JPH10306824A - 超電導磁気軸受 - Google Patents

超電導磁気軸受

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JPH10306824A
JPH10306824A JP9114927A JP11492797A JPH10306824A JP H10306824 A JPH10306824 A JP H10306824A JP 9114927 A JP9114927 A JP 9114927A JP 11492797 A JP11492797 A JP 11492797A JP H10306824 A JPH10306824 A JP H10306824A
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JP
Japan
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bearing
magnetic bearing
load
floating body
superconductor
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Pending
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JP9114927A
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English (en)
Inventor
Makoto Okano
眞 岡野
Noriji Tamada
紀治 玉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP9114927A priority Critical patent/JPH10306824A/ja
Publication of JPH10306824A publication Critical patent/JPH10306824A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2361/00Apparatus or articles in engineering in general
    • F16C2361/55Flywheel systems

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導磁気軸受の有する低い剛性と、負荷変
動に対する安定性とを向上させる。 【解決手段】 リニアステージ3に超電導体2を設けた
超電導磁気軸受1と、この超電導磁気軸受の上の磁石5
にラジアル気体軸受9で支持された回転軸8を取り付け
た浮上体4と、この浮上体4に加えられた負荷Wによる
変位量を検出するセンサ15と、このセンサ15によっ
て検出された変位量に応じてリニアステージ3を上昇ま
たは下降させてその位置を制御する制御手段17とを設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導現象である
マイスナー効果或いはピンニング効果を利用した超電導
磁気軸受に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、超電導磁気軸受を採用した機器に
は、4.2Kの温度近傍で動作する金属超電導体のマイ
スナー効果を利用した航空用ジャイロスコープがある
が、超電導現象を生じさせるために極低温冷媒が必要な
こと、負荷容量、軸受剛性が非常に低いことから応用例
は極めて少ない。ピン止め型超電導磁気軸受は、簡単な
構造で、高い負荷容量を持ち、軸受損失が極めて低い長
所を持つ反面、軸受剛性が極めて低い。この欠点を改善
するためには、他の軸受との併用が有効である。しか
し、一般の制御型磁気軸受や気体軸受を軸受面に併用し
て配置することは、構造の複雑化,スペース,損失の増
加などを招く恐れがある。
【0003】また、大気中で手軽に扱える液体窒素の温
度で超電導現象を生じる高温酸化物超電導体を用いた超
電導磁気軸受では、超電導体が開発研究段階でもある
が、軸受剛性が一般の玉軸受や気体軸受などに比べて極
めて低いことからそれを応用した機器は、まだ開発され
ていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】産業規模の軸受として
の軸受剛性としては、1cm2 当たり1cmの変位に対し、
103 〜104 kg程度が要求されるが、超電導磁気軸受
では、1〜10kg/cm2程度にすぎずその応用にはかな
り無理がある。
【0005】超電導体の臨界電流密度を高めてピン止め
力を強くし、軸受剛性の向上を図っているが、産業規模
に採用できるほどの軸受剛性を得るに至っていない。ま
た、超電導磁気軸受に能動型磁気軸受を併用して軸受剛
性の向上を図る試みもあるが、構造の複雑化、スペース
の増加、能動型磁気軸受を併用したことによる損失の増
加、安定性の低下などの問題がある。
【0006】本発明は、上述した従来の問題点を解消
し、超電導磁気軸受にフィードバック制御を施して本来
の超電導磁気軸受の長所を保ちつつ、所定の高い軸受剛
性が得られる超電導磁気軸受を提供することを目的とす
るものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる超電導磁
気軸受は、永久磁石のような磁気発生部を備えた浮上体
を超電導体の超電導現象を利用して浮上させ非接触で保
持する超電導磁気軸受において、前記超電導体を上昇ま
たは下降させ前記浮上体との間隔を調整する駆動手段
と、前記浮上体側の加重による軸の変位を検出する検出
手段と、検出された変位に応じて前記超電導体側をフィ
ードバック制御して前記駆動手段を前記浮上体の変位を
打消すように駆動する制御手段とを具備したものであ
る。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明にかかる超電導磁気軸受
は、従来固定であった超電導体を浮上体の位置変動に合
わせて移動(上昇または下降)させる。したがって浮上
体にかかる負荷に変動があっても浮上体そのものは位置
の変動を起さずその位置に保持されることになる。
【0009】このように、超電導体を位置制御すること
によって超電導磁気軸受の剛性を極めて高くすることが
できる。
【0010】以下、図面を参照して本発明の実施の形態
を詳細に説明する。
【0011】図1(a)〜(d)は、本発明の動作原理
を示す図で、図1(a),(b)は軸受側位置の制御動
作原理を示す概略構成図、図1(c)は浮上体に負荷が
加わったとき軸受側を制御しない場合の特性を示す図、
図1(d)は浮上体に負荷が加わったとき軸受側を制御
した場合の特性を示す図である。
【0012】これらの図において、1は超電導磁気軸受
(以下、単に軸受という)で、超電導体2がリニアステ
ージ3の上方に設けて構成され、その上方には超電導体
2の超電導現象によって浮上している浮上体4が所要の
負荷Wを受けて配設されている。リニアステージ3は、
上下方向(座標Z方向)への微小移動がリニアに可能な
