JPH08219158A

JPH08219158A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH08219158A
Application number: JP7024365A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Fukuyama; 寛正福山; Takeshi Takizawa; 岳史滝澤; Katsuhiko Tanaka; 克彦田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】磁気軸受１９、２０、２９を構成する第一〜
第四各永久磁石１５、２１、２２、２７が遠心力により
破壊される事を防止する。【構成】回転軸２及びフライホイール１０の重量を、
超電導磁気軸受１９と第一、第二の受動型磁気軸受２
０、２９とにより支承する。各磁気軸受１９、２０、２
９を構成する第一〜第四各永久磁石１５、２１、２２、
２７のうち、フライホイール１０に固定される第一、第
二永久磁石１５、２１を、直径方向内側に寄せて設け
る。これにより、当該永久磁石１５、２１に加わる遠心
力を小さく抑える。或はフライホイール１０に回転軸２
と同心の円形凹部を形成し、永久磁石をこの円形凹部の
内周面に配置する。この内周面で当該永久磁石の外周面
を抑え付ける事で、遠心力に拘らず当該永久磁石に引っ
張り応力が加わる事を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係る磁気軸受装置は、
例えば夜間の余剰電力を運動エネルギに変換して貯蔵
し、昼間にこの運動エネルギを電気エネルギに変換して
取り出す電力貯蔵装置を構成する超電導フライホイール
装置等、各種超高速回転機械装置に組み込んだ状態で使
用する。

【０００２】

【従来の技術】小規模事業所や一般家庭に設置して夜間
の余剰電力を貯蔵できる装置として、回転軸にモーメン
トの大きなフライホイールを固定すると共に、この回転
軸に発電機兼用モータを組み付けた電力貯蔵装置が研究
されている。この電力貯蔵装置の場合、夜間には上記発
電機兼用モータに余剰電力を供給する事により、上記回
転軸及びフライホイールを回転させ、上記余剰電力を運
動エネルギに変換して、フライホイールの回転運動エネ
ルギとして貯蔵する。そして昼間には、この回転運動エ
ネルギに基づいて、上記発電機兼用モータにより発電
し、電力を取り出して使用する。

【０００３】この様なフライホイールを使用した電力貯
蔵装置の効率を高める為には、上記フライホイールを回
転支持する為の軸受装置として、回転抵抗が少なく、し
かも運転に要するエネルギが少ないものを使用する必要
がある。この為従来から、特開平５−２４８４３７号公
報に記載されている様に、軸受装置として超電導磁気軸
受装置を使用した電力貯蔵装置が提案されている。図８
は、この公報に記載された、超電導磁気軸受装置を組み
込んだ電力貯蔵装置を示している。

【０００４】密閉された真空ハウジング１の中心部に回
転軸２を、鉛直方向に配設している。上記真空ハウジン
グ１の内側には、この回転軸２の周囲を囲む様にして保
持筒３を固定している。そして、この保持筒３の下半部
内周面と上記回転軸２の中間部外周面との間に、それぞ
れが磁性リング４、４と電磁石５、５とから成る能動型
磁気軸受６、６を設けて、上記回転軸２のラジアル方向
に亙る位置決めを図っている。又、上記保持筒３の上半
部内周面と上記回転軸２の上端部との間には、ロータ７
とステータ８とから成る発電機兼用モータ９を設けてい
る。

【０００５】又、上記回転軸２の下端部には、回転部材
であるフライホイール１０を固定し、このフライホイー
ル１０の下面に円環状の永久磁石１１を固定している。
この永久磁石１１は、軸方向（図８の上下方向）に亙っ
て着磁されており、上記フライホイール１０の回転中心
である、上記回転軸２と同心に固定されている。更に、
上記真空ハウジング１の底面には、固定部材を兼ねる冷
却ジャケット１２を固定し、この冷却ジャケット１２の
上面に設けた超電導体１３の上面を、上記永久磁石１１
の下面に対向させている。この超電導体１３は、上記永
久磁石１１と同様に円環状とし、この永久磁石１１と同
心に配置する事が望ましい。但し、円環状に造る事が難
しい場合には、それぞれが円板状、円弧状等に造られた
複数の超電導体を、上記永久磁石１１と同心の円弧上に
等間隔に配置する。又、上記冷却ジャケット１２内に
は、液体窒素等の冷却剤を流通自在とし、上記超電導体
１３を超電導状態にできる様にしている。超電導体１３
が超電導状態にある場合には、ピン止め効果により、こ
の超電導体１３と上記永久磁石１１との距離が変化する
事が阻止される。従って、これら超電導体１３と永久磁
石１１とが、非接触型の超電導スラスト磁気軸受１４を
構成する。

