JP2018527518A - フライホイールの安全な組立及び設置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイール装置は、フライホイールシステムを現地外で組み立て、安全に搬送させ、比較的少ないステップで設置させる構造を含む。【解決手段】フライホイールは、ロータと、ロータを収容するハウジングとを含み、ハウジングは、下部プレートと、上部プレートと、側壁とを含む。下部プレート及び上部プレートは、各々、ロータの中心軸に揃えられた孔を含む。フライホイールは、ロータの中心軸に揃えられた下部プレートと上部プレートの孔を実質的に覆う複数の軸受ハウジングも含む。フライホイールは、フライホイールシステムの搬送中、ロータの動きを防ぐために、ロータの一次回転マスに物理的に接触するポストも含む。これらのポストのうちの一部又は全部は、ロータが自由に回転できるように、設置中、再配置されるか、又は取り除かれてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、米国エネルギー省によって認められた契約ＯＥ−００００２３２に基づく政府支援によりなされた。政府は、本発明における特定の権利を有するものである。
本明細書は、エネルギー貯蔵全般に関連し、特に、フライホイールの組立、搬送、及び設置に関連する。

多くのエネルギー源、特に、風力タービン及びソーラパネル等のクリーンエネルギー源では、経験した負荷と時間的に一致しないエネルギーを生成する。先進国の大部分では、エネルギー生成は経験した負荷に追従していて、エネルギーの必要に応じて供給される。高負荷の状況下では、ピーカジェネレータ及び熱発生器に対する自動生成制御（ＡＧＣ:Automation Generation Control）の使用等の技術により、変化する高負荷に均衡する生成を行わせることができる。しかしながら、このような技術が利用可能であっても、エネルギー負荷に対応するためにエネルギー貯蔵が重要となる場合が往々にしてある。

現在既存のエネルギー貯蔵システムは、すべて、何らかの欠点を有する。サイズ、価格、貯蔵効率、有効性、及び安全性のすべてがエネルギー貯蔵システムの設計時の懸案事項である。通常、小型、低価格、貯蔵の際のエネルギー投入と分配の際のエネルギー抽出の両方における損失低減、継続的動作の際の損失低減、及び安全な廃棄は、すべて、エネルギー貯蔵システムの好ましい特性である。

ロータを組み込んだフライホイール機構は、回転運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵システムの一種である。フライホイールロータは、荷重された、回転対称マスであり、ＢＴＢ（Back-to-Back）インバータシステム等、ＡＣ−ＡＣ変換サブシステムを構成する変換器にそれ自身が電気的に接続されたモータ／発電機に対して直接又は間接的に物理的に連結されつつ回転する。貯蔵のための電力が受け取られると、ロータは、フライホイールロータの回転速度を増加させるように駆動される。その電力が取り出されるべき時、フライホイールロータは、モータ／発電機を駆動する。フライホイールロータが回転するスピードが速ければ速いほど、より多くのエネルギーを貯蔵することができる。フライホイールロータに貯蔵可能なエネルギー量は、ロータのマス、強度特性、繰り返し疲労特性、及び他の要因のうちの形状、の組み合わせによって決まる。通常、フライホイールの軸受及びサスペンションサブシステムは、摩擦、熱、及びその他の損失源によるエネルギー損失を最小限に抑えるように設計される。

現代のフライホイールシステムは、重くて複雑な機械であり、いくつかの繊細且つ慎重に調整された部品を含む。フライホイールシステムの組立、搬送、及び／又は設置は、大掛かりな仕事である。通常、フライホイールシステムは、設置場所で組み立てられてもよく、又は工場で組み立てられた後、設置場所に搬送されてもよい。

フライホイールシステムが設置場所で組み立てられる場合、フライホイールシステムの組立に必要な装備及び専門技能が設置場所に搬送される必要がある。これには、法外なコストとスペースが求められる。フライホイールシステムが工場で組み立てられる場合、組立済みのフライホイールシステムは、設置場所に搬送される必要がある。組立済みのフライホイールシステムの搬送は、フライホイールシステムの内部部品が搬送中に動き回ってしまうと、組立済みのシステムに危険をもたらしてしまう。例えば、フライホイールロータが揺れて他の部品に当たり、ロータ又は他の部品を損傷してしまうかもしれない。また、ロータの動きにより、ロータの軸受によってかかる荷重がロータの重量より大きくなってしまうかもしれない。これにより潜在的に軸受を損傷してしまうかもしれない。
従って、本発明は、これらの考察およびその他に関して行われた。

