JP7046927B2 - 回転質量エネルギー貯蔵体 - Google Patents

Description

本発明は、回転質量エネルギー貯蔵体に関する。

エネルギーは、そのエネルギーを生成した時よりも後になって用いられることができるには、貯蔵される必要がある。エネルギーは様々な手法にて貯蔵することが可能である。ポテンシャルエネルギーを貯蔵するために化学物質を用いるエネルギー貯蔵体は、それを処分または再利用するときに環境に害を及ぼす。この問題を克服するため、本発明は、化学物質または危険物を用いることのない運動エネルギー貯蔵を提案する。本発明は、ロータとしても知られる回転質量体によってエネルギーを動力学的に貯蔵する。

本発明は、既存の回転エネルギー貯蔵体の設計におけるいくつかの構成要素を除去し、それによって材料の使用を削減しエネルギーおよびパワー密度を増加させる。材料の本来の特性を利用して、環境に害を及ぼさない、より効果的および効率的なエネルギー貯蔵体が形成される。

本発明に従って、永久磁気浮上ロータを備える回転エネルギー貯蔵体が提供される。
一実施形態において、前記永久磁気浮上ロータは一体型モータ発電機ユニットの一部である。

一実施形態において、永久磁気浮上システムは径方向永久磁気軸受を備える。
一実施形態において、永久磁気浮上システムは軸方向永久磁気軸受を備える。
一実施形態において、前記径方向永久磁気軸受は電気力学軸受である。

一実施形態において、前記軸方向永久磁気軸受は、浮上力を生成するようにハルバッハアレイ磁石配置を用いる。
一実施形態において、前記ロータは封止された筐体にある。前記封止された筐体は、前記ロータが回転する真空環境を形成するために接続された真空ポンプを有してよい。

一実施形態において、前記筐体は、前記モータ発電機ユニットの前記ステータと、前記径方向電気力学軸受の前記磁石と、前記軸方向永久磁気軸受とのうちの１つまたは複数（例えば、それらのうちの２つ以上またはそれらの全て）とを固定する。

一実施形態において、前記ステータは、両方の軸方向永久磁気軸受の間に等距離に配置されている。
一実施形態において、前記ロータは中空体（例えば、中空対称体）である。一実施形態において、前記中空体は、前記モータ発電機ユニットの一部を形成する埋め込まれた磁石を該中空体の壁部に備える。

一実施形態において、前記中空体は、全ての径方向電気力学軸受の一部および／または全ての軸方向永久磁気軸受の一部を形成する埋め込まれた導体を備える。
一実施形態において、前記ロータに埋め込まれた前記磁石は、前記ステータの周りを回転するとともに、両方の軸方向永久磁気軸受の間において等距離にある。

一実施形態において、前記径方向電気力学軸受についての前記導体は、該導体が前記径方向軸受磁石に位置合わせされるように配置されている（例えば、結果として、前記壁部内の該導体が前記筐体によって固定されている前記径方向軸受磁石の周りを回転する）。

一実施形態において、前記軸方向永久磁気軸受についての前記導体は、該導体が前記ロータの開口端にて前記ロータに埋め込まれ、結果として、配置の配列は、埋め込まれた導体を有するロータ、隙間、前記筐体によって定位置に固定されている前記軸方向永久磁気配置である。この配列の方向は変化してよいが、配置がロータの両端にあるので順序は同一に保たれる。

一実施形態において、本発明の回転エネルギー貯蔵体は、軸方向および径方向に磁気浮上しているロータを有する。
ロータは、軸方向および径方向に対称な中空構造を有してよく、ロータはその周縁部にその質量の大部分を有し、ロータの壁部内に磁石および導体を備える。一実施形態において、ロータ壁部におけるこれらの磁石は、一体型モータ発電機ユニットの一部であり、ここでロータは誘導のために電気ステータの周りを回転させられる。ロータの壁部内の磁石は、ステータが配置されているロータの内部キャビティにおいて増加した磁場を生成するハルバッハアレイを形成する、分極配列を有してよい。一体型モータ発電機ユニットとは、モータ発電機がロータから分離している部分ではなく、ロータがモータ発電機ユニットの一部であるように用いられることを意味する。

