CN101267138A

CN101267138A - 飞轮发电机

Info

Publication number: CN101267138A
Application number: CNA2008100051652A
Authority: CN
Inventors: 黑泽敬次
Original assignee: Fushijian Engineering Co Ltd; Value Supplier and Developer Corp
Current assignee: Fushijian Engineering Co Ltd; Value Supplier and Developer Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: EP1950871A3; CN101267138B; JP2008187758A; KR20080070567A; US20080180067A1; US7541783B2; KR100940693B1; EP1950871A2

Abstract

本发明提供一种飞轮发电机，在该飞轮发电机中，在设于飞轮(11)的旋转用永磁体(18)的旋转轨迹外侧的相对位置上设置有转矩辅助单元(30)，该转矩辅助单元(30)利用设在飞轮(11)上的凸轮(28)来移动，并以相对于旋转永磁体(18)成同极性的形态配置有永磁体(31)。

Description

飞轮发电机

技术领域

本发明涉及一种利用了飞轮的旋转动能的飞轮发电机。

背景技术

以往已知，飞轮发电机将电力作为动能存储在发电机的转子具有的飞轮中，而后将该动能作为电力进行释放。即，飞轮发电机是将电能转换成转动惯量大的物体的旋转能量、从而进行电力的输入输出的能量储藏方式。这种飞轮发电机一般常在对需要脉冲性大电力的负载供给电力的场合使用。

例如，在利用磁场来束缚等离子体的核聚变装置中，有时会在几秒的短时间内供给几十万kW的电力，而直接从电力系统获取这种脉冲电力会给电力系统造成过大的波动，并不好。因此，在这种领域中使用的是飞轮发电机。飞轮发电机以如下的循环来运行：用几秒的时间使发电机的转速上升，将动能存储在飞轮中，并在获取对负载的供给电力时，将转子的动能释放，使转速降低。

以往的飞轮发电机将飞轮安装在通常的发电机上，并在大气中使用通常的轴承进行运行，此外，还提出了将高温超导体用在磁力轴承上的飞轮发电机(例如参照日本专利特开平6-303738号公报)。

但是，将高温超导体用在磁力轴承上的飞轮发电机需要将飞轮发电机收纳在密闭容器内，整个装置复杂而又大型，且维护检修的作业、在维护检修后再启动时极费工夫，并不好。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种在大气中也可高效输出的飞轮发电机。

本发明实施形态的飞轮发电机包括：具有转轴的启动电动机；使该启动电动机的所述转轴的旋转通过带传动传递给其转轴的第一带轮；使该第一带轮的转轴的旋转通过第一离合器传递给其转轴的飞轮；以等角度间隔固定在该飞轮的外周部上的多个被驱动用永磁体；固定配置在所述飞轮的周围、并具有以可绕垂直转轴朝着一个方向旋转的形态设置的驱动用永磁体的转矩辅助单元；使所述第一带轮的转轴的旋转通过第二离合器传递给其转轴的第二带轮；以及使该第二带轮的转轴的旋转传递给其转轴的发电机。

另外，在所述飞轮发电机中，所述飞轮包括：平行固定在垂直转轴的上下部的一对圆板；以将这些圆板相互连结的形态在圆板周围以等角度间隔沿垂直方向配置的多个支撑板；以及设置在所述一对圆板中的下方的圆板上、一部分从所述飞轮的外周突出到外侧的凸轮，所述被驱动用永磁体固定在所述支撑板中的以等角度间隔配置的至少三个支撑板上。

另外，在所述飞轮发电机中，在所述三个支撑板上分别固定有多个被驱动用永磁体。

另外，在所述飞轮发电机中，所述多个支撑板的板面倾斜配置，以使相对于所述飞轮的旋转方向构成前端的边部位于比构成后端的边部更靠近所述飞轮的中心部的位置上。

另外，在所述飞轮发电机中，所述被驱动用永磁体为长方形的板状磁体，所述被驱动用永磁体的板面倾斜配置，以使相对于所述飞轮的旋转方向构成前端的边部位于比构成后端的边部更靠近所述飞轮的中心部的位置上。

