JP2022071471A - フライホイール蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化が可能であるだけでなく、最大装置質量エネルギー密度を飛躍的に向上させることができるフライホイール蓄電装置を提供する。【解決手段】発電電動機部３と、フライホイール部２とを備える。フライホイール部２は、支持軸５Ａ、５Ｂと、支持軸５Ａ、５Ｂに支持された一対のフライホイールハブ８Ａ、８Ｂと、各フライホイールハブ８Ａ、８Ｂの外周に設けられた回転質量円輪９Ａ、９Ｂとを備える。発電電動機部３は、両フライホイールハブ８Ａ、８Ｂの間に設けられた無鉄心励磁誘導コイル１１ｉによるステータ部１０と、各フライホイールハブに保持されたハルバッハ配置永久磁石列によるロータ部１２Ａ、１２Ｂとを備える。支持軸５Ａ、５Ｂを支持して発電電動機部３とフライホイール部２とを共に収容する筐体を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、フライホイール蓄電装置の質量エネルギー密度の向上技術に関する。
フライホイール蓄電装置は電力量と回転運動エネルギーを相互に変換する手段を介して、フライホイールに電力を蓄電したり、逆に、フライホイールから電力を受電したりする機能を備えた装置である。
フライホイール蓄電装置は、普及している電気化学蓄電装置（所謂二次電池）と比較すると、低温環境でも高温環境でも安定して機能する、充放電を繰り返しても特性や寿命の劣化がほとんど起こらない、内部抵抗が小さい、など優れた特長を有している。
この新しい蓄電装置を用いれば、二次電池利用の従来電気機器やシステムの耐環境性や省エネルギー、メンテナンス性の向上を図ることが可能である。こうした理由を背景にフライホイール蓄電装置の一層の普及と適用領域の拡大が強く嘱望されている。
フライホイール蓄電装置普及のための重要課題は、商品力を高めるため、体格を小型化することと、軽量化することである。軽量化は装置最大質量エネルギー密度（フライホイールの最大蓄積エネルギーを装置の質量で除した値）を使って、「最大装置質量エネルギー密度の向上」と言い換えることができる。
フライホイール蓄電装置の基本構成要素は２つ、１つはエネルギーを回転運動として蓄積するフライホイール部、もう１つは指令により電力量（＝電気エネルギー）と回転運動エネルギーと相互に変換する発電電動機部である。
現在のところ、前記最重要課題のうち、装置小型化への取り組みが断然先行している。細かな相違は多少あるものの、いずれの取り組みも、フライホイール部と発電電動機部を集積化（あるいは一体化）させる構成という点で一致しいる。
もう少し具体的に説明すると、フライホイール部の回転シャフトと発電電動機部の回転シャフトとを共有するとともに、回転軸の或る１鉛直面にフライホイール部と発電電動機部を同心円状に並べて集約する方法である。
集積フライホイール蓄電装置としては、例えば、下記特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１記載のフライホイール蓄電装置は、アウターロータ型の発電電動機部とフライホイール部とを備えている。
発電電動機部とフライホイール部とは、回転シャフトを共有しており、発電電動機部の外周面を囲うようにして外側にフライホイール部が配設されている。更に、発電電動機部のロータ部にフライホイール部の本体を設けることにより、集積度が一層高められている。
特許第４１６００２２号公報
しかしながら、従来の集積フライホイール蓄電装置においては、上述したように、装置としての小型化は達成できるものの、フライホイール蓄電装置における最大の質量エネルギー密度である最大装置質量エネルギー密度については、その向上が殆ど望めない。
上記の点に鑑み、本発明は、小型化が可能であるだけでなく、最大装置質量エネルギー密度を飛躍的に向上させることができるフライホイール蓄電装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、電気エネルギーと回転運動エネルギーとを相互に変換する発電電動機部と、エネルギーを回転運動として蓄積するフライホイール部とを備えるフライホイール蓄電装置であって、前記発電電動機部と前記フライホイール部とを共に収容する筐体を備え、前記フライホイール部は、該フライホイール部の回転軸線に中心軸線が一致する支持軸と、該支持軸に同軸に支持された一対のフライホイールハブと、各フライホイールハブの外周に設けられた環状の回転質量円輪とを備え、前記発電電動機部は、前記一対のフライホイールハブの間に設けられた無鉄心励磁誘導コイルによるステータ部と、該ステータ部の無鉄心励磁誘導コイルに対向して前記各フライホイールハブに保持された無継鉄ハルバッハ配置永久磁石列によるロータ部とを備え、前記支持軸を支持して前記発電電動機部と前記フライホイール部とを共に収容する筐体を備えることを特徴とする。
本発明においては、前記フライホイールハブと前記支持軸と前記筐体の１以上またはすべてが軽金属または炭素繊維強化プラスチックで構成されることが好ましい。
また、本発明において、前記フライホイール部の前記回転質量円輪と前記支持軸との間に環状の空間が形成されており、当該環状空間内に前記発電電動機部への給電及び受電を行うための双方向インバータ部が収容されていることを特徴とする。
