JP2004357372A - フライホイール蓄電装置及び車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】フライホイールを横置きにした場合でも軸受の短寿命化を防ぐことができ且つフライホイールをより高速に回転させることができるようにすること。
【解決手段】ケーシング２０の前蓋部２２に前部軸受ユニット４０が設けられており、後ろ蓋部２３に後部軸受ユニット５０が設けられている。ケーシング２０内には回転体７０が配置されており、回転体７０は軸受ユニット４０，５０によって水平に支持されている。軸受ユニット４０，５０ともに回転体７０のシャフト７２を支持したすべり軸受４３，５３と、すべり軸受４３，５３を支持した転がり軸受４２，５２とを具備する。また、シャフト７２の突端には、シャフト７２に直接駆動されてオイル２６を循環するダイレクトドライブポンプ４５，５５が設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】ケーシング２０の前蓋部２２に前部軸受ユニット４０が設けられており、後ろ蓋部２３に後部軸受ユニット５０が設けられている。ケーシング２０内には回転体７０が配置されており、回転体７０は軸受ユニット４０，５０によって水平に支持されている。軸受ユニット４０，５０ともに回転体７０のシャフト７２を支持したすべり軸受４３，５３と、すべり軸受４３，５３を支持した転がり軸受４２，５２とを具備する。また、シャフト７２の突端には、シャフト７２に直接駆動されてオイル２６を循環するダイレクトドライブポンプ４５，５５が設けられている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーを回転体の回転運動エネルギーに変換すると共に必要に応じて回転体の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換するフライホイール蓄電装置及び該フライホイール蓄電装置を搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーとして蓄え、必要時にフライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して外部に供給するようにしたフライホイール蓄電装置が知られている。このフライホイール蓄電装置として、ほぼ鉛直方向の軸を中心としてフライホイールを回転させるようにしたいわゆる縦型フライホイール蓄電装置があり、フライホイールの回転軸を軸受によって上下の二箇所で支持することが一般的に採用されており、特に軸受としてボールベアリングを用いている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３２２５３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フライホイールを水平方向の軸を中心として回転させるようにした横型のフライホイール蓄電装置が小型車用の蓄電装置として要望されている。しかしながら、フライホイールの回転軸を水平にした場合、ボールベアリングに予期せぬ荷重がかかり、ボールベアリングの寿命が短くなることがある。また、ボールベアリングでは高速回転の長時間運転に寿命の限界があり、頻繁に交換を要する。また、ボールベアリングの寿命を重視するために横型のフライホイールを高速に回転させないと、蓄える電気エネルギーが必ずしも大きくない。
【０００５】
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、フライホイールを横置きにした場合でも軸受の短寿命化を防ぐことができ且つフライホイールをより高速に回転させることができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
シャフトを有する回転体と、鉛直方向に交差する方向の軸回りに回転自在に前記シャフトを支持する軸受ユニットと、前記シャフトと同軸になって前記回転体に取り付けられた永久磁石と、前記永久磁石の外側に配置されたステータと、前記回転体、前記軸受ユニット、前記永久磁石及び前記ステータの外側を覆ったケーシングと、を備え、前記ステータ及び前記永久磁石によって前記ステータの電気エネルギーと前記回転体の回転エネルギーとを可逆的に変換可能に設けられたフライホイール蓄電装置において、
前記軸受ユニットは、前記シャフトのラジアル方向に働く荷重を受けるすべり軸受と、前記すべり軸受のラジアル方向に働く荷重を受ける転がり軸受と、を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、低速回転に対して回転抵抗の少ない転がり軸受と高速回転に対して耐久性の高いすべり軸受とで回転体のシャフトを支持するため、二種類の軸受に対するシャフトの荷重と回転速度とを減らして分担することができ、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。更に、すべり軸受を転がり軸受で支持しているため、鉛直方向に交差するシャフトを転がり軸受で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受にかかった場合に、すべり軸受で荷重を分担するので、転がり軸受の短寿命化を防ぐことができる。
また、回転体が高速に回転している場合でも、すべり軸受の回転速度はシャフトの回転速度よりも遅くなり、転がり軸受の回転速度はシャフトとすべり軸受との回転速度差よりも更に遅くなる。そのため、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり、両軸受にかかる回転速度と荷重を低減し、回転体を安定して支持することができる。更に、両軸受に加わる荷重が増大した場合は、すべり軸受の弾性変形によって、転がり軸受に対する荷重の増加分がすべり軸受側に付与されるので、同様の効果を奏する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットが前記ケーシングに設けられたハウジングを有し、前記転がり軸受がハウジングに支持され、前記すべり軸受の一部が油膜を介してハウジングに軸支され、前記シャフトの一部が油膜を介して前記すべり軸受に軸支されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏し、回転体が高速で回転する場合でも、長時間にわたり回転体に加わる負荷を低減して、回転体を安定して支持することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットが二つ設けられ、前記シャフトの一方の端部は一方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支され、前記シャフトの他方の端部は他方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏し、回転体が高速で回転する場合でも、長時間にわたり回転体に加わる負荷を低減して、回転体を安定して支持することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記シャフトの回転に伴って直接駆動されるダイレクトドライブポンプが前記シャフトの端部に設けられており、前記ダイレクトドライブポンプの駆動によって前記ケーシングの下側に貯留したオイルを吸い上げて前記軸受ユニットに供給するように構成されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、オイルがダイレクトドライブポンプによって軸受ユニットに供給されるので、すべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じず、シャフトを滑らかに回転させることができる。また、ダイレクトドライブポンプは他の動力源によって駆動されるのではなく、シャフトの回転に伴って駆動されるので、他の駆動源を必要としない。つまり、シャフトの回転運動エネルギーを有効利用することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のフライホイール蓄電装置において、前記ケーシングの下側に起動用のオイルポンプが配置され、該オイルポンプは前記シャフトの回転開始時に前記ケーシングの下側に貯留したオイルを前記軸受ユニットに供給するとともに前記シャフトの回転速度が所定以上となった場合にオイルの供給を停止するように設けられたことを特徴とする。
【００１５】
シャフトの回転開始時には回転速度も遅く、ダイレクトドライブポンプによるオイルの吸引力も低いから、軸受ユニットに十分なオイルを供給できない恐れがある。しかしながら、請求項５に記載の発明では、シャフトの回転開始時に、ダイレクトドライブポンプとは別に設けたオイルポンプによってオイルが軸受ユニットに供給されるから、シャフトの回転開始時にすべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じることがない。また、シャフトの回転速度が所定以上になれば、オイルポンプによるオイルの供給が停止するが、ダイレクトドライブポンプの吸引力も高くなり、軸受ユニットに十分なオイルが供給される。ここで、シャフトの回転速度が所定以上になればオイルポンプが停止しているため、オイルポンプの寿命を長くすることができるとともにオイルポンプでの消費エネルギーを減らすことができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、軸受ユニットに供給されたオイルがケーシング内に戻るため、オイルが循環する。循環中で軸受ユニットがオイルによって冷却されて、暖まったオイルは軸受ユニット以外では自然冷却する。そのため、軸受ユニットを効率よく冷却することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項４から６の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ステータに供給されるように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、軸受ユニットに供給されたオイルがステータに供給されるため、ステータがオイルによって冷却される。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のフライホイール蓄電装置において、前記ステータに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、ステータに供給されたオイルがケーシング内に戻るため、オイルが循環する。循環中でステータがオイルによって冷却されて、暖まったオイルはステータ及び軸受ユニット以外では自然冷却する。そのため、ステータを効率よく冷却することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記回転体が二つ互いに平行に並べて設けられ、一方の回転体の回転向きが他方の回転体の回転向きの反対となるように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、平行な二つの回転体の回転向きが反対になることによって、モーメントが相殺される。そのため、フライホイール蓄電装置を支える台等の剛性が比較的低くても、フライホイール蓄電装置を安定して支持することができる。また、フライホイール装置を車両等に搭載した場合、回転体によって生じるモーメントが相殺されるので、車両の挙動に悪影響を及ぼすことがない。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置を搭載した車両である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明では、回転体のシャフトが鉛直方向に交差しているため、フライホイール蓄電装置を車両に搭載した場合でも、車両全体の高さが高くならない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００２７】
