JP2004072980A - 車載用フライホイルバッテリ - Google Patents
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Abstract
【課題】前記フライホイルの高回転化を容易とすることを課題としておりより具体的には回転抵抗を減らすこと、また内部発熱の熱放散を改善する事、またフライホイルの回転エネルギを出し入れするための発電電動機の高性能化を図ることなどを課題としている。
【解決手段】ケース１２とマウント１とからなる閉空間には水素ガス２４が大気圧とは異なる圧力で封入されている。その圧力はケース１２に設けた水素吸蔵合金２５より自然放出される形で所定安全範囲に保たれている。また、該閉空間にはフライホイルの他、インバータやデュアルチョッパ、界磁制御トＦＥＴ、またこれらを制御するコントローラなどが内蔵されている。
【選択図】 図１
【解決手段】ケース１２とマウント１とからなる閉空間には水素ガス２４が大気圧とは異なる圧力で封入されている。その圧力はケース１２に設けた水素吸蔵合金２５より自然放出される形で所定安全範囲に保たれている。また、該閉空間にはフライホイルの他、インバータやデュアルチョッパ、界磁制御トＦＥＴ、またこれらを制御するコントローラなどが内蔵されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転慣性エネルギを利用して蓄電する装置に関するものであり、特に小型軽量大容量が要求される車両用など適する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイルの蓄積エネルギは質量と径の二乗と回転速度の二乗とに比例するが、径や速度を上げると空気との摩擦ロスが著しくなる問題があり、一般にフライホイルを気密容器に収納して準真空として、空気との抵抗をなくする設計をしていた。しかし使用環境の厳しい車においては長期間真空を保つのは困難であるばかりでなく、フライホイルに結合された電動発電機の発熱が、真空であるために放射による熱伝達のみであり、冷却性が損なわれ小型化しにくい問題があった。この結果大型で、真空に保つ高コスト部材を要するものとなり、車載用としての普及ができないという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願は車載用の小型大容量車載用フライホイルバッテリの提供を目的として、前記フライホイルの高回転化を容易とすることを課題としておりより具体的には回転抵抗を減らすこと、また内部発熱の熱放散を改善する事、またフライホイルの回転エネルギを出し入れするための発電電動機の高性能化を図ることなどを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題の達成のために本願は下記の工夫を行うものである。すなわち、
まず請求項１に示す構成では、回転部を納める空間を閉空間として、外界空気に対して圧力と組成のことなる気体を封入している。これにより回転抵抗となる空気を排除でき、またその侵入を検知することが可能となりこれを防止する事が可能となる。
【０００５】
請求項２に示す構成では、空気よりも密度が低く、熱伝導率が高く、比熱容量が大きく、音速が速い気体を回転部に封入している。これによりフライホイルの回転損失が低く冷却性もよく、高速回転が可能となる。
【０００６】
請求項３に示す構成では、前記気体は水素ガスとしている。これにより空気よりも密度が約１／１４と低く、熱伝導率が６．７倍大きく、比熱容量が１４．５倍大きく、音速が約４倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を一桁大きくできるので、真空にする必要がなくなる。しかもフライホイルの冷却性が非常によくなり機械的強度が低下する高温にならないので、高回転設計が可能となり大幅小型化が達成される。
【０００７】
請求項４に示す構成では、前記気体はヘリウムガスとしている。これにより空気よりも密度が約１／７と低く、熱伝導率が５．６倍大きく、比熱容量が５．２倍大きく、音速が約２．８倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を大幅に高くでき真空にする必要がなく、冷却性も非常によくなり電機部も含めて大幅小型化が可能となる。その上、空気のように活性でなく、また水素のように可燃性でないため、使い勝手が極めて良くそのために設計が簡素となり小型化できることとなる。
【０００８】
請求項５に示す構成では、回転部を納める空間を閉空間として、外界より圧力の高い気体を封入し、かつ該気体の圧力が所定設定圧より低下することで機能異常を検知して警報している。これにより封入気体の健全性を容易に確認できそのためにシステムが簡素小型化できる。
【０００９】
請求項６に示す構成では、前記気体はガス吸蔵合金により供給している。これにより、特別な配管や圧力管理装置などを廃することができそのためにシステムが簡素小型化できる。
【００１０】
請求項７に示す構成では、前記気体として燃料用水素を用いている。これにより、車載用フライホイルバッテリのための特別な専用維持供給装置をもたなくてもよくなり、走行する際は常に豊富に存在する燃料用であるがために、フライホイル収納容器より多少漏れても継ぎ足すことができ長年にわたり所定の封入状態を保つことができる。
【００１１】
請求項８に示す構成では、音速が空気よりも速くなる水素、ヘリウムを用いる事で低損失のままに前記フライホルの回転周速を、マッハ１（空気中の音速）以上としている。すなわちこれによりフライホイルの回転エネルギを著しく高める事ができる。
【００１２】
請求項９に示す構成では、熱伝達性のよい気体を封入し前記フライホイル収納容器に放熱フィンを設けている。これにより回転体より奪った熱エネルギを効率良く大気放散できる。すなわち全体として冷却性が向上するので小型化で大容量化できることとなる。
【００１３】
請求項１０に示す構成では、前記フライホイルと、該フライホールのエネルギを電力に変換する発電電動機とからなり、該発電電動機は前記フライホイルと同一密閉空間内に収納されており、前記発電電動機は前記封入気体により冷却を行っている。これにより回転電機の熱も効率良く放散でき、車載用フライホイルバッテリのエネルギが出入りする際に時間あたりの変換量が大きい、すなわち高エネルギ密度、小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００１４】
請求項１１に示す構成では、内面に界磁磁極を配置固定した円筒状フライホイル部と、その内側に固定配置した電機子巻線と、界磁巻線とを具備する固定子を有する。これにより遠心力による空隙の変化は広がる方向であるから、空隙の干渉の恐れもなく超高速回転が可能となる。またフライホイルを外側として併せて内部に電機子等を納める構造のため全体として構造が合理的となり小型化が可能となる。更に界磁巻線を固定子に設けるタイプにおいては界磁巻線の巻線径が小さくなりしたがって低抵抗多ターン数仕様とできるので入出力電気性能を向上できる。そのため小型化できる。
【００１５】
