JP2002502947A - 反対方向に回転する能動的な封じ込め部を備えるフライホイールバッテリ装置 - Google Patents
反対方向に回転する能動的な封じ込め部を備えるフライホイールバッテリ装置Info
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Abstract
Description
74,009号の利益を主張するものである。
ル装置に関する。より具体的には、本発明は、高速度ロータを機械的に封じ込め
且つ正味モーメント及び正味外部ジャイロ力を制御する、可変速度で且つ反対方
向に回転する封じ込め容器を有するフライホールエネルギ蓄え装置に関する。
各端部に取り付けたベアリングにより支持された単一の高速度ロータを備えてい
る。フライホイール及び軸は、全体として、エネルギの損失を最小にし得るよう
に排気される重い静止型の封じ込め容器内に収容されることがしばしばである。
かかる構成において、軸ベアリングは、フライホイールの封じ込め容器の端板に
取り付けられ、ロータは、端板に取り付けた1つ以上のモータ/発電機により駆
動される。フライホイールエネルギ蓄え装置は、地球上乗物(例えば、電気自動
車)及び地球外乗物(例えば、人工衛星)にて使用することが提案されている。
しかしながら、多くの従来技術のフライホイール貯蔵装置の設計に関係する実質
的なジャイロ力と共にモーメントを制御することは、この分野での開発を遅らせ
ることに至っている。あるフライホイール装置において、ジャイロ力は、フライ
ホイールの回転軸線と一致しない方向の周りにてフライホイールが所定の角度回
転することにより生じる。フライホイールが取り付けられた乗物の動作がフライ
ホイールのロータに付与されるときに、かかる力が発生ずる。このため、フライ
ホイールが取り付けられた乗物が方向変更するとき、その付与された動作に対し
対角状のジャイロ力が発生する。このジャイロ力は、フライホイールの寸法、付
与される動作の変化率及びその動作方向、及びフライホイールがそのスピン軸線
の周りにて回転するときの速度に伴って増大する。
案されている。第一の方法は、封じ込めシリンダを乗物に堅固に取り付けた場合
に生ずるであろう外部のジャイロモーメントを回避し又は最小にし得るようにフ
ライホイールの封じ込め容器を遊動動作可能に取り付けることを含む。単一のフ
ライホイールをフライホイールの封じ込めシリンダに堅固に取り付ける結果、外
部のジャイロ力は乗物に直接的に伝達されることになる。遊動動作可能な取り付
けは、乗物の動作がフライホイールに伝達されるのを防止するのに有効であるが
、この遊動動作可能な取り付けは、フライホイールの封じ込めシリンダと乗物と
の間の機械的な接続を相対的に弱体化させることになる。フライホイールが破損
した場合、ジンバルの機械的接続部の強度を遥かに上廻る大きい力及びモーメン
トがジンバルに加わる可能性がある。更に、一部のジンバルの設計は、動作の自
由度を補償する程度が制限される。乗物の動作がジンバルが補償しようとする動
作の自由度の制限値を超えるならば、ジャイロ力は乗物に伝達されてしまう。こ
のように、ジンバルに機械的が制限が課されることは、ある用途において、ジャ
イロ力の問題点を満足し得るように解決することの妨げとなる。
る別の方法は、「フライホイール利用のエネルギ蓄え方法及び装置(A Fly
wheel−Based Energy Storage Methods a
nd Apparatus)」という名称の米国特許第5,124,605号に
開示されたように、単一のフライホイールではなくて、同軸状で且つ反対方向に
回転する2つのフライホイール又はロータを利用することを含む。また、2つの
ロータを利用することは、モーメントの制御を行うことも可能にし、このことは
、人工衛星が作動するとき、フライホイール装置に荷重を加え又は荷重を除去す
る際に特に有用である。多数フライホイール設計の目的は、モーメントを制御し
且つ正味零の外部のジャイロ力を発生させ得るように、2つのフライホイールを
反対方向に回転させることである。かかる実施の形態の殆どにおいて、同一の2
つのフライホイールが単一の軸又は別個の軸に取り付けられ、フライホイールの
各々は、別個のモータにより駆動され且つ別個のモータを(駆動する)。このジ
ャイロ力を防止し且つモーメントを制御する方法が成功するかどうかは、反対方
向に回転するフライホイールの作動周波数を同期化させることに依存する。かか
る装置は、安全な作動を確保するため、多数のロータに加えて、重い静止型の封
じ込め容器を依然として必要とする。実際上、従来のフライホイール装置の短所
は、全体として、フライホイールが破損するときに保護する、重い静止型の封じ
込め容器が必要な点である。フライホイールのロータが急激に破損した場合、高
速度フライホイールのロータの大きい角度モーメントが封じ込めシリンダに急激
に伝達される。従来のフライホイール装置において、封じ込めシリンダは回転せ
ず且つ乗物に堅固に取り付けられている。フライホイールが破断する間に(及び
その直後に)、封じ込め容器の角度動作を防止するため、丈夫で且つ重い取り付
け状態が必要となる。従来の幾つかの装置は、非駆動であるが、外側封じ込めシ
リンダ内にて回転自在である第二の静止型の内側封じ込め容器を備えている。か
かる従来技術の装置は、回転自在であり且つエネルギを放散させる内部の封じ込
め容器に、フライホイールが破損する間に分散したエネルギの一部を付与するこ
とにより作動する。ロータが破断する経過に基づいて、フライホイールの角度モ
ーメントは最初に、内部シリンダに伝達され、次に、外部シリンダに伝達され、
最終的に、乗物に伝達される。このように、多数の封じ込めシリンダを使用する
ことにも拘らず、従来技術はフライホイールの破損中に生ずる反力から乗物を十
分に絶縁することができない。更に、封じ込めのために、多数の大きいシリンダ
を使用することは、全体として、過重量を生じ、更に、可動の形態にとって実際
的でない設計となる。
供し得ないことである。典型的に、従来の装置において、モータ/発電機は、高
速度のエネルギ貯蔵ロータに直結的に接続され且つ唯一のトルク及び動力源であ
る。現在、利用可能な高速度モータ/発電機はトルク及び動力の能力の点にて制
限されているため、フライホイールバッテリも同様に制限されている。
として、モータの物理的寸法に依存する。典型的にフライホイール装置にて使用
される高速度モータは、そのモータの回転要素がフライホイールの極めて高い回
転周波数により発生された大きい回転応力に耐えなければならないため、必然的
に寸法は小さくなる。これに反して、より高馬力のモータは、寸法が大きくなり
、現在の技術のフライホイールロータよりも低い回転周波数にて作動する。高速
度モータ/発電機が発生させることのできる最大トルクは、モータ内に存在する
相互作用する磁界によって制限される。換言すれば、所定のモータに対する最大
トルクは、モータ上に配置された磁極の数、及び永久磁石の強度、容積及び平均
直径によって決まる。大きい直径のモータ/発電機は、小さい直径のモータ/発
電機よりも多数の磁石に対する十分なスペースがある。このため、大きい直径の
モータ/発電機は、より大きい最大トルク能力にて設計することができる。この
ように、高速度ロータ及びモータが直結的に接続される形態の場合、モータ/発
電機の直径はその装置のトルク能力を制限することになる。
間、大きい動力の伝達を必要とする用途にとって重要である。かかる用途の1つ
は、乗物の動力需要が内燃機関用の馬力容量を上廻るとき、乗物の駆動トレーン
に最高動力を提供することがフライホイールの主要な機能である、ハイブリッド
電気自動車である。トルクの制限が重要である、かかる用途のもう1つは、姿勢
制御のためモータの反力トルクを使用する人工衛星の制御装置である。このよう
に、より広いトルク及び動力特性を提供することのできるフライホイールのバッ
テリ装置が当該技術分野にて必要とされている。
来のフライホイール装置の懸架設計は、単一か又は多数のロータの形態であるか
を問わずに、全体として、磁気であるが、機械式としてもよい主ベアリングと、
全体として、主磁気ベアリングが破損した場合に、使用される接触ベアリングで
ある二次的ベアリングとを高速度ロータに直結的に接続することを必要とする。
かかるベアリングを高速度の用途に使用するならば、渦流電流及び摩擦損失が生
じ、その両方が回転周波数と共に増大する。高速度のフライホイールロータの作
動中、完全に支持し、しかも、エネルギ損失及び望ましくない熱の蓄積を最小に
する低損失ベアリングの懸架装置が当該技術分野にて必要とされている。
置の損失を最小にし、フライホイールロータが破損する間、乗物に伝達される力
を最小にし、また、十分なトルク及び動力を提供するフライホイールのエネルギ
貯蔵装置が必要とされている。また、より大きい動力密度を有すると同時に、高
エネルギ密度を有する、かかる装置を提供することも望まれる。本発明は、上記
の目的及びその他の重要な目的を課題とするものである。
外側ロータを提供し、外側ロータが内側ロータを実質的に円筒状に取り巻くよう
にすることで、従来技術の短所を解決するものである。内側ロータ及び外側ロー
タの各々は、軸線の周りで回転可能である。ジャイロ及びモーメント制御のため
にだけ多数のロータを使用する従来のフライホイール装置と異なって、外側ロー
