JP6433767B2 - 超電導磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、超電導フライホイール蓄電システムに適用可能な超電導磁気軸受に関するものである。

従来、本出願人は例えば下記特許文献１に記載の超電導磁気軸受の開発を進めている。そのような超電導フライホイール蓄電システムは、超電導磁気軸受によって回転体を非接触で浮上させているため、数トン級の大型のフライホイールを使用しても損失が少なく、長期間の安定した運用が可能なシステムにする必要から、超電導磁気軸受もフライホイールの回転運動に伴う電磁気的な外乱を受けても温度上昇がしにくい冷却構成が望まれる。

特開２０１２- ７７０８号公報 特開２００８- ２４９１３０号公報

しかしながら、高速回転するロータの超電導バルクと、直流磁界を発生するステータコイルの超電導コイルを組合せたことを特徴とする「超電導磁気軸受」において、ロータが回転軸ブレしたり上下振動すると、その磁界変化でステータコイルの冷却板に渦電流損（ジュール発熱）が生じるため、コイル温度が上昇し、運用に必要な温度マージンが確保できなくなり、「超電導磁気軸受」が安定して連続運転することができなくなる恐れがある。

本発明は、上記状況に鑑みて、「超電導磁気軸受」のステータ（超電導）コイルにおける銅製のコイル冷却板を、板厚２ｍｍの単純な板材構成から直径１ｍｍ程度の銅等の高熱伝導部材からなるパイプを離間させながら規則的に配置したものからなる冷却部材構成とすることにより、ロータの回転軸ブレや上下振動による磁界変化が生じてもステータコイルの冷却板に渦電流損（ジュール発熱）が実用的に影響のないレベルまで抑制でき、コイルの温度上昇を最小化することができる、超電導磁気軸受を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導フライホイール蓄電システムの超電導磁気軸受において、ステータの超電導コイルの冷却構成が、高熱伝導部材からなるパイプを離間させながら規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りしたものから構成され、前記高熱伝導部材が純度９９％以上の銅又は純度９９. ９％以上のアルミニウムからなり、前記銅とアルミニウムを交互に配置したことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の超電導磁気軸受において、一定間隔でＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４Ｌ，ＳＵＳ３１６Ｌを補強部材として配置したことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕〜〔２〕のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材からなる中空パイプの断面形状が円型又は角型からなることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕〜〔３〕のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材が中実でかつその断面形状が円型又は角型からなることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕〜〔４〕のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材の表面に厚さ１ミクロンメートルから５０ミクロンメートルの電気絶縁材料を付着させたものからなることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕〜〔５〕のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材を規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りした構成のものを複数層積層させ、樹脂材で一体に成形したことを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

超電導磁気軸受のロータが回転軸ブレや上下振動により磁界変化が生じてもステータコイルの冷却板に渦電流損（ジュール発熱）が実用的に影響のないレベルまで抑制でき、ステータコイルの温度上昇を最小化することができる。

本発明に係る超電導磁気軸受の断面図である。 本発明に係る超電導磁気軸受のステータコイル冷却板と超電導バルクからなるロータの位置関係を示す図面代用写真である。 本発明の基本構成を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図である。 本発明の第１実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図である。 本発明の超電導磁気軸受のステータコイル冷却板の分割（細分化）が低発熱化に有効なことを示す電磁解析シミュレーション解析例を示す図である。 本発明の第１実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板としての銅線と電気絶縁糸の織物の平面模式図である。 本発明の第２実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図である。

本発明の超電導フライホイール蓄電システムの超電導磁気軸受は、ステータの超電導コイルの冷却構成が、高熱伝導部材からなるパイプを離間させながら規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りしたものから構成され、前記高熱伝導部材が純度９９％以上の銅又は純度９９. ９％以上のアルミニウムからなり、前記銅とアルミニウムを交互に配置した。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明に係る超電導磁気軸受の断面図、図２は本発明に係る超電導磁気軸受のステータコイル冷却板と超電導バルクからなるロータの位置関係を示す図面代用写真、図３は本発明の基本構成を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図、図４は本発明の第１実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図、図５は本発明の超電導磁気軸受のステータコイル冷却板の分割（細分化）が低発熱化に有効なことを示す電磁解析シミュレーション解析例を示す図、図６は本発明の第１実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板の素材となる銅線と電気絶縁糸の織物の平面模式図である。

