JP3135583B2 - はずみ車式・エネルギアキュムレータ - Google Patents

はずみ車式・エネルギアキュムレータ

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JP3135583B2 JP09530591A JP53059197A JP3135583B2 JP 3135583 B2 JP3135583 B2 JP 3135583B2 JP 09530591 A JP09530591 A JP 09530591A JP 53059197 A JP53059197 A JP 53059197A JP 3135583 B2 JP3135583 B2 JP 3135583B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、はずみ車式・エネルギアキュムレータであ
って、垂直な軸と、該軸に配置された受動的な超伝導の
磁気的な少なくとも１つのスラスト軸受けと、インナロ
ータ型の電動機／発電機とを備え、該電動機／発電機の
ロータがはずみ車に機械的に連結されていてかつ電動機
／発電機のステータがエネルギアキュムレータの真空ケ
ーシングに対して定置である形式のものに関する。
通常の軸受けを備えたはずみ車式・アキュムレータ
は、特に高い軸受け摩擦及びこれに起因する摩耗に基づ
き僅かな蓄積ポテンシャル（Speicherpotential）を有
するに過ぎない。無接触式のアクチブなマグネット軸受
けの場合には、一面では高価な電子測定及び制御機構が
準備されねばならずかつ他面では不十分な減衰作用が付
加的な渦電流ダンパの組込みによって補償されねばなら
ない。別の欠点は、回転数に伴って軸受け剛性が著しく
増大することにある。超伝導の磁気的な軸受けはこのよ
うな欠点を有さないないので、超伝導の磁気的な軸受け
は、電気的なエネルギを損失なく蓄積するためのはずみ
車式・エネルギアキュムレータのために特に適してい
る。軸受けはあらゆる調整を必要とすることなしに十分
役立つので、軸受けは自動安定化作用を有する軸受け又
は受動的な軸受けともよばれる。はずみ車式・アキュム
レータの場合、電気的なエネルギは電動機／発電機・ユ
ニットにおいて運動エネルギに変換されかつ高耐性のは
ずみ車ディスクに蓄積される。この場合、自己放電を阻
止するために、蓄積段階中に損失を最小化することが重
要である。このためにシステムのロータは、無接触式に
前述の超伝導の磁石に支承されている。このようなシス
テムは例えば、Bornemann H.J.その他著“受動的な超伝
導の磁気的な軸受けを備えたはずみ車式・エネルギアキ
ュムレータ＝Schwungradenergiespeicher mit passiven
supraleitenden magnetischen Lagern"KFK・報告書26,
3/94号、第209〜214頁から公知である。
本発明の課題は、このようなはずみ車式・エネルギア
キュムレータを更に改善して、一方では損失が減少され
かつ他方では設備の蓄積容量が拡大されるようにするこ
とにある。
前記課題は本発明によれば、冒頭に述べた形式のはず
み車式・エネルギアキュムレータにおいて、 イ）エネルギアキュムレータが、相互間隔を置いて共に
単極電機のロータの軸に係合する、単極電機によって駆
動される２つのはずみ車、つまり下側のはずみ車及び上
側のはずみ車を有していて、この場合ロータが、ステー
タ内部でしかも両はずみ車の間で軸に配置されており、 ロ）下側のはずみ車の下側で軸に、圧縮軸受けとしての
超伝導の受動的な第１の下側のスラスト軸受けの環状磁
石が係合していて、かつ、上側のはずみ車の上側で軸
に、重力に抗した引張り軸受けとしての超伝導の受動的
な第２の上側のスラスト軸受けの環状磁石が係合してお
り、 ハ）はずみ車とは反対の環状磁石側で環状磁石に対して
間隔を置いて向かい合って、ケーシングに対して定置の
それぞれ１つのディスク状の超伝導体が位置しており、 ニ）軸の構成部分としてのロータの周方向で単極電機の
ステータが、定置にケーシング内に配置されているか又
はケーシングの構成部分として配置されていて、前記ス
テータの巻線がステータ内で、ロータに作用する回転す
る磁界を発生するようになっていることによって、解決
された。
上記課題を解決するための別の有利な構成は、その他
の請求項に記載されている。
次に第１図及び第２図に基づきはずみ車式・エネルギ
アキュムレータを詳述する。
第１図は、エネルギアキュムレータの縦断面図、第２