フライホイール装置は、エネルギーを貯蔵するフライホイールロータと、フライホイールを現場外で組み立て、安全に搬送させ、比較的少ないステップで設置させる追加構造とを含む。フライホイールは、エネルギーを貯蔵するロータを含み、ロータは、一次回転マスと、ロータの中心軸に沿って延びるジャーナルとを含む。フライホイールは、ロータを収容するハウジングも含み、ハウジングは、下部プレートと、上部プレートと、側壁とを含む。下部プレート及び上部プレートは、各々、ロータの中心軸に揃えられた孔を含む。フライホイールは、下部プレートと上部プレートの孔に実質的に埋め込まれる複数の軸受ハウジングをさらに含み、孔はロータの中心軸に揃えられている。フライホイールは、複数のポストも含み、フライホイールアセンブリの搬送中、ロータの動きを防ぐために、複数のポストは、ロータの一次回転マスに物理的に接触することができる。これらのポストのうちの一部又は全部は、設置中に、元の位置に戻されるか、又は取り除かれてもよく、それにより、ロータが自在に回転できるようになる。

本発明の他の側面には、本明細書に記載の通り、搬送前後にフライホイールを組立及び設置する方法が含まれる。
ある実施形態において、フライホイールは、上方軸受に下向きのスラストを支持させることのできる上方軸受アセンブリを含む。上方軸受アセンブリは、上方軸受と、軸受ハウジングと、軸受係止キャップと、バックアップスラスト軸受と、キャップとを含む。バックアップスラスト軸受は、異常な垂直移動の場合に上向きのスラスト荷重を受容する。

本開示の実施形態は、詳細な説明、別記のクレーム、及び添付の図（又は図面）によってさらに容易に明らかとなる、その他の効果及び特徴を有する。以下に、図の簡単な紹介を行う。
一実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵システムのブロック図である。 一実施形態に係る動作状態のフライホイールの断面図である。 一実施形態に係る搬送中のフライホイールの断面図である。 一実施形態に係るフライホイールの一例としての組立及び設置プロセスである。 一実施形態に係る組立及び設置プロセスの異なる段階における、フライホイールの断面図である。 一実施形態に係る組立及び設置プロセスの異なる段階における、フライホイールの断面図である。 一実施形態に係るフライホイールの一例としての設置プロセスである。 一実施形態に係る設置プロセスの異なる段階における、フライホイールの断面図である。 フリップド軸受設計と称される、上方軸受アセンブリの一実施形態を簡易化して示す断面図である。

これらの図は、例示のみを目的として、本発明の実施形態を示している。当業者は、以下の議論より、本明細書に記載の発明の原則から逸脱することなく、本明細書に示される構造及び方法の代替実施形態が採用されてもよいことを容易に認識するであろう。

フライホイールエネルギー貯蔵システム
図１は、一実施形態に係る、フライホイールシステム１００とも称されるフライホイールエネルギー貯蔵システム１００のブロック図である。フライホイールシステム１００は、フライホイール機構又は装置１３０、若しくは単にフライホイール１３０を含み、フライホイール１３０は、以下に説明するロータ及びハウジングと、モータ／発電機１４０と、電力変換器１２０と、ＡＣ又はＤＣであってもよい電力供給ライン１５０とを含む。例えば、電力供給ライン１５０は、従来の３位相６０Ｈｚ ＡＣラインであってもよい。ある実施形態において、電力変換器１２０は、入力された交流電流を、モータ／発電機１４０に受容可能な交流電流に変換する。或いは、他の実施形態において、変換器１２０は、モータ／発電機１４０からの交流電流を直流電流の出力に変換する。モータ／発電機１４０は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間で変換を行い、エネルギーを、フライホイール１３０に貯蔵するか、又はフライホイール１３０から引き出すことができるようにする。モータ／発電機１４０は、例えば、シャフトを使用して直接に、又は、例えば、軸受に接続するスタブシャフトを使用して間接にフライホイール１３０に連結する。モータ／発電機１４０は、配線又はその他の電気連結部を介して、フライホイールシステム１００の残りの部分に連結される。各部品を１つずつのみ図示したが、通常、実際のフライホイールシステム１００は、各個別部品を複数含んでもよい。
フライホイールの構造

