JP6803831B2 - フライホイール配置 - Google Patents

Description

本発明は、フライホイール配置に関する。

現在、所望の時及び場所にて電力を供給できるよう、エネルギを変換して貯蔵する様々な工夫が行われている。気候変動への対処は、再生可能エネルギを生成する様々な新しい試み及び方法を生み出してきた。再生可能エネルギから電気を生成する多様な装置は、日々、進歩しているが、ほとんどの再生可能エネルギ源において、エネルギ需要、特にそのピーク時の需要に対応するようにエネルギを継続的に発生させることが課題となっている。そのため、多様な段階における消費者の需要に適応して、家庭用、商業用、工業用の電力を供給するために、費用効果が高くかつ安全な方法により強力なエネルギを貯蔵する必要がある。更に、発達した英国国内での電力供給グリッドと、世界中の様々な都市において開発されているスマートグリッドとの需給バランスを保つために大量のエネルギを貯蔵し、利用可能とする必要がある。

エネルギ貯蔵の一方法として、現在、フライホイールが開発されている。フライホイールは、非常に効率的に、かつ極めて局限された空間内に大量のエネルギを貯蔵することができる。大量の強力なエネルギを局限された空間に貯蔵する場合の課題として、健康及び安全面の問題が挙げられる。

鋼材や、ファイバーガラス又は炭素繊維などの高密度圧縮複合材料から構成されるフライホイールに何らかのトラブルが生じた場合、デブリにより重大な危険性が生じかねない。それ故、あらゆる対人・対物リスクを低減させるために、鋼材又は中実複合材料から構成されるフライホイールは、通常、頑強な鋼管に格納され、地中に埋設されている。

上述した形式のフライホイールの代替として、流体を収容するフライホイールが挙げられる。このようなフライホイールは、空洞かつ軽量であり、流体を流入させる前にその作動速度まで駆動することが可能であることから、フライホイールの質量を増加させることができる。フライホイールにエネルギを貯蔵することが可能であれば、流体を流入させることによりフライホイールの質量を増加させながら、その作動速度を維持することができる。このようなフライホイールの利点として、フライホイールの構成又は、軸受などの構成要素に欠陥が生じ、フライホイールにより、その周囲の格納タンク又は壁内の大部分が破壊された場合でも、格納タンクの強度は、十分にデブリを収容できる程強く、タンクの地中埋設を要さないことが挙げられる。格納タンクには、タンク内の気体あるいは、少なくとも一定量の気体を排気及び／又は低減させるために真空ポンプを設けることができる。これにより、空気抵抗が少なくなるため、フライホイールは、より長時間に亘って回転することが可能となる。

流体を収容するフライホイールにおける健康及び安全面のリスクが低減することで、家庭用又は市販用として用いるのにより適する。このフライホイールは、工業用としても用いることができる。

流体を収容するフライホイールに付随する問題点として、作動サイクル中のフライホイールの速度及び質量が、フライホイール内における流体の量に左右されることが挙げられる。これは、流体を収容するフライホイールの作動サイクルにおける様々なタイミングで、多様な応力及び歪みが支持軸受に作用することを意味する。

フライホイールエネルギ貯蔵システムの作動サイクルは、３つの異なる作動時期に細分化することができる。

第１期において、エネルギを少なくとも１つの形態、例えば、電気エネルギから運動エネルギとして貯蔵するためにフライホイールへと移送する。この運動エネルギは、フライホイールの回転として目視することができる。

第２期において、エネルギは、フライホイールへと移送されることなく、システム内における損失を除けばフライホイール外へと移送されるものでもない。

第３期において、エネルギはフライホイール外へと移送される。これは、エネルギを消費者に供給するために、エネルギを通常は運動エネルギから電気エネルギへと変換する場合である。

これら３期の作動サイクルにおいて、フライホイールエネルギ貯蔵システムには多様な応力及び歪みが作用する。応力及び歪みなどの力は、支持手段へと伝達され、あるいはその支持手段から伝達されることにより、フライホイールエネルギ貯蔵システムの効率性を低下させ、その寿命を短縮する。

このようなフライホイールは、健康及び安全面のリスクを低減させるという点で有利であるが、流体を充填する既存のフライホイールは、電磁軸受へのパワーを維持するために貯蔵エネルギを消費し、それにより、該フライホイールのエネルギ貯蔵容量を減少させている。

流体を収容するフライホイールの平衡、振動及び全体性能を保つため、定常的に変動する負荷に対して非常に迅速に適応できる軸受及び支持機構が必要である。更に、フライホイールの貯蔵容量を維持するため、最小限のパワーを使用する軸受及び支持機構が必要である。

流体を収容するフライホイールは、他の形態のエネルギ貯蔵機構と比較した場合に、エネルギ貯蔵システムとしての多くの利点を備えるが、近年発展した技術には多くの問題が存在する。そのような問題の１つとして、流体を収容する回転フライホイールを支持する方法において、貯蔵パワーを消費する点が挙げられる。これは、エネルギ貯蔵システムに基づくフライホイールの全体的な効率及び容量を低下させる。

このため、流体を収容するフライホイールを支持するとともに、貯蔵されたエネルギの消費を最小限に抑えることができる浮揚磁石軸受が必要である。

本発明は、独立請求項に記載するフライホイールシステム及び制御機構に関する。好適な態様は、従属請求項に記載したとおりである。

一実施形態において、本発明に係るフライホイールは、少なくとも一端に凹部、第１磁石及び第２磁石が設けられた回転シャフトと、支持手段とを備え、該支持手段が：
シャフトを水平方向に安定化させるための第１磁石手段と；
シャフトを垂直方向に安定化させるための第２磁石手段を備え；
シャフトの第１磁石が第１磁石手段と協働し、シャフトの第２磁石が第２磁石手段と協働する。

