JP4058831B2 - Superconducting magnetic bearing - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば高速回転を必要とする流体機械や工作機械、または余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置などに適用される超電導磁気軸受に関する。さらに詳しくは、超電導体と永久磁石を使用して、固定部分に対して回転体を非接触状態に浮上させて回転支持する超電導磁気軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の超電導磁気軸受は、固定部分側に設けられた超電導体部と、この超電導体部に対向するように回転体側に設けられた永久磁石部とを備えている。超電導体部は、内部を液体窒素などの冷却流体が循環させられる冷却容器と、この冷却容器内に配置された超電導体とを備えている。永久磁石部は、冷却容器の壁を介して超電導体に対向するように配置された永久磁石を備えている。超電導磁気軸受による磁気浮上力を高めるためには、超電導体と永久磁石との間隔をできるだけ小さくする必要がある。このため、従来は、永久磁石とこれに対向する冷却容器の壁との間隔をできるだけ小さくし、この壁の厚さをできるだけ小さくし、この壁の内面に密着するように超電導体を配置している。そして、超電導体の永久磁石側の面以外の面と冷却容器の壁との間を流通する冷却流体により超電導体を冷却している。
【0003】
ところで、上記のような超電導磁気軸受では、永久磁石が回転体とともに回転することにより、超電導体の表面は磁場変化を受ける。これは、永久磁石の磁束密度のむらおよび回転体の回転振れによる磁束密度の変化が原因である。そして、この磁場変化により超電導体の遮蔽電流が変化し、超電導体表面での交流損失が発生する。これにより、超電導体は発熱する。ところが、超電導体の永久磁石側の面は冷却容器の壁に密着していて、これを冷却流体で直接冷却できないので、超電導体の発熱を除去することができず、超電導体の温度が若干上昇する。このため、超電導体の臨界電流密度が低下して、超電導体の磁気力が低下してしまう。その結果、超電導磁気軸受の特性である磁気浮上力が低下したり、回転損失が増加したりする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導体を効果的に冷却して、磁気浮上力の低下を防止できる超電導磁気軸受を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による超電導磁気軸受は、固定部分に対して回転体を非接触状態に浮上させて回転支持する超電導磁気軸受であって、前記固定部分側に設けられた超電導体部と、この超電導体部に対向するように前記回転体側に設けられた永久磁石部とを備えており、前記超電導体部が、内部を冷却流体が循環させられる環状の冷却容器と、この冷却容器内に配置された環状の超電導体とを備え、前記永久磁石部が、前記冷却容器の壁を介して前記超電導体に対向するように配置された環状の永久磁石を備えている超電導磁気軸受において、前記超電導体の内外両周面および両端面とこれらに対向する前記冷却容器の壁との間に、冷却流体が通る冷却流体流通空間が形成され、前記冷却流体流通空間に、前記冷却容器に対して前記超電導体を径方向に保持するばね状の間隔保持部材が設けられていることを特徴とするものである。
【0006】
環状の超電導体の全表面とこれらに対向する冷却容器の壁との間に形成された冷却流体流通空間を通る冷却流体により、超電導体のほぼ全表面が直接冷却される。このため、超電導体の発熱を防止し、磁気浮上力の低下や回転損失の増加を抑制することができる。
【0007】
また、間隔保持部材により、確実に、冷却容器に対し超電導体を保持して、冷却容器の壁との間に冷却流体流通空間を形成することができる。
【0008】
間隔保持部材は、適度な弾性を有するばね状のものである。ばね状の間隔保持部材として、たとえば、波状に整形したリング、薄肉の円筒などが用いられる。
【0009】
ばね状の間隔保持部材を用いると、そのダンピング効果により、危険速度での回転体の振動を抑制することができる。また、間隔保持部材により、冷却容器と超電導体との熱収縮率の差を吸収することができる。
【0013】
たとえば、前記超電導体部が、前記回転体の軸方向に並べて配置された複数の冷却容器と、これら各冷却容器内にそれぞれ配置された超電導体とを備えている。
【0014】
大型の超電導磁気軸受において、磁気浮上力を大きくしようとすると、超電導体部および永久磁石部を軸方向に長いものにしなければならない。しかし、そうすると、超電導体が縦長のものになり、成形が困難である。また、冷却容器も縦長になって、容積が大きくなるため、超電導体の冷却が困難になる。
【0015】
上記のように複数の冷却容器を軸方向に並べると、それぞれの冷却容器をあまり大きくする必要がない。このため、超電導体を縦長のものにする必要がなく、その成形が容易である。また、各冷却容器の容積も大きくならず、超電導体を効果的に冷却することができる。さらに、超電導体部全体は軸方向に長いものになるため、磁気浮上力が大きくなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール式電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。
【0017】
図1は、電力貯蔵装置の主要部を示している。
【0018】
