CN117461246A - 飞轮装置及旋转电机 - Google Patents
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Abstract
一种飞轮装置，其具有：支承体；旋转轴；一对圆板部件，它们分离地固定在所述旋转轴上；一对内侧圆筒部件，它们分别与所述圆板部件的外周连接，且与所述旋转轴同轴地形成；以及一对外侧圆筒部件，它们与所述内侧圆筒部件的外周对置而分别配置于所述支承体，且从所述内侧圆筒部件的外周隔开距离地配置，其中，由所述圆板部件和所述内侧圆筒部件构成飞轮，所述内侧圆筒部件形成为在其外周面沿周向连续地配置具有磁极的内侧磁铁，所述外侧圆筒部件沿周向连续地配置有外侧磁铁，所述外侧磁铁与所述内侧磁铁使同极面对而面对面配置，通过所述内侧磁铁与所述外侧磁铁的排斥力，所述旋转轴以非接触的方式可旋转地支承于所述支承体，所述内侧磁铁的轴向的宽度的中心与所述外侧磁铁的轴向的宽度的中心偏离。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮装置及旋转电机。
背景技术
通常，发电机使转子在固定于支承体的定子的内侧旋转，通过由此产生的感应电动势来发电。转子的旋转运动例如通过水力、火力、原子能、或者由柴油机等内燃机等产生的转矩来驱动。
然而，在支承转子的轴承为接触方式的情况下，转子的旋转动能因摩擦而损失。因此为了抑制能量的损失，提出了空气动压轴承、磁悬浮轴承等非接触方式轴承(参照专利文献1等)。
其中，使用永久磁铁的磁悬浮轴承与使用了电磁铁的磁悬浮轴承相比，在没有不必要的电力的消耗就能够指示旋转这一点上有效。
而且，申请人为了使转子的旋转运动更长地持续，提出了使用飞轮结构的惯性能量的方案(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-325074号公报
专利文献2：日本特开2018-191507号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，当使磁铁彼此正对，以使磁铁之间的排斥增大时，磁通线具有曲线，因此排斥点变得不稳定，在轴向(轴线方向)上容易产生偏离。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种飞轮装置，该飞轮装置提供不仅抑制了圆周方向(径向)的摩擦、而且也不产生摩擦地抑制了轴向(轴线方向)的移动的稳定的旋转，并且该飞轮装置使旋转能量更加持续。
用于解决问题的方案
本发明的一个实施方式的飞轮装置具有：
支承体；
旋转轴；
一对圆板部件，它们分离地固定在所述旋转轴上；
内侧圆筒部件，它们分别与所述圆板部件的外周连接，且与所述旋转轴同轴地形成；以及
一对外侧圆筒部件，它们与所述内侧圆筒部件的外周对置而分别配置于所述支承体，且从所述内侧圆筒部件的外周隔开距离地配置，
其中，
由所述圆板部件和所述内侧圆筒部件构成飞轮，
所述内侧圆筒部件形成为在其外周面沿周向连续地配置具有磁极的内侧磁铁，
所述外侧圆筒部件沿周向连续地配置有外侧磁铁，所述外侧磁铁与所述内侧磁铁使同极面对而面对面配置，
通过所述内侧磁铁与所述外侧磁铁的排斥力，所述旋转轴以非接触的方式可旋转地支承于所述支承体，
所述内侧磁铁的轴向的宽度的中心与所述外侧磁铁的轴向的宽度的中心偏离。
另外，本发明的另一实施方式涉及旋转电机，其具备上述飞轮装置，该旋转电机具有：转子，其在一对所述圆板部件的中间固定于所述旋转轴；以及定子，其配设于所述支承体。
发明效果
根据本发明，能够提供如下飞轮装置，该飞轮装置提供不仅抑制了圆周方向(径向)的摩擦、而且也不产生摩擦地抑制了轴向(轴线方向)的移动的稳定的旋转，且该飞轮装置使旋转能量更加持续。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的飞轮装置的主视图。
图2是图1所记载的飞轮装置的剖视图。
图3是本发明的第二实施方式的飞轮装置的局部剖视图。
图4是本发明的第一实施方式的飞轮装置的变形例的主视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(飞轮装置)
