JP3113920B2 - 超電導軸受装置 - Google Patents
超電導軸受装置Info
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- permanent magnet
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
- F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
- F16C2361/55—Flywheel systems
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば余剰電力を
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
貯蔵装置に適用される超電導軸受装置に関する。
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】この種電力貯蔵装置においては、従来、
制御型磁気軸受装置が用いられていた。
制御型磁気軸受装置が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、制御型
磁気軸受装置は、制御が複雑であり、しかも制御用電
源、検出器、制御装置などが必要となり、コストが高く
なるという問題があった。
磁気軸受装置は、制御が複雑であり、しかも制御用電
源、検出器、制御装置などが必要となり、コストが高く
なるという問題があった。
【０００４】この発明の目的は、上記の問題を解決した
超電導軸受装置を提供することにある。
超電導軸受装置を提供することにある。
【０００５】
【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、冷却流体通路を有する固定軸と、固定軸に対
して回転軸心方向および回転軸心方向に直交する方向の
移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配置さ
れた円筒状回転体と、回転体を、固定軸に対して非接触
状態で回転支持する超電導軸受と、固定軸に取付けられ
たステータおよび回転体に取付けられたロータよりなる
駆動源と、固定軸の冷却流体通路に冷却流体を供給する
冷却装置とよりなり、超電導軸受が、回転体の内周面に
取付けられた永久磁石部と、これに対向するように固定
軸に取付けられた超電導体とからなり、超電導体が、冷
却装置により固定軸の冷却流体通路に送られる冷却流体
によって冷却されるものである。
受装置は、冷却流体通路を有する固定軸と、固定軸に対
して回転軸心方向および回転軸心方向に直交する方向の
移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配置さ
れた円筒状回転体と、回転体を、固定軸に対して非接触
状態で回転支持する超電導軸受と、固定軸に取付けられ
たステータおよび回転体に取付けられたロータよりなる
駆動源と、固定軸の冷却流体通路に冷却流体を供給する
冷却装置とよりなり、超電導軸受が、回転体の内周面に
取付けられた永久磁石部と、これに対向するように固定
軸に取付けられた超電導体とからなり、超電導体が、冷
却装置により固定軸の冷却流体通路に送られる冷却流体
によって冷却されるものである。
【０００６】
【作用】上記の超電導軸受装置では、永久磁石の磁束が
超電導軸受の超電導体に侵入してピン止めされ、その拘
束作用でもって、永久磁石と超電導体とが所定の間隔を
あけて対向した状態で保持される。この状態において
は、永久磁石を備える回転体をその軸心まわりに回転さ
せることが可能である。このとき、超電導体に侵入した
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。したがって、超
電導体に対して所定の位置に回転体に備える永久磁石を
相対位置させるだけで、アキシアル方向およびラジアル
方向に非接触状態で支持することができる。その結果、
制御型磁気軸受装置のように複雑な制御を行う必要がな
く、制御のための装置も安価になる。
超電導軸受の超電導体に侵入してピン止めされ、その拘
束作用でもって、永久磁石と超電導体とが所定の間隔を
あけて対向した状態で保持される。この状態において
は、永久磁石を備える回転体をその軸心まわりに回転さ
せることが可能である。このとき、超電導体に侵入した
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。したがって、超
電導体に対して所定の位置に回転体に備える永久磁石を
相対位置させるだけで、アキシアル方向およびラジアル
方向に非接触状態で支持することができる。その結果、
制御型磁気軸受装置のように複雑な制御を行う必要がな
く、制御のための装置も安価になる。
