特許 5966210 フライホイールおよびその製造方法並びに発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5966210

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】フライホイールおよびその製造方法並びに発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03G 3/00 20060101AFI20160728BHJP

   F03G 3/08 20060101ALI20160728BHJP

   H02K 7/02 20060101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   F03G3/00 E

   F03G3/08 B

   F03G3/08 D

   H02K7/02

【請求項の数】13

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-242373(P2015-242373)

(22)【出願日】2015年12月11日

【審査請求日】2015年12月11日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514223670

【氏名又は名称】株式会社Ｆｌｙｃｏｎｖｅｒ

(73)【特許権者】

【識別番号】513097942

【氏名又は名称】社本 博之

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100108785

【弁理士】

【氏名又は名称】箱崎 幸雄

(72)【発明者】

【氏名】社 本 博 之

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１−２０６８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−７９６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−４１９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２５４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１６２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１２６２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｇ ３／００， ７／１０

Ｈ０１Ｆ ７／０２

Ｈ０２Ｋ ７／０２，５３／００

Ｈ０２Ｎ １１／００

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸とともに回転可能なロータと、
前記ロータに対向して配置され、回転しないステータと、
を備え、
前記ロータは、前記ステータに対向する第１面に設けられた複数の第１永久磁石を有し、
前記ステータは、前記ロータに対向する第２面に、前記第１永久磁石にそれぞれ対応して設けられ、前記第１永久磁石と同一極性の複数の第２永久磁石を有し、
前記第１永久磁石は、前記ステータに対向する第３面を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブで覆われ、
前記第２永久磁石は、前記ロータに対向する第４面を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブで覆われている、
ことを特徴とするフライホイール。

【請求項2】

前記第１永久磁石は、前記第３面が前記第２面との間で鋭角をなすように傾斜して前記ロータに設けられることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール。

【請求項3】

前記第２永久磁石は、前記第１永久磁石に近接する側において、前記第４面の一部から側面を経由して底面の一部に至るまで延在するように設けられた金属ブロックをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール。

【請求項4】

前記ステータは、前記第２面を除く表面のすくなくとも一部がカーボンナノチューブで覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフライホイール。

【請求項5】

前記前記ロータと前記ステータとの少なくともいずれかは、周縁側の厚さが前記回転軸側の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフライホイール。

【請求項6】

前記前記ロータと前記ステータとの少なくともいずれかは、前記第１または第２永久磁石と前記回転軸との間に開口が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のフライホイール。

【請求項7】

電力を供給する充電可能なバッテリと、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のフライホイールと、
前記バッテリから電力を供給されて前記回転軸を回転させるモータと、
前記ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換して前記バッテリを充電する発電器と、
を備える発電装置。

【請求項8】

前記回転軸の軸方向に前記ステータを移動させて前記ロータと前記ステータとの間隔を調整する制御機構をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。

【請求項9】

前記制御機構は、前記回転軸の回転数を検知するエンコーダと、前記エンコーダの検知結果に基づいて前記制御機構を作動させるコントローラを備えることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。

【請求項10】

前記制御機構は、前記発電装置に接続される負荷を流れる電流量を検知する電流センサをさらに備え、
前記コントローラは、前記電流センサの検知結果から前記負荷の電力を算出し、前記回転軸の回転数および前記負荷の電力の少なくともいずれかに基づいて前記制御機構を作動させることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。

【請求項11】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載のフライホイールの製造方法であって、
カーボンナノチューブの塗布、滴下、または吹きつけにより、前記第１および第２永久磁石の表面のうち前記第１および第２面を除く表面の少なくとも一部を、水系エポキシ樹脂に含まれた状態のカーボンナノチューブで覆う工程と、
前記第１および第２永久磁石上の前記カーボンナノチューブを熱圧着する工程と、
を備えるフライホイールの製造方法。

【請求項12】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載のフライホイールの製造方法であって、
複数の第１および第２磁気性金属チップに着磁を実行して前記第１および第２永久磁石を形成する工程と、
カーボンナノチューブの塗布、滴下、または吹きつけにより、前記第１および第２磁気性金属チップの表面のうち、第２および第１磁気性チップの対向面となる第１および第２面を除く表面の少なくとも一部を、水系エポキシ樹脂に含まれた状態のカーボンナノチューブで覆う工程と、
前記第１および第２磁気性金属チップ上の前記カーボンナノチューブを熱圧着する工程と、
前記第１磁気性金属チップの前記第１面が露出するように前記第１磁気性金属チップをロータの表面に回転対称に配設する工程と、
前記第２磁気性金属チップの前記第２面が露出するように、前記第２磁気性金属チップをステータの表面上で前記第１磁気性金属チップに対応する位置に配設する工程と、
を備え、
前記着磁は、前記第１磁気性金属チップの前記ロータへの配設および前記第２磁気性金属チップの前記ステータへの配設後に実行される、
ことを特徴とするフライホイールの製造方法。

【請求項13】

前記第１永久磁石または前記第１磁気性チップは、前記ステータとの対向面が、前記ステータの前記ロータとの対向面と水平な面との間で鋭角をなすように傾斜して前記ロータに配設されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のフライホイールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フライホイールおよびその製造方法並びに発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

フライホイールは、所定の慣性質量を有する独楽のような回転体を高速で回転させることにより、大きな運動エネルギを貯蔵することができるように構成されている。このようなフライホイールを用いた発電装置では、フライホイールが余剰な（または再生成された）電気エネルギを回転体の運動エネルギとして貯蔵し、発電器がこのフライホイールの運動エネルギを電力エネルギに変換して、蓄電池を充電する。蓄電池に蓄積された電力エネルギは、負荷の消費電力として再利用され得る。

