JP3632212B2 - フライホイール - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の回転体からなるフライホイールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転板をフライホイールとすることで、フライホイールを高速回転させてその回転エネルギーを一時貯蔵するフライホイールエネルギー貯蔵システムなどに用いることができる。
【０００３】
フライホイールエネルギー貯蔵システムではフライホイールを高速回転させてその回転エネルギーを貯蔵しており、一般にはフライホイールの回転付勢は電動機を用いて行っている。かかるシステムでは、その貯蔵する回転エネルギーを大きくするためには、フライホイールは重量が大きくかつ高速回転するほどよい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフライホイールは，大重量の１つの回転板（フライホイール盤）から構成されていて常に全体として一体回転されるものとなっており，負荷の変動等に対してフライホイール自身はなんら緩衝作用を有しないものとなっている。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、緩衝作用をも得られるようにしたフライホイールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため，本発明にあっては次のような構成としてある。すなわち，特許請求の範囲における請求項１に記載のように，
中央にて回転駆動される回転体（１１、３１）の周囲にその回転軸を中心として複数の環状の回転体（１２〜１５、３２〜３４）が同心円状に離間して配列し，
これら各回転体の隣接回転体がある側の面に磁極群（４１〜４５、５１〜５５）をそれぞれ配設し、
前記磁極群は隣接回転体の対向する面に配設された磁極群と同極を成しており、
前記磁極群の各磁極は隣接回転体の対向面の磁極群の各磁極と回転方向において磁気反発力を及ぼすように互い違いになるように配設され、
前記各回転体にその回転体の逆転方向への回転を阻止する逆転阻止手段が設けられている、
ような構成としてある。
【０００７】
上記構成によれば，隣接する回転体同士が相対回転して磁気反発力を蓄えるとき，磁気反発力は相対回転の進行に応じて徐々に大きくなるので，緩衝作用を得ることができる。また，相対回転によって蓄えられた磁気反発力は，逆転阻止手段によって正転方向にのみ回転体を回転駆動する力として有効利用することができる。
【０００８】
上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、逆転阻止手段は各回転体に設けられており，逆転阻止手段の具体例については図１０を参照しつつ後述するものとして、各実施例においては逆転阻止手段については省略したものとしてある。
図１は本発明の一実施例としての回転装置を縦に切り欠いた斜視図、図２はその縦断面の詳細図、図３は実施例装置の環体間のベアリングの取付け態様を示す図である。図において、この回転装置の筺体２は中空の円盤からなり、その上面の中央位置にはモータ１が固定されている。このモータ１はその出力シャフト１ａが筺体２の中央位置において筺体２の内部に向かって貫通しており、筺体２と出力シャフト１ａ間にはベアリング３、４が取り付けられていて、出力シャフト１ａが回転自在なようになっている。出力シャフト１ａのほぼ中央位置にはスプライン歯１ｂが固定されている。
【００１０】
このスプライン歯１ｂは円板１１の中央位置に設けられたスプライン溝に嵌合しており、モータ１を回転させることで、円板１１をその出力シャフト１ａと一体に回転させることができるようになっている。この円板１１を中心として径方向に向かって、それぞれ半径が異なる４つの環体１２〜１５が同心円状に離間して配列される。これらの環体１２〜１５は断面が長方形の板状のリングである。円板１１と環体１２〜１５のそれぞれの間には球ベアリング２１〜２４がそれぞれ装着されており、それにより円板１１と環体１２〜１５はそれぞれ独立して回転してその位置を滑らかに相対移動できるようになっている。
【００１１】
円板１１と環体１２〜１５の外周側端部の上下面には断面Ｌ字形かつ板状の環体からなる上下動規制体３１〜３４がそれぞれ上下に固着されており、それによりできる断面コの字の凹部分が外側に隣接する環体１２〜１５の内周側端部にそれぞれ食い込むようになっている。これら上下動規制体３１〜３４、環体１２〜１５、筺体２の間には球ベアリングが装着される。例えば上下動規制体３１、環体１２、筺体２間には球ベアリング３１１〜３１４が装着される。この上下動規制体３１〜３４は円板１１と環体１２〜１５がその回転中に上下動することを防止する。
【００１２】
このように、本実施例では環体１２〜１５と上下動規制体３１〜３４の組立て体が、円板１１とともにそれぞれ同心円状の回転体を構成している。
【００１３】
円板１１と環体１２〜１５は、銅板、アルミ板、真鍮などの合金からなる半磁性体あるいは非磁性体で形成される。またこれら円板１１と環体１２〜１５は一定長ずつ半径が大きくなるもので構成してあって、それら相互間の間隙は同じ距離となるようにしてある。
【００１４】
円板１１の内周側面、環体１２〜１４の内周と外周側面、および環体１５の内周側面には、回転中心からみて６０°ごとの等間隔に、円弧をなす板状の永久磁石４１〜４５が面から突出しないようにして、それぞれの面に形成された凹部に埋設されている。これらの永久磁石４１〜４５は円板１１と環体１２〜１５を回転させてその位置を整列させると、装置上側からみたとき出力シャフト１ａを要とするほぼ扇形をなす。ここで各永久磁石４１〜４５は、内周側面に取り付けられているものには「ａ」、外周側面に取り付けられているものには「ｂ」の符号を参照番号の後ろに付けることで区別するものとする。
【００１５】
これらの永久磁石４１〜４５は、円板１１および環体１２〜１５の、隣接し対向する面に取り付けられている永久磁石が同極を成すようにしてある。すなわち、円板１１の外周側面の永久磁石４１ｂと環体１２の内周側面の永久磁石４２ａは全てＮ極、環体１２の外周側面の永久磁石４２ｂと環体１３の内周側面の永久磁石４３ａは全てＳ極、環体１３の外周側面の永久磁石４３ｂと環体１４の内周側面の永久磁石４４ａは全てＮ極、環体１４の外周側面の永久磁石４４ｂと環体１５の内周側面の永久磁石１５ａは全てＳ極となっている。
【００１６】
円板１１および環体１２〜１５における永久磁石相互の配置関係は、例えば環体１５の場合、永久磁石１５ａの円弧長Ｌよりも、隣接する永久磁石１５ａ間の距離Ｄのほうが長めになるようにしてある。
【００１７】
以下、この実施例装置の動作を説明する。
まず、円板１１と環体１２〜１５にそれぞれ取り付けられた永久磁石４１〜４５の基本的な作用を環体１４と１５間の永久磁石４４ｂと４５ａを例にして図５を参照して説明する。図５の（ａ）は環体１４が正転方向（図中を時計回り方向）に回転した場合を示しており、この場合、環体１４の永久磁石４４ｂは、正転方向前方にある環体１５の永久磁石４５ａにそれぞれ接近し、これらの永久磁石は互いにＳ極であるから磁気反発力が作用して、環体１５はその磁気反発力（斥力）により正転方向に押されるようにして回転する。また図５の（ｂ）は上述と反対に、環体１５が正転方向に回転した場合を示しており、この場合、環体１５の永久磁石４５ｂは正転方向前方にある環体１４の永久磁石４４ａにそれぞれ接近し、よって磁気反発力が作用して、環体１４はその磁気反発力により正転方向に押されるようにして回転する。
【００１８】
さて、装置の回転始動動作であるが、モータ１を正転方向に回転駆動すると、円板１１が正転方向に回転を始め、図５の（ａ）の原理により、最も内側の環体１２を正転方向に押すようにして回転させ、この環体１２は同様にして環体１３を、環体１３はさらに外側の環体１４を、環体１４はさらに外側の環体１５を、それぞれ正転方向に押すようにして回転させる。したがって、モータ１を始動すると、円板１１だけでなくそれと同心円状に配列された全ての環体１２〜１５が回転を始めることになる。
【００１９】
モータ１によりフライホイールを起動させる場合に，最中央の回転体がその下の回転体に対して正転方向に相対回転されようとして磁気反発力を受けるが，この磁気反発力は相対回転の進行に応じて徐々に大きくなるので，緩衝作用が得られて，モータ１が過負荷になってしまう事態を防止する上で好ましいものとなる。勿論，各回転体はその逆転が阻止されているので，上記緩衝によって蓄えられた磁気反発力は，各回転体を正転方向へと回転駆動する力として有効利用されることになる。なお、このモータ１の回転駆動力としては、後述する回転体間の磁気反発力の「山」を超えない程度の大きさのものにすることが望ましい。
【００２０】
ここで、円板１１と各環体１２〜１５のそれぞれの間における磁気反発力の強さは、一方の側面に取り付けられた永久磁石がそれと対向する側面に取り付けられた永久磁石の位置を乗り越えることがないような大きさにしてある。つまり、各永久磁石の位置には言わば反発場による磁気の「山」があり、一方の側面の永久磁石は対向する他方の側面の永久磁石のこの磁気の「山」を越えて前方または後方に移動することがないようになっている。したがって、円板１１と環体１２〜１５の回転は、円周方向に隣接する永久磁石間の離間距離の範囲内での相対的位置変化がそれら相互の間であるが、全体としては円板１１と環体１２〜１５が回転に関してそれぞれ同期がとれて、ほぼ同じ回転速度で一体的に回転するものとなる。
【００２１】
このようにしてモータ１により円板１１が回転付勢され、その回転付勢力が順次に環体１２〜１５を外側方向に伝えられて、円板１１と環体１２〜１５は回転を始めてその回転速度を次第に上げていくものである。
【００２２】
ここで、回転初期における円板１１と環体１２〜１５の位置関係を考えると、環体１２はその外側に環体１３を負荷として引きずっており、同様に環体１３はその外側に環体１４を、環体１４はその外側に環体１５を負荷として引きずっているので、この中間層にある環体１２〜１４は、回転初期においては外側の環体が内側の環体よりも位置的に前（正転方向前方）に進むことはないと言える。ところが、環体１５はその外側に負荷となる環体を持たないので、環体１４からの回転付勢により回転エネルギーを得てくると、その回転エネルギーにより環体１４よりも前に進む。つまり図５の（ｂ）の状態となる。
【００２３】
この図５の（ｂ）の状態では、環体１４は、外側の環体１５から正転方向の回転付勢力を受けることが可能になる。
【００２４】
一方，円板１１と環体１２〜１５の回転速度が高くなってくると、円板１１と環体１２〜１５はそれぞれ大きい回転エネルギーを得ていくが、外側の環体ほど径が大きく重量もあるので、その慣性モーメントが大きく、したがって、はずみ車効果(flywheel effect) によって外側の環体ほどその速度が変わらないようになる。この結果、内側の環体からの回転付勢力が環体１５に達して、環体１５が環体１４よりも前に進んだとき、つまり図５の（ｂ）のとき、環体１５は環体１４を前に引っ張った反作用とし逆転方向に引き戻されるはずであるが、上述のはずみ車効果は環体１４よりも環体１５の方がより大きいので、環体１５は実質的には減速されにくいものである。
【００２５】
このような現象は環体１４と１３の間、環体１３と１２の間、環体１２と円板１１の間にも同様な成り立ち、したがって、円板１１から順次に外側の環体へと伝達していく回転付勢力は、環体１５まで達すると、そこで折り返して今度は外側の環体から内側の環体へと磁気反発力を利用した回転付勢力を与えることが可能になる。
【００２６】
本発明の実施にあたっては種々の変形形態が可能である。例えば、各環体間に取り付ける永久磁石の配置態様は上述の実施例のものに限られるものではなく、円板と環体の内外周側面に設ける磁石の数、大きさ、磁石配置の角度幅、磁石間の距離、円板と環体の径、相互の離間距離などは、各要素相互間の関係を配慮して適宜選定することができる。また磁石配置位置は上記の内外周側面に限られるものではなく、円板と環体の上下方向の面に配置することも可能である。
【００２７】
図６はかかる永久磁石の配置態様を変えた本発明の他の実施例を示すものである。ここで、モータ１、円板１１、環体１２〜１５などの構成は前述の実施例とほぼ同じであるが、永久磁石を円板１１と環体１２〜１５の側面に取り付けるのではなく、上下に対向する面に取り付けるようにしている。
【００２８】
すなわち、前述の実施例における上下動規制体３１〜３４のフランジ部分を径方向外向きに更に延長して、その断面コの字形の凹部分に前方の環体１２〜１５がそれぞれすっぽり収まるようにし、この上下の上下動規制体３１〜３４の内面と環体１２〜１５の上下の面とに永久磁石５１〜５５を取り付けるのである。ここで、永久磁石５１〜５５は上下動規制体３１〜３４側に取り付けられる永久磁石にはその参照番号に符号「ｂ」を、環体１２〜１５側に取り付けられる永久磁石には符号「ａ」を付して区別するものとする。
【００２９】
図７にはこの永久磁石５１〜５５の配置態様を環体１５に取り付けた永久磁石５５ａを例にして説明する。図示するように、環体１５の上下の面に、その径方向に沿って４つの小円板形の永久磁石（図中の〇印）を並べ、かかる４つの永久磁石のグループを円周方向に沿って回転中心からみて等角度間隔に配置していく。環体１５の上下面に対向する上下動規制体３４の上下の内面にも同じ配置態様で永久磁石５４ｂが取り付けられる。
【００３０】
これら永久磁石５５ａ、５４ｂの極性は、環体１５と上下動規制体３４の互いに向かい合っている面に配置された永久磁石同士が同極で対向するようにしてある。つまり、この例では、上側の上下動規制体３４の内面の永久磁石５４ｂと環体１５の上面の永久磁石５５ａは全てＮ極で向かい合うように、また下側の上下動規制体３４の内面の永久磁石５４ｂと環体１５の下面の永久磁石５５ａは全てＳ極が向かい合うようにしてある。
【００３１】
ここで、環体１５が静止していて環体１５の永久磁石５５ａと上下動規制体３４の永久磁石５４ｂの間に働く反発力が均衡している状態では、図８に示すように、環体１５の永久磁石５５ａ（図中の白丸）と上下動規制体３４の永久磁石５４ｂ（図中の斜線入りの丸）とは、円周方向に沿って互い違いに位置するようになる。
【００３２】
また、各環体とも径方向に沿って配置する永久磁石の数は４つとするが、環体の直径が小さくなるに従ってそれらのグループを配置する角度間隔を大きくして、それら４つの永久磁石のグループ同士の間の周方向の離間距離がどの環体でもほぼ同じになるようにする。したがって、外側の環体にいくほど永久磁石の数は増加することになる。
【００３３】
この図６の実施例装置の動作は、前述の実施例装置では円弧形の板状の永久磁石を用いているのに対して本実施例装置では小円板形の永久磁石を多数組み合わせて用いているという点を除けば、基本的には前述の実施例装置のものと同じであるので、詳細な説明は省略することにする。
【００３４】
なお、この図６の実施例装置では、永久磁石として小円板形のものを用いたが、これはこのような永久磁石が製造しやすいためであり、したがって勿論この小円板形のものに限られるものではない。例えば図９に示されるように、径方向に長いほぼ長方形の永久磁石を用いるものであってもよい。また小円板形のものに換えて径が大きい円板形の永久磁石を用いて、これを上記４つの小円板形永久磁石のグループに換えて一つ用い、それを円周方向に等角度間隔で配置するようにしたものであってもよい。
【００３５】
図１０には、逆転阻止手段の具体例が示される。この図１０は回転装置の中央で回転する円板１１’部分の側断面図である。図示するように、筺体２に心棒７１を固定し、円板１１’の中央部分に中空の凸部を設け、この心棒７１を中心として円板１１’が回転するように、心棒７１と凸部の内面との間にベアリング機構７４、７５を装着し、また円板１１’と筺体２の間にもベアリング機構７２と７３を装着する。円板１１’の凸部にはモータ１の出力シャフト１ａを固定取付けしてモータ１によって円板１１’を直接回転できるようにする。ここで、ベアリング機構７２〜７５は少なくとも一つはラチェットベアリング機構で構成されていて、このラチェットベアリング機構により円板１１’は正転方向へのみ回転可能であり、逆転方向への回転は阻止されるようになっている。
【００３６】
また更にはラチェットベアリング機構を円板１１’と全ての環体１２〜１５に組み込めば、始動時における回転付勢力の伝達は極めて効率よく行われる。ただし、ラチェットベアリング機構は回転装置の高速回転時には回転速度を減じさせる負荷となることも予想されるので、それを考慮して取付け箇所などを決定する必要がある。
【００３７】
モータはステッピングモータあるいはサーボモータなどの間欠駆動ができるタイプのものを用いることができる。また，間欠駆動形のモータに換えて、通常のモータの回転出力を電磁クラッチあるいは他の機械的機構によって回転板に間欠的に伝達する機構を用いることもできる。
【００３８】
また上述の逆転を阻止する手段としてはラチェットベアリング機構に限られるものではなく、円板と環体の逆転を阻止できるもの、つまりウンウェイ・クラッチとしての機能を果たせるものでなれば他の種々の逆転阻止手段が利用できる。
【００３９】
また円板と各環体への永久磁石の取付け態様は上述の各実施例のものに限られるものではない。要は、円板と各環体の隣接層間に発生する前述の磁気反発力の「山」と「谷」が隣接層の間のいずれかの箇所で噛み合った状態になるように配置すればよいものである。
【００４０】
また上述の実施例では円板と各環体間で磁気反発力を発生する手段として永久磁石を用いたが、本発明はこれに限られない。すなわち、電磁石を用いるものであってもよいし、超伝導電磁石を用いれば極めて大きな反発力を得ることができる。永久磁石と電磁石を組み合わせるものであってもよい。装置を小型にしたい場合には永久磁石の使用が有効である。
【００４１】
中央の円板と各環体の材質も実施例のものに限られるものではなく、例えば合成樹脂あるいは木材などの磁性を持たないものであってもよい。その形状も各環体が同心円状に回転できるものであれば、どのような形をしていてもよい。
【００４２】
また上述の実施例では上下動規制体により円板と各環体の上下方向への振動を無くすようにしたが、これは主に回転装置の始動時のための用意であり、本発明にとって本質的なことではなく、回転装置が高速回転状態に達したときには、各環体はその遠心力により水平に一列に整列されることになるので、上下動規制体は不要となる。
【００４３】
また例えば前述の第１番目の実施例では、円板と各環体の層間に現れる永久磁石の同極をＳ、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓと交互になるようにしたが、これを例えば全てＮ極、あるいは全てＳ極にするものであってもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、回転体同士の相対回転の進行に応じて徐々に大きくされる磁気反発力を利用した緩衝作用を得ることができ，また蓄えられた磁気反発力を回転体を正転方向に回転駆動させるための駆動力として有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての回転装置を縦に切り欠いた斜視図である。
【図２】実施例装置における縦断面の詳細図である。
【図３】実施例装置における環体間のベアリングの取付け態様を示す図である。
【図４】実施例装置における永久磁石の配置態様を説明する図である。
【図５】実施例装置の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の他の実施例としての回転装置を示す図である。
【図７】他の実施例装置における永久磁石の配置態様を示す図である。
【図８】他の実施例装置における永久磁石の配置態様を示す図である。
【図９】他の実施例装置における永久磁石の他の配置態様を示す図である。
【図１０】逆転阻止手段の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ モータ
１ａ モータの出力シャフト
１ｂ スプライン歯
３、４、２１〜２４、７２〜７４、３１１〜３１４ ベアリング
１１ 円板
１２〜１５ 環体
３１〜３４ 上下動規制体
４１〜４５、５１〜５５ 永久磁石
７２〜７５ ラチェットベアリング機構（逆転阻止手段）

Claims (8)

1. 中央にて回転駆動される回転体（１１、３１）の周囲にその回転軸を中心として複数の環状の回転体（１２〜１５、３２〜３４）が同心円状に離間して配列し，
   これら各回転体の隣接回転体がある側の面に磁極群（４１〜４５、５１〜５５）をそれぞれ配設し、
   前記磁極群は隣接回転体の対向する面に配設された磁極群と同極を成し、
   前記磁極群の各磁極は隣接回転体の対向面の磁極群の各磁極と回転方向において磁気反発力を及ぼすように互い違いになるように配設され、
   前記各回転体にその回転体の逆転方向への回転を阻止する逆転阻止手段が設けられている、
   ことを特徴とするフライホイール。
2. 請求項１において，
   上記磁極群は、回転体の径方向と直交する側面に配設されている、ことを特徴とするフライホイール。
3. 請求項１において、
   上記磁極群は、回転体にその隣接回転体との間で上下に離間して重なり合って対向する面を有する重なり部が形成されて、この重なり部の面に配設されている、ことを特徴とするフライホイール。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において，
   前記磁極群における複数の磁極が，回転軸を中心とする円周に沿って略等角度間隔に配設されている，ことを特徴とするフライホイール。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において，
   前記磁極群における複数の磁極の数が，外側の回転体にいくほど増加されて，各回転体における複数の磁極の周方向間隔が各回転体の間でもってほぼ同じとなるようにされている，ことを特徴とするフライホイール。
6. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において，
   前記磁極群の各磁極は，回転軸を中心とするほぼ円弧形状とされている，ことを特徴とするフライホイール。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において，
   中央の回転体に正転方向の回転駆動力を間欠的に与えるための間欠駆動手段をさらに備えている，ことを特徴とするフライホイール。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において，
   前記磁極群の磁極は，永久磁石，電磁石，または永久磁石と電磁石との組み合わせで構成されている，ことを特徴とするフライホイール。

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