ものである。なお、図1(a)においては、浮上体4は
他の構成部分を省略して磁性体からなる永久磁石(以
下、単に磁石という)5のみを図示してあり、磁石5は
超電導体2と対向して配設されている。また、Wは負荷
で、ΔWは負荷Wに対しさらに加えられた荷重を示す。
また、Oは前記超電導体2の上面で軸受面となる部分で
ある。hは前記超電導体2の上面Oから磁石5の下面ま
での距離である。
【0013】また、図1(c)において、点S0は軸受
1の動作点で、磁石5の負荷Wにさらに負荷ΔWが加わ
ると、フィードバック制御をしない図1(a)の場合で
は図1(c)に示すように点S0から点S1に変位した
距離Δhだけ磁石5が軸受1側に移動し、図1(a)の
実線の位置から2点鎖線に示した位置になる。一方、フ
ィードバック制御をする図1(b)の場合は、図1
(d)に示すように変位した距離Δhだけ超電導体2の
上面Oが図1(c)の超電導体2の位置よりも磁石5に
近づくため、点S0は点S2に移動するが磁石5の位置
の変化がなく、高剛性を得たことになる。
【0014】図2は、本発明にかかる超電導磁気軸受の
実験装置の一例を示す一部を断面で示した側面図で、図
1と同一符号は同一部分を示す。すなわち、図2は図1
の動作原理を具体的に説明するためのもので、リニアス
テージ支持の超電導磁気軸受の実験装置である。
【0015】図2において、リニアステージ3上に液体
窒素7を収容した液体窒素容器6を設け、この液体窒素
容器6内に超電導体2を固定する。浮上体4の磁石5は
筐体10内のラジアル気体軸受9で支持されたステンレ
ス製の回転軸8の下端8aに取り付けられ、かつ液体窒
素7内に浸漬されている。回転軸8の上方部分8bはラ
ジアル気体軸受9を封止する遮蔽板11に挿通されてい
る。また、支柱12の上端にはレバー13の基部13a
が回動自在に支持され、その先端部13bに荷重が回転
軸8の上端8cに負荷Wとして加えられる。負荷Wの大
きさは回転軸8の上端8cに設けたロードセル14によ
って検出される。また、負荷Wによる浮上体4の変位量
は例えば渦電流式のセンサ15によって検出するように
なっている。
【0016】また、16は前記リニアステージ3を載置
し、支柱12を取り付けたテーブルで、例えばハンドル
操作により座標X,Y方向に移動可能になっている。
【0017】17は制御手段で、一方はセンサに15
に、他方はリニアステージ3に接続されており、浮上体
4の回転軸8の変位をセンサ15によって検出して、こ
の検出量を制御手段17によりリニアステージ3にフィ
ードバックして移動させる。
【0018】本発明にかかる超電導磁気軸受は、従来固
定であった超電導体2を浮上体4の位置の変動に合わせ
て上昇または下降させる。したがって浮上体4にかかる
負荷Wに変動があっても浮上体4そのものは位置の変動
を起さずその位置に保持されることになる。
【0019】次に図2の実験装置の動作の概要について
説明する。レバー13の先端部13bを押し下げて負荷
Wを回転軸8に加えて降下させるとその変位量(下降
量)がセンサ15により検出される。この変位量が制御
手段17に入力されると制御手段17はリニアステージ
3を制御して上記の変位量だけリニアステージ3を上昇
させる。これにより磁石5、すなわち回転軸8は降下す
ることなく、その位置に保持される。負荷Wをいろいろ
と変えても常に前記の動作が行われる。
【0020】なお、制御方式は比例微分積分制御を使用
している。また、検出手段であるセンサ15は前記渦電
流式に限定されることなく光センサ、圧力センサまたは
磁気センサであってもよい。さらに、変位量が少ないと
きは駆動手段であるリニアステージ3の代わりに電歪素
子や磁歪素子を利用することにより小型で高速な制御が
可能となる。また、磁石5に代えて他の磁気発生部であ
る電磁石を用いることも可能である。
【0021】図3,図4は時間(横軸)に対し、浮上体
4側の変位量(縦軸)Dと負荷Wの変化の関係を示す図
で、図3は軸受1側を制御しない場合、図4は軸受1側
を制御した場合を示す。
【0022】図3の軸受1側を制御しない場合は、負荷
Wの変動に対し、磁石5の変位量Dも大きく変わる。ま
た、図4の軸受1側を制御した場合は、負荷Wが変化し
ても磁石5の変位の変化が小さく、したがって、軸受1
に高剛性が得られる。
【0023】図5は、本発明による超電導磁気軸受の一
実施形態を示す構成略図である、円板状の浮上体4の下
面の周辺に磁石5が均等間隔で配置され、一方この磁石
5に対応する超電導体2が基体18に設けたリニアステ
ージ3上に設けられる。この場合、磁石5と超電導体2
の数は必ずしも同じでなくてもよい。なお、図2に示す
ラジアル気体軸受9および制御手段17は省略してあ
る。この構成によって浮上体4は負荷変動により上昇し
たり下降したりせずに常に所定の位置に保持される。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気発生部を備えた浮上体を超電導体の超電導現象を利
用して浮上させ非接触で保持する超電導磁気軸受におい
て、前記超電導体を上昇または下降させ前記浮上体との
間隔を調整する駆動手段と、前記浮上体側の負荷による
軸の変位を検出する検出手段と、検出された変位に応じ
てフィードバック制御して前記駆動手段を前記浮上体の
変位を打消すように駆動する制御手段とを具備したの
で、超電導体を浮上体の変位量に応じてその位置を制御
することによって、浮上体の位置の変位は打消され超電
導磁気軸受の剛性が著しく高められる。また、突発的に
侵入する外乱に対しても強い構成になる。この結果、超
電導磁気軸受本来の長所を損なうことなく、浮上体の負
荷による変動に対する変位を少なくすることが可能とな
り、従来、軸受が剛性不足で使用不可能であった低温回
転機器または電力貯蔵用フライホイール等、その他の各
種機器の軸受に本発明の超電導磁気軸受を用いることが
でき、各種機器の性能および信頼性の向上に貢献でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の動作原理を示す図で、図1(a),
(b)は軸受側位置の制御動作原理を示す概略構成図、
図1(c)は浮上体に負荷が加わったとき軸受側を制御
しない場合の特性を示す図、図1(d)は浮上体に負荷
が加わったとき軸受側を制御した場合の特性を示す図で
ある。
【図2】本発明にかかる超電導磁気軸受の実験装置の一
例を示す一部を断面で示した側面図である。
【図3】図2の軸受側を制御しない場合の時間に対する
浮上体側の変位量と負荷の変化を示す図である。
【図4】図2の軸受側を制御した場合の時間に対する浮
上体側の変位量と負荷の変化を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態の構成を示す略図である。
【符号の説明】
1 超電導磁気軸受 2 超電導体 3 リニアステージ 4 浮上体 5 永久磁石 6 液体窒素容器 7 液体窒素 8 回転軸 9 ラジアル気体軸受 10 筐体 11 ガイド遮蔽板 12 支柱 13 レバー 14 ロードセル 15 センサ 16 テーブル 17 制御手段 18 基体

