JP6150895B2 - フライホイールアセンブリを動作させる方法及びフライホイール装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械的軸受によって支持された回転子全般に関し、特に回転子の重量負荷をその軸受から除去する方法及び装置に係る。

回転運動エネルギーを蓄積する回転子など、回転子は、転がり軸受によって通常支持される回転軸に沿って軸を有する。従って例えば、垂直方向に配向された回転子は、下部転がり軸受及び上部転がり軸受を有することがある。このような構成において、下部軸受は通常、回転子の重量を支持するよう設計されなければならない。

回転子を支持するために転がり軸受を使用することは効果的であるが、このような軸受の通常使用においては、大型の軸受が必要となる。従って例えば、エネルギー蓄積に使用される回転子は、１０００パウンド（５００ｋｇ）を越える重量を有することもある。大きな重量を支持することのできるローラー軸受は、常に大型であり、高価である。さらに、当分野において既知のとおり、ボール軸受の寿命は軌道の疲労により制限され、軸受負荷の３乗に反比例して変化する。

回転子を支持するローラー軸受への軸方向負荷を低減することのできる装置及び方法が求められている。この装置及び方法は、既存の回転子設計に対して互換性を有していなければならず、実装が容易でなければならない。この装置及び方法はさらに、軸受の寿命を延ばすものでなければならない。

本発明は、垂直方向に搭載された回転子の軸受により支持される重量の大部分の負荷を除去することにより、従来の回転子支持装置及び方法の不具合を克服する。一実施形態において、下部軸受への負荷は、下部軸受アセンブリと直列の軸方向ばねによって与えられる最小プリロードまで磁気的に除去される。下部軸受へのプリロードは、所望かつ現実的な最小の値に設定することができ、負荷がほぼ除去された下部軸受では、ボール滑り及びその他の障害を回避することができる。一実施形態において、プリロードのこの部分は、回転子の重力を僅かなマージンで超過した磁気持ち上げ力を付与することによって得られる。磁気持ち上げ力と回転子の重量との間のこの僅かな差は、上部軸受にプリロードを与える。さらに、本発明は、機械的システムレイアウトと、上部軸受への軸方向の残余プリロードを正確に規定するのに必要な制御とを備える。

このレベルの磁力を付与することにより、３つの基本的効果を得る。第１に、下部軸受への荷重は、軸方向ばねで完全に、且つ、精密に設定することができる。第２に、上部軸受及び下部軸受の外側リング（又は軌道）の穴に滑り嵌め搭載をする場合に、回転子は軸方向の僅かな隙間距離を通って持ち上げられる。この隙間によって、回転子及び筐体は、熱的条件が一致しない場合、及び、ポアソン効果によって求心的荷重により回転子の軸方向長さが変化する場合、膨張差を有することが許容される。回転子が上部軸受アセンブリによって規定される停止位置まで完全に持ち上げられると、磁気駆動力を規定するギャップが精密に設定される。このように、規定の巻線電流の磁気的持ち上げ力は、非常に正確であり、且つ、再現性がある。さらに磁気的ギャップが可能な限り最小に設定されるため、磁気的持ち上げ巻線によって要求される力は最小となる。第３に、軸方向のプリロード力が上部軸受に課される。このプリロード力は、磁気的持ち上げ力と回転子の重力重量の間の差によって決定される。

特定の実施形態によると、フライホイールアセンブリを動作させる方法が提供される。このフライホイールアセンブリは、回転子、機械的軸受アセンブリ、及び電磁石を含む。回転子は、垂直方向回転軸及び磁性材料を有する。機械的軸受アセンブリは、筐体に接続されている。電磁石は、筐体内の回転子を浮遊させるよう配置されている。軸受アセンブリは、低位置と高位置の間で、回転子の軸方向の動きを許容する。低位置は、回転子と電磁石の間に最大ギャップを有する。高位置は、回転子と電磁石の間に最小ギャップを有する。この方法は、高位置にある回転子でフライホイールを動作させるのに十分な電流を電磁石に供給する工程を含む。

他の特定の実施形態によると、フライホイールアセンブリを動作させる方法が提供される。このフライホイールアセンブリは、回転子、機械的軸受アセンブリ、及び電磁石を含む。回転子は、垂直方向回転軸及び磁性材料を有する。機械的軸受アセンブリは、筐体に接続されている。電磁石は、筐体内の回転子を浮遊させるよう配置されている。軸受アセンブリは、低位置と高位置の間で、回転子の軸方向の動きを許容する。低位置は、回転子と電磁石の間に最大ギャップを有する。高位置は、回転子と電磁石の間に最小ギャップを有する。電磁石へ付与する電流であって高臨界電流より大きい電流は、回転子を低位置から高位置へと持ち上げるのに十分である。電磁石に付与される電流であって低臨界電流より大きい電流は、回転子を前記高位置に維持するのに十分である。この方法は、回転子が低位置に在る状態で、回転子を高位置又はその付近まで浮遊させるのに十分な第１臨界電流まで電磁石への電流を増加させる工程と、回転子が高位置又はその付近に在る状態で、回転子を高位置又はその付近に浮遊させるのに十分な第２臨界電流まで電磁石への電流を減少させる工程と、電磁石への電流を第２臨界電流以上にすることにより、回転子を動作させる工程と、を含む。

特定の実施形態によると、フライホイール装置が提供される。このフライホイール装置は、筐体、回転子、軸受、及び磁石を備える。回転子は、回転子重量及び回転軸を有する。回転軸は、重力方向に配向されている。回転子は、磁性材料を含む。磁石は、電磁石を含む。磁石は、回転軸に沿う方向に重力に逆らって磁性材料へ引力を付与するよう配置されている。筐体及び回転子を連結する軸受は、回転軸周りに回転子の回転を許容し、磁石に対する回転子の軸方向変位を許容する。さらに、フライホイール装置は、磁束センサ及び制御システムを含む。磁束センサは、磁石と回転子との間の磁束を測定する。制御システムは、測定された磁束に応じて電磁石に電流を供給する。この電流は、回転子重量を支持するのに十分な引力を付与する臨界電流より大きい。

一実施形態によると、回転子を所定の軸方向変位だけ磁気的に持ち上げることにより、下方回転子軸受の負荷を除去する。この変位は、２つの軸受がそれぞれの軸受座に有する外側軌道（リング）の遊びの範囲によって決まり、これらの軸受には各々、滑り嵌めが用いられる。この持ち上げ変位により、下部軸受に掛かる軸方向の荷重を最小プリロードまで低減し、適正なローラー軸受機能を果たさせる。一例によると、軸方向のプリロードは、軸受の定格動的負荷容量のごく一部（例：０．００１〜０．１０）である。

他の実施形態によると、下部回転子軸受の負荷を除去する装置を提供する。この装置は、筐体、回転子、下部ローラー軸受、及び持ち上げ巻線を含む。回転子は、磁性材料を含む。回転子は、上部軸及び下部軸を有する。下部ローラー軸受は、下部軸及び筐体に取り付けられている。持ち上げ巻線は、筐体に取り付けられている。電流が持ち上げ巻線に供給されると、回転子は重力に逆らって持ち上げられ、下方ローラー軸受に掛かる負荷を回転子の重量より小さい値まで低減する。

さらに他の実施形態によると、軸方向ばねを含む。軸方向ばねは、下部軸受の外側軌道と直列である。軸方向ばねは、回転子がその重量を越える力で磁気的に持ち上げられると、下部軸受への軸方向のプリロードを精密に設定する。

一実施形態によると、力検出素子（例：ひずみゲージ）を含む。力検出素子は、上部外側軌道及び下部外側軌道の一方又は双方と直列である。力検出素子は、磁気的持ち上げ巻線の電流を較正制御又はフィードバック制御により、軸受のプリロードを精密に設定するために使用される。

他の実施形態によると、ホール効果センサ等の磁界検知素子を含む。磁界検知素子は、負荷を除去する電磁束密度を検知する。後述のとおり、磁力は、ギャップの磁束密度の２乗で非常に正確に変化する。このように、負荷除去電磁石は、ギャップの磁束の密度を測定することにより、精密に査定することができる。この測定された磁界の大きさは、負荷除去の制御において、上部軸受に掛かる軸方向のプリロードを精密に設定するのに便利に使用することができる。

さらに他の実施形態によると、測定されたギャップ磁界と巻線電流との使用を組み合わせる。これにより、制御システムでは、直接的な力センサを使用することなく、上部軸受の軸方向のプリロードを精密に設定することができる。

以上の特徴は、当業者にとって以下の詳細な説明から明らかになる種々の補助的な機構及び特徴とともに、本発明の装置及び方法によって到達されるものであり、その好適な実施形態を例示のみを目的として、添付の図面を参照に以下に述べるものとする。

本発明の第１実施形態に係るフライホイール装置の断面概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態に係る上部軸受アセンブリの断面概略図であり、（ａ）は最低位置における回転子を示しており、（ｂ）は最高位置における回転子を示している。 第１実施形態に係る下部軸受アセンブリの断面概略図である。 ギャップの２つの値に対する電磁石電流の関数としての持ち上げ力を示すグラフである。 フライホイール装置動作中、電流が変化する際の持ち上げ力を示すグラフである。 第２実施形態に係る上部軸受アセンブリの断面概略図である。 第２実施形態に係る下部軸受アセンブリの断面概略図である。 本発明の制御アルゴリズムの一実施形態を示す制御システム図である。 本発明の第２実施形態に係るフライホイール装置の断面概略図である。 ギャップの２つの値に対する磁束鎖交の関数としての電流を示すグラフである。 本発明の制御アルゴリズムの第２実施形態を示す制御システム図である。 第２実施形態の磁石を有する本発明のフライホイール装置の断面概略図である。 第３実施形態の磁石を有する本発明のフライホイール装置の断面概略図である。

図面では、特定の要素、態様、又は特徴を示すために参照符号及びラベルを使用しており、複数の図面で共通する参照符号及びラベルは、同様の要素、態様、又は特徴を示すものである。

以下の説明において、回転子を支持する従来のローラー軸受の負荷を磁気的に除去する装置及び方法の特定の実施形態を詳細に示す。回転子軸受の負荷を除去することにより、走行摩擦を低減し、さらに軸受の寿命を延ばす。これにより、フライホイールエネルギー蓄積システムで回転子を使用する例において、本発明の負荷低減により、走行摩擦を無視できる程度に低減し、軸受の寿命を数桁分延ばす。さらに、本発明の構造及び方法では、可能な限り少ない部材で回転子を磁気的に支持することにより、磁気的持ち上げ巻線に必要な電力を最小にする。

図１は、第１実施形態に係るフライホイール装置１００の断面概略図である。フライホイール装置１００は、筐体１１０、回転子１２０、及び軸受を含む。回転子１２０は、回転軸ＣＬを有する。軸受は、回転子を支持して回転を許容する。フライホイール装置１００は、下部軸受アセンブリ１３０及び上部軸受アセンブリ１４０を含むことができる。さらに、フライホイール装置１００は、磁石１７０、動力部１５０、及び制御システム１６０を含む。動力部１５０は、動力を付与し、かつ回転子１２０から動力を取り除く。フライホイール装置１００並びに軸受アセンブリ１３０及び１４０は、中央線ＣＬについて略対称である。以下に述べるとおり、軸受アセンブリ１３０及び１４０は、矢印Ａで示すように、回転子の軸方向の動きをある程度許容しつつ、回転子１２０を支持する。ここで軸方向の動きの全範囲をδと表す。

以下に述べるとおり、磁石１７０は電磁石を含む。電磁石は、本明細書中において、「負荷除去」又は「負荷除去電磁石」とも称する（ただし、磁石１７０の称し方はこれらに限定されるものではない。）。電磁石は、重力に逆らう力を回転子１２０に与えるよう動作することができる。制御システム１６０によって付与される電流等によって磁石１７０の電磁石が駆動されると、回転子は例えば図示された距離δだけ、上方に移動することができる。一実施形態において、最小距離δは、予測される膨張差を考慮して、例えば、０．２５ｍｍ（０．０１インチ）〜１．０ｍｍ（０．０４インチ）とすることができる。

回転子１２０の支持はこのように部分的に磁石１７０に移行される。このため、軸受アセンブリ１３０に掛かる下方への力の量が低減される。軸受への荷重が低減すると、より小型で軽量の軸受を使用することができる点、及び／又は軸受の寿命を延ばすことができる点で、回転子の全重量を支持しなければならない軸受に比べて、有利である。

筐体１１０は、筐体本体部１１１を含む。筐体本体部１１１は、回転子１２０を囲んでおり、例えば回転中の回転子から摩擦損失を低減するために空気を抜かれてもよい。さらに、筐体１１０は、磁石１７０の要素を含む。磁石１７０は、上部筐体部材１７３及び持ち上げ巻線１７１を含む（ただし、磁石１７０が含む部材はこれらに限定されない。）。上部筐体部材１７３は、磁性材料からなり、又は磁性材料を含む。上部筐体部材１７３の磁性材料は、例えば、鋼にすることができるがこれに限定されるものでない。他の実施形態において、磁石１７０は、回転子１２０の上方に配置され、筐体１１０から離間している。磁石１７０は、このようにして回転子１２０に持ち上げ力を与えるよう配される。

以下に述べるとおり、筐体１１０及び／又は磁石１７０の種々の実施形態は、例えば、磁石１７０及び／又は回転子１２０の動作状態を決定する検知素子を含んでいてもよい（ただし、これらの実施形態が含む素子はこれに限定されるものではない。）。

回転子１２０は、回転子本体部１２１、下部軸１２３、及び上部軸１２５を有する。回転子本体部１２１は、磁性材料からなり、又は磁性材料を含む。一実施形態において、回転子１２０は、例えば、鋼等の磁性材料からなり（ただし、これに限定されるものではない。）、４５ｋｇ（１００ｌｂｓ）〜２７，０００ｋｇ（６０，０００ｌｂｓ）の重量Ｗを有する。

動力部１５０は、モータ発電機を有する（ただし、動力部１５０が含む部材はこれに限定されるものではない。）。モータ発電機は、回転子１５１及び固定子１５３を備える。回転子１５１は、下部軸１２３に取り付けられている。固定子１５３は、筐体１１１に取り付けられている。動力部１５０は、当分野で周知であり、電気エネルギーを回転子１２０の回転エネルギーに変換するために使用される。

通常、軸受アセンブリ１３０及び１４０は、筐体１１０内の回転子１２０の回転を支持する。図１に示すアセンブリ１３０及び１４０は、一般的なものである。より具体的には、以下に述べるとおり、下部軸受アセンブリ１３０は、ローラー軸受を含む。ローラー軸受は、下部軸１２３と筐体１１０を接続する。上部軸受アセンブリ１４０は、ローラー軸受を含む。ローラー軸受は、上部軸１２５と筐体を接続する。さらに、軸受アセンブリ１３０及び／又は１４０の種々の実施形態は、例えば、ばね、ストッパ、及び／又はセンサを含んでいてもよい（ただし、これらの実施形態が含む部材はこれらに限定されるものでない。）。ばねは、軸方向の動きと軸受への力を与える。ストッパは、軸受の軸方向の動きを制限する。センサは、軸受に掛かる軸方向の力又は変位を測定する。回転子の軸方向の伸び（又は縮み）及び回転子１２０の軸方向の僅かな変位は、ばね、ストッパ、及び磁石の組み合わせによって与えられ、又は緩和される。これにより、フライホイールアセンブリ１００の動作中、δの範囲を約１ミリメートルまでにする。

通常、軸受アセンブリ１３０及び１４０に対する最低要件として、これらが少なくとも１セットの軸受を含むことと、回転子１２０の軸方向の動きをある程度許容することとが挙げられる。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る上部軸受アセンブリ２４０の断面概略図であり、図２（ａ）は最低位置における回転子１２０を示しており、図２（ｂ）は最高位置における回転子を示している。上部軸受アセンブリ２４０は、以下に明示的に述べる点を除いて軸受アセンブリ１３０及び１４０と略同一である。

図２（ａ）に示すように、上部軸受アセンブリ２４０は、筐体１１０内で上部軸１２５を支持している。より具体的には、上部軸受アセンブリ２４０は、軸受２４１を含む。軸受２４１は、軸受内側部分２４３、ボール軸受２４５、及び軸受外側部分２４７を含む。軸受２４１の内側部分は、例えば、軸受内側部分２４３が上部軸１２５に圧入され、かつ軸受外側部分２４７が筐体１１０に接続した状態で、回転子１２０に接続している。さらに、上部軸受アセンブリ２４０は、上部軸方向ばね２４４及び剛性片を含む。上部軸方向ばね２４４は、筐体１１０と軸受外側部分２４１を接続する。剛性片は、ストッパ２０１として示されている。ストッパ２０１は、筐体１１０に接続され、ばねの動きを制限する。ばね２４４は、例えば、ウェーブワッシャ又はベルヴィルワッシャとすることができるがこれに限定されるものでなく、回転子１２０に下方へ向かう力を与えるよう構成することができる。

図２（ａ）における回転子の最低位置では、筐体１１０内に設けられた軸受外側部分２４１とストッパの間において寸法δを有するギャップが存在する。図２（ｂ）における回転子の最高位置では、軸受２４１は、軸受外側部分２４１がストッパ２０１に接触するまで上方に向かわされる。上部軸受アセンブリ２４０は、このようにして、回転子１２０の回転を許容し、ストッパ２０１のサイズによって制限される軸方向変位を発生させる。

図３は、第１実施形態に係る下部軸受アセンブリ３３０の断面概略図である。下部軸受アセンブリ３３０は、以下に明示的に述べる点を除いて、軸受アセンブリ１３０、１４０、及び２４０と略同一である。

図３に示すように、下部軸受アセンブリ３３０は、筐体１１０内で下部軸１２３を支持する。より具体的には、下部軸受アセンブリ３３０は、軸受３４１を含む。軸受３４１は、軸受内側部分３３３、ボール軸受３３５、及び軸受外側部分３３７を含む。軸受３３１の内側部分は、例えば、軸受内側部分３３３が下部軸１２３に圧入され、かつ軸受外側部分３３７が筐体１１０に接続した状態で、回転子１２０に接続している。さらに、下部軸受アセンブリ３３０は、下部軸方向ばね３３２及び任意の剛性ストッパ３０１を含む。下部軸方向ばね３３２は、筐体１１０と軸受外側部分３３１を接続する。任意の剛性ストッパ３０１は、筐体１１０に接続され、ばねの動きを制限する。ばね３３２は、例えば、ウェーブワッシャ又はベルヴィルワッシャとすることができるがこれに限定されるものでなく、回転子１２０に上方へ向かう力を与えるよう構成することができる。下部軸受３３１は、上部軸受３４１と同様であってもよいし、又は、構造又は負荷への耐性が異なってもよい。

磁石１７０による回転子１２０への持ち上げ力は、磁石の磁極と回転子との間の距離であるギャップｇによって決定される。図１より、ギャップｇは、回転子と磁石の配置に応じて、軸方向変位δに合わせて変化することが明らかである。従って回転子が最上部位置へと移動した場合、ｇは最小となり、回転子が距離δだけ下方に移動した場合、ｇは最大距離となる。さらに、ギャップｇが変化するにつれて、下部軸方向ばね３３２及び上部軸方向ばね２４４などのばねの動きから回転子１２０に掛かる力も、ばねの設計に応じて変化させることができる。

軸受２４１の外側部分及び軸受３３１の外側部分は、半径方向に２．５μｍ（０．０００１インチ）〜２５μｍ（０．００１インチ）の隙間を挟んで滑り嵌めによって搭載されている。軸方向の遊びδは、筐体の長さに対して回転子の長さに不可避的に発生する膨張差を考慮してただ与えられるのみである。このような差は、例えば、熱的条件が一致しないこと、又はポアソン効果によって求心荷重により回転子の軸方向長さが変化することによるものである。

これは名目上、一端で必要とされているのみであり、磁石１７０が駆動している場合は、底部で必要とされる。一実施形態では、滑り嵌めは、軸受２４１及び３３１の双方に用いられ、これにより軸方向ばね２４４及び３３２を用いて軸受力を設定することができる。この場合において、磁石１７０が駆動しているときは、底部ばね３３１及び滑り嵌めを用い、磁石１７０が駆動していないときは、頂部ばね及び滑り嵌めを必要とする。

持ち上げ巻線１７１に電流Ｉを供給するために、制御システム１６０を使用してもよい。具体的には、電流Ｉが持ち上げ巻線１７１に付与される際、これにより生じる磁界は、回転子本体部の重量に逆らって、回転子本体部１２１の磁性材料に対して引力を発生させる。このため、例えば、持ち上げ巻線１７１に電流が送られない場合、軸受アセンブリ１３０及び１４０に掛かる軸受の力の組み合わせは、回転子の重量となる。一方、持ち上げ巻線１７１に電流が送られる場合、軸受アセンブリ１３０及び１４０に掛かる軸受の力の組み合わせは、回転子１２０が持ち上げ巻線に引き寄せられる力だけ回転子の重量から小さいものとなる。

以下の簡易な分析により、フライホイールアセンブリ１００の特に軸受アセンブリ１３０及び１４０に掛かる力について理解を深める。

回転子１２０に掛かる力には、回転子の下方に向かう重量Ｗ、上部軸受１４１によって下方に向かう力ｆ_ＵＢ、下部軸受ばね１４１によって上方に向かう力ｆ_ＬＢ、及び磁石１７０によって生じる上方に持ち上げる力（この力をＦと記す。）の組み合わせが含まれる。

このように、軸受２４１及び３３１に掛かる力は、Ｗ及びＦ、並びに軸方向ばね２４４及び３３２並びに任意のストッパ（ストッパ２０１及び／又はストッパ３０１等、軸受の動きに対抗する任意のストッパ）によって課される力の組み合わせである。通常、軸方向ばね２４４及び３３２の双方には、回転子重量Ｗのごく一部（例えば、０．００１〜０．１０）等、軸方向に微量のプリロードを与えてもよい。回転子１２０は固定部分のいずれにも接触しないということが特に重要である。さらに、以下に述べるとおり、回転子１２０は磁石１７０に接近するほど、磁石の電流が一定の条件では引力が増加し、何らかの方法で磁石−回転子間の最小間隔を固定することが望ましい。

下部軸受の力は、持ち上げ力Ｆを増すことによって低減されるため、持ち上げ力を付与することにより下部軸受アセンブリ１３０の軸受に掛かる力を著しく低減することができることが分かる。特定の実施形態において、以下に述べるとおり、力Ｆは、重量Ｗの均衡をとるように、又は実質的に均衡をとるように調整され、上側軸受及び下側軸受の力は略同一になり、前述の小さなプリロードの量と等しい値にすることができる。

高い透磁率を有する線形磁性材料を使用した簡易な分析では、Ｆの値は、電流Ｉの２乗で増加し、ギャップｇの２乗に反比例して増加することを示す。これにより、図１における磁石１７０の電磁気要素の理想的なモデルは、例えば図４のように（ただし、これに限定されるものではない。）、ギャップｇの２つの値に対する電磁石電流Ｉの関数として持ち上げ力Ｆを示すグラフ４００として示される。第１曲線４０１は、ｇの最大値（ｇ＝ｇ_ｍａｘ）、つまり回転子１２０が図２（ａ）の例に示すように最低位置にある場合について演算したものであり、第２曲線４０３は、ｇの最小値（ｇ＝ｇ_ｍｉｎ）、つまり回転子が図２（ｂ）の例に示すように最高位置にある場合について演算したものである。回転子１２０に掛かる磁石１７０の持ち上げ力Ｆは、Ｆ＝ｋ（ｇ）＊Ｉ^２に近似している。ここでＦの方向は図１における上方へ向かう方向であり、Ｉは持ち上げ巻線１７１に供給される電流であり、ｋ（ｇ）はギャップｇによって決まる定数である。より具体的には、ｇが減少するとｋ（ｇ）が増加し、つまり、回転子１２０が電磁石１７０に接近するにつれて引力が大きくなる。透磁率が無限である理想的な磁性材料では、ｋ（ｇ）は逆２乗依存を呈する。

電流供給がなされない場合（Ｉ＝０）、回転子１２０は最低位置に在り、曲線４０１は持ち上げ力Ｆの値をＩの関数として与える。電流が回転子を最高位置まで持ち上げるのに十分である場合、持ち上げ力の値は、曲線４０３によって与えられる値まで増加する。このように、回転子１２０は、電流に応じて安定的な機械的位置を２つ有する。

フライホイール装置１００の原動力を解析する方法をグラフ４１０として図５にさらに示す。グラフ４１０は、フライホイール装置１００の動作中に電流Ｉが変化した場合の持ち上げ力Ｆを示している。再設定から開始すると、ギャップは最大となり（ｇ＝ｇ_ｍａｘ）、磁石１７０に電流を付与することにより、曲線部分４１１及び４１２に示されるとおり、曲線４０１に沿って持ち上げ力Ｆが増加する。Ｉ_１と示されている第１臨界電流、すなわち高臨界電流において、曲線４０１の点４１３によって示されているように、持ち上げ力Ｆは、重量Ｗ、及び回転子１２０に掛かる他の力（例えば、ばねのプリロード）を超える。この点において、回転子１２０の軸方向の位置は不安定となり、電流が僅かに上昇し、又は、回転子が軸方向上方に向かって僅かに動くことにより、回転子を上昇させ、曲線４０３の点４１５で終わる曲線部分４１４によって示されるとおり、ｇはｇ_ｍｉｎの値まで減少する。このように狭いギャップｇにおいては、持ち上げ力Ｆは重量Ｗより著しく大きい値まで増加し、回転子を図２（ａ）の最高位置まで向かわせることに留意されたい。臨界点における不安定性は、引力磁石アセンブリの負の剛性が大きいことによるものである。

回転子が曲線４０３に沿って動作すると、電流Ｉは曲線部分４１６によって示されるように減少することができる。Ｉ_２として示される第２の低臨界電流において、持ち上げ力は、曲線４０３の点４１７において、回転子１２０に掛かる力と再び均衡をとり、回転子の位置がギャップｇ_ｍｉｎまで下がり、回転子の動作が曲線４０１に沿う。持ち上げ力は、今度は、回転子を浮遊させるには不十分となり、電流増加が部分４１２に沿って点４１３まで戻る。このように、電流力の図は、電流変化に応じたヒステリシスを示している。

特定の実施形態においては、軸受、より具体的には下部軸受アセンブリ１３０の軸受に掛かる負荷を低減するように、本発明のフライホイールアセンブリを動作させる。動作負荷を低減させることにより、軸受のサイズ及びコストを下げ、寿命を延ばす。

このように、一般的に、磁気的な持ち上げ力は、実質的な負の剛性によって達成されるものであることが分かる。この持ち上げ力が回転子の重量におおよそ合致して、受動的な機械的ばねプリロードを大きく超えると、これにともなって負の剛性も、プリロードを有するばねの受動的な正の剛性を大きく超えることとなる。結果として、回転子は、軸方向において２つの最端位置のいずれかに安定平衡を見出す。これらの位置は、１）（機械的ストッパによって設定される）座部において軸方向の最端位置に在る下部軸受の外側軌道、又は２）軸方向の最端位置に在る上部軸受の外側軌道のいずれかに対応する。このように、軸方向最端位置での動作が望ましい。これは、比較的高い剛性が軸方向に発生するためである。軸方向コンプライアンスが残るのは、軸受自身の軸方向剛性によるものである。

動作の位置及び設計は、磁気的な持ち上げ力が十分に大きく、上部軸受の外側軌道を確実にストッパに接近して配置させる程度であることが好ましいと予測される。これは、軸受の負荷を単純に除去するのに必要な持ち上げ力よりもさらに大きい持ち上げ力が必要だということである。

回転子をその軸方向最高位置に配置することは、以下の２つの理由により極めて重要である。（ｉ）持ち上げ構造の磁気ギャップは、その最小値に保持されている。この最小値（例えば、１〜３ｍｍ）は、製作公差によって設定されている。最小のギャップを設けることにより、特定の持ち上げ力を達成するための持ち上げ電流及び動力消費を最小化する。（ｉｉ）磁気ギャップは、回転子と筐体との間で膨張差が発生する動作条件において不変である。これらの膨張差は、軸受の最下部座部において取り込まれる。

このように、平衡を図るための持ち上げ力の消費は、その実際的な最小値に維持されており、この持ち上げ力に影響を及ぼす磁流は、動作中、ほぼ不変である。

特定の実施形態において、フライホイール装置１００は、持ち上げ力Ｆが重量Ｗと安定的にほぼ均衡を保つように、動作させることが望ましい。曲線部分４１９は、ギャップ値ｇ_ｍｉｎにおけるフライホイール装置１００の安定動作範囲を示しており、この場合、回転子１２０は磁石１７０に接近し、かつ持ち上げ力は回転子の重量にほぼ合致するようになる。具体的には、この条件においては、回転子の重量を支持する磁石１７０によって回転子の重量が持ち上げられており、かつ軸受アセンブリ１３０の軸受に掛かる軸方向の力が軸受アセンブリ１３０のいずれかのばねのプリロードとほぼ等しいものになる。このプリロードは、回転子の重量に対して小さいものにすることができ、例えば軸受の定格動的負荷容量の１％の範囲である。

このように回転子１２０が持ち上げられると、下部軸受３３１に掛かる負荷は、軸方向ばね３３２によって精密に設定され、上部軸受２４１に掛かる負荷は、磁力と回転子重量の差によって設定される。ある条件においては、磁力と回転子重量の差は、上部アセンブリのばね力と等しくなる。また他の条件においては、特に負の磁気剛性が正のばね剛性を越えた場合、上部軸受２４１はストッパ２１０と接触し、上部軸受２４１に掛かる負荷は、ばね２４４のプリロードを超える。軸受に加わる動作負荷を低減することにより、軸受のサイズ及びコストを下げ、さらに寿命を延ばす。

一実施形態において、制御システム１６０は、Ｉ_１とＩ_２の間で電流を変化させ、曲線部分４１９においてＩ２より僅かに高い電流を供給する。他の実施形態において、制御システム１６０は、フライホイールシステム１００の動作に先立って電流Ｉ_１及びＩ_２を決定し、かつルックアップテーブルにその値を記憶することによって開ループ制御をする。そして、電流をＩ_１まで上昇させ、曲線部分４１９で動作するように、電流を値Ｉ_２より僅かに高い値まで下げることによってフライホイールを動作させる。

通常、簡易な開ループ定値を用いて、負荷除去磁石装置の電流を設定すること（又は、磁気強度を特定すること）は困難な場合がある。この難しさは、持ち上げ磁石のパラメータが不確かであることに由来する。この不確かさは、磁石のギャップ及び面積の幾何学的ばらつきに由来するものであり、このようなばらつきは、製作（公差）及び動作の双方において発生する。動作中のパラメータのばらつきは、（ｉ）回転子と筐体の間の熱膨張の差と、（ｉｉ）付与される磁気的持ち上げ力とに応じて、磁石のギャップのばらつきを伴って発生する。具体的には、磁気的持ち上げ力は、受動的な軸方向ばねの荷重要素に反して回転子の均衡位置に直接影響を与えることがある。

以下の記載は、センサ及びフィードバック制御を使用して、回転子１２０の持ち上げをより直接的に制御する２つの実施形態を説明するものである。第１に、回転子１２０の位置及び回転子１２０に掛かる力を決定するために、機械的センサ又は測定を用いる。第２に、磁束を決定してフライホイール装置１００の動作条件を決定するために、電気的（非機械的）センサ又は測定を用いる。
機械的検知及び動作方法

特定の実施形態には、回転子の変位のセンサ及び／又は測定が含まれる。特定の実施形態において、制御システム１６０は、フライホイールアセンブリ１００のセンサからの入力を受信することができる。このセンサは、フィードバック制御を通じて電流Ｉを制御するために用いることができる。このフィードバック制御では、最小電流Ｉ_２に実際に可能な限り近い電流で、回転子１２０を最高位置で動作させる。

フライホイールアセンブリ１００を制御するために機械的検知を使用する例として、１以上の力センサをフライホイールアセンブリに設けてもよい。これにより、力を測定し、制御システム１６０に出力を与える。例えば、図６は、第２実施形態に係る上部軸受アセンブリ７３０の断面概略図であり、図７は第２実施形態に係る下部軸受アセンブリ７３０の断面概略図である。軸受アセンブリ６４０及び７３０は、以下に明示的に述べる点を除いて、他の軸受アセンブリ１３０、１４０、２４０、及び３３０と略同一である。

図６に示すように、上部軸受アセンブリ６４０は、上部軸受アセンブリ２４０の要素及びひずみゲージ６０１の要素を含む。ひずみゲージ６０１は筐体１１０に取り付けられており、ストッパ２０１及び軸方向ばね２４４は双方ともにひずみゲージに取り付けられている。これにより、上部軸受アセンブリ６４０の動作は、軸受アセンブリ２４０の動作と略同一であり、ひずみゲージ６０１を使用して、回転子１２０から上部軸受アセンブリに伝搬した力を測定し、その測定値を制御システム１６０に与える。

図７に示すように、下部軸受アセンブリ７３０は、下部軸受アセンブリ３３０の要素及びひずみゲージ７０１の要素を含む。ひずみゲージ７０１は筐体１１０に取り付けられており、ストッパ３０１及び軸方向ばね３３２は双方ともにひずみゲージに取り付けられている。これにより、下部軸受アセンブリ６４０の動作は、軸受アセンブリ３３０の動作と略同一であり、ひずみゲージ７０１を使用して、回転子１２０から下部軸受アセンブリに伝搬した力を測定し、その測定値を制御システム１６０に与える。

一実施形態において、制御システム１６０は、上部軸受２４１に掛かる軸方向の負荷の指標として、上部ひずみゲージ６０１の信号を受信し、かつ使用する。ひずみゲージ６０１の出力は、従来の信号フィードバックにより、又は、較正のために低帯域幅制御ループにおいて使用されてもよい。これにより、上部軸受２０１に掛かるプリロードが精密に設定される。下部軸受３３１の軸方向のプリロードは、下部軸方向ばね３３２によって設定される。

他の実施形態において、力Ｆをストッパ２０１に向けて回転子１２０に作用させる。この場合、例えばひずみゲージ６０１によるひずみゲージ測定値が１つのみ上部軸受において必要とされ、下部軸受アセンブリ１３０にはひずみゲージが設けられない。下部軸受３３１に掛かる軸方向負荷は、最下部軸受搭載部におけるプリロードばねによって設定される。

図８は、本発明の制御アルゴリズム８００の一実施形態の制御システム図であり、この制御システムはアナログ又はデジタル制御システム１６０として実装することができる。通常、制御アルゴリズム８００は、上部軸受２４１に掛かる力（例えば、この力は、例えばひずみゲージ６０１等の力センサによって検知される力である。）の測定値を受信し、図５の曲線部分４１９でフライホイール装置を動作させるように、電流Ｉを持ち上げ巻線１７１に与える。

アルゴリズム８００は、上部軸受２３１に掛かる所望の軸方向の力を示す参照信号ｆ^＊を記憶しており、ｆ_{ｒｅｓｉｄｕａｌ}＝ｋ（ｇ_ｍｉｎ）＊Ｉ^２−Ｗと記すことができる残余の力を計算する。残余の力は、ひずみゲージ６０１によって検知され、ひずみゲージ６０１は、出力アナログ信号ｆ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}を生成する。アルゴリズム８００は、ｆ^＊からｆ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}を減算してエラー信号ｆ_ｅを生成し、これを増幅して持ち上げ巻線１７１に対する所望の量の電流Ｉを生成する。
非機械的検知及び動作方法

以下の記載は、フライホイールアセンブリ１００の制御についての他の実施形態を説明するものであり、この制御は、力Ｆを生成する磁束に関する測定に基づく。図９は、第２実施形態に係るフライホイール装置９００の断面概略図である。フライホイール装置９００は、以下に明示的に述べる点を除いて、フライホイール装置１００と略同一である。

フライホイール装置は、回転子１２０に比してより円筒形状を有するが、他の点においては略同一の回転子９２０を含む。回転子９２０は、上述の実施形態のいずれにおいて使用することができる。この実施形態は、例えば、図１、２、３、６、又は７のいずれか１つの実施形態とすることができるが、これに限定されるものでない。あるいは、この節で述べる非機械的検知及び動作方法を回転子１２０又はその他の異なる幾何学性を有する回転子に組み込んでもよい。

フライホイール装置には、１以上のギャップ磁界検知素子が設けられている。図９は、第１ホールセンサ９０１と第２ホールセンサ９０３との配置を示している。第１ホールセンサ９０１は、回転子９２０と電磁石１７０の間のギャップに直接配置され、ギャップ内の磁場を測定する。第２ホールセンサ９０３は、電磁石持ち上げ磁極の外側縁部に配置され、直流ギャップ磁場と正比例するフリンジング磁場を検知する。

磁気持ち上げ力Ｆは、Ｆ＝ｋ_Ｂλ^２と記すことができ、ここでλは、巻線磁束鎖交であり、ｋ_Ｂは基本的に磁気ギャップｇから独立している。巻線磁束鎖交は、通常ギャップを横切る磁束密度の積分値に巻線の数を乗じたものとして規定される。測定されたギャップ磁束を使用し、又は、ギャップ磁束に対して物理的に比例する信号を使用することにより、磁気的負荷除去力を精密且つ正確に制御するための測定信号が与えられる。図１０は、ギャップの２つの値に対する電磁石の磁束鎖交λの関数としての電流Ｉを示すグラフ１０００であり、曲線１００１は、最大ギャップｇ_ｍａｘに対する電流を示し、曲線１００３は、最小ギャップｇ_ｍｉｎに対する電流を示している。

磁束がゼロから増加するにつれて、電流Ｉは、曲線１００１に沿って最大ギャップ寸法ｇ_ｍａｘで、巻線インダクタンスの逆数に従って比例的に増加する。これが巻線インダクタンスの最小値である。磁束が増加するにつれて、磁力は、回転子の重量と均衡が取れるまで増加する。点１０１１として示され、図５を参照して上述したＩ＝Ｉ_１の臨界値において、回転子は上昇し、曲線部分１０１４によって示すように、新たな磁気ギャップｇ_ｍｉｎとなり、対応する最大巻線インダクタンスとなる。磁束は瞬時に変化することができないため、巻線電流ＩはＩ＝Ｉ_１からＩ＝Ｉ_２へと減少する。続く磁束の増加は曲線１００３に従うものであり、最大インダクタンス及び最小巻線電流に対応する。この領域は、そして特に点１０１３付近の部分１０１４は、好適な動作効率化領域を規定している。磁束及び巻線電流についての参照値は、この推移を観察することによって導出することができる。

図４及び図１０の２つの曲線を表す電気的パラメータは、負荷除去巻線インダクタンスである。従って、電流Ｉ_１及びＩ_２の推移値及び磁束λの推移値は、瞬時の巻線インダクタンス値に反映される。瞬時の巻線インダクタンス値は、巻線電流に対する磁束ラムダの静的比率を演算することによって決定することができる。あるいは、瞬時の巻線インダクタンス値は、巻線に小振幅のリップル信号を入力し、リップル電流に対するリップル磁束の比率を解くことによって決定することができる。リップル電流に対するリップル磁束の比率も、巻線インダクタンスによって規定される。

電流Ｉ_２について導出された参照値を、電流Ｉを駆動する制御システム１６０により直接使用してもよく、これにより、所望の負荷除去力が与えられる。あるいは、磁束に基づく他の制御部を使用してもよく、図１１の制御システム図に示すように力を正確に制御する。図１１は、第２実施形態に係る制御アルゴリズム１１００を示す。

制御アルゴリズム１１００は、制御システム１６０への入力として巻線電圧１７１を使用することを示しており、磁束が参照値を下回る場合には電圧を上げるよう調整し、またその逆も行われる。この制御は、アナログ又はデジタルの比例積分（Ｐ−Ｉ）制御部のいずれかにおいて簡便に実装することができる。電流Ｉは、過電流保護回路に使用するために測定されてもよく、また制御部において使用される補助変数として使用されてもよい。しかしながら、磁束を原則的な物理制御変数として使用するため、入力又は出力としての電流を直接制御することは不要である。
他の磁石の実施形態

他の実施形態において、前述のフライホイールのいずれかは、電磁石及び永久磁石の双方を含むハイブリッド磁石である磁石１７０を有していてもよい。

図１２は、第２実施形態に係る磁石１２７０を有する本発明のフライホイール装置１２００の断面概略図である。フライホイール装置１２００は、前述のフライホイール装置のいずれかと略同一である。磁石１２７０は、磁石１７０及び永久磁石１２０１を含む。磁石１７０は、電磁石である。本実施形態において、磁石１２０１は、軸方向に磁化されたリング磁石であり、単一の磁石であってもよく、又はいくつかの小さな円弧状磁石とすることもできる。磁石１７０及び１２０１は、共有磁路を有するように配される。

フライホイール装置１２００において、回転子９２０は、磁石１７０及び１２０１の組み合わせによって持ち上げられる。この組み合わせにより、磁石１７０に必要な持ち上げ電流の量が低減される。これにより、磁石７７０の電磁石の巻線は、フライホイール装置１００より比例的に小さくすることができ、且つ／又は、巻線の動力要件を減らすことができる。

図１３は、第３実施形態に係る磁石１３７０を有する本発明のフライホイール装置１３００の断面概略図である。フライホイール装置１３００は、上述のフライホイール装置のいずれかと略同一である。磁石１３７０は、磁石１７０及び永久磁石１３０１を含む。磁石１７０は、電磁石である。本実施形態において、磁石１３０１は、軸方向に磁化された軸対称のリング磁石であり、磁石１７０の磁路と直列になるように構成される。

フライホイール装置１２００と同様に、フライホイール装置１３００の回転子９２０は、電磁石及び永久磁石の組み合わせによって持ち上げられる。これにより、磁石１３７０の電磁石の巻線は、フライホイール装置１００のそれより比例的に小さくなってもよい。

本明細書に記載の各方法の一実施形態は、例えば制御システムの一部である１つ以上のプロセッサ等、処理システムにおいて実行されるコンピュータプログラムの形式である。このため、当業者にとって理解されるとおり、本発明の実施形態は、方法、特殊目的用装置等の装置、データ処理システム等の装置、又は例えばコンピュータプログラム製品等のキャリア媒体として具体化することができる。キャリア媒体は、方法を実現するために処理システムを制御するための１つ以上のコンピュータ可読コードセグメントを搬送する。これにより、本発明の態様は、方法の形態、完全にハードウェアによる実施形態、完全にソフトウェアによる実施形態、又はソフトウェア態様及びハードウェア態様を組み合わせた実施形態を採ることができる。さらに本発明は、媒体内に具体化されたコンピュータ可読プログラムコードセグメントを搬送するキャリア媒体（例えば、コンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム製品）の形態を採ってもよい。ディスケットまたはハードディスク等の磁気記憶装置又はＣＤ−ＲＯＭ等の光記憶装置を含む、あらゆる好適なコンピュータ可読媒体が用いられてもよい。

一実施形態において、上述の方法の工程は、記憶部に記憶された指示（コードセグメント）を実行する処理（すなわちコンピュータ）システムにおける１つの適切なプロセッサ（又は複数のプロセッサ）によって実施されることが理解されるであろう。さらに本発明は、特定の実装又はプログラミング技術に限定されるものでなく、本明細書に記載の機能を実現するあらゆる適切な技術を使用して実現されてもよいことが理解されるであろう。本発明は、いかなる特定のプログラミング言語又は動作システムにも限定されない。

本明細書全体を通じて「一実施形態」又は「実施形態」という表現は、その実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。従って本明細書全体を通じて種々の箇所に現れる「一実施形態において」「実施形態において」というフレーズが現れたとしても、必ずしもすべてが同一の実施形態について言及するものでない。さらに１つ以上の実施形態において、本開示の分野において通常の知識を有する当業者にとって明らかであるとおり、特定の特徴、構造、又は特性が好適な方法で組み合わせられてもよい。

本明細書全体を通じて、「〜を備える」という用語は、「〜を含む」「〜を含有する」又は「〜を特徴とする」と同義であるとし、包含的すなわちオープンエンドな表現であり、列挙されない追加の要素又は方法工程を排除するものではない。「〜を備える」は、挙げられた要素が必須であることを意味する専門用語であるが、他の要素が加えられてもよく、依然として提示の範囲内に構成物を形成してもよい。「〜を備える」は、特定されていない構成要素を多く包含していても依然としてオープンである。

同様に、本発明の一例としての実施形態の前述の説明において、本発明の種々の特徴は時として、本開示を合理化し、種々の発明態様のうちの１つ以上の理解を助ける目的で、単一の実施形態、図面、またはその説明にグループ化されている。しかしながらこの開示方法によって、権利請求された発明には、各請求項で明示されたよりも多くの特徴が必要であると解釈されるものではない。むしろ以下の請求項が反映しているとおり、以上に開示した１つの実施形態におけるすべての特徴よりも少ない特徴に発明態様がある。従って詳細な説明に続く請求項は、この詳細な説明に明示的に組み込まれるものとし、各請求項は本発明の個別の実施形態として自立している。

従って、本発明の好適な実施形態と思われるものについて説明したが、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく他のさらなる修正が加えられてもよいことを認識するであろうし、そのような変更及び修正もすべて、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。例えば、前述の計算式はいずれも、使用されてもよい手続の単なる代表である。ブロック図には機能が加えられてもよく、あるいは削除されてもよく、機能ブロックの間で動作が入れ替えられてもよい。本発明の範囲内において記載の方法に工程が加えられてもよく、あるいは削除されてもよい。

Claims (14)

1. フライホイールアセンブリを動作させる方法であって、前記フライホイールアセンブリは、垂直方向回転軸と磁性材料とを有する回転子と、筐体に接続された軸受アセンブリと、前記筐体内の前記回転子を浮遊させるよう配置された磁石とを有し、前記軸受アセンブリは、低位置と高位置との間で、前記回転子の軸方向の動きを制限し、ここで、前記回転子が前記低位置にある場合における前記磁石と前記回転子との間のギャップは、前記回転子が前記高位置にある場合における前記磁石と前記回転子との間の前記ギャップよりも大きく、前記軸受アセンブリは、軸受と、前記筐体に接続されたストッパと、を含み、ここで、前記回転子は、前記軸受が前記ストッパに接触している場合に前記高位置にあり、前記方法は以下を備える：
   前記ストッパに接触していない前記軸受に応じて、前記低位置から前記高位置へ前記回転子を持ち上げるのに十分な高臨界電流を前記磁石に与えて、前記軸受を前記ストッパに接触させるようにすること；及び
   前記ストッパに接触している前記軸受に応じて、前記回転子を前記ストッパに接触させるように維持するのに十分な低臨界電流を前記磁石に与えること、ここで、前記高臨界電流は、前記低臨界電流以上である。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記回転子を前記高位置へ浮遊させた後、前記回転子が前記低位置に戻るまで前記電流を減少することにより、前記低臨界電流を決定することをさらに備える。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記高臨界電流及び前記低臨界電流は、予め決定されており、前記方法は、
   開ループ制御を使用して前記磁石への前記電流を制御することをさらに含む。
4. 請求項１に記載の方法において、
   前記回転子の力又は変位を測定することと、
   前記測定からのフィードバックを使用して前記磁石への前記電流を制御することと、
   をさらに備える。
5. 請求項１に記載の方法において、
   前記磁石の磁気特性又は電気特性を測定することと、
   前記測定からのフィードバックを使用して前記磁石への前記電流を制御することと、
   をさらに備える。
6. フライホイールアセンブリを動作させる方法であって、前記フライホイールアセンブリは、垂直方向回転軸と磁性材料とを有する回転子と、筐体に接続された軸受アセンブリと、前記筐体内の前記回転子を浮遊させるよう配置された磁石とを有し、前記軸受アセンブリは、低位置と高位置との間で、前記回転子の軸方向の動きを制限し、ここで、前記回転子が前記低位置にある場合における前記磁石と前記回転子との間のギャップは、前記回転子が前記高位置にある場合における前記磁石と前記回転子との間の前記ギャップよりも大きく、前記軸受アセンブリは、軸受と、前記筐体に接続されたストッパと、を含み、ここで、前記回転子は、前記軸受が前記ストッパに接触している場合に前記高位置にあり、ここで、前記磁石へ付与する電流であって高臨界電流より大きい電流は、前記回転子を前記低位置から前記高位置へと持ち上げるのに十分であり、前記磁石へ付与する電流であって低臨界電流より大きい電流は、前記回転子を前記高位置に維持するのに十分であり、前記方法は以下を備える：
   前記軸受が前記ストッパに接触していない状態で、前記回転子を前記低位置から前記高位置又はその付近まで浮遊させるのに十分な前記高臨界電流まで前記磁石への電流を増加させること；
   前記軸受が前記ストッパに接触している状態で、前記磁石への電流を前記低臨界電流まで減少させること；及び
   前記磁石への電流を前記低臨界電流以上にすることにより、前記回転子を動作させること。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記回転子が前記高位置又はその付近に在る状態で、前記磁石へ付与する前記電流を前記回転子が前記低位置に戻るまで減少させることにより、前記低臨界電流を決定することをさらに備える。
8. 請求項６に記載の方法において、
   前記高臨界電流及び前記低臨界電流は、予め決定されており、前記回転子を動作させることは、前記磁石へ付与する前記電流の開ループ制御を含む。
9. 請求項６に記載の方法において、
   前記回転子を動作させることは、前記回転子への力又は前記回転子の変位を測定することを含み、前記動作は、前記磁石への前記電流の閉ループ制御において、前記測定を使用することを含む。
10. 請求項６に記載の方法において、
    前記回転子を動作させることは、前記磁石の電気特性又は磁気特性を測定することを含み、前記動作は、前記磁石への前記電流の閉ループ制御において、前記測定を使用することを含む。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記測定は、前記磁石の巻線の磁束の測定と前記磁石の巻線の前記電流の測定とから、前記磁石のインダクタンスを測定することを含む。
12. 請求項１０に記載の方法において、
    前記測定は、前記磁石の巻線の印加電圧の測定と前記磁石の巻線の電流の測定とから、前記磁石のインダクタンスを決定することを含む。
13. フライホイール装置であって、以下を備える：
    筐体；
    回転子重量と重力方向に配向された回転軸とを有し、磁性材料を含む回転子；
    前記回転軸に沿う方向に重力に逆らって前記磁性材料へ引力を付与するよう配置された磁石；
    前記回転子と磁石との間に最大ギャップを有する低位置と、前記回転子と前記磁石との間に最小ギャップを有する高位置との間で、前記回転子の軸方向の動きを制限する軸受アセンブリ、前記軸受アセンブリは以下を含む：
    前記筐体及び前記回転子を連結し、前記回転軸周りに前記回転子の回転を許容する軸受、及び
    前記筐体に接続されたストッパ、ここで、前記回転子は、前記軸受が前記ストッパに接触している場合に前記高位置にある；
    前記磁石と前記回転子との間の磁束、前記回転子の位置及び前記回転子への力からなる群から選択される少なくとも一つを測定するように構成された１以上のセンサ；及び
    前記１以上のセンサの測定に応じて前記磁石に電流を供給する制御システム、ここで、前記電流は、前記回転子重量を支持するのに十分な引力を付与する臨界電流より大きい。
14. 請求項１３に記載のフライホイール装置において、
    前記磁石は、永久磁石を含む。

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