シャフトに設けられる２つの磁石は、第１磁石手段又は第２磁石手段それぞれに対して、引き合い又は反発するように配置することができる。磁石の引き合い又は反発は、シャフトに対する磁石の方向及びその配置により決定する。

好適には、第１磁石手段は環状磁石を備え、シャフトにおける第１磁石は、第１磁石手段における環状磁石の内側で同軸に配置されている。より好適には、シャフトにおける第１磁石は、第１磁石手段における環状磁石よりも小径の環状である。シャフトにおける第１磁石は、第１磁石手段における環状磁石よりも小径の環状磁石として構成することができる。それ故に、シャフトにおける磁石の水平方向へのあらゆる動きを他の磁石により抑制することが可能となり、シャフトの心出し状態を維持することができる。

好適には、第２磁石手段は環状磁石を備え、シャフトにおける第２磁石は、第２磁石手段における環状磁石に隣接して同軸に配置される構成とすることができる。より好適には、シャフトにおける第２磁石は、第２磁石手段における環状磁石と同径の環状であり、第２磁石手段の環状磁石の上方に配置される構成とすることができる。１つの磁石を他の磁石の上方に配置することで、シャフトを垂直方向に安定化させることが可能となる。１つの磁石が動くと、その磁石の磁界と相互作用する磁界及び／又は重力が生じて磁界中における動きを修正し、平衡位置に再配置することができる。

支持手段として構成した安定化手段は、２組の磁石の同軸配置により、フライホイールシャフトの垂直及び水平方向における動きを制御可能とする。すなわち、第１配置は、１つの磁石を他の磁石の上側に配置することで、シャフトの垂直方向位置を制御し、第２配置はシャフトの水平方向位置を制御するものである。

回転シャフトは、その両端に、それぞれ２つの磁石及び連関する支持手段を備えることができる。これにより、シャフトの安定化状態を維持するために、その一端又は両端を調整することが可能となる。

好適には、シャフトにおける凹部内に収容可能な頂部ピン及び底部ピンを備えることができる。凹部内にピンを収容することで、シャフトが外れるリスクを軽減し、シャフトの安定化を補助するシャフト内の凹部とピンとが軽く接触した状態とすることができる。

好適には、ピンが電導性を有することで、これらをピンに対するシャフトの位置を検知するスイッチとして用いることができる。

好適な実施形態において、シャフトは磁気ベアリングを更に備え、各磁気ベアリングはフレームに設けられてシャフトを浮揚させる構成とされている。フレームにより固定位置が提供されることで、シャフトが浮揚し、磁気ベアリングによりシステムの摩擦を軽減されることで、フライホイールを長時間に亘って、回転させることが可能となる。

好適な実施形態において、支持手段の垂直方向位置は調整可能であり、シャフトの垂直位置を可変とする。これにより、ピンを適切に動かすことで、シャフトの安定化を補助することができる。シャフトの垂直方向位置を動かすことにより、当該配置内で生じる摩擦を低減させ、フライホイールのより簡易な操作を可能とする。

支持手段を調節するためにコンピュータを備え、該コンピュータによりシャフトの位置を検知し、シャフトの垂直方向高さを可変とすることができる。それ故に、コンピュータによる検知及び支持手段の配置の調整が可能となり、フライホイールのシャフトにより、シャフトの位置及び均衡の変化に対応する自動応答が可能となる。

本発明に係るフライホイールの安定化方法は、シャフトを、その凹部内に電気接触が生じる構成とし、少なくとも１つのピンを通る電流を検知する段階と、シャフトの垂直方向位置をステップモータにより電流が消失するまで調節する段階と、シャフトの垂直方向位置を電気接触が再び生じるまで調節する段階とを備える。これにより、ピンに対するシャフトの位置を調整することで、摩擦接触が低減し、より長時間に亘るフライホイールの回転が可能となる。ピンとシャフトとの間の連結を継続的に取り外し、再連結を行うことで、摩擦を検知し、摩擦が比較的少ない状態を保つことができる。代替的に、ピン及びシャフトの摩擦を高めることにより、必要に応じてシャフトの回転数を減少させることができる。

従って、発明の目的は、流体を収容するフライホイールの回転中央シャフトを支持するために、コンピュータ制御された調整可能な永久磁石列を提供することである。垂直に配置した回転中央シャフトの頂部及び底部は、各心出しピンにより支持される。一対のスイッチとして作用する心出しピンにより、コンピュータ制御手段は、永久磁石列及び心出しピンの位置を適正に調整することが可能となる。頂部及び底部心出しピンはそれぞれ、高さ又は垂直方向に定期的に調整することができ、コンピュータ制御手段により制御圧を、該フライホイールの両端に対してほぼ同時に加えることで、該フライホイールの安定性を維持し、不要な振動を低減させることができる。

本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる垂直永久磁石列を提供することである。ここで、垂直永久磁石列は、流体を収容するフライホイールの垂直方向に配置した中央シャフトの頂部又はその近傍に配置され、該垂直磁石列の少なくとも１つの磁石は、垂直方向に調整可能である。本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる垂直永久磁石列を提供することである。ここで、垂直永久磁石列は、該フライホイールの垂直方向に配置した回転中央シャフトの底部又はその近傍に配置され、該垂直磁石列の少なくとも１つの磁石は、垂直方向に調整可能である。

