JPH06510165A - 高スラスト及び高安定性の磁石−超伝導体システム - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称　高スラスト及び高安定性の磁石−超伝導体システム 合理Ｆと１景 １、介浬ドと沃野 本発明は、新規な磁石−超伝導体システムに関するものであって、また磁石−超 伝導システムを用いたベアリング及びその他の器具に関するものである。

更に本発明は、高いスラストと安定性を有する磁石−超伝導システムに関係して おり、また磁石−超伝導システムのスラストと安定性を向上する方法に関するも のである。

更に本発明は、高いスラストと安定性を有する磁石−超伝導システムを利用した ベアリングその他の器具及び磁石−超伝導システムを利用したベアリング及びそ の他の器具のスラストと安定性を向上する方法に関するもの高速回転する装置に 使用されている従来の機械式ベアリングは、摩耗、騒音、振動、摩擦熱等の問題 を有している。これらの問題はしばしばベアリングに焼付き又は損傷を起こして いる。これに加えて、機械式ベアリングは、通常潤滑剤を必要とするが、例えば 宇宙空間の様なしばしば遭遇する苛酷な環境では途切れてしまう。宇宙空間に於 て通常の液体潤滑剤の途切れる理由は、環境が真空であるためである。そのため 、機械式ベアリングに代わる他の手段の開発が必要となる。例えば、更に有効な 空気ベアリングや磁石支持ベアリングの開発が為されてきた。

空気ベアリングの問題の一つは、それを動作させるために、ポンプ、弁、シール 、導管等の空気システム一式を必要とすることである。その他の短所としては、 継続的にエネルギー損失を伴うことである。例えば、宇宙空間に於て、高速の冷 凍冷却システムに応用した場合、ベアリングの摩擦損失として、１０から２０ワ ツトのエネルギー損失が伴う。宇宙空間以外への応用でもこのベアリング装置を 包装するには、コストと寸法及び重量の点が著しく増し、また空気システム構成 部分に関する様々な信頼性の問題が生じる。許容範囲が１インチの１０００分の １０のオーダーであるため、空気ベアリングそれ自体の製造が困難であり、高価 であった。また空気ベアリングは、汚染物質によって、極めて傷つき易いもので ある。１０００分の４インチ程度の小さなダストの粒であっても、空気ギャップ を妨害し、グラファイトの穴を塞ぎ、他の拡散被膜を壊してしまう。

空気ベアリングに代るものとして、磁石浮上式ベアリングが開発された。通常の 磁石浮上式ベアリングは、一般に不安定であるから、設定位置からの変位を修正 するための高速フィードバック制御システム等の作動制御手段を必要とした。最 近まで磁石ベアリングは、二つの形式の何れか一方であった。すなわち永久磁石 方式か電磁石方式である。

永久磁石の磁界強さは、通常限界があるから、永久磁石の使用例は、極めて小さ な力でも構わない分野への応用に限られていた。電磁石は、永久磁石に比べては るかに強い磁界を発生するから、使用に便利であり、フィードバックコントロー ルシステムを使用する場合には望ましい。しかしながら、電磁石は、フィードバ ックコントロールシステムを必要とするので、費用、寸法、システム操作の複雑 さが増える問題がある。

磁界は、超伝導材料と強い相互作用を起こすことが知られている。最近の研究に よって、高温超伝導材料（ＨＴＳ）化合物が発見された。ＨＴＳ化合物は、窒素 の沸騰温度より高い臨界温度Ｔｃのもとで、又はそれより低温で超伝導の性質を 有するものである。それらは、７７°に以上の高温で、超伝導であるから、Ｃｕ Ｏ高温超伝導体は、ヘリウムよりはるかに安価な冷却剤である液体窒素によって 冷却できる。従来の低温超伝導材料であれば、高価なヘリウム冷却剤の損失を防 ぐために必要であった複雑な断熱構造と、ヘリウム再生システムがもはや不要と なる。ＨＴＳ化合物は、超伝導材料を商業目的に利用することを容易にし、その 信頼性を高めた。冷却剤自体とそれに関連する冷却ユニットの両方を考慮に入れ ると、液体窒素は、コストの点で２０００倍も有利である。

磁界をベアリングに使用する点が、米国特許第３８１０６８３号に開示されてい る。超伝導体を支持用ベアリングに使用する点が米国特許第３３７８３１５号に 記載されている。この特許には、永久磁石又は電磁石のいずれかによって、支持 用磁界を形成し、超伝導材料が軸受に使われている。米国特許第３０２６１５１ 号には、アクチュエーターコイルを同じく超伝導材料によって形成−した超伝導 ベアリングが記載されている。

超伝導材料の分野に於ける最近の進歩と、これに並行した永久磁石の分野に於け る進歩によって超伝導材料を磁石材料と経済的に且つ効果的に組み合わせて、極 めて効果的でしかも比較的安価なベアリングが作られている。

超伝導材料には、第１種及び第２種として表示される基本的な２種類がある。ベ アリング部材又は回転部材の何れか一方又は両方を第１種の超伝導状態に保ち、 所望程度の浮上を起こさせる十分な強さの磁気圧力を達成するために、磁気ベア リング技術を改良する努力が過去行なわれていた。第２種超伝導体と異なり、第 １種超伝導体は、支持現象を起こすことはできない。

第１種超伝導体は、臨界の作用場までは、完全な反磁性の特徴を示すが、その点 を過ぎて以後は、超伝導性は消えて、品物の磁性が急激に増大する。第１種材料 の超伝導ベアリングの例が、米国特許第３４９３２７４号及び第３０２６１５１ 号に見られる。これらシステムに於て、安定性を達成するには、ベアリング構造 は、機械的な回転支持装置によって支えるか、又は超伝導体を側方へ安定する形 状とせねばならない。

