JPH10205536A

JPH10205536A - 超電導軸受部の回転損失測定装置

Info

Publication number: JPH10205536A
Application number: JP9008456A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野; Yasuhiro Yukitake; 康博行竹; Ryoichi Takahata; 良一高畑
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-08-04
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JP3735742B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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ようにする。【解決手段】回転損失測定装置は、鉛直状の回転体１
と、回転体１に取付けられた環状永久磁石部10および固
定部Ａに取付けられた環状超電導体部11よりなる超電導
軸受部２と、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１の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３、４と、回転体１を
固定部Ａ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５と、回転体１に設けられたロータ
部25および固定部Ａに設けられたステータ部26よりなる
回転駆動用電動機６と、回転体１の回転速度を検出する
回転速度センサ７とを備えている。

Description

【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Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ
₃Ｏ_7-xからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ₂Ｂａ
₁Ｃｕ₁）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)(23
b)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(2
7)(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

Claims

【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いる超電導軸受部の回転損失測定
装置。