JPH10220341A - フライホイールエネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素な構成に関わらず、信頼性を高めること
ができるフライホイールエネルギー貯蔵装置を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 回転軸１４の回転に基づき生じる遠心力
により、回転軸１４に設けた袋孔３２ｃに充填されたグ
リースＧより基油が分離される。分離された基油は多孔
質材２３と細孔３２ｄとを通って玉軸受１６に供給され
るので、玉軸受１６は長期間にわたって微量油潤滑さ
れ、玉軸受１６の玉１６ｃの摩擦抵抗を減少させると共
に、玉軸受１６の長寿命化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フライホイールエ
ネルギー貯蔵装置に関し、特に電気自動車に組み付けて
制御時にエネルギーを回収して貯蔵しておく為の装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、電気自動車等において、減速時
にエネルギーを貯蔵しておくためのフライホイールエネ
ルギー貯蔵装置が知られている。かかるフライホイール
エネルギー貯蔵装置は、大きな慣性を有するフライホイ
ールを常時回転させておき、電気自動車の減速時にエネ
ルギーを、フライホイールの回転数を上げることによっ
て装置内に蓄え、一方電気自動車が加速するときに必要
なエネルギーを回転するフライホイールから供給するよ
うにするものである。

【０００３】このようなフライホイールエネルギー貯蔵
装置は、例えば特開昭６１−９４５３２号に開示されて
いる。図３は、かかる従来技術によるフライホイールエ
ネルギー貯蔵装置の軸線方向断面図である。図３におい
て、大きな慣性を有する回転軸２は、上部を磁気軸受１
により支持され、下部を流体潤滑ピボット軸受４により
支持されている。回転軸２の円筒部５内には、ステータ
７とロータ６からなる発電モータ８が設けられている。
また、回転軸２は上部がもっとも大径である。

【０００４】この従来の装置においては、上部の磁気軸
受１は、その磁気力により回転軸２を上向きに吸引し、
下部のピボット軸受４が支持する回転軸２の重量（スラ
スト荷重）の負担を軽減している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
フライホイールエネルギー貯蔵装置を、実際に電気自動
車に搭載すると、走行状況や道路状況により、装置に上
下方向振動・横方向振動が加えられ、衝撃に対して下部
の流体潤滑のピボット軸受部において、液面変動が生
じ、それにより潤滑不良が生じてフライホイールエネル
ギー貯蔵装置の機能を損なうおそれがある。

【０００６】本願発明は、この様な問題点を解決すべ
く、簡素な構成に関わらず、信頼性を高めることができ
るフライホイールエネルギー貯蔵装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明のフライホイー
ルエネルギー貯蔵装置は、鉛直方向に延在する回転軸
と、この回転軸の一端部を支持する転がり軸受と、この
回転軸の他端部を支持する磁気軸受とを備え、上記回転
軸はフライホイールを備え、前記磁気軸受が、前記回転
軸の重量を支持すると共に、前記転がり軸受には前記磁
気軸受の吸引力により予圧が付され、前記回転軸のラジ
アル荷重は主として前記転がり軸受が支持するようにな
っており、前記回転軸に設けた袋孔にグリースが入れら
れ、前記回転軸の回転によってグリースより分離した基
油は多孔質材を通って前記転がり軸受に供給されてい
る。

【０００８】

【作用】本願発明のフライホイールエネルギー貯蔵装置
によれば、前記磁気軸受が、前記回転軸の重量を支持す
ると共に、前記転がり軸受には前記磁気軸受の吸引力に
より予圧が付され、前記回転軸のラジアル荷重は主とし
て前記転がり軸受が支持するようになっているので、前
記回転軸は、バランスよくスラスト及びラジアル方向に
支持され、静止時においても安定よく自立でき、また回
転時においても、予圧の作用した前記転がり軸受により
安定した回転状態で支持されるようになっている。更
に、前記転がり軸受には、スラスト方向には予圧荷重の
みが付加されるために負荷が少なく、前記転がり軸受は
低摩擦損失で高寿命化が図れ、かかるフライホイールエ
ネルギー貯蔵装置を電気自動車等に搭載しても安定して
機能を発揮できる。また、前記回転軸の回転によってグ
リースより分離した基油は前記転がり軸受に供給され、
グリースよりの基油の分離は長期間にわたって続き、前
記転がり軸受の転動体の摩擦抵抗を減少させると共に、
前記転がり軸受の長寿命化を図ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態の一
例を示している。尚、図示の例は、電気自動車に組み付
けて減速時にエネルギーを回収して貯蔵しておくための
電力貯蔵装置として構成したものを示している。中空の
ケーシング９の外周面の直径方向反対側２個所位置に互
いに同心に固設した枢軸１０、１０は、支持枠１１を構
成する一対の支持腕１２、１２の先端部に、それぞれ軸
受１３、１３により、揺動変位自在に支持されている。
又、上記支持枠１１は、上記枢軸１０、１０と直交する
方向に支持枠１１に設けた、図示しない別の一対の枢軸
により、やはり図示しない別の支持枠に、揺動変位自在
に支持されている。

