(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸を中心に回転する回転体の永久磁石回転装置に設けられた回転永久磁石と、固定部分に設けられた磁気支持装置とで、磁気力により回転体を非接触支持する装置であって、永久磁石回転装置の円板状の非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状の回転永久磁石が同心状に配置され、回転体の軸心方向に回転永久磁石と対向するように磁気支持装置が配置されている永久磁石使用軸受装置において、
非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、回転永久磁石の内周部分が、凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめあわされており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とする永久磁石使用軸受装置。
【請求項２】
垂直軸を中心に回転する回転体の永久磁石回転装置に設けられた回転永久磁石と、固定部分に設けられた磁気支持装置とで、磁気力により回転体を非接触支持する装置であって、永久磁石回転装置の円板状の非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状の回転永久磁石が同心状に配置され、回転体の軸心方向に回転永久磁石と対向するように磁気支持装置が配置されている永久磁石使用軸受装置において、
非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に、１つの回転永久磁石と１つの環状の強磁性体製ヨーク部材とが、回転永久磁石が外側になるようにはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、ヨーク部材が、凹みぞの内周側の壁の外周部分または外側にある回転永久磁石の内側に圧入されており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とする永久磁石使用軸受装置。
【請求項３】
磁気支持装置が超伝導体を備えており、永久磁石回転装置の複数の環状の回転永久磁石が、磁束分布が上記回転軸心に対して対称になり、かつ上記回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように、同心状に配置され、磁気支持装置の超伝導体が、回転永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、回転永久磁石と上記回転軸心方向に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１または２の永久磁石使用軸受装置。
【請求項４】
磁気支持装置が、永久磁石回転装置の回転永久磁石を磁気反発力または磁気吸引力により上向きに付勢する固定永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１または２の永久磁石使用軸受装置。
【請求項５】
円板状の非磁性体製回転部材と、回転部材の軸方向端面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石とを備えている永久磁石回転装置において、
非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、回転永久磁石の内周部分が、凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめあわされており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とする永久磁石回転装置。
【請求項６】
円板状の非磁性体製回転部材と、回転部材の軸方向端面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石とを備えている永久磁石回転装置において、
非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に、１つの回転永久磁石と１つの環状の強磁性体製ヨーク部材とが、回転永久磁石が外側になるようにはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、ヨーク部材が、凹みぞの内周側の壁の外周部分または外側にある回転永久磁石の内側に圧入されており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とする永久磁石回転装置。
【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、余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置、あるいはジャイロスコープなどに使用される永久磁石使用軸受装置および永久磁石回転装置に関し、とくに垂直軸を中心に回転する回転体を支持する永久磁石使用軸受装置および永久磁石回転装置に関する。
【０００２】
この明細書において、永久磁石使用軸受装置という用語は、永久磁石と超伝導体とで回転体を非接触支持する超伝導軸受、永久磁石同志の磁気反発力または磁気吸引力で回転体を非接触支持する非制御型磁気軸受など、永久磁石を使用して回転体を非接触支持する軸受装置の総称として用いられる。また、永久磁石回転装置という用語は、永久磁石使用軸受装置において回転体とともに永久磁石を回転させる装置の名称として用いられる。
