JP3571389B2

JP3571389B2 - Magnetic levitation device

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Publication number: JP3571389B2
Application number: JP29408294A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 筒井　　幸雄
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH08154388A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、産業用や医療用のアクチュエータ、モータ、ロボット等に用いられる磁気軸受、非接触浮上装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体のピン止め効果を利用し、超電導体の相方として永久磁石が必要であるというそれまでの常識を覆したものとして、本願の発明者によって既に提案されている特願平６−６１５４号がある。
【０００３】
この発明は、超電導体の相方に強磁性体を用いるもので、高温超電導磁気浮上装置に用いられる永久磁石を削減或いは不要とすることにより、浮上装置全体の低コスト化、高剛性化を図ったものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特願平６−６１５４号では、超電導体が一方向の磁界中で冷却されており、ピン止め磁束は超電導体のある面から反対面に貫いている。強磁性体が配置されるのは超電導体の片面であり、空隙を介して強磁性体を貫いたピン止め磁束は空間を大きく迂回し、超電導体の反対面へと一巡する、いわゆる開磁気回路となってしまっている。この場合、全磁気回路の磁気抵抗が高いため、強磁性体を貫く磁束数が少なく、したがって磁気的吸引力及び復元力が小さいという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決し、安定かつ強力な浮上・保持力が得られ、しかも安価で機械強度が高く、装置設計の自由度が高い磁気浮上装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、固定部に対し所定の空隙を介して可動部を非接触で浮上させる磁気浮上装置において、前記固定部又は前記可動部のどちらか一方に強力なピン止め力を有する超電導体、もう一方に強磁性体を配置し、前記超電導体を、永久磁石又は電磁石を用いた磁場中で臨界温度以下に冷却して超電導状態とし、或いはゼロ磁場中で臨界温度以下に冷却した前記超電導体に、前記永久磁石又は前記電磁石を用いて下部臨界磁界よりも高い磁界を印加し、前記超電導体にピン止めされた磁束を前記強磁性体に通すことにより発生する前記超電導体と前記強磁性体との間の磁気的吸引力を前記可動部の保持力として利用し、かつ前記空隙が所定の値以下となった場合には、前記磁気的吸引力が減少するような形状を有する前記強磁性体を備え、更に前記超電導体と前記強磁性体、前記空隙とで閉磁気回路を構成することにより前記磁束が一巡する経路の磁気抵抗を低減し、前記強磁性体が前記空隙内で前記ピン止めされた磁束を絞り込むよう、前記超電導体に対向する前記強磁性体の表面積を前記超電導体において磁束がピン止めされている領域の面積より小さくし、これにより前記所定の空隙以下では前記磁束の絞り込みがピン止め力により妨げられることにより前記磁気的吸引力の減少が発生するように構成し、前記超電導体と前記強磁性体との組み合わせで無制御かつ非接触で安定な浮上を行うようにしたものである。
【０００７】
【作用】
本発明によれば、上記したように、固定部あるいは可動部の、超電導体と相対する方に強磁性体を配置し、通常配置される永久磁石を省くことができる。また、鉄、ケイ素鋼のように安価で強度が高く、加工の容易な鋼部材を超電導体の相手として使用するので、浮上装置の低コスト化、機械強度の向上が可能となる。
【０００８】
加えて、磁気回路の磁気抵抗を低く抑えることができるため、ピン止め磁束を有効に利用することができ、浮上力や復元力の向上を図ることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１の実施例を示す磁気浮上装置の斜視図であり、磁気軸受への応用例である。
【００１１】
この図に示すように、主に固定部１１０は強力なピン止め力を有する超電導体１１１と２つの永久磁石１１２ａ及び１１２ｂ、バックヨーク１１３とで構成される。一方、浮上体である可動部１２０はケイ素鋼板などの円盤形積層強磁性体１２１ａ及び１２１ｂ、棒状強磁性体１２２とで構成される。ただし、保冷容器と浮上体の回転駆動部分は図示していない。これらは、空隙を介して永久磁石１１２ａ、バックヨーク１１３、永久磁石１１２ｂ、超電導体１１１、円盤形積層強磁性体１２１ｂ、棒状強磁性体１２２、円盤形積層強磁性体１２１ａ、超電導体１１１のように、磁気的に閉ループを構成している。
【００１２】
円盤形積層強磁性体１２１ａ及び１２１ｂは、超電導体１１１と対向する部分の面積が、超電導体１１１内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、厚さを決定する。
【００１３】
このように構成することで、可動部１２０は、図１に示すように、回転自由、かつ所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に磁気軸受を構成することができる。また、磁路が閉じた構造となっているため、空隙部の磁束密度が高くなり、したがって浮上力や浮上安定性を高くすることができる。
【００１４】
なお、可動部１２０については透磁率を高くし、渦電流による損失を防止するため、円盤形積層強磁性体１２１ａ及び１２１ｂを用いたが、回転数が低く渦電流の発生が無視できたり、高透過率の必要がない場合は、鋼塊から切り出した円盤などを用いてもよい。
【００１５】
本実施例の磁気軸受は単独で用いても良いが、複数用いて、より浮上力の高い、或いは長尺の磁気軸受としても良い。
【００１６】
また、本実施例では漏れ磁束をできるだけ減らし、浮上力及び浮上安定性を高めるために、２つの永久磁石１１２ａ、１１２ｂ及びバックヨーク１１３を超電導体１１１の直上に配置しているが、これらは複数組配置しても良いし、一つの永久磁石と超電導体に接する２つのヨークとで構成しても良い。あるいはこれらを省いたり、永久磁石のみ、またはバックヨーク１１３のみとしても良い。
【００１７】
図２は本発明の第２の実施例を示す磁気浮上装置の斜視図であり、磁気浮上搬送装置への応用例である。
【００１８】
この図に示すように、主に固定部１３０は２つの歯部を持つレール形強磁性体１３１で構成される。一方、浮上体である可動部１４０は強力なピン止め力を有する超電導体１４１と２つの永久磁石１４２ａ及び１４２ｂ、バックヨーク１４３とで構成される。これらは、空隙を介して永久磁石１４２ｂ、バックヨーク１４３、永久磁石１４２ａ、超電導体１４１、レール形強磁性体１３１、超電導体１４１のように、磁気的に閉ループを構成している。ただし、保冷容器と搬送物であるワーク、駆動機構は図示していない。
【００１９】
レール形強磁性体１３１は、超電導体１４１と対向する部分の面積が、超電導体１４１内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、歯部の厚さを決定する
このように構成することで、可動部１４０は、図２に示すように、レール形強磁性体１３１の敷設方向に自由に移動可能、かつ所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。したがって、本実施例に別途駆動機構とワーク支持部を組み合わせれば、容易に磁気浮上搬送装置を構成することができる。
【００２０】
なお、可動部１４０の移動速度が速い場合などで固定部１３０、特にレール形強磁性体１３１の透磁率を高くし、渦電流による損失を防止する必要がある場合には、レール形強磁性体１３１の全体あるいは歯部を積層ケイ素鋼板製としても良い。
【００２１】
本実施例の磁気浮上装置は単独で用いても良いが、複数用いて、より浮上力の高い、或いは長尺の浮上装置としても良い。
【００２２】
また、本実施例では漏れ磁束をできるだけ減らし、浮上力及び浮上安定性を高めるために、２つの永久磁石１４２ａ、１４２ｂ及びバックヨーク１４３を超電導体１４１の直下に配置しているが、これらは複数組配置しても良いし、片面に多極着磁された一つの永久磁石と一つのバックヨーク、又は一つの永久磁石と超電導体に接する２つのヨークとで構成しても良い。あるいはこれらを省いたり、バックヨーク１４３のみとしても良い。
【００２３】
なお、本実施例では磁気回路はレール形強磁性体１３１を横に貫く形で構成されているが、永久磁石１４２ａ及び１４２ｂをレール形強磁性体１３１の長手方向に配置した磁気回路構成としても良い。
【００２４】
図３は本発明の第３の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図であり、磁気軸受への応用例である。
【００２５】
この図に示すように、主に固定部１５０は強力なピン止め力を有する超電導体１５１と軸方向に着磁された円柱形永久磁石１５２ａ及びリング形永久磁石１５２ｂ、バックヨーク１５３とで構成される。一方、浮上体である可動部１６０は中央に円柱形突起を持つカップ形強磁性体１６１で主に構成される。ただし、保冷容器と回転駆動機構、シャフトは図示していない。これらは、空隙を介して円柱形永久磁石１５２ａ、超電導体１５１、カップ形強磁性体１６１の中央の突起部１６１ａ、同外周部１６１ｂ、超電導体１５１、リング形永久磁石１５２ｂ、バックヨーク１５３のように、磁気的に閉ループを構成している。
