(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面を有する第１ハウジングと、
少なくとも１つのフライホイールと
を備え、
上記フライホイールは、
ローターと、
上記ローターが上記第１ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である駆動軸と、
上記端面と上記ローターとの間に配置され、上記第１ハウジングに取り付けられて上記ローターを上記端面に向かって引き付ける少なくとも１つの永久磁石を有する永久磁石軸受組立体と、
上記ローターの半径方向の位置決めをすると共に、上記端面との関係で上記ローターの軸方向の上方への移動を制限するように上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第１機械軸受組立体を有し、上記ローターは、隙間ギャップによって上記端面から間隔をおいて配置され、
上記駆動軸に沿って上記第１機械軸受組立体から間隔をおいて配置されると共に、上記ローターの半径方向の位置決めをするために上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第２機械軸受組立体と
を有し、
上記第２機械軸受組立体は、上記駆動軸と上記第１ハウジングとの間の相対的な軸方向の移動を許容していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１機械軸受組立体は、上記隙間ギャップの大きさを制限して、上記端面との関係で上記ローターの軸方向の下方への移動を制限していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、上記端面に取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
請求項３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１ハウジングの上記端面は、上記永久磁石を越えて半径方向に延在し、上記ローターを覆っていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
請求項４に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記隙間ギャップは、上記永久磁石を越えて維持されるように構成されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
請求項４に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石と上記端面との間の非磁性バリアを、さらに備えることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
請求項３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石軸受組立体は、強磁性金属からなる環状バッキングプレートをさらに含み、このバッキングプレートは、第１ハウジングの最上部の壁面に、上記垂直軸の周りに中心を合わせて固定した関係で取り付けられ、上記バッキングプレートは、上記ローターの半径以上の半径を有し、上記永久磁石が上記バッキングプレートの下面に取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
端面を有する第１ハウジングと、
フライホイールと
を備え、
上記フライホイールは、
ローターと、
上記ローターが上記第１ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である駆動軸と、
上記端面と上記ローターとの間に配置された永久磁石軸受組立体と
を有し、
上記永久磁石軸受組立体は、上記第１ハウジングに取り付けられて、上記ローターは、強磁性特性を有し、上記ローターを上記端面に向かって引き付ける永久磁石を有し、
上記ローターの半径方向の位置決めをすると共に、上記端面との関係で上記ローターの軸方向の上方への移動を制限するように上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第１機械軸受組立体を有し、上記ローターは、隙間ギャップによって上記端面から間隔をおいて配置され、
上記駆動軸に沿って上記第１機械軸受組立体から間隔をおいて配置されると共に、上記ローターの半径方向の位置決めをするために上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第２機械軸受組立体と
を有し、
上記第２機械軸受組立体は、上記駆動軸と上記第１ハウジングとの間の相対的な軸方向の移動を許容し、
上記永久磁石軸受組立体は、強磁性金属からなる環状のバッキングプレートをさらに含み、このバッキングプレートは、第１ハウジングの最上部の壁面に、上記垂直な軸の周りに中心を合わせて固定した関係で取り付けられ、上記バッキングプレートは、上記ローターの半径以上の半径を有し、上記永久磁石が上記バッキングプレートの下面に取り付けられ、
上記バッキングプレートは、上記永久磁石の半径方向外側の縁を越えて半径方向に延在し、下方に突出する周囲スカート部を形成し、上記周囲スカート部は、上記ローターの半径以上の外径を有し、上記周囲スカート部は、上記永久磁石の下面と軸方向に同一の端面である下面を有し、上記ローターと上記周囲スカート部との間の上記隙間ギャップを維持していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
請求項８に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石軸受組立体は、さらに、上記永久磁石の半径方向の外縁と上記周囲スカート部の半径方向の内縁との間の非磁性スペーサーリングを含むことを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、上記垂直軸と平行に磁化されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、磁化材料の層を含むことを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、垂直方向に積層された複数の層の磁化材料を含み、各層は、垂直方向に積層された複数の層の隣接する層と同じ磁気方向に整列された磁極を有していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記層は、複数の磁化材料からなる細長いストリップで形成され、隣り合って接触する関係でお互いに平行に延在していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記層は、上記垂直な軸の周りを囲んで放射状に拡大する態様で半径を大きくする一連の同心円の形で形成され、希土類磁粉およびポリマー接着剤からなる磁化材料で形成されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
請求項７に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、上記バッキングプレートに、および、隣接する磁化材料の層に、磁力によって取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、さらに、上記バッキングプレートに、および、上記隣接する層に、接着剤によって取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石軸受組立体は、上記フライホイールの重量の少なくとも９０％を支持していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石軸受組立体は、上記フライホイールの重量の少なくとも９５％を支持していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石軸受組立体は、上記フライホイールの重量の９５％から１００％を支持していることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２０】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１および第２機械軸受組立体は、軸受カートリッジの上記第１ハウジング内および／または第２ハウジング内にそれぞれ取り付けられ、上記軸受カートリッジは、取り外し可能に構成されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２１】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１機械軸受組立体は、転がり軸受と、この軸受を予圧する調節機構とを含むことを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２２】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１ハウジングは、大気に対してシールされ、真空源が動作可能に上記第１ハウジングに接続され、上記第１ハウジング内の少なくとも一部の減圧を行うことを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２３】
