JPH08275444A - エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム - Google Patents
エネルギー蓄積用フライホイール駆動システムInfo
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- JPH08275444A JPH08275444A JP7096235A JP9623595A JPH08275444A JP H08275444 A JPH08275444 A JP H08275444A JP 7096235 A JP7096235 A JP 7096235A JP 9623595 A JP9623595 A JP 9623595A JP H08275444 A JPH08275444 A JP H08275444A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超高速回転が可能で、エネルギー損失が少な
く、且つコンパクトな構造のエネルギー蓄積システムを
提供する。 【構成】 イナーシャによりエネルギーを蓄積するフラ
イホイール１２が回転子に固定され、回転子を回転駆動
する固定子１１には極数が異なる主巻線１４と補助巻線
２０を備え、この両巻線に電流を流すことにより半径方
向力を発生して回転子を非接触で支持すると共に、回転
子を回転駆動する。
く、且つコンパクトな構造のエネルギー蓄積システムを
提供する。 【構成】 イナーシャによりエネルギーを蓄積するフラ
イホイール１２が回転子に固定され、回転子を回転駆動
する固定子１１には極数が異なる主巻線１４と補助巻線
２０を備え、この両巻線に電流を流すことにより半径方
向力を発生して回転子を非接触で支持すると共に、回転
子を回転駆動する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速回転が可能で、コ
ンパクトな構造のフライホイールエネルギー蓄積システ
ムに関する。
ンパクトな構造のフライホイールエネルギー蓄積システ
ムに関する。
【０００２】本発明のエネルギー蓄積システムは、鉄
道、自動車、宇宙船などの移動機械、また核融合炉、原
子炉などの大形のエネルギー変動負荷のエネルギー蓄積
に利用できる。また、無停電電源装置、宇宙船の電源装
置などの、入力エネルギーが変動する電源装置、或いは
工作機械、溶接機などの小形のエネルギー変動負荷など
のエネルギー蓄積装置として利用できる。
道、自動車、宇宙船などの移動機械、また核融合炉、原
子炉などの大形のエネルギー変動負荷のエネルギー蓄積
に利用できる。また、無停電電源装置、宇宙船の電源装
置などの、入力エネルギーが変動する電源装置、或いは
工作機械、溶接機などの小形のエネルギー変動負荷など
のエネルギー蓄積装置として利用できる。
【０００３】
【従来の技術】核融合装置用の無停電電源装置、鉄道車
両の電源供給所、自動車、宇宙船などの移動機械などで
フライホールエネルギー蓄積システムが必要となってい
る。フライホイールエネルギー蓄積システムを小形軽量
化するためには、回転体の回転速度を上げる方法が簡単
であり、極めて高い回転速度が必要とされる。超高速で
回転するフライホイールを備えた軸受では、軸受での速
度限界や保守などの問題を解決するために磁気軸受が採
用されつつある。
両の電源供給所、自動車、宇宙船などの移動機械などで
フライホールエネルギー蓄積システムが必要となってい
る。フライホイールエネルギー蓄積システムを小形軽量
化するためには、回転体の回転速度を上げる方法が簡単
であり、極めて高い回転速度が必要とされる。超高速で
回転するフライホイールを備えた軸受では、軸受での速
度限界や保守などの問題を解決するために磁気軸受が採
用されつつある。
【０００４】磁気軸受のサイズは充分な軸保持力を発生
させるために大きくなる傾向にあり、実際、回転駆動部
の軸長に等しい場合もある。従って、主軸の軸長が長く
なり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題と
なってしまい、高速回転を実現することは容易ではな
い。更に、高出力化しようとすると回転駆動部の固定子
及び回転子の軸長を長くする必要がある。すると、固定
子と回転子間に発生する回転駆動のための吸引力が増加
するため磁気軸受のサイズも大形化する必要がある。こ
の結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて
困難となる。
させるために大きくなる傾向にあり、実際、回転駆動部
の軸長に等しい場合もある。従って、主軸の軸長が長く
なり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題と
なってしまい、高速回転を実現することは容易ではな
い。更に、高出力化しようとすると回転駆動部の固定子
及び回転子の軸長を長くする必要がある。すると、固定
子と回転子間に発生する回転駆動のための吸引力が増加
するため磁気軸受のサイズも大形化する必要がある。こ
の結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて
困難となる。
【０００５】図８は本発明者等が既に提案した半径方向
位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部の構成を示してい
る。半径方向位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部の１
つのユニット１６が２つあり、１つのユニット１６には
磁気軸受兼用駆動部の半径方向位置制御巻線２０の電流
制御用の３相インバータ１７が接続されている。２つの
半径方向位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部のユニッ
ト１６，１６は発電電動機としてトルクを発生させるた
めに４極の主巻線と、回転子の半径方向の力を発生させ
るための２極の半径方向位置制御巻線である補助巻線が
巻かれている。
