JPH09233803A - 高速回転機器用制動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速で回転する回転軸２を、緊急時に迅速に
停止させる。 【構成】 回転軸２の端部に、永久磁石２３を備えた被
制動筒２１を固定する。強磁性体３０を備えた制動筒２
９を被制動筒２１と同心に配置する。緊急時にはこの制
動筒２９を、アクチュエータ２７等により上記被制動筒
２１に対向させる。この結果、制動筒２９に渦電流が惹
起されて、上記回転軸２に制動力が加わる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係る高速回転機器用制
動装置は、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
を供給する事により、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、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１３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（図８の左右方向）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、
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１０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、殆ど低下しなくなる。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】上述の様な電力貯蔵装
置は、運転時にはフライホイール１０及び回転軸２が超
高速で回転する。一般的には、これらフライホイール１
０及び回転軸２の回転速度は、貯蔵した電力を取り出す
事に伴って、発電機兼用モータ９部分で発生する抵抗に
より低下する。但し、この抵抗に基づく速度低下は緩徐
である。これに対して、例えば地震等により外力が加わ
り、超高速で回転する部分が相手面と擦れ合うと、構成
各部材に大きな損傷を発生する原因となる。従って、例
えば地震発生時等は、上記フライホイール１０及び回転
軸２を緊急停止させる必要があるが、従来はこの様な緊
急停止を行なえる制動装置は知られていなかった。

【００１０】例えば、上記発電機兼用モータ９からの電
力により電力を取り出す部分に大きな負荷（電力消費の
大きな装置）を接続すれば、この発電機兼用モータ９部
分の抵抗が増大して、上記フライホイール１０及び回転
軸２が停止するまでの時間を短くできる。但し、非常時
に備えてこの様な負荷を常に用意しておく事は、現実的
とは言えないし、必ずしも十分な制動力を得られない。
上記発電機兼用モータ９の端子を短絡（ショート）させ
れば、相当に大きな制動力を得られるが、この発電機兼
用モータ９のコイルが発熱により焼き切れる可能性があ
る。本発明の高速回転機器用制動装置は、この様な事情
に鑑みて発明したものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の高速回転機器用
制動装置は、高速回転機器の回転軸の端部に固定され
た、円筒状の第一の周面を有する被制動筒と、この第一
の周面と対向自在な円筒状の第二の周面を有し、固定の
部分に回転不能に、且つ上記回転軸の端部に向け進退自
在に支持された制動筒とを備える。そして、上記被制動
筒と制動筒とのうちの一方の筒は、直径方向に亙って着
磁された永久磁石から成り、且つ、着磁方向が円周方向
に亙って交互に逆とされたものである。又、上記被制動
筒と制動筒とのうちの他方の筒は、強磁性体と、この強
磁性体と上記永久磁石との相対回転に伴って渦電流を惹
起させる渦電流惹起手段とを備える。尚、この渦電流惹
起手段としては、例えば次の〜の様なものを単独
で、或は組み合わせて採用できる。 強磁性体の周面を覆う状態で設けられた、良電導材
製の円筒。 強磁性体の周面近傍部分に、この強磁性体の軸方向
に亙って埋設された、それぞれが良電導材製である複数
本のピンと、それぞれが良電導材により造られて上記各
ピンの両端部同士を導通させる１対のリングとから成る
籠型部材。 強磁性体の周面に、それぞれがこの強磁性体の軸方
向に亙り形成された複数本の凹溝。

