JP3367068B2

JP3367068B2 - 超伝導ベアリング

Info

Publication number: JP3367068B2
Application number: JP27764192A
Authority: JP
Inventors: ケー．リツジニイ，ジユニアトーマス; ピー．サビルマーシヤル
Original assignee: アライド・シグナル・インコーポレーテツド
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 2003-01-14
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JPH08152022A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導ベアリングに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４，８９２，８６３号には超
伝導スラストベアリングが開示される。磁石はタイプＩ
あるいはタイプＩＩの超伝導材で作られたデイスク上に
配置される。デイスクがその臨界温度Ｔｃ以下に冷却さ
れると磁石から一部あるいはすべての磁束線が排除され
る。この磁束線の排除により磁石はデイスク上に浮揚す
る。外部負荷を受けたとき磁石はデイスクの面に向けて
移動を強いられる。磁束線の相互作用の結果、磁石の動
作を阻止する反力、即ち復元力が生じる。外部負荷が増
加するに応じて、反力も増加する。超伝導ジヤーナルベ
アリングについては、米国特許第４，７９７，３８６号
に円筒状磁石がタイプＩＩの超伝導材で作られた中空の
シリンダ内に配置される構成が示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この場合ベアリングの
負荷容量は磁石の磁束密度に比例し、単位面積あたりの
磁束量として定義されるが、磁束密度が高くなると、ベ
アリングは大きな負荷を受けて動作することになり、負
荷容量は磁束密度を増加することにより有効に増大され
得る。

【０００４】また上述の場合ベアリングの剛性は磁束密
度勾配に比例し、磁束密度勾配は磁性面に対し直角な距
離Ｘからの磁束密度変化として定義され、且つ磁束密度
勾配自体は磁性面からの距離を越える復元力の変化に比
例することになるが、ベアリングの高い剛性はロータを
正確に位置決め保持するために望まれる。

【０００５】更に制動がベアリングロータからの振動エ
ネルギを除去するために必要である。制動を伴わない場
合振動エネルギによりベアリングが揺動したり、可聴の
信号ノイズ、動作応力、疲労、パワーロス等の煩雑な現
象が生じることになる。

【０００６】従つて本発明の目的は超伝導ベアリングの
負荷容量を増加することにある。本発明の別の目的は超
伝導ベアリングの剛性を上げることにある。本発明の他
の目的は超伝導ベアリングに制動を与えることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は本発明によ
れば第１の磁束線を与える少なくとも１個の磁石装置
と、超伝導複合材で作られる少なくとも１個の部材とを
備え、複合材にはタイプＩＩの超伝導グラニユール、永
久磁石グラニユールおよび超伝導グラニユールと永久磁
石グラニユールとを結合するバインダが含まれ、永久磁
石グラニユールにより第２の磁束線が与えられ、超伝導
複合材でなる少なくとも１個の部材は磁石装置の近傍に
配置され、第２の磁束線が第１の磁束線と相互作用する
ように配列されてなる超伝導ベアリングにより実現され
る。

【０００８】

【作用】請求項１の発明は第１の磁束線を与える少なく
とも１個の磁石装置と、超伝導複合材で作られる少なく
とも１個の部材とを備え、複合材にはタイプＩＩの超伝
導グラニユール、永久磁石グラニユールおよび超伝導グ
ラニユールと永久磁石グラニユールとを結合するバイン
ダが含まれ、永久磁石グラニユールにより第２の磁束線
が与えられ、超伝導複合材でなる少なくとも１個の部材
は磁石装置の近傍に配置され、第２の磁束線が第１の磁
束線と相互作用するように配列される構成をとることに
より負荷容量が大で、好適な剛性を有し、磁束線の増減
も有効に図られる超伝導ベアリングを提供する。請求項
２の発明は超伝導部材の表面が熱伝導性で導電性の金属
の薄手のシートにより覆設されることにより、ベアリン
グの振動エネルギが除去され、制動される超伝導ベアリ
ングを提供する。請求項３の発明は超伝導グラニユール
及び永久磁石グラニユールをバインダに加える工程と、
永久磁石グラニユールの磁極を実質的に同一方向に合致
させる工程と、バインダを加熱する工程と、加熱された
バインダをプレスする工程と、プレスされたバインダを
冷却する工程とを包有してなる構成をとることにより、
負荷容量が大で、好適な剛性を有し、磁束線の増減も有
効に図られる超伝導ベアリングを提供する。