【０００６】上述の様に構成される従来の電力貯蔵装置
の作用は、次の通りである。夜間等に余剰電力を貯蔵す
る際には、発電機兼用モータ９のステータ８に余剰電力
を供給する事で、前記回転軸２及びフライホイール１０
を回転させる。この際、前記能動型磁気軸受６により、
回転軸２のラジアル方向に亙る位置決めを図ると共に、
冷却ジャケット１２内に冷却剤を送り込んで、超電導体
１３を冷却しておく。超電導体１３が冷却され、超電導
状態になると、永久磁石１１から出た磁束が超電導体１
３内に拘束される、所謂ピン止め効果により、永久磁石
１１が超電導体１３に対して軸方向及び半径方向に移動
するのを阻止する力が作用する。この力によって、上記
回転軸２とフライホイール１０とに作用する、スラスト
方向の力及びラジアル方向の力が支承される。この様
に、能動型磁気軸受６と超電導スラスト磁気軸受１４と
を機能させた状態で、上記回転軸２とフライホイール１
０とは浮上状態で支持される。従って、これら両部材
２、１０が回転する事に対する抵抗は極く小さくなる。

【０００７】回転軸２とフライホイール１０との回転速
度は、上記ステータ８への通電に伴って徐々に上昇する
為、電力を機械的運動エネルギに変換した状態で貯蔵で
きる。回転軸２及びフライホイール１０は、真空ハウジ
ング１内に設けられている為、回転する部材の表面と空
気とが摩擦し合う事はなく、一度上昇したフライホイー
ル１０の回転速度は、上記発電機兼用モータ９による電
力取り出しを行なわない限り、殆ど低下する事がなくな
る。昼間等、貯蔵したエネルギを取り出して使用する場
合には、上記ステータ８を負荷（電気設備）に接続す
る。この結果、上記フライホイール１０の回転運動に基
づいて上記ステータ８に電力が惹起される。

【０００８】尚、図示は省略したが、回転軸２のラジア
ル方向の変位を防止する為の、非接触型のラジアル軸受
を、超電導磁気軸受とする事もできる。この場合には、
上記回転軸２の中間部外周面に、前記磁性リング４、４
に代えて直径方向若しくは軸方向に着磁された円環状の
永久磁石を固定すると共に、前記保持筒３の下半部内周
面に、前記電磁石５、５に代えて超電導体を固定する。
又、保持筒３の内部にこの超電導体を冷却する為の冷却
ジャケットを設ける。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば上述
の様に構成され作用する電力貯蔵装置の電力貯蔵能力を
向上させるべく、フライホイール１０の重量を大きく
（重く）した場合には、前記超電導スラスト磁気軸受１
４の負荷容量を大きくする必要がある。又、各種機械装
置の回転軸に加わる大きなスラスト荷重を支持する場合
にも、やはり大きな負荷容量が必要になる。ところが、
現状に於いて実用可能な超電導スラスト磁気軸受１４の
負荷容量は限度があり、超電導スラスト磁気軸受１４の
みで支持可能なフライホイール１０を使用して電力貯蔵
装置の性能向上を図ったり、或は大きなスラスト荷重が
加わる回転軸を支持する事は難しかった。

【００１０】この様な超電導スラスト磁気軸受１４の負
荷容量の不足を補うべく、上記フライホイール１０等の
回転部材の下面とハウジング等の固定部材の上面との間
に、超電導スラスト磁気軸受１４に加えて反発式の受動
型磁気軸受を組み込む事も考えられる。ところが、単に
回転部材の下面と固定部材の上面との間に反発式の受動
型磁気軸受を組み込んだ場合には、この受動型磁気軸受
を構成する永久磁石の信頼性及び耐久性を確保する事が
難しくなる。

【００１１】即ち、大きなエネルギを蓄えるべく、大き
な直径を有するフライホイール１０等の回転部材の重量
を十分に支承し、しかもこの回転部材の回転がふらつく
事なく行なわれる様にする為には、上記反発式受動型磁
気軸受を構成する永久磁石を、上記回転部材の下面外周
寄り部分にまで設ける必要がある。一方、やはり大きな
エネルギを蓄える為には、上記回転部材の回転速度を相
当に速くする必要がある。従って、回転部材の下面外周
寄り部分に設けた永久磁石には相当に大きな遠心力が作
用する事が避けられない。フェライト等、永久磁石を構
成する材料は、鋼等の一般的な金属材料に比べて靱性が
乏しく、上記大きな遠心力に基づく引っ張り応力により
破壊され易い。本発明の磁気軸受装置は、この様な事情
に鑑みて発明したものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気軸受装置は
何れも、回転部材と、この回転部材と対向して設けられ
た固定部材と、これら回転部材と固定部材との間に設け
られた超電導磁気軸受及び第一、第二の受動型磁気軸受
とを備える。