【０００７】永久磁石が円筒状回転体の内周面に取付け
られているので、永久磁石の遠心力による破壊を防止で
きる。また、冷却装置により冷却流体を固定軸の冷却流
体通路に送るだけで超電導体を冷却することができる。
られているので、永久磁石の遠心力による破壊を防止で
きる。また、冷却装置により冷却流体を固定軸の冷却流
体通路に送るだけで超電導体を冷却することができる。
【０００８】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。
ついて説明する。
【０００９】図１は超電導軸受装置を適用した電力貯蔵
装置の全体構成を概略的に示しており、この電力貯蔵装
置は、内部に垂直固定軸(31)を有する真空チャンバ(30)
と、固定軸(31)の周囲に配置され、かつ固定軸(31)に非
接触状態に回転支持される垂直な円筒状フライホイール
（円筒状回転体）(32)とを備えている。フライホイール
(32)は高張力鋼で形成されており、その中心にこれを上
下に貫通する貫通穴(33)が形成されている。
装置の全体構成を概略的に示しており、この電力貯蔵装
置は、内部に垂直固定軸(31)を有する真空チャンバ(30)
と、固定軸(31)の周囲に配置され、かつ固定軸(31)に非
接触状態に回転支持される垂直な円筒状フライホイール
（円筒状回転体）(32)とを備えている。フライホイール
(32)は高張力鋼で形成されており、その中心にこれを上
下に貫通する貫通穴(33)が形成されている。
【００１０】真空チャンバ(30)内の上下の中央部にフラ
イホイール(32)を高速回転させるための誘導電動機(3)
が設けられ、その上下にフライホイール(32)を非接触状
態に支持するための超電導軸受(34)(35)が設けられてい
る。
イホイール(32)を高速回転させるための誘導電動機(3)
が設けられ、その上下にフライホイール(32)を非接触状
態に支持するための超電導軸受(34)(35)が設けられてい
る。
【００１１】電動機(3) は、フライホイール(32)の貫通
穴(33)の内周面に取付けられたロータ(5) と、ロータ
(5) の内側に配置され、かつ水平円板(36)を介して固定
軸(31)に取付けられたステータ(6) とから構成されてい
る。
穴(33)の内周面に取付けられたロータ(5) と、ロータ
(5) の内側に配置され、かつ水平円板(36)を介して固定
軸(31)に取付けられたステータ(6) とから構成されてい
る。
【００１２】上部超電導軸受(34)は、次のように構成さ
れている。フライホイール(32)の貫通穴(33)の内周面の
上端部に、環状永久磁石（永久磁石部）(37)が固定軸(3
1)と同心状に取付けられている。永久磁石(37)は、フラ
イホイール(32)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。永久磁石(37)の
上下において、固定軸(31)に円板状で中空の冷却ケース
(38)が固定状に設けられている。上側のケース(38)の下
側の壁の下面、および下側のケース(38)の上側の壁の上
面における固定軸(31)と同心の円周上にそれぞれ周方向
に互いに近接して複数の板状超電導体(17)が取付られて
いる。超電導体(17)は、イットリウム系高温超電導体、
たとえばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる基板の内部に常電
導粒子（Ｙ２Ｂａ１Ｃｕ１）を均一に混在させたものか
らなり、永久磁石(37)から発せられる磁束侵入を拘束す
る性質を持つものである。そして、超電導体(17)は、永
久磁石(37)の磁束が所定量侵入する離間位置であってか
つフライホイール(32)の回転によって侵入磁束の分布が
変化しない位置に配置されている。
れている。フライホイール(32)の貫通穴(33)の内周面の
上端部に、環状永久磁石（永久磁石部）(37)が固定軸(3
1)と同心状に取付けられている。永久磁石(37)は、フラ
イホイール(32)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。永久磁石(37)の
上下において、固定軸(31)に円板状で中空の冷却ケース
(38)が固定状に設けられている。上側のケース(38)の下
側の壁の下面、および下側のケース(38)の上側の壁の上
面における固定軸(31)と同心の円周上にそれぞれ周方向
に互いに近接して複数の板状超電導体(17)が取付られて
いる。超電導体(17)は、イットリウム系高温超電導体、
たとえばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘからなる基板の内部に常電
導粒子（Ｙ２Ｂａ１Ｃｕ１）を均一に混在させたものか
らなり、永久磁石(37)から発せられる磁束侵入を拘束す
る性質を持つものである。そして、超電導体(17)は、永