請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
さらに、上記第１ハウジングに解放可能に取り付けられた第２ハウジングと、
上記第２ハウジング内で接続のために上記駆動軸に取り付けられるモータ／発電機と
をさらに備えることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１ハウジングは、非強磁性材料を備えることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記非強磁性材料は、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチック、繊維ガラス、セメント、コンクリート、およびこれらの組み合わせで構成されるグループから選択されることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
真空源は、上記第２ハウジングに、上記第１ハウジングと第２ハウジングとの間の真空通路によって動作可能に接続されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２７】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記モータ／発電機は、上記駆動軸との結合のために上記モータ／発電機から突出しているカップリング軸によって、上記駆動軸に解放可能に結合されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２８】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記モータ／発電機は、誘導モータ／発電機であることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記モータ／発電機は、三相誘導タイプのモータ／発電機であることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３０】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
さらに、上記第２ハウジングから廃熱を取り出す冷却システムを備えることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３１】
請求項３０に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
さらに、上記冷却システムは、上記第２ハウジングの壁の内側の少なくとも１つの冷却チャネルを備えていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３２】
請求項３１に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記ローターの回転速度は、１０，０００ＲＰＭから２０，０００ＲＰＭまでであることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３３】
請求項３２に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記ローターの質量は、１，０００ｋｇから５，０００ｋｇまでであることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３４】
請求項１に記載の複数のエネルギー貯蔵システムを備えるエネルギー貯蔵システムアレイ。
【請求項３５】
請求項３４に記載のエネルギー貯蔵システムアレイにおいて、
さらに、集合第１ハウジングを備え、
この集合第１ハウジング内は、複数の上記エネルギー貯蔵システムが収容されていることを特徴とする集合エネルギー貯蔵システムアレイ。
【請求項３６】
請求項３４に記載のエネルギー貯蔵システムアレイにおいて、
さらに、共通制御ユニットを備え、
この共通制御ユニットは、複数の上記エネルギー貯蔵システムのそれぞれからの電気エネルギーの引き出しおよび放出を制御していることを特徴とする集合エネルギー貯蔵システム。
【請求項３７】
請求項３４に記載のエネルギー貯蔵システムアレイにおいて、
上記エネルギー貯蔵システムアレイは、少なくとも５００ｋＷｈの集合エネルギー出力を有していることを特徴とする集合エネルギー貯蔵システム。
【請求項３８】
端面を有する第１ハウジングと、
少なくとも１つのフライホイールと
を備え、
上記フライホイールは、
ローターと、
上記ローターが上記第１ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である駆動軸と、
上記端面と上記ローターとの間に配置され、上記第１ハウジングに取り付けられて上記ローターを上記端面に向かって引き付ける少なくとも１つの環状の永久磁石を有する永久磁石軸受組立体と、
上記ローターの半径方向の位置決めをすると共に、上記端面との関係で少なくとも軸方向の上方への上記ローターの移動を制限し、上記端面と上記ローターとの間の最小隙間ギャップを形成し、上記第１ハウジング内で上記駆動軸の周りに取り付けられた少なくとも１つの機械軸受組立体と
を有し、
上記端面と上記ローターとが、上記永久磁石を越えて半径方向に延在し、上記第１のハウジングと上記ローターとの間に磁路を設けていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項３９】
請求項３８に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記永久磁石は、上記端面に取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４０】
請求項３９に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第１ハウジングの上記端面は、上記永久磁石から半径方向外側に延在し、上記ローターを覆うと共に、上記第１ハウジングと上記ローターとの間に磁路を設けていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４１】
請求項４０に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記最小隙間ギャップは、上記永久磁石を越えて維持されていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４２】
請求項４０に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
さらに、上記永久磁石と上記端面との間の非磁性バリアを備えていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４３】
端面を含むハウジングと、
フライホイールと
を備え、
上記フライホイールは、
ローターと、
第１と第２の端部を含むと共に上記ローターが上記ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である駆動軸と、
上記フライホイールの重量を少なくとも部分的に支持する永久磁石軸受組立体と
を含み、
上記永久磁石軸受組立体は、上記垂直な軸の周りに中心を合わせて固定した関係で、上記ハウジングの最上部の壁面に取り付けられ、強磁性金属からなる環状のバッキングプレートを含み、このバッキングプレートは、上記ローターの半径以上の半径を有し、上記永久磁石が上記バッキングプレートの下面および磁化材料の隣接する層に磁気的に取り付けられ、
上記駆動軸の上記第１の端部の軸方向の位置決めをして、上記ローターと上記端面との間の隙間ギャップを維持する第１機械軸受組立体と、
上記駆動軸の上記第２の端部と上記ハウジングとの間の相対的な軸方向の動きを許容する第２機械軸受組立体と
を含むことを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４４】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第２のハウジングは、上記第１のハウジングの上に取り外し可能に取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４５】
請求項２３に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
上記第２のハウジングは、上記第１のハウジングの下に取り外し可能に取り付けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【請求項４６】
請求項７に記載のエネルギー貯蔵システムにおいて、
磁路は、上記バッキングプレートと上記ローターとの間に設けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵システム、特に、必要な時に電気エネルギーとして、貯蔵された運動エネルギーを放出するために、回転フライホイールの運動エネルギーとして電気エネルギーを貯蔵できるエネルギー貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模なエネルギー貯蔵には、配電の近代化と関係する多くのチャレンジを解決する可能性がある。これらのチャレンジのうちのいくつかは、断続的な再生可能エネルギー生成の管理、電力負荷シフト、自力起動能力、電気価格変動の管理、およびバックアップ電源を含む。
