JPH11318003A

JPH11318003A - フライホィール式電池

Info

Publication number: JPH11318003A
Application number: JP10120773A
Authority: JP
Inventors: Iwao Matsumoto; 岩男松本; Toyoaki Furukawa; 豊秋古川; Sachiko Hamanaka; 佐知子濱中; Tetsuya Yamamoto; 哲也山本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、フライホィールを安定して回転させ
ることができ、フライホィールにおける運動エネルギー
貯蔵能力を無理なく高めることができる縦型のフライホ
ィール式電池を提供することを課題とする。【解決手段】充電時に外部電力を受けてモータのロータ
として回転され、放電時に発電機のロータとして回転し
て発電を行うフライホィール３を備えたフライホィール
式電池において、フライホィール３は、その軸線０が鉛
直軸Ｕに対して傾斜して設けられていることを特徴と
し、またフライホィール３はフライホィール本体４の外
周部に複合材からなるロータ体５が取付けられ、且つこ
のロータ体５の外周はこのロータ体５を形成する複合材
の剥離を抑える補強部材２１、２３で押えられているこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフライホィールを用
いて充電および発電作用を行う縦型のフライホィール式
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両などに搭載される非常用電源
や無停電電源には鉛電池等の化学二次電池が用いられて
いるが、このような二次電池は廃棄後の有害性、耐久
性、定期交換、大重量であるなどの制約がある。このた
め、最近では二次電池の制約を取り除くためにフライホ
ィールを回転して電動機および発電機の作動を行わせる
フライホィール式電池が用いられつつある。

【０００３】図５は従来における縦型のフライホィール
式電池を示している。図５において１は内部が真空にさ
れた例えば円形をなすケーシングで、これは底部が設置
面Ｇに当接して設置されている。２はこのケーシング１
の内部中央に鉛直に立てて配置された回転軸で、これは
上端および下端が回転自在に支持されている。３はケー
シング１の内部に配置された円形をなすフライホィール
で、これは回転軸２に取付けられたフライホィール本体
４と、このフライホィール本体４の外周部全体にわたり
取付けられた円環形をなす複合材からなるロータ体５、
フライホィール本体４の内周部に取付けられた回転子６
とで構成されている。７は固定子で、これはケーシング
１の内部においてフライホィール３の内周側の箇所に回
転子６に対向して配置されている。７ａは固定子７に接
続された外部引出し用の端子である。

【０００４】ここで、ケーシング１はフライホィール３
の回転による風損を少くするために真空とされている。
回転軸２の上端はラジアル軸受８によりケーシング１の
天井部に支持され、下端はラジアル軸受９およびこのラ
ジアル軸受９を受けるスラスト軸受１０によりケーシン
グ１の底部に支持されている。これらの軸受８〜１０は
すべり軸受、ころがり軸受が用いられる他に回転部の機
械損を少くするために磁気軸受も用いられる。フライホ
ィール３においてフライホィール本体４の外周部に取付
ける複合材からなるロータ体５は、材料としてカーボン
繊維、ＦＲＰおよびガラス繊維などを使用し、これを積
層することでデスクを構成してフライホィール本体４の
外周部に取付けられている。ロータ体５はフライホィー
ル本体４の外周部に大きな重量を与えるためのもので、
この複合材からなるロータ体５は他の構成のロータ体に
比較して絶対強度は鋼に比べて小さいが材料密度が小さ
く、遠心強度に対する相対強度を大きく取れるのでデス
クの大径化が可能であり、エネルギー貯蔵能力を高める
ことができるという利点がある。

