JPH11341708A - フライホイール式エネルギー貯蔵システム、及びフライホイールを用いたエネルギー貯蔵方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸を介さずにエネルギーをフライホイー
ルに授受し、かつ回転子と固定子の間の空隙を十分確保
しつつ、低損失で高効率のフライホイール式エネルギー
貯蔵システム、及びフライホイールを用いたエネルギー
貯蔵方法を提供する。 【解決手段】 回転可能なフライホイール２０の外周付
近に複数の回転子コイル２１を配設し、これに対応させ
て複数の固定子コイル１１を配置し、直流をインバータ
３０で三相交流にして固定子コイル１１に供給して電磁
気力を発生させフライホイール２０を回転させ、電気エ
ネルギーをフライホイール２０の回転運動エネルギーと
して貯蔵し、回転する回転子コイル２１と固定子コイル
１１との間に働く発電作用により誘起する電流をインバ
ータ３０によって取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギーをフラ
イホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵し又は回収
するフライホイール式エネルギー貯蔵システム、及びフ
ライホイールを用いたエネルギー貯蔵方法の改良に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種のエネルギーを、フライホイ
ール（はずみ車）の回転運動エネルギーとして貯蔵し、
又は取り出すフライホイール式エネルギー貯蔵システム
が知られている。このフライホイール式エネルギー貯蔵
システムは、図１３に示すような構成となっており、入
出力端子２０５，２０６を有する電動モーター２０１
と、回転軸２０２と、フライホイール２０３と、軸受２
０４を備えている。

【０００３】このフライホイール式エネルギー貯蔵シス
テムでは、入出力端子２０５，２０６に電流を入力する
ことにより電動モーター２０１を駆動させ、フライホイ
ール２０３を回転させる。したがって、これにより、電
動モーター２０１へ入力する以前は電気エネルギーであ
ったエネルギーを、フライホイール２０３の回転運動エ
ネルギーとして蓄えることができる。

【０００４】上記した電動モーター２０１は、逆に用い
れば発電機としても機能するから、フライホイール２０
３の回転中には、入出力端子２０５，２０６から電気を
取り出すことができる。このようにして、フライホイー
ル２０３にエネルギーを貯蔵し、又は取り出すことがで
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のフライホイール式エネルギー貯蔵システムで
は、以下のような問題があった。

【０００６】大きなエネルギーを貯蔵するためには、フ
ライホイールの径を大きくするとよい。しかし、フライ
ホイール外周縁の周速度には限界がある。また、半径ｒ
で角速度ωの場合の外周縁の周速度ｖは、ｖ＝ｒ×ωと
なる。このため、ｖが一定ならば、フライホイールの直
径を大きくすると、フライホイールの回転軸の回転速度
（回転数）は小さくなる。すなわち、従来例のように、
フライホイールの回転軸を介してエネルギーの授受を行
うエネルギー貯蔵システムでは、大きなエネルギーの貯
蔵や取出しを行おうとすると、低い回転数でのエネルギ
ー入力及びエネルギー出力が必要となる。

【０００７】このため、エネルギー貯蔵時には電動モー
ターとフライホイール軸との間に減速機を介在させる必
要があり、エネルギー取出し時にはフライホイール軸と
発電機との間に増速機を介在させる必要がある。したが
って、コストが増大するとともに、各接続箇所において
エネルギーの損失が発生する、という問題があった。ま
た、一般に、回転数が低い領域では、発電機の効率が悪
い、という問題もあった。

【０００８】また、フライホイールの直径を大きくする
と、それに伴い、フライホイールの外周付近は「たわ
み」により下方に垂下するように変形する。このため、
大直径のフライホイールの場合には、フライホイールの
外周下縁がフライホイールの固定床等に接触するおそれ
がある、という問題もあった。

【０００９】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の解決しようとする課題は、回
転軸を介さずにエネルギーをフライホイールに授受し、
かつ回転子と固定子の間の空隙を十分確保しつつ、低損
失でかつ効率の高いフライホイール式エネルギー貯蔵シ
ステム、及びフライホイールを用いたエネルギー貯蔵方
法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るフライホイール式エネルギー貯蔵シス
テムは、回転可能に構成されるフライホイールと、前記
フライホイールの円周付近に配設される複数の回転子
と、前記フライホイールの外部でかつ前記回転子との間
で電磁気的な相互作用が可能な第１位置に配設される複
数の固定子と、電力授受手段を備え、前記固定子及び前
記回転子のうちの少なくとも一方を超電導磁石又は超電
導コイルで構成し、前記電力授受手段により供給電流を
供給して前記固定子と前記回転子との間に電磁気力を発
生させ前記フライホイールを回転させることにより、前
記供給電流の電気エネルギーを前記フライホイールの回
転運動エネルギーとして貯蔵し、かつ、前記フライホイ
ールとともに回転する前記回転子と固定子との間に働く
発電作用により発生する誘起電流を前記電力授受手段に
よって取り出すことにより、前記フライホイールに貯蔵
された前記回転運動エネルギーを前記誘起電流の電気エ
ネルギーとして回収することを特徴とする。

【００１１】上記したフライホイール式エネルギー貯蔵
システムにおいて、好ましくは、前記回転子は前記超電
導磁石で構成され、かつ前記固定子は常電導コイル又は
超電導コイルで構成される。

【００１２】また、上記したフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システムにおいて、好ましくは、前記回転子は常
電導コイル又は超電導コイルで構成され、かつ前記固定
子は前記超電導磁石で構成される。

【００１３】また、上記したフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システムにおいて、好ましくは、前記常電導コイ
ルは、相互にヌルフラックス接続され、前記フライホイ
ールの回転中心線の方向の位置を一定に制御する。

【００１４】また、上記したフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システムにおいて、好ましくは、前記常電導コイ
ルは、略８字状に形成されるとともに相互にヌルフラッ
クス接続され、前記フライホイールの半径の方向の位置
を一定に制御する。

【００１５】また、上記したフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システムにおいて、好ましくは、前記固定子は、
前記第１位置と、前記回転子と前記固定子との間で前記
電磁気的な相互作用が微弱な第２位置とを取り得るよう
に構成され、前記フライホイールへの前記回転エネルギ
ーの貯蔵動作を行う時点以外の時点、又は前記フライホ
イールからの前記回転エネルギーの取出し動作を行う時
点以外の時点においては、前記固定子は前記第２位置に
配置される。

【００１６】また、本発明に係るフライホイールを用い
たエネルギー貯蔵方法は、回転可能に構成されるフライ
ホイールと、前記フライホイールの円周付近に配設され
る複数の回転子と、前記フライホイールの外部でかつ前
記回転子との間で電磁気的な相互作用が可能な第１位置
に配設される複数の固定子と、電力授受手段を備えると
ともに、前記固定子及び前記回転子のうちの少なくとも
一方を超電導磁石又は超電導コイルで構成したフライホ
イール式エネルギー貯蔵システムを用い、前記電力授受
手段により供給電流を供給して前記固定子と前記回転子
との間に電磁気力を発生させ前記フライホイールを回転
させることにより、前記供給電流の電気エネルギーを前
記フライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵し、
かつ、前記フライホイールとともに回転する前記回転子
と固定子との間に働く発電作用により発生する誘起電流
を前記電力授受手段によって取り出すことにより、前記
フライホイールに貯蔵された前記回転運動エネルギーを
前記誘起電流の電気エネルギーとして回収することを特
徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１８】（１）第１実施形態 図１は、本発明の第１実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す一部欠截斜視図で
ある。また、図２は、図１に示すフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。図１，
２に示すように、このフライホイール式エネルギー貯蔵
システム１０１は、ガイド部１Ａと、回転部２Ａと、電
力授受部３Ａを備えて構成されている。

【００１９】ガイド部１Ａは、ガイドリング１０Ａと、
Ｎ1 個（Ｎ1 ：正の整数）の固定子コイル１１を有して
いる。ガイドリング１０Ａは、ＦＲＰ（繊維強化プラス
チック）、コンクリート等の低磁性材料からなり、全体
としては略環状に形成されている。また、ガイドリング
１０Ａは、コイル支持部１０ａと直壁部１０ｂを有して
いる。コイル支持部１０ａは、略環状に形成され、上面
が平面状に形成されている。