【0003】

従来のフライホイールでは、ロータ側には永久磁石が使用されているが、ステータ側には電磁石が使用されているので、この電磁石へ交流電流を供給する手段をフライホイールの回転軸などに取り付ける必要があった。これにより、装置の構成が複雑になり、このことがフライホイールの小型化、汎用化の障害となっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４９２６２６３号公報

【特許文献2】特許第５７４０７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で大きな運動エネルギを貯蔵できるフライホイールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明に係る実施形態に従ったフライホイールは、回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に固定されて前記回転軸とともに回転可能なロータと、前記ロータに対向して配置されて回転しないステータと、を含む。前記ロータは、前記ステータに対向する第１面に設けられた複数の第１永久磁石を有し、前記ステータは、前記ロータに対向する第２面に、前記第１永久磁石にそれぞれ対応して設けられた、前記第１永久磁石と同一極性の複数の第２永久磁石を有し、前記第１永久磁石は、前記ステータに対向する第３面を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブで覆われ、前記第２永久磁石は、前記ロータに対向する第４面を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブで覆われていることを特徴とする。

【0007】

本発明に係る実施形態に従った発電装置は、電力を供給する充電可能なバッテリと、上述の実施形態に従ったフライホイールと、前記バッテリから電力を供給されて前記回転軸を回転させるモータと、前記ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換して前記バッテリを充電する発電器と、を含む。

【0008】

本発明に係る実施形態に従ったフライホイールの第１実施形態による製造方法は、カーボンナノチューブの塗布、滴下、または吹きつけにより、前記第１および第２永久磁石の表面のうち前記第１および第２面を除く表面の少なくとも一部を、水系エポキシ樹脂に含まれた状態のカーボンナノチューブで覆う工程と、前記第１および第２永久磁石上の前記カーボンナノチューブを熱圧着する工程と、を含む。

【0009】

さらに、本発明に係る実施形態に従ったフライホイールの第２実施形態による製造方法は、 複数の第１および第２磁気性金属チップに着磁を実行して前記第１および第２永久磁石を形成する工程と、カーボンナノチューブの塗布、滴下、または吹きつけにより、前記第１および第２磁気性金属チップの表面のうち、第２および第１磁気性チップの対向面となる第１および第２面を除く表面の少なくとも一部を、水系エポキシ樹脂に含まれた状態のカーボンナノチューブで覆う工程と、前記第１および第２磁気性金属チップ上の前記カーボンナノチューブを熱圧着する工程と、前記第１磁気性金属チップの前記第１面が露出するように前記第１磁気性金属チップをロータの表面に回転対称に配設する工程と、前記第２磁気性金属チップの前記第２面が露出するように、前記第２磁気性金属チップをステータの表面上で前記第１磁気性金属チップに対応する位置に配設する工程と、を含み、前記着磁は、前記第１磁気性金属チップの前記ロータへの配設および前記第２磁気性金属チップの前記ステータへの配設後に実行されることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る第１実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図の一例。

【図2】第１実施形態に従ったフライホイールの構成例の一例を示す平面図の一例。

【図3】第１実施形態に従ったフライホイールの構成例の一例を示す正面図の一例。

【図4】図２および図３に示すロータの裏面図の一例。

【図5】図２の切断線に沿ったロータおよびステータの部分断面図の一例を示す図。

【図6】ロータおよびステータの永久磁石相互間の磁力線による引力および斥力の作用を説明するための図。

【図7】図２および図３に示すロータの一変形例を示す平面図の一例。

【図8】図２および図３に示すロータの他の変形例を示す正面図の一例。

【図9】図２および図３に示すロータのさらに他の変形例を示す正面図の一例。

【図10】本発明に係る第２実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図の一例。

【図11】本発明に係る第３実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図の一例。

【図12】本発明に係る第１実施形態に従ったフライホイールの製造方法の説明図の例。

【図13】本発明に係る第１実施形態に従ったフライホイールの製造方法の説明図の例。

【図14】本発明に係る第１実施形態に従ったフライホイールの製造方法の説明図の例。

【図15】本発明に係る第２実施形態に従ったフライホイールの製造方法の説明図の例。

【図16】本発明に係る第２実施形態に従ったフライホイールの製造方法の説明図の例。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。また、説明中の上下等の方向を示す用語は、後述するロータがステータよりも上方に位置するように配置した場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。

【0012】

（Ａ）フライホイールおよびこれを備える発電装置
（１）第１実施形態
図１は、本発明に係る第１実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態による発電装置は、バッテリ１０と、ＤＣ−ＡＣ変換器２０と、モータ３０と、プーリー４０〜４３と、ベルト５０、５１と、回転軸６０と、フライホイール７０と、発電器９０と、バッテリチャージャ９５と、負荷電流計８４と、コントローラ１００とを含む。

【0013】

バッテリ１０は、ＤＣ−ＡＣ変換器２０を介して、負荷、モータ３０、および、フライホイール７０へ電力を供給する。バッテリ１０は、例えば、直流１２ボルトの充電可能なバッテリ、または、このようなバッテリを複数個直列または並列に接続して構成されたバッテリ群であってもよい。バッテリ１０が複数のバッテリから成るバッテリ群である場合、バッテリ１０は、２４ボルトや４８ボルトの直流電圧を生成することができる。例えば、本実施形態によるバッテリ１０は、１２ボルトのバッテリを４個直列に接続した４８ボルトのバッテリ群である。

