(57)【要約】【課題】この発明は、フライホイールの回転軸に偏心振動が生じた場合、該偏心振動を有効に減衰させ、これによって偏心振動による装置破壊を防止し、かつフライホイールに蓄積した運動エネルギーを無駄に消費させることを防止できる振動減衰装置及び振動減衰装置を備えた電力貯蔵装置を提供する。【解決手段】回転軸Ｍと一体に回転する回転磁石２１Ａと、真空容器（固定部材）１１側に配置され、かつ回転磁石２１Ａに対して回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて対向するように配置されて、該回転軸Ｍの中心から変位した回転により渦電流を生じる導体板２２と、を具備することを特徴とする。【選択図】図２
2015050911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と一体に回転する回転磁石と、
固定部材側に配置され、かつ前記回転磁石に対して前記回転軸の軸方向に間隔をおいて対向するように配置されて、該回転軸の中心から変位した回転により渦電流を生じる導体板と、を具備することを特徴とする振動減衰装置。
【請求項２】
前記固定部材には、前記導体板とともに前記回転磁石に対して磁力を作用させる固定磁石がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動減衰装置。
【請求項３】
回転軸と一体に回転する導体板と、
固定部材側に配置され、かつ前記回転軸の軸方向に間隔をおいて対向するように配置された固定磁石とを具備し、
前記導体板は、前記固定磁石に対して前記回転軸が変位した回転を行うことにより渦電流を生じさせることを特徴とする振動減衰装置。
【請求項４】
前記回転軸には、前記導体板とともに前記固定磁石に対して磁力を作用させる回転磁石がさらに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の振動減衰装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動減衰装置の回転軸にフライホイールを設置し、該フライホイールを、超電導磁気軸受を介して極低温及び高真空下で回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵することを特徴とする電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体及びフライホイールを使用した電力貯蔵装置等に適用されて、回転軸で生じる振動及び変位を是正することができる振動減衰装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、余剰電力をフライホイールの運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、フライホイールに貯蔵されている運動エネルギーを必要時に電気エネルギーに変換して取り出す電力貯蔵装置が知られている。
この電力貯蔵装置は、特許文献１に示されるように、フライホイールと、該フライホイールに固定される回転軸と、該回転軸に連結される非接触トルク伝達部品とで構成される回転体を、周りに輻射シールド槽及び真空容器を周囲に備えた内槽に配置したものであって、前記回転体の回転軸は、超電導体を有する磁気支持装置により非接触状態で支持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３９７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように構成された電力貯蔵装置では、エネルギー保存と断熱のためにフライホイールを高真空環境に置き、かつ超電導体を有する磁気支持装置を回転軸の軸受けとして利用して、該軸受けの摩擦抵抗を最小限に抑えるようにしている。
ここで、上記電力貯蔵装置では、超電導体を有する磁気支持装置を利用しているので、理論上では、フライホールを回転として保存された運動エネルギーを減衰させる要素がない。
しかし、その一方で、フライホイールの回転軸に、何らかの原因で偏心振動が生じると、この偏心振動を減衰させることが難しい。
【０００５】