【００１０】なお、上記支持枠１１と別の支持枠とはジ
ンバル機構を構成し、次述する回転軸１４は自動車の姿
勢が変化してもほぼ鉛直軸を保ち、フライホイールエネ
ルギー貯蔵装置を組み付けた電気自動車の運動性能に悪
影響が及ぶことを防止している。

【００１１】上記ケーシング９の内側中心部には回転軸
１４を、鉛直方向に配設している。回転軸１４は軸１４
ａを備え、この軸１４ａの下端面には軸線方向孔１４ｂ
が形成されており、かかる軸線方向孔１４ｂには、略円
筒状の軸体３２が嵌入され、軸体３２は軸１４ａに取り
付けられている。従って、回転軸１４は軸体３２を備
え、この軸体３２の下端部を転がり軸受である玉軸受１
６により、また回転軸１４の上端部を磁気軸受１７によ
り、それぞれ上記ケーシング９に対し回転自在に支持し
ている。後述するように、転がり軸受である玉軸受１６
は、内輪１６ａと、外輪１６ｂと、両輪間に介在する複
数の玉１６ｃと、玉１６ｃを所定間隔で保持する保持器
１６ｄとを備える。

【００１２】玉軸受１６と玉軸受１６の半径方向外方に
位置するケーシング９の円筒部との間には、円筒部材２
０が配置され、更に円筒部材２０とケーシング９の底部
とを細長い可撓棒２１により連結している。可撓棒２１
は、円筒部材２０とケーシング９とに一体になってお
り、円筒部材２０の半径方向の移動は許容するが、軸線
方向上方への移動は禁止するように機能する。可撓棒２
１に作用するスラスト（引っ張り）荷重は、玉軸受１６
の予圧に足る程度に低いため、可撓棒２１は比較的細く
て足る。円筒部材２０の外周面とケーシング９との間に
は、減衰機能を有するＯ−リング２２が設けられてい
る。可撓棒２１の弾性機能とＯ−リング２２の減衰機能
とで、円筒部材２０は効果的に制振される。また、玉軸
受１６には磁気軸受１７によってフライホイール１５を
備える回転軸１４の重量に起因する軸方向荷重がほとん
ど作用しないと共に、磁気軸受１７によって上方に軽い
予圧が付与されているので、玉軸受１６は長寿命化が図
られるとともにガタのない状態で回転軸１４を支持でき
る。

【００１３】又、上記回転軸１４の軸方向中間部で後述
の発電機兼用モータ８ａより上記玉軸受１６寄り部分で
は、軸１４ａにフライホイール１５を固定している。即
ち、回転軸１４はフライホイール１５を備えている。こ
のフライホイール１５は、鋼、アルミニウム合金等の金
属製の素材又は繊維入り強化プラスチックより成り、こ
れらの材料を加工して、全体が円輪状に形成されてお
り、またフライホイール１５の外周部が回転軸１４では
もっとも大径である。図示の例ではこのフライホイール
１５は、外周部を内周部より軸方向に厚さ寸法を大きく
して回転時のモーメントを大きくし、回転時に貯蔵可能
な運動エネルギーを十分に確保自在としている。フライ
ホイール１５は、玉軸受１６寄り部分に位置するため、
回転軸１４のラジアル荷重は主として玉軸受１６に支持
される。

