WO2006093033A1 - 超電導軸受を用いた非接触軸受装置 - Google Patents

Abstract

　本発明は、ハウジング側に取り付けられたモータステータと協働して発電電動機を構成するモータロータを固定する回転主軸を支持するために、回転主軸の上端部をラジアル方向に支持する位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受と、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定化を図る１つのみの超電導軸受とを備える。この超電導軸受は、回転主軸の下端部を支持する。超電導軸受は、回転主軸の下端をラジアル方向に位置決めするために、回転主軸の下端外周面に固定された永久磁石と、これに対向してハウジングに取り付けられた超電導体によって構成され、さらに、回転主軸をアキシャル方向に支持する浮上用の永久磁石磁気軸受を備える。  

Description

超電導軸受を用いた非接触軸受装置

技術分野

[0001] 本発明は、超電導軸受を用いた非接触軸受装置に関するものであり、例えば、病 院での瞬時停電防止のための電力貯蔵用フライホイールや精密機器の軸受装置と して利用されるものである。

背景技術

[0002] 電力の負荷平準化や電力の安定供給は、電力業界のみならず医療分野、精密機 器分野等にとって重要である。そこで、現在、国家プロジェクトとして、超電導軸受を 用いた電力貯蔵用フライホイールの開発が進められている。

[0003] 超電導体は、臨界温度以下において、マイスナー効果およびピン止め効果を有す る。マイスナー効果とは、超電導体の示す完全反磁性のことを称し、ピン止め効果と は、超電導体内の磁界を固定する力を言う。この 2つの効果を有する超電導体と永 久磁石を対向させることにより、回転主軸を非接触保持する超電導軸受装置が開発 されている。これによつて、浮上体が平衡状態からずれた場合、磁力線がピン止めさ れているため復元力が働き元の位置に戻ろうとする。このように、超電導を利用した 非接触浮上装置は、構造が簡単で安価な非接触浮上装置を実現させることができる

[0004] しかし、回転主軸を回転させたときには、超電導軸受のラジアル剛性が小さいため 、回転主軸の持つアンバランスまたはモータ等の外部から加わる外乱により、回転主 軸は大きく振れ回る。そこで、超電導軸受のラジアル剛性を高めるために、ラジアル 方向にも超電導体と永久磁石によるラジアル軸受を持つ超電導軸受装置が提案さ れている。

[0005] 図 11は、上記のようなラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができるように提案 された従来技術を説明する図である (特許文献 1参照)。図示の超電導軸受装置は、 回転主軸の軸方向両端部にはそれぞれ、第 1の永久磁石が取付けられる。この取付 けられた第 1の永久磁石に対向するようにハウジングには、それぞれ第 1の超電導体 が取付けられる。また、回転主軸の外径側面には、モータロータが取付けられ、モー タロータと対向するようにハウジング内面に、モータステータが取付けられる。さらに、 図示の超電導軸受装置は、回転主軸の軸端部には、それぞれ円筒状の第 2の永久 磁石が取付けられる。これらの第 2の永久磁石に対向するようにハウジングには、ブロ ック形状の第 2の超電導体が配向性の方向と回転主軸の径方向を一致させて、取付 けられる。

[0006] これによつて、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、超電導 体のマイスナー効果およびピン止め効果により、回転主軸は非接触保持される。さら に、ハウジングに取付けられたモータステータを駆動することにより、回転主軸に取付 けられたモータロータが回転駆動するため、回転主軸を回転させることができる。さら に、この超電導軸受装置は、回転主軸の上下両軸端部においてそれぞれ、超電導 体の持つ配向性の方向とラジアル方向を一致させることにより、超電導体と永久磁石 により形成されるラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができ、回転部材のラジア ル方向の振れを抑えることができる。

[0007] し力しながら、このような超電導軸受装置は、超電導体の持つ配向性の方向とラジ アル方向の一致を、回転主軸の上下両軸端部のそれぞれにお 、て達成する必要が あるが、上下両軸端部の回転中心を一致させることは困難であり、回転中心がずれる ことによりエネルギーロスが生じていた。

