JP4200775B2

JP4200775B2 - Flywheel power storage device

Info

Publication number: JP4200775B2
Application number: JP2003022306A
Authority: JP
Inventors: 浩徳亀野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP2004232738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、フライホイール電力貯蔵装置、さらに詳しくは、複数組の磁気軸受でフライホイールの回転軸をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置が組み込まれたフライホイール電力貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイールの回転によって電力を貯蔵する電力貯蔵装置は、数時間以上の待機時間が必要であり、軸受損失を低減するために、その支持機構として、転がり軸受でなく、特許文献１に記載される５軸制御型磁気軸受装置が使用されている。
【０００３】
５軸制御型磁気軸受装置は、回転軸をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受、回転軸をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル制御軸方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えている。回転軸を鉛直方向に配置した磁気軸受装置の場合、回転体の自重の支持は、アキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行われていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−１２６４２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の５軸制御型磁気軸受装置をフライホイール電力貯蔵装置に使用した場合、フライホイールを含む回転体の自重を支持するための制御電流を常時供給する必要があり、この結果、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が増大し、フライホイール電力貯蔵装置の損失が増大し、そのエネルギ貯蔵効率を向上させるための妨げになっていた。
【０００６】
この発明の目的は、電力損失を減少させて、エネルギ貯蔵効率を向上させることができるフライホイール電力貯蔵装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるフライホイール電力貯蔵装置は、フライホイールの回転軸を非接触支持する磁気軸受装置を有しているフライホイール電力貯蔵装置において、磁気軸受装置は、フライホイール回転軸をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させるための複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、フライホイール回転軸に設けられたアキシアルディスク部をアキシアル方向に吸引して吊り下げる永久磁石と、永久磁石の吸引力を調整する吸引力調整手段とを備えており、吸引力調整手段は、永久磁石を支持する磁石支持体に固定された固定部材と、磁石支持体に吸引力調整ギャップを介して対向する移動体とを備えており、固定部材は、外周におねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、移動体は、内周にめねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、各ねじ部材の径がアキシアルディスク部の外径よりも大きくなされているとともに、ねじ部材同士が互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体が固定部材に対して移動可能とされており、吸引力調整ギャップの大きさが移動体の移動によって変化させられることにより、永久磁石の回転体を吸引する力が調整されることを特徴とするものである。
【０００８】
永久磁石は、アキシアル磁気軸受の電磁石に隣接して設けられかつ電磁石鉄心に支持されていることが好ましい。このようにすると、コンパクト化が可能であり、しかも、電磁石および永久磁石を有するアキシアル磁気軸受を１つのユニットとして扱えるので、電磁石だけを有するアキシアル磁気軸受に代えて使用することが容易となる。
【０００９】
この発明のフライホイール電力貯蔵装置によると、フライホイール回転軸のアキシアル方向およびラジアル方向の制御は、各磁気軸受の電磁石に制御電流を供給することにより行われ、この際、フライホイール回転軸をアキシアル方向に吸引して吊り下げる永久磁石が設けられていることから、フライホイールの自重を支持するための制御電流が少なくて済み、したがって、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が減少し、この結果、フライホイール電力貯蔵装置の電力損失が減少し、エネルギ貯蔵効率が向上する。
【００１０】
永久磁石は、フライホイールの自重（回転軸、モータのロータなどフライホイールと一体となって回転するユニット全体の自重をいうものとする。）分に相当する吸引力を有していることが好ましい。このようにすると、フライホイールの自重を支持するための制御電流が実質的にゼロとなり、フライホイール電力貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率が最適化される。
【００１３】
吸引力調整手段は、永久磁石を支持する磁石支持体に固定された固定部材と、磁石支持体に吸引力調整ギャップを介して対向する移動体とを備えており、固定部材は、外周におねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、移動体は、内周にめねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、各ねじ部材の径がアキシアルディスク部の外径よりも大きくなされているとともに、ねじ部材同士が互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体が固定部材に対して移動可能とされており、吸引力調整ギャップの大きさが移動体の移動によって変化させられることにより、永久磁石の回転体を吸引する力が調整されるので、調整が面倒な磁気軸受とは別に設けられた移動体の調整だけで、フライホイール電力貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率を最適化するための永久磁石の吸引力の微調整を容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１５】
