JP2005048829A

JP2005048829A - フライホイール及びそれを備えた蓄電装置

Info

Publication number: JP2005048829A
Application number: JP2003204650A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kondo; 弘之近藤
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】回転停止の回数によって影響を受けることなくフライホイールの良好な回転状態を長期間維持し、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換時のロスを少なくし、しかも長寿命化を図る。
【解決手段】ケーシング１２の減圧室１９内に設けたフライホイール１３の円筒状に形成された本体部２１の下端に下方側回転軸２５を設ける。下方側回転軸２５の下端を軸受部３５に支承させる。下方側回転軸２５の上端に周方向へ延在しかつ水平面に対して下方に傾斜された複数のアーム部を有する可動アーム２６を設ける。可動アーム２６の先端部を本体部２１の下端における内周面に連結させる。本体部２１の下方に、回転停止時に可動アーム２６が当接して本体部２１を回転可能に支持する支持軸受４１を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高速回転するフライホイール及びこのフライホイールを高速回転させることにより電力を回転エネルギーとして蓄える蓄電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー車両の蓄電媒体として、二次電池や燃料電池などが取り上げられているが、急速充放電を繰り返し行っても化学的劣化がなく、しかも、低コスト化が可能な蓄電媒体としてフライホイールを備えた蓄電装置が開発されており、大型ハイブリッドバスや地下鉄などのパワーアシスト用として実用化が進められている。
【０００３】
図５に示すように、この蓄電装置１は、ケーシング２内にフライホイール３を備えている。このフライホイール３は、その回転軸４の上下端が、軸受５、６に支承され、高速にて回転可能とされている。そして、このフライホイール３を減圧されて密閉されたケーシング２内にて高速回転させることにより電気エネルギーを運動エネルギーに変換して蓄え、必要時にその運動エネルギーを電気エネルギーに再変換して取り出すことができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
そして、このような構造の蓄電装置１では、フライホイール３の回転軸４を支承する軸受５、６としては、潤滑油の性能の向上に伴い、転がり軸受に代えて軽量でしかも疲労による保守が少ない動圧軸受が採用されつつある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−８８０４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、動圧軸受は、フライホイール３が高速回転している状態では、潤滑油の動圧作用により生じた油膜を介して非接触にて回転軸４を支承するが、フライホイール３が停止した状態では、潤滑油の動圧作用がなくなり、特に、回転軸４の下端を支承する軸受６のスラスト側では、フライホイール３及び回転軸４の荷重も加わり、直接接触した状態となる。
したがって、フライホイール３の起動停止の回数によって軸受６の寿命が決まってしまう。つまり、フライホイール３の起動停止の回数が多いと、軸受６の寿命が短くなるという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、起動停止の回数によって影響を受けることのない軸受によって支承されて良好な回転状態を長期間維持することが可能なフライホイール及びそれを備えた蓄電装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のフライホイールは、軸受によって回転可能に支承される回転軸が上下端に設けられた円筒状の本体部を有し、鉛直方向の軸線を中心として回転可能に支持されたフライホイールであって、前記本体部の下方側回転軸は、その下端が軸受部に動圧によって支承され、上端に周方向へ延在しかつ水平面に対して下方に傾斜された複数のアーム部を有する可動アームが設けられ、該可動アームの先端部が前記本体部の下端における内周面に連結されてなり、回転停止時には、下方側回転軸が引き上げられて前記軸受部から離間され、回転時には、遠心力により前記本体部が外方へ膨出して前記可動アームのアーム部が外方へ引っ張られ、下方側回転軸が前記軸受部側へ押し下げられて支承されることを特徴としている。
