JP2005240963A - Flywheel type energy storing device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flywheel type energy storing device capable of reducing energy loss, reducing size, mutually converting an electric energy and rotational kinetic energy to each other, and having a high practical usage value. <P>SOLUTION: This flywheel type energy storing device of outer rotor type is provided with a magnetic floating power generator/motor 16 which functions a magnetic bearing which supports a rotary body 15 having an outer rotor type flywheel 15f in the inside of a casing 10 in the radial direction with no contact, a motor, and a generator with a pair of rotor 19 and a stator 18. This floating power generator/motor includes a vertically disposed main shaft 17, a magnetic bearing support surface 15a for floating is formed at an upper surface of the rotor body 15, and a magnetic bearing pole portion 28 for floating having a permanent magnet 27 is disposed at a position facing the support surface, thus supporting the self-weight of the rotor body 15 by the magnetic force of the permanent magnet 27. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固定子に２組の相互に極数が異なる巻線を備え、その２組の巻線に極数が±２異なる電流が流れることで、回転子を固定子から空隙をおいて支持する磁気軸受機能を備えた発電・電動機に係り、特に、回転子に大きいフライホイール効果を持たせ、回転運動エネルギーとしてエネルギーを蓄積しまたは蓄積されたエネルギーを消費して、電動機または発電機として機能させ、発電・電動機の電気エネルギーと機械エネルギーとの相互変換機能を利用することによって、エネルギー蓄積装置として動作するフライホイール式蓄エネルギー装置に関する。   In the present invention, the stator is provided with two sets of windings having different numbers of poles, and currents having a number of poles of ± 2 flow through the two sets of windings, thereby separating the rotor from the stator. It relates to power generators and motors with magnetic bearing functions to support them, and in particular, as a motor or generator, the rotor has a large flywheel effect, accumulates energy as rotary kinetic energy, or consumes the accumulated energy. The present invention relates to a flywheel energy storage device that operates as an energy storage device by functioning and utilizing an interconversion function between electrical energy and mechanical energy of a generator / motor.

フライホイール式蓄エネルギー装置、即ち、フライホイール型電力貯蔵装置の原理は、発電・電動機に設けたフライホイールを高速回転させて系統電力の電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーに変換して貯蔵するもので、系統電力の瞬時停電や電圧変動などが生じたときに、その貯蔵した回転運動エネルギーを再度電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを系統電力へ供給するものである。   The principle of the flywheel energy storage device, that is, the flywheel power storage device, is that the flywheel provided in the generator / motor is rotated at a high speed to convert the electric energy of the system power into the rotational kinetic energy of the flywheel and store it. Thus, when an instantaneous power failure or voltage fluctuation occurs in the system power, the stored rotational kinetic energy is converted again into electrical energy, and the electrical energy is supplied to the system power.

しかし、フライホイールの高速運転は大きい機械損失、特に軸受損失の増大をもたらし、蓄エネルギー装置のエネルギー変換効率が下がるという問題があった。これを解決するための技術として例えば軸受の磁気軸受化が提案されている。ところが、フライホイール式蓄エネルギー装置の軸受を単純に磁気軸受化したとき、スラスト方向軸受、ラジアル方向軸受とも各２箇所の磁気軸受が必要であった。このため蓄エネルギー装置の全体構造が大きくなったり、軸方向長さが長くなったりして、大きい設置空間を必要としたり、また価格面でも高価であり問題となっていた。   However, high-speed operation of the flywheel has a problem that a large mechanical loss, particularly a bearing loss increases, and the energy conversion efficiency of the energy storage device decreases. As a technique for solving this problem, for example, a magnetic bearing has been proposed. However, when the flywheel energy storage device is simply made into a magnetic bearing, two thrust magnetic bearings and two radial bearings are required. For this reason, the entire structure of the energy storage device becomes large, the axial length becomes long, a large installation space is required, and the price is also expensive and problematic.

これらの問題を解決するため、特許文献１には、フライホイールの両端部分に上部傾斜面および下部傾斜面を形成し、これらの面に対向するフライホイールの外部の両端面側共に、磁気軸受を配置してフライホイール型電力貯蔵装置の小型化を図り、ラジアルおよびスラスト両方向同時制御により、フライホイール位置制御の簡便化を図ることが記載されている。しかし、この技術では、磁気軸受がフライホイールの両端面側の外部に設置されており、また電動機（発電機）回転子と固定子は、磁気軸受とは異なる位置に構成配置されている等のことから、小型化の効果が十分ではなく、構造的な簡便化についても十分とは言えなかった。   In order to solve these problems, Patent Document 1 discloses that an upper inclined surface and a lower inclined surface are formed at both end portions of the flywheel, and magnetic bearings are provided on both outer end surface sides of the flywheel facing these surfaces. It is described that the arrangement of the flywheel power storage device can be reduced in size and the flywheel position control can be simplified by simultaneous control in both radial and thrust directions. However, in this technique, the magnetic bearing is installed outside the both end face sides of the flywheel, and the motor (generator) rotor and the stator are configured and arranged at positions different from the magnetic bearing. Therefore, the effect of miniaturization is not sufficient, and it cannot be said that structural simplification is sufficient.

また、特許文献２には、フライホイールが回転子に固定され、固定子には極数が互いに異なる主巻線と補助巻線を備え、この両巻線に極数が異なる電流を流すことにより半径方向力を発生して回転子を非接触で支持すると共に、この回転子を回転駆動するエネルギー蓄積用フライホイール駆動システムに関する技術が開示されている。しかし、本特許文献において示される技術は多分に原理的な内容であり、この開示内容と実際にエネルギー蓄積用フライホイール駆動システムの製造に当たって必要とされる技術との間には乖離がある。   Further, in Patent Document 2, a flywheel is fixed to a rotor, and the stator includes a main winding and an auxiliary winding having different numbers of poles, and currents having different numbers of poles are passed through both windings. A technique related to an energy storage flywheel drive system that generates a radial force to support a rotor in a non-contact manner and rotationally drives the rotor is disclosed. However, the technology disclosed in this patent document is probably the principle content, and there is a difference between this disclosure content and the technology actually required in manufacturing the energy storage flywheel drive system.

また、特許文献３には、電磁回転機械における回転体の半径方向位置制御の原理が開示されており、例えば固定子周方向に配置される４極の巻線と、これと特定の関係を持って配置される回転子位置制御用の２極の巻線を備えた半径方向回転***置制御装置が示されている。しかし、本特許文献において示される技術も多分に学術的、原理的な内容であり、この開示内容と実際にフライホイール式蓄エネルギー装置の製造に当たって必要とされる技術との間には乖離がある。
特開２００２−１３０２７８号公報 特開平８−２７５４４４号公報 特許第２８３５５２２号公報 Patent Document 3 discloses the principle of radial position control of a rotating body in an electromagnetic rotating machine. For example, a four-pole winding arranged in the circumferential direction of the stator has a specific relationship therewith. 1 shows a radial rotor position control device with two pole windings for controlling the rotor position. However, the technology shown in this patent document is also a lot of academic and principle content, and there is a discrepancy between this disclosure content and the technology that is actually required in the manufacture of flywheel energy storage devices. .
JP 2002-130278 A JP-A-8-275444 Japanese Patent No. 2835522

したがって、高速運転においても軸受損失が少ないという特徴を持った磁気軸受を採用しつつ、小型化でき、適確な運転制御ができ、エネルギーロスが小さく、構造が簡単という実用性の高いフライホイール式蓄エネルギー装置が強く望まれていた。   Therefore, while adopting magnetic bearings that feature low bearing loss even at high speed operation, it is possible to reduce the size, perform accurate operation control, reduce energy loss, and have a simple structure. An energy storage device was strongly desired.

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、エネルギーロスが小さく、且つ小型化でき、電気エネルギーと回転運動エネルギーを相互に変換させる実用価値の高いフライホイール式蓄エネルギー装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a flywheel energy storage device having high practical value that can reduce the energy loss and can be miniaturized, and that converts electrical energy and rotational kinetic energy into each other. With the goal.