タは内側ロータに対する封じ込め容器として作用する。
タは、軸線の周りで反対方向に回転する。内側ロータ及び外側ロータが反対方向
に回転するときに、ジャイロ力を伴う予め選択した正味モーメントを内側ロータ
発生させることができる。一つの実施の形態において、内側ロータ及び外側ロー
タが反対方向に回転するとき、外部の正味ジャイロ力は実質的に零となる。全体
として、内側ロータは、外側ロータの慣性力よりも比較的小さい慣性力を有する
が、より高速度にて回転する。また、フライホイール装置は、負圧内に収容する
こともできる。
度を制御し、これにより、予め選択した正味モーメントを発生させ得るように、
内側ロータ及び外側ロータを接続し且つ懸架する手段を備えている。
外側ロータを接続する駆動組立体を備えている。該駆動組立体は、内側ロータの
中心から半径方向へのある距離にて内側ロータの軸線に対し平行に配置された複
数の駆動ホイールを備えている。該複数の駆動ホイールは、内側ロータ及び外側
ロータと可動に相互に接続されており、これにより、内側ロータの動きは、複数
の駆動ホイールを介して外側ロータに伝達されて、外側の封じ込めロータが内側
ロータに対して反対方向に回転するようにする。これと代替的に、駆動組立体は
、次のもの、すなわち、駆動軸と、駆動軸に一体に接続される内側ロータと、駆
動軸の中心から離れた半径方向距離にて駆動軸に対し平行に配置された複数のベ
アリングポストと、その1つが複数のベアリングポストの各々に取り付けられた
複数の駆動軸とを備えている。駆動ホイールは、内側ロータ及び外側ロータと可
動に相互に接続されており、これにより、内側ロータの動作が複数の駆動ホイー
ルを介して外側ロータに伝達され、外側ロータが内側ロータに対して反対方向に
回転するようにする。駆動組立体は、次のもの、すなわち、内側ロータが一体に
接続された駆動軸と、該駆動軸の外周の周りにて回転可能に取り付けられた軸駆
動ホイールであって、駆動軸と共に回転する駆動軸ホイールと、外側ロータに対
し且つ外側ロータから力を伝達すべく外側ロータに一体に接続された力伝達リン
グであって、外側ロータと共に回転する力伝達リングと、駆動軸の中止から離れ
た半径方向距離にて駆動軸に対し平行に配置された複数のベアリングポストと、
該複数のベアリングポスト上に可動に回転可能であるように取り付けられた複数
のベアリングと、その1つがベアリングの各々に取り付けられた複数の駆動ホイ
ールとを備えることができる。駆動ホイールは、力伝達リング及び軸駆動ホイー
ルと可動に相互に接続され、これにより、内側ロータの動きは、軸の駆動ホイー
ルを通じて駆動ホイールに伝達され及び駆動ホイールから力伝達リングに伝達さ
れ、これにより、外側ロータを内側ロータに対して反対方向に回転させる。駆動
組立体は、次のもの、すなわち、軸の半径方向位置を保つべく中心軸の周りで作
用可能に接続された半径方向磁気ベアリングと、軸の軸方向位置を保ち得るよう
に作用可能に接続された軸方向磁気ベアリングとを備えることができる。駆動組
立体は、次のもの、すなわち、衝撃荷重が加わる間、フライホイールの回転を制
御し得るように中心軸に作用可能に接続された回転接地ベアリングと、エネルギ
及び動力を供給するモータ/発電機とを備えることができる。
タが一体に接続された駆動軸と、該駆動軸と実質的に同軸状に取り付けられ且つ
駆動軸の周りを回転可能である遊星駆動基部とを備えることができる。フライホ
イール駆動組立体は、遊星駆動基部に回転可能に取り付けられた複数の駆動ホイ
ールを更に備えている。複数の駆動ホイールの各々は、遊星駆動基部が回転する
とき、それ自体の軸線の回りで回転可能であると同時に、駆動軸の周りを回転可
能である。駆動ホイールは、内側ロータ及び外側ロータと可動に相互に接続され
ており、これにより、内側ロータの動作は複数の駆動ホイールを通じて外側ロー
タに伝達され、外側ロータが内側ロータに対して反対方向に回転するようにする
。
周りで回転可能な内側ロータと、第二の軸線の周りで反対方向に回転可能な外側
ロータとを備えることができ、これらのロータは、少なくとも一次元的面にて第
一の軸線と交差する。外側ロータは内側ロータを実質的に取り巻く。内側ロータ
に作用可能に接続された第一のモータ/発電機により内側ロータは第一の軸線の
周りを回転する。第二のロータに作用可能に接続された第二のモータ/発電機に
より外側ロータは第一の軸線に対し第二の軸線の周りで反対方向に回転する。内
側ロータ及び外側ロータの相対的な正味モーメントは、内側ロータ及び外側ロー
タの相対的な回転速度により制御可能である。
わち第一のロータに作用可能に接続され、比較的高速の回転速度が可能である第
一のモータ/発電機と、第一のモータ/発電機に比して低速の回転速度が可能で
あるが、第一のモータ/発電機よりも相対的に大きいトルク能力を有し、第二の
ロータに作用可能に接続された第二のモータ/発電機とを備えている。
二のロータとを備え、第一のロータが第二のロータに比して相対的に小さい慣性
力及び高速の回転速度を有し、また、第一のロータに比して相対的に大きい慣性
力及び低速の回転速度を有する第二のロータの実質的に内方に配置され、機械的
及び磁気駆動組立体により、第一のロータ及び第二のロータの相対的な回転速度
が保たれる、エネルギを蓄えるフライホイール装置が開示されている。
ロータが実質的に第一のロータ内に配置され且つ第一のロータよりも比較的小さ
い質量を有する、フライホイール装置を作動させる方法が開示されている。この
方法は、次のステップ、すなわち、第一のロータを回転させるステップと、第一
のロータと第二のロータとの間に制御されたモーメントの釣合い状態を発生させ
得るように比較的低速の回転速度にて第二のロータを第一のロータに対し反対方
向に回転させるステップとを備えている。本発明の別の側面によれば、エネルギ
を機械的な形態にて解放可能に蓄える方法が開示されている。この方法は、次の
ステップ、すなわち、内側ロータと、同軸状に取り付けられ、反対方向に回転し
且つ内側ロータを実質的に円筒状に取り巻く外側ロータとの各々にエネルギを伝
達するステップと、ロータの一方を反対方向に回転させる間、ロータの他方を回
転させるステップとを備えている。一つの実施の形態において、反対方向への回
転は予め選択した正味モーメントの釣合い状態を発生させる。予め選択した正味
モーメントは零とすることができる。
タの周りに実質的に配置され且つ第一のロータに対して反対方向に回転する第二
のロータであって、第一のロータと比較して相対的に大きい質量及び低速の回転
速度を有する第二のロータと、第一のロータと第二のロータとの間にて制御され
た角度モーメントの釣合い状態を発生させ得るように第一のロータと第二のロー
タとの間にて一定の相対的な回転速度を保ち得るように第一のロータ及び第二の
ロータに一体に接続された駆動組立体とを備える、フライホイールエネルギ蓄え
装置が設けられた乗物が開示される。一つの実施の形態において、この乗物は地
球上乗物である。
ータが開示される。本発明のロータは、次のもの、すなわち内側リムと、外側リ
ムと、外側リムに締まり嵌めするスペーサリングと、内側リムと外側リムとの間
を伸長し、スペーサリングにて外側リムに取り付けられたテーパー付きの遷移部
分と、該遷移部分を内側リムに固着すべく内側リムを取り巻く補強用の重ね合わ
せ部分と、遷移部分、スペーサリング、リム間の半径方向への変形程度を適合可
能にするのに役立つ伸びリングとを備えている。
移部分は異なる厚さとすることができる。ロータを備える最小重量、最大エネル
ギ及び最大比エネルギのフライホイール装置において、ロータは、次のもの、す
なわち複合材料で製造した内側リムと、複合材料で製造した外側リムと、外側リ
ムに締まり嵌めするスペーサリングと、内側リムと外側リムとの間を伸長するテ
ーパー付きの遷移部分であって、スペーサリングにて外側リムに取り付けられた
遷移部分と、遷移部分を内側リムに固着すべく内側リムを取り巻く補強用の重ね
合わせ部分と、遷移部分、スペーサリング及び外側リムとの間の半径方向への変
形程度を適合可能にするのに役立つ伸びリングとを備えている。
としての実施の形態に関する以下の説明から、より明らかとなり且つより容易に
理解されよう。
る、電子機械式フライホイールのバッテリ装置を提供するものである。好ましい
実施の形態において、エネルギ貯蔵ロータは、大きい相対的な慣性力の質量モー
メントを有する封じ込め容器に対し高周波数にて回転する。相対的な高周波数で
低慣性力のエネルギ貯蔵ロータと、反対方向に回転する低周波数で高質量の封じ
込め容器との組み合わさった正味回転モーメントは、予め選択した正味モーメン
トを発生させて、正味ジャイロ力が発生されるように制御することができる。好
ましい実施の形態において、予め選択した正味モーメントは零である。エネルギ
貯蔵ロータ及び封じ込め容器の相対的な回転周波数は、本発明の機械的/磁気懸
架/駆動装置により保たれる。エネルギ貯蔵ロータが破損する間に発生された反
力は、反対方向に回転する封じ込め容器により放散される。封じ込め容器は、従
来技術のフライホイールよりも大きい慣性力を有し、従って、より低周波数にて
回転するため、殆どの高速度フライホイールにて使用されているモータ/発電機
よりも大きいトルクを発生させることのできる、より高馬力で且つ堅固なモータ
