WO2017158710A1 - フライホイール装置及び、発電及び駆動モータ装置 - Google Patents

フライホイール装置及び、発電及び駆動モータ装置 Download PDF

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中田　修
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株式会社ナカダクリエイト
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a flywheel apparatus provided with a magnetic levitation and rotation apparatus and a power generation and drive motor apparatus, for example, to one having a magnetic bearing.
  • a generator rotates a rotor inside a stator fixed to a housing and generates electric power by induced electromotive force generated thereby.
  • the rotational movement of the rotor is driven by, for example, torque generated by an internal combustion engine such as hydraulic power, thermal power, nuclear power, or a diesel engine. It is important how to reduce the friction generated by the rotation of the generator in order to increase the power generation efficiency by effectively utilizing the torque input to the generator.
  • an internal combustion engine such as hydraulic power, thermal power, nuclear power, or a diesel engine.
  • Magnetic Levitation Device As a technique for reducing the friction generated by the rotation of a rotating body such as a rotor as described above, there is a "Magnetic Levitation Device" of Patent Document 1. This technique is to make the rotating body float by attraction force by magnetic force.
  • An object of the present invention is to reduce the friction generated with a simple configuration and to improve the efficiency of the power generation and drive device. Another object of the present invention is to provide a flywheel provided with a magnetic levitation and rotation device.
  • a flywheel in which cylindrical neodymium magnets are installed on the outer peripheral surface having a fixed width, and a fixed interval on the outer surface of the outer peripheral surface. And a circumferential magnetic member having a diameter larger than that of the flywheel and having a constant width, and the outer peripheral surface of the flywheel and the inner peripheral surface of the magnetic member are constant.
  • the repulsion force of the same pole of the magnet is formed from the shape of the flywheel and becomes an integrated repulsion force that concentrates the force from all directions of the circle to the central part from the shape of the flywheel.
  • the present invention provides a flywheel apparatus characterized in that it has a magnetic levitation rotating device having a central axis supporting a certain weight.
  • a flywheel in which neodymium magnets in which neodymium magnets divided in a fan shape are arranged at an arbitrary interval in the circumferential direction are installed on the outer peripheral surface having a fixed width, and the outer peripheral surface.
  • a circumferential magnetic member having a diameter larger than that of the flywheel and having a constant width, and is disposed at a constant interval on the outer side of the outer circumferential surface of the flywheel and the inner periphery of the magnetic member.
  • a flywheel device is characterized in that it is provided with a magnetic levitation and rotation device having a central axis supporting a fixed weight, which is an aggregate repulsive force to be caused.
  • the drive unit including the rotating shaft, the rotor fixed to the rotating shaft, and the stator disposed in the housing facing the outer peripheral surface of the rotor.
  • the flywheel apparatus according to claim 1 or 2 is installed at an end portion of the power generation and drive motor, and both the power transmission and drive motor are coaxial with the rotation shaft of the power generation and drive motor.
  • the power generation and drive motor apparatus characterized in that the drive section is magnetically levitated is provided.
  • the flywheel device according to claim 1 or 2 is installed at both ends of the power generation and drive motor, and the two magnetic elements are coaxially with the rotating shaft of the power generation and drive motor.
  • the friction can be reduced by the simple configuration in which the rotor is supported by the repulsive force of the magnetic force, whereby the efficiency of the power generation and the drive device can be improved.
  • FIG. 1 and 2 are diagrams for explaining the structure of a power generation and drive device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a view showing a cross section of the power generation and drive apparatus 100 in the rotation axis direction.
  • the power generation and drive apparatus 100 is configured by arranging components for generating power in a cylindrical case 12. Near the center of the housing 12, a stator 19 on which an armature winding is wired is fixed to the inner circumferential surface of the housing 12 coaxially with the central axis of the housing 12.
  • the stator 19 functions as a stator 19 disposed in the housing 12 so as to face the outer peripheral surface of the rotor 18.
  • the stator 19 is an armature winding in the present embodiment, a permanent magnet may be used.
  • an outer peripheral magnet 13 a and an outer peripheral magnet 13 b formed in a cylindrical shape are fixed to the inner peripheral surface of the housing 12 coaxially with the central axis of the housing 12.
  • the outer circumferential magnet 13a and the outer circumferential magnet 13b will be simply referred to as the outer circumferential magnet 13 unless otherwise specified.
  • the outer peripheral side magnet 13 is magnetized in the radial direction, and for example, the inner peripheral surface is an N pole and the outer peripheral surface is an S pole.
  • a rolling bearing 20 a and a rolling bearing 20 b are fixed to central portions of both end surface portions of the housing 12.
  • the rolling bearing 20a and the rolling bearing 20b will be simply referred to as the rolling bearing 20 unless otherwise distinguished.
  • a play of a predetermined gap is formed between the rolling bearing 20 and the rotating shaft 17 so that the rolling bearing 20 and the rotating shaft 17 do not contact while the rotating shaft 17 is magnetically levitated as described later. It has become.
