WO2006126307A1 - 超電導利用支持機構及び永久磁石利用支持機構 - Google Patents

Abstract

　超電導を利用して回転体等を浮上支持する機構において、大型の回転体等の支持に有効な機構を提案する。回転体（２）は、超電導コイル（１）の中心軸（コイル中心軸）（１ａ）周りに回転可能に支持されると共に、そのコイル中心軸（１ａ）方向にスライド可能に構成されている。一方、低温容器（３）内に配置された超電導コイル（１）は正円環状に構成されており、この環状の超電導コイル（１）に囲まれるよう回転体（２）の強磁性体（２ａ）を配置する。さらに詳しくは、回転体（２）の強磁性体（２ａ）を、超電導コイル（１）の中心面（コイル中心面）（Ｓ１）からコイル中心軸（１ａ）方向に遠ざかるにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に配置させることによって、その回転体（２）が（回転体（２）の）回転軸（２ｂ）方向に支持されるよう構成されている。

Description

明 細 書

超電導利用支持機構及び永久磁石利用支持機構

技術分野

[0001] 超電導や永久磁石を利用して回転体や移動体を浮上支持するための機構に関す る。

背景技術

[0002] 非接触のスラスト軸受けとして最も一般的なものとしては、制御型磁気軸受けが知ら れており、例えば図 5 (a)に示すように電磁石を利用した軸受けによって回転体の回 転軸を支えるようにした構成のものや、非特許文献 1に開示される構成のようなものが ある。また超電導を利用した軸受けとしては、超電導バルタと永久磁石を利用した軸 受けが開発されており、例えば図 5 (b)に示すように回転体の下部に永久磁石を設け ると共にその永久磁石と超電導バルタを対向配置させた構成のもの (特許文献 1も参 照)や、非特許文献 2, 3に開示される構成のようなものがある。

非特許文献 1：「KOYO Engineering Journal No.158(2000) J ,光洋精工株式会社， 2 000年 7月 23曰印刷） ,第 16〜20頁

特許文献 1：特開 2001— 343020号公報

非特許文献 2 :「KOYO Engineering Journal No.l56(1999)j ,光洋精工株式会社，第 9〜14頁

非特許文献 3 :「KOYO Engineering Journal No.l51(1997)j ,光洋精工株式会社，第 12〜16頁

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしながら、これらの方式のスラスト軸受けにおいては次のような課題がある。例 えば制御型磁気軸受けに関しては、幅広く実用化されているが、非常に大きな軸力 を対象とするには大きな電力が必要になることに併せて、回転方向に伴う磁場変動 に伴う回転損失も発生する。また、超電導バルタを使用するものに関しては、負担可 能な重量に制約があり、大型のものを浮上支持対象とするには現実的ではないという 問題がある。

[0004] そこで本発明は、超電導を利用して回転体や移動体を浮上支持する機構において 、大型の回転体や移動体の浮上支持に有効な機構を提案することを第 1の目的とす る。

また、超電導を利用した支持機構の場合には、上述のように大型の回転体や移動 体の浮上支持に有効である力 そのような大型の回転体等を対象としないのであれ ば永久磁石を用いることも考えられる。永久磁石を利用した非接触のスラスト方向軸 受構成としては、永久磁石の強磁性体に対する吸引力を利用するものが考えられる 。その例として、強磁性体が完全に吸着してしまわない程度にスラスト力を発生し、残 りの荷重は機械的に支持する方法、もしくは制御型磁気軸受けを併用し、完全に非 接触で支持する方法の二通りが考えられる。

[0005] し力しながら、前者の構成では、完全に非接触の構成は困難であり、結局はかなり の荷重負担を機械的な接触支持に頼ることになる。後者の構成では、完全非接触が 可能となるが、制御磁気軸受けを併用することが不可欠であり、コスト面ならびに発生 するエネルギー損失の面力も望まし 、とは 、えな 、。

[0006] そこで本発明は、永久磁石を利用して回転体や移動体を浮上支持する機構にお いて、相対的に軽量な回転体や移動体の浮上支持に有効な機構を提案することを 第 2の目的とする。

課題を解決するための手段

[0007] 上記第 1の目的を達成するためになされた請求項 1に係る超電導利用支持機構は 、超電導コイル（1, 21 , 31 :この欄においては、発明に対する理解を容易にするた め、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄で用いた符号を付すが、こ の符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。；)）と、強磁性体 (2a, 22a, 32a)とを備え、超電導コイル（1, 21, 31)の中心軸（la, 21a, 31a)方 向にスライド可能に構成された強磁性体（2a, 22a, 32a)、または中心軸（la, 21a, 31a)方向にスライド可能に構成された超電導コイル（1, 21, 31)の何れか一方を、 超電導コイル（1, 21, 31)の中心面（SI , S11)と強磁性体（2a, 22a, 32a)の中心 面 (S2, S13)とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から 相対的に浮上支持させることを特徴とする。なお、「コイルの中心面」とは、コイルの幾 何学中心とは必ずしも一致しないことを確認的に述べておく。