【０００３】
【従来の技術】
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永久磁石使用軸受装置が開発されている。
【０００４】
垂直軸を中心に回転する回転体を非接触支持する永久磁石使用軸受装置として、回転体に設けられた永久磁石回転装置の非磁性体よりなる部分の上向きまたは下向きの端面に複数の環状の回転永久磁石が同心状に配置され、回転体の軸心方向に回転永久磁石と対向するように磁気支持装置が固定部分に配置されているものが考えられている。
【０００５】
超伝導軸受装置の場合、磁気支持装置は超伝導体を備えており、永久磁石回転装置の複数の環状の回転永久磁石が、磁束分布が回転軸心に対して対称になり、かつ回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように、同心状に配置され、磁気支持装置の超伝導体が、回転永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、回転永久磁石と回転軸心方向に対向するように配置されている。この超伝導軸受装置では、回転永久磁石から発生する磁束を超伝導体の内部に侵入させて拘束し、その結果、いわゆるピン止め力により、固定部分に対して回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触状態で支持するようになっている。この超伝導軸受装置は回転体をアキシアル方向にもラジアル方向にも支持することができるが、とくに回転体の回転開始時および回転停止時のラジアル方向の安定性を高めるために、制御型ラジアル磁気軸受装置などの非接触型軸受装置が併用されることがある。
【０００６】
非制御型磁気軸受装置の場合、磁気支持装置は、回転永久磁石の下方に配置されて磁気反発力により回転永久磁石を上向きに付勢する固定永久磁石、あるいは回転永久磁石の上方に配置されて磁気吸引力により回転永久磁石を上向きに付勢する固定永久磁石を備えており、この磁気反発力あるいは磁気吸引力により固定部分に対して回転体をアキシアル方向に非接触状態で支持するようになっている。この磁気軸受装置は回転体をアキシアル方向にだけ支持するものであるから、回転体をラジアル方向に支持するために、制御型ラジアル磁気軸受装置などの非接触型軸受装置が併用される。
【０００７】
上記のような永久磁石使用軸受装置の永久磁石回転装置に設けられる環状の回転永久磁石には、内周側と外周側に磁極が形成されてものと、アキシアル方向の両端部に磁極が形成されたものとがある。内周側と外周側に磁極が形成された永久磁石を使用する場合、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石の間に強磁性体よりなるヨーク部材が配置され、永久磁石回転装置の端面に形成された１つの凹所内に、複数の永久磁石の間にヨーク部材が挟まれたものが組込まれる。すなわち、凹所内の外周側の壁の内周部分に最も外側の永久磁石が圧入され、その内側に、ヨーク部材と永久磁石が交互に圧入される。アキシアル方向の両端部に磁極が形成された永久磁石を使用する場合も、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石の間に非磁性体リングが配置され、上記同様、永久磁石回転装置の端面に形成された１つの凹所内に、複数の永久磁石の間に非磁性体リングが挟まれたものが組込まれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の永久磁石使用軸受装置のように、永久磁石回転装置の端面に形成された１つの凹所内に、内周側と外周側に磁極が形成された複数の環状の永久磁石の間にヨーク部材が挟まれたものが組込まれている場合、次のような問題がある。
【０００９】
外側の永久磁石あるいはヨーク部材については、遠心膨張しにくい永久磁石回転装置の壁に近いため、遠心膨張は小さいが、ある永久磁石あるいはヨーク部材が遠心膨張すると、その内側のヨーク部材あるいは永久磁石も遠心膨張しやすくなるため、内側の永久磁石あるいはヨーク部材については、遠心膨張が大きくなる。このため、内側の永久磁石あるいはヨーク部材については、その外側にあるヨーク部材あるいは永久磁石の遠心膨張を考慮した大きなしめ代を設定しなければならず、寸法管理が困難で、組立も困難である。また、内側の永久磁石については、遠心膨張すなわちラジアル方向の変位が大きいため、回転体が停止している初期位置決め時と高速回転時とで永久磁石のラジアル方向の位置に変化が生じる。永久磁石が環状の一体物であれば、その内周側と外周側に磁極を形成することができないので、永久磁石の内周側と外周側に磁極を形成する場合には、永久磁石は円周方向に複数のセグメントに分割される。この場合、遠心膨張により、永久磁石のセグメント間に円周方向の隙間が生じることもある。このため、永久磁石による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりする。また、とくに内側の永久磁石については、大きな遠心膨張が生じるため、遠心破壊を起こすおそれがある。超伝導軸受の場合、回転軸心の周囲の磁束の分布が一様で、磁束分布が回転によって変化しないことが重要であり、上記のように回転軸心の周囲の磁束分布が変化したり一様でなくなったりすると、超伝導軸受装置の動作が不安定になる。