另外，在所述飞轮发电机中，所述转矩辅助单元包括：固定在垂直转轴的上下部的一对旋转圆板；在这些旋转圆板之间绕所述垂直转轴以等角度间隔固定的多个磁体保持件；与所述垂直转轴结合的单向旋转用离合器；以及设置在所述一对旋转圆板中的下方的旋转圆板下表面、与所述飞轮的凸轮卡合的凸轮随动件，在所述磁体保持件上分别固定有多个所述驱动用永磁体。

另外，在所述飞轮发电机中，所述驱动用永磁体为长方形的板状磁体，所述驱动用永磁体的板面倾斜配置，相对于所述转矩辅助单元的一对旋转圆板的旋转方向构成后端的边部位于比构成前端的边部更靠近所述一对旋转圆板的中心部的位置上。

另外，在所述飞轮发电机中，在所述飞轮的周围以等角度间隔排列配置有多个所述转矩辅助单元。

附图说明

图1是表示本发明的飞轮发电机的实施形态的结构说明图。

图2是表示本发明的飞轮发电机的飞轮的旋转永磁体的配置状态的局部放大俯视图。

图3是表示本发明的飞轮发电机的转矩辅助单元的配置的俯视图。

图4是本发明的飞轮发电机的转矩辅助单元的局部剖切立体图。

图5是本发明的飞轮发电机的转矩辅助单元的局部放大图。

具体实施方式

下面参照附图对用于实施本发明的最佳形态进行说明。

图1是表示本发明的1实施形态的飞轮发电机的概略构造的主视图，图3是其俯视图。

在该飞轮发电机中，如图3所示，在大致正三角形的顶点上，在垂直配置的三个固定杆1-1、1-2、1-3上的从上方朝着下方的不同高度的位置上固定配置有俯视呈大致正三角形的上部、中部及下部的各角钢构造体2、3、4。在各角钢构造体2、3、4上，在大致正三角形的中心位置配置有上部轴承5、中部轴承6和下部轴承7，上部轴承5、中部轴承6和下部轴承7分别由轴承支撑杆5a、6a、7a支撑。

飞轮11通过轮毂12固定在飞轮转轴11a上，该飞轮转轴11a由上部角钢构造体2的上部轴承5和中部角钢构造体3的中部轴承6支撑。飞轮转轴11a贯穿中部角钢构造体3的中部轴承6而向其下方延伸，飞轮转轴11a的下端通过第一电磁离合器13的离合板13a与第一带轮转轴14a连结。即，通过驱动第一电磁离合器13a的接合、分离，飞轮转轴11a与第一带轮转轴11a进行动力传递或将动力遮断。另外，第一带轮14通过张设的传动带15与固定在中部角钢构造体3的下表面侧的启动电动机16结合，接受启动电动机16的旋转动力。启动电动机16例如是使用变换器的2.2kW的双极式电动机，转速为3400rpm。

如图1所示，飞轮11的构造是平行地分开设置的两个圆板11b被等角度(例如20度)配置的多个(例如像八个这样的偶数个)支撑板17固定的旋转体。这些支撑板17由重量大的诸如铁之类的金属形成。由此，还可作为用于增加飞轮11的离心力和惯性力的平衡块起作用。另外，在固定支撑两个圆板11b的支撑板17中，在相对于圆板11b的中心位于120度的角度位置的三个支撑板17上，在其高度方向上大致等间隔地固定有五个旋转用永磁体18。

另外，在设有旋转用永磁体18的各支撑板17的下端部附近的圆板11b上设置有从圆板11b的外周突起的凸轮28。该凸轮28是用于在飞轮11的旋转下对固定在后述的转矩辅助单元30上的凸轮随动件42进行驱动的部件。