【0014】

ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、バッテリ１０の直流電力を交流電力へ変換する。例えば、ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、直流（ＤＣ）２４ボルトの電力を交流（ＡＣ）１００ボルトの電力および交流（ＡＣ）２００ボルトの電力に変換する。ＤＣ−ＡＣ変換器２０によって変換された交流電力は、負荷、モータ３０、および、フライホイール７０へ供給される。本実施形態では、負荷およびフライホイール７０は、ＡＣ１００ボルトの交流電力によって駆動され、モータ３０は、ＡＣ２００ボルトの交流電力によって駆動される。

【0015】

負荷は、電力を消費する電気機器であればよく、特に限定しない。例えば、負荷は、屋内または屋外で使用される照明器具や空調装置等でよい。また、負荷は、車両用の照明器具や空調装置等であってもよい。本実施形態では、負荷は、商用電力と同じＡＣ１００ボルトの電力を使用するが、ＡＣ２００ボルトの電力を使用してもよい。

【0016】

モータ３０は、ＤＣ−ＡＣ変換器２０を介してバッテリ１０からの電力の供給を受けてモータロータ３１を回転させる。モータ３０の最大消費電力は、規格上では約１０００ワットである。モータロータ３１は、ベルト５０を介してプーリー４０と結合されており、プーリー４０を回転させる。ベルト５０は、プーリー４０の回転運動をプーリー４１に伝達するように、プーリー４０と４１とを連結している。プーリー４１は、回転軸６０に固定されており、回転軸６０は、プーリー４１とともに回転する。従って、モータ３０は、バッテリ１０の電力供給を受けて回転軸６０を回転させる。

【0017】

回転軸６０は、プーリー４１、プーリー４２およびフライホイール７０の回転の中心として共有されている。回転軸６０の軸受けは、転がり軸受け、すべり軸受け、磁気軸受け等、特に限定しないが、回転抵抗の低い軸受けが好ましい。回転軸６０の軸受けは、例えば、超伝導技術を用いた浮遊軸受けであってもよい。これにより、回転軸６０の回転抵抗を可及的に低下させることができる。

【0018】

フライホイール７０は、図２乃至図９を参照して後述するように、回転軸６０とともに回転するロータ７２を備え、該ロータ７２の回転運動によって運動エネルギを蓄える。

【0019】

ベルト５１は、プーリー４２の回転運動をプーリー４３に伝達するように、プーリー４２と４３とを連結している。プーリー４３は、発電器９０の軸９１に固定されており、プーリー４３の回転運動は、軸９１に伝達される。

【0020】

発電器９０は、軸９１の回転により発電し、発電された電力を、バッテリチャージャ９５を介してバッテリ１０に蓄積する。つまり、発電器９０は、永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換して、この電気エネルギをバッテリ１０に蓄積する。本実施形態では、発電器９０は、例えば、ＡＣ１００ボルトの交流電力を発電し、規格上では最大３１Ａの電流を生成可能な発電器である。

【0021】

バッテリチャージャ９５は、発電器９０で発電された電力をバッテリ１０へ充電する。このとき、バッテリチャージャ９５は、ＡＣ１００Ｖで発電された電力を直流電力に変換してバッテリ１０へ蓄積する。本実施形態において、バッテリチャージャ９５は、例えば、ＡＣ１００ボルトで約１２アンペアの電力を消費する。

【0022】

負荷は、バッテリ１０から電力供給を受けて、図１の破線矢印で示すように余剰電力または再生電力をモータ３０またはバッテリチャージャ９５へ供給してもよい。余剰電力または再生電力が直流電力である場合、負荷は、余剰電力または再生電力をバッテリ１０へ直接戻してもよい。負荷が余剰電力または再生電力を発生しない場合には、負荷は、バッテリ１０から電力を消費するだけである。

【0023】

負荷電流計８４は、負荷の近傍に設置され、負荷に流れる電流量を検出し、検出結果をコントローラ１００に送る。

【0024】

コントローラ１００は、後に詳述するように、負荷電流計８４から送られる負荷の電流量と、フライホイール７０に含まれるロータ７２の回転数とのすくなくともいずれかを監視し、ステータ７４とロータ７２との間隔を調整することによりロータ７２の回転を制御する制御機構を制御する。

【0025】

図２および図３は、それぞれ、第１実施形態に従ったフライホイール７０の構成例の一例を示す平面図および正面図の例である。本実施形態において、フライホイール７０は、主要な構成要素として、筐体２１０と、ロータ７２と、ステータ７４と、エンコーダ８２と、ステッピングモータ８６と、ボールねじ９６と、ガイド９８とを含む。

【0026】

ロータ７２は、回転軸６０とともに回転可能なように回転軸６０に固定されている。

【0027】

図４は、ロータ７２の裏面図の一例である。図４に示すように、ロータ７２の裏面、すなわちステータ７４との対向面ＴＳ７２（以下、適宜「頂面ＴＳ７２」または「露出面ＴＳ７２」という）には、その周縁に沿って複数の永久磁石７３が回転軸６０の軸線を対称軸として回転対称に配置されている。図４に示す例では、８個の永久磁石７３が８回回転対称で配置されている。本実施形態において、対向面ＴＳ７２は例えば第１面に対応する。

【0028】

図３に戻り、ステータ７４は、回転軸６０の軸方向に沿ってロータ７２に対向するように配置され、ガイド９８などを介して筐体２１０の内壁に取り付けられ、これにより水平方向、すなわち、ロータ７２との対向面に水平な方向において筐体２１０内に固定される。

