JP5331876B2 - 高温超伝導部材を備える磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載された高温超伝導部材を備える磁気軸受に関する。

従来技術より、ロータがステータに回転可能に受けられており、軸方向ならびに半径方向で支承されている磁気軸受が知られている。アーンショーの定理により、ステータによるロータの恒常的な支承は永久磁石を用いるだけでは不可能なので、いわゆる能動磁気軸受は、ステータの常時の再調節が図られている。それによって能動磁気軸受は、ほぼ摩擦の少ないロータの支承を可能にし、比較的高い軸受力を受けとめることができ、比較的高い剛性を有してはいるものの、高い制御・調節コストを必要とする。

従来技術より、ロータまたはステータのいずれかに超伝導部材が設けられた別の磁気軸受が知られている。

特許文献１（アブストラクト）は、超伝導材料がロータのシャフトの１つのシャフト区域に取り付けられた磁気軸受を記載しており、ステータは、ロータを半径方向で支承する、同じく超伝導である２つのコイルを含んでいる。ロータを軸方向で支承するために、超伝導材料からなるさらに別の２つのコイルと、ステータにおけるロータの軸方向および半径方向の変位を検出するセンサとが設けられている。センサの測定値の結果として、コイルはロータの軸方向の支承のために制御、調節されるとともに、コイルはロータの半径方向の支承のためにも制御、調節される。したがってこの磁気軸受は、半径方向と軸方向の支承について互いに独立した２つのコイルシステムを含んでおり、これらのコイルシステムを適合させるために追加の制御と調節を必要とする。全体として、この磁気軸受は測定回路と制御回路とを必要としており、したがって自動調節は行われない。超伝導コイルの線材の材料は、非常に低い温度（約１０Ｋ以下）を必要とする超伝導金属またはその合金であり、その結果、磁気軸受を作動できるようにするために、高いコストのかかる冷却が意図されなくてはならない。

特許文献２（アブストラクト）は、ロータに励磁コイルが設けられており、ステータに超伝導材料が設けられた磁気軸受を記載している。超伝導材料が超伝導状態にあり、ロータが停止しているとき、励磁コイルでは直流電流が生成され、この直流電流が、ステータから間隔をおくようにロータを保つ磁界を惹起する。このとき磁気軸受は、自動的に能動化するタッチダウンベアリングである。

特許文献３（アブストラクト）は、ロータの外套面に磁石が配置されており、ステータは高温超伝導コイルを含んでいる磁気軸受を記載している。ロータが振動すると、またはロータがその設定回転軸から変位すると、超伝導コイル中に、渦電流が誘起され、その磁界が復帰力をロータに対して及ぼす。

特許文献４は冷却装置を有する超伝導ロータを記載しており、この超伝導ロータは超伝導界磁コイルを含んでいる。

特許文献５は、第１の実施例において、高温超伝導材料からなる超伝導コイルがロータにもステータにも設けられた超伝導磁気軸受を記載している。第２の実施例は、超伝導コイルだけでなく常伝導コイルも意図しており、超伝導コイルは実質的に静的な力を受けとめ、常伝導コイルは振動のような動的な力を受けとめる。そのために、常伝導コイルは能動磁気軸受の場合と同じように制御、調節される。

特許文献６は、ロータが軸方向で超伝導コイルにより支承されるとともに、半径方向では別のコイルによって支承される磁気軸受を記載している。この別のコイルは、ロータの本体に固定的に配置された強磁性区域と連動する。

特許文献７（アブストラクト）は、超伝導コイルがステータに配置されており、さらに別の超伝導コイルがロータに配置された磁気軸受を記載している。ロータに配置された超伝導コイルは、ロータが制動されたときにだけ超伝導状態へと移行するので、この場合、磁気軸受は自動的に能動化するタッチダウンベアリングとして作用する。

特許文献８（アブストラクト）は、軸受の剛性を調整して追従制御できるようにするために、ロータとステータの間で流れる磁界の流れに影響を及ぼす磁束絞りノズルを含む磁気軸受を記載している。

特許文献９は、ロータに磁束案内部材を備える永久磁石部材が配置され、ステータに高温超伝導材料が配置された磁気軸受を記載している。

特許文献１０（アブストラクト）は、超伝導材料からなる線材が、永久磁石区域を有するロータを支持するステータの部分である磁気軸受を記載している。

特許文献１１（アブストラクト）は、ロータがコイルを有しており、ステータは金属の合金からなる超伝導体を含んでいるスラスト磁気軸受を記載している。このときマイスナー効果は、ロータのコイルの磁界と超伝導ステータとの間の反発力を惹起する。