【００１０】
アキシアル方向の両端部に磁極が形成されている場合は、永久磁石を環状の一体物にすることができる。しかし、永久磁石回転装置の端面に形成された１つの凹所内に、アキシアル方向の両端部に磁極が形成された複数の環状の永久磁石の間に非磁性体リングが挟まれたものが組込まれている場合にも、上記と同様の問題がある。
【００１１】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易で、永久磁石の遠心膨張が小さく、永久磁石が遠心破壊を起こすおそれのない永久磁石使用軸受装置および永久磁石回転装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明による永久磁石使用軸受装置は、垂直軸を中心に回転する回転体の永久磁石回転装置に設けられた回転永久磁石と、固定部分に設けられた磁気支持装置とで、磁気力により回転体を非接触支持する装置であって、永久磁石回転装置の円板状の非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状の回転永久磁石が同心状に配置され、回転体の軸心方向に回転永久磁石と対向するように磁気支持装置が配置されている永久磁石使用軸受装置において、非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、回転永久磁石の内周部分が、凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめあわされており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
この発明による永久磁石使用軸受装置は、また、垂直軸を中心に回転する回転体の永久磁石回転装置に設けられた回転永久磁石と、固定部分に設けられた磁気支持装置とで、磁気力により回転体を非接触支持する装置であって、永久磁石回転装置の円板状の非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状の回転永久磁石が同心状に配置され、回転体の軸心方向に回転永久磁石と対向するように磁気支持装置が配置されている永久磁石使用軸受装置において、非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に、１つの回転永久磁石と１つの環状の強磁性体製ヨーク部材とが、回転永久磁石が外側になるようにはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、ヨーク部材が、凹みぞの内周側の壁の外周部分または外側にある回転永久磁石の内側に圧入されており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
たとえば、磁気支持装置が超伝導体を備えており、永久磁石回転装置の複数の環状の回転永久磁石が、磁束分布が上記回転軸心に対して対称になり、かつ上記回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように、同心状に配置され、磁気支持装置の超伝導体が、回転永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、回転永久磁石と上記回転軸心方向に対向するように配置されている。
【００１５】
たとえば、磁気支持装置が、永久磁石回転装置の回転永久磁石を磁気反発力または磁気吸引力により上向きに付勢する固定永久磁石を備えている。
【００１６】
この発明による永久磁石回転装置は、円板状の非磁性体製回転部材と、回転部材の軸方向端面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石とを備えている永久磁石回転装置において、非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、回転永久磁石の内周部分が、凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめあわされており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【００１７】
この発明による永久磁石回転装置は、また、円板状の非磁性体製回転部材と、回転部材の軸方向端面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石とを備えている永久磁石回転装置において、非磁性体製回転部材の軸方向端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に、１つの回転永久磁石と１つの環状の強磁性体製ヨーク部材とが、回転永久磁石が外側になるようにはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、ヨーク部材が、凹みぞの内周側の壁の外周部分または外側にある回転永久磁石の内側に圧入されており、非磁性体製回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【００１８】
【作用】