【０００８】
そして、この発明のフライホイールによれば、回転停止時には、下方側回転軸が引き上げられて軸受部から離間することにより、下方側回転軸が軸受部に直接接触することによる摩耗をなくし、軸受部の大幅な長寿命化を図ることができる。
また、回転時には、遠心力により本体部が外方へ膨出して可動アームのアーム部が外方へ引っ張られ、下方側回転軸が軸受部側へ押し下げられ、これにより、軸受部にて動圧によって下方側回転軸を良好に支持して高速回転を維持することができる。
【０００９】
また、本発明のフライホイールは、前記本体部の下方に、回転停止時に前記可動アームが当接して前記本体部を回転可能に支持する支持軸受を有し、前記本体部が回転による遠心力により外方へ膨出して前記可動アームのアーム部が外方へ引っ張られた際に、可動アームが前記支持軸受から離間することを特徴としている。
そして、この発明のフライホイールによれば、下方側回転軸が引き上げられる回転停止時には、可動アームが支持軸受に当接することにより、本体部を支持軸受によって確実に支持することができる。また、回転時には、可動アームが支持軸受から離間することにより、軸受部による下方側回転軸の支承により、良好な高速回転支持を行うことができる。
【００１０】
さらに、本発明のフライホイールは、下方側回転軸の下端に、凸球面を有する半球体が設けられ、前記軸受部は、凹球面を有する凹部が形成され、前記半球体を前記凹部内にて動圧によって回転可能に支承するピボット軸受からなることを特徴としている。
そして、この発明のフライホイールによれば、下方側回転軸の半球体を軸受部の凹部内にて動圧により確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
【００１１】
また、本発明のフライホイールは、前記軸受部が、底部及び周面にパッドを備えた凹部を有し、下方側回転軸の端面及び下端部近傍における周面を前記パッドによって前記凹部内にて動圧によって回転可能に支承するすべり軸受からなることを特徴としている。
そして、この発明のフライホイールによれば、下方側回転軸の端面及び下端部近傍における周面を、軸受部の凹部内のパッドにより確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
【００１２】
また、本発明の蓄電装置は、内部が減圧室とされたケーシング内にフライホイールが回転可能に支持され、前記フライホイールが回転されて電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて蓄えられ、必要時にその運動エネルギーが電気エネルギーに再変換されて取り出される蓄電装置であって、前記フライホイールとして、上記のフライホイールを備えたことを特徴としている。
そして、この発明の蓄電装置によれば、長期間にわたって良好な回転支持が可能なフライホイールを備えているので、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換時のロスが少なく、しかも長寿命な蓄電装置とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるフライホイール及びそれを備えた蓄電装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、蓄電装置の構造を説明する蓄電装置の概略断面図である。
図に示すように、この蓄電装置１１は、ケーシング１２と、このケーシング１２内に回転可能に設けられたフライホイール１３とを備えている。
ケーシング１２は、円筒状に形成された上側壁１４及び下側壁１５を有している。上側壁１４は、その上端開口部及び下端開口部がそれぞれ円板状の上鏡板１６及び下鏡板１７によって閉塞されている。下側壁１５は、その上端開口部が下鏡板１７に連結されて閉塞され、下端開口部が底板１８によって閉塞されている。
【００１４】
上端開口部及び下端開口部が上鏡板１６及び下鏡板１７によって閉塞された上側壁１４内は、減圧室１９とされ、この減圧室１９内に、フライホイール１３が回転可能に設けられている。
このフライホイール１３は、円筒状に形成された本体部２１と、本体部２１の上端部を構成する円板部２２とを有し、円板部２２には、その中央に上方側回転軸２３が一体に設けられている。そして、この上方側回転軸２３は、上鏡板１６の中央部に設けられた軸受部２４によって軸支されている。
【００１５】
また、フライホイール１３は、その下方に、下方側回転軸２５を有しており、この下方側回転軸２５は、その上端に可動アーム２６を有している。
