(57)【要約】【課題】フライホイールロータによるモータロータの径方向外側への強制変位量を減少させることによって、最大エネルギー貯蔵量を増加させる。【解決手段】回転軸Ｒ周りに回転するモータロータ３を有するモータジェネレータ４と、モータジェネレータ４の径方向外側に配置されるフライホイールロータ５を有し、モータロータ３と一体回転する回転体７と、を備えたフライホイール蓄電装置１であって、モータロータ３は、モータロータ３と回転体７とを連結する連結部材１１を介して回転体７に取り付けられている。【選択図】図１
2018038219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸周りに回転するモータロータを有するモータジェネレータと、
前記モータジェネレータの径方向外側に配置されるフライホイールロータを有し、前記モータロータと一体回転する回転体と、
を備えたフライホイール蓄電装置であって、
前記モータロータは、前記モータロータと前記回転体とを連結する連結部材を介して前記回転体に取り付けられていることを特徴とするフライホイール蓄電装置。
【請求項２】
前記回転軸を含む断面において、前記連結部材は少なくとも１つの湾曲部又は折曲部を有することを特徴とする請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項３】
前記連結部材が前記回転体と連結されている第１連結位置は、前記連結部材が前記モータロータと連結されている第２連結位置よりも径方向外側に位置するか、又は、前記第２連結位置と径方向において同じ位置であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項４】
前記連結部材は、前記モータロータと前記フライホイールロータとを連結することを特徴とする請求項３に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項５】
前記連結部材が前記回転体と連結されている第１連結位置は、前記連結部材が前記モータロータと連結されている第２連結位置よりも径方向内側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールロータが回転することで、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵可能なフライホイール蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、モータジェネレータ（モータ／発電機）のモータロータにフライホイールロータが固定されたフライホイール蓄電装置が開示されている。このようなフライホイール蓄電装置では、モータジェネレータに電気を供給し、フライホイールロータをモータロータととともに回転させることによって、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵することができる。一方、モータジェネレータを発電機として機能させることで、フライホイールロータの有する運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電力として取り出すことが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のようなフライホイール蓄電装置においては、フライホイールロータ及びモータロータの回転速度を速くすることによって、最大エネルギー貯蔵量を増加させることができる。どこまでフライホイールロータ及びモータロータの回転速度を速くすることができるかは、各部材の強度と発生応力で決まる。フライホイールロータは、焼入れ可能な鋼材等で作製することができるため、強度を上げることが容易であり、回転速度が高速であっても耐え得る。一方、モータロータは、電磁鋼板で構成されることが多く、磁気特性の観点から材料成分や加工等の制限を受けるため、強度を上げることが難しい。さらに、特許文献１のように、モータロータがフライホイールロータの径方向内側に固定されている場合、フライホイールロータが回転時に遠心力によって径方向外側に変位すると、モータロータは径方向外側への強制変位を受ける。つまり、モータロータには自身に作用する遠心力によって生じる応力に加えて、フライホイールロータによる強制変位に起因する応力も生じることになる。このため、モータロータは比較的遅い回転速度でも応力が限界に達してしまうおそれがあり、最大エネルギー貯蔵量の制限要因となっていた。
【０００５】
