NON-CONTACT BEARING UNIT USING SUPERCONDUCTOR BEARING

• (In Japanese)小森 望充

• (In Japanese)国立大学法人九州工業大学

電力の負荷平準化や電力の安定供給は、電力業界のみならず医療分野、精密機器分野等にとって重要である。そこで、現在、国家プロジェクトとして、超電導軸受を用いた電力貯蔵用フライホイールの開発が進められている。

超電導体は、臨界温度以下において、マイスナー効果およびピン止め効果を有する。マイスナー効果とは、超電導体の示す完全反磁性のことを称し、ピン止め効果とは、超電導体内の磁界を固定する力を言う。この2つの効果を有する超電導体と永久磁石を対向させることにより、回転主軸を非接触保持する超電導軸受装置が開発されている。これによって、浮上体が平衡状態からずれた場合、磁力線がピン止めされているため復元力が働き元の位置に戻ろうとする。このように、超電導を利用した非接触浮上装置は、構造が簡単で安価な非接触浮上装置を実現させることができる。

しかし、回転主軸を回転させたときには、超電導軸受のラジアル剛性が小さいため、回転主軸の持つアンバランスまたはモータ等の外部から加わる外乱により、回転主軸は大きく振れ回る。そこで、超電導軸受のラジアル剛性を高めるために、ラジアル方向にも超電導体と永久磁石によるラジアル軸受を持つ超電導軸受装置が提案されている。

図11は、上記のようなラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができるように提案された従来技術を説明する図である（特許文献1参照）。図示の超電導軸受装置は、回転主軸の軸方向両端部にはそれぞれ、第1の永久磁石が取付けられる。この取付けられた第1の永久磁石に対向するようにハウジングには、それぞれ第1の超電導体が取付けられる。また、回転主軸の外径側面には、モータロータが取付けられ、モータロータと対向するようにハウジング内面に、モータステータが取付けられる。さらに、図示の超電導軸受装置は、回転主軸の軸端部には、それぞれ円筒状の第2の永久磁石が取付けられる。これらの第2の永久磁石に対向するようにハウジングには、ブロック形状の第2の超電導体が配向性の方向と回転主軸の径方向を一致させて、取付けられる。

これによって、超電導体を冷媒等を用いて臨界温度以下に冷却することで、超電導体のマイスナー効果およびピン止め効果により、回転主軸は非接触保持される。さらに、ハウジングに取付けられたモータステータを駆動することにより、回転主軸に取付けられたモータロータが回転駆動するため、回転主軸を回転させることができる。さらに、この超電導軸受装置は、回転主軸の上下両軸端部においてそれぞれ、超電導体の持つ配向性の方向とラジアル方向を一致させることにより、超電導体と永久磁石により形成されるラジアル軸受のラジアル剛性を高めることができ、回転部材のラジアル方向の振れを抑えることができる。

しかしながら、このような超電導軸受装置は、超電導体の持つ配向性の方向とラジアル方向の一致を、回転主軸の上下両軸端部のそれぞれにおいて達成する必要があるが、上下両軸端部の回転中心を一致させることは困難であり、回転中心がずれることによりエネルギーロスが生じていた。

図12は、従来技術による超電導軸受装置の別の例を示す図である。図11と同様に、発電電動機を構成するモータロータ、及び上下2つのフライホイールが固定された回転主軸は、非接触磁気軸受装置によって支持されている。この例において、非接触磁気軸受装置は、1個の超電導軸受と、2個のラジアル方向磁気軸受及び1個のアキシャル方向磁気軸受により構成されている。臨界温度以下に冷却する必要のある超電導軸受を、回転主軸下部に配置した1個のみにしている。ラジアル軸受のラジアル剛性を高めて、回転部材のラジアル方向の振れを抑えるために、2つのラジアル方向磁気軸受を用いると共に、回転主軸上部をアキシャル方向に支持するためのアキシャル方向磁気軸受を備えている。例示のような電磁石を利用した磁気軸受は、位置センサなどを用いて、電磁石に流す電流をフィードバック制御することにより、一定ギャップの非接触状態を保つことが可能となる。

しかしながら、回転主軸下部でアキシャル方向に支持しているアキシャル型超電導磁気軸受は、アキシャル方向に非接触保持するだけでなく、超電導体の臨界温度以下におけるピン止め効果により、回転主軸をラジアル方向にも保持しようとする力が作用する。図示の例は、このような超電導軸受による保持力に加えて、電磁石に流す電流を制御して、ラジアル方向磁気軸受の作用により、回転部材のラジアル方向の振れを抑えようとするために、両軸受の回転中心が一致せずに、エネルギーロスが生じていた。

これらの例に見られるように、従来の超電導軸受装置は、非接触軸受を用いた回転軸の浮上のために、永久磁石軸受、超電導軸受、電磁石を用いる制御軸受を併用して用いるが、いずれも回転損失、振動抑制などの問題を抱えている。また、超電導体を回転主軸の上下両軸端部のそれぞれに備えることは、冷却が困難となる。
【特許文献1】
特開平7－42737号公報

本発明は、超電導軸受を用いた非接触軸受装置に関するものであり、例えば、病院での瞬時停電防止のための電力貯蔵用フライホイールや精密機器の軸受装置として利用されるものである。

• F16C  32/04      using magnetic or electric supporting means

• 3J102AA01 Magnetic bearings
• 3J102BA03 Shafts that rotate
• 3J102BA19 Radial and thrust loads
• 3J102CA02 Suppression of vibrations or prevention of oscillation
• 3J102CA07 Cooling
• 3J102CA28 Prevention of energy loss
• 3J102DA02 Magnets facing in the axial direction
• 3J102DA03 Magnets facing in the radial direction
• 3J102DA22 Superconductors used as bulk (e.g., repulsive magnets)
• 3J102DA26 Characteristic support or mounting of magnets
• 3J102FA24 Superconducting materials
• 3J102GA13 Motors or generators