图1及图2是说明第一实施方式的飞轮装置100的主视图及剖视图。飞轮装置100具有：支承体10；旋转轴20；一对圆板部件30，它们被分离地固定在旋转轴20上；一对内侧圆筒部件40，它们分别与圆板部件30的外周连接，且与旋转轴20同轴地形成；以及一对外侧圆筒部件50，它们与内侧圆筒部件40的外周对置而分别配置于支承体10，且从内侧圆筒部件40的外周隔开距离地配置。在本说明书中，将与旋转轴20平行的方向作为轴向或轴线方向，将垂直于旋转轴20且朝向圆板部件30的圆周方向的方向作为圆周方向或径向。而且，将一对圆板部件30朝向对称面而相互接近的方向作为推力向内方向或内方向，将相互远离的方向作为推力向外方向或外方向。
支承体10是设有后述的外侧圆筒部件50且非接触地支承飞轮装置100的其他部件的结构体。如后所述，在支承体10还可以设置旋转电机300的定子80。
支承体10只要具有能够对抗施加于外侧圆筒部件50的磁铁的排斥力的强度即可，可以是任意的形状，另外也可以是任意的材质。例如，可以使用铁、硅钢、坡莫合金、铁硅铝磁合金(Sendust)等软磁性体、碳(carbon)、木材等非磁性体。
旋转轴20是以其为中心而在其上设有一对圆板部件30、且成为该一对圆板部件30旋转的中心轴的轴。如后所述，在旋转轴20上也设有旋转电机300的转子70，能够伴随着旋转轴20的旋转而使转子70旋转。
圆板部件30是将旋转轴20作为其圆的中心、且在旋转轴20上分离设置的一对圆形的部件。圆板部件30具有比旋转轴20的截面积大的面积。
如后所述，圆板部件30优选为轻量，且优选为中空结构。另外，与内侧圆筒部件40相比，优选为轴向的宽度小的结构。
内侧圆筒部件40是分别与圆板部件30的外周连接、且与旋转轴20同轴地形成的部件。内侧圆筒部件40形成为在其外周面沿周向连续地配置具有磁极的内侧磁铁45。内侧磁铁45优选形成圆筒形。内侧磁铁45可以由一体型的圆筒形磁铁形成(参照图1)，另外也可以是被分割的磁铁以其外周面的磁极成为相同的方式排列成圆筒形的结构(参照图4)。
内侧磁铁45所使用的磁铁优选为磁力较强的永久磁铁，例如可以使用钕磁铁、钐钴磁铁等稀土类磁铁、以及铁氧体(ferrite)类磁铁等。
内侧圆筒部件40与圆板部件30一起构成飞轮60，能够通过惯性矩使旋转能量更加持续。
在此，能够如以下那样计算具有直径D的圆板型的飞轮的惯性矩Jd和圆筒型的飞轮的惯性矩Jc。
Jd＝1/2WD2
Jc＝1/2W(D2+d2)
(在此，W是飞轮的重量，d是圆筒型飞轮的中空部分的直径。)
这样，飞轮为圆筒型的情况的惯性矩较大，因此优选内侧圆筒部件40的质量更大，圆板部件30为轻量。
外侧圆筒部件50与内侧圆筒部件40的外周对置而分别配置于支承体10，且从内侧圆筒部件40的外周隔开距离地配置。外侧圆筒部件50沿周向连续地配置有外侧磁铁55，该外侧磁铁55与内侧磁铁45使同极面对而面对面地配置。外侧磁铁55优选形成为圆筒形。外侧磁铁55与内侧磁铁45同样，可以由一体型的圆筒形磁铁形成(参照图1)，另外也可以是被分割的磁铁以其外周面的磁极成为相同的方式排列成圆筒形的结构(参照图4)。
外侧磁铁55所使用的磁铁与内侧磁铁45同样，优选为磁力较强的永久磁铁，例如可以使用钕磁铁、钐钴磁铁等稀土类磁铁、以及铁氧体(ferrite)类磁铁等。
通过内侧磁铁45与外侧磁铁55的排斥力，旋转轴20及设置于其上的内侧圆筒部件40以及内侧磁铁45以非接触的方式可旋转地支承于支承体10。
另外，在本发明的飞轮装置100中，内侧磁铁45的轴向的宽度的中心46与外侧磁铁55的轴向的宽度的中心56分别偏离。优选各个内侧磁铁45的宽度中心46相对于各个外侧磁铁55的宽度中心56，向推力向内方向(沿轴向相互接近的方向)或推力向外方向(相互远离的方向)偏离。
在图2所示的本发明的第一实施方式的飞轮装置100中，示出了各个内侧磁铁45的宽度中心46相对于各个外侧磁铁55的宽度中心56向推力向内方向偏离了的结构。在该情况下，在内侧磁铁45的宽度中心46和外侧磁铁55的宽度中心56之间产生径向排斥力(箭头R)及推力排斥力(箭头S)。因此，飞轮60由外侧磁铁55在推力向内方向上间接地夹持。
