(57)【要約】フライホイールシステムは、外径を有する略ドーナツ型のフライホイールロータを備えている。フライホイールロータは、ハブの周囲に配設され、紐部材を介して該ハブに結合されている。紐部材の径方向長さは、フライホイールの外径よりも僅かに小さい。ハブは、可撓性シャフト又はフレキシブルジョイントを有する堅いシャフトを介してモータ／発電機に懸架されている。フライホイールロータの質量は、実質的に、フライホイールを構成する繊維の全質量である。繊維は互いに移動可能に構成されている。モーター/発電機は、減衰ジンバルに懸架されている。フライホイールロータ及びモータ/発電機は、真空引き可能なチャンバー内に配設されている。静電モータ/発電機は、フライホイールと同じ真空室内に配設してもよい。【選択図】図１
2011509647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径を有する略ドーナツ形のフライホイールロータを備え、
フライホイールロータは、ハブの周囲に配設され、張力が作用する複数の紐部材を介して該ハブに結合され、
紐部材は、フライホイールロータの外径よりも小さい径方向長さを規定し、
フライホイールロータの質量は、該フライホイールロータを構成する繊維の全質量と実質的に等しく、
上記繊維は、その全体又は大部分が互いに移動可能となっているフライホイールロータシステム。
【請求項２】
請求項１において、
ハブは、堅いシャフトを介してモータ／発電機に懸架されており、
モータ／発電機は、減衰ジンバルに懸架されているフライホイールロータシステム。
【請求項３】
請求項２において、
モータ／発電機と堅いシャフトの間に設けられた自在継手を更に備えているフライホイールロータシステム。
【請求項４】
請求項２又は３において、
紐部材の数が、１乃至６本の何れか又は任意の本数であるフライホイールロータシステム。
【請求項５】
請求項２又は３において、
上記繊維は、ポリオレフィンからなるフライホイールロータシステム。
【請求項６】
請求項２又は３において、
モーター/発電機は、モーター/発電機ロータプレートとステータプレートによって規定される少なくとも一つのコンデンサを備え、
モーター/発電機ロータプレートは、シャフトに対して機械的に連結され、
ステータプレートは、ジンバルに対して機械的に連結されているフライホイールロータシステム。
【請求項７】
請求項２又は３において、
モーター/発電機は、モーター/発電機ロータプレートとステータプレートによって規定される少なくとも一つのコンデンサを備え、
モーター/発電機ロータプレートは、シャフトに対して機械的に連結され、
ステータプレートは、ジンバルに対して機械的に連結され、
モーター/発電機ロータプレート及びステータプレートは、駆動用の電子機器に電気的に接続されているフライホイールロータシステム。
【請求項８】
請求項２乃至７の何れか一つにおいて、
構成要素が真空引き可能なチャンバー内に収容されているフライホイールロータシステム。
【請求項９】
請求項６において、
モーター/発電機ロータプレート及びステータプレートは、駆動用の電子器機に電気的に接続され、
駆動用の電子器機は、システムの他の構成要素を収容し且つ真空引き可能に構成されたチャンバーの外部に配置されているフライホイールロータシステム。
【請求項１０】
請求項８又は９において、
チャンバーは、少なくとも１０−２Torrまで真空引きされるフライホイールロータシステム。
【請求項１１】
モーター/発電機と略ドーナツ型のフライホイールロータとを収容するチャンバーを用いた方法であって、
フライホイールロータの質量は、該フライホイールロータを構成する繊維の全質量と実質的に等しく、
上記繊維は、その全体又は大部分が互いに移動可能に構成され、
チャンバーは、ハブを更に収容し、
フライホイールロータは、ハブの周囲に配設され且つ張力が作用する紐部材を介して該ハブに結合され、
紐部材は、フライホイールロータの外径よりも小さい径方向長さを規定し、
ハブは、シャフトにより懸架され、
シャフトは、回転軸に垂直な方向に無視し得ない可撓性を有し、又は回転軸と垂直な方向に曲がり得る自在継手等のフレキシブルジョイントに懸架され、
可撓性のシャフト又はユニバーサルジョイントは、モーター/発電機のシャフトに懸架されており、
チャンバーを真空引きする工程と、
モーター/発電機に対して電気的エネルギーを供給し、それによってシャフト又はシャフトとジョイントを組み合わせたものを介してハブに対してトルクを付与し、それによってフライホイールロータを回転させ、それによって紐部材を引っ張り状態に移行させる工程と、
その後に、モーター/発電機に対する電気的なエネルギー供給を停止する工程と、
その後に、モーター/発電機を用いて回転中のフライホイールロータからエネルギーを取り出して電気的エネルギーを発生させる工程とを備えている方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
フライホイールロータの角速度が１Ｈｚよりも高くなっている方法。
【請求項１３】
請求項１１において、
電気的エネルギーの供給停止とエネルギーの取り出しとの間隔が一分間よりも長くなっている方法。
【請求項１４】
請求項１１において、
フライホイールロータの回転が貯蔵されたエネルギーの量を規定し、貯蔵されたエネルギーが１ジュールを越えている方法。
【請求項１５】
請求項１１において、
チャンバーの真空引きが少なくとも１０−３Torrに達するまで行われる方法。
【請求項１６】
請求項１１において、
モーター/発電機は、モーター/発電機ロータプレートとステータプレートによって規定される少なくとも一つのコンデンサを備え、
モーター/発電機ロータプレートは、シャフトに対して機械的に結合され、
ステータプレートは、ジンバルに対して機械的に結合され、
モーター/発電機ロータプレート及びステータプレートは、駆動用の電子器機に電気的に接続されている方法。
【請求項１７】
導電性のロータと導電性のステータとを有する装置を用いた方法であって、
ロータは、シャフト上でステータに対して相対的に回動可能に構成され、
ロータ及びステータは、シャフトの回転角に応じて且つ最大値と最小値との間で変化する静電容量を規定し、
静電容量は、第一及び第二端末を規定し、
シャフトは、３６０度回転可能とされ、
装置は、第一、第二、第三、及び第四電気的ノードを規定し、
可変静電容量の第一端末は、第一ノードに電気的に接続され、
可変静電容量の第二端末は、第三ノードに電気的に接続され、
第一ダイオードは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二ダイオードは、第三ノードと第四ノードとの間に接続され、
第一スイッチは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二スイッチは、第三ノードと第四ノードとの間に接続されており、
上記装置は二つの動作モードを有し、
第一の動作モードは、
第一ノードに対して、第二ノードを基準に第一ＤＣ電圧を印加する工程と、
第四ノードに対して、第二ノードを基準に第一ＤＣ電圧とは反対の極性の第二ＤＣ電圧を印加する工程と、
可変静電容量が最大静電容量とは異なる第一静電容量となる第一時期に、第二スイッチを閉じる工程と、
第一時期よりも後において、可変静電容量が第一の静電容量よりも高い第二静電容量となり、且つ可変静電容量の電圧が第一電圧となる第二時期に、第二スイッチを開放する工程と、
第二時期よりも後において、可変静電容量の電圧が第一電圧よりも低い第二電圧となり、且つ静電容量が第三静電容量となる第三時期に、第一スイッチを閉じる工程と、
第三時期よりも後において、静電容量が第四容量となる第四時期に、第一スイッチを開放する工程とを有し、
それによって、第一モード中に装置に印加される電気的エネルギーをシャフトのトルクに変換するように構成され、
第二の動作モードは、
第四時期よりも後の第五時期に、第一及び第二スイッチを開放する工程と、
シャフトにトルクを加えることによってロータをステータに対して相対的に回転させる工程とを有し、
それによって、第二の動作モード中にシャフトに印加される機械的エネルギーを第四ノードにおける電気的エネルギーに変換するように構成されている方法。
【請求項１８】
請求項１７において、
第一ダイオードは、第二ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第二ダイオードは、第四ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第一ＤＣ電圧は、第一ノードにおいて、第二ノードを基準としたときに負の電圧となっている方法。
【請求項１９】
請求項１７において、
装置は、第二相を更に備え、
第二相は、それぞれが二相第三ノードを介して二相スイッチ及び二相ダイオードに接続された第二相ロータ及び第二相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続され、
第二相に対しても上記各工程が実行される方法。
【請求項２０】
請求項１９において、
装置は、第三相を更に備え、
第三相は、それぞれが三相第三ノードを介して三相スイッチ及び三相ダイオードに接続された第三相ロータ及び第三相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続され、
第三相に対しても上記各工程が実行される方法。
【請求項２１】
導電性のロータと導電性のステータとを有する装置であって、
ロータは、シャフト上でステータに対して相対的に回動可能に支持され、
ロータ及びステータは、シャフトの回転角に応じて且つ最大値と最小値との間で変化する静電容量を規定し、
静電容量は、第一及び第二端末を規定し、
シャフトは、３６０度回転可能とされ、
装置は、第一、第二、第三、及び第四の電気的ノードを規定し、
可変静電容量の第一端末は、第一ノードに電気的に接続され、
可変静電容量の第二端末は、第三ノードに電気的に接続され、
第一ダイオードは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二ダイオードは、第三ノードと第四ノードとの間に接続され、
第一スイッチは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二スイッチは、第三ノードと第四ノードとの間に接続されている装置。
【請求項２２】
請求項２１において、
第一ダイオードは、第二ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第二ダイオードは、第三ノードから第四ノードに向かう方向に電気を導通させる装置。
【請求項２３】
請求項２１において、
装置は、第二相を更に備え、
第二相は、それぞれが二相第三ノードを介して二相スイッチ及び二相ダイオードに接続された第二相ロータ及び第二相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続されている装置。
【請求項２４】
請求項２３において、
装置は、第三相を更に備え、
