(57)【要約】      （修正有）【課題】回転運動エネルギーを貯蔵するリング、アセンブリ、制御システム、及び少なくとも２つのモータ／発電機を含む、外部エネルギー供給源によって生成される電気エネルギーを貯蔵するシステムを提供する。【解決手段】制御システム１０は、電流を、リングを浮上させ垂直方向に安定させるために垂直力を発生させるように各浮上電磁石に及びリングを中心に移動させ水平方向に安定させるために、半径方向の力を生成するように各センタリング電磁石に供給する。少なくとも２つのモータ／発電機は、エネルギー供給源からリングの回転運動エネルギーの形態でリングへの電気エネルギー及びその後のリングの回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするために、リングのリアクションレールと電磁的に係合し、リングに可逆トルクを加える。【選択図】図１
2018033297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転運動エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵リングであって、前記エネルギー貯蔵リングの内周面から突き出ている非磁性、高透磁率、高抵抗率浮上レールと、前記エネルギー貯蔵リングの前記内周面に非磁性、高透磁率、高抵抗率センタリングレールと、前記エネルギー貯蔵リングの前記内周面にモータ／発電機リアクションレールと、を備えるエネルギー貯蔵リングと、
複数の独立支持体を備えるアセンブリであって、各独立支持体は、浮上電磁石の磁極面が前記エネルギー貯蔵リングの前記浮上レールの最上部突出面に対向するように前記浮上電磁石に解放可能に付着可能であり、且つセンタリング電磁石の磁極面が前記エネルギー貯蔵リングの前記センタリングレールの表面に対向するように前記センタリング電磁石に解放可能に付着可能である、アセンブリと、
少なくとも２つのモータ／発電機と、
前記アセンブリ及び前記少なくとも２つのモータ／発電機の各々に結合される制御システムであって、前記制御システムは、前記エネルギー貯蔵リングを浮上し且つ垂直方向に安定させるように垂直方向の力を生成するために前記アセンブリの各浮上電磁石に電流を供給し、前記エネルギー貯蔵リングを中心に移動させ且つ水平方向に安定させるように半径方向の力を生成するために前記アセンブリの各センタリング電磁石に電流を供給し、且つ前記エネルギー貯蔵リングに対して外部のエネルギー供給源から前記エネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーへの電気エネルギー及びその後の前記エネルギー貯蔵リングの前記回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするために、前記エネルギー貯蔵リングの前記リアクションレールに電磁的に係合し、前記エネルギー貯蔵リングに可逆トルクを加えるように前記少なくとも２つのモータ／発電機の各々を制御するように構成される、制御システムと、
を備えるエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記アセンブリは
複数のタッチダウン軸受を更に備え、それぞれのタッチダウン軸受は、前記制御システムが各浮上電磁石及び各センタリング電磁石への電流の供給を中断する場合、前記エネルギー貯蔵リングの一部を支持するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
それぞれのタッチダウン軸受は半径方向に移動可能であり、前記制御システムは、前記エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされる前記エネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、それぞれのタッチダウン軸受を、前記それぞれのタッチダウン軸受を半径方向に移動させるように制御するように構成される、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
それぞれの独立支持体は前記それぞれの浮上電磁石を半径方向に移動させるように構成され、前記制御システムは、前記エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされる前記エネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、前記それぞれの浮上電磁石を半径方向に移動させるように、各独立支持体を独立に制御するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
それぞれの独立支持体は前記それぞれのセンタリング電磁石を半径方向に移動させるように構成され、前記制御システムは、前記エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされる前記エネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、前記それぞれのセンタリング電磁石を半径方向に移動させるように、各独立支持体を制御するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記複数の独立支持体のうちの第１独立支持体は、前記少なくとも２つのモータ／発電機のうちの第１モータ／発電機に解放可能に付着するように構成され、前記複数の独立支持体のうちの第２独立支持体は、前記少なくとも２つのモータ／発電機のうちの第２モータ／発電機に解放可能に付着するように構成され、前記第１独立支持体及び前記第２独立支持体は直径方向に対向する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
第１独立支持体は前記第１モータ／発電機を半径方向に移動させるように構成され、第２独立支持体は前記第２モータ／発電機を半径方向に移動させるように構成され、前記制御システムは、前記エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされる前記エネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、前記第１モータ／発電機及び前記第２モータ／発電機を制御するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記エネルギー貯蔵リングは第２モータ／発電機リアクションレールを備え、前記エネルギー貯蔵リングの前記センタリングレールは前記エネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する水平面内に配置され、前記リアクションレールは前記エネルギー貯蔵リングの前記質量中心を通って延在する前記平面の上方に配置され、前記第２リアクションレールは前記エネルギー貯蔵リングの前記質量中心を通って延在する前記平面の下方に配置される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記エネルギー貯蔵リングは前記リングの前記内周面に第２非磁性、高透磁率、高抵抗率センタリングレールを更に備え、各独立支持体は、第２センタリング電磁石に、前記第２センタリング電磁石の磁極面が前記第２センタリングレールと対向するように、解放可能に付着可能であり、前記センタリングレールは前記エネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する水平面の上方に配置され、前記第２センタリングレールは前記エネルギー貯蔵リングの前記質量中心を通って延在する前記水平面の下方に配置される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのモータ／発電機の各々はリニア同期電気モータ／発電機である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
前記制御システムは、それぞれのリニア同期電気モータ／発電機の可変周波数駆動を、前記エネルギー貯蔵システムに課される変動電力要求に従って前記それぞれのリニア同期電気モータ／発電機の速度及び推力を変えるために、制御するように更に構成される、請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記エネルギー貯蔵リングに対して外部の前記エネルギー供給源から前記エネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーに変換される電気エネルギー及び前記エネルギー貯蔵リングの前記回転運動エネルギーから回収され、外部ユーザに伝送される電気エネルギーを局所的に貯蔵するように構成される無停電電源（ＵＰＳ）を更に備える請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
前記ＵＰＳは、前記エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、前記制御システムの連続動作のために電力を供給するように構成される、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記浮上電磁石及び前記センタリング電磁石のうちの少なくとも１つは、永久磁石コア及び前記永久磁石コアを囲む電磁石コイルを備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、各モータ／発電機を冷却するように構成される冷却機構を更に備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１６】
前記冷却機構は、前記エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、前記アセンブリ及び前記制御システムを冷却するように更に構成される、請求項１５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１７】
前記アセンブリは前記エネルギー貯蔵リングの周囲の周りに配置される３つの個別サブアセンブリを備え、それぞれの個別サブアセンブリは隣接する個別サブアセンブリから等距離に配置され、それぞれの個別サブアセンブリは前記独立支持体の１つを備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１８】
前記少なくとも２つのモータ／発電機は３つのモータ／発電機を備え、各独立支持体は前記３つのモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能である、請求項１７に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１９】
前記アセンブリは、前記エネルギー貯蔵リングの周囲の周りに配置される複数の個別サブアセンブリを備え、それぞれの個別サブアセンブリは前記複数の独立支持体のうちの１つを備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２０】
前記少なくとも２つのモータ／発電機は複数のモータ／発電機を備え、各独立支持体は前記複数のモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能である、請求項１９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２１】
前記複数の個別サブアセンブリは、前記エネルギー貯蔵リングの前記周囲の周りに対で配置され、個別サブアセンブリの各対は、第１個別サブアセンブリ及び前記第１個別サブアセンブリと直径方向に対向する第２個別サブアセンブリを備える、請求項２０に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２２】
