特許 6155320 安全装置を有する電気機械式フライホイール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6155320

(24)【登録日】2017年6月9日

(45)【発行日】2017年6月28日

(54)【発明の名称】安全装置を有する電気機械式フライホイール

(51)【国際特許分類】

   F03G 3/08 20060101AFI20170619BHJP

   H02K 7/02 20060101ALI20170619BHJP

【ＦＩ】

   F03G3/08 B

   F03G3/08 D

   F03G3/08 A

   H02K7/02

【請求項の数】15

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2015-500531(P2015-500531)

(86)(22)【出願日】2013年3月12日

(65)【公表番号】特表2015-513034(P2015-513034A)

(43)【公表日】2015年4月30日

(86)【国際出願番号】US2013030620

(87)【国際公開番号】WO2013138390

(87)【国際公開日】20130919

【審査請求日】2016年3月10日

(31)【優先権主張番号】61/611,307

(32)【優先日】2012年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514318127

【氏名又は名称】ロトニックス ホンコン リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】カレヴ，クロード，ミシェル

(72)【発明者】

【氏名】ローゼン，ロバート，エイ．

【審査官】 稲葉 大紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０９６９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９７／０１３３１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００５−５０３０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３０３２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１３４７０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６１−０８５０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０９−５０６３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１９０２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００６１８９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｇ ３／０８

Ｈ０２Ｋ ７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内側エンクロージャおよび外側エンクロージャと、
フライホイールマスと、
第１のフライホイールマス回転速度において、壊れるように設計された前記フライホイールマスの少なくとも第１部分と、
第２のフライホイールマス回転速度において、壊れるように設計された前記フライホイールマスの少なくとも第２部分と、
を備え、
前記内側エンクロージャは前記フライホイールマスを内包し、
前記外側エンクロージャは、前記内側エンクロージャを内包し、
前記第１のフライホイールマス回転速度は、前記第２のフライホイールマス回転速度より小さく、フライホイールマスの速度超過による故障時において、前記フライホイールマスの前記第１部分は、前記フライホイールマスの前記第２部分より前に壊れ、
前記内側エンクロージャに関して前記外側エンクロージャは相対回転する、
ことを特徴とする電気機械式フライホイール安全装置。

【請求項2】

前記内側エンクロージャは、前記フライホイールマスの前記第１部分の破壊から生じる亀裂に耐え、かつ、その後の前記フライホイールマスの前記第２部分の破壊による亀裂にも耐える、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記フライホイールマスは、回転軸線を有し、
前記回転軸線に対して、前記フライホイールマスの前記第１部分は外側レイヤーであり、前記フライホイールマスの前記第２部分は内側レイヤーである、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記フライホイールマスの前記第２部分は、前記フライホイールマスの前記第１部分によって格納された運動エネルギーの量と実質的に等しい運動エネルギーの量を格納するように設計されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

前記フライホイールマスの前記第２部分は、前記フライホイールマスの前記第１部分により外周が包囲されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記内側エンクロージャと前記外側エンクロージャとの間のピボット型ベアリングをさらに備え、
前記フライホイールマスの回転軸線は、前記ピボット型ベアリングの中心を通過する、請求項３に記載の装置。

【請求項7】

前記内側エンクロージャおよび前記外側エンクロージャによって画定された環状空間内のひとつ以上の弾性ベアリングをさらに備え、
前記弾性ベアリングは前記ピボット型ベアリングから離隔されており、
前記弾性ベアリングは、前記内側エンクロージャと前記外側エンクロージャとの間の移動を制限するように選択される、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

少なくともひとつの前記弾性ベアリングは、粘弾性材料を含む、請求項７に記載の装置。

【請求項9】

前記内側エンクロージャ内の真空エンクロージャをさらに備え、
前記内側エンクロージャは前記フライホイールマスの速度超過による故障時の前記フライホイールマスの副産物を格納するように設計された金属製の一次圧力エンクロージャを有し、
前記真空エンクロージャは、金属製エンクロージャを有し、
前記真空エンクロージャの側壁の厚さは、前記金属製の一次圧力エンクロージャの側壁の厚さより薄い、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

前記内側エンクロージャ内に金属製真空エンクロージャをさらに備え、
前記内側エンクロージャは前記真空エンクロージャの外周を包囲するカーボンファイバー合成物からなる側壁を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項11】

前記内側エンクロージャ内の金属製真空エンクロージャと、
エネルギー変換ブロックと、
をさらに備え、
前記エネルギー変換ブロックは、
複数のステーター電気配線およびステーターサポートを有する電動発電機ステーターを含むコアアセンブリと、
電動発電機ローターおよび前記フライホイールマスを有するスピニングアセンブリと、
を有し、
前記電動発電機ローターは前記電動発電機ステーターの外周に位置する、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項12】

