JP2010530516A - フライホイール電力貯蔵システムのためのリフトマグネット機構 - Google Patents

Abstract

モーター/発電機、磁気軸受けに支持されたフライホイールに一体型のローターに関連する電子技術を通じて、電力はＤＣ電力バスからフライホイールアセンブリに貯蔵され、かつバスに供給される。動作中、フライホイールアセンブリは機械的なバックアップ軸受けから解放され、フライホイールアセンブリの軸方向磁場による浮上が停止されるまで、通常離れたままである。発達した機能強化は、現在大きい環状磁気部材の製造能力が制限されていることによって永久磁石に存在する不連続点またはセグメントを横切る磁束密度滑らかにする。例えば直接ローターに結合する鋼鉄円柱部材のような材料をセグメント永久磁石に対向して導入することは、誘導渦電流およびローターの加熱を根絶する。さらに磁束吸収に大きな表面積を許容する環状の溝付きローターが示される。

Description

本発明は、通常フライホイール駆動電力貯蔵システムに関し、特に現在の製造能力により、永久磁石に存在する不連続点またはセグメントを横切る磁束密度を滑らかにするために発達した機能強化に関する。

参照
従来技術において、フライホイール駆動電力貯蔵システムおよびそれらの多様な関連要素は、Bitterly et alによる特許文献１、Rosen et alによる特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５、Lymanによる特許文献６および特許文献７、Perperによる特許文献８および特許文献９、Millerによる特許文献１０、Hiyama et alによる特許文献１１、Nomura et alによる特許文献１２、Conradによる特許文献１３、Huang et alによる特許文献１４、Benedetti et alによる特許文献１５、Schroeder et alによる特許文献１６、Postによる特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、および特許文献２１、Merritt et alによる特許文献２２、Fisherによる特許文献２３および特許文献２４、Cambier et alによる特許文献２５および特許文献２６、Evertonによる特許文献２７、Trautによる特許文献２８、特許文献２９、特許文献３０、および特許文献３１、およびKuroiwaによる特許文献３２に見つけることができる。

本発明にさらに特有であるのは、特許文献３３は、ベアリングの寿命を延ばし、熱および渦電流を減少させるために、フライホイールに利用する軸受けのローターを持ち上げることに電磁石および永久磁石の使用を記載している。

本発明は、パワーインターフェースエレクトロニクスおよび電気機械エネルギー変換を通じて、回転フライホイールの慣性のおよび相互手段により貯蔵された運動エネルギーを電力に変換する電力の貯蔵に関連する。本発明の様々な構成品要素は、協同パワーエレクトロニクスおよび磁気軸受けを有する高速モーター/発電機と、磁気軸受けを安定させるための電子的フィードバック制御サーボ機構と、運動エネルギーを貯蔵するモーター/発電機ローターおよび回転磁気軸受け要素に一体の垂直軸フライホイールと、空気抵抗を減らすための真空筐体と、通常運転時には使用されない機械的なバックアップ軸受けと、安全にフライホイールおよび筐体を収容するための固定のエネルギー吸収設置場所とを含む。

また上記に参照した米国特許に示されているように、充電式電気化学電池のような手段は、いくつかの使用法を提供するが、例えば収容スペース、漏洩および寿命などの重要な問題を含む非常に大きな問題に遭遇する。したがってフライホイール駆動システムは、このようなシステムとは異なる好都合点を提供することができる。しかし、フライホイール電力貯蔵システム設計が、貯蔵容量が最小の、小さく物理的に制限された構造から、今日一般的な工業的な大きさの磁気部材を利用する大容量システムに発展するにしたがい、材料制約および他の固有の要因が生じている。フライホイールエネルギー貯蔵システムを実用的な代替システムにするため、エネルギー貯蔵および出力を最大にすることを容易にするために前記の問題点は克服されなければならない。

