JPH11507710A - 高温超電導体を用いた高性能磁気軸受システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超電導磁気アセンブリ内の超電導磁気部材（１４，４６，８４，１０４）に複数のドメイン（１８，５４，８６，１０６）を提供し且つ少なくとも１つのドメインが、磁気アセンブリ内の磁気部材の基準軸（３８，６６，９６，１１８）に対して角度を有して配置されたドメインＣ軸ベクトル配向（２０，５６，８８，１０８）を有するような形で、前記超電導磁気部材を配置することによって、超電導磁気アセンブリ（１２，４２，８２，１０２）及び磁気アセンブリ（３０，６０，９２，１１２）を伴う磁気軸受構造内で少なくとも１つの安定化力を提供するための磁気軸受装置及び方法。

Description

【発明の詳細な説明】 高温超電導体を用いた高性能磁気軸受システム 発明の背景 本発明は、一般に磁気軸受（ベアリング）の設計に関する。より特定的に言う と、本発明は、磁気アセンブリの基準軸との関係において超電導アセンブリの少 なくとも１つのドメインＣ軸ベクトルが特定の方向に配向された受動的軸受シス テムに関する。ドメイン配向は、浮揚した軸受アセンブリの望まれる動きと平行 でない速度に対抗する安定化力を提供することができる。 磁気軸受構造は、１つの軸受アセンブリが少なくとも１つのその他の軸受アセ ンブリによって浮揚される受動軸受システムである。既知の磁気軸受構造として は、永久磁石及び高温超電導体(high-temperature superconductor)（ＨＴＳ） の組合せを含む超電導磁気軸受がある。一般的なタイプの超電導磁気軸受には、 線形磁気軸受と回転磁気軸受が含まれる。線形磁気軸受は、第２の磁気アセンブ リ（案内路アセンブリ）により浮揚された第１の磁気アセンブリ（キャリヤアセ ンブリ）を含み、このキャリヤアセンブリは案内路アセンブリとの関係において 、かつこの案内路アセンブリに案内されて線形に動くことができる。キャリヤア センブリと案内路アセンブリのいずれにおいてもＨＴＳ材料を使用することがで きる。電気力学的浮揚（ＥＤＬ）の磁気浮揚車両（Mag-Lev）においては、通常 キャリヤアセンブリがＨＴＳ材料を含んでいる（Moon，Francis C.，超電導浮揚 ，２７（John Wiley & Sons Inc.１９９４））。第３ののタイプの超電導磁気軸 受は、軸受アセンブリ間の相対的動きを実質的に全く有していない軸受システム である。このタイプの軸受は、敏感な計器のための安定した浮遊型プラットホー ムを提供する。この第３のタイプの軸受の利用分野としては、光学機器用のプラ ットフォーム及び電子顕微鏡用のステージを提供するというものが含まれる。 線形磁気軸受の応用分野としては、クリーンルーム又は真空処理システムのた めの線形コンベヤパレットが含まれる。回転磁気軸受には、例えば、少なくとも １つのその他の磁気アセンブリ（固定子）との関係において回転することのでき る、浮揚された磁気アセンブリが含まれる。一般に、回転磁気軸受には、ジャー ナル軸受とスラスト軸受が含まれる。ジャーナル軸受は、中空シリンダの形状を もちＨＴＳで作られた固定子アセンブリの内側に浮揚された磁気アセンブリを含 むことができる。スラスト軸受は、ＨＴＳ材料で作られた固定子アセンブリの上 に浮揚された磁気アセンブリを含むことができる。 回転磁気軸受の利用分野としては、はずみ車エネルギー貯蔵装置、ジャイロス コープ、高速工作機械、宇宙船用角運動量ホイール、光学及び赤外線デバイス用 の回転スキャナ、高速光学シャッター、遠心分離機、マイクロマシン、クライオ クーラータービン、ロケット用クライオポンプ、空間航行体、地上基地システム 、航空機エンジン軸受、地下ガスパイプラインポンプ、織物製造用高速スピンド ル、粒子ビームチョッパ及びコンピュータディスク記憶装置がある。軸受は、異 なる重心方位で作動できる。すなわち、スラスト軸受においては磁気アセンブリ は上述のとおり、固定子アセンブリの上に浮揚されてもよいし、或いは又固定子 アセンブリの下に懸垂されていてもよい。 高温超電導軸受は、寿命が長く信頼性が高く、寄生的軸受動力損失が低いこと で知られている。タイプIIの超電導材料が一般的に回転軸受システムのために用 いられている。タイプIIの超電導材料のうちの１つの特定のタイプは、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃Ｏ_xといったような１−２−３相イットリウム−バリウム−銅酸化物（ＹＢ ＣＯ）溶融集合組織化材料である。ＹＢＣＯといったようなタイプIIの超電導材 料においては、各々の結晶ドメインは、３つのＡ，Ｂ，Ｃと記される直交軸に分 けられる（例えば Moon，Francis C.，超電導浮揚，９０，図３−１１（John.Wi ley & Sons Inc．１９９４）を参照）。標準的には、各平面内で超電導状態で支 持されうる最大電流は臨界電流又はＪｃと呼ばれる。このＪｃはドメイン平面、 温度そして幾分かは磁界の関数である。特定の超電導平面Ａ−Ｂ、Ａ−Ｃ又はＢ −Ｃ内のこの臨界電流は、基本的にいずれの方向においても同一である。