【００１３】そして、請求項１に記載した磁気軸受装置
では、上記超電導磁気軸受は、上記回転部材の一部でこ
の回転部材の回転中心寄り部分に固定された第一永久磁
石と、上記固定部材の一部でこの第一永久磁石と対向す
る部分に固定された超電導体とを備える。又、上記第一
の受動型磁気軸受は、上記回転部材の下面に固定され
た、この回転部材の回転中心をその中心とする円環状で
軸方向に着磁された第二永久磁石と、上記固定部材の上
面でこの第二永久磁石の下面と対向する部分に固定され
た、円環状で軸方向に着磁された第三永久磁石とを備
え、この第三永久磁石の上面と上記第二永久磁石の下面
とを同極同士で互いに対向させた反発式受動型磁気軸受
である。更に、上記第二の受動型磁気軸受は、上記回転
部材の上面外周寄り部分に設けられた強磁性体部と、上
記固定部材の一部でこの強磁性体部の上面と対向する部
分に固定された第四永久磁石とを備えた吸引式受動型磁
気軸受である。

【００１４】一方、請求項２に記載した磁気軸受装置で
は、上記回転部材の下面にはこの回転部材の回転中心と
同心の円形凹部が形成されており、上記固定部材の上面
でこの円形凹部と整合する部分には、この円形凹部内に
緩く挿入可能な円形凸部が形成されている。そして、上
記超電導磁気軸受は、上記円形凹部の内周面に固定され
た第一永久磁石と、上記円形凸部の外周面に固定されて
上記第一永久磁石の内周面と対向する超電導体とを備え
る。又、上記第一の受動型磁気軸受は、上記円形凹部の
奥端面に固定された、上記回転部材の回転中心をその中
心とする円環状で軸方向に着磁された第二永久磁石と、
上記円形凸部の端面でこの第二永久磁石の下面と対向す
る部分に固定された、円環状で軸方向に着磁された第三
永久磁石とを備え、この第三永久磁石の上面と上記第二
永久磁石の下面とを同極同士で互いに対向させた反発式
受動型磁気軸受である。更に、上記第二の受動型磁気軸
受は、上記回転部材の上面外周寄り部分に設けられた強
磁性体部と、上記固定部材の一部でこの強磁性体部の上
面と対向する部分に固定された第四永久磁石とを備えた
吸引式受動型磁気軸受である。

【００１５】

【作用】上述の様に構成される本発明の磁気軸受装置に
よれば、重量の嵩む回転部材を安定して支持できる。即
ち、回転部材の重量は超電導磁気軸受と第一、第二の受
動型磁気軸受との双方で支承する為、磁気軸受装置全体
としての負荷容量を十分に確保できる。又、第二の受動
型磁気軸受を構成する強磁性体部が、回転部材の上面外
周寄り部分に設けられている為、この回転部材を傾斜す
る事なく安定して支持する事ができる。上記強磁性体部
には回転部材の回転に伴って大きな遠心力が作用する
が、この強磁性体部は鋼等の様に大きな靱性を有する材
料により造れるので、上記回転部材を高速回転させた場
合にも、この強磁性体部が破壊される事はない。

【００１６】又、超電導磁気軸受を構成する第一永久磁
石も、第一、第二の受動型磁気軸受を構成する第二、第
三、第四永久磁石も、回転部材の回転に伴う遠心力によ
り破壊される事がない。即ち、何れの構造の場合も、第
三、第四永久磁石は固定部材の側に固定されて回転する
事がない為、全く遠心力を受けない。又、何れの構造で
も第二永久磁石は比較的回転中心に寄った部分に設置で
きるので、回転部材の回転に伴って第二永久磁石に加わ
る遠心力は限られたものとなる。従って、この第二永久
磁石は遠心力により破壊されにくい。

【００１７】更に、残りの第一永久磁石も、次の様な理
由で、遠心力により破壊される事がない。先ず、請求項
１に記載された構造の場合には、第一の永久磁石を回転
部材の回転中心寄り部分に固定しているので、回転部材
の回転に伴って第一永久磁石に加わる遠心力は限られた
ものとなり、この第一永久磁石は遠心力により破壊され
にくい。一方、請求項２に記載された構造の場合には、
円形凹部の内周面に固定された第一永久磁石の外周面が
円形凹部の内周面により抑え付けられているので、この
第一永久磁石に遠心力が加わった場合でも、この第一永
久磁石に大きな引っ張り応力が加わる事はない。従っ
て、この第一永久磁石が遠心力により破壊される事はな
い。

【００１８】

【実施例】図１は、請求項１に対応する本発明の第一実
施例を示している。回転軸２の下端部には、この回転軸
２と共に回転部材を構成するフライホイール１０を、こ
の回転軸２と同心に固定している。このフライホイール
１０の下面中心部には、第一永久磁石１５を固定してい
る。この第一永久磁石１５は、それぞれが軸方向（図１
の上下方向）に着磁されて上記回転軸２と同心に配置さ
れた、円柱状の磁石素子１５ａと円環状の磁石素子１５
ｂとから成る。又、上記フライホイール１０の周囲を、
固定部材であるハウジング１６により囲んでいる。上記
回転軸２は、このハウジング１６の中央上部に設けた円
孔１７を通じて、このハウジング１６外に突出させてい
る。この様なハウジング１６の中央部上面には、円板状
の超電導体１８を固定し、この超電導体１８の上面と上
記第一永久磁石１５の下面とを対向させている。これら
超電導体１８と第一永久磁石１５とが、超電導磁気軸受
１９を構成し、この超電導磁気軸受１９が、超電導体１
８のピン止め効果によりフライホイール１０とハウジン
グ１６との距離を一定に保つべく機能する。尚、図示は
省略したが、上記ハウジング１６内には冷却ジャケット
を設けて、上記超電導体１８を超電導状態となる温度に
まで冷却自在としている。