最近の高温超伝導体の発見の中には、第２種材料が含まれている。第１種超伝導 体は、その内部から磁力線を完全に排除し、これは反磁性（ｄｉａｍａｇｎｅｔ ｉｓｍ）として知られている現象を有するのに対し、第２種超伝導体は、磁力線 が材料の内部を貫通することをある程度許容し、浮上効果に加えて、支持効果（ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）を発揮する。

その状態のとき、循環している超伝導電流は超伝導体の内部で完結する。

第２種超伝導体と永久磁石との組み合わせを特徴とする典型的な実例が米国特許 第４８８６７７８号に開示されている。この文献には、両端を有する回転軸が記 載されており、各端部には、永久磁石を配備して、超伝導材料の軸受層の中で回 転する。軸は、磁石と超伝導体との間の反撥力によって、軸受から浮上する。超 伝導体をベアリング構造の中へ組み込むことによって、ベアリングを全面的に受 動的なものとする可能性が生じた。米国特許第４８８６７７８号には、１１００ ００ｒｐを越える極めて高速の回転を達成する可能性のある構造を示している。

回転要素中に埋め込んだ永久磁石がら発する強い磁界によってギャップを透過し て、磁力性回転軸要素と、固定的な超伝導支持体との間に相互作用が生じる。

超伝導体と磁石との間のスラストを増加させ、それに伴って安定性も増加するこ とは望ましい。スラストの増加は、数対の反撥磁石を追加することによって容易 に達成できる。スラストの増加は、一方又は両方の磁石の磁界を一層強い永久磁 石を用いることによって、又は電磁石の電流を増やすことによって達成している 。しかしながら、反撥する一対の磁石の間でスラストが増えれば増えるほど、磁 石同士の反撥に対し、垂直面内での不安定さが増している。

米国特許第４８７９５３７号は、二つの吸引磁石間の磁石対磁石の吸引軸中に超 伝導体を配置する構成を開示している。磁石吸引型に於ては、不安定さは磁石対 磁石の吸引軸に沿って存在する。磁石間の磁石対磁石の吸引軸中に超伝導体を配 置し、二つの吸引し合う磁石を安定に保つことは常に望ましいとは限らないから 、このシステムには不利がある。

超伝導体−磁石ベアリングを使用した従来のベアリングシステムは、専ら超伝導 体と磁石との間の反撥を利用する点に注意が払われていた。この反撥力によって 支持できるスラスト圧力には限度かある。

超伝導体の上で浮上する磁石だけが、横方向の安定性は浮上刃と直接的に比例す ることは良く知られている。

磁石を増やした場合、浮上刃の増加は、自動的に横方向の安定性が比例して増え る訳ではない。極めて小型の超伝導体の使用という制約のもとで、そして極めて 強力な磁石を追加するため、システムは、はぼ間違いなく不安定になることは明 らかである。この事柄は、磁石を追加して浮上刃を増すことは、システムの安定 性を低下させるという損失のあることを意味している。

この技術分野に於ては、高い安定性と強いスラスト力を発生できる磁石対磁石反 撥システム及び高い安定性と強いスラストを発生できる磁石対磁石吸引システム の両方についてニーズが存在する。少ないエネルギー損失で、回転体が超高速回 転し、支持することができるシステムによって発生する磁力を利用した磁石ベア リングの提供は望まれていた。特に、回転摩擦とエネルギー損失は最小の磁石ベ アリングシステムについては、強いニーズがある。

自動的に長期間及びあらゆる方向に対して安定しており、安定性を維持するため に、外からのフィードバックや他の制御手段を必要としないベアリングシステム は望ましいものである。

更に磁ツノによって支持し、軸の周りを回転している本体の中心を保つ装置も望 ましいものである。

従来の磁石対磁石又は超伝導体対磁石の装置に於て、通常発生するエネルギー損 失より更に低いエネルギー損失で一層強い力と安定性の向上を達成できるものは 望ましい。

制御のためのガスベアリング又は電磁石装置と、超伝導体−磁石ベアリングとの 両方を具えた組み合わせ式ベアリング装置は望ましいものである。

近接プローブの如く、軸の位置検出に使用されるセンサーからの信号によって作 動する補助制御システムを備えることは望ましい。制御システムは、ガス、箔（ ｆｏｉｌ）システム又は電磁石システムであって、磁石が発生出来る力より更に 大きな力が必要とするときに作動する。補助システムは、前記した必要な力が超 伝導体と磁石ベアリングシステムの作動範囲に再び落ち着くまで、作動を持続す る。

聚匪葛１盾 本願発明に於ては、高い安定性を有し、強いスラストを発生又は支持する磁石超 伝導体装置を提供し、これは従来装置の短所の解決に成功した。この装置は、第 １磁石と第２磁石と超伝導体を備えている。磁石は、互いに相対運動し、永久磁 石、電磁石、超伝導電磁石又は超伝導体類似品（ｒｅｐｌｉｃａｓ）とすること ができ、互いに吸引又は反撥する様に向けられている。超伝導体は、第２種超伝 導材料を含み、磁石の一方に対しては相対運動するが、他方の磁石に対しては静 的（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）であるように取り付けられている。反撥システムで は、超伝導体は磁石の間に配置され、又吸引システムの場合は、超伝導体は吸引 方向の外側に於て、一方の磁石に沿って配置されている。超伝導体に対し、相対 的な運動をしている磁石の磁界を強めることによって、高いスラストと安定性が 達成される。この形式の磁石超伝導体システムは、ベアリング及びその他の装置 に利用できる。