図は、第１図Ａ−Ａ線に沿った断面図である。
冒頭に述べた形式のはずみ車式・エネルギアキュムレ
ータはほぼ次の構成要素、つまり、はずみ車ディスク、
超伝導の磁気的な軸受け、駆動ユニット（通常シンクロ
モータ）、構成要素を収容する真空システムを備えた真
空ケーシング、付属のポンプ及びセンサから構成されて
いる。本発明の構想では、従来技術とは異なって単極電
機は駆動ユニットとして用いられる。
はずみ車式・エネルギアキュムレータの第１図で図示
の実施例では、装置全体は密閉された真空ケーシング１
の真空室22に収容されている。しかしながら低温工学の
理由から、例えば氷結を阻止するために、超伝導の軸受
け自体がのみがそれぞれ小さい真空室によって絶縁され
れば十分である。しかしながら摩擦を減少するという理
由から、はずみ車も軸と共に真空ケーシング内に配置さ
れると、有利である。
エネルギアキュムレータの主要構成部材は、垂直な回
転可能な軸２であり、この軸には、相互間隔を置いて２
つのはずみ車、つまり下側のはずみ車３及び上側のはず
み車３が取り付けられていて、この場合軸ははずみ車を
貫通して延びている。このことは、はずみ車3,4が軸２
とは異なる材料から形成される場合に、該当する。はず
み車3,4はその形状及び寸法に関し同じに形成されてい
て、特に有利にははずみ車3,4は、同じ重量を有しかつ
互いに対称的に配置されている。はずみ車3,4の間に
は、互いに90度ずらされた２つのポールエレメント5,6
から成る、電動機及び発電機としてのインナロータ型・
単極電機のロータが係合している。両ポールエレメント
5,6は、高さよりも短い幅を有していてかつ所定の間隔
を置いて互いに対称的に配置されている（第２図参
照）。
軸２の構成部分としてのロータのポールエレメント5,
6を中心として、単極電機のステータ７は、定置にケー
シング内に又はケーシングの構成部分として配置されて
いる。ステータ７の巻線８は、ステータ内で回転する磁
界を発生し、この磁界は、ポールエレメント5,6に作用
して、軸２を回転させる。このようにして、供給された
電気的なエネルギははずみ車2,3の回転エネルギに変換
される。
はずみ車式・エネルギアキュムレータの主要構成要素
は、有利には同じに構成された超伝導の両スラスト軸受
け、つまり第１の下側のスラスト軸受け９と第２の上側
のスラスト軸受け10とである。両スラスト軸受け9,10
は、軸２と共に回転するそれぞれ１つの環状の永久磁石
11,12と、それぞれ１つのクライオスタット15,16内の、
ケーシング１に対して定置の超伝導体13,14とから形成
されている。超伝導体13,14は、永久磁石11,12のように
環状に形成されていてかつ、クライオスタット15,16の
外面17,18が永久磁石11,12に向かい合って位置するよう
に、側方でクライオスタット15,16に埋め込まれてい
て、この場合超伝導体13,14は、クライオスタット15,16
の外面17,18と永久磁石の外面との間に狭いギャップ20
が残されるように、下側のはずみ車３の下側で軸２にか
つ上側のはずみ車４の上方で軸２に配置されている。前
記ギャップ20は機械停止状態でも存在する。これによっ
てそれぞれはずみ車3,4と共に回転する永久磁石11,12
は、はずみ車3,4とは反対側で、ケーシング１に対して
定置のそれぞれ１つの超伝導体13,14に対して間隔を置
いて位置する。従って、超伝導の下側の受動的なスラス
ト軸受け９は圧縮軸受けとしてかつこれに対応して上側
のスラスト軸受け10は重力に抗した引張り軸受けとして
構成される。
ラジアル軸受けは、はずみ車式・エネルギアキュムレ
ータの場合には設けられない。それというのも、超伝導
のスラスト軸受け9,11及び10,12が半径方向力又は剛性
をももたらすからである。これにも拘わらず、安定性の
理由から半径方向の安定化を考慮して規定の措置が講じ
られねばならない。それ故、作動時の不安定性を最小化
するために、回転する構成部分、つまり、はずみ車3,
4、軸２及びポールエレメント5,6の極慣性モーメントI
polと赤道慣性モーメントＩquとができるだけ異なわ
されねばならない。このためにファクタ２が有利である
ことが明らかとなった。即ち、回転するエレメントはフ
ラットにしかも伸張して又は長く形成されている。この
ことは、２つのはずみ車3,4とこれらの間に位置するポ
ールエレメント5,6と軸とから成るロータを備えた構成
のために、 が該当し、この場合、Ｌは２つのはずみ車の質量中心点
の相互間隔でありかつＲははずみ車の半径である。
クライオスタット15,16は、詳述しない形式で作動さ
れ、スリーブ21を有しかつケーシング１の真空室22によ
って外部に対して熱的に絶縁されている。超伝導のスラ
スト軸受け9,10の冷却は、流動性の窒素の貫流によって
又はスターリング・冷却器（Sterlingkhler）によっ
て冷却された冷却フィンガとの直接的な接触によって行
われる。この場合冷却ユニットへの給電ははずみ車から
直接行われる。
超伝導のスラスト軸受け9,10に付加的に、それぞれ軸
２の上端及び下端にスラスト深溝形玉軸受け19,23が設
けられていて、このスラスト深溝形玉軸受け19,23は、
超伝導のスラスト軸受け9,10が故障した場合に、はずみ
車及びロータを有する軸２の重量を受け止める。しかし
ながらスラスト深溝形玉軸受け19,23は、アキュムレー
タ作動中には機能を発揮せず、即ち、スラスト深溝形玉
軸受けの軸受け摩擦が蓄積能力を損なうことはない。
機械5,6,7に関しはずみ車3,4を対称的に配置すること
によって、機械の全システムの特にコンパクトな寸法設
定及び軸端に設けられた両スラスト軸受け9,10の均一な
負荷が達成される。この場合駆動機械及びはずみ車は構
造的に統合されるけれども、これらの寸法は互いに無関
係に変えることができるので、例えば高い蓄積能力及び
小型の機械又は平均的な蓄積能力及び高い瞬時過負荷容
量を有する大型の機械のような異なる作動要求にフレキ
シブルに適合させることができる。当然適合性は、大型
の設備を有利にはモジュールから構成できるという、能
力を意味する。両はずみ車3,4のために同じ回転質量を
使用した前記システムの場合並びにそれぞれ一体の超伝
導体及び磁石から成る同じマグネット軸受け9,10を使用
できる可能性を有する前記システムの場合、異なる構成
部材の数を減少できる。この可能性は特に超伝導の材料
の処理に関して著しい利点をもたらす。それというの
も、分割された超伝導体及び磁石が接合個所に漂遊磁界
を有し、この漂遊磁界が回転するシステムにおける磁気
的なヒステリシス損によって著しい摩擦損失を生ぜしめ
るからである。
電気的な機械、つまり電動機／発電機5,6,7,は、蓄積
段階中に、即ちはずみ車が回転した場合に、渦電流損を
回避するために、励磁を遮断される。真空中での作動に
よって、風損は事実上生じない。極めて高い回転数での
システムの作動は、設備の高い有効性を考慮すると重要
である。それというのも、はずみ車材料を最良に利用で
きると同時に有利な重量毎出力（Leistungsgewicht）及
び重量毎エネルギ（Energiegewicht）が得られるからで
ある。この場合低回転数の場合に同じ蓄積容量のシステ
ムに比して、僅かな回転質量で作業できる。これによっ
てマグネット軸受けを小さく構成できる。マグネット軸
受けのサイズは、磁気的な摩擦損失に著しい影響を及ぼ
す。大きな質量を浮揚支持できるようにするためには、
これに相応してマグネット軸受けを大きくすればよい。
このために、磁石材料及び超伝導体材料の作動面が重要
である。10kgのロータ全重量のためにほぼ100mm直径の
環状磁石を必要とする。これは同時に、市販の環状磁石
がまだ一体に形成される最大直径である。最大直径のた
めに磁石は個々のセグメントから構成されるが、これは
既に述べた欠点を生ぜしめる。しかしながら本発明の構
想は、前述の一体構成の軸受けの使用を可能にする。
符号リスト １ 真空ケーシング ２ 軸 ３ 下側のはずみ車 ４ 上側のはずみ車 ５ ポールエレメント ６ ポールエレメント ７ ステータ ８ 巻線 ９ 下側のスラスト軸受け 10 上側のスラスト軸受け 11 下側の永久磁石 12 上側の永久磁石 13 下側の超伝導体 14 上側の超伝導体 15 下側のクライオスタット 16 上側のクライオスタット 17 外側 18 外側 19 非常軸受け 20 ギャップ 21 スリーブ 22 真空室 23 非常軸受け
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス ヴェーバー ドイツ連邦共和国 Ｄ―76297 シュト ゥーテンゼー ヤスミンヴェーク ２ツ ェー (72)発明者 ヘルマン リーチェル ドイツ連邦共和国 Ｄ―76694 フォル スト グレゴー―ウムホーフ―シュトラ ーセ ３ (72)発明者 ハンス―ヨアヒム グット ドイツ連邦共和国 Ｄ―70597 シュト ゥットガルト アブラハム―ヴォルフ― シュトラーセ 64 (56)参考文献 特開 平６−81841（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−129427（ＪＰ，Ａ) 米国特許4385251（ＵＳ，Ａ) 仏国特許出願公開2565310（ＦＲ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 7/02 F16C 32/04 H02K 7/09

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】はずみ車式・エネルギアキュムレータであ
    って、垂直な軸と、該軸に配置された受動的な超伝導の
    磁気的な少なくとも１つのスラスト軸受けと、インナロ
    ータ型の電動機／発電機とを備え、該電動機／発電機の
    ロータがはずみ車に機械的に連結されていてかつ電動機
    ／発電機のステータがエネルギアキュムレータの真空ケ
    ーシングに対して定置である形式のものにおいて、 イ）エネルギアキュムレータが、相互間隔を置いて共に
    単極電機のロータ（5,6）の軸（２）に係合する、単極
    電機によって駆動される２つのはずみ車、つまり下側の
    はずみ車（３）及び上側のはずみ車（４）を有してい
    て、前記ロータが、ステータ内部でしかも両はずみ車
    （3,4）の間で軸（２）に配置されており、 ロ）下側のはずみ車（３）の下側で軸（２）に、圧縮軸
    受けとしての超伝導の受動的な第１の下側のスラスト軸
    受け（９）の環状磁石（11）が係合していて、かつ、上
    側のはずみ車（４）の上側で軸（２）に、重力に抗した
    引張り軸受けとしての超伝導の受動的な第２の上側のス
    ラスト軸受け（10）の環状磁石（12）が係合しており、 ハ）はずみ車（3,4）とは反対の環状磁石（11,12）側で
    環状磁石に対して間隔を置いて向かい合って、ケーシン
    グに対して定置のそれぞれ１つのディスク状の超伝導体
    （13,14）が位置しており、 ニ）軸の構成部分としてのロータ（5,6）の周方向で単
    極電機のステータ（７）が、定置にケーシング内に配置
    されているか又はケーシングの構成部分として配置され
    ていて、前記ステータ（７）の巻線（８）がステータ
    （７）内で、ロータ（5,6）に作用する回転する磁界を
    発生するようになっていることを特徴とする、はずみ車
    式・エネルギアキュムレータ。
  2. 【請求項２】ロータが、90度互いにずらされた２つのポ
    ールエレメント（5,6）を有していて、該ポールエレメ
    ント（5,6）が、高さよりも短い幅を有しかつ所定の間
    隔を置いて互いに対称的に配置されている、請求項１記
    載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。
  3. 【請求項３】回転する構成部分の極慣性モーメントIpol
    と赤道慣性モーメントＩquとが、所定のファクタだけ
    異なっている、請求項１又は２記載のはずみ車式・エネ
    ルギアキュムレータ。
  4. 【請求項４】前記ファクタがほぼ２である、請求項３記
    載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。
  5. 【請求項５】 であり、この場合、Ｌは２つのはずみ車の質量中心点の
    相互間隔でありかつＲははずみ車の半径である、請求項
    １から４までのいずれか１項記載のはずみ車式・エネル
    ギアキュムレータ。
  6. 【請求項６】両スラスト軸受け（9,10）が、同じに構成
    されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の
    はずみ車式・エネルギアキュムレータ。
  7. 【請求項７】軸（２）がはずみ車（3,4）を貫通して延
    びている、請求項１から６までのいずれか１項記載のは
    ずみ車式・エネルギアキュムレータ。
  8. 【請求項８】両はずみ車（3,4）の形状、寸法及び重量
    が等しく形成されている、請求項１から７までのいずれ
    か１項記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。
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