【００１２】

【作用】上述の様に構成される本発明の高速回転機器用
制動装置の作用は、次の通りである。高速回転機器の通
常使用時には、制動筒を被制動筒から退避させておく。
この状態では、第一、第二の周面は互いに対向せず、制
動装置は何らの制動力も発生しない。高速回転機器を緊
急停止させる場合等、制動力を発生させる場合には、上
記制動筒を被制動筒に向け前進させて、上記第一、第二
の周面同士を互いに対向させる。この状態では、一方の
筒を構成する永久磁石と他方の筒を構成する強磁性体と
の間に強い磁気回路が形成される。そして、これら永久
磁石と強磁性体とが高速で相対回転するのに伴って、強
磁性体自身（の場合）又はこの強磁性体に添設された
円筒（の場合）若しくは籠型部材（の場合）に渦電
流が発生する。この結果、上記永久磁石と強磁性体とが
相対回転する事に対して大きな抵抗が発生し、回転軸に
大きな制動力が加えられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜４及び図５（Ａ）は、本発
明の実施の形態の第１例を示している。回転軸２の下端
部には、この回転軸２と共に回転するフライホイール１
０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、円輪状の永久磁石１１
を固定している。この永久磁石１１は軸方向（図１、４
の上下方向）に着磁されている。又、上記回転軸２及び
フライホイール１０の周囲を、固定の部分である真空ハ
ウジング１ａにより囲んでいる。この様な真空ハウジン
グ１ａの底部上面には、円輪状の超電導体１３を固定
し、この超電導体１３の上面と上記永久磁石１１の下面
とを対向させている。これら超電導体１３と永久磁石１
１とが超電導磁気軸受１５を構成し、この超電導磁気軸
受１５が、超電導体１３のピン止め効果によりフライホ
イール１０と真空ハウジング１ａ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、上記真空ハウジ
ング１ａの底部には冷却ジャケットを組み込んで、上記
超電導体１３を超電導状態となる温度にまで冷却自在と
している。

【００１４】又、真空ハウジング１ａの上半部には円筒
部１６を設け、この円筒部１６の内周面と回転軸２の外
周面との間に、上下１対の制御型磁気軸受１７、１７を
設けている。この為に、上記回転軸２の上下２個所位置
に、鋼等の強磁性材製で円筒状のロータ１８、１８を固
定している。又、上記円筒部１６の内周面２個所位置で
これらロータ１８、１８と対向する部分には、それぞれ
電磁石１９、１９を固定している。これら各電磁石１
９、１９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により、上記回転軸
２のラジアル方向位置を規制する。本例の場合には、上
記超電導磁気軸受１５に加えてラジアル剛性の大きな制
御型磁気軸受１７、１７を設ける事により、ラジアル剛
性を確保している。尚、これら制御型磁気軸受１７、１
７は、危険速度通過時に上記回転軸２がラジアル方向に
振れる事を防止する役目を果たす。危険速度通過後はこ
れら制御型磁気軸受１７、１７への通電を停止して、消
費電力の節減を図る。

【００１５】又、上記回転軸２の中間部で上下１対のロ
ータ１８、１８に挟まれた部分には別のロータ７を、上
記円筒部１６の中間部内周面で上下１対の電磁石１９、
１９に挟まれた部分にはステータ８を、それぞれ固定し
て、発電機兼用モータ９を構成している。この発電機兼
用モータ９は、前述の図８に示した従来構造と同様に、
夜間の余剰電力により上記回転軸２及びフライホイール
１０を回転させ、上記余剰電力をフライホイール１０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発電する。

【００１６】更に、上記回転軸２の上端部には円筒部２
０を形成し、この円筒部２０の内側に被制動筒２１を内
嵌固定している。この被制動筒２１は、非磁性材により
有底円筒状に造られた保持ケース２２と、この保持ケー
ス２２の内側に配置された円筒状の永久磁石２３とから
成る。そして、この永久磁石２３の内周面を、円筒状の
第一の周面２４としている。又、この永久磁石２３は、
それぞれが円弧状に形成された偶数個のセグメント２５
ａ、２５ｂを円周方向に配置する事により構成されてい
る。これら各セグメント２５ａ、２５ｂは、それぞれ直
径方向に着磁されているが、隣り合うセグメント２５
ａ、２５ｂ同士の間で着磁方向は互いに逆としている。
従って、上記永久磁石２３の内外両周面には、Ｓ極とＮ
極とが交互に配置されている。この様な永久磁石２３
は、上記保持ケース２２の内側に、接着等により固定さ
れている。従ってこの永久磁石２３は、上記回転軸２の
上端部に固定されて、この回転軸２と共に回転する。