前記少なくとも２つのモータ／発電機は第１モータ／発電機及び第２モータ／発電機を備え、前記個別サブアセンブリの対のうちの１つの前記第１個別サブアセンブリの前記独立支持体は、前記第１モータ／発電機に解放可能に付着可能であり、前記個別サブアセンブリの対のうちの前記１つの前記第２個別サブアセンブリの前記独立支持体は、前記第２モータ／発電機に解放可能に付着可能である、請求項２１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２３】
前記少なくとも２つのモータ／発電機は複数のモータ／発電機を備え、個別サブアセンブリの各対のうちの各個別サブアセンブリの前記独立支持体は、前記複数のモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能である、請求項２１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２４】
各個別サブアセンブリは、
前記制御システムが各浮上電磁石への電流の供給を中断する場合、前記エネルギー貯蔵リングの一部を支持するように構成されるタッチダウン軸受を備える、請求項１９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２５】
前記制御システムは、前記タッチダウン軸受が前記エネルギー貯蔵リングの直下に位置し且つエネルギー貯蔵リングから離れている第１位置から、前記タッチダウン軸受が、前記エネルギー貯蔵リングの重量を支えるために、前記エネルギー貯蔵リングの真下に位置し且つ前記エネルギー貯蔵リングと接触している第２位置に、前記タッチダウン軸受を垂直方向に変位させるようにそれぞれの個別サブアセンブリを独立に制御するように構成される、請求項２４に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２６】
それぞれの個別サブアセンブリは、
それぞれの個別サブアセンブリに結合されるラジアル補償器モジュールを更に備え、それぞれのラジアル補償器モジュールは、前記エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされる前記エネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、前記それぞれの個別サブアセンブリを半径方向に変位させるラジアルアクチュエータを備える、請求項１９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２７】
前記制御システムはそれぞれのラジアル補償器モジュールを制御するように更に構成される、請求項２６に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２８】
前記センタリング電磁石上に配置される複数の第１エアギャップセンサを更に備え、各第１エアギャップセンサはそれぞれのセンタリング電磁石の磁極面と前記センタリングレールの前記表面との間のエアギャップの幅を測定するように構成される、請求項２７に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２９】
前記浮上電磁石上に配置される複数の第２エアギャップセンサを更に備え、各第２エアギャップセンサはそれぞれの浮上電磁石の磁極面と前記浮上レールの前記最上部突出面との間のエアギャップの幅を測定するように構成される、請求項２８に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３０】
前記制御システムは、それぞれのセンタリング電磁石の磁極面と前記センタリングレールの前記表面との間の前記第１エアギャップの前記幅において一定の寸法を維持するために、各センタリング電磁石に供給される前記電流を制御し、且つそれぞれのラジアル補償器モジュールを制御するように、各第１エアギャップセンサから受信される第１データを処理するように更に構成される、請求項２９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３１】
前記制御システムは、それぞれの浮上電磁石の磁極面と前記浮上レールの前記最上部突出面との間の前記第２エアギャップの前記幅において一定の寸法を維持するために、各第２エアギャップセンサから受信される第２データを処理し、各浮上電磁石に供給される前記電流を制御するように更に構成される、請求項３０に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３２】
前記エネルギー貯蔵リングを収容するように構成される格納構造体を更に備え、前記格納構造体は、前記エネルギー貯蔵リングが回転している場合、前記エネルギー貯蔵リングの空気抵抗を低減させる内部空気圧を有する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３３】
前記格納構造体は円形であり、矩形の断面を備える、請求項３２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３４】
前記格納構造体は少なくとも１つのアクセスポートを有する天盤を備え、前記少なくとも１つのアクセスポートの各々は、隣接する個別サブアセンブリの間に位置する前記格納構造体の内部のエネルギー貯蔵リングサービス領域にアクセスするためにある、請求項３２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３５】
前記格納構造体は、それぞれのサブアセンブリ用の交換部品を運ぶガントリーシステムを収容するように更に構成される、請求項３２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、断続的な再生可能エネルギー供給源を含む外部供給源によって生成される電気エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたり、リチウムイオン電池、ウルトラキャパシタ、及びフライホイールなどの幾つかの様々な技術が、再生可能エネルギー供給源によって生成される電気エネルギーを貯蔵するために開発されてきた。１つの技術は、再生可能エネルギー供給源によって生成される電気エネルギーを貯蔵する浮上リングエネルギー貯蔵デバイスを記載している特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されているエネルギー貯蔵リングは、回転リングの内周に接着される永久磁石のハルバッハ配列から得られる磁気剪断力によって浮上し、そのハルバッハ配列は、小さなギャップで回転リングから離れている、固定された同心の円筒形の支持構造体の外周に接着される同様の永久磁石のハルバッハ配列に結合する。特許文献１に記載されている浮上リングエネルギー貯蔵デバイスの限界は、永久磁石によって提供される磁気浮上剪断力を制御することができなく、且つ無くすことができないことである。浮上リングエネルギー貯蔵デバイスが一旦組み立てられると、非常に大きな外部から加えられた力が、エネルギー貯蔵リングを周囲の固定円筒形の支持構造体から分離するために、必要であり、それが、浮上リングエネルギー貯蔵デバイスの修理及び維持を非常に困難にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８７３，２３５号
【発明の概要】
【０００４】
実施形態の１つの態様によれば、エネルギー貯蔵システムは回転運動エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵リングを含み、エネルギー貯蔵リングは、エネルギー貯蔵リングの内周面から突き出ている非磁性、高透磁率、高電気抵抗の浮上レール、エネルギー貯蔵リングの内周面に非磁性、高透磁率、高電気抵抗センタリングレール、及びエネルギー貯蔵リングの内周面にモータ／発電機リアクションレールを備える。エネルギー貯蔵システムはまた、複数の独立支持体、ここで各独立支持体は、浮上電磁石の磁極面が浮上レールの最上部突出面に対向するように浮上電磁石に解放可能に付着可能であり、且つセンタリング電磁石の磁極面がセンタリングレールの表面に対向するようにセンタリング電磁石に解放可能に付着可能である、を備えるアセンブリと、少なくとも２つのモータ／発電機と、アセンブリ及び少なくとも２つのモータ／発電機の各々に結合される制御システムとを含む。制御システムは、エネルギー貯蔵リングを浮上し且つ垂直方向に安定させるように垂直方向の力を生成するためにアセンブリの各浮上電磁石に電流を供給し、エネルギー貯蔵リングを中心に移動させ且つ水平方向に安定させるように半径方向の力を生成するためにアセンブリの各センタリング電磁石に電流を供給し、且つエネルギー貯蔵リングに対して外部のエネルギー供給源からエネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーへの電気エネルギー及びその後のエネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするために、エネルギー貯蔵リングのリアクションレールに電磁的に係合し、エネルギー貯蔵リングに可逆トルクを加えるために少なくとも２つのモータ／発電機の各々を制御するように構成される。
【０００５】
アセンブリは複数のタッチダウン軸受を含んでもよく、それぞれのタッチダウン軸受は、制御システムが各浮上電磁石及び各センタリング電磁石への電流の供給を中断する場合、エネルギー貯蔵リングの一部を支持するように構成される。
【０００６】
それぞれのタッチダウン軸受は半径方向に移動可能としてもよく、制御システムは、エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされるエネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、それぞれのタッチダウン軸受を、それぞれのタッチダウン軸受を半径方向に移動させるように制御するように構成される。
【０００７】
それぞれの独立支持体はそれぞれの浮上電磁石を半径方向に移動させるように構成されてもよく、制御システムは、エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされるエネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、それぞれの浮上電磁石を半径方向に移動させるように、各独立支持体を独立に制御するように構成される。
【０００８】
それぞれの独立支持体はそれぞれのセンタリング電磁石を半径方向に移動させるように構成されてもよく、制御システムは、エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされるエネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、それぞれのセンタリング電磁石を半径方向に移動させるように、各独立支持体を制御するように構成される。
【０００９】
複数の独立支持体のうちの第１独立支持体は、少なくとも２つのモータ／発電機のうちの第１モータ／発電機に解放可能に付着するように構成されてもよく、複数の独立支持体のうちの第２独立支持体は、少なくとも２つのモータ／発電機のうちの第２モータ／発電機に解放可能に付着するように構成されてもよく、第１独立支持体及び第２独立支持体は直径方向に対向する。
【００１０】
第１独立支持体は第１モータ／発電機を半径方向に移動させるように構成されてもよく、第２独立支持体は第２モータ／発電機を半径方向に移動させるように構成され、制御システムは、エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされるエネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するために、第１モータ／発電機及び第２モータ／発電機を制御するように構成されてもよい。
