JP3632101B2

JP3632101B2 - Power storage device

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Publication number: JP3632101B2
Application number: JP32079394A
Authority: JP
Inventors: 博正樋笠; 良一高畑; 和夫六角; 拓知上山
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JPH08182228A

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ための電力貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電力貯蔵装置として、超伝導軸受および／または磁気軸受により非接触支持されて発電電動機により回転させられる回転軸の中央部あるいは端部の１箇所にフライホイールが一体状に設けられているものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転体の回転運動エネルギＥは、回転体全体の極慣性モーメントをＩ_ｐ、回転体の回転角速度をωとすると、次の式で表わされる。
【０００４】
Ｅ＝Ｉ_ｐ・ω^２／２
この式より、フライホイールに蓄積される回転運動エネルギを大きくするには、回転体全体の極慣性モーメントＩ_ｐを大きくするか、回転体の回転角速度ωすなわち回転数を大きくすればよいことがわかる。また、フライホイールの単位重量あたりのエネルギ蓄積密度を大きくして、エネルギ蓄積効率を高めることが望ましく、そのためには、極慣性モーメントＩ_ｐを大きくするよりも、回転角速度ωを大きくする方が効果がある。
【０００５】
ところが、回転体の回転数を大きくすることは、次に説明するように、その主なものに回転体の危険速度の面から問題がある。すなわち、回転体の危険速度には、剛体１次モードに基づく剛体１次危険速度、剛体２次モードに基づく剛体２次危険速度、および１次曲げモードに基づく１次曲げ危険速度があり、これらと回転体の回転数との関係が図７（ｃ）に示されている。図７（ｃ）において、横軸は回転数（ｒｐｍ）、縦軸は固有値（危険速度）（Ｈｚ）を表わしている。また、図７（ｃ）には、回転数が０の点から最大回転数の点までの運搬線（回転加速線）を示している。図７（ｃ）に示すように、回転体には、特有のジャイロ作用により、固有値の分岐が生じ、各固有値に前回り成分と後回り成分が生じる。そして、運搬線がいくつかの分岐した固有値と交わる回転数が危険速度となるが、運搬線が１次曲げ固有値と交わる危険速度がとくに問題になるため、従来は、最大回転数がこの危険速度を越えない範囲内で回転体を回転させていた。このように回転体の回転数が制限されるため、回転体全体の極慣性モーメントＩ_ｐを大きくするには、フライホイールを大きくする必要があるが、そうすると、装置が大型化し、フライホイールの単位重量あたりのエネルギ蓄積密度は小さくなるという問題があった。
【０００６】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体を１次曲げ固有値を越える高い速度で回転させることができる電力貯蔵装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明による電力貯蔵装置は、回転運動エネルギを蓄積するためのフライホイールが回転軸の両端部に一体状に設けられた回転体、回転体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２組の超伝導軸受、起動時および運転停止時に回転体をラジアル方向に非接触支持するための２組の制御型ラジアル方向磁気軸受、ならびに両フライホイールの間の回転軸の部分に設けられた発電電動機を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
フライホイールが回転軸の両端部に設けられているので、回転軸とフライホイールを合わせた回転体全体の極慣性モーメントＩpが大きくなり、その分、回転体に蓄積される回転運動エネルギが大きくなる。また、フライホイールが回転軸の両端部に設けられているので、回転体全体の傾斜慣性モーメントＩrが大きくなり、その増加量は極慣性モーメントＩp の増加量よりかなり大きい。このため、極慣性モーメントＩpと傾斜慣性モーメントＩrの比（Ｉp／Ｉr）が、従来のものより小さくなる。比（Ｉp／Ｉr）が小さくなるにもかかわらず、回転体の１次曲げ固有値の後回り成分が回転数の増加に伴って大きく減少し、１次曲げ固有値の前回り成分が回転数の増加に伴って大きく増加するようになる。このため、回転体の最大回転数を大きくしたときに、運搬線が低い回転数で１次曲げ固有値の後回り成分を越え、回転数がかなり高くなっても運搬線が１次曲げ固有値の前回り成分と交わることがない。また、起動時には、回転体は制御型ラジアル方向磁気軸受によっても支持されるので、回転体が運転回転領域に達するまでに共振が発生しても、磁気軸受によりふれの発生が防止される。したがって、１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転体を回転させることができる。そして、回転体の回転数を高くすることができるため、回転体に蓄積される回転運動エネルギをさらに大きくすることができる。また、回転体の回転数を高くすることができることにより、フライホイールの単位重量あたりのエネルギ蓄積密度を高くすることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。
【００１０】
図１は、電力貯蔵装置の主要部を概略的に示している。
【００１１】
電力貯蔵装置は、垂直な回転軸（１）の上下両端部に水平円板状のフライホイール（２）（３）がそれぞれ固定状に設けられた回転体（４）、回転体（４）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ための上下２組の超伝導軸受（５）（６）、起動時および運転停止時に回転体（４）をラジアル方向に非接触支持するための上下２組の制御型ラジアル方向磁気軸受（７）（８）、起動時に回転体（４）の位置決めを行うための初期位置決め装置（９）、ならびに発電電動機（１０）を備えており、これらの大部分が、水平なベース（１１）の上方に設けられた真空チャンバ（１２）内に配置されている。真空チャンバ（１２）内のベース（１１）の上に複数の部材（１３）（１４）（１５）（１６）（１７）（１８）よりなる垂直なハウジング（１９）が設けられており、このハウジング（１９）内の中心に回転体（４）が若干の上下動ができるように隙間をあけて垂直に配置されている。ベース（１１）の下に垂直円筒部材（２０）が設けられており、初期位置決め装置（９）の大部分がこの円筒部材（２０）内に配置されている。
【００１２】
各フライホイール（２）（３）は、回転軸（１）に固定されたたとえばアルミニウム合金製の内側環状部分（２１）の外側にたとえばＣＦＲＰ（複合繊維強化プラスチック）製の外側環状部分（２２）が一体状に固定されたものである。上部フライホイール（２）は、ハウジング（１９）の上部の水平板状の第５ハウジング部材（１７）とその上に固定された逆カップ状の第６ハウジング部材（１８）で囲まれた空間内に配置されている。下部フライホイール（３）は、ベース（１１）とその上に固定された逆カップ状の第１ハウジング部材（１３）で囲まれた空間内の上部に配置されている。
【００１３】
上部超伝導軸受（５）の詳細が、図２および図３に示されている。
【００１４】
上部超伝導軸受（５）は、回転体（４）の上部フライホイール（２）の上に固定状に設けられた水平環状の回転永久磁石部（２３）と、その上面に対向するようにハウジング（１９）に固定状に設けられた超伝導体部（２４）とから構成されている。
【００１５】
回転永久磁石部（２３）は、上部フライホイール（２）の内側部分の上面に接するように回転軸（１）の上端に固定されたフランジ部（２５）を備えている。フランジ部（２５）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作られた内側の非磁性板部（２６）の外側にたとえばＣＦＲＰ製の環状部分（２７）が一体状に固定されたものであり、第６ハウジング部材（１８）の頂壁中央の貫通穴の内側に位置している。非磁性板部（２６）の上面に、円形の仕切り壁（２８）で仕切られた複数の環状凹みぞ（２９）が同心状に形成されている。各凹みぞ（２９）内に、環状永久磁石（３０）と強磁性体よりなる環状ヨーク部材（３１）とが、永久磁石（３０）が外側になるようにはめられて固定されている。永久磁石（３０）の外周部分は、凹みぞ（２９）の外周側の壁あるいは仕切り壁（２８）の内周部分に圧入されている。ヨーク部材（３１）の内周部分は、凹みぞ（２９）の内周側の仕切り壁（２８）あるいは壁の外周部分に圧入されている。そして、同一の凹みぞ（２９）内の永久磁石（３０）の内周部分とヨーク部材（３１）の外周部分とは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。各環状凹みぞ（２９）内において、環状永久磁石（３０）と環状ヨーク部材（３１）の位置が逆であってもよい。さらに、仕切り壁（２８）をなくして、各環状永久磁石（３０）間に環状ヨーク部材（３１）だけを配置してもよい。各永久磁石（３０）は円周方向に複数のセグメント（３０ａ）に等分されており、内周側と外周側に磁極が形成されている。そして、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石（３０）の磁極が互いに同じ極性になるように、永久磁石（３０）が配置されている。すなわち、内側から１、３、５番目の永久磁石（３０）は内周側がＳ極で外周側がＮ極となり、２、４番目の永久磁石（３０）は内周側がＮ極で外周側がＳ極となっている。なお、永久磁石（３０）が円周方向に複数のセグメント（３０ａ）に分割されているのは、永久磁石が環状の一体物であればその内周部と外周部に磁極を形成することができないからである。永久磁石（３０）は回転体（４）の回転軸心に対して同心状に配置されているので、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】