【0029】

ステータ７４の頂面、すなわちロータ７２との対向面ＴＳ７４（以下、適宜「頂面ＴＳ７４」または「露出面ＴＳ７４」という）には、その周縁に沿って複数の永久磁石７５が、ロータ７２側の永久磁石７３と一対一で対応するように回転軸６０の軸線を対称軸として回転対称に配置される。本実施形態では、８個の永久磁石７５が配置されている。本実施形態において、対向面ＴＳ７４は例えば第２面に対応する。

【0030】

ステータ７４の表面のうち、ロータ７２との対向面ＴＳ７４を除く表面の少なくとも一部は、シート状のカーボンナノチューブ（以下、単に「ＣＮＴシート」という）で覆われている。図３に示す例では、ステータ７４の側面および底面の全面がＣＮＴシートで覆われている。これにより、永久磁石７５の磁力がロータ７２との間隙以外の領域へ漏洩することが防止される。

【0031】

図３では特に図示しないが、ロータ７２側にもステータ７４との対向面Ｔｓ７２を除く表面の全面をＣＮＴシートで覆い、これにより磁力漏洩を防止することが望ましい。

【0032】

永久磁石７３，７５は共に同一の極性を有し、本実施形態では、共にＮ極の磁性を持つ。本実施形態において、永久磁石７３，７５は例えば第１永久磁石および第２永久磁石にそれぞれ対応する。

【0033】

図５は、図２の切断線ＤＬに沿ったロータ７２およびステータ７４の部分断面図の一例を示す。

【0034】

ロータ７２に設けられた永久磁石７３は、ステータ７４との対向面ＴＳ７３（以下、適宜「頂面ＴＳ７３」または「露出面ＴＳ７３」という）を除く表面の少なくとも一部がＣＮＴシートで覆われている。図５に示す例では、対向面ＴＳ７３を除く表面の全て（側面ＳＳ７３および底面ＢＳ７３）がＣＮＴシートで覆われている。

【0035】

同様に、ステータ７４に設けられた永久磁石７５についても、ロータ７２との対向面ＴＳ７５（以下、適宜「頂面ＴＳ７５」または「露出面ＴＳ７５」という）を除く表面の少なくとも一部がＣＮＴシートで覆われている。図６に示す例では、対向面ＴＳ７３を除く表面の全て（側面ＳＳ７５および底面ＢＳ７５）がＣＮＴシートで覆われている。

【0036】

このように、対向する一対の永久磁石７３，７５が、互いの対向面を除く表面のすくなくとも一部においてＣＮＴシートで覆われることにより、磁力線を相互の間隙間に集中して発生させることができる。

【0037】

また、永久磁石７３は、その頂面ＴＳ７３と永久磁石７５の頂面ＴＳ７５との間で鋭角をなすようにロータ７２の頂面ＴＳ７２に対して傾斜して配設される。傾斜角θについては特に制限は無いが、本実施形態においては、約５°の傾斜角θが望ましい。

【0038】

一方、ステータ７４側の永久磁石７５には、ロータ７２との対向面ＴＳ７５のうち、永久磁石７３との間隔が広い側の端部から側面ＳＳ７５を経て底面ＢＳ７５の一部に至るまで延在するように、消磁ブロック７８が配設されている。このように、永久磁石７３との間隔が広い側の端部近傍に消磁ブロック７８が設けられることにより、ステータ７４上の隣り合う永久磁石７５間の領域に永久磁石７５の磁性と逆の磁性、すなわちＳ極が発生することを防止することができる。これは、消磁ブロック７８の内部がＳ極になることにより、消磁ブロック７８の外側の領域がＮ極になるからである。これにより、永久磁石７５の頂面ＴＳ７５側から、対向配置される永久磁石７３へ出る磁力線を強くすることができる。

【0039】

さらに、図５に示すように、消磁ブロック７８の永久磁石７５の底面ＢＳ７５側部分のサイズは、頂面ＴＳ７５上部分のサイズよりも大きいことが望ましい。これにより、後に詳述するように、永久磁石７３の露出面（対向面）ＴＳ７３へ向かう磁力線をさらに強くすることができる。

【0040】

消磁ブロック７８の材料は、永久磁石７５からの磁力線を遮断できるものであれば特に制限はないが、合金を含む金属材料、特にＳＳ４００のような鉄鋼材が望ましい。

【0041】

図１に戻り、バッテリ１０から、例えば４８Ｖの直流電流ＤＣがＤＣ−ＡＣ変換器２０に供給され、ＤＣ−ＡＣ変換器２０により、例えば２００Ｖの交流電流ＡＣに変換されてモータ３０に供給されることによりモータ３０が起動し、モータロータ３１が回転する。モータロータ３１の回転はベルト５０を介してプーリー４１に伝達され、これにより回転軸６０が回転してロータ７２も回転する。モータ３０から伝達された回転力によってロータ７２が一旦回転を始めると、その後は永久磁石７３，７５の相互間で発生する磁力線による引力および斥力でロータ７２は回転する。

【0042】

永久磁石７３，７５相互間の磁力線による引力および斥力の作用について図６を参照してより詳細に説明する。

【0043】

図６においては、ステータ７４側の永久磁石７５からの磁力線の影響が変化する様子を説明するために連写写真のように単一の永久磁石７３をロータ７２の回転方向ＡＲ１に沿って複数個示した。

