JP4065237B2 - フライホイールエネルギ貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、フライホイールエネルギ貯蔵システムに関する。また、本発明は、先進技術繊維強化複合材料肉厚リングフライホイールや低価格連続フィラメント非接着（unbonded）鋼線、他のフィラメントフライホイールと取付けハブ設計の一体化（超小型、場合によってはローコストな慣用のモータ／発電機、デジタル信号処理による電子制御システム、フェイルセーフ真空エンクロージャ、緊急エネルギ吸収・閉じ込めシステム用）、および固体潤滑材を有するボール式、ローラ式、スリーブ式軸受に関する。これら全ては、保守を行うことなく長い年月にわたって高い信頼性で運転できる。本発明はまた、エネルギ貯蔵に加えて、あるいはそれに代えて、米国特許第５，６３２，２２２号に記載の方法で懸架された装置の負荷の向きを決めるために、そのようなフライホイールによって発生されるジャイロスコピックモーメントの利用に関する。

米国特許第５，４８６，０５２号、第５，３５６，２２７号および第５，０６６，１４５号の記載を本明細書の一部としてここに援用する。

エネルギを運動エネルギとして回転中のフライホイールに蓄えることは知られている。しかしながら、繊維強化複合材料や連続フィラメント巻回リング設計、電子制御、および軸受の潤滑と振動制御技術における近年の進歩にもかかわらず、フライホイールエネルギシステムは、化学電池やウルトラキャパシタなどの代替エネルギ貯蔵装置と太刀打ちできる可能性があるだけである。

従来のフライホイール材料は、高回転速度におけるそれら自身の遠心破壊強度によってエネルギ貯蔵容量が制限されている。

フライホイールに通常用いられるモータ／発電機や制御装置は大きすぎるだけでなく、自動車や他の車輌用途での容積制限に適合するための小型フライホイールエネルギ貯蔵システムで必要とされる高速での運転が不可能である。

エネルギ密度がより低い密度フライホイールエネルギ貯蔵システムの固定式設備の負荷平準化の用途への適用は、ローコストな連続フィラメントリング材料のための実証された設計がないこともあり、成功していない。

横方向フラックス永久磁石モータ（transverse-flux permanent magnet motor）は、動力密度も高く、効率も高い。このモータは、重量、コスト、エネルギ損失、および保守を低減するための高効率で高動力密度を得るための手段として、エッチ・ウェー（Ｈ．Ｗｅｈ）博士により１９８８年に発表された「低速で効率が高い新しい永久磁石励起同期マシン（New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine With High Efficiency at Low Speeds）」と題する論文に記載されたものが最初であると思われる。

従来の市販ブラシレスＤＣモータは、ロータの位置を検出するために、ホール効果を利用した（すなわち磁気的に切り換えられる）非接触センサを用いている。ルート磁気軸（root magnet axis）が所定の位置に達すると、つぎのフェーズへと順次、整流（commutation）するためにインバータに信号が提供される。このようにして、任意の所定の速度においてモータのトルク出力を最大にするよう、モータ巻線に通電される。しかしながら、従来のホール効果システムは、製造、設置、および位置合わせが複雑、不便あるいは困難であり、かかるホール効果システムの利用は、ブラシレスによる利点が明確な高速マシンに限定される。

従来の高速軸受は、空気−油ミストの供給、潤滑油の循環、あるいは定期的なグリースの補充が必要である。これは、移動表面間に十分な潤滑を提供し、運転中に摩擦による軸受の過熱や自己破壊を起こさないようにするためである。

高速フライホイールエネルギ貯蔵システムでは、風損や複合材料フライホイールリングの過熱を最小にするために真空環境が必要とされるが、このような真空環境では従来の軸受の寿命は十分ではない。したがって、フライホイールシステムのあるものは、アクティブ磁気軸受に頼っている。しかしながら、磁気軸受を用いた場合でも、磁気軸受への電力供給が偶然に停止した場合、ジャイロスコピック運動が高くなった場合、あるいは磁気軸受の負荷容量を超えた衝撃荷重が生じた場合にロータを支持するために、補助的なボール軸受またはローラ軸受を必要とする。

低コストのボール軸受を備えたこれらのシステムにおける高真空で必要とされる潤滑グリースや超低揮発性合成潤滑油は、合成炭化水素あるいは従来の石油ベースのオイルにみられる添加剤応答(additive response)を有しない。したがって、これらの境界潤滑能は低く、また軸受寿命は短く受容できない。この点に関して、マ−ンケ（Mahncke）とシュワルツ（Schwartz）による「宇宙船用ローリング軸受のグリース潤滑（Grease Lubrication of Rolling Bearings in Spacecraft）」と題されたアスレ・トランザクション(ASLE Transactions)、１７巻、３号、１７２〜１８１頁に掲載の論文を参照されたい。

高回転速度によりフライホイールリングは大きく遠心膨張（拡径）されるため、モータ／発電機ロータの場合、これらのリングを軸受支持ロータとに取付けるためには特別な対策が必要である。米国特許第４，８６０，６１１号における取付けシステムは、極めて高速で使用するのに適した取付けハブ設計を提供するが、より高速で使用できることが望ましい。したがって、取付け設計の更なる改良が必要である。

特に真空度が高い環境で使用するための、信頼性が十分に高い固体潤滑式高速軸受システムは知られていない。軸受業界では、固体潤滑材として使用する二硫化モリブデン、グラファイト、テフロン（登録商標）、その他のプラスチックに基づく数種のドライ軸受材料を販売している。織ったグラスファイバで強化したテフロン軸受は、柔らかい潤滑テフロンを堅いグラスファブリックで強化した薄い複合材料層に剛性の高い金属性の裏当てを接着して製作される。テフロンの非常に薄いフィルムは、撓み、プラスチックフローおよび磨耗を最小にしてグラスファイバを潤滑する。これら既知の固体潤滑軸受用途では、散発的な致命的軸受破損が起こる。

自給式無期限グリース潤滑（greased-for-life）軸受は高速能力に限度があり、頻繁に再潤滑する必要がある。

臨界速度（危険速度）より高い速度で運転する高速ロータにおいては、軸受は通常、循環油によって潤滑される。高速ボール軸受あるいはローラ軸受の場合、この潤滑油は、非回転軸受リングをマシンの主ハウジングから隔てているハウジング内の環状空間を通して循環される場合が多い。よって、軸受に掛かる半径方向負荷がこの油膜を圧迫する。ロータの振動は、ロータがその運転速度から加速や減速する間に臨界速度を通過するとき、油膜の粘性流によって減じられる。

現在入手可能な回転機械においては、高速で回転する機械の振動応答と軸受負荷を制御するために、「スクイーズフィルム」ダンパと精密バランスロータを使用することが一般的である。残念ながら、スクイーズフィルムダンパは、オイル渦やオイルウィップによりそれ自身不安定であり、これらの高速機械において不安定性を引き起こす場合が多い。加えて、スクイーズフィルムダンパの設計は未確認事項の多い技術である。さらに、スクイーズフィルムダンパでは高減衰率が得られない。したがって、スクイーズフィルムダンパを利用した場合、振動による軸受負荷が高くなり、システムが不安定となる場合が多い。

多数の態様のうちの一態様において本発明は、各種織布複合材料フライホイールリングを提供する。これらのリングに関して本発明に含まれるのは、円周方向極巻き（plar-wound）およびその他の織布連続繊維強化複合材料フライホイールリングの設計、技術レベルの低い非接着連続高強度鋼ワイヤやその他のフィラメント製のフライホイール、およびそれらの取付けシステムである。本発明のフライホイールの態様によるフライホイールは、湿式または乾式巻回プロセスを使用したフィラメント巻回、樹脂トランスファ成形、射出成形およびオートクレーブプロセスや真空／圧力バッグプロセスによって製作できる。これらのオートクレーブプロセスや真空／圧力バッグプロセスは、プレプレグされた材料によって影響されやすい。

多数の態様のうち、他の一態様において本発明は、固体潤滑式のボール、ローラ、および他の軸受アセンブリを、従来の定期的な再潤滑や保守を殆どあるいは全く必要としない永久磁石式磁束非貫通スラスト補正器とともに使用した高効率フライホイールエネルギ貯蔵システムにおいて、空間ベクトル正弦波駆動式のデジタル信号処理制御による小型センサレス整流型の（長手方向あるいは横方向磁束の）半径あるいは軸方向ギャップモータ／発電機（永久磁石が設けられたものと設けられていないものがあり、後者はリラクタンス（磁気抵抗）設計と呼ばれる）への前述した織布複合材料フライホイールリングや他のタイプのフライホイールの一体化を提供する。多数の態様のうち、他の一態様において本発明は、ヒートパイプ冷却式の軸受とモータロータ、フェイルセーフ急速エネルギ吸収システム、ボール軸受、ローラ軸受および滑り軸受のための潤滑容易化形状を提供する。さらに、高速超臨界フライホイールエネルギ貯蔵システムにおける振動分離取付け(vibration-decoupling mounting)システムを提供し、ロータがその質量中心を中心として回転できるようにし、これにより高速運転中における軸受負荷を最小にし、システムの寿命、信頼性および安全性を向上させる。

多数の態様のうち、さらに他の一態様において本発明は、極織二重環（polar-woven bi-annular）高温炭素−炭素、あるいは他の織布複合材料フライホイールリングを提供し、このフライホイールリングは、ハブによってロータに取付けることができ、このハブの曲率はスポークとリムとの境界で変化している。このホイールは、アセンブリ内の遠心応力を減じるために、各ウェブの中心にスカラップ（scallop）を備えることができる。

フライホイールリングは、永久磁石を備えるか、あるいは磁石を備えていないリラクタンス型のバックアイアンを分割したモータ／発電機のロータに直接取付けることができる。かかるロータでは、速度が速くなるにつれて、遠心分離により分割したバックアイアンのセグメント間の円周方向のギャップが増大し、必然的に磁界が弱まる。

多数の態様のうち、さらに他の一態様において本発明は、金属マトリクスや繊維複合材料からなる可撓性リム・ハブ材料の使用を含む。両者は、実証された安定性とトラッキング性能を損なうことなく、高性能ロータに適合する性能を提供する。これらの材料は、フライホイールハブのサイズ（直径および長さの両方）に柔軟性を提供し、選択した領域の強化が可能となり、また大量生産における製造コストを低減できる。

多数の態様のうち、さらに他の一態様において本発明は、仮想ホール効果システムを用いたモータ／発電機のセンサレス整流を提供する。

多数の態様のうち、さらに他の一態様において本発明は、振動振幅を制限するために軸受マウントの延長部に組み込まれた磁気減衰を提供する。

多数の態様のうち、さらに他の一態様において本発明は、高速フライホイールエネルギ貯蔵システム用の内蔵式冷却システムが、モータ／発電機と軸受によって発生される高熱の冷却を提供するために、装置のシャフト部内に設けられたヒートパイプを含む。

本発明のさらなる付加的な態様は、軸あるいは半径方向ギャップ設計を有するとともに、デジタル空間ベクトル正弦波駆動およびベクトル制御を備えた、長手方向および横方向フラックスモータの使用を有する。

複数の複合材料フライホイールリング（各リングは単一ロータあるいは複数リングのロータに用いられる）を含む本発明の態様においては、相互に熱締り嵌め（thermally shrink-fitted）され、異なる組成物からなる少なくとも２個の別々の複合材料リングから構成されることが好ましい。異なる組成物に炭素／炭素複合材料を含むことができる。この複合材料は、強度の低下を伴うことなく非常に高い温度で動作するため、熱によって引き起こされるロータの破損を最小にできる。製造時における炭素／炭素複合材料マトリクスの熱分解は、ガス放出を最小にし、この結果生じる、ロータ破損時における爆発、燃焼、および過剰圧力の可能性を最小にする。

本発明の他の重要な態様は、特定の複合材料フライホイールリングのファイバの巻き付けおよび硬化時に使用される可変ファイバ張力付与の重要なシーケンスと特別スケジュールである。円周方向フィラメント（湿式あるいは乾式）巻線、あるいは組み合わせラジアルポラー（radial polar）織布複合材料リングを前述した張力付与と組み合わせて使用することにより、これらのリングが完成したフライホイールエネルギ貯蔵システムで使用された場合に発生する遠心応力と熱応力を打ち消すために、完成したリング内に所望の残留応力パターンを生じさせることができる。

