(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を共用する発電電動機とフライホイールとを有しており、待機時には、電動機として機能する発電電動機でフライホイールを回転することにより、このフライホイールに回転エネルギーを蓄積するとともに、停電時等の異常電圧降下時には、発電機として機能する発電電動機をフライホイールで回転することにより、この発電電動機から所定の電力を得るように構成し、さらに回転軸の周囲に巻回したコイルに直流電流を供給することにより発生する磁力をフライホイールに作用させることにより軸方向の荷重を軽減するように構成したフライホイール形電力貯蔵装置において、
前記待機時には、スイッチング手段を介して前記コイルに電源側から直流電流を供給する一方、前記異常電圧降下時には直流電流の方向が逆転するようスイッチング手段を切り換えて前記コイルに蓄積した電磁エネルギーを放出するように構成したことを特徴とするフライホイール形電力貯蔵装置。
【請求項２】
〔請求項１〕に記載するフライホイール形電力貯蔵装置において、
スイッチング手段は、複数のスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータで形成し、各スイッチング素子の切り換えによりコイルに直流電流を供給するとともに、コイルに蓄積した電磁エネルギーを放出するように構成したことを特徴とするフライホイール形電力貯蔵装置。
【請求項３】
〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載するフライホイール形電力貯蔵装置において、
フライホイールの端面に永久磁石を配設するとともに、この永久磁石の下方にコイルを配設することにより、コイルが発生した磁力により前記永久磁石に作用する磁気的な反発力でフライホイールを浮かせることにより軸方向の荷重を軽減するように構成したことを特徴とするフライホイール形電力貯蔵装置。
【請求項４】
電源に接続される順変換装置、この順変換装置の出力側に接続される電力貯蔵装置及び前記順変換装置の出力側に、前記電力貯蔵装置に並列に接続されるとともに出力側が負荷に接続される逆変換装置を有する無停電電源装置において、
前記電力貯蔵装置を、〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載するフライホイール形電力貯蔵装置で構成したことを特徴とするフライホイール形電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフライホイール形電力貯蔵装置及び無停電電源装置に関し、特に無停電電源装置（ＵＰＳ）の電力貯蔵装置に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在のＵＰＳは、ほとんどが半導体素子を使用した静止形であるが、当所は回転形ＵＰＳから始まった。すなわち、当所は電動機と発電機とを組み合わせた回転形ＵＰＳが主流であったが、近年のパワーエレクトロニクスの発展とともに静止形ＵＰＳへと移行してきた。しかし、回転式ＵＰＳは、静止形ＵＰＳに較べて大きい過電流容量を持つばかりでなく、電圧波形歪み率が小さく、高調波を出さないという特長を有している。かかる特長を活かした回転式ＵＰＳとして、フライホイール形のＵＰＳが提案されている。
【０００３】
フライホイール形の回転式ＵＰＳは、静止形ＵＰＳの蓄電装置であるバッテリーの代わりにフライホイール形電力貯蔵装置を採用したもので、バッテリーに蓄積される電気エネルギーの代わりに、必要なエネルギーを回転体であるフライホイールに機械エネルギーとして蓄積しておくものである。
【０００４】
図２は上記フライホイール形の回転式ＵＰＳに適用して有用な従来技術に係るフライホイール形電力貯蔵装置の一例を示す説明図である。同図に示すように、この種のフライホイール形電力貯蔵装置は、通常縦軸形の回転電機で、スラスト軸受１及びラジアル軸受２に回転可能の支承された垂直軸である回転軸３を有しており、この回転軸３を共用する発電電動機４と、フライホイール５とを有している。かくして待機時（通常時）には、発電電動機４が電動機として駆動され、フライホイール５を回転することにより、このフライホイール５に回転エネルギーを蓄積するとともに、停電時等の異常電圧降下時にはフライホイール５の回転エネルギーを放出することにより発電電動機４を発電機として駆動して所定の電力を得るようにしたものである。
【０００５】
図２に示すフライホイール形電力貯蔵装置は、上述の如き基本構成要素の他にコイル６を設けている。このコイル６はフライホイール５の上面に相対向させて当該フライホイール形電力貯蔵装置の上部に配設してあり、このコイル６に電流を供給することにより発生する磁力により磁性体であるフライホイール５を上方に吸引し、その分スラスト方向の荷重を低減するためである。このようにコイル６を設けることにより、待機時の機械的な損失を低減することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如きフライホイール形電力貯蔵装置では、その構造上、停電時等の電力放出の応答速度は、発電電動機４の発電機としての応答速度と同程度となり、即応性に欠ける。また、待機時のスラスト荷重を低減するためだけにコイル６を設けたのでは、構造が複雑になるだけで、十分なメリットを得ているとは言いがたい。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、スラスト方向荷重の低減のためのコイルに蓄積されている電磁エネルギーを有効に利用することによりその分利用効率の向上を図るとともに、停電時等の電力放出の応答性も向上させることができるフライホイール形電力貯蔵装置及び無停電電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【０００９】