図1に示すように、ハウジング(1)内の中心に鉛直な固定軸(2)が固定され、その周囲に鉛直な円筒状の回転体(3)が配置されている。ハウジング(1)は略円筒状をなすものであり、その内部は、風損を防ぐため、真空状態に保持されている。図1には、ハウジング(1)の頂壁と底壁だけが示されている。ハウジング(1)と固定軸(2)により、固定部分が構成されている。回転体(3)の外周には、余剰電力を回転運動エネルギに変換して貯蔵しておくためのフライホイール(4)が設けられ ている。
【0019】
固定軸(2)と回転体(3)との間に、運転時に回転体(3)を軸方向(アキシアル方 向)および径方向(ラジアル方向)に非接触支持するための上下2組の超電導磁気軸受(5)(6)、ならびに電力貯蔵時に回転体(3)を高速回転させる電動機として 電力取出し時に発電機として機能する内蔵型の発電兼用電動機(7)が設けられて いる。以下、超電導磁気軸受を略して超電導軸受と呼ぶことにする。電動機(7) は、固定軸(2)に設けられたステータ部(7a)と、回転体(3)に設けられたロータ部(7b)とから構成されている。
【0020】
図示は省略したが、回転体(3)の外周とハウジング(1)の周壁との間に、運転時に回転体(3)を径方向に非接触支持するための上下2組の制御型ラジアル磁気軸 受、および起動時に回転体(3)を軸方向に非接触支持しておくための制御型アキ シアル磁気軸受が設けられている。
【0021】
ハウジング(1)の底壁に、超電導軸受(5)(6)および磁気軸受による支持がなく なったときに回転体(3)の下部を機械的に支持するためのタッチダウン軸受(8)が設けられている。
【0022】
上部超電導軸受(5)の構成の1例が、図2に示されている。上下の超電導軸受(5)(6)は同様の構成を有するので、以下、上部超電導軸受(5)について説明する。
【0023】
超電導軸受(5)は、固定軸(2)の上部外周部に同心状に設けられた環状超電導体部(10)、および超電導体部(10)に径方向に対向するように回転体(3)の内周部に 同心状に設けられた永久磁石部(11)よりなる。超電導体部(10)は、上下2組の冷却ユニット(10a)(10b)より構成されている。永久磁石部(11)は、2組の冷却ユニット(10a)(10b)にそれぞれ対応する上下2組の永久磁石ユニット(11a)(11b)より構成されている。固定軸(2)の外周にフランジ(14)が固定され、その上に、2組 の冷却ユニット(10a)(10b)が上下方向すなわち軸方向に並べて固定されている。フランジ(14)は、好ましくは、FRP(繊維強化プラスチックス)など、断熱性を有する非磁性材料で作られる。上下の冷却ユニット(10a)(10b)は同様の構成を有し、上下の永久磁石ユニット(11a)(11b)は同様の構成を有するので、以下、上側の冷却ユニット(10a)および永久磁石ユニット(11a)について説明する。
【0024】
回転体(3)の内周に上下複数の環状永久磁石(15)が上下複数の環状鉄製ヨーク(16)を介して配置され、これにより永久磁石ユニット(11a)が形成されている。たとえば、各永久磁石(15)は軸方向の両端部に磁極を有し、上下に隣接する永久磁石(15)の対向する磁極が同極性となるように配置されており、ヨーク(16)が磁極となる。また、永久磁石(15)は回転体(3)と同心状に配置され、回転体(3)の回転軸心の周囲における永久磁石(15)の磁束分布が回転体(3)の回転によって変化し ないようになされている。
【0025】
冷却ユニット(10a)は、冷却流体が循環させられる環状の冷却容器(クライオ スタット)(17)と、容器(17)内に配置された環状の第2種超電導体(18)とを備えている。冷却流体は、好ましくは、液体であり、この例では液体窒素が用いられる。冷却容器(17)は、固定軸(2)と同心状に配置されている。容器(17)は、上面 が開口した環状の容器本体(19)と、その上面を塞ぐ蓋(20)とから構成され、容器(17)の内部に、軸線を通る断面形状が長方形状の冷却空間が形成されている。容器(17)は、好ましくは、FRPなど、断熱性を有する非磁性材料で作られる。容器本体(19)および蓋(20)の円周方向の1箇所に、径方向内側に膨出した膨出部(19a)(20a)が設けられている。容器本体(19)内部の内周壁(19b)と底壁(19c)との境界部に、膨出部(19a)に対応する部分を除いて、略環状の突起(21)が一体に形成 されている。容器本体(19)内部の外周壁(19d)と底壁(19c)との境界部を周方向に等分する複数箇所に、突起(22)が一体に形成されている。容器本体(19)の内周壁(19b)内面に近接する蓋(20)の内面に、膨出部(20a)に対応する部分を除いて、略環状の突起(23)が一体に形成されている。容器本体(19)の外周壁(19d)内面に近 接する蓋(20)の内面を周方向に等分する複数箇所に、突起(24)が一体に形成されている。
【0026】
超電導体(18)は、鉛直円筒状をなす。超電導体(18)の内径は容器本体(19)の内周壁(19b)の外径より大きく超電導体(18)の外径は容器本体(19)の外周壁(19d)の内径よりわずかに小さい。超電導体(18)は容器(17)内に同心状に配置され、超電導体(18)の外周部が容器本体(19)の外周側の突起(22)と蓋(20)の外周側の突起(24)との間に挟まれ、これにより、超電導体(18)が軸方向に移動しないようになっている。超電導体(18)の外周面と容器本体(19)の外周壁(19d)との間、および超 電導体(18)の内周面と容器本体(19)の内周壁(19b)との間に、それぞれ、液体窒 素が通る冷却流体流通空間(25)(26)が形成されている。