第三相は、それぞれが三相第三ノードを介して三相スイッチ及び三相ダイオードに接続された第三相ロータ及び第三相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続されている装置。
【請求項２５】
請求項２１において、
装置のスイッチは、ロータの回転位置に焦点を当てて回転位置検出を行う方法で入力を得る回路によって制御されている装置。
【請求項２６】
請求項２１において、
中心部でシャフトにより懸架された質量のあるロータを更に備え、
シャフトは、それ自体が可撓性を有し、又はフレキシブルジョイントに懸架され、
可撓性のシャフト又はフレキシブルジョイントは、ロータに懸架され、
ステータは、減衰ジンバルに懸架されている装置。
【請求項２７】
請求項２６において、
システムが真空引き可能なチャンバー内に収容されている装置。
【請求項２８】
導電性のロータと導電性のステータとを有する装置を用いた方法であって、
ロータは、シャフト上にステータに対して相対的に回動可能に構成され、
ロータ及びステータは、シャフトの回転角に応じて且つ最大値と最小値との間で変化する静電容量を規定し、
静電容量は、第一及び第二端末を規定し、
シャフトは、３６０度回転可能とされ、
装置は、第一、第二、第三、及び第四の電気的ノードを規定し、
可変静電容量の第一端末は、第一ノードに電気的に接続され、
可変静電容量の第二端末は、第三ノードに電気的に接続され、
第一ダイオードは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二ダイオードは、第三ノードと第四ノードとの間に接続され、
第一ノードと第三ノードの間に波形源が接続されており、
ロータを回転させるために波形源から波形を供給し、それによって装置に加えられた電気的エネルギーをシャフトにおけるトルクに変換する工程と、
その後、波形源からの波形の入力を停止して、第一ノードに対して第二ノードを基準として第一ＤＣ電圧を印加する工程と、
シャフトにトルクを加えることによってロータをステータに対して相対的に回転させ、それによってシャフトに加えられた機械的エネルギーを第四ノードにおける電気的エネルギーに変換する工程とを備えている方法。
【請求項２９】
請求項２８において、
第一ダイオードは、第二ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第二ダイオードは、第四ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第一ＤＣ電圧は、第一ノードにおいて、第二ノードを基準としたときに負の電圧となっている方法。
【請求項３０】
請求項２８において、
装置は、第二相を更に備え、
第二相は、それぞれが二相第三ノードを介して二相スイッチ及び二相ダイオードに接続された第二相ロータ及び第二相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続され、
第二相に対しても上記各工程が実行される方法。
【請求項３１】
請求項３０において、
装置は、第三相を更に備え、
第三相は、それぞれが三相第三ノードを介して三相スイッチ及び三相ダイオードに接続された第三相ロータ及び第三相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続され、
第三相に対しても上記各工程が実行される方法。
【請求項３２】
導電性のロータと導電性のステータとを有する装置であって、
ロータは、シャフト上でステータに対して相対的に回動可能に構成され、
ロータ及びステータは、シャフトの回転角に応じて且つ最大値と最小値との間で変化する静電容量を規定し、
静電容量は、第一及び第二端末を規定し、
シャフトは、３６０度回転可能とされ、
装置は、第一、第二、第三、及び第四の電気的ノードを規定し、
可変静電容量の第一端末は、第一ノードに電気的に接続され、
可変静電容量の第二端末は、第三ノードに電気的に接続され、
第一ダイオードは、第二ノードと第三ノードとの間に接続され、
第二ダイオードは、第三ノードと第四ノードとの間に接続され、
波形源が、第一ノードと第三ノードの間に接続されている装置。
【請求項３３】
請求項３２において、
第一ダイオードは、第二ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させ、
第二ダイオードは、第四ノードから第三ノードに向かう方向に電気を導通させる装置。
【請求項３４】
請求項３２において、
装置は、第二相を更に備え、
第二相は、それぞれが二相第三ノードを介して二相スイッチ及び二相ダイオードに接続された第二相ロータ及び第二相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続されている装置。
【請求項３５】
請求項３４において、
装置は、第三相を更に備え、
第三相は、それぞれが三相第三ノードを介して三相スイッチ及び三相ダイオードに接続された第三相ロータ及び第三相ステータを備えると共に、第一、第二、及び第四ノードに接続されている装置。
【請求項３６】
請求項３２において、
中心部でシャフトにより懸架された質量のあるロータを更に備え、
シャフトは、それ自体が可撓性を有し、又はフレキシブルジョイントに懸架され、
可撓性のシャフト又はフレキシブルジョイントは、シャフトに懸架され、
ステータは、減衰ジンバルに懸架されている装置。
【請求項３７】
請求項３６において、
システムは真空引き可能なチャンバー内に収容されている装置。
【請求項３８】
外径を有する略ドーナツ形のフライホイールロータを備え、
フライホイールロータは、ハブの周囲に配設され、張力が作用する複数の紐部材を介して該ハブに結合され、
紐部材は、フライホイールロータの外径よりも小さい径方向長さを規定し、
フライホイールロータの質量は、該フライホイールロータを構成する繊維の全質量と実質的に等しく、
上記繊維は、その全体又は大部分が互いに移動可能となり、
ハブは、シャフトに懸架され、
シャフトは、それ自体が可撓性を有し、又はフレキシブルジョイントに懸架され、
可撓性シャフト又はフレキシブルジョイントは、モーター/発電機に懸架され、
モーター/発電機は、減衰ジンバルに懸架されているフライホイールロータシステム。
【請求項３９】
請求項３８において、
システムは、真空引き可能なチャンバー内に収容されているフライホイールロータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフライホイールシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
後で使用できるように電気エネルギを貯蔵できるようにすることは非常に望ましい。
【０００３】
電気的エネルギを貯蔵し、再生させることができる多くの技術が存在する。
【０００４】
しかし、これらの技術のうち、公共の電力網等の大規模なシステムに接続されたアプリケーションにおいて、十分に安価で経済的に実用できるシステムは殆どない。経済的に機能し得る全ての現存する利用可能な技術は、そららの最終的に達成可能な性能を制限する地理的、地質学的、及び／又は技術的な要因と、潜在ユーザに対する近接性との点で、それらの実用性が制限される。
【０００５】
大量の電力の安価な貯蔵によって、発電事業者、送電事業者、配電事業者、及び電気ユーザは、燃料の増加及び資本効率を考慮した電力要求の大きな変動を緩和することができる。安価な電気を蓄えることの純粋な経済的価値を超えて、非常に大きな環境的価値が明らかになりつつある。化石燃料に基づく発電によって生じるＣＯ２は、地球温暖化の主な要因になっている。市場には、ＣＯ２や他の汚染物質を排出することなく大量の利用可能な電力を生じる技術が存在するが、現在知られている技術及び早期に拡張可能な技術の中で、ユーザの要求に応じて任意に出力を増減することができるものは存在しない。
【０００６】
風力、太陽光、及び潮流のエネルギー転換に基づく技術は、それらを利用することができるときに電気を発生させることが可能なだけである。原子力は、急激に出力を増減させるのが難しく、定常運転時の方がずっと高効率で運転されることが知られている。これらの限界のために、これらの技術は全体の電力需要の中の少しの部分を担うに役立つだけであり、危機的な時代においても化石燃料による発電に頼らざるを得ない。これらの技術が、全体のシステム生成能力に占める割合を上げるためには、それらには、電気を貯蔵するとともに再生する能力の増加が要求される。
【０００７】
近年では、このような電気の貯蔵のために、フライホイールを使用する考えが注目されている。目的は、電気的エネルギを、フライホイールを加速するためのモータを介して使用することで、電気的エネルギーを、フライホイールの運動量として貯蔵可能な運動エネルギーに変換することにある。一旦電気エネルギ源が運動エネルギーに変換されると、フライホイールが回転している間中、任意に、時間の経過が許容される。その後、電気エネルギーは、フライホイールの運動量で発電機又はオルタネータを駆動することによって、システムから取り出される。これは、フライホイールを減速させて、そこに蓄えられた運動エネルギーを電気的エネルギに変換する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フライホイールにエネルギーを蓄えるのは、長い間広く使用されてきた非常に古くからある考え方である。フライホイールにエネルギーを蓄えたり、上述した機械式の蓄電装置を使用することは新しい考え方ではない。そして、フライホイールをベースにした幾つかのシステムは、接続されたアプリケーションに対して、周波数調整及び短時間の緊急パワーバックアップのような高い価値のサービスを提供する。この明細書において開示される本発明を除いて、発明者が現時点で知っている中で、大量のエネルギーを貯蔵可能で且つ十分な経済性を有するフライホイールエネルギーシステムは存在しない。
【０００９】
フライホイールシステムの経済性の実現度は、多くの要因が影響している。これらのうちで、最も重要なのは、製造原価、「増速（spin up）」と「減速（draw down）」の工程における変換効率、及び、惰性効率、又は、パワーを蓄え又は取り出す過程以外で、フライホイールが充電状態にあるときにどのくらいのエネルギーが失われるかである。
【００１０】
フライホイールに蓄えられる運動エネルギーは、(１/２)Ｉω２であり、Ｉはフライホイールの慣性モーメント、ωはフライホイールの角速度である。単位原価当たりのこの式の値を最大化するためには、通常、フライホイールロータを、与えられた材料で慣性モーメントを最大化するように形成することが好ましい。最も効果的なフライホイールロータ形状のうちの一つは、輪状又は環状である。
【００１１】
フライホイールの製造において考慮すべき設計問題は多数ある。これらは、材料費、製造費、動的安定性、内部摩擦、軸受技術、構造、モータ／発電機技術及び構造、筐体を含むが、これらに限定されるものではない。
【００１２】