そのようなフライホイールリング用の取付けハブは、スポークとリムの間の境界において変更された曲率、およびスポーク間のリムの中心のより厚いセクションを利用することができる。

金属マトリクスや繊維複合材料等のこれらのハブ用のための代替の材料は、ハブ設計に大きな柔軟性をもたらし、また、製造コストを低減する。金属マトリクスまたは繊維複合ハブ材料の使用は、高速時におけるハブの遠心拡径が、温度差や熱膨張差によって起こりうる最大ロータ取付け部の熱干渉（maximum rotor mounting thermal interference）を超えないため好ましい。

本発明の他の態様は、非常に高い比エネルギ密度フライホイールのための別の複合材料リング取付け方法と装置の提供である。

モータ／発電機と制御装置を含む本発明の態様においては、極小型電気機械式マシンは、エネルギ損失と熱発生を最小に抑えるために効率が最大にされており、また、ロータあるいはステータで生じる不可避な残留熱発生については熱除去管理を行なう。このため本装置には、軸受やフライホイールリング自身と同様に、真空エンクロージャ内の放熱フィンを通じて、モータステータとモータロータの温度測定と水冷を別々に行うことができる。一実施形態においては、内蔵式のヒートパイプ冷却システムが完成したフライホイールエネルギ貯蔵システムに組み込まれる。

本発明のモータ／発電機の態様の種々の実施形態においては、長手方向および横方向フラックスの電磁設計の両方が半径ギャップ構成あるいは軸方向ギャップ構成に使用され、これによりロータおよびステータでの熱を最小にするとともに効率を最大にする。

本発明の更なる態様においては、横方向フラックス型永久磁石モータの構造が、信頼性を高めるために大幅に簡略化される。このことは、定期的な保守を行うとなく長寿命を得ることが必要とされる本発明に関連するタイプのフライホイールエネルギシステムにおいて非常に重要である。

本発明の更なる態様においては、仮想ホール効果信号が制御装置内で発生される。この場合、モータ内にロータ位置フィードバックセンサを設ける必要がなく、センサレス整流が可能となり、コストを下げるとともに信頼性を向上できる。これらのＤＣモータにおいて通常使用されるロータ内の永久磁石は、リラクタンス型設計の使用により不要となる。

本発明のフライホイールエネルギシステムのモータ／発電機は、これらの制御装置内に、フライホイール内に貯蔵されたエネルギの超高パワーダンピング（extremely-high-power dumping）を迅速に良好な方法で行うための余分な巻き線を有する高速ステータ用の特別な回路を組み込むことができる。

従来の取付けハブ設計が適さない超高速複合材料フライホイールリングにおいては、別のモータロータを使用できる。本発明のこの態様においては、これらのリングのボア内部に固定的締り嵌めによって熱嵌合された軸方向に分割されるかあるいは部分的に分割されたバックアイアンのセグメントが提供される。アセンブリの速度が速くなるにつれて、この締り嵌めは遠心拡径のため消失し、各バックアイアンセグメントの縁間に微小なギャップが形成される。この微小なギャップにより磁界が弱まり、モータの電流とパルス幅変調が減少し、効率が向上し、ロータ加熱が減少する。軸方向に分割あるいは部分的に分割したバックアイアンに関する本発明の態様においては、モータ／発電機装置のロータ部は、軸方向長尺シェルで画定することができる。この軸方向長尺シェルは、その内部に支持（proponent）磁石が取付けられている外側円筒状中心部と、回転可能シャフトに連結された内側円筒状中心部と、内側円筒状中心部と外側円筒状中心部を結合する中間部とを有する。この中間部は、フライホイールとシャフトの回転比がフライホイールがシャフトから離れる回転比に近づいたときに、外側円筒状中心部のフライホイールとの一体回転を継続するのを容易にするためのものである。本発明のこの態様においては、中間部は湾曲しているのが好ましく、さらには内側および外側円筒中心部や外側円筒中心部よりも薄いことが好ましい。

本発明のこの態様においては、シェルの外側円筒状中心部の外側にフライホイールが取付けられるのが好ましい。好ましくは、シェルは、隣り合う永久磁石の間に設けられた軸方向に長尺のスロットを有する。好ましくは、スロットはシェルの円筒部に設けられる。さらに好ましくは、スロットの先端部は永久磁石の軸方向先端部より軸方向に内側にある。スロットのうちのいくつかは、軸方向に並ぶように共通の角度位置に設けることができる。少なくともいくつかのスロットの先端部が、永久磁石の軸方向先端部より軸方向外側にある場合も本発明の範囲内である。

本発明の他の態様は、損失と加熱を減じ、動的性能を改善するデジタル信号処理に基づく電子モータ／発電機制御装置におけるデジタル空間ベクトル正弦波駆動の使用に係るものである。このベクトル制御と磁界弱化現象（field weakening phenomenon）により、ユーティリティ用途での力率（power factor）を最適化し、電力電子装置のサイズ、重量、およびコストを最小にし、これによりシステム全体の効率を改善する。

軸受を含む本発明の一態様においては、軸受アセンブリは、外側軸受リングと内側軸受リングとを含む。内側および外側軸受リングは、軸受アセンブリのボールあるいはローラを保持するためのレースを有する。軸受アセンブリはさらに、外側および内側軸受リングの各レースと転がり接触するために支持された複数のボールあるいはローラと、内側と外側リング間に支承された１個以上のボールあるいはローラに対して付勢された固体潤滑材とを有することができ、内側と外側リングは、荷重を加える側の部材あるいは荷重を支える側の部材と連結される。固体潤滑材部材は、複数のボールあるいはローラを有さない滑り軸受リング構成の寸法包短面（dimensional envelope）内に設けてもよい。

フライホイールエネルギ貯蔵システムが動作する高真空環境での本発明の軸受および摩擦の緩和および制御態様においては、低揮発性合成グリースを補助潤滑材として最適に使用することができる。補助潤滑材は、低揮発性油が含浸されたナイロンインサート等の多孔質プラスチック部材を用いて提供することができる。この低揮発性油は、合成グリースとともに使用され、潤滑グリースを湿った状態に保ち、真空中で乾燥することを防ぐ。本発明の潤滑材、軸受および摩擦制御態様は、低揮発性グリースの残留ガス放出を許容できるレベルに制限するための、蛇行したラビリンスシールの使用を含む。

軸受内の固体潤滑材部材は、好ましくはカーボングラファイトであり、軸受ボールやローラ、その他の移動表面に対して付勢され、場合によってはそれ自身の働きで付勢されるのが好ましい。これにより、軸受ボールやローラ、その他の移動表面上にグラファイトが「字を書くように当たり」、すなわち、グラファイトで表面をこするようになり、その表面上に薄いグラファイト潤滑膜を残し、固体潤滑材料の超微細粒子状「摩耗片」を生成する。軸受が動作すると、この摩耗片は、ボールあるいはローラとレース表面との間に捕えられる。この摩耗片は、回転ボールあるいはローラによって、ボールあるいはローラが支持されるレース表面に運ばれる。これにより、ボールあるいはローラとレース表面との間にグラファイト膜が形成され、軸受の寿命がある限り、膜は継続的に補充され、後に付加的な潤滑材を適用する必要はない。

軸受速度が低い場合、これらの固体潤滑材リングの自己付勢効果は、リング自身の弾性によって提供できる。これは、リングが分割され、ボールあるいはローラに対しての撓みによって僅かに負荷がかけられるように作られている結果である。ローラ軸受の場合で、ボール軸受の場合よりも軸受速度が高い場合、軸受部材や固体潤滑材リング（これら用途における固体潤滑材リングは好ましくは割れ目なしに作られる）に加わる慣性負荷により、ボールあるいはローラに対しての十分な付勢、あるいは時々の接触が提供され、必要とされる個体潤滑材片の生成と膜の移送が行われる。高速フライホイールエネルギ貯蔵システムにおいては、ボールは不規則に動いて個体潤滑材リングに衝突する。ローラ軸受を使用した場合、軸受内に組み込まれた固体潤滑材リングに対してローラが不規則に傾き、ローラ端と接触する。

潤滑部材はリングの形態であることが好ましいが、固体潤滑材料のインサートの形態とすることもでき、あるいはケージに接着された比較的厚い固体潤滑材コーティングの形態とすることもできる。固体潤滑材の位置は変えることができる。リングあるいはケージは、ボールあるいはローラの周回運動に対して最小限の制限を加える。最小周回制限は、軸受内のボールあるいはローラとレースウェイの表面上の固体潤滑材膜の磨耗を最小にするために必要である。

超高速用途では、固体潤滑材リングあるいはケージに作用する遠心力が大きすぎて過度の磨耗と応力が生じる場合、固体潤滑材リング内に応力を封じ込めるために金属バンドを用いることができる。あるいは、ケージあるいはセパレータを用い、リングのガイドランドやボールあるいはローラと接触するケージの表面に、固体潤滑材材料をインサートまたはコーティングとして組み込むこともできる。固体潤滑材リングを用いる場合、ボールあるいはローラの周回制限を最小にするために、ケージポケットクリアランスは周回方向に大きく、ガイドランドはクリアランスが小さく低摩擦である。

ケージのガイドランド表面に必要とされる低摩擦は、ケージガイドランド上に設けた低摩擦流体力学または気体潤滑ステップ軸受、あるいは類似の構造によって提供できる。これらのケージのランド表面の好ましい自己動作流体力学潤滑は、ケージ内の各ボールあるいはローラポケット間の各ケージバーにおけるこれらのレールの半径方向外向きの撓みからの高速下でのケージレールの遠心ラッピングにより容易にされ、テーパ付ランド流体力学潤滑材膜形成のための扇型（scalloped-shape）のケージランド滑り表面を提供する。

軸受内の接触表面の最初の慣らし潤滑のためにボールあるいはローラとレース上に非常に薄い接着された固体潤滑材コーティングを設けることができる。これは、移送膜・摩耗片閉じ込め機構が形成され、長い軸受寿命の間、継続的な膜の補充を提供できるようになるまで使用される。固体潤滑材部材は、固体潤滑材膜を補充する表面に高負荷が加わらないようにして軸受内に置かれる。そのようにしない場合、望ましくないことに、大きい粒子が摩耗によって生じ、その結果、必要とされるサブミクロン摩耗補充粒子の安定した供給を行うことができなくなる。

本発明は好ましくは、ローラの軸受接触部のクラウニングやボール軸受レースウェイのいくらかオープンなコンフォーミティを利用する。これは、固形潤滑膜のチャネリングのため、軸受内の負荷がかかっている接触部の付近に十分な空間が形成されるようにするためである。同時に、軸受レースウェイの幾何形状により、接触面上の潤滑膜を破壊する過剰なエッジ接触が回避される。これは全て、磨耗片の捕集や、ボール、ローラ、スライダの接触部のトラックへの固形潤滑材膜の直接移動を助けるが、軸受内の回転可能な要素の旋回運動（orbiting motion）はそれほど制限しない。

本発明のフライホイールエネルギ貯蔵システムにおいては、軸受にかかる主要な半径方向負荷は、ロータとともに回転する残存不均衡負荷であり、主要なスラスト負荷はプレロードであり、これは通常、固定軸受リングに対して作用するばねによって提供される。これら固定軸受リングは、好ましくは、構造体の固定部分に摺動嵌合によって取付けられる。

含浸カーボン−グラファイトが固形潤滑材として好ましい材料であるが、候補となる他の材料としては、モリブデンジスルフィド、タングステンジスルフィド、高温軸受性能用に特別に構成された第２世代のコンプレックス金属カルコゲニドが挙げられる。これら固形潤滑材料組成物は、好ましいカーボン−グラファイトと同様、自給式（self-contained）固形潤滑材を成形したものやそのコーティングに組み込むことができ、本発明の軸受に使用することができる。

本発明のさらに別の態様においては、回転リングをフライホイールエネルギ貯蔵システムのロータに取付けるのに、ロータが選択された設計速度まで加速しているときに臨界ロータ速度（危険ロータ速度）を効果的に変化させる可撓性結合(coupling)デバイスを用いる。この方法では、軸受は、従来のロータでは臨界速度（危険速度）で発生してしまうような高不均衡負荷を受けることはない。

