JP5719065B1 - フライホイール蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電動作時に、フライホイールができるだけ速やかに高回転域に達することができるようにしたフライホイール蓄電装置を提供する。【解決手段】ケース１０と、ケース１０内において固定されたステータ２０とケース内において回転可能に設けられたローターであるフライホイール３０とを有する電動機４０とを備え、電動機４０の作動によるフライホイール３０の回転によって、電力を回転エネルギーとして蓄える装置であって、電動機４０は、主電力によって駆動される主電動機４１と、主電力よりも小さな電力である副電力によって駆動される主電動機４１よりも小型の副電動機４２とを備えている。主電動機４１の内側に副電動機４２が同心状に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載できるフライホイール蓄電装置に関するものである。より詳しくは、フライホイールを高速で回転させることにより電力を回転エネルギーの形で蓄え、必要に応じて回転エネルギーを電力に変換するフライホイール蓄電装置に関し、特に、走行と停止の繰り返し頻度の高い車両（例えば、バス、乗用車、路面電車、鉄道車両等）に適したフライホイール蓄電装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に見られるように、
ケース（２）と、
このケース（２）内において固定されたステータ（３６）とケース（２）内において回転可能に設けられたローターであるフライホイール（１８）とを有する電動機（３５）と、
を備え、電動機（３５）の作動によるフライホイール（１８）の回転によって、電力を回転エネルギーとして蓄えるフライホイール蓄電装置が知られている。

このフライホイール蓄電装置は、外部電源からステーター（３６）の巻線（３９）に電圧が印加されると、ローター（４２）である回転体（１８）が高速で回転し、電気エネルギーが回転エネルギーに変換されて蓄えられる。そして、必要に応じて、回転体（１８）の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、外部の負荷に供給されるものである（同文献００３６段落）。

また、このフライホイール蓄電装置にあっては、上軸受ユニット（２５）と下軸受ユニット（３０）とによって回転体（１８）の上下端部を支持しているので、揺動振動に対して支持が破綻するようなことはなく、ゴーストップ頻度の高い移動体（バス、乗用車、路面電車、鉄道等）で有効に利用することができることになる（同文献００３７段落）。

特開２００３−０８８０４０号公報

上述したようなゴーストップ頻度の高い移動体に搭載されるフライホイール蓄電装置においては、電力を回転エネルギーの形で蓄える蓄電動作時、フライホイールができるだけ速やかに高回転域に達するようにすることが望まれる。次回の加速走行時に速やかに備えるためである。
しかし、上述した従来のフライホイール蓄電装置では、蓄電動作時に、フライホイールができるだけ速やかに高回転域に達するようにするための特別な工夫はなされていなかった。
本発明が解決しようとする課題は、蓄電動作時に、フライホイールができるだけ速やかに高回転域に達することができるようにしたフライホイール蓄電装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明のフライホイール蓄電装置は、
ケースと、
このケース内において固定されたステータと前記ケース内において回転可能に設けられたローターであるフライホイールとを有する電動機と、
を備え、電動機の作動によるフライホイールの回転によって、電力を回転エネルギーとして蓄える、車両に搭載されるフライホイール蓄電装置であって、
前記電動機は、主電力によって駆動される主電動機と、前記主電力よりも小さな電力である副電力によって駆動される前記主電動機よりも小型の副電動機とを備え、
前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機の内側に前記副電動機が同心状に配置され、
前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機用ステータの内側に前記副電動機用ステータが同心状に配置され、それら主電動機用ステータと副電動機用ステータとの間に、冷却用ジャケットが上記両ステータと同心状に設けられ、
前記主電力は、前記車両の車輪を駆動するモータからの回生電力を含み、
前記副電力は、前記車両に搭載された二次電池からの電力を含むことを特徴とする。
このフライホイール蓄電装置によれば、蓄電動作時には、主電力によって主電動機が駆動されることに加え、副電力により副電動機を駆動することで、フライホイールの回転が加速（加勢）される。
したがって、主電動機のみでフライホイールを駆動する場合に比べ、より速やかにフライホイールを高回転域に達せさせることができる。
ここで、副電動機は主電動機よりも小型であって主電力よりも小さな電力で駆動されるから、仮に主電動機を主電力と副電力とで駆動した場合に比べて、鉄損等のエネルギー損失を小さくすることができる。
以上のように、この本発明のフライホイール蓄電装置によれば、蓄電動作時に、フライホイールが速やかに高回転域に達することができるようにすることができ、しかもエネルギー損失を少なくして効率よくフライホイールを速やかに高回転域に到達させることができる。