【００１９】又、上記超電導磁気軸受１９の周囲には、
第一の受動型磁気軸受２０を設けている。この第一の受
動型磁気軸受２０は、それぞれが円環状である第二永久
磁石２１と第三永久磁石２２とを備える。又、これら各
永久磁石２１、２２は、それぞれが軸方向に着磁されて
上記回転軸２と同心に配置された、複数ずつ（図示の例
では４個ずつ）の円環状の磁石素子２１ａ、２２ａから
成る。このうちの第二永久磁石２１は、上記フライホイ
ール１０の下面で上記第一永久磁石１５の周囲部分に固
定されている。即ち、上記フライホイール１０の下面中
央部に形成した円形の凹部２３に、上記第一永久磁石１
５を構成する磁石素子１５ａ、１５ｂと上記第二永久磁
石２１を構成する磁石素子２１ａ、２１ａとを同心円状
に嵌合すると共に、直径方向（図１の左右方向）に隣り
合う磁石素子１５ａ、１５ｂ、２１ａの周面同士の間
に、合成樹脂、アルミニウム合金等の非磁性材により造
られた円環状のスペーサ２４、２４を挟持している。

【００２０】一方、上記第三永久磁石２２を構成する磁
石素子２２ａ、２２ａは、上記ハウジング１６の上面で
上記超電導体１８の周囲部分に固定されている。即ち、
上記ハウジング１６の上面に形成した円環状の凹部２５
に上記磁石素子２２ａ、２２ａを同心に配置すると共
に、直径方向に隣り合う磁石素子２２ａ、２２ａの周面
同士の間に非磁性材製で円環状のスペーサ２４、２４を
挟持している。これら各磁石素子２２ａ、２２ａも軸方
向に着磁されている。又、これら第三永久磁石２２を構
成する磁石素子２２ａ、２２ａの上面と、上記第二永久
磁石２１を構成する磁石素子２１ａ、２１ａの下面と
は、互いに同極同士で対向している。従って、これら第
二、第三両永久磁石２１、２２が、反発式の受動型磁気
軸受を構成して、前記回転軸２及びフライホイール１０
の重量の一部を支承自在としている。

【００２１】更に、前記フライホイール１０上面の中間
から外周寄りに亙る部分には、鋼板等の強磁性材製で円
環状のプレート２６を固定して、この上面外周寄り部分
を強磁性体部としている。そして、上記ハウジング１６
の下面に第四永久磁石２７を固定し、この第四永久磁石
２７の下面と上記プレート２６の上面とを対向させて、
第二の受動型磁気軸受２９を構成している。上記第四永
久磁石２７を固定する為、上記ハウジング１６の下面に
は円環状の凹部２８を形成している。そして、この凹部
２８内に、上記第四永久磁石２７を構成する円環状の磁
石素子２７ａ、２７ａを同心に配置すると共に、直径方
向に隣り合う磁石素子２７ａ、２７ａの周面同士の間に
非磁性材製で円環状のスペーサ２４、２４を挟持してい
る。これら各磁石素子２７ａ、２７ａも軸方向に着磁さ
れている。

【００２２】本発明の磁気軸受装置は、それぞれが上述
の様に構成される超電導磁気軸受１９と第一、第二の受
動型磁気軸受２０、２９により構成されるが、第一、第
二の受動型磁気軸受２０、２９の負荷能力の合計は、回
転軸２及びフライホイール１０の重量を丁度支えられる
か、或は支えるには少し不足するものとする。そして、
これら両受動型磁気軸受２０、２９の負荷能力と超電導
磁気軸受１９の負荷能力とが合計されると、上記回転軸
２及びフライホイール１０の重量（これらに固定された
永久磁石等の重量を含む）を支えるのに十分になり、し
かも回転軸２及びフライホイール１０が昇降しなくなる
様に、各磁気軸受１９、２０、２９の負荷能力を調整し
ている。

【００２３】即ち、反発式の受動型磁気軸受である第一
の受動型磁気軸受２０と吸引式の受動型磁気軸受である
第二の受動型磁気軸受２９とは、何れも回転軸２及びフ
ライホイール１０に上昇方向の力のみを付与する。これ
に対して、超電導磁気軸受１９は、第一永久磁石１５か
ら出た磁束を超電導体１８内にピン止めする事により、
上記回転軸２及びフライホイール１０が上昇する事に対
しても下降する事に対しても抵抗となる。本発明の磁気
軸受装置は、この様な性質の異なる磁気軸受１９、２
０、２９を組み合わせ、更に各磁気軸受１９、２０、２
９の負荷容量を調整したので、上記回転軸２及びフライ
ホイール１０を（下降も上昇もする事なく）、浮上状態
のままにできる。

