JPH0742983B2

JPH0742983B2 - 超電導軸受装置の組立方法

Info

Publication number: JPH0742983B2
Application number: JP3051431A
Authority: JP
Inventors: 良一高畑; 宗昭芝山; 岡田　　進
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH05240246A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
イホイールの運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵
装置に適用される超電導軸受装置の組立方法に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明の課題】近年、回転体の高速回転と
高剛性を可能にした軸受装置として、非接触状態で回転
体を支持しうる超電導軸受装置が開発されている。

【０００３】このような超電導軸受装置として、超電導
体の完全反磁性現象、すなわちマイスナー効果を利用し
たものは既に知られている。たとえば、回転体に固定さ
れた環状永久磁石と、固定部分に配置されかつ永久磁石
の磁極に対向するとともに永久磁石の磁束の侵入を完全
に阻止する第１種超電導体とからなる超電導軸受装置が
既に知られている。

【０００４】しかしながら、この超電導軸受装置では、
回転体をアキシアル方向に支持するための永久磁石と超
電導体の対、およびラジアル方向に支持するための永久
磁石と超電導体の対、すなわち２つの対を必要とし、装
置が大型化するという問題があった。

【０００５】そこで、上記超電導軸受装置の問題を解決
するために、本出願人は、たとえば回転体に同心状にか
つ固定状に設けられた環状永久磁石部と、この永久磁石
部の端面に対して回転体の回転軸心方向に間隔をおいて
対向するように配置された環状超電導体とを備えてお
り、永久磁石部が、回転体の回転軸心の周囲の磁束分布
が回転によって変化しないように回転体に設けられ、超
電導体が、永久磁石部の磁束侵入を許容するもので、永
久磁石部の磁束が所定量侵入する離隔位置にくるように
固定部分に取付けられており、超電導体が超電導状態と
なった場合に、回転体の永久磁石部から発生られる磁束
の一部が超電導体の内部に侵入して拘束され（ピンニン
グ現象）、あたかも超電導体に立設した仮想ピンに回転
体の永久磁石部が貫かれたようになり、回転体がアキシ
アル方向およびラジアル方向に支持される超電導軸受装
置を開発してきた。

【０００６】この超電導軸受装置は、永久磁石部が設け
られた回転体および環状超電導体を所定位置に配置した
後、超電導体を冷却して超電導状態に保持し、運転する
ようになっている。

【０００７】ところが、上記のようにして超電導軸受装
置を運転する場合には、回転軸心方向の剛性および負荷
容量が不足するという問題がある。しかも、剛性が不足
するため回転体の軸ぶれが生じ、回転体を非接触状態で
安定的に支持することができないという問題がある。

【０００８】このような問題の生じる理由は次の通りで
あると考えられる。すなわち、永久磁石の磁界の強さＨ
および磁束密度Ｂは、永久磁石との距離に反比例して距
離が大きくなるほど小さくなる。そして、超電導体と永
久磁石の間の距離をＺ、超電導体の発する見かけの磁化
率をＭ、永久磁石の磁界の強さをＨ、永久磁石の磁束密
度をＢとした場合、超電導体と永久磁石との間の磁気反
発力は、磁化率Ｍと磁界の強さの勾配ｄＨ／ｄＺとの
積、あるいは磁化率Ｍと磁束密度の勾配ｄＢ／ｄＺとの
積に比例する値であり、剛性は、磁化率Ｍとｄ²Ｂ／ｄ
Ｚ²の積に比例するが、上記のようにして運転した場
合、環状永久磁石の磁界の強さの勾配ｄＨ／ｄＺ、ある
いは磁束密度の勾配ｄＢ／ｄＺが十分に大きくはなら
ず、したがって負荷容量および剛性が不足すると考えら
れる。

