JP4174948B2 - エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や産業用に使用され、深夜電力などを運動エネルギーとして蓄えた後、再び電力として利用するエネルギー貯蔵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエネルギー貯蔵装置を図１０に基づいて説明する。１は鉄製のフライホイル、２はフライホイル１の軸に直接接続した同期機であり、電機子巻線を有する固定子３と界磁巻線を有する回転子４によって構成されている。
【０００３】
５は同期機２の界磁巻線に励磁電流を供給するための励磁機であり、固定子６と回転子７により構成され、やはりフライホイル１の軸に直接接続されている。
【０００４】
８はフライホイル１の軸に直接接続されたポニーモータなどと称される誘導電動機で、一次巻線を有する固定子９と、鉄心にアルミニウムを鋳込んで製造されたカゴ形と呼ばれる構造の回転子１０によって構成されている。
【０００５】
１１と１２は、いずれもフライホイル１の軸を回転自在に支持するベアリングであり、１３はベアリング１１、１２に加わる垂直方向の力を軽減するための磁気軸受けである。
【０００６】
磁気軸受け１３は、永久磁石の吸引力を重力と逆方向に働かせることにより、フライホイル１の重さと、同軸に設けられた同期機２、励磁機５、誘導電動機８の各回転子の重さの和のおよそ９割に相当する力を上方向に作用させている。
【０００７】
以上の構成における従来のエネルギー貯蔵装置は、まずフライホイル１の回転が零の状態から、誘導電動機８の固定子９の一次巻線に交流電流を供給することにより動作させ、フライホイル１を毎分約１８００回転にまで加速させる。
【０００８】
この段階で、励磁機５の固定子６の界磁巻線に直流電流を供給すると、回転子７内の電機子巻線に誘導起電力が発生し、それを軸上に設けたダイオード等で構成した整流回路（図示せず）で直流に変換して、同期機２の回転子４の界磁巻線に励磁電流を供給するものとなっている。
【０００９】
同期機２の固定子３には、回転子４からの界磁が作用し、この状態で電機子巻線に電流が供給されると、トルクが発生されるものとなる。
【００１０】
したがって、同期機２は電動機として動作し、フライホイル１を加速させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーに変換して貯蔵する動作（充電動作）が行われる。
【００１１】
そして、蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出す場合（放電動作）は、やはり励磁機５の固定子６の界磁巻線に電流を供給し、励磁機５の出力によって同期機２に励磁電流を供給し、固定子３に誘導起電力を発生させる。
【００１２】
固定子３の電機子巻線に負荷が接続されていれば、前記誘導起電力による電力の供給が行われるので、フライホイル１の運動エネルギーが、電気エネルギーに変換されて負荷で使用することができるものとなる。
【００１３】
図１１は、従来の技術において、励磁機５の界磁巻線の電流を一定値とした状態での回転の速度と、同期機２に供給される励磁電流の関係を実線で示したものである。
【００１４】
励磁機５は、界磁電流が供給されている状態であっても速度零では誘導起電力が発生しないことから、同期機２の励磁電流値は零となり、速度が高速になるに従って、励磁機５の出力が大となって、同期機２の励磁電流も大となるものとなる。
【００１５】
これに対して、各速度において必要となる励磁電流値は、破線で示している様に速度に反比例し、高速となるほど必要となる励磁電流値は小となる。
【００１６】
その理由は、同期機２の電機子巻線に発生する誘導起電力の値は、励磁電流にほぼ比例して発生する鎖交磁束に速度を乗じた値にほぼ等しくなるものであり、充電時において電機子巻線に一定の電気パワーを供給する場合、および放電時に電機子巻線から一定の電気パワーを取り出す場合には、電機子巻線の電流値を所定値以下に保とうとするならば、励磁電流値は、速度に反比例した値となるものである。
【００１７】
ただし、励磁電流が過大となると界磁巻線の損失が大きくなったり、磁気飽和を起こすことから、起動時および低速の条件においても制限を設ける必要があり、ここで説明している従来の技術では、励磁電流は３．９Ａに制限する必要があるものとしている。
【００１８】
このような、起動時および低速時における励磁電流の不足をカバーするため、従来の技術では、誘導電動機８を設けているものであり、充電時の起動時から低速時には誘導電動機８に例えばインバータ等の可変周波数、可変電圧（ＶＶＶＦ）の電源を供給するものとなっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成のエネルギー貯蔵装置は、速度に対して同期機２に供給される励磁電流が、必要な励磁電流に対して逆の特性でなり、すなわち低速時においては励磁電流が不足し、高速時においては励磁電流が過多となるものであった。
【００２０】
その特性をカバーし、充電時の起動時には、従来の技術ではさらに誘導電動機を設けていたが、そのため装置が大きく重いものになるという第１の課題を有していた。
【００２１】