この振動分離(vibration isolation)は、ロータと回転軸受リングとの間の環状接触空間により達成される。ロータと回転軸受リングは、可撓性分離要素、例えば弾性Ｏリング、加硫処理弾性要素、適切なコンプライアンスを有する可撓性金属要素等によって繋げられている。ロータ静止時、この部分同士は緊密に嵌合しているため、起動時、環状空間は存在しない。中間のロータ速度では、アセンブリの外側部材が遠心力により歪むため、これらの部分は離間し環状空間が開き、間隙が形成される。この持上がり（リフトオフ）速度は、間隙すなわち環状空間が存在しない第１のロータ臨界速度の約２／３でかつ間隙すなわち環状空間が創出された変化後の臨界速度より約１／３高い速度に選択される。この方法では、ロータは決して臨界速度で回転することはなく、よって、ロータ臨界速度でドライな、制振しない運転（dry, undamped operation）をした場合に得られるであろう高い振動振幅に軸受が付されることはない。

この振動低減分離システムを有するロータは、リフトオフ速度より高い速度で動作しているとき、軸受支持システムの幾何学的中心の回りで回転しているのではなく、質量中心の回りを回転している。その結果、高い精度でロータのバランス調整をする必要性が低減し、正確な軸受取付嵌合面の遠心ひずみがないか、あるいは殆どない。これは特に、遠心力によって大きく拡大するであろう高速繊維複合材料フライホイールリングの場合に重要なことである。というのは、このようなシステムは、フライホイールエネルギ貯蔵システムの広い運転速度範囲にわたってシステムの精密なバランスを保持するとともに、このようなリングの半径方向の調和性を保持するからである。

振動低減回転機械分離システムに関する本発明の態様では、本発明はさらに、加速中の回転体が臨界回転速度を通過することを容易にする結合装置も包含する。この装置は、嵌合する一対の回転体部分（第１の部分と第２の部分）を含む。これら部分は、回転体静止時は接触している。この装置はさらに、第１の部分に第２の部分を可撓的に結合するための手段を有する。この手段は、臨界周波数より低い回転速度において遠心力により第２の部分が第１の部分から離れたとき、これらを長時間にわたり実質的に一体的に回転させることを容易にするためのものである。好ましくは、２個の部分同士は、回転体が室温で静止しているとき、締り嵌めにより接触した状態にある。さらに好ましくは、臨界周波数より低い回転速度において遠心力により第２の部分が第１の部分から半径方向に離れたとき、嵌合面同士は互いに対向している。

本発明の振動低減分離の態様では、回転体を、臨界回転周波数を通過させて加速するための方法がさらに包含される。この回転体は、臨界周波数より低い回転体角速度において第１の部分から離れようとする第２の部分を有する。この方法は、臨界周波数より低い回転速度において第２の部分が遠心力により第１の部分から離れることを許容する。これにより、回転体の有効質量は減少し、新たに確立される回転体の臨界周波数は元の臨界周波数より実質的に低いほうに移動する。このとき、第２の部分は、好ましくは可撓性要素のみによって第１の部分と連結している。このため、回転体の軸受支持部の有効コンプライアンスが高くなる。任意ではあるが、この方法はさらに、第１の部分と第２の部分の間に可撓性結合を維持して、別々の角運動量ではあるが共通の速度で実質的に一体的に回転することを容易にする段階を有する。任意ではあるが、この方法はさらに、第２の部分自体が半径方向内方に自己付勢(self-bias)することを許容し、回転体が周囲温度で静止しているときに第１の部分と第２の部分の対向面同士が相補的な接触を達成する段階を有する。

本発明の振動低減ロータ分離システムの態様は、本発明が広く関係するタイプのフライホイールエネルギ貯蔵システムに利用性があるだけでなく、他の高速回転機械、例えばガスタービンエンジンや発電機等にも利用性がある。さらに、振動低減ロータ分離装置およびこのシステムに何らかの制振作用を取り入れる方法についても本発明の技術的範囲に含まれる。これは、本明細書に記載した基本的な装置に変更を加えることにより達成できる。例えば、装置内に粘性流体を充填し完全に密閉された空洞部を設けて、急激な加速中に回転体内に分離領域を画定することにより、あるいは回転体内に設けたこの空洞部に弾性界面を用いることにより必要な制振を提供する。これらのアプローチは、高速フライホイールエネルギ貯蔵システムの真空度要件や、このようなユニットが完全に密閉されている場合に混入物を入れないように運転する環境が要求される他の機器と整合する。

このような振動分離システムが高速ロータの任意のタイプのものに好ましい特性を有していることに加え、このようなシステムは、空気−オイルミスト、オイル・グリース循環潤滑、固形潤滑系等の任意のタイプの軸受や潤滑系に等しく利用できる。

さらに、振動低減回転機械分離システムの範囲には、本発明のこのようなシステムや方法を、高いトルクを伝達しなければならないが遠心負荷が不適切であるあるいは不適切となり得るシステムに使用することも含まれる。この場合、スプラインを用いた取付けや非円形ローブ式の取付けを用いることができ、これにより、所望の分離が提供され、その結果、システムの安定性が大きく改善される。これらのものは、界面までの半径方向距離が小さいロータ／シャフトアセンブリへの直接使用が最も考えうる用途である。

本発明の範囲に含まれる振動低減ロータ分離システムのいずれの構成においても、弾性要素は、好ましくはロータアセンブリに取付けられるため、動作周波数での周期的な負荷に付されることない。

本発明の一態様では、電力を投入することによりフライホイールを回転させることとフライホイールによるロータの回転により電力を生成することを選択的に行うための手段のロータは、軸方向に細長のシェル形状とすることができる。このシェルは、内部に永久磁石が取付けられた外側円筒形中央部分と、回転可能なシャフトに連結された内側円筒形中央部分と、内側円筒形中央部分と外側円筒形中央部分とを連結する端部とを有する。この端部は、フライホイールとシャフトの回転速度が、フライホイールがシャフトから分離される速度に近づきつつあるとき、外側円筒形中央部分とフライホイールが長時間にわたって一体的に回転することを容易にするためのものである。好ましくは、この端部は湾曲している。さらに好ましくは、端部の間の中間部分の厚さは、内側円筒形中央部分および外側円筒形中央部分よりも薄い。さらに好ましくは、フライホイールは、シェルの中央円筒形部分の外側に取付けられている。

シェルは、隣接する永久磁石の間に軸方向に細長のスロットを有することができる。スロットは好ましくは、シェルの円筒形部分に配置される。スロットの末端は、永久磁石の軸方向末端に対して軸方向内側に配置することができる。一部の複数のスロットを軸方向に位置合せして共通の角度位置に設けることができる。一部のスロットの末端は、永久磁石の軸方向末端に対して外側に配置することができる。

添付の図面、特に図１を参照すると、本発明の種々の態様を示すとともに本発明の第１の好ましい実施形態であるフライホイールエネルギ貯蔵システムの全体が番号１０で示されている。フライホイールエネルギ貯蔵システム１０は、全体を１２で示すフライホイールと、全体を１４で示すモータ／発電機とを有している。このモータ／発電機１４は、このモータ／発電機１４への投入電力を受けてフライホイール１２を回転させること、あるいはフライホイール１２によってモータ／発電機１４のロータ部が回転することにより電力を発生することのいずれかを選択的に行なう手段を提供する。

フライホイールエネルギ貯蔵システム１０は、全体を１６で示すシャフトをさらに有しているが、このシャフト１６は図１の実施形態では固定されており、その周りをフライホイール１２とモータ／発電機１４の回転可能部（ロータと称する）とが回転する。

フライホイールエネルギ貯蔵システム１０は、好ましくはさらに、図１にその全体を１８で示す真空エンクロージャを含む。フライホイール１２、モータ／発電機１４およびシャフト１６は、好ましくは真空エンクロージャ１８内に配置される。真空エンクロージャ１８の内外を結ぶ電気的接続が適切に提供され、電力をモータ／発電機１４に供給してモータ／発電機１４を駆動するとともに、フライホイール１２を加速して高速回転させ、そこにエネルギを蓄える。同様に、モータ／発電機１４が発電機として働き、フライホイール１２による回転駆動に応じて電力を発生するときには、モータ／発電機１４からの電気的接続が提供される。当然ではあるが、モータ／発電機１４には適切な制御器が提供されている。なお、これらの電気的接続、およびモータ／発電機１４の制御器は、図面を見やすくするため図１には示されていない。

フライホイール１２は、好ましくはハブ２０と、スポークでハブ２０に連結されたリム２２とを有する。なお、スポークは図１には示されていないが、ハブ２０とリム２２を剛体結合するためのものである。

リム２２には、その全体を２６で示すリングが取付けられており、本明細書ではこれを二重環リングと称する。リング２６を二重環リングと称するのは、リム２２に直接接して配置された内方ないし第１の環状リング部２８と、該内方リング２８の外縁に配置された外方ないし第２の環状リング部３０とから構成されることが好ましいためである。

内方ないし第１の環状リング部２８は、好ましくは熱膨張差に基づく組立てによって前記第２のリング３０の内側に取付けられる。具体的には、リング２８を冷却してリング２８を収縮させる。ついでこのアセンブリをリム２２に取付ける。リム２２は、好ましくはアルミニウム製またはアルミニウム合金製である。

一旦加熱と冷却が完了したら、リム２２を二重環リング２６内に嵌装し、このアセンブリを室温まで自然冷却させる。室温ではこれらのパーツは締り嵌めの状態にあり、これにより二重環リング２６はリム２２上に緊密に保持される。内方リング２８と外方リング３０とからなる二重環リング２６の組立てにも同様の手法を用いるのが好ましい。熱膨張差に基づく組立てによってリム２２と第１のリング部２８の間には隙間のない界面３２が達成され、非常に高い内圧がリム２２からリング２８へと及ぼされ、また逆にリング２８からリム２２へと及ぼされる。

フライホイール１２は、具体的にはそのハブ部２０でスプール３４に取付けられる。スプール３４は、軸受アセンブリ３６によってシャフト１６の周りを容易に回転できる。図を見やすくするため、複数ある軸受アセンブリ３６のうちの一部のみを図１に符号で示した。軸受アセンブリ３６の個々の構成部品、例えば軸受ボールや軸受の内方・外方リング等については、図を見やすくするため図１には示していない。これらの部品に関しては、他の図面でより詳細に部材番号を付して示す。

スプール３４は中央ハブ部４０を有する。中央ハブ部４０の内側には環状スリーブ３８があり、これは軸受アセンブリ３６の外方リングに結合されてシャフト１６の周りを回転する。軸受アセンブリ３６は軸受ボール４２、外方軸受リング４４および内方軸受リング４６を有する。これらの軸受アセンブリのさらなる詳細を図５、図６、図７、図８および図９に示すが、図を見やすくするため、これらの図でも個々の軸受ボール４２、外方軸受リング４４および内方軸受リング４６についての個別の部材番号表示は行なわない。

スプール３４は環状伸長部４８を有し、これは垂直上方に延び、永久磁石５０とともにモータ／発電機１４のロータ部を画定している。このモータ／発電機１４は、投入電力を受けてフライホイール１２を回転させるか、あるいはフライホイール１２によってモータ／発電機１４のロータ部が回転することにより電力を発生するか、このいずれかを選択的に行なう手段を提供する。永久磁石５０は環状伸長部４８内に取付けられ、その周りに角度的に離間して配置されている。

真空エンクロージャ１８の底部には、その全体を６０で示す底部垂直支持部材が固定シャフト１６を支持している。これに対応する頂部垂直支持部材６２もまた真空エンクロージャ１８の一部となっており、底部垂直支持部材６０と共同してシャフト１６を図１に示すように垂直に保持している。

底部垂直支持部材６０は上向きに固定環状リング磁石５８を支持しており、このリング磁石５８は、スプール３４のバランスリング１２２の底部に取付けられた回転環状リング磁石５６による磁力に対抗するように配置されている。これら２個の磁石の極性は同一であり、よって互いに反発力を及ぼし合う。その結果、底部垂直支持部材６０はフライホイール１２とモータ／発電機１４の回転部とからなる回転アセンブリの重量を効果的に支えることができ、これにより軸受アセンブリ３６が受けるフライホイール１２とモータ／発電機１４の重量からくる相当なスラスト負荷が軽減される。

