(57)【要約】  頂部の回転子軸受を磁気的に除荷するフライホイール装置が記載される。装置は、フライホイールハウジング、磁性材料を含む垂直回転軸を有する回転子、垂直回転軸に沿って所望の上向きの負荷軽減力を加えるように構成された磁石、回転子の上軸に連結された上部軸受、および、上部軸受とフライホイールハウジングとの間に配置され、上部軸受の下向きの軸方向運動を実質的に防止する軸受ハウジングを含む。磁石は電磁石を含む。力センサは、電磁石への電流を更新する制御部への入力として提供される上部軸受にかかる力を測定するために用いられる。回転子は、固定された軸方向位置に維持され、下部軸受の下に配置されたバネは、回転子の軸方向寸法の増大を吸収する。【選択図】図１４
2021505116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールハウジング、
回転子重量および重力方向に沿った垂直回転軸を有する回転子であり、前記垂直回転軸の周りを回転する間にエネルギーを蓄積し、磁性材料を含む回転子、
前記フライホイールハウジングに連結され、前記垂直回転軸に沿って上向きの負荷軽減力を加えるように構成され、前記回転子にかかる重力に部分的に対抗し、正味の下向きの力を生じさせる磁石、
前記回転軸周りの前記回転子の回転を可能にする前記回転子の上軸に連結され、前記正味の下向きの力の少なくとも一部に対抗する上部軸受、および
前記上部軸受と前記フライホイールハウジングとの間に配置され、前記上部軸受の下向きの軸方向運動を実質的に防止する軸受ハウジングを備えるフライホイール装置。
【請求項２】
前記上部軸受の所望の負荷力において前記上部軸受によって対抗される正味の下向きの力の量を維持するために、１つ以上のセンサによる測定に応じて前記磁石に電流を供給するように適合された制御システムをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上のセンサは、前記上部軸受の下であり、かつ前記軸受ハウジングの少なくとも一部の上に配置され、前記上部軸受にかかる軸方向の力の測定値を前記制御システムに提供する力センサである請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御システムは、前記軸方向の力の測定値を基準値と比較して、その差によって前記磁石への前記電流を調整する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記基準値は、約３０ｌｂｓから約４００ｌｂｓの範囲であってもよい請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記力センサは、歪ゲージである請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記測定値の少なくとも１つは、前記磁石と前記回転子との間の磁束、前記回転子の位置、および前記磁石によって前記回転子に加えられる力からなる群から選択される請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記制御システムは、閉ループ制御システムである請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記磁石は、永久磁石を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記上部軸受は、前記フライホイール装置の通常動作中に軸方向に移動しない請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記上部軸受は、前記上部軸受の軸方向移動を可能にするために、前記軸受ハウジングとの滑りばめを有する請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記上部軸受の上に配置されたロッキングキャップをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記上部軸受によって上向きの垂直スラストを吸収するように構成された前記ロッキングキャップの上に配置されたバックアップスラスト軸受をさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記バックアップスラスト軸受と前記ロッキングキャップとの間にギャップがあり、前記バックアップスラスト軸受は、前記上部軸受が前記ギャップを渡って上向きに移動し、前記バックアップスラスト軸受に接触すると、前記上部軸受と係合して上向きのスラストを吸収する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記上部軸受ハウジングは前記フライホイールハウジングに堅固に連結される請求項１に記載のフライホイール装置。
【請求項１６】
前記上部軸受ハウジングは前記フライホイールハウジングの一部である請求項１に記載のフライホイール装置。
【請求項１７】
前記フライホイールハウジングに堅固に連結され、前記回転軸周りの前記回転子の回転を可能にする連結された下部軸受を含む下部軸受ハウジングをさらに備え、
ここにおいて、前記下部軸受は、前記下部軸受ハウジングとの滑りばめを有し、前記回転子の軸方向寸法の増大に対応するために前記下部軸受の軸方向移動を可能にする請求項１に記載のフライホイール装置。
【請求項１８】
前記下部軸受の下であり、かつ前記下部軸受ハウジングの少なくとも一部の上に配置され、所定の予荷重力を提供するように構成され、前記回転子の軸方向寸法の増大から生じる軸方向移動を可能にするバネをさらに備える請求項１７に記載のフライホイール装置。
【請求項１９】
前記上部軸受ハウジングは、前記上部軸受を下から支持する請求項１に記載のフライホイール装置
【請求項２０】
前記磁石と前記回転子との間のギャップは、通常動作中は実質的に不変である請求項１に記載のフライホイール装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
この出願は、２０１２年８月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／６９２，６３１号の権利を主張する２０１３年８月２２日に出願された米国特許出願第１３／９７３，９３７号の一部継続出願である２０１７年１１月２８日に出願された米国特許出願第１５／８２４，２０４号の権利を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。２０１７年１１月２８日に出願された米国特許出願第１５／８２４，２０４も、２０１５年６月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／１８５，４４１号の権利を主張する２０１６年６月２３日に出願された米国特許出願第１５／１９１，３９８号の一部継続出願でもあり、その開示もまた、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、概して、機械的軸受によって支持された回転子に関し、より具体的には、回転子の重量をその軸受から除荷するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
回転運動エネルギーを蓄えるために用いられる回転子は、その回転軸に沿って軸を有し、軸は、通常、転がり軸受によって支えられる。したがって、例えば、垂直に向けられた回転子は、下部転がり軸受および上部転がり軸受を有していてもよい。このような構成の場合、下部軸受は、通常、回転子の重量を支えるように設計されなければならない。
