JP2002095209A - 電力貯蔵用フライホイール装置 - Google Patents

電力貯蔵用フライホイール装置

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JP2002095209A
JP2002095209A JP2000279548A JP2000279548A JP2002095209A JP 2002095209 A JP2002095209 A JP 2002095209A JP 2000279548 A JP2000279548 A JP 2000279548A JP 2000279548 A JP2000279548 A JP 2000279548A JP 2002095209 A JP2002095209 A JP 2002095209A
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Takao Sakurai
貴夫 桜井
Yutaka Kawashima
裕 河島
Masaharu Minami
正晴 南
Masayuki Morimoto
雅之 森本
Shigeo Nagaya
重夫 長屋
Naoji Kajima
直二 鹿島
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Chubu Electric Power Co Inc
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】軸偏心、軸振動、軸剛性の問題を軽減でき、ス
ラスト荷重を補うことができる電力貯蔵用フライホイー
ル装置を提供すること。 【解決手段】軸（１）に支持された回転盤（２）を電動
機（４，５）により回転させることで電力貯蔵を行なう
電力貯蔵用フライホイール装置において、前記回転盤
（２）の前記軸（１）周囲に設けられた前記電動機の回
転子（４）と、この回転子（４）と対向し前記軸（１）
方向に所定のギャップを有するよう前記軸（１）周囲に
設けられた前記電動機の固定子（５）と、ラジアル荷重
を支持する軸受（３）と、前記回転盤（２）に設けられ
た永久磁石（７）と、前記回転盤（２）を浮上させるた
め、前記永久磁石（７）と対向し前記軸（１）方向に所
定のギャップを有するよう設けられた超電導バルク体ま
たは永久磁石（８）と、を具備。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵用フライ
ホイール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電力貯蔵の手段として、揚水式の
他、電池やＳＭＥＳによる方式などがあるが、最近で
は、機械的に電力エネルギーを貯めるフライホイール
（回転盤、以下、ＦＷ）装置が注目されている。このＦ
Ｗ装置は、電動機によりＦＷを超高速で回転させること
で電力貯蔵を行なうものであり、ＦＲＰ等の高張力材、
力の強い希土類磁石、高温超電導などの技術の向上によ
り、実用化のめどが立ってきている。
【０００３】図２は、従来の電力貯蔵用ＦＷ装置の構成
を示す側断面図である。このＦＷ装置は、回転軸１１
に、電力エネルギーを貯めるＦＷロータ１２と電力エネ
ルギーを出し入れする電動発電機のロータ１３が支持さ
れている。さらに回転軸１１の上部と下部には、回転軸
１１のラジアル方向の荷重を支える軸受１４，１４’が
設けられている。これら軸受１４，１４’は、ころがり
軸受、常電導磁気軸受、超電導軸受等からなる。
【０００４】また、電動発電機のロータ１３の周囲には
ステータ１５が備えられている。アキシャル方向の荷重
を支えるためにＦＷロータ１２の下面には、回転軸１１
周りに永久磁石１６が設けられている。さらに、永久磁
石１６と所定のギャップをもって対向するよう、回転軸
１１周りに超電導磁石１７が備えられている。
【０００５】このＦＷ装置では、超高速で回転するＦＷ
ロータ１２の貯蔵効率を上げるために、ＦＷロータ１２
を収容する容器内を真空にすることで、ＦＷロータ１２
の回転に伴う風損を減らしている。図２に示すように、
ＦＷロータ１２を設けた回転軸１１は立てて用いられる
が、軸受１４，１４’として超電導軸受を用いた場合、
超電導浮上され、機械的な摩擦損失は無く、超電導のた
め電気的損失も無い。また、常電導の磁気軸受を用いる
こともあるが、同様に機械的損失を無くすことができ
る。
【０００６】このような軸受を用いることにより、機械
的な損失が無く、貯蔵効率の良好な電力貯蔵装置を構成
することが可能になり、軸受に機械的接触がないため寿
命も長くなる。さらに、摩擦損失が無く発熱も少なくな
るため、真空中におけるＦＷロータ１２の冷却の必要性
も少なくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電力貯
蔵用ＦＷ装置に用いられる電動発電機はラジアルギャッ
プ式であるため、ＦＷロータ１２の回転軸１１の全長が
長く、高速回転時の軸振動と剛性に問題が有る。また、
回転軸１１が僅かに偏心すると、偏心方向に電動発電機
による磁気吸引力が発生し、ラジアル方向の磁気軸受の
支持力が大幅に増大する。それだけでなく、電動発電機
による磁気吸引力と磁気軸受の支持力が振動発振を誘発
するおそれがある。さらに、スラスト荷重は、全て永久
磁石１６と超電導磁石１７の磁力で支えることになり、
これらへの負担が大きくなる。
【０００８】本発明の目的は、軸偏心、軸振動、軸剛性
の問題を軽減でき、スラスト荷重を補うことができる電
力貯蔵用フライホイール装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の電力貯蔵用フライホイール装
置は以下の如く構成されている。
【００１０】（１）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は、軸に支持された回転盤を電動機により回転させ
ることで電力貯蔵を行なう電力貯蔵用フライホイール装
置において、前記回転盤の前記軸周囲に設けられた前記
電動機の回転子と、この回転子と対向し前記軸方向に所
定のギャップを有するよう前記軸周囲に設けられた前記
電動機の固定子と、ラジアル荷重を支持する軸受と、前
記回転盤に設けられた永久磁石と、前記回転盤を浮上さ
せるため、前記永久磁石と対向し前記軸方向に所定のギ
ャップを有するよう設けられた超電導バルク体または永
久磁石と、から構成されている。
【００１１】（２）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）に記載の装置であり、かつ前記固定子
はコアレス型である。
【００１２】（３）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）に記載の装置であり、かつ前記軸受は
ころがり軸受である。
【００１３】（４）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）に記載の装置であり、かつ前記ラジア
ル荷重を永久磁石と超電導磁石で支持した。
【００１４】（５）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（３）に記載の装置であり、かつスラスト荷
重を前記ころがり軸受で支持した。
【００１５】（６）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）に記載の装置であり、かつ前記軸受は
常電導磁気軸受であり、前記ラジアル荷重を前記常電導
磁気軸受で支持した。
【００１６】（７）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の装置で
あり、かつ当該フライホイール装置内部を真空に引い
た。
【００１７】（８）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の装置で
あり、かつ当該フライホイール装置内部を減圧した。
【００１８】（９）本発明の電力貯蔵用フライホイール
装置は上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の装置で
あり、かつ当該フライホイール装置内部の空気に分子量
の小さい気体を封入した。
【００１９】（１０）本発明の電力貯蔵用フライホイー
ル装置は上記（８）または（９）に記載の装置であり、
かつ当該フライホイール装置内部の気体を冷却した。
【００２０】（１１）本発明の電力貯蔵用フライホイー
ル装置は上記（１）乃至（６）及び（８）乃至（１０）
のいずれかに記載の装置であり、かつ電力貯蔵時に当該
フライホイール装置内部を真空に引き、充放電時に前記
回転盤が発熱する際、当該フライホイール装置内部に前
記回転盤を冷却する気体を入れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る電力貯蔵用ＦＷ装置の構成を示す側断面図である。こ
のＦＷ装置は、アキシャルギャップ式電動発電機を適用
している。
【００２２】このＦＷ装置は、回転軸１に、電力エネル
ギーを貯めるＦＷロータ２が支持されている。回転軸１
の上部と下部には、回転軸１のラジアル方向とアキシャ
ル方向を支える軸受３，３’が設けられている。これら
軸受３，３’は、ころがり軸受、超電導軸受、常電導磁
気軸受等からなり、ラジアル荷重を支持する。なお、Ｆ
Ｗロータ２を収容する図示しない容器内は真空の状態に
されている。
【００２３】また、ＦＷロータ２の上面部の回転軸１周
りには、電力エネルギーを出し入れする電動発電機（電
動機と発電機を兼用）のロータ（回転子）４が設けられ
ている。このロータ４の上方の回転軸１周りには、ロー
タ４と所定のギャップをもって対向するよう、電動発電
機のステータ（固定子）５が備えられている。このステ
ータ５は、鉄心を用いないコアレス巻線からなる。な
お、ロータ４とステータ５は、短絡コア６により保持さ
れている。
【００２４】ＦＷロータ２の下面には、回転軸１周りに
永久磁石７が設けられている。さらに、永久磁石７と所
定のギャップをもって対向するよう、回転軸１周りに超
電導磁石８が備えられている。そして永久磁石７と超電
導磁石８が反発することにより、ＦＷロータ２が超電導
磁石８から浮上される。これら永久磁石７と超電導磁石
８でスラスト荷重が支持される。
【００２５】このＦＷ装置では、上記電動発電機が電動
機として作用し、ロータ４が回転軸１周りを回転するの
に伴いＦＷロータ２が超高速で回転することで、電力が
貯蔵される。また、ＦＷロータ２の回転中に上記電動発
電機が発電機として作用することで、貯蔵された電力が
出力される。
【００２６】また、このＦＷ装置では、超高速で回転す
るＦＷロータ２の貯蔵効率を上げるために、ＦＷロータ
２を収容する図示しない容器内を真空にすることで、Ｆ
Ｗ装置内部を真空の状態にし、ＦＷロータ２の回転に伴
う風損を減らしている。さらに、ＦＷロータ２の回転に
伴う風損を減らし、かつＦＷロータ２の冷却効果を維持
するために、ＦＷロータ２を収容する図示しない容器内
を減圧することで、ＦＷ装置内部を減圧している。
【００２７】また、ＦＷロータ２の回転に伴う風損を減
らし、かつＦＷロータ２の冷却効果を維持するために、
ＦＷロータ２を収容する図示しない容器内すなわちＦＷ
装置内部の空気に、例えばヘリウムなどの分子量の小さ