この発明の永久磁石使用軸受装置または永久磁石回転装置において、非磁性体製回転部材およびそれに形成された凹みぞの壁の部分の遠心膨張は小さい。しかも、回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固定されているので、回転部材の遠心膨張がさらに小さく抑えられ、凹みぞの壁の部分の遠心膨張が非常に小さくなる。
【００２０】
非磁性体製回転部材に形成された凹みぞ内に回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、回転永久磁石の内周部分が、凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめあわされている永久磁石使用軸受装置または永久磁石回転装置では、上記のように、回転部材の凹みぞの壁の部分の遠心膨張は非常に小さいので、凹みぞの外周側の壁の内周部分とそれに圧入される回転永久磁石とのしめ代を小さくすることができ、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易で、永久磁石の遠心膨張も小さく、永久磁石が遠心破壊を起こすこともない。そして、永久磁石の遠心膨張が小さいため、内周側と外周側に磁極が形成された円周方向に複数のセグメントに分割された回転永久磁石の場合でも、永久磁石のラジアル方向の変位が小さく、また、セグメント間に円周方向の隙間が生じることもない。したがって、永久磁石による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりすることがなく、超伝導軸受装置に適用した場合も動作が安定している。
【００２１】
非磁性体製回転部材に形成された凹みぞ内に、１つの回転永久磁石と１つの環状の強磁性体製ヨーク部材とが、回転永久磁石が外側になるようにはめられて固定され、回転永久磁石の外周部分が、凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、ヨーク部材が、凹みぞの内周側の壁の外周部分または外側にある回転永久磁石の内側に圧入されている永久磁石使用軸受装置または永久磁石回転装置では、上記同様、凹みぞの外周側の壁の内周部分とそれに圧入される回転永久磁石とのしめ代を小さくすることができ、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易で、永久磁石の遠心膨張も小さく、永久磁石が遠心破壊を起こすこともない。そして、永久磁石の遠心膨張が小さいため、内周側と外周側に磁極が形成された円周方向に複数のセグメントに分割された回転永久磁石の場合でも、永久磁石のラジアル方向の変位が小さく、また、セグメント間に円周方向の隙間が生じることもない。したがって、永久磁石による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりすることがなく、超伝導軸受装置に適用した場合も動作が安定している。そして、ヨーク部材が凹みぞの内周側の壁の外周部分に圧入されている場合は、上記のように、回転部材の凹みぞの壁の部分の遠心膨張は非常に小さいので、凹みぞの内周側の壁の外周部分とそれに圧入されるヨーク部材とのしめ代を小さくすることができ、ヨーク部材の寸法管理および組立も容易である。また、ヨーク部材が外側にある回転永久磁石の内側に圧入されている場合は、ヨーク部材の寸法管理については、その外側にある１つの回転永久磁石の小さい遠心膨張だけを考慮すればよいので、やはりヨーク部材と回転永久磁石とのしめ代を小さくすることができ、寸法管理および組立が容易である。
【００２２】
アキシアル方向の両端部に磁極が形成された回転永久磁石を使用する場合、非磁性体製回転部材の各凹みぞ内に１つの永久磁石だけを圧入すればよい。このようにすると、ラジアル方向に隣接する２つの回転永久磁石の間に永久磁石回転装置の凹みぞの非磁性体よりなる仕切り壁の部分が存在するので、別に非磁性体リングを組込む必要がない。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１〜図３は、この発明を電力貯蔵装置におけるフライホイール装置の超伝導軸受装置に適用した第１実施例を示している。
【００２６】
図１はフライホイール装置の全体構成を概略的に示し、図２および図３はその超伝導軸受装置の部分を詳細に示している。
【００２７】
フライホイール装置は、垂直な回転体(1) 、回転体(1) をアキシアル方向（上下方向）およびラジアル方向に支持するための超伝導軸受装置(2) 、起動時および運転停止時に回転体(1) をラジアル方向に非接触支持するための上下２組の制御型ラジアル磁気軸受装置(3)(4)、起動時に回転体(1) の位置決めを行うための初期位置決め装置(5) 、ならびに発電電動機(6) を備えており、これらが、複数の部材よりなる固定ハウジング（固定部分）(7) で囲まれた真空チャンバ(8) 内に配置されている。
【００２８】
回転体(1) は、垂直な回転軸(9) の高さの中間部に円板状のフライホイール(10)と永久磁石回転装置(11)が固定されたものであり、ハウジング(7) 内の中心に若干の上下動ができるように配置されている。フライホイール(10)はたとえばアルミニウム合金により円板状に形成されており、その外側にＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状の補強部材(12)が一体状に固定されている。
【００２９】