【０００４】
回転子を支持するために転がり軸受を用いることは効果的ではあるが、そのような軸受の使用には通常、大きな軸受が必要になる。したがって、例えば、エネルギー蓄積に用いられる回転子は、１，０００ポンドを超える重量を有する場合がある。大きな重量を支えることができる転がり軸受は必然的に大きくて高価である。さらに、公知であるように、玉軸受の使用寿命は、軌道の疲労によって制限され、軸受荷重の３乗に反比例する。
【０００５】
回転子を支持する転がり軸受への軸方向荷重を低減できる装置および方法が必要とされている。その装置および方法は、既存の回転子の設計と互換性があり、実装が容易でなければならない。その装置および方法はまた、より長い使用寿命をもつ軸受を提供するべきである。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、垂直に取り付けられた回転子の軸受によって支持された重量の大部分を除荷することにより、先行技術の回転子支持装置および方法の欠点を克服する。一実施形態において、上部軸受への荷重は、最小の予荷重設定に磁気的に除荷されている。一実施形態において、この予荷重の量は、回転子の重力重量をわずかに超える、磁気持ち上げ力を加えることによって達成される。磁気持ち上げ力と回転子の重量のこの小さな差が、上部軸受にかかる予荷重を構成する。本発明はまた、機械的なレイアウト、および上部軸受の残留軸方向の予荷重を正確に規定するために必要な制御を含む。
【０００７】
本発明の特定の実施形態は、反転軸受の実施形態と呼ばれ、回転子が通常動作中に上方に移動しないように上部軸受の軸方向位置を固定する。磁気制御システムは、回転子にかかる所望の磁気負荷軽減力、または持ち上げ力を維持する。回転子および軸の軸方向寸法の増大は、上部軸受を上軸に沿って軸方向に移動させるのではなく、バネを下部軸受と直列に配置することにより適応される。
【０００８】
このアプローチの特徴は、第１に、底部軸受への荷重は、軸バネで完全かつ正確に設定できることである。第２に、下部軸受の外輪（または軌道）をそれぞれのボアに滑りばめすることにより、回転子はわずかな軸方向距離を移動できることである。この隙間は、熱条件が一致していない場合、およびポアソン効果によって求心荷重による回転子の軸方向長さに変化が生じた場合に、回転子とハウジングの膨張差を許容するために提供される。上部軸受アセンブリによって定義された停止位置にある回転子により、磁気作動力を定義するギャップが正確に設定される。そのため、所定の巻線電流の磁気持ち上げ力は非常に正確であり再現性を有する。さらに、磁気ギャップが最小設定になっているため、磁気持ち上げ巻線に必要な電力は最小である。第３に、軸方向の予荷重力が上部軸受に与えられる。この予荷重力は、磁気持ち上げ力と回転子の重力重量の差によって決定される。軸方向の予荷重力は、磁気制御システムによって維持される。
【０００９】
特定の実施形態は、フライホイールハウジング、回転子重量および重力と整列した垂直回転軸を有する回転子であり、垂直回転軸の周りを回転する間にエネルギーを蓄積し、磁性材料を含む回転子、フライホイールハウジングに連結され、垂直回転軸に沿って所望の上向きの負荷軽減力を加えるように構成され、回転子にかかる重力に対抗する磁石、回転軸周りの回転子の回転を可能にする回転子の上軸に連結される上部軸受、および、上部軸受とフライホイールハウジングの間に配置され、上部軸受の下向きの軸方向運動を実質的に防止する軸受ハウジングを含むフライホイール装置を提供する。
【００１０】
特定の実施形態において、装置は、回転子を固定された軸方向位置に維持してフライホイールを動作させるのに十分な電流を電磁石に提供する制御システムを含む。
【００１１】
特定の実施形態において、回転子は、固定された軸方向位置に維持され、下部軸受の下に配置されたバネは、回転子の軸方向寸法の増大を吸収する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態のフライホイール装置の概略断面図である。
【００１３】
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、第１実施形態の上部軸受アセンブリの概略断面図であり、図２Ａは、非常に低い位置にある回転子を示し、図２Ｂは、非常に高い位置にある回転子を示す。
【００１４】
【図３】図３は、第１実施形態の下部軸受アセンブリの概略断面図である。
【００１５】
【図４】図４は、一実施形態による、ギャップの２つの値に対する電磁石電流の関数として持ち上げ力を示すグラフである。
【００１６】
【図５】図５は、フライホイール装置の一実施形態の動作中に電流が変化するときの持ち上げ力を示すグラフである。
【００１７】
【図６】図６は、第２実施形態の上部軸受アセンブリの概略断面図である。
【００１８】
【図７】図７は、第２実施形態の下部軸受アセンブリの概略断面図である。
【００１９】
【図８】図８は、本発明の制御アルゴリズムの一実施形態を示す制御システム図である。
【００２０】
【図９】図９は、本発明の第２実施形態のフライホイール装置の概略断面図である。
【００２１】
【図１０】図１０は、一実施形態による、ギャップの２つの値に対する磁束鎖交の関数として電流を示すグラフである。
【００２２】
【図１１】図１１は、本発明の制御アルゴリズムの第２実施形態を示す制御システム図である。
【００２３】
【図１２】図１２は、第２実施形態の磁石を有する本発明のフライホイール装置の概略断面図である。
【００２４】
【図１３】図１３は、第３実施形態の磁石を有する本発明のフライホイール装置の概略断面図である。
【００２５】
【図１４】図１４は、上部軸受アセンブリの第３実施形態の概略断面図である。
【００２６】
【図１５】図１５は、下部軸受アセンブリの第３実施形態の概略断面図である。
【００２７】
【図１６】図１６は、本発明の制御アルゴリズムの第３実施形態を示す制御システム図である。
【００２８】
参照記号および符号は、図に示される特定の構成要素、態様、または特徴を示すために用いられ、参照記号および符号は、そこに示される同様の構成要素、態様、または特徴を示す複数の図において共通である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下の説明は、回転子を支持する従来の転がり軸受の磁気的な除荷を提供する装置および方法の特定の実施形態を詳細に説明する。回転子軸受の除荷は、運行摩擦を減少させ、軸受の使用寿命も向上させる。したがって、フライホイールエネルギー蓄積システムにおける回転子の使用例において、本発明の除荷は、運行摩擦を無視できるレベルまで低減し、軸受使用寿命を桁違いに延長させることができる。さらに、本発明の構造および方法は、磁気持ち上げ巻線に必要とする電力が最小になるように、可能な最小設定で回転子に磁気支持を提供する。
【００３０】
図１は、ハウジング１１０、回転軸ＣＬを有する回転子１２０、および、回転子を支持して回転を可能にし、下部軸受アセンブリ１３０と上部軸受アセンブリ１４０とを含んでもよい軸受を含む、第１実施形態のフライホイール装置１００の概略断面図である。フライホイール装置１００は、さらに、磁石１７０、回転子１２０に電力を加えるまたは除去するための電力コンポーネント１５０、磁気負荷軽減制御システム１６０を含む。フライホイール装置１００と、軸受アセンブリ１３０および１４０とは、一般に、中心線ＣＬに対して対称である。後述するように、軸受アセンブリ１３０および１４０は、矢印Ａで示される回転子のいくらかの軸方向運動を許容しながら回転子１２０を支持し、軸方向運動の全範囲は、δと示される。