  • the rolling bearing 20 is provided to restrict the function of the bearing at the time of starting the device and the case where the rotating shaft 17 shakes more than a predetermined amount due to a disturbance or the like.
  • a rotation shaft 17 is disposed coaxially with the central axis of the housing 12 at the center of the housing 12.
  • a rotor 18 around which a field winding is wound is fixed to the rotation shaft 17 at a central portion in the axial direction of the rotation shaft 17 in a region facing the inner circumferential surface of the stator 19.
  • the rotating shaft 17 functions as a rotor fixed to the rotating shaft.
  • the flywheel 16a and the flywheel 16b are being fixed to the both ends of the rotating shaft 17 in the area
  • the flywheel 16a includes a disk member 15a fixed to the rotation shaft 17 coaxially with the rotation shaft 17, and an inner peripheral magnet 14a fixed to the outer peripheral portion of the disk member 15a.
  • the configuration of the flywheel 16b is also the same, and is configured by the disk member 15b and the inner peripheral side magnet 14b.
  • the flywheel 16a, the flywheel 16b, the disk member 15a, the disk member 15b, the inner peripheral magnet 14a, and the inner peripheral magnet 14b are not particularly distinguished, the flywheel 16, the disk member 15, the inner periphery is simply used.
  • the side magnet 14 is described.
  • the flywheel 16 has the function of stabilizing the rotation of the rotor 18 by its own moment of inertia, and in order to achieve this purpose, it is preferable that the mass on the outer peripheral side be as large as possible.
  • the inner peripheral side magnet 14 is a cylindrically formed magnet, and the outer diameter is set such that the outer peripheral surface faces the inner peripheral surface of the outer peripheral side magnet 13 with a predetermined distance therebetween.
  • the inner circumferential magnet 14 is magnetized in the radial direction so that the magnetic pole on the outer circumferential surface of the inner circumferential magnet 14 is the same as the magnetic pole on the inner circumferential surface of the outer circumferential magnet 13.
  • the outer peripheral surface of the inner peripheral side magnet 14 is also N pole.
  • the outer peripheral surface of the inner peripheral magnet 14 is also the S pole.
  • the magnetic pole on the inner peripheral side of the outer peripheral magnet 13 and the magnetic pole on the outer peripheral side of the inner peripheral magnet 14 are the same, a repulsive force acts between the two, and the rotary shaft 17 is Floats in a non-contact manner with the components of.
  • the force which moves to an axial direction acts on the rotating shaft 17
  • the movement of the axial direction of the rotating shaft 17 is controlled by the control means which is not shown in figure.
  • the inner peripheral surface of the outer peripheral magnet 13a and the outer peripheral surface of the inner peripheral magnet 14a are N poles
  • the inner peripheral surface of the outer peripheral magnet 13b and the outer peripheral surface of the inner peripheral magnet 14b are S poles.
  • the magnetic poles of the magnets in the flywheel 16a and the flywheel 16b may be reversed or the same.
  • the magnitude of the magnetic force of the outer circumferential side magnet 13 and the inner circumferential side magnet 14 is not particularly limited, but the larger the better, and the magnitude of the magnetic force of the two is preferably the same.
  • the flywheel 16 has a function as a magnetic bearing which levitates and supports the rotor 18 by the repulsive force of the magnetic force in addition to the function as an original flywheel.
  • the magnetic bearing configured by the inner circumferential magnet 14 and the outer circumferential magnet 13 causes the rotating shaft 17 to float toward the central portion by the repulsive force of the magnetic force, thereby axially supporting the rotor 18 on the housing 12 It functions as a pivoting means.
  • the flywheel 16 is formed on both ends of the rotor 18 at the rotation shaft 17 and functions as the flywheel 16 having a predetermined magnetic pole formed on the outer peripheral surface
  • the outer peripheral magnet 13 is of the flywheel 16. It has an inner peripheral surface opposite to the outer peripheral surface, and functions as a magnetic member in which the predetermined magnetic pole is formed on the inner peripheral surface.
  • the magnetic poles of the inner circumferential magnet 14 and the outer circumferential magnet 13 are both made of permanent magnets.
  • the device can be miniaturized.
  • the power generation and drive apparatus 100 when the rotor 18 is rotated by drive means (not shown), an electromotive force is generated in the armature winding of the stator 19 and current is extracted from terminals not shown for use can do.
  • the power generation and drive apparatus 100 includes current extracting means for extracting the current generated by the rotation of the rotatably supported rotor 18 with respect to the stator 19.
  • pressure reducing means for reducing the pressure in the housing 12 is provided, and when the inside of the housing 12 is in a pressure reducing state or a vacuum state, the rotor 18 rotates The air resistance generated on the shaft 17 and the flywheel 16 can be reduced to further reduce friction.
  • FIG. 2 is a perspective view of the outer peripheral magnet 13 and the inner peripheral magnet 14 as viewed obliquely.
