(57)【要約】【課題】フライホールの円滑な回転を保証するライホイールユニットを提供する。【解決手段】励磁コイル４０が巻装されたステータコア４１の外周を取り囲む、ロータコア３０を内蔵しかつ回転軸３２を有するフライホイール３１と、ステータコア４１を支持するベース部材５と、ベース部材５に形成された、回転軸３２を支承するピボット軸受５０と、フライホイール３を取り囲みかつその上部が軸支されるケーシング２とを備えたフライホイールユニット１において、ベース部材５には、ピボット軸受５０に近接する部位に、冷却空気の通路５２、５３を有する冷却空間５１が設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁コイルが巻装されたステータコアの外周を取り囲むロータコアを内蔵しかつ回転軸を有するフライホイールと、前記ステータコアを支持するベース部材と、前記ベース部材に形成された、前記回転軸を支承するピボット軸受と、前記フライホイールを取り囲みかつその上部が軸支されるケーシングとを備えたフライホイールユニットにおいて、前記ベース部材は、前記ピボット軸受に近接する部位に、冷却空気の流路を有することを特徴とするフライホイールユニット。
【請求項２】
前記ベース部材に、冷却ファンと冷却空気を前記流路に送風するフードとを有する冷却ユニットが装着されていることを特徴とする請求項１記載のフライホイールユニット。
【請求項３】
前記流路には、冷却空気の流入部と流出部とを区画する仕切部材が介装されていることを特徴とする請求項２記載のフライホイールユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばフライホイールを回転させて運動エネルギーを貯え、停電時にフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給する無停電電源装置を構成するフライホイールユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータに代表されるエレクトロニクス機器では、短時間の停電による電圧低下でも誤動作が生じ易いので、無停電電源装置を負荷機器に接続して電圧低下時に負荷に電力を供給することが行われている。無停電電源装置としては、従来から停電等による電力遮断時に放出する電気エネルギーを鉛バッテリーに貯蔵することが行われているが、寿命が短くしかも交換されたバッテリーが環境汚染の原因となる有害物質を含むので簡単に廃棄できないといった難点がある。その対策として、長寿命でかつ廃棄処分が容易なフライホイール式無停電電源装置が提案されている。
【０００３】
現在実用化されているフライホイール式無停電電源装置は、ステータの外周にフライホイールと一体化されたロータを設けてアウターロータ型三相誘導発電電動機を形成したフライホイールユニットと、三相誘導発電電動機の駆動を制御するドライブコントローラ及び外部負荷に一定の電圧を供給する出力コントローラとを備えている。従来のフライホイールユニット１００は、図６に示すように、ケーシング１０１の内部に配置された、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性導電体からなるフライホイール１０２と、フライホイール１０２の下部に固着されたロータコア１０３と、例えばＹ形結線された三相コイル１０４が巻回されたステータコア１０５と、ステータコア１０５を支持するベース部材１０６とを有する。フライホイール１０２の上部に設けられた軸受孔１０７に、ケーシング１０１の突起部１０８に装着されたタッチダウン軸受１０９が遊嵌されている。またフライホイール１０２の回転軸１１０は、潤滑油（不図示）を介して球面状の先端部１１０ａがベース部材１０６のピボット軸受１１１に支承されている。上記ロータコア１０３と、三相コイル１０４が巻回されたステータコア１０５とでアウターロータ型三相誘導発電電動機が構成される。この無停電電源装置によれば、ドライブコントローラから三相誘導発電電動機のステータコイルに電力を供給してフライホイールを回転させることにより、運動エネルギーが蓄積される。一方電力遮断時は、フライホイールは慣性で回転し、その回転数が低下し運動エネルギーが放出される。従ってフライホイールユニットは発電機として機能するので、放出された運動エネルギーは電気エネルギーに変換されて上記コントローラを介して負荷機器に供給されて、回生電力が回収される。
【０００４】