また、前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機の内側に前記副電動機が同心状に配置されているので、フライホイール蓄電装置をコンパクトに構成することができる。したがって、車両に搭載しやすくなる。

また、前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機用ステータの内側に前記副電動機用ステータが同心状に配置され、それら主電動機用ステータと副電動機用ステータとの間に、冷却用ジャケットが上記両ステータと同心状に設けられているので、主電動機と副電動機とを共通の冷却用ジャケットで効率よく冷却することができるため、フライホイール蓄電装置を一層コンパクトに構成することができる。したがって、車両にさらに搭載しやすくなる。
また、前記主電力は、前記車両の車輪を駆動するモータからの回生電力を含み、
前記副電力は、前記車両に搭載された二次電池からの電力を含む構成となっているので、車両に搭載される二次電池を小型化できる車両を構成することができる。

このフライホイール蓄電装置においては、
前記フライホイールは、該フライホイールの回転軸線と直交する方向（ラジアル方向）から見て、前記主電動機用ステータと副電動機用ステータとが収容される凹部が形成された中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなり、
前記ケースの形状も、上記フライホイールの外面形状と同様、中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなり、
前記ケース内には、ヘリウム・空気混合ガスが充填される構成とすることができる。
このように構成すると、フライホイールの形状が該フライホイールの回転軸線と直交する方向（ラジアル方向）から見て、前記主電動機用ステータと副電動機用ステータとが収容される凹部が形成された中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなるいわばそろばんの珠形状となっていること、およびケース内にヘリウム・空気混合ガスが充填されることによって、風損の低減を図ることができる。
しかも、前記ケースの形状も、上記フライホイールの外面形状と同様、中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなっていることにより、フライホイール蓄電装置を一層コンパクトに構成することができ、したがって、車両にさらに搭載しやすくなる。

このフライホイール蓄電装置においては、
前記フライホイール蓄電装置は、前記フライホイールの回転方向を逆にした状態で一対車両に搭載されることが望ましい。
このように構成すると、フライホイールの回転によるモーメントおよびジャイロ効果を打ち消すことができる。

本発明に係るフライホイール蓄電装置の一実施の形態を示す断面図。 同じく組立断面図。 フライホイール３０および固定軸４４の断面図。 フライホイール蓄電装置１を搭載した車両の一例を示すブロック図。 作動説明図。 作動説明図。 作動説明図。 フライホイール蓄電装置１を上下に一対配置した蓄電装置を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 フライホイール蓄電装置１を左右に一対配置した蓄電装置を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。

以下、本発明に係るフライホイール蓄電装置の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同一部分ないし相当する部分には、同一の符号を付してある。

図１〜図３に示すように、この実施の形態のフライホイール蓄電装置１は、ケース１０と、このケース１０内において固定されたステータ２０とケース１０内において回転可能に設けられたローターであるフライホイール３０とを有する電動機４０とを備え、電動機４０の作動によるフライホイール３０の回転によって、電力を回転エネルギーとして蓄える装置である。

電動機４０は、主電力によって駆動される主電動機４１と、主電力よりも小さな電力である副電力によって駆動される主電動機４１よりも小型の副電動機４２とを備えている。

このフライホイール蓄電装置１によれば、蓄電動作時には、主電力によって主電動機４１が駆動されることに加え、副電力により副電動機４２を駆動することで、フライホイール３０の回転が加速（加勢）される。
したがって、主電動機４１のみでフライホイール３０を駆動する場合に比べ、より速やかにフライホイール３０を高回転域に到達させることができる。
ここで、副電動機４２は主電動機４１よりも小型であって主電力よりも小さな電力で駆動されるから、仮に主電動機４１を主電力と副電力とで駆動した場合に比べて、鉄損等のエネルギー損失を小さくすることができる。
したがって、このフライホイール蓄電装置１によれば、蓄電動作時に、フライホイール３０が速やかに高回転域に達することができるようにすることができ、しかもエネルギー損失を少なくして効率よくフライホイール３０を速やかに高回転域に到達させることができる。

このフライホイール蓄電装置１においては、フライホイール３０の回転軸線Ａ回りに関し、主電動機４１の内側に副電動機４２が同心状に配置されている。
このように構成すると、フライホイール蓄電装置１をコンパクトに構成することができる。したがって、車両に搭載しやすくなる。