位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部の構成を示してい
る。半径方向位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部の１
つのユニット１６が２つあり、１つのユニット１６には
磁気軸受兼用駆動部の半径方向位置制御巻線２０の電流
制御用の３相インバータ１７が接続されている。２つの
半径方向位置制御巻線付き磁気軸受兼用駆動部のユニッ
ト１６，１６は発電電動機としてトルクを発生させるた
めに４極の主巻線と、回転子の半径方向の力を発生させ
るための２極の半径方向位置制御巻線である補助巻線が
巻かれている。
【０００６】この磁気軸受兼用駆動部の詳細は、例え
ば、千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾正、
M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリングレスモー
タの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学会論文誌
D, vol.113, no.4, pp.539-547, 1993等に開示されてい
る。このように１台の機械でトルクと半径方向の力が発
生できるため、一般の磁気軸受付きの超高速発電電動機
に比べて軸長がはるかに短くでき、また、軸長が同一で
あれば高出力化が期待できる。
ば、千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾正、
M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリングレスモー
タの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学会論文誌
D, vol.113, no.4, pp.539-547, 1993等に開示されてい
る。このように１台の機械でトルクと半径方向の力が発
生できるため、一般の磁気軸受付きの超高速発電電動機
に比べて軸長がはるかに短くでき、また、軸長が同一で
あれば高出力化が期待できる。
【０００７】本発明者等が提案している方式の特長は、 （１）直交２軸の半径方向力と、トルクを発生するため
に、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバー
タだけで済む。 （２）半径方向力を発生する巻線とトルクを発生する巻
線が分離しているため、半径方向力制御用インバータあ
るいはパワーアンプは小電力容量で済む。 （３）４極と２極の巻線を用いているため、回転子が中
心に位置していれば相互結合がゼロとなり、磁気軸受兼
用駆動部の誘起電圧が半径方向の制御巻線に生じない。 （４）誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナスリラク
タンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波磁束分布
を仮定した高出力回転機に広く応用できるなどである。
に、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバー
タだけで済む。 （２）半径方向力を発生する巻線とトルクを発生する巻
線が分離しているため、半径方向力制御用インバータあ
るいはパワーアンプは小電力容量で済む。 （３）４極と２極の巻線を用いているため、回転子が中
心に位置していれば相互結合がゼロとなり、磁気軸受兼
用駆動部の誘起電圧が半径方向の制御巻線に生じない。 （４）誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナスリラク
タンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波磁束分布
を仮定した高出力回転機に広く応用できるなどである。
【０００８】図９は、回転子の半径方向に作用する力の
発生原理を示している。４極巻線Ｎ4、２極巻線Ｎ2 、
が固定子に施され、４極磁束Ψ4 、２極磁束Ψ2 、が発
生している。固定子にはトルクを発生するための４極巻
線Ｎ4 が施されている。いま、回転子が固定子の中心に
位置している場合、この４極巻線Ｎ4 に正方向の電流が
流れると４極の対称磁束Ψ4 が発生する。
発生原理を示している。４極巻線Ｎ4、２極巻線Ｎ2 、
が固定子に施され、４極磁束Ψ4 、２極磁束Ψ2 、が発
生している。固定子にはトルクを発生するための４極巻
線Ｎ4 が施されている。いま、回転子が固定子の中心に
位置している場合、この４極巻線Ｎ4 に正方向の電流が
流れると４極の対称磁束Ψ4 が発生する。
【０００９】４極のＮ4 巻線とこれに直交する４極巻線
に二相交流電流を流すことにより４極の回転磁界が発生
する。あるいは既に報告しているように３相巻線であっ
てもよい。回転子にかご形巻線が施してあれば通常のか
ご形誘導機として回転子にトルクが発生する。また、４
極の永久磁石回転子であれば通常の永久磁石形発電電動
機としてトルクを発生する。
に二相交流電流を流すことにより４極の回転磁界が発生
する。あるいは既に報告しているように３相巻線であっ
てもよい。回転子にかご形巻線が施してあれば通常のか
ご形誘導機として回転子にトルクが発生する。また、４
極の永久磁石回転子であれば通常の永久磁石形発電電動
機としてトルクを発生する。
【００１０】固定子には通常の発電電動機巻線としての
役割を果たす４極巻線に加えて、回転子の半径方向に作
用する力を発生するための２極の巻線Ｎ2 も施されてい
る。いま、Ｎ2 巻線の正方向に電流を流すと図７に示す
ような２極の磁束Ψ2 が発生する。
役割を果たす４極巻線に加えて、回転子の半径方向に作
用する力を発生するための２極の巻線Ｎ2 も施されてい
る。いま、Ｎ2 巻線の正方向に電流を流すと図７に示す
ような２極の磁束Ψ2 が発生する。
【００１１】回転子の紙面下部のギャップでは、４極の
巻線の電流による磁束の方向が２極の巻線の磁束の方向