【０００９】

【実施例】図１は、超伝導部材１２と、特定の配列で積
層された永久磁石１６ａ、１６ｂ、１６ｃからなる積層
構造体１４とを有するスラストベアリング１０を示す。
積層構造体１４の一方の面は超伝導部材１２と対向す
る。永久磁石１６ａ、１６ｂ、１６ｃは磁極が交互にな
るよう配列される。従つて第１及び第３の永久磁石１６
ａ、１６ｃのＮ極および第２の永久磁石１６ｂのＳ極が
超伝導部材１２と対向する。両端（即ち第１および第
３）の永久磁石１６ａ、１６ｃのそれぞれのＮ極とＳ極
との間に磁束線が流れる。更にこの構成により、磁束線
が隣接する磁石の磁極間にも流れる。従つて第１の組の
磁束線は第１および第２の永久磁石１６ａ、１６ｂ間を
流れ、第２の組の磁束線は第２および第３の永久磁石１
６ｂ、１６ｃ間を流れる。このように永久磁石１６ａ、
１６ｂ、１６ｃを積層することにより単位面積当たりの
磁束線の数が増加される。この結果積層構造体１６ｂ、
１６ｃの一方の面におけるＮＳ極間で磁束密度が増加す
ると共に磁束線の長さが短くなり、磁束密度勾配が増加
する。

【００１０】磁束漏れを減少するため永久磁石１６ａ、
１６ｂ、１６ｃ間に非磁気シム１７が配置される。この
非磁気シム１７は低い温度歪みを有する非強磁性材料で
作られる。超伝導部材１２はメルトテクスチヤの超伝導
材料で作られる。この材料はタイプＩでも良いが、磁束
ピンニングのため安定性に優れているのでタイプＩＩの
超伝導材料であることが好ましい。

【００１１】動作中、超伝導部材１２はその臨界温度Ｔ
ｃ（ＹＢａ_２Ｃｕ_２Ｏ_ｘでは９３°Ｋ）以下の温度まで
冷却される。動作温度が臨界温度Ｔｃ以下に減少される
に伴い、スラストベアリング１０の負荷容量および剛性
が大幅に増加される。これについてはビー．アール．ウ
エンバーガー等による超伝導科学技術（Ｓｕｐｅｒｃｏ
ｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）（第３巻、ｐ．３８
１、１９９０）を参照されたい。液体窒素により超伝導
部材１２は７７°Ｋの温度まで冷却される。この結果磁
束ピンニング現象に伴い積層構造体１４が超伝導部材１
２上に浮揚される。積層構造体１４は超伝導部材１２の
面に直角な軸を中心に回転自在であるが、公称抵抗を受
けない限り超伝導部材１２の面を横切つて変位できな
い。変位が生じると、超伝導部材１２の内側に引き留め
られていた磁束の分布が変化する。一方超伝導部材１２
のタイプＩＩの超伝導材料がこのような変化に抵抗す
る。