請求項１２に示す構成では、前記磁極は誘導子であり、また電機子鉄心は軸方向に２分割しており、該電機子鉄心に巻装された電機子巻線の更に内側でかつ前記軸方向に２分割した鉄心の相互の挟間に界磁巻線を配置している。これにより回転側の磁極には巻線がなく高速回転に適することとなり高速化できるために小型化が可能となる。
【００１６】
請求項１３に示す構成では、前記誘導子磁極において、隣り合う誘導子の間に磁石を配置している。これにより誘導子部と反対極性の磁極が構成でき、電機子巻線に与えられる磁束は正負に振幅するものとなるので電気的性能が約２倍に向上する。
【００１７】
請求項１４に示す構成では、フライホイルは、回転軸が直立した縦置き回転型であり、自重と永久磁石反発力の垂直方向の安定と、ジャイロ効果による調心作用により非接触磁気浮揚している。これにより超高速回転化でき車載可能なほどに小型化できることとなる。
【００１８】
請求項１５に示す構成では、フライホイルは、軸方向着磁した異径同軸型円環永久磁石を軸方向に偏移させて配置した永久磁石軸受けにて非接触にて回転支持している。これにより永久磁石がは反発して回転部をリフトする力が発生しこれが自重と均衡する点で浮揚し、さらに異径同軸組み合わせ磁石であるために調芯作用が働き径方向の非接触も保つことができる。すなわち複雑な非接触安定化制御回路を用いることなく小型コンパクトの非接触フライホイルとすることができる。
【００１９】
請求項１６に示す構成では、前記フライホイルは略同一形状の複数かつ偶数の円筒体を組みとして、かつそのうちの半数の総合回転慣性力を残り半数の回転慣性力と略釣り合わせている。これにより、全体としてエネルギ入出力時の慣性力を相殺でき急速な大電力の出し入れを行っても車体など支持構造体に無理な変形力が発生する事もなく操縦性などを損なうことがない。そのため複雑で大型となる弾性自在回転支持構造などを必要とせず小型の車載用フライホイルバッテリが実現できることとなる。
【００２０】
請求項１７に示す構成では、前記フライホイルは単筒構造であり、かつ５万〜２０万ｒｐｍの範囲で作動している。すなわち超高速回転であることにより同一入出力電力下、トルクが小さくなるので、これにより支持体に大きなトルクが働かない。単筒であることでコンパクトであるとともに高速のため著しく小型の車載用フライホイルバッテリが提供できることとなる。
【００２１】
請求項１８に示す構成では界磁巻線で励磁され、前記前記フライホイルの回転の加速時には回転速度の上昇時には界磁電流を弱め、定回転時は界磁電流を遮断し、下降時には界磁電流を強めている。すなわち回転上昇時の電動の際には逆起電力の増加によりトルクが低下していくが界磁電流を弱める事でこの電動トルクを高める事ができる。また定回転時は界磁を遮断することで鉄損ロスを極小とでき、更に回転下降時の発電時には界磁電流は起電力を支配しているのでこれを高める事で高出力化できる。すなわちこれらの制御で高性能化でき、もって車載用フライホイルバッテリを小型にすることができる。
【００２２】
請求項１９に示す構成では、前記電機子巻線にはトランジスタとダイオードを並列としてグレエツ結線してなるインバータが接続されており、低回転時にはインバータにより前記電機子巻線を断続的に短絡する制御を行っている。これによりフライホイルの回転が低くても昇圧して発電できるので回転エネルギを取り出せる回転範囲が広くなる。そのため同一容量の需要に対しては小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００２３】
請求項２０に示す構成では、前記磁極を具備したフライホイルと電機子鉄心と電機子巻線とインバータは、同一の低損失高熱伝達ガス封入空間に収納している。これにより最も発熱する電機子巻線とインバータが集合することでヒートマスが大きくなるとともに冷却性が向上し、入出力容量を上げることができ、小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００２４】
請求項２１に示す構成では、前記インバータの直流端子と車載用フライホイルバッテリ入出力端子間には断続手段とリアクトルと還流手段とからなるデュアルチョッパが接続され高回転時には該デュアルチョッパを降圧作動させることで入出力端子は定電圧に保ち前記インバータおよび電機子は高電圧作動させている。これにより発電モードにおいて高速回転で電機子反作用による出力頭打ちがなくなり出力が飛躍的に向上する。
【００２５】
請求項２２に示す構成では、前記デュアルチョッパは、通電断続手段となるトランジスタと還流手段とリアクトルとを複数もちこれらが時間的に分割分担してチョッパ作動する構成としている。これにより、電機子側からみて連続出力が可能となり、大容量フィルタコンデンサなどの平滑電圧安定化手段が不要となる。このため全体として小型の車載用フライホイルバッテリとすることができる。
【００２６】
請求項２３に示す構成では、前記入出力端子には化学電池が並列接続され、少なくとも該車載用フライホイルバッテリの制御装置の一時的電源としている。これによりフライホイルの蓄電量が低くなっても制御の信頼性が低下することはなくダイナミックレンジを拡大できるので同じ容量のものが小型で実現できる。
【００２７】
請求項２４に示す構成では、前記電機子巻線の端子はそのまま、あるいはスイッチ手段を介して外部系と三相交流にて入出力している。これによりインバータなどの半導体素子でのエネルギーロスが小さく効率が向上して小型化できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
車両回生用に適用した第１実施例について、図１〜図３を参照し説明する。
【００２９】
図示なき車両構造部材に取りついたマウント１に直立する磁性体よりなるセンタポール２は非磁性材よりなるスルーボルト３にて固定されている。該センタポールには積層した電機子鉄心４が二つ取りついておりそれらの軸方向の挟間には磁性材よりなる電機子継鉄６が設けられている。前記二つの電機子鉄心４には周方向に位置の揃った２４個のスロットがあり二つの電機子に共通の巻線５が共巻きされている。該巻線は前記電機子鉄心の周方向６スロットピッチで三相全節巻線が二組施されておりそれらは相互に電気的位相差が３０°ずれていて、直列に結線され、一つの三相巻線を形成して図２に示す三相交流源となってインバータなどに接続されている。前記二つの電機子鉄心と前記電機子継鉄との間には、前記継鉄を周回する如く界磁巻線７が巻回されていて、その巻線端は図２に示すように界磁調整部に接続されている。前記電機子鉄心はカラースペースやナットにより前記非磁性スルーボルトに締結固定されており、該スルーボルトはリング状で軸方向着磁したトップ磁石１１を設けたトップホルダ１０を貫通して、気密を保ち、放熱を助けるための放熱フィン付きの金属製ケース１２をシールナット１３により固定している。前記トップ磁石１１に対して略同軸で空間的に反発離間するリング状の第１回転磁石１５は高強度非磁性材よりなるホイルディスク部１４に収納固定され、該ホイルディスク部１４はカーボン繊維強化型樹脂よりなるホイルアウタ１６と連接しており、更に非磁性ボトムディスク部１７がこれに連接している。該ボトムディスク部１７にはリング状の第２回転磁石１８を収納固定している。また前記ホイルアウタ１６の内径面には、前記電機子鉄心４の外径面と向き合うように積層鉄心よりなる誘導子磁極２２が配置されており、これらの外径側背面は界磁継鉄２１にて軸方向に磁気的に連接されている。また前記誘導子磁極２２は回転周方向に二つの磁気的突出を有し、その間には永久磁石磁極２３が配置されており回転周方向に４極の界磁回転子を成している。上段下段の界磁磁極は極性位置を合致させて前記フライホイルアウタ１６に固設されている。
