(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向中間部にフライホイールが設けられた鉛直回転軸を複数組の磁気軸受により非接触支持するフライホイール装置において、
前記フライホイールに関し前記回転軸の外周の上下２箇所に、軸方向中間部から軸端方向に向かって先細のテーパ状の軸受面が形成され、前記各軸受面の周囲の固定部分に、円周方向に所定の間隔をおいて配置された３個の電磁石を備えたアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受がそれぞれ設けられ、前記各磁気軸受が、共通の磁極に吸引コイルとモータコイルが巻かれたモータ一体型磁気軸受であることを特徴とするフライホイール装置。
【請求項２】
前記フライホイールのアキシアル方向端面とこれに対向する固定部分との間に、前記回転軸の重量の少なくとも一部を支持するアキシアル補助磁気軸受が設けられていることを特徴とする請求項１のフライホイール装置。
【請求項３】
前記アキシアル補助磁気軸受が、前記フライホイールの下端面に設けられた永久磁石と、この永久磁石と反発するように前記固定部分に設けられた永久磁石とを備えていることを特徴とする請求項２のフライホイール装置。
【請求項４】
前記アキシアル・ラジアル兼用磁気軸受が、前記吸引コイルを位置検出用のコイルとして共用するセンサレス磁気軸受であることを特徴とする請求項１のフライホイール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵する電力貯蔵装置などに使用されるフライホイール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
この種のフライホイール装置として、従来、フライホイールが設けられた鉛直回転軸をその周囲に配置された上下２組のラジアル磁気軸受と１組のアキシアル磁気軸受で非接触支持し、電動機で回転軸を回転駆動するものが知られている。
【０００３】
このような従来のフライホイール装置では、各ラジアル磁気軸受は回転軸を互いに直交する２つのラジアル方向から挟むように配置された２対（４個）の電磁石を備え、アキシアル磁気軸受は回転体のフランジ部をアキシアル方向から挟むように配置された１対（２個）の電磁石を備えている。したがって、装置全体で１０個の電磁石が必要であり、電磁石による消費電力が大きいという問題がある。また、回転軸の周囲に電動機と３組の磁気軸受をアキシアル方向に並べて配置する必要があるので、回転軸が長くなる。そのため、回転軸の重量が大きくなるとともに、固有振動数が低くなり、高速回転が困難になるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、電磁石による消費電力を小さくするとともに、回転軸あるいは回転体を短くすることができ、回転軸あるいは回転体が長くなることによる問題を解消できるフライホイール装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるフライホイール装置は、軸方向中間部にフライホイールが設けられた鉛直回転軸を複数組の磁気軸受により非接触支持するフライホイール装置において、前記フライホイールに関し前記回転軸の外周の上下２箇所に、軸方向中間部から軸端方向に向かって先細のテーパ状の軸受面が形成され、前記各軸受面の周囲の固定部分に、円周方向に所定の間隔をおいて配置された３個の電磁石を備えたアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受がそれぞれ設けられ、前記各磁気軸受が、共通の磁極に吸引コイルとモータコイルが巻かれたモータ一体型磁気軸受であることを特徴とするものである。
【０００７】
回転軸は、テーパ状の軸受面の周囲に設けられた上下２組のアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受により非接触支持される。したがって、３組の磁気軸受が設けられていた従来のフライホイール装置に比べ、磁気軸受の数が１組少なくてすむ。しかも、各磁気軸受は３個の電磁石からなる３極構造のものであるから、電磁石の数は６個で、１０個の電磁石が設けられていた従来のフライホイール装置に比べ、４個少なくてすむ。このため、電磁石による消費電力を小さくすることができる。さらに、各磁気軸受が共通の磁極に吸引コイルとモータコイルが巻かれたモータ一体型磁気軸受であるから、電動機用の磁極を別に設ける必要がない。そして、このように回転軸の周囲に電動機用の磁極を別に設ける必要がなく、しかも上記のように回転軸の周囲に設けられる磁気軸受が１組少なくてすむため、回転軸を従来のものより短くすることができる。したがって、回転軸の重量を小さくするとともに、固有振動数を高くすることができ、高速回転が可能になる。
【０００８】
