JP3977041B2 - フライホイール蓄電装置 - Google Patents
フライホイール蓄電装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3977041B2 JP3977041B2 JP2001275609A JP2001275609A JP3977041B2 JP 3977041 B2 JP3977041 B2 JP 3977041B2 JP 2001275609 A JP2001275609 A JP 2001275609A JP 2001275609 A JP2001275609 A JP 2001275609A JP 3977041 B2 JP3977041 B2 JP 3977041B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oil
- storage device
- power storage
- flywheel power
- rotating body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
Landscapes
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライホイール（以下、回転体という）を高速で回転させることにより電力を回転エネルギーの形で蓄え、必要に応じて回転エネルギーを電力に変換するフライホイール蓄電装置に関し、特に、走行と停止の繰り返し頻度の高い移動体（例えば、バス、乗用車、路面電車、鉄道等）に好適なフライホイール蓄電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のフライホイール蓄電装置の一例として、真空容器の内部に炭素繊維からなる回転体を磁気浮上式軸受によって回転自在に支持するように構成したもの、常圧容器の内部に鉄鋼材料からなる回転体をピボット軸受によって回転自在に支持するように構成したもの（特開平７−３２２５３３号公報）等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記前者は、容器内を真空にしているために、回転体の高速回転時における風損を十分に低減させることができ、高いエネルギー密度を確保できるものである。
【０００４】
しかしながら、容器内を真空にすると、以下のような問題が発生する。
▲１▼容器内において空気による熱の移動がなくなるため、電動機や軸受など内部発生する熱を放熱させることが困難になる。
▲２▼軸受の潤滑油が蒸発してしまうため、油を使った軸受を構成することができない。このため、軸受に磁気浮上方式のものを使わざるを得ないが、磁気浮上方式の軸受には以下のような問題がある。
ａ．装置が複雑で高価である。
ｂ．非接触で使用するために寿命は長いが不安定になりやすく、一度不安定になると再復帰できないため、支持が破綻する。
したがって、ゴーストップ頻度の高い移動体には搭載することはできない。
ｃ．超伝導方式による磁気軸受は軸受そのものが高価であり、冷却のための手段が別途必要になることから、装置が大規模となり、サイズ的にもゴーストップ頻度の高い移動体には搭載することができない。
ｄ．磁気軸受を維持するために別途電力が必要になるため、その分の損失が余計に発生する。
▲３▼高速回転するには鉄鋼材料では強度的にもたないため、炭素繊維などの高強度材料を回転体に用いているが、素材が高価であり、異種材料の嵌め合い、組み立てが難しいため、回転体が高価になる。
▲４▼空気がなくなることで絶縁特性が悪化し、十分な絶縁が得られないために電動機を機能させることが難しい。
以上のことから、実用化には程遠いものである。
【０００５】
前記後者は、安価に製作することができるが、以下のような問題がある。
▲１▼常圧空気の中で回転体を回転させるために、風損が極めて大きい。このため、損失の大きい装置になってしまう。
▲２▼ピボット軸受だけで回転体を支持しているため、ゴーストップ頻度の高い移動体のように、傾斜や振動が常に発生する環境では支持が不安定となり、使用することが困難になる。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みなされたものであって、長寿命で、安全で、低損失で、安価で、揺動荷重に対して破綻することがなく、コンパクトで、ゴーストップ頻度の高い移動体に容易に搭載することできる、フライホイール蓄電装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これまで、減圧環境で動作する油潤滑式軸受を用いた縦型フライホイール蓄電装置は真剣に検討されたことがなかった。それは、
１．上側に配置される軸受の潤滑オイルの処理（シール）が問題になること。
２．減圧すると潤滑油が蒸発しやすくなること。
が原因であった。
本発明では、問題１については、小径の振り切りリングと、オイル傘によって回転体との接触を回避し、問題２については、気圧を真空でなく０．０５気圧ないし０．３３気圧、望ましくは０．２気圧前後とすることで、風損を抑えつつ、オイルの蒸発を防ぎ、ポンプや電動機などの電気機器を正常に動作できるようにした。さらに、オイルタンクを内臓することで、ジンバル支持したときにそれがダンパーの役割をするという、新しい効果を得ることができる。
【０００８】
上記の課題を解決するために、上記背景に基づいて本発明は以下の手段を採用している。すなわち、請求項１に係る発明は、内部が減圧室とオイル室の２室に区画されるケーシングと、前記減圧室内に回転自在に設けられる回転体と、該回転体を回転自在に支持する油潤滑式の軸受ユニットと、前記オイル室内に設けられるとともに、前記オイル室内のオイルを前記軸受ユニットに供給するオイルポンプと、前記減圧室内に設けられるとともに、前記減圧室内に設けられるステーターと前記回転体と兼用のローターとからなる発電機とを備え、前記ステーターは、前記減圧室内に固定される金属製の支持軸と、該支持軸の周囲に設けられる鉄心と巻線とからなり、前記ローターは、前記回転体と、前記回転体に設けられる永久磁石とからなり、前記減圧室及びオイル室内がほぼ０．０５気圧から０．３３気圧に減圧されており、前記減圧室の上端部にオイル傘を設けて、該オイル傘と前記ケーシングとの間で前記軸受ユニットからのオイルを導く上部排出路を形成し、前記回転体に振り切りリングを設けて、該振り切りリングの外周端部を前記上部排出路の入口部内に位置させたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、減圧室及びオイル室内は所定気圧に減圧保持されることになる。また、油潤滑式の軸受ユニットは、オイルポンプから供給されるオイルによって潤滑されることになる。さらに、回転体は、荷重軽減装置によって自重の所定パーセントが支持されることになる。また、風損が大幅に低減され、オイルの蒸発がほとんどなく、電動機の絶縁も十分に確保されることになる。
【０００９】
また、この発明によれば、軸受ユニットから排出されるオイルは、振り切りリングによって振り切られて上部排出路内に導かれ、回転体との接触が防止されることになる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル傘に前記回転体を覆うオイルカバーを設け、該オイルカバーと前記ケーシングとの間で、前記上部排出路と前記オイル室とを連通する側部排出路を形成したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、軸受ユニットから上部排出路内に導かれたオイルは、上部排出路から側部排出路内に導かれ、回転体との接触が防止されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ケーシングの外周部に放熱フィンを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、ケーシングの放熱面積が増加し、ケーシング内部の熱がより効果的に外部に放熱されることになる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室の底面に対応する前記ケーシングの部分に放熱フィンを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、オイル室の熱がより効果的に外部に放熱されることになる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの支持軸に、スパイラル状、又は上下折り返し状のオイル通路を設け、このオイル通路内にオイルを循環させるように構成したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、ステーターの支持軸の熱がオイル通路内を流れるオイルによって奪われ、ステーターの支持軸の熱がより効果的に放熱されることになる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの巻線に対向する前記回転体の部分に逃げを形成し、又は導電性の良い金属を貼り付けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、巻線から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失が発生することがなくなる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室に、前記軸受ユニットからのオイルをオイル室内に導くドレイン口と、前記オイルポンプの吸込口とを遠ざける仕切りを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、軸受ユニットから排出される熱いオイルが直ぐに吸込口に導入されるのが防止され、十分に冷えたオイルが吸込口に導かれることになる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ジンバル機構で装置全体を支持したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けなくなり、軸受ユニットにかかる負荷荷重を軽減できる。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室にオリフィスを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、装置の傾斜によりオイルが移動するときに抵抗が生じ、オイルタンクのオイルがダンパーとして機能することになる。
