(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸を中心に回転する回転軸、上記回転軸に固定状に設けられたフライホイール、上記回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、上記回転軸に固定された上記フライホイールより小径の円板状の非磁性体製回転部材の下面に同心状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の回転永久磁石、および上記回転部材の下方の固定部分に上記回転永久磁石とそれぞれ対向するように同心状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の固定永久磁石を備えており、
上記回転部材の下端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に上記回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、上記回転永久磁石の外周部分は、上記凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、上記回転永久磁石の内周部分は、上記凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめ合わされており、
ラジアル方向に隣接する２つの上記回転永久磁石の同一端の磁極が互いに逆の極性を有し、上記回転永久磁石の下端の磁極とこれに対向する上記固定永久磁石の上端の磁極が互いに同じ極性を有するようになされており、
上記回転部材の外周に環状の補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするフライホイール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置などに使用されるフライホイール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のフライホイール装置として、従来、垂直軸を中心に回転する回転軸、回転軸に固定状に設けられたフライホイール、回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、ならびに回転軸をラジアル方向およびアキシアル方向に非接触支持する１組あるいは複数組の超伝導軸受を備えたものが知られている。超伝導軸受は、たとえば、フライホイールの上向きあるいは下向きの端面に、複数の環状の永久磁石が、磁束分布が回転軸心に対して対称になり、かつ回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように、同心状に配置され、固定部分に、超伝導体が、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁石と回転軸心方向に対向するように配置されているものである。そして、永久磁石から発生する磁束を超伝導体の内部に侵入させて拘束し、その結果、いわゆるピン止め力により、固定部分に対して回転体をラジアル方向およびアキシアル方向に非接触状態で支持するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のフライホイール装置において、回転軸をアキシアル方向に支持するのは超伝導軸受だけである。超伝導軸受は、上記のように、超伝導体に拘束された磁束のピン止め力によって回転体をラジアル方向にもアキシアル方向にも支持できるが、とくにアキシアル方向（重力方向）の支持力（負荷容量）には限界があり、また、回転損失が問題になる。
【０００４】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、アキシアル方向の負荷容量が大きく、回転損失が小さく、かつ回転部材および回転永久磁石の遠心破壊をより効果的に防止できるフライホイール装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明によるフライホイール装置は、垂直軸を中心に回転する回転軸、上記回転軸に固定状に設けられたフライホイール、上記回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、上記回転軸に固定された上記フライホイールより小径の円板状の非磁性体製回転部材の下面に同心状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の回転永久磁石、および上記回転部材の下方の固定部分に上記回転永久磁石とそれぞれ対向するように同心状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の固定永久磁石を備えており、上記回転部材の下端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に上記回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、上記回転永久磁石の外周部分は、上記凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、上記回転永久磁石の内周部分は、上記凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめ合わされており、ラジアル方向に隣接する２つの上記回転永久磁石の同一端の磁極が互いに逆の極性を有し、上記回転永久磁石の下端の磁極とこれに対向する上記固定永久磁石の上端の磁極が互いに同じ極性を有するようになされており、上記回転部材の外周に環状の補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【０００６】
補強部材は、たとえば、複合繊維強化プラスチック製である。
【０００７】
【作用】
回転軸側の回転部材に固定された回転永久磁石の下端の磁極とこれに対向する固定部分側の固定永久磁石の上端の磁極が互いに同じ極性を有するので、これらの磁気反発力によって回転永久磁石が上向きに付勢され、これにより回転軸の重量が支持されるため、アキシアル方向の負荷容量が増大する。そして、超伝導軸受を使用せずに、永久磁石の磁気反発力だけで回転軸をアキシアル方向に支持するので、回転損失が小さく、また、高価な超伝導体やその冷却装置を必要としない。したがって、省エネルギ化が図られ、コストも安くなる。