図１には、本発明を適用した横型のフライホイール蓄電装置１を示した断面図である。以下の説明において、水平方向とは、重力の働く鉛直方向に対して直交する方向である。
【００２８】
図１に示すように、このフライホイール蓄電装置１はケーシング２０を備え、このケーシング２０の内側に種々の部材・機構が取り付けられて構成されている。
【００２９】
ケーシング２０は、略水平に横置きにされた円筒部２１と、円筒部２１の前側開口部を閉塞した前蓋部２２と、円筒部２１の後ろ側開口部を閉塞した後ろ蓋部２３と、から構成されている。円筒部２１、前蓋部２２及び後ろ蓋部２３によって囲まれた内部空間が形成されている。
【００３０】
円筒部２１の内側には略水平な仕切り壁２４が形成されており、この仕切り壁２４によってケーシング２０内の内部空間が上側の減圧空気室２０ａと下側のオイル室２０ｂとに区画されている。仕切り壁２４の前後方向の全長は円筒部２１の前後方向の全長よりも短く、減圧空気室２０ａとオイル室２０ｂが通じている。なお、ケーシング２０内の内部空間が減圧空気室２０ａとオイル室２０ｂに区画されていなくても良い。
【００３１】
オイル室２０ｂには、潤滑及び冷却のためのオイル２６が貯留されている。また、オイル室２０ｂには、起動用のオイルポンプ３１が設けられている。更に、オイル室２０ｂには、オイル２６の温度を検知するオイルセンサ８０が設けられている。
【００３２】
円筒部２１の前端部の上側には、ケーシング２０内の気体を排気してケーシング２０内の気圧を減圧する真空ポンプ３５が設けられており、この真空ポンプ３５によって減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂの気圧が亜真空圧に保たれるようになっている。この真空ポンプ３５には図示しないオイル回収装置が備わっており、このオイル回収装置は排気の気体に含まれた噴霧状のオイルを気体から分離させてオイル室２０ｂに戻すように構成されている。また、真空ポンプ３５には減圧空気室２０ａ内の気圧を検知する気圧センサ３６が設けられており、この気圧センサ３６によって減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂの気圧が亜真空圧に一定に維持されるようになっている。
【００３３】
減圧空気室２０ａに臨んだ前蓋部２２の中央部には、油潤滑式の前部軸受ユニット４０が設けられており、減圧空気室２０ａに臨んだ後ろ蓋部２３の中央部には、油潤滑式の後部軸受ユニット５０が設けられている。ケーシング２０の内側には、オイルポンプ３１から前部軸受ユニット４０にまで通じた第一のダクト３２及びオイルポンプ３１から後部軸受ユニット５０にまで通じた第二のダクト３３が設けられており、オイルポンプ３１によってオイル室２０ｂ内のオイル２６が前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０に供給されるようになっており、オイル２６によって前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０の潤滑・冷却が行われるようになっている。なお、第一のダクト３２及び第二のダクト３３は図示しない逆止弁を介してオイル室２０ｂに通じており、これら逆止弁は、オイル室２０ｂからダクト３２，３３を通じて前部軸受ユニット４０、後部軸受ユニット５０に向かったオイル２６の流れを許容するとともに、オイルポンプ３１からダクト３２，３３を通じてオイル室２０ｂに向かったオイル２６の逆流を防止する。
【００３４】
断面コ字状の第二仕切り壁２５が円筒部２１の内面上側から仕切り壁２４の上面にかけて円筒部２１の周方向に沿って形成されており、円筒部２１、仕切り壁２４及び第二仕切り壁２５によって包囲されたリング状のステータ室２０ｃが前後方向における円筒部２１の中央よりやや後ろ側に形成されている。
【００３５】
ステータ室２０ｃにはステータ６０が配置されている。ステータ６０は鉄芯６１に導線６２をコイル状に巻き付けて構成され、導線６２の両端がケーシング２０から外に導出されて外部装置に接続されている。また、導線６２の一部が電気センサ６３に接続されており、この電気センサ６３によって導線６２の電流、電圧が検知されるようになっている。なお、電気センサ６３の代わり、回転速度センサを設け、後述する油ふりきりディスク７５の回転をこの回転速度センサで検知しても良い。
【００３６】
ケーシング２０の内側には、後部軸受ユニット５０からステータ室２０ｃにまで通じたダクト３７が設けられており、ダクト３６を通じてステータ室２０ｃ内にオイル２６が供給されてステータ６０の潤滑・冷却を行うようになっている。第二仕切り壁２５には貫通孔２５ａが形成されており、この貫通孔２５ａを通じてオイル２６がステータ室２０ｃから減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂに排出されるようになっている。
【００３７】
また、円筒部２１の外周面には、突出した複数のヒートシンクフィン２１ａ，２１ａ，…が形成されており、フライホイール蓄電装置１全体（特に、オイル室２０ｂ内のオイル２６やステータ室２０ｃ内のオイル２６）の自然空冷がヒートシンクフィン２１ａ，２１ａ，…によって効率よく行われるようになっている。
【００３８】
減圧空気室２０ａには、合金材料又は複合繊維材料で形成された横置きの回転体（フライホイール）７０が配置されており、この回転体７０は前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０によって水平な前後方向の軸心回りに回転自在となって支持されている。詳細には、回転体７０は、略円柱状の本体部７１と、本体部７１に同心となって本体部７１に一体形成されたシャフト７２と、シャフト７２と同軸となってシャフト７２に取り付けられた円筒状の永久磁石７３とから構成されたものである。シャフト７２の前端部が前部軸受ユニット４０によって回転自在となって支持されており、シャフト７２の後端部が後部軸受ユニット５０によって回転自在となって支持されている。本体部７１は、前後方向におけるシャフト７２の中央よりやや前側に配置されている。
【００３９】
永久磁石７３は、前後方向におけるシャフト７２の中央よりやや後ろ側であってステータ６０に対応する位置に配置され、シャフト７２を挿入した状態でシャフト７２に固定されている。この永久磁石７３が電動発電機のロータとして機能し、永久磁石７３の外周側に配置されたステータ６０と永久磁石７３とから電動発電機が構成されている。
【００４０】
図２を参照して前部軸受ユニット４０について詳細に説明する。図２は、前部軸受ユニット４０の縦断面図である。
図２に示すように、前部軸受ユニット４０は、ハウジング４１と、転がり軸受４２と、すべり軸受４３と、から構成されている。
【００４１】
ハウジング４１は前蓋部２２の中央部から減圧空気室２０ａ内に向かって突出形成されており、ハウジング４１の中央部には軸受取り付け用孔４１ａが形成されている。軸受取り付け用孔４１ａは、前側の内径が小さく且つ後側の内径が大きくなった段状に形成されている。なお、第一のダクト３２は軸受取り付け用孔４１ａまで通じており、オイル２６が軸受取り付け用孔４１ａに供給されるようになっている。
【００４２】
転がり軸受４２は、軸受取り付け用孔４１ａの径の大きな部分の底側に嵌め込まれている。この転がり軸受４２は、ラジアル方向（半径方向）の荷重を支持するラジアル軸受であり、ラジアル玉軸受であっても良いし、ラジアルころ軸受であっても良い。
【００４３】
すべり軸受４３は、３円弧等の多円弧円に形成された小筒部４３ａと、弾性接触片を有する円筒部４３ｂとを一体に形成したものであり、ラジアル方向の荷重を支持するオイル浮動式のジャーナルすべり軸受である。すべり軸受４３の小筒部４３ａが転がり軸受４２の内輪に嵌め込まれており、すべり軸受４３の円筒部４３ｂが軸受取り付け用孔４１ａのうち後ろ側の弾性接触片部分に嵌め込まれている。特に、すべり軸受４３の円筒部４３ｂは油膜を介してシャフト７２の前端部を軸支するとともに、円筒部４３ｂは油膜を介してハウジング４１の一部に軸支されている。すべり軸受４３が、内周面にティルティングパッドを有したティルティングパッド軸受であっても良いし、内周面に浮動ブッシュを有した浮動ブッシュ軸受であっても良いし、ティルティングパッドのみを有したティルティングパッド軸受であっても良い。
【００４４】
また、転がり軸受４２の振動を抑制するために、転がり軸受４２の内輪をすべり軸受４３の外面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるか、又は、転がり軸受４２の外輪をハウジング４１の内面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるのが望ましい。勿論、転がり軸受４２が油膜を介してハウジング４１に軸支されるとともにすべり軸受４３が油膜を介して転がり軸受４２に軸支されていても良い。
【００４５】
シャフト７２の前端部は突端側が径の小さい段付き形状に形成されており、シャフト７２の前端部の径の小さい部分がすべり軸受４３の小筒部４３ａに挿入され、シャフト７２の前端部の径の大きい部分がすべり軸受４３の円筒部４３ｂに同様に挿入されている。そして、シャフト７２の前端部がすべり軸受４３によって軸支されている。
【００４６】
シャフト７２のラジアル方向に働く荷重はすべり軸受４３によって受けられ、すべり軸受４３のラジアル方向に働く荷重は転がり軸受４２によって受けられるようになっている。特に、シャフト７２の荷重が軽荷重の場合には、シャフト７２の荷重はすべり軸受４３を介して転がり軸受４２に受けられ、シャフト７２の荷重が高荷重の場合には、シャフト７２の荷重はすべり軸受４３と転がり軸受４２の両方に受けられる。従って、軽荷重の場合には、各軸受４２，４３の回転速度は低減する。
【００４７】
シャフト７２の前端には、シャフトと同期して回転するよう構成された定容量式のポンプ（以下、ダイレクトドライブポンプという）４５が設けられており、このダイレクトドライブポンプ４５は軸受取り付け用孔４１ａのうち前側の径の小さな部分に配置されている。このダイレクトドライブポンプ４５は、シャフト７２に直結した駆動マグネット、駆動マグネットに非接触でカップリングした従動マグネット、従動マグネットに直結したインペラ等から構成されている。このダイレクトドライブポンプ４５は、シャフト７２の回転動作に伴って直接駆動されることによって、第一のダクト３２を通じてオイル室２０ｂからオイル２６を吸引し、ハウジング４１の軸受取り付け用孔４１ａ内に供給するものである。
【００４８】
また、図１に示すように、ハウジング４１と本体部７１との間において、円盤状の溝を有した油ふりきりディスク７４がハウジング４１に対向するようにシャフト７２に取り付けられており、軸受取り付け用孔４１ａに供給されたオイル２６がハウジング４１の軸受取り付け用孔４１ａから油ふりきりディスク７４に向かって飛散するようになっている。油ふりきりディスク７４に飛散したオイル２６は自重によってオイル室２０ｂに至るようになっている。なお、軸受取り付け用孔４１ａから飛散したオイル２６が油ふりきりディスク７４で受けられることによって、オイル２６が本体７１、永久磁石７３に付着することが防止でき、回転体７０の回転損失を抑えることができる。
【００４９】