頂部垂直支持部材６２は、冷却水導入通路６４と冷却水排出通路６６を有している。これら通路６４、６６は頂部垂直支持部材６２内に形成された環状冷却水槽６８に接続されている。

水槽６８には、その半径方向外方側の表面に複数の冷却フィン７２が形成されている。これらの冷却フィンはモータ／発電機１４のステータ部に近接しており、モータ／発電機１４のステータ部から放射される熱を、頂部垂直支持部材６２に設けられた環状冷却水槽６８内に貯留されている冷却流体（好ましくは水）へと、流体対流で移動させる。

モータ／発電機１４のステータ部は、垂直方向に直列的に接触して並んでいる複数の環状リング７４として明示され、これらは図１に示されているが、図を見やすくするため断面図にはしていない。各リング７４は、シャフト１６と同軸であり、またフライホイール１２とモータ／発電機１４の回転部の回転軸とも同軸である。環状リング７４には開口部が形成されており、全体を図１に示すモータ巻線がこの開口部に収納されている。

モータ／発電機１４のステータの一部を構成している環状リング７４の積層体を図１０に示す。環状リング７４に形成された開口内に収納されたモータ巻線７６については図２５に示す。

図１０と図２５に最も良く示されているように、モータ／発電機１４（好ましくはブラシレスで、内外が逆転し半径方向に間隙を有するＤＣモータ／発電機）のステータ部はシャフト１６に固定結合されており、互いに接する複数の同軸環状リング７４を有する。各リング７４の周縁部には、複数の開口部が互いに離間して連なるように設けられており、これらの開口部は前記リング７４の外周面（図１０、図２５では部材番号をもって示されていない）に開いている。リング７４の開口部は、各リング面を見たとき実質的に長方形状を呈する開口として形成されている。各開口部は、リング外周面に散開するように設けられた個々の溝部によってリング外周面に通じている。これらリング７４に形成された開口部と溝部とは、各リングの中心が開き、かつ、図１に示すようにフライホイール１２と同軸となるよう軸の周りに整列されている。

巻線７６は、長方形開口部の空間を占めるとともに各開口部同士を連結し、軸を同じくして互いに接しているリング群７４の軸方向長さにわたって延在している。図１０に、長方形開口部のひとつを１２６で示す。図１０では複数の溝のひとつを１２８で示すが、この溝によって長方形開口部１２６はリングの周縁に通じ、したがってステータの外部とも通じている。リング７４の周縁は図１０では１３０で示されている。

図１０には、モータ／発電機１４のロータの一部を構成する２個の永久磁石５０も示されている。

ここで再び図１を参照すると、底部垂直支持部材６０は、回転しているフライホイールおよびモータ／発電機１４の回転部の重量を支えるだけではなく、底部垂直支持部材６０はさらにその内部でシャフト１６が回転しないように保持している。

図１に示すようにシャフト１６は、このシャフト１６の底部から中心を穿って延びる中央ボア１３２を有する。この中央ボア１３２は、冷却流体（好ましくは液体、特に好ましくは水）をシャフト１６の内部に供給するためのものである。シャフト１６内のボア１３２は、上下軸受アセンブリ３６のそれぞれのごく近くでこれらを越えて延在するようにシャフト１６の長さに沿って十分長く軸方向に延設されたものであることが好ましい。シャフト１６内のボア１３２に冷却流体（好ましくは水）が存在すると、フライホイール１２およびモータ／発電機１４の回転部が非常に高速に回転する際に軸受アセンブリ３６に発生する熱のヒート・シンクとなるものである。

真空エンクロージャ１８の内部を環状に取り囲むように延びているのがクラッシュガード９４で、これは前記真空エンクロージャ１８の一部となっている。図１に示すように、クラッシュガード９４は好ましくはフライホイール１２の垂直方向両端の上方および下方にわたって垂直に延び、フライホイール１２やフライホイール１２の支持構造が破損した場合には、フライホイール１２やその部品が遠心力で半径方向外方向に飛ばされるので、それら部品はクラッシュ・ガード９４に衝突し、真空エンクロージャ１８内部にこれと接して保持される。

スパナ・ナット１１６は内側が溝切りされており、環状スリーブ３８の下端の周囲、半径方向外方に向いて形成されたねじ山に係合している。環状スリーブ３８の上端に位置するスパナ・ナット１０６と同様、スパナ・ナット１１６は軸方向に延びる部分１１８を備えるか、あるいは軸方向延長部１１８と同じ形状のシムを支え、中央ハブ４０に形成された下方を向くショルダ部と環状スリーブ３８の半径方向外方に向く表面とによって規定される凹部に収容される第２のＯリング１２０を支え、かつこれを所定位置に保持するかのいずれかとすることができる。なお、この凹部は図２に示されている。

本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵システムは、その動作中、フライホイール１２とモータ／発電機１４の回転部とが急激に加速され、フライホイール１２に生じる遠心力でフライホイール１２は外方へと付勢される。フライホイール１２とモータ／発電機１４の回転部とが回転し続けると、これらの部品は、非常に大きな振幅の振動を起こす臨界ないし共振周波数に近づいていく。

本発明のフライホイールエネルギ貯蔵システムにおいては、回転部に作用する遠心力は、フライホイールの中央ハブ４０と環状スリーブ３８の接触領域において、中央ハブ４０をスリーブ３８から引き離してしまう。この現象を図６、図７、図８および図９に示す。具体的には、図６と図８では、本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵システムは、そのフライホイール中央ハブ４０が環状スリーブ３８に対面接触している状態を示す。これは、臨界ないし共振周波数を充分下回る低速時における環状スリーブ３８と中央ハブ４０の様子である。

図７と図９は、フライホイールエネルギ貯蔵システムの構成、特に、中央ハブ４０が環状スリーブ３８から半径方向外方に動いたとき環状スリーブ３８と中央ハブ４０の間に小さな間隙ないしクリアランスができている様子を示す。第１および第２のＯリング１１０、１２０は、環状スリーブ３８として定義される内側回転部材と上下軸受アセンブリ３６各々の外方リングとの間に連続した弾性結合を提供するとともに、スプール３４として定義される外側回転部材と、フライホイール１２およびこれに関連する各種部品との間に連続した弾性結合を提供する。

図９に示すような分離が生じた場合には、スプール３４並びにフライホイール１２およびこれと一体に回転する部品によって規定される回転アセンブリのための軸受支持システムのばね定数の低下が低下するので、スプール３４とフライホイール１２がスリーブ３８と緊密に係合していた場合の回転部材の臨界周波数と比べ、相対的に低下した臨界周波数となる。間隙が拡大すると、Ｏリングは環状スリーブ３８とスプール３４の中央ハブ４０の間にのみ接触を許容するので、スプール３４とフライホイール１２およびこれに剛性的に結合されるとともにこれとともに回転する各種部品とで規定される回転アセンブリの臨界速度、並びに、環状スリーブ３８と上下軸受アセンブリ３６各々の外方リングとで規定される回転アセンブリの臨界速度が、これら２種のアセンブリ各々の回転速度を下回るようになる。第１および第２のＯリング１１０、１２０には実質的に荷重が作用しておらず、内側、外側の回転アセンブリ間にエラストマー性の組付けを提供するので、これらＯリング１１０、１２０は非常に長寿命である。

スプール３４は、その下端にバランスリング１２２をさらに備えている。バランスリング１２２は、図１に示すように、回転環状リング磁石５６を収容するとともに、中央ハブ４０の底部と螺合により係合している。

バランスリング１２２は、図１に図示していない複数のバランスねじを備え、これらのバランスねじにより、組立て後のロータの動的バランスをとることが容易になる。ベベルワッシャ１２４は、スプール３４とフライホイール１２を規定する回転部品全てが遠心膨張（拡径）することからくる大きなポワソンの横方向曲げ(Poisson's transverse deflection)下において、バランスリング１２２を定位置に保持する。

本発明のフライホイールエネルギ貯蔵システムは、システム重量１ｋｇ当たりほぼ５〜８キロワットという高い比出力を提供する。本装置では、サージパワーユニットに対する充電時間は早く、１〜２分である。また、本発明を具現化した各種システムでは約１０〜２０年という長い製品寿命が期待できる。高比エネルギ型の本発明フライホイールエネルギ貯蔵システムの場合、このシステムは１００,０００パワーサイクルで約８０〜約１００ワット時／ｋｇを実現する。このシステムの全体としての効率は９０％を越える。

本発明を具現化したフライホイールエネルギシステムの典型的な操作パラメータと寸法を表１に示す。

本発明フライホイールエネルギ貯蔵システムのフライホイールリングは、好ましくは二重環で複数の材料を用いたものである。好ましくは、内方リングは二酸化ケイ素ガラス／エポキシ複合材料材であり、一方、外方リングは炭素／エポキシ複合材料材である。リングのハブは７０７５−Ｔ６５１アルミニウムであることが好ましい。システム運転１００,０００回の場合、フライホイールは３０,０００ｒｐｍで動作するようにスピードを決定した。フライホイールの最終的な速度は故障前で５０,０００ｒｐｍ超である。本システムは−４０℃〜＋８０℃の温度範囲にわたって動作可能で、４０キロワットの定格出力を扱うことができる。

本フライホイールの外径は通常約３８．１ｃｍ（約１５．５ｉｎ）で、軸高は約７．６２ｃｍ（約３．５ｉｎ）である。また本フライホイールの行程容積は約１０，８１５ｃｍ^３（約６６０ｉｎ^３）である。本発明を具現化した種々のフライホイールエネルギ貯蔵システムに関する典型的工学データを表１に示す。

本発明の各種態様を具現化したフライホイールエネルギ貯蔵システムの他の一実施形態を図４に示す。図４中、フライホイールエネルギ貯蔵システムは、その全体が４１０で示されており、４１２でその全体を示すフライホイールと、４１４でその全体を示すモータ／発電機と、４１６でその全体を示すシャフトとを含む。図４に示す実施形態のフライホイールエネルギ貯蔵システムにおいては、シャフト４１６は回転する。これは図１および図２に示した実施形態のフライホイールエネルギ貯蔵システムと異なる点である。

図１および２に示した例ではシャフト１６は静止しており、フライホイール１２とモータ／発電機１４の種々の部分がその固定シャフト１６の周りを回転するものであった。

図４では、モータ／発電機４１４は、全体を４１８で示すステータと全体を４２０で示すロータとを有し、ロータ４２０はシャフト４１６に固定的に結合されて、ステータ４１８の内側にこれと同心かつ半径方向に離間して配置されている。ロータ４２０は軸方向に延びた複数の永久磁石を備え、その１個の全体を番号４５０で図４に示す。前記複数の永久磁石４５０は、ロータ４２０の外部の周縁に沿って互いに離間して配置されており、ステータ４１８に対向している。

シャフト４１６は軸方向のボア４９０を有し、これはシャフト４１６内で先細とされている。図４に示すように軸方向のボア４９０は、図４の左側で比較的大径であり、図４の右側で先細となり比較的小径とされている。ボア４９０の小径部はシャフト４１６の端部に近接している。

軸方向のボア４９０の中には熱伝達性流体（好ましくは水）が存在する。これを図４では４２２で示す。流体４２２は、先細のボア４９０の軸方向長さに沿って熱を移動させるが、これは流体４２２がボア４９０の大径部（図４中左方）で蒸発しボア４９０の小径部（図４中右方）で凝結することによる。

全体を４１０として図４に示したフライホイールエネルギ貯蔵システムは、さらに、図１の真空エンクロージャ１８と同様の真空エンクロージャを少なくともシャフト４１６を囲むように備えるとともに、フライホイール４１２およびモータ／発電機手段４１４を備えて、フライホイール４１２の回転時、熱の発生と摩擦損失を抑制するのに必要な高真空環境を提供できるようにすることが好ましい。なお、図を見やすくするため、真空エンクロージャは図４には示していない。