これらの課題を鑑みて、本発明は、フライホイールロータによるモータロータの径方向外側への強制変位量を減少させることによって、最大エネルギー貯蔵量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、回転軸周りに回転するモータロータを有するモータジェネレータと、前記モータジェネレータの径方向外側に配置されるフライホイールロータを有し、前記モータロータと一体回転する回転体と、を備えたフライホイール蓄電装置であって、前記モータロータは、前記モータロータと前記回転体とを連結する連結部材を介して前記回転体に取り付けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、モータロータは連結部材を介してフライホイールロータを含む回転体に取り付けられており、フライホイールロータには直接固定されていない。したがって、フライホイールロータが回転時に径方向外側に変位した場合、その変位量の少なくとも一部は連結部材が変形することによって吸収され、モータロータに作用する強制変位量を減少させることができる。その分、モータロータに生じる応力を低減することができ、モータロータが耐え得る回転速度の上限を引き上げることができるため、最大エネルギー貯蔵量を増加させることができる。
【０００８】
また、本発明において、前記回転軸を含む断面において、前記連結部材は少なくとも１つの湾曲部又は折曲部を有するとよい。
【０００９】
連結部材に湾曲部又は折曲部を設けることで、連結部材がこれらの部位で径方向に変形しやすくなり、連結部材で吸収される変位量を増やすことができる。その結果、モータロータに作用する強制変位量をより効果的に減少させることができる。
【００１０】
また、本発明において、前記連結部材が前記回転体と連結されている第１連結位置は、前記連結部材が前記モータロータと連結されている第２連結位置よりも径方向外側に位置するか、又は、前記第２連結位置と径方向において同じ位置であるとよい。
【００１１】
モータロータの径方向外側には、フライホイールロータ以外に主だった部材は設けられない。したがって、連結部材の回転体との連結位置（第１連結位置）をモータロータとの連結位置（第２連結位置）よりも径方向外側又は径方向の同じ位置とすることで、連結部材をモータロータの径方向外側に設けることができ、連結部材が他部材と干渉することを好適に回避することができる。
【００１２】
また、本発明において、前記連結部材は、前記モータロータと前記フライホイールロータとを連結するとよい。
【００１３】
この場合、モータロータとフライホイールロータとの組立誤差を小さくすることができ（同軸度を向上させることができ）、モータロータとフライホイールロータとの回転中心がより一致するため、モータロータとフライホイールロータとの間でのトルクの伝達が効率的となる。
【００１４】
また、本発明において、前記連結部材が前記回転体と連結されている第１連結位置は、前記連結部材が前記モータロータと連結されている第２連結位置よりも径方向内側に位置するとよい。
【００１５】
このように、連結部材の回転体との連結位置（第１連結位置）をモータロータとの連結位置（第２連結位置）よりも径方向内側とすることで、回転時に第１連結位置に生じる径方向外側への変位量を小さくすることができる。その結果、モータロータに作用する強制変位量を効果的に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るフライホイール蓄電装置の断面図である。
【図２】図１において一点鎖線で囲んだ部分を模式的に示す図である。
【図３】他の実施形態に係るフライホイール蓄電装置の断面図である。
【図４】他の実施形態に係るフライホイール蓄電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係るフライホイール蓄電装置の実施形態の一例について、図１を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るフライホイール蓄電装置１の回転軸Ｒを含む断面における断面図である。ここでは、図１の上側をフライホイール蓄電装置１の上側と定義し、図１の下側をフライホイール蓄電装置１の下側と定義する。
【００１８】
