JP2006300017A

JP2006300017A - フライホイールエネルギ貯蔵装置

Info

Publication number: JP2006300017A
Application number: JP2005126158A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP4617986B2

Abstract

【課題】制御型磁気軸受による安定浮上が可能な範囲を増大させることができるフライホイールエネルギ貯蔵装置を提供する。
【解決手段】フライホイールエネルギ貯蔵装置は、フライホイール13を有する回転体2が制御型磁気軸受3,4,5により非接触支持されて回転させられるものであり、回転体2の回転停止時の１次の曲げモード固有振動数が２次の剛体モード固有振動数の２〜６倍である。
【選択図】図１

Description

この発明は、制御型磁気軸受を用いたフライホイールエネルギ貯蔵装置に関する。

この種のフライホイールエネルギ貯蔵装置として、フライホイールを有する回転体を、１組の制御型アキシアル磁気軸受と２組の制御型ラジアル磁気軸受とで非接触支持し、内蔵電動モータにより高速回転させるものが知られている。

フライホイールエネルギ貯蔵装置では、フライホイールによる貯蔵エネルギをより大きくするために、回転体の回転軸回りの慣性モーメント（極慣性モーメント）Ｉpと重心を通る半径軸回りの慣性モーメントＩrとの比（Ｉp／Ｉr）を大きくする必要があり、この比（Ｉp／Ｉr）が１に近づいたり、１以上になることがある。

回転体の固有振動数（共振周波数）は、ジャイロ作用により、回転数の増大とともに分岐するが、上記の比（Ｉp／Ｉr）が大きいほど、回転数の増大に伴う固有振動数の分岐の度合いが大きくなる。このため、とくに、回転体を制御型磁気軸受で非接触支持する場合、安定浮上が困難になることがあった。

このため、通常は、特許文献１に記載されているように、１次の曲げモード固有振動数が可能な限り高周波数になるように設計されている。
特開２００３−２４４８９１号公報

図３は、上記の比（Ｉp／Ｉr）がほぼ１で、１次の曲げモード固有振動数が高い場合のＣＡＭＰＢＥＬＬＭＡＰを示す。図３において、横軸は回転数Ｎ（ｒｐｓ）を、縦軸は固有振動数ｆ（Ｈz）を表わし、１Ｂは１次の曲げモード固有振動数、１Ｒは１次の剛体モード固有振動数、２Ｒは２次の剛体モード固有振動数であり、それぞれにおいて、添え字ｆが付いたものは前回り成分、添え字ｂが付いたものは後回成分である。また、αは運搬線である。

運搬線αは、１次の剛体モード固有振動数の後回り成分１Ｒbおよび前回り成分１Ｒf、ならびに２次の剛体モード固有振動数の後回り成分２Ｒbと、それぞれ、ａ、ｂおよびｃで交わり、これらの点に相当する回転数が危険速度となる。また、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfは、ｄの範囲において運搬線αに漸近して、回転数の増大とともに増大する。

ａ、ｂおよびｃに相当する危険速度ついては、低回転数で通過可能であるから、制御型磁気軸受により十分なダンピングを付与すれば、問題とはならない。また、１次の曲げモード固有振動数の後回り成分１Ｂbが運搬線αと交わる点ｅ（図３には図示しない）に相当する危険速度については、目標最高回転数ｇより高いので、問題とはならない。

しかし、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfについては、回転数の増大とともに変動し、比較的広い範囲ｄにわたって運搬線αに漸近するので、十分なダンピングを付与することが困難で、目標最高回転数ｇまで回転加速する途中で安定浮上が困難になることがある。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、制御型磁気軸受による安定浮上が可能な範囲を増大させることができるフライホイールエネルギ貯蔵装置を提供することにある。

この発明によるフライホイールエネルギ貯蔵装置は、フライホイールを有する回転体が制御型磁気軸受により非接触支持されて回転させられるフライホイールエネルギ貯蔵装置において、回転体の回転停止時の１次の曲げモード固有振動数が２次の剛体モード固有振動数の２〜６倍であることを特徴とするものである。

回転停止時の１次の曲げモード固有振動数が、２次の剛体モード固有振動数の２〜６倍と、従来より低くなっているので、図２のＣＡＭＰＢＥＬＬＭＡＰに示すように、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfが運搬線αに漸近して増大することがなく、運搬線αと１点ｄで交わるようになる。したがって、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfに相当する危険速度についても、従来の１次の剛体モード固有振動数の後回り成分１Ｒbおよび前回り成分１Ｒf、ならびに２次の剛体モード固有振動数の後回り成分２Ｒbの場合と同様、低回転数で通過可能であるから、制御型磁気軸受により十分なダンピングを付与すれば、問題とはならない。このため、従来のような２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfによる不安定化は解消され、制御型磁気軸受による安定浮上が可能な範囲が増大する。

前記のように、従来は、一般的に、危険速度回避のため、１次の曲げモード固有振動数が高くなるように設計している。たとえば、図３に示すように、目標最高回転数ｇにおいて、実際の回転数が１次の曲げモード固有振動数の後回り成分１Ｂbより３０％以上低くなるような設計基準を当業者では決めている。それにより、回転停止時の１次の曲げモード固有振動数１Ｂは２次の剛体モード固有振動数２Ｒの１０倍以上となる。しかし、それでは、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfが運搬線αに漸近する部分が発生する。これを避けるためには、回転停止時の１次の曲げモード固有振動数１Ｂが２次の剛体モード固有振動数２Ｒの２〜６倍となるようにする必要がある。

２次の剛体モード固有振動数に対して１次の曲げモード固有振動数を低くするための手段は任意であるが、たとえば、回転体の中間部の適当箇所に他の部分より外径の小さい小径部を形成することによることができる。

この発明のフライホイールエネルギ貯蔵装置によれば、上述のように、従来のような２次の剛体モード固有振動数の前回り成分による不安定化を解消して、制御型磁気軸受による安定浮上が可能な範囲を増大させることができる。

以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置を用いたフライホイールエネルギ貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。

図１はフライホイールエネルギ貯蔵装置の主要部を示す縦断面図である。

フライホイールエネルギ貯蔵装置は、鉛直な段付円筒状のハウジング(1)の内側で鉛直な回転体(2)が回転する縦型のものであり、回転体(2)の周囲のハウジング(1)の部分に、回転体(2)をラジアル制御軸方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受(3)(4)、回転体(2)をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(5)、変位検出装置を構成する２組のラジアル変位センサユニット(6)(7)および１個のアキシアル変位センサ(8)、ならびに回転体(2)を回転させる内蔵電動モータ(9)のステータ(9a)、回転体(2)の回転数を検出するための回転センサ(10)、タッチダウン用の保護軸受(11)(12)などが配置されている。

この明細書において、アキシアル制御軸（軸方向の制御軸）をＺ軸、Ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つのラジアル制御軸（径方向の制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。

ハウジング(1)より上方に突出した回転体(2)の上端部に、エネルギを貯蔵するためのフライホイール(13)が設けられている。

各ラジアル磁気軸受(3)(4)は、それぞれ、回転体(2)の外周部に設けられたターゲット部(14)(15)に対向し、かつ回転体(2)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）の電磁石（ラジアル電磁石）(16)(17)を備えている。

アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(2)に形成されたフランジ部(2a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対の環状の電磁石（アキシアル電磁石)(18)を備えている。

各ラジアル変位センサユニット(6)(7)は、回転体(2)の外周部に設けられたターゲット部(19)(20)に対向し、かつ回転体(2)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）のラジアル変位センサ(21)(22)を備えている。各ラジアル変位センサ(21)(22)は、インダクタンス型変位センサである。

アキシアル変位センサ(8)は、ラジアル変位センサ(21)(22)と同様のインダクタンス型変位センサであり、回転体(2)の下端面に設けられたターゲット部（図示略）に対向するように配置されている。

変位検出装置で検出された回転体(2)のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位に基づいて、各磁気軸受(3)(4)(5)の電磁石(16)(17)(18)が制御されることにより、回転体(2)が所定の目標位置に非接触支持され、モータ(9)により高速回転させられる。

このフライホイールエネルギ貯蔵装置では、回転体(2)の回転停止時の１次の曲げモード固有振動数１Ｂが２次の剛体モード固有振動数２Ｒの２〜６倍となるように、回転体(2)が設計されている。この例では、回転体(2)の中間部の２箇所、すなわち、モータ(9)と上側ラジアル磁気軸受(3)との間、およびモータ(9)と下側ラジアル磁気軸受(4)との間に、それぞれ、外周側が全周にわたって取り除かれた形状の部分が形成されて、他の部分より外径の小さい小径部(25)(26)が形成されることにより、１Ｂが２Ｒの約２倍となっている。

図２は、図１に示す例の場合のＣＡＭＰＢＥＬＬＭＡＰを示し、図３のものに相当する部分には同一の符号を付している。図２の場合、前記の比（Ｉp／Ｉr）は１．０３９８である。前記の図３は、図１の例において２箇所の小径部(25)(26)が形成されていない従来の場合のものであり、上記の比（Ｉp／Ｉr）は１．０６９８である。

図２に示すように、回転停止時の１次の曲げモード固有振動数１Ｂが、２次の剛体モード固有振動数２Ｒの約２倍と、従来より低くなっているので、２次の剛体モード固有振動数の前回り成分２Ｒfが運搬線αに漸近して増大することがなく、運搬線αと１点ｄで交わるようになる。したがって、ｄに相当する危険速度についても、ａ、ｂおよびｃに相当する危険速度と同様、低回転数で通過可能であるから、制御型磁気軸受(3)(4)(5)により十分なダンピングを付与すれば、問題とはならない。また、１次の曲げモード固有振動数が低くなることにより、その後回り成分１Ｂbが運搬線αと交わる点ｅが目標最高回転数ｇより低くなるが、この点ｅについても同様である。このため、従来のような２次の剛体モード固有振動数の前回り成分による不安定化は解消され、制御型磁気軸受(3)(4)(5)による安定浮上が可能な範囲が増大する。

フライホイールエネルギ貯蔵装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

また、この発明は、回転体が水平に配置される横型のフライホイールエネルギ貯蔵装置にも適用される。

図１は、この発明の実施形態を示すフライホイールエネルギ貯蔵装置の主要部の縦断面図である。図２は、上記の実施形態の回転体の固有振動数の１例を示すＣＡＭＰＢＥＬＬＭＡＰである。図３は、従来の回転体の固有振動数の１例を示すＣＡＭＰＢＥＬＬＭＡＰである。

符号の説明

(2) 回転体
(3)(4) ラジアル磁気軸受
(5) アキシアル磁気軸受
(13) フライホイール
(25)(26) 小径部

Claims

フライホイールを有する回転体が制御型磁気軸受により非接触支持されて回転させられるフライホイールエネルギ貯蔵装置において、
回転体の回転停止時の１次の曲げモード固有振動数が２次の剛体モード固有振動数の２〜６倍であることを特徴とするフライホイールエネルギ貯蔵装置。