(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定体部に装着される超電導体部と、回転体部に装着される磁石部とを備え、前記超電導体部と前記磁石部が間隔を設けて向き合うように配設される形式の超電導軸受装置において、前記磁石部が、前記回転体部の軸心を同心とする複数の環状永久磁石と、これらの環状永久磁石の間に介在させた軟磁性体ヨークとから構成され、各磁石及び各ヨークの結合面を、磁石部中心を中心とする球面に沿った形状に形成したことを特徴とする超電導軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導体を利用した超電導軸受装置に関し、例えば、高速回転を必要とする流体機械や工作機械、余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギーに変換して貯蔵する電力貯蔵システム等に用いられるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、永久磁石と超電導体とを離間しつつ対向させた磁気回路を構成し、この超電導状態の磁気回路における離間距離の保持力と平行方向に移動を許容する特性を用いて、稼働体（以下、固定部に対して、回転及び移動するものを広く含む意味で用いる。）を非接触状態に保持することにより、高効率且つ高速動作が可能な超電導磁気装置が各種開発されている。
【０００３】
この種の超電導磁気装置としては、例えば、軸受装置に用いたものが知られており、この超電導軸受装置の構造としては、（１）軸心が垂直な回転体に、同心状に固定され、且つ回転体の軸心方向に沿った両端部が、互いに逆極性に着磁された環状永久磁石と、この永久磁石の対向面に対して回転軸心方向に所定の間隔を設けて対向設置された環状超電導体部とを備えて構成されるのが一般的である。また、（２）環状超電導体部と環状永久磁石とを、半径方向に間隔を設けて対向させて、半径方向の剛性向上を図るもの、（３）軸方向に、同径の永久磁石を複数並べ、隣接する環状永久磁石の着磁方向を逆方向としているもの（例えば特開平４−１９１５２０号）等も知られている。
【０００４】
更に、前記（１）の超電導軸受装置としては、装置の大規模化等により磁石部も大型化される傾向にあるが、このような単一の大径磁石を製造することは困難なので、複数の磁石を組合せた構成とするとともに、軸受装置の性能向上を図るものが知られている。すなわち、（４）前記環状永久磁石の多重化を行い、隣接する環状永久磁石の着磁方向を逆方向にし、各磁石が生成する磁束を互いに反発させて集中強化し、磁石部から超電導体部への磁場強度向上を図り、軸受の浮上力及び剛性の向上を企図したもの（例えば特開平５−１８０２５５号）、更に、（５）互いに軸方向に反発する方向に着磁された複数の環状永久磁石を設け、これらの環状永久磁石の間に軟磁性体ヨークを介在させ、この軟磁性体ヨークにより各磁石から超電導体部へ向う磁束を集中強化させて、同様に磁場強度の向上を図ったもの（例えば特開平６−８１８４５号）等が知られている。また、このように環状の永久磁石と軟磁性体ヨークとを交互に重ね合せて多重リング状の磁石部を構成する場合には、各磁石の外側に、該磁石の外径より内径が僅かに小さい環状の軟磁性体ヨークを圧入して装着することにより、各部を一体に結合して、単一形の磁石部を構成していた。
【０００５】
尚、この超電導軸受装置には、Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系の熱間加工方法により製造された永久磁石や、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石が、一般的に用いられている。そして、これらの磁石の圧縮強度は比較的に高いが、引張強度は低いことが知られている。すなわち、前者の引張強度は、２４Ｋｇ／ｍｍ2を上限とし、後者の引張強度は、８Ｋｇ／ｍｍ2が上限となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の超電導軸受装置の磁石部において、組立て時に磁石の外側にヨークを圧入する際には、磁石やヨークを不慮に損傷する虞があった。特に、軸受装置の載置力を増加する場合の大規模化により、磁石部の外側半径も増大する傾向にあり、この大径化に伴い、組立て時にヨークを圧入する際に、各部に局所的な応力集中が促進されるので、より一層部材の品質の低下や損傷を防止する必要がある。
【０００７】
また、軸受装置として動作時には、軸心が高速回転するので、良好なバランスにより回転動作できるべく、企図した設計通りに各部材の部品寸法が確保されているのが望ましい。ところが、このような部品の生産管理は困難であり、コストの増加を招く不都合があった。更に、所期の通りに部品を製作できても、組立て精度を十分に確保できないと、所定の動作性能を十分に発揮することができない虞があった。