磁気ベ クトルは、平面内の電流に直交しており、磁気学の「右手の法則」に従う。従っ て、磁気ベクトルの方向は、超電導電流に対し直交でかつ右手の法則に従った方 向として定義づけされる。最大磁界ベクトルは、ドメイン平面電流がＪｃにある 場合に起こるベクトルである。ドメインＣ軸ベクトルというのは、Ａ−Ｂ平面内 のＪｃの超電流の結果としてもたらされるドメインのＣ方向に対して平行である 磁界ベクトルのことである。ＨＴＳ ＹＢＣＯといった材料は、Ａ−Ｃ又はＢ− Ｃ平面に比べてＡ−Ｂ平面内においてＪｃの１ケタ分の改善を示す傾向にある。 磁気ベクトルは、超電流に対し直交していることから、最大磁気ミラーリング及 びピン止めは、Ｃ軸に沿って発生する。これは、Ｃ方向での磁界の加速的変化の 際に最大のエネルギー散逸を提供する方向でもある。従って、スプリング作動さ れる即ち減衰されるべき動きの方向に沿ってＣ軸を合わせることによって、最大 の減衰及びスティフネスを達成することができるという結論が下されることにな る。 現在、業界は、ＨＴＳドメインのＣ軸を軸受スラストの垂直方向と合せるべく （垂直配向方策）、ＹＢＣＯといったようなＨＴＳ軸受固定子又は案内路材料の 製造に多大な研究努力を費してきている。例えば、１９９３年６月１日にWeinbe rger et al．に交付された米国特許第５，２１４，９８１号を参照のこと。この 研究努力は、典型的にには、溶融集合組織化製品の中に可能なかぎり大きな結晶 粒（グレイン）ドメイン（区分）を作り出すための研究努力と組合わされる。こ のアプローチの目的は、できるかぎり大きい揚力を提供することにあるが、これ は大部分のＨＴＳ軸受の応用が必要とされるスラスト荷重によって特定されるた めである。 この垂直配向方策が、これまで要求されてきた理由は、主として、利用可能な ＨＴＳ材料のＪｃが低いことにある。より高い性能の材料が利用できるようにな るにつれて、潜在的な軸受スラスト能力の全てが揚力のために必要なわけではな くなる。さらに、数多くのＨＴＳ軸受の応用が、ゼロスティフネス永久磁石シス テムといったようなその他の非ＨＴＳサポートを伴って増加しつつある。付加的 なスラスト又は揚力マージンは、現在、動的回転子管理のために使用できる。こ れまでのところ、ＨＴＳ軸受での高速実験はほとんどなかったことから、高速回 転子と共に使用するためのＨＴＳ軸受の動的必要条件は充分に評価されてきてい ない。 垂直配向方策の欠点としては、軸受の低い動的スティフネス、低い動的減衰、 及び単結晶粒方向性ＨＴＳの製造に付随するコスト面で不利がある。例えば、半 径ｒ、質量Ｍの永久磁気回転子が超電導磁気固定子上で回転しているスラスト軸 受システムにおいては、式Ｉに示されているような成分をもつ振動力関数Ｆ（ｘ ，φ）が座標ｘ及びφに沿って存在する： Ｆ（ｘ，φ）＝（Ｍ／ｇ）（ｄ²ｘ／ｄｔ²）＋ｃ₁（ｄｘ／ｄｔ） ＋ｋ₁ｘ＋ｒφ（Ｃ₂（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋ₂ｘ） （式Ｉ） なお式中 ｇ＝重力 ｃ₁＝固定子の軸方向減衰定数 ｋ₁＝固定子の軸方向スティフネス定数 ｃ₂＝固定子の半径方向減衰定数 ｋ₂＝固定子の半径方向スティフネス定数 垂直配向方策は、幾分かの動的支援を提供できるかもしれないが、ｃ₁，ｋ₁， 及びｃ₂の成分の値に対するその効果は最小である。このような振動の変位は、 軸受システムからのエネルギー損失を結果としてもたらす。 発明の要約 本発明は、浮揚した軸受アセンブリに望まれる動きと平行でない速度に対抗す る、安定化力を提供する磁気軸受構造の製造方法及び磁気軸受装置に関する。 本発明は、それぞれのドメインＣ軸ベクトルを含む複数のドメインを含み且つ 支持面を備えた少なくとも１つの超電導磁気部材を有する超電導アセンブリを含 む磁気軸受のための構造に関する。この磁気軸受構造はさらに支持面と対向する スラスト面を有し且つこのスラスト面に対し垂直な方向の基準軸を含む少なくと も１つの磁気部材を有する磁気アセンブリも含んでいる。超電導磁気部材は、少 なくとも１つのドメインＣ軸ベクトルが磁気部材の基準軸に対して角度を有して 配置されているような複数のドメインを含有する。この角度配置は、磁気部材の 振動変位に対する安定化力を提供する。 本発明は同様に、複数のドメインを伴う超電導アセンブリ内の超電導磁気部材 を提供することによってそして磁気部材の基準軸に対して角度を有して配置され たドメインＣ軸ベクトル配向を少なくとも１つのドメインが有するような形で超 電導磁気部材を配置することによって、磁気軸受システムにおいて少なくとも１ つの安定化力を提供するための方法に関する。 本発明は、エネルギー貯蔵システムにおいて効率の良いエネルギー貯蔵を提供 するのに特に有用である。軸受システムに付随する損失が、典型的には、貯蔵用 機械を回転させる上での主要な損失メカニズムである。有用でない仕事に対する 貯蔵エネルギーの損失は、これらの装置を作動するためにコスト面で不利となる 。 本発明それ自体が、さらなる目的及び付随する利点と共に、添付図面に合わせ て以下の詳細な記述を参照することによって最も良く理解できることだろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従ったスラスト軸受構造の概略的断面図である。 