これらの図において、１はステータコイル部、２はステータコイルの基本ユニット、３はステータコイル冷却板、３Ａは冷却空間（中空パイプの場合）、３Ｂは伝導冷却空間（中実パイプの場合）、３Ｃはステータコイル冷却板を固定する電気絶縁部材（例えば、ガラス繊維やポリエステル繊維）、３Ｄは融着材又はエポキシ樹脂、４は板厚２ｍｍの単純な板材構成から直径１ｍｍ程度の無酸素銅（ＯＦＨＣ）中空パイプ（紙面に対して９０度配置）（銅パイプ）、４Ａはその中空パイプ（紙面に対して０度配置）（銅パイプ）、５は層間に配置される電気絶縁材で冷媒は希薄ガスヘリウムである。１０はロータ、１１は超電導バルク、１２はロータの回転中心軸である。

超電導フライホイール蓄電システムに適用可能な超電導磁気軸受において、ロータ１０が回転軸ブレしたり上下振動すると、その磁界変化でステータコイル冷却板３に渦電流損（ジュール発熱）が生じるので、ステータコイル冷却板が単純な厚さ数ｍｍの板材構成の場合、冷却板自体が発熱体となり、その結果コイル温度が上昇し、運用に必要な温度マージンが確保できなくなり、超電導磁気軸受が安定して連続運転することができなくなる恐れがある
ぞこで、本発明では、例えば、図４に示すように、超電導磁気軸受のステータコイルの基本ユニット２における銅製のコイル冷却板３を、板厚２ｍｍの単純な板材構成から直径１ｍｍ程度の銅等の高熱伝導部材からなるパイプ４を層間絶縁材５で離間させながら規則的に配置したものからなる冷却部材構成とすることで、ロータ１０の回転軸ブレや上下振動により磁界変化が生じてもステータコイル冷却板３に渦電流損（ジュール発熱）が実用的に影響のないレベルまで抑制できるので、ステータコイル２の温度上昇は最小化することができる。冷却部材に直径１ｍｍ程度の銅等の高熱伝導部材からなるパイプ４とするのは、超電導磁気軸受では、超電導バルク１１を冷却するため１００Ｐａ以下の希薄ガスヘリウムを使用し、ステータコイルも希薄ガスヘリウム雰囲気となっているためである。なお、本発明における冷却部材は伝熱による冷却機構を組合せることで直径１ｍｍ程度の中実部でから構成することも可能である。

このようにステータコイル冷却板を数ミリ幅に細分化することにより、図５に示すように発熱量の桁落ちを図ることができる。図５において、ａは従来の発熱特性、ｂは本発明の発熱特性を示す図であり、パイプ４には、ＯＦＨＣ中空パイプを使用し、熱伝導率λは２０００ｗ/ ｍ・Ｋ＠４０Ｋ，擬似等方（０度、９０度）で高熱伝導率化を図るようにしており、また、直径数ｍｍ以下の中空パイプを使用して低渦電流損（低発熱）化を図るようにしている。

さらに、本発明のステータコイル冷却板３は、図６に示すように、銅線と電気絶縁糸の織物として構成することができる。

図６において、４Ａは直径１ｍｍの銅パイプであり、この銅パイプ４Ａを５００本配置し、層間絶縁材５としてのポリエステル糸を糸間隔が約５ｍｍで銅パイプ４Ａを織りあげるためである。このように構成することにより、ステータコイル冷却板３を高熱伝導部材化する素材とすることができる。

図７は本発明の第２実施例を示す超電導磁気軸受のステータコイル冷却板を示す図である。

この図において、６Ａは直径１ｍｍ程度の中実銅パイプ（紙面に対して９０度配置）、６Ｂは直径１ｍｍ程度の中実銅パイプ（紙面に対して０度配置）、７は融着材フィルム、８は極細銅線クロス（層間絶縁材）である。融着材フィルム７は、エチレンとメタクリル酸の重会体で、融点が約１００℃の熱可塑性樹脂フィルムである。