主として図２に示すように、フライホイール３０の回転軸線Ａ回りに関し、主電動機用ステータ４１ｓの内側に副電動機用ステータ４２ｓが同心状に配置され、それら主電動機用ステータ４１ｓと副電動機用ステータ４２ｓとの間に、冷却用ジャケット４３が上記両ステータ４１ｓ、４２ｓと同心状に設けられている。

このように構成すると、主電動機４１と副電動機４２とを共通の冷却用ジャケット４３で効率よく冷却することができるため、フライホイール蓄電装置１を一層コンパクトに構成することができる。したがって、車両にさらに搭載しやすくなる。

４４は全体形状が略円筒状の固定軸であり（図３参照）、そのフランジ部４４ｆがボルト４４ｂでケース１０に固定される。
図２に示すように、主電動機用ステータ４１ｓは、固定軸４４とこの固定軸４４の外周に設けられた主電動機用固定子コイル４１ｃとで構成される。
副電動機用ステータ４２ｓは、固定軸４４とこの固定軸４４の内周に設けられた副電動機用固定子コイル４２ｃとで構成される。

フライホイール３０は、その中心部に一体に形成された回転軸３１（図３参照）と、この回転軸３１回りに同心状に平面視（回転軸線Ａ方向から見て）リング状に形成された凹部３２とを有している。
図２に示すように、主電動機用ロータ４１ｒは、フライホイール３０と、前記凹部３２の内周面に固定された主電動機永久磁石４１ｍとで構成される。
副電動機用ロータ４２ｒは、フライホイール３０と、その回転軸３１の外周面に固定された副電動機用永久磁石４２ｍとで構成される。

フライホイール３０は、該フライホイール３０の回転軸線Ａと直交する方向（ラジアル方向）から見て、主電動機４１用ステータ４１ｓと副電動機４２用ステータ４２ｓとが収容される前記凹部３２が形成された中央肉厚部３３と、この中央肉厚部３３から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部３４とからなっている。
ケース１０の形状も、フライホイール３０の外面形状と同様、中央肉厚部１３と、この中央肉厚部１３から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部１４とからなっている。
ケース内１０には、ヘリウム・空気混合ガスが充填される。
このように構成すると、フライホイール３０の形状が該フライホイール３０の回転軸線Ａと直交する方向（ラジアル方向）から見て、主電動機用ステータ４１ｓと副電動機用ステータ４２ｓとが収容される凹部３２が形成された中央肉厚部３３と、この中央肉厚部３３から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部３４とからなるいわばそろばんの珠形状となっていること、およびケース１０内にヘリウム・空気混合ガスが充填されることによって、風損の低減を図ることができる。
しかも、ケース１０の形状も、上記フライホイール３０の外面形状と同様、中央肉厚部１３と、この中央肉厚部１３から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部１４とからなっていることにより、フライホイール蓄電装置１を一層コンパクトに構成することができ、したがって、車両にさらに搭載しやすくなる。
なお、混合ガス圧は、大気圧と同じでもよい。

ケース１０は、上ケース１１と下ケース１２とを有し、これら上ケース１１と下ケース１２のフランジ部同士がボルト１０ｂで結合されている。

上ケース１１の中央部には開口１１ｃ（図２）が設けられており、この開口１１ｃに前述した主電動機用ステータ４１ｓおよび副電動機用ステータ４２ｓを構成する固定軸４４が挿通され、そのフランジ部４４ｆがボルト４４ｂで上ケース１１に固定される。

図１，図２に示すように、固定軸４４の中心空間４４ｓには、副電動機用ロータ４２ｒが挿入され、その軸３１の上端が、中心空間４４ｓの上端に配置された上部ラジアル磁気軸受３１ｒで回転可能に支持されている。

固定軸４４の上部には、上カバー４５がボルト４５ｂで固定される。
上カバー４５には、冷却用ジャケット４３へ冷却水を供給するための冷却水入り口栓４３ｉと、冷却用ジャケット４３から冷却水を排出するための冷却水出口栓４３ｏと、副電動機用固定子コイル４２ｃのための配線用栓４２ｐと、上部ラジアル磁気軸受３１ｒ用の配線用栓３１ｐとが設けられている。

また、固定軸４４には、主電動機用固定子コイル４１ｃのための配線用栓４１ｐと、ケース１０内にヘリウム・空気混合ガスを充填するためのガス栓４４ｇが設けられている。
４６は主電動機用固定子コイル４１ｃおよび副電動機用固定子コイル４２ｃを固定するための金具である。