フライホイール蓄電装置１は、ステータ２及びモータロータ３を有するモータジェネレータ４と、フライホイールロータ５及びハブ６を有する回転体７とを備える。ステータ２には、電流の流れる向きを変えたり、必要に応じて電流を直流と交流と間で変換可能な変換回路２０が電気的に接続されている。変換回路２０を介して電力供給装置３０からステータ２に電気が供給されると、モータロータ３及びフライホイールロータ５の回転速度が速くなることによって、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵することができる。一方、例えば負荷装置４０に電気を供給する場合には、モータロータ３の回転速度を減速させることによって、モータジェネレータ４が発電機として機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、変換回路２０を介して外部の負荷装置４０に電気を供給することができる。
【００１９】
ステータ２は、不図示のコイルを有する円筒状の部材であり、フライホイール蓄電装置１の中心部に配置された台座８に固定されている。モータロータ３は、ステータ２の径方向外側に配置された円筒状の部材であり、複数枚の電磁鋼板が軸方向に積層された構成となっている。モータロータ３は、後述する連結部材１１を介して回転体７に取り付けられており、回転体７とともに回転軸Ｒ周りに回転可能となっている。なお、台座８はベース１２によって支持されており、フライホイール蓄電装置１はベース１２を介して他の構造物に固定される。
【００２０】
フライホイールロータ５は、モータジェネレータ４の径方向外側に配置された円筒状の部材であり、ステータ２やモータロータ３と比較して重量が大きく、運動エネルギーを効率的に貯蔵できるようになっている。ハブ６は、モータジェネレータ４及びフライホイールロータ５を覆う円盤状の部材である。ハブ６の周縁部にはフライホイールロータ５が固定されており、ハブ６の中心部には回転シャフト（ピボット軸）９が固定されている。回転シャフト９は、回転軸Ｒに沿って延びており、台座８の中心部に設けられた軸受（ピボット軸受）１０によって回転自在に支持されている。なお、フライホイールロータ５及びハブ６は、いずれも焼入れ可能な鋼材で作製されており、モータロータ３よりも強度が高い。
【００２１】
連結部材１１は、モータロータ３とフライホイールロータ５とを連結しており、Ｓ字状（Ｚ字状）の断面形状を有する円筒状の部材である。連結部材１１は、モータロータ３とフライホイールロータ５とが一体回転可能となるように、モータロータ３とフライホイールロータ５とを周方向において拘束するとともに、自身が径方向に変形することで、モータロータ３とフライホイールロータ５との間に径方向の相対変位が生じることを許容する。なお、連結部材１１は、フライホイールロータ５やハブ６と同様、焼入れ可能な鋼材で作製されており、モータロータ３よりも強度が高い。
【００２２】
図２は、図１において一点鎖線で囲んだ部分を模式的に示す図であり、モータロータ３、フライホイールロータ５、及び、連結部材１１のみを簡略的に図示している。図２に示すように、連結部材１１は、軸方向においてモータロータ３及びフライホイールロータ５の上端部から下端部に至る領域にわたって設けられており、中央部１１ａ、湾曲部１１ｂ、上面部１１ｃ、折曲部１１ｄ、及び、下面部１１ｅの各部位がつながった構成となっている。
【００２３】
中央部１１ａは、軸方向に沿って延びる部位である。湾曲部１１ｂは、中央部１１ａの上端部から径方向外側に湾曲している部位である。上面部１１ｃは、湾曲部１１ｂからさらに径方向外側に延びる部位である。折曲部１１ｄは、中央部１１ａの下端部から略直角に径方向内側に折れ曲がっている部位である。下面部１１ｅは、折曲部１１ｄからさらに径方向内側に延びる部位である。連結部材１１は、中央部１１ａが軸方向に長いことや、湾曲部１１ｂ及び折曲部１１ｄが形成されていることによって、径方向に変形しやすい（径方向の形状剛性が低い）ものとなっている。
【００２４】
連結部材１１は、上面部１１ｃがフライホイールロータ５の上端面にボルト等の締結部材によって固定されるとともに、下面部１１ｅがモータロータ３の下端面にボルト等の締結部材によって固定される。このように連結部材１１を固定することで、連結部材１１をモータロータ３とフライホイールロータ５との間で、径方向に大きな空間を要することなく、好適にＳ字状とすることができる。また、上述のように連結部材１１を固定することで、連結部材１１がフライホイールロータ５（回転体７）と連結される第１連結位置Ｐ１は、連結部材１１がモータロータ３と連結される第２連結位置Ｐ２よりも径方向外側に位置することになる。
【００２５】