【００２４】上述の様に構成される本発明の磁気軸受装
置を作動させる際には、例えば、超電導体１８を冷却せ
ずにこの超電導体１８を常電導状態のまま、上記回転軸
２に上昇方向の力を付与し、上記フライホイール１０を
少し上昇させる。次いで上記超電導体１８を冷却して、
この超電導体１８を超電導状態とした後、上記回転軸２
に加えていた浮上方向の力を解除する。この結果、上記
回転軸２及びフライホイール１０が、その重量により少
しだけ下降した状態で、これら回転軸２及びフライルホ
イール１０が、超電導体１８のピン止め力に基づいて超
電導体１８と第一永久磁石１５との間に働く力によっ
て、浮上状態に支持される。

【００２５】又、上述の様に回転軸２及びフライホイー
ル１０を浮上状態に支持する力は、上記第一、第二の両
受動型磁気軸受２０、２９によっても得られる。従っ
て、磁気軸受装置全体としての負荷容量を十分に確保で
き、重量の嵩むフライホイール１０を支持できる。又、
第二の受動型磁気軸受２９を構成する強磁性体部である
プレート２６が、フライホイール１０の上面外周縁にま
で設けられている為、このフライホイール１０及び回転
軸２を傾斜する事なく安定して支持する事ができる。上
記プレート２６にはフライホイール１０の回転に伴って
大きな遠心力が作用するが、このプレート２６は鋼等の
様に大きな靱性を有する材料により造れるので、上記フ
ライホイール１０を高速回転させた場合にも、このプレ
ート２６が破壊される事はない。

【００２６】又、超電導磁気軸受１９を構成する第一永
久磁石１５の磁石素子１５ａ、１５ｂも、第一、第二の
受動型磁気軸受２０、２９を構成する第二、第三、第四
永久磁石２１、２２、２７の磁石素子２１ａ、２２ａ、
２７ａも、フライホイール１０の回転に伴う遠心力によ
り破壊される事がない。即ち、第三、第四永久磁石２
２、２７の磁石素子２２ａ、２７ａはハウジング１６の
側に固定されて回転する事がない為、全く遠心力を受け
ない。又、第二永久磁石２１の磁石素子２１ａ、２１ａ
は、フライホイール１０下面のうちの比較的回転中心に
寄った部分に設置されているので、フライホイール１０
の回転に伴ってこれら各磁石素子２１ａ、２１ａに加わ
る遠心力は限られたものとなる。従って、これら各磁石
素子２１ａ、２１ａは遠心力により破壊されにくい。

【００２７】更に、残りの第一永久磁石１５も、フライ
ホイール１０の回転中心部に固定しているので、フライ
ホイール１０の回転に伴って第一永久磁石１５の磁石素
子１５ａ、１５ｂに加わる遠心力は限られたものとな
り、これら各磁石素子１５ａ、１５ｂが遠心力により破
壊されにくくなる。これらにより、本発明の磁気軸受装
置は、十分な負荷容量を持ち、しかも高速回転した場合
でも十分な信頼性及び耐久性を確保する事ができる。特
に、図示の様に各磁石素子１５ａ、１５ｂ、２１ａ、２
１ａを凹部２３内に収納する構造では、各磁石素子１５
ａ、１５ｂ、２１ａ、２１ａの外周面を抑え付けられる
為、これら各磁石素子１５ａ、１５ｂ、２１ａ、２１ａ
の破損防止効果をより大きくできる。

【００２８】次に、図２は、やはり請求項１に対応す
る、本発明の第二実施例を示している。本実施例の場合
には、各磁気軸受１９、２０、２９を構成する第一〜第
四永久磁石１５、２１、２２、２７により形成される磁
界を強くする事で、磁気軸受装置の負荷容量を大きくし
ている。この為に本実施例では、次の様な構造により、
上記各永久磁石１５、２１、２２、２７の磁界を強化し
ている。

【００２９】先ず、第一永久磁石１５を構成する磁石素
子１５ａ、１５ｂの着磁方向を互いに逆にすると共に、
これら両磁石素子１５ａ、１５ｂの上端面を、軟鋼板等
の強磁性材により円板状に造られた透磁板３０の下面に
突き当てている。この結果、上記両磁石素子１５ａ、１
５ｂの下端面同士の間に形成される磁界が強くなり（高
密度の磁束が流れ）、超電導磁気軸受１９の負荷容量が
増大すると共に軸受剛性が向上する。