本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる水平永久磁石列を提供することである。ここで、水平永久磁石列は、該フライホイールの垂直方向に配置した中央シャフトの頂部又は底部又はそれらの近傍に配置され、該水平磁石列の少なくとも１つの磁石は、垂直方向に調整可能である。

他の実施形態に係る本発明の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる水平永久磁石列を提供することである。ここで、水平永久磁石列は、該フライホイールの垂直方向に配置した中央シャフトの頂部又は底部又はそれらの近傍に配置され、該水平磁石列の少なくとも１つの磁石は、堅固に固定され、調整不可能である。

本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる心出しピンを提供することである。ここで、心出しピンは、該フライホイールの垂直方向に配置した中央シャフトの頂部又は底部に配置される。

本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる心出しピンを提供することである。ここで、心出しピンは、その一端が凸錐となるような形状とすることができる。

本発明の他の目的は、流体を収容するフライホイールを支持し、安定化させる心出しピンを提供することである。ここで、心出しピンは、その一端の凸錐端が半円形となるような形状とすることができる。

本発明の他の目的は、少なくとも１つの磁石を垂直方向に配置するためのコンピュータ制御された調整可能な支持及び安定化ユニットを提供することである。ここで、該磁石は、水平永久磁石列の一部であり、該水平永久磁石列は、流体を収容するフライホイールの垂直方向に配置した回転中央シャフトの頂端部又は底端部又はそれらの近傍に配置される。

本発明の他の目的は、少なくとも１つの磁石を垂直方向に配置するためのコンピュータ制御された調整可能な支持及び安定化ユニットを提供することである。ここで、該磁石は、垂直永久磁石列の一部であり、該垂直永久磁石列は、流体を収容するフライホイールの垂直方向に配置した回転中央シャフトの頂端部又は底端部又はそれらの近傍に配置される。

本発明の他の目的は、心出しピンを協調制御し、垂直方向に調整するためのコンピュータ制御された支持及び安定化ユニットを提供することである。ここで、該心出しピンは、流体を収容するフライホイールの垂直方向に配置した回転中央シャフトの頂端部又は底端部に配置される。更に、該心出しピンは、該フライホイールの回転中心軸に沿って、垂直方向に調整することができる。

本発明において、全ての永久磁石の強さは固定されており、任意又は全ての磁気支持手段の位置を調整し、これにより何れか磁石列における任意又は全ての磁石の配置を調整することで、相互に作用する磁場の強さを調整することができる。

本発明において、全ての永久磁石の強さは固定されており、任意又は全ての磁気支持手段の位置を調整することで、相互に作用する磁場の強さを調整することができる。更に、任意又は全ての磁気支持手段の位置は、コンピュータ制御手段により制御することができる。

本発明の他の目的は、機械的なスラスト軸受を提供することである。このスラスト軸受は、２等分にすることができ、その一方は、流体を収容するフライホイールの垂直方向にて、調整可能な回転中央シャフトに確実に取り付けられ、他方は、堅固に固定位置にて固定されている固定手段に確実に取り付けられる。

本発明の他の目的は、垂直永久磁石列を用いて、流体を収容するフライホイールの回転中央シャフトのリフトを協調させるコンピュータ制御手段を提供することである。これにより、制御可能な状態下で、２等分にした機械スラスト軸受を連結及び取り外すことができる。

本発明の他の目的は、コンピュータ制御された調整可能な軸受の支持手段を提供することである。該支持手段は、本発明に係る全ての特徴を備えると同時に、例えば、スラスト軸受など、複数の機械的軸受上にてフライホイールの昇降を制御する。

本発明の更なる目的は、コンピュータ制御手段を提供することにより、複数の制御信号を協調させ、流体を収容するフライホイールの効率性を最適化することである。

他の実施形態に係る本発明の目的は、垂直磁石列の垂直方向での調整を、頂部又は底部心出しピン及び水平永久磁石列の垂直方向での調整と共に制御することである。これは、該水平永久磁石列における少なくとも１つの永久磁石は、堅固に固定され、調整不可能である場合に当てはまる。

本発明の他の目的は、複数の変換器を異なる位置に配置することでコンピュータ制御手段へフィードバック信号を送信し、コンピュータにより全ての構成要素の現在の状態又は変化状態を計算可能とすることである。

本発明の他の目的は、全ての調整可能な構成要素を協調制御すると共に調整するためのコンピュータ制御手段を提供することである。これにより、コンピュータ制御された磁気軸受や、調整可能な軸受の支持手段及び調整可能な心出しピンを、流体を収容するフライホイールの作動サイクル中に様々なタイミングで生じるシステム内での変動を補償するために用いることができる。

本発明の他の目的は、回転中央シャフトを提供することである。該中央シャフトは、フライホイールに確実に取り付けられ、該フライホイールは、実質的に空洞であり、作動中に流体を収容することができる。

本発明の他の目的は、調整可能な回転中央シャフトを提供することである。ここで、回転中央シャフトの配置は、コンピュータ制御された垂直磁石列を調整することで、垂直方向に調整され、垂直磁石列の少なくとも１つの磁石は、回転中央シャフトに対して確実に取り付けることができる。

本発明の他の目的は、流体を充填可能な、又はそれらを収容するフライホイールの回転中央シャフトを提供することである。回転中央シャフトは、その頂部及び／又は底部に凹部を備えていてもよい。