【００２６】
カップ形強磁性体１６１の中央の突起部１６１ａ及び外周部１６１ｂは、超電導体１５１と対向する部分の面積が、超電導体１５１内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、直径及び厚さを決定する。
【００２７】
このように構成することで、可動部１６０は、図３に示すように、回転自由、かつ、所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に磁気軸受を構成することができる。
【００２８】
なお、本実施例では可動部１６０の回転により磁束を切ることはない。即ち、基本的にカップ形強磁性体１６１には渦電流が発生しないので、ケイ素鋼板の積層など渦電流対策を実施する必要がない。
【００２９】
本実施例の磁気軸受は単独で用いても良いが、２つを用いて別途回転機構の両端に配置した磁気軸受としても良い。
【００３０】
また、本実施例では漏れ磁束をできるだけ減らし、浮上力及び浮上安定性を高めるために、２つの永久磁石１５２ａ、１５２ｂ及びバックヨーク１５３を超電導体１５１の直上に配置しているが、この部分の変形は自由である。例えば、バイアス用として用いている永久磁石１５２ａ及び１５２ｂを省いてバックヨーク１５３のみ、または永久磁石のみとしても良い。
【００３１】
更に、本実施例ではカップ形強磁性体１６１の中央の突起及び外周部の両方で磁束を絞る形状としているが、これを片側のみとし、もう一方には磁束を絞る機構を持たせず単純に吸引力を働かせる形状としても良い。
【００３２】
図４は本発明の第４の実施例を示す磁気浮上装置の断面図であり、フライホイールへの応用例である。
【００３３】
この図に示すように、主に固定部１７０は強力なピン止め力を有する２つの超電導体１７１ａ及び１７１ｂと２つの円筒形永久磁石１７２ａ及び１７２ｂ、バックヨーク１７３とで構成される。一方、浮上体である可動部１８０は慣性体である強磁性体１８１、シャフト１８２とで構成される。ただし、保冷容器と回転駆動機構は図示していない。これらは、空隙を介して円筒形永久磁石１７２ａ、超電導体１７１ａ、強磁性体１８１、超電導体１７１ｂ、円筒形永久磁石１７２ｂ、バックヨーク１７３のように、磁気的に閉ループを構成している。
【００３４】
強磁性体１８１は、超電導体１７１ａ及び１７１ｂと対向する部分の面積が、超電導体１７１ａ及び１７１ｂ内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、厚さを決定する。
【００３５】
このように構成することで、可動部１８０は、図４に示すように、回転自由、かつ、所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易にフライホイール一体型磁気軸受を構成することができる。
【００３６】
本実施例では、可動部１８０の主な構成部品である強磁性体１８１は、回転強度の観点から一体物としているが、機械強度について問題がなく、或いは強磁性体１８１の回転で磁束を切ることにより発生する渦電流が問題になる場合には、強磁性体１８１の超電導体１７１ａ及び１７１ｂと対向する部分を積層セイ素鋼板や固有抵抗の高いフェライトなどで構成しても良い。
【００３７】
また、本実施例では漏れ磁束をできるだけ減らし、浮上力及び浮上安定性を高めるために、２つの円筒形永久磁石１７２ａ、１７２ｂ及びバックヨーク１７３を超電導体１７１ａ及び１７１ｂの直上に配置しているが、この部分の変形は自由である。例えば、永久磁石１７２ａ及び１７２ｂは必ずしも円筒形である必要はなく角柱形でも良いし、バイアス用として用いているこれらの円筒形永久磁石１７２ａ及び１７２ｂをはぶいてバックヨーク１７３のみ、または永久磁石のみとしても良い。
【００３８】
あるいは、本実施例では超電導体と永久磁石とで構成される吸引力の発生部を２つ用いているが、勿論これはより多く用いても良い。
【００３９】
更に、本実施例の磁気軸受は単独で用いても良いが、複数用いて、より浮上力の高い、或いは長尺の磁気軸受としても良い。
【００４０】
図５は本発明の第５の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図であり、宇宙空間などの無重力状態において使用される磁気軸受を示している。
【００４１】
この図に示すように、主に固定部１９０は全く同形の２つの支持部に分かれており、リング形に加工され強力なピン止め力を有する超電導体１９１ａ及び１９１ｂと、この超電導体１９１ａ及び１９１ｂを取り巻く形に等間隔で配置される永久磁石１９２ａ〜１９２ｆ、更に外側のバックヨーク１９３ａ及び１９３ｂとで構成される。なお、図中手前のカット部に配置されるべき永久磁石２つ、保冷容器、回転駆動機構は図示していない。一方、浮上体である可動部２００はケイ素鋼板などの円盤形積層強磁性体２０１ａ及び２０１ｂ、シャフト２０２とで構成される。これらは、それぞれの支持部において空隙を介して磁気的に閉ループを構成している。
【００４２】
円盤形積層強磁性体２０１ａ及び２０１ｂは、超電導体１９１ａ及び１９１ｂと対向する部分の面積が、超電導体１９１ａ及び１９１ｂ内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、その厚さを決定する。
【００４３】
このように構成することで、可動部２００は、図５に示すように、回転自由、かつ所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に磁気軸受を構成することができる。
【００４４】
なお、可動部２００については透磁率を高くし、渦電流による損失を防止するため円盤形積層強磁性体２０１ａ及び２０１ｂを用いたが、回転数が低く渦電流の発生が無視できたり高透磁率の必要がない場合は、鋼塊から切り出した円盤などを用いても良い。
【００４５】
本実施例の磁気軸受は単独で用いても良いが、複数用いて、より浮上力の高い、或いは長尺の磁気軸受としても良い。
【００４６】
本実施例では超電導体１９１ａ及び１９１ｂの直上に配置している永久磁石は各４つとしているが、特にその数量を限定するものではない。
【００４７】
また、本実施例では浮上力及び浮上安定性を高めるために、固定部１９０にバイアス用の永久磁石１９２ａ〜１９２ｆ、バックヨーク１９３ａ及び１９３ｂを具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク１９３ａ及び１９３ｂのみ、または永久磁石のみとしても磁気軸受を構成することができる。
【００４８】
更に、本実施例を縦型とする、あるいは、図５のような横型のままでも重力方向の吸引力を小さくするなどすれば、重力の働く環境でも使用が可能である。
【００４９】
図６は本発明の第６の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図であり、可動部の浮上力或いは浮上空隙の可変機構を持つ浮上装置の例である。
【００５０】
この図に示すように、主に固定部２１０は強力なピン止め力を有する円盤形超電導体２１１と、この円盤形超電導体２１１上に等間隔で配置される円弧形永久磁石２１２ａ〜２１２ｄ、円盤形バックヨーク２１３とで構成される。一方、浮上体である可動部２２０はカップ形強磁性体２２１とシャフト２２２とで構成される。ただし、保冷容器及び回転駆動機構は図示していない。これらは、それぞれの支持部において空隙を介して磁気的に閉ループを構成している。
【００５１】
カップ形強磁性体２２１は、円盤形超電導体２１１と対向する外周部分が、円盤形超電導体２１１内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域よりも小さい幅を持ち、かつ、その幅が連続的に変化する部分を円弧形永久磁石２１２ａ〜２１２ｄの個数分持っている。
【００５２】
このように構成することで、カップ形強磁性体２２１の回転により円弧形永久磁石２１２ａ〜２１２ｄ直下に位置する部分の幅が変化し、これによりカップ形強磁性体２２１に働く磁気的吸引力及び磁束を絞る効果が増減する。つまり、可動部２２０の浮上力或いは浮上空隙を可変にすることが可能となる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に浮上力或いは浮上空隙を可変にすることができる磁気浮上装置を構成することができる。
【００５３】
なお、本実施例では超電導体２１１の直上に配置している永久磁石は４つとしているが、特にその数量を限定するものではない。
【００５４】
更に、本実施例では浮上力及び浮上安定性を高めるために、固定部２１０にバイアス用の円弧形永久磁石２１２ａ〜２１２ｄ、円盤形バックヨーク２１３を具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク２１３のみ、または永久磁石のみとしても良い。
【００５５】
図７は本発明の第７の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図であり、アキシャル及びスラスト方向の剛性を高めた磁気軸受の例を示している。
【００５６】
この図に示すように、主に固定部２３０は円盤形超電導体２３１ａ及びリング形超電導体２３１ｂと、この超電導体２３１ａ及び２３１ｂの外側に配置される円盤形永久磁石２３２ａ及びリング形永久磁石２３２ｂ、更に外側を覆う形のバックヨーク２３３で構成される。一方、浮上体である可動部２４０はシャフトである棒状強磁性体２４１、円盤形強磁性体２４２とで構成される。ただし、保冷容器及び回転駆動機構は図示していない。