【００３１】
後述するように、磁石１７０は、本明細書において限定されることなく、「オフローダ」または「オフローダ電磁石」とも呼ばれる電磁石を含み、重力に対抗して回転子１２０にかかる力を提供するように動作させることができる。磁石１７０の電磁石が、制御システム１６０によって印加される電流などによって作動されるとき、回転子は、例えば、示された距離δだけ上方に移動してもよい。一実施形態において、最小距離であるδは、例えば、０．２５ｍｍ（０．０１インチ）から１．０ｍｍ（０．０４インチ）までであり、予想される膨張差を可能にする。
【００３２】
したがって、回転子１２０の支持は部分的に磁石１７０に移され、したがって、軸受アセンブリ１３０にかかる下向きの力の量を低減する。軸受荷重の低減は、より小さくて軽い軸受を使用できる、および／または回転子の全重量を支持しなければならない軸受よりも軸受使用寿命を延ばすことができるという点で有益である。
【００３３】
ハウジング１１０は、回転子１２０を取り囲むハウジング本体１１１を含み、例えば、回転する回転子からの摩擦損失を低減するために、空気を排出してもよい。ハウジング１１０は、さらに、磁性材料で形成されているかまたはそれらを含む上部ハウジング部材１７３、および持ち上げ巻線１７１を含むが、これに限定されない磁石１７０の構成要素を含む。上部ハウジング部材１７３の磁性材料は、例えば、限定されないが、鋼であってもよい。他の実施形態において、磁石１７０は、回転子１２０の上に配置され、ハウジング１１０から分離される。したがって、磁石１７０は、回転子１２０にかかる持ち上げ力を提供するように構成される。
【００３４】
後述するように、ハウジング１１０および／または磁石１７０の様々な実施形態は、例えば、限定されないが、磁石１７０および／または回転子１２０の動作の状態を決定するための検知要素を含んでもよい。
【００３５】
回転子１２０は、磁性材料から形成された、または磁性材料を含む回転子本体１２１と、下軸１２３と、上軸１２５とを有する。一実施形態において、回転子１２０は、例えば、限定されないが、鋼などの磁性材料から形成され、４５ｋｇ（１００ｌｂｓ）から２７，０００ｋｇ（６０，０００ｌｂｓ）の重量Ｗを有する。
【００３６】
電力コンポーネント１５０は、下軸１２３に取り付けられた回転子１５１と、ハウジング１１１に取り付けられた固定子１５３とを含むモータージェネレータを含むが、これに限定されない。電力コンポーネント１５０は、当該分野で周知であり、回転子１２０において電気エネルギーを回転エネルギーに変換するために用いられる。
【００３７】
一般に、軸受アセンブリ１３０、１４０は、ハウジング１１０内の回転子１２０に回転支持を提供する。図１に示すアセンブリ１３０および１４０は、一般的であり、より具体的には、後述するように、下部軸受アセンブリ１３０は、下軸１２３とハウジング１１０とを連結する転がり軸受を含み、上部軸受アセンブリ１４０は、上軸１２５とハウジングとを連結する転がり軸受を含む。さらに、軸受アセンブリ１３０および／または１４０の様々な実施形態は、例えば、限定されないが、軸方向運動および軸受に力をかけることを可能にするバネ、軸受の軸方向運動を制限する停止部、および／または軸受の軸方向の力または変位を測定するセンサを含んでもよい。回転子の軸方向増大（または減衰）および回転子１２０の小さな軸方向変位は、バネ、停止部、および磁石の組み合わせによって提供または軽減されて、フライホイールアセンブリ１００の動作中に最大約１ミリメートルのδの範囲を提供する。
【００３８】
一般に、軸受アセンブリ１３０、１４０の最小要件は、それらが少なくとも一組の軸受を含み、回転子１２０の軸方向運動を可能にすることである。図２Ａおよび２Ｂは、第１実施形態の上部軸受アセンブリ２４０の概略断面図であり、図２Ａは、非常に低い位置にある回転子１２０を示し、図２Ｂは、非常に高い位置にある回転子１２０を示す。上部軸受アセンブリ２４０は、以下に明示的に説明する場合を除いて、軸受アセンブリ１３０および１４０と概して同様である。
【００３９】
図２Ａに示すように、上部軸受アセンブリ２４０は、ハウジング１１０内で上軸１２５を支持する。より具体的には、上部軸受アセンブリ２４０は、軸受内側部分２４３と、玉軸受２４５と、軸受外側部分２４７とを含む軸受２４１を含む。軸受２４１の内側部分は、例えば、上軸１２５に圧入された軸受内側部分２４３と、ハウジング１１０に連結された軸受外側部分２４７とにより回転子１２０に連結される。上部軸受アセンブリ２４０は、さらに、ハウジング１１０と軸受外側部分２４１とを連結する上部軸方向バネ２４４、およびハウジング１１０に連結され、バネの動きを制限する停止部２０１として示される剛性部品を含む。バネ２４４は、例えば、限定されないが、ウェーブワッシャまたはベルビルワッシャであってもよく、回転子１２０にかかる下向きの力を提供するように構成されてもよい。
【００４０】
図２Ａの非常に下側の回転子の位置においては、軸受外側部分２４７とハウジング１１０内に存在する停止部との間に寸法δのギャップがある。図２Ｂの非常に上側の回転子の位置においては、軸受２４１は、軸受外側部分２４１が停止部２０１に接触するまで上向きに押される。したがって、上部軸受アセンブリ２４０は、回転子１２０が回転することを可能にし、停止部２０１のサイズによって制限される軸方向変位を提供する。
【００４１】
図３は、第１実施形態の下部軸受アセンブリ３３０の概略断面図である。下部軸受アセンブリ３３０は、以下に明示的に説明する場合を除いて、軸受アセンブリ１３０、１４０、および２４０と概して同様である。
【００４２】
図３に示すように、下部軸受アセンブリ３３０は、ハウジング１１０内で下軸１２３を支持する。より具体的には、下部軸受アセンブリ３３０は、軸受内側部分３３３と、玉軸受３３５と、軸受外側部分３３７とを含む軸受３４１を含む。軸受３３１の内側部分は、例えば、下軸１２３に圧入された内側軸受部分３３３と、ハウジング１１０に連結された軸受外側部分３３７とにより回転子１２０に連結される。下部軸受アセンブリ３３０は、さらに、ハウジング１１０と軸受外側部分３３１とを連結する下軸方向バネ３３２と、ハウジング１１０に連結され、バネの動きを制限する任意の剛性停止部３０１とを含む。バネ３３２は、例えば、限定されないが、ウェーブワッシャまたはベルビルワッシャであってもよく、回転子１２０にかかる上向きの力を提供するように構成されてもよい。下部軸受３３１は、上部軸受３４１と同様であってもよく、または構造または耐荷重能力において異なっていてもよい。
【００４３】
磁石１７０によって回転子１２０にかかる持ち上げ力は、磁石の極と回転子との間の距離であるギャップｇによって決定される。図１から、ギャップｇが、回転子と磁石の形状に応じて、軸方向変位δによって変化することが分かる。したがって、回転子が極度に上向きの位置に移動するとき、ｇは最小であり、回転子が距離δだけ下向きに移動するとき、ｇは最大距離にある。さらに、ギャップｇが変化すると、下軸方向バネ３３２および上軸方向バネ２４４などのバネの動きから回転子１２０にかかる力も、バネの設計に応じて変化する場合もある。
【００４４】
