JP2001268822A - エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の構成のエネルギー貯蔵装置は、同期機
が起動時に起動トルクが零であり、励磁電流値が低速時
には不足、高速時には過多となるという課題を有してい
る。 【解決手段】 固定子１６に対して相対的に回転する第
３の巻線２２と第４の巻線３３と整流回路３４を有する
回転子１７、回転子１７によって駆動されるフライホイ
ル１４を備え、第３の巻線２２は第２の巻線２０と磁気
的に結合し、整流回路３４の入力を第３の巻線２２に接
続し、整流回路３４の出力を第４の巻線３３に接続し、
起動トルクがあり、また第４の巻線３３が発生する磁束
を自由に可変できるエネルギー貯蔵装置としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用や産業用に
使用され、深夜電力などを運動エネルギーとして蓄えた
後、再び電力として利用するエネルギー貯蔵装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のエネルギー貯蔵装置を図１０に基
づいて説明する。１は鉄製のフライホイル、２はフライ
ホイル１の軸に直接接続した同期機であり、電機子巻線
を有する固定子３と界磁巻線を有する回転子４によって
構成されている。

【０００３】５は同期機２の界磁巻線に励磁電流を供給
するための励磁機であり、固定子６と回転子７により構
成され、やはりフライホイル１の軸に直接接続されてい
る。

【０００４】８はフライホイル１の軸に直接接続された
ポニーモータなどと称される誘導電動機で、一次巻線を
有する固定子９と、鉄心にアルミニウムを鋳込んで製造
されたカゴ形と呼ばれる構造の回転子１０によって構成
されている。

【０００５】１１と１２は、いずれもフライホイル１の
軸を回転自在に支持するベアリングであり、１３はベア
リング１１、１２に加わる垂直方向の力を軽減するため
の磁気軸受けである。

【０００６】磁気軸受け１３は、永久磁石の吸引力を重
力と逆方向に働かせることにより、フライホイル１の重
さと、同軸に設けられた同期機２、励磁機５、誘導電動
機８の各回転子の重さの和のおよそ９割に相当する力を
上方向に作用させている。

【０００７】以上の構成における従来のエネルギー貯蔵
装置は、まずフライホイル１の回転が零の状態から、誘
導電動機８の固定子９の一次巻線に交流電流を供給する
ことにより動作させ、フライホイル１を毎分約１８００
回転にまで加速させる。

【０００８】この段階で、励磁機５の固定子６の界磁巻
線に直流電流を供給すると、回転子７内の電機子巻線に
誘導起電力が発生し、それを軸上に設けたダイオード等
で構成した整流回路（図示せず）で直流に変換して、同
期機２の回転子４の界磁巻線に励磁電流を供給するもの
となっている。

【０００９】同期機２の固定子３には、回転子４からの
界磁が作用し、この状態で電機子巻線に電流が供給され
ると、トルクが発生されるものとなる。

【００１０】したがって、同期機２は電動機として動作
し、フライホイル１を加速させることにより、電気エネ
ルギーを運動エネルギーに変換して貯蔵する動作（充電
動作）が行われる。

【００１１】そして、蓄えられた運動エネルギーを電気
エネルギーとして取り出す場合（放電動作）は、やはり
励磁機５の固定子６の界磁巻線に電流を供給し、励磁機
５の出力によって同期機２に励磁電流を供給し、固定子
３に誘導起電力を発生させる。

【００１２】固定子３の電機子巻線に負荷が接続されて
いれば、前記誘導起電力による電力の供給が行われるの
で、フライホイル１の運動エネルギーが、電気エネルギ
ーに変換されて負荷で使用することができるものとな
る。

【００１３】図１１は、従来の技術において、励磁機５
の界磁巻線の電流を一定値とした状態での回転の速度
と、同期機２に供給される励磁電流の関係を実線で示し
たものである。

【００１４】励磁機５は、界磁電流が供給されている状
態であっても速度零では誘導起電力が発生しないことか
ら、同期機２の励磁電流値は零となり、速度が高速にな
るに従って、励磁機５の出力が大となって、同期機２の
励磁電流も大となるものとなる。

【００１５】これに対して、各速度において必要となる
励磁電流値は、破線で示している様に速度に反比例し、
高速となるほど必要となる励磁電流値は小となる。

【００１６】その理由は、同期機２の電機子巻線に発生
する誘導起電力の値は、励磁電流にほぼ比例して発生す
る鎖交磁束に速度を乗じた値にほぼ等しくなるものであ
り、充電時において電機子巻線に一定の電気パワーを供
給する場合、および放電時に電機子巻線から一定の電気
パワーを取り出す場合には、電機子巻線の電流値を所定
値以下に保とうとするならば、励磁電流値は、速度に反
比例した値となるものである。

【００１７】ただし、励磁電流が過大となると界磁巻線
の損失が大きくなったり、磁気飽和を起こすことから、
起動時および低速の条件においても制限を設ける必要が
あり、ここで説明している従来の技術では、励磁電流は
３．９Ａに制限する必要があるものとしている。

【００１８】このような、起動時および低速時における
励磁電流の不足をカバーするため、従来の技術では、誘
導電動機８を設けているものであり、充電時の起動時か
ら低速時には誘導電動機８に例えばインバータ等の可変
周波数、可変電圧（ＶＶＶＦ）の電源を供給するものと
なっている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の構成のエネ
ルギー貯蔵装置は、速度に対して同期機２に供給される
励磁電流が、必要な励磁電流に対して逆の特性でなり、
すなわち低速時においては励磁電流が不足し、高速時に
おいては励磁電流が過多となるものであった。