図２は、図１の基準軸との関係におけるドメインＣ軸ベクトルの角度配置の概 略図である。 図３は、本発明に従ったエネルギー貯蔵システムのための軸受構造の概略断面 図である。 図４は、図３に記述されている軸受構造内のドメインＣ軸ベクトルの配向の５ つの様式の概略図である。 図５は、本発明に従ったジャーナル軸受構造の概略断面図である。 図６は、本発明に従った電気力学的浮揚（ＥＤＬ）の磁気浮揚された車両（Ｍ ａｇ−Ｌｅｖ）のための軸受構造の概略断面図である。 図７は、図１の軸受構造の断面図である。 好ましい実施形態の説明 本発明は、浮揚された軸受アセンブリに望まれる動きと平行でない振動変位又 は速度に対抗する安定化力を提供する磁気軸受構造を製造するための方法及び軸 受構造装置に関する。 図１に示されているように、本発明に従ったスラスト軸受構造１０は、超電導 アセンブリ１２及び磁気アセンブリ３０を含んでいる。磁気アセンブリ３０は、 スラスト軸受構造１０の浮揚されたアセンブリ又は回転要素であり、固定子要素 として作用する超電導アセンブリ１２により浮遊されている。超電導アセンブリ １２は、単数又は複数の超電導磁気要素１６を含む超電導磁気部材１４を含んで いる。各々の超電導磁気要素１６は単数又は複数のドメイン１８を含んでいる。 各ドメイン１８は、ドメインＣ軸ベクトルの方向を示す矢印２０を含んでいる。 磁気アセンブリ３０は、永久磁石材料で作られた１つの磁気セグメント３４を含 む磁気部材３２を内含する。磁気セグメント３４は同様に電磁部材で作られてい てもよいし或いは又永久磁石材料及び電磁部材の組合せで作られていてもよい。 磁気アセンブリ３０は、磁気部材３２の背面３６が超電導磁気部材１４の支持面 ２２と対向するような形で、超電導アセンブリ１２により浮遊されている。磁気 部材３２の基準軸３８はスラスト面３６に対し垂直である。図１に示されている スラスト軸受構造１０において、基準軸３８は、浮揚された磁気アセンブリ３０ の回転軸に対して平行である。 超電導アセンブリ１２は、超電導磁気部材１４に加えて永久磁気部材又は電磁 部材（図示せず）を含むことができる。代替的には、超電導磁気部材１４は、図 １に示されているように複数の超電導磁気要素１６を含む代りに、複数のドメイ ン１８を有する１つの超電導磁気要素を含むこともできる。第２の代替的構成は 、各々１つのドメインをもつ超電導磁気要素１６を含む超電導磁気部材１４とす ることができる。第３の代替的構成は、１つのドメイン１８を有するいくつかの 超電導磁気要素１６と複数のドメイン１８を有するその他の超電導磁気要素１６ を含む超電導磁気部材１４とすることができる。 超電導磁気部材１４は好ましくは、タイプIIの高温超電導材料で作られている 。一般にこれらの材料は３０Ｋを上回る臨界温度（Ｔｃ）を有する。タイプIIの 高温超電導材料の例としては、バリウム−ランタン−銅酸化物（Ｂａ−Ｌａ−Ｃ ｕＯ）、ストロンチウム−ランタン−銅酸化物（Ｓｒ−Ｌａ−ＣｕＯ），イット リウム−バリウム−銅酸化物（ＹＢＣＯ）、水銀ベースの銅酸塩（Ｈｇ−Ｂａ− Ｃａ−ＣｕＯ），タリウムベースの銅酸塩（Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−ＣｕＯ）及びビ スマス−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物（ＢＳＳＣＯ）といったような 高温超電導酸化物が含まれる。従って、磁気部材１４を作るのに使用できるタイ プIIの超電導材料は、基本的にＬａ_1-xＢａ_xＣｕＯ₄、（Ｌａ_1-xＢａ_x）₂ＣｕＯ_4-y 、Ｌａ_2-xＳｒＸＣｕＯ₄、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-delta、ＹＢａ₂Ｃｕ_3.5Ｏ_7+x、 ＹＢａ₂Ｃｕ₄Ｏ_8+x、Ｂｉ₂（Ｓｒ，Ｃａ）_3-xＣｕ₂ Ｏ_9-y、Ｂｉ₂（Ｓｒ，Ｃａ）_3-x、Ｃｕ₂Ｏ_9-y、Ｂｉ₄（Ｓｒ，Ｃａ）₆Ｃｕ₄Ｏ_{16 +x} 、Ｂｉ₂Ｓｒ₃Ｃａ₃Ｃｕ₂Ｏ_8+x、Ｔｌ₂Ｂａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_10+delta、Ｔｌ₂Ｂａ₂ ＣａＣＵ₃Ｏ_8+delta及びＨｇＢａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_6+deltaから成るグループの中か ら選択できる。好ましくは、超電導部材１４は基本的にＬａ_1.85Ｂａ_0.15ＣｕＯ₄ 、Ｌａ_1.85Ｓｒ_0.5ＣｕＯ₄、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀、Ｔｌ₂Ｂａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈、Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₂Ｏ₁₀及 びＨｇＢａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_6+deltaから成るグループの中から選択された材料で作 られている。