１）  回転軸を共用する発電電動機とフライホイールとを有しており、待機時には、電動機として機能する発電電動機でフライホイールを回転することにより、このフライホイールに回転エネルギーを蓄積するとともに、停電時等の異常電圧降下時には、発電機として機能する発電電動機をフライホイールで回転することにより、この発電電動機から所定の電力を得るように構成し、さらに回転軸の周囲に巻回したコイルに直流電流を供給することにより発生する磁力をフライホイールに作用させることにより軸方向の荷重を軽減するように構成したフライホイール形電力貯蔵装置において、
前記待機時には、スイッチング手段を介して前記コイルに電源側から直流電流を供給する一方、前記異常電圧降下時には直流電流の方向が逆転するようスイッチング手段を切り換えて前記コイルに蓄積した電磁エネルギーを放出するように構成したこと。
【００１０】
２）  上記１）に記載するフライホイール形電力貯蔵装置において、
スイッチング手段は、複数のスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータで形成し、各スイッチング素子の切り換えによりコイルに直流電流を供給するとともに、コイルに蓄積した電磁エネルギーを放出するように構成したこと。
【００１１】
３）  上記１）又は２）に記載するフライホイール形電力貯蔵装置において、
フライホイールの端面に永久磁石を配設するとともに、この永久磁石の下方にコイルを配設することにより、コイルが発生した磁力により前記永久磁石に作用する磁気的な反発力でフライホイールを浮かせることにより軸方向の荷重を軽減するように構成したこと。
【００１２】
４）  電源に接続される順変換装置、この順変換装置の出力側に接続される電力貯蔵装置及び前記順変換装置の出力側に、前記電力貯蔵装置に並列に接続されるとともに出力側が負荷に接続される逆変換装置を有する無停電電源装置において、
前記電力貯蔵装置を、上記１）乃至３）の何れか一つに記載するフライホイール形電力貯蔵装置で構成したこと。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明に係るフライホイール形電力貯蔵装置を無停電電源装置に組み込んだ状態で示すブロック線図である。同図に示すように、フライホイール形電力貯蔵装置本体Ｉは図２に示す従来技術に係るフライホイール形電力貯蔵装置と何ら変わるところはない。そこで、図１中、図２と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、当該無停電電源装置は、系統の電源７に接続されるコンバータ８、このコンバータ８の出力側に接続される電力貯蔵装置本体Ｉ及びこの電力貯蔵装置本体Ｉに並列に前記コンバータ８の出力側に接続されるインバータ９からなる。負荷１０はインバータ９の出力側に接続してある。
【００１５】
ここで、待機時には、電源７から供給される電力をコンバータ８で一旦整流し、その後インバータ９で逆変換して交流負荷１０を駆動している。同時に、フライホイール形電力貯蔵装置本体Ｉの発電電動機４には、インバータ１１を介して交流電力が、またコイル６にはスイッチング手段であるＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して直流電力がそれぞれ供給される。この結果、発電電動機４は電動機として機能してフライホイール５を回転することにより、このフライホイール５に回転エネルギーを蓄積する。同時に、コイル６は磁界を形成し、フライホイール５を垂直上方に吸引してフライホイール５及び発電電動機４の回転子等からなる回転部分のスラスト荷重を低減する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、これを構成するＧＴＯ１２ａ、１２ｂがＯＮ状態となっている。したがって、コンバータ８から供給される直流電流は、ＧＴＯ１２ａを介してコイル６に流れた後、ＧＴＯ１２ｂを介してインバータ８に戻る。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２のＧＴＯ１２ａ、１２ｂをＯＦＦ状態とした場合には、コイル６に蓄積されている電磁エネルギーが、ダイオード１２ｃ、１２ｄを介して放出される。すなわち、このときの電磁エネルギーに基づく直流電流は、ダイオード１２ｃ及びインバータ９を介して負荷１０に流れた後、ダイオード１２ｄを介してコイル６に戻る。
【００１６】
電圧検出部１３はコンバータ８の入力側の電圧を検出するもので、この電圧値を表す電圧信号Ｓ0 をパルス発生部１４に送出する。パルス発生部１４は、電圧信号Ｓ0 が表す電圧値が所定値以上の定常状態にあることを条件としてトリガパルスＴ1 を発生してＧＴＯ１２ａ、１２ｂをＯＮ状態とする一方、停電等による異常電圧降下により電圧値が所定値未満の異常状態となった場合には、トリガパルスＴ2 を発生してＧＴＯ１２ａ、１２ｂをＯＦＦ状態とする。なお、図１中、Ｃはサージ吸収用のコンデンサである。
【００１７】
上記無停電電源装置において、待機時（通常時）には、電源７から供給される電力をコンバータ８で一旦整流し、その後インバータ９で逆変換して交流負荷１０を駆動する。同時に、電圧検出部１３で検出するコンバータ８の入力側の電圧が定常電圧であるので、パルス発生部１４から送出するトリガパルスＴ1 によりＧＴＯ１２ａ、１２ｂがＯＮ状態となっている。かかる状態で、フライホイール形電力貯蔵装置本体Ｉの発電電動機４には、インバータ１１を介して交流電力が、またコイル６にはＤＣ／ＤＣコンバータ１２のＧＴＯ１２ａ、１２ｂを介して直流電力がそれぞれ供給される。この結果、発電電動機４が電動機として機能してフライホイール５を回転することにより、このフライホイール５に回転エネルギーを蓄積する。同時に、コイル６は磁界を形成し、フライホイール５を垂直上方に吸引してフライホイール５及び発電電動機４の回転子等からなる回転部分のスラスト荷重を低減する。
【００１８】
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２のＧＴＯ１２ａ、１２ｂをＯＦＦ状態とした場合には、コイル６に蓄積されている電磁エネルギーが、ダイオード１２ｃ、１２ｄを介して放出される。すなわち、このときの電磁エネルギーに基づく直流電流は、ダイオード１２ｃ及びインバータ９を介して負荷１０に流れた後、ダイオード１２ｄを介してコイル６に戻る。
【００１９】
一方、電圧検出部１３で検出するコンバータ８の入力側の電圧が停電等により異常降下した場合、パルス発生部１４から送出するトリガパルスＴ2 によりＧＴＯ１２ａ、１２ｂがＯＦＦ状態とされる。この結果、コイル６に蓄積されている電磁エネルギーが、ダイオード１２ｃ、１２ｄを介して放出され、これに基づく直流電流がインバータ９で逆変換された後、負荷１０に供給される。かかる電磁エネルギの放出は、瞬時に行われる。
【００２０】
同時に、この場合には発電電動機４の端子電圧がインバータ１１の入力側の電圧よりも高圧となる。この結果、発電電動機４は、待機時において回転エネルギーを蓄積しているフライホイール５を原動機とする発電機として機能し、コンバータ動作をするインバータ１１を介して直流電流をインバータ１０に供給する。かかる回転エネルギーの放出は、前記コイル６の電磁エネルギーの放出よりも若干遅れる。ただ、放出エネルギー量はフライホイール５からのそれが、コイル６からの放出エネルギーよりも断然大きい。そこで、異常電圧降下時に、高応答でエネルギーを放出するが、放出エネルギーが小さいコイル６の特性と、応答は若干遅れるが、放出エネルギーは大きい発電電動機５の特性とをマッチングさせることにより、負荷１０に対しては、異常電圧降下時に高応答で、所定の長時間負荷電流を供給することができる。すなわち、高応答の無停電電源装置として機能する。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、コイル６をフライホイール５の上方に配設し、その磁力によりフライホイール５を吸引するように構成したが、コイル６で形成する磁束による反発力をフライホイール５に作用させてこれを浮上させ、このことによりスラスト方向の荷重を軽減するように構成しても良い。この場合には、コイル６をフライホイール５の下方に配設するとともに、コイル６に相対向するフライホイール５の端面に永久磁石を配設する必要がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、本発明によれば、待機時に  スラスト荷重を低減するために設けるコイルに蓄積された電磁エネルギーを異常電圧降下時に放出して電気エネルギーに変換することができるので、この電磁エネルギーの有効利用を図ることができるばかりでなく、この電磁エネルギーの放出の際の応答は、フライホイールに蓄積された回転エネルギーの放出の際の応答よりも格段に速いので、無停電電源装置としての応答性能も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るフライホイール形電力貯蔵装置を無停電電源装置に組み込んだ状態で示すブロック線図である。
【図２】従来技術に係るフライホイール形電力貯蔵装置を示すブロック線図である。
【符号の説明】
３        回転軸
４        発電電動機
５        フライホイール
６        コイル
７        電源
８        コンバータ
９        インバータ
１０        負荷
１１        インバータ
１２        ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３        電圧検出部
１４        パルス発生部
【図１】
0003722045.tif 000002
【図２】
0003722045.tif 000003