【００２０】固定子コイル１１は、ガイドリング１０Ａ
のコイル支持部１０ａの上面に配置され、所定の円周に
沿って所定間隔で配置されている。また、固定子コイル
１１は、後述する回転子コイル２１に対応する位置（第
１位置）に設置されている。

【００２１】固定子コイル１１の巻線は、銅（Ｃｕ）等
の常電導材料によって形成され、固定子コイル１１は常
電導コイルとして構成されている。また、固定子コイル
１１の巻線は、略「ロ」字状（レーストラック状）のル
ープ（環）をなすように巻回されている。固定子コイル
１１の巻線は、１本の線であってもよいし、複数回巻か
れてもよい。

【００２２】また、回転部２Ａは、フライホイール２０
と、回転子コイル２１と、フライホイール軸２２と、軸
受２３を有している。フライホイール軸２２は、軸受
（ベアリング）２３によって回転可能な状態で軸支され
ており、このフライホイール軸２２には、略円盤状のフ
ライホイール２０が同軸となるように取り付けられてい
る。フライホイール２０は、質量が大きく低磁性の材
料、例えば銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），鉛（Ｐｂ）等の
金属材料等で形成され、外周縁までの半径が大きく、全
体として回転慣性モーメントが大きくなるように構成さ
れている。

【００２３】軸受２３は、転動体等の転がり摩擦を利用
する「転がり軸受」、流体や固体等の滑り摩擦を利用す
る「滑り軸受」、吸引磁力又は反発磁力を利用する「磁
気軸受」等を含む公知の構成の軸受であり、フライホイ
ール軸２２を円滑に回転させる。なお、磁気軸受の場合
は、磁気力を受ける２つの部材（図示せず）のうち、少
なくとも一方、又は両方を超電導磁石としてもよい。

【００２４】回転子コイル２１は、フライホイール２０
の外周付近の所定円周に沿って所定間隔で所定個数Ｎ2
個（Ｎ2 ：正の整数）配置されている。この回転子コイ
ル２１の巻線は、Ｎｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン），Ｎｂ
₃ Ｓｎ （ニオブ三スズ）等の合金系超電導体やセラミ
ックス系高温超電導体等を含む超電導材料によって形成
されている。また、回転子コイル２１の巻線は、略
「ロ」字状のループをなすように巻回されている。回転
子コイル２１の巻線は、１本の線であってもよいし、複
数回巻かれてもよい。

【００２５】各回転子コイル２１の巻線は、クライオス
タット等の断熱容器（図示せず）内に封入された液体ヘ
リウムや液体窒素等の冷却剤（図示せず）内に配置さ
れ、超電導コイルとして構成されている。このため、回
転子コイル２１の巻線は、冷却剤によって臨界温度より
も低い温度に冷却されて超電導状態になっており、巻線
にいったん電流を流すと、ほぼ永久的に電流（以下、
「超電導電流」という。）が流れる。このため、各回転
子コイル２１は、強力な磁界を発生させる永久磁石（以
下、「超電導磁石」という。）となっている。

【００２６】この場合、隣接する回転子コイル２１ごと
に超電導電流の通電方向は逆向きに設定され、超電導磁
石の磁極がＮ，Ｓ交互に並ぶように配置されている。

【００２７】電力授受部３Ａは、インバータ３０（図２
参照）と、入出力端子３１及び３２を有している。イン
バータ３０は、サイリスタ等の半導体素子を用い、直流
電流を、フライホイール２０の回転数に応じた任意の周
波数の三相交流に変換する装置である。インバータ３０
の出力は、端子Ｔに入力されるように接続されている。

【００２８】上記した第１実施形態のフライホイール式
エネルギー貯蔵システム１０１におけるフライホイール
２０の回転（推進）の原理について、図３を参照しつ
つ、以下に詳述する。図３は、図１に示すガイド部の固
定子コイルの接続構成と作用を説明する図である。

【００２９】図３に示すように、固定子コイル１１は、
通電用配線１５ａ，１５ｂ，１５ｃにより、３個おきに
接続され、通電用配線１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、端子
Ｔ（図２参照）と接続されている。したがって、固定子
コイル１１のうち任意のもの、あるいは特定のものに電
力が供給可能で、かつ後述する電力が取り出し可能な構
成となっている。また、図３の左右両端に示す端子Ｔは
互いに接続され、Ｎ1個の固定子コイル１１，…，１１
は全体として環状となっている。

【００３０】上記のような構成により、外部から、入出
力端子３１，３２を介して、直流電流を入力すると、電
力授受部３Ａ内のインバータ３０がこの直流を三相交流
電流（供給電流）に変換し、固定子コイル１１に三相交
流電流を流す。これにより、固定子コイル１１の側に
は、円周に沿って回転移動する磁界（以下、「回転移動
磁界」という。）を発生させることができる。

【００３１】すなわち、図３の左側の部分において１１
(i-1) ，１１(i) ，１１(i+1) で示すように、上記した
三相交流の通電により、ある瞬間には、例えば、（ｉ−
１）番目（ｉ：１≦ｉ≦Ｎ1 なる整数）の固定子コイル
１１(i-1) の上部の磁極はＮ極となり、隣接するｉ番目
の固定子コイル１１(i) の上部の磁極はＳ極となり、
（ｉ＋１）番目の固定子コイル１１(i+1) の上部の磁極
はＮ極となり、これらの磁極は、図３の右方向へ向かっ
て移動（回転）していく。

【００３２】一方、図３の左側の部分において１１(j)
，１１(j+1) で示すように、上記した回転移動磁界の
近傍の回転子コイル、例えば、（ｊ）番目（ｉ：１≦ｊ
≦Ｎ2なる整数）の回転子コイル２１(j) は超電導磁石
となっていて下部の磁極がＮ極であり、隣接する（ｊ＋
１）番目の回転子コイル（超電導磁石）２１(j+1) の下
部の磁極がＳ極であった場合には、これらの磁極は、下
方にあって図３の右方向へ向かって移動していく回転移
動磁界により磁気吸引力を受ける。このため、回転子コ
イルが取り付けられているフライホイール２０はフライ
ホイール軸２２の中心線を回転中心線として回転を始め
る。

【００３３】その後、十分な時間が経過すると、回転子
コイル（超電導磁石）２１(j) の移動速度は、固定子コ
イル１１上を移動する回転移動磁界の移動速度と等しく
なる。すなわち、この場合、固定子コイル１１と回転子
コイル（超電導磁石）２１は、一種の同期電動機（シン
クロナス・モータ）を構成している。

【００３４】上記のようにして、入出力端子３１，３２
に直流電流を入力し、インバータ３０によって三相交流
電流（供給電流）に変換し、これを各固定子コイル１１
に供給することにより、固定子コイル１１上を移動する
回転移動磁界を発生させ、この回転移動磁界に同期させ
てフライホイール２０を回転させることができる。した
がって、この動作により、入出力端子３１，３２へ入力
する以前は電気エネルギーであったエネルギーを、フラ
イホイール２０の回転運動エネルギーとして蓄えること
ができる。

【００３５】上記した回転子コイル２１（超電導磁石）
と固定子コイル１１が構成する同期電動機は、逆に用い
れば発電機としても機能し、三相交流電流（誘起電流）
を誘起させることができる。また、インバータ３０は、
逆に用いれば整流回路として機能するから、フライホイ
ール２０の回転中には、入出力端子３１，３２から直流
電流を得ることができる。このようにして、フライホイ
ール２０に回転運動のエネルギーとして蓄えられたエネ
ルギーを、再び電気エネルギーとして取り出すことがで
きる。

【００３６】このように、第１実施形態のフライホイー
ル式エネルギー貯蔵システム１０１は、環状に並設され
た固定子コイル１１に交流を入力し固定子コイル１１上
に直接回転移動磁界を発生させて回転子コイル２１（超
電導磁石）を駆動させフライホイール２０を回転させて
電気エネルギーをフライホイール２０の回転運動エネル
ギーに変換して貯蔵し、逆に回転中の固定子コイル１１
から直接電力を回収する点に特徴がある。

【００３７】なお、第１実施形態のフライホイール式エ
ネルギー貯蔵システム１０１においては、固定子コイル
１１上を回転子コイル（超電導磁石）２１が回転移動す
ることに伴い、回転子コイル２１には、図１，２におけ
る上方へ向かう磁気力が作用する。この第１実施形態の
フライホイール式エネルギー貯蔵システム１０１におけ
るフライホイール２０の磁気浮上の原理について、図３
を参照しつつ、以下に詳述する。