【００２０】その特性をカバーし、充電時の起動時に
は、従来の技術ではさらに誘導電動機を設けていたが、
そのため装置が大きく重いものになるという第１の課題
を有していた。

【００２１】また、速度に対する励磁機の出力の特性が
必要となる特性と全く異なることから、充電時および放
電時の両方の動作において、速度の変化に対する誘導起
電力の変化が非常に大きく、装置が接続される電源や負
荷との電圧の整合を行うために、別途複雑な構成の電圧
変換装置が必要となるという第２の課題を有するもので
あった。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、 第１の巻線
と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して
相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路と
を有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフラ
イホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電
源と、前記第１の巻線から電力が供給される負荷と、第
２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、
前記第３の巻線は第２の巻線と磁気的に結合し、前記整
流回路の入力を第３の巻線に接続し、整流回路の出力を
第４の巻線に接続したものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】請求項１に記載した発明は、第１
の巻線と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に
対して相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流
回路とを有する回転子と、前記回転子によって駆動され
るフライホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第
１の電源と、前記第１の巻線から電力が供給される負荷
と、第２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを
備え、前記第３の巻線は第２の巻線と磁気的に結合し、
前記整流回路の入力を第３の巻線に接続し、整流回路の
出力を第４の巻線に接続した構成とすることにより、簡
単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源から
の電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電
流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保
することができる。

【００２４】また、請求項２に記載した発明は、請求項
１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流
電源とスイッチング素子と共振コンデンサとスイッチン
グ素子を駆動する駆動回路を有し、第２の巻線と前記ス
イッチング素子とを直列に接続し、この直列回路の両端
を前記直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサ
を前記スイッチング素子と第２の巻線の接続点と前記直
流電源の一端子の間に接続した構成とすることにより、
やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の
電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給す
る励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トル
クも確保することができ、特に第２の電源の構成が非常
に簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるも
のである。

【００２５】また、請求項３に記載した発明は、請求項
１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流
電源と、直列に接続した第１のスイッチング素子及び第
２のスイッチング素子と、共振コンデンサと、駆動回路
を有し、前記共振コンデンサと前記第２の巻線との直列
回路を第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素
子との接続点と直流電源の一端子との間に接続した構成
とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速
度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、
第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御するこ
とができ、起動トルクも確保することができ、特に第２
の電源の構成がかなり簡単で、低コスト、小形、軽量と
することができるものである。

【００２６】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
から請求項３いずれか１項記載のエネルギー貯蔵装置
に、速度検知手段を有し、駆動回路は、前記速度検知手
段の出力信号に応じて第２の電源の出力を変化させる構
成とすることにより、速度に応じた励磁電流を第４の巻
線に供給し、第１の巻線に発生する誘導起電力の値を適
正に制御し、広い速度範囲で効率の高い運転が可能な装
置を実現するものである。

【００２７】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
から請求項４のいずれか１項記載のエネルギー貯蔵装置
が、第１の電源からの電力によってフライホイルを加速
する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを
負荷に電力として供給する放電期間の間に、第２の巻線
の電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するものと
することにより、充電期間が終了した後、放電期間に至
るまでの時間が長い場合でも、無駄な損失を抑え、エネ
ルギー利用を有効に行うことができる、経済的な装置を
実現することができるものである。

【００２８】また、請求項６に記載の発明は、軸を垂直
としたフライホイルと、前記フライホイルを非接触で支
持する支持手段を有し、前記支持手段は、円形に巻かれ
たコイルと、円形の永久磁石と、円形の鉄心によって構
成され、前記鉄心は前記コイルおよび前記永久磁石から
発生する磁束を通す磁路であり、前記永久磁石による吸
引力は前記フライホイルに働く重力と逆向きとした構成
とすることにより、軸受けに発生する損失を抑え、また
フライホイル等の重量を上方向に引き上げるために必要
となる電力を非常に小さくし、また鉄損も低く抑えられ
る効率の高い装置を実現することを可能とさせるもので
ある。

【００２９】

【実施例】（実施例１）以下本発明の第１の実施例につ
いて説明する。図１は請求項１、２、５を用いた実施例
１のエネルギー貯蔵装置の断面図を示している。

【００３０】図１において、１４はフライホイル、１５
は同期機で固定子１６と回転子１７を有している。

【００３１】ロータリトランス１８は、固定されたフェ
ライト製の固定コア１９と第２の巻線２０、フライホイ
ル１４の軸に取り付けられてフライホイル１４と一緒に
回転するフェライト製の回転コア２１と第３の巻線２２
により構成されている。

【００３２】ベアリング２３、２４は、従来の技術と同
様、フライホイル１４を回転自在に支持するものであ
る。

【００３３】実施例１では、円形に巻かれたコイル２５
と溝のあるリング状の鉄心２６によって構成した支持手
段２７が設けられている。

【００３４】図２は実施例１の回路図を示している。

【００３５】図２において、第１の巻線３０、３１、３
２はいずれも固定子１６に巻かれた３相の電機子巻線で
ある。

【００３６】固定子１６に対して相対的に回転する回転
子１７には、第３の巻線２２および第４の巻線３３、整
流回路３４が設けられている。

【００３７】第１の巻線３０、３１、３２に電流を供給
する第１の電源３５と、第１の巻線３０、３１、３２か
ら電力が供給される負荷３６と、第２の巻線２０に高周
波電流を供給する第２の電源３７とを備え、ロータリト
ランス１８として構成された、第３の巻線２２と第２の
巻線２０は磁気的に結合されて、整流回路３４の入力が
第３の巻線２２に接続され、整流回路３４の出力は第４
の巻線３３に接続されているものとなっている。

