JPS5853222B2 - フライホイ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフライホイールに関し、ジャイロモーメントの
作用する車輌用フライホイールとして、また発電機若し
くは遠心分離機のような定置用機械のフライホイールと
して好ましいフライホイール構造に関する。

従来のフライホイールは第１図に示すように水平な回転
軸１ ａ 、１ ｂを有するロータ１の回転軸１ ａ
、１ ｂを一対のころがり軸受３，４によりチャンバを
形成しているハウジング７．７′に回転可能に支承し、
ロータ１回転時の風損を低減するためにハウジング７．
７′により形成されるチャンバ内の空気圧を低圧に保つ
シール９，１１を各ころがり軸受３，４の近傍に設けて
いる。

フライホイールは回転軸１ａから入力されたエネルギを
ロータ１の回転エネルギとして蓄積するので、その回転
速度すなわち回転数が大きいほどコンパクトなロータに
多くのエネルギを蓄積できるが、回転数が増すことによ
り軸受損失、シール損失またはロータの回転に伴う空気
との摩擦損失（風損）などが増大しこれによって蓄積し
たエネルギを自己消費することになる。

したがって、高速時の軸受およびシール損失をいかに低
減するかがフライホイールの重要な性能の１つであるエ
ネルギ保持能力を支配することになる。

車輌搭載用フライホイールは特にコンパクトなことが重
視されるので回転数を高くする必要がある。

このため従来は高速度に損失の少ないころがり軸受が広
く使用されている。

ころがり軸受は荷重負荷能力が太き（摩擦損失が比較的
小さいという優れた利点を有する軸受であることはよく
知られている。

しかし、このような高速用ころがり軸受でも第１図に示
すように２個用いてフライホイールのロータ負荷荷重を
支持する場合には、その軸受損失およびシール損失が問
題となる。

低摩擦損失を達成するには潤滑油量を制限して潤滑油の
攪拌損失を小さくすることが考えられる。

しかし潤滑油量を制限することは高速転動体を定常的に
保持するケージが焼付き易（なり実際的でない。

また軸受の摩擦損失を減少するべく軸受荷重を低減する
ことも考えられるが、この方法によるとロータ重量を減
少させることになりエネルギ蓄積能が減ぜられる。

ロータ回転数を低下することも同様にエネルギ蓄積能を
減じ不具合を生じる。

また、ころがり軸受の潤滑油粘度は外気温に応じて決ま
る値であり大幅には低下できない。

またロータの風損を低減するためにロータを格納するチ
ャンバ内を低圧に保持しなげればならない。

従って漏れの少ない摩擦の小さいシールが必要である。

このシールに対する要求は事実上性質が相反しており、
このためシール損失を低減することは多くの困難を伴う
。

従って従来装置のように２個のころがり軸受によりロー
ラの全負荷荷重を支持することは、ころがり軸受の摩擦
損失およびシールの損失を惹起し余り好ましくない。

一方高速時における摩擦損失の低減だけを考えるならば
空気軸受の採用が考えられる。

しかし車輌の運動角速度によって生じるジャイロモーメ
ントにより偶発的に過大荷重が軸受に作用することがあ
り、かかる場合に空気軸受では負荷容量が不足する。

本発明は上述の諸点に鑑み、軸受の摩擦損失およびシー
ル損失を低減できるフライホイールの構造を提供するも
のであり、その目的はフライホイールの機械損失を低減
してエネルギ蓄積保持能力を向上することにあり、特に
過大負荷時においても摩擦損失を極力少な（するフライ
ホイールを提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するため、真空ポンプに接続
可能な真空チャンバ内下部に磁石を設置し、該真空チャ
ンバ内の磁石に対向する同極性の磁石を下面に具備する
ロータをその上部回転軸を垂直となして真空チャンバ内
に装着し両磁石によりロータを磁気支承するとともに、
ロータ上部の回転軸および真空チャンバ間に真空チャン
バ内を真空保持するシールおよび回転軸を回転可能に支
持するころがり軸受を設置したフライホイールにおいて
、真空チャンバ下部の磁石とロータ下面の磁石との間に
過大負荷により下降したロータを瞬時支持するすべり軸
受を設置し、ロータ下面の磁石の円周方向外側に設磁石
と同極性の円弧状磁石を該ロータ下面の磁石を囲周する
よう設置するとともにロータの下面中央に下向きに回転
軸を突設し該回転軸に対向して真空チャンバ内下部に過
大負荷によるロータ下降時に該回転軸を支承しロータの
センタリングを行なう案内ころがり軸受を通常は該回転
軸と遊嵌状態に設げたことを特徴とする。