現在の利用において、きわめて大きい磁気配列および磁気部材が必要なため、現在の製造能力では磁気配列は結合磁気セグメントを含む構造に制限される。ステータが直接ローターに面している場合、ローターおよびステータの境界面に生じるこれらセグメントを横切る磁束密度に固有の不連続性により、永久磁石配列は渦電流およびローターの過剰な発熱を誘起する。したがってこの欠点に取り組むために必要なものは、セグメントから不連続性を無効にするまたは取り除くことによってこれらの問題をなくすように働く機構および／またはシステムである。

そのうえ現在の大部分の利用において、永久磁石、電磁石または双方の組み合わせによって発生した磁力は、フライホイールシステムのローターを持ち上げるために使用される。一対の固定のステータおよびローターにより発生した磁力は、ステータおよびローターを隔てるエアギャップに対して通常非常に敏感である。高感度とは、間隙が大きくなる場合弱い磁力、間隙が小さくなる場合過剰に強い磁力、ということを意味する。大きい間隙における弱い磁力は、ローターを持ち上げるためのより強い磁石またはより高い電流のどちらかを有する設計が必要であり、小さい間隙における過剰に強い磁力は、故障状態にある場合潜在的に部品を損傷する。

大容量フライホイールシステムの以前の故障は、タッチダウンボールベアリングの過負荷および過熱により引き起こされるということが多い。大きいリフト力が要求されることにより通常運転中に電力が妨害されるため、純粋な電磁石リフトマグネットを利用する場合、故障が起こる。リフト力が消散されるため、重いローターがボールベアリングに乗ることにより、重い負荷のためにボールベアリングが短時間で加熱される。したがってボールベアリングが故障すると、高速ローターは機械的な支持を失い、基本的に真円ではない回転をしてケースに接触する。したがって、消耗、時には大惨事、およびケース内の爆発が起こる可能性がある。

さらに、ローターを持ち上げるために永久磁石、電磁石または双方の組み合わせのいずれかによって発生した磁力を利用するシステムにおいて、一対の固定のステータおよびローターによって発生した磁力はステータおよびローターを隔てるエアギャップに対して通常非常に敏感である。高感度とは、間隙が大きい場合は弱い磁力が発生し、間隙が小さい場合は過剰に強い磁力が発生するということを意味する。弱い磁力が発生する大きい間隙状態は、ローターを持ち上げるためにより強い磁石または高い電流のどちらかを有する設計が必要であり、一方、小さい間隙における過剰に強い磁力は故障状態において潜在的に部品またはシステム全体を損傷させる場合がある。

したがって典型的なリフトマグネット設計を研究する場合、必要とされることは、大きい間隙構成において磁力がわずかに強く、かつ小さい間隙構成において磁力が大幅に弱いという状態にするための低い間隙感度を有する磁力を提供することができる設計である。そのうえ、任意の潜在的な故障モードにおいてローターが軸受けの上に落ちた場合にボールベアリングの負荷を最小にするシステム、機構または運転方法が必要である。また任意の潜在的な故障モードにおいて高速ローターがステータに固着することを防ぐシステム、また同時に優れたローター制御のために熱の発生を最小にするためにリフトマグネットシステムに使用される電力を最小にするシステムが必要である。

米国特許第5,614,777号明細書 米国特許第567,595号明細書 米国特許第5,708,312号明細書 米国特許第5,770,909号明細書 米国特許第58,644,303号明細書 米国特許第3,860,300号明細書 米国特許第4,147,396号明細書 米国特許第3,791,704号明細書 米国特許第4,088,379号明細書 米国特許第5,627,419号明細書 米国特許第4,910,449号明細書 米国特許第5,760,510号明細書 米国特許第5,777,414号明細書 米国特許第5,319,844号明細書 米国特許第4,444,444号明細書 米国特許第5,844,339号明細書 米国特許第5,495,221号明細書 米国特許第5,783,885号明細書 米国特許第5,847,480号明細書 米国特許第5,861,690号明細書 米国特許第5,883,499号明細書 米国特許第5,705,902号明細書 米国特許第5,044,944号明細書 米国特許第5,311,092号明細書 米国特許第5,107,151号明細書 米国特許第5,677,605号明細書 米国特許第5,670,838号明細書 米国特許第3,969,005号明細書 米国特許第3,989,324号明細書 米国特許第4,094,560号明細書 米国特許第4,141,607号明細書 米国特許第4,799,809号明細書 米国特許第6,566,775号明細書