  • the arrow in the drawing indicates the direction of magnetization, and the inner peripheral surface of the outer peripheral magnet 13 and the outer peripheral surface of the inner peripheral magnet 14 have the same magnetic pole. For this reason, both repel each other, and the inner circumferential magnet 14 is held at a position where the repulsive forces are balanced.
  • the position of the balance is the position of unstable balance corresponding to the peak portion of the potential energy. In the case of force, it is part of the valley of potential energy, which is a stable balanced position. Therefore, if axial movement is restricted, even if the rotary shaft 17 is shaken from the central axis, it returns to the position of balance by itself.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the outer circumferential magnet 13 and the inner circumferential magnet 14 in more detail.
  • FIG. 3A is an example in which the outer peripheral magnet 13 and the inner peripheral magnet 14 are configured by a single member made of a magnetic material.
  • the outer circumferential magnet 13 and the inner circumferential magnet 14 are formed by magnetizing the magnetic material after the magnetic material is formed by firing or the like.
  • the magnetizing device is placed on the inner peripheral surface in the case of the outer peripheral magnet 13 to magnetize the entire surface from the inside to the outside, and in the case of the inner peripheral magnet 14, the outer peripheral side
  • the magnetizing device is placed on the surface and magnetized from the outside to the inside over the entire circumference. This is because by magnetizing from the surface where the outer peripheral magnet 13 and the inner peripheral magnet 14 face, a better magnetic pole is formed on the facing surface.
  • FIG. 3 (b) shows an example in which a plurality of magnets are bonded to form the outer peripheral magnet 13 and the inner peripheral magnet 14.
  • the inner circumferential magnet 14 is configured by joining together a fan-shaped inner circumferential divided magnet 41 in the circumferential direction.
  • the inner divided magnet 41 is magnetized in advance in the radial direction, and is connected with an adhesive or fixed with a jig (not shown).
  • the outer peripheral side magnet 13 is configured by joining together fan-shaped outer peripheral side divided magnets 31 in the circumferential direction.
  • the outer peripheral divided magnet 31 is magnetized in advance in the radial direction, and is created in the same manner as the inner peripheral divided magnet 41.
  • the power generation and drive device 100 includes the rotor 18 that is floated and rotated by the magnetic bearing.
  • the magnetic bearing is realized by the repulsion of the magnetic poles of the inner peripheral magnet 14 formed on the outer periphery of the flywheel 16 and the outer peripheral magnet 13 disposed in the housing 12 so as to face this. .
  • the flywheel 16 also has a function as a magnetic bearing that magnetically floats and rotatably supports the rotor 18. Therefore, the power generation and drive device 100 can reduce the friction associated with the rotation of the rotor 18, stabilize the rotation of the rotor 18, and further miniaturize the power generation and drive device 100. These are effects newly generated by the flywheel 16 provided with the magnetic rotary floating device.
  • the following effects can be obtained. (1) Since the rotor 18 can be floated by the magnetic force of the flywheel 16 and rotated without contact, friction can be reduced, and power generation efficiency can be enhanced. That is, at the beginning of the rotation, there is, for example, a slight contact with the bearing etc. However, when the rotation is on the orbit, the magnetic levitation occurs, and the generated friction can be made close to zero as much as possible. (2) In order to lift the rotor 18 by repulsion of the magnetic force of the flywheel 16, there is no need to provide a complicated control device.
  • the outer circumferential magnet 13 and the inner circumferential magnet 14 are more powerful, for example, a neodymium magnet can be used.
  • the outer peripheral side magnet 13 can also be comprised with a superconducting magnet.
  • a plurality of coils are formed by the superconducting member, and the coils are disposed along the circumference such that each magnetic pole faces the inner peripheral surface. Then, in some cases, the coil is cooled to Tc (superconducting transition temperature) or less with liquid nitrogen or the like.
  • Tc superconducting transition temperature
  • the inner circumferential magnet 14 is provided on the flywheel 16, but the inner circumferential magnet 14 may be provided on the rotating shaft 17, and the flywheel 16 and the magnetic bearing may be separated.
  • the flywheel 16 may provide the inner peripheral side magnet 14 in the flywheel 16, by providing the inner peripheral side magnet 14 in the rotating shaft 17, the flywheel 16 and a magnetic bearing are comprised as a separate body It is also good.
  • the process of the inventor's idea of the present invention leading to this invention is called the "gravity-free power generation and drive motor system consideration" by the inventor, and is as follows.
  • a generator motor generally requires a large amount of torque for rotation. Because of the large torque, it has been required for the rotational drive of the generator motor to obtain a large torque output.
  • this invention point means that by using “gravity-free” the “electric generator motor” by using “gravity-free flywheel”, it is designed in the direction in which rotation does not fall without limit. It will be a “power generation motor” with different new ideas.
  • the power source of the "power generation motor” is a “rotational power source” which has been changed to a system in which rotation is added to reverse the rotation each time the rotation falls. It means that the systemization of the power generation motor of the energy efficiency is completed.