フライホイール電力貯蔵装置は、図１に示すように、コンテナ(1)内に納められたカーボンファイバ製の円筒状フライホイール(2)と、フライホイール(2)の回転軸(3)を非接触支持する磁気軸受装置(4)とを備えている。
【００１６】
磁気軸受装置(4)は、鉛直に配置された略円筒状ケーシング(5)の内部で鉛直軸状の回転体（この場合は、フライホイールの回転軸）(3)が回転する縦型のものである。なお、以下の説明において、アキシアル方向（上下方向）の制御軸をＺ軸、Ｚ軸に対して直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の制御軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする。
【００１７】
磁気軸受装置(4)のケーシング(5)内には、フライホイール回転軸(3)をＺ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受(6)、フライホイール回転軸(3)の上下２箇所をＸ軸およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(7)(8)、フライホイール回転軸(3)のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット(9)、フライホイール回転軸(3)の上下２箇所におけるＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアルセンサユニット(10)(11)、フライホイール(2)と一体の周壁およびフライホイール回転軸(3)と一体の頂壁を有する円筒状ロータ(12)と、ロータ(12)を高速回転させるモータのステータユニット(13)、フライホイール回転軸(3)の回転速度を検出するための回転センサ(14)ならびにフライホイール回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限してフライホイール回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持できなくなったときなどにフライホイール回転軸(3)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受(15)(16)が設けられている。
【００１８】
フライホイール(2)、フライホイール(2)の回転軸(3)およびロータ(12)が回転側の主たる構成要素であり、以下では、これらすべてを含む構成をフライホイールユニット(2)(3)(12)というものとする。
【００１９】
アキシアル磁気軸受(6)は、フライホイール回転軸(3)の下端部に設けられたフランジ部すなわちアキシアルディスク部(3a)をＺ軸方向の上方から臨むように配置されたアキシアル電磁石コイル(17)と、これの径方向外側に隣り合って配置された永久磁石(18)と、電磁石コイル(17)および永久磁石(18)を支持する磁石支持体を兼ねる電磁石鉄心(19)とを備えている。電磁石鉄心(19)は、磁気軸受装置(4)のケーシングの下端部分を構成している。ただし、電磁石鉄心(19)が強磁性材料とされているのに対し、符号(5)で示すケーシングの主部分は、非磁性材料（アルミなど）で形成されている。これにより、電磁石鉄心(19)以外の部材に磁束が流れることが防止され、磁気回路（磁気力）の計算が容易なものとされている。永久磁石(18)は、フライホイールユニット(2)(3)(12)の自重を支持するためのもので、永久磁石(18)のフライホイール回転軸(3)を吸引する力は、吸引力調整手段(20)によって調整されている。
【００２０】
吸引力調整手段(20)は、電磁石鉄心(19)に一体に設けられしたがって電磁石鉄心(19)と同材質の環状の固定部材(31)と、固定部材(31)に移動可能に取り付けられかつ電磁石鉄心(19)に吸引力調整ギャップ(G)を介して対向する環状の移動体(32)とを備えており、後述するように、吸引力調整ギャップ(G)の大きさが移動体(32)の移動によって変化させられることにより、永久磁石(18)がフライホイール回転軸(3)を吸引する力が調整されている。
【００２１】
各ラジアル磁気軸受(7)(8)は、それぞれ、フライホイール回転軸(3)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(7a)(8a)と、フライホイール回転軸(3)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（図示略）とを備えている。
【００２２】
上部ラジアルセンサユニット(10)は、上部ラジアル磁気軸受(7)の近傍におけるフライホイール回転軸(3)のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、上部ラジアル磁気軸受(7)の上側近傍のフライホイール回転軸(3)の外周に設けられたターゲット部(21)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ(10a)と、ターゲット部(21)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。下部ラジアルセンサユニット(11)は、下部ラジアル磁気軸受(8)の近傍におけるフライホイール回転軸(3)のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、下部ラジアル磁気軸受(8)の下側近傍のフライホイール回転軸(3)の外周に設けられたターゲット部(22)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ(11a)と、ターゲット部(22)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。各ラジアルセンサ(10a)(11a)は、公知のものであり、フライホイール回転軸(3)のターゲット部(21)(22)とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力する。したがって、各１対のＸ軸用ラジアルセンサ(10a)(11a)によりフライホイール回転軸(3)のＸ軸方向の位置が検出され、各１対のＹ軸用ラジアルセンサにより回転体のＹ軸方向の位置が検出される。各ターゲット部(21)(22)は、無方向性けい素鋼板製の環状の薄板を積層することにより構成されている。
【００２３】
フライホイール回転軸(3)の下端に、短円柱状のアキシアル方向ターゲット(23)が同心状に取り付けられている。アキシアルセンサユニット(9)は、フライホイール回転軸(3)のＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、ターゲット(23)の下端面の中心部にＺ軸方向の下側から対向するように配置されているアキシアルセンサ(9a)を有している。アキシアルセンサ(9a)は、コアにコイルが巻かれたものである。回転センサ(14)はアキシアルセンサ(9a)と同じ特性のものである。ターゲット(23)の下端面の外周部の１つの円周上に、１つまたは複数の被検出部(24)が形成されている。この例では、ターゲット(23)の下端面の最外周に凹部を形成することにより、被検出部(24)が形成されている。複数の被検出部(24)が形成される場合、それらは円周方向に等間隔をおいて設けられる。アキシアルセンサ(9a)は、公知のものであり、フライホイール回転軸(3)のターゲット(23)のＺ軸方向の位置に対応した信号を出力する。したがって、アキシアルセンサ(9a)により、フライホイール回転軸(3)のＺ軸方向の位置が検出される。
