(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部分に対して回転体を非接触状態に浮上させて回転支持する超電導磁気軸受であって、前記固定部分側に設けられた超電導体部と、この超電導体部に対向するように前記回転体側に設けられた永久磁石部とを備えており、前記超電導体部が、内部を冷却流体が循環させられる環状の冷却容器と、この冷却容器内に配置された環状の超電導体とを備え、前記永久磁石部が、前記冷却容器の壁を介して前記超電導体に対向するように配置された環状の永久磁石を備えている超電導磁気軸受において、
前記超電導体の内外両周面および両端面とこれらに対向する前記冷却容器の壁との間に、冷却流体が通る冷却流体流通空間が形成され、前記冷却流体流通空間に、前記冷却容器に対して前記超電導体を径方向に保持するばね状の間隔保持部材が設けられていることを特徴とする超電導磁気軸受。
【請求項２】
前記超電導体部が、前記回転体の軸方向に並べて配置された複数の冷却容器と、これら各冷却容器内にそれぞれ配置された超電導体とを備えていることを特徴とする請求項１の超電導磁気軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置などに適用される超電導磁気軸受に関する。さらに詳しくは、超電導体と永久磁石を使用して、固定部分に対して回転体を非接触状態に浮上させて回転支持する超電導磁気軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の超電導磁気軸受は、固定部分側に設けられた超電導体部と、この超電導体部に対向するように回転体側に設けられた永久磁石部とを備えている。超電導体部は、内部を液体窒素などの冷却流体が循環させられる冷却容器と、この冷却容器内に配置された超電導体とを備えている。永久磁石部は、冷却容器の壁を介して超電導体に対向するように配置された永久磁石を備えている。超電導磁気軸受による磁気浮上力を高めるためには、超電導体と永久磁石との間隔をできるだけ小さくする必要がある。このため、従来は、永久磁石とこれに対向する冷却容器の壁との間隔をできるだけ小さくし、この壁の厚さをできるだけ小さくし、この壁の内面に密着するように超電導体を配置している。そして、超電導体の永久磁石側の面以外の面と冷却容器の壁との間を流通する冷却流体により超電導体を冷却している。
【０００３】
ところで、上記のような超電導磁気軸受では、永久磁石が回転体とともに回転することにより、超電導体の表面は磁場変化を受ける。これは、永久磁石の磁束密度のむらおよび回転体の回転振れによる磁束密度の変化が原因である。そして、この磁場変化により超電導体の遮蔽電流が変化し、超電導体表面での交流損失が発生する。これにより、超電導体は発熱する。ところが、超電導体の永久磁石側の面は冷却容器の壁に密着していて、これを冷却流体で直接冷却できないので、超電導体の発熱を除去することができず、超電導体の温度が若干上昇する。このため、超電導体の臨界電流密度が低下して、超電導体の磁気力が低下してしまう。その結果、超電導磁気軸受の特性である磁気浮上力が低下したり、回転損失が増加したりする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、超電導体を効果的に冷却して、磁気浮上力の低下を防止できる超電導磁気軸受を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による超電導磁気軸受は、固定部分に対して回転体を非接触状態に浮上させて回転支持する超電導磁気軸受であって、前記固定部分側に設けられた超電導体部と、この超電導体部に対向するように前記回転体側に設けられた永久磁石部とを備えており、前記超電導体部が、内部を冷却流体が循環させられる環状の冷却容器と、この冷却容器内に配置された環状の超電導体とを備え、前記永久磁石部が、前記冷却容器の壁を介して前記超電導体に対向するように配置された環状の永久磁石を備えている超電導磁気軸受において、前記超電導体の内外両周面および両端面とこれらに対向する前記冷却容器の壁との間に、冷却流体が通る冷却流体流通空間が形成され、前記冷却流体流通空間に、前記冷却容器に対して前記超電導体を径方向に保持するばね状の間隔保持部材が設けられていることを特徴とするものである。
【０００６】
環状の超電導体の全表面とこれらに対向する冷却容器の壁との間に形成された冷却流体流通空間を通る冷却流体により、超電導体のほぼ全表面が直接冷却される。このため、超電導体の発熱を防止し、磁気浮上力の低下や回転損失の増加を抑制することができる。
【０００７】
