JP2636168B2 - 超電導軸受装置 - Google Patents
超電導軸受装置Info
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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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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、完全反磁性体或はそ
れに近い反磁性を示す超電導体で構成される反発型超電
導磁気軸受において、軸受すきまの変化に対して軸受す
きま内の磁束密度の変化を大きくして軸受剛性を大きく
するようにした超電導軸受装置に関するものである。
れに近い反磁性を示す超電導体で構成される反発型超電
導磁気軸受において、軸受すきまの変化に対して軸受す
きま内の磁束密度の変化を大きくして軸受剛性を大きく
するようにした超電導軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の反発型超電導磁気軸受装置として
は、金属系材料を利用したものでは、下部臨界磁界Ｈc1
以下の領域で完全反発力を利用して磁気軸受を形成する
ことが行われている。
は、金属系材料を利用したものでは、下部臨界磁界Ｈc1
以下の領域で完全反発力を利用して磁気軸受を形成する
ことが行われている。
【０００３】また、酸化物系超電導体を利用したもので
は永久磁石を用いてピン止め状態を利用して磁気軸受を
形成することが行われている。
は永久磁石を用いてピン止め状態を利用して磁気軸受を
形成することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の超電
導軸受装置では、軸受すきまの変化に対して軸受すきま
内の磁束密度の変化が小さく、そのため軸受剛性が極め
て低い欠点があり、実用面で多くの問題がある。
導軸受装置では、軸受すきまの変化に対して軸受すきま
内の磁束密度の変化が小さく、そのため軸受剛性が極め
て低い欠点があり、実用面で多くの問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】そのため、この発明では
完全反磁性を示す超電導体で反発型超電導磁気軸受を構
成すると共に、該軸受すきまを磁束が通過する磁気回路
には軸受すきまの磁気抵抗に直列に磁束絞りを設けるよ
うにしたものである。
完全反磁性を示す超電導体で反発型超電導磁気軸受を構
成すると共に、該軸受すきまを磁束が通過する磁気回路
には軸受すきまの磁気抵抗に直列に磁束絞りを設けるよ
うにしたものである。
【０００６】ここで、軸受は臨界電流密度Ｊc の非常に
大きい酸化物超電導体、乃至臨界電流密度Ｊc の大きい
或は下部臨界磁界Ｈc1の高い金属超電導体のバルク材を
利用するか、或は磁束の通過する材料表面に超電導薄膜
を形成して構成してもよく。
大きい酸化物超電導体、乃至臨界電流密度Ｊc の大きい
或は下部臨界磁界Ｈc1の高い金属超電導体のバルク材を
利用するか、或は磁束の通過する材料表面に超電導薄膜
を形成して構成してもよく。
【０００７】また、磁気回路に設ける磁束絞りとして
は、ノズル又はスリット等の磁束の通過を制限する手段
を用いることができる。
は、ノズル又はスリット等の磁束の通過を制限する手段
を用いることができる。
【０００８】
【作用】即ち、この発明では磁気回路の軸受すきまの磁
気抵抗に直列に磁束を制限するノズル或はスリット等の
磁束絞りを設け、磁気回路全体の磁気抵抗を増加させ、
軸受すきまの変化による磁気抵抗の変化の割合を小さく
して軸受すきまを通る磁束を制限する。
気抵抗に直列に磁束を制限するノズル或はスリット等の
磁束絞りを設け、磁気回路全体の磁気抵抗を増加させ、
軸受すきまの変化による磁気抵抗の変化の割合を小さく
して軸受すきまを通る磁束を制限する。
【０００９】即ち、この発明では反発型超電導磁気軸受
を完全反磁性を示す超電導体で構成すると共に、軸受す
きまを磁束が通過する磁気回路には軸受すきまの磁気抵
抗に直列に磁束絞りを設けることにより、軸受すきまの
