JP2016213953A - エネルギ貯蔵システム及びアキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転エネルギを蓄積する回転体を有するシステムで、その容積、質量を大きくすることなく、高エネルギの長時間の貯蔵と高入出力を実現する。
【解決手段】運動エネルギを蓄積する回転体と、該回転体の運動エネルギと電源・負荷の電気エネルギとを相互にエネルギ変換する電動発電機とを備えたエネルギ貯蔵システム１であって、前記電動発電機が、磁束を通すコア部に、積層した鉄系非晶質箔帯を有するステータと、該ステータと軸方向で対向するロータ５とからなるものであり、前記回転体が、前記ロータ５と共回りするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギ貯蔵システム及びアキシャルギャップ型回転電機に係り、特に運動エネルギを蓄積する回転体を有するエネルギ貯蔵システム及びアキシャルギャップ型回転電機に関する。

例えば、特許文献１には、磁気抵抗の変化に基づいて、励磁コイルに流れる電流によって発生するリラクタンストルクで回転駆動するモータを用いたフライホイール式電力貯蔵装置が記載されている。ブラシによる摩擦や磁石によるヒステリシス損や渦電流損の発生を抑えることにより、回転体の回転低下を防げることも開示する。

また、特許文献２は、超電導コイルと、超電導バルク体とを組み合わせた磁気軸受でスラスト方向を指示する回転損失が少ない電力貯蔵用フライホイール装置を開示する。

特許文献３も同様に、スラスト方向荷重を低減するためのコイルを設け、回転中の機械損失を低減することを開示する。また、特許文献３は、フライホイールの内部に、発電電動機を配置することで、コンパクトにすることを開示する。さらに、特許文献４〜８も、フライホイール装置として、同様の技術を開示する。フライホイール装置においては、エネルギを貯蔵している状態、つまり、回転中にいかに損失を低減するかが重要である。

特許文献９及び１０は、アキシャルギャップ型モータに関して開示する。特許文献９は、ロータに配置した磁石の磁化方向を変え、透磁材料を配置することで磁石トルクとリラクタンストルクを利用することを開示する。かかる構成により、モータ外径を大きくすることなく、小型・高トルクのモータを実現することを目的の１つにする。特許文献１０は、ステータの両面にロータを配置して小型化するモータ構造も開示する。

特開２０１４−０９０６４４号公報 特開２００８−２２８５３５号公報 特開２００３−１４３７７４号公報 特開平１１−２１５７４０号公報 特開２０１１−５２０４１１号公報 特開２００１−３５２７２５号公報 特開２００１−１７３６５２号公報 特開平１０−５１３３３６号公報 特開２００８−１９９８９５号公報 特開２０１４−１１７０２９号公報

特許文献１は、損失を低減する方法として、固定子の磁性材料についての配慮を開示する。鉄基合金粉末或いはアモルファス粉末などの軟磁性粉末の表面にリン酸系化成皮膜などの電気絶縁膜を皮膜したものを圧縮して成形することにより、固定子の磁性体として用いることが記載されている。絶縁した粉末状の材料を利用するため、うず電流損が少なく、鉄損の低減が期待される。
しかしながら、電気絶縁膜で皮膜する必要があるため、体積当たりの磁束を通す磁性体の使用量は電気絶縁皮膜の使用量分だけ実質的に少なくなり、発電電動機のコアの体積は増加してしまうという課題が残る。
また、特許文献１は、固定子の磁束方向が径方向端面から軸心方向端面に回帰する磁界であり、当該磁界に対して径方向（又は軸心方向）で磁界を受ける回転子の面サイズも限定的であり、十分な回転出力を得られない虞もある。

フライホイールといった回転エネルギを蓄積する回転体を有するシステムにおいて、その容積、質量を大きくすることなく、高エネルギの長時間の貯蔵と高入出力を実現することが望まれる。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち運動エネルギを蓄積する回転体と、該回転体の運動エネルギと電源・負荷の電気エネルギとを相互にエネルギ変換する電動発電機とを備えたエネルギ貯蔵システムであって、前記電動発電機が、磁束を通すコア部に、積層した鉄系非晶質箔帯を有するステータと、該ステータと軸方向で対向するロータとからなるものであり、前記回転体が、前記ロータと共回りする構成である。

本発明の一側面によれば、回転体の運動エネルギと、電動発電機の電源・負荷の電気エネルギとの相互のエネルギ交換を効率化する。また、エネルギ蓄積システムのサイズを小型・コンパクトにすることができる。
他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した実施例１によるエネルギ貯蔵システムの構成を模式的に示す斜視図である。 実施例１によるエネルギ貯蔵システムを構成するアキシャルギャップ型回転電機の構成を模式的に示す展開斜視図である。 実施例１によるステータコアの製法を例示する状態遷移図である。 回転体とロータが一体になった本発明の他の実施例を示すフライホイールシステムの構成図である。 実施例２によるエネルギ貯蔵システムの構成を模式的に示す斜視図である。 実施例２によるアキシャルがギャップ型回転電機の構成を模式的に示す斜視図である。 実施例３によるエネルギ貯蔵システムの構成を模式的に示す斜視図である。 実施例３によるエネルギ貯蔵システムの構成を模式的に示す展開斜視図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について具体的に説明する。

図１は本発明適用した実施例１によるエネルギ貯蔵システム１（以下、単に「システム１」という。）の斜視図を示す。システム１は、アキシャルギャップ型回転電機２と、フライホイール３とを有し、シャフト６を介してロータ５と、フライホイール３とが共回りするように接続される。アキシャルギャップ型回転電機２がフライホイール３を加速するとき、電気エネルギが機械エネルギに変換される。フライホイール３が高速回転するときには、機械エネルギとしてエネルギが蓄積されたことを意味する。また、アキシャルギャップ型回転電機２がフライホイール３の回転数を減速するとき、機械エネルギが電気エネルギに変換される。一般的には、電動機（モータ）の回生或いは発電機の発電といわれる作用である。このアキシャルギャップ型回転電機２が電動機及び発電機として機能するので、電動発電機とよぶことができる。

図２に、アキシャルギャップ型回転電機２の展開構成を示す。アキシャルギャップ型回転電機２は、１つのステータ４に対して、２つのロータ５が所定のエアギャップを介して軸方向から挟む１ステータ・２ロータ構成を有する。ステータ４は、複数のコアメンバ４０が、シャフト４を中心として環状に配置されてなる。

コアメンバ４０は、軸方向に柱体の形状を有するコア４１と、コア４１の径方向外周面に沿って巻き回されたコイル４２とからなる。コア４１とコイル４２の間は、絶縁が確保されているものとする。具体的には、ボビンや絶縁性シート部材を介してコア４１にコイル４２を巻き回すようにしてもよいし、絶縁剤によるコーティングを施してもよいし、これらの組合せでもよい。

コア４１は、鉄基非晶質（アモルファス）箔帯を軸心方向に積層した積層コアからなる。コア４１は、軸心から外周に向かうにつれて箔帯の幅が徐々に大となり、断面が概略台形の形状を有する。なお、箔帯の幅の変化は積層順に応じて必ずしも大となっていく必要はなく、一部が同幅或いは徐々に小となる構成でもよい。

図３に、コア４１の製造方法を示す。先ず、図３（ａ）に示す様に、箔帯をロール状に巻き取り、円筒形の積層体を得る。次いで、図３（ｂ）に示す様に、ロール状態を維持するために積層体の外周を樹脂によりモールドする。最後に、図３（ｃ）に示すように、軸心を基準に同角度で均等に切断することで、コア４１（ａ〜ｆ）を得る。このような方法で作成することで、鉄系アモルファス箔帯を重ねた状態になる。
なお、積層体を得ずに、個々のコア４１をロール状の巻取りによって得てもよいし、幅の異なる箔帯片を得て、軸心方向又は回転方向に積層する構成であってもよい。

図３によりコア４１を得る場合、特に、図２の図面上において、磁束は、一方ロータ５と、ステータ４と、他方ロータ５の間で上下方向に向いており、アモルファス箔帯の積層方向と並行となる。即ち磁束はアモルファス箔帯の平面を貫通しないように配置されている。そのため、粉末材でなくても渦電流を流すことがない。さらに、箔帯の材料として鉄系アモルファス材を選択することにより、他の磁性材料よりも、ヒステリシス損や渦電流損が１／１０以下になる特徴がある。このような特徴により、回転電機の鉄損を大幅に低減するとともに、電気絶縁皮膜で被覆した軟磁性体粉末に比べて、磁束を通す磁性材料の密度を向上することができる。この結果、アキシャルギャップ型回転電機２を小型にすることができる。更に、コンパクトで長時間駆動するフライホイール装置として損失が少ないシステムを実現できる点でも有効である。

図２に戻り、ロータ５は、それぞれ磁石５１と、バックヨーク５２とを有する。磁石５１は、概略扇形の形状を有し、回転方向に互いに異なる磁極の複数の永久磁石が環状に配置されてなる。バックヨーク５１は、導通部材からなり、軸方向でステータ３と対向する面に、磁石５１が接着、嵌め込み、係止又はこれらの組合せ等によって固定される。また、バックヨーク５２は、軸心方向にシャフト６と共回り接続するための穴を有する。

フライホイールは、例えば、金属等からなる所定の質量を有する円柱乃至円筒形状を有し、シャフト６と共回りするように接続されて、回転体として機能する。なお、材質や形状はこれらに限定されるものではない。

上述のように、ステータ６への通電により回転磁界が発生すると、ロータ５は磁石４１、５１の吸引力、反発力により駆動することになり、シャフト６を介してフライホイール２が加速し、回転による運動エネルギが蓄積される。
ここで、フライホイール２に蓄積されるエネルギＥ[J]は、下記数１の関係となる。

つまり、回転数ωを一定とすると、エネルギＥは慣性モーメントＪに比例する。

ここで、図１に示すように、フライホイール３が円筒状であり、その半径がＲ〔ｍ〕、質量Ｍ〔ｋｇ〕であるとすると、慣性モーメントＪは、下記数２の関係となる。

つまり、質量Ｍが同じであるならば、慣性モーメントＪは半径Ｒの２乗に比例する。

このことから、小型でエネルギ密度の高いエネルギ貯蔵を行うには、フライホイールの半径Ｒが大きいことが有利であり、好ましくは扁平構造のフライホイールが適しているとも言える。また、このフライホイールのエネルギの入出力装置としてのアキシャルギャップ型回転電機２は、同じ質量、同じ回転数で、大きいトルクを入出力できることが入出力パワー（電力）を大きくすることになる。

回転電機のトルクは、ステータとロータの対向する面積の大きさに応じて大きくなる。径方向にギャップを有するラジアルギャップ型回転電機の対向面積Ｓｒは、半径をＲ、軸長をＬとすると、下記数３の関係となる。

これに対して、アキシャルギャップ型回転電機２の場合には、その対向面積Ｓａは、概略、下記数４の関係を満たす。

つまり、ラジアルギャップ型回転電機が半径Ｒに比例するのに比べて、アキシャルギャップ型回転電機は、半径Ｒの２乗に比例する。従って、同一の質量で入出力パワーを大きくするためには、半径Ｒを増加して扁平構造とするのが有利であり、かかる構成は、アキシャルギャップ型回転電機の構成上の特性により適うものであると言える。

以上のことから、本実施例によれば、高エネルギ密度と高出力密度を実現するエネルギ貯蔵システムを得ることができる。また、フライホイール３を扁平化するとともに、入出力装置として扁平なアキシャルギャップ型回転電機を採用することにより、システム全体をコンパクト（小型化）することができる。

図４に、他の構成例であるエネルギ貯蔵システム１０１（以下、「システム１０１」という。）、の斜視図を示す。なお、他の実施例と同一の部材は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。まず、全体の構成において、システム１０１は、実施例１のシステム１とはフライホイール１０３と、アキシャルギャップ型回転電機１０２の一方のロータとが一体的に構成される点で異なる。システム１０１は、実施例１のシステム１に比して、軸方向に更に小型化が可能である。また、フライホイール１０３とアキシャルギャップ型回転電機１０２を接続するシャフトが短くなる分、ロータとフライホイール間のエネルギ伝達ロスが軽減される。

図５（ａ）に、アキシャルギャップ型回転電機１０２の斜視図を示す。なお、シャフトは図示していない。アキシャルギャップ型回転電機１０２は、ロータ１０５に、永久磁石を使用せず、リラクタンストルクを用いる回転電機として構成される。具体的には、ロータ１０５は、ステータ４との対向面側に、透磁率が高い磁性部１５１と、ステータ４との軸方向で反対側の面に、透磁率が低い非磁性部１５２とを有する構成となる。このように、磁石を使用しないことで、磁石により発生する損失を低減することもできる。

図５（ｂ）は、フライホイール１０３側に配置されるロータ１０５を、フライホイール１０３側から観察した場合の斜視図である。非磁性部１５２のフライホイール１０３との対向面には、複数の突起１５５が形成されており、後述するフライホイール１０３に形成された孔１５６と勘合又は係止するようになっており、少なくとも回転方向で、ロータ１０５とフライホイール１０３を固定するようになっている。

図６に、フライホイール１０３の斜視図を示す。フライホイール１０３のアキシャルギャップ型回転電機１０２との対向する端面には、ロータ１０５と概略同径の凹部１５４が設けられる。凹部１５４の底面には、上述のロータ１０５の突起１５４と勘合・係止する複数の孔１５６が設けられている。このような突起１５５と、孔１５６との構成により、フライホイールのサイズを容易に変更することができる。なお、凹部１５４の軸方向深さは、任意であるが、本実施例では、ロータ１０５の軸方向厚みと同一であるものとする。また、フライホイール１０３の凹部径は、ロータ１０５よりも大であってもよい。また、各凹部１５４の中央に形成された孔はシャフト６の挿入孔であり、シャフト径と同内径として、凹部１５４と同様の作用・効果を発揮するようにしてもよい。

図７に、実施例３によるエネルギ貯蔵システム２０１（以下、「システム２０１」という。）の斜視図を示す。なお、他の実施例と同一の部材は同一の符号を用いるものとし、詳細な説明を省略することがある。
実施例３では、実施例２のアキシャルギャップ型回転電機１０２のうち、一のロータ１０５と、ステータ４を軸方向においてフライホイールに内包することを構成上の主な特徴とする。また、本実施例では他のロータ１０５は設けず、１ステータ・１ロータの構成例を示す。

図８に、システム２０１の展開斜視図を示す。なお、シャフトは図示していない。ロータ１０５は、実施例２と同様にリアクタンストルクを利用する構成である。フライホイール２０３の凹部２５４は、ロータ１０５とステータ４が所定のエアギャップを介して対向配置された状態で、両者の軸方向厚みと概略同等の軸方向深さを有する。
以上のように、システム２０１によれば、更に小型化・コンパクト化を可能とする。

なお、凹部２５４の深さを更に深くしてもよいし、実施例２に示す２ロータ構成のアキシャルギャップ型回転電機１０２を、軸方向でフライホイール２０３に完全に内包する構成であってもよい。

以上のように本発明を実施する形態について説明したが、本発明は上記種々の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、他の実施例の一部の構成を他の実施例に置換してもよいしその逆であってもよい。例えば、実施例２及び３では、ステータのコア４１にのみアモルファス箔帯を使用したが、ロータ１０５の一部にアモルファス箔帯を適用してもよい。更に、本実施例では、２ロータ・１ステータ及び１ロータ・１ステータのアキシャルギャップ型回転電機を例としたが、ロータ・ステータの数及び配置は任意である。

１・１０１・２０２…エネルギ貯蔵システム、２・１０２…アキシャルギャップ型回転電機、３・１０３・２０３…フライホイール、４…ステータ、５・１０５…ロータ、６…シャフト、４０…コアメンバ、４１…コア、４２…コイル、４５…環状体、５１…磁石、５２…バックヨーク、１５１…磁性部、１５２…非磁性部、１５４・２５４…凹部、１５５…突起、１５６…孔

Claims (6)

1. 運動エネルギを蓄積する回転体と、該回転体の運動エネルギと電源・負荷の電気エネルギとを相互にエネルギ変換する電動発電機とを備えたエネルギ貯蔵システムであって、
   前記電動発電機が、磁束を通すコア部に、積層した鉄系非晶質箔帯を有するステータと、該ステータと軸方向で対向するロータとからなるものであり、
   前記回転体が、前記ロータと共回りするものであるエネルギ貯蔵システム。
2. 請求項１記載のエネルギ貯蔵システムであって、前記回転体の軸方向端面と、前記ロータの軸方向一方端面とが対向して一体に構成されてなるエネルギ貯蔵システム。
3. 請求項１又は２に記載のエネルギ貯蔵システムであって、前記回転体が、少なくとも前記ロータを軸方向で内包する凹部を有し、該凹部の底面と、前記ロータの軸方向一方端面とが対向し、該凹部に前記ロータが内包されてなるエネルギ貯蔵システム。
4. 請求項２又は３に記載のエネルギ貯蔵システムであって、
   前記回転体が、前記軸方向端面或いは前記凹部の底面に複数の孔を有するものであり、
   前記ロータが、前記軸方向一方端面に前記孔と嵌合又は係止する複数の突起を有するものであり、
   前記孔と、前記突起とが嵌合又は係止して、前記回転体と前記ロータが一体に構成されてなるエネルギ貯蔵システム。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のエネルギ貯蔵システムであって、前記鉄系非昌質箔帯が、軸心方向に積層されてなるエネルギ貯蔵システム。
6. 外周にコイルが巻き回された複数のコアを有するステータ及び該ステータ端面と軸方向でギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ステータが、磁束を通すコア部に、積層した鉄系非晶質箔帯を有するものであり、
   前記回転体の軸方向端面と、前記ロータの軸方向一方端面とが対向して一体に構成されて、共回りするものであるアキシャルギャップ型回転電機。

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