【００５７】
これらは、空隙を介して円盤形永久磁石２３２ａ、円盤形超電導体２３１ａ、棒状強磁性体２４１の先端部２４１ａ、円盤形強磁性体２４２、リング形超電導体２３１ｂ、リング形永久磁石２３２ｂ、バックヨーク２３３のように、磁気的に閉ループを構成している。
【００５８】
棒状強磁性体２４１と円盤形強磁性体２４２は、円盤形超電導体２３１ａ及びリング形超電導体２３１ｂと対向する部分の面積が、円盤形超電導体２３１ａ及びリング形超電導体２３１ｂ内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、その直径及び厚さを決定する。
【００５９】
このように構成することで、可動部２４０は、図７に示すように、回転自由、かつ、所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。また、先に示した実施例と異なり、主にアキシャル方向に支持力を発生する機構と、主にスラスト方向に支持力を発生する機構とを組み合わせることにより、可動部２４０の浮上剛性及び安定性を高めることができる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に高剛性と高安定性を図った磁気軸受を構成することができる。
【００６０】
なお、本実施例では可動部２４０の回転により磁束を切ることがない。即ち、基本的に棒状強磁性体２４１及び円盤形強磁性体２４２には渦電流が発生しないので、ケイ素鋼板の積層など渦電流対策を実施する必要がない。
【００６１】
本実施例の磁気軸受は単独で用いても良いが、複数用いて、より浮上力の高い、或いは長尺の磁気軸受としても良い。
【００６２】
また、本実施例では浮上力及び浮上安定性を高めるために、固定部２３０にバイアス用の円盤形永久磁石２３２ａ及びリング形永久磁石２３２ｂ、バックヨーク２３３を具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク２３３のみ、または永久磁石のみとしても磁気軸受を構成することができる。
【００６３】
図８は本発明の第８の実施例を示す磁気浮上装置の断面図である。
【００６４】
この実施例も、アキシャル及びスラスト方向の剛性をより高めた磁気軸受の例を示している。
【００６５】
この図に示すように、主に固定部２５０は、可動部２６０の回転中心と４５°の角度を持って配置される、強力なピン止め力を有する直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄと、この直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄの外側に配置される直方形永久磁石２５２ａ〜２５２ｄ、更に外側のバックヨーク２５３ａ及び２５３ｂで構成される。一方、浮上体である可動部２６０は円形断面を持つリング形強磁性体２６１ａ及び２６１ｂ、シャフトを兼ねる強磁性体２６２とで構成され、リング形強磁性体２６１ａ及び２６１ｂと強磁性体２６２とは溶接などにより固定してある。ただし、保冷容器と回転駆動機構は図示していない。
【００６６】
これらは、空隙を介して直方形永久磁石２５２ｃ、直方形超電導体２５１ｃ、リング形強磁性体２６１ｂ、強磁性体２６２、リング形強磁性体２６１ａ、直方形超電導体２５１ａ、直方形永久磁石２５２ａ、バックヨーク２５３ａの順で表されるループと、直方形永久磁石２５２ｄ、直方形超電導体２５１ｄ、リング形強磁性体２６１ｂ、強磁性体２６２、リング形強磁性体２６１ａ、直方形超電導体２５１ｂ、直方形永久磁石２５２ｂ、バックヨーク２５３ｂの順で表されるループのように、磁気的に２つの閉ループを構成している。
【００６７】
リング形強磁性体２６１ａ及び２６１ｂは、直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄと対向する部分の面積が、直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄ内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、その大きさを決定する。
【００６８】
このように構成することで、可動部２６０は、図８に示すように、回転自由、かつ、所定の空隙をもって安定に吊り下げられる。また、先に示した実施例と異なり、直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄを可動部２６０の回転中心と４５°の角度を持って配置することにより、可動部２６０のアキシャル方向とスラスト方向の浮上剛性及び安定性を高めることができる。したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に高剛性と高安定性を図った磁気軸受を構成することができる。
【００６９】
また、円形断面を持つリング形強磁性体２６１ａ及び２６１ｂと強磁性体２６２とを組み合わせるだけで可動部２６０を構成できるので、可動部の製作が非常に容易になる。しかし、可動部２６０の両端の形状は、特にこれと限定するものではない。
【００７０】
なお、本実施例も可動部２６０の回転により磁束を切ることがない。即ち、基本的にリング形強磁性体２６１ａ及び２６１ｂ、強磁性体２６２には渦電流が発生しないので、ケイ素鋼板の積層など渦電流対策を実施する必要がない。
【００７１】
また、本実施例では浮上力及び浮上安定性を高めるために、固定部２５０にバイアス用の直方形永久磁石２５２ａ〜２５２ｄ、バックヨーク２５３ａ及び２５３ｂを具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク２５３ａ及び２５３ｂのみ、または永久磁石のみとしても磁気軸受を構成することができる。勿論、バックヨーク２５３ａ、２５３ｂは一体物としても良い。
【００７２】
更に、直方形超電導体２５１ａ〜２５１ｄとバイアス用の直方形永久磁石２５２ａ〜２５２ｄは直方形である必要はなく、円柱形の物を用いても良い。
【００７３】
図９は本発明の第９の実施例を示す磁気浮上装置の断面図であり磁気軸受への応用例である。
【００７４】
この図に示すように、主に固定部２７０は強力なピン止め力を有する超電導体２７１ａ及び２７１ｂと軸方向に着磁された永久磁石２７２ａ及び２７２ｂ、バックヨーク２７３とで構成される。一方、浮上体である可動部２８０は、鼓形でその両端に複数の円形溝を彫って歯部を形成してある歯付き強磁性体２８１で構成される。ただし、保冷容器及び回転駆動機構は図示していない。
【００７５】
これらは、空隙を介して永久磁石２７２ａ、超電導体２７１ａ、歯付き強磁性体２８１の左端歯部２８１ａ、強磁性体２８１の内部、歯付き強磁性体２８１の右端歯部２８１ｂ、超電導体２７１ｂ、永久磁石２７２ｂ、バックヨーク２７３のように、磁気的に開ループを構成している。
【００７６】
強磁性体２８１の両端は、それぞれ超電導体２７１ａ及び２７１ｂと対向する部分の面積が磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、かつ歯部表面をできるだけ多くの磁束が通るよう、各歯の厚さ及び溝の幅、深さを決定する。
【００７７】
また、上述のような磁束を絞る効果と、磁束ピン止め領域の外側に強磁性体を配置して得られる磁束を引っ張る効果とを合わせ持つよう、強磁性体（歯付き）２８１の両端の直径を、永久磁石２７２ａ及び２７２ｂよりも大きくし、かつ、超電導体２７１ａ及び２７１ｂの磁束ピン止めしていない、あるいはピン止めされた磁束が十分に少ない表面に対向する、強磁性体（歯付き）２８１の両端部分にも歯を持たせている。
【００７８】
このように構成することで、可動部２８０は、図９に示すように、回転自由、かつ、所定の空隙を持って安定につり下げられる。
【００７９】
したがって、別途モータなどの回転駆動機構を本実施例に組み合わせることにより、容易に磁気軸受を構成することができる。
【００８０】
本実施例の磁気浮上装置は単独で用いてもよいが、複数用いて、より浮上力の高い、あるいは長尺の浮上装置としてもよい。
【００８１】
なお、本実施例でも可動部２８０の回転により磁束を切ることがない。即ち、基本的に強磁性体（歯付き）２８１の両端には渦電流が発生しないので、ケイ素鋼板の積層など渦電対策を実施する必要がない。
【００８２】
また、本実施例では浮上力及び浮上安定性を高めるために、固定部２７０にバイアス用の永久磁石２７２ａ、２７２ｂ及びバックヨーク２７３を具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク２７３のみ、または永久磁石のみとしても磁気軸受を構成することができる。
【００８３】
図１０は本発明の第１０実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図であり、磁気浮上搬送装置への応用例である。
【００８４】
この図に示すように、主に、固定部２９０は、ケイ素鋼板などの積層強磁性体２９１を４つと、これらを支持する支持台２９２とで構成される。一方、浮上体である可動部３００は強力なピン止め力を有する超電導体３０１と２つの永久磁石３０２ａ及び３０２ｂ、バックヨーク３０３とで構成される。ただし、駆動機構及び保冷容器は図示していない。
【００８５】
これらは空隙を介して永久磁石３０２ａ、超電導体３０１、積層強磁性体２９１、超電導体３０１、永久磁石３０２ｂ、バックヨーク３０３のように、磁気的にループを構成している。
【００８６】