  • the energy of the generator motor that compensates for the deceleration of the motor once having started high-speed rotation can be considered as positioning of the "rotational power source”.
  • the requirement of this generator motor is that it does not require a large torque " It can be energy saving light rotation, and it will change to energy-efficient technological "light rotation” and "rotational power source”.
  • the energy characteristic added by the "rotational power source” is that it is better to be a rotational auxiliary power source for the purpose of maintaining a high rotation, rather than requiring a torque. And this "does not require high torque” means that the power source can be reduced dramatically compared to conventional power generation systems such as “thermal power (nuclear power) power generation” and “hydro power generation”, and high power generation can be achieved.
  • thermal power (nuclear power) power generation and "hydro power generation”
  • high power generation can be achieved.
  • the idea of generating electricity at a site, transmitting it by a transmission line, and delivering it to general household use will also fundamentally change.
  • a “gravityless drive motor system” using a “gravityless flywheel” can be considered also for the drive motor.
  • the idea is to add rotation only for the required number of revolutions, and at that time, the added rotational force adds rotation to zero gravity so that only very small energy can be added.
  • the drive motor Therefore, it becomes a highly efficient motor with very little energy to rotate, and a “gravityless drive motor system” can be provided.
  • applications using this "gravityless flywheel” are diverse, and as an example, it is an excellent means for high efficiency in large uninterruptible power supply (USP) and the like.
  • the ball bearing attached for fixing the rotation shaft supports high-speed rotation due to the property of "gravity-free flywheel” rather than the idea of smoothing the rotation while supporting the weight of the existing "electric motor”
  • the resistance load on the ball bearing is released as much as possible, and can be called “gravityless bearing” .
  • a ball bearing with minimal friction resistance is required.
  • super-strong magnet means a newly developed magnetic body represented by neodymium, a super-strong magnetic body to be developed in the future, and a superconductive magnetic body.

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Abstract