【０００３】
現在、エネルギー貯蔵産業が直面するチャレンジに取り組むことを試みるいくつかの大規模なエネルギー貯蔵技術がある。これらの技術は、高性能電池、電気化学キャパシタ（ＥＣ）、揚水発電、圧縮空気電力貯蔵、およびフライホイール技術を含む。
【０００４】
高性能電池技術に関して、そのような技術の１つ、すなわち鉛蓄電池は、その鉛蓄電池に関連した低コストに起因して、電力品質およびＵＰＳの適用に対するポピュラーな選択であった。しかしながら、大規模な適用のための鉛蓄電池の有効性は、その非常に短いライフサイクルおよび変動する放電率によって制限される。リチウムイオン電池は、そのはるかに長いライフサイクルにより、鉛蓄電池を代替するまたは置き換えるものであると、しばしばみなされている。リチウムイオン電池の開発は、乗り物、住居および商業用途の潜在的な適用のために、主として自動車産業によって、現在まで進められてきた。しかしながら、適切なエネルギー貯蔵技術としてのリチウムイオン電池の有効性は、そのような電池の製造に関連する高いコスト、およびリチウムイオン電池の大規模な実施に関連した安全性によって制限されている。金属空気電池は、最もコンパクトで、潜在的に製造するのに最も廉価なバッテリーである。しかしながら、空気電池の有効性は、その非常に短いライフサイクルおよび低い効率（例えば、およそ５０％）によって制限される。大規模な実施の解決としての見込みを示した１つの特別な電池技術は、ナトリウム硫黄（ＮａＳ）電池技術である。ＮａＳ電池は、高いエネルギー密度を有しているが、高い作業温度を必要とし、比較的短い寿命である。上記識別された電池技術は、およそ６４％の平均ＡＣからＡＣのラウンドトリップ効率を有している。さらに、一般に電気化学電池技術は、充放電サイクルの数によって下げられる使用可能な寿命を有している。
【０００５】
電気化学キャパシタ（ＥＣ）もエネルギー貯蔵解決として使用される。ＥＣは、鉛蓄電池よりもより長いライフサイクルを有すると共に、より強力なエネルギー蓄積装置である。しかしながら、ＥＣの高コストおよび低いエネルギー密度に起因して、大規模なプロジェクトでＥＣを実施することは実現可能ではない。
【０００６】
エネルギー貯蔵技術の大規模な実施の潜在的な解決策は、揚水発電である。従来の揚水発電は２つの貯水池を使用する。これらの貯水池は、垂直に分離されているので、重力によって、より高い位置エネルギーの高さからより低い位置エネルギーの高さへ移動する水のエネルギーに関連したエネルギーポテンシャルを有している。オフピーク時間の間、電力は下方の貯水池から上方の貯水池へ揚水するために使用される。電気エネルギー需要が増加するとき、水の流れは発電するために逆転される。揚水発電装置は、電力ネットワーク上の使用で最も広範囲のエネルギー貯蔵システムである。揚水発電の主な適用は、エネルギー管理と周波数制御である。揚水発電に関連した主な欠点は、特有の用地要件および大きな前払い資金コストである。
【０００７】
別の潜在的なエネルギー貯蔵ソリューションは、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）である。ＣＡＥＳは、圧縮空気と天然ガスの混合物を使用する。モータは、オフピーク時間に鍾乳洞に圧縮空気を押し込む。オンピーク時間の間、圧縮空気はガスと混合されて使用され、タービン発電所に動力を供給する。ＣＡＥＳは天然ガス発電所に対しておよそ４０％のガスを使用する。ＣＡＥＳは、揚力発電と同様の広範囲の使用制限を有している。すなわち、特有の用地要件および大きな前払い資金コストである。
【０００８】
大規模なエネルギー貯蔵の実施のための別の提案は、フライホイールエネルギー貯蔵システムである。このフライホイールエネルギー貯蔵システムは、上記識別されたエネルギー貯蔵技術に代わる物として出現した。このようなシステムは、２つの主要な商業的応用、つまり、無停電電源装置（ＵＰＳ）および電力周波数調整（ＦＲ）の中で現在使用されている。ＵＰＳおよびＦＲの両者は、数秒およびそのほんの一部で測定される非常に急速な充放電を必要とする。フライホイール技術は、他のエネルギー貯蔵技術に対して多くの利点を有している。これらの利点は、より高い信頼性、より長い耐用年数、非常に低い維持コスト、より高い電源能力、および環境へのやさしさを含む。フライホイールエネルギー貯蔵システムは、ハウジングの内側の低摩擦軸受システムによってサポートされている回転フライホイールにエネルギーを貯蔵する。接続しているモータ／発電機は、入力された電気エネルギーを貯蔵するためにフライホイールを加速し、このエネルギーを回収するためにフライホイールを減速させる。パワーエレクトロニクスは、システムの中への、およびシステムからのエネルギーのフローを維持し、電力の障害を緩和するか、又は、ピーク負荷を管理する。従来のフライホイール設計は、電磁軸受システムに関連した高い電気的な寄生損失に起因して、フライホイールの使用を上述した短期間の適用に制限する。
【０００９】
高速で回転するためのフライホイールを支持する１つの方法は、ボール軸受組立体のような転動体を有する機械軸受組立体を備えることである。そのような機械軸受組立体の寿命は、そのような機械軸受組立体が支持しなければならない荷重によって、強く影響を受ける。機械軸受組立体を使用するフライホイールエネルギー貯蔵システムの寿命を伸ばすために、磁気軸受が、機械軸受における荷重を軽減する目的で、機械軸受と結合して使用されうる。そのような例において、フライホイールのローター部分は、典型的には垂直軸の周りを回転する。機械軸受組立体は、径方向の支持をする一方、磁気軸受組立体は、フライホイールの軸方向荷重を伝える、または支持する。従来、フライホイール設計は、この目的のために電磁スラスト軸受を利用していた。
【００１０】
２００４年３月２３日に特許された米国特許６，７１０，４８９号（以下に「ガブリーＩ」という。）は、フライホイールローター部分を軸方向に支持するために使用される複数の磁気軸受組立体の使用を開示している。また、そのようなフライホイールエネルギー貯蔵システムは、多数の機械軸受組立体を有している。これらの機械軸受組立体のそれぞれは、フライホイールローター部分を径方向に支持するが、フライホイールローター部分を軸方向に抑制しない。軸方向に実質的に拘束されない機械軸受組立体を有するそのようなシステムの設計は、フライホイールまたはローターの全ての軸方向荷重が磁気軸受に分配されることを保証する。それにより、機械軸受組立体の磨耗を減らす。このような方法で、そのようなフライホイールローター部分は、有効に「浮く」。上記ガブリーＩのシステムは、受動（永久）磁石用の反発軸受（repulsive bearing）あるいは能動的に制御された電磁気用の引力軸受（attractive bearing）のいずれかの磁気軸受を利用し、ローターを軸方向に配置している。引力軸受が使用される場合、制御システムは、引力の調整でフライホイールの軸方向の位置を調整することが要求される。そのようなシステムは、比較的複雑で、動作中にかなりの力を吸収しているので、それらの使用を短期間適用に制限している。
【００１１】
２００４年１０月１９日に特許された米国特許６，８０６，６０５号（以下、「ガブリーＩＩ」という。）は、回転物体を支持するための磁気軸受の使用を開示している。より具体的には、ガブリーのＩＩは、電磁ラジアル磁気軸受を有する永久磁気スラスト軸受を開示している。この軸受は、円周の複数の構成を有する回転部を有している。この電磁気ラジアル磁気軸受は半径方向の剛性を与える。これは、フライホイールがその回転軸に忠実に回転することを要求する高速度で、フライホイールが回転する適用が必要なので、望ましい。したがって、ガブリーのＩＩは、（ｉ）フライホイールを浮遊させる軸力、および（ｉｉ）真の回転軸を維持するためにフライホイールを集中させるか安定させる半径方向力を生成するために磁力を使用するフライホイールエネルギー貯蔵システムを開示している。ガブリーのＩＩは、フライホイールの安定した浮揚を意図的に維持するスラストを生成する反発磁力によって、フライホイールが軸方向および半径方向に支持されているフライホイールシステムをさらに開示している。永久磁石から生成された反発磁力は、時間とともに減少することが知られている。従って、装置の機械的な故障の可能性がある。
【００１２】
ＣＳハーン（Hearn）によって著された、「燃料電池を動力にしている輸送バスのための低コストエネルギー貯蔵」というタイトルの論文は、フライホイール構造について記載している。このフライホイール構造では、機械軸受の軸方向荷重を軽減するために使用される受動リフト（passive lift）磁石が使用されている。上記機械軸受は、フライホイールのローターを軸方向に配置している。ハーンの中で示されている構造に起因する磁路は、比較的分散している。これは、開示されている機械軸受配置と共に、比較的非効率な支持システムを提供している。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、上記欠点を未然に防ぐ、または軽減することである。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の１つの局面に従って、エネルギー貯蔵システムは、
ａ）端面を有する第１ハウジングと、