如图2的局部放大俯视图所示，固定在飞轮11的支撑板17上的旋转用永磁体18的平面形状为长方形，长边18a相对于飞轮11的圆板11b的切线方向倾斜地配置。

该倾斜使得在飞轮11的圆板11b的旋转方向(箭头A)上位于前端的短边18b配置在比位于后端的短边18c更靠近圆板11b的径向内侧的位置上。此时，永磁体18的位于圆板11b外周侧的顶点18d配置在圆板11b的外周缘部。根据实验的结果，永磁体18的长边18a相对于经过顶点18d的圆板11b的径向的角度设定为67.5度。因此，通过使支撑板17的安装旋转用永磁体18的面以相对于圆板11b的径向倾斜67.5度的形态固定，就能以上述角度设置旋转用永磁体18。

另外，如图3的俯视图所示，在固定在飞轮11的支撑板17上的旋转用永磁体18随着飞轮11的旋转而旋转的轨迹(圆筒状)的外侧，沿着轨迹等间隔(等角度)地设置有十六个转矩辅助单元30。

下面说明飞轮11与对该飞轮11的旋转力的转矩予以辅助的转矩辅助单元30之间的关系进行说明。

如图1所示，在飞轮11的旋转下，固定在飞轮11的支撑板17上的旋转用永磁体18也旋转。在该旋转用永磁体18的旋转轨迹的外侧，在靠近该轨迹的圆周上等间隔地配置有十六个转矩辅助单元30。各转矩辅助单元30使固定永磁体31的同极与旋转用永磁体18相对，从而利用反力来辅助飞轮11的旋转转矩。

图4是将转矩辅助单元30局部剖开表示的立体图。该转矩辅助单元30具有一个侧面开放的箱子状的壳体32。设在该壳体32的上板33上的径向轴承即上轴承36与设在下板34上的下轴承(未图示)之间垂直地枢轴支撑有转轴35。上轴承36被设在壳体32上部的支撑板36a固定。另外，在转轴35的上轴承36的正下方和下轴承的正上方固定有上旋转板37和下旋转板38。在上旋转板37与下旋转板38之间，以转轴35为中心，在其周围的上旋转板37的下面和下旋转板38的上面以120度的间隔设置有三个沿铅垂方向延伸的磁体保持件39。在各磁体保持件39的、与固定在飞轮11的支撑板17上的五个旋转用永磁体18相对的位置上分别固定有五个平面形状为长方形的永磁体31。另外，在下旋转板38下表面的与三个磁体保持件39对应的位置上分别固定有滚子状的凸轮随动件42。由于这些上旋转板37、下旋转板38和磁体保持件39与转轴35一起旋转，因此下面将它们称作转矩辅助单元30的辅助单元旋转体41。

图5是用于说明转矩辅助单元30对飞轮11的旋转转矩辅助动作的局部放大俯视图。对于固定在转矩辅助单元30的磁体保持件39上的永磁体31，若将其长方形的平面形状的长边31a与经过凸轮随动件42中心的圆板状下旋转板38的法线a之间的交角设为α，则永磁体31以α＝22.5度的倾斜形态进行配置。在此，凸轮随动件42可旋转地设置在与永磁体31的位于下旋转板38周缘部的顶点31d对应的位置上。根据实验，该倾斜角α最好是30度以下，良好的倾斜角α的中心值确认为：90度-67.5度＝22.5度左右。

另外，如图4所示，在下旋转板38的轮毂38a上与转轴35同轴地设置有单向旋转离合器43。利用该单向旋转离合器43，可将辅助单元30的转轴35的旋转方向限制成一个方向。

如图5的局部放大动作说明图所示，采用上述构造，当飞轮11朝着箭头B方向旋转时，设在飞轮11上的凸轮28与转矩辅助单元30的凸轮随动件42接触，从而一边推压凸轮随动件42一边旋转。由于凸轮随动件42被凸轮28推压，因此保持凸轮随动件42的下旋转板38朝着箭头B’方向旋转，与下旋转板38成一体构造的辅助单元旋转体41也以转轴35为旋转中心进行旋转。

