JP2014100004A - フライホイール一体形誘導電動機・発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力蓄積装置の構造の簡素化を図り、廉価なコストの小型の装置とすることができるばかりでなく保守等も容易に行うことができるフライホイール一体形誘導電動機・発電機を提供する。
【解決手段】 真空に保持された密閉空間を形成する円筒状の真空容器３と、軸受４Ａ，４Ｂを介して両端部が真空容器３に回転可能に支持された回転軸７と、渦電流を流すことができる閉回路を形成する導電体で形成され、回転軸７に固着されて回転軸７とともに一体的に回転するように形成された回転体１と、真空容器３の外部で、その周囲に等間隔に配設された３個のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明はフライホイール一体形誘導電動機・発電機を提案するもので、特に出力変動の大きな発電設備や電動機と組み合わせて余剰の電気エネルギーをフライホイールに運動エネルギーとして蓄積する一方、フライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す場合に適用して有用なものである。

再生可能エネルギーとして風力や太陽光が注目されている。この種のエネルギーを電気エネルギーに変換して利用する場合には、変動が少ない一定の風力や一定の太陽光を得るのが困難な点に起因して、一定出力で運転できないという問題がある。そこで、再生可能エネルギーを利用した電力供給を行う際には、風力発電や太陽光発電により得られた電気エネルギーを蓄積する蓄電装置やフライホイール装置等と組み合わせたシステムを構築することにより、発電電力が所定の出力を上回る場合には余剰電力を電気エネルギーや機械エネルギーとして蓄積する一方、蓄積した電気エネルギーや機械エネルギーを発電電力が所定の出力を下回る場合に放出して出力を一定にするように工夫する場合がある。

ところが、蓄電装置は単位蓄電容量当たりの装置が高価であり、大容量の蓄電装置と組み合わせるシステムの構築はコストの点で問題がある。そこで、比較的安価なコストで構築することができ、構造的にも堅牢なフライホイール装置と組み合わせた蓄電システムも多用されている。

図３は、従来技術に係る蓄電システムの一種であるフライホイール付電動機・発電機の一例を模式的に示す説明図である。同図に示すように、フライホイール付電動機・発電機IIは、電動機・発電機０１およびフライホイール装置０２からなり、本例の場合は、一本の回転軸０３を電動機・発電機０１とフライホイール装置で共用する構造となっている。すなわち、電動機・発電機０１の回転子（図３には図示せず）と、大きな慣性モーメントを発生する重量物であるフライホイール装置０２の回転体０５とが一本の回転軸０３の軸方向に直列に配設されている。また、回転軸０３は軸受０７Ａ，０７Ｂに両端部をそれぞれ回転可能に支持されている。

本例の場合、回転体０５は、円筒状部材の両端開口部を蓋部材０９Ａ，０９Ｂで閉塞して内部を真空に引いた真空容器０６内に収納してある。

かかるフライホイール付電動機・発電機IIでは、例えば風力や太陽光等を利用して発電した電力に剰余分が生じた場合、これを端子０１０を介して供給することで電動機・発電機０１を回転駆動させる。すなわち、このとき電動機・発電機０１は電動機として駆動され、その回転に伴い、回転軸０３を介してフライホイール装置０２の回転体０５に回転駆動力を伝達する。この結果、回転体０５が回転駆動され、大きな機械エネルギーが蓄積される。ここで、本例における回転体０５は、真空容器０６内に収納してあるので、回転体０５の回転に伴う風損を可及的に低減することができる。

一方、風力や太陽光等による発電量が低下し、発電電力が不足した場合には、回転体０５の機械エネルギーで電動機・発電機０１が発電機として駆動され、端子０１０を介して発電機で発電した電力を外部に供給する。