【０００８】
回転永久磁石の外周部分が回転部材の凹みぞの壁に圧入されて、回転永久磁石の内周部分が凹みぞの壁にゆるくはめられているので、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易であり、しかも回転永久磁石の遠心膨張が小さく抑えられて、その遠心破壊が防止される。また、フライホイールと別体の回転部材に回転永久磁石が固定されているので、フライホイールの外径を極力大きくできる一方、回転部材の外径を小さくでき、これによっても回転永久磁石の遠心破壊が防止される。さらに、回転部材の外周に一体状に固定された補強部材により、回転部材の遠心膨張が小さく抑えられ、回転部材およびそれに固定された回転永久磁石の遠心破壊がより効果的に防止される。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明を電力貯蔵装置におけるフライホイール装置に適用した実施例について説明する。
【００１０】
図１および図２はこの発明が適用されるフライホイール装置の全体構成ならびに回転永久磁石および固定永久磁石の固定構造を説明するための参考例であって、図１はフライホイール装置の全体構成を概略的に示し、図２はその一部を拡大して詳細に示している。
【００１１】
フライホイール装置は、垂直な回転軸（１）  、回転軸（１）  に固定されたフライホイール（２）  、回転軸（１）  をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受（３）（４）、回転軸（１）  をアキシアル方向（上下方向）に非接触支持する永久磁石軸受（５）  、および発電電動機（６）  を備えており、これらが複数の部材よりなるハウジング（固定部分）（７）  で囲まれた真空チャンバ（８）  内に配置されている。
【００１２】
フライホイール（２）  はたとえばアルミニウム合金などの非磁性体により円板状に形成されており、その外周にＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状の補強部材（９）  が一体状に固定されている。フライホイール（２）  は回転軸（１）  の下端寄りの部分に同心状に固定されており、回転軸（１）  はハウジング（７）  内の中心に若干の上下動（アキシアル方向の移動）およびラジアル方向の移動ができるように配置されている。
【００１３】
永久磁石軸受（５）  はフライホイール（２）  の下端面（２ａ）とこれに対向するハウジング（７）  の底壁上面（７ａ）の間に設けられており、その詳細が図２に示されている。
【００１４】
永久磁石軸受（５）  は、フライホイール（２）  の下端面（２ａ）に同心状に配置された複数の環状の回転永久磁石（１０）、およびこれに対向するようにハウジング（７）  の底壁上面（７ａ）に同心状に配置された同数の環状の固定永久磁石（１１）を備えている。
【００１５】
フライホイール（２）  の下端面（２ａ）に円形の仕切り壁（１２）で仕切られた複数の環状凹みぞ（１３）が同心状に形成され、各凹みぞ（１３）内に回転永久磁石（１０）が１つずつはめられて固定されている。回転永久磁石（１０）の外周部分は、凹みぞ（１３）の外周側の壁あるいは仕切り壁（１２）の内周部分に圧入されている。回転永久磁石（１０）の内周部分は仕切り壁（１２）あるいは凹みぞ（１３）の内周側の壁の外周部分にゆるくはめ合わされ、これらの間にはほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間があけられている。回転永久磁石（１０）は軸方向の両端に磁極を有し、ラジアル方向に隣接する２つの回転永久磁石（１０）の同一端の磁極が互いに逆の極性を有するように配置されている。すなわち、この実施例では、内側と外側の回転永久磁石（１０）については下端側がＮ極で上端側がＳ極となり、中間の回転永久磁石（１０）については上端側がＮ極で、下端側がＳ極となっている。このような永久磁石磁気回路は、回転体の浮上力が得られれば、別の磁気回路でも差支えない。たとえば、永久磁石のラジアル方向に磁極を配置してもよい。
【００１６】
ハウジング（７）  の底壁上面（７ａ）に、ラジアル方向の幅が比較的広い環状凹所（１４）が形成され、この凹所（１４）内に、複数の固定永久磁石（１１）と、これらの間に挟まれた複数の非磁性体リング（１５）とがはめられて固定されている。なお、ハウジング（７）  の底壁は、たとえば非磁性ステンレス鋼などの非磁性体で構成されている。固定永久磁石（１１）も軸方向の両端に磁極を有し、ラジアル方向に隣接する２つの固定永久磁石（１１）の同一端の磁極が互いに逆の極性を有し、かつ回転永久磁石（１０）の下端の磁極とこれに対向する固定永久磁石（１１）の上端の磁極が互いに同じ極性を有するように配置されている。すなわち、この実施例では、内側と外側の固定永久磁石（１１）については上端側がＮ極で下端側がＳ極となり、中間の固定永久磁石（１１）については下端側がＮ極で、上端側がＳ極となっている。そして、回転永久磁石（１０）と固定永久磁石（１１）の磁気反発力によって回転永久磁石（１０）が上向きに付勢され、これにより回転軸（１）  の重量が支持されて、回転軸（１）  がアキシアル方向に浮上した状態で非接触支持されるようになっている。
【００１７】
各ラジアル磁気軸受（３）（４）は、詳細な図示は省略したが、回転軸（１）  を互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）に両側から吸引して同方向の回転軸（１）  の位置を制御するための電磁石、ならびに回転軸（１）  のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、これらが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基づいて電磁石の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果、回転軸（１）  のラジアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、ラジアル磁気軸受およびその制御装置自体は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１８】