【００２４】
上部タッチダウン軸受(15)は、フライホイール回転軸(3)のラジアル方向の変位を制限するものである。上部タッチダウン軸受(15)の外輪(15a)はケーシング(5)に固定されており、内輪(15b)は、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸(3)の上端寄りの部分の外径が均一な軸部(3b)にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。下部タッチダウン軸受(16)は、フライホイール回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限するものである。下部タッチダウン軸受(16)の外輪(16a)は電磁石鉄心(19)に固定されており、内輪(16b)は、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸(3)の下部の外周に形成された環状みぞ(25)の部分にアキシアル方向およびラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態において、上部タッチダウン軸受(15)の内輪(15b)とフライホイール回転軸(3)とのラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受(16)の内輪(16b)とフライホイール回転軸(3)とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間は実際には非常に小さいが、図１には、それらを誇張して示している。
【００２５】
図２に詳細に示すように、電磁石鉄心(19)は、内壁(19a)、外壁(19b)および頂壁(19c)を有する２重筒状に形成されている。電磁石鉄心(19)の外壁(19b)は、その下端が内壁(19a)下端よりも下方に位置させられており、外壁(19b)下端部に設けられたフランジ部(19d)がコンテナ(1)の底壁部分に固定されている。電磁石コイル(17)は、内壁(19a)および頂壁(19c)に接する環状に形成され、永久磁石(18)は、電磁石コイル(17)の径方向外側に若干の間隔をおいて配置されかつ頂壁(19c)に接する環状に形成されている。
【００２６】
吸引力調整手段(20)の固定部材(31)は、外周におねじ部(33a)が形成された環状のねじ部材(33)と、ねじ部材(33)の上側に配置されてボルト(35)によって同部材(33)に結合された環状の支持部材(34)とからなる。支持部材(34)は、永久磁石(18)に下方から当てられている孔あき円板部(34a)およびその外周から下方にのびる円筒部(34b)からなる。孔あき円板部(34a)の内周縁部は、フライホイール回転軸(3)のアキシアルディスク部(3a)の外周縁部に軸方向真上から対向させられている。円筒部(34b)の下端部の所要箇所には、ねじ部材(33)を貫通したボルト(35)がねじ合わされている垂直状めねじ部が形成されている。ねじ部材(33)の内周には、支持部材(34)の内周に嵌め合わされている立ち上がり部(33b)が設けられている。永久磁石(18)の外周および支持部材(34)の上部の外周と電磁石鉄心(19)の外壁(19b)との間には、非磁性体(36)が介在させられている。非磁性体(36)は、その外周が電磁石鉄心(19)の外壁(19b)に当接するようになされているとともに、その内周には、永久磁石(18)の外周部分がすきまなく嵌め入れられる環状の凹部が形成されている。こうして、永久磁石(18)と電磁石鉄心(19)の芯出しが非磁性体(36)を使用して行われている。
【００２７】
移動体(32)は、内周にめねじ部(37a)が形成された環状のねじ部材(37)と、ねじ部材(37)の上側に配置されてボルト(39)によって同部材(37)に結合された環状の支持部材(38)とからなる。そして、移動体(32)のねじ部材(37)と固定部材(31)のねじ部材(33)とが、互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体(32)が固定部材(31)に対して移動可能とされている。各ねじ部材 (33)(37) の径は、アキシアルディスク部 (3a) の外径よりも大きくなされている。移動体(32)が固定部材(31)にねじ合わされた状態で、移動体(32)の上面と電磁石鉄心(19)の下面との間には、間隙が存在しており、これが吸引力調整ギャップ(G)とされている。また、移動体(32)の支持部材(38)上部の内径と固定部材(31)の支持部材(34)下端部の外径とは、互いに摺動し得るように、略同じ大きさとされている。
【００２８】
固定部材(31)および移動体(32)の各支持部材(34)(38)は、電磁石鉄心(19)と同じ材料、例えばＳＳ４００等の磁気特性が良好な材料が使用され、固定部材(31)および移動体(32)の各ねじ部材(33)(37)は、支持部材(34)(38)材料に比べて、磁気特性では劣るが、高強度でかつ高硬度の材料、例えばＳＵＳ４４０Ｃが使用されている。なお、支持部材(34)(38)とねじ部材(33)(37)との結合は、ボルト(35)(39)によらずに、例えば圧入等の他の方法で行ってもよい。
【００２９】
吸引力調整手段(20)が上記のように構成されていることから、永久磁石(18)は、固定部材(31)の支持部材(34)を介してフライホイール回転軸(3)のアキシアルディスク部(3a)を吸引しており、この吸引力は、永久磁石(18)を始点として、電磁石鉄心(19)の頂壁(19c)、同外壁(19b)、吸引力調整ギャップ(G)、移動体(32)の支持部材(38)、固定部材(31)の支持部材(34)を経て、永久磁石(18)に戻る磁気回路の特性によって変わってくる。すなわち、吸引力調整ギャップ(G)が大きくなれば、フライホイール回転軸(3)を吸引する力が増加し、吸引力調整ギャップ(G)が小さくなれば、フライホイール回転軸(3)を吸引する力が減少する。したがって、移動体(32)を固定部材(31)に対して右回りまたは左回りに回すことにより、吸引力の微調整をすることができる。
【００３０】
上記の磁気軸受装置(4)が作動を停止しているときなど、フライホイール回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持していないときには、フライホイール回転軸(3)は、タッチダウン軸受(15)(16)によって機械的に支持される。このとき、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)、センサ(9)(10)(11)などに接触しないように、各部の寸法が決められている。