本願に示される本発明は、従来技術の機構単体またはこれらの任意の組み合わせからは明確に予測されず、明らかではなく、または存在さえしない。前述の欠点および制限を補うように適合されたフライホイール駆動電力貯蔵システムは、多数の有用な利用に対し著しい改善をもたらす。したがって本発明のいくつかの実施形態をここに示す。

本発明の重要な目的は、高容量フライホイールエネルギー貯蔵システムの改善、および特に固有の軸受けの磨耗の改善、磁束の制御および、要求されるリフトパワーの変動の最小化を中心としている。したがって、潜在的な故障モードにおいて高速ローターが解放されボールベアリングに急落下し始める場合、ボールベアリングの負荷を最小にするシステム、サブシステム、機構、または運転方法の作成は極めて重要である。

本発明の追加的な目的は最小の渦電流損失のモーター/発電機を有するフライホイール電力貯蔵システムを提供することであり、第一磁気駆動第一軸受けシステムに一体のローターが機械的な軸受けの磨耗を軽減するため、単なる一時的なバックアップとしてのみ機械的な軸受けの使用を示す。

さらに任意のフライホイール駆動システムにおいて、本発明の全般的な目的は、大きな電力損失、過度の内部加熱、真空損失、大規模な管理、爆発の危険および高コストを伴わない改善された長寿命フライホイール電池を提供することである。

本発明の追加的な目的は、潜在的な故障モード下に起こる極端な力および熱の問題によって高速ローターがステータに固着することを防ぐことである。

本発明のさらなる目的は、フライホイールシステムを冷えた状態にて運転することを可能にし、その結果固有の過熱およびローターとステータとの結合または固着を防ぐことである。

本発明の他の目的は、リフトマグネットシステムに使用される電力を最小にすることであり、これは熱の発生を本質的に最小にし、そのうえローターの適切な制御を維持する。

本発明の他の目的は、ステータの任意の構成と整合させる間渦電流および周囲の熱を最小にするために、セグメント磁石配列をカバーするように設置され、円筒形状の鋼鉄ポール機構を備える装置を提供することである。したがって前記装置の使用は、ステータ巻線の加熱、熱応力の派生、および樹脂材料が利用された場合の樹脂成形のガス抜けの可能性を本質的に最小にする。

本発明の他の目的は、大きい間隙において磁力がわずかに強く、かつ小さい間隙において大幅に磁力が弱い、低い間隙感度の磁力を設けた装置を導入することである。

他の目的は、真空損失の原因、頻繁な整備、および機械的な軸受けの故障を取り除くために、機械的なバックアップ軸受けの潤滑油の必要性を排除することである。

したがって、本発明のひとつの特定の目的は、磁石部材をまとめた大きい円形を有する運用に固有な物理的な空間問題によって従来のシステムに発生する出力スパイクを根絶するシステムを提供することである。

それに応じて、これらの目的、加えて他の利点および強化を達成する改善されたフライホイール電池システムおよび構成品要素の付随する強化をここに示す。技術に対するこれらの改善は、添付図面と関連して考慮する場合の以下の本発明の記載からはっきりと理解され、そこでは幾分広く概説された自動車監視システムのより重要な特徴が記載されている。以下の詳細な説明はよりよく理解され、技術へのこの貢献はより重宝されるものである。

以下に説明され、添付の特許請求の範囲を形成する本発明の追加的な特徴がある。この点において、本発明の少なくともひとつの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は後述の説明または図面における記載によって説明される構造の詳細および構成品の配置の応用に制限されるものではないということを理解されるべきである。本発明は他の実施形態が可能であり、かつ多様な方法により実施、実行が可能である。また本願に用いられる表現および用語は、説明を目的とするものであり、限定するものではないということを理解されるべきである。

本発明を特徴付ける、新規の多様な特徴を伴う本発明の他の目的とともに、これらは添付された特許請求の範囲における独自性を備えているものと指摘され、且つ本願の一部を形成している。本発明、その使用により達成される運用の利点および特定の目的をより理解するために、本発明の好ましい実施形態を記載する添付図面および説明的な要素を参照すべきである。

本発明のフライホイール電池の磁気リフト部分の簡略化した断面アセンブリ構成図を示し、ステータハウジング、セグメント磁石配列および鋼鉄円柱部材またはポールを備える永久磁石配列、コイル、およびローターが回転軸の周りに示されている。 セグメント磁石配列のセグメント化状態を図示した永久磁石配列の上面図である。 鋼鉄円柱部材またはポールを図示した構成図である。 溝付き実施形態のローターの側面図である。 面取り実施形態の溝付き構成を図示したローターの側面図である。 ローターとステータとの間隙が小さい状態にて溝付きローターを利用した場合に生成された磁束を図示した有限要素解析結果である。 ローターとステータとの間の間隙が大きい状態にて溝付きローターを利用した場合に生成された磁束を図示した有限要素解析結果である。 溝付きローターの使用により、大きいローター／ステータ間隙によるリフト力と小さいローター／ステータ間隙によるリフト力の差が、従来のローターによるリフト力に比べ非常に小さくなることを示したグラフである。 実際のフライホイール電力貯蔵システム内の新規アセンブリの側断面図である。 フライホイール電力貯蔵システム磁石リング装置を図示した装置全体の側断面三次元図であり、ステータハウジングおよびアセンブリ、セグメント磁石配列および鋼鉄円柱部材またはポールを備える永久磁石配列、コイル、ローターとステータとの間隙、またはローター／ステータ間隙、および溝を含むローターを示す。 フライホイールの縁に整合する垂直主軸に取り付けられたローターが、ローター上端部の高透磁率鋼鉄とセグメント磁石配列の相互作用との間の引力によって軸に方向に浮上している状態を示す側断面図である。 全ての要素を示した本発明の等角断面図である。

フライホイール駆動電力貯蔵システムにおいて、永久磁石、電磁石または双方の組み合わせのいずれかにより発生した磁力は、フライホイールシステムのローターを持ち上げるために使用される。一対の固定のステータおよびローターにより発生した磁力は、ステータとローターとを隔てるエアギャップに対して通常感度が高い。高感度とは、間隙が大きい場合には弱い磁力、および間隙が小さい場合には過度に強い磁力ということを意味する。

本発明の多数の実施形態のうちまず図１を参照すると、フライホイール電力貯蔵システム磁石リング装置１０またはフライホイール電池の磁気リフト部分の簡略化された断面アセンブリ構成図を示しており、ステータハウジングおよびアセンブリ２０、セグメント磁石配列３１および鋼鉄円柱部材４０またはポール４０を備える永久磁石配、コイル５０、ローターとステータとの間隙またはローター／ステータ間隙６０、および溝８０を含むローター７０が示されている。

次に図２を参照すると、永久磁石配列３０の上面図であり、磁石配列の個々のセグメント９０が示されている図３は、鋼鉄円柱部材４０またはポール４０を示す構成図であり、この部材４０は、回転部材に熱を発生させる磁束の変化を誘起するため問題をはらむ、セグメント磁石配列３１および個々のセグメント９０の不連続性を補うように設計されている。

図４は、ローター７０側面図であり、新規の溝付き構造８０を図示しており、この構造は壁へのさらなる漏洩磁束のための表面積をより大きくすることを可能にし、したがってリフト力の変動をより素早く制御できる。図５は面取り変型８１の溝付き構造８０を示すローター７０の側面図であり、これにより壁へのさらなる漏洩磁束のための表面積を付加的により大きくすることを可能にし、したがってリフト力の変動をより素早く制御できる。

図６はローター７０とステータハウジングおよびアセンブリ２０との間隙が小さい状態にて溝付きローター８０を利用した場合に生成された磁束１０１を表示する有限要素解析結果である。同様に図７は、ローターとステータとの間隙が大きい状態にて溝付きローターを利用した場合に生成された磁束１０２を示す有限要素解析結果である。

図８のグラフに示されるように、ローター／ステータの大きい間隙によるリフト力とローター／ステータの小さい間隙１２１によるリフト力との差は、溝付きローター８０の使用により従来のローター１２２によるリフト力の差に比べて非常に小さくなる。

図９は、実際のフライホイール電力貯蔵システム内の本発明の磁石リングまたは磁気リフトシステム１０の側断面図を示す。図１０は、装置全体の側断面三次元図であり、フライホイール電力貯蔵システム磁石リング装置１０、ステータハウジングおよびアセンブリ２０、セグメント磁石配列３１および鋼鉄円柱部材４０またはポール４０を備える永久磁石配列３０、コイル５０、ローターおよびステータ間隙、またはローター／ステータ間隙６０、およびスロット／溝８０を含むローター７０を示す。

図１１を参照すると、垂直主軸７１およびフライホイール縁１２０に取り付けられたローター７０は、ローター７０の上端に配置された高透磁率鋼鉄または他の適切な材料と、非回転セグメント磁石配列３１、および非回転、環状、軸方向に磁化された永久磁石配列３０の上側部および下側部に配置された非回転、高透磁率、環状鋼鉄円柱部材４０またはポール４０と、の間の引力によって軸方向に浮上する。電磁石として働く同心のコイル５０は双方向駆動電流が提供され、且つ全体的に斬新なローターはフライホイール縁１２０に軸方向の浮上を提供する同じ磁場によって、本質的に安定した調心力を提供する。

特に鉄、高透磁率鋼鉄または磁石部材が連続的な磁束サイクルの影響を受けず、ローター回転によるかなりの磁束変化にも影響を受けないため、運転中にフライホイール縁を磁気的に浮上させる能力は、軸受け、磁気部材および鋼鉄部材の通常の磨耗を大きく減少させることができ、また例えば渦電流損失、塑性変形部または同様なものの悪影響を最小にすることができる。この状態は、本発明の鋼鉄円柱部材がローターに整合する永久磁石を交換する場合に特に正しく保持され、磁束を滑らかにする。

本願に示されるように、ローターが軸受けシステムに落ちた場合にボールベアリングの過負荷および過熱を回避するために、本発明はボールベアリングシステムを過負荷にせず、電磁石システムを故障させないように保証するためにリフト力の大部分を提供する永久磁石配列を含むハイブリッドタイプのリフトマグネットシステムを導入する。この永久磁石配列は、渦電流損失およびローターの熱発生を回避するために磁束密度を滑らにする磁気鋼鉄ポールによって覆われたセグメント磁石から作られている。本発明のリフトマグネットシステムの電磁石は、ローター/ステータ間隙を制御するための小さいリフト力を提供する。

本発明の永久磁石配列と共に、より弱い電流および電力が電磁石に要求される。溝付きローターが比較的一定のリフト力を提供する間、本発明のフライホイールシステムは作動し、より少ない熱の発生によって冷たい状態を保つ。溝付き装置のない従来のローターと比較して本発明の溝付きローター設計は、ローター／ステータ間隙が大きい場合に、ローターの浮上を容易にするのに十分大きいリフト力を提供する。ローターがステータに接近した場合にリフト力を実質的に一定に保つために、ほぼ一定の力が、起こりうる任意の故障モードにおいてローターがステータに固着することを防いでいる。したがって本発明において、環状の鋼鉄ポールは、磁束変化を根絶するよう導かれ、ローターの溝付き特徴は力感度を減らすよう導かれている。

本発明のいくつかの実施形態が一例として示されたが、本発明の精神と技術範囲内にてさらなる実施形態が発展され得ることは明らかである。しかし、このような改良および改造は、続く添付の特許請求の範囲によって説明される本発明の精神と技術範囲内にてなされるということを、特に理解されるべきである。

１０ フライホイール電力貯蔵システム磁石リング装置
２０ ステータハウジングおよびアセンブリ
３０ 永久磁石配列
３１ セグメント磁石配列
４０ 鋼鉄円柱部材またはポール
５０ コイル
６０ ローター／ステータ間隙
７０ ローター
７１ 垂直主軸
８０ 溝
９０ セグメント

Claims (24)

1. フライホイール駆動電力貯蔵システムのためのフライホイール浮上装置は、
   モーター／発電機手段と、
   ローター機構に連通する垂直主軸に連通するフライホイール縁と、
   磁石リングアセンブリとを備え、該磁石リングアセンブリは、
   ステータハウジングと、
   軸方向磁束を提供する磁石配列と、
   コイル機構と、
   軸受け機構セットとを備え、前記システムの駆動において、前記磁石リングへの前記ローター機構の引力は、前記垂直主軸を持ち上げ、これによって前記ベアリング機構セットの前記フライホイール縁を持ち上げ、前記フライホイール縁が実質的に前記ベアリング機構セットから独立して動作することができることを特徴とするフライホイール浮上装置。
2. 前記ローター機構が、上縁、内壁および外壁を備える少なくとも１つの環状切欠き区域をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール浮上装置。
3. 前記少なくとも１つの環状切欠き区域の前記外壁および前記内壁の直径が、前記環状鋼鉄部材の前記外壁および前記内壁の直径に実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
4. 前記少なくとも１つの環状切欠き区域の前記外壁が、実質的に前記ローター機構の基底に垂直であることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
5. 前記少なくとも１つの環状切欠き区域の前記内壁が、実質的に前記ローター機構の前記基底に垂直であることを特徴とする請求項４に記載のフライホイール浮上装置。
6. 前記少なくとも１つの環状切欠き区域の前記外壁が、実施的に前記ローター機構の前記基底に４５度の角度にて設置されていることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
7. 前記少なくとも１つの環状切欠き区域の前記内壁が、実施的に前記ローター機構の前記基底に４５度の角度にて設置されていることを特徴とする請求項６に記載のフライホイール浮上装置。
8. 前記環状切欠き区域の壁への磁束漏洩が、ローター／ステータ間隙が小さい場合にリフト力の著しい増大を防止していることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
9. 前記環状切欠き区域の壁への磁束漏洩が、ローター／ステータ間隙が小さい場合に高速ローターがステータに固着することを防いでいることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
10. 前記ローターの上面からの磁束漏洩が、ローター／ステータ間隙が大きい場合に余剰のリフト力を提供することを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
11. 前記ローターが前記ステータに接近した場合に、前記リフト力が実質的に一定を保つことを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
12. 長期コイル電流が、通常動作レベルを０となるように減少することを特徴とする請求項２に記載のフライホイール浮上装置。
13. 前記磁石配列が高エネルギー永久磁石をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール浮上装置。
14. 前記磁石配列が、前記高エネルギー永久磁石の下に配置された磁性鋼を備えている環状鋼鉄部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１３に記載のフライホイール浮上装置。
15. 前記高エネルギー永久磁石が前記ローター機構に直接結合しないことを特徴とする請求項１４に記載のフライホイール浮上装置。
16. 前記環状鋼鉄部材が、前記磁石配列の均一でないセグメントを補うように配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のフライホイール浮上装置。
17. 前記環状鋼鉄部材が、前記ローター機構に直接結合することを特徴とする請求項１５に記載のフライホイール浮上装置。
18. 前記鋼鉄円柱部材が、前記ローター機構に結合するセグメント磁石間の磁束密度を滑らかにすることを特徴とする請求項１７に記載のフライホイール浮上装置。
19. 前記環状鋼鉄部材が、細長い円柱部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール浮上装置。
20. 前記環状鋼鉄部材が、環状ボールを備えていることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール浮上装置。
21. 磁石上部および少なくとも１つの環状溝を備えている磁場生成装置のためのローター機構。
22. 前記少なくとも１つの環状溝が、一連の環状溝を備えていることを特徴とする請求項２１に記載の磁場生成装置のためのローター機構。
23. 前記少なくとも１つの環状溝が面取り縁をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁場生成装置のためのローター機構。
24. 磁場生成機構において、力感度を低下させ、かつセグメント磁気部材の磁束変動を少なくする方法であって、
    溝付きローター機構を導入するステップと、
    前記ローター機構に直接結合する環状鋼鉄ポールを導入するステップとを備えていることを特徴とする方法。

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