【００１４】一方、上記回転軸１４の上端部を磁気的に
支持する磁気軸受１７は、この回転軸１４の軸１４ａの
上端寄り部分に固定した円輪状の磁性体の磁気ロータ２
５と、前記ケーシング９の上端部の蓋部２９の下面に固
定した、円輪状の磁気ステータ２６とを備えている。即
ち、回転軸１４は磁気ロータ２５を備えている。磁気ス
テータ２６は、リング状の永久磁石２７と、永久磁石２
７の磁極となっている下面に固定した磁性体のリング状
の軸心側ヨーク５１と、永久磁石２７の磁極となってい
る上面に固定した磁性体のリング状の外周側ヨーク５２
とを備えている。磁気ロータ２５と磁気ステータ２６と
で磁気回路を構成する受動型スラスト磁気軸受となって
いる。磁気軸受１７は、磁気ロータ２５、後述のロータ
６ａ、軸１４ａ、軸体３２、後述のナット２５及びフラ
イホイール１５を有する回転軸１４の重量を支持すると
共に、玉軸受１６に上方向への予圧を与える。

【００１５】この磁気ステータ２６は、断面がＵ字形状
となっていて、永久磁石２７のＮ極から磁気ステータ２
６と磁気ロータ２５とを介して永久磁石のＳ極へ流れる
磁束の密度を高くして、上記磁気軸受１７のスラスト及
びラジアルの両方の軸受負荷容量を確保する役目を果た
す。

【００１６】更に、磁気ステータ２６の下面２６ａと磁
気ロータ２５の上面２５ａには、回転軸１４が鉛直方向
に延在する図１の状態で、輪状の複数の山と谷（円周
溝）が鉛直方向に山と山そして谷と谷とを対向するよう
にそれぞれ形成されてなる。磁束は山から山へと流れる
ため、回転軸１４が半径方向荷重を受けてケーシング９
に対して半径方向に変位した場合には、流れる磁束が山
と山との離隔を妨げ、それにより回転軸１４にラジアル
方向の求心力が発生し、回転安定性が向上するようにな
っている。

【００１７】又、上記蓋部２９の下面中央部に固設した
円筒部２８の内周面には玉軸受のタッチダウン軸受３０
を固定し、このタッチダウン軸受３０の内周面を、上記
回転軸１４の上端部で上記磁気ロータ２５よりも上方に
突出した部分の外周面に、ラジアル隙間を介して対向さ
せている。このタッチダウン軸受３０は、不測の外力等
により上記回転軸１４の上端部がラジアル方向に変位し
た場合にこの上端部を支承し、次述するロータ６ａの外
周面とステータ７ａの内周面とが擦れ合うことを防止す
る。それにより、回転軸１４の回転時には回転軸１４と
ステータ７ａ及びケーシング９との非接触状態を維持
し、フライホイール１５の回転エネルギーロスを減少さ
せることができる。

【００１８】更に、前記フライホイール１５よりも上記
磁気軸受１７寄り部分には、回転軸１４の軸１４ａにロ
ータ６ａを固定している。従って、回転軸１４はロータ
６ａを備えている。又、上記ケーシング９の軸方向中間
部内周面にはステータ７ａを固定している。そして、上
記ロータ６ａの外周面とステータ７ａの内周面とを半径
方向に対向させることにより、発電機兼用モータ８ａを
構成している。

【００１９】図２は、図１の軸体３２及びその周辺を拡
大して示す拡大断面図である。軸体３２は、円筒状の本
体部３２ａと、本体部３２ａの軸方向中間部に形成され
た鍔部３２ｂとを備える。本体部３２ａは、上端面から
軸線方向に中程まで延在する袋孔３２ｃを有する。袋孔
３２ｃの底部から軸心に対する角度が略４５度で下方に
向かって、４本の細孔３２ｄが円周方向等間隔に延在し
本体部３２ａの外部（軸受１６の保持器１６ｄの上方空
間）と連通している。

【００２０】軸体３２の袋孔３２ｃの底部には例えばス
ポンジ、燒結金属等のような多孔質材２３が設置され、
更に袋孔３２ｃには多孔質材２３の上に潤滑剤であるグ
リースＧが充填されて入れられており、袋孔３２ｃの上
部は栓２４にて閉止されている。栓２４の中央には空気
抜き孔２４ａが形成されている。この空気抜き孔２４ａ
は、軸体３２の本体部３２ａの上面と軸１４ａとの間の
すきまから本体部３２ａの外周面及び鍔部３２ｂの上面
にわたって形成された連通溝３２ｆを介して、軸体３２
の外部と連通している。