超伝導体部（２４）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る水平環状の冷却ケース（３２）を備えている。冷却ケース（３２）は、その外周部において、第６ハウジング部材（１８）の頂壁の内周部上面に断熱材（３３）を介して固定され、永久磁石部（２３）の上方に張出している。冷却ケース（３２）内の空間に、環状の超伝導体（３４）が固定状に配置されている。冷却ケース（３２）内の空間は冷却流体供給管（３５）および同排出管（３６）を介して図示しない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（３５）、冷却ケース（３２）内の空間および排出管（３６）を介して循環させられ、これによって超伝導体（３４）が冷却されるようになっている。超伝導体（３４）は第２種超伝導体であり、たとえばイットリウム系高温超伝導体、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（３０）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（３４）は、永久磁石（３０）の磁束が所定量侵入する離間位置であってかつ回転体（４）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（３０）と対向するように配置されている。
【００１７】
下部超伝導軸受（６）の詳細が、図４に示されている。
【００１８】
下部超伝導軸受（６）は、回転体（４）の下部フライホイール（３）の下に固定状に設けられた水平環状の回転永久磁石部（３７）と、その下面に対向するようにハウジング（１９）に固定状に設けられた超伝導体部（３８）と、さらに超伝導体部（３８）の下から回転永久磁石部（３７）に対向するようにハウジング（１９）に固定状に設けられた固定永久磁石部（３９）とから構成され、第１ハウジング部材（１３）内の下部に配置されている。
【００１９】
回転永久磁石部（３７）は、下部フライホイール（３）の内側部分の下面に接するように回転軸（１）の下端に固定されている。超伝導体部（３８）は、ベース（１１）の上に固定された支持部材（４０）に断熱材（４１）を介して固定されている。回転永久磁石部（３７）および超伝導体部（３８）は、上部超伝導軸受（５）の回転永久磁石部（２３）および超伝導体部（２４）を上下逆様にしたものであるから、対応する部分に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２０】
固定永久磁石部（３９）は、支持部材（４２）を介してベース（１１）の上に固定された非磁性体製のフランジ部（４３）を備えている。フランジ部（４３）の上面に、その外周部を残して、１つの環状凹所（４４）が形成され、この凹所（４４）に、複数の強磁性体よりなる環状ヨーク部材（４５）と、これらの間に挟まれた複数の環状永久磁石（４６）とがはめられて固定されている。永久磁石（４６）の数は回転永久磁石部（３７）の永久磁石（３０）の数と同数であり、永久磁石（４６）は回転永久磁石部（３７）の永久磁石（３０）にほぼ対向するように配置されている。永久磁石（４６）は、回転永久磁石部（３７）の永久磁石（３０）と同じ構成を有し、円周方向に複数のセグメント（４６ａ）に等分されている。また、永久磁石（４６）の磁極の配置は回転永久磁石部（３７）のそれと同じであり、上下に対応する永久磁石（３０）（４６）の磁極が同じ極性で、互いに反発するようになされている。
【００２１】
上部磁気軸受（７）の詳細が、図５に示されている。
【００２２】
上部磁気軸受（７）は、ハウジング（１９）の上部の略円筒状の第４ハウジング部材（１６）の内側に固定された８つの電磁石（４７ｘ）（４７ｙ）および４つの変位センサ（４８ｘ）（４８ｙ）を備えている。互いに直交する２つのラジアル方向の軸をＸ軸およびＹ軸とすると、４つのＸ軸方向電磁石（４７ｘ）は回転体（４）をＸ軸方向の両側から吸引するように配置され、４つのＹ軸方向電磁石（４７ｙ）は回転体（４）をＹ軸方向の両側から吸引するように配置されている。各変位センサ（４８ｘ）（４８ｙ）はそれぞれ対応する電磁石（４７ｘ）（４７ｙ）の近傍に配置されており、２つのＸ軸方向変位センサ（４８ｘ）によりこの部分の回転体（４）のＸ軸方向の変位量が検出され、２つのＹ軸方向変位センサ（４８ｙ）によりこの部分の回転体（４）のＹ軸方向の変位量が検出される。
【００２３】
下部磁気軸受（８）は、第１ハウジング部材（１３）の上に固定された厚肉円筒状の第２ハウジング部材（１４）の内側に設けられている。下部磁気軸受（８）は上部磁気軸受（７）と同様のものであるから、対応する部分に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２４】
図示は省略したが、各磁気軸受（７）（８）の電磁石（４７ｘ）（４７ｙ）および変位センサ（４８ｘ）（４８ｙ）は磁気軸受制御装置に接続されており、この制御装置により、変位センサ（４８ｘ）（４８ｙ）の出力に基づいて電磁石（４７ｘ）（４７ｙ）に流れる電流値すなわち吸引力が制御され、その結果、回転体（４）のラジアル方向の位置が制御される。
【００２５】
なお、磁気軸受（７）（８）およびその制御装置自体は公知のものであるから、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２６】
発電電動機（１０）は、回転体（４）に取付けられたロータ（４９）と、その周囲のハウジング（１９）の中間部の円筒状の第３ハウジング部材（１５）の内側に固定状に設けられたステータ（５０）とからなる。発電電動機（１０）は、電力貯蔵時には電動機として、電力取出し時には発電機として作動する。
【００２７】
第４ハウジング部材（１６）の上端部および第１ハウジング部材（１３）の頂壁の貫通穴の部分に、通常は回転体（４）と非接触で、非常時に回転体（４）を支持する転がり軸受からなるタッチダウン軸受（５１）（５２）がそれぞれ設けられている。
【００２８】
初期位置決め装置（９）は、次のように構成されている。
【００２９】
円筒部材（２０）の中間部に形成されたガイド穴に、たとえば図示しない直動モータなどの適宜な駆動手段により昇降させられる円筒状の昇降体（５３）が案内されており、昇降体（５３）の上部に水平な円板（５４）が固定状に設けられている。回転体（４）と同心の垂直支持軸（５５）が円板（５４）の上面中央に固定され、昇降体（５３）の昇降によりベース（１１）の貫通穴に設けられた直動軸受（リニアベアリング）（５６）に案内されて昇降しうるようになっている。支持軸（５５）の上端面外周部に、回転軸（１）の下端面を受けるための複数のボール（５７）が取付けられている。直動軸受（５６）の周囲のベース（１１）の下面に垂下状の円筒部（１１ａ）が一体に形成され、この円筒部（１１ａ）の下端部と円板（５４）の上面外周部に固定されたリング部材（５８）との間にベローズ（５９）が取付けられている。そして、円板（５４）、リング部材（５８）、ベローズ（５９）および円筒部（１１ａ）で囲まれた空間が、ベース（１１）の上方の真空チャンバ（１２）に連通させられて、真空状態に保持されるようになっている。
【００３０】
下部タッチダウン軸受（５２）より少し下方の回転体（４）の周囲に、回転体（４）の上昇を規制するためのストッパ（６０）が固定されている。
【００３１】
上記の電力貯蔵装置は、次のようにして運転状態にされる。
【００３２】
運転停止状態においては、回転体（４）はタッチダウン軸受（５１）（５２）に支持されて、下方の停止位置に停止している。運転を開始する際には、まず、真空チャンバ（１２）内を真空状態とし、初期位置決め装置（９）の支持軸（５５）を上昇させることにより、回転体（４）を所定の設定位置まで持上げて、回転体（４）のアキシアル方向の初期位置決めを行う。この回転体（４）の設定位置は、回転時の回転体（４）の位置より若干上方の位置である。また、上下の磁気軸受（７）（８）を駆動して、回転体（４）のラジアル方向の初期位置決めを行う。回転体（４）の初期位置決めが終了したならば、冷却装置により上下の超伝導軸受（５）（６）の冷却ケース（３２）内に冷却流体を循環させ、超伝導体（３４）を冷却して第２種超伝導状態に保持する。すると、回転永久磁石部（２３）（３７）の永久磁石（３０）から発せられる磁束の多くが超伝導体（３４）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（３４）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（３４）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（３４）に対して永久磁石（３０）とともに回転体（４）が拘束される。したがって、回転体（４）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（３４）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）（６）によって回転体（４）が支持されたならば、初期位置決め装置（９）の支持軸（５５）を下端位置まで下降させて、これによる回転体（４）の支持をなくす。支持軸（５５）が下降すると、回転体（４）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）（６）のアキシアル方向の支持力とが釣合う位置に停止し、後は、支持軸（５５）が回転体（４）から下方に離れて下端位置まで下降する。これにより、回転体（４）は、超伝導軸受（５）（６）と磁気軸受（７）（８）とで非接触支持されたことになる。このとき、下部超伝導軸受（６）の回転永久磁石部（３７）の永久磁石（３０）が、固定永久磁石部（３９）の永久磁石（４６）から上向きの反発力を受け、これにより、回転体（４）の重量の一部が支持される。回転体（４）が非接触支持されたならば、発電電動機（１０）を起動し、回転体（４）を回転させる。このとき、図示しないインバータによって回転体（４）の回転数を制御し、回転体（４）を運転回転領域（安定回転領域）まで効率良く加速する。回転体（４）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（７）（８）によりふれの発生が防止される。回転体（４）が運転回転領域に達したならば、回転体（４）が運転回転領域の所定の回転数（たとえば４００００ｒｐｍ）に保持され、磁気軸受（７）（８）の駆動が停止させられて、磁気軸受（７）（８）によるラジアル方向の支持がなくなる。磁気軸受（７）（８）によるラジアル方向の支持がなくなっても、回転体（４）は超伝導軸受（５）（６）によりアキシアル方向およびラジアル方向に支持されて、回転を継続する。
【００３３】
回転体（４）が運転回転領域で回転している間、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）（３）に貯蔵される。
【００３４】
回転体（４）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、発電電動機（１０）は停止するが、フライホイール（２）（３）により、回転体（４）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、発電電動機（１０）が発電機として作動し、図示しないコンバータを介して得られた電力が蓄電池に蓄えられる。蓄電池に蓄えられていた電力が図示しない外部の電力消費財および超伝導軸受（５）（６）の冷却装置に送られる。この間、発電電動機（１０）が発電機として作動することにより、コンバータを介して得られ、かつ蓄電池に蓄えられていた電力の一部は磁気軸受（７）（８）の制御装置に送られ、磁気軸受（７）（８）が駆動される。したがって、フライホイール（２）（３）に蓄えられていた回転運動エネルギが減少して回転体（４）が停止するまでの間に共振点で生じる回転体（４）のふれは、上記の起動時と同様にして、磁気軸受（７）（８）により減少させることができ、回転体（４）およびフライホイール（２）（３）は停止するまで非接触状態で保持されることになる。その結果、フライホイール（２）（３）に蓄積されていた回転運動エネルギは、効率良く電気エネルギとして外部の電力消費財に送られることになる。また、回転体（４）が停止するまでの間に発生するふれも、上記と同様に補正される。
【００３５】
停電時以外にフライホイール（２）（３）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必要がある場合にも、発電電動機（１０）を停止させると、停電の場合と同様にして電力消費財に電力エネルギが供給される。この場合にも、回転体（４）およびフライホイール（２）（３）は停止するまで非接触状態に保持されることになり、フライホイール（２）（３）に蓄積された回転運動エネルギは、効率良く電気エネルギとして外部の電力消費財に送られることになる。
【００３６】
上記の電力貯蔵装置では、フライホイール（２）（３）が回転軸（１）の両端部に設けられているので、１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転体を回転させることができる。次に、図６および図７を参照して、その理由について説明する。
【００３７】
図６は、電力貯蔵装置の回転体の３つのモデルを示している。図６（ａ）は、上記実施例の回転体（４）のように回転軸（１）の両端部にフライホイール（２）（３）が設けられているモデル、図６（ｂ）は回転軸（６１）の上端部の１箇所にだけフライホイール（６２）が設けられている従来の回転体のモデル、図６（ｃ）は回転軸（６１）の中央部より少し上寄りの１箇所にだけフライホイール（６２）が設けられている従来の回転体のモデルをそれぞれ示している。図６の各モデルについて極慣性モーメントＩ_ｐと傾斜慣性モーメントＩ_ｒの比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）を計算により求めた結果を示すと、（ａ）のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）は０．２７であり、（ｂ）のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）は０．３４であり、（ｃ）のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）は０．４７である。
【００３８】
図７は、図６の各モデルについて、前述の回転体の回転数と固有値との関係をシミュレーションにより求めた結果を示している。図７（ａ）は図６（ａ）のモデルについての結果、図７（ｂ）は図６（ｂ）のモデルについての結果、図７（ｃ）は図６（ｃ）のモデルについての結果をそれぞれ示している。
【００３９】
図６（ｃ）の従来のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）が大きいにもかかわらず、図７（ｃ）に示すように、１次曲げ固有値の分岐の度合が小さく、回転数の増加に伴う１次曲げ固有値の前回り成分の増加の度合および同後回り成分の減少の度合も小さい。このため、運搬線が１次曲げ固有値の後回り成分と交わる危険速度が高くなり（この場合は約３６０００ｒｐｍ）、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転させようとすると、運搬線がこの高い危険速度で１次曲げ固有値の後回り成分を越える必要があるため、磁気軸受の制御が非常に困難である。したがって、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転させることは非常に困難である。また、仮に、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越えて高い回転数（たとえば４００００ｒｐｍ）で回転させられたとしても、運転状態では回転体は超伝導軸受だけで支持され、しかも運転状態の回転数が１次曲げ固有値の後回り成分の危険速度と比較的近いため、運転が不安定になるという問題がある。
【００４０】
図６（ｂ）の従来のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）は図６（ｃ）のモデルに比べて小さくなるが、図７（ｂ）に示すように、１次曲げ固有値の分岐の度合は幾分大きくなり、回転数の増加に伴う１次曲げ固有値の前回り成分の増加の度合および同後回り成分の減少の度合もかなり小さい。このため、運搬線が１次曲げ固有値の後回り成分と交わる危険速度はやはり高く（この場合は約３００００ｒｐｍ）、図６（ｃ）のモデルの場合と同様、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転させることは非常に困難である。
【００４１】
図６（ａ）の上記実施例のモデルについては、比（Ｉ_ｐ／Ｉ_ｒ）が小さいにもかかわらず、図７（ａ）に示すように、１次曲げ固有値の分岐の度合が大きく、回転数の増加に伴う１次曲げ固有値の前回り成分の増加の度合および同後回り成分の減少の度合も大きい。このため、運搬線が１次曲げ固有値の後回り成分と交わる危険速度が低くなり（この場合は約２００００ｒｐｍ）、回転数がかなり高くなっても運搬線が１次曲げ固有値の前回り成分と交わることがない。そして、運搬線が１次曲げ固有値の後回り成分を越えるときの危険速度が低いので、このときの磁気軸受の制御が比較的容易であり、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転させることが可能である。また、回転体を１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数（たとえば４００００ｒｐｍ）で、超伝導軸受だけで支持して回転させる運転状態においても、この運転状態の回転数が１次曲げ固有値の後回り成分および前回り成分の危険速度とかなり離れているため、運転が不安定になることがない。
【００４２】
上記の電力貯蔵装置では、超伝導軸受（５）（６）の回転永久磁石部（２３）（３７）がラジアル方向に同心状に配置された複数の環状の永久磁石（３０）を備え、各永久磁石（３０）の内周側と外周側に磁極が形成され、ラジアル方向に隣接する２つの永久磁石（３０）の磁極が互いに同じ磁極であり、しかもラジアル方向に隣接する２つの永久磁石（３０）の間に強磁性体よりなるヨーク部材（３１）が挟まれているので、ヨーク部材（３１）の超伝導体（３４）を向いた部分に磁束が局所的に集中し、その結果、超伝導体（３４）に侵入する磁束が多くなって、超伝導軸受（５）（６）の負荷容量および剛性が向上する。
【００４３】
しかしながら、超伝導軸受（５）（６）の回転永久磁石部（２３）（３７）および固定永久磁石部（３９）の永久磁石（３０）（４６）は、アキシアル方向の両端部に磁極が形成されたものであってもよい。この場合は、永久磁石を環状の一体物にすることができる。
【００４４】
上記の電力貯蔵装置では、下部超伝導軸受（６）において、回転永久磁石部（３７）の永久磁石（３０）と固定永久磁石部（３９）の永久磁石（４６）との反発力によって回転体（４）の重量の一部が支持されるようになっているので、アキシアル方向（重力方向）の負荷容量が向上し、回転永久磁石部と超伝導体部とが対向しているだけの通常の超伝導軸受では支持できないような重量の大きい回転体を支持することもできる。
【００４５】
下部超伝導軸受（６）の固定永久磁石部（３９）のかわりに、上部超伝導軸受（５）の超伝導体部（２４）の上方に固定永久磁石部を配置し、これにより回転永久磁石部（２３）を上向きに吸引して、回転体（４）の重量の一部を支持するようにしてもよい。また、上下の超伝導体軸受（５）（６）の両方に回転体（４）の重量の一部を支持するための固定永久磁石部を設けてもよいし、いずれにも設けなくてもよい。
【００４６】
上記の電力貯蔵装置では、各超伝導軸受（５）（６）の回転永久磁石部（２３）（３７）において、フランジ部（２５）の非磁性板部（２６）の外側にＣＦＲＰ製の環状部分（２７）がはめられ、非磁性板部（２６）の端面の複数の同心状の環状凹みぞ（２９）のそれぞれに、環状の永久磁石（３０）とヨーク部材（３１）が１組ずつ組込まれているので、永久磁石（３０）およびヨーク部材（３１）の寸法管理が容易で、高速回転時の遠心力による永久磁石（３０）の変形が小さく、したがって、超伝導軸受（５）（６）の動作が安定しており、しかも永久磁石（３０）が遠心破壊を起こすこともない。
【００４７】
フランジ部（２５）の外側の環状部分（２７）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、高速回転時に環状部分（２７）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、遠心力による変形（遠心膨張）も小さい。このように環状部分（２７）の遠心膨張が小さいので、その内側にはめられている非磁性板部（２６）の遠心膨張も小さく抑えられる。
【００４８】
仮に、非磁性板部の端面の１つの凹みぞ内に複数の環状ヨーク部材と環状永久磁石とが交互にはめられていたとすると、外側のヨーク部材あるいは永久磁石については、遠心膨張しにくい非磁性板部の壁に近いため、遠心膨張は小さいが、あるヨーク部材あるいは永久磁石が遠心膨張すると、その内側の永久磁石あるいはヨーク部材も遠心膨張しやすくなるため、内側の永久磁石あるいはヨーク部材については、遠心膨張が大きくなる。このため、内側の永久磁石あるいはヨーク部材の寸法管理が困難である。また、内側の永久磁石については、遠心膨張すなわちラジアル方向の変位が大きいため、回転体が停止している初期位置決め時と高速回転時とで永久磁石のラジアル方向の位置に変化が生じる。とくに永久磁石が円周方向に複数のセグメントに分割されている場合は、これらのセグメント間に円周方向の隙間が生じることもある。このため、永久磁石による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりし、超伝導軸受の動作が不安定になる。また、とくに内側の永久磁石については、大きな遠心膨張が生じるため、遠心破壊を起こすおそれがある。
【００４９】
これに対し、上記の電力貯蔵装置の超伝導軸受（５）（６）の回転永久磁石部（２３）（３７）では、各永久磁石（３０）が遠心膨張の小さい非磁性板部（２６）の壁の内周部分にそれぞれ圧入されているので、永久磁石（３０）の寸法管理が容易であり、永久磁石（３０）の遠心膨張も小さく、永久磁石（３０）が遠心破壊を起こすこともない。そして、永久磁石（３０）の遠心膨張が小さいため、永久磁石（３０）が円周方向に複数のセグメント（３０ａ）に分割されていても、永久磁石（３０）のラジアル方向の変位が小さく、また、セグメント（３０ａ）間に円周方向の隙間が生じることもない。したがって、永久磁石（３０）による磁束分布が初期位置決め時と高速回転時とで変化したり、回転軸心の周囲の磁束分布が一様でなくなったりすることがなく、超伝導軸受（５）（６）の動作が安定している。さらに、各ヨーク部材（３１）が遠心膨張の小さい非磁性板部（２６）の壁の外周部分にそれぞれ圧入されているので、ヨーク部材（３１）の寸法管理も容易である。なお、ヨーク部材（３１）は、同じ凹みぞ（２９）内の永久磁石（３０）の内側に圧入されてもよい。このようにしても、ヨーク部材（３１）の寸法管理については、その外側にある１つの永久磁石（３０）の小さい遠心膨張だけを考慮すればよいので、やはり寸法管理は容易である。
【００５１】
【発明の効果】
この発明の電力貯蔵設備によれば、上述のように、１次曲げ固有値の後回り成分を越える高い回転数で回転体を回転させることができ、したがって、回転体に蓄積される回転運動エネルギをさらに大きくすることができ、フライホイールの単位重量あたりのエネルギ蓄積密度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す電力貯蔵装置の主要部の縦断面図である。
【図２】図１の上部超伝導軸受の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２の回転永久磁石部の一部を拡大して示す平面図である。
【図４】図１の下部超伝導軸受の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図５】図１の上部磁気軸受の部分を拡大して示す横断面図である。
【図６】回転体の３つのモデルを示す説明図である。
【図７】図６の３つの回転体のモデルについての回転数と固有値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
（１）回転軸
（２）（３）フライホイール
（４）回転体[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a power storage device for converting surplus power into rotational kinetic energy of a flywheel and storing it.
[0002]
[Prior art]
As this type of power storage device, a flywheel is integrally provided at one of the central portion or the end portion of a rotating shaft that is supported by a superconducting bearing and / or magnetic bearing and is rotated by a generator motor. Things are known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The rotational kinetic energy E of the rotating body represents the polar moment of inertia of the entire rotating body as I _p If the rotational angular velocity of the rotating body is ω, it is expressed by the following equation.
[0004]
E = I _p ・ Ω ² / 2
From this equation, in order to increase the rotational kinetic energy accumulated in the flywheel, the polar moment of inertia I of the entire rotating body I _p It can be seen that it is sufficient to increase the rotation angle or the rotation angular velocity ω of the rotating body, that is, the rotation speed. In addition, it is desirable to increase the energy storage density per unit weight of the flywheel to increase the energy storage efficiency. _p It is more effective to increase the rotation angular velocity ω than to increase the rotation angle.
[0005]
However, increasing the number of rotations of the rotating body has a problem in terms of the critical speed of the rotating body, as will be described below. That is, the critical speed of the rotating body includes a rigid primary critical speed based on the rigid primary mode, a rigid secondary critical speed based on the rigid secondary mode, and a primary bending critical speed based on the primary bending mode. FIG. 7 (c) shows the relationship between the rotational speed of the rotating body and the rotational speed. In FIG. 7C, the horizontal axis represents the rotational speed (rpm) and the vertical axis represents the eigenvalue (dangerous speed) (Hz). FIG. 7C shows a transport line (rotational acceleration line) from the point where the rotational speed is 0 to the point where the maximum rotational speed is reached. As shown in FIG. 7 (c), eigenvalue branching occurs in the rotator due to the characteristic gyro effect, and a forward component and a backward component occur in each eigenvalue. The speed at which the transport line intersects with several branched eigenvalues becomes the critical speed, but the critical speed at which the transport line intersects with the primary bending eigenvalue is a particular problem. The rotating body was rotated within the range not exceeding. Since the rotational speed of the rotating body is limited in this way, the polar moment of inertia I of the entire rotating body _p In order to increase the size, it is necessary to increase the size of the flywheel. However, if this is done, there is a problem that the apparatus becomes larger and the energy storage density per unit weight of the flywheel becomes smaller.
[0006]
An object of the present invention is to solve the above-described problem and provide an electric power storage device that can rotate a rotating body at a high speed exceeding the primary bending eigenvalue.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the power storage device according to the present invention, flywheels for accumulating rotational kinetic energy are integrally provided at both ends of the rotating shaft. Rotating body, two sets of superconducting bearings that support the rotating body in a contactless manner in the axial direction and the radial direction, and two sets of control-type radial magnetics that support the rotating body in a contactless manner in the radial direction when starting and stopping Bearing and both In the part of the rotating shaft between the flywheels Provided Generator motor Has It is characterized by this.
[0008]
[Action]
Since the flywheel is provided at both ends of the rotating shaft, the polar moment of inertia Ip of the entire rotating body including the rotating shaft and the flywheel increases, and accordingly, the rotational kinetic energy accumulated in the rotating body increases. . Further, since the flywheel is provided at both ends of the rotating shaft, the tilt inertia moment Ir of the entire rotating body becomes large, and the increase amount is considerably larger than the increase amount of the polar inertia moment Ip. For this reason, the ratio (Ip / Ir) of the polar inertia moment Ip and the tilt inertia moment Ir becomes smaller than the conventional one. Although the ratio (Ip / Ir) is small, the backward component of the primary bending eigenvalue of the rotating body greatly decreases as the rotational speed increases, and the forward component of the primary bending eigenvalue increases the rotational speed. Along with this, it will increase greatly. For this reason, when the maximum number of rotations of the rotating body is increased, the conveying line exceeds the backward component of the primary bending eigenvalue at a low number of rotations, and the conveying line is in front of the primary bending eigenvalue even if the number of rotations is considerably high. Does not intersect with surrounding components. Further, at the time of start-up, since the rotating body is also supported by the control type radial magnetic bearing, even if resonance occurs before the rotating body reaches the operation rotation region, the magnetic bearing prevents the occurrence of shake. Therefore, the rotating body can be rotated at a high rotational speed that exceeds the backward component of the primary bending eigenvalue. And since the rotation speed of a rotary body can be made high, the rotational kinetic energy accumulate | stored in a rotary body can further be enlarged. Moreover, the energy storage density per unit weight of a flywheel can be made high because the rotation speed of a rotary body can be made high.
[0009]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 schematically shows a main part of the power storage device.
[0011]
The power storage device includes a rotating body (4) and a rotating body (4) in which horizontal disc-shaped flywheels (2) and (3) are fixedly provided at both upper and lower ends of a vertical rotating shaft (1). Two sets of upper and lower superconducting bearings (5) and (6) for non-contact support in the axial direction (vertical direction) and radial direction, for non-contact support of the rotating body (4) in the radial direction when starting and stopping Two sets of upper and lower control type radial magnetic bearings (7) and (8), an initial positioning device (9) for positioning the rotating body (4) at startup, and a generator motor (10). Is disposed in a vacuum chamber (12) provided above a horizontal base (11). A vertical housing (19) comprising a plurality of members (13) (14) (15) (16) (17) (18) is provided on the base (11) in the vacuum chamber (12). A rotating body (4) is vertically arranged at the center of the housing (19) with a gap so that it can slightly move up and down. A vertical cylindrical member (20) is provided under the base (11), and most of the initial positioning device (9) is disposed in the cylindrical member (20).
[0012]
Each flywheel (2) (3) has an outer annular portion (22) made of, for example, CFRP (composite fiber reinforced plastic) on the outside of an inner annular portion (21) made of, for example, an aluminum alloy fixed to the rotating shaft (1). Is fixed integrally. The upper flywheel (2) is in a space surrounded by a horizontal plate-like fifth housing member (17) at the upper part of the housing (19) and an inverted cup-like sixth housing member (18) fixed thereon. Is arranged. The lower flywheel (3) is arranged at the upper part in the space surrounded by the base (11) and the first housing member (13) having an inverted cup shape fixed thereon.
[0013]
Details of the upper superconducting bearing (5) are shown in FIGS.
[0014]
The upper superconducting bearing (5) includes a horizontal annular rotating permanent magnet portion (23) fixedly provided on the upper flywheel (2) of the rotating body (4) and a housing facing the upper surface thereof. (19) and a superconductor portion (24) provided fixedly.
[0015]
The rotating permanent magnet portion (23) includes a flange portion (25) fixed to the upper end of the rotating shaft (1) so as to contact the upper surface of the inner portion of the upper flywheel (2). The flange portion (25) is integrally fixed with an annular portion (27) made of CFRP, for example, on the outside of the inner nonmagnetic plate portion (26) made of a nonmagnetic material such as aluminum alloy or nonmagnetic stainless steel. And is located inside the through hole at the center of the top wall of the sixth housing member (18). A plurality of annular grooves (29) partitioned by a circular partition wall (28) are concentrically formed on the upper surface of the nonmagnetic plate portion (26). In each recess (29), an annular permanent magnet (30) and an annular yoke member (31) made of a ferromagnetic material are fixed so that the permanent magnet (30) faces outside. The outer peripheral portion of the permanent magnet (30) is press-fitted into the outer peripheral wall of the recess (29) or the inner peripheral portion of the partition wall (28). The inner peripheral portion of the yoke member (31) is press-fitted into the inner peripheral partition wall (28) of the recess (29) or the outer peripheral portion of the wall. The inner peripheral portion of the permanent magnet (30) in the same groove (29) and the outer peripheral portion of the yoke member (31) are loosely fitted, and there is almost no gap or a slight gap between them. It has been opened. In each annular groove (29), the positions of the annular permanent magnet (30) and the annular yoke member (31) may be reversed. Further, the partition wall (28) may be eliminated, and only the annular yoke member (31) may be disposed between the annular permanent magnets (30). Each permanent magnet (30) is equally divided into a plurality of segments (30a) in the circumferential direction, and magnetic poles are formed on the inner peripheral side and the outer peripheral side. And the permanent magnet (30) is arrange | positioned so that the magnetic pole of the two permanent magnets (30) adjacent to a radial direction may become the mutually same polarity. That is, the first, third, and fifth permanent magnets (30) from the inside have S poles on the inner circumference and N poles on the outer circumference, and the second and fourth permanent magnets (30) have N poles on the inner circumference and S poles on the outer circumference. It has become. The permanent magnet (30) is divided into a plurality of segments (30a) in the circumferential direction. If the permanent magnet is a ring-shaped integral, magnetic poles may be formed on the inner and outer peripheral portions thereof. It is not possible. Since the permanent magnet (30) is concentrically arranged with respect to the rotation axis of the rotating body (4), the magnetic flux distribution around the rotation axis is not changed by rotation.
[0016]
The superconductor portion (24) includes a horizontal annular cooling case (32) made of a nonmagnetic material such as a copper alloy or nonmagnetic stainless steel. The cooling case (32) is fixed to the upper surface of the inner peripheral portion of the top wall of the sixth housing member (18) via a heat insulating material (33) at the outer peripheral portion thereof, and projects above the permanent magnet portion (23). Yes. An annular superconductor (34) is fixedly arranged in the space in the cooling case (32). The space in the cooling case (32) is connected to a cooling device (not shown) via a cooling fluid supply pipe (35) and the discharge pipe (36), and a cooling fluid such as liquid nitrogen is supplied by this cooling device. It is circulated through the pipe (35), the space in the cooling case (32), and the discharge pipe (36), thereby cooling the superconductor (34). The superconductor (34) is a type 2 superconductor, such as an yttrium high temperature superconductor, YBa. ₂ Cu ₃ O _7-x The normal conductor (Y ₂ Ba ₁ Cu ₁ ) Uniformly mixed, and has the property of constraining the magnetic flux generated from the permanent magnet (30) in a temperature environment where the second type superconducting state appears. The superconductor (34) is located at a position where the magnetic flux of the permanent magnet (30) enters a predetermined amount and at a position where the distribution of the intrusion magnetic flux does not change due to the rotation of the rotating body (4). ).
[0017]
Details of the lower superconducting bearing (6) are shown in FIG.
[0018]
The lower superconducting bearing (6) has a horizontal annular rotating permanent magnet portion (37) fixedly provided below the lower flywheel (3) of the rotating body (4) and a housing facing the lower surface thereof. The superconductor portion (38) fixed to (19) is fixed to the housing (19) so as to face the rotating permanent magnet portion (37) from below the superconductor portion (38). The fixed permanent magnet portion (39) is provided, and is disposed in the lower portion of the first housing member (13).
[0019]
The rotating permanent magnet portion (37) is fixed to the lower end of the rotating shaft (1) so as to contact the lower surface of the inner portion of the lower flywheel (3). The superconductor portion (38) is fixed to a support member (40) fixed on the base (11) via a heat insulating material (41). The rotating permanent magnet portion (37) and the superconductor portion (38) are obtained by turning the rotating permanent magnet portion (23) and the superconductor portion (24) of the upper superconducting bearing (5) upside down. Corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0020]
The fixed permanent magnet portion (39) includes a non-magnetic flange portion (43) fixed on the base (11) via the support member (42). One annular recess (44) is formed on the upper surface of the flange portion (43), leaving the outer periphery thereof, and an annular yoke member (45) made of a plurality of ferromagnetic materials is formed in the recess (44). A plurality of annular permanent magnets (46) sandwiched between them are fitted and fixed. The number of permanent magnets (46) is the same as the number of permanent magnets (30) of the rotating permanent magnet portion (37), and the permanent magnet (46) is substantially opposite to the permanent magnet (30) of the rotating permanent magnet portion (37). Are arranged to be. The permanent magnet (46) has the same configuration as the permanent magnet (30) of the rotating permanent magnet portion (37) and is equally divided into a plurality of segments (46a) in the circumferential direction. The arrangement of the magnetic poles of the permanent magnet (46) is the same as that of the rotating permanent magnet section (37), and the magnetic poles of the upper and lower corresponding permanent magnets (30) and (46) have the same polarity and repel each other. ing.
[0021]
Details of the upper magnetic bearing (7) are shown in FIG.
[0022]
The upper magnetic bearing (7) has eight electromagnets (47x) (47y) and four displacement sensors (48x) (48x) (fixed inside the substantially cylindrical fourth housing member (16) on the upper part of the housing (19). 48y). Assuming that two radial axes orthogonal to each other are an X-axis and a Y-axis, the four X-axis direction electromagnets (47x) are arranged so as to attract the rotating body (4) from both sides in the X-axis direction. The axial electromagnet (47y) is arranged to attract the rotating body (4) from both sides in the Y-axis direction. Each displacement sensor (48x) (48y) is disposed in the vicinity of the corresponding electromagnet (47x) (47y), and the X-axis of the rotating body (4) of this portion by two X-axis direction displacement sensors (48x). The amount of displacement in the direction is detected, and the amount of displacement in the Y-axis direction of the rotating body (4) of this portion is detected by the two Y-axis direction displacement sensors (48y).
[0023]
The lower magnetic bearing (8) is provided inside a thick cylindrical second housing member (14) fixed on the first housing member (13). Since the lower magnetic bearing (8) is the same as the upper magnetic bearing (7), the corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0024]
Although not shown, the electromagnets (47x) and (47y) and the displacement sensors (48x) and (48y) of the magnetic bearings (7) and (8) are connected to the magnetic bearing control device. Based on the outputs of (48x) and (48y), the current value flowing through the electromagnets (47x) and (47y), that is, the attractive force is controlled, and as a result, the position of the rotating body (4) in the radial direction is controlled.
[0025]
Since the magnetic bearings (7) and (8) and the control device itself are well known, further detailed description is omitted.
[0026]
The generator motor (10) is fixedly provided inside a rotor (49) attached to the rotating body (4) and a cylindrical third housing member (15) in the middle of the surrounding housing (19). The stator (50). The generator motor (10) operates as an electric motor when storing electric power and as a generator when extracting electric power.
[0027]
The upper end of the fourth housing member (16) and the portion of the through hole in the top wall of the first housing member (13) are normally in non-contact with the rotating body (4) and support the rotating body (4) in an emergency. Touch-down bearings (51) and (52) each formed of a rolling bearing are provided.
[0028]
The initial positioning device (9) is configured as follows.
[0029]
A cylindrical elevating body (53) that is moved up and down by appropriate driving means such as a linear motion motor (not shown) is guided in a guide hole formed in the intermediate portion of the cylindrical member (20). ) Is provided with a horizontal disk (54) in a fixed manner. A linear support shaft (55) concentric with the rotating body (4) is fixed to the center of the upper surface of the disk (54), and is provided in the through hole of the base (11) by raising and lowering the lifting body (53). It can be moved up and down by being guided by a linear bearing (56). A plurality of balls (57) for receiving the lower end surface of the rotating shaft (1) are attached to the outer peripheral portion of the upper end surface of the support shaft (55). A suspended cylindrical portion (11a) is integrally formed on the lower surface of the base (11) around the linear motion bearing (56), and is formed on the lower end portion of the cylindrical portion (11a) and the outer peripheral portion of the upper surface of the disc (54). A bellows (59) is attached to the fixed ring member (58). Then, the space surrounded by the disc (54), the ring member (58), the bellows (59), and the cylindrical portion (11a) is communicated with the vacuum chamber (12) above the base (11), so that the vacuum It is designed to be held in a state.
[0030]
A stopper (60) for restricting ascent of the rotating body (4) is fixed around the rotating body (4) slightly below the lower touchdown bearing (52).
[0031]
The above power storage device is put into operation as follows.
[0032]
In the operation stop state, the rotating body (4) is supported by the touch-down bearings (51) and (52) and stopped at the lower stop position. When starting the operation, first, the vacuum chamber (12) is evacuated and the support shaft (55) of the initial positioning device (9) is raised to bring the rotating body (4) to a predetermined set position. Lift up to perform initial positioning of the rotating body (4) in the axial direction. The set position of the rotating body (4) is a position slightly above the position of the rotating body (4) during rotation. Also, the upper and lower magnetic bearings (7) and (8) are driven to perform the initial positioning of the rotating body (4) in the radial direction. When the initial positioning of the rotating body (4) is completed, the cooling fluid is circulated in the cooling cases (32) of the upper and lower superconducting bearings (5) and (6) by the cooling device to cool the superconductor (34). Thus, the second superconducting state is maintained. Then, much of the magnetic flux generated from the permanent magnets (30) of the rotating permanent magnet portions (23) and (37) enters the superconductor (34) and is restrained (pinning phenomenon). Here, since the normal conductor particles are uniformly mixed inside the superconductor (34), the distribution of the magnetic flux penetrating into the superconductor (34) is constant, and therefore, the superconductor (34). ) And the rotating body (4) are restrained together with the permanent magnet (30). Therefore, the rotating body (4) is supported in the axial direction and the radial direction in a very stable state. At this time, the magnetic flux that has entered the superconductor (34) does not become a resistance that prevents rotation as long as the magnetic flux distribution is uniform and unchanged with respect to the rotation axis. When the rotating body (4) is thus supported by the superconducting bearings (5) and (6), the supporting shaft (55) of the initial positioning device (9) is lowered to the lower end position, and the rotating body ( 4) Eliminate support. When the support shaft (55) is lowered, the rotating body (4) is slightly lowered by its own weight, but stops at a position where the downward force due to its own weight and the axial support force of the superconducting bearings (5) and (6) balance. Thereafter, the support shaft (55) is moved downward from the rotating body (4) and lowered to the lower end position. As a result, the rotating body (4) is supported in a non-contact manner by the superconducting bearings (5) and (6) and the magnetic bearings (7) and (8). At this time, the permanent magnet (30) of the rotating permanent magnet portion (37) of the lower superconducting bearing (6) receives an upward repulsive force from the permanent magnet (46) of the fixed permanent magnet portion (39). A part of the weight of the rotating body (4) is supported. If the rotating body (4) is supported in a non-contact manner, the generator motor (10) is started and the rotating body (4) is rotated. At this time, the number of rotations of the rotating body (4) is controlled by an inverter (not shown), and the rotating body (4) is efficiently accelerated to the operating rotation region (stable rotation region). Even if resonance occurs before the rotating body (4) reaches the operating rotation region, the magnetic bearings (7) and (8) prevent the occurrence of wobbling. When the rotating body (4) reaches the operating rotation area, the rotating body (4) is held at a predetermined rotation speed (for example, 40000 rpm) in the operating rotation area, and the drive of the magnetic bearings (7) and (8) is stopped. Thus, the radial bearings 7 and 8 are not supported in the radial direction. Even if the radial bearing is not supported by the magnetic bearings (7) and (8), the rotating body (4) is supported by the superconducting bearings (5) and (6) in the axial and radial directions and continues to rotate.
[0033]
While the rotating body (4) is rotating in the operating rotation region, electric energy is converted into rotational kinetic energy and stored in the flywheel (2) (3).
[0034]
If a power failure occurs while the rotating body (4) is rotating in the operating rotation region, the generator motor (10) stops, but the rotating body (4) is slightly changed by the flywheel (2) (3). Although it decelerates, it is continuously rotated. As a result, the generator motor (10) operates as a generator, and electric power obtained through a converter (not shown) is stored in the storage battery. The electric power stored in the storage battery is sent to an external power consumer goods (not shown) and a cooling device for the superconducting bearings (5) and (6). During this time, by operating the generator motor (10) as a generator, a part of the electric power obtained through the converter and stored in the storage battery is sent to the control device of the magnetic bearing (7) (8), The magnetic bearings (7) and (8) are driven. Therefore, the vibration of the rotating body (4) generated at the resonance point before the rotating body (4) stops after the rotational kinetic energy stored in the flywheel (2) (3) is reduced Similar to the time, it can be reduced by the magnetic bearings (7) and (8), and the rotating body (4) and the flywheel (2) (3) will be held in a non-contact state until stopped. As a result, the rotational kinetic energy accumulated in the flywheels (2) and (3) is efficiently sent to the external power consumer goods as electric energy. Further, the shake that occurs until the rotating body (4) stops is corrected in the same manner as described above.
[0035]
Even when it is necessary to take out the rotational kinetic energy stored in the flywheel (2) (3) as electric energy other than at the time of a power failure, if the generator motor (10) is stopped, the power is reduced in the same way as in the case of a power failure. Electric power energy is supplied to consumer goods. Also in this case, the rotating body (4) and the flywheel (2) (3) are held in a non-contact state until stopped, and the rotational kinetic energy accumulated in the flywheel (2) (3) is It will be efficiently sent to external power consumer goods as electric energy.
[0036]
In the above power storage device, since the flywheels (2) and (3) are provided at both ends of the rotating shaft (1), the rotating body is rotated at a high rotational speed exceeding the backward component of the primary bending eigenvalue. be able to. Next, the reason will be described with reference to FIGS.
[0037]
FIG. 6 shows three models of the rotating body of the power storage device. FIG. 6A is a model in which flywheels (2) and (3) are provided at both ends of the rotating shaft (1) like the rotating body (4) in the above embodiment, and FIG. A model of a conventional rotating body in which a flywheel (62) is provided only at one position on the upper end of the shaft (61), FIG. 6 (c) is a position slightly above the center of the rotating shaft (61). Each shows a model of a conventional rotating body provided with a flywheel (62) only. Polar moment of inertia I for each model in FIG. _p And tilting inertia moment I _r Ratio (I _p / I _r ) Is calculated, the ratio (I) is calculated for the model (a). _p / I _r ) Is 0.27, and for the model in (b), the ratio (I _p / I _r ) Is 0.34, and for the model in (c), the ratio (I _p / I _r ) Is 0.47.
[0038]
FIG. 7 shows the result of the simulation of the relationship between the rotational speed of the rotating body and the eigenvalue for each model shown in FIG. FIG. 7 (a) shows the results for the model of FIG. 6 (a), FIG. 7 (b) shows the results for the model of FIG. 6 (b), and FIG. 7 (c) shows the results for the model of FIG. Respectively.
[0039]
For the conventional model of FIG. _p / I _r ) Is large, the degree of branching of the primary bending eigenvalue is small as shown in FIG. 7 (c), and the degree of increase in the forward component of the primary bending eigenvalue accompanying the increase in the rotational speed and thereafter The degree of reduction of the surrounding component is also small. For this reason, the critical speed at which the transport line intersects the backward component of the primary bending eigenvalue increases (in this case, about 36000 rpm), and the rotating body tries to rotate at a high rotational speed exceeding the backward component of the primary bending eigenvalue. Then, since it is necessary for the transportation line to exceed the backward component of the primary bending eigenvalue at this high critical speed, it is very difficult to control the magnetic bearing. Therefore, it is very difficult to rotate the rotating body at a high rotational speed exceeding the backward component of the primary bending eigenvalue. Further, even if the rotating body is rotated at a high rotational speed (for example, 40000 rpm) beyond the backward component of the primary bending eigenvalue, the rotating body is supported only by the superconducting bearing in the operating state, and the operating state Is relatively close to the critical speed of the backward component of the primary bending eigenvalue, so that there is a problem that the operation becomes unstable.
[0040]
For the conventional model of FIG. 6 (b), the ratio (I _p / I _r ) Is smaller than that of the model of FIG. 6 (c), but as shown in FIG. 7 (b), the degree of branching of the primary bending eigenvalue is somewhat larger, and the primary bending eigenvalue accompanying the increase in the number of rotations. The degree of increase of the forward component and the degree of decrease of the backward component are considerably small. For this reason, the critical speed at which the transport line intersects the backward component of the primary bending eigenvalue is still high (in this case, about 30000 rpm), and the rotating body is placed after the primary bending eigenvalue as in the case of the model of FIG. It is very difficult to rotate at a high rotational speed exceeding the rotation component.