本発明の他の目的は、回転中央シャフトの頂端部及び／又は底端部に凹部を備える回転中央シャフトを提供することである。

本発明の他の目的は、回転中央シャフトの頂端部及び／又は底端部における凹部を内側円錐形状とした回転中央シャフトを提供することである。

本発明の他の目的は、内側円錐部の内側端が曲率を有する回転中央シャフトを提供することである。

好適には、本発明に係る作動サイクル中に、回転中央シャフトの凹部の内側円錐部の少なくとも１つの表面領域は、調整可能な心出しピンと物理的に接触する。

本発明の他の目的は、回転中央シャフトの頂端部及び／又は底端部に凹部を備える回転中央シャフトを提供することである。その凹部は、心出しピンを内部に収容可能な形状とすることができる。

本発明の他の目的は、心出しピンを収容可能な凹部を有する回転中央シャフトを提供することである。ここで、凹部及び心出しピンは、コンピュータ制御手段による制御下で、ピン及び回転中央シャフトを物理的に接触させ、あるいは、非接触状態とするよう、垂直方向に調整することができる。

本発明の他の目的は、少なくとも一部が電導性材料から構成される回転中央シャフトを提供することである。

本発明の他の目的は、少なくとも一部が電導性材料から構成される心出しピンを提供することである。

本発明の他の目的は、調整可能な回転中央シャフト及び調整可能な心出しピンを提供することである。ここで、心出しピン及び／又は回転中央シャフトをそれぞれ垂直方向に調整することで、回転中央シャフトと心出しピンとの間の物理的な接触を生じさせ、あるいは、それらを非接触状態とすることができる。このように、接触及び／又は非接触状態とすることにより、電気を伝達又は非伝達状態とすることができ、切り替えられた信号をコンピュータ制御手段へ送信することができる。

本発明の他の目的は、各調整手段に適合する個別のステップモータを提供することである。これにより、本発明に係る全ての調整手段を適正に配置することができる。

他の実施形態に係る本発明の目的は、調整可能な回転中央シャフト及び調整可能な心出しピンを提供することである。ここで、心出しピン及び／又は回転中央シャフトをそれぞれ垂直方向に調整することで、回転中央シャフトと心出しピンとの間の物理的な接触を生じさせ、あるいは、それらを非接触状態とすることができる。このように、接触及び／又は非接触状態とすることにより、圧力センサに圧力を加えることが可能となり、これにより信号をコンピュータ制御手段へ送信することができる。圧力センサは、例えば、加えられる圧力に比例する出力信号を送信する圧電性クリスタル変換器であってもよい。

≪流体供給システム≫
本発明の他の目的は、流体を収容可能なフライホイールを提供することである。フライホイールに対して流入又は流出させることができる流体は、コンピュータ制御手段により制御することができる。

フライホイールエネルギ貯蔵システムの作動サイクルは、３つの異なる作動時期に細分化することができる。

第１期において、少なくとも１つの形態のエネルギ、例えば、電気エネルギをフライホイールへと移送し、運動エネルギとして貯蔵する。この運動エネルギは、フライホイールの回転として目視することができる。

第２期において、エネルギは、システム内での損失を除けば、フライホイール内外へは移送されない。

第３期において、エネルギはフライホイール外へと移送される。これは、通常、エネルギを消費者に供給するために、エネルギを運動エネルギから電気エネルギへと変換する場合である。

コンピュータ制御手段は、フライホイールの速度及び質量を検知し、モータを駆動してフライホイールを駆動させるために利用可能なエネルギを測定する。

コンピュータ制御手段により、フライホイールエネルギ貯蔵システムにてサイクルを開始又は継続するのに十分なエネルギがあると判断されると、エネルギは駆動モータに移送され、フライホイールを既定速度まで増速させる。既定速度にて、コンピュータ制御手段が制御信号を送信することにより流体ポンプ手段を作動させ、外部リザーバからフライホイール周辺に位置する周辺リザーバのチャンバへと流体を移送可能とする。流体がリザーバ内部に存在する場合、流体移送手段により、リザーバ内部からフライホイール内部まで流体を移送する。

コンピュータ制御手段により、フライホイールが既定の速度及び質量に到達するまで、モータを駆動するパワーを維持し、流体をリザーバ内部に貯蔵することができる。

コンピュータ制御手段は、貯蔵可能なエネルギと、消費者の所望するエネルギ需要を検知することができる。

フライホイールが既定の速度及び質量に到達したと判断した場合、もはや、フライホイールに対してエネルギを流入又は流出させる必要はなくなる。スラスト軸受にて生じかねない摩擦損失を低減させるため、コンピュータ制御手段により垂直永久磁石列の配置を調整することができる。これにより、回転中央シャフト及びフライホイールを上昇させることができる。回転中央シャフトが上昇すれば、少なくとも１つのスラスト軸受の回転部及び非回転部が非連結状態となる。この状態は、作動サイクル第２期として既知である。

この時点の作動サイクルにおいて、コンピュータ制御手段は、心出しピンの頂部及び底部の位置を適正に調整するために用いることができる。これにより、２つの心出しピンを、回転中央シャフトに軽く接触する状態とすることができる。２つの心出しピンにより、回転中央シャフトに加えられる圧力は、コンピュータ制御手段によって、調整及び制御することができる。

心出しピンは、スイッチとして用いることもでき、このスイッチからの信号により、コンピュータ制御手段が、心出しピンが回転中央シャフトに接触するタイミングを判断することが可能となる。