[0008] この超電導利用支持機構の適用先は種々考えられるが、例えば回転体のスラスト 軸受けに適用した場合には、請求項 2に示すようになる。つまり、強磁性体（2a, 22a )を含む回転体（2, 22)を備え、その回転体（2, 22)は、超電導コイル（1, 21)の中 心軸（la, 21a)周りに回転可能に構成されると共に、超電導コイル（1, 21)の中心 軸（la, 21a)方向にスライド可能に構成されており、超電導コイル（1, 21)の中心面 (S 1)と強磁性体（2a, 22a)の中心面（S2)とが離間することによって生じる軸方向磁 気吸引力によって、回転体（2, 22)を浮上支持させるのである。これによつて、回転 体（2, 22)を超電導コイル（1, 21)の中心軸（la, 21a)方向に浮上支持させる上で 、本質安定で強大なスラスト支持力が得られることとなる。

[0009] そして、このような回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、さらに下記のような 構成を採用しても良い。つまり、強磁性体（22a)は、略リング状または略円柱状で、 且つ軸方向の上下端に径方向外側へ突出する鍔部（221a)が形成されている。また 、断面略コ字状であって、超電導コイル (21)を収容する低温容器 (23)を保持する 環状部材 (26)を備え、その環状部材 (26)は、開口部が径方向内側を向き、且つ超 電導コイル (21)の軸方向の上下端付近に位置する凸部（26a)の内径が超電導コィ ル (21)の内径よりも小さく構成されている。さらに、強磁性体 (22a)の軸方向上下端 に形成された鍔部（221a)と、環状部材 (26)の凸部（26a)とが、対向するよう配置さ れている。

[0010] 環状部材（26)の凸部（26a)は、超電導コイル（21)によって発生する磁力の磁路 として機能する。そして、その環状部材（26)の凸部（26a)は、強磁性体（22a)の軸 方向上下端に形成された鍔部（221a)と対向配置されているため、環状部材 (26)の 凸部（26a)と強磁性体 (22a)の鍔部（221a)とが対向する位置にある場合には、超 電導コイル（21)の中心面（S1)と強磁性体（22a)の中心面（S2)とが一致しており軸 方向磁気吸引力が作用しないが、環状部材 (26)の凸部（26a)と強磁性体 (22a)の 鍔部（221a)とが対向する位置力も軸方向に相対的にずれた場合には、超電導コィ ル (21)の中心面 (S1)と強磁性体 (22a)の中心面 (S2)とが離間し、軸方向磁気吸 引力が作用する。

[0011] また、リニア移動タイプの移動体支持機構に適用した場合には、請求項 3に示すよ うになる。つまり、超電導コイル (31)を含む移動体 (33)と、強磁性体 (32a)を含む軌 道（32)とを備え、移動体 (33)は、軌道（32)に沿って移動可能に構成されると共に 、超電導コイル（31)の中心軸（31a)方向にスライド可能に構成されており、超電導コ ィル (31)の中心面（SI 1)と強磁性体（32a)の中心面（S13)とが離間することによつ て生じる軸方向磁気吸引力によって、移動体（33)を浮上支持させるのである。これ によって、移動体（33)を超電導コイル (31)の中心軸（31a)方向に浮上支持する上 で、本質安定で強大な支持力が得られることとなる。

[0012] 上述した従来技術にお!、て提案されて 、るような永久磁石と超電導バルタとの組み 合わせの場合には、双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、安定した支 持の点で問題がある。それに対して本発明の超電導利用支持機構では超電導コィ ルを利用しており、この超電導コイルの場合には、形状的な精度を容易に上げること ができ、安定した浮上支持の点で有利である。また、支持対象である回転体あるいは 移動体は例えば鉄等の強磁性体を有しておればよぐ特殊な材料を必要としない点 でも有利である。

[0013] ここで、従来、本願発明のような発想がな力つた理由に関して付言しておく。超電導 を利用した軸受けに関する技術の流れとしては、永久磁石と超電導バルタの組み合 わせを前提としたものが主流であり、その組み合わせを前提としながら、材料の性能 向上によって上記制約を解決しょうとする研究開発が進められている。この組み合わ せは浮上方向にも左右方向にも支持できるため、理想的には適切な構成であるが、 現実面では、永久磁石とバルタの双方ともに形状等の精度を上げるのが困難であり、 安定した支持の点では問題がある。そのような問題点に着目した本願発明者は、超 電導コイルの場合には強力な磁場を容易に構成可能であることに加え、形状的な精 度を容易に上げることができる点に注目した。そして、超電導コイルの中心面から中 心軸方向に遠ざ力るにつれて磁気吸引力が大きくなる範囲に強磁性体を配置すれ ば、コイル中心面を安定点として安定なばね特性を有することを利用できることを見 出し、上述した発明^ iij作したのである。これによつて、従来では考えられないような 重量物の支持機構を実現できる。