[0041]
For the model of the above example of FIG. _p / I _r ) Is small, the degree of branching of the primary bending eigenvalue is large as shown in FIG. 7 (a), and the degree of increase in the forward component of the primary bending eigenvalue accompanying the increase in the rotational speed and thereafter The degree of reduction of the surrounding component is also large. For this reason, the critical speed at which the conveying line intersects with the backward component of the primary bending eigenvalue is low (in this case, about 20000 rpm), and the conveying line intersects with the forward component of the primary bending eigenvalue even if the rotational speed is considerably high. There is nothing. And since the critical speed when the conveying line exceeds the backward component of the primary bending eigenvalue is low, the control of the magnetic bearing at this time is relatively easy, and the rotating body exceeds the backward component of the primary bending eigenvalue. It is possible to rotate at a high rotational speed. Further, even in an operating state in which the rotating body is supported by only a superconducting bearing and rotated at a high rotational speed (for example, 40,000 rpm) exceeding the backward component of the primary bending eigenvalue, the rotational speed in this operating state is the primary bending eigenvalue. Driving is not unstable because it is far away from the critical speed of the rear and front components.
[0042]
In the above power storage device, the rotating permanent magnet portions (23) and (37) of the superconducting bearings (5) and (6) include a plurality of annular permanent magnets (30) arranged concentrically in the radial direction, Magnetic poles are formed on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the permanent magnet (30), the magnetic poles of two permanent magnets (30) adjacent in the radial direction are the same magnetic poles, and two permanent magnets adjacent in the radial direction ( 30) between the yoke member (31) made of a ferromagnetic material, the magnetic flux is concentrated locally on the portion of the yoke member (31) facing the superconductor (34), and as a result, The magnetic flux penetrating the superconductor (34) increases, and the load capacity and rigidity of the superconductive bearings (5) and (6) are improved.
[0043]
However, the rotating permanent magnet portions (23) and (37) of the superconductive bearings (5) and (6) and the permanent magnets (30) and (46) of the fixed permanent magnet portion (39) have magnetic poles formed at both ends in the axial direction. It may be what was done. In this case, the permanent magnet can be made into an annular one.
[0044]
In the above power storage device, in the lower superconducting bearing (6), the rotating body is produced by the repulsive force between the permanent magnet (30) of the rotating permanent magnet portion (37) and the permanent magnet (46) of the fixed permanent magnet portion (39). (4) Since a part of the weight is supported, the load capacity in the axial direction (gravity direction) is improved, and the rotating permanent magnet part and the superconductor part are usually opposed to each other. It is also possible to support a heavy rotating body that cannot be supported by the superconducting bearing.
[0045]
Instead of the fixed permanent magnet portion (39) of the lower superconducting bearing (6), a fixed permanent magnet portion is disposed above the superconductor portion (24) of the upper superconducting bearing (5), thereby rotating the permanent magnet. The part (23) may be sucked upward to support a part of the weight of the rotating body (4). In addition, a fixed permanent magnet portion for supporting a part of the weight of the rotating body (4) may be provided on both the upper and lower superconductor bearings (5) and (6), or neither of them may be provided. Good.
[0046]
In the above power storage device, in the rotating permanent magnet portions (23) and (37) of the respective superconducting bearings (5) and (6), a CFRP ring is formed outside the nonmagnetic plate portion (26) of the flange portion (25). A portion (27) is fitted, and a pair of annular permanent magnets (30) and yoke members (31) are provided in each of the plurality of concentric annular grooves (29) on the end face of the nonmagnetic plate portion (26). Since it is incorporated, the size control of the permanent magnet (30) and the yoke member (31) is easy, and the deformation of the permanent magnet (30) due to the centrifugal force during high-speed rotation is small, and therefore the superconducting bearing (5) ( The operation of 6) is stable, and the permanent magnet (30) does not cause centrifugal breakage.
[0047]
CFRP constituting the annular portion (27) outside the flange portion (25) is lightweight and has a high Young's modulus. And since it is lightweight, the centrifugal force which acts on an annular part (27) at the time of high speed rotation is small, and also the deformation | transformation (centrifugal expansion) by a centrifugal force is also small from having a large Young's modulus. As described above, since the centrifugal expansion of the annular portion (27) is small, the centrifugal expansion of the nonmagnetic plate portion (26) fitted inside the annular portion (27) can be suppressed to be small.
[0048]
If a plurality of annular yoke members and annular permanent magnets are alternately fitted in one groove on the end face of the nonmagnetic plate portion, the outer yoke members or permanent magnets are nonmagnetic and difficult to centrifugally expand. The centrifugal expansion is small because it is close to the wall of the plate part. However, when a certain yoke member or permanent magnet is centrifugally expanded, the inner permanent magnet or yoke member is also easily centrifugally expanded. , Centrifugal expansion increases. For this reason, it is difficult to manage the dimensions of the inner permanent magnet or yoke member. Further, since the inner permanent magnet has a large centrifugal expansion, that is, a radial displacement, a change occurs in the radial direction of the permanent magnet between the initial positioning when the rotating body is stopped and the high-speed rotation. In particular, when the permanent magnet is divided into a plurality of segments in the circumferential direction, a gap in the circumferential direction may be generated between these segments. For this reason, the magnetic flux distribution by the permanent magnet changes between the initial positioning and the high-speed rotation, or the magnetic flux distribution around the rotation axis is not uniform, and the operation of the superconducting bearing becomes unstable. In particular, for the inner permanent magnet, a large centrifugal expansion occurs, which may cause a centrifugal breakdown.
[0049]
On the other hand, in the rotating permanent magnet portions (23) and (37) of the superconducting bearings (5) and (6) of the power storage device described above, each permanent magnet (30) is a non-magnetic plate portion (26) having a small centrifugal expansion. Since the size of the permanent magnet (30) is easy to control, the centrifugal expansion of the permanent magnet (30) is small, and the permanent magnet (30) may be centrifugally broken. Absent. And since the centrifugal expansion of the permanent magnet (30) is small, even if the permanent magnet (30) is divided into a plurality of segments (30a) in the circumferential direction, the radial displacement of the permanent magnet (30) is small, Further, there is no circumferential gap between the segments (30a). Therefore, the magnetic flux distribution by the permanent magnet (30) does not change between the initial positioning and the high-speed rotation, and the magnetic flux distribution around the rotation axis does not become uniform, and the superconducting bearing (5) ( The operation of 6) is stable. Furthermore, since each yoke member (31) is press-fitted into the outer peripheral portion of the wall of the non-magnetic plate portion (26) having a small centrifugal expansion, the dimension management of the yoke member (31) is easy. The yoke member (31) may be press-fitted inside the permanent magnet (30) in the same groove (29). Even in this case, regarding the dimension management of the yoke member (31), only the small centrifugal expansion of the one permanent magnet (30) on the outer side needs to be considered, so that the dimension management is easy.
[0051]
【The invention's effect】
According to the power storage facility of the present invention, as described above, the rotating body can be rotated at a high rotational speed exceeding the backward component of the primary bending eigenvalue, and therefore the rotational kinetic energy accumulated in the rotating body can be reduced. Further, the energy storage density per unit weight of the flywheel can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a main part of a power storage device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of the upper superconducting bearing of FIG.
3 is an enlarged plan view showing a part of the rotating permanent magnet portion of FIG. 2; FIG.
4 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of the lower superconducting bearing of FIG. 1. FIG.
5 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the upper magnetic bearing of FIG. 1. FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing three models of a rotating body.
7 is a graph showing the relationship between the number of rotations and eigenvalues for the three rotator models of FIG. 6;
[Explanation of symbols]
(1) Rotating shaft
(2) (3) Flywheel
(4) Rotating body

Claims

A rotating body in which a flywheel for accumulating rotational kinetic energy is integrally provided at both ends of a rotating shaft, two sets of superconducting bearings that support the rotating body in a non-contact manner in the axial direction and the radial direction, during start-up and operation characterized in that it comprises in stopping two pairs of control-type radial magnetic bearings for non-contact support the rotating member in the radial direction, and the generator motor is provided in a portion of the rotation axis between the two flywheels Power storage device.