また、本発明において、前記筐体の内部における少なくとも前記発電電動機部及び前記フライホイール部の回転領域を真空化すべく排気を行う排気装置を前記筐体内部に備えることを特徴とする。
また、本発明において、前記発電電動機部と前記フライホイール部とで構成された第１蓄電ユニットと、該第１蓄電ユニットに対して等速で逆回転する前記発電電動機部と前記フライホイール部とで構成された第２蓄電ユニットとを備え、第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットとを同一回転軸線上に同数配設したことを特徴とする。
フライホイール蓄電装置のフライホイール部は、一般に、３つの主要素からなっている。第１の要素は周方向に回転して回転運動エネルギーを蓄える回転質量円輪（円筒の場合も含めてここでは円輪と称する）、第２の要素は回転する前記回転質量円輪の回転中心点を規定するフライホイール中心シャフトである支持軸、第３の要素は前記回転円輪を支持し、前記フライホイール中心シャフトからの距離を等距離に保つフライホイールハブである。ここで、フライホイールハブと回転質量円輪とは一体に回転する。支持軸は筐体に支持されるが、支持軸が筐体に固定保持されてフライホイールハブを回転自在に支持する構成と、支持軸が筐体に回転自在に支持されてフライホイールハブと一体的に回転する構成とが挙げられ、その何れの構成であっても選択的に採用可能である。
一方、発電電動機部の基本構成要素は（ここでは広く用いられている永久磁石３相同期発電電動機の例で説明すると）一般に２つの構成要素、すなわち、固定した励磁誘導コイルを備えたステータ部と、強い静磁界を発生させる永久磁石を表層に設置又は埋設した回転自在のロータ部とからなっている。ステータ部とロータ部は中心軸を共有するように配置され、ステータ部の励磁誘導コイルとロータ部の永久磁石は狭い空隙を挟んで対向している。
本発明のフライホイール蓄電装置は、前記フライホイール部の回転質量円輪の質量エネルギー密度を最大化させ低下させないという指針のもと、高加重発生要素である鉄製部品を合理的に削減して実現することを要旨とする。
よって、本発明によれば、小型化が可能であるだけでなく、最大装置質量エネルギー密度を飛躍的に向上させることができるフライホイール蓄電装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第２の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第３の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第４の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第５の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第６の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。 本発明の第７の実施形態によるフライホイール蓄電装置の構成を示す説明的断面図。
本発明の各実施形態に係るフライホイール蓄電装置は、前記フライホイール部回転質量円輪の円輪エネルギー密度を最大化させ低下させないという指針のもと、高加重発生要素である鉄製部品を合理的に削減して実現することを要旨とする。
フライホイール蓄電装置の全質量（フライホイール部質量と発電電動機部質量の和）をＭsys、前記フライホイール部の回転質量円輪に蓄えられる最大の回転運動エネルギーをＥfwとすると、フライホイール蓄電装置の最大装置質量エネルギー密度Ｄsysは次式（１）で定義される。
Ｄsys ＝ Ｅfw／Ｍsys ・・・（１）
一方、回転質量円輪の性能を示す指標として最大円輪質量エネルギー密度Ｄfwが広く用いられている。回転質量円輪の質量をｍfwとすると、次式（２）となる。
Ｄfw ＝ Ｅfw／ｍfw ・・・（２）
Ｄfwと回転質量円輪の材料の関係性を知るために、回転質量円輪の質量密度（または比重）をρ、降伏強度をσyとして、上式のＥfwとｍfwを数式化して演算すると最終的に次式（３）が導かれる。
Ｄfw ＝ Ｋ（σy／ρ）・・・（３）
ここでＫは回転質量円輪の内半径と外半径の比に応じて０．３～０．５まで緩やかに単調増加する係数で、形状因子と呼ばれることもある。
上記の式（１）と式（２）とを組み合わせると次のＤsysとＤfwの関係式（４）が得られる。
Ｄsys ＝ （ｍfw／Ｍsys）Ｄfw ＝（ｍfw／（ｍfw＋Ｍoth））Ｄfw・・・（４）
上式（４）のＭothはフライホイール蓄電装置の質量Ｍsysから回転質量円輪の質量ｍfwを差し引いた量、即ち、回転質量円輪を除く全質量である。
本発明者は上記解析の式（４）の中辺に着目し、最大装置質量エネルギー密度Ｄsysを向上させるには、回転質量円輪とフライホイール蓄電装置の質量比ｍfw／Ｍsysと回転質量円輪のエネルギー密度Ｄfwの積を増大させると達成できることを知見した。
更に、式（４）の右辺に着目すると、最大装置質量エネルギー密度Ｄsysを向上させるために、次の２つの設計工程が明らかとなる。すなわち、第１ステップとして、円輪質量エネルギー密度Ｄfwを最大化できる回転質量円輪材料（σy／ρ比が大きい材料）を選択し、続く第２ステップでは、発電電動機の所望性能（出力やトルク）を担保できることを前提に、前記Ｍothの軽減を最大限に行う。
