(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石を含む磁気的支持手段によってフライホイールを有する回転体を非接触支持するとともに、前記回転体の変位を検出して制御装置により当該変位に基づいた電磁石制御を行うことのできる電力貯蔵用磁気軸受装置において、
前記回転体から所定距離隔てた複数の位置でかつ前記制御装置との距離ＬがＬ＞ｖ・ｔ（但し、ｖは地震波のうちのＰ波の伝播速度であり、ｔは前記制御装置が演算処理し前記電磁石制御の制御特性を変更して前記磁気的支持手段の支持力を変更させるのに要する処理時間である）を満たす位置に地震波検出センサを配設し、
前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも１つの出力を受けてその出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させることにより、前記電磁石制御の制御特性を変更し、前記磁気的支持手段の支持力を変化させることで地震波と前記回転体との共振を抑制すべく前記磁気的支持手段における軸方向及び径方向の固有振動数を変化させることを特徴とする電力貯蔵用磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば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電力貯蔵用磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力貯蔵用磁気軸受装置として、フライホイールを有する回転体と、この回転体と同心に配置されたロータ及びこのロータの外周に配置されたステータからなる電動機と、回転体を非接触支持する超電導軸受と、回転体を補助的に非接触支持する磁気軸受と、磁気軸受を制御する制御装置と、電動機の運転停止時に、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換して制御装置に供給する手段とを備えた電力貯蔵用磁気軸受装置が提案されている（特開平６−１２９４２７号公報）。
この電力貯蔵用磁気軸受装置においては、回転体の回転を開始した後、回転体に共振が発生すると、回転体の変位が検出され、制御装置の指令信号により磁気軸受の対応する電磁石に励磁電流が供給される。これにより回転体の振れが補正され、タッチダウンが防止される。また、電動機の運転停止時に、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換する手段を備えているので、停電時においてもある程度の時間、制御装置に電力を供給することができ、回転体が停止するまでの間に発生する振れが補正される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気軸受は、アキシアル磁気軸受、ラジアル磁気軸受共に大型になるとその固有振動数が数Ｈｚになり、地震波が１〜数Ｈｚの周波数成分を含むことからこの成分と磁気軸受とが共振する可能性が非常に高い。前記電力貯蔵用磁気軸受装置では、地震による加振が発生しても一定限度までは回転体に発生する振れが補正されてタッチダウン等が防止される。
しかし、地震波の周波数成分に磁気軸受の固有振動数と同じものが高レベルに含まれていると、振れの補正の限界を超え、タッチダウンするおそれがある。タッチダウンすると、回転体の回転速度は急速に低下し、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーが摩擦の熱エネルギーとして消費される。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、地震が発生した場合に地震による回転体の振れを抑制し、タッチダウン等を防止することができる電力貯蔵用磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の電力貯蔵用磁気軸受装置は、電磁石を含む磁気的支持手段によってフライホイールを有する回転体を非接触支持するとともに、前記回転体の変位を検出して制御装置により当該変位に基づいた電磁石制御を行うことのできる電力貯蔵用磁気軸受装置において、
前記回転体から所定距離隔てた複数の位置でかつ前記制御装置との距離ＬがＬ＞ｖ・ｔ（但し、ｖは地震波のうちのＰ波の伝播速度であり、ｔは前記制御装置が演算処理し前記電磁石制御の制御特性を変更して前記磁気的支持手段の支持力を変更させるのに要する処理時間である）を満たす位置に地震波検出センサを配設し、
前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも１つの出力を受けてその出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させることにより、前記電磁石制御の制御特性を変更し、前記磁気的支持手段の支持力を変化させることで地震波と前記回転体との共振を抑制すべく前記磁気的支持手段における軸方向及び径方向の固有振動数を変化させることを特徴とする（請求項１）。
この電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、地震波検出センサからの情報に基づいて、回転体の振れを補正する電磁石制御の制御特性を変更するので、地震波と回転体との共振を抑制することができる。
【０００５】