このようなフライホイールの回転軸の振動は、ロータを支持する超電導磁気軸受のバネ定数や、ロータの剛性によって決まる固有振動数付近において、共振により継続的に増加することがある。ここで減衰が０とすると、振動は発散する事態も起こり得る。通常の機械式軸受で支持されるロータでは、機械式軸受の摩擦に起因する減衰があり、常温下にあればダンパを付加することもでき、また、常伝導を用いた制御型磁気軸受（ＡＭＢ）で支持されるロータでは、制御により減衰を付与することもできる。しかし、超電導磁気軸受では、原理的には減衰が皆無であるというものの、実際に生じてしまった場合には、極低温、高真空下での使用が制限されるこれまでの制御型磁気軸受では対処できないという問題もあった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、極低温、高真空下でフライホイールの回転軸に偏心振動が生じた場合、該偏心振動を有効に減衰させ、これによって偏心振動による装置破壊、及びフライホイールに蓄積した運動エネルギーを無駄に消費させることを防止可能な振動減衰装置及び振動減衰装置を備えた電力貯蔵装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、回転軸と一体に回転する回転磁石と、固定部材側に配置され、かつ前記回転磁石に対して前記回転軸の軸方向に間隔をおいて対向するように配置されて、該回転軸の中心から変位した回転により渦電流を生じる導体板と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、回転軸と一体に回転する導体板と、固定部材側に配置され、かつ前記回転軸の軸方向に間隔をおいて対向するように配置された固定磁石とを具備し、前記導体板は、前記固定磁石に対して前記回転軸が変位した回転を行うことにより渦電流を生じさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の振動減衰装置によれば、回転軸の中心から変位した回転により渦電流を生じる導体板を設けたので、該回転軸に生じた偏心振動のエネルギーを、該導体板で発生した渦電流により放出して、該偏心振動を有効に減衰させることができる。
また、本発明の振動減衰装置を、フライホイールを利用した電力貯蔵装置に適用することにより、偏心振動による装置の破壊を防止することができ、かつ該フライホイールに蓄積した運動エネルギーが、該フライホイールの回転軸に生じた偏心振動で無駄に消費される事態を防止できる。
また、本発明の振動減衰装置は、渦電流を生じる導体板を、固定部材側に設け、かつ該導体板に対応した磁石を設けることにより、回転軸に生じた偏心振動を減衰できるという簡易な構成であるので、極低温、高真空下で使用される電力貯蔵装置等にも容易に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１に係る電力貯蔵装置１の全体図である。
【図２】図１の電力貯蔵装置１に適用される振動減衰装置２０の概略構成図である。
【図３】振動減衰装置２０に形成された間隔と減衰係数との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２に係る電力貯蔵装置１００の全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１〜図３を参照して説明する。
図１は本発明が適用される電力貯蔵装置１の試験機であって、内部の回転体であるフライホイールに運動エネルギーを貯蔵する機能を有する。
【００１２】
電力貯蔵装置１は、例えば、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する超電導フライホイール蓄電装置である。
このため、電力貯蔵装置１は、充電時には余剰電力をフライホイールＦの運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、放電時にはこのフライホイールＦに蓄積されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換する電動発電機を有するべきである。しかし、本装置は試験機として作成されたものであるので、フライホイールＦを回転させ、又はその回転から電力を発生させるための電動発電機は省略されている。
具体的には、本実施形態に係る電力貯蔵装置１は、主に回転軸Ｍと、フライホイールＦと、超電導磁気軸受９、１０と、内槽となる真空容器１１と、冷却装置１２と、真空排気装置１３とを有する構造とされ、回転軸Ｍの上端部位置には、本発明に係る振動減衰装置２０が備えられている。
【００１３】
回転軸Ｍは、フライホイールＦと一体となって回転する部材である。また、フライホイールＦは、電気エネルギーを運動エネルギーとして保存するための部材である。フライホイールＦは、このフライホイールＦの中心が回転軸Ｍの中心軸Ｏと一致するように、この回転軸Ｍに固定されている。フライホイールＦは、回転軸Ｍとともに真空容器１１内に浮揚状態で収容されており、電力貯蔵用の超電導フライホイールとして機能する。
【００１４】
