JP3577559B2

JP3577559B2 - フライホイール装置

Info

Publication number: JP3577559B2
Application number: JP01121295A
Authority: JP
Inventors: 良一高畑; 和夫六角; 正二江口
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH08200470A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
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】
この種のフライホイール装置として、従来、垂直軸を中心に回転する回転軸、回転軸に固定状に設けられたフライホイール、回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、回転軸をラジアル方向およびアキシアル方向に非接触支持する１組あるいは複数組の超伝導軸受、ならびに回転軸を回転駆動する発電電動機を備えたものが知られている。超伝導軸受は、たとえば、フライホイールの上向きあるいは下向きの端面に、複数の環状の永久磁石が、磁束分布が回転軸心に対して対称になり、かつ回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように、同心状に配置され、固定部分に、超伝導体が、永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁石と回転軸心方向に対向するように配置されているものである。そして、永久磁石から発生する磁束を超伝導体の内部に侵入させて拘束し、その結果、いわゆるピン止め力により、固定部分に対して回転体をラジアル方向およびアキシアル方向に非接触状態で支持するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のフライホイール装置では、回転軸のまわりに、２組のラジアル磁気軸受および超伝導軸受の他に、発電電動機を配置する必要があり、その分だけ回転軸が長くなるため、回転軸の固有振動数が低下し、回転軸を高速回転させることが困難であるという問題がある。
【０００４】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転軸の固有振動数を高くして、回転軸を高速回転させることができ、かつ回転部材および回転永久磁石の遠心破壊をより効果的に防止できるフライホイール装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明によるフライホイール装置は、垂直軸を中心に回転する回転軸、上記回転軸に固定状に設けられたフライホイール、上記回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、および上記回転軸をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する超伝導軸受を備えており、上記ラジアル磁気軸受の少なくとも１組が、上記回転軸を回転駆動する電動駆動機能を有し、上記超伝導軸受は、上記回転軸に固定された上記フライホイールより小径の回転部材の下面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石およびこれらに対向するように固定部分に設けられた環状の超伝導体を備えており、上記回転部材の下端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に上記回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、上記回転永久磁石の外周部分は、上記凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、上記回転永久磁石の内周部分は、上記凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめ合わされており、上記回転部材の外周に環状の補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするものである。
【０００６】
たとえば、上記超伝導軸受において、上記回転永久磁石が、磁束分布が上記回転軸の回転軸心に対して対称になり、かつ上記回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように上記回転軸またはこれと一体に回転する部分に配置され、上記超伝導体が、回転永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、回転永久磁石と対向するように配置されている。
【０００７】
【作用】
ラジアル磁気軸受の少なくとも１組が回転軸を回転駆動する伝動駆動機能を有するものであるから、電動機を別に設ける必要がなく、その分だけ回転軸を短くすることができる。そして、回転軸を短くすることにより、回転軸の固有振動数が高くなり、高速回転が可能である。