請求項１記載の電力貯蔵用磁気軸受装置においては、前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも１つの出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させるものであり、この場合には、容易に磁気的支持手段の支持力を向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置を示す模式図、図２はその平面図である。装置本体Ｓには制御装置３０が接続されている。制御装置３０の周囲には放射状に地震波検出センサとしてのＰ波センサＺ１〜Ｚ８が埋設されており、それぞれ制御装置３０に接続されている。
Ｐ波センサＺ１〜Ｚ８は、Ｅを震源とする地震が発生したときにそのＰ波の加速度を検出して制御装置３０に出力する。各Ｐ波センサＺ１〜Ｚ８は、各Ｐ波センサＺ１〜Ｚ８と制御装置３０との距離Ｌが、次式
Ｌ＞ｖ・ｔ
ｖ：Ｐ波の伝播速度
ｔ：制御装置３０が演算処理し、制御特性を変更して軸受の支持力を向上させるのに要する処理時間
を満たす位置に配置されている。
【０００７】
図３は本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の装置本体Ｓを示す断面図であり、図４はその一部の構成と制御装置の構成とを示すブロック図である。
この装置本体Ｓは、鉛直軸状の回転体１、超電導磁気軸受２、アキシアル変位センサ３ａ、上下一対のラジアル変位検出ユニット３ｒ、アキシアル磁気軸受５ａ、上下一対のラジアル磁気軸受５ｒ、回転体１に取付けられたロータ９ａとその外周側に配置されたステータ９ｂとからなる電動機９、上下一対のフライホイール１３、上下一対又は複数対のタッチダウン軸受２７を備えており、これらが円筒状の上部ハウジング１０、中間ハウジング１１、下部ハウジング１２の内部に配置されている。
【０００８】
超電導磁気軸受２は回転体１を軸方向及び径方向に非接触支持し、ラジアル磁気軸受５ｒは回転体１を径方向に非接触支持し、アキシアル磁気軸受５ａは回転体１を軸方向に非接触支持する。ラジアル変位検出ユニット３ｒは回転体１の径方向の変位を、アキシアル変位センサ３ａは回転体１の軸方向の変位をそれぞれ検出して制御装置３０に出力する。電動機９は回転体１を回転させ、フライホイール１３は余剰電力を回転運動エネルギーに変換して貯蔵し、タッチダウン軸受２７は非常時に回転体１を支持する。
【０００９】
アキシアル磁気軸受５ａ及びラジアル磁気軸受５ｒは、複数個の電磁石を備えている。
超電導磁気軸受２は、回転体１と同心に配置された永久磁石部１５及びこれに対向させて配置された超電導体部１６とからなる。永久磁石部１５は支持円板１７と、この支持円板１７の外周に強磁性体１９を介して固定された環状の永久磁石１８とを備えている。超電導体部１６は超電導体収容部材２１と、その中空部２１ａに収容された超電導体２２とを備えている。超電導体収容部材２１は、冷媒供給管２３及び冷媒排出管２４を介して冷媒収容容器（図示せず）に接続されている。
【００１０】
図４のブロック図中、装置本体Ｓの変位検出部３は上述したラジアル変位検出ユニット３ｒ及びアキシアル変位センサ３ａであり、磁気軸受部５はラジアル磁気軸受５ｒ及びアキシアル磁気軸受５ａである。
制御装置３０は、変位演算回路３１、磁気軸受部駆動回路３２、インバータ３３、ＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）３５、Ａ／Ｄ変換器３７を備えている。
磁気軸受部駆動回路３２は、磁気軸受部５の各電磁石に対応する複数の電力増幅器を備えている。
インバータ３３は、ＤＳＰ３５からの信号に基づいて、電動機９の回転を制御する。
地震波検出部３６は上述のＰ波センサＺ１〜Ｚ８からなる。各Ｐ波センサＺ１〜Ｚ８はそれぞれＰ波の加速度を検出し、Ａ／Ｄ変換器３７を介してＤＳＰ３５に出力する。
【００１１】
以上のように構成された電力貯蔵用磁気軸受装置においては、まず、ラジアル磁気軸受５ｒ及びアキシアル磁気軸受５ａを作動状態にし、回転体１を軸方向及び径方向に非接触支持して、所定の運転位置に浮上させる。次に、超電導体部１６を永久磁石部１５に対して所定の位置まで接近させ、超電導体２２を冷却して第２種超電導状態に保持する。このとき、永久磁石１８から発せられ、超電導体２２に侵入した磁束は、ピン止め効果により超電導体２２のピン止め点にピン止めされる。さらに、超電導体部１６を上昇させ、アキシアル磁気軸受５ａによる支持負担力が零になった時点でこれをその位置に停止させる。これにより、回転体１の重量は超電導磁気軸受２のみによって支持されることになる。そして、電動機９を駆動して回転体１を高速回転させる。
【００１２】
回転体１の回転に変位が生じると、磁気軸受部５によりこの変位が補正される。この回転体１の位置制御（電磁石制御）は以下のようにして実行される。
変位演算回路３１が、変位検出部３からの入力信号に基づいて回転体１の変位を演算し、これらの変位に対応する変位信号をＤＳＰ３５に出力する。ＤＳＰ３５は所定のサンプリング時間ごとに、これに基づき、磁気軸受部駆動回路３２に、磁気軸受部５の各電磁石に対する電流指令信号を出力する。磁気軸受部駆動回路３２は、この電流指令信号に基づいて磁気軸受部５の対応する電磁石に励磁電流を供給する。これにより回転体１の変位が補正されて回転体１が目標位置に非接触支持される。
【００１３】