本発明によるフライホイール式蓄エネルギー装置では、鉛直軸を有するアウターロータ型の半径方向磁気軸受機能と発電機機能と電動機機能を一対の回転子と固定子で行う磁気浮上・発電・電動機を採用している。このため、固定子には、互いに極数が±２異なる２組の巻線を配設した。前記巻線の一方には前記磁気軸受浮上・発電・電動機が電動機として作動するときには駆動電流を供給し、発電機として作動するときには該蓄エネルギー装置の外部に供給すべき電力が誘起される。前記巻線の他方は専ら固定子と回転子間に半径方向力を発生することによる回転子の半径方向位置制御用として用いられる。このように構成することで、前記回転子および固定子自体がラジアル磁気軸受の機能を持つので、他のラジアル軸受を必要としない。このため、装置のコンパクト化が図れ、コスト低減の効果がある。   The flywheel energy storage device according to the present invention employs a magnetic levitation / generator / motor that performs a radial magnetic bearing function, a generator function, and a motor function of an outer rotor type having a vertical axis by a pair of rotor and stator. ing. For this reason, the stator is provided with two sets of windings having a number of poles different from each other by ± 2. A drive current is supplied to one of the windings when the magnetic bearing levitation / power generation / motor operates as an electric motor, and electric power to be supplied to the outside of the energy storage device is induced when operating as a generator. The other of the windings is used exclusively for controlling the radial position of the rotor by generating a radial force between the stator and the rotor. By configuring in this way, the rotor and the stator itself have the function of a radial magnetic bearing, so that no other radial bearing is required. For this reason, the apparatus can be made compact and the cost can be reduced.

また、本発明では、磁気浮上・発電・電動機の回転子の外周側にフライホイールを一体として固設した。これにより前記回転子とフライホイールとを一体化した回転体の慣性モーメントを大きくできるから、前記蓄エネルギー装置に蓄積可能なまたは放出可能なエネルギー量を増大できる。   In the present invention, the flywheel is integrally fixed on the outer peripheral side of the rotor of the magnetic levitation / power generation / motor. Thereby, since the moment of inertia of the rotating body in which the rotor and the flywheel are integrated can be increased, the amount of energy that can be stored or released in the energy storage device can be increased.

また、本発明の蓄エネルギー装置では、前記磁気浮上・発電・電動機は筐体たるケーシングに内蔵されており、回転軸は略鉛直に保持される。また、該蓄エネルギー装置において、前記回転体の上部に永久磁石型の浮上用磁気軸受を配置した。即ち、前記回転体上面に磁性材料からなる浮上用磁気軸受支持面を形成し、回転体自重を垂下支持するために必要とする支持力の大部分を、該永久磁石の磁気吸引力に依存するように構成した。このため、回転体の垂下支持に必要とされる電力を削減でき、定常運転時のエネルギーロスの低減が図れる。すなわち、本発明では、上記のように回転軸方向を鉛直方向に設定したので、浮上用磁気軸受は、軸方向に関しては回転体上端側だけに設置すれば良く、半径方向に関しては上記のように回転子自体に半径方向力が作用するから軸受は不要である。回転体の位置制御については、後述する回転体変位検出センサを用いて好適に制御できるから、必要とする磁気軸受は軸方向上端のスラスト軸受のみであるため、蓄エネルギー装置の構造の簡素化や、コンパクト化が図れ、コスト低減ができる。   In the energy storage device of the present invention, the magnetic levitation / power generation / motor is built in a casing as a casing, and the rotation shaft is held substantially vertically. In the energy storage device, a permanent magnet type levitation magnetic bearing is disposed above the rotating body. That is, a floating magnetic bearing supporting surface made of a magnetic material is formed on the upper surface of the rotating body, and most of the supporting force required to support the rotating body's own weight depending on the magnetic attraction force of the permanent magnet. It was configured as follows. For this reason, it is possible to reduce the electric power required for supporting the rotating body to be suspended, and to reduce energy loss during steady operation. That is, in the present invention, since the rotational axis direction is set to the vertical direction as described above, the levitation magnetic bearing may be installed only on the upper end side of the rotating body in the axial direction, and as described above in the radial direction. No bearing is required because radial forces act on the rotor itself. Since the position control of the rotating body can be suitably controlled using a rotating body displacement detection sensor, which will be described later, the required magnetic bearing is only the thrust bearing at the upper end in the axial direction, so the structure of the energy storage device can be simplified. Therefore, it can be made compact and the cost can be reduced.

またフライホイール式蓄エネルギー装置の運転時に、前記回転体の半径方向および軸方向位置を適切な位置に保つため、回転***置検出結果に基づく位置および姿勢制御が必要になる。さらに回転速度制御ができることが望ましい。このため本発明では、回転体の位置検出および回転速度検出用として、コイルを巻いた磁極を備えるセンサを前記固定子側の固定部および／またはケーシングに備え、前記磁極と回転体との間に構成される磁気回路の磁気抵抗がこれらの相互の距離によって変化し、そのため前記磁極に設けたコイルのインダクタンスが変化するという現象に基づき、回転体の位置検出センサおよび回転速度検出センサを構成した。なお、回転速度検出の方法としては、前記コイルを巻いた磁極に対向する回転体表面に周期的な凹凸部を形成して、この周期的な凹凸部と前記磁極との間で構成される磁気回路の磁気抵抗の変化により回転角度を検出し、この回転角度検出データに対し時間要素の微分等の処理を加えることにより回転速度を検出するようにした。   Further, during operation of the flywheel energy storage device, position and attitude control based on the result of detection of the position of the rotating body is required in order to maintain the radial and axial positions of the rotating body at appropriate positions. Further, it is desirable that the rotational speed can be controlled. For this reason, in the present invention, a sensor having a magnetic pole wound with a coil is provided in the stationary part and / or casing on the stator side for detecting the position and rotational speed of the rotating body, and between the magnetic pole and the rotating body. The position detection sensor and the rotation speed detection sensor of the rotating body are configured based on the phenomenon that the magnetoresistance of the magnetic circuit to be configured changes depending on the distance between them, and the inductance of the coil provided on the magnetic pole changes accordingly. As a method for detecting the rotational speed, a periodic uneven portion is formed on the surface of the rotating body facing the magnetic pole wound with the coil, and a magnetic element formed between the periodic uneven portion and the magnetic pole is formed. The rotation angle is detected by a change in the magnetic resistance of the circuit, and the rotation speed is detected by applying a process such as differentiation of the time element to the rotation angle detection data.

ここで、請求項１に記載の発明は、アウターロータ型フライホイール式蓄エネルギー装置であって、前記蓄エネルギー装置は外部構造体として筐体たるケーシングを備え、前記ケーシング内部にアウターロータ型フライホイールを有した磁気軸受と電動機と発電機を一組の回転子と固定子で機能させる磁気浮上・発電・電動機を備え、前記磁気浮上・発電・電動機は鉛直に配置した主軸側に前記磁気浮上・発電・電動機の固定子が配置され、該固定子の外周側に該固定子を囲むように空隙をおいて円筒形を有する回転子が配置され、該回転子は慣性によりエネルギーを蓄積するフライホイールをその外周に固設して一体型の回転体を形成している磁気浮上・発電・電動機であって、前記ケーシングと前記磁気浮上・発電・電動機とを備えるアウターロータ型フライホイール式蓄エネルギー装置において、該回転体上面に浮上用磁気軸受支持面が形成され、前記浮上用磁気軸受支持面に対向する前記ケーシングの位置に永久磁石を用いた浮上用磁気軸受磁極部が構成され、前記磁気浮上・発電・電動機は、それぞれ一つの前記回転子と前記固定子、並びに前記固定子に相互に極数が異なる主巻線と補助巻線とを備えたことを特徴とする、フライホイール式蓄エネルギー装置である。   The invention according to claim 1 is an outer rotor type flywheel energy storage device, wherein the energy storage device includes a casing as a housing as an external structure, and the outer rotor type flywheel is provided inside the casing. The magnetic levitation, power generation, and motor are provided with a magnetic bearing, an electric motor, and a generator that function as a pair of rotor and stator. A flywheel in which a stator of a generator / motor is arranged, a rotor having a cylindrical shape with a gap surrounding the stator is arranged on the outer peripheral side of the stator, and the rotor accumulates energy by inertia A magnetic levitation / power generation / motor including a casing and the magnetic levitation / power generation / motor. In the terrotor type flywheel energy storage device, a levitation magnetic bearing magnetic pole using a permanent magnet at the position of the casing opposite to the levitation magnetic bearing support surface, wherein a levitation magnetic bearing support surface is formed on the upper surface of the rotating body The magnetic levitation / power generation / motor includes a single rotor and stator, and a main winding and an auxiliary winding having different numbers of poles from each other. It is a flywheel type energy storage device.