簡単な構成で発電及び駆動装置の効率を向上させる。 発電及び駆動装置１００は、磁気軸受けによって浮上して回転する回転子１８を備えている。そして、この磁気軸受けは、フライホイール１６の外周に形成された内周側磁石４と、これに対向して配設された外周側磁石１３の磁極が反発することにより実現される。このように、フライホイール１６は、回転子１８の回転を安定させるという本来の目的に加えて回転子１８を磁気浮上させて軸支するという磁気軸受けとしての機能を兼ね備えている。このため、発電及び駆動装置１００は、回転子１８の回転にともなう摩擦を低減するとともに回転子１８の回転を安定させ、更に、発電及び駆動装置１００を小型化することができる。

Description

フライホイール装置及び、発電及び駆動モータ装置
　本発明は、磁気浮上回転装置を施したフライホイール装置並びに発電及び駆動モータ装置に関し、例えば、磁気軸受けを有するものに関する。
　一般に、発電機は、筐体に固定した固定子の内側で回転子を回転させ、これにより生じる誘導起電力により発電する。
　回転子の回転運動は、例えば、水力や火力、原子力、あるいはディーゼルエンジンなどの内燃機関などにより発生するトルクにより駆動される。
　これら発電機に入力されるトルクを有効利用して発電効率を高めるには、如何に発電機で回転により発生する摩擦を低減するかが重要である。
　このように回転子のような回転体の回転により生じる摩擦を低減する技術として、特許文献１の「磁気浮上装置」がある。
　この技術は、磁力による吸引力により回転体を浮上させるものである。
　しかし、この技術では、磁力の吸引力の調節により浮上対象物の位置を制御するため、高度な技術を必要とし、構造が複雑になるという問題があった。
特開平８－１５４３８８号公報
　本発明は、簡単な構成で発生する摩擦を軽減し、発電及び駆動装置の効率を向上させることを目的とする。
　また、本発明は、磁力浮上回転装置を施したフライホイールを提供することを目的とする。
　本発明は、前記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、一定幅を持った外周面に円筒状のネオジム磁石類が設置されたフライホイールと、当該外周面の外側に一定間隔を持って配置され、前記フライホイールよりも大きな径を持ち、一定幅を持った円周状の磁性部材と、からなり、前記フライホイールの外周面と前記磁性部材の内周面とが、一定幅の面で磁石の同極を面して向かい合う形で形成され、この磁石の同極の反発力が、フライホイールの形状から、円形の全方位から中心部に力を集約させる集約反発力となり、一定の重さを支える中心軸を持った、磁気浮上回転装置を施したことを特徴とするフライホイール装置を提供する。
　請求項２記載の発明では、一定幅を持った外周面に扇型に分割されたネオジム磁石を円周方向に任意の間隔をもって配置されたネオジム磁石類が設置されたフライホイールと、当該外周面の外側に一定間隔を持って配置され、前記フライホイールよりも大きな径を持ち、一定幅を持った円周状の磁性部材と、からなり、前記フライホイールの外周面と前記磁性部材の内周面とが、一定幅の面で磁石の同極を面して向かい合う形で形成され、この磁石の同極の反発力が、フライホイールの形状から、円形の全方位から中心部に力を集約させる集約反発力となり、一定の重さを支える中心軸を持った、磁気浮上回転装置を施したことを特徴とするフライホイール装置を提供する。
　請求項３記載の発明では、回転軸と、この回転軸に固定された回転子とからなる駆動部と、前記回転子の外周面に対向して筐体に配設された固定子と、からなる発電及び駆動モータであって、前記発電及び駆動モータの端部に、請求項１又は請求項２記載のフライホイール装置を設置し、前記発電及び駆動モータの回転軸と同軸上に、前記両磁気浮上回転装置の中心軸を設けた構造を持つことで、前記駆動部を磁気浮上させることを特徴とする発電及び駆動モータ装置を提供する。
　請求項４記載の発明では、前記発電及び駆動モータの両端部に、請求項１又は請求項２記載のフライホイール装置を設置し、前記発電及び駆動モータの回転軸と同軸上に、前記両磁気浮上回転装置の中心軸を設けた構造を持つことで、前記駆動部を磁気浮上させることを特徴とする請求項３記載の発電及び駆動モータ装置を提供する。
　本発明によれば、磁力の反発力により回転子を軸支するという簡単な構成により摩擦を低減し、これにより発電及び駆動装置の効率を向上させることができる。
本発明の実施例に係る発電及び駆動装置の構造を説明するための図である。 本発明の実施例に係る外周側磁石、及び内周側磁石を斜め方向からみた斜視図である。 本発明の実施例に係る磁石の構成をより詳細に説明するための図であり、（ａ）は、磁性材料で構成された単一の部材で外周側磁石と内周側磁石を構成した例であり、（ｂ）は、複数の磁石を貼り合わせて外周側磁石と内周側磁石を構成した例を示した図である。
　図１及び図２は、本実施の形態に係る発電及び駆動装置１００の構造を説明するための図である。
　図１は、発電及び駆動装置１００の回転軸方向の断面を示した図である。
　発電及び駆動装置１００は、円筒形状を有する筐体１２に発電を行うための構成要素を配設することにより構成されている。
　筐体１２の中央付近には、電機子巻線が配線された固定子１９が筐体１２の中心軸と同軸に筐体１２の内周面に固定されている。
　固定子１９は、回転子１８の外周面に対向して筐体１２に配設された固定子１９として機能している。なお、本実施の形態では固定子１９を電機子巻線とするが、永久磁石を用いるようにしてもよい。