特許文献１２は、ロータに半径方向へスライド可能な永久磁石セグメントが配置されており、ステータは、全体として円筒状の形を有する高温超伝導の特にセラミック材料でできている磁気軸受を記載している。

特許文献１３（アブストラクト）は、半径方向では各永久磁石の間の相互作用によって支持され、軸方向では永久磁石と超伝導体の間の相互作用によって支持される磁気軸受を記載している。このとき永久磁石はロータに配置されており、超伝導体はステータに配置されている。

特許文献１４（アブストラクト）は、超伝導体がステータに配置されており、ロータが気体軸受で半径方向に支持される、軸方向に作用する磁気軸受を記載している。ロータの永久磁石部材が、軸方向での支持にあたって超伝導体と連動する。

特許文献１５は、ロータに永久磁石が取り付けられており、この永久磁石がステータの超伝導区域と連動し、それによって半径方向と軸方向の支承が成立する磁気軸受を記載している。

特許文献１６より、全般的に超伝導のコイルないし線材が知られており、特に、コイルないし線材のコアはセラミックベースの高温超伝導体である。

特開平０１−１４１２２２号公報 特開平０１−０３０９２０号公報 特開平０１−０２６０１８号公報 米国特許第７，０１２，３４７（Ｂ２）号明細書 米国特許第５，２５６，６３７（Ａ）号明細書 欧州特許出願公開第１８８４６７１（Ａ１）号明細書 特開昭５７−０８３１４１号公報 特開平０７−２９３５６４号公報 ドイツ特許出願公開第１０２３６４７１（Ａ１）号明細書 特開平０１−２０３７１５号公報 特開平０１−０５５０３８号公報 欧州特許出願公開第１８３５１８８（Ａ１）号明細書 特開平０７−０９１４４７号公報 特開平１０−３０６８２４号公報 ドイツ特許出願公表第６９２２７１６１（Ｔ２）号明細書 国際公開第２００８／０３６０７３（Ａ２）号パンフレット

本発明の課題は、高い支持力と剛性を有し、追加の能動的な調節を必要とすることがない、高温超伝導部材を備える磁気軸受を提供することにある。

この課題は本発明によると、請求項１に記載の磁気軸受によって解決され、特に、高温超伝導セラミック材料からなるコアを備えるコイルを、請求項８に従い磁気軸受におけるステータとして使用することによって解決される。

磁気軸受におけるステータとしての高温超伝導材料からなるコイルは高い電流密度を可能にし、その結果、ステータとロータの間に強い磁界が形成される。

この磁界の中で第二種超伝導体、特にロータの高温超伝導体の本体は、マイスナー効果を不完全にのみ示す。特にこの磁界は、超伝導領域で取り囲まれた常伝導の磁束量子（ボルテックス）の形態で、第二種超伝導体の本体へ区域的に侵入する。磁界に対して相対的にロータが運動すると、ボルテックスも本体の欠陥部に固定されるまで運動する（いわゆるピン止め）。すると固定されたボルテックスは、ロータがステータの中でそれ以上の半径方向または軸方向の運動をするのを妨げ、その結果、安定した自動調心式の支承が成立する。固定されたボルテックスの保持力は、ロータが激しく運動するほど、ないしは多くのボルテックスが存在するほど、いっそう強くなるからである。ボルテックスの数が増加するのは、第二種超伝導体の本体の個所で作用する磁界が超伝導コイルに基づいて強くなるときであり、すなわち特に、ロータがステータに向かって運動したときであり、すなわち特別に、追加の力がロータをステータに対して相対的に設定位置から偏向させたときである。

全体として、ステータに対して自動制御式かつ自動調節式のロータの支承がもたらされ、ステータの超伝導コイルでは、特に、高温超伝導セラミック材料からなるコアを備えるコイルが磁気軸受のステータに使用された場合、高温超伝導セラミックの特別に高い臨界電流密度が有効となり、それに基づいて特別に高い磁界がステータとロータの間で発生し、このような磁界がひいてはスタティックなケースにおいても多数のボルテックスをロータの超伝導本体で生成する。特に、高温超伝導セラミックからなるコイルにより、常伝導コイルないし永久磁石のみによっては実現することができない磁界を生成することができる。

