(57)【要約】【課題】必要な電動モータや電気部品数を削減することができるとともに、二つのフライホイールを互いに逆方向に確実に回転させることができるフライホイール式電力貯蔵装置を提供する。【解決手段】第１のフライホイール４を回転駆動する発電可能な電動モータ６と、このモータ６の回転力を第２のフライホイール５側に伝えるとともに、第１及び第２のフライホイール４，５の慣性トルクが相殺されるように第１のフライホイール４と反対方向に第２のフライホイール５を回転駆動させる遊星歯車装置（反転装置）７とを設ける。【選択図】      図１
2004304920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に配置された第１及び第２のフライホイールを有するフライホイール式電力貯蔵装置であって、
前記第１のフライホイールを回転駆動する発電可能な電動モータと、
前記電動モータの回転力を前記第２のフライホイール側に伝えるとともに、前記第１及び第２のフライホイールの慣性トルクが相殺されるように前記第１のフライホイールと反対方向に当該第２のフライホイールを回転駆動させる反転装置とを備えたことを特徴とするフライホイール式電力貯蔵装置。
【請求項２】
前記反転装置が、遊星歯車装置であることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール式電力貯蔵装置。
【請求項３】
前記反転装置が、傘歯車装置であることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール式電力貯蔵装置。
【請求項４】
前記反転装置が、トラクションドライブ装置であることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール式電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライホイールの回転運動により電力を貯蔵することができる電力貯蔵装置、特に車載用途に好適なフライホイール式電力貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車やハイブリッドカーなどの車両では、発電可能な電動モータにより回転数制御が行われるフライホイールを備えた電力貯蔵装置が使用されることがある。
このようなフライホイール式電力貯蔵装置では、その充電時には上記モータがフライホイールの回転数を上げることによって電気エネルギーを当該ホイールの回転運動エネルギーに変換した状態で貯蔵し、また放電時には当該モータを発電機として機能させることで装置外部に給電できるようになっている。
【０００３】
ところで、上記のようなフライホイール式電力貯蔵装置では、フライホイール重量を重くしたり、より高速に回転させたりすることによって当該装置の貯蔵可能な電力量を増加させることができる。ところが、このように電力量を増加する場合、フライホイールの重量増加などに伴って当該ホイールに生じる慣性トルクが大きくなり、例えばこのホイールと当該ホイールが回転自在に設けられた主軸とを含む回転体でのジャイロ効果も大きくなる。このため、車両走行時に上記回転体が振動等の外乱を受けた場合、大きなジャイロ効果が生じて、電力貯蔵装置から走行車両の車体側に好ましくない力が大きく作用し、車両走行に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００４】
そこで、従来装置には、各々二つのフライホイール及び発電可能な電動モータを固定軸に設け、各モータにより対応するフライホイールを互いに逆方向に回転駆動させることにより、それらフライホイールの慣性トルクを相殺して車両走行への悪影響が生じるのを防ごうとしたものが提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