このようにアウターロータと回転子とを一体に形成し、磁気軸受の機能を兼ねる回転体とすることにより、その分省スペースで安価であり、さらに慣性モーメントを大きくできることから、寸法の割合に蓄エネルギー容量の大きい蓄エネルギー装置とすることができる。また、該蓄エネルギー装置において、前記回転体の上部に浮上用磁気軸受を配置した。前記回転体の上側の端面には浮上用磁気軸受支持面が形成され、該蓄エネルギー装置ケーシングの前記浮上用磁気軸受支持面に対向する位置に永久磁石型磁気軸受を浮上用磁気軸受として前記回転体を垂下支持するように備えたので、軸受損失が殆ど無視できる程度に小さく、且つ回転体を永久磁石の吸引力により垂下支持するため、回転体浮上用エネルギーを原理的に必要としないので、その分エネルギーロスを抑制できる。   In this way, the outer rotor and the rotor are integrally formed to form a rotating body that also functions as a magnetic bearing, thereby saving space and cost, and increasing the moment of inertia. It can be set as the energy storage apparatus with a large energy capacity. Further, in the energy storage device, a levitation magnetic bearing is disposed on the rotating body. A floating magnetic bearing support surface is formed on the upper end surface of the rotating body, and a permanent magnet type magnetic bearing is used as the floating magnetic bearing at a position facing the floating magnetic bearing support surface of the energy storage device casing. Since the body is provided to support the body, the bearing loss is so small as to be negligible, and the rotating body is supported by the attractive force of the permanent magnet. Energy loss can be suppressed accordingly.

請求項２に記載の発明は、前記回転体は、上方側の端部において前記フライホイールの一部が該回転体の内周側に張り出すことにより、略吊鐘形状を呈することを特徴とする請求項１に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。
このようにすることで、回転子の外周側に固設されたフライホイールと一体に形成された回転体において、その上方側の端部に位置するフライホイール部分が回転体の内周側に張り出すように、即ち半径方向幅が広くなるように形成され、略吊鐘形状を呈するように形成されている。そのため前記浮上用磁気軸受を回転体上面側の好適な位置に配置できる。 The invention according to claim 2 is characterized in that the rotating body has a substantially hanging bell shape by projecting a part of the flywheel to an inner peripheral side of the rotating body at an upper end. The flywheel energy storage device according to claim 1.
In this way, in the rotating body integrally formed with the flywheel fixed on the outer peripheral side of the rotor, the flywheel portion located at the upper end of the rotating body is stretched on the inner peripheral side of the rotating body. In other words, it is formed so as to have a large width in the radial direction, and has a substantially hanging bell shape. Therefore, the levitation magnetic bearing can be arranged at a suitable position on the upper surface side of the rotor.

請求項３に記載の発明は、コイルを施した磁極を前記磁気浮上・発電・電動機固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設して構成された回転***置検出センサを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。
フライホイール式蓄エネルギー装置の運転時に、前記回転体の半径方向および軸方向位置を適切な位置に保つための姿勢制御が必要になる。本発明では、たとえば前記固定子側の固定部および／またはケーシングの回転軸方向に適切な距離だけ隔たった、軸に直角な２つの平面上における位置であって、回転体側面に対向する位置に、回転体の半径方向位置を検出するコイルを施した磁極を備える位置検出センサを配置した。また、前記固定子側の固定部および／またはケーシングの回転体端面と対向する位置に、回転体の軸方向位置を検出するコイルを巻いた磁極を備える位置検出センサを配置した。回転体と磁極との間の空隙の変化に応じて前記コイルのインダクタンスが変化するという現象に基づき、これらのセンサにより、回転体の位置や、固定子軸心方向に対する回転体軸心方向の同軸性などの姿勢が検出でき、これに基づいて制御できる。したがって専ら軸受として常用する磁気軸受が、前記回転体上方に設けたスラスト磁気軸受のみであっても、発電・電動機として、即ち蓄エネルギー装置として好適に運転できる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a rotating body position detection sensor configured such that a magnetic pole provided with a coil is disposed in the fixed part on the magnetic levitation / power generation / motor stator side and / or the casing. It is a flywheel type energy storage device according to claim 1 or 2 characterized by these.
At the time of operation of the flywheel energy storage device, posture control is required to keep the radial and axial positions of the rotating body at appropriate positions. In the present invention, for example, a position on two planes perpendicular to the axis and spaced apart from each other by a suitable distance in the direction of the rotation axis of the stator-side fixing part and / or the casing, and a position facing the side surface of the rotating body. A position detection sensor including a magnetic pole provided with a coil for detecting the radial position of the rotating body is arranged. In addition, a position detection sensor including a magnetic pole wound with a coil for detecting the axial position of the rotating body is disposed at a position facing the fixed portion on the stator side and / or the end surface of the rotating body of the casing. Based on the phenomenon that the inductance of the coil changes in accordance with the change in the gap between the rotating body and the magnetic pole, these sensors enable the position of the rotating body and the coaxiality of the rotating body axis to the stator axis direction. A posture such as sex can be detected and controlled based on this. Therefore, even if the only magnetic bearing that is normally used as a bearing is the thrust magnetic bearing provided above the rotating body, it can be suitably operated as a generator / motor, that is, as an energy storage device.

請求項４に記載の発明は、前記発電・電動機固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設したコイルを施した磁極と、該磁極に対向する前記回転体表面の位置に形成した周期的な凹凸部とを備えて構成した回転角度検出センサを備えたことを特徴とする請求項３に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fixed portion on the generator / motor stator side and / or a magnetic pole provided with a coil disposed on the casing, and a period formed at a position on the surface of the rotating body facing the magnetic pole. The flywheel energy storage device according to claim 3, further comprising a rotation angle detection sensor configured to include an uneven portion.

本発明によれば、回転角度センサを用い、該センサの信号に時間要素の微分処理をすることによって、回転速度センサとして機能させるものとした。前記回転角度センサは、前記固定子側の固定部および／またはケーシングの前記回転体と対向する位置に設けられたコイルを有する磁極と、該コイルを有する磁極に対向する回転体表面に形成された周期的な凹凸部とを備えて構成される。前記回転体の回転により前記磁極と前記周期的な凹凸部とで構成される磁気回路の磁気抵抗が変化し、前記磁極に設けたコイルのインダクタンスが変化するという現象に基づき、前記回転角度センサにより回転体の回転角度、さらには回転速度を検出できる。したがって、該回転速度信号を用いることにより前記回転体の回転速度を適切な値に制御することが可能となる。   According to the present invention, a rotational angle sensor is used, and a time element differentiation process is performed on the signal of the sensor to thereby function as a rotational speed sensor. The rotation angle sensor is formed on a magnetic pole having a coil provided at a position facing the fixed part on the stator side and / or the rotating body of the casing, and on the surface of the rotating body facing the magnetic pole having the coil. It is provided with a periodic uneven part. Based on the phenomenon that the magnetic resistance of the magnetic circuit composed of the magnetic pole and the periodic uneven portion changes due to the rotation of the rotating body, and the inductance of the coil provided on the magnetic pole changes, the rotation angle sensor The rotation angle of the rotating body and the rotation speed can be detected. Therefore, it is possible to control the rotation speed of the rotating body to an appropriate value by using the rotation speed signal.

請求項５に記載の発明は、前記回転***置検出センサおよび／または前記回転角度検出センサの磁極配置形態についてのものであり、前記固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設したコイルを施した磁極同士が互いに接触しないように、該磁極位置を周方向にずらせながら軸方向に積層した配置形態であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。
本発明においては、前記回転***置検出センサおよび／または回転角度検出センサのコイルを備えた磁極の配置方法を、該コイルを備えた磁極を軸心方向に隣接して積層する場合、回転体の回転方向即ち周方向にずらしながら積層する、たとえば前記磁極を千鳥状にずらしながら積層することによって、前記コイルまたは磁極同士が互いに接触することを避けることができるから、軸方向に隣接して積層することが可能になり、回転体の軸方向寸法の短縮、ひいてはフライホイール式蓄エネルギー装置のコンパクト化を実現できる。 A fifth aspect of the present invention relates to a magnetic pole arrangement form of the rotating body position detection sensor and / or the rotation angle detection sensor, and a coil disposed in the fixing portion on the stator side and / or the casing. 5. The flywheel energy storage according to claim 3, wherein the magnetic poles having been subjected to the above are arranged in the axial direction while shifting the magnetic pole positions in the circumferential direction so that the magnetic poles are not in contact with each other. Device.
In the present invention, when the magnetic poles having the coils of the rotating body position detection sensor and / or the rotation angle detection sensor are stacked adjacent to each other in the axial direction, Laminating while shifting in the rotational direction, that is, circumferential direction, for example, by laminating while shifting the magnetic poles in a zigzag manner, it is possible to avoid the coils or magnetic poles from contacting each other. Therefore, the axial dimension of the rotating body can be shortened, and the flywheel energy storage device can be made compact.