公知のフライホイールシステムの一つである「フレキシブル・フライホイール」は、ヴァンス（Vance）とマーフィ（Murphy）により執筆され且つ部分的に試験されており、1980年10月にアリゾナ州スコッツデールにて、エネルギー省、米国機械学会、ローレンス・リバモア国立図書館により共催された、1980年フライホイール技術シンポジウム(Flywheel Technology Symposium)における「Inertial Energy Storage for Home or Farm Use Based on a flexible FLywheel」（J.M.Vance及びB.T Murphy著）の７５頁〜８７頁に、「Vance flywheel」として記載されている。この設計は、モータからの多数の支持ロープによってドーナツ型のロープの束（フライホイールとして機能する）を、非軸対称のジンバルシステムに懸架するものである。ヴァンスシステムは、様々な望ましい特性を有することがわかっている。
【００１３】
このシステムは、支持ロープ自体が「捩り上げ」られてやや柔軟なシャフトを形成するようにモータで急速に加速されるときに、完全に自己バランスをとって自己安定化することがわかっている。これは、他の大部分のフライホイールシステムに勝る大きな利点である。
【００１４】
加えて、ヴァンスフライホイールロータの繊維は、硬いに母材内で互いに密接に結合されないので、フライホイールロータは、他の多くのフライホイール設計に制限を与える大きな内部応力及び内部摩擦を受けることがない。等方性物質、複合繊維/樹脂基材、又は他のいかなる剛体又は半剛体の材料から製造される剛体のフライホイールでは、周方向応力が生じる。この周方向応力は、フライホイールが速度を有しているときの角加速度に起因するものである。これらの応力は、フライホイールロータの回転軸線に近い場所よりも周辺でより大きくなる。全ての材料は、応力を受けたときに伸長し、応力が大きいほど伸長量は大きくなり、応力が小さいほど伸長量は小さくなる。回転体において形成された応力分布に起因して、フライホイールロータでは回転中心からの半径位置によって伸長量が異なることとなる。剛体の又は半剛体のフライホイールロータシステムにおいて、これらの違いは、フライホイールロータの各部に大きな剪断応力を生じさせる。これらの応力は、フライホイールロータの破壊を生じさせる場合がある。この問題は、フライホイール分野における多くの課題である。ヴァンスフライホイールは可撓性を有しており、その繊維は互いに強固に接合されているわけではないので、それらは互いに僅かに移動可能となっている。このように、多くの現在するフライホイールロータの設計において問題となる剪断応力が生じることはなく、従って問題は生じない。
【００１５】
ヴァンスホイールを効率的な質量分布を有するシステムに組み込んだときの、該システムの自動安定化、自動平衡、剪断開放特性、製造の容易性、及び低い軸受負荷は、この構成を非常に興味深いものにする。
【００１６】
しかしながら、プロジェクトが解体される前に、この装置は完全にはテストされていなかった。この装置は、エネルギー貯蔵の解決策としての使用を妨げる重大な制限を受ける。最も重大な制限は、支持ロープの捩りの戻ることが許容されるときに、システムが大幅に不安定になるということである。フライホイールを高速で且つ低い惰性損失で作動させるためにも、それは、風損と摩擦損失を低減するために、十分に高い真空状態で高効率の軸受けシステムを用いて作動しなければならない。この環境において、惰性回転中には、フライホイールに対してトルクは全く（又は殆ど）作用せず、重力は支持ロープの捩れを解くように作用する。支持ロープの捩れが解かれるときに、フライホイールロータは、その自動平衡特性と自動安定化特性を失って大幅に不安定化し、実用可能なシステムにとって受け入れられない状態となる。この捩れが戻る状況は、フライホイールロータに加わるトルクが逆転する場合にも生じる。この場合、支持ロープは、完全に解けてから再び巻かれることを強いられ、システムは不安定な「捩られていない」状態を通過しなければならない。この状況は、例えば、システムが「増速（spin up）」モードから「減速（draw down）」モードへと移行する状態に置かれたときに起こり得る。この例における不安定な期間は、大抵は非常に短く、通常はシステムを崩壊させるものではない。しかし、それは、激しいものであり、システムに対してかなりの制御不能な応力を生じさせる。この応力は、利用価値の高い如何なるアプリケーションにおいても好ましいものではない。
【００１７】
ヴァンスフライホイールはまた、システムに加えることができるトルク量に関してかなり制限される。
【００１８】
これを理解するために、よくある子供の玩具である“輪ゴムで動くバルサ材の飛行機”との類似性を考えればよい。先ず最初に、輪ゴムは、完全に緩んでいて捩れていない。プロペラの巻き上げを開始したときに、輪ゴムが捩れ上がる。幾つかのポイントにおいて、輪ゴムはかなり捩られる。それは、初期の第一捩れよりも粗い第二の捩れに入る。捩れた輪ゴムは、捩れの第二層を形成し、それ自体が後ろに捩れる。捩れの第二層の第一の部分は、小さな結節のように見える。更に巻き上げ続けると、結節の連続列は最終的には輪ゴムの全ての長さをカバーすることになる。この結節の連続列が輪ゴムの全部を使い果たした状態で更に巻き続けられると、もう一つの大きな結節が第三番目の捩れを形成し始める。そして、この第三の大きな結節が成長し始める。一般に、輪ゴム全体の中間にまで第三のレベルの捩れが達すると、輪ゴムは一端において破断する。
【００１９】
二つの固定点の間で捩られている輪ゴムに代えて、カウンタウェイト（本願ではフライホイールロータ）がぶら下がったロープの束を有し、このロープ自体が捩れ続けることができるシステムを考える。このシステムは、両端が固定されているわけではないので、システムに対してより張力を付与する代わりに、ロープは、新たに捩れが生じて太くなるに連れて、短くなってゆく。ロープは、それがもはや可撓性を有する緩んだ安定化装置でなくなる位置まで急速に短くなり、むしろ短くて硬い結合に近づいてゆく。この連続体のいくつかの位置において、フライホイールは、長さや可撓性の低下に起因して不安定になる。このことから、システムが不安定になる前にシステムに加えることができるトルクの量について、厳密で且つ低い制限があることが理解されるであろう。あまりに多くのトルクを加えると、捩られたロープがそれ自信、再度捩られてそれらの各層における有効長さが短縮化される結果、フライホイールが多かれ少なかれ強固にモータ／発電機に取り付けられ且つ自己平衡能力が失われることとなる。そして、フライホイールは、大幅に不安定になる。
【００２０】
このトルク制限は、非常に重要である。なぜなら、それは、システムに入力し且つ引き出すことができるパワーを制限し、システムの有用性を制限するからである。これは、フライホイールを可能な限り急速に充電することが望ましいケースにおいて、安全性の問題となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、ヴァンスフライホイールを設計する上で重要な前進である。
【００２２】
フレキシブル継手を有する剛体シャフトを組み込んだ新規な超円形（suprer-circular）の可撓性フライホイールロータの構成を取り込むことにより、本発明は、ヴァンスフライホイールの全ての利点を取り込みつつ、支持ロープの捩れを排除している。これは、システムの安定性を危うくすることなく、機械の惰性及び真空下における反対方向のトルクを許容する。加えて、本発明は、フライホイールロータに加えられるトルクの総量を急激に且つ大幅に増加させる。これは、システムに次々に入力され又は出力されるエネルギーの量を劇的に増加させる。
【００２３】
他の成功した、内部摩擦／剪断応力問題へのアプローチは、「非被覆の糸状体（bare filament）」又は「準円形（sub-cirucular）」のフライホイールロータとして、G.Gentaの「Kinetic Energy Storage：Theory and Practice of Advanced Flywheel Systems」（Butterworth-Hienemann社 1985年2月）及び D.W.Rabenhorst,T.R.Small 及びW.O.Wilkinsonの「Low-Cost Flywheel Demonstration Program」（ジョンズホプキンス大学物理実験室、レポート番号DOE/EC/1-5085  1980年4月）に記載されている。
【００２４】
このシステムは、可撓性繊維からなる輪状体を使用している。この輪状体は、図２３及び図２４に示すように、連続する圧縮応力が加えられたスポーク状又は準円形の固体に繋がれる。この準円形のスポーク状の構成において、輪状繊維は、仮に輪７１とスポーク７０とが同じ半径（長さ）を有している場合に決まる円形よりも輪７１が小さくなるように、その半径がスポーク７０よりも短くなっている。Rabenhorstが述べているように、準円形のフライホイールロータでは、Gentaのスポーク中心体（Genta's spoke core）よりも、
むしろ準円形に切断された中実の中心体が使用される。しかし、システムの目的及び機能は、表面上は同じである。準円形のフライホイールロータが回転するときに、遠心力は、可撓性繊維を完全な円形にするように作用する。スポーク又は中心体システムは、繊維が自然とバランスのとれた円形となることを許容しないので、それら繊維は、フライホイールロータの回転速度と共に増加する圧縮荷重を受けることとなる。この相互作用のために、フライホイールロータの繊維は、フライホイールロータの安定性を提供するために適切に制御される。しかし、この構成では、繊維や糸状体がコア、スポーク、又はそれぞれに対して剛体結合されている必要はない。これによって、「非被覆の糸状体」又は「準円形」のフライホイールロータは、上述した内部摩擦及び剪断応力の問題を回避することができる。フライホイールロータのスポーク７０の数は、最低二つから、特定の実験で測定されることができるかなりの数の範囲とすることができる。
【００２５】
これらの「非被覆の糸状体」又は「準円形」のフライホイールロータは、うまくバランスされる。しかし、標準的に剛性結合されたフライホイールシステムにおいて、これらのフライホイールロータが動的であってシステムが回転するに連れてバランスを失うという点で、糸状体の相互間の移動は、それらの利用を制限する。更に、これらのフライホイールロータは、スポーク７０、ハブ７３及びコアの製造のために、相対的に高価な材料と技術を必要とする。合板のような安価な材料は、Rabenhorstによってうまくテストされたが、それらの信頼性はあまりに低いと考えられた。そして、そして、真空環境内の「ガスを抜き」を行うことは、システムに対して、真空保持ステム（例えば、拡散ポンプ、イオンポンプ、ターボポンプ、吸着ポンプ当）等の製造費用や、エネルギー等の間接費用を盛り込むことを要求する。この能動的に真空保持を図るシステムは、磨耗品、及び／又はメンテナンス品でもある。
【００２６】