積層強磁性体２９１は、超電導体３０１と対向する部分の面積が超電導体３０１内で磁束（図示せず）をピン止めしている領域の面積よりも小さくなるよう、かつ歯部表面をできるだけ多くの磁束が通るよう、各歯の厚さ及び歯間距離、高さを決定する。
【００８７】
また、上述のような磁束を絞る効果と、第９実施例のような磁束ピン止め領域の外側に強磁性体を配置するときの効果とを併せ持つよう、超電導体３０１の磁束をピン止めしていない、あるいはピン止めされた磁束が十分に少ない表面に対向する、固定部２９０の部分にも積層強磁性体２９１を配置している。
【００８８】
このように構成することで、可動部３００は、図１０に示すように、移動自由、かつ、所定の空隙を持って安定につり下げられる。
【００８９】
したがって、別途駆動機構とワーク支持部を組み合わせれば、容易に磁気浮上搬送装置を構成することができる。
【００９０】
なお、可動部３００の移動速度が遅い場合などで固定部２９０、特に積層強磁性体（歯部）２９１の透磁率が高い必要はなく、または、渦電流による損失を無視できる場合には、歯部２９１を鋼塊から切り出して製作してもよい。
【００９１】
本実施例の磁気浮上装置は単独で用いてもよいが、複数用いて、より浮上力の高い、あるいは長尺の浮上装置としてもよい。
【００９２】
また、本実施例では、漏れ磁束をできるだけ減らすために、２つの永久磁石３０２ａ、３０２ｂ及びバックヨーク３０３を超電導体３０１の直下に配置しているが、これを複数配置しても良いし、１つの永久磁石と超電導体に接する２つのヨークとで構成してもよい。
【００９３】
さらに、本実施例では、浮上力及び浮上安定性を高めるために、可動部３００にバイアス用の永久磁石３０２ａ及び３０２ｂ、バックヨーク３０３を具備しているが、これらを省いたり、バックヨーク３０３のみ、または永久磁石のみとしても良い。永久磁石の配置も、本実施例に限定するものではない。支持台２９２は強磁性と非磁性のどちらかの材料で製作してもよいことは言うまでもない。
【００９４】
上記実施例で示した超電導体と強磁性体とでなる磁気浮上装置を、電磁石と強磁性体、電磁石と永久磁石、超電導体と永久磁石、あるいは超電導体と電磁石とからなる通常の磁気浮上装置と組み合わせることで、装置全体における制御の簡略化、性能向上を図ることができることは言うまでもない。
【００９５】
また、一部の例を除き、可動部と固定部の役割を入れ替える、即ち、実施例で固定部と説明したものを可動部とし、可動部と説明したものを固定部としてもよい。
【００９６】
更に、上記実施例では超電導体の冷媒として液体窒素を使用しているが、超電導体の臨界温度が十分高ければ、その温度に応じて液体酸素等の別の冷媒を用いても良い。また、超電導体の臨界温度が常温よりも高い場合は、保冷容器及び冷媒は用いなくても良い。
【００９７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、少なくとも超電導体と強磁性体の組み合わせのみで、無制御で、非接触かつ安定な浮上を行うことができる。しかも、機械的強度が高く、シンプルで、かつ低コストであり、設計の自由度も大きな磁気浮上体装置を提供することができる。
【００９９】
特に、磁気浮上体装置を軸受として持つ電力貯蔵用フライホイールに、本発明を適用する場合、可動部であるフライホイールに永久磁石を取り付ける必要がない。
【０１００】
したがって、永久磁石の機械的強度でホイールの回転速度が限定されてしまうこともなくなり、その実用的効果は著大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す磁気浮上装置の斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す磁気浮上装置の斜視図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図である。
【図４】本発明の第４の実施例を示す磁気浮上装置の断面図である。
【図５】本発明の第５の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図である。
【図７】本発明の第７の実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図である。
【図８】本発明の第８の実施例を示す磁気浮上装置の断面図である。
【図９】本発明の第９の実施例を示す磁気浮上装置の断面図である。
【図１０】本発明の第１０実施例を示す磁気浮上装置の一部を断面とした斜視図である。
【符号の説明】
１１０，１３０，１５０，１７０，１９０，２１０，２３０，２５０，２７０，２９０固定部
１１１，１４１，１５１，１７１ａ，１７１ｂ，１９１ａ，１９１ｂ，２７１ａ，２７１ｂ，３０１超電導体
１１２ａ，１１２ｂ，１４２ａ，１４２ｂ，１９２ａ〜１９２ｆ，２７２ａ，２７２ｂ，３０２ａ，３０２ｂ永久磁石
１１３，１４３，１５３，１７３，１９３ａ，１９３ｂ，２３３，２５３ａ，２５３ｂ，２７３，３０３バックヨーク
１２０，１４０，１６０，１８０，２００，２２０，２４０，２６０，２８０，３００可動部
１２１ａ，１２１ｂ，２０１ａ，２０１ｂ円盤形積層強磁性体
１２２，２４１棒状強磁性体
１３１レール形強磁性体
１５２ａ円柱形永久磁石
１５２ｂ，２３２ｂリング形永久磁石
１６１，２２１カップ形強磁性体
１６１ａカップ形強磁性体の中央の突起部
１６１ｂカップ形強磁性体の外周部
１７２ａ，１７２ｂ円筒形永久磁石
１８１強磁性体（慣性体）
１８２，２０２，２２２シャフト
２１１，２３１ａ円盤形超電導体
２１２ａ〜２１２ｄ円弧形永久磁石
２１３円盤形バックヨーク
２３１ｂリング形超電導体
２３２ａ円盤形永久磁石
２４１ａ棒状強磁性体の先端部
２４２円盤形強磁性体
２５１ａ〜２５１ｄ直方形超電導体
２５２ａ〜２５２ｄ直方形永久磁石
２６１ａ，２６１ｂリング形強磁性体
２６２強磁性体（兼シャフト）
２８１強磁性体（歯付き）
２８１ａ強磁性体の左端歯部
２８１ｂ強磁性体の右端歯部
２９１積層強磁性体
２９２支持台[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to magnetic bearings and non-contact levitation devices used for industrial and medical actuators, motors, robots, and the like.
[0002]
[Prior art]
Utilizing the pinning effect of the superconductor and reversing the conventional wisdom that a permanent magnet is necessary as a companion to the superconductor, Japanese Patent Application No. 6-6154 already proposed by the present inventors has is there.
[0003]
The present invention uses a ferromagnetic material on both sides of a superconductor, and reduces or eliminates the need for permanent magnets used in a high-temperature superconducting magnetic levitation device, thereby reducing the cost and increasing the rigidity of the entire levitation device. Things.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application No. 6-6154, the superconductor is cooled in a magnetic field in one direction, and the pinned magnetic flux penetrates from one surface of the superconductor to the other surface. The ferromagnetic material is placed on one side of the superconductor, and the pinned magnetic flux that penetrates the ferromagnetic material through the air gap largely bypasses the space and loops to the opposite surface of the superconductor, a so-called open magnetic circuit It has become. In this case, since the magnetic resistance of the entire magnetic circuit is high, the number of magnetic fluxes penetrating through the ferromagnetic material is small, and thus there is a problem that the magnetic attractive force and the restoring force are small.