フライホイール３０の下部中央には、上記軸３１と同軸上に下部軸３１Ｕが形成されている。
一方、下ケース１２の下部中央には、下部軸３１Ｕを受ける軸受け部１２ｂが設けられている。
下部軸３１Ｕおよび軸受け部１２ｂには、下部ラジアル磁気軸受１２ｒと、スラスト磁気軸受１２ｓとが設けられている。
スラスト磁気軸受１２ｓによってフライホイール３０の全質量が支持され、上下のラジアル磁気軸受３１ｒ、１２ｒによってフライホイール３０の水平方向における振動抑制および位置規制が行われることで、フライホイール３０は非接触状態で支持され、軸受抵抗損失が非常に小さな状態で回転可能である。
フライホイール３０は、強度および重量を考慮すると、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成するのが望ましい。

下ケース１２の中央下部には、下カバー１５がボルト１５ｂで固定される。
下カバー１５には、下部ラジアル磁気軸受１２ｒ用の配線用栓１６と、スラスト磁気軸受１２ｓ用の配線用栓１７とが設けられている。

フライホイール蓄電装置１は車両に搭載される装置である。
フライホイール蓄電装置１を車両に搭載した場合、例えば図４、図６に示すように、フライホイール蓄電装置１の主電動機４１を駆動する主電力Ｅ１は、車両１００の車輪１０１を駆動するモータ１０２からの回生電力Ｅ１ｂを含み、
副電動機４２を駆動する副電力Ｅ２は、車両１００に搭載された二次電池（バッテリ）１２０からの電力Ｅ２ｂを含む構成とすることができる。
このように構成すると、このフライホイール蓄電装置１を搭載することによって、車両１００に搭載される二次電池１２０を小型化できる。
なお、図４〜図７において、各部間をつなぐ矢印は、全て電力の伝達方向を示している。

図４〜図７において、１１０は車両１００における主電源であり、車両１００が鉄道車両の場合、架線電源で構成され、車両１００が道路車両である場合、ガソリンエンジン等による公知の発電機で構成される。

二次電池１２０は、リチウム電池等公知のバッテリで構成することができる。
１３０は公知のインバータ等で構成できるパワーコントロールユニットであり、主電源１１０（およびフライホイール蓄電装置１）からの電力によりモータ１０２を駆動し、減速機１０３を介して車輪１０１を駆動する。
また、パワーコントロールユニット１３０は、モータ１０２からの回生電力E１ｂおよび二次電池１２０からの電力Ｅ２ｂに基づき、主電動機４１および副電動機４２を駆動してフライホイール蓄電装置１への蓄電動作を行う。
各部の作動については、以下の動作説明においてさらに詳しく説明する。

車両１００ないしパワーコントロールユニット１３０は次のように作動する。
＜通常走行時（図５）＞
通常走行時、パワーコントロールユニット１３０は、主電源１１０からの電力によりモータ１０２を駆動し、減速機１０３を介して車輪１０１を駆動して車両１００を走行させる。
また、パワーコントロールユニット１３０は、主電源１１０からの電力の一部を用いてバッテリ１２０を充電する。
この時、フライホイール蓄電装置１は、モータ駆動およびバッテリ充電には関与しない。

＜減速時（図６）＞
車両１００の減速時には、モータ１０２による発電がなされるため、その回生電力Ｅ１ｂに基づき、パワーコントロールユニット１３０は、主電力Ｅ１にてフライホイール蓄電装置１の主電動機４１を駆動し、フライホイール３０を高回転域（例えば１３０００ｒｐｍ）に向けて駆動する。
また、この時パワーコントロールユニット１３０は、二次電池（バッテリ）１２０からの電力Ｅ２ｂに基づき、副電力Ｅ２にて副電動機４２を駆動し、主電動機４１によるフライホイール３０の駆動を助勢（アシスト）する。
これによって、フライホイール３０は短時間にて高回転域へ達することが可能となり、短時間で、電気エネルギーがフライホイール３０の回転エネルギーとして蓄積されることとなる。
なお、パワーコントロールユニット１３０は、必要に応じ、図６に一点鎖線矢印で示すように主電源１１０からの電力の一部を、フライホイール３０を駆動するための主電力Ｅ１および／または副電力Ｅ２の一部として利用する（含ませる）ことができるように構成することもできる。
また、パワーコントロールユニット１３０は、フライホイール３０が最高回転に達したときにはフライホイール蓄電装置１が満充電状態になったと判断して、その後のモータ１０２からの回生電力Ｅ１ｂをバッテリ１２０に充電する。