また、速度に対する励磁機の出力の特性が必要となる特性と全く異なることから、充電時および放電時の両方の動作において、速度の変化に対する誘導起電力の変化が非常に大きく、装置が接続される電源や負荷との電圧の整合を行うために、別途複雑な構成の電圧変換装置が必要となるという第２の課題を有するものであった。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のエネルギー貯蔵装置は、第１の巻線と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路とを有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフライホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電源と、前記第１の巻線から負荷に電力が供給される構成とし、前記第２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、前記第３の巻線は前記第２の巻線と磁気的に結合し、前記整流回路の入力を前記第３の巻線に接続し、前記整流回路の出力を前記第４の巻線に接続し、前記第１の電源からの電力によって前記フライホイルを加速する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを電力として前記負荷に供給する放電期間との間に、前記第２の巻線への電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、第１の巻線と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路とを有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフライホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電源と、前記第１の巻線から電力が供給される負荷と、前記第２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、前記第３の巻線は前記第２の巻線と磁気的に結合し、前記整流回路の入力を前記第３の巻線に接続し、前記整流回路の出力を前記第４の巻線に接続した構成とすることにより、簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができる。
【００２４】
また、請求項１に記載の発明は、第１の電源からの電力によってフライホイルを加速する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを電力として前記負荷に供給する放電期間との間に、前記第２の巻線への電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するものとすることにより、充電期間が終了した後、放電期間に至るまでの時間が長い場合でも、無駄な損失を抑え、エネルギー利用を有効に行うことができる、経済的な装置を実現することができるものである。
【００２５】
また、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流電源とスイッチング素子と共振コンデンサとスイッチング素子を駆動する駆動回路を有し、第２の巻線と前記スイッチング素子とを直列に接続し、この直列回路の両端を前記直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサを前記スイッチング素子と第２の巻線の接続点と前記直流電源の一端子の間に接続した構成とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができ、特に第２の電源の構成が非常に簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるものである。
【００２６】
また、請求項３に記載した発明は、請求項１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流電源と、直列に接続した第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、共振コンデンサと、駆動回路を有し、前記共振コンデンサと前記第２の巻線との直列回路を第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点と直流電源の一端子との間に接続した構成とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができ、特に第２の電源の構成がかなり簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるものである。
【００２７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、軸を垂直としたフライホイルと、前記フライホイルを非接触で支持する支持手段を有し、前記支持手段は、円形に巻かれたコイルと、円形の永久磁石と、円形の鉄心によって構成され、前記鉄心は前記コイルおよび前記永久磁石から発生する磁束を通す磁路であり、前記永久磁石による吸引力は前記フライホイルに働く重力と逆向きとした構成とすることにより、軸受けに発生する損失を抑え、またフライホイル等の重量を上方向に引き上げるために必要となる電力を非常に小さくし、また鉄損も低く抑えられる効率の高い装置を実現することを可能とさせるものである。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
以下本発明の第１の実施例について説明する。図１は実施例１のエネルギー貯蔵装置の断面図を示している。
【００２９】
図１において、１４はフライホイル、１５は同期機で固定子１６と回転子１７を有している。
【００３０】