本願発明のベアリング装置は、回転部材と少なくとも一つの静止部材を備えてい る。回転部材には第１磁石が取り付けられ、第２磁石は、静止部材へ取り付けら れる。

超伝導体は、一方の磁石に対し静止（７ているが、他方の磁石に対しては移動す るように取り付けられる。上記構成は、超伝導体と第１磁石を回転部材へ取り付 けて、それらの間では静的であるようにし、第２磁石は、回転軸のそばに取り付 けて、第２磁石と超伝導体は相対運動することによって容易に達成できる。ベア リング装置のスラストと安定性は、第２磁石を一層強い磁石と交換することによ って、又はそれが電磁石の場合、一層強い電流を第２磁石へ流すことによって、 第２磁石の磁界を強めることにより高めることが出来る。

本願発明は、複数段に磁石を繋いで、ベアリング軸が更に強い軸力を伝達できる 多段磁石ベアリングを開示している。各段は、ベアリング軸に設けた安定化材料 と、該安定化材料の周囲で且つ軸方向の一方へ配置した磁石とを備えている。単 段式の構造のもとで、技術面及び他の制約の中で発揮できる最も強い磁石を用い ることによって得られるスラストより更に強いものが要求された場合、多段式構 造は、高いスラストと安定性の面で究極の構造である。

Ａ証（７）１１２１里ム盈朋 本願発明の上記したもの及びその他の実施例は、添付図面を一緒に参考にして、 以下の詳細な説明によって更に詳しく理解できるであろう。図面中、同一参照符 号は、図面全体について、同一要素を表示している。

第１図は、第１磁石と第２磁石と超伝導体とを具えた装置のＢ１、Ｂ２面に於て 、スラストの同−及び安定性の同一点の輪郭線を示すグラフであって、第１磁石 は、磁界Ｂ、、第２磁石は、磁界Ｂ２、超伝導体は、第２種超伝導体であって、 磁石１に対しては相対移動するが、磁石２に対しては静的である。実線で示した 輪郭線は、安定さく又は不安定さ）の等しい線を示しており、点線は、スラスト の等しい線を示している。

第２図は、超伝導体と磁石を有する組み合わせたスラスト及びジャーナルへアリ ングの回転軸断面図である。

第３図は、スラスト支持要素の断面図である。

第４図は、安定化要素の断面図である。

第５図は、スラスト支持及び安定化要素を一体化した断面図である。

第６図は、第３図及び第４図の多段のスラスト支持及び安定化要素を使用した地 膜ベアリングの断面図である。

第７図は、超伝導体と磁石を組み合わせたスラスト及びジャーナルベアリングの 回転軸の断面図である。

灸匪皇詳旦良１１ 本発明は、新規な磁石−超伝導体システムに関するものである。特に本発明は、 一方の磁石の磁界に対し、相対移動し、他方の磁石に対し、静的である第２種高 温超伝導体との間の相互作用を利用するものである。

本発明の磁石−超伝導体システムは、磁界Ｂ、の第１磁石と、該第１磁石に対し て相対移動し、磁界Ｂ２の第２磁石と、第１磁石に対しては相対移動するが、第 ２磁石とは相対移動しない第２種超伝導体を備えている。磁石の反撥を使用する 場合、超伝導体は、反撥し合う磁石の間に配置される。本発明に於て、吸引し合 う磁石を使用する場合、超伝導体は一方の磁石の傍らに配置される。

高温超伝導材料（ＨＴＳ）のＣｕＯクラスの最近の発見によって、磁界と超伝導 材料との間の反撥力を利用することが経済的になってきた。

本発明に於て、使用の為に適当な超伝導材料は、第２種高温超伝導体である。現 在高温超伝導体として知られているものは通常ペロフスカイト材（ｐｅｒｏｖｓ ｋｉｔｅ）であって、例えばバリウム−イツトリウム、銅酸化物である。

望ましい材料は、ＹＢａ窒ＣｕｌＯｘである。カリウム、ビスマス又は他のセラ ミックベース化合物であって、第２種超伝導体特性を有するものであれば、適用 できる。第２種超伝導体は、第１及び第２の臨界磁界Ｈｅ、　Ｉ、Ｈｅ、　ｔに よって特徴付けられ、Ｈ６１１以上では第１回目の磁界透過が生じる。

上述した通り、磁石−超伝導体システムに補助磁石を追加し、浮上刃を増すこと は、自動的に横方向の安定性が比例して増えることにはならない。超伝導体が極 めて小さいという制約があり、追加磁石が大変強力であるか−ら、システムはほ ぼ間違いなく不安定になることは明らかである。このことは、追加磁石によって 浮上刃を増加することはシステムの安定性を損なうという損失を伴うことを意味 している。

しかしながら、本発明に於ては、超伝導体上に浮上させられた磁石に対し、第２ 磁石が作用を加えると、安定性とスラスト圧力との直接的な関係は、最早なくな り、独立して変化することができるようになる。

第１図は、Ｂ、　−Ｂ、平面に於て、等スラストと、等安定性の輪郭線のグラフ を描いており、システムは第１磁石Ｍ、は磁界Ｂ、を有し、第２磁石Ｍ、は磁界 Ｂ、であって、第１磁石に対し相対移動し、第２種超伝導体は第１磁石に対し相 対移動するが、第２磁石に対しては静的である。第１図は、超伝導体に対して静 的な磁石の磁界強さを増すとスラストは増加するが、安定性は低下することを表 わし５ている。−電照伝導体に対して相対移動する磁石の磁界強さを増すと、ス ラストと安定性の両方が増大することを示している。

第１図のシステムに於て、超伝導体が超伝導臨界温度以下に冷却される以前に、 超伝導体中に存在している磁界は、超伝導体が冷却されて十分に超伝導状態へ変 化した後でも、はぼ同一である。これは基本的に、下方の臨界磁界は、約ゼロに 付き、その為以前に存在した磁界の反撥力は、マイスナー効果による特徴のため 、はぼゼロである。それ放磁界が冷却された直後の超伝導体に関連する電流又は 磁界の誘起はない。それ故初期に外部磁界に小さな変化があると、誘導電流が不 存在な状態から小さな値へ変化する。このような状況の下で、超伝導体は一切の 電圧を支持することが出来ず、そのため内部を貫通している磁力線は、一定状態 である。