【００１１】
エネルギー貯蔵リングは第２モータ／発電機リアクションレールを含んでもよい。エネルギー貯蔵リングのセンタリングレールは、エネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する水平面内に配置されてもよく、リアクションレールは、エネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する平面の上方に配置されてもよく、第２リアクションレールは、エネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する平面の下方に配置されてもよい。
【００１２】
エネルギー貯蔵リングはリングの内周面に第２非磁性、高透磁率、高抵抗率センタリングレールを更に含むことができる。各独立支持体は、第２センタリング電磁石の磁極面が第２センタリングレールと対向するように、第２センタリング電磁石に解放可能に付着可能としてもよく、センタリングレールはエネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する水平面の上方に配置されてもよく、第２センタリングレールはエネルギー貯蔵リングの質量中心を通って延在する水平面の下方に配置されてもよい。
【００１３】
少なくとも２つのモータ／発電機の各々はリニア同期電気モータ／発電機としてもよい。
【００１４】
制御システムは、エネルギー貯蔵システムに課される変動電力要求に従って、それぞれのリニア同期電気モータ／発電機の速度及び推力を変えるために、それぞれのリニア同期電気モータ／発電機の可変周波数駆動を制御するように更に構成されることができる。
【００１５】
エネルギー貯蔵システムは、エネルギー貯蔵リングに対して外部のエネルギー供給源からエネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーに変換される電気エネルギー及びエネルギー貯蔵リングの回転運動エネルギーから回収され、外部ユーザに伝送される電気エネルギーを局所的に貯蔵するように構成される無停電電源（ＵＰＳ：ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔａｂｌｅ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）を含んでもよい。
【００１６】
ＵＰＳは、エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、制御システムの連続動作のために電力を供給するように構成されてもよい。
【００１７】
浮上電磁石及びセンタリング電磁石のうちの少なくとも１つは、永久磁石コア及び永久磁石コアを囲む電磁石コイルを含んでもよい。
【００１８】
エネルギー貯蔵システムはまた、エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、各モータ／発電機を冷却するように構成される冷却機構を含んでもよい。
【００１９】
冷却機構は、エネルギー貯蔵リングが浮上され回転している場合、アセンブリ及び制御システムを冷却するように構成されてもよい。
【００２０】
アセンブリは、エネルギー貯蔵リングの周囲の周りに配置される３つの個別サブアセンブリを含んでもよく、それぞれの個別サブアセンブリは隣接する個別サブアセンブリから等距離に配置され、それぞれの個別サブアセンブリは独立支持体の１つを備える。
【００２１】
少なくとも２つのモータ／発電機は３つのモータ／発電機を含んでもよく、各独立支持体は３つのモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能としてもよい。
【００２２】
アセンブリは、エネルギー貯蔵リングの周囲の周りに配置される複数の個別サブアセンブリを含んでもよく、それぞれの個別サブアセンブリは、複数の独立支持体のうちの１つを含む。
【００２３】
少なくとも２つのモータ／発電機は複数のモータ／発電機を含むことができ、各独立支持体は複数のモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能としてもよい。
【００２４】
複数の個別サブアセンブリは、エネルギー貯蔵リングの周囲の周りに対で配置されてもよく、個別サブアセンブリの各対は、第１個別サブアセンブリ及び第１個別サブアセンブリと直径方向に対向する第２個別サブアセンブリを含んでもよい。
【００２５】
少なくとも２つのモータ／発電機は、第１モータ／発電機及び第２モータ／発電機を含んでもよく、個別サブアセンブリの対のうちの１つの第１個別サブアセンブリの独立支持体は、第１モータ／発電機に解放可能に付着可能としてもよく、個別サブアセンブリの対のうちの１つの第２個別サブアセンブリの独立支持体は、第２モータ／発電機に解放可能に付着可能としてもよい。
【００２６】
少なくとも２つのモータ／発電機は複数のモータ／発電機を含んでもよく、個別サブアセンブリの各対のうちの各個別サブアセンブリの独立支持体は、複数のモータ／発電機のうちの１つに解放可能に付着可能としてもよい。
【００２７】
各個別サブアセンブリは、制御システムが各浮上電磁石への電流の供給を中断する場合、エネルギー貯蔵リングの一部を支持するように構成されるタッチダウン軸受を含んでもよい。
【００２８】
制御システムは、タッチダウン軸受がエネルギー貯蔵リングの直下に位置し且つエネルギー貯蔵リングから離れている第１位置から、タッチダウン軸受が、エネルギー貯蔵リングの重量を支えるために、エネルギー貯蔵リングの真下に位置し且つエネルギー貯蔵リングと接触している第２位置に、タッチダウン軸受を垂直方向に変位させるようにそれぞれの個別サブアセンブリを独立に制御するように構成されることができる。
【００２９】
それぞれの個別サブアセンブリは、それぞれの個別サブアセンブリに結合されるラジアル補償器モジュールを含んでもよく、それぞれのラジアル補償器モジュールは、エネルギー貯蔵リングの回転速度の変動によって引き起こされるエネルギー貯蔵リングの半径の変動を補償するためにそれぞれの個別サブアセンブリを半径方向に変位させるラジアルアクチュエータを含んでもよい。
【００３０】
制御システムは、それぞれのラジアル補償器モジュールを制御するように構成されてもよい。
【００３１】
エネルギー貯蔵システムはまた、センタリング電磁石上に配置される複数の第１エアギャップセンサを含んでもよく、各第１エアギャップセンサは、それぞれのセンタリング電磁石の磁極面とセンタリングレールの表面との間のエアギャップの幅を測定するように構成される。
【００３２】
エネルギー貯蔵システムはまた、浮上電磁石上に配置される複数の第２エアギャップセンサを含んでもよく、各第２エアギャップセンサは、それぞれの浮上電磁石の磁極面と浮上レールの最上部突出面との間のエアギャップの幅を測定するように構成される。
【００３３】
制御システムは、それぞれのセンタリング電磁石の磁極面とセンタリングレールの表面との間の第１エアギャップの幅において一定の寸法を維持するために、各センタリング電磁石に供給される電流を制御し、且つそれぞれのラジアル補償器モジュールを制御するように、各第１エアギャップセンサから受信される第１データを処理するように構成されてもよい。
【００３４】
制御システムはまた、それぞれの浮上電磁石の磁極面と浮上レールの最上部突出面との間の第２エアギャップの幅において一定の寸法を維持するために、各第２エアギャップセンサから受信される第２データを処理し、且つ各浮上電磁石に供給される電流を制御するように構成されてもよい。
【００３５】
エネルギー貯蔵システムはまた、エネルギー貯蔵リングを収容するように構成される格納構造体を含むことができ、格納構造体は、エネルギー貯蔵リングが回転している場合、エネルギー貯蔵リングの空気抵抗を低減させる内部空気圧を有する。
【００３６】
格納構造体は円形としてもよく、矩形の断面を有してもよい。
【００３７】
格納構造体は、少なくとも１つのアクセスポートを有する天盤を含んでもよく、少なくとも１つのアクセスポートの各々は、隣接する個別サブアセンブリの間に位置する格納構造体の内部のエネルギー貯蔵リングサービス領域にアクセスするためにある。
【００３８】
格納構造体は、それぞれのサブアセンブリ用の交換部品を運ぶガントリーシステムを収容するように構成されてもよい。
【００３９】
本発明の実施形態は、例として、図面及び以下の説明を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態による、電気エネルギーを生成し、貯蔵し、供給するシステムのブロック図である。
【図２】実施形態による、図１のシステムのエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵リングの断面図である。
【図３】図１のシステムのエネルギー貯蔵装置の上面図である。
【図４】図３のエネルギー貯蔵装置のサブアセンブリの側面図である。
【図５】図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、それぞれ、図４のサブアセンブリの浮上電磁石の上面図、側面図、及び端面図である。
【図６】図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、それぞれ、図４のサブアセンブリの上部センタリング電磁石の側面図、上面図、及び端面図である。
【図７】図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃは、それぞれ、図４のサブアセンブリの下部センタリング電磁石の側面図、上面図、及び端面図である。
【図８】図１のエネルギー貯蔵リングの垂直変位を制御する、図１のエネルギー貯蔵装置の制御システムの一部を示すブロック図である。
【図９】動作中に摂動状態にある図１のエネルギー貯蔵リングのジオメトリを示すグラフであり、そのジオメトリでは、エネルギー貯蔵リングの角運動量軸Ｌが方位角φにおける水平面内のノード線の周りに角度θだけ垂直方向から回転している。
【図１０】図１のエネルギー貯蔵リングの半径方向変位を制御する、図１のエネルギー貯蔵装置の制御システムの別の部分を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、動作中に摂動状態にある図１のエネルギー貯蔵リングのジオメトリを示すグラフであり、その質量中心がベクトル
【数１】
2018033297.tif 000003
だけ座標の原点Ｏから変位され、その半径は「Ｅ」だけ増分されている。
【図１２】実施形態による、格納構造体内に収容される図３のアセンブリのサブアセンブリの側面図である。
【図１３】図１２のエネルギー貯蔵リングガントリーサービスシステムの上面図である。
【図１４】別の実施形態による、エネルギー貯蔵システムのアセンブリのサブアセンブリの側面図である。
【図１５】更に別の実施形態による、エネルギー貯蔵システムのアセンブリのサブアセンブリの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
説明の簡潔さ及び明瞭さの目的で、参照番号が、対応する又は類似の要素を示すために図面間で繰り返えされる可能性がある。本明細書に記載されている実施形態の理解を提供するために多くの詳細が記載されている。実施形態はこれらの詳細無しに実施されてもよい。他の例では、周知の方法、手順、及び構成要素は、記載されている実施形態を不明瞭にすることを避けるために詳細には記載されていない。説明は、本明細書に記載されている実施形態の範囲に限定されると見なされるべきではない。
【００４２】
