JP2008187758A

JP2008187758A - フライホイール発電機

Info

Publication number: JP2008187758A
Application number: JP2007016370A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kurosawa; 敬次黒澤
Original assignee: VSD KK; Fujimi Plant KK
Current assignee: VSD KK; Fujimi Plant KK
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-14
Also published as: EP1950871A3; CN101267138B; KR20080070567A; US20080180067A1; US7541783B2; KR100940693B1; EP1950871A2; CN101267138A

Abstract

【課題】大気中でも効率よく出力の得られるフライホイール発電機を提供すること。
【解決手段】フライホイール１１に設けられた回転用永久磁石１８の回転軌跡の外側の対向位置に、フライホイール１１に設けられたカム２８により移動し、回転用永久磁石１８に対して同極性となるように永久磁石３１を配置したトルク補助ユニット３０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、フライホイールの回転運動エネルギーを利用したフライホイール発電機に関する。

従来から、フライホイール発電機は、発電機の回転子が備えるフライホイールに電力を運動エネルギーとして蓄えて、その運動エネルギーを電力として放出するものとして知られている。つまり、フライホイール発電機は、電気エネルギーを慣性モーメントの大きな物体の回転エネルギーに変換して、電力の出し入れを行うエネルギー貯蔵方式である。このフライホイール発電機は、一般に、パルス的な大電力を必要とする負荷に電力を供給する場合に活用されていることが多い。

例えば、磁場によるプラズマ閉じ込めを行う核融合装置においては、数秒という短時間で数十万ｋＷという電力を供給する場合もあり、電力系統から直接にこのようなパルス電力をとることは電力系統に与える動揺が大きすぎて好ましくない。そこで、このような分野にフライホイール発電機が用いられる。フライホイール発電機は、数分間の時間をかけて発電機の回転数を上昇させ、フライホイールに運動エネルギーを蓄え、負荷への供給電力を得る際に回転子の運動エネルギーを放出して回転数を低下させるというサイクルで運転される。

従来のフライホイール発電機では、通常、駆動のための電動機を発電機に直結している。また、発電機の出力は電力系統から独立しており、電力の負荷への供給に伴って回転数を変化させるため周波数も回転数に同期して変化する。

図６は、このような従来のフライホイール発電機装置の制御装置の構成図である。フライホイール発電機５１は、駆動用の電動機５２により駆動されて運動エネルギーがフライホイール発電機５１に蓄積される。電動機５２は電力系統の受電端母線５３から遮断器５４ａを介して接続され、セリビウス装置５５により回転数検出手段５６からの回転数に基づいて制御される。セリビウス装置５５は電動機５２を二次励磁制御を行うものであり、二次側で発生する二次電力の一部を遮断器５４ｂを介して受電端母線５３に回生する。

フライホイール発電機５１から負荷５７への電力供給に当たって、フライホイール発電機５１は励磁装置５８により励磁されて発電し、負荷５７に電力供給して回転数を低下する。励磁装置５８には受電端母線５３から遮断器５４ｃを介して励磁電源が供給されることが開示されている。（例えば特許文献１を参照）
フライホイール発電機の構造面では、従来のフライホイール発電機は、通常の突極形発電機にフライホイールを取付け、大気中で通常の軸受を用いて運転するものの他に、密閉容器内に、浮上用マグネットとこの浮上用マグネットと対向して位置する高温超電導体から成る浮上用バルクで構成される磁気軸を用い、かつ、密閉容器内での回転子の周囲気圧を０．１ａｔｍから０．４ａｔｍの間に設定して運転される技術が開示されている。（例えば特許文献２を参照）
特開２００１−２５８２９４号公報特開平６−３０３７３８号公報

フライホイール発電機では、フライホイールの重量が大きくなるほどエネルギー貯蔵容量は大きくなるが、逆に軸受部等の機械損が大きくなる。そのため、フライホイール発電機に通常の軸受を用いる場合は、出力の要求が大きい場合には軸受部での機械損も大きくなり、フライホイール発電機としての効率の低下は避けられない。

また、軸受の構造を特許文献２に開示されているように、密閉容器内に、浮上用マグネットとこの浮上用マグネットと対向して位置する高温超電導体から成る浮上用バルクで構成される磁気軸を用いるものでは、高温超電導体が十分に作動するためには大掛かりな装置が必要になる。