【００３８】図３の右側の部分において、１１(k-1) ，
１１(k) ，１１(k+1) は固定子コイルを示し、２１(m)
，２１(m+1) は回転子コイル（超電導磁石）を示して
いる。図に示すように、高速で回転移動するフライホイ
ールの動きにより、ある瞬間には、例えば、Ｎ極である
回転子コイル２１(m) が接近してくるｋ番目（ｉ：１≦
ｋ≦Ｎ1 なる整数）の固定子コイル１１(k) 内には、こ
の変化を阻止しようとする電流が誘起され、固定子コイ
ル１１(k) の上部の磁極はＮ極となって、接近してくる
回転子コイル２１(m) に反発力を作用させる。

【００３９】これにより、回転子コイル２１(m) の接線
速度がある値以上になると、フライホイールと回転子コ
イルの合計自重と反発力が均衡し、回転子コイル２１
(m) は固定子コイルの上方に押し上げられ、所定値だけ
浮上することになる。

【００４０】したがって、フライホイール２０の回転速
度が十分高速の場合には、フライホイール軸２２は図２
の上方に十分な間隙をもって浮上する。このため、通常
は、ベアリング（図示せず）等により摩擦を低減させて
支持していたフライホイール軸２２の押付部２３ａは、
磁気支持されることになり、ベアリング等を不要するこ
とも可能である。

【００４１】上記した第１実施形態のフライホイール式
エネルギー貯蔵システム１０１は、以下に述べるような
利点を有している。

【００４２】１）第１実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０１は、従来例のフライホイール
式エネルギー貯蔵システムのようにフライホイール軸を
介してエネルギーの授受を行う方式、すなわち電気で電
動モーターを駆動させフライホイール軸を回転させて回
転エネルギーに変換し、回転するフライホイール軸によ
り発電機軸を回転させて発電を行う方式ではなく、環状
の複数の固定子コイル１１に交流を入力し直接回転移動
磁界を発生させて回転子コイル２１（超電導磁石）に磁
気力を作用させてフライホイール２０を回転させ、かつ
回転中の固定子コイル１１から直接電力を取り出す方式
であり、エネルギーの変換又は授受を「軸」を介して行
うことはない。第１実施形態のフライホイール式エネル
ギー貯蔵システム１０１におけるフライホイール軸２２
には何らのエネルギー変換手段も接続していない。軸受
２３は、単にフライホイール軸２２の回転を支持してい
るだけである。後述するように、適切な支持やガイドを
行えば、フライホイール軸２２は不要となる。

【００４３】第１実施形態のフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システム１０１において貯蔵エネルギーを増大さ
せる場合には、フライホイール２０の直径を大きくする
ことになるが、それに伴って必要となるのは、フライホ
イール２０の外周付近に並設する回転子コイル（超電導
磁石）２１の個数を増加させ、ガイド部１Ａもそれに応
じて拡大し、固定子コイル１１の個数を増加させるだけ
でよい。この点、貯蔵エネルギーの増大（フライホイー
ルの拡大）によりフライホイール軸回転数が低下し発電
効率が低下することを補うために増速機や減速機等を設
ける必要がある従来例よりも構成が簡易であり、コスト
も低廉で、かつ、電力損失等の問題もまったく生じな
い。

【００４４】上記した第１実施形態のフライホイール式
エネルギー貯蔵システム１０１では、例えば、フライホ
イールの直径を１０メートルとし、その外周縁（周長：
約３１．４メートル）に、超電導コイルからなる長さ１
メートルの回転子コイル（超電導磁石）を３１個配置
し、フライホイールの回転数を３００回／分としたシス
テム等が可能である。

【００４５】この規格のフライホイール式エネルギー貯
蔵システムでは、フライホイールの外周縁における周速
度は、５６５キロメートル／時となり、これは我国の磁
気浮上式鉄道の試験線等で現在までに達成された車両の
走行速度と同程度の値である。また、長さ１メートルの
超電導磁石についても、我国の磁気浮上式鉄道の試験線
等での車両に搭載されているものと同等のものである。
したがって、このレベルのフライホイール式エネルギー
貯蔵システムは、現時点で十分に実用可能である。上記
の規格値のフライホイール式エネルギー貯蔵システムで
は、数万キロワット時の電力を貯蔵可能である。

【００４６】２）第１実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０１では、固定子コイルと回転子
コイル（超電導磁石）との間の間隙として、十分に大き
な値を確保することができる。例えば、我国の磁気浮上
式鉄道の試験線等での車両走行時の車両コイルと地上コ
イルとの間の磁気浮上時の空隙は８０ミリメートルとな
っているから、この程度の値は確保可能である。したが
って、第１実施形態のフライホイール式エネルギー貯蔵
システム１０１で貯蔵エネルギーを増大させる場合に
は、フライホイール２０の直径を大きくすることになる
が、それに伴い、フライホイール２０の外周付近は「た
わみ」により下方に垂下するように変形するが、上記し
た磁気浮上により、回転子コイル（超電導磁石）が固定
子コイルに接触することは十分に防止することができ
る。

【００４７】３）第１実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０１では、回転子コイルの超電導
磁石として、コイル型のもののほか、バルク型のものも
使用可能である。バルク型超電導磁石とする場合、超電
導材料からなるバルク部材をフライホイールの外周部に
配置した後に冷却して超電導状態とした状態でその上下
をパルス励磁装置（図示せず）で挟み込み、パルス的な
電流を流してクエンチさせ、超電導バルク部材内に磁化
部分を形成させ（以下、「パルス励磁式着磁」とい
う。）バルク型超電導磁石とすることができる。第１実
施形態の場合、フライホイール外周の回転子部分は厚み
が薄くてもよいので、上記したパルス励磁式着磁を容易
に行うことができる。

【００４８】４）第１実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０１においては、回転子コイル
（超電導磁石）の中心位置はつねに固定子コイル１１の
中心を結んだ所定の円周上を動くように制御されるた
め、原理的にはフライホイール軸は不要である。第１実
施形態のフライホイール式エネルギー貯蔵システム１０
１においてフライホイール軸２２を設けているのは、地
震等の過大な外力によりフライホイール２０が固定子コ
イルの環状列から大きく離脱する可能性等を考慮して、
最終的な安全を確保するためである。第１実施形態のフ
ライホイール式エネルギー貯蔵システム１０１における
ガイドリング１０Ａの外周の直壁部１０ｂも、同様に不
測の外力が作用した場合の離脱防止対策である。

【００４９】（２）第２実施形態 次に、本発明の第２実施形態について説明する。

【００５０】図４は、本発明の第２実施形態であるフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面
図である。図４に示すように、このフライホイール式エ
ネルギー貯蔵システム１０２は、ガイド部１Ｂと、回転
部２Ｂと、電力授受部３Ｂを備えて構成されている。

【００５１】この第２実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０２が第１実施形態のフライホイ
ール式エネルギー貯蔵システム１０１と異なる点は、異
なるガイド部１Ｂと、異なる回転部１Ｂと、異なる電力
授受部３Ｂを備えた点である。

【００５２】ガイド部１Ｂは、ガイドリング１０Ｂと、
Ｎ1 個（Ｎ1 ：正の整数）の固定子コイル１６を有して
いる。ガイドリング１０Ｂは、外周縁に直壁部を有して
いない点を除き、上記したガイドリング１０Ａとまった
く同様の構成と作用を有している。

【００５３】固定子コイル１６は、ガイドリング１０Ｂ
のコイル支持部１０ａの上面に配置され、所定の円周に
沿って所定間隔で配置されている。また、固定子コイル
１６は、後述する回転子コイル２４に対応する位置（第
１位置）に設置されている。

【００５４】この固定子コイル１６は、上記した回転子
コイル（超電導磁石）２１と全く同様の構成と作用を有
している。

【００５５】また、回転部２Ｂは、フライホイール２０
と、異なる回転子コイル２４と、フライホイール軸２２
と、軸受２３を有している。この回転子コイル２４は、
上記した固定子コイル１６と全く同様の構成と作用を有
しており、強力な磁界を発生させる超電導磁石となって
いる。フライホイール２０と、フライホイール軸２２
と、軸受２３の構成と作用は、第１実施形態の場合とま
ったく同様であるので、その説明は省略する。

【００５６】電力授受部３Ｂは、第１実施形態の場合と
同様なインバータ３０と、入出力端子３１及び３２と、
新たな構成要素であるスリップリング３３を有してい
る。インバータ３０と、入出力端子３１及び３２の構成
と作用は、第１実施形態の場合とまったく同様であるの
で、その説明は省略する。

【００５７】スリップリング３３は、固定側端子（図示
せず）上を回転側端子（図示せず）が摺動ように構成さ
れ、両者間で電流を供給したり、電流を取り出すための
機構である。スリップリング３３の回転側端子（図示せ
ず）は、フライホイール軸２２上に設置されている。各
回転子コイル２４にはリード線（図示せず）が接続して
おり、各リード線はスリップリング３３の回転側端子
（図示せず）に接続している。また、スリップリング３
３の固定側端子（図示せず）には、リード線（図示せ
ず）が接続され、このリード線はインバータ３０に接続
されている。

【００５８】上記のような構成により、外部から、入出
力端子３１，３２を介して、直流電流を入力すると、電
力授受部３Ｂ内のインバータ３０がこの直流を三相交流
電流（供給電流）に変換し、スリップリング３３の固定
側端子（図示せず）から回転側端子（図示せず）を介し
て各回転子コイル２４に三相交流電流を流す。これによ
り、第１実施形態の場合とは逆に、回転子コイル２４の
側に、円周に沿って回転移動する回転移動磁界を発生さ
せることができる。

【００５９】したがって、第１実施形態とは構成は逆で
あるが、まったく同様の原理により、回転子コイル２４
は固定子コイル（超電導磁石）１６から磁気吸引力を受
け、これによって、回転子コイル２４が取り付けられて
いるフライホイール２０はフライホイール軸２２の中心
線を回転中心線として回転を始める。

【００６０】その後、十分な時間が経過すると、回転子
コイル２４の移動速度は、回転子コイル２４上を移動す
る回転移動磁界の移動速度と等しくなる。すなわち、こ
の場合も、固定子コイル（超電導磁石）１６と回転子コ
イル２４は、一種の同期電動機（シンクロナス・モー
タ）を構成している。

【００６１】上記のようにして、入出力端子３１，３２
に直流電流を入力し、インバータ３０によって三相交流
電流（供給電流）に変換し、これをスリップリング３３
を介して各回転子コイル２４に供給することにより、回
転子コイル２４上を移動する回転移動磁界を発生させ、
この回転移動磁界に同期させてフライホイール２０を回
転させることができる。したがって、この動作により、
入出力端子３１，３２へ入力する以前は電気エネルギー
であったエネルギーを、フライホイール２０の回転運動
エネルギーとして蓄えることができる。

【００６２】上記した回転子コイル２４と固定子コイル
（超電導磁石）１６が構成する同期電動機は、逆に用い
れば発電機としても機能し、三相交流電流（誘起電流）
を誘起させることができる。また、インバータ３０は、
逆に用いれば整流回路として機能するから、フライホイ
ール２０の回転中には、スリップリング３３を介し入出
力端子３１，３２から直流電流を得ることができる。こ
のようにして、フライホイール２０に回転運動のエネル
ギーとして蓄えられたエネルギーを、再び電気エネルギ
ーとして回収することができる。

【００６３】このように、第２実施形態のフライホイー
ル式エネルギー貯蔵システム１０２は、第１実施形態と
基本的にはまったく同様の作用・効果を有する。フライ
ホイール２０の高速回転による磁気浮上作用についても
第１実施形態と同様である。

【００６４】なお、第２実施形態は、さらに他の構成も
可能である。例えば、スリップリング３３のような接触
式の通電方式のかわりに他の通電方式、例えば、高周波
誘導等によって回転子コイル２４に非接触方式で電力移
送を行い、フライホイール２０内にインバータ等（図示
せず）を配置することによって回転子コイル２４の環状
列に回転移動磁界を発生させるように構成してもよい。

【００６５】さらに、第１実施形態、第２実施形態は、
さらに他の構成も可能である。例えば、第１実施形態に
おける固定子コイル１１（常電導コイル）のかわりに、
超電導コイルを用い、この超電導コイルへの通電を制御
することにより電磁石とし、固定子コイル１１の環状列
に回転移動磁界を発生させるように構成してもよい。同
様に、第２実施形態における回転子コイル２４（常電導
コイル）のかわりに、超電導コイルを用い、この超電導
コイルへの通電を制御することにより電磁石とし、回転
子コイル２４の環状列に回転移動磁界を発生させるよう
に構成してもよい。

【００６６】（３）第３実施形態 次に、本発明の第３実施形態について説明する。

【００６７】図５は、本発明の第３実施形態であるフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システムの構成を示す一部
欠截斜視図である。また、図６は、本発明の第３実施形
態であるフライホイール式エネルギー貯蔵システムの構
成を示す断面図である。

【００６８】図５及び図６に示すように、このフライホ
イール式エネルギー貯蔵システム１０３は、ガイド部１
Ｃと、回転部２Ａと、電力授受部３Ａを備えて構成され
ている。

【００６９】この第３実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０３が第１実施形態のフライホイ
ール式エネルギー貯蔵システム１０１と異なる点は、異
なるガイド部１Ｃを備えた点である。回転部２Ａと電力
授受部３Ａの構成と作用については、第１実施形態の場
合とまったく同様であるので、その説明は省略する。

【００７０】ガイド部１Ｃは、ガイドリング１０Ｃと、
Ｎ1 個（Ｎ1 ：正の整数）の固定子コイル１１と、Ｎ1
個の固定子コイル１２を有している。ガイドリング１０
Ｃは、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、コンクリート
等の低磁性材料からなり、全体としては略環状に形成さ
れている。また、ガイドリング１０Ｃは、円環板状のコ
イル支持部１０ａと、直壁部１０ｂと、円環板状のコイ
ル支持部１０ｄを有している。このような構成により、
ガイドリング１０Ｃのリングの対称軸を含む平面におけ
る断面は、図６に示すような略「コ」字状となってい
る。

【００７１】固定子コイル１１は、第１実施形態の場合
とまったく同様な構成を有している。また、固定子コイ
ル１２は、固定子コイル１１とまったく同様な構成を有
している。

【００７２】固定子コイル１１は、ガイドリング１０Ａ
のコイル支持部１０ａの上面に配置され、所定の円周に
沿って所定間隔で配置されている。また、固定子コイル
１２は、ガイドリング１０Ａのコイル支持部１０ｄの下
面に配置され、所定の円周に沿って所定間隔で配置され
ている。上部の固定子コイル１２は、下部の固定子コイ
ル１１の直上位置となるように配置されている。また、
下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１２は、
回転子コイル２１に対応する位置に設置され、回転子コ
イル２１を挟んで１対をなすように上下に配置され、ペ
ア（以下、「固定子コイルペア」という。）を構成して
いる。

【００７３】また、図７に示すように、各固定子ペアを
なす下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１２
は、展開した場合に、通電用配線１５（１５ａ，１５
ｂ，１５ｃ）を対称軸とする線対称となるような接続方
式（以下、「ヌルフラックス接続」という。）で、上下
接続用配線１３ａ，１３ｂにより結線されている。

【００７４】また、各固定子コイルペアの上下接続用配
線１３ａ，１３ｂは、通電用配線１５ａ，１５ｂ，１５
ｃにより、３個おきに接続され、通電用配線１５ａ，１
５ｂ，１５ｃは、端子Ｔ（図２参照）と接続されてい
る。したがって、各固定子コイルペアのうち任意のも
の、あるいは特定のものに電力が供給可能で、かつ後述
する電力が取り出し可能な構成となっている。また、図
７の左右両端に示す端子Ｔは互いに接続され、Ｎ1 個の
固定子コイルペアは全体として環状となっている。

【００７５】上記のような構成により、第３実施形態の
フライホイール式エネルギー貯蔵システム１０３は、第
１実施形態では１個であった固定子コイルが、回転子コ
イルを挟んで２個（１対）配置された点に特徴があり、
外部からの電流入力によりフライホイール２０を回転さ
せるとともにフライホイール２０から電流を取り出す原
理は、上記した第１実施形態の回転（推進）原理とまっ
たく同様である。フライホイール２０の高速回転による
磁気浮上原理についても第１実施形態と同様である。

【００７６】この第３実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０３は、フライホイール２０を回
転中心線の方向（以下、「フライホイール軸方向」とい
う。）の所定位置からはずれないように位置を一定に制
御する作用（以下、「フライホイール軸方向位置制御」
という。）を有している。この第３実施形態のフライホ
イール式エネルギー貯蔵システム１０３におけるフライ
ホイール軸方向位置制御の原理について、図８を参照し
つつ、以下に詳述する。

【００７７】回転子コイル２１には、予め超電導電流ｉ
0 が図５において矢印で図示したように流されて永久磁
石化され、超電導磁石となっている。したがって、図８
において、回転子コイル（超電導磁石）２１の上面側は
Ｎ磁極となっており、下面側はＳ磁極となっている。以
下、この回転子コイル（超電導磁石）２１が、任意の固
定子コイルペアの間に進入した場合について説明する。

【００７８】まず、回転子コイル（超電導磁石）２１が
下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１２の間
の空間の中央位置にある場合には、下部の固定子コイル
１１に生じる誘起電圧と上部の固定子コイル１２に生じ
る誘起電圧とは互いに相殺されるため、下部の固定子コ
イル１１，上部の固定子コイル１２のいずれにも電流は
流れない。したがって、この場合には回転子コイル（超
電導磁石）２１には力は作用しない。

【００７９】これに対し、外部からの変動力等を受ける
ことにより、回転子コイル（超電導磁石）２１が、下部
の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１２の間の中
央位置から、図８における鉛直方向（フライホイールの
軸方向）のうち上下いずれかの方向、例えば図８におい
て矢印Ｄ2 で示される鉛直下方へずれた場合には、下部
の固定子コイル１１には接近してくる回転子コイル（超
電導磁石）２１の下面からの磁界と逆方向の磁界を発生
させるような誘起電圧が生じる一方、上部の固定子コイ
ル１２には遠ざかる回転子コイル２１の上面からの磁界
と同方向の磁界を発生させるような誘起電圧が生じるた
め、下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１２
に生じる誘起電圧には差が生じる。

【００８０】この結果、下部の固定子コイル１１と上下
接続用配線１３ａ，１３ｂと上部の固定子コイル１２と
の間を循環して流れる循環電流ｉ1 が発生する。この循
環電流ｉ1 により、下部の固定子コイル１１は上面側が
Ｓ磁極となる電磁石となり、上部の固定子コイル１２は
下面側がＮ磁極となる電磁石となる。このため、下部の
固定子コイル１１の上面側（Ｓ磁極）は接近してくる回
転子コイル（超電導磁石）２１の下面側（Ｓ磁極）に対
し反発磁力を作用させるとともに、上部の固定子コイル
１２の下面側（Ｓ磁極）は遠ざかっていく回転子コイル
（超電導磁石）２１の上面側（Ｎ磁極）に対し吸引磁力
を作用させる。

【００８１】また、上記とは逆に、回転子コイル（超電
導磁石）２１が、下部の固定子コイル１１と上部の固定
子コイル１２の間の中央位置から、図８における矢印Ｄ
1 の方向とは反対方向の鉛直上方へずれた場合には、上
記の作用とはまったく逆の作用により、下部の固定子コ
イル１１は回転子コイル２１の下面側に対し吸引磁力を
作用させるとともに、上部の固定子コイル１２は回転子
コイル２１の上面側に対し反発磁力を作用させる。

【００８２】したがって、回転子コイル（超電導磁石）
２１には、下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイ
ル１２の間の中央位置からずれた場合に、元の中央位置
に戻そうとする復元力が作用することになる。この復元
力は、下部の固定子コイル１１と上部の固定子コイル１
２の間の中央位置からの回転子コイル（超電導磁石）２
１のずれ量にほぼ比例する。

【００８３】このようにして、回転子コイル（超電導磁
石）２１は、固定子コイルペア１１，１２の中間におい
て、例えばフライホイールの重量に見合った位置で磁気
的に支持され、かつ、その位置が一定に維持されるよう
に制御される。したがって、フライホイール２０は、回
転子コイル（超電導磁石）２１と、ヌルフラックス接続
された固定子コイルペア（１１，１２）の制御により、
フライホイールの軸方向の位置が一定となるように維持
される。

【００８４】（４）第４実施形態 次に、本発明の第４実施形態について説明する。

【００８５】図９は、本発明の第４実施形態であるフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面
図である。図９に示すように、このフライホイール式エ
ネルギー貯蔵システム１０４は、ガイド部１Ｄと、回転
部２Ｃと、電力授受部３Ｂを備えて構成されている。

【００８６】この第４実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０４は、第３実施形態の技術的思
想に第２実施形態の技術的思想を応用したものである。
電力授受部３Ｂは、第２実施形態の場合とまったく同様
の構成と作用を有しているので、その説明は省略する。

【００８７】ガイド部１Ｄは、ガイドリング１０Ｄと、
Ｎ1 個（Ｎ1 ：正の整数）の固定子コイル１６を有して
いる。ガイドリング１０Ｄは、直壁部１０ｂを有してい
る。

【００８８】固定子コイル１６は、ガイドリング１０Ｄ
の直壁部１０ｂの内側面に配置され、所定の円周に沿っ
て所定間隔で配置されている。また、固定子コイル１６
は、後述する回転子コイル２４，２５に対応する位置
（第１位置）に設置されている。

【００８９】この固定子コイル１６は、上記した回転子
コイル（超電導磁石）２１と全く同様の構成と作用を有
している。

【００９０】また、回転部２Ｂは、フライホイール２０
と、コイル支持部２６と、回転子コイル２４，２５と、
フライホイール軸２２と、軸受２３を有している。コイ
ル支持部は、フライホイール２０の外周部に設けられ、
ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等の低磁性材料からな
り、全体としては略環状に形成され、その断面は、図９
に示すような略「コ」字状となっている。

【００９１】また、回転子コイル２４，２５は、上記し
た固定子コイル１１と全く同様の構成と作用を有してお
り、常電導コイルで構成されている。

【００９２】また、回転子コイル２４は、コイル支持部
２６の底板部の内側上面に配置され、所定の円周に沿っ
て所定間隔で配置されている。また、回転子コイル２５
は、コイル支持部２６の上板部の内側下面に配置され、
所定の円周に沿って所定間隔で配置されている。上部の
回転子コイル２５は、下部の回転子コイル２５の直上位
置となるように配置されている。また、下部の回転子コ
イル２４と上部の回転子コイル２５は、固定子コイル
（超電導磁石）１６に対応する位置（第１位置）に設置
され、固定子コイル１６を挟んで１対をなすように上下
に配置され、ペア（以下、「回転子コイルペア」とい
う。）を構成している。

【００９３】また、図示はしていないが、各回転子ペア
をなす下部の回転子コイル２４と上部の回転子コイル２
５は、展開した場合に、通電用配線（図示せず）を対称
軸とする線対称となるようなヌルフラックス接続方式に
より、上下接続用配線（図示せず）を用いて結線されて
いる。

【００９４】また、図示はしていないが、各回転子コイ
ルペアの上下接続用配線（図示せず）は、通電用配線
（図示せず）により、３個おきに接続され、通電用配線
（図示せず）は、スリップリング３３を介してインバー
タ３０と接続されている。

【００９５】このような回転子コイルペアの接続構成
は、図７において、下部の固定子コイル１１を下部の回
転子コイル２４に置き換え、上部の固定子コイル１２を
上部の回転子コイル２５に置き換えた構成とまったく同
様である。

【００９６】したがって、各固定子コイルペアのうち任
意のもの、あるいは特定のものに電力が供給可能で、か
つ後述する電力が取り出し可能な構成となっている。ま
た、図７の左右両端に示す端子Ｔは互いに接続され、Ｎ
1 個の固定子コイルペアは全体として環状となってい
る。

【００９７】フライホイール２０と、フライホイール軸
２２と、軸受２３は、第１実施形態の場合とまったく同
様であるので、その説明は省略する。

【００９８】上記のような構成により、第４実施形態の
フライホイール式エネルギー貯蔵システム１０４は、第
３実施形態における常電導コイルと超電導磁石とを逆に
配置した点に特徴があり、外部からの電流入力によりフ
ライホイール２０を回転させるとともにフライホイール
２０から電流を取り出す原理は、上記した第１実施形態
の回転（推進）原理とまったく同様である。フライホイ
ール２０の高速回転による磁気浮上原理についても第１
実施形態と同様である。また、常電導コイルペアのヌル
フラックス接続によるフライホイールの軸方向位置の一
定制御の原理については、上記した第３実施形態と同様
である。

【００９９】なお、第４実施形態は、接触式のスリップ
リングのかわりに、高周波誘導等による非接触方式での
電力移送を利用して回転子コイル２４，２５への通電を
行ってもよい。また、第３，４実施形態において、常電
導コイルのかわりに超電導コイルを用いてもよい。

【０１００】（５）第５実施形態 次に、本発明の第５実施形態について説明する。

【０１０１】図１０は、本発明の第５実施形態であるフ
ライホイール式エネルギー貯蔵システムの構成を示す断
面図である。図１０に示すように、このフライホイール
式エネルギー貯蔵システム１０５は、ガイド部１Ｅと、
回転部２Ｄと、電力授受部３Ａを備えて構成されてい
る。

【０１０２】ガイド部１Ｅは、第３実施形態の場合と同
様なガイドリング１０Ｃと、Ｎ1 個（Ｎ1 ：正の整数）
の固定子コイル１１′とＮ1 個の固定子コイル１２′か
らなる固定子コイルペアを有している。

【０１０３】また、回転部２Ｄは、フライホイール軸２
２を備えていない点を除き、第３実施形態の場合とまっ
たく同様の構成となっている。

【０１０４】第５実施形態のフライホイール式エネルギ
ー貯蔵システム１０５は、第３実施形態における固定子
コイルペアのかわりに異なる構成の固定子コイルペアを
設けるとともにフライホイール軸を除去したものであ
り、他の要素の構成と作用については第３実施形態の場
合とまったく同様である。

【０１０５】図１１は、本発明の第５実施形態図のフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システムにおける固定子コ
イルの構成と、フライホイール半径方向の一定位置制御
の原理を説明する図である。

【０１０６】図１１に示すように、第５実施形態の固定
子コイルペアは、下部の固定子コイル１１′と上部の固
定子コイル１２′を有している。下部の固定子コイル１
１′は、略「８」字状に形成されており、略「ロ」字状
の２つのコイル素子１１ａ及び１１ｂにより構成されて
いる。また、上部の固定子コイル１２′は、略「８」字
状に形成されており、略「ロ」字状の２つのコイル素子
１２ａ及び１２ｂにより構成されている。

【０１０７】各固定子コイル１１′，１２′の巻線は、
銅（Ｃｕ）等の常電導材料によって形成され、各固定子
コイル１１′，１２′は常電導コイルとして構成されて
いる。また、各固定子コイル１１′，１２′の巻線は、
１本の線であってもよいし、複数回巻かれてもよい。

【０１０８】また、図１１に示すように、各固定子ペア
をなす下部の固定子コイル１１′と上部の固定子コイル
１２′は、略「８」字状の巻線の所定位置どうしが上下
接続用配線１３ａ，１３ｂにより結線されている。これ
により、各固定子ペアは、展開した場合に、通電用配線
（例えば１５ａ）を対称軸とする線対称となっており、
ヌルフラックス接続となっている。

【０１０９】また、各固定子コイルペアの上下接続用配
線１３ａ，１３ｂは、通電用配線１５ａ，１５ｂ（図１
１においては図示せず），１５ｃ（図１１においては図
示せず）により、３個おきに接続され、通電用配線１５
ａ等は、インバータ（図６における３０を参照）と接続
されている。したがって、各固定子コイルペアのうち任
意のもの、あるいは特定のものに電力が供給可能で、か
つ後述する電力が取り出し可能な構成となっている。

【０１１０】上記のような構成により、第５実施形態の
フライホイール式エネルギー貯蔵システム１０４は、第
３実施形態の場合とまったく同様の原理により、外部か
らの電流入力によりフライホイール２０を回転させると
ともにフライホイール２０から電流を取り出すことがで
きる。また、フライホイール２０の高速回転による磁気
浮上原理についても第３実施形態と同様である。また、
フライホイール回転中心線方向（フライホイール軸方
向）の一定位置制御の原理についても第３実施形態と同
様である。

【０１１１】この第５実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０５は、フライホイール２０をフ
ライホイール回転中心軸の半径方向の所定位置（例えば
軸中心位置）からはずれないように位置を一定に制御す
る作用（以下、「フライホイール半径方向位置制御」と
いう。）を有している。この第５実施形態におけるフラ
イホイール半径方向位置制御の原理について、図１１を
参照しつつ、以下に詳述する。

【０１１２】回転子コイル２１には、予め超電導電流ｉ
0 が図５において矢印で図示したように流されて永久磁
石化され、超電導磁石となっている。したがって、図８
において、回転子コイル（超電導磁石）２１の上面側は
Ｎ磁極となっており、下面側はＳ磁極となっている。以
下、この回転子コイル（超電導磁石）２１が、任意の固
定子コイルペアの間に進入した場合について説明する。

【０１１３】まず、回転子コイル（超電導磁石）２１の
中心位置（以下、「回転子コイル中心位置」という。）
が、下部のコイル素子１１ａと１１ｂの間の中心を結ぶ
円弧線（以下、「固定子コイル中心線」という。）の直
上位置にある場合には、コイル素子１１ａに生じる誘起
電圧とコイル素子１１ｂに生じる誘起電圧とは互いに相
殺されるため、下部のコイル素子１１ａ，１１ｂのいず
れにも電流は流れない。したがって、この場合には回転
子コイル２１には力は作用しない。なお、固定子コイル
中心線を直上へ投影すると、上部のコイル素子１２ａと
１２ｂの間の中心を結ぶ円弧線と合致する。

【０１１４】これに対し、外部からの変動力等を受ける
ことにより、回転子コイル中心位置が固定子コイル中心
線の直上位置から、図１１における水平方向のうちフラ
イホイールの回転接線方向に対して垂直となるフライホ
イール半径方向のうちいずれかの方向、例えば図１１に
おいて矢印Ｄ2 で示される方向へずれた場合には、下部
のコイル素子１１ａには遠ざかる回転子コイル（超電導
磁石）２１の下面からの磁界と逆方向の磁界を発生させ
るような誘起電圧が生じる一方、下部の他のコイル素子
１１ｂには接近してくる回転子コイル２１の下面からの
磁界と同方向の磁界を発生させるような誘起電圧が生じ
る。

【０１１５】このため、下部のコイル素子１１ａと１１
ｂに生じる誘起電圧には差が生じる。この結果、下部の
コイル素子１１ａと１１ｂとの間を循環して流れる循環
電流ｉ2 が発生する。この循環電流ｉ2 により、下部の
コイル素子１１ａは上面側がＮ磁極となる電磁石とな
り、下部の他のコイル素子１１ｂは上面側がＳ磁極とな
る電磁石となる。このため、下部のコイル素子１１ａの
上面側（Ｎ磁極）は遠ざかっていく回転子コイル（超電
導磁石）２１の下面側（Ｓ磁極）に対し吸引磁力を作用
させる。また、同時に、下部の他のコイル素子１１ｂの
上面側（Ｓ磁極）は、接近してくる回転子コイル（超電
導磁石）２１の下面側（Ｓ磁極）に対し反発磁力を作用
させる。

【０１１６】また、回転子コイル中心位置が固定子コイ
ル中心線の直上位置から、図１１における矢印Ｄ2 の方
向とは反対方向へずれた場合には、上記の作用とはまっ
たく逆の作用により、下部のコイル素子１１ａは回転子
コイル（超電導磁石）２１の下面側に対し反発磁力を作
用させるとともに、下部の他のコイル素子１１ｂは回転
子コイル（超電導磁石）２１の下面側に対し吸引磁力を
作用させる。

【０１１７】したがって、回転子コイル２１には、回転
子コイル中心位置が固定子コイル中心線の直上位置から
フライホイール半径方向のいずれかへずれた場合に、回
転子コイル中心位置を固定子コイル中心線の直上位置に
戻そうとする復元力が作用することになる。この復元力
は、固定子コイル中心線の直上位置からの回転子コイル
中心位置のずれ量にほぼ比例する。