【００２１】軸体３２の下端部は軸受１６の内輪１６ａ
に嵌入し、軸体３２の下端部に形成された雌ねじ３２ｅ
にナット２５を螺合して内輪１６ａを軸体３２に取り付
けている。一方軸受１６の外輪１６ｂは、円筒部材２０
に嵌合して取り付けられ、円筒部材２０に取り付けた締
結部材２６により軸方向移動が更に抑制されている。な
お、回転軸１４はナット２５を備える。

【００２２】上述の様に構成する本発明のフライホイー
ルエネルギー貯蔵装置により、電気エネルギーをフライ
ホイール１５の回転運動としての運動エネルギーに変換
して貯蔵する際には、上記ステータ７ａに通電する。例
えば上記フライホイールエネルギー貯蔵装置を電気自動
車に組み込んだ場合、減速時（制動時を含む）に駆動用
の電動モータと上記ステータ７ａとを導通させることに
より、減速に基づいて上記電動モータが発電した電力を
上記ステータ７ａに流す。

【００２３】この結果、上記発電機兼用モータ８ａが電
動モータとして機能し、上記フライホイール１５を有す
る回転軸１４を回転させる。これに対して、例えば加速
のため、このフライホイール１５に運動エネルギーとし
て貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに変換して取
り出し、上記駆動用の電動モータに通電する際には、上
記発電兼用モータ８ａを発電機として機能させ、上記ス
テータ７ａから取り出した電力を上記駆動用の電動モー
タに送る。

【００２４】上述のように構成され作用する本発明のフ
ライホイールエネルギー貯蔵装置においては、上記発電
機兼用モータ８ａを、回転軸１４の軸方向中間部外周面
と、前記ケーシング９の内周面との間に設けている。こ
の為、上記フライホイール１５及び発電機兼用モータ８
ａの設置構造が単純になる。従って、構成各部の加工並
びに組み付けコストを低減して、安価に製作できる。

【００２５】又、フライホイール１５は、前述した従来
構造のように、ステータ７を囲むための円筒部５（図
３）を持たないため、このフライホイール１５の遠心破
壊強度が飛躍的に向上し、このフライホイール１５をよ
り高速回転させて、より多くのエネルギーを貯蔵するこ
とが可能になる。又、上記発電機兼用モータ８ａを構成
するロータ６ａは、上記回転軸１４の軸１４ａの外周面
に直接固定するため、外径が小さくて済む。従って、上
記回転軸１４を高速回転させた際にこのロータ６ａに加
わる遠心力は限られたものとなる。このため、このロー
タ６ａの遠心破壊強度を確保することが容易となる。

【００２６】なお、上記回転軸１４の上端部を支承する
ための磁気軸受１７として図示の例では、磁気ロータ２
５と磁気ステータ２６との間に働く吸引力を利用した非
制御型のものを示しているが、永久磁石同士の間に働く
磁気吸引力、或いは磁気反発力を利用した非制御型の磁
気軸受を使用することもできる。更に、コストをかけ
ず、しかも電力消費を少なくする面から、上記回転軸１
４の上端部を支承する磁気軸受は、上述のような非制御
型のものが好ましい。但し、用途によっては、電磁石へ
の通電状況を制御することにより回転軸１４のラジアル
方向及びスラスト方向の位置を規制する、制御型の磁気
軸受を使用することもできる。

【００２７】更に、図示の例では、フライホイール１５
を内蔵したケーシング９を、ジンバル機構を介して支持
している。従って、本発明の電力貯蔵装置を設置した物
体（例えば電気自動車のフレーム）の姿勢が変化して
も、上記ケーシング９の姿勢は、上記フライホイール１
５のジャイロ効果により変化しない。逆に言えば、この
フライホイール１５のジャイロ効果が、上記物体の姿勢
変化を妨げることはない。従って、図１に示した電力貯
蔵装置を電気自動車の減速時のエネルギー貯蔵装置とし
て使用した場合に、この電気自動車の運動性能を悪化さ
せることはない。しかも、図１に示したように、フライ
ホイール１５及び発電機兼用モータ８ａを、玉軸受１６
と磁気軸受１７との間に配置することにより、これら両
軸受１６、１７の間の間隔を大きくすれば、外部振動に
より上記回転軸１４が傾斜しにくい構造を実現できる。
従って、使用時に複雑な振動が加わり易い、電気自動車
の減速時のエネルギー貯蔵装置としての使用に適した構
造を実現できる。なお、回転軸１４と空気との摩擦抵抗
を少なくするために、ケーシング９内を真空にすること
が好ましい。