また、間隔保持部材により、確実に、冷却容器に対し超電導体を保持して、冷却容器の壁との間に冷却流体流通空間を形成することができる。
【０００８】
間隔保持部材は、適度な弾性を有するばね状のものである。ばね状の間隔保持部材として、たとえば、波状に整形したリング、薄肉の円筒などが用いられる。
【０００９】
ばね状の間隔保持部材を用いると、そのダンピング効果により、危険速度での回転体の振動を抑制することができる。また、間隔保持部材により、冷却容器と超電導体との熱収縮率の差を吸収することができる。
【００１３】
たとえば、前記超電導体部が、前記回転体の軸方向に並べて配置された複数の冷却容器と、これら各冷却容器内にそれぞれ配置された超電導体とを備えている。
【００１４】
大型の超電導磁気軸受において、磁気浮上力を大きくしようとすると、超電導体部および永久磁石部を軸方向に長いものにしなければならない。しかし、そうすると、超電導体が縦長のものになり、成形が困難である。また、冷却容器も縦長になって、容積が大きくなるため、超電導体の冷却が困難になる。
【００１５】
上記のように複数の冷却容器を軸方向に並べると、それぞれの冷却容器をあまり大きくする必要がない。このため、超電導体を縦長のものにする必要がなく、その成形が容易である。また、各冷却容器の容積も大きくならず、超電導体を効果的に冷却することができる。さらに、超電導体部全体は軸方向に長いものになるため、磁気浮上力が大きくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール式電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、電力貯蔵装置の主要部を示している。
【００１８】
図１に示すように、ハウジング(1)内の中心に鉛直な固定軸(2)が固定され、その周囲に鉛直な円筒状の回転体(3)が配置されている。ハウジング(1)は略円筒状をなすものであり、その内部は、風損を防ぐため、真空状態に保持されている。図１には、ハウジング(1)の頂壁と底壁だけが示されている。ハウジング(1)と固定軸(2)により、固定部分が構成されている。回転体(3)の外周には、余剰電力を回転運動エネルギに変換して貯蔵しておくためのフライホイール(4)が設けられ ている。
【００１９】
固定軸(2)と回転体(3)との間に、運転時に回転体(3)を軸方向（アキシアル方 向）および径方向（ラジアル方向）に非接触支持するための上下２組の超電導磁気軸受(5)(6)、ならびに電力貯蔵時に回転体(3)を高速回転させる電動機として 電力取出し時に発電機として機能する内蔵型の発電兼用電動機(7)が設けられて いる。以下、超電導磁気軸受を略して超電導軸受と呼ぶことにする。電動機(7) は、固定軸(2)に設けられたステータ部(7a)と、回転体(3)に設けられたロータ部(7b)とから構成されている。
【００２０】
図示は省略したが、回転体(3)の外周とハウジング(1)の周壁との間に、運転時に回転体(3)を径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、および起動時に回転体(3)を軸方向に非接触支持しておくための制御型アキ シアル磁気軸受が設けられている。
【００２１】
ハウジング(1)の底壁に、超電導軸受(5)(6)および磁気軸受による支持がなく なったときに回転体(3)の下部を機械的に支持するためのタッチダウン軸受(8)が設けられている。
【００２２】
上部超電導軸受(5)の構成の１例が、図２に示されている。上下の超電導軸受(5)(6)は同様の構成を有するので、以下、上部超電導軸受(5)について説明する。
【００２３】
超電導軸受(5)は、固定軸(2)の上部外周部に同心状に設けられた環状超電導体部(10)、および超電導体部(10)に径方向に対向するように回転体(3)の内周部に 同心状に設けられた永久磁石部(11)よりなる。超電導体部(10)は、上下２組の冷却ユニット(10a)(10b)より構成されている。永久磁石部(11)は、２組の冷却ユニット(10a)(10b)にそれぞれ対応する上下２組の永久磁石ユニット(11a)(11b)より構成されている。固定軸(2)の外周にフランジ(14)が固定され、その上に、２組 の冷却ユニット(10a)(10b)が上下方向すなわち軸方向に並べて固定されている。フランジ(14)は、好ましくは、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）など、断熱性を有する非磁性材料で作られる。上下の冷却ユニット(10a)(10b)は同様の構成を有し、上下の永久磁石ユニット(11a)(11b)は同様の構成を有するので、以下、上側の冷却ユニット(10a)および永久磁石ユニット(11a)について説明する。