ロータリトランス１８は、固定されたフェライト製の固定コア１９と第２の巻線２０、フライホイル１４の軸に取り付けられてフライホイル１４と一緒に回転するフェライト製の回転コア２１と第３の巻線２２により構成されている。
【００３１】
ベアリング２３、２４は、従来の技術と同様、フライホイル１４を回転自在に支持するものである。
【００３２】
実施例１では、円形に巻かれたコイル２５と溝のあるリング状の鉄心２６によって構成した支持手段２７が設けられている。
【００３３】
図２は実施例１の回路図を示している。
【００３４】
図２において、第１の巻線３０、３１、３２はいずれも固定子１６に巻かれた３相の電機子巻線である。
【００３５】
固定子１６に対して相対的に回転する回転子１７には、第３の巻線２２および第４の巻線３３、整流回路３４が設けられている。
【００３６】
第１の巻線３０、３１、３２に電流を供給する第１の電源３５と、第１の巻線３０、３１、３２から電力が供給される負荷３６と、第２の巻線２０に高周波電流を供給する第２の電源３７とを備え、ロータリトランス１８として構成された、第３の巻線２２と第２の巻線２０は磁気的に結合されて、整流回路３４の入力が第３の巻線２２に接続され、整流回路３４の出力は第４の巻線３３に接続されているものとなっている。
【００３７】
第２の巻線２０に対して高周波電流を供給する第２の電源３７の構成は、直流電源３８とスイッチング素子３９と共振コンデンサ４０とスイッチング素子３９を駆動する駆動回路６４を備えている。直流電源３８は、交流電源４１の出力を、整流ブリッジ４２で整流し、チョークコイル４３とコンデンサ４４によって構成したフィルタ回路４５によってリプルの少ない直流に変換しているものである。スイッチング素子３９は、ＩＧＢＴチップとダイオードチップとを並列に接続した構成としている。
【００３８】
第２の巻線２０とスイッチング素子３９とは直列に接続しており、この直列体の両端に、直流電源３８出力を接続している。
【００３９】
また共振コンデンサ４０は、スイッチング素子３９のコレクタ端子と第２の巻線２０の接続点と、直流電源３８のプラス端子の間に接続しているものである。
【００４０】
駆動回路６４は、スイッチング素子３９のゲートに接続しており、スイッチング素子３９のゲート電圧をエミッタ端子に対して１５Ｖ上昇させ、または０Ｖに低下することによって、スイッチング素子３９をオンオフしている。
【００４１】
以上の構成で、直流電源３８の出力を、駆動回路６４が駆動するスイッチング素子３９によって高周波に変換して、共振コンデンサ４０と第２の巻線２０が構成する共振回路に供給するものである。従って第２の巻線２０には、高周波の電圧が発生する。
【００４２】
ロータリトランス１８の構成によって、第３の巻線２２は第２の巻線２０と磁気結合しているため、第２の巻線２０に発生した高周波の電圧は第３の巻線２２に誘導され、第３の巻線２２にも同様の高周波の誘導電圧が発生する。
【００４３】
この高周波の電圧は、ダイオード４６、４７によって構成した整流回路３４によって直流に変換され、第４の巻線３３に供給される。
【００４４】
第４の巻線３３は、回転子１７を構成する鉄心のスロット中に配置しているため、同期機１５の励磁がなされるものである。
【００４５】
本実施例では、極数を４極としており、機械角３６０度に対して、Ｎ極とＳ極が２つずつ生ずる構成を取っている。
【００４６】
一方第１の電源３５は、直流電源４８と、ＩＧＢＴによって構成したスイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、５４、各スイッチング素子のゲートに接続されてオンオフの制御を行う制御回路５５、固定子１６に対する回転子１７の相対位置を検知する位置検知手段５６を有しており、実施例１では位置検知手段５６は、ホールＩＣ５７、５８、５９によって構成している。
【００４７】
また、直流電源４８は、交流電源６０、整流回路６１、チョークコイル６２、電解形のコンデンサ６３によって構成しているものを使用している。
【００４８】
図３は、第２の電源２０の実働波形図で、（ａ）は直流電源３８の出力電圧ＶｄＣとスイッチング素子３９のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣｅを、（ｂ）はスイッチング素子３９に流れる電流ＩＣを、（Ｃ）は第２の巻線２０の両端子間に発生する電圧ＶＬと電流ＩＬの波形を示している。このとき本実施例では、駆動回路６４は２５ｋＨｚでスイッチング素子３９をオンオフしているものである。
【００４９】
スイッチング素子３９が駆動回路６４によってオンされるオン期間Ｔｏｎにおいては、直流電源３８からスイッチング素子３９を介して、第２の巻線２０に電流ＩＬが、共振コンデンサ４０には電流ＩＣが供給される。この電流ＩＬは、第２の巻線２０に印加されている電圧ＶｄＣが図３（ａ）に示しているようにほぼ直流となっているため、図３（Ｃ）に示しているようにほぼ直線的に増加していく。また電流ＩＣも同様の理由で、図３（ｂ）に示しているように、ほぼ直線的に増加するものである。スイッチング素子３９が駆動回路６４によってオフされると、この瞬間に第２の巻線２０に流れていた電流は共振コンデンサ４０に流れ、第２の巻線２０と共振コンデンサ４０とは共振状態となる。このため、スイッチング素子３９のコレクタ・エミッタ間に発生する電圧ＶＣｅは、図３（ａ）に示しているような共振電圧波形となる。
【００５０】
この共振状態が約半周期続いた後に、ＶＬ＝ＶｄＣ、すなわち第２の巻線２０に印加される電圧ＶＬが再び直流電源３８の電圧ＶｄＣと等しくなってスイッチング素子３９が再びオンするＴｏｎ期間に入る。Ｔｏｎ期間に入った瞬間に、共振コンデンサ４０の電流がなくなって、代わってスイッチング素子３９を構成するダイオードが導通状態となって、それによってスイッチング素子３９の電圧ＶＣｅはほぼ０となる。