また、上述のように、フライホイール発電機を密閉容器内に収納する方式では、全体の装置が複雑で大型になり、かつ、保守点検の作業や保守点検後の再スタートの際に極めて手間がかかり、あまり好ましくない。

本発明は、これらの事情にもとづいてなされたもの、大気中でも効率よく出力の得られるフライホイール発電機を提供することを目的としている。

本発明のフライホイール発電機の実施の形態に係る第１の特徴は、起動モータと、この起動モータの出力をベルト伝動によりプーリを介して起動して回転するフライホイール回転軸と、このフライホイール回転軸に係合しているフライホイールと、前記フライホイール回転軸から伝動機構を介して回転駆動される発電機を具備したことであって、
前記フライホイール回転軸には、２本の同心軸が各軸間にそれぞれクラッチを介して直列に連接されており、かつ、前記フライホイールの外周側に等間隔で配置された複数の回転用永久磁石が配置され、また、該回転用永久磁石の回転軌跡の外側の対向位置には、前記フライホイールに設けられたカムにより移動し、前記回転用永久磁石と同極同士とを対向離間して設けた永久磁石を有するトルク補助ユニットが配置されていることである。

また、本発明のフライホイール発電機の実施の形態に係る第２の特徴は、前記トルク補助ユニットは、前記回転用永久磁石と同極同士とを対向離間して設けた永久磁石が固定軸を回転中心として回転する構造であることである。

また、本発明のフライホイール発電機の実施の形態に係る第３の特徴は、前記トルク補助ユニットは、前記固定軸を回転中心として回転する回転体に１２０度ごとに固定されて配列されていることである。

本発明によれば、大気中でも効率よく作動し、それにより高効率の出力の得られるフライホイール発電機を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の１実施形態であるフライホイール発電機の概略構造を示す正面図であり、図３はその平面図である。

このフライホイール発電機は、図３に示すように、ほぼ正三角形の頂点において垂直に配置された３本の固定ポール１−１、１−２、１−３に、それぞれ上方から下方に向かって異なる高さの位置に、平面が略正三角形の上段、中断および下段の各アングル構造体２、３、４が固定配置されている。各アングル構造体２、３、４には、略正三角形状の中心位置にそれぞれ上段軸受５、中断軸受６および下段軸受７が配置され、それぞれ、軸受支持ポール５ａ、６ａ、７ａにより支持されている。

フライホイール１１は、上段アングル構造体２の上段軸受５と中段アングル構造体３の中段軸受６とにより軸支されたフライホイール回転軸１１ａにハブ１２を介して固定されている。フライホイール回転軸１１ａは、中段アングル構造体３の中断軸受６を貫通してその下方に延長され、その下端は第１の電磁クラッチ１３のクラッチ板１３ａを介して第１プーリ回転軸１４ａに連結されている。すなわち、第１の電磁クラッチ１３の開閉駆動に伴なってフライホイール回転軸１１ａと第１プーリ回転軸１４ａとは、動力が伝達あるいは遮断される。なお、第１プーリ１４は張架された伝動ベルト１５を介して中段アングル構造体３の下面側に固体されている起動モータ１６に結合され、起動モータ１６の回転動力が伝達されている。起動モータ１６は、例えば、インバータが使用された２．２ＫＷの２極モータで、回転数は３，４００ｒｐｍある。

フライホイール１１の構造は、図１に示されるように、平行に離間して設けられた２枚の円板１１ｂが、等角度（例えば、２０度）に配置された複数（例えば、８本のように偶数本）の支持板１７により固定された回転体である。これらの、支持板１７は重量の重い金属、例えば、鉄で形成されている。それにより、フライホイール１１の遠心力や慣性力を増加させるためのウエイトとしても作用している。また、２枚の円板１１ｂを固定支持している支持板１７のうち、円板１１ｂの中心に対して１２０度の角度位置にある３枚の支持板１７には、その高さ方向に５個の回転用永久磁石１８がほぼ等間隔に固定されている。