/発電機を採用して、封じ込め容器を駆動することができる。この高速度ロータ
は、半径方向への伸びを補償し且つ十分なトルク伝達媒体となるのに十分に堅固
であるように特別な設計とされている。
い実施の形態が一部分断面図とした斜視図で図示されている。該装置は、内部に
負圧を発生させ得るように負圧チャンバ112と接続された端部キャップ110
を備えている。バッテリ端子114及び負圧排気口116が端部キャップ110
から突き出している。バッテリ装置が充電モードにあるとき、バッテリ端子11
4は、装置にエネルギを提供する。バッテリ装置が発電機モードにあるとき、バ
ッテリ端子114は、装置からエネルギを除去するために採用される。フライホ
イール装置は、エネルギ貯蔵ロータ118と、反対方向に回転する封じ込めロー
タ120とを更に備えている。封じ込めロータ120及びエネルギ貯蔵ロータ1
18は、ベアリングポスト124により支持された駆動ホイール122を介して
作用可能に相互に接続されている。モータ−発電機128は、電気エネルギをロ
ータ118、120の回転運動エネルギに変換し、発電機モードにおいて、その
エネルギ変換を逆にし、ロータ118、120の運動エネルギを消衰させること
により、バッテリから電気エネルギを供給する。
る。エネルギ貯蔵ロータ118及び封じ込めロータ120は、共通の又は一致す
る軸線又は軸126の周りをしばしば異なる周波数にて反対方向に回転する。勿
論、エネルギ貯蔵ロータ118及び封じ込めロータ120は、同一の幾何学的面
にて交差する異なる軸線の周りを交番的に回転することが考えられる。封じ込め
ロータ120は、エネルギ貯蔵ロータ118よりも大きく且つより大きい慣性力
の質量モーメントを有する。エネルギ貯蔵ロータ118は、封じ込めロータ12
0内に実質的に配置され、また、好ましくは、封じ込めロータ120よりも相対
的により高周波数にて反対方向に回転するようにする。好ましい実施の形態にお
いて、エネルギを印加し且つ除去するモータ/発電機128は装置の各端部に取
り付けられる。
置された2つのロータを駆動する2つの別個のモータを電気的に同期化すること
を必要とする他の二重ロータ装置と相違して、本発明の装置におけるロータ11
8、120の相対的な回転周波数は、組み合わせた懸架/駆動組立体装置130
により機械的に又は電気的に保つことができる。実際には、図10に関して以下
に説明する本発明の装置の一つの実施の形態において、懸架/駆動装置130が
ロータ118、120の相対的な回転を同期化するのを許容する一方にて、装置
の全体を駆動するため単一のモータ/発電機が採用される。別個の駆動モータ/
発電機を同期化させることによるのではなくて、ロータ118、120の慣性力
及び周波数を制御することにより、正味零の角度モーメントを実現することがで
きる。正味零の角度モーメントは、外部のジャイロモーメントを解消して、フラ
イホイール装置を乗物又は対象物に堅固に取りことができるようにする。エネル
ギ貯蔵ロータ118及び封じ込めロータ120の相対的な回転速度及び質量は変
化させて、外部の正味ジャイロ力を制御し、また、予め選択し且つ変化すること
もある正味モーメント及び外部のジャイロ力を実現することができる。
置130の電子−機械的手段を利用するが、図12、図13に関して以下に説明
するような代替的な実施の形態は、正味モーメントを制御するため多数のモータ
/発電機を電気的に同期化させる方法を採用することを理解すべきである。以下
に説明するように、これらの実施の形態は、特定の用途の環境にて使用するのに
魅力的である特定の利点をもたらす。
118に対し一定の周波数にて、エネルギ貯蔵ロータ118の周りを反対方向に
回転するようにすることができる。非回転の封じ込めシリンダが装置の全体に不
要な質量を追加する従来の装置の場合と相違して、本発明の装置において、封じ
込めロータ120は、改良された装置のエネルギ貯蔵効率とする追加的なエネル
ギ貯蔵装置である。その低回転速度のため、封じ込めロータ120は、従来のエ
ネルギ貯蔵ロータよりも重く且つ堅牢にすることができる。更に、その寸法が大
きいため、封じ込めロータ120は、高速度のエネルギ貯蔵ロータ118よりも
回転慣性質量が大きく、このため、封じ込めロータ120の回転速度が遅いこと
は、高速度ロータ118により付与されるモーメントと同等であるが、方向が反
対のモーメントを付与することができる。封じ込めロータ120及びエネルギロ
ータ118の相対的な慣性力及び周波数は、モーメント及び外部のジャイロ力を
管理し得るように制御される。代替的な実施の形態において、封じ込めロータ1
20は、より軽量な材料にて形成してもよい。勿論、封じ込めロータ120の重
量が最小となることは、そのモーメントの釣合い効果を低下させることになるが
、このことは、封じ込めロータ120の設計を幾何学的に考慮することで相殺す
ることができる。主エネルギ貯蔵ロータ118及び二次的エネルギ貯蔵及び封じ
込めロータ120は、フライホイールが作動する間、正味零のジャイロ力を発生
させ得るように制御される。エネルギ貯蔵ロータ118が破局的に破損した場合
、フライホイールの破片及び塵埃は、反対方向に回転する封じ込めロータ120
に強く衝突し、外部環境ではなくて、封じ込めロータ120に角度モーメントを
伝達する。封じ込めロータ120の回転方向と反対の方向に動く破片の衝撃力は
、封じ込めロータ120の回転速度を遅くする。封じ込めロータ120及びエネ
ルギ貯蔵ロータ118を相互に接続するための本発明の懸架/駆動装置130の
結果、エネルギ貯蔵ロータ118の破片の角度モーメントを反対方向に回転する
封じ込めロータ120に伝達することにより、フライホイール装置は、該フライ
ホイール装置が取り付けられた乗物又は物体に大きい反力トルクを加えることな
く、急速に停止することになる。角度モーメントを保存することにより、従来の
装置においては、乗物又は堅固な物体に加わっていた、破断した塵埃から発生さ
れた反力トルクは、大幅に減少し又は解消されることになる。負圧シリンダ11
2は、制限されるものの、追加的な封じ込め機能を提供して、破断を更に保護す
る。
。バッテリ装置の両端に設けられた端部キャップ110は、負圧シリンダ112
と共に、多岐に亙る地球上又は宇宙の用途に適した密封された負圧環境を提供す
る。端部キャップ110を半径方向補強部分138及び負圧シリンダ112に取
り付けるため多数の取り付け点及びねじ132、134、136が使用される。
フライホイールのエネルギを取り出し且つ補充するためのバッテリ端子114が
端部キャップ110から伸長している。同様に、フライホイールのバッテリを排
気するために使用される負圧排気口116が端部キャップ110から伸長してい
る。エネルギ貯蔵ロータ118及び封じ込めロータ120を接続する駆動ホイー
ル122は、軸駆動ホイール140の周りで半径方向に配置した状態が破線で示
してある。
うに、メカニカルベアリング142、及びベアリングポスト124上に取り付け
られた駆動ホイール122の旋回位置は、全体として、ロータ軸126から等し
く隔てられている。駆動ホイール122は、以下に更に詳細に説明するように、
封じ込めロータ118、120を接続するため、封じ込めロータ120及び軸駆
動ホイール140と相互作用する。半径方向補強部分138は、静止構造体の堅
固さを最大にし且つ振動撓みを最小にし得るような構造とされている。本明細書
に記載した装置は、4組みのベアリング142及び駆動ホイール122を備える
が、それらの組み合わせ数は変更可能であることを理解すべきである。
図示されている。モータ/発電機128は、電気エネルギをロータ118、12
0に対する回転運動エネルギに変換し、また、発電機モードにおいて、エネルギ
の変換を逆にし、ロータ118、120の運動エネルギを消衰させることにより
、バッテリから電気エネルギを供給する。高速度のエネルギ貯蔵ロータ118が
軸126に接続され且つハイブリッドな機械的/磁気的ベアリング装置146、
148により懸架されている。軸126の各端部に磁気的に接続された能動的な
磁気ベアリング146、148は、半径方向ベアリング146及び軸方向ベアリ
ング148の位置を制御する。また、磁気ベアリング146、148は、能動的
な釣合い補償を行い且つ望ましくないノイズ及び振動源による妨害を最小にする
。
ト124の各々の一端に接続されている。多数のポスト124(その2つのみを
図5に図示)が軸126の周りに配置されている。ポスト124の数は変更可能
である。ベアリング142の各々は、該ベアリングに接続されたベアリング駆動
ホイール122を有している。ベアリング駆動ホイール122は軸駆動ホイール
140を介してロータ118を及び力伝達リング150を介して封じ込めロータ
120を機械的に且つ磁気的に接続する作用を果たす。以下に更に詳細に説明す
るように、永久磁石は、反対方向に回転するロータ118、120間の接続を容
易にし且つその間の牽引力の伝達を容易にし得るようにベアリング駆動ホイール
122に内蔵することが好ましい。装置の所望の慣性力及び/又は作動条件に依
存して、メカニカルベアリング142の直径は、典型的に、従来から使用されて
いる直接、ロータ軸に取り付けられたメカニカルベアリングよりも大きい。この
大きい直径のため、ベアリング142の回転周波数は、直接、軸に取り付けたベ
アリングに関係する周波数よりも低い。更に、多数のメカニカルベアリング14
