(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦立の円柱状の外筐を形成するコンテインメント、コンテインメント内に立設した固定軸並びに固定軸を中心に非接触で浮上して回転する竪形金属製中空回転軸、竪形金属製中空回転軸に外嵌したフライホイール並びに竪形金属製中空回転軸の中空部内面と固定軸の間に竪方向に配設したアキシャル型磁気軸受、ラジアル型上部磁気軸受、発電電動機、及びラジアル型下部磁気軸受の各固定子は、固定軸に夫々竪方向に配設締結して固定軸と一体化し、各回転子は、竪形金属製中空回転軸の中空部に内接する様に各固定子に対置して竪方向に配設嵌挿し竪形金属製中空回転軸及びフライホイールと一体化した、各構成要素からなる、フライホイールエネルギー貯蔵装置において、竪形金属製中空回転軸に、高弾性高引張強度炭素繊維による炭素繊維強化プラスチックを用いた複合材料製中空円柱を外嵌して、竪形強化型中空回転軸とし、竪形金属製中空回転軸の中空部に内接する様に各固定子に対置して竪方向に配設嵌挿したアキシャル型磁気軸受、ラジアル型上部磁気軸受、発電電動機、及びラジアル型下部磁気軸受の各回転子を、竪形強化型中空回転軸の中空部に内接する様に、各固定子に対置して、竪方向に配設、より強固に嵌挿し、各強化型回転子とした事を特徴とする超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、フライホイールの回転エネルギーを利用するエネルギー貯蔵装置並びにその構成要素のコンテインメント、固定軸、回転軸、磁気軸受、フライホイール及び発電電動機の機械設計法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、コンテインメント内に立設する固定軸を中心に非接触で浮上して回転する金属材料の回転軸を用いた回転機は、回転軸の遠心破壊強度からくる回転数制約が、回転機全体の体格に強く影響し、小型軽量化のままならない要因の一つとなっている。
【０００３】
そこで、コンテインメント内に立設する固定軸を中心に非接触で浮上して回転する回転体のあるフライホイールエネルギー貯蔵装置においても、回転体の回転数制約となる回転軸をはじめ磁気軸受の回転子及び発電電動機の回転子において、夫々使用材料の選定に苦慮し、材料開発のみならず、応力分布の改善なども含めた研究が進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来から提案されて来た対応は、材料として高価、加工困難、磁性問題等、また設計上の皺寄せを他に転嫁する等があって抜本的な解決に至っていない。
【０００５】
前記、回転数制約は、フライホイールの高エネルギー密度化によってコスト低減を図る場合、勢い、大形化を招き、これが炭素繊維強化プラスチックの大形成型加工技術の制約、大型製品の道路輸送制約或いは小型軽量化要求の厳しい車載制約等に掛かって、フライホイールエネルギー貯蔵装置の実用化を妨げている。
【０００６】
本発明は、前記、フライホイールエネルギー貯蔵装置の回転体の回転数制約を大幅に緩和して、フライホイールエネルギー貯蔵装置の小型軽量化及び回転安定化に、最適設計解を得るために必要な、構成要素相互間の空間的配置、回転軸、磁気軸受、フライホイール並びに発電電動機の設計方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の縦立の円柱状の外筐を形成するコンテインメント、コンテインメント内に立設した固定軸並びに固定軸を中心に非接触で浮上して回転する竪形金属製中空回転軸、竪形金属製中空回転軸に外嵌したフライホイール並びに竪形金属製中空回転軸の中空部内面と固定軸の間に竪方向に配設したアキシャル型磁気軸受、ラジアル型上部磁気軸受、発電電動機、及びラジアル型下部磁気軸受の各固定子は、固定軸に夫々竪方向に配設締結して固定軸と一体化し、各回転子は、竪形金属製中空回転軸の中空部に内接する様に各固定子に対置して竪方向に配設嵌挿し竪形金属製中空回転軸及びフライホイールと一体化した、各構成要素からなる、フライホイールエネルギー貯蔵装置において、竪形金属製中空回転軸に、高弾性高引張強度炭素繊維による炭素繊維強化プラスチックを用いた複合材料製中空円柱を外嵌して、竪形強化型中空回転軸とし、竪形金属製中空回転軸の中空部に内接する様に各固定子に対置して竪方向に配設嵌挿したアキシャル型磁気軸受、ラジアル型上部磁気軸受、発電電動機、及びラジアル型下部磁気軸受の各回転子を、竪形強化型中空回転軸の中空部に内接する様に、各固定子に対置して、竪方向に配設、より強固に嵌挿し、各強化型回転子とした事を特徴とする超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置を提供する。
【０００８】
本発明に係る、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の最適設計解を得るために必要な、構成要素相互間の空間的配置、回転軸、磁気軸受、超高速フライホイール並びに発電電動機の設計方法によれば、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置における超高速フライホイールを含む回転体の安定な超高速回転を可能とし、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の小型軽量化及び回転安定化を実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用した超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の縦断面図を示している。この図１において、１は縦立の円柱状の外筐を形成するコンテインメントである。このコンテインメント１の内には、立設した固定軸２、固定軸２を中心に非接触で浮上して回転する回転体３が設けられている。