また、冷却された磁界の応答（磁石と超伝導体は、まずベアリングに組立てられ 、次いで超伝導体臨界温度以下へ冷却される）外部磁界中の初期の小さな乱れに 対する超伝導体からの応答が、既存磁界の一切の変化から内部を完全に遮断する 。この応答は通常可逆的であって、消失しない。

上記したシステムに於て、通常は、超伝導体と磁石の何れとも力は生しない。二 つの永久磁石が同等に磁化された磁石Ｍ１及びＭ２であって、その磁ツノがそれ ぞれ犯及びＭ、であるとき、次の等式が成立する。

Ｐ：αＭＬＬ　（１） Ｐｌは磁石Ｍ、に加わる力であり、αはベクトルであって、二つの磁石の位置に だけ関係する。

場（ｆｉｅｌｄ）が冷却された超伝導体は、外部磁界の初期の小さな乱れに対し ては、内部を外部磁界の一切の変化から完全に遮断するように応答するから、こ の応答は通常可逆的であり、消失せず、システムの安定性について以下の等式が 成立する。

Ｓ＝−βＩＩＩＩＬ＋γＭ＋　２（２）但し、β・−ｇｒａｄα。βは、磁石Ｍ ｌと超伝導体の位置に関係するテンソルである。

第１項は、磁石Ｍ２の小さな変位に帰因する磁石Ｍ、への力の変化を表わしてい る。永久磁石と常磁性材料がらのみ成る全てのシステムは、不安定であるという アーンショウ（Ｅａｒｎｓｈａｗ）理論によれば、βはマイナスにならないこと が予想される。永久磁石については、βは現実にその痕跡を残さないことが容易 に証明できる。第２項は、磁石Ｍ、と超伝導体に誘起された電流との間の力によ って発生するものであって、この時超伝導体は同一の変位をしている。この力は 磁石Ｍ、の磁化と超伝導体を流れる誘導電流に比例しており、これは磁石Ｍ、の 磁化にも交互に比例している。磁石Ｍ２と超伝導体とは相対変位がないから、磁 石Ｍ２に帰因した超伝導体への誘導電流は生じない。

線形重ね合せ原理を適用して、Ｍ、に生じる力をめると上記式になる。　第１図 は、Ｂ１、Ｂ２平面に於て、等スラスト及び等安定性の輪郭線を描いている。こ のグラフから次の事柄が分かる。すなわち超伝導体と一体になって移動するよう に制約されている磁石Ｍ２の磁化を変えることによって、安定性を犠牲にして支 持されるべきスラストを高める。一方、磁石Ｍ、の磁化を変えることによって、 安定性と力の両方を強めるか又は弱める。

第１図の上記原理は、磁石ベアリングに応用できる。

実際には最も強い磁石が超伝導体か電磁石の場合、それを高速回転させることは 、適当ではない。それ故それらには磁石Ｍ、の役割を持たせるのが有利である。

ベアリングの回転軸はそれ故超伝導体と永久磁石に一体の組み合わせとなる。こ れらは強く磁化する必要はない。スラストヘアリングのシステムの場合、反撥磁 石を使用すると、不安定性は通常半径方向に生じる。磁石間の反撥力と外部から のスラストか僅かにずれると、磁石はベアリング軸に対し、垂直な面内で互いに 剪断移動する傾向がある。

本発明に於ては、超伝導体がベアリング軸に対し垂直であって、磁石間に配置さ れるから、軸の半径方向の乱れは安定化する。磁石によって支持される軸方向の スラスト力は（１）式に於けるスカラ量として表現され、半径方向の全体の安定 性は、（２）式のスカラ量として表現される。

スラストベアリングシステムに於て、二つの引合う磁石を使用している場合、防 止せねばならない不安定性は、軸方向に向いている。これは磁石と外部の引っ張 りとの間の引張り力の大きさは微妙にバランスせねばならないことを意味する。

磁石の吸引力が外部の引っ張りより僅かに小さければ、磁石は離れ離れになって しまう。一方性部の引っ張りが僅かでも小さければ、磁石は互いに寄り合う。本 発明では、超伝導体が一方の磁石の周囲に配置されており、力が一時的に不平行 になっても、それによって生じる軸方向の一切の動きを安定化する。（１）式の スカラは、軸方向スラストを表わし、（２）式のスカラは、システムの全体的な 軸方向安定を表わす。

第１図のモデルに於て、他の重要な点は、βがＭｓ　Ｍｔの組み合わせの位置に だけ依存するのに対し、γは、Ｍｌ−超伝導体の組み合わせの位置にだけ依存す ることである。βは常に微小であるから、Ｍ、−Ｍ、の組み合わせの位置を変え ても軸方向対半径方向の不安定さが変わるだけである。Ｍ、−超伝導体の組み合 わせの位置を最大にすると、安定性は改良される。

超伝導体−磁石組み合わせベアリングの本発明に於ては、支持され得る力と安定 性は互いの関係が切り離される。支持され得る力は、磁石間の相互作用に大きく 依存し、−電磁石と超伝導体との間の相互作用は、全体的な安定さを与えるが、 しかしながら安定性を軸方向と半径方向成分に分散すると、磁石間の相互作用に よって強く影響される。