超伝導軸受装置(2) は、回転体(1) の永久磁石回転装置(11)と、その下面に対向するようにハウジング(7) に固定状に設けられた磁気支持装置(13)とから構成されている。
【００３０】
永久磁石回転装置(11)は、フライホイール(10)の下端面に密着するように回転軸(9)に固定された円板状の非磁性体製回転部材(14)と、回転部材(14)の下端面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石(15)とを備えている。回転部材(14)はたとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼などの非磁性体で円板状に形成され、その外周に環状のＣＦＲＰ製補強部材(16)が一体状に固定されている。回転部材(14)の下端面に、円形の仕切り壁(17)で仕切られた複数の環状凹みぞ(18)が同心状に形成されている。各凹みぞ(18)内に、環状の回転永久磁石(15)と強磁性体よりなる環状のヨーク部材(19)とが、永久磁石(15)が外側になるようにはめられて固定されている。永久磁石(15)の外周部分は、凹みぞ(18)の外周側の壁あるいは仕切り壁(17)の内周部分に圧入されている。ヨーク部材(19)の内周部分は、凹みぞ(18)の内周側の仕切り壁(17)あるいは壁の外周部分に圧入されている。そして、同一の凹みぞ(18)内の永久磁石(15)の内周部分とヨーク部材(19)の外周部分とはゆるくはめ合わされ、これらの間にはほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間があけられている。各永久磁石(15)は円周方向に複数のセグメント(15a) に等分されており、内周側と外周側に磁極が形成されている。そして、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石(15)の磁極が互いに同じ極性になるように、永久磁石(15)が配置されている。すなわち、内側から１、３、５番目の永久磁石(15)は内周側がＳ極で外周側がＮ極となり、２、４番目の永久磁石(15)は内周側がＮ極で外周側がＳ極となっている。なお、永久磁石(15)が円周方向に複数のセグメント(15a)に分割されているのは、永久磁石が環状の一体物であればその内周部と外周部に磁極を形成することができないからである。さらに、隣り合う環状の永久磁石(15)の分割面は重ならないように位相がずらされている。これは、分割面での磁束の分布状態のむらを極力抑えるためである。永久磁石(15)は環状をなし、回転体(1)の回転軸心(A)に対して同心状に配置されているので、永久磁石(15)の磁束分布が回転軸心(A)に対して対称になり、かつ回転軸心(A)の周囲の磁束分布が回転によって変化しないようになっている。
【００３１】
磁気支持装置(13)は、永久磁石回転装置(11)の下面に所定の間隔をおいて対向するようにハウジング(7) に固定された環状の冷却ケース(20)、および超伝導体(21)を備えている。冷却ケース(20)は、たとえば銅合金、非磁性ステンレス鋼などの非磁性体からなる。冷却ケース(20)内の空間に、環状の超伝導体(21)が固定状に配置されている。図示は省略したが、冷却ケース(20)内の空間は冷却流体供給管および同排出管を介して冷却装置に接続されており、この冷却装置により、たとえば液体窒素などの冷却流体が供給管、冷却ケース(20)内の空間および排出管を介して循環させられ、これによって超伝導体(21)が冷却されるようになっている。超伝導体(21)は第２種超伝導体であり、イットリウム系高温超伝導体、たとえばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ7-x からなるバルクの内部に常伝導体（Ｙ２Ｂａ１Ｃｕ１）を均一に混在させたものからなり、第２種超伝導状態が出現する温度環境下において、永久磁石(15)から発せられる磁束を内部に拘束する性質を持つものである。そして、超伝導体(21)は、永久磁石(15)の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体(1) の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁石(15)と対向するように配置されている。
【００３２】
各ラジアル磁気軸受装置(3)(4)は、詳細な図示は省略したが、回転体(1) を互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の両側から吸引して同方向の回転体(1) の位置を制御するための電磁石、ならびに回転体(1) のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、これらが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基づいて電磁石の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果、回転体(1) のラジアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、ラジアル磁気軸受装置およびその制御装置自体は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００３３】