[0005]
An object of the present invention is to provide a magnetic levitation device that solves such a problem, provides stable and strong levitation and holding force, is inexpensive, has high mechanical strength, and has a high degree of freedom in device design. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetic levitation device that floats a movable portion in a non-contact manner through a predetermined gap with respect to a fixed portion, wherein a strong pin is provided on one of the fixed portion and the movable portion. A superconductor having a stopping force, a ferromagnetic material is arranged on the other side, and the superconductor is cooled to a superconducting state in a magnetic field using a permanent magnet or an electromagnet to a superconducting state or a critical temperature in a zero magnetic field. Applying a magnetic field higher than the lower critical magnetic field using the permanent magnet or the electromagnet to the superconductor cooled below, and generating a magnetic flux pinned to the superconductor through the ferromagnetic material. The magnetic attractive force between the superconductor and the ferromagnetic material is used as the holding force of the movable portion, and when the gap becomes equal to or less than a predetermined value, the magnetic attractive force decreases. Has a unique shape Wherein comprising a ferromagnetic, it reduces further the ferromagnetic body and the superconductor, the magnetic resistance of the path which the magnetic flux is round by configuring the closed magnetic circuit with the gap, In order that the ferromagnetic material narrows down the pinned magnetic flux in the gap, the surface area of the ferromagnetic material facing the superconductor is made smaller than the area of the region where the magnetic flux is pinned in the superconductor. Thereby, below the predetermined gap, the magnetic flux is prevented from being narrowed down by the pinning force, so that a decrease in the magnetic attraction force is generated, The combination of the superconductor and the ferromagnetic material allows stable floating without control and without contact.
[0007]
[Action]
According to the present invention, as described above, the ferromagnetic material is disposed on the fixed portion or the movable portion on the side facing the superconductor, and the permanent magnet which is normally disposed can be omitted. In addition, since a steel member that is inexpensive, has high strength, and is easy to process, such as iron or silicon steel, is used as a counterpart of the superconductor, it is possible to reduce the cost of the levitation device and improve the mechanical strength.
[0008]
In addition, since the magnetic resistance of the magnetic circuit can be suppressed low, the pinned magnetic flux can be effectively used, and the levitation force and the restoring force can be improved.
[0009]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 is a perspective view of a magnetic levitation device showing a first embodiment of the present invention, and is an application example to a magnetic bearing.
[0011]
As shown in this figure, the fixing portion 110 mainly includes a superconductor 111 having a strong pinning force, two permanent magnets 112a and 112b, and a back yoke 113. On the other hand, the movable part 120 as a floating body is composed of disk-shaped laminated ferromagnetic bodies 121a and 121b such as silicon steel plates and a rod-shaped ferromagnetic body 122. However, the rotationally driven portions of the cooling container and the floating body are not shown. These are like a permanent magnet 112a, a back yoke 113, a permanent magnet 112b, a superconductor 111, a disc-shaped laminated ferromagnetic body 121b, a rod-shaped ferromagnetic body 122, a disc-shaped laminated ferromagnetic body 121a, and a superconductor 111 through a gap. In addition, a closed loop is magnetically formed.
[0012]
The disc-shaped laminated ferromagnetic bodies 121a and 121b have thicknesses such that the area of the portion facing the superconductor 111 is smaller than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductor 111. To determine.
[0013]
With this configuration, as shown in FIG. 1, the movable portion 120 is freely rotatable and stably suspended with a predetermined gap. Therefore, the magnetic bearing can be easily configured by separately combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment. In addition, since the magnetic path is closed, the magnetic flux density in the air gap is high, and thus the levitation force and levitation stability are increased. To be able to.
[0014]
The movable portion 120 uses the disc-shaped laminated ferromagnetic bodies 121a and 121b in order to increase the magnetic permeability and prevent loss due to eddy current. However, the rotation speed is low and the generation of eddy current can be neglected or high. When the transmittance is not required, a disk or the like cut out from a steel ingot may be used.
[0015]
Although the magnetic bearing of this embodiment may be used alone, a plurality of magnetic bearings having a higher levitation force or a longer magnetic bearing may be used.
[0016]
In the present embodiment, the two permanent magnets 112a and 112b and the back yoke 113 are disposed directly above the superconductor 111 in order to reduce the leakage magnetic flux as much as possible and to increase the levitation force and the levitation stability. They may be arranged in pairs, or may be composed of one permanent magnet and two yokes in contact with the superconductor. Alternatively, these may be omitted, or only the permanent magnet or only the back yoke 113 may be used.
[0017]
FIG. 2 is a perspective view of a magnetic levitation device showing a second embodiment of the present invention, and is an example of application to a magnetic levitation transfer device.
[0018]
As shown in this figure, the fixing part 130 is mainly composed of a rail-shaped ferromagnetic material 131 having two teeth. On the other hand, the movable portion 140, which is a floating body, includes a superconductor 141 having a strong pinning force, two permanent magnets 142a and 142b, and a back yoke 143. These magnetically form a closed loop like the permanent magnet 142b, the back yoke 143, the permanent magnet 142a, the superconductor 141, the rail-shaped ferromagnetic material 131, and the superconductor 141 via a gap. However, the cold storage container, the work to be transferred, and the drive mechanism are not shown.
[0019]
The rail-shaped ferromagnetic material 131 has a tooth thickness such that the area of the portion facing the superconductor 141 is smaller than the area of a region where a magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductor 141. Determine
With such a configuration, as shown in FIG. 2, the movable portion 140 is freely movable in the direction in which the rail-shaped ferromagnetic material 131 is laid, and is stably suspended with a predetermined gap. Therefore, if the drive mechanism and the work supporting portion are separately combined with this embodiment, the magnetic levitation transfer device can be easily configured.
[0020]
Note that when it is necessary to increase the magnetic permeability of the fixed portion 130, particularly the rail-type ferromagnetic material 131 to prevent loss due to eddy current when the moving speed of the movable portion 140 is high, the rail-type ferromagnetic material is used. The whole or the teeth of 131 may be made of a laminated silicon steel plate.
[0021]
The magnetic levitation device of the present embodiment may be used alone, or a plurality of magnetic levitation devices may be used to provide a higher levitation force or a longer levitation device.
[0022]
In this embodiment, the two permanent magnets 142a and 142b and the back yoke 143 are disposed immediately below the superconductor 141 in order to reduce the leakage magnetic flux as much as possible and to increase the levitation force and the levitation stability. They may be arranged in a set, or may be constituted by one permanent magnet and one back yoke, which are multipolarly magnetized on one side, or one permanent magnet and two yokes in contact with the superconductor. Alternatively, these may be omitted, or only the back yoke 143 may be used. Also good.
[0023]
In this embodiment, the magnetic circuit is formed so as to penetrate the rail-shaped ferromagnetic material 131 laterally, but the permanent magnets 142a and 142b are rail Ferromagnetism Body 1 31 as a magnetic circuit configuration arranged in the longitudinal direction Also good.
[0024]
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a third embodiment of the present invention, and is an application example to a magnetic bearing.
[0025]
As shown in this figure, the fixing portion 150 mainly includes a superconductor 151 having a strong pinning force, a cylindrical permanent magnet 152a and a ring permanent magnet 152b magnetized in the axial direction, and a back yoke 153. You. On the other hand, the movable part 160, which is a floating body, is mainly composed of a cup-shaped ferromagnetic body 161 having a columnar projection at the center. However, the cold storage container, the rotary drive mechanism, and the shaft are not shown. These are like a columnar permanent magnet 152a, a superconductor 151, a central projection 161a of the cup-shaped ferromagnetic body 161, an outer peripheral portion 161b, a superconductor 151, a ring-shaped permanent magnet 152b, and a back yoke 153 via a gap. In addition, a closed loop is magnetically formed.
[0026]
The central protrusion 161a and the outer peripheral portion 161b of the cup-shaped ferromagnetic material 161 have an area of a portion facing the superconductor 151 larger than an area of a region where a magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductor 151. The diameter and the thickness are determined so as to reduce the diameter.
[0027]
With this configuration, as shown in FIG. 3, the movable section 160 is freely rotatable and is stably suspended with a predetermined gap. Therefore, the magnetic bearing can be easily configured by separately combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0028]
In this embodiment, the magnetic flux is not cut off by the rotation of the movable portion 160. That is, basically, no eddy current is generated in the cup-shaped ferromagnetic material 161, so that it is not necessary to take measures against eddy current such as lamination of silicon steel plates.
[0029]
The magnetic bearing of this embodiment may be used alone, or two magnetic bearings may be separately disposed at both ends of the rotation mechanism.
[0030]
In this embodiment, the two permanent magnets 152a and 152b and the back yoke 153 are disposed immediately above the superconductor 151 in order to reduce the leakage magnetic flux as much as possible and to increase the levitation force and the levitation stability. Deformation is free. For example, the permanent magnets 152a and 152b used for bias may be omitted, and only the back yoke 153 or only the permanent magnet may be used.