図３を参照して後部軸受ユニット５０について詳細に説明する。図５は、後部軸受ユニット５０の縦断面図である。
図２に示すように、後部軸受ユニット５０は、ハウジング５１と、転がり軸受５２と、すべり軸受５３と、から構成されており、前部軸受ユニット４０と同様に構成されている。
【００５０】
ハウジング５１は後ろ蓋部２３の中央部から減圧空気室２０ａ内に向かって突出形成されており、ハウジング５１の中央部には軸受取り付け用孔５１ａが形成されている。軸受取り付け用孔５１ａは、後ろ側の内径が小さく且つ前側の内径が大きくなった段状に形成されている。なお、第二のダクト３３は軸受取り付け用孔５１ａまで通じており、オイル２６が軸受取り付け用孔５１ａに供給されるようになっており、ダクト３７は軸取り付け用孔５１ａからステータ室２０ｃまで通じており、オイル２６がステータ室２０ｃに供給されるようになっている。
【００５１】
転がり軸受５２は、軸受取り付け用孔５１ａのうち前側の径の大きな部分の底側に嵌め込まれている。この転がり軸受５２は、ラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受であり、ラジアル玉軸受であっても良いし、ラジアルころ軸受であっても良い。
【００５２】
すべり軸受５３は、３円弧等の多円弧円に形成された小筒部５３ａと、弾性接触片を有する円筒部５３ｂとを一体に形成したものであり、ラジアル方向の荷重を支持するオイル浮動式のジャーナルすべり軸受である。すべり軸受５３の小筒部５３ａが転がり軸受５２の内輪に嵌め込まれており、すべり軸受５３の円筒部５３ｂが軸受取り付け用孔５１ａのうち前側の弾性接触片部分に嵌め込まれている。特に、すべり軸受５３の円筒部５３ｂは油膜を介してシャフト７２の後端部を軸支するとともに、円筒部５３ｂは油膜を介してハウジング５１の一部に軸支されている。すべり軸受５３は、前側のすべり軸受４３と同様にティルティングパッド軸受であっても良いし、浮動ブッシュ軸受であっても良い。
【００５３】
また、転がり軸受５２の振動を抑制するために、転がり軸受５２の内輪をすべり軸受５３の外面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるか、又は、転がり軸受５２の外輪をハウジング５１の内面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるのが望ましい。勿論、転がり軸受け５２が油膜を介してハウジング５１に軸支されるとともにすべり軸受５３が油膜を介して転がり軸受５２に軸支されていても良い。
【００５４】
シャフト７２の後端部は突端側が径の小さい段付き形状に形成されており、シャフト７２の後端部の径の小さい部分がすべり軸受５３の小筒部５３ａに挿入され、シャフト７２の後端部の径の大きい部分がすべり軸受５３の円筒部５３ｂに同様に挿入されている。シャフト７２の後ろ端部がすべり軸受５３によって軸支されている。
【００５５】
シャフト７２のラジアル方向に働く荷重はすべり軸受５３によって受けられ、すべり軸受５３のラジアル方向に働く荷重は転がり軸受５２によって受けられるようになっている。
【００５６】
シャフト７２の前端には、シャフトと同期して回転するよう構成された低容量式のダイレクトドライブポンプ５５が設けられている。このダイレクトドライブポンプ５５も、シャフト７２に直結した駆動マグネット、駆動マグネットに非接触でカップリングした従動マグネット、従動マグネットに直結したインペラ等から構成されている。このダイレクトドライブポンプ５５は、シャフト７２の回転動作に伴って直接駆動されることによって、第二のダクト３３を通じてオイル室２０ｂからオイル２６を吸引し、ハウジング５１の軸受取り付け用孔５１ａ内に供給するものである。
【００５７】
また、図１に示すように、ハウジング５１と本体部７１との間において、円盤状の溝を有した油ふりきりディスク７５がハウジング５１に対向するようにシャフト７２に取り付けられており、軸受取り付け用孔５１ａに供給されたオイル２６がハウジング５１の軸受取り付け用孔５１ａから油ふりきりディスク７５に向かって飛散するようになっている。なお、軸受取り付け用孔５１ａから飛散したオイル２６が油ふりきりディスク７５で受けられることによって、オイル２６が本体７１、永久磁石７３に付着することが防止でき、回転体７０の回転損失を抑えることができる。
【００５８】
前部軸受ユニット４０には、単位時間当たりのシャフト７２の回転数（以下、単位時間当たりに回転数を回転速度という。）を検知する回転速度センサ４６が設けられており、後部軸受ユニット５０には、シャフト７２の回転速度を検知する回転速度センサ５６が設けられている。なお、回転速度センサ４６の代わりに、前部軸受ユニット４０中のオイル２６の油温を検知する油温センサを設けても良いし、回転速度センサ５６の代わりに後部軸受ユニット５０中のオイル２６の油温を検知する油温センサを設けても良い。
【００５９】
図示はしないが、このフライホイール蓄電装置１は全体を制御する制御装置を具備しており、この制御装置は気圧センサ３６によって検知された気圧に応じて真空ポンプ３５を制御して、減圧空気室２０ａの気圧を一定の亜真空圧に維持するようになっている。また、この制御装置は、電気センサ６３によってゼロより大きい電流・電圧が検知された場合にオイルポンプ３１を作動させるとともに、回転速度センサ４６，５６によって所定以上の回転速度が検知された場合にオイルポンプ３１を停止させるようになっている。なお、電気センサ６３の代わりに回転速度センサを設けた場合、制御装置は回転速度センサによってシャフト７２の回転開始を検知した場合にオイルポンプ３１を作動させるとともに、その回転速度センサによって所定以上の回転速度が検知された場合にオイルポンプ３１を停止させるようになっている。
【００６０】
次に、フライホイール蓄電装置１の動作について説明する。
初期状態では、真空ポンプ３５によって減圧空気室２０ａが亜真空圧に保たれ、回転体７０が停止しており、オイルポンプ３１も停止している。この状態にある時に外部装置からステータ６０の導線６２に電圧が印加されると、電気センサ６３により電流・電圧が検知され、オイルポンプ３１が制御装置により作動させられる。オイルポンプ３１の作動によって、オイル２６はオイル室２０ｂ、第一のダクト３２、軸受取り付け用孔４１ａ、オイル室２０ｂの順に循環し、オイル室２０ｂ、第二のダクト３３、軸取り付け用孔５１ａ、オイル室２０ｂの順にも循環し、更にオイル室２０ｂ、第二のダクト３３、軸取り付け用孔５１ａ、ダクト３７、ステータ室２０ｃ、オイル室２０ｂの順にも循環する。
【００６１】
軸受取り付け用孔４１ａにオイル２６が供給されると、シャフト７２とすべり軸受４３との隙間、すべり軸受４３と転がり軸受４２との隙間、すべり軸受４３とハウジング４１との隙間、その他の前部軸受ユニット４０の隙間にオイル２６の油膜が形成される。更に、すべり軸受４３が油圧によって転がり軸受４２及びハウジング４１に対して浮動状態となるとともにシャフト７２が油圧によってすべり軸受４３に対して浮動状態となる。後部軸受ユニット５０でも同様に、すべり軸受５３が油圧によって転がり軸受５２及びハウジング５１に対して浮動状態となるとともにシャフト７２が油圧によってすべり軸受５３に対して浮動状態となる。
【００６２】
一方、導線６２に流れた電流により発生したステータ６０の磁界と永久磁石７３とによって、回転体７０が回転するが、シャフト７２、すべり軸受４３及びすべり軸受５３が浮動状態にあるため、摩擦損失が非常に少ない。そのため、すべり軸受４３，５３、転がり軸受４２，５２及びシャフト７２に焼き付きが生じず、シャフト７２を滑らかに回転させることができる。
【００６３】
オイルポンプ３１によってオイル２６が循環した状態で回転体７０が加速して回転し、回転体７０の回転速度が所定以上になったことが回転速度センサ４６，５６によって検知されたら、オイルポンプ３１が制御装置によって停止される。オイルポンプ３１が停止してもダイレクトドライブポンプ４５，５５が回転体７０の回転動作に伴って直接駆動されているので、オイル２６の循環は引き続き行われている。このように、ダイレクトドライブポンプ４５，５５はシャフト７２の回転に伴って駆動されるので、シャフト７２の回転運動エネルギーをダイレクトドライブポンプ４５，５５の駆動に有効利用することができる。
【００６４】
回転している回転体７０は大きな慣性力を有し、ステータ６０に供給された電気エネルギーが回転体７０の運動エネルギーに変換される。ここで、減圧空気室２０ａが亜真空圧に保たれている上、回転体７０のシャフト７２が前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０によって低摩擦状態で軸支されているから、外部装置から電気の供給が停止されても回転体７０を長時間回転し続けることができる。また、シャフト７２、すべり軸受４３及びすべり軸受５３が浮動状態にあるため、シャフト７２が高速に回転しても、すべり軸受４３及びすべり軸受５３がシャフト７２より低速に回転し、更に、転がり軸受４２及び転がり軸受５２の内輪がすべり軸受４３及びすべり軸受５３よりも低速に回転する。そのため、すべり軸受４３，５３よりも高速回転に対して損傷しやすい転がり軸受４２，５２を保護することができ、回転体７０をより高速に回転させることができ、より高いエネルギーをフライホイール蓄電装置１に貯蓄することができる。
【００６５】
回転体７０が回転している時に、外部装置からの電気の供給が停止された場合、回転している永久磁石７３によってステータ６０に電気エネルギーが発生し、導線６２からは電気エネルギーが外部装置に供給される。回転体７０が回転し続けている間中、電気エネルギーが外部装置に供給され続け、フライホイール蓄電装置１が発電機として機能する。
【００６６】
以上のように、高速回転に対して耐久性の高いすべり軸受４３，５３で回転体７０のシャフト７２を支持するため、回転体７０が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体７０を安定して支持することができる。更に、すべり軸受４３，５３を転がり軸受４２，５２で支持しているため、水平なシャフト７２を転がり軸受４２，５２で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受４２，５２にかかり難く、転がり軸受４２，５２の短寿命化を防ぐことができる。
【００６７】
また、すべり軸受４３，５３に転がり軸受４２，５２を併用しているため、すべり軸受４３，５３の表面の油膜が途切れにくく、大荷重ですべり摩擦が生じても主に転がり軸受４２，５２によって支持が行われるため、すべり軸受４３，５３に焼き付けが生じない。
【００６８】
また、回転体７０の回転開始時には回転速度も遅く、ダイレクトドライブポンプ４５，５５によるオイル２６の吸引力も低いが、回転体７０の回転開始時にオイルポンプ３１によってオイルが軸受ユニット５０，５０に供給されるから、回転体７０の回転開始時にダイレクトドライブポンプ４５，５５が低速で動作していても、すべり軸受４３，５３及び転がり軸受４２，５２に焼き付きが生じることがない。
即ち、オイルポンプ３１は回転体７０の低速回転時に不足する油量を補助的に補う。つまり、ダイレクトドライブポンプ４５，５５の送油量は回転速度に比例し、ダイレクトドライブポンプ４５，５５だけでは低速回転時には油量が少なく、すべり軸受４３，５３の潤滑に必要な油量のオイル２６を供給できないが、ダイレクトドライブポンプ４５，５５から十分な油量を回転速度になるまで、オイルポンプ３１で不足する油量を補うことができる。
【００６９】
また、オイル２６が循環されているので、軸受ユニット４０，５０及びステータ６０を効率よく冷却することができる。
【００７０】