フライホイールエネルギ貯蔵システム４１０は、さらに軸受アセンブリを有し、この全体を図４中、４３６で示す。この軸受アセンブリ４３６により、シャフト４１６、フライホイール４１２、およびモータ／発電機４１４はロータ４２０の軸の回りに容易に回転できる。図４に概略を示すように、軸受アセンブリ４３６は、内方リング４４６、外方リング４４４および複数の軸受ボール４４２を有する。

図４に示すように、フライホイール４１２は、図１のフライホイールとは異なるタイプの構造とすることができる。もちろん、図１のフライホイール構造を図４の装置に用いてもよいし、その逆もまた可能である。

フライホイール４１２は、複数の互いに接着されていない(unbonded)連続フィラメント状リング４２４を有し、このリング４２４はピアノ鋼線その他の低価格のフィラメント状材料で製作することができる。リング４２４を構成する非接着連続フィラメントは、巻回プロセスを経る際に固体潤滑材でコーティングされ、これにより、ロータが高速フライホイールエネルギ貯蔵システムに要求される回転速度レンジにわたって作動する際、遠心力の作用による伸長や収縮で互いに擦れ合って各フィラメント表面が損傷されるのを防ぐ。

前記リング４２４は、ハブロータ４２８の外側に形成された、断面カップ状の環状体４２６に保持されるのが好ましい。あるいは、フィラメント状リング４２４を囲むように複数のバンドを提供し、これらフィラメント状リング４２４をいくつかの束に束ねて区分けしてもよい。これらのバンドは、図４に示した断面カップ状の環状体４２６の代替物として用いることもできる。この構造は、固定された公益事業設備用途ないし産業用途向けの大きなフライホイールエネルギ貯蔵システムにおいて特に適切である。そのようなシステムではフライホイールは図１に概要を示す複合材料フライホイール１２が到達しうる回転速度に比べ比較的低速度で回転するからである。

引き続き図４を参照すると、モータ／発電機４１４のロータ４２０は、永久磁石４５０を有し、この永久磁石４５０は積層バックアイアン４３０によってシャフト４１６に取付けられている。永久磁石４５０は複合材料（好ましくはグラファイト材料）からなる包装をもって定位置に保持できる。積層バックアイアン４３０は直列に併置された環状リングにより製作することができ、これは図１のフライホイールエネルギ貯蔵システムにおけるステータの部品として用いたものと同様のもので、図１に係るリングについては図１０と図１１に示すが、電機子巻線のスロットは示していない。

フライホイールハブ４２８と回転シャフト４１６との間の結合は、加硫化エラストマー部材４３２によることが好ましい。そのようなエラストマー部材は、角加速度が上昇するにつれハブ４２８がシャフト４１６から離れる方向に動くときハブ４２８とシャフト４１６の間の接続を行う。本システムは図１、図５、図６、図７、図８および図９を参照しつつ、前述したシステムと同様のものであり、ハブ４２８とシャフト４１６の間の界面である面４３４で遠心力によりハブロータ４２８がシャフト４１６から分離する際の持上がりを容易とする。このような遠心力下での分離は、半径方向に残る不均衡負荷を低減させるが、このような低減がないと、フライホイール４１２とモータ／発電機４１４のロータ４２０との回転の結果、軸受アセンブリ４３６がこの残存不均衡負荷を受けてしまう。

軸に設けたボア４９０はシャフト４１６内に密封封止され、熱伝達流体４２２とともに内蔵回転ヒートパイプとなり、図４のフライホイールエネルギ貯蔵システムの熱バランスを提供する。

フライホイールの回転時、熱伝達流体４２２は、軸受アセンブリ４３６とモータ／発電機４１４のロータ４２０とによって生じる熱により沸騰して気化する。この沸騰は先細のボア４９０の大径部端（図４中、Ｌと記す）で起こる。このようにして生じた気相熱伝達流体は、先細のボア４９０の小径部端（図中、Ｓと記す）へと流れる。この小径部端では、気相熱伝達流体４２２はシャフト４１６内へと熱を奪われる結果、先細のボア４９０の小径部端で凝結する。シャフト４１６内における先細のボア４９０のこの小径部端は、このボア４９０の他の部分より低温度に維持されるが、これは先細のボア４９０の領域Ｓの近傍でシャフト４１６から半径方向に延び、互いに近接している冷却フィン４３８が配設されているためである。

一旦熱伝達流体が凝結して液相に戻ると、この液は遠心力により先細のボア４９０の壁に沿って軸方向に小径部の領域Ｓから大径部の領域Ｌへと流れ、そこで再び熱移動のサイクルが開始する。シャフト４１６内のこのヒートパイプによって、シャフト４１６の効果的な熱伝導は大幅に向上する。

シャフト４１６から半径方向外方に延びる冷却フィン４３８は、口を開けた蛤の貝殻が並んだ形状の固定熱伝達フィン４４０の内側に嵌装されるのが好ましい。これらのフィンは、好ましくは真空エンクロージャ４４８の内側から延設され、かつ好ましくは真空エンクロージャ４４８と一体とされる。これにより、フライホイールエネルギ貯蔵システム全体の冷却を、自然力利用の内蔵型のものとすることができる。

図にはシャフト４１６の一端のみを示すが、好ましくはシャフト４１６内には２個のヒートパイプが存在するものと理解されるべきである。２個のヒートパイプが存在することにより、軸受アセンブリ４３６がフライホイール４１２の軸方向両端のいずれにあっても冷却できる。

フライホイールエネルギ貯蔵システムが運転される際、真空エンクロージャ４４８の内部に熱が発生するが、この発生した熱を逃がすために必要な対流冷却を周囲空気に提供するため、真空エンクロージャ４４８は第２の冷却フィン群４４０に近接して複数の一体化された対流冷却フィン群４５２を備えるように構成されることが好ましい。このようにすることにより、第２の冷却フィン群４４０が受け取る熱は真空エンクロージャ４４８の構造を通って伝達され、対流冷却フィン群４５２を介して周囲空気を対流させることができる。

ステータ４１８は図４には示していないが、図１、図１０および図１１に示したステータと同じタイプおよび構造とすることができる。

図５は本発明の種々の態様を具現化したフライホイールエネルギ貯蔵システムのさらに他の実施形態に係り、ここではフライホイールエネルギ貯蔵システムの全体を５１０で示す。このフライホイールエネルギ貯蔵システムは、全体を５１２で示すフライホイールと、全体を５１４で示すモータ／発電機と、全体を５１６で示す固定シャフトと、全体を５１８で示すとともに本システムのこれら部品を全て内包する真空エンクロージャとを含む。

図５に示す実施形態のフライホイールエネルギ貯蔵システムにおいては、フライホイール５１２は内側環状部５２０と外側環状部５２２とを有し、これら両部分はそれぞれ図１に示すフライホイール１２の内方および外方環状リング部２８、３０と同様のものである。

図５中、全体を５２４で示すシェル部材は、フライホイール５１２を支えるハブとして機能するとともに、シェル部材５２４が回転する際、永久磁石５２６を担持している。よって、シェル部材はモータ／発電機５１４のロータ部としても機能する。シェル部材５２４は軸方向に延びる外筒部５２８を有し、その中に永久磁石５２６が取付けられている。

シェル部材５２４は、さらに図５中、５３０で示す内筒部を有し、これは図５中、全体を５３４で示す軸受アセンブリによってシャフト５１６の周囲に回転する内側スリーブ５３２に対し互いに補完的に係合嵌合している。シェル部材５２４を構成する外側および内側の筒状部５２８、５３０は実質的に閉じた湾曲終端部５３６で互いに連結されている。

フライホイール５１２が急速に加速すると、遠心力がフライホイール５１２に固定されている外筒部５２８を内筒部５３０およびシャフト５１６から見て半径方向外方に移動させるように作用するので、外筒部５２８はこれらから半径方向に離れる。この離間は、角加速度の上昇につれ遠心力によりカップ状リング５１７が内側スリーブ５３２から離れる方向に動くにつれ、内側スリーブ５３２とカップ状リング５１７の間で起こる。内筒部５３０は図５中、５１９で示す薄い部材を有するが、この薄い部材５１９は内筒部５３０を構成するより重い部分との間で弾性結合を形成する。内筒部５３０は、また、湾曲した閉じた端部５３６を有する。よって内筒部５３０の薄い筒状部５１９は、もしこれが金属で製作されていても離間された回転部材同士の間の接続を継続してなし、図１、図２、図６、図７、図８および図９に示し、先に説明したＯリングと同じ機能を果たす。

外筒部５２８は永久磁石５２６を支持している。この永久磁石５２６を支持している外筒部５２８は「バックアイアン(back iron)」とも称される。なぜなら外筒部５２８はモータ／発電機５１４のロータの機能をなすからである。

好ましくは外筒部ないしバックアイアン５２８は鉄合金であり、また、スロット５３８によってセグメント群５４０に分けられ、各永久磁石５２６の背部に当接してこれを支持するようにされていることが好ましい。好ましくはシェル部材５２４は軸方向に複数の長いスロットを有し、これらのスロットは外筒部５２８において、隣接する永久磁石５２６同士の間に配置される。スロット５３８の端部は各永久磁石５２６の軸方向端部から軸方向内部側に延びるものとすることができる。スロット５３８の内のいくつかを軸方向に整列させるため、角度配置を共通にすることができる。

これに代る一構成では、スロット群５３８の少なくともいくつかの端部が永久磁石５２６の軸方向端部から外に出ている。この場合、外筒部５２８は連続スロット５３８によって複数のセグメントに分割されるか、あるいは外筒部５２８の軸方向全長より短いスロット５３８によって部分的に複数のセグメントに分割される。

好ましくは、シェル部材５２４の外筒部５２８は、フライホイール５１２の内側環状部５２０のボアの内部に、広領域にわたる締り嵌めで組立てられる。これにより、組立て時、スロット５３８で画定される間隙は閉止されている。フライホイール５１２が加速されその速度が上昇すると、所定の設計速度においてスロット５３８は開き、図５に示す間隙を有するようになる。外筒部５２８が、図５のスロット５３８の境界を画定するものとして示されている複数領域の間の部分と緊密に押圧されて接触している状態から、回転速度において図５に示す状態へと移行することは重要である。スロット５２８を規定しているエッジが互いに接触しているときは、永久磁石５２６の磁力線はこれらエッジを容易に横切るが、スロット５３８が開いているときには通過の容易さは大いに低下する。これはモータ／発電機５１４のステータ部において非常に好ましい磁場低減効果(field-weakening effect)をもたらすからである。図５の構成に代え、リラクタンス設計モータを用いてもこの効果は得られる。この置換によれば、回転磁石は用いないのでフライホイールリングに作用する遠心力が低下する。

図５のフライホイールエネルギ貯蔵システムの熱バランスは、真空エンクロージャ５１８の一体化された一部として提供されている冷却フィン５４２の存在によって向上する。なお、真空エンクロージャ５１８は、その一方、シャフト５１６とモータ／発電機５１４のステータ部との両者と熱的に接続されている。最も好ましくは、全ての電気的接続は固定シャフト５１６の端部を介して達成され、これら全電気的接続は、図５に示す真空エンクロージャ５１８から延びるようにされるのが好ましい。その場合、真空のフィードスルーは必要ない。

図２１は、図１および図３のシステムと同様の固定垂直シャフトフライホイールエネルギ貯蔵システムのための固定ヒートパイプ冷却システムを示す。ここで、永久磁石５０によりモータ・ロータの内側に収納されているモータ・ステータ内部のボイラないしエバポレータ１９２がステータおよび軸受からの熱を移動させる。エバポレータ１９２からの蒸気はコンデンサ１９４へと上昇し、対流フィンによって冷却され、そこで凝結した液体は重力で落下しボイラへと戻され、このサイクルが最初から繰り返される。

図１０および図２５を参照すると、高速の広範囲にわたって稼動するフライホイールエネルギ貯蔵システムのためのコンパクトで高効率なモータ／発電機電機子ステータの詳細構造が記載されている。最小のコギング(cogging)で最大の効率を得るための、周縁が歯状形状とされた非常に薄い合金製積層リング７４が複数枚積み重なって、ステータの一部を画定している。ロータの永久磁石５０はこのステータの周りを回転する。図２５の電機子巻線７６は、歯状スポークにより画定された開口部の全てに完全に充填され、完成後のシステムに最大の効率と電力密度を提供するように巻かれている。