変化に対してすきま内の磁束密度変化を大きくすること
ができる。このため、軸受すきまの大きい時と小さい時
の磁束密度の変化が大きくなり、軸受剛性が大幅に向上
する。
を完全反磁性を示す超電導体で構成すると共に、軸受す
きまを磁束が通過する磁気回路には軸受すきまの磁気抵
抗に直列に磁束絞りを設けることにより、軸受すきまの
変化に対してすきま内の磁束密度変化を大きくすること
ができる。このため、軸受すきまの大きい時と小さい時
の磁束密度の変化が大きくなり、軸受剛性が大幅に向上
する。
【００１０】
【実施例】以下、この発明を図示の実施例に基づいて詳
細に説明すると、図１はこの発明の一実施例を示す磁束
絞りノズルを設けた反発型超電導スラスト軸受の構造を
示すものである。
細に説明すると、図１はこの発明の一実施例を示す磁束
絞りノズルを設けた反発型超電導スラスト軸受の構造を
示すものである。
【００１１】図１において、１は、例えば溶融法で作製
したYBa2Cu3O酸化物超電導体で構成された半径rgの軸、
２は同様な材質の超電導体で構成された円板型軸受、h
は軸１の端部と軸受２の軸受面2aとの間の軸受すきまで
ある。
したYBa2Cu3O酸化物超電導体で構成された半径rgの軸、
２は同様な材質の超電導体で構成された円板型軸受、h
は軸１の端部と軸受２の軸受面2aとの間の軸受すきまで
ある。
【００１２】軸受２内には磁場発生用のコイル３が設け
られ、更に軸受２の外周には磁気抵抗を極力小さくして
有効に磁束を通過させるための強磁性体４が設けられ、
これによってコイル３によって発生した磁束Φが軸受す
きまを通過する磁気回路が形成される。
られ、更に軸受２の外周には磁気抵抗を極力小さくして
有効に磁束を通過させるための強磁性体４が設けられ、
これによってコイル３によって発生した磁束Φが軸受す
きまを通過する磁気回路が形成される。
【００１３】そして、この発明ではこの磁気回路におけ
る軸受すきまの磁気抵抗に直列に軸受２の中心に径r0の
ノズル５を設けて軸受すきまを通過する磁束を制限する
ようにする。
る軸受すきまの磁気抵抗に直列に軸受２の中心に径r0の
ノズル５を設けて軸受すきまを通過する磁束を制限する
ようにする。
【００１４】図２は、図１の等価磁気回路を示すもので
あり、図においてＲn は磁束を絞っているノズルの磁気
抵抗、Ｒg は軸受すきまにおける磁気抵抗、ＲL はコイ
ルを通過してしまう磁束ΦL に対する磁気抵抗、Φg は
軸受すきまを通る磁束、ｎはコイルの巻き数、Ｉはコイ
ルを流れる電流である。
あり、図においてＲn は磁束を絞っているノズルの磁気
抵抗、Ｒg は軸受すきまにおける磁気抵抗、ＲL はコイ
ルを通過してしまう磁束ΦL に対する磁気抵抗、Φg は
軸受すきまを通る磁束、ｎはコイルの巻き数、Ｉはコイ
ルを流れる電流である。
【００１５】この図から磁束を制限する磁束絞りノズル
５の効果を解析すると、先ず解析に当って、軸受すきま
h は軸受の直径2rg に比べて極めて小さいとし、次のよ
うな仮定を設ける。
５の効果を解析すると、先ず解析に当って、軸受すきま
h は軸受の直径2rg に比べて極めて小さいとし、次のよ
うな仮定を設ける。
【００１６】即ち、(1) 軸受すきま内のすきま方向の磁
束密度変化はないものとする。(2)強磁性体４を通って
ノズル５の手前までの磁気抵抗Ｒf はＲn 及びＲg に比
して極めて小さいので、これを無視する。(3) ΦL は軸
受の性能に影響しない無効磁束であるので、これを無視
する。即ち、ＲL は無限大とする。
束密度変化はないものとする。(2)強磁性体４を通って
ノズル５の手前までの磁気抵抗Ｒf はＲn 及びＲg に比
して極めて小さいので、これを無視する。(3) ΦL は軸
受の性能に影響しない無効磁束であるので、これを無視
する。即ち、ＲL は無限大とする。
【００１７】上述の仮定から軸受すきまを通る磁束Φg
は、下記（１）式で示される。
は、下記（１）式で示される。
【００１８】
【式１】
【００１９】ここに、Ｒg ＝lnβ/(2 πμ0h),Ｒn ＝ln
/(μ0 πｒ0 2),β＝rg/r0 ，α＝Rg/Rn ＝α0/H,H=h/r0
/(μ0 πｒ0 2),β＝rg/r0 ，α＝Rg/Rn ＝α0/H,H=h/r0