【００１７】一方、前記真空ハウジング１ａの天板部２
６の下面にはエアシリンダ等のアクチュエータ２７を固
定している。このアクチュエータ２７は、駆動ロッド２
８を下方に向けた状態で上記天板部２６の下面に固定さ
れており、圧縮空気の給排等により、上記駆動ロッド２
８を昇降させる。尚、この駆動ロッド２８が回転する事
はない。そして、この駆動ロッド２８の下端部に、制動
筒２９を固定している。この制動筒２９は、鋼等の強磁
性体３０と、この強磁性体３０の外周面に外嵌固定され
た円筒３１とから成る。この円筒３１は、上記永久磁石
２３と強磁性体３０との相対回転に伴って渦電流を惹起
させる渦電流惹起手段を構成するもので、アルミニウ
ム、銅等の良電導材により造られている。本例の場合、
この円筒３１の外周面が第二の周面３８である。この様
な制動筒２９は、上記駆動ロッド２８の下降に伴って上
記被制動筒２１の内側に挿入され、この駆動ロッド２８
の上昇に伴ってこの被制動筒２１の上方に退避する。

【００１８】上述の様に構成される高速回転機器用制動
装置を組み込んだ電力貯蔵装置を作動させる際には、例
えば、超電導体１３を冷却せずにこの超電導体１３を常
電導状態のまま、図示しない引き上げ手段により上記回
転軸２に上昇方向の力を付与し、上記フライホイール１
０を少し上昇させる。次いで上記超電導体１３を冷却し
て、この超電導体１３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、超電導体１３のピン止め力
に基づいて超電導体１３と永久磁石１１との間に働く力
によって、浮上状態に支持される。

【００１９】そこで、前記ステータ８に通電する事によ
り上記回転軸２及びフライホイール１０を回転させ、電
力を貯蔵する。貯蔵した電力を取り出す際には、上記ス
テータ８を負荷に接続する。

【００２０】この様にして行なう電力貯蔵時、例えば地
震等により、上記回転軸２及びフライホイール１０を緊
急停止させる必要が生じた場合には、前記アクチュエー
タ２７の駆動ロッド２８を下降させ、制動筒２９を上記
被制動筒２１の内側に挿入する。この結果、第一の周面
２４である永久磁石２３の内周面と、第二の周面３８で
ある円筒３１の外周面とが、円筒状に隙間を介して対向
する。又、この円筒３１の内径側に存在する強磁性体３
０の外周面と上記永久磁石２３の内周面との間に、図３
に矢印で示す様な、強い磁気回路が形成される。

【００２１】この様な強い磁気回路が形成された状態
で、上記永久磁石２３が強磁性体３０の周囲で高速回転
すると、この強磁性体３０に外嵌固定された円筒３１に
渦電流が惹起される。この渦電流は上記永久磁石２３が
回転する事に対する抵抗となるので、この永久磁石２３
を固定した回転軸２に大きな制動力が加えられ、この回
転軸２とフライホイール１０とが緊急停止する。制動時
に上記円筒３１は発熱するが、この円筒３１と永久磁石
２３との間は真空であるので、円筒３１から永久磁石２
３に伝達される熱は輻射によるのみの、限られたものと
なる。従って、制動に伴って前記超電導磁気軸受１５の
軸受機能が喪失する事はない。

【００２２】尚、永久磁石２３が強磁性体３０の周囲で
高速回転した場合に渦電流を惹起させる渦電流惹起手段
としては、上述の第１例の場合の様な良電導材製の円筒
３１の他、図５（Ｂ）に示す様な籠型部材３２、或は同
図（Ｃ）に示す様な凹溝３３、３３でも良い。

【００２３】先ず、本発明の実施の形態の第２例に相当
する籠型部材３２は、強磁性体３０の外周面近傍部分
に、この強磁性体３０の軸方向（図５（Ｂ）の上下方
向）に亙って埋設された、それぞれが良電導材製である
複数本のピン３４、３４と、それぞれが良電導材により
造られて上記各ピン３４、３４の両端部同士を導通させ
る１対のリング３５、３５とから構成される。この様な
第２例の構造の場合、製造作業が多少面倒になるが、大
きな制動力を得られる。即ち、本例の場合には、永久磁
石２３（図１〜４）の内周面と強磁性体３０の外周面と
の間に、磁束の流れに対して抵抗となる非磁性材製の円
筒３１が存在しない。この為、これら永久磁石２３の内
周面と強磁性体３０の外周面との間に形成される磁気回
路の磁束密度を高くして、上記制動力を大きくできる。