図１を再び参照すると、本発明の態様を具現化するフライホイールエネルギ貯蔵システムが示されており、このシステムは、予め応力がかけられた巻繊維強化二重環複合材料リング２６を有し、このリングは可撓性−リム・ハブ２０に取付けられている。前記ハブ２０はさらに、スプールロータアセンブリに熱的に取付けられている。前記アセンブリをより詳細に図２、図６、図７、図８、図９に示す。このスプールロータアセンブリは、内外が逆転し、半径方向に間隙を有するブラシレスＤＣモータ／発電機１４を有する。回転する永久磁石５０はスプールロータ３４の内側に取付けられ、ステータの固定電機子は固定シャフト１６の上端に取付けられている。このように、電機子の水冷却は、真空エンクロージャ１８の外側の供給接続部から、内部環状冷却水リザーバ６８を画定するフィン付き内部通路により行われる。

同様に、ハイブリッド−セラミック製アンギュラコンタクトボール軸受アセンブリ３６への水冷却を、アセンブリの底部の真空エンクロージャ１８の外側のフィッティングから提供することができる。この軸受アセンブリ３６は、特別設計のケージを有し、その潤滑は、低揮発性グリースで行うとともに固体潤滑材で補助するものである。水は、この軸受冷却水がアセンブリ内の上側軸受３６と下側軸受３６の両方の近傍に均等に循環するように、ボア１３２を通ってシャフト１６の内部へ供給される。

永久磁石システム５４は好ましくはアセンブリ内に組み立てられ、回転リング磁石５６と固定磁石５８の間に起こる反発作用がロータのデッドウェイトを支持し、軸受アセンブリ３６にはプレロードのみが作用するようにする。磁石には、これら磁石における電力損失を最小限にするため、介在バックアイアン・ワッシャ（図示せず）を備えることができる。軸受のプレロードは、カートリッジ８２内の複数のコイルばね８４により行われる。カートリッジ８２は、シャフト１６との間に小さな間隙を有し、シャフト１６上を摺動する。この間隙には、真空で使用できる適切な潤滑材が提供されており、カートリッジ８２はシャフト１６に対しキー止めされている（キーは図示せず）。これにより、高ロータ速度でカートリッジ／シャフト表面に有害な磨耗や摺動傷が発生することを防止するとともに、フライホイールエネルギ貯蔵システムに残る不可避の振動を防止する。

図１の真空エンクロージャ１８内には、リング破損時の対策としてフライホイールリングクラッシュガード９４が設けられている。このガード９４は、好ましくは鉄鋼あるいは軽量、超高強度の繊維強化複合材料で形成されている。さらに、真空エンクロージャ１８（例えばアルミニウム製、さらに複合材料で覆うこともできる）には、真空エンクロージャ１８の頂部でモータ電機子を画定する頂部鉛直方向支持部材６２と、底部で固定ハブを画定する底部鉛直方向支持部材６０とが設けられている。これら支持部材６２、６０の両方によって、固定シャフト１６の両端が支持されている。

カートリッジ８２内の軸受プレロードばね８４は、このカートリッジが上方軸受内方リング１３４に対して付勢されるように、ロックナットあるいはキャップ８２により固定シャフト１６に保持されている。シャフト１６の肩部の寸法は、ロックナットあるいはキャップ８２がこの肩部に座り、ロックナットと肩部の間に小さな間隙が残るような寸法となっている。この間隙は、不意に高不均衡により軸受に半径方向負荷が作用して内方リング１３４が上方に押された際に、カートリッジ８２のための止め部として作用する。上方に押されると２個の軸受内方リング間の軸方向距離が大きくなり損傷する可能性があるが、止め部によりこれを防止することができる。

物質ゲッター２５が真空エンクロージャ内に設けられている。これは、風損やフライホイールリングの加熱を取り扱い可能なレベルに低減するのに必要な真空度まで真空エンクロージャ内を排気した後の残存気体を吸収するためのものである。これにより、排気後に真空ポンプを取り外すことができるとともにフライホイールエネルギ貯蔵システムの設計寿命を通じて高真空度を維持できる。

静止中のハブを画定する底部鉛直方向支持部材６０とクラッシュガード９４とモータ／発電機部分のステータとを有するエンクロージャ１８の全体は、フライホイールエネルギ貯蔵システムを車両用途に使用する場合に、ジャイロスコープで操作する対軸受負荷を最小限にするように歪ませるため、図示しないジンバルあるいは軟性弾性リングに支持することができる。固定して利用する場合や連続的な電源用途の場合には、このアセンブリを支持するため、標準的な市販のモータマウントにフェイルセーフの機能を付けて使用することができる。フェイルセーフ機能は、稼動中に起こる如何なる機器の故障時にも良好な方法でフライホイール内の全ての運動エネルギを吸収するためのものであり、これについては追って説明する。

図２２を参照すると、基本的には図１の設計と同じロータ支持システム２０１が上部と底部の両方に使用されている。このシステム２０１は、ロータ連結要素２０２を介して軸方向に延在し、連続管状体２０３の各端部を支持している。この管状体２０３に、図１と同様に、複数（図２２では５個）の二重環複合材料フライホイールリング２０４が支持されている。このようにして、エネルギ貯蔵容量を高めたフライホイールエネルギ貯蔵システムを構成するため、図１に図示した装置の基本的な安定性が利用される。図２２のモータ／発電機は、図１のモータ／発電機と異なる部分を示すため一部のみを図示している。図２２に示すモータ／発電機のロータ２０５は、本発明の本実施形態においては、真空環境においてこのロータの放射冷却を提供するためのフィン付きの構成で形成されている。ロータ２０５のフィン付き部分から放射された熱を受け取るため、真空エンクロージャの内側に、この部分の形状と整合のとれた（matching）蛤の貝殻状（クラムシェル状）の内向きフィン付き要素（図２には図示していないが、図３には図示されており、これについては追って説明する）が嵌合されている。

図２２に示すように、組み立て後のロータのダイナミックバランス調整を容易にするため、上側フライホイールハブの上方と下側ハブの下方とに、バランスねじ２０６が円周状に配置された列が２列設けられている。両フライホイールハブの小さなテーパが付いた端部にベルビル(Belleville)ワッシャ２０７が設けられており、これにより、これらハブが遠心力により拡径することにより生ずる大きなポアソン横方向歪み下においても、ハブが所定の位置に保持される。ガイドスリーブ２０８は、ロータの上半体を底部半体に対して正確に位置合せして保持する。これら半体の間には嵌合面２０９において、熱利用の組立中、シムにより特定の間隙が提供され、フライホイールエネルギ貯蔵システムの設計動作速度範囲にわたって管状体２０３に対するフライホイールリング２０４の軸方向ポアソン歪みが補償される。これら２個のロータ半体は、スパナナット２１０により、ロータの溝に嵌合する分割リング２１１に対して一体に保持され、スナップリングキー止めワッシャアセンブリ２１２により所定の位置にロックされる。ワッシャアセンブリは、動作中の緩みを防止するが、保守のための分解は容易にできる。同様のキー止めアセンブリ２１２はスパナナット２１３を所定の位置にロックし、下方ハブがロータに保持される。

図３を参照すると、図２２に関して前述したようなフィン付きモータ／発電機ロータ冷却システム３０１が、動作条件下における熱流を管理するために使用されている。これは、追って説明するように、より大きな発生単位の熱を冷却する場合にはヒートパイプを自ら有するものであってもよい。赤外線センサ３０２は、フライホイールリングの温度を検出するとともに、図３には図示していない動作中のモータロータ温度も検出する。さらに、真空エンクロージャ内の動作中のリングを観察するため、透明窓３０３が使用される。このエンクロージャからの真空ライン３０４に設けた真空ゲージスイッチや、アセンブリにおける効果的と考えられる位置に配置した赤外線センサや他の熱電対、加速度計によって、モータ／発電機コントローラ内の特定のコンピュータ回路を起動させ、機器故障の何らかの兆候が現れたときフライホイールエネルギ貯蔵システムをモータモードから電力再生モードに自動的に切り替える。これにより、フライホイールの運動エネルギが、ユーティリティグリッドや抵抗加熱器バンクへ即座に捨てられる。このように、システムは、いずれの機器への損傷も最小限に留めつつ十分に良好な方法で停止することができる。

何らかの理由によりフェイルセーフシステムが意図したように作動しない非常時には、図３のテスト用フライホイールエネルギ貯蔵システムユニットに、トラックサイズ（truck-size）のディスクブレーキ３０５と、強靭な鉄鋼製エンクロージャの周りに配置した体積の大きな弾性バンパ３０６とを嵌合し、ブレーキ過程においてフライホイールからエンクロージャに移動した全ての運動エネルギを吸収する。

図１５を参照すると、図１、図２、図３のフライホイールハブの端面図が示されている。この図１５では、フライホイールエネルギ貯蔵システムの設計速度範囲にわたって、遠心力による歪みのために生じる大きな（substantially）応力を低減するためのハブのスポークとリムの間の交差部４０１の改良された形状が図示されている。さらに、リムのスポーク間の部分の厚い部分４０２により、遠心力によって発生する応力が低減されるとともに、このリムの外側からの圧力が複合材料フライホイールリングの内側全体にわたってより均等に分散される。リムは、このリングに、大面積(large)の締り嵌めによって熱的に取付けられたものである。

図８は、本発明の別の形態を示す。ここでは、組立を容易にするため、またばねカートリッジ６０３からの軸方向の予荷重（プレロード）を作用させやすくするため、固定軸受内方リング６０１は固定シャフト６０２上に緩く嵌合している。軸受外方リング６０４は、緊密な締り嵌めにより回転スリーブ６０５の内側に嵌合している。このスリーブ６０５は、静止時には、緩い締り嵌めによりロータ６０５の内側に嵌合ている。スリーブ６０５とロータ６０６の間には弾性Ｏリングが設けられている。

ロータ６０６の回転速度が上昇すると、回転部分全てが遠心力により膨張（拡径）するため、スリーブ６０５とロータ６０６の間の嵌合部分が開き、間隙６０８が生じる。間隙６０８は、間隙６０８が閉じている場合の臨界軸速度より若干低い速度で形成される。一旦間隙６０８が形成されると、ロータの臨界速度はロータ動作速度より低くなる。これは、Ｏリングの弾性のため、軸受マウントの追従性（コンプライアンス）が高くなるためである。

Ｏリングを使用することの別の重要な利点は、本発明では、これらＯリングがロータアセンブリに取付けられていることである。本発明におけるＯリングは、不均衡と同調して回転するため不均衡による周期的な応力を受けない。低コストのＯリングを弾性要素に使用することにより、長寿命が提供される。

図６、図７、図８、図９は、図１をさらに拡大した図面、断面図であり、フライホイールエネルギ貯蔵システム（や広範な機械における他の任意の高速スーパ臨界ロータ）の広範な動作速度範囲全体にわたって、非常に小さな振動振幅と非常に小さな軸受負荷を達成するための、この振動分離デバイスの動作状態を示す。図１１は、図１２に示す図１の部分の別の詳細図であり、図１、図２に図示し、前述した下方バランスリング６０９と、永久磁石ロータデッドウェイトスラストコンペンセータ６１０が示されている。図１２は、図１１のさらに別の実施形態であり、固定ディスクブレーキキャリパーシステム６１１を有する。このシステム６１１は、このフライホイールエネルギ貯蔵システムのロータの一体部分として形成されたブレーキディスク６１２を支持するように設計されている。

図１９は図１、図２、図６の上方軸受の詳細拡大図であり、固定上方潤滑材シールド６１３と回転下方潤滑材シールド６１４とを示す。この回転下方潤滑材シールド６１４は、アセンブリにロックナット６１５により軸方向に固定されている。上方シールド６１３は軸受内方リング６０１とともにシャフト６０２に緩く嵌められているため、ばねカートリッジ６０３から予荷重が付与されたときシャフト上を自在に移動できる。図２０は、図１９の上方シールド６１３を底部から見た平面図であり、このシールドの下面に機械加工された複数の浅い半径方向の溝６１６を示す。この下面は、上方軸受内方リングの上面と接触する。