【００２０】軸受すきま内の磁束密度は、Φg から下記
（２）（３）式で得られる。
（２）（３）式で得られる。
【式２】
【００２１】
【式３】
【００２２】負荷容量Ｆは、下記（４）式で与えられ
る。
る。
【式４】
【００２３】l 2H2/lnβ即ち軸受すきまが小さいとき
には負荷容量Ｆ及び軸受剛性Ｋは下記の（５）（６）式
のようになる。
には負荷容量Ｆ及び軸受剛性Ｋは下記の（５）（６）式
のようになる。
【００２４】
【式５】
【００２５】K = -C2/( α0 + H )3 （６）
【００２６】ここに、Ｃ1 ＝πｒ0 μ0 ｎ2 Ｉ2ln β/
(4ln 2),Ｃ2 ＝2C1/r0である。
(4ln 2),Ｃ2 ＝2C1/r0である。
【００２７】以上のように磁束を制限する磁束絞りノズ
ル５を設けることにより、軸受すきまの微小な変化に対
して大きく負荷容量が変化する。即ち、非常に高い軸受
剛性が得られる。
ル５を設けることにより、軸受すきまの微小な変化に対
して大きく負荷容量が変化する。即ち、非常に高い軸受
剛性が得られる。
【００２８】磁束絞りノズル５のない場合には、上述の
仮定では、軸受剛性はゼロになるが、実際にはすきまが
大きいところでＲf の磁気抵抗が磁束Φg を制限するの
で、剛性は発揮する．しかし、すきまの大きな変化に対
して磁束密度変化が少ないので、極めて低い。
仮定では、軸受剛性はゼロになるが、実際にはすきまが
大きいところでＲf の磁気抵抗が磁束Φg を制限するの
で、剛性は発揮する．しかし、すきまの大きな変化に対
して磁束密度変化が少ないので、極めて低い。
【００２９】図３、図４は図１の磁束絞りノズルを設け
た円板型超電導スラスト軸受にrg,α0 を設定して計算
した場合の軸受すきまと負荷容量との関係及び軸受すき
まと軸受剛性の関係を示すものである。
た円板型超電導スラスト軸受にrg,α0 を設定して計算
した場合の軸受すきまと負荷容量との関係及び軸受すき
まと軸受剛性の関係を示すものである。
【００３０】これによれば、現状のピン止め状態を用い
た超電導軸受では、同程度の大きさの軸受で、0.1 ×10
6 N/m 程度の軸受剛性が最大であり、磁束絞りノズルで
磁束を制限すると軸受剛性がかなり向上することが分か
る。
た超電導軸受では、同程度の大きさの軸受で、0.1 ×10
6 N/m 程度の軸受剛性が最大であり、磁束絞りノズルで
磁束を制限すると軸受剛性がかなり向上することが分か
る。
【００３１】また、α0 即ち軸受すきまと磁束絞りノズ
ルの磁気抵抗の比に関係するファクターを適当に決める
ことにより、軸受すきまに応じて負荷容量及び軸受剛性
を選ぶことができる。
ルの磁気抵抗の比に関係するファクターを適当に決める
ことにより、軸受すきまに応じて負荷容量及び軸受剛性
を選ぶことができる。
【００３２】更に、α0 を小さくすると、即ち磁束絞り
ノズルの磁気抵抗を大きくすると、すきまの小さいとこ
ろで軸受剛性が高くなり、一般的な産業規模の軸受に匹
敵する程度となる。
ノズルの磁気抵抗を大きくすると、すきまの小さいとこ
ろで軸受剛性が高くなり、一般的な産業規模の軸受に匹
敵する程度となる。
【００３３】図５、図６、図７は磁束絞りを軸受面に設
けた実用的な構造の数例を示す。図５及び図６は、スラ
スト軸受の場合、図７は、ジャーナル軸受の場合であ
る。
けた実用的な構造の数例を示す。図５及び図６は、スラ
スト軸受の場合、図７は、ジャーナル軸受の場合であ
る。
【００３４】なお、図５においては軸受面の内周に沿っ
て複数のノズル５，…を設けているが、図６では軸受面
の内周に沿ってスリット部６を設ける。
て複数のノズル５，…を設けているが、図６では軸受面
の内周に沿ってスリット部６を設ける。
【００３５】また、磁束がノズル５及びスリット部６を
通過するためには、図５及び図６に示すようなノズル５
及びスリット部６を通って軸受面を遮断する弱結合部７
を必ず作る必要がある。
通過するためには、図５及び図６に示すようなノズル５
及びスリット部６を通って軸受面を遮断する弱結合部７
を必ず作る必要がある。
【００３６】図８は、図６の構成において、超電導バル
ク体に代えて磁束の通過する材料表面に超電導薄膜８を
形成して反発型超電導軸受を構成した例を示すものであ