と逆である。したがって、このギャップでは磁束密度が
低下する。一方、回転子の紙面上部のギャップでは、４
極の磁束の方向と２極の磁束の方向が一致しているため
磁束密度は増加する。
巻線の電流による磁束の方向が２極の巻線の磁束の方向
と逆である。したがって、このギャップでは磁束密度が
低下する。一方、回転子の紙面上部のギャップでは、４
極の磁束の方向と２極の磁束の方向が一致しているため
磁束密度は増加する。
【００１２】このように磁束分布が不平衡になると回転
子に紙面上方向へ作用する半径方向の力Ｆが生じる。こ
の半径方向の力の大きさは２極巻線を流れる電流の大き
さを制御することにより調整できる。また、半径方向の
力の方向を逆にするには、２極巻線の電流の方向を反転
すればよい。
子に紙面上方向へ作用する半径方向の力Ｆが生じる。こ
の半径方向の力の大きさは２極巻線を流れる電流の大き
さを制御することにより調整できる。また、半径方向の
力の方向を逆にするには、２極巻線の電流の方向を反転
すればよい。
【００１３】一方、紙面横方向の力を発生するために
は、Ｎ2 巻線と直交する２極巻線を施し、その電流を調
整すればよい。このように直交した２極巻線の電流の大
きさ、方向を調整することにより所望の大きさ、方向の
半径方向の力を発生できる。
は、Ｎ2 巻線と直交する２極巻線を施し、その電流を調
整すればよい。このように直交した２極巻線の電流の大
きさ、方向を調整することにより所望の大きさ、方向の
半径方向の力を発生できる。
【００１４】図９では４極巻線を発電電動機の回転駆
動、２極巻線を半径方向位置制御に用いているが、４極
巻線を半径方向位置制御に、２極巻線を発電電動機の回
転駆動に用いることも可能である。
動、２極巻線を半径方向位置制御に用いているが、４極
巻線を半径方向位置制御に、２極巻線を発電電動機の回
転駆動に用いることも可能である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、高速で回転
するフライホイールエネルギー蓄積システムでは、以下
の点が問題となる。 （１）超高速回転で、少ない損失で安定な軸支持を実現
すること。 （２）超高速回転時には危険速度の問題をさけるため、
可能な限りコンパクトな構造とする必要がある。 （３）軸支持を電磁力により行う場合、可能な限り簡単
な電源構成とすることが望ましい。 （４）超高速回転に耐えうる軸受と駆動部の構成。
するフライホイールエネルギー蓄積システムでは、以下
の点が問題となる。 （１）超高速回転で、少ない損失で安定な軸支持を実現
すること。 （２）超高速回転時には危険速度の問題をさけるため、
可能な限りコンパクトな構造とする必要がある。 （３）軸支持を電磁力により行う場合、可能な限り簡単
な電源構成とすることが望ましい。 （４）超高速回転に耐えうる軸受と駆動部の構成。
【００１６】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、超高速回転が可能でエネルギー損失が少なく、且
つコンパクトな構造のエネルギー蓄積システムを提供す
ることを目的とする。
ので、超高速回転が可能でエネルギー損失が少なく、且
つコンパクトな構造のエネルギー蓄積システムを提供す
ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明のエネルギー蓄積
システムは、イナーシャによりエネルギーを蓄積するフ
ライホイールが回転子に固定され、該回転子と回転駆動
する固定子には極数が異なる主巻線と補助巻線を施し、
この両巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生し
て回転子と非接触で支持すると共に、前記回転子を回転
駆動することを特徴とするエネルギー蓄積システムを特
徴とするものである。
システムは、イナーシャによりエネルギーを蓄積するフ
ライホイールが回転子に固定され、該回転子と回転駆動
する固定子には極数が異なる主巻線と補助巻線を施し、
この両巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生し
て回転子と非接触で支持すると共に、前記回転子を回転
駆動することを特徴とするエネルギー蓄積システムを特
徴とするものである。
【００１８】又、前記半径方向力は、前記回転子の非接
触支持、アクティブダンピング、あるいは外乱抑制など
の機能を果すものであることを特徴とする請求項１に記
載のエネルギー蓄積システムに用いられる磁気軸受兼用
駆動部を特徴とするものである。
触支持、アクティブダンピング、あるいは外乱抑制など
の機能を果すものであることを特徴とする請求項１に記
載のエネルギー蓄積システムに用いられる磁気軸受兼用
駆動部を特徴とするものである。
【００１９】又、前記回転子はその外周に配備された前
記フライホイールと一体となっており、且つ、前記固定
子を囲むアウタロータ形の構成をなしており、前記固定
子は、軸に沿って両側にそれぞれ主巻線と補助巻線から
なる磁気軸受兼用回転駆動部を備えたことを特徴とする
ものである。
記フライホイールと一体となっており、且つ、前記固定
子を囲むアウタロータ形の構成をなしており、前記固定
子は、軸に沿って両側にそれぞれ主巻線と補助巻線から
なる磁気軸受兼用回転駆動部を備えたことを特徴とする
ものである。
【００２０】又、 前記固定子は、軸に沿って両側にそ
れぞれ主巻線と補助巻線からなる磁気軸受兼用回転駆動
部を備え、軸に沿って両側に配置された主巻線間のコイ
ルエンドを省略し、主巻線を貫通した構造としたことを
特徴とするものである。
れぞれ主巻線と補助巻線からなる磁気軸受兼用回転駆動
部を備え、軸に沿って両側に配置された主巻線間のコイ
ルエンドを省略し、主巻線を貫通した構造としたことを
特徴とするものである。
【００２１】又、前記軸に沿って両側に配置された磁気
軸受兼用回転駆動部の主巻線は共通に接続されて１台の
電力変換装置で駆動されて、補助巻線は個別に２台の電
力変換装置で駆動されることを特徴とするものである。
軸受兼用回転駆動部の主巻線は共通に接続されて１台の
