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JP3677320B2 - 回転機器の超電導軸受け及びそれを用いた電力貯蔵用フライホイール - Google Patents

回転機器の超電導軸受け及びそれを用いた電力貯蔵用フライホイール Download PDF

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JP3677320B2
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修 齊藤
博正 樋笠
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Shikoku Research Institute Inc
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    • F16C32/0406—Magnetic bearings
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    • 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
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵用フライホイール等の回転機器に用いる超電導軸受けに係り、特に、小径の永久磁石と超電導体との組み合わせで大きな支持力が得られる回転機器の超電導軸受け及びそれを用いた電力貯蔵用フライホイールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
余剰な電力エネルギを貯蔵し、不足時に取り出せるようにするために、電力エネルギを運動エネルギの形に変えて貯蔵する電力貯蔵用フライホイールの構想が知られている。電力貯蔵用フライホイールは、所定の質量（慣性質量）を持つ独楽のような回転体を非常な高速で回転させることにより、大きな運動エネルギを貯蔵することができる。質量が大きく、回転が非常に高速であることから、軸受けにおける摩擦損失を抑えることが重要である。
【０００３】
従来、構想されている電力貯蔵用フライホイールは、図４に示されるように、回転する外輪部４１とこれに連結された軸心部４２とからなる回転体を設け、軸心部４２の軸方向に沿わせて、浮上用の磁気軸受け４３、ラジアル制御型磁気軸受け４４、発電電動機４５を直列的に配置したものである。浮上用の磁気軸受け（スラスト軸受け）４３は超電導の性質を利用した超電導軸受けで構成されている。
【０００４】
超電導軸受けは特開平６−２３３４７９号により公知のものであり、軸心部４２の外周に拡径部４６を設け、この拡径部４６の下面に永久磁石４７を配置したものである。この永久磁石４７に臨ませて超電導体を設けることにより、磁気浮上力を得て回転体全体を浮上させている。単位面積当り得られる浮上力が限られているので、径の異なるリング状の永久磁石４７を同心円状に配置することにより超電導体との対向面積をかせいでいる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電力貯蔵用フライホイールの貯蔵容量を大きくするためには大型化・重量化・高速化等を図らなければならない。重量化に伴い浮上用の磁気軸受けも浮上力の増強が要求される。そのためには超電導体との対向面積を増やすべく拡径部の径を大きくすることになる。従って、拡径部の外側に配置される永久磁石の径が非常に大きくなる。
【０００６】
しかし、永久磁石の径が大きくなると遠心力が大きく働くようになり、この遠心力に耐えるだけの破壊強度がないと永久磁石は壊れてしまう。従って、永久磁石の径をあまり大きくすることはできない。
【０００７】
また、従来の電力貯蔵用フライホイールは、軸方向に浮上用の磁気軸受け、ラジアル制御型磁気軸受け、発電電動機を直列的に配置しているため、軸長を長くする必要がある。軸長が長いことにより、危険速度が低くなる。電力貯蔵用フライホイールの回転を安定にするために高度の制御技術が要求されるなかで、危険速度が低くなることは高速化を阻み電力貯蔵の効率を低下させる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小径の永久磁石と超電導体との組み合わせで大きな浮上力が得られる回転機器の超電導軸受け及びそれを用いた電力貯蔵用フライホイールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の回転機器の超電導軸受けは、回転する外輪部の内側に中空のアウターロータを立て、このアウターロータ内周に沿って軸方向多段に永久磁石を重ね、このアウターロータ内に挿入された固定軸の外周に上記永久磁石に対向させて超電導体を配置し、上記アウターロータをピン止め効果で浮上させ、上記アウターロータの外周にラジアル制御磁気軸受けを形成する電磁石及びスラスト制御磁気軸受けを形成する電磁石を配置したものである。
【００１０】