【0027】
永久磁石ユニット(11a)と容器本体(19)の外周壁(19d)との径方向の間隔、外周壁(19d)の径方向の厚み、外側の流通空間(25)の径方向の間隔の寸法の1例を挙 げると、それぞれ、1mm、1mm、0.5mmである。なお、図面には、これらを実際より大きく表わしている。
【0028】
各流通空間(25)(26)に、それぞれ、超電導体(18)を径方向に保持する間隔保持部材(27)(28)が設けられている。図3に詳細に示すように、各保持部材(27)(28)は、円筒状の基部(27a)(28a)を円周方向に等分する複数箇所に全高にわたる波形の突条(27b)(28b)が一体に形成された波状のリングよりなる。これらの保持部材(27)(28)は、好ましくは、FRPなど、断熱性を有する非磁性材料で作られる。外側の保持部材(27)は、容器本体(19)の外周側の突起(22)と蓋(20)の外周側の突起(24)の間に挟まれて、軸方向に支持されている。内側の保持部材(28)は、容器本体(19)の内周側の突起(21)と蓋(20)の内周側の突起(23)の間に挟まれて、軸方向に支持されている。外側の保持部材(27)では、基部(27a)が容器本体(19)の外 周壁(19d)の内面に密着し、突条(27b)の頂部が超電導体(18)の外周面に接触する。内側の保持部材(28)では、基部(28a)が容器本体(19)の内周壁(19b)の内面に密着し、突条(28b)の頂部が超電導体(18)の内周面に接触する。
【0029】
超電導体(18)は、たとえばイットリウム系超電導体、たとえばYBa2Cu3O7-xからなるバルクの内部に常電導粒子(Y2BaCu)を均一に混在させたも のからなり、第2種超電導状態が出現する環境下において、永久磁石(15)から発せられる磁束侵入を拘束する性質を有するものである。そして、超電導体(18)は、上記のように配置されることにより、永久磁石(15)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(3)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。
【0030】
冷却用流体供給管(29)および同排出管(30)が容器(17)の蓋(20)の膨出部(20a) に貫通状に固定され、供給管(29)の一端が容器本体(19)の膨出部(19a)内の下部 に位置し、排出管(30)の一端が膨出部(19a)内の上部に位置している。供給管(29)および排出管(30)の他端側は、ハウジング(1)を貫通して、図示しない冷却装置に接続されている。そして、この冷却装置により、次のように、液体窒素が容器(17)内を循環させられ、容器(17)内に満たされる液体窒素により超電導体(18)が冷却される。
【0031】
冷却装置から出た液体窒素は、供給管(29)を通って容器本体(19)の膨出部(19a)の下部に入り、容器(17)内に満たされる。そして、容器(17)内の液体窒素が、 膨出部(19a)内の上部から排出管(30)に入り、冷却装置に戻される。容器(17)内 において、超電導体(18)の上下の空間および超電導体(18)の内外の流通空間(26)(25)を通る液体窒素により、超電導体(18)のほぼ全面が直接冷却されるので、超電導体(18)を効率良く冷却することができる。液体窒素の一部は、容器(17)内を循環している間に気化して窒素ガスとなり、その一部は容器(17)内の上部に溜まる。しかし、窒素ガスの層の最下部が排出管(30)の下端の高さまで下がると、窒素ガスは排出管(30)に入って排出されるため、窒素ガスは排出管(30)の下端より下方に溜まることはない。すなわち、窒素ガスは、排出管(30)の下端より上方の容器(17)内の最上部のわずかな部分に溜まるだけである。そして、排出管(30)の下端が超電導体(18)の最上部とほぼ同じ高さに位置しているので、超電導体(18)の周囲には窒素ガスは溜まらない。このため、超電導体(18)の周囲には液体窒素だけが充満し、超電導体(18)は常に液体窒素によって完全に冷却され、良好な超電導状態が得られる。
【0032】
下側の冷却ユニット(10b)および永久磁石ユニット(11b)において、上側のものと同じ部分には同一の符号を付している。下側の冷却ユニット(10b)の容器(17) はフランジ(14)の上に同心状に固定され、その上に上側の冷却ユニット(10a)の 容器(17)が同心状に固定されている。好ましくは、上下の容器本体(19)の膨出部(19a)は互いに対称位置に配置される。
【0033】
下部超電導軸受(6)において、上部超電導軸受(5)と同じ部分には同一の符号を付している。下部超電導軸受(6)では、供給管(29)および排出管(30)は固定軸(2)の中心に形成された穴(31)に通され、途中で分岐して容器(17)に導かれている。
【0034】
上記の電力貯蔵装置は、たとえば、次のようにして起動される。
【0035】
まず、ラジアル磁気軸受およびアキシアル磁気軸受を作動状態にし、回転体(1)を径方向および軸方向に非接触支持して、所定の運転位置に浮上させる。次に 、各超電導軸受(5)(6)の容器(17)内に液体窒素を供給し、超電導体(18)を所定の温度まで冷却して第2種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。このように、永久磁石(15)から発せられる磁束がその内側に位置する超電導体(18)の内部に侵入している状態で、超電導体(18)を冷却(磁場冷却)して第2種超電導状態にすると、超電導体(18)の内部に侵入していた磁束の多くがそのまま超電導(18)の内部のピン止め点にピン止めされて、超電導体(18)の内部に拘束される。次に、アキシアル磁気軸受を非作動状態にする。これにより、回転体(3)の重量が超 電導磁気軸受(5)(6)によって支持され、回転体(3)は超電導磁気軸受(5)(6)とラ ジアル磁気軸受により運転位置に非接触支持されるので、電動機を駆動して、回転体(3)を高速回転させる。このとき、超電導体(18)に侵入した磁束は、磁束分 布が回転体(3)の回転軸心に対して均一で不変である限り、理想的には回転を妨 げる抵抗とはならない。