【００３０】
前記ケース１２と前記マウント１とからなる閉空間には水素ガス２４が大気圧とは異なる圧力で封入されている。その圧力は前記ケース１２に設けた水素吸蔵合金２５より自然放出される形で所定安全範囲に保たれている。また該閉空間には前記フライホイルの他、図２の回路に示すインバータ２６やデュアルチョッパ２７、界磁制御トＦＥＴ２８、またこれらを制御するコントローラ３２などが内蔵されている。
【００３１】
前記ケース１２の側面には補助リチウム電池２９が固設されており、図２に示すように該補助電池２９の出力は前記コントローラ３２と接続され電源となるとともに、ダイオードよりなるアイソレータ３１を介して車載用フライホイルバッテリの第１入出力端子に接続されている。
【００３２】
該入出力端子３０は図示なき図２に示すように車両側の制動回生や排気回生用発電機や、またスタータや走行用力行回生発電電動機などの大電力を含む電源系に接続されている。また前記補助電池の端子である第２入出力端子は、車両の電圧変動や安定供給を含む高品位な電源供給を要するランプ負荷や、点火装置や燃料噴射制御装置などエンジンマネジメントシステムや、またエンジンにより常に回転駆動される小出力のエンジン駆動発電機に接続されている。
【００３３】
前記インバータ２６は負極側３つのＭＯＳＦＥＴよりなる下アーム２６１と、正極側３つのＭＯＳＦＥＴよりなる上アーム２６２とからなるグレエツ結線インバータである。また該インバータ２６の出力と前記入出力端子３０との間には低抵抗のリアクトル２７３を直列にまた低抵抗ＭＯＳＦＥＴ２７１，２７２を直列と並列に接続したデュアルチョッパが介在されている。
【００３４】
次に、上記構成を有する実施例１の作動について説明する。
【００３５】
まず全体の電力の出し入れの作動概要に付いて説明する。
【００３６】
入出力端子３０の接続された電源系にあるベルト発電機や制動回生発電機や排気回生発電機などが発電能力を有している時、それを検知したコントローラ３２は、前記デュアルチョッパ２７はフルオンとするとともに、前記インバータ２６は界磁制御ＦＥＴをオンとして界磁を発生させ、同時にモータドライブモードで駆動して前記電機子巻線５に三相回転磁界を与えてフライホイルの回転を付勢する。回転が高まると電機子巻線５に逆起電力が発生するが、回転の上昇とともに界磁電流を抑制することによりフライホイルは電源系の電力供給機会を失うことなく短時間に効率良く回転付勢されフライホイルに回転エネルギを蓄積する。次に車両が例えば信号待ちなどでエンジン停止から再スタートに移る際素早くスムーズにエンジン起動するために大電力が必要となるがこの際には該フライホイルの回転エネルギを発電放出する。すなわち高回転下であっても発電モードの移行するとコントローラ３２は界磁電流を増加して、インバータ２６はダイオード転流に合わせて並列ＦＥＴを同期整流させて低損失整流を行い、前記デュアルチョッパーをＤｕｔｙ５０％ずつ交互作動させる。これにより図３に示すように高速域で短時間に大きなエネルギが取り出せることとなる。回転速度が低下して、電源系の電圧よりも発電電圧が低下する領域に入ったことをコントローラが検知すると前記インバータの下アームの３つのＦＥＴを同時にチョッピングする。これにより昇圧されてフライホイルの回転が低下してもエネルギを引き出し続ける事が出きる。更に回転が低下するともはや昇圧もかなわなくなり、作動を停止して次の蓄電可能機会の待機に入る。この場合車載用フライホイルバッテリの電圧は低いが、車載用フライホイルバッテリ作動条件下で前記アイソレータを介して補助電池も充電しているので、前記車載用フライホイルバッテリのコントローラは正常機能で待機できるようになる。また該補助電池は第２入出力端子を介してエンジン駆動発電機からも充電されるようになっており、またエンジンマネジメントシステムやランプ負荷などの高品位で安定的供給を要する負荷への出力を行うことができる。
【００３７】
なお、Ａは本機の電力取り出し特性、Ｂは定電圧自然転流特性、Ｃは下アームＦＥＴ２６１チョッパ昇圧作動域、Ｄはデュアルチョッパー作動域をそれぞれ示している。
【００３８】
次に電機子と磁極の作動について発電動作を例にとり説明する。
【００３９】
前記界磁巻線７に電流が流れると上下の電機子鉄心４に起磁力差が生じる。これに対向するフライホイルアウタ１６に固設した誘導子磁極には、磁束が誘導されて流れる。磁極２２が回転するとその磁束は回転周方向に移動するため固定している電機子巻線５は脈動磁束を受けて誘導起電力を発生することとなる。該誘導起電力は前記グレエツ結線のインバータ２６より整流されて外部へ供給されることとなる。なお、上記誘導子磁極２２の間には、逆極性となる永久磁石２３を固設しているので、この場合前記電機子巻線５の磁束変動は脈動でなく交番磁束となり約２倍の大きな誘導起電力を発生できる。
【００４０】
また、前記フライホイルの収納空間には水素ガス２４を封入しているのでこれにより空気よりも密度が約１／１４と低く、音速が約４倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を一桁大きくできるため複雑高価な真空維持を行う必要がなく、その上真空の際に問題となる放熱については熱伝導率が６．７倍大きく、比熱容量が１４．５倍大きくその冷却性が非常によくなる。また前記気体はガス吸蔵合金により供給しているので配管類などの付属スペースやコストの点でも有利であり、システムが簡素小型化できる。
【００４１】
前記フライホイル収納容器１２に放熱フィンを設けているので、回転体より奪った熱エネルギを効率良く大気放散でき全体として冷却性が向上し小型化できる。
【００４２】
内面に界磁磁極を配置固定した円筒状フライホイル部と、その内側に固定配置した電機子巻線と、界磁巻線とを具備する固定子を有しているので遠心力による空隙の干渉の恐れもなく超高速回転が可能となる。また内部に電機子等を納める構造のため全体として構造が合理的となり小型化が可能となる。更に界磁巻線の巻線径が小さくしたがって低抵抗多ターン数仕様とできるので入出力電気性能を向上でき小型化できる。
【００４３】
なお、フライホイルは、回転軸が直立した縦置き回転型であり、自重と永久磁石反発力の垂直方向の安定と、ジャイロ効果による調心作用により非接触磁気浮揚している。また軸方向着磁した異径同軸型円環永久磁石を軸方向に偏移させて配置した永久磁石軸受けにて非接触にて回転支持しているので、永久磁石が反発して回転部をリフトする力が発生しこれが自重と均衡する点で浮揚し、さらに異径同軸組み合わせ磁石であるために調芯作用が働き径方向の非接触も保つことができる。すなわち複雑な非接触安定化制御回路を用いることなく小型コンパクトの非接触フライホイルとすることができる。またこのため５万〜２０万ｒｐｍオーダ高速回転が可能となりその結果同一入出力電力下、トルクが小さくなるので、単筒構造のままで慣性モーメント反力が打ち消されないとしても支持体に大きなトルクが働かない。この作用効果より超高速回転化でき車載可能な小型化ができた。