垂直磁石列の調整及び心出しピンの協調調整は、回転中央シャフトの垂直方向位置を調整するために用いることができる。これにより、水平磁石列を活用するために回転中央シャフトを最適な位置に配置することで、回転中央シャフトの水平方向の動きを低減させることができる。

一般的（ただし非限定的）には、フライホイール支持機構内における大きな変動は、コンピュータ制御手段により垂直磁石列を変位させて補償することができる。これにより、回転中央シャフトを下降させ、少なくとも１つのスラスト軸受の回転部及び非回転部を連結させ、回転中央シャフト及び流体を収容するフライホイールの重量を支持することができる。

流体格納型フライホイールの格納タンク内への収容態様を示す概略図である。 本発明における種々の構成要素の配置を示す概略図である。 磁石の頂部垂直列に対する頂部心出しピンの配置説明図である。 垂直磁石列に対する底部心出しピンの配置説明図である。 垂直磁石列及び水平磁石列の配置説明図である。 水平磁石列の不適正配列を示す概略図である。 水平磁石列の適正配列を示す概略図である。 水平磁石列の不適正配列を示す概略図である。 切り替えられた電子入力信号をコンピュータ制御手段へ送信するために心出しピンを用いる態様を示す説明図である。 本発明に係る水平磁石列内における磁石の磁極配置を示す概略図である。 本発明に係る垂直磁石列内における磁石の磁極配置を示す概略図である。 本発明に係るフライホイールの作動サイクルを示す作動チャートである。 本発明に係る更なる実施形態を示す概略図である。

≪心出しピンの支持及び調整手段≫
心出しピンは、垂直方向に位置調整することができる。

本発明に係る一実施形態において、コンピュータ制御手段は、増加的なステップにてステップモータを駆動させる複数の電子信号を供給するために用いてもよい。ステップモータは、一連のタイミングベルト及びプーリを駆動させるために用いることもできる。ステップモータやプーリについてのコンピュータ制御調整を利用して、心出しピンの適正配置を調整することもできる。

本発明の一層の理解に資するため、そして本発明の実施態様を明示するため、以下、添付図面を参照しつつ更に詳述する。なお、各図において、同様の特徴は対応する参照数字を付して表されている。

図１及び図２は、少なくとも１つのフライホイール６を収容するための、格納タンク１の設置態様を示す。格納タンク１の少なくとも一部を排気するために、格納タンク１を真空ポンプ11に接続することができる。フライホイール６には、流体を滞留させるためのキャビティ49を設けることができる。フライホイール６は、水平バッフル８を用いて回転中央シャフト７に物理的に取り付けることができる。水平バッフル８は、垂直バッフル９により支持することができる。水平バッフル８に孔52を設けることにより、フライホイール６の一つのチャンバから他のチャンバへの自由な流体通過を許容することができる。また、垂直バッフル９に孔53を設けることにより、フライホイール６の一つのチャンバから他のチャンバへの自由な流体の通過を許容することができる。

図２は、回転中央シャフト７を頂部スラスト軸受における回転部25と、底部スラスト軸受における回転部41とに対して確実に連結する態様を示す。また、図２は、底部スラスト軸受の非回転部42がその支持手段43により支持される態様と、頂部スラスト軸受の非回転部26がその支持手段27により支持される態様を示す。さらに、図２は、頂部スラスト軸受の非回転部26と、底部スラスト軸受の非回転部42が、回転中央シャフト７に対して物理的に非連結状態にある態様を示す。

図２は、複合型のモータ及び／又は発電機及び／又はタービンを備えるユニット10を回転中央シャフト７に対して連結する態様を示す。

図２は、流体リザーバ45をフライホイール６の下方に配置し、流体移送手段46をフライホイール６に取り付ける態様を示す。流体移送手段46により流体を、流体リザーバ45からフライホイール６の内部に対して流入又は流出させることができる。

図３は、垂直に配置した回転中央シャフト７の頂端又はその近傍に配置する垂直永久磁石列を示す。ここで、回転磁石15は、回転中央シャフト７に物理的に連結し、磁石の支持手段16により支持することができる。

図３は、非回転磁石17を含む頂部垂直磁石列を示す。この非回転磁石17は、垂直方向に調整可能な支持手段18により支持することができる。

図３は、回転中央シャフト７の頂端又はその近傍に配置する水平永久磁石列を示す。この水平永久磁石列は、回転磁石20及び非回転磁石22を含むことができる。本発明の一実施形態において、垂直方向に調整可能な磁石の支持手段23により、非回転磁石22を支持する構成とすることもできる。他の実施形態において、非回転磁石22及び磁石の支持手段23を固定し、調整不可能な構成とすることもできる。

図３は、回転中央シャフト７の頂部に配置する頂部心出しピン12を示す。心出しピン12の円錐状又はテーパー状の端部50は、回転中央シャフト７の凹部51に収容することもできる。

≪底部≫
図４は、垂直方向に配置した回転中央シャフト７の底端部又はその近傍に配置する垂直永久磁石列を示す。ここで、回転磁石31は、回転中央シャフト７に物理的に連結し、磁石の支持手段32により支持することができる。

図４は、非回転磁石33を含む底部垂直永久磁石列の態様を示す。この非回転磁石33は、垂直方向に調整可能な支持手段34により支持することができる。

図４は、回転中央シャフト７の底端部又はその近傍に配置する水平永久磁石列の配置態様を示す。この水平永久磁石列は、回転磁石36及び非回転磁石38を含み得る。支持手段37により回転磁石36を支持し、支持手段39により非回転磁石38を支持する構成とすることもできる。