2がエネルギ貯蔵ロータ118の荷重を分担するから、メカニカルベアリング1
42の各々に加わる正味力は、他のフライホイールにて存在するであろう単一の
軸ベアリングの場合と比べて低下する。このように、従来技術と比較して、本発
明の装置は、他の装置におけるベアリングよりも低い回転周波数にて作動し且つ
支持する荷重が少なくて済む、大きい直径の外側レース回転のメカニカルベアリ
ング142を提供する。ベアリングの直径が増大し、回転周波数が低く且つ荷重
が減少することの有利な点は、装置の信頼性が向上し且つ構成要素の寿命が伸び
ることである。
グ駆動ホイール122及び軸駆動ホイール140の直径の比に依存する。周波数
の比の選択は、ベアリングの損失、ベアリング力の条件、回転応力及びベクトル
慣性力、モーメントの釣合い及びジャイロ荷重のような条件に基づく。また、か
かる条件は、軸端当たりに許容されるベアリング122の最大数を設定すること
にもなる。
駆動ホイール140よりも小さい場合であっても、駆動補ホイール122の半径
が零以外の任意の値の場合、封じ込めロータ120の回転比は、ロータ118の
反対であり、該ロータ118の回転周波数以下である。全体として、駆動ホイー
ル122は軸駆動ホイール140よりも大きい。その結果、駆動ホイール122
及びメカニカルベアリング146の回転周波数はエネルギ貯蔵ロータ118の周
波数以下である。特定の用途において、装置のモーメントを制御するため、軸駆
動ホイール140の直径よりも直径が小さい(すなわち、rmb/rr<1)駆動 ホイール122を採用することができるが、必ずしも、Wc/Wrの値を1/3以
上の値に制限するものではない。より高速度であれば、メカニカルベアリング1
42の寿命を制限することになる。好ましい実施の形態において、周波数の比が
実質的に1/3以下である場合、駆動ホイール122は、軸駆動ホイール140
よりも大きい直径とし又は後の図12及び図13に図示するように、多数モータ
の実施の形態を採用しなければならない。
ることは、その両者の間の半径方向及び/又は磁気的接触を制御することで行わ
れる。軸ホイール140及び駆動ホイール122は運動学的制約を課す歯車又は
装置ではないため、多少の滑りは許容される。この滑りは、ロータに予想しない
荷重が加わるときに有用である。更に、この滑りは、本発明の直結的な駆動の実
施の形態とすることをオプションとして選択することを可能にする。勿論、ロー
タ速度の正確な制御が必要とされるならば、この滑りは望ましくない。
力伝達リング150と接続されている。力伝達リング150の機能は、軸126
の各端部にて発生する横断方向力を同一面内に配置された他のベアリング142
及び駆動ホイール122まで分配することである。各共通面内におけるベアリン
グ駆動ホイール122に加わる力伝達リング150の作用は自己平衡型である。
封じ込めロータ120の一側部に付与された力は、その付与された力の最も近く
に配置された駆動ホイール122のみによってではなく、全ての駆動ホイール1
22により支承される。強制的な半径方向への接触及び磁気的接続がベアリング
駆動ホイール122と力伝達リング150との間にて行われ、ベアリングの駆動
ホイール122の間でこの力が再分配される。軸駆動ホイール140と、ベアリ
ング駆動ホイール122と、力伝達リング150とを強制的に接触させることは
、磁気吸引力と締まり嵌めのような機械的な嵌めとを組み合わせることにより行
われる。構成要素の間で磁気による吸引を行うため、軸駆動ホイール140、ベ
アリング駆動ホイール122、力伝達リング150の内部には永久磁石が内蔵さ
せてある。この磁力の程度は、ロータ要素間の滑りを防止するのに必要な通常の
力を作用し得るように制御する。これにより、要素間にて回転周波数の一定の比
を保つことができる。永久磁石の磁界の強度は、ベアリング駆動ホイール122
及びベアリング142内の許容された磁気的損失及び渦電流の損失に対して釣り
合わせなければならない。
により、軸駆動ホイール140と、ベアリング駆動ホイール122と、力伝達リ
ング150との間の接触力を発生させることができる。かかる環境下にて、高速
度ロータの作動可能な範囲に亙ってロータ118、120に対するメカニカルベ
アリングの相互接続面間にて通常の力が維持される。最大の駆動トルク時に滑り
を防止するのに必要な最小の接触力を付与して、最大なトルクを提供するが、滑
り及び転がり抵抗に起因する摩擦損失を最小にし得るようにする。表面の摩擦及
び磨耗を制御し得るように接触面には特殊な被覆が施されている。この接触面の
硬さは、転がり抵抗を最小にし得るように制御される。
を生じさせるのに必要な離脱トルクを決定する。このように、軸駆動ホイール1
40、駆動ホイール122、力伝達リング150間の摩擦力の程度は、ベアリン
グ駆動ホイール122、軸駆動ホイール140、力伝達リング150内の永久磁
石の強さを決定すると共に、ロータ118又は120が互いに滑る時点を決定す
る。強制的な接触、従って、装置のトルク能力は、締まり嵌め及び磁気吸引力を
強化することにより増大させることができるが、これを行うと、摩擦及び/又は
磁気的作用が失われることになる。
駆動ホイール122の拡大詳細図が図示されている。静止型のフラックスリング
152は駆動軸ホイール140、駆動ホイール122及び伝達リング150の磁
束路を案内し得るように組立体内に内蔵させてある。図示するように、駆動ホイ
ール122は軸駆動ホイール140及び力伝達リング150と相互作用する。メ
カニカルベアリング142は、摩擦及び/又は受動的な磁力により中心軸126
及び外側の封じ込めロータ120に接続されたベアリング駆動ホイール122に
より駆動される。ベアリング駆動ホイール122の各々は、1つのベアリング1
42及び1つの静止軸又はポスト124により支持されている。好ましい実施の
形態において、ベアリング142は、外側回転レースベアリングとして指定され
た型式である。外側回転レースベアリングにおいて、外側ベアリングレース溝は
回転し、内側レースは静止している。各ベアリングの内側(静止)レース溝は直
結的に又はスペーサを介して静止ベアリングポスト124の1つに取り付けられ
ている。ベアリング駆動ホイール122は、ベアリング142の外側レース上に
同心状に取り付けられ、駆動ホイール122及びベアリング142が共に回転す
るのを許容する。このように、ベアリング142及びベアリング駆動ホイール1
22の各々は、1つの静止ポスト124により支持されている。
ングを採用する一つの代替的な駆動ベアリングの配置状態の図である。幾つかの
荷重状態下にて、封じ込めロータ120の回転軸線は高速度フライホイールロー
タ118と一致せず、また、ポスト124の軸線に対し平行でもない。かかる状
態は、過酷なジャイロ状態及び構造的荷重下にて生ずる可能性がある。クラウン
付きのODは高速度ロータ118、封じ込めロータ120及びポスト124が限
られた角度だけ整合ずれとなることを許容する。この実施の形態は、駆動機構又
はロータを損傷させることなく、かかる作動の幾何学的形態の変化を許容し、こ
れにより、より安全な作動及びより長期間の寿命を許容する。
。エネルギ損失を最小にし且つ効率を最大にするためには、高速度フライホイー
ルが負圧内で作動することが必要である。図示するように、「oリング」エラス
トマーシール154は、負圧シリンダ112と端部キャップ110との間の接続
部に取り付けられる。エラストマーシール154は、バッテリフライホイール装
置の内部領域を密封する機能を果たす。必要とされる負圧レベルは、10-5トル
程度であるから、ハウジングへの侵入程度は最小にすることが必要となる。この
ように、内側ねじ156は、ポストを締め付ける静止ハウジング158を貫通す
るが、端部キャップ110には侵入せず、これにより、さもなければ、ねじ15
6が端部キャップ110に侵入するならば、存在するであろう漏洩路を解消する
。また、外側ねじ160は、「oリング」エラストマーシール154に外側(圧
力側)から取り付けられ、負圧の完全さを最大限、保証する。ねじ162は、軸
方向ベアリング148を機械的に取り付けることを可能にする。
し、親乗物は、取り付け構造体を提供するから、負圧シリンダ112は不要であ
る。かかる環境の一例は、宇宙空間における人工衛星である。図8には、かかる
環境用に指定された本発明の一つの実施の形態が図示されている。図示するよう
に、端板164は、人工衛星のような物体にボルト166にて取り付けることが
できる。ポストの締め付け静止ハウジング158は、端板164にボルト166
にて取り付けられる。負圧シリンダ112は、この実施の形態にて明らかに存在
していない。図8に図示した堅牢で且つ丈夫な構造体の有利な点は、次のこと、
すなわち、モータ/発電機128の熱伝導及び磁気ベアリングの冷却が最大であ
ること、荷重トルクの伝達及び動力能力が最大であること、強度及び安全性が向
上すること、堅固な物体への振動の伝達が最小であることを含む。
れている。ベアリングポスト124は、肉厚の薄い中空の管170を備えている
。中空の管170の内部空間には、幾つかの要素を収容できる。例えば、中空の
管170は、共に各ベアリング142に対し制御された潤滑剤の流れを提供する
、潤滑剤リザーバ(図示せず)と、加圧流体の供給装置(図示せず)とを収容す