詳細には、上記二つのフライホイールは、同じ材料を用いて互いに同一形状・寸法で形成することで等しい慣性モーメントを有するよう構成されるとともに、各フライホイールを対応する電動モータによって実質的に同速度で逆方向に回転駆動させることにより、これらフライホイールで生じる慣性トルクを相殺し上記悪影響が車両に現れるのを防ごうとしていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２８１０５０号公報（第３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、二つの電動モータを用いて二つのフライホイールをそれぞれ回転駆動していたので、各モータを別々に制御する必要があり、回転数制御を同一とする制御が複雑となることなどにより、これらフライホイールを実質的に同一速度で互いに逆方向に回転駆動することが困難であった。また、このように電動モータを二つ使用していたので、各モータに接続された電気部品例えば発電機として機能させるための電気配線やこの配線に繋がれて電動機と発電機との切換を行うための切換装置等の必要な電気部品の部品点数が多かった。
【０００７】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、必要な電動モータや電気部品数を削減することができるとともに、二つのフライホイールを互いに逆方向に確実に回転させることができるフライホイール式電力貯蔵装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同軸上に配置された第１及び第２のフライホイールを有するフライホイール式電力貯蔵装置であって、
前記第１のフライホイールを回転駆動する発電可能な電動モータと、
前記電動モータの回転力を前記第２のフライホイール側に伝えるとともに、前記第１及び第２のフライホイールの慣性トルクが相殺されるように前記第１のフライホイールと反対方向に当該第２のフライホイールを回転駆動させる反転装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
上記のように構成されたフライホイール式電力貯蔵装置では、電動モータが第１のフライホイールを回転駆動した場合に、反転装置がそのモータの回転力を用いて、上記の慣性トルクが相殺されるように第１のフライホイールに対し第２のフライホイールを確実に同軸反転させることができる。また、発電可能な電動モータを二つ使用していた上記従来例に比べて、必要なモータ数を一つとし、当該電力貯蔵装置に必要な電気部品数を半分以下に削減することができる。
【００１０】
また、上記フライホイール式電力貯蔵装置において、前記反転装置が、遊星歯車装置であってもよい。
この場合、上記遊星歯車装置がその装置に含まれた遊星ギヤ等の歯部の噛み合いによってモータ回転力を第２のフライホイールに伝え、当該ホイール用モータを設けることなく第１及び第２のフライホイールを互いに逆方向に機械的に確実に回転させることができる。
【００１１】
また、上記フライホイール式電力貯蔵装置において、前記反転装置が、傘歯車装置であってもよい。
この場合、上記傘歯車装置がその装置に含まれた傘歯車等の歯部の噛み合いによってモータ回転力を第２のフライホイールに伝え、当該ホイール用モータを設けることなく第１及び第２のフライホイールを互いに逆方向に機械的に確実に回転させることができる。また、上記傘歯車を例えば第１及び第２のフライホイールが回転自在に連結される回転軸に設けることにより、これらのフライホイールに歯部を形成することなく、しかも同一のフライホイールを用いることができ、装置部品点数をさらに削減することができる。
【００１２】
また、上記フライホイール式電力貯蔵装置において、前記反転装置が、トラクションドライブ装置であってもよい。
この場合、上記ドライブ装置に含まれたローラによる牽引力（トラクション力）により、モータ回転力を第２のフライホイールに伝え、当該ホイール用モータを設けることなく第１及び第２のフライホイールを互いに逆方向に機械的に確実に回転させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のフライホイール式電力貯蔵装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、下記の説明では、電気自動車等の車両に組み込まれる電力貯蔵装置を構成した場合を例示して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。図において、本実施形態の電力貯蔵装置１は、上記車両側に固定されるハウジング２内で図示を省略した軸受手段によって回転自在に軸支された回転軸としての主軸３、この主軸３に一体的に連結されたリング状の第１のフライホイール４、及び反転装置としての遊星歯車装置７を介在させて主軸３に連結された第２のフライホイール５を備えている。
