(57)【要約】【課題】超電導バルク体と超電導コイルの組み合わせによる磁気軸受でスラスト方向を支持し、ラジアル方向をラジアルころがり軸受ユニットで支持することにより、より簡潔な機構で安価な、かつ回転損失の少ない電力貯蔵用フライホイール蓄電装置を提供する。【解決手段】超電導バルク体と超電導コイルを組み合わせた磁気軸受とラジアルころがり軸受ユニットを組み合わせてフライホイールを支持する電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイル７として異極励磁した一対の超電導コイル７Ａ，７Ｂを上下方向に直列配置し、この異極励磁した一対の超電導コイル７Ａ，７Ｂの中央部分の空間磁場を小さく抑えつつ、磁場勾配を大きくとり、負担できるスラスト荷重を向上させる。【選択図】  図１
2008228535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導バルク体と超電導コイルを組み合わせた磁気軸受でフライホイールを支持する電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイルとして異極励磁した一対の超電導コイルを上下方向に直列配置し、該異極励磁した一対の超電導コイルの中央部分の空間磁場を小さく抑えつつ、磁場勾配を大きくとり、負担できるスラスト荷重を向上させることを特徴とする電力貯蔵用フライホイール蓄電装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイルの上下にラジアルころがり軸受ユニットを配置し、回転軸のラジアル方向の荷重を支持することを特徴とする電力貯蔵用フライホイール蓄電装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイル外部への漏洩磁界が小さいことを利用して、前記ラジアルころがり軸受ユニットを前記超電導コイル近傍に配置して、前記回転軸のラジアル方向の軸ブレを抑制することを特徴とする電力貯蔵用フライホイール蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、必要に応じて前記フライホイールに貯蔵されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すようにした、電力貯蔵用フライホイール蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導磁石の強磁界を利用した磁気軸受を組み込んだ電力貯蔵用フライホイールの一例として回転損失の小さい磁気軸受が用いられる。（１）下記非特許文献１に開示されているような液体窒素で冷却した高温超電導バルク体と永久磁石を組み合わせた磁気軸受でスラスト荷重を支持し、電磁石と永久磁石の組み合わせによる制御型磁気軸受でラジアル方向を支持するもの、（２）下記非特許文献２に開示されているような液体ヘリウムで冷却した超電導コイルと鉄の吸引力でスラスト荷重を支持し、電磁石と永久磁石の組み合わせによる制御型磁気軸受でラジアル方向を支持するものがある。
【０００３】
上記したものは超電導バルク体と超電導コイルを利用した磁気軸受の他に電磁石で制御する磁気軸受が必要であり、地震などにより突然電源が切れたときのバックアップの転がりもしくはすべり軸受が必要になる。
【０００４】
また、制御軸受に大きな駆動動力が必要になることから、回転損失の少ない超電導磁気軸受を使用しているメリットが相殺されてしまう。
【特許文献１】特開２００３−２１９５８１号公報
【非特許文献１】腰塚直己  「高温超電導軸受を用いたフライホイール」，電気評論, ２００６．１２，ｐｐ．３２〜３５
【非特許文献２】内山順仁  「超電導フライホイールシステムの開発」，電気評論, ２００６．１２，ｐｐ．３６〜３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の技術に対して、上記特許文献１に開示されるような超電導バルク体と超電導コイルの組み合わせで強力な浮上力を得る方法もある。
【０００６】
この方法では、永久磁石の磁場限界や、鉄の飽和磁束に影響されることなく空間磁場を大きくすることができるために、従来の技術より大きなスラスト荷重を負担することができる。
【０００７】
本発明は、上記状況を鑑みて、超電導バルク体と超電導コイルの組み合わせによる磁気軸受でスラスト方向を支持し、ラジアル方向をラジアルころがり軸受ユニットで支持することにより、より簡易な機構で安価な、かつ回転損失の少ない電力貯蔵用フライホイール蓄電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導バルク体と超電導コイルを組み合わせた磁気軸受とラジアルころがり軸受ユニットを組み合わせてフライホイールを支持する電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイルとして異極励磁した一対の超電導コイルを上下方向に直列配置し、この異極励磁した一対の超電導コイルの中央部分の空間磁場を小さく抑えつつ、磁場勾配を大きくとり、負担できるスラスト荷重を向上させることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイルの上下にラジアルころがり軸受ユニットを配置し、回転軸のラジアル方向の荷重を支持することを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔２〕記載の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイル外部への漏洩磁界が小さいことを利用して、前記ラジアルころがり軸受ユニットを前記超電導コイル近傍に配置して、前記回転軸のラジアル方向の軸ブレを抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、超電導バルク体と超電導コイルの組み合わせによる磁気軸受でスラスト方向を支持し、ラジアル方向をラジアルころがり軸受ユニットで支持することにより、安価でより簡易な機構を提供することができ、かつ回転損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置は、超電導バルク体と超電導コイルを組み合わせた磁気軸受とラジアルころがり軸受ユニットを組み合わせてフライホイールを支持する電力貯蔵用フライホイール蓄電装置において、前記超電導コイルとして異極励磁した一対の超電導コイルを上下方向に直列配置し、この異極励磁した一対の超電導コイルの中央部分の空間磁場を小さく抑えつつ、磁場勾配を大きくとり、負担できるスラスト荷重を向上させる。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の模式図である。
【００１５】