【０００９】この発明の目的は、上記の問題を解決した
超電導軸受装置の組立方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明による超電導軸
受装置の組立方法は、回転体に同心状にかつ固定状に設
けられた環状の永久磁石部と、この永久磁石部に対して
間隔をおいて対向するように配置され、かつ永久磁石部
の磁束侵入を許容する超電導体とを備えた超電導軸受装
置の組立方法であって、予め超電導体を冷却して超電導
状態に保持しておき、この状態で永久磁石部と超電導体
とが間隔をおいて対向し、永久磁石部からの磁束の一部
が超電導体に侵入するとともに回転体の回転により侵入
磁束の分布が変化しないようになされ、さらに永久磁石
からの磁束の残部が回転体と超電導体との間で圧縮され
るように、回転体および超電導体を配置することを特徴
とするものである。

【００１１】

【作用】超電導体が永久磁石部の磁束侵入を許容するも
のであり、超電導体を冷却して超電導状態に保持してお
き、この状態で永久磁石部と超電導体とが間隔をおいて
対向し、永久磁石部からの磁束の一部が超電導体に侵入
するとともに回転体の回転により侵入磁束の分布が変化
しないようになされるように、回転体および超電導体を
配置するのであるから、このようにして組立てられた超
電導軸受装置を運転した場合には、回転体から発せられ
て超電導体に侵入した磁束が拘束され（ピンニング現
象）、あたかも超電導体に立設した仮想ピンに回転体の
永久磁石部が貫かれたようになり、回転体がアキシアル
方向およびラジアル方向に支持される。したがって、超
電導体のマイスナー効果を利用した超電導軸受装置のよ
うに、回転体をアキシアル方向に支持するための永久磁
石と超電導体との対、およびラジアル方向に支持するた
めの永久磁石と超電導体との対、すなわち２つの対を必
要としない。また、予め超電導体を冷却して超電導状態
に保持しておき、この状態で永久磁石部と超電導体とが
間隔をおいて対向し、永久磁石部からの磁束の一部が超
電導体に侵入するとともに回転体の回転により侵入磁束
の分布が変化しないようになされ、さらに永久磁石から
の磁束の残部が回転体と超電導体との間で圧縮されるよ
うに、回転体および超電導体を配置するのであるから、
このようにして組立てられた超電導軸受装置を運転した
場合には、永久磁石部の磁束が永久磁石部と超電導体と
の間で圧縮され、磁束密度の勾配ｄＢ／ｄＺが大きくな
るとともに、ｄ²Ｂ／ｄＺ²が、永久磁石部および超電
導体を配置した後超電導体を冷却して超電導状態とする
場合に比べて大きくなる。このため、永久磁石部と超電
導体の間の磁気反発力が大きくなる。しかも、永久磁石
部と超電導体との間隔が、磁気反発力とピン止め力とが
釣り合っている距離から回転軸心方向にわずかに大きく
なるだけで、両者間に大きな磁気吸引力が作用する。逆
に、上記間隔が、上記釣り合い距離よりもわずかに小さ
くなるだけで、両者間に大きな磁気反発力が作用する。
したがって、負荷容量および剛性が向上する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。

【００１３】図１は超電導軸受装置の構成を概略的に示
している。

【００１４】超電導軸受装置は、垂直に配置されるハウ
ジング(1) と、ハウジング(1) 内の中心に非接触状態に
支持される垂直な軸状の回転体(2) とを備えている。

【００１５】ハウジング(1) の上方に回転体(2) を高速
回転させるための高周波電動機(3)が設けられ、ハウジ
ング(1) 内に回転体(2) を非接触状態に支持するための
超電導軸受(4) が設けられている。

【００１６】ハウジング(1) は筒状であり、その周壁に
は冷却剤(C) を循環させるための中空部(6) が全周にわ
たって形成されている。図示は省略したが、ハウジング
(1)の中空部(6) には、温度制御ユニットを介して冷凍
機が接続されている。