【００１５】
また、上記電力貯蔵装置１には、ハウジング２に取り付けられたステータ巻線６ａ及び主軸３に固定された永久磁石６ｂを備え、上記第１及び第２のフライホイール４，５の回転によって発電することが可能な電動モータ６が設けられている。また、このモータ６には、当該モータ６を電動機または発電機として切り換えるための切換装置（図示せず）が接続されており、電力貯蔵装置１はその切換装置を動作することにより、充電時及び放電時にモータ６を電動機及び発電機としてそれぞれ機能させるよう構成されている。そして、この電力貯蔵装置１では、その充電時において、上記モータ６が主軸３及び第１のフライホイール４を図のＲ方向に回転させ、かつ遊星歯車装置７が第２のフライホイール５をＲ方向とは反対方向に回転させることにより、当該装置１は上記モータ６に供給された電力（電気エネルギー）を第１及び第２のフライホイール４，５の各回転運動エネルギーに変換して蓄えることができる。
また、放電時においては、上記回転運動エネルギーがモータ６により電気エネルギー（回生電力）として取り出されて、電力貯蔵装置１がその回生電力を上記車両の駆動輪を駆動する駆動モータ等の他の電気機器に供給できるようになっている。
【００１６】
上記第１のフライホイール４は、鉄などの金属またはＣＦＲＰなどの樹脂あるいは金属と樹脂を組み合わせたもの等により構成されたものであり、内周面４ａが主軸３の外周面に圧入されることにより、このホイール４は主軸３と一体回転可能に連結されている。
上記第２のフライホイール５は、例えば第１のフライホイール４と同じ材料を用いて構成されたものであり、ハウジング２内で上記ホイール４と対向した状態で、かつ同軸に配置されている。また、このホイール５の内周面側には、上記遊星歯車装置７の遊星ギヤ７ａと噛み合う歯部５ａが形成されており、これらギヤ７ａと歯部５ａとの噛み合いによって上記モータ６の回転力が伝達されるようになっている。
また、上記第１及び第２のフライホイール４，５は、それらの慣性モーメントが実質的に同一となるように構成されたものである。具体的には、これらの第１及び第２のフライホイール４，５は同一の外径寸法及び軸方向寸法を有するよう形成されているが、第２のフライホイール５の上記歯部５ａの形成に伴う重量低減に応じて、第１のフライホイール４の内径部にスリットなどを設けて、重量を減少させることで慣性モーメントの同一化を図っている。
【００１７】
上記遊星歯車装置７は、主軸３の軸中心に対し例えば１２０度間隔で円周等配された三個の上記遊星ギヤ７ａと、これら各遊星ギヤ７ａを回転可能に支持した状態でハウジング２に取り付ける取付部材７ｂとを備えている。また、この遊星歯車装置７では、主軸３の先端部を太陽ギヤとして用いたものであり、その先端部にスプライン加工を施すことで各遊星ギヤ７ａと噛み合う歯部３ａを形成して、主軸３と一体的に回転する上記太陽ギヤを当該主軸先端部により構成している。そして、遊星歯車装置７では、電動モータ６によって主軸３が回転駆動されると、各遊星ギヤ７ａが取付部材７ｂにより公転するのを阻止された状態で自転し、歯部５ａとの噛み合い部を介してモータ回転力を第２のフライホイール５に伝達することにより、当該ホイール５を図のＲ方向とは反対方向に、かつ第１のフライホイール４と実質的に同速で回転駆動する。これにより、慣性モーメントが実質的に同一に構成された第１及び第２のフライホイール４，５は、その回転に伴って生じる慣性トルクが相殺された状態で互いに逆方向に回転される。
尚、上記の説明以外に、主軸３の外周面に圧入される貫通孔を備えた太陽ギヤを用いる構成でもよい。
【００１８】
以上のように構成された本実施形態のフライホイール式電力貯蔵装置１では、第１のフライホイール４が電動モータ６によって図１のＲ方向に回転されたときに、第２のフライホイール５はその内周面側に形成された歯部５ａが上記遊星歯車装置（反転装置）７の遊星ギヤ７ａと噛み合うことによって上記モータ６の回転力が伝達されて、第１のフライホイール４と実質的に同速で逆方向に回転駆動される。この結果、電力貯蔵装置１では、第１及び第２の各フライホイール４，５に発生する慣性トルクが互いに打ち消しあうこととなり、それらの各慣性トルクが当該装置から車両の車体側に好ましくない力として伝わるのを阻止することができる。