最も好ましくは、超電導磁気部材１４は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇で作ら れている。 磁気アセンブリ３０は、永久磁石材料に加えて超電導磁気材料を含むことがで きる。磁気アセンブリ３０は、スラスト軸受システム内に回転要素の従来のあら ゆる形態を有することができる。典型的には、磁気アセンブリ３０は円筒形又は ディスク状である。超電導アセンブリ１２は、磁気アセンブリ３０の形態に対応 する形態を有することができる。例えば、ディスク状の磁気アセンブリ３０は、 対応するディスク状の超電導アセンブリ１２により浮揚される。 スラスト軸受構造１０においては、振動変位には、式Ｉで表わされるもののよ うな振動変位が含まれる。換言すると、振動変位には、固定回転軸を中心とする 磁気部材３２の回転に関係する角変位と平行でない磁気部材３２の変位が含まれ る。従って、例えば、振動変位には、回転子の不釣合の結果としての変位が含ま れる場合がある。この不釣合は、回転子の歳差運動、振動又は揺動の形で現われ る可能性がある。 本発明に従うと振動変位を除去するための安定化力が、基準軸３８に対して角 度を有して配置された少なくとも１つのドメインＣ軸ベクトル２０をもつ超電導 磁気要素１６によって提供される。図２に示されている通り、ドメインＣ軸ベク トル２０は、３次元的配置角度αが−９０°＜α＜９０°という式を満たす場合 に、基準軸３８に対して角度を有して配置されていることになる。 本発明は、エネルギー貯蔵システムのための効率の良い軸受構造を提供するた めに特に有用である。シリンダ及びディスク形態の両方において、はずみ車を利 用するエネルギー貯蔵システムには、高速運転のための高度の非線形減衰挙動が 必要とされる。このことは特に、超臨界速度での運転について言えることである 。この形態の軸受減衰はきわめて非線形のものとなり、変位が増大するにつれて エネルギーの散逸は連続的に増加する。 図３に示されている通り、エネルギー貯蔵システムのための軸受構造４０は、 固定子アセンブリ４２と回転子アセンブリ６０を含む。回転子アセンブリ６０は 、永久磁石材料で作られた磁気部材６２を含むはずみ車である。固定子アセンブ リ４２は、超電導磁気要素５０又は５２の円形アレイを形成するべく複数の超電 導磁気要素４８を有する超電導磁気部材４６を含む、ＨＴＳ材料冷却用のクライ オチャンバ４４を内含している。超電導磁気要素の第１のアレイ５０は、固定子 アセンブリの全体的な厚み及び性能を増大させるべく第２の超電導磁気要素アレ イ５２の上にタイル状に配置されている。このタイル配置は同様に、各ドメイン ベクトルの統計的変動を平滑化する効果も有している。 超電導磁気要素４８は、第２の円形アレイ５２上にタイル状に配置されている 超電導磁気要素の第１の円形アレイ５０を形成するべく側方に位置づけすること ができる。代替的には、超電導磁気要素４８は、第１のアレイ内の要素が第２の アレイ内の要素との関係において食い違い配置となるように位置づけされてレン ガ壁の断面形状を形成するようになっている複数のアレイを形成することができ る。アレイの数及び超電導磁気要素のレイアウトとは無関係に、超電導磁気部材 ４６の支持面５８は、磁気部材６２のスラスト面６４と対向している。 回転子アセンブリ６０はディスク形であり、永久磁石から成る磁気部材６２を 有する。各々の超電導磁気要素４８は単数又は複数のドメイン５４を含むことが できる。好ましくは、超電導磁気要素４８は複数のドメイン５４を含む。超電導 磁気要素４８内のより好ましいドメイン数は３〜１０である。磁気部材６２は単 数又は複数の磁気セグメント（図示せず）を含むことができる。 本発明によると、ドメインＣ軸ベクトル５６が基準軸６６に対して角度を有し て配置されるような形で超電導磁気部材４６の中のドメイン５４を配置すること により、安定化力が提供される。本発明の好ましい実施形態においては、超電導 磁気部材１４は、或る範囲の角度配置を有するドメインＣ軸ベクトル２０を含む 。 図４は、図３の軸受構造のためのクライオチャンバ４４の中の単一アレイの超 電導磁気部材７０、７２、７４、７６又は７８の中の角度配置の可能性のある５ つの組合せの代表標本を示している。図４に示されているような各々のドメイン Ｃ軸ベクトル５６の角度配置は、基準軸６６の−９０°〜９０°の間で変動し得 る。好ましくは、ドメインＣ軸ベクトル５６の角度配置は、基準軸６６から約− ３０°〜約３０°の間で変動する。角度配置の好ましい組合せは、第１、第２及 び第３の超電導磁気部材７０、７２、７４によって表わされている。より好まし い組合せは、第３の超電導磁気部材７４によって表わされている。ドメインＣ軸 ベクトル５６の角度配置が二次元で記述されてきたが、ドメインＣ軸ベクトル５ ６の角度配置が３次元内で多数の方向に拡がることができるということも理解す べきである。 図４に示されているように、ドメインＣ軸ベクトル５６の配向は、超電導磁気 部材４６の任意の半径に沿っての基準軸６６に対する方位角は対称でも非対称で あってもよい。