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気発生部を備えた浮上体を超電導体の
    超電導現象を利用して浮上させ非接触で保持する超電導
    磁気軸受において、前記超電導体を上昇または下降させ
    前記浮上体との間隔を調整する駆動手段と、前記浮上体
    側の負荷による軸の変位を検出する検出手段と、検出さ
    れた変位に応じてフィードバック制御して前記駆動手段
    を前記浮上体の変位を打消すように駆動する制御手段と
    を具備したことを特徴とする超電導磁気軸受。
JP9114927A 1997-05-06 1997-05-06 超電導磁気軸受 Pending JPH10306824A (ja)

Priority Applications (1)

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JP9114927A JPH10306824A (ja) 1997-05-06 1997-05-06 超電導磁気軸受

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JP9114927A JPH10306824A (ja) 1997-05-06 1997-05-06 超電導磁気軸受

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JPH10306824A true JPH10306824A (ja) 1998-11-17

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JP9114927A Pending JPH10306824A (ja) 1997-05-06 1997-05-06 超電導磁気軸受

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008028588A1 (de) 2008-06-18 2009-12-24 Schaeffler Kg Magnetlager mit Hochtemperatur-Supraleiterelementen

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008028588A1 (de) 2008-06-18 2009-12-24 Schaeffler Kg Magnetlager mit Hochtemperatur-Supraleiterelementen
US8618707B2 (en) 2008-06-18 2013-12-31 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Magnetic bearing with high-temperature superconductor elements

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