たとえば、前記フライホイールのアキシアル方向端面とこれに対向する固定部分との間に、前記回転軸の重量の少なくとも一部を支持するアキシアル補助磁気軸受が設けられている。その場合、好ましくは、前記アキシアル補助磁気軸受が、前記フライホイールの下端面に設けられた永久磁石と、この永久磁石と反発するように前記固定部分に設けられた永久磁石とを備えている。
【０００９】
回転体のアキシアル方向の位置の制御はアキシアル・ラジアル磁気軸受を制御することにより行うことができるので、アキシアル補助軸受は回転軸の重量の少なくとも一部を支持するだけのものでよい。そして、アキシアル補助軸受により回転軸の重量の少なくとも一部が支持されるので、アキシアル・ラジアル兼用磁気軸受の電磁石による消費電力がさらに小さくてすむ。アキシアル補助磁気軸受を電磁石により構成する場合でも、回転軸の重量を支持するだけでよいので、電磁石に一定の励磁電流を流しておくだけでよく、したがって、アキシアル補助磁気軸受の電磁石による消費電力の増加は小さくてすむ。また、フライホイールの端面と固定部分の対向面とに電磁石を設けるだけでよく、これによる回転軸の長さの増加は小さくてすむ。アキシアル補助磁気軸受が永久磁石の反発力により回転軸の重量を支持するものである場合、アキシアル補助磁気軸受による消費電力の増加は全くなく、上記同様、フライホイールの下端面と固定部分の対向面とに永久磁石を設けるだけでよく、これによる回転軸の長さの増加は小さくてすむ。
【００１０】
たとえば、前記アキシアル・ラジアル兼用磁気軸受が、前記吸引コイルを位置検出用のコイルとして共用するセンサレス磁気軸受である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明のいくつかの実施形態について説明する。
【００１３】
図１〜図３は、この発明をインナーロータ型のフライホイール装置に適用した実施形態（第１実施形態）を示している。
【００１４】
図１に示すように、フライホイール装置は、ハウジング（固定部分）(1) と、その内側に配置された鉛直回転軸(2) とを備えている。回転軸(2) の外周の上下方向（アキシアル方向）のほぼ中央部に、フライホイール(3) が形成されている。回転軸(2) のフライホイール(3) より上側の外周に斜め上方を向く先細テーパ面が形成され、その下側半分以上の大径の部分がロータ部を兼ねる軸受面（上側軸受面）(4) 、上端近傍の小径の部分が被検出面（上側被検出面）(5) となっている。上側軸受面(4) に対向するハウジング(1) の内周部分にアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受（上側磁気軸受）(6) が、上側被検出面(5) に対向するハウジング(1) の内周部分に位置センサユニット（上側センサユニット）(7) が設けられている。回転軸(2) のフライホイール(3) より下側の外周に、同様に、アキシアル方向に関して上側軸受面(4) と反対側を向くロータ部を兼ねる軸受面（下側軸受面）(8) および被検出面(9) が形成され、これらにそれぞれ対向するハウジング(1) の内周部分にアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受（下側磁気軸受）(10)および位置センサユニット（下側センサユニット）(11)が設けられている。フライホイール(3) の下端面とこれに対向するハウジング(1) の上向き環状面(12)との間に、アキシアル補助磁気軸受(13)が設けられている。回転軸(2) の上端部および下端部の外周に環状溝(14)(15)が形成され、これらに対応するハウジング(1) の内周にタッチダウン軸受(16)(17)が設けられている。
【００１５】
上側磁気軸受(6) は３組の吸引用電磁石(18)よりなる３極構造のものであり、その詳細が図２に示されている。これらの電磁石(18)は、ハウジング(1) の内周に設けられた１つの環状ステータ部(19)に円周方向に等間隔（１２０度間隔）をおいて一体状に形成されている。ステータ部(19)の内周に、ラジアル方向内側に突出した６つの磁極(18a) が円周方向に等間隔（６０度間隔）をおいて一体に形成されている。各磁極(18a) の吸引面(18b) は、軸受面(4) に対応するテーパ面になっている。隣り合う２つの磁極(18a) が１組の電磁石(18)を構成しており、各組の電磁石(18)の２つの磁極(18a) の先端側の部分に共通の吸引コイル(20)が巻かれている。また、磁気軸受(6) は回転軸(2) を回転駆動する電動駆動機能を有するモータ一体型磁気軸受であり、６つの磁極(18a) の基端側の部分にモータコイル(21)が巻かれている。
【００１６】
下側磁気軸受(10)は上側磁気軸受(6) と同じ構成のものであり、対応する部分に同一の符号を付している。
【００１７】
上側センサユニット(7) は、図３に詳細に示すように、互いに直交する２つのラジアル方向外側から回転軸(2) の被検出面(5) を挟むように配置された２対（４個）の位置センサ(22)を備えている。各位置センサ(22)の検出面(22a) は、被検出面(5) に対応するテーパ面になっている。