【００５１】
駆動回路６４は、スイッチング素子３９を構成するダイオードがオンしている状態で、スイッチング素子３９のゲート電圧を約１５Ｖ出力するものである。このためスイッチング素子３９は、ターンオンされ、やがてダイオードに流れる電流が０となった後も、引き続いてＩＧＢＴに電流が流れ、オン状態を継続することができる。
【００５２】
以上のような動作を繰り返すことによって、本実施例の第２の電源３７は２５ｋＨｚの高周波電流を第２の巻線２０に供給し続けるものである。
【００５３】
第２の巻線２０は第３の巻線２２に磁気結合しているため、第３の巻線２２にも高周波の誘導電圧が発生する。この誘導電圧は、整流回路３４によって整流され直流に変換されて、第４の巻線３３に供給される。つまり第４の巻線３３には、励磁電流Ｉｆが供給されるものとなる。
【００５４】
従って、充電時には、固定子１６に配置している第１の巻線３０、３１、３２の電流と、第４の巻線３３との間にはトルクが発生し、同期機１５は、動力を発生するものとなる。
【００５５】
また、放電時には第１の巻線３０、３１、３２に誘導起電力が発生して、負荷３６に電力が供給されるものとなる。
【００５６】
ここで、本実施例では、駆動回路６４がスイッチング素子３９をオンするオン信号の期間を可変できるようにしているものである。
【００５７】
このため、第３の巻線２２に発生する誘導電圧の大きさを加減でき、従って第４の巻線３３に流れる励磁電流Ｉｆの大きさを加減することが可能となっている。
【００５８】
なお本実施例においては、駆動回路６４として集積回路ＡＮ６７１５またはＡＮ６７２８を用いているものである。このため、部品点数を抑えることができ、低コストで駆動回路６４を構成できるものである。ただし、特にこのような集積回路に限定する必要はなく、トランジスタやダイオードや抵抗・コンデンサなどのディスクリート部品を使用しても支障はないものである。
【００５９】
また本実施例では共振コンデンサ４０を使用しているため、スイッチング素子３９のターンオフ時に急激な電圧の立ち上がりが発生しないものである。このため、ノイズの発生を抑えることができ、またスイッチング素子３９のターンオフ損失が小となり、またラッチアップ耐量を低減できるものである。またスイッチング素子３９に使用するダイオードについても、ターンオフ時に急激な逆電圧が印加されないため、逆回復時間が比較的長くかかるものを使用でき、スイッチング素子３９を低価格で構成できるものである。このため、装置全体を低価格とすることも可能となる。
【００６０】
また本実施例では、第２の巻線２０をフェライト製の固定コア１９を使用しており、同様にフェライト製の回転コア２１を使用している第３の巻線２２でロータリトランス１８が構成されていて、固定コア１９と回転コア２１間に適切な空隙を設けた構成としているものである。
【００６１】
このため第２の巻線２０は、適度なインダクタンス成分を有するものとなっている。このため、スイッチング素子３９のターンオンに際してターンオン損失が極めて小さくなるものである。
【００６２】
また本実施例においては第２の電源３７の動作周波数を２５ｋＨｚに設定して、スイッチング素子３９のスイッチング損失を抑えると共に、耳障りな騒音を防止できるようにしているが、動作周波数を特に２５ｋＨｚに限定する必要はないものである。つまり、例えば１００ｋＨｚあるいは１ＭＨｚと高周波の設定とした場合には、ロータリトランス１８をより小形化できるものである。
【００６３】
また本実施例においては、共振コンデンサ４０の一端子を直流電源３８のプラス側に接続し、第２の巻線２０と並列になるように接続しているが、直流電源３８のマイナス端子側に接続して、スイッチング素子３９のコレクタ・エミッタ間に並列に接続する構成としても支障はないものである。
【００６４】
さらにスイッチング素子３９と第２の巻線２０の接続の順序についても、プラス側にスイッチング素子３９を配置する構成としても支障はないものである。
【００６５】
またスイッチング素子３９として、ＩＧＢＴの他にバイポーラ形ＭＯＳＦＥＴあるいはＧＴＯ等も使用できるものである。
【００６６】
また回転子１７に設けている整流回路３４は、本実施例ではダイオード４６、４７を使用しているが、全波整流ブリッジとしても、単に１石のダイオードを第３の巻線２２に直列接続したものとしても支障はないものである。
【００６７】
また極性についても、スイッチング素子３９のオンオフに対してフォワード接続であってもフライバック接続であってもよい。
【００６８】
図４は、実施例１の支持手段２７の構成を示している。
【００６９】
図４においては、円形のコイル２６は、樹脂製のボビン６６に巻かれたものを使用して、鉄心２５の溝内に納めて構成している。
【００７０】
図５は、図４に示した支持手段２７が動作している状態における磁気回路を示しているものであり、鉄製のフライホイル１４との間に空隙長ｄを隔てて、鉄心２５はフライホイル１４と対抗している。
【００７１】
コイル２６に電流を供給することにより、破線で示されているように磁束が発生して、フライホイル１４の上面は、吸引力によって重力と逆向きである上向きの力を受けて上昇することになる。
【００７２】
空隙長ｄがほぼ一定の値となるようにコイル２６に供給する電流値を加減するという制御を行うものである。
【００７３】
ここで、空隙長ｄを検知するためには、フライホイル１４の上下方向の位置を検知する位置センサを別途設ける方法もあるが、コイル２６に対して所定周波数の交流成分を重畳し、当該周波数成分の電流値を検出することにより、コイル２６のインダクタンスから空隙ｄを検知してもよい。