電力変換装置で駆動されて、補助巻線は個別に２台の電
力変換装置で駆動されることを特徴とするものである。
【００２２】又、前記フライホイールエネルギー蓄積装
置を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共
通として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベク
トルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線は共
通に３相巻線の相順を変更して直結されて１台の電力変
換装置により駆動され各固定子の両側にそれぞれ配置さ
れた補助巻線は合計４台の電力変換装置により駆動され
るものであることを特徴とするものである。
置を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共
通として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベク
トルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線は共
通に３相巻線の相順を変更して直結されて１台の電力変
換装置により駆動され各固定子の両側にそれぞれ配置さ
れた補助巻線は合計４台の電力変換装置により駆動され
るものであることを特徴とするものである。
【００２３】又、前記フライホイールエネルギー蓄積装
置を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共
通として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベク
トルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線はそ
れぞれ２台の電力変換装置により駆動され各固定子の両
側にそれぞれ配置された補助巻線は合計４台の電力変換
装置により駆動されるものであることを特徴とするもの
である。
置を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共
通として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベク
トルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線はそ
れぞれ２台の電力変換装置により駆動され各固定子の両
側にそれぞれ配置された補助巻線は合計４台の電力変換
装置により駆動されるものであることを特徴とするもの
である。
【００２４】
【作用】上述した構成のエネルギー蓄積システムによれ
ば、コンパクトな構造でフライホイールを非接触で支持
し、磁気軸受と同様な半径方向力の制御ができる。この
ため、フライホイールの超高速回転を容易に実現でき
る。従って、コンパクトな構造で、且つ僅かな電力損失
で動作するエネルギー蓄積システムが提供される。
ば、コンパクトな構造でフライホイールを非接触で支持
し、磁気軸受と同様な半径方向力の制御ができる。この
ため、フライホイールの超高速回転を容易に実現でき
る。従って、コンパクトな構造で、且つ僅かな電力損失
で動作するエネルギー蓄積システムが提供される。
【００２５】
【実施例】以下に、本発明の実施例について図１乃至図
７を参照しながら説明する。
７を参照しながら説明する。
【００２６】図１は、本発明の第１実施例のフライホイ
ール・エネルギー蓄積システムを示す。このエネルギー
蓄積システムは、２個の固定子１１、１１にアウターロ
ータである回転子と一体化されたフライホイール１２が
配置されている。即ち、２台の磁気軸受兼用駆動部１
０，１０が共通のアウターロータ１２を回転駆動するよ
うに配置されている、横置型のフライホイールを用いた
エネルギー蓄積システムである。誘導機、同期機などの
固定子１１の主巻線に極数が異なる補助巻線２０を施
し、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生
する磁気軸受兼用駆動部１０，１０を用いている。１つ
の固定子では半径方向２軸の半径方向力を発生できる。
従って、図では半径方向４軸の制御が可能である。尚、
図示の例は横置型であるが、縦置型としても勿論よい。
ール・エネルギー蓄積システムを示す。このエネルギー
蓄積システムは、２個の固定子１１、１１にアウターロ
ータである回転子と一体化されたフライホイール１２が
配置されている。即ち、２台の磁気軸受兼用駆動部１
０，１０が共通のアウターロータ１２を回転駆動するよ
うに配置されている、横置型のフライホイールを用いた
エネルギー蓄積システムである。誘導機、同期機などの
固定子１１の主巻線に極数が異なる補助巻線２０を施
し、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生
する磁気軸受兼用駆動部１０，１０を用いている。１つ
の固定子では半径方向２軸の半径方向力を発生できる。
従って、図では半径方向４軸の制御が可能である。尚、
図示の例は横置型であるが、縦置型としても勿論よい。
【００２７】固定子には４極と２極の巻線が施されてい
る。この２組の巻線群のいづれかを磁気軸受兼用駆動部
の主巻線１４とし、他を半径方向位置制御用補助巻線２
０とする。主巻線１４は図中に示すように、２つの磁気
軸受兼用駆動部１０，１０で直列あるいは並列に接続さ
れている。このため、外部からみると１台の磁気軸受兼
用駆動部のように見え、１台の発電電動機駆動用電力変
換装置２１だけで済む。
る。この２組の巻線群のいづれかを磁気軸受兼用駆動部
の主巻線１４とし、他を半径方向位置制御用補助巻線２
０とする。主巻線１４は図中に示すように、２つの磁気
軸受兼用駆動部１０，１０で直列あるいは並列に接続さ
れている。このため、外部からみると１台の磁気軸受兼
用駆動部のように見え、１台の発電電動機駆動用電力変
換装置２１だけで済む。
【００２８】さらに、小形化するためには図６（Ａ）
（Ｂ）に示すのように２つの磁気軸受兼用駆動部１０，