これに基づき、本発明においては、最大のＤfwを得るために高強度炭素繊維で強化したプラスチック（以下ＣＦＲＰ）からなる回転質量円輪を用いるとともに、前記質量Ｍothの軽減するため、同円輪の内径側空間にアキシャル磁束永久磁石（Ａｘｉａｌ Ｆｌｕｘ Ｐａｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ、以下ＡＦＰＭと略記）発電電動機を配置し、Ｍothの大部分を占める鉄製バルク材（例えばフライホイールハブやモータのヨークやコイルコアなど）を削除または、軽量材料に転換する改善を実行している。
以下に、本発明の実施形態及びその変形例を図面を参照して説明する。ただし、これら図面では、理解を容易にするために、厚さと平面寸法との関係や各層の厚さの比率などは誇張して描いている。また、同一部材には同一符号を付して再度の説明は省略する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るフライホイール蓄電装置１においては、図１に示すように、フライホイール部２と発電電動機部３が一体となって、回転軸線４（極座標系のＺ軸）に設置された共通の支持軸である上下回転シャフト５Ａ、５Ｂとともに回転し、蓄電と放電を行う。
５Ｃは上下回転シャフト５Ａ、５Ｂを連結するカップリングシャフトである。６は前記回転中心軸線４と直交している中央回転面（極座標系のｒ―θ面）である。
上下回転シャフト５Ａ、５Ｂ及びカップリングシャフト６の素材は高い降伏強度を有する軽金属を選択する。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
フライホイール部２は、回転中心面６に設けられた中心間隙７を挟み、上部フライホイール２Ａと下部フライホイール２Ｂが平行に、かつ、その構造が上下対称になるように配置されている。
８Ａは上部フライホイール２Ａのフライホイールハブであって、底板を備えた円筒形状である。フライホイールハブ８Ａは、上部回転シャフト５Ａに固着され、或いは、機械的に強固に接続されている。
同様に、８Ｂは下部フライホイール２Ｂのフライホイールハブであって、（上に）底板がある円筒形状である。フライホイールハブ８Ｂは、上部回転シャフト５Ｂに固着され、或いは、機械的に強固に接続されている。
フライホイールハブ８Ａ、８Ｂの素材は高い降伏強度を有する軽金属、または、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を選択する。
軽金属の場合は、例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
ＣＦＲＰの場合は、引張強度５ＧＰａ以上の炭素繊維を充填率０．６以上で固化させた強化プラスチックを用いることが望ましい。
前記フライホイールハブ８Ａ、８Ｂの外縁には、それぞれ、円筒状の上部回転質量円輪９Ａ、下部回転質量円輪９Ｂが外接している。
この回転質量円輪９Ａ、９Ｂには、引張強度６ＧＰａ以上炭素繊維を周方向に巻き上げ強化した充填率６０％～７０％のＣＦＲＰを用いる。このようなＣＦＲＰは、周知のフィラメントワイディング法、または、シートワイディング法を用いて成形することができる。
発電電動機部３には、上述したように、ＡＦＰＭ型発電電動機が採用されている。図1中、１０は発電電動機部３のステータ部であって、形態はカップリングシャフト５Ｃの外径より大きな内径の円孔を有する中空円盤である。
ステータ部１０は、前記中心間隙７の位置に、上部フライホイール２Ａと下部フライホイール２Ｂと僅かのギャップを隔てて配設されている。回転シャフト５Ａ、５Ｂ寄りで、回転中心軸線４から所定の距離を隔てたステータ部１０の内部には、磁束錯交面をＺ軸方向に向けた複数の無鉄心励磁誘導コイル１１ｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｎ）が円周方向に等角周期で配置・固定されている。
ステータ部１０の素材は、銅線からなる無鉄心励磁誘導コイル１１ｉの部分を除き、高い降伏強度を有する軽金属またはＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）または両材料の複合材を選択する。
軽金属の場合は、例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
ＣＦＲＰの場合は引張強度５ＧＰａ以上の炭素繊維を充填率０．６以上で固化させた強化プラスチックを用いることが望ましい。
ステータ部１０の一層の軽量化を図るために、無鉄心励磁誘導コイル１１ｉ該当部分及び後述の上部、下部指示防御壁接続部分を除く部分を、構造強度の制約が許す限り、刳り貫き、梁構造とする設計が行われる。
前記ＡＦＰＭ型の発電電動機部３は図中の上部ロータ部１２Ａと下部ロータ部１２Ｂとを一対具備している。ロータ部１２Ａ、１２Ｂは上部フライホイールハブ８Ａ、下部フライホイールハブ８Ｂの底板と一体形成されている。
１３Ａｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｋ）、１３Ｂｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｋ）は、ロータ部の要素であって、磁界が強まる側を前記無鉄心励磁誘導コイル１１ｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｎ）に向くように付設された無継鉄ハルバッハ配置の環状永久磁石列（ただしｋ≠ｎ）である。環状永久磁石列１３Ａｉ、１３Ｂｉは、それぞれ上部フライホイールハブ８Ａ、下部フライホイールハブ８Ｂの底板に彫られた環状凹部（深さは永久磁石の厚みと同じか厚みより小さいものとする）に嵌合し固定されている。１３Ａｉの磁極Ｎ極には１３Ｂｉの磁極Ｐ極が必ず対向するように、また１３Ａｉの磁極Ｐ極には１３Ｂｉの磁極Ｎ極が必ず対向するように配置される。