本発明に係る実施形態において、垂直方向に調整可能な支持手段39により非回転磁石38を支持する構成とすることもできる。他の実施形態において、非回転磁石38及び磁石の支持手段39を固定し、調整不可能な構成とすることもできる。

図４は、回転中央シャフト７の底端部に配置する底部心出しピン28の配置態様を示す。円錐端50は、回転中央シャフト７の凹部51に適切に収まるように配置される。

≪フライホイール内でのエネルギ貯蔵≫
図１２は、フライホイールエネルギ貯蔵システムにおける３期の作動サイクルを示す。

フライホイールエネルギ貯蔵システムが作動を開始すると、コンピュータ制御手段48がフライホイール６の速度及び質量を検知する。作動サイクルの第１期65において、頂部スラスト軸受24の回転部25と非回転部26、底部スラスト軸受40の回転部41と非回転部42がそれぞれ相互に接触可能となる位置に回転中央シャフトを保持するために、コンピュータ制御手段48は、頂部心出しピンの調整手段13、底部心出しピンの調整手段29、磁石の調整手段における頂部垂直磁石列18、磁石の調整手段における底部垂直磁石列34、磁石の調整手段における頂部水平磁石列23及び磁石の調整手段における底部水平磁石列39へ協調電子信号を送信する。これにより、全ての可動部及び調整手段によって、回転中央シャフト７及びフライホイール６を安定した位置に保つことができる。

フライホイールエネルギ貯蔵システムにおけるオープンサイクルが第２期66に移行する際、水である流体は、タンク内の流体リザーバ45に供給される。流体をリザーバ45からフライホイール６に供給すれば、流体は、周辺リザーバとして機能するキャビティ49に流入する。

作動サイクルの第２期66への移行に伴い、コンピュータ制御手段が、頂部心出しピンの調整手段13、底部心出しピンの調整手段29、磁石の調整手段における頂部垂直磁石列18、磁石の調整手段における底部垂直磁石列34、磁石の調整手段における頂部水平磁石列23及び磁石の調整手段における底部水平磁石列39へ協調電子信号を送信することで、回転中央シャフト７をリフトし、頂部スラスト軸受24の回転部25と非回転部26、底部スラスト軸受40の回転部41と非回転部42がそれぞれ相互に接触することを防止することができる。これにより、全ての可動部及び調整手段により、回転中央シャフト７及びフライホイール６が安定化する位置へと回転中央シャフトを動かすことができる。

システムを協調制御するために、コンピュータ制御手段48は、フライホイール６へ流入、あるいはそこから流出する流体を計測する複数のセンサを用いる。いずれの特定時点においても、フライホイール６内における流体量の変動を補償するために、コンピュータ制御手段48は、頂部垂直磁石列の非回転磁石17及び底部垂直磁石列の非回転磁石33の位置を垂直方向にて調整する。図３及び図４に明示するように、頂部及び底部垂直永久磁石列における同一極性の磁極が互いに向かい合う配置とすることができる。これにより、頂部調整手段18により非回転磁石17が垂直上方向にリフトされ、底部調整手段34により非回転磁石33が垂直上方向にリフトされることで、逆磁界により回転磁石が押し上げられる。続いて、支持手段16及び32を用いて、コンピュータ制御手段により算出され、かつフライホイール内の流体量に対応する位置へと回転中央シャフト７をリフトする。

フライホイールエネルギ貯蔵システムにおけるオープンサイクルが、作動サイクルの第３期67へと移行する時、コンピュータ制御手段48が、頂部心出しピンの調整手段13、底部心出しピンの調整手段29、磁石の調整手段における頂部垂直磁石列18、磁石の調整手段における底部垂直磁石列34、磁石の調整手段における頂部水平磁石列23及び磁石の調整手段における底部水平磁石列39へ協調電子信号を送信することで、回転中央シャフト７を下降させ、頂部スラスト軸受24の回転部25と非回転部26、底部スラスト軸受40の回転部41と非回転部42をそれぞれ相互に再連結させることができる。これにより、全ての可動部及び調整手段により、回転中央シャフト７及びスラスト軸受上の適切な位置にて休止するフライホイール６の配置を維持することができる。キャビティ49内の流体を内部リザーバ45に再流入させることで、フライホイールの慣性力を低減させることができる。

≪心出しピンの支持・調整手段≫
本発明に係る心出しピンの位置は、垂直方向に調整することができる。図３は、本発明に係る実施形態において、ステップモータ54を駆動させる複数の電子信号を提供するためにコンピュータ制御手段48を用いる態様を示す。この電子信号は、増加的なステップにてステップモータ54を駆動させるために用いてもよい。ステップモータ54は、一連のタイミングベルト55、プーリ56及び57を駆動させるために用いることもできる。ステップモータ54、プーリ56及び57におけるコンピュータ制御調整は、頂部心出しピンの適切な垂直方向の配置を調整するために用いることもできる。

図４は、本発明に係る実施形態において、ステップモータ58を駆動させる複数の電子信号を提供するためにコンピュータ制御手段48を用いる態様を示す。この電子信号は、増加的なステップにてステップモータ58を駆動させるために用いてもよい。ステップモータ58は、一連のタイミングベルト59、プーリ62及び63を駆動させるために用いることもできる。ステップモータ58、プーリ62及び63におけるコンピュータ制御調整は、底部心出しピンの適切な垂直方向の配置を調整するために用いることもできる。