１０でそれぞれのコイルエンドを省略することも可能で
ある。すなわち、図６（Ａ）に示すようにそれぞれの磁
気軸受兼用駆動部１０，１０でコイルエンド１６，１６
を構成するのではなく、図６（Ｂ）に示すように磁気軸
受兼用駆動部１０，１０間のコイルエンドを省略して２
つの固定子ヨークを突き抜けるようにする。これによ
り、軸長がＬからＬ’と短くなり、その分巻線部分を長
くすることが可能であるので、高出力化することができ
る。なお、半径方向位置制御巻線のコイルエンドは省略
することはできないが、このコイルエンドは磁気軸受兼
用駆動部の主巻線に比較して小さい。
（Ｂ）に示すのように２つの磁気軸受兼用駆動部１０，
１０でそれぞれのコイルエンドを省略することも可能で
ある。すなわち、図６（Ａ）に示すようにそれぞれの磁
気軸受兼用駆動部１０，１０でコイルエンド１６，１６
を構成するのではなく、図６（Ｂ）に示すように磁気軸
受兼用駆動部１０，１０間のコイルエンドを省略して２
つの固定子ヨークを突き抜けるようにする。これによ
り、軸長がＬからＬ’と短くなり、その分巻線部分を長
くすることが可能であるので、高出力化することができ
る。なお、半径方向位置制御巻線のコイルエンドは省略
することはできないが、このコイルエンドは磁気軸受兼
用駆動部の主巻線に比較して小さい。
【００２９】半径方向位置制御巻線２０は２台の磁気軸
受兼用駆動部１０，１０に１組づつほどこされている。
これらの巻線は半径方向位置制御巻線電流駆動用インバ
ータ２２，２２に接続されている。このインバータ（半
導体電力変換装置）はフライホイールと一体となったア
ウターロータ形の回転子を安定に磁気力により支持する
ように、半径方向位置を図示しない制御装置の指令によ
り制御することができる。
受兼用駆動部１０，１０に１組づつほどこされている。
これらの巻線は半径方向位置制御巻線電流駆動用インバ
ータ２２，２２に接続されている。このインバータ（半
導体電力変換装置）はフライホイールと一体となったア
ウターロータ形の回転子を安定に磁気力により支持する
ように、半径方向位置を図示しない制御装置の指令によ
り制御することができる。
【００３０】制御の手法としてはフライホイールの半径
方向位置をセンサにより検出してセンサアンプで増幅し
た後、補償回路を通して位相、ゲインの調整を行い、パ
ワーアンプで電力増幅して半径方向位置制御巻線２０に
出力する。制御電流によりアウターロータ１２に半径方
向力が作用し、フライホイールを備えたアウターロータ
は目標位置に浮上保持されて回転する。
方向位置をセンサにより検出してセンサアンプで増幅し
た後、補償回路を通して位相、ゲインの調整を行い、パ
ワーアンプで電力増幅して半径方向位置制御巻線２０に
出力する。制御電流によりアウターロータ１２に半径方
向力が作用し、フライホイールを備えたアウターロータ
は目標位置に浮上保持されて回転する。
【００３１】このため、フライホイールにアンバランス
があったとしてもアンバランスの補正がなされ、フライ
ホイールを安定にその軸心のまわりに回転させることが
できる。また、フライホイールの固有振動数等に対応し
たノッチフィルタと、位相進み補償回路を制御系に設け
ることにより、回転体の共振等に対してその振動を減衰
させるダンピング制御を行うことができる。
があったとしてもアンバランスの補正がなされ、フライ
ホイールを安定にその軸心のまわりに回転させることが
できる。また、フライホイールの固有振動数等に対応し
たノッチフィルタと、位相進み補償回路を制御系に設け
ることにより、回転体の共振等に対してその振動を減衰
させるダンピング制御を行うことができる。
【００３２】上述の制御は変位センサを用いて回転体を
アウターロータ間の隙間を計測した、アウターロータの
位置信号などに基づいて行われるが、変位センサを用い
ることなく、センサレスの制御も可能である。これは、
半径方向位置制御巻線のインダクタンスがアウターロー
タの変位により変化することから、半径方向位置制御巻
線の電流及び電圧を計測して、間接的に回転体をアウタ
ーロータ間の変位を計測することができるためである。
アウターロータ間の隙間を計測した、アウターロータの
位置信号などに基づいて行われるが、変位センサを用い
ることなく、センサレスの制御も可能である。これは、
半径方向位置制御巻線のインダクタンスがアウターロー
タの変位により変化することから、半径方向位置制御巻
線の電流及び電圧を計測して、間接的に回転体をアウタ
ーロータ間の変位を計測することができるためである。
【００３３】なお、主に機械軸受によって主軸を支持
し、電磁力を補助的に用いてアクティブダンピングや外
乱除去に用いることも可能である。
し、電磁力を補助的に用いてアクティブダンピングや外
乱除去に用いることも可能である。
【００３４】スラスト方向は従来より提案されているコ
ーン形、スタガ形、あるいはスラスト磁気軸受などを用
いる。
ーン形、スタガ形、あるいはスラスト磁気軸受などを用
いる。
【００３５】図１に示した本実施例の構成は、従来形の
磁気軸受を伴ったフライホイールエネルギ蓄積装置と比
較して構成が簡単であり、等しい外形であれば磁気軸受
兼用駆動部分の寸法を大きくすることが可能であるの
で、軸方向の長さがフルに磁気軸受兼用駆動部分として
利用できるので高出力化が可能である。また、半径方向
力を発生するギャップ部分の面積を大きくとれるので、
より大きな半径方向力を発生させることが可能である。
一方、等しい出力であれば、従来の軸受に必要であった
部分が省略できるので小形軽量化できる。
磁気軸受を伴ったフライホイールエネルギ蓄積装置と比
較して構成が簡単であり、等しい外形であれば磁気軸受
兼用駆動部分の寸法を大きくすることが可能であるの
で、軸方向の長さがフルに磁気軸受兼用駆動部分として
利用できるので高出力化が可能である。また、半径方向
力を発生するギャップ部分の面積を大きくとれるので、
より大きな半径方向力を発生させることが可能である。
一方、等しい出力であれば、従来の軸受に必要であった
部分が省略できるので小形軽量化できる。
【００３６】図２はフライホイール１２の内周に設けた
