【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばフライホイールを回転させて運動エネルギーを貯え、停電時にフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給する無停電電源装置を構成するフライホイールユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータに代表されるエレクトロニクス機器では、短時間の停電による電圧低下でも誤動作が生じ易いので、無停電電源装置を負荷機器に接続して電圧低下時に負荷に電力を供給することが行われている。無停電電源装置としては、従来から停電等による電力遮断時に放出する電気エネルギーを鉛バッテリーに貯蔵することが行われているが、寿命が短くしかも交換されたバッテリーが環境汚染の原因となる有害物質を含むので簡単に廃棄できないといった難点がある。その対策として、長寿命でかつ廃棄処分が容易なフライホイール式無停電電源装置が提案されている。
【０００３】
現在実用化されているフライホイール式無停電電源装置は、ステータの外周にフライホイールと一体化されたロータを設けてアウターロータ型三相誘導発電電動機を形成したフライホイールユニットと、三相誘導発電電動機の駆動を制御するドライブコントローラ及び外部負荷に一定の電圧を供給する出力コントローラとを備えている。従来のフライホイールユニット１００は、図６に示すように、ケーシング１０１の内部に配置された、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性導電体からなるフライホイール１０２と、フライホイール１０２の下部に固着されたロータコア１０３と、例えばＹ形結線された三相コイル１０４が巻回されたステータコア１０５と、ステータコア１０５を支持するベース部材１０６とを有する。フライホイール１０２の上部に設けられた軸受孔１０７に、ケーシング１０１の突起部１０８に装着されたタッチダウン軸受１０９が遊嵌されている。またフライホイール１０２の回転軸１１０は、潤滑油（不図示）を介して球面状の先端部１１０ａがベース部材１０６のピボット軸受１１１に支承されている。上記ロータコア１０３と、三相コイル１０４が巻回されたステータコア１０５とでアウターロータ型三相誘導発電電動機が構成される。この無停電電源装置によれば、ドライブコントローラから三相誘導発電電動機のステータコイルに電力を供給してフライホイールを回転させることにより、運動エネルギーが蓄積される。一方電力遮断時は、フライホイールは慣性で回転し、その回転数が低下し運動エネルギーが放出される。従ってフライホイールユニットは発電機として機能するので、放出された運動エネルギーは電気エネルギーに変換されて上記コントローラを介して負荷機器に供給されて、回生電力が回収される。
【０００４】
上記フライホイールユニットでは、フライホイールの回転数が低い間は、フライホイールの上部はタッチダウン軸受に接触して回転するが、回転数が数千ｒｐｍに達すると、フライホイールのジャイロ効果により、タッチダウン軸受と非接触となり、回転軸の先端の球面がピボット軸受に支承された状態で回転する。また回転軸の先端とタッチダウン軸受とはフライホイールの停止時には接触しているが、フライホイールの回転時には、潤滑油を軸受のスパイラル溝に引き込み、回転軸の先端は軸受の油膜上で回転する（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。この種フライホイールユニットでは、フライホイールの回転軸の下端を支持するピボット軸受の温度が上昇するので、潤滑油の粘度が低下し、円滑な回転ができなくなる。その対策として、軸受をフライホイールの重心よりも上部に配置しかつヒートパイプを設けることが提案されている（例えば特許文献３参照）。また、フライホイールを固定した回転軸の端部を、ラジアル方向の軸受機能をもつ磁気軸受で支持すると共に、ケーシングの底部でピボット軸受の近傍に冷却水通路などの強制冷却手段を設けることが提案されている（例えば特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３５１４４号公報（第２頁、図３）
【特許文献２】
特開平７−３２２５３３号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平２−１８８４２号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献４】
特開平１０−１５９７０７号公報（第２−３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来の構造では、冷却効果は得られるものの、フライホイールユニットの構造が複雑化しまた大型化するので、実用的ではないという問題がある。
【０００７】
従って本発明の目的は、コンパクトな構造で、フライホイールの円滑な回転が保証されるフライホイールユニットを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、励磁コイルが巻装されたステータコアの外周を取り囲むロータコアを内蔵しかつ回転軸を有するフライホイールと、前記ステータコアを支持するベース部材と、前記ベース部材に設置された、前記回転軸を支承するピボット軸受と、前記フライホイールを取り囲みかつその上部が軸支されるケーシングとを備えたフライホイールユニットにおいて、前記ベース部材は、前記ピボット軸受に近接する部位に、冷却空気の流路を有することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明においては、前記ベース部材に、冷却ファンと冷却空気を前記流路に送風するフードとを有する冷却ユニットが装着されていることが好ましい。また本発明においては、冷却空気の流入部と流出部とを区画する仕切部材が介装されていることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、ピボット軸受を支持するベース部材の内部に冷却空気の通路を設けるので、軸受の温度上昇に起因する潤滑油の粘度低下が抑制され、フライホイールを円滑に回転することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。