本発明は、以下に記述する２、３の具体例を参照することによって、一層良く理 解できる。

第２図を参照すると、第２図は本発明の１つの具体例を表わしている。第２図は 、超伝導体と磁石組合わせベアリングであって、ジャーナル軸受（１００）とス ラスト軸受（２００）を有する電磁石スタータを備えている。ジャーナル軸受（ １００）は、回転部材（１０６）とりわけ真っ直ぐに伸びる円筒軸であって、所 定位置の中心を成すものを備えている。軸（１０６）は通常は回転し、モータ、 発電機等の装置に接続されている。回転軸（１０６）が特定位置を保ち続け、特 に軸（１０６）のいかなる部分も軸（１０６）の半径方向又は軸方向へ移動する ことを避けるのが望ましい。回転軸（１０６）に取り付けて一緒に移動するよう に、ジャーナル軸受の軸磁石（１０５）が配備される。超伝導体又は電磁石を高 速回転することは通常容易ではないから、ジャーナル軸受の軸磁石（１０５）は 通常永久磁石を用いる。ジャーナル軸受の軸磁石（１０５）の取付は位置に於て 、回転軸（１０６）の周囲にジャーナル磁石（１１０）が設けられる。ジャーナ ル磁石は永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品（ｒｅｐｌｉｃａｓ） 等任意の形式のものを使用できるが、第２図には、電磁石コイル（１１２）を有 する電磁石を示している。超伝導電磁石は、電気コイルとして、超伝導体を使用 する。超伝導体の中の磁場を取り出すことによって、超伝導類似品が構成される 。材料が超伝導体であり続ける限り、磁場は取り除かれたままである。

ジャーナル軸受（１１０）は、ジャーナル軸受の軸磁石（１０５）の位置に配置 した一つの環状磁石又は回転軸（１０６）の周囲に環状に配置した多数の磁石を 備えている。磁石（１０５）と磁石（１１０）との間にジャーナル用超伝導材料 （１２０）が配置される。超伝導材料（１２０）はジャーナル磁石（１１０）の 磁界に対し相対移動するが、ジャーナル軸磁石（１０５）の磁界とは相対移動し ない配置である。この配置は、超伝導材料（１２０）を図面に示すように、ジャ ーナル軸磁石（１０５）に沿って、軸に取り付けることにより、容易に実現でき る。超伝導材料（１２０）は、ジャーナル磁石（１１０）の磁界に対して移動す るから、コイル（１１２）を通じて電流を増すことにより、ジャーナル磁石（１ １０）の磁界を強めると、ジャーナル軸受のスラストと安定性の両方が向上する 。軸（１０６）に沿って、一つ以上のジャーナル軸受（１００）が配置される。

軸（１０６）の下端に、スラスト軸受磁石（２１７）、スラスト軸受の軸磁石（ ２０ｇ）とスラスト超伝導体（２２２）を具えたスラスト軸受（２００）か配置 されている。回転軸（１０６）に取り付けて一緒に移動するものは、スラスト軸 受の軸磁石（２０８）である。超伝導体や電磁石を高速回転させることは、実際 には容易でないから、スラスト軸受の軸磁石（２０８）は、一般的に永久磁石が 使われる。スラスト軸磁石（２０８）の下方にスラスト軸受磁石（２１７）が配 置される。スラスト軸受磁石は永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品 等の任意形式の磁石が使えるが、第２図には、スラスト電磁石コイル（２１８） を有する電磁石を示している。

超伝導材料（２２２）がスラスト軸受磁石（２１７）の磁界に対し相対移動する が、スラスト軸受の軸磁石（２０８）の磁界に対しては、動かない様に配置され る。この配置は、超伝導材料（２２２）を図示する様にスラスト軸受の軸磁石（ ２０８）に沿って、軸へ取り付けることによって、容易に実現できる。超伝導材 料（２２２）は、スラスト軸受磁石（２１７）の磁界に対して移動するから、コ イル（２１８）を通じて電流を増すと、スラスト軸受磁石（２１７）の磁界は増 加し、スラスト軸受のスラスト力と安定性の両方が高まる。運転時、回転軸はス ラスト軸受（２００）によって支えられ、浮上する。一つ又はそれ以上のジャー ナル軸受（１００）が軸（１０６）の所定位置から半径方向への移動を防止して いる。スラスト軸受（１００）と１又はそれ以上のジャーナル軸受（２００）の 磁石は第１図の安定領域にある磁石システムである。

スラスト軸受の反撥力が回転軸をスラスト軸受上方での浮き上がりを維持する。

ジャーナル軸受の一つ又はそれ以上の反撥力が回転部材の自動的な中心を保ち、 半径方向の安定性を生じさせる。

第３図は、本発明のスラスト支持要素（３００）を示している。このスラスト支 持要素（３００）は、例えばタービンのガス流動の如く、回転部材（１０６）に 加わる軸力ＦＡに対抗する。スラスト支持要素は、軸（１０６）へ取り付けて一 緒に回転するスラスト磁石（３２０）を備えている。一般的に超伝導体又は電磁 石を高速回転させることは、容易ではないから、スラスト磁石（３２０）は通常 は永久磁石である。反撥磁石（３１０）は、軸の周囲に且つ間怠に力ＦＡから下 方に向けて配置され、軸（１０６）を力ＦＡに向かって反撥すると共に、回転部 材（１０６）を自動的にセンター出し及び半径方向に安定させる。反撥磁石（３ １０）は、永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品等任意の形式の磁石 が利用される。反撥磁石（３１０）は、環状の磁石又は軸（１０６）の周囲に環 状に配置した多数の磁石である。

環状に配置され、力ＦＡに向かって同軸であり、軸（１０６）を力ＦＡが作用し ている方向へ動かすものが、吸引磁石（３１５）である。吸引磁石（３１５）も また回転軸（１０６）を自動的に中心へ保ち、半径方向の安定性を発揮する。吸 引磁石（３１５）は、永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品等任意の 形式の磁石が使用できる。吸引磁石（３１５）は、環状の磁石又は軸（１０６） の周囲に配置した多数の磁石である。