本開示は、概ね、例えば断続的な再生可能エネルギー供給源などのエネルギー供給源によって生成される電気エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵システムに関する。断続的な再生可能エネルギー供給源の例は、光起電力太陽電池アレイ、風力タービン、潮流エネルギー発電機、及び同様なものを含む。
【００４３】
図１は、電気エネルギーを生成し、貯蔵し、送るシステム（以下、システム１０と呼ぶ）の例示的な実施形態のブロック図を示す。システム１０は、電気エネルギーを生成する電気エネルギー供給源２０（以下、供給源２０と呼ぶ）、電力管理システム３０、電気エネルギーシンク４０（以下、シンク４０と呼ぶ）、及び供給源２０によって生成される電気エネルギーを貯蔵するためのエネルギー貯蔵装置１００を含む。供給源２０は、電力管理システム３０に電気エネルギーを供給するために電力管理システム３０に接続される。電力管理システム３０は、供給源２０によって生成される電気エネルギーをシンク４０に供給するためにシンク４０に接続される。電力管理システム３０はまた、以下で更に詳細に説明するように、エネルギー貯蔵装置１００から電気エネルギーを受け取り、供給源２０から受け取られる電気エネルギーをエネルギー貯蔵装置１００に伝送するために、エネルギー貯蔵装置１００に双方向に接続される。任意選択的に、電力管理システム３０は、電力グリッド５０に、そこから電気的エネルギーを受け取り、そこに電気エネルギーを供給するために、双方向に接続される。電力管理システム３０はまた、電気エネルギーをグリッド５０からシンク４０に供給してもよい。
【００４４】
図１に示される例示的な実施形態では、供給源２０は断続的な再生可能エネルギー供給源であるが、代替実施形態では、供給源２０は任意の適切な電気エネルギー供給源としてもよい。エネルギー貯蔵装置１００は、エネルギー貯蔵リング２００、アセンブリ３００、制御システム４００、及び少なくとも２つのモータ／発電機５００を含む。制御システム４００は、アセンブリ３００及びモータ／発電機５００を制御するためにアセンブリ３００及びモータ／発電機５００の両方に接続される。任意選択的に、エネルギー貯蔵装置１００は、以下で更に詳細に説明するように、エネルギー貯蔵装置１００の動作中に、電力管理システム３０及び／又は少なくとも２つのモータ／発電機５００から電気エネルギーを受け取るために、電力管理システム３０及び少なくとも２つのモータ／発電機５００に接続される無停電電源装置（ＵＰＳ）６００を含む。
【００４５】
図２を参照すると、図１のシステム１０のエネルギー貯蔵装置１００のリング２００の実施形態の断面図が示されている。リング２００は、最上部２０２、最下部２０４、及び内周面２０６を含む。リング２００はまた、リング２００の最上部２０２の近くに配置される上部センタリングレール２０８、リング２００の最下部２０４の近くに配置される浮上レール２１０、上部センタリングレール２０８と浮上レール２１０との間に配置される下部センタリングレール２１２、及び上部センタリングレール２０８と下部センタリングレール２１２との間に配置されるモータ／発電機リアクションレール２１４（以下、リアクションレール２１４と呼ぶ）を含む。上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２は、各々、リング２００の内周面２０６の周りに連続している。リアクションレール２１４は、低比透磁率材料のブロックによって分離される規則的に離間した永久磁石を含み、リング２００の内周面２０６の周りにもまた連続している。上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２並びにリアクションレール２１４は各々、例えば、リング２００の内周面２０６に埋め込まれる蟻継ぎスロットによって、リング２００の内周にそれぞれしっかりと付着される。
【００４６】
リング２００は高引張強度、低密度材料で構築される。上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２は、それぞれ、高比透磁率及び高電気抵抗率を有する非磁性材料で構築される。本開示の目的のために、高引張強度、低密度材料は典型的には１０００ＭＰａを超える引張強度及び典型的には１立方センチメートル当たり４グラム未満の密度を有する材料である。高引張強度、低密度材料の例は炭素繊維複合材、Ｅ−ガラス繊維複合材、及びケブラーを含む。本開示の目的のために、非磁性材料は永久磁化を持たない材料であり、高比透磁率材料は典型的には１０００より大きい比透磁率を有する材料であり、高い電気抵抗率材料は典型的には５０オーム・メートルを超える電気抵抗率を有する材料である。非磁性、高透磁率、高電気抵抗率材料の例は、マンガン−亜鉛フェライト及びニッケル−亜鉛フェライトである。リング２００の断面は高いアスペクト比を有する。言い換えれば、リング２００の平均断面幅に対するリング２００の平均垂直高さの比は、典型的には２より大きい。リング２００の断面は、概ね矩形としてもよい。代替的に、リング２００の横断面は、エネルギー貯蔵装置１００の動作中、エネルギー貯蔵装置１００の動的性能を最適化するために、リング２００の断面質量中心３２４（図４）を最適に変位させるために、及びリング２００の振動モードを減衰させるために、概ね矩形でない可能性がある。
【００４７】
リング２００は中央の製造施設で構築され、設置のために運転場所に輸送されてもよい。代替的に、リング２００が輸送に適していない場合、リング２００は、運転場所において「現場で」構築されてもよい。リング２００は、例えば、「モノリシック構築」（例えば、単一ピースで作られる）又は「層状セグメント化」構築方法によって構築されてもよい。例えば、リング２００が運転場所で「モノリシック構築」を使用して且つ「現場で」構築される場合、構築プロセスは、リング２００の外寸と等しい内寸を有する円形体を構築すること及び垂直軸の周りに回転されることになっている円形体が例えば電動モータによって動力を与えられるローラの円形配置のような適切な機械的機構によって駆動されることを可能にするように、円形体を回転式「心棒」タイプ又は円形「タッチダウン軸受」タイプの構造体上に置くことを含む。リング２００は、例えば炭素繊維複合材のような任意の適切な材料を用いて、リング２００が完成するまで円形体が回転されるにつれて、炭素繊維材料を、例えばエポキシのような適切な結合材料と共に、円形体に挿入することによって構築されてもよい。次いで、完成したリング２００及び心棒は、リング２００の任意の必要な「硬化」に適した環境を提供するために適切な構造体によって覆われる又は包囲される。
【００４８】
「モノリシック構築」では、適切な蟻継ぎ断面を有する上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、下部センタリングレール２１２、及びリアクションレール２１４は、リング２００の構成が進むにつれて、円形体の内壁の適切な位置に付着され、リング２００内に埋め込まれてもよい。
【００４９】
代替的に、上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、下部センタリングレール２１２、及びリアクションレール２１４をリング２００に埋め込むことなく、「モノリシック構築」を進めてもよい。モノリシックのリングの制作後、上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２用の並びにリアクションレール２１４用の蟻継ぎスロットが、リング２００が回転するにつれて適切な工作機械によって回転しているリング２００の中に機械加工又は研削されることができ、その後、一対の垂直「アクセススロット」が互いに直径方向に対向してリング２００の内周面２０６上に機械加工され、それを通して、レール材料の短いセグメント又は「スラブ」が、適切なレール断面に機械加工されて、レールスロットに通され、張り出した蟻継ぎの後ろのスロットの周りをレールの適切な位置まで水平にスライドされることができ、その後すぐにそれは所定の位置で接着される。この手順は、スロットを充填し連続レールを形成するのに必要な数の断面スラブを用いて繰り返される。制御レールは、スロットの最下部の接着の引張強度、スロットの側面の接着の剪断強度、及びリング材料の張り出した蟻継ぎの剪断強度によって固定される。その後、リング材料が２つの「アクセススロット」の所定の位置に接着され、工程を完了する。
【００５０】
「モノリシックリング構築」では、リアクションレール２１４は、リアクションレール２１４が低比透磁率材料のブロックによって分離されている規則的に離間した永久磁石からなることを除いて、同様の方法で進行する。リアクションレール２１４の蟻継ぎスロットは、そのスロットが充填され、アクセススロットが覆われるまで、低比透磁率材料と交互となる永久磁石材料の交互のセクションで充填される。
【００５１】
リング２００の構築の「層状セグメント化」方法は、例えば、リング２００のＭｓｅｇ平面円弧セグメントのＮｌａｙｅｒ層をセグメントの各端部において蟻継ぎ連結で積み重ねることによって進む。各層のセグメント（最下部層を除く）は、下のセグメントの最上部における対応する「穴」に入り込むセグメントの下側から突出している連結「ペグ」を有する。蟻継ぎ連結セグメントの円形配置は、角度（２＊π）／（Ｎｌａｙｅｒ＊Ｍｓｅｇ）ラジアンだけ下の層に対して方位角方向にシフトされる。リング２００の層の間の方位のシフトは、リング２００の任意の垂直断面が１つより多くの蟻継ぎ層の継ぎ目を含まないことを保証する。適切な接着材料がすべての表面に塗布される。
【００５２】
「モノリシック構築」の場合と同様に、上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２は円形であり、高比透磁率及び高電気抵抗率を有する材料で構築される。上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２の各々は、端から端まで配置されると全円形レールを構成する一連の円弧セグメントで適切な断面を有して作られる。リング２００を構成する層は、上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２が積み重ねられるので、それら用に空間を残すように設計される。蟻継ぎスロットの最下部を形成する下部層は、下部蟻継ぎ張り出し部の後ろの適所に落下され接着されるので、上部センタリングレール２０８、浮上レール２１０、及び下部センタリングレール２１２のセグメントを支持するように機械加工された溝を有する。後続の層は、蟻継ぎスロットの最上部を形成する層に達するまで、制御レールセグメント及びその下の層に加えられ、接着される。この最上層はまた、レールを収容するための機械加工された溝及び蟻継ぎ張り出し部を有し、所定の場所に落とされ接着され、制御レールを適所にロックする。モータ／発電機用リアクションレール２１４も同様の方法で構築される。
【００５３】
図３を参照すると、図１のエネルギー貯蔵装置１００の例示的な実施形態の上面図が示されている。エネルギー貯蔵装置１００は、内壁１０４及び外壁１０６を含み、内壁１０４と外壁１０６との間にリング２００を収容するように構成される格納構造体１０２を含む。図３に示される実施形態では、格納構造体１０２は、概ね矩形の断面を有する概ね円形の形状を有する。格納構造体１０２は、リング２００が回転しているときにリング２００の空気抵抗を低減させるために、例えば１％〜５％の気圧の内部空気圧を有してもよい。図３に示される格納構造体１０２は概ね円形であるが、その中にリング２００を収容するように構成される他の適切な形状の格納構造体も本発明の範囲内にあることが理解されよう。
【００５４】