【００４４】
なお前記磁極を具備したフライホイルと電機子鉄心と電機子巻線とインバータは、同一の低損失高熱伝達ガス封入空間に収納しているので最も発熱する電機子巻線とインバータが集合することでヒートマスが大きくなるとともに冷却性が向上し、入出力容量を上げることができこれも小型化に寄与している。
【００４５】
また制御面で前記デュアルチョッパは、通電断続手段となるトランジスタと還流手段とリアクトルとを複数もちこれらが時間的に分割分担してチョッパ作動する構成としているので電機子側からみて連続出力が可能となり、大容量フィルタコンデンサなどの大柄な電圧平滑手段を設ける必要がなく、小型化には大きな寄与をしている。
【００４６】
［第２の実施形態］
次に図４に示す第２実施例について説明する。
【００４７】
前記第１実施例ではフライホイルに直接磁極を固設したり、磁気軸受けを設けていたり水素封入などの構成としていたが、これを図４に示すように、ヘリウム封入としたり、また工作機械用などで汎用されている技術すなわちエア軸受けやオイル軸受けとそのシャフト構造を活用してシンプルな一体構造フライホイルを付勢、減速制御する構成としてもよい。このような構成にすると全体として構造が簡素となるメリットがある。
【００４８】
［その他の実施例］
第１、第２実施例ではモータとジェネレータを一体としていたが別体でもよい。また水素とヘリウムを挙げていたが、これらの混合でも、また水蒸気，アンモニア，メタンでもよい。また第１、第２実施例では補助電池を用いていたが該電池はなくとも、また車両側電池であってもよい。
【００４９】
前記第１実施例では、第１入出力端子と補助電池の間のアイソレータを一方向性のダイオードとしているが、リアクトルとトランジスタよりなるチョッパでも、またそのチョッパは双方向性でもよい。降圧チョッパとすれば第１入出力端子系は高電圧系とできてより大きな電力供給ができる。また双方向コンバータ機能とすれば、
補助電池の電力や、エンジン駆動発電機のエネルギーをフライホイルに一時蓄積することもでき、例えば渋滞時や信号の多い都市内通行の低速下での頻繁なエンジン始動の際に、フライホイルを電力バッファとして有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の要部断面図である。
【図２】第１実施例の電気回路構成の説明図である。
【図３】第１実施例での最大出力制御の説明図である。
【図４】第２実施例の要部断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・マウント
２・・・・・センタポール
３・・・・・スルーボルト
４・・・・・電機子鉄心
５・・・・・電機子巻線
６・・・・・電機子継鉄
７・・・・・界磁巻線
８・・・・・カラースペース
９・・・・・ナット
１０・・・・・トップホルダ
１１・・・・・トップ磁石
１２・・・・・ケース
１３・・・・・シールナット
１４・・・・・ホイルディスク部
１５・・・・・第１回転磁石
１６・・・・・ホイルアウタ
１７・・・・・ボトムディスク
１８・・・・・第２回転磁石
１９・・・・・ボトムホルダ
２０・・・・・ボトム磁石
２１・・・・・界磁継鉄
２２・・・・・積層鉄心磁極
２３・・・・・磁石磁極
２４・・・・・水素ガス
２６・・・・・インバータ
２６１・・・・・下アームＦＥＴ
２７・・・・・デュアルチョッパ
２７１・・・・・デューティＦＥＴ
２７２・・・・・還流ＦＥＴ
２７３・・・・・リアクトル
２８・・・・・界磁制御ＦＥＴ
２９・・・・・補助電池
３０・・・・・第１入出力端子
３１・・・・・アイソレータ
３２・・・・・コントローラ
３３・・・・・第２入出力端子
３４・・・・・ランプ負荷
３５・・・・・エンジン駆動発電機
３６・・・・・エンジンマネジメントシステム
３７・・・・・回生用発電機
３８・・・・・大電力負荷（スタータ，走行用力行回生発電電動機）
５０・・・・・モータジェネレータ
５１・・・・・フライホイル
５２・・・・・ヘリウムガス
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転慣性エネルギを利用して蓄電する装置に関するものであり、特に小型軽量大容量が要求される車両用など適する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイルの蓄積エネルギは質量と径の二乗と回転速度の二乗とに比例するが、径や速度を上げると空気との摩擦ロスが著しくなる問題があり、一般にフライホイルを気密容器に収納して準真空として、空気との抵抗をなくする設計をしていた。しかし使用環境の厳しい車においては長期間真空を保つのは困難であるばかりでなく、フライホイルに結合された電動発電機の発熱が、真空であるために放射による熱伝達のみであり、冷却性が損なわれ小型化しにくい問題があった。この結果大型で、真空に保つ高コスト部材を要するものとなり、車載用としての普及ができないという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願は車載用の小型大容量車載用フライホイルバッテリの提供を目的として、前記フライホイルの高回転化を容易とすることを課題としておりより具体的には回転抵抗を減らすこと、また内部発熱の熱放散を改善する事、またフライホイルの回転エネルギを出し入れするための発電電動機の高性能化を図ることなどを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題の達成のために本願は下記の工夫を行うものである。すなわち、
まず請求項１に示す構成では、回転部を納める空間を閉空間として、外界空気に対して圧力と組成のことなる気体を封入している。これにより回転抵抗となる空気を排除でき、またその侵入を検知することが可能となりこれを防止する事が可能となる。
【０００５】
請求項２に示す構成では、空気よりも密度が低く、熱伝導率が高く、比熱容量が大きく、音速が速い気体を回転部に封入している。これによりフライホイルの回転損失が低く冷却性もよく、高速回転が可能となる。
【０００６】
請求項３に示す構成では、前記気体は水素ガスとしている。これにより空気よりも密度が約１／１４と低く、熱伝導率が６．７倍大きく、比熱容量が１４．５倍大きく、音速が約４倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を一桁大きくできるので、真空にする必要がなくなる。しかもフライホイルの冷却性が非常によくなり機械的強度が低下する高温にならないので、高回転設計が可能となり大幅小型化が達成される。
【０００７】
