JP4914060B2

JP4914060B2 - フライホイール発電機

Info

Publication number: JP4914060B2
Application number: JP2005346002A
Authority: JP
Inventors: 敬次黒澤
Original assignee: Value Supplier and Developer Corp
Current assignee: Value Supplier and Developer Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: KR20070056912A; US20070120430A1; EP1793480A3; EP1793480A2; CN100472095C; JP2007151364A; KR100805011B1; CN1975204A

Description

本発明は、フライホイールの回転運動エネルギーを利用したフライホイール発電機に関する。

従来から、フライホイール発電機は、発電機の回転子が備えるフライホイールに電力を運動エネルギーとして蓄えて、その運動エネルギーを電力として放出するものとして知られている。つまり、フライホイール発電機は、エネルギー貯蔵の方式として、電気エネルギーを慣性モーメントの大きな物体の回転エネルギーに変換して、電力の出し入れを行う方式をとっている。このフライホイール発電機は、一般に、パルス的な大電力を必要とする負荷に電力を供給する場合に活用されていることが多い。

例えば、磁場によるプラズマ閉じ込めを行う核融合装置においては、数秒という短時間で数十万ｋＷという電力を供給する場合もあり、電力系統から直接にこのようなパルス電力をとることは電力系統に与える動揺が大きすぎて好ましくない。そこで、このような分野にフライホイール発電機が用いられる。フライホイール発電機は、数分間の時間をかけて発電機の回転数を上昇させ、フライホイールに運動エネルギーを蓄え、負荷への供給電力を得る際に回転子の運動エネルギーを放出して回転数を低下させるというサイクルで運転される。

従来のフライホイール発電機では、通常、駆動のための電動機を発電機に直結している。また、発電機の出力は電力系統から独立しており、電力の負荷への供給に伴って回転数を変化させるため周波数も回転数に同期して変化する。

図７は、このような従来のフライホイール発電機装置の制御装置の構成図である。フライホイール発電機５１は、駆動用の電動機５２により駆動されて運動エネルギーがフライホイール発電機５１に蓄積される。電動機５２は電力系統の受電端母線５３から遮断器５４ａを介して接続され、セリビウス装置５５により回転数検出手段５６からの回転数に基づいて制御される。セリビウス装置５５は電動機５２を二次励磁制御を行うものであり、二次側で発生する二次電力の一部を遮断器５４ｂを介して受電端母線５３に回生する。

フライホイール発電機５１から負荷５７への電力供給に当たって、フライホイール発電機５１は励磁装置５８により励磁されて発電し、負荷５７に電力供給して回転数を低下する。励磁装置５８には受電端母線５３から遮断器５４ｃを介して励磁電源が供給されることが開示されている。（例えば特許文献１を参照）
フライホイール発電機の構造面では、従来のフライホイール発電機は、通常の突極形発電機にフライホイールを取付け、大気中で通常の軸受を用いて運転するものの他に、密閉容器内に、浮上用マグネットとこの浮上用マグネットと対向して位置する高温超電導体から成る浮上用バルクで構成される磁気軸を用い、かつ、密閉容器内での回転子の周囲気圧を０．１ａｔｍから０．４ａｔｍの間に設定して運転される技術が開示されている。（例えば特許文献２を参照）
特開２００１−２５８２９４号公報（段落番号０００２〜０００６）特開平６−３０３７３８号公報（段落番号０００６〜０００８）

フライホイール発電機では、フライホイールの重量が大きくなるほどエネルギー貯蔵容量は大きくなるが、逆に軸受部等の機械損が大きくなる。そのため、フライホイール発電機に通常の軸受を用いる場合は、出力の要求が大きい場合には軸受部での機械損も大きくなり、フライホイール発電機としての効率の低下は避けられない。

また、軸受の構造を特許文献２に開示されているように、密閉容器内に、浮上用マグネットとこの浮上用マグネットと対向して位置する高温超電導体から成る浮上用バルクで構成される磁気軸を用いるものでは、高温超電導体が十分に作動するためには大掛かりな装置が必要になる。