【００７４】
図６は、実施例１のエネルギー貯蔵装置の動作を説明するための図である。
【００７５】
図６においては、横軸が時刻であり、本実施例では前日の２３時、すなわち夜間電力が使用できる時刻にて、充電動作が開始されるものとなっている。
【００７６】
なお、図６においては、充電動作の開始時においては、フライホイル１４の速度は零であり、エネルギーは全く蓄えられていない状態となっている。
【００７７】
本実施例においては、まず励磁電流Ｉｆが供給され、第１の巻線３０、３１、３２からも電機子電流が供給されることから、同期機１５は電動機として動作を行う。
【００７８】
ここで、発生するトルクの値については、電機子電流の値を一定とし、スイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、５４とすること、および位置検知手段５６からの位置検知信号より制御回路５５が、磁束と電機子電流との電気角がほぼ直交するように各スイッチング素子のオンオフの制御を行うことにより、一般のブラシレスＤＣモータと称される電動機と類似の動作が行われるものとなり、よって発生トルクは一定値、電動機としての出力は、速度に比例したものとなる。
【００７９】
実施例１においては、起動から１時間後である０時には、速度の上昇からパワーが１．３ｋＷという値に達し、その後は、パワー制限動作を行わせている。
【００８０】
すなわち、第１の電源３５からの供給パワーを１．３キロワットの一定値となるように速度に対するトルクの値を暫減する制御を行うものとなっているが、ここで、本実施例においては、図６（ウ）で示しているように、その後の励磁電流値をほぼ速度に対して反比例となるように絞っているため、第１の巻線３０、３１、３２に発生する誘導起電力の値は、速度の変化に対してもほぼ一定値とする事ができるものとなっている。
【００８１】
これにより、一定電圧を出力する直流電源４８からの電力供給が、スイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、５４を通してスムーズに行われ、一般のインバータ装置でよく使用されるような導通比の制御、すなわち各スイッチング素子のオンオフを電気角６０度（あるいは１２０度）の範囲内で、さらに高周波のキャリア周波数毎にオンオフの動作が行われる方式として、かつその導通比大きさで、等価的な直流電源４８の出力電圧値が変化したと同等の動作を行わせることにより、第１の巻線３０、３１、３２に発生する誘導起電力の大きさとの整合をとる方法を使用せずとも、スイッチング素子３９のオン時間の制御のみで、良好なパワー制御がなされるものとなっている。
【００８２】
ただし、上記のスイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、５４に対する導通比の制御（チョッパ制御、もしくはＰＷＭ制御などとも称される）を併用してもよく、その場合にあっても、導通比の変化の範囲は、励磁電流が加減される分だけ抑えることができ、スイッチング素子４９、５０、５１、５２、５３、５４の耐電圧、電流定格を効果的に活用したパワーの供給が可能となるものであるという効果が上げられる。
【００８３】
午前７時において、深夜電力の契約が完了した時点で充電動作は停止され、その後は慣性運転期間に入るが、この時点での速度は、本実施例では毎分９０００回転となる。
【００８４】
この期間においては、スイッチング素子３９は完全にオフの状態となり、励磁電流Ｉｆの値も零となるため、励磁動作を行うための電力の消費が無くなると同時に、同期機１５の固定子１６の鉄損もほぼ零とすることができるものとなる。
【００８５】
一般に高周波における鉄損は、周波数の２乗に比例する渦電流損が支配的となることから、たとえば板の厚さが０．２ｍｍというような相当薄い材料を使用したとしても、励磁がなされた状態のままで毎分９０００回転という運転を行うと、鉄損が問題となる。
【００８６】
しかし、本実施例では慣性運転期間は、励磁をなくして、その鉄損を効果的に抑えるものとなっている。
【００８７】
例えば特に夏場などには、一般家庭においては、電力を朝晩よりも昼間時間に集中的に消費するという傾向があり、電力消費の少ない朝の時間帯に放電動作を行わせると、励磁のための電力消費および高周波による鉄損により効率が著しく低下するという傾向があるので、その後の大電力消費が行われる時間帯まで慣性運転をさせ、その後放電動作を行って、電力消費を補わせるという動作にした方がより効果的なエネルギー利用ができるものとなり、本実施例においては、慣性運転期間を設けて、第２の巻線への電力供給を零にダウンさせることにより、それが実現されるものとなっている。
【００８８】
なお、放電期間についても、本実施例では励磁電流の値をほぼ速度に反比例した値として放電パワーを制御し、その上充電期間中と同様に、励磁電流値が最大値となっている条件における第１の巻線の電流の値の上限を設定した、トルク制限も設けたものとしている。
【００８９】
（実施例２）
続いて本発明の実施例２について説明する。図７は実施例２における支持手段６７の構成と磁路の説明を行う断面図である。
【００９０】
実施例２においても、全体の構成は支持手段を除いて実施例１にて説明した構成に同等のものであり、実施例１において用いた支持手段２７が、図７に示した支持手段６７に差し替えられたものとなっている。
【００９１】
したがって、図７に見られるように、実施例２においては支持手段６７が、円形に巻かれたコイル２６、円形の永久磁石６８、円形の鉄心６９ａ、６９ｂを有しており、コイル２６は実施例１と同様に樹脂製のボビン６６に巻かれている。