[0014] 特に、請求項 2に係る超電導利用支持機構のように、支持対象が回転体である場 合、超電導コイルを用いることで、きわめて歪みの少ない円形磁場分布を容易に得る ことができる。そのため、そのような観点でも、永久磁石とバルタとの組み合わせに対 する大きなアドバンテージがある。そして、円形の超電導コイルを用いれば、非接触 でのスラスト方向力を維持したまま強磁性体を有する回転体を回転させても、渦電流 損失もしくはヒステリシス損失が原理的に発生しないという利点もある。

[0015] 上記第 2の目的を達成するためになされた請求項 4に係る永久磁石利用支持機構 は、軸方向に着磁されたリング状の永久磁石（51)と、強磁性体（52a)とを備え、リン グ状の永久磁石 (51)の中心軸方向にスライド可能に構成された強磁性体（52a)、ま たは中心軸方向にスライド可能に構成されたリング状の永久磁石（51)の何れか一方 を、リング状の永久磁石（51)の中心面と強磁性体（52a)の中心面とが離間すること によって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させることを 特徴とする。

[0016] この永久磁石利用支持機構の適用先は種々考えられるが、例えば回転体のスラス ト軸受けに適用した場合には、請求項 5に示すようになる。つまり、強磁性体（52a)を 含む回転体（52)を備え、その回転体（52)は、リング状の永久磁石（51)の中心軸周 りに回転可能に構成されると共に、リング状の永久磁石（51)の中心軸方向にスライド 可能に構成されており、リング状の永久磁石（51)の中心面と強磁性体（52a)の中心 面とが離間することによって生じる軸方向磁気吸引力によって、回転体 (52)を浮上 支持させるのである。これによつて、回転体（52)をリング状の永久磁石（51)の中心 軸方向に浮上支持させる上で、本質安定で強大なスラスト支持力が得られる。

[0017] そして、このような回転体のスラスト軸受けに適用した場合には、下記のような構成 を採用しても良い。つまり、強磁性体（52a)は、略リング状または略円柱状で、且つ 軸方向の上下端に径方向外側へ突出する鍔部が形成されている。また、リング状の 永久磁石 (51)の軸方向の上下端には、リング状の永久磁石 (51)よりも内径が小さ な強磁性体リング (56)が同心状に固定されている。そして、強磁性体 (52a)の軸方 向上下端に形成された鍔部と、リング状の永久磁石（51)の軸方向上下端に固定さ れた強磁性体リング（56)とを、対向するよう配置するのである。

[0018] リング状の永久磁石（51)の軸方向上下端に固定された強磁性体リング（56)は、 永久磁石（51)によって発生する磁力の磁路として機能する。そして、その強磁性体 リング (56)は、強磁性体 (52a)の軸方向上下端に設けられた鍔部と対向配置されて いるため、強磁性体リング（56)と強磁性体（52a)の鍔部とが対向する位置にある場 合には、リング状の永久磁石（51)の中心面と強磁性体（52a)の中心面とがー致して おり軸方向磁気吸引力が作用しないが、強磁性体リング (56)と強磁性体 (52a)の鍔 部とが、対向する位置力 軸方向に相対的にずれた場合には、リング状の永久磁石 (51)の中心面と強磁性体 (52a)の中心面とが離間し、軸方向磁気吸引力が作用す る。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]第 1実施形態の超電導利用支持機構の概略端面図である。

[図 2]第 1実施形態の別態様の超電導利用支持機構の概略端面図である。

[図 3] (a)は第 2実施形態の超電導利用支持機構の概略斜視図、（b)は (a)の A— A 端面図である。

[図 4]第 3実施形態の永久磁石利用支持機構の概略端面図である。

[図 5]従来技術の説明図である。

[図 6]従来技術の説明図である。

符号の説明

[0020] 1…超電導コイル、 la…コイル中心軸、 2…回転体、 2a…強磁性体、 2b…回転軸、 3 …低温容器、 5…制御型磁気軸受け、 7…ケーシング、 21···超電導コイル、 21a…コ ィル中心軸、 22···回転体、 22a…強磁性体、 221a…鍔部、 22b…回転軸、 23· "低 温容器、 25···制御型磁気軸受け、 26…環状部材、 26a…鍔部、 27···ケーシング、 3 1…超電導コイル、 31a…コイル中心軸、 32···軌道、 32a…強磁性体、 33···移動体 、 33a…進行方向軸、 SI, S11…コイル中心面、 S12"-案内面、 S2, S13"-強磁性 体中心面、 51···永久磁石、 52···回転体、 52a…吸引用鉄、 52b…回転軸、 55…機 械式軸受け、 56…鉄リング、 57···ケーシング、 65···制御型磁気軸受け。