【００２４】又、本発明の実施の形態の第３例に相当す
る凹溝３３、３３は、強磁性体３０自身の外周面に、そ
れぞれこの強磁性体３０の軸方向（図５（Ｃ）の上下方
向）に亙り直接形成している。この様な構造の場合に
は、永久磁石２３（図１〜４）と強磁性体３０との相対
回転に伴って発生する渦電流の流れ易さ、即ち発熱によ
り機械エネルギを熱エネルギに変換する効率を確保して
大きな制動力を得る面からは、図５（Ａ）（Ｂ）に示し
た構造に比べて若干不利ではある。但し、永久磁石２３
の内周面と強磁性体３０の外周面との間に形成される磁
気回路の磁束密度を高くして制動力を確保する面から
は、図５（Ｂ）に示した構造と同様の効果を得られる。
又、渦電流惹起手段の製作が容易で、コストが安い。

【００２５】次に、図６〜７は、本発明の実施の形態の
第４例を示している。本例の場合には、回転軸２の上端
部に小径部３６を形成し、この小径部３６に非磁性材製
の保持筒３７を介して、永久磁石２３を外嵌固定してい
る。又、アクチュエータ２７の駆動ロッド２８の下端部
に固定する制動筒２９ａは、下方が開口した有底円筒状
の強磁性体３０ａと、この強磁性体３０ａの内周面に内
嵌固定された、良電導材製の円筒３１とから構成してい
る。本例の場合には、上記永久磁石２３の外周面が第一
の周面２４ａであり、上記円筒３１の内周面が第二の周
面３８ａである。

【００２６】この様に構成される本例の場合には、互い
に対向する事により制動力を発生させる第一の周面２４
ａと第二の周面３８ａとの直径を、前述した第１例の場
合よりも大きくできるので、制動トルクを大きくして、
緊急停止に要する時間の短縮を図れる。その他の構成及
び作用は、前述した第１例と同様である。

【００２７】尚、図示は省略したが、回転軸の側に設け
る被制動筒に強磁性体と渦電流惹起手段とを設け、固定
の部分に回転不能に設ける制動筒を永久磁石を含んで構
成する事もできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の高速回転機器用制動装置は、以
上に述べた通り構成され作用するので、各種高速回転機
器を緊急制動させる事ができて、地震等の非常時にこの
高速回転機器が重大な損傷を受ける事を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１例を、制動装置の非
作動時の状態で示す断面図。

【図２】被制動筒を組み込んだ回転軸の上端部を示す断
面図。

【図３】同じく平面図。

【図４】制動装置の作動時の状態で示す、図１と同様の
図。

【図５】制動筒の構造の３例を示す、それぞれ斜視図。

【図６】本発明の実施の形態の第４例を、制動装置の非
作動時の状態で示す断面図。

【図７】同じく制動装置の作動時の状態で示す図。

【図８】本発明の制動装置が組み込まれる高速回転機器
の１例である電力貯蔵装置を示す縦断面図。

【符号の説明】

１、１ａ 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 超電導磁気軸受 １６ 円筒部 １７ 制御型磁気軸受 １８ ロータ １９ 電磁石 ２０ 円筒部 ２１ 被制動筒 ２２ 保持ケース ２３ 永久磁石 ２４、２４ａ 第一の周面 ２５ａ、２５ｂ セグメント ２６ 天板部 ２７ アクチュエータ ２８ 駆動ロッド ２９、２９ａ 制動筒 ３０、３０ａ 強磁性体 ３１ 円筒 ３２ 籠型部材 ３３ 凹溝 ３４ ピン ３５ リング ３６ 小径部 ３７ 保持筒 ３８、３８ａ 第二の周面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速回転機器の回転軸の端部に固定され
   た、円筒状の第一の周面を有する被制動筒と、この第一
   の周面と対向自在な円筒状の第二の周面を有し、固定の
   部分に回転不能に、且つ上記回転軸の端部に向け進退自
   在に支持された制動筒とを備え、上記被制動筒と制動筒
   とのうちの一方の筒は、直径方向に亙って着磁された永
   久磁石から成り、且つ、着磁方向が円周方向に亙って交
   互に逆とされたものであり、上記被制動筒と制動筒との
   うちの他方の筒は、強磁性体と、この強磁性体と上記永
   久磁石との相対回転に伴って渦電流を惹起させる渦電流
   惹起手段とを備えたものである高速回転機器用制動装
   置。