【００１８】
下側センサユニット(11)は上側センサユニット(7) と同じ構成のものであり、対応する部分に同一の符号を付している。
【００１９】
アキシアル補助磁気軸受(13)は、フライホイール(3) の下端面に設けられた環状の永久磁石(23)と、これに対向するようにハウジング(1) の環状面(12)に設けられた環状の永久磁石(24)とからなり、これらが互いに反発するようになっている。
【００２０】
各電磁石(18)の吸引コイル(20)、各磁極(18a) のモータコイル(21)および位置センサ(22)は、図示しない制御装置に接続されており、制御装置が、モータコイル(21)に交流電流（駆動電流）を供給するとともに、位置センサ(22)の出力信号に基づいて吸引コイル(20)に供給する直流電流（励磁電流）を制御するようになっている。
【００２１】
上記のフライホイール装置において、補助磁気軸受(13)の永久磁石(23)(24)の磁気反発力により、回転軸(2) の重量の少なくとも一部、好ましくはほぼ全体が支持される。制御装置から吸引コイル(20)に直流電流を供給することにより、電磁石(18)がテーパ状の軸受面(4)(8)を吸引し、回転軸(2) がアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持される。制御装置からモータコイル(21)に交流電流を供給することにより、ステータ部(19)に回転磁界が発生して、回転軸(2) が回転駆動され、この交流電流の大きさおよび周波数を制御することにより、回転軸(2) の回転駆動力および回転速度が制御される。各位置センサ(22)は、自身の検出面(22a) と対向する被検出面(5)(9)との空隙の大きさに対応した信号をそれぞれ出力する。そして、制御装置において、位置センサ(22)の出力信号を演算処理することにより、回転軸(2) のアキシアル方向およびラジアル方向の位置が検出され、この検出結果に基づいて吸引コイル(20)に供給する直流電流を制御することにより、回転軸(2) のアキシアル方向およびラジアル方向の位置が制御される。
【００２２】
第１実施形態の場合、位置センサユニット(7)(11) は４個の位置センサ(22)を用いて回転軸(2) の位置を検出しているが、磁気軸受(6)(10) の電磁石(18)と同様に配置された３個の位置センサを用いて回転軸(2) の位置を検出することもできる。
【００２３】
図４は、この発明をインナーロータ型のフライホイール装置に適用した他の実施形態（第２実施形態）を示している。第２実施形態は、上記の第１実施形態から上下の位置センサユニット(7)(11) を除いたものであり、対応する部分には同一の符号を付している。
【００２４】
第２実施形態の場合、磁気軸受(6)(10) は、回転軸(2) を非接触支持するための電磁石(18)の吸引コイル(20)を回転軸(2) の位置検出用のコイルとして共用するいわゆるセンサレス磁気軸受となっている。そして、制御装置が、吸引コイル(20)に流れる励磁電流の変化に基づいて回転軸(2) のアキシアル方向およびラジアル方向の位置を検出するようになっている。他は、第１実施形態の場合と同様である。
【００２５】
第１および第２実施形態の場合、補助磁気軸受(13)は永久磁石(23)(24)の反発力により回転軸(2) の重量を支持するようになっているが、フライホイール(3) の上端面とこれに対向するハウジング(1) の下向き環状面とに設けた永久磁石の吸引力により回転軸(2) の重量を支持するものであってもよい。また、永久磁石(23)(24)のかわりに電磁石を設けて、電磁石の反発力あるいは吸引力によって回転軸(2) の重量を支持するようにしてもよい。場合によっては、アキシアル補助磁気軸受が設けられないこともある。
【００３８】
フライホイール装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、この発明の第１実施形態を示すフライホイール装置の縦断面図である。
【図２】  図２は、図１のII−II線の断面図である。
【図３】  図３は、図１のIII−III線の断面図である。
【図４】  図４は、この発明の第２実施形態を示すフライホイール装置の縦断面図である。
【符号の説明】
(1)            ハウジング（固定部分）
(2)            回転軸
(3)            フライホイール
(4)(8)         軸受面
(6)(10)        アキシアル・ラジアル磁気軸受
(13)           アキシアル補助磁気軸受
(18)           電磁石
(23)(24)       永久磁石
【図１】
0003820479.tif 000002
【図２】
0003820479.tif 000003
【図３】
0003820479.tif 000004
【図４】
0003820479.tif 000005