【0036】
図4は、外側の容器本体(19)の外周壁(19d)と超電導体(18)との間の間隔保持 部材の変形例を示している。この保持部材(32)は、軸とハウジングの締結やハウジングに対する転がり軸受の軌道輪の固定などのために使用されるトレランスリングをそのまま用いたものであり、円筒状の基部(32a)を周方向に等分する複数 箇所が内側に切り起こされて、軸方向にのびる波形の突起(32b)が形成されてい る。
【0037】
図5は、間隔保持部材の他の変形例を示している。この場合、間隔保持部材(33)は小径で薄肉の円筒より構成されている。容器本体(19)の外周壁(19d)の内周 面を周方向に等分する複数箇所に上下方向にのびる浅い円弧状のみぞ(34)が形成されており、保持部材(33)の一部がこのみぞ(34)にはめられ、反対側の部分が超電導体(18)の外周面に接触している。
【0039】
図5の場合において、内側の冷却流体流通空間(26)に、上記と同様の間隔保持部材(28)を設けることができる。なお、この保持部材(28)を設けない場合は、容器(17)内に突起(21)を形成する必要はない。
【0040】
電力貯蔵装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【0041】
上記実施形態では、上下2組の超電導軸受(5)(6)により回転体(3)の上下2箇 所が支持されているが、超電導軸受は1組だけ設けられることもある。
【0042】
上記実施形態では、超電導軸受(5)(6)が上下2組の冷却ユニット(10a)(10b)および永久磁石ユニット(11a)(11b)で構成されているが、超電導軸受は3組以上の冷却ユニットおよび永久磁石ユニットで構成されることもあるし、1組の冷却ユニットおよび永久磁石ユニットだけで構成されることもある。なお、超電導軸受の超電導体部が上下複数の冷却ユニットに分かれている場合でも、永久磁石部は必ずしも複数組の冷却ユニットに分ける必要はない。
【0043】
上記実施形態では、冷却用流体として液体窒素が用いられているが、液体窒素以外の流体を用いることもできる。
【0044】
上記実施形態では、超電導体部(10)と永久磁石部(11)が径方向(水平方向)に対向しているが、この発明は、超電導体部と永久磁石部が軸方向(上下方向)に対向する形式の超電導磁気軸受にも適用することができる。
【0045】
超電導磁気軸受には、冷却により第1種超電導状態を出現する第1種超電導体を使用し、第1種超電導体の第1種超電導状態における完全反磁性現象(マイスナー効果)を利用して回転体を非接触支持するものもあるが、この発明は、このような第1種超電導体を使用した超電導磁気軸受にも適用することができる。
【0046】
さらに、この発明の超電導磁気軸受は、電力貯蔵装置以外の装置に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、この発明の実施形態を示す電力貯蔵装置の主要部の概略縦断面図である。
【図2】 図2は、図1の上部超電導磁気軸受の部分を拡大して示す概略縦断面図である。
【図3】 図3は、図2の上部超電導磁気軸受の一部を拡大して示す水平断面図である。
【図4】 図4は、間隔保持部材の変形例を示す斜視図である。
【図5】 図5は、間隔保持部材の他の変形例を示す図3相当の図面である。
【符号の説明】
(1) ハウジング
(2) 固定軸
(3) 回転体
(5)(6) 超電導磁気軸受
(10) 超電導体部
(10a)(10b) 冷却ユニット
(11) 永久磁石部
(11a)(11b) 永久磁石ユニット
(15) 永久磁石
(17) 冷却容器
(18) 超電導体
(19) 容器本体
(19b) 内周壁
(19d) 外周壁
(25)(26) 冷却流体流通空間
(27)(28)(32)(33) 間隔保持部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting magnetic bearing applied to, for example, a fluid machine or a machine tool that requires high-speed rotation, or a power storage device that converts surplus power into rotational kinetic energy of a flywheel and stores it. More specifically, the present invention relates to a superconducting magnetic bearing that uses a superconductor and a permanent magnet to float and support a rotating body in a non-contact state with respect to a fixed portion.
