(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直状の回転体と、回転体に同心状に取付けられた環状永久磁石部および永久磁石部と対向しかつ軸方向に移動しうるように固定部に取付けられた環状超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導軸受部と軸方向に離隔しかつ互いに異なる２つの高さ位置にそれぞれ設けられて回転体の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する制御型ラジアル方向磁気軸受部と、回転体を固定部に対して非接触状態に浮上させる制御型アキシアル方向磁気軸受部と、回転体に設けられたロータ部および固定部に設けられてロータ部の周囲に配置されたステータ部よりなる回転駆動用電動機と、回転体の回転速度を検出する回転速度センサとを備えており、
上下のラジアル方向磁気軸受部およびアキシアル方向磁気軸受部を作動させて回転体を所定位置に非接触支持し、次に、回転駆動用電動機により回転体を所定の回転数で回転させた後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第１の回転損失を求め、次に、上記と同様に上下のラジアル方向磁気軸受部およびアキシアル方向磁気軸受部で回転体を所定位置に非接触支持した後、超電導体部を冷却して超電導状態に保持することにより超電導軸受部を作動状態に保持し、超電導体部の位置を軸方向に変動させて超電導軸受部に一定の負荷を発生させ、回転駆動用電動機により回転体を上記と同じ回転数で回転させた後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第２の回転損失を求め、第２の回転損失から第１の回転損失を減ずることにより超電導軸受部の回転損失を求めるようになされ、
さらに、第２の回転損失を求める際に、超電導体部の軸方向の位置を変更して超電導軸受部に負荷される荷重を種々変更できるようになされていることを特徴とする超電導軸受部の回転損失測定装置。
【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備えられている超電導軸受部の回転損失測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力貯蔵装置として、鉛直状の回転体と、回転体に固定状に設けられたフライホイールと、回転体に設けられたロータ部および固定部に設けられてロータ部の周囲に配置されたステータ部よりなる回転駆動用電動機と、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および永久磁石部と対向するように固定部に配置された環状超電導体部よりなる超電導軸受部とを備えたものが知られている（特開平４−３７０４１７号参照）。
【０００３】
このような電力貯蔵装置において、停電時にフライホイールに貯蔵された運動エネルギを電気エネルギとして効率良く取出すためには、超電導軸受部の回転損失を小さくする必要がある。
【０００４】
ところが、従来、超電導軸受部の回転損失は明確化されておらず、また、十分な機能を有する回転損失測定装置も存在しなかった。したがって、フライホイールに貯蔵された運動エネルギを電気エネルギとして効率良く取出すための超電導軸受部における環状永久磁石部および環状超電導体部の最適の仕様を決めるためには、実際の電力貯蔵装置を運転し、電動機を停止させてフライホイールに貯蔵された運動エネルギを電気エネルギとして取出す作業を、超電導軸受部における環状永久磁石部および環状超電導体部の仕様を種々変更して行う必要がある。その結果、作業が面倒であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本出願人は、鉛直状の回転体と、回転体に同心状に取付けられた環状永久磁石部および永久磁石部と対向するように固定部に取付けられた環状超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導軸受部と軸方向に離隔しかつ互いに異なる２つの高さ位置にそれぞれ設けられて回転体の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する制御型ラジアル方向磁気軸受部と、回転体を固定部に対して非接触状態に浮上させる永久磁石と、回転体に設けられたロータ部および固定部に設けられてロータ部の周囲に配置されたステータ部よりなる回転駆動用電動機と、回転体の回転速度を検出する回転速度センサとを備えている超電導軸受部の回転損失測定装置を提案した（特開平８−８６７０３号公報参照）。
【０００６】
この装置によれば、超電導軸受部を電力貯蔵装置などの実際の装置に組み込む前に、超電導軸受部の回転損失を求めて、超電導軸受部を構成する環状永久磁石部および環状超電導体部の最適の設計仕様を決めることができる。
【０００７】
ところで、上記のような装置を使用して超電導軸受部の回転損失を測定する場合、超電導部に負荷する軸方向（鉛直方向）の荷重を広範囲に種々に変更して測定することが望まれる。
【０００８】
上記の装置では、永久磁石の上向きの反発力により回転体を固定部に対して浮上させているため、超電導軸受部に負荷することができる荷重は回転体の自重以外に変化させることはできない。また、回転体の軸方向の支持は永久磁石の反発力による受動型のものであるから、回転体に軸方向の振動が生じ、測定に誤差が生じるおそれがある。