【００３８】第２の巻線２０に対して高周波電流を供給
する第２の電源３７の構成は、直流電源３８とスイッチ
ング素子３９と共振コンデンサ４０とスイッチング素子
３９を駆動する駆動回路６４を備えている。直流電源３
８は、交流電源４１の出力を、整流ブリッジ４２で整流
し、チョークコイル４３とコンデンサ４４によって構成
したフィルタ回路４５によってリプルの少ない直流に変
換しているものである。スイッチング素子３９は、ＩＧ
ＢＴチップとダイオードチップとを並列に接続した構成
としている。

【００３９】第２の巻線２０とスイッチング素子３９と
は直列に接続しており、この直列体の両端に、直流電源
３８出力を接続している。

【００４０】また共振コンデンサ４０は、スイッチング
素子３９のコレクタ端子と第２の巻線２０の接続点と、
直流電源３８のプラス端子の間に接続しているものであ
る。

【００４１】駆動回路６４は、スイッチング素子３９の
ゲートに接続しており、スイッチング素子３９のゲート
電圧をエミッタ端子に対して１５Ｖ上昇させ、または０
Ｖに低下することによって、スイッチング素子３９をオ
ンオフしている。

【００４２】以上の構成で、直流電源３８の出力を、駆
動回路６４が駆動するスイッチング素子３９によって高
周波に変換して、共振コンデンサ４０と第２の巻線２０
が構成する共振回路に供給するものである。従って第２
の巻線２０には、高周波の電圧が発生する。

【００４３】ロータリトランス１８の構成によって、第
３の巻線２２は第２の巻線２０と磁気結合しているた
め、第２の巻線２０に発生した高周波の電圧は第３の巻
線２２に誘導され、第３の巻線２２にも同様の高周波の
誘導電圧が発生する。

【００４４】この高周波の電圧は、ダイオード４６、４
７によって構成した整流回路３４によって直流に変換さ
れ、第４の巻線３３に供給される。

【００４５】第４の巻線３３は、回転子１７を構成する
鉄心のスロット中に配置しているため、同期機１５の励
磁がなされるものである。

【００４６】本実施例では、極数を４極としており、機
械角３６０度に対して、Ｎ極とＳ極が２つずつ生ずる構
成を取っている。

【００４７】一方第１の電源３５は、直流電源４８と、
ＩＧＢＴによって構成したスイッチング素子４９、５
０、５１、５２、５３、５４、各スイッチング素子のゲ
ートに接続されてオンオフの制御を行う制御回路５５、
固定子１６に対する回転子１７の相対位置を検知する位
置検知手段５６を有しており、実施例１では位置検知手
段５６は、ホールＩＣ５７、５８、５９によって構成し
ている。

【００４８】また、直流電源４８は、交流電源６０、整
流回路６１、チョークコイル６２、電解形のコンデンサ
６３によって構成しているものを使用している。

【００４９】図３は、第２の電源２０の実働波形図で、
（ａ）は直流電源３８の出力電圧ＶｄＣとスイッチング
素子３９のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣｅを、（ｂ）
はスイッチング素子３９に流れる電流ＩＣを、（Ｃ）は
第２の巻線２０の両端子間に発生する電圧ＶＬと電流Ｉ
Ｌの波形を示している。このとき本実施例では、駆動回
路６４は２５ｋＨｚでスイッチング素子３９をオンオフ
しているものである。

【００５０】スイッチング素子３９が駆動回路６４によ
ってオンされるオン期間Ｔｏｎにおいては、直流電源３
８からスイッチング素子３９を介して、第２の巻線２０
に電流ＩＬが、共振コンデンサ４０には電流ＩＣが供給
される。この電流ＩＬは、第２の巻線２０に印加されて
いる電圧ＶｄＣが図３（ａ）に示しているようにほぼ直
流となっているため、図３（Ｃ）に示しているようにほ
ぼ直線的に増加していく。また電流ＩＣも同様の理由
で、図３（ｂ）に示しているように、ほぼ直線的に増加
するものである。スイッチング素子３９が駆動回路６４
によってオフされると、この瞬間に第２の巻線２０に流
れていた電流は共振コンデンサ４０に流れ、第２の巻線
２０と共振コンデンサ４０とは共振状態となる。このた
め、スイッチング素子３９のコレクタ・エミッタ間に発
生する電圧ＶＣｅは、図３（ａ）に示しているような共
振電圧波形となる。

【００５１】この共振状態が約半周期続いた後に、ＶＬ
＝ＶｄＣ、すなわち第２の巻線２０に印加される電圧Ｖ
Ｌが再び直流電源３８の電圧ＶｄＣと等しくなってスイ
ッチング素子３９が再びオンするＴｏｎ期間に入る。Ｔ
ｏｎ期間に入った瞬間に、共振コンデンサ４０の電流が
なくなって、代わってスイッチング素子３９を構成する
ダイオードが導通状態となって、それによってスイッチ
ング素子３９の電圧ＶＣｅはほぼ０となる。

【００５２】駆動回路６４は、スイッチング素子３９を
構成するダイオードがオンしている状態で、スイッチン
グ素子３９のゲート電圧を約１５Ｖ出力するものであ
る。このためスイッチング素子３９は、ターンオンさ
れ、やがてダイオードに流れる電流が０となった後も、
引き続いてＩＧＢＴに電流が流れ、オン状態を継続する
ことができる。