発電電動機(6) は、詳細な図示は省略したが、回転体(1) に取付けられたロータと、その周囲のハウジング(7) に固定状に設けられたステータとからなる。この電動機(6) は、電力貯蔵時には電動機として作動して回転体(1) を高速回転させ、電力取出し時には発電機として作動するようになっている。
【００３４】
初期位置決め装置(5) は、詳細な図示は省略したが、回転体(1) の下方のハウジング(7) の部分を昇降する昇降体を備え、回転体(1) を所定の位置まで持上げるようになっている。
【００３５】
ハウジング(7) の上部および下部に、非常時に回転体(1) の上下両端寄りの部分を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受(22)(23)が設けられている。
【００３６】
回転体(1) の運転を開始する際には、まず、真空チャンバ(8) 内を真空状態にし、初期位置決め装置(5) により、停止状態の回転体(1) を所定の位置まで持上げて、回転体(1) のアキシアル方向の初期位置決めを行う。また、上下の磁気軸受装置(3)(4)を駆動して、回転体(1) のラジアル方向の初期位置決めを行う。そして、冷却装置により超伝導軸受装置(2) の冷却ケース(20)内に冷却流体を循環させ、超伝導体(21)を冷却して第２種超伝導状態に保持する。すると、回転永久磁石(15)から発せられる磁束の多くが超伝導体(21)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、超伝導体(21)はその内部に常伝導体粒子が均一に混在されているため、超伝導体(21)内部への侵入磁束の分布が一定となり、そのため、超伝導体(21)に対して回転永久磁石(15)とともに回転体(1) が拘束される。したがって、回転体(1) は、きわめて安定した状態で、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。このとき、超伝導体(14)に侵入した磁束は、磁束分布が回転軸心(A) に対して均一で不変である限り、回転を妨げる抵抗とはならない。このように超伝導軸受装置(2) および磁気軸受装置(3)(4)によって回転体(1) が支持されたならば、初期位置決め装置(5) による回転体(1) の支持をなくす。初期位置決め装置(5) による支持がなくなると、回転体(1) は自重により若干下降するが、自重による下向きの力と超伝導軸受装置(2) のアキシアル方向の支持力とが釣合う位置に停止する。これにより、回転体(1) は、超伝導軸受装置(2) と磁気軸受装置(3)(4)とで非接触支持されたことになる。回転体(1) が非接触支持されたならば、電動機(6) を起動して、回転体(1) を回転させ、運転回転領域まで加速する。回転体(1) が運転回転領域に達するまでの間に共振が発生しても、磁気軸受装置(3)(4)によりふれの発生が防止される。回転体(1) が運転回転領域に達したならば、所定の回転数に保持され、磁気軸受装置(3)(4)の駆動が停止させられて、磁気軸受装置(3)(4)によるラジアル方向の支持がなくなる。磁気軸受装置(3)(4)によるラジアル方向の支持がなくなっても、回転体(1) は、超伝導軸受装置(2) の超伝導体(21)に侵入した磁束のピン止め力によってアキシアル方向およびラジアル方向に支持され、安定した回転を継続する。そして、回転体(1) が運転回転領域で回転している間に、電気エネルギが回転運動エネルギに変換されてフライホイール(10)に貯蔵される。
【００３７】
回転体(1) が運転回転領域で回転しているときに停電が発生した場合、発電電動機(6) は停止するが、フライホイール(10)により、回転体(1) はわずかに減速するものの継続して回転させられる。その結果、発電電動機(6) が発電機として作動し、フライホイール(10)に貯蔵されていた回転運動エネルギが電気エネルギとして取出され、図示しない蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられた電力は、図示しない外部の電力消費財および超伝導軸受装置(2) の冷却装置に送られ、電力消費財および超伝導軸受装置(2) が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部は磁気軸受制御装置に送られ、これにより磁気軸受装置(3)(4)が駆動される。そして、フライホイール(10)に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転体(1) が停止するまでの間、回転体(1) は超伝導軸受装置(2) および磁気軸受装置(3)(4)によって非接触状態で支持され、共振点で生じる回転体(1) のふれは、上記の起動時と同様に、磁気軸受装置(3)(4)によって減少させられる。
【００３８】
停電時以外でも、発電電動機(6) を停止させると、停電の場合と同様に、フライホイール(10)に貯蔵されていた回転運動エネルギを電気エネルギとして取出すことができる。
【００３９】
上記の超伝導軸受装置(2) では、永久磁石回転装置(11)がラジアル方向に同心状に配置された複数の環状の永久磁石(15)を備え、各永久磁石(15)の内周側と外周側に磁極が形成され、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石(15)の磁極が互いに同じ磁極であり、しかもラジアル方向に隣接する２つの永久磁石(15)の間に強磁性体よりなるヨーク部材(19)が挟まれているので、ヨーク部材(19)の超伝導体(21)を向いた部分に磁束が局所的に集中し、その結果、超伝導体(21)に侵入する磁束が多くなって、超伝導軸受装置(2) の負荷容量および剛性が向上する。