上記フライホイールユニットでは、フライホイールの回転数が低い間は、フライホイールの上部はタッチダウン軸受に接触して回転するが、回転数が数千ｒｐｍに達すると、フライホイールのジャイロ効果により、タッチダウン軸受と非接触となり、回転軸の先端の球面がピボット軸受に支承された状態で回転する。また回転軸の先端とタッチダウン軸受とはフライホイールの停止時には接触しているが、フライホイールの回転時には、潤滑油を軸受のスパイラル溝に引き込み、回転軸の先端は軸受の油膜上で回転する（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。この種フライホイールユニットでは、フライホイールの回転軸の下端を支持するピボット軸受の温度が上昇するので、潤滑油の粘度が低下し、円滑な回転ができなくなる。その対策として、軸受をフライホイールの重心よりも上部に配置しかつヒートパイプを設けることが提案されている（例えば特許文献３参照）。また、フライホイールを固定した回転軸の端部を、ラジアル方向の軸受機能をもつ磁気軸受で支持すると共に、ケーシングの底部でピボット軸受の近傍に冷却水通路などの強制冷却手段を設けることが提案されている（例えば特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３５１４４号公報（第２頁、図３）
【特許文献２】
特開平７−３２２５３３号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平２−１８８４２号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献４】
特開平１０−１５９７０７号公報（第２−３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来の構造では、冷却効果は得られるものの、フライホイールユニットの構造が複雑化しまた大型化するので、実用的ではないという問題がある。
【０００７】
従って本発明の目的は、コンパクトな構造で、フライホイールの円滑な回転が保証されるフライホイールユニットを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、励磁コイルが巻装されたステータコアの外周を取り囲むロータコアを内蔵しかつ回転軸を有するフライホイールと、前記ステータコアを支持するベース部材と、前記ベース部材に設置された、前記回転軸を支承するピボット軸受と、前記フライホイールを取り囲みかつその上部が軸支されるケーシングとを備えたフライホイールユニットにおいて、前記ベース部材は、前記ピボット軸受に近接する部位に、冷却空気の流路を有することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明においては、前記ベース部材に、冷却ファンと冷却空気を前記流路に送風するフードとを有する冷却ユニットが装着されていることが好ましい。また本発明においては、冷却空気の流入部と流出部とを区画する仕切部材が介装されていることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、ピボット軸受を支持するベース部材の内部に冷却空気の通路を設けるので、軸受の温度上昇に起因する潤滑油の粘度低下が抑制され、フライホイールを円滑に回転することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。
図１は本発明のフライホイールユニットの断面図、図２は冷却ユニットの平面図、図３は図２をＡ方向からみた矢視図である。図１に示すように、フライホイールユニット１は、例えばＡｌ合金からなるケーシング２の内部に配置された、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性導電体からなるフライホイール３と、フライホイール３の下部に固着されたロータコア３１と、例えばＹ形結線された三相コイル４０が巻回されたステータコア４１を含むステータ４と、例えば鉄鋼材料で形成された、ステータコア４１を支持するベース部材５とを有する。ロータコア３１及びステータコア４１は、例えば珪素鋼板を打ち抜き、積層することにより形成される。フライホイール３の上部には軸受孔３３が形成され、そこにケーシング２の突起部２１に嵌装されたタッチダウン軸受２０が遊嵌されている。またフライホイール３の内周側に設けられた回転軸３２は、円錐状に形成された先端部３２ａを有し、その先端部３２ａはベース部材５に形成されたＶ字状のピボット軸受５０に支承されている。また先端部３２ａの表面には、図示しない螺旋溝が形成されると共に、先端部３２ａとピボット軸受５０との間に図示しない潤滑油（例えばフッ素系の不揮発性オイル）が注入されている。上記ロータコア３１と、ステータコア４２とでアウターロータ型三相誘導発電電動機が構成され、三相コイル４１は図示しないドライブコントローラに電気的に接続されている。