久磁石(37)の磁束が所定量侵入する離間位置であってか
つフライホイール(32)の回転によって侵入磁束の分布が
変化しない位置に配置されている。
【００１３】下部超電導軸受(35)の構成は上部超電導軸
受(34)と同様な構成であり、同一部分には同一符号を付
す。
受(34)と同様な構成であり、同一部分には同一符号を付
す。
【００１４】上下の超電導軸受(34)(35)のケース(38)
は、固定軸(31)内に形成された冷却流体通路(39)を介し
て連通させられている。冷却流体通路(39)に、真空チャ
ンバ(30)の下方に設けられた温度制御ユニット(19)付き
の冷却装置(20)が接続されている。そして、冷却装置(2
0)により、たとえば液体窒素などの冷却剤が冷却流体通
路(39)およびケース(38)を通して循環させられ、ケース
(38)内に満たされる冷却剤によって超電導体(17)が冷却
される。このため、超電導体(17)が超電導状態になっ
て、永久磁石(37)から発せられる磁束の多くが超電導体
(17)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(17)はその内部に常電導粒
子が均一に混在されているため、超電導体(17)内部への
侵入磁束の分布が一定となり、そのため、あたかも超電
導体(17)に立設した仮想ピンに永久磁石(37)が貫かれた
ようになり、超電導体(17)に対して永久磁石(37)ととも
にフライホイール(32)が拘束される。そのため、フライ
ホイール(32)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。
は、固定軸(31)内に形成された冷却流体通路(39)を介し
て連通させられている。冷却流体通路(39)に、真空チャ
ンバ(30)の下方に設けられた温度制御ユニット(19)付き
の冷却装置(20)が接続されている。そして、冷却装置(2
0)により、たとえば液体窒素などの冷却剤が冷却流体通
路(39)およびケース(38)を通して循環させられ、ケース
(38)内に満たされる冷却剤によって超電導体(17)が冷却
される。このため、超電導体(17)が超電導状態になっ
て、永久磁石(37)から発せられる磁束の多くが超電導体
(17)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(17)はその内部に常電導粒
子が均一に混在されているため、超電導体(17)内部への
侵入磁束の分布が一定となり、そのため、あたかも超電
導体(17)に立設した仮想ピンに永久磁石(37)が貫かれた
ようになり、超電導体(17)に対して永久磁石(37)ととも
にフライホイール(32)が拘束される。そのため、フライ
ホイール(32)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。
【００１５】フライホイール(32)の下面と真空チャンバ
(30)の下壁の相対向する部分に、セラミックス製のスラ
スト玉軸受よりなるタッチダウン軸受(21)がフライホイ
ール(32)と同心状に設けられている。タッチダウン軸受
(21)の上側の軌道輪(22)はフライホイール(32)の外周寄
りの部分の下面に同心状に形成された環状みぞ(40)内に
嵌められて固定され、下側の軌道輪(23)は真空チャンバ
(30)の下壁に固定された基台(41)の上面にみぞ(40)と対
向するように形成された環状みぞ(42)内に昇降自在でか
つ半径方向に若干移動自在に配置されている。両軌道輪
(22)(23)の軌道みぞ(22a)(23a)間に複数の玉(24)が配置
されている。みぞ(42)内において軌道輪(23)の下方に軌
道輪(23)を昇降させる昇降装置(27)が設けられている。
昇降装置(27)は、たとえば複数の圧電素子を積層状に配
置することにより構成される。そして、タッチダウン軸
受(21)と昇降装置(27)によって超電導体(17)と永久磁石
(37)との相対位置を設定するための初期位置決め機構が
構成されている。
(30)の下壁の相対向する部分に、セラミックス製のスラ
スト玉軸受よりなるタッチダウン軸受(21)がフライホイ
ール(32)と同心状に設けられている。タッチダウン軸受
(21)の上側の軌道輪(22)はフライホイール(32)の外周寄
りの部分の下面に同心状に形成された環状みぞ(40)内に
嵌められて固定され、下側の軌道輪(23)は真空チャンバ
(30)の下壁に固定された基台(41)の上面にみぞ(40)と対
向するように形成された環状みぞ(42)内に昇降自在でか
つ半径方向に若干移動自在に配置されている。両軌道輪
(22)(23)の軌道みぞ(22a)(23a)間に複数の玉(24)が配置
されている。みぞ(42)内において軌道輪(23)の下方に軌
道輪(23)を昇降させる昇降装置(27)が設けられている。