【０００８】
また、回転軸の定常回転時に、ラジアル磁気軸受による回転軸のラジアル方向の支持を行わずに、超伝導軸受だけで回転軸をラジアル方向およびアキシアル方向に支持することができる。
さらに、回転永久磁石の外周部分が回転部材の凹みぞの壁に圧入されて、回転永久磁石の内周部分が凹みぞの壁にゆるくはめられているので、回転永久磁石の寸法管理および組立が容易であり、しかも回転永久磁石の遠心膨張が小さく抑えられて、その遠心破壊が防止される。しかも、回転部材の外周に一体状に固定された補強部材により、回転部材の遠心膨張が小さく抑えられ、回転部材およびそれに固定された回転永久磁石の遠心破壊がより効果的に防止される。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明を電力貯蔵装置におけるフライホイール装置に適用した実施例について説明する。
【００１０】
図１はフライホイール装置の全体構成を概略的に示し、図２はその一部を拡大して詳細に示している。
【００１１】
フライホイール装置は、垂直な回転軸（１）、回転軸（１）に固定されたフライホイール（２）、回転軸（１）をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受（３）（４）、回転軸（１）をアキシアル方向（上下方向）およびラジアル方向に非接触支持する超伝導軸受（非接触アキシアル軸受）（５）、ならびに起動時に回転軸（１）の位置決めを行うための初期位置決め装置（６）を備えており、これらが複数の部材よりなるハウジング（固定部分）（７）で囲まれた真空チャンバ（８）内に配置されている。
【００１２】
フライホイール（２）はたとえばアルミニウム合金などの非磁性体により円板状に形成されており、その外周にＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の環状の補強部材（９）が一体状に固定されている。フライホイール（２）は回転軸（１）の上端寄りの部分に同心状に固定されており、回転軸（１）はハウジング（７）内の中心に若干の上下動（アキシアル方向の移動）およびラジアル方向の移動ができるように配置されている。
【００１３】
超伝導軸受（５）の詳細が図２に示されている。
【００１４】
超伝導軸受（５）は、回転軸（１）側に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石（１０）、およびこれに対向するようにハウジング（７）側に設けられた環状の超伝導体（１１）を備えている。
【００１５】
円板状の非磁性体製回転部材(12)が、フライホイール(2)の下面に密着するように回転軸(1)に固定されている。回転部材(12)はたとえばアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼などの非磁性体で円板状に形成され、その外周に環状のＣＦＲＰ製補強部材(13)が一体状に固定されている。回転部材(12)の下端面に円形の仕切り壁(14)で仕切られた複数の環状凹みぞ(15)が同心状に形成され、各凹みぞ(15)内に回転永久磁石(10)が１つずつはめられて固定されている。永久磁石(10)の外周部分は、凹みぞ(15)の外周側の壁あるいは仕切り壁(14)の内周部分に圧入されている。永久磁石(10)の内周部分は仕切り壁(14)あるいは凹みぞ(15)の内周側の壁の外周部分にゆるくはめ合わされ、これらの間にはほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間があけられている。永久磁石(10)は軸方向の両端に磁極を有し、各永久磁石(10)の同一端の磁極が互いに同じ極性を有するように配置されている。すなわち、この実施例では、各永久磁石(10)の下端側がＮ極で上端側がＳ極となっている。永久磁石(10)は環状をなし、回転軸(1)の回転軸心に対して同心状に配置されているので、永久磁石(10)の磁束分布が回転軸心に対して対称になり、かつ回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないようになっている。
【００１６】
環状の冷却ケース（１６）が、回転部材（１２）の下面に所定の間隔をおいて対向するようにハウジング（７）に固定されている。冷却ケース（１６）はたとえば銅合金、非磁性ステンレス鋼などの非磁性体からなり、その中の空間に環状の超伝導体（１１）が固定状に配置されている。図示は省略したが、冷却ケース（１６）内の空間は冷却流体供給管および同排出管を介して冷却装置に接続されており、この冷却装置により、たとえば液体窒素などの冷却流体が供給管、冷却ケース（１６）内の空間および排出管を介して循環させられ、これによって超伝導体（１１）が冷却されるようになっている。超伝導体（１１）は第２種超伝導体であり、イットリウム系高温超伝導体、たとえばＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘからなるバルクの内部に常伝導体（Ｙ_２Ｂａ_１Ｃｕ_１）を均一に混在させたものからなり、第２種超伝導状態が出現する温度環境下において、永久磁石（１０）から発せられる磁束を内部に拘束する性質を持つものである。そして、超伝導体（１１）は、永久磁石（１０）の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転軸（１）の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁石（１０）と対向するように配置されている。
