JP3463888B2 - フライホイール型電力貯蔵装置 - Google Patents

フライホイール型電力貯蔵装置

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JP3463888B2
JP3463888B2 JP04061594A JP4061594A JP3463888B2 JP 3463888 B2 JP3463888 B2 JP 3463888B2 JP 04061594 A JP04061594 A JP 04061594A JP 4061594 A JP4061594 A JP 4061594A JP 3463888 B2 JP3463888 B2 JP 3463888B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気エネルギーをフラ
イホイールの回転エネルギーに変換して貯蔵するフライ
ホイール型電力貯蔵装置に関する。非常時に備えた重要
電源のバックアップ、太陽光発電や風力・波力発電との
組合せ等の用途に利用し得るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、回転電機、およびそのロータに固
定したフライホイールを備えた電力貯蔵装置が知られて
いる。このような装置においては、ロータの回転軸を軸
受するための軸受として、ころがり軸受や磁気軸受が用
いられている。この磁気軸受を用いた装置は、例えば
“27th Intersociety Energy Conversion Engineering
Conference '92, Design and Manufacturing for a Com
posite Multi-Ring Flywheel”に開示されている。ま
た、このような装置においては、フライホイールの空気
との摩擦によるエネルギー損失を防止するため、フライ
ホイールは真空下に置かれる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
フライホイール型電力貯蔵装置において使用される回転
電機は、エネルギー損失があるため、電力貯蔵用に適さ
ない。また、ころがり軸受は、動力損失が大きいという
問題がある。このため、低損失の磁気軸受などを用いる
ことが考えられるが、巻線にコアを有する従来の回転電
機を使用する限り高速回転に適さない。すなわち、ロー
タの回転軸の偏差がロータの巻線のコアに対する磁気吸
引力のアンバランスを生じさせ、これがロータの偏差を
さらに拡大するという悪循環を生じさせる。そこで、こ
れを抑えロータに偏位を生じさせないようにロータを非
常に堅固に剛性支持する必要が生じるが、これは技術的
に難しく、構造を複雑化させる要因となり、しかも大き
な動力損失を生じさせる。したがってコアを有する回転
電機は、対応可能な回転数の限界が低く、効率的な電力
貯蔵に適さない。
【0004】また、従来はフライホイールのみを回転電
機から分離して真空下に置くようにしているため、両者
を接続する軸部分のシールに問題があり、いまだに解決
されていない。
【0005】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、より効率的で、また、真空下に配置が容易
なフライホイール型電力貯蔵装置を提供することにあ
る。
【0006】
【問題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明のフライホイール型電力貯蔵装置は、円筒状部分
を有する固定子巻線を設けたステータと、その円筒状部
分を外側および内側から挟んで界磁ギャップを構成する
界磁部材を有するロータとを備えたコアレス型回転電
機、前記ステータとロータとの間に設けられ、前記ロー
タを前記ステータに対し回転自在に支持する軸受手段、
ならびにフライホイールを具備するフライホイール型電
力貯蔵装置であって、前記フライホイールは、前記外側
の界磁部材に対しその外側に固定されるとともに、繊維
強化プラスチックで構成され、その強化用繊維はフライ
ホイールの円周方向に配置され、かつ内側から外側へ向
けて弾性率/密度が高くなるものを用いて配置されてお
り、前記ステータは、前記軸受手段が設けられた軸受部
と、前記固定子巻線が設けられたステータ本体とに分離
されており、該軸受部は弾性部材を介して前記ステータ
本体に支持されていることを特徴とする。
【0007】ここで、より好ましい態様においては、
記外側および内側の界磁部材が、前記軸受手段の回転軸
に固定された内側ヨークと、該内側ヨークに固定された
外側ヨークとを備え、前記フライホイールは、該外側ヨ
ークの外側に固定されている。また、前記固定子巻線の
円筒状部分においては、各線その円筒軸に平行に配置
される。そのために、各線の巻線位置から次の巻線位置
への渡り線が前記固定子巻線の円筒状部分の両端部に構
成され、該両端部は前記界磁ギャップの寸法より大きく
なっている。前記強化用繊維は、例えば炭素繊維、ガラ
ス繊維およびアラミド繊維等である。前記軸受手段は、
油圧制御によりスラスト方向位置が所定の平衡位置に保
持されるように前記ロータのスラスト方向を軸受する
プール手段を有するのが好ましい。また、通常は、装置
全体が真空容器内に配置される。界磁部材は、固定子巻
線の円筒状部分の外側および内側の双方または一方がマ
グネットで構成される。
【0008】
【作用】この構成において、コアレス型回転電機に電力
が供給されると、それがコアレス型回転電機において力
学的エネルギーに変換され、フライホイールの回転エネ
ルギーとして蓄えられるが、固定子巻線はコアを有して
おらず、また、界磁部材における磁束密度の変化もない
ため、鉄損によるエネルギー損失がなく、効率的にエネ
ルギーの変換・蓄積が行なわれる。逆に、蓄積されたエ
ネルギーを電力として取り出す場合も、同様に高い効率
が達成される。これとは対照的に、コアを有する場合
は、鉄損が伴うため、高性能の場合でも3〜4%の損失
を生じる。
【0009】また、固定子巻線はコアを有していないた
め、界磁部材との間の磁気吸引力が働かない。したがっ
て、コアがある場合に生じる界磁部材との間の磁気吸引
力によるロータの偏位の拡大作用が回避され、ロータの
回転軸に偏差が生じても、バランスがくずれないため、
回転軸を堅固に剛性支持する必要がなく、従来の軸受技
術で十分な対応がなされることになる。さらに、剛性支
持の必要がないため、ステータに対して軸受手段を弾性
部材を介して支持することが可能となる。これは、構造
をシンプルにするとともに、共振周波数を回避し、対応
可能な回転数を格段に向上させ得るという点で、非常に
有利な作用をもたらすものである。
【0010】また、コアレス型回転電機は、従来にない
いわゆるアウタ・ロータ型のコアレス回転電機であり、
フライホイールを外側の界磁部材に対しその外側に固定
するようにしているため、フライホイールの中央部分に
回転電機が極めて容易に配置される。したがって、装置
が非常にコンパクトなものとなるとともに、装置全体が
容易に真空下に配置され、外部への接続は電力授受用の
ケーブル等の固定的なもののみで足り、従来のようなフ
ライホイールと回転電機を接続する高速回転軸のシーリ
ングの問題が回避される。
【0011】さらに、固定子巻線の円筒状部分において
各線を円筒軸に平行に配置する場合は、円筒軸に対して
斜めに配置されていた従来のものに比べ、電流が磁界に
対して直するため、回転電機の損失が数分の1に減少
する。
【0012】以下、実施例を通じて本発明をより具体的
に説明する。
【0013】
【実施例】図1は、本発明の一実施例に係るフライホイ
ール型電力貯蔵装置の断面図である。図に示すように、
この装置は、円筒状部分1を有する固定子巻線3を設け
たステータ5と、円筒状部分1を外側及び内側から挟ん
で回転界磁を構成する界磁部材を有するロータ7とを備
えたコアレス型回転電機、ステータ5とロータ7との間
に設けられ、ロータ7に設けられた回転軸9を回転自在
に支持する軸受手段、および外側の界磁部材に対しその
外側に固定されたフライホイール11を具備する。
【0014】ステータ5は前記軸受手段が設けられた軸
受部13と、固定子巻線1が設けられたステータ本体1
5とに分離されており、軸受部13は防振ゴム17を介
してステータ本体15に支持されている。固定子巻線3
の円筒状部分1においては、各線は、円筒軸に平行に配
置されている。
【0015】フライホイール11は、小型・軽量で、し
かもできるだけ回転エネルギーが大きいことが要求され
る。そして、そのエネルギーはフライホイールの重量、
形状および回転数に左右され、特に回転数についてはそ
の2乗に比例することから、ここでは可能な限り回転数
をあげてエネルギー効率を向上させることを意図してい
る。したがって、フライホイール11の材料は、軽くて
強いものが好ましく、ここでは、炭素繊維強化プラスチ
ックを用いている。この観点から、他のガラス繊維、ア
ラミド繊維等の強化プラスチックを用いることもでき
る。また、強化繊維の配置方向がフライホイールの円周
方向に一致するようにフィラメントワインディング法に
よりフライホイールを形成する場合、円周方向には極め
て強度が高いのに対し半径方向にはあまり強度が期待で
きないが、半径方向外側へ半径の3.3乗に比例して
(弾性率/密度)を増すような材料構成にすると、回転
中における半径方向の応力はゼロになる。このため、炭
素繊維はフライホイールの円周方向に配置し、かつ内側
から外側へ向けて弾性率が高くなるものを用いて配置し
ている。
【0016】軸受手段は、油圧制御によりスラスト方向
位置が所定の平衡位置に保持されるように回転軸9のス
ラスト方向を軸受するスプール19を有する。ラジアル
方向は、超高速ニードルケージ21により軸受される。
【0017】装置全体は、真空容器内に配置されてお
り、電力供給用の端子23に接続されたケーブル、冷却
水を通すための配管25、スプール19制御用の高圧オ
イルおよび低圧オイルを通すための管路27および29
は、真空容器外部に接続されている。固定子巻線1から
の端子23における接続部分の接続は、ハンダ付、熔
接、カシメ、ローヅケ、ねじ等により行なうことができ
る。
【0018】円筒状部分1を挟んで界磁ギャップを構成
する界磁部材は、回転軸9に固定された内側ヨーク3
1、これに固定され、円筒状部分1に内側から対向する
内側マグネット33、内側ヨーク31に固定した外側ヨ
ーク35、および、これに固定され、円筒状部分1に外
側から対向する外側マグネット37によって構成されて
いる。内側ヨーク31および外側ヨーク35は、導磁率
が高く、強度の大きい磁性材料で構成する。
【0019】固定子巻線3は、3相Y型巻線等を採用す
ることができるが、円筒状部分1においては、各線はそ
の円筒軸に平行に配置される。各線間は端部2および4
において接続される。
【0020】ロータ7の位置を検出するためのセンサ
は、ロータ7とステータ5との間、例えばロータの回転
軸9や内側ヨーク31と軸受部13との間の都合の良い
位置に設けることができる。
【0021】このような構成を有する本実施例のコアレ
ス型回転電機は、本発明者が先に特願平4−23884
1号をもって出願し、特開平6−70522号として公
開されたコアレス型回転電機とほぼ同様の構成を有する
ものである。すなわち、固定子巻線3は界磁部に位置す
る円筒状部分1において各線が回転軸に平行になるよう
に巻かれており、このため、次の巻線位置への渡り線は
端部2,4において構成されており、かつ端部2が界磁
ギャップの寸法より大きくなることを許容した構造とな
っている。そして、外側マグネット37が取り付けられ
た外側ヨーク35に対して固定子巻線3を配置してか
ら、内側マグネット33が取り付けられた内側ヨーク3
1を取り付けることにより組み立てられる。従来のコア
レス型電機においては、予め構成された界磁ギャップに
対し巻線を挿入して組み立てられるように、巻線は渡り
線を必要としないスキュー巻きを採用していたため、界
磁部の磁界に対し各巻線が斜めに交差する。これに対
し、本実施例で使用されるコアレス型回転電機は、端部
に渡り部分を設けて界磁部においては各巻線が回転軸に
平行となるように配置することにより、各巻線が磁界に
対して垂直に交差するようになっているため、従来より
も効率がかなり向上している。
【0022】図2は、スプール19部分の詳細を示す断
面図である。同図の配置を基準にすれば、回転軸9が図
示された平衡位置より下がると、ばね39に抗してスプ
ール19も下がり、高圧オイルが、回転軸9下端のピス
トン部41下部に供給され、ピストン部41に上方向の
力が働く。そのとき、ピストン41上部のオイルは管路
43および29を介してドレン・タンクへ戻り、これに
より、回転軸9は平衡位置まで押し上げられる。逆に、
回転軸9が平衡位置より上昇すると、管路27および4
3を介して高圧オイルがピストン部41の上部に供給さ
れ、かつピストン部41下部のオイルが管路45および
29を介してドレーンされるため、やはり回転軸9は平
衡位置まで押し下げられる。このようにして、回転軸9
は平衡位置に保持されるように構成されている。
【0023】なお、真空状態において軸受手段に使用す
る「ころ軸受」や「油圧による軸スラスト支持装置」に
使用するオイルとしては、低蒸気圧オイル(真空ポンプ
用オイル)を用いることが望ましく、例えば日石フェア
バック ゴールド(日本石油株式会社製)を用いること
が好ましい。
【0024】図3は、フライホイール11の構成を示す
説明図である。同図に示すように、内側から外側へ向け
て弾性率が高くなるように、内側の2層に市販の炭素繊
維XN40を用いた炭素繊維強化プラスチックを使用
し、その外側の層に炭素繊維XN50を用いた炭素繊維
強化プラスチック、さらにその外側の最外層に炭素繊維
XN70を用いた炭素繊維強化プラスチックを使用して
いる。
【0025】上記構成により、図3に示す寸法で実施し
たところ、35,600回転/分の最大回転数を得るこ
とができ、67Wh/kgの貯蔵エネルギー密度を実現
することができた。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、鉄
損によるエネルギー損失がなく、効率的にエネルギーの
変換・蓄積・取出しを行なうことができる。また、巻線
にコアがある場合に生じる界磁部材との間の磁気吸引力
によるロータの偏位の拡大作用を回避することができ
る。したがって、回転軸を堅固に剛性支持する必要がな
く従来の軸受技術で十分対応することができる。また、
回転軸の剛性支持の必要がないため、ステータ本体に対
して軸受手段を弾性部材を介して支持することができ
る。これにより、構造のシンプル化とともに、共振周波
数を回避して対応可能な回転数を格段に向上させること
ができる。また、フライホイールの中央部分に回転電機
を極めて容易に配置することができ、したがって、装置
を非常にコンパクトにすることができるとともに、装置
全体を容易に真空下に配置することができる。その際、
外部への接続は電力供授受用のケーブル等の固定的なも
ののみで足り、フライホイールと回転電機を接続する高
速回転軸のシーリングの問題を回避することができる。
さらに、固定子巻線の円筒状部分において各線を円筒軸
に平行に配置することにより、従来のものに比べ、回転
電機の効率を数倍向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るフライホイール型電
力貯蔵装置の断面図である。
【図2】 図1の装置のスプール部分の詳細を示す断面
図である。
【図3】 図1の装置のフライホイールの構成を示す説
明図である。
【符号の説明】
1:円筒状部分、3:固定子巻線、5:ステータ、7:
ロータ、9:回転軸、11:フライホイール、13:軸
受部、15:ステータ本体、17:防振ゴム、19:ス
プール、21:超高速ニードルケージ、23:端子、2
5:配管25、27,29管路、31:内側ヨーク、3
3:内側マグネット、35:外側ヨーク、37:外側マ
グネット、39:ばね、41:ピストン部、29,4
3,45:管路。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−114200(JP,A) 特開 昭60−102850(JP,A) 特開 昭62−103476(JP,A) 特開 昭62−103478(JP,A) 特開 昭62−103479(JP,A) 特開 昭62−103480(JP,A) 特開 平1−30451(JP,A) 特開 平1−69257(JP,A) 特開 平1−69258(JP,A) 特開 平1−69259(JP,A) 特開 平2−36740(JP,A) 特開 平2−66316(JP,A) 特開 平2−175729(JP,A) 特開 平2−217639(JP,A) 特開 平6−70522(JP,A) 特開 平6−221384(JP,A) 特表 平6−502064(JP,A) 特表 平6−506754(JP,A) 米国特許3022433(US,A) 米国特許4198878(US,A) 米国特許4731554(US,A) 米国特許5006765(US,A) 国際公開86/003268(WO,A1) 国際公開92/006530(WO,A1) 国際公開92/012566(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16F 15/30 - 15/315 H02J 15/00 H02K 7/02 H02K 21/12 - 21/24

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒状部分を有する固定子巻線を設けた
    ステータと、その円筒状部分を外側および内側から挟ん
    で界磁ギャップを構成する界磁部材を有するロータとを
    備えたコアレス型回転電機、 前記ステータとロータとの間に設けられ、前記ロータを
    前記ステータに対し回転自在に支持する軸受手段、なら
    びに フライホイール を具備するフライホイール型電力貯
    蔵装置であって、 前記フライホイールは、 前記外側の界磁部材に対しその
    外側に固定されるとともに、繊維強化プラスチックで構
    成され、その強化用繊維はフライホイールの円周方向に
    配置され、かつ内側から外側へ向けて弾性率/密度が高
    くなるものを用いて配置されており、 前記ステータは、前記軸受手段が設けられた軸受部と、
    前記固定子巻線が設けられたステータ本体とに分離され
    ており、該軸受部は弾性部材を介して前記ステータ本体
    に支持されている ことを特徴とするフライホイール型電
    力貯蔵装置。
  2. 【請求項2】 前記外側および内側の界磁部材は、前記
    軸受手段の回転軸に固定された内側ヨークと、該内側ヨ
    ークに固定された外側ヨークとを備え、前記フライホイ
    ールは、該外側ヨークの外側に固定されていることを特
    徴とする請求項1に記載のフライホイール型電力貯蔵装
    置。
  3. 【請求項3】 前記固定子巻線の円筒状部分において
    は、各線その円筒軸に平行に配置されるように、各線
    の巻線位置から次の巻線位置への渡り線が前記固定子巻
    線の円筒状部分の両端部に構成され、該両端部は前記界
    磁ギャップの寸法より大きくなっていることを特徴とす
    る請求項1または2に記載のフライホイール型電力貯蔵
    装置。
  4. 【請求項4】 前記強化用繊維が、炭素繊維、ガラス繊
    維およびアラミド繊維から選ばれる少なくとも1種であ
    ることを特徴とする請求項1〜3いずれか1つに記載
    のフライホイール型電力貯蔵装置。
  5. 【請求項5】 前記軸受手段は、油圧制御によりスラス
    ト方向位置が所定の平衡位置に保持されるように前記ロ
    ータのスラスト方向を軸受するスプール手段を有するこ
    とを特徴とする請求項1〜4いずれか1つに記載のフ
    ライホイール型電力貯蔵装置。
  6. 【請求項6】 真空容器内に配置されたことを特徴とす
    る請求項1〜5いずれか1つに記載のフライホイール
    型電力貯蔵装置。
  7. 【請求項7】 前記外側および内側の界磁部材の少なく
    とも一方が永久磁石を備えていることを特徴とする請求
    項1〜6のいずれか1つに記載のフライホイール型電力
    貯蔵装置。
JP04061594A 1994-02-16 1994-02-16 フライホイール型電力貯蔵装置 Expired - Fee Related JP3463888B2 (ja)

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JP04061594A JP3463888B2 (ja) 1994-02-16 1994-02-16 フライホイール型電力貯蔵装置
DE1995605432 DE69505432T2 (de) 1994-02-16 1995-02-16 Schwungrad-Energiespeichergerät
EP19950102190 EP0668651B1 (en) 1994-02-16 1995-02-16 Flywheel-type power storage device
US08/847,680 US5880544A (en) 1994-02-16 1997-04-28 Flywheel-type power storage device

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