【００９２】
なお、図７は実施例１の図５と同様に、上面から見た場合には円形となる各構成要素の断面の片側のみを示しているものであって、実際には中心が図７の右側の外にあって、３６０度つながっている円形のものであり、すなわち鉄心６９ａは内側の鉄心であり、鉄心６９ｂは外側の鉄心であり、その間にリング形の永久磁石６８が設けられているものとなっている。
【００９３】
本実施例においても、破線で示しているように磁束は、永久磁石６８、鉄心６９ｂ、フライホイル１４、鉄心６９ａを通って形成されるものとなる。
【００９４】
特に本実施例では、永久磁石をネオジ焼結のものを使用していることから、厚さｘが小であっても大きな磁束が破線で示した磁路内に発生されるものとなり、コイル２６に電流が流れていない状態にあっても、永久磁石６８により、フライホイル１４には、吸引力が上向きに発生されるものとなっている。
【００９５】
ネオジ磁石の使用によって、ｘが小とすることができることから、破線で示している磁路の磁気抵抗も小となり、よってコイル２６のインダクタンスは大きくすることができる。
【００９６】
したがって、コイル２６に僅かな電流を通ずることにより、大きな磁束の変化が起こるものとなり、吸引力をコントロールするのに必要なコイル２６への供給電流を抑えることができ、支持手段６７に必要な電力を抑えられるか、もしくはコンパクトなものにすることができるという効果を上げているものである。
【００９７】
また、コイル２６については、紙面の向こう側から手前側に電流が流れた場合には、アンペールの右ねじの法則に従って、永久磁石６８が発する磁束を強める方向となり、吸引力が増加し、逆に紙面の手前側から向こう側に電流が供給された場合には、永久磁石６８の発する磁束を殺す作用が見られて、吸引力の減少が起こるものとなる。
【００９８】
したがって、空隙の大きさを適当に設定することにより、定常的なコイル２６の供給電流の大きさをかなり小とすることができ、これによって、垂直方向の重量と等しい吸引力に保たせることが可能となり、極めて損失が小さい軸受け機能を持たせることができるものとなる。
【００９９】
なお、特に鉄心６９ａ、６９ｂ、コイル２６の形状をいずれも円形としていることにより、フライホイル１４が高速で回転していても、渦電流は発生せず、渦電流による損失もほぼ零とすることができるものとなっている。
【０１００】
（実施例３）
図８は、本発明の実施例３におけるエネルギー貯蔵装置の回路図を示している。
【０１０１】
実施例３においても、断面図の面では実施例１と同等であり、回路図が異なるものとなっている。
【０１０２】
実施例３では、実施例１で使用している第２の電源３７に代えて、第２の電源７０が用いられている。
【０１０３】
第２の電源７０は、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２と、共振コンデンサ７３を使用しており、共振コンデンサ７３は、第２の巻線２０と直列に接続している。
【０１０４】
第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２は、直列に接続されている。
【０１０５】
また共振コンデンサ７３と第２の巻線２０とは直列に接続しており、この直列回路を第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２との接続点と直流電源４８のプラス端子との間に接続しているものである。
【０１０６】
本実施例においては、直流電源４８は、第１の電源の構成要素の一つであるものを、共用した形となっているが、実施例１のように第１の電源の構成要素と完全に分けて設けてもよく、また放電時の起動時において例えばバッテリなどによって直流電源を供給して励磁動作を行った後、負荷への電力供給ができるようになった際に、その直流電圧を第２の電源として供給させるようにしてもよい。
【０１０７】
また駆動回路７４は、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２を交互にオンオフ駆動するものである。
【０１０８】
すなわち、第１のスイッチング素子７１がオンされると、直流電源４８は第１のスイッチング素子７１と、第２の巻線２０と、共振コンデンサ７３に電流を供給するものである。
【０１０９】
また駆動回路７４によって第１のスイッチング素子７１がオフされて第２のスイッチング素子７２がターンオンされると、共振コンデンサ７３が、第２の巻線２０と第２のスイッチング素子７２に電流を供給するものである。
【０１１０】
このため、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２に発生する損失を最小限に抑えることができるものである。
【０１１１】
本実施例では、第２の巻線２０と共振コンデンサ７３の共振周波数にほぼ等しい２５ｋＨｚとしており、共振コンデンサ７３は、第２の巻線２０と直列共振するものとしている。
【０１１２】
その上で、本実施例では、駆動回路７４は動作周波数を可変としており、前記共振周波数よりも高くすることにより、励磁電流Ｉｆを減少させるという動作を行わせているものとなっている。
【０１１３】
ただし、逆に動作周波数を共振周波数よりも低くした場合にも、やはりＩｆは減少することになるが、その場合には、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２とが切り替わるタイミングで、スイッチング素子を構成するダイオードに逆回復電流が発生することから、高速リカバリのダイオードチップが必要となる。しかし、ターンオフ損失はほとんど発生しないものである。