本発明は、類似しているがより安価で優れた結果を得るために、超円形（super circular）の形状を採用する。圧縮スポーク７０又は準円形のフライホイールロータのコアを、より短くて張力の作用する紐部材に置き換えることによって、糸状体からなる輪状体１０を「超円形」に形成することが可能となる（図２５及び図２６を参照）。紐部材１１の張力繊維は、主糸状輪１０と同じ又は異なる材料からなる。超円形のフライホイールロータにおいて、紐部材に作用する引張り力は、回転速度が上昇するに連れて増加し、小さな内側ハブ１２を輪状体１０の回転軸と同軸に維持するように働く。この安定化力は、回転速度の増加に伴って増加する。このシステムは、剛体部材を用いた低速回転のときほど安定ではないが、適切な調整を行うことで十分な安定性が得られる。真空でも使用される安価な引張り部材を直ぐに利用することができるので、超円形のフライホイールロータは、同等の能力を有する準円形のフライホイールロータよりもかなり低価格で製造することができる。また、超円形のフライホイールロータの構造から必要とされる製造技術は、非常に単純であり、それによって、製造コストをかなり減らすことができる。
【００２７】
更に、ヴァンスフライホイールのジンバル・システムと連動して使用されるときに、システムの自動平衡特性は、超円形又は準円形のいずれかの非被覆の糸状のフライホイールロータによって実現され、システムのコストを低減することができるとともに、システムの信頼性を高めることができる。
【００２８】
ヴァンスフライホイールシステムの欠点と他のフライホイール設計の欠点とを回避しつつ、フライホイールの他の利点を維持することができるフライホイールシステムが考案される場合には、それは極めて望ましい。安価な材料が使用される場合には、それはまた望ましい。この種のシステムは、効率的で且つ環境にやさしい電気的エネルギーの貯蔵の可能性を提供する。
【００２９】
電気的エネルギーを貯蔵するためのフライホイールシステムのさらなる設計上の関心時は、エネルギーをフライホイールに蓄える方法とエネルギーをフライホイールから取り出す方法である。システムにエネルギーを蓄える方法とエネルギーを取り出す方法は、非効率的であるか、高価であるか、又は、かさばるものである。これらの方法のいくつかは、ここで使用される物理的な環境（真空状態）に十分に適していない。
【００３０】
安価でそして効率的のエネルギーの注入及び取り出しが可能で、この注入／取り出し機構がかさばり過ぎないフライホイールシステムが考案される場合にはそれが好ましい。
【００３１】
上述した新規なフライホイールロータとジンバル・システム２１は、システムからエネルギーを注入し及び取り出すための広範囲に亘る様々なモータ/発電機技術と組み合わせて使用されるが、気体タービン、液圧タービン、あるいは（かご形誘導の、永久磁石誘導の、ブラシ付きDCの、多相の、同極の、静電式の）モーター/発電機に限定されるものではない。以前に述べたように、エネルギー貯蔵フライホイールシステムの評価要因は、材料コスト、製造コスト、充電効率、放電効率、及び惰性効率、そして、真空環境においても使用可能であるということである。上述したモーター/発電機システムは、このシステムにおいて利用可能であるが、これらの理由のうちの一つのために最適ではない。
【００３２】
惰性損失（coasting loss）を最小化するためにも、ステータとモータ／発電機ロータとの間の物理的な接続を必要としないモーター/発電機のいくつかの形態が好ましい。更に、モーター/発電機ロータ内におけるエネルギー散逸は、特に真空環境において、特に、能動型の磁気軸受などの非接触の軸受システムが使用されるときに最小化される。モーター/発電機ロータにおけるエネルギー散逸は、モーター/発電機ロータにおいて生じた熱がゆっくり放熱されるように、最小化されなければならない。
【００３３】
これらの理由により、低い製造及び材料コストとの関連から、我々は、新規な「浮動ロータ（floating rotor）」式の静電モーター/発電機の開発を選択した。この静電モーター/発電機は、モーター/発電機とその他との間に如何なる電気的な接点をも必要とせず且つモーター/発電機ロータにおけるエネルギー散逸が非常に小さく且つ全体としてのエネルギー散逸が非常に小さい、非常に高い効率、高い信頼性、真空互換性、非常に低い材料コスト及び製造技術という点で大きな利点を有する。
【００３４】
大部分の読者は、（モータにおける）電気的エネルギーから回転エネルギーへの変換のために、及び（発電機又はオルタネータにおける）回転エネルギーから電気的エネルギーへの変換のために、磁気誘導又は永久磁石と磁気誘導の組合せを用いることに慣れている。電気モータ及び発電機に対するこのアプローチは、これらの装置を、大部分のアプリケーションにおいて魅力的にする多くの利点を有する。これらの利点は、主に重量比、体積比、比較的高い効率、及び現在市販されている広範囲にわたる装置との互換性に対して強力である。
【００３５】
これらの電磁モータは、本明細書に記載された超円形のフライホイール装置に対して、直ちに、そして、うまく使用することができる。しかし、これらのモータは、極めて有用で且つ広く採用されているが、フライホイールへの適用において不利な点（それは、モータ/発電機の問題に対する異なるアプローチで回避可能であるが）を有している。それらの不利な点は、エネルギ散逸及び高いコストである。発電機/モータにおけるエネルギー散逸は、一般に五つの原因、すなわち、風損、摩擦、ジュール加熱、コアヒステリシス、及び渦電流加熱に由来する。
【００３６】
風損は、空気力学的な損失とも呼ぶことができ、そして、それは、移動又は回転するものすべてが大気を介して経験する。この問題は、システムを真空に配置することによってほぼ完全に除去することができ、より高い真空度であるほど好ましい。
【００３７】
摩擦は、一般に、二つの立場のうちの一つに由来する。第一に、「非接触」でない全ての軸受システムは、軸受け（ベアリング）が回転するときに互いに接触して摩擦損失を生じる表面層を有している。多くの電磁的-磁気的（そして、静電的な）モーターの設計において、回転ロータは、物理的に又は電気的に、いくつかの電力システムに接続されなくてはいけない。この場合、最も広く採用されるソリューションは、電気的エネルギーを流すことができる物理的な接続を形成するために、ブラシ又は連続するブラシを、ロータの表面に沿って取り付けることである。ブラシは一般的にシステムに摩擦損失を生じさせる。
【００３８】
ジュール熱は、電流が導線中を流れるときに発生し、式 Ｉ２Ｒ によって算出される。電気的-磁気的モータは、それらの作動の基礎となる電磁石を形成するために銅線のコイルを使用しなくてはいけないので、ジュール熱の発生は結果として回避することはできない。ジュール熱は、より太い銅線を使用することによって、与えられた出力レベルにおいて最小化することができる。しかし、この解決策は、一般に、より多くの出費を招くし、モータシステムの幾何学的形状によって制限される。
【００３９】
ヒステリシス損失は、電磁モータにおいて磁力及び磁気集中（magnetic concentration）を増加させるために使用される柔らかい磁気コア材料において生じる。柔らかい磁気材料の中を走っている磁場が反転するときに、磁気材料内で磁気キャリアを再適合させるためのエネルギーが必要となる。この必要な反転エネルギーは、ヒステリシスと呼ばれている。このエネルギーは、熱として消える。それは通常、一般に「空気コア（air-core）」設計と呼ばれる、柔らかい磁気コア材料を使用しない設計によって完全に回避することができる。しかし、これらの設計では、標準コアのモータと同レベルの出力を得るために、コイル内における非常に多くのアンペア回数（amp-turns）を必要とし、このため、一般的により高い熱損失及び/又は費用が必要となる。
【００４０】
渦電流損失は、変化する磁場に晒された導電材料に誘発された渦電流の結果として生じる。この効果は、ファラデーの法則よって記述されていて、様々な電磁気システム（例えば、一般的にかご形誘導モータと呼ばれる設計系統）において大きな効果を得ている。多くの設計における渦電流の有用性にも拘わらず、これらの電流は、ジュール熱との従属性があり、それ故、損失の原因にもなっている。
【００４１】
本願明細書において記載されているフライホイールの場合、風損は、真空装置を作動させることによって最小限に減じられる。摩擦損失は、非接触又は他の特別設計された軸受けシステムを用いることにより最小化される。ジュール、ヒステリシス、及び渦電流損失は、電磁モータ/発電機を使用した場合には、特定のレベルを超えて著しく減じることは困難である。フライホイールの惰性状態において、これらのタイプの損失の効果を減じるために、いくつかの電磁設計を最適化できる点に留意すべきである。このような設計は、P.Tsao、M.Senesky及びS.R.Sandersの「An integrated flywheel energy storage system with homopolar inductor motor/generator anda high-frequency drive」（IEEE論文集，vol.39,no.6.1710頁〜1725頁,2003年11月）に記載されている。しかし、モーター/発電機が作動中のときには、これらの損失の源は非常に多く存在している。そして、このようなモータ/発電機を構築するために必要とされる製造方法は、現在の製造技術及び材料の市場価格から見て非常に高い。
【００４２】
上記の内容から分かるように、静電界によって電気的エネルギを回転エネルギーに変換し、静電界によって回転エネルギーを電気エネルギに変換することは可能である。モーター/発電機の問題に対するこのアプローチは、高い電流又は磁場を必要としないから、ジュール、ヒステリシス及び渦電流損失の影響を受けず、これらを急激に最小化する。これらの設計は、高電圧で一般に最も高いパワーを発揮し、電圧が高いほど好ましく、非常に効率化することができる。これらの設計は一般に、多くのアプリケーションにおいて非常に重要な要素である単位体積あたりのパワーの観点から、電磁設計を満足することはできない。しかし、これらの装置は、適切に設計すれば、フライホイールのアプリケーションにおいて非常に重要な意味を持つ単位コスト当たりのパワーにおいて、電磁ソリューションを満足し又は克服することができる。更に、これらの設計のいくつかは、極めて効率的である。
【００４３】
フライホイールアプリケーションにおいて、ヒステリシス及び渦電流損失は、静電設計を行うことにより除去されてきており、システム損失として残っている原因は、風損、摩擦、及びジュール損失だけである。ジュール損失は、高電圧を用いることにより急激に減少する。パワーは、式 Ｐ=Ｖ・Ａ によって決定される。これは、システムの作動電圧が所与の出力レベルで増加するにつれて、その出力レベルのための必要な電流がリニアに直線的に低下することを示している。電流が低下するにつれて、式 Ｉ２Ｒ によって定まるジュール熱も指数関数的に低下する。１０kＶ電圧で作動しているシステムでは、１００ボルトの電圧で作動する出力レベルが同等のシステムに比べ、発生するジュール熱が１/１００００となる。実際には、静電モータ/発電機のための作動電圧は、１０kＶを容易に且つ遥かに超えるものであり得る。
【００４４】
上述したように、風損は、装置を真空で作動させることにより最小化することができる。