ｂ）駆動軸と、上記駆動軸と共に回転可能であると共に強磁性特性を有するローターとを有すると共に、上記駆動軸が、上記ローターが上記第１ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である少なくとも１つのフライホイールと、
ｃ）上記端面と上記ローターとの間に並べて配置された磁気軸受組立体と
を備え、
上記磁気軸受組立体は、上記第１ハウジングおよび上記ローターの一方に取り付けられた少なくとも１つの永久磁石を有し、上記ローターを上記端面に向かって軸方向に上側に引き付け、上記フライホイールの重量を少なくとも部分的に支持し、
ｄ）上記ローターの半径方向の位置決めをすると共に、最小クリアランスギャップが上記端面と上記ローターとの間に形成されるように上記端面との関係で少なくとも上方への上記ローターの軸方向の移動を制限するように上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第１機械軸受組立体と、
ｅ）上記駆動軸に沿って上記第１軸受組立体から間隔をおいて配置されると共に、上記ローターの半径方向の位置決めをするために上記第１ハウジングと上記ローターとの間で作用する第２機械軸受組立体と
を備え、
上記第２機械軸受組立体は、上記軸と上記ハウジングとの間の相対的な軸方向の移動を許容している。
【００１５】
好ましくは、上記永久磁石は、端面に固定されている。
【００１６】
また、好ましくは、上記１つの機械軸受組立体は、最大クリアランスギャップが下面とローター部との間に形成されるように下面との関係で下方へのローター部の軸方向の移動を制限し、
本発明のさらなる局面によれば、以下の与えられたエネルギー貯蔵システムがある。
ａ）端面を有する第１ハウジングと、
ｂ）駆動軸と、上記駆動軸と共に回転可能であると共に強磁性特性を有するローターとを有すると共に、上記駆動軸が、上記ローターが上記第１ハウジング内での回転のために取り付けられた略垂直な軸である少なくとも１つのフライホイールと、
ｃ）上記端面と上記ローターとの間に並べて配置された磁気軸受組立体と
を備え、
上記磁気軸受組立体は、上記第１ハウジングおよび上記ローターの一方に取り付けられた少なくとも１つの永久磁石を有し、上記ローターを上記端面に向かって軸方向に上側に引き付け、上記フライホイールの重量を少なくとも部分的に支持し、
ｄ）上記ローターの半径方向の位置決めをすると共に、最小クリアランスギャップが上記端面と上記ローターとの間に形成されるように下面との関係で少なくとも軸方向の上方への上記ローターの移動を制限するように、上記第１ハウジング内で上記駆動軸の周りに取り付けられた少なくとも１つの機械軸受組立体と
を備え、
上記端面と上記ローターとが、上記永久磁石を越えて半径方向に延在し、上記ハウジングと上記ローターとの間に磁路を設けているエネルギー貯蔵システム。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、例証としてのみ記載されている。
【図１】エネルギー貯蔵システムの正面斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って見た断面図である。
【図３】部分的に分解した状態における、図２と同様の断面図である。
【図３ａ】さらに分解した状態における、図３と同様の断面図である。
【図４】図２の上側部分を拡大して示す断面図である。
【図５】図２の下側部分を拡大して示す断面図である。
【図６ａ】磁気スラスト軸受組立体の第１の変形例の底面図である。
【図６ｂ】図６ａの６ｂ−６ｂ線に沿って見た断面図である。
【図６ｃ】図６ｂの囲まれた領域６ｃを拡大して示す図である。
【図７ａ】磁気スラスト軸受組立体の第２の変形例の底面図である。
【図７ｂ】図７ａの７ｂ−７ｂ線に沿って見た断面図である。
【図７ｃ】図７ｂの囲まれた領域７ｃを拡大して示す図である。
【図８】図４の或る領域を示したもので、磁気スラスト軸受組立体によって生成された環状磁気磁束パターンを示す図である。
【図９】集合コンテナ内に収容されたエネルギー貯蔵システムのアレイ（array）を示す斜視図であって、この集合コンテナが部分的に切り取られている。
【図１０】図９に示す集合コンテナにそれぞれ類似する集合コンテナのアレイの斜視図である。
【図１１】それぞれがエネルギー貯蔵システムを収容する地上のドーム形ボールト（vault）のアレイを示す斜視図である。
【図１２】それぞれがエネルギー貯蔵システムを収容する地下のボールトのアレイを示す断面図である。
【図１３】エネルギー貯蔵システムの別の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、或る特定の実施形態に関して記載されているが、これらの実施形態の様々な修正は、本明細書に添付された特許請求の範囲で概説されているように、本発明の趣旨および範囲から外れることなく、当業者に明らかである。上記列挙されたすべての文献の全開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【００１９】
図１は、第１ハウジング２１と第２ハウジング２２との２つの主要コンポーネントを有するモジュラーシステムとして構築されるエネルギー貯蔵システム２０の斜視図である。上記第１ハウジング２１は、より完全には以下に記載されるように、第１ハウジング２１に回転可能に取り付けられたフライホイール（図１に図示しない）を含む。上記第２ハウジング２２は、第１ハウジング２１の上に解放可能に取り付けられている。上記第２ハウジング２２は、フライホイールに取り付けられたモータまたは発電機（図１に図示しない）を含み、フライホイールを駆動またはフライホイールによって駆動される。上記システムの動作は、記載が明らかになるとともにより明確になる。
【００２０】
図１で最もよく分かるように、第１ハウジング２１は、円筒状の外壁２８を有し、この外壁２８は、半径方向外側に突出する周縁フランジ２３まで上方に延在するとともに、環状ベースプレート３３まで下方に延在している。好ましくは、上記ベースプレート３３は、円筒状の外壁２８を超えて周縁フランジ２３の半径方向の距離と略等しい距離だけ半径方向に突出している。上記円筒状の外壁２８は、複数の間隔をおいて設けられた垂直リブ２９によって、その周囲に等間隔で補強されている。上記垂直リブ２９は、ベースプレート３３と半径方向外側に突出する周縁フランジ２３との間に延在している。上記第１ハウジング２１は、その反対に隣接して、上端が、環状トッププレート２７によって閉じられている。環状トッププレート２７は、周囲に間隔をおいて設けられた複数の機械ネジ３１ａにより、半径方向外側に突出する周縁フランジ２３に解放可能に取り付けられている。各機械ネジ３１ａは、対応する複数の相補のネジ穴３１ｂ（図２参照）に係合する。このネジ穴３１ｂは、半径方向外側に突出する周縁フランジ２３に形成されている。したがって、上記形成されたハウジングは、硬くて堅固な構成であり、フライホイールを収容するのに適している。
【００２１】
図示された実施形態では、第２ハウジング２２は、円筒状の外壁２２ａ（第１ハウジング２１の円筒状の外壁２８より小さな直径を有する）で形成されている。この円筒状の外壁２２ａは、半径方向の外側に突き出る周縁フランジ６４まで下方に延在している。上記第２ハウジング２２は、円筒のトッププレート３５によって、その上端に隣接して閉じられている。上記トッププレート３５は、例えば、複数の機械ネジ３７によって、円筒状の外壁２２ａに取り付けられている。複数の機械ネジ３７は、トッププレート３５の周縁部の周りに配置されると共に、円筒状の外壁２２ａの上端に形成された相補のネジ穴（図示しない）に係合される。
【００２２】
好ましくは、上記ハウジング２１，２２は、非強磁性材料から形成されている。この非強磁性材料は、フライホイールの回転を遅くすると共に、モータ／発電機が放出サイクル中のエネルギー放出に利用可能な時間を減少させるマグネティックドラッグ（magnetic drag）を最小化する目的のために、特に好まれる。適切な材料は、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチック、繊維ガラス、コンクリートおよびそれらの組み合わせを含み、これらに限定されないグループから選ばれてもよい。これらの材料は、炭素繊維、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）（登録商標）または、これらの相当品を含み、これらに限定されない複合材料で強化されてもよい。
【００２３】
図２および３に示されているように、上記第１ハウジング２１は、第１ハウジング２１内で軸受組立体４７ａ，４７ｂによって回転が支持されるフライホイール２４を含んでいる。上記フライホイール２４は、ローター２５と、上部駆動軸セグメント２４ａと、下部駆動軸セグメント２４ｃとを含んでいる。ローター２５および駆動軸セグメント２４ａ，２４ｃは、鍛造されたブランクから一体的に形成される。ローター２５は、駆動軸セグメント２４ａ，２４ｃと一直線になっている軸の周りの円筒状である。駆動軸セグメント２４ａ，２４ｃの直径は、異なる負荷がされることにより、異なっていてもよい。駆動軸セグメント２４ａ，２４ｃは、共に略垂直の軸Ａである。この軸Ａの周りで、ローター２５は、以下により詳細に記載されている態様で、第１ハウジング２１内に回転のために取り付けられる。ローター２５は、上側平面端面２５ａと、下側平面端面２５ｂと、この上側平面端面と下側平面端面との間に延在する周縁面２５ｃとを有している。１組の半径方向の溝２５ｄは、上記端面２５ａ，２５ｂの間に形成され、製造中における伝熱を助けている。第１ハウジング２１が製造され、そうでなければ形成されて、その中で回転する１以上のフライホイールを収容する一方、図示された好適な実施形態では、１つのフライホイール２４が示されている。これが図示すると共に説明するのが最も単純である。そして、この明細書が進むにつれてより明白になるように、好適な配置は、フライホイールを１つずつ、各々がそれぞれの第１ハウジング２１の中に収容されるようにさらに追加することによって、エネルギー貯蔵システムの規則的で通常のモジュール式の拡張を容易にサポートしている。