一実施形態において、ロータは複合材料から作られる。
一実施形態において、電気ステータは静止している。ステータは、その形状のうちの延在部分であって径方向に均一に離間されている複数のポールを有してよい。各ポールはコイル巻線を保持してよい。コイル巻線は、導電性ワイヤがポールの大部分の周りに複数回巻き付けられている場所である。各コイル巻線は、コイルが開始する場所およびコイルが終了する場所である「テール部」を有する。電流がコイル巻線の導電性ワイヤにより導かれる時、誘導によって、ロータはステータの周りを回転させられる。電流の方向に応じて、ロータは、前の運動と比較してより速く回転、または前の運動と比較してより遅く回転させられる。電流がコイル巻線のワイヤから流れ、エネルギー貯蔵体から出ると、ロータは減速する。電流がワイヤに印加され、エネルギー貯蔵体に入ると、ロータはより速く回転する。

一実施形態において、ステータは鉄製である。一実施形態において、導電性ワイヤは銅製である。
一実施形態において、筐体構造は、エネルギー貯蔵体の全ての可動部分を囲む。筐体は、真空または低圧環境が筐体キャビティ内に生じることが可能であるように、真空ポンプと真空系と真空封止部とのうちの１つ以上を接続することが可能な取付部を有してよい。

筐体は、径方向電気力学軸受の磁石および鉄極片と軸方向永久磁気軸受の磁石との位置を固定してよく、これはブラケットまたは同様の固定部（好適には非導電性材料から作られる）によってよい。

一実施形態において、コイル巻線テール部は、電流がエネルギー貯蔵体との間において交換可能であり、かつ、空気漏れがないように、筐体に向かって、また封止部を通じて延びている。

一実施形態において、軸方向浮上磁気軸受および径方向浮上磁気軸受は両方とも永久磁気軸受である。
一実施形態において、径方向磁気軸受は、回転軸周りの旋回と、エネルギー貯蔵体の不動部分と可動部分との間の接触とを防止する。一実施形態において、径方向磁気軸受は、交互の鉄リングとリング磁石とからなる中空円筒状スタックを備える電気力学軸受であって、このスタックの配列は鉄リング（鉄極片としても知られる）をもって開始および終了する。これら鉄極片およびリング磁石は、薄い中空円筒の形状を有してよい。

一実施形態において、導体は、電気力学軸受に位置合わせされたロータの壁部に埋め込まれている。これによって、導体自身と電気力学軸受との間の斥力が生じ、ロータを浮上させ安定化させる。電気力学軸受がロータの端部付近に位置するので、電気力学軸受についての導体は、導体が電気力学軸受に位置合わせされるようにロータの壁部に配置される。各電気力学軸受は、ロータの壁部に埋め込まれている１つ以上の導体を有してよい。

一実施形態において、軸方向磁気軸受はロータの着地を防止する。
着地では、浮上が失われロータが落下し（場合によっては回転しながら）エネルギー貯蔵体の静止部分にぶつかる。一実施形態において、軸方向磁気軸受は、リング形状を形成する永久分極磁石セグメントが配置されたものである。分極した磁石の配列は、増加した場がロータが位置する場所にあるハルバッハアレイの形態であってよく、ここで、導体はロータ壁部に埋め込まれている。斥力は、ロータ壁部に埋め込まれている導体と分極した磁石の配置との間に生じる。軸方向磁気軸受はロータの長さの両端に配置されているので、ロータ壁部における導体は、ロータ端部の近くに配置される。導体は、トーラス、コイル、または両方の組合せの形態であることが可能であり、導体は２つ以上のピースから作られることが可能である。

ハルバッハアレイは、特定の分極パターンを有する磁石の配列である。この配列は、側方方向および長手方向に交互に分極した磁石の配列である。しかしながら、長手方向に分極した磁石は、分極を交互に変化させる。側方方向に分極した磁石もまた、分極を交互に変化させる。したがって、基本配列の長さは磁石４つ分であり、この配列が繰り返される。この配列は幾何学的形状に形成されることが可能であるが、相対的な配列／パターンが保たれる。