【００３０】次に、第一の受動型磁気軸受２０に組み込
まれる第二、第三両永久磁石２１、２２では、各永久磁
石２１、２２を構成する、それぞれ４個ずつの磁石素子
２１ａ、２２ａを、それぞれ内周側半部の２個ずつと、
外周側半部の２個ずつとに、それぞれ組み合わせてい
る。そして、各組を構成する磁石素子２１ａ、２２ａの
着磁方向を互いに逆方向としている。又、それぞれ中間
部（異なる組に属して互いに隣り合う）２個の磁石素子
２１ａ、２２ａの着磁方向は互いに同じとしている。そ
して、同じ組に属する磁石素子２１ａ、２１ａの上端
面、同じく磁石素子２２ａ、２２ａの下端面を、それぞ
れ強磁性材製の透磁リング３１、３１に突き当ててい
る。この結果、上記各磁石素子２１ａ、２２ａの対向面
間に形成される磁界が強くなり、第一の受動型磁気軸受
２０の負荷容量が増大すると共に軸受剛性が向上する。

【００３１】更に、第二の受動型磁気軸受２９に組み込
まれる第四永久磁石２７では、この第四永久磁石２７を
構成する６個の磁石素子２７ａ、２７ａを隣り合う２個
ずつを１組として３組に分け、各組を構成する磁石素子
２７ａ、２７ａの着磁方向を互いに逆方向としている。
又、異なる組に属して互いに隣り合う磁石素子２７ａ、
２７ａの着磁方向は互いに同じとしている。そして、同
じ組に属する磁石素子２７ａ、２７ａの上端面を、それ
ぞれ強磁性材製の透磁リング３１、３１に突き当ててい
る。又、上記第四永久磁石２７の下面と対向するプレー
ト２６の上面で、隣り合う磁石素子２７ａ、２７ｂの周
面同士の間に挟持されたスペーサ２４の下端面に対向す
る部分には複数の凹溝３２、３２を、それぞれ全周に亙
って形成している。

【００３２】この様に構成する結果、上記各磁石素子２
７ａ、２７ａの下端面と、上記プレート２６の上面で隣
り合う凹溝３２、３２の間に位置する凸部分との間に強
い磁界が形成され、第二の受動型磁気軸受２９の負荷容
量が増大すると共に軸受剛性が向上する。又、上記各磁
石素子２７ａ、２７ａの下端面と上記凸部分との間に形
成される強い磁界により、これら下端面と凸部分との間
に強い吸引力が作用する。この為、上記第四永久磁石２
７とプレート２６とが直径方向にずれる傾向となって
も、上記吸引力がこのずれを修正する方向に作用する。
従って、本実施例の場合には、超電導磁気軸受１９だけ
でなく第二の受動型磁気軸受２９が、直径方向に亙る変
位を修正する機能を持ち、磁気軸受装置全体としてのラ
ジアル剛性が向上する。その他の構成及び作用は、前述
した第一実施例と同様である。

【００３３】次に、図３は、やはり請求項１に対応す
る、本発明の第三実施例を示している。本実施例の場合
には、回転軸２の外周面とハウジング１６に形成した円
孔１７の内周面との間に、超電導ラジアル磁気軸受３３
を設けている。即ち、回転軸２の外周面に、それぞれが
軸方向（図示の場合とは異なり、半径方向でも良い）に
着磁された複数の磁石素子３４ａ、３４ａから成る第五
永久磁石３４を設けている。図示の例では、各磁石素子
３４ａ、３４ａの着磁方向は互いに同じとしているが、
隣り合う磁石素子３４ａ、３４ａ同士で、着磁方向を逆
にしても良い。そして、上記円孔１７の内周面に円筒状
の超電導体３５を固定し、この超電導体３５の内周面と
上記第五永久磁石３４の外周面とを対向させている。上
記超電導体３５は、ハウジング１６内に設けられた図示
しない冷却ジャケット内に液体窒素等の冷却剤を送り込
む事で、超電導状態となる。そして、上記第五永久磁石
３４から出た磁束を内部にピン止めする事で、上記回転
軸２がラジアル方向に変位する事を阻止する。本実施例
の場合には、磁気軸受装置全体としてのラジアル剛性
が、上記第二実施例よりも更に向上する。第五永久磁石
３４の直径は小さく、この第五永久磁石３４に作用する
遠心力は小さい為、この第五永久磁石３４が遠心力によ
り破壊される事はない。その他の構成及び作用は、上述
した第二実施例と同様である。尚、上記超電導ラジアル
磁気軸受３３も、請求項１に記載した超電導磁気軸受の
一態様である。

【００３４】次に、図４は、やはり請求項１に対応す
る、本発明の第四実施例を示している。本実施例の場合
には、回転軸２の下端部をフライホイール１０の下面よ
りも下方に突出させ、この下端部をハウジング１６の内
側に形成した円形凹部３６に緩く挿入している。そし
て、上記下端部の外周面と円形凹部３６の内周面との間
にも、超電導ラジアル磁気軸受３３Ａを設けている。こ
の超電導ラジアル磁気軸受３３Ａが請求項１に記載した
超電導磁気軸受であり、この超電導ラジアル磁気軸受３
３Ａを構成する永久磁石３４Ａが請求項１の第一永久磁
石に相当する。本実施例の場合には、回転軸２の上下２
個所位置に超電導ラジアル磁気軸受３３、３３Ａを設け
ている為、磁気軸受装置全体としてのラジアル剛性が、
上記第三実施例よりも更に向上する。その他の構成及び
作用は、上述した第三実施例と同様である。