【０００８】
また更に、環状の磁石とヨークとを多重に交互に重ね合せて磁石部を構成しているので、各磁石及び各ヨークは、隣接する部材から接合面に働く締付け力により結合される。そして、この締付け力は、主に外側に位置するヨークから供給されるので、この締付け力が不十分な場合には、一部分が脱落する虞があった。
【０００９】
すなわち、回転部に磁石部を設けた場合には、この回転により生じる遠心力は半径に比例し、回転数の二乗に比例するので、この回転する磁石部の外周側に向う程、大きな遠心力が作用することになる。特に、軸受装置の載置力を増加する大規模化に伴い、磁石部の外側半径も増大する傾向にあり、同一の回転速度の場合にも、より大きな遠心力が外側側の磁石部に加わることになる。従って、ヨーク自体も内径を広げる方向に引っ張られ、締付け力が弱まる傾向にある。とりわけ、磁石と超電導体との対向間隔は、所定の間隔に維持する必要があるので、抜け止め補強部材を磁石部の対向面箇所に設けることが困難であり、また、非磁性体の材料を用いても、磁気回路の中間に部材が存在するのは望ましくない。
【００１０】
そこで、本願発明は、磁石部の組立ての容易化を図るとともに、該磁石部の各環状永久磁石及びヨーク部材の抜け止めを図ることの可能な超電導軸受装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本願発明は、固定体部に装着される超電導体部と、回転体部に装着される磁石部とを備え、前記超電導体部と前記磁石部が間隔を設けて向き合うように配設される形式の超電導軸受装置において、前記磁石部が、前記回転体部の軸心を同心とする複数の環状永久磁石と、これらの環状永久磁石の間に介在させた軟磁性体ヨークとから構成され、各磁石及び各ヨークの結合面を、磁石部中心を中心とする球面に沿った形状に形成した超電導軸受装置である。
【００１２】
従って、本願発明の超電導軸受装置によれば、回転体部の磁石部が、回転体部の軸心を同心とする複数の環状永久磁石と、これらの環状永久磁石の間に介在させた軟磁性体ヨークとから構成された超電導軸受装置において、各磁石及び各ヨークの結合面を、磁石部中心を中心とする球面に沿った形状とし、以下の手順によって、常にヨークを介して内外側に磁石を組み付けることにより、スムーズに組立てることができる。
【００１３】
すなわち、まず、ヨークを、外力を加えて楕円状に弾性変形させ、この楕円形状にされたヨークの長軸部位の内側に、内側の磁石を挿嵌するとともに、短軸部位の外側に、外側の磁石を挿嵌する。そして、この外力を除いてヨークを正常形状に復帰させ、楕円形状の長軸及び短軸を回転中心として、対応する内側及び外側の部材を回転させることにより、ヨークの端面と、各部材の端面とを同一面に合せて、組込みが完了する。この際、常にヨークが介在するので、組込みの際に磁石に加わる押圧力や引っ張り力はヨークを弾性変形することにより緩和され、磁石を不慮に損傷することを防止できる。更に、組込みが完了した三つの環状体を恰も一つの磁石組体として扱うとともに、当該磁石組体の内側又外側に挿嵌される他の磁石を、間に装着される軟磁性体ヨークを介して、前述した手順を繰返すことにより、内外側にヨーク及び磁石を任意な組合せ数だけ組み付けることが可能となる。
【００１４】
また、各磁石及びヨーク部材は、前記の逆手順によってのみ、すなわち、ある軸を中心に回転させることよってのみ、互いに外れるので、回転動作時等に各部材が軸方向に抜ける事態を確実に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本願発明に係る超電導軸受装置を実施した電力貯蔵システムの概略構成を示す図で、この電力貯蔵システムは、真空容器３１内に、固定体部Ａに装着される超電導体部１と、回転体部Ｂに装着される永久磁石部２とを備え、超電導体部１と磁石部２が間隔を設けて向き合うように配設される形式の電力貯蔵システムである。超電導体部１は、冷却ケースに収納されており、そして、この冷却ケース内には、冷媒３２が循環通流されて、超電導状態を維持できる所定の温度に、冷却ケース内を冷却している。この冷却ケースの外径側には、銅又は他の金属材料により形成された環状の支持体が固定され、この支持体の内部に、超電導体が環状に埋設されている。
【００１６】
また、回転体部Ｂは、磁石部２を高張力鋼製のフライホイール３３に装着して構成される。この回転体部Ｂは、風損を極力小さくするように、配管３４を通じて真空ポンプ（図示を省略）により高真空とされた真空容器３１内で回転する。
【００１７】
フライホイール３３には永久磁石３５を取り付けて同行回転するように設け、他方、この永久磁石に対峙する位置に、発電電動機３６を設置している。この発電電動機３６は、無停電電源装置として機能するものであり、これによりエネルギーの蓄積及び取り出しが行われる。図中、３７は、電力変換器である。
【００１８】
以下に、本願発明を図２乃至図６に示す具体例に基づいて説明する。
【００１９】
図２は、本具体例の超電導軸受装置における主要部の概略構成を示す一部破断した斜視図であり、図３は、同主要部の縦断面図である。この超電導軸受装置は、前述したように、固定体部Ａに装着される超電導体部１と回転体部Ｂに装着される永久磁石部２とを備え、超電導体部１と磁石部２が間隔を設けて向き合うように配設される形式の超電導軸受装置である。
【００２０】
前記超電導体部１は、従来公知の構造を備え、図示を省略した冷却ケースに収納されている。前述したように、この冷却ケースの外径側には、銅又は他の金属材料により形成された環状の支持体が固定され、この支持体の内部に、超電導体が環状に埋設されている。また、この冷却ケース内には、冷媒が循環通流されており、超電導状態を維持できる所定の温度に、冷却ケース内を冷却している。
【００２１】
前記超電導体部１は、イットリウム系高温超電導体、例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる基板の内部に、常電導粒子Ｙ2Ｂａ1Ｃｕ1を均一に混在させて形成されており、内部を流れる超電導電流により、後述する環状永久磁石３，３が発生する磁束の侵入路を、拘束する性質を有している。また、超電導体部１の半径方向の長さは、最内方から最外方までの環状永久磁石３，３の半径方向の長さを合計した長さより、長く設定されている。
【００２２】
更に、超電導体部１は、環状永久磁石３，３と、軸方向において所定の距離を設けて、対面して配置されている。すなわち、これらの両者の離間距離は、この環状永久磁石３，３からの磁束が所定量に侵入できると同時に、回転体部Ｂが回転しても、侵入した磁束の分布状態が変化しない距離となっている。
【００２３】
前記回転体部Ｂは、図示を省略した軸に嵌着される中空軸を備えた回転体５と、この回転体５に固着された、前述した磁石部２とから構成されている。この磁石部２は、回転体部Ｂの軸心を同心とし、且つ隣接する磁石の着磁方向が相互に半径方向に反発する複数の環状永久磁石３，３を備えるとともに、各環状永久磁石３，３間に環状の軟磁性体ヨーク４を介在させた構成に設けられている。
【００２４】
本具体例においては、前記環状永久磁石３，３として、例えば、Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系の熱間加工方法で製造された永久磁石を、また、環状の軟磁性体ヨーク４には純鉄等の軟鉄を用いて形成している。このような構造においては、２つの環状永久磁石３，３のＮ極からの磁束は、環状の軟磁性体ヨーク４を通過して、それぞれの環状永久磁石３，３のＳ極に戻る。従って、各環状永久磁石３，３からの磁束は、環状軟磁性体ヨーク４により絞られ集中化されるので、前記超電導体部１に作用する磁束密度は、大幅に増大することができる。
【００２５】
このような超電導磁気軸受装置においては、超電導体部が、冷却ケース内を循環する冷媒により冷却され、超電導状態に維持される。この超電導状態においては、回転体部Ａの環状永久磁石３からの磁束は、超電導体内に均一に混在された常電導粒子を選択的に通るように侵入するとともに、この侵入した磁束の回りを超電導電流が流れることによって、磁束の侵入路が一定に固定される。従って、回転体部Ａが環状永久磁石３とともに、あたかも磁束を介して超電導体に拘束されているような状態（ピンニング現象）となる。しかし、磁束密度が変化しない方向への磁石の移動は超電導体に束縛されないので、軸対称な磁気回路により構成された環状永久磁石３は、回転方向への束縛を受けずにスムーズに回転することができる。
【００２６】
尚、超電導軸受装置の軸受が大型化して、単一の環状永久磁石を形成できず、複数の永久磁石を各々接合して環状永久磁石３，３を形成した場合においても、環状永久磁石３と環状軟磁性体ヨーク４とを交互に配置する構成によれば、各環状永久磁石３，３を形成する磁石の接合面に生じる磁束むらを低減できるので、大規模な軸受装置を製作することが可能となる。
【００２７】
また、６は、この磁石部の最外側に装着された補強部材であり、この部材６により、回転動作時の遠心力による磁石部２の引張り破壊を防止するようにしている。
【００２８】
更に、本具体例においては、各環状永久磁石３及び各軟磁性体ヨーク４の結合面が、磁石部２の中心を中心とする球面に沿った形状に形成され、以下の手順により内周側から外周側に組立てることにより、大径化した磁石部においても、スムーズに組立てることを可能にしている。
【００２９】
すなわち、本具体例の超電導軸受装置の磁石部２の組立て手順を説明すると、まず、図４に示すように、軟磁性体ヨーク４の対向した外部から外力Ｆを加えて楕円状に弾性変形させ、この直交する楕円形状の長軸及び短軸に向けて、対応する内周及び外周を備えた環状永久磁石を、それぞれ挿嵌する。つまり、この楕円形状にされた軟磁性体ヨーク４の対向する内周距離が最大となった長軸部位の内側に、内側の環状永久磁石３を挿嵌するとともに、対向する外周距離が最小となった短軸部位の外側に、外側の環状永久磁石３を挿嵌する。次に、この外力Ｆを除いて軟磁性体ヨーク４を正常な真円形状に復帰させると、図５に示すように、ヨーク４の直交位置に、内外側の環状永久磁石３，３が挿嵌される。最後に、このヨーク４の楕円形状時の長軸及び短軸を回転中心として、対応する内側及び外側の環状永久磁石３，３を回転させることにより、図６に示すように、軟磁性体ヨーク４の端面と、両環状永久磁石３，３端面とを同一面に合わせ、組込みが完了する。
【００３０】
この際、常に軟磁性体ヨーク４が介在するので、組み込みの際に磁石３に加わる押圧力や引っ張り力は、軟磁性体ヨーク４を弾性変形することにより吸収して緩和され、磁石３の不慮の損傷を防止することができる。更に、この手順を繰返すことにより、外側に軟磁性体ヨーク４及び磁石３を任意な組合せ数に組み付けることが可能となる。
【００３１】
以上説明したように、本具体例の超電導軸受装置によれば、回転体部の磁石部が、回転体部の軸心を同心とする複数の環状永久磁石と、これらの環状永久磁石の間に介在させた軟磁性体ヨークとから構成された超電導軸受装置において、各磁石及び各ヨークの結合面を、磁石部の中心を中心とする球面に沿った形状としているので、軟磁性体ヨークとこの内外側の環状永久磁石とを、当該ヨークに外力を加えて楕円状に弾性変形させてスムーズに組立てることができる。
【００３２】
更に、この手順を繰返すことにより、つまり前述した組込み体を一つの環状永久磁石に見立てて、別途に軟磁性体ヨークを用いることにより、ヨーク及び内外側の磁石の任意数の組合せを実施することが可能となる。
【００３３】
また、各磁石及びヨーク部材は、前記の逆手順によってのみ、つまり、ある軸を中心に回転させることよってのみ互いに外れるので、回転動作時等に各部材が軸方向に抜けることを確実に防止することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明の超電導軸受装置によれば、回転体部の磁石部が、回転体部の軸心を同心とする複数の環状永久磁石と、これらの環状永久磁石の間に介在させた軟磁性体ヨークとから構成された超電導軸受装置において、各磁石及び各ヨークの結合面を、磁石部中心を中心とする球面に沿った形状を備えているので、軟磁性体ヨークとこの内外側の環状永久磁石とを、当該ヨークに外力を加えて楕円状に弾性変形させてスムーズに組込むことができる。
【００３５】
更に、この手順を繰返すことにより、つまり前述した組込み体を一つの環状永久磁石に見立てて、別途に軟磁性体ヨークを用いることにより、ヨーク及び内外側の磁石の任意数の組合せを実施することが可能となる。
【００３６】
また、各磁石及びヨーク部材は、前記の逆手順によってのみ、つまり、ある軸を中心に回転させることよってのみ互いに外れるので、回転動作時等に各部材が軸方向に抜けることを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電力貯蔵システムの概略構成図である。
【図２】  本願発明の具体例に係り、超電導軸受装置の主要部を示す一部破断した概略斜視図である。
【図３】  同主要部の拡大縦断面図である。
【図４】  本具体例の磁石部の環状永久磁石とヨークとの組立て手順を説明し、組立て開始状態の平面図。
【図５】  磁石部の同組立て手順を説明し、組立て途中状態の平面図。
【図６】  磁石部の同組立て手順を説明し、組立て完了状態の平面図。
【符号の説明】
Ａ        固定体部
Ｂ        回転体部
１        超電導体部
２        磁石部
３        環状永久磁石
４        環状の軟磁性体ヨーク
５        回転体
６        補強部材
３１        真空容器
３２        冷媒
３３        フライホイール
３４        配管
３５        永久磁石
３６        発電電動機
３７        電力変換器
【図１】
0003675010.tif 000002
【図２】
0003675010.tif 000003
【図３】
0003675010.tif 000004
【図４】
0003675010.tif 000005
【図５】
0003675010.tif 000006
【図６】
0003675010.tif 000007