【００１８】
請求項１０に係る発明、請求項１〜９の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ヘリウムガスボンベと圧力調整機構を備え、前記ケーシング内部をヘリウムガスに置き換えたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、所定気圧に減圧した場合と同様の性能が得られることになる。また、絶縁や放熱に関する特性がさらに改善されることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１には、本発明によるフライホイール蓄電装置の第１の実施の形態が示されていて、このフライホイール蓄電装置１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられる回転体１８とを備えている。
【００２０】
ケーシング２は、筒状の上側壁３と、上側壁３の上端開口部を閉塞する円板状の上鏡板４と、上側壁３の下端開口部を閉塞するアルミ製の円板状の下鏡板６と、下鏡板６で上端開口部が閉塞される筒状の下側壁９と、下側壁９の下端開口部を閉塞する円板状の底板１０とから構成されている。
【００２１】
上鏡板４と上側壁３と下鏡板６とによって囲まれる部分には密閉された減圧室１１が形成され、この減圧室１１内に回転体１８が回転自在に設けられるようになっている。下側壁９と下鏡板６と底板１０とによって囲まれる部分には密閉されたオイル室１２が形成され、このオイル室１２内に油潤滑式軸受である上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を潤滑するためのオイル１３が充填されるようになっている。
【００２２】
減圧室１１とオイル室１２との間は下鏡板６に設けられている連通孔７を介して相互に連通し、この連通孔７を介して上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。減圧室１１及びオイル室１２は減圧ポンプ等から構成される減圧装置（図示せず）に接続され、この減圧装置の作動により０．２気圧前後に減圧保持されるようになっている。オイル室１２内にはオイルポンプ１４が設けられ、このオイルポンプ１４によりオイル室１２内のオイル１３が上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０に供給されるようになっている。
【００２３】
回転体１８は、一般の鉄鋼材料で形成されるものであって、本体部１９と、本体部１９の中心部に一体に設けられる回転軸２２とから構成されている。回転体１８は、回転軸２２の上端部を上鏡板４の中央部に設けられる上軸受ユニット２５によって軸支され、回転軸２２の下端部を下鏡板６の中央部に設けられる後述する下軸受ユニット３０によって軸支されることで、減圧室１１内において回転自在となるものである。
【００２４】
本体部１９は、上端が閉塞された筒状をなすものであって、その軸線上に回転軸２２が一体に設けられるようになっている。本体部１９の側板の内周面は大径部２０と小径部２１の２段に形成され、小径部２１に電動機３５のローター４２を構成する筒状の永久磁石４３が取り付けられるようになっている。
【００２５】
回転軸２２は、本体部１９の上板の上面中央部に一体に設けられる上軸２３と、上板の下面中央部に一体に設けられるとともに、先端部が側板の下端よりも下方に突出する下軸２４とから構成されるようになっている。回転軸２２の上軸２３の上端部は後述する上軸受ユニット２５によって回転自在に軸支され、下軸２４の下端部は後述する下軸受ユニット３０によって回転自在に軸支されるようになっている。
【００２６】
上軸受ユニット２５は、上鏡板４の中央部に取り付けられるものであって、上鏡板４の中央部の軸受取付け用孔５内に嵌合されるベース２６と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の入口部に装着されるころ軸受２８と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の奥部に装着される動圧式スラスト軸受である緊急タッチアップ用軸受２９とから構成され、ころ軸受２８の内周側で回転軸２２の上軸２３を回転自在に軸支するようになっている。緊急タッチアップ軸受２９と回転軸２２の上軸２３の上端との間には所定の間隙が形成され、この間隙によって緊急タッチアップ軸受２９は通常は不作動の状態にあり、緊急タッチアップ軸受２９による損失が発生するのを防止している。
【００２７】
下軸受ユニット３０は、下鏡板６の中央部に取り付けられるものであって、下鏡板６の中央部の軸受取付け用孔８内に嵌合されるベース３１と、ベース３１の軸挿入用孔３３内の入口部に装着されるアンギュラ玉軸受３４とから構成され、アンギュラ玉軸受３４の内周側で回転軸２２の下軸２４を回転自在に軸支するようになっている。
【００２８】
この実施の形態においては、上軸受ユニット２５にころ軸受２８を用い、下軸受ユニット３０にアンギュラ玉軸受３４を用いているが、それ以外の玉軸受、針状軸受等の機械式軸受、動圧式ラジアル軸受、動圧式スラスト軸受、動圧式ピボット軸受等を用いても良いし、それらを組み合わせたものを用いてスラスト荷重及びラジアル荷重を支持するようにしても良い。なお、上軸受ユニット２５では必ずしもスラスト荷重を支持する必要はないものである。
【００２９】
下鏡板６の上面中央部にはアルミ製の筒状の支持軸３７が一体に立設され、この支持軸３７の中心部を回転体１８の回転軸２２の下軸２４が回転自在に挿通するようになっている。支持軸３７の周囲には鉄心３８が取り付けられるとともに、鉄心３８には巻線３９が取り付けられるようになっている。巻線３９の上側コイル出部分４０とこれに対向する回転体１８との間には、回転体１８の本体部１９の側板の大径部２０により所定の距離の逃げ４１が形成されるようになっている。
【００３０】
支持軸３７と鉄心３８と巻線３９とによってステーター３６が構成され、前述した永久磁石４３と回転体１８とによってローター４２が構成され、ステーター３６とローター４２とによって電動機３５が構成されるものである。
【００３１】
減圧室１１の上端部には上鏡板４の下面と所定の間隔をおいて対向するように円板状のオイル傘４４が設けられ、このオイル傘４４の上面と上鏡板４の下面との間で上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３の上部排出路４５が形成されるようになっている。
【００３２】
上部排出路４５に対応する回転体１８の回転軸２２の上軸２３の部分にはリング状の振切りリング４６が一体に取り付けられ、この振切りリング４６の外周端部は上部排出路４５の入口部内に位置するようになっている。したがって、振切りリング４６が回転体１８と一体に回転したときに、振切りリング４６の遠心力によって上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３が振り切られ、上部排出路４５内に導かれるものである。上部排出路４５内に導かれたオイル１３は、オイル傘４４の外周端面が上側壁３の内周面に近接していることにより、外周端面と上側壁３の内周面との間の微小隙間から上側壁３の内周面を伝わって落下し、下鏡板６の連通孔７に導かれ、連通孔７からオイル室１２内に戻されるものである。なお、下軸受ユニット３０から排出されるオイル１３は、下軸受ユニット３０のベース３１に設けられている排出孔３２を介してオイル室１２内に戻されるものである。
【００３３】
回転体１８の上面外周縁部に対向するオイル傘４４の下面側の部分には永久磁石式の荷重軽減装置４７が設けられるようになっている。荷重軽減装置４７は、荷重軽減装置４７及びオイル傘４４を貫通するボルトによってオイル傘４４と一体に上鏡板４側に固定されるようになっている。荷重軽減装置４７により回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されるようになっている。
【００３４】
回転体１８の回転軸２２の上軸２３の上方には回転検出装置４８が設けられ、この回転検出装置４８により回転体２２の回転角度が検出されるようになっている。
【００３５】
オイルポンプ１４の吐出口１５と上軸受ユニット２５との間及び下軸受ユニット３０との間は給油管１７を介して相互に連結され、この給油管１７を介して上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０にオイルが供給されるようになっている。
【００３６】
そして、外部電源からステーター３６の巻線３９に電圧が印加されると、ローター４２である回転体１８が高速で回転し、電気エネルギーが回転エネルギーに変換されて蓄えられる。そして、必要に応じて、回転体１８の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、外部の負荷に供給されるものである。