い気体を封入してもよい。さらに、ＦＷロータ２の冷却
のために、ＦＷロータ２を収容する図示しない容器内す
なわちＦＷ装置内部の気体を図示しない冷却装置により
冷却するようにしてもよい。
【００２８】また、図示しない真空引きをする装置によ
り、電力貯蔵時に図示しない容器内すなわちＦＷ装置内
部を真空に引き、図示しない冷却装置により、充放電時
にＦＷロータ２が発熱する際、ＦＷロータ２を冷却する
ための気体を前記図示しない容器内すなわちＦＷ装置内
部に入れるよう構成してもよい。
【００２９】以上のように構成された電力貯蔵用ＦＷ装
置は、アキシャルギャップ式電動発電機を用いているた
め、ＦＷロータ２の回転軸１が偏心しても、ラジアル方
向に磁気吸引力が発生しない。このため、ラジアルギャ
ップ式電動発電機を用いた場合に比べて、ラジアル荷重
を大幅に軽減できる。また、回転軸１が偏心した場合、
電動発電機の発する磁気エネルギーの強弱関係により、
ラジアル方向への自動調心性が発生するため、ラジアル
荷重をさらに軽減できる。
【００３０】また、アキシャルギャップ式電動発電機の
なす構成により、ラジアルギャップ式電動発電機を用い
た場合に比べてＦＷロータ２の回転軸１全長を短くする
ことができるため、高速回転時の軸振動と剛性の問題を
軽減できる。
【００３１】さらに、アキシャルギャップ式電動発電機
を回転軸１の上方に位置することにより、永久磁石７と
超電導バルク体８の磁力だけで支えていたスラスト荷重
を、電動発電機による磁気吸引力で補うことができる。
場合によっては、磁気吸引力の強弱を調節することによ
り、ＦＷロータ２の超電導バルク体８からの浮上ギャッ
プ長を調整することが可能となる。超電導バルク体８
は、永久磁石であってもよい。また、スラスト荷重を、
ＦＷロータ２を浮上させる永久磁石７と超電導バルク体
８の磁力で支えるのでなく、上記ころがり軸受（軸受
３，３’）で支えるようにすることもできる。
【００３２】また、永久磁石タイプの電動発電機を使用
することにより、銅損、鉄損を低減でき、真空中におけ
るＦＷロータ２の冷却の必要性を低減できる。さらに、
電動発電機のステータ５を鉄心の無いコアレス型とする
ことにより、鉄損を低減でき、電動発電機の効率を向上
させることができる。
【００３３】上述した通常のラジアルギャップ式電動発
電機は、高速で回すと、力を発生させるギャップ部分に
遠心力がかかるため、磁石等の飛散防止の問題と電気磁
気的な最適性の問題とのトレードオフにより、最適な構
造とするための制限があった。しかしアキシャルギャッ
プ式電動発電機は、力を発生するスラスト方向のギャッ
プ面と遠心力を受けるラジアル方向の強度支え面を別々
に設計できるため、電気的機械的に最適な構造をそれぞ
れ分離して、超高速、高出力に設計することが可能とな
る。
【００３４】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施でき
る。
【００３５】
【発明の効果】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置
によれば、アキシャルギャップ式電動発電機を用いてい
るため、回転盤の軸が偏心してもラジアル方向に磁気吸
引力が発生しない。また、ラジアルギャップ式電動発電
機を用いた場合に比べて前記軸の全長を短くすることが
できるため、高速回転時の軸振動と軸剛性の問題を軽減
できる。さらに、アキシャルギャップ式電動発電機を前
記軸の上方に位置することにより、スラスト荷重を電動
発電機による磁気吸引力で補うことができる。すなわ
ち、軸偏心、軸振動、軸剛性の問題を軽減でき、スラス
ト荷重を補うことができる。
【００３６】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、電動機の固定子を鉄心の無いコアレス型とする
ことにより、鉄損を低減でき、電動発電機の効率を向上
させることができる。
【００３７】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、軸受にころがり軸受を用いることで、簡易に構
成できる。
【００３８】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、永久磁石と超電導磁石が反発することにより、
回転盤が前記超電導磁石から浮上されるため、これら永
久磁石と超電導磁石でスラスト荷重が支持される。
【００３９】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、スラスト荷重を回転盤浮上用の磁石で支持せ
ず、ころがり軸受で支持できる。
【００４０】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、ラジアル荷重を前記常電導磁気軸受で支持でき
る。
【００４１】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、当該装置内部を真空の状態にすることで、高速
で回転する回転盤の風損を減らすことができる。
【００４２】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、当該装置内部を減圧することで、回転盤の高速
回転に伴う風損を減らし、かつ前記回転盤の冷却効果を
維持することができる。
【００４３】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、当該装置内部の空気に分子量の小さい気体を封
入することで、回転盤の高速回転に伴う風損を減らし、
かつ前記回転盤の冷却効果を維持することができる。
【００４４】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、当該装置内部の気体を冷却することで、回転盤
を冷却することができる。
【００４５】本発明の電力貯蔵用フライホイール装置に
よれば、電力貯蔵時に当該装置内部を真空に引き、充放
電時に回転盤が発熱する際、当該装置内部に前記回転盤
を冷却する気体を入れることで、前記回転盤の高速回転
に伴う風損を減らし、かつ前記回転盤の冷却効果を維持
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力貯蔵用ＦＷ装置
の構成を示す側断面図。
【図２】従来例に係る電力貯蔵用ＦＷ装置の構成を示す
側断面図。
【符号の説明】
１…回転軸 ２…ＦＷロータ ３，３’…軸受 ４…ロータ ５…ステータ ６…短絡コア ７…永久磁石 ８…超電導バルク体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 7/09 Ｈ０２Ｋ 7/09 21/24 ＺＡＡ 21/24 ＺＡＡＭ ＺＡＡＧ (72)発明者 河島 裕 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 南 正晴 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 森本 雅之 愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地 三菱重工業株式会社産業機器事業部内 (72)発明者 長屋 重夫 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 鹿島 直二 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社電力技術研究所内 Ｆターム(参考） 3J102 AA01 AA09 BA03 BA19 CA02 CA09 DA02 DA03 DA09 DA22 GA09 5H605 BB05 BB20 CC03 EA07 EA19 EB10 5H607 BB01 BB08 BB13 BB25 CC01 EE42 GG08 GG23 5H621 HH01 JK08 JK15 JK18 5H622 CA01 CA05 CA10 CB06 DD06 PP03 PP19

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸に支持された回転盤を電動機により回転
    させることで電力貯蔵を行なう電力貯蔵用フライホイー
    ル装置において、 前記回転盤の前記軸周囲に設けられた前記電動機の回転
    子と、 この回転子と対向し前記軸方向に所定のギャップを有す
    るよう前記軸周囲に設けられた前記電動機の固定子と、 ラジアル荷重を支持する軸受と、 前記回転盤に設けられた永久磁石と、 前記回転盤を浮上させるため、前記永久磁石と対向し前
    記軸方向に所定のギャップを有するよう設けられた超電
    導バルク体または永久磁石と、 を具備したことを特徴とする電力貯蔵用フライホイール
    装置。
  2. 【請求項２】前記固定子はコアレス型であることを特徴
    とする請求項１に記載の電力貯蔵用フライホイール装
    置。
  3. 【請求項３】前記軸受はころがり軸受であることを特徴
    とする請求項１に記載の電力貯蔵用フライホイール装
    置。
  4. 【請求項４】前記ラジアル荷重を永久磁石と超電導磁石
    で支持したことを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵
    用フライホイール装置。
  5. 【請求項５】スラスト荷重を前記ころがり軸受で支持し
    たことを特徴とする請求項３に記載の電力貯蔵用フライ
    ホイール装置。
  6. 【請求項６】前記軸受は常電導磁気軸受であり、前記ラ
    ジアル荷重を前記常電導磁気軸受で支持したことを特徴
    とする請求項１に記載の電力貯蔵用フライホイール装
    置。
  7. 【請求項７】当該フライホイール装置内部を真空に引い
    たことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の
    電力貯蔵用フライホイール装置。
  8. 【請求項８】当該フライホイール装置内部を減圧したこ
    とを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電力
    貯蔵用フライホイール装置。
  9. 【請求項９】当該フライホイール装置内部の空気に分子
    量の小さい気体を封入したことを特徴とする請求項１乃
    至６のいずれかに記載の電力貯蔵用フライホイール装
    置。
  10. 【請求項１０】当該フライホイール装置内部の気体を冷
    却したことを特徴とする請求項８または９に記載の電力
    貯蔵用フライホイール装置。
  11. 【請求項１１】電力貯蔵時に当該フライホイール装置内
    部を真空に引き、充放電時に前記回転盤が発熱する際、
    当該フライホイール装置内部に前記回転盤を冷却する気
    体を入れることを特徴とする請求項１乃至６及び８乃至
    １０のいずれかに記載の電力貯蔵用フライホイール装
    置。
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Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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