【００５３】以上のような動作を繰り返すことによっ
て、本実施例の第２の電源３７は２５ｋＨｚの高周波電
流を第２の巻線２０に供給し続けるものである。

【００５４】第２の巻線２０は第３の巻線２２に磁気結
合しているため、第３の巻線２２にも高周波の誘導電圧
が発生する。この誘導電圧は、整流回路３４によって整
流され直流に変換されて、第４の巻線３３に供給され
る。つまり第４の巻線３３には、励磁電流Ｉｆが供給さ
れるものとなる。

【００５５】従って、充電時には、固定子１６に配置し
ている第１の巻線３０、３１、３２の電流と、第４の巻
線３３との間にはトルクが発生し、同期機１５は、動力
を発生するものとなる。

【００５６】また、放電時には第１の巻線３０、３１、
３２に誘導起電力が発生して、負荷３６に電力が供給さ
れるものとなる。

【００５７】ここで、本実施例では、駆動回路６４がス
イッチング素子３９をオンするオン信号の期間を可変で
きるようにしているものである。

【００５８】このため、第３の巻線２２に発生する誘導
電圧の大きさを加減でき、従って第４の巻線３３に流れ
る励磁電流Ｉｆの大きさを加減することが可能となって
いる。

【００５９】なお本実施例においては、駆動回路６４と
して集積回路ＡＮ６７１５またはＡＮ６７２８を用いて
いるものである。このため、部品点数を抑えることがで
き、低コストで駆動回路６４を構成できるものである。
ただし、特にこのような集積回路に限定する必要はな
く、トランジスタやダイオードや抵抗・コンデンサなど
のディスクリート部品を使用しても支障はないものであ
る。

【００６０】また本実施例では共振コンデンサ４０を使
用しているため、スイッチング素子３９のターンオフ時
に急激な電圧の立ち上がりが発生しないものである。こ
のため、ノイズの発生を抑えることができ、またスイッ
チング素子３９のターンオフ損失が小となり、またラッ
チアップ耐量を低減できるものである。またスイッチン
グ素子３９に使用するダイオードについても、ターンオ
フ時に急激な逆電圧が印加されないため、逆回復時間が
比較的長くかかるものを使用でき、スイッチング素子３
９を低価格で構成できるものである。このため、装置全
体を低価格とすることも可能となる。

【００６１】また本実施例では、第２の巻線２０をフェ
ライト製の固定コア１９を使用しており、同様にフェラ
イト製の回転コア２１を使用している第３の巻線２２で
ロータリトランス１８が構成されていて、固定コア１９
と回転コア２１間に適切な空隙を設けた構成としている
ものである。

【００６２】このため第２の巻線２０は、適度なインダ
クタンス成分を有するものとなっている。このため、ス
イッチング素子３９のターンオンに際してターンオン損
失が極めて小さくなるものである。

【００６３】また本実施例においては第２の電源３７の
動作周波数を２５ｋＨｚに設定して、スイッチング素子
３９のスイッチング損失を抑えると共に、耳障りな騒音
を防止できるようにしているが、動作周波数を特に２５
ｋＨｚに限定する必要はないものである。つまり、例え
ば１００ｋＨｚあるいは１ＭＨｚと高周波の設定とした
場合には、ロータリトランス１８をより小形化できるも
のである。

【００６４】また本実施例においては、共振コンデンサ
４０の一端子を直流電源３８のプラス側に接続し、第２
の巻線２０と並列になるように接続しているが、直流電
源３８のマイナス端子側に接続して、スイッチング素子
３９のコレクタ・エミッタ間に並列に接続する構成とし
ても支障はないものである。

【００６５】さらにスイッチング素子３９と第２の巻線
２０の接続の順序についても、プラス側にスイッチング
素子３９を配置する構成としても支障はないものであ
る。

【００６６】またスイッチング素子３９として、ＩＧＢ
Ｔの他にバイポーラ形ＭＯＳＦＥＴあるいはＧＴＯ等も
使用できるものである。

【００６７】また回転子１７に設けている整流回路３４
は、本実施例ではダイオード４６、４７を使用している
が、全波整流ブリッジとしても、単に１石のダイオード
を第３の巻線２２に直列接続したものとしても支障はな
いものである。

【００６８】また極性についても、スイッチング素子３
９のオンオフに対してフォワード接続であってもフライ
バック接続であってもよい。

【００６９】図４は、実施例１の支持手段２７の構成を
示している。

【００７０】図４においては、円形のコイル２６は、樹
脂製のボビン６６に巻かれたものを使用して、鉄心２５
の溝内に納めて構成している。

【００７１】図５は、図４に示した支持手段２７が動作
している状態における磁気回路を示しているものであ
り、鉄製のフライホイル１４との間に空隙長ｄを隔て
て、鉄心２５はフライホイル１４と対抗している。

【００７２】コイル２６に電流を供給することにより、
破線で示されているように磁束が発生して、フライホイ
ル１４の上面は、吸引力によって重力と逆向きである上
向きの力を受けて上昇することになる。

【００７３】空隙長ｄがほぼ一定の値となるようにコイ
ル２６に供給する電流値を加減するという制御を行うも
のである。

【００７４】ここで、空隙長ｄを検知するためには、フ
ライホイル１４の上下方向の位置を検知する位置センサ
を別途設ける方法もあるが、コイル２６に対して所定周
波数の交流成分を重畳し、当該周波数成分の電流値を検
出することにより、コイル２６のインダクタンスから空
隙ｄを検知してもよい。