運転時は、軸荷重ＦＡが回転軸（１０６）へ作用する時、反撥磁石（３１０）と 吸引磁石（３１５）の両方が、軸荷重への抵抗及び回転部材（１０６）の自動的 な芯出しと半径方向の安定化の両件用を発揮する。

第４図は、本発明の安定化要素（４００）を示している。

安定化要素（４００）は、軸（１０６）に取り付けて、−緒に回転する安定化超 伝導体（４２０）を備えている。磁石（４１０）が力ＦＡの周りに環状に、そし て軸方向下向きに配置され、軸（１０６）の中心位置を維持すると共に、半径方 向に対しては、自動的に回転部材（１０６）の中心出しと安定化を行なう。磁石 （４１０）は、永久磁石、電磁石、超伝導体電磁石、超伝導体類似品等、任意の 形式が用いられる。磁石（４１０）は、環状の磁石又は軸（１０６）の周囲に円 状に配置した多数の磁石によって構成される。

力ＦＡの周りに環状に配置され、力ＦＡに向かう軸方向に配置されて、軸（１０ ６）が力ＦＡに近づいたり、離れることを防ぎ、回転軸（１０６）を自動的にセ ンター出しして、半径方向の安定化を図っているのが、磁石（４１５）である。

磁石（４１５）は、永久磁石又は電磁石の任意の形式が用いられる。磁石（４１ ５）は、環状の磁石又は軸（１０６）の周囲に円状に配置した多数の磁石によっ て構成される。

第５図は、スラスト支持と安定化要素を一体化したものを示しており、第３図及 び第４図に示したシステムを一つのシステムに結合している。磁石（５１０）と （５１５）が一体化したスラスト支持及び安定化エレメント（５２０）の両側に 配置されている。磁石（５１０）及び（５１５）は、永久磁石、電磁石、超伝導 体電磁石、超伝導類似品等、任意の形式のものが用いられる。磁石（５１０）及 び（５１５）は、環状の磁石又は軸（１０６）の周りに配置した多数の磁石によ って構成される。

一体化したスラスト支持及び安定化要素（５２０）は、磁石（５２０ｂ）と超伝 導体（５２０ａ）を備えている。磁石（５２０ｂ）は、これを高速回転する超伝 導体又は電磁石によって構成することは一般的に不便であるから、これは通常永 久磁石によって構成する。

第３図乃至第５図に示したシステムは、軸に沿って、多段のベアリングシステム として軸方向に一列に配置することが出来る。多段ベアリングシステムの各段は 、次の何れかによって構成される。

（ａ）第３図に例示されているように、スラスト支持エレメントであって、磁石 をヘアリング軸の周りへ環状に、そして軸方向に配置したもの。

（ｂ）第４図に例示するように、磁石をベアリング軸の周りへ環状に配置し、第 ２種ＨＴＳ材料をベアリング軸へ軸方向に配置したもの、又は第２種ＨＴＳ材料 をベアリング軸の周りに環状に配置し、磁石をベアリング軸上へ軸方向に配置し たもの。

（Ｃ）、第５図に例示されるように、スラスト及び安定化要素を一体化し、上記 具体例（ａ）及び（ｂ）の着想を組み合わせたもの。

多段ベアリングは、これらの段を適当な割合に組み合わせ、所望する強さのスラ ストを十分な安定を保って支持することができる。多段ベアリングの全体の強さ は、各段の強さを加算したものである。

第６図は、多段ベアリングの一例であって、第３図のスラスト支持エレンメント （３００）と第４図の安定化要素（４００）を二段ずつ具えたものである。第６ 図の一体化要素の複数項を多段ベアリングシステムに組み込むこともできる。

磁石の強さ及び電磁石に通じることが出来る電流量の制約のため、高いスラスト 及び安定性を達成することが出来なかった障害は、各段の強さを上記した多段ベ アリングシステムによって加算することにより克服できる。

以上の実施例は、反撥磁石を用いた例を示しているが、吸引磁石も利用できるこ とは勿論である。第７図は、ジャーナル軸受（６００）とスラスト軸受（７００ ）を有する回転軸であって、各軸受は吸引磁石システムを用いたものの断面図を 表わしている。回転軸（１０６）に取り付けられて一緒に移動しているのが、ジ ャーナル軸受の軸磁石（６０５）である。超伝導体又は電磁石を高速回転させる ことは、不便であるから、ジャーナル軸受の軸磁石（６０５）は、一般的に永久 磁石である。ジャーナル軸受の軸磁石（６０５）の位置に於て、回転軸（１０６ ）の周囲にジャーナル磁石（６１０）が配置される。ジャーナル磁石は、永久磁 石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品等、任意の形式が使用出来るが、第７ 図には、永久磁石を示しているジャーナル磁石（６１０）は、一つの環状磁石又 はジャーナル軸受の軸磁石（６０５）の位置に於て、回転軸（１０６）の周りに 環状に配置した多数の磁石によって構成される。磁石（６０５）及び磁石（６１ ０）の上方及び下方には、ジャーナル式超伝導材料（６２０）が配置される。

超伝導材料（６２０）は、ジャーナル磁石（６１０）に対し相対移動するが、ジ ャーナル軸磁石（６０５）等は相対移動しないように取り付けられる。これは超 伝導材料（６２０）を図　−面に示すように、ジャーナル軸磁石（６０５）に沿 って軸へ取り付けることにより、容易に達成される。超伝導材料（６２０）は、 ジャーナル磁石（６１０）の磁場に対して移動するから、ジャーナル磁石（６１ ０）の磁場を強めると、ジャーナル軸受のスラスト及び安定性の両方が増加する 。