【０１１４】
また、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２のオン期間の比率を変えて、Ｉｆを変化することもできる。
【０１１５】
また、直流電源４８の出力電圧を可変できる構成として、駆動回路７４の発振周波数を一定として、Ｉｆを調整することもできるものである。
【０１１６】
以上のように本実施例においても、励磁電流Ｉｆの値を加減できるものとなる。
【０１１７】
実施例３では、実施例１で説明した１個のスイッチング素子を使用する構成としたものに比べて、第１のスイッチング素子７１と第２のスイッチング素子７２に、耐電圧の低い定格のものを使用できる。
【０１１８】
また、本実施例では、速度検知手段７５を設けており、フライホイル１４の回転の速度を検知することができるものとなっている。
【０１１９】
図９（ア）（イ）（ウ）は、毎分９０００回転で運転している状態における、速度検知手段７５を構成する各ホールＩＣの出力波形を示しているものであるが、速度検知手段７５は、実施例１の位置検知手段５６と同じ構成であり、実施例３においても励磁されている状態において、回転子１７の磁極の位置を磁気的に検知し、制御回路７６から６石の各スイッチング素子をオンオフするという実施例１と同様の動作を行うと同時に、３つのホールＩＣの出力信号の切り替わりの周期から、フライホイル１４の回転の速度を検知し、その出力である速度信号を駆動回路７４に出力するものとなっている。
【０１２０】
本実施例では、同期機１５の極数が４極であることから、毎分９０００回転の場合には３００Ｈｚの周波数となり、よって電気角の３６０度（１周期）は、図９に示されているように３．３３ｍｓとなる。
【０１２１】
この周期を制御回路７５で検出し、その逆数を計算して速度を求めているものであるが、本実施例のように電気角６０度ごとの位置検知を行う目的から３個のホールＩＣ信号出力がある場合には、３つの信号の排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）を例えばＭＮ４０３０などの論理回路ＩＣのゲートを２個使用して構成して、０．５５６ｍｓ毎にハイとローの論理が切り替わるようにした信号を出力させた上で、そのエッジ間の期間を計測して、速度を求めるようにしてもよい。
【０１２２】
駆動回路７４は、速度信号を受け、高速時には共振コンデンサ７３と第２の巻線２０との共振周波数に対して、駆動周波数をぐっと高くすることにより、励磁を弱く制御し、低速時には、逆に共振周波数付近まで動作周波数を低下させ、励磁電流を大としていることから、フライホイル１４の速度が毎分２０００回転から、９０００回転という広い範囲で、誘導起電力の大きさをほぼ一定値に保つことができるものとなっている。
【０１２３】
したがって、第１の電源が簡単な構成のものであっても、負荷に一定の電圧の電力を供給することができるものとなる。
【０１２４】
なお、実施例１から実施例３では、いずれも負荷には直流電圧を出力しているが、さらに直流を任意の電圧、周波数に変換するインバータ回路を追加して構成することもできる。
【０１２５】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明は、第１の巻線と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路とを有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフライホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電源と、前記第１の巻線から電力が供給される負荷と、前記第２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、前記第３の巻線は前記第２の巻線と磁気的に結合し、前記整流回路の入力を前記第３の巻線に接続し、前記整流回路の出力を前記第４の巻線に接続した構成とすることにより、簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができる。
【０１２６】
また、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置は、第１の電源からの電力によってフライホイルを加速する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを電力として前記負荷に供給する放電期間との間に、前記第２の巻線への電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するものとすることにより、充電期間が終了した後、放電期間に至るまでの時間が長い場合でも、無駄な損失を抑え、エネルギー利用を有効に行うことができる、経済的な装置を実現することができるものである。
【０１２７】
また、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流電源とスイッチング素子と共振コンデンサとスイッチング素子を駆動する駆動回路を有し、第２の巻線と前記スイッチング素子とを直列に接続し、この直列回路の両端を前記直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサを前記スイッチング素子と第２の巻線の接続点と前記直流電源の一端子の間に接続した構成とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができ、特に第２の電源の構成が非常に簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるものである。