電力貯蔵用フライホイールは、回転する外輪部の内側に中空のアウターロータを立て、このアウターロータ内周に沿って軸方向多段に永久磁石を重ね、このアウターロータ内に挿入された固定軸の外周に上記永久磁石に対向させて超電導体を配置し、上記アウターロータをピン止め効果で浮上させ、上記アウターロータの外周にラジアル制御磁気軸受けを形成する電磁石及びスラスト制御磁気軸受けを形成する電磁石を配置したものである。
【００１１】
上記超電導体は、予め上記アウターロータが軸方向所定の位置に位置決めされた後、ピン止め効果の生じる臨界温度まで冷却されてもよい。
【００１３】
上記構成により、回転する部材の永久磁石と固定した部材の超電導体との間、電力貯蔵用フライホイールにあってはアウターロータの永久磁石と固定軸の超電導体との間には、ピン止め効果が作用する。ピン止め効果は、マイスナー効果のように磁束の入り込みを拒否する性質によるものではなく、超電導体内の磁束を保存しようとする性質によるものであり、超電導体と永久磁石との相対移動に対し反発する力を発生させる。即ち、アウターロータの落下に反発する力が発生し、これによりアウターロータが固定軸に非接触で浮上される。
【００１４】
超電導体が臨界温度になる前にアウターロータを軸方向所定の位置に位置決めし、磁束を確立しておく。それから超電導体を臨界温度にまで冷却すると超電導が働き始め、もとあった磁束が保存されるようにピン止め効果が作用することになる。
【００１５】
浮上用の磁気軸受けを形成する永久磁石がアウターロータの内周に配置されているから、アウターロータの外周にラジアル制御磁気軸受けを形成する電磁石及びスラスト制御磁気軸受けを形成する電磁石を配置すると、これら軸受けを軸方向に重複させて配置でき、それだけ軸長が短くできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
軸部材を円筒状に形成し、これを固定して固定軸となし、この固定軸の外周に超電導体を配置する。一方、この固定軸の外周を囲む中空円筒状のアウター部材は回転するアウターロータとなし、このアウターロータの内周に沿って軸方向多段に永久磁石を重ねる。反対に、軸部材を回転させアウター部材を固定する場合、軸部材に永久磁石を配しアウター部材に超電導体を配してもよい。これらの回転機器の超電導軸受けにあっては、ピン止め効果により回転部材が固定部材に対し非接触でスラスト荷重を支持される。軸部材及びアウター部材を起立させた場合、本発明の超電導軸受けは浮上用の磁気軸受けとなる。軸部材及びアウター部材を水平に配してもよい。
【００１７】
本発明は、電力貯蔵を目的とするフライホイールに限らず、他の回転機器、例えばポンプ、タービンに用いることができる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
本発明の超電導軸受けを用いた電力貯蔵用フライホイールは、図１に示されるように、回転体１と、回転体１の中心に配された固定軸２とからなる。回転体１は、リング状に形成され水平に配置された外輪部３と、円錐殻状に形成され外輪部３に内接されたハブ４と、中空円筒状に形成されハブ４の中心を通して垂直に立てられたアウターロータ５とからなる。固定軸２はアウターロータ５内に挿入され、上端及び下端が固定されている。
【００２０】
この電力貯蔵用フライホイールには、回転体を浮上させるための浮上用の磁気軸受け６と、回転体の安定を維持するためのラジアル制御用磁気軸受け７と、回転体に回転力を与えるか又は逆に電力を取り出す発電電動機８と、補助用の制御型スラスト軸受け９とが形成されている。
【００２１】
浮上用の磁気軸受け６は、アウターロータ５の上下にそれぞれ配置されている。浮上用の磁気軸受け６は、アウターロータ５内周に沿って軸方向多段に永久磁石１０を重ね、永久磁石１０に対向させて固定軸２の外周に超電導体１１を配置したものである。ラジアル制御用磁気軸受け７は、アウターロータ５の上下それぞれに上記浮上用の磁気軸受け６に重ねて配置されている。ラジアル制御用磁気軸受け７は、アウターロータ５の外周に沿って軸方向多段に積層鋼板１２を重ね、その外周に複数の固定の電磁石（図示せず）を設けたものである。発電電動機８は、アウターロータ５の中腹に配置されている。発電電動機８は、アウターロータ５内周に沿って軸方向多段に永久磁石１３を重ね、固定軸２の外周に電磁コイル１４を設けたものである。補助用の制御型スラスト軸受け９は、アウターロータ５の外周に磁性体からなる拡径部１５を設け、この拡径部１５を上下から挟むように複数の固定の電磁石１６を設けたものである。
【００２２】
浮上用の磁気軸受け６について詳しく説明する。
【００２３】
図２に示されるように、永久磁石１０は所定の高さを有するリング状のものであり、上面にＳ極、下面にＮ極、又は上面にＮ極、下面にＳ極を形成したものである。この永久磁石１０がスペーサ２１を介し、同極性を対向させて多数積み重ねられている。超電導体１１は高温でも超電導を示す高温超電導体であり、この高温超電導体が所定の高さ及び所定の円周角毎に分割形成されたペレット２２を密に継ぎ合わせて構成されている。１つのペレット２２は、図３に示されるように、直方体を円弧状に湾曲させたような形状をしている。超電導体１１の表面は液体窒素冷媒を用いたクライオスタット２３で覆われている。