次に、フライホイール蓄電装置１の利用方法について説明する。フライホイール蓄電装置１は、エネルギー貯蔵時には電気エネルギーを回転体７０の回転運動エネルギーに変換し、エネルギー供給時には回転体７０の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるから、このようなフライホイール蓄電装置１を自動車、電車等の車両に設けることによってエネルギーの有効活用が実現される。
【００７１】
図４は、二つのフライホイール蓄電装置１，１を搭載した車両１０１を示した図面である。図４に示すように、フライホイール蓄電装置１，１が車両１０１の後部座席１０２の下方に搭載されている。フライホイール蓄電装置１，１と、後部座席１０２の後方に配置された燃料タンク１０３と、フロントのエンジンルームにあるエンジン１０４との配置位置関係によって、車両１０１の重量配分のバランスが良くなっている。また、フライホイール蓄電装置１，１は上述したように横置きであり、フライホイール蓄電装置１，１は回転体７０の回転軸心が実質的に水平となるように車両１０１に搭載されている。フライホイール蓄電装置１，１が横置きであるため、車両１０１の高さが低く、車両１０１を安定して走行させることができる。
【００７２】
ここで、図５は、車両１０１に搭載されたフライホイール蓄電装置１，１のうち回転体７０の本体部７１及びシャフト７２を主に示したものであるが、二つの回転体７０，７０の回転軸心が互いに平行となるようにフライホイール蓄電装置１，１が車両１０１に搭載されている。回転体７０，７０の回転軸心が車両１０１の進行方向に対して直交するようにフライホイール蓄電装置１，１が車両１０１に搭載されており、従ってシャフト７２，７２が車両１０１の左右方向に延在している。また、車両１０１の左右方向の重量バランスが良くなるように、二つの本体部７１、７１が左右に互い違いとなっており、一方のフライホイール蓄電装置１の前部軸受ユニット４０が車両１０１の右側に配置され、他方のフライホイール蓄電装置１の前部軸受ユニット４０が車両１０１の左側に配置されている。
【００７３】
また、一方のフライホイール蓄電装置１の回転体７０の回転向きは他方のフライホイール蓄電装置１の回転体７０の回転向きに対して反対となるように設けられている。二つの回転体７０，７０の回転向きが相反することによって、モーメント（ジャイロモーメント）が相殺され、回転体７０，７０の回転が車両１０１の挙動に大きな影響を与えなくなり、車両１０１の剛性が低くてもフライホイール蓄電装置１，１を支持することができる。
【００７４】
また、二つの回転体７０，７０の回転向きが相反することによって、ジャイロモーメントが相殺され外部に作用しないが、それぞれの回転体７０，７０を支えている軸受ユニット４０，５０にはジャイロモーメントの力を直接支持しなければならないので、軸受ユニット４０，５０に過大な負荷がかかりやすい。しかしながら、本実施形態では軸受ユニット４０，５０に、すべり軸受４３，５３と転がり軸受４２，５２とを併用しているため、すべり軸受４３，５３の表面の油膜が途切れにくく、大荷重ですべり摩擦が増大すると主に転がり軸受４２，５２によって支持が行われるため、すべり軸受４３，５３に焼き付けが生じない。
【００７５】
車両１０１の使用方法としては、車両１０１の運行前にフライホイール蓄電装置１，１に電気を供給して、所定の回転速度で回転をさせる。回転体７０，７０が所定の回転速度になったところで、電気の供給を停止することにより、フライホイール蓄電装置１，１は貯蔵された運動エネルギーを用いた発電機として作動することとなる。この発電機として作動するフライホイール蓄電装置１，１で発電した電気は、車両１０１の発進時に必要なエネルギーの補助として利用され、発進した後にも車両１０１の加速時に必要なエネルギーの補助として利用される。このように、フライホイール蓄電装置１，１で発電した電気を車両１０１の発進時あるいは加速時のエネルギーとして利用した場合、回転体７０，７０の回転運動エネルギーが車両の発進時あるいは加速時のエネルギーに変換されることになるため、回転体７０，７０の回転速度が下がることになる。
【００７６】
次に、走行している車両１０１を減速させる場合には、車両１０１に備えられた回生ブレーキ（図示略）により減速させる。この回生ブレーキは、摩擦ブレーキのように摩擦力によって車両１０１を減速させるものではなく、車両１０１の走行のエネルギーを電気エネルギーに変換することにより、車両１０１を減速させるものである。この回生ブレーキによって発電された電気をフライホイール蓄電装置１，１に供給することにより、回転体７０，７０の下がった回転速度が再び上がることとなる。このように、減速する際のエネルギーが回転体７０，７０の回転運動エネルギーに変換されて貯蔵されることとなる。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
【００７８】
例えば、二つのフライホイール蓄電装置１，１を車両１０１に搭載するに際して、ケーシング２０を共通しても良い。つまり、一つのケーシング２０の減圧空気室２０ａに二つの回転体７０、７０を配置させ、それぞれの回転体７０に対してステータ６０、前部軸受ユニット４０、後部軸受ユニット５０を上述したように設ける。この場合であっても、二つの回転体７０，７０の回転軸心を互いに平行とし、回転体７０，７０の回転軸心を車両の進行方向に対して直交させ、更に、二つの回転体７０，７０の回転向きを相反させる。
【００７９】
また、電車の車両にフライホイール蓄電装置１，１を搭載する場合も、図４の四輪自動車の場合と同様に、二つの回転体７０，７０の回転軸心を互いに平行とし、回転体７０，７０の回転軸心を車両の進行方向に対して直交させ、更に、二つの回転体７０，７０の回転向きを相反させる。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、鉛直方向に交差するシャフトを転がり軸受で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受にかかり難く、転がり軸受の短寿命化を防ぐことができる。また、回転体が高速に回転している場合でも、すべり軸受の回転速度はシャフトの回転速度よりも遅くなり、転がり軸受の回転速度はすべり軸受の回転速度よりも更に遅くなるから、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
また、すべり軸受と転がり軸受を採用しているため、すべり軸受と転がり軸受との間に生じたすべり摩擦が大きくなっても、転がり軸受によって支持が行われるため、軸受ユニットに焼き付けが生じない。
【００８１】
請求項２に記載の発明によれば、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
【００８２】
請求項３に記載の発明によれば、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
【００８３】
請求項４に記載の発明によれば、すべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じず、シャフトを滑らかに回転させることができ、ダイレクトドライブポンプを駆動するための他の駆動源を必要としない。
【００８４】
請求項５に記載の発明によれば、回転開始時においてシャフトの回転速度が遅くとも、オイルポンプによってオイルが軸受ユニットに供給されるから、シャフトの回転開始時にすべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じることがない。また、シャフトの回転速度が所定以上になればオイルポンプが停止するため、オイルポンプを長く用いることができるとともにオイルポンプでの消費エネルギーを減らすことができる。
【００８５】
請求項６に記載の発明によれば、オイルが循環し、軸受ユニットをオイルで効率よく冷却することができる。
【００８６】
請求項７に記載の発明によれば、ステータがオイルによって冷却される。
【００８７】
請求項８に記載の発明によれば、オイルが循環し、ステータをオイルで効率よく冷却することができる。
【００８８】
請求項９に記載の発明によれば、平行な二つの回転体のモーメントが相殺され、フライホイール蓄電装置を支える台等の剛性が比較的低くても、フライホイール蓄電装置を安定して支持することができる。
【００８９】
請求項１０に記載の発明によれば、フライホイール蓄電装置を車両に搭載した場合でも、車両全体の高さが高くならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたフライホイール蓄電装置を示した断面図である。
【図２】図１のフライホイール蓄電装置に備わった前部軸受ユニットを示した断面図である。
【図３】図１のフライホイール蓄電装置に備わった後部軸受ユニットを示した断面図である。
【図４】図１のフライホイール蓄電装置を搭載した車両を示した側面図である。
【図５】二つのフライホイール蓄電装置を搭載した状態を示した図面である。
【符号の説明】
１ … フライホイール蓄電装置
２０ … ケーシング
３１ … オイルポンプ
３６ … 気圧センサ
４０ … 前部軸受ユニット
４２、５２ … 転がり軸受
４３、５３ … すべり軸受
４５、５５ … ダイレクトドライブポンプ
５０ … 後部軸受ユニット
６０ … ステータ
６３ … 回転センサ
７０ … 回転体
７２ … シャフト
７３ … 永久磁石
７４ … 油ふりきりディスク
７５ … 油ふりきりディスク
８０ … 油温センサ
１０１ … 車両
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーを回転体の回転運動エネルギーに変換すると共に必要に応じて回転体の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換するフライホイール蓄電装置及び該フライホイール蓄電装置を搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーとして蓄え、必要時にフライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して外部に供給するようにしたフライホイール蓄電装置が知られている。このフライホイール蓄電装置として、ほぼ鉛直方向の軸を中心としてフライホイールを回転させるようにしたいわゆる縦型フライホイール蓄電装置があり、フライホイールの回転軸を軸受によって上下の二箇所で支持することが一般的に採用されており、特に軸受としてボールベアリングを用いている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３２２５３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フライホイールを水平方向の軸を中心として回転させるようにした横型のフライホイール蓄電装置が小型車用の蓄電装置として要望されている。しかしながら、フライホイールの回転軸を水平にした場合、ボールベアリングに予期せぬ荷重がかかり、ボールベアリングの寿命が短くなることがある。また、ボールベアリングでは高速回転の長時間運転に寿命の限界があり、頻繁に交換を要する。また、ボールベアリングの寿命を重視するために横型のフライホイールを高速に回転させないと、蓄える電気エネルギーが必ずしも大きくない。
【０００５】
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、フライホイールを横置きにした場合でも軸受の短寿命化を防ぐことができ且つフライホイールをより高速に回転させることができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