【０００５】このように構成したフライホィール式電池
は、電源より回転子６および固定子７の一方または両方
に電力を供給して回転子６および固定子７の作用により
フライホィール本体４に対して回転力を作用させる。そ
うするとフライホィール本体４が回転軸２と一体に回転
し、ロータ体５および回転子６がフライホィール本体４
と一体に回転する。このようにフライホィール３を回転
させてその回転速度を増大することにより、フライホィ
ール３に回転エネルギーを蓄積する。すなわち、フライ
ホィール式電池は電動機として作動して充電（エネルギ
ーの蓄積）を行う。そして、電源から電力の供給が断た
れた時には、フライホィール３が蓄積していたエネルギ
ーにより回転する。そうするとフライホィール３と一体
に回転する回転子６と固定子７の作用により起電力が発
生し、この起電力を外部へ取り出して電力として消費す
る。これによりフライホィール３の回転が減速される。
すなわち、フライホィール式電池は発電機として作動し
て放電（エネルギーの放出）を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に二次電池は急速
な充電、放電には向いておらず、充放電サイクルによる
寿命（サイクル寿命）が短いのに対して、フライホィー
ル式電池は急速なエネルギーの出し入れが可能（パワー
密度が大きい）で、急速充放電時のサイクル寿命にも問
題がないために、車両の加減速時のエネルギーの授受に
適している。

【０００７】しかし、反面フライホィール式電池はエネ
ルギー貯蔵能力が小さいという欠点がある。フライホィ
ールに保存される運動エネルギー（エネルギー貯蔵能
力）Ｅは次の式１で表すことができる。

【０００８】

【数１】

【０００９】この式で判るようにフライホィールの運動
エネルギーＥは、フライホィールの外径の４乗、回転数
は２乗に比例する。従って、フライホィールにおいて運
動エネルギーの貯蔵能力は、第１にフライホィールの外
径の大形化、第２にフライホィールの回転数の増大化を
図ることが必要となる。

【００１０】しかし、フライホィールの外径を大形にす
るとフライホィールの重量が増大する。そうすると、フ
ライホィールの重量増大分がフライホィールを取付けた
回転軸を支持するスラスト軸受に加わり、スラスト軸受
に大きな負荷が掛かり機械損が増大する。また、回転軸
を支えるラジアル軸受はフライホィールの重量が作用し
ないために、すべり軸受であれば自励振動により損傷を
受け易く、ころがり軸受であれば転動体のスリップや異
常挙動により損傷を受け易い。これらのことによりスラ
スト軸受およびラジアル軸受は回転軸、すなわちフライ
ホィールを安定して支持して安定して回転させることが
困難になる。なお、この問題に対処しようとすると、軸
受が大形化したり、設計が困難になり実用的でない。

【００１１】さらに、フライホィールの回転数を増大す
ると、フライホィールにおける振動が増大してフライホ
ィールの安定した回転が困難になる。そして、フライホ
ィールの回転時に発生する振動の影響によりフライホィ
ール本体の外周部に取付けた複合材からなるロータ体に
剥離が発生することがある。すなわち、複合材からなる
ロータ体は積層構造によりデスク形状に構成されている
ために、フライホィールが振動して回転が不安定になる
と、積層構造内部に応力むらが生じて剥離が生じ易くな
る。また、この複合材からなるロータ体の剥離によりフ
ライホィールの外周部に欠け部分が発生すると、フライ
ホィールの回転がさらに不安定になる。

【００１２】このように従来のフライホィール式電池で
は、フライホィールにおける運動エネルギー貯蔵能力を
高めようとするとフライホィールの回転が不安定になる
という問題があり、このことが電動機および発電機とし
ての作動に悪影響を与えることがあり、フライホィール
における運動エネルギー貯蔵能力を高める上で限界があ
った。

【００１３】本発明は前記事情に基いてなされたもの
で、フライホィールを安定して回転させることができ、
フライホィールにおける運動エネルギー貯蔵能力を無理
なく高めることができる縦型のフライホィール式電池を
提供することを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明のフライ
ホィール式電池は、充電時に外部電力を受けてモータの
ロータとして回転され、放電時に発電機のロータとして
回転して発電を行うフライホィールを備えたフライホィ
ール式電池において、前記フライホィールは、その軸線
が鉛直軸に対して傾斜して設けられていることを特徴と
する。

