JPH11509079A - はずみ車式・エネルギアキュムレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 垂直な軸を備えたはずみ車式・エネルギアキュムレータは、相互間隔を置いて共に単極電機のロータの軸に係合する、単極電機によって駆動される２つのはずみ車、つまり下側のはずみ車及び上側のはずみ車を有していて、この場合ロータが、ステータ内部でしかも両はずみ車の間で軸に配置されている。軸には、下側のはずみ車の下側で、圧縮軸受けとしての超伝導の受動的な第１の下側のスラスト軸受けの環状磁石が係合していて、かつ、上側のはずみ車の上側で、重力に抗した引張り軸受けとしての超伝導の受動的な第２の上側のスラスト軸受けの環状磁石が係合している。はずみ車とは反対の環状磁石側で環状磁石に対して間隔を置いて向かい合って、ケーシングに対して定置のそれぞれ１つのディスク状の超伝導体が位置している。軸の構成部分としてのロータの周方向で単極電機のステータが、定置にケーシング内に配置されているか又はケーシングの構成部分として配置されていて、この場合ステータの巻線がステータ内で、ロータに作用する回転する磁界を発生するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 はずみ車式・エネルギアキュムレータ 本発明は、はずみ車式・エネルギアキュムレータであって、垂直な軸と、該軸 に配置された受動的な超伝導の磁気的な少なくとも１つのスラスト軸受けと、イ ンナロータ型の電動機／発電機とを備え、該電動機／発電機のロータがはずみ車 に機械的に連結されていてかつ電動機／発電機のステータがエネルギアキュムレ ータの真空ケーシングに対して定置である形式のものに関する。 通常の軸受けを備えたはずみ車式・アキュムレータは、特に高い軸受け摩擦及 びこれに起因する摩耗に基づき僅かな蓄積ポテンシャル（Speicherpotential） を有するに過ぎない。無接触式のアクチブなマグネット軸受けの場合には、一面 では高価な電子測定及び制御機構が準備されねばならずかつ他面では不十分な減 衰作用が付加的な渦電流ダンパの組込みによって補償されねばならない。別の欠 点は、回転数に伴って軸受け剛性が著しく増大することにある。超伝導の磁気的 な軸受けはこのような欠点を有さないないので、超伝導の磁気的な軸受けは、電 気的なエネルギを損失なく蓄積するためのはずみ車式・エネルギアキュムレータ のために特に適している。軸受けはあらゆる調整を必要 とすることなしに十分役立つので、軸受けは自動安定化作用を有する軸受け又は 受動的な軸受けともよばれる。はずみ車式・アキュムレータの場合、電気的なエ ネルギは電動機／発電機・ユニットにおいて運動エネルギに変換されかつ高耐性 のはずみ車ディスクに蓄積される。この場合、自己放電を阻止するために、蓄積 段階中に損失を最小化することが重要である。このためにシステムのロータは、 無接触式に前述の超伝導の磁石に支承されている。このようなシステムは例えば 、Bornemann H.J.その他著“受動的な超伝導の磁気的な軸受けを備えたはずみ車 式・エネルギアキュムレータ＝Schwungradenergiespeicher mit passiven supra leitenden magnetischen Lagern”KFK・報告書２６，３／９４号、第２０９〜２ １４頁から公知である。 本発明の課題は、このようなはずみ車式・エネルギアキュムレータを更に改善 して、一方では損失が減少されかつ他方では設備の蓄積容量が拡大されるように することにある。 前記課題は本発明によれば、冒頭に述べた形式のはずみ車式・エネルギアキュ ムレータにおいて、 イ）エネルギアキュムレータが、相互間隔を置いて共に単極電機のロータの軸 に係合する、単極電機によって駆動される２つのはずみ車、つまり下側のはずみ 車及び上側のはずみ車を有していて、この場合ロータが、ステータ内部でしかも 両はずみ車の間で軸に配置 されており、 ロ）下側のはずみ車の下側で軸に、圧縮軸受けとしての超伝導の受動的な第１ の下側のスラスト軸受けの環状磁石が係合していて、かつ、上側のはずみ車の上 側で軸に、重力に抗した引張り軸受けとしての超伝導の受動的な第２の上側のス ラスト軸受けの環状磁石が係合しており、 ハ）はずみ車とは反対の環状磁石側で環状磁石に対して間隔を置いて向かい合 って、ケーシングに対して定置のそれぞれ１つのディスク状の超伝導体が位置し ており、 ニ）軸の構成部分としてのロータの周方向で単極電機のステータが、定置にケ ーシング内に配置されているか又はケーシングの構成部分として配置されていて 、前記ステータの巻線がステータ内で、ロータに作用する回転する磁界を発生す るようになっていることによって、解決された。 上記課題を解決するための別の有利な構成は、その他の請求項に記載されてい る。 次に第１図及び第２図に基づきはずみ車式・エネルギアキュムレータを詳述す る。 第１図は、エネルギアキュムレータの縦断面図、第２図は、第１図Ａ−Ａ線に 沿った断面図である。 冒頭に述べた形式のはずみ車式・エネルギアキュムレータはほぼ次の構成要素 、つまり、はずみ車ディス ク、超伝導の磁気的な軸受け、駆動ユニット（通常シンクロモータ）、構成要素 を収容する真空システムを備えた真空ケーシング、付属のポンプ及びセンサから 構成されている。本発明の構想では、従来技術とは異なって単極電機は駆動ユニ ットとして用いられる。 はずみ車式・エネルギアキュムレータの第１図で図示の実施例では、装置全体 は密閉された真空ケーシング１の真空室２２に収容されている。しかしながら低 温工学の理由から、例えば氷結を阻止するために、超伝導の軸受け自体がのみが それぞれ小さな真空室によって絶縁されれば十分である。しかしながら摩擦を減 少するという理由から、はずみ車も軸と共に真空ケーシング内に配置されると、 有利である。 エネルギアキュムレータの主要構成部材は、垂直な回転可能な軸２であり、こ の軸には、相互間隔を置いて２つのはずみ車、つまり下側のはずみ車３及び上側 のはずみ車３が取り付けられていて、この場合軸ははずみ車を貫通して延びてい る。このことは、はずみ車３，４が軸２とは異なる材料から形成される場合に、 該当する。はずみ車３，４はその形状及び寸法に関し同じに形成されていて、特 に有利にははずみ車３，４は、同じ重量を有しかつ互いに対称的に配置されてい る。はずみ車３，４の間には、互いに９０度ずらされた２つのポールエレメント ５，６から成る、電動機及び発電機としてのインナロータ型・単極電機のロータ が係合している。両ポールエレメント５，６は、高さよりも短い幅を有していて かつ所定の間隔を置いて互いに対称的に配置されている（第２図参照）。 軸２の構成部分としてのロータのポールエレメント５，６を中心として、単極 電機のステータ７は、定置にケーシング内に又はケーシングの構成部分として配 置されている。ステータ７の巻線８は、ステータ内で回転する磁界を発生し、こ の磁界は、ポールエレメント５，６に作用して、軸２を回転させる。このように して、供給された電気的なエネルギははずみ車２，３の回転エネルギに変換され る。 はずみ車式・エネルギアキュムレータの主要構成要素は、有利には同じに構成 された超伝導の両スラスト軸受け、つまり第１の下側のスラスト軸受け９と第２ の上側のスラスト軸受け１０とである。両スラスト軸受け９，１０は、軸２と共 に回転するそれぞれ１つの環状の永久磁石１１，１２と、それぞれ１つのクライ オスタット１５，１６内の、ケーシング１に対して定置の超伝導体１３，１４と から形成されている。超伝導体１３，１４は、永久磁石１１，１２のように環状 に形成されていてかつ、クライオスタット１５，１６の外面１７，１８が永久磁 石１１，１２に向かい合って位置するように、側方でクライオスタット１５，１ ６に埋め込まれていて、この場合超伝導体１３，１４は、クライオスタット１５ ，１６の外面１７，１８と 永久磁石の外面との間に狭いギャップ２０が残されるように、下側のはずみ車３ の下側で軸２にかつ上側のはずみ車４の上方で軸２に配置されている。前記ギャ ップ２０は機械停止状態でも存在する。これによってそれぞれはずみ車３，４と 共に回転する永久磁石１１，１２は、はずみ車３，４とは反対側で、ケーシング １に対して定置のそれぞれ１つの超伝導体１３，１４に対して間隔を置いて位置 する。従って、超伝導の下側の受動的なスラスト軸受け９は圧縮軸受けとしてか つこれに対応して上側のスラスト軸受け１０は重力に抗した引張り軸受けとして 構成される。 ラジアル軸受けは、はずみ車式・エネルギアキュムレータの場合には設けられ ない。それというのも、超伝導のスラスト軸受け９，１１及び１０，１２が半径 方向力又は剛性をももたらすからである。これにも拘わらず、安定性の理由から 半径方向の安定化を考慮して規定の措置が講じられねばならない。それ故、作動 時の不安定性を最小化するために、回転する構成部分、つまり、はずみ車３，４ 、軸２及びポールエレメント５，６の極慣性モーメントI_polと赤道慣性モーメン ためにファクタ２が有利であることが明らかとなった。即ち、回転するエレメン トはフラットにしかも伸張して又は長く形成されている。このことは、２つのは ずみ車３，４とこれらの間に位置するポールエレメン ト５，６と軸とから成るロータを備えた構成のために、 Ｌ ＞＝ √３ ＊ Ｒ が該当し、この場合、Ｌは２つのはずみ車の質量中心点の相互間隔でありかつＲ ははずみ車の半径である。 クライオスタット１５，１６は、詳述しない形式で作動され、スリーブ２１を 有しかつケーシング１の真空室２２によって外部に対して熱的に絶縁されている 。超伝導のスラスト軸受け９，１０の冷却は、流動性の窒素の貫流によって又は スターリング・冷却器（St 直接的な接触によって行われる。この場合冷却ユニットへの給電ははずみ車から 直接行われる。 超伝導のスラスト軸受け９，１０に付加的に、それぞれ軸２の上端及び下端に スラスト深溝形玉軸受け１９，２３が設けられていて、このスラスト深溝形玉軸 受け１９，２３は、超伝導のスラスト軸受け９，１０が故障した場合に、はずみ 車及びロータを有する軸２の重量を受け止める。しかしながらスラスト深溝形玉 軸受け１９，２３は、アキュムレータ作動中には機能を発揮せず、即ち、スラス ト深溝形玉軸受けの軸受け摩擦が蓄積能力を損なうことはない。 機械５，６，７に関しはずみ車３，４を対称的に配置することによって、機械 の全システムの特にコンパクトな寸法設定及び軸端に設けられた両スラスト軸受 け９，１０の均一な負荷が達成される。この場合駆動機械及びはずみ車は構造的 に統合されるけれども、これらの寸法は互いに無関係に変えることができるので 、例えば高い蓄積能力及び小型の機械又は平均的な蓄積能力及び高い瞬時過負荷 容量を有する大型の機械のような異なる作動要求にフレキシブルに適合させるこ とができる。当然適合性は、大型の設備を有利にはモジュールから構成できると いう、能力を意味する。両はずみ車３，４のために同じ回転質量を使用した前記 システムの場合並びにそれぞれ一体の超伝導体及び磁石から成る同じマグネット 軸受け９，１０を使用できる可能性を有する前記システムの場合、異なる構成部 材の数を減少できる。この可能性は特に超伝導の材料の処理に関して著しい利点 をもたらす。それというのも、分割された超伝導体及び磁石が接合個所に漂遊磁 界を有し、この漂遊磁界が回転するシステムにおける磁気的なヒステリシス損に よって著しい摩擦損失を生ぜしめるからである。 電気的な機械、つまり電動機／発電機５，６，７，は、蓄積段階中に、即ちは ずみ車が回転した場合に、渦電流損を回避するために、励磁を遮断される。真空 中での作動によって、風損は事実上生じない。極めて高い回転数でのシステムの 作動は、設備の高い有効性を考慮すると重要である。それというのも、はずみ車 材料を最良に利用できると同時に有利な重量毎出力(Ｌ eistungsgewicht)及び重量毎エネルギ（Energiegewicht）が得られるからである 。この場合低回転数の場合に同じ蓄積容量のシステムに比して、僅かな回転質量 で作業できる。これによってマグネット軸受けを小さく構成できる。マグネット 軸受けのサイズは、磁気的な摩擦損失に著しい影響を及ぼす。大きな質量を浮揚 支持できるようにするためには、これに相応してマグネット軸受けを大きくすれ ばよい。このために、磁石材料及び超伝導体材料の作動面が重要である。１０ｋ ｇのロータ全重量のためにほぼ１００ｍｍ直径の環状磁石を必要とする。これは 同時に、市販の環状磁石がまだ一体に形成される最大直径である。最大直径のた めに磁石は個々のセグメントから構成されるが、これは既に述べた欠点を生ぜし める。しかしながら本発明の構想は、前述の一体構成の軸受けの使用を可能にす る。 符号リスト １ 真空ケーシング ２ 軸 ３ 下側のはずみ車 ４ 上側のはずみ車 ５ ポールエレメント ６ ポールエレメント ７ ステータ ８ 巻線 ９ 下側のスラスト軸受け 10 上側のスラスト軸受け 11 下側の永久磁石 12 上側の永久磁石 13 下側の超伝導体 14 上側の超伝導体 15 下側のクライオスタット 16 上側のクライオスタット 17 外側 18 外側 19 非常軸受け 20 ギャップ 21 スリーブ 22 真空室 23 非常軸受け

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス ヴェーバー ドイツ連邦共和国 Ｄ―76297 シュトゥ ーテンゼー ヤスミンヴェーク ２ツェー (72)発明者 ヘルマン リーチェル ドイツ連邦共和国 Ｄ―76694 フォルス ト グレゴー―ウムホーフ―シュトラーセ ３ (72)発明者 ハンス―ヨアヒム グット ドイツ連邦共和国 Ｄ―70597 シュトゥ ットガルト アブラハム―ヴォルフ―シュ トラーセ 64

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．はずみ車式・エネルギアキュムレータであって、垂直な軸と、該軸に配置 された受動的な超伝導の磁気的な少なくとも１つのスラスト軸受けと、インナロ ータ型の電動機／発電機とを備え、該電動機／発電機のロータがはずみ車に機械 的に連結されていてかつ電動機／発電機のステータがエネルギアキュムレータの 真空ケーシングに対して定置である形式のものにおいて、 イ）エネルギアキュムレータが、相互間隔を置いて共に単極電機のロータ（５ ，６）の軸（２）に係合する、単極電機によって駆動される２つのはずみ車、つ まり下側のはずみ車（３）及び上側のはずみ車（４）を有していて、前記ロータ が、ステータ内部でしかも両はずみ車（３，４）の間で軸（２）に配置されてお り、 ロ）下側のはずみ車（３）の下側で軸（２）に、圧縮軸受けとしての超伝導の 受動的な第１の下側のスラスト軸受け（９）の環状磁石（１１）が係合していて 、かつ、上側のはずみ車（４）の上側で軸（２）に、重力に抗した引張り軸受け としての超伝導の受動的な第２の上側のスラスト軸受け（１０）の環状磁石（１ ２）が係合しており、 ハ）はずみ車（３，４）とは反対の環状磁石（１１ ，１２）側で環状磁石に対して間隔を置いて向かい合って、ケーシングに対して 定置のそれぞれ１つのディスク状の超伝導体（１３，１４）が位置しており、 ニ）軸の構成部分としてのロータ（５，６）の周方向で単極電機のステータ（ ７）が、定置にケーシング内に配置されているか又はケーシングの構成部分とし て配置されていて、前記ステータ（７）の巻線（８）がステータ（７）内で、ロ ータ（５，６）に作用する回転する磁界を発生するようになっていることを特徴 とする、はずみ車式・エネルギアキュムレータ。 ２．ロータが、９０度互いにずらされた２つのポールエレメント（５，６）を 有していて、該ポールエレメント（５，６）が、高さよりも短い幅を有しかつ所 定の間隔を置いて互いに対称的に配置されている、請求項１記載のはずみ車式・ エネルギアキュムレータ。 ３．回転する構成部分の極慣性モーメントI_polと赤 っている、請求項１又は２記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。 ４．前記ファクタがほぼ２である、請求項３記載のはずみ車式・エネルギアキ ュムレータ。 ５． Ｌ ＞＝ √3 ＊ Ｒ であり、この場合、Ｌは２つのはずみ車の質量中 心点の相互間隔でありかつＲははずみ車の半径である、請求項１から４までのい ずれか１項記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。 ６．両スラスト軸受け（９，１０）が、同じに構成されている、請求項１から ５までのいずれか１項記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。 ７．軸（２）がはずみ車（３，４）を貫通して延びている、請求項１から６ま でのいずれか１項記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。 ８．両はずみ車（３，４）の形状、寸法及び重量が等しく形成されている、請 求項１から７までのいずれか１項記載のはずみ車式・エネルギアキュムレータ。