JP2014149080A - 磁気軸受上の高速フライホイール - Google Patents

Abstract

【課題】支援を受けない最大速度のスピンダウンに耐えることができる補助軸受を有したシステムを提供すること。
【解決手段】高速エネルギー貯蔵フライホイールは、ステータハウジング（２）内に設けられた真空チャンバ（３）内に設置され且つ前記ステータハウジング（２）に対して磁気軸受（５，６，７）によって支持されたロータ（１）を備える。流体タンク（１０）が、真空チャンバ（３）の内部に流体を制御された方式で放出し、且つ従って摩擦によってロータ（１）に制動効果を作り出すために使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータハウジング内に設けられた真空チャンバ内に設置され且つ前記ステータハウジングに対して磁気軸受によって支持されたロータを備える高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムに関する。

高速運動エネルギー貯蔵フライホイールシステムは、バッテリーをベースとしたシステムと比較して、負荷平準化及びピークシェービングのために迅速に電力を提供する。

一般的に、上記エネルギー貯蔵フライホイールシステムは、高速回転フライホイール（通常、高強度スチールまたはカーボンから製造される）と、一体型モータ／発電機ユニットと、（機械的出力を電気的出力に変換するか、または逆に電気的出力を機械的出力に変換するための）出力変換ユニットと、を含んでいる。フライホイールごとに貯蔵されるエネルギーは、一般的に、最大１０ｋＷｈである。モータ／発電機−出力変換システムによって提供されるピーク出力は、１０ｋＷから数百ｋＷの間で変化することがある。

上記フライホイールをベースとした貯蔵システムのために、稼働効率を最大化させることが重要である：
− 風損を最小させるために、すべての回転する構成要素が真空筐体内に収容される。
− 有利なことに、回転する構成要素は、能動型磁気軸受と非接触で稼働される。
実際には、垂直に配置されたフライホイールに関して、適切に適合した５軸磁気軸受システムの総損失は、１００Ｗよりも小さい。

高速フライホイールに利用される磁気軸受は、メンテナンスがなく、最小のロータ及び軸受損失であり、摩耗がなく、潤滑がないことを意味し、且つほぼ制限のない耐用年数を有している。

しかしながら、このような最大化された稼働効率の欠点は、極めて長く支援を受けないスピンダウン時間である。

磁気的に浮上したフライホイールシステムは、磁気軸受システムの不良または故障の場合に高速回転部分を支持するために補助軸受システムを含んでいる。補助軸受におけるスピンダウンの継続は、出力変換ユニットを通じて発電機がより迅速な減速のために使用されることもできるので変化することができる。しかしながら、最も悪い場合の状況のとき、補助軸受における支援を受けない（すなわち発電機からの制動がない）スピンダウンが生じることがある。補助軸受における支援を受けないスピンダウン時間は、数時間である。

解決されるべき技術的課題は、支援を受けない最大速度のスピンダウンに耐えることができる補助軸受を有したシステムを提供することである。しかしながら、数時間の支援を受けないスピンダウンを許可する安全な補助軸受の解決法は、多くの技術的試みを必要とし、且つ極めて費用がかかる。

本発明によれば、数時間から数分に大幅に補助軸受におけるスピンダウン時間を減少させるための手段を導入することが提案される。従って、本発明が適用されると、既存の“スタンダードな”補助軸受解決法が、所要の保護機能を提供し、且つ高価な“特別な”強化された補助軸受を設計することを必要としない。

本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される。

より具体的に、本発明は、ステータハウジング内に設けられた真空チャンバ内に設置され且つ前記ステータハウジングに対して能動型磁気軸受によって支持されたロータを備える高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムにおいて、流体タンクと、緊急状態を感知すると真空チャンバの内部に流体を制御された方式で選択的に放出し、且つ従って摩擦によってロータに制動効果を選択的に作り出すように構成された制御装置と、をさらに備えていることを特徴とする高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムに関する。

本発明の側面によれば、制御装置は、少なくとも１つの流体放出バルブ及びバルブ制御装置を備えている。

本発明の他の側面によれば、制御装置は、バルブ制御装置と協働する少なくとも１つの真空バルブと、真空ポンプシステムと、を備えている。

好ましくは、磁気軸受は、第１径方向能動型磁気軸受及び第２径方向能動型磁気軸受と、軸方向能動型磁気軸受と、を備えている。

本発明による高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムは、ステータハウジング内に組み込まれた電気モータまたは発電機をさらに備えていてもよい。

有利には、機械的出力を電気的出力にまたは電気的出力を機械的出力に変換する出力変換ユニットが電気モータまたは発電機と関連している。

本発明による高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムは、第１補助軸受及び第２補助軸受を備えている。

流体タンクは、不活性ガス、例えば窒素を含んだガスタンクであってもよい。

有利には、流体タンクは、空気を含んだガスタンクであってもよい。

流体タンクは、１０ｍｂａｒから１０００ｍｂａｒの間の圧力を有したガスを含んだガスタンクであってもよい。

真空チャンバは、１０^−４ｍｂａｒよりも低い残留圧力を有した真空室を含むように構成されていてもよい。

バルブ制御装置は、前記緊急状態を感知するように構成されたセンサと、前記センサに応答し且つ少なくとも１つの流体放出バルブを開くように構成された電気的または機械的に始動させられる装置と、を備え、これにより、ガスタンクから調整されたガス圧力を真空チャンバ内に入れることを可能にし、従って、ロータにおける所要の迅速なスピンダウンを発生させる。

本発明は、ステータハウジング内に設けられた真空チャンバ内においてロータを回転させるステップであって、ロータが前記ステータハウジングに対して能動型磁気軸受によって支持される、ステップを備える高速エネルギー貯蔵フライホイール方法において、磁気軸受が故障するかまたは作動しない緊急状態を検出するステップと、流体タンクから流体を真空チャンバの内部に制御された方式で放出し、且つ従って、摩擦によってロータに制動効果を選択的に作り出すステップと、をさらに備える方法にさらに関する。

本発明の側面によれば、ロータは、ステータハウジング内に組み込まれた電気モータまたは発電機と関連し、方法は、前記緊急状態が検出されたときに、前記電気モータまたは発電機を用いて機械的出力を電気的出力にまたは電気的出力を機械的出力に出力変換するステップをさらに備える。

本発明の他の側面によれば、方法は、前記緊急状態を感知するステップと、前記感知する動作に応じて、少なくとも１つの流体放出バルブの開放を電気的または機械的に始動させるステップと、を備え、ガスタンクから調整されたガス圧力を真空チャンバ内に入れることを可能にし、且つ従ってロータにおける所要の迅速なスピンダウンを発生させる。

本発明の実施形態による高速エネルギー貯蔵フライホイールの概略的な長手方向の断面図である。 ４つの異なるケースに対するスピンダウンプロセスにおける時間の関数としてのフライホイール速度を示している。

本発明は、例のために与えられる好ましい実施形態に関連して説明される。

図１は、本発明による貯蔵フライホイールの代表的な構成を示しており、このフライホイールは、例えば５ｋＷｈ貯蔵型のフライホイールである。

貯蔵フライホイールは、回転フライホイール本体（ロータ）１と、真空チャンバ３を画定するステータハウジング２と、を備え、真空チャンバ３内には、回転フライホイール本体１が設置される。

図１に示す実施例では、回転フライホイール本体１は、垂直に配置され、且つ下部径方向能動型磁気軸受６及び上部径方向能動型磁気軸受７と、軸方向能動型磁気軸受５と、によって支持されている。明瞭にするために、５軸サスペンションを規定するために従来の方式で磁気軸受に関連するセンサ及び制御回路は、図１に表されていない。

貯蔵フライホイールは、高速でフライホイール本体１を回転させる一体型モータ／発電機４をさらに備えている。一体型モータ／発電機４は、モータとして作用するときにロータエネルギーを増大させ、且つ発電機として作用するときにロータからエネルギーを取り除く。

従来型の径方向上部補助軸受８及び従来型の径方向／軸方向下部補助軸受９が、磁気軸受の電力供給部の故障時に磁気軸受が損傷することを回避するために配置されている。

図１において、参照符号１０は、ガスタンクを示しており、好ましくは、ガスタンクは、１０ｍｂａｒから１０００ｍｂａｒ、好ましくは１００ｍｂａｒの圧力下で不活性ガス、例えば窒素など、あるいは場合により空気を収容している。ガスタンクは、バルブ制御ユニット１３によって制御されるガス放出バルブ１１を通じて真空チャンバ３に接続されている。バルブ制御ユニット１３は、真空チャンバ３と真空ポンプシステム１４との間に設置された真空バルブ１２をさらに制御する。

本発明によれば、手段が、バルブ制御ユニット１３の内蔵手段によって緊急事態を検出するために設けられている。上記検出手段は、磁気軸受及び／または補助軸受と協働する１つまたはいくつかの電気的、光学的または機械的センサを含んでもよい。例として、上記センサは、補助軸受の接触を検出し、バルブ制御ユニット１３へ信号を送ってもよい。これを受けて、バルブ制御ユニット１３は、真空ポンプシステム１４からフライホイール回転本体１を分離するために真空バルブ１２を閉じる。ほぼ同時にまたは同時に、バルブ制御ユニット１３は、ガス放出バルブ１１の開放を引きおこし、これにより、ガスタンク１０からフライホイール本体１の格納容器内に調整された量の窒素（もしくは別の不活性ガスまたは空気）を導入する。

有利には、ガスタンク１０は、フライホイール格納容器の真空室の内部に設置される。本発明によれば、緊急状態には、電気的または機械的に始動される装置１１，１２，１３が、回転フライホイール本体１の迅速なスピンダウンのためにガスタンク１０と真空チャンバ３との間の連通を開く。

提案される制動方法は、数時間から数分に、補助軸受８，９における支援を受けないスピンダウン時間を減少させる。より“スタンダードな”且つより安価な補助軸受システム８，９を使用することも可能である。不活性ガス、例えば窒素を使用することは、不良状態におけるシステムの安全性を向上させる。

極めて高い速度範囲において、ガス摩擦によって発生される可能性がある制動トルク／出力は、ガス圧力比率、回転面及び表面速度に依存することに注意すべきである。説明される構成は、極めてエネルギー効率がよい。従って、フライホイールが約１０^−４ｍｂａｒの極めて高い真空において最大速度で稼働される場合、標準的なガス摩擦の損失量は、約１００Ｗである。約１００ｍｂａｒの圧力比率で窒素が真空チャンバ３内に放出されると、ガス摩擦の損失は、約１００ｋＷに増大する。貯蔵される運動エネルギー（標準的な場合において約５ｋＷｈ）は、フライホイール格納容器へ熱エネルギーとして伝達され、これは、温度が高くなることを誘導する。

代表的な例として、図２は、４つの例に対するスピンダウン工程中の時間の関数としてのフライホイール速度を図示する曲線２１から２４を示している：
例１（曲線２１）は、内蔵型発電機システムによる支援を受けない（最も悪い場合の状況を構成する）高真空でのスピンダウンに対応している。この場合において、本発明の構成要素１０から１３は、使用されない。
例２（曲線２２）は、高真空での且つ内蔵型発電機システムによる支援を受けるスピンダウンに対応する。この場合において、本発明の構成要素１０から１３は、使用されない。
例３（曲線２３）は、本発明の構成要素１０から１３を使用する窒素の放出があり且つ内蔵型発電機システムによる支援を受けない（最も悪い場合の状況を構成する）スピンダウンに対応する。
例４（曲線２４）は、本発明の構成要素１０から１３を使用する窒素の放出があり且つさらに内蔵型発電機システムによる支援を受けるスピンダウンに対応する。

例１において、スピンダウンプロセスは、過度に長く、また、例２の場合でもスピンダウンプロセスは、数分で達成されることができないことが容易にわかる。一方、本発明が実現する例３及び４は、最も悪い場合の状況の曲線２３でも極めて迅速なスピンダウン工程を可能にする。

ガス摩擦によるスピンダウン比率（−ｄｆ／ｄｔ）は、一定でないことに言及されてもよい。高い速度範囲では、スピンダウン比率は、極めて迅速であり、且つ低い速度範囲では、スピンダウン比率は、非常に低い。描写された例では、速度は、約２５分で公称速度の２０％に達する。公称速度の２０％では、運動エネルギーの９６％がすでに移動されている。公称速度の２０％以下の速度での補助軸受の回転は、あまり緊急を要しない。しかしながら、必要ならば、速度に応じてガス圧力比率を増大させ、さらに、低い速度範囲において−ｄｆ／ｄｔを増大させることが可能である。

磁気軸受上の高速エネルギー貯蔵フライホイールのすべてのタイプに適用されてもよい本発明は、緊急事態における補助軸受の長いスピンダウン時間を回避することを可能にする。迅速なスピンダウンは、調整された流体注入口によって達成される。

好ましい実施形態が示され且つ説明されたが、添付の特許請求の範囲において規定されるように本発明の範囲から逸脱することなく任意の変更及び修正が本発明の範囲内でなされてもよいことが理解されるべきである。従って、不活性ガスは、有事の場合に所望の制動効果を引き起こすために好ましい中間媒体とみなされてもよいが、液体が、有事の場合に真空チャンバ内において制動効果を生み出すことができる流体として使用されてもよい。

さらに、本発明は、５軸磁気サスペンションに適用されてもよいが、能動型磁気軸受（制御される電磁石）及び受動型磁気軸受（永久磁石）の組み合わせによって支持される回転フライホイール本体に適用されてもよい。

本発明は、垂直回転フライホイール本体及び水平回転フライホイール本体に適用されてもよい。

１ ロータ、２ ステータハウジング、３ 真空チャンバ、４ 電気モータ、５ 軸方向能動型磁気軸受、６ 第１径方向能動型磁気軸受、７ 第２径方向能動型磁気軸受、８ 第１補助軸受、９ 第２補助軸受、１０ 流体タンク、１１ 流体放出バルブ、１２ 真空バルブ、１３ バルブ制御装置、１４ 真空ポンプシステム

Claims (15)

1. ステータハウジング（２）内に設けられた真空チャンバ（３）内に設置され且つ前記ステータハウジング（２）に対して能動型磁気軸受（５，６，７）によって支持されたロータ（１）を備える高速エネルギー貯蔵フライホイールシステムにおいて、
   流体タンク（１０）と、緊急状態を感知すると前記真空チャンバ（３）の内部に流体を制御された方式で選択的に放出し且つ従って摩擦によって前記ロータ（１）に制動効果を選択的に作り出すように構成された制御装置（１１，１２，１３）と、をさらに備えていることを特徴とする高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
2. 前記制御装置は、少なくとも１つの流体放出バルブ（１１）及びバルブ制御装置（１３）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
3. 前記制御装置は、前記バルブ制御装置（１３）と協働する少なくとも１つの真空バルブ（１２）と、真空ポンプシステム（１４）と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
4. 前記磁気軸受（５，６，７）は、第１径方向能動型磁気軸受（６）及び第２径方向能動型磁気軸受（７）と、軸方向能動型磁気軸受（５）と、を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
5. 前記ステータハウジング（２）内に組み込まれた電気モータ（４）または発電機をさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
6. 第１補助軸受（８）及び第２補助軸受（９）をさらに備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
7. 前記流体タンク（１０）は、不活性ガスを含んだガスタンクであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
8. 前記流体タンク（１０）は、空気を含んだガスタンクであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
9. 機械的出力を電気的出力にまたは電気的出力を機械的出力に変換する出力変換ユニットが前記電気モータ（４）または発電機と関連していることを特徴とする請求項５に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
10. 前記流体タンク（１０）は、１０ｍｂａｒから１０００ｍｂａｒの間の圧力を有したガスを含んだガスタンクであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
11. 前記真空チャンバ（３）は、１０^−４ｍｂａｒよりも低い残留圧力を有した真空室を含むように構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
12. 前記バルブ制御装置は、緊急状態を感知するように構成されたセンサと、前記センサに応答し且つ少なくとも１つの流体放出バルブ（１１）を開くように構成された電気的または機械的に始動させられる装置と、を備え、これにより、前記ガスタンク（１０）から調整されたガス圧力を前記真空チャンバ（３）内に入れることを可能にし、従って、前記ロータ（１）における所要の迅速なスピンダウンを発生させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の高速エネルギー貯蔵フライホイールシステム。
13. ステータハウジング（２）内に設けられた真空チャンバ（３）内においてロータ（１）を回転させるステップであって、前記ロータ（１）が前記ステータハウジング（２）に対して能動型磁気軸受（５，６，７）によって支持される、ステップを備える高速エネルギー貯蔵フライホイール方法において、
    前記磁気軸受（５，６，７）が故障するかまたは作動しない緊急状態を検出するステップと、流体タンク（１０）から流体を前記真空チャンバ（３）の内部に制御された方式で放出し且つ従って、摩擦によって前記ロータ（１）に制動効果を選択的に作り出すステップと、
    をさらに備えることを特徴とする方法。
14. 前記ロータ（１）は、前記ステータハウジング（２）内に組み込まれた電気モータ（４）または発電機と関連し、該方法は、前記緊急状態が検出されたときに、前記電気モータ（４）または発電機を用いて機械的出力を電気的出力にまたは電気的出力を機械的出力に出力変換するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記緊急状態を感知するステップと、前記感知する動作に応じて、少なくとも１つの流体放出バルブ（１１）の開放を電気的または機械的に始動させるステップと、を備え、前記ガスタンク（１０）から調整されたガス圧力を前記真空チャンバ（３）内に入れることを可能にし、且つ従って前記ロータ（１）における所要の迅速なスピンダウンを発生させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。

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