在该辅助单元旋转体41的旋转下，固定在磁体保持件39上的永磁体31也旋转。此时，由于永磁体31与飞轮11的旋转用永磁体18同极，因此永磁体31一边对旋转用永磁体18施加反力的转矩一边旋转。永磁体31从转矩辅助单元30的凸轮随动件42与凸轮28开始接触的位置起旋转至接触解除的位置停止。

另外，如图4所示，由于在转轴35上设置有单向离合器43，因此所述永磁体31能在停止位置没有返回地停止。由此，可防止在旋转用永磁体18靠近转矩辅助单元30的永磁体31时的反力所引起的转矩减小。在该停止位置，下一个转矩辅助单元30设定在与设于飞轮11的凸轮28在规定位置干涉的位置上。

通过连续地反复进行该动作，在飞轮11上，永磁体31的反力始终施加在旋转用永磁体18上。由此，对飞轮11连续施加来自转矩辅助单元30的旋转力。

另外，如图1所示，第一带轮转轴14a向第一带轮14的下方延伸，在其下端固定有作为盘式制动器动作的制动盘21。第一带轮转轴14a继续向制动盘21的下方延伸，在其下端设置有第二电磁离合器22。在第二电磁离合器22的另一方的旋转板上固定有第二带轮转轴23a，该第二带轮转轴23a的一端被下部轴承7枢轴支撑。在该第二带轮转轴23a上固定有第二带轮23。第二带轮23通过传动带25与固定在发电机26的转轴上的发电机带轮27结合，第二带轮23在发电机带轮27的旋转下旋转。在发电机26中，例如额定情况下为7.5kW、30Hz、600rpm。

下面对这样构成的飞轮发电机的发电动作进行说明。另外，各部分沿用图1～图3。

(步骤1)…启动步骤

使第一电磁离合器13接合，使第二电磁离合器22处于分离状态。在该状态下使启动电动机16旋转，启动电动机16的旋转力通过传动带传递给第一带轮14，使第一带轮转轴14a旋转。此时，由于第一离合器13接合，因此第一带轮转轴14a与飞轮转轴11a连结。因此，第一带轮转轴14a的旋转传递给飞轮转轴11a，从而使飞轮转轴11a旋转，并使固定在该飞轮转轴11a上的飞轮11启动旋转。

(步骤2)…飞轮11的旋转步骤

在飞轮11启动旋转后，使第一电磁离合器13处于分离状态，从而第一电磁离合器13与第一带轮14的结合解除。即，如图5所示，当飞轮11朝着箭头B方向旋转时，设在飞轮11上的凸轮28与转矩辅助单元30的凸轮随动件42接触，从而一边推压凸轮随动件42一边旋转。由于凸轮随动件42被凸轮28推压，因此保持凸轮随动件42的下旋转板38朝着箭头B’方向旋转，与下旋转板38成一体构造的辅助单元旋转体41也以转轴35为旋转中心进行旋转。

在该辅助单元旋转体41的旋转下，固定在磁体保持件39上的永磁体31也旋转。此时，由于永磁体31与飞轮11的旋转用永磁体18同极，因此永磁体31一边对旋转用永磁体18施加反力引起的旋转力一边旋转。永磁体31从凸轮28与凸轮随动件42接触的位置起旋转至接触解除的位置停止。另一方面，飞轮11因惯性而继续旋转。

(步骤3)…发电步骤

在飞轮11达到规定转速的时刻，使第一电磁离合器13和第二电磁离合器22双方处于接合状态。在两个离合器13、22的作用下，飞轮转轴11a、第一带轮转轴14a和第二带轮转轴23a相互结合而旋转。通过该旋转，飞轮11的旋转经由飞轮转轴11a和第一带轮转轴14a传递给第二带轮转轴23a，使第二带轮转轴23a旋转。第二带轮转轴23a的旋转使第二带轮23旋转，并通过传动带25使发电机带轮27旋转。由于发电机带轮27固定在发电机26的转轴上，因此发电机带轮27通过转轴使发电机26旋转，从而进行发电。