成形プロセス例としては、（１）各構成材料を積層させる。（２）加圧／加熱プレス＠１２０℃×１時間、（３）室温まで冷却すれば融着材で構成部材が一体化される。つまり、ステータコイル冷却板の低発熱樹脂成型品とすることができる。

さらに、以下のように構成することができる。

（１）超電導磁気軸受のステータコイル冷却板３の高熱伝導部材は銅又はアルミニウムからなる。

（２）超電導磁気軸受のステータコイル冷却板の高熱伝導部材は純度９９％以上の銅又は純度９９. ９％以上のアルミニウムからなる。

（３）超電導磁気軸受のステータコイル冷却板の高熱伝導部材は銅とアルミニウムを交互に配置することができる。

（４）超電導磁気軸受のステータコイル冷却板には一定間隔でＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４Ｌ，ＳＵＳ３１６Ｌを補強部材として配置することができる。

（５）前記高熱伝導部材からなる中空パイプの断面形状が円型又は角型である。

（６）前記高熱伝導部材が中実でかつその断面形状が円型又は角型である。

（７）前記高熱伝導部材の表面に厚さ１ミクロンメートルから５０ミクロンメートルの電気絶縁材料を付着させることができる。

（８）前記高熱伝導部材を規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りした構成のものを複数層積層させ、樹脂材で一体に成形することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の超電導磁気軸受は、ロータが回転軸ブレや上下振動により磁界変化が生じてもステータコイルの冷却板に渦電流損（ジュール発熱）が実用的に影響のないレベルまで抑制でき、コイルの温度上昇を最小化することができる超電導磁気軸受として利用することができる。

さらに、本発明の冷却板構成は、磁界変化中で所定の温度に維持する必要がある熱遮蔽部材構成にも展開することも可能である。

１ ステータコイル部
２ ステータコイルの基本ユニット
３ ステータコイル冷却板
３Ａ 冷却空間（中空パイプの場合）
３Ｂ 伝導冷却空間（中実パイプの場合）
３Ｃ ステータコイル冷却板を固定する電気絶縁部材
３Ｄ 融着材又はエポキシ樹脂
４ 無酸素銅（ＯＦＨＣ）中空パイプ（紙面に対して９０度配置）
４Ａ 中空パイプ（紙面に対して０度配置）（銅パイプ）
５ 層間絶縁材
６Ａ 直径１ｍｍ程度の中実銅パイプ（紙面に対して９０度配置）
６Ｂ 直径１ｍｍ程度の中実銅パイプ（紙面に対して０度配置）
７ 融着材フィルム
８ 極細銅線クロス（層間絶縁材）
１０ ロータ
１１ 超電導バルク
１２ ロータの回転中心軸

Claims (6)

1. 超電導フライホイール蓄電システムの超電導磁気軸受において、ステータの超電導コイルの冷却構成が、高熱伝導部材からなるパイプを離間させながら規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りしたものから構成され、前記高熱伝導部材が純度９９％以上の銅又は純度９９. ９％以上のアルミニウムからなり、前記銅とアルミニウムを交互に配置したことを特徴とする超電導磁気軸受。
2. 請求項１記載の超電導磁気軸受において、一定間隔でＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４Ｌ，ＳＵＳ３１６Ｌを補強部材として配置したことを特徴とする超電導磁気軸受。
3. 請求項１〜２のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材からなる中空パイプの断面形状が円型又は角型からなることを特徴とする超電導磁気軸受。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材が中実でかつその断面形状が円型又は角型からなることを特徴とする超電導磁気軸受。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材の表面に厚さ１ミクロンメートルから５０ミクロンメートルの電気絶縁材料を付着させたものからなることを特徴とする超電導磁気軸受。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の超電導磁気軸受において、前記高熱伝導部材を規則的に配置し、電気絶縁材料で平織りした構成のものを複数層積層させ、樹脂材で一体に成形したことを特徴とする超電導磁気軸受。

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