図９は、切り替えられた信号を、コンピュータ制御手段48へ送信し、又は、コンピュータ制御手段48から送信するために心出しピン28及び12を用いる態様を示す。

頂部心出しピン12及び底部心出しピン28のそれぞれの垂直方向位置は、頂部心出しピン12の調整手段13及び底部心出しピン28の調整手段29により調整可能である。頂部及び底部心出しピンを適切に配置するため、各ピンを、電導用又はコンピュータ制御手段48への信号を送信する個別のスイッチとして用いることができる。心出しピンから伝達される切り替えられたフィードバック信号を、ステップモータへの信号を適切に制御するために用いることにより、心出しピンにより回転中央シャフトへ既定レベルの圧力を作用させることができる。

頂部心出しピン12及び／又は28と回転中央シャフト７との間の連結が外れた場合、磁石手段を動かし、回転中央シャフト７を垂直方向にて調整することで、再び連結させることができる。

本発明の目的の一つは、全ての調整可能な支持手段を適切に配置するために、各調整手段に適合する個別のステップモータを提供することである。本発明の他の目的は、垂直に配置した回転中央シャフト７の頂部又は底部又はそれらの近傍に配置することができる水平永久磁石列を提供することである。

図６は、本発明に係る水平永久磁石列が、非回転磁石38の中心線69から外れて配置され、回転磁石36の中心線68の上方に配置される態様を示す。

図８は、本発明に係る水平永久磁石列が、非回転磁石38の中心線69から外れて配置され、回転磁石36の中心線68の下方に配置される態様を示す。

図７は、本発明に係る水平永久磁石列が、非回転磁石38の中心線69に対して適正に配置され、回転磁石36の中心線68と同等の垂直方向の高さを有し得る態様を示す。

流体を収容するフライホイールの最適な性能及び安定化を達成するために、コンピュータ制御手段48により本発明に係る全ての調整手段の配置を適切に維持することが肝要であり、これにより回転中央シャフト７の垂直方向の配置を、図７に示すような水平永久磁石列の配置とすることができる。

本発明に係るフライホイールは、実質的に中空であり、フライホイールの質量を増減させるために作動サイクル中に流体をフライホイール６へと流入させ、あるいは、そこから流出させることができる。

コンピュータ制御手段48内の全ての調整手段を協調制御するために、フライホイール６へ流入し、あるいはそこから流出する流体の量及び速度を測定する複数のセンサを用いる。特定時間におけるフライホイール６内の多様な流体量を調整するために、コンピュータ制御手段48は、頂部垂直磁石列の非回転磁石15及び底部垂直磁石列の非回転磁石33の位置を垂直方向にて調整する。

図11は、底部垂直磁石列における回転永久磁石31と非回転永久磁石33の各同極が、互いに向かい合うような配置とする態様を示す。調整手段34を調整することで、非回転磁石33が垂直上方向にリフトされ、逆磁界により回転磁石31が押し上げられる。続いて、支持手段32を用いて、コンピュータ制御手段により算出され、かつフライホイール内の流体量に対応する位置へと回転中央シャフト７をリフトする。回転中央シャフト７をリフトさせるために、頂部及び底部垂直磁石列を同様の方法で作用させる。

図９は、切り替えられた信号を、コンピュータ制御手段へ送信する、あるいは、コンピュータ制御手段から送信するために心出しピンを用いる態様を示す。

図13は、少なくとも１つの磁石固定手段18に確実に取り付けられる調整手段101又は調整可能な磁気支持手段101を示す。磁石17を確実に保持するために、磁石固定手段18を用いることで、磁気支持手段101の垂直方向への移動時に磁石17を垂直軸方向に動かすことができる。磁石固定手段16は、磁石15を確実に保持するために用いる。磁石15と磁石17を、互いの両極が向かい合うように配置することで、これらは、相互に引き合い、引き寄せあう。磁石15と磁石17が引き合うことにより、調整手段18が実質的に垂直方向に上方に移動した場合、磁石15と磁石17との間の電磁相互作用により、磁石17から磁石15へと力が加えられ、この力は中央シャフト７を回転させ、垂直軸線に沿って上方に動かす力となる。絶縁体100は、調整手段101から心出しピン12を電気的に絶縁するために用いることができる。

頂部心出しピン12及び底部心出しピン28のそれぞれの垂直方向位置は、頂部心出しピンの調整手段28及び底部心出しピンの調整手段29により調整可能である。頂部及び底部心出しピンを適切に配置するために、各ピンを、電導用又はコンピュータ制御手段48への信号を送信する個別のスイッチとして用いることができる。心出しピンからの切り替えられたフィードバック信号を用いて、ステップモータへの信号を適切に制御することにより、心出しピンにより回転中央シャフトへ既定レベルの圧力を作用させることができる。

本発明に係る他の実施形態において、全ての調整手段は、一連のピストン及びシリンダを備え、該調整手段を動かすために制御油圧又は空圧を用いることができる。コンピュータ制御手段を、ピストン及びシリンダを調整するために用いることで、本発明に係る全ての調整手段を適正に調整することができる。本発明に係る複数のセンサは、コンピュータ制御手段に信号を送信することで、コンピュータ制御手段による各調整手段の適正な配置に要する各シリンダ内の圧力の量を決定することを補助する。フライホイールは、キャビティ49により形成される周辺リザーバを備えていてもよい。