この実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の近くで地震が発生した場合、地震のＰ波振動が地震波検出部３６によって捉えられ、その出力がＡ／Ｄ変換器３７に送られる。
Ａ／Ｄ変換器３７の出力レベルが所定値を越える場合、ＤＳＰ３５は上述の回転体１の位置制御の制御特性を変更する。
図５はＤＳＰ３５によって実行される制御特性の変更処理の一例を示すフローチャートである。この処理は所定のサンプリング時間ごとに高速に実行される。
まず、ステップＳ１において、ＤＳＰ３５は、各Ｐ波センサＺ１〜Ｚ８からの入力信号に基づいてＡ／Ｄ変換器３７が出力した電圧値Ｐを読み取る。そして、既に回転体１の位置制御の制御特性を変更済みかどうかを判断する（ステップＳ２）。
【００１４】
まだ、制御特性を変更していない場合、ＤＳＰ３５は、各Ｐ波センサからの出力電圧値Ｐをしきい値ＰＰと比較し、少なくとも１つのＰ波センサからの出力電圧値Ｐがしきい値ＰＰより大きいかどうかを判断する（ステップＳ３）。
少なくとも１つのＰ波センサからの出力電圧値Ｐがしきい値ＰＰより大きい場合、ＤＳＰ３５は制御特性を変更する（ステップＳ４）。具体的には、磁気軸受部駆動回路３２に電流指令信号を出力し、磁気軸受部５の対応する電磁石の定常電流を増加させる。さらに、フィードバックゲインを増加させて、回転体１の位置制御の応答性を高める。これにより、磁気軸受部５の支持力が向上し、磁気軸受部５の軸方向及び径方向における固有振動数が増加する。
【００１５】
一方、ステップＳ３において、いずれの出力電圧値Ｐもしきい値ＰＰ以下である場合には、処理を終了する。
ステップＳ２において、既に制御特性を変更済みであると判断した場合、ＤＳＰ３５は、全ての出力電圧値Ｐがしきい値ＰＰ以下であるかどうかを判断する（ステップＳ５）。
全ての出力電圧値Ｐがしきい値ＰＰ以下である場合、ＤＳＰ３５は制御特性を復帰させる（ステップＳ６）。具体的には、定常電流を減少させ、フィードバックゲインを減少させる。これにより磁気軸受部５の固有振動数が減少する。
ステップＳ５において、少なくとも１つの出力電圧値Ｐがしきい値ＰＰより大きい場合には、変更済みの制御特性を維持する。
【００１６】
以上のように、回転体１の位置制御の制御特性が変更されると、磁気軸受部５による支持力が向上し、磁気軸受部５の固有振動数が増加して地震波の周波数成分からずれる。従って、地震波と回転体１との共振が抑制される。共振が抑制されることにより、地震波が装置本体Ｓに到達しても回転体１が目標位置に非接触支持される。従って、タッチダウン等が防止され、フライホイール１３に蓄えられた運動エネルギーの損失が防止される。
【００１７】
なお、前記実施形態においては、定常電流及びフィードバックゲインの両方を変更させる場合につき説明しているが、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を変更すればよい。但し、両方とも変更するのが好ましい。
また、しきい値ＰＰは１つだけ設けられているが、段階的に複数のしきい値ＰＰを設け、それぞれのしきい値ＰＰに対して細かく制御特性の変更を行うことにしてもよい。
また、前記実施形態においては、地震波検出センサとして加速度検出型のＰ波センサを適用した場合につき説明しているが、速度検出型のＰ波センサを用いてもよい。但し、いわゆる絶対加速度又は絶対速度を検出するタイプが好ましい。また、他の地震波検出センサを使用することにしてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、回転体から所定距離隔てた複数の位置に地震波検出センサを配設し、この地震波検出センサからの情報に基づいて、回転体の振れを補正する電磁石制御の制御特性を変更するので、地震波と回転体との共振を抑制することができる。従って、タッチダウン等が防止され、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーの損失が防止される。
【００１９】
請求項２記載の電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、制御装置が、地震波検出センサの出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させるので、容易に磁気的支持手段の支持力を向上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電力貯蔵用磁気軸受装置を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の装置本体Ｓを示す断面図である。
【図４】装置本体Ｓの一部の構成と制御装置の構成とを示すブロック図である。
【図５】ＤＳＰによって実行される制御特性の変更を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｓ    装置本体
Ｚ１〜Ｚ８  Ｐ波センサ
１    回転体
３    変位検出部
５    磁気軸受部
９    電動機
３０  制御装置
３１  変位演算回路
３２  磁気軸受駆動回路
３５  ＤＳＰ
３７  Ａ／Ｄ変換器
【図１】
0003937623.tif 000002
【図２】
0003937623.tif 000003
【図３】
0003937623.tif 000004
【図４】
0003937623.tif 000005
【図５】
0003937623.tif 000006