図１は本発明のフライホイールユニットの断面図、図２は冷却ユニットの平面図、図３は図２をＡ方向からみた矢視図である。図１に示すように、フライホイールユニット１は、例えばＡｌ合金からなるケーシング２の内部に配置された、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性導電体からなるフライホイール３と、フライホイール３の下部に固着されたロータコア３１と、例えばＹ形結線された三相コイル４０が巻回されたステータコア４１を含むステータ４と、例えば鉄鋼材料で形成された、ステータコア４１を支持するベース部材５とを有する。ロータコア３１及びステータコア４１は、例えば珪素鋼板を打ち抜き、積層することにより形成される。フライホイール３の上部には軸受孔３３が形成され、そこにケーシング２の突起部２１に嵌装されたタッチダウン軸受２０が遊嵌されている。またフライホイール３の内周側に設けられた回転軸３２は、円錐状に形成された先端部３２ａを有し、その先端部３２ａはベース部材５に形成されたＶ字状のピボット軸受５０に支承されている。また先端部３２ａの表面には、図示しない螺旋溝が形成されると共に、先端部３２ａとピボット軸受５０との間に図示しない潤滑油（例えばフッ素系の不揮発性オイル）が注入されている。上記ロータコア３１と、ステータコア４２とでアウターロータ型三相誘導発電電動機が構成され、三相コイル４１は図示しないドライブコントローラに電気的に接続されている。
【００１２】
ベース部材５のピボット軸受５０が形成される部位の近傍には、冷却空間５１が形成され、そこに冷却ユニット６が装着されている。冷却ユニット６は、図２及び図３に示すように冷却ファン６０とフード６１を備え、フード６１の一端部にある仕切部６２は、冷却空間５に挿入されて、冷風の流入通路５２と流出通路５３を区画し、支持部６３は、ベース部材５の底面に固着されている。
【００１３】
上記のように構成されたフライホイールユニット１は、ステータコイル４１に給電することにより、フライホイール３を回転させ、電力遮断時はフライホイール３の回転数を下げて回生電力を回収するように運転される。フライホイール３の回転により、回転軸３２の先端部３２ａにある螺旋溝に潤滑油が巻き込まれ、ポンプ効果により、回転軸３２の先端部３２ａとピボット軸受５０との間に内圧が発生し、フライホイール３が浮上し、ベース部材５とは非接触状態になる。フライホイール３の高速回転により潤滑油の温度は上昇するが、冷却ファン６０が駆動されるので、冷却ファン６０からの冷風が流入通路５２から流出通路５３に送風され、ベース部材５のピボット軸受５０の近傍は速やかに冷却される。これにより、潤滑油の粘度低下が抑制されるため、ベース部材５との非接触状態が維持されて、フライホイール３の円滑な回転が保証される。
【００１４】
図１に示す、冷却ユニットを搭載したフライホイールユニットと図５に示す冷却ユニットを持たないフライホイールユニット（いずれも負荷容量は２０ｋＶＡ、停電補償時間は４０ｓｅｃ）を準備し、フライホイールを３０００ｒｐｍで回転させた時のピボット軸受５０の近傍の温度を測定した結果を図４に示す。図中実線が、図１に示すフライホイールユニットの温度分布で、図中破線が図６に示すフライホイールユニットの温度分布である。図４から、従来のフライホイールユニットによれば、フライホイールを回転させてから６５００ｓｅｃ（約１．８分）でピボット軸受５１の温度は、５０℃以上に達し、１００００ｓｅｃ（約２．８分）経過後に、ピボット軸受５１の温度は、９０℃以上に達した。この温度上昇は、潤滑油の粘度が低下して、回転軸の先端部がピボット軸受と直接接触することによる（金属同士の接触による）摩擦熱の発生に基くものと考えられる。これに対し本発明のフライホイールユニットによれば、フライホイールを回転させてから１００００ｓｅｃ（約２．８分）経過後でも、ピボット軸受の温度は、約５０℃程度にとどまり、フライホイールの円滑な回転が保証されることが確認された。
【００１５】
また上記において、図１に示すフライホイールユニット１の冷却空間５の上面の温度を測定した結果を図５に実線で示す。同図において、一点鎖線は、ピボット軸受の温度変化（図４の実線と同一）を示す。図５から、本発明のフライホイールユニットによれば、ピボット軸受の周囲は広範囲にわたって冷却されることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、フライホイールを支持するベース部材の内部に冷却空気の通路を設けるので、軸受の温度上昇が防止され、潤滑油の粘度低下が阻止されるので、フライホイールの円滑な回転が可能なフライホイールユニットを実現できる。またこのベース部材に冷却ファンとフードを組合わせた冷却ユニットを装着することにより、冷却機能が付加されたコンパクトなフライホイールユニットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるフライホイールユニットの断面図である。
【図２】冷却ユニットの平面図である。
【図３】図１をＡ方向から見た矢視図である。
【図４】ピボット軸受の背面側の温度変化を示す図である。
【図５】ピボット軸受の背面側の温度変化を示す図である。
【図６】従来のフライホイールユニットの断面図である。
【符号の説明】
１：フライホイールユニット
２：ケーシング
２０：突起部
２１：タッチダウン軸受
３：フライホイール
３０：ロータコア
３１：軸受孔
３２：回転軸
３２ａ：先端部
３３：ピボット軸受
４：ステータ
４０：三相コイル
４１：ステータコア
５：ベース部材
５０：ピボット軸受
５１：冷却空間
５２：流入通路
５３：流出通路
６：冷却ユニット
６０：冷却ファン
６１：フード
６２：仕切部
６３：支持部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flywheel unit that constitutes an uninterruptible power supply device that stores kinetic energy by, for example, rotating a flywheel, converts kinetic energy of the flywheel into electric energy at the time of a power failure, and supplies the energy to an external load.