ることができる。中空の管170は、また、各ベアリング142からポストの締
め付け静止ハウジング158まで熱を伝達するためヒートパイプ(図示せず)を
も収容するようにしてもよい。
ようにロータ装置を受動的に減衰させる。ベアリングポスト124は、一端にて
ポストの締め付け静止ハウジング158に堅固に取り付けられた静止型の同心状
の金属管172を備えている。中空の管170と同心状の金属管172との間の
環状空間には、その減衰特性を向上させ得るように軸方向に予め圧縮することの
できるエラストマー的減衰要素174が充填されている。
る。一つの実施の形態において、環状空間内のエラストマー減衰要素174は、
薄い金属ディスク180の間に保持されたエラストマー環状リング178を備え
ている。中空の管170が動くときに環状リング178は変形し、これにより、
減衰作用を発生させる。完全な環状リング178に代えて、又はこの環状リング
178と共に、oリング、釦及び部分リングのような代替的なエラストマーの形
態を使用することができる。エラストマー材料の弾性及び減衰特性は、機械的な
懸架装置の有効減衰係数を最大にし得るように選択される。能動的な磁気ベアリ
ング146、148及びエラストマー「oリング」シール154は、ロータ装置
に対し追加的な減衰作用を提供する。この減衰は、フライホイールに安定性を持
たせ、バッテリの作動上の安全性を向上させ、また、望ましくないインピーダン
ス、衝撃及び振動に対する許容公差を向上させる。
作動条件に依存して異なるものとすることができる。例えば、補助電源が利用可
能である用途の場合、フライホイールにてより大きい摩擦損失が許容されよう。
かかる用途の場合、磁気ベアリング146、148を使用して、ロータの釣合い
を補正し且つ追加的な軸方向への支持力を提供する一方にて、軸駆動ホイール1
40及び力伝達リング150との強制的な機械的接触を通じてメカニカルベアリ
ング142により、軸126、高速度ロータ118、封じ込めロータ120を横
方向(すなわち、ロータ118のスピン軸線に対し垂直な半径方向)に支持する
ことができる。このように、作動上の損失が問題とならない用途の場合、完全に
接触して半径方向に支持することを可能にする実施の形態が適している。
イホイールが運動エネルギを保つことが必要な用途において、抗力トルク、及び
これに伴うフライホイールの速度の低下を最小とするため、ベアリングの摩擦損
失を最小にすることが必要となる。かかる用途の場合、機械的懸架装置の設計は
、フライホイールの作動サイクルに亙って磁気ベアリング146、148が軸1
26及び高速度ロータ118を完全に支持し得るように改変することができる。
ロータ装置への衝撃荷重に起因する軸の一時的な回転量を制限するためにのみ機
械的な懸架要素122、124は使用される。
まで加速するとき、軸駆動ホイール140の穴と軸126の外径との間にて半径
方向への隙間が開放する。この半径方向への隙間は、バッテリの高速度ロータ1
18の丁度、最小作動速度以下の速度にて開放し始め、バッテリの高速度ロータ
118の最大作動速度まで速度が増すと、その程度が増す。この半径方向への隙
間は、軸126と軸駆動ホイール140との間の強制的な接触を解消するが、そ
の磁気的相互作用は解消しない。この作動モードにおいて、軸駆動ホイール14
0は、軸126及び高速度ロータ118に対する接地ベアリングとして機能する
。軸126及び軸駆動ホイール140の周速度は、磁気的に適合するようにされ
、このため、接触面は、接地する間、等しい表面速度を有する。本発明のこの特
徴は、接地段階の間のエネルギの損失を最小にする。
回転のメカニカルベアリングである。従来の装置において、接地段階の間、フラ
イホイールは、ベアリングレース及びボールを急激に加速するためその運動エネ
ルギの一部を放出しなければならない。接地ベアリング要素の加速により発生さ
れた抗力トルクは、ロータに望ましくない旋回動作を生じさせる可能性がある。
これに反して、本発明の装置において、軸126及び軸ホイール140の接触面
の相対速度は零である、すなわち、これらは、同一の速度にて回転するため、フ
ライホイールの運動エネルギの損失は無視し得る程度である。本発明のこの特徴
は、また、衝撃荷重に起因する高速度ロータの横方向への移動量も少なくする。
軸126と軸駆動ホイール140との間の半径方向への隙間は意図的に小さくし
てあるため、この移動量は制限されており、また、接触面の速度は等しい結果、
抗力トルクは小さい。
主磁気懸架装置は、さもなければ必要とされるであろう程、堅牢である必要はな
い。具体的には、半径方向磁気ベアリング146の寸法及び力の能力は、非回転
の接地ベアリングを有する従来の磁気支持型のフライホイールロータにて使用さ
れるものよりも小さい。軸駆動ホイール140の動作は、衝撃荷重に起因する軸
の移動を制限し、より小さい磁気ベアリング146がより小さい磁力にてロータ
のスピン軸126の整合状態を迅速に回復することを可能にする。
46、148は、ベアリング抗力及び速度の低下を最小にする。摩擦損失を更に
少なくするため、封じ込めロータ120は、メカニカルベアリング142のベア
リング抗力を減少させ得るように減速する。多数のモータ/発電機を電子的に制
御し且つ管理することを介して、封じ込めロータ120の運動エネルギは、封じ
込めロータ120が減速するが、これにもかかわらず、モーメントの制御状態を
保ち続けるとき、高速度ロータ118に伝達することができる。
機128とを有する本発明の一つの代替的な実施の形態の側面断面図が示してあ
る。上述したように、図2を参照すると、懸架/駆動機構130は、軸126の
各端部に設けることができる。これに反して、図10の実施の形態において、懸
架/駆動機構130は、軸126の一端にのみ配置される。更に、2モータ及び
2駆動装置のトルク及び動力が保証されない特定の用途の場合、単一のモータ/
発電機128を採用することができる。図10の懸架/駆動装置130は、コス
ト及び重量を軽減し、また、利用可能な空間を効率良く使用することを可能にす
る。
テリ装置が一つの実施の形態の側面断面図で示してある。図示するように、磁気
ベアリング146、148及びモータ/発電機128に対するポスト124、ベ
アリング142及び駆動ホイール122の位置は、図2に関して以前に説明した
ものとは逆にしてある。上述した駆動/懸架装置と異なり、磁気ベアリング14
6、148及びモータ/発電機128は、高速度ロータ118の内部すなわち外
径内に実質的に配置されている。この配置は、負圧シリンダ112及び関連する
ポスト締め付け静止ハウジング158の軸方向寸法を最小にする。この実施の形
態は、軸方向寸法が最小であることを必要とする用途にて特に有用である。
別の代替的な実施の形態にて図示されている。図12Aの実施の形態は、駆動ホ
イール122がポスト124の周りで回転することに加えて、高速度ロータ11
8のスピン軸線126の周りにて遊星形態で回転するための遊星駆動装置を備え
ている。この遊星駆動装置において、ベアリングポスト組立体124の各々は、
遊星軸200に取り付けられる。遊星軸200は、軸126と同軸状に配置され
た静止体202の周りを回転する。この回転を許容するため、遊星軸200は、
それ自体の組みの半径方向磁気ベアリング204及び軸方向磁気ベアリング20
6を有している。磁気ベアリング204、206は、受動型及び能動型双方の磁
気ベアリングの組み合わせとすることができる。
ト124の周りを回転自在である。このように、遊星軸200及び駆動ホイール
124が中央の高速度軸126の周りで回転するとき、メカニカル軸受126及
び駆動ホイール122は、ポスト124の周りを回転する。図12Bには、線B
−Bに沿った装置の図が示してある。
る。高速度ロータ118は、モータ/発電機128により駆動される。メカニカ
ルベアリング142及び駆動ホイール122の回転速度は、モータ/発電機12
8、208が駆動されるときの相対的速度によって、及び駆動ホイール122、
軸ホイール140及び力伝達リング150の間に存在する接触及び磁気的接続に
よって決まる。2つのモータ/発電機128、208の回転周波数を制御するこ
とにより、ベアリング142、ロータ118、及び封じ込めロータ120の相対
的な回転速度を制御することが可能である。代替的に、ロータ118又は遊星軸
200をモータ/発電機に接続することに代えて、駆動ホイール122の各々を
モータ/発電機に接続し、これにより、ロータ118、封じ込めロータ120、
及び駆動ホイール122の相対的な回転周波数に亙って同一程度の制御を可能で
あるようにしてもよいことが理解されよう。
星軸120又は駆動ホイール122の何れか2つに対してモータを取り付けるこ
とは、構成要素122、142、140の寸法を調節したり又は変更することを
必要とせずに、ロータ118、120の相対的な回転周波数を正確に制御するこ
とを可能にする。かかる正確な制御は、相対的な正味モーメント及びそれに伴う
ジャイロ荷重を動的に変化させる制御及び能力を向上させる。更に、遊星型の多
数モータ/発電機の実施の形態は、フライホイール装置がエネルギ貯蔵、モータ
トルク、動力及び比エネルギを向上させることを可能にする。
て図示されている。図13の装置は、直結駆動装置であり、これにより、ロータ
