(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直固定軸と、一端が開口するとともに他端が閉鎖され、かつ固定軸に対してアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配置された垂直円筒状回転体と、回転体の開口端部の周囲に固定状に設けられたフライホイールと、回転体を固定軸に対してアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する非接触型軸受と、回転体を回転駆動する駆動源とを備えており、フライホイールが、回転体の開口端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されてい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】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
この種フライホイール装置として、従来、固定部に対してアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように配置されかつ垂直軸を中心に回転する中実状回転軸と、回転軸の一端部の周囲に固定状に設けられたフライホイールと、回転軸を固定部に対してアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する非接触型軸受と、回転軸を回転駆動する駆動源とを備えており、フライホイールが、回転軸の一端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されているものが知られている。
【０００３】
しかしながら、このフライホイール装置では、電力貯蔵効率を向上させる目的で、たとえば直径１０００ｍｍ以上の大型のフライホイールを用いた場合には、固有振動数を低下させないために回転軸の外径を大きくする必要があり、回転軸の重量が大きくなる。その結果、回転軸を固定部に対してアキシアル方向に安定的に非接触支持するには、アキシアル方向に非接触支持する軸受の剛性および負荷容量を大きくしなければならない。したがって、この軸受の構成が複雑になるとともに大型化するという問題がある。また、このフライホイール装置において、回転軸を高速回転させた場合に、環状部材が遠心力により膨張するので、環状部材と回転軸との間に隙間が発生し、フライホイールに振れやがたつきが生じるという問題がある。これを防止するためには、しめ代を大きくする必要があるが、その場合、回転軸が中実であるために環状部材の圧入固定作業が極めて困難であるという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、垂直固定軸と、両端が開口し、かつ固定軸に対してアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配置された垂直円筒状回転体と、回転体の一端部の周囲に固定状に設けられたフライホイールと、回転体を固定軸に対してアキシアル方向に非接触支持する非接触型軸受と、同じくラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受と、回転体を回転駆動する駆動源とを備えており、フライホイールが、回転体の一端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されているフライホイール装置が考えられている。
【０００５】
このフライホイール装置では、回転体が両端が開口した円筒状であるので、環状部材の圧入固定のさいに回転体がたわみ易く、その作業を容易に行うことができるが、回転体を高速回転させた場合に、回転体自身が遠心力により膨張し、回転体のラジアル方向の位置制御の精度が低下するという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決したフライホイール装置を提供することにある。
【０００７】
【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、
垂直固定軸と、一端が開口するとともに他端が閉鎖され、かつ固定軸に対してアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように固定軸の周囲に配置された垂直円筒状回転体と、回転体の開口端部の周囲に固定状に設けられたフライホイールと、回転体を固定軸に対してアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する非接触型軸受と、回転体を回転駆動する駆動源とを備えており、フライホイールが、回転体の開口端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されているものである。
【０００８】
【作用】
回転体が、一端が開口するとともに他端が閉鎖された垂直円筒状であるので、回転体の重量が、従来装置の中実の回転軸に比べて小さくなる。したがって、回転軸を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受の剛性および負荷容量を、従来装置の軸受に比べて小さくできる。
【０００９】