軸受２４１および３３１の外側部分は、滑りばめで取り付けられ、半径方向の隙間は２．５ｐｍ（０．０００１インチ）から２５ｐｍ（０．００１インチ）である。軸方向の遊びδは、例えば、熱条件が一致していない場合、または、ポアソン効果によって求心荷重による回転子の軸方向長さに変化が生じた場合により、ハウジングに対する回転子の必要な長さの膨張差を許容するためにのみ提供される。
【００４５】
これは、名目上、磁石１７０が作動するときに一端、底部においてのみ必要になる。一実施形態において、軸受２４１および３３１の両方に滑りばめが提供され、磁石１７０が活動（底部バネ３３１および滑りばめにより）または非活動（頂部バネおよび滑りばめにより）であるとき、軸バネ２４４および３３２で軸受力を設定できるようになっている。
【００４６】
電流Ｉを持ち上げ巻線１７１に提供するために、制御システム１６０を用いてもよい。具体的には、電流Ｉが持ち上げ巻線１７１に印加されると、結果として生じる磁場が、回転子本体１２１内の磁性材料に回転子本体の重量に対抗する引力を生成する。したがって、例えば、持ち上げ巻線１７１に電流がない場合、軸受アセンブリ１３０および１４０にかかる組み合わせ軸受力は、回転子の重量である。持ち上げ巻線１７１への電流の印加により、軸受アセンブリ１３０および１４０にかかる組み合わせ軸受力は、回転子重量から、持ち上げ巻線１７１に対する回転子１２０の引力を差し引いたものである。
【００４７】
以下の簡略な分析は、フライホイールアセンブリ１００、特に軸受アセンブリ１３０および１４０に含まれる力の理解を提供する。
【００４８】
回転子１２０にかかる力には、回転子の下向きの重量Ｗ、上部軸受２４１によって加えられる下向きの力ｆＵＢ、下部軸受バネ３３２によって加えられる上向きの力ｆＬＢ、および磁石１７０によって生じる上向きの持ち上げ力の組み合わせが含まれ、Ｆと記載されてもよい。
【００４９】
したがって、軸受２４１および３３１にかかる力は、ＷおよびＦの組み合わせであり、軸方向バネ２４４および３３２によって加えられる力、ならびに、停止部２０１および／または停止部３０１などの軸受の動きが遭遇するいずれかの停止部である。一般に、軸方向バネ２４４および３３２は両方とも、回転子重量Ｗの最小部分（例えば、０．００１から０．１０）などの少量の軸方向の予荷重を有していてもよい。特に、回転子１２０がいずれの静止部分にも接触しないことが重要である。さらに、以下で説明するように、回転子１２０が磁石１７０に近づくと、固定された磁石電流下で引力が増加し、磁石−回転子の最小間隔を固定するためには、なんらかの方法が望ましい。
【００５０】
持ち上げ力Ｆの増加によって下部軸受力が減少するので、持ち上げ力を加えると、下部軸受アセンブリ１３０の軸受にかかる力が大幅に減少することがわかる。特定の実施形態において、以下で説明するように、力Ｆは、重量Ｗとバランスをとるように、またはほぼバランスをとるように調整され、上部および下部軸受力はほぼ同じになり、上述した少量の予荷重に等しい値を有してもよい。
【００５１】
高透磁率の線形磁性材料の使用に基づく単純分析によれば、Ｆの値は、電流Ｉの２乗で増加し、ギャップｇの２乗で反比例して増加する。したがって、例えば、限定されないが、図１の磁石１７０の電磁石コンポーネントの理想モデルは、ギャップｇの２つの値に対して、電磁石電流Ｉの関数として持ち上げ力Ｆを示すグラフ４００として図４に示されている。第１曲線４０１は、例えば図２Ａに示すように、回転子１２０が非常に低い位置にある場合であるｇの最大値（ｇ＝ｇｍａｘ）に対して計算され、第２曲線４０３は、例えば図２Ｂに示すように、回転子が非常に高い位置にある場合であるｇの最小値（ｇ＝ｇｍｉｎ）に対して計算される。回転子１２０にかかる磁石１７０の持ち上げ力Ｆは、Ｆ＝ｋ（ｇ）＊Ｉ２によって近似され、ここで、Ｆの方向は図１において上向きであり、Ｉは、持ち上げ巻線１７１に提供される電流であり、ｋ（ｇ）は、ギャップｇに依存する定数である。より具体的には、ｇの減少はｋ（ｇ）を増加させ、すなわち、回転子１２０が電磁石１７０に近づくにつれて引力が大きくなる。無限透磁率の理想磁性材料では、ｋ（ｇ）は逆二乗依存性を示すことになる。
【００５２】
電流がない場合（Ｉ＝０）、回転子１２０は非常に低い位置にあり、曲線４０１はＩの関数として持ち上げ力Ｆの値を提供する。電流が回転子を非常に高い位置に持ち上げるのに十分な場合、持ち上げ力の値は、曲線４０３によって提供される値まで増加する。したがって、回転子１２０は、電流に応じて２つの安定した機械的位置を有する。
【００５３】
フライホイール装置１００のダイナミクスを分析する１つの方法は、フライホイール装置１００の動作中に電流Ｉが変化するときの持ち上げ力Ｆを示すグラフ４１０として図５にさらに示される。休止状態から起動すると、ギャップは最大（ｇ＝ｇｍａｘ）であり、磁石１７０への電流の印加により、曲線部分４１１および４１２として示される曲線４０１に沿って持ち上げ力Ｆが増加する。最初の、またはＩ１と示される上限臨界電流において、持ち上げ力Ｆは、曲線４０１の点４１３で示されるように、重量Ｗおよびバネ予荷重などの回転子１２０にかかる他の力に打ち勝つ。曲線４０３上の点４１５で終わる曲線部分４１４で示されるように、この点での回転子１２０の軸方向の位置は不安定であり、電流のわずかな増加または回転子のわずかな上向きの軸方向運動により、回転子が上昇し、ｇがｇｍｉｎの値に減少する。このより小さいギャップｇでは、持ち上げ力Ｆが重量Ｗよりもはるかに大きい値に増加し、回転子を図２Ａの非常に高い位置に押しあげることに留意されたい。臨界点での不安定性は、吸引磁石アセンブリの大きな負の剛性によるものである。
【００５４】
曲線４０３に沿って回転子が動作すると、曲線部分４１６によって示されるように、電流Ｉが減少することがある。数秒後の、Ｉ２で示される低い臨界電流では、持ち上げ力は再び曲線４０３上の点４１７で回転子１２０にかかる力とバランスを取り、回転子の位置はｇｍｉｎのギャップまで下がり、回転子の動作は曲線４０１に沿っている。持ち上げ力は、回転子を浮上させるには不十分であり、電流の増加は、部分４１２に沿って点４１３に戻る。したがって、電流力の図は、電流の変化に伴うヒステリシスを示している。
【００５５】
特定の実施形態は、本発明のフライホイールアセンブリを動作させて、軸受、特に下部軸受アセンブリ１３０の軸受への荷重を低減する。動作荷重が軽減されることで、軸受のサイズとコストが低減し、使用寿命が向上する。
【００５６】
したがって、一般にはこのように、磁気持ち上げ力は、実質的に負の剛性を伴うことがわかる。この持ち上げ力が回転子の重量とほぼ一致し、それによって受動機械的バネ予荷重をはるかに超えると、付随する負の剛性も予荷重バネの受動的な正の剛性をはるかに超える。結果として、回転子は、２つの極端な軸方向位置のいずれか１つで安定した平衡を見つける。これらの位置は、１）（機械的停止によって設定された）シートの極端な軸方向位置にある下部軸受の外側軌道、または、２）それぞれの極端な軸方向位置にある上部軸受の外側軌道のうちのいずれか１つに対応する。結果として生じる比較的高い軸方向剛性のため、極端な軸方向位置におけるこの動作方法が望ましい。残りの軸方向コンプライアンスは、軸受の軸方向の剛性自体によるものである。
【００５７】
その動作において、上部軸受の外側軌道がその停止部に対して配置されることを保証するほどに磁気持ち上げ力が十分に大きいと、好ましい位置および設計であると予想される。これには、単に軸受を除荷するのに必要な力を超えるさらなる持ち上げ力が必要となる。