発明を実施するための最良の形態 [0021] 以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。

[第 1実施形態]

図 1は、第 1実施形態の超電導利用支持機構の概略端面図である。

[0022] 図 1に示すように、この超電導利用支持機構は、超電導コイル 1と、鉄等の強磁性 体 2aを含む回転体 2と、超電導コイル 1を収容する低温容器 3と、制御軸受け 5と、こ れら超電導コイル 1、回転体 2、低温容器 3、制御型磁気軸受け 5を収容するケーシ ング 7などを備えている。

[0023] 回転体 2は、超電導コイル 1の中心軸（コイル中心軸） la周りに回転可能に支持さ れると共に、そのコイル中心軸 la方向にスライド可能に構成されている。具体的には 、円盤状の強磁性体 2aの中心を貫くように回転体 2の回転軸 2bが設けられており、 その回転軸 2bの上端部及び下端部の両方において、電磁石等を利用した制御型 磁気軸受け 5により非接触で (その回転軸 2bを)支えるよう構成されている。これによ り、回転体 2がコイル中心軸 la周りに回転可能に支持されると共に、コイル中心軸 la 方向にスライド可能となる。なお、このような磁気による制御軸受けではなぐ空気軸 受けであっても非接触の軸受けを実現できる。また、非接触にこだわらないのであれ ば、ベアリング等を利用した機械式の軸受けを用いてもょ 、。

[0024] 一方、超電導コイル 1は正円環状に構成されており、回転体 2の強磁性体 2aを囲む よう配置される。具体的には、ケーシング 7の内周面に低温容器 3が固定され、その 低温容器 3内に超電導コイル 1が配置される。そして、この環状の超電導コイル 1に囲 まれるよう回転体 2の強磁性体 2aを配置することとなる。さらに詳しくは、強磁性体 2a の中心面（強磁性体中心面） S 2と超電導コイル 1の中心面（コイル中心面） S 1とがコ ィル中心軸 la方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に回転体 2の強磁性体 2aを配置させることによって、その回転体 2が（回転体 2の）回転軸 2b方 向に支持されるよう構成されている。なお、コイル中心面 S1は、一般論としては超電 導コイル 1の幾何学中心とは必ずしも一致するとは言えないが、本実施形態の場合 は、超電導コイル 1が対称形に形成されているため、幾何学的な中心面とコイル中心 面 S 1がー致している。また、コイル中心軸 laはコイル中心面 S1の法線方向に一致 する。なお、本実施形態の強磁性体 2aは、対称形の円盤状に形成されているため、 その円盤状の強磁性体 2aの幾何学的な中心面を強磁性体中心面 S2と称することと する。

[0025] ここで、「強磁性体中心面 S2とコイル中心面 S1とがコイル中心軸 la方向に離間す るにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に回転体 2の強磁性体 2aを配置させる 」と 、う意味につ!、て説明する。超電導コイル 1によって形成される磁場に強磁性体 2 aを配置した場合、強磁性体中心面 S 2とコイル中心面 S 1がー致して 、る場合には、 強磁性体 2aを引き戻す磁気吸弓 I力はキャンセルされて軸方向力が発生しな 、。これ に対して図 1に示すように、強磁性体中心面 S 2とコイル中心面 S 1がー致して ヽな ヽ 場合には、強磁性体中心面 S 2がコイル中心面 S 1に一致する方向へ強磁性体 2aを 弓 Iき戻す磁気吸引力が発生し、強磁性体 2aを超電導コイル 1の中心面 S 1に戻す力 (ばね力）が発生する。し力しながら、この磁気吸引力は、強磁性体中心面 S2とコィ ル中心面 S1との距離が所定範囲内の場合には、「強磁性体中心面 S2とコイル中心 面 S1とがコイル中心軸 la方向に離間するにつれて（つまり、強磁性体中心面 S2がコ ィル中心面 S1からコイル中心軸 la方向に遠ざかるにつれて)磁気吸引力が大きく」 なると言えるが、所定範囲外となると、「強磁性体中心面 S2とコイル中心面 S1とがコ ィル中心軸 la方向に離間するにつれて磁気吸引力も小さく」なる。そこで、本実施形 態においては、前者の「強磁性体中心面 S2とコイル中心面 S1とがコイル中心軸 la 方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きく」なる所定範囲内に強磁性体 2aを配 置することとした。

[0026] このような配置により、回転体 2をコイル中心軸 la方向に浮上支持する上で、本質 安定で強大な支持力が得られる。そして、従来技術において提案されているような永 久磁石と超電導バルタとの組み合わせの場合に対して以下のような有利な点がある

