JP4331850B2

JP4331850B2 - 超電導軸受

Info

Publication number: JP4331850B2
Application number: JP2000062201A
Authority: JP
Inventors: 英一手嶋; 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: JP2001248642A

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や高速回転機器などに用いられる超電導軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導軸受は、超電導体と磁石との間のピンニング効果を利用したものであり、物体を制御なしで非接触で安定に浮上・回転できる機能を有する軸受である。超電導軸受における超電導体と磁石の位置関係には、主にアキシャル軸受型配置とラジアル軸受型配置がある。図１６に示すように、アキシャル軸受型配置では、超電導体と磁石は軸方向に対向している。一方、図１７に示すように、ラジアル軸受型配置では、超電導体と磁石は動径方向に対向している。
【０００３】
超電導軸受には、単結晶状に作製された大型の酸化物系超電導体が用いられる。しかし、単結晶状の酸化物系超電導体には結晶方位による異方性があり、結晶のc軸に平行な方向と、結晶のc軸に垂直な方向、すなわち結晶のa軸とb軸で形成するa-b面内に平行な方向との間で、超電導特性が大きく異なる。その結果、磁石に対する超電導体の結晶方位をどちらに向けるかによって浮上力が大きく異なる。従来は、浮上力を大きくするため、超電導体のc軸を磁石の方に向ける、すなわち超電導体のc軸が磁石の面に垂直になるような結晶配置で用いられるのが一般的であった。すなわち、アキシャル軸受型配置では、超電導体のc軸は軸方向に向いたアキシャル配向であり、ラジアル軸受型配置では、超電導体のc軸は動径方向を向いたラジアル配向であった。
【０００４】
アキシャル軸受型配置では、軸受を構成する超電導体全体のc軸をアキシャル配向させることは可能である。しかしながら、ラジアル軸受型配置では、軸受を構成する超電導体のc軸を軸受全周にわたってラジアル配向させることは、単一の結晶では不可能である。従って、従来技術としては、図１８に示すように、いくつかの試料を作製し、それぞれを扇形状に加工し、それらを組み合わせて１つの軸受を構成する超電導体とし、軸受を構成する個々の要素部材のc軸をラジアル配向させる手法がとられている。このとき、個々の扇形状部材間の接合方法は、個々の部材を単に冷却容器に収納することによって物理的に接合しているだけか、あるいは冷却容器に収納する際にお互いに接着剤で接合固定しているだけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８のような手法で超電導軸受の超電導体を作製すると、個々の要素部材は単に物理的に結合されているだけであり、各要素部材間の境界では超電導電流は流れない。しかも、厳密には個々の要素部材のc軸がラジアル配向している部分は要素部材の中央部だけであり、中央部からずれるにつれてc軸と動径方向とのずれは大きくなる。そのため、軸受全体としての超電導体のc軸が動径方向へ配向している度合いを改善するには、要素部材の数を多くすることになるが、このことは逆に超電導電流の流れない要素部材間の境界の数も増やすことになる。従って、ラジアル軸受型配置においては、従来の方法では、軸受全体の結晶の配向性を向上させることと超電導電流が流れない境界面の数を低減させることが相反する性質を有しているため、浮上力を改善することが難しいという問題があった。
【０００６】
また、アキシャル軸受型配置でも、軸受サイズが大きくなると、単結晶状の超電導体を一体もので作製することは困難なので、複数の超電導体を組み合わせることになる。この場合にも、個々の超電導体間に超電導電流が流れないので、浮上力を改善することが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導体と磁石は動径方向に対向しているラジアル軸受型配置で高い浮上力を得る超電導軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本参考例の超電導軸受は、超電導体と磁石が動径方向に対向しているラジアル型の超電導軸受において、超電導軸受を構成している超電導体が内部に複数個の単結晶状領域を有し、超電導体内の個々の単結晶状領域のc軸が軸受の動径方向に向いて、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が90°以下であることを特徴とする超電導軸受である。
【００１０】
本発明による第１の超電導軸受は、超電導体と磁石が動径方向に対向しているラジアル型の超電導軸受において、超電導軸受を構成する超電導体が複数個の要素部材からなり、個々の要素部材が動径方向に積層構造を形成し、かつ隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれ、単結晶状領域のc軸が動径方向に向いていることを特徴とする超電導軸受である。
本発明による第２の超電導軸受は、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さが5mm以下であることを特徴とする本発明による上記第１の超電導軸受である。
【００１２】