【００１０】
コンテインメント１は、ハイブリッド複合材料から成り、此処では炭素繊維強化プラスチックの層１a、金属材料例えば高張力鋼の層１b、および炭素繊維強化プラスチックの層１c、の三層構造を採っている。このコンテインメント１の構造は、回転体３が保有する回転エネルギー量に比例して多層化、強化される。
【００１１】
固定軸２は、中空円柱状の金属材料例えば高張力鋼で構成され、コンテインメント１と一体化されている。固定軸２の中空部は、固定軸に締結する装置類の電源用電線ケーブル並びに冷却用冷媒配管などの通路として用いる。
【００１２】
回転体３は、竪形強化型中空回転軸４、竪形強化型中空回転軸４に外嵌した超高速フライホイール５、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿して竪方向に配設した強化型回転子のアキシャル型磁気軸受６の回転子６b、ラジアル型上部磁気軸受７の回転子７b、発電電動機８の回転子８b、及びラジアル型下部磁気軸受９の回転子９bで構成する。
【００１３】
竪形強化型中空回転軸４は、磁性体の金属材料を用いた金属製中空回転軸４aに、前記金属材料に比べ、高弾性高引張強度の繊維例えば、炭素繊維を用いた複合材料の炭素繊維強化プラスチックによる複合材料製中空円柱４bを外嵌し、前記、金属製中空回転軸４aの遠心破壊強度を強化してある。因みに、遠心破壊強度を２倍以上強化する事は比較的容易である。
【００１４】
超高速フライホイール５は、回転軸に竪形強化型中空回転軸４を用いる事によって、回転軸の遠心破壊強度強化前に比べ、同じ外周速の設計条件で、外径が小型化されている。因みに、回転軸の遠心破壊強度が２倍以上強化された場合、同じ外周速の設計条件でフライホイールの外径は半分以下となる。
【００１５】
強化型回転子のアキシャル型磁気軸受６の回転子６bは、竪軸強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿する事で、遠心破壊強度の強化を図っている。前記、回転子６bにみられる遠心破壊強度の強化は、フライホイール外周速の増速を図るためのシステム的設計の一環であり、以下、回転体３の構成要素に係る共通な設計上の要件を成している。
【００１６】
ラジアル型上部磁気軸受７の回転子７bは、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿する事で、遠心破壊強度の強化を図っている。
【００１７】
発電電動機８の回転子８bは、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿する事で、遠心破壊強度の強化を図っている。
【００１８】
ラジアル型下部磁気軸受９の回転子９bは、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿する事で、遠心破壊強度の強化を図っている。
【００１９】
強化型回転子のアキシャル型磁気軸受６の固定子６a、ラジアル型上部磁気軸受７の固定子７a、発電電動機８の固定子８a、及びラジアル型下部磁気軸受９の固定子９aの各固定子は、夫々、固定軸２に締結し、前記、各固定子の記載順序で上から竪方向に配設してあり、夫々、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿した、各々対応する回転子と対置している。
【００２０】
固定軸２に締結したアキシャル方向変位センサー１０、ラジアル方向変位センサー１１、１２は、夫々、竪形強化型中空回転軸４の中空部に内接する様に嵌挿して対向した各磁性体と対置している。固定軸２に締結した回転速度計１３も前記同様、対向した磁性体と対置している。
【００２１】
タッチダウンベアリング１４、１５は、竪形強化型中空回転軸４の中空部の両端部に配設されている。何らかの理由で、竪形強化型中空回転軸４が、固定軸２に対する非接触中立位置からアキシャル方向或いはラジアル方向に一定の許容値以上変位した場合に、その両端部がタッチダウンベアリング１４、１５に接触し、回転体３の構成要素の破壊を防護する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の最適設計解を得るために必要な、構成要素相互間の空間的配置、回転軸、磁気軸受、超高速フライホイール並びに発電電動機の設計方法によれば、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置における超高速フライホイールを含む回転体の安定な超高速回転を可能とし、超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の小型軽量化及び回転安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る超高速フライホイールエネルギー貯蔵装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１ コンテインメント
２ 固定軸
３ 回転体
４ 竪形強化型中空回転軸
５ 超高速フライホイール
６ 強化型回転子のアキシャル型磁気軸受
７強化型回転子のラジアル型上部磁気軸受
８強化型回転子の発電電動機
９強化型回転子のラジアル型下部磁気軸受
【図１】
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