[0027] (1)従来構成の場合は、永久磁石、超電導バルタ双方ともに形状等の精度を上げ るのが困難であり、安定した支持の点で問題がある。それに対して本実施形態の超 電導利用支持機構では超電導コイル 1を利用しており、この超電導コイル 1の場合に は、形状的な精度を容易に上げることができ、安定した浮上支持の点で有利である。 (2)超電導バルタを使用するものに関しては、負担可能な重量に制約があり、大型の ものを支持対象とするには現実的ではない。それに対して本実施形態は超電導コィ ル 1を利用している力 この超電導コイル 1の場合には、強力な磁場を発生させること が比較的容易であり、また大型の超電導コイル 1を得ることも比較的容易である。その ため、負担可能な重量を相対的には大きくすることが容易である。このように超電導コ ィル 1を利用しない限り、支持対象物の重量が大きくなつた場合に必要な磁場を発生 可能なコイルは非常に大きくなる力、あるいは支持対象物の重量によっては実質不 可能となると考えられる。その意味で、超電導コイル 1を利用することが非常に有効で ある。

[0028] (3)また、支持対象である回転体 2は鉄等の強磁性体 2aを有しておればよぐ特殊 な材料を必要としな!ヽ点でも有利である。

(4)また、超電導コイル 1を用いることで、きわめて歪みの少ない円形磁場分布を容 易に得ることができる。そのため、そのような観点でも、従来構成のような永久磁石と 超電導バルタとの組み合わせに対する大きなアドバンテージがある。そして、円形の 超電導コイル 1を用いているため、非接触でのスラスト方向力を維持したまま強磁性 体 2aを有する回転体 2を回転させても、渦電流損失もしくはヒステリシス損失が原理 的に発生しないという利点もある。つまり、回転体 2の回転軸 2bがコイル中心軸 laと 一致して 、る限りにお 、て、回転体 2を回転させても強磁性体 2aの各部にお 、て磁 場変化は発生しないため、磁気的な要因の回転抵抗が発生することはないからであ る。

[0029] [第 1実施形態の別態様]

図 2は、第 1実施形態の別態様の超電導利用支持機構の概略端面図である。 図 1に示す例では、回転体 2の最も径が太くなる部分、すなわち円盤状の強磁性体 2aの外周を囲むように超電導コイル 1が配置されていた力 大型機を念頭においた 場合には、図 2に示す構成も有効である。

[0030] 図 2に示す超電導利用支持機構は、超電導コイル 21と、鉄等の強磁性体 22aを含 む回転体 22と、超電導コイル 21を収容する低温容器 23と、制御型磁気軸受け 25と 、これら超電導コイル 21、回転体 22、低温容器 23、制御型磁気軸受け 25を収容す るケーシング 27などを備えて 、る。 [0031] 本別態様の回転体 22は、フライホイールであり、その中心を貫くように回転体 22の 回転軸 22bが設けられている。そして、強磁性体 22aは、回転体 22と同心状に回転 軸 22bに取り付けられている。強磁性体 22aの外径と回転体 22の外径とを比較する と、強磁性体 22aの外径に比して回転体 22の外径はかなり大きくなつている。つまり 、大型の回転体 22を回転させることを目的としている。しかしながら回転体 22のスラ スト方向の支持は強磁性体 22a部分で行う。したがって、その強磁性体 22aを囲むよ うに、正円環状の超電導コイル 21が配置される。具体的には、ケーシング 27の内周 面に断面略コ字状の環状部材 26が固定され、その環状部材 26によって低温容器 2 3を保持する。そして、その低温容器 23内に超電導コイル 21が配置される。

[0032] 強磁性体 22aは、略円柱状であるがその上下端には鍔部 221aが形成されており、 上下対称の形状である。この鍔部 221aは、上述した断面略コ字状の環状部材 26の 上下に形成されている凸部 26aと対向可能な位置に形成されている。この環状部材 26は強磁性体によって形成されており、やはり上下対称の形状である。環状部材 26 の凸部 26aは、環状部材 26が保持する低温容器内に配置された超電導コイル 21に よって発生する電磁力の磁路として機能する。そのため、強磁性体 22aの鍔部 221a と環状部材 26の凸部 26aとが対向する位置にある場合には、超電導コイル 21の中 心面 S 1と強磁性体 22aの中心面 S2とが一致しており軸方向磁気吸引力が作用しな いが、超電導コイル 21の中心面 S1と強磁性体 22aの中心面 S2とが離間すると軸方 向磁気吸引力が作用する。

[0033] このような構成の超電導利用支持機構においても、図 1で示したような超電導利用 支持機構と同様の効果が得られる。そして、上述のように大型のフライホイールである 回転体 22の浮上支持に有効である。つまり、例えば回転体 22を強磁性体にて構成 し、その外周を囲むように超電導コイル 21を配置するとなると、超電導コイル 21も大 型化してしまうが、回転体 22の支持のための磁気吸引力を発揮する上でそのような 大型の超電導コイル 21が不要な場合も想定される。したがって、そのような場合の対 処として、回転体 22よりも外径の小さな強磁性体 22aを別途準備し、上述のように、 その強磁性体 22aと超電導コイル 21との間での磁気吸引力によってスラスト方向の 支持力を得るようにすれば、無用な大型化を防止できる。 [0034] [第 2実施形態]