エネルギー貯蔵装置１００はまたアセンブリ３００を含む。図示の実施形態では、アセンブリ３００は、リング２００の円周の周りに配置され、リング２００の約５０％を占める１２個の個別サブアセンブリ群３０２−１、３０２−２、３０２−３、３０２−４、３０２−５、３０２−６、３０２−７、３０２−８、３０２−９、３０２−１０、３０２−１１、３０２−１２（以下、個々にサブアセンブリ３０２と称し、集合的にサブアセンブリ群３０２と称する）を含む。各個別サブアセンブリ３０２は、浮上電磁石３０６の磁極面５０６（図５）が浮上レール２１０の最上部突出面３０８（図４）に対向するように、浮上電磁石３０６（図４）に解放可能に付着するように構成される独立支持体３０４（図４）を含む。各サブアセンブリ３０２の独立支持体３０４はまた、上部センタリング電磁石３１０の磁極面６０６（図６）が上部センタリングレール２０８の表面に対向するように、上部センタリング電磁石３１０（図４）に解放可能に付着するように構成され、且つ下部センタリング電磁石３１２の磁極面７０６（図７）が下部センタリングレール２１２の表面に対向するように下部センタリング電磁石３１２に解放可能に付着するように構成される。各個別サブアセンブリ３０２はまた、リング２００の回転速度の変動によって引き起こされるリング２００の半径の変動を補償するために、個別サブアセンブリ３０２の独立支持体３０４を半径方向に変位させるそれぞれの個別サブアセンブリ３０２に結合されるラジアル補償器モジュール３１４を含む。
【００５５】
図３の実施形態に示されるアセンブリ３００は、１２個の個別サブアセンブリ群３０２を含むが、代替の実施形態では、アセンブリ３００は、リング２００の周囲の周りに配置される任意の適切な数の対の個別サブアセンブリ群３０２を含んでもよく、個別サブアセンブリ群３０２のそれぞれの対の第１個別サブアセンブリ３０２は、個別サブアセンブリ群３０２のそれぞれの対の第２個別サブアセンブリ３０２から直径方向に対向する。この実施形態では、アセンブリ３００は１組のモータ／発電機５００を備え、各個別サブアセンブリの独立支持体３０４は、その１組モータ／発電機のうちのモータ／発電機の１つに解放可能に付着可能であるように構成される。
【００５６】
更に別の代替実施形態では、アセンブリ３００は、リング２００の周囲の周りに配置される３つの独立サブアセンブリ群３０２を含んでもよく、それぞれの個別サブアセンブリ３０２は、隣接する個別サブアセンブリ３０２から等距離に配置される。換言すれば、それぞれの個別サブアセンブリ３０２は、隣接する個別サブアセンブリ３０２から角度において１２０度だけ離間している。この実施形態では、エネルギー貯蔵システムは３つのモータ／発電機５００を含む。３つの個別サブアセンブリ群の各々は、３つのモータ／発電機５００のうちの１つに解放可能に付着するように構成される独立支持体３０４を含む。
【００５７】
更に別の実施形態では、アセンブリ３００は、複数の独立支持体を含む連続構造体としてもよい。この実施形態では、各独立支持体は、浮上電磁石の磁極面が浮上レール２１０の最上部突出面と対向するように、浮上電磁石に解放可能に付着し、センタリング電磁石の磁極面がリング２００のセンタリングレールの表面に対向するように、センタリング電磁石に解放可能に付着するように構成される。各独立支持体は、モータ／発電機５００の１つに解放可能に付着するように構成されてもよい。例えば、各個々の支持体は、浮上電磁石３０６に解放可能に付着し、浮上電磁石３０６を半径方向に移動させる第１機械的支持体、並びに上部センタリング電磁石３１０に解放可能に付着し、上部センタリング電磁石３１０を半径方向に移動させる第２機械的支持体、及び下部センタリング電磁石３１２に解放可能に付着し、下部センタリング電磁石３１２を半径方向に移動させる第３の機械的支持体を含む。各個々の支持体はまた、モータ／発電機５００のうちの１つに解放可能に付着し、その１つのモータ／発電機を半径方向に移動させる第４の機械的支持体を含んでもよい。この実施形態では、制御システム４００は、エネルギー貯蔵装置１００の動作中にリング２００の回転速度の変動によって引き起こされるリング２００の半径の変動を補償するために、浮上電磁石３０６、上部センタリング電磁石３１０、下部センタリング電磁石３１２、及び／又は１つのモータ／発電機５００を半径方向に移動させるように第１、第２、第３及び第４の機械的支持体の各々を独立に制御してもよい。
【００５８】
更に他の代替実施形態では、個別サブアセンブリ群３０２の幾つかはモータ／発電機５００を含んでもよい。本発明の任意の所与の実装におけるモータ／発電機５００の総数は、エネルギー貯蔵装置１００の必要な電力入力／出力及びエネルギー貯蔵装置１００に使用されるモータ／発電機５００の推力仕様によって決定されてもよい。各モータ／発電機５００の電気エネルギー電力出力（リング２００が放電している間）及び運動エネルギー電力入力（リング２００が充電している間）は、モータ推力とリングのリアクションレールの接線速度との積である。この積は、すべてのモータ／発電機５００にわたって合計されると、リング２００の電力出力／入力要件と一致する又は越えなければならない。これが、エネルギー貯蔵装置１００の任意の所与の実装に必要なモータ／発電機５００の総数を提供するであろう。
【００５９】
再び図１を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００の制御システム４００は、リング２００を浮上させ、且つ垂直方向に安定させるように垂直力を発生させるために、アセンブリ３００の各浮上電磁石３０６（図４）に電流を供給し、リング２００を中心に移動させ、水平方向に安定させる半径方向の力を発生させるために、アセンブリ３００の各上部センタリング電磁石３１０（図４）及び各下部センタリング電磁石３１２（図４）に電流を供給するように構成される。制御システム４００はまた、システム１０に課される変動する電力需要に応じてモータ／発電機５００の速度及び推力を変化させるために、モータ／発電機５００の可変周波数駆動を制御してもよい。制御システム（図示せず）は、機器ラック（図示せず）に設置することができる制御コンピュータ８０４（図８及び図１０）を含む。機器ラックは格納構造体１０２内に配置されてもよい。代替的に、機器ラックは格納構造体１０２の外に配置されてもよい。
【００６０】
エネルギー貯蔵装置１００の少なくとも２つのモータ／発電機５００は、供給源２０からリング２００の回転運動エネルギーへの電気エネルギー及びその後のリング２００の回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするために、リング２００のリアクションレール２１４に電磁的に係合し、リング２００に可逆トルクを加えるように構成される。図１、２、及び３に示される例示的な実施形態では、少なくとも２つのモータ／発電機５００はリニア同期モータ／発電機である。しかしながら、代替の実施形態では、少なくとも２つのモータ／発電機５００は任意の適切なタイプのモータ／発電機としてもよいことが理解されよう。
【００６１】
ここで図４を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００の個別サブアセンブリ群３０２のうちの１つの例示的な実施形態の側面図が示されている。各個別サブアセンブリ３０２は、図４に示されるサブアセンブリ３０２と同じ構造を有することが理解されよう。上述したように、図示されている例示的な実施形態では、個別サブアセンブリ３０２は、リング２００の一部を囲む独立支持体３０４を含む。独立支持体３０４は、浮上電磁石３０６の磁極面５０６（図５）が浮上レール２１０の最上部突出面３０８に対向するように、浮上電磁石３０６に解放可能に付着するように構成される。独立支持体３０４はまた、下部センタリング電磁石３１２の磁極面７０６（図７）が下部センタリングレール２１２の表面に対向するように、下部センタリング電磁石３１２に解放可能に付着するように構成される。各個別サブアセンブリ３０２はまた、リング２００の回転速度の変動によって引き起こされるリング２００の半径の変動を補償するために、個別サブアセンブリ３０２を半径方向に変位させる、それぞれの個別サブアセンブリ３０２に結合されるラジアル補償器モジュール３１４を含む。ラジアル補償器モジュール３１４は、格納構造体１０２の床１１０に設置されるラジアル補償器レール３１８及びラジアル補償器アクチュエータ３２２を介して独立支持体３０４に付着されるラジアル補償器コントローラ３２０を含む。個別サブアセンブリ３０２はまたタッチダウン軸受３１６を含む。タッチダウン軸受３１６は、リング２００が浮上されていなく且つ回転していない場合にリング２００を支持するために、例えば油圧シザージャッキ又は油圧ラムなどの垂直変位機構を使用して上げられてもよい。
【００６２】
次に、図１〜図４を参照して、エネルギー貯蔵装置１００の動作が説明される。リング２００は、浮上電磁石３０６、上部センタリング電磁石３１０、及び下部センタリング電磁石３１２によって支持され、回転運動エネルギーの形でエネルギーを貯蔵する。「充電」中に、電気エネルギーは、モータとして機能し、リング２００の内周面２０６上でリアクションレール２１４に係合するリニアモータ／発電機５００によってリング２００に加えられる正のトルクによって、供給源２０から回転しているリング２００の運動エネルギーに伝搬される。個々のリニアモータ／発電機５００は、短いアークに沿ってリアクションレール２１４に係合するが、リアクションレール２１４の全周は、原理上、リング２００の要求される電力出力に応じて多数の個別リニアモータ／発電機５００によって占有されてもよい。「放電」中、回転しているリング２００の運動エネルギーはリング２００から伝送され、発電機として機能するリニアモータ／発電機５００によってリング２００に加えられる負のトルクによってシンク４０に電気エネルギーとして送られる。
【００６３】
図５Ａ〜図５Ｃを参照すると、図４の個別サブアセンブリ３０２の浮上電磁石３０６の実施形態が示されている。浮上電磁石３０６は、永久磁石コア５０２、永久磁石コア５０２を包囲する電磁石コイル５０４、及び磁極面５０６を含む。各浮上電磁石３０６の磁極面５０６は、全ての浮上電磁石３０６がヒステリシス及び渦電流損失を最小にし、リング２００内の振動を低減するために浮上レール２１０の全周の一部を占めるように、浮上レール２１０の円周に沿って水平に延在する。各浮上電磁石３０６によって生成される浮上力は、以下の組み合わせによって提供される。
（１）全部のＮｍａｇ浮上電磁石３０６にわたって合計されると、リング２００の中心に位置するリング２００の質量中心を介して作用し、リング２００の重量の端数１−ｆｌｅｖに等しい一定の全垂直力を加える、浮上レール２１０に作用する一定の垂直磁気吸引力
【数２】
2018033297.tif 000004
を生成し、ここで、制御システムパラメータｆｌｅｖは、０＜ｆｌｅｖ＜１の範囲内にある、各浮上電磁石３０６の永久磁石コア５０２。
（２）浮上レール２１０に作用し、制御システムによって決定される、制御される時間可変垂直磁気吸引力
【数３】
2018033297.tif 000005
を生成する各浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４。力
【数４】
2018033297.tif 000006
が全てのＮｍａｇ浮上電磁石３０６にわたって合計されると、その力は、リングの中心に位置するリング２００の質量中心を介して作用し、最小値０とリング２００の重量の２ｆｌｅｖ倍である最大値との間の範囲にある制御される時間可変総垂直力を加える。ここで、ｆｌｅｖは０＜ｆｌｅｖ＜１の範囲にある制御システムパラメータである。電磁石コイル５０４はまた、リング２００の回転面の正しい向きを安定させて維持するために、回転しているリング２００に適切な歳差運動トルクを加えるように、制御システムによって決定される時間可変吸引力
【数５】
2018033297.tif 000007
に対する増分又は減分を生成する。０＜ｆｌｅｖ＜１の範囲にある制御システムパラメータｆｌｅｖを用いて、リング２００の質量中心の最大の正及び負の垂直加速度はＡｚ，ｍａｘ＝ｆｌｅｖ＊ｇで与えられ、ここでｇ＝９．８１ｍ／ｓｅｃ２は重力加速度である。
【００６４】
代替的な実施形態では、各浮上電磁石３０６によって提供される一定及び時間可変磁気吸引力の両方は、電磁石コイル５０４によって全部生成されてもよい。この実施形態及び永久磁石コアを有さない代替の実施形態の両方において、各浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４を通って流れる電流の制御は、リング２００の保守点検を容易にするために、リング２００をタッチダウン軸受３１６上に下降させることを可能にする。
【００６５】
図６Ａ〜図６Ｃを参照すると、図４の個別サブアセンブリ３０２の上部センタリング電磁石３１０の実施形態が示されている。上部センタリング電磁石３１０は、永久磁石コア６０２、永久磁石コア６０２に巻き付く電磁コイル６０４、及び磁極面６０６を含む。
【００６６】
図７Ａ〜図７Ｃを参照すると、図３の個別サブアセンブリ群３０２の下部センタリング電磁石３１２の実施形態が示されている。下部センタリング電磁石３１２は電磁コイル７０４及び磁極面７０６を含む。
【００６７】
上述のように、各個別サブアセンブリ３０２は、上下に配置される上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２を含む。制御システム４００は、リング２００が回転している場合、リング２００の中心に位置するリング２００の質量中心の水平位置を制御するために、上部及び下部センタリング電磁石コイル６０４、７０４に供給される電流を制御する。回転しているリング２００の中心の制御は、時間依存の磁気吸引求心力
【数６】
2018033297.tif 000008
によって達成され、この時間依存の磁気吸引求心力は、制御システム４００を使用して、上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２の電磁コイル６０４、７０４をそれぞれ励磁することによってそれぞれ生成され、上部センタリングレール２０８及び下部センタリングレール２１２に作用する。
【００６８】
上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２は、それらの動作のために磁気吸引力のみに依存し、その結果、位置ベクトルが、リング２００（図１１）の中心に位置するリング２００の質量中心の原点からの水平変位の変位ベクトル
【数７】
2018033297.tif 000009
の方向に成分を有する上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２のみがリング２００の水平方向変位をゼロにするために励磁される。方位角φｋ
【数８】
2018033297.tif 000010
に配置され、その位置ベクトルがリング２００の中心に位置するリング２００の変位した質量中心の変位ベクトル
【数９】
2018033297.tif 000011
の方向に成分を有する上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２は、上部及び下部センタリング電磁石の「アクティブセンタリングセット」と呼ばれる。
【００６９】
「アクティブセンタリングセット」は、方位と大きさが制御システム４００によって決定され、「アクティブセンタリングセット」の個々の時間依存求心力のベクトル和の大きさによって与えられる正味の時間依存求心力Ｆｃｅｎｔ−ｖａｒｉａｂｌｅを生成する。力Ｆｃｅｎｔ−ｖａｒｉａｂｌｅは、リング中心に位置するリング２００の変位した質量中心の変位ベクトル
【数１０】
2018033297.tif 000012
（図１１）の方向に真反対であり、リング２００の質量中心の変位をゼロにする。Ｆｃｅｎｔ−ｖａｒｉａｂｌｅの大きさは、最小値のゼロから、リング中心に位置するリング２００の質量中心の最大水平加速度を与えるのに十分であり、Ａｃｅｎｔ；ｍａｘ＝ｆｃｅｎｔ＊ｇに等しい最大値までの範囲であり、ここで、制御システム４００のパラメータｆｃｅｎｔは、０≦ｆｃｅｎｔ≦１の範囲にあり、ｇ＝９．８１ｍ／ｓｅｃ２は重力の加速度である。
【００７０】
方位角φｋに配置されるアクティブセンタリングセットの各要素に対して、上部センタリングレール２０８に作用する力
【数１１】
2018033297.tif 000013
及び下部センタリングレール２１２に作用する力
【数１２】
2018033297.tif 000014
の大きさは、「アクティブセンタリングセット」によって生成される吸引求心力が、リング中心に位置するリング２００の質量中心を平行移動のみをさせ、リング２００をｘ軸又はｙ軸の周りに回転させないようにすることを保証するために、リング２００の断面の質量中心３２４の周りの任意の局所トルクを最小にするために釣り合わされる。
【００７１】
リング中心に位置するリング２００の質量中心の水平位置を制御するためにセンタリング加速力を提供することに加えて、各上部センタリング電磁石３１０は、各浮上電磁石３０６の局所的、一定及び時間可変の垂直浮上力によって生成されるリング２００内に発生するフープ応力を緩和するために、リング２００の断面の質量中心３２４の周りの局所的、一定及び時間可変のトルクに対向するように上部センタリングレール２０８に作用する一定及び時間可変の磁気吸引力を提供する。
【００７２】
代替実施形態では、各センタリング電磁石３１０によって提供される一定及び時間可変の磁気吸引力の両方が、それぞれの電磁石コイルによって生成されてもよい。
【００７３】
図８を参照すると、リング２００の垂直変位を制御する制御システム４００の一部を示すブロック図が示されている。図８では、各個別サブアセンブリ３０２の浮上電磁石３０６が浮上レール２１０に係合する。エアギャップセンサ８０２が、それぞれの浮上電磁石３０６の磁極面５０６と浮上レール２１０の最上部突出面３０８との間のエアギャップをキロヘルツの頻度で測定するために、それぞれの浮上電磁石３０６の磁極面５０６上に配置される。制御システム４００の制御コンピュータ８０４は、それぞれのエアギャップセンサ８０２からエアギャップ測定データを受信し、リング２００の中心に位置するリング２００の質量中心の垂直ｚ‐変位、及び、リング２００の回転面の傾斜を指定する２つの方向オイラー角θ及びφ、を含む浮上制御システム誤差信号パラメータをゼロにするように、それぞれの浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４に供給される電流に対する増分又は減分を決定する。制御コンピュータ８０４は、それぞれの浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４に供給される電流を変化させるように、それぞれの浮上電磁石３０６に接続される直流電力増幅器コントローラ８０６を制御する。交流電力は、交流電力源８１０からそれぞれの直流電力増幅器コントローラ８０６に供給される。オイラー角θ及びφに関連する誤差信号パラメータをゼロにするには、それぞれの浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４によって回転しているリング２００上に歳差運動トルクを加える必要がある。
【００７４】
傾斜角θがゼロになった時点で、方位角φは不確定となり、ゼロと見なされてもよい。傾斜角θは、回転しているリング２００の方位角φにおけるノード線（図９）における非回転直径に亘って、それぞれの浮上電磁石３０６が差分垂直力を加えるように制御することによってゼロにされ、差分垂直力は、その回転しているリング２００が垂直方向に対応するローカル座標系のｚ軸に一致されるように、加えられた力が角運動量ベクトルを歳差運動する回転しているリング２００の角運動量ベクトル
【数１３】
2018033297.tif 000015
にトルクを生じさせるように選択される。
【００７５】
図９を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００の動作中に回転の摂動状態でのリング２００のジオメトリが示され、図９では、リング２００の角運動量ベクトル
【数１４】
2018033297.tif 000016
が、方位角φにおける公称水平面内のノード線の周りに角度θだけリング２００の公称垂直ｚ軸方向から離れて回転されている。浮上電磁石のエアギャップセンサ８０２は、２つの摂動角度θ及びφだけでなく、リングの質量中心の垂直位置を計算する制御コンピュータ８０４にデータを提供する。リング質量中心の垂直（ｚ座標）変位を制御することに加えて、浮上電磁石３０６はまた、リング配向のこの望ましくない摂動を抑制するように要求される。回転しているリング２００はジャイロスコープのように動的に振る舞う。角度をゼロに減少させ、垂直ｚ軸に平行なリング公称配向を取り戻すために、角運動量ベクトル
【数１５】
2018033297.tif 000017
を角度θだけ負に回転させることは、リング角運動量に歳差トルクを加えることによって達成される。示されている例示的な実施形態では、これは、図９の「Ａ」で示されるノード線の「遠端」において浮上電磁石３０６によって生成される垂直方向の吸引力を増加させ、図９の「Ｂ」で示されるノード線の「近端」において浮上電磁石３０６によって生成される垂直方向の吸引力を低減させることを伴う。
【００７６】
図１０を参照して、図３の個別サブアセンブリ群３０２の半径方向変位を制御する図１の制御システムの別の部分を示すブロック図がこれから説明される。図１０は、上部センタリングレール２０８と係合する上部センタリング電磁石３１０を示す。上部センタリング電磁石３１０は永久磁石コア６０２及び永久磁石コア６０２に巻き付く電磁石コイル６０４を含む。図１０はまた、下部センタリングレール２１２と係合する下部センタリング電磁石３１２を示し、電磁石コイル７０４のみを含む。
【００７７】
エアギャップセンサ９０２は、上部センタリング電磁石３１０の磁極面６０６上に配置され、エアギャップセンサ９０４は、下部センタリング電磁石３１２の磁極面７０６上に配置される。エアギャップセンサ９０２は、上部センタリング電磁石３１０の磁極面６０６と上部センタリングレール２０８との間のエアギャップを、例えば、０．５〜１．５ｋＨｚなどのキロヘルツの頻度で測定し、制御システム４００の制御コンピュータ８０４にエアギャップ測定値を提供する。同様に、エアギャップセンサ９０４は、下部センタリング電磁石３１２の磁極面７０６と下部センタリングレール２１２との間のエアギャップをキロヘルツの頻度で測定し、エアギャップ測定値を制御コンピュータ８０４に提供する。制御コンピュータ８０４は、リング２００の質量中心のｘ、ｙ水平変位をゼロにするのに必要とされる、上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２の電磁石コイル６０４、７０４にそれぞれ供給される電流の増分又は減分を決定する。制御コンピュータ８０４はまた、個別サブアセンブリ群３０２の位置に適切な半径方向の変位を加えることによって、ｒ−ｒ０（例えば、リングの現在の半径ｒとリングの公称半径ｒ０との間の差）の影響をゼロにするために必要とされる、個別サブアセンブリ３０２の半径方向位置を制御するラジアル補償器モジュール３１４のラジアル補償器アクチュエータ３２２の長さに対する増分又は減分を決定する。
【００７８】
制御コンピュータ８０４はまた、個別サブアセンブリ群３０２の各々における上部センタリング電磁石３１０と下部センタリング電磁石３１２との間の差分エアギャップ測定値を決定してもよい。差分エアギャップ測定値は、リング２００の様々な振動モードを検出及び抑制するために使用されてもよい。
【００７９】
制御コンピュータ８０４は、電磁石コイル６０４、７０４に供給される電流を変化させるために、上部及び下部電磁石３１０、３１２にそれぞれ接続される直流電力制御増幅器９０８、９１０に命令を送信し、個別サブアセンブリ群３０２の半径方向位置を変更するためにラジアル補償器コントローラ３２０に命令を送信するように構成してもよい。交流電力は、交流電力源８１０から個別サブアセンブリ群３０２のラジアル補償器モジュール３１４のラジアル補償器コントローラ３２０及び直流電力制御増幅器９０８、９１０に供給されてもよい。