また、上述のように、フライホイール発電機を密閉容器内に収納する方式では、全体の装置が複雑で大型になり、かつ、保守点検の作業や保守点検後の再スタートの際に極めて手間がかかり、あまり好ましくない。

本発明は、これらの事情にもとづいてなされたもの、大気中でも効率よく出力の得られるフライホイール発電機を提供することを目的としている。

本願発明の実施の形態にかかる第１の特徴は、起動モータと、この起動モータの回転が第１の伝動機構を介して伝達されるフライホイールと、このフライホイールの回転が第２の伝動機構を介して伝達される発電機を具備したフライホイール発電機であって、
前記フライホイール回転軸と記第１の伝動機構との間に設けられた第１のクラッチと、前記フライホイール回転軸と前記第２の伝動機構との間に設けられた第２のクラッチと、
前記フライホイールの外周に等間隔で固定された複数の回転用永久磁石と、該回転用永久磁石に対向して離間配置された電磁石と、を備え、前記回転用永久磁石は、前記電磁石に対して、前記フライホイールの回転方向に向かって離間するように傾斜配置されていることを特徴とするフライホイール発電機である。

本発明によれば、大気中でも効率よく出力の得られるフライホイール発電機を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明のフライホイール発電機の実施の形態を示す構成説明図であり、図２その要部の平面図である。

本実施の形態のフライホイール発電機１は、垂直方向の同一中心軸に沿って平面が略等辺三角形状の上段、中断および下段の各アングル構造体２、３、４が所定間隔で３段に離間して水平に配置されている。各アングル構造体２、３、４には、略等辺三角形状の中心軸に沿ってそれぞれ上段軸受５、中断軸受６および下段軸受７を支持している軸受支持部５ａ、６ａ、７ａが形成されている。また、各アングル構造体２、３、４の三角形状の頂点部は、それぞれ、脚座に立設した固定ポール８により固定されて全体が一体となったアングル構造を形成している。

フライホイール１１は、上段アングル構造体２と中段アングル構造体３との間で、上段軸受５と中段軸受６とにより軸支されたフライホイール回転軸１１ａにハブ１２により固定されている。なお、フライホイール回転軸１１ａの下端側には、フライホイール回転軸１１ａに連接して伝動機構が形成されている。

すなわち、フライホイール回転軸１１ａは、中段アングル構造体３の下方に延在して第１クラッチ１３に連接している。第１クラッチ１３は電磁クラッチで第１プーリ回転軸１４ａに固定された第１プーリ１４に連接している。従って、第１クラッチ１３の開閉に伴なってフライホイール回転軸１１ａと第１プーリ回転軸１４ａとは、動力が断絶または連通される。なお、第１プーリ１４は張架された伝動ベルト１５を介して中段アングル構造体３の下面側に固体されている起動用の起動モータ１６に動力伝達されている。起動モータ１６は、例えば、インバータ使用の２．２ＫＷの２極モータで、回転数は３，４００ｒｐｍある。

フライホイール１１の構造は、平行に離間して設けられた２枚の円板１１ｂが、等角度（例えば、２０度）に配置された複数（例えば、１８本のように偶数本）の支持アーム１７により固定された平行円板状の回転体である。また、２枚の円板１１ｂを固定支持している各々の支持アーム１７の高さ方向の略中央部には、それぞれ、フライホイール１１の外周側に向けて回転用永久磁石１８が固定されている。

図３に一部切欠平面図を示すように、支持アーム１７に固定されている回転用永久磁石１８は、平面形状は矩形であり、半径方向に対して外周側の辺１８ａ（または、内周側の辺）が直交方向ではなく、直交方向と傾斜して配置されている。

この傾斜は、回転方向（矢印Ａ）が半径方向の内側になるような配置である。この配置は、矩形状の回転用永久磁石１８の外周側の頂点１８ｃの位置で、外周側の辺１８ａ（または、内周側の辺）と半径方向との交差する角度は、実験の結果から６７．５度に設定されている。従って、支持アーム１７についても、回転用永久磁石１８を取り付ける取り付け面は、６７．５度に設定されている。