【００７５】図６は、実施例１のエネルギー貯蔵装置の
速度、パワー、励磁電流を請求項６を実施した場合の構
成である装置の動作説明したものである。

【００７６】図６においては、横軸が時刻であり、本実
施例では前日の２３時、すなわち夜間電力が使用できる
時刻にて、充電動作が開始されるものとなっている。

【００７７】なお、図６においては、充電動作の開始時
においては、フライホイル１４の速度は零であり、エネ
ルギーは全く蓄えられていない状態となっている。

【００７８】本実施例においては、まず励磁電流Ｉｆが
供給され、第１の巻線３０、３１、３２からも電機子電
流が供給されることから、同期機１５は電動機として動
作を行う。

【００７９】ここで、発生するトルクの値については、
電機子電流の値を一定とし、スイッチング素子４９、５
０、５１、５２、５３、５４とすること、および位置検
知手段５６からの位置検知信号より制御回路５５が、磁
束と電機子電流との電気角がほぼ直交するように各スイ
ッチング素子のオンオフの制御を行うことにより、一般
のブラシレスＤＣモータと称される電動機と類似の動作
が行われるものとなり、よって発生トルクは一定値、電
動機としての出力は、速度に比例したものとなる。

【００８０】実施例１においては、起動から１時間後で
ある０時には、速度の上昇からパワーが１．３ｋＷとい
う値に達し、その後は、パワー制限動作を行わせてい
る。

【００８１】すなわち、第１の電源３５からの供給パワ
ーを１．３キロワットの一定値となるように速度に対す
るトルクの値を暫減する制御を行うものとなっている
が、ここで、本実施例においては、図６（ウ）で示して
いるように、その後の励磁電流値をほぼ速度に対して反
比例となるように絞っているため、第１の巻線３０、３
１、３２に発生する誘導起電力の値は、速度の変化に対
してもほぼ一定値とする事ができるものとなっている。

【００８２】これにより、一定電圧を出力する直流電源
４８からの電力供給が、スイッチング素子４９、５０、
５１、５２、５３、５４を通してスムーズに行われ、一
般のインバータ装置でよく使用されるような導通比の制
御、すなわち各スイッチング素子のオンオフを電気角６
０度（あるいは１２０度）の範囲内で、さらに高周波の
キャリア周波数毎にオンオフの動作が行われる方式とし
て、かつその導通比大きさで、等価的な直流電源４８の
出力電圧値が変化したと同等の動作を行わせることによ
り、第１の巻線３０、３１、３２に発生する誘導起電力
の大きさとの整合をとる方法を使用せずとも、スイッチ
ング素子３９のオン時間の制御のみで、良好なパワー制
御がなされるものとなっている。

【００８３】ただし、上記のスイッチング素子４９、５
０、５１、５２、５３、５４に対する導通比の制御（チ
ョッパ制御、もしくはＰＷＭ制御などとも称される）を
併用してもよく、その場合にあっても、導通比の変化の
範囲は、励磁電流が加減される分だけ抑えることがで
き、スイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、
５４の耐電圧、電流定格を効果的に活用したパワーの供
給が可能となるものであるという効果が上げられる。

【００８４】午前７時において、深夜電力の契約が完了
した時点で充電動作は停止され、その後は請求項５に記
載された慣性運転期間に入るが、この時点での速度は、
本実施例では毎分９０００回転となる。

【００８５】この期間においては、スイッチング素子３
９は完全にオフの状態となり、励磁電流Ｉｆの値も零と
なるため、励磁動作を行うための電力の消費が無くなる
と同時に、同期機１５の固定子１６の鉄損もほぼ零とす
ることができるものとなる。

【００８６】一般に高周波における鉄損は、周波数の２
乗に比例する渦電流損が支配的となることから、たとえ
ば板の厚さが０．２ｍｍというような相当薄い材料を使
用したとしても、励磁がなされた状態のままで毎分９０
００回転という運転を行うと、鉄損が問題となる。

【００８７】しかし、本実施例では慣性運転期間は、励
磁をなくして、その鉄損を効果的に抑えるものとなって
いる。

【００８８】例えば特に夏場などには、一般家庭におい
ては、電力を朝晩よりも昼間時間に集中的に消費すると
いう傾向があり、電力消費の少ない朝の時間帯に放電動
作を行わせると、励磁のための電力消費および高周波に
よる鉄損により効率が著しく低下するという傾向がある
ので、その後の大電力消費が行われる時間帯まで慣性運
転をさせ、その後放電動作を行って、電力消費を補わせ
るという動作にした方がより効果的なエネルギー利用が
できるものとなり、本実施例においては、慣性運転期間
を設けて、第２の巻線への電力供給を零にダウンさせる
ことにより、それが実現されるものとなっている。

【００８９】なお、放電期間についても、本実施例では
励磁電流の値をほぼ速度に反比例した値として放電パワ
ーを制御し、その上充電期間中と同様に、励磁電流値が
最大値となっている条件における第１の巻線の電流の値
の上限を設定した、トルク制限も設けたものとしてい
る。

【００９０】（実施例２）続いて本発明の請求項６を用
いた実施例２について説明する。図７は実施例２におけ
る支持手段６８の構成と磁路の説明を行う断面図であ
る。

【００９１】実施例２においても、全体の構成は支持手
段を除いて実施例１にて説明した構成に同等のものであ
り、実施例１において用いた支持手段２７が、図７に示
した支持手段６７に差し替えられたものとなっている。