請求項４に示す構成では、前記気体はヘリウムガスとしている。これにより空気よりも密度が約１／７と低く、熱伝導率が５．６倍大きく、比熱容量が５．２倍大きく、音速が約２．８倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を大幅に高くでき真空にする必要がなく、冷却性も非常によくなり電機部も含めて大幅小型化が可能となる。その上、空気のように活性でなく、また水素のように可燃性でないため、使い勝手が極めて良くそのために設計が簡素となり小型化できることとなる。
【０００８】
請求項５に示す構成では、回転部を納める空間を閉空間として、外界より圧力の高い気体を封入し、かつ該気体の圧力が所定設定圧より低下することで機能異常を検知して警報している。これにより封入気体の健全性を容易に確認できそのためにシステムが簡素小型化できる。
【０００９】
請求項６に示す構成では、前記気体はガス吸蔵合金により供給している。これにより、特別な配管や圧力管理装置などを廃することができそのためにシステムが簡素小型化できる。
【００１０】
請求項７に示す構成では、前記気体として燃料用水素を用いている。これにより、車載用フライホイルバッテリのための特別な専用維持供給装置をもたなくてもよくなり、走行する際は常に豊富に存在する燃料用であるがために、フライホイル収納容器より多少漏れても継ぎ足すことができ長年にわたり所定の封入状態を保つことができる。
【００１１】
請求項８に示す構成では、音速が空気よりも速くなる水素、ヘリウムを用いる事で低損失のままに前記フライホルの回転周速を、マッハ１（空気中の音速）以上としている。すなわちこれによりフライホイルの回転エネルギを著しく高める事ができる。
【００１２】
請求項９に示す構成では、熱伝達性のよい気体を封入し前記フライホイル収納容器に放熱フィンを設けている。これにより回転体より奪った熱エネルギを効率良く大気放散できる。すなわち全体として冷却性が向上するので小型化で大容量化できることとなる。
【００１３】
請求項１０に示す構成では、前記フライホイルと、該フライホールのエネルギを電力に変換する発電電動機とからなり、該発電電動機は前記フライホイルと同一密閉空間内に収納されており、前記発電電動機は前記封入気体により冷却を行っている。これにより回転電機の熱も効率良く放散でき、車載用フライホイルバッテリのエネルギが出入りする際に時間あたりの変換量が大きい、すなわち高エネルギ密度、小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００１４】
請求項１１に示す構成では、内面に界磁磁極を配置固定した円筒状フライホイル部と、その内側に固定配置した電機子巻線と、界磁巻線とを具備する固定子を有する。これにより遠心力による空隙の変化は広がる方向であるから、空隙の干渉の恐れもなく超高速回転が可能となる。またフライホイルを外側として併せて内部に電機子等を納める構造のため全体として構造が合理的となり小型化が可能となる。更に界磁巻線を固定子に設けるタイプにおいては界磁巻線の巻線径が小さくなりしたがって低抵抗多ターン数仕様とできるので入出力電気性能を向上できる。そのため小型化できる。
【００１５】
請求項１２に示す構成では、前記磁極は誘導子であり、また電機子鉄心は軸方向に２分割しており、該電機子鉄心に巻装された電機子巻線の更に内側でかつ前記軸方向に２分割した鉄心の相互の挟間に界磁巻線を配置している。これにより回転側の磁極には巻線がなく高速回転に適することとなり高速化できるために小型化が可能となる。
【００１６】
請求項１３に示す構成では、前記誘導子磁極において、隣り合う誘導子の間に磁石を配置している。これにより誘導子部と反対極性の磁極が構成でき、電機子巻線に与えられる磁束は正負に振幅するものとなるので電気的性能が約２倍に向上する。
【００１７】
請求項１４に示す構成では、フライホイルは、回転軸が直立した縦置き回転型であり、自重と永久磁石反発力の垂直方向の安定と、ジャイロ効果による調心作用により非接触磁気浮揚している。これにより超高速回転化でき車載可能なほどに小型化できることとなる。
【００１８】
請求項１５に示す構成では、フライホイルは、軸方向着磁した異径同軸型円環永久磁石を軸方向に偏移させて配置した永久磁石軸受けにて非接触にて回転支持している。これにより永久磁石がは反発して回転部をリフトする力が発生しこれが自重と均衡する点で浮揚し、さらに異径同軸組み合わせ磁石であるために調芯作用が働き径方向の非接触も保つことができる。すなわち複雑な非接触安定化制御回路を用いることなく小型コンパクトの非接触フライホイルとすることができる。
【００１９】
請求項１６に示す構成では、前記フライホイルは略同一形状の複数かつ偶数の円筒体を組みとして、かつそのうちの半数の総合回転慣性力を残り半数の回転慣性力と略釣り合わせている。これにより、全体としてエネルギ入出力時の慣性力を相殺でき急速な大電力の出し入れを行っても車体など支持構造体に無理な変形力が発生する事もなく操縦性などを損なうことがない。そのため複雑で大型となる弾性自在回転支持構造などを必要とせず小型の車載用フライホイルバッテリが実現できることとなる。
【００２０】
請求項１７に示す構成では、前記フライホイルは単筒構造であり、かつ５万〜２０万ｒｐｍの範囲で作動している。すなわち超高速回転であることにより同一入出力電力下、トルクが小さくなるので、これにより支持体に大きなトルクが働かない。単筒であることでコンパクトであるとともに高速のため著しく小型の車載用フライホイルバッテリが提供できることとなる。
【００２１】
請求項１８に示す構成では界磁巻線で励磁され、前記前記フライホイルの回転の加速時には回転速度の上昇時には界磁電流を弱め、定回転時は界磁電流を遮断し、下降時には界磁電流を強めている。すなわち回転上昇時の電動の際には逆起電力の増加によりトルクが低下していくが界磁電流を弱める事でこの電動トルクを高める事ができる。また定回転時は界磁を遮断することで鉄損ロスを極小とでき、更に回転下降時の発電時には界磁電流は起電力を支配しているのでこれを高める事で高出力化できる。すなわちこれらの制御で高性能化でき、もって車載用フライホイルバッテリを小型にすることができる。
【００２２】
請求項１９に示す構成では、前記電機子巻線にはトランジスタとダイオードを並列としてグレエツ結線してなるインバータが接続されており、低回転時にはインバータにより前記電機子巻線を断続的に短絡する制御を行っている。これによりフライホイルの回転が低くても昇圧して発電できるので回転エネルギを取り出せる回転範囲が広くなる。そのため同一容量の需要に対しては小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００２３】
請求項２０に示す構成では、前記磁極を具備したフライホイルと電機子鉄心と電機子巻線とインバータは、同一の低損失高熱伝達ガス封入空間に収納している。これにより最も発熱する電機子巻線とインバータが集合することでヒートマスが大きくなるとともに冷却性が向上し、入出力容量を上げることができ、小型の車載用フライホイルバッテリとすることが出来る。
【００２４】
請求項２１に示す構成では、前記インバータの直流端子と車載用フライホイルバッテリ入出力端子間には断続手段とリアクトルと還流手段とからなるデュアルチョッパが接続され高回転時には該デュアルチョッパを降圧作動させることで入出力端子は定電圧に保ち前記インバータおよび電機子は高電圧作動させている。これにより発電モードにおいて高速回転で電機子反作用による出力頭打ちがなくなり出力が飛躍的に向上する。