【００１７】
各ラジアル磁気軸受（３）（４）は、詳細な図示は省略したが、回転軸（１）を互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）の両側から吸引して同方向の回転軸（１）の位置を制御するための電磁石、ならびに回転軸（１）のＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出するための変位センサを備えており、これらが図示しない磁気軸受制御装置に接続されている。そして、磁気軸受制御装置により、変位センサの出力に基づいて電磁石の電流値すなわち吸引力が制御され、その結果、回転軸（１）のラジアル方向の位置が制御されるようになっている。なお、ラジアル磁気軸受装置およびその制御装置自体は公知のものであるから、詳細な説明は省略する。ラジアル磁気軸受（３）（４）の少なくとも１組は、上記の回転軸（１）の位置制御機能の他に、回転軸（１）を回転駆動する電動駆動機能を有するものである。この実施例では、下部ラジアル磁気軸受（４）が電動駆動機能を有するものとなっている。電動駆動機能を有する４軸制御型ラジアル磁気軸受は、浮上回転モータあるいはベアリングレス・モータなどとして公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
【００１８】
初期位置決め装置（６）は、詳細な図示は省略したが、回転軸（１）の下方のハウジング（７）の部分を昇降する昇降体を備え、回転軸（１）を所定の位置まで持上げるようになっている。
【００１９】
ハウジング（７）の上部および下部に、非常時に回転軸（１）の上下両端寄りの部分を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受（１７）（１８）が設けられている。
【００２０】
回転軸（１）の回転を開始する際には、まず、真空チャンバ（８）内を真空状態にし、初期位置決め装置（６）により、停止状態の回転軸（１）を所定の位置まで持上げて、回転軸（１）のアキシアル方向の初期位置決めを行う。また、下部磁気軸受（４）の電動駆動機能は停止させた状態で、上下の磁気軸受（３）（４）の位置制御機能だけを作動させて、回転軸（１）のラジアル方向の初期位置決めを行う。そして、冷却装置により超伝導軸受（５）の冷却ケース（１６）内に冷却流体を循環させ、超伝導体（１１）を冷却して第２種超伝導状態に保持する。すると、永久磁石（１０）から発せられる磁束の多くが超伝導体（１１）の内部に侵入して拘束されることになる（ピンニング現象）。ここで、超伝導体（１１）はその内部に常伝導体粒子が均一に混在されているため、超伝導体（１１）内部への侵入磁束の分布が一定となり、そのため、超伝導体（１１）に対して永久磁石（１０）とともに回転軸（１）が拘束される。したがって、回転軸（１）は、きわめて安定した状態で、アキシアル方向およびラジアル方向に支持されることになる。このとき、超伝導体（１１）に侵入した磁束は、磁束分布が回転軸心に対して均一で不変である限り、回転を妨げる抵抗とはならない。このように超伝導軸受（５）および磁気軸受（３）（４）によって回転軸（１）が支持されたならば、初期位置決め装置（６）による回転軸（１）の支持をなくす。初期位置決め装置（６）による支持がなくなると、回転軸（１）は自重により若干下降するが、自重による下向きの力と超伝導軸受（５）のアキシアル方向の支持力とが釣合う位置に停止する。これにより、回転軸（１）は、超伝導軸受（５）と磁気軸受（３）（４）とで非接触支持されたことになる。回転軸（１）が非接触支持されたならば、下部ラジアル磁気軸受（４）の電動駆動機能を作動させて、回転軸（１）を回転させ、運転回転領域まで加速する。回転軸（１）が運転回転領域に達するまでの間に共振が発生しても、磁気軸受（３）（４）によりふれの発生が防止される。回転軸（１）が運転回転領域に達したならば、所定の回転数に保持され、磁気軸受（３）（４）の位置制御機能が停止させられて、磁気軸受（３）（４）によるラジアル方向の支持がなくなる。磁気軸受（３）（４）によるラジアル方向の支持がなくなっても、回転軸（１）は、超伝導軸受（５）の超伝導体（１１）に侵入した磁束のピン止め力によってアキシアル方向およびラジアル方向に支持され、安定した回転を継続する。そして、回転軸（１）が運転回転領域で回転している間に、電気エネルギが回転運動エネルギに変換されてフライホイール（２）に貯蔵される。
【００２１】