誘導機形回転子の構成方法を示す。中空の円筒形回転子
外側を機械的に丈夫な金属などのフライホイール１２で
構成し、その内側にはヨーク部２６、スロット２７とか
ご形二次導体２８を備える構成となる。きわめて簡単な
構成であるため超高速回転に適している。また、二次導
体はかご形だけではなく、エンドリングを分割すること
により２極、４極などの特定の極数とすることにより半
径方向力制御を簡単化し、熱損失を低減することが可能
である。
誘導機形回転子の構成方法を示す。中空の円筒形回転子
外側を機械的に丈夫な金属などのフライホイール１２で
構成し、その内側にはヨーク部２６、スロット２７とか
ご形二次導体２８を備える構成となる。きわめて簡単な
構成であるため超高速回転に適している。また、二次導
体はかご形だけではなく、エンドリングを分割すること
により２極、４極などの特定の極数とすることにより半
径方向力制御を簡単化し、熱損失を低減することが可能
である。
【００３７】図３にはフライホイールの内周に設けた永
久磁石形のアウターロータ形回転子を示している。中空
円筒状の回転体の外側は機械的に丈夫なフライホイール
１２で構成され、その内側にはヨーク２６と永久磁石２
９が張り付けてある。なお、これらの誘導機、永久磁石
機などの回転子だけでなく、リラクタンス形、ヒステリ
シス形、ホモポーラ形、櫛形、ランデル形など各種磁気
軸受兼用駆動部を用いることができる。
久磁石形のアウターロータ形回転子を示している。中空
円筒状の回転体の外側は機械的に丈夫なフライホイール
１２で構成され、その内側にはヨーク２６と永久磁石２
９が張り付けてある。なお、これらの誘導機、永久磁石
機などの回転子だけでなく、リラクタンス形、ヒステリ
シス形、ホモポーラ形、櫛形、ランデル形など各種磁気
軸受兼用駆動部を用いることができる。
【００３８】これらのフライホイール付きの回転子に、
一般にアウターロータ形磁気軸受兼用駆動部で用いられ
る２極と４極の主巻線及び補助巻線を施した円筒状の固
定子を装着すればアウターロータ形のフライホイールエ
ネルギー蓄積装置を構成することができる。
一般にアウターロータ形磁気軸受兼用駆動部で用いられ
る２極と４極の主巻線及び補助巻線を施した円筒状の固
定子を装着すればアウターロータ形のフライホイールエ
ネルギー蓄積装置を構成することができる。
【００３９】図４は、２台のフライホイールを備え、各
フライホイールは逆回転をしてジャイロベクトルを打ち
消す形式をした、磁気軸受兼用駆動部によるフライホイ
ールエネルギー蓄積システムである。フライホイール
を、横置形、あるいは縦置型とし、回転駆動部に、誘導
機、同期機などの固定子に極数が異なる補助巻線を施
し、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生
する磁気軸受兼用駆動部３１，３２，３３，３４を用い
ている。スラスト方向は従来より提案されているコーン
形、スタガ形、あるいはスラスト磁気軸受を用いてい
る。回転子とフライホイールが一体となって、固定子を
囲むアウターロータ形の構成をなし、このため、高速回
転が可能で、コンパクトな構造を特徴とするエネルギー
蓄積システムを実現している。
フライホイールは逆回転をしてジャイロベクトルを打ち
消す形式をした、磁気軸受兼用駆動部によるフライホイ
ールエネルギー蓄積システムである。フライホイール
を、横置形、あるいは縦置型とし、回転駆動部に、誘導
機、同期機などの固定子に極数が異なる補助巻線を施
し、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生
する磁気軸受兼用駆動部３１，３２，３３，３４を用い
ている。スラスト方向は従来より提案されているコーン
形、スタガ形、あるいはスラスト磁気軸受を用いてい
る。回転子とフライホイールが一体となって、固定子を
囲むアウターロータ形の構成をなし、このため、高速回
転が可能で、コンパクトな構造を特徴とするエネルギー
蓄積システムを実現している。
【００４０】単に図４のフライホイール磁気軸受兼用駆
動部３１，３２，３３，３４を直列に接続して用いるこ
とも可能であるが、４台の磁気軸受兼用駆動部の主巻線
１４を１つのインバータ２１で駆動することも可能であ
る。図４に示すシステムでは、磁気軸受兼用駆動部３
１、３２の主巻線は直列、あるいは並列、あるいは２台
を突き抜けて接続されている。同様の主巻線が磁気軸受
兼用駆動部３３、３４に施されている。この磁気軸受兼
用駆動部３１、３２と磁気軸受兼用駆動部３３、３４の
巻線の相順を変更することにより、反対向きの回転磁界
を発生することが可能である。こうすれば１台の電源２
１で回転子を互いに逆回転することが可能である。ま
た、図７に示すように２台の電力変換装置２１，２１に
より、４台の磁気軸受兼用回転駆動部３１，３２，３
３，３４の主巻線１４，１４に回転駆動用の電流を供給
してもよい。
動部３１，３２，３３，３４を直列に接続して用いるこ
とも可能であるが、４台の磁気軸受兼用駆動部の主巻線
１４を１つのインバータ２１で駆動することも可能であ
る。図４に示すシステムでは、磁気軸受兼用駆動部３
１、３２の主巻線は直列、あるいは並列、あるいは２台
を突き抜けて接続されている。同様の主巻線が磁気軸受
兼用駆動部３３、３４に施されている。この磁気軸受兼
用駆動部３１、３２と磁気軸受兼用駆動部３３、３４の
巻線の相順を変更することにより、反対向きの回転磁界
を発生することが可能である。こうすれば１台の電源２
１で回転子を互いに逆回転することが可能である。ま
た、図７に示すように２台の電力変換装置２１，２１に
より、４台の磁気軸受兼用回転駆動部３１，３２，３
３，３４の主巻線１４，１４に回転駆動用の電流を供給
してもよい。
【００４１】なお、半径方向位置制御には各磁気軸受兼
用駆動部の半径方向位置制御巻線を駆動する４台の半導
体電力変換器３５，３６，３７，３８が必要である。ま
た、これらを制御する制御器４０が必要となる。
用駆動部の半径方向位置制御巻線を駆動する４台の半導
体電力変換器３５，３６，３７，３８が必要である。ま