モータロータ３が回転すると、フライホイールロータ５はモータロータ３と一体回転する。モータロータ３及びフライホイールロータ５のそれぞれには、自身に作用する遠心力によって径方向外側への変位が生じ、その結果、応力が発生する。既述のように、フライホイールロータ５は強度が高いので、回転速度を速くしてもかなりの速度まで耐え得る。一方、モータロータ３は、磁気特性が優先されるが故に強度を高くすることが難しい。しかも、フライホイールロータ５に径方向外側への変位量ｄ１が生じた場合、フライホイールロータ５の変位量ｄ１がそのまま強制変位量としてモータロータ３に作用すると、応力が非常に大きくなってしまう。このため、モータロータ３は、比較的遅い回転速度でも応力が限界に達してしまうおそれがあり、フライホイール蓄電装置１の最大エネルギー貯蔵量の制限要因となっていた。
【００２６】
そこで、本実施形態では、モータロータ３が連結部材１１を介してフライホイールロータ５に取り付けられている。こうすることによって、フライホイールロータ５に径方向外側への変位量ｄ１が生じた場合でも、図２に示すように、変位量ｄ１のいくらかは連結部材１１が径方向に変形することによって吸収され、モータロータ３に作用する強制変位量ｄ２をｄ１よりも少なくすることができる。したがって、モータロータ３をより速い回転速度で回転させることが可能となり、フライホイール蓄電装置１の最大エネルギー貯蔵量を増加させることができる。
【００２７】
（効果）
以上のように、本実施形態のフライホイール蓄電装置１によれば、モータロータ３は連結部材１１を介してフライホイールロータ５を含む回転体７に取り付けられており、フライホイールロータ５には直接固定されていない。したがって、フライホイールロータ５が回転時に径方向外側に変位した場合、その変位量ｄ１の少なくとも一部は連結部材１１が変形することによって吸収され、モータロータ３に作用する強制変位量ｄ２を減少させることができる。その分、モータロータ３に生じる応力を低減することができ、モータロータ３が耐え得る回転速度の上限を引き上げることができるため、最大エネルギー貯蔵量を増加させることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、回転軸Ｒを含む断面において、連結部材１１は少なくとも１つの湾曲部１１ｂ又は折曲部１１ｄを有しているため、連結部材１１が湾曲部１１ｂや折曲部１１ｄで変形しやすくなり、連結部材１１で吸収される変位量を増やすことができる。その結果、モータロータ３に作用する強制変位量ｄ２をより効果的に減少させることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、連結部材１１が回転体７と連結されている第１連結位置Ｐ１が、連結部材１１がモータロータ３と連結されている第２連結位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。モータロータ３の径方向外側には、一般的にフライホイールロータ５以外に主だった部材は設けられないため、第１連結位置Ｐ１を第２連結位置Ｐ２よりも径方向外側とすることで、連結部材１１をモータロータ３の径方向外側に設けることができ、連結部材１１が他部材と干渉することを好適に回避することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、連結部材１１は、モータロータ３とフライホイール５とを連結しており、モータロータ３とフライホイールロータ５との間には連結部材１１が存在するのみとなっている。このため、モータロータ３とフライホイールロータ５との組立誤差を小さくすることができ（同軸度を向上させることができ）、モータロータ３とフライホイールロータ５との回転中心がより一致するため、モータロータ３とフライホイールロータ５との間でのトルクの伝達が効率的となる。
【００３１】
また、本実施形態では、連結部材１１は、フライホイールロータ５の軸方向における一方側の端部（上端部）に連結されるとともに、モータロータ３の軸方向における他方側の端部（下端部）に連結されているので、連結部材１１の軸方向寸法を大きくすることができる。このため、連結部材１１が径方向に変形しやすいものとなり、連結部材１１で吸収される変位量をさらに増やすことができる。その結果、モータロータ３に作用する強制変位量ｄ２をさらに効果的に減少させることができる。なお、軸方向における端部とは、軸方向における端面だけでなく、端面近傍の周面も含む概念である。
【００３２】