軸（６０６）に沿って、軸方向に一つ以上のジャーナル軸受（６００）を配置で きる。

軸（１０６）の下端には、スラスト軸受磁石（７１７）、スラスト軸受の軸磁石 （７０８）、スラスト超伝導体（７２２）を具えたスラスト軸受（７００）が配 置されている。スラスト軸受の軸磁石（７０８）が回転軸（１０６）へ取り付け られ、−緒に移動する。超伝導体又は電磁石を高速回転させることは、一般的に 容易ではないから、スラスト軸受の軸磁石（７０８）は、永久磁石が通常使われ る。スラスト軸受の軸磁石（７０８）の下方に、スラスト軸受磁石（７１７）が 配置されている。

スラスト軸受磁石は、永久磁石、電磁石、超伝導電磁石、超伝導類似品等の任意 の種類のスラスト軸受磁石が使用できるが、第２図は、永久磁石を使用している 。超伝導材料（７２２）は、スラスト軸受磁石（７１７）の磁場に対し、相対的 に移動するが、スラスト軸受の軸磁石（７８０）の磁場については、相対移動し ないように配置されている。この配置は、図面に示すように、超伝導材料（７２ ２）をスラスト軸受の軸磁石（７０８）に沿って軸へ取り付けることにより、容 易に達成される。超伝導材料（７２２）は、スラスト軸受磁石（７１７）に対し ては、移動しているから、スラスト軸受磁石（７１７）の磁場を増加すると、ス ラスト軸受のスラストと安定性の両方が増える。

運転時、磁石（７０８）と（７１７）の間の吸引力によって、回転軸は、軸荷重 ＦＡに対抗する。一つ又はそれ以上のジャーナル軸受（７００）は、軸（１０６ ）が所定位置から半径方向へ移動することを防止する。スラスト軸受（７００） 及び一つ又はそれ以上のジャーナル軸受（７００）の磁石は、磁石システムが第 １図の安定領域にある。スラスト軸受の吸引力は軸荷重ＦＡに対抗する一つ又は それ以上のジャーナル軸受の吸引力が回転部材の自動的な芯出しと半径方向の安 定化に役立っている。

改良としては、本発明の何れかの実施例に於て電磁石が使用される場合、電磁石 の電気コイルは、高温超伝導材料によって、形成することが望ましい。その様な 材料でコイルを作り、臨界温度以下に温度を保つと、電流が消失しない状態を持 続できる。ＨＴ　Ｓ電磁石を含むこの様な実施例は極めて有用なものであって、 例えば宇宙空間では低温は容易に得られるし、積載するロケットのペイロードを 最小にするため、軸受を可能な限り小さくすることが重要である。

別の改良としては、永久磁石を使用した場合の磁界を一層均一にすることである 。永久磁石又は電磁石のコアの製造過程に於て、ある種の非対称が取り込まれ、 それが制作された磁石又はコアの発生磁界を不均一にする。

この様な非対称は、エネルギー損失を起こさせるから、無くするか最小にするべ きである。

本発明は、磁石システムの安定性とスラストを増加するために、使用されるばか りでなく、所望の異なった状態の間に於けるシステムの安定性とスラストを変化 させる制御機構としても使用できる。例えば、超伝導体に対して相対移動してい る磁石の磁界を変化させ、該磁石は、電磁石であって、自動感知装置によって決 められた状況に合う様に一層大きな又は小さなスラストを発生させる。

上記非対称による影響は、永久磁石又はコアを対にする「ライニングＪ　（ｔｗ ｉｎｎｉｎｇ）によって著しく低下できる。「対にする」とは、磁石を内部の磁 力線に対し、垂直な方向に切断し、又は単純な双極子（ｄｉｐｏｌｅ）とし、２ 又はそれ以上の部分に分けることである。双極子の切断片を、相手に対して相対 的に回転させ、磁界分布の非対象が最小となる相対位置を見つける。その位置で 切断片双極子の相対位置を固定し、対にした双極子をベアリング中へ取り付ける 。

一対の双極子は、このようにして２個の単一双極子を用いて構成し、反対の極ど うしを向い合せ、−個の双極子となるように永久的に相手側へ取り付けることに より、比較的均一な磁界分布が得られる。

上記開示の装置は、夫々のＨＴＳ材料を積層した超伝導体に置き換えることによ って更に改良できる。超伝導体の積層は、Ｈ２ＳＯ層と絶縁体、特に起磁性体又 は非磁性体から成る絶縁体を交互に積重ねることによって形成させる。積層超伝 導体の絶縁層として使用される適当な材料は、ミューメタル（ｍｕｍｅｔａｌ） 又はパーマロイである。超伝導体を積層することによって、表面積が増える。超 伝導体の絶縁層は、マイスナー効果による磁力線を集中させる。この効果は、磁 力線を止める（ｆｌｕｘ　ｐｉｎｎｉｎｇ）によって得られるよりも、一層強い 磁力を生じさせる。従って、磁石ベアリングに於て、積層超伝導体を使用するこ とにより、磁石剛性（ｍａｇｎｅｔｉｃ　５ｔｉｆｆｎｅｓｓ）を増加させ、一 層強い浮上刃を発生する。

多くの具体例によって、本発明を開示したが、これ以外に多くの異なった配置例 が、本発明の要旨から離れることなく使用できるであろう。その他の実施例は、 各構成部材の形状、寸法、厚さ等を変えることによって得られる。更に、発明力 を要さず、上記説明によって本発明の様々な特徴を組み合わせることが出来る。