図１８を参照すると、臨界速度より高いロータ速度で振動なく運転するために前述した自己潤滑軸受設計のいずれかを高速ロータに取付けるのに使用される典型的な振動分離システムの幾何学的構成が示されている。このシステムはスリーブ５０１を含み、このスリーブ５０１はシャフトと回転軸受リングの間において回転シャフト５０２上に設けられている。スリーブ５０１の各端部は断面が薄い連続リングで構成されており、このリングはシャフト５０２に緊密な締り嵌め５０３で圧接されている。軸受回転リングは、緊密な締り嵌めで、スリーブ５０１の断面が厚い中央リングの外側直径部に圧接されている。中央リングは、シャフトが静止しているときは緩い締り嵌め５０４でシャフトに圧接されているが、シャフトが特定の速度より高い速度で回転しているときには、この中央リングの内側直径部とシャフト５０２の間に間隙５０４が形成されている。

嵌め合い部５０４はシャフトが静止しているときに存在し、シャフトが回転しているときは、リング５０１の中央部分で回転軸受リングアセンブリが遠心力により拡径するため、ロータの第１臨界速度より低い所定のシャフト回転速度において間隙５０４が開く。この中央リングは、その両端において、基本的なリング構成５０１に一体的に機械加工されたリスかご状(squirrel-cage-like )のバー５０５を介して、断面が薄い２個のリングに連結している。これらのバー５０５の断面を見ると、スリーブがシャフトからリフトオフし間隙が形成された後、ロータの臨界周波数をリフトオフ速度より十分低い速度に低減するのに適切な量の弾性追従性が軸受とロータ５０２の間に形成される。これにより、シャフトが臨界速度で回転することが避けられ、よって高い不均衡負荷が軸受にかかることが回避される。

図２４は本発明のさらに別の形態を示しており、図１８においてリング５０１がシャフト５０２に取付けられているのと同様な方法で、振動分離リング７０１が回転シャフト７０２に取付けられている。図２４においては、このリング７０１は追加的な特徴を有している。例えば、この高速アセンブリの熱バランスを提供するための、これと一体に形成された冷却フィン７０３や、前述したようにリフトオフして間隙７０４が創出されるのに必要な、遠心力に付される質量を有するという特徴である。

図２４の設計における別の重要な特徴は、前記リング７０１の内径に設けられた軸方向スカラップ７０５にある。このスカラップ７０５を設けることにより、リング７０１に取付けられた回転軸受内方リングの回転質量が同じ場合、より低い回転速度において、間隙７０４を創出するための、遠心力によるこのリング７０１の拡径が、スカラップ７０５を設けないときよりも大きくなる。リング７０１の端部の薄いリングと中央のリングを連結する断面の薄い環状部分７０６は、必要な半径方向追従性をなすのに十分な長さで形成することができる。また、環状部分７０６は、図１８においてバー５０５として示したリスかご形状で形成することができる。さらに、この高速軸受内の連続的固形潤滑材充填リング７０７は、低強度の潤滑材料内の遠心応力を吸収するためのシュリンクバンド７０８に嵌合されている。

図２６を参照すると、結合装置の別の実施形態が図示されている。この装置は、加速中の回転体が臨界回転周波数を通過することを容易にするものである。この装置では、ロータ６００が、ロータロックダウンナット６０４によりシャフト６０２に対して所定の位置に保持されている。このロックダウンナット６０４は、第１のリフト要素６０６を所定の位置に保持している。リフト要素６０６は、ベルビルワッシャ６１０に負荷を与えているロックダウンナット６０８により所定の位置に保持されている。

任意ではあるが、ボディ空洞部６１２を密閉空洞部として設計し、これに粘性制振流体を充填し、高速運転下でのスクイーズ膜による制振を提供することができる。これに替えて、高速での制振を提供するため、ボディ空洞部６１２にＯリング等の弾性要素を嵌めることができる。

任意ではあるが、全体を６１４で示すシアーピントルク結合を設けることができる。図２６および図２７の矢印６１６は、回転部材が急激に加速したとき、回転部材がシャフトからリフトオフしている状態を示す。

図２８は、一部が除去された回転部材の端面図であり、本発明の結合装置および方法を利用した、回転体の高トルクスプラインアタッチメントを示す。同様に、図２９は、本発明の結合装置および方法を利用した高トルク非円形ローブ（lobe）配置を示す。

図３０は、本発明のフライホイールエネルギ貯蔵システムのフライホイールに使用するための可撓性リム・ハブの別の実施形態の前面図である。図３１は、図３０に図示した可撓性リム・ハブの断面図である。

図３０に示す可撓性リム・ハブは、完成した動作系全体にわたって応力がバランスしているプロファイルを具体化したものである。図３０に示すハブがフライホイールに取付けられているとき、低速度においてはハブとフライホイールリングの間は緊密な締り嵌めとなっている。したがって、低速度では、図３０に示すリブとハブにより画定されるロータは、これに固定されたフライホイールリングと一緒に、剛性体としての挙動を示す。ロータ速度が高くなると、遠心力によって、図３０に示す装置のリムは、スポークにおけるハブの拡径よりも大きく半径方向に拡径する。この現象は、所定の速度で起こり、図３０に示す装置の動作において重要な部分である。

このように分離することで、リフトオフ後にハブとリングの間において半径方向臨界周波数を避けることができる。リフトオフ後、リムは高いねじり剛性も提供するため、動作速度範囲内で捩り臨界周波数を避けることができる。さらに、ラジアルピンの概念は、リムの可撓性部分すなわちスポーク間の中央の部分と周りのフライホイールリングの間を緊密な締り嵌めにすることにより達成されるが、この概念を用いて、ハブ・リムとフライホイールリングの同心性を維持し、リフトオフ後のロータバランスを維持することができる。

この装置の主な利点は、リムの半径方向トラッキング、リング−ハブの同心性の維持、および臨界周波数の回避が、ハブとフライホイールリングの間において、面間に摺動あるいは摩擦が起こることなく緩やかなローリング作用が起こることによって達成されることである。これにより、長いサイクル寿命が得られる。

図３０に示す装置においては、スポーク間の中央領域においてリムが若干厚くなっている。これにより、リムの応力プロファイルが従来技術の設計のものより改善され、必要であればバランスウェイトを付加するための良好な面が提供される。

図３０に示すハブは、リフトオフの間もリフトオフ後も事実上変化しないダイナミック応答を示している。

図２２を参照すると、内側フライホイールリングとして機能する厚い円筒形リングは、好ましくは、金属を母材とする複合材料や特定の編織物(weaves)で製造される。これらは、周方向繊維補強材と軸方向繊維補強材の両方を組み合わせたものや、軸方向強化ポーラーウィーブと組み合わせたものである。厚い円筒形リングは、キャリアリングとして機能するための軸方向特性と、フライホイールリングとして機能するための巻きフィラメント周方向特性の両方を有する。図示のように、ひとつまたは複数のカーボンリングを、好ましくは熱的組立により、厚い円筒形リングに直接組み立てることができる。

ここまで、本発明の好ましい実施形態を記載し、さらに代替的な実施形態についても記載してきたが、本発明が受けるべきと考える保護の範囲は、特許請求の範囲とその均等物、すなわち特許請求の範囲によって文言どおりに定義される主題と実質的に同一の機能を実質的に同一の方法で果たし実質的に同一の結果を達成するものによって定義される。ただし、このような実質的な均等物は、このような実質的な均等物を示す請求項によって定義され、先行技術に記載されていないものに限られる。

本発明の態様を示すフライホイールエネルギ貯蔵システムの第１の実施形態の断面図 図１の構造の円ＩＩ部分の拡大図 本発明の態様を示すフライホイールエネルギ貯蔵システムの第２の実施形態の切欠図 本発明の態様を示すフライホイールエネルギ貯蔵システムの第３の実施形態の切欠断面図 本発明の態様を示すフライホイールエネルギ貯蔵システムの第四の実施形態の切欠断面図 図１に示す装置の円VI−VI部分の断面図 図６に示す構造の断面図であり、フライホイールが回転し、本発明の振動分離装置が作動してフライホイールアセンブリの臨界速度が低減した状態を示す図 図６に示す構造の円VIII−VIII部分の拡大図 図８に示す構造の図であり、フライホイールが回転した結果、本発明の振動分離装置が作動したときの構造体を示す図 本発明の態様を示すモータ／発電機アセンブリの一部を形成するステータディスクと永久磁石の等角図 図９の右手下方の角部分に示す構造の一部の拡大図 図１１に示す構造の変形例の拡大図 図１に示すフライホイールハブにフライホイールリングが取付けられた状態を示す頂面図 図１３の構造の円XIV−XIVの図 図１４に示す構造の円XV−XV部分の拡大図 図５の左側から見た図５に示すフライホイールエネルギ貯蔵システムの実施形態の端面図であり、真空エンクロージャが取り除かれた状態を示す図 本発明の振動分離態様の別の実施形態を示すシャフト、軸受および軸受アセンブリを示す断面図であり、この軸受アセンブリは、シャフトの周りに取付けられた内方リングおよび外方リングと軸受ボールとを有する 振動分離を示す図１７の構造の図 図１および図２に示す上方軸受アセンブリの拡大図であり、軸受の周りの潤滑材シールドと軸受プレロードばねカートリッジの下方部分とを示し、カートリッジおよび上方シールドが固定シャフトにキー止めされている状態を示す図 図１９に示す上方シールドの下方側面の平面図であり、軸受スラスト予荷重が作用している状態において接触表面の磨耗損傷を防止する摺動パッドスラスト軸受構成を示す図 図１および図３に示すフライホイールエネルギ貯蔵システムに用いるのに適した、流体循環ポンプを要しないフライホイールモータステータおよびフライホイールエネルギ貯蔵システム軸受のためのヒートパイプ冷却システムの概略側面立面図であり、一部が取り除かれた状態を示す図 より大きなエネルギ貯蔵容量を得るためのフライホイールエネルギ貯蔵システムを概略的に示す断面図であり、このシステムは、図１と同様ではあるが複数のリングを積上げて利用しており、リングは共通の管状体に取付けられ、管状体は各端部が図１と同様のハブ内に支持されている状態を示す 図２２の底部左側の構造の拡大図 図１７および図１８に示すスリーブを有する回転シャフトを利用した、本発明のさらに別の態様を示す高速軸受アセンブリの断面図であり、本発明の振動分離態様の別の形態を示す図 図１０の円XXV−XXVで切り取った図１０に示す構造体の一部の拡大等角図 本発明の態様を示す、加速中の回転体が臨界回転周波数を通過することを容易にする装置のさらに別の実施形態の概略断面図であり、一部が取り除かれている状態を示す図 図２６の構造体の断面図であり、リフトオフ後の構造体の動作を示す図 本発明の振動分離態様を用いた高トルクスプラインアタッチメントを示す一部が取り除かれた回転部材の端面図 本発明の振動分離態様を用いた高トルク非円形ローブ配列を示す一部が取り除かれた回転部材の端面図 本発明のフライホイールエネルギ貯蔵システムのフライホイールに用いる可撓性リム・ハブの代替的実施形態の前面図 図３０に示す可撓性リム・ハブの断面図 縮尺を大きくすると図１のフライホイールエネルギ貯蔵装置に対応する可撓性リム・ハブフライホイールエネルギ貯蔵装置の断面図 図３２に示す構造の拡大図であり、本発明の可撓性分離態様を利用した変形構造を示す図

符号の説明

１０ フライホイールエネルギ貯蔵システム
１２ フライホイール
１４ モータ／発電機
１６ シャフト
１８ 真空エンクロージャ
２０ ハブ
２２ リム
３６ 軸受アセンブリ

Claims (42)