請求項６に記載の発明は、前記回転体の回転角度を検出するセンサは、前記発電・電動機固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設したコイルを巻いた磁極と、該磁極に対向する前記回転体表面の位置に形成した周期的な凹凸部とを備えて構成した回転角度検出センサであって、前記磁極の前記回転体回転方向の幅は、前記周期的な凹凸部の回転方向の幅の３５％以上６５％以下であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。
本発明によれば、回転角度検出センサにおいて、前記発電・電動機固定子におよび／または前記ケーシングに配設したコイルを巻いた磁極の前記回転体周方向即ち回転方向の幅が、前記回転体表面に形成した周期的な凹凸部の幅の略１／２の場合に前記コイルのインダクタンスの変動量が適当となるため、この構成方法を採ることにより感度の良好なセンサを実現できる。したがってフライホイール式蓄エネルギー装置において、一層正確な回転角度が検出できるので、適確な回転速度制御を実現できる。 According to a sixth aspect of the present invention, a sensor for detecting a rotation angle of the rotating body includes a magnetic pole wound with a coil disposed on the stationary portion on the generator / motor stator side and / or the casing, and the magnetic pole. A rotation angle detection sensor configured to include a periodic concavo-convex portion formed at a position on the surface of the rotating body facing the rotation angle width of the magnetic pole in the rotation direction of the rotator. 6. The flywheel energy storage device according to claim 4, wherein the flywheel energy storage device is 35% or more and 65% or less of a width in a direction.
According to the present invention, in the rotation angle detection sensor, the width of the rotating body in the circumferential direction, i.e., the rotating direction, of the magnetic pole wound with the coil disposed on the generator / motor stator and / or the casing is the surface of the rotating body. Since the amount of variation in the inductance of the coil is appropriate when the width of the periodic uneven portion formed in the above is approximately ½, a sensor with good sensitivity can be realized by adopting this configuration method. Therefore, since a more accurate rotation angle can be detected in the flywheel energy storage device, it is possible to realize accurate rotation speed control.

請求項７に記載の発明は、フライホイール式蓄エネルギー装置において、該装置の筐体たるケーシングを相互に積み重ねることができるようにユニット構成し、該装置を複数ユニット積み重ねて成ることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載のフライホイール式蓄エネルギー装置である。
本発明によれば、例えば同一のフライホイール式蓄エネルギー装置からなる単位のユニットを、複数ユニット（ここでユニットとは、本出願における一台の蓄エネルギー装置を示す）使用し、それらを積み重ねて設置することにより、平面スペースを増加することなく、必要とする蓄エネルギー量に相当するユニット数量だけ任意に用いることができる。したがって、蓄エネルギー装置利用者の利便性を向上できる。また、蓄エネルギー装置製造者にとっては、該装置の個々の利用者毎の装置設計をする必要が無くなり、モデルの種類を少数に抑えることができるので製造上の利便性を向上できる。 The invention according to claim 7 is a flywheel energy storage device, wherein a unit structure is formed so that casings of the device can be stacked on each other, and a plurality of the devices are stacked. A flywheel energy storage device according to any one of claims 1 to 6.
According to the present invention, for example, a unit of units composed of the same flywheel-type energy storage device is used, and a plurality of units (here, the unit indicates one energy storage device in the present application) are used and stacked. By installing, the unit quantity corresponding to the required energy storage amount can be arbitrarily used without increasing the plane space. Therefore, the convenience of the energy storage device user can be improved. In addition, for the energy storage device manufacturer, it is not necessary to design the device for each individual user of the device, and the number of types of models can be suppressed to a small number, so that convenience in manufacturing can be improved.

総じて本発明によれば、高速運転においても軸受損失が殆どないという特徴を持った非接触支持の磁気軸受を採用しつつ、小型化でき、構造が簡素化でき、コスト低減を図れる上、適確な制御ができ、エネルギー損失が小さいという実用価値の高いフライホイール式蓄エネルギー装置を実現できる。特に、鉛直軸まわりに配置されたフライホイールを含む回転体の自重を浮上用磁気軸受の永久磁石の磁気力により支持でき、半径方向には磁気浮上・発電・電動機の半径方向位置制御のためのエネルギー消費のみであるので、高速回転体の非接触支持（軸受）のためのエネルギーを殆ど要さないという特徴がある。   In general, according to the present invention, it is possible to reduce the size, simplify the structure, reduce the cost, and improve the accuracy while adopting the non-contact support magnetic bearing having the feature that there is almost no bearing loss even at high speed operation. It is possible to realize a flywheel energy storage device with high practical value that can be controlled smoothly and energy loss is small. In particular, the weight of a rotating body including a flywheel arranged around the vertical axis can be supported by the magnetic force of the permanent magnet of the magnetic bearing for levitation, and the radial direction is used for radial position control of magnetic levitation, power generation, and motor. Since it is only energy consumption, there is a feature that almost no energy is required for non-contact support (bearing) of the high-speed rotating body.

本発明の実施の形態について、以下、添付図面を用いて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the member or element which has the same effect | action or function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図１は、本発明によるフライホイール式蓄エネルギー装置の第一の実施形態を示す。
装置は外部構造体として筐体たるケーシング１０を備え、そのケーシング１０は、上板１１、下板１２、側環１３より成る。そのケーシング内部にアウターロータ型フライホイール１５ｆを有する回転体１５が、磁気浮上・発電・電動機１６により半径方向に非接触支持されるとともに、回転駆動され、発電・電動機として動作する。主軸１７は固定軸として鉛直に配置され、主軸１７のまわりに固定子１８が配設されている。固定子１８の周囲には空隙を隔てて回転子１９が配置され、回転子１９の外周にはフライホイール１５ｆを固設することで、一体型の回転体１５を形成し、慣性モーメントを増大している。中心の主軸（固定軸）１７には、非常時に回転体を軸方向および半径方向に接触支持する非常用軸受即ちタッチダウン軸受２０，２１が配置されている。 FIG. 1 shows a first embodiment of a flywheel energy storage device according to the present invention.
The apparatus includes a casing 10 as a housing as an external structure, and the casing 10 includes an upper plate 11, a lower plate 12, and a side ring 13. A rotating body 15 having an outer rotor type flywheel 15f inside the casing is supported in a non-contact manner in the radial direction by the magnetic levitation / power generation / motor 16 and is rotationally driven to operate as a power generation / motor. The main shaft 17 is disposed vertically as a fixed shaft, and a stator 18 is disposed around the main shaft 17. A rotor 19 is disposed around the stator 18 with a gap between them, and a flywheel 15f is fixed to the outer periphery of the rotor 19 to form an integral rotor 15 and increase the moment of inertia. ing. The central main shaft (fixed shaft) 17 is provided with emergency bearings, that is, touchdown bearings 20 and 21 for supporting the rotating body in the axial direction and the radial direction in an emergency.

回転体半径方向変位検出センサ２２，２３が、回転体側面の回転軸方向での両端側近傍に対向するケーシング（側環）１３に設けられている。回転体半径方向変位検出センサ２２，２３は回転体１５の重心を挟んで回転体の軸方向に2箇所配設され、それぞれ回転体の半径方向に対して直交2軸方向の回転体の変位を検出し、これらの変位検出信号から、回転体１５の重心の半径方向位置と回転体１５の重心周りの傾きを演算し、回転体１５の位置信号を生成する（図示せず）。回転体軸方向変位検出センサ２４は、回転体１５の下部端面に対向するケーシング（下板）１２に設けられている。この回転体軸方向変位検出センサ２４の検出出力と、該回転***置信号から回転体の軸方向位置を検出する。または、複数の回転体軸方向変位センサを配設して（図示せず）、それらの検出信号を演算して回転体の軸方向位置を検出しても同様の効果が得られる。また、回転体回転角度検出センサ２５が回転体１５の下部端面に対向するケーシング（下板）１２に設けられている。   The rotating body radial direction displacement detection sensors 22 and 23 are provided in a casing (side ring) 13 facing the vicinity of both end sides in the rotation axis direction of the side surface of the rotating body. The rotating body radial direction displacement detection sensors 22 and 23 are arranged at two positions in the axial direction of the rotating body with the center of gravity of the rotating body 15 interposed therebetween, and the displacements of the rotating body in the biaxial directions perpendicular to the radial direction of the rotating body are respectively detected. Then, from these displacement detection signals, the radial position of the center of gravity of the rotating body 15 and the inclination around the center of gravity of the rotating body 15 are calculated to generate a position signal of the rotating body 15 (not shown). The rotating body axial direction displacement detection sensor 24 is provided on the casing (lower plate) 12 facing the lower end surface of the rotating body 15. The axial position of the rotating body is detected from the detection output of the rotating body axial direction displacement detection sensor 24 and the rotating body position signal. Alternatively, the same effect can be obtained by arranging a plurality of rotating body axial displacement sensors (not shown) and calculating their detection signals to detect the axial position of the rotating body. A rotating body rotation angle detection sensor 25 is provided on the casing (lower plate) 12 facing the lower end surface of the rotating body 15.