【００９２】したがって、図７に見られるように、実施
例２においては支持手段６７が、円形に巻かれたコイル
２６、円形の永久磁石６８、円形の鉄心６９ａ、６９ｂ
を有しており、コイル２６は実施例１と同様に樹脂製の
ボビン６６に巻かれている。

【００９３】なお、図７は実施例１の図５と同様に、上
面から見た場合には円形となる各構成要素の断面の片側
のみを示しているものであって、実際には中心が図７の
右側の外にあって、３６０度つながっている円形のもの
であり、すなわち鉄心６９ａは内側の鉄心であり、鉄心
６９ｂは外側の鉄心であり、その間にリング形の永久磁
石６８が設けられているものとなっている。

【００９４】本実施例においても、破線で示しているよ
うに磁束は、永久磁石６８、鉄心６９ｂ、フライホイル
１４、鉄心６９ａを通って形成されるものとなる。

【００９５】特に本実施例では、永久磁石をネオジ焼結
のものを使用していることから、厚さｘが小であっても
大きな磁束が破線で示した磁路内に発生されるものとな
り、コイル２６に電流が流れていない状態にあっても、
永久磁石６８により、フライホイル１４には、吸引力が
上向きに発生されるものとなっている。

【００９６】ネオジ磁石の使用によって、ｘが小とする
ことができることから、破線で示している磁路の磁気抵
抗も小となり、よってコイル２６のインダクタンスは大
きくすることができる。

【００９７】したがって、コイル２６に僅かな電流を通
ずることにより、大きな磁束の変化が起こるものとな
り、吸引力をコントロールするのに必要なコイル２６へ
の供給電流を抑えることができ、支持手段６７に必要な
電力を抑えられるか、もしくはコンパクトなものにする
ことができるという効果を上げているものである。

【００９８】また、コイル２６については、紙面の向こ
う側から手前側に電流が流れた場合には、案ペールの右
ねじの法則に従って、永久磁石６８が発する磁束を強め
る方向となり、吸引力が増加し、逆に紙面の手前側から
向こう側に電流が供給された場合には、永久磁石６８の
発する磁束を殺す作用が見られて、吸引力の減少が起こ
るものとなる。

【００９９】したがって、空隙の大きさを適当に設定す
ることにより、定常的なコイル２６の供給電流の大きさ
をかなり小とすることができ、これによって、垂直方向
の重量と等しい吸引力に保たせることが可能となり、極
めて損失が小さい軸受け機能を持たせることができるも
のとなる。

【０１００】なお、特に鉄心６９ａ、６９ｂ、コイル２
６の形状をいずれも円形としていることにより、フライ
ホイル１４が高速で回転していても、渦電流は発生せ
ず、渦電流による損失もほぼ零とすることができるもの
となっている。

【０１０１】（実施例３）図８は、請求項３、４を用い
た実施例３におけるエネルギー貯蔵装置の回路図を示し
ている。

【０１０２】実施例３においても、断面図の面では実施
例１と同等であり、回路図が異なるものとなっている。

【０１０３】実施例３では、実施例１で使用している第
２の電源３７に代えて、第２の電源７０が用いられてい
る。

【０１０４】第２の電源７０は、第１のスイッチング素
子７１と第２のスイッチング素子７２と、共振コンデン
サ７３を使用しており、共振コンデンサ７３は、第２の
巻線２０と直列に接続している。

【０１０５】第１のスイッチング素子７１と第２のスイ
ッチング素子７２は、直列に接続されている。

【０１０６】また共振コンデンサ７３と第２の巻線２０
とは直列に接続しており、この直列回路を第１のスイッ
チング素子７１と第２のスイッチング素子７２との接続
点と直流電源４８のプラス端子との間に接続しているも
のである。

【０１０７】本実施例においては、直流電源４８は、第
１の電源の構成要素の一つであるものを、共用した形と
なっているが、実施例１のように第１の電源の構成要素
と完全に分けて設けてもよく、また放電時の起動時にお
いて例えばバッテリなどによって直流電源を供給して励
磁動作を行った後、負荷への電力供給ができるようにな
った際に、その直流電圧を第２の電源として供給させる
ようにしてもよい。

【０１０８】また駆動回路７４は、第１のスイッチング
素子７１と第２のスイッチング素子７２を交互にオンオ
フ駆動するものである。

【０１０９】すなわち、第１のスイッチング素子７１が
オンされると、直流電源４８は第１のスイッチング素子
７１と、第２の巻線２０と、共振コンデンサ７３に電流
を供給するものである。

【０１１０】また駆動回路７４によって第１のスイッチ
ング素子７１がオフされて第２のスイッチング素子７２
がターンオンされると、共振コンデンサ７３が、第２の
巻線２０と第２のスイッチング素子７２に電流を供給す
るものである。

【０１１１】このため、第１のスイッチング素子７１と
第２のスイッチング素子７２に発生する損失を最小限に
抑えることができるものである。

【０１１２】本実施例では、第２の巻線２０と共振コン
デンサ７３の共振周波数にほぼ等しい２５ｋＨｚとして
おり、共振コンデンサ７３は、第２の巻線２０と直列共
振するものとしている。

【０１１３】その上で、本実施例では、駆動回路７４は
動作周波数を可変としており、前記共振周波数よりも高
くすることにより、励磁電流Ｉｆを減少させるという動
作を行わせているものとなっている。