【００３１】
磁気軸受装置(4)の運転中は、アキシアルセンサユニット(9)により検出されたフライホイール回転軸(3)のＺ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット(10)(11)により検出されたフライホイール回転軸(3)のＸ軸およびＹ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)を制御することにより、フライホイール回転軸(3)がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持される。そして、このようにフライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、モータのステータユニット(13)およびロータ(12)によりフライホイール回転軸(3)したがってこれと一体のフライホイール(2)が高速回転させられる。
【００３２】
各磁気軸受(6)(7)(8)の制御に際しては、アキシアル磁気軸受(6)の永久磁石(18)がフライホイール回転軸(3)を吸引してフライホイールユニット(2)(3)(12)の自重分を保持することから、アキシアル磁気軸受(6)の電磁石コイル(17)には、フライホイールユニット(2)(3)(12)の自重を支持するための電流は供給されずに、軸方向の振動による変位を制御するための電流だけが供給される。そして、移動体(32)を固定部材(31)に対して右回りまたは左回りに回すことにより、永久磁石(18)の吸引力がフライホイールユニット(2)(3)(12)の自重分にちょうど相当するように設定することにより、アキシアル磁気軸受(6)の制御電流を最小化することができる。また、固定部材(31)および移動体(32)の各支持部材(34)(38)は、磁気特性が良好な材料で、固定部材(31)および移動体(32)の各ねじ部材(33)(37)は、高強度でかつ高硬度の材料で形成されていることから、永久磁石(18)の吸引力が大きくなり、かつ、この吸引力がねじ部材(33)(37)にかかることによる破断等の損傷が防止される。
【００３３】
なお、上記の実施形態において、磁気軸受装置(4)の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すフライホイール電力貯蔵装置の機械的部分を示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１の要部を示す拡大縦断面図である。
【符号の説明】
(2) フライホイール
(3) フライホイール回転軸
(4) 磁気軸受装置
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(7a)(8a) ラジアル電磁石
(17) アキシアル電磁石コイル
(18) 永久磁石
(20) 吸引力調整手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flywheel power storage device, and more particularly, a flywheel power incorporating a magnetic bearing device that magnetically levitates by supporting a rotary shaft of the flywheel in a non-contact manner in an axial direction and a radial direction with a plurality of sets of magnetic bearings. It relates to a storage device.
[0002]
[Prior art]
The power storage device that stores power by rotating the flywheel requires a standby time of several hours or more, and is described in Patent Document 1 as a support mechanism, not a rolling bearing, in order to reduce bearing loss. A 5-axis control type magnetic bearing device is used.
[0003]
The 5-axis control type magnetic bearing device is a set of axial magnetic bearings that non-contact support the rotating shaft in the axial control axis direction, and the rotary shaft is non-contact in the two radial control axis directions orthogonal to each other at two locations in the axial direction. Two sets of radial magnetic bearings to support are provided. In the case of a magnetic bearing device in which the rotating shaft is arranged in the vertical direction, the weight of the rotating body is supported by controlling the electromagnet of the axial magnetic bearing.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 1-126423
[Problems to be solved by the invention]
When the conventional 5-axis control type magnetic bearing device is used in a flywheel power storage device, it is necessary to always supply a control current for supporting the dead weight of the rotating body including the flywheel. As a result, the axial magnetic bearing Power consumption (copper loss) increased, and the loss of the flywheel power storage device increased, which hindered the improvement of the energy storage efficiency.