【０１１８】回転子コイル（超電導磁石）２１と上部の
コイル素子１２ａ，１２ｂとの間においても同様の作用
がなされ、この場合には、回転子コイル中心位置が、固
定子コイル中心線の直上位置から、図１１におけるフラ
イホイール半径方向Ｄ2 又はその反対方向へずれた場合
には、上部のコイル素子１２ａとコイル素子１２ｂの誘
起電圧に差が生じ、上部のコイル素子１２ａとコイル素
子１２ｂとの間を循環して流れる循環電流（例えば、回
転子コイル２１が方向Ｄ2 へずれた場合には電流ｉ3 ）
が流れ、これにより回転子コイル２１の回転子コイル中
心位置を固定子コイル中心線の直上位置に戻そうとする
復元力が作用することになる。

【０１１９】このようにして、回転子コイル２１は、固
定子コイルペア１１′，１２′の中間において、回転子
コイル中心位置が固定子コイル中心線の直上となる位置
をつねに維持するよう磁気的力により制御される。した
がって、フライホイール２０は、回転子コイル（超電導
磁石）２１と、略「８」状コイルがＰＬＧ接続された固
定子コイルペア（１１′，１２′）の制御により、フラ
イホイールの半径方向の位置が所定位置に維持される。

【０１２０】したがって、この第５実施形態のフライホ
イール式エネルギー貯蔵システム１０５は、ＰＬＧ接続
された２個の略「８」字状固定子コイル１１′，１２′
の間に回転子コイル（超電導）２１を挟み込むように構
成したので、上記した第１〜４実施形態におけるフライ
ホイール軸２２がなくても、フライホイール２０の中心
を通る回転中心線のまわりをはずれることなく回転する
ことができ、かつ軸受２３等がなくても磁気浮上により
支持される。ただし、フライホイール２０が停止した状
態から、上記の位置制御が可能な回転速度に到達するま
での間は、何らかの補助的な支持手段、例えば、回転可
能な台、磁気支持機構等（図示せず）により支持される
必要がある。

【０１２１】なお、第５実施形態は、さらに他の構成も
可能である。例えば、第５実施形態において、回転子コ
イルとして略「８」字状のものを用い、これにより固定
子と回転子の両方を略「８」字状コイルとしてもよい。
このように構成すると、回転子が超電導磁石の場合に、
超電導磁石からの強大な磁束が外部に漏洩することを防
止することができる。

【０１２２】また、他の変化例としては、略「８」字状
でヌルフラックス接続された常電導コイルの上下１対の
ペアを回転子コイルとして用い、回転子コイルペアに挟
まれる固定子を超電導磁石とし、スリップリング又は高
周波誘導等によって回転子コイルに電力移送を行い、フ
ライホイール内にインバータ等を配置することによって
回転子コイルの環状列に回転移動磁界を発生させるよう
に構成してもよい。また、常電導コイルのかわりに超電
導コイルを用いてもよい。

【０１２３】（６）第６実施形態 次に、本発明の第６実施形態について説明する。

【０１２４】図１２は、本発明の第６実施形態であるフ
ライホイール式エネルギー貯蔵システムの構成とその作
用を示す断面図である。図１２に示すように、このフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システム１０６は、ガイド
部１Ｆと、回転部２Ａと、電力授受部３Ａを備えて構成
されている。

【０１２５】この第６実施形態のフライホイール式エネ
ルギー貯蔵システム１０６は、位置移動可能なガイド部
１Ｆを備えた点である。回転部２Ａ，電力授受部３Ａの
構成と作用は、上記各実施形態の場合とまったく同様で
あるので、その説明は省略する。

【０１２６】ガイド部１Ｆは、ガイドリング１０Ｃと、
複数の固定子コイル１１と、固定子コイル１１と同数の
固定子コイル１２と、可動機構１８を有している。ガイ
ドリング１０Ｃと、固定子コイル１１と、固定子コイル
１２の構成と作用は、第３実施形態の場合と同様である
ので、その説明は省略する。

【０１２７】第６実施形態の特徴点は、新たな構成要素
である可動機構１８を有する点である。可動機構１８
は、駆動源１８ａと、駆動アーム１８ｂと、台車１８ｃ
を有している。また、台車１８ｃは、ガイドリング１０
Ｃの下部に取り付けられている。

【０１２８】駆動源１８ａは、図示しない電動モータ
ー、油圧シリンダー、空圧シリンダー、ソレノイド等を
有しており、駆動アーム１８ｂを図の左右方向（フライ
ホイール半径方向）に伸縮駆動する。

【０１２９】上記のような構成により、フライホイール
２０へのエネルギー入力時、又はフライホイール２０か
らのエネルギー取出し時には、図１２（Ａ）に示すよう
に、駆動源１８ａにより駆動アーム１８ｂを延ばしてガ
イドリング１０Ｃを所定位置（第１位置）に移動し、固
定子コイル１１と固定子コイル１２とで回転子コイル２
１を挟み込む。これにより、固定子コイル１１，固定子
コイル１２と回転子コイル２１との間で電磁気的な相互
作用が可能となる。

【０１３０】一方、フライホイール２０へのエネルギー
授受を行わない時点では、図１２（Ｂ）に示すように、
駆動源１８ａにより駆動アーム１８ｂを縮めてガイドリ
ング１０Ｃを他の所定位置（第２位置）に移動し、固定
子コイル１１と固定子コイル１２との間に回転子コイル
２１が挟み込まれないようにする。これにより、固定子
コイル１１，固定子コイル１２と回転子コイル２１との
間での電磁気的な相互作用は微弱となる。

【０１３１】上記の構成を有する第６実施形態の場合
は、第３実施形態と基本的には同様の作用・効果を有
し、さらにフライホイールへのエネルギー授受時以外の
時点では固定子コイルと回転子コイルとの磁気的結合を
解除するように構成したので、固定子コイルと回転子コ
イルとの磁気的結合によってフライホイールの蓄積エネ
ルギーがわずかずつ失われることを防止することがで
き、エネルギー効率の良いフライホイール式エネルギー
貯蔵システムとすることができる。

【０１３２】なお、この第６実施形態の場合も、上記各
実施形態と同様に他の構成が可能であり、例えば、第６
実施形態において、常電導コイルのペアを回転子コイル
として用い、固定子を超電導磁石とし、スリップリング
又は高周波誘導等によって回転子コイルに電力移送を行
い、フライホイール内にインバータ等を配置することに
よって回転子コイルの環状列に回転移動磁界を発生させ
るように構成してもよい。また、常電導コイルペアを略
「８」字状に形成してもよい。また、常電導コイルのか
わりに超電導コイルを用いてもよい。

【０１３３】上記において、固定子コイル１１、固定子
コイル１１と固定子コイル１２、固定子コイル１１′と
固定子コイル１２′、固定子コイル１６は、固定子に相
当している。また、回転子コイル２１、回転子コイル２
４、回転子コイル２４と回転子コイル２５は、回転子に
相当している。また、各実施形態１０１〜１０６におけ
るエネルギー授受時の固定子の位置は、第１位置に相当
している。また、第６実施形態１０６の図１２（Ｂ）に
おける位置は、第２位置に相当している。また、電力授
受部３Ａ，３Ｂは、電力授受手段に相当している。

【０１３４】なお、本発明は、上記各実施形態に限定さ
れるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発
明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に
同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、い
かなるものであっても本発明の技術的範囲に包含され
る。

【０１３５】例えば、上記した各実施形態では、常電導
コイルを２個上下に配置して各々をヌルフラックス接続
する例について説明したが、本発明はこれには限定され
ず、他の構成であってもよく、例えば、上下の常電導コ
イルを接続する上下接続用配線１３ａと１３ｂは設けな
くてもよい。このような構成としても、外部とフライホ
イールとの間でのエネルギー授受は可能である。この場
合は、フライホイール半径方向位置を一定にする制御は
行うことはできないが、回転により固定子は上下の常電
導コイルから反発力を受けるため、フライホイールの軸
方向位置を一定にする制御は可能である。