【００１７】電動機(3) は、回転体(2) に取付けられた
ロータ(7) と、ロータ(7) の周囲に配置されたステータ
(8) とから構成されている。

【００１８】超電導軸受(4) は、次のように構成されて
いる。ハウジング(1) 内の上下の中央部において、回転
体(2) に水平円板状永久磁石部(9) が同心状に設けられ
ている。永久磁石部(9) は、回転体(2) に固定状に設け
られた、たとえば銅からなる水平円板(10)を備えてい
る。円板(10)の上下両面にそれぞれ回転体(2) と同心状
に環状凹みぞ(11)が形成されており、これらの凹みぞ(1
1)内にそれぞれ環状永久磁石(12)が嵌められて固定され
ている。永久磁石(12)は、回転体(2) の回転軸心の周囲
の磁束分布が回転によって変化しないように設けられて
いる。

【００１９】ハウジング(1) 内の上下両端部に水平環状
超電導体部(13)(14)が配置されている。両超電導体部超
電導体(13)(14)は、それぞれたとえば銅からなる穴あき
水平円板(15)(16)と、穴あき円板(15)(16)の穴(15a)(16
a)の周囲の環状部分の永久磁石部(9) と対向する面に、
周方向に互いに近接して埋設されている複数の円板状超
電導体(17)とよりなる。そして、穴(15a)(16a)に回転体
(2) が隙間をあけて通されている。上下両側の超電導体
部(13)(14)の円板(15)(16)の外周面にはそれぞれねじ(1
5b)(16b)が形成されており、これらのねじ(15b)(16b)を
ハウジング(1)内周面の上下両端部に形成されたねじ(1
a)(1b)にねじ合わせることによってハウジング(1) に取
付けられている。両超電導体部(13)(14)の全ての円板状
超電導体(17)の体積は等しくなっている。

【００２０】超電導体(17)は、イットリウム系高温超電
導体、たとえばＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘからなる基板の内部
に常電導粒子（Ｙ_２Ｂａ_１Ｃｕ_１）を均一に混在させた
ものからなり、永久磁石部(9) から発せられる侵入磁束
を拘束する性質を持つものである。そして、超電導体(1
7)は、永久磁石部(9) の磁束が所定量侵入する離間位置
であってかつ上記回転体(2) 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。

【００２１】図２〜図５は超電導軸受装置を組立てる方
法を段階的に示している。

【００２２】まず、ハウジング(1) を組立スタンド(20)
に取付け、中空部(6) 内に液体窒素などの冷却剤(C) を
循環させてハウジング(1) を冷却しておく（図２参
照）。一方、環状超電導体部(13)(14)を液体窒素などの
冷却剤中に浸漬して冷却し、超電導体(17)を超電導状態
に保持しておく。ついで、下側の環状超電導体部(14)を
ハウジング(1) 内にねじ嵌めた後（図３参照）、永久磁
石部(9) が設けられた回転体(2) をハウジング(1) 内に
通し、その下端部に形成されたねじ(2a)を、組立スタン
ド(20)に形成されたねじ穴(21)にねじ嵌める（図４参
照）。その後、上側の環状超導電体部(13)をハウジング
(1) にねじ嵌める（図５参照）。

【００２３】このとき、回転体(2) の永久磁石部(9) か
ら発せられる磁束の多くが、超導電体部(13)(14)との間
で圧縮されるとともに、その一部分が超電導体(17)の内
部に侵入して拘束されることになる（ピンニング現
象）。ここで、超電導体(17)はその内部に常電導体粒子
が均一に混在されているため、超電導体(17)内部への侵
入磁束の分布が一定となり、そのため、あたかも超電導
体(17)に立設した仮想ピンに回転体(2) の永久磁石部
(9) が貫かれたようになり、超電導体(17)に対して永久
磁石部(9) とともに回転体(2) が拘束される。そのた
め、回転体(2) は、きわめて安定的に浮上した状態で、
アキシアル方向およびラジアル方向に支持されることに
なる。

【００２４】最後に、回転体(2) の上端部に形成された
ねじ(2b)に高周波電動機(3) のロータ(7) を取付けると
ともに、その周囲にステータ(8) を配置し、さらに組立
スタンド(20)を取り外す。こうして、超電導軸受装置が
組み立てられて回転体(2) が非接触状態で支持され、高
周波電動機(3) により回転体(2) が高速回転させられて
運転が開始される。