また、回転用永久磁石１８が設けられた各支持板１７の下端部近傍の円板１１ｂには、円板１１ｂの外周から突起するカム２８が設けられている。このカム２８は、フライホイール１１の回転に伴って、後述するトルク補助ユニット３０に固定されたカムフォロア４２を駆動するためのものである。

フライホイール１１の支持板１７に固定されている回転用永久磁石１８は、図２の部分拡大平面図に示すように、平面形状は長方形であるが、長辺１８ａがフライホイール１１の円板１１ｂの接線方向に対して傾斜して配置されている。

この傾斜は、フライホイール１１の円板１１ｂの回転方向（矢印Ａ）に先端に位置する短辺１８ｂが後端に位置する短辺１８ｃよりも円板１１ｂの半径方向の内側に配置されるように傾けられる。この場合、永久磁石１８の円板１１ｂの外周側に位置する頂点１８ｄは円板１１ｂの外周縁部に配置される。頂点１８ｄを通る円板１１ｂの半径方向に対する永久磁石１８の長辺１８ａの角度は、実験の結果から６７．５度に設定されている。従って、支持板１７の回転用永久磁石１８を取り付ける面を、円板１１ｂの半径方向に対して６７．５度の角度に傾けて固定することにより、回転用永久磁石１８を前述した角度で設置することができる。

また、フライホイール１１の支持板１７に固定されている回転用永久磁石１８が、フライホイール１１の回転に伴って回転する軌跡（円周状）の外側には、図３に平面図を示したように、軌跡に沿って、等間隔（等角度）で１６個のトルク補助ユニット３０が設けられている。

次に、フライホイール１１と、このフライホイール１１の回転力のトルクを補助するトルク補助ユニット３０の関係について説明する。

図１に示したように、フライホイール１１の回転に伴い、フライホイール１１の支持板１７に固定された回転用永久磁石１８も回転する。この回転用永久磁石１８の回転する軌跡の外側には、この軌跡に近接する円周上に、１６個のトルク補助ユニット３０が等間隔に配置されている。各トルク補助ユニット３０は、回転用永久磁石１８に対して固定永久磁石３１の同極を対向させることによって、反発力によりフライホイール１１の回転トルクを補助している。

図４は、トルク補助ユニット３０を一部切開して示す斜視図である。このトルク補助ユニット３０は、一側面が開放された箱状のハウジング３２を備えている。このハウジング３２の上板３３に設けられたラジアル軸受けである上軸受３６と下板３４に設けられた下軸受（不図示）との間には、回転軸３５が垂直に軸支されている。上軸受３６はハウジング３２の上部に設けられた支持板３６ａにより固定されている。また、回転軸３５の上軸受３６の直下および下軸受の直上には上回転板３７および下回転板３８とが固定されている。上回転板３７と下回転板３８との間には、回転軸３５を中心としてその周囲の上回転板３７下面および下回転板３８上面に、１２０度ごとに３本の垂直方向に延長されたマグネットホルダ３９が設けられている。各マグネットホルダ３９には、フライホイール１１の支持板１７に固定された５個の回転用永久磁石１８と対向する位置にそれぞれ５個の平面形状が長方形の永久磁石３１が固定されている。また、下回転板３８の下面の３本のマグネットホルダ３９に対応する位置には、それぞれ、コロ状のカムフォロア４２が固定されている。これらの上回転板３７、下回転板３８およびマグネットホルダ３９は、回転軸３５とともに回転するため、これらを以下ではトルク補助ユニット３０の補助ユニット回転体４１という。

図５は、トルク補助ユニット３０によるフライホイール１１の回転トルク補助動作を説明するための、一部拡大平面図である。トルク補助ユニット３０のマグネットホルダ３９に固定された永久磁石３１は、その長方形の平面形状の長辺３１aと、カムフォロア４２の中心を通る円板状の下回転板３８の法線aとの交差角をαとすると、α＝２２．５度の傾斜で配置されている。ここで、カムフォロア４２は、永久磁石３１の、下回転板３８の周縁部に位置する頂点３１ｄに対応する位置に回転可能に設置されている。この傾斜角αは実験よると３０度以下が好ましく、良好な傾斜角αの中心値は、９０度−６７．５度＝２２．５度程度であることを確認している。

また、図４に示したように、下回転板３８のハブ３８ａには、回転軸３５と同軸に、一方向回転クラッチ４３が設けられている。この一方向回転クラッチ４３によって、補助ユニット３０の回転軸３５は回転方向が一方向に規制されている。

図５に部分拡大動作説明図を示したように、上述の構造により、フライホイール１１が矢印Ｂ方向に回転すると、フライホイール１１に設けられているカム２８が、トルク補助ユニット３０のカムフォロア４２に接触して、カムフォロア４２を押しながら回転する。カムフォロア４２はカム２８により押されるため、カムフォロア４２を保持している下回転板３８が矢印Ｂ´方向に回転し、下回転板３８と一体構造の補助ユニット回転体４１も回転軸３５を回転中心として回転する。

この補助ユニット回転体４１の回転により、マグネットホルダ３９に固定されている永久磁石３１も回転する。その際、永久磁石３１はフライホイール１１の回転用永久磁石１８と同極であるので、回転用永久磁石１８に対し、反発力によるトルクを付与しながら回転する。永久磁石３１は、トルク補助ユニット３０のカムフォロア４２が、カム２８に接触を開始する位置からこれを開放する位置まで回転して停止する。

なお、図４に示したように、この永久磁石３１の停止位置は、回転軸３５に対して一方向クラッチ４３が設けられているので、後戻りすることは無く停止する。これによって、回転用永久磁石１８がトルク補助ユニット３０の永久磁石３１に接近する際の反発力によるトルクの減少を防止することができる。この停止位置で、次のトルク補助ユニット３０が、フライホイール１１に設けられているカム２８と所定位置で干渉する位置に設定される。

この動作が連続的に繰り返されることにより、フライホイール１１には、常に、永久磁石３１の反発力が回転永久磁石１８に与えられる。それにより、フライホイール１１には、トルク補助ユニット３０からの回転力が継続的に付勢される。

また、図１に示したように、第１プーリ回転軸１４ａは、第１プーリ１４の下方に延長され、その下端にはディスクブレーキとして作動するブレーキディスク２１が固定されている。第１プーリ回転軸１４ａは、ブレーキディスク２１の更に下方に延長され、その下端には第２の電磁クラッチ２２が設けられている。第２の電磁クラッチ２２の他方の回転板には一端が下段軸受７に軸支された第２プーリ回転軸２３ａが固定されている。この第２プーリ回転軸２３ａには第２プーリ２３が固定されている。第２プーリ２３は伝動ベルト２５を介して、発電機２６の回転軸に固定された発電機プーリ２７に結合しており、発電機プーリ２７の回転に伴なって回転する。発電機２６は、例えば、定格が７．５ＫＷで３０Ｈｚで６００ｒｐｍである。

次に、これらの構成によるフライホイール１１発機の発電の動作について説明する。なお、各部については図１乃至図３を援用している。

（ステップ１）・・・起動ステップ
第１の電磁クラッチ１３を閉じ、第２の電磁クラッチ２２を開いた状態にする。この状態で起動モータ１６を回転させると、起動モータ１６の回転力は、伝動ベルトを介して第１プーリ１４に伝達され、第１プーリ回転軸１４ａを回転させる。その際、第１クラッチ１３が閉じているので、第１プーリ回転軸１４ａとフライホイール回転軸１１ａとは連結されている。従って、第１プーリ回転軸１４ａの回転はフライホイール回転軸１１ａに伝動されて、フライホイール回転軸１１ａを回転させ、このフライホイール回転軸１１ａに固定されているフライホイール１１を起動して回転させる。

（ステップ２）・・・フライホイール１１の回転ステップ
フライホイール１１が起動回転した後に、第１の電磁クラッチ１３を開いた状態にして第１プーリ１４との結合から開放する。すなわち、図５に示したように、フライホイール１１が矢印Ｂ方向に回転すると、フライホイール１１に設けられているカム２８が、トルク補助ユニット３０のカムフォロア４２に接触し、カムフォロア４２を押しながら回転する。カムフォロア４２はカム２８により押されるため、カムフォロア４２を保持している下回転板３８が矢印Ｂ´方向に回転し、下回転板３８と一体構造の補助ユニット回転体４１も、回転軸３５を回転中心として回転する。

この補助ユニット回転体４１の回転により、マグネットホルダ３９に固定されている永久磁石３１も回転する。その際、永久磁石３１はフライホイール１１の回転用永久磁石１８と同極であるので、回転用永久磁石１８に対し、反発力による回転力を付与しながら回転する。永久磁石３１は、カム２８がカムフォロア４２と接触する位置からこれを開放する位置まで回転して停止する。

一方、フライホイール１１は慣性により回転を継続する。

（ステップ３）・・・発電ステップ
フライホイール１１が所定の回転数に達した時点で、第１の電磁クラッチ１３と第２の電磁クラッチ２２の双方を閉状態にする。２つのクラッチ１３、２２の作用により、フライホイール回転軸１１ａ、第１プーリ回転軸１４ａおよび第２プーリ回転軸２３ａとは互いに結合して回転する。この回転により、フライホイール１１の回転は、フライホイール回転軸１１ａと第１プーリ回転軸１４ａを経由して第２プーリ回転軸２３ａに伝達され第２プーリ回転軸２３ａを回転させる。第２プーリ回転軸２３ａの回転は、第２プーリ２３を回転させ、更に、伝動ベルト２５を介して発電機プーリ２７を回転させる。発電機プーリ２７は発電機２６の回転軸に固定されているので、回転軸を介して発電機２６を回転させて発電する。

また、停止が必要な場合は、ディスクブレーキ２１を動作させて停止させることができる。

上述の各ステップにより、発電機２６にはフライホイール１１側からから、トルク補助ユニット３０を作動させることにより、発電機２６の定格以上のトルクが付与される。したがって、発電機２６は発電出力を増加させることができる。

なお、本発明は上記実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のフライホイール発電機の実施の形態を示す構成説明図。本発明のフライホイール発電機のフライホイールにおける回転永久磁石の配置状態を示す部分拡大平面図。本発明のフライホイール発電機におけるトルク補助ユニットの配置を示す平面図。本発明のフライホイール発電機におけるトルク補助ユニットの一部切開斜視図。本発明のフライホイール発電機におけるトルク補助ユニットの部分拡大図。従来のフライホイール発電機装置の制御装置の構成図。

符号の説明

１…フライホイール発電機、２…上段アングル構造体、３…中段アングル構造体、４…下段アングル構造体、５…上段軸受、６…中段軸受、７…下段軸受、８…固定ポール、１１…フライホイール、１３…第１電磁クラッチ、１４…第１プーリ、１５…伝動ベルト、１６…起動モータ、１７…支持板、１８…回転用永久磁石、１９…電磁石、２１…ブレーキディスク、２２…第２電磁クラッチ、２３…第２プーリ、２６…発電機、２８…カム、３０…トルク補助ユニット、３１…永久磁石、３２…ハウジング、３３…上板、３４…下板、３５…固定軸、３６…上軸受、３７…上回転板、３８…下回転板、３９…マグネットホルダ、４１…補助ユニット回転体、４２…カムフォロア、４３…一方向回転クラッチ。

Claims

起動モータと、この起動モータの出力をベルト伝動によりプーリを介して起動して回転するフライホイール回転軸と、このフライホイール回転軸に係合しているフライホイールと、前記フライホイール回転軸から伝動機構を介して回転駆動される発電機を具備したフライホイール発電機であって、
前記フライホイール回転軸には、２本の同心軸が各軸間にそれぞれクラッチを介して直列に連接されており、かつ、前記フライホイールの外周側に等間隔で配置された複数の回転用永久磁石が配置され、また、該回転用永久磁石の回転軌跡の外側の対向位置には、前記フライホイールに設けられたカムにより移動し、前記回転用永久磁石と同極同士とを対向離間して設けた永久磁石を有するトルク補助ユニットが配置されていることを特徴とするフライホイール発電機。
前記トルク補助ユニットは、前記回転用永久磁石と同極同士とを対向離間して設けた永久磁石が固定軸を回転中心として回転する構造であることを特徴とする請求項１記載のフライホイール発電機。
前記トルク補助ユニットは、前記固定軸を回転中心として回転する回転体に１２０度ごとに固定されて配列されていることを特徴とする請求項２記載のフライホイール発電機。