＜加速時（図７）＞
車両１００の加速時には、パワーコントロールユニット１３０は、次の（１）（２）（３）の任意の組み合わせによる電力（最大（１）＋（２）＋（３）の電力）によりモータ１０２を駆動し車両１００を加速する。
（１）主電源１１０からの電力
（２）二次電池（バッテリ）１２０からの電力Ｅ２ｂ
（３）フライホイール蓄電装置１における主電動機４１の発電（放電）Ｐ１および副電動機４２の発電（放電）Ｐ２

図８に示すように、フライホイール蓄電装置１は上下に一対配置し、それらのフライホイール３０の回転方向を逆にして使用することがモーメントおよびジャイロ効果を打ち消す上で望ましい。
図８において、２００はフレーム、２０１は補強リブ、２０２は上部ブラケット、２０３は上部受け、２０４は上部受けキャップ、２０５は中間プラケット、２０６は中間受け、２０７は中間受けキャップ、２０８は下部受け、２０９はトルクロッド、２１０はＦＷ側ロッドピン、２１１はフレーム側ロッドピン、２１２はガス容器、２１３はガス充填栓、２１４は上部フライホイール蓄電装置用充填栓、２１５は下部フライホイール蓄電装置用充填栓、２１６はガス容器上部プラケット、２１７はガス容器上部受けキャップ、２１８はガス容器下部ブラケット、２１９はガス容器下部受けキャップである。
フライホイール蓄電装置１の上下には、球状の被支持部１ａ、１ｂ（図１）が設けられており、これら被支持部１ａ、１ｂが上部受け２０３，中間受け２０６，および下部受け２０８で支持される。被支持部１ａ、１ｂを球状とすることによって、ブラケット２０２等への取付を簡素にすることができる。
ガス容器２１２の上部フライホイール蓄電装置用充填栓２１４は上部フライホイール蓄電装置におけるガス栓４４ｇに接続され、下部フライホイール蓄電装置用充填栓２１５は下部フライホイール蓄電装置におけるガス栓４４ｇに接続される。

フライホイール装置１を車両に搭載する場合、図９に示すように、フライホイール蓄電装置１を左右に一対配置した状態で搭載することが望ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において適宜変形実施可能である。

１： フライホイール蓄電装置
１０： ケース
１３： 中央肉厚部
１４： 円盤部
２０： ステータ
３０： ローター（フライホイール）
３２： 凹部
３３： 中央肉厚部
３４： 円盤部
４０： 電動機
４１： 主電動機
４１ｓ： 主電動機用ステータ
４２： 副電動機
４２ｓ： 副電動機用ステータ
４３： 冷却用ジャケット

Claims (3)

1. ケースと、
   このケース内において固定されたステータと前記ケース内において回転可能に設けられたローターであるフライホイールとを有する電動機と、
   を備え、電動機の作動によるフライホイールの回転によって、電力を回転エネルギーとして蓄える、車両に搭載されるフライホイール蓄電装置であって、
   前記電動機は、主電力によって駆動される主電動機と、前記主電力よりも小さな電力である副電力によって駆動される前記主電動機よりも小型の副電動機とを備え、
   前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機の内側に前記副電動機が同心状に配置され、
   前記フライホイールの回転軸線回りに関し、前記主電動機用ステータの内側に前記副電動機用ステータが同心状に配置され、それら主電動機用ステータと副電動機用ステータとの間に、冷却用ジャケットが上記両ステータと同心状に設けられ、
   前記主電力は、前記車両の車輪を駆動するモータからの回生電力を含み、
   前記副電力は、前記車両に搭載された二次電池からの電力を含むことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
2. 請求項１において、
   前記フライホイールは、該フライホイールの回転軸線と直交する方向から見て、前記主電動機用ステータと副電動機用ステータとが収容される凹部が形成された中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなり、
   前記ケースの形状も、上記フライホイールの外面形状と同様、中央肉厚部と、この中央肉厚部から外方に向かって徐々になだらかに肉薄となる円盤部とからなり、
   前記ケース内には、ヘリウム・空気混合ガスが充填されることを特徴とするフライホイール蓄電装置。
3. 請求項１または２において、
   前記フライホイール蓄電装置は、前記フライホイールの回転方向を逆にした状態で一対車両に搭載されることを特徴とするフライホイール蓄電装置。

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