【００８０】
図１１を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００の動作中に摂動状態にあるリング２００のジオメトリが示され、その図では、リング２００の質量中心が座標の原点Ｏから位置Ｏ’に変位ベクトル
【数１６】
2018033297.tif 000018
だけ変位され、リング２００の半径が「Ｅ」だけ増分される。図１１において、「Ａ」と記されている円は、個別サブアセンブリ群３０２の円形配置を表し、黒のドットは、上部センタリング電磁石３１０及び下部センタリング電磁石３１２の磁極面を表す。それぞれのラジアル補償器モジュール３１４は、全ての個別サブアセンブリ群３０２が常に座標原点Ｏにおいて共通中心を有する共通半径の円上に配置されるように、それぞれの個別サブアセンブリ３０２を個々に制御する。各個別サブアセンブリ３０２の上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２が全て配置されている、その原点がＯにある共通円の半径は、リング２００の回転速度の変動によって引き起こされるリング２００の半径の変化に応じて時間とともに変化するようにラジアル補償器によって制御される。「Ｂ」と記されている円は、リング２００の内周面２０６上の上部センタリングレール２０８及び下部センタリングレール２１２を表し、それはまた、上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２の円と共に共通の中心を共有する原点Ｏに中心合わせされているように示されているが、分離エアギャップＳ０だけ円「Ａ」上の上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２から分離しているように示されている。分離エアギャップＳ０は、常に制御システムによって上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２において一定値Ｓ０に維持されることになっている。
【００８１】
図１１は、リング２００の中心が変位ベクトル
【数１７】
2018033297.tif 000019
だけ原点Ｏから変位位置Ｏ’に変位され、リング２００が現在「Ｃ」と記されている円の位置を占めていることを示す。更に、図１１は、リング２００の半径が「Ｅ」で示されている量だけの増加を更に被り、増大した半径を有する変位したリング２００が、「Ｄ」と記されている円の位置を現在占めている場合を示す。リング２００の中心の変位及びリング２００の半径の増加の結果として、上部センタリング電磁石３１０と下部センタリング電磁石３１２との分離エアギャップは、全て、図１１に示すように、それらの標準分離エアギャップ値Ｓ０から新しい値Ｓ’ｋ；ｋ＝１、２、３、・・・、１２に変更される。変位され且つ半径が変更されたリング２００のエアギャップの分離、Ｓ’ｋ；ｋ＝１、２、３、・・・、１２、は、変位ベクトル
【数１８】
2018033297.tif 000020
のｘ成分及びｙ成分とリング半径「Ｅ」の増分を計算するのに必要な情報を含む。これらの量は、リングセンタリング制御システムがゼロにしなければならないセンタリング制御システム誤差信号パラメータである。制御システム４００は、サブアセンブリ群３０２を、原点Ｏを中心とし、最初の共通半径から量「Ｅ」だけ増加させた新しい共通半径を有する新しい半径位置に変位させるように、ラジアル補償器モジュール３１４を作動させることによって半径の増加「Ｅ」をゼロにする。次に、制御システムは、エネルギー貯蔵リングに内向きの半径方向の吸引中心力を加えるために、リング変位ベクトル
【数１９】
2018033297.tif 000021
の方位角の方向に置かれているアクティブセンタリングセットの上部及び下部センタリング電磁石３１０、３１２のコイルの電流を増加させ、リング２００を原点Ｏに向かって加速させ、変位ベクトル
【数２０】
2018033297.tif 000022
をゼロにする。
【００８２】
次に、システム１０の動作が図１を参照して説明される。電力管理システム３０は、エネルギー貯蔵装置１００のリニア同期モータ／発電機５００へ及びそれからだけでなく、供給源２０からシンク４０へ送電可能な電気エネルギーを送る。エネルギー貯蔵装置１００は自立的にオフグリッドで動作してもよい。電力管理システム３０は、任意選択的に、電力グリッド５０から電気エネルギーを受け取り、電気エネルギーを電力グリッド５０に送るために電力グリッド５０に接続されてもよい。
【００８３】
リング２００の最大動作エネルギー貯蔵容量は、回転慣性力によってリング２００に誘起される応力がリングの降伏引張強度の端数ｋ、０＜ｋ＜１を超えることが決して許容されないという要件によって決定される。逆数ｋ−１は、動作応力マージンと呼ばれ、典型的にはほぼ２＜ｋ−１＜３程度であると予想される。リング２００の最小動作エネルギー貯蔵容量は、典型的にはほぼ０．９９程度であると予想される放電の最大深度によって設定される。
【００８４】
電気エネルギーは、同期リニアモータ／発電機５００へ及びそれから双方向に流れることができ、回転しているリング２００の運動エネルギーの増分又は減分のように見える。供給源２０の電力出力がシンク４０によって要求される電力出力を超えている場合、過剰電力は、エネルギー貯蔵装置１００のリニア同期モータ／発電機５００に向けて送られ、リニア同期モータ／発電機５００は、モータとして動作し、リング２００に正のトルクを加え、リング２００の回転速度を加速し、それによって、リング２００に蓄えられる運動エネルギーを増加させる。この状態において、リング２００は「充電中」である。回転しているリング２００が、それを超えると回転の慣性力に起因するリング２００内の応力が、リング２００が動作応力の最大定格値を超えることを引き起こす最大許容動作速度に達するときは必ず、リング２００の充電は終了させられる。この状態が実現される場合、エネルギーはもはやリング２００に貯蔵されることはできない。供給源２０の電気エネルギー出力を削減することができない場合には、供給源２０からの更なる電気エネルギー出力は電力グリッド５０に送られるか、又は局所的に「ダンプ」されるかの何れかの可能性がある。
【００８５】
供給源２０の電力出力がシンク４０によって要求される電力出力よりも小さい場合、電力の不足分はリング２００に貯蔵されている運動エネルギーから埋め合わされてもよい。この場合、発電機として作用するリニア同期モータ／発電機５００は、回転しているリング２００に負のトルクを加え、リング２００の回転速度を遅らせて、リング２００に貯蔵されている運動エネルギーを減少させる。この状態において、リニア同期モータ／発電機５００は、シンク４０に電気エネルギーを送り、リング２００は「放電中」である。リング２００の運動エネルギー容量が放電の最大動作深度によって確立される最小動作レベルに達するときは必ず、リング２００の放電が終了される。この状態が実現されれば、それ以上エネルギーをリング２００から引き出されず、シンク４０からの更なる電力要求は、グリッドから電力を受け取ることによって満たされてもよい。
【００８６】
システム１０はまた、電気グリッドにおいてピーク電力要求を時間的にシフトし、ピーク電力要求を削る目的で、従来通りに生成される電気エネルギーを貯蔵してもよい。
【００８７】
エネルギー貯蔵装置１００の制御システム４００は、電力管理システム３０によってサポートされるＵＰＳ６００及びリニア同期モータ／発電機５００を介してリング２００に出入りすることになっている双方向電力によって電力供給されてもよい。ＵＰＳ６００は、リニア同期モータ／発電機５００に出入りすることになっている電気エネルギーによって充電状態に維持され、エネルギー貯蔵装置１００が「オフグリッド」で動作することを可能にする。ＵＰＳ６００はまた、グリッドの停電の場合における安全対策も提供する。リング充電からリング放電への移行は、リニア同期モータ／発電機５００を「モータモード」から「発電機モード」及びその逆に切り替えるリニア同期モータ／発電機５００上の三相巻線の１つの相の反転によって達成される。
【００８８】
電力管理システム３０においてＵＰＳ６００を使用することは、エネルギー貯蔵装置１００に送られる電力が、リング２００の充電からリング２００の放電へ、及びその逆、の移行の間に生じる電流の反転中に滑らかで連続的であることを保証する。加えて、ＵＰＳ６００及び電力管理システム３０のバッテリは、供給源２０が発電していない間の、（１）浮上電磁石の故障、（２）リニア同期モータ／発電機５００の故障、及び（３）リング２００の電気エネルギーの、放電の最大動作深度を下回る偶発的な枯渇の場合に、各個別サブアセンブリ３０２のタッチダウン軸受３１６を持ち上げ且つリング２００を支持するのに十分な電気エネルギーを貯蔵する。
【００８９】
図１２及び図１３を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００を保守点検するために使用されるオーバーヘッドガントリーサービスシステム１２００（以下、ガントリーサービスシステム１２００と呼ぶ）の実施形態が示されている。この例示的な実施形態では、格納構造体１０２は、少なくとも１つのアクセスポート（図示せず）を有する天盤１２０１を含む。各アクセスポート（図示せず）は、隣接する個別サブアセンブリ群３０２の間に位置する格納構造体１０２内のサービスエリアにアクセスするためにある。ガントリーサービスシステム１２００は格納構造体１０２の内部に収容され、図１２及び１３に示されるように、各個別サブアセンブリ３０２の上方に配置される。エネルギー貯蔵装置１００の浮上電磁石３０６、上部センタリング電磁石３１０、下部センタリング電磁石３１２、及びモータ／発電機５００の各々は交換可能であり、従ってガントリーサービスシステム１２００によって各個別サブアセンブリ３０２から取り外されてもよい。ガントリーサービスシステム１２００は、格納構造体１０２の内壁１０４及び外壁１０６上に高く設置される一対の円形レール１２０４に沿って移動する車輪付きの一次台車１２０２を含む。一次台車１２０２は、どの個別サブアセンブリ群３０２の上にも配置されてもよい。サービスウィンチ１２０６は、格納構造体１０２の内壁１０４と外壁１０６との間で半径方向に、前後に、サービスウィンチ１２０６を移動することを可能にする一次台車１２０２に付着される一組のクロスレール１２１０上に乗っている四輪の二次台車１２０８に設置される。
【００９０】
サービスウィンチ１２０６は、個別サブアセンブリ３０２から、例えば、構造部品、浮上電磁石３０６、上部センタリング電磁石３１０、下部センタリング電磁石３１２、及びリニア同期モータ／発電機などの品目を巻き上げ、そのような品目を、格納構造体１０２を回って個別サブアセンブリ群３０２の間に位置するサービスエリアへ運ぶように構成されてもよい。サービスウィンチ１２０６がサービスエリアの１つに配置される場合、サービスウィンチ１２０６によって運ばれる品目は、格納構造体１０２の床１１０上に又はベンチ上に置かれてもよい。交換品目は、外部クレーンによってサービスエリアの上方の格納構造体１０２の天盤のアクセスポート（図示せず）を介して床１１０に降下されてもよい。次いで、交換品目は、その後サービスウィンチ１２０６によってピックアップされ、設置のために個別サブアセンブリ群３０２の１つに運ばれてもよい。
【００９１】
ガントリーサービスシステム１２００は、「第３のレール」構成によって電力を供給されてもよく又はチェーンループによって下方から手動で駆動されてもよい。リング２００が保守点検されている場合には、リング２００を回転していないことになっている。エネルギー貯蔵装置１００が「オフグリッド」で動作している場合、ガントリーサービスシステム１２００のための電気エネルギーは、保守点検作業の間、ＵＰＳ６００の充電されたバッテリによって又はローカル発電機によって供給されてもよい。