【０１１４】ただし、逆に動作周波数を共振周波数より
も低くした場合にも、やはりＩｆは減少することになる
が、その場合には、第１のスイッチング素子７１と第２
のスイッチング素子７２とが切り替わるタイミングで、
スイッチング素子を構成するダイオードに逆回復電流が
発生することから、高速リカバリのダイオードチップが
必要となる。しかし、ターンオフ損失はほとんど発生し
ないものである。

【０１１５】また、第１のスイッチング素子７１と第２
のスイッチング素子７２のオン期間の比率を変えて、Ｉ
ｆを変化することもできる。

【０１１６】また、直流電源４８の出力電圧を可変でき
る構成として、駆動回路７４の発振周波数を一定とし
て、Ｉｆを調整することもできるものである。

【０１１７】以上のように本実施例においても、励磁電
流Ｉｆの値を加減できるものとなる。

【０１１８】実施例３では、実施例１で説明した１個の
スイッチング素子を使用する構成としたものに比べて、
第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子
７２に、耐電圧の低い定格のものを使用できる。

【０１１９】また、本実施例では、速度検知手段７５を
設けており、フライホイル１４の回転の速度を検知する
ことができるものとなっている。

【０１２０】図９（ア）（イ）（ウ）は、毎分９０００
回転で運転している状態における、速度検知手段７５を
構成する各ホールＩＣの出力波形を示しているものであ
るが、速度検知手段７５は、実施例１の位置検知手段５
６と同じ構成であり、実施例３においても励磁されてい
る状態において、回転子１７の磁極の位置を磁気的に検
知し、制御回路７６から６石の各スイッチング素子をオ
ンオフするという実施例１と同様の動作を行うと同時
に、３つのホールＩＣの出力信号の切り替わりの周期か
ら、フライホイル１４の回転の速度を検知し、その出力
である速度信号を駆動回路７４に出力するものとなって
いる。

【０１２１】本実施例では、同期機１５の極数が４極で
あることから、毎分９０００回転の場合には３００Ｈｚ
の周波数となり、よって電気角の３６０度（１周期）
は、図９に示されているように３．３３ｍｓとなる。

【０１２２】この周期を制御回路７５で検出し、その逆
数を計算して速度を求めているものであるが、本実施例
のように電気角６０度ごとの位置検知を行う目的から３
個のホールＩＣ信号出力がある場合には、３つの信号の
排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）を例えばＭＮ４０３０など
の論理回路ＩＣのゲートを２個使用して構成して、０．
５５６ｍｓ毎にハイとローの論理が切り替わるようにし
た信号を出力を出力させた上で、そのエッジ間の期間を
計測して、速度を求めるようにしてもよい。

【０１２３】駆動回路７４は、速度信号を受け、高速時
には共振コンデンサ７３と第２の巻線２０との共振周波
数に対して、駆動周波数をぐっと高くすることにより、
励磁を弱く制御し、低速時には、逆に共振周波数付近ま
で動作周波数を低下させ、励磁電流を大としていること
から、フライホイル１４の速度が毎分２０００回転か
ら、９０００回転という広い範囲で、誘導起電力の大き
さをほぼ一定値に保つことができるものとなっている。

【０１２４】したがって、第１の電源が簡単な構成のも
のであっても、負荷に一定の電圧の電力を供給すること
ができるものとなる。

【０１２５】なお、実施例１から実施例３では、いずれ
も負荷には直流電圧を出力しているが、さらに直流を任
意の電圧、周波数に変換するインバータ回路を追加して
構成することもできる。

【０１２６】

【発明の効果】請求項１に記載した発明は、第１の巻線
と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して
相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路と
を有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフラ
イホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電
源と、前記第１の巻線から電力が供給される負荷と、第
２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、
前記第３の巻線は第２の巻線と磁気的に結合し、前記整
流回路の入力を第３の巻線に接続し、整流回路の出力を
第４の巻線に接続した構成とすることにより、簡単な構
成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力
供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値
を自在に制御することができ、起動トルクも確保するこ
とができる。

【０１２７】また、請求項２に記載した発明は、請求項
１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流
電源とスイッチング素子と共振コンデンサとスイッチン
グ素子を駆動する駆動回路を有し、第２の巻線と前記ス
イッチング素子とを直列に接続し、この直列回路の両端
を前記直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサ
を前記スイッチング素子と第２の巻線の接続点と前記直
流電源の一端子の間に接続した構成とすることにより、
やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の
電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給す
る励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トル
クも確保することができ、特に第２の電源の構成が非常
に簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるも
のである。

【０１２８】また、請求項３に記載した発明は、請求項
１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流
電源と、直列に接続した第１のスイッチング素子及び第
２のスイッチング素子と、共振コンデンサと、駆動回路
を有し、前記共振コンデンサと前記第２の巻線との直列
回路を第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素
子との接続点と直流電源の一端子との間に接続した構成
とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速
度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、
第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御するこ
とができ、起動トルクも確保することができ、特に第２
の電源の構成がかなり簡単で、低コスト、小形、軽量と
することができるものである。

【０１２９】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
から請求項３いずれか１項記載のエネルギー貯蔵装置
に、速度検知手段を有し、駆動回路は、前記速度検知手
段の出力信号に応じて第２の電源の出力を変化させる構
成とすることにより、速度に応じた励磁電流を第４の巻
線に供給し、第１の巻線に発生する誘導起電力の値を適
正に制御し、広い速度範囲で効率の高い運転が可能な装
置を実現するものである。