【００１５】請求項２の発明のフライホィール式電池
は、充電時に外部電力を受けてモータのロータとして回
転され、放電時に発電機のロータとして回転して発電を
行うフライホィールを備えたフライホィール式電池にお
いて、前記フライホィールはフライホィール本体の外周
部に複合材からなるロータ体が取付けられ、且つこのロ
ータ体の外周はこのロータ体を形成する複合材を押えて
その剥離を抑える補強部材で押えられていることを特徴
とする。

【００１６】請求項３の発明は、請求項２に記載のフラ
イホィール式電池において、前記補強部材は、前記フラ
イホィールの回転時に前記補強部材に対して遠心力を作
用させる重りを備えていることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態につい
て図１を参照して説明する。この実施の形態は、フライ
ホィールの回転軸線を鉛直軸に対して傾斜させてフライ
ホィール式電池を設けるもので、図１は縦型のフライホ
ィール式電池を傾斜して設けた状態を示している。

【００１８】図１に示す縦型のフライホィール式電池自
体の構成は図５に示す縦型のフライホィール式電池の構
成と同じものであり、図１において図５と同じ部分は同
じ符号を付して示している。すなわち、図中１はケーシ
ング、２は回転軸、３はフライホィール、４はフライホ
ィール本体、５は複合材からなるロータ体、６は回転
子、７は固定子、８はラジアル軸受、９はラジアル軸受
および１０はスラスト軸受である。

【００１９】このように構成された縦型のフライホィー
ル式電池はフライホィール３の回転中心軸線である回転
軸２の中心軸線０が鉛直軸Ｕに対して所定角度αをもっ
て傾斜するように傾いた状態で配置されている。すなわ
ち、フライホィール式電池はケーシング１の底部面０が
設置面Ｇに対して所定角度αをもって傾斜するように傾
いた状態で配置されている。そして、フライホィール式
電池は設置面Ｇに設けた図示しない設置台に前記のよう
に傾いた状態で支持されて設置されている。

【００２０】このように縦型フライホィール式電池をフ
ライホィール３の回転中心軸線である回転軸２の中心軸
線０が鉛直軸Ｕに対して所定角度αをもって傾斜するよ
うに傾いた状態で支持することは次に述べる理由による
ものである。すなわち、フライホィール３の重量はフラ
イホィール３を取付けた回転軸２にかかり、さらに回転
軸２を支持する軸受に掛かる。回転軸２が直立している
状態でフライホィール式電池が設置面Ｇに設置されてい
る場合には、回転軸２の下端を支持するスラスト軸受４
にフライホィール３の全重量が掛かり、スラスト軸受４
に大きな機械損が発生してフライホィール３が安定して
回転できにくくなる。

【００２１】しかし、フライホィール式電池を傾けて配
置することにより、フライホィール３の重量は回転軸２
の下端を支持するラジアル軸受９およびこのラジアル軸
受９を受けるスラスト軸受１０に分散して作用すること
になる。すなわち、ラジアル軸受９およびスラスト軸受
１０は回転軸２を介して作用するフライホィール３の重
量を分散して受ける。フライホィール式電池を傾けて配
置するとフライホィール３の重量は回転軸２の軸線方向
に沿う分力と、回転軸２の軸線方向に対して直角な方向
に沿う分力とに分解される。このため、スラスト軸受１
０は回転軸２の軸線方向に沿って作用するフライホィー
ル３の荷重を受け持ち、ラジアル軸受９は回転軸２の軸
線方向に対して直角な方向に沿って作用するフライホィ
ール３の荷重を受け持つ。このため、スラスト軸受１０
は従来に比較して負担するフライホィール３の重量が低
減して回転軸２の回転による機械損の程度が大幅に低下
する。また、このことによりスラスト軸受１０の設計に
は大きな自由度（例えばフライホィール式電池を傾ける
ことによる投影面積の減少、軸受の幅、隙間などの設計
条件）が得られる。ラジアル軸受９は従来に比較して適
度な大きさの荷重が加わることになり、自励振動や転動
体のスリップや異常挙動の発生を抑えてこれらの現象に
よる損傷を防止できる。