[0031]
Furthermore, in this embodiment, the magnetic flux is reduced at both the central projection and the outer peripheral portion of the cup-shaped ferromagnetic material 161. However, this is only one side, and the other is simply provided without a mechanism for reducing the magnetic flux. A shape that exerts a suction force may be used.
[0032]
FIG. 4 is a sectional view of a magnetic levitation device showing a fourth embodiment of the present invention, and is an application example to a flywheel.
[0033]
As shown in this figure, the fixing portion 170 mainly includes two superconductors 171a and 171b having strong pinning force, two cylindrical permanent magnets 172a and 172b, and a back yoke 173. On the other hand, the movable part 180 as a floating body is composed of a ferromagnetic body 181 as an inertial body and a shaft 182. However, the cold storage container and the rotation drive mechanism are not shown. These magnetically form a closed loop through a gap like the cylindrical permanent magnet 172a, the superconductor 171a, the ferromagnetic material 181, the superconductor 171b, the cylindrical permanent magnet 172b, and the back yoke 173.
[0034]
The thickness of the ferromagnetic material 181 is set such that the area of the portion facing the superconductors 171a and 171b is smaller than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductors 171a and 171b. decide.
[0035]
With this configuration, the movable portion 180 is freely rotatable and stably suspended with a predetermined gap as shown in FIG. Therefore, a flywheel-integrated magnetic bearing can be easily configured by separately combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0036]
In the present embodiment, the ferromagnetic material 181 which is a main component of the movable portion 180 is integrated from the viewpoint of rotational strength. However, there is no problem in mechanical strength, or the magnetic flux is cut off by the rotation of the ferromagnetic material 181. If the eddy current generated by this causes a problem, the portion of the ferromagnetic body 181 facing the superconductors 171a and 171b may be made of laminated silicon steel sheet or ferrite having a high specific resistance.
[0037]
In this embodiment, the two cylindrical permanent magnets 172a and 172b and the back yoke 173 are disposed immediately above the superconductors 171a and 171b in order to reduce the leakage magnetic flux as much as possible and increase the levitation force and the levitation stability. The deformation of this part is free. For example, the permanent magnets 172a and 172b do not necessarily have to be cylindrical, and may be prismatic. Alternatively, these cylindrical permanent magnets 172a and 172b used for bias may be peeled off to form only the back yoke 173 or only the permanent magnet. Is also good.
[0038]
Alternatively, in this embodiment, two attraction force generating portions each composed of a superconductor and a permanent magnet are used, but of course, more may be used.
[0039]
Further, the magnetic bearing according to the present embodiment may be used alone, but a plurality of magnetic bearings having a higher levitation force or a longer magnetic bearing may be used.
[0040]
FIG. 5 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, and shows a magnetic bearing used in a zero gravity state such as an outer space.
[0041]
As shown in this figure, the fixing portion 190 is mainly divided into two identical supporting portions, and is formed into a ring shape and has superconducting conductors 191a and 191b having strong pinning force, and the superconductors 191a and 191b. And permanent magnets 192a to 192f arranged at equal intervals in a shape surrounding the outer back yokes 193a and 193b. It should be noted that two permanent magnets, a refrigerating container, and a rotation drive mechanism to be disposed in the cut portion in the front of the figure are not shown. On the other hand, the movable part 200 as a floating body is composed of disk-shaped laminated ferromagnetic bodies 201 a and 201 b such as silicon steel plates and a shaft 202. These magnetically form a closed loop via a gap in each support portion.
[0042]
In the disc-shaped laminated ferromagnetic materials 201a and 201b, the area of the portion facing the superconductors 191a and 191b is smaller than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductors 191a and 191b. To determine its thickness.
[0043]
With this configuration, as shown in FIG. 5, the movable portion 200 is freely rotatable and stably suspended with a predetermined gap. Therefore, the magnetic bearing can be easily configured by separately combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0044]
The movable portion 200 uses the disc-shaped laminated ferromagnetic materials 201a and 201b to increase the magnetic permeability and prevent loss due to eddy current. However, the rotational speed is low and the generation of eddy current can be ignored or the magnetic permeability can be increased. If it is not necessary, a disk or the like cut out from a steel ingot may be used.
[0045]
Although the magnetic bearing of this embodiment may be used alone, a plurality of magnetic bearings having a higher levitation force or a longer magnetic bearing may be used.
[0046]
In the present embodiment, the number of permanent magnets disposed immediately above the superconductors 191a and 191b is four, but the number is not particularly limited.
[0047]
In this embodiment, the levitation force and levitation stability are increased. To For this purpose, the fixing portion 190 is provided with the permanent magnets 192a to 192f for bias and the back yokes 193a and 193b. However, these can be omitted, or the magnetic bearing can be constituted by using only the back yokes 193a and 193b or only the permanent magnet. can do.
[0048]
Further, if the present embodiment is made to be a vertical type, or the horizontal type as shown in FIG. 5 is used, if the suction force in the direction of gravity is reduced, it can be used in an environment where gravity works.
[0049]
FIG. 6 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation device according to a sixth embodiment of the present invention, which is an example of a levitation device having a mechanism for changing the levitation force of a movable portion or a levitation gap.
[0050]
As shown in this figure, the fixing portion 210 mainly includes a disc-shaped superconductor 211 having a strong pinning force, and arc-shaped permanent magnets 212a to 212d arranged at equal intervals on the disc-shaped superconductor 211. And a disc-shaped back yoke 213. On the other hand, the movable part 220 as a floating body is composed of a cup-shaped ferromagnetic body 221 and a shaft 222. However, the cold storage container and the rotation drive mechanism are not shown. These magnetically form a closed loop via a gap in each support portion.
[0051]
The cup-shaped ferromagnetic material 221 has an outer peripheral portion facing the disc-shaped superconductor 211 having a width smaller than a region where a magnetic flux (not shown) is pinned in the disc-shaped superconductor 211, and The width has a continuously changing portion corresponding to the number of the arc-shaped permanent magnets 212a to 212d.
[0052]
With such a configuration, the width of the portion located immediately below the arc-shaped permanent magnets 212a to 212d changes due to the rotation of the cup-shaped ferromagnetic material 221, whereby the magnetic attractive force acting on the cup-shaped ferromagnetic material 221 is changed. And the effect of reducing the magnetic flux increases or decreases. That is, the floating force or the floating gap of the movable section 220 can be made variable. Therefore, by combining a rotary drive mechanism such as a motor separately with the present embodiment, it is possible to configure a magnetic levitation device that can easily change the levitation force or the levitation gap.
[0053]
In this embodiment, a permanent magnet is disposed just above the superconductor 211. Is 4 However, the number is not particularly limited.
[0054]
Further, in the present embodiment, in order to increase the levitation force and the levitation stability, the fixed portion 210 is provided with the arc-shaped permanent magnets 212a to 212d for bias and the disk-shaped back yoke 213, but these may be omitted. Only the back yoke 213 or only the permanent magnet may be used.
[0055]
FIG. 7 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a seventh embodiment of the present invention, and shows an example of a magnetic bearing in which rigidity in axial and thrust directions is increased.
[0056]
As shown in this figure, the fixed portion 230 mainly includes a disc-shaped superconductor 231a and a ring-shaped superconductor 231b, and a disc-shaped permanent magnet 232a and a ring-shaped permanent magnet 232b arranged outside the superconductors 231a and 231b. It is further comprised of a back yoke 233 that covers the outside. On the other hand, the movable part 240 that is a floating body is composed of a rod-shaped ferromagnetic body 241 and a disk-shaped ferromagnetic body 242 that are shafts. However, the cold storage container and the rotation drive mechanism are not shown.
[0057]
These are a disk-shaped permanent magnet 232a, a disk-shaped superconductor 231a, a tip 241a of a bar-shaped ferromagnetic body 241 via a gap, a disk-shaped ferromagnetic body 242, a ring-shaped superconductor 231b, a ring-shaped permanent magnet 232b, and a back yoke. As in 233, a closed loop is magnetically formed.
[0058]
The bar-shaped ferromagnetic material 241 and the disc-shaped ferromagnetic material 242 have an area of a portion facing the disc-shaped superconductor 231a and the ring-shaped superconductor 231b, and a magnetic flux (shown in the drawing) in the disc-shaped superconductor 231a and the ring-shaped superconductor 231b. The diameter and thickness are determined so as to be smaller than the area of the region where the pin is pinned.