【００４５】
大部分の静電モータ及び発電機の設計には、電源又は接地点に対して少なくとも断続的に電気的に接続されたモーター/発電機ロータ及びステータの双方が必要となる。これらの装置の多くは、システムのサイクル中にモータ/発電機ロータの一つ以上の表層から電荷を除去するか又は電荷を充電するために、コロナと呼ばれる現象を利用する。フライホイールアプリケーションでは、風損を低減することが望ましく、それ故、システムを真空中で作動させることが望ましい。このため、電荷及びパワーを送信する上で、コロナは効果的な方法ではない。モータ/発電機ロータに部分的に接続する他の典型的な方法は、ブラシを用いる方法である。この種のブラシ付きのシステムが引き起こす摩擦は明らかに望ましくない。それは、モータ/発電機ロータに対して物理的に接触しない静電モータ/発電機が必要であることが好ましい。
【００４６】
この課題を解決する静電発電機は、Sanborn F.Philpの「Vacuum-Insulated，Varying-Capacitance Machine」（電気絶縁に関するIEEE論文集 Vol.EI12,No.2,1977年4月）に記載されている。
【００４７】
図２０は、Philpによって提案された概念上の静電発電機を示す平面図、断面図、及び回路図である。ロータ４１及びステータ４２は、可変静電容量３５を定める。ロータ４１は、軸４３を中心に回転する。本実施形態では、ロータ４１に対する電気的な接触は、例えば導電性のブラシを介して形成されると考えられる。
【００４８】
軸４３が回転するに連れて、静電容量３５は、最小値と最大値との間で変化する。Philpは、軸３１にて負の励起電圧を印加することを提案する。ダイオード３６,３７は、電荷がノード３４に向かってポンプ輸送するようなものである。このような方法で、シャフト４３の回転エネルギーは、ノード３４にて電気的エネルギに変換される。主要な損失（軸受摩擦、ダイオードにおいて発生する熱、及びロータの風損）を非常に低いレベルまで低下させるに連れて、変換効率は非常に高くなり得る。
【００４９】
従来の浮動しない可変静電容量機械とは区別されるいう点において、Philpは、「（ブラシシステムにおける）ロータは一つの電極であるので、ブラシ接続を更に形成しなくてはならず、このブラシ接続は、典型的なＤＣアプリケーションにおいて励起電圧を印加するための手段である」と言っている。励起源より供給される平均パワーはゼロであるが、ブラシ接続を通過する電流は、全機械電流と同程度である。ブラシ接続を必要としない、異なる形の電気機械を図４に示す。これは、「浮動ロータ（Floating Rotor：ＦＲ）」機械と呼ばれている。ＦＲ機械では、ステータアセンブリＡ（４２ｃ）及びステータアセンブリＢ（４２ｃ）が異なった電極を構成し、それらの間には機械電圧が存在する。静電容量を変化させることはＡとＢの間の変化である。ロータは、真空を介してＡとＢとは絶縁されている。ロータが、完全にステータＡとステータＢの範囲内に位置するような位置にあるときに、ＡとＢの間の電気的容量ＣＡＢは最高値となる。この容量は、二つの静電容量を直列に接続（すなわち、ステータＡをロータに接続し、ロータをステータＢに接続）した結果である。ロータは、ステータの構造の外側に位置するときに、ＣＡＢ（実際には、ステータ及びロータの縁をなす部分による静電容量のみ）は、最小値となる。本発明は、いくつかの図面によって表される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の例示的実施形態に係るフライホイールシステムを示す斜視図である。
【図２】本発明の例示的実施形態に係るフライホイールシステムを示す斜視図である。
【図３】本発明の例示的実施形態に係るフライホイールシステムを示す斜視図である。
【図４】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図５】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図６】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図７】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図８】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図９】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１０】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１１】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１２】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１３】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１４】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１５】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１６】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１７】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１８】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図１９】本発明の例示的実施形態に係るモータ/発電機の外観を示す図である。
【図２０】Philpによって提案される概念上の静電発電機を示す、平面図及び断面図及び回路図である。
【図２１】本発明に係るモータ/発電機の回路図である。
【図２２】本発明に係る典型的な三相モータ/発電機の回路図である。可変静電容量３５a,３５b,３５cが示されており、それぞれ図１３〜１６に示されたロータプレートから生じる。各相は、それぞれ寄生静電容量５３a,５３b,５３cを有する。図２１には、それらに対応するスイッチ及びダイオードが示される。
【図２３】Genta型の準円形のフライホイールロータシステム７２、剛体スポーク７０、糸状体からなる輪状体７１、及びハブ７３を示す斜視図である。
【図２４】Genta型の準円形のフライホイールロータシステム７２、剛体スポーク７０、糸状体からなる輪状体７１、及びハブ７３を示す平面図である。
【図２５】本発明に係る超円形のフライホイールロータシステム７４、糸状体からなる輪状体１０、紐部材１１、及びハブ１２を示す斜視図である。
【図２６】本発明に係る超円形のフライホイールロータシステム７４、糸状体からなる輪状体１０、紐部材１１、及びハブ１２を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１〜３は、本発明の実施形態に係るシステム２１を示す斜視図である。本発明に係るシステムは、テストの結果、非常に安定していて、試験システムが印加することができる全てのトルクに対して耐え得ることがわかった。
【００５２】
ヴァンス（Vance）のフライホイールシステムの捩れたロープは、ユニバーサルジョイント１４を介してモーター／発電機１６に取り付けられた軸１３によって置換されている。ジョイント１４に示す接続部品の典型例は自在継手であるが、実際には、いかなる種類のフレキシブル継手を用いてもよい。システムを簡単化して最小コストで最大トルクを得るために、鋼鉄シャフト１３及びユニバーサルジョイント１４が使用されている。ベローズ継手を用いることもできる。最適な材料によって製造されたゴム継手又は可撓性シャフトを用いることもできる。
【００５３】
図に示したフライホイールのロータの主本体部１０は、実際には、伸長性のある繊維材料を輪状に又はドーナツ状又は略円環体状に束ねて形成されている。ヴァンスフライホイールのように、繊維の結合のために接着剤を使用する必要はないが、必要に応じて結合用の接着剤を使用することができる。繊維間に作用する剪断力の軽減を不能にする固体又は半固体材料を接着剤が構成しなければ、接着剤が繊維間にあってもよい。紐部材１１は、回転中の主本体部１０に作用する遠心力によって紐部材１１が引っ張られるように、主本体部１０の内径と比較して短く形成されている。これによって、紐部材１１には張力が作用することとなる。この張力は、次々にハブ（hub）１２に伝達されて該ハブ１２に対して剛性を付与し、そして、主本体部１０の軸心とは異なる軸心回りの回転を引き起こす可能性があるいかなる力に対しても抵抗する。このような構造を有するフライホイールのロータは、「超円形（super circular）」と呼ばれる。
【００５４】
この効果は、勿論、完璧ではないが、試験中の広い回転数領域（広い角速度範囲）において安定性を維持するという点において十分に良い効果を得ることができ、安定性をより大きな速度（エネルギー）においても改善することができる。輪状体の半径に対する紐部材の長さの正確な比率は不変であるが、使用される材料の特性を十分に利用できるように最適化することができる。
【００５５】
試験において、固まった接着剤は、紐部材が輪状体に合流し且つ取り付けられる部分において、全ての繊維を互いに接着するように使用される。この状況は、剪断除去に対してネガティブな効果を及ぼすものではない。なぜなら、環状部における接着部の体積の環状部全体に対する割合は小さいからである。この配置において、紐部材は、ハブから出発して環状部の断面に一回又はそれ以上巻き付いた後に再びハブに戻っており、紐部材が実質的に平行に配置される。この構造を採用したフライホイールのロータにおいて、紐部材が引っ張り荷重を受けるにしたがって、輪状体を構成する繊維は、紐部材との接続部において強い圧縮力を受けるようになる。この構成において、この圧縮力によって生じる摩擦力は、繊維が紐部材の取り付け部において互いにずれるの阻止するが、それらの大半が、環状部の周方向の動きを許容する。この装置は、フライホイールのロータ全体の剪断力低減能力及び性能に対して負の影響を及ぼすことはなかった。
【００５６】
また、超円形のフライホイールのロータが円形の断面を有している必要はない点には、注意が必要である。正方形状、長方形状、楕円形状、又は、任意の断面形状を環状部に使用することもできる。可撓性の円筒材料を環状部に使用することもできる。紐部材は、環状部の外周を通過する必要はないが、好ましい場合には、直接、環状部を貫通するものであってもよい。
【００５７】
自在継手１４は、シャフト１３を発電機１６の発電機軸１５に接続する。発電機１６は、本実施例においては、ジンバル１８に対して軸受１７を介して保持されている。そして、それは、順に、軸受１９を介してフレーム２０に保持されている。
【００５８】