【0044】

まず、永久磁石７３のステータ７４との間隔が狭い側の先端が回転方向ＡＲ１の上流側から位置Ａに到達した時、消磁ブロック７８内のＳ極による引力がロータ７２の回転力に加算され、これにより永久磁石７３は、位置Ｃまでスムーズに移動する。

【0045】

永久磁石７３が位置Ｃに到達すると、永久磁石７５の露出面（対向面ＴＳ７５）からの磁力線が永久磁石７３の露出面（対向面ＴＳ７３）に斥力を与える。永久磁石７３の露出面ＴＳ７３がロータ７２の頂面ＴＳ７２に対して傾斜角θをもって傾斜しているため、永久磁石７５からの斥力が追加されて回転方向ＡＲ１への回転力が増大する。

【0046】

さらに、永久磁石７３の先端が位置Ｄに達すると、対向面ＴＳ７３内で永久磁石７５からの斥力を受ける領域の面積が広くなるので、回転方向ＡＲ１への回転力はさらに増大する。

【0047】

なお、永久磁石７３の先端が位置Ｅに到達した時、永久磁石７５からの斥力を受ける領域の面積は最大となるが、図示しないさらに下流側の永久磁石７５との間の空間における磁力による斥力が永久磁石７３の回転方向下流側の側面ＳＳ７３に印加されるので、その分だけ回転力の増大が抑制される。

【0048】

また、永久磁石７５のロータ７２回転方向ＡＲ１の上流側端部に設けられた消磁ブロック７８において、永久磁石７５の底面ＢＳ７５側部分のサイズが永久磁石７５の頂面ＴＳ７５側部分のサイズよりも大きいため、図６に示すように永久磁石７５からの磁力線は、ロータ７２の回転方向下流側へシフトした位置を中心にして拡散する。これにより、永久磁石７３の露出面ＴＳ７３への磁力がさらに強くなるので、ロータ７２の回転方向への推進力がさらに増大する。

【0049】

このように、本実施形態によるフライホイール７０によれば、ステータ７４の側面および底面がＣＮＴシートで覆われ、かつ、各永久磁石７３，７５についても相互の対向面ＴＳ７３，ＴＳ７５を除く表面がＣＮＴシートで覆われているため、磁力線の拡散が効果的に防止され、永久磁石７３，７５間の空間に集中させることができる。これにより、ロータ７２の回転方向ＡＲ１への推進力を増大させることができる。また、電磁石をステータ７４側に設ける必要がなくなるので、簡易な構成でありながらエネルギ損失が低いフライホイールを提供することが可能になる。これにより、フライホイールのさらなる小型化、汎用化が可能になる。

【0050】

本実施形態のフライホイール７０では、エネルギ損失の低さから、例えば無負荷持などでロータ７２が高速回転を継続する場合、使用環境に応じては事故発生を防止する必要が生じる場合がある。このため、本実施形態の発電装置には、ロータ７２の回転速度を制御する制御機構が設けられている。

【0051】

制御機構は、図１に示すコントローラ１００および負荷電流計８４に加え、図２および図３に示すように、エンコーダ８２と、ステッピングモータ８６と、ボールねじ９６と、ガイド９８とを含む。

【0052】

エンコーダ８２は、ロータ７２の周辺近傍に設置され、ロータ７２の単位時間あたりの回転数を検出し、検出結果をコントローラ１００に送る。

【0053】

コントローラ１００には、予め、または図示しない入力装置を介してフライホイール７０の回転制御のための閾値が入力される。コントローラ１００は、エンコーダ８２から送られるロータ７２の回転数と負荷電流計８４から送られる負荷電流のすくなくともいずれかを監視し、これらの回転数または負荷電力が所定の閾値を超えた場合に、指令信号を生成してステッピングモータ８６に与える。指令信号には、ステッピングモータ８６の回転方向および回転量の情報が含まれる。

【0054】

ステッピングモータ８６は、コントローラ１００から指令信号を受けると、指令信号に従い、指令された回転方向で指令された回転量だけ回転する。ステッピングモータ８６の回転力は、カップリング８８、タイミングベルト９２およびタイミングプーリー９４を介してボールねじ９６に伝達され、ボールねじ９６のベースがガイド９８に沿って移動することにより、回転軸６０の軸方向に沿って図３の矢印ＡＲ２に示す方向にステータ７４が移動する。これにより、ステータ７４とロータ７２との間隔が調整される。

【0055】

例えば、発電器９０を使用しない場合で発電器９０との連結が解除されて無負荷の状態でも、ロータ７２の回転に最低限必要な電力をモータ３０に供給する必要がある。その場合は、コギング等の磁力による影響を少なくしてロータ７２の回転を維持できる程度にするために、ロータ７２とステータ７４との間隔が比較的広くなるように調整する。

【0056】

発電器９０との連結を行って発電器９０を使用している場合で、過負荷となった場合には、モータ３０の負担を減らすため、負荷電流計８４からの電流量に応じてロータ７２とステータ７４との間隔を変更して磁力による斥力の増減を負荷の運動に同期させる。

【0057】

また、安定した電力を供給するためにはフライホイール７０の回転数が安定する必要がある。このため、エンコーダ８２によりロータ７２の回転数をコントローラ１００が監視し、過回転や回転不足など、回転数変動の発生時に連動してロータ７２とステータ７４との間隔を変更し、適切な回転数となるよう調整する。