昇降装置(27)は、たとえば複数の圧電素子を積層状に配
置することにより構成される。そして、タッチダウン軸
受(21)と昇降装置(27)によって超電導体(17)と永久磁石
(37)との相対位置を設定するための初期位置決め機構が
構成されている。
【００１６】運転中に、万一、超電導軸受(34)(35)の超
電導体(17)が常電導化して支持力がなくなったような場
合、タッチダウン軸受(21)の上側の軌道輪(22)が、下側
の軌道輪(23)の軌道みぞ(23a) 内に配置されている玉(2
4)に接触し、フライホイール(32)が回転支持される。こ
のため、フライホイール(32)およびその内側の部品の破
損が防止される。
電導体(17)が常電導化して支持力がなくなったような場
合、タッチダウン軸受(21)の上側の軌道輪(22)が、下側
の軌道輪(23)の軌道みぞ(23a) 内に配置されている玉(2
4)に接触し、フライホイール(32)が回転支持される。こ
のため、フライホイール(32)およびその内側の部品の破
損が防止される。
【００１７】運転時には、昇降装置(27)は下方の運転位
置まで下降しており、前記のように超電導軸受(34)(35)
によってフライホイール(32)が支持されることにより、
上側の軌道輪(22)が玉(24)から離れている。また、フラ
イホイール(32)は真空チャンバ(30)のほぼ中心に支持さ
れた状態で回転し、上下の超電導体(34)(35)の永久磁石
(37)は、それぞれ上下両側のケース(38)のほぼ上下中央
に支持されている。
置まで下降しており、前記のように超電導軸受(34)(35)
によってフライホイール(32)が支持されることにより、
上側の軌道輪(22)が玉(24)から離れている。また、フラ
イホイール(32)は真空チャンバ(30)のほぼ中心に支持さ
れた状態で回転し、上下の超電導体(34)(35)の永久磁石
(37)は、それぞれ上下両側のケース(38)のほぼ上下中央
に支持されている。
【００１８】停止時には、通常、冷却装置(20)からの冷
却剤の供給も停止している。このため、超電導体(17)は
常電導状態になり、支持力がなくなっている。このた
め、フライホイール(32)は、タッチダウン軸受(21)を介
して真空チャンバ(30)に支持された状態で停止してい
る。
却剤の供給も停止している。このため、超電導体(17)は
常電導状態になり、支持力がなくなっている。このた
め、フライホイール(32)は、タッチダウン軸受(21)を介
して真空チャンバ(30)に支持された状態で停止してい
る。
【００１９】このような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。
うにして運転状態にされる。
【００２０】まず、昇降装置(27)によりタッチダウン軸
受(21)の下側の軌道輪(23)を上方の設定位置まで上昇さ
せる。軌道輪(23)が上昇すると、玉(24)が両軌道輪(22)
(23)の軌道みぞ(22a)(23a)に接触してフライホイール(3
2)が上に持ち上げられ、両超電導体(34)(35)の下側ケー
ス(38)と永久磁石(37)の上下方向の位置決めがなされる
とともに、タッチダウン軸受(21)の両軌道輪(22)(23)の
軌道みぞ(22a)(23a)と玉(24)の作用によって、半径方向
の位置決めがなされ、フライホイール(32)と真空チャン
バ(30)との相対的位置決めがされる。このとき、永久磁
石(37)は上側ケース(38)の下面に接近し、上側ケース(3
8)の下面から永久磁石(37)の上面までの距離は下側ケー
ス(38)の上面から永久磁石(37)の下面までの距離より小
さくなっている。
受(21)の下側の軌道輪(23)を上方の設定位置まで上昇さ
せる。軌道輪(23)が上昇すると、玉(24)が両軌道輪(22)
(23)の軌道みぞ(22a)(23a)に接触してフライホイール(3
2)が上に持ち上げられ、両超電導体(34)(35)の下側ケー
ス(38)と永久磁石(37)の上下方向の位置決めがなされる
とともに、タッチダウン軸受(21)の両軌道輪(22)(23)の
軌道みぞ(22a)(23a)と玉(24)の作用によって、半径方向
の位置決めがなされ、フライホイール(32)と真空チャン
バ(30)との相対的位置決めがされる。このとき、永久磁
石(37)は上側ケース(38)の下面に接近し、上側ケース(3
8)の下面から永久磁石(37)の上面までの距離は下側ケー
ス(38)の上面から永久磁石(37)の下面までの距離より小
さくなっている。
【００２１】このようにフライホイール(32)が位置決め
されたならば、冷却装置(20)によりケース(38)に冷却剤
を循環させて、超電導体(17)を冷却する。超電導体(17)
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、初期位置決め装置(27)を運転位置まで