【０１３０】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
から請求項４のいずれか１項記載のエネルギー貯蔵装置
が、第１の電源からの電力によってフライホイルを加速
する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを
負荷に電力として供給する放電期間の間に、第２の巻線
の電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するものと
することにより、充電期間が終了した後、放電期間に至
るまでの時間が長い場合でも、無駄な損失を抑え、エネ
ルギー利用を有効に行うことができる、経済的な装置を
実現することができるものである。

【０１３１】また、請求項６に記載の発明は、軸を垂直
としたフライホイルと、前記フライホイルを非接触で支
持する支持手段を有し、前記支持手段は、円形に巻かれ
たコイルと、円形の永久磁石と、円形の鉄心によって構
成され、前記鉄心は前記コイルおよび前記永久磁石から
発生する磁束を通す磁路であり、前記永久磁石による吸
引力は前記フライホイルに働く重力と逆向きとした構成
とすることにより、軸受けに発生する損失を抑え、また
フライホイル等の重量を上方向に引き上げるために必要
となる電力を非常に小さくし、また鉄損も低く抑えられ
る効率の高い装置を実現することを可能とさせるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１であるエネルギー貯蔵装置の
断面図

【図２】同、回路図

【図３】同、動作波形図

【図４】（ア）同、支持手段の下面図 （イ）同、支持手段の断面図

【図５】同、支持手段の磁路の説明図

【図６】（ア）同、時刻−速度特性を示す図 （イ）同、時刻−パワー特性を示す図 （ウ）同、時刻−励磁電流特性を示す図

【図７】実施例２であるエネルギー貯蔵装置の支持手段
の磁路の説明図

【図８】実施例３であるエネルギー貯蔵装置の回路図

【図９】（ア）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力
波形図 （イ）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力波形図 （ウ）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力波形図

【図１０】従来の技術のエネルギー貯蔵装置の断面図

【図１１】同、速度−励磁電流特性図

【符号の説明】

３０、３１、３２ 第１の巻線 ２０ 第２の巻線 １６ 固定子 ２２ 第３の巻線 ３３ 第４の巻線 ３４ 整流回路 １７ 回転子 １４ フライホイル ３５ 第１の電源 ３６ 負荷 ３７ 第２の電源 ３８ 直流電源 ３９ スイッチング素子 ４０ 共振コンデンサ ６４ 駆動回路 ７１ 第１のスイッチング素子 ７２ 第２のスイッチング素子 ７４ 速度検知手段 ６７ 支持手段 ２６ コイル ６８ 永久磁石 ２５ 鉄心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 19/36 Ｈ０２Ｋ 19/36 Ｂ // Ｈ０２Ｐ 9/14 Ｈ０２Ｐ 9/14 Ｅ (72)発明者 財前 克徳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 甲田 哲也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H590 AA02 AA03 CA16 CA21 CC05 CC29 CE02 DD33 DD70 EA10 EB02 FA06 FB01 FB03 FC12 FC14 FC17 GA05 GB07 HA27 HB12 5H607 AA12 BB01 BB02 BB07 BB14 BB25 CC03 EE42 GG02 GG19 5H619 BB01 BB02 BB06 BB10 BB13 PP22 PP36

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の巻線と第２の巻線とを有する固定
   子と、前記固定子に対して相対的に回転する第３の巻線
   と第４の巻線と整流回路とを有する回転子と、前記回転
   子によって駆動されるフライホイルと、前記第１の巻線
   に電流を供給する第１の電源と、前記第１の巻線から負
   荷に電力が供給される構成とし、第２の巻線に高周波電
   流を供給する第２の電源とを備え、前記第３の巻線は第
   ２の巻線と磁気的に結合し、前記整流回路の入力を第３
   の巻線に接続し、整流回路の出力を第４の巻線に接続し
   たエネルギー貯蔵装置。
2. 【請求項２】 第２の電源は、直流電源とスイッチング
   素子と共振コンデンサとスイッチング素子を駆動する駆
   動回路を有し、第２の巻線と前記スイッチング素子とを
   直列に接続し、この直列回路の両端を前記直流電源の出
   力端子間に接続し、共振コンデンサを前記スイッチング
   素子と第２の巻線の接続点と前記直流電源の一端子の間
   に接続した請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
3. 【請求項３】 第２の電源は、直流電源と、直列に接続
   した第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素
   子と、共振コンデンサと、駆動回路を有し、前記共振コ
   ンデンサと前記第２の巻線との直列回路を第１のスイッ
   チング素子と第２のスイッチング素子との接続点と直流
   電源の一端子との間に接続した請求項１に記載のエネル
   ギー貯蔵装置。
4. 【請求項４】 速度検知手段を有し、駆動回路は、前記
   速度検知手段の出力信号に応じて第２の電源の出力を変
   化させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギ
   ー貯蔵装置。
5. 【請求項５】 第１の電源からの電力によってフライホ
   イルを加速する充電期間と、前記フライホイルの運動エ
   ネルギーを負荷に電力として供給する放電期間の間に、
   第２の巻線の電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有
   する請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギー貯
   蔵装置。
6. 【請求項６】 軸を垂直としたフライホイルと、前記フ
   ライホイルを非接触で支持する支持手段を有し、前記支
   持手段は、円形に巻かれたコイルと、円形の永久磁石
   と、円形の鉄心によって構成され、前記鉄心は前記コイ
   ルおよび前記永久磁石から発生する磁束を通す磁路であ
   り、前記永久磁石による吸引力は前記フライホイルに働
   く重力と逆向きとしたエネルギー貯蔵装置。