【００２４】
回転体(3)の内周に上下複数の環状永久磁石(15)が上下複数の環状鉄製ヨーク(16)を介して配置され、これにより永久磁石ユニット(11a)が形成されている。たとえば、各永久磁石(15)は軸方向の両端部に磁極を有し、上下に隣接する永久磁石(15)の対向する磁極が同極性となるように配置されており、ヨーク(16)が磁極となる。また、永久磁石(15)は回転体(3)と同心状に配置され、回転体(3)の回転軸心の周囲における永久磁石(15)の磁束分布が回転体(3)の回転によって変化し ないようになされている。
【００２５】
冷却ユニット(10a)は、冷却流体が循環させられる環状の冷却容器（クライオ スタット）(17)と、容器(17)内に配置された環状の第２種超電導体(18)とを備えている。冷却流体は、好ましくは、液体であり、この例では液体窒素が用いられる。冷却容器(17)は、固定軸(2)と同心状に配置されている。容器(17)は、上面 が開口した環状の容器本体(19)と、その上面を塞ぐ蓋(20)とから構成され、容器(17)の内部に、軸線を通る断面形状が長方形状の冷却空間が形成されている。容器(17)は、好ましくは、ＦＲＰなど、断熱性を有する非磁性材料で作られる。容器本体(19)および蓋(20)の円周方向の１箇所に、径方向内側に膨出した膨出部(19a)(20a)が設けられている。容器本体(19)内部の内周壁(19b)と底壁(19c)との境界部に、膨出部(19a)に対応する部分を除いて、略環状の突起(21)が一体に形成 されている。容器本体(19)内部の外周壁(19d)と底壁(19c)との境界部を周方向に等分する複数箇所に、突起(22)が一体に形成されている。容器本体(19)の内周壁(19b)内面に近接する蓋(20)の内面に、膨出部(20a)に対応する部分を除いて、略環状の突起(23)が一体に形成されている。容器本体(19)の外周壁(19d)内面に近 接する蓋(20)の内面を周方向に等分する複数箇所に、突起(24)が一体に形成されている。
【００２６】
超電導体(18)は、鉛直円筒状をなす。超電導体(18)の内径は容器本体(19)の内周壁(19b)の外径より大きく超電導体(18)の外径は容器本体(19)の外周壁(19d)の内径よりわずかに小さい。超電導体(18)は容器(17)内に同心状に配置され、超電導体(18)の外周部が容器本体(19)の外周側の突起(22)と蓋(20)の外周側の突起(24)との間に挟まれ、これにより、超電導体(18)が軸方向に移動しないようになっている。超電導体(18)の外周面と容器本体(19)の外周壁(19d)との間、および超 電導体(18)の内周面と容器本体(19)の内周壁(19b)との間に、それぞれ、液体窒 素が通る冷却流体流通空間(25)(26)が形成されている。
【００２７】
永久磁石ユニット(11a)と容器本体(19)の外周壁(19d)との径方向の間隔、外周壁(19d)の径方向の厚み、外側の流通空間(25)の径方向の間隔の寸法の１例を挙 げると、それぞれ、１ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍである。なお、図面には、これらを実際より大きく表わしている。
【００２８】
各流通空間(25)(26)に、それぞれ、超電導体(18)を径方向に保持する間隔保持部材(27)(28)が設けられている。図３に詳細に示すように、各保持部材(27)(28)は、円筒状の基部(27a)(28a)を円周方向に等分する複数箇所に全高にわたる波形の突条(27b)(28b)が一体に形成された波状のリングよりなる。これらの保持部材(27)(28)は、好ましくは、ＦＲＰなど、断熱性を有する非磁性材料で作られる。外側の保持部材(27)は、容器本体(19)の外周側の突起(22)と蓋(20)の外周側の突起(24)の間に挟まれて、軸方向に支持されている。内側の保持部材(28)は、容器本体(19)の内周側の突起(21)と蓋(20)の内周側の突起(23)の間に挟まれて、軸方向に支持されている。外側の保持部材(27)では、基部(27a)が容器本体(19)の外 周壁(19d)の内面に密着し、突条(27b)の頂部が超電導体(18)の外周面に接触する。内側の保持部材(28)では、基部(28a)が容器本体(19)の内周壁(19b)の内面に密着し、突条(28b)の頂部が超電導体(18)の内周面に接触する。
【００２９】
超電導体(18)は、たとえばイットリウム系超電導体、たとえばＹＢa2Ｃu3Ｏ7-xからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ2ＢａＣu）を均一に混在させたも のからなり、第２種超電導状態が出現する環境下において、永久磁石(15)から発せられる磁束侵入を拘束する性質を有するものである。そして、超電導体(18)は、上記のように配置されることにより、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(3)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。
【００３０】
冷却用流体供給管(29)および同排出管(30)が容器(17)の蓋(20)の膨出部(20a) に貫通状に固定され、供給管(29)の一端が容器本体(19)の膨出部(19a)内の下部 に位置し、排出管(30)の一端が膨出部(19a)内の上部に位置している。供給管(29)および排出管(30)の他端側は、ハウジング(1)を貫通して、図示しない冷却装置に接続されている。そして、この冷却装置により、次のように、液体窒素が容器(17)内を循環させられ、容器(17)内に満たされる液体窒素により超電導体(18)が冷却される。
【００３１】
冷却装置から出た液体窒素は、供給管(29)を通って容器本体(19)の膨出部(19a)の下部に入り、容器(17)内に満たされる。そして、容器(17)内の液体窒素が、 膨出部(19a)内の上部から排出管(30)に入り、冷却装置に戻される。容器(17)内 において、超電導体(18)の上下の空間および超電導体(18)の内外の流通空間(26)(25)を通る液体窒素により、超電導体(18)のほぼ全面が直接冷却されるので、超電導体(18)を効率良く冷却することができる。液体窒素の一部は、容器(17)内を循環している間に気化して窒素ガスとなり、その一部は容器(17)内の上部に溜まる。しかし、窒素ガスの層の最下部が排出管(30)の下端の高さまで下がると、窒素ガスは排出管(30)に入って排出されるため、窒素ガスは排出管(30)の下端より下方に溜まることはない。すなわち、窒素ガスは、排出管(30)の下端より上方の容器(17)内の最上部のわずかな部分に溜まるだけである。そして、排出管(30)の下端が超電導体(18)の最上部とほぼ同じ高さに位置しているので、超電導体(18)の周囲には窒素ガスは溜まらない。このため、超電導体(18)の周囲には液体窒素だけが充満し、超電導体(18)は常に液体窒素によって完全に冷却され、良好な超電導状態が得られる。
【００３２】
下側の冷却ユニット(10b)および永久磁石ユニット(11b)において、上側のものと同じ部分には同一の符号を付している。下側の冷却ユニット(10b)の容器(17) はフランジ(14)の上に同心状に固定され、その上に上側の冷却ユニット(10a)の 容器(17)が同心状に固定されている。好ましくは、上下の容器本体(19)の膨出部(19a)は互いに対称位置に配置される。
【００３３】
下部超電導軸受(6)において、上部超電導軸受(5)と同じ部分には同一の符号を付している。下部超電導軸受(6)では、供給管(29)および排出管(30)は固定軸(2)の中心に形成された穴(31)に通され、途中で分岐して容器(17)に導かれている。
【００３４】
上記の電力貯蔵装置は、たとえば、次のようにして起動される。
【００３５】
まず、ラジアル磁気軸受およびアキシアル磁気軸受を作動状態にし、回転体(1)を径方向および軸方向に非接触支持して、所定の運転位置に浮上させる。次に 、各超電導軸受(5)(6)の容器(17)内に液体窒素を供給し、超電導体(18)を所定の温度まで冷却して第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。このように、永久磁石(15)から発せられる磁束がその内側に位置する超電導体(18)の内部に侵入している状態で、超電導体(18)を冷却（磁場冷却）して第２種超電導状態にすると、超電導体(18)の内部に侵入していた磁束の多くがそのまま超電導(18)の内部のピン止め点にピン止めされて、超電導体(18)の内部に拘束される。次に、アキシアル磁気軸受を非作動状態にする。これにより、回転体(3)の重量が超 電導磁気軸受(5)(6)によって支持され、回転体(3)は超電導磁気軸受(5)(6)とラ ジアル磁気軸受により運転位置に非接触支持されるので、電動機を駆動して、回転体(3)を高速回転させる。このとき、超電導体(18)に侵入した磁束は、磁束分 布が回転体(3)の回転軸心に対して均一で不変である限り、理想的には回転を妨 げる抵抗とはならない。
【００３６】
図４は、外側の容器本体(19)の外周壁(19d)と超電導体(18)との間の間隔保持 部材の変形例を示している。この保持部材(32)は、軸とハウジングの締結やハウジングに対する転がり軸受の軌道輪の固定などのために使用されるトレランスリングをそのまま用いたものであり、円筒状の基部(32a)を周方向に等分する複数 箇所が内側に切り起こされて、軸方向にのびる波形の突起(32b)が形成されてい る。
【００３７】
図５は、間隔保持部材の他の変形例を示している。この場合、間隔保持部材(33)は小径で薄肉の円筒より構成されている。容器本体(19)の外周壁(19d)の内周 面を周方向に等分する複数箇所に上下方向にのびる浅い円弧状のみぞ(34)が形成されており、保持部材(33)の一部がこのみぞ(34)にはめられ、反対側の部分が超電導体(18)の外周面に接触している。
【００３９】
図５の場合において、内側の冷却流体流通空間(26)に、上記と同様の間隔保持部材(28)を設けることができる。なお、この保持部材(28)を設けない場合は、容器(17)内に突起(21)を形成する必要はない。
【００４０】
電力貯蔵装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００４１】
上記実施形態では、上下２組の超電導軸受(5)(6)により回転体(3)の上下２箇 所が支持されているが、超電導軸受は１組だけ設けられることもある。
【００４２】
上記実施形態では、超電導軸受(5)(6)が上下２組の冷却ユニット(10a)(10b)および永久磁石ユニット(11a)(11b)で構成されているが、超電導軸受は３組以上の冷却ユニットおよび永久磁石ユニットで構成されることもあるし、１組の冷却ユニットおよび永久磁石ユニットだけで構成されることもある。なお、超電導軸受の超電導体部が上下複数の冷却ユニットに分かれている場合でも、永久磁石部は必ずしも複数組の冷却ユニットに分ける必要はない。
【００４３】
上記実施形態では、冷却用流体として液体窒素が用いられているが、液体窒素以外の流体を用いることもできる。
【００４４】
上記実施形態では、超電導体部(10)と永久磁石部(11)が径方向（水平方向）に対向しているが、この発明は、超電導体部と永久磁石部が軸方向（上下方向）に対向する形式の超電導磁気軸受にも適用することができる。
【００４５】
超電導磁気軸受には、冷却により第１種超電導状態を出現する第１種超電導体を使用し、第１種超電導体の第１種超電導状態における完全反磁性現象（マイスナー効果）を利用して回転体を非接触支持するものもあるが、この発明は、このような第１種超電導体を使用した超電導磁気軸受にも適用することができる。
【００４６】
さらに、この発明の超電導磁気軸受は、電力貯蔵装置以外の装置に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、この発明の実施形態を示す電力貯蔵装置の主要部の概略縦断面図である。
【図２】  図２は、図１の上部超電導磁気軸受の部分を拡大して示す概略縦断面図である。
【図３】  図３は、図２の上部超電導磁気軸受の一部を拡大して示す水平断面図である。
【図４】  図４は、間隔保持部材の変形例を示す斜視図である。
【図５】  図５は、間隔保持部材の他の変形例を示す図３相当の図面である。
【符号の説明】
(1)                     ハウジング
(2)                     固定軸
(3)                     回転体
(5)(6)                  超電導磁気軸受
(10)                    超電導体部
(10a)(10b)              冷却ユニット
(11)                    永久磁石部
(11a)(11b)              永久磁石ユニット
(15)                    永久磁石
(17)                    冷却容器
(18)                    超電導体
(19)                    容器本体
(19b)                   内周壁
(19d)                   外周壁
(25)(26)                冷却流体流通空間
(27)(28)(32)(33)        間隔保持部材
【図１】
0004058831.tif 000002
【図２】
0004058831.tif 000003
【図３】
0004058831.tif 000004
【図４】
0004058831.tif 000005
【図５】
0004058831.tif 000006