[0006]
An object of the present invention is to provide a flywheel power storage device that can reduce power loss and improve energy storage efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
The flywheel power storage device according to the present invention is a flywheel power storage device including a magnetic bearing device that supports the flywheel rotation shaft in a non-contact manner. The magnetic bearing device is configured to move the flywheel rotation shaft in the axial direction and the radial direction. A plurality of sets of magnetic bearings having a plurality of electromagnets for non-contact support and magnetic levitation, a permanent magnet for attracting and suspending an axial disk portion provided on the flywheel rotating shaft in the axial direction, and a permanent magnet An attraction force adjusting means for adjusting the attraction force , the attraction force adjusting means facing the fixing member fixed to the magnet support for supporting the permanent magnet, and the magnet support via the attraction force adjustment gap. The fixed member has an annular screw member with a threaded portion formed on the outer periphery, and the movable member has a female threaded portion on the inner periphery. The movable body has an annular screw member formed, and each screw member has a diameter larger than the outer diameter of the axial disk portion and is screwed so that the screw members can move relative to each other. Is movable with respect to the fixed member, and the force for attracting the rotating body of the permanent magnet is adjusted by changing the size of the attraction force adjusting gap by the movement of the moving body. Is.
[0008]
The permanent magnet is preferably provided adjacent to the electromagnet of the axial magnetic bearing and supported by the electromagnet core. In this way, it is possible to reduce the size, and the axial magnetic bearing having the electromagnet and the permanent magnet can be handled as one unit, so that it can be easily used in place of the axial magnetic bearing having only the electromagnet.
[0009]
According to the flywheel power storage device of the present invention, the axial and radial control of the flywheel rotating shaft is performed by supplying a control current to the electromagnet of each magnetic bearing. At this time, the flywheel rotating shaft is axially controlled. Since permanent magnets that are attracted and suspended in the direction are provided, the control current for supporting the flywheel's own weight can be reduced, and thus the power consumption (copper loss) of the axial magnetic bearing is reduced. As a result, the power loss of the flywheel power storage device is reduced and the energy storage efficiency is improved.
[0010]
The permanent magnet preferably has an attractive force corresponding to the weight of the flywheel (which means the weight of the entire unit that rotates together with the flywheel, such as the rotating shaft and the rotor of the motor). . In this way, the control current for supporting the flywheel's own weight becomes substantially zero, and the energy storage efficiency of the flywheel power storage device is optimized.
[0013]
The attraction force adjusting means includes a fixing member fixed to a magnet support that supports the permanent magnet, and a moving body that opposes the magnet support via an attraction force adjustment gap. The moving body has an annular screw member with a female screw part formed on the inner periphery, and the diameter of each screw member is larger than the outer diameter of the axial disk part. The moving body can be moved relative to the fixed member by being screwed together so that the screw members can move relative to each other, and the size of the suction force adjustment gap is the movement of the moving body. by be varied by the force for attracting the rotating body of the permanent magnets is adjusted, the adjustment is only adjustment of the moving body provided separately from the cumbersome magnetic bearings, the energy storage efficiency of a flywheel energy storage system The fine adjustment of the suction force of the permanent magnet for optimizing can be carried out easily.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0015]
As shown in FIG. 1, the flywheel power storage device is a non-contact type of a carbon fiber cylindrical flywheel (2) housed in a container (1) and a rotating shaft (3) of the flywheel (2). And a magnetic bearing device (4) to be supported.
[0016]
The magnetic bearing device (4) is a vertical type in which a vertical shaft-shaped rotating body (in this case, the rotating shaft of a flywheel) (3) rotates inside a substantially cylindrical casing (5) arranged vertically. It is. In the following description, the control axis in the axial direction (vertical direction) is the Z axis, and the two control directions in the radial direction (horizontal direction) orthogonal to the Z axis and orthogonal to each other are the X axis and the Y axis, respectively. To do.
[0017]
In the casing (5) of the magnetic bearing device (4), there are a control type axial magnetic bearing (6) for supporting the flywheel rotating shaft (3) in a non-contact manner in the Z-axis direction, and an upper and lower two of the flywheel rotating shaft (3). Two sets of upper and lower control type radial magnetic bearings (7) and (8) that support the position in the non-contact X-axis and Y-axis directions, and an axial sensor unit for detecting the axial position of the flywheel rotating shaft (3) ( 9) Two sets of upper and lower radial sensor units (10) (11) and flywheel (2) for detecting positions in the X and Y axis directions at the upper and lower positions of the flywheel rotating shaft (3) A cylindrical rotor (12) having a top wall integral with the peripheral wall and the flywheel rotating shaft (3), a stator unit (13) of a motor that rotates the rotor (12) at a high speed, and a rotational speed of the flywheel rotating shaft (3) Rotation sensor (14) and flywheel rotation axis ( 3) When the flywheel rotating shaft (3) cannot be supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6) (7) (8) by limiting the axial and radial displacement of 3), the flywheel rotating shaft (3) Two sets of upper and lower touchdown bearings (15) and (16) are provided to mechanically support the motor.