超電導磁気軸受９、１０は、回転軸Ｍを回転自在に支持する装置である。超電導磁気軸受９は、フライホイールＦ１の下方に配置されており、回転軸Ｍの上端箇所を非接触で支持している。超電導磁気軸受１０は、フライホイールＦの下方に配置されており、回転軸Ｍの下端部側を非接触で支持している。超電導磁気軸受９、１０は、超電導物質のマイスナー効果又は完全反磁性による磁気浮上を利用して回転軸Ｍを回転自在に支持するスラスト軸受として機能する。超電導磁気軸受９、１０は、超電導バルク体（回転子）９ａ、１０ａと超電導コイル（固定子）９ｂ、１０ｂなどを備えており、回転体側の超電導バルク体９ａ、１０ａと固定体側の超電導コイル９ｂ、１０ｂとの間に磁場を発生させる。超電導磁気軸受９、１０は、超電導バルク体９ａ、１０ａと超電導コイル９ｂ、１０ｂとを対向させてこれらの間に磁気反発力を発生させて、超電導バルク体９ａ、１０ａと超電導コイル９ｂ、１０ｂとの間に所定の間隔が保持させるように回転軸Ｍをガイドする。超電導磁気軸受９、１０は、回転軸Ｍ及びフライホイールＦを浮揚状態で支持することによって、エネルギー損失の大部分を占める軸受部分の摩擦抵抗を低減している。
【００１５】
超電導バルク体９ａ、１０ａは、単結晶と同等の超電導特性を有する高温超電導材料の固まりである。超電導バルク体９ａ、１０ａは、例えば、Ｙ系超電導材料などを溶解させてから結晶成長させた溶融成長体であり、冷却することによって超電導特性を発揮する。
【００１６】
真空容器１１は、内部が極低温／高真空下の容器であって、超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを支持した状態でこの超電導磁気軸受９、１０を収容する。また、この真空容器１１は、超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを臨界温度以下にするために内部が極低温下に維持されているとともに、フライホイールＦの風損を低減するために内部が高真空下に維持されている。
【００１７】
冷却装置１２は、内槽１上の内部を冷却する装置であって、例えば、真空容器１１内の超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを液体窒素によって臨界温度以下に冷却する極低温用冷凍機のような熱伝導型冷却装置である。また、この冷却装置１２は、ヘリウムガスの圧縮と膨張とを繰り返して冷却するＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機のような冷凍機１２ａと、この冷凍機１２ａに冷媒ガスを供給する圧縮機１２ｂと、冷凍機１２ａ及び圧縮機１２ｂを経た冷媒ガスを供給する冷媒供給菅１２ｃなどを備えている。
【００１８】
真空排気装置１３は、真空容器１１の内部を真空状態にする装置であって、超電導バルク体９ａ、１０ａへの伝熱（超電導コイル９ｂ、１０ｂからの冷熱で超電導バルク体９ａ、１０ａを冷却）のために、真空容器１１の内部を数〜１００Ｐａ程度の真空状態に調整する。また、この真空排気装置１３は、真空容器１１の内部を真空排気する真空ポンプ１３ａと、この真空ポンプ１３ａと真空容器１１とを接続する管路１３ｂなどを備えている。
【００１９】
次に、図２〜図３を参照して、回転軸Ｍの上端部位置に設置された振動減衰装置２０について詳細に説明する。
この振動減衰装置２０は、図２に示すように、回転軸Ｍと一体に回転する回転磁石２１Ａと、真空容器１１の一部をなす固定部材側に配置されかつ回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて回転磁石２１Ａと対向するように配置された固定磁石２１Ｂと、固定部材側に配置されかつ回転磁石２１Ａに対して回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて対向するように配置されて、該回転軸Ｍの中心軸Ｏから変位した回転により渦電流を生じる導体板２２と、を具備する構成である。
この導体板２２としては、銅の他に、銀、アルミニウムなどの良導体が使用される。また、本例では、回転磁石２１Ａと導体板２２とが、回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて互いに直接対向する位置関係に配置されている。
【００２０】
そして、以上のように構成された振動減衰装置２０では、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動せず回転している間は、導体板２２上で磁界変化が発生しないので、渦電流が生じず、回転エネルギー損失も発生しない。
一方、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動して、導体板２２上に磁界が発生した場合には、これを打ち消す向きに渦電流が流れ、この渦電流によって回転軸Ｍの振動が抑制される。このとき、導体板２２には有限の電気抵抗が存在するので、ここで発生した渦電流は減衰し、これによって回転軸Ｍの振動が減衰及び収束することになる。
【００２１】
この原理に基づき、振動減衰装置２０の減衰係数を測定した結果を図３に示す。