【００２５】永久磁石部(9) から発せられる磁束が超導
電体部(13)(14)との間で圧縮されるので、磁束密度の勾
配ｄＢ／ｄＺおよびｄ²Ｂ／ｄＺ²が、永久磁石部(9)
および超電導体部(13)(14)を配置した後超電導体(17)を
冷却して超電導状態とする場合に比べて大きくなる。こ
のため、永久磁石部(9) と超電導体(17)の間の磁気反発
力が大きくなる。しかも、永久磁石部(9) と超電導体(1
7)との間隔が、磁気反発力とピン止め力とが釣り合って
いる距離から回転軸心方向にわずかに大きくなるだけ
で、両者間に大きな磁気吸引力が作用する。逆に、上記
間隔が、上記釣り合い距離よりもわずかに小さくなるだ
けで、両者間に大きな磁気反発力が作用する。したがっ
て、負荷容量および剛性が向上する。

【００２６】［具体的実験例］この実験例は、図１の装置を用いて行ったものである。

【００２７】永久磁石部(9) の円板(10)として銅から形
成されたものを使用し、環状永久磁石(12)として、外径
９０ｍｍ、内径６８ｍｍ、軸線方向の長さ１２ｍｍ、表
面磁束４０００ガウスの環状の希土類磁石を使用し、超
電導体(17)として、直径２８ｍｍ、厚さ１２ｍｍのもの
を使用した。

【００２８】そして、上述のようにして、装置を組み立
てた。その後、引張り圧縮試験機を用いて永久磁石部
(9) と超電導体部(13)(14)とを相対的に０．５ｍｍ接
近、あるいは離間させ、それに必要な荷重を測定した。
その結果を図６に示す。剛性は８kgf/mmであった。

【００２９】比較のために、永久磁石部および超電導体
部を配置した後超電導体部を冷却して超電導状態とし、
上記と同様にして永久磁石部と超電導体部とを相対的に
０．５ｍｍ接近、あるいは離間させ、それに必要な荷重
を測定した。その結果を図７に示す。このときの剛性は
４kgf/mmであった。

【００３０】

【発明の効果】この発明の超電導装置の組立方法によれ
ば、上述のように、回転体をアキシアル方向に支持する
ための永久磁石と超電導体との対、およびラジアル方向
に支持するための永久磁石と超電導体との対、すなわち
２つの対を必要としないので、装置の小型化を図ること
ができる。また、磁束密度の勾配ｄＢ／ｄＺが大きくな
るとともに、ｄ²Ｂ／ｄＺ²が大きくなる。このため、
負荷容量および剛性が向上し、回転体の軸ぶれを防止し
て回転体を非接触状態で安定的に支持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超電導軸受装置主要部の概略縦断面図である。

【図２】ハウジングを組立スタンドに取付けた状態を示
す縦断面図である。

【図３】ハウジング内に下側の超電導体部を取付けた状
態を示す縦断面図である。

【図４】ハウジング内に回転体を通した状態を示す縦断
面図である。

【図５】ハウジング内に上側の超電導体部を取付けた状
態を示す縦断面図である。

【図６】この発明の組立方法で行った実験の結果を示す
グラフである。

【図７】従来の組立方法で行った実験の結果を示すグラ
フである。

【符号の説明】

２回転体９永久磁石部１７超電導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体に同心状にかつ固定状に設けられ
た環状の永久磁石部と、この永久磁石部に対して間隔を
おいて対向するように配置され、かつ永久磁石部の磁束
侵入を許容する超電導体とを備えた超電導軸受装置の組
立方法であって、予め超電導体を冷却して超電導状態に
保持しておき、この状態で永久磁石部と超電導体とが間
隔をおいて対向し、永久磁石部からの磁束の一部が超電
導体に侵入するとともに回転体の回転により侵入磁束の
分布が変化しないようになされ、さらに永久磁石からの
磁束の残部が回転体と超電導体との間で圧縮されるよう
に、回転体および超電導体を配置することを特徴とする
超電導軸受装置の組立方法。