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JPH08178011A - フライホイール装置 - Google Patents

フライホイール装置

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JPH08178011A
JPH08178011A JP6327554A JP32755494A JPH08178011A JP H08178011 A JPH08178011 A JP H08178011A JP 6327554 A JP6327554 A JP 6327554A JP 32755494 A JP32755494 A JP 32755494A JP H08178011 A JPH08178011 A JP H08178011A
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Japan
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flywheel
magnetic
rotary
permanent magnet
permanent magnets
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JP6327554A
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Ryoichi Takahata
良一 高畑
Hirotomo Kamiyama
拓知 上山
Kazuo Rokkaku
和夫 六角
Shoji Eguchi
正二 江口
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Koyo Seiko Co Ltd
Original Assignee
Koyo Seiko Co Ltd
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Publication date
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 アキシアル方向の負荷容量が大きく、回転損
失が小さいフライホイール装置を提供する。 【構成】 フライホイール装置は、垂直回転軸１、これ
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４軸制御型ラジアル磁気軸受３、
４、フライホイール２の下端面2aに同心状に積層され軸
方向両端に磁極を有する複数の環状回転永久磁石10、お
よびその下方のハウジング７に同心状に積層され軸方向
両端に磁極を有する複数の環状固定永久磁石11を備えて
いる。隣接する２つの回転永久磁石10の同一端の磁極が
互いに逆の極性を有し、回転永久磁石10の下端の磁極と
これに対向する固定永久磁石11の上端の磁極が互いに同
じ極性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、
ならびに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
装置において、回転軸をアキシアル方向に支持するのは
超伝導軸受だけである。超伝導軸受は、上記のように、
超伝導体に拘束された磁束のピン止め力によって回転体
をラジアル方向にもアキシアル方向にも支持できるが、
とくにアキシアル方向（重力方向）の支持力（負荷容
量）には限界があり、また、回転損失が問題になる。
【０００４】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
アキシアル方向の負荷容量が大きく、回転損失が小さい
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、上記フライホイールまたは上記回転
軸に固定された円板状の非磁性体製回転部材の下面に同
心状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の
回転永久磁石、および上記フライホイールまたは上記回
転部材の下方の固定部分に上記回転永久磁石とそれぞれ
対向するように同心状に積層され軸方向両端に磁極を有
する複数の環状の固定永久磁石を備えており、ラジアル
方向に隣接する２つの上記回転永久磁石の同一端の磁極
が互いに逆の極性を有し、上記回転永久磁石の下端の磁
極とこれに対向する上記固定永久磁石の上端の磁極が互
いに同じ極性を有するようになされていることを特徴と
するものである。
【０００６】たとえば、上記フライホイールまたは上記
回転部材の外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補
強部材が一体状に固定されている。
【０００７】
【作用】フライホイール側の回転永久磁石の下端の磁極
とこれに対向する固定部分側の固定永久磁石の上端の磁
極が互いに同じ極性を有するので、これらの磁気反発力
によって回転永久磁石が上向きに付勢され、これにより
回転軸の重量が支持されるため、アキシアル方向の負荷
容量が増大する。そして、超伝導軸受を使用せずに、永
久磁石の磁気反発力だけで回転軸をアキシアル方向に支
持するので、回転損失が小さく、また、高価な超伝導体
やその冷却装置を必要としない。したがって、省エネル
ギ化が図られ、コストも安くなる。
【０００８】フライホイールまたは回転部材の外周に環
状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固
定されている場合、補強部材により、フライホイールま
たは回転部材の遠心膨張が小さく抑えられて、フライホ
イールまたは回転部材の遠心破壊が防止される。
【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）に非接触支持する永久磁石軸受(5)
、および発電電動機(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) の下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】永久磁石軸受(5) はフライホイール(2) の
下端面(2a)とこれに対向するハウジング(7) の底壁上面
(7a)の間に設けられており、その詳細が図２に示されて
いる。
【００１４】永久磁石軸受(5) は、フライホイール(2)
の下端面(2a)に同心状に配置さ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) の底壁上面(7a)に同心状に配置された同数の環状の
固定永久磁石(11)を備えている。
【００１５】フライホイール(2) の下端面(2a)に円形の
仕切り壁(12)で仕切られた複数の環状凹みぞ(13)が同心
状に形成され、各凹みぞ(13)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。回転永久磁石(10)の
外周部分は、凹みぞ(13)の外周側の壁あるいは仕切り壁
(12)の内周部分に圧入されている。回転永久磁石(10)の
内周部分は仕切り壁(12)あるいは凹みぞ(13)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。回転永久磁石(10)は軸方向の両端に磁極を有し、
ラジアル方向に隣接する２つの回転永久磁石(10)の同一
端の磁極が互いに逆の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、内側と外側の回転永久
磁石(10)については下端側がＮ極で上端側がＳ極とな
り、中間の回転永久磁石(10)については上端側がＮ極
で、下端側がＳ極となっている。このような永久磁石磁
気回路は、回転体の浮上力が得られれば、別の磁気回路
でも差支えない。たとえば、永久磁石のラジアル方向に
磁極を配置してもよい。
【００１６】ハウジング(7) の底壁上面(7a)に、ラジア
ル方向の幅が比較的広い環状凹所(14)が形成され、この
凹所(14)内に、複数の固定永久磁石(11)と、これらの間
に挟まれた複数の非磁性体リング(15)とがはめられて固
定されている。なお、ハウジング(7) の底壁は、たとえ
ば非磁性ステンレス鋼などの非磁性体で構成されてい
る。固定永久磁石(11)も軸方向の両端に磁極を有し、ラ
ジアル方向に隣接する２つの固定永久磁石(11)の同一端
の磁極が互いに逆の極性を有し、かつ回転永久磁石(10)
の下端の磁極とこれに対向する固定永久磁石(11)の上端
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、内側と外側の固定永久
磁石(11)については上端側がＮ極で下端側がＳ極とな
り、中間の固定永久磁石(11)については下端側がＮ極
で、上端側がＳ極となっている。そして、回転永久磁石
(10)と固定永久磁石(11)の磁気反発力によって回転永久
磁石(10)が上向きに付勢され、これにより回転軸(1) の
重量が支持されて、回転軸(1) がアキシアル方向に浮上
した状態で非接触支持されるようになっている。
【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）に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。
【００１８】発電電動機(6) は、詳細な説明は省略した
が、回転軸(1) に取り付けられたロータと、その周囲の
ハウジング(7) に固定状に設けられたステータとからな
る。この電動機(6) は、電力貯蔵時には電動機として作
動して回転軸(1) を高速回転させ、電力取出し時には発
電機として作動す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(16)(17)が設けられてい
る。
【００２０】上記のフライホイール装置において、回転
軸(1) は、通常、永久磁石軸受(5)によりアキシアル方
向に非接触支持されるとともに、磁気軸受(3)(4)により
ラジアル方向に非接触支持され、このような状態で、発
電電動機(6) により高速回転させられる。そして、回転
軸(1) が高速回転している間に、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) が高速回転しているときに停電
が発生した場合、発電電動機(6) 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、発電電動機
(6) 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に送られ、電
力消費財が作動を継続する。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
(3)(4)が駆動されて回転軸(1) のラジアル方向の位置制
御が継続される。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) は磁気軸受(3)(4)および永久
磁石軸受(5) によって非接触状態に支持される。
【００２２】停電時以外でも、発電電動機(6) 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。また、フラ
イホイール(2) の環状凹みぞ(13)に回転永久磁石(10)が
１つずつ組込まれて、各回転永久磁石(10)が遠心膨張の
小さいフライホイール(2) の壁あるいは仕切り壁(12)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、回転永久磁石(10)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(10)の遠心膨
張が小さく抑えられて、回転永久磁石(10)の遠心破壊が
防止される。
【００２４】また、上記実施例では、フライホイール
(2) の下端面(2a)に環状凹みぞ(13)を形成して、そこに
回転永久磁石(10)を配置したが、図３に示すように、フ
ライホイール(2) とは別体に、円板状の非磁性体製回転
部材(20)を回転軸(1) に固定し、回転部材(20)の下端面
(20a) に複数の環状凹みぞ(13)を同心状に形成し、そこ
に複数の環状の回転永久磁石(10)を配置してもよい。回
転部材(20)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ている。こ
の場合、回転部材(20)を別体とすることで、フライホイ
ール(2) の外径を極力大きくできる一方、回転部材(20)
の外径を小さくでき、回転永久磁石(10)の遠心破壊を効
果的に防止できる。さらに、フライホイール(2) と回転
部材(20)とを軸方向に離して配置することも可能であ
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、フライホイール側の回転永久磁石と
固定部分側の固定永久磁石との磁気反発力によって回転
軸の重量が支持されるため、アキシアル方向の負荷容量
を増大させることができ、超伝導軸受では支持できない
ような重量の大きい回転軸を支持することもできる。ま
た、超伝導軸受を使用せずに、永久磁石の磁気反発力だ
けで回転軸をアキシアル方向に支持できるので、回転損
失を小さくでき、省エネルギ化を図ることができ、コス
トも安くすることができる。
【００２６】フライホイールまたは回転部材の外周に環
状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一体状に固
定されていることにより、フライホイールまたは回転部
材の遠心膨張が小さく抑えて、フライホイールまたは回
転部材の遠心破壊を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１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の永久磁石軸受の部分の拡大縦断面図であ
る。
【図３】この発明の他の実施例を示すフライホイール装
置の永久磁石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 (2a) 下端面 (3)(4) ４軸制御型ラジアル方向磁気軸受 (5) 永久磁石軸受 (7) ハウジング（固定部分） (9) 補強部材 (10) 回転永久磁石 (11) 固定永久磁石 (20) 回転部材 (20a) 下端面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江口 正二 大阪市中央区南船場三丁目５番８号 光洋 精工株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】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、上記フライホイールまたは上記回転軸
    に固定された円板状の非磁性体製回転部材の下面に同心
    状に積層され軸方向両端に磁極を有する複数の環状の回
    転永久磁石、および上記フライホイールまたは上記回転
    部材の下方の固定部分に上記回転永久磁石とそれぞれ対
    向するように同心状に積層され軸方向両端に磁極を有す
    る複数の環状の固定永久磁石を備えており、ラジアル方
    向に隣接する２つの上記回転永久磁石の同一端の磁極が
    互いに逆の極性を有し、上記回転永久磁石の下端の磁極
    とこれに対向する上記固定永久磁石の上端の磁極が互い
    に同じ極性を有するようになされていることを特徴とす
    るフライホイール装置。
  2. 【請求項２】上記フライホイールまたは上記回転部材の
    外周に環状の複合繊維強化プラスチック製補強部材が一
    体状に固定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。
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