図 3 (a)は、第 2実施形態の超電導利用支持機構の概略斜視図である。図 3 (b)は 図 3 (a)の A— A端面図である。

[0035] 上述した第 1実施形態では、回転体の支持機構として実現した具体例を説明した 力 第 2実施形態では、移動体の支持機構として実現した具体例を説明する。

図 3に示すように、この超電導利用支持機構は、超電導コイル 31を含む移動体 33 と、強磁性体 32aを含む軌道 32を備えている。なお、図 3では超電導コイル 31部分 のみを示している力 移動体 33はこの超電導コイル 31を含み図示しない構成も有し ている。但し、支持機構部分を説明する上では超電導コイル 31部分が示されていれ ば十分なので、図 3では移動体 33の全てを示しているわけではない。軌道 32は、 2 本の長方形板状の強磁性体 32aの面同士が対向するよう平行配置されて構成され ている。この場合の強磁性体 32aとしては鉄が考えられ、 2本の鉄レールを構成する こととなる。

[0036] 移動体 33は、超電導コイル 31の中心軸（コイル中心軸） 31aを含み且つ移動体 33 の進行方向軸 33aを含む面 (案内面） S 12に沿って案内されると共に、そのコイル中 心軸 31 a方向にスライド可能に構成されて 、る。この案内面 S 12に沿って案内される と共に、コイル中心軸 31a方向にスライド可能とするための構成に関しては詳しくは図 示しないが、概略的には以下のようになつている。つまり、移動体 33は例えば下端に 案内輪を有しており、この案内輪の回転方向は、移動体 33の進行方向にのみ向い ている。このような案内輪ではもともと上下方向の拘束力がないため、案内輪が回転 して進行方向へ移動中であれば上下方向には比較的自由にスライド可能になる。こ れによって、移動体 33は、案内面 S 12に沿って案内されると共に、コイル中心軸 31a 方向にスライド可能となる。

[0037] 超電導コイル 31はレーストラック状に構成されており、軌道 32の 2本の長方形板状 の強磁性体 32a (鉄レール)の間に配置される。具体的には、図示しない低温容器内 に超電導コイル 31が配置され、その超電導コイル 31を強磁性体 32aに挟まれるよう に配置することとなる。さらに詳しくは、強磁性体 32aの中心面（強磁性体中心面） S1 3と超電導コイル 31の中心面（コイル中心面） S 11とがコイル中心軸 31 a方向に離間 するにつれて磁気吸弓 I力が大きくなる所定範囲に移動体 33の超電導コイル 31を配 置させることによって、移動体 33がコイル中心軸 31a方向に浮上支持されるよう構成 されている。なお、上述した第 1実施形態の場合と同様、コイル中心面 S31は、一般 論としては超電導コイル 31の幾何学中心とは必ずしも一致するとは言えないが、本 実施形態の場合は、超電導コイル 31が対称形に形成されているため、幾何学的な 中心面とコイル中心面 S11がー致している。また、コイル中心軸 31aはコイル中心面 S 11の法線方向に一致する。なお、本実施形態の強磁性体 32aは、同一形状の 2本 の部材が対称形に配置されているため、図 3 (b)に示すように、それら並列配置され た 2本の長方形板状の強磁性体 32aの幾何学的な中心面を強磁性体中心面 S13と 称することとする。

[0038] ここで、「強磁性体中心面 S13とコイル中心面 S11とがコイル中心軸 31a方向に離 間するにつれて磁気吸引力が大きくなる所定範囲に移動体 33の超電導コイル 31を 配置させる」という意味については上述した第 1実施形態の場合と同様である。つまり 、図 3 (b)に示すように、強磁性体中心面 S13とコイル中心面 S11がー致していない 場合には、強磁性体中心面 S 13がコイル中心面 S 11に一致する方向へ強磁性体 32 aを引き戻す磁気吸引力が発生する。し力しながら、この磁気吸引力は、強磁性体中 心面 S13とコイル中心面 S11との距離が所定範囲内の場合には、「強磁性体中心面 S13とコイル中心面 S11とがコイル中心軸 31a方向に離間するにつれて（つまり、コィ ル中心面 S11が強磁性体中心面 S13からコイル中心軸 31a方向に遠ざかるにつれ て)磁気吸引力が大きく」なると言えるが、所定範囲外となると、「強磁性体中心面 S1 3とコイル中心面 S11とがコイル中心軸 31a方向に離間するにつれて磁気吸引力も 小さく」なる。そこで、本実施形態においては、前者の「強磁性体中心面 S13とコイル 中心面 S11とがコイル中心軸 31a方向に離間するにつれて磁気吸引力が大きく」な る所定範囲内に移動体 33の超電導コイル 31を配置した。