ジンバルの軸受け１７,１９がある程度の減衰性を必要とする点に注意することが重要である。我々の試験装置においては、ダッシュポット機能又は減衰機能を得るための潤滑油とともに、軸受けに真空負荷をかける硬い高性能軸受けを使用することができる。ジンバルの自動安定効果は、減衰の測定なしには実現できない。ここでは、いかなる減衰方法も使用することができる。我々は、磁性による渦電流タイプの実験も行ってきた。この減衰は、熱の形によるエネルギ散逸によって構成され、将来のシステム設計者は、この熱を効果的に散逸させることの必要性に気づくべきである。我々の試験設備において、我々は、このエネルギー散逸を起こすために黒体放射で十分であることを発見したが、設計に際して、構造又は材料が肥大であってはならないことに留意しなくてはならない。
【００５９】
ジンバルが２本の軸を有する必要がない点に注意すべきである。ジンバルで成功した例は、John M.Vanceの「Design for Rotordynamic Stability of Vertical-Shaft Energy Storage Flywheels」（国際エネルギー変換会議、2004年8月16〜19日、ロードアイランド州プロヴィデンス）に記載されている。この一軸ジンバルは、システムをうまく安定させるが、フライホイールの軸受システムを軸方向の両側の過度な荷重から保護するわけではない。この高効率、長寿命、軸受コストの低減、及び外乱に対する耐久性は、いかなる方向においても起きるため、軸減衰された二つの非対称のジンバルは、一軸の構成よりも好ましい。
【００６０】
この超円形の構成（ハブ１２に対して、多くの紐部材１１によって保持された主環状本体部１０）は、種々のフライホイールシステムに対して利益を提供するものであり、ここで述べたようなフライホイールがモータ／発電機を支持する減衰ジンバルから振り子のように吊された特定のタイプに限定されない。
【００６１】
例示の実施形態において、モーター/発電機１６は、フライホイールのロータ１０と同様に真空筐体内に配設されている。
【００６２】
主本体部１０は、真空状態で使用可能な最も安価な材料から製造される。従来の発明者は、エネルギー／質量比率又はエネルギー／体積比率に焦点を当てていた。これには正当な理由があるが、本願では、これらの基準において少しの差も生じない。我々の基準は、エネルギー/コストである。これは、発明者が開発したフライホイールロータの非常に重要な点である。それは、引っ張り強さ／コストの比率を最大化できる多くの種類の非常に安価な材料により構成されるはずである。この最大化された比率を満たさない材料であっても設計に取り入れることはできる。しかし、それらは、フライホイールシステムの全体コストを最小化させることはできない。
【００６３】
従来、多くの発明者は、エネルギー/質量比率又はエネルギー／体積比率を最大化することを追求してきた。しかしながら、実際には、引張り強さ／コストを最大化する方が好ましいことを意味する。ここでは、本体１０を構成する材料の引張り強さを意味している。汎用のＥガラス・ガラス繊維は経済性に優れている。鉄製導線又はケーブルはよい働きを示すが、経済的でないことがわかっている。他の候補材料には、玄武岩繊維、麻、マニラ麻、竹、樺材、硫酸塩、紙、木、サイザル、ジュート、黄麻布、亜麻布、亜麻、他のセルロース繊維、ポリエチレンを含む様々なポリオレフィン、プラスチック、ポリエステル、アクリル、アラミド繊維、炭素繊維、カーボン・ナノチューブ、他の高強度ナノチューブ材、及び如何なる安価な高強度繊維が含まれる。
【００６４】
紐部材の数を変更できる点は指摘しておかなくてはならない。実際に紐部材の数を、２、３、４、５又は６にした結果、いずれの場合も良好に作動した。紐部材の数をより増やすことで、より一層良好な作動を確保することができると考えられる。一つの紐部材のみでも作動は可能である。
【００６５】
ヴァンス設計とは対照的に、現在の設計では、印加される最大トルクの下限は設定されていない。現在の設計については、より大きなトルクをシステムに印加できる能力によって、システムに加えることができるエネルギーの比率及びシステムから取り出すことができるエネルギー比率を大幅に増加させることができる。このことは、非常に有利である。
【００６６】
仮に、フライホイールロータに対して大きなトルクを印加したいという願望がない場合であっても、フライホイールロータを懸架している強固な接続を有しているという特徴が、事故または他の出来事が発生した場合にシステムを安全に停止させるのに必要な時間を（ヴァンス・システムにおいて捩れたロープ部材によって懸架される場合に、フライホイールロータを停止させるために必要な時間と比較して）著しく短縮する。
【００６７】
ここに記載されているシステムは、比較的廉価な繊維を含む非常に広範囲のタイプの繊維を利用することができる。引張り強さ/コストを越える繊維選択における主要な要素は、真空でも繊維を使用できるということである。このことは、システムが機能するための低圧平衡を達成できるように十分に真空引きすることができ、そして、材料が蒸発するか又は昇華する程度まで、過度に腐食したり又はシステムの他の構成要素を害したりする環境をつくらないことを意味する。上述したように、鍵となる基準は、貯蔵されたエネルギー/ユニットコストであるかのように見える。繊維材料（糸状体）の場合には、引張り強さ/ユニットコストを最大化することが必要である。
【００６８】
上述したように、フライホイールロータの内部せん断応力は、それを引き裂き得る。この超円形の可撓性フライホイールにおいて、一つの利点は、これらのせん断力は絶対に重大なレベルにまで達しないということである。繊維は互いに相対移動可能になっているので、重大な剪断歪は生じない。このシステムの更なる利点は、繊維材料を処理する必要がなく、また、製造時に樹脂を必要としないという点でより安価であるという点にある。
【００６９】
しかしながら、フライホイールロータにおいて、繊維の自己磨耗の可能性を考慮することは重要である。繊維材料には、実質的に自己磨耗を生じない繊維材料を選択することが望ましい。自己摩耗率が異なる繊維材料を使用する効果は、更なる試験の対象となる。
【００７０】
図４〜１９は、モーター/発電機の例示的実施形態を示した図である。
【００７１】
Philpの可変キャパシタンス型浮動ロータ機械（Philp Varying-Capacitance Floating Rotor Machine）は、これまでは、高電圧の直流発電機としてのみ考えられていた。フライホイールへの適用において、それは発電機だけでなくモーターとしても作動するように修正されなくてはいけない。第一の修正態様は、必要な高電圧を高周波数で切替えることができるスイッチを、Philpのダイオードと平行に付加することである。第二の修正態様は、モーター/発電機のロータの位相角を決定するシステムを加えることである。このシステムは、多数の非接触の位置検出装置の一つで構成し得るが、我々のケースで、反射式の光学的センサシステムを用いていた。この位置検出システムは、コンピュータ又は数種類のマイクロプロセッシングユニットにデータを供給したり、システムがモータ又は発電機として機能することを許容するモーター/発電機サイクルの所定の時期にスイッチを作動させるべく、該スイッチに直接接続されるものであってもよい。
【００７２】
静電モーターのための動作理論を理解する一つの方法は、コンデンサに蓄えられたエネルギーの観点に立つことである。この種のコンデンサは、例えば図４に示されており、この図では、導電性のステータプレート４２との関係において回転する導電性のモータ／発電機ロータプレート４１を示している。例示的実施形態において、導電性プレート４１,４２は、金属又は導電性の表層に覆われた他の材料であってもよい。回転中のある時点において、静電容量は、モーター/発電機ロータの突出部が完全にステータの突出部と突出部との間に位置するときに最大になる。また、回転中の他の時点において、静電容量は、モーター/発電機ロータの突出部が完全にステータの突出部の外側に位置するときに最大になる。寄生静電容量５３は、達成可能な静電容量の最低値を引き上げる。この装置は、静電容量の可変性が増大するに連れてパワーを獲得することとなり、仮に静電容量の変動幅が最大静電容量の１/２よりも小さい場合には機能しない。
【００７３】
静電容量は、勿論、Ｑ＝Ｃ・Ｖ として定義される。ここで、Ｑはキャパシタに格納された電荷であり、Ｖはキャパシタプレート間に印加された電圧である。ここで、Ｃは可変である。
【００７４】
このモーター装置では、システムを完全停止状態から始動させる際に問題がある。モーター/発電機ロータが、パワーを加えることができない位置で停止している可能性がある。また、設計者又はオペレータによって望ましいと考えられている回転方向とは反対側からしかパワーを付加できない位置にモータ／発電機ロータが停止している可能性がある。この場合、モータを始動させるために、又はモーター/発電機ロータを有利な位置で停止させるために、いくつかの方法を考案する必要がある。上述したマイクロコントローラ・システムによって、モーター/発電機ロータを有利な位置においてのみ停止させることも可能である。更に、モータ／発電機ロータを所定の位相角度にて停止させるように作動する接触デバイスを構築することも可能である。前者の方法は、複雑であり、モーター／発電機の位相角を偶発的に変化させるかもしれないシステムの外乱を考慮に入れていない。後者の方法は、単純であるが、荒削りであるため、好ましくない負荷を精巧なモーター/発電機ロータ部品に対して生じさせる。
【００７５】
第三の方法（修正態様）は、一以上の付加的な相をモーター/発電機に加えることである。付加される相は、システムに対して力を加えることができないようなモータ／発電機ロータの全ての位置を除去できるように配置される。更に、それらは、全てのモーター/発電機ロータの静止位置において初期の回転方向を選択できるように配置される。
【００７６】
全ての相が潜在的パワー又はサイズにおいて同じである必要はない。事実、幾つかのアプリケーションでは、モータの適切な始動を補償するために必要な最小サイズ及び最小パワーの相を付加的な相として採用することが有利であるかもしれない。逆に言うと、幾つかのアプリケーションにおいて、出来るだけ同じサイズ及び同じパワーの相を有する方が有利である。システムの様々な相と相との間における特定の設計基準を満たすために、サイズとパワーの比率を広範囲に確保することは好ましい。
【００７７】
モーター/発電機を始動するもう一つの方法は、外部から回転エネルギーを供給することである。これには、真空チャンバ内に設けられた小型発電機を用い得る。または、それは、磁気的に又は物理的にいくつかの回転エネルギー源（主モータ発電機の容器の外に配置されたエネルギー源）に連結されたシステムであってもよいし、又は、システムに対して小さな回転方向の衝撃を与える方法であってもよい。
【００７８】