発電電動機部３は、隣接する永久磁石間で磁気接続（回路）ができるハルバッハ配置永久磁石列を用いる構成としたため、ロータ部１２Ａ、１２Ｂの基材には、重量のある磁性材・継鉄（ヨーク）を使用する制約がなくなり、軽い材料である軽金属やＣＦＲＰの適用を可能とするとともに、このことがロータ部１２Ａ、１２Ｂとフライホイールハブ８Ａ、８Ｂを同一基材で構成することを可能としている。
つぎに本発明第１の実施形態に係るフライホイール蓄電装置１の筐体骨格に係る部位の説明を行う。
１４Ａ、１４Ｂはフライホイール蓄電装置１のそれぞれ円形の、上部支持盤と下部支持盤である。上部支持盤１４Ａはラジアル軸受とスラスト軸受の対からなる軸受部１５Ａを介して上部回転シャフト５Ａを支持している。同様に、下部支持盤１４Ｂは同様の軸受部１５Ｂを介して上部回転シャフト５Ａを支持している。軸受は公知の各種軸受、ボール軸受、滑り軸受、空気軸受、磁気軸受などを任意に選択することができる。
前記支持盤１４Ａと１４Ｂ及びステータ部１０の位置関係を確定し、３者を支持しているのが円管状の上部支持防御壁１６Ａ、下部支持防御壁１６Ｂである。両支持防御壁１６Ａ、１６Ｂは、高速回転しているフライホイール部２が万一破損したとき、破片が外部に飛び出すのを阻止する役割も担っている。
前記支持盤１４Ａ、１４Ｂと前記支持防御壁１６Ａ、１６Ｂの素材は高い降伏強度を有する軽金属を選択する。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。これにより、支持盤１４Ａ、１４Ｂと支持防御壁１６Ａ、１６Ｂの軽量化が達成される。支持盤１４Ａ、１４Ｂ及び支持防御壁１６Ａ、１６Ｂは、本発明における筐体を構成している。
一般に内半径と外半径の比が大きい（比＞０．６）円輪では周方向に生じる回転応力が半径方向に生じる回転応力よりもはるかに高くなる。フライホイール蓄電装置１の回転質量円輪９Ａ、９Ｂはこれに該当する。
第１の実施形態では、回転質量円輪９Ａ、９Ｂに、引張強度６ＧＰａ以上炭素繊維をθ方向に巻いて強化したＣＦＲＰ（充填率６０％～７０％）を用いている。このため、回転質量円輪９Ａ、９Ｂは、周方向に非常に高い降伏強度を呈する。また、近年では、引張強度６．４ＧＰａ以上の炭素繊維が市販されている。これとエポキシ樹脂を用いて繊維充填率０．６で製作すると質量密度１．６ｇ／ｃｍ３、降伏強度σｙ＝３．８ＧＰａのＣＦＲＰが得られる。
ここで、同ＣＦＲＰと高強度工業材料として知られているニッケルクロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４３９のσｙ／ρ値及びσｙ／ρ値と比例する最大円輪質量エネルギー密度Ｄfw（相対値）を比較したところ、第１の実施形態で採用したＣＦＲＰは、ＳＮＣＭ４３９と一桁以上高いＤfwが得られることが分かった（σｙ／ρとＤfwの関係は前式（２）を参照）。
また、他の工業材料とＤfwを比較しても同ＣＦＲＰの圧倒的優位性は揺るがない。これにより、前述の設計工程における第１ステップが高度に満たされていることが確認できる。
次に、前述の設計工程における第２ステップについて、本実施形態の達成レベルを従来技術と比較して検証する。
従来のフライホイール蓄電装置では、その前の世代のフライホイール蓄電装置の材料構成を踏襲して体格を小型化させることを優先させ、進化したため、バルク部品の鉄材使用量が多く、結果としてＭothが大きくなり、それが最大装置質量エネルギー密度Ｄsysを押し下げている要因になっていた。鉄材を多く含むバルク部品としては、回転シャフト、フライホイールバブ、励磁誘導コイルコア、ロータ部・ステータ部の継鉄（ヨーク）、筐体骨格などである。鉄材が残った原因はこれら鉄材が発電電動機の磁気回路を樹立する要素として必要不可欠であったため（削除すると集積構造が成立しなくなるため）であろうと推察される。
これに対して、第１実施形態におけるフライホイール蓄電装置１は、上述したように、一対のハルバッハ配置永久磁石列のロータ部１２Ａ、１２Ｂを具有するＡＦＰＭ型発電電動機部３を採用し、ＡＦＰＭ型発電電動機部３のロータ部１２Ａ、１２Ｂをフライホイールハブ８Ａ、８Ｂと一体化する構成としたため、これらバルク部品の鉄材を一掃（削除、または、軽量素材に変更）することができる。
よって、Ｍothの大きな削減が顕著に進み、体格の小型化と最大装置質量エネルギー密度Ｄsys（軽量化に対応）の向上が同時に達成される。
［第２の実施形態］
第１の実施形態で示したものにおいては、支持軸を構成する中心シャフト５Ａ、５Ｂ、５Ｃが回転質量円輪９Ａ、９Ｂやフライホイールハブ８Ａ、８Ｂと一体的に回転する構成を採用している。次に説明する第２の実施形態のフライホイール蓄電装置２０は支持軸である中心シャフトを静止させた（固定した）構成を採用したものである。
図２は第２の実施形態におけるフライホイール蓄電装置２０を回転中心軸線４（極座標系のＺ軸）で切断したときの断面を示している。なお、第1の実施形態と同一部材には同一符号を付して説明は省略する。