頂部及び／又は底部ピンが、磁気支持手段及び安定化手段と共に移動することで、これらのピンは、回転中央シャフトを安定化させるよう作用させることができる。特に有利なシステム作動方法として、フライホイールの回転時に、摩擦を低減させるために垂直支持手段を用いて、シャフトを上方に持ち上げることが挙げられる。同時に、ピンは、シャフト及びそれと共に動く全ての調整手段との接触状態を維持するために上方に動く。この接触は、最小限とすることが望ましく、シャフトの安定化及び実質的に平行な配置を維持するために、ピンがわずかに接触する程度とすることが望ましい。ピンに電気的な接触が生じる場合、ピンとシャフトの全体的な接触をコンピュータにより検知することで、接触と、最小限とすることが好ましい摩擦相互作用とを低減させることができる。代替的な構成として、シャフトに対してピンを固定し、支持手段と共にピンを動かすことなく、シャフトを垂直方向に調整する構成が挙げられる。

磁石支持手段は、磁石を連結するブラケットであってもよい。

１ 格納タンク
２ 格納タンク壁
３ 格納タンク上蓋
４ 格納タンク底蓋
５ 回転中心軸
６ フライホイール
７ 回転中央シャフト
８ フライホイールの水平バッフル
９ フライホイールの垂直バッフル
10 複合型モータ／発電機／タービン
11 真空ポンプ
12 頂部心出しピン
13 頂部心出しピンの支持・調整手段
14 磁石の頂部垂直列
15 回転磁石
16 回転磁石の支持手段
17 非回転磁石
18 非回転磁石の支持・調整手段
19 頂部水平磁石列
20 回転磁石
21 回転磁石支持手段
22 非回転磁石
23 非回転磁石の支持・調整手段
24 頂部スラスト軸受
25 頂部スラスト軸受の回転部
26 頂部スラスト軸受の非回転部
27 頂部スラスト軸受の非回転部の支持手段
28 底部心出しピン
29 底部心出しピンの支持調整手段
30 底部垂直磁石列
31 回転磁石
32 回転磁石支持手段
33 非回転磁石
34 非回転磁石の支持・調整手段
35 底部水平磁石列
36 回転磁石
37 回転磁石サポート手段
38 非回転磁石
39 非回転磁石の支持・調整手段
40 底部スラスト軸受
41 底部スラスト軸受の回転部
42 底部スラスト軸受の非回転部
43 底部スラスト軸受の非回転部の支持手段
44 タンク外の流体リザーバ
45 タンク内の流体リザーバ
46 流体移送手段
47 流体ポンプ
48 コンピュータ制御手段
49 キャビティ
50 心出しピンの円錐端
51 回転中央シャフト凹部
52 水平バッフル内の孔
53 垂直バッフル内の孔
54 ステップモータ
55 タイミングベルト
56 第１プーリ
57 第２プーリ
58 ステップモータ
59 タイミングベルト
60 コンピュータ入力端子
61 コンピュータ入力端子
62 第３プーリ
63 第４プーリ
64 流体
65 作動サイクル第１期
66 作動サイクル第２期
67 作動サイクル第３期
68 中心線
69 中心線

Claims (10)

1. エネルギ貯蔵フライホイールと支持手段を備える、エネルギ貯蔵のためのエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記エネルギ貯蔵フライホイールの回転シャフトが、前記回転シャフトの少なくとも一端に配置されたピン及び凹部構造により前記支持手段内に支持されるように配置され、前記回転シャフトの少なくとも一端に第１シャフト磁石と第２シャフト磁石が設けられ、前記支持手段が、
   前記シャフトを水平方向に安定化させるための第１磁石手段と、
   前記シャフトを垂直方向に安定化させるための第２磁石手段を備え、
   前記第１シャフト磁石が前記第１磁石手段と協働し、前記第２シャフト磁石が前記第２磁石手段と協働し、前記支持手段の垂直方向位置が前記エネルギ貯蔵フライホイールの回転中に調整可能であって、それにより、前記エネルギ貯蔵フライホイールの回転中に前記回転シャフトの垂直位置を可変とする、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
2. 請求項１に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記第１磁石手段が環状磁石を備え、前記シャフトにおける第１磁石が、前記第１磁石手段における環状磁石の内側で同軸に配置されている、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
3. 請求項２に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記シャフトにおける第１磁石が、前記第１磁石手段における環状磁石よりも小径の環状である、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記第２磁石手段が環状磁石を備え、前記シャフトにおける第２磁石が、前記第２磁石手段における環状磁石に隣接して同軸に配置される、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
5. 請求項４に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記シャフトにおける第２磁石が、前記第２磁石手段における環状磁石と同径の環状であり、前記第２磁石手段の環状磁石の上方に配置される、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記シャフトが、その両端に、それぞれ２つの磁石及び連関する支持手段を備える、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記ピン及び凹部構造のピンが電導性を有する、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置であって、前記シャフトが磁気ベアリングを更に備え、各磁気ベアリングがフレームに設けられて前記シャフトを浮揚させる、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のフライホイール配置であって、コンピュータを備え、該コンピュータにより前記シャフトの位置を検知し、前記シャフトの垂直方向高さを可変とする、エネルギ貯蔵フライホイール配置。
10. 請求項７に記載のエネルギ貯蔵フライホイール配置を安定化させる方法であって、前記エネルギ貯蔵フライホイールの前記シャフトを、その前記ピン及び凹部構造の各々の部分内に電気接触が生じる構成とし、前記ピン及び凹部構造のピンを通る電流を検知する段階と、前記シャフトの垂直方向位置をステップモータにより前記電流が消失するまで調節する段階と、前記シャフトの垂直方向位置を前記電流が再び生じるまで調節する段階とを備える、方法。
    
    
    

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