[0008] 図 12は、従来技術による超電導軸受装置の別の例を示す図である。図 11と同様 に、発電電動機を構成するモータロータ、及び上下 2つのフライホイールが固定され た回転主軸は、非接触磁気軸受装置によって支持されている。この例において、非 接触磁気軸受装置は、 1個の超電導軸受と、 2個のラジアル方向磁気軸受及び 1個 のアキシャル方向磁気軸受により構成されている。臨界温度以下に冷却する必要の ある超電導軸受を、回転主軸下部に配置した 1個のみにしている。ラジアル軸受のラ ジアル剛性を高めて、回転部材のラジアル方向の振れを抑えるために、 2つのラジア ル方向磁気軸受を用いると共に、回転主軸上部をアキシャル方向に支持するための アキシャル方向磁気軸受を備えて ヽる。例示のような電磁石を利用した磁気軸受は、 位置センサなどを用いて、電磁石に流す電流をフィードバック制御することにより、一 定ギャップの非接触状態を保つことが可能となる。

[0009] し力しながら、回転主軸下部でアキシャル方向に支持しているアキシャル型超電導 磁気軸受は、アキシャル方向に非接触保持するだけでなぐ超電導体の臨界温度以 下におけるピン止め効果により、回転主軸をラジアル方向にも保持しょうとする力が 作用する。図示の例は、このような超電導軸受による保持力に加えて、電磁石に流す 電流を制御して、ラジアル方向磁気軸受の作用により、回転部材のラジアル方向の 振れを抑えようとするために、両軸受の回転中心が一致せずに、エネルギーロスが生 じていた。

[0010] これらの例に見られるように、従来の超電導軸受装置は、非接触軸受を用いた回転 軸の浮上のために、永久磁石軸受、超電導軸受、電磁石を用いる制御軸受を併用し て用いるが、いずれも回転損失、振動抑制などの問題を抱えている。また、超電導体 を回転主軸の上下両軸端部のそれぞれに備えることは、冷却が困難となる。

特許文献 1：特開平 7— 42737号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] 従来の超電導軸受装置は、併用して用いる複数の軸受のそれぞれの回転中心が 異なるために、エネルギーロスが生じているという知見に基づき、本発明は、基本的 には 1点で支持することにより、回転損失、振動抑制などの問題を解決する簡単な構 成の超電導軸受装置を提供することを目的として ヽる。

[0012] また、本発明は、超電導体の冷却を容易にすることを目的としている。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明の超電導軸受を用いた非接触軸受装置は、ハウジング側に取り付けられた モータステータと協働して発電電動機を構成するモータロータを固定する回転主軸 を支持するために、回転主軸の上端部をラジアル方向に支持する位置決め用の永 久磁石反発形磁気軸受と、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定ィ匕を図る 1つの みの超電導軸受とを備える。この超電導軸受は、回転主軸の下端部を支持する。

[0014] また、超電導軸受は、回転主軸の下端をラジアル方向に位置決めするために、回 転主軸の下端外周面に固定された永久磁石と、これに対向してハウジングに取り付 けられた超電導体によって構成され、さらに、回転主軸をアキシャル方向に支持する 浮上用の永久磁石磁気軸受を備える。

[0015] また、超電導軸受は、回転主軸を浮上させるように、回転主軸の下端に取り付けら れた永久磁石と、それに対向して取り付けられるハウジング側の永久磁石及び超電 導体によって構成され、かつ、ハウジング側の永久磁石は、ハウジングに取り付けら れて 、る超電導体に対して取り付けられて 、る。このように配置した超電導体によつ て、回転主軸のラジアル方向及びアキシャル方向の安定ィ匕を図ることが可能となる。 また、回転主軸下端に、位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受を備えることができ る。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、永久磁石の助けを借りて位置決めしつつ、ラジアル方向及びァ キシャル方向の安定ィヒを図る 1つのみの超電導軸受を用いて、超電導軸受自身で 回転軸の位置 (ピン止め位置）を決めさせ、コマのように軸の支点を中心とした回転 動作を行うものであるから、回転軸を安定に浮上させることができると共に、冷却が容 易となる。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]本発明に基づき構成した非接触軸受装置の構成の第 1の例を示す図である。

[図 2]図 1に示した各軸受装置の動作を説明するための概念図である。

[図 3]本発明を具体ィ匕する非接触軸受装置の構成の第 2の例を説明する図である。 圆 4]本発明を具体ィ匕する非接触軸受装置の構成の第 3の例を説明する図である。

[図 5]超電導軸受の一例を示す図である。

[図 6]超電導軸受の別の例を示す図である。

[図 7]超電導軸受のさらに別の例を示す図である。

[図 8]図 1〜図 4の非接触軸受装置に用いることのできる永久磁石反発形磁気軸受を さらに説明する図である。

[図 9]アキシャル方向反発力を測定したグラフである。

[図 10]ラジアル方向反発力を測定したグラフである。

[図 11]ラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができるように提案された従来技術 を説明する図である。