【００２２】このようにして各軸受８〜１０はフライホ
ィール３の荷重が加わる回転軸２を無理なく安定して支
持して機械損の発生を抑えることができ、回転軸２を介
してフライホィール３を安定して回転させることができ
る。従って、外径を大きくして重量が増大したフライホ
ィール３を安定して回転させることができ、フライホィ
ール３の回転保持の問題を解決して運動エネルギーの貯
蔵能力を高めることができる。また、フライホィール３
を傾斜して配置することにより、設置面Ｇにおける設置
面積を小さくすることができる。このため、従来に比較
して小さい面積で複数個のフライホィール式電池を設置
することができる。

【００２３】ここで、フライホィール式電池を傾ける角
度αは３０〜６０度の範囲であることが好ましく、なか
でも４５度前後が好ましい。これは次に述べる理由によ
るものである。すなわち、フライホィール式電池を傾け
る角度によってスラスト荷重、ラジアル荷重を調整する
ことが可能であり、４５度の場合が両者に作用する最大
荷重を最も小さくできる。例えば角度αが大きいと、ラ
ジアル荷重が大きくなり、角度αが小さいとスラスト荷
重が大きくなる。なお、この角度範囲はフライホィール
外径および重量の大きさに制約されないものである。

【００２４】第２の実施の形態について図２および図３
を参照して説明する。この実施の形態は、フライホィー
ルに設ける複合材ロータ体を補強部材で剥離が生じない
よう押えるものであり、図２は縦型のフライホィール式
電池を示す断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿って示す
フライホィールの断面図である。この実施の形態におけ
る縦型フライホィール式電池の基本的構成は図５に示す
縦型フライホィール式電池と同じであるために、図１に
おいて図５と同じ部分は同じ符号を付して示している。

【００２５】この実施の形態では、補強部材として例え
ば複合材ロータ体を外周側から締付ける金属線材からな
るバンドを用いている。すなわち、図中２１は適宜な金
属線材により形成されたバンドで、これはフライホィー
ル３における複合材ロータ体５の外周を円周方向に４等
分した大きさと曲率を有する円弧形をなしている。この
バンド２１の両方の端部は夫々の円弧とは反対向きに反
るように湾曲して半径方向外側へ向けて突出されて連結
端部２１ａを形成している。また、バンド２１の両端部
の連結端部２１ａの先端には、夫々金属からなる重り２
２が固着されている。この重り２２はフライホィール３
の回転時に適宜な遠心力を作用させるために適宜な重量
を有しており、溶接などの周知の適切な手段により強固
に固着されている。

【００２６】そして、４個のバンド２１がフライホィー
ル３におけるロータ体５の外周面に接触するようにし
て、ロータ体５の外周を囲む同一円周上において円周方
向に等分にして配置されている。４個のバンド２１にお
ける両端部の連結端部２１ａはロータ体５の円周方向に
関して隣り合う他のバンド２１における両端部の連結端
部２１ａと交差して組合されており、これら互いに交差
して組合された各組の２個の連結端部２１ａは連結部材
２３によって互いに強固に連結固定されている。この連
結部材２３は金属線材をそのまま交差する２個の連結端
部２１ａの周囲に巻き付けて締付ける方式のもの、ある
いは金属帯板を環状に丸め、この環状金属帯板をねじで
締付けてその直径を可変する構成をなし、この環状金属
帯板に２個の連結端部２１ａを通してねじを締め付ける
方式のものなどの種々のものが挙げられる。このように
して互いに隣り合って組合される各バンド２１の連結端
部２１ａを連結部材２３で連結し締付けることにより、
ロータ体５の外周を囲む４個のバンド２１は互いに連結
されて１個の輪をなすバンドとなる。