[0018]
The flywheel (2), the rotating shaft (3) of the flywheel (2) and the rotor (12) are the main components on the rotating side, and in the following, the configuration including all of these is the flywheel unit (2) (3) (12)
[0019]
The axial magnetic bearing (6) is an axial electromagnet coil (17) disposed so as to face the flange portion, that is, the axial disk portion (3a) provided at the lower end portion of the flywheel rotating shaft (3) from above in the Z-axis direction. And a permanent magnet (18) arranged adjacent to the outside in the radial direction thereof, and an electromagnet core (19) that also serves as a magnet support for supporting the electromagnet coil (17) and the permanent magnet (18). . The electromagnet core (19) constitutes the lower end portion of the casing of the magnetic bearing device (4). However, while the electromagnet core (19) is made of a ferromagnetic material, the main part of the casing indicated by reference numeral (5) is made of a nonmagnetic material (aluminum or the like). This prevents magnetic flux from flowing to members other than the electromagnet core (19), and makes it easy to calculate the magnetic circuit (magnetic force). The permanent magnet (18) is for supporting the weight of the flywheel unit (2) (3) (12), and the force that attracts the flywheel rotation shaft (3) of the permanent magnet (18) It is adjusted by the adjusting means (20).
[0020]
The attraction force adjusting means (20) is provided integrally with the electromagnet core (19), and thus is attached to the ring-shaped fixing member (31) of the same material as the electromagnet core (19), movably attached to the fixing member (31), and The electromagnet core (19) includes an annular moving body (32) that is opposed to the electromagnetic iron core (19) via the attractive force adjustment gap (G) .As will be described later, the size of the attractive force adjustment gap (G) is the moving body ( The force by which the permanent magnet (18) attracts the flywheel rotating shaft (3) is adjusted by being changed by the movement of 32).
[0021]
Each radial magnetic bearing (7) (8) has a pair of radial electromagnets (7a) (8a) arranged so as to sandwich the flywheel rotating shaft (3) from both sides in the X-axis direction, and the flywheel rotating And a pair of radial electromagnets (not shown) arranged so as to sandwich the shaft (3) from both sides in the Y-axis direction.
[0022]
The upper radial sensor unit (10) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions in the vicinity of the upper radial magnetic bearing (7). A pair of X-axis radial sensors (10a) arranged so as to sandwich the target portion (21) provided on the outer periphery of the flywheel rotating shaft (3) near the upper side of the X-axis direction, and the target It is composed of a pair of radial sensors for Y axis (not shown) arranged so as to sandwich the portion (21) from both sides in the Y axis direction. The lower radial sensor unit (11) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions in the vicinity of the lower radial magnetic bearing (8). A pair of X-axis radial sensors (11a) arranged so as to sandwich the target portion (22) provided on the outer periphery of the flywheel rotating shaft (3) near the lower side from both sides in the X-axis direction; It is composed of a pair of radial sensors for Y axis (not shown) arranged so as to sandwich the target portion (22) from both sides in the Y axis direction. Each of the radial sensors (10a) and (11a) is a known sensor, and outputs a signal corresponding to the size of the radial gap between the flywheel rotating shaft (3) and the target portions (21) and (22). Therefore, the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis direction is detected by each pair of X-axis radial sensors (10a) (11a), and the Y-axis of the rotating body is detected by each pair of Y-axis radial sensors. A position in the direction is detected. Each target part (21) (22) is constituted by laminating annular thin plates made of non-oriented silicon steel plates.
[0023]
A short cylindrical axial target (23) is concentrically attached to the lower end of the flywheel rotating shaft (3). The axial sensor unit (9) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction, and faces the center of the lower end surface of the target (23) from below in the Z-axis direction. The axial sensor (9a) is arranged as described above. The axial sensor (9a) has a coil wound around a core. The rotation sensor (14) has the same characteristics as the axial sensor (9a). One or a plurality of detected parts (24) are formed on one circumference of the outer peripheral part of the lower end surface of the target (23). In this example, the detected portion (24) is formed by forming a recess in the outermost periphery of the lower end surface of the target (23). When a plurality of detected parts (24) are formed, they are provided at equal intervals in the circumferential direction. The axial sensor (9a) is a well-known sensor and outputs a signal corresponding to the position of the target (23) of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction. Therefore, the position of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction is detected by the axial sensor (9a).