ハルバッハアレイの配列を示す図。 径方向の安定性および浮上を提供する電気力学軸受の断面を示す図。 軸方向永久磁気軸受の断面と固定する方法とを示す図。 軸方向永久磁気軸受の上面図。 トーラス導体の上面図。 ロータを埋め込まれた磁石および導体とともに示す図。 ロータ磁石の上面図とその分極方向とを示す図。 電気ステータの上面図。 導電性ワイヤがポールピースの周りにどのように巻き付けられるかを示す図。 ポールピースと、導電性ワイヤがポールピースの周りにどのように巻き付くかと、を示す図。 回転エネルギー貯蔵体をその構成要素の大部分とともに示す図。

ここで、本発明の一実施形態について、単なる例として、また添付の図面を参照して記載する。
図１はハルバッハアレイの配列を示し、ここで（５）は増加した磁場、（２）および（４）は向きを交互にする長手方向に分極した磁石であり、（３）および（１）は向きを交互にする側方方向に分極した磁石である。これらの磁石の大きさは等しい。

図２は、径方向の安定性および浮上を提供する電気力学軸受の断面を示す。相互作用する導体および固定するシャフト／ブラケットもまた、その中央において半分が切り落とされたかのように示される。（１）リング形状である鉄極片、（２）リング磁石、（３）筐体に取付けられているか筐体の一部である、固定するシャフト、（４）ロータ壁部に埋め込まれている導体、（５）ロータ。

図３Ａ－図３Ｂは、相互作用する導体を有する軸方向永久磁気軸受と固定する方法とを示し、軸方向永久磁気軸受がその中央を通って半分に切断されたかのように示される。図３Ａにおいて、軸方向永久磁気軸受の断面と固定する方法とが示され、ここで（５）は小さいリング磁石セグメントを備える磁石リングについての断面であり、（６）磁石セグメントを備える軸方向永久磁気軸受を部分的に囲む筐体の一部、（７）他の構成要素の固定に至る、筐体に取付けられているか筐体の一部であるシャフト、（４）は摺動可能またはコイル形状であることが可能なトーラス導体であり、（８）ロータ壁部。筐体部分（６）は軸方向永久磁気軸受（５）を部分的に囲む形状であり、（７）は、電気力学軸受とステータとの固定に至り得る、（６）の同じ本体の一部であり得る部分である。トーラス導体（４）は、ロータ壁部（８）に埋め込まれている。埋め込まれたトーラス導体（４）を備えるロータ（８）は、（６）によって定位置に固定されている軸方向永久磁気軸受（５）の付近に浮上している。

図３Ｂは、軸方向永久磁気軸受（図３Ａの５）の上面図を示す。「リング」を形成する複数のセグメントを、それらの分極方向とともに示している。１つおきの磁石はそれぞれ接線方向に分極しており、また他の各磁石は紙面の中または外に向かって分極しており、それぞれ（２）および（１）とラベルを付されている。接線方向に分極した磁石（３）は、接線方向において交互に現れる。紙面の中に向かう分極方向を有する磁石は、（２）のラベルを付されている。紙面の外に向かう分極方向を有する磁石は、（１）のラベルを付されている。

図３Ｃはトーラス導体（４）の上面図を示す。
図４Ａは、ロータを埋め込まれた磁石および導体とともに示す。トーラス導体（１）および径方向の導体（２）は、ロータ壁部（３）に埋め込まれており、ロータ磁石（４）は、電気ステータが配置されるロータキャビティ（５）の内面付近にてロータの壁部に埋め込まれている。