【００２４】
同様に当然のことながら、ソリッドローター２５および駆動軸２４ａ，２４ｂが記載されている一方、個別の駆動軸セグメントを有する組み立てローターが使用されてもよい。あるいは、ローター２５を通って延在すると共に、ローターを回転駆動するためにローターに取り付けられた個別の駆動軸が使用されうる。
【００２５】
ローター２５は、例えば高密度鋼のように、強磁性を有する材料から作られる。代わりの実施形態では、ローター２５が製造される他の強磁性体は、鉄、ニッケル、コバルトなどである。ローター２５の質量が大きいほど、エネルギー貯蔵システム２０がフライホイールの同じＲＰＭで貯蔵することができる運動エネルギーは大きい。対照的に、ローター２５の質量が大きいほど、同じものが回転用に使用されている機械軸受を通じて生じうる潜在的な摩擦損失は大きい。また、大きいＲＰＭにおける構成要素の不具合による潜在的な危険な事故を防ぐために、システムの精密エンジニアリングおよび頑健さの必要性は大きい。
【００２６】
当然のことながら、もし好まれれば、上記ローター２５は、複合構造として、部分的に強磁性体で作られてもよいし、高速回転でバランスするように、円筒状以外に成形されてもよい。円筒状の鋼鉄製ローターは、最も経済的なものであるだろう。
【００２７】
図１〜５に図示された好適な実施形態は、さらに、磁気スラスト軸受組立体２６を備える。この磁気スラスト軸受組立体２６は、ハウジング２１とフライホイール２４との間で作用し、フライホイール２４の重量の大部分を支持して、機械軸受組立体４７から軸方向の荷重を取り除く。より完全に以下に記載されるように、磁気スラスト軸受組立体２６は、少なくとも１つの環状永久磁石２６ａを有し、この永久磁石２６ａは、第１ハウジング２１に取り付けられる。好適な実施形態の動作中に、環状永久磁石２６ａは、固定され続け、回転せず、それによって、すぐ下に位置するフライホイール２４に非常に安定した支持機構を与える。磁気スラスト軸受組立体２６、より明確には、環状永久磁石２６ａは、第１ハウジング２１に垂直軸Ａの周りに中心を合わせて固定して関係で取り付けられ、ローター２５の端面２５ａと並列に配置される。図２から図６Ｃに示されるように、環状永久磁石２６ａは、強磁性金属材料の単層を有する単一の環状体（annulus）として構成されてもよい。また、さらに以下に記載されるように、その構成において異なっていてもよい。
【００２８】
上記ローター２５が強磁性体から作られるとき、端面２５ａの上方の永久磁石の位置は、ローター２５を環状永久磁石２６ａの下面２６ｄの方へ軸方向に上方に引きつけている。環状永久磁石２６ａとローター２５との間の磁気引力は、フライホイール２４の重量を少なくとも部分的に、理想的に、全体的に支持する。
【００２９】
図２〜４で最もよく分かるように、磁気スラスト軸受組立体２６は、環状永久磁石２６ａを、環状バッキングプレート２６ｂおよび非鉄金属材料あるいはエレクトロダイン社（Electrodyne Company）,バテービア，オハイオによって製造された「リーンス(REANCE)Ｆ６５」(フレキシブルなネオジム鉄ボロン磁石)のようなポリマーからなる非磁性のスペーサーリング２６ｃと共に含んでいる。環状バッキングプレート２６ｂは、強磁性金属で構成され、第１ハウジング２１の環状トッププレート２７の下側、すなわち端面２１ａに、さらに垂直軸Ａの周りに中心を合わせて固定した関係で取り付けられている。複数の機械ネジ６０が、環状バッキングプレート２６ｂに形成された対応するネジ穴に係合し、バッキングプレート２６ｂをトッププレート２７に固定している。環状バッキングプレート２６ｂは、環状永久磁石２６ａの半径方向の外縁および非磁性のスペーサーリング２６ｃの半径方向の外縁を越えて半径方向に延在し、下方突出周囲スカート部６１を形成している。非磁性のスペーサーリング２６ｃが環状永久磁石２６ａの半径方向の外縁と下方依存周囲スカート部６１の半径方向の内縁との間に設けられて、下方依存周囲スカート部（ｄｏｗｎｗａｒｄｌｙ  ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ  ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ  ｓｋｉｒｔ  ｐｏｒｔｉｏｎ）６１は、好ましくは、ローター２５の半径と少なくとも等しい外径を有している。好ましくは、環状バッキングプレート２６ｂは、その外周端の周りに位置するショルダー部５９を有している。このショルダー部５９は、第１ハウジング２１の円筒状の外壁２８の上縁に隣接して形成された、内側の環状レッジ（ledge）６５上にぴったり嵌合した入れ子の関係の中で係止している。
【００３０】
上記ローター２５の支持を増強するため、磁気軸受２６は、ローター２５を通る磁路を制約するように構成されている。周囲スカート部６１は、下面８５を有し、この下面８５は、環状永久磁石２６ａの下面２６ｄと垂直方向に略共通の端面である。したがって、ローター２５と周囲スカート部６１の下面８５との間に同一の最小隙間ギャップ３０を維持している。上記周囲スカート部６１は、磁界を形成するのをサポートし、それがエネルギー貯蔵システムの動作中に回転している間、ローター２５の固有安定性に寄与している。図示された配置で、環状永久磁石２６ａ、環状バッキングプレート２６ｂ、非磁性のスペーサーリング２６ｃおよび周囲スカート部６１は、軸受２６の支持能力を増強するように磁束フィールドを制約している。
【００３１】
図２〜５の環状永久磁石２６ａは、磁石への磁力によって環状バッキングプレート２６ｂに好ましくは取り付けられる。また、そのような取付は、サテライトシティー、シミバレー（カリフォルニア）によって製造されたＨＳ−４シアノアクリレート接着剤あるいはエポキシ樹脂のような、低ガス排出接着剤の使用で補われてもよい。
【００３２】
図１〜５に示されている実施形態では、環状永久磁石２６ａは、従来の磁化された金属、希土類金属（rare earth metal）などの単一の剛の構造として形成されているとして示される。別の実施形態では、環状永久磁石２６ａは、代わりに、磁性材料の１つ以上のセクションまたは層から形成されていてもよい。このことは、ほとんどの場合、より容易かつそれほど高価でない組み立てを提供する。例えば、環状永久磁石２６ａは、柔軟な磁性材料で作られていても良い。この柔軟な磁性材料は、例えば、ポリマー接着剤と混じり合った希土類磁粉（従来の冷蔵庫用マグネットの構成で使用されている）である。１つの別の実施形態では、図６ａから図６ｃに示されているように、そのような柔軟な永久磁化材料の単層が、この材料から、垂直軸Ａの周りを囲んで放射状に拡大する態様で半径を大きくする一連の同心円２６ｅの形で形成されていてもよい。柔軟な磁性材料の層の磁極は、同じ方向に整列し、好ましくは、図６ｃで矢印で示されているように、垂直軸Ａとの関係で、平行に向いている。
【００３３】
さらに別の実施形態（図７ａから図７cに示されている）では、環状永久磁石２６ａが、規則的なパッチワーク配列で配置された上記柔軟な磁性材料の複数のパッチ２６fで構築されうる。図７ａから図７ｃに示されているように、上記パッチワークは、長方形のストリップ（strip）（38.1mm x 3.175mm（1.5”x0.125”））であってもよく、図示された複数の層は、３の層７８ａ，７８ｂおよび７８ｃである。上記柔軟な磁性材料の各層７８ａ，７８ｂおよび７８ｃの磁極は、同じ方向に整列し、好ましくは、垂直軸Ａとの関係で、平行に向いていることが、図７ｃからわかる。他の形および大きさの柔軟な磁性材料のパッチであって、例えば、四角形のパッチは、図７Ａから図７Ｃに示されている長方形のパッチの代わりに用いられてもよい。特有の取り付けに利用される層の数は、フライホイール２４の重量の目標パーセンテージを支持するのに必要な強度によって変化して、その特有の適用において、磁気スラスト軸受組立品２６によって運ばれる。
【００３４】
同様の取り付けの形式は、図１から５の実施形態に関係して、以前に記載されているように、図６ａから図６ｃおよび図７ａから図７ｃにおいて記載されている他の実施形態で示された永久磁石材料の各層に使用されてもよい。
【００３５】
上記永久磁石は、ローター２５の上面で形成されうるが、磁石２６ａの固定された取り付けは、そのような柔軟な永久磁性材料を磁気スラスト軸受組立体２６の構成で使用するのを可能にする。そのような柔軟な磁性材料は、柔軟すぎて、脆弱なので、特に柔軟な磁性材料が環状に巻きつけられる、あるいは層状に設けられた場合に、長期間の高速回転（つまり１，０００ＲＰＭ以上、およびより典型的には１０，０００ＲＰＭ以上）を保持することができない。高速回転中に働いた大きな遠心力のために、上記磁性材料には半径方向にひずみ、破壊の可能性あるいは層間剥離が生じるだろう。
【００３６】