　さらに、筐体１２の両端面付近には、それぞれ、円筒状に形成された外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂが筐体１２の中心軸と同軸に筐体１２の内周面に固定されている。
　以下、外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂを特に区別しない場合は、単に外周側磁石１３と記載する。
　外周側磁石１３は、半径方向に磁化されており、例えば、内周面がＮ極、外周面がＳ極となっている。
　筐体１２の両端面部分の中心部分には、転がり軸受け２０ａ、転がり軸受け２０ｂが固定されている。以下、転がり軸受け２０ａ、転がり軸受け２０ｂを特に区別しない場合は、単に転がり軸受け２０と記載する。
　転がり軸受け２０と回転軸１７には、所定間隙の遊びが形成されており、後述するように回転軸１７が磁気により浮上している間は、転がり軸受け２０と回転軸１７は、接触しないようになっている。
　転がり軸受け２０は、装置の起動時における軸受けとしての機能、及び外乱などにより回転軸１７が所定量以上ぶれた場合にこれを規制するために設けられている。
　筐体１２の中心には、回転軸１７が筐体１２の中心軸と同軸に配設されている。
　回転軸１７の軸方向中心部分には、固定子１９の内周面に面する領域にて界磁巻線が巻回された回転子１８が回転軸１７に固定されている。
　回転軸１７は、回転軸に固定された回転子として機能している。
　そして、回転軸１７の両端部分には、外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂの内周面に面する領域にて、それぞれフライホイール１６ａ、フライホイール１６ｂが固定されている。
　フライホイール１６ａは、回転軸１７に回転軸１７と同軸に固定された円板部材１５ａと、円板部材１５ａの外周部に固定された内周側磁石１４ａにより構成されている。
　フライホイール１６ｂの構成も同様であり、円板部材１５ｂと内周側磁石１４ｂにより構成されている。
　以下、フライホイール１６ａ、フライホイール１６ｂ、円板部材１５ａ、円板部材１５ｂ、内周側磁石１４ａ、内周側磁石１４ｂを特に区別しない場合は、単にフライホイール１６、円板部材１５、内周側磁石１４と記載する。
　フライホイール１６は、自身の有する慣性モーメントにより回転子１８の回転を安定させる働きを有しており、この目的を達成するためには、なるべく外周側の質量が大きい方が好ましい。
　内周側磁石１４は、円筒状に形成された磁石であって、外周面が外周側磁石１３の内周面に所定の距離を隔てて対面するように外径が設定されている。
　内周側磁石１４は、内周側磁石１４の外周面の磁極が外周側磁石１３の内周面の磁極と同じになるように半径方向に磁化されている。
　例えば、外周側磁石１３の内周面がＮ極である場合、内周側磁石１４の外周面もＮ極になっている。また、外周側磁石１３の内周面がＳ極である場合、内周側磁石１４の外周面もＳ極になっている。
　このように、外周側磁石１３の内周側の磁極と内周側磁石１４の外周側の磁極が同じであるため、両者の間には反発力が作用し、回転軸１７は、筐体１２の構成物とは非接触で浮揚（浮上）する。
　なお、回転軸１７には、軸方向に移動する力が作用するが、図示しない規制手段により、回転軸１７の軸方向の移動は規制されている。
　また、例えば、外周側磁石１３ａの内周面と内周側磁石１４ａの外周面がＮ極で、外周側磁石１３ｂの内周面と内周側磁石１４ｂの外周面がＳ極である、というように、フライホイール１６ａとフライホイール１６ｂで磁石の磁極が逆でもよいし、あるいは、同じでもよい。
　さらに、外周側磁石１３と内周側磁石１４の磁力の大きさは特に規定しないが、大きいほどよく、また、両者の磁力の大きさが同程度であるのが望ましい。
　このように、フライホイール１６は、本来の弾み車としての機能のほか、回転子１８を磁力の反発力により浮揚させて軸支する磁気軸受けとしての機能も有している。
　このように、内周側磁石１４と外周側磁石１３により構成される磁気軸受けは、回転軸１７を磁力の反発力により中心部に向けて浮上させて回転子１８を筐体１２に軸支する軸支手段として機能している。
　また、フライホイール１６は、回転軸１７において回転子１８の両端側に形成され、外周面に所定の磁極が形成されたフライホイール１６として機能しており、外周側磁石１３は、フライホイール１６の外周面に対向する内周面を有し、当該内周面に前記所定の磁極が形成された磁性部材として機能している。更に、内周側磁石１４と外周側磁石１３の磁極は何れも永久磁石により構成されている。
　そして、回転子１８は、浮揚して回転するため、回転に際して生じる摩擦を低減するほか、作用する力が反発力であるため、複雑な制御を必要とせずに回転軸１７を磁力の釣り合いの位置に保持することができ、更にフライホイール機能と磁気軸受け機能を一体化したため装置の小型化を図ることができる。
　以上のように構成された発電及び駆動装置１００において、図示しない駆動手段により、回転子１８を回転すると、固定子１９の電機子巻線に起電力が生じ、図示しない端子より電流を取り出して利用することができる。
　このように、発電及び駆動装置１００は、軸支された回転子１８が固定子１９に対して行う回転により発生する電流を取り出す電流取出手段を備えている。
　さらに、例えば、ロータリーポンプを用いた真空系などのように、筐体１２の内部を減圧する減圧手段を備え、筐体１２の内部を減圧状態、あるいは、真空状態にすると、回転子１８、回転軸１７、及びフライホイール１６に発生する空気抵抗を低減し、より摩擦を減らすことができる。
　図２は、外周側磁石１３、及び内周側磁石１４を斜め方向からみた斜視図である。
　図中の矢線は磁化の方向を示しており、外周側磁石１３の内周面と内周側磁石１４の外周面が同じ磁極となっている。