118及び封じ込めロータ120の各々は、モータ/発電機216、222に接
続される。上述した実施の形態における、ロータ118と封じ込めロータ120
とを接続する駆動/懸架装置130は、図13の装置には存在しなことが分かる 。これに代えて、図13の実施の形態において、多数のロータ216、222を
同期化させることにより正味モーメントは制御される。図13の実施の形態にお
いて、高速度ロータ118は、半径方向磁気ベアリング146及び軸方向磁気ベ
アリング148上に支持されている。モータ/発電機216は、取り付けた軸に
装着されたメカニカル接地ベアリングにより軸126上に支持された高速度ロー
タ118を駆動する。高速度磁気ベアリング146の過荷重のとき、メカニカル
接地ベアリング214が設けられる。軸方向磁気ベアリング220及び半径方向
磁気ベアリング218は、低速度及び高トルクモータ発電機222がエネルギ及
び動力を供給する状態にて封じ込めロータ120を支持する。低速度の封じ込め
ロータの磁気ベアリングに過荷重を与えるため接触擦り接地ベアリング224が
設けられる。図13の実施の形態は、封じ込めロータ120に対して内側から外
に出る設計であり、また、高速度ロータ118に関して従来型式の設計である。
タ118は、最小重量、低慣性力、最大エネルギ及び極めて大きい比エネルギを
有するよう特別に設計されており、新規であり且つそれ自体が発明を構成する。
全体として、フライホイールロータは、回転運動エネルギとしてエネルギを貯蔵
する手段を提供する。フライホイールが作動するときの極めて高速度の回転速度
にて生じる応力に耐えると共に、貯蔵した運動エネルギの十分な主要な供給源を
も提供する最小重量のロータを設計することは、当該技術分野にて常に研究課題
とされている。貯蔵したエネルギ源として作用するロータは、許容可能な自然周
波数にて作動し、フライホイール装置に対し許容可能な振動/音響上の特徴を備
え、動力を供給すべく許容可能なトルクを発生させ、また、製造及び釣合い上、
実際的な形態であるようにしなければならない。極めて高速度の回転速度にて、
ロータは、ロータが歪み又は回転軸線から半径方向に「伸びる」ようにする実質
的な遠心力が加わることがしばしばある。この「伸び」は極めて顕著となり、ロ
ータ材料の強度を十分に上廻る可能性がある。かかる場合、ロータは構成要素が
分離し、破局的な破損及び破断を生ずる可能性がある。半径方向寸法(すなわち
直径)を縮小することでこうした問題点を解決しようとする試みは、所望のエネ
ルギレベルを最小重量及び最小慣性力にて保つため、長さを長くし且つ/又はそ
れに対応してスピン速度を増すことを必要とする。こうした方策は、高速度ロー
タの自然周波数及び臨界的速度に関係する動的な問題点を悪化させ、構造的材料
の限界値に更に条件を課し、その軸方向へ収容するときの幾何学的形態を増大さ
せ、フライホイールロータのトルク伝達能力を更に低下させるだけである。この
ため、過剰な半径方向への伸びに対応するが、堅固な状態を保つ機械的エネルギ
貯蔵媒体であるようにする、最小重量のフライホイールのバッテリロータを設計
することが当該技術分野の1つの課題である。
びを補正し且つ十分なトルク伝達媒体であるように十分に堅固でなるよう特別に
設計されている。テーパー付き部分、複合リム、相互接続部分、微妙な機械的な
組立体の制御及び技術を特徴的に釣り合わせた独特の設計思想を適用することに
より、多くの用途に適した高エネルギ密度のフライホイールロータが開発された
ものである。
示するように、ロータ118は、内側リム部分310と、より長い外側リム部分
312とを備えている。遷移部分すなわちハブ部分314には、内側リム部分3
10と外側リム部分312との間にてテーパーが付けられている。遷移部分31
4は、スペーサ316を介して外側リム部分312に機械的に嵌められている。
図15には、湾曲し又は放物線状の遷移部分314を有する一つの代替的なロー
タの設計の図が示してある。図16には、放物線状の遷移部分314が本発明の
駆動/懸架装置130内に内蔵されたロータ118を有する完全なフライホイー
ルバッテリ装置が図示されている。
に選択したものである。ロータの設計における1つの臨界的な条件は、ロータの
回転運動エネルギと角度モーメントとの比である。可能な限り最大の比を有し、
これにより、可能な限り最高の作動スピン速度が得られるようにすることが好ま
しい。ロータは、多量のエネルギを貯蔵するため極めて迅速に回転しなければな
らないが、ロータが顕著な変形を伴わずに加速し且つ減速し得るように制御され
た角度モーメントを有しなければならない。また、ロータは回転運動エネルギと
回転慣性力との比が大きいことが好ましい。大きい比であれば、最小の回転慣性
力にて運動エネルギを最大限貯蔵することが可能となるが、この場合にも、可能
な限り最高の作動スピン速度が必要である。最小の回転慣性力であれば、ロータ
の加速及び減速のためのトルクが最小であることが可能となる。
の用途に対応してその他の材料と置換することも可能であることが分かった。ロ
ータの角度モーメントと回転運動エネルギの比の可能な限り最大の値、及び比エ
ネルギーの最大値を実現するため、利用可能な最高の比強度を有する複合材料が
高速度ロータ118にて使用される。同様に、複合材料はロータに対し回転運動
エネルギと回転慣性力との大きい比を提供する。このように、ロータはフライホ
イールが破損する間、封じ込めロータ120への角度モーメントの伝達を最小に
して運動エネルギの貯蔵を最大にすることを可能にし、また、最小のジャイロ力
に対し封じ込めロータ120によって正味モーメントの釣合い状態を保つことを
可能にする。更に、ロータ118は、加速及び減速のためには最小トルクがあれ
ばよいが、フライホイールのバッテリ装置からの最高動力需要を満足するため、
モータ発電機の最大のトルク必要量に対応することができる。
することは、フライホイールロータにおける金属材料の量を最小にする。このた
め、破断状態のとき金属破片が発生する可能性が少なくなり、これにより、封じ
込めロータ120に対する要求及び必要条件の点にて利点をもたらす。また、複
合材料は軽量でもあり、このため、可動の用途に使用するのに最適な材料である
。
造を備えている、すなわち、複合材(繊維及びマトリックス)のフィラメント又
は繊維が周方向に、すなわち、複合ロータの半径に対して接線方向に巻かれてい
る。かかる形態は繊維の方向、すなわち、半径方向の接線方向で且つスピン軸線
に対して垂直な方向へ顕著な強度を提供する。半径方向又は軸方向に存在する複
合材料の量は全体として最小限となり、接線方向への繊維量を最大にし、このた
め、接線方向への構成要素の強度を最大にするが、他の方向への構成要素の許容
可能な強度をも保証する。このように、材料の強度の主要方向(すなわち、繊維
に沿った方向)は、主として、遠心荷重を支持するのに必要な方向(接線方向)
に方向決めされ、このため、必要とされる構造的一体性を保証すべく幾つかの繊
維は他の方向(軸方向及び/又は半径方向)に付与することができる。
可能にする。しかしながら、この製造方法は、繊維の方向に対し直角又は垂直方
向、すなわち、横断方向への強度を低下させる。ら旋巻き部分、すなわち、軸方
向及び周方向繊維、又は半径方向繊維の配置の組み合わせは、軸方向及び/又は
半径方向にある程度の構造的一体性を提供し得るように実施することができる。
更に、内側リム部分310及び外側リム部分312は、望ましくない応力レベル
を減少させ得るよう共に重ね合わせた多数のリムにて形成することができる。こ
れと代替的に、これらのリムは、等級付けすることにより、すなわち、望ましく
ない応力レベル及び/又は変形パターンを最小にし得るように材料、繊維容量、
繊維マトリックス及び巻いた複合材料を変更することにより製造してもよい。
314は、内側リム部分310、外側リム部分312及びスペーサ316と同様
に、繊維の複合材料で製造される。ハブ314には内側リム部分310と外側リ
ム部分312との間にてテーパーが作られている。ロータ118を全体として見
たとき、遷移部分314は、内側リム部分310及び外側リム部分312を接続
する円錐形の形状を形成するということができる。好ましくは、円錐形の遷移部
分314に対するテーパー角度は、内側リムの回転軸線から測定して10乃至4
0°の範囲にあるようにすることが好ましい。ハブ314の複合的構成部分に沿
ったテーパー付きの遷移部分は、内側リム部分310と外側リム部分312との
間にて大きい相対的な半径方向伸びを許容する。約1400m/秒の外径の周速
度にて作動するロータに対し1.778mm(0.070インチ)程度の大きい
相対的な半径方向への伸びを許容することにより、高速度周波数の間、外側リム
312が顕著な「伸び」を受けるとき、遷移部分314はロータ要素310、3
12、316が係合状態を保つための機構を提供する。また、遷移部分は相互接
続する全てのフライホイール構成要素間の変形が構造的に適合することを可能に
するのに必要な静止時及び速度時の変形パターンを提供する。二重の複合円錐形
の設計は、望ましくない自然周波数及び動的変形を作動範囲内で最小にするのに
十分な軸方向及び半径方向への堅固さも提供する。更に、複合円錐形の設計は、
動力を供給し、また、最小重量のフライホイールのロータエネルギを補充するた
めの優れたトルク伝達能力を提供する。