【００９２】
上述したように、図１、２、及び３に示されるエネルギー貯蔵装置１００のモータ／発電機５００は、リニア同期モータ／発電機５００である。リニア同期モータ／発電機５００は約９５％の効率を有し、従って、何れの方向でも、モータとして且つ発電機としてその両方で、それらを通過するエネルギーの約５％を失うことになる。これが格納構造体１０２の内部における最大のただ一個の熱源である。モータ／発電機におけるエネルギー散逸に加えて、渦電流及びヒステリシスによる浮上レール２１０と上部及び下部センタリングレール２０８、２１２とにおけるエネルギー散逸並びに浮上電磁石３０６の電磁石コイル５０４、上部センタリング電磁石３１０の電磁石コイル６０４、及び下部センタリング電磁石３１２の電磁石コイル７０４におけるオーミック損失が存在する。エネルギー貯蔵装置１００は、モータ／発電機から熱を散逸させる方法を含んでもよい。熱の散逸は受動的に実施されてもよい又はモータ／発電機５００を直接冷却する閉サイクル熱交換システム（図示せず）を含んでもよい。閉サイクル熱交換システムは、モータ／発電機内の第１熱交換器及び格納構造体１０２の外部の第２熱交換器を含んでもよい。低温流体は、低温流体がモータ／発電機内の第１熱交換器を通過するときに、モータ／発電機からの熱を吸収し、モータ／発電機からの熱を吸収する。それから、高温流体は、格納構造体１０２の壁又は天盤を通って流出して第２熱交換器に流入し、大気に熱を放出する。それから、流体は、低温流体として、モータ／発電機における第１熱交換器に戻される。
【００９３】
閉サイクル熱交換システムはまた、格納構造体１０２の内部天井及び／又は壁に付着される内部熱交換器放射器を含んでもよい。リング２００が格納構造体１０２内で回転すると、リング２００の回転によって生成される格納構造体１０２内の循環空気は、その循環空気が内部熱交換器を通るようにさせる。低温流体は内部熱交換器に流入し、空気から熱を吸収し、高温流体として流出し、格納構造体１０２の壁又は天盤を通って流出し構造体の外部の第２組の熱交換器に流れ、大気に熱を放し、そして、格納構造体１０２の壁及び／又は天井の上の内部熱交換器に再び低温流体として戻る。
【００９４】
リング２００は上部及び下部センタリングレール２０８、２１２の両方を含むが、代替の実施形態では、エネルギー貯蔵リングは単一のセンタリングレールを含んでもよいことが理解されよう。図１４を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００のアセンブリ３００の個別サブアセンブリ群１３０２のうちの１つの別の例示的な実施形態の側面図が示されている。図１４に示される例示的な実施形態では、エネルギー貯蔵リングは、参照番号１４００で示され、以下、リング１４００と呼ぶ。リング１４００は、最上部１４０２、最下部１４０４、及び内周面１４０６を含む。単一のセンタリングレール１４０８がリング１４００の最上部１４０２の近くに配置され、浮上レール１４１２がリング１４００の最下部１４０４の近くに配置され、モータ／発電機リアクションレール１４１０が、リング１４００の断面の質量中心１４１４でセンタリングレール１４０８と浮上レール１４１２との間に配置される。リング１４００の構築はリング２００の構築に類似しているので、詳細には説明されない。
【００９５】
個別サブアセンブリ１３０２は、エネルギー貯蔵リング１４００の一部を囲む独立支持体１３０４を含む。独立支持体１３０４は、浮上電磁石１３０８の磁極面が浮上レール１４１２の最上部突出面１４１６に対向するように浮上電磁石１３０８に解放可能に付着するように構成される第１機械的支持体１３０６を含む。独立支持体１３０４はまた、センタリング電磁石１３１２の磁極面がセンタリングレール１４０８の表面に対向するように、センタリング電磁石１３１２に解放可能に付着するように構成される第２機械的支持体１３１０及びモータ／発電機５００の１つに解放可能に付着するように構成される第３の機械的支持体１３１４を含む。１つのモータ／発電機５００は、リング１４００のモータ／発電機リアクションレール１４１０に電磁的に係合し、供給源２０からリング１４００の回転運動エネルギーへの電気エネルギー、及び、その後のリング１４００の回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするためにリング１４００に可逆トルクを加えるように構成される。
【００９６】
個別サブアセンブリ１３０２はまた、ラジアル補償器モジュール３１４及びタッチダウン軸受３１６を含む。ラジアル補償器モジュール３１４は、格納構造体１０２の床１１０に設置されるラジアル補償器レール３１８及びラジアル補償器アクチュエータ３２２を介して独立支持体３０４に付着されるラジアル補償器コントローラ３２０を含む。タッチダウン軸受３１６は、リング１４００が浮上されていなく且つ回転していない場合、リング１４００を支持するために、例えば油圧シザージャック又は油圧ラムなどの垂直変位機構を用いて持ち上げられてもよい。
【００９７】
個別サブアセンブリ群１３０２を有するアセンブリ３００の動作は、上述した実施形態と同様であるので、本明細書では繰り返されない。
【００９８】
更に別の代替の実施形態では、エネルギー貯蔵リングは、単一のセンタリングレール及び２つのモータ／発電機リアクションレールを含んでもよい。図１５を参照すると、エネルギー貯蔵装置１００のアセンブリ３００の個別サブアセンブリ群１５０２のうちの１つの別の例示的な実施形態の側面図が示されている。図１５に示されている例示的な実施形態では、エネルギー貯蔵リングは、参照番号１６００で示され、以下、リング１６００と呼ぶ。リング１６００は、最上部１６０２、最下部１６０４、及び内周面１６０６を含む。単一のセンタリングレール１６０８はリング１６００の最上部１６０２の近くに配置され、浮上レール１６１０はリング１６００の最下部１６０４の近くに配置され、２つのモータ／発電機リアクションレール１６１２、１６１４はセンタリングレール１６０８と浮上レール１６１０との間に配置される。第１モータ／発電機リアクションレール１６１２は、リング１６００の断面質量中心１６１６の上方に配置され、第２モータ／発電機リアクションレール１６１４は、リング１６００の断面質量中心１６１６の下方に配置される。リング１６００の構築はリング２００の構築と同様であるので、詳細には説明されない。
【００９９】
個別サブアセンブリ１５０２は、エネルギー貯蔵リング１６００の一部を囲む独立支持体１５０４を含む。独立支持体１５０４は、浮上電磁石１５０８の磁極面が浮上レール１６１０の最上部突出面１６１６に対向するように、浮上電磁石１５０８に解放可能に付着するように構成される第１機械的支持体１５０６を含む。独立支持体１５０４はまた、センタリング電磁石１５１２の磁極面がセンタリングレール１６０８の表面に対向するように、センタリング電磁石１５１２に解放可能に付着するように構成される第２機械的支持体１５１０、モータ／発電機５００の第１モータ／発電機に解放可能に付着するように構成される第３の機械的支持体１５１４、及びモータ／発電機５００の第２モータ／発電機に解放可能に付着するように構成される第４の機械的支持体１５１６を含む。第１及び第２モータ／発電機は、供給源２０からリング１６００の回転運動エネルギーへの電気エネルギー、及び、その後のリング１６００の回転運動エネルギーからの電気エネルギーの回収という双方向伝送を可能にするために、リング１６００のモータ／発電機リアクションレール１６１２、１６１４にそれぞれ電磁的に係合し、リング１６００に可逆トルクを加えるように構成される。
【０１００】
個別サブアセンブリ１５０２はまた、ラジアル補償器モジュール３１４及びタッチダウン軸受３１６を含む。ラジアル補償器モジュール３１４は、格納構造体１０２の床１１０に設置されるラジアル補償器レール３１８及びラジアル補償器アクチュエータ３２２を介して独立支持体３０４に付着されるラジアル補償器コントローラ３２０を含む。タッチダウン軸受３１６は、リング１６００が浮上されていなく且つ回転していない場合、リング１６００を支持するために、例えば油圧シザージャック又は油圧ラムなどの垂直変位機構を用いて持ち上げられてもよい。
【０１０１】
当業者は、幾つかの実装において、制御システム４００の機能は、予めプログラムされたハードウェアもしくはファームウェア要素（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｅｒａｓａｂｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）など）、又は他の関連する構成部品を使用して実装されてもよいことを理解するであろう。他の実装では、制御システム４００の機能は、コンピューティング装置の動作のためのコンピュータ可読プログラムコードを格納するコードメモリ（図示せず）にアクセスするコンピューティング装置を使用して達成されてもよい。コンピュータ可読プログラムコードは、固定され、有形であり、且つこれらの構成部品（例えば、リムーバブルディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、固定ディスク、ＵＳＢドライブ）によって直接読まれることができるコンピュータ可読記憶媒体に格納されることができるであろう。更に、コンピュータ可読プログラムは、コンピュータ使用可能媒体を備えるコンピュータプログラム製品として格納されることができる。更に、永続的記憶デバイスはコンピュータ可読プログラムコードを含むことができる。コンピュータ可読プログラムコード及び／又はコンピュータ使用可能媒体は、非一時的コンピュータ可読プログラムコード及び／又は非一時的コンピュータ可用媒体を含むことができる。代替的に、コンピュータ可読プログラムコードは、遠隔に格納されることができるであろう、ただし、伝送媒体を通してネットワーク（インターネットを含むがこれに限定されない）に接続されているモデム又は他のインタフェースデバイスを介してこれらの構成部品に伝送可能である。伝送媒体は、非移動媒体（例えば、光及び／又はデジタル及び／又はアナログ通信回線）もしくは移動媒体（例えば、マイクロ波、赤外線、自由空間光学又は他の伝送方式）又はそれらの組み合わせの何れかとすることができる。
【０１０２】
記載された実施形態は、すべての点において、例示的なものであって限定的なものではないと見なされるべきである。特許請求の範囲は、各例に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、説明全体と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。特許請求の範囲の意味及び等価範囲内に入るすべての変更は、特許請求の範囲内に含まれるべきである。
【図１】
2018033297.tif 000023
【図２】
2018033297.tif 000024
【図３】
2018033297.tif 000025
【図４】
2018033297.tif 000026
【図５】
2018033297.tif 000027
【図６】
2018033297.tif 000028
【図７】
2018033297.tif 000029
【図８】
2018033297.tif 000030
【図９】
2018033297.tif 000031
【図１０】
2018033297.tif 000032
【図１１】
2018033297.tif 000033
【図１２】
2018033297.tif 000034
【図１３】
2018033297.tif 000035
【図１４】
2018033297.tif 000036
【図１５】
2018033297.tif 000037
【外国語明細書】
2018033297000001.pdf