【００４０】
しかしながら、回転永久磁石(15)は、アキシアル方向の両端部に磁極が形成されたものであってもよい。その場合は、永久磁石(15)を環状の一体物にすることができる。
【００４１】
また、上記の超伝導軸受装置(2) では、永久磁石回転装置(11)において、非磁性体製回転部材(14)の端面の複数の同心状の環状凹みぞ(18)のそれぞれに、環状の永久磁石(15)とヨーク部材(19)が１組ずつ組込まれているので、永久磁石(15)およびヨーク部材(19)の寸法管理および組立が容易で、高速回転時の遠心力による永久磁石(15)の変形が小さく、したがって、超伝導軸受装置の動作が安定しており、しかも永久磁石(15)が遠心破壊を起こすこともない。すなわち、各永久磁石(15)が遠心膨張の小さい回転部材(14)の壁あるいは仕切り壁(17)の内周部分にそれぞれ圧入されているので、しめ代を小さくすることができ、永久磁石(15)の寸法管理および組立が容易で、永久磁石(15)の遠心膨張も小さく、永久磁石(15)が遠心破壊を起こすこともない。そして、永久磁石(15)の遠心膨張が小さいため、永久磁石(15)が円周方向に複数のセグメント(15a) に分割されていても、永久磁石(15)のラジアル方向の変位が小さく、また、セグメント(15a) 間に円周方向の隙間が生じることもない。したがって、永久磁石(15)による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりすることがなく、超伝導軸受装置(2) の動作が安定している。さらに、各ヨーク部材(19)が遠心膨張の小さい回転部材(14)の壁あるいは仕切り壁(17)の外周部分にそれぞれ圧入されているので、しめ代を小さくすることができ、ヨーク部材(19)の寸法管理および組立も容易である。なお、ヨーク部材(19)は、同じ凹みぞ(18)内の永久磁石(15)の内側に圧入されてもよい。このようにしても、ヨーク部材(19)の寸法管理については、その外側にある１つの永久磁石(15)の小さい遠心膨張だけを考慮すればよいので、やはりしめ代を小さくすることができ、寸法管理が容易である。
【００４２】
永久磁石回転装置(11)の非磁性体回転部材(14)の外側に固定されている補強部材(16)を構成するＣＦＲＰは、軽量でヤング率が大きい。そして、軽量であることより、高速回転時に補強部材(16)に作用する遠心力が小さく、しかもヤング率が大きいことより、遠心力による補強部材(16)の変形（遠心膨張）も小さい。このため、補強部材(16)の内側にはめられている回転部材(14)の遠心膨張も小さく抑えられ、その結果、回転永久磁石(15)の遠心膨張がさらに小さく抑えられる。同様に、フライホイール(10)の外側に固定されたＣＦＲＰ製の補強部材(12)により、フライホイール(10)の遠心膨張がおよび遠心破壊が防止される。
【００４３】
上記実施例では、永久磁石回転装置(11)が上方に、磁気支持装置(13)が下方に配置されているが、これらの上下関係を逆様にして、磁気支持装置が上方に、永久磁石回転装置が下方に配置されることもある。
【００４４】
図４は、この発明を電力貯蔵装置におけるフライホイール装置の非制御型磁気軸受装置に適用した第２実施例を示している。
【００４５】
図４には、フライホイール装置のうちの非制御型磁気軸受装置の部分だけが示されている。第２実施例のフライホイール装置の全体構成は、磁気支持装置として超伝導軸受装置のかわりに非制御型磁気軸受装置が用いられている点、初期位置決め装置が設けられていない点を除いて、第１実施例のフライホイール装置とほぼ同様であり、同じ部分には同一の符号を付している。また、第２実施例の説明において、図４に示されていない部分であって第１実施例と同じ部分については、図１の図面参照符号を使用して説明する。
【００４６】
非制御型磁気軸受装置(25)は、回転体(1) の永久磁石回転装置(26)と、その下面に対向するようにハウジング(7) に固定状に設けられた磁気支持装置(27)とから構成されている。
【００４７】
永久磁石回転装置(26)の非磁性体製回転部材(14)および補強部材(16)の構成は、第１実施例と同じである。この場合、永久磁石回転装置(26)はアキシアル方向の両端部に磁極が形成された複数の環状の回転永久磁石(28)を備えており、回転部材(14)の各凹みぞ(18)内に１つの永久磁石(28)だけが組込まれている。永久磁石(28)は、アキシアル方向の両端部に磁極が形成されたものであるから、環状の一体物にすることができる。永久磁石(28)の外周部分は、凹みぞ(18)の外周側の壁あるいは仕切り壁(17)の内周部分に圧入されている。永久磁石(28)の内周部分は、凹みぞ(18)の内周側の仕切り壁(17)あるいは壁の外周部分にゆるくはめ合わされ、これらの間にはほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間があけられている。ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石(28)の間に非磁性体製の仕切り壁(17)の部分が存在するので、非磁性体リングを別に組込む必要がない。そして、凹みぞ(18)内に永久磁石(28)を１つだけ圧入すればよいので、第１実施例の場合と同様、永久磁石(28)の寸法管理および組立が容易で、高速回転時の遠心力による永久磁石(28)の変形が小さく、永久磁石(28)が遠心破壊を起こすこともない。