の遷移部分314との間の接触要素として機能する。作動中、円錐形部分314
の狭小端を内側リム310に固着し且つ内側リム310の半径方向への伸びを減
少させるため、高剛性のバンド部(重ね合わせ部分)318が組み込まれている
。
径端と係合する。外側リム312には、スペーサ316が装着されており、スペ
ーサ316は装置の設計及び材料と適合可能な締まり嵌めを採用してハブ314
内に圧力嵌めされる。外側リム312及び円錐形の遷移ハブ314の組み立てを
容易にすると共に、ハブ314と外側リム312との間の半径方向への変形が適
合可能な状態を保つのに役立ち得るように、フィラメント巻きしたスペーサリン
グ316が設けられている。スペーサリング316は、また、リム312の各端
部に対し追加的な堅固さをも提供する。
メカニカルベアリング146、148、214及びモータ発電機216を図11
に図示するように便宜に位置決めすることを可能にし、また、スペーサの相互接
続部316にて遷移部分314の内側に多数の釣合い面(図示せず)をも提供す
る。この内側の位置(ロータリム312、スペーサ316及び遷移部分314の
組立体内の位置)は、作用可能な遠心力がリム312に対し更に重りを拘束する
ため、釣合い補正重りとして好ましい。このこのとは、外部から付与された重り
は高速度の回転速度にて「飛び出す」傾向のあることと相違する。機械的手段(
研磨、穿孔等)により重量を除去することを通じてロータを釣り合わせることは
、複合材料を弱体にし且つロータの過早破損の原因となるため、望ましくない。
釣合い位置は、フライホイール装置の保守及び安全な作動のためアクセス可能で
ある。
図14に破線で図示)を内蔵している。この伸びリングは、遷移部分314をス
ペーサ316に対し、これに対応してリム312に加わる遠心力が発生されるこ
とを確実にすることにより、従来技術の難点を補正し得るよう特に設計されてい
る。この特殊な設計の構成要素は、フライホイールロータを備える他の構成要素
に入念に釣り合うように設計されており、それは、この構成要素は、特殊な複合
材料で製造し、製造リム上にて所望の遠心荷重を提供し得るよう構造及び遠心力
による伸びの特徴の点で意図的に非適合状態としてあるからである。
のであることが分かる。例えば、「高速度フライホイール(High Spee
d Flywheel)」という名称の米国特許第5,012,694号(第‘
694号特許)は、テーパー付き部分を採用するロータを記載している。この特
許において、遷移部分すなわちハブは、外側リムよりも早い速度にて半径方向外
方に伸び得る設計としてある。この外方への伸びは、リム部分に有利な半径方向
力を生じさせ、このことは、作動速度にてリム部分に加わる半径方向応力を減少
させる。制限された回転速度とし且つより低い比エネルギとするためには、第‘
694号特許に開示されたような設計が満足し得るものである。しかしながら、
高速の回転速度とすると同時に、エネルギ貯蔵ロータ118の比エネルギを最大
にすることは、かかる装置の設計値を大幅に超える可能性がある。かかる状況下
にて、遷移部分単独では、リム構成要素のようにより速い速度にて容易に外方に
伸びない。テーパー付きの遷移部分単独では、かかる高速度にて十分に補正し得
ない。従来のロータは、次のこと、すなわち、遷移部分とリムの構成要素との間
の変形の適合可能性、フライホイールから軸への荷重の伝達、構造的堅固さ及び
作動上の安全性に関して許容し得る解決策を提供できない。このため、過度の回
転速度にて作動する最小重量の改良されたロータが必要とされている。
作動可能なエネルギ比のより大きいロータを可能にする。具体的には、テーパー
付きの遷移部分314、スペーサ316、スペーサ314の遠心荷重、遷移部分
314とスペーサ316との間の組立て相互接続部、伸びリング320及び特殊
なリムの製造方法を独自に組み合わせることは、従来のロータが不可能であった
回転速度にて本発明のロータが作動することを可能にする。
6と組み合わせて、テーパー付きの遷移部分314が使用される。スペーサ31
6は、外側リム312に対する補強及び支持作用を提供する。更に、スペーサ3
16は、遷移部分314を取り付けることのできるリム312に局部的に堅固な
部分を提供する。更に、スペーサ316は、釣合い重りを載せるためのアクセス
可能な位置を提供する。遷移部分314は、スペーサ316に機械的に嵌めて組
み立てられ、半径方向への変形パターンの適合可能性を提供し、またエネルギを
追加し且つ取り出すべくリム312への機械的荷重の伝達を確実にする。特殊な
伸びリングは、かかる作用に更に役立つ。スペーサ316は、遷移部分314を
付勢してリム312の半径方向への伸びに従動するようにし、また、高速度の作
動時における半径方向への応力を減少する作用を果たす。
することにより、本発明のロータのリム312は、締まり嵌め状態にて組み立て
られる。締まり嵌めは、リム312により生じた半径方向への応力を減少させる
と共に、リム312の多数のリング構造体は通常の作動状態下にて分離しないこ
とを確実にするという効果がある。
、本発明のロータは、伸びリング320を有するテーパー付きの遷移部分314
と、リム312及び遷移部分314に締まり嵌めしたスペーサ316とを組み合
わせ、従来、実現できなかったロータ118における特定のエネルギレベル及び
回転速度を実現するものである。
。
記載してある。
形態を掲げたものであるが、本発明の新規な教示から逸脱せずに、多数の代替的
な実施の形態が実現可能であることが当業者には理解されよう。当業者は、開示
した懸架/駆動装置に対し多数の軽微な変更を加え得ることが理解されよう。例
えば、ロータホイール122は色々な数にて採用可能である。同様に、色々な磁
気ベアリングの形態も使用可能である。更に、ロータ118、120の寸法及び
形状は、特定の用途の必要性に依存して変更可能である。従って、かかる改変例
の全ては特許請求の範囲に包含することを意図するものである。
ある。
図である。
図である。
る。
替的な実施の形態の断面図である。
フライホイールバッテリ装置の図である。
Claims (37)
- 【請求項1】 エネルギを蓄え且つ解放するフライホイール装置において、 第一の軸線の周りで回転可能な内側ロータと、 該第一の軸線と少なくとも一次元的面にて交差する第二の軸線の周りで回転可
能であり且つ前記内側ロータを実質的に取り巻く外側ロータと、を備えるフライ
ホイール装置。 - 【請求項2】 請求項1のフライホイール装置において、前記第一の軸線が
前記第二の軸線に対して平行である、フライホイール装置。 - 【請求項3】 請求項1のフライホイール装置において、前記第一の軸線及
び第二の軸線が一致する、フライホイール装置。 - 【請求項4】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータ及
び前記外側ロータが実質的に円筒状である、フライホイール装置。 - 【請求項5】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータ及
び前記外側ロータが互いに対し反対方向に回転する、フライホイール装置。 - 【請求項6】 請求項5のフライホイール装置において、前記内側ロータ及
び前記外側ロータが反対方向に回転するとき、正味モーメントが発生される、フ
ライホイール装置。 - 【請求項7】 請求項5のフライホイール装置において、前記内側ロータ及
び前記外側ロータが反対方向に回転するとき、実質的に零の正味モーメントが発
生される、フライホイール装置。 - 【請求項8】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータが
前記外側ロータの慣性力よりも相対的に小さい慣性力を有する、フライホイール
装置。 - 【請求項9】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータが
前記外側ロータよりも比較的速いスピン速度を有する、フライホイール装置。 - 【請求項10】 請求項1のフライホイール装置において、負圧容器内に収
容された、フライホイール装置。 - 【請求項11】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータ
及び前記外側ロータの相対的な回転速度を制御し、これにより、予め選択した正
味モーメントを発生させ得るように前記内側ロータ及び前記外側ロータを接続す
る手段を更に備える、フライホイール装置。 - 【請求項12】 請求項1のフライホイール装置において、前記内側ロータ
及び前記外側ロータの相対的な回転速度を制御し、これにより、予め選択した正
味モーメントを発生させ得るように前記内側ロータ及び前記外側ロータを接続す
る駆動組立体を更に備える、フライホイール装置。 - 【請求項13】 請求項12のフライホイール装置において、前記駆動組立
体が、 前記内側ロータの中心から半径方向距離のところに前記内側ロータの軸線と実
質的に平行に配置された複数の駆動ホイールであって、前記内側ロータ及び前記
外側ロータと可動に相互に接続され、これにより、前記内側ロータの動きが前記
複数の駆動ホイールを通じて前記外側ロータに伝達され、これにより、前記外側
ロータが前記内側ロータに対して反対方向に回転するようになっている複数の駆
動ホイールを備える、フライホイール装置。 - 【請求項14】 請求項12のフライホイール装置において、前記駆動組立
体が、 前記内側ロータが一体に接続された駆動軸と、 前記駆動軸の中心から半径方向距離離れて前記駆動軸に対し実質的に平行に配
置された複数のベアリングポストと、 複数の駆動ホイールであって、その1つが前記複数のベアリングポストの各々
に取り付けられ、前記内側ロータ及び前記外側ロータと可動に相互に接続され、
これにより、前記内側ロータの動きが前記複数の駆動ホイールを通じて前記外側
ロータに伝達され、これにより、前記外側ロータが前記内側ロータに対して反対
方向に回転するようになっている複数の駆動ホイールとを備える、フライホイー
ル装置。 - 【請求項15】 請求項12のフライホイール装置において、前記駆動組立
体が、 前記内側ロータが一体に接続された駆動軸と、 前記駆動軸の周りに回転可能に取り付けられ、前記駆動軸と共に回転する軸駆
動ホイールと、 前記外側ロータに且つ該外側ロータから力を伝達し得るように前記外側ロータ
に一体に接続された力伝達リングであって、前記外側ロータと共に回転する力伝
達リングと、 前記駆動軸の軸方向中心から半径方向距離離れて前記駆動軸に対し実質的に平
行に配置された複数のベアリングポストと、 該複数のベアリングポスト上に回転可能に可動に取り付けられた複数のベアリ
ングと、 複数の駆動ホイールであって、その1つが前記ベアリングの各々に取り付けら
れ、前記力伝達リング及び前記軸駆動ホイールと可動に相互に接続され、これに
より、前記内側ロータの動きが前記軸駆動ホイールを通じて前記駆動ホイールに
伝達され且つ前記駆動ホイールから前記力伝達リングに伝達され、これにより、
前記外側ロータが前記内側ロータに対して反対方向に回転するようになっている
複数の駆動ホイールとを備える、フライホイール装置。 - 【請求項16】 請求項15の装置において、前記駆動組立体が、 前記駆動ホイール及び取り巻く静止構造体に対する前記軸の半径方向位置を保
つべく前記中心軸の周りで作用可能に接続された半径方向磁気ベアリングと、 封じ込めロータ及び取り巻く静止構造体に対する前記軸の軸方向位置を保つべ
く作用可能に接続された軸方向磁気ベアリングと、を備える、装置。 - 【請求項17】 請求項15の装置において、前記駆動組立体が、 衝撃荷重が加わる間、フライホイールの回転を制限すべく前記中心軸に作用可
能に接続された回転接地ベアリングを更に備える、装置。 - 【請求項18】 請求項1の装置において、前記第二のロータが封じ込め容
器である、装置。 - 【請求項19】 請求項1の装置において、 前記第一のロータと作用可能に接続され、比較的高速の回転速度を発生させる
ことのできる第一のモータ/発電機と、 前記第二のロータに作用可能に接続され、前記第一のモータ/発電機に比して
遅い回転速度を有するが、前記第一のモータ/発電機よりも比較的大きいトルク
能力を有する第二のモータ/発電機と、を備える、装置。 - 【請求項20】 第一のロータと、該第一のロータに対して反対方向に回転
する第二のロータとを備える、エネルギを蓄えるフライホイール装置において、 前記第一のロータが、前記第二のロータと比べて比較的小さい慣性力及び高速
の回転速度を有し、前記第二のロータの実質的に内側に配置され、該第二のロー
タが前記第一のロータに比べて比較的大きい慣性力及び低速の回転速度を有し、
前記第一のロータ及び前記第二のロータの相対的な回転速度が駆動組立体により
保たれるように組み合わせる、フライホイール装置。 - 【請求項21】 第一のロータ及び第二のロータを備え、該第二のロータが
実質的に第一のロータの内側に配置された、フライホイール装置を作動させる方
法において、 前記第一のロータを回転させるステップと、 前記第二のロータを回転させるステップと、を備える、フライホイールを作動
させる方法。 - 【請求項22】 請求項21の方法において、前記第二のロータが、前記第
一のロータと前記第二のロータとの間にて制御された正味モーメントを発生させ
得るように前記第一のロータに対して反対方向に回転する、方法。 - 【請求項23】 請求項21の方法において、前記第二のロータが前記第一
のロータよりも相対的に小さい質量を有する、方法。 - 【請求項24】 請求項21の方法において、前記第一のロータが、前記第
二のロータよりも相対的に遅い回転速度にて回転する、方法。 - 【請求項25】 エネルギを機械的な形態にて解放可能に蓄える方法におい
て、 反対方向に回転可能に同軸状に取り付けられた外側ロータ及び内側ロータであ
って、該外側ロータが該内側ロータを実質的に取り巻く、外側ロータ及び内側ロ
ータの各々に前記エネルギを伝達するステップと、 前記内側ロータを回転させるステップと、 前記外側ロータを反対方向に回転させるステップとを備える、エネルギを機械
的な形態にて解放可能に蓄える方法。 - 【請求項26】 請求項25の方法において、前記内側ロータを回転させ且
つ前記外側ロータを反対方向に回転させて、予め選択した正味モーメントを発生
させるステップを有する、方法。 - 【請求項27】 請求項25の方法において、前記内側ロータを回転させ且
つ前記外側ロータを反対方向に回転させて、実質的に零の正味モーメントを発生
させるステップを有する、方法。 - 【請求項28】 内側ロータと、 該内側ロータを実質的に取り巻き且つ該内側ロータに対して反対方向に回転す
る外側ロータであって、該内側ロータに比べて相対的に大きい慣性力及び低速の
回転速度を有する外側ロータと、 前記内側ロータと前記外側ロータとの間に制御された正味モーメントを保つべ
く前記内側ロータ及び前記外側ロータに一体に接続された駆動組立体とを備える
、フライホイールエネルギ蓄え装置を有する乗物。 - 【請求項29】 請求項21の乗物において、地球上での乗物から成る、乗
物。 - 【請求項30】 請求項21の乗物において、地球外での乗物から成る、乗
物。 - 【請求項31】 請求項12のフライホイール装置において、前記駆動組立
体が前記内側ロータの実質的に周縁内に配置される、フライホイール装置。 - 【請求項32】 請求項12のフライホイール装置において、前記駆動組立
体が、 前記内側ロータが一体に接続された駆動軸と、 該駆動軸に実質的に同軸状に取り付けられ且つ該駆動軸の周りを回転可能な遊
星駆動基部と、 該遊星駆動基部に回転可能に取り付けられた複数の駆動ホイールであって、各
々が、前記遊星駆動基部が回転するとき、それ自体の軸線の周りで回転可能であ
ると同時に、前記駆動軸の周りで回転可能であり、前記内側ロータ及び前記外側
ロータと可動に相互に接続され、これにより、前記内側ロータの動作が前記複数
の駆動ホイールを通じて前記外側ロータに伝達され、前記外側ロータが前記内側
ロータに対して反対方向に回転するようにする複数の駆動ホイールとを備える、
フライホイール装置。 - 【請求項33】 エネルギを蓄え且つ解放するフライホイール装置において
、 第一の軸線の周りを回転可能な内側ロータと、 前記第一の軸線と少なくとも一次元的面にて交差する第二の軸線の周りを反対
方向に回転可能であり、前記内側ロータを実質的に取り巻く外側ロータと、 前記内側ロータが前記第一の軸線の周りを回転するように前記内側ロータに作
用可能に接続された第一のモータ/発電機と、 前記外側ロータが前記第一の軸線に対して前記第二の軸線の周りで反対方向に
回転するように前記第二のロータに作用可能に接続され、これにより、前記内側
ロータ及び前記外側ロータの相対的な正味モーメントが前記内側ロータ及び前記
外側ロータの相対的な回転速度により制御可能であるようにする第二のモータ/
発電機とを備える、エネルギを蓄え且つ解放するフライホイール装置。 - 【請求項34】 最小重量、最大エネルギ及び最大比エネルギのロータにお
いて、 内側リムと、 外側リムと、 該外側リムに締まり嵌めするスペーサリングと、 前記内側リムと前記外側リムとの間を伸長し、前記スペーサリムにて前記外側
リムに取り付けられたテーパー付きの遷移部分と、 該遷移部分を内側リムに固着すべく該内側リムを取り巻く補強用の重ね合わせ
部分と、 前記遷移部分、前記スペーサリング及び前記リムの間の半径方向の変形の適合
を促進する伸びリングとを備える、最小重量、最大エネルギ及び最大比エネルギ
のロータ。 - 【請求項35】 請求項34のロータにおいて、前記内側リム、前記外側リ
ム及び前記遷移部分が複合材料で製造される、ロータ。 - 【請求項36】 請求項34のロータにおいて、前記遷移部分が相違する厚
さを有する、ロータ。 - 【請求項37】 ロータを備える、最小重量、最大エネルギ及び最大比エネ
ルギのフライホイール装置において、 複合材料で製造された内側リムと、 複合材料で製造された外側リムと、 該外側リムに締まり嵌めしたスペーサリングと、 前記内側リムと前記外側リムとの間を伸長し、前記スペーサリングにて前記外
側リムに取り付けられたテーパー付きの遷移部分と、 前記遷移部分を内側リムに固着すべく該内側リムを取り巻く補強用の重ね合わ
せ部分と、 前記遷移部分、前記スペーサリング及び前記外側リムの間の半径方向の変形の
適合を促進する伸びリングとを備える、最小重量、最大エネルギ及び最大比エネ
ルギのフライホイール。
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