【００２７】これにより４個のバンド２１は各連結端部
において連結部材２３によって引っ張られて円周方向に
沿ってロータ体５に対して外周側から内周側に向けて締
付けるように力を加える。これによりロータ体５は４個
のバンド２１からなる輪形のバンドによって押えられて
剥離を阻止される。なお、各バンド２１の連結端部２１
ａは前述した形状とすることにより、連結部材２３で連
結して締付けた時にバンド２１が効果的にロータ体５を
締付ける力を作用できるようになっている。ロータ体５
の外周はフライホィール３の高さ方向（回転中心線方
向）に間隔を存した複数箇所に４個のバンド２１を連結
部材２３で連結してなる補強部材が設けられて押えられ
ている。従って、ロータ体５全体がフライホィール３の
回転時に剥離しないように補強されている。

【００２８】このフライホィール３を備えたフライホィ
ール式電池を電動機として使用する場合および発電機と
して使用する場合にフライホィール３が回転すると、ロ
ータ体５は複数組の補強部材により押えられて回転す
る。このため、フライホィール３が３００００ｒｐｍ〜
５００００ｒｐｍ程度の回転の時に剥離することがない
のは勿論、４００００ｒｐｍ〜７００００ｒｐｍ程度の
高い回転数で回転する場合にも、ロータ体５を構成する
複合材からなるデスクが回転子６から剥離することがな
い。従って、運動エネルギーの貯蔵能力を高めるために
フライホィール３を、５００００ｒｐｍ〜７００００ｒ
ｐｍ程度の従来よりも高い回転数で回転してもロータ体
５が剥離するという事故の発生を防止できる、また、複
合材からなるロータ体５の剥離によりフライホィール３
外周部に欠け部分が発生することがなく、この面でもフ
ライホィール３を安定して回転することができる。

【００２９】また、フライホィール３を回転すると、各
補強部材を構成する各バンド２１の連結端部２１ａに夫
々固着した重り２２も一体に回転する。これにより各補
強部材ではこれを構成する４個のバンド２１には各重り
２２の回転によって生じる遠心力が作用する。この遠心
力はフライホィール３の回転速度の上昇に伴って増大す
る。なお、各補強部材を構成する４個のバンド２１は重
り２２の遠心力に影響されず確実にロータ体５を保持で
きる。そして、この各重り２２の遠心力の作用によりフ
ライホィール３におけるフライホィール効果がさらに高
まり、フライホィール３が一層安定して高速で回転させ
ることができる。

【００３０】遠心力は式（２）で表される。Ｆ＝ｍｒω² ……（２）ただし、ｍ：重りの質量、ｒ：重りの半径、 ω：フライホィールの回転角速度、さらに、前述した第１の実施の形態および第２の実施の
形態において次に説明する軸受部の構成を採用すること
により、フライホィール３をより一層安定して高速回転
させることができる。

【００３１】すなわち、第１の実施の形態および第２の
実施の形態においてフライホィール３の外径を大形化
し、またフライホィール３の回転数を増大すると、フラ
イホィール３の回転軸２を支持する軸受では直径が大形
化して周速が速くなる。このため、フライホィール３の
回転軸２を支持する軸受としてころがり軸受やすべり軸
受を用いた場合には、軸受部での発熱、機械的損失が増
大して、最適な設計点が得られない。また、磁気軸受は
大変価である。

【００３２】そこで、図４に示すようにフライホィール
３を取付けた回転軸２においてケーシング１に設ける軸
受で支持するジャーナル部２ａである上端とジャーナル
部２ｂである下端の直径従来に比較して大きくする。図
４はフライホィール式電池を示す断面図である。このジ
ャーナル部２ａ、２ｂの直径は最大ケーシング１の内径
と同じ程度まで大きくする。また、この回転軸２の上端
のジャーナル部２１ａおよび下端のジャーナル部２１ｂ
を支持する夫々支持する軸受としては気体軸受２４、２
５を設ける。このように回転軸２のジャーナル部２ａ、
２ｂの直径を大きくすることにより、ジャーナル部２ａ
におけるスラスト部の耐荷重面積が増大して単位面積当
りの荷重が低下する。また、回転軸２を支持する軸受と
して気体軸受２４、２５を用いると、磁気軸受に比較し
て安価であるとともに軸受部での発熱、機械的損失の増
大を防止しつつ軸受部の周速が速くなる。従って、軸受
部での機械的損失を抑えて回転軸２のジャーナル部２
ａ、２ｂの周速の高速化に対処することができる。