図４Ｂは、ロータ磁石の上面図とその分極方向とを示す。分極パターンは接線方向に分極した磁石と径方向に分極した磁石とを含む。このパターンでは、接線方向に分極した磁石と径方向に分極した磁石とが交互に現れ、接線方向に分極した磁石、径方向に分極した磁石自体もまた交互に現れる。（１）および（２）は、両方とも径方向に分極しているが、向きは反対であり、（１）はリングの外周に向かって分極しており、また（２）はリングの中央に向かって分極している。（３）および（４）は、両方とも接線方向に分極した磁石であるが、反対の向きに分極している。基本配列は、そのパターンを形成するように繰り返される（１），（２），（３）および（４）からなる。磁石の分極パターンは、（５）のラベルを付されているリングの内側に増加した磁場を生じさせる。

図５Ａは、電気ステータの上面図を示す。（１）ポールヘッド、（２）導電性ワイヤ、（３）ポールピース、（４）ステータコアである。ステータは、２つ以上（通常、５つまたは６つ）のポールを有する。ポールは、ステータコア（４）の周りに均一に離間されている。各ポールピース（３）は、ポールヘッド（１）を有し、導電性ワイヤ（２）はポールピース（３）の周りに少なくとも丸１周巻き付けられているが、複数周であることも可能である。

図５Ｂは、導電性ワイヤ（図５Ａの２）がポールピース（図５Ａの３）の周りにどのように巻き付けられるかを示す。図５Ｂにおいて、（１）はポールヘッドであり、（４）はポールピースであり、（２）および（３）はコイル「テール部」を示す。コイルテール部（２）および（３）は、コイルが開始する場所およびコイルが終了する場所、換言すると、コイルがコイルに至り、ポールピース（４）を離れる場所から延びている、導電性ワイヤの延在部である。

図５Ｃは、ポールピース（図５Ａの３）と、導電性ワイヤ（図５Ａの２）がポールピースの周りにどのように巻き付くかと、を示す。図５Ｃにおいて、（１）はポールヘッドであり、（４）はポールピースであり、（２）および（３）はコイル「テール部」である。導電性ワイヤはポールピース（４）の周りに完全に２周巻き付き、コイルテール部の延在部（３）をもってポールピースを離れる。

図６は、回転エネルギー貯蔵体をその構成要素の大部分とともに示す。
（１）筐体は、筐体のキャビティ（１４）内に真空環境を生じさせることができる真空ポンプおよび／または封止部と接続することが可能な、取付部または接続部（２）を有することが可能である。

筐体（１）はまた、筐体を通じてワイヤを保持しつつ、エネルギー貯蔵体との間において空気漏れを生じさせない１つ以上の封止部も有する。図面には、２つのワイヤ封止部（３）および（１５）を有する筐体を示す。

筐体（１）は、大半の構成要素が設けられるとともに真空環境が生じるキャビティ（１４）を有する。
筐体（１）は、その中央を貫きチャンネル（４）を有するシャフト（２２）を有し、シャフトの両端部には２つのワイヤ封止部（３）および（１５）がある。

シャフト（２２）は、追加の小さなチャンネル（１３）および（２１）を有する。チャンネル（１３）および（２１）は、コイルテール部（図５Ｂの２および３）がステータ（１２）のポールからシャフト（２２）の中央チャンネル（４）に延々と向かい、またワイヤ封止部（３）および（１５）に向かい、次いで、エネルギー交換のためにエネルギー貯蔵体を離れることを可能とする。

シャフト（２２）は、ステータ（１２）を定位置に固定する。
ステータ（１２）は、ステータ（１２）がどちらの軸方向磁気軸受からも等距離となるように、筐体（１）におけるシャフト（２２）に配置されている。

筐体（１）は、筐体の形状によって軸方向磁気軸受リング（５）および（１６）の位置を固定する。
ロータ（１０）は、筐体キャビティ（１４）内においてシャフト（２２）の周りに、軸方向磁石（５）と（１６）との間に、かつ、電気力学軸受の周りに浮上している。電気力学軸受は、交互に積み重ねられており図２において説明される複数の鉄極片（８），（１９）と複数のリング磁石（９），（２０）とを備える。電気力学軸受は、シャフト（２２）上の定位置に固定されている。

ロータ（１０）は、その壁部に埋め込まれた構成要素を有する。ロータ（１０）は、シャフトによって固定されている電気力学軸受の周りをロータが回転することが可能であるように、「開口」端を有する。２つのトーラス導体（６）および（１７）は、ロータ（１０）の両端にてロータ壁部に埋め込まれている。２つの導体（７）および（１８）は、各径方向電気力学軸受についてロータ壁部に埋め込まれており、また２つの導体（７）および（１８）が電気力学軸受に位置合わせされるように、埋め込まれている。ロータ（１０）はまた、ロータキャビティ（２４）の内面（２３）付近にてロータの主要部分に埋め込まれた磁石（１１）も有する。ロータ磁石（１１）は、相互作用を生じさせるべくロータ磁石（１１）がステータ（１２）に位置合わせされるように配置されている。

Claims (14)

1. 回転エネルギー貯蔵体であって、
   ステータと永久磁気浮上ロータとを備えるモータ発電機ユニットを備え、
   前記ロータは、永久磁気浮上システムの軸方向永久磁気軸受全体の一部を形成する１つ以上の埋め込まれた導体を備えるロータ本体を備え、
   前記１つ以上の埋め込まれた導体は、トーラス導体コイルである、回転エネルギー貯蔵体。
2. 前記ロータ本体は、前記永久磁気浮上システムの径方向永久磁気軸受全体の一部を形成する１つ以上の埋め込まれた導体をさらに備える、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
3. 前記ロータ本体は中空体である、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
4. 前記永久磁気浮上システムは径方向永久磁気軸受と軸方向永久磁気軸受とからなる、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
5. 前記径方向永久磁気軸受は電気力学軸受であり、前記軸方向永久磁気軸受は、浮上力を生成するようにハルバッハアレイ磁石配置を用いる、請求項４に記載の回転エネルギー貯蔵体。
6. 前記モータ発電機ユニットは、前記モータ発電機ユニットの前記ステータと、径方向電気力学軸受の磁石と、前記軸方向永久磁気軸受の磁石と、のうちの１つまたは複数を固定する筐体を備える、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
7. 前記ロータは、前記ロータが回転する真空環境を形成するために接続された真空ポンプを有する封止された筐体内にある、請求項６に記載の回転エネルギー貯蔵体。
8. 前記ステータは、第１の軸方向永久磁気軸受と第２の軸方向永久磁気軸受との間に等距離に配置されている、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
9. 前記ロータ本体は、前記モータ発電機ユニットの一部を形成する埋め込まれた磁石を前記ロータ本体の壁部に備える、請求項１に記載の回転エネルギー貯蔵体。
10. 前記ロータの前記壁部内の前記埋め込まれた磁石は、増加した磁場を生成するハルバッハアレイを形成する分極配列を有する、請求項９に記載の回転エネルギー貯蔵体。
11. 前記ハルバッハアレイは、前記ステータが配置されている前記ロータの内部キャビティにおいて前記増加した磁場を生成する、請求項１０に記載の回転エネルギー貯蔵体。
12. 前記ロータ内の前記埋め込まれた磁石は、前記ステータの周りを回転するとともに、第１の軸方向永久磁気軸受と第２の軸方向永久磁気軸受との間において等距離にある、請求項９に記載の回転エネルギー貯蔵体。
13. 前記ロータ本体は、前記永久磁気浮上システムの径方向永久磁気軸受全体の一部を形成する１つ以上の埋め込まれた導体をさらに備え、該埋め込まれた導体は、該埋め込まれた導体が径方向軸受磁石に位置合わせされ、結果として、前記ロータ内の該埋め込まれた導体が前記筐体によって固定されている前記径方向軸受磁石の周りを回転するように配置されている、請求項６に記載の回転エネルギー貯蔵体。
14. 前記軸方向永久磁気軸受についての前記埋め込まれた導体は、該埋め込まれた導体が前記ロータの開口端にて前記ロータに埋め込まれ、結果として、配置の配列は、埋め込まれた導体を有するロータ、隙間、前記筐体によって定位置に固定されている軸方向永久磁気配置である、請求項６に記載の回転エネルギー貯蔵体。
    

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