可変静電容量型の静電モーター/発電機の動作を理解する一つの方法は、コンデンサに蓄えられたエネルギーの観点に立つことにある。コンデンサの電荷量Ｑは Ｑ＝Ｃ・Ｖ として定義される。ここで、Ｃは静電容量であり、Ｖは電圧である。可変コンデンサの場合、Ｃの値は可変とされている。仮に、可変容量の値が最低値であり且つコンデンサに電圧が付与されて電荷が蓄えられ且つ可変容量が更に大きな容量を許容している場合には、コンデンサに蓄えられた電荷量は同じままであり、可変容量が上昇するに連れて電圧が低下する。これによって、システムをより低いエネルギー状態に遷移させることができる。そして、この低エネルギー状態を達成するために、コンデンサによっていくらかの機械的な仕事がなされる。逆に言えば、低電圧の状態で、最大静電容量状態にあるコンデンサに対していくらかの電荷が付加された場合には、可変コンデンサの値は減少することとなり、総電荷量は同じになる。しかし、コンデンサの電圧は増加し、システムは高エネルギー状態に遷移する。この高エネルギー状態を達成するためには、可変コンデンサをその最大静電容量位置から最小静電容量位置まで動かすために、いくらかの仕事がなされなければならない。
【００７９】
Philpの可変キャパシタンス型浮動ロータ機械において、この現象は発電状態においてのみ利用される。可変コンデンサの静電容量が最大値に達すると、コンデンサの電圧は接地電圧よりも低い値まで低下する。これが起こると、コンデンサの静電容量が最大値に達するまで、電荷は、グラウンドダイオードを介してコンデンサへと導かれる。その後、可変コンデンサの静電容量は減少し始め、コンデンサの電圧は装置の出力電圧に達するまで上昇する。一旦これが起こると、電荷は、コンデンサが最小値に達するまで high 側のダイオードを通って流れる。そして、発電機ロータに供給される回転エネルギーは、電気的ポテンシャルの形で装置の出力へと輸送される。それから、可変コンデンサは、再度、その最大値に向かって移動し始めて、コンデンサの電圧は、その値が low 側のダイオードを介して電荷を引き込むのに十分に低い値になるまで低下する。
【００８０】
この明細書に記載されているモーター/発電機の発明において、この過程は、逆転することもできる。可変コンデンサがその最小値の状態にあるとき、又は、その状態を過ぎてその最大値に向かう途中の状態にあるときには、コンデンサへの高電圧の充電を許容する high 側のスイッチが閉じる。最大静電容量に達する前の幾つかのポイントでは、スイッチが開放されて上記の流れが中断される。コンデンサがその最小値に近づくに連れて、充電電圧が低下してその電気的ポテンシャルを減じ、そのエネルギーを利用し易い回転エネルギーに変換する。一旦、コンデンサの電圧が low 側の電圧に達するか、又は、low 側の電圧を超える可能性がある当該電圧よりも前のいくつかのポイントに達すると、low 側のスイッチが閉じて、キャパシタからの電荷の流出が許容される。コンデンサの値が減少するに連れて、コンデンサが低い状態に維持され且つ回転エネルギーが必要とされないように（又は殆どエネルギーが必要とされないように）、low 側のスイッチは閉じたままに維持される。その後、スイッチでの少量の仕事が必要となり、幾らかの非効率性を生じるであろう。コンデンサがその最小値に近づくに連れて、low 側のスイッチは、high 側のスイッチが開く直前（理想的には同時に）に開いて、高電圧の新充電ユニットによる high 側からコンデンサに向けての流れを許容し、サイクルが新たに始まる。
【００８１】
図２１に戻って、模式的に示されているのは、本発明に係るモータ／発電機用の電子機器５２である。
【００８２】
単相のモーター/発電機の場合、電子機器５２が一つだけ現れる。二相式のモーター/発電機の場合、電子機器５２は各位相のそれぞれに一つずつ現れる。そして、共通の第一、第二、第四ノード３１,３２及び３４を有する。各相（ロータおよびステータ）は、対応する可変コンデンサ３５によって表される。
【００８３】
同様に、三相のモータ／発電機の場合、電子機器５２は、各相の各々につき一つずつ現れる。そして、同様に、共通して第一、第二、第四ノード３１,３２及び３４を有する。
【００８４】
説明を明確にするために、単相装置の特徴描写を、動作の各ステップのシーケンスと共に始める。付加的な位相があるならば、考察において必要な変更を加えて第二、第三の付加的な相に対してもあてはまることは言うまでもない。
【００８５】
このように、モーター/発電機は導電性のロータと導電性のステータとを有し、ロータはシャフト上に支持されてステータに対して回動可能とされ、ロータ及びステータは静電容量３５を規定している。静電容量３５は、軸の回転角に応じて、最大値及び最小値との間で変化し得る。そして、静電容量は、第一及び第二端末を規定する。前後関係から明らかなように、多くの実施例では、軸がフライホイールに接続されているとすれば、軸は３６０度回転可能である。
【００８６】
モータ／発電機装置は、第一、第二、第三、及び第四電気ノード３１,３２,３３及び３４に関連して表すことができる。可変静電容量３５の第一端末は、第一ノード３１と電気的に接続されている。可変静電容量３５の第二端末は、第三ノード３３と電気的に接続されている。第一ダイオード３６（「 low 側のダイオード」と称される場合もある）は、第二ノード３２と第三ノード３３の間に接続される。第二ダイオード３７（「 high 側のダイオード」と称される場合もある）は、第三ノード３３と第四ノード３４の間に接続される。第一スイッチ３８は、第二ノード３２と第三ノード３３の間に接続される。第二スイッチ３９は、第三ノード３３と第四ノード３４の間に接続される。
【００８７】
モータ／発電機が最初にモーターとして機能し、その後に発電機として機能するステップの典型的なシーケンスについて述べる。勿論、本願明細書において述べられる例示的実施形態では、モータ／発電機は、フライホイールの回転速度を高めるためのモーターとして機能すると共に、フライホイールからエネルギーを取り出す発電機として機能する。
【００８８】
モータ／発電機がモーターとして機能している間の典型的な動作シーケンスは以下の通りである。
・第一ＤＣ電圧が、第二ノード３２を基準として第一ノード３１に印加される。
・第二ＤＣ電圧が、第二ノード３２を基準として第四ノード３４に印加される。第二ＤＣ電圧は、第一ＤＣ電圧に対して逆の極性を有している。
・第一時期において、第二スイッチ３９が閉じられる。第一時期は、可変静電容量３５がその最大容量ではない第一の静電容量となる時期である。
・第二時期において、第二スイッチ３９が開放される。第二時期は、第一時期よりも後の時期であって、可変静電容量３５が第一の静電容量よりも高い第二静電容量となり、且つ可変静電容量の電圧が第一電圧となる時期である。
・第三時期において、第一スイッチ３８が閉じられる。第三時期は、第二時期よりも後の時期であって、可変静電容量３５の電圧が第一電圧よりも低い第二電圧に等しくなり、且つ静電容量が第三静電容量となる時期である。
・第四時期において、第一スイッチ３８が開放される。第四時期は、第三時期よりも後の時期である。
【００８９】
このようにして、第一、第二、第四ノード３１,３２及び３４を介して装置に付与される電気的エネルギーは、シャフトのトルクに変換される。
【００９０】
「モータ」モードの間、スイッチ３８,３９の両方ともが同時に閉じるということが起こってはならない。
【００９１】
モータ／発電機は、その後に発電機として使用される。モータ／発電機の用途にもよるが、システム（例えばフライホイール）が「惰性で進む（coast）」ようにすることは望ましい。惰性運転中は、可変コンデンサの一つの端末又はコンデンサの他の端末が「浮く（float）」ことを許容することが望ましい。また、可変コンデンサの両方の端末を接地することが望ましい場合もある。
【００９２】
「惰性運転（coasting）」ができるようにする別の方法は、単にスイッチ３８,３９を開放して、第四ノード３４の電圧が第三ノード３３の電圧よりも高く（厳密には、第三ノード３３と第四ノード３４の相対的な電圧が、ダイオード３７が導通しないような電圧になるように）することである。この種の状況下では、可変コンデンサは、ロータシャフトに対して正味のトルクを付与しない。シャフトがフライホイールに対して機械的に連結される場合には、フライホイールは惰性で回る。
【００９３】
それが「発電機」モードで作動することを求められている場合には、第一及び第二スイッチが開放される。励起電圧が第一ノード３１に印加される。様々な大きさのＤＣ電圧が第三ノード３３で生じる。そして、ダイオード３７が導通する場合には、生じた電圧と電荷が第四ノード３４に移動する。
【００９４】
このような方法で、ロータ・シャフトに印加されるトルクは、ロータをステータに対して相対的に回転させる。そして、シャフトに印加される機械的エネルギーは、第四ノードに供給される電気的エネルギに変換される。
【００９５】
ここで例示される実施例において、第一ダイオード３６は、第二ノード３２から第三ノード３３に向かう方向に電気を通す。また、第二ダイオード３７は、第三ノード３３から第四ノード３４に向かう方向に電気を通す。そして、第一ノード３１における第一ＤＣ電圧は、第二ノード３２に対して相対的に負の電圧とされ、任意の「接地点（ground）」となる。勿論、これらの極性は任意であり、そして、全システムは、逆の極性によって又は大地（earth ground）とは異なる接地電位によって作動することができる。
【００９６】
相の数は、１よりも大きい相の数に一般化することができる。このように、装置は更に第二相を含むものであってもよい。このものは、第二相ロータ及び第二相ステータを備えている。第二相ロータと第二相ステータのそれぞれは、二相第三ノードを介して二相スイッチ及び二相ダイオードに接続されている。また、第二相は、第一、第二、及び第四ノード３１,３２,及び３４に接続されている。この種の装置において、方法のステップは、第二相に関連して実行される。
【００９７】
同様に、装置は、第三相を更に含むものであってもよい。このものは、第三相ロータ及び第三相ステータを備えている。第三相ロータと第三相ステータのそれぞれは、三相第三ノードを介して三相スイッチ及び三相ダイオードに接続されている。また、第三相は、第一、第二、及び第四ノード３１,３２,及び３４に接続されている。この種の装置において、方法のステップは、第三相に関連して実行される。
【００９８】
更に、要求に応じて、更なる相を設けることもできる。
【００９９】
単相の設計であっても、複数の極を有していてもよい。複数の極を有する構成においても、より高い又はより低い静電容量に関連して、スイッチ３８、３９の開閉は正確に行われる。しかし、それは軸の物理的な回転につき二回以上起こる。
【０１００】
図２１に一旦戻って、スイッチ３８、３９を制御する制御回路４０が示されている。制御回路４０は、回転位置センサ５１に関連してその作動を制御する。例示的実施形態において、ロータはその表面に沿って光る部品を備えている。そして、それはＬＥＤ−フォトトランジスタによって検出される。それによって、制御回路４０は、モータを駆動するためにスイッチ３８、３９を正確にオン／オフすることができる。
【０１０１】
最も一般な常識においていうまでもなく、「モータ」モードの装置５２を作動させることは、ノード３１とノード３３の間の相対的な電圧が、ロータの回転を持続できるような（又はロータを増速させるような）ロータを「蹴る（kick）」波形となることに他ならない。スイッチ３８及び３９とノード３１,３２,３４の電位は、（制御回路４０の助けを借りて）丁度この種の波形を供給することができる。しかし、ノード３１及び３３にロータを「蹴る（kick）」波形を提供するものであれば、如何なるものも装置をモータ（電気的エネルギーを回転方向の機械的エネルギーに変換するもの）として機能させることができる。