　このため両者が反発し合い、内周側磁石１４は、反発力のバランスする位置に保持される。
　即ち、これら磁石の半径方向について考えると、中心方向に向かった磁力の反発力による場合は、釣り合いの位置がポテンシャルエネルギーの山の部分に相当する不安定な釣り合いの位置であるのに対し、吸引力の場合はポテンシャルエネルギーの谷の部分になり、安定な釣り合いの位置となる。
　そのため、軸方向の運動を規制すれば、回転軸１７が中心軸からぶれたとしても、釣り合いの位置に自ら復帰する。
　図３は、外周側磁石１３と内周側磁石１４の構成をより詳細に説明するための図である。
　図３（ａ）は、磁性材料で構成された単一の部材で外周側磁石１３と内周側磁石１４を構成した例である。
　外周側磁石１３、内周側磁石１４は、磁性材料を焼成などにより形成した後、着磁を行って作成する。
　着磁は、外周側磁石１３の場合は、内周側の面に着磁装置を当てて内側から外側に着磁を全周に渡って行い、内周側磁石１４の場合は、外周側の面に着磁装置を当てて外側から内側に着磁を全周に渡って行う。
　これは、外周側磁石１３と内周側磁石１４が対面する面から着磁することにより、より良好な磁極が当該対面する面に形成されるためである。
　図３（ｂ）は、複数の磁石を貼り合わせて外周側磁石１３と内周側磁石１４を構成した例である。
　内周側磁石１４は、扇型の内周側分割磁石４１を円周方向に繋ぎ合わせて構成されている。
　内周側分割磁石４１は、予め半径方向に磁化されており、これを接着剤で繋ぎ合わせたり、あるいは、図示しない治具で固定する。
　外周側磁石１３も同様に扇型の外周側分割磁石３１を円周方向に繋ぎ合わせて構成されている。
　外周側分割磁石３１は、予め半径方向に磁化されており、内周側分割磁石４１と同様に作成する。
　外周側分割磁石３１及び内周側分割磁石４１は、図３（ｂ）では、互いに接触して配置された例を示しているが、実際には、任意の間隔を持って配置される場合もある。
　以上のように、発電及び駆動装置１００は、磁気軸受けによって浮上して回転する回転子１８を備えている。
　そして、この磁気軸受けは、フライホイール１６の外周に形成された内周側磁石１４と、これに対向して筐体１２に配設された外周側磁石１３の磁極が反発することにより実現される。
　このように、フライホイール１６は、回転子１８の回転を安定させるという本来の目的に加えて回転子１８を磁気浮上させて軸支するという磁気軸受けとしての機能を兼ね備えている。
　このため、発電及び駆動装置１００は、回転子１８の回転にともなう摩擦を低減するとともに回転子１８の回転を安定させ、更に、発電及び駆動装置１００を小型化することができる。
　これらは、磁気回転浮上装置を施したフライホイール１６により、新たに生み出された効果である。
　以上に説明した本実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
（１）フライホイール１６の磁力により回転子１８を浮上させ、非接触にて回転させることができるため、摩擦を低減することができ、発電効率を高めることができる。すなわち、回転開始当初は、例えばベアリング等と若干の接触があるが、回転が軌道にのると、磁気浮上しているため、生じる摩擦を限りなくゼロに近づけることができる。
（２）フライホイール１６の磁力の反発により回転子１８を浮上させるため、複雑な制御装置を特に設ける必要ない。
（３）フライホイール１６を磁力により浮上させて磁気軸受けとしての機能も持たせることにより、フライホイール１６による回転子１８の回転の安定と、磁気軸受けによる非接触による回転をフライホイール１６と外周側磁石１３からなる一つの構成にて同時に実現することができ、装置の小型化と低コスト化を図ることができる。
（４）筐体１２の内部を減圧（例えば真空か）することにより、より摩擦抵抗を低減することができる。
　以上、外周側磁石１３と内周側磁石１４が、単一、又は組み合わせにより構成される場合について説明したが、このほかに、円筒形状を有する強磁性を有しない部材で外周側磁石１３と内周側磁石１４の形状を作り、外周側磁石１３の内周側と内周側磁石１４の外周側に磁石を埋め込むなどして構成することもできる。
　なお、外周側磁石１３と内周側磁石１４は、強力なほどよく、例えば、ネオジム磁石を用いることができる。
　更には、外周側磁石１３を超伝導マグネットによって構成することもできる。この場合は、超伝導部材でコイルを複数形成し、各々の磁極が内周面を向くように円周に沿って配設する。そして、場合によっては、液体窒素などで当該コイルをＴｃ（超伝導転移温度）以下に冷却する。
　また、発電及び駆動装置１００では、フライホイール１６に内周側磁石１４を設けたが、回転軸１７に内周側磁石１４を設け、フライホイール１６と磁気軸受けを別体としてもよい。
　さらに、フライホイール１６は、フライホイール１６に内周側磁石１４を設けてもよいが、回転軸１７に内周側磁石１４を設けることで、フライホイール１６と磁気軸受けを別体として構成してもよい。
　以上、本実施の形態について説明したが、本発明に至る本願発明者の着想の過程は、発明者によって「無重力発電及び駆動モータシステム考」と呼ばれており、以下の通りである。
　元来、特に発電モータは、回転に多くのトルクを必要とするものが一般的である。そのトルクが大きいが為に、発電モータの回転駆動には、大きなトルク出力の得られる物が求められていた。
　しかしながら、この発明ポイントは、「無重力フライホイール」を使うことにより「発電モータ」を「無重力化」することで、限りなく回転が落ちない方向で設計されていくことを意味する、今までとは異なる新たな発想を持った「発電モータ」になるということになる。