る。
ク体に代えて磁束の通過する材料表面に超電導薄膜８を
形成して反発型超電導軸受を構成した例を示すものであ
る。
【００３７】 なお、この発明では軸受すきまの軸受面
に、軸受を構成する超電導体に比べて臨界電流密度が低
く、磁束を侵入させ易い超電導体或は金属を一部配置す
ることにより、軸受の安定性を向上させることができ
る。図９は、軸受面の内周に沿ってその一部に軸受を構
成する超電導体に比べて臨界電流密度が低い超電導体９
を配置した構成の一例を示すものであり、軸受を構成す
る超電導体に比べて超電導体９の臨界電流密度が低いた
め、超電導体９のみに磁束が侵入し、その部分で磁束の
変化に応じた損失を起こさせ、軸受の安定性を向上させ
ることができる。
に、軸受を構成する超電導体に比べて臨界電流密度が低
く、磁束を侵入させ易い超電導体或は金属を一部配置す
ることにより、軸受の安定性を向上させることができ
る。図９は、軸受面の内周に沿ってその一部に軸受を構
成する超電導体に比べて臨界電流密度が低い超電導体９
を配置した構成の一例を示すものであり、軸受を構成す
る超電導体に比べて超電導体９の臨界電流密度が低いた
め、超電導体９のみに磁束が侵入し、その部分で磁束の
変化に応じた損失を起こさせ、軸受の安定性を向上させ
ることができる。
【００３８】なお、この部分は超電導体でなくとも磁束
の変化に応じて損失を伴うようにアルミニウムや銅など
の金属を用いてもよい。
の変化に応じて損失を伴うようにアルミニウムや銅など
の金属を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】以上要するに、この発明によれば軸受す
きまの磁気抵抗に直列に磁気絞りを設けてあるため、軸
受すきまの変動に対して軸受すきまを通過する磁束密度
が大きく変化し、このため軸受剛性を向上させることが
できる。
きまの磁気抵抗に直列に磁気絞りを設けてあるため、軸
受すきまの変動に対して軸受すきまを通過する磁束密度
が大きく変化し、このため軸受剛性を向上させることが
できる。
【図１】 この発明の一実施例を示す磁束絞りノズルを
設けた反発型超電導スラスト軸受の縦断側面図（ａ）と
その平面図（ｂ）
設けた反発型超電導スラスト軸受の縦断側面図（ａ）と
その平面図（ｂ）
【図２】 図１の等価磁気回路
【図３】 図１の磁束絞りノズルを設けた円板型超電導
スラスト軸受にrg,α0 を設定して計算した場合の軸受
すきまと負荷容量との関係を示す図
スラスト軸受にrg,α0 を設定して計算した場合の軸受
すきまと負荷容量との関係を示す図
【図４】 同上の軸受すきまと軸受剛性の関係を示す図
【図５】 スラスト軸受の軸受面に磁束絞りを設けた実
用的な構造例を示す縦断斜視図
用的な構造例を示す縦断斜視図
【図６】 スラスト軸受の軸受面に磁束絞りを設けた他
の実用的な構造例を示す縦断斜視図
の実用的な構造例を示す縦断斜視図
【図７】 ジャーナル軸受の軸受面に磁束絞りを設けた
実用的な構造例を示す縦断斜視図
実用的な構造例を示す縦断斜視図
【図８】 スラスト軸受の軸受面に磁束絞りを設けた更
に他の実用的な構造例を示す縦断斜視図
に他の実用的な構造例を示す縦断斜視図
【図９】 スラスト軸受の軸受面に磁束絞りを設けた更
に他の実用的な構造例を示す縦断斜視図
に他の実用的な構造例を示す縦断斜視図
１は超電導体で構成された軸 ２は超電導体で構成された軸受 2aは軸受面 h は軸受すきま ３は磁場発生用のコイル ４は強磁性体 ５はノズル ６はスリット部 ７は弱結合部 ８は超電導薄膜 ９は臨界電流密度の低い超電導体
フロントページの続き (72)発明者 淵野 修一郎 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 石井 格 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 完全反磁性を示す超電導体で反発型超電
導磁気軸受を構成すると共に、該軸受すきまを磁束が通
過する磁気回路には軸受すきまの磁気抵抗に直列に磁束
絞りを設けることを特徴とする超電導磁気軸受装置。 - 【請求項２】 磁束絞りがノズル又はスリットである請
求項１記載の超電導磁気軸受装置。 - 【請求項３】 軸受すきまの軸受面に、軸受を構成する