[0002]
[Prior art]
In an electronic device represented by a computer, an erroneous operation is likely to occur even if the voltage drops due to a short-time power failure. Therefore, an uninterruptible power supply is connected to a load device to supply power to the load when the voltage drops. Conventionally, uninterruptible power supplies have been used to store electrical energy released when power is cut off due to a power outage or the like in a lead battery.However, the replaced battery has a short life and the replaced battery is a harmful substance that causes environmental pollution. However, there is a disadvantage that it cannot be easily disposed of. As a countermeasure, a flywheel type uninterruptible power supply having a long life and easy disposal has been proposed.
[0003]
The flywheel type uninterruptible power supply currently in practical use is a flywheel unit in which a rotor integrated with a flywheel is provided on the outer periphery of a stator to form an outer rotor type three-phase induction generator motor, and a three-phase induction generator. It has a drive controller for controlling the driving of the motor and an output controller for supplying a constant voltage to an external load. As shown in FIG. 6, a conventional flywheel unit 100 includes a flywheel 102 made of a non-magnetic conductor such as Al or Cu and a rotor core fixed to a lower portion of the flywheel 102, which is disposed inside a casing 101. 103, a stator core 105 around which, for example, a three-phase coil 104 connected in a Y-shape is wound, and a base member 106 supporting the stator core 105. A touch-down bearing 109 mounted on a projection 108 of the casing 101 is loosely fitted in a bearing hole 107 provided in an upper portion of the flywheel 102. The rotating shaft 110 of the flywheel 102 has a spherical tip 110 a supported by a pivot bearing 111 of the base member 106 via lubricating oil (not shown). The rotor core 103 and the stator core 105 around which the three-phase coil 104 is wound constitute an outer rotor type three-phase induction motor. According to this uninterruptible power supply, kinetic energy is accumulated by supplying power from the drive controller to the stator coil of the three-phase induction generator motor to rotate the flywheel. On the other hand, when the power is cut off, the flywheel rotates by inertia, the number of rotations decreases, and kinetic energy is released. Therefore, since the flywheel unit functions as a generator, the released kinetic energy is converted into electric energy and supplied to the load device via the controller, thereby recovering regenerative electric power.