【００１２】スラストベアリング１０は、超伝導部材１
２と積層構造体１４との間で超伝導部材１２の面を被覆
する熱伝導性で導電性の薄手のシート１８により制動さ
れる。このシート１８は積層構造体１４からの磁束に対
し透磁性を示す。また好ましくはスラストベアリング１
０のロータが第１のベアリングの臨界周波数で回転され
るとき、超伝導部材１２と積層構造体１４との間に相対
的な振動が引起される。積層構造体１４はシート１８内
の磁界を変化させ、シート１８内に渦電流を生じさせ
る。この渦電流により積層構造体１４の磁界に対抗する
磁界が生ると共に、この渦電流により熱が発生され、こ
の熱は伝導されてシート１８を介し低温雰囲気で消失さ
れる。この熱の発生に伴い振動エネルギが消失し、延い
てはスラストベアリング１０が制動される。シート１８
は必ずしも超伝導部材１２全体に覆設しなくともよく、
且つ一連らなりでなくともよく、シート１８において渦
電流が生じるに充分な領域が確保されればよい。厚いシ
ートを採用する場合エネルギの消失を大にできるが、超
伝導部材１２と積層構造体１４との間隔が増大し、スラ
ストベアリング１０の負荷容量が低下する。シートは高
熱伝導性と高導電性を有する材料で作成される。熱膨張
率が低い材料を用いることが好ましいが、これが要求さ
れないこともある。シート１８は超伝導部材を熱しない
ように高熱伝導率を有していて、急速に熱が消滅され
る。仮にシート１８が低熱伝導率体で形成されている場
合、熱により超伝導部材１２が非超伝導状態に駆動さ
れ、超伝導特性、即ち磁束線の排除と押えつけ状態が消
失することとなる。従ってシート１８は熱伝導材で形成
することを要する。またシート１８の高導電性が渦電流
の発生を可能とする。積層構造体１４のエネルギ積はシ
ート１８内の渦電流を誘導するに充分な大きさであれば
よい。

【００１３】磁石の積層構成に代わる構成、あるいは磁
石の積層構成に加える構成として、超伝導部材内に磁性
グラニユールを挿入することによりベアリングの負荷容
量および剛性を増大し得る構成をとり得る。得られた複
合材はタイプＩＩの超伝導ベアリングの磁束ピニング現
象を磁性ベアリングとの優れた負荷容量および剛性と組
合わせる。

【００１４】図２に、タイプＩＩの超伝導材料のグラニ
ユールと永久磁石のグラニユールとバインダ（結合剤）
からなる複合材を作る方法をフローチヤートで示す。超
伝導グラニユールは極限タイプＩＩの超伝導材から作成
される（工程１００）。

【００１５】極限タイプＩＩの超伝導材とは高い臨界温
度Ｔｃ、磁気的電気的特性の強い異方性、大きな上限臨
界磁界Ｈｕｃ、および大きな磁束ピニング現象を示すこ
とで知られる。好ましい超伝導材はＹＢａ_２Ｃｕ_２Ｏ_ｘ
のような１−２−３相イツトリウム−バリウム−銅酸化
物である。好適ではないが、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕあ
るいはＴＩＢａ−Ｃａ−Ｃｕ酸化物も代用できる。グ
リーンタイプＩＩの超伝導パウダは超伝導特性を得るた
めにメルトテクスチヤされる。メルトテクスチヤは当業
者には周知である。あるいはタイプＩＩの超伝導パウダ
は焼成してもよい。その結果得られたセラミツクは焼成
前の３ｍｍ以下のグレインサイズのグラニユールになる
まで粉砕される。一般に、大きなメルトテクスチヤされ
たグラニユールは小さなメルトテクスチヤされたグラニ
ユールより良好である。超伝導グラニユールは次に所定
の大きさの網目を有するスクリーンを通して篩別され、
所望のサイズのグラニユールが選択される。次に選択さ
れたグラニユールが焼き鈍しされる。

【００１６】永久磁石のグラニユールを得るため（工程
１０２）、強度の高い希土類の永久磁石を４ｍｍ以下の
グレインサイズまで粉砕する。希土類の永久磁石は好ま
しくはネオジム・鉄・ボロンあるいはサマリウム・コバ
ルトの種類であるが、ベアリング製造工程中に確実に磁
極を整合させるため、粉砕前に永久磁石のグレインを同
一方向に磁化する。この磁化工程は当業者には周知であ
る。超伝導グラニユールと永久磁石グラニユールとの比
は永久磁石の磁界強度または超伝導グラニユールにより
与えられる強度によつて変化える。