【０００９】
【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、超電導軸受部の最適設計を行うために超電導軸受部に負荷する荷重を広範囲に種々に変更して超電導軸受部の回転損失を正確に測定できる装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による装置は、鉛直状の回転体と、回転体に同心状に取付けられた環状永久磁石部および永久磁石部と対向しかつ軸方向に移動しうるように固定部に取付けられた環状超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導軸受部と軸方向に離隔しかつ互いに異なる２つの高さ位置にそれぞれ設けられて回転体の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する制御型ラジアル方向磁気軸受部と、回転体を固定部に対して非接触状態に浮上させる制御型アキシアル方向磁気軸受部と、回転体に設けられたロータ部および固定部に設けられてロータ部の周囲に配置されたステータ部よりなる回転駆動用電動機と、回転体の回転速度を検出する回転速度センサとを備えており、上下のラジアル方向磁気軸受部およびアキシアル方向磁気軸受部を作動させて回転体を所定位置に非接触支持し、次に、回転駆動用電動機により回転体を所定の回転数で回転させた後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第１の回転損失を求め、次に、上記と同様に上下のラジアル方向磁気軸受部およびアキシアル方向磁気軸受部で回転体を所定位置に非接触支持した後、超電導体部を冷却して超電導状態に保持することにより超電導軸受部を作動状態に保持し、超電導体部の位置を軸方向に変動させて超電導軸受部に一定の負荷を発生させ、回転駆動用電動機により回転体を上記と同じ回転数で回転させた後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第２の回転損失を求め、第２の回転損失から第１の回転損失を減ずることにより超電導軸受部の回転損失を求めるようになされ、さらに、第２の回転損失を求める際に、超電導体部の軸方向の位置を変更して超電導軸受部に負荷される荷重を種々変更できるようになされていることを特徴とするいるものである。
【００１１】
この装置において、次のようにして超電導部の回転損失が測定される。
【００１２】
まず、上下２箇所のラジアル方向磁気軸受部により回転体をラジアル方向（水平方向）の所定位置に非接触支持するとともに、アキシアル方向磁気軸受部により回転体をアキシアル方向（鉛直方向）の所定位置に非接触支持して、固定部に対して回転体を非接触状態に浮上させ、次いで、回転駆動用電動機を作動させて回転体を所定の回転数で回転させる。その後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第１の回転損失を求める。このとき、超電導軸受部の環状超電導体部の超電導体は常温の常電導状態に保持され、超電導軸受部は非作動状態になっている。
【００１３】
一方、上記と同様にラジアル方向磁気軸受部とアキシアル方向磁気軸受部とで回転体を非接触状態に浮上させた後、超電導軸受部の環状超電導体部の超電導体を所定温度まで冷却して超電導状態に保持する。この後、超電導軸受部の超電導体部の位置を軸方向に変動させる。これにより、超電導軸受部は作動状態になるが、回転体は制御型磁気軸受部によってラジアル方向およびアキシアル方向に非接触支持されている。次に、回転駆動用電動機を作動させて回転体を上記と同じ回転数で回転させる。その後、電動機を停止させて回転体を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサで検出し、そのデータを用いて第２の回転損失を求める。
【００１４】
そして、第２の回転損失から第１の回転損失を減ずることにより、超電導軸受部の回転損失が求められる。
【００１５】
第２の回転損失を求める際、超電導軸受部を作動状態にした後もアキシアル方向磁気軸受部をそのまま作動させており、回転体の重量はアキシアル方向磁気軸受部によって支持されるので、超電導軸受部に負荷される軸方向の荷重はほぼ零である。超電導軸受部の超電導体部を下方または上方へ移動させれば、その移動量により、超電導軸受部に負荷される荷重を回転体の自重よりも大きくまたは小さくすることができる。したがって、超電導軸受部に負荷する荷重を広範囲にわたって種々に変更することができる。また、回転体の軸方向の位置は制御型アキシアル方向磁気軸受部によって制御されるので、回転体の軸方向の振動を小さくすることができ、したがって、正確な測定が可能になる。
【００１６】
この発明の装置によれば、超電導軸受部を電力貯蔵装置などの実際の装置に組み込む前に、上記のように、超電導軸受部に負荷する荷重を広範囲に種々に変更して超電導軸受部の回転損失を正確に求めることができる。このため、超電導軸受部を実際の装置に組み込む前に、超電導軸受部を構成する環状永久磁石部および環状超電導体部の最適の設計仕様を決めることができ、従来のように、超電導軸受部を備えた実際の装置を、超電導軸受部を構成する環状永久磁石部および環状超電導体部の仕様を種々変更して運転する必要がないので、超電導軸受部を構成する環状永久磁石部および環状超電導体部の最適の仕様を決める作業が非常に簡単になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、この発明による超電導軸受部の回転損失測定装置の１実施形態の全体概略構成を示している。