[図 12]従来技術による超電導軸受装置の別の例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、例示に基づき、本発明を説明する。図 1は、本発明に基づき構成した非接触 軸受装置の構成の第 1の例を示す図である。図示の非接触軸受装置は、通常のよう に、回転主軸に固定されたモータロータと、ハウジング側に取り付けられたモータステ ータからなる発電電動機、及び回転主軸に固定されたフライホイールを備えている。 このような、回転主軸は、回転主軸の軸方向下側端部において、回転主軸をアキシ ャル方向に支持する浮上用の永久磁石磁気軸受装置が取り付けられている。さらに 、回転主軸の下端には、回転主軸の下端部をラジアル方向に支持する位置決め用 超電導軸受装置が備えられている。回転主軸の上端部には、回転主軸の上端部を ラジアル方向に支持する位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受が備えられて!/、る

[0019] 図 2は、図 1に示した各軸受装置の動作を説明するための概念図である。回転主軸 の軸方向下側端部に取り付けられる浮上用の永久磁石磁気軸受装置は、回転主軸 の下端とハウジング側にそれぞれ永久磁石が相対向して取り付けられている。さらに 、回転主軸の下端に取り付けられる位置決め用の超電導軸受装置は、回転主軸の 下端外周面に固定された永久磁石と、これに対向してハウジングに取り付けられた超 電導体によって構成されて、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定ィ匕を図る。回 転主軸の上端部に取り付けられる位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受は、回転 主軸の上端外周面に固定された永久磁石と、該永久磁石に対向するようにハウジン グに取り付けられる別の永久磁石とから構成される。

[0020] このような構成により、ハウジングに取り付けられたモータステータを駆動することに より、回転主軸に取り付けられたモータロータが回転駆動するため、回転主軸を通常 に回転させることができる。

[0021] このとき、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、超電導体の マイスナー効果およびピン止め効果により、回転主軸は非接触保持される。本発明 は、超電導軸受自身で回転軸の位置 (ピン止め位置）を決めさせて、コマのように軸 の支点を中心とした回転動作を行う。また、永久磁石軸受を用いて回転軸の位置決 めをさせると共に、永久磁石を用いてラジアル (半径)、スラスト (軸)各方向の剛性を 最適化する。

[0022] このように、本発明によれば、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定ィ匕を図るよう に配置した 1つのみの超電導軸受を用い、かつ永久磁石の助けを借りて位置決めす ることにより、冷却を容易にすると共に、回転主軸を安定に浮上させることが可能とな る。

[0023] 図 3は、本発明を具体ィ匕する非接触軸受装置の構成の第 2の例を説明する図であ る。回転主軸の上端部に取り付けられる位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受は 、図 2に示した例と同じぐ回転主軸の上端外周面に固定された永久磁石と、該永久 磁石に対向するように取り付けられる別の永久磁石とから構成される。回転主軸の軸 方向下側端部に取り付けられる浮上用の超電導軸受装置は、回転主軸の下端の永 久磁石と、それに対向して取り付けられるハウジング側の永久磁石によって構成され る。これら両永久磁石によって、回転主軸を浮上させることはできる力 回転主軸がラ ジアル方向に振れようとする力に抗して保持することはできな 、。回転主軸をラジア ル方向の振れに対して保持するのは、ハウジング側の円筒形状永久磁石の周囲に 配置した超電導体である。このハウジング側の超電導体は、安定ダンピング用のため に取り付けられていて、それを臨界温度以下に冷却した際に生じるピン止め効果に より、回転主軸を安定に保持する。

[0024] このように、回転主軸に取り付けられた永久磁石に対向して設けられるハウジング 側の永久磁石及びその周囲に配置した超電導体のマイスナー効果およびピン止め 効果により、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、回転主軸 は安定に非接触保持される。超電導軸受自身で回転軸の位置 (ピン止め位置)を決 めさせて、コマのように軸の支点を中心とした回転動作を行う。

[0025] このように、ラジアル方向及びアキシャル方向の安定化を図るように永久磁石の周 囲に超電導体を配置した 1つのみの超電導軸受を用い、回転主軸上部で永久磁石 磁気軸受装置を補助的に用いることにより、冷却を容易にすると共に、回転主軸を安 定に浮上させることが可能となる。 [0026] 図 4は、本発明を具体ィ匕する非接触軸受装置の構成の第 3の例を説明する図であ る。回転主軸下端に、位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受を備える点でのみ、 上記の第 2の例とは異なって 、る。超電導軸受自身で回転軸の位置 (ピン止め位置） を決めさせることが可能となるが、さらに、位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受を 備えることにより、回転主軸をその下端部でより安定に位置決めすることができる。伹 し、回転主軸の位置 (ピン止め位置）を決めるのは、超電導軸受である。