【００１２】
ベース部材５のピボット軸受５０が形成される部位の近傍には、冷却空間５１が形成され、そこに冷却ユニット６が装着されている。冷却ユニット６は、図２及び図３に示すように冷却ファン６０とフード６１を備え、フード６１の一端部にある仕切部６２は、冷却空間５に挿入されて、冷風の流入通路５２と流出通路５３を区画し、支持部６３は、ベース部材５の底面に固着されている。
【００１３】
上記のように構成されたフライホイールユニット１は、ステータコイル４１に給電することにより、フライホイール３を回転させ、電力遮断時はフライホイール３の回転数を下げて回生電力を回収するように運転される。フライホイール３の回転により、回転軸３２の先端部３２ａにある螺旋溝に潤滑油が巻き込まれ、ポンプ効果により、回転軸３２の先端部３２ａとピボット軸受５０との間に内圧が発生し、フライホイール３が浮上し、ベース部材５とは非接触状態になる。フライホイール３の高速回転により潤滑油の温度は上昇するが、冷却ファン６０が駆動されるので、冷却ファン６０からの冷風が流入通路５２から流出通路５３に送風され、ベース部材５のピボット軸受５０の近傍は速やかに冷却される。これにより、潤滑油の粘度低下が抑制されるため、ベース部材５との非接触状態が維持されて、フライホイール３の円滑な回転が保証される。
【００１４】
図１に示す、冷却ユニットを搭載したフライホイールユニットと図５に示す冷却ユニットを持たないフライホイールユニット（いずれも負荷容量は２０ｋＶＡ、停電補償時間は４０ｓｅｃ）を準備し、フライホイールを３０００ｒｐｍで回転させた時のピボット軸受５０の近傍の温度を測定した結果を図４に示す。図中実線が、図１に示すフライホイールユニットの温度分布で、図中破線が図６に示すフライホイールユニットの温度分布である。図４から、従来のフライホイールユニットによれば、フライホイールを回転させてから６５００ｓｅｃ（約１．８分）でピボット軸受５１の温度は、５０℃以上に達し、１００００ｓｅｃ（約２．８分）経過後に、ピボット軸受５１の温度は、９０℃以上に達した。この温度上昇は、潤滑油の粘度が低下して、回転軸の先端部がピボット軸受と直接接触することによる（金属同士の接触による）摩擦熱の発生に基くものと考えられる。これに対し本発明のフライホイールユニットによれば、フライホイールを回転させてから１００００ｓｅｃ（約２．８分）経過後でも、ピボット軸受の温度は、約５０℃程度にとどまり、フライホイールの円滑な回転が保証されることが確認された。
【００１５】
また上記において、図１に示すフライホイールユニット１の冷却空間５の上面の温度を測定した結果を図５に実線で示す。同図において、一点鎖線は、ピボット軸受の温度変化（図４の実線と同一）を示す。図５から、本発明のフライホイールユニットによれば、ピボット軸受の周囲は広範囲にわたって冷却されることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、フライホイールを支持するベース部材の内部に冷却空気の通路を設けるので、軸受の温度上昇が防止され、潤滑油の粘度低下が阻止されるので、フライホイールの円滑な回転が可能なフライホイールユニットを実現できる。またこのベース部材に冷却ファンとフードを組合わせた冷却ユニットを装着することにより、冷却機能が付加されたコンパクトなフライホイールユニットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるフライホイールユニットの断面図である。
【図２】冷却ユニットの平面図である。
【図３】図１をＡ方向から見た矢視図である。
【図４】ピボット軸受の背面側の温度変化を示す図である。
【図５】ピボット軸受の背面側の温度変化を示す図である。
【図６】従来のフライホイールユニットの断面図である。
【符号の説明】
１：フライホイールユニット
２：ケーシング
２０：突起部
２１：タッチダウン軸受
３：フライホイール
３０：ロータコア
３１：軸受孔
３２：回転軸
３２ａ：先端部
３３：ピボット軸受
４：ステータ
４０：三相コイル
４１：ステータコア
５：ベース部材
５０：ピボット軸受
５１：冷却空間
５２：流入通路
５３：流出通路
６：冷却ユニット
６０：冷却ファン
６１：フード
６２：仕切部
６３：支持部
【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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