[0059]
With this configuration, the movable section 240 is freely rotatable and stably suspended with a predetermined gap as shown in FIG. Further, unlike the above-described embodiment, by combining a mechanism for generating a supporting force mainly in the axial direction and a mechanism for generating a supporting force mainly in the thrust direction, the floating rigidity and stability of the movable portion 240 are improved. Can be increased. Therefore, a magnetic bearing with high rigidity and high stability can be easily configured by combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0060]
In this embodiment, the magnetic flux is not cut by the rotation of the movable part 240. That is, basically, no eddy current is generated in the rod-shaped ferromagnetic material 241 and the disc-shaped ferromagnetic material 242, so that it is not necessary to take measures against eddy current such as lamination of silicon steel plates.
[0061]
Although the magnetic bearing of this embodiment may be used alone, a plurality of magnetic bearings having a higher levitation force or a longer magnetic bearing may be used.
[0062]
Further, in this embodiment, in order to enhance the levitation force and the levitation stability, the fixed portion 230 is provided with the disc-shaped permanent magnet 232a for bias, the ring-shaped permanent magnet 232b, and the back yoke 233, but these may be omitted. Alternatively, the magnetic bearing can be configured using only the back yoke 233 or only the permanent magnet.
[0063]
FIG. 8 is a sectional view of a magnetic levitation device showing an eighth embodiment of the present invention.
[0064]
This embodiment also shows an example of a magnetic bearing having higher rigidity in the axial and thrust directions.
[0065]
As shown in this figure, mainly the fixed portion 250 is disposed at an angle of 45 ° with the rotation center of the movable portion 260, and has rectangular pin superconductors 251a to 251d having strong pinning force. straight It is composed of rectangular permanent magnets 252a to 252d arranged outside the rectangular superconductors 251a to 251d, and outer back yokes 253a and 253b. On the other hand, the movable part 260, which is a floating body, is composed of ring-shaped ferromagnetic materials 261a and 261b having a circular cross section and a ferromagnetic material 262 also serving as a shaft. It is fixed by welding. However, the cold storage container and the rotation drive mechanism are not shown.
[0066]
These are formed by a rectangular permanent magnet 252c, a rectangular superconductor 251c, a ring-shaped ferromagnetic body 261b, a ferromagnetic body 262, a ring-shaped ferromagnetic body 261a, a rectangular superconductor 251a, a rectangular permanent magnet 252a, The loop represented in the order of the back yoke 253a, the rectangular permanent magnet 252d, the rectangular superconductor 251d, the ring-shaped ferromagnetic material 261b, the ferromagnetic material 262, the ring-shaped ferromagnetic material 261a, the rectangular superconductor 251b, and the Two closed loops are magnetically configured like a loop represented by a square permanent magnet 252b and a back yoke 253b in this order.
[0067]
In the ring-shaped ferromagnetic materials 261a and 261b, the area of the portion facing the rectangular superconductors 251a to 251d is larger than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned in the rectangular superconductors 251a to 251d. The size is determined so that is also small.
[0068]
With this configuration, the movable portion 260 is freely rotatable and stably suspended with a predetermined gap as shown in FIG. Further, unlike the above-described embodiment, the rectangular superconductors 251a to 251d are arranged at an angle of 45 ° with respect to the rotation center of the movable part 260, so that the floating rigidity of the movable part 260 in the axial direction and the thrust direction is increased. And stability can be enhanced. Therefore, a magnetic bearing with high rigidity and high stability can be easily configured by combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0069]
Further, since the movable section 260 can be configured only by combining the ring-shaped ferromagnetic bodies 261a and 261b having a circular cross section and the ferromagnetic body 262, the manufacture of the movable section becomes very easy. However, the shape of both ends of the movable part 260 is not particularly limited to this.
[0070]
In this embodiment, the magnetic flux is not cut off by the rotation of the movable part 260. That is, basically, no eddy current is generated in the ring-shaped ferromagnetic materials 261a and 261b and the ferromagnetic material 262, so that it is not necessary to take measures against eddy current such as lamination of silicon steel plates.
[0071]
Further, in this embodiment, in order to enhance the levitation force and the levitation stability, the fixing portion 250 is provided with the rectangular permanent magnets 252a to 252d for bias, and the back yokes 253a and 253b. The magnetic bearing can also be configured using only the yokes 253a and 253b or only the permanent magnet. Of course, the back yokes 253a and 253b may be integrated.
[0072]
Furthermore, straight With the rectangular superconductors 251a to 251d Ba The rectangular permanent magnets 252a to 252d for EAS need to be rectangular. Is Instead, a cylindrical object may be used.
[0073]
FIG. 9 is a sectional view of a magnetic levitation apparatus showing a ninth embodiment of the present invention, and is an application example to a magnetic bearing.
[0074]
As shown in this figure, the fixing portion 270 mainly includes superconductors 271a and 271b having strong pinning force, permanent magnets 272a and 272b magnetized in the axial direction, and a back yoke 273. On the other hand, the movable portion 280 which is a floating body is formed of a toothed ferromagnetic body 281 having an hourglass shape and a plurality of circular grooves formed at both ends to form teeth. However, the cold storage container and the rotation drive mechanism are not shown.
[0075]
These are provided with a permanent magnet 272 a, a superconductor 271 a, a left end tooth 281 a of the toothed ferromagnetic material 281, an inside of the ferromagnetic material 281, a right end tooth 281 b of the toothed ferromagnetic material 281, Superconductor 271b, Like the permanent magnet 272b and the back yoke 273, an open loop is magnetically formed.
[0076]
Both ends of the ferromagnetic material 281 are formed so that the area of the portion facing the superconductors 271a and 271b is smaller than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned, and the tooth surface is as large as possible. The thickness of each tooth and the width and depth of the groove are determined so that the magnetic flux passes.
[0077]
The diameter of both ends of the ferromagnetic material (with teeth) 281 is such that the effect of reducing the magnetic flux as described above and the effect of pulling the magnetic flux obtained by disposing the ferromagnetic material outside the magnetic flux pinning region are combined. (Toothed) 281 that is larger than the permanent magnets 272a and 272b and faces the surface of the superconductors 271a and 271b that is not pinned or that has a sufficiently low pinned flux. Both ends have teeth.
[0078]
With this configuration, as shown in FIG. 9, the movable section 280 can be freely rotated and stably suspended with a predetermined gap.
[0079]
Therefore, the magnetic bearing can be easily configured by separately combining a rotary drive mechanism such as a motor with the present embodiment.
[0080]
Although the magnetic levitation device of this embodiment may be used alone, a plurality of levitation devices having a higher levitation force or a longer length may be used.
[0081]
In this embodiment, the magnetic flux is not cut off by the rotation of the movable portion 280. That is, basically, no eddy current is generated at both ends of the ferromagnetic material (with teeth) 281, so that it is not necessary to take measures against eddy current such as lamination of silicon steel plates.
[0082]
Further, in the present embodiment, the permanent magnets 272a and 272b for bias and the back yoke 273 are provided in the fixing portion 270 in order to increase the levitation force and the levitation stability. However, these may be omitted, or only the back yoke 273 may be used. Alternatively, the magnetic bearing can be configured with only permanent magnets.
[0083]
FIG. 10 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation device showing a tenth embodiment of the present invention, and is an application example to a magnetic levitation transfer device.
[0084]
As shown in this figure, the fixing portion 290 mainly includes four laminated ferromagnetic materials 291 such as a silicon steel plate, and a support base 292 that supports them. On the other hand, the movable part 300 as a floating body is composed of a superconductor 301 having a strong pinning force, two permanent magnets 302a and 302b, and a back yoke 303. However, the drive mechanism and the cool container are not shown.
[0085]
These magnetically form a loop through the gap like the permanent magnet 302a, the superconductor 301, the laminated ferromagnetic material 291, the superconductor 301, the permanent magnet 302b, and the back yoke 303.
[0086]
The laminated ferromagnetic material 291 is formed such that the area of the portion facing the superconductor 301 is smaller than the area of the region where the magnetic flux (not shown) is pinned in the superconductor 301, and the tooth surface is as large as possible. The thickness of each tooth, the distance between teeth, and the height are determined so that the magnetic flux passes through.
[0087]
The magnetic flux of the superconductor 301 is pinned so as to have both the effect of reducing the magnetic flux as described above and the effect of disposing the ferromagnetic material outside the magnetic flux pinning region as in the ninth embodiment. The laminated ferromagnetic material 291 is also arranged at the portion of the fixed portion 290 facing the surface where there is no or pinned magnetic flux is sufficiently small.