【００３５】次に、図５は、やはり請求項１に対応す
る、本発明の第五実施例を示している。本実施例の場合
には、ハウジング１６の上方に円筒部３７を設け、この
円筒部３７の内周面と回転軸２の外周面との間に、複数
個（図示の例では３個）の制御型磁気軸受３８、３８を
設けている。この為に本実施例の場合には、上記回転軸
２の外周面３個所位置に鋼等の強磁性材製で円筒状のロ
ータ３９、３９を固定している。又、上記円筒部３７の
内周面３個所位置でこれらロータ３９、３９と対向する
部分には、それぞれ電磁石４０、４０を固定している。
これら各電磁石４０、４０はそれぞれ、円周方向に４分
割された電磁石素子から成り、図示しない変位センサか
らの信号に基づいて何れかの電磁石素子に通電する事
で、上記回転軸２のラジアル方向位置を規制する。本実
施例の場合には、ラジアル剛性の大きな制御型磁気軸受
３８、３８を設ける事で、磁気軸受装置全体としてのラ
ジアル剛性が向上する。その他の構成及び作用は、前述
した第一実施例と同様である。

【００３６】次に、図６は、請求項２に対応する、本発
明の第六実施例を示している。フライホイール１０の下
面には、回転軸２と同心の円形凹部４１が形成されてお
り、ハウジング１６の上面でこの円形凹部４１と整合す
る部分には、この円形凹部４１内に緩く挿入可能な円形
凸部４２が形成されている。そして、超電導磁気軸受１
９ａを構成する第一永久磁石１５Ａを、上記円形凹部４
１の内周面に固定している。又、同じく超電導磁気軸受
１９ａを構成する円筒状の超電導体１８ａを、上記円形
凸部４２の外周面に固定している。この超電導磁気軸受
１９ａは、フライホイール１０とハウジング１６との間
に作用するラジアル荷重を支承する他、スラスト荷重を
支承する機能も有する。

【００３７】又、第一の受動型磁気軸受２０を構成する
第二永久磁石２１を上記円形凹部４１の奥端面に固定し
ている。即ち、この奥端面に形成した円形の凹部４３
に、上記第二永久磁石２１を構成する円柱状の磁石素子
２１ｂと円環状の磁石素子２１ａ、２１ａとを、上記回
転軸２と同心に配置している。一方、上記円形凸部４２
の端面で上記第二永久磁石２１の下面と対向する部分に
は第三永久磁石２２を固定している。即ち、この円形凸
部４２の端面に形成した円形の凹部４４に、上記第三永
久磁石２２を構成する円柱状の磁石素子２２ｂと円環状
の磁石素子２２ａ、２２ａとを、上記回転軸２と同心に
配置している。そして、この第三永久磁石２２を構成す
る磁石素子２２ａ、２２ｂの上端面と上記第二永久磁石
２１を構成する磁石素子２１ａ、２１ｂの下端面とを同
極同士で互いに対向させて、反発式受動型磁気軸受を構
成している。尚、上記各磁石素子２１ａ、２１ｂの上端
面並びに上記各磁石素子２２ａ、２２ｂの下端面は透磁
板３０、３０或は透磁リング３１、３１に突き当てて、
第一の受動型磁気軸受２０の負荷容量の増大と軸受剛性
の向上とを図っている。第二の受動型磁気軸受２９の構
造及び作用は、前記第二〜第四実施例と同様である。第
一、第二の受動型磁気軸受２０、２９の負荷能力の合計
を回転軸２及びフライホイール１０の重量を丁度支えら
れるか、或は支えるには少し不足するものとし、これら
両受動型磁気軸受２０、２９の負荷能力と超電導磁気軸
受１９ａの負荷能力とが合計されると、上記回転軸２及
びフライホイール１０の重量を支えるのに十分になり、
しかも回転軸２及びフライホイール１０が昇降しなくな
る様に、各磁気軸受１９ａ、２０、２９の負荷能力を調
整する事は、前述した各実施例の場合と同様である。

【００３８】上述の様に構成される本実施例の場合に
は、超電導磁気軸受１９ａを構成すべく、円形凹部４１
の内周面に固定された第一永久磁石１５Ａの外周面が、
この円形凹部４１の内周面により抑え付けられているの
で、この第一永久磁石１５Ａに遠心力が加わった場合で
も、この第一永久磁石１５Ａに大きな引っ張り応力が加
わる事はない。従って、この第一永久磁石１５Ａが遠心
力により破壊される事はない。その他の作用に就いて
は、前述した第二実施例と同様である。