【０１０２】
現在、ここで述べられるモータ／発電機では、ロータプレートとステータプレートを絶縁するために、両者の間が真空状態となっているだけである。誘電性のコーティング又は可変的な誘電性コーティングを付加することもでき、所定のサイズのユニットで扱えるパワーの増加によって絶縁破壊を生じることなく、モーター/ジェネレータが扱える全体の電圧を増加させることができる。加えて、最大静電容量及びシステムの静電容量の可変性を増加させるために、可変的な誘電体を用いることができる。これらの貢献のどちらも、特定の構造のモータのために利用可能な電圧パワーを増加させることができる。現在、真空絶縁されたシステムは、コスト/パワーの観点から最適であると考えられる。
【０１０３】
図４に示す例示的実施形態において、「二極（2-pole）」という用語は、モータ／発電機ロータの各回転が、二つの最大値と二つの最小値とを生じることを暗示するために用いられるかもしれない。
【０１０４】
この種の静電的なシステムの極数は、完全に可変的であり得る。しかし、一般的には、与えられた速度におけるパワーは、モータの極数を多くする程高められる。設計に適合する極数については制約がある。最適化プロセスは、Christopher Lee Rambinの「Optimized Electrostatic Motor」（1998年5月のルイジアナ州立科学技術大学の学位論文）に記載されている。この文献は、いくつかの誤りを含んでいるが多くの点で役立つ。極数についての主要な制約は、選択された製造方法を用いて製造可能な最も小さな機能サイズ、モーター/発電機ロータ及びステータプレート間の間隔、及び静電モーターを駆動するために用いる切換装置の最大振動数である。最大スイッチング周波数は、モーターが達成可能な最終回転速度又は回転数（rpms）を制限する。最大スイッチング周波数を与えることにより、極数の少ないモーターはより高い最終速度を得ることができる。仮に所与の最大回転速度が必要な場合には、最大スイッチング速度と最大極数は、所望の回転速度に最適化されなくてはいけない。
【０１０５】
図５は、同じモータ／発電機のロータ及びステータの平面図である。
【０１０６】
図６は、二極のモーター/発電機ロータと、シャフト４３に積み重ねられたステータ（例えば図４-５に示す）を示す。各極のために、４枚のステータプレート４２と、三つのモーター/発電機ロータ・プレート４１とが設けられている。図７は、図６に示すモータ／発電機ロータ４１及びシャフト４３の斜視図である。図８は、図６に示す４枚のステータプレート４２と、３枚のモーター/発電機ロータ・プレート４１及びシャフト４３との横断面図である。
【０１０７】
図１０は、シャフト４３に設けられたプレート４１ａ,４１ｂを有するモータ／発電機ロータ４１の斜視図である。このモーター/発電機ロータは、プレート４１a及び４１bが互いに機械的に９０度だけ位相がずれた「二相の」モーター/発電機ロータを意味すると言える。それらの電気的位相関係は、ステータの配置の理解なしに完全に決定することはできない。モーター/発電機ロータの一回転が、静電容量の二つの最小値及び二つの最大値を引き起こすことは、上記二極のモーター/発電機ロータであることを意味している。
【０１０８】
図１０において簡単化のために省略して示されているのは、ステータである。このステータは、モーター/発電機ロータのプレートの位相に対応して、二つの相に配置されている。図１１は、図１０に示すモーター/発電機ロータを異なる方向から見た斜視図である。図９は、図１０に示すモーター/発電機ロータのプレート４１ａ及び４１ｂの平面図である。
【０１０９】
図１３は、シャフト４３に積み上げられたプレート４１ａ,４１ｂ,４１ｃを有するモーター/発電機ロータの斜視図である。このモーター/発電機ロータは、プレート４１ａ及び４１ｂが互いに機械的に６０度だけ位相がずれ、且つプレート４１ｂ及び４１ｃが機械的に６０度だけ位相がずれていることを意味する「三相の」モーター/発電機ロータということができる。モーター/発電機ロータの一回転が、静電容量の二つの最小値及び二つの最大値を引き起こすことは、上記二極のモーター/発電機ロータであることを意味している。
【０１１０】
図１３に簡単化のために省略して示されているのは、三つの位相に配置された三つのステータプレートである。一般に、モーター/発電機では、電気的な位相角を達成するために、ロータが機械的に同調され、あるいはステータが機械的に同調される。ただし、場合によっては、ロータとステータの両方を機械的に同調させるのが望ましいことがある。図１４は、図１３のモーター/発電機ロータを異なる方向から見た斜視図である。図１２は、図１３のモーター/発電機ロータのプレート４１ａ,４１ｂ,及び４１ｃを示す平面図である。図１５は、図１３に示されたモーター/発電機ロータの更にもう一つの斜視図である。
【０１１１】
例示的実施形態において、モーター/発電機ロータは、図１６に示すように、シャフト４３に対して三つの位相位置に配置されたプレート４１ａ,４１ｂ,及び４１ｃを積み重ねたものである。上述したように、図１６では、簡単化のためにステータが省略されている。図１７では、電気的な位相角を作るために、積み重ねられたステータプレート４２ａ,４２ｂ,及び４２ｃを用いることもできる。ステータプレート４２ａ,４２ｂ,及び４２ｃは、図１７の斜視図からも分かるように、三つの位相に配置されている。
【０１１２】
多数の極数を採用することもできる。図１９は、８つの突出部を有するモーター/発電機ロータ・プレート４１と、四つの突出部を有するステータプレート４２を示す斜視図である。図１８は、図１９に示すシステムの平面図である。
【０１１３】
極数は８より大きくてもよいし、極数は８よりも大きいことが好ましいと考えられる。極数が多いほど、モータが供給することができるパワーも増加する。このことは、極数の数は、少ないよりもむしろ多くなければならないことを示唆している。
【０１１４】
しかしながら、極数については幾つかの制限因子がある。第一に、極のうち最も少ない機能サイズは、モーター/発電機ロータ及びステータ間の隙間のサイズの少なくとも約１.５倍でなくてはいけない。さもなくば、静電容量が極の端から徐々に減放出し始めるに連れてコンデンサの可変性が失われる。また、多くの寄生静電容量が生じる。
【０１１５】
また、多くの極を使用するほど、所望のモータ回転数を得るために、急速に高電圧をオン／オフ切替えなければならない。
【０１１６】
極数は、８よりも大きく１００に近づく程、最適であると考えられる。
【０１１７】
位相の数の選択は、最適化の主題でもある。二相は、本出願において有効であると考えられるが、三相が最適であると考えられる。より多くの位相を使用することもできる。モーターのいずれかの静止状態から始動が他の方法によって扱われるとき、又は発電機能だけが用いられるときには、大部分のアプリケーションにおいて単相システムであることが好ましい。
【０１１８】
当業者にとって、スイッチを、効率的に高い電圧で合理的に高い周波数で切り換えるために無数の明らかなバリエーション及び改良を加えることは困難でない。DW.Jiangの「High Voltage Switching Using Stacked Mosfets」（誘電及び電気絶縁に関するIEEE論文集、Vol.14.947頁〜950頁、2007年8月）、J.W.Baek,D.W.Yoo,H.G.Kimの「High Volatage Switch Using Series-Connected IGBTs with Simple Auxiliary Circuit」（工業利用部会会議2000、2000年IEEEの会議記録、2000年10月、Vol4：2237-2242頁）及び他の多くの出版された論文及び本に開示されている積層された（stacked）ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴスイッチは、このアプリケーションにおいて利用することができる。現在、積層されたＩＧＢＴタイプ・スイッチは、比較的低コストで最高のパフォーマンス及び効率を提供すると考えられており、一般に利用できる構成要素から直ぐに製作される。ただし、多くの他のタイプの周知のスイッチを、記載されているようにモーター/発電機と連動して用いることもできる。そして、それは、他の公知でない又は未だ発明されていないスイッチング装置を使用することができる。
【０１１９】
我々の全ての研究では、モーター/発電機及びフライホイールは、主軸受システムを共有している点に注意を要する。これは、利便性及び経済性を考慮してなされている。発明者は、主軸受を追加したり、モーター/発電機とフライホイールロータの軸受が分解される他の具体的な構成に気づいていないが、このような他の構成も可能である請求の範囲内に含まれることを意図している。更に、非常に広い種類の軸受技術を、このシステムの主軸受として用いることができる。そして、各軸受技術は、それ自身の長所と短所を有する点に留意する必要がある。現在、我々は、本出願の標準非接触の能動/受動ハイブリッド磁気軸受（standard non-contact passive/active hybrid magnetic bearing）が好ましいと考えている。
【図１】
2011509647.tif 000003
【図２】
2011509647.tif 000004
【図３】
2011509647.tif 000005
【図４】
2011509647.tif 000006
【図５】
2011509647.tif 000007
【図６】
2011509647.tif 000008
【図７】
2011509647.tif 000009
【図８】
2011509647.tif 000010
【図９】
2011509647.tif 000011
【図１０】
2011509647.tif 000012
【図１１】
2011509647.tif 000013
【図１２】
2011509647.tif 000014
【図１３】
2011509647.tif 000015
【図１４】
2011509647.tif 000016
【図１５】
2011509647.tif 000017
【図１６】
2011509647.tif 000018
【図１７】
2011509647.tif 000019
【図１８】
2011509647.tif 000020
【図１９】
2011509647.tif 000021
【図２０】
2011509647.tif 000022
【図２１】
2011509647.tif 000023
【図２２】
2011509647.tif 000024
【図２３】
2011509647.tif 000025
【図２４】
2011509647.tif 000026
【図２５】
2011509647.tif 000027
【図２６】
2011509647.tif 000028
【国際調査報告】
2011509647.tif 000029
2011509647.tif 000030
2011509647.tif 000031