[0024]
The upper touchdown bearing (15) limits the radial displacement of the flywheel rotating shaft (3). The outer ring (15a) of the upper touchdown bearing (15) is fixed to the casing (5), and the inner ring (15b) is not connected to the flywheel rotating shaft (3) by the magnetic bearings (6) (7) (8). In a state of contact and support, the shaft (3b) of the flywheel rotating shaft (3) is opposed to the shaft portion (3b) having a uniform outer diameter with a slight gap in the radial direction. The lower touchdown bearing (16) limits the displacement of the flywheel rotating shaft (3) in the axial direction and the radial direction. The outer ring (16a) of the lower touchdown bearing (16) is fixed to the electromagnetic iron core (19), and the inner ring (16b) is connected to the flywheel rotating shaft (3) by the magnetic bearings (6), (7), (8). In a non-contact supported state, the annular groove (25) formed on the outer periphery of the lower portion of the flywheel rotating shaft (3) faces the axial groove and the radial direction with a slight gap therebetween. In a state where the flywheel rotating shaft (3) is supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6) (7) (8), the inner ring (15b) of the upper touchdown bearing (15) and the flywheel rotating shaft (3) The radial clearance and the axial and radial clearance between the inner ring (16b) of the lower touchdown bearing (16) and the flywheel rotating shaft (3) are actually very small. Exaggerated.
[0025]
As shown in detail in FIG. 2, the electromagnet core (19) is formed in a double cylinder shape having an inner wall (19a), an outer wall (19b), and a top wall (19c). The lower end of the outer wall (19b) of the electromagnetic core (19) is positioned below the lower end of the inner wall (19a), and the flange (19d) provided at the lower end of the outer wall (19b) is a container (1). It is fixed to the bottom wall part. The electromagnet coil (17) is formed in an annular shape in contact with the inner wall (19a) and the top wall (19c), and the permanent magnet (18) is disposed on the radially outer side of the electromagnet coil (17) with a slight gap therebetween. It is formed in an annular shape in contact with the top wall (19c).
[0026]
The fixing member (31) of the suction force adjusting means (20) includes an annular screw member (33) having a screw portion (33a) formed on the outer periphery, and a bolt (35) disposed above the screw member (33). ) And an annular support member (34) coupled to the member (33). The support member (34) includes a perforated disk portion (34a) applied to the permanent magnet (18) from below and a cylindrical portion (34b) extending downward from the outer periphery thereof. The inner peripheral edge portion of the perforated disk portion (34a) is opposed to the outer peripheral edge portion of the axial disk portion (3a) of the flywheel rotating shaft (3) from directly above in the axial direction. A vertical female screw portion into which a bolt (35) penetrating the screw member (33) is screwed is formed at a required portion of the lower end portion of the cylindrical portion (34b). On the inner periphery of the screw member (33), a rising portion (33b) fitted to the inner periphery of the support member (34) is provided. A non-magnetic material (36) is interposed between the outer periphery of the permanent magnet (18) and the outer periphery of the upper portion of the support member (34) and the outer wall (19b) of the electromagnet core (19). The non-magnetic body (36) has an outer periphery that is in contact with the outer wall (19b) of the electromagnet core (19), and the outer periphery of the permanent magnet (18) is fitted into the inner periphery without any gaps. An annular recess is formed. Thus, the centering of the permanent magnet (18) and the electromagnet core (19) is performed using the non-magnetic material (36).
[0027]
The movable body (32) includes an annular screw member (37) having a female thread portion (37a) formed on the inner periphery thereof, and the member (37) disposed above the screw member (37) by a bolt (39). And an annular support member (38) coupled to the. Then, the screw member (37) of the moving body (32) and the screw member (33) of the fixing member (31) are screwed together so that they can move relative to each other, whereby the moving body (32) is fixed to the fixing member ( It is possible to move with respect to 31). The diameter of each screw member (33) (37) is larger than the outer diameter of the axial disk portion (3a) . With the moving body (32) screwed to the fixed member (31), there is a gap between the upper surface of the moving body (32) and the lower surface of the electromagnet core (19). It is considered as a gap (G). Further, the inner diameter of the upper part of the support member (38) of the movable body (32) and the outer diameter of the lower end part of the support member (34) of the fixed member (31) are set to be substantially the same size so that they can slide with each other. Yes.
[0028]
The fixed member (31) and the support members (34) and (38) of the moving body (32) are made of the same material as the electromagnet core (19), for example, a material having good magnetic properties such as SS400. ) And the moving member (32), the screw members (33) and (37) are inferior in magnetic properties to the support members (34) and (38), but a high-strength and high-hardness material such as SUS440C is used. in use. The support members (34) and (38) and the screw members (33) and (37) may be joined by other methods such as press-fitting, for example, without using the bolts (35) and (39).