本参考例の超電導軸受の構成によれば、超電導体が内部に存在する複数個の単結晶状領域の間の境界にも超電導電流が流れるために、超電導電流が全く流れない単なる物理的な結合であった場合に比べて、浮上力が改善する。
【００１３】
本参考例の超電導軸受で、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度を90°以下に限定した理由について述べる。軸受全体の動径方向への配向性を向上させるには、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が小さければ小さいほどよい。しかし、角度が小さいほど１つの試料内の単結晶領域の数も増えるので、作製プロセスは煩雑になる可能性がある。そこで、１つの試料内の単結晶領域の数を減らしていき、どこまで浮上力改善の効果があるかについて調べてみた。参考例で示すように、１つのリング形状の超電導体内に４個の単結晶状領域がある場合には浮上力は大幅に改善したが、１つのリング形状の超電導体内に３個の単結晶状領域がある場合には浮上力は改善するもののその効果は小さかった。前者の場合の隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は90°であるが、後者の場合の隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は120°である。従って、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度を90°以下に限定した。
【００１４】
本発明による上記第１の超電導軸受の構成によれば、超電導体が単に物理的に結合している境界面の位置に、隣り合う層の超電導体が存在しているために、境界面で超電導的な繋がりが弱まる効果を小さくする働きがある。そのため、超電導体を積層構造にしていない従来例の場合に比べて、浮上力が改善する。
【００１５】
本発明による上記第２の超電導軸受で、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さを5mm以下に限定した理由について述べる。本発明者らは、超電導体の厚さと浮上力との関係を調べたところ、超電導体の厚さが5mm以下の範囲では試料厚さが厚くなると浮上力も大きくなるが、試料厚さが5mmよりも大きくなると浮上力はほとんど一定であることを見出した。すなわち、磁石に最も近い層の厚さを5mmよりも大きくすると、超電導体を積層構造にする効果が非常に小さくなる。従って、積層構造を有する超電導体の磁石に最も近い層の厚さを5mm以下に限定した。
【００２０】
本発明に用いる超電導体は、ピンニング効果を発揮し得るものであれば特に制限されるものではないが、好ましくは、ピンニング力の強い超電導体が望ましい。本実施例で用いた超電導体は、QMG材と呼ばれるもので、単結晶状のREBa₂Cu₃O_x相（REはYまたは希土類元素およびその組み合わせ）中にRE₂BaCuO₅相が微細分散している酸化物系超電導体で、液体窒素温度でピンニング力の強い材料である（特許登録番号第1869884号）。また、本発明に用いる磁石は、軸受構造が簡単になるので永久磁石が望ましいが、電磁石や超電導磁石でもよい。超電導体と対向する表面の磁束密度が大きいほど浮上力も大きくなるので、永久磁石を用いる場合には、希土類系の永久磁石のように表面磁束密度の大きい材料、例えば、Nd-Fe-B系やPr-Fe-B系、Sm-Co系等の永久磁石が望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳述する。
図１は、超電導軸受の一形態を示す概略図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図ある。図１では、超電導体と永久磁石が動径方向に対向するラジアル軸受型配置で、超電導体のc軸の方向が、軸受の動径方向ではなく、軸受の軸方向を向いている。図１では、超電導体を冷却する冷却系は示されていないが、超電導体は冷却容器に収納され、液体窒素等の冷媒によって冷却されるか、あるいは冷凍機によって冷却される。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、上述した参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸がリングの軸方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を作製し、また従来例の超電導体として、図２（ｂ）に示すようにY系の酸化物超電導体で、中心部が動径方向を向いた扇形状試料を4個を本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせたものを作製し、それぞれに対して浮上力を測定し、比較した。浮上力の測定は、収納冶具に固定した超電導体をリング形状の磁石の中に入れた状態で液体窒素を用いて冷却し、超電導体が十分冷却した後、超電導体と永久磁石間の距離を遠ざけながら行った。
【００２３】
図３に、浮上力特性曲線の測定の一例を示す。超電導体と永久磁石間の距離が大きくなるにつれて、浮上力は最初急激に大きくなり、最大値を取った後、徐々に小さくなった。ここでは、浮上力の最大値のことを単に浮上力と呼ぶことにする。図２（ｂ）の従来例の浮上力が122Nであったのに対し、図２（ａ）の本参考例の超電導体の浮上力は148Nであった。
【００２４】
図２（ａ）の本参考例の超電導体が一体ものの超電導体であったように、本発明に用いる超電導体は周方向および軸方向とも切れ目がない一体物の試料であることが望ましい。しかし、超電導軸受の大きさが大きくなるにつれて、一体物の単結晶状試料を作製することが困難になってくる。その場合でも、いくつかの超電導体を組み合わせることになるが、それぞれの超電導体のc軸を軸受の軸方向に向けることによって、同様の効果を得ることができる。組み合わせ方としては、軸受に必要な超電導体の大きさによって、図４（ａ）に示すように、周方向に切れ目のない試料を軸方向に積み重ねてもよいし、また図４（ｂ）のように軸方向に切れ目のない試料を周方向に組み合わせてもよいし、また図４（ｃ）のように軸方向および周方向ともいくつかの試料を組み合わせてもよい。
【００２５】
図５は、超電導軸受の一参考例の形態を示す概略図である。なお、図５では、永久磁石は記載されていないが、図１と同様に動径方向にあるものとする。図５では、超電導軸受を構成している超電導体が一体もので、試料内に４個の単結晶状領域が存在する試料であり、個々の単結晶状領域のc軸が動径方向を向いている。
【００２６】
前記の効果を調べるため、本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、図５に示すようなc軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を作製した。一体ものの試料の中に４個の単結晶状領域を作るために、図６に示すように、試料を作製するときに、種結晶を４個用いて結晶成長させた。また、それぞれの種結晶のc軸の向きを動径方向にすることによって、各単結晶状領域のc軸も動径方向に向けることができた。本試料の浮上力を測定したところ、165Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本参考例によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。
【００２７】
図６は１つの試料内に４個の単結晶状領域を含む場合であったが、図７に示すように、１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む場合についても効果を調べてみた。本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を、図７に示すように、c軸を動径方向に向けた種結晶を６個用いて作製した。また、比較のため、図８のようにY系の酸化物超電導体で、中心部でc軸が動径方向を向いた扇形状試料を６個用いて、本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせ収納冶具に固定したものを準備した。本参考例の試料の浮上力は172Nであり、比較例の浮上力は138Nであった。本参考例によって、浮上力が改善することが確認できた。
【００２８】
図９に示すように、１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む場合についても参考例として調べてみた。本参考例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、c軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmの一体もののリング形状試料を、図９に示すように、c軸を動径方向に向けた種結晶を３個用いて作製した。また、比較のため、図１０のようにY系の酸化物超電導体で、中心部でc軸が動径方向を向いた扇形状試料を３個用いて、本参考例と同じサイズのリング形状に組み合わせ収納冶具に固定したものを準備した。本参考例の試料の浮上力は126Nであり、比較例の浮上力は119Nであった。
【００２９】
図６のような１つの試料内に４個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は90°である。図６の例では、浮上力は122Nから165Nと43N改善している。また、図７のような１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は60°である。図７の例では、浮上力は138Nから172Nと34N改善している。一方、図９のような１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む場合、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度は120°である。図９の例では浮上力は119Nから126Nと7N改善しているが、図６や図７の場合に比べて浮上力改善の効果が小さい。従って、浮上力改善の効果を大きくするためには、隣り合う単結晶状領域のc軸方向のなす角度が90°以下にしたほうが望ましい。
【００３０】
これまで述べた本参考例では、１つの超電導体内に複数個の単結晶状領域を作製するのに、試料作製時に複数個の種結晶を用いる作製プロセスを行ったが、本参考例は本作製プロセスに限定するものではない。別の作製プロセスの例を図１１に示す。図１１では、扇形状の超電導体を予め作製しておき、それらを超電導的に結合する後処理を施すことで１つの試料とする作製プロセスを示している。
【００３１】