超電導体に比べて臨界電流密度が低く、磁束を侵入させ
易い超電導体或は金属を一部配置した請求項１記載の超
電導磁気軸受装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10763894A JP2636168B2 (ja) | 1994-04-21 | 1994-04-21 | 超電導軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10763894A JP2636168B2 (ja) | 1994-04-21 | 1994-04-21 | 超電導軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07293564A JPH07293564A (ja) | 1995-11-07 |
| JP2636168B2 true JP2636168B2 (ja) | 1997-07-30 |
Family
ID=14464272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10763894A Expired - Lifetime JP2636168B2 (ja) | 1994-04-21 | 1994-04-21 | 超電導軸受装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2636168B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006101585A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Internatl Superconductivity Technology Center | 超電導軸受と磁気浮上装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5747426A (en) * | 1995-06-07 | 1998-05-05 | Commonwealth Research Corporation | High performance magnetic bearing systems using high temperature superconductors |
| DE102008028588A1 (de) | 2008-06-18 | 2009-12-24 | Schaeffler Kg | Magnetlager mit Hochtemperatur-Supraleiterelementen |
| DE102009009126A1 (de) * | 2009-02-17 | 2010-08-19 | Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg | Supraleitendes Lager sowie Verfahren zu dessen Montage |
| DE102009049889A1 (de) * | 2009-10-20 | 2011-04-21 | Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg | Supraleitendes Lager und Verfahren zu dessen Montage |
-
1994
- 1994-04-21 JP JP10763894A patent/JP2636168B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006101585A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Internatl Superconductivity Technology Center | 超電導軸受と磁気浮上装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07293564A (ja) | 1995-11-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |