(57)【要約】【課題】フライホイールを利用した電力供給装置の利便性とエネルギ効率とを向上する。【解決手段】電力供給装置は、フライホイールと、フライホイールを収容する筐体と、フライホイールに連結されたロータを有し、かつ筐体内に設置されたモータと、フライホイールに連結されたロータを有し、かつ筐体内に設置されたジェネレータとを備える。モータとジェネレータを別体とすることで，フライホイールへ運動エネルギを供給している間にも需要家に向けてジェネレータから放電することができる。また、電力供給装置の構成要素を筐体内に組み込むことにより、筐体内を減圧したり、特定の気体を充填するにあたり、フライホイールとモータあるいはジェネレータとの間に磁気カップリングなどの動力伝達装置を必要とせず、また、シールも必要としない。よって、シールによるエネルギ損失を抑制できる。その結果、優れた利便性ならびにエネルギ効率を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールと、
前記フライホイールを収容する筐体と、
前記フライホイールに連結されたロータを有し、かつ前記筐体内に設置されたモータと、
前記フライホイールに連結されたロータを有し、かつ前記筐体内に設置されたジェネレータとを備える、電力供給装置。
【請求項２】
前記ジェネレータは、直流電力を出力するジェネレータと、交流電力を出力するジェネレータとを含んで、複数設けられる、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記ジェネレータに電気的に接続された蓄電装置をさらに備える、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記フライホイールの回転軸を支持する転がり軸受をさらに備える、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項５】
フライホイールの回転軸を支持する油動圧軸受をさらに備える、請求項１または２に記載の電力供給装置。
【請求項６】
筐体内は、低真空にされる、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項７】
筐体内は、希ガスで満たされる、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項８】
モータに電気的に接続され、自然エネルギを利用して発電する発電装置をさらに備える、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項９】
筐体は、地下に埋設される、請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項１０】
フライホイールは、
回転軸と、
回転軸から半径方向に突出した突出部とを含み、
モータのロータは前記突出部の外周面に設けられ、
ジェネレータのロータは回転軸の外周面に設けられる、請求項１に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力供給装置に関し、特に、フライホイールを利用した電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギをフライホイールの運動エネルギに変換して一時的にエネルギを保存し、後で運動エネルギを電気エネルギに戻して利用することが知られている。フライホイールを利用した場合、電気エネルギを化学エネルギとして保存する二次電池と比較して大電流を充放電できる。またフライホイールは基本的に劣化がなく長寿命である。この特徴により、フライホールと自然エネルギを利用した発電と組み合わせることで、効率よく自然エネルギ発電システムを運用することができる。すなわち、自然エネルギ発電システムと需要家との間にフライホイールを設置し、電気エネルギの充放電装置と自然エネルギ発電の発電電力が大きい時の一時的な電力保存装置（バッファ）として利用することで、出力が不安定な自然エネルギ発電を効率的に利用できる。ここで自然エネルギ発電システムとは、太陽光、風力、水力その他の再生可能エネルギを指す。また、発電システムとして内燃機関を利用した発電装置や、ガスタービンによる発電、燃料電池を組み合わせることも考えられる。
【０００３】
フライホイールを利用した蓄電装置は、フライホイールに運動エネルギを与えるモータと、フライホイールの運動エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータとを必要とする。一般的には、特許第３７３３９３２号公報（特許文献１）に記載のように、モータの機能とジェネレータの機能とを兼ね備えたモータジェネレータが用いられる。
【０００４】
その他、フライホイールの回転によるエネルギ損失を低減するために、特開２０１１−９７８０２号公報（特許文献２）に記載のようにロータハウジング内を減圧したり、特開２０１０−２３９７９６号公報（特許文献３）に記載のようにハウジング内に軽量な気体を充填するなどの方策がとられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３３９３２号公報
【特許文献２】特開２０１１−９７８０２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３９７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、モータとジェネレータを一つのモータジェネレータで兼用すると、フライホイールへ運動エネルギを与えている間は需要家が電力を利用することができない。
【０００７】
また、ハウジング内を減圧したり、ハウジング内に軽量な気体を充てんするなどした場合、ハウジングの気密性を保つために磁気カップリングなどを用いた非接触での動力伝達機構が必要となる。その結果、構造が複雑となりえる。磁気カップリングを用いない場合には、密封するためのシールによる摩擦損失が生じ得る。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、利便性ならびにエネルギ効率に優れた電力供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある実施例において、電力供給装置は、フライホイールと、フライホイールを収容する筐体と、フライホイールに連結されたロータを有し、かつ筐体内に設置されたモータと、フライホイールに連結されたロータを有し、かつ筐体内に設置されたジェネレータとを備える。モータとジェネレータを別体とすることで，フライホイールへ運動エネルギを供給している間にも需要家に向けてジェネレータから放電することができる。また、電力供給装置の構成要素を筐体内に組み込むことにより、筐体内を減圧したり、特定の気体を充填するにあたり、フライホイールとモータあるいはジェネレータとの間に磁気カップリングなどの動力伝達装置を必要とせず、また、シールも必要としない。よって、シールによるエネルギ損失を抑制できる。その結果、優れた利便性ならびにエネルギ効率を得ることができる。
【００１０】
別の実施例において、ジェネレータは、直流電力を出力するジェネレータと、交流電力を出力するジェネレータとを含んで、複数設けられる。この構成によると、直流電力および交流電力の両方を出力することができる。そのため、様々な仕様の電気機器に対応することができる。
【００１１】
さらに別の実施例において、電力供給装置は、ジェネレータに電気的に接続された蓄電装置をさらに備える。この構成によると、フライホイールが一時的なバッファとして利用され、電力を蓄電装置に長期的に保存できる。
【００１２】
さらに別の実施例において、電力供給装置は、フライホイールの回転軸を支持する転がり軸受をさらに備える。この構成によると、摩擦抵抗の小さい転がり軸受を使用することによって、軸受損失を低下させることができる。
【００１３】
さらに別の実施例において、電力供給装置は、フライホイールの回転軸を支持する油動圧軸受をさらに備える。この構成によると、油動圧軸受においては、フライホイールが回転しているときにフライホイールの回転軸が動圧効果により軸受面から浮上するため、軸受損失を低下させることができる。
【００１４】
さらに別の実施例において、筐体内は、低真空にされる。この構成によると、大気圧下でフライホイールを回転させる場合に比べて、空気抵抗によるフライホイールの風損を低減できる。また、中真空下または高真空下でフライホイールを回転させる場合に比べて、熱伝導性を良くできる。その結果、冷却性を確保できる。
【００１５】
さらに別の実施例において、筐体内は、希ガスで満たされる。この構成によると、フライホイールの風損を低減できる。
【００１６】
さらに別の実施例において、電力供給装置は、モータに電気的に接続され、自然エネルギを利用して発電する発電装置をさらに備える。この構成よると、風力発電装置、太陽電池または水力発電装置などのクリーンエネルギを活用することができる。
【００１７】
さらに別の実施例において、筐体は、地下に埋設される。この構成によると、フライホイールの回転により地上に伝わる音を低減できる。
【００１８】
さらに別の実施例において、フライホイールは、回転軸と、回転軸から半径方向に突出した突出部とを含む。モータのロータは突出部の外周面に設けられる。ジェネレータのロータは回転軸の外周面に設けられる。この構成によると、モータとロータとは半径方向に重複しないように設けられる。よって、モータとロータとを回転軸方向に重複して設けることができる。そのため、電力供給装置をコンパクトな構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態に係る電力供給装置を示す図である。
【図２】第２の実施の形態に係る電力供給装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
第１の実施の形態
図１を参照して、本実施の形態に係る電力供給装置１０は、電源２０から電力が供給されるモータ３０と、モータ３０によって回転されるフライホイール４０と、フライホイール４０の運動エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータ５０とを備える。本実施の形態においては、モータ３０と、フライホイール４０と、ジェネレータ５０とで一体的に電力供給装置１０が構成される。すなわち、モータ３０、フライホイール４０、ジェネレータ５０の全てが、筐体６０に収容されることにより、モータ３０とジェネレータ５０とがビルトイン形式で電力供給装置１０に設けられる。これによりフライホイール４０によるエネルギの蓄積量を減らすことなく、電力供給装置１０の体積を低減することができる。また、モータ３０およびジェネレータ５０を別体とすることで、フライホイール４０にエネルギを供給しながら、フライホイール４０からエネルギを取り出すことができるようになる。
【００２２】
電源２０は、自然エネルギで発電する発電装置である。一例として、電源２０は、太陽電池である、風力発電装置または水力発電装置など、他の自然エネルギ発電装置を電源２０として用いてもよい。自然エネルギー発電装置のほかに、内燃機関を利用した発電装置や燃料電池、ガスタービン発電装置などを電源２０として用いてもよい。
【００２３】
モータ３０には、電源２０から、インバータまたはコンバータ（図示せず）などを介して電力が供給される。モータ３０は、電源２０から供給された電力により駆動する。モータ３０は、交流モータであってもよく、直流モータであってもよい。
【００２４】
ジェネレータ５０には、二次電池７０が電気的に接続される。ジェネレータ５０から二次電池７０には、インバータまたはコンバータなどを介して電力が供給される。ジェネレータ５０は、フライホイール４０の回転運動によって駆動せしめられる。ジェネレータ５０は交流ジェネレータであってもよく、直流ジェネレータであってもよい。
【００２５】
二次電池７０は、ジェネレータ５０から供給された電力を蓄える。二次電池７０に蓄えられた電力は、一例として、照明器具、空調装置、冷蔵庫、テレビなど、家屋内の電化製品に供給される。
【００２６】
本実施の形態のように、フライホイール４０と二次電池７０とを組合わせることにより、フライホイール４０によって電力変動を吸収し、電源２０の発電電力を有効に利用することができる。また、需要家の電力需要に合わせて二次電池７０への充電とフライホイール４０から直接電力を取り出せる構成にすることで、需要家に急激な電力変動が生じた際も、フライホイール４０の応答性により二次電池７０は一定の出力で動作することができる。よって、二次電池７０の寿命を長くすることができる。
【００２７】
本実施の形態において、フライホイール４０は、回転軸４１と、回転軸４１から半径方向に突出した突出部４２とを含む。モータ３０のロータ３１は突出部４２の外周面に設けられる。モータ３０のステータ３２は筐体６０の側部６１の内周面に設けられる。一方、ジェネレータ５０のロータ５１は回転軸４１の外周面に設けられる。ジェネレータ５０のステータ５２は筐体６０の下部もしくは上部から突出した突出部６２の内周面に設けられる。このような構成とすることで、モータ３０とジェネレータ５０とを半径方向にずらして配置する一方で、モータ３０とジェネレータ５０とを回転軸方向に重複させて配置することができる。
【００２８】
筐体６０を地下に埋設してもよい。すなわち、モータ３０、フライホイール４０、ジェネレータ５０を含む電力供給装置１０全体を地下に埋設してもよい。電力供給装置１０を地下に埋設することにより、フライホイール４０から発せられる騒音を聞こえ難くすることができる。
【００２９】
また、本実施の形態においては、モータ３０、フライホイール４０およびジェネレータ５０が、筐体６０の内部に配置されているため、筐体６０の外部とは電力のみやり取りすればよい。よって、摺動部はシールを必要としない。また、磁気カップリングなどの構成も必要ない。そのため、電力供給装置１０を低トルク、低容積かつ気密性の高い構成とすることができる。
【００３０】
フライホイール４０は高速で回転するために気体の粘性により損失（風損）を発生する。損失を小さくすべく、筐体６０内は減圧されてもく、筐体６０内に希ガスが充填されてもよい。
【００３１】
本実施の形態において、フライホイール４０の第１の利用目的は、電源２０の発電量が増大した場合のバッファであり、フライホイール４０は入力されたエネルギを長時間保存しないため、筐体６０内の気圧は低真空でもよい。低真空とは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）  Ｚ  ８１２６−１に定義されているように、１００ｋＰａ〜１００Ｐａの真空を意味する。筐体６０内を低真空にすることによって風損が低減されるため、フライホイール４０の軸受損失を低下させるにあたり、磁気軸受ではなく、転がり軸受や、安価なすべり軸受を用いても、良好な効果を得ることができる。
【００３２】
フライホイール４０の軸受４５に油動圧軸受などの動圧軸受を用いてもよい。常圧や低真空下で用いることができるフライホイール４０は、動圧軸受が成立するだけの流体が存在し得るため、高真空下では不可能である動圧軸受を支持軸受として用いることができる。動圧軸受は回転しているときに、動圧効果により軸が軸受面から浮上するため、軸受損失を低下させることができる。
【００３３】
同様に、軸受４５に、空気動圧軸受あるいは空気静圧軸受を用いてもよい。真空下では、空気を使用することができないので、空気軸受は使用できないが、低真空であれば空気軸受は成立する。空気軸受も転がり軸受やすべり軸受と比較して軸受損失が小さい。
【００３４】
安価で入手の容易な転がり軸受を用いてもよい。特にグリース封入非接触シールもしくはシールド付深溝玉軸受は、メンテナンス性がよく、アキシアル荷重とスラスト荷重の両方を同時に受けることができるので、軸受個数を最低限とすることができる。筐体６０内が低真空であれば、軸受に封入するグリースは、高トルクで高価なフッ素グリースなどの真空用である必要はない。
【００３５】
モータ３０およびジェネレータ５０は三相交流誘導式や直流ブラシレスなど、さまざまな形式が利用でき、それぞれの送受電設備に応じて使用することができる。モータ３０およびジェネレータ５０は他励型を利用することで使用状況に合わせて励磁し、仕事をさせることが可能となる。
【００３６】
第２の実施の形態
図２に、ジェネレータを複数備えた電力供給装置１１を示す。電力供給装置１１は、ジェネレータ５０と、ジェネレータ８０との２つのジェネレータを備える。ジェネレータ５０とジェネレータ８０の両方が直流電力を出力してもよく、交流電力を出力してもよい。また、ジェネレータ５０とジェネレータ８０とのうちの一方が直流電力を出力し、他方が交流電力を出力してもよい。ジェネレータの数は２つに限定されず、複数であればいくつでもよい。モータを複数設けるようにしてもよい。
【００３７】
ジェネレータを複数設けることにより、種々の需要設備に電力を供給することができる。同様に、モータを複数設けることにより、種々の電源から電力を受け取ることができる。そのため、例えばインバータやコンバータなどの電力変換装置が不要になる。
【００３８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３９】
１０，１１  電力供給装置、２０  電源、３０  モータ、３１  ロータ、３２  ステータ、４０  フライホイール、４１  回転軸、４２  突出部、４５  軸受、５０，８０  ジェネレータ、５１  ロータ、５２  ステータ、６０  筐体、６１  側部、６２  突出部、７０  二次電池。
【図１】
2014128105.tif 000003
【図２】
2014128105.tif 000004