図２〜４に示されているように、電気回転機械は、カップリング軸３４によって上部駆動軸セグメント２４ａに解放可能に結合される。ここで、電気回転機械は、モータまたは発電機として機能して、モータ／発電機７２と呼ばれる。上記軸３４は、環状カラー３４ａを有し、この環状カラー３４ａは、軸方向にスライド可能な結合部を上部駆動軸セグメント２４ａに供給するためにモータ／発電機７２から下方に突出している。上記カップリング軸３４のカラー３４ａは、ボルト３６によって上部駆動軸セグメント２４ａに解放可能に結合されている。キー３４ｂおよびはめ合いキー溝は、お互いに係合して、カップリング軸３４を駆動軸の上部駆動軸セグメント２４ａに動作可能に結合している。駆動軸の上部駆動軸セグメント２４ａは、モータ／発電機７２からフライホイール２４へ（およびその逆に）にトルクを伝送するためのものである。あるいは、係合スプライン（図示せず）が、図示されているキーおよびキー溝の代わりに、カップリング軸３４および上部駆動軸セグメント２４ａに使用されてもよい。
【００３７】
上部機械軸受組立体４７ａは、第１ハウジング２１の頂部内で、上部駆動軸セグメント２４ａの周りに取り付けられる。この上部機械軸受組立体４７ａは、環状永久磁石２６ａの下面２６ｄに関してローター２５の少なくとも上向きの軸の移動を制限するために、ローター２５の軸の位置決めをしている。より詳しくは、上部機械軸受組立体４７ａは、環状永久磁石の下面２６ｄとローター２５の端面２５ａとの間に最小隙間ギャップ３０を形成するようにローター２５の上向きの軸の移動を制限している。また、好ましくは、上部機械軸受組立体４７ａは、環状永久磁石の下面２６ｄに関してローター２５の下方への軸の移動を制限するように構成されてもよい。この点では、上部機械軸受組立体４７ａは、好ましくは、スラスト軸受である。この構成は、上部機械軸受組立体４７ａが環状永久磁石の下面とローター２５の間に最大隙間ギャップ３０をさらに形成するのを可能にする。図示されているより好適な実施形態では、最大ギャップ３０が、最小隙間ギャップ３０と等しい。両軸方向における上部機械軸受組立体４７ａの移動の制約は、環状永久磁石の下面２６ｄとローター２５との間で維持されているギャップ３０が動作許容差内であると保証し、それによって、ローター２５の環状永久磁石２６ａによる信頼できるリフトを保証する。
【００３８】
図４で最もよく分かるように、上部駆動軸セグメント２４ａはショルダー４８まで延在する精密グラウンド(ground)軸受支持部を有している。好ましくは、上記上部機械軸受組立体４７ａは、取り外し可能な軸受カートリッジ４２ａ内に収容された２つの転がり軸受セット４２で構成されている。この軸受カートリッジ４２ａは、磨耗した、または破損した軸受組立体を迅速かつ容易に置き換えるのを促進するようにしている。上記転がり軸受セット４２，４２は、両方とも好ましくは、セラミック製のアンギュラ玉軸受セットであり、最も好ましくは、非常に高速で、非常に正確な、ハイブリッドセラミック軸受セットである。上記玉は、セラミック材料からなっていて、精密グラウンドの鋼鉄製の案内溝を転がる。
【００３９】
カートリッジ４２ａは、軸受支持ハウジング４３，軸受軸方向固定リング４４および機械ネジ４５および４６を有している。上記支持ハウジング４３は、径方向フランジ４３ａおよび軸受凹部４３ｂを有している。上記軸受セット４２は、凹部４３ｂ内に配置されると共にリング４４によって保持されている。転がり軸受セット４２の外輪は、軸受軸方向固定リング４４の下面４４ａと端面４９との間で軸方向に保持されている。軸受凹部４３ｂとリング４４とは、機械ネジ４５によって固定されている。上記軸受支持フランジ４３は、環状バッキングプレート２６ｂの上面５１に機械ネジ４６を介して軸方向に保持されている。同様に、上記環状バッキングプレート２６ｂは、上述したように、第１ハウジング２１の環状トッププレート２７に固定されている。
【００４０】
上記カップリング軸３４のカラー３４ａの下面３４ｃは、転がり軸受セット４２の内輪４２ｂを支持すると共に、ボルト３６によって固定されている。このボルト３６は、駆動軸２４ａの中で受けられている。このボルト３６は、軸３４を介して、カップリング軸３４の下面３４ｃと上部駆動軸セグメント２４ａの軸受ショルダー４８との間の内輪を調節可能に圧縮することにより、転がり軸受セット４２に予圧を作用させている。
【００４１】
磁気スラスト軸受組立体２６に対する軸受支持フランジ４３の軸方向の位置は、ローター２５の上部駆動軸セグメント２４ａの軸方向の位置を固定し、ローター２５の上面２５ａと磁気スラスト軸受組立体２６の下面２６ｄの間に略一定のギャップ３０を維持している。上記ギャップ３０は、正確な上昇力をローター２５に加えること、および転がり軸受セット４２への軸方向の荷重を減らすことを決定するものである。上記ギャップ３０は、表面５１にシム（図示しない）を配置することによって、軸受支持フランジ４３を上げて調節されてもよい。それによって、ローター２５を上げると共にギャップ３０を小さくして、より大きな磁気上昇力を適用する。
【００４２】
図５に示すように、下部機械軸受組立体４７ｂは、下部駆動軸セグメント２４ｃとハウジング底板３３との間で作動する。下部機械軸受組立体４７ｂは、取り外し可能な軸受カートリッジ４２ａ内に収容された１組の転がり軸受セット４２を有し、この軸受カートリッジ４２ａは、磨耗した、または破損した軸受組立体を迅速かつ容易に置き換えることを促進している。上記転がり軸受セット４２は、好ましくは、上部機械軸受セットと同じ一般的なタイプおよび構成であり（より小さな機械的な荷重により、より小さなサイズでもよい）、つまり、それらは両方とも好ましくは、セラミック製のアンギュラ玉軸受セットであり、最も好ましくは、非常に高速で、非常に正確な、ハイブリッドセラミック軸受セットである。
【００４３】
下部機械軸受組立体４７ｂのカートリッジ４２ａは、軸受凹部９０を有する軸受支持フランジ５３をさらに含んでいる。下部駆動軸セグメント２４ｃは、ショルダー８９を有し、軸受４２を軸方向に配置している。軸受予圧キャップ５４は、予圧ネジ３２によって下部駆動軸２４ｃに固定されている。上記軸受予圧キャップ５４、および予圧ネジ３２は、転がり軸受セット４２，４２のそれぞれの内輪を軸方向に保持し、軸受予圧キャップ５４の端面５８と下部駆動軸セグメント２４ｃの下部軸受ショルダー８９との間で内輪を圧縮することによって、転がり軸受セット４２，４２に予圧を与えている。転がり軸受セット４２の外輪４２ｃは、下部機械軸受組立体４７ｂの軸受凹部９０の内側で軸方向に保持されていない。これは、ローター２５が高速時にポアソン比効果のために軸方向に収縮するとき、ローター２５の下部駆動軸セグメント２４ｃが、軸方向動くのを許容している。これはまた、ローター２５および第１ハウジング２１の両方における温度によって引き起こされた伸縮による軸の移動を許容する一方、ギャップ３０を略一定に維持している。
【００４４】
軸受支持フランジ５３は、機械ネジ５６によって第１ハウジング２１のベースプレート３３に固定されている。また、下部機械軸受組立体４７ｂは、好ましくは、下部軸受カバー５５を備えている。この下部軸受カバー５５は、例えば据付または運搬の間の軸方向の振動または移動に対してローター２５を機械的に支持または固定するためのポイントを与えているのと同様に、弾力のあるガスケットあるいはＯリング５７の助けを借りて、下部機械軸受組立体４７ｂの減圧気密を与えている。ジャックネジ５７は、下部軸受キャップ５５にこの目的のために形成されたネジ穴４０に挿入されて、軸受予圧ネジ３２のヘッド内に形成されたソケット３２ａに係合するようになっている。上記ジャックネジ５７は、ソケットに係合するとき、ローターを軸方向および半径方向に支持して、軸受組立体４７にかかる一時的な荷重を抑制している。
【００４５】
機械軸受組立体の摩耗を最小化すると共にフライホイール２４が回転しているときの摩擦を最小化するために、磁気スラスト軸受組立体２６がフライホイール２４の全重量を実質的に支持することが、必須ではないが好ましい。より具体的には、磁気スラスト軸受組立体２６がフライホイール２４の重量の少なくとも９０％を支持し、より好ましくはフライホイール２４の重量の約９５％から１００％を支持するのが好ましい。理想状態であって、上述したような好適な実施形態では、磁気スラスト軸受組立体２６は、フライホイール２４の重量の１００％を実質的に支持することができる。上記上部軸受組立体４７ａによる軸方向の位置は、例え磁気軸受組立体２６がローターの重量より大きなリフトを与えても、ギャップ３０を一定に維持している。
【００４６】
図８は、図２〜４の磁気スラスト軸受組立体２６によって生成された磁路を示している。図８に示すように、磁束場６２は卵形／円形である。しかしながら、エネルギー貯蔵システム２０の３次元表示では、磁路は、形状においてトロイダルである。上述したように、下方依存周囲スカート部６１は、磁場の成形を支援し、したがって、ローター２５がエネルギー貯蔵システム２０の作動中に回転している間、ローター２５の固有安定性に寄与する。環状バッキングプレート２６ｂおよび下方依存周囲スカート部６１は、ローター２５の全重量を略保持する磁束場６２を生成する。図８は、環状バッキングプレート２６ｂおよび下方依存周囲スカート部６１を貫通するほどではないにせよ、リフトするためにローター２５をほぼ貫通する磁束を示している。非磁性スペーサーリング２６ｃは、磁石２６ａからの磁束場の移動を妨げると共にコンパクトな磁気ループの確立を促している。また、ハウジング２１の非磁性壁２８は、磁路に干渉せず、磁気軸受組立体２６のリフト能力を大きくする。好適な実施形態では、永久磁石は、Ａ１で示された端面２５のエリアの約６０％を占め、そのエリアの４０％は、Ａ２で示されたスカート部である。他のエリアの割合は、３０％永久磁石および７０％スカートの比率から、７０％永久磁石および３０％スカートの比率まで採用されてもよい。このような態様でバッキングプレートを使用することは４０％未満の磁性材料を許容すると共に、４Ｘに磁石だけのリフト力を与える。迷い磁束は含まれており、ローター面に向けられ、ローター側に曲がって戻ってくると共にシステムに重大なドラッグトルクを引き起こすことを妨げられる。さらに、ローターの大きな利用可能な上部環状表面エリアの利用は、より低い強さ、接合した磁性材料の使用を促進している。これらの材料は焼結磁石と比較して、より低コストで、容易に形成可能である。