[0002]
[Prior art]
This type of superconducting magnetic bearing includes a superconductor portion provided on the fixed portion side and a permanent magnet portion provided on the rotating body side so as to face the superconductor portion. The superconductor portion includes a cooling container in which a cooling fluid such as liquid nitrogen is circulated, and a superconductor disposed in the cooling container. The permanent magnet portion includes a permanent magnet disposed so as to face the superconductor via the wall of the cooling container. In order to increase the magnetic levitation force by the superconducting magnetic bearing, it is necessary to make the distance between the superconductor and the permanent magnet as small as possible. For this reason, conventionally, the distance between the permanent magnet and the wall of the cooling container facing the permanent magnet is made as small as possible, the thickness of the wall is made as small as possible, and the superconductor is disposed so as to be in close contact with the inner surface of the wall. Yes. And the superconductor is cooled with the cooling fluid which distribute | circulates between surfaces other than the surface at the side of the permanent magnet of a superconductor, and the wall of a cooling container.
[0003]
By the way, in the superconducting magnetic bearing as described above, the surface of the superconductor undergoes a magnetic field change as the permanent magnet rotates together with the rotating body. This is caused by uneven magnetic flux density of the permanent magnet and change of magnetic flux density due to rotational shake of the rotating body. This magnetic field change changes the shielding current of the superconductor and causes an AC loss on the surface of the superconductor. As a result, the superconductor generates heat. However, since the surface of the superconductor on the permanent magnet side is in close contact with the wall of the cooling vessel and cannot be directly cooled with the cooling fluid, the heat generated by the superconductor cannot be removed, and the temperature of the superconductor rises slightly. To do. For this reason, the critical current density of a superconductor falls and the magnetic force of a superconductor will fall. As a result, the magnetic levitation force, which is a characteristic of the superconducting magnetic bearing, is reduced, and the rotation loss is increased.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a superconducting magnetic bearing capable of solving the above problems and effectively cooling a superconductor to prevent a decrease in magnetic levitation force.
[0005]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
A superconducting magnetic bearing according to the present invention is a superconducting magnetic bearing that supports a rotating part by floating in a non-contact state with respect to a fixed part, the superconducting part provided on the fixed part side, and the superconductor part. And a permanent magnet portion provided on the rotating body side so as to face the ring, and the superconductor portion includes an annular cooling vessel in which a cooling fluid is circulated, and an annular shape disposed in the cooling vessel. A superconducting magnetic bearing comprising an annular permanent magnet disposed so that the permanent magnet portion faces the superconductor through a wall of the cooling vessel. A cooling fluid circulation space through which a cooling fluid passes is formed between both circumferential surfaces and both end surfaces and the wall of the cooling vessel facing them, and the superconductor is disposed in the cooling fluid circulation space with respect to the cooling vessel. Radial direction It is characterized in that the spring-like spacing member for holding is provided.
[0006]
Nearly the entire surface of the superconductor is directly cooled by the cooling fluid passing through the cooling fluid circulation space formed between the entire surface of the annular superconductor and the wall of the cooling container facing them . For this reason, heat generation of the superconductor can be prevented, and a decrease in magnetic levitation force and an increase in rotation loss can be suppressed.
[0007]
In addition, the space holding member can reliably hold the superconductor with respect to the cooling container and form a cooling fluid circulation space between the cooling container and the wall .
[0008]
Interval holding member are those spring-like having appropriate elasticity. As a spring-like spacing members, for example, ring shaped into corrugated and thin cylinder Ru is used.
[0009]
When the spring-like spacing member is used, the vibration of the rotating body at the critical speed can be suppressed by the damping effect. In addition, the spacing member can absorb the difference in thermal shrinkage between the cooling container and the superconductor.
[0013]
For example, the superconductor portion includes a plurality of cooling containers arranged side by side in the axial direction of the rotating body, and superconductors arranged in the cooling containers.
[0014]
In order to increase the magnetic levitation force in a large superconducting magnetic bearing, the superconductor portion and the permanent magnet portion must be elongated in the axial direction. However, in that case, the superconductor becomes vertically long and is difficult to mold. In addition, the cooling container is also vertically long and has a large volume, which makes it difficult to cool the superconductor.
[0015]
When a plurality of cooling containers are arranged in the axial direction as described above, it is not necessary to make each cooling container too large. For this reason, it is not necessary to make the superconductor vertically long, and its molding is easy. Further, the volume of each cooling container is not increased, and the superconductor can be effectively cooled. Further, since the entire superconductor portion is long in the axial direction, the magnetic levitation force is increased.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a flywheel power storage device will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 shows a main part of the power storage device.
[0018]
As shown in FIG. 1, a vertical fixed shaft (2) is fixed at the center of the housing (1), and a vertical cylindrical rotating body (3) is disposed around the fixed shaft. The housing (1) has a substantially cylindrical shape, and the inside thereof is kept in a vacuum state in order to prevent windage damage. In FIG. 1, only the top and bottom walls of the housing (1) are shown. The housing (1) and the fixed shaft (2) constitute a fixed portion. A flywheel (4) for converting surplus electric power into rotational kinetic energy and storing it is provided on the outer periphery of the rotating body (3).