本発明の好ましい実施形態においては、超電導部材４６の任意の 半径に沿った「ベクトル和方向」は、軸受応答力が３次元で対称となるように、 方位角が対称である。ベクトル和方向は、超電導磁気部材４６の半径に沿ったＣ 軸ベクトル５６全ての和の合成方向である。従って、例えば、ベクトル和方向は 、超電導部材４６が特定の半径に沿って唯一つのドメイン５４しか含んでいない 場合、１つのＣ軸ベクトル５８の方向とすることができる。本発明のより好まし い実施形態においては、方位角が対称なベクトル和方向は、支持面５８と交差す る場所での磁気部材６２の磁束（図示せず）の勾配と平行である。この形態は最 大のスティフネス及び減衰を提供する。 代替的には、超電導磁気部材１４の半径の関数で角度配置が変動するようにド メインＣ軸ベクトル２０を配向させることができる。さらに、磁気部材１４は、 「ベクトル和角度」θ₁を有ししかもドメインＣ軸ベクトル２０の約９０％は、 θ₁−１５°≦α≦θ₁＋１５°という式を満たす角度配置αを有してして、実質 的にθ₁に等しい平均分布値を有する統計学的に正規の分布を有する２つ以上の ドメインＣ軸ベクトル２０を含むことができる。ベクトル和角度というのは、基 準軸３８に対するベクトル和方向の角度である。好ましくは、ドメインＣ軸ベ クトル２０の約９０％が、式θ₁−５°≦α≦θ₁＋５°を満たす角度的配置αを 有する。 別の代替例においては、ベクトル和角度θ₂を有する２つ以上のドメインＣ軸 ベクトル２０が、ランダムに分布していてよく、この場合、ドメインＣ軸ベクト ル２０は、θ₂−９０°≦α≦θ₂＋９０°という式を満たす配置角度αを有する 。好ましくは、ドメインＣ軸ベクトル２０は、式θ₂−１０°≦α≦θ₂＋１０° を満たす配置角度αを有する。 もう１つの代替的配列方法においては、超電導磁気部材４６の任意の直径に沿 ってドメインＣ軸ベクトル５６のベクトル和方向が、必要とされる制御力の方向 と平行となるような形に、ドメイン５４を配置することができる。例えば、超電 導磁気部材７６又は７８は、ドメインＣ軸ベクトル５６が１つの円錐を形成する ドメインベクトル配置を有するドメイン５４を含むことができる。これらの設計 においては、回転子アセンブリ６０は、最適なエネルギー形態を達成するべく磁 気井戸及び自己の位置に配置されている。ドメインＣ軸ベクトル５６が略基準軸 ６６に平行である従来のアプローチとは異なり、本発明のアプローチは、軸受磁 石設計において考慮に入れなくてはならない軸受磁石に対する静的フープ（円周 ）応力を付加する可能性がある。それでも、その他の非対称配向が可能であり、 或る種の場合には望ましいかもしれない。 通常、ドメインＣ軸ベクトル５６を配向するためには、各々のＨＴＳペレット が機械加工され、その完成した応答ドメインＣ軸ベクトル５６に基づいて方向づ けされる。かくして、超電導磁気部材４６中のドメイン５４の配置には、最初、 各超電導磁気要素４８内でのＣ軸ベクトル５６の方向の分布を決定することが含 まれる。 この特徴づけの第１の方法は、各々の超電導磁気要素４８のＣ軸ベクトルの個 々の測定である。第２の特徴づけ方法は、オーブン内の一定の温度範囲内で成長 させられた超電導磁気要素４８がドメインＣ軸についての類似の分布を有する傾 向があることを理由とした、オーブンの異なる場所での超電導磁気要素４８の代 表的標本の測定である。第３の特徴づけ方法には、バッチからの超電導磁気要素 ４８の標本を測定し、その標本から決定されるようなドメインＣ軸についての予 想される方向に基づいてバッチ内の全てのペレットを機械加工（又は取りつけ） することを含む。好ましい特徴づけ方法は、第２及び第３の方法である。複数の ドメインを含む超電導磁気要素の使用によって、単一ドメインの超電導磁気要素 が使用される場合に比べて特徴づけの精度は重要性がはるかに低くなる。その上 、より小さな結晶粒サイズ及び増大した数のドメインＣ軸ベクトルの分布を許容 することから、ＨＴＳ材料の全体的製造コストは低減することになる。 かくして、固定子アセンブリ４２の特定の区分において望まれるドメインＣ軸 ベクトル方向を得るための好ましい方法は、望まれるドメインＣ軸ベクトル方向 に中心をおく好適に選択された分布を提供することによるものである。これは、 方向に対するより高度な制御を提供するが、アセンブリ内での特徴づけ及び取扱 上の注意を必要とする。 好適に選択されたドメインＣ軸ベクトル５６の分布に対する１つの代替例は、 望まれるドメインＣ軸ベクトル分布から規定の角度βで変動するドメインＣ軸ベ クトル５６のランダムな分布を有する複数のドメインを選択し、ランダム分布の ベクトル和方向が望まれるドメインＣ軸ベクトル方向を近似するようにすること である。望まれる角度βは０°〜１８０°まで変動しうるが、好ましい角度βは ２０°〜３０°の間にある。 溶融集合組織化されたＨＴＳ材料を作る現行の方法については、今日の文献中 で充分に報告されている。研究努力の大部分は単結晶ペレットの成長に集中して いるが、ペレット内の付加的なドメインの自然発生的核形成を防ぐために多大な 努力が費やされている。