[0004]
In the above flywheel unit, while the rotation speed of the flywheel is low, the upper portion of the flywheel rotates in contact with the touch-down bearing, but when the rotation speed reaches several thousand rpm, the touching is performed by the gyro effect of the flywheel. The rotating shaft is not in contact with the down bearing, and rotates with the spherical surface at the tip of the rotating shaft being supported by the pivot bearing. Also, the tip of the rotating shaft and the touchdown bearing are in contact when the flywheel is stopped, but when the flywheel is rotating, lubricating oil is drawn into the spiral groove of the bearing, and the tip of the rotating shaft rotates on the oil film of the bearing. (See, for example, Patent Documents 1 and 2). In this type of flywheel unit, the temperature of the pivot bearing that supports the lower end of the rotary shaft of the flywheel increases, so that the viscosity of the lubricating oil decreases and smooth rotation cannot be performed. As a countermeasure, it has been proposed to dispose the bearing above the center of gravity of the flywheel and to provide a heat pipe (for example, see Patent Document 3). In addition, it is proposed that the end of the rotating shaft to which the flywheel is fixed be supported by a magnetic bearing having a radial bearing function, and that forced cooling means such as a cooling water passage be provided near the pivot bearing at the bottom of the casing. (For example, see Patent Document 4).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-63-35144 (page 2, FIG. 3)
[Patent Document 2]
JP-A-7-322533 (page 3, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-2-18842 (page 2-3, FIG. 1)
[Patent Document 4]
JP-A-10-159707 (page 2-3, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional structure, although a cooling effect can be obtained, there is a problem that the structure of the flywheel unit is complicated and large, and thus it is not practical.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a flywheel unit which has a compact structure and ensures smooth rotation of the flywheel.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a flywheel incorporating a rotor core surrounding an outer periphery of a stator core around which an exciting coil is wound and having a rotation axis, a base member supporting the stator core, and the base member A flywheel unit provided with a pivot bearing that supports the rotating shaft, and a casing that surrounds the flywheel and has an upper part pivotally supported, wherein the base member has a portion adjacent to the pivot bearing. In addition, a cooling air flow path is provided.
[0009]
In the present invention, it is preferable that a cooling unit having a cooling fan and a hood for blowing cooling air to the flow path be mounted on the base member. Further, in the present invention, it is preferable that a partition member for partitioning the inflow portion and the outflow portion of the cooling air be interposed.
[0010]
According to the present invention, since the cooling air passage is provided inside the base member that supports the pivot bearing, a decrease in the viscosity of the lubricating oil due to a rise in the temperature of the bearing is suppressed, and the flywheel can be smoothly rotated. .
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a flywheel unit of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a cooling unit, and FIG. 3 is a view of FIG. As shown in FIG. 1, a flywheel unit 1 is attached to a flywheel 3 made of a non-magnetic conductor such as Al or Cu and arranged inside a casing 2 made of, for example, an Al alloy, and is fixed to a lower portion of the flywheel 3. A stator 4 including a stator core 41 around which, for example, a three-phase coil 40 connected in a Y-shape is wound, and a base member 5 made of, for example, a steel material and supporting the stator core 41. The rotor core 31 and the stator core 41 are formed, for example, by punching and laminating a silicon steel plate. A bearing hole 33 is formed in the upper part of the flywheel 3, and the touchdown bearing 20 fitted in the projection 21 of the casing 2 is loosely fitted therein. The rotating shaft 32 provided on the inner peripheral side of the flywheel 3 has a tip portion 32 a formed in a conical shape, and the tip portion 32 a is attached to a V-shaped pivot bearing 50 formed on the base member 5. It is supported. A spiral groove (not shown) is formed on the surface of the distal end portion 32a, and lubricating oil (not shown) (for example, fluorine-based non-volatile oil) is injected between the distal end portion 32a and the pivot bearing 50. The rotor core 31 and the stator core 42 constitute an outer rotor type three-phase induction motor, and the three-phase coil 41 is electrically connected to a drive controller (not shown).