ところで、図３に示すフライホイール付電動機・発電機IIでは、回転軸０３が蓋部材０９Ａを貫通し、一旦フライホイール装置０２の外部に突出した後、電動機・発電機０１の回転軸として兼用されているので、回転軸０３の貫通部分における構造に関しての特別な工夫が必要になる。これは、真空容器０６の真空を保持すべく、貫通部分に所定のシール構造を採用する必要があるためである。したがって、回転軸０４の貫通部分の構造が複雑になるばかりでなく、真空容器０６としての機能を維持させるための保守等も面倒なものとなる。

なお、電動機・発電機とフライホイール装置とを組み合わせて図３に示すフライホイール付電動機・発電機IIと同様の目的を達成する装置は、従来種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、これらは何れも電動機・発電機の回転軸とフライホイールの回転軸とを直列に連結するものであるので、フライホイール装置のエネルギー蓄積効率を向上させるべく、その回転体を真空容器内に収納した場合には、回転軸が真空容器の外部に突出する構造を採用せざるを得ない。

特開２００９−３０３２８４号公報

上述の如く、従来技術に係るフライホイール付電動機・発電機IIでは回転軸０３を真空容器０６の外部に突出させる必要があるので、これに伴うシール構造等が複雑になり、また保守点検等も面倒であるという問題を有する。

本発明は、上記従来技術に鑑み、電力蓄積装置の構造の簡素化を図り、廉価なコストの小型の装置とすることができるばかりでなく保守等も容易に行うことができるフライホイール一体形誘導電動機・発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、真空に保持された密閉空間を形成する円筒状の真空容器と、軸受を介して両端部が前記真空容器に回転可能に支持された回転軸と、渦電流を流すことができる閉回路を形成する導電体で形成され、前記回転軸に固着されて前記回転軸とともに一体的に回転するように形成された回転体と、前記真空容器の外部で、その周囲に等間隔に配設された３個以上のコイルとを有することを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機にある。

本態様によれば、真空容器の外部に配設したコイルで前記真空容器の周方向に沿い回転する回転磁界を形成することができる。この結果、真空容器内に収納されている回転体には回転磁界が作用する。したがって、コイルと回転体とで誘導電動機が形成されて回転磁界の回転周波数に対するすべりｓが正となって回転体が回転される結果、回転体に機械エネルギーが蓄積される。一方、回転磁界の周波数に対するすべりｓが負となった場合には、コイルと回転体とで誘導発電機が形成されて回転体に蓄積された機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、各コイルを介して交流電力を外部に供給することができる。

このように、本形態によれば真空容器内の回転体を、フライホイールと誘導電動機・発電機の回転子との両方で機能させることができるので、部品点数の削減によるコンパクトな構造とすることができ、コストの低減を図ることができる。

さらに、本形態においては、回転体を一体的に回転させる回転軸は、真空容器内でその両端部を支持されている、すなわち真空容器の外部に突出していないので、シール構造等を考慮することなく、真空容器の内部の軸受で支持することができる。したがって、この点でも構造の簡素化を図り得るばかりでなく、保守管理も簡便に行うことができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、前記回転体は、誘導電動機・発電機のかご形回転子で形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機にある。

本態様によれば、回転体が誘導電動機・発電機のかご形回転子となっているので、当該フライホイール一体形誘導電動機・発電機を効率良く運転することができる。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、前記真空容器は、絶縁体で形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機にある。

本態様によれば、真空容器が絶縁体であるため、真空容器の表面にコイルで形成される回転磁界に基づく渦電流を発生させないようにすることができる。この結果、当該フライホイール一体形誘導電動機・発電機の効率的な運転に寄与させることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様の何れか一つに記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、前記コイルは、超電導コイルで形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機にある。

本態様によれば、コイルが超電導コイルで形成してあるので、大電流を流すことができ、大きな磁束密度の強力な回転磁界を容易に形成することができる。したがって、電動機運転モードでの負荷となる回転体の重量を十分大きなものとすることができる。一方、発電機運転モードでは、回転体に蓄積された大きな機械エネルギーを放出させつつ高効率の発電を行うことができる。

本発明によれば、真空容器内の回転体を、フライホイールと誘導電動機・発電機の回転子との両方で機能させることができるので、部品点数の削減によるコンパクトな構造とすることができ、コストの低減を図ることができる。

また、フライホイールと誘導電動機・発電機の回転子とを兼用しているため、一本の回転軸の両端部を、真空容器内で回転可能に支持すれば良い。すなわち、回転軸が真空容器の外部に突出していないので、シール構造等を考慮することなく、真空容器の内部の軸受で支持することができる。したがって、この点でも構造の簡素化を図り得るばかりでなく、保守管理も簡便に行うことができる。

本発明の実施の形態に係るフライホイール一体形誘導電動機・発電機の横断面形状を模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るフライホイール一体形誘導電動機・発電機の主要部を模式的に示す説明図である。 従来技術に係るフライホイール付電動機・発電機の一例を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るフライホイール一体形誘導電動機・発電機の横断面形状を模式的に示す説明図、図２は、その主要部を模式的に示す説明図である。両図に示すように、本形態に係るフライホイール一体形誘導電動機・発電機Ｉは、真空容器３内に収納された回転体１および真空容器３の外部で、その周囲に等間隔に配設された３個のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃを有している。

真空容器３は、絶縁体である、例えばＦＲＰで形成してあり、これにコーティング等を施して、内部が良好な真空空間となるように処理してある。本形態における真空容器３は、円筒状部材の両端開口部を円板状の蓋部材３Ａ，３Ｂで閉塞して内部が大気圧未満になるように気体を引いてある。ただ、本発明における真空空間とは、圧力が大気圧より低い空間のみならず、水素やヘリウム等、空気よりも質量が小さいガスを充填した場合は、大気圧とほぼ同一の空間も含む。この場合でも真空状態と同程度に風損が低減されるからである。

また、蓋部材３Ａ，３Ｂの内部には、超電導磁気軸受等で好適に構成し得る軸受４Ａ，４Ｂが配設されているおり、軸受４Ａ，４Ｂには、回転体１が一体的に固着された回転軸７の両端部がそれぞれ回転可能に支持されている。かくして、回転体１は、真空容器３の内部で回転軸７と一体的に回転する。ここで、回転体１は、コイル２Ａ〜２Ｃが形成する回転磁界による渦電流を流すよう、誘導電動機・発電機のかご形回転子で形成してある。すなわち、回転体１は、円柱状の回転子鉄心の周面に円周方向に亘り回転軸７と平行に複数本（図１では１２本）の導体棒５を配設するとともに、各導体棒５の両端部において周方向で隣接する導体棒５間が短絡環６で短絡して構成してある。なお、後に詳述するが、本形態における回転体１には、誘導電動機の回転子の機能の他にフライホイールの機能も兼備させているので、回転により、より多くの機械エネルギーを蓄積し得るよう所定の重量物として構成することが肝要である。また、本形態におけるコイル２Ａ〜２Ｃは超電導コイルで形成してある。したがって、コイル２Ａ〜２Ｃには大電流を流すことができ、大きな磁束密度の強力な回転磁界を容易に形成することができる。したがって、電動機運転モードでの負荷となる回転体１の重量を十分大きなものとすることができ、同時に発電機運転モードでは、回転体に蓄積された大きな機械エネルギーを放出させつつ高効率の発電を行うことができる。

かかる本形態において、コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃに三相交流の電力を供給すると、真空容器３の周方向に沿い回転する回転磁界が形成される。この結果、真空容器３内に収納されている回転体１では各導体棒５および短絡環６を介して渦電流が流れ、渦電流により発生する磁界とコイル２Ａ〜２Ｃで形成される回転磁界との相互作用で回転体に回転トルクが発生する。この回転トルクにより回転体１が誘導電動機の回転子として正のすべりｓ（＞０）で回転駆動される。かかる回転駆動により回転体１には運動エネルギーが蓄積される。

一方、回転体１のすべりｓが負（＜０）になるとコイル２Ａ〜２Ｃと回転体１とで誘導発電機が形成されて回転体に蓄積された機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、各コイル２Ａ〜２Ｃを介して三相交流電力を外部に供給することができる。

このように、本形態によれば真空容器３内の回転体１を、フライホイールと誘導電動機・発電機の回転子との両方で機能させることができるので、部品点数の削減によるコンパクトな構造とすることができ、コストの低減を図ることができる。

さらに、本形態においては、回転体１を一体的に回転させる回転軸７は、真空容器３内でその両端部を支持されている、すなわち真空容器３の外部に突出していないので、シール構造等を考慮することなく、真空容器３の内部の軸受４Ａ，４Ｂで支持することができる。したがって、この点でも構造の簡素化を図り得るばかりでなく、保守管理も簡便に行うことができる。

なお、上記実施の形態において、回転体１は誘導電動機・発電機のかご形回転子で形成したが、これに限るものではない。少なくとも一部が渦電流の回路となる導電体で形成されていれば良い。例えば、絶縁体の円筒の表面を導電体で覆った二重筒構造の回転体でも構わない。この場合、本発明における回転体は、機械エネルギーを蓄積する機能も兼備するものであるので、重量物で形成するのが望ましい。なお、上記形態の如く、回転体がかご形回転子の場合、回転磁界による渦電流を効率良く流すことができるので、全体の効率を良好なものとすることができるという効果は得られる。

また、真空容器３は、ＦＲＰやＦＲＰとグラファイトを組み合わせた素材などの絶縁体であることが望ましいが、これに限定する必要はない。ただ、導電体で形成した場合、渦電流が流れることにより、効率低減の原因となるが、絶縁体の場合はかかる心配はない。

さらに、コイル２Ａ〜２Ｃを超電導コイルで形成することは必須ではないが、超電導コイルの場合には大きな磁束密度の強力な回転磁界を容易に形成することができる。また、軸受を超電導磁気軸受で形成することも必須ではないが、超電導磁気軸受を用いた場合には、回転体１の軸受部分での機械的な摩擦損を良好に低減し得る。ちなみに、本発明では、回転軸７が真空容器３を貫通していないので、真空容器３の真空状態に影響を与えることなく超電導磁気軸受を所定通りに配設することができる。

また、上記実施の形態におけるコイル２Ａ〜２Ｃは三相交流を使用する場合を考慮して３個としたが、３個以上であれば、それ以上の限定はない。４相、５相でも回転磁界を発生させることができるからである。

本発明は、電力を機械エネルギーとして効率良く蓄積するとともに、蓄積した機械エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換するシステムを構築する産業分野において有効に利用することができる。

Ｉ フライホイール一体形誘導電動機・発電機
１ 回転体
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ コイル
３ 真空容器
４Ａ、４Ｂ 軸受
５ 導体棒
６ 短絡環
７ 回転軸

Claims (4)

1. 真空に保持された密閉空間を形成する円筒状の真空容器と、
   軸受を介して両端部が前記真空容器に回転可能に支持された回転軸と、
   渦電流を流すことができる閉回路を形成する導電体で形成され、前記回転軸に固着されて前記回転軸とともに一体的に回転するように形成された回転体と、
   前記真空容器の外部で、その周囲に等間隔に配設された３個以上のコイルとを有することを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機。
2. 請求項１に記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、
   前記回転体は、誘導電動機・発電機のかご形回転子で形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機。
3. 請求項１または請求項２に記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、
   前記真空容器は、絶縁体で形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一つに記載するフライホイール一体形誘導電動機・発電機において、
   前記コイルは、超電導コイルで形成したことを特徴とするフライホイール一体形誘導電動機・発電機。
   

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