ここでは、回転側の回転磁石２１Ａと、固定側の導体板２２との距離を変化させたときの減衰係数を測定している。そして、図３を参照して分かるように、回転側の回転磁石２１Ａと、固定側の導体板２２との距離が小さくなるほど、減衰係数が大きくなる傾向にあることが分かる。また、ここでの測定は、常温で行っているが、７７Ｋ（液体窒素浸漬）下で行った場合には、電気抵抗が小さくなるために、減衰係数が１．５倍程度アップすることが予想される。
また、小型のシステム検証モデルのロータを用いて、室温、真空下で回転試験を行ったところ、本実施形態に係る振動減衰装置２０が無い場合には、１次の危険速度（予め定めた閾値となる回転速度）で振幅が大きくなり、これ以上の測定ができない状態となった。これに対して、本実施形態に係る振動減衰装置２０を３組取り付け、かつ上記と同様の室温、真空下で回転試験を行ったところ、振幅が小さくなり、数度の釣り合わせの後、１次及び２次の危険速度を越えて、回転軸Ｍを毎分、３０００回転まで回転させることができ、本実施形態に係る振動減衰装置２０の有効性を確認することができた。
【００２２】
以上詳細に説明したように本実施形態に係る電力貯蔵装置１の振動減衰装置２０によれば、回転軸Ｍの中心軸Ｏから変位した回転により渦電流を生じる導体板２２を設けたので、該回転軸Ｍに生じた偏心振動のエネルギーを、該導体板２２で発生した渦電流により放出して、該偏心振動を有効に減衰させることができる。
また、この振動減衰装置２０を、フライホイールＦを利用した電力貯蔵装置１に適用することにより、電力貯蔵装置１の破壊を防止し、かつ該フライホイールＦに蓄積した運動エネルギーが、該フライホイールＦの回転軸Ｍに生じた偏心振動で無駄に消費される事態を防止することができる。
【００２３】
なお、上記実施形態では、回転磁石２１Ａに対して回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて対向する真空容器１１の固定部材側に導体板２２を配置したが、これに加えて、図２に示すように、回転磁石２１Ａ側にも導体板２３を設け、該導体板２３にも渦電流を発生させることにより、同様に偏心振動を有効に減衰させるようにしても良い。
また、上記実施形態において、固定磁石２１Ｂ側の導体板２２を省略して、図２に示す回転磁石２１Ａ側の導体板２３のみに渦電流を発生させて、偏心振動を減衰させても良い。
【００２４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について図４を参照して説明する。
実施形態２に示す電力貯蔵装置１００は電動発電機２を有する点で、実施形態１に示す電力貯蔵装置１(試験機)と異なっている。
この電動発電機２は、充電時には余剰電力をフライホイールＦの運動エネルギーに変換するとともに、放電時にはこのフライホイールＦに蓄積されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
具体的には、実施形態２の電力貯蔵装置１００は、電動発電機２と、架台３と、継手４と、連結軸５と、磁気クラッチ６と、回転軸Ｍと、フライホイールＦと、超電導磁気軸受９、１０と、内槽となる真空容器１１と、冷却装置１２と、真空排気装置１３とを有する構造とされ、回転軸Ｍの端部位置には、本発明に係る振動減衰装置２０が備えられている。
なお、これら構成要素の中で、回転軸Ｍと、フライホイールＦと、超電導磁気軸受９、１０と、内槽となる真空容器１１と、冷却装置１２と、真空排気装置１３と、振動減衰装置２０については、実施形態１と同様の構成であるので、本実施形態２では重複した説明を省略する。
【００２５】
電動発電機２は、電動機と発電機とが可逆であり兼用される装置である。電動発電機２は、電気エネルギーによって電動機を回転させてフライホイールＦを回転させるとともに、このフライホイールＦの運動エネルギーによって発電機を回転させて電力を発生する。電動発電機２は、回転軸２ａなどを備えている。
継手４は、電動発電機２側の回転軸２ａと磁気クラッチ６側の連結軸５とを接続する装置である。継手４は、例えば、電動発電機２と磁気クラッチ６との間で動力を伝達する軸継手などである。連結軸５は、継手４と磁気クラッチ６とを連結する部材である。連結軸５は、継手４及び磁気クラッチ６と一体となって回転するように、一方の端部が継手４に固定されており、他方の端部が磁気クラッチ６のクラッチ片６ａに固定されている。
【００２６】
電動発電機２は、電動機と発電機とが可逆であり兼用される装置である。電動発電機２は、電気エネルギーによって電動機を回転させてフライホイールＦを回転させるとともに、このフライホイールＦの運動エネルギーによって発電機を回転させて電力を発生する。電動発電機２は、回転軸２ａなどを備えている。