【００２４】
次に実施例の作用を述べる。
【００２５】
図１の電力貯蔵用フライホイールにおいて、まず、アウターロータ５の位置決めを行う。その際、超電導体１１は臨界温度よりも高い温度に設定され、超電導を示さない。アウターロータ５は図示されない持上装置によって図示の位置に持上げられる。このようにして、超電導が働く前にアウターロータ５を軸方向所定の位置に位置決めし、浮上用の磁気軸受け６の永久磁石１０が作る磁界により超電導体１１内に磁束を確立しておく。それからクライオスタット２３により超電導体１１の温度を下げる。超電導体１１が臨界温度になると超電導が働き始め、もとあった磁束が保存されるようにピン止め効果が作用することになる。即ち、持上装置を除去しても、アウターロータ５は位置決めされた位置に浮上維持される。勿論、超電導体１１は臨界温度以下を保ちさえすれば全くエネルギ損失を生じないので、電力等を供給する必要がない。
【００２６】
電力貯蔵用フライホイールに電力を貯蔵する際には、発電電動機８はモータとして作用し、回転体１を回転駆動する。ラジアル制御用磁気軸受け７は回転体１の安定を維持する。浮上用の磁気軸受け６は回転体１を浮上維持する。このようにして回転体１が固定軸２に対して非接触で回転されるので摩擦によるエネルギ損失がなく、電力貯蔵用フライホイールは運動エネルギを効率よく貯蔵することができる。電力を取り出す際には発電電動機８を発電機として使用する。
【００２７】
補助用の制御型スラスト軸受け９は、万一の落下防止に備えたものである。即ち、浮上用の磁気軸受け６によって回転体１が浮上維持できず回転体１が落ちようとするとき、ピン止め効果による浮上力は、回転体１の位置のずれが大きくなってもあまり増加しないので、これを制止できない。そこで、補助用の制御型スラスト軸受け９が動作する。この場合、拡径部１５が電磁石１６に近付くほど反発力が大きくなるので、落下が制止できる。
【００２８】
本発明にあっては、浮上用の磁気軸受け６がアウターロータの軸方向に多段に形成されるため、超電導体１１との対向面積を増やすために永久磁石１０を増やすことは簡単であり、しかも永久磁石１０の径は変わらないから、遠心力の増大を気にする必要がない。加えて、この永久磁石１０からなるリング状部材が画一化され製造が容易となる。このようにして、小径の永久磁石でも大きな浮上力が得られるので、貯蔵容量を増すための大型化・重量化が可能となる。
【００２９】
また、浮上用の磁気軸受け６とラジアル制御用磁気軸受け７とを軸方向に重複させて配置したので、軸長が短くなっている。このため、回転が安定となり危険速度が高くできる。従って高速化が可能となり、電力貯蔵の効率が向上する。
【００３０】
なお、参考のために電力貯蔵用フライホイールのサイズの一例を示すと、アウターロータの軸長が６ｍ、外輪部の直径が６ｍ、回転体総重量が１００トン、うち外輪部７０トンである。最大の回転数は毎分５０００回転である。能力は１０ＭＷｈである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３２】
（１）大きな浮上力が得られるので回転機器の大型化・重量化が可能になると共に、小径の永久磁石で構成できるので、高速化が可能になる。
【００３３】
（２）永久磁石が画一化され製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す超電導軸受けを用いた電力貯蔵用フライホイールの断面図である。
【図２】本発明の超電導軸受けである浮上用の磁気軸受けの部分拡大断面図である。
【図３】超電導体ペレットの斜視図である。
【図４】従来例を示す電力貯蔵用フライホイールの断面図である。
【符号の説明】
２ 固定軸
３ 外輪部
５ アウターロータ
６ 浮上用の磁気軸受け
１０ 永久磁石
１１ 超電導体

Claims (3)

  1. 回転する外輪部の内側に中空のアウターロータを立て、このアウターロータ内周に沿って軸方向多段に永久磁石を重ね、このアウターロータ内に挿入された固定軸の外周に上記永久磁石に対向させて超電導体を配置し、上記アウターロータをピン止め効果で浮上させ、上記アウターロータの外周にラジアル制御磁気軸受けを形成する電磁石及びスラスト制御磁気軸受けを形成する電磁石を配置したことを特徴とする回転機器の超電導軸受け。
  2. 回転する外輪部の内側に中空のアウターロータを立て、このアウターロータ内周に沿って軸方向多段に永久磁石を重ね、このアウターロータ内に挿入された固定軸の外周に上記永久磁石に対向させて超電導体を配置し、上記アウターロータをピン止め効果で浮上させ、上記アウターロータの外周にラジアル制御磁気軸受けを形成する電磁石及びスラスト制御磁気軸受けを形成する電磁石を配置したことを特徴とする電力貯蔵用フライホイール。
  3. 上記超電導体は、予め上記アウターロータが軸方向所定の位置に位置決めされた後、ピン止め効果の生じる臨界温度まで冷却されることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵用フライホイール。
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