JP2016507205A - フライホイールによって電気を貯蔵する電気装置 - Google Patents

Abstract

本発明はエネルギー貯蔵装置に関し、このエネルギー貯蔵装置は、ロータ（１）とステータ（４）とを有するローレンツ型ジェネレータまたはモータの少なくとも１つの電気機械を備え、ロータ（１）は、ロータ（１）に固定された少なくとも１つの磁石（５）と、少なくとも１つの磁束封止手段（３，７）とによりフライホイールを形成している。本発明によると、ステータ（４）は、強磁性体でない巻線であり、磁束封止手段（３，７）は、ロータ（１）の磁石（５）との同期回転により移動できるように据えられている。【選択図】図１

Description

本発明は、フライホイール電気貯蔵装置に関する。

フライホイール装置は、内部で回転運動する質量体よって蓄えられたエネルギーを貯蔵して取り出すことができる装置である。

このような装置は、システムの電源やレシーバーのエネルギーの消費による異常が発生しようとも、電気システムの動作速度を円滑にしかつ該操作速度をより一定の状態にするために使用される。

すなわち、フライホイール装置は、余剰分のエネルギーを貯蔵し、システムのエネルギーが不足したときに、そのエネルギーを取り出すことができる。

特に、電気システムにおいては、このような装置は、例えば電力グリッドの周波数を調整するため、マイクログリッドやスマートグリッドを安定させるため、中断せずに電力の供給を行えるように障害の発生を回避するために使用される。

一般的なエネルギー貯蔵装置と比べて、フライホイール装置は、特に充電及び放電のサイクルに対して長寿命である点、反応時間が短い点、メンテナンスのコストが低い点で有利である。

フライホイール装置は、一般的には浮遊したホイールを有する組立体によって構成されて、電気モータ／ジェネレータに接続される。そのロータは、該ホイールにフライホイールを形成するように連結されている。特許文献１に記載の方法のように、この組立体は、一般的には真空封止された容器の中に配置され、ホイールは、一般的には磁場によって浮遊状態に保たれ、安定される。この構成によると、機械摩擦によるエネルギーの損失を抑えることができる。

一般的には、摩擦によるエネルギーの損失や騒音公害を最小限にするために、摩擦をできる限り減少させることが望ましい。

仏国特許出願公開第２８８２２０３号明細書

現在では、フライホイール装置は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換したり、その逆を行ったりするためのモータ／ジェネレータを備えている限り、効率が制限される。一方では、それらモータ／ジェネレータの動きがフライホイールの回転安定性に悪影響を及ぼす可能性があり、他方では、主にフライホイールや巻線ステータに対して発生する摩擦による大きな自己放電によって、モータ／ジェネレータの効率を低下させてしまう。これらのフライホイールは金属のコアを有しており、この金属のコアが、磁石の反発によって作動するモータ／ジェネレータにおいて、渦電流やジュール効果による著しいエネルギー損失を生み出す。

ロータの不安定性は、エネルギーの損失を発生させることから、フライホイールの浮遊軸受によって補正するか、吸収する必要があるため、ロータの安定性も重要な要素を構成する。そのため、電気機械は、ロータを不安定にするような軸方向及び径方向の寄生力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｆｏｒｃｅｓ）をできる限り小さくすべきである。

本発明は、前述の課題を解決すること、特にフライホイール装置の安定性と効率とを改良することを目的とし、この目的を達成するために、本発明は、
フライホイールを形成するロータと、
ロータと、強磁性体でない巻線型ステータと、フライホイールに固定された少なくとも１つの磁石とを有する少なくとも１つのローレンツ型電気モータ／ジェネレータと、
磁束を封止する少なくとも１つの手段と、を備え、
磁束封止手段は、電気モータ／ジェネレータの磁石との同期回転により移動できるように据えられていることを特徴とするエネルギー貯蔵装置から構成される。

このようなエネルギー貯蔵装置は、金属のコアを有さず、広く広がった又は積層されたステータを有することに注目すべきである。正確には、磁束封止手段だけが、エネルギー貯蔵装置のロータ上に存在する。