下降させて、これによる支持をなくす。初期位置決め装
置(27)による支持力がなくなると、フライホイール(32)
は自重で若干下降して、超電導軸受(34)(35)の磁気反発
力およびピン止め力と釣合う位置に停止する。これによ
り、永久磁石(37)が両ケース(38)のほぼ上下中央に支持
され、フライホイール(32)が前述のように非接触状態に
支持されるので、電動機(3) によりフライホイール(32)
を回転させて、運転を開始する。
されたならば、冷却装置(20)によりケース(38)に冷却剤
を循環させて、超電導体(17)を冷却する。超電導体(17)
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、初期位置決め装置(27)を運転位置まで
下降させて、これによる支持をなくす。初期位置決め装
置(27)による支持力がなくなると、フライホイール(32)
は自重で若干下降して、超電導軸受(34)(35)の磁気反発
力およびピン止め力と釣合う位置に停止する。これによ
り、永久磁石(37)が両ケース(38)のほぼ上下中央に支持
され、フライホイール(32)が前述のように非接触状態に
支持されるので、電動機(3) によりフライホイール(32)
を回転させて、運転を開始する。
【００２２】
【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、簡単な構造の超電導軸受で回転体を安定的
に支持することができるとともに、制御型磁気軸受装置
のように複雑な制御を行う必要がない。また、制御のた
めの装置も安価である。
述のように、簡単な構造の超電導軸受で回転体を安定的
に支持することができるとともに、制御型磁気軸受装置
のように複雑な制御を行う必要がない。また、制御のた
めの装置も安価である。
【００２３】永久磁石が円筒状回転体の内周面に取付け
られているので、永久磁石の遠心力による破壊を防止で
きる。また、冷却流体供給装置により冷却流体を固定軸
の冷却流体通路に送るだけで超電導体を冷却することが
できるので、超電導体冷却のための構造が簡単になる。
られているので、永久磁石の遠心力による破壊を防止で
きる。また、冷却流体供給装置により冷却流体を固定軸
の冷却流体通路に送るだけで超電導体を冷却することが
できるので、超電導体冷却のための構造が簡単になる。
【図１】この発明の実施例を示す超電導軸受装置の概略
縦断面図である。
縦断面図である。
３ 誘導電動機（駆動源） ５ ロータ ６ ステータ １７ 超電導体 ２０ 冷却装置 ３１ 固定軸 ３２ フライホイール（回転体） ３４ 超電導軸受 ３５ 超電導軸受 ３７ 永久磁石（永久磁石部） ３９ 冷却流体通路
Claims (1)
- 【請求項１】 冷却流体通路を有する固定軸と、固定軸
に対して回転軸心方向および回転軸心方向に直交する方
向の移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配
置された円筒状回転体と、回転体を、固定軸に対して非
接触状態で回転支持する超電導軸受と、固定軸に取付け
られたステータおよび回転体に取付けられたロータより
なる駆動源と、固定軸の冷却流体通路に冷却流体を供給
する冷却装置とよりなり、超電導軸受が、回転体の内周
面に取付けられた永久磁石部と、これに対向するように
固定軸に取付けられた超電導体とからなり、超電導体
が、冷却装置により固定軸の冷却流体通路に送られる冷
却流体によって冷却される超電導軸受装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03143258A JP3113920B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | 超電導軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03143258A JP3113920B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | 超電導軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04370417A JPH04370417A (ja) | 1992-12-22 |
| JP3113920B2 true JP3113920B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=15334566
Family Applications (1)
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-
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