図２において、２１Ａは上部静止シャフト、２１Ｂは下部静止シャフトである。両静止シャフト２１Ａ、２１Ｂとも、中空（円管状）のシャフトになっている。その中心軸は回転中心軸線４と一致している。第２の実施形態においても、フライホイール部２と発電電動機部３が一体となって、回転中心軸線４（極座標系のＺ軸）の周りを回転し、蓄電と放電を行う点は第１実施形態と同様であるが、両静止シャフト２１Ａ、２１Ｂは回転せず、終始静止している点は相違している。
静止シャフト２１Ａ、２１Ｂの素材は高い降伏強度を有する軽金属が選択される。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタンなどの合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いると更に望ましい。
２２Ａは上部フライホイール２Ａに帰属するフライホイールハブであって、形状は中空円盤の底板を備えた円筒である。フライホイールハブ２２Ａは上部軸受部２３Ａのラジアル軸受を介しての上部静止シャフト２１Ａに、スラスト軸受けを介して後述のステータ部２４に接続している。
同様に、２２Ｂは下部フライホイール２Ｂに帰属するフライホイールハブであって、形状は中空円盤の底板を備えた円筒である。フライホイールハブ２２Ｂは下部軸受部２３Ｂのラジアル軸受を介しての下部静止シャフト２１Ｂに、スラスト軸受けを介して後述のステータ部２４に接続している。
軸受部２３Ａ、２３Ｂの軸受は公知の各種軸受、ボール軸受、滑り軸受、空気軸受、磁気軸受などから任意に選択することができる。
２２Ｃは中心間隙７の幅をきめるフライホイールハブスペーサであって、設置後、上部のフライホイールハブ２２Ａ及び下部のフライホイールハブ２２Ｂと強固に接続される。
フライホイールハブ２２Ａ、２２Ｂの素材は高い降伏強度を有する軽金属を選択する。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
前記フライホイールハブ２２Ａ、２２Ｂの外縁には、それぞれ、円筒状の上部回転質量円輪９Ａ、下部回転質量円輪９Ｂが外接している。
２４は発電電動機部３のステータ部であって、前記静止シャフト２１Ａ、２１Ｂと強固に接続している。ステータ部２４は、中心間隙７の位置に配設され、上部フライホイール２Ａと下部フライホイール２Ｂとは僅かのギャップで隔たっている。ステータ部２４は中央が中空であっても中実であってもよい。
ステータ部２４の素材は、銅線からなる無鉄心励磁誘導コイル１１ｉ部分を除き、高い降伏強度を有する軽金属が選択される。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
ステータ部２４の一層の軽量化を図るために、無鉄心励磁誘導コイル１１ｉ該当部分及び前記静止シャフト２１Ａ、２１Ｂの接続部分を除く部分を、構造強度が許す限り、刳り貫き、梁構造とする設計が望ましい。
ＡＦＰＭ型の発電電動機部３は上下に、上部ロータ部２５Ａと下部ロータ部２５Ｂを一対具備している。ロータ部２５Ａ、２５Ｂは、夫々、フライホイールハブ２２Ａ、２２Ｂの底板と一体形成されている。１３Ａｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｋ）、１３Ｂｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｋ）は、第１実施形態と同様、ロータ部２５Ａ、２５Ｂに付設されたハルバッハ配置環状永久磁石列である。
１４Ａ、１４Ｂは円形の上部支持盤と下部支持盤である。支持盤１４Ａ、１４Ｂの中央には静止シャフト２１Ａ、２１Ｂを強固に捕縛するシャフト固定機構２６Ａ、２６Ｂが形成されている。
前記支持盤１４Ａと１４Ｂの位置関係を確定し、両者を支持するのが円管状の支持防御壁２７である。この支持防御壁２７は高速回転しているフライホイール２や発電電動機部３が万一破損したとき、破片が外部に飛び出すのを阻止する役割も担っている。
支持盤１４Ａ、１４Ｂと支持防御壁２７の素材は高い降伏強度を有する軽金属を選択する。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
一般に内半径と外半径の比が大きい（比＞０．６）円輪では周方向に生じる回転応力が半径方向に生じる回転応力よりもはるかに高くなる。従来や本発明の集積フライホイール蓄電装置の回転質量円輪はこれに該当する。
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同じ仕様のＣＦＲＰ回転質量円輪（９Ａ、９Ｂ）を採用しているので、前述の設計工程の第１ステップの要件が満たされ、高強度金属質量円輪（ＳＮＣＭ４３９など）より一桁以上高い最大円輪質量エネルギー密度Ｄfw（相対値）が得られる。
また、第２の実施形態も第１の実施形態と同じく、ハルバッハ配列磁石列によるロータ部２５Ａ、２５Ｂを具有するＡＦＰＭ型の発電電動機部３を採用し、ロータ部２５Ａ、２５Ｂをフライホイールハブ２２Ａ、２２Ｂと一体にする構成としたため、従来のバルク部品から鉄材を一掃（削除、または、軽量素材に変更）することができる。
これによって、本発明第２の実施形態は、Ｍothの大きな削減を顕著に進め、前述の設計工程の第２ステップの要件が満たされ、体格の小型化のみならず最大装置質量エネルギー密度Ｄsys（軽量化に対応）向上も達成することができる。