さらには、モータ／ジェネレータは、ローレンツモータ／ジェネレータ（ラプラスモータ／ジェネレータとも呼ばれる）が使用されている。言い換えると、このようなモータ／ジェネレータは、その作動のために、伝導性ワイヤーが電磁場内にあるときに、ワイヤーをある強度の電流が流れることによって発生するラプラス力を動力としている。こうして発生したラプラス力は、ワイヤーと電磁場によって形成される平面と直交する方向に働く。

ロータと磁束封止手段との同期回転を確保することによって、磁束封止装置はロータの誘導磁場と同期して回転する。誘導磁場の方向が最適化され、寄生方向に沿った磁場の強度は十分に低減される。

実際に、固定された磁束封止装置を使用すると、誘導された磁束の変化が、磁束封止装置の変化と一致する。

それらの変化は、磁束封止装置を構成する物質に存在するヒステリシスサイクルにより、同時には発生せず、望ましくない方向に沿った寄生要素が存在する磁場の形状が観測される。

そのため、電気モータが駆動され、ステータが回転磁場を形成したときに発生する駆動力は、特に径方向及び軸方向に沿った寄生要素となる。これは、ロータを、さらにはフライホイールを不安定にする。

これも、主に渦電流による、エネルギーの損失となる。このとき、この影響を抑えるために、ロータの磁束を封止する手段を形成する積層シートを使用することができる。

本発明のように、ロータの誘導磁場と同期して回転する磁束封止装置を使用することにより、該磁束封止装置は、磁場の変化に従うことなく、同じ局所磁場にさらされたままになる。

磁束封止装置は、貯蔵装置がジェネレータモードや自由回転で作動するときに用いられる。

この方法では、電気モータ／ジェネレータは、ほとんど無負荷損失を発生させない。つまり、電気モータ／ジェネレータに負荷をかけずにロータが回転するときには、ほとんど損失が発生しない。すなわち、フライホイールを形成するロータの充電又は放電の間に、エネルギー変換が、電気モータ／ジェネレータと装置外との間で行われる。

ロータが、電気モータ／ジェネレータに負荷を与えずに回転するとき、磁束封止装置は電気ロータの誘導磁場と同期して回転するので、磁束封止装置には損失がない。

電気モータ／ジェネレータがモータモードや発電モードで負荷を受けるとき、ロータの磁石によって磁束密度が得られ、該磁束密度を形成するインダクタでのエネルギー損失はない。

電気モータ／ジェネレータのステータによって形成される回転磁場が、磁石と磁束封止装置とに同期するとすぐに、ステータの巻線での渦電流による損失がなくなる。起こりえる高調波だけが回転部分での小さな損失の原因となることがある。一次損失はステータでの僅かなジュール効果による損失だけである。

そのため、この装置によると、電気モータ／ジェネレータでのエネルギー損失を抑えることができる。これにより、装置の効率が大きく向上される。

本発明の一形態によると、エネルギー貯蔵装置は、フライホイールを形成するロータに固定され、かつクラウスハルバッハ構造に配列された複数の磁石を有する。ステータは、該磁石に対向して囲むように且つ磁石とは離れて配置されている。

有利には、クラウスハルバッハ構造であれば、操作された方向、面に強力な磁場を発生させることができる。

本発明の一形態によると、ロータは、フライホールを形成する該ロータ上に少なくとも一つの磁束封止手段を有し、その磁束封止手段は、ステータから離れ、ステータとは反対側の面で、磁石と対向している。

本発明の一形態によると、磁石はフライホイールを形成するロータの円筒部分に固定さている。好ましくは、磁束封止手段は、フライホイールを形成するロータの厚壁に固定されている。

有利には、磁束封止手段は、ロータの厚壁から突出しないように該厚壁に一体化されている。

同様に、磁石は、ロータの円筒部分から突出しないように該円筒部分に一体化されている。

好ましい変形例としては、磁束封止手段はフライホイールの一部により形成されている。

本発明の一形態によると、ステータは多相巻線を有する。

有利には、ステータの相の配列は、電気モータ／ジェネレータの径方向の力がゼロになるか自動調整され、さらに電気モータ／ジェネレータの軸方向の力もゼロになるか自動調整されるよう、最適化されている。

このようなステータの相の配置によると、フライホイールを形成するロータの回転の安定性を考慮したニュートラルな動きの電気モータ／ジェネレータを設けることができる。

本発明の一形態によると、ステータの巻線は、リッツワイヤーを有する。

リッツワイヤーは、直径０．１ｍｍ又はより細い極細部分を有する基本的な撚り線によって構成されたワイヤーからなるものであり、特に、電気モータ／ジェネレータが無負荷状態のときに、渦電流から発生する損失を大きく低減することができる。

有利には、電気モータ／ジェネレータがモータモードのときには、一次損失はステータでのジュール損失だけになる。

有利には、電気モータ／ジェネレータが発電モードのときには、損失がステータでのジュール損失及びステータのリッツワイヤーの撚り線での渦電流損失だけになる。

有利には、ステータは、最大寄生力、すなわちローレンツ力以外の力を低減する電気モータ／ジェネレータの操作を最適化する巻線である。

本発明の一形態において、磁束封止手段は軟鉄で造られている。

軟鉄のヒステリシスサイクルは非常に狭いため、損失を低減することができる。

本発明の一形態によると、フライホイールを形成するロータは、左右対称に且つフライホイールの中間板の両側に対向するように据えられた２つのローレンツ型電気モータ／ジェネレータを有する。

ここで、この構成によると、効率がより高くなり、さらに、フライホイールの中間板の両側において、フライホイールの回転によって発生する軸方向の力が、フライホイールの中間板に対して互いに左右対称かつ逆向きになるため、フライホイールを形成するロータを不安定にする力、特に軸方向の力に対してより良い補償が可能となる。

有利には、電気モータ／ジェネレータを２つ使用することで、構成を拡張するときの装置の安全性の向上を図ることができる。もし、電気モータ／ジェネレータの１つが作動不能となった場合でも、他方の電気モータ／ジェネレータが、ロータにエネルギーを供給すること又はロータからエネルギーを回収することを妨げない。すなわち、この装置は、電力グリッドを安定させ続けるため、又は中断せずに電力の供給を行えるように障害を回避するために、充電と放電とを実行し続ける。

他の利点としては、両方のモータ／ジェネレータを作動させれば、ローレンツモータ／ジェネレータを１つだけ使うよりも迅速にエネルギーを供給することができる、ということがある。

本発明の一形態によると、２つの電気モータ／ジェネレータの上記ステータは、連続的につながっている

図１は、本発明の第１の実施形態にかかるロータの縦断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態にかかるロータの横断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態にかかるロータの縦断面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態にかかるステータの巻線を解いた図である。 図５は、本発明の第３の実施形態にかかるロータの縦断面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態に使用されるクラウスハルバッハ構造の磁石の斜視図である。 図７は、本発明の第４の実施形態にかかるロータの縦断面斜視図である。

以下、添付の図面を引用しながら、本発明の非限定的な実施例、可能な実施形態について説明する。全ての図面において、同一の又は類似の数字は、同一の又は類似の要素、又は要素群に関するものである。

図１及び図２に関するエネルギー貯蔵装置はフライホイールを形成するロータ１を備え、このロータ１は、同心状にかつ一体形成するように分離して互いに強固に結合された円筒部２及び厚壁３を有する。円筒部２と厚壁３とは、例えば複合材料、特に炭素繊維などで製造されたホイール（図示せず）を支持している。

ローレンツ型電気モータ／ジェネレータは、ロータ１と、ステータ４と、磁石５とを有する。磁石５は、強磁性体材料で形成されたロータの円筒部２に固定されている。厚壁３は、強磁性体材料により構成され、磁束を封止する手段を構成するように設計されている。ステータ４は、円筒部２と厚壁３との間に配置されている。

ここで、磁束封止厚壁３は、円筒部２と直接的に結合されていて、円筒部２と同じように回動する。

このとき、磁束封止部は、誘導磁場を発生させる円筒部２に同期して回転する。

上述したように、このような構成物によると、厚壁３を構成する物質の磁気ヒステリシスサイクルにより発生する、エネルギー損失や、ロータ１の回転を不安定にするような寄生力を消去することができる。

つまり、磁束封止部での損失が無く、ロータ１の回転を不安定にする力も消去されるため、エネルギー損失が抑えられる。

図３及び図４については、ステータ４がリッツワイヤーであることを除いては、図１及び図２と同様の構成物である。この構成でも、ステータ４は、円筒部２及び厚壁３との関係については、図１及び図２と同様の配置を維持している。

電気モータ／ジェネレータの磁石５によって発生する場に同期して回転する磁束封止部を形成し、且つそれにより磁束封止部での損失を消去することに加えて、図３及び図４に示した装置は、渦電流による損失を効果的に低減することができるリッツワイヤーを巻き付けたステータを有する。

図５に関するロータ１は、ロータ１の円筒部２の中央に対して左右対称に配置された２つのローレンツ型モータ／ジェネレータを有する。

２つのモータ／ジェネレータの構成は、上記の図と実質的に同じである。そして、この構成では、２つの磁石５（それぞれのモータ／ジェネレータに１つずつ）と２つのステータ４とを有している。

好ましくは、ステータ４ａ，４ｂはリッツワイヤーの巻線である。

フライホイールを形成するロータ１は、リム６が円筒部２と厚壁３とを強固に接合させるように造られている。

リム６は、切り離されないようにするために円筒部２に近い内径部分で非常に堅固になるような形状をしており、厚壁３の変形に適度に対応するために厚壁３に近い外径部分では柔軟になるような形状をしている。

複数のリム６は、円筒部２と厚壁３との間を確実に接続するために、円筒部２と厚壁３とに沿って分散して、使用されていてもよい。

好ましくは、使用されるリム６の数は、ロータ１が取り得るスピード範囲でのホイールの共鳴モードに合わせて決定される。

このような実施形態によると、エネルギー損失を大幅に低減できるとともに、渦電流やヒステリシスによる損失の減少、ロータ１の回転を不安定にする寄生力の抑制によって、ロータの自己放電を抑えることができる。加えて、ローレンツ型電気モータ／ジェネレータを２つ使用することで、ロータ１の回転の安定性、特に軸方向の安定性を向上させることができる。

図６又は図７については、ロータ１は図５の構成と類似の構成である。すなわち、２つのローレンツ型電気モータ／ジェネレータには、ステータ４が存在しない。

図６及び図７に係る実施形態は、２つのハルバッハ円筒（Ｈａｌｂａｃｈ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ）５又は２つのマジック円筒（ｍａｇｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ）を形成するように、ロータ１の円筒部２上にクラウスハルバッハ構造に配置された磁石を備える点、及びロータ１が主に強磁性体でない材料によって造られている点で、図５の実施形態とは異なっている。磁束封止部は、軟鉄型の強磁性体で造られた２つのリング７によって確保されており、各リングは、ロータ１の厚壁３の構造に一体化されるとともに、ハルバッハ円筒（Ｈａｌｂａｃｈ ｃｙｌｉｎｄｅｒ）と対向するように配置されている。

このような実施形態によると、エネルギー損失を大幅に低減できるとともに、ロータの自己放電を抑えることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、技術的に均等なもの及び種々の手法並びにそれらの組み合わせを含むものであることは言うまでもない。

Claims (10)

1. フライホイールを形成するロータ（１）と、
   上記ロータ（１）と、強磁性体でない巻線型ステータ（４）と、上記ロータに固定された少なくとも１つの磁石（５）とを有する少なくとも１つのローレンツ型電気モータ／ジェネレータと、
   磁束を封止する少なくとも１つの手段と、を備え、
   磁束封止手段は、上記電気モータ／ジェネレータの上記磁石（５）との同期回転により移動できるように据えられている
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
2. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記フライホイールを形成する上記ロータ（１）に固定され且つクラウスハルバッハ構造に配列された複数の上記磁石（５）を備える
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
3. 請求項１又は２に記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記磁束封止手段（７）は、上記フライホイールを形成する上記ロータ（１）に固定されて、上記ステータ（４）とは反対側で上記磁石（５）と対向している
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記磁束封止手段が、上記フライホイールの一部により形成されている
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記ステータ（４）は、多相巻線を有する
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記ステータ（４）の巻線は、リッツワイヤーを有する
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記磁束封止手段（４）は、軟鉄で造られている
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵装置において、
   上記ローレンツ型電気モータ／ジェネレータを２つ有する
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
9. 請求項８に記載のエネルギー貯蔵装置において、
   ２つの上記電気モータ／ジェネレータは、上記フライホイールの中間板の両側に左右対称となるように据えられている
   ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
10. 請求項８または９に記載のエネルギー貯蔵装置において、
    ２つの上記電気モータ／ジェネレータの上記ステータ（４）は、連続的につながっている
    ことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。

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