回転軸（１）が運転回転領域で回転しているときに停電が発生した場合、下部磁気軸受（４）の電動駆動機能は停止するが、フライホイール（２）により、回転軸（１）はわずかに減速するものの継続して回転させられる。その結果、下部磁気軸受（４）が発電機として作動し、フライホイール（２）に貯蔵されていた回転運動エネルギが電気エネルギとして取出され、図示しない蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられた電力は、図示しない外部の電力消費財および超伝導軸受（５）の冷却装置に送られ、電力消費財および超伝導軸受（５）が作動を継続する。蓄電池に蓄えられた電力の一部は磁気軸受制御装置に送られ、これにより磁気軸受装置（３）（４）の位置制御機能が作動させられる。そして、フライホイール（２）に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転軸（１）が停止するまでの間、回転軸（１）は超伝導軸受（５）および磁気軸受（３）（４）によって非接触状態で支持され、共振点で生じる回転軸（１）のふれは、上記の起動時と同様に、磁気軸受（３）（４）によって減少させられる。
【００２２】
停電時以外でも、下部磁気軸受（４）の電動駆動機能を停止させると、停電の場合と同様に、フライホイール（２）に貯蔵されていた回転運動エネルギを電気エネルギとして取出すことができる。
【００２３】
上記のフライホイール装置において、フライホイール（２）の外周に固定されている補強部材（９）を構成するＣＦＲＰは、軽量でヤング率が大きい。そして、軽量であることより、高速回転時に補強部材（９）に作用する遠心力が小さく、しかもヤング率が大きいことより、遠心力による補強部材（９）の変形（遠心膨張）も小さい。このため、補強部材（９）の内側にはめられているフライホイール（２）の遠心膨張も小さく抑えられ、フライホイール（２）の遠心破壊が防止される。超伝導軸受（５）の回転部材（１２）についても同様である。そして、回転部材（１２）の環状凹みぞ（１５）に永久磁石（１０）が１つずつ組込まれて、各永久磁石（１０）が遠心膨張の小さい回転部材（１２）の壁あるいは仕切り壁（１４）の内周部分にそれぞれ圧入されているので、しめ代を小さくすることができて、永久磁石（１０）の寸法管理および組立が容易であり、しかも永久磁石（１０）の遠心膨張が小さく抑えられて、永久磁石（１０）の遠心破壊が防止される。
【００２５】
【発明の効果】
この発明のフライホイール装置によれば、上述のように、回転軸を短くして、回転軸の固有振動数を高くすることができ、したがって、高速回転が可能になる。
【００２６】
また、回転軸の定常回転時に、ラジアル磁気軸受による回転軸のラジアル方向の支持を行わずに、超伝導軸受だけで回転軸をラジアル方向およびアキシアル方向に支持することができる。
さらに、回転部材および回転永久磁石の遠心破壊をより効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示すフライホイール装置の概略縦断面図である。
【図２】図１の超伝導軸受の部分の拡大縦断面図である。
【符号の説明】
（１）回転軸
（２）フライホイール
（３）（４）４軸制御型ラジアル磁気軸受
（５）超伝導軸受（非接触アキシアル軸受）
（７）ハウジング（固定部分）
（１０）回転永久磁石
（１１）超伝導体

Claims

垂直軸を中心に回転する回転軸、上記回転軸に固定状に設けられたフライホイール、上記回転軸をラジアル方向に非接触支持する上下２組の４軸制御型ラジアル磁気軸受、および上記回転軸をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する超伝導軸受を備えており、上記ラジアル磁気軸受の少なくとも１組が、上記回転軸を回転駆動する電動駆動機能を有し、
上記超伝導軸受は、上記回転軸に固定された上記フライホイールより小径の回転部材の下面に同心状に設けられた複数の環状の回転永久磁石およびこれらに対向するように固定部分に設けられた環状の超伝導体を備えており、
上記回転部材の下端面に複数の環状凹みぞが同心状に形成され、各凹みぞ内に上記回転永久磁石が１つずつはめられて固定され、上記回転永久磁石の外周部分は、上記凹みぞの外周側の壁の内周部分に圧入され、上記回転永久磁石の内周部分は、上記凹みぞの内周側の壁の外周部分に対して、ほとんど隙間がないかあるいはわずかな隙間をあけてゆるくはめ合わされており、
上記回転部材の外周に環状の補強部材が一体状に固定されていることを特徴とするフライホイール装置。
上記超伝導軸受において、上記回転永久磁石が、磁束分布が上記回転軸の回転軸心に対して対称になり、かつ上記回転軸心のまわりの磁束分布が回転によって変化しないように上記回転軸またはこれと一体に回転する部分に配置され、上記超伝導体が、回転永久磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、回転永久磁石と対向するように配置さ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。