図２Ａは、一実施形態に係る動作状態のフライホイール１３０の断面図である。即ち、図２Ａのフライホイール１３０は、組立及び設置プロセス完了後の要素を示している。

フライホイール１３０は、ハウジング２０１内にロータ２０５を含む。ハウジング２０１は、下部プレート２２１と、上部プレート２２３と、側壁２２５とを含む。ハウジング２０１は、通常、ロータ２０５を収容するような形状を有し、ロータ２０５が自由に回転できる十分な内部容量を提供する。ハウジング２０１は、円筒形状であってもよいが、その他の形状も可能である。上部プレート２２１及び下部プレート２２３は、各々、中心回転軸２３０に揃えられる少なくとも１つの孔を含む。中心回転軸２３０に揃えられた各孔には、実質的に、軸受ハウジングが埋め込まれる。下方軸受ハウジング２０９は、下方軸受２０７を収容し、上方軸受ハウジング２１７は、上方軸受２１５を収容する。上方軸受アセンブリ２２０とは、上方軸受２１５とともに上方軸受ハウジング２１７をいう。上方軸受アセンブリの代替実施形態については、図７を参照して後で説明する。

ロータ２０５は、エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するために使用される。ロータ２０５は、中心回転軸２３０を中心として実質的に回転対称である。ロータの一次回転マスの形状は、回転している間にロータにかかる回転力による応力の略均一な分布を確かなものにするのに役立つ。ロータ２０５は、２つのスタブシャフト、つまり、下方スタブシャフト２２７と上方スタブシャフト２２９に連結され、２つのスタブシャフトは、中心軸周りに自発的な回転を可能にさせながら、ロータを支持する軸受にロータを連結する。モータ／発電機の電磁ロータは、スタブシャフトの一方又は両方に取り付けられてもよい。モータ／発電機の目的は、ロータ２０５と電気ドメインとの間でエネルギーを伝達することである。本明細書において使用されるスタブシャフトという用語は、ロータ２０５の一方の側に連結する、比較的短いシャフトをいう。図２Ａ及び図２Ｂに示される実施形態には、２つのスタブシャフトが採用されているが、他の実施形態において、単一のスタブシャフトが使用されてもよく、又は２つのスタブシャフトが使用されてもよい。スタブシャフト２２７及び２２９は、ロータの中心回転軸に沿って延びるジャーナルを介して、ロータ２０５に連結する。

ロータ２０５は、下方軸受２０７及び上方軸受２１５により、ハウジング２０１内の定位置に保持される。軸受２０７、２１５も、ロータ２０５に、できる限り少ない摩擦で自由に回転できるようにする。例えば、転がり玉軸受が使用されてもよい。この場合、軸受は、フライホイールハウジング２０１に対して物理的に取り付けられる外側リング（又はレース）と、ロータに連結されたシャフトに対して物理的に取り付けられる内側リング（又はレース）と、低い摩擦係数で外側リングに対して内側リングを回転させることができる、ボール等の複数の転がり要素とを含む。軸受は、各軸受ハウジング内に収容され、シャフトは、軸受の内側レース内に収容される。

ロータ２０５が受ける摩擦の量を低減するために、フライホイールシステム１３０は、ロータ２０５の重量の一部又は全部を荷重低減するオフローダ２１３を含む。結果として、オフローダ２１３は、軸受２０７の荷重を低減し、その結果として、軸受の摩擦モーメントを低減する。このように、軸受の摩擦で生じるロータによるエネルギー損失が実質的に低減される。オフローダ２１３は、実装によって、ロータ２０５を引き寄せるか、又は反発する磁界を生成することにより、ロータ軸受２０７が支持しなければならない重量を低減する。磁界は、例えば、電磁石内に適切に成形された電流を循環させることによって生成されてもよい。ロータ２０５が受ける磁力は、部分的に、オフローダ２１３の電磁石とロータ２０５間の距離に応じて決まる。したがって、電磁石とロータ２０５の間の距離を短くすることが有利である。しかしながら、オフローダとロータの間の距離を減少させると、特に搬送中に、ロータがオフローダに衝突する可能性が高くなる。

フライホイール機構１３０は、設置場所への搬送に先立って組み立てられてもよい。ロータ２０５の動き、軸受２０７、２１５への損傷、及びオフローダ２１３への損傷を防ぐために、フライホイール機構１３０は、搬送中、ロータの動きを制限するポスト２０３、２１９のうちの１つ以上を含む。ポストにより、さらに、いずれかの要素を損傷する著しいリスクを伴うことなく、オフローダ２１３及びロータ２０５を非常に近接して配置することが可能になる。さらに、オフローダ２１３をより近くに配置することによって、オフローダ２１３内の電磁石は、依然としてロータに同じ効果のある磁界を生じさせながら、より離して配置された場合に比べて、より小さく、又はより高い電力効率を達成することができる。本明細書の目的のために、ポストという用語は、ロータの一方向への移動を制限する構造的要素をいう。ある実施形態において、下部ポスト２０３又は上部ポスト２１９のみが存在し、他の実施形態においては、ポスト２０３及び２１９の両方が存在する。他の実施形態において、側壁２２５に固定された水平ポスト（図示せず）であってもよい。

図２Ｂは、一実施形態に係る搬送中のフライホイール１３０の断面図である。図２Ｂに示すように、下部ポスト２０３は、ロータ２０５に接触することにより、ロータの下方への動きを制限する。同様に、上部ポスト２１９は、ロータ２０５に接触することにより、ロータの上方への動きを制限する。ポスト及び軸受はともに、ロータの横方向の動きを制限する。図２Ｂに示すように、下部ポスト２０３は、ハウジング２０１の下部プレート２２１（又はその一部）に物理的に取り付けられてもよく、上部ポスト２１９は、上部プレートにおける孔（個別にはラベル付けしない）を通じて上部プレート２２３から取り外し可能（又は、少なくとも調整可能）であってもよい。他の実装において、上部ポスト及び下部ポストは、可動ポストが下部になり、取り付けられたポストが上部に取り付けられるように、逆にしてもよい。或いは、ポストの両セットが、可動であってもよい。ポストは、強度のある軽量な材料が好ましいが、任意の材料で作られてもよい。例えば、ポストは、とりわけ、アルミニウム、ゴム、又はプラスチックで作られてもよい。

フライホイール１３０の設置中、上部ポスト２１９は、取り外されるか、一定距離持ち上げられ、ロータ２０５は、下部ポスト２０３から離れて上昇させられることにより、ロータ２０５は自由に回転できるようになる。一実施形態において、下方軸受ハウジング２０９にねじ止めされているバッキングプラグ２１１は、ロータ２０５を上昇させるために使用されてもよい。
フライホイール組立プロセス

図３は、フライホイール１３０の組立プロセス３００のフロー図である。図４−１（Ａ）、図４−１（Ｂ）、図４−２（Ｃ）、および図４−２（Ｄ）は、組立の異なる段階におけるフライホイール１３０を示す。

組立プロセス３００は、ハウジング２０１の下部プレート２２１から開始する。ステップ３０１において、図４−１（Ａ）に示されるように、下部ポスト２０３が下部プレート２２１に取り付けられる。例えば、下部ポスト２０３は、下部プレート２２１にボルト止めされる。或いは、リベット止め、溶接、又は接着等、他の技術を使用して、下部ポスト２０３を下部プレート２２１に物理的に取り付けてもよい。下部ポスト２０３が可動である場合、下部ポスト２０３は、下部プレート２２１の孔にねじ止めされる。

ステップ３０３において、図４−１（Ｂ）に示されるように、ロータ２０５が下部ポスト２０３上に配置される。ロータが２〜５トンの重量を有する場合、ロータを下部ポスト上に移動させるために、通常、クレーン又はその他の大型リフト機構が使用される。ロータは、応力及び貯蔵容量の問題を念頭において設計されるため、通常、ポストに対するロータの適切な配置を確実にするための明白な表面的特徴はロータにはない。しかしながら、ロータの一般的な形状を使用して、ハウジング２０１内のポストの配置を決定してもよい。例えば、円筒形ロータがポーラー軸に沿った曲線形状を有する場合、ロータの湾曲を使用して、最も滑りにくいポーラー軸に沿った箇所にポストを配置してもよい。

ロータのより適切な配置を達成するために、ロータは、ポスト上に一旦配置されると、ポストと正確に揃える粗調整プロセスを使用して再配置されてもよい。

ある実施形態において、図４−１（Ｂ）に示されるように、ロータ２０５は、ロータがポスト上に配置される時、既にスタブシャフト２２７及び２２９に連結されてもよい。他の実施形態において、スタブシャフト２２７及び２２９のロータ２０５への連結は、ステップ３０３の一部として実施される。

ステップ３０５において、図４−２（Ｃ）に示されるように、下方軸受２０７、下方軸受ハウジング２０９、及びバッキングプラグ２１１が、ハウジング２０１に物理的に取り付けられる。例えば、下方軸受ハウジング２０９は、下部プレート２２１にボルト止めされる。或いは、リベット打ち、溶接、又は接着等、他の技術を使用して、下方軸受ハウジング２０９を下部プレート２２１に物理的に取り付けてもよい。そして下方軸受２０７は、下方軸受ハウジング２０９に挿入され、バッキングプラグ２１１は、下方軸受ハウジング２０９に取り付けられる。下方軸受２０７は、バッキングプラグ２１１によって支持され、バッキングプラグ２１１は、下方軸受ハウジング２０９にねじ止めされる。

ステップ３０７において、図４−２（Ｄ）に示されるように、上方軸受２１５、上方軸受ハウジング２１７、上部ポスト２１９、電磁オフローダ２１３、上部プレート２２３、ハウジング２０１の側壁２２５を含む上方アセンブリ４１０は、図４−２（Ｃ）に示される、部分的に組み立てられたフライホイールに物理的に取り付けられる。ロータ２０５は円筒形であり、引いては、ある実施形態において、ハウジング２０１が円筒形状であることも理解されうる。このような実施形態において、側壁２２５は、一つの円筒シェルであってもよい。通常、側壁２２５は、単一要素であってもよいし、又は、フライホイール１３０の両側を一緒に形成する、複数の取付要素であってもよい。上方サブアセンブリを組み立てるため、上方軸受ハウジング２１７が上部プレート２２３に物理的に取り付けられ、上方軸受２１５が上方軸受ハウジング２１７に挿入される。さらに、オフローダ２１３は、上部プレート２２３に物理的に取り付けられ、上部ポスト２１９は、上部プレート２２３内にねじ止めされる。一旦上方サブアセンブリが組み付けられると、側壁２２５が下部プレート２２１に物理的に取り付けられ、上部プレート２２３が側壁２２５に物理的に取り付けられる。

ハウジング２０１の下部プレート２２１、側壁２２５、及び上部プレート２２３の取り付けは、異なる物理的連結を使用してもよい。下部プレート２２１、側壁２２５、及び上部プレート２２３は、ねじ及び／又はリベットの使用、溶接、又は物理的取付を行うための他の任意の公知の機構を使用して、一緒に取り付けられてもよい。

搬送中、ロータ２０５を適切な位置に保持するために、上部ポスト２１９は、ロータと物理的に接触するように下げられる。ロータを固定するために、上部ポストは、例えば、付与されるトルク下でねじを締めることにより、ロータに対して押し付けることができる。
フライホイール設置プロセス

図５は、設置場所に到着した時点のフライホイール１３０の設置プロセス５００のフロー図である。これらは、基本的には、フライホイール１３０を作動させるために実施されるステップである。図６Ａ及び図６Ｂは、フライホイール１３０の設置プロセス５００のあるステップを示している。

ステップ５０１において、図６Ａに示されるように、上部ポスト２１０は、ロータ２０５と物理的に接触しなくなるように、ロータ２０５から持ち上げられる。

一実施形態において、ステップ５０３に示され、図６Ｂに図示される通り、そして、バッキングプラグ２１１を上げることにより、ロータ２０５が下部ポスト２０３から上げられる。例えば、バッキングプラグ２１１がねじを使用して取り付けられている場合、バッキングプラグを下方軸受ハウジング２０９内にねじ込むことにより、下方軸受２０７を上昇させて、ロータ２０５を上昇させる。下部ポスト２０３からロータ２０５を上昇させるのではなく、下部ポスト２０３が取り外し可能であるか、少なくとも再配置可能である他の実施形態において、下部ポスト２０３は、代わりに、部分的又は完全に取り外され、ロータ２０５とはもはや接触しなくなってもよい。これらのプロセスの完了後のロータ２０５と上部２１９及び下部２０３のポストとの間の物理的距離は、実装によって変動することもある。

ステップ５０３において、電磁オフローダ２１３が起動されて、軸受の重量を減らす。さらに、ハウジングが真空を保持することが可能である場合、付随の真空機械（図示せず）の作動によって真空が生成されてもよい。
フリップド軸受設計

図７は、フリップド軸受設計と称される、上方軸受アセンブリ７００の一実施形態を簡略化した断面図である。上方軸受アセンブリ７００は、上方軸受７０１が下方軸受と同様に上方へのスラスト荷重でなく、下方へのスラスト荷重を支持するという点で、図２Ａを参照して説明した上方軸受アセンブリ２２０とは異なる。上方軸受７０１は図２Ａの上方軸受２１５と同じ軸受であってもよいが、独自のフリップド軸受設計に起因して支持のされ方が違う。上述の通り、フライホイール１３０には、上方軸受アセンブリ２２０、フリップド軸受設計を有する上方軸受アセンブリ７００、又は、本発明の主題の範囲及び要旨から逸脱することのない異なる設計の上方軸受アセンブリ等、の上方軸受アセンブリが含まれてもよい。

上方軸受アセンブリ７００は、上方軸受７０１、軸受ハウジング７０３、軸受係止キャップ７０５、バックアップスラスト軸受７０７、及びキャップ７０９を含む。

軸受係止キャップ７０５は、上方軸受７０１をシャフト又はスタブシャフト７１１上にはめ合わせて保持する。本実施形態において、軸受ハウジング７０３は、下方から上方軸受７０１を支持する。

バックアップスラスト軸受７０７は、軸受係止キャップ７０５とキャップ７０９の間に配置される。これは、正常動作において、回転しないため、バックアップ軸受と称される。バックアップスラスト軸受７０７は、上方向へのスラストを回転エネルギーに変換することにより、損傷または封じ込みの問題を生じる可能性がある、スタブシャフト７１１からの垂直な上方向へのスラストを、吸収又は分散させる。このような異常な垂直移動は、例えば、搬送中のアクシデントにより、又は地震の事態の結果として発生し得る。搬送中、ロータは回転していないが、フライホイールの動作中に地震の事態又はその他の事態が発生すると、ロータ２０５は、回転する可能性が高いため、ロータの大きな回転エネルギーを吸収又は分散するためには、単にブッシング材でなく、バックアップ軸受が有利である。回転しているロータが従来の技術によるプラスチック又は金属で作成された静止ブッシングに接触する場合、一瞬の接触であったとしても、結果として生じる摩擦でブッシングを溶かす可能性が高い。

様々な実施形態では、フリップド軸受設計を特徴としてもよい。ある実施形態において、フライホイール１３０の上方軸受７０１及び下方軸受２０７は、一方向に高いスラストキャパシティを提供するアンギュラコンタクト玉軸受である。典型的には、アンギュラコンタクト玉軸受は、内側リング及び外側リング内に軌道を有し、内側リングと外側リングは軸受軸の方向に互いに相対的に変位する。これは、同時に起こる径方向の荷重と軸方向の荷重を収容するように設計されることを意味する。このような実施形態において、上方軸受７０１及び下方軸受は、下方方向に高いスラストキャパシティを提供するように搭載される。フリップド軸受設計を使用しないフライホイールの実施形態において、上方軸受７０１は、下方軸受２０７が下方へのスラストを支持しつつ、上方方向にスラストを支持する。即ち、互いに反転（フリップド）される。

フリップド軸受設計を組み込んだフライホイールの実施形態は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明した、より簡易な設計に比べて、多数の利点を提供する。フリップド設計では両方の軸受が下方、すなわち、同一方向に向かうため、下方軸受を支持するばねを使用することにより、ロータ−ハウジング全体の軸の寸法の増加の差分を下方軸受台座で調整することができる。このように、オフローダにおける磁気ギャップの寸法は、ハウジングとロータの間の寸法変化の差分の下で、ほぼ不変である。上方軸受上への荷重は、磁気オフローディング制御システムによって設定及び制御される。下方軸受への荷重は、軸方向のプレロードばねによって完全に制御可能であるため、下方軸受があらゆる動作条件下で優れた疲労寿命を有するように簡単に保証することができる。そのように、たとえ、フライホイールの軸受に補修が必要である場合であっても、この補修には、フライホイールの連結を断って取り外す必要はなく、上部からアクセス可能な上方軸受７０１のみが関与する。

フリップド軸受設計は、オフローダを持ち上げるのに必要な力も低減する。例えば、オフローダがロータに＋１０００ポンドの重量を付与しなければならなかった上方軸受アセンブリ２２０が、フリップド軸受設計を使用した場合、ロータに−１０００ポンドの重量を付与する。これにより、オフローダ２１３内の電磁石の制御をより容易にし、潜在的に、その電力消費とサイズを低減する。

稀な移動によって軸受に受ける損傷は、比較的より高価な主要軸受、すなわち、上方軸受７０１及び下方軸受ではなく、比較的より安価で交換の容易なバックアップ軸受７０７に衝撃を与えたり、又は損傷を与えたりする可能性がより高いであろう。
追加構成の考察

当分野の技術者は、本開示を熟読することで、本明細書に開示の原則を通じて、さらに追加の代替構造設計及び機能設計に想到するであろう。従って、特定の実施形態及び適用例について図示及び説明したが、開示の実施形態は、本明細書に開示の精密な構築及び部品に限定される物でない。別記のクレームに規定の要旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の方法及び装置の配置、動作、及び詳細には、当分野の技術者にとって明らかとなる種々の修正、変更、及びバリエーションが加えられてもよい。

Claims (19)

1. 一次回転マスを有し、少なくとも１つのシャフトに接続された、エネルギーを貯蔵するロータと、
   複数の孔を有して、各々、複数の孔のうちの１つが前記ロータの中心軸に揃えられる上部プレート及び下部プレートと、側壁とを含み、前記ロータを収容するハウジングと、
   各々、前記ロータの前記中心軸に揃えられた各プレートの前記複数の孔のうちの１つに実質的に埋め込まれ、各々、少なくとも１つのシャフトに連結された軸受を含む、少なくとも１つの軸受ハウジングと、
   前記フライホイールのアセンブリの搬送中、前記ロータの動きを防ぐために、前記ロータの前記一次回転マスと物理的に接触する複数のポストと、を備えるフライホイール装置。
2. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記一次回転マスは、中心回転軸から極軸に沿って離れて外側に向かって広がるフライホイール装置。
3. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記ロータに接続された前記少なくとも１つのシャフトは、各々、スタブシャフトであり、前記ロータの各側方には、対応するスタブシャフトに連結するジャーナルを有するフライホイール装置。
4. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記複数のポストは、各々が前記上部プレートの前記孔のうちの１つを貫通する複数の上部ポストを含むフライホイール装置。
5. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記複数のポストは、複数の下部ポストを含み、前記下部ポストは、各々、前記下部プレートに取り付けられるフライホイール装置。
6. 請求項５に記載のフライホイール装置において、
   前記軸受のうちの下方軸受を上昇させるとともに、前記下部ポストから前記ロータをはずして上昇させるために、前記軸受ハウジングのうちの下方軸受ハウジングにねじ止めされたバッキングプラグをさらに備えるフライホイール装置。
7. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記ハウジングは、前記ハウジング内に真空を生じさせるように密閉封止されるフライホイール装置。
8. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
   前記ロータは、強磁性材料で作成され、
   前記プレートのうちの１つに取り付けられ、前記軸受のうちの下方軸受にかかる前記ロータの荷重を低減する電磁界を発生する磁気オフローダをさらに備えるフライホイール装置。
9. 請求項８に記載のフライホイール装置において、
   前記磁気オフローダは、前記ハウジングの前記上部プレートに取り付けられるフライホイール装置。
10. 請求項８に記載のフライホイール装置において、
    前記磁気オフローダは、前記ハウジングの前記下部プレートに取り付けられるフライホイール装置。
11. 請求項１に記載のフライホイール装置において、
    上方軸受アセンブリをさらに備え、
    前記上方軸受アセンブリは、
    前記ロータの中心垂直軸に揃えられる前記上部プレートの孔に実質的に埋め込まれる軸受ハウジングと、
    前記ロータに連結された上部シャフトに連結する上方軸受と、前記上方軸受は、
    前記上方軸受の上方において、前記上方軸受を前記上部シャフト上に保持し、前記上方軸受上に載置することにより、前記フライホイールの動作中、前記上方軸受に下方へ向かうスラスト荷重を付与する軸受係止キャップとを備えるフライホイール装置。
12. 請求項１１に記載のフライホイール装置において、
    前記上方軸受は、アンギュラコンタクト軸受であり、下方へ向かうスラスト荷重を支持するように構成されるフライホイール装置。
13. 請求項１１に記載のフライホイール装置において、
    前記上方軸受アセンブリは、
    前記軸受係止キャップの上方において、異常垂直移動の場合に上方へ向かうスラスト荷重を吸収するためのバックアップスラスト軸受と、
    前記バックアップスラスト軸受の上方において、前記上方軸受アセンブリの上部を封止するキャップとをさらに備えるフライホイール装置。
14. フライホイール装置を組み立てる方法であって、
    ハウジングの下部プレートに取り付けられる１つ以上のポスト上に、一次回転マスを含むロータを搭載し、
    複数の孔を有して、各々、前記ロータの中心軸に揃えられた少なくとも１つの孔を含む上部プレート及び下部プレートと、側壁とを含むハウジングに、前記ロータを収容することを含む方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    各前記プレートの前記ロータの前記中心軸に揃えられた前記孔に、軸受ハウジングを取り付けることと、
    各前記軸受を前記軸受ハウジングのうちの１つに挿入することをさらに含む方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ロータは、強磁性材料で作成され、
    前記ハウジングの前記上部プレートに、前記軸受のうちの下方軸受にかかる前記ロータの荷重を低減する磁界を発生する磁気オフローダを取り付けることをさらに含む方法。
17. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ハウジングに前記ロータを収容することは、
    前記下部プレートに前記側壁を取り付け、
    前記側壁に前記上部プレートを取り付けることを含む方法。
18. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ロータの各側方には、前記ロータの中心軸に沿って延び、各々、各軸受に前記ロータを連結する対応するスタブシャフトに嵌合するように構成されたジャーナルを有し、
    各ジャーナルを前記対応するスタブシャフトに挿入することをさらに含む方法。
19. フライホイールシステムを設置する方法であって、
    前記フライホイールシステムの軸受を上昇させることを含み、
    前記フライホイールシステムは、
    少なくとも１つのスタブシャフトに接続され、エネルギーを貯蔵するロータと、
    前記ロータを収容し、複数の孔を有して、各々、前記ロータの中心軸に揃えられた少なくとも１つの孔を含む上部プレート及び下部プレートと、側壁とを含むハウジングと、
    各々、前記ロータの前記中心軸に揃えられた各プレートの前記複数の孔のうちの１つに実質的に埋め込まれ、各々、少なくとも１つのスタブシャフトに連結された軸受を含む、少なくとも１つの軸受ハウジングと、
    前記フライホイールシステムの搬送中、前記ロータの動きを防ぐために、前記ロータの前記一次回転マスと物理的に接触し、前記ハウジングの前記下部プレートに取り付けられた複数の下部ポスト、及び前記ハウジングの前記上部プレートに取り付けられた複数の上部ポストを含む複数のポストとを備え、
    前記軸受を上昇させることは、
    バッキングプラグを前記軸受ハウジングのうちの１つにねじ止めして、前記下部ポストが前記ロータの前記一次回転マスに物理的に接触しないように、前記ロータを前記下部ポストから離れるように上昇させ、
    前記上部ポストを前記ロータの前記一次回転マスから取り外すことを含む方法。

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