【００１９】
また、本実施形態では、上記電動モータ６が第１及び第２のフライホイール４，５を回転駆動する駆動源として共用されていることから、電力貯蔵装置１の電気部品、例えば上記切換装置やモータ６の回転数制御を行う制御装置などの電気部品を複数設ける必要がなく、二つの電動モータを使用していた上記従来品に比べて電気部品数を半分以下に削減することができ、よって小型で省エネルギーな電力貯蔵装置を容易に構成することができる。しかも、遊星歯車装置７が第２のフライホイール５を第１のフライホイール４と実質的に同一速度で機械的に確実に反転させることから、電気部品のトラブルに起因する不具合が生じるのを極力防いだ状態で、上記フライホイール４，５の慣性トルクを確実に相殺することができる。具体的には、例えば電動モータ６への供給電圧が低下したときでも、遊星歯車装置７は上記電圧低下に伴うモータ回転力の低下に応じて、第２のフライホイール５の回転数を低くし、第１のフライホイール４の回転数と実質的に等しくして慣性トルクを確実に相殺することができる。
【００２０】
図２は、別の実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。図２において、この実施形態と図１に示した実施形態との主な相違点は、上記遊星歯車装置７に代えて傘歯車装置１７を設けて、この装置１７により第２のフライホイール１４ｂを第１のフライホイール１４ａに対し実質的に同一速度で逆方向に回転駆動させた点である。
図２に示すように、本実施形態では、ハウジング２内で回転自在な回転軸としての主軸１３は、第１のフライホイール１４ａの内周面１４ａ１が圧入されることにより当該ホイール１４ａと一体的に連結された第１軸部材１３ａと、第２のフライホイール１４ｂの内周面１４ｂ１が圧入されることにより当該ホイール１４ｂと一体的に連結された第２軸部材１３ｂとを具備している。上記第１軸部材１３ａ側には、発電可能な上記電動モータ６が取り付けられている。また、第１及び第２軸部材１３ａ，１３ｂの間には、上記反転装置としての傘歯車装置１７が設置されている。
また、上記第１及び第２のフライホイール１４ａ，１４ｂは、慣性モーメントが実質的に等しくなるように、例えば同じ材料を用いて同一形状及び寸法に形成されている。
【００２１】
上記傘歯車装置１７は、第１及び第２軸部材１３ａ，１３ｂの各一端部側に取り付けられて、互いに対向配置された傘歯車１７ａ，１７ｂと、これらの傘歯車１７ａ，１７ｂに連結されるとともに、主軸１３の軸中心に対し例えば９０度間隔で円周等配された四個の傘小歯車１７ｃと、一端部側がハウジング２内の突起部２ａに固定されるとともに、他端部側で上記の各傘小歯車１７ｃを回転可能に支持するピン部材１７ｄとを備えている。そして、この傘歯車装置１７では、電動モータ６が第１軸部材１３ａ及び第１のフライホイール１４ａを図のＲ１方向に回転させると、その第１軸部材１３ａ側に設けられた傘歯車１７ａが同方向に回転するとともに、傘歯車１７ａは歯部どうしが噛み合った上記の各傘小歯車１７ｃを同図のＲ３方向に回転させる。さらに、この各傘小歯車１７ｃの回転に伴って、各傘小歯車１７ｃと歯部どうしが噛み合った上記傘歯車１７ｂが同図のＲ２方向に回転して、第２軸部材１３ｂ及び第２のフライホイール１４ｂを同Ｒ２方向にかつ第１のフライホイール１４ａと実質的に同じ回転数で回転駆動させる。
【００２２】
以上のように構成された本実施形態では、傘歯車装置（反転装置）１７が電動モータ６の回転力を用いて、第２のフライホイール１４ｂを第１のフライホイール１４ａと逆方向に機械的に確実に回転駆動させることができるので、上記実施形態と同様に、必要な電気部品数を削減した状態で、第１及び第２のフライホイール１４ａ，１４ｂの慣性トルクを相殺することができ、上記実施形態での効果を同様に得ることができる。さらに、本実施形態では、第１及び第２のフライホイール１４ａ，１４ｂが同じ材料を用いて同一形状及び寸法に形成されているので、上記実施形態での効果に加えて、電力貯蔵装置１の部品点数をさらに削減することができるとともに、第２のフライホイールに対する歯部形成加工等を実施する必要がない。
【００２３】