【００５８】
回転子を軸方向の上部の極端な位置に配置させることは、２つの理由から戦略的である。（ｉ）持ち上げ構造の磁気ギャップが最小に保持される。この最小値（例：１−３ｍｍ）は、製造公差によって設定される。最小ギャップにより、指定された持ち上げ力を達成するための持ち上げ電流と電力損失が最小になる。また、（ｉｉ）回転子とハウジングとの間で膨張差が発生しても、磁気ギャップは動作条件に対して不変のままである。これらの膨張差は、下部軸受シートで吸収される。
【００５９】
したがって、平衡状態における持ち上げ力の損失はその実用的な最小値に保持され、この持ち上げ力に影響を与える磁石電流は、動作中はほぼ不変である。
【００６０】
特定の実施形態において、持ち上げ力Ｆが重量Ｗと密接かつ安定してバランスをとるようにフライホイール装置１００を動作させることが好ましい。曲線部分４１９は、回転子１２０が磁石１７０により近くなり、かつ持ち上げ力が回転子の重量と密接に一致するように、ｇｍｉｎのギャップ値を有するフライホイール装置１００の安定動作範囲を示す。具体的には、そのような条件では、磁石１７０が回転子の重量を支持して回転子の重量が持ち上げられ、軸受アセンブリ１３０の軸受にかかる軸方向の力は、軸受アセンブリ１３０内の任意のバネの予荷重の量と同様であり、これは、軸受の定格動的荷重容量の１％の範囲など、回転子の重量のごく一部分である場合がある。
【００６１】
このように回転子１２０が持ち上げられた状態で、下部軸受３３１の荷重は軸方向バネ３３２によって精密に設定され、上部軸受２４１の荷重は磁力と回転子の重量の差によって設定される。一部の条件下では、磁力と回転子の重量の差が上部アセンブリのバネ力に等しくなる。他の条件下、具体的には、負の磁石剛性が正のバネ剛性を超える場合、上部軸受２４１が停止部２１０に接触し、上部軸受２４１への荷重がバネ２４４の予荷重を超えることになる。軸受への動作荷重が軽減されることで、軸受のサイズとコストが低減し、使用寿命が向上する。
【００６２】
一実施形態において、制御システム１６０は、Ｉ１とＩ２との間で電流を循環させて、曲線部分４１９に、Ｉ２よりもわずかに高い電流を供給する。別の実施形態において、制御システム１６０は、フライホイールシステム１００の動作前に電流Ｉ１およびＩ２を決定し、その値をルックアップテーブルに格納することにより開ループ制御を提供し、次いでフライホイールは、Ｉ１への電流を増加させてから電流を値Ｉ２をわずかに超える値に減少させて曲線部分４１９で動作させることにより動作される。
【００６３】
一般に、単純な開ループ設定点を用いて、負荷軽減磁石装置で電流を設定（または磁石強度を指定）するのは難しい場合がある。この問題は、持ち上げ磁石のパラメトリックな不確実性から生じる。不確実性は、製造（公差）と動作の両方で発生する、磁気ギャップと領域の幾何学的変動から生じる。動作のパラメトリック変動は、（ｉ）回転子とハウジングとの間の熱膨張差、および（ｉｉ）加えられた磁気持ち上げ力に応じて、磁気ギャップの変動とともに生じる。具体的には、磁気持ち上げ力は、受動軸方向バネ荷重要素に対する回転子の平衡位置に直接影響を与えてもよい。
【００６４】
以下の論議は、センサおよびフィードバック制御を用いることにより、回転子１２０の持ち上げをより直接的に制御するための２つの実施形態を説明する。第１実施形態は、機械的センサまたは測定を用いて、回転子１２０の位置または回転子１２０にかかる力を決定する。第２実施形態は、電気（非機械的）センサまたは測定を用いて磁束を決定することで、フライホイール装置１００の動作状態を決定する。
機械的検知および動作方法
【００６５】
特定の実施形態は、回転子変位のセンサおよび／または測定を含む。特定の実施形態において、制御システム１６０は、実際に可能な限り最小電流Ｉ２に近い電流で回転子１２０を非常に高い位置で動作させるために、フィードバック制御を通じて電流Ｉを調整するために用いられてもよいフライホイールアセンブリ１００のセンサから入力を受けてもよい。
【００６６】
機械的検知を用いてフライホイールアセンブリ１００を制御する例として、力を測定して出力を制御システム１６０に提供するために、１つ以上の力センサがフライホイールアセンブリに提供されてもよい。したがって、例えば、図６は、第２実施形態の上部軸受アセンブリ７３０の概略断面図であり、図７は、第２実施形態の下部軸受アセンブリ７３０の概略断面図である。軸受アセンブリ６４０および７３０は、後で明確に説明されることを除いて、本明細書に記載されている他の軸受アセンブリ１３０、１４０、２４０、３３０と概して同様である。
【００６７】
図６に示すように、上部軸受アセンブリ６４０は、上部軸受アセンブリ２４０の構成要素と、本明細書では歪ゲージ６０１と呼ばれる力センサとを含む。歪ゲージ６０１はハウジング１１０に取り付けられ、停止部２０１および軸方向バネ２４４は両方とも歪ゲージに取り付けられている。したがって、上部軸受アセンブリ６４０の動作は、一般に軸受アセンブリ２４０の動作と同様であり、歪ゲージ６０１を用いて、回転子１２０から上部軸受アセンブリに伝達される力を測定し、測定値を制御システム１６０に提供する。
【００６８】
図７に示すように、下部軸受アセンブリ７３０は、下部軸受アセンブリ３３０の構成要素と、本明細書では歪ゲージ７０１と呼ばれる力センサとを含む。歪ゲージ７０１はハウジング１１０に取り付けられ、停止部３０１および軸方向バネ３３２は両方とも歪ゲージに取り付けられている。したがって、下部軸受アセンブリ６４０の動作は、一般に軸受アセンブリ３３０の動作と同様であり、歪ゲージ７０１を用いて、回転子１２０から下部軸受アセンブリに伝達される力を測定し、測定値を制御システム１６０に提供する。
【００６９】
一実施形態において、制御システム１６０は、上部歪ゲージ６０１の信号を受け入れ、上部軸受２４１への軸方向荷重の指標として用いる。次に、従来の信号フィードバックを介して、または較正のために歪ゲージ６０１を低帯域幅制御ループで用いることで上部軸受２０１に予荷重を正確に設定することができる。下部軸受３３１の軸方向予荷重は、下部軸方向バネ３３２によって設定される。
【００７０】
別の実施形態において、力Ｆは、回転子１２０を停止部２０１に対して保持するために用いられ、例えば、歪ゲージ６０１などにより、上部軸受において歪ゲージ測定が１つのみ必要である一方で、下部軸受アセンブリ１３０には歪ゲージが提供されない。下部軸受３３１の軸方向荷重は、底部軸受マウントの予荷重バネによって設定される。
【００７１】
図８は、アナログまたはデジタル制御システム１６０として実装されてもよい本発明の制御アルゴリズム８００の一実施形態を示す制御システム図である。一般に、制御アルゴリズム８００は、例えば、歪ゲージ６０１などであり得る力センサなど、検知された上部軸受２４１にかかる力の測定値を受け入れ、図５の曲線部分４１９でフライホイール装置を動作させるために、持ち上げ巻線１７１に電流Ｉを提供する。
【００７２】
アルゴリズム８００には、上部軸受２３１にかかる所望の軸方向の力を示し、ｆｒｅｓｉｄｕａｌ＝ｋ（ｇｍｉｎ）＊Ｉ２−Ｗと記載されてもよい残留力を計算する参照値ｆ＊が格納されている。歪ゲージ６０１に検知される残留力は、出力アナログ信号ｆｍｅａｓｕｒｅｄを生成する。アルゴリズム８００は、ｆ＊からｆｍｅａｓｕｒｅｄを差し引いて、エラー信号ｆｅを生成し、これは、増幅されて持ち上げ巻線１７１への所望の量の電流Ｉを生成する。
非機械的検知および動作方法
【００７３】