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、移動体（自動車や航空機など）への搭載に適した本発明のフライホイール蓄電装置の構成に関する。
フライホイールのような高速で回る回転体に、回転軸の角度を変える外力（重力や機械力など）が働くと、その外力の直角方向に力が生じる（ジャイロ効果）。この力がフライホイール蓄電装置に生じると、移動体が上下左右に方向転換するとき走行が不安定になるという問題が起きる。本発明第３の実施形態はこの問題を解決できる。
図３は、第３の実施形態に係るフライホイール蓄電装置３０を回転中心軸線４（Ｚ軸）に沿って切断したときの断面図である。フライホイール蓄電装置３０は、同一構成の２つのフライホイール蓄電器（第１フライホイール蓄電器３１、第２フライホイール蓄電器３２）を、回転中心軸線４が一致するように上下に積層した複合構造をしている。
第１フライホイール蓄電器３１と第２フライホイール蓄電器３２とは夫々１つずつ設けたものを挙げたが、同数であればよい。第１フライホイール蓄電器３１と第２フライホイール蓄電器３２とは、常に等速で逆方向に回転させるように駆動される。
なお、第１フライホイール蓄電器３１は本発明における第１蓄電ユニットに相当し、第２フライホイール蓄電器３２は本発明における第２蓄電ユニットに相当するものである。以下、第１の実施形態と同じ構成要素には同一の符号ならびに説明は省略する。
３３は中央支持盤である。円盤状の中央支持盤３３は、図３に示すように、第１フライホイール蓄電器３１の下部支持盤１４Ｂと第２フライホール蓄電器３２の上部支持盤１４Ａを兼ねている。よって、中央上面に第１フライホイール蓄電器の下部軸受部１５Ｂと中央下面に第２フライホイール蓄電器３２の下部軸受部１５Ａを備えている。
中央支持盤３３の素材は、上部支持盤１４Ａや下部支持盤１４Ｂと同じである。高い降伏強度を有する軽金属を選択する。例えば、超々ジュラルミン（Ａ７０７５Ｐ）や６Ａｌ－４Ｖチタン合金を用いるのが好ましく、６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎチタン合金や１１．５Ａｌ－１Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎチタン合金を用いるのがより一層望ましい。
第３の実施形態に係るフライホイール蓄電装置３０では、上述のように、等速でかつ回転方向を逆にした同一構成のフライホイール蓄電器３１，３２を積層する構成にしたため、移動体がフライホイール蓄電装置３０の回転シャフトの角度を変える走行（や航行）をした場合であっても、第１フライホイール蓄電器３１に生じるジャイロ効果力が第２フライホイール蓄電器３２によって相殺され、実質ゼロなる。
こうしてフライホイール蓄電装置３０を搭載した移動体が進行方向を（上下左右に）変更するときでも、安定した走行（や航行）を実現できる、という新たな効果を奏することができる。
第３の実施形態に係るフライホイール蓄電装置３０は、第１実施形態または第２実施形態のフライホイール蓄電装置を積層した構成をしているから、第１実施形態または第２実施形態と同等の非常に高い質量エネルギー密度を達成することができる。
［第４の実施形態］
一般にフライホイール蓄電装置には発電電動機を駆動（給電と受電）するために双方向のインバータを必ず備える必要がある。厳密に言うと、このインバータもフライホイール蓄電装置の構成要素の一部であるから、インバータを含めたフライホイール蓄電装置体格を小型化するためにインバータ部もフライホイール部や発電電動機部と一体化するのが望ましい。
第４の実施形態のフライホイール蓄電装置４０はこの要請に応えることを目的としてなされたものである。
図４は第４の実施形態に係るフライホイール蓄電装置４０を回転中心軸線４（Ｚ軸）に沿って切断したときの断面図である。第１の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明は省略する。
４１Ａ、４１Ｂはフライホイール蓄電装置４０の上部支持盤、下部支持盤である。第１実施形態の支持盤１４Ａ、１４Ｂと同様、中央部で上部軸受部、下部軸受部に接続しているが、回転シャフト５Ａ、５Ｂと回転質量円輪９Ａ、９Ｂの間で上下のフライホイールハブ８Ａ、８Ｂに向かってせり出す環状凹部４２Ａ、４２Ｂを備えているところが第１の実施形態と異なる。環状凹部４２Ａ、４２Ｂは、回転シャフト５Ａ、５Ｂと回転質量円輪９Ａ、９Ｂとの間に形成された環状空間に対応して形成されている。
上部、下部支持盤の環状凹部４２Ａ、４２Ｂには発電電動機部３を駆動する双方向インバータ部４３Ａ、４３Ｂが収納されている。また、例えば、双方向インバータ部４３Ｂが環状凹部４２Ｂひとつにすべて収まる場合は、他方の環状凹部４２Ａは設ける必要はなく、その場合は、上部支持盤は第１実施形態の上部支持盤１４ままでもよい。
図４に示すように、第４の実施形態に係るフライホイール蓄電装置４０は第１の実施形態のフライホイール部２と発電電動機部３の集積で生まれた自由空間に支持盤４１Ａ、４１Ｂによる仕切りを設け、その凹部４２Ａ、４２Ｂに双方向インバータ部４３Ａ、４３Ｂを収容する構成としたため、フライホイール部２と発電電動機部３と双方向インバータ部４３Ａ、４３Ｂを総合した高い集積度が実現できる。