【００２５】
請求項２２に示す構成では、前記デュアルチョッパは、通電断続手段となるトランジスタと還流手段とリアクトルとを複数もちこれらが時間的に分割分担してチョッパ作動する構成としている。これにより、電機子側からみて連続出力が可能となり、大容量フィルタコンデンサなどの平滑電圧安定化手段が不要となる。このため全体として小型の車載用フライホイルバッテリとすることができる。
【００２６】
請求項２３に示す構成では、前記入出力端子には化学電池が並列接続され、少なくとも該車載用フライホイルバッテリの制御装置の一時的電源としている。これによりフライホイルの蓄電量が低くなっても制御の信頼性が低下することはなくダイナミックレンジを拡大できるので同じ容量のものが小型で実現できる。
【００２７】
請求項２４に示す構成では、前記電機子巻線の端子はそのまま、あるいはスイッチ手段を介して外部系と三相交流にて入出力している。これによりインバータなどの半導体素子でのエネルギーロスが小さく効率が向上して小型化できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
車両回生用に適用した第１実施例について、図１〜図３を参照し説明する。
【００２９】
図示なき車両構造部材に取りついたマウント１に直立する磁性体よりなるセンタポール２は非磁性材よりなるスルーボルト３にて固定されている。該センタポールには積層した電機子鉄心４が二つ取りついておりそれらの軸方向の挟間には磁性材よりなる電機子継鉄６が設けられている。前記二つの電機子鉄心４には周方向に位置の揃った２４個のスロットがあり二つの電機子に共通の巻線５が共巻きされている。該巻線は前記電機子鉄心の周方向６スロットピッチで三相全節巻線が二組施されておりそれらは相互に電気的位相差が３０°ずれていて、直列に結線され、一つの三相巻線を形成して図２に示す三相交流源となってインバータなどに接続されている。前記二つの電機子鉄心と前記電機子継鉄との間には、前記継鉄を周回する如く界磁巻線７が巻回されていて、その巻線端は図２に示すように界磁調整部に接続されている。前記電機子鉄心はカラースペースやナットにより前記非磁性スルーボルトに締結固定されており、該スルーボルトはリング状で軸方向着磁したトップ磁石１１を設けたトップホルダ１０を貫通して、気密を保ち、放熱を助けるための放熱フィン付きの金属製ケース１２をシールナット１３により固定している。前記トップ磁石１１に対して略同軸で空間的に反発離間するリング状の第１回転磁石１５は高強度非磁性材よりなるホイルディスク部１４に収納固定され、該ホイルディスク部１４はカーボン繊維強化型樹脂よりなるホイルアウタ１６と連接しており、更に非磁性ボトムディスク部１７がこれに連接している。該ボトムディスク部１７にはリング状の第２回転磁石１８を収納固定している。また前記ホイルアウタ１６の内径面には、前記電機子鉄心４の外径面と向き合うように積層鉄心よりなる誘導子磁極２２が配置されており、これらの外径側背面は界磁継鉄２１にて軸方向に磁気的に連接されている。また前記誘導子磁極２２は回転周方向に二つの磁気的突出を有し、その間には永久磁石磁極２３が配置されており回転周方向に４極の界磁回転子を成している。上段下段の界磁磁極は極性位置を合致させて前記フライホイルアウタ１６に固設されている。
【００３０】
前記ケース１２と前記マウント１とからなる閉空間には水素ガス２４が大気圧とは異なる圧力で封入されている。その圧力は前記ケース１２に設けた水素吸蔵合金２５より自然放出される形で所定安全範囲に保たれている。また該閉空間には前記フライホイルの他、図２の回路に示すインバータ２６やデュアルチョッパ２７、界磁制御トＦＥＴ２８、またこれらを制御するコントローラ３２などが内蔵されている。
【００３１】
前記ケース１２の側面には補助リチウム電池２９が固設されており、図２に示すように該補助電池２９の出力は前記コントローラ３２と接続され電源となるとともに、ダイオードよりなるアイソレータ３１を介して車載用フライホイルバッテリの第１入出力端子に接続されている。
【００３２】
該入出力端子３０は図示なき図２に示すように車両側の制動回生や排気回生用発電機や、またスタータや走行用力行回生発電電動機などの大電力を含む電源系に接続されている。また前記補助電池の端子である第２入出力端子は、車両の電圧変動や安定供給を含む高品位な電源供給を要するランプ負荷や、点火装置や燃料噴射制御装置などエンジンマネジメントシステムや、またエンジンにより常に回転駆動される小出力のエンジン駆動発電機に接続されている。
【００３３】
前記インバータ２６は負極側３つのＭＯＳＦＥＴよりなる下アーム２６１と、正極側３つのＭＯＳＦＥＴよりなる上アーム２６２とからなるグレエツ結線インバータである。また該インバータ２６の出力と前記入出力端子３０との間には低抵抗のリアクトル２７３を直列にまた低抵抗ＭＯＳＦＥＴ２７１，２７２を直列と並列に接続したデュアルチョッパが介在されている。
【００３４】
次に、上記構成を有する実施例１の作動について説明する。
【００３５】
まず全体の電力の出し入れの作動概要に付いて説明する。
【００３６】
入出力端子３０の接続された電源系にあるベルト発電機や制動回生発電機や排気回生発電機などが発電能力を有している時、それを検知したコントローラ３２は、前記デュアルチョッパ２７はフルオンとするとともに、前記インバータ２６は界磁制御ＦＥＴをオンとして界磁を発生させ、同時にモータドライブモードで駆動して前記電機子巻線５に三相回転磁界を与えてフライホイルの回転を付勢する。回転が高まると電機子巻線５に逆起電力が発生するが、回転の上昇とともに界磁電流を抑制することによりフライホイルは電源系の電力供給機会を失うことなく短時間に効率良く回転付勢されフライホイルに回転エネルギを蓄積する。次に車両が例えば信号待ちなどでエンジン停止から再スタートに移る際素早くスムーズにエンジン起動するために大電力が必要となるがこの際には該フライホイルの回転エネルギを発電放出する。すなわち高回転下であっても発電モードの移行するとコントローラ３２は界磁電流を増加して、インバータ２６はダイオード転流に合わせて並列ＦＥＴを同期整流させて低損失整流を行い、前記デュアルチョッパーをＤｕｔｙ５０％ずつ交互作動させる。これにより図３に示すように高速域で短時間に大きなエネルギが取り出せることとなる。回転速度が低下して、電源系の電圧よりも発電電圧が低下する領域に入ったことをコントローラが検知すると前記インバータの下アームの３つのＦＥＴを同時にチョッピングする。これにより昇圧されてフライホイルの回転が低下してもエネルギを引き出し続ける事が出きる。更に回転が低下するともはや昇圧もかなわなくなり、作動を停止して次の蓄電可能機会の待機に入る。この場合車載用フライホイルバッテリの電圧は低いが、車載用フライホイルバッテリ作動条件下で前記アイソレータを介して補助電池も充電しているので、前記車載用フライホイルバッテリのコントローラは正常機能で待機できるようになる。また該補助電池は第２入出力端子を介してエンジン駆動発電機からも充電されるようになっており、またエンジンマネジメントシステムやランプ負荷などの高品位で安定的供給を要する負荷への出力を行うことができる。