[0019]
Two sets of upper and lower superconductivity between the fixed shaft (2) and the rotating body (3) for non-contact support of the rotating body (3) in the axial direction (axial direction) and radial direction (radial direction) during operation A magnetic bearing (5) (6) and a built-in generator / motor (7) functioning as a generator when taking out electric power are provided as an electric motor for rotating the rotating body (3) at high speed when storing electric power. Hereinafter, the superconducting magnetic bearing is abbreviated as a superconducting bearing. The electric motor (7) includes a stator part (7a) provided on the fixed shaft (2) and a rotor part (7b) provided on the rotating body (3).
[0020]
Although not shown in the figure, two sets of upper and lower control type radial magnets are provided between the outer periphery of the rotating body (3) and the peripheral wall of the housing (1) to support the rotating body (3) in a radial non-contact manner during operation. A control type axial magnetic bearing is provided for supporting the rotating body (3) in a non-contact manner in the axial direction at the time of bearing and startup.
[0021]
On the bottom wall of the housing (1), there is a touchdown bearing (8) for mechanically supporting the lower part of the rotating body (3) when the superconducting bearing (5) (6) and the magnetic bearing are no longer supported. Is provided.
[0022]
An example of the configuration of the upper superconducting bearing (5) is shown in FIG. Since the upper and lower superconducting bearings (5) and (6) have the same configuration, the upper superconducting bearing (5) will be described below.
[0023]
The superconducting bearing (5) includes an annular superconductor portion (10) provided concentrically on the outer periphery of the fixed shaft (2), and a rotating body (3) so as to face the superconductor portion (10) in the radial direction. ) Of a permanent magnet portion (11) provided concentrically on the inner peripheral portion. The superconductor portion (10) is composed of two sets of upper and lower cooling units (10a) and (10b). The permanent magnet section (11) is composed of two sets of upper and lower permanent magnet units (11a) and (11b) respectively corresponding to the two sets of cooling units (10a) and (10b). A flange (14) is fixed to the outer periphery of the fixed shaft (2), and two sets of cooling units (10a) and (10b) are fixed side by side in the vertical direction, that is, in the axial direction. The flange (14) is preferably made of a non-magnetic material having thermal insulation properties, such as FRP (fiber reinforced plastics). Since the upper and lower cooling units (10a) and (10b) have the same configuration and the upper and lower permanent magnet units (11a) and (11b) have the same configuration, the upper cooling unit (10a) and the permanent magnet unit will be described below. (11a) will be described.
[0024]
A plurality of upper and lower annular permanent magnets (15) are arranged on the inner periphery of the rotating body (3) via a plurality of upper and lower annular iron yokes (16), thereby forming a permanent magnet unit (11a). For example, each permanent magnet (15) has magnetic poles at both ends in the axial direction, and the permanent magnets (15) adjacent to each other in the vertical direction are arranged so that the opposing magnetic poles have the same polarity, and the yoke (16) It becomes a magnetic pole. The permanent magnet (15) is arranged concentrically with the rotating body (3), and the magnetic flux distribution of the permanent magnet (15) around the rotation axis of the rotating body (3) is changed by the rotation of the rotating body (3). It is designed not to do so.
[0025]
The cooling unit (10a) includes an annular cooling vessel (cryostat) (17) through which a cooling fluid is circulated, and an annular second type superconductor (18) disposed in the vessel (17). . The cooling fluid is preferably a liquid, and in this example liquid nitrogen is used. The cooling container (17) is disposed concentrically with the fixed shaft (2). The container (17) is composed of an annular container body (19) whose upper surface is open and a lid (20) that closes the upper surface, and the container (17) has a rectangular cross-sectional shape passing through the axis. A space is formed. The container (17) is preferably made of a nonmagnetic material having thermal insulation properties, such as FRP. A bulging portion (19a) (20a) bulging radially inward is provided at one place in the circumferential direction of the container body (19) and the lid (20). A substantially annular protrusion (21) is integrally formed at the boundary between the inner peripheral wall (19b) and the bottom wall (19c) inside the container body (19), except for the portion corresponding to the bulging portion (19a). ing. Projections (22) are integrally formed at a plurality of locations that equally divide the boundary between the outer peripheral wall (19d) and the bottom wall (19c) in the container main body (19) in the circumferential direction. A substantially annular protrusion (23) is integrally formed on the inner surface of the lid (20) adjacent to the inner peripheral wall (19b) inner surface of the container body (19), except for the portion corresponding to the bulging portion (20a). Yes. Protrusions (24) are integrally formed at a plurality of locations that equally divide the inner surface of the lid (20) close to the inner surface of the outer peripheral wall (19d) of the container body (19) in the circumferential direction.
[0026]
The superconductor (18) has a vertical cylindrical shape. The inner diameter of the superconductor (18) is larger than the outer diameter of the inner peripheral wall (19b) of the container body (19), and the outer diameter of the superconductor (18) is slightly smaller than the inner diameter of the outer peripheral wall (19d) of the container body (19). . The superconductor (18) is concentrically arranged in the container (17), and the outer periphery of the superconductor (18) is the protrusion on the outer periphery side of the container body (19) (22) and the protrusion on the outer periphery side of the lid (20). (24) so that the superconductor (18) does not move in the axial direction. Between the outer peripheral surface of the superconductor (18) and the outer peripheral wall (19d) of the container body (19), and between the inner peripheral surface of the superconductor (18) and the inner peripheral wall (19b) of the container main body (19) In addition, cooling fluid circulation spaces (25) and (26) through which liquid nitrogen passes are formed.