以下に続く論議は、力Ｆを生成する磁束に関する測定に基づいてフライホイールアセンブリ１００を制御するための他の実施形態を提供する。図９は、第２実施形態のフライホイール装置９００の概略断面図である。フライホイール装置９００は、後で明確に説明されることを除いて、フライホイール装置１００と一般的に同様である。
【００７４】
フライホイール装置は、回転子１２０よりも円筒形状であるがその他の点では概して同様な回転子９２０を含む。回転子９２０は、先の実施形態のいずれかで用いられてもよく、例えば、限定されないが、図１、２、３、６、または７のいずれか１つの実施形態であってもよい。あるいは、このセクションの非機械的検知および動作方法は、回転子１２０、または他の異なる形状の回転子に取り入れてもよい。
【００７５】
フライホイール装置には、また、１つ以上のギャップ磁場検知要素が提供されている。図９は、回転子９２０と電磁石１７０との間のギャップに直接配置され、ギャップ内のフィールドを測定する第１ホールセンサ９０１の配置、および、電磁石の持ち上げポールの外縁に配置され、直接ギャップフィールドに直接比例するフリンジフィールドを検知する第２ホールセンサ９０３を示す。
【００７６】
磁気持ち上げ力Ｆは、Ｆ＝ｋＢλ２として記載され、ここで、λは巻線の磁束鎖交であり、ｋＢは本質的に磁気ギャップｇに依存しない。巻線の磁束鎖交は、ギャップを正常に横切る磁束密度の積分に、巻線項の数を掛けたものとして定義される。測定されたギャップの磁束、またはギャップの磁束に物理的に比例する信号を用いると、磁気除荷力を精密かつ正確に制御するための測定信号が得られる。図１０は、ギャップの２つの値、すなわち最大ギャップｇｍａｘの電流を示す曲線１００１と、最小ギャップｇｍｉｎの電流を示す曲線１００３とに対する電磁石の磁束鎖交λの関数として電流Ｉを示すグラフ１０００である。
【００７７】
磁束がゼロから増加すると、電流Ｉは、曲線１００１に沿ってギャップ寸法ｇｍａｘが最大である相互巻線インダクタンスに比例して増加する。これは、巻線インダクタンスの最小値である。磁束が増加すると、磁力が上昇し、回転子の重量とバランスをとる。この臨界値である、図５を参照して上述されかつ点１０１１として示されたＩ＝Ｉ１は、曲線部分１０１４で示されるように、回転子が上昇することにより、新たな磁気ギャップｇｍｉｎおよび対応する最大巻線インダクタンスが得られる。磁束が瞬時に変化できないため、巻線電流ＩはＩ＝Ｉ１からＩ＝Ｉ２に減少する。それから続く磁束の増加は、最大インダクタンスと最小巻線電流に対応する曲線１００３に追従する。この領域、特に点１０１３に近い部分１０１４は、好ましくて効率的な動作領域を定義する。磁束と巻線電流の基準値は、この遷移の観察から導出することができる。
【００７８】
図４および１０における２つの曲線を描く電気的パラメータは、オフローダ巻線インダクタンスである。したがって、電流Ｉ１とＩ２、および磁束λの遷移値は、巻線の瞬時インダクタンス値に反映される。瞬時巻線インダクタンス値は、磁束ラムダと巻線電流の静的比率を計算することによって決定することができる。または、瞬時巻線インダクタンス値は、小振幅のリップル信号を巻線に注入し、リップル磁束とリップル電流の比率を求めることによって決定することができる。リップル電流に対するリップル磁束の比率も、巻線インダクタンスによって定義される。
【００７９】
導出された電流Ｉ２の基準値は、制御システム１６０により直接用いられて電流Ｉを駆動し、所望の除荷力を提供することができる。あるいは、制御アルゴリズム１１００の第２実施形態を示す図１１の制御システム図に示すように、力を正確に制御するために磁束に基づく他の制御部を用いてもよい。
【００８０】
制御アルゴリズム１１００は、制御システム１６０への入力として巻線電圧１７１を用いることを示し、磁束が基準値を下回るときに電圧を上げ、逆の場合も同様である。この制御は、アナログまたはデジタルの比例積分（Ｐ−Ｉ）制御部で簡単に実装することができる。電流Ｉは、過電流保護回路で用いるために測定されてもよく、また、制御部で用いるための補助変数として用いられてもよい。ただし、磁束は主要な物理制御変数として用いられるため、入力または出力としての電流の直接制御は必要としない。
他の磁石の実施形態
【００８１】
他の実施形態において、上述のフライホイール装置のいずれも、電磁石と永久磁石の両方を含むハイブリッド磁石である磁石１７０を有してもよい。
【００８２】
図１２は、第２実施形態の磁石１２７０を有する本発明のフライホイール装置１２００の概略断面図である。フライホイール装置１２００は、上述のフライホイール装置のいずれかと概して同様である。磁石１２７０は、電磁石である磁石１７０と、永久磁石１２０１とを含む。この実施形態において、磁石１２０１は、軸方向に磁化された環状磁石であり、１つの磁石であってもよく、またはいくつかのより小さな弧状磁石であってもよい。磁石１７０および１２０１は、共有された磁束経路を有するように配置される。
【００８３】
フライホイール装置１２００において、回転子９２０は、磁石１７０および１２０１の組み合わせによって持ち上げられる。この組み合わせは、磁石１７０が必要とする持ち上げ電流の量を低減するので、磁石７７０の電磁石の巻線は、フライホイール装置１００の巻線よりも比例的に小さくてもよく、および／または、巻線電力要件が減少してもよい。
【００８４】
図１３は、第３実施形態の磁石１３７０を有する本発明のフライホイール装置１３００の概略断面図である。フライホイール装置１３００は、上述のフライホイール装置のいずれかと概して同様である。磁石１３７０は、電磁石である磁石１７０と、永久磁石１３０１とを含む。この実施形態において、磁石１３０１は、磁石１７０の磁束経路と直列になるように構成された、軸方向に磁化された軸対称の環状磁石である。
【００８５】
フライホイール装置１２００と同様に、フライホイール装置１３００の回転子９２０は、電磁石および永久磁石の組み合わせによって持ち上げられるので、磁石１３７０の電磁石の巻線は、フライホイール装置１００の巻線よりも比例的に小さくてもよい。
反転軸受の実施形態
【００８６】
図１４は、反転軸受実施形態と呼ばれる上部軸受アセンブリ１４４０の第３実施形態の概略断面図であり、図１５は、下部軸受アセンブリ１５４０の第３実施形態の概略断面図である。軸受アセンブリ１４４０および１５４０は、後で明確に説明する場合を除いて、本明細書で説明する他の軸受アセンブリ１３０、１４０、２４０、３３０、６４０、および７３０と概して同様である。
【００８７】
この実施形態において、回転子１２０は、フライホイール動作中に軸方向に移動せず、磁石１７０は、軸に沿った回転子の軸方向運動ではなく、回転子１２０が上部軸受アセンブリ１４４０に対して及ぼす力の量を調整するために用いられる。さらに、上部軸受アセンブリ１４４０は、上向きの正味の持ち上げ力ではなく、下向きの正味の力を支持する。下向きの正味の力は、回転子の重力負荷（すなわち、回転子の重量）と磁石１７０によって加えられる上向きの持ち上げ磁力との差である。この実施形態において、好ましい動作は、上向きの磁気持ち上げ力をわずかに超える回転子の重力負荷を有する。
【００８８】
図１４に示す実施形態において、上部軸受アセンブリ１４４０は、今度は回転子本体１２１に連結される上軸１２５を支持する。上部軸受アセンブリ１４４０は、上部軸受１４４１、軸受ロッキングキャップ１４１３、および力センサ１４０１を含む。軸受１４４１は、軸受内側部分１４４３、玉軸受１４４５、および軸受外側部分１４４７を含む。軸受１４４１の内側部分は、上軸１２５を介して回転子本体１２１に連結されている。軸受内側部分１４４３は、例えば、上軸１２５に圧入されてもよい。軸受外側部分１４４７は、今度はハウジング本体１１１に堅固に連結された上部軸受ハウジング１４２０に連結される。