更に、高速回転するフライホイール部２及び発電電動機部３の間に仕切りを設けたので、パワーエレクトロニクス回路である双方向インバータ部４３Ａ、４３Ｂはフライホイール部２及び発電電動機部３から熱機械的な影響を受けずに安定して動作することができる。
［第５の実施形態］
フライホイール蓄電装置のフライホイール部を高速に回転させると、フライホイール表面と大気との間で風損が発生して、回転数が低下し、蓄積エネルギー密度が低下する。これを防止するために、真空排気装置を外部に設置して、筐体（図１においては、上部支持盤１４Ａ、下部支持盤１４Ｂ、上部支持防御壁１６Ａ、下部支持防御壁１６Ｂで囲まれた空間）の内部を排気することが考えられる。このようなフライホイール蓄電装置の場合、真空排気装置がシステムの一部に加わるから、真空排気装置の分だけ体積が増大し、システムの集積度（小型化の程度）が悪化する。
第５の実施形態に係るフライホイール蓄電装置５０は、この付加的問題を解決するためになされたもので、第１の実施形態または第２の実施実施形態におけるフライホイール蓄電装置１、２０の回転シャフトと内部空きスペースを使って、排気装置たる周知の真空排気装置（例えば、螺旋溝分子ポンプ）を内蔵した。
図５は第５の実施形態に係るフライホイール蓄電装置５０を回転中心軸線４（Ｚ軸）に沿って切断したときの断面図である。第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明は省略する。
５１Ａ、５１Ｂはフライホイール蓄電装置５０の上部回転シャフト、下部回転シャフトであり、５１Ｃはカップリングシャフトである。上部回転シャフト５１Ａは脱着自在の上部軸受部５２Ａに支持され、下部回転シャフト５１Ｂは脱着自在の下部軸受部５２Ｂに支持されている。上部軸受部５２Ａ、下部軸受部５２Ｂには通気孔５３Ａ、５３Ｂが備えられている。
脱着自在の上部、下部軸受部５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ上部支持盤５４Ａ、下部支持盤５４Ｂに配設された円形開孔部５５Ａ、５５Ｂに嵌入され、接続される。
上部支持盤５４Ａには、前記上部フライホイールハブ８Ａと間の上部空間をフライホイール空間６０と上部軸受側空間６０Ａに仕切る、脱着自在の上部仕切り５６Ａが取り付けられている。上部仕切り５６Ａは中央に上部回転シャフト５１Ａを通す開孔部を有している。同様に下部支持盤５４Ｂには、前記下部フライホイールハブ８Ｂとの間の下部空間をフライホイール側空間６０と上部軸受側空間６０Ｂに仕切る、脱着自在の下部仕切り５６Ｂが取り付けられている。
５７Ａは、排気装置として前記上部空間に配設した上部螺旋溝分子ポンプであって、螺旋溝テーパリング５８Ａと逆テーパ鞘リング５９Ａからなる。螺旋溝テーパリング５８Ａは上部回転シャフト５１Ａの所定の位置まで嵌め込まれる。
一方、逆テーパ外鞘リング５９Ａは前記上部仕切り５６Ａの中央開孔部に嵌め込むか、リングは作らずに前記上部仕切り５６Ａの中央開孔部の側面を直接切削で逆テーパ外鞘としてもよい。第５図では中央開孔部の側面に逆テーパ鞘５９Ａを直接形成した例である。
５７Ｂは下部螺旋溝分子ポンプ、５８Ｂは下部螺旋溝テーパリング、５９Ｂは下部逆テーパ外鞘リングである。
フライホイール蓄電装置５０が作動し、フライホイール部２と回転シャフト５１Ａ、５１Ｂが回り始めると、螺旋溝分子ポンプ５７Ａ、５８Ｂが発動し、フライホイール空間６０の空気が軸受側空間６０Ａ、６０Ｂに排気され、しばらくするとフライホイール空間は真空に、軸受側空間は大気圧（外気圧）になる。フライホイール空間は真空に維持されるので、フライホイール表面で発生する風損を解消することができる。
第５の実施形態においては、フライホイール蓄電装置５０の空き空間を活用し、ここに外付け真空排気装置を収納する構成にしたため、真空排気装置の体積の削減が可能となる。これにより、一層集積度が高まり、飛躍的な小型化が可能となる。
［第６の実施形態］
第４の実施形態では、第１の実施形態のフライホイール蓄電装置１が有していた空き空間に、双方向インバータ部４３Ａ、４３Ｂを収納したフライホイール蓄電装置４０を示した。一方、第５の実施形態では、第１の実施形態のフライホイール蓄電装置１の筐体内を真空とするために内部に排気装置である螺旋溝分子ポンプ５７Ａ、５８Ｂを設けたフライホイール蓄電装置５０を示した。
次に説明する第６の実施形態は、第１の実施形態のフライホイール蓄電装置１の空き空間に、双方向インバータ部と排気装置との両方を収納して、集積度（小型化）を高めたものである。
図６は、第６実施形態に係るフライホイール蓄電装置７０を、回転中心軸線４（Ｚ軸）４に沿って切断したときの断面図である。第１、第４、第５の各実施形態と同じ構成要素においては同じ符号を付してその説明は省略する。
フライホイール蓄電装置７０は、中央回転面６より上部の構成は、第５の実施形態のフライホイール蓄電装置５０の上半部と同じであり、中央回転面６より下部の構成は、第４の実施形態のフライホイール蓄電装置４０の下半部と同じである。
上部には螺旋溝分子ポンプ５７Ａが組み込まれ、下部には双方向インバータ部４３Ｂが組み込まれている。
双方向インバータ部４３Ｂの給電により発電電動機部３と回転シャフト５１Ａ、５１Ｂが回り始めると、螺旋溝分子ポンプ５７Ａが発動し、フライホイール空間６０の空気が軸受側空間６０Ａに排気され、しばらくするとフライホイール空間６０は真空に、軸受側空間６０Ａは大気圧（外気圧）になる。フライホイール空間６０は真空に維持されるので、フライホイール表面で発生する風損を解消することができる。