【００３７】
上記のように構成したこの実施の形態によるフライホイール蓄電装置１にあっては、上軸受ユニット２５と下軸受ユニット３０とによって回転体１８の上下端部を支持しているので、揺動振動に対して支持が破綻するようなことはなく、ゴーストップ頻度の高い移動体（バス、乗用車、路面電車、鉄道等）で有効に利用することができることになる。
【００３８】
また、回転体１８の支持に油潤滑式の上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を用いているので、回転体１８の材料を高価で組立てが困難な炭素繊維の複合材とする必要はなく、両軸受ユニット２５、３０の軸受回転数の上限に合わせて一般の鉄鋼材料で構成できるので、非常に安価に構成することができることになる。
【００３９】
さらに、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３は、小径の振り切りリング４６によって低い周波数で振り切られて上部排出路４５内に導かれ、上部排出路４５から上側壁３の内周面を伝わってオイル室１２内に戻されることになるので、振り切り損失が生じることなく、回転体１８に接触するようなことはない。したがって、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３が回転体１８と接触し、周速の高い回転体１８の外縁部で振り切られることにより非常に大きなエネルギー損失し、また、回転体１８の高い周速のために振り切られたオイルがミスト又は気化してしまい、風損を上昇させたり、減圧によって外に吸い出されてしまうという問題は全くなくなり、オイル振り切り時に生じるエネルギー損失を大幅に低減させることができることになる。
【００４０】
さらに、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３は、径の小さな振り切りリング４６によって振り切られることになるので、振り切り時のミスト粒径が大きくなり、オイルが気化しにくくなるため、気化したオイルによって風損が増加することがない。
【００４１】
さらに、荷重軽減装置４７によって回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されることになるので、下軸受ユニット３０の損失が大幅に低減され、オイル１２の寿命も大幅に延びることになる。
【００４２】
さらに、ケーシング２の内部が０．２気圧前後に減圧されているために、風損は大幅に低減されるとともに、オイル１３の蒸発がほとんど生じることがなく、電動機３５の絶縁も十分に確保される。
【００４３】
さらに、電動機３５の上側コイル出部分４０に対向する回転体１８の部分に大径部２０を設け、この大径部２０により所定の距離の逃げ４１を形成しているので、巻線３９から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失を発生することがなくなる。なお、逃げ４１の代わりに、図２に示すように、銅、アルミ板等の電気抵抗の小さい金属板４９を上側コイル出部分４０に対向する回転体１８の部分に貼り付けても同様の効果が得られるものである。
【００４４】
さらに、支持軸３７と下鏡板６は熱伝導性の良い素材からなるため、電動機３５の鉄心３８が発生する熱が良好に伝導されることになり、ケーシング２の表面から十分に放熱されることになる。
【００４５】
さらに、オイル１３が劣化する時間は、量が多いほど長くなるものであるが、この実施の形態においては、オイル室１２に十分な容積のオイル１３を確保できるので、メンテナンス期間が大幅に延長され、メンテナンスフリーの状態で長期間（最低８年間）運転を継続することができることになる。
【００４６】
さらに、オイルポンプ１４等の部品の全てが減圧したケーシング２内に設けられるので、装置全体がコンパクトとなり、減圧しているにも関わらず、オイル１３の循環に際して気圧の差異を考慮するがないものである。
【００４７】
なお、図３に示すように、オイル傘４４の外周端部の下面側に筒状のオイルカバー５０を一体に設け、このオイルカバー５０と上側壁３内周面との間で上部排出路４５とオイル室１２との間を連通する側部排出路５１を形成することにより、上部排出路４５からのオイル１３を完全に覆うことができるので、側部排出路５１内を落下するオイル１３が回転体１８の回転によって生じる空気の流れによって飛散することがなくなるので、ミストになった若干のオイルも上側壁３との衝突により液化し、より完全にオイルをオイル室１２に回収することができるものである。さらに、図４に示すように、オイル室１２の内部に、下軸受ユニット３０から排出されるオイルのドレイン口３２とオイルポンプ１４の吸込口１６との間を仕切る仕切り板５２を設けることにより、下軸受ユニット３０からオイル室１２内に戻される熱いオイルが直ちに吸込口１６に導かれることがなくなるので、十分に冷えたオイルを上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０に供給することができるものである。
【００４８】
図５には、この発明によるフライホイール蓄電装置の第２の実施の形態が示されていて、このフライホイール蓄電装置１は、ケーシング２の上側壁３の周面、下側壁９の周面、及び底板１０の下面に放熱フィン５３、５４、５５を設け、支持軸３７の表面側の内部にオイルの通路５６（スパイラル状（図６）、上下折り返し状（図７））を設けたものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様である。
【００４９】
この場合、オイルの通路５６は、図示しないオイルポンプに接続されるようになっている。なお、オイル通路５６は、上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０用のオイルポンプ１４に接続しても良い。
【００５０】
そして、この実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様の効果を示す他、ケーシング２の上側壁３の放熱フィン５３により伝熱面積が拡大されるので、装置内部の熱がより効率的に外部に放熱されることになる。また、支持軸３７の表面側の内部に設けたオイルの通路５６内をオイルが循環することになるので、電動機３５の鉄心３８の熱がこのオイルによって奪われることになり、鉄心３８の温度を下げることができることになる。さらに、オイル室１２の下側壁９の周面及び底板１０の下面側にも放熱フィン５４、５５が設けられているので、オイル室１２内のオイルの熱も効率的に放熱されることになる。
【００５１】
さらに、この実施の形態においても、図４に示すように、オイル室１２の内部に、下軸受ユニット２５及び支持軸３０から排出されるオイルのドレイン口６ａとオイルポンプ１４の吸込口１６との間を仕切る仕切り板５２を設けることにより、下軸受ユニット２５及び支持軸３７からオイル室１２内に戻される熱いオイルが直ちに吸込口１６に導かれることがなくなるので、十分に冷えたオイルを上軸受ユニット２５、下軸受ユニット３０及び支持軸３７に供給することができるものである。
【００５２】
なお、前記各実施の形態において、装置全体を公知のジンバル支持機構によって支持することにより、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けなくなるので、各軸受にかかる負荷荷重を軽減することができるものである。
【００５３】
さらに、図８に示すように、オイル室１２の内部を隔壁５７によって複数の小室に区画し、隔壁５７に隣接する小室間を連通する円形状のオリフィス５８を設けても良いものである。この場合には、装置全体の傾斜によりオイルがオリフィス５８を介して小室間を移動し、このときの抵抗によりダンパーとして機能を発揮することができるので、ジンバル機構のダンパーを省略することができるものである。オリフィスは、半円形状（図９）、隙間（図１０）、四角形状（図１１）等としても良い。
【００５４】
さらに、前記各実施の形態においては、ケーシング２の内部を０．２気圧前後に減圧したが、ヘリウムガスは０．２気圧とほぼ同等の風損であるので、ヘリウムガスボンベと圧力調整器とを併設し、略１気圧でヘリウムを充填するようにしても、同様の性能が得られるものである。この場合には、絶縁や放熱に関する特性がさらに改善されるものである。また、ケーシング２の内部の圧力は、０．０５気圧から０．３３気圧の範囲であることが望ましい。その理由は、図１２に示すパーシェン特性、すなわち絶縁破壊電圧（ＫＶ単位）と圧力（気圧単位）との関係を示す特性において、実施の形態における電圧値（６００Ｖ）において絶縁破壊を生じない気圧の下限値は０．０５気圧であり、電圧値に応じて、絶縁破壊を生じない圧力の下限値が選択されることとなる。また、圧力の上限値は、回転運動に対する風損を許容範囲以下とすべく、回転数に応じて設定されるもので、実施の形態の如く１００００ｒｐｍとした場合には、０．３３気圧が上限となる。
【００５５】
さらに、前記各実施の形態においては、同期電動機で構成したため回転検出装置４８が必要であったが、誘導電動機で構成した場合には回転検出装置４８は必ずしも必要としないものである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、請求項１のように構成したことにより、ケーシングの内部が 内部が所定気圧（０．２気圧前後）に減圧保持されることになるので、風損が大幅に低減されるとともに、オイルの蒸発がほとんど発生することがなく、電動機の絶縁も十分に確保されることになる。また、荷重軽減装置によって回転体の自重の所定％（例えば５０〜８０％）が支持されることになるので、軸受ユニットの損失が大幅に低減され、オイルの寿命を大幅に延ばすことができることになる。さらに、オイルポンプ等の部品が全てケーシング内に設けられているので、装置全体をコンパクトにすることができる。また、減圧しているにも関わらず、オイルの循環に際して気圧の際を考慮する必要がなくなる。さらに、オイル室内に十分な容積のオイルを確保することができるので、メンテナンス期間を大幅に延長することができることになり、メンテナンスフリーの状態で長期間運転することができることになる。
【００５７】
また、請求項２又は３のように構成したことにより、軸受ユニットから排出されるオイルは、振り切りリングによって振り切られて上部排出路内に導かれ、上部排出路から側部排出路内に導かれることになり、オイルが回転体に接触することが防止され、回転体に直接かかることがないので、オイル振り切り時に発生するエネルギー損失を大幅に低減することができることになる。さらに、軸受ユニットからのオイルは、径の小さな振り切りリングによって振り切られるため振り切り時のミスト粒径が大きくなり、オイルが気化しにくくなるため、気化したオイルによって風損が増加するようなことはない。また、オイル傘から側壁部を伝わってオイルが落下する際、側壁をも冷却することができる。
【００５８】
さらに、請求項４のように構成したことにより、ケーシング内部の熱が効率的に外部に放熱されることになる。さらに、請求項５のように構成したことにより、オイル室内の熱が効率的に外部に放熱されることになる。さらに、請求項６のように構成したことにより、ステーターの巻線の熱がオイル通路内のオイルによって奪われることになるので、巻線の温度を下げることができることになる。
【００５９】
さらに、請求項７のように構成したことにより、巻線から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失の発生がなくなる。
【００６０】
さらに、請求項８のように構成したことにより、軸受ユニットから排出される熱いオイルが直ぐに吸込口に導かれることがなくなり、十分に冷えたオイルを吸入口に導くことができることになる。
【００６１】
さらに、請求項９のように構成したことにより、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けることがなくなるので、軸受ユニットにかかる負荷荷重を軽減することができることになる。さらに、請求項１０のように構成したことにより、装置の傾斜によりオイルが移動するときに抵抗が発生するように構成できるので、オイル室内のオイルをダンパーとして機能させることができることになる。
【００６２】
さらに、請求項１１のように構成したことにより、所定の気圧に減圧したものと同等の風損とすることができ、同等の性能が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるフライホイール蓄電装置の第１の実施の形態の全体を示した縦断面図である。
【図２】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図３】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図４】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図５】 本発明によるフライホイール蓄電装置の第２の実施の形態の全体を示した縦断面図である。
【図６】 第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図７】 第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図８】 第１及び第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図９】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１０】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１１】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１２】 ケーシング内部の圧力と絶縁破壊電圧との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１…フライホイール蓄電装置
２…ケーシング
１１…減圧室
１２…オイル室
１４…オイルポンプ
１８…回転体
２５…上軸受ユニット
３０…下軸受ユニット
３５…発電機
３６…ステーター
３７…支持軸
３８…鉄心
３９…巻線
４１…逃げ
４２…ローター
４３…永久磁石
４４…オイル傘
４５…上部排出路
４６…振り切りリング
４７…荷重軽減装置
５０…オイルカバー
５１…側部排出路
５２…仕切り板
５３、５４、５５…放熱フィン
５８…オリフィス
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライホイール（以下、回転体という）を高速で回転させることにより電力を回転エネルギーの形で蓄え、必要に応じて回転エネルギーを電力に変換するフライホイール蓄電装置に関し、特に、走行と停止の繰り返し頻度の高い移動体（例えば、バス、乗用車、路面電車、鉄道等）に好適なフライホイール蓄電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のフライホイール蓄電装置の一例として、真空容器の内部に炭素繊維からなる回転体を磁気浮上式軸受によって回転自在に支持するように構成したもの、常圧容器の内部に鉄鋼材料からなる回転体をピボット軸受によって回転自在に支持するように構成したもの（特開平７−３２２５３３号公報）等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記前者は、容器内を真空にしているために、回転体の高速回転時における風損を十分に低減させることができ、高いエネルギー密度を確保できるものである。
【０００４】
しかしながら、容器内を真空にすると、以下のような問題が発生する。
▲１▼容器内において空気による熱の移動がなくなるため、電動機や軸受など内部発生する熱を放熱させることが困難になる。
▲２▼軸受の潤滑油が蒸発してしまうため、油を使った軸受を構成することができない。このため、軸受に磁気浮上方式のものを使わざるを得ないが、磁気浮上方式の軸受には以下のような問題がある。
ａ．装置が複雑で高価である。
ｂ．非接触で使用するために寿命は長いが不安定になりやすく、一度不安定になると再復帰できないため、支持が破綻する。
したがって、ゴーストップ頻度の高い移動体には搭載することはできない。
ｃ．超伝導方式による磁気軸受は軸受そのものが高価であり、冷却のための手段が別途必要になることから、装置が大規模となり、サイズ的にもゴーストップ頻度の高い移動体には搭載することができない。
ｄ．磁気軸受を維持するために別途電力が必要になるため、その分の損失が余計に発生する。
▲３▼高速回転するには鉄鋼材料では強度的にもたないため、炭素繊維などの高強度材料を回転体に用いているが、素材が高価であり、異種材料の嵌め合い、組み立てが難しいため、回転体が高価になる。
▲４▼空気がなくなることで絶縁特性が悪化し、十分な絶縁が得られないために電動機を機能させることが難しい。
以上のことから、実用化には程遠いものである。
【０００５】
前記後者は、安価に製作することができるが、以下のような問題がある。
▲１▼常圧空気の中で回転体を回転させるために、風損が極めて大きい。このため、損失の大きい装置になってしまう。
▲２▼ピボット軸受だけで回転体を支持しているため、ゴーストップ頻度の高い移動体のように、傾斜や振動が常に発生する環境では支持が不安定となり、使用することが困難になる。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みなされたものであって、長寿命で、安全で、低損失で、安価で、揺動荷重に対して破綻することがなく、コンパクトで、ゴーストップ頻度の高い移動体に容易に搭載することできる、フライホイール蓄電装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これまで、減圧環境で動作する油潤滑式軸受を用いた縦型フライホイール蓄電装置は真剣に検討されたことがなかった。それは、
１．上側に配置される軸受の潤滑オイルの処理（シール）が問題になること。
２．減圧すると潤滑油が蒸発しやすくなること。
が原因であった。
本発明では、問題１については、小径の振り切りリングと、オイル傘によって回転体との接触を回避し、問題２については、気圧を真空でなく０．０５気圧ないし０．３３気圧、望ましくは０．２気圧前後とすることで、風損を抑えつつ、オイルの蒸発を防ぎ、ポンプや電動機などの電気機器を正常に動作できるようにした。さらに、オイルタンクを内臓することで、ジンバル支持したときにそれがダンパーの役割をするという、新しい効果を得ることができる。
【０００８】
上記の課題を解決するために、上記背景に基づいて本発明は以下の手段を採用している。すなわち、請求項１に係る発明は、内部が減圧室とオイル室の２室に区画されるケーシングと、前記減圧室内に回転自在に設けられる回転体と、該回転体を回転自在に支持する油潤滑式の軸受ユニットと、前記オイル室内に設けられるとともに、前記オイル室内のオイルを前記軸受ユニットに供給するオイルポンプと、前記減圧室内に設けられるとともに、前記減圧室内に設けられるステーターと前記回転体と兼用のローターとからなる発電機とを備え、前記ステーターは、前記減圧室内に固定される金属製の支持軸と、該支持軸の周囲に設けられる鉄心と巻線とからなり、前記ローターは、前記回転体と、前記回転体に設けられる永久磁石とからなり、前記減圧室及びオイル室内がほぼ０．０５気圧から０．３３気圧に減圧されており、前記減圧室の上端部にオイル傘を設けて、該オイル傘と前記ケーシングとの間で前記軸受ユニットからのオイルを導く上部排出路を形成し、前記回転体に振り切りリングを設けて、該振り切りリングの外周端部を前記上部排出路の入口部内に位置させたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、減圧室及びオイル室内は所定気圧に減圧保持されることになる。また、油潤滑式の軸受ユニットは、オイルポンプから供給されるオイルによって潤滑されることになる。さらに、回転体は、荷重軽減装置によって自重の所定パーセントが支持されることになる。また、風損が大幅に低減され、オイルの蒸発がほとんどなく、電動機の絶縁も十分に確保されることになる。
【０００９】
また、この発明によれば、軸受ユニットから排出されるオイルは、振り切りリングによって振り切られて上部排出路内に導かれ、回転体との接触が防止されることになる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル傘に前記回転体を覆うオイルカバーを設け、該オイルカバーと前記ケーシングとの間で、前記上部排出路と前記オイル室とを連通する側部排出路を形成したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、軸受ユニットから上部排出路内に導かれたオイルは、上部排出路から側部排出路内に導かれ、回転体との接触が防止されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ケーシングの外周部に放熱フィンを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、ケーシングの放熱面積が増加し、ケーシング内部の熱がより効果的に外部に放熱されることになる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室の底面に対応する前記ケーシングの部分に放熱フィンを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、オイル室の熱がより効果的に外部に放熱されることになる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの支持軸に、スパイラル状、又は上下折り返し状のオイル通路を設け、このオイル通路内にオイルを循環させるように構成したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、ステーターの支持軸の熱がオイル通路内を流れるオイルによって奪われ、ステーターの支持軸の熱がより効果的に放熱されることになる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの巻線に対向する前記回転体の部分に逃げを形成し、又は導電性の良い金属を貼り付けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、巻線から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失が発生することがなくなる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室に、前記軸受ユニットからのオイルをオイル室内に導くドレイン口と、前記オイルポンプの吸込口とを遠ざける仕切りを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、軸受ユニットから排出される熱いオイルが直ぐに吸込口に導入されるのが防止され、十分に冷えたオイルが吸込口に導かれることになる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ジンバル機構で装置全体を支持したことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けなくなり、軸受ユニットにかかる負荷荷重を軽減できる。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室にオリフィスを設けたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、装置の傾斜によりオイルが移動するときに抵抗が生じ、オイルタンクのオイルがダンパーとして機能することになる。
【００１８】
請求項１０に係る発明、請求項１〜９の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ヘリウムガスボンベと圧力調整機構を備え、前記ケーシング内部をヘリウムガスに置き換えたことを特徴とする。この発明に係るフライホイール蓄電装置によれば、所定気圧に減圧した場合と同様の性能が得られることになる。また、絶縁や放熱に関する特性がさらに改善されることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１には、本発明によるフライホイール蓄電装置の第１の実施の形態が示されていて、このフライホイール蓄電装置１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられる回転体１８とを備えている。
【００２０】
ケーシング２は、筒状の上側壁３と、上側壁３の上端開口部を閉塞する円板状の上鏡板４と、上側壁３の下端開口部を閉塞するアルミ製の円板状の下鏡板６と、下鏡板６で上端開口部が閉塞される筒状の下側壁９と、下側壁９の下端開口部を閉塞する円板状の底板１０とから構成されている。
【００２１】
上鏡板４と上側壁３と下鏡板６とによって囲まれる部分には密閉された減圧室１１が形成され、この減圧室１１内に回転体１８が回転自在に設けられるようになっている。下側壁９と下鏡板６と底板１０とによって囲まれる部分には密閉されたオイル室１２が形成され、このオイル室１２内に油潤滑式軸受である上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を潤滑するためのオイル１３が充填されるようになっている。
【００２２】
減圧室１１とオイル室１２との間は下鏡板６に設けられている連通孔７を介して相互に連通し、この連通孔７を介して上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。減圧室１１及びオイル室１２は減圧ポンプ等から構成される減圧装置（図示せず）に接続され、この減圧装置の作動により０．２気圧前後に減圧保持されるようになっている。オイル室１２内にはオイルポンプ１４が設けられ、このオイルポンプ１４によりオイル室１２内のオイル１３が上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０に供給されるようになっている。
【００２３】
回転体１８は、一般の鉄鋼材料で形成されるものであって、本体部１９と、本体部１９の中心部に一体に設けられる回転軸２２とから構成されている。回転体１８は、回転軸２２の上端部を上鏡板４の中央部に設けられる上軸受ユニット２５によって軸支され、回転軸２２の下端部を下鏡板６の中央部に設けられる後述する下軸受ユニット３０によって軸支されることで、減圧室１１内において回転自在となるものである。
【００２４】
本体部１９は、上端が閉塞された筒状をなすものであって、その軸線上に回転軸２２が一体に設けられるようになっている。本体部１９の側板の内周面は大径部２０と小径部２１の２段に形成され、小径部２１に電動機３５のローター４２を構成する筒状の永久磁石４３が取り付けられるようになっている。
【００２５】
回転軸２２は、本体部１９の上板の上面中央部に一体に設けられる上軸２３と、上板の下面中央部に一体に設けられるとともに、先端部が側板の下端よりも下方に突出する下軸２４とから構成されるようになっている。回転軸２２の上軸２３の上端部は後述する上軸受ユニット２５によって回転自在に軸支され、下軸２４の下端部は後述する下軸受ユニット３０によって回転自在に軸支されるようになっている。
【００２６】
上軸受ユニット２５は、上鏡板４の中央部に取り付けられるものであって、上鏡板４の中央部の軸受取付け用孔５内に嵌合されるベース２６と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の入口部に装着されるころ軸受２８と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の奥部に装着される動圧式スラスト軸受である緊急タッチアップ用軸受２９とから構成され、ころ軸受２８の内周側で回転軸２２の上軸２３を回転自在に軸支するようになっている。緊急タッチアップ軸受２９と回転軸２２の上軸２３の上端との間には所定の間隙が形成され、この間隙によって緊急タッチアップ軸受２９は通常は不作動の状態にあり、緊急タッチアップ軸受２９による損失が発生するのを防止している。
【００２７】
下軸受ユニット３０は、下鏡板６の中央部に取り付けられるものであって、下鏡板６の中央部の軸受取付け用孔８内に嵌合されるベース３１と、ベース３１の軸挿入用孔３３内の入口部に装着されるアンギュラ玉軸受３４とから構成され、アンギュラ玉軸受３４の内周側で回転軸２２の下軸２４を回転自在に軸支するようになっている。
【００２８】
この実施の形態においては、上軸受ユニット２５にころ軸受２８を用い、下軸受ユニット３０にアンギュラ玉軸受３４を用いているが、それ以外の玉軸受、針状軸受等の機械式軸受、動圧式ラジアル軸受、動圧式スラスト軸受、動圧式ピボット軸受等を用いても良いし、それらを組み合わせたものを用いてスラスト荷重及びラジアル荷重を支持するようにしても良い。なお、上軸受ユニット２５では必ずしもスラスト荷重を支持する必要はないものである。
【００２９】
下鏡板６の上面中央部にはアルミ製の筒状の支持軸３７が一体に立設され、この支持軸３７の中心部を回転体１８の回転軸２２の下軸２４が回転自在に挿通するようになっている。支持軸３７の周囲には鉄心３８が取り付けられるとともに、鉄心３８には巻線３９が取り付けられるようになっている。巻線３９の上側コイル出部分４０とこれに対向する回転体１８との間には、回転体１８の本体部１９の側板の大径部２０により所定の距離の逃げ４１が形成されるようになっている。
【００３０】
支持軸３７と鉄心３８と巻線３９とによってステーター３６が構成され、前述した永久磁石４３と回転体１８とによってローター４２が構成され、ステーター３６とローター４２とによって電動機３５が構成されるものである。
【００３１】
減圧室１１の上端部には上鏡板４の下面と所定の間隔をおいて対向するように円板状のオイル傘４４が設けられ、このオイル傘４４の上面と上鏡板４の下面との間で上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３の上部排出路４５が形成されるようになっている。
【００３２】
上部排出路４５に対応する回転体１８の回転軸２２の上軸２３の部分にはリング状の振切りリング４６が一体に取り付けられ、この振切りリング４６の外周端部は上部排出路４５の入口部内に位置するようになっている。したがって、振切りリング４６が回転体１８と一体に回転したときに、振切りリング４６の遠心力によって上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３が振り切られ、上部排出路４５内に導かれるものである。上部排出路４５内に導かれたオイル１３は、オイル傘４４の外周端面が上側壁３の内周面に近接していることにより、外周端面と上側壁３の内周面との間の微小隙間から上側壁３の内周面を伝わって落下し、下鏡板６の連通孔７に導かれ、連通孔７からオイル室１２内に戻されるものである。なお、下軸受ユニット３０から排出されるオイル１３は、下軸受ユニット３０のベース３１に設けられている排出孔３２を介してオイル室１２内に戻されるものである。
【００３３】
回転体１８の上面外周縁部に対向するオイル傘４４の下面側の部分には永久磁石式の荷重軽減装置４７が設けられるようになっている。荷重軽減装置４７は、荷重軽減装置４７及びオイル傘４４を貫通するボルトによってオイル傘４４と一体に上鏡板４側に固定されるようになっている。荷重軽減装置４７により回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されるようになっている。
【００３４】
回転体１８の回転軸２２の上軸２３の上方には回転検出装置４８が設けられ、この回転検出装置４８により回転体２２の回転角度が検出されるようになっている。
【００３５】
オイルポンプ１４の吐出口１５と上軸受ユニット２５との間及び下軸受ユニット３０との間は給油管１７を介して相互に連結され、この給油管１７を介して上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０にオイルが供給されるようになっている。
【００３６】
そして、外部電源からステーター３６の巻線３９に電圧が印加されると、ローター４２である回転体１８が高速で回転し、電気エネルギーが回転エネルギーに変換されて蓄えられる。そして、必要に応じて、回転体１８の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、外部の負荷に供給されるものである。
【００３７】
上記のように構成したこの実施の形態によるフライホイール蓄電装置１にあっては、上軸受ユニット２５と下軸受ユニット３０とによって回転体１８の上下端部を支持しているので、揺動振動に対して支持が破綻するようなことはなく、ゴーストップ頻度の高い移動体（バス、乗用車、路面電車、鉄道等）で有効に利用することができることになる。
【００３８】
また、回転体１８の支持に油潤滑式の上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を用いているので、回転体１８の材料を高価で組立てが困難な炭素繊維の複合材とする必要はなく、両軸受ユニット２５、３０の軸受回転数の上限に合わせて一般の鉄鋼材料で構成できるので、非常に安価に構成することができることになる。
【００３９】
さらに、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３は、小径の振り切りリング４６によって低い周波数で振り切られて上部排出路４５内に導かれ、上部排出路４５から上側壁３の内周面を伝わってオイル室１２内に戻されることになるので、振り切り損失が生じることなく、回転体１８に接触するようなことはない。したがって、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３が回転体１８と接触し、周速の高い回転体１８の外縁部で振り切られることにより非常に大きなエネルギー損失し、また、回転体１８の高い周速のために振り切られたオイルがミスト又は気化してしまい、風損を上昇させたり、減圧によって外に吸い出されてしまうという問題は全くなくなり、オイル振り切り時に生じるエネルギー損失を大幅に低減させることができることになる。
【００４０】
さらに、上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３は、径の小さな振り切りリング４６によって振り切られることになるので、振り切り時のミスト粒径が大きくなり、オイルが気化しにくくなるため、気化したオイルによって風損が増加することがない。
【００４１】
さらに、荷重軽減装置４７によって回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されることになるので、下軸受ユニット３０の損失が大幅に低減され、オイル１２の寿命も大幅に延びることになる。
【００４２】
さらに、ケーシング２の内部が０．２気圧前後に減圧されているために、風損は大幅に低減されるとともに、オイル１３の蒸発がほとんど生じることがなく、電動機３５の絶縁も十分に確保される。
【００４３】
さらに、電動機３５の上側コイル出部分４０に対向する回転体１８の部分に大径部２０を設け、この大径部２０により所定の距離の逃げ４１を形成しているので、巻線３９から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失を発生することがなくなる。なお、逃げ４１の代わりに、図２に示すように、銅、アルミ板等の電気抵抗の小さい金属板４９を上側コイル出部分４０に対向する回転体１８の部分に貼り付けても同様の効果が得られるものである。
【００４４】
さらに、支持軸３７と下鏡板６は熱伝導性の良い素材からなるため、電動機３５の鉄心３８が発生する熱が良好に伝導されることになり、ケーシング２の表面から十分に放熱されることになる。
【００４５】
さらに、オイル１３が劣化する時間は、量が多いほど長くなるものであるが、この実施の形態においては、オイル室１２に十分な容積のオイル１３を確保できるので、メンテナンス期間が大幅に延長され、メンテナンスフリーの状態で長期間（最低８年間）運転を継続することができることになる。
【００４６】
さらに、オイルポンプ１４等の部品の全てが減圧したケーシング２内に設けられるので、装置全体がコンパクトとなり、減圧しているにも関わらず、オイル１３の循環に際して気圧の差異を考慮するがないものである。
【００４７】
なお、図３に示すように、オイル傘４４の外周端部の下面側に筒状のオイルカバー５０を一体に設け、このオイルカバー５０と上側壁３内周面との間で上部排出路４５とオイル室１２との間を連通する側部排出路５１を形成することにより、上部排出路４５からのオイル１３を完全に覆うことができるので、側部排出路５１内を落下するオイル１３が回転体１８の回転によって生じる空気の流れによって飛散することがなくなるので、ミストになった若干のオイルも上側壁３との衝突により液化し、より完全にオイルをオイル室１２に回収することができるものである。さらに、図４に示すように、オイル室１２の内部に、下軸受ユニット３０から排出されるオイルのドレイン口３２とオイルポンプ１４の吸込口１６との間を仕切る仕切り板５２を設けることにより、下軸受ユニット３０からオイル室１２内に戻される熱いオイルが直ちに吸込口１６に導かれることがなくなるので、十分に冷えたオイルを上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０に供給することができるものである。
【００４８】
図５には、この発明によるフライホイール蓄電装置の第２の実施の形態が示されていて、このフライホイール蓄電装置１は、ケーシング２の上側壁３の周面、下側壁９の周面、及び底板１０の下面に放熱フィン５３、５４、５５を設け、支持軸３７の表面側の内部にオイルの通路５６（スパイラル状（図６）、上下折り返し状（図７））を設けたものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様である。
【００４９】
この場合、オイルの通路５６は、図示しないオイルポンプに接続されるようになっている。なお、オイル通路５６は、上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０用のオイルポンプ１４に接続しても良い。
【００５０】
そして、この実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様の効果を示す他、ケーシング２の上側壁３の放熱フィン５３により伝熱面積が拡大されるので、装置内部の熱がより効率的に外部に放熱されることになる。また、支持軸３７の表面側の内部に設けたオイルの通路５６内をオイルが循環することになるので、電動機３５の鉄心３８の熱がこのオイルによって奪われることになり、鉄心３８の温度を下げることができることになる。さらに、オイル室１２の下側壁９の周面及び底板１０の下面側にも放熱フィン５４、５５が設けられているので、オイル室１２内のオイルの熱も効率的に放熱されることになる。
【００５１】
さらに、この実施の形態においても、図４に示すように、オイル室１２の内部に、下軸受ユニット２５及び支持軸３０から排出されるオイルのドレイン口６ａとオイルポンプ１４の吸込口１６との間を仕切る仕切り板５２を設けることにより、下軸受ユニット２５及び支持軸３７からオイル室１２内に戻される熱いオイルが直ちに吸込口１６に導かれることがなくなるので、十分に冷えたオイルを上軸受ユニット２５、下軸受ユニット３０及び支持軸３７に供給することができるものである。
【００５２】
なお、前記各実施の形態において、装置全体を公知のジンバル支持機構によって支持することにより、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けなくなるので、各軸受にかかる負荷荷重を軽減することができるものである。
【００５３】
さらに、図８に示すように、オイル室１２の内部を隔壁５７によって複数の小室に区画し、隔壁５７に隣接する小室間を連通する円形状のオリフィス５８を設けても良いものである。この場合には、装置全体の傾斜によりオイルがオリフィス５８を介して小室間を移動し、このときの抵抗によりダンパーとして機能を発揮することができるので、ジンバル機構のダンパーを省略することができるものである。オリフィスは、半円形状（図９）、隙間（図１０）、四角形状（図１１）等としても良い。
【００５４】
さらに、前記各実施の形態においては、ケーシング２の内部を０．２気圧前後に減圧したが、ヘリウムガスは０．２気圧とほぼ同等の風損であるので、ヘリウムガスボンベと圧力調整器とを併設し、略１気圧でヘリウムを充填するようにしても、同様の性能が得られるものである。この場合には、絶縁や放熱に関する特性がさらに改善されるものである。また、ケーシング２の内部の圧力は、０．０５気圧から０．３３気圧の範囲であることが望ましい。その理由は、図１２に示すパーシェン特性、すなわち絶縁破壊電圧（ＫＶ単位）と圧力（気圧単位）との関係を示す特性において、実施の形態における電圧値（６００Ｖ）において絶縁破壊を生じない気圧の下限値は０．０５気圧であり、電圧値に応じて、絶縁破壊を生じない圧力の下限値が選択されることとなる。また、圧力の上限値は、回転運動に対する風損を許容範囲以下とすべく、回転数に応じて設定されるもので、実施の形態の如く１００００ｒｐｍとした場合には、０．３３気圧が上限となる。
【００５５】
さらに、前記各実施の形態においては、同期電動機で構成したため回転検出装置４８が必要であったが、誘導電動機で構成した場合には回転検出装置４８は必ずしも必要としないものである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、請求項１のように構成したことにより、ケーシングの内部が 内部が所定気圧（０．２気圧前後）に減圧保持されることになるので、風損が大幅に低減されるとともに、オイルの蒸発がほとんど発生することがなく、電動機の絶縁も十分に確保されることになる。また、荷重軽減装置によって回転体の自重の所定％（例えば５０〜８０％）が支持されることになるので、軸受ユニットの損失が大幅に低減され、オイルの寿命を大幅に延ばすことができることになる。さらに、オイルポンプ等の部品が全てケーシング内に設けられているので、装置全体をコンパクトにすることができる。また、減圧しているにも関わらず、オイルの循環に際して気圧の際を考慮する必要がなくなる。さらに、オイル室内に十分な容積のオイルを確保することができるので、メンテナンス期間を大幅に延長することができることになり、メンテナンスフリーの状態で長期間運転することができることになる。
【００５７】
また、請求項２又は３のように構成したことにより、軸受ユニットから排出されるオイルは、振り切りリングによって振り切られて上部排出路内に導かれ、上部排出路から側部排出路内に導かれることになり、オイルが回転体に接触することが防止され、回転体に直接かかることがないので、オイル振り切り時に発生するエネルギー損失を大幅に低減することができることになる。さらに、軸受ユニットからのオイルは、径の小さな振り切りリングによって振り切られるため振り切り時のミスト粒径が大きくなり、オイルが気化しにくくなるため、気化したオイルによって風損が増加するようなことはない。また、オイル傘から側壁部を伝わってオイルが落下する際、側壁をも冷却することができる。
【００５８】
さらに、請求項４のように構成したことにより、ケーシング内部の熱が効率的に外部に放熱されることになる。さらに、請求項５のように構成したことにより、オイル室内の熱が効率的に外部に放熱されることになる。さらに、請求項６のように構成したことにより、ステーターの巻線の熱がオイル通路内のオイルによって奪われることになるので、巻線の温度を下げることができることになる。
【００５９】
さらに、請求項７のように構成したことにより、巻線から発生する磁束によって誘導加熱が大幅に低減され、余計な損失の発生がなくなる。
【００６０】
さらに、請求項８のように構成したことにより、軸受ユニットから排出される熱いオイルが直ぐに吸込口に導かれることがなくなり、十分に冷えたオイルを吸入口に導くことができることになる。
【００６１】
さらに、請求項９のように構成したことにより、移動体の傾きによって発生するジャイロモーメントの影響を受けることがなくなるので、軸受ユニットにかかる負荷荷重を軽減することができることになる。さらに、請求項１０のように構成したことにより、装置の傾斜によりオイルが移動するときに抵抗が発生するように構成できるので、オイル室内のオイルをダンパーとして機能させることができることになる。
【００６２】
さらに、請求項１１のように構成したことにより、所定の気圧に減圧したものと同等の風損とすることができ、同等の性能が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるフライホイール蓄電装置の第１の実施の形態の全体を示した縦断面図である。
【図２】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図３】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図４】 第１の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図５】 本発明によるフライホイール蓄電装置の第２の実施の形態の全体を示した縦断面図である。
【図６】 第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図７】 第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図８】 第１及び第２の実施の形態の変形例を示した部分図である。
【図９】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１０】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１１】 図８に示すものの変形例を示した部分図である。
【図１２】 ケーシング内部の圧力と絶縁破壊電圧との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１…フライホイール蓄電装置
２…ケーシング
１１…減圧室
１２…オイル室
１４…オイルポンプ
１８…回転体
２５…上軸受ユニット
３０…下軸受ユニット
３５…発電機
３６…ステーター
３７…支持軸
３８…鉄心
３９…巻線
４１…逃げ
４２…ローター
４３…永久磁石
４４…オイル傘
４５…上部排出路
４６…振り切りリング
４７…荷重軽減装置
５０…オイルカバー
５１…側部排出路
５２…仕切り板
５３、５４、５５…放熱フィン
５８…オリフィス
Claims (10)
- 内部が減圧室とオイル室の２室に区画されるケーシングと、
前記減圧室内に回転自在に設けられる回転体と、
該回転体を回転自在に支持する油潤滑式の軸受ユニットと、
前記オイル室内に設けられるとともに、前記オイル室内のオイルを前記軸受ユニットに供給するオイルポンプと、
前記減圧室内に設けられるとともに、前記減圧室内に設けられるステーターと前記回転体と兼用のローターとからなる発電機と
を備え、
前記ステーターは、前記減圧室内に固定される金属製の支持軸と、該支持軸の周囲に設けられる鉄心と巻線とからなり、
前記ローターは、前記回転体と、前記回転体に設けられる永久磁石とからなり、
前記減圧室及びオイル室内がほぼ０．０５気圧から０．３３気圧に減圧されており、
前記減圧室の上端部にオイル傘を設けて、該オイル傘と前記ケーシングとの間で前記軸受ユニットからのオイルを導く上部排出路を形成し、前記回転体に振り切りリングを設けて、該振り切りリングの外周端部を前記上部排出路の入口部内に位置させたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。 - 請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル傘に前記回転体を覆うオイルカバーを設け、該オイルカバーと前記ケーシングとの間で、前記上部排出路と前記オイル室とを連通する側部排出路を形成したことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１又は２に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ケーシングの外周部に放熱フィンを設けたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項３に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室の底面に対応する前記ケーシングの部分に放熱フィンを設けたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜４の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの支持軸に、スパイラル状、又は上下折り返し状のオイル通路を設け、このオイル通路内にオイルを循環させるように構成したことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜５の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記ステーターの巻線に対向する前記回転体の部分に逃げを形成し、又は導電性の良い金属を貼り付けたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜６の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室に、前記軸受ユニットからのオイルをオイル室内に導くドレイン口と、前記オイルポンプの吸込口とを遠ざける仕切り板を設けたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜７の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ジンバル機構で装置全体を支持したことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜８の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、前記オイル室にオリフィスを設けたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
- 請求項１〜９の何れかに記載のフライホイール蓄電装置であって、ヘリウムガスボンベと圧力調整機構を備え、前記ケーシング内部をヘリウムガスに置き換えたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001275609A JP3977041B2 (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | フライホイール蓄電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001275609A JP3977041B2 (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | フライホイール蓄電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003088040A JP2003088040A (ja) | 2003-03-20 |
| JP3977041B2 true JP3977041B2 (ja) | 2007-09-19 |
Family
ID=19100440
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001275609A Expired - Fee Related JP3977041B2 (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | フライホイール蓄電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3977041B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140136425A (ko) * | 2012-03-15 | 2014-11-28 | 로테너지 홀딩스, 엘티디 | 안전 특성을 갖는 전자 기계식 플라이휠 |
| JP2016012993A (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-21 | サンケン電気株式会社 | フライホイール蓄電装置 |
| AU2017216483B2 (en) * | 2016-08-19 | 2023-02-23 | Veem Ltd | Gyrostabilisers |
| US11641140B2 (en) | 2018-07-06 | 2023-05-02 | Spinlectrix, Inc. | Electromechanical battery |
| CN114400824B (zh) * | 2022-02-09 | 2023-06-16 | 内蒙古工业大学 | 一种可移动的飞轮储能系统 |
-
2001
- 2001-09-11 JP JP2001275609A patent/JP3977041B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003088040A (ja) | 2003-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8117930B2 (en) | Cooling bearings, motors and other rotating heat generating components | |
| US6043577A (en) | Flywheel energy accumulator | |
| CN101111985B (zh) | 具有对其超导转子绕组的温差环流冷却的电机装置 | |
| JP2005503097A (ja) | フライホイールエネルギ貯蔵システム | |
| US6798092B1 (en) | Low outgas flywheel motor/generator | |
| US11780541B2 (en) | Gyroscopic boat stabilizer with motor cooling | |
| JP3977041B2 (ja) | フライホイール蓄電装置 | |
| US3838947A (en) | Rotating electrical machine with evaporation cooling | |
| JP3337440B2 (ja) | 高温超電導磁気軸受装置及び高温超電導フライホイール装置 | |
| JP2016102616A (ja) | ヒートパイプ及び回転機械の冷却機構 | |
| JP6236723B2 (ja) | 振動減衰装置及び振動減衰装置を備えた電力貯蔵装置 | |
| JP2007215261A (ja) | 空冷式電動機 | |
| JPH0217842A (ja) | フライホイール電源装置 | |
| JP2004194440A (ja) | フライホイールユニット | |
| JP2003092857A (ja) | マイクロガスタービン発電機 | |
| JP4987572B2 (ja) | 車載可能な磁気浮上式発電機 | |
| JP6024539B2 (ja) | 超伝導回転機 | |
| JPS6229678Y2 (ja) | ||
| JP2016094992A (ja) | 冷却構造及び回転電機 | |
| KR20160027400A (ko) | 수증기 압축장치 | |
| JPH04351461A (ja) | 超電導回転電機の回転子 | |
| JPS58214043A (ja) | フライホイ−ル装置 | |
| JPH06284696A (ja) | 超電導回転電機 | |
| JPS62131753A (ja) | 超電導回転機のヘリウム給排装置 | |
| JPS58214030A (ja) | フライホイ−ル式蓄エネルギ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040514 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061030 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061107 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070109 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070612 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070620 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100629 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100629 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110629 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110629 Year of fee payment: 4 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130629 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |