JP2024054031A - フライホイール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な５軸制御装置等の軸受制御装置を必要とすることなく、フライホイール回転体を安定的に浮上・保持することができるフライホイール装置を提供する。【解決手段】上部永久磁石１を取り付けたフライホイール回転体２を、運転の最初は回転体支持手段５によりベアリング支持した状態で回転し、高速回転に至り発生する回転軸モーメントによって軸方向を安定させた後で、該上部永久磁石１とは反発する下部永久磁石６を、該フライホイール回転体２の下部から油圧昇降装置等の昇降手段７によって上昇接近させるように、制御手段９により上記昇降手段７の動作を制御して、該フライホイール回転体２を浮遊状態に磁気懸架することによって、該フライホイール回転体２の軸方向を常に重力方向に安定的に浮上・保持する。【選択図】図１

Description

本発明は、フライホイール装置に関するものである。

回転体（フライホイール）と発電・電動機を組合わせて、電力を一時的に回転エネルギーに変換して貯蔵し、電力が必要な時に回転エネルギーを電力に変換して放出するフライホイール装置は、化学的な電池等の他の貯蔵方式と比較すると、短時間大出力の充放電を繰り返しても劣化が少なく、寿命が長く環境耐性のある機械式バッテリーとして知られている。

太陽電池や風力発電といった自然エネルギーには電力の生産が時間的に安定しないという欠点があるが、フライホイール装置を仲介すれば該発生可能電力が負荷より多いときは溜め、負荷電力が過剰に必要な時は放出することができる。

慣性力により回転体の回転を維持するフライホイール装置では、フライホイールの質量が大きくなると、フライホイールの軸部を支持する軸受の摩擦損失が大きくなって、電気エネルギーを効率よく回転エネルギーとして蓄えることができず、このスタンバイ待機電力が無視できなくなるため、装置の回転摩擦によるエネルギー損失を少なくする必要があり、回転体を支持する軸受け部に磁気軸受けを用いたり、磁気浮上装置により回転体を磁気浮上させた状態で回転させるなど、磁力による吸引力により回転体を浮上させ、磁力の吸引力の調節により浮上対象物の位置を制御するようにした磁気浮上型のフライホイール装置が各種提案されている（例えば、特許文献１－５、非特許文献１、２参照）。

また、フライホイール装置に使用される磁気軸受装置として、軸方向の位置制御（軸方向制御）と、回転軸の上下２箇所において軸と直交するそれぞれ２つのラジアル方向の位置制御（ラジアル制御）とを有する５軸制御型磁気軸受装置が知られている（例えば、特許文献６、７参照）。

特開昭和５９－２３１２４１号公報 特開２０１８－１５７７５５号公報 特開平８－１５４３８８号公報 国際公開 Ｗ２０１７／１５８７１０号公報 特開２０１８－１９１５０７号公報 特開２００６－３００１１９号公報 特開２００７－３３３０８８号公報

「フライホイール型無停電電源用低損失磁気軸受の開発」，電気学会 技術開発レポート，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｉｅｅ．ｏｒ．ｊｐ／～ｉａｓ／２００７／ 磁気浮上技術の原理と応用 （設計技術シリーズ６１） 単行本－２０１８／３／２６ 一般社団法人 電気学会 磁気浮上技術調査専門委員会 編 （著）

従来のフライホイール装置は、摩擦によるエネルギー損失を少なくするために、高度な技術を必要とし、回転体支持機構の構造が複雑になり、耐久性にも問題があった。

また、磁気浮上型のフライホイール装置では、複雑な５軸制御装置等の軸受制御装置を必要としその待機電力が大きく、コスト高にもなっていた。

フライホイール装置は、化学的な電池に比べて出力密度が高く、二けた以上高い繰り返し充放電の耐久性を持つという特徴がありながらその普及が遅れているのが現状である。

そこで、本発明の目的は、従来のフライホイール装置がもつこのような複雑な回転体支持機構をなくし、フライホイール装置の普及を図ることができるようにすることにある。

本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施の形態から一層明らかにされる。

本発明では、フライホイール装置において、永久磁石を取り付けたフライホイール回転体を、運転の最初は回転体支持手段により低摩擦状態で支持して回転し、高速回転に至り発生する回転軸モーメントによって軸方向を安定させた後で、上記上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、該フライホイール回転体を浮遊状態に磁気懸架することによって、該フライホイール回転体を、電磁石等エネルギー損失が発生する位置制御手段を施すことなく安定的に浮上・保持する。

また、本発明では、発電電動機とフライホイール回転体が一体となって運動するフライホイール装置において、一体となった発電電動機回転子と上部永久磁石を取り付けたフライホイール回転体を、運転の最初は回転体支持手段により低摩擦状態で支持して回転し、高速回転に至り発生する回転軸モーメントによって軸方向を安定させた後で、上記上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、該フライホイール回転体を浮遊状態に磁気懸架することによって、該フライホイール回転体を、電磁石等エネルギー損失が発生する位置制御手段を施すことなく安定的に浮上・保持する。

さらに、本発明では、回転体を浮遊状態に磁気懸架するにあたり、ジンバル方式によるフライホイール装置の多軸保持を行うことにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも安定性を保持する。

すなわち、本発明は、フライホイール装置であって、 回転中心軸が一致するように上部永久磁石が下部に取り付けられたフライホイール回転体と、上記上部永久磁石と対向するように配され、該上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体の荷重を下方側から支持するため上下方向に移動させる昇降手段と、上記フライホイール回転体の回転状態を検出する回転検出手段と、上記回転検出手段による検出出力に基づいて、上記昇降手段の動作を制御する制御手段と、下部に一体的に取り付けられた上記上部永久磁石と上記フライホイール回転体が、回転停止あるいは低速回転時には、上記上部永久磁石と上記フライホイール回転体のスラスト加重を該フライホイール回転体の上側又は下側において低摩擦状態で受け止めて支持する回転体支持手段とを備え、上記制御手段は、上記回転体支持手段により支持される上記フライホイール回転体の回転数が上昇し、上記フライホイール回転体自体が回転角運動量を保持し、自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したことを上記回転検出手段が検出した後、上記上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体軸を重力方向に向けた該フライホイール回転体を浮遊状態に磁気懸架することによって、該フライホイール回転体の軸方向を常に重力方向に安定的に浮上・保持し、磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段の動作を制御し、上記フライホイール回転体の回転数があらかじめ設定した回転数まで低下したことを上記回転検出手段が検出した場合には、上記上部永久磁石に下方側から印加する磁界を減少させ、上記フライホイール回転体が上記回転体支持手段によって支持されるように上記昇降手段の動作を制御することを特徴とする。

このフライホイール装置では、上記フライホイール回転体の回転数が上昇し、上記フライホイール回転体自体が回転角運動量を保持し、自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したことを上記回転検出手段が検出した後は、上記上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体を磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段の動作を制御することによって、上記回転体支持手段によるエネルギー損失をなくし、電磁石等による姿勢制御エネルギーを必要とせずに使用することができ、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態でスタンバイ状態となり、上記フライホイール回転体の回転数が低下し該フライホイール回転体が発生する回転角運動量が上記昇降手段による磁気浮上にとって不安定になるまで磁気浮上を継続するが、もし回転数が低下した場合は、上記昇降手段による磁気浮上を停止して回転体支持手段による機械的な懸架に移行する制御を行うことができる。

また、本発明に係るフライホイール装置は、上記フライホイール回転体の回転軸に軸方向に可動な回転動力伝達接手を介して連結される発電・電動機と、支持枠に設けられたジンバル支持機構により支持された構造を有し、上記発電・電動機は、それに電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体の回転角運動量モーメントによって軸方向が一意的に決定され、該発電・電動機と上記フライホイール回転体を結ぶ上記軸方向に可動な回転動力伝達接手が該発電・電動機と上記フライホイール回転体間の自由な軸方向の動きを可能にし、且つ上記フライホイール回転体に回転を伝え、上記昇降手段による上記フライホイール回転体の上下方向の動きを吸収し、上記フライホイール回転体自体が発電・電動機軸によって圧迫を受けずに上記昇降手段によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体の回転数が変化しても自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを該発電・電動機に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作し、上記ジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れ可能なものとすることができる。

このフライホイール装置では、上記フライホイール回転体の回転軸に軸方向に可動な回転動力伝達接手を介して連結される発電・電動機が、該発電・電動機に電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、上記フライホイール回転体の回転数が上昇し、上記フライホイール回転体を磁気浮遊させて磁気懸架する際に、上記フライホイール回転体の上下方向の浮上力が上記軸方向に可動な回転動力伝達接手で回転軸を圧迫することなく全て吸収され、回転が安定に維持され、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作する。

このフライホイール装置は、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態でスタンバイ状態となる。このフライホイール装置は、連携された電力系統の電力不足を補うための電源として動作し、一方で再生可能エネルギー等が該系統に流入してきた場合は、該電動機によって回転数を上げて電気エネルギーを蓄電することができる。フライホイール装置からの該負荷系統への電力供給が増加し、回転体駆動の電源電圧が低下しフライホイール回転体の回転数が低下し該フライホイール回転体が発生する回転角運動量が上記昇降手段による磁気浮上にとって不安定になるまで磁気浮上を継続するが、もし回転数が低下した場合は、上記昇降手段による磁気浮上を停止して回転体支持手段による機械的な懸架に移行する制御を行うことができ、上記昇降手段の動作を制御することによって、上記回転体支持手段によるエネルギー損失をなくし、電磁石等による姿勢制御エネルギーを必要とせずに使用することができる。

さらに、このフライホイール装置では、ジンバル支持機構により支持された構造を具備することにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、浮遊状態に磁気懸架されたフライホイール回転体の姿勢を崩すことなく、フライホイール回転体の回転角運動量ベクトルが常に安定的に初期の重力の方向に維持されて該フライホイール回転体を浮上・保持することができる。

また、本発明に係るフライホイール装置は、上記フライホイール回転体の回転軸に設けられた回転子と支持枠に設けられた固定子からなる発電・電動機と、上記支持枠に設けられたジンバル支持機構により支持された構造を有し、上記発電・電動機は、それに電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体の回転角運動量モーメントによって軸方向が一意的に決定され、上記回転子が上記フライホイール回転体とともに上記昇降手段によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体の回転数が変化しても自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを該発電・電動機に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作し、上記ジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れ可能なものとすることができる。

このフライホイール装置では、上記フライホイール回転体の回転軸に一体的に取り付けられた回転子を備える発電・電動機が、該発電・電動機に電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、上記フライホイール回転体の回転数が上昇し、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作する。

このフライホイール装置は、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態でスタンバイ状態となる。このフライホイール装置は、連携された電力系統の電力不足を補うための電源として動作し、一方で再生可能エネルギー等が該系統に流入してきた場合は、該電動機によって回転数を上げて電気エネルギーを蓄電することができる。フライホイール装置からの該負荷系統への電力供給が増加し、回転体駆動の電源電圧が低下しフライホイール回転体の回転数が低下し該フライホイール回転体が発生する回転角運動量が上記昇降手段による磁気浮上にとって不安定になるまで磁気浮上を継続するが、もし回転数が低下した場合は、上記昇降手段による磁気浮上を停止して回転体支持手段による機械的な懸架に移行する制御を行うことができ、上記昇降手段の動作を制御することによって、上記回転体支持手段によるエネルギー損失をなくし、電磁石等による姿勢制御エネルギーを必要とせずに使用することができる。

さらに、このフライホイール装置では、ジンバル支持機構により支持された構造を具備することにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、浮遊状態に磁気懸架されたフライホイール回転体の姿勢を崩すことなく、フライホイール回転体の回転角運動量ベクトルが常に安定的に初期の重力の方向に維持されて該フライホイール回転体を浮上・保持することができる。

また、本発明に係るフライホイール装置において、上記回転体支持手段は、上記フライホイール回転体の上側又は下側において上記スラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するスラストベアリングあるいは低摩擦の物体からなる上下方向支持手段と、半径方向の荷重を上記フライホイール回転体の上部に設置した低摩擦物体又は下部に設置した低摩擦物体の少なくとも一方によって支持する半径方向支持手段とからなるものとすることができる。

また、本発明に係るフライホイール装置において、上記半径方向支持手段は、上記フライホイール回転体の上部において該フライホイール回転体の半径方向の荷重を支持し、上記上下方向支持手段は、低回転時には上記スラスト加重を上記フライホイール回転体の上部において受け止めるものとすることができる。

また、本発明に係るフライホイール装置において、上記昇降手段は、上記上部永久磁石とは反発する下部永久磁石を上記フライホイール回転体の回転数に応じて上昇下降させる油圧あるいは電動モータによる昇降装置であるものとすることができる。

また、本発明に係るフライホイール装置において、上記昇降手段は、上記フライホイール回転体の回転数に応じて上記上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加する超伝導磁界発生装置であるものとすることができる。

本発明に係るフライホイール装置では、フライホイール回転体自体が回転角運動量エネルギーを保持し、自立安定状態を維持する高速回転状態のフライホイール回転体を浮遊状態に磁気懸架することにより待機電力損失が低減され、上記フライホイール回転体を常時回転させるために必要とされる制御手段が簡略化され、複雑な５軸制御装置等の軸受制御装置を必要とすることなく、該フライホイール回転体を安定的に浮上・保持することができる。

また、本発明に係るフライホイール装置は、上記フライホイール回転体の回転軸方向に可動な回転接手を介して上記フライホイール回転体の回転軸に連結される発電・電動機を備えることにより、コストを削減した電気エネルギーの畜電・放電装置とすることができる。

さらに、本発明に係るフライホイール装置は、ジンバル支持機構により支持された構造を具備することにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、浮遊状態に磁気懸架されたフライホイール回転体の姿勢を崩すことなく、該フライホイール回転体の回転角運動量ベクトルが常に安定的に初期の重力の方向に維持されて該フライホイール回転体を浮上・保持することができる。

本発明の実施例を示すフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置のフライホイール回転体構成を磁気浮上させた状態を示す模式図である。 回転していない反発する同じ軸上にある磁石どうしは、僅かの軸揺らぎがあると軸がずれてしまうことを示す模式図である。 本発明の他の実施例を示す電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置に備えられた油圧昇降装置の動作を示す模式図であり、（Ａ）はフライホイール回転体を磁気浮上させる前の油圧昇降装置の状態を示し、（Ｂ）はフライホイール回転体を磁気浮上させた油圧昇降装置の動作状態を示している。 本発明のさらに他の実施例を示すフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置に備えられたジンバル支持機構により支持されたフライホイール回転体の姿勢を示す模式図であり、（Ａ）は正常姿勢状態のジンバル支持機構のジンバル軸により支持されたフライホイール回転体の姿勢を示し、（Ｂ）はフライホイール回転体に外力が加わったり、フライホイール装置支持体が傾斜した際に、ジンバル機構を使うことによって、フライホイール装置の回転軸に変化が生じないことを示している。 本発明のさらに他の実施例を示すフライホイール回転体の回転軸に直結された発電・電動機を備え電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置のフライホイール回転体を磁気浮上させた状態を示す模式図である。 本発明のさらに他の実施例を示すフライホイール回転体を磁気浮上させる昇降手段として超伝導磁界発生装置を備えるフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置のフライホイール回転体構成を磁気浮上させた状態を示す模式図である。 発電電動機回転子とフライホイール回転体と永久磁石全体を該フライホイール回転子の上部で低摩擦物体により支える上下方向支持手段を備えるフライホイール装置の構成を示す模式図である。 上記フライホイール装置のフライホイール回転体を磁気浮上させた状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

図１は本発明の実施例を示すフライホイール装置１０の構成を示す模式図である。

このフライホイール装置１０は、回転中心軸Ｏが一致するように上部永久磁石１がその下に取り付けられたフライホイール回転体２と、上記フライホイール回転体２を下方側から低摩擦状態で受け止めて支持する回転体支持手段５と、上記上部永久磁石１と回転中心軸Ｏが一致対向するように配され、該上部永久磁石１とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体２を下方側から上下に移動させる昇降手段７と、上記フライホイール回転体２の回転状態を検出する回転検出手段８と、上記回転検出手段８による検出出力に基づいて、上記昇降手段７の動作を制御する制御手段９とを備える。

このフライホイール装置１０において、上記回転体支持手段５は、円環状の保持枠４により保持されたスラストベアリング（あるいは低摩擦の物体）３により上記フライホイール回転体２を下方側から低摩擦状態で受け止めて支持するようになってる。

上記回転体支持手段５は、上記スラストベアリング３が上記フライホイール回転体２の回転中心軸Ｏを中心とする円周上で上記フライホイール回転体２の底面に下方側から均等に点接して、上記フライホイール回転体２を回転自在に支持する。軸対称に精密加工されたフライホイール回転体と、同時に回転するシャフト等を含む回転系システムは、低速回転特に危険速度においても大きな径方向の揺れは生じないことが実験的に確かめられている。万一装置全体に対する外力による大きな揺れが発生した場合に対処するには、スラストベアリング３にて回転体を支えることが出来るが、別途タッチダウンベアリングを取り付ければよい。該タッチダウンベアリングは異常な揺れに対して、衝撃を吸収することができるが、例えば、後述する図４に示すフライホイール装置２０のようにタッチダウンベアリングとして機能するラジアルベアリングを備える回転体支持機構１３を設ければよい。

なお、上記回転体支持手段５は、上記スラストベアリング３に代えてＭＣナイロン低摩擦リングなど低摩擦の物体により上記フライホイール回転体２を下方側から低摩擦状態で受け止めて支持するようにしてもよい。

すなわち、上記スラストベアリング３あるいは低摩擦の物体からなる回転体支持手段５は、上記フライホイール回転体２の下側においてスラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持する上下方向支持手段として機能する。

上記回転体支持手段５により回転支持された上記フライホイール回転体２は、その回転軸２Ａに回転駆動力が与えられることにより、上記回転中心軸Ｏ廻りに回転する。

また、上記回転検出手段８は、例えば、上記フライホイール回転体２の外周面に設けられた磁気的或いは光学的なマーカー等によって非接触で検出することにより、上記フライホイール回転体２の回転状態を検出する。

また、このフライホイール装置１０において、上記昇降手段７は、上記上部永久磁石１と回転中心軸Ｏが一致対向するように配され、該上部永久磁石１とは反発する下部永久磁石６を油圧あるいは電動モータによる昇降装置で昇降させることにより、上記上部永久磁石１に下方側から該上部永久磁石１とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体軸を重力方向に向けた該フライホイール回転体１を浮遊状態に磁気懸架するようになっている。

そして、上記制御手段９は、上記フライホイール回転体２の回転数が上昇して、上記フライホイール回転体自体が発生する軸モーメントが想定される地震等揺れ外乱強度に対し、十分に回転角運動量によって地心に向かう方向を保持し、自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したことを回転検出手段８が検出したら、図２に示すように、上記下部永久磁石６を上昇させて上記上部永久磁石１に接近させ、上記下部永久磁石６に対して上記上部永久磁石１を間隙ｇだけ磁気浮遊させることにより、上記上部永久磁石１とともに上記フライホイール回転体２を磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段７の動作を制御する。フライホイール装置からの過剰な電力を取り出す場合、回転数が安定な磁気浮上を可能にする値より低下するので、そのように回転数が低下した場合は、その場合は該フライホイールシステムを接続された系統電力から切り離す、あるいは該系統電力への電力供給を減らす制御方法が望ましいが、フライホイール回転体２の回転数が磁気浮上の限界回転数よりも下がる場合は、装置に取り付けられた下部永久磁石６を下げて、上記上部永久磁石に下方側から印加する磁界を減少させ、磁気浮上を中断し、上記フライホイール回転体２を下方側から低摩擦状態で受け止めて支持するタッチダウンベアリングとして機能するスラストベアリング（あるいは低摩擦物体）３によるフライホイール支持に戻る制御をおこなうことができる。

このフライホイール装置１０では、横方向からの姿勢制御装置がなくても、上記下部永久磁石６を上昇させて上記上部永久磁石１に接近させることにより、上記フライホイール回転体２を磁気浮遊させて磁気懸架することにより、上記フライホイール回転体２の安定した回転を維持することができる点に特徴を有する。

ここで、図３は、上記フライホイール回転体２が安定した回転を維持することができることについての原理説明図である。

すなわち、上記フライホイール装置１０において、上記フライホイール回転体２を磁気浮遊させた状態で上記フライホイール回転体２を回転させる場合、上記フライホイール回転体２が静止あるいは低速回転であれば、上記フライホイール回転体２に具備した磁石軸すなわち上部永久磁石１の回転軸と、上記フライホイール回転体２の下方に設けた同極性の磁石軸すなわち上記下部永久磁石６の中心軸の位置が図３の（Ａ）に示す一致した状態から、図３の（Ｂ）に示すように少しずれると横応力によって、図３の（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、急速に回転軸は元の回転軸に対し曲がってしまい、フライホイール装置としては動作しなくなる。

ところが、ある程度高い回転数になると、回転体自体が持つ磁気モーメントが強くなる所謂ジャイロ効果により、横方向からの姿勢制御装置がなくても、一定の方向を維持することができるようになり、上記フライホイール回転体２に具備した磁石軸すなわち上部永久磁石１の回転軸と、上記フライホイール回転体２の下方に設けた同極性の磁石軸すなわち上記下部永久磁石６の中心軸の位置が一致した図３の（Ａ）に示す状態を維持する。すなわち、上記フライホイール回転体自体が回転角運動量を保持し、自立安定状態を維持する。この原理を用いて、フライホイール回転体２が必要とする回転速度以上になった後に下方からの反発する下部永久磁石６を接近して磁気浮上させることによって、フライホイール回転体２を安定して浮上できるようになる。

すなわち、このフライホイール装置１０では、複雑な５軸制御装置等の軸受制御装置を必要とすることなく、上記フライホイール回転体２を磁気浮遊させて磁気懸架することができる。

ここで、上記フライホイール回転体１２の自立安定状態を維持する回転数は、フライホイール回転体２の形状や質量の分布状態などにも依存し、角運動量によって発生する抗力Ｆｒと地震などによる外力として想定される応力Ｆｐによって決定される安定性の基準を満たすように、抗力Ｆｒが応力Ｆｐよりも十分大きい範囲でのみ磁気浮上を行うように制御システムを設計される。フライホイール回転体２の回転数が運転中に低下し、上記基準を回転数が満たさなくなった場合は、下部永久磁石６の位置を下げて、低速回転用のスラストベアリングあるいは低摩擦物体３による懸架状態になるよう制御する。

このフライホイール装置１０の起動時に、上記制御手段９は、上記回転検出手段８による検出出力に基づいて、上記フライホイール回転体１２の自立安定状態を維持する回転数として予め設定された所定の回転周波数まで、上記フライホイール回転体１２の回転数が上昇したら、上記フライホイール回転体２を磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段７の動作を制御する。

また、このフライホイール装置１０を停止させる際に、上記制御手段９は、上記下部永久磁石６を降下させて上記上部永久磁石１から離して、上記フライホイール回転体２の磁気懸架を解除するように、上記昇降手段７の動作を制御する。

上記フライホイール回転体２は、磁気懸架が解除されることにより、上記上部永久磁石１とともに降下して、その底面が下側にある回転体支持手段５のスラストベアリング（あるいは低摩擦物体）３に接触して、ベアリング支持された状態で徐々に回転数が低下して停止状態になる。上記回転体支持手段５のスラストベアリング（あるいは低摩擦物体）３は、上記フライホイール回転体２の軸振れなどを抑制する上記タッチダウンベアリングとして機能する。

なお、一般に回転体には、振動や共振が起きてしまう危険回転数があるので、上記制御手段９は、このフライホイール装置１０を安全に運転するために、上記回転検出手段８による検出出力に基づいて、上記フライホイール回転体１２の危険回転数に近づいたら、上記下部永久磁石６を降下させて上記上部永久磁石１から離して、上記フライホイール回転体２の磁気懸架を解除するように、上記昇降手段７の動作を制御することもできる。精密にバランスされたフライホイール回転システムでは、危険回転数の問題を回避できることが確かめられている。

このフライホイール装置１０は、上記フライホイール回転体２の回転軸２Ａに連結される発電・電動機を備えることにより、電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するものとすることができる。

図４は本発明の他の実施例を示す電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するフライホイール装置２０の構成を示す模式図である。

このフライホイール装置２０は、フライホイール回転体１２の回転軸方向に可動な例えばスプライン結合等により上下方向に自由度をもたせた回転動力伝達接手２１を介して上記フライホイール回転体１２の回転軸１２Ａに連結される発電・電動機２２を備える。フライホイール回転体１２を精密に工作することによって、該回転数が上昇すると軸方向の下部永久磁石１６の上昇による上記フライホイール回転体１２の上下方向の浮上力は発電・電動機２２の軸を圧迫することなく全てスプライン部で吸収され、回転が安定に維持される。

このフライホイール装置２０は、上記フライホイール装置１０と同様に、上記フライホイール回転体１２の下部には回転中心軸Ｏが一致するように上部永久磁石１１が取り付けられている。

また、上記フライホイール回転体１２の回転中心軸Ｏに中心とする円周上で上記フライホイール回転体１２の底面に下方側から均等に点接する複数のスラストベアリング３が円環状の保持枠により保持されてなる回転体支持手段１５により、上記フライホイール回転体１２が回転自在に支持されている。回転体のスラスト力を機械的に支えるのは回転数が低い場合だけであるので、スラストベアリング３の替わりに摩擦の少ない低摩擦物体により回転体を保持してもよい。

さらに、上記上部永久磁石１１と対向するように配され、該上部永久磁石１１とは反発する下部永久磁石１６を昇降させる昇降手段として機能する油圧昇降装置１７と、上記フライホイール回転体１２の回転状態を検出する回転検出手段１８と、上記回転検出手段１８による検出出力に基づいて、上記油圧昇降装置１７の動作を制御する制御手段１９とを備える。該昇降装置は油圧駆動である必要はなく、例えば、電動モータにより下部永久磁石１６を昇降させるものであってもよい。

このフライホイール装置２０において、上記油圧昇降装置１７は、ＸＹ位置調整器２３により、上記フライホイール回転体１２の回転中心軸Ｏ上に上記下部永久磁石１６の中心点が位置するように、位置調整できるようになっている。

このフライホイール装置２０では、上記発電・電動機２２に電源が供給され、該発電・電動機２２が電動機として動作することにより、上記発電・電動機２２に連結された上記フライホイール回転体１２の回転軸に回転駆動力が上記回転動力伝達接手２１を介して伝達され、上記フライホイール回転体１２が回転駆動される。

上記制御手段１９は、上記フライホイール回転体１２の回転数が上昇して、上記フライホイール回転体自体が回転角運動量を保持し、自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したことを回転検出手段１８が検出したら、上記下部永久磁石１６を上昇させて上記上部永久磁石１１に接近させることにより、上記上部永久磁石１６に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体１２を磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記油圧昇降装置１７の動作を制御する。

なお、このフライホイール装置２０では、地震などにより径方向の大きな揺れが上記フライホイール回転体１２に発生した場合に対処するために、上記フライホイール回転体１２を囲繞するように円周状に取り付けられたタッチダウンベアリングとして機能するラジアルベアリングを備える回転体支持機構１３が設けられ、異常な揺れに対して、衝撃を吸収することができるようになっている。

上記回転体支持機構１３は、上記フライホイール回転体２の下側において半径方向の荷重を支持する半径方向支持手段として機能する。この径方向支持手段として機能する上記回転体支持機構１３は、ラジアルベアリングに代えＭＣナイロンなどの低摩擦リングを備えるものであってもよい。

上記油圧昇降装置１７は、図５の（Ａ）に示すように、互いに内径の異なる第１，第２のシリンダ室７１Ａ、７１Ｂと、小径側の上記第１のシリンダ室７１Ａの内径面に密接摺動する第１のピストン７２Ａと、大径側の上記第２のシリンダ室７１Ｂの内径面に密接摺動する第２のピストン７２Ｂを備え、上記第１，第２のシリンダ室７１Ａ、７１Ｂが互いに連通され作動油で満たされている。

上記油圧昇降装置１７では、図５の（Ｂ）に示すように、上記第１のピストン７２Ａが小径側の第１のシリンダ室７１Ａの内径面に密接摺動し距離Ｌ１だけ降下すると、大径側の第２のシリンダ室７１Ｂの内径面に密接摺動する第２のピストン７２Ｂが距離Ｌ２だけ上昇し、上記第２のピストン７２Ｂにより、上記下部永久磁石１６を上昇させて上記の上部永久磁石１１に接近させ、上記下部永久磁石１６に対して上記上部永久磁石１１を間隙ｇだけ磁気浮遊させることができる。

上記第１のシリンダ室７１Ａの断面積をＳ１とし、上記第２のシリンダ室７１Ｂの断面積Ｓ２とし、上記第１のピストン７２Ａを降下させる力をＦ１とすると、第２のピストン７２Ｂには、パスカルの原理に従い、小さな力Ｆ１で、
Ｆ２＝Ｆ１×Ｓ１／Ｓ２
で示される大きな上昇力Ｆ２を得ることができる。

上記発電・電動機２２は、上記フライホイール回転体１２が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、電源供給が遮断されることにより、発電機として動作する。

すなわち、上記発電・電動機２２は、それに印加された電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体１２は回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体１２の回転角運動量によって軸方向が一意的に決定され、該発電・電動機２２と上記フライホイール回転体１２を結ぶ上記軸方向に可動な回転動力伝達接手である上記回転動力伝達接手２１が該発電・電動機２２と上記フライホイール回転体１２間の自由な軸方向の動きを可能にし、且つ上記フライホイール回転体１２に回転を伝え、上記下部永久磁石１６の上昇による上記フライホイール回転体１２の上下方向の動きを吸収し、上記フライホイール回転体１２自体が発電・電動機軸によって圧迫を受けずに上記下部永久磁石１６によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体１２の回転数が変化しても回転軸方向は他の電磁石等によってラジアル方向にも制御をされることなく自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを発電・電動機２２に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体１２が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作する。

このフライホイール装置２０では、上記フライホイール回転体１２の回転数が上昇して自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したら、上記下部永久磁石１６を上昇させて上記上部永久磁石１１に接近させることにより、上記フライホイール回転体１２を磁気浮遊させて磁気懸架するので、磁気懸架された上記フライホイール回転体１２は、摩擦によるエネルギー損失が極めて少なく、電気エネルギーを効率よく回転エネルギーとして蓄えることができる。本装置はその一部ないし全体を真空容器に入れることによって、更に待機電力の小さい電力蓄積システムとすることができる。

また、このフライホイール装置２０において、発電・電動機２２は、フライホイール回転体１２の回転軸方向に可動な例えばスプライン結合等により上下方向に自由度をもたせた回転動力伝達接手２１を介して上記フライホイール回転体１２の回転軸に連結されるので、損失が少なく、上記フライホイール回転体１２の回転中は電動機又は発電機として機能しており、上記発電・電動機２２の電動機機能により該発電・電動機２２の駆動電力がフライホイール回転体１２の回転運動エネルギーに変換されて貯蔵され、また貯蔵電力の取り出し時には上記発電・電動機２２の発電機機能により上記フライホイール回転体１２の回転運動エネルギーを電力に変換して取り出される。

上記回転動力伝達接手２１は、例えば電磁クラッチなどによるクラッチ機能を有するものとすることにより、上記フライホイール回転体１２が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、上記発電・電動機２２を上記フライホイール回転体１２の回転軸から切り離して、該フライホイール回転体１２の回転運動エネルギーとして電気エネルギーを蓄積しておき、貯蔵電力の取り出し時に上記発電・電動機２２を上記フライホイール回転体１２の回転軸に連結して、上記発電・電動機２２の発電機能により上記フライホイール回転体１２の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことによって、発電・電動機２２等に付随する機械的エネルギー損失を最小限にすることができる。

図６は本発明のさらに他の実施例を示すフライホイール装置３０の構成を示す模式的な分解斜視図である。

このフライホイール装置３０は、上記フライホイール装置２０をジンバル支持機構３１により支持された取付枠３２に設け、ジンバル方式による多軸保持を行うことにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にもフライホイール回転体１２の方向が変化しないよう上記フライホイール装置２０を改良したものである。

このフライホイール装置３０におけるジンバル支持機構３１は、ジンバル軸３１Ｘを軸廻り方向に揺動自在に支持する第1の支持枠３３Ｘと、ジンバル軸３１Ｙを軸廻り方向に揺動自在に支持する第２の支持枠３３Ｙと、上記第２の支持枠３３Ｙが固定された駆体３４からなり、互いに直交する２つのジンバル軸３１Ｘ、３１Ｙの各軸廻り方向にそれぞれ揺動自在に上記取付枠３２を支持するようにした自由度２のジャイロである。

すなわち、このジンバル支持機構３１では、上記駆体３４に固定された上記第２の支持枠３３Ｙにより上記ジンバル軸３１Ｙの軸廻り方向に揺動自在に上記第1の支持枠３３Ｘが支持され、この第1の支持枠３３Ｘにより上記ジンバル軸３１Ｘの軸廻り方向に揺動自在に上記取付枠３２が支持されている。

上記ジンバル支持機構３１により支持された取付枠３２に設けられた上記フライホイール装置２０は、上記フライホイール回転体１２が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、外部からのあらゆる外力の影響を受けずに、上記フライホイール回転体１２の回転中心軸Ｏを一定の方向および向きを保つことができる。

図７は、上記フライホイール装置３０に備えられたジンバル支持機構３１により支持されたフライホイール回転体１２の姿勢を示す模式図であり、（Ａ）は正常姿勢状態のジンバル支持機構３１のジンバル軸３１Ｙにより支持されたフライホイール回転体１２の姿勢を示し、（Ｂ）はジンバル軸３１Ｙの軸周り方向にジンバル支持機構３１の駆体３４が傾斜した姿勢状態のジンバル支持機構３１のジンバル軸３１Ｙにより支持されたフライホイール回転体１２の姿勢を示している。

すなわち、このフライホイール装置３０では、ジンバル支持機構３１が図７の（Ａ）に示す正常姿勢状態から、図７の（Ｂ）に示すようにジンバル軸３１Ｙの軸周り方向に傾斜した姿勢状態になったとしても、ジンバル軸３１Ｙの軸周り方向に揺動自在に支持されている上記フライホイール装置２０の上記フライホイール回転体１２の回転中心軸０は、正常姿勢状態と同じ姿勢位置を維持し続けることができる。ジンバル軸３１Ｘの軸周り方向の傾斜に対しても同様である。

したがって、このフライホイール装置３０では、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、フライホイール回転体１２を磁気懸架した状態で安定性を保持でき、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れが可能である。

ここで、上記フライホイール装置２０は、上記フライホイール回転体２の回転軸に回転動力伝達接手２１を介して連結される発電・電動機２２を備えることにより、電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するものであるが、図８に示すフライホイール装置４０のように、フライホイール回転体４２の回転軸４２Ａに設けられた回転子５１と支持枠３２に設けられた固定子５２からなる発電・電動機５０を備えることにより、電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するものとすることもできる。

図８は本発明の他の実施例を示す電気エネルギーの畜電・放電装置として機能するフライホイール装置４０の構成を示す模式図である。

このフライホイール装置４０は、上記フライホイール装置２０と同様に、上記フライホイール回転体４２の下部には回転中心軸Ｏが一致するように上部永久磁石４１が取り付けられている。

また、上記フライホイール回転体４２の回転中心軸Ｏに中心とする円周上で上記フライホイール回転体４２の底面に下方側から均等に点接する複数のスラストベアリング４３が円環状の保持枠４４により保持されてなる回転体支持手段４５により、上記フライホイール回転体４２が回転自在に支持されている。回転体のスラスト力を機械的に支えるのは回転数が低い場合だけであるので、スラストベアリング４３の替わりに摩擦の少ない材料により回転体を保持してもよい。

また、このフライホイール装置４０は、上記上部永久磁石４１と回転中心軸Ｏが一致対向するように配され、該上部永久磁石４１とは反発する方向の磁界を該上部永久磁石４１に下方側から印加して、上記フライホイール回転体４２とともに上記発電・電動機５０の回転子５１を上下に移動させる昇降手段４７を備える。

上記昇降手段４７は、油圧あるいは電動モータによる昇降装置で下部永久磁石４６を昇降させることにより、上記上部永久磁石４１に下方側から該上部永久磁石４１とは反発する方向の磁界を印加するようになっている。

さらに、上記フライホイール回転体４２の回転状態を検出する回転検出手段４８と、上記回転検出手段４８による検出出力に基づいて、上記昇降手段４７動作を制御する制御手段４９とを備える。

このフライホイール装置４０に備えられた上記発電・電動機５０は、それに電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体４２を回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体４２の回転角運動量モーメントによって軸方向が一意的に決定され、上記回転子５１が上記フライホイール回転体４２とともに昇降手段４７によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体４２の回転数が変化しても自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを該発電・電動機に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体４２が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作する。

上記制御手段４９は、このフライホイール装置４０の起動時に、上記回転検出手段４８による検出出力に基づいて、上記フライホイール回転体４２の自立安定状態を維持する回転数として予め設定された所定の回転周波数まで、上記フライホイール回転体４２の回転数が上昇したら、図９に示すように、上記下部永久磁石４６に対して上記上部永久磁石４１を間隙ｇだけ磁気浮遊させることにより、上記フライホイール回転体４２を上記発電・電動機５０の回転子５１とともに磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段４７の動作を制御する。

また、このフライホイール装置４０を停止させる際に、上記制御手段４９は、上記下部永久磁石４６を降下させて上記上部永久磁石４１から離して、上記上部永久磁石４１に印加される磁界を減少させることにより、上記フライホイール回転体４２の磁気懸架を解除するように、上記昇降手段４７の動作を制御する。

上記フライホイール回転体４２は、磁気懸架が解除されることにより、上記発電・電動機５０の回転子５１とともに降下して、その底面が下側にある回転体支持手段４５のスラストベアリング４３に接触して、ベアリング支持された状態で徐々に回転数が低下して停止状態になる。上記回転体支持手段４５のスラストベアリング４３は、上記フライホイール回転体４２の軸振れなどを抑制する上記タッチダウンベアリングとして機能する。

さらに、このフライホイール装置４０は、上記支持枠３２に設けられた図示しないジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、フライホイール回転体４２を磁気懸架した状態で安定性を保持でき、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れが可能である。

また、このフライホイール装置４０は、風損を低減するためにその一部または全部を真空容器に入れて使用することもできる。

ここで、上記フライホイール装置４０における昇降手段４７は、油圧あるいは電動モータによる昇降装置で下部永久磁石４６を昇降させることにより、上記上部永久磁石４１に下方側から該上部永久磁石４１とは反発する方向の磁界を印加することにより、上記フライホイール回転体４２を上記発電・電動機５０の回転子５１とともに磁気浮遊させて磁気懸架するようにしたが、図１０に示すフライホイール装置４０Ａにように、超伝導磁界発生装置４７Ａにより、上部永久磁石４１とは反発する方向の磁界を印加することにより、上記下部永久磁石４６に対して上記上部永久磁石４１を間隙ｇだけ磁気浮遊させて、上記フライホイール回転体４２を上記発電・電動機５０の回転子５１とともに磁気浮遊させて磁気懸架するようにしてもよい。

このフライホイール装置４０Ａは、上記フライホイール装置４０における昇降手段４７を超伝導磁界発生装置４７Ａに置き換えたもので、上記超伝導磁界発生装置４７Ａ以外の構成要素は上記フライホイール装置４０と同じなので、同一構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

このフライホイール装置４０Ａにおいて、制御手段４９は、このフライホイール装置４０の起動時に、回転検出手段４８による検出出力に基づいて、上記フライホイール回転体４２の自立安定状態を維持する回転数として予め設定された所定の回転周波数まで、上記フライホイール回転体４２の回転数が上昇したら、図１１に示すように、上記フライホイール回転体４２を上記発電・電動機５０の回転子５１とともに間隙ｇだけ磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記超伝導磁界発生装置４７Ａの動作を制御する。

また、このフライホイール装置４０Aを停止させる際に、上記上部永久磁石４１に印加される磁界を減少させることにより、上記フライホイール回転体４２の磁気懸架を解除するように、上記超伝導磁界発生装置４７Ａの動作を制御する。

ここで、上記フライホイール装置３０，４０，４０Ａは、上記フライホイール装置２０と同様に、摩擦によるエネルギー損失が極めて少なく、電気エネルギーを効率よく回転エネルギーとして蓄えることができ、その一部ないし全体を真空容器に入れて使用することによって、更に待機電力の小さい電力蓄積システムとすることができる。

また、上記フライホイール装置１０～４０Ａでは、上記フライホイール回転体２，１２，４２の下側においてスラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するスラストベアリングあるいは低摩擦の物体からなる上下方向支持手段として機能する回転体支持手段５，１５，４５を備えるものとしたが、本発明に係るフライホイール装置において、上記上部永久磁石と上記フライホイール回転体のスラスト加重を上記フライホイール回転体の上部において低摩擦状態で受け止めて支持するようにしてもよく、回転体支持手段は、上記フライホイール回転体の上側又は下側において上記スラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するスラストベアリングあるいは低摩擦の物体からなる上下方向支持手段を備えるものとすることができる。

すなわち、例えば、図１２に示すフライホイール装置６０のように、フライホイール回転体４２の上側においてスラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するスラストベアリングあるいは低摩擦の物体からなる上下方向支持手段６３を備えるものとすることができる。

図１１は、発電・電動機５０の回転子５１とフライホイール回転体４２と上部永久磁石４１の全体を該フライホイール回転子４２の上部で低摩擦物体により支える上下方向支持手段６３を備えるフライホイール装置６０の構成を示す模式図である。

このフライホイール装置６０は、フライホイール回転体４２の回転軸４２Ａに設けられた回転子５１と支持枠３２に設けられた固定子５２からなる発電・電動機５０を備える上記フライホイール装置４０において、上記上下方向支持手段６３により、上記フライホイール回転体４２の上側においてスラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するようにしたものである。

このフライホイール装置６０において、上記フライホイール装置４０と同一の構成要素については、図中に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

このフライホイール装置６０において、上記発電・電動機５０の回転子５１は、その上端部に外向きフランジ部５３を備え、上記発電・電動機５０の固定子５２が設けられた支持枠３２に該発電・電動機５０の回転子５１が挿通される開口３２Ａを有する内向フランジ部３２Ｂが設けられており、上記上下方向支持手段６３は、上記フライホイール回転体４２の回転中心軸Ｏに中心とする円周上で上記外向きフランジ部５３の底面に下方側から均等に点接する複数のスラストベアリング６１が円環状の保持枠６２により保持されてなり、上記開口３２Ａを囲繞ように上記内向フランジ部３２Ｂ上に設けられ、上記発電・電動機５０の回転子５１とフライホイール回転体４２と上部永久磁石４１の全体を上記回転子５１の外向きフランジ部５３の下側から低摩擦状態で受け止めて支持するようになっている。

なお、このフライホイール装置６０においても、上記上下方向支持手段６３により上記発電・電動機５０の回転子５１とフライホイール回転体４２と上部永久磁石４１の全体のスラスト力を機械的に支えるのは回転数が低い場合だけであるので、スラストベアリング６１の替わりに摩擦の少ない材料を用いるようにしてもよい。

また、このフライホイール装置６０は、上記フライホイール回転体１２を囲繞するように円周状に取り付けられたタッチダウンベアリングとして機能するラジアルベアリングを備える回転体支持機構６４が、上記内向フランジ部３２Ｂの開口３２Ａの周縁に沿ってに設けられ、異常な揺れに対して、衝撃を吸収することができるようになっている。

上記回転体支持機構６４は、上記フライホイール回転体２の上側において半径方向の荷重を支持する半径方向支持手段として機能する。この径方向支持手段として機能する上記回転体支持機構６４は、ラジアルベアリングに代えＭＣナイロンなどの低摩擦リングを備えるものであってもよい。

このフライホイール装置６０において、制御手段４９は、該フライホイール装置４０の起動時に、上記回転検出手段４８による検出出力に基づいて、上記フライホイール回転体４２の自立安定状態を維持する回転数として予め設定された所定の回転周波数まで、上記フライホイール回転体４２の回転数が上昇したら、図１３に示すように、上記下部永久磁石４６を上昇させて、上記上部永久磁石４１とは反発する方向の磁界を該上部永久磁石４１に印加することにより、発電・電動機５０の回転子５１とフライホイール回転体４２と上部永久磁石４１の全体を間隙ｇだけ磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段４７の動作を制御する。

また、このフライホイール装置６０を停止させる際に、上記制御手段４９は、上記下部永久磁石４６を降下させて上記上部永久磁石４１から離して、上記上部永久磁石４１に印加される磁界を減少させることにより、上記フライホイール回転体４２の磁気懸架を解除するように、上記昇降手段４７の動作を制御する。

上記フライホイール回転体４２は、磁気懸架が解除されることにより、上記発電・電動機５０の回転子５１とともに降下して、上記回転子５１の外向フランジ部５３の底面が下側にある回転体支持手段６３のスラストベアリング４３に接触して、ベアリング支持された状態で徐々に回転数が低下して停止状態になる。上記上下方向支持手段６３のスラストベアリング６１は、上記フライホイール回転体４２の軸振れなどを抑制する上記タッチダウンベアリングとして機能する。

さらに、このフライホイール装置６０は、上記支持枠３２に設けられた図示しないジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、地震等による地面の傾斜が起きた際にも、フライホイール回転体４２を磁気懸架した状態で安定性を保持でき、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れが可能である。

また、このフライホイール装置６０は、風損を低減するためにその一部または全部を真空容器に入れて使用することもできる。

上記フライホイール装置６０は、上記フライホイール装置４０と同様に、摩擦によるエネルギー損失が極めて少なく、電気エネルギーを効率よく回転エネルギーとして蓄えることができ、その一部ないし全体を真空容器に入れて使用することによって、更に待機電力の小さい電力蓄積システムとすることができる。

なお、このフライホイール装置６０は、小型であれば、発電・電動機５０の回転子５１とフライホイール回転体４２と上部永久磁石４１の全体の重量に耐え得る上記発電・電動機５０自体のベアリングで上記上下方向支持手段６３の機能と上記回転体支持機構６４の機能を果たすものとすることができる。

１１，４１ 上部永久磁石、２，１２，４２ フライホイール回転体、２Ａ，４２Ａ 回転軸、３，４３，６１ スラストベアリング、４，４４ 保持枠、５ 上下方向支持手段として機能する回転体支持手段、６，１６，４６ 下部永久磁石、７，４７ 昇降手段、８，１８，４８，６２ 回転検出手段、９，１９，４９ 制御手段、１０，２０，３０，４０，４０Ａ，６０ フライホイール装置、１３，６４ 径方向支持手段として機能する回転体支持機構、１７ 油圧昇降装置、８，１８，４８ 回転検出手段、９，１９，４９ 制御手段、２１ 回転動力伝達接手、２２，５０ 発電・電動機、２３ ＸＹ位置調整器、３１ ジンバル支持機構、３１Ｘ，３１Ｙ ジンバル軸、３２ 取付枠、３２Ａ 開口、３２Ｂ 内向フランジ部、３３Ｘ，３３Ｙ，３４ 駆体、４７ 超伝導磁界発生装置、５１ 回転子、５２ 固定子、５３ 外向フランジ部、６３ 上下方向支持手段、７１Ａ、７１Ｂ 第１，第２のシリンダ室、７２Ａ、７２Ｂ 第１，第２のピストン、ｇ 間隙、Ｏ 回転中心軸

Claims (7)

1. 回転中心軸が一致するように上部永久磁石が下部に取り付けられたフライホイール回転体と、
   上記上部永久磁石と対向するように配され、該上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体の荷重を下方側から支持するため上下方向に移動させる昇降手段と、
   上記フライホイール回転体の回転状態を検出する回転検出手段と、
   上記回転検出手段による検出出力に基づいて、上記昇降手段の動作を制御する制御手段と、
   下部に一体的に取り付けられた上記上部永久磁石と上記フライホイール回転体が、回転停止あるいは低速回転時には、上記上部永久磁石と上記フライホイール回転体のスラスト加重を該フライホイール回転体の上側又は下側において低摩擦状態で受け止めて支持する回転体支持手段と、
   を備え、
   上記制御手段は、上記回転体支持手段により支持される上記フライホイール回転体の回転数が上昇し、上記フライホイール回転体自体が回転角運動量を保持し、自立安定状態を維持する所定の高速回転に達したことを上記回転検出手段が検出した後、上記上部永久磁石に下方側から該上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加して、上記フライホイール回転体軸を重力方向に向けた該フライホイール回転体を浮遊状態に磁気懸架することによって、該フライホイール回転体の軸方向を常に重力方向に安定的に浮上・保持し、磁気浮遊させて磁気懸架するように、上記昇降手段の動作を制御し、上記フライホイール回転体の回転数があらかじめ設定した回転数まで低下したことを上記回転検出手段が検出した場合には、上記上部永久磁石に下方側から印加する磁界を減少させ、上記フライホイール回転体が上記回転体支持手段によって支持されるように上記昇降手段の動作を制御することを特徴とするフライホイール装置。
2. 上記フライホイール回転体の回転軸に軸方向に可動な回転動力伝達接手を介して連結される発電・電動機と、
   支持枠に設けられたジンバル支持機構により支持された構造を有し、
   上記発電・電動機は、それに電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体の回転角運動量モーメントによって軸方向が一意的に決定され、該発電・電動機と上記フライホイール回転体を結ぶ上記軸方向に可動な回転動力伝達接手が該発電・電動機と上記フライホイール回転体間の自由な軸方向の動きを可能にし、且つ上記フライホイール回転体に回転を伝え、上記昇降手段による上記フライホイール回転体の上下方向の動きを吸収し、上記フライホイール回転体自体が発電・電動機軸によって圧迫を受けずに上記昇降手段によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体の回転数が変化しても自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを該発電・電動機に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作し、
   上記ジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れ可能なことを特徴とする請求項１に記載のフライホイール装置。
3. 上記フライホイール回転体の回転軸に設けられた回転子と支持枠に設けられた固定子からなる発電・電動機と、
   上記支持枠に設けられたジンバル支持機構により支持された構造を有し、
   上記発電・電動機は、それに電源が供給されることにより、上記フライホイール回転体を回転駆動する電動機として動作し、その際発生する上記フライホイール回転体の回転角運動量モーメントによって軸方向が一意的に決定され、上記回転子が上記フライホイール回転体とともに上記昇降手段によって浮上し、負荷の変化による上記フライホイール回転体の回転数が変化しても自律的に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れを該発電・電動機に印加された電源との間で安定にやり取りができ、上記フライホイール回転体が所定の高速回転数に達して磁気懸架された状態で、負荷に対し電源供給が必要となった時は、発電機として動作し、
   上記ジンバル支持機構により支持された構造を有することにより、揺動などの外乱があっても、常に初期の軸モーメントを保持しながら回転エネルギーの出し入れ可能なことを特徴とする請求項１に記載のフライホイール装置。
4. 上記回転体支持手段は、上記フライホイール回転体の上側又は下側において上記スラスト加重を低摩擦状態で受け止めて支持するスラストベアリングあるいは低摩擦の物体からなる上下方向支持手段と、半径方向の荷重を上記フライホイール回転体の上部に設置した低摩擦物体又は下部に設置した低摩擦物体の少なくとも一方によって支持する半径方向支持手段とからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のフライホイール装置。
5. 上記半径方向支持手段は、上記フライホイール回転体の上部において該フライホイール回転体の半径方向の荷重を支持し、上記上下方向支持手段は、低回転時には上記スラスト加重を上記フライホイール回転体の上部において受け止めることを特徴とする請求項４に記載のフライホイール装置。
6. 上記昇降手段は、上記上部永久磁石とは反発する下部永久磁石を上記フライホイール回転体の回転数に応じて上昇下降させる油圧あるいは電動モータによる昇降装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のフライホイール装置。
7. 上記昇降手段は、上記フライホイール回転体の回転数に応じて上記上部永久磁石とは反発する方向の磁界を印加する超伝導磁界発生装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のフライホイール装置。