本発明は、現在のところ最適なものより劣るとみなされ ているこれらの付加的なドメインをもつペレットの使用を可能にすることになる だろう。 その上、本発明の安定化力は、円錐形及び円筒形の歳差運動も妨げる。高さと 直径の比（Ｈ及びＤはそれぞれ図３に示されている通り）が約３〜約６であるシ リンダ形状を有する回転子アセンブリ６０を伴う軸受構造４０においては、シリ ンダは、典型的には、スティフ剛体として作動するが、ジャイロ歳差運動を行な う傾向をもつ。これは、円錐形及び円筒形の両方の動き含むが、歳差運動の周波 数は回転子の角速度の関数であるので、円錐形の動きが優越している。円錐形歳 差運動の駆動機構は、回転子の不釣合の直接の結果である。本発明は、この駆動 機構に対する回転子の応答を実質的に減少させる安定化力を提供する。 本発明は、図５のジャーナル軸受構造８０及び図６の線形軸受構造１００内の 安定化力も提供する。図５を参照すると、ジャーナル軸受構造１００は、略円筒 形の回転子アセンブリ９２の対向する端部に２つの超電導磁気部材８４を有する 固定子アセンブリ８２を含む。超電導磁気部材８４は、各々の磁気部材９４のス ラスト面９８が超電導磁気部材８４の支持面９０に対向するような形で、略円筒 形の回転子アセンブリ９２内の２つの対応する磁気部材９４を支持するように位 置づけされている。回転子アセンブリ９２は、基準軸９６に対して平行な回転軸 を有する回転運動を行なうことができる。ジャーナル軸受構造８０においては、 回転子アセンブリ９２が固定子アセンブリ８２により浮遊されている間の固定回 転軸を中心にした回転子アセンブリ９２の回転運動に付随する角変位と平行でな い回転子アセンブリ９２の変位が振動変位に含まれる。従って、振動変位には、 磁気機械的不安定性、回転子不釣合又は貯蔵システムに対する外部衝撃の結果と しての変位が含まれる可能性がある。図５に示されているように、ドメイン８６ 内のドメインＣ軸ベクトル８８のうちの少なくとも１つが基準軸９６に対して角 度を有して配置されている状態にある超電導磁気部材８４を提供することによっ て、これらの振動変位を妨げるための安定化力が提供される。 図６を参照すると、本発明の軸受構造は同様にＥＤＬ Ｍａｇ−Ｌｅｖにおい ても利用することが出来る。この場合、キャリヤアセンブリ１０２は、超電導磁 気部材１０４を含み、案内路アセンブリ１１２は、電磁石である磁気部材１１４ を含む。キャリヤアセンブリ１０２は、磁気部材１１２のスラスト１１６が超電 導磁気部材１０２の支持面１１０と対向ような形で案内路アセンブリ１１２の上 に浮揚される。図６の軸受構造１００においては、振動変位には、案内路アセン ブリ１１２の上のキャリヤアセンブリの線形運動に付随する側方変位と平行でな いキャリヤアセンブリ１０２の変位が含まれる。従って、例えば、振動変位には 、縦揺れ（ピッチング）及び上下揺れ振動の組合せ、側方及び片揺れ(ヨーイン グ)振動の組合せ及び横揺れ発散（ローリング）といった磁気機械的不安定性の 結果としてもたらされる変位が含まれている。図６に示されているように、ドメ イン Ｃ軸ベクトル１０８のうちの少なくとも１つがそれぞれの磁気部材１１４の基準 軸１１８に対して角度を有して配置されるような形で、超電導磁気部材１０４の 中にドメイン１０６を提供することによって、これらの振動変位を妨げるための 制御力が提供される。 ドメインＣ軸ベクトルの角度的配置の範囲の設計には、制御力によって制御さ れるべき振動変位ベクトルが考慮に入れられなくてはならない。例えば、図３， ５及び６を参照すると、振動変位ベクトルは、その軸受構造が図３に示されるよ うなスラスト軸受システムに適合されているのか、図５に示されるようなジャー ナル軸受システムか、図６に示されるような線形軸受システムに適合されている のかに応じて異なっている。基準軸６６，９６及び１１８に対しそれぞれ直交す る振動変位ベクトルの絶対値が増大するにつれて、望ましくない変位ベクトルを 停止するためにより大きな減衰を加えることが重要である。しかしながら、エネ ルギーがほとんど除去されない小さい変位は許容されるべきである。こうして回 転子には、回転子からエネルギーがほとんど又は全く除去され無いような変位窓 （領域）が具備されることになる。従って、正常な回転子の作動中の損失がきわ めて低い。 さらに、ＨＴＳ材料の性能も設計に際し考慮すべきである。より低いＪｃをも つＹＢＣＯドメインが、望ましい減衰係数に合わせて軸受システムを作る上で有 用である場合がある。さまざまな強度のＨＴＳペレットを単一のＨＴＳ固定子の 中で相互混合して所望の結果を達成することが可能である。 本発明の利点及びその他の特徴は、以下の計算によって最も良く例示される。 計算は、図１に示されたスラスト軸受における本発明の効果を例示するために 実施された。これらの計算は磁界の基準磁束線１２０に基づいていることから、 簡略化されたものである。実際のシステムにおいては、合計減衰及びスティフネ スはそれぞれ全磁束変化及び磁束密度勾配によって左右される。さらに、計算は ２次元システムに基づいている。 図７は、図１の超電導磁気部材１４の一部分と磁気部材３２の間の相互作用の クローズアップ図である。