【００２８】本実施の形態によるフライホイールエネル
ギー貯蔵装置においては、回転軸１４が回転すると軸体
３２の袋孔３２ｃ中のグリースＧは遠心力を受け、その
基油がグリースＧから微量ずつ分離する。グリースＧの
基油を除く成分は多孔質材２３を浸透して通過すること
は困難であるが、グリースＧから分離した基油は多孔質
材２３を浸透して通過する。その後基油は、細孔３２ｄ
を通って玉軸受１６の内外輪の転走面に微量ずつ供給さ
れる。すなわち、回転軸１４の高速回転によってグリー
スから微量ずつ分離した基油により玉軸受１６の微量油
潤滑を行うことができ、それにより長期間の軸受潤滑を
確保し、軸受の長寿命化を図ることができる。なお、袋
孔３２ｃの上端は栓２４にて閉止されているため、装置
の振動等に関わらずグリースＧが外方へ飛散することが
防止され、一方栓２４の中央には連通孔２４ａが形成さ
れているため、グリースＧから分離した基油が細孔３２
ｄを通過することが許容される。

【００２９】なお、本実施の形態によるフライホイール
エネルギー貯蔵装置の組付時に、玉軸受１６の内外輪１
６ａ、１６ｂの軌道面及び玉１６ｃには、グリースＧの
基油と同一若しくは類似の潤滑油が塗布されている。か
かる玉軸受１６は低負荷で動作するため、グリースＧか
ら玉軸受１６への基油の供給は微量で足り、またグリー
スよりの遠心力による基油の分離は長期間（例えば１０
年以上）にわたってなされるので、装置外部よりのグリ
ースの補給なしで長期間の玉軸受１６の潤滑が可能とな
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明のフライホイールエネルギー貯蔵
装置によれば、前記磁気軸受が、前記回転軸の重量を支
持すると共に、前記転がり軸受には磁気軸受の吸引力に
より予圧が付され、前記回転軸のラジアル荷重を主とし
て前記転がり軸受が支持するようになっているので、前
記回転軸は、バランスよくスラスト及びラジアル方向に
支持され、静止時においても安定よく自立でき、また回
転時においても、予圧の作用した前記転がり軸受に安定
した回転状態で支持されるようになっている。更に、前
記転がり軸受には、スラスト方向には予圧荷重のみが付
与されるために負荷が少なく、前記転がり軸受は低摩擦
損失で高寿命化が図れ、かかるフライホイールエネルギ
ー貯蔵装置を電気自動車等に搭載しても安定して機能を
発揮できる。また、前記回転軸の回転によってグリース
より分離した基油は前記転がり軸受に供給されるので、
グリースよりの基油の分離は長期間にわたって続き、前
記転がり軸受の転動体の摩擦抵抗を減少させると共に、
前記転がり軸受の長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す軸線方向断面
図である。

【図２】図１の軸体３２及びその周辺を示す拡大断面図
である。

【図３】従来構造の一例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

６、６ａ ロータ ７、７ａ ステータ ８、８ａ 発電機兼用モータ ９ ケーシング １４ 回転軸 １５ フライホイール １６ 玉軸受 １７ 磁気軸受 ２０ 円筒部材 ２１ 可撓棒 ２２ Ｏ−リング ２３ 多孔質材 ３２ 軸体 ３２ｃ 袋孔 ３２ｄ 細孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛直方向に延在する回転軸と、この回転
   軸の一端部を支持する転がり軸受と、この回転軸の他端
   部を支持する磁気軸受とを備え、上記回転軸はフライホ
   イールを備え、 前記磁気軸受が、前記回転軸の重量を支持すると共に、
   前記転がり軸受には前記磁気軸受の吸引力により予圧が
   付され、 前記回転軸のラジアル荷重は主として前記転がり軸受が
   支持するようになっており、 前記回転軸に設けた袋孔にグリースが入れられ、前記回
   転軸の回転によってグリースより分離した基油は多孔質
   材を通って前記転がり軸受に供給されるフライホイール
   エネルギー貯蔵装置。