【００１７】バインダとしてはエマーソン＆カミング社
製のエコボンド（ＥＣＣＯＢＯＮＤ）２８５のような極
低温のエポキシ、あるいはスツルアス（ＳＴＲＵＥＲ
Ｓ）のような熱可塑性レジンが使用できる。極低温のエ
ポキシを使用すると、熱可塑性のレジンを使用する場合
より遥かに強い結合が得られる。従つて極低温のエポキ
シはジヤーナルベアリングに最適であり、熱可塑性のレ
ジンはスラストベアリングに最適である。超伝導グラニ
ユールのバインダに対する比はバインダを超伝導グラニ
ユールと結合させるに充分大きく、しかも超伝導グラニ
ユールの超伝導特性に干渉しない程度の大きさにする必
要がある。

【００１８】調整されたサイズのメルトテクスチヤされ
たタイプＩＩの超伝導グラニユールはバインダと混合さ
れ、次にこの混合物が約１．０ｃｍ〜１．３ｃｍ中空円
筒状プレスのシリンダ内に溜まるまで注がれる（工程１
０４）。円筒状プレスには組込型の加熱コイルが具備さ
れる。アルミニウムプレートにより被覆された高強度の
永久磁石は、シリンダ内に磁界を発生させるためにプレ
スの底部に置かれる。

【００１９】次いで永久磁石のグラニユールがシリンダ
の円筒の円形領域に個々に目視で落下される（工程１０
６）。磁界により永久磁石のグラニユールがタイプＩＩ
の超伝導グラニユールとバインダとの混合体内に浸透せ
しめられる。永久磁石グラニユールがシリンダ内に落下
するに伴い、これらの磁極は外部からの磁界と整合する
（工程１０８）。この整合工程は全体の工程中で極めて
重要である。

【００２０】この結果得られた超伝導グラニユール、永
久磁石グラニユールおよびバインダの複合材は次に加熱
され、１ないし３トンの力で加圧される（工程１１
０）。熱可塑性レジンは１４０℃と１６０℃の間の温度
で６分間加熱され、一方極低温のエポキシは９０℃と９
５℃の間の温度で３０分間加熱される。次いで複合材は
外気温度で３ないし１０分間冷却される（工程１１
２）。

【００２１】超伝導複合材を作るためには、ＹＢａ_２Ｃ
ｕ_２Ｏ_ｘをメルトテクスチヤにし、２−３ｍｍの粒子サ
イズにした。超伝導グラニユールを混合体がプレス内に
約２ｃｍ溜まるまで中空の円筒状プレス内のアクリル系
熱可塑性のバインダに加えた。ネオジム・ボロン・鉄の
磁石グラニユールがプレスに加えられた。永久磁石グラ
ニユールの粒子サイズは９ｍｍであつた。永久磁石グラ
ニユールは４０００ガウスの磁界により整合された。複
合材は約１５０℃に加熱され、３トンの力でプレスさ
れ、約４分間冷却された。

【００２２】図３においては、ジヤーナルベアリング３
０の永久磁石３２が中空シヤフト３４により囲繞され
る。シヤフト３４も超伝導複合材で作られたシリンダに
より囲繞される。永久磁石３２のグレインおよび中空シ
リンダ３８の永久磁石グラニユール３６の両方とも放射
方向に整合される。

【００２３】図４には、複動スラストベアリング４０の
永久磁石の円筒状ペレツト４２はシヤフト４４の対向端
部に配置される。軸方向に磁化された円筒状ペレツト４
２は希土類材料で作られる。超伝導複合材で作られるデ
イスク４６は円筒状ペレツト４２と対向して配置され
る。デイスク４６の永久磁石グラニユール４８も軸方向
に整合されるため、円筒状ペレツト４２と永久磁石グラ
ニユール４８との間の磁気的な相互作用により磁気的な
反作用が生じる。