1. ａ．シャフトと、
   ｂ．前記シャフトに対して回転可能なフライホイールと、
   ｃ．投入電力を受けた前記フライホイールの選択的回転、および、前記フライホイールによって回転される際の出力電力生成を行なう回転部を備えたモータ／発電機と、
   ｄ．前記シャフトに対する、前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部との回転を容易にする軸受手段と、
   ｅ．前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部とを、前記シャフトに対して回転可能な前記軸受手段の一部に接続する接続手段とを有し、この接続手段は、
   ｉ．前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部とに強固に接続されている中央ハブ部と、
   ｉｉ．前記シャフトに対し前記軸受手段の部分と一体に回転可能な環状スリーブとを有し、
   ｉｉｉ．静止時、前記中央ハブ部および環状スリーブは接触しており、
   ｉｖ．さらに、前記環状スリーブと前記中央ハブ部と前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部とからなる結合体の回転が、遠心力によって前記環状スリーブから前記中央ハブ部が離れる速度に到達するとき、前記中央ハブ部に対し前記環状スリーブを一体回転するために前記環状スリーブと前記中央ハブ部とを接続する弾性接続部材を有するエネルギ貯蔵装置。
2. 前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部の前記回転が一体的である請求項１に記載の装置。
3. 前記弾性接続部材が環状である請求項２に記載の装置。
4. 前記弾性接続部材がＯリングを構成している請求項３に記載の装置。
5. さらに、
   ａ．前記フライホイールを取り囲む真空チャンバと、
   ｂ．排気するポンプと、前記真空チャンバを実質的に真空に維持する密封手段と
   を有する請求項１に記載の装置。
6. 前記弾性接続部材が複数のＯリングを含む請求項５に記載の装置。
7. 前記弾性接続部材が２個のＯリングからなる請求項６に記載の装置。
8. 前記Ｏリングが前記軸受手段と軸方向に整列している請求項７に記載の装置。
9. 前記Ｏリングが前記軸受手段から半径方向外方にある請求項８に記載の装置。
10. 前記中央ハブ部と前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部とからなる結合体の回転が、遠心力によって前記環状スリーブから前記中央ハブ部が離れる速度に到達するとき、前記中央ハブ部および前記環状スリーブの間の離間領域が結果として生じる請求項１に記載の装置。
11. 前記弾性接続部材がＯリングを構成し、前記Ｏリングは、前記中央ハブ部および前記環状スリーブの前記離間した前記領域の軸方向における端部より軸方向内方にある請求項１０に記載の装置。
12. さらに、
    ａ．前記モータ／発電機の回転部に接続され回転軸受エレメントを収容するために内方を向いたレースを備えた外側軸受部材であって、前記内向きレースはこの外側軸受部材に関連して前記回転軸受エレメントの回転運動を許容するようになっている外側軸受部材と、
    ｂ．前記シャフトに接続され前記回転軸受エレメントを収容するために外方を向いたレースを備えた内側軸受部材であって、前記外内向きレースはこの内側軸受部材に関連して前記回転軸受エレメントの回転運動を許容するようになっている内側軸受部材とを有し、
    ｃ．複数の前記回転軸受エレメントは前記各レースの表面間に保持されており、
    ｄ．さらに、少なくとも部分的に前記両軸受部材間に位置し、前記回転軸受エレメントの少なくとも１つに少なくとも一時的に接触している固体潤滑材料であって、この固体潤滑材料は、前記レースの表面に抗して前記回転軸受エレメントが回転しているときに、相互に接触するか、あるいは固体潤滑材の摩耗粒子を取り込むことにより前記回転軸受エレメント上に固体潤滑材の膜を付着させる固体潤滑材料を有する
    請求項１に記載の装置。
13. 前記固体潤滑材料がリング状体である請求項１２に記載の装置。
14. 前記リング状体が前記回転軸受エレメントの半径方向内側にある請求項１３に記載の装置。
15. 前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転部とが一体として接触して組み合わされている前記中央ハブ部および環状スリーブとともに形成された結合体が、前記中央ハブ部が前記環状スリーブから遠心力によって離れる回転周波数より大きな共振周波数を有するとともに、前記フライホイールと前記モータ／発電機と前記中央ハブ部と環状スリーブとの結合体は、前記中央ハブ部が前記環状スリーブから離れたのちに、前記中央ハブ部が前記環状スリーブから離れる回転周波数より小さな共振周波数を有する請求項１４に記載の装置。
16. 前記モータ／発電機および前記軸受からの熱は、前記モータ／発電機および前記軸受と下端において熱伝導しうるように接触される空洞からなり、この空洞の下部の熱部で液状とされている作動流体が部分的に満たされているヒートパイプ冷却システムにより除去されるようになっており、前記作動流体は、沸騰して蒸気となり、対流冷却される前記空洞の上部の冷部に上昇し、この冷部において凝縮されて液状となり重力により下降して前記熱部に達し、このサイクルを繰り返すようになっている請求項１に記載の装置。
17. 前記固体潤滑材料が前記回転軸受エレメントの半径方向外方にある請求項１３に記載の装置。
18. 前記固体潤滑材料および少なくとも１つの前記回転軸受エレメント間の接触が、少なくとも一時的にこの回転軸受エレメントに接触することをもたらす回転軸受エレメントの重量によって達成される請求項１３に記載の装置。
19. 前記回転軸受エレメントはローラであり、前記固体潤滑材料リングは、前記回転軸受エレメントの少なくとも１つの少なくとも端部に隣接している請求項１３に記載の装置。
20. 前記固体潤滑材料リングは軸上において前記回転軸受エレメントに並設されている請求項１３に記載の装置。
21. ａ．フレームと、
    ｂ．フライホイールと、
    ｃ．投入電力を受けた前記フライホイールの回転、または、前記フライホイールによって回転される際の電力生成を選択的に行なうモータ／発電機と、
    ｄ．前記フレームに対しての、前記フライホイールと前記モータ／発電機の回転を容易にする軸受手段と、
    ｅ．前記フライホイールと前記モータ／発電機とを接続する接続手段とを有し、この接続手段は、
    ｉ．前記フレームに対して回転可能な前記軸受手段の一部とともに固定されて回転可能な第１の部材と、
    ｉｉ．前記第１の部材と同心状とされ、前記第１の部材とともに前記フライホイールおよび前記モータ／発電機の結合体に固定的に接続されている第２の部材とを有し、
    ｉｉｉ．静止時、前記第１の部材と前記第２の部材は接触しており、さらに、
    ｉｖ．前記両部材を接続し、これにより遠心力が前記第１の部材と前記第２の部材を引き離す際にこれらの両部材の一体化した連続回転を容易ならしめる弾性結合手段を有しており、
    ｆ．前記フライホイール、前記モータ／発電機および前記第２部材との結合体は、前記第１の部材と前記第２の部材が遠心力によって離れる回転周波数より小さな共振周波数を有しており、
    ｇ．前記フライホイール、前記モータ／発電機、前記第２部材および前記第１部材の結合体は、前記第１の部材と前記第２の部材が遠心力によって離れる回転周波数より大きな共振周波数を有しているエネルギ貯蔵装置。
22. 回転永久磁石および静止永久磁石における力の損失を最低にするためにバックアイアンを介在させてなる前記回転永久磁石リングおよび前記静止永久磁石リング間の斥力は、軸受の損失を最低にするため回転体の荷重のすべてを保持する請求項２１に記載の装置。
23. エネルギを貯蔵する方法であって、フライホイールと、このフライホイールの駆動または前記フライホイールの回転による電力生成を選択的に行なうモータ／発電機とが一体化された結合体を、この一体化されたフライホイールとモータ／発電機との結合体の中央ハブ部から同心状をなす前記結合体の環状スリーブが離れるのに充分な回転速度まで加速的に回転するが、前記結合体の共振周波数の手前でこの加速を停止し、これにより、前記中央ハブ部から同心状をなす前記環状スリーブが離れるためにフライホイールとモータ／発電機との前記結合体はもはや一体でなく、前記環状スリーブがなく前記中央ハブ部と前記フライホイールとによって規定される第２の一体化された結合体の共振周波数は、前記中央ハブ部から同心状をなす前記環状スリーブが離れる回転周波数より実質的に低くされているエネルギ貯蔵方法。
24. 前記環状スリーブおよび前記中央ハブ部は、分離する前は互いに補完的に接触している請求項２３に記載の方法。
25. エネルギ貯蔵ロータであって、このロータは回転の中心を画定する一体化された金属製ハブを有し、このハブは間隔をあけて配置された複数のスポークと連続したリムとを有し、このリムに対し前記スポークが一体的にかつ離間した各位置で結合されており、複合材料リングが前記リムを取り囲んでおり、ここで前記リムは静止時には複合材料リングと緊密に締り嵌めされており、低回転速度においては基本的に固体としての挙動を示し、前記スポークの各々の間に存在するリムの各部分は、高回転速度で使用されているとき遠心力の影響下で半径方向外方に偏向できるようにされ、これにより、遠心力が誘起するリムを取り囲む複合材料リングの半径方向膨張に追従し、この追従は、前記高回転速度において、前記複合材料リングの各部分が、前記スポークが前記リムに結合している前記各位置においてハブのリムから持ち上がりうるようになされ、かつ、前記リムとリングの間の緊密な嵌合がロータのあらゆる運転速度で維持されるようになされ、さらに、前記スポークの間の半径方向内方に向いた湾曲した表面部分で画定される前記リムの各部分は、それぞれ湾曲中心を有し、この中心は、前記回転中心から半径方向外方に位置して、前記リムの各部分のそれぞれが隣り合う前記スポークの間の中心部に向って厚くなっているエネルギ貯蔵ロータ。
26. 複合材料リングが二重リングである請求項２５に記載のロータ。
27. 複合材料リングが、ガラス製の内方リングと炭素繊維フラメント製の外方リングから構成される請求項２６に記載のロータ。
28. 金属製ハブがアルミニウム製である請求項２５に記載のロータ。
29. 前記ハブが４本のスポークを有する請求項２８に記載のロータ。
30. 加速回転下にある回転体をして臨界回転周波数を容易に通過せしめる結合装置であって、
    ａ．前記回転体の一部を形成し、前記回転体が静止しているときに接触する環状スリーブおよび中央ハブ部と、
    ｂ．前記環状スリーブを前記中央ハブ部に結合させ、前記中央ハブ部が、前記臨界回転周波数を下回る回転速度において遠心力を受けて前記環状スリーブから離れようとするときに、実質的に前記環状スリーブおよび前記中央ハブ部の一体化された回転を容易に継続できるようにする可撓的結合手段と
    を有する結合装置。
31. 前記回転体が室温下で静止しているとき、前記環状スリーブおよび前記中央ハブ部は締り嵌めで接している請求項３０に記載の結合装置。
32. 前記中央ハブ部が、前記臨界周波数を下回る回転速度で遠心力を受けて前記環状スリーブから半径方向に遠ざかるように動くとき、前記環状スリーブおよび前記中央ハブ部の噛合っている表面は互いに対向している請求項３１に記載の結合装置。
33. 前記中央ハブ部は、遠心力を受けて前記環状スリーブに対し半径方向に動く請求項３２に記載の結合装置。
34. 前記噛合っている表面は、周囲温度で前記回転体が静止しているとき、補完的に接する請求項３３に記載の結合装置。
35. 前記可撓的結合手段が弾性を有している請求項３４に記載の結合装置。
36. 前記可撓的結合手段がリング状である請求項３５に記載の結合装置。
37. 前記可撓的結合手段が金属である請求項３４に記載の結合装置。
38. 前記可撓的結合手段が湾曲した金属製シェルである請求項３７に記載の結合装置。
39. 前記可撓的結合手段がリング状である請求項３４に記載の結合装置。
40. 臨界回転周波数を通って回転体を加速する方法であって、前記回転体は、前記臨界周波数より低い回転体の角速度で第１の部分から離れようとする第２の部分を有し、当該方法は、
    ａ．前記臨界周波数を下回る回転速度で遠心力を受けて、前記第２の部分が、前記第１の部分から遠ざかるように動くことを許容し、それによって前記回転体の有効可撓性を増加させるとともに前記最初の臨界周波数から実質的に下方にシフトした前記回転体についての新たな臨界周波数を確立することと、
    ｂ．前記第１および第２の部分の間に可撓的結合を維持し、共通の角速度における実質的に一体化された回転を容易ならしめること
    を有する回転体加速方法。
41. 前記回転体が周囲温度で静止しているとき、前記第２の部分が半径方向内方に自己付勢(self-bias)して前記第１および第２の部分の対向表面間に補完的接触を実現することを許容する段階をさらに有する請求項４０に記載の方法。
42. 前記第２の部分は、遠心力を受けて前記第１の部分から半径方向に動く請求項４１に記載の方法。

Images