(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力貯蔵用フライホイールに用いられ、超電導軸受と制御式磁気軸受とによってスピンドルを支持する超電導スピンドルであって、
１／２乗回路または２乗回路を含み、電磁力指令値に比例した電磁力を発生させる前記制御式磁気軸受の制御回路と、
微分回路とローパス回路とを含む第１の回路と、
比例回路，積分回路および微分回路からなる第２の回路と、
前記第１の回路と前記第２の回路のそれぞれの出力を切換えて前記制御回路に与えるスイッチとを備え、
前記第１の回路は、その周波数特性がそのスピンドルの最高回転数を上限とした周波数帯域において進相特性を有する、超電導スピンドル。
【請求項２】
さらに、前記スピンドルの回転数を検出する検出回路を含み、前記スイッチは、前記検出回路によって予め設定された回転数が検出されたことに応じて、前記第１の回路の出力と前記第２の回路の出力とを切換えることを特徴とする、請求項１の超電導スピンドル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超電導スピンドルに関し、特に、酸化物超電導体を用いた磁気軸受を有し、電力貯蔵用フライホイールとして使用可能な超電導スピンドルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体を使用した磁気軸受は、液体窒素による冷却のみで安定した支持ができ、減速トルクが小さいことから、電力貯蔵用フライホイールに使われようとしている。しかしながら、超電導軸受の減衰能力は小さく、付加的な減衰機構なくしては固有振動数を超えて回転させることは不可能である。付加的な減衰機構として、制御式ラジアル磁気軸受が提案され、フィールドクール時の芯出し機構を兼ねて使われようとしている。
【０００３】
ここで、超電導磁気軸受の作用力には、マイスナー効果（完全反磁性）とピン止め力がある。マイスナー効果とは超電導体が磁場を完全に排除する性質であり、ピン止め力とは超電導体内の磁束がピン止め点に捕捉され、この状態で外部磁界の変化に抗して磁束の動きを止める力をいう。前述のフィールドクールとは、臨界温度以上で超電導体を永久磁石に近接した状態で冷却（磁場中冷却）することであり、初期に超電導体を貫いていた磁束が超電導体内のピン止め点に捕捉固定され、冷却前の磁束パターンとほぼ同じパターンが超電導体内に保持される。
【０００４】
ところで、電磁石電流と磁気吸引力は２次の関係にあり、一般に線形化のためバイアス電流が流される。
【０００５】
図５は従来の超電導磁気軸受装置の全体構成を示す図である。図５に示した例では、スピンドル８の下部に超電導体１と永久磁石２とからなる超電導軸受が配置され、その上にモータジェネレータ３が配置され、さらに制御式磁気軸受の電磁石４，５がロータ１００に対向するように配置されるとともに、位置センサ１３が設けられる。さらにそのうえに、超電導体６と永久磁石７とからなるラジアル型超電導軸受が配置されている。
【０００６】
図５に示した制御式磁気軸受の作動時には位置センサ１３の出力は比較器９に与えられ、この比較器９によって目標値ｒ１と位置センサ１３の出力とが比較演算された後、比例回路と積分回路と微分回路とからなるＰＩＤ調節器１０に与えられ、信号処理される。ＰＩＤ調節器１０の出力はダイオード１１を介して電磁力指令値Ｓ１となり、抵抗Ｒ７を介してパワーアンプ２３の非反転入力端子に与えられる。また、ＰＩＤ調節器１０の出力はダイオード１２を介して反転増幅器２１で反転されて電磁力指令値Ｓ２となり、抵抗Ｒ９を介してパワーアンプ２４の非反転入力端子に与えられる（なお、ダイオード１１，１２は理想ダイオードとして示す）。さらに、駆動回路２０には、バイアス電流設定回路２２が設けられ、このバイアス電流設定回路２２から抵抗Ｒ８とＲ１０を介してそれぞれバイアス電流の設定値がパワーアンプ２３，２４の各非反転入力端子に与えられる。
パワーアンプ２３，２４は電磁力指令値に比例した電流に、バイアス電流設定回路２２で設定されたバイアス電流を加算し、電磁力指令値と電磁力との線形化を図り、電磁石４，５を駆動する。また、電磁石４，５に流れる電流は、それぞれ電流検出抵抗Ｒ１，Ｒ２によって検出され、抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してパワーアンプ２３，２４の反転入力端子にフィードバックされる。この図５に示した制御式磁気軸受は超電導体１，６のフィールドクール時の芯出しや、軸受固有振動数通過時あるいは外乱作用時の振動減衰のために使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の制御式磁気軸受で使用されるバイアス電流は、負荷が０であっても印加されるため、ロータに交番磁界が加わり、渦電流損を生じる。この渦電流損はロータにブレーキを生じさせ、電力貯蔵用フライホイールとしては好ましくないという欠点があった。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、バイアス電流による渦電流損によるブレーキが生じないような超電導スピンドルを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、電力貯蔵用フライホイールに用いられ、超電導軸受と制御式磁気軸受とによってスピンドルを支持する超電導スピンドルであって、１／２乗回路または２乗回路を含み、電磁力指令値に比例した電磁力を発生させる制御式磁気軸受の制御回路と、微分回路とローパス回路とを含む第１の回路と、比例回路，積分回路および微分回路からなる第２の回路と、第１の回路と第２の回路のそれぞれの出力を切換えて制御回路に与えるスイッチとを備え、第１の回路は、その周波数特性がそのスピンドルの最高回転数を上限とした周波数帯域において進相特性を有するように構成される。
【００１０】
請求項２に係る発明では、さらに、スピンドルの回転数を検出する検出回路を含み、請求項１のスイッチは、検出回路によって予め設定された回転数が検出されたことに応じて、第１の回路の出力と第２の出力とを切換える。
【００１３】
この発明に係る超電導スピンドルは、電磁力指令値の１／２乗に比例した電流を流すことによって、電磁力指令値と電磁力間を比例関係にすることができ、バイアス電流を流すことなく、渦電流損によるブレーキが生じることがない。さらに、２種類の回路を持ち、スピンドルの状態によってそれら回路を切替えることで、スピンドル回転時のロータ減衰を有効的に与えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施の形態の構成を示す図である。図１において、超電導スピンドルは、従来例で示した図５と同様にして構成されるが、第１の回路としてのＰＩＤ調節器１０以外に、第２の回路としての微分回路３４と、ＰＩＤ調節器１０の出力と微分回路３４の出力とを切換えるためのスイッチ３５が設けられる。微分回路３４には目標値ｒ２と位置センサ１３の出力とを比較する比較器１４の出力が与えられる。さらに、駆動回路３０は、ダイオード１１を介して与えられる電磁力指令値を反転するための反転増幅器３１とこの反転増幅器３１の出力を１／２乗する１／２乗回路３３と、ダイオード１２を介して与えられる電磁力指令値を１／２乗する１／２乗回路３２とを含み、さらに図５と同様にしてパワーアンプ２３，２４を含む。
【００１５】
次に、図１に示した実施の形態の動作について説明する。超電導体のフィールドクール時にはスイッチ３５がオフにされ、スピンドル回転中の振動減衰時にはオンにされる。そして、超電導体のフィールドクール時の芯出しの場合には、位置センサ１３の出力が比較器９によって目標値ｒ１と比較演算された後、ＰＩＤ調節器１０とダイオード１１，１２と反転増幅器３１とによって信号処理され、電磁力指令値Ｓ３，Ｓ４が生成される。これらの電磁力指令値Ｓ３，Ｓ４は１／２乗回路３２，３３に与えられ、パワーアンプ２３，２４を介して電磁石４，５に電磁力指令値の１／２乗に比例した電磁石電流が流れる。この電磁石電流は電磁石電流検出抵抗Ｒ１，Ｒ２で検出され、その検出値がパワーアンプ２３，２４にフィードバックされることにより電流制御される。
【００１６】
一方、スピンドル回転中の振動減衰のために制御式磁気軸受を作動させる場合には、位置センサ１３の出力が比較器１４によって目標値ｒ２と比較演算された後、微分回路３４とダイオード１１，１２で信号処理され、電磁力指令値Ｓ３，Ｓ４が生成される。そして、前述の説明と同様にして、電磁石４，５には電磁力指令値の１／２乗に比例した電磁石電流が流される。このときも、電磁石電流が検出抵抗Ｒ１，Ｒ２で検出され、その検出値がパワーアンプ２３，２４にフィードバックされることにより、電流制御される。微分回路３４によってセンサ出力の微分値に比例した電磁力を加えることにより、スピンドル８のロータに減衰を与えることができる。
【００１７】
しかしながら、微分回路３４による減衰は広範囲の周波数域に作用する必要はない。一般には、スピンドルの回転数域にあればよく、微分回路３４にさらにローパス回路を付加することにより、不必要な高周波域の信号をカットするとともに、高周波ノイズの除去のためにも効果がある。
【００１８】
図２はこの発明の他の実施の形態を示す図である。前述の図１に示した実施の形態では１／２乗回路３２，３３を使用して、１／２乗に比例した電磁石電流を電磁石４，５に流すようにしたが、この図２に示した実施の形態は、電磁石の駆動回路４０を２乗回路４１，４２とパワーアンプ２３，２４と反転増幅器３１とによって構成したものである。すなわち、抵抗Ｒ１，Ｒ２で検出された電磁石電流を２乗回路４１，４２で２乗した値Ｓ７，Ｓ８と各電磁力指令値Ｓ５，Ｓ６との差動増幅値によってパワーアンプ２３，２４から各電磁石４，５に電磁石電流を流すことにより、電磁力指令値の１／２乗に比例した電磁石電流を流すようにしたものである。この実施の形態においても、超電導体のフィールドクール時にはスイッチ３５をオフし、スピンドル回転中の振動減衰時にはオンにすればよい。
【００１９】
図３はこの発明のさらに他の実施の形態を示す図である。この実施の形態は、図１に示した実施の形態のスイッチ３５をスピンドルの回転数に応じて切換えるようにしたものである。すなわち、スピンドル８の回転数を検出するために、回転数検出センサ５１がスピンドル内に設けられる。回転数検出センサ５１の検出信号は比較演算器５３の比較入力端に与えられ、その基準入力端には切換周波数設定回路５２の出力が与えられる。比較演算器５３は、スピンドルの回転数が切換周波数設定回路５２で設定された回転数より高い場合に、リレー５４を駆動する。リレー５４が駆動されると、スイッチ３５がオンする。また、スピンドル回転数が設定された切換周波数よりも低い場合には、リレー５４が駆動されず、スイッチ３５はオフとなる。
【００２０】
図４はこの発明のその他の実施の形態を示す図である。この図４に示した実施の形態は、図３の実施の形態と同様にして、スピンドルの回転数によって図２に示したスイッチ３５を切換えるようにしたものであり、回転数検出センサ５１と切換周波数設定回路５２と比較演算器５３とリレー５４とが設けられ、その構成および動作は図３の説明と同じであるので省略する。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、１／２乗回路または２乗回路によって電磁力指令値に比例した電磁力を発生できるようにしたので、バイアス電流を使用することなく、渦電流損によるブレーキを生じることがない。また、２種類の回路を切替えるようにしたので、回路の切替でロータに減衰を有効的に与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の構成を示す図であり、１／２乗回路を用いた例を示す。
【図２】この発明の他の実施の形態の構成を示す図であって、２乗回路を用いた例を示す。
【図３】この発明のさらに他の実施の形態の構成を示す図であって、１／２乗回路を用いかつスピンドルの回転数でスイッチを切換えるようにした例を示す。
【図４】この発明のその他の実施の形態の構成を示す図であって、２乗回路を用いかつスピンドルの回転数に応じてスイッチを切換えるようにした例を示す。
【図５】従来の超電導軸受装置の全体の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，６  超電導体
２，７  永久磁石
３  モータジェネレータ
４，５  電磁石
９，１４  比較演算器
１０  ＰＩＤ調節器
２３，２４  パワーアンプ
３１  反転増幅器
３２，３３  １／２乗回路
３４  微分回路
３５  スイッチ
４１，４２  ２乗回路
５１  回転数検出センサ
５２  周波数設定回路
５３  比較演算器
５４  リレー
【図１】
0003698772.tif 000002
【図２】
0003698772.tif 000003
【図３】
0003698772.tif 000004
【図４】
0003698772.tif 000005
【図５】
0003698772.tif 000006