継手４は、電動発電機２側の回転軸２ａと磁気クラッチ６側の連結軸５とを接続する装置である。継手４は、例えば、電動発電機２と磁気クラッチ６との間で動力を伝達する軸継手などである。連結軸５は、継手４と磁気クラッチ６とを連結する部材である。連結軸５は、継手４及び磁気クラッチ６と一体となって回転するように、一方の端部が継手４に固定されており、他方の端部が磁気クラッチ６のクラッチ片６ａに固定されている。
【００２７】
磁気クラッチ６は、電動発電機２と回転軸Ｍとの間で動力を伝達する装置である。磁気クラッチ６は、例えば、非接触で動力を断続させる非接触式磁気クラッチのような磁気力トルク伝達部品である。磁気クラッチ６は、永久磁性体又はコイル（例えば銅線）のクラッチ片６ａと、このクラッチ片６ａとの間に磁力を発生する永久磁性体のクラッチ片６ｂとを備えている。磁気クラッチ６は、クラッチ片６ａとクラッチ片６ｂとの間に間隙部を形成するようにクラッチ片６ａとクラッチ片６ｂとが対向しており、真空容器１１の外側にクラッチ片６ａが配置され、真空容器１１の内側にクラッチ片６ｂが配置されている。
【００２８】
この振動減衰装置２０は、実施形態１で説明したように、回転軸Ｍと一体に回転する回転磁石２１Ａと、固定部材となる真空容器１１側に配置されかつ回転磁石２１Ａに対して回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて対向するように配置されて、該回転軸Ｍの中心軸Ｏから変位した回転により渦電流を生じる導体板２２と、を具備する構成である。
【００２９】
なお、実施形態１では、フライホイールＦ上下端部に振動減衰装置２０を配置したが、この実施形態２では、クラッチの伝達力による振動を抑えるため、当該振動減衰装置２０は、磁気クラッチ６の直下にも配置されている。
このとき、振動減衰装置２０はその設置スペースを確保するために、回転側の回転磁石２１Ａ及び固定側の導体板２２が、回転軸Ｍを囲むようにいずれもが環状体に形成されている。
【００３０】
そして、以上のように構成された振動減衰装置２０では、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動せず回転している間は、導体板２２上で磁界変化が発生しないので、渦電流が生じず、回転エネルギー損失も発生しない。
一方、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動して、導体板２２上に磁界が発生した場合には、これを打ち消す向きに渦電流が流れ、この渦電流によって回転軸Ｍの振動が抑制される。このとき、導体板２２には有限の電気抵抗が存在するので、ここで発生した渦電流は減衰し、これによって回転軸Ｍの振動が減衰及び収束することになる。
【００３１】
そして、以上のように構成された振動減衰装置２０では、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動せず回転している間は、導体板２２上で磁界変化が発生しないので、渦電流が生じず、回転エネルギー損失も発生しない。
一方、回転軸Ｍとともに回転磁石２１Ａが径方向に振動して、導体板２２上に磁界が発生した場合には、これを打ち消す向きに渦電流が流れ、この渦電流によって回転軸Ｍの振動が抑制される。このとき、導体板２２には有限の電気抵抗が存在するので、ここで発生した渦電流は減衰し、これによって回転軸Ｍの振動が減衰及び収束することになる。
【００３２】
なお、実施形態２においても、回転磁石２１Ａに対して回転軸Ｍの軸方向に間隔をおいて対向する真空容器１１の固定部材側に導体板２２を配置したが、これに加えて、実施形態１と同様、図２に示すように、回転磁石２１Ａ側にも導体板２３を設け、該導体板２３にも渦電流を発生させることにより、同様に偏心振動を有効に減衰させるようにしても良い。
また、上記実施形態において、固定磁石２１Ｂ側の導体板２２を省略して、回転磁石２１Ａ側の導体板２３のみに渦電流を発生させて、偏心振動を減衰させても良い。
【００３３】
また、上記実施形態１、２に示される振動減衰装置２０は、いずれも電力貯蔵装置１、１００に適用したが、これに限定されず、回転体に偏心振動が生じる恐れのあるモータ、発電機、圧縮機などの回転機器に適応しても良い。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、超電導体及びフライホイールを使用した電力貯蔵装置等に適用されて、回転軸で生じる振動及び変位を是正できる振動減衰装置に関する。
【符号の説明】
【００３６】
１  電力貯蔵装置
９  超電導磁気軸受
１０  超電導磁気軸受
１１  真空容器（固定部材）
２０  振動減衰装置
２１Ａ  回転磁石
２１Ｂ  固定磁石
２２  導体板
２３  導体板
１００  電力貯蔵装置
Ｆ  フライホイール
Ｍ  回転軸
Ｏ  中心軸
【図１】
2015050911.tif 000003
【図２】
2015050911.tif 000004
【図３】
2015050911.tif 000005
【図４】
2015050911.tif 000006