【００１９】
回転損失測定装置は、鉛直軸状の回転体(1) 、超電導軸受部(2) 、上下２組の制御型ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)、制御型アキシアル方向磁気軸受部(5) 、回転駆動用電動機(6) および回転速度センサ(7) を備えており、これらが固定部(A) を構成する上部ハウジング(8) および下部ハウジング(9) の内部に配置されている。上部ハウジング(8) は上下に比較的長い鉛直円筒状をなし、下部ハウジング(9) はそれより大径で上下に比較的短い鉛直円筒状をなす。上下のハウジング(8)(9)は、複数の部品を結合することにより一体状に形成されている。
【００２０】
なお、以下の説明において、アキシアル方向の軸（鉛直軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交する１つのラジアル方向の軸（水平軸）をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸と直交するラジアル方向の軸（水平軸）をＹ軸とする。
【００２１】
回転体(1) は上部ハウジング(8) 内の中心に同心状に配置され、その下部が下部ハウジング(9) 内に突出している。
【００２２】
超電導軸受部(2) は、回転体(1) をラジアル方向およびアキシアル方向に非接触支持するためのものであり、回転体(1) の下部に同心状に取付けられた環状永久磁石部(10)および永久磁石部(10)と対向するように固定部(A) に取付けられた環状超電導体部(11)よりなる。下部ハウジング(9) 内に突出した回転体(1) の下端面に水平支持円板(12)が固定され、その下面に永久磁石部(10)が着脱自在に固定されるようになっている。永久磁石部(10)は、回転体(1) と同心になるように円板(12)の下面に着脱自在に固定される鉛直円筒状の支持筒(13)を備えており、支持筒(13)の内周に、上下複数の環状永久磁石(14)が環状スペーサ(15)を介して配置され、支持筒(13)の下端面に固定された環状係止部材(16)により固定されている。たとえば、各永久磁石(14)は、軸方向の両端面に磁極を有し、上下に隣接する永久磁石(14)の対向する磁極が同極性となるように配置されている。この場合、スペーサ(15)が鉄製ヨークであると、このヨークが磁極となる。また、永久磁石(14)は回転体(1) と同心状に配置され、回転体(1) の回転軸心の周囲における永久磁石(14)の磁束分布が回転体(1) の回転によって変化しないようになされている。詳細な図示は省略したが、固定部(A) の下部の適当箇所に、回転体(1) と同心の鉛直な支持軸(17)が上下方向の位置の調整ができるように設けられている。支持軸(17)の上部は下部ハウジング(9) の底壁を貫通してその内部に入っており、この支持軸(17)の上端面に超電導体部(11)が着脱自在に固定されるようになっている。一方、支持軸(17)の下端面にロードセル（図示略）を固定しておくと、このロードセルにより、超電導軸受部(2) の負荷が測定できる。超電導体部(11)は、回転体(1) と同心になるように支持軸(17)の上端面に着脱自在に固定される環状の冷却タンク(18)を備えている。タンク(18)は鉛直な二重円筒状をなし、その上側の部分が永久磁石部(10)の永久磁石(14)の内側にラジアル方向にわずかな空隙をあけてはめられている。永久磁石(14)に対向するタンク(18)の外側周壁の部分は肉厚が薄くなっており、この部分の内側のタンク(18)内に鉛直円筒状の第２種超電導体(19)が固定されている。超電導体(19)は回転体(1) と同心になるように配置され、タンク(18)の薄い周壁と空隙を介して永久磁石(14)とラジアル方向に対向している。超電導体(19)は、たとえばイットリウム系超電導体、たとえばＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x からなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ2 Ｂａ1 Ｃｕ1 ）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(14)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(19)は、上記のように配置されることにより、永久磁石(14)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配置されている。図示は省略したが、タンク(18)は適当な冷却装置に接続されており、この冷却装置により、タンク(18)内をたとえば液体窒素からなる冷却流体が循環させられ、タンク(18)内に満たされる冷却流体により超電導体(19)が冷却されるようになっている。
【００２３】
ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)は、回転体(1) を非接触支持するとともに回転体(1) の互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の位置を制御するためのものであり、上部ハウジング(8) 内の上下２箇所に設けられている。各ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)は、回転体(1) をＸ軸方向の両側から挟むようにハウジング(8) 内に固定されて回転体(1) をＸ軸方向の両側に吸引する１対のＸ軸方向電磁石(20x) と、回転体(1) をＹ軸方向の両側から挟むようにハウジング(8) 内に固定されて回転体(1) をＹ軸方向の両側に吸引する１対のＹ軸方向電磁石（図示略）とを備えている。各ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)の電磁石(20x) の近傍に、回転体(1) をＸ軸方向の両側から挟むようにハウジング(8) に固定されて回転体(1) のＸ軸方向の変位を検出するＸ軸方向変位センサ(21x) と、回転体(1) をＹ軸方向の両側から挟むようにハウジング(8) に固定されて回転体(1) のＹ軸方向の変位を検出するＹ軸方向変位センサ（図示略）とが設けられている。各ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)の各電磁石(20x) および各変位センサ(21x) は図示しない制御装置に接続されており、この制御装置から各電磁石(20x) に一定の定常電流と制御電流が供給される。そして、制御装置は、各変位センサ(21x) の出力信号に基づいて各電磁石(20x) に供給する制御電流の大きさを制御し、これにより、各電磁石(20x) の磁気吸引力が制御されて、回転体(1) のＸ軸およびＹ軸方向の位置が制御される。なお、回転体(1) は、通常、ラジアル方向磁気軸受部(3)(4)により、ハウジング(8) の中心に非接触支持される。
【００２４】
アキシアル方向磁気軸受部(5) は、回転体(1) のＺ軸方向の位置を制御して、回転体(1) を固定部(A) に対して非接触状態に浮上させるためのものであり、上部ハウジング(8) 内の上端部近傍に設けられている。回転体(1) の上端部近傍に、水平な外向きフランジ(22)が固定されている。アキシアル方向磁気軸受部(5) は、フランジ(22)の外周寄りの部分をＺ軸方向の両側から挟むようにハウジング(8) 内に固定されて回転体(1) をＺ軸方向の両側に吸引する上下１対のＺ軸方向電磁石(23a)(23b)を備えている。ハウジング(8) 内の適当箇所、たとえば上部に、回転体(1) のＺ軸方向の変位を検出するＺ軸方向変位センサ(24)が設けられている。アキシアル方向磁気軸受部(5) の各電磁石(23a)(23b)およびＺ軸方向変位センサ(24)は上記の制御装置に接続されており、この制御装置から各電磁石(23a)(23b)に一定の定常電流と制御電流が供給される。そして、制御装置は、変位センサ(24)の出力信号に基づいて各電磁石(23a)(23b)に供給する制御電流の大きさを制御し、これにより、回転体(1) のＺ軸方向の位置が制御される。
【００２５】
電動機(6) は、回転体(1) を回転駆動するためのものであり、上下のラジアル方向磁気軸受部(3)(4)の間の上部ハウジング(8) 内の中間部に設けられている。この電動機(6) は、回転体(1) の外周部に設けられたロータ部(25)と、ハウジング(8) 内に固定されてロータ部(25)の周囲に配置されたステータ部(26)とからなる。
【００２６】
上部ハウジング(8) 内の下側のＺ軸方向電磁石(23b) のケーシングの内周部および上部ハウジング(8) の下端部近傍の内周部に、超電導軸受部(2) および磁気軸受部(3)(4)(5) による支持がなくなったときに回転体(1) を機械的に支持するためのタッチダウン軸受(27)(28)が取付けられている。
【００２７】
回転速度センサ(7) は、回転体(1) の回転速度を検出するためのものであり、ハウジング(8) 内の適当箇所、たとえば上部に設けられている。
【００２８】
上記の装置において、超電導軸受部の回転損失の測定はたとえば次のようにして行われる。
【００２９】
まず、上下のラジアル方向磁気軸受部(3)(4)を作動させて回転体(1) をラジアル方向の所定位置に非接触支持するとともに、アキシアル方向磁気軸受部(5) を作動させ、回転体(1) をアキシアル方向の所定位置に非接触支持して、固定部(A) に対して回転体(1) を非接触状態に浮上させる。次いで、電動機(6) を作動させて、回転体(1) を所定の回転数で回転させる。その後、電動機(6) を停止させて回転体(1) を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサ(7) で検出し、そのデータを用いて第１の回転損失を求める。このとき、超電導軸受部(2) のタンク(18)には冷却流体を供給しない。このため、タンク(18)内の超電導体(19)は常温で、第２種超電導状態を出現しない常電導状態に保持され、超電導軸受部(2) は支持力を発生しない非作動状態になっている。したがって、超電導軸受部(2) に回転損失は生じない。
【００３０】