[0027]
Dimension of the radial gap between the permanent magnet unit (11a) and the outer peripheral wall (19d) of the container body (19), the radial thickness of the outer peripheral wall (19d), and the radial gap of the outer circulation space (25) For example, 1 mm, 1 mm, and 0.5 mm, respectively. In the drawing, these are shown larger than the actual size.
[0028]
In each of the circulation spaces (25) and (26), interval holding members (27) and (28) for holding the superconductor (18) in the radial direction are provided. As shown in detail in FIG. 3, each holding member (27) (28) has a corrugated ridge (27b) extending over the entire height at a plurality of locations equally dividing the cylindrical base (27a) (28a) in the circumferential direction. (28b) is formed of a wavy ring formed integrally. These holding members (27) and (28) are preferably made of a nonmagnetic material having heat insulation properties such as FRP. The outer holding member (27) is sandwiched between the outer peripheral protrusion (22) of the container body (19) and the outer peripheral protrusion (24) of the lid (20) and is supported in the axial direction. The inner holding member (28) is sandwiched between the inner peripheral projection (21) of the container body (19) and the inner peripheral projection (23) of the lid (20), and is supported in the axial direction. Yes. In the outer holding member (27), the base (27a) is in close contact with the inner surface of the outer peripheral wall (19d) of the container body (19), and the top of the protrusion (27b) is in contact with the outer peripheral surface of the superconductor (18). . In the inner holding member (28), the base (28a) is in close contact with the inner surface of the inner peripheral wall (19b) of the container body (19), and the top of the protrusion (28b) is in contact with the inner peripheral surface of the superconductor (18). To do.
[0029]
The superconductor (18) is made of, for example, an yttrium-based superconductor such as YBa 2 Cu 3 O 7-x, in which normal conductive particles (Y 2 BaCu) are uniformly mixed inside a bulk. In an environment where a superconducting state appears, it has the property of restricting the penetration of magnetic flux emitted from the permanent magnet (15). Then, the superconductor (18) is arranged as described above, so that the magnetic flux of the permanent magnet (15) is at a remote position where a predetermined amount of magnetic flux enters, and the rotation of the rotating body (3) causes the intrusion magnetic flux distribution to be distributed. It is placed at a position that does not change.
[0030]
The cooling fluid supply pipe (29) and the discharge pipe (30) are fixed in a penetrating manner to the bulging portion (20a) of the lid (20) of the container (17), and one end of the supply pipe (29) is connected to the container body ( 19) is located in the lower part in the bulging part (19a), and one end of the discharge pipe (30) is located in the upper part in the bulging part (19a). The other end sides of the supply pipe (29) and the discharge pipe (30) pass through the housing (1) and are connected to a cooling device (not shown). Then, by this cooling device, liquid nitrogen is circulated in the container (17) as follows, and the superconductor (18) is cooled by the liquid nitrogen filled in the container (17).
[0031]
The liquid nitrogen that has come out of the cooling device passes through the supply pipe (29) and enters the lower portion of the bulging portion (19a) of the container body (19) to fill the container (17). Then, the liquid nitrogen in the container (17) enters the discharge pipe (30) from the upper part in the bulging part (19a) and is returned to the cooling device. In the container (17), almost the entire surface of the superconductor (18) is directly cooled by liquid nitrogen passing through the space above and below the superconductor (18) and the flow space (26) (25) inside and outside the superconductor (18). Therefore, the superconductor (18) can be efficiently cooled. A part of the liquid nitrogen is vaporized while circulating in the container (17) to become nitrogen gas, and a part of the liquid nitrogen accumulates in the upper part of the container (17). However, when the lowest part of the layer of nitrogen gas falls to the height of the lower end of the discharge pipe (30), nitrogen gas enters the discharge pipe (30) and is discharged, so the nitrogen gas is discharged from the lower end of the discharge pipe (30). It does not collect downward. That is, the nitrogen gas only accumulates in a slight portion of the uppermost portion in the container (17) above the lower end of the discharge pipe (30). And since the lower end of the discharge pipe (30) is located at substantially the same height as the uppermost part of the superconductor (18), nitrogen gas does not accumulate around the superconductor (18). Therefore, only the liquid nitrogen is filled around the superconductor (18), and the superconductor (18) is always completely cooled by the liquid nitrogen, and a good superconducting state is obtained.
[0032]
In the lower cooling unit (10b) and the permanent magnet unit (11b), the same parts as those in the upper part are denoted by the same reference numerals. The container (17) of the lower cooling unit (10b) is concentrically fixed on the flange (14), and the container (17) of the upper cooling unit (10a) is concentrically fixed thereon. . Preferably, the bulging portions (19a) of the upper and lower container bodies (19) are arranged at symmetrical positions.
[0033]
In the lower superconducting bearing (6), the same parts as those of the upper superconducting bearing (5) are denoted by the same reference numerals. In the lower superconducting bearing (6), the supply pipe (29) and the discharge pipe (30) are passed through a hole (31) formed in the center of the fixed shaft (2), branched in the middle and led to the container (17). It has been.