図１１の方法では、超電導的に結合する後処理工程として、本体を結晶成長温度1000℃のY系酸化物超電導体で作製し、それらの間に結晶成長温度900℃のYb系酸化物超電導体を挿入した状態で、900℃以上に加熱し、900℃前後の温度を徐冷するという工程で行った。すなわち、結晶成長温度の低い超電導体をはんだとして用い、結晶成長温度の高い超電導体を結合するという工程で行った。本作製プロセスで、外径46mm、内径15mm、高さ20mmのリング形状試料を作製し、浮上力を測定したところ145Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本参考例によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。
【００３２】
これまで述べた本参考例では、軸受を構成する超電導体は一体ものの超電導体であったが、超電導軸受の大きさが大きくなるにつれて、一体ものの試料を作製することが困難になってくる。その場合には、いくつかの超電導体を組み合わせることになるが、図１２に示すように、それぞれの超電導体の内部に複数個の単結晶状領域を設け、各単結晶状領域のc軸が軸受の動径方向に向けるようにすることによって同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図１３は、本発明の請求項１に基づいた超電導軸受の一実施形態を示す概略図である。なお、図１３では、永久磁石は記載されていないが、図１と同様に動径方向にあるものとする。図１３では、超電導軸受を構成している超電導体が、動径方向に煉瓦状に積層構造になっている。また、図１４は、本発明の請求項２に基づいた超電導軸受の一実施形態を示す概略図である。なお、図１４でも、永久磁石は記載されていないが、永久磁石は動径方向にあるものとし、永久磁石に最も近い層の厚さが薄くなっている。
【００３４】
永久磁石に最も近い層の厚さの効果を調べるため、Y系酸化物超電導体で、外径46mm、高さ20mで、リングの動径方向の厚さを変化させた試料に対して浮上力を測定したところ、図１５に示すような結果が得られた。図１５から、動径方向の厚さが5mmより大きくなると、浮上力がほぼ一定になることが分かる。従って、超電導体を積層構造にした場合、永久磁石に最も近い層の厚さを5mmよりも大きくしても、浮上力改善の効果が小さい。
【００３５】
本発明の効果を調べるため、本実施例の超電導体として、Y系の酸化物超電導体で、図１４に示すようなc軸が動径方向を向いた外径46mm、内径15mm、高さ20mmのリング形状試料を積層構造で作製した。動径方向の積層構造は2層とし、永久磁石に最も近い層の厚さは3mm、第2層目の厚さは12.5mmであり、また周方向分割数は４とした。本実施例の試料に対して浮上力を測定したところ、146Nであった。図２の右側に示した従来例の超電導体の浮上力が122Nであったので、本発明によって、従来例に比べて浮上力が改善することが確認できた。本実施例では、超電導体のc軸を動径方向に向けた場合で行ったが、本発明の請求項1に基づいた超電導軸受のように超電導体のc軸が軸方向に向いている場合にも、積層構造にすることによって同様の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の超電導軸受によれば、超電導体と永久磁石が動径方向に対向するラジアル軸受型配置で高い浮上力を提供できるので、電力貯蔵用フライホイールや高速回転機器に用いられる超電導軸受の実現可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図２】超電導軸受の超電導体の（ａ）一参考例とその（ｂ）比較例を示す図である。
【図３】ラジアル軸受型配置での浮上力の測定データの一例のグラフを示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ超電導軸受の超電導体の別の参考例を示す図である。
【図５】超電導軸受の超電導体の一参考例を示す図である。
【図６】超電導軸受の超電導体の作製プロセスの一参考例を示す図である。
【図７】１つの試料内に６個の単結晶状領域を含む超電導体の作製プロセスの一例を示す図である。
【図８】図７に対する比較例を示す図である。
【図９】１つの試料内に３個の単結晶状領域を含む超電導体の作製プロセスの一例を示す図である。
【図１０】図９に対する比較例を示す図である。
【図１１】超電導軸受の超電導体の作製プロセスの別の参考例を示す図である。
【図１２】超電導軸受の超電導体の別の参考例を示す図である。
【図１３】本発明の請求項１に基づいた超電導軸受の超電導体の一実施例を示す図である。
【図１４】本発明の請求項２に基づいた超電導軸受の超電導体の一実施例を示す図である。
【図１５】浮上力と超電導体の動径方向厚さとの関係のグラフを示す図である。
【図１６】従来のアキシャル型超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図１７】従来のラジアル型超電導軸受の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。
【図１８】ラジアル軸受用超電導体の作製プロセスの従来例を示す図である。

Claims

超電導体と磁石が動径方向に対向しているラジアル型の超電導軸受において、超電導軸受を構成する超電導体が複数個の要素部材からなり、個々の要素部材が動径方向に積層構造を形成し、かつ隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれ、単結晶状領域のc軸が動径方向に向いていることを特徴とする超電導軸受。
積層構造を有する超電導体の永久磁石に最も近い層の厚さが5mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の超電導軸受。