また、本実施形態では、連結部材１１は、フライホイールロータ５の軸方向における一方側の端面（上端面）に連結されるとともに、モータロータ３の軸方向における他方側の端面（下端面）に連結されている。こうすることで、連結部材１１の断面形状をＳ字状にすることができ、連結部材１１の形状剛性を小さくすることができるので、連結部材１１で吸収される変位量をさらに増やすことができる。その結果、モータロータ３に作用する強制変位量ｄ２をさらに効果的に減少させることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、例えば以下のように、特許請求の範囲に記載した限りにおいて適宜変更が可能なものである。
【００３４】
上記実施形態では、湾曲部１１ｂ及び折曲部１１ｄが１つずつ形成された連結部材１１を用いた。しかしながら、連結部材１１の具体的形状はこれに限定されず、適宜変更が可能である。例えば、湾曲部１１ｂや折曲部１１ｄの数が多いほど、連結部材１１がばねの特性に近づき変形しやすくなるため、必要に応じて湾曲部１１ｂや折曲部１１ｄの数を増やしてもよい。また、湾曲部１１ｂや折曲部１１ｄを設けなくてもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、連結部材１１が、フライホイールロータ５の上端面に連結されるとともに、モータロータ３の下端面に連結されるものとした。しかしながら、連結部材１１が、フライホイールロータ５の下端面に連結されるととともに、モータロータ３の上端面に連結されるようにしてもよい。あるいは、連結部材１１をフライホイールロータ５やモータロータ３の端面ではなく、周面（側面）に連結するようにしてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、連結部材１１によってモータロータ３とフライホイールロータ５とが連結されるものとした。しかしながら、例えば図３や図４に示すフライホイール蓄電装置１０１、２０１のように、連結部材１１１、２１１がモータロータ３とハブ６とを連結するものであってもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、連結部材１１が回転体７と連結されている第１連結位置Ｐ１が、連結部材１１がモータロータ３と連結されている第２連結位置Ｐ２よりも径方向外側に位置しているものとした。しかしながら、例えば図３に示すフライホイール蓄電装置１０１のように、連結部材１１１が回転体７（ハブ６）と連結されている第１連結位置Ｐ１が、連結部材１１１がモータロータ３と連結されている第２連結位置Ｐ２と径方向において同じ位置となるようにしてもよい。この場合、連結部材１１１の径方向寸法をコンパクトにできる。
【００３８】
あるいは、例えば図４に示すフライホイール蓄電装置２０１のように、連結部材２１１が回転体７（ハブ６）と連結されている第１連結位置Ｐ１を、連結部材２１１がモータロータ３と連結されている第２連結位置Ｐ２よりも径方向内側としてもよい。こうすれば、回転時に第１連結位置Ｐ１に生じる径方向外側への変位量を小さくすることができ、その結果、モータロータ３に作用する強制変位量を効果的に減少させることができる。
【００３９】
また、上記実施形態では、ボルト等の締結部材によって、連結部材１１をモータロータ３や回転体７に固定するものとしたが、固定手段はこれに限定されず、溶接等で固定してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態のモータジェネレータ４は、ステータ２の径方向外側にモータロータ３が配置されるものとしたが、モータロータ３の径方向外側にステータ２が配置される構成であってもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、回転体７がフライホイールロータ５及びハブ６を有して構成されるものとした。しかしながら、このようにフライホイールロータ５とハブ６とが別体として構成されることは必須ではなく、回転体７をフライホイールロータ５とハブ６とが一体的に構成されたものとしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１、１０１、２０１  フライホイール蓄電装置
２  ステータ
３  モータロータ
４  モータジェネレータ
５  フライホイールロータ
６  ハブ
７  回転体
１１、１１１、２１１  連結部材
１１ｂ  湾曲部
１１ｄ  折曲部
Ｒ  回転軸
Ｐ１  第１連結位置
Ｐ２  第２連結位置
【図１】
2018038219.tif 000003
【図２】
2018038219.tif 000004
【図３】
2018038219.tif 000005
【図４】
2018038219.tif 000006