図３は、別の実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。図３において、この実施形態と図２に示した実施形態との主な相違点は、上記傘歯車装置１７に代えてトラクションドライブ装置２７を設けて、この装置２７により第２のフライホイール２４ｂを第１のフライホイール２４ａに対し逆方向に回転駆動させた点である。
図３に示すように、本実施形態では、ハウジング２内で回転自在な回転軸としての主軸２３は、第１のフライホイール２４ａの内周面２４ａ１が圧入されることにより当該ホイール２４ａと一体的に連結された第１軸部材２３ａと、第２のフライホイール２４ｂの内周面２４ｂ１が圧入されることにより当該ホイール２４ｂと一体的に連結された第２軸部材２３ｂとを具備している。上記第１軸部材２３ａ側には、発電可能な上記電動モータ６が取り付けられている。また、第１及び第２軸部材２３ａ，２３ｂの間には、上記反転装置としてのトラクションドライブ装置２７が設置されている。
また、上記第１及び第２のフライホイール２４ａ，２４ｂは、それらの慣性モーメントが実質的に同一になるように構成されたものである。具体的には、これらの第１及び第２のフライホイール２４ａ，２４ｂは、同一の外形寸法及び軸方向寸法を有するように形成されているが、第２のフライホイール２４ｂのトラクションドライブ装置２７による減速（伝達ロス）に応じて、第１のフライホイール２４ａの内径部にスリットなどを設けて慣性モーメントの同一化を図っている。
【００２４】
上記トラクションドライブ装置２７は、第１及び第２軸部材２３ａ，２３ｂの各一端部側に取り付けられて、互いに対向配置されたトラクションローラ２７ａ，２７ｂと、これらのトラクションローラ２７ａ，２７ｂと転動自在に設けられるとともに、主軸２３の軸中心に対し例えば９０度間隔で円周等配された四個のトラクションローラ２７ｃと、一端部側がハウジング２内の突起部２ａに固定されるとともに、他端部側で上記の各トラクションローラ２７ｃを回転可能に支持するピン部材２７ｄとを備えている。そして、このトラクションドライブ装置２７では、電動モータ６が第１軸部材２３ａ及び第１のフライホイール２４ａを図のＲ１方向に回転させると、その第１軸部材２３ａ側に設けられたトラクションローラ２７ａが同方向に回転するとともに、このローラ２７ａの回転に応じて上記の各トラクションローラ２７ｃがローラ２７ａ上を転動して同図のＲ３方向に回転する。さらに、この各トラクションローラ２７ｃの回転に伴って、上記トラクションローラ２７ｂが各ローラ２７ｃ上を転動して同図のＲ２方向に回転して、第２軸部材２３ｂ及び第２のフライホイール２４ｂを同Ｒ２方向にかつ第１のフライホイール２４ａと実質的に同じ回転数で回転駆動させる。
【００２５】
以上のように構成された本実施形態では、トラクションドライブ装置（反転装置）２７が電動モータ６の回転力を用いて、第２のフライホイール２４ｂを第１のフライホイール２４ａと逆方向に機械的に確実に回転駆動させることができるので、上記実施形態と同様に、必要な電気部品数を削減した状態で、第１及び第２のフライホイール２４ａ，２４ｂの慣性トルクを相殺することができ、図２に示した実施形態での効果を同様に得ることができる。しかも、図１に示した実施形態と異なり、第２のフライホイールに対する歯部形成加工等を実施する必要がない。
【００２６】
尚、上記の説明では、車両に組み込まれる電力貯蔵装置を構成した場合について説明したが、本発明は発電可能な電動モータによって一の方向に回転駆動される第１のフライホイールに対して、反転装置が上記モータの回転力により第２のフライホイールを他の方向に回転駆動して、これらフライホイールで生じる慣性トルクが相殺するように当該ホイールを互いに逆方向に回転させるものであればよく、車両以外の鉄道等の他の交通手段や工場等の電気設備などに用いられる各種電力貯蔵装置に適用することができる。
また、上記の各実施形態の説明では、第１及び第２のフライホイールでの慣性トルクを互いに打ち消しあわせて完全に相殺する場合について説明したが、本発明は反転装置によって二つのフライホイールを互いに逆回転させるものであればよく、これらホイールでの慣性トルクを減殺するものでもよい。
また、上記の各実施形態の説明では、軸方向に上下二段に配置されたリング状の第１及び第２のフライホイールを有する構成について説明したが、本発明はフライホイールの設置数や形状等は上記のものに限定されるものではなく、例えば上記第１のフライホイール４に代えて、そのホイール４の１／２の慣性モーメントを有する二つのホイールを主軸３に一体的に取り付けて第１のフライホイールを構成してもよい。
【００２７】
また、図１及び図３に示した実施形態では、第２のフライホイール５；２４ｂの慣性モーメントが第１のフライホイール４；２４ａのものと実質的に同一になるように第１のホイール４；２４ａにスリットを設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば遊星歯車装置７やトラクションドライブ装置２７が第２のフライホイール５；２４ｂの回転速度を増速させて第１のフライホイール４のものより大きくすることにより、同じ軸方向寸法を有する第１及び第２のフライホイールの慣性トルクを相殺してもよいし、これら第１及び第２のホイールの外径寸法を変更してホイール重量を調整することで慣性トルクを相殺してもよく、その他の方法を適宜採用してもよい。
また、図２に示した実施形態では、主軸１３を第１及び第２軸部材１３ａ，１３ｂを分割し、かつそれらの軸部材１３ａ，１３ｂの先端部に傘歯車１７ａ，１７ｂを設けた傘歯車装置１７について説明したが、傘歯車装置はこれに限定されるものではなく、ハウジング２側に設けられた複数の傘小歯車に連結されるとともに、主軸が挿通される貫通孔を有するリング状の傘歯車を第１及び第２のフライホイールの各対向面に取り付ける構成でもよい。このように構成した場合は、主軸を二つの軸部材に分割する必要がない。
【００２８】
また、図１〜図３の各実施形態における上記軸受手段は、転がり軸受または磁気軸受により構成されており、高速回転時での軸受損失を極力生じない状態で主軸を含む回転体を支承できるようになっている。また、磁気軸受を用いた場合、非常事態が生じたときのみ使用されるタッチダウン軸受が含まれており、上記磁気軸受に異常が生じた場合などにおいて、高速回転中の回転体がハウジング２の内面などと接触するのを防ぎ、回転体などに損傷が発生するのを防止できるようになっている。
また、各実施形態では、電動モータ６を主軸に永久磁石６ｂを設けた同期モータにより構成した場合について説明したが、例えば上記回転体に短絡環付ケイ素鋼板を設けた誘導モータを用いることもできる。
また、図２または図３の実施形態では、第１及び第２のフライホイールが回転軸としての主軸と一体的に回転するインナーロータタイプに反転装置（傘歯車装置またはトラクションドライブ装置）を適用した場合について説明したが、例えば上記リング状の傘歯車またはローラを用いることにより、第１及び第２のフライホイールが固定軸に対して所定隙間をおいて回転自在に配置されたアウターロータタイプに傘歯車装置またはトラクションドライブ装置を適用することもできる。
また、本発明の反転装置は、上記実施形態に記載されたものに限定されない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のフライホイール式電力貯蔵装置によれば、各々一つの電動モータ及び反転装置により、慣性トルクが相殺するように第１及び第２のフライホイールを回転駆動しているので、電気部品数が少なくすることができるとともに、上記のフライホイールを互いに逆方向に確実に回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。
【図２】別の実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。
【図３】別の実施形態に係るフライホイール式電力貯蔵装置の要部構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１    フライホイール式電力貯蔵装置
４、１４ａ、２４ａ    第１のフライホイール
５、１４ｂ、２４ｂ    第２のフライホイール
６    （発電可能な）電動モータ
７    遊星歯車装置（反転装置）
１７    傘歯車装置（反転装置）
２７    トラクションドライブ装置（反転装置）
【図１】
2004304920.tif 000003
【図２】
2004304920.tif 000004
【図３】
2004304920.tif 000005