シャフトを有する回転体と、鉛直方向に交差する方向の軸回りに回転自在に前記シャフトを支持する軸受ユニットと、前記シャフトと同軸になって前記回転体に取り付けられた永久磁石と、前記永久磁石の外側に配置されたステータと、前記回転体、前記軸受ユニット、前記永久磁石及び前記ステータの外側を覆ったケーシングと、を備え、前記ステータ及び前記永久磁石によって前記ステータの電気エネルギーと前記回転体の回転エネルギーとを可逆的に変換可能に設けられたフライホイール蓄電装置において、
前記軸受ユニットは、前記シャフトのラジアル方向に働く荷重を受けるすべり軸受と、前記すべり軸受のラジアル方向に働く荷重を受ける転がり軸受と、を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、低速回転に対して回転抵抗の少ない転がり軸受と高速回転に対して耐久性の高いすべり軸受とで回転体のシャフトを支持するため、二種類の軸受に対するシャフトの荷重と回転速度とを減らして分担することができ、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。更に、すべり軸受を転がり軸受で支持しているため、鉛直方向に交差するシャフトを転がり軸受で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受にかかった場合に、すべり軸受で荷重を分担するので、転がり軸受の短寿命化を防ぐことができる。
また、回転体が高速に回転している場合でも、すべり軸受の回転速度はシャフトの回転速度よりも遅くなり、転がり軸受の回転速度はシャフトとすべり軸受との回転速度差よりも更に遅くなる。そのため、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり、両軸受にかかる回転速度と荷重を低減し、回転体を安定して支持することができる。更に、両軸受に加わる荷重が増大した場合は、すべり軸受の弾性変形によって、転がり軸受に対する荷重の増加分がすべり軸受側に付与されるので、同様の効果を奏する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットが前記ケーシングに設けられたハウジングを有し、前記転がり軸受がハウジングに支持され、前記すべり軸受の一部が油膜を介してハウジングに軸支され、前記シャフトの一部が油膜を介して前記すべり軸受に軸支されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏し、回転体が高速で回転する場合でも、長時間にわたり回転体に加わる負荷を低減して、回転体を安定して支持することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットが二つ設けられ、前記シャフトの一方の端部は一方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支され、前記シャフトの他方の端部は他方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏し、回転体が高速で回転する場合でも、長時間にわたり回転体に加わる負荷を低減して、回転体を安定して支持することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記シャフトの回転に伴って直接駆動されるダイレクトドライブポンプが前記シャフトの端部に設けられており、前記ダイレクトドライブポンプの駆動によって前記ケーシングの下側に貯留したオイルを吸い上げて前記軸受ユニットに供給するように構成されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、オイルがダイレクトドライブポンプによって軸受ユニットに供給されるので、すべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じず、シャフトを滑らかに回転させることができる。また、ダイレクトドライブポンプは他の動力源によって駆動されるのではなく、シャフトの回転に伴って駆動されるので、他の駆動源を必要としない。つまり、シャフトの回転運動エネルギーを有効利用することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のフライホイール蓄電装置において、前記ケーシングの下側に起動用のオイルポンプが配置され、該オイルポンプは前記シャフトの回転開始時に前記ケーシングの下側に貯留したオイルを前記軸受ユニットに供給するとともに前記シャフトの回転速度が所定以上となった場合にオイルの供給を停止するように設けられたことを特徴とする。
【００１５】
シャフトの回転開始時には回転速度も遅く、ダイレクトドライブポンプによるオイルの吸引力も低いから、軸受ユニットに十分なオイルを供給できない恐れがある。しかしながら、請求項５に記載の発明では、シャフトの回転開始時に、ダイレクトドライブポンプとは別に設けたオイルポンプによってオイルが軸受ユニットに供給されるから、シャフトの回転開始時にすべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じることがない。また、シャフトの回転速度が所定以上になれば、オイルポンプによるオイルの供給が停止するが、ダイレクトドライブポンプの吸引力も高くなり、軸受ユニットに十分なオイルが供給される。ここで、シャフトの回転速度が所定以上になればオイルポンプが停止しているため、オイルポンプの寿命を長くすることができるとともにオイルポンプでの消費エネルギーを減らすことができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、軸受ユニットに供給されたオイルがケーシング内に戻るため、オイルが循環する。循環中で軸受ユニットがオイルによって冷却されて、暖まったオイルは軸受ユニット以外では自然冷却する。そのため、軸受ユニットを効率よく冷却することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項４から６の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ステータに供給されるように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、軸受ユニットに供給されたオイルがステータに供給されるため、ステータがオイルによって冷却される。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のフライホイール蓄電装置において、前記ステータに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、ステータに供給されたオイルがケーシング内に戻るため、オイルが循環する。循環中でステータがオイルによって冷却されて、暖まったオイルはステータ及び軸受ユニット以外では自然冷却する。そのため、ステータを効率よく冷却することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置において、前記回転体が二つ互いに平行に並べて設けられ、一方の回転体の回転向きが他方の回転体の回転向きの反対となるように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、平行な二つの回転体の回転向きが反対になることによって、モーメントが相殺される。そのため、フライホイール蓄電装置を支える台等の剛性が比較的低くても、フライホイール蓄電装置を安定して支持することができる。また、フライホイール装置を車両等に搭載した場合、回転体によって生じるモーメントが相殺されるので、車両の挙動に悪影響を及ぼすことがない。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置を搭載した車両である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明では、回転体のシャフトが鉛直方向に交差しているため、フライホイール蓄電装置を車両に搭載した場合でも、車両全体の高さが高くならない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００２７】
図１には、本発明を適用した横型のフライホイール蓄電装置１を示した断面図である。以下の説明において、水平方向とは、重力の働く鉛直方向に対して直交する方向である。
【００２８】
図１に示すように、このフライホイール蓄電装置１はケーシング２０を備え、このケーシング２０の内側に種々の部材・機構が取り付けられて構成されている。
【００２９】
ケーシング２０は、略水平に横置きにされた円筒部２１と、円筒部２１の前側開口部を閉塞した前蓋部２２と、円筒部２１の後ろ側開口部を閉塞した後ろ蓋部２３と、から構成されている。円筒部２１、前蓋部２２及び後ろ蓋部２３によって囲まれた内部空間が形成されている。
【００３０】
円筒部２１の内側には略水平な仕切り壁２４が形成されており、この仕切り壁２４によってケーシング２０内の内部空間が上側の減圧空気室２０ａと下側のオイル室２０ｂとに区画されている。仕切り壁２４の前後方向の全長は円筒部２１の前後方向の全長よりも短く、減圧空気室２０ａとオイル室２０ｂが通じている。なお、ケーシング２０内の内部空間が減圧空気室２０ａとオイル室２０ｂに区画されていなくても良い。
【００３１】
オイル室２０ｂには、潤滑及び冷却のためのオイル２６が貯留されている。また、オイル室２０ｂには、起動用のオイルポンプ３１が設けられている。更に、オイル室２０ｂには、オイル２６の温度を検知するオイルセンサ８０が設けられている。
【００３２】
円筒部２１の前端部の上側には、ケーシング２０内の気体を排気してケーシング２０内の気圧を減圧する真空ポンプ３５が設けられており、この真空ポンプ３５によって減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂの気圧が亜真空圧に保たれるようになっている。この真空ポンプ３５には図示しないオイル回収装置が備わっており、このオイル回収装置は排気の気体に含まれた噴霧状のオイルを気体から分離させてオイル室２０ｂに戻すように構成されている。また、真空ポンプ３５には減圧空気室２０ａ内の気圧を検知する気圧センサ３６が設けられており、この気圧センサ３６によって減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂの気圧が亜真空圧に一定に維持されるようになっている。
【００３３】
減圧空気室２０ａに臨んだ前蓋部２２の中央部には、油潤滑式の前部軸受ユニット４０が設けられており、減圧空気室２０ａに臨んだ後ろ蓋部２３の中央部には、油潤滑式の後部軸受ユニット５０が設けられている。ケーシング２０の内側には、オイルポンプ３１から前部軸受ユニット４０にまで通じた第一のダクト３２及びオイルポンプ３１から後部軸受ユニット５０にまで通じた第二のダクト３３が設けられており、オイルポンプ３１によってオイル室２０ｂ内のオイル２６が前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０に供給されるようになっており、オイル２６によって前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０の潤滑・冷却が行われるようになっている。なお、第一のダクト３２及び第二のダクト３３は図示しない逆止弁を介してオイル室２０ｂに通じており、これら逆止弁は、オイル室２０ｂからダクト３２，３３を通じて前部軸受ユニット４０、後部軸受ユニット５０に向かったオイル２６の流れを許容するとともに、オイルポンプ３１からダクト３２，３３を通じてオイル室２０ｂに向かったオイル２６の逆流を防止する。