図２に示すように、この可動アーム２６は、下方側回転軸２５の上端から径方向外方へ向かって延在する複数のアーム部２７を有している。これらアーム部２７は、水平面に対して傾斜角度θにて下方へ傾斜されており、それぞれの先端部が、連結リング部２８によって周方向に連結されている。
【００１６】
そして、この可動アーム２６の連結リング部２８が、フライホイール１３の本体部２１の下端における内周面に連結されている。
下方側回転軸２５の下端部には、凸球面３１を有する半球体３２が設けられており、凸球面３１には、複数の動圧溝３１ａが形成されている。また、下鏡板１７には、その中央に凹球面３３を有する凹部３４が形成された軸受部３５が設けられ、この軸受部３５の凹部３４内に、半球体３２が配設されるようになっている。
【００１７】
そして、これら下方側回転軸２５の半球体３２と軸受部３５とから動圧軸受であるピボット軸受３６が構成されている。
ここで、このピボット軸受３６は、フライホイール１３が停止しているときには、軸受としての機能が生じないように、半球体３２が上方へ配置されて、凸球面３１と軸受部３５の凹球面３３との間に所定の隙間が形成されている。
【００１８】
また、下鏡板１７の上面には、可動アーム２６の下方に、スラスト玉軸受からなる支持軸受４１が設置されている。この支持軸受４１は、下鏡板１７に固定された固定リング４２と可動アーム２６が接触する可動リング４３とを有し、これら固定リング４２と可動リング４３との間に複数のボールからなる転動体４４を備えたものである。
なお、下側壁１５、下鏡板１７及び底板１８で囲まれた空間は、オイル室４５とされており、このオイル室４５内に充填された潤滑油が、図示しないオイルポンプによって上軸受２４及びピボット軸受３６に供給されるようになっている。
【００１９】
そして、上記構造の蓄電装置１１では、図示しない電動機によってフライホイール１３を減圧密閉されたケーシング１２の減圧室１９内にて高速回転させることにより電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて蓄えられ、必要時にその運動エネルギーを電動機にて電気エネルギーに再変換して取り出すことができるようになっている。
【００２０】
次に、上記構造のフライホイール１３及びそれを備えた蓄電装置１１の作用について説明する。
まず、停止したフライホイール１３が高速回転される場合について説明する。
フライホイール１３は、その回転停止時には、前述のように、ピボット軸受３６の半球体３２が上方へ配置されて、凸球面３１と軸受部３５の凹球面３３との間に所定の隙間が形成される。
【００２１】
また、このとき、可動アーム２６が支持軸受４１の可動リング４３に接触し、フライホイール１３の下端側が支持軸受４１によって回転可能に支持された状態とされる。
この状態において、電動機に電力が供給されると、フライホイール１３が次第に回転する。
そして、フライホイール１３が高速で回転されると、フライホイール１３の本体部２１に遠心力が生じ、図３に示すように、本体部２１の下端側が外周側へ僅かに膨出する。
【００２２】
すると、可動アーム２６の本体部２１との連結端も外周方向へ変位し、可動アーム２６の各アーム部２７が外周方向へ引っ張られ、可動アーム２６の水平面に対する傾斜角度θが小さくなり、これに伴い、下方側回転軸２５が下方へ押し下げられる。
これにより、下方側回転軸２５の先端の半球体３２が軸受部３５の凹部３４内に押し込まれ、半球体３２の凸球面３１と軸受部３５の凹球面３３との間に潤滑油による動圧が生じ、高速回転する半球体３２が軸受部３５に支持される。
【００２３】
また、このとき、可動アーム２６の外周側は、フライホイール１３の本体部２１の外周側への膨出に伴い、上方へ僅かに変位し、支持軸受４１から離間する。
すなわち、フライホイール１３が高速回転すると、このフライホイール１３は、その上端が上軸受２４によって支承され、下端がピボット軸受３６に支承された状態となり、これら上軸受２４及びピボット軸受３６によるロスのない良好な支持状態にて高速回転が維持される。
【００２４】
次に、高速回転状態のフライホイール１３が停止される場合について説明する。
上記のように高速回転しているフライホイール１３の回転速度が次第に減速されると、フライホイール１３に生じている遠心力が弱まり、本体部２１の外周側への膨出が小さくなる。これにより、可動アーム２６の外周側が下降し、この可動アーム２６の水平面に対する傾斜角度θが大きくなる。
これにより、下方側回転軸２５が上方へ引き上げられ、半球体３２が軸受部３５の凹部３４から引き上げられ、ピボット軸受３６が軸受としての機能を生じなくなる。
【００２５】
また、このとき、下降した可動アーム２６の外周が支持軸受４１に接触することにより、フライホイール１３は、下端側が支持軸受４１によって支持された状態にて回転する。
その後、回転力がなくなると、フライホイール１３は、上端側が上軸受２４に回転可能に支持され、下端側が支持軸受４１に回転可能に支持された状態にて停止する。
【００２６】
このように、上記実施の形態にかかるフライホイール１３によれば、回転停止時には、下方側回転軸２５が引き上げられて軸受部３５から離間することにより、下方側回転軸２５が軸受部３５に直接接触することによる摩耗をなくし、軸受部３５の大幅な長寿命化を図ることができる。
また、回転時には、遠心力により本体部２１が外方へ膨出して可動アーム２６のアーム部２７が外方へ引っ張られ、下方側回転軸２５が軸受部３５側へ押し下げられ、これにより、軸受部３５にて動圧によって下方側回転軸２５を良好に支持して高速回転を維持することができる。
【００２７】
さらに、下方側回転軸２５が引き上げられる回転停止時には、可動アーム２６が支持軸受４１に当接することにより、本体部２１を支持軸受４１によって確実に支持することができる。また、回転時には、可動アーム２６が支持軸受４１から離間することにより、軸受部３５による下方側回転軸２５の支承により、良好な高速回転支持を行うことができる。
しかも、下方側回転軸２５の半球体３２を軸受部３５の凹部３４内にて動圧により確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
そして、このフライホイール１３を備えた蓄電装置１１によれば、長期間にわたって良好な回転支持が可能なフライホイール１３を備えているので、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換時のロスが少なく、しかも長寿命な蓄電装置とすることができる。
【００２８】
なお、上記の例では、下方側回転軸２５の下端部に凸球面３１を有する半球体３２を設け、下鏡板１７に凹球面３３を有する軸受部３５を設け、これら半球体３２と軸受部３５とから、フライホイール１３の下端を高速回転可能に支持するピボット軸受３６を構成したが、フライホイール１３の下端を高速回転可能に支持する軸受構造としては、ピボット軸受３６に限らない。
【００２９】
図４に示すものは、半球体３２のない下方側回転軸２５の下端を回転可能に支持する動圧軸受として設けられたすべり軸受５１である。
このすべり軸受５１は、凹部５２が形成された軸受部５３を備え、この軸受部５３の凹部５２には、底面にスラスト用パッド５４が配設され、周面にラジアル用パッド５５が配設されている。
そして、このすべり軸受５１は、下方側回転軸２５の端面をスラスト用パッド５４によって支持し、下方側回転軸２５の周面をラジアル用パッド５５によって支持する。
【００３０】
このようなすべり軸受５１をピボット軸受３６に代えて備えたフライホイール１３によれば、下方側回転軸２５の端面及び下端部に近傍における周面を、軸受部５３の凹部５２内のスラスト用パッド５４及びラジアル用パッド５５による動圧により確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
そして、このすべり軸受５１を備えたフライホイール１３の場合は、特に、軸受部５３のスラスト用パッド５４の長寿命化を図ることができ、これにより、このフライホイール１３を備えた蓄電装置１１の場合も、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換時のロスが少なく、しかも長寿命な蓄電装置とすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のフライホイールによれば、回転停止時には、下方側回転軸が引き上げられて軸受部から離間することにより、下方側回転軸が軸受部に直接接触することによる摩耗をなくし、軸受部の大幅な長寿命化を図ることができる。
また、回転時には、遠心力により本体部が外方へ膨出して可動アームのアーム部が外方へ引っ張られ、下方側回転軸が軸受部側へ押し下げられ、これにより、軸受部にて動圧によって下方側回転軸を良好に支持して高速回転を維持することができる。
さらに、下方側回転軸が引き上げられる回転停止時には、可動アームが支持軸受に当接することにより、本体部を支持軸受によって確実に支持することができる。また、回転時には、可動アームが支持軸受から離間することにより、軸受部による下方側回転軸の支承により、良好な高速回転支持を行うことができる。
しかも、下方側回転軸の半球体を軸受部の凹部内にて動圧により確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
また、下方側回転軸の端面及び下端部近傍における周面を、軸受部の凹部内のパッドにより確実かつ円滑に回転可能に支承することができる。
そして、本発明の蓄電装置によれば、長期間にわたって良好な回転支持が可能なフライホイールを備えているので、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換時のロスが少なく、しかも長寿命な蓄電装置とすることができる。
【００３２】
フライホイールの運転回転域が０〜１００００ｒｐｍ、充放電動作に使われる基底回転数を、例えば５０００ｒｐｍとした場合、フライホイールの充放電回転域は５０００−１００００ｒｐｍの間となる。このような高速回転において、タッチダウンベアリングは転がり軸受であるため、一般に荷重や回転数、動作時間等によって寿命が決まるが、本発明の構成によれば、この寿命も大幅にのばすことができる。
また、タッチダウンベアリングから離陸してピボッド軸受に支持が移るのは、５０００ｒｐｍ以下という充放電回転域より低い回転数で行われるよう構成され、充放電動作中は機能しないようにしている。つまりタッチダウンベアリングが動作するのはフライホイールを起動、停止時のごく短時間に限られ、しかも低回転数の状態に限られるため、タッチダウンベアリングの寿命もきわめて長いものとすることが可能である。しかもピボッド軸受に支持が移行する際には、十分な動圧が得られる回転数に達しているため、ピボッド軸受は完全に流体潤滑で機能させることができ、摩耗がほとんど生じない、半永久的な寿命を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるフライホイール及びそれを備えた蓄電装置の実施形態を説明する蓄電装置の断面図である。
【図２】フライホイールに設けられた可動アームの構造を説明する可動アームの斜視図である。
【図３】フライホイールの高速回転時における蓄電装置の断面図である。
【図４】下方側回転軸を支承するすべり軸受を説明するすべり軸受の断面図である。
【図５】フライホイールを備えた蓄電装置の構造を説明する蓄電装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１１蓄電装置１２ケーシング１３フライホイール１９減圧室
２１本体部２３上方側回転軸２４軸受部２５下方側回転軸
２６可動アーム２７アーム部３１凸球面３２半球体
３３凹球面３４凹部３５軸受部３６ピボット軸受
４１支持軸受５１すべり軸受５２凹部５３軸受部
５４スラスト用パッド（パッド）５５ラジアル用パッド（パッド）

Claims

軸受によって回転可能に支承される回転軸が上下端に設けられた円筒状の本体部を有し、鉛直方向の軸線を中心として回転可能に支持されたフライホイールであって、
前記本体部の下方側回転軸は、その下端が軸受部に動圧によって支承され、上端に周方向へ延在しかつ水平面に対して下方に傾斜された複数のアーム部を有する可動アームが設けられ、該可動アームの先端部が前記本体部の下端における内周面に連結されてなり、
回転停止時には、下方側回転軸が引き上げられて前記軸受部から離間され、回転時には、遠心力により前記本体部が外方へ膨出して前記可動アームのアーム部が外方へ引っ張られ、下方側回転軸が前記軸受部側へ押し下げられて支承されることを特徴とするフライホイール。
前記本体部の下方には、回転停止時に前記可動アームが当接して前記本体部を回転可能に支持する支持軸受を有し、
前記本体部が回転による遠心力により外方へ膨出して前記可動アームのアーム部が外方へ引っ張られた際に、可動アームが前記支持軸受から離間することを特徴とする請求項１に記載のフライホイール。
下方側回転軸の下端には、凸球面を有する半球体が設けられ、前記軸受部は、凹球面を有する凹部が形成され、前記半球体を前記凹部内にて動圧によって回転可能に支承するピボット軸受からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイール。
前記軸受部は、底部及び周面にパッドを備えた凹部を有し、下方側回転軸の端面及び下端部近傍における周面を前記パッドによって前記凹部内にて動圧によって回転可能に支承するすべり軸受からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイール。
内部が減圧室とされたケーシング内にフライホイールが回転可能に支持され、前記フライホイールが回転されて電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて蓄えられ、必要時にその運動エネルギーが電気エネルギーに再変換されて取り出される蓄電装置であって、
前記フライホイールとして、請求項１から４のいずれか１項に記載のフライホイールを備えたことを特徴とする蓄電装置。