　「発電モータ」の動力源は、回転が落ちた分だけ、その都度、回転を元に戻す為に回転を加えるという方式に変化した「加回転動力源」でよくなり、そのことは、画期的なエネルギー効率の発電モータのシステム化ができあがることを意味している。
　「今までの発電モータ」が必要とした、多くのトルクを必要とするという大きな問題が、画期的に改善され、発電動力源としてのエネルギーが比べられないほどの小さな補助動力源のエネルギーで済むことが「無重力フライホイール」を使用した「無重力発電モータ」の最大の利点である。
　それは、回転が落ちてきた時「減速時」に、落ちた分だけ更に回転を加え、元の必要とする回転に戻すという、今までになかった動力源の考え方に変わり、この「減速時」に、動力源は、更なる回転エネルギーを加えるためのエネルギー源としての「加回転動力源」としての考え方になる。
　そのため、一度高速回転を始めたモータの減速を補う発電モータのエネルギーは、「加回転動力源」の位置づけとして考えればよくなり、当然、この発電モータの必要条件は、大きなトルクを必要としない「省エネルギーな軽回転」なもので済み、エネルギー効率的にも画期的な「軽回転」「加回転動力源」に変わってくる。
　「加回転動力源」の加えるエネルギー特性としては、トルクを必要とするよりも、高回転を保つことを目的とした加回転補助動力源でよいということになる。
　そしてこの「高トルクを必要としない」ことは、今までの「火力（原子力）発電」、「水力発電」などの発電システムに比べ、動力源が画期的に小さなもので済み、大出力発電所で発電をして、それを送電線で送電し、一般家庭用まで届けるという発想も根底から変えるものになる。
　上記した「無重力発電モータシステム」の内容と同様に、駆動モータにおいても「無重力フライホイール」を用いた「無重力駆動モータシステム」が考えられる。
　駆動モータに於いても同様に、必要回転数が落ちた分だけの回転を加える考え方で、また、その時、加える回転力は無重力状態に回転を加えるので大変小さいエネルギーを加えるだけで済むという利点は、駆動モータに於いても同様に得ることができる。そのため、回転させる為のエネルギーのとても少ない高効率モータになり、「無重力駆動モータシステム」を提供することができる。
　更に同様に、この「無重力フライホイール」を利用した応用は多岐に渡り、その一例として、大型無停電電源装置（USP・Uninterruuptible Power Supply)などには、高効率化に絶好の手段となる。
　回転軸の固定のために取り付けられているボールベアリングは、今までの「発電モータ」の重さを支えながら、回転を滑らかにするという考えよりも、「無重力フライホイール」による特性により、高速回転での回転時点では、ボールベアリングにおいてもベアリングの中心で、回転軸の中心に向かって回転しているので、ボールベアリングにおける抵抗負荷が、限りなく解放され、あたかも「無重力ベアリング」と呼べる状態になる。その状態を有効に生かすために、摩擦抵抗の極力少ないボールベアリングが必要とされる。
　「超強力磁石」ネオジムに代表される新たに開発された磁性体と今後開発される超強力磁性体と、超伝導体化した磁性体を含むものを意味する。
　１２　筐体
　１３　外周側磁石
　１４　内周側磁石
　１５　円板部材
　１６　フライホイール
　１７　回転軸
　１８　回転子
　１９　固定子
　２０　転がり軸受け
　３１　外周側分割磁石
　４１　内周側分割磁石
１００　発電及び駆動装置

Claims (4)

  1. 　一定幅を持った外周面に円筒状のネオジム磁石類が設置されたフライホイールと、
    　当該外周面の外側に一定間隔を持って配置され、前記フライホイールよりも大きな径を持ち、一定幅を持った円周状の磁性部材と、からなり、
    　前記フライホイールの外周面と前記磁性部材の内周面とが、一定幅の面で磁石の同極を面して向かい合う形で形成され、
    　この磁石の同極の反発力が、フライホイールの形状から、円形の全方位から中心部に力を集約させる集約反発力となり、一定の重さを支える中心軸を持った、磁気浮上回転装置を施したことを特徴とするフライホイール装置。
  2. 　一定幅を持った外周面に扇型に分割されたネオジム磁石を円周方向に任意の間隔をもって配置されたネオジム磁石類が設置されたフライホイールと、
    　当該外周面の外側に一定間隔を持って配置され、前記フライホイールよりも大きな径を持ち、一定幅を持った円周状の磁性部材と、からなり、
    　前記フライホイールの外周面と前記磁性部材の内周面とが、一定幅の面で磁石の同極を面して向かい合う形で形成され、
    　この磁石の同極の反発力が、フライホイールの形状から、円形の全方位から中心部に力を集約させる集約反発力となり、一定の重さを支える中心軸を持った、磁気浮上回転装置を施したことを特徴とするフライホイール装置。
  3. 　回転軸と、この回転軸に固定された回転子とからなる駆動部と、前記回転子の外周面に対向して筐体に配設された固定子と、からなる発電及び駆動モータであって、
    　前記発電及び駆動モータの端部に、請求項１又は請求項２記載のフライホイール装置を設置し、前記発電及び駆動モータの回転軸と同軸上に、前記両磁気浮上回転装置の中心軸を設けた構造を持つことで、前記駆動部を磁気浮上させることを特徴とする発電及び駆動モータ装置。
  4. 　前記発電及び駆動モータの両端部に、請求項１又は請求項２記載のフライホイール装置を設置し、前記発電及び駆動モータの回転軸と同軸上に、前記両磁気浮上回転装置の中心軸を設けた構造を持つことで、前記駆動部を磁気浮上させることを特徴とする請求項３記載の発電及び駆動モータ装置。
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