【００３４】
断面コ字状の第二仕切り壁２５が円筒部２１の内面上側から仕切り壁２４の上面にかけて円筒部２１の周方向に沿って形成されており、円筒部２１、仕切り壁２４及び第二仕切り壁２５によって包囲されたリング状のステータ室２０ｃが前後方向における円筒部２１の中央よりやや後ろ側に形成されている。
【００３５】
ステータ室２０ｃにはステータ６０が配置されている。ステータ６０は鉄芯６１に導線６２をコイル状に巻き付けて構成され、導線６２の両端がケーシング２０から外に導出されて外部装置に接続されている。また、導線６２の一部が電気センサ６３に接続されており、この電気センサ６３によって導線６２の電流、電圧が検知されるようになっている。なお、電気センサ６３の代わり、回転速度センサを設け、後述する油ふりきりディスク７５の回転をこの回転速度センサで検知しても良い。
【００３６】
ケーシング２０の内側には、後部軸受ユニット５０からステータ室２０ｃにまで通じたダクト３７が設けられており、ダクト３６を通じてステータ室２０ｃ内にオイル２６が供給されてステータ６０の潤滑・冷却を行うようになっている。第二仕切り壁２５には貫通孔２５ａが形成されており、この貫通孔２５ａを通じてオイル２６がステータ室２０ｃから減圧空気室２０ａ及びオイル室２０ｂに排出されるようになっている。
【００３７】
また、円筒部２１の外周面には、突出した複数のヒートシンクフィン２１ａ，２１ａ，…が形成されており、フライホイール蓄電装置１全体（特に、オイル室２０ｂ内のオイル２６やステータ室２０ｃ内のオイル２６）の自然空冷がヒートシンクフィン２１ａ，２１ａ，…によって効率よく行われるようになっている。
【００３８】
減圧空気室２０ａには、合金材料又は複合繊維材料で形成された横置きの回転体（フライホイール）７０が配置されており、この回転体７０は前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０によって水平な前後方向の軸心回りに回転自在となって支持されている。詳細には、回転体７０は、略円柱状の本体部７１と、本体部７１に同心となって本体部７１に一体形成されたシャフト７２と、シャフト７２と同軸となってシャフト７２に取り付けられた円筒状の永久磁石７３とから構成されたものである。シャフト７２の前端部が前部軸受ユニット４０によって回転自在となって支持されており、シャフト７２の後端部が後部軸受ユニット５０によって回転自在となって支持されている。本体部７１は、前後方向におけるシャフト７２の中央よりやや前側に配置されている。
【００３９】
永久磁石７３は、前後方向におけるシャフト７２の中央よりやや後ろ側であってステータ６０に対応する位置に配置され、シャフト７２を挿入した状態でシャフト７２に固定されている。この永久磁石７３が電動発電機のロータとして機能し、永久磁石７３の外周側に配置されたステータ６０と永久磁石７３とから電動発電機が構成されている。
【００４０】
図２を参照して前部軸受ユニット４０について詳細に説明する。図２は、前部軸受ユニット４０の縦断面図である。
図２に示すように、前部軸受ユニット４０は、ハウジング４１と、転がり軸受４２と、すべり軸受４３と、から構成されている。
【００４１】
ハウジング４１は前蓋部２２の中央部から減圧空気室２０ａ内に向かって突出形成されており、ハウジング４１の中央部には軸受取り付け用孔４１ａが形成されている。軸受取り付け用孔４１ａは、前側の内径が小さく且つ後側の内径が大きくなった段状に形成されている。なお、第一のダクト３２は軸受取り付け用孔４１ａまで通じており、オイル２６が軸受取り付け用孔４１ａに供給されるようになっている。
【００４２】
転がり軸受４２は、軸受取り付け用孔４１ａの径の大きな部分の底側に嵌め込まれている。この転がり軸受４２は、ラジアル方向（半径方向）の荷重を支持するラジアル軸受であり、ラジアル玉軸受であっても良いし、ラジアルころ軸受であっても良い。
【００４３】
すべり軸受４３は、３円弧等の多円弧円に形成された小筒部４３ａと、弾性接触片を有する円筒部４３ｂとを一体に形成したものであり、ラジアル方向の荷重を支持するオイル浮動式のジャーナルすべり軸受である。すべり軸受４３の小筒部４３ａが転がり軸受４２の内輪に嵌め込まれており、すべり軸受４３の円筒部４３ｂが軸受取り付け用孔４１ａのうち後ろ側の弾性接触片部分に嵌め込まれている。特に、すべり軸受４３の円筒部４３ｂは油膜を介してシャフト７２の前端部を軸支するとともに、円筒部４３ｂは油膜を介してハウジング４１の一部に軸支されている。すべり軸受４３が、内周面にティルティングパッドを有したティルティングパッド軸受であっても良いし、内周面に浮動ブッシュを有した浮動ブッシュ軸受であっても良いし、ティルティングパッドのみを有したティルティングパッド軸受であっても良い。
【００４４】
また、転がり軸受４２の振動を抑制するために、転がり軸受４２の内輪をすべり軸受４３の外面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるか、又は、転がり軸受４２の外輪をハウジング４１の内面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるのが望ましい。勿論、転がり軸受４２が油膜を介してハウジング４１に軸支されるとともにすべり軸受４３が油膜を介して転がり軸受４２に軸支されていても良い。
【００４５】
シャフト７２の前端部は突端側が径の小さい段付き形状に形成されており、シャフト７２の前端部の径の小さい部分がすべり軸受４３の小筒部４３ａに挿入され、シャフト７２の前端部の径の大きい部分がすべり軸受４３の円筒部４３ｂに同様に挿入されている。そして、シャフト７２の前端部がすべり軸受４３によって軸支されている。
【００４６】
シャフト７２のラジアル方向に働く荷重はすべり軸受４３によって受けられ、すべり軸受４３のラジアル方向に働く荷重は転がり軸受４２によって受けられるようになっている。特に、シャフト７２の荷重が軽荷重の場合には、シャフト７２の荷重はすべり軸受４３を介して転がり軸受４２に受けられ、シャフト７２の荷重が高荷重の場合には、シャフト７２の荷重はすべり軸受４３と転がり軸受４２の両方に受けられる。従って、軽荷重の場合には、各軸受４２，４３の回転速度は低減する。
【００４７】
シャフト７２の前端には、シャフトと同期して回転するよう構成された定容量式のポンプ（以下、ダイレクトドライブポンプという）４５が設けられており、このダイレクトドライブポンプ４５は軸受取り付け用孔４１ａのうち前側の径の小さな部分に配置されている。このダイレクトドライブポンプ４５は、シャフト７２に直結した駆動マグネット、駆動マグネットに非接触でカップリングした従動マグネット、従動マグネットに直結したインペラ等から構成されている。このダイレクトドライブポンプ４５は、シャフト７２の回転動作に伴って直接駆動されることによって、第一のダクト３２を通じてオイル室２０ｂからオイル２６を吸引し、ハウジング４１の軸受取り付け用孔４１ａ内に供給するものである。
【００４８】
また、図１に示すように、ハウジング４１と本体部７１との間において、円盤状の溝を有した油ふりきりディスク７４がハウジング４１に対向するようにシャフト７２に取り付けられており、軸受取り付け用孔４１ａに供給されたオイル２６がハウジング４１の軸受取り付け用孔４１ａから油ふりきりディスク７４に向かって飛散するようになっている。油ふりきりディスク７４に飛散したオイル２６は自重によってオイル室２０ｂに至るようになっている。なお、軸受取り付け用孔４１ａから飛散したオイル２６が油ふりきりディスク７４で受けられることによって、オイル２６が本体７１、永久磁石７３に付着することが防止でき、回転体７０の回転損失を抑えることができる。
【００４９】
図３を参照して後部軸受ユニット５０について詳細に説明する。図５は、後部軸受ユニット５０の縦断面図である。
図２に示すように、後部軸受ユニット５０は、ハウジング５１と、転がり軸受５２と、すべり軸受５３と、から構成されており、前部軸受ユニット４０と同様に構成されている。
【００５０】
ハウジング５１は後ろ蓋部２３の中央部から減圧空気室２０ａ内に向かって突出形成されており、ハウジング５１の中央部には軸受取り付け用孔５１ａが形成されている。軸受取り付け用孔５１ａは、後ろ側の内径が小さく且つ前側の内径が大きくなった段状に形成されている。なお、第二のダクト３３は軸受取り付け用孔５１ａまで通じており、オイル２６が軸受取り付け用孔５１ａに供給されるようになっており、ダクト３７は軸取り付け用孔５１ａからステータ室２０ｃまで通じており、オイル２６がステータ室２０ｃに供給されるようになっている。
【００５１】
転がり軸受５２は、軸受取り付け用孔５１ａのうち前側の径の大きな部分の底側に嵌め込まれている。この転がり軸受５２は、ラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受であり、ラジアル玉軸受であっても良いし、ラジアルころ軸受であっても良い。
【００５２】
すべり軸受５３は、３円弧等の多円弧円に形成された小筒部５３ａと、弾性接触片を有する円筒部５３ｂとを一体に形成したものであり、ラジアル方向の荷重を支持するオイル浮動式のジャーナルすべり軸受である。すべり軸受５３の小筒部５３ａが転がり軸受５２の内輪に嵌め込まれており、すべり軸受５３の円筒部５３ｂが軸受取り付け用孔５１ａのうち前側の弾性接触片部分に嵌め込まれている。特に、すべり軸受５３の円筒部５３ｂは油膜を介してシャフト７２の後端部を軸支するとともに、円筒部５３ｂは油膜を介してハウジング５１の一部に軸支されている。すべり軸受５３は、前側のすべり軸受４３と同様にティルティングパッド軸受であっても良いし、浮動ブッシュ軸受であっても良い。
【００５３】
また、転がり軸受５２の振動を抑制するために、転がり軸受５２の内輪をすべり軸受５３の外面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるか、又は、転がり軸受５２の外輪をハウジング５１の内面に固定させて、弾性接触片を内面に設けるのが望ましい。勿論、転がり軸受け５２が油膜を介してハウジング５１に軸支されるとともにすべり軸受５３が油膜を介して転がり軸受５２に軸支されていても良い。
【００５４】
シャフト７２の後端部は突端側が径の小さい段付き形状に形成されており、シャフト７２の後端部の径の小さい部分がすべり軸受５３の小筒部５３ａに挿入され、シャフト７２の後端部の径の大きい部分がすべり軸受５３の円筒部５３ｂに同様に挿入されている。シャフト７２の後ろ端部がすべり軸受５３によって軸支されている。
【００５５】
シャフト７２のラジアル方向に働く荷重はすべり軸受５３によって受けられ、すべり軸受５３のラジアル方向に働く荷重は転がり軸受５２によって受けられるようになっている。
【００５６】
シャフト７２の前端には、シャフトと同期して回転するよう構成された低容量式のダイレクトドライブポンプ５５が設けられている。このダイレクトドライブポンプ５５も、シャフト７２に直結した駆動マグネット、駆動マグネットに非接触でカップリングした従動マグネット、従動マグネットに直結したインペラ等から構成されている。このダイレクトドライブポンプ５５は、シャフト７２の回転動作に伴って直接駆動されることによって、第二のダクト３３を通じてオイル室２０ｂからオイル２６を吸引し、ハウジング５１の軸受取り付け用孔５１ａ内に供給するものである。
【００５７】
また、図１に示すように、ハウジング５１と本体部７１との間において、円盤状の溝を有した油ふりきりディスク７５がハウジング５１に対向するようにシャフト７２に取り付けられており、軸受取り付け用孔５１ａに供給されたオイル２６がハウジング５１の軸受取り付け用孔５１ａから油ふりきりディスク７５に向かって飛散するようになっている。なお、軸受取り付け用孔５１ａから飛散したオイル２６が油ふりきりディスク７５で受けられることによって、オイル２６が本体７１、永久磁石７３に付着することが防止でき、回転体７０の回転損失を抑えることができる。
【００５８】
前部軸受ユニット４０には、単位時間当たりのシャフト７２の回転数（以下、単位時間当たりに回転数を回転速度という。）を検知する回転速度センサ４６が設けられており、後部軸受ユニット５０には、シャフト７２の回転速度を検知する回転速度センサ５６が設けられている。なお、回転速度センサ４６の代わりに、前部軸受ユニット４０中のオイル２６の油温を検知する油温センサを設けても良いし、回転速度センサ５６の代わりに後部軸受ユニット５０中のオイル２６の油温を検知する油温センサを設けても良い。
【００５９】
図示はしないが、このフライホイール蓄電装置１は全体を制御する制御装置を具備しており、この制御装置は気圧センサ３６によって検知された気圧に応じて真空ポンプ３５を制御して、減圧空気室２０ａの気圧を一定の亜真空圧に維持するようになっている。また、この制御装置は、電気センサ６３によってゼロより大きい電流・電圧が検知された場合にオイルポンプ３１を作動させるとともに、回転速度センサ４６，５６によって所定以上の回転速度が検知された場合にオイルポンプ３１を停止させるようになっている。なお、電気センサ６３の代わりに回転速度センサを設けた場合、制御装置は回転速度センサによってシャフト７２の回転開始を検知した場合にオイルポンプ３１を作動させるとともに、その回転速度センサによって所定以上の回転速度が検知された場合にオイルポンプ３１を停止させるようになっている。
【００６０】
次に、フライホイール蓄電装置１の動作について説明する。
初期状態では、真空ポンプ３５によって減圧空気室２０ａが亜真空圧に保たれ、回転体７０が停止しており、オイルポンプ３１も停止している。この状態にある時に外部装置からステータ６０の導線６２に電圧が印加されると、電気センサ６３により電流・電圧が検知され、オイルポンプ３１が制御装置により作動させられる。オイルポンプ３１の作動によって、オイル２６はオイル室２０ｂ、第一のダクト３２、軸受取り付け用孔４１ａ、オイル室２０ｂの順に循環し、オイル室２０ｂ、第二のダクト３３、軸取り付け用孔５１ａ、オイル室２０ｂの順にも循環し、更にオイル室２０ｂ、第二のダクト３３、軸取り付け用孔５１ａ、ダクト３７、ステータ室２０ｃ、オイル室２０ｂの順にも循環する。
【００６１】
軸受取り付け用孔４１ａにオイル２６が供給されると、シャフト７２とすべり軸受４３との隙間、すべり軸受４３と転がり軸受４２との隙間、すべり軸受４３とハウジング４１との隙間、その他の前部軸受ユニット４０の隙間にオイル２６の油膜が形成される。更に、すべり軸受４３が油圧によって転がり軸受４２及びハウジング４１に対して浮動状態となるとともにシャフト７２が油圧によってすべり軸受４３に対して浮動状態となる。後部軸受ユニット５０でも同様に、すべり軸受５３が油圧によって転がり軸受５２及びハウジング５１に対して浮動状態となるとともにシャフト７２が油圧によってすべり軸受５３に対して浮動状態となる。
【００６２】
一方、導線６２に流れた電流により発生したステータ６０の磁界と永久磁石７３とによって、回転体７０が回転するが、シャフト７２、すべり軸受４３及びすべり軸受５３が浮動状態にあるため、摩擦損失が非常に少ない。そのため、すべり軸受４３，５３、転がり軸受４２，５２及びシャフト７２に焼き付きが生じず、シャフト７２を滑らかに回転させることができる。
【００６３】
オイルポンプ３１によってオイル２６が循環した状態で回転体７０が加速して回転し、回転体７０の回転速度が所定以上になったことが回転速度センサ４６，５６によって検知されたら、オイルポンプ３１が制御装置によって停止される。オイルポンプ３１が停止してもダイレクトドライブポンプ４５，５５が回転体７０の回転動作に伴って直接駆動されているので、オイル２６の循環は引き続き行われている。このように、ダイレクトドライブポンプ４５，５５はシャフト７２の回転に伴って駆動されるので、シャフト７２の回転運動エネルギーをダイレクトドライブポンプ４５，５５の駆動に有効利用することができる。
【００６４】
回転している回転体７０は大きな慣性力を有し、ステータ６０に供給された電気エネルギーが回転体７０の運動エネルギーに変換される。ここで、減圧空気室２０ａが亜真空圧に保たれている上、回転体７０のシャフト７２が前部軸受ユニット４０及び後部軸受ユニット５０によって低摩擦状態で軸支されているから、外部装置から電気の供給が停止されても回転体７０を長時間回転し続けることができる。また、シャフト７２、すべり軸受４３及びすべり軸受５３が浮動状態にあるため、シャフト７２が高速に回転しても、すべり軸受４３及びすべり軸受５３がシャフト７２より低速に回転し、更に、転がり軸受４２及び転がり軸受５２の内輪がすべり軸受４３及びすべり軸受５３よりも低速に回転する。そのため、すべり軸受４３，５３よりも高速回転に対して損傷しやすい転がり軸受４２，５２を保護することができ、回転体７０をより高速に回転させることができ、より高いエネルギーをフライホイール蓄電装置１に貯蓄することができる。
【００６５】
回転体７０が回転している時に、外部装置からの電気の供給が停止された場合、回転している永久磁石７３によってステータ６０に電気エネルギーが発生し、導線６２からは電気エネルギーが外部装置に供給される。回転体７０が回転し続けている間中、電気エネルギーが外部装置に供給され続け、フライホイール蓄電装置１が発電機として機能する。
【００６６】
以上のように、高速回転に対して耐久性の高いすべり軸受４３，５３で回転体７０のシャフト７２を支持するため、回転体７０が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体７０を安定して支持することができる。更に、すべり軸受４３，５３を転がり軸受４２，５２で支持しているため、水平なシャフト７２を転がり軸受４２，５２で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受４２，５２にかかり難く、転がり軸受４２，５２の短寿命化を防ぐことができる。
【００６７】
また、すべり軸受４３，５３に転がり軸受４２，５２を併用しているため、すべり軸受４３，５３の表面の油膜が途切れにくく、大荷重ですべり摩擦が生じても主に転がり軸受４２，５２によって支持が行われるため、すべり軸受４３，５３に焼き付けが生じない。
【００６８】
また、回転体７０の回転開始時には回転速度も遅く、ダイレクトドライブポンプ４５，５５によるオイル２６の吸引力も低いが、回転体７０の回転開始時にオイルポンプ３１によってオイルが軸受ユニット５０，５０に供給されるから、回転体７０の回転開始時にダイレクトドライブポンプ４５，５５が低速で動作していても、すべり軸受４３，５３及び転がり軸受４２，５２に焼き付きが生じることがない。
即ち、オイルポンプ３１は回転体７０の低速回転時に不足する油量を補助的に補う。つまり、ダイレクトドライブポンプ４５，５５の送油量は回転速度に比例し、ダイレクトドライブポンプ４５，５５だけでは低速回転時には油量が少なく、すべり軸受４３，５３の潤滑に必要な油量のオイル２６を供給できないが、ダイレクトドライブポンプ４５，５５から十分な油量を回転速度になるまで、オイルポンプ３１で不足する油量を補うことができる。
【００６９】
また、オイル２６が循環されているので、軸受ユニット４０，５０及びステータ６０を効率よく冷却することができる。
【００７０】
次に、フライホイール蓄電装置１の利用方法について説明する。フライホイール蓄電装置１は、エネルギー貯蔵時には電気エネルギーを回転体７０の回転運動エネルギーに変換し、エネルギー供給時には回転体７０の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるから、このようなフライホイール蓄電装置１を自動車、電車等の車両に設けることによってエネルギーの有効活用が実現される。
【００７１】
図４は、二つのフライホイール蓄電装置１，１を搭載した車両１０１を示した図面である。図４に示すように、フライホイール蓄電装置１，１が車両１０１の後部座席１０２の下方に搭載されている。フライホイール蓄電装置１，１と、後部座席１０２の後方に配置された燃料タンク１０３と、フロントのエンジンルームにあるエンジン１０４との配置位置関係によって、車両１０１の重量配分のバランスが良くなっている。また、フライホイール蓄電装置１，１は上述したように横置きであり、フライホイール蓄電装置１，１は回転体７０の回転軸心が実質的に水平となるように車両１０１に搭載されている。フライホイール蓄電装置１，１が横置きであるため、車両１０１の高さが低く、車両１０１を安定して走行させることができる。
【００７２】
ここで、図５は、車両１０１に搭載されたフライホイール蓄電装置１，１のうち回転体７０の本体部７１及びシャフト７２を主に示したものであるが、二つの回転体７０，７０の回転軸心が互いに平行となるようにフライホイール蓄電装置１，１が車両１０１に搭載されている。回転体７０，７０の回転軸心が車両１０１の進行方向に対して直交するようにフライホイール蓄電装置１，１が車両１０１に搭載されており、従ってシャフト７２，７２が車両１０１の左右方向に延在している。また、車両１０１の左右方向の重量バランスが良くなるように、二つの本体部７１、７１が左右に互い違いとなっており、一方のフライホイール蓄電装置１の前部軸受ユニット４０が車両１０１の右側に配置され、他方のフライホイール蓄電装置１の前部軸受ユニット４０が車両１０１の左側に配置されている。
【００７３】
また、一方のフライホイール蓄電装置１の回転体７０の回転向きは他方のフライホイール蓄電装置１の回転体７０の回転向きに対して反対となるように設けられている。二つの回転体７０，７０の回転向きが相反することによって、モーメント（ジャイロモーメント）が相殺され、回転体７０，７０の回転が車両１０１の挙動に大きな影響を与えなくなり、車両１０１の剛性が低くてもフライホイール蓄電装置１，１を支持することができる。
【００７４】
また、二つの回転体７０，７０の回転向きが相反することによって、ジャイロモーメントが相殺され外部に作用しないが、それぞれの回転体７０，７０を支えている軸受ユニット４０，５０にはジャイロモーメントの力を直接支持しなければならないので、軸受ユニット４０，５０に過大な負荷がかかりやすい。しかしながら、本実施形態では軸受ユニット４０，５０に、すべり軸受４３，５３と転がり軸受４２，５２とを併用しているため、すべり軸受４３，５３の表面の油膜が途切れにくく、大荷重ですべり摩擦が増大すると主に転がり軸受４２，５２によって支持が行われるため、すべり軸受４３，５３に焼き付けが生じない。
【００７５】
車両１０１の使用方法としては、車両１０１の運行前にフライホイール蓄電装置１，１に電気を供給して、所定の回転速度で回転をさせる。回転体７０，７０が所定の回転速度になったところで、電気の供給を停止することにより、フライホイール蓄電装置１，１は貯蔵された運動エネルギーを用いた発電機として作動することとなる。この発電機として作動するフライホイール蓄電装置１，１で発電した電気は、車両１０１の発進時に必要なエネルギーの補助として利用され、発進した後にも車両１０１の加速時に必要なエネルギーの補助として利用される。このように、フライホイール蓄電装置１，１で発電した電気を車両１０１の発進時あるいは加速時のエネルギーとして利用した場合、回転体７０，７０の回転運動エネルギーが車両の発進時あるいは加速時のエネルギーに変換されることになるため、回転体７０，７０の回転速度が下がることになる。
【００７６】
次に、走行している車両１０１を減速させる場合には、車両１０１に備えられた回生ブレーキ（図示略）により減速させる。この回生ブレーキは、摩擦ブレーキのように摩擦力によって車両１０１を減速させるものではなく、車両１０１の走行のエネルギーを電気エネルギーに変換することにより、車両１０１を減速させるものである。この回生ブレーキによって発電された電気をフライホイール蓄電装置１，１に供給することにより、回転体７０，７０の下がった回転速度が再び上がることとなる。このように、減速する際のエネルギーが回転体７０，７０の回転運動エネルギーに変換されて貯蔵されることとなる。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
【００７８】
例えば、二つのフライホイール蓄電装置１，１を車両１０１に搭載するに際して、ケーシング２０を共通しても良い。つまり、一つのケーシング２０の減圧空気室２０ａに二つの回転体７０、７０を配置させ、それぞれの回転体７０に対してステータ６０、前部軸受ユニット４０、後部軸受ユニット５０を上述したように設ける。この場合であっても、二つの回転体７０，７０の回転軸心を互いに平行とし、回転体７０，７０の回転軸心を車両の進行方向に対して直交させ、更に、二つの回転体７０，７０の回転向きを相反させる。
【００７９】
また、電車の車両にフライホイール蓄電装置１，１を搭載する場合も、図４の四輪自動車の場合と同様に、二つの回転体７０，７０の回転軸心を互いに平行とし、回転体７０，７０の回転軸心を車両の進行方向に対して直交させ、更に、二つの回転体７０，７０の回転向きを相反させる。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、鉛直方向に交差するシャフトを転がり軸受で直接支持する場合よりも予期せぬ荷重が転がり軸受にかかり難く、転がり軸受の短寿命化を防ぐことができる。また、回転体が高速に回転している場合でも、すべり軸受の回転速度はシャフトの回転速度よりも遅くなり、転がり軸受の回転速度はすべり軸受の回転速度よりも更に遅くなるから、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
また、すべり軸受と転がり軸受を採用しているため、すべり軸受と転がり軸受との間に生じたすべり摩擦が大きくなっても、転がり軸受によって支持が行われるため、軸受ユニットに焼き付けが生じない。
【００８１】
請求項２に記載の発明によれば、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
【００８２】
請求項３に記載の発明によれば、回転体が高速で回転する場合でも長時間にわたり回転体を安定して支持することができる。
【００８３】
請求項４に記載の発明によれば、すべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じず、シャフトを滑らかに回転させることができ、ダイレクトドライブポンプを駆動するための他の駆動源を必要としない。
【００８４】
請求項５に記載の発明によれば、回転開始時においてシャフトの回転速度が遅くとも、オイルポンプによってオイルが軸受ユニットに供給されるから、シャフトの回転開始時にすべり軸受及び転がり軸受に焼き付きが生じることがない。また、シャフトの回転速度が所定以上になればオイルポンプが停止するため、オイルポンプを長く用いることができるとともにオイルポンプでの消費エネルギーを減らすことができる。
【００８５】
請求項６に記載の発明によれば、オイルが循環し、軸受ユニットをオイルで効率よく冷却することができる。
【００８６】
請求項７に記載の発明によれば、ステータがオイルによって冷却される。
【００８７】
請求項８に記載の発明によれば、オイルが循環し、ステータをオイルで効率よく冷却することができる。
【００８８】
請求項９に記載の発明によれば、平行な二つの回転体のモーメントが相殺され、フライホイール蓄電装置を支える台等の剛性が比較的低くても、フライホイール蓄電装置を安定して支持することができる。
【００８９】
請求項１０に記載の発明によれば、フライホイール蓄電装置を車両に搭載した場合でも、車両全体の高さが高くならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたフライホイール蓄電装置を示した断面図である。
【図２】図１のフライホイール蓄電装置に備わった前部軸受ユニットを示した断面図である。
【図３】図１のフライホイール蓄電装置に備わった後部軸受ユニットを示した断面図である。
【図４】図１のフライホイール蓄電装置を搭載した車両を示した側面図である。
【図５】二つのフライホイール蓄電装置を搭載した状態を示した図面である。
【符号の説明】
１ … フライホイール蓄電装置
２０ … ケーシング
３１ … オイルポンプ
３６ … 気圧センサ
４０ … 前部軸受ユニット
４２、５２ … 転がり軸受
４３、５３ … すべり軸受
４５、５５ … ダイレクトドライブポンプ
５０ … 後部軸受ユニット
６０ … ステータ
６３ … 回転センサ
７０ … 回転体
７２ … シャフト
７３ … 永久磁石
７４ … 油ふりきりディスク
７５ … 油ふりきりディスク
８０ … 油温センサ
１０１ … 車両
Claims (10)
- シャフトを有する回転体と、鉛直方向に交差する方向の軸回りに回転自在に前記シャフトを支持する軸受ユニットと、前記シャフトと同軸になって前記回転体に取り付けられた永久磁石と、前記永久磁石に対応して配置されたステータと、前記回転体、前記軸受ユニット、前記永久磁石及び前記ステータの外側を覆ったケーシングと、を備え、前記ステータ及び前記永久磁石によって前記ステータの電気エネルギーと前記回転体の回転エネルギーとを可逆的に変換可能に設けられたフライホイール蓄電装置において、
前記軸受ユニットは、前記シャフトのラジアル方向に働く荷重を受けるすべり軸受と、前記すべり軸受のラジアル方向に働く荷重を受ける転がり軸受と、を有することを特徴とするフライホイール蓄電装置。 - 前記軸受ユニットが前記ケーシングに設けられたハウジングを有し、前記転がり軸受がハウジングに支持され、前記すべり軸受の一部が油膜を介してハウジングに軸支され、前記シャフトの一部が油膜を介して前記すべり軸受に軸支されることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記軸受ユニットが二つ設けられ、前記シャフトの一方の端部は一方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支され、前記シャフトの他方の端部は他方の軸受ユニットのすべり軸受に軸支されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記シャフトの回転に伴って直接駆動されるダイレクトドライブポンプが前記シャフトの端部に設けられており、前記ダイレクトドライブポンプの駆動によって前記ケーシングの下側に貯留したオイルを吸い上げて前記軸受ユニットに供給するように構成されたことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記ケーシングの下側に起動用のオイルポンプが配置され、該オイルポンプは前記シャフトの回転開始時に前記ケーシングの下側に貯留したオイルを前記軸受ユニットに供給するとともに前記シャフトの回転速度が所定以上となった場合にオイルの供給を停止するように設けられたことを特徴とする請求項４に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする請求項４又は５に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記軸受ユニットに供給されたオイルが前記ステータに供給されるように構成されたことを特徴とする請求項４から６の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記ステータに供給されたオイルが前記ケーシング内に戻るように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のフライホイール蓄電装置。
- 前記回転体が二つ互いに平行に並べて設けられ、一方の回転体の回転向きが他方の回転体の回転向きの反対となるように構成されたことを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置。
- 請求項１から９の何れか一項に記載のフライホイール蓄電装置を搭載した車両。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003149838A JP2004357372A (ja) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | フライホイール蓄電装置及び車両 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003149838A JP2004357372A (ja) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | フライホイール蓄電装置及び車両 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004357372A true JP2004357372A (ja) | 2004-12-16 |
Family
ID=34045829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003149838A Pending JP2004357372A (ja) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | フライホイール蓄電装置及び車両 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004357372A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006266404A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Tottori Univ | ハイブリッド型直動案内装置 |
| JP2015186992A (ja) * | 2013-12-30 | 2015-10-29 | ユニバーシティー プトラ マレーシアＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉ Ｐｕｔｒａ Ｍａｌａｙｓｉａ | 電気エンジン |
| JP2018166403A (ja) * | 2010-08-25 | 2018-10-25 | クリーン ウェーブ テクノロジーズ， インコーポレイテッド | 電気機械及び電気機械の冷却方法 |
-
2003
- 2003-05-27 JP JP2003149838A patent/JP2004357372A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2015186992A (ja) * | 2013-12-30 | 2015-10-29 | ユニバーシティー プトラ マレーシアＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉ Ｐｕｔｒａ Ｍａｌａｙｓｉａ | 電気エンジン |
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