[0027] 図 3或いは図 4において例示した超電導軸受について、さらに図 5〜図 7を参照し て説明する。図 5は、ハウジング側には、回転主軸に設けた永久磁石に対向して備え られる円筒形状の永久磁石と、それに対応する形状の凹みを設けてそこに永久磁石 を収容した超電導体とから構成される。この構成は、図 3或いは図 4を参照して先に 説明したものと同じである。

[0028] 図 6は、超電導軸受の別の例を示す図である。ハウジング側には、回転主軸に設け た永久磁石に対向して備えられる円筒形状の永久磁石と、この永久磁石よりも高さ方 向にも径方向にも大きくした凹みを設けてその凹みの底部中央にそれを収容した超 電導体とから構成される。

[0029] 図 7は、超電導軸受のさらに別の例を示す図である。ハウジング側に設けられる永 久磁石は、中央の円筒形状永久磁石と、それと同心に配置されるリング状永久磁石 とから構成される。超電導体には、これら永久磁石に対応した形状の凹みを設けて、 そこに永久磁石を収容することにより、超電導軸受を構成している。

[0030] これら図 5〜図 7に例示したような構成の超電導体を冷媒等を用 、て臨界温度以下 に冷却することで、超電導軸受自身で回転軸の位置 (ピン止め位置）を決めさせて、 コマのように軸の支点を中心とした回転動作を行い、回転主軸は安定に非接触保持 される。

実施例

[0031] 図 8は、図 1〜図 4の非接触軸受装置に用いることのできる永久磁石反発形磁気軸 受をさらに説明する図である。永久磁石反発形磁気軸受では、ロータ部永久磁石及 びステータ部永久磁石力も構成され、半径方向並進及びピッチング、ョーイングは永 久磁石の反発力により受動的に支持される。ここでは、ステータ部永久磁石を 2段に 構成して、その間に非磁性スぺーサを挿入した例を示している力 ステータ部永久磁 石は 1段に構成することも、より多段に形成することも可能である。

[0032] 図 9及び図 10は、それぞれアキシャル方向反発力、及びラジアル方向反発力を測 定したグラフである。ロータ部永久磁石として、 Nb-Fe-B( φ 18 X φ 6 X 8)を 1個と、ス テータ部永久磁石として Nb-Fe-B( (i) 37 X 28 Χ 4. 5)を 2段にして、磁気軸受を構 成した。ステータ部永久磁石間に非磁性スぺーサを 0〜3mmまで厚みを変えて挿入 し、その時々のアキシャル方向反発力を測定した。また、 1mmのスぺーサを揷入して 、軸方向に相対的に変位させて（ δ =0, 0. 5, 1)、その時々のラジアル方向反発力 を測定した。

[0033] これら結果から、ステータ部の永久磁石間に非磁性スぺーサを挿入することで、平 衡点付近の反発力を積極的に調整することが可能であることが分かる。

Claims

請求の範囲

[1] ノ、ウジング側に取り付けられたモータステータと協働して発電電動機を構成するモー タロータを固定する回転主軸のための非接触軸受装置において、

回転主軸の上端部をラジアル方向に非接触支持する位置決め用の永久磁石反発 形磁気軸受と、

回転主軸の下端部を非接触支持する 1つのみの超電導軸受とを備え、 該超電導軸受により、回転主軸のラジアル方向とアキシャル方向の安定ィヒを図るこ とから成る超電導軸受を用いた非接触軸受装置。

[2] 前記超電導軸受は、回転主軸の下端をラジアル方向に位置決めするために、回転 主軸の下端外周面に固定された永久磁石と、これに対向してハウジングに取り付け られた超電導体によって構成され、さらに、回転主軸をアキシャル方向に非接触支持 する浮上用の永久磁石磁気軸受を備えた請求項 1に記載の超電導軸受を用いた非 接触軸受装置。

[3] 前記超電導軸受は、回転主軸を浮上させるように、回転主軸の下端に取り付けられ た永久磁石と、それに対向して取り付けられるハウジング側の永久磁石及び超電導 体によって構成され、かつ、ハウジング側の永久磁石は、ハウジングに取り付けられ て 、る超電導体に対して取り付けられて 、る請求項 1に記載の超電導軸受を用いた 非接触軸受装置。

[4] 回転主軸下端に、位置決め用の永久磁石反発形磁気軸受を備える請求項 3に記載 の超電導軸受を用いた非接触軸受装置。