这样，在本发明的第一实施方式的飞轮装置100中，飞轮60通过外侧磁铁55而在径向方向上以及轴线方向上都能够保持非接触状态，除了具有原有的作为惯性轮的功能以外，还能够具有如下功能：作为通过磁力的排斥力来使包括转子70在内的旋转轴20漂浮而进行轴支承的磁悬浮轴承，减少旋转时产生的摩擦。即，本发明的一个实施方式的轴承所作用的力为排斥力，因此无需复杂的控制就能够将旋转轴20保持在磁力平衡的位置。此外，在本实施方式中将飞轮功能和磁悬浮轴承功能一体化，因此能够实现装置的小型化。
图3示出本发明的第二实施方式的飞轮装置200。飞轮装置200具有如下结构：各个内侧磁铁45的宽度中心46相对于各个外侧磁铁55的宽度中心56，向推力向外方向偏离。在该情况下，在内侧磁铁45的宽度中心46与外侧磁铁55的宽度中心56之间也产生径向排斥力(箭头R)及推力排斥力(箭头S)。并且，在一方的飞轮60要向推力向外方向移动的情况下，另一方的飞轮60与对置的外侧磁铁55之间的推力排斥力增大，也能够抑制推力方向的移动。
这样，在第二实施方式的飞轮装置200中，飞轮60也能够通过外侧磁铁55在径向方向上以及轴线方向上以非接触状态维持稳定的位置，能够不产生摩擦地提供稳定的旋转，且能够使旋转能量更加持续。
(旋转电机)
本发明的第三实施方式涉及具备上述的飞轮装置的旋转电机300。旋转电机300具备上述的本发明的飞轮装置100或200，该旋转电机300具有：转子70，其在一对圆板部件30的中间固定于旋转轴20；以及定子80，其配设于支承体10。
旋转电机300能够作为发电机或马达来利用。在旋转电机300中，转子70的一部分可以直接与电刷等外部端子接触，或者从转子70电连结的端子部(未图示)与电刷等外部端子接触。
在上述中，说明了各种实施方式及变形例，但是本发明并不限定于上述的内容。实施方式中的各种部分的数量及形状等为例示，也可以是其他任意的数量及任意的形状。
另外，各实施方式及变形例可以分别单独应用，也可以进行组合来使用。在本发明的技术思想的范围内所考虑到的其他方式也包含于本发明的范围内。
符号说明：
10支承体
20旋转轴
30圆板部件
40内侧圆筒部件
45内侧磁铁
46内侧磁铁的轴向的宽度的中心
50外侧圆筒部件
55外侧磁铁
56外侧磁铁的轴向的宽度的中心
60飞轮
70转子
80定子
100飞轮装置
200飞轮装置
300旋转电机
R 径向排斥力
S 推力排斥力
Claims (6)
1.一种飞轮装置，其具有：
支承体；
旋转轴；
一对圆板部件，它们分离地固定在所述旋转轴上；
一对内侧圆筒部件，它们分别与所述圆板部件的外周连接，且与所述旋转轴同轴地形成；以及
一对外侧圆筒部件，它们与所述内侧圆筒部件的外周对置而分别配置于所述支承体，且从所述内侧圆筒部件的外周隔开距离地配置，
其中，
由所述圆板部件和所述内侧圆筒部件构成飞轮，
所述内侧圆筒部件形成为在其外周面沿周向连续地配置具有磁极的内侧磁铁，
所述外侧圆筒部件沿周向连续地配置有外侧磁铁，所述外侧磁铁与所述内侧磁铁使同极面对而面对面配置，
通过所述内侧磁铁与所述外侧磁铁的排斥力，所述旋转轴以非接触的方式可旋转地支承于所述支承体，
所述内侧磁铁的轴向的宽度的中心与所述外侧磁铁的轴向的宽度的中心偏离。
2.根据权利要求1所述的飞轮装置，其中，
所述内侧磁铁和所述外侧磁铁形成为圆筒状。
3.根据权利要求1或2所述的飞轮装置，其中，
所述内侧圆筒部件的轴向宽度比所述圆板部件的轴向厚度大，且比所述外侧圆筒部件的轴向宽度小。
4.根据权利要求1或2所述的飞轮装置，其中，
所述内侧磁铁的轴向的宽度的中心分别从所述外侧磁铁的轴向的宽度的中心沿轴向向接近的方向偏离相同的距离。
5.根据权利要求1或2所述的飞轮装置，其中，
所述内侧磁铁的轴向的宽度的中心分别从所述外侧磁铁的轴向的宽度的中心沿轴向向远离的方向偏离相同的距离。
6.一种旋转电机，其中，
所述旋转电机具备权利要求1或2所述的飞轮装置，
所述旋转电机具有：
转子，其在一对所述圆板部件的中间固定于所述旋转轴；以及
定子，其配设于所述支承体。
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