JP2668132B2 - フライホイール式エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

フライホイール式エネルギー貯蔵装置

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JP2668132B2 JP1053569A JP5356989A JP2668132B2 JP 2668132 B2 JP2668132 B2 JP 2668132B2 JP 1053569 A JP1053569 A JP 1053569A JP 5356989 A JP5356989 A JP 5356989A JP 2668132 B2 JP2668132 B2 JP 2668132B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、停電,瞬停等の発生によって例えばコン
ピュータが停止したり誤動作したりすることを防止する
ために使用されるフライホイール式無停電電源装置にお
いて、電気エネルギーを運動エネルギーの形で貯蔵し停
電,瞬停発生時に電気エネルギーに変換し供給するフラ
イホイール式エネルギー貯蔵装置に関するものである。
〔従来の技術〕
無停電電源装置の蓄電部に使用されるフライホイール
式エネルギー貯蔵装置は、電気エネルギーを高速回転す
るフライホイールの運動エネルギーの形で貯蔵し、停電
発生時等必要時にこの運動エネルギーを電気エネルギー
に変換して負荷に電力として供給しようとするものであ
る。構造的な特徴として発電電動機部を立形とし、金属
接触のない軸受構造、繰り返し使用に対しても安全な構
成部材より、しかも真空容器に設置されることによりノ
ーメンテ、長寿命低損失が実現される。
従来、この種の装置として特開昭55−17930号公報,
特開昭52−65804号公報および本発明と同一出願人によ
って出願済である(62年12月25日付、特願昭62−329203
号(特開平1−172677号公報、特公平5−55743号公
報)に示すものがある。
例えば特開昭55−147930号公報に示されたものは、深
夜等の余剰電力を一時回転エネルギーに変換して蓄積
し、電力の需要に応じて上記回転エネルギーを電気エネ
ルギーに変換して電力系統に供給する、誘導発電電動機
装置に関するもので、電力系統システムとしてエネルギ
ー貯蔵に誘導電動機とフライホイールを使用し、誘導電
動機の回制御動を利用し余剰電力の有効利用を図ろうと
するものである。本発明によるエネルギー貯蔵装置は、
停電、瞬停といった不測のまた不定期の必要時に負荷に
良質の電力を供給することを要旨とする無停電電源装置
に関するもので、比較的規則的にエネルギー蓄積および
電力系統への電力供給を行う前述の誘導発電電動機装置
に比して、一層のノーメンテ、長寿命低損失が要求され
る。
第2図は特開昭52−65804号公報に示されたフライホ
イール型蓄電装置を示すもので、図において、(1)は
真空容器であり、この真空容器(1)内にはフライホイ
ール(2)が回転自在に収納されている。フライホイー
ル(2)は磁性材で円板状に形成されており、その軸心
線を重力方向と平行させて配置されている。上記フライ
ホイール(2)の外周部上、下面には上記軸心線と平行
状態に環状突起(3a),(3b)が一体的に突設されてい
る。そして、フライホイール(2)の図中上下面中央部
には軸材(4a),(4b)が同軸的に固定されており、上
記軸材(4a)の先端は真空容器(1)の底壁内面に固定
されたピポット軸受(5)に連結されている。
しかして、上記環状突起(3a),(3b)の近傍には磁
気軸受(6)が設けてある。磁気軸受(6)は、環状突
起(3a),(3b)の上、下面をその磁極面で所定の間隙
をあけて挟む形に設けられた環状の磁気枠(7)と、こ
の磁気枠(7)内に装着された励磁コイル(8)とで構
成されている。なお、環状突起(3a)と磁気枠(7)の
上部磁極面との間の間隙Pは、環状突起(3b)と磁気枠
(7)の下部磁極面との間の間隙Qより狭く設定されて
いる。
一方、前記軸材(4a)の外周には、電動機と兼用した
主発電機(9)の回転子(10)が固定されており、この
回転子(10)に対向する位置には同発電機(9)の固定
子(11)が固定されている。また軸材(4b)の外周には
補助発電機(12)の回転子(13)が固定されており、こ
の回転子(13)に対向する位置に同発電機(12)の固定
子(14)が固定されている。なお、主発電機(9)は電
動機としても使用できるように構成されている。そし
て、各発電機(9)(12)の回転子巻線および固定子巻
線の先端と、上記磁気軸受(6)の励磁コイル(8)の
先端とは真空容器(1)を気密に貫通して外部に導か
れ、また真空容器(1)内は十分低圧に保持されてい
る。
次に上記構成の装置の使用例を説明する。まず、磁気
軸受(6)の励磁コイル(8)は常に付勢されているも
のとする。このように励磁コイル(8)が付勢されてい
ると、励磁コイル(8)で発生した磁束は磁気枠(7)
と環状突起(3a),(3b)とからなる閉磁路を通るの
で、磁気枠(7)の磁極面と環状突起(3a),(3b)と
の間に磁気的吸引力が作用し、これによってフライホイ
ール(2)のラジアル荷重が支持される。また、間隙P
を間隙Qにより狭く設定しているので、フライホイール
(2)には、図中上方に向かう磁気的吸引力が作用す
る。したがって、ピボット軸受(5)に加わる荷重はフ
ライホイール(2)の実際のスラスト荷重の1/数とな
る。
しかして、上記状態で主発電機(9)を電動機として
使用し、起動すると、フライホイール(2)は徐々に回
転を開始する。フライホイール(2)が所定の回転数に
なった時点で主発電機(9)を発電機側に切換えると、
こんどはフライホイール(2)に蓄電された回転エネル
ギが電力に変換されて出力されることになる。したがっ
て、この装置は、夜間等の電力余剰時に電動機側に切換
えてフライホイール(2)にエネルギを蓄電させ、昼間
時等の電力必要時に発電機側に切換えて電力を出力する
ようにすればエネルギを十分効果的に利用できることに
なる。
第3図〜第5図は本発明と同一出願人によって出願さ
れたフライホイール式エネルギー貯蔵装置を示し、第3
図はエネルギー貯蔵装置の平面図、第4図は正面図、第
5図はこの断面図である。
図において、(15)はたらい状の外周部に取付部(15
a)を有する真空ケーシングで、取付部(15a)の円周上
にはボルトにて締付け固定するための複数個の取付穴
(15b)が設けられている。(16)は上記真空ケーシン
グ(15)に嵌合し、ボルト(17)によって固定されたケ
ーシング下蓋で、上記真空ケーシング(15)との嵌合部
には真空保持用のOリング(18)が配設されている。
(19)は上記ケーシング下蓋(16)にボルト(20)にて
固定されたピボット受け取付部材、(21)はこのピボッ
ト受け取付部材(19)内に収納,嵌合されたピボット受
け(22)などによりピボット軸受、(23)はこのピボッ
ト軸受(21)によって回転自在に支承されるピボットシ
ャフトで、このピボットシャフト(23)は高速回転によ
るグループポンプ作用で、潤滑油に高い圧力を発生させ
たピボットシャフト(23)を浮上支持し非接触状態とな
るよう構成されている。(24)はフライホイール円板支
え、(25)は反発磁石下ユニット、(26)は上記フライ
ホイール円板支え(24)に固定された反発磁石である。
(27)は上記フライホイール円板支え(24)と対向配設
されたロータ下部ヨーク、(28)はフライホイールユニ
ットで、上記フライホイール円板支え(24)およびロー
タ下部ヨーク(27)に固定されている。ロータ下部ヨー
ク(27)には、発電電動機の界磁となる永久磁石(29)
が固定されている。(30)はロータ上部ヨーク、(31)
は発電電動機の界磁となる永久磁石で、上記ロータ下部
ヨーク(27)およびロータ上部ヨーク(30)にそれぞれ
挟持固定されている。(32)は発電電動機のステータコ
イルで、永久磁石(29)と永久磁石(31)との間に空隙
を有し対向配設されている。(33)は上記ロータ上部ヨ
ーク(30)と空隙を有して対向配設された吸引磁石、
(34)は上記吸引磁石(33)を保持した吸引磁石上ユニ
ットである。そして上記反発磁石(26)と吸引磁石(3
3)を併用しそれらの反発力および吸引力によってフラ
イホイール円板支え(24),ロータ下部ヨーク(27),
フライホイールユニット(28)などの回転部の重量を支
えて、上記ピボット軸受(21)への重量の軽減を図って
いる。(35)は真空ケーシング(15)の開口部にボルト
で固定されたケーシング上蓋で、上記真空ケーシング
(15)との接合部には真空保持用のOリング(36)が配
設されている。(37)は外周部に放熱用フィンを有する
筒状のステータユニットで、上記ケーシング上蓋(35)
にボルト(38)にて固定されている。ステータユニット
(37)とケーシング上蓋(35)との接合部には、真空保
持用のOリング(39)が配設されている。(40)は平板
状の天井蓋で、上記ステータユニット(37)の開口部を
閉塞している。(41)はこの天井蓋(40)に支持され上
記吸引磁石上ユニット(34)を保持し、吸引磁石上ユニ
ット(34)側の吸引磁石(33)と、ロータ上部ヨーク
(30)側の吸引磁石(42)とを所望空隙とするよう調整
する吸引磁石調整棒、(43)はニードルベアリング(4
4)などよりなる上部軸受ユニットで、上記天井蓋(4
0)に装着されている。(45)はこの上部軸受ユニット
(43)に回転自在に支持され、一端が上記ロータ上部ヨ
ーク(30)に固定されているシャフトである。このシャ
フト(45)は歳差運動の原理によって直立し、上部軸受
シャフト(43)と非接触状態となるよう構成されてい
る。(46)は真空ポンプ(図示せず)と接続するための
パイプおよびフランジであり、フライホイール円板支え
(24),ロータ下部ヨーク(27),フライホイールユニ
ット(28)よりなる回転部が高速回転したとき、空気抵
抗によって熱の発生を防止するため、真空ケーシング
(15),ケーシング下蓋(16),ケーシング上蓋(3
5),内部調整上蓋(47),ステータユニット(37),
天井蓋(40)などの外部部品によって覆われた内部を、
上記真空ポンプによって排出し、真空状態を形成されて
いる。
〔発明を解決しようとする課題〕
フライホイールのもつ運動エネルギーの貯蔵量は、回
転軸に対応するフライホイールの慣性モーメントと回転
数によって付勢される。そのため、エネルギー貯蔵量を
増大させるためにフライホイールの慣性モーメントを大
きくするとともに回転数を高くすることが図られる。
従来の第2図に示すものにおいては、フライホイール
(2)の外周部上,下面に環状突起(3a)(3b)が一体
的に突設されているのみであり、ロータの高速回転した
ときの遠心力による補強強度が困難である。したがって
回転数を上げることが不可能である。このため同一のエ
ネルギーを得るためには、フライホイール(2)の径方
向の寸法を大きくするか、軸方向に大きく伸ばしてフラ
イホイール(2)の重量を重くする必要がある。こうす
ると装置自体が大きくなるとともに、重量も重くなるな
どの課題があった。
さらに従来の第3図〜第5図に示すものにおいては、
発電電動機は界磁となる永久磁石(29)(31)を必要と
し、このため上記永久磁石(29)(31)の製作にはりつ
け作業,研摩作業を施したり、着磁および着磁調整する
必要があり、作業が煩雑となり製作に時間がかかるなど
の難点があった。さらに界磁としての永久磁石(29)
(31)が回転することによって、一次側コアに鉄損が発
生し、熱の発生とともに効率の低下となるなどの課題と
加えて磁石の製作上大きさの制約,コスト,磁石とバラ
ンスをとるためのオモリを設けるなどの課題があった。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたも
ので、フライホイールを高速回転ができ煩雑な加工を施
すことなく、組立性にも優れ、効率のよいフライホイー
ル式エネルギー貯蔵装置を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る無停電電源装置のエネルギー貯蔵部と
してのフライホイール式エネルギー貯蔵装置は、コイル
が卷回されたステータコアを固定したステータフレーム
と、このステータフレームに設けられたピポット受に回
転自在に支承されるピポットシャフトと、このピポット
シャフトに固着された取付板と、円板状の内周部に多数
個のスロット部を有する金属材を多数枚積層されてな
り、前記ステータコアと空隙を介して配設されたロータ
コアと、このロータコアのスロット部に注入された導体
の両端部で短絡してなると共に一端が前記取付板に取付
け固定されたエンドリングと、このエンドリングに保持
固定されたフライホイールと、を備え、前記ピポットシ
ャフト、前記取付板、前記ロータコア、前記エンドリン
グおよび前記フライホイールが一体となって前記ピポッ
トシャフトを軸芯とした回転体が構成され、前記ステー
タコア、前記コイル、前記ロータコアおよび前記エンド
リングとによって発電電動機部構造を誘導電動機として
構成したものである。
また、前記回転体および誘導電動機として構成した前
記発電電動機部構造を真空ケーシング内に内蔵するとと
もに、前記ロータコアは立設された回転軸に装着され、
前記ステータコアの外側を回転する外転形ロータコアと
し、この外転形ロータコアと前記フライホイールとを一
体に構成したものである。
〔作用〕
この発明に係る無停電電源装置のエネルギー貯蔵部と
してのフライホイール式エネルギー貯蔵装置は、発電電
動機部構造を誘導電動機として構成したので、定常時空
転中の動力を必要としない時は磁力入力電圧を下げるこ
とによって一次側コアに発生する鉄損を抑制することが
できる。
また、ロータコアは立設された回転軸に装着され、ス
テータコアの外側を回転する外転形ロータコアとし、こ
の外転形ロータコアとフライホイールとを一体に構成し
たので、遠心力による補強が可能で、ロータを高速回転
することができる。
〔発明の実施例〕
第1図はこの発明の一実施例を示す断面図であり、
(50)はたらい状の外周部に取付部(50a)を有する真
空ケーシング、(51)は真空ケーシング(52)にボルト
(53)によりねじ止め固定されたケーシング、(54)は
ケーシング(51)にねじ止め固定された天井板である。
(55)はピボット軸受、(56)はこのピボット軸受(5
5)によって回転自在に支承されるピボットシャフト
で、このピボットシャフト(56)は高速回転によるグル
ープポンプ作用で、潤滑油に高い圧力を発生させピボッ
トシャフト(56)を浮上支持し非接触状態となるよう構
成されている。(57)はステータフレームで、上記真空
ケーシング(50)に固定されている。(58)は薄電気鋼
板材などの金属材が多数枚積層され、コイル(59)が巻
回されてなるステータコアである。(60)は上記ピボッ
トシャフト(56)の振れを抑制するニードルベアリング
で、ステータフレーム(57)に装着されている。(61)
はピボットシャフト(56)に固着された金属材からなる
取付板、(62)は薄電気鋼板材などの金属材が円板状に
形成され、円板状の内周部に多数個のスロット部を有し
このスロット部が連通するよう多数枚積層されてなるロ
ータコアで、上記スロット部にアルミニウム材などの導
体が注入され、積層されたロータコア(62)の両端部で
短絡してなるエンドリング(63)を形成している。ロー
タコア(62)は上記ステータコア(58)と空隙を介して
配設され、エンドリング(63)の一端は上記取付板(6
1)に取付け固定されている。(64)はエンドリング(6
3)に保持固定されたフライホイールで、ピアノ線が多
数回巻回され構成されている。そして、ピボットシャフ
ト(56),取付板(61),ロータコア(62),エンドリ
ング(63),フライホイール(64)が一体となって上記
ピボットシャフト(56)を軸芯とした回転体(65)が構
成される。さらに上述したステータコア(58),コイル
(59)と、ロータコア(62),エンドリング(63)とに
よって発電電動機部が誘導機として構成される。(66)
はフライホイール(64)が万一破壊した場合に装置を保
護するためのプロテクターで、真空ケーシング(50)に
固定されている(67)はケーシング(51)に固定され、
取付板(61)と空隙を介して対向配設された吸引磁石
で、この吸引磁石(67)と取付板(61)とによる吸引力
によって回転体(65)の回転バランスをとっている。
上記のように構成されたフライホイール式エネルギー
貯蔵装置は、ステータコア(58)のコイル(59)に外部
より通電されると、ステータコア(58)とロータコア
(62)との間に磁気誘導作用が発生し、ピボットシャフ
ト(56)を軸芯として回転体(65)が高速回転する。そ
して高速回転するフライホイール(64)が電気エネルギ
ーを運動エネルギーの形で貯蔵し、必要時にこの運動エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して負荷に電力として
供給される。
なお、上記実施例ではフライホイール(64)には、ピ
アノ線を巻回した場合について説明したが、強化ガラス
繊維材,炭素繊維材などの高張力繊維材および高張力鋼
であってもよく、上記実施例と同様の効果を奏すること
は言うまでもない。
〔発明の効果〕
この発明では、以上説明したように構成されているの
で、以下に示すような効果を奏する。
無停電電源装置のエネルギー貯蔵部としてのフライホ
イール式エネルギー貯蔵装置における発電電動機部構造
を誘導電動機として構成したので、定常時空転中の動力
を必要としない時は極力入力電圧を下げることによって
一次側コアに発生する鉄損を抑制することができ、効率
の向上が図れ、冷却の手段を講ずる必要がなくなる。
また、ロータコアは立設された回転軸に装着され、ス
テータコアの外側を回転する外転形ロータコアとし、こ
の外転形ロータコアとフライホイールとを一体に構成し
たので、遠心力による補強が可能で、ロータを高速回転
することができ、フライホイールの慣性モーメントを大
きくする(フライホイールの径を大きくするとか、重量
を重くする)ことなく、運動エネルギーの貯蔵量を増大
できるので、小型・軽量のフライホイール式エネルギー
貯蔵装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示すフライホイール式エ
ネルギー貯蔵装置の半断面図、第2図〜第5図は従来の
貯蔵装置に係り、第2図はフライホイール型蓄電装置の
断面図、第3図〜第5図はフライホイール式エネルギー
貯蔵装置に係り、第3図はこの平面図、第4図はこの正
面図、第5図はこの断面図である。 図において、(56)はピボットシャフト、(58)はステ
ータコア、(59)はコイル、(62)はロータコア、(6
3)はエンドリング、(64)はフライホイール、(65)
は回転体である。 図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 入野 武志 愛知県名古屋市東区矢田南5丁目1番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (56)参考文献 特開 昭47−5958(JP,A) 特開 昭52−65804(JP,A) 特開 昭54−150642(JP,A) 特開 昭55−147930(JP,A) 特開 平1−172677(JP,A) 米国特許4540930(US,A) 米国特許3970917(US,A) 米国特許4629947(US,A) 米国特許4870310(US,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高速回転することによって電気エネルギー
    を運動エネルギーの形で貯蔵し、停電、瞬停といった必
    要時にこの運動エネルギーを再び電気エネルギーに変換
    して負荷に電力として供給するフライホイール式エネル
    ギー貯蔵装置において、 コイルが卷回されたステータコアを固定したステータフ
    レームと、このステータフレームに設けられたピポット
    受と、このピポット受に回転自在に支承されるピポット
    シャフトと、このピポットシャフトに固着された取付板
    と、円板状の内周部に多数個のスロット部を有する金属
    材を多数枚積層されてなり、前記ステータコアと空隙を
    介して配設されたロータコアと、このロータコアのスロ
    ット部に注入された導体の両端部で短絡してなると共に
    一端が前記取付板に取付け固定されたエンドリングと、
    このエンドリングに保持固定されたフライホイールと、
    を備え、 前記ピポットシャフト、前記取付板、前記ロータコア、
    前記エンドリングおよび前記フライホイールが一体とな
    って前記ピポットシャフトを軸芯とした回転体が構成さ
    れ、前記ステータコア、前記コイル、前記ロータコアお
    よび前記エンドリングとによって発電電動機部構造を誘
    導電動機として構成したことを特徴とするフライホイー
    ル式エネルギー貯蔵装置。
  2. 【請求項2】前記回転体および誘導電動機として構成し
    た前記発電電動機部構造を真空ケーシング内に内蔵する
    とともに、 前記ロータコアは立設された回転軸に装着され、前記ス
    テータコアの外側を回転する外転形ロータコアとし、こ
    の外転形ロータコアと前記フライホイールとを一体に構
    成したことを特徴とする請求項1記載のフライホイール
    式エネルギー貯蔵装置。
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