[0029]
Since the attractive force adjusting means (20) is configured as described above, the permanent magnet (18) is connected to the axial disk of the flywheel rotating shaft (3) via the support member (34) of the fixed member (31). (3a), and this attractive force starts from the permanent magnet (18), the top wall (19c) of the electromagnetic iron core (19), the outer wall (19b), the attractive force adjustment gap (G), It varies depending on the characteristics of the magnetic circuit that returns to the permanent magnet (18) through the support member (38) of the movable body (32) and the support member (34) of the fixed member (31). That is, if the suction force adjustment gap (G) is increased, the force for sucking the flywheel rotating shaft (3) is increased, and if the suction force adjusting gap (G) is decreased, the flywheel rotating shaft (3) is sucked. The power to do is reduced. Therefore, the suction force can be finely adjusted by rotating the moving body (32) clockwise or counterclockwise with respect to the fixed member (31).
[0030]
When the flywheel rotating shaft (3) is not supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6), (7), (8), such as when the magnetic bearing device (4) is stopped, the flywheel rotating shaft (3) is mechanically supported by touchdown bearings (15), (16). At this time, the dimensions of the respective parts are determined so that the flywheel rotating shaft (3) does not contact the magnetic bearings (6), (7), (8), the sensors (9), (10), and (11).
[0031]
During operation of the magnetic bearing device (4), the position of the flywheel rotating shaft (3) detected by the axial sensor unit (9) in the Z-axis direction and the flywheel detected by the radial sensor unit (10) (11) By controlling the magnetic bearings (6), (7) and (8) based on the position of the wheel rotation shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions, the flywheel rotation shaft (3) is moved in the axial and radial directions. Is supported in a non-contact manner at a predetermined position. The flywheel rotating shaft (3) is thus supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6), (7), and (8), and the flywheel rotating shaft is driven by the stator unit (13) and the rotor (12) of the motor. (3) Therefore, the flywheel (2) integrated therewith is rotated at high speed.
[0032]
When controlling each magnetic bearing (6) (7) (8), the permanent magnet (18) of the axial magnetic bearing (6) attracts the flywheel rotating shaft (3) to flywheel unit (2) (3) Since the self-weight of (12) is retained, the electromagnetic coil (17) of the axial magnetic bearing (6) is supplied with current for supporting the self-weight of the flywheel unit (2) (3) (12). Instead, only the current for controlling the displacement due to the vibration in the axial direction is supplied. Then, by rotating the moving body (32) clockwise or counterclockwise with respect to the fixed member (31), the attractive force of the permanent magnet (18) is reduced by the weight of the flywheel unit (2) (3) (12). The control current of the axial magnetic bearing (6) can be minimized by setting so as to correspond exactly to. The support members (34) and (38) of the fixed member (31) and the movable body (32) are made of a material having good magnetic properties, and the screw members (33) of the fixed member (31) and the movable body (32) ) (37) is made of a high-strength and high-hardness material, the attractive force of the permanent magnet (18) increases, and this attractive force is applied to the screw members (33) (37). This prevents damage such as breakage.
[0033]
In the above embodiment, the configuration of each part of the magnetic bearing device (4) is not limited to that of the above embodiment, and can be changed as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a mechanical part of a flywheel power storage device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a main part of FIG.
[Explanation of symbols]
(2) Flywheel
(3) Flywheel rotation axis
(4) Magnetic bearing device
(6) Axial magnetic bearing
(7) (8) Radial magnetic bearing
(7a) (8a) Radial electromagnet
(17) Axial electromagnetic coil
(18) Permanent magnet
(20) Suction force adjustment means

Claims

In a flywheel power storage device having a magnetic bearing device that supports a rotary shaft of a vertical axis flywheel in a non-contact manner,
The magnetic bearing device includes a plurality of sets of magnetic bearings having a plurality of electromagnets for magnetically levitating the non-contact support of the flywheel rotating shaft in the axial direction and the radial direction, and an axial disk portion provided on the flywheel rotating shaft. A permanent magnet that is attracted and suspended in the axial direction, and an attractive force adjusting means for adjusting the attractive force of the permanent magnet ,
The attraction force adjusting means includes a fixing member fixed to a magnet support that supports the permanent magnet, and a moving body that opposes the magnet support via an attraction force adjustment gap. The moving body has an annular screw member with a female screw part formed on the inner periphery, and the diameter of each screw member is larger than the outer diameter of the axial disk part. The moving body can be moved relative to the fixed member by being screwed together so that the screw members can move relative to each other, and the size of the suction force adjustment gap is the movement of the moving body. The flywheel power storage device is characterized in that the force for attracting the rotating body of the permanent magnet is adjusted by being changed by .

Each of the fixed member and the movable body has an annular support member that is disposed on the upper side of the screw member and coupled to the member, and each support member is made of a material having better magnetic properties than the screw member. The flywheel power storage device according to claim 1 , wherein the screw member is made of a material having higher strength than the support member .