ｔｙｐｅ）
高温超伝導ジャーナル・ベアリングの構造を示した断面
図である。

【００４０】回転子１１０の周りに円筒型の高温超伝導
体１０５を設置し、上記高温超伝導体１０５の上部と下
部とにはそれぞれ多数の磁石１０６、１０７を配列設置
した。この形態は、重力のように大体的な方向を有する
力が回転子１１０に常に働くとき、強い浮上力を提供し
て無接触の回転を実現させるために使われることができ
る。

【００４１】図１４は、図１３のＢ−Ｂ′線の断面図で
あって、構成状態をより明確に示している。

【００４２】上記磁石１０６、１０７としては超伝導磁
石を使うこともできるし、この形態は、荷重の特性によ
って半円筒型でない場合もある。上記超伝導体磁石１０
１と磁石１０６、１０７とは磁石らのそれぞれが同一極
同士に対向するように配列されている。

【００４３】上記磁石１０６、１０７と回転子内の高温
超伝導磁石１０１との間にはそれぞれ磁力が働いている
が、図１４の上部磁石１０６と回転子１１０内の高温超
伝導磁石１０１間には引力が作用し、下部磁石１０７と
回転子１１０の高温超伝導磁石１０１との間には斥力が
働くことになる。

【００４４】上記高温超伝導体１０５は、高温超伝導磁
石１０１から出てくる磁束を固定させ、回転子磁石と固
定子磁石間の力による不安定性を克服する役割を果たす
ことになる。

【００４５】本発明で提示した図１３および図１４の構
造を特化して、ベアリング固定子の上・下部の磁石１０
６、１０７と回転子１１０との間にある高温超伝導体１
０５の一部分を除去し、固定子磁石と回転子との間の間
隔を短くして浮上力を向上させるなど、用途や特性にし
たがういろいろの変形が可能である。

【００４６】本発明で提示した図１０〜図１４の構造に
おいて、磁石に該当する部分を超伝導磁石、超伝導電磁
石、一般電磁石、一般磁石として製作しても磁力の強度
と質とにおいての差はあるが、類似した機能をすること
ができる。

【００４７】本発明の実施の形態を簡略に要約すれば次
のようである。 （ａ） 永久磁石の代わりに高温超伝導フィルムで磁石
を製作して使用する。

【００４８】（ｂ） 図１から理解できるようにに永久
磁石と超伝導体から構成されていた既存のスラスト・ベ
アリングの方式を永久磁石の代わりに高温超伝導磁石を
使って図９の場合のように構成して改善する。

【００４９】（ｃ） 従来の図７の構造において、中心
軸への磁束経路をなくし、発生した磁気場がジャーナル
の外側方向に向かうようにし、高温超伝導体との作用を
強化することができる。

【００５０】（ｄ） （ｃ）項の回転体に働く重力等の
力を磁気圧力で相殺させるために、図１１および図１２
の高温超伝導体１０５からなる上側の半円筒と下側の半
円筒が間隔を隔てて玉子型に隔離するようにする。

【００５１】ベアリングを磁気場下で冷却（ｆｉｅｌｄ
ｃｏｏｌｉｎｇ）させるとき、回転体を力の方向の反
対側に置き、冷却後で力を受け入れて設計の際、予定し
た平形位置に来るように設置することにする。半円筒が
それぞれ離れていないで連結されていても関係ない。

【００５２】また、上記超伝導体１０５が半円筒でなく
ても構わない。無重力状態の使用とか垂直方向に配置さ
れて使われる場合などのように、回転体に作用する力が
大体的に一定でなければ、玉子型でなく円筒型として製
作することができる。この際、磁石らは同極同士に対向
するように配列する。図４ｂのような形態においても永
久磁石を高温超伝導磁石に交替して回転子を構成するこ
とができる。

【００５３】（ｅ） （ｄ）項の場合、回転体に加える
荷重がもっと大きい場合に対応して、図１３および図１
４から理解できるように高温超伝導体の外側に磁石を配
置した複合型構造を採択することができる。

【００５４】（ｆ） 図１３および図１４の構造におい
て、ベアリング固定子の上・下部磁石１０６，１０７と
回転子１１０との間にある高温超伝導体１０５の一部分
を除去して、固定子の磁石と回転子との間の間隔を短く
して浮上力を向上させるなど、用途や特性によるいろい
ろな変形が可能である。このような方法としては、磁石
間の引力と斥力とを効率的に利用すると共に、必要な高
温超伝導体の量を減らして製作費用を節減することもで
きる。

【００５５】（ｇ） 本発明においての磁石としては、
一般の永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導磁石な
どを使用することができる。

【００５６】（ｈ） 本発明の明細書に示した磁極を同
時にＮ→Ｓ，Ｓ→Ｎと変換しても構わない。

【００５７】すなわち、本発明に例示された磁石の極性
はただ相対的な極性だけを示したものである。

【００５８】従来の技術において、高温超伝導ジャーナ
ル・ベアリングの回転子の磁石をそれぞれ同一極同士に
対向するように配列して大きな固定力を得られるように
しても、各磁石を固定させるために磁石の中央に回転子
軸を通過させ、回転子の空間を効率的に使わないことに
比べ、本発明は、各磁石を薄い円筒に固定させ、回転子
軸の空間だけさらに磁石を詰め込んで効率を高めたし、
従来技術の高温超伝導ジャーナル・ベアリングが磁石で
成された回転子と高温超伝導体とでなされた固定子とで
構成されたことに比べ、本発明は、固定子に高温超伝導
体の以外にも磁石を含めた複合型の設計によって浮上力
を向上させた。

【００５９】さらに、従来技術において、高温超伝導ス
ラスト・ベアリングの回転子の磁石を大きく製造するこ
とができないので、多数の磁石を結合させて回転子の磁
石を構成することによって、回転方向への不均一な磁束
密度が問題点となることに比べ、本発明においては一つ
の高温超伝導磁石で回転子磁石を構成して不均一な磁束
密度による問題点を解決すると同時に高温超伝導磁石の
強い磁気場で強い磁気固定による大きな固定力と高い安
定性とを具現した。

【００６０】このように本発明は、従来技術の原理であ
る磁石からの磁束と高温超伝導体の間の固定力の以外に
も磁石同士の引力と斥力とを用いたし、強い浮上力の安
定した回転のための磁石と高温超伝導体との設計によっ
て、さらに効率が高いし安全で経済的な構造を有するよ
うにした。

【００６１】このような本発明の高温超伝導ベアリング
は、フライホイールエネルギー貯蔵装置に応用すること
ができる。

【００６２】本発明の実施例として本発明で提示した概
念に応じた高温超伝導フライホイールエネルギー貯蔵装
置の構成例を図面に基づいて説明する。ただし、冷却装
置、真空設備、電力変換設備、制御設備などは、同業界
において通常的に使われているし、本発明で提示した概
念との連関性が足りない装備等は図面に示さないでその
説明を省略した。

【００６３】図１５は、本発明の構成例であって、フラ
イホイールで構成された高温超伝導ジャーナル・ベアリ
ングを用いた水平軸のフライホイールエネルギー貯蔵装
置の断面を概略的に示したものである。

【００６４】本発明において、慣性作用をするフライホ
イール２０１と回転体を支持する高温超伝導ジャーナル
・ベアリング２０２、電動／発電機２０４が重力の方向
とは相互垂直方向に設置された回転軸２０３によって真
空／安全容器２０５の内部に設けられる。

【００６５】上記ジャーナル・ベアリング２０２は、高
温超伝導体を含むベアリング固定子２１１と磁性体を含
む回転子２１２とで構成されて、重力の反対方向への浮
上力とその他の方向への固定力を提供する。

【００６６】上記フライホイール２０１は、高いエネル
ギー貯蔵密度のための高速回転に耐えられる材質と形態
によって製作され、上記真空／安全容器２０５は内部真
空を維持して空気抵抗の損失を減少させ、もしもの場合
の事故発生の際、内部構成物の離脱を防ぐために製作さ
れる。

【００６７】上記電動／発電機２０４は内部の接触式の
ベアリングをなくして摩擦をなくし、回転時の電気的損
失を減少するように設計製作され、外部の電力変換設備
と制御設備とに連結される。

【００６８】上記で例示したようにフライホイール装置
を水平軸として構成し、フライホイールの浮上および固
定のための高温超伝導ジャーナル・ベアリングを使う場
合、従来の技術による垂直軸の高温超伝導フライホイー
ル装置に比べて回転軸の半径方向へもっと強い固定力が
得られるため追加装置がなくても、もっと高い安定性を
具現することができる。

【００６９】図１６は、本発明のさらに他の実施の形態
の構成を示したものであって、高温超伝導ジャーナル・
ベアリングを用いた水平軸のフライホイールエネルギー
貯蔵装置を、多数のフライホイールを直列連結して構成
することによって大容量化した場合を示したものであ
る。

【００７０】重力方向と垂直である回転軸２０３に多数
のフライホイールが軸設され、回転体の荷重が均一に分
散して回転軸の歪みを防止するように多数の高温超伝導
ジャーナル・ベアリング２０２が設置される。場合によ
っては一つのベアリングに多数のフライホイールを付け
ることもできる。

【００７１】上記の実施例でにおいて一つの電動／発電
機(２０４)を回転軸の末端に設置した例を示したが、他
の実施例として実際の力学的側面を考慮して、稼動時に
回転軸にかかる歪みが過多しないように、一つ、あるい
は多数を適切な位置に軸を設けることができる。

【００７２】このように、高温超伝導ジャーナル・ベア
リングを用いた水平軸のフライホイールエネルギー貯蔵
装置を大容量化する場合、重力方向と直角である回転軸
を長く作って設置するため、従来の技術による垂直軸の
フライホイールエネルギー貯蔵装置を大容量化する場合
より設備の安全性の確保が容易であり、組立設置工程が
容易であるため相対的に建設費が低廉となる。さらに、
既存設備に適切な数のフライホイールとベアリング、電
動／発電機とを水平方向に連結する方法によって容易に
容量の拡張ができるという長所がある。

【００７３】結論において、本発明の高温超伝導ジャー
ナル・ベアリングを用いた水平軸のフライホイールエネ
ルギー貯蔵装置は、フライホイールエネルギー貯蔵装置
を構成することにおいて、重力の方向と直角である水平
軸と高温超伝導ジャーナル・ベアリングとを採用して、
従来の技術に比べてその安定性と拡張性とを向上させ、
その製作・建設費用を節減させたものである。

【００７４】なお今回開示した上記実施の形態はすべて
の点で例示であって制限的なものではない。本発明の技
術的範囲は上記説明ではなく特許請求の範囲によって画
定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
すべての変更が含まれる。

【００７５】

【発明の効果】本発明は、既存の永久磁石を用いた高温
超伝導ベアリングに比べ、永久磁石のみでなく高温超伝
導磁石も用いることによって、磁気場の強度を画期的に
強化させて磁石間の力を強化させ、磁束固定用の高温超
伝導体がさらに大きな固定力を発揮できるようにした。

【００７６】また、大きな永久磁石の製作が難しいため
小さい磁石を連結することによって発生した磁束密度の
不均一性による問題点を、大きな高温超伝導磁石を使用
して回転方向へ均一な磁気場を発生させることによって
解決した。

【００７７】強い磁気場を発生させるために使われる電
磁石には、その維持のために電流供給と冷却とが並行さ
れるべきであることに比べ、超伝導磁石は冷却維持だけ
が必要であり、電流損失がないという長所がある。

【００７８】本発明において開示した新たな回転子の構
造は、既存技術の回転子の内部に回転軸を含む構造に比
べ、回転軸を無くして回転子の外部の磁束密度を高める
ことによって、もっと強い固定力（単位ベアリング長当
り）が得られるという長所がある。

【００７９】本発明において、開示したいろいろな種類
の高温超伝導ジャーナル・ベアリングの構造は、回転体
に加われる力が大体的な方向と長さを有している場合に
対し特化した形態である。

【００８０】既存の技術が高温超伝導体の磁束固定力だ
けを用いたことに比べ、この構造等は高温超伝導体の磁
束固定力以外にも磁石間の磁気力を用いて回転体に加わ
るもっと大きな力に対しても回転子と固定子との無接触
を実現できるという長所がある。

【００８１】比較的磁気場が弱い永久磁石を使用する場
合にも、既存の構造に比べてもっと少ない量の高温超伝
導体を使用しながらさらに強い力に耐えられるので経済
的である。

【００８２】一方、本発明において、提示された水平軸
のフライホイールエネルギー貯蔵装置は、従来技術の高
温超伝導フライホイールエネルギー貯蔵装置に比べ、フ
ライホイール回転軸の半径方向への安定性が優れてい
て、回転体の離脱事故の場合もっと安全であり、別途の
無接触ベアリングとか能動制御装置、格納施設等の必要
性が少ないため製作費用が低廉となるという長所があ
る。

【００８３】また、上記の本発明の水平軸のフライホイ
ールエネルギー貯蔵装置を大容量化する場合、重力方向
と直角である回転軸を長くして設置することになるた
め、従来技術の垂直軸のフライホイールエネルギー貯蔵
装置を大容量化する場合に比べて次のような長所があ
る。まず、フライホイールの直列連結のよる大容量のフ
ライホイールエネルギー貯蔵設備の構造物の上・下端間
の長さが短くなることによって、設備の安定性の確保が
容易であり、組立設置工程が容易であるため、建設費が
相対的に低廉となる。また、既存設備に適切な数のフラ
イホイールとベアリング、電動／発電機を水平方向に連
結する方法によって容易に容量の拡張をすることができ
るようになる。

【００８４】このような長所から理解できるように、本
発明の強い浮上力の高温超伝導ベアリングは、フライホ
イールエネルギー貯蔵装置などの大きな荷重を支持しな
がら損失のない回転を可能ようにする用途として非常に
適合であるものであって、無抵抗のベアリングから小
型、中型、大型のエネルギー貯蔵装置に用いることがで
き、また、本発明において開示した高温超伝導フライホ
イールエネルギー貯蔵装置の構成概念は、従来のフライ
ホイールエネルギー貯蔵装置に安全性と経済性の側面に
おいて大きな向上を持たせてくれる非常に役立つ技術で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の高温超伝導体と永久磁石との間の浮上概
念図である。

【図２】従来の高温超伝導スラスト・ベアリングの回転
子の概略的な構造図である。

【図３】従来の高温超伝導スラスト・ベアリングの概略
的な磁束密度の分布図である。

【図４】従来の高温超伝導スラスト・ベアリングの構成
状態を示した斜視図である。

【図５】従来の高温超伝導ジャーナル・ベアリングの概
略的な構造図である。

【図６】従来の高温超伝導ジャーナル・ベアリングに使
われた回転子の磁石配列の状態を示す第１の図である。

【図７】従来の高温超伝導ジャーナル・ベアリングに使
われた回転子の磁石配列の状態を示す第２の図である。

【図８】本発明の高温超伝導スラスト・ベアリングの特
性を示した斜視図であり、高温超伝導フィルムで構成さ
れた高温超伝導磁石の斜視図である。

【図９】本発明の高温超伝導スラスト・ベアリングの特
性を示した斜視図であり、高温超伝導磁石と高温超伝導
体の間の磁気浮上の概念図でる。

【図１０】本発明によるジャーナル・ベアリングに応用
される回転子の構成断面図である。

【図１１】本発明のジャーナル・ベアリングの構造を示
した断面図である。

【図１２】図１１中Ａ−Ａ′線の断面図である。

【図１３】本発明の高温超伝導体と磁石とを用いた複合
型（ｈｙｂｒｉｄ−ｔｙｐｅ）高温超伝導ジャーナル・
ベアリングの構造の断面図である。

【図１４】図１３中Ｂ−Ｂ′線の断面図である。

【図１５】本発明の実施の形態において、１つのフライ
ホイールで構成され高温超伝導ジャーナル・ベアリング
を用いた水平軸のフライホイールエネルギー貯蔵装置の
概略的な構成断面図である。

【図１６】本発明の他の構成例において、高温超伝導ジ
ャーナル・ベアリングを用いたフライホイールエネルギ
ー貯蔵装置を多数のフライホイールを水平軸に直列連結
して構成することによって大容量化した場合を示した断
面図である。

【符号の説明】

１０１：高温超伝導フィルムで成された高温超伝導磁石 １０２：高温超伝導磁石の磁束密度 １０３，１０５：磁束固定用の高温超伝導体 １０４：非磁性体の円筒 １０６，１０７：磁石 １１０：回転子 ２０１：回転子の主回転慣性を提供するフライホイール ２０２：高温超伝導ジャーナル・ベアリング ２０３：水平軸のフライホイール装置の回転軸 ２０４：単一器機で電動機と発電機との役割を果たす電
動／発電機 ２０５：真空を維持してフライホイールの離脱事故に対
備して安定性を確保するための真空／定容器 ２１１：高温超伝導体を含むジャーナル・ベアリングの
固定子 ２１２：磁性体を含むジャーナル・ベアリングの回転子 ７００：電気信号変換機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サン・チュル・ハン 大韓民国、ダエジェオン、ユソン−グ、ジ ェオンミン−ドン、サムスング・プレウ ン・アパートメント・106−405（番地な し) (72)発明者 ジュン・スン・リー 大韓民国、ダエジェオン、ユソン−グ、ジ ェオンミン−ドン、サムスング・プレウ ン・アパートメント・108−201（番地な し) (72)発明者 オク・バエ・ヒュン 大韓民国、ダエジェオン、ユソン−グ、ジ ェオンミン−ドン、298−７、ヤング・ビ レッジ、ビィ・102 (72)発明者 ジン・ジョーン・キム 大韓民国、ダエジェオン、ユソン−グ、ジ ェオンミン−ドン、エキスポ・アパートメ ント・502−1102（番地なし)

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁石から発生した磁束を固定する高温超
   伝導体の特性を用いて、回転子を浮上および固定させる
   ようにする無接触ジャーナル・ベアリングからなる強い
   浮上力の高温超伝導ベアリングであって、 前記無接触ジャーナル・ベアリングは、 高温超伝導フィルムから形成された高温超伝導磁石を回
   転軸のジャーナルとして成された高温超伝導磁石ジャー
   ナルと前記高温超伝導磁石ジャーナル、あるいは、磁石
   ジャーナルに対向して設置される多数の高温超伝導体で
   成された半円筒型の固定子とから構成され、 磁束固定により回転体に働く重力などの力を磁気圧力に
   よって相殺させて強い浮上力を提供するようにすること
   を特徴とする、強い浮上力の高温超伝導ベアリング。
2. 【請求項２】 前記高温超伝導磁石ジャーナルは、 同一極が隣り合うようにＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・Ｎ−Ｓ・Ｓ−
   Ｎ極の順序で、多数の高温超伝導磁石を所定間隔を隔て
   て非磁性体の円筒内に強制配列し、発生された磁気場が
   ジャーナルの外側方向に向かうように構成することを特
   徴とする、請求項１記載の強い浮上力の高温超伝導ベア
   リング。
3. 【請求項３】 前記回転子を構成する磁石ジャーナル
   は、 多数の同一極が隣り合うようにＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・Ｎ−Ｓ
   ・Ｓ−Ｎ極の順序で磁石の極面に高導磁性物質の円板を
   挟んで非磁性体の円筒内に強制配列して、発生された磁
   気場がジャーナルの外側方向に向かうように構成するこ
   とを特徴とする、請求項１記載の強い浮上力の高温超伝
   導ベアリング。
4. 【請求項４】 前記の高温超伝導磁石ジャーナル、ある
   いは磁石ジャーナルに高温超伝導体で成された固定子を
   備え、前記固定子の外周面上に対向して磁石を配設し、
   回転子に斥力と引力とを作用してベアリングの浮上力を
   補強するように構成することを特徴とする、請求項１〜
   ３のうちいずれか１項に記載の強い浮上力の高温超伝導
   ベアリング。
5. 【請求項５】 前記高温超伝導磁石ジャーナル、あるい
   は磁石ジャーナルにベアリング固定子の上下部分を磁石
   らを配設して構成し、ベアリングの固定子の左右の残り
   の部分を高温超伝導体で構成して、回転子に及ぼす磁石
   の引力および斥力を強化させて、回転子の浮上力を強化
   するように構成することを特徴とする、請求項１〜３の
   うちいずれか１項に記載の、強い浮上力の高温超伝導ベ
   アリング。
6. 【請求項６】 前記回転子を構成する磁石ジャーナル
   は、 環形の磁石を同一極が隣り合うようにＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・
   Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ極の手順で磁石の極面に高導磁性物質の
   環形板を挟んで配列し、中央に軸を入れて磁石等を固定
   させて成されるし、前記固定子は高温超伝導体で前記磁
   石ジャーナルに対向する半円筒型で構成し、その外周面
   上に対向して磁石を配設して回転子にそれぞれ斥力と引
   力とを作用してベアリングの浮上力を補強するように構
   成することを特徴とする、請求項１記載の強い浮上力の
   高温超伝導ベアリング。
7. 【請求項７】 前記回転子を構成する磁石ジャーナル
   は、 環形の磁石を同一極が隣り合うようにＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ・
   Ｎ−Ｓ・Ｓ−Ｎ極の順序で磁石の極面に高導磁性物質の
   環形板を挟んで配列し、中央に軸を入れて磁石らを固定
   させて成されるし、前記固定子は上下部分を磁石らを配
   設して構成し、左右の残りの部分を高温超伝導体で構成
   し、回転子に及ぼす磁石の引力および斥力を強化させて
   回転子の浮上力を強化するように構成することを特徴と
   する、請求項１記載の、強い浮上力の高温超伝導ベアリ
   ング。
8. 【請求項８】 磁石から発生した磁束を固定する高温超
   伝導体の特性を用いて回転子を固定子から浮上および固
   定させるようにする無接触のスラスト・ベアリングにお
   いて、 前記回転子は高温超伝導フィルムを同心円形態に巻い
   て、超電流を流して磁気場を発生させる高温超伝導磁石
   からなり、 固定子はバルク高温超伝導体で成ることを特徴とする、
   請求項１記載の強い浮上力の高温超伝導ベアリング。
9. 【請求項９】 電気的なエネルギを一つあるいは多数の
   フライホイールの回転運動エネルギーの形態で貯蔵する
   フライホイールエネルギー貯蔵装置であって、 前記フライホイールを設置支持する回転軸は、重力方向
   に垂直方向である水平軸を使用し、前記水平軸には高温
   超伝導ジャーナル・ベアリングを設置して回転体の荷重
   を支持するように構成することを特徴とする、強い浮上
   力の高温超伝導ベアリングを用いた水平軸フライホイー
   ルエネルギー貯蔵装置。
10. 【請求項１０】 前記回転体は単一型として製作されな
    いでベアリング部分と前記フライホイールとを軸にのみ
    連結させて、フライホイール形状を多様に変形可能する
    ようにすることを特徴とする、請求項９記載の強い浮上
    力の高温超伝導ベアリングを用いた水平軸フライホイー
    ルエネルギー貯蔵装置。
11. 【請求項１１】 前記水平回転軸には多数のフライホイ
    ールと高温超伝導ジャーナル・ベアリングを直列連結し
    て、回転体の回転慣性を増加させて大容量化するように
    することを特徴とする、請求項９または１０に記載の強
    い浮上力の高温超伝導ベアリングを用いた水平軸フライ
    ホイールエネルギー貯蔵装置。
12. 【請求項１２】 前記水平回転軸に多数のフライホイー
    ルと高温超伝導ジャーナル・ベアリングとを直列連結し
    て、回転体の回転慣性を増加させるだけでなく、そのシ
    ステムを独立的で並列に積層させ、エネルギー貯蔵シス
    テムの集積度を向上させて、大容量化することを特徴と
    する、請求項１１記載の強い浮上力の高温超伝導ベアリ
    ングを用いた水平軸フライホイールエネルギー貯蔵装
    置。