好ましくはロータにおける第二種超伝導体の本体の材料は、特別に好ましくはステータの超伝導コイルのコアの材料も、セラミックベースの高温超伝導体について今日知られている高温超伝導体である。液体窒素の沸点を上回る高温超伝導体の高い遷移温度は、効率的で省エネルギーな磁気軸受の冷却を可能にする。

ロータの第二種超伝導体の本体の材料の遷移温度と、コイルの材料の遷移温度とは同等であることが意図されるのが好ましく、それにより、ロータとステータについて１つの共通の冷却回路が設けられていればよいことになる。

ステータは強磁性材料を含んでいることが意図されるのが好ましい。この場合、強磁性材料の磁界はコイルの磁界と重なり合い、その結果、たとえば静止位置からの偏向が強く発生するロータの端部区域では、コイルの磁界が強磁性材料の磁界によって強められ、ロータの本体の追加のボルテックスが、この端部区域における特別に高い保持力を可能にする。

当然ながら、強磁性材料の代替または追加として、常伝導または同じく超伝導で構成された追加のコイルが設けられていてもよく、その磁界は第二種超伝導体の本体の個所でステータのコイルの磁界と重なり合い、これを変調する。

ステータは複数のコイル巻線を含んでおり、隣接する２つのコイル巻線の間にそれぞれ強磁性素材が配置されることが特別に好ましい。この場合、少なくとも２つのコイル巻線の間の少なくとも１つの強磁性材料は、少なくとも２つのコイル巻線の実質的に半径方向で均一な磁界を変調し、それにより、結果として生じる磁界は半径方向で不均一になる。特に半径方向での不均一性は、ステータに対して相対的なロータの半径方向の位置の変化に対していっそう強い復帰力で対応することを可能にし、その結果、磁気軸受は全体として改善された剛性を得ることになる。

本発明のその他の利点や構成要件は、２つの実施例について以下の説明、ならびに従属請求項から明らかとなる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明、解説する。

本発明による磁気軸受の第１の実施例を示す模式的な断面図である。 本発明による磁気軸受の第２の実施例を示す模式的な断面図である。

図１は、ステータ２とロータ３とを備える磁気軸受１を示しており、ロータ３はステータ２に対して回転可能であり、ステータ２の中で軸方向と半径方向に支承されている。ステータ２は、超伝導材料からなる電流を伝える領域すなわちコアを備えるコイル４を含んでおり、コイル４のうち３本のコイル巻線だけが模式的に図示されている。

ロータ３は、第二種超伝導体からなる、特に高温超伝導体からなる、特にＹＢＣＯのようなセラミック材料からなる、ロータ３を取り囲む環状の本体５を含んでいる。本体５の材料は、たとえばコイル４のコアの材料に呼応しており、それにより、コイル４と本体５は実質的に等しい遷移温度を有することになる。本体５は非磁性材料からなる収容部６の中に配置されており、収容部６は、ステータ２に支承されるシャフト７に取り付けられている。本体５の半径方向の長さは、自己安定化効果を形成できる程度にコイル４の磁界が本体５に侵入できるように選択されており、すなわち、コイル４の磁界の磁束量子（ボルテックス）が本体５に形成されるように選択されている。さらに本体５は、ボルテックスを固定することができる結晶欠陥を有しており、それにより、ボルテックスが本体５の中で抵抗なしに運動することはできない。

コイル４は超伝導状態にあり、比較的高い電流を伝え、この電流はコイル４で実質的に損失なしに案内されて、ロータ３の本体５の個所で高い磁界を生成する。図示しない冷却装置により、本体５はＹＢＣＯの遷移温度より低く冷却されており、それによって本体５は超伝導となる。事前に冷却されて超伝導となっているコイル４は本体５の領域で磁界を形成し、この磁界は、ステータ２に対して相対的にロータ３がさらに運動したときに空間的に固定されてこの運動を妨げるように作用するボルテックスが本体５で形成されるという意味において不均一であり、本体５の表面に対して垂直な成分を有している。

このとき磁気軸受のステータ２のコイル４は、半径方向の支承を可能にするだけでなく、ロータ３の第二種超伝導体の本体５におけるボルテックスのピン止めを通じて、ロータ３の軸方向の支承も可能にする作用を有している。したがって、特にステータ２でロータ３を軸方向で支承するための別の装置、特に、ロータ３を軸方向でのみ支承するための１つまたは複数の常伝導コイルまたは超伝導コイルは不要である。

図２に示す第２の実施例では、同じ部品もしくは技術的作用が同等の部品には、同じ符号が付されている。以下においては、特に第１の実施例との相違点を強調して説明する。

図２のロータ３は、図１で説明した上述のロータに相当している。図２のステータ２のコイル４は、隣接する２つのコイル巻線８，９の間に、たとえば鉄でできた強磁性材料１０を追加的に有しており、その磁界はコイル４の磁界と重なり合い、その結果、磁界の半径方向の勾配が強められる。コイル４の磁界のこのような強められた半径方向の勾配は、ロータ３が図示している設定位置からステータ２に対して相対的に偏向した場合に、強められた復帰力を惹起する。

このように、図２に示す第２の実施例は、図１に示す第１の実施例に比べて高い剛性を有している。

第２の実施例では、それぞれ隣接する２つのコイル巻線の間に強磁性材料がそれぞれ配置されている。当然ながら、次のコイル巻線との間に強磁性材料が配置される必要があることが、必ず意図されなければならないわけではない。半径方向の勾配を強めるために、３番目、４番目等のコイル巻線にそれぞれはじめて強磁性材料が配置されることが意図されていてもよい。さらに当然ながら、特定のコイル巻線にだけ、特にコイルの端部区域にだけ、強磁性材料が設けられていてもよい。さらに、２つまたはそれ以上の強磁性材料が設けられている場合、当然ながら、強磁性材料の寸法はそれぞれ同じである必要はなく、特に、コイル４の端部には厚い強磁性材料が設けられていてよい。

上に説明した第２の実施例では、強磁性材料１０は、永久磁化された強磁性本体により構成されていた。当然ながら強磁性材料１０は、超伝導コイル４に追加して設けられた、たとえば常伝導材料からなる別のコイルによって構成されていても同様によい。この追加のコイルの巻線の相互間隔、ないしロータ３との間隔は、追加のコイルの長さに沿って変えていくことができ、それにより、追加のコイルは不均一な磁界を超伝導コイル４へ追加的に供給する。当然ながら、追加のコイルは同じく超伝導で構成されていてもよい。

以上に説明した両方の実施例では、超伝導コイル４は単一のコイルによって構成されていた。当然ながら、２つまたはそれ以上の超伝導コイルが設けられていてもよく、これらはロータ３の長さに沿って隣接しているか、または互いに接触することなく少なくとも区域的に入り組んで配置される。両方の超伝導コイルが入り組んで配置される領域では、ロータ３に作用する第二種超伝導体の本体５内の磁界が強まる。特に、２つまたはそれ以上の超伝導コイルの合成された磁界は、この合成された磁界の半径方向の不均一性を生成し、この不均一性が磁気軸受の剛性ならびに支持力を向上させる。

以上に説明した各実施例では、収容部６は非磁性材料で構成されていた。当然ながら、収容部６は磁性材料または磁化可能な材料で構成されていてもよく、それにより超伝導コイル４の磁界を変調させて、本体５の表面に対してできるだけ垂直方向を向く成分を磁界が得るようにし、そのようにして本体５でのボルテックスの形成が容易になる。

１ 磁気軸受
２ ステータ
３ ロータ
４ コイル
５ 本体
６ 収容部
７ シャフト
８ 第１のコイル巻線
９ 第２のコイル巻線
１０ 強磁性材料

Claims (5)

1. 高温超伝導部材を備える磁気軸受において、
   ステータ（２）と、
   前記ステータ（２）に対して回転可能に受けられたロータ（３）とを含んでおり、
   該ロータは前記ステータ（２）の中で軸方向と半径方向に自動調節式に支承されており、
   前記ロータ（３）には第二種超伝導体からなる、特に高温超電導体からなる本体（５）が設けられており、
   前記ステータ（２）は超伝導材料からなるコイル（４）を含み、
   前記ステータ（２）は強磁性材料（１０）及び複数のコイル巻線（８，９）を含み、
   前記複数のコイル巻線（８，９）は前記ロータ（３）の周囲に巻かれ、
   強磁性材料（１０）は２つの前記コイル巻線（８，９）の間に配置されている磁気軸受。
2. 前記コイル（４）の超伝導材料は高温超伝導体である請求項１に記載の磁気軸受。
3. 前記ロータ（３）の第二種超伝導体の前記本体（５）の材料と前記コイル（４）の材料はそれぞれ高温超伝導セラミックである請求項１または２に記載の磁気軸受。
4. 前記ロータ（３）の前記本体（５）の材料の遷移温度と前記コイル（４）の材料の遷移温度は実質的に等しい請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁気軸受。
5. 前記ステータ（２）は追加のコイルを含んでいることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の磁気軸受。

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