この図において、１は電動・発電機（Ｍ／Ｇ）、２はカップリング、３は第１の回転軸、４は第１のラジアルころがり軸受ユニット、５はフライホイール、６は回転デュワー、６Ａはその回転デュワー６内に設けられる直径６０ｍｍの超電導バルク体、７は異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを有する超電導コイル、７Ｃは電磁石架台、８は第２の回転軸、９は第２のラジアルころがり軸受ユニット、１０はバックアップスラスト軸受ユニット、１１は門型架台、１２は地面である。
【００１６】
本発明では、第１の回転軸３と第２の回転軸８からなる回転軸を地面１２に対して垂直に配置し、超電導バルク体６Ａと異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを有する超電導コイル７とを組み合わせた磁気軸受を回転軸Ａの中央に配置して、その超電導コイル７の両端にラジアル方向荷重を支持する第１のラジアルころがり軸受ユニット４と第２のラジアルころがり軸受ユニット９とを配置する。
【００１７】
超電導コイル７は、異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを上下方向に直列配置する。これにより、異極励磁した１対の超電導コイル７Ａと７Ｂの中央部分の磁場勾配が大きくなり、同じ空間磁場で比較すると、単一コイルの時のおよそ３倍の磁場勾配を実現することができる。従って、およそ３倍のスラスト荷重を負担できるようになる。
【００１８】
また、超電導コイル７の外部への漏洩磁界も異極励磁したコイル７Ａと７Ｂの差分しかなくなるため、小さくなる。これにより、超電導コイル７の近傍に置いた磁性体の磁気吸引力が従来の１／３程度に収まり、通常の軸受鋼で作られたラジアルころがり軸受ユニットでも超電導磁石の近傍に設置することができる。
【００１９】
図２は本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の磁気吸引力の軽減効果を示す磁束密度（Ｔ）に対する磁気吸引力（Ｎ）の特性図である。
【００２０】
この図において、Ａは単一コイルを有する超電導コイルの場合の計算値（△）、Ｂは本発明による異極励磁した一対の超電導コイルの場合の計算値（■）、Ｃは測定値（○）である。なお、磁性体の形状は超電導バルク体と同じ直径６０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍとしている。
【００２１】
この図から本発明による異極励磁した一対の超電導コイルによる磁気吸引力が従来の単一コイルを有する超電導コイルによる磁気吸引力の１／３程度に収まることがわかる。
【００２２】
図３は本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の軸スパンの短縮効果を検討するための簡易モデルを示す模式図である。
【００２３】
図３において、２１は回転軸、２２はフライホイール、２３は第１のラジアルころがり軸受ユニット、２４は第２のラジアルころがり軸受ユニットである。
【００２４】
ここでは、２０００ｒｐｍ，質量５００ｋｇのフライホイール，軸径φ１１０ｍｍ，肉厚１０ｍｍの中空軸で、図３に示す簡易モデルで、以下のような手法で検討した。
【００２５】
（１）初期条件としてフライホイール２２の偏心量を考える（例として公差Ｇ６．３＝２０μｍ）
（２）その変位でのフライホイール２２の遠心力で左右方向の荷重を付与する。
【００２６】
（３）そのタワミ量から再度、フライホイール２２に発生する遠心力を算出し、それに見合う荷重増分を与える。
【００２７】
（４）上記（２）〜（３）の繰り返しを行い、収束した点をバランス点として左右荷重（＝加振力）を算出する。
【００２８】
軸の支持スパンが横方向の加振力の増減に及ぼす影響を試算した結果を図４に示す。
【００２９】
また、図５は同じように、回転軸の偏心公差が加振力に及ぼす影響、図６は回転速度が加振力に及ぼす影響、図７はフライホイール質量が加振力に及ぼす影響を試算した結果を示す。
【００３０】
検討の結果、フライホイールに本発明を適用し、回転軸２１の支持スパンを９００ｍｍから６００ｍｍに３００ｍｍ縮小した効果は、
（１）偏心量で考えると、およそ５μｍの許容偏心量緩和に相当する。
【００３１】
（２）回転速度では２０００ｒｐｍに対して３１４ｒｐｍ，パーセンテージで言えば、１５％の上乗せ（＝蓄積エネルギーが向上）に相当する。
【００３２】
（３）フライホイール質量で考えると、５００ｋｇに対して＋９３ｋｇ、パーセンテージで言えば、１９％の上乗せ（＝蓄積エネルギーが向上）に相当する。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置は、より簡潔な機構で安価な、かつ回転損失の少ない電力貯蔵用フライホイール蓄電装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例を示す電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の模式図である。
【図２】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の磁気吸引力の軽減効果を示す磁束密度（Ｔ）に対する磁気吸引力（Ｎ）の特性図である。
【図３】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の軸スパンの短縮効果を検討するための簡易モデルを示す模式図である。
【図４】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の軸スパン縮小の影響を表す図である。
【図５】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の偏心量の影響を表す図である。
【図６】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の回転速度の影響を表す図である。
【図７】本発明の電力貯蔵用フライホイール蓄電装置のフライホイール質量の影響を表す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    電動・発電機（Ｍ／Ｇ）
２    カップリング
３    第１の回転軸
４，２３    第１のラジアルころがり軸受ユニット
５，２２    フライホイール
６    回転デュワー
６Ａ    超電導バルク体
７    超電導コイル
７Ａ，７Ｂ    異極励磁した一対の超電導コイル
７Ｃ    電磁石架台
８    第２の回転軸
９，２４    第２のラジアルころがり軸受ユニット
１０    バックアップスラスト軸受ユニット
１１    門型架台
１２    地面
２１    回転軸
【図１】
2008228535.tif 000003
【図２】
2008228535.tif 000004
【図３】
2008228535.tif 000005
【図４】
2008228535.tif 000006
【図５】
2008228535.tif 000007
【図６】
2008228535.tif 000008
【図７】
2008228535.tif 000009