【００８９】
上部軸受アセンブリ２４０および６４０とは対照的に、軸バネも停止部も必要でなく、軸受ハウジング１４２０が停止部として機能する。力センサ１４０１は、軸受ハウジング１４２０の下部と軸受外側部分１４４７の底部との間に取り付けられている。力センサ１４０１は、図１６を参照して以下に説明される閉ループ力制御アプローチの使用を可能にする。
【００９０】
軸受ロッキングキャップ１４１３は、上部軸受１４４１を軸１２５に取り付けて保持する。軸１２５は、スタブ軸であってもよいことが理解され得る。
【００９１】
上部軸受ハウジング１４２０は下側停止部として機能し、軸受１４４１による下向きの軸方向運動を制限する。特定の実施形態において、上部軸受ハウジング１４２０は、ハウジング本体１１１の一部であり、他の実施形態において、軸受ハウジング１４２０は、ハウジング本体１１１に堅固に連結される別個の部品である。反転軸受の実施形態において、上部軸受ハウジング１４２０は、上部軸受アセンブリ１４４０を下から支持する。
【００９２】
上部軸受外側部分１４４７は滑りばめを用いているため、上部軸受１４４１への荷重は力センサ１４０１を介して支持され、上部軸受荷重の正確な測定を可能にする。
【００９３】
前述したように、回転子１２０は通常動作中に軸方向に移動することはなく、起動時または終了時に軸方向に移動することもない。異常な上向き垂直変位から保護するために、バックアップスラスト軸受１４１５が含まれてもよい。そのような異常な上向きの垂直変位は、例えば、輸送中の事故または地震の結果として発生する場合がある。以下でさらに詳細に説明するように、軸受１４４１にアンギュラコンタクト軸受が用いられる場合、バックアップスラスト軸受１４１５がさらに有用である。
【００９４】
バックアップスラスト軸受１４１５は、軸受ロッキングキャップ１４１３とハウジング本体１１１にロックするキャップ１４１７との間に配置されている。通常動作においては、軸受ロッキングキャップ１４１３の頂部とバックアップスラスト軸受１４１５の底部との間に、距離β（ベータ）のギャップ１４１９が存在する。この距離β（ベータ）は、上部軸受１４４１がバックアップスラスト軸受１４１５に係合せずに移動できる軸方向距離の合計である。垂直方向においてこの距離を超えると、軸受ロッキングキャップ１４１３がバックアップスラスト軸受１４１５と係合する。バックアップスラスト軸受１４１５は、通常動作では回転せず、すなわち、軸受ロッキングキャップ１４１３と接触していないため、バックアップ軸受と呼ばれる。バックアップスラスト軸受１４１５は、回転を摩擦で拘束せずに上向きのスラストに適応することによって損傷または封じ込めの問題を引き起こす可能性がある軸１２５から上向きの垂直スラストを吸収または拡散するように構成される。輸送中に回転子は回転しないが、フライホイールの動作中に地震イベントまたは他のイベントが発生した場合、回転子１２０は回転している可能性が最も高くなる。この場合、単にブッシング材料ではなくバックアップ軸受が回転子の大きな回転エネルギーを吸収または拡散するのに有利である。
【００９５】
バックアップスラスト軸受１４１５は玉軸受の使用を示すように示されているが、とりわけ、潤滑プレートを含む他のタイプの軸受が使用されてもよいことが理解され得る。特定の実施形態において、フライホイールハウジング１１０は、軸受アセンブリ１４４０の頂部を提供する場合は、キャップ１４１７がないことがさらに理解され得る。
【００９６】
上部軸受アセンブリ２４０および６４０とは対照的に、上部軸受アセンブリ１４４０は、軸方向のバネまたは停止部を必要とせず、むしろ、軸受ハウジング１４２０が停止部として機能する。力センサ１４０１は、軸受ハウジング１４２０の下部と軸受外側部分１４４７の底部との間に取り付けられる。これにより、以下に図１６を参照して説明した閉ループ力制御手法の使用が可能になる。
【００９７】
図１５に示す実施形態において、下部軸受アセンブリ１５３０は、今度は回転子本体１２１に連結される下軸１２３を支持する。図示するように、下軸１２３は、回転子本体１２１のジャーナルに連結されるスタブ軸であってよい。しかしながら、他の実施形態において、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、下軸１２３は異なる形態を取ってもよく、下軸１２３と回転子本体１２１との間の連結は異なる形態を取ってもよい。
【００９８】
下部軸受アセンブリ１５３０は、下部軸受１５３１、およびバネ１５３２を含む。バネ１５３２は、下部軸受１５３２と下部軸受ハウジング１５２０との間に配置される。軸受１５３１は、軸受内側部分１５３３、玉軸受１５３、および軸受外側部分１５３７を含む。軸受内側部分１５３３は、下軸１２３を介して回転子本体１２１に連結される。軸受外側部分１５３７は、軸受ハウジング１５２０に連結される。軸受内側部分１５３３は、例えば、下軸１２３に圧入されてもよい。
【００９９】
特定の実施形態において、下部軸受ハウジング１５２０は、ハウジング本体１１１の一部であり、他の実施形態において、下部軸受ハウジング１５２０は、ハウジング本体１１１に堅固に連結される別個の部品である。反転軸受の実施形態において、下部軸受ハウジング１５２０は、下部軸受アセンブリ１５３０を下から支持する。
【０１００】
下部軸受外側部分１５３７は、滑りばめを用いて下部軸受ハウジング１５２０に沿って軸方向に移動し、温度スイングおよび回転子の運動による軸方向の増大によって、下軸１２３を伴う回転子とハウジング１１１との間の異なる長さの調整に対応する。バネ１５３２は、そのような移動を可能にするために、所定の軸受予荷重に設定される。
【０１０１】
様々な実施形態は、反転軸受の設計を実施することができる。特定の実施形態において、上部軸受１４４１ならびに下部軸受１５３１は、一方向に高いスラスト容量を提供するアンギュラコンタクト玉軸受を用いる。通常、アンギュラコンタクト玉軸受は、内輪と外輪に軌道を有し、軸受軸の方向に相互にずれている。すなわち、ラジアル荷重と軸方向荷重を同時に適応するように設計されている。そのような実施形態において、上部軸受１４４１および底部軸受１５３１は、下向きの重力に対して回転子を支持するために下向き方向に高いスラスト容量を提供するように取り付けられる。
【０１０２】
反転軸受の設計を取り入れたフライホイールの実施形態は、図２Ａ−２Ｂ、３、６および７を参照して説明した前述の軸受アセンブリの実施形態と比較して、いくつかの利点を提供する。下部軸受を支持するバネ１５３２を用いることで、差動回転子とハウジングの軸方向寸法の増大を下部軸受ハウジングに適応させることができる。このように、磁気ギャップの寸法ｇは、ハウジングと回転子との間の寸法差が変化してもほぼ不変である。上部軸受１４４１への負荷は、磁気負荷軽減制御システム１６０によって設定かつ制御されるが、下部軸受１５３１への負荷は、軸方向の予荷重バネによって完全に制御され得る。したがって、下部軸受がすべての動作条件下で優れた疲労寿命を有することを簡単に保証できる。その結果、軸受アセンブリ１４４０、１５３０への交換や修理などのサービスには、通常、フライホイール回転子１２０を分離して取り外す必要なく頂部からアクセスできる上部軸受アセンブリ１４４０のみが含まれる。これにより、サービスと修理のコストを大幅に低減できる。