発電電動機（６）  は、詳細な説明は省略したが、回転軸（１）  に取り付けられたロータと、その周囲のハウジング（７）  に固定状に設けられたステータとからなる。この電動機（６）  は、電力貯蔵時には電動機として作動して回転軸（１）  を高速回転させ、電力取出し時には発電機として作動するようになっている。
【００１９】
ハウジング（７）  の上部および下部に、非常時に回転軸（１）  の上下両端寄りの部分を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受（１６）（１７）が設けられている。
【００２０】
上記のフライホイール装置において、回転軸（１）  は、通常、永久磁石軸受（５）  によりアキシアル方向に非接触支持されるとともに、磁気軸受（３）（４）によりラジアル方向に非接触支持され、このような状態で、発電電動機（６）  により高速回転させられる。そして、回転軸（１）  が高速回転している間に、電気エネルギが回転運動エネルギに変換されてフライホイール（２）  に貯蔵される。
【００２１】
回転軸（１）  が高速回転しているときに停電が発生した場合、発電電動機（６）  は停止するが、フライホイール（２）  により、回転軸（１）  はわずかに減速するものの継続して回転させられる。その結果、発電電動機（６）  が発電機として作動し、フライホイール（２）  に貯蔵されていた回転運動エネルギが電気エネルギとして取出され、図示しない蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられた電力は、図示しない外部の電力消費財に送られ、電力消費財が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部は磁気軸受制御装置に送られ、これにより磁気軸受（３）（４）が駆動されて回転軸（１）  のラジアル方向の位置制御が継続される。そして、フライホイール（２）  に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転軸（１）  が停止するまでの間、回転軸（１）  は磁気軸受（３）（４）および永久磁石軸受（５）  によって非接触状態に支持される。
【００２２】
停電時以外でも、発電電動機（６）  を停止させると、停電の場合と同様に、フライホイール（２）  に貯蔵されていた回転運動エネルギを電気エネルギとして取出すことができる。
【００２３】
上記のフライホイール装置において、フライホイール（２）  の外周に固定されている補強部材（９）  を構成するＣＦＲＰは、軽量でヤング率が大きい。そして、軽量であることより、高速回転時に補強部材（９）  に作用する遠心力が小さく、しかもヤング率が大きいことより、遠心力による補強部材（９）  の変形（遠心膨張）も小さい。このため、補強部材（９）  の内側にはめられているフライホイール（２）  の遠心膨張も小さく抑えられ、フライホイール（２）  の遠心破壊が防止される。また、フライホイール（２）  の環状凹みぞ（１３）に回転永久磁石（１０）が１つずつ組込まれて、各回転永久磁石（１０）が遠心膨張の小さいフライホイール（２）  の壁あるいは仕切り壁（１２）の内周部分にそれぞれ圧入されているので、しめ代を小さくすることができて、回転永久磁石（１０）の寸法管理および組立が容易であり、しかも回転永久磁石（１０）の遠心膨張が小さく抑えられて、回転永久磁石（１０）の遠心破壊が防止される。
【００２４】
図３は、この発明の実施例を示す図２相当の図面である。
上記参考例では、フライホイール(2)の下端面(2a)に環状凹みぞ(13)を形成して、そこに回転永久磁石(10)を配置したが、この発明では、図３に示すように、フライホイール(2)とは別体に、円板状の非磁性体製回転部材(20)を回転軸(1)に固定し、回転部材(20)の下端面(20a)に複数の環状凹みぞ(13)を同心状に形成し、そこに複数の環状の回転永久磁石(10)を配置する。回転部材(20)は、たとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼などの非磁性体で円板状に形成されている。この場合、回転部材(20)を別体とすることで、フライホイール(2)の外径を極力大きくできる一方、回転部材(20)の外径を小さくでき、回転永久磁石(10)の遠心破壊を効果的に防止できる。さらに、フライホイール(2)と回転部材(20)とを軸方向に離して配置することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】
この発明のフライホイール装置によれば、上述のように、フライホイール側の回転永久磁石と固定部分側の固定永久磁石との磁気反発力によって回転軸の重量が支持されるため、アキシアル方向の負荷容量を増大させることができ、超伝導軸受では支持できないような重量の大きい回転軸を支持することもできる。また、超伝導軸受を使用せずに、永久磁石の磁気反発力だけで回転軸をアキシアル方向に支持できるので、回転損失を小さくでき、省エネルギ化を図ることができ、コストも安くすることができる。
また、回転部材および回転永久磁石の遠心破壊をより効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、参考例を示すフライホイール装置の概略縦断面図である。
【図２】図２は、図１の永久磁石軸受の部分の拡大縦断面図である。
【図３】図３は、この発明の実施例を示すフライホイール装置の永久磁石軸受の部分の拡大縦断面図である。
【符号の説明】
(1)               回転軸
(2)               フライホイール
(3)(4)            ４軸制御型ラジアル方向磁気軸受
(5)               永久磁石軸受
(7)               ハウジング（固定部分）
(9)               補強部材
(10)              回転永久磁石
(11)              固定永久磁石
(12)              仕切り壁
(13)              凹みぞ
(20)              回転部材
(20a)             下端面
【図１】
0003577558.tif 000002
【図２】
0003577558.tif 000003
【図３】
0003577558.tif 000004