JP2005240963A - フライホイール式蓄エネルギー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 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１０内部にアウターロータ型フライホイール１５ｆを有した回転体１５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１９と固定子１８で機能させる磁気浮上・発電・電動機１６を備え、前記磁気浮上・発電・電動機は鉛直に配置した主軸１７を備え、前記回転体１５上面に浮上用磁気軸受支持面１５ａが形成され、前記支持面に対向する位置に永久磁石２７を備えた浮上用磁気軸受磁極部２８が配置され、前記永久磁石２７の磁気力により前記回転体１５の自重を支持するようにした。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
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、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。

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