【００３７】
なお、Ａは本機の電力取り出し特性、Ｂは定電圧自然転流特性、Ｃは下アームＦＥＴ２６１チョッパ昇圧作動域、Ｄはデュアルチョッパー作動域をそれぞれ示している。
【００３８】
次に電機子と磁極の作動について発電動作を例にとり説明する。
【００３９】
前記界磁巻線７に電流が流れると上下の電機子鉄心４に起磁力差が生じる。これに対向するフライホイルアウタ１６に固設した誘導子磁極には、磁束が誘導されて流れる。磁極２２が回転するとその磁束は回転周方向に移動するため固定している電機子巻線５は脈動磁束を受けて誘導起電力を発生することとなる。該誘導起電力は前記グレエツ結線のインバータ２６より整流されて外部へ供給されることとなる。なお、上記誘導子磁極２２の間には、逆極性となる永久磁石２３を固設しているので、この場合前記電機子巻線５の磁束変動は脈動でなく交番磁束となり約２倍の大きな誘導起電力を発生できる。
【００４０】
また、前記フライホイルの収納空間には水素ガス２４を封入しているのでこれにより空気よりも密度が約１／１４と低く、音速が約４倍速いので、空気封入の場合に比べてフライホイル回転数を一桁大きくできるため複雑高価な真空維持を行う必要がなく、その上真空の際に問題となる放熱については熱伝導率が６．７倍大きく、比熱容量が１４．５倍大きくその冷却性が非常によくなる。また前記気体はガス吸蔵合金により供給しているので配管類などの付属スペースやコストの点でも有利であり、システムが簡素小型化できる。
【００４１】
前記フライホイル収納容器１２に放熱フィンを設けているので、回転体より奪った熱エネルギを効率良く大気放散でき全体として冷却性が向上し小型化できる。
【００４２】
内面に界磁磁極を配置固定した円筒状フライホイル部と、その内側に固定配置した電機子巻線と、界磁巻線とを具備する固定子を有しているので遠心力による空隙の干渉の恐れもなく超高速回転が可能となる。また内部に電機子等を納める構造のため全体として構造が合理的となり小型化が可能となる。更に界磁巻線の巻線径が小さくしたがって低抵抗多ターン数仕様とできるので入出力電気性能を向上でき小型化できる。
【００４３】
なお、フライホイルは、回転軸が直立した縦置き回転型であり、自重と永久磁石反発力の垂直方向の安定と、ジャイロ効果による調心作用により非接触磁気浮揚している。また軸方向着磁した異径同軸型円環永久磁石を軸方向に偏移させて配置した永久磁石軸受けにて非接触にて回転支持しているので、永久磁石が反発して回転部をリフトする力が発生しこれが自重と均衡する点で浮揚し、さらに異径同軸組み合わせ磁石であるために調芯作用が働き径方向の非接触も保つことができる。すなわち複雑な非接触安定化制御回路を用いることなく小型コンパクトの非接触フライホイルとすることができる。またこのため５万〜２０万ｒｐｍオーダ高速回転が可能となりその結果同一入出力電力下、トルクが小さくなるので、単筒構造のままで慣性モーメント反力が打ち消されないとしても支持体に大きなトルクが働かない。この作用効果より超高速回転化でき車載可能な小型化ができた。
【００４４】
なお前記磁極を具備したフライホイルと電機子鉄心と電機子巻線とインバータは、同一の低損失高熱伝達ガス封入空間に収納しているので最も発熱する電機子巻線とインバータが集合することでヒートマスが大きくなるとともに冷却性が向上し、入出力容量を上げることができこれも小型化に寄与している。
【００４５】
また制御面で前記デュアルチョッパは、通電断続手段となるトランジスタと還流手段とリアクトルとを複数もちこれらが時間的に分割分担してチョッパ作動する構成としているので電機子側からみて連続出力が可能となり、大容量フィルタコンデンサなどの大柄な電圧平滑手段を設ける必要がなく、小型化には大きな寄与をしている。
【００４６】
［第２の実施形態］
次に図４に示す第２実施例について説明する。
【００４７】
前記第１実施例ではフライホイルに直接磁極を固設したり、磁気軸受けを設けていたり水素封入などの構成としていたが、これを図４に示すように、ヘリウム封入としたり、また工作機械用などで汎用されている技術すなわちエア軸受けやオイル軸受けとそのシャフト構造を活用してシンプルな一体構造フライホイルを付勢、減速制御する構成としてもよい。このような構成にすると全体として構造が簡素となるメリットがある。
【００４８】
［その他の実施例］
第１、第２実施例ではモータとジェネレータを一体としていたが別体でもよい。また水素とヘリウムを挙げていたが、これらの混合でも、また水蒸気，アンモニア，メタンでもよい。また第１、第２実施例では補助電池を用いていたが該電池はなくとも、また車両側電池であってもよい。
【００４９】
前記第１実施例では、第１入出力端子と補助電池の間のアイソレータを一方向性のダイオードとしているが、リアクトルとトランジスタよりなるチョッパでも、またそのチョッパは双方向性でもよい。降圧チョッパとすれば第１入出力端子系は高電圧系とできてより大きな電力供給ができる。また双方向コンバータ機能とすれば、
補助電池の電力や、エンジン駆動発電機のエネルギーをフライホイルに一時蓄積することもでき、例えば渋滞時や信号の多い都市内通行の低速下での頻繁なエンジン始動の際に、フライホイルを電力バッファとして有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の要部断面図である。
【図２】第１実施例の電気回路構成の説明図である。
【図３】第１実施例での最大出力制御の説明図である。
【図４】第２実施例の要部断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・マウント
２・・・・・センタポール
３・・・・・スルーボルト
４・・・・・電機子鉄心
５・・・・・電機子巻線
６・・・・・電機子継鉄
７・・・・・界磁巻線
８・・・・・カラースペース
９・・・・・ナット
１０・・・・・トップホルダ
１１・・・・・トップ磁石
１２・・・・・ケース
１３・・・・・シールナット
１４・・・・・ホイルディスク部
１５・・・・・第１回転磁石
１６・・・・・ホイルアウタ
１７・・・・・ボトムディスク
１８・・・・・第２回転磁石
１９・・・・・ボトムホルダ
２０・・・・・ボトム磁石
２１・・・・・界磁継鉄
２２・・・・・積層鉄心磁極
２３・・・・・磁石磁極
２４・・・・・水素ガス
２６・・・・・インバータ
２６１・・・・・下アームＦＥＴ
２７・・・・・デュアルチョッパ
２７１・・・・・デューティＦＥＴ
２７２・・・・・還流ＦＥＴ
２７３・・・・・リアクトル
２８・・・・・界磁制御ＦＥＴ
２９・・・・・補助電池
３０・・・・・第１入出力端子
３１・・・・・アイソレータ
３２・・・・・コントローラ
３３・・・・・第２入出力端子
３４・・・・・ランプ負荷
３５・・・・・エンジン駆動発電機
３６・・・・・エンジンマネジメントシステム
３７・・・・・回生用発電機
３８・・・・・大電力負荷（スタータ，走行用力行回生発電電動機）
５０・・・・・モータジェネレータ
５１・・・・・フライホイル
５２・・・・・ヘリウムガス
Claims (24)
