JP2008039163A - 超電導利用支持機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】系統電力が回復しない場合にも、スラスト補助軸受に衝撃力を与えることなく、フライホイールを静かに着地させることができる超電導フライホイールシステムを提供する。
【解決手段】本発明は、垂直なロータ軸１ｂとこのロータ軸に固定されたフライホイール本体１ａとで成るフライホイール１と、ロータ軸のラジアル方向の軸受となるラジアルベアリング機構３と、フライホイールを浮上させるためのスラストベアリング用の超電導コイル２ａと、超電導コイルをコイル電源２ｅから切り離す遮断器９ｃと、系統電源１４喪失時に、超電導コイルをコイル電源から遮断器にて切り離し、電流を徐々に消磁させることによってフライホイールをスラスト補助軸受４にソフトに着地させる所定の時定数を持つ放電抵抗回路１４、１５とを備えた超電導フライホイールシステムを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導利用支持機構に関する。
一般に超電導フライホイールシステムと呼ばれているものには、特開２００３−４９８３６号公報（特許文献１）に記載されているような、高温超電導バルク材と永久磁石との間に働く磁力によりスラスト力（浮上力）を出すもの、特開２００２−５１６５号公報（特許文献２）に記載されているような、超電導コイルによる電磁力によりスラスト力（浮上力）を出すもの、あるいは、特開２００３−２１９５８１号公報（特許文献３）に記載されていような、その両方を活用したものがある。いずれの場合も超電導技術を応用して、フライホイールを非接触で浮上、回転させることにより、エネルギー損失を最小化し、エネルギーを効率良く貯蔵させるシステムである。このようにして貯蔵されたエネルギーは、電力の負荷調整や停電時の電力補償など電力供給の安定化に活用される。
上述した超電導フライホイールシステムにおいては、超電導技術を応用してフライホイールを浮上させており、使用されている超電導材料の超電導状態を維持するために、小型冷凍機を用いた冷凍システムにて該当部位を極低温に冷却している。また、停電等にて系統電力を喪失した際には、フライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーとして放出し、電力の補償を行うことができる。
しかしながら、電力を補償している間に系統電力が回復した場合には問題ないが、電力補償可能期間が経過しても系統電力が回復しない場合には、いずれ超電導フライホイールシステムは発電能力を失い、冷凍システムも停止してしまうため、超電導部位の温度が次第に上昇し、ついには、超電導状態が破れ（クエンチ）、フライホイールは浮上力を失ってしまう。そして浮上力を失うと、フライホイールはスラスト補助軸受に落下する。
ところが、一般にフライホイールは重量物（例えば、５０ｋＷｈの貯蔵エネルギーを持つシステムの一設計例では２５ｔｏｎ程度）であるため、フライホイールの落下によりスラスト補助軸受には大きな衝撃力が加わり、補助軸受部を損傷する危険性がある。
特開２００３−４９８３６号公報 特開２００２−５１６５号公報 特開２００３−２１９５８１号公報
本発明は、上述した従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、系統電力が回復しない場合にも、スラスト補助軸受に衝撃力を与えることなく、回転体を静かに着地させることができる超電導利用支持機構を提供することを目的とする。
本発明は、垂直軸に固定される回転体と、前記垂直軸のラジアル方向の軸受となるラジアルベアリング機構と、回転体を浮上させるためのスラストベアリング用超電導コイル等を具備した超電導利用支持機構において、系統電源喪失時に、超電導コイルをコイル電源と遮断器で切り離し、長時定数を持つ放電抵抗回路で電流を徐々に消磁させることにより、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させる機能を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、垂直軸に固定される回転体と、前記垂直軸のラジアル方向の軸受となるラジアルベアリング機構と、回転体を浮上させるためのスラストベアリング用超電導コイルと、回転エネルギーを貯蔵、放出するための発電電動機等を具備した超電導フライホイールシステムにおいて、系統電源喪失時のエネルギー放出時に、自己の持つ回転エネルギーによって自動運転されるコイル電源を用いて、超電導コイル電流を徐々に消磁させ、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させる機能を備えたことを特徴とする。
本発明の超電導利用支持機構によれば、系統電源喪失時に、超電導コイルをコイル電源と遮断器で切り離し、長時定数を持つ放電抵抗回路で電流を徐々に消磁させることにより、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させることができ、長寿命で信頼性の高い超電導利用支持機構が実現できる。
また、本発明の超電導フライホイールシステムによれば、系統電源喪失時のエネルギー放出時に、自己の持つ回転エネルギーによって自動運転されるコイル電源を用いて、超電導コイル電流を徐々に消磁させ、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させることができ、長寿命で信頼性の高い超電導フライホイールシステムが実現できる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の超電導利用支持機構の具体例である超電導フライホイールシステムを、図１〜図３を用いて説明する。図１は本実施の形態の超電導フライホイールシステムの構造を示し、図２はその超電導フライホイールシステムと電力系統との接続を示している。
図１において、フライホイール本体１ａはロータ軸１ｂに取り付けられ、フライホイール１として回転エネルギーを貯蔵する。フライホイール１は、浮上力を与える超電導スラスト軸受２とロータ軸１ｂの径方向の位置を制御するラジアル軸受３とによって非接触に回転を維持することによって、回転損失の低減が図られている。超電導スラスト軸受２は、超電導コイル２ａ、固定側スラスト軸受磁性体２ｂ、回転側スラスト軸受磁性体２ｃ、超電導コイル２ａを冷却する小型冷凍機２ｄから構成されている。また、フライホイール１の非接触浮上が維持できなくなるような異常時には、安全に接触回転が維持できるように、それぞれスラスト補助軸受４、ラジアル補助軸受５が用意されている。これらの構成機器は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電電動機６と共に外槽容器７に収容されている。
図２に示すように、このように構成された超電導コイル利用の支持機構は、電力系統１４の異常時に、スイッチ（遮断器）９ａによって切り離された負荷１３ａ、負荷１３ｂの他、自身の超電導コイル電源２ｅや小型冷凍機コンプレッサー２ｆにインバータ１１、コンバータ１２を介して電気を供給する。尚、８は変圧器、１０は放電抵抗を示している。
図３は、本実施の形態の超電導フライホイールシステムに利用する超電導コイルの電気的結線だけを示すものである。超電導コイル２ａは超電導コイル電源２ｅに遮断器であるスイッチ９ｄを介して接続されている。また、クエンチ時の超電導コイル２ａの保護のために超電導コイル２ａと並列にクエンチ時用保護抵抗１５がスイッチ９ｂを介して接続されている。このクエンチ時用保護抵抗１５の値は、コイルクエンチ時に超電導コイル２ａが焼損することなく安全にエネルギーを放出できるように設定されている。本実施の形態の特徴として、このクエンチ時用保護抵抗１５と並列に、放電抵抗回路として電気抵抗のより低いソフトタッチダウン用保護抵抗１６がスイッチ９ｃを介して接続されている。
超電導フライホイールシステムから電気エネルギーを供給している間に系統電力が復帰するような通常の瞬時停電等では問題はないが、系統電力が長時間復旧しない場合には、本実施の形態では、設定された限界時間内に系統電力復帰がなければ、先ずスイッチ９ｃ、９ｂを投入後、スイッチ９ｄを切り離すことで超電導コイル２ａをコイル電源２ｅから切り離し、超電導コイル電流をクエンチ時用保護抵抗１５とソフトタッチダウン用保護抵抗１６にて徐々に消磁させることによってフライホイール１をスラスト補助軸受４にゆっくりとソフトに着地させる。これにより、本実施の形態によれば、超電導コイル電源２ｅによらず、超電導コイル電流をゆっくりと放電させ、フライホイール１をソフトに着地させることができ、この結果として、長寿命で信頼性の高い超電導フライホイールシステムが実現できる。なお、このような運転時に超電導コイルクエンチが発生した場合には、スイッチ９ｃを切り離すことによって、通常と同様のクエンチ保護を行うことができる。
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の超電導フライホイールシステムについて説明する。本実施の形態の構成は、第１の実施の形態と同様であり、図１、図２に示したものである。
超電導フライホイールシステムから電気エネルギーを供給している間に系統電力が復帰するような通常の瞬時停電等では問題はないが、系統電力が長時間、つまり、設定された限界時間内に系統電力復帰がない場合、本実施の形態では、フライホイール１の回転エネルギーが利用できる内に超電導スラスト軸受２の超電導コイル電源２ｅの自動運転によって超電導コイル電流を徐々に下げ、ロータ軸１ｂをスラスト補助軸受４にゆっくりとソフトにタッチダウンさせる機能を持たせている。
このように構成された本実施の形態の超電導フライホイールシステムでは、フライホイール１の回転エネルギー喪失直前に重量物であるフライホイール１をゆっくりと降下させることができるので、スラスト補助軸受４に過大な衝撃力や損傷を与えることなく、フライホイール１をソフトにタッチダウンさせることができ、この結果として、長寿命で信頼性の高い超電導フライホイールシステムが実現できる。
尚、超電導コイル電流を定格電流から０アンペアまで設定したスピードで消磁するための電力量は、システム構成により既知である。フライホイール１に貯蔵させたエネルギーは、当該フライホイール１の回転数で一義的に決まる。そこで、第２の実施の形態の超電導フライホイールシステムにおいて、超電導コイル電源２ｅの自動運転開始点をフライホイール１の回転数で設定すれば、超電導フライホイールシステムの貯蔵エネルギーを最も効率的に利用しながら、スラスト補助軸受４に過大な衝撃力を加えることなく、フライホイール１をタッチダウンさせることができる。これにより、さらに高効率、長寿命で信頼性の高い超電導フライホイールシステムが実現できる。
尚、本発明の超電導利用支持機構はフライホイールに限定されることはなく、広く超電導コイル利用の支持機構に適用できる。
本発明の第１、第２の実施の形態の超電導フライホイールシステムの機械的構成を示すブロック図。 本発明の第１、第２の実施の形態の超電導フライホイールシステムの電気的構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態超電導フライホイールシステムにおける超電導コイル電源の結線図。
符号の説明
１…フライホイール
１ａ…フライホイール本体
１ｂ…ロータ軸
２…超電導スラスト軸受
２ａ…超電導コイル
２ｂ…固定側スラスト軸受磁性体
２ｃ…回転側スラスト軸受磁性体
２ｄ…小型冷凍機
２ｅ…超電導コイル電源
２ｆ…コンプレッサー
３…ラジアル軸受
４…スラスト補助軸受
５…ラジアル補助軸受
６…発電電動機
７…外槽容器
８…変圧器
９、９ａ〜９ｄ…スイッチ
１０…放電抵抗
１１…インバータ
１２…コンバータ
１３ａ、１３ｂ…負荷
１４…電力系統
１５…クエンチ時用保護抵抗
１６…ソフトタッチダウン用保護抵抗

Claims (3)

  1. 垂直軸に固定される回転体と、前記垂直軸のラジアル方向の軸受となるラジアルベアリング機構と、回転体を浮上させるためのスラストベアリング用超電導コイル等を具備した超電導利用支持機構において、
    系統電源喪失時に、超電導コイルをコイル電源と遮断器で切り離し、長時定数を持つ放電抵抗回路で電流を徐々に消磁させることにより、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させる機能を持った超電導利用支持機構。
  2. 垂直軸に固定される回転体と、前記垂直軸のラジアル方向の軸受となるラジアルベアリング機構と、回転体を浮上させるためのスラストベアリング用超電導コイルと、回転エネルギーを貯蔵、放出するための発電電動機等を具備した超電導フライホイールシステムにおいて、
    系統電源喪失時のエネルギー放出時に、自己の持つ回転エネルギーによって自動運転されるコイル電源を用いて、超電導コイル電流を徐々に消磁させ、回転体を補助スラスト軸受にソフトに着地させる機能をもった超電導フライホイールシステム。
  3. 前記コイル電源の自動運転開始点を当該超電導フライホイールの回転数で制御することを特徴とする請求項２に記載の超電導フライホイールシステム。
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