[0039] このような配置により、移動体 33をコイル中心軸 31a方向に浮上支持する上で、本 質安定で強大な支持力が得られることとなる。

また、以下に示す、上述した第 1実施形態の場合と同様の効果も奏する。 (1)従来構成の場合は、永久磁石、超電導バルタ双方ともに形状等の精度を上げる のが困難であり、安定した支持の点で問題がある。それに対して本実施形態の超電 導利用支持機構では超電導コイル 31を利用しており、この超電導コイル 31の場合に は、形状的な精度を容易に上げることができ、安定した浮上支持の点で有利である。 (2)超電導バルタを使用するものに関しては、負担可能な重量に制約があり、大型の ものを支持対象とするには現実的ではない。それに対して本実施形態は超電導コィ ル 31を利用している力 この超電導コイル 31の場合には、強力な磁場を発生させる ことが比較的容易であり、また大型の超電導コイル 31を得ることも比較的容易である 。そのため、負担可能な重量を相対的には大きくすることが容易である。このように超 電導コイル 31を利用しない限り、支持対象物の重量が大きくなつた場合に必要な磁 場を発生可能なコイルは非常に大きくなる力 あるいは支持対象物の重量によって は実質不可能となると考えられる。その意味で、超電導コイル 31を利用することが非 常に有効である。

[0040] このように支持対象物が大型 ·重量化する場合に本実施形態の構成は適して ヽる ため、例えば移動体 33としてリニアモーターカー等を想定した場合に、非常に有利 である。

(3)また、軌道 32としては鉄等の強磁性体 32aを有しておればよぐ特殊な材料を 必要としな!/、点でも有利である。

[0041] [第 3実施形態]

図 4 (a)は、第 3実施形態の永久磁石利用支持機構の概略端面図である。 図 4 (a)に示すように、この永久磁石利用支持機構は、リング状の永久磁石 51及び その上下に設けられた「強磁性体リング」としての鉄リング 56と、「強磁性体」としての 吸引用鉄 52aを含む回転体 52と、機械式軸受け 55と、これら永久磁石 51、鉄リング 56、回転体 52、機械式軸受け 55を収容するケーシング 57などを備えている。なお、 鉄リング 56と吸引用鉄 52aについては、鉄以外の強磁性体で構成してもよい。

[0042] 回転体 52は、円柱状のフライホイールであり、その中心を貫くように回転体 52の回 転軸 52bが設けられており、その回転軸 52bの上端部及び下端部の両方において、 ベアリングを利用した機械式軸受け 55により回転軸 52bを支えるよう構成されている 。これにより、回転体 52がコイル中心軸 la周りに回転可能に支持される。 [0043] なお、このような機械式の制御軸受け 55ではなぐ図 4 (b)に示すように、電磁石等 を利用した制御型磁気軸受け 65を採用しても良 ヽ。このように電磁石等を利用した 制御型磁気軸受け 65を用いれば、非接触で回転体 52の回転軸 52bを支えるよう構 成することができる。また、空気軸受けであっても非接触の軸受けを実現できる。

[0044] そして、吸引用鉄 52aは、回転体 52と同心状に回転軸 52bに取り付けられている。

吸引用鉄 52aの外径と回転体 52の外径とを比較すると、吸引用鉄 52aの外径に比し て回転体 52の外径はかなり大きくなつている。この吸引用鉄 52aは、略リング状であ るが、軸方向の上下端には径方向外側へ突出する鍔部が形成されており、（軸方向 を上下方向とした場合に)上下対称の形状とされている。

[0045] 一方、リング状の永久磁石 51は、正円環状に形成され、軸方向に着磁されている。

そして、このリング状の永久磁石 51の軸方向の上下端には、リング状の永久磁石 51 よりも内径が小さな鉄リング 56が同心状に固定されている。これによつて、図 4aからも 明らかなように、リング状の永久磁石 51と鉄リング 56とを一体とみなした場合には、そ の軸方向上下端に径方向内側へ突出する鍔部（実態は鉄リング 56)が存在すること となり、こちらもやはり（軸方向を上下方向とした場合に)上下対称の形状とされている

[0046] そして、この永久磁石 51と鉄リング 56とを一体とみなした場合に径方向内側へ突 出する鍔部に相当する鉄リング 56と、上述した吸引用鉄 52aの径方向外側へ突出す る鍔部とが対向可能な位置に両者を配置する。