- 車両の制動エネルギや廃棄エネルギを回生し、そのエネルギを再びエンジン始動や車両発進時のエネルギに再利用する車両回生発電システムに接続されたフライホイル部とこれを駆動する電動部と、該フライホイルに駆動されて発電する発電部を備える回転部を有する蓄電装置であって、前記回転部を納める空間を密閉空間として、外界空気に対して圧力と組成が共に異なる気体を封入したことを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 車両の制動エネルギや廃棄エネルギを回生し、そのエネルギを再びエンジン始動や車両発進時のエネルギに再利用する車両回生発電システムに接続されたフライホイル部とこれを駆動する電動部と、該フライホイルに駆動されて発電する発電部を備える回転部を有する蓄電装置であって、前記回転部を、空気に対し密度が低くかつ熱伝導率が高くかつ比熱容量が大きくかつ音速が速い気体中に納めたことを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記気体は水素ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項２の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記気体はヘリウムガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項２の車載用フライホイルバッテリ。
- 回転部を納める空間を閉空間として、外界より圧力の高い気体を封入し、かつ該気体の圧力が所定設定圧より低下することで機能異常を検知して警報することを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記気体はガス吸蔵合金により供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記気体として燃料用水素を用いることを特徴とする請求項６の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記フライホイルの回転周速を、マッハ１以上としたことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項７の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記フライホイル収納容器に放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項請求項１乃至請求項８の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記フライホイルと、該フライホールのエネルギを電力に変換する発電電動機とからなり、該発電電動機は前記フライホイルと同一密閉空間内に収納されており、前記発電電動機は前記封入気体により冷却を行う事を特徴とする請求項１乃至請求項９の車載用フライホイルバッテリ。
- 内面に界磁磁極を配置固定した円筒状フライホイル部と、その内側に固定配置した電機子巻線と、界磁巻線とを具備する固定子を有することを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記磁極は誘導子であり、また電機子鉄心は軸方向に２分割しており、該電機子鉄心に巻装された電機子巻線の更に内側でかつ前記軸方向に２分割した鉄心の相互の挟間に界磁巻線を配置したことを特徴とする請求項１１の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記誘導子磁極において、隣り合う誘導子の間に磁石を配置したことを特徴とする請求項１２の車載用フライホイルバッテリ。
- フライホイルは、回転軸が直立した縦置き回転型であり、自重と永久磁石反発力の垂直方向の安定と、ジャイロ効果による調心作用により非接触磁気浮揚させたことを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- フライホイルは、軸方向着磁した異径同軸型円環永久磁石を軸方向に偏移させて配置した永久磁石軸受けにて非接触にて回転支持されていることを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記フライホイルは略同一形状の複数かつ偶数の円筒体を組みとして、かつそのうちの半数の総合回転慣性力を残り半数の回転慣性力と略釣り合わせたことを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記フライホイルは単筒構造であり、かつ５万〜２０万ｒｐｍの範囲で作動させることを特徴とする請求項１乃至請求項１６の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記磁極は界磁巻線で励磁され、前記フライホイルの回転の加速時には回転速度の上昇時には界磁電流を弱め、定回転時は界磁電流を遮断し、下降時には界磁電流を強めることを特徴とする請求項１乃至請求項１７の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記電機子巻線にはトランジスタとダイオードを並列としてグレエツ結線してなるインバータが接続されており、低回転時にはインバータにより前記電機子巻線を断続的に短絡する制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項１８の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記磁極を具備したフライホイルと電機子鉄心と電機子巻線とインバータは、同一の低損失高熱伝達ガス封入空間に収納されていることを特徴とする前記請求項１乃至請求１９の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記インバータの直流端子と車載用フライホイルバッテリ入出力端子間には断続手段とリアクトルと還流手段とからなるデュアルチョッパが接続され高回転時には該デュアルチョッパを降圧作動させることで入出力端子は定電圧に保ち前記インバータおよび電機子は高電圧作動させることを特徴とする請求項１乃至請求項２０の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記デュアルチョッパは、通電断続手段となるトランジスタと還流手段とリアクトルとを複数もちこれらが時間的に分割分担してチョッパ作動する構成としたことを特徴とする請求項２１の車載用フライホイルバッテリ。
- 前記入出力端子には化学電池が並列接続され、少なくとも該車載用フライホイルバッテリの制御装置の一時的電源となることを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
- 前記電機子巻線の端子はそのまま、あるいはスイッチ手段を介して外部系と三相交流にて入出力することを特徴とする車載用フライホイルバッテリ。
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