本発明の実施例を第２図に示す。

ロータ２１はエネルギを蓄積するディスク２３とその両
端に接続しそれぞれ上下に突出する回転軸２５，２７か
ら成る。

ディスク２３の下面に回転軸２７と同心状に環状円板形
状の永久磁石２９を設ける。

永久磁石２９は例えば希土類コバルト製であり、環状凹
部を有するコンテナ３１に収納しコンテナ３１にプレー
ト３３を蓋し複数のボルト３５により永久磁石２９をコ
ンテナ３１およびプレート３３とともにディスク２３の
下面に締結してロータ２１の高速回転時に永久磁石２９
が破損することを防止する。

ロータ２１の上部回転軸２５にスペーサ４１を嵌合し、
スペーサ４１の上部にころがり軸受４３を装着しナツト
４５で固定する。

軸受ホルダ５１をアッパハウジング５３の上部に取付け
てころがり軸受４３の外輪を嵌合固定し回転軸２５への
入出力に伴うラジアル荷重を受けるようになす。

ころがり軸受４３の外輪と軸受ホルダ５１０間に圧縮コ
イルばね５５、皿ばねまたはゴム等の弾性材を組込んで
いる。

アッパハウジング５３とロウアハウジング５７とをパツ
キン５９を介してボルト６１で締結し真空チャンバを形
成する。

スペーサ４１とアッパハウジング５３０筒部との間にオ
イルシール６３のような回転軸２５とともに上下方向に
変位可能なシールを嵌装し真空チャンバをころがり軸受
４３側の外部空間から密封する。

回転軸２５の先端にスプライン２６を形成し、スプライ
ン２６をカップリングにより変速機（ともに図示せず）
に接続して入出力を受けるようになす。

更にころがり軸受に潤滑油供給ラインおよび排出ライン
（ともに図示せず）を装備している。

アッパハウジング５３およびロウア／・ウジング５７の
内部形状をロータ２１のディスク２３と−定間隙を保持
する形状としている。

またアッパおよびロウアハウジング５３，５７により形
成される真空チャンバ内の圧力を低圧に維持するため排
気ポートから真空ポンプ（ともに図示せず）へ連通して
いる。

真空チャンバの底部に位置するロウアハウジング５７の
内面に上部ころがり軸受４３と同心状に案内ころがり軸
受７１を設置し、通常はロータ２１の下部回転軸２７と
遊嵌状態となし両者の間に微少な隙間を保持する。

ロウアハウジング５７の内面の案内ころがり軸受７１の
周囲に例えば希土類コバルトからなる円板状永久磁石７
３を置きディスク２３の下面に設置した永久磁石２９に
対向し平行するようボルト７５によりロウアハウジング
５７に締結固定する。

永久磁石７３は永久磁石２９と同極性であり両磁石２９
，７３は互いに反発する。

更に磁石７３の周囲に、環状をした一体の磁石または小
円弧状磁石を円弧に沿って等間隔に配置して環状となし
た磁石７７を、磁石２９と同心状に配設する。

磁石７７は例えば希土類コバルト製で磁石２９と同極性
であり磁石７７０反発力により磁石２９はロータ２１と
ともにラジアル方向の中心に位置する。

磁石７３の上面にカーボンのような乾燥摩擦の小さい材
料からなるすべり軸受７９を複数個等配置に配置し、そ
の上平面を磁石７３の上面よりわずかに突出せしめてい
る。

なおディスク２３の下部に締結したコンテナ３１または
プレート３３０強度が十分太きければその一部を下方へ
突出させすべり軸受とすることもできる。

ロータ２１は回転軸２５が垂直であり重力によりロウア
ハウジング５７の磁石７３へ向は下降する。

この下降によりロータ２１の下面の磁石２９がロウアハ
ウジング５７の磁石７３に近付くと両磁石２９，７３は
互いに反発し重力に抗してロータ２１が磁気支承され弾
性材５５により所定高さに維持され、正常時には両磁石
２９，７３は接触しない。

ある程度の加速度が下向きに働いても、磁石２９，７３
０強さおよび寸法を選ぶことにより両磁石２９，７３が
接触しないようにできる。

所定値を越える加速度が働くとロータ２１に加速度の作
用方向に応じ下向きまたは上向きの力が作用しロータ２
１が下降または上昇する。

ロータ２１が下降するとディスク２３は低摩擦のすべり
軸受７９に摩擦接触する。

磁石２９，７３が接近することによる磁気反発力の急激
な増加および加速度が短時間のみ作用することにより、
ディスク２３はすべり軸受７９に極く短時間摩擦接触し
焼付きを生じることなく原位置に復する。