[0012]
A cooling space 51 is formed in the vicinity of a portion of the base member 5 where the pivot bearing 50 is formed, and the cooling unit 6 is mounted therein. The cooling unit 6 includes a cooling fan 60 and a hood 61 as shown in FIGS. 2 and 3, and a partition 62 at one end of the hood 61 is inserted into the cooling space 5, and flows into and out of the cooling air inflow passage 52. The passage portion 53 is partitioned, and the support portion 63 is fixed to the bottom surface of the base member 5.
[0013]
The flywheel unit 1 configured as described above operates to rotate the flywheel 3 by supplying power to the stator coil 41 and to reduce the rotation speed of the flywheel 3 to recover regenerative power when power is cut off. Is done. Due to the rotation of the flywheel 3, lubricating oil is caught in the spiral groove at the distal end portion 32a of the rotary shaft 32, and an internal pressure is generated between the distal end portion 32a of the rotary shaft 32 and the pivot bearing 50 by the pump effect. The wheel 3 floats and comes into a non-contact state with the base member 5. Although the temperature of the lubricating oil rises due to the high speed rotation of the flywheel 3, the cooling fan 60 is driven, so that the cool air from the cooling fan 60 is blown from the inflow passage 52 to the outflow passage 53, and the pivot bearing 50 of the base member 5. Is rapidly cooled. This suppresses a decrease in the viscosity of the lubricating oil, so that the non-contact state with the base member 5 is maintained, and smooth rotation of the flywheel 3 is guaranteed.
[0014]
A flywheel unit equipped with a cooling unit shown in FIG. 1 and a flywheel unit without a cooling unit shown in FIG. 5 (both have a load capacity of 20 kVA and a power failure compensation time of 40 sec) are prepared, and the flywheel is rotated at 3000 rpm. FIG. 4 shows the result of measuring the temperature in the vicinity of the pivot bearing 50 at this time. The solid line in the figure is the temperature distribution of the flywheel unit shown in FIG. 1, and the broken line in the figure is the temperature distribution of the flywheel unit shown in FIG. From FIG. 4, according to the conventional flywheel unit, the temperature of the pivot bearing 51 reaches 50 ° C. or more in 6500 seconds (about 1.8 minutes) after the flywheel is rotated, and 10,000 seconds (about 2.8 minutes). After a lapse of time, the temperature of the pivot bearing 51 reached 90 ° C. or more. This temperature increase is considered to be due to the generation of frictional heat (due to contact between metals) due to the decrease in the viscosity of the lubricating oil and the direct contact of the tip of the rotating shaft with the pivot bearing. On the other hand, according to the flywheel unit of the present invention, even after 10,000 seconds (about 2.8 minutes) have elapsed since the flywheel was rotated, the temperature of the pivot bearing stayed at about 50 ° C., and the flywheel smoothly moved. It was confirmed that rotation was guaranteed.
[0015]
In the above description, the result of measuring the temperature of the upper surface of the cooling space 5 of the flywheel unit 1 shown in FIG. 1 is shown by a solid line in FIG. In this figure, the chain line indicates the temperature change of the pivot bearing (same as the solid line in FIG. 4). FIG. 5 shows that the periphery of the pivot bearing is cooled over a wide range according to the flywheel unit of the present invention.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the passage of the cooling air is provided inside the base member supporting the flywheel, a rise in the temperature of the bearing is prevented, and a decrease in the viscosity of the lubricating oil is prevented. A flywheel unit that can smoothly rotate the wheel can be realized. By mounting a cooling unit combining a cooling fan and a hood on the base member, a compact flywheel unit having a cooling function can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a flywheel unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a cooling unit.
FIG. 3 is an arrow view of FIG. 1 viewed from a direction A.
FIG. 4 is a diagram showing a temperature change on the back side of the pivot bearing.
FIG. 5 is a diagram showing a temperature change on the back side of the pivot bearing.
FIG. 6 is a sectional view of a conventional flywheel unit.
[Explanation of symbols]
1: Flywheel unit 2: Casing 20: Projection 21: Touchdown bearing 3: Flywheel 30: Rotor core 31: Bearing hole 32: Rotating shaft 32a: Tip 33: Pivot bearing 4: Stator 40: Three-phase coil 41: Stator core 5: Base member 50: Pivot bearing 51: Cooling space 52: Inflow passage 53: Outflow passage 6: Cooling unit 60: Cooling fan 61: Hood 62: Partition 63: Support