また、支持アーム１７は遠心力を増加させるために鉄製で形成されおり、ウエイトの役目も果たしている。回転用永久磁石１８の外側の対向位置には近接して所定の隙間をもって一対の電磁石１９が１８０度の位相で配置されている。すなわち、電磁石１９の中心軸（半径方向）と回転用永久磁石１８の外周側の辺１８ａ（または、内周側の辺）との交差する角度は、回転用永久磁石１８の外周側の頂点１８ｃの位置で、６７．５度に設定されている。

すなわち、フライホイール１１に設けられている回転用永久磁石１８と、この永久磁石と対向する位置に配置されている電磁石１９との配置関係で説明すると、回転用永久磁石１８は、フライホイール１１の外側に離間しての設けられた電磁石１９に対して対向位置で、電磁石１９の中心軸の直交方向に対して回転方向に離間した傾斜角αで配置されている。この傾斜角αは実験よると３０度以下が好ましく、良好な傾斜角αの中心値は、９０度−６７．５度＝２２．５度程度であることを確認している。

回転用永久磁石１８と電磁石１９との上述のような配置により、回転用永久磁石１８と電磁石１９とで磁気回路が形成される。それにより、２極のロータ（回転用永久磁石１８側）と１８０度毎のステータ（電磁石１９側）によるステッピングモータ（パルスモータ）を形成している。このステッピングモータにより駆動されるフライホイール１１の回転数は４００ｒｐｍである。

第１プーリ回転軸１４ａは、第１プーリ１４の下方にディスクブレーキとして作動するブレーキディスク２１が固定され、更に下方には、電磁クラッチを用いた第２クラッチ２２が接続固定されている。第２クラッチ２２の他方は一端が下段軸受７に軸支された第２プーリ回転軸２３ａに固定されている第２プーリ２３に接続固定されている。第２プーリ２３は張架された伝動ベルト２５を介して、発電機２６の回転軸に固定された発電機プーリ２７に係合している。発電機プーリ２７の回転に伴なって回転する発電機２６は、例えば、定格が７．５ＫＷで３０Ｈｚで６００ｒｐｍである。

次に、これらの構成によるフライホイール１１発電機２６の発電の動作について説明する。なお、各部については図１乃至図３を援用している。

（ステップ１）・・・起動ステップ
第１クラッチ１３を閉じ、第２クラッチ２２を開いた状態にする。この状態で起動モータ１６を所定方向に回転させると、起動モータ１６の回転力は、伝動ベルトを介して第１プーリ１４に伝達され、第１プーリ回転軸１４ａを回転させる。その際、第１クラッチ１３が閉じているので、第１プーリ回転軸１４ａとフライホイール回転軸１１ａとは連結されている。従って、第１プーリ回転軸１４ａの回転はフライホイール回転軸１１ａに伝動されて、フライホイール回転軸１１ａを回転させ、このフライホイール回転軸１１ａに固定されているフライホイール１１を起動して回転させる。

（ステップ２）・・・フライホイール１１の回転ステップ
フライホイール１１が起動回転した後に、第１クラッチ１３を開いた状態にして第１プーリ１４との結合から開放する。その状態で、所定のタイミングで一対の電磁石１９にパルス通電をおこなう。すなわち、パルス通電のタイミングは、回転用永久磁石１８が電磁石１９に対して回転方向に先行してずれた位置である出口側でおこなう。電磁石１９の励磁の結果、電磁石１９と回転用永久磁石１８との間に生じた蹴り出し力により、フライホイール１１には回転力が付加されて連続的に回転する。フライホイール１１が回転した後は、電磁石１９へのパルス通電を停止しても、フライホイール１１は慣性により自然停止までの所定時間の間は自力で回転を継続する。

なお、電磁石１９にパルス通電をおこなうパルス通電のタイミングを、回転用永久磁石１８が電磁石１９に対して回転方向に先行してずれた位置である出口側でおこなうことについては、実験結果からの図４に示すグラフによる考察による。

すなわち、図４は、フライホイール１１のステピィングモータが回転時の回転用永久磁石１８の位置と回転力（蹴り出し力）との関係を示すグラフである。この場合は、回転用永久磁石１８は、フライホイール１１の半径方向（電磁石１９の中心軸方向）に対して外周側の辺（又は、内周側の辺）が直交して配置されている。

すなわち、フライホイール１１のステピィングモータの蹴り出し力は、フライホイール１１に設けられた回転用永久磁石１８と固定側の電磁石１９との回転通過時の隙間を１ｍｍに保ち、回転通過位置で０〜２０ｍｍの間、電磁石１９に反発方向に１０Ａを通電した際、回転用永久磁石１８が通過前（入口側）で８ｍｍ回転位相がずれたときの引込力と、通過後（出口側）の８ｍｍずれた瞬間に、８ｋｇの放出力が発生する。（図４のグラフで、横軸の「回転方向ずれ寸法」の８ｍｍの位置での縦軸「回転力」が８ｋｇとなる）
この場合、図５に部分拡大模式図を示すように、電磁石１９による回転用永久磁石１８への蹴り出し力は、回転用永久磁石１８が、半径方向に対して外周側の辺（または、内周側の辺）が直交方向ではなく、直交方向と傾斜して配置されている。したがって、電磁石１９にパルス通電をおこなうパルス通電のタイミングを出口側でおこなえば、回転用永久磁石１８の外周側の辺１８ａに作用した後に連続して回転用永久磁石１８の半径方向（フライホイール１１の）の辺１８ｂにも作用させることができる。その結果、回転用永久磁石１８に対して強い蹴り出し力を付与することができる。実際に、実験でもパルス通電のタイミングを、回転用永久磁石１８が電磁石１９に対して回転方向に先行してずれた、出口側の斜めの位置で電磁石１９に対して励磁をおこなうことが，蹴り出し力の増強に効果的であることを確認している。

（ステップ３）・・・発電ステップ
フライホイール１１が所定の回転数に達した時点で、第１クラッチ１３と第２クラッチ２２の双方を閉状態にする。２つのクラッチ１３、２２の作用により、フライホイール回転軸１１ａ、第１プーリ回転軸１４ａおよび第２プーリ回転軸２３ａとは同心状態で結合される。この結合により、フライホイール１１の回転は、フライホイール回転軸１１ａと第１プーリ回転軸１４ａを経由して第２プーリ回転軸２３ａに伝達され第２プーリ回転軸２３ａを回転させる。第２プーリ回転軸２３ａを回転は、第２プーリ２３を回転させ、更に、伝動ベルト２５を介して発電機プーリ２７を回転させる。発電機プーリ２７は発電機２６の回転軸に固定されているので、回転軸を介して発電機２６を回転させて発電する。

また、停止が必要な場合は、ディスクブレーキのブレーキディスク２１を挟持して停止させることができる。

次に、図６に示した説明図を参照して、フライホイール発電機１の動作時のフライホイール回転軸１１ａにおけるトルクについて説明する。なお、図６において、発電の動作時に２つのクラッチ１３、２２は閉じた状態である。したがって、各回転軸１１ａ、１４ａ、２３ａは一本の軸とみなせるのでクラッチ１３、２２は省略している。

フライホイール１１の回転軸１１ａのトルク（ＴＦ）は、起動モータ１６からのトルク（ＴＡ）とフライホイール１１の外周部に形成されたステピィングモータ（ＴＢ）によるトルクとの和になる。

（Ａ）フライホイール１１の回転軸１１ａの起動モータ１６によるトルク（ＴＡ）
モータ定格とトルクの関係式から算出
Ｎ；回転数（ｒｐｍ）、Ｔ；トルク（Ｎｍ）、Ｈ；定格電力ｋｗとすると、
Ｈ＝｛Ｔ（２πＮ）／６０｝／１０００・・・・・・・・（式１）
（式１）を変形すると、
Ｔ＝（６００００／２π）Ｈ／Ｎ・・・・・・・・・・・（式２）
また、単位の換算で、１ｋｇ＝９．８０Ｎｍ
１Ｎｍ＝０．１０１９７２ｋｇ・ｍである。

起動モータ１６の出力は２．２ｋｗ、フライホイール１１の回転軸１１ａの回転数は４００ｒｐｍとすると、
（式２）より
ＴＡ（Ｎｍ）＝（６００００／２π）２．２／４００
Ｎｍをｋｇに単位換算すると
ＴＡ（ｋｇ）＝（９７４×２．２）／４００
＝５．３６ｋｇ・ｍ
（Ｂ）フライホイール１１の外周部に形成されたステピィングモータによるトルク（ＴＢ）
直径φ１．５ｍのフライホイール１１で、このフライホイール１１に対する電磁石１９と回転用永久磁石１８とによる反発力による蹴り出し力が８ｋｇであり、かつ、２ヶ所に設けられているので、
ＴＢ＝（８×１．５／２）×２＝１２ｋｇ・ｍ
したがって、フライホイール１１の回転軸１１ａのトルクＴＦは、
ＴＦ＝ＴＡ＋ＴＢ＝５．３６ｋｇ・ｍ＋１２ｋｇ・ｍ＝１７．３６ｋｇ・ｍとなる。

次に、フライホイール１１の回転軸１１ａのトルクＴＦによる発電機２６の回転軸のトルク（ＴＧ）を計算すると、発電機２６の回転数は６００ｒｐｍであるから、
ＴＧ＝１７．３６／（６００／４００）＝１１．５７ｋｇ・ｍとなる。

一方、単独に、（式２）により、発電機２６の回転軸のトルク（ＴＨ）を算出すると、発電機２６の出力は６．７ｋｗであり、回転数は６００ｒｐｍであるから
ＴＨ＝（６．７×９７４）／６００＝１０．８７ｋｇ・ｍとなる。

ここで、フライホイール１１の回転軸１１ａのトルクＴＦによる発電機２６の回転軸のトルク（ＴＧ）と、単独に、（式２）により、発電機２６の回転軸のトルク（ＴＨ）を算出した場合とを比較すると、
ＴＧ＝１１．５７ｋｇ・ｍ＞ＴＨ＝１０．８７ｋｇ・ｍの関係となる。

すなわち、発電機２６にはフライホイール１１側からから、発電機２６の定格以上のトルクが付与される。したがって、発電機２６は発電力を上昇されることができたと言える。

なお、本発明は上記実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のフライホイール発電機の実施の形態を示す構成説明図。本発明のフライホイール発電機の実施の形態を示す要部の平面図。本発明のフライホイール発電機のフライホイールでの永久磁石の配置説明図。フライホイールでのステピィングモータの蹴り出し力の説明グラフ。ステピィングモータの蹴り出しについての部分拡大模式図。フライホイール発電機の動作時のフライホイール回転軸におけるトルクについての説明図。従来のフライホイール発電機装置の制御装置の構成図。

符号の説明

１…フライホイール発電機、２…上段アングル構造体、３…中段アングル構造体、４…下段アングル構造体、５…上段軸受、６…中段軸受、７…下段軸受、８…固定ポール、１１…フライホイール、１３…第１クラッチ、１４…第１プーリ、１５…伝動ベルト、１６…起動モータ、１７…支持アーム、１８…回転用永久磁石、１９…電磁石、２１…ブレーキディスク、２２…第２クラッチ、２３…第２プーリ、２６…発電機

Claims

起動モータと、この起動モータの回転が第１の伝動機構を介して伝達されるフライホイールと、このフライホイールの回転が第２の伝動機構を介して伝達される発電機を具備したフライホイール発電機であって、
前記フライホイール回転軸と記第１の伝動機構との間に設けられた第１のクラッチと、前記フライホイール回転軸と前記第２の伝動機構との間に設けられた第２のクラッチと、
前記フライホイールの外周に等間隔で固定された複数の回転用永久磁石と、該回転用永久磁石に対向して離間配置された電磁石と、を備え、前記回転用永久磁石は、前記電磁石に対して、前記フライホイールの回転方向に向かって離間するように傾斜配置されていることを特徴とするフライホイール発電機。