【0058】

さらに、発電装置そのものを停止する場合には、永久磁石７３，７５間で磁力の相互影響が出ない距離までロータ７２およびステータ７４を制御機構により引き離す。

【0059】

ここで、ロータ７２の形状を変更することによってもフライホイール７０の回転速度を調整することは可能である。厚さが均一のディスク形状でロータ７２を形成する以外に、中心近傍の質量を下げて全体の質量を下げる他、周縁部分を中心部分よりも厚くするなどによって慣性質量を上げることにより、より回転し易くすることができる。

【0060】

ロータ７２の変形例のいくつかを図７乃至図９に示す。図７の平面図に示すロータ７２Ａは、永久磁石７３と中心軸との間に開口ＯＰを設け、これにより、中心部分の質量低減を図るものである。また、図８の正面図に示すロータ７２Ｂは、凹レンズのように周縁から中心に向けて厚さが漸減するよう形成されている。さらに、図９の正面図に示すロータ７２Ｃのように、周縁部分だけが厚くなるよう形成してもよい。

【0061】

なお、本実施形態では、説明を簡潔にするため、８個の永久磁石７３が８回回転対称に配置された例を取り挙げて説明したが、磁石の個数は勿論８個に限ることなく、４個でもよいし、８個を超える数量、例えば１２個でも２４個でも３６個でもよい。現状では、ロータ７２およびステータ７４共に、それぞれ２４個の永久磁石を配置すると、電気エネルギから運動エネルギへの変換において最も効率が良いことが分かっている。この点は、以下の第２実施形態および第３実施形態についても同様である。

【0062】

（２）第２実施形態
図１０は、本発明に係る第２実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。第２実施形態は、発電器９０とバッテリチャージャ９５との間に接続されたトランス１１０を備えている点で第１実施形態と異なる。第２実施形態のその他の構成要素は、第１実施形態の対応する構成要素と同じである。

【0063】

トランス１１０は、ＡＣ１００ボルトの交流電力をＡＣ２００ボルトへ変圧し、その交流電力をモータ３０へ供給することができる。この場合、トランス１１０は、モータ３０の消費電力の一部を補うことができる。これにより、ＤＣ−ＡＣ変換器２０の電力負担が軽減される。

【0064】

また、バッテリチャージャ９５および／または負荷が発電器９０からの電圧と異なる場合には、トランス１１０は、発電器９０からの電力をバッテリチャージャ９５および／または負荷に適合した電圧に変圧して、変圧後の電力をバッテリチャージャ９５および／または負荷に供給してもよい。この場合、トランス１１０は、バッテリチャージャ９５および／または負荷の消費電力の総てを供給してもよい。これにより、ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、モータ３０のみを駆動すれば足りるので、ＤＣ−ＡＣ変換器２０の電力負担はさらに軽減される。

【0065】

トランス１１０が電力を供給する場合、発電器９０から生成された交流電力をそのまま直接利用できる。この場合、バッテリ１０からの直流電力を交流電力に変換する必要が無いので、バッテリ１０から電力を供給する場合よりも効率が良い。

【0066】

このように、第２実施形態は、トランス１１０を備えることによって発電器９０で発電された電力をさらに効率良く利用することができる。さらに、第２実施形態は、第１実施形態と同様に改良されたフライホイール７０を備えている。よって、第２実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0067】

（３）第３実施形態
図１１は、本発明に係る第３実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。第３実施形態は、直流電力を生成するダイナモを発電器９３として備えている点で第１実施形態と異なる。第３実施形態は、ダイナモを発電器９３として用いているため、第１実施形態における交流発電器９０およびバッテリチャージャ９５は不要となる。

【0068】

発電器９３は、軸９１の回転により直流電力を発電し、発電された電力を、バッテリ１０に蓄積する。つまり、発電器９３は、ロータ７２の運動エネルギを電気エネルギに変換して、この電気エネルギをバッテリ１０に蓄積する。第３実施形態では、発電器９３は、例えば、ＤＣ２４ボルトの直流電力を発電し、規格上、最大５０Ａの電流を生成可能な発電器である。なお、第３実施形態では、バッテリ１０は、１２ボルトのバッテリを２個直列に接続した２４ボルトのバッテリ群である。

【0069】

第３実施形態のように、本発明による発電装置は、図１および図２に示す交流電力の発電器９０だけでなく、直流電力の発電器（ダイナモ）９３を用いても実現することができる。第３実施形態は、簡易な構成で、かつ、エネルギ損失が低い、改良されたフライホイール７０を備えているので、第１実施形態と同様、高効率で電気エネルギから運動エネルギへ変換することができる。

【0070】

以上の実施形態による発電装置は、バッテリ１０のみで駆動することができる。従って、本実施形態による発電装置は、商用電源の無い屋外において特に利用価値が高い。また、石油やガソリンなどの化石燃料を用いないので、環境に良いという利点も有する。

【0071】

以上の実施形態によるフライホイール７０は、バッテリ１０のみで駆動し、外部電源を必要としないので、例えば乗用車に適用できる他、小型船舶やアウトドアレジャーなど、電力供給が困難な場所でも発電可能である。また、自然環境や天候に左右されることなく、２４時間、３６５日、安定的に発電することができ、災害時に生活インフラや社会インフラが遮断された場合でも自家発電が可能である。発電に際して燃料を使用しないため、引火爆発事故発生等の危険性も無い。また、バッテリ１０として、例えば水電池を使用する場合などでは発電コストを大幅に削減することが可能である。