【０１２８】
また、請求項３に記載した発明は、請求項１に記載したエネルギー貯蔵装置の第２の電源を、直流電源と、直列に接続した第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、共振コンデンサと、駆動回路を有し、前記共振コンデンサと前記第２の巻線との直列回路を第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点と直流電源の一端子との間に接続した構成とすることにより、やはり簡単な構成でありながら、速度に関わらず第２の電源からの電力供給の制御により、第４の巻線に供給する励磁電流の値を自在に制御することができ、起動トルクも確保することができ、特に第２の電源の構成がかなり簡単で、低コスト、小形、軽量とすることができるものである。
【０１２９】
また、請求項４に記載の発明は、軸を垂直としたフライホイルと、前記フライホイルを非接触で支持する支持手段を有し、前記支持手段は、円形に巻かれたコイルと、円形の永久磁石と、円形の鉄心によって構成され、前記鉄心は前記コイルおよび前記永久磁石から発生する磁束を通す磁路であり、前記永久磁石による吸引力は前記フライホイルに働く重力と逆向きとした構成とすることにより、軸受けに発生する損失を抑え、またフライホイル等の重量を上方向に引き上げるために必要となる電力を非常に小さくし、また鉄損も低く抑えられる効率の高い装置を実現することを可能とさせるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１であるエネルギー貯蔵装置の断面図
【図２】 同、回路図
【図３】 同、動作波形図
【図４】 （ア）同、支持手段の下面図
（イ）同、支持手段の断面図
【図５】 同、支持手段の磁路の説明図
【図６】 （ア）同、時刻−速度特性を示す図
（イ）同、時刻−パワー特性を示す図
（ウ）同、時刻−励磁電流特性を示す図
【図７】 実施例２であるエネルギー貯蔵装置の支持手段の磁路の説明図
【図８】 実施例３であるエネルギー貯蔵装置の回路図
【図９】 （ア）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力波形図
（イ）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力波形図
（ウ）同、速度検知手段の各ホールＩＣの出力波形図
【図１０】 従来の技術のエネルギー貯蔵装置の断面図
【図１１】 同、速度−励磁電流特性図
【符号の説明】
３０、３１、３２ 第１の巻線
２０ 第２の巻線
１６ 固定子
２２ 第３の巻線
３３ 第４の巻線
３４ 整流回路
１７ 回転子
１４ フライホイル
３５ 第１の電源
３６ 負荷
３７ 第２の電源
３８ 直流電源
３９ スイッチング素子
４０ 共振コンデンサ
６４ 駆動回路
７１ 第１のスイッチング素子
７２ 第２のスイッチング素子
７４ 速度検知手段
６７ 支持手段
２６ コイル
６８ 永久磁石
２５ 鉄心

Claims (4)

1. 第１の巻線と第２の巻線とを有する固定子と、前記固定子に対して相対的に回転する第３の巻線と第４の巻線と整流回路とを有する回転子と、前記回転子によって駆動されるフライホイルと、前記第１の巻線に電流を供給する第１の電源と、前記第１の巻線から負荷に電力が供給される構成とし、前記第２の巻線に高周波電流を供給する第２の電源とを備え、前記第３の巻線は前記第２の巻線と磁気的に結合し、前記整流回路の入力を前記第３の巻線に接続し、前記整流回路の出力を前記第４の巻線に接続し、前記第１の電源からの電力によって前記フライホイルを加速する充電期間と、前記フライホイルの運動エネルギーを電力として前記負荷に供給する放電期間との間に、前記第２の巻線への電力供給をほぼ零とする慣性運転期間を有するエネルギー貯蔵装置。
2. 第２の電源は、直流電源とスイッチング素子と共振コンデンサとスイッチング素子を駆動する駆動回路を有し、第２の巻線と前記スイッチング素子とを直列に接続し、この直列回路の両端を前記直流電源の出力端子間に接続し、共振コンデンサを前記スイッチング素子と第２の巻線の接続点と前記直流電源の一端子の間に接続した請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
3. 第２の電源は、直流電源と、直列に接続した第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、共振コンデンサと、駆動回路を有し、前記共振コンデンサと前記第２の巻線との直列回路を第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点と直流電源の一端子との間に接続した請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
4. 軸を垂直としたフライホイルと、前記フライホイルを非接触で支持する支持手段を有し、前記支持手段は、円形に巻かれたコイルと、円形の永久磁石と、円形の鉄心によって構成され、前記鉄心は前記コイルおよび前記永久磁石から発生する磁束を通す磁路であり、前記永久磁石による吸引力は前記フライホイルに働く重力と逆向きとした請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。

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