図２は、回転体１５とこれらのセンサ２２，２３，２４，２５の配置を示す図である。ここで、回転体半径方向変位検出センサ２２ｘ，２３ｘは、半径方向（ｘ方向）変位を検出し、回転体半径方向変位検出センサ２２ｙ，２３ｙは、半径方向（ｙ方向）変位を検出する。なお、固定子やケーシングおよびセンサその他から成る固定部から、回転体を隔壁により隔絶して、回転体周囲の雰囲気を準真空状態とするか、または、ヘリウムなどの分子量が小さい不活性ガスを充填することにより、回転体の回転運動に伴う摩擦損失を低減できる。   FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of the rotator 15 and these sensors 22, 23, 24, 25. Here, the rotating body radial direction displacement detection sensors 22x and 23x detect a radial direction (x direction) displacement, and the rotating body radial direction displacement detection sensors 22y and 23y detect a radial direction (y direction) displacement. In addition, the rotating body is isolated from the fixed part consisting of the stator, casing, sensor, etc. by a partition, and the atmosphere around the rotating body is put in a quasi-vacuum state or filled with an inert gas having a low molecular weight such as helium. By doing so, the friction loss accompanying the rotational motion of a rotary body can be reduced.

回転体１５の上面には磁性材料からなる浮上用磁気軸受支持面（被吸引面）１５ａが形成され、その浮上用磁気軸受支持面１５ａに対向するケーシング上板１１に永久磁石２７を用いた磁極２８が配置され、また、磁極２８には浮上磁極制御巻線２９が配置され、浮上用磁気軸受が構成される。浮上用磁気軸受は、この実施形態においては、４カ所に設けられている（図４参照）。回転体１５の自重は、基本的に前記浮上用磁気軸受の永久磁石２７の吸引力によって支持されるので、回転体の垂下支持のための電力は原理的に不要となり省エネルギー化が実現できる。そして、浮上制御用コイル２９に供給する電流を制御することで、回転体１５の軸方向浮上位置制御を行うことができる。   A floating magnetic bearing support surface (surface to be attracted) 15a made of a magnetic material is formed on the upper surface of the rotating body 15, and a magnetic pole using a permanent magnet 27 on the casing upper plate 11 facing the floating magnetic bearing support surface 15a. 28 and a levitation magnetic pole control winding 29 is arranged on the magnetic pole 28 to constitute a levitation magnetic bearing. In this embodiment, the levitation magnetic bearing is provided at four locations (see FIG. 4). Since the weight of the rotating body 15 is basically supported by the attractive force of the permanent magnet 27 of the levitation magnetic bearing, no electric power for drooping support of the rotating body is required in principle, and energy saving can be realized. Then, by controlling the current supplied to the levitation control coil 29, the axial levitation position control of the rotating body 15 can be performed.

磁気浮上・発電・電動機の固定子１８には、駆動巻線と発電巻線とを兼ねる２極の主巻線および制御巻線たる４極の補助巻線を備え、それぞれの引出線を、固定軸（主軸）１７内部を通して取り出している。前記２種類の巻線を備え、同一周波数の交流電流を供給することで、回転子および固定子自体をラジアル磁気軸受として作用させることができるので、常用する別途のラジアル軸受は必要としない。よって、このことからもコンパクト化や低コスト化が可能となる。   The stator 18 of the magnetic levitation / power generation / motor is equipped with a 2-pole main winding that doubles as a drive winding and a power-generation winding and a 4-pole auxiliary winding as a control winding. It is taken out through the shaft (main shaft) 17. By providing the two types of windings and supplying an alternating current of the same frequency, the rotor and the stator itself can act as a radial magnetic bearing, so that a separate radial bearing for regular use is not required. Therefore, this also makes it possible to reduce the size and cost.

主巻線には、エネルギー蓄積運転時には電動機として作動させるための駆動電流を通電し、エネルギー放出運転時には発電機として作動させた結果の電力が誘起される。固定子に設けた補助巻線は、エネルギー蓄積および放出運転時共に、回転体半径方向位置制御のための、制御電流を通電する。回転体浮上用としての浮上用磁気軸受は、回転体半径方向および軸方向位置検出センサの信号により回転体の軸方向の位置制御を行う。また固定子に設けた補助巻線と協動し、回転体の姿勢制御、即ち回転体軸心の固定軸心に対する傾きの修正を行う。上記のように構成したので、装置全体としてのコンパクト化や低コスト化が可能となる。   The main winding is energized with a drive current for operating as an electric motor during energy storage operation, and induced as a result of operating as a generator during energy release operation. The auxiliary winding provided in the stator energizes a control current for controlling the radial position of the rotating body during both energy storage and discharge operations. The levitation magnetic bearing for levitation of the rotator performs position control in the axial direction of the rotator based on signals from the rotator radial direction and the axial position detection sensor. Further, in cooperation with the auxiliary winding provided on the stator, the posture of the rotating body is controlled, that is, the inclination of the rotating body axis with respect to the fixed axis is corrected. Since it comprised as mentioned above, the miniaturization and cost reduction as the whole apparatus are attained.

図３は、本発明において回転子１９を固定子１８から半径方向に位置制御するための制御系構成例を示す。回転体１５の回転子１９と固定子１８相互間に半径方向力を発生させ、回転体１５を半径方向に浮上位置制御することにより、固定子１８の外周と回転子１９の内周との間の半径方向空隙を確保する。固定子１８に設けた主巻線１８ａに電動機としてトルクを発生するために与える電流、または発電によって発生する主巻線１８ａからの電流を、主巻線１８ａと双方向インバータ３１の間に設けた電流検出器３２により検出する。同時に、回転角度センサ（図示せず）の信号から回転体１５の回転角度を演算する。これら測定した電流、回転角度信号、回転体半径方向変位検出センサ（図示せず）の信号から、回転子１９と固定子１８の距離を適正に保つように固定子に設けられた補助巻線１８ｂに、コントローラ３３で調節された電流を流す。主巻線１８ａには、磁気浮上・発電・電動機が、電動機として機能するときには、双方向インバータ３１により駆動電流が与えられる。発電機として機能するときには、主巻線１８ａに発生する電圧を双方向インバータ３１により整流して、再び交流電力に逆変換して、コントローラ（制御盤）３３から外部の系統に電力を送出する。上記の機能があるので、常用するラジアル軸受は必要としない。   FIG. 3 shows a control system configuration example for controlling the position of the rotor 19 in the radial direction from the stator 18 in the present invention. By generating a radial force between the rotor 19 and the stator 18 of the rotor 15 and controlling the position of the rotor 15 in the radial direction, the space between the outer periphery of the stator 18 and the inner periphery of the rotor 19 is increased. To secure a radial gap of. A current applied to the main winding 18a provided on the stator 18 to generate torque as a motor or a current from the main winding 18a generated by power generation is provided between the main winding 18a and the bidirectional inverter 31. Detection is performed by the current detector 32. At the same time, the rotation angle of the rotating body 15 is calculated from a signal from a rotation angle sensor (not shown). From the measured current, rotation angle signal, and signal from a rotating body radial direction displacement detection sensor (not shown), an auxiliary winding 18b provided on the stator so as to keep the distance between the rotor 19 and the stator 18 appropriate. Then, the current adjusted by the controller 33 is supplied. When the magnetic levitation / power generation / motor functions as a motor, a driving current is applied to the main winding 18a by the bidirectional inverter 31. When functioning as a generator, the voltage generated in the main winding 18 a is rectified by the bidirectional inverter 31, converted back to AC power again, and sent from the controller (control panel) 33 to an external system. Because of the above functions, a commonly used radial bearing is not required.

図４（ａ）は、本発明において回転体を鉛直方向に浮上支持するための浮上用磁気軸受の上面および制御系の構成例を示し、図４（ｂ）は、浮上用磁気軸受の縦断面の要部構成例を示す。浮上用磁極２８と浮上磁極制御巻線２９と永久磁石２７とで構成される浮上用磁気軸受は、インバータ３５，３５およびコントローラ３３を備えて構成される。浮上用磁気軸受は、回転体をその自重に抗して鉛直方向に浮上支持するためと、回転体の鉛直方向位置制御および姿勢制御のために設けられている。図４（ｂ）に示す浮上用磁気軸受部は、この浮上用磁気軸受部分の縦断面構成例を示したもので、永久磁石２７およびコイル２９の電流から発生する磁束φは、浮上用磁極２８と、回転体１５上面の磁性材料からなる浮上用磁気軸受支持面１５ａとで構成される磁路を流れ、回転体１５に軸方向の磁気吸引力を作用させる。   FIG. 4A shows an example of the configuration of the upper surface of the magnetic bearing for levitation and the control system for levitating and supporting the rotating body in the vertical direction in the present invention, and FIG. 4B shows a longitudinal section of the magnetic bearing for levitation. The example of a principal part structure is shown. The levitation magnetic bearing including the levitation magnetic pole 28, the levitation magnetic pole control winding 29, and the permanent magnet 27 includes inverters 35 and 35 and a controller 33. The levitation magnetic bearing is provided for levitation support of the rotating body in the vertical direction against its own weight, and for vertical position control and attitude control of the rotator. The levitation magnetic bearing portion shown in FIG. 4B shows an example of a vertical cross-sectional configuration of the levitation magnetic bearing portion. The magnetic flux φ generated from the current of the permanent magnet 27 and the coil 29 is generated by the levitation magnetic pole 28. And a magnetic path composed of the magnetic bearing support surface 15 a made of a magnetic material on the upper surface of the rotating body 15, and an axial magnetic attractive force is applied to the rotating body 15.