【0072】

なお、上記実施形態に係る発電装置およびフライホイールは、超伝導フライホイールと組み合わせることができる。ただし、超伝導フライホイールは、実際には、冷却のために液体窒素あるいは液体ヘリウム等が必要であり、コスト高となる。常温超伝導については、現段階では、材料の開発段階である。従って、上記実施形態に係るフライホイール７０は、現実的であり、低コストで大量生産に適していると言える。

【0073】

上述した第１乃至第３の実施形態では、説明を簡潔にするため、８個の永久磁石７３が８回回転対称に配置された例を取り挙げて説明したが、磁石の個数は勿論８個に限ることなく、４個でもよいし、８個を超える数量、例えば１２個でも２４個でも３６個でもよい。現状では、ロータ７２およびステータ７４共に、それぞれ２４個の永久磁石を配置すると、電気エネルギから運動エネルギへの変換において最も効率が良いことが分かっている。

【0074】

また、上述した第１乃至第３の実施形態では、図２，図３および図６中に符号ＡＲ１で示したように、永久磁石７３，７５間の間隔が広い側を回転方向上流側とし、永久磁石７３，７５間の間隔が狭い側を回転方向下流側としてロータ７２が回転する態様を取り挙げて説明した。しかしながら、ロータ７２の回転方向はこれに限ることなく、負荷の大きさに応じて回転トルクを上げたい場合などでは、図２，図３および図６中の符号ＡＲ１とは逆方向にロータ７２を回転させることにしてもよい。その場合は、モータ３０の回転方向が逆方向になるようモータ３０を制御すればよい。

【0075】

（Ｂ）フライホイールの製造方法
上述した実施形態の発電装置に含まれるフライホイール７０の製造方法の実施形態のいくつかについて図１２乃至図１６を参照しながら簡単に説明する。

【0076】

（１）第１実施形態
まず、永久磁石７３，７５を準備し、相互の対向面を除く表面をＣＮＴシールで覆う。ＣＮＴシールの被覆に際しては水系エポキシ樹脂を用いる。

【0077】

例えば図１２に示すように、基台１２０上に永久磁石７３を上下逆転させて頂面ＴＳ７３が基台１２０に接するように配置して固定し、印刷技術を用いて、水系エポキシ樹脂に混合された（溶かされた）ＣＮＴを永久磁石７３の底面ＢＳ７３上に塗布、滴下または吹き付ける。印刷技術は、例えば、レーザ法またはインクジェット法等の既知の印刷技術でよい。このとき、ＣＮＴは、インク状になっているので、ノズル５２から永久磁石７３に向かって吐出される。

【0078】

次に、水系エポキシ樹脂に溶かされたＣＮＴを加熱する。これにより、水系エポキシ樹脂から水分が蒸発するとともに、熱によってエポキシ樹脂がＣＮＴを永久磁石７３に圧着する。ＣＮＴは、エポキシ樹脂によって永久磁石７３の底面ＢＳ７３に付着（吸着）する。

【0079】

次いで、基台１２０を傾けて永久磁石７３の側面、例えば側面ＳＳ７３Ａが上方を向くように位置を変更する（図示せず）。底面ＢＳ７３の場合と同様に、印刷技術を用いて、水系エポキシ樹脂に混合された（溶かされた）ＣＮＴをノズル５２から吐出することにより、永久磁石７３の側面ＳＳ７３Ａ上に塗布、滴下または吹き付ける。

【0080】

次に、水系エポキシ樹脂に溶かされたＣＮＴを加熱する。これにより、水系エポキシ樹脂から水分が蒸発するとともに、熱によってエポキシ樹脂がＣＮＴを永久磁石７３に圧着する。ＣＮＴは、エポキシ樹脂によって永久磁石７３の底面ＢＳ７３に付着（吸着）する。

【0081】

以下、他の側面ＳＳ７３Ｂ〜ＳＳ７３Ｄについても同様の工程（水系エポキシ樹脂に溶かされたＣＮＴの塗布、滴下または吹き付け→加熱による圧着）を繰り返す。これにより、永久磁石７３の頂面ＴＳ７３以外の表面にＣＮＴシートが被覆される。

【0082】

永久磁石７５についても同様の工程により、頂面ＴＳ７５を除く底面ＢＴ７５および側面にＣＮＴシートを被覆させる。

【0083】

すなわち、例えば図１２に示すように、基台１２０上に永久磁石７５を上下逆転させて頂面ＴＳ７５が基台１２０に接するように配置して固定し、印刷技術を用いて、水系エポキシ樹脂に混合された（溶かされた）ＣＮＴを永久磁石７５の底面ＢＳ７５上に塗布、滴下または吹き付ける。印刷技術は、例えば、レーザ法またはインクジェット法等の既知の印刷技術でよい。このとき、ＣＮＴは、インク状になっているので、ノズル１５２から永久磁石７５に向かって吐出される。

【0084】

次に、水系エポキシ樹脂に溶かされたＣＮＴを加熱する。これにより、水系エポキシ樹脂から水分が蒸発するとともに、熱によってエポキシ樹脂がＣＮＴを永久磁石７５に圧着する。ＣＮＴは、エポキシ樹脂によって永久磁石７５の底面ＢＳ７５に付着（吸着）する。

【0085】

次いで、基台１２０を傾けて永久磁石７５の側面、例えば側面ＳＳ７５Ａが上方を向くように位置を変更する（図示せず）。頂面ＴＳ７５と同様に、印刷技術を用いて、水系エポキシ樹脂に混合された（溶かされた）ＣＮＴをノズル１５２から吐出することにより、永久磁石７５の側面ＳＳ７５Ａ上に塗布、滴下または吹き付ける。さらに、水系エポキシ樹脂に溶かされたＣＮＴを加熱することにより、水系エポキシ樹脂から水分を蒸発させるとともに、エポキシ樹脂によりＣＮＴを永久磁石７５に圧着（吸着）させる。