また、回転体が、一端が開口するとともに他端が閉鎖された垂直円筒状であり、フライホイールが、回転体の開口端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されているので、環状部材の圧入固定作業時に回転体をたわませることが簡単になり、その結果圧入固定作業を容易に行うことができる。
【００１０】
さらに、回転体が、一端が開口するとともに他端が閉鎖された垂直円筒状であるので、回転体を駆動源により高速回転させた場合にも、回転体が遠心力により膨張することが防止される。
【００１１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１はフライホイール装置を適用した電力貯蔵装置の全体構成を概略的に示しており、この電力貯蔵装置は、真空チャンバ（１）  と、真空チャンバ（１）  の頂壁（１ａ）に垂下状に固定された垂直固定軸（２）  と、上端が開口するとともに下端が閉鎖され、かつ固定軸（２）  に対してアキシアル方向およびラジアル方向の移動ならびに回転ができるように固定軸（２）  の周囲に配置された垂直円筒状回転体（３）  と、回転体（３）  の開口端部の周囲に固定状に設けられたフライホイール（４）  とを備えている。
【００１３】
垂直固定軸（２）  は、アルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体により形成されたものであり、その上端に外向きフランジ（２ａ）が一体に形成されている。回転体（３）  は、アルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体により形成されたものである。フライホイール（４）  は、回転体（３）  の上端に一体に形成された外向きフランジ（３ａ）と、外向きフランジ（３ａ）の外周に圧入固定されたＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状補強部材（環状部材）（５）  とよりなる。
【００１４】
垂直固定軸（２）  の外向きフランジ（２ａ）の下面と、回転体（３）  の外向きフランジ（３ａ）の上面との間に制御型アキシアル磁気軸受（６）  が設けられ、垂直固定軸（２）  の下面と回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の上面との間に、磁気吸引力により回転体（３）  を上向きに付勢する永久磁石軸受（７）  が設けられ、回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の下面と真空チャンバ（１）  の底壁（１ｂ）上面との間に磁気反発力により回転体（３）  を上向きに付勢する超電導軸受（８）  が設けられ、垂直固定軸（２）  の周面と回転体（３）  の周壁内周面との間に、回転体（３）  の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受（９）（１０）  が設けられている。
【００１５】
制御型アキシアル磁気軸受（６）  は、垂直固定軸（２）  の外向きフランジ（２ａ）の下面に垂直固定軸（２）  と同心状に設けられかつ回転体（３）  をアキシアル方向（Ｚ軸方向）の上側から吸引して同方向の回転体（３）  の位置を制御するための環状電磁石部（１１）と、電磁石部（１１）に対して上下方向に対向するように、回転体（３）  の外向きフランジ（３ａ）の上面に設けられた環状強磁性体（１２）とを備えている。垂直固定軸（２）  の外向きフランジ（２ａ）の下面に、環状凹溝（１３）が固定軸（２）  と同心状に形成されており、環状凹溝（１３）内に、環状電磁石（１４）、ならびに電磁石（１４）の内周面、上面、外周面および下面の外周側部分を覆うヨーク部材（１５）が嵌められて固定されることにより電磁石部（１１）が構成されており、ヨーク部材（１５）の両側縁部にそれぞれ環状の下方突出部（１５ａ）  が一体に形成されている。強磁性体（１２）の上面には、ヨーク部材（１５）の２つの下方突出部（１５ａ）  と対向するように、２つの環状上方突出部（１２ａ）  が一体に形成されている。なお、図示は省略したが、アキシアル磁気軸受（６）  は、回転体（３）  のＺ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、電磁石（１４）および変位センサ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いて電磁石（１４）の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果回転体（３）  のアキシアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、アキシアル磁気軸受（６）  およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１６】
永久磁石軸受（７）  は、垂直固定軸（２）  の下面に設けられた固定永久磁石部（１６）と、回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の上面に設けられた回転永久磁石部（１７）とよりなる。固定軸（２）  の下面の中心部に円筒状穴（１８）が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝（１９）が固定軸（２）  の軸心と同心状に形成され、円筒状穴（１８）内に円柱状固定永久磁石（２０）が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝（１９）内に環状固定永久磁石（２１）が嵌められて固定されることにより、固定永久磁石部（１６）が構成されている。両固定永久磁石（２０）（２１）は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状固定永久磁石（２０）と環状固定永久磁石（２１）の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状固定永久磁石（２０）の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びており、環状固定永久磁石（２１）の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びている。回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の上面の中心部に円筒状穴（２２）が形成されるとともに、その周囲に環状凹溝（２３）が回転体（３）  の軸心と同心状に形成され、円筒状穴（２２）内に円柱状回転永久磁石（２４）が嵌められて固定されるとともに、環状凹溝（２３）内に環状回転永久磁石（２５）が嵌められて固定されることにより、回転永久磁石部（１７）が構成されている。各回転永久磁石（２４）（２５）は、各固定永久磁石（２０）（２１）と対向するように配置されている。両回転永久磁石（２４）（２５）は、それぞれその上下両端部が逆の極性の磁気を帯びているとともに、円柱状固定永久磁石（２４）と環状回転永久磁石（２５）の上下方向の両端部が逆の極性の磁気を帯びている。また、各回転永久磁石（２４）（２５）と各固定永久磁石（２０）（２１）の互いに対向する端部は逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、円柱状回転永久磁石（２４）の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びており、環状回転永久磁石（２５）の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びている。
【００１７】
超電導軸受（８）  は、回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の下面に設けられた環状の永久磁石部（２６）と、永久磁石部（２６）に対して上下方向に間隔をおいて対向するように、真空チャンバ（１）  の底壁（１ｂ）上面に設けられた環状超電導体部（２７）とよりなる。回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の下面に複数の環状凹溝（２８）が回転軸心と同心状に形成され、各環状凹溝（２８）内に環状の永久磁石（２９）が嵌められて固定されることにより、永久磁石部（２６）が構成されている。各永久磁石（２９）は上下両端部が逆の極性の磁気を帯び、隣り合う永久磁石（２９）の上下方向の同一端部が逆の極性の磁気を帯びている。たとえば、内側の永久磁石（２９）の上端部はＳ極、下端部はＮ極の磁気を帯びており、外側の永久磁石（２９）の上端部はＮ極、下端部はＳ極の磁気を帯びている。超電導体部（２７）は、真空チャンバ（１）  の底壁（１ｂ）上面上に断熱材（３０）を介して固定された環状の冷却ケース（３１）を備えている。冷却ケース（３１）は、たとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、銅合金などの非磁性体からなる。冷却ケース（３１）内の空間に環状超電導体（３２）が固定状に配置されている。冷却ケース（３１）は冷却流体供給管（３３）および同排出管（３４）を介して図示しない冷却装置に接続されており、この冷却装置により、たとえば液体窒素などの冷却流体が供給管（３３）、冷却ケース（３１）内の空間および排出管（３４）を介して循環させられ、これによって超電導体（３２）が冷却されるようになっている。超電導体（３２）は第２種超電導体であり、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏ７−Ｘ  からなるバルクの内部に常電導体（Ｙ２  Ｂａ１  Ｃｕ１  ）を均一に混在させたものからなる。そして、超電導体（３２）は、これを永久磁石（２９）の磁界を受けない離隔位置に配置した後臨界温度以下の温度に冷却（以下、この冷却をゼロ磁場冷却という）することにより、反磁性を示すものである。
【００１８】
各ラジアル磁気軸受（９）（１０）  は、詳細な図示は省略したが、回転体（３）  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）の両側から吸引して同方向の回転体（３）  の位置を制御するための電磁石、ならびに回転体（３）  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、その結果回転体（３）  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（９）（１０）  およびその制御装置は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。ラジアル磁気軸受（９）（１０）  の少なくとも１組は、回転体（３）  の位置制御機能の他に、回転体（３）  を回転駆動する電動駆動機能を有するものである。電動駆動機能を有する制御型ラジアル磁気軸受は、浮上回転モータあるいはベアリングレス・モータなどとして公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１９】
上記の電力貯蔵装置には、次のように、運転前に真空チャンバ（１）  の固定軸（２）  と回転体（３）  の相対位置を設定するための初期位置決め装置（３５）が設けられている。
【００２０】
回転体（３）  の下方に、公知の適当な手段により昇降させられる昇降部材（３６）が、真空チャンバ（１）  の底壁（１ｂ）を貫通して配置されている。昇降部材（３６）の上面に凹球面状凹所（３７）が形成されている。また、回転体（３）  の下端閉鎖壁（３ｂ）の下面の中心部に、凹所（３７）に嵌まる半球面体（３８）が下方突出状にかつ固定状に設けられている。そして、昇降部材（３６）を上昇させると、半球面体（３８）が凹所（３７）内に嵌まった状態で停止状態の回転体（３）  を持ち上げられ、回転体（３）  のアキシアル方向の初期位置決めが行われる。なお、昇降部材（３６）は、電力貯蔵装置の運転状態においては、半球面体（３８）が凹所（３７）の内面と接触しない下降位置にある。
【００２１】
初期位置決め装置（３５）の昇降部材（３６）上面の凹所（３７）と、半球面体（３８）とにより、動圧軸受が形成されており、これが非常時に回転体（３）  の下端を非接触支持するタッチダウン軸受（３９）となっている。また、垂直固定軸（２）  の上部に、非常時に回転体（３）  の上部を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受（４０）が設けられている。
【００２２】
回転体（３）  の回転を開始するさいには、まず真空チャンバ（１）  内を真空状態にし、初期位置決め装置（３５）により、停止状態の回転体（３）  を所定の位置まで持ち上げて、回転体（３）  のアキシアル方向の初期位置決めを行う。このとき、アキシアル磁気軸受（６）  の電磁石部（１１）のヨーク部材（１５）における下方突出部（１５ａ）  と強磁性体（１２）の上方突出部（１２ａ）  とのアキシアル方向の間隔が、ヨーク部材（１５）の下方突出部（１５ａ）  間のラジアル方向の間隔よりも小さくなるようにする。また、超電導軸受（８）  の超電導体（３２）が、永久磁石（２９）の磁界を受けず、その磁束が侵入しないような位置にくるようにする。ついで、上下のラジアル磁気軸受（９）（１０）  の位置制御機能だけを作動させることによって、回転体（３）  のラジアル方向の初期位置決めを行う。このとき、永久磁石軸受（７）  の回転永久磁石（２４）（２５）が固定永久磁石（２０）（２１）から上向きの吸引力を受け、これにより回転体（３）  の重量の一部が支持される。そして、アキシアル磁気軸受（６）  の電磁石（１４）に通電する。すると、アキシアル磁気軸受（６）  の電磁石部（１１）と強磁性体（１２）との間に図１に破線で示すような磁気回路が形成され、強磁性体（１２）が上向きの吸引力を受け、これによっても回転体（３）  の重量の一部が支持される。回転永久磁石（２４）（２５）が受ける上向きの吸引力と、強磁性体（１２）が受ける上向きの吸引力との和が、回転体（３）  の重量とほぼ等しくなるようにしておく。ついで、冷却装置により超電導軸受（８）  の冷却ケース（３１）内に冷却流体を循環させ、超電導体（３２）を臨界温度以下の温度に冷却して超電導状態にし、この状態で保持する。すなわち、超電導体（３２）に反磁性状態を出現させる。ついで、昇降部材（３６）を下降させると、永久磁石（２９）と超電導体（３２）との間に生じる磁気反発力により、回転体（３）  は上向きに付勢される。したがって、回転体（３）  は、極めて安定した状態でアキシアル方向およびラジアル方向に支持されることになる。このようにアキシアル磁気軸受（６）  、永久磁石軸受（７）  、超電導軸受（８）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  によって回転体（３）  が支持されたならば、昇降部材（３６）をさらに下降させて初期位置決め装置（３５）による回転体（３）  の支持をなくす。これにより、回転体（３）  は、アキシアル磁気軸受（６）  、永久磁石軸受（７）  、超電導軸受（８）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  によって非接触支持されたことになる。回転体（３）  が非接触支持されたならば、いずれかのラジアル磁気軸受（９）（１０）  の電動駆動機能を作動させて回転体（３）  を回転させる。そして、回転体（３）  が回転している間に、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（４）  に貯蔵される。回転体（３）  が回転しているさいに、アキシアル磁気軸受（６）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  の位置制御機能により、回転体（３）  にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２３】
回転体（３）  が回転しているときに停電が発生した場合、いずれかのラジアル磁気軸受（９）（１０）  の電動駆動機能は停止するが、フライホイール（４）  により、回転体（３）  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、電動駆動機能を有するラジアル磁気軸受（９）（１０）  が発電機として作動し、フライホイール（４）  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り出され、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および超電導軸受（８）  の冷却装置に送られ、電力消費財および超電導軸受（８）  が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部はアキシアル磁気軸受（６）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  の磁気軸受制御装置に送られ、これによりこれらの磁気軸受（６）（９）（１０）の位置制御機能が作動させられる。そして、フライホイール（４）  に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転体（３）  が停止するまでの間、回転体（３）  はアキシアル磁気軸受（６）  、永久磁石軸受（７）  、超電導軸受（８）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  によって非接触支持される。しかも、アキシアル磁気軸受（６）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  の位置制御機能により、回転体（３）  にアキシアル方向およびラジアル方向の振れが発生するのが防止される。
【００２４】
上記実施例においては、アキシアル磁気軸受（６）  およびラジアル磁気軸受（９）（１０）  は、それぞれ変位センサを備えた磁気軸受であるが、これに代えて、公知のセンサレス磁気軸受を用いることもできる。この場合、センサ回路の故障による安全性の低下が防止される。
【００２５】
また、上記実施例においては、ラジアル磁気軸受（９）（１０）  の少なくとも１組は、回転体（３）  の位置制御機能の他に、回転体（３）  を回転駆動する電動駆動機能を有するものであるが、これに限るものではなく、いずれのラジアル磁気軸受（９）（１０）  も位置制御機能だけを有していてもよい。この場合、固定軸（２）  と回転体（３）  との間に、高周波電動機などの回転駆動源が設けられる。
【００２６】
また、上記実施例においては、超電導軸受（８）  の超電導体（３２）として第２種超電導体が用いられ、これをゼロ磁場冷却したさいの磁気反発力により、永久磁石（２９）が上向きに付勢されるようになっているが、第２種超電導体を用いたとしても、永久磁石（２９）から発生する磁束を、臨界温度以上の温度で超電導体（３２）の内部に侵入させた後、超電導体（３２）を臨界温度以下の温度に冷却（磁場冷却）して拘束し、いわゆるピン止め力により生じる磁気反発力によって永久磁石（２９）が上向きに付勢されるようにしてもよい。さらに、超電導軸受（８）  の超電導体として、第２種超電導体の変わりに、水銀、鉛などからなる完全反磁性を示す第１種超電導体を用いてもよい。この場合、超電導体のマイスナー効果による磁気反発力によって、永久磁石が超電導体により上向きに付勢される。
【００２７】
【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、回転体の重量が、従来装置の中実の回転軸に比べて小さくなるので、回転体を固定部に対してアキシアル方向に非接触支持する軸受の剛性および負荷容量を、従来装置の軸受に比べて小さくできる。したがって、軸受の構造が複雑になったり、軸受が大型化するのを防止することができる。
【００２８】
また、回転体が、一端が開口するとともに他端が閉鎖された垂直円筒状であり、フライホイールが、回転体の開口端部の周囲に環状部材を圧入固定することにより形成されているので、環状部材の圧入固定作業時に回転体をたわませることが簡単になり、その結果圧入固定作業を容易に行うことができる。
【００２９】
さらに、回転体が、一端が開口するとともに他端が閉鎖された垂直円筒状であるので、回転体を駆動源により高速回転させた場合にも、回転体が遠心力により膨張することが防止される。したがって、回転体のラジアル方向の位置制御の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示すフライホイール装置を適用した電力貯蔵装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
（２）              垂直固定軸
（３）              垂直円筒状回転体
（３ｂ）            下端閉鎖壁
（４）              フライホイール
（５）              環状補強部材（環状部材）
（６）              アキシアル磁気軸受
（７）              永久磁石軸受
（８）              超電導軸受
（９）              ラジアル磁気軸受
（１０）            ラジアル磁気軸受
【図１】
0003551537.tif 000002