この浮上用磁気軸受を図４（ａ）のごとく回転体１５の上面に対向して４等配に配置し、各浮上用磁気軸受の回転体に及ぼす磁気力を、回転体半径方向変位検出センサ２２，２３および回転体軸方向位置検出センサ２４の信号より、回転体１５の軸方向位置および傾きを演算し（図示せず）、コントローラ３３、インバータ３５で調節された電流を、浮上制御コイル２９に与えることにより、回転体１５の軸方向位置および回転軸心に対する傾き角度を制御する。図示の例では、磁気回路の一部に永久磁石２７を使用して回転体１５を吸引支持しているので、浮上磁極制御巻線２９に流すべき電流は回転体１５の浮上位置および姿勢制御用のみであり、回転体１５の自重支持のためのエネルギーは原理的に不要であるから、省エネルギー型のシステムとなっている。なお、図４（ｃ）は、浮上用磁気軸受の外観構成例を示す。   As shown in FIG. 4A, the levitation magnetic bearings are arranged in four equal positions so as to face the upper surface of the rotator 15, and the magnetic force exerted on the rotator of each levitation magnetic bearing is detected by a rotator radial displacement detection sensor. The axial position and inclination of the rotator 15 are calculated from signals of the rotators 22 and 23 and the rotator axial position detection sensor 24 (not shown), and the current adjusted by the controller 33 and the inverter 35 is supplied to the levitation control coil 29. To control the axial position of the rotating body 15 and the tilt angle with respect to the rotational axis. In the illustrated example, since the rotating body 15 is attracted and supported by using a permanent magnet 27 as a part of the magnetic circuit, the current to be supplied to the floating magnetic pole control winding 29 is used for controlling the floating position and posture of the rotating body 15. However, since energy for supporting the rotating body 15 by its own weight is unnecessary in principle, it is an energy-saving system. FIG. 4C shows an external configuration example of the levitation magnetic bearing.

図５は、本発明によるフライホイール式蓄エネルギー装置の第二の実施形態を示す。この実施形態では、回転体半径方向変位検出センサ４１、回転体軸方向変位検出センサ４２共に、回転体１５の内周側に設置され、各センサの固定部は、固定子１８と同軸状に設置されている例である。また同様に回転角度検出センサ４３も回転体１９の内周側に設置されており、同センサの固定部は同じく固定子１８と同軸状に設置されている。この実施形態においても、回転体１５の磁気軸受支持面１５ａの上部に浮上用磁気軸受を構成する磁極２８、永久磁石２７、コイル２９等が配置され、磁気回路が構成されている。   FIG. 5 shows a second embodiment of a flywheel energy storage device according to the present invention. In this embodiment, both the rotating body radial direction displacement detection sensor 41 and the rotating body axial direction displacement detection sensor 42 are installed on the inner peripheral side of the rotating body 15, and the fixing portion of each sensor is installed coaxially with the stator 18. This is an example. Similarly, the rotation angle detection sensor 43 is also installed on the inner peripheral side of the rotating body 19, and the fixing portion of the sensor is also installed coaxially with the stator 18. Also in this embodiment, the magnetic pole 28, the permanent magnet 27, the coil 29, and the like constituting the levitation magnetic bearing are arranged on the magnetic bearing support surface 15a of the rotating body 15 to constitute a magnetic circuit.

回転体１５上方の固定軸１７上端部およびケーシングである上板１１に、それぞれ、ラジアル軸受とスラスト軸受を兼用する軸受であって、非常時に回転体を軸方向および半径方向に接触支持する非常用軸受、即ちタッチダウン軸受４５、４６を配設している。また、回転体上面および下面の外周部に対向するケーシング上板と下板に回転体が大きく傾いた際に働く非常用軸受、即ちタッチダウン軸受４７，４８を配置している。回転体１５が上方側端部において、フライホイール１５ｆの一部が回転体１５の内周側に張り出すことにより、その断面が略吊鐘形状を呈している。このため、回転体１５の上部に設置する浮上用磁気軸受の取付位置の選択自由度が広がり、より好適な位置に設置できる。本図に示す構成によれば、回転体１５を内包する空間を比較的単純な構造の隔壁を用いて、比較的簡単に大気下にある空間から隔絶できる。よって、回転体周囲の雰囲気を準真空状態とするか、または、ヘリウムなどの分子量が小さい不活性ガスを充填することにより、回転体の回転運動に伴う摩擦損失の低減を安価な構成で実現できる。   The upper end of the fixed shaft 17 above the rotating body 15 and the upper plate 11 that is a casing are respectively bearings that serve as both radial bearings and thrust bearings, and are used for emergency contact that support the rotating body in the axial direction and the radial direction in an emergency. Bearings, that is, touchdown bearings 45 and 46 are provided. Further, emergency bearings, that is, touch-down bearings 47 and 48 that are operated when the rotating body is largely inclined are arranged on the casing upper plate and the lower plate facing the outer peripheral portions of the upper and lower surfaces of the rotating body. A part of the flywheel 15f projects to the inner peripheral side of the rotating body 15 at the upper end portion of the rotating body 15, so that the cross section has a substantially hanging bell shape. For this reason, the freedom degree of selection of the attachment position of the magnetic bearing for levitation | floating installed in the upper part of the rotary body 15 spreads, and it can install in a more suitable position. According to the configuration shown in this figure, the space containing the rotating body 15 can be isolated from the space under the atmosphere relatively easily by using the partition wall having a relatively simple structure. Therefore, by reducing the atmosphere around the rotating body to a quasi-vacuum state or filling an inert gas having a low molecular weight such as helium, it is possible to reduce friction loss associated with the rotating motion of the rotating body with an inexpensive configuration. .

図６は、本発明によるセンサ磁極の配置例であって、回転体半径方向変位検出センサ４１、回転体軸方向変位検出センサ４２、および回転体回転角度検出センサ４３の各磁極を、相互に接触せず、しかも軸方向にできるだけ短い寸法で積層する方法を示すものである。図６（ａ）は、回転体半径方向変位検出センサ４１を４個各９０°毎に配置した例を示し、図６（ｂ）は、回転体軸方向変位検出センサ４２を同様に４個各９０°毎に配置した例を示し、回転体半径方向変位検出センサ４１と回転体軸方向変位検出センサ４２とでは４５°の位相差（ずれ）がある。図６（ｃ）は、回転体回転角度検出センサ４３を４個各９０°毎に配置した例を示し、回転体半径方向変位検出センサ４１に対して角度のずれは存在しない。   FIG. 6 shows an example of the arrangement of sensor magnetic poles according to the present invention. The magnetic poles of the rotating body radial direction displacement detection sensor 41, the rotating body axial direction displacement detection sensor 42, and the rotating body rotation angle detection sensor 43 are brought into contact with each other. In addition, a method of laminating with a dimension as short as possible in the axial direction is shown. 6A shows an example in which four rotary body radial direction displacement detection sensors 41 are arranged every 90 °, and FIG. 6B shows four rotary body axial direction displacement detection sensors 42 in a similar manner. An example of arrangement at every 90 ° is shown, and there is a phase difference (shift) of 45 ° between the rotating body radial direction displacement detection sensor 41 and the rotating body axial direction displacement detection sensor 42. FIG. 6C shows an example in which four rotating body rotation angle detection sensors 43 are arranged every 90 °, and there is no angular deviation with respect to the rotating body radial direction displacement detection sensor 41.

図６（ｄ）は、図６（ａ）の回転体半径方向変位検出センサ４１と、図６（ｂ）の回転体軸方向変位検出センサ４２とを４５°ずらせて同軸に積層した例であり、側面から見ると千鳥型配置となっている。図６（ｅ）は更に回転角度検出センサ磁極４３ａを略４５°ずらして配置したものである。図６（ｆ）は、この状態をセンサ磁極外周面から見て展開した図である。なお、図６（ｇ）は、検出磁極をずらせて配置しない場合の同様の展開図であり、図６（ｆ）と比較した場合の配置状態を示すものである。この図から明らかなように、本発明によるセンサコイルを備えた磁極をずらせて積層する構成により、集合した検出磁極の軸方向長さ（高さ）が減少することがわかる。センサコイル等が相互に接触しなければ、磁極をずらす角度は勿論４５°に限る必要はない。   FIG. 6D is an example in which the rotating body radial direction displacement detection sensor 41 of FIG. 6A and the rotating body axial direction displacement detection sensor 42 of FIG. From the side, it has a staggered arrangement. FIG. 6E shows the rotation angle detection sensor magnetic pole 43a further shifted by approximately 45 °. FIG. 6F is a developed view of this state as seen from the outer surface of the sensor magnetic pole. FIG. 6G is a similar development in the case where the detection magnetic poles are not displaced and shows an arrangement state in comparison with FIG. 6F. As can be seen from this figure, the axial length (height) of the assembled detection magnetic poles is reduced by the configuration in which the magnetic poles provided with the sensor coils according to the present invention are shifted and stacked. If the sensor coils are not in contact with each other, the angle for shifting the magnetic poles need not be limited to 45 °.

図７は、本実施形態による、回転角度検出センサを示す。回転角度検出センサ４３は、回転角度検出用のセンサ磁極４３ａ、センサコイル４３ｂおよびセンサターゲット４３ｃを備える。前者４３ａ，４３ｂは固定側に、後者４３ｃは回転体側に設ける。回転角度検出用のセンサターゲット４３ｃとは、固定軸側またはケーシング側に設置された検出磁極４３ａに対向する回転体１５の表面に形成した周期的な凹凸部である。   FIG. 7 shows a rotation angle detection sensor according to this embodiment. The rotation angle detection sensor 43 includes a sensor magnetic pole 43a for detecting a rotation angle, a sensor coil 43b, and a sensor target 43c. The former 43a and 43b are provided on the fixed side, and the latter 43c is provided on the rotating body side. The sensor target 43c for detecting the rotation angle is a periodic uneven portion formed on the surface of the rotating body 15 facing the detection magnetic pole 43a installed on the fixed shaft side or the casing side.

図８（ａ）（ｂ）は、回転体１５表面に形成したセンサターゲット４３ｃの周期的凹凸の幅と回転検出磁極４３ａの幅の関係を示す。回転体１５の表面に形成するセンサターゲット４３ｃの凹部と凸部の幅寸法は同一である。センサ磁極４３ａとセンサターゲット４３ｃで構成される磁気回路の磁気抵抗が変化し、センサ磁極４３ａに設置したセンサコイル４３ｂのインダクタンスが変化するという現象を利用して、センサターゲット４３ｃの凹凸を時間的変化から検出する。図８（ａ）は、センサ磁極幅Ｗｓとセンサターゲットの凹凸幅Ｗｆとが略等しい。これに対して、図８（ｂ）は、センサ磁極幅Ｗｓがセンサターゲットの凹凸幅Ｗｆに対して狭くなっていて、略１／２の関係にある。   8A and 8B show the relationship between the width of the periodic unevenness of the sensor target 43c formed on the surface of the rotating body 15 and the width of the rotation detection magnetic pole 43a. The width dimension of the concave and convex portions of the sensor target 43c formed on the surface of the rotating body 15 is the same. By utilizing the phenomenon that the magnetic resistance of the magnetic circuit composed of the sensor magnetic pole 43a and the sensor target 43c changes and the inductance of the sensor coil 43b installed on the sensor magnetic pole 43a changes, the unevenness of the sensor target 43c changes with time. Detect from. In FIG. 8A, the sensor magnetic pole width Ws and the uneven width Wf of the sensor target are substantially equal. On the other hand, in FIG. 8B, the sensor magnetic pole width Ws is narrower than the concave / convex width Wf of the sensor target, and has a relationship of approximately ½.

図８（ｃ）は、（ａ）（ｂ）に対する、検出コイルのインダクタンスの変化傾向を示す。センサ磁極の幅Ｗｓが広い（ａ）の場合はインダクタンスの変化量が小さく、センサ磁極の幅Ｗｓが狭い（ｂ）の場合はインダクタンスの変化量が大きいことが分かる。インダクタンスの変動量が大きいほど検出感度がよく、この回転角度センサにより安定した回転速度検出が可能となる。したがって、センサ磁極４３ａの回転体回転方向の幅Ｗｓは、回転体１５の表面に形成した周期的凹凸（センサターゲット）４３ｃの幅Ｗｆの３５％以上、６５％以下が好ましく、５０％が最も好ましい。また、センサ磁極の形状とコイルの形態は図８（ｄ）のように構成しても同様の効果が得られる。   FIG. 8C shows a change tendency of the inductance of the detection coil with respect to (a) and (b). When the width Ws of the sensor magnetic pole is wide (a), the amount of change in inductance is small, and when the width Ws of the sensor magnetic pole is narrow (b), the amount of change in inductance is large. The greater the amount of inductance variation, the better the detection sensitivity, and this rotational angle sensor enables stable rotational speed detection. Therefore, the width Ws of the rotating direction of the rotating body of the sensor magnetic pole 43a is preferably 35% or more and 65% or less, and most preferably 50% of the width Wf of the periodic unevenness (sensor target) 43c formed on the surface of the rotating body 15. . The same effect can be obtained even if the shape of the sensor magnetic pole and the form of the coil are configured as shown in FIG.

更に、センサ磁極、センサターゲットの構成は本実施形態で示した図７のように内周部をセンサ磁極、外周部をセンサターゲットで構成することに限らず、外周部をセンサ磁極、内周部をセンサターゲットとしても同様の機能が得られる。   Further, the configuration of the sensor magnetic pole and the sensor target is not limited to the configuration in which the inner peripheral portion is constituted by the sensor magnetic pole and the outer peripheral portion is constituted by the sensor target as shown in FIG. A similar function can be obtained by using as a sensor target.

図９は、ユニット化された蓄エネルギー装置５０を積み重ねた実施形態を示す。図１および図５に示されるように、本発明のフライホイール式蓄エネルギー装置は、上端部および下端部が平坦な構造を有している。このため、１台のフライホイール式蓄エネルギー装置をユニット化して、積層して配置することが可能である。複数のフライホイール式蓄エネルギー装置ユニット５０を積層して配置することで、設置面積に影響せず、ユニット台数を調整するだけで、必要な蓄エネルギー容量とすることができる。したがって、少数の蓄エネルギー装置モデルだけであっても設置台数の増減により蓄エネルギー容量について利用者毎の個別の対応が可能なので、その都度の装置設計が不要となり、コスト低減にもなるので製造者にとっても利便性がある。   FIG. 9 shows an embodiment in which unitized energy storage devices 50 are stacked. As shown in FIGS. 1 and 5, the flywheel energy storage device of the present invention has a structure in which an upper end portion and a lower end portion are flat. For this reason, it is possible to unitize and arrange one flywheel energy storage device as a unit. By arranging a plurality of flywheel energy storage device units 50 in a stacked manner, the necessary energy storage capacity can be obtained by adjusting the number of units without affecting the installation area. Therefore, even if only a small number of energy storage device models are used, the energy storage capacity can be individually handled for each user by increasing or decreasing the number of installed devices. This eliminates the need for device design each time and reduces the cost. It is also convenient for

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。   Although one embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may of course be implemented in various forms within the scope of the technical idea.

本発明の第１実施形態のフライホイール式蓄エネルギー装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the flywheel type energy storage device of a 1st embodiment of the present invention. 上記実施形態における、回転体と、各種センサの配置関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the arrangement | positioning relationship between a rotary body and various sensors in the said embodiment. 上記実施形態における、回転体の半径方向位置制御についての構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example about the radial direction position control of a rotary body in the said embodiment. 上記実施形態における、回転体の軸方向位置制御についての構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example about the axial direction position control of a rotary body in the said embodiment. 本発明の第２実施形態のフライホイール式蓄エネルギー装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the flywheel type energy storage apparatus of 2nd Embodiment of this invention. 上記実施形態における、各種のセンサ磁極を積層して配置する例を示す図である。It is a figure which shows the example which laminates | stacks and arrange | positions various sensor magnetic poles in the said embodiment. 上記実施形態における、回転角度検出センサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the rotation angle detection sensor in the said embodiment. 上記回転角度検出センサにおけるセンサターゲットの周期的凹凸の幅と回転検出磁極の幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the width of the periodic unevenness | corrugation of the sensor target in the said rotation angle detection sensor, and the width | variety of a rotation detection magnetic pole. 複数のフライホイール式蓄エネルギー装置をユニット化して、積層配置した構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which united and arranged the some flywheel type energy storage apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１０ ケーシング
１１ 上板
１２ 下板
１３ 側環
１５ 回転体
１５ｆ フライホイール
１５ａ 浮上用磁気軸受支持面
１６ 磁気浮上・発電・電動機
１７ 主軸（固定軸）
１８ 固定子
１８ａ 主巻線
１８ｂ 補助巻線
１９ 回転子
２０，２１ タッチダウン軸受
２２，２３ 回転体半径方向変位検出センサ
２４ 回転体軸方向変位検出センサ
２５ 回転体回転角度検出センサ
２７ 永久磁石
２８ 浮上用磁極
２９ 浮上磁極制御巻線（コイル）
３１ 双方向インバータ
３２ 電流検出器
３３ コントローラ
３４，３５ インバータ
４１ 回転体半径方向変位検出センサ
４２ 回転体軸方向変位検出センサ
４３ 回転体回転角度検出センサ
４３ａ センサ磁極
４３ｂ センサコイル
４３ｃ センサターゲット
４５，４６，４７，４８ タッチダウン軸受
５０ フライホイール式蓄エネルギー装置（ユニット）
５１，５２，５３，５４ 隔壁
Ｗｓ，Ｗｆ 幅
φ 磁束 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Casing 11 Upper plate 12 Lower plate 13 Side ring 15 Rotating body 15f Flywheel 15a Levitation magnetic bearing support surface 16 Magnetic levitation / power generation / motor 17 Main shaft (fixed shaft)
18 Stator 18a Main winding 18b Auxiliary winding 19 Rotor 20, 21 Touchdown bearings 22, 23 Rotating body radial direction displacement detection sensor 24 Rotating body axial direction displacement detection sensor 25 Rotating body rotation angle detection sensor 27 Permanent magnet 28 Levitation Magnetic pole 29 Floating magnetic pole control winding (coil)
31 Bidirectional inverter 32 Current detector 33 Controllers 34, 35 Inverter 41 Rotating body radial direction displacement detection sensor 42 Rotating body axial direction displacement detection sensor 43 Rotating body rotational angle detection sensor 43a Sensor magnetic pole 43b Sensor coil 43c Sensor targets 45, 46, 47, 48 Touchdown bearing 50 Flywheel energy storage device (unit)
51, 52, 53, 54 Partition Ws, Wf Width φ Magnetic flux

Claims (8)

アウターロータ型フライホイール式蓄エネルギー装置であって、前記蓄エネルギー装置は外部構造体として筐体たるケーシングを備え、前記ケーシング内部にアウターロータ型フライホイールを有した磁気軸受と電動機と発電機を一組の回転子と固定子で機能させる磁気浮上・発電・電動機を備え、前記磁気浮上・発電・電動機は鉛直に配置した主軸側に前記磁気浮上・発電・電動機の固定子が配置され、該固定子の外周側に該固定子を囲むように空隙をおいて円筒形を有する回転子が配置され、該回転子は慣性によりエネルギーを蓄積するフライホイールをその外周に固設して一体型の回転体を形成している磁気浮上・発電・電動機であって、前記ケーシングと前記磁気浮上・発電・電動機とを備えるアウターロータ型フライホイール式蓄エネルギー装置において、該回転体上面に浮上用磁気軸受支持面が形成され、前記浮上用磁気軸受支持面に対向する前記ケーシングの位置に永久磁石を用いた浮上用磁気軸受磁極部が構成され、前記磁気浮上・発電・電動機は、それぞれ一つの前記回転子と前記固定子、並びに前記固定子に相互に極数が異なる主巻線と補助巻線とを備えたことを特徴とするフライホイール式蓄エネルギー装置。   An outer rotor type flywheel energy storage device, wherein the energy storage device includes a casing as a casing as an external structure, and includes a magnetic bearing, an electric motor, and a generator having an outer rotor type flywheel inside the casing. A magnetic levitation / generator / motor is provided to function with a pair of rotors and stators, and the magnetic levitation / generator / motor is arranged on the main shaft side arranged vertically, and the stator of the magnetic levitation / generator / motor is arranged A rotor having a cylindrical shape is disposed on the outer peripheral side of the rotor so as to surround the stator, and the rotor is integrally rotated by fixing a flywheel that accumulates energy due to inertia to the outer periphery thereof. An outer rotor type flywheel accumulator comprising the casing and the magnetic levitation, power generation, and electric motor. In the energy device, a levitation magnetic bearing support surface is formed on the upper surface of the rotating body, and a levitation magnetic bearing magnetic pole portion using a permanent magnet is configured at a position of the casing facing the levitation magnetic bearing support surface, A magnetic levitation / power generation / motor includes a rotor and a stator, respectively, and a main winding and an auxiliary winding having different numbers of poles in the stator. Energy equipment. 前記回転体は、上方側の端部において前記フライホイールの一部が該回転体の内周側に張り出すことにより、略吊鐘形状を呈することを特徴とする請求項１に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   2. The flywheel according to claim 1, wherein the rotator has a substantially bell-like shape when a part of the flywheel projects toward an inner peripheral side of the rotator at an upper end. Type energy storage device. コイルを施した磁極を前記発電・電動機の固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設して構成された回転体変位検出センサを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   3. A rotating body displacement detection sensor comprising a coiled magnetic pole disposed in a stationary part on the stator side of the generator / motor and / or the casing. The flywheel energy storage device described in 1. 前記磁気浮上・発電・電動機固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設したコイルを施した磁極と、該磁極に対向する前記回転体表面の位置に形成した周期的な凹凸部とを備えて構成した回転角度検出センサを備えたことを特徴とする請求項３に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   The magnetic levitation / power generation / motor stator side fixed portion and / or a magnetic pole provided with a coil disposed on the casing, and a periodic uneven portion formed at a position on the surface of the rotating body facing the magnetic pole. The flywheel energy storage device according to claim 3, further comprising a rotation angle detection sensor configured to be provided. 前記回転体変位検出センサおよび／または前記回転角度検出センサの磁極配置形態は、前記固定子および／または前記ケーシングに配設したコイルを有する磁極同士が互いに接触しないように、該磁極位置を周方向にずらせながら軸方向に積層した配置形態であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   The magnetic pole arrangement of the rotating body displacement detection sensor and / or the rotation angle detection sensor is such that the magnetic pole positions are arranged in the circumferential direction so that the magnetic poles having coils arranged on the stator and / or the casing do not contact each other. 5. The flywheel energy storage device according to claim 3, wherein the flywheel energy storage device is arranged in an axial direction while being shifted. 前記回転体の回転角度を検出するセンサは、前記磁気浮上・発電・電動機固定子側の固定部および／または前記ケーシングに配設したコイルを巻いた磁極と、該磁極に対向する前記回転体表面の位置に形成した周期的な凹凸部とを備えて構成した回転角度検出センサであって、前記磁極の前記回転体回転方向の幅は、前記周期的な凹凸部の回転方向の幅の３５％以上６５％以下であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   A sensor for detecting a rotation angle of the rotating body includes: a magnetic levitation / power generation / motor stator side fixed portion and / or a magnetic pole wound with a coil disposed in the casing; and the surface of the rotating body facing the magnetic pole A rotation angle detection sensor comprising a periodic uneven portion formed at a position of the magnetic pole, wherein the width of the magnetic pole in the rotational direction of the rotating body is 35% of the width of the periodic uneven portion in the rotational direction. The flywheel energy storage device according to claim 4 or 5, wherein the flywheel energy storage device is 65% or less. フライホイール式蓄エネルギー装置において、該装置の筐体たるケーシングを相互に積み重ねることができるようにユニット構成し、該装置を複数ユニット積み重ねて成ることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のフライホイール式蓄エネルギー装置。   7. The flywheel energy storage device according to any one of claims 1 to 6, wherein a unit structure is formed so that casings as casings of the device can be stacked on each other, and a plurality of the devices are stacked. The flywheel type energy storage device according to crab. アウターロータ型フライホイール式蓄エネルギー装置であって、ケーシング内部にアウターロータ型フライホイールを有した回転体を半径方向に非接触支持する磁気軸受と電動機と発電機を一組の回転子と固定子で機能させる磁気浮上・発電・電動機を備え、前記磁気浮上・発電・電動機は鉛直に配置した主軸を備え、前記回転体上面に浮上用磁気軸受支持面が形成され、前記支持面に対向する位置に永久磁石を備えた浮上用磁気軸受磁極部が配置され、前記永久磁石の磁気力により前記回転体の自重を支持するようにしたことを特徴とするフライホイール式蓄エネルギー装置。   Outer rotor type flywheel energy storage device, a magnetic bearing, an electric motor, and a generator that support a rotating body having an outer rotor type flywheel inside a casing in a non-contact manner in a radial direction. The magnetic levitation / power generation / motor includes a main shaft arranged vertically, and a magnetic bearing support surface for levitation is formed on the upper surface of the rotating body and faces the support surface. The flywheel type energy storage device is characterized in that a levitation magnetic bearing magnetic pole portion provided with a permanent magnet is disposed on and the weight of the rotating body is supported by the magnetic force of the permanent magnet.
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