【0086】

以後、他の３つの側面ＳＳ７５Ｂ〜７５Ｄについても同様に処理することにより、エポキシ樹脂を用いてＣＮＴを永久磁石７５に圧着（吸着）させる。

【0087】

次に、図１３に示すように、永久磁石７３の形状に対応して凹部１７２が予め配設されたロータプレート７２Ｂを準備する。凹部１７２の底面は、ロータ７２の回転方向に沿って深さが変化するように予め傾斜が形成されている。

【0088】

次いで、凹部１７２に例えば接着剤（図示せず）を塗布した後、永久磁石７３の頂面ＴＳ７３が上方を向くように位置合わせをして凹部１７２に永久磁石７３を嵌め込み、既知の方法を用いて接着剤を固化することにより固定させる。

【0089】

永久磁石７５については、既知の方法により、例えば図５に示すように、ロータ７２の回転方向ＡＲ１上流側の頂面ＴＳ７５端部から側面ＳＳ７５を経て底面ＢＳ７５の一部に至るまで延在する消磁ブロック７８を配設する。

【0090】

その後、図１４に示すように、永久磁石７５の形状に対応して凹部１７４が予め配設されたステータプレート７４Ｂを準備し、該凹部１７４に例えば接着剤（図示せず）を塗布した後、永久磁石７５の頂面ＴＳ７５が上方を向くように位置合わせをして永久磁石７５を凹部１７４に嵌め込み、既知の方法により固定させる。

【0091】

その後は、既知の組み立て方法を用いて筐体２１０（図２および図３参照）にガイド９８を取り付け、ステッピングモータ８６、カップリング８８、タイミングベルト９２、タイミングプーリー９４およびボールねじ９６を含む間隔調整のための機構を組み立てた後、ステータ７４を取り付け、ロータ７２を回転軸６０と共に位置合せした上でステータ７４上に回転可能に取り付けることにより、フライホイール７０が提供される。

【0092】

（２）第２実施形態
上述の製造方法では、永久磁石７３，７５を各プレートの凹部１７２，１７４に位置合せした上で固定することとしたが、プレートのサイズ、磁石の数量に応じて隣り合う磁石の斥力が相互に強く作用し、位置合せの精度が劣化する場合もある。このような場合は、最初から永久磁石７３，７５を用いる代わりに、同一形状の磁気性金属チップを用い、これにＣＮＴシートを被覆し、ロータ７２用として図１３に示したロータプレート７２Ｂの凹部１７２に嵌め込んで固定し、ステータ７４用として図１４に示したステータプレート７４Ｂの凹部１７４に嵌め込んで固定し、その後に、ロータプレート７２Ｂおよびステータプレート７４Ｂ毎にそれぞれ一括して着持しても良い。

【0093】

ロータ７２用の着磁方法としては、例えば図１５に示すように、図１１に示したロータプレート７２Ｂの凹部１７２に磁気性金属チップ１７３を嵌め込んで固定し、この状態でロータプレート７２Ｂ全体を着磁装置３００に取り付け、一括して着磁する。

【0094】

同様に、ステータ７４用の着磁方法としては、例えば図１６に示すように、図１２に示したステータプレート７４Ｂの凹部１７４に磁気性金属チップ１７５を嵌め込んで固定し、この状態でステータプレート７４Ｂ全体を着磁装置３００に取り付け、一括して着磁する。

【0095】

本実施形態によれば、永久磁石７３，７５をロータプレート７２Ｂおよびステータプレート７４Ｂの所望の位置に正確にそれぞれ配設することができるので、高い精度でフライホイールを製造することができる。

【符号の説明】

【0096】

１０…バッテリ、３０…モータ、６０…回転軸、７０…フライホイール、７２…ロータ、７３…（第１）永久磁石、７４…ステータ、７５…（第２）永久磁石、８２…エンコーダ、８４…負荷電流計、８６…ステッピングモータ、８８…カップリング、９０，９３…発電器、９２…タイミングベルト、９６…ボールねじ、９８…ガイド、１００…コントローラ、１７３…（第１）磁気性金属チップ、１７５…（第２）磁気性金属チップ、３００…着磁装置、ＣＮＴ…カーボンナノチューブ、ＯＰ…開口、ＴＳ７２…対向面（第１面）、ＴＳ７４…対向面（第２面）。

【要約】

【課題】簡易な構成で大きな運動エネルギを貯蔵できるフライホイールを提供する。
【解決手段】本発明に係る実施形態に従ったフライホイール７０は、回転可能に設けられた回転軸６０と、回転軸６０に固定されて回転軸６０とともに回転可能なロータ７２と、ロータ７２に対向配置されて回転しないステータ７４と、を含む。ロータ７２は、ステータ７４に対向する面ＴＳ７２に設けられた複数の永久磁石７３を有し、ステータ７４は、ロータ７２に対向する面ＴＳ７４に、永久磁石７３にそれぞれ対応して設けられ、永久磁石７３と同一極性の複数の永久磁石７５を有する。永久磁石７３は、ステータ７４に対向する面ＴＳ７３を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブＣＮＴで覆われ、永久磁石７５は、ロータ７２に対向する面ＴＳ７５を除く表面の少なくとも一部がカーボンナノチューブＣＮＴで覆われている。
【選択図】図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】