另外，在需要停止的场合，可使盘式制动器21动作而停止。

通过上述各步骤，通过使转矩辅助单元30动作，可从飞轮11侧对发电机26赋予发电机26的额定以上的转矩。因此，发电机26可使发电输出增加。

另外，本发明并不局限于上述实施形态，在实施阶段，可在不脱离本发明主旨的范围内改变构成要素后进行具体实施。另外，可通过在上述实施形态中公开的多个构成要素的适当组合来形成各种发明。例如，也可从实施形态所公开的所有构成要素中删除几个构成要素。再者，也可适当地组合不同实施形态的构成要素。

Claims

1.一种飞轮发电机，其特征在于，包括：

启动电动机，该启动电动机具有转轴；

第一带轮，所述启动电动机的所述转轴的旋转通过带传动传递给所述第一带轮的转轴；

飞轮，所述第一带轮的转轴的旋转通过第一离合器传递给所述飞轮的转轴；

多个被驱动用永磁体，该被驱动永磁体以等角度间隔固定在所述飞轮的外周部；

转矩辅助单元，该转矩辅助单元固定配置在所述飞轮的周围，并具有以可绕垂直转轴朝着一个方向旋转的形态设置的驱动用永磁体；

第二带轮，所述第一带轮的转轴的旋转通过第二离合器传递给所述第二带轮的转轴；以及

发电机，所述第二带轮的转轴的旋转传递给所述发电机的转轴。

2.如权利要求1所述的飞轮发电机，其特征在于，

所述飞轮包括：

一对圆板，该一对圆板平行地固定在垂直转轴的上下部；

多个支撑板，该多个支撑板以将所述圆板相互连结的形态在圆板周围以等角度间隔沿垂直方向配置；以及

凸轮，该凸轮设置在所述一对圆板中的下方的圆板上，一部分从所述飞轮的外周突出到外侧，

所述被驱动用永磁体固定在所述支撑板中的以等角度间隔配置的至少三个支撑板上。

3.如权利要求2所述的飞轮发电机，其特征在于，在所述三个支撑板上分别固定有多个被驱动用永磁体。

4.如权利要求3所述的飞轮发电机，其特征在于，所述多个支撑板的板面倾斜配置，以使相对于所述飞轮的旋转方向构成前端的边部位于比构成后端的边部更靠近所述飞轮的中心部的位置上。

5.如权利要求4所述的飞轮发电机，其特征在于，所述被驱动用永磁体为长方形的板状磁体，所述被驱动用永磁体的板面倾斜配置，以使相对于所述飞轮的旋转方向构成前端的边部位于比构成后端的边部更靠近所述飞轮的中心部的位置上。

6.如权利要求5所述的飞轮发电机，其特征在于，

所述转矩辅助单元包括：

一对旋转圆板，该一对旋转圆板固定在垂直转轴的上下部；

多个磁体保持件，该多个磁体保持件在所述旋转圆板之间绕所述垂直转轴以等角度间隔固定；

单向旋转用离合器，该单向旋转用离合器与所述垂直转轴结合；以及

凸轮随动件，该凸轮随动件设置在所述一对旋转圆板中的下方的旋转圆板下表面上，并与所述飞轮的凸轮卡合，

在所述磁体保持件上分别固定有多个所述驱动用永磁体。

7.如权利要求6所述的飞轮发电机，其特征在于，所述驱动用永磁体为长方形的板状磁体，所述驱动用永磁体的板面倾斜配置，以使相对于所述转矩辅助单元的一对旋转圆板的旋转方向构成后端的边部位于比构成前端的边部更靠近所述一对旋转圆板的中心部的位置上。

8.如权利要求7所述的飞轮发电机，其特征在于，在所述飞轮的周围以等角度间隔排列配置有多个所述转矩辅助单元。