次に、上記と同様にラジアル方向磁気軸受部(3)(4)とアキシアル方向磁気軸受部(5) とで回転体(1) を非接触状態に浮上させた後、超電導軸受部(2) のタンク(18)内に冷却流体を循環させ、タンク(18)内の超電導体(19)を所定温度まで冷却して、第２種超電導状態を出現する超電導状態に保持する。永久磁石(14)から発せられる磁束が超電導体(19)の内部に侵入している状態で、超電導体(19)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(19)の内部に侵入していた磁束の多くがそのまま超電導体(19)の内部に拘束されることになる（ピンニング現象）。ここで、超電導体(19)はその内部に常電導体粒子が均一に混在されたものであるため、超電導体(19)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(19)に立設したピンに永久磁石(14)が貫かれたようになる。これにより、超電導軸受部(2) は、永久磁石(14)と超電導体(19)の相対的位置が変動すれば力を発生する作動状態になる。したがって、支持軸(17)を上方または下方へ移動すれば、それに応じて超電導軸受部(2) に一定の負荷を発生させることができる。この負荷は、支持軸(17)にロードセルを配置しておけば計測できる。このとき、制御型磁気軸受部(3)(4)(5) で全方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）全て制御しているので、回転体(1) 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。超電導軸受部(2) に一定の負荷を発生させたならば、電動機(6) を作動させて回転体(1) を上記と同じ回転数で回転させる。その後、電動機(6) を停止させて回転体(1) を自由回転させ、このときの回転速度変化を回転速度センサ(7) で検出し、そのデータを用いて第２の回転損失を求める。このとき、超電導体(19)に侵入した磁束は、磁束分布が回転体(1) 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。また、超電導軸受部(2) に損失があれば、その分が加わっていることになる。
【００３１】
そして、第２の回転損失から第１の回転損失を減ずることにより、超電導軸受部(2) の回転損失が求められる。ただし、このとき、第２の回転損失測定時と第１の回転損失測定時に制御型磁気軸受部(3)(4)(5) の制御条件が異なっている場合は、それによる損失分が変化していることになるが、この値は計算により補正できる。
【００３２】
上記のように第２の回転損失を求める際、超電導軸受部(2) を作動状態にしたときは、回転体(1) の重量はアキシアル方向軸受部(5) によって支持されている。このようにアキシアル方向磁気軸受部(5) で回転体(1) の重量を支持した状態では、アキシアル方向磁気軸受部(5) は、全体として、上向きの磁気吸引力を発生している。このような状態から、超電導軸受部(2) に負荷させる荷重を徐々に大きくすれば、アキシアル方向磁気軸受部(5) 全体の上向きの吸引力が徐々に小さくなる。そして、アキシアル方向磁気軸受部(5) の上下の電磁石(23a)(23b)の吸引力が互いに等しくなるとき、超電導軸受部(2) に負荷させる荷重を回転体(1) の重量と等しくすることができる。さらに、超電導軸受部(2) に負荷させる荷重を回転体(1) の重量より大きくするまで支持軸(17)を移動させることも可能である。このように、アキシアル方向磁気軸受部(5) 全体の吸引力は変化するものの、超電導軸受部(2) に負荷する荷重を、回転体(1) の重量以下またはそれを越える広い範囲にわたって種々に変更することができ、このように超電導軸受部(2) に負荷する荷重を変更した種々の状態において、超電導軸受部(2) の回転損失を測定することができる。このような超電導軸受部(2) の負荷の値はロードセルにより測定可能であるが、この値にともなってアキシアル方向磁気軸受部(5) の吸引力が変化することになるので、その吸引力を発生させている電磁石(23a)(23b)の制御電流の変化量を計測し、この値を負荷に換算することも可能である。この場合は、ロードセルは不要である。
【００３３】
また、回転体(1) のアキシアル方向の位置は制御型アキシアル方向磁気軸受部(5) によって制御されるので、回転体(1) の軸方向の振動を小さくすることができ、したがって、正確な測定が可能になる。
【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超電導軸受部の回転損失測定装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
(1)               回転体
(2)               超電導軸受部
(3)(4)            ラジアル方向磁気軸受部
(5)               アキシアル方向磁気軸受部
(6)               回転駆動用電動機
(7)               回転速度センサ
(10)              環状永久磁石部
(11)              環状超電導体部
(14)              永久磁石
(19)              超電導体
(25)              ロータ部
(26)              ステータ部
(A)               固定部
【図１】
0003735742.tif 000002