【００４８】
磁気支持装置(27)は、永久磁石回転装置(26)の下面に所定の間隔をおいて対向するようにハウジング(7) に固定された穴あき円板状の非磁性体製固定部材(29)、および固定部材(29)の上面に同心状に設けられた複数の環状の固定永久磁石(30)を備えている。固定部材(29)の上面に、ラジアル方向の幅が比較的広い１つの環状凹所(31)が形成され、この凹所(31)内に、複数の環状の固定永久磁石(30)と、これらの間に挟まれた複数の非磁性体リング(32)とがはめられて固定されている。固定永久磁石(30)は、アキシアル方向の両端部に磁極が形成されたものである。固定永久磁石(30)の数は回転永久磁石(28)の数と同数であり、固定永久磁石(30)は回転永久磁石(28)にほぼ対向するように配置されている。各固定永久磁石(30)の磁極の配置は対応する回転永久磁石(28)のそれと逆で、各固定永久磁石(30)が対応する回転永久磁石(28)を磁気反発力によって上向きに付勢するようになっている。
【００４９】
第２実施例のフライホイール装置では、磁気支持装置(27)の固定永久磁石(30)と永久磁石回転装置(26)の回転永久磁石(28)の磁気反発力により、回転体(1) がアキシアル方向に非接触支持される。また、上下の制御型ラジアル磁気軸受装置(3)(4)により、回転体(1) がラジアル方向に非接触支持される。そして、発電電動機(6) により、回転体(1) が高速回転させられる。
【００５０】
他は、第１実施例の場合と同様である。
【００５１】
図５は、この発明を電力貯蔵装置におけるフライホイール装置の非制御型磁気軸受装置に適用した第３実施例を示している。
【００５２】
図５には、フライホイール装置のうちの非制御型磁気軸受装置の部分だけが示されている。第３実施例のフライホイール装置の全体構成は、第２実施例のフライホイール装置とほぼ同様であり、同じ部分には同一の符号を付している。
【００５３】
非制御型磁気軸受装置(34)は、回転体(1) の永久磁石回転装置(35)と、その上面に対向するようにハウジング(7) に固定状に設けられた磁気支持装置(36)とから構成されている。
【００５４】
フライホイール(10)、永久磁石回転装置(35)および磁気支持装置(36)は、第２実施例のフライホイール(10)、永久磁石回転装置(26)および磁気支持装置(27)の上下関係を逆にしたものであるから、対応する部分に同一の符号を付し、詳細な説明は省略した。
【００５５】
第３実施例の場合、磁気支持装置(36)の各固定永久磁石(30)の磁極の配置は対応する永久磁石回転装置(35)の回転永久磁石(28)のそれと同じで、各固定永久磁石(30)が対応する回転永久磁石(28)を磁気吸引力によって上向きに付勢するようになっている。
【００５６】
他は、第２実施例の場合と同様である。
【００５７】
第２および第３実施例においても、回転永久磁石(28)および固定永久磁石(30)として、内周側と外周側に磁極が形成された第１実施例の回転永久磁石(15)と同様のものを用いることができる。
【００５８】
【発明の効果】
この発明の永久磁石使用軸受装置および永久磁石回転装置によれば、上述のように、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易で、高速回転時の遠心力による永久磁石の変形が小さく、永久磁石が遠心破壊を起こすこともない。そして、遠心力による変形が小さいため、超伝導軸受装置に適用した場合も、動作が安定している。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示すフライホイール装置の概略縦断面図である。
【図２】図１のフライホイール装置の超伝導軸受装置の部分の拡大縦断面図である。
【図３】図１のIII −III 線の断面図である。
【図４】この発明の第２実施例を示すフライホイール装置の非制御型磁気軸受装置の部分の縦断面図である。
【図５】この発明の第３実施例を示すフライホイール装置の非制御型磁気軸受装置の部分の縦断面図である。
【符号の説明】
(1)               回転体
(2)               超伝導軸受装置
(7)               固定ハウジング（固定部分）
(11)(26)(35)      永久磁石回転装置
(13)(27)(36)      磁気支持装置
(14)              非磁性体製回転部材
(15)(28)          回転永久磁石
(16)              補強部材
(18)              環状凹みぞ
(21)              超伝導体
(25)(34)          非制御型磁気軸受装置
(30)              固定永久磁石
(A)               回転軸心
【図１】
0003663472.tif 000002
【図２】
0003663472.tif 000003
【図３】
0003663472.tif 000004
【図４】
0003663472.tif 000005
【図５】
0003663472.tif 000006