【０１０３】
反転軸受設計により、必要なオフローダ持ち上げ力も軽減される。例えば、オフローダ磁石１７０が頂部軸受アセンブリ１４４０に回転子重量＋１０００ｌｂｓを加えなければならない場合、反転軸受設計を用いることで回転子重量−１０００ｌｂｓを加える。これにより、オフローダ磁石１７０内の電磁石の制御が容易になり、潜在的にその電力消費とサイズが減少する。
【０１０４】
さらに、異常な動きによる軸受への損傷は、比較的高価な主要軸受、すなわち頂部軸受１４４０と底部軸受１５４０ではなく、比較的安価で交換が容易なバックアップ軸受１４１５に影響または損傷を与える可能性が高くなる。
【０１０５】
図１６は、本発明の制御アルゴリズム１６００の第３実施形態を示す制御システム図である。制御アルゴリズム１６００は、図１４−１５を参照して説明した反転軸受の実施形態と共に用いるように適合された制御アルゴリズム８００バージョンである。したがって、力検知要素１４０１が反転された極性を有することを除いて、制御アルゴリズム８００と同一であるので、制御アルゴリズム１６００の極性は、制御アルゴリズム８００の極性とは反転している。
【０１０６】
制御アルゴリズム１６００は、アナログまたはデジタル制御システム１６０として実装されてもよい。一般に、制御アルゴリズム１６００は、例えば歪ゲージまたは他のタイプのセンサまたは変換器などであり得る力センサ１４０１などによって検知された上部軸受１４４１にかかる力の測定値を受け入れ、図５の曲線部分４１９でフライホイール装置を動作させるために、持ち上げ巻線１７１に電流Ｉを供給する。
【０１０７】
アルゴリズム１６００には、上部軸受１４４１にかかる所望の軸方向の力を特定し、ｆ’ｒｅｓｉｄｕａｌ＝Ｗ−ｋ（ｇｍａｘ）＊Ｉ２として定義されてもよい残留力ｆ’ｒｅｓｉｄｕａｌを計算する参照値ｆ＊＊が格納されている。実際には、軸受のサイズ、仕様、動作モードに応じて、基準値は３０ｌｂｓから４００ｌｂｓの範囲になってもよい。通常の動作では、基準値を最小予荷重値の近くに設定し、軌道の疲労と抗力を最小限に抑えることができる。起動時の特定の過渡状態の間、または地震イベントの間、参照値は一時的に高い値に設定され、軸受にかかる正の負荷力を維持する。残留力ｆ’ｒｅｓｉｄｕａｌは、出力信号ｆｍｅａｓｕｒｅｄを生成する力センサ１４０１によって検知される。アルゴリズム１６００は、ｆｍｅａｓｕｒｅｄからｆ＊＊を差し引いてエラー信号ｆｅを生成してこれを増幅し、持ち上げ巻線１７１へ所望の量の電流Ｉを生成する。アルゴリズム１６００は、図４を参照して定義された最大ギャップ値であるｇｍａｘを、回転子本体１２１から磁石１７０までの距離として用いる。本質的に、回転子１２０は、通常動作の間、軸受ハウジング１４２０によって下から支持されて、この軸方向位置に維持される。磁気ギャップｇｍａｘは、通常動作中にバックアップスラスト軸受１４１５が係合しないように隙間を提供する。したがって、この設計は、回転子１２０が固定された軸方向位置で動作する一方で、ｇｍａｘによって定義されるように、下部軸受アセンブリ、すなわち軸方向の拡張または収縮を可能にするバネ１５３２により軸方向の増大が適応されることを可能にする。
【０１０８】
本明細書で説明される方法それぞれの一実施形態は、処理システム、例えば、制御システムの一部である１つ以上のプロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムの形態である。したがって、当業者には理解されるように、本発明の実施形態は、方法、専用装置などの装置、データ処理システムなどの装置、またはコンピュータプログラム製品のようなキャリア媒体として組み込まれてもよい。キャリア媒体は、方法を実装するように処理システムを制御するための１つ以上のコンピュータ可読コードセグメントを搬送する。したがって、本発明の態様は、方法、完全ハードウェア実施形態、完全ソフトウェア実施形態、またはソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形をとってもよい。さらに、本発明は、媒体に組み込まれたコンピュータ可読プログラムコードセグメントを搬送するキャリア媒体（例えば、コンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム製品）の形態を取ってもよい。フロッピーディスクまたはハードディスクなどの磁気記憶装置、またはＣＤ−ＲＯＭなどの光学記憶装置を含む、任意の適切なコンピュータ可読媒体を用いてもよい。
【０１０９】
論議された方法のステップは、一実施形態において、記憶装置に記憶された命令（コードセグメント）を実行する処理（すなわち、コンピュータ）システムの適切なプロセッサ（または複数のプロセッサ）によって実行されることが理解される。また、本発明は特定の実装またはプログラミング技法に限定されず、本発明は、本明細書で説明する機能を実装するための任意の適切な技法を用いて実装できることも理解されよう。本発明は、特定のプログラミング言語またはオペレーティングシステムに限定されない。
【０１１０】
本明細書を通して「一実施形態」または「実施形態」に対する言及は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所における「一実施形態において」または「実施形態において」という句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、この開示から当業者には明らかなように、１つ以上の実施形態において、特定の特徴、構造、または特性を任意の適切な方法で組み合わせることができる。
【０１１１】
同様に、本発明の例示的な実施形態の上述の説明においては、発明の様々な態様のうち１つ以上の開示を簡素化し、理解を助けることを目的として、本発明の様々な特徴が、単一の実施形態、図、またはその説明にまとめられる場合があることを理解されたい。しかしながら、この開示方法は、請求された発明が各請求項に明示的に列挙されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明の態様は、前述の単一の開示された実施形態のすべての特徴より少ない特徴を有する。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、これにより、この詳細な説明に明確に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として独立している。
【０１１２】
したがって、本発明の好ましい実施形態であると考えられるものについて説明したが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく、他のさらなる変更を加えることができることを認識するであろう。そのようなすべての変更および修正は、本発明の範囲に含まれる。例えば、上述の式は、いずれも、用いられる可能性がある手順の単なる代表例である。ブロック図で機能を追加または削除してもよく、機能ブロック間で動作を差し替えてもよい。本発明の範囲内で説明される方法において、ステップを追加または削除してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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