[0047] 鉄リング 56は、永久磁石 51によって発生する磁力の磁路として機能する。そして、 その鉄リング 56は、吸引用鉄 52aの鍔部と対向配置されているため、鉄リング 56と吸 引用鉄 52aの鍔部とが対向する位置にある場合には、リング状の永久磁石 51の中心 面と吸引用鉄 52aの中心面とがー致しており、軸方向磁気吸引力が作用しないが、 鉄リング 56と吸引用鉄 52aの鍔部とが、対向する位置力も軸方向に相対的にずれた 場合には、リング状の永久磁石 51の中心面と吸引用鉄 52aの中心面とが離間し、軸 方向磁気吸引力が作用する。

[0048] なお、本実施形態の吸引用鉄 52aは、（軸方向を上下方向とした場合に）上下対称 形の略リング状に形成されているため、その幾何学的な中心面が、特許請求の範囲 における「強磁性体の中心面」に相当する。また、永久磁石 51と鉄リング 56とを一体 とみなした場合にもやはり（軸方向を上下方向とした場合に)上下対称形状となって いるため、永久磁石 51の幾何学的な中心面が、特許請求の範囲における「永久磁 石リングの中心面」に相当する。

[0049] このような構成により、回転体 52を中心軸 52b方向に浮上支持する上で、本質安 定の支持力が得られる。そして、本第 3実施形態の場合には、第 1、第 2実施形態の ような超電導コイル 1, 21, 31ではなく永久磁石 51を利用しているため、安価に且つ 極めて簡単な構造で、スラスト方向の支持力を得ることができる。

[0050] なお、上述した第 1、第 2実施形態のように超電導コイル 1, 21, 31を用いた場合に は、相対的に大重量の支持対象物の支持に適していたが、相対的に軽量な支持対 象物への適用と考えた場合には、本第 3実施形態のような永久磁石 51を利用したも のが非常に有効である。

[0051] ラジアル方向の軸受けとして、図 4 (a)では機械式軸受け 55、図 4 (b)では制御型 磁気軸受け 65を提案した。図 4 (a)のような機械式軸受け 55を採用した場合には構 成が簡素である。一方、図 4 (b)のような制御型磁気軸受け 65を採用した場合には、 フライホイールとして完全に非接触で損失の少ない支持機構を実現できる。

[0052] [その他]

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得る。 例えば、本発明の超電導利用支持機構の応用例として、大型船舶の推進軸の支 持機構として実現することも考えられる。大型船舶の推進軸は、回転動力を伝達する と同時にスクリューの回転に伴い大きなスラスト力が加わることになる。そこで、第 1実 施形態のような構成を用いて、このような大きなスラスト力を非接触で支持することが できれば、摩耗等の心配もなく優れた設備となる。

[0053] 第 3実施形態では、回転体の支持機構として実現した具体例を説明したが、このよ うな永久磁石を用いた支持機構の場合も、回転体以外であってもその軸方向に非接 触で支持する必要がある支持対象物であれば、同様に適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 超電導コイルと、強磁性体とを備え、

前記超電導コイルの中心軸方向にスライド可能に構成された前記強磁性体、また は中心軸方向にスライド可能に構成された前記超電導コイルの何れか一方を、前記 超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生じる軸 方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させること

を特徴とする超電導利用支持機構。

[2] 請求項 1に記載の超電導利用支持機構にお!、て、

前記強磁性体を含む回転体を備え、

その回転体は、前記超電導コイルの中心軸周りに回転可能に構成されると共に、 その超電導コイルの中心軸方向にスライド可能に構成されており、

前記超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生 じる軸方向磁気吸引力によって、前記回転体を浮上支持させること

を特徴とする超電導利用支持機構。

[3] 請求項 1に記載の超電導利用支持機構にお!、て、

前記超電導コイルを含む移動体と、前記強磁性体を含む軌道とを備え、 前記移動体は、前記軌道に沿って移動可能に構成されると共に、前記超電導コィ ルの中心軸方向にスライド可能に構成されており、

前記超電導コイルの中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによって生 じる軸方向磁気吸引力によって、前記移動体を浮上支持させること

を特徴とする超電導利用支持機構。

[4] 軸方向に着磁されたリング状の永久磁石と、強磁性体とを備え、

前記リング状の永久磁石の中心軸方向にスライド可能に構成された前記強磁性体 、または中心軸方向にスライド可能に構成された前記リング状の永久磁石の何れか 一方を、前記リング状の永久磁石の中心面と前記強磁性体の中心面とが離間するこ とによって生じる軸方向磁気吸引力によって、他方から相対的に浮上支持させること を特徴とする永久磁石利用支持機構。

[5] 請求項 4に記載の永久磁石利用支持機構にぉ ヽて、 前記強磁性体を含む回転体を備え、

その回転体は、前記リング状の永久磁石の中心軸周りに回転可能に構成されると 共に、そのリング状の永久磁石の中心軸方向にスライド可能に構成されており、 前記リング状の永久磁石の中心面と前記強磁性体の中心面とが離間することによ つて生じる軸方向磁気吸引力によって、前記回転体を浮上支持させること

を特徴とする永久磁石利用支持機構。