【００２４】積層された磁石からなるベアリングの例を
他の図面に示す。

【００２５】図５を参照するに、ジヤーナルベアリング
５０にはロータ５２およびステータとして機能する中空
シリンダ５４が包有される。中空シリンダ５４はＹＢａ
_２Ｃｕ_２Ｏ_ｘのようなタイプＩＩの超伝導材料かあるい
は上述した複合材料で作られる。またロータ５２は積層
構造体であり、複数の環形磁石５６ａ−５６ｆを有す
る。各環形磁石５６ａ−５６ｆはサマリウム・コバルト
磁石あるいはネオジム・鉄・ボロン磁石のような希土類
磁石である。環形磁石５６ａ−５６ｆは放射方向に磁化
され、磁極を交互にして積層される。非磁気シム５８が
磁束漏れを減少するために環形磁石５６ａ−５６ｆ間に
配設される。

【００２６】連結ロツド６０は環形磁石５６ａ−５６ｆ
の長手軸線を貫通して延びている。連結ロツド６０は透
磁率の高い材料で作られる。低速での使用の場合、環形
磁石５６ａ−５６ｆはエポキシにより連結ロツド６０に
付設できる。一方高速での使用には環形磁石５６ａ−５
６ｆは、連結ロツド６０の端部をボルト締めして環形磁
石５６ａ−５６ｆと非磁気シム５８とを互いに押し付け
るようにして連結ロツド６０に付設される。環形磁石５
６ａ−５６ｆの数及び幅はベアリングの負荷容量および
剛性条件に応じて変更し得る。薄い環形磁石５６ａ−５
６ｆにより磁束密度勾配が高くなり、その結果ベアリン
グの剛性が高くなる。磁石製造上の制限により環形磁石
５６ａ−５６ｆの厚さが制限されることは理解されよ
う。この制限にはグレインを整合し放射方向に磁石を磁
化する能力も含まれる。

【００２７】ロータ５２は中空シリンダ５４内に挿入さ
れる。高い磁束密度および磁束勾配を得るため磁石と超
伝導体との間の間隙は小さくとる必要がある。保持スリ
ーブ６２がロータ５２内に環形磁石５６ａ−５６ｆを保
持するために使用される。ベアリングの最大の剛性およ
び容量は保持スリーブ６２がなくとも得られるが、高速
回転による連結ロツド６０の応力のため保持スリーブ６
２を使用する必要が生じる。保持スリーブ６２はベリリ
ウム銅あるいはインコネル７１８のような非強磁性で高
い強度を有する金属で作られる。代りに、保持スリーブ
６２はフイラメントを巻いたグラフアイトあるいはケブ
ラのような高強度のフアイバも作りうる。間隙および最
小磁石幅は、中空シリンダ５４の超伝導面で最大磁束密
度を得られるように保持スリーブの厚さに応じて制限さ
れる。

【００２８】図６に示すジヤーナルベアリング７０は積
層磁石体７２を具備し、この積層磁石体７２は同極を対
向させた永久磁石７４ａ〜７４ｄでなる。またミユーメ
タルでなるシム７６が永久磁石７４ａ〜７４ｄ間に配設
され、積層磁石体はスリーブ７８によつて外囲される。
ベアリングの剛性は積層構造体内の磁石の数および幅に
より決定される。磁石をより薄手にした場合、磁界間ギ
ヤツプが大になる。ギヤツプが大になると磁束密度勾配
が高くなりベアリングの剛性も高くなる。

【００２９】図７にはシヤフトジヤーナルシステム８０
が示される。１対のタービン８４によつてシヤフト８２
が回転される。スラストベアリング８６によりシヤフト
８２の半径方向の負荷が支承され、スラストベアリング
８８によりシヤフト８２の軸方向の負荷が支承される。
ジヤーナルベアリング８６およびスラストベアリング８
８はコンプレツサ、ポンプおよび流速計のような他のタ
ーボ装置のシヤフトを支承可能である。ベアリングの負
荷容量、剛性および制動力は用途に従つて設計される。

【００３０】

【発明の効果】上述のように構成された本発明によれば
積層されたロータを備える超伝導ベアリングは負荷容量
および剛性を有効に高める。またこれらのベアリングは
振動エネルギを制動する好適な効果をも有する。超伝導
パウダおよび磁気グラニユールを含むベアリング部材も
負荷容量および剛性が高い点で有利である。更に各種の
形状およびサイズに容易に機械加工できる利点も有す
る。例えば単一のブランクはベアリングに機械加工でき
る。且つ公差を容易に制御できるので、単一のブランク
は簡単に取り付けできる利点を有する。公差は増加する
が２部材の場合より単一部材の公差はより容易に制御で
きる。従つて２以上の部材の場合より単一部材の場合相
対的に容易に整合が得られることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は磁極が交互となるよう積層された磁石を
使用する超伝導スラストベアリングの簡略図である。

【図２】図２は超伝導複合材を作る工程のフローチヤー
トである。

【図３】図３は図２に関連して説明した超伝導複合材で
作られるベアリングの実施例の簡略図である。

【図４】図４は図２に関連して説明した超伝導複合材で
作られるベアリングの実施例の簡略図である。

【図５】図５は磁極を交互にして積層した磁石を使用す
るジヤーナルベアリングの断面図である。

【図６】図６は同じ磁極を対向させて積層した磁石を使
用するジヤーナルベアリングの断面図である。

【図７】図７はベアリングシヤフトシステムの簡略図で
ある。

【符号の説明】

１０スラストベアリング１２超伝導部材１４積層構造体１６ａ−１６ｃ永久磁石１７非磁気シム１８シート３０ジヤーナルベアリング３２永久磁石３４中空シヤフト３６永久磁石グラニユール３８中空シリンダ４０スラストベアリング４２円筒状ペレツト４４シヤフト４６デイスク４８永久磁石グラニユール５０ジヤーナルベアリング５２ロータ５４中空シリンダ５６ａ−５６ｆ環形磁石５８非磁気シム６０連結ロツド６２保持スリーブ６０連結ロツド６２保持スリーブ８０シヤフト／ジヤーナルシステム８２シヤフト８４タービン８６ジヤーナルベアリング８８スラストベアリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーシヤルピー．サビルアメリカ合衆国カリフオルニア州 90260 ラウンデールユーコンアベニユー 15309 (56)参考文献特開平１−216119（ＪＰ，Ａ) 米国特許4892863（ＵＳ，Ａ) 米国特許4797386（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 32/04 H01F 7/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の磁束線を与える少なくとも１個の
磁石装置と、超伝導複合材で作られる少なくとも１個の
部材とを備え、複合材にはタイプＩＩの超伝導グラニユ
ール、永久磁石グラニユールおよび超伝導グラニユール
と永久磁石グラニユールとを結合するバインダが含ま
れ、永久磁石グラニユールにより第２の磁束線が与えら
れ、超伝導複合材でなる少なくとも１個の部材は磁石装
置の近傍に配置され、第２の磁束線が第１の磁束線と相
互作用するように配列されてなる超伝導ベアリング。
【請求項２】超伝導部材の表面が熱伝導性で導電性の
金属の薄手のシートにより覆設されてなる請求項１記載
の超伝導ベアリング。
【請求項３】超伝導グラニユール及び永久磁石グラニ
ユールをバインダに加える工程と、永久磁石グラニユー
ルの磁極を実質的に同一方向に合致させる工程と、バイ
ンダを加熱する工程と、加熱されたバインダをプレスす
る工程と、プレスされたバインダを冷却する工程とを包
有してなる請求項１記載の超伝導ベアリングを製造する
方法。