[0034]
The above power storage device is activated as follows, for example.
[0035]
First, the radial magnetic bearing and the axial magnetic bearing are brought into an operating state, and the rotating body (1) is supported in a non-contact manner in the radial direction and the axial direction, and is floated to a predetermined operating position. Next, liquid nitrogen is supplied into the containers (17) of the respective superconducting bearings (5) and (6), and the superconductor (18) is cooled to a predetermined temperature and maintained in the superconducting state in which the
[0036]
FIG. 4 shows a modification of the spacing member between the outer peripheral wall (19d) of the outer container body (19) and the superconductor (18). This holding member (32) uses a tolerance ring used for fastening the shaft and the housing and fixing the bearing ring of the rolling bearing with respect to the housing as it is, and the cylindrical base (32a) is used in the circumferential direction. A plurality of points equally divided into two are cut and raised inward to form a corrugated protrusion (32b) extending in the axial direction.
[0037]
FIG. 5 shows another modification of the spacing member. In this case, the spacing member (33) is formed of a thin cylinder with a small diameter. Shallow arc-shaped grooves (34) extending in the vertical direction are formed at a plurality of locations equally dividing the inner peripheral surface of the outer peripheral wall (19d) of the container main body (19) in the circumferential direction, and one of the holding members (33) is formed. The part is fitted into the groove (34), and the opposite part is in contact with the outer peripheral surface of the superconductor (18).
[0039]
In the case of FIG. 5, a spacing member (28) similar to the above can be provided in the inner cooling fluid circulation space (26). If the holding member (28) is not provided, it is not necessary to form the protrusion (21) in the container (17).
[0040]
The structure of each part of an electric power storage apparatus is not restricted to the thing of the said embodiment, It can change suitably.
[0041]
In the above embodiment, the two upper and lower superconducting bearings (5) and (6) support the upper and lower two portions of the rotating body (3). However, only one superconducting bearing may be provided.
[0042]
In the above embodiment, the superconducting bearings (5) and (6) are composed of two sets of upper and lower cooling units (10a) and (10b) and permanent magnet units (11a) and (11b). It may be composed of a cooling unit and a permanent magnet unit, or it may be composed of only one set of cooling unit and permanent magnet unit. Even when the superconductor portion of the superconducting bearing is divided into a plurality of upper and lower cooling units, the permanent magnet portion is not necessarily divided into a plurality of sets of cooling units.
[0043]
In the above embodiment, liquid nitrogen is used as the cooling fluid, but fluids other than liquid nitrogen can also be used.
[0044]
In the above embodiment, the superconductor portion (10) and the permanent magnet portion (11) are opposed to each other in the radial direction (horizontal direction). However, according to the present invention, the superconductor portion and the permanent magnet portion are in the axial direction (vertical direction). The present invention can also be applied to a superconducting magnetic bearing of the type opposite to.
[0045]
The superconducting magnetic bearing uses a
[0046]
Furthermore, the superconducting magnetic bearing of the present invention can be used for devices other than the power storage device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a main part of a power storage device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing an enlarged portion of the upper superconducting magnetic bearing in FIG. 1;
3 is an enlarged horizontal sectional view showing a part of the upper superconducting magnetic bearing of FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a modified example of the spacing member.
FIG. 5 is a drawing corresponding to FIG. 3, showing another modification of the spacing member .
[Explanation of symbols]
(1) Housing
(2) Fixed shaft
(3) Rotating body
(5) (6) Superconducting magnetic bearing
(10) Superconductor part
(10a) (10b) Cooling unit
(11) Permanent magnet section
(11a) (11b) Permanent magnet unit
(15) Permanent magnet
(17) Cooling container
(18) Superconductor
(19) Container body
(19b) Inner wall
(19d) Perimeter wall
(25) (26) Cooling fluid distribution space
(27) (28) (32) (33 ) Spacing member
Claims (2)
前記超電導体の内外両周面および両端面とこれらに対向する前記冷却容器の壁との間に、冷却流体が通る冷却流体流通空間が形成され、前記冷却流体流通空間に、前記冷却容器に対して前記超電導体を径方向に保持するばね状の間隔保持部材が設けられていることを特徴とする超電導磁気軸受。A superconducting magnetic bearing for rotating and supporting a rotating body in a non-contact state with respect to a fixed portion, the superconductor portion provided on the fixed portion side, and the rotating body side so as to face the superconductor portion The superconductor portion includes an annular cooling container in which a cooling fluid is circulated, and an annular superconductor disposed in the cooling container, In the superconducting magnetic bearing provided with an annular permanent magnet disposed so that the permanent magnet portion faces the superconductor through the wall of the cooling vessel,
A cooling fluid circulation space through which a cooling fluid passes is formed between both the inner and outer peripheral surfaces and both end surfaces of the superconductor and the wall of the cooling vessel facing them, and the cooling fluid circulation space is provided with respect to the cooling vessel. A superconducting magnetic bearing is provided with a spring-like spacing member for holding the superconductor in the radial direction .
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