【００３９】次に、図７は、やはり請求項２に対応す
る、本発明の第七実施例を示している。本実施例の場合
には、回転軸２の外周面とハウジング１６に形成した円
孔１７の内周面との間に、超電導ラジアル磁気軸受３３
を設けている。この超電導ラジアル磁気軸受３３の構成
及び作用に関しては、前述した第三実施例に組み込まれ
た超電導ラジアル磁気軸受３３（図３）と同様である。
その他の構成及び作用は、上述した第六実施例と同様で
ある。尚、本実施例は、請求項１に記載した発明の技術
的範囲にも属するものである。

【００４０】

【発明の効果】本発明の磁気軸受装置は、以上に述べた
通り構成され作用するので、十分に大きな負荷容量を確
保して、回転部分に加わる大きな荷重を支承できるだけ
でなく、遠心力に基づいて永久磁石が破損する事を防止
できるので、十分な信頼性及び耐久性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す断面図。

【図２】同第二実施例を示す断面図。

【図３】同第三実施例を示す断面図。

【図４】同第四実施例を示す断面図。

【図５】同第五実施例を示す断面図。

【図６】同第六実施例を示す断面図。

【図７】同第七実施例を示す断面図。

【図８】従来から知られた超電導磁気軸受装置を組み込
んだ電力貯蔵装置を示す縦断面図。

【符号の説明】

１真空ハウジング２回転軸３保持筒４磁性リング５電磁石６能動型磁気軸受７ロータ８ステータ９発電機兼用モータ１０フライホイール１１永久磁石１２冷却ジャケット１３超電導体１４超電導スラスト磁気軸受１５、１５Ａ第一永久磁石１５ａ、１５ｂ磁石素子１６ハウジング１７円孔１８、１８ａ超電導体１９、１９ａ超電導磁気軸受２０第一の受動型磁気軸受２１第二永久磁石２１ａ、２１ｂ磁石素子２２第三永久磁石２２ａ、２２ｂ磁石素子２３凹部２４スペーサ２５凹部２６プレート２７第四永久磁石２７ａ磁石素子２８凹部２９第二の受動型磁気軸受３０透磁板３１透磁リング３２凹溝３３、３３Ａ超電導ラジアル磁気軸受３４第五永久磁石３４ａ磁石素子３４Ａ永久磁石３５超電導体３６円形凹部３７円筒部３８制御型磁気軸受３９ロータ４０電磁石４１円形凹部４２円形凸部４３、４４凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転部材と、この回転部材と対向して設
けられた固定部材と、これら回転部材と固定部材との間
に設けられた超電導磁気軸受及び第一、第二の受動型磁
気軸受とを備え、このうちの超電導磁気軸受は、上記回転部材の一部でこ
の回転部材の回転中心寄り部分に固定された第一永久磁
石と、上記固定部材の一部でこの第一永久磁石と対向す
る部分に固定された超電導体とを備え、上記第一の受動型磁気軸受は、上記回転部材の下面に固
定された、この回転部材の回転中心をその中心とする円
環状で軸方向に着磁された第二永久磁石と、上記固定部
材の上面でこの第二永久磁石の下面と対向する部分に固
定された、円環状で軸方向に着磁された第三永久磁石と
を備え、この第三永久磁石の上面と上記第二永久磁石の
下面とを同極同士で互いに対向させた反発式受動型磁気
軸受であり、上記第二の受動型磁気軸受は、上記回転部材の上面外周
寄り部分に設けられた強磁性体部と、上記固定部材の一
部でこの強磁性体部の上面と対向する部分に固定された
第四永久磁石とを備えた吸引式受動型磁気軸受である磁
気軸受装置。
【請求項２】回転部材と、この回転部材と対向して設
けられた固定部材と、これら回転部材と固定部材との間
に設けられた超電導磁気軸受及び第一、第二の受動型磁
気軸受とを備え、上記回転部材の下面にはこの回転部材の回転中心と同心
の円形凹部が形成されており、上記固定部材の上面でこ
の円形凹部と整合する部分には、この円形凹部内に緩く
挿入可能な円形凸部が形成されており、上記超電導磁気軸受は、上記円形凹部の内周面に固定さ
れた第一永久磁石と、上記円形凸部の外周面に固定され
て上記第一永久磁石の内周面と対向する超電導体とを備
え、上記第一の受動型磁気軸受は、上記円形凹部の奥端面に
固定された、上記回転部材の回転中心をその中心とする
円環状で軸方向に着磁された第二永久磁石と、上記円形
凸部の端面でこの第二永久磁石の下面と対向する部分に
固定された、円環状で軸方向に着磁された第三永久磁石
とを備え、この第三永久磁石の上面と上記第二永久磁石
の下面とを同極同士で互いに対向させた反発式受動型磁
気軸受であり、上記第二の受動型磁気軸受は、上記回転部材の上面外周
寄り部分に設けられた強磁性体部と、上記固定部材の一
部でこの強磁性体部の上面と対向する部分に固定された
第四永久磁石とを備えた吸引式受動型磁気軸受である磁
気軸受装置。