逆に上向きの加速度を受はロータ２１が上方移動すると
弾性材５５が圧縮されロータ２１の上方への運動変位を
制限する。

更に磁気支承部にはディスク２３下面の磁石２９に作用
して磁石２９とともにロータ２１をセンタリングするた
めの磁石７７があるので通常のラジアル荷重範囲ではロ
ータ２１はセンタリングされ、ロータ２１の下部回転軸
２７は案内ころがり軸受７１と微少な隙間を保ち接触し
ない。

これによりころがり軸受７１は回転しない。

ロータ２１にジャイロモーメントが働らくと上下の回転
軸２５，２７が変位し上下のころがり軸受４３゜７１に
それぞれラジアル荷重が働らく。

しかしジャイロモーメントの作用時間は短時間であり、
特に下のころがり軸受７１はこの場合にはじめて回転軸
２７と接触して回転し、摩擦損失をほとんど生じない。

ジャイロモーメントによる過大荷重による下側ころがり
軸受７１およびすべり軸受７９の作動時間は極く短時間
であり強制潤滑は省略できる。

またロータ２１を磁気浮上させることにより通常は上部
のころがり軸受４３のみが回転作動し、しかもその軸荷
重は設計により任意の重量割合を負担するようにできる
のでころがり軸受４３の損失を少なくできる。

本発明は磁気支承軸受構造を採用しており、この構造は
他の軸受構造と異なり原理的に真空中にても作動可能で
あり、真空チャンバ内に設置でき、従ってシール、ころ
がり軸受を１つづつ省略できシール損失および軸受損失
を減少できる。

本発明のフライホイールは通過は上部回転軸のころがり
軸受、シール材を除き機械的に接触せず本質的に摩擦が
少ない。

従って本発明のフライホイールでは摩擦モーメントに相
当するものが磁気アンバランスに起因する抵抗トルクの
みとなり損失が著しく小さい。

また磁石の反発力は隙間が小さくなると増すのでロータ
変位に対し自己調整機能を有し安定的に反発力が作用す
ることになる。

さらに、過大負荷時においてのみ作用する摩擦軽減装置
が設けであるから、過大負荷時に対応して摩擦損失を極
力防止することができ、しかも通常時にはこの摩擦軽減
装置が何ら運転上の支障にならず、したがって、エネル
ギー蓄積保持能力を向上させるという効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来装置の正面断面図、第２図は本発明の実施
例の正面断面図である。 ２１・・・・・・ロータ、２３・・・・・・ディスク、
２５・・・・・・上部回転軸、２７・・・・・・下部回
転軸、２９・・・・・・磁石、４３・・・・・・ころが
り軸受、５５・・・・・・弾性材、６３・・・・・・シ
ール、７１・・・・・・案内ころがり軸受、７３゜７７
・・・・・・磁石、７９・・・・・・すべり軸受。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空ポンプに接続可能な真空チャンバ内下部に磁石
   を設置し、該真空チャンバ内の磁石に対向する同極性の
   磁石を下面に具備するロータをその上部回転軸を垂直と
   なして真空チャンバ内に装着し両磁石によりロータを磁
   気支承するとともに、ロータ上部の回転軸および真空チ
   ャンバ間に真空チャンバ内を真空保持するシールおよび
   回転軸を回転可能に支持するころがり軸受を設置したフ
   ライホイールにおいて、真空チャンバ下部の磁石とロー
   タ下面の磁石との間に過大負荷により下降したロータを
   瞬時支持するすべり軸受を設置し、ロータ下面の磁石の
   円周方向外側に該磁石と同極性の円弧状磁石を該ロータ
   下面の磁石を囲周するよう設置するとともに、ロータの
   下面中央に下向きに回転軸を突設し該回転軸に対向して
   真空チャンバ内下部に過大負荷によるロータ下降時に該
   回転軸を支承しロータのセンタリングを行なう案内ころ
   がり軸受を通常は該回転軸と遊嵌状態に設けたことを特
   徴とするフライホイール。 ２ 前記ロータ上部のころがり軸受を下方へ付勢する弾
   性材を設置しロータを真空チャンバ内で所定高さ位置に
   維持するようになした特許請求の範囲第１項記載のフラ
   イホイール。