本発明とここに開示した実施例は、目的を実現し、最初に述べた目標に到達する ためには十分であると考える。方法に於てある種の変更は、本発明の要旨と範囲 から外れないで、行なうことが出来る。変更は可能であり、以下の請求の範囲に 記載した各要素は実質的に同−又は均等な方法によって実質的に同一な効果を達 成するためのあらゆる均−等な要素を意味していると解さねばならない。どのよ うな形式で本発明の原理が使用されようとも、発明は広くカバーしている。本発 明はそれ故記載した目的を実現し、目標点と効果を達成するために適用され、同 様にこれら固有のその他の目的、目標、効果に適用される。

美術分野に於て、通常の知識を有するものであれば、多くの変形と用途を見つけ るであろうけれども、その様な変形と用途は、出願人の発明の範囲と要旨に該当 する限り、本発明に含まれるものである。

国際調査報告 １ｍ１ｌＦａｌ１６１１ｓｌ＾Ｑｇｌｅｓ＋ｕｅｎ　Ｎｏ、　ＰＣＴ／覧ＪＳ９ ２１０４１１１２０フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ｉＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ 、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、ＴＧ ）、ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，Ｃ３，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、 ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎｏ、ＰＬ、ＲＯ、ＲＵ、ＳＤ、５Ｅ （７２）発明者　マクマイケル、チェイス　ケイ。

アメリカ合衆国　７７００６　テキサス、ヒユーストン、ローズランド　４４２ ０

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁界Ｂ１の第１磁石と、磁界Ｂ２の第２磁石と、超伝導体とを具え、磁石 は互いに相対連動が可能であって、互いに反撥しあう向きに配置されており、超 伝導体は２つの磁石の間に介装されて、第１磁石とは相対運動し、第２磁石とは 静的であり、磁界Ｂ１とＢ２は、安定した強い反撥システムとなる様に設定され ている磁石反撥システム。
2. （２）超伝導体は磁石間に配置され、第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁 界が調節可能な電磁石である請求の範囲第１項のシステム。
3. （３）請求の範囲第１項の磁石反撥システムを具えたジャーナル式又はスラスト 式軸受。
4. （４）磁界Ｂ１の第１磁石と、磁界Ｂ２の第２磁石と、超伝導体とを具え、磁石 は互いに相対運動が可能であって、互いに反撥しあう向きに配置されており、超 伝導体は２つの磁石の間に介装されて、第１磁石とは相対運動し、第２磁石とは 静的であり、磁界Ｂ１とＢ２は、安定した強い反撥システムとなる様に設定され ている磁石システムの反撥力と安定性を向上する方法であって、該方法は第１磁 石の磁界を増大することを特徴とする。
5. （５）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である請 求の範囲第４項の方法。
6. （６）磁界Ｂ１の第１磁石と、磁界Ｂ２の第２磁石と、超伝導体とを具え、磁石 は互いに相対運動が可能であって、互いに引き合う向きに配置されており、超伝 導体は磁石間にある面積の外側であって第２磁石の周りに配置されており、超伝 導体は第１磁石とは相対運動し、第２磁石とは静的であり磁界Ｂ１とＢ２は、安 定した磁石吸引システムとなる様に設定されていることを特徴とする磁石吸引シ ステム。
7. （７）超伝導体は、第１磁石の周りであって、磁石間にある面積の外側に配置さ れており、第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石であ る請求の範囲第６項のシステム。
8. （８）請求の範囲第６項の磁石吸引システムを具えたジャーナル式又はスラスト 式軸受。
9. （９）磁界Ｂ１の第１磁石と、磁界Ｂ２の第２磁石と、超伝導体とを具え、磁石 は互いに相対運動が可能であって、互いに引き合う向きに配置されており、超伝 導体は磁石間にある面積の外側であって第２磁石の周りに配置されており、超伝 導体は第１磁石とは相対運動し、第２磁石とは静的であり磁界Ｂ１とＢ２は、安 定した磁石吸引システムと成るように設定されている磁石システムの吸引力と安 定性を向上する方法であって、該方法は、第１磁石の磁界を増大することを特徴 とする。
10. （１０）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である 請求の範囲第９項の方法。
11. （１１）ａ．軸回転する回転部材と、 ｂ．該回転部材に取り付けた第１磁石と、ｃ．第１磁石及び回転部材の近くに配 置され、第１磁石と磁気的に相互作用する第２磁石と、ｄ．第２磁石とは相対運 動し、第１磁石とは静的に配置された超伝導体 とを具えたジャーナル軸受構造。
12. （１２）磁石は互いに反撥する向きに配置され、超伝導体は磁石間に配置された 請求の範囲第１１項のジャーナル軸受。
13. （１３）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である 請求の範囲第１２項のジャーナル軸受。
14. （１４）磁石は互いに引き合う向きに配置され、超伝導体は、第１磁石の周りに あって、磁石間の面積の外側に配置されている請求の範囲第１１項のジャーナル 軸受。
15. （１５）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である 請求の範囲第１４項のジャーナル軸受。
16. （１６）ａ．軸回転する回転部材と、 ｂ．磁極を軸方向に向けて、前記回転部材の一端に取り付けた第１磁石と、 ｃ．第１磁石の近くに配置されて第１磁石と相互作用し、且つ磁極の向きを軸方 向に一致して回転部材の近くに配置した第２磁石と、 ｄ．第２磁石とは相対運動し、第１磁石とは静的となる様に配置された超伝導体 とを具えたスラスト軸受構造。
17. （１７）磁石は互いに反撥する向きに配置され、超伝導体は磁石間に配置された 請求の範囲第１６項のスラスト軸受。
18. （１８）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である 請求の範囲第１７項のスラスト軸受。
19. （１９）磁石は互いに引合う向きに配置され、超伝導体は、第１磁石の周りにあ って、磁石間の面積の外側に配置されている請求の範囲第１６項のスラスト軸受 。
20. （２０）第１磁石は永久磁石であり、第２磁石は磁界が調節可能な電磁石である 請求の範囲第１９項のスラスト軸受。