【００３３】なお、気体軸受では、回転軸２のジャーナ
ル部２ａ、２ｂの直径が大きいほど負荷容量を大きくで
きるので、回転軸２のジャーナル部２ａ、２ｂの直径は
フライホィール式電池の容量とケーシング内径の範囲で
設定する。例えば、自動車に用いるフライホィール式電
池において、気体軸受を用いた場合に回転軸２のジャー
ナル部２ａ、２ｂの直径は２００ｍｍないし３００ｍｍ
（ケーシング１の内径）程度まで大きくすることができ
る。ジャーナル部２１ａを大きくする手段としては、一
体型ロータとするか、軸受部に直径の大きい円板を焼き
ばめするなどの種々の手段がある。

【００３４】なお、本発明は前述した実施の形態に限定
されず、種々変形して実施することができる。例えば、
フライホィールのロータ体を押える補強部材は第２の実
施の形態のものに限定されることがない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明のフライホィ
ール式電池によれば。フライホィールを傾斜して設ける
ことにより、フライホィールを取付けた軸受を支持する
各軸受はフライホィールの荷重が加わる回転軸を無理な
く安定して支持して機械損の発生を抑えることができ、
回転軸を介してフライホィールを安定して回転させるこ
とができる。

【００３６】また、本発明のフライホィール式電池によ
れば、フライホィールの複合材からなるロータ体を補強
部材で押えるので、運動エネルギーの貯蔵能力を高める
ためにフライホィールを高い回転転数で回転してもロー
タ体が剥離するという事故の発生を防止できる、また、
複合材からなるロータ体の剥離によりフライホィールの
外周部に欠け部分が発生することがなく、この面でもフ
ライホィールを安定して回転することができる。また、
本発明によれば、補強部材に重りを設けることにより、
各重りの遠心力の作用によりフライホィールにおけるフ
ライホィール効果がさらに高まり、フライホィールが一
層安定して高速で回転できる。

【００３７】従って、本発明によれば、フライホィール
の回転保持の問題を解決してフライホィールを安定して
回転させることができ、これによりフライホィールにお
ける運動エネルギー貯蔵能力を無理なく高めた縦型のフ
ライホィール式電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるフライホィ
ール式電池を示す断面図。

【図２】第２の実施の形態におけるフライホィール式電
池を示す断面図。

【図３】同実施の形態におけるフライホィール式電池を
示す断面図。

【図４】フライホィール式電池を示す断面図。

【図５】従来の一形態におけるフライホィール式電池を
示す断面図。

【符号の説明】

１…ケーシング、２…回転軸、３…フライホィール、４…フライホィール本体、５…ロータ体、６…回転子、７…固定子、８…軸受、９…軸受、１０…軸受、２１…バンド（補強部材）、２２…重り、２３…補強部材（補強部材）、２４…気体軸受。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本哲也愛知県名古屋市港区大江町10番地三菱重工業株式会社名古屋航空宇宙システム製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電時に外部電力を受けてモータのロー
タとして回転され、放電時に発電機のロータとして回転
して発電を行うフライホィールを備えたフライホィール
式電池において、前記フライホィールは、その軸線が鉛
直軸に対して傾斜して設けられていることを特徴とする
フライホィール式電池。
【請求項２】充電時に外部電力を受けてモータのロー
タとして回転され、放電時に発電機のロータとして回転
して発電を行うフライホィールを備えたフライホィール
式電池において、前記フライホィールはフライホィール
本体の外周部に複合材からなるロータ体が取付けられ、
且つこのロータ体の外周にはこのロータ体を形成する複
合材を押えてその剥離を抑える補強部材が取付けられて
いることを特徴とするフライホィール式電池。
【請求項３】前記補強部材は、前記フライホィールの
回転時に前記補強部材に対して遠心力を作用させる重り
を備えていることを特徴とする請求項２に記載のフライ
ホィール式電池。