た、これらを制御する制御器４０が必要となる。
【００４２】この２つのフライホイールがお互いに逆回
転することによりジャイロベクトルを打ち消すことが可
能である。ジャイロベクトルを打ち消すことにより固定
子が搭載された運動する移動機械に設置された場合に生
じる力を軽減することができる。
転することによりジャイロベクトルを打ち消すことが可
能である。ジャイロベクトルを打ち消すことにより固定
子が搭載された運動する移動機械に設置された場合に生
じる力を軽減することができる。
【００４３】図５は、２個のフライホイール１２Ａ，１
２Ｂを相互に逆回転させることにより、ジャイロベクト
ルを相殺した例を説明するものである。回転軸の回転ベ
クトルωに対して、その垂直方向に回転体の傾き速度ベ
クトルθ′が作用すると、これらに垂直な方向のジャイ
ロモーメントベクトルＭgが発生する。本実施例では、
フライホイール１２Ａと１２Ｂとは同速度で逆方向に回
転しており、回転体の傾き速度ベクトルθ′は同方向で
あるので、ジャイロモーメントベクトルは、Ｍgと−Ｍg
と逆方向になり相殺することになる。
２Ｂを相互に逆回転させることにより、ジャイロベクト
ルを相殺した例を説明するものである。回転軸の回転ベ
クトルωに対して、その垂直方向に回転体の傾き速度ベ
クトルθ′が作用すると、これらに垂直な方向のジャイ
ロモーメントベクトルＭgが発生する。本実施例では、
フライホイール１２Ａと１２Ｂとは同速度で逆方向に回
転しており、回転体の傾き速度ベクトルθ′は同方向で
あるので、ジャイロモーメントベクトルは、Ｍgと−Ｍg
と逆方向になり相殺することになる。
【００４４】既に示したシステム構成で一般用途のフラ
イホイールエネルギー蓄積装置を構成することが可能で
ある。特に、宇宙船のように、エネルギー蓄積とジャイ
ロを兼用した用途には図４に示した第２実施例の構成が
好適である。しかし、自動車や鉄道車両などの固定子が
常に運動している用途では、ジャイロ効果は望ましくな
く、図１に示す第１実施例の構成が望ましい。
イホイールエネルギー蓄積装置を構成することが可能で
ある。特に、宇宙船のように、エネルギー蓄積とジャイ
ロを兼用した用途には図４に示した第２実施例の構成が
好適である。しかし、自動車や鉄道車両などの固定子が
常に運動している用途では、ジャイロ効果は望ましくな
く、図１に示す第１実施例の構成が望ましい。
【００４５】
【発明の効果】本発明は以上に説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。 （１）磁気力によりフライホイールを非接触支持するの
で、超高速回転で、少ない損失で安定なエネルギー蓄積
を実現できる。 （２）磁気軸受機能と回転駆動機能が一体化しているた
め、コンパクトな構成となり、小形軽量化できる。 （３）従来の磁気軸受を伴ったシステム構成に比較して
小さな半径方向制御巻線電流で、大きな半径方向力が得
られるので、簡単な電源構成で済み、且つ電力損失が少
ない。
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。 （１）磁気力によりフライホイールを非接触支持するの
で、超高速回転で、少ない損失で安定なエネルギー蓄積
を実現できる。 （２）磁気軸受機能と回転駆動機能が一体化しているた
め、コンパクトな構成となり、小形軽量化できる。 （３）従来の磁気軸受を伴ったシステム構成に比較して
小さな半径方向制御巻線電流で、大きな半径方向力が得
られるので、簡単な電源構成で済み、且つ電力損失が少
ない。
【図１】本発明の第１実施例のフライホイール・エネル
ギー蓄積システムの構成を示す説明図。
ギー蓄積システムの構成を示す説明図。
【図２】誘導機形回転子の構成を示す説明図。
【図３】永久磁石形回転子の構成を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施例のフライホイール・エネル
ギー蓄積システムの説明図。
ギー蓄積システムの説明図。
【図５】２台のフライホイールのジャイロモーメントを
相殺した例の説明図。
相殺した例の説明図。
【図６】コイルエンドの省略に関する説明図。
【図７】４台の磁気軸受兼用回転駆動部を２台の電力変
換装置で回転駆動する例の説明図。
換装置で回転駆動する例の説明図。
【図８】従来より提案されている半径方向位置制御巻線
を持つ磁気軸受兼用駆動部の説明図。
を持つ磁気軸受兼用駆動部の説明図。
【図９】半径方向力の発生原理を示す説明図。
１０ 磁気軸受兼用駆動部 １１ 固定子 １２ フライホイール １４ 主巻線 ２０ 半径方向位置制御巻線（補助巻線） ２１ 回転駆動用電力変換装置（インバータ） ２２ 半径方向位置制御用電力変換装置（インバー
タ）
タ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000107996 セイコー精機株式会社 千葉県習志野市屋敷４丁目３番１号 (71)出願人 000226242 日機装株式会社 東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 (71)出願人 000000239 株式会社荏原製作所 東京都大田区羽田旭町11番１号 (72)発明者 深尾 正 神奈川県横浜市青葉区松風台24の45 (72)発明者 千葉 明 千葉県野田市山崎2641番地 (72)発明者 道岡 力 東京都品川区旗の台２の８の21の909
Claims (7)
- 【請求項１】 イナーシャによりエネルギーを蓄積する
フライホイールが回転子に固定され、該回転子を回転駆
動する固定子には極数が異なる主巻線と補助巻線を備
え、この両巻線に電流を流すことにより半径方向力を発
生して前記回転子を非接触で支持すると共に、前記回転
子を回転駆動することを特徴とするエネルギー蓄積用フ
ライホイール駆動システム。 - 【請求項２】 前記半径方向力は、前記回転子の非接触
支持、アクティブダンピング、あるいは外乱抑制などの
機能を果すものであることを特徴とする請求項１記載の
エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム。 - 【請求項３】 前記回転子はその外周に配備された前記
フライホイールと一体となっており、且つ、前記固定子
を囲むアウタロータ形の構成をなしており、前記固定子
は、軸に沿って両側にそれぞれ主巻線と補助巻線からな
る磁気軸受兼用回転駆動部を備えたことを特徴とする請
求項２記載のエネルギー蓄積用フライホイール駆動シス
テム。 - 【請求項４】 前記固定子は、軸に沿って両側にそれぞ
れ主巻線と補助巻線からなる磁気軸受兼用回転駆動部を
備え、軸に沿って両側に配置された主巻線間のコイルエ
ンドを省略し、主巻線を貫通した構造としたことを特徴
とする請求項３記載のエネルギー蓄積用フライホイール
駆動システム。 - 【請求項５】 前記軸に沿って両側に配置された磁気軸
受兼用回転駆動部の主巻線は共通に接続されて１台の電
力変換装置で駆動されて、補助巻線は個別に２台の電力
変換装置で駆動されることを特徴とする請求項４記載の
エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム。 - 【請求項６】 前記フライホイールエネルギー蓄積装置
を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共通
として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベクト
ルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線は共通
に３相巻線の相順を変更して直結されて１台の電力変換
装置により駆動され、各固定子の両側にそれぞれ配置さ
れた補助巻線は合計４台の電力変換装置により駆動され
るものであることを特徴とする請求項５記載のエネルギ
ー蓄積用フライホイール駆動システム。 - 【請求項７】 前記フライホイールエネルギー蓄積装置
を２台隣接して備え、両フライホイールの回転軸を共通
として各フライホイールは逆回転をしてジャイロベクト
ルを打ち消すように配置され、各固定子の主巻線はそれ
ぞれ２台の電力変換装置により駆動され各固定子の両側
にそれぞれ配置された補助巻線は合計４台の電力変換装
置により駆動されるものであることを特徴とする請求項
４記載のエネルギー蓄積用フライホイール駆動システ
ム。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7096235A JPH08275444A (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム |
| US08/621,589 US5703423A (en) | 1995-03-29 | 1996-03-26 | Energy storage flywheel system |
| EP96105076A EP0735647B1 (en) | 1995-03-29 | 1996-03-29 | Energy storage flywheel system |
| DE69610008T DE69610008T2 (de) | 1995-03-29 | 1996-03-29 | Schwungrad Energiespeicherungssystem |
| ES96105076T ES2152449T3 (es) | 1995-03-29 | 1996-03-29 | Sistema de volante de inercia de almacenado de energia. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7096235A JPH08275444A (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08275444A true JPH08275444A (ja) | 1996-10-18 |
Family
ID=14159573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7096235A Pending JPH08275444A (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | エネルギー蓄積用フライホイール駆動システム |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5703423A (ja) |
| EP (1) | EP0735647B1 (ja) |
| JP (1) | JPH08275444A (ja) |
| DE (1) | DE69610008T2 (ja) |
| ES (1) | ES2152449T3 (ja) |
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| JP2010540830A (ja) * | 2007-10-08 | 2010-12-24 | アストリウム・エス・エー・エス | 慣性円盤を使用してロケットエンジンのポンプに動力供給するためのデバイス |
| JP7001303B1 (ja) * | 2021-09-07 | 2022-01-19 | 株式会社シグマエナジー | 充放電システム |
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|---|---|---|---|---|
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| DE19836059A1 (de) | 1998-08-10 | 2000-02-17 | Mannesmann Vdo Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Leistungsverstelleinrichtung eines Fahrzeugmotors |
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