【００４７】
ゼロの電気エネルギーが、エネルギー貯蔵システム２０が接続されている動力源から取り出されることが要求され、フライホイール２４の重量を支持することは、好ましい。これは、環状永久磁石２６ａの構築において、永久磁性材料の使用を通じて達成される。したがって、フライホイール２４の重量を支持する際に磁気スラスト軸受組立体２６によってエネルギーは消費されない。さらに、磁気スラスト軸受組立体２６が第１ハウジング２１に取り付けられるとき、フライホイール２４の重量は、磁気スラスト軸受組立体２６の引き付け力によって支持される。これは、第１ハウジング２１の円筒状の外壁２８によってそれ自体が支持され、それらは、今度は第１ハウジング２１のベースプレート３３に支持されている。
【００４８】
図１〜５に示す好適な実施形態では、エネルギー貯蔵システム２０は、摩擦力の最小化によってより効率的になる。この摩擦力は、そうでなければ、ローター２５が回転するときにローター２５に直接作用するかもしれない。したがって、ローター２５は、回転中に、磁気スラスト軸受組立体２６の下面２６ｄを含む、第１ハウジング２１内に突出している内面のいずれにも接触すべきではない。この目的のために、ローター部２５の上面２５ａと、環状永久磁石２６ａの下面２６ｄおよび下方依存周囲スカート部６１の下面８５と間のギャップ３０が、それぞれ、どのように維持されているか、上述した。同じ目的のために、最小隙間ギャップ７０は、常に、ローター２５の外周縁２５ｃと第１ハウジング２１の内側面８２との間に形成されている。同様に、第１ハウジング２１内のコンポーネントは、成形され、そうでなければ寸法が決められて、ローター２５の下面２５ｂとベースプレート３３の上部内面９８との間の最小隙間ギャップ７５を常に維持している。
【００４９】
動作中（つまりフライホイール２４が回転している間）にローター２５に作用するドラッグ力をさらに縮小し実質的に除去するために、少なくとも第１ハウジング２１内で、さらに好ましくは、第１ハウジング２１および第２のハウジング２２の両者の中で、少なくとも一部を減圧をすることによって、回転するコンポーネントのウィンデージロス（windage losses）を縮小することは望ましい。この目的のために、第１ハウジング２１および第２のハウジング２２を大気に対してシールすることは、好ましい。このシールは、２つのハウジング２１，２２のコンポーネントの全ての係合ジョイントの周りに作用するシールにおける、例えば、弾力のあるガスケットあるいはＯリング８６，５７の配置によってなされている。これは、図２，４および５に最もよく示されているように、第１ハウジング２１および第２ハウジング２２の壁コンポーネント２７，２８および３３の間および軸受予圧キャップ５４と軸受支持フランジ５３との間を含み、これに限られない。
【００５０】
従来の真空ポンプ９１のような真空源は、好ましくは、フレキシブルチューブなどによって、例えばベースプレート３３に取り付けられた、または形成された、例えば真空ポート８７に接続されることにより、第１ハウジング２１の内部体積に接続される。上記真空源は、ギャップ３０、７０および７５と流体連通し、真空ポンプの作動で、第１ハウジング２１内の少なくとも一部を減圧できる。
【００５１】
また、必須ではないが、第２ハウジング２２に真空源を動作可能に接続して、第２ハウジング２２内の少なく一部を減圧し、そうでなければモータ／発電機７２のコンポーネント回転で生じる摩擦損失を減らすことが好ましい。上記真空源は、前の段落で言及されたものと同じ真空源であるが、付随的に第２の真空源（図示しない）である。第１ハウジング２１で最初になされた、そのような少なくとも一部の減圧を第２の真空源なしで第２ハウジング２２に導入することは、特に好ましく、これは、真空通路１８７を設けることによってなされる。この真空通路１８７は、一緒に組み立てられたときに図示したように第１ハウジング２１と第２ハウジング２２との間に作られる。図４に示すように、そのような真空通路１８７は、カップリング軸３４、キー３４ａおよびキー溝３４ｂを通って、上部機械軸受組立体４７ａの２つの転がり軸受セット４２の内輪４２ｂ周りで、軸受支持フランジ４３の径方向の内面を下方に通過し、径方向チャネル５０とつながるまで流体連通で延在している。チャネル５０は、ローター２５への上部駆動軸セグメント２４ａの基本接続点を取り囲んでいる。上記径方向チャネルは、ギャップ３０とそれ自体が流体連通している。このような態様で、上記真空源は、第１ハウジング２１に動作可能に接続されている。また、上記真空源は、第１ハウジング２１の上面に第２ハウジング２２を取り付けて、真空通路１８７を介して第２ハウジング２２に動作可能に接続されている。
【００５２】
好ましくは、真空ポンプ９１は、電力グリッド（grid）から引き出された電気で、電圧がかけられている。この電力グリッドには、充電フェーズ中にエネルギー貯蔵システム２０が接続されている。しかし、真空ポンプ９１は、そうであろうがなかろうが、設計選択に依存して、電力グリッドがそのような電気エネルギーを供給することができない期間に、モータ／発電機７２によって供給された電気によって電圧がかけられる。別の場合では、必須ではないが、第１ハウジング２１および第２ハウジング２２が理想的に設計されると共に作られて、モータ／発電機７２の非エネルギー供給中に、ローター２５の回転の全設計期間にわたって、上記少なくとも一部の減圧を保持して、そのような期間中にローターに作用するドラッグフォースを最小化している。
エネルギー消費を最小化するために、真空ポンプ９１は、一部の減圧が逆止弁９２で行われたとき、スイッチを切るように制御されて、ハウジング２０内への漏出を防ぐようになっていてもよい。
【００５３】
モータ／発電機７２は、外部電力源に接続され、これにより、接続がエネルギーを与えられるとき、電力グリッドのような電力源からモータ／発電機７２が電気的なエネルギーを取り出すことができる。上記モータ／発電機７２は、電力グリッドから電気エネルギーを取り出して、ローター２５の回転を駆動する。上記モータ／発電機７２によるローター２５の駆動は、システムに入力された電気エネルギーをフライホイール２４のローター２５の回転に格納される運動エネルギーへ有効に変換する。ローター２５の回転に格納された運動エネルギーは、電気エネルギーの再変換のため、および接続がエネルギーを与えないとき、フライホイール２４によるモータ／発電機の回転の間の電気エネルギーの放出のために、エネルギー貯蔵システム２０に格納されている。
【００５４】
記載された好適な実施形態によれば、第２ハウジング２２は、第２ハウジング２２に取り付けられたモータ／発電機７２を有し、第２ハウジング２２は、第１ハウジング２１の上に取り外し可能に取り付けられている。エネルギー貯蔵システム２０のモジュール構成は、エネルギー貯蔵システムによって使用され、および生成された充電／放電の出力が、いずれかのエネルギー貯蔵システム２０のモータ／発電機７２のサイズを増加／減少させることにより、全システムを再設計または解体することなく容易に変換されるのを許容している。図３は、上述したように、モータ／発電機７２が、カップリング軸３４を介して取り外し可能な態様で、上部駆動軸セグメント２４ａに接続されることを示している。第２ハウジング２２は、第１ハウジング２１に、フランジ６４を通り抜けて、環状バッキングプレート２６ｂに到達するボルトによって、取り外し可能な態様で第１ハウジング２１に接続されている。カップリングが軸受組立体４７ａの位置に影響せず、したがって、ローター２５と磁気軸受組立体２６との間の所要のクリアランスを維持することは、注目される。モータ／発電機７２を上部駆動軸セグメント２４ａに取り外し可能に結合すること、および第２ハウジング２２（モータ／発電機が取り付けられている）を第１ハウジング２１に取り外し可能に結合することによって、エネルギー貯蔵システム２０は、モジュール式で有効に構成され、または組み立てられる。これによって、磨耗または損傷した部品を置き換え、または、特有の所要出力定格を有するモータ／発電機を交換することを促して、予め定められた基準に合わせて、より効率的に電気を貯蔵または放電できる。図３に記載された好適な実施形態のモジュールの性質は、一旦フライホイールエネルギー貯蔵システムが作られれば、モータ／発電機の定格出力または電力仕様を変えることを促す。さらに、必須ではないが、第２ハウジング２２と、この第２ハウジング２２に取り付けられているモータ／発電機７２とは、第１ハウジング２１および第１ハウジング内に収容されているいずれかの構造を分解する必要なく、容易に取り外し可能であると共に交換可能である。したがって、ここに図示されると共に記載されているように、エネルギー貯蔵システム２０のモジュール構成は、エネルギー貯蔵システム２０の充電／放電の出力定格が、いずれかのエネルギー貯蔵システム２０のモータ／発電機７２のサイズまたはタイプを増加／減少させることにより、容易に変換され、またはカスタマイズされるのを許容している。これは、同じフライホイール貯蔵エネルギー容量（例えば２０ｋＷＨ）を有するエネルギー貯蔵システム２０が、変換可能な第２ハウジング内に取り付けられた異なるモータ／発電機ユニットを単に迅速かつ容易に交換することで、長い持続期間、低出力（例えばピークシフト／使用時間）または短い持続期間、高出力（例えば電圧サポート）のいずれかに利用されるのを許容する。
【００５５】
図１〜５に記載された好適な実施形態では、図示されたモータ／発電機７２は、誘導タイプモータ／発電機７２である。より詳しくは、記載された好適なモータ／発電機７２は、好ましくは、三相誘導タイプユニットである。この三相誘導タイプユニットは、カップリング軸３４が圧入されるローター７４と、第２ハウジング２２の円筒状の外壁２２ａの周面の内側に圧入される固定子巻線７６とで構成されている。
【００５６】
図１〜４に記載されているように、モータ／発電機７２は、好ましくは、液冷式である。さらに、第２ハウジング２２は、好ましくは、第２ハウジング２２の円筒状の外壁２２ａの外面を包囲する、主な冷却チャネル８０で構成された冷却ジャケットを含む。上記メインの冷却チャネルは、取り外し可能な外殻８８によって、その外側周囲上で囲まれている。０リングシール８１は、第２ハウジング２２の円筒状の外壁２２ａに対して取り外し可能な外殻８８を密閉するのを支援している。冷却液は、進入ポート３８に流れ込み、主な冷却チャネル８０を通過して、その後、排出ポート３９から外に流れる。上記冷却液の流れは、外部ポンプ、あるいは自然対流（この場合、上記進入ポート３８および排出ポート３９は、示された配置から効果的に逆転される。）によって生じ、第２ハウジング２２および固定子巻線７６からの廃熱を取り除く。
【００５７】
モータ／発電機７２への電気ケーブルの接続は、好ましくは、ポート４１でトッププレート３５を通ってなされる。そのポートは、ゴムグロメット、Ｏリングシールなど（図示しない）による接続の周りで、気密されて減圧されるべきである。
【００５８】
図に示すように、ローター２５は、固体であり、高張力鋼から構成されていることは、当然のことながら認識される。少なくともローター２５の一部は、磁気スラスト軸受組立体２６と相互に作用するために強磁性でなければならない。好ましくは、少なくとも軸受組立体２６と反対側のローターの上部は磁性体であり、また、エネルギー貯蔵システム２０のいくつかの実施形態において、ローター２５が約１，０００ｋｇと５，０００ｋｇとの間の好適な質量である３０００ｋｇの質量を有していることは、好ましい。
【００５９】
動作中に、動力がモータ／発電機７２に供給され、このモータ／発電機７２は、ローター２５にトルクを与えて加速させる。モータ／発電機７２が、ローター２５を約１０，０００ＲＰＭから２０，０００ＲＰＭの高速で回転させることができるのは、好ましいが、必須ではない。ローター２５が加速するとともに、ローターは、運動エネルギーとしてローター／発電機７２によって供給されるエネルギーを貯蔵する。最高速度の到達に際して、電力は分離されてもよい。ローター２５の最大回転速度のための典型的な実施では、電力グリッドでエネルギーが供給されているモータ／発電機７２への電気接続が２時間以内に得られる。ローター２５のそのような高速回転は、電源を切られている電力グリッドに電気的に接続され、少なくとも６時間継続することは、好ましいが、必須ではない。電力が分離される場合、あるいは付加的な電気エネルギーがグリッドによって要求される場合、モータ／発電機は発電モードに切り替えられ、ローター２５に貯蔵されたエネルギーは、発電機を駆動すると共に、電力を供給する。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵システム２０の貯蔵容量は、約２０ｋＷｈである。上記エネルギー貯蔵は、フライホイールの重量と、フライホイール２４が回転しているスピードとの関数である。回転中、ギャップ３０は、軸受組立体４７ａによって維持されている。熱変化または動的な力による軸の寸法の変化は、下部軸受４７ｂで調整されている。この下部軸受４７ｂは、エンドプレート３３に対して相対的に軸方向にスライドしてもよい。図８に記載された磁路は、ローター２５が磁気軸受によって軸方向に維持され、したがって、軸受４７ａ，４７ｂにおける軸方向荷重が減らされることを保証している。
【００６０】
エネルギー貯蔵システム２０のエネルギー貯蔵制限と、エネルギー貯蔵システム２０の固有のサイズおよび重量との間の関係のため、好適な実施形態に従って構成された、より少ない数の大きなエネルギー貯蔵システム２０を支持する複数のより小さなエネルギー貯蔵システム２０を使用すること、さもなければその使用を要求するいくつかの適用において有利かつ好ましいかもしれない。相対的に小さなエネルギー貯蔵システム２０のアレイは、ユーザがより大きなエネルギー量を運動エネルギーの形で貯蔵する一方で、展開のしやすさと、より優れた柔軟性を維持して、特定の用途で異なる規模の電力要求のために調整するのを許容する。そのような状況で、エネルギー貯蔵システムのアレイが共通制御ユニットによって制御されることは望ましいかもしれない。さらに、共通制御ユニットがエネルギー貯蔵システムのアレイの各エネルギー貯蔵システム２０からの電気エネルギーの引き出しおよび放出を制御することはさらに望ましいかもしれない。いくつかの商業的な実施形態のために、少なくとも５００ｋＷｈの集合的なエネルギー出力を有しているエネルギー貯蔵システムのアレイを有することは好ましいかもしれない。
【００６１】
この点、図９は、集合コンテナ１０１内に収容されているエネルギー貯蔵システム１２０，２２０，３２０および４２０のアレイ（array）１００を示している。
【００６２】
図１０は、たくさんの、あるいは複数の集合コンテナ１０１，２０１，３０１，４０１を示しており、この集合コンテナの各々は、たくさんのエネルギー貯蔵システム１２０，２２０，３２０などを収容している。
【００６３】
図１１は、たくさんのドーム形ボールト１０２、２０２、３０２および４０２を示している。各ボールトは、地上にあって、エネルギー貯蔵システム１２０をその中に収容している。同様に、図１２は、たくさんのコンクリート製ボールト１０２，２０２，３０２，４０２および５０２を断面図で示している。各ボールト１０２，２０２，３０２，４０２および５０２は、地下に配置されていてもよく、各々はエネルギー貯蔵システム１２０，２２０，３２０などをそれぞれ収容している。
【００６４】
軸を軸方向に配置する軸受組立品の１つと、駆動軸が軸方向に浮かぶことを可能にする別の軸受で支持するフライホイールの提供は、ローターの代替配置を促進する。図１３に示されるように、ローター２５は、補助ローターディスクで作られており、１２５が駆動軸２４ａに沿って一定間隔で配置されている。
【００６５】
各ディスク１２５は、ハウジング２１内に配置されているそれぞれの永久磁石スラスト軸受１２６に向けられた上面１２７を有している。上部軸受組立体１４７は、相対的な軸方向の移動を半径方向に許容する下部軸受組立体１４７と共にローター２５を軸方向に取り付けている。
【００６６】
上記ディスク１２５は、強磁性材料で形成されている。上記スラスト軸受１２６は、環状永久磁石および上記ディスクと重なる周囲スカートと共に、図４に示されるスラスト軸受に対して同様の配置を有している。
【００６７】
上述したように、上記磁気スラスト軸受は、ディスク１２５のそれぞれのものを引きつけて、ローター２５の質量を支持している。
【００６８】
当然のことながら、ディスク１２５のアレイが、下部駆動軸２４ｃ上に形成されて、引力によって下からローターを支持してもよい。
【００６９】
様々な他の修正および変更が、発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明によるエネルギー貯蔵システムの設計および製造で使用されてもよい。これは添付の特許請求の範囲によってのみ制限されている。例えば、図で示された液体冷却手段の使用とは別に、第２ハウジング２２が、周囲の雰囲気への対流空冷あるいは強制空冷のための外部冷却フィンが付加的に組み立てられうる。
【図１】
0005992403.tif 000002
【図２】
0005992403.tif 000003
【図３】
0005992403.tif 000004
【図３ａ】
0005992403.tif 000005
【図４】
0005992403.tif 000006
【図５】
0005992403.tif 000007
【図６ａ】
0005992403.tif 000008
【図６ｂ】
0005992403.tif 000009
【図６ｃ】
0005992403.tif 000010
【図７ａ】
0005992403.tif 000011
【図７ｂ】
0005992403.tif 000012
【図７ｃ】
0005992403.tif 000013
【図８】
0005992403.tif 000014
【図９】
0005992403.tif 000015
【図１０】
0005992403.tif 000016
【図１１】
0005992403.tif 000017
【図１２】
0005992403.tif 000018
【図１３】
0005992403.tif 000019