[0088]
With this configuration, as shown in FIG. 10, the movable unit 300 is freely movable and can be stably suspended with a predetermined gap.
[0089]
Therefore, if the drive mechanism and the work supporting portion are separately combined, the magnetic levitation transfer device can be easily configured.
[0090]
In the case where the moving speed of the movable portion 300 is slow, the fixed portion 290, particularly the laminated ferromagnetic material (teeth portion) 291 does not need to have high magnetic permeability, or if the loss due to the eddy current can be ignored, the tooth The part 291 may be manufactured by cutting out from a steel ingot.
[0091]
Although the magnetic levitation device of this embodiment may be used alone, a plurality of levitation devices having a higher levitation force or a longer length may be used.
[0092]
In the present embodiment, the two permanent magnets 302a and 302b and the back yoke 303 are arranged immediately below the superconductor 301 in order to reduce the leakage magnetic flux as much as possible. It may be constituted by two permanent magnets and two yokes in contact with the superconductor.
[0093]
Further, in the present embodiment, in order to enhance the levitation force and the levitation stability, the movable portion 300 is provided with the permanent magnets 302a and 302b for bias and the back yoke 303, but these may be omitted or only the back yoke 303 may be omitted. Alternatively, only the permanent magnet may be used. The arrangement of the permanent magnets is not limited to this embodiment. It goes without saying that the support base 292 may be made of either a ferromagnetic or non-magnetic material.
[0094]
A magnetic levitation device comprising a superconductor and a ferromagnetic material shown in the above embodiment, a normal magnetic levitation device comprising an electromagnet and a ferromagnetic material, an electromagnet and a permanent magnet, a superconductor and a permanent magnet, or a superconductor and an electromagnet It is needless to say that the control of the entire apparatus can be simplified and the performance can be improved by combining the above.
[0095]
Except for a part of the examples, the roles of the movable part and the fixed part may be switched. That is, the one described as the fixed part in the embodiment may be the movable part, and the one described as the movable part may be the fixed part.
[0096]
Further, in the above embodiment, liquid nitrogen is used as the refrigerant for the superconductor, but if the critical temperature of the superconductor is sufficiently high, another refrigerant such as liquid oxygen may be used in accordance with the temperature. When the critical temperature of the superconductor is higher than room temperature, the cooling container and the refrigerant need not be used.
[0097]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible based on the gist of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
[0098]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, non-contact, non-contact and stable levitation can be performed without control at least only by a combination of a superconductor and a ferromagnetic material. In addition, it is possible to provide a magnetic levitation device which has high mechanical strength, is simple and low in cost, and has a large degree of freedom in design.
[0099]
In particular, when the present invention is applied to a power storage flywheel having a magnetic levitation device as a bearing, it is not necessary to attach a permanent magnet to the flywheel that is a movable part.
[0100]
Therefore, the rotation speed of the wheel is not limited by the mechanical strength of the permanent magnet, and the practical effect is remarkable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a magnetic levitation device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a magnetic levitation device showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a magnetic levitation device showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a magnetic levitation device according to a fifth embodiment of the present invention, in which a part of the device is sectioned;
FIG. 6 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a magnetic levitation device showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of a magnetic levitation device showing a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a cross section of a part of a magnetic levitation apparatus according to a tenth embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
110, 130, 150, 170, 190, 210, 230, 250, 270, 290 Fixing part
111, 141, 151, 171a, 171b, 191a, 191b, 271a, 271b, 301 Superconductor
112a, 112b, 142a, 142 b, 192a to 192f, 272a, 272b, 302a, 302b permanent magnet
113, 143, 153, 173, 193a, 193 b, 233, 253a, 253b, 273, 303 Back yoke
120, 140, 160, 180, 200, 220, 240, 260, 280, 300 Moving part
121a, 121b, 201a, 201b Disc-shaped laminated ferromagnetic material
122,241 Bar-shaped ferromagnetic material
131 Rail type ferromagnet
152a cylindrical permanent magnet
152b, 232b Ring type permanent magnet
161,221 cup-shaped ferromagnetic material
161a Central projection of cup-shaped ferromagnetic material
161b Outer periphery of cup-shaped ferromagnetic material
172a, 172b Cylindrical permanent magnet
181 Ferromagnetic body (inertial body)
182,202,222 shaft
211, 231a Disc-shaped superconductor
212a-212d Arc permanent magnet
213 Disc-shaped back yoke
231b Ring type superconductor
232a Disc-shaped permanent magnet
241a Tip of ferromagnetic rod
242 disk-shaped ferromagnet
251a-251d Rectangular superconductor
252a-252d rectangular permanent magnet
261a, 261b Ring type ferromagnetic material
262 Ferromagnetic material (and shaft)
281 Ferromagnetic material (with teeth)
281a Left edge of ferromagnetic material
281b Right end tooth of ferromagnetic material
291 Stacked ferromagnet
292 support base

Claims

In a magnetic levitation device that floats the movable part in a non-contact manner through a predetermined gap with respect to the fixed part,
A superconductor having a strong pinning force in one of the fixed part and the movable part, and a ferromagnetic material is arranged in the other, and the superconductor is placed at a critical temperature or lower in a magnetic field using a permanent magnet or an electromagnet. To a superconducting state by cooling to a temperature below the critical temperature in a zero magnetic field, applying a magnetic field higher than the lower critical magnetic field using the permanent magnet or the electromagnet to the superconductor, and pinning the superconductor. Utilizing the magnetic attraction force between the superconductor and the ferromagnetic material generated by passing the applied magnetic flux through the ferromagnetic material as a holding force of the movable portion, and the air gap is equal to or less than a predetermined value. In the case where the magnetic flux is reduced, the magnetic flux is provided by providing the ferromagnetic body having a shape such that the magnetic attraction force is reduced, and further forming a closed magnetic circuit with the superconductor, the ferromagnetic body, and the air gap. Goes around To reduce the magnetic resistance of the road, said that the ferromagnetic body is narrow down the pinned magnetic flux within the air gap, the flux surface area of the ferromagnetic member at the first superconductor is pinned facing the superconductor The area of the region where the magnetic flux is smaller than the predetermined gap, whereby the reduction of the magnetic attractive force is generated by preventing the narrowing of the magnetic flux by the pinning force. A magnetic levitation apparatus characterized by performing stable levitation without control and without contact in combination with a magnetic material.

The surface of the ferromagnetic material facing the superconductor is shifted from the pinned region of the magnetic flux on the superconductor surface in a direction perpendicular to the gap length direction, whereby the magnetic flux is below the predetermined gap. The magnetic levitation device according to claim 1, wherein the magnetic attraction force is reduced by preventing the distortion by a pinning force.

The ferromagnetic material narrows down the pinned magnetic flux in a gap located on the superconductor surface, and the surface of the ferromagnetic material facing the superconductor has a pin of the magnetic flux on the superconductor surface. The gap is deviated from the stopped region in the gap length direction and the vertical direction, so that the magnetic flux is narrowed below the predetermined gap, and the magnetic attraction is reduced by preventing the distortion of the magnetic flux by the pinning force. 2. The magnetic levitation device according to claim 1, wherein:

A permanent magnet for bias that generates a magnetic flux in the same direction as the pinned magnetic flux is arranged on the surface of the superconductor opposite to the surface facing the ferromagnetic material, and the superconductor and the ferromagnetic material are arranged. , By forming a closed magnetic circuit with the air gap and the permanent magnet, the magnetic flux pinned to the superconductor is increased, the magnetic attraction between the superconductor and the ferromagnetic material, and the predetermined magnetic force. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, 2 or 3 , wherein the tendency of the magnetic attraction force to decrease below the gap is increased, and the levitation force and stability of the movable portion are improved.

5. The magnetic levitation device according to claim 4, wherein the bias magnet is not the permanent magnet but an electromagnet disposed outside or on a side surface of the superconductor.

When the movable part is in a floating state, the amount of magnetic flux pinned in the superconductor is increased or decreased by changing a current flowing through the biasing electromagnet, and the floating force and the gap of the movable part are controlled. The magnetic levitation device according to claim 5, wherein:

Said electromagnet for bias, the superconducting magnetic levitation apparatus also according to claim 5 or 6, characterized by using as a magnetic field source in the cooling magnetic field.