第６の実施形態においては、第１の実施形態のフライホイール蓄電装置１の空き空間に外付け真空排気装置５７Ａと双方向インバータ部４３Ｂとを収納する構成にしたため、外付け真空排気装置と外付け双方向インバータの体積の同時削減が可能となる。これにより、第１～第５の各実施形態に比べて一層高い集積度（小型化）を得ることができる。
［第７の実施形態］
螺旋溝分子ポンプ５７Ａ、５７Ｂを具備する前記第５の実施形態を示す図５を参照すると、軸受部５２Ａ、５２Ｂと仕切り５６Ａ、５６Ｂとの間に自由空間が認められる。第７の実施形態は、この空間を活用して更に集積度（小型化）を高めたものである。
図７は、第７の実施形態に係るフライホイール蓄電装置８０を、回転中心軸線４（Ｚ軸）４に沿って切断したときの断面図である。第１、第４、第５の各実施形態と同じ構成要素においては同じ符号を付してその説明は省略する。
８１Ａは環状の上部軸受側空間６０Ａに配設された上部双方向インバータ部である。上部双方向インバータ部８１Ａは上部仕切り５６Ａまたは上部支持盤５４Ａに接続している。同様に、８１Ｂは環状の下部軸受側空間６０Ｂに配設された下部双方向インバータ部である。下部双方向インバータ部８１Ｂは下部仕切り５６Ａまたは下部支持盤５４Ａに接続している。
双方向インバータ部８１Ａ、８１Ｂから給電により発電電動機部３と回転シャフト５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃが回り始めると、螺旋溝分子ポンプ５７Ａ、５７Ｂが発動し、フライホイール空間６０の空気が軸受側空間６０Ａ、６０Ｂに排気され、しばらくするとフライホイール空間６０は真空に、軸受側空間６０Ａ、６０Ｂは大気圧（外気圧）になる。フライホイール空間６０は真空に維持されるので、本実施形態は外付け真空排気装置なくてもフライホイール部２の表面で発生する風損を解消することができる。
第７の実施形態においては、第１の実施形態のフライホイール蓄電装置１の空き空間に排気装置たる螺旋溝分子ポンプ５７Ａ、５７Ｂと双方向インバータ部８１Ａ、８１Ｂを収納する構成にしたため、外付け真空排気装置と外付け双方向インバータの体積の同時削減が可能となった。これにより、第１～第５の各実施形態に比べて一層高い集積度（小型化）を得ることができる。
１，１０，２０，３０，４０，５０，７０，８０…フライホイール蓄電装置
２…フライホイール部
３…発電電動機部
５Ａ，５Ｂ，５１Ａ，５１Ｂ…回転シャフト（支持軸）
８Ａ，８Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ…フライホイールハブ
９Ａ，９Ｂ…回転質量円輪
１０，２４…ステータ部
１１ｉ…無鉄心励磁誘導コイル
１２Ａ，１２Ｂ…ロータ部
１３Ａｉ、１３Ｂｉ…永久磁石列
２１Ａ，２１Ｂ…静止シャフト（支持軸）
３１…第１フライホイール蓄電器（第１蓄電ユニット）
３２…第２フライホイール蓄電器（第２蓄電ユニット）
４３Ａ，４３Ｂ…双方向インバータ部
５７Ａ，５７Ｂ…螺旋溝分子ポンプ（排気装置）

Claims (5)

  1. 電気エネルギーと回転運動エネルギーとを相互に変換する発電電動機部と、エネルギーを回転運動として蓄積するフライホイール部とを備えるフライホイール蓄電装置であって、
    前記フライホイール部は、該フライホイール部の回転軸線に中心軸線が一致する支持軸と、該支持軸に同軸に支持された一対のフライホイールハブと、各フライホイールハブの外周に設けられた環状の回転質量円輪とを備え、
    前記発電電動機部は、前記一対のフライホイールハブの間に設けられた無鉄心励磁誘導コイルによるステータ部と、該ステータ部の無鉄心励磁誘導コイルに対向して前記各フライホイールハブに保持された無継鉄ハルバッハ配置永久磁石列によるロータ部とを備え、
    前記支持軸を支持して前記発電電動機部と前記フライホイール部とを共に収容する筐体を備えることを特徴とするフライホイール蓄電装置。
  2. 前記フライホイールハブと前記支持軸と前記筐体の１以上またはすべてが軽金属または炭素繊維強化プラスチックで構成されることを特徴とする請求項１記載のフライホイール蓄電装置。
  3. 前記フライホイール部の前記回転質量円輪と前記支持軸との間に環状の空間が形成されており、当該環状空間内に前記発電電動機部への給電及び受電を行うための双方向インバータ部が収容されていることを特徴とする請求項１又は２記載のフライホイール蓄電装置。
  4. 前記筐体の内部における少なくとも前記発電電動機部及び前記フライホイール部の回転領域を真空化すべく排気を行う排気装置を前記筐体内部に備えることを特徴とする請求項１～３の何れか１項記載のフライホイール蓄電装置。
  5. 前記発電電動機部と前記フライホイール部とで構成された第１蓄電ユニットと、該第１蓄電ユニットに対して等速で逆回転する前記発電電動機部と前記フライホイール部とで構成された第２蓄電ユニットとを備え、
    第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットとを同一回転軸線上に同数配設したことを特徴とする請求項１～４の何れか１項記載のフライホイール蓄電装置。
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