【０１３６】また、上記した第１〜４実施形態では、固
定子コイル（又は常電導コイルによる上下１対の固定子
コイルペア）、回転子コイル（又は常電導コイルによる
上下１対の回転子コイルペア）とも略「ロ」字状の場合
を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定され
ず、他の構成であってもよく、例えば、固定子コイル
（又は常電導コイルによる上下１対の固定子コイルペ
ア）、回転子コイル（又は常電導コイルによる上下１対
の回転子コイルペア）のいずれか一方（又は一方のコイ
ルペア）、あるいは両方を略「８」字状としてもよい。
このような構成としても、外部とフライホイールとの間
でのエネルギー授受は可能である。

【０１３７】この場合、上下１対の常電導コイルペアを
ヌルフラックス接続すれば、フライホイールの軸方向位
置を一定にする制御が可能である。また、上下１対の常
電導コイルペアを両方とも略「８」状としかつヌルフラ
ックス接続すれば、フライホイールの半径方向位置を一
定にする制御が可能となる。

【０１３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るフラ
イホイール式エネルギー貯蔵システムによれば、回転可
能に構成されるフライホイールと、フライホイールの円
周付近に配設される複数の回転子と、フライホイールの
外部でかつ回転子との間で電磁気的な相互作用が可能な
第１位置に配設される複数の固定子と、電力授受手段を
備え、固定子及び回転子のうちの少なくとも一方を超電
導磁石又は超電導コイルで構成し、電力授受手段により
固定子と回転子との間に電磁気力を発生させフライホイ
ールを回転させることにより、供給電流の電気エネルギ
ーをフライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵
し、かつ、フライホイールとともに回転する回転子と固
定子との間に働く発電作用により発生する誘起電流を電
力授受手段によって取り出すことにより、フライホイー
ルに貯蔵された回転運動エネルギーを誘起電流の電気エ
ネルギーとして回収するように構成したので、回転軸を
介さずに大量のエネルギーをフライホイールに授受し、
低損失かつ高効率でエネルギーを貯蔵することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す一部欠截斜視図で
ある。

【図２】本発明の第１実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。

【図３】本発明の第１実施形態のガイド部の固定子コイ
ルの接続構成と作用を説明する図である。

【図４】本発明の第２実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。

【図５】本発明の第３実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す一部欠截斜視図で
ある。

【図６】本発明の第３実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。

【図７】本発明の第３実施形態のガイド部の固定子コイ
ル及び固定子コイルの接続構成を示す展開図である。

【図８】本発明の第３実施形態図のフライホイール式エ
ネルギー貯蔵システムにおけるフライホイール軸方向の
位置制御の原理を説明する図である。

【図９】本発明の第４実施形態であるフライホイール式
エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。

【図１０】本発明の第５実施形態であるフライホイール
式エネルギー貯蔵システムの構成を示す断面図である。

【図１１】本発明の第５実施形態図のフライホイール式
エネルギー貯蔵システムにおける固定子コイルの構成
と、フライホイール半径方向の位置制御の原理を説明す
る図である。

【図１２】本発明の第６実施形態であるフライホイール
式エネルギー貯蔵システムの構成とその作用を示す断面
図である。

【図１３】従来のフライホイール式エネルギー貯蔵シス
テムの構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１Ａ〜１Ｆ ガイド部 ２Ａ〜２Ｄ 回転部 ３Ａ，３Ｂ 電力授受部 １０Ａ〜１０Ｄ ガイドリング １０ａ コイル支持部 １０ｂ 直壁部 １０ｄ コイル支持部 １１，１１′ 固定子コイル １１ａ，１１ｂ コイル素子 １２，１２′ 固定子コイル １２ａ，１２ｂ コイル素子 １３ａ，１３ｂ 上下接続用配線 １５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 通電用配線 １６ 固定子コイル １８ 可動機構 １８ａ 駆動源 １８ｂ 駆動アーム １８ｃ 台車 ２０ フライホイール ２１ 回転子コイル ２２ フライホイール軸 ２３ 軸受 ２３ａ 押付部 ２４，２５ 回転子コイル ２６ コイル支持部 ３０ インバータ ３１，３２ 入出力端子 ３３ スリップリング １０１〜１０６，２００ フライホイール式エネルギー
貯蔵システム ２００ フライホイール式エネルギー貯蔵システム ２０１ 電動モーター ２０２ 回転軸 ２０３ フライホイール ２０４ 軸受 ２０５，２０６ 入出力端子 Ｄ1 フライホイール軸方向 Ｄ2 フライホイール半径方向 ｉ0 超電導電流 ｉ1 〜ｉ3 常電導コイル内の誘起電流

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転可能に構成されるフライホイール
   と、 前記フライホイールの円周付近に配設される複数の回転
   子と、 前記フライホイールの外部でかつ前記回転子との間で電
   磁気的な相互作用が可能な第１位置に配設される複数の
   固定子と、 電力授受手段を備え、 前記固定子及び前記回転子のうちの少なくとも一方を超
   電導磁石又は超電導コイルで構成し、 前記電力授受手段により供給電流を供給して前記固定子
   と前記回転子との間に電磁気力を発生させ前記フライホ
   イールを回転させることにより、前記供給電流の電気エ
   ネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーと
   して貯蔵し、 かつ、前記フライホイールとともに回転する前記回転子
   と固定子との間に働く発電作用により発生する誘起電流
   を前記電力授受手段によって取り出すことにより、前記
   フライホイールに貯蔵された前記回転運動エネルギーを
   前記誘起電流の電気エネルギーとして回収することを特
   徴とするフライホイール式エネルギー貯蔵システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のフライホイール式エネ
   ルギー貯蔵システムにおいて、 前記回転子は前記超電導磁石で構成され、かつ前記固定
   子は常電導コイル又は超電導コイルで構成されることを
   特徴とするフライホイール式エネルギー貯蔵システム。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のフライホイール式エネ
   ルギー貯蔵システムにおいて、 前記回転子は常電導コイル又は超電導コイルで構成さ
   れ、かつ前記固定子は前記超電導磁石で構成されること
   を特徴とするフライホイール式エネルギー貯蔵システ
   ム。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のフライホイール式エネ
   ルギー貯蔵システムにおいて、 前記常電導コイルは、相互にヌルフラックス接続され、
   前記フライホイールの回転中心線の方向の位置を一定に
   制御することを特徴とするフライホイール式エネルギー
   貯蔵システム。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のフライホイール式エネ
   ルギー貯蔵システムにおいて、 前記常電導コイルは、略８字状に形成されるとともに相
   互にヌルフラックス接続され、前記フライホイールの半
   径の方向の位置を一定に制御することを特徴とするフラ
   イホイール式エネルギー貯蔵システム。
6. 【請求項６】 請求項１に記載のフライホイール式エネ
   ルギー貯蔵システムにおいて、 前記固定子は、前記第１位置と、前記回転子と前記固定
   子との間で前記電磁気的な相互作用が微弱な第２位置と
   を取り得るように構成され、 前記フライホイールへの前記回転エネルギーの貯蔵動作
   を行う時点以外の時点、又は前記フライホイールからの
   前記回転エネルギーの取出し動作を行う時点以外の時点
   においては、前記固定子は前記第２位置に配置されるこ
   とを特徴とするフライホイール式エネルギー貯蔵システ
   ム。
7. 【請求項７】 回転可能に構成されるフライホイール
   と、前記フライホイールの円周付近に配設される複数の
   回転子と、前記フライホイールの外部でかつ前記回転子
   との間で電磁気的な相互作用が可能な第１位置に配設さ
   れる複数の固定子と、電力授受手段を備えるとともに、
   前記固定子及び前記回転子のうちの少なくとも一方を超
   電導磁石又は超電導コイルで構成したフライホイール式
   エネルギー貯蔵システムを用い、 前記電力授受手段により供給電流を供給して前記固定子
   と前記回転子との間に電磁気力を発生させ前記フライホ
   イールを回転させることにより、前記供給電流の電気エ
   ネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーと
   して貯蔵し、 かつ、前記フライホイールとともに回転する前記回転子
   と固定子との間に働く発電作用により発生する誘起電流
   を前記電力授受手段によって取り出すことにより、前記
   フライホイールに貯蔵された前記回転運動エネルギーを
   前記誘起電流の電気エネルギーとして回収することを特
   徴とするフライホイールを用いたエネルギー貯蔵方法。