図７では、超電導磁気要素１６の上に磁気部材３２が 浮遊されており、ここで「ランニングハイト」（ｙ−ｒｕｎ，超電導磁気要素 １６から磁気部材３２までの高さ）は1.5 である。磁気部材３２に対する変位力 １２８の影響を、超電導磁気要素１６のドメイン１８が従来の仕方で磁気部材３ ２と整列せされた時点で決定し、ドメイン１８が本発明に従って配列された時の 変位力１２８の影響とそれを比較する。 磁気部材３２は、図示した通りの北（Ｎ）及び南（Ｓ）極をもつ「馬蹄」形の 永久磁石である。磁気部材３２からの磁束線１２２は、Ｙ座標に垂直な平坦な表 面１２４を有する超電導磁気要素１６の中へと流れる。基準束線１２０は、点１ ２６で表面１２４と交差する。角度θは、Ｘ座標を基準とした入射磁束角度、又 は表面１２４との関係における点１２６での基準磁束線１２０の正接角１３０を 表わす。θは、入射点における磁束勾配の逆正接に基づいて計算することができ る。 図７に示されているように、磁気部材３２は、それぞれＸ及びＹ座標における 磁気力である成分Ｂｘ及びＢｙを有する磁界を表わす。Ｙ座標は、基準軸３８に 対し平行であり、Ｘ座標は、磁気部材３２の磁極平面内の線と一致し、そのため Ｘ及びＹ座標は図７の点（０，０）で交差するようになっている。磁束線１２２ は、点（０，０）に中心をもち、式II， ｘ²／ａ²＋ｙ²／ｂ²＝１ （式 II） を満たすような第１の半径ａ及び第２の半径ｂをもつ楕円の一部分を構成すると いう仮定がなされている。 この計算は、ｙ：＝ｙ＿ｒｕｎを使用する。図７では、ａの値は、Ｂｘの値及 び磁気部材３２の形状によって規定され、ｂの値はＢｙの値及び磁気部材３２の 形状によって規定される。図７では、ａ：＝３.００，ｂ：＝３.７５であると仮 定されている。 超電導磁気部材１４の上を回転し始めたときの磁気部材３２の初期位置は、（ ｘ₁，０）により示されるＸ座標上のその南極及び（−ｘ₁，０）により示される 座標上のその北極の初期位置によって表わされる。振動に起因するＸ座標に沿っ た磁気部材３２上の変位力１２８は、磁気部材３２の変位（delta ＿ｘ）を結果 としてもたらす。ここで時間的に最初の点において、Ｘ座標上の南極の位置は（ ｘ₂，０）により記すことができ、又第２の時点において、Ｘ座標上の北極 の位置は（−ｘ₂，０）で記すことができる。磁気部材３２の変位は、システム 全体の規模に比べて小さいものであると仮定されている。 超電導磁気要素１６は、Ａ軸及びＣ軸を伴う複数のドメインで構成されている 。図７では、１つのドメイン１８のみが示されている。Ｙ座標との関係における Ａ軸及びＣ軸の従来の位置が示されている。換言すると、Ｃ軸はＹ座標に対して 平行である。角度αは、Ａ軸との関係におけるＣ軸の角度配置の、Ｙ座標を基準 にした角度を表わしている。 Ｂｘ及びＢｙはｘの変化によって規定されると仮定されている。さらに、Ａ− Ｂ平面内の超電導磁気部材１６の臨界電流Ｊｃは、Ａ−Ｃ平面内のものの１０倍 である。これらの計算には、超電導磁気要素１２４による磁束の自己遮へいが考 慮されていない。 変位力１２８が delta＿ｘ＝０.２を結果としてもたらすと仮定すると、Ｘ₂は 次の式III によって決定できる： ｘ₂＝ｘ₁−ｘ＿delta （式 III） 従って、 ｘ₂：＝２.５５ ｘ変位の関数としての By（delta ＿By）の変化は、式IVにより決定できる： delta ＿By ：＝ｂ／ａ（（ａ²−ｘ₂ ²）（^1/2） −（ａ²−ｘ₁ ²）（^1/2）） （式 IV） 従って，delta ＿By：＝０.４７６ Ｃ軸方向の超電導磁気要素１６のための臨界磁界（Ｂ^*）がＢ^*＜１という式を 満たすことが仮定されている。さらに、超電導磁気要素１６が、通常の超電導モ ードひいてはＣ軸方向でその臨界磁界より下で作動しているという仮定もなされ ている。従って、超電導磁気要素１６は、式Ｖにより近似される磁界変化（ref ＿damp）によってエネルギーを散逸させる： ref ＿damp：＝（delta ＿By）³/Jc （式 Ｖ） 従って，ref ＿damp：＝０.０１１ Ｃ軸ベクトルが点１２６における基準磁束線１２０の接線１３０に対して平行 であるような軸受内の磁束変化（delta ＿flux）についての値は、以下の式VIに より計算される： delta ＿flux：＝delta ＿By/sin（θ） （式 VI） 従って，delta ＿flux：＝０.５０５ 従来の方法によって提供される減衰と本発明によって提供される減衰の比率(d amping-benefit)は以下の式 VIIによって表わされる。 damping benefit ：＝(delta＿flux)³/(delta＿By)³−１ （式 VII） 従って，damping benefit ：＝１８.８３２％ さらに、スティフネスの改善は、スティフネスが式 VIII で表わされるように スティフネスが線形挙動であると仮定することによって実証できる。 Ｆ＝ｋＸ， （式 VIII） なお式中、ｋはスティフネス係数である。 さらに、delta ＿Ｂはドメイン１８の初期磁界との関係において比較的小さい ものであることが仮定されている。かくして、スティフネス比率(stiffness ＿b enefit)は、式IXによって表わすことができる。 stiffness ＿benefit ：＝１/sin（θ）−１ （式 IX） 従って stiffness＿benefit ：＝５.９２％ 式VI及びVII により示されているように、本発明は、増大した減衰及びスティ フネスを提供する。減衰性能は、同じランニングハイトについてｂ／ａの比率が 増大するにつれて著しく改善する。これは、より高いランニングハイト及びより 高い磁束勾配磁石についても言えることである。 一例として、より高い性能の軸受システムは、以下の入力の結果として得られ る： ａ：１.５； ｂ：＝０.７５ ｙ run ：＝０.５０ delta ＿x :＝０.２０ 計算の結果は、Ｃ軸ベクトルがＹ座標に平行であるようなドメイン１８を用い た類似のシステムと比較した場合に７６０％の減衰比の改善及び１０５％のステ ィフネスの改善を表わしている。 当然のことながら、上述の好ましい実施形態に対して広範囲の変更及び修正を 加えることが可能であるということを理解すべきである。従って、上述の詳細な 説明は制限的な意味のない例示を目的としたものにすぎず、本発明の範囲を規定 することが意図されているのは、全ての均等物を含めた以下の請求の範囲あると いうことを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 支持面（２２，５８，９０，１１０）を有し且つ少なくとも１つの超電導 磁気部材（１４，４６，８４，１０４）を含む超電導アセンブリ（１２，４２， ８２，１０２）と，前記支持面と対向するスラスト面（３６，６４，９８，１１ ６）を有し且つこのスラスト面と垂直な方向の基準軸（３８，６６，９６，１１ ８）とを含む少なくとも１つの磁気部材（３２，６２，９４，１１４）を含む磁 気アセンブリ（３０，６０，９２，１１２）を含む磁気軸受システムにおける少 なくとも１つの安定化力を提供するための方法が、 前記超電導磁気部材に複数のドメイン（１８，５４，８６，１０６）を備 える段階； 少なくとも１つのドメインが前記基準軸に対して角度を有して配置された ドメインＣ軸ベクトル配向（２０，５６，８８，１０８）を有するように前記超 電導磁気部材を配置する段階； を含んで成る方法。 ２． 支持面（２２，５８，９０，１１０）を有し且つそれぞれのドメインＣ軸 ベクトル（２０，５６，８８，１０８）を含む複数のドメイン（１８，５４，８ ６，１０６）を含有する少なくとも１つの超電導磁気部材（１４，４６，８４， １０４）を含んで成る超電導アセンブリ（１２，４２，８２，１０２）； 前記支持面に対向するスラスト面（３６，６４，９８，１１６）を有し、 このスラスト面に対し垂直な方向の基準軸（３８，６６，９６，１１８）を含む 少なくとも１つの磁気部材（３２，６２，９４，１１４）を含んで成る磁気アセ ンブリ（３０，６０，９２，１１２）； を含んで成る磁気軸受用の構造において、 前記超電導磁気部材が前記基準軸に対して角度を有して配置された少なくと も１つのドメインＣ軸ベクトル配向を含んでいるような配置を有し、 この配置により少なくとも１つの安定化力が提供される構造。 ３． 前記ドメインＣ軸ベクトルが、前記安定化力が最大値を有する少なくとも １つの方向にあるベクトル和の方向を有している請求の範囲第１項に記載の方法 及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ４． 前記超電導磁気部材が超電導磁気要素（１６，４８）を複数含んで成る請 求の範囲第１項に記載の方法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ５． 前記超電導磁気部材が複数の超電導磁気要素アレイを含み、第１のアレイ が第２のアレイの上に垂直方向に位置づけされている請求の範囲第１項に記載の 方法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ６． 任意の超電導磁気要素アレイに沿って、ドメインＣ軸ベクトルが前記安定 化力が最大値を有する少なくとも１つの方向に対して平行なベクトル和方向を有 する請求の範囲第１項に記載の方法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ７． ベクトル和方向が基準軸に対して平行である請求の範囲第１項に記載の方 法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ８． ドメインＣ軸ベクトルが、円錐形状のドメインベクトル配置を有する請求 の範囲第１項に記載の方法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 ９． 前記ドメインＣ軸ベクトルの各々が基準軸に対して配置角度α₁を有し、 前記配置角度α₁が式−９０°＜α₁＜９０°を満たしている請求の範囲第１項に 記載の方法及び／又は請求の範囲第２項に記載の構造。 10． 前記磁気アセンブリが回転子アセンブリであり； 前記超電導磁気アセンブリが前記回転子アセンブリを支持するように位置 づけされた固定子アセンブリである、 エネルギー貯蔵システム（４０）における請求の範囲第１項に記載の方法及び ／又は請求の範囲第２項に記載の構造。