2017 Fiscal Year Research-status Report
Study on stabilization of magnetically repulsive levitation system with high temperature superconducting magnetic bearings
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17K06224
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
村上 岩範 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (80292621)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 超電導浮上 / 磁気反発浮上 / 磁気軸受 / 無制御 / エネルギー貯蔵 / フライホイール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、磁気反発力を浮上力に利用した非接触磁気浮上系を無制御で安定化させる手法として、高温超電導体によるピンニング効果を用いて磁気反発浮上系の浮上方向以外の非常に大きな不安定力を相殺する手法を提案し、主に磁気反発による浮上力を用いた完全非接触浮上系を実現さ、この様なシステムの種々の設計指針を明らかにする研究である．
29年度は反発型磁気浮上系と超電導磁気浮上系を組み合わせ，無制御で全軸方向に安定かつ強い軸方向浮上力を持つ超電導磁気軸受(Superconducting Magnetic Bearing : SMB)を製作し，反発磁石の発生させる半径方向不安定力のみ超電導体の磁束ピンニングによって安定化させることを目指す．これによって高価なHTSの使用量を抑えつつ全軸方向に無制御で安定でありなおかつ強い軸方向浮上力を持つSMBを実現する．そのSMBを組み込んだフライホイールの駆動実験を行い，特性を検証した．
具体的にはリング型の永久磁石を反発するようにステータ側とロータ側に配置して反発型磁気浮上部を構成し、その内側にステータ側のHTSとロータ側の磁束源を組み合わせたSMB部を配置する構造の軸受を製作した．このロータ側の磁束源は強磁性体材料とネオジム磁石による磁束収束部を持ち、リング状のHTSの上面と側面に高い磁束密度および磁束密度勾配を発生させる構造となっている．
製作した磁気軸受の半径方向、軸方向、ピッチング方向の復元力を測定し、これによって本研究で提案した反発型磁気浮上系のSMBによる安定化法についての有用性を明らかにした．さらに今回製作した軸受部を組み込んだフライホイールを製作し、駆動実験を行うことで製作したSMBの有用性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
29年度の研究では、フライホイールの浮上に必要な軸方向浮上力を永久磁石の反発力で担当し、反発磁石の発生させる半径方向不安定力のみ超電導体の磁束ピンニングによって安定化させることを目指し、単一のリング型高温超電導体を利用した磁気軸受を開発した。
またこの磁気軸受にフライホイールを取り付け、回転駆動させた際のロータ変位を測定して磁気軸受の動的特性を確認した。具体的にはリング型高温超電導体の上面と側面を磁束ピンニングに利用するため、上面部にセグメント型ネオジム磁石と強磁性体パイプ状部品を用い、側面部にリング型ネオジム磁石と強磁性体リング状部品を用いた磁気軸受ロータ部の構成を考案し、これとステータ側の反発磁石を組み合わせた反発型磁気浮上部をもつSMBを考案、製作した。これを用いてロータ部をピンニング力により拘束し、超電導体の復元力で反発磁石の発生させる半径方向不安定力を相殺し、無制御で安定浮上させることができた。これによりフライホイールの軸受として必要な復元力特性を持つことを確認した。また、磁気軸受ロータ部がHTS部に生成する磁束密度分布の測定結果とシミュレーション結果を比較し、シミュレーションの有用性を確認した。さらに、製作したSMBにフライホイールを取り付け回転駆動させた。その際の半径方向ロータ変位を測定した結果、触れ回り共振の振幅は約1.1[mm]、周波数は約12[Hz]であった。また、ピッチング共振は認められなかった。
回転駆動実験の結果、最高回転数は10000[rev/min]を達成し、その時の推定貯蔵エネルギーは約12[kJ]であった。また、超電導体総使用量あたりの貯蔵エネルギーでは従来の研究でのモデル比で2.9倍となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
30年度以降では、29年度で実施した研究結果を踏まえて29年度実施予定であった、解析の結果を基に反発方向力が大きく、浮上系を構成した場合の不安定力となる反発方向と垂直な方向の力が小さくなるようなパラメータを選定の最適化を実行する。この際、上記2項目の力についてのみならず磁束集束部の磁束密度についても十分に留意する。この際、磁束密度のみならず表面からの距離および反発磁石間の相対変位に依存した磁束密度分布の変化を計測し、動的3次元磁束分布を調査し、密度分布の変化を計測し、動的3次元磁束分布を調査し、磁気反発特性を明らかにする。特に本研究で安定化に用いるHTSCMBに侵入する集束磁束に着目して解析を行う。また磁気反発による磁束集束を用いたSMBピンニング力による半径方向安定化方法の提案を行い、これの実現可能性を確認する。
また、フライホイールの運転中に見られた危険速度付近での大きな振れ回り共振やピッチング方向の共振を乗り越すための制振機能を付加することにより反発型磁気浮上の高い浮上力を利用可能な安定な非接触回転系の開発を実現する。以上の課程を各段階でまとめ、随時、学会発表、論文投稿を行い、研究成果を公表することとする。
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| Causes of Carryover |
29年度に次年度使用額が発生した原因は超電導バルク材の導入を停止したことが原因である。これの代替として、申請者が所持していたリング型超伝導体を使用し多少提案していた系を変更することによって対応し29年度の研究を実施した。これは、当初申請額に対しての減額分を考慮すると、研究計画通りに超電導バルク材を導入するより、30年度予算と合算し、導入することがより研究の進行に期すると考えたためである。このことより、超電導バルク材の購入を30年度に実施する計画である。
また本来超電導バルク材の導入予算としたものは、電力貯蔵フライホイールの試作に用いることによって一部研究計画を前倒して研究を実施したことにより研究の進捗についての遅れ等は生じていないと考えられる。
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Research Products
(2 results)