互いに離隔された、内側エンクロージャ用の第１の蓋および外側エンクロージャ用の第２の蓋と、
前記第１の蓋の第１開口部および前記第２の蓋の第２開口部と、
前記第１の蓋と、前記第２の蓋との間に配置された分離可能なステーター配線カップリングと、
をさらに備え、
前記ステーター配線カップリングは、ステーター配線とカップリング配線との間に電流経路を与え、
前記ステーター配線は、ステーター巻き線と前記ステーター配線カップリングとの間で伸長し、
前記ステーター配線は、前記第１開口部を通過し、
前記カップリング配線は、前記ステーター配線カップリングと前記外側エンクロージャの外側位置との間で伸長し、
前記カップリング配線は前記第２開口部を通過し、
前記第１の蓋および前記第２の蓋は、前記ステーター配線カップリングを分離するべく相対回転する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。

【請求項13】

蓋中心線が、前記第１の蓋および前記第２の蓋の中心を通り、
前記第１開口部と前記第２開口部とは、角度方向にオフセットされており、
前記オフセットは、前記第１開口部と前記第２開口部との間の距離を伸ばすように作用し、
前記オフセットは、前記ステーター配線カップリングおよび前記ステーター配線と前記カップリング配線との隣接部分を、前記蓋中心線に平行な線に関して所定の角度で方向付けるように作用し、
前記オフセットがない場合に比べ、前記オフセットは、前記ステーター配線カップリングを分離するのに必要な、前記内側エンクロージャおよび前記外側エンクロージャの相対回転を減少させるように作用する、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

複数のステーター配線カップリングと、
前記複数のステーター配線カップリングにそれぞれ関連する複数のステーター配線およびカップリング配線と
をさらに備え、
前記複数のステーター配線の各々は前記第１開口部を通過し、
前記複数のカップリング配線の各々は前記第２開口部を通過し、
少なくともひとつの前記ステーター配線と前記カップリング配線との組み合わせは、他の一つ以上のステーター配線とカップリング配線との組み合わせと異なる長さを有し、
前記異なる長さは、前記第１の蓋および前記第２の蓋の相対回転に応答してステーター配線カップリングの分離の交互シーケンスを与えるように作用する、請求項１２または１３に記載の装置。

【請求項15】

前記内側エンクロージャ用の内側エンクロージャ蓋と、
前記外側エンクロージャ用の外側エンクロージャ蓋と、
前記内側エンクロージャ蓋の第１開口部と、
前記外側エンクロージャ蓋の第２開口部と、
前記第１開口部および前記第２開口部を通じて伸長するステーター配線と、
前記フライホイールマスの速度超過による故障中に、前記内側エンクロージャ蓋および／または前記外側エンクロージャ蓋に関して、前記ステーター配線が相対的に移動するとき、前記ステーター配線を切断するように構成されたカッターと、
をさらに備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ここに参考文献として組み込む、２０１２年３月１５日出願の「安全装置を有する電気機械式フライホイール」と題する米国仮特許出願第６１／６１１，３０７号の優先権の利益を主張するものである。

【0002】

本願発明は、電気機械分野の技術に関し、特に、複数壁格納システムにより、電気機械的フライホイールの真空、安全性、熱伝達および支持機能の少なくとも一部が可能となる電気機械式装置に関する。

【背景技術】

【0003】

周知のフライホイールは、運動エネルギーを蓄積する。このエネルギーを解放するよう要求されると、フライホイールは運動エネルギーが減少するに従い遅くなる。フライホイール駆動および電気機械式により駆動されるフライホイールも周知である。数十年の間、この電気機械的装置が作られ、さまざまな動作を達成してきた。しかし、最も進化した商業的装置でさえ、性能がよりよい代替品よりコストが高く、かつ、有意な動作制限にさらされるので、多くの業者はフライホイールの製造を避けてきた。小さいフライホイール製造業者による賢明な努力にも拘わらず、近代の電気機械式フライホイールは、わずかな隙間市場での狭い応用分野で見受けられ、現在の発達した世界的エネルギー供給に対して有意な寄与をしていない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電気機械的フライホイールは、大気圧条件下で動作する装置および真空条件下で動作する装置を含む。真空環境で装置の動作は高速運転において有効であるが、磁気部品の温度、安全な格納容器を管理するための有用な技術によって制限されてきた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本願発明は、複数のエンクロージャを有する電気機械式フライホイールを与える。

【0006】

ある態様において、電気機械式フライホイールは、電動発電機ステーターを含むコアアセンブリと、ステーターの周りに配置される電動発電機ローターと、ステーターは回転軸線を画定し、回転軸線の周りに位置するフィールドコイルを有し、回転軸線の周りに位置しないアーマチュアコイルを有し、ローターの周りに位置し、ローターと一緒に回転するようにローターに結合されたフライホイールマスと、フライホイールマスを内包する排気可能なハウジングとを有する。ローターは第１および第２の離隔されたサスペンションアセンブリによって支持され、第１サスペンションアセンブリは、ローターをセンタリングしかつ浮揚させる力を印加するための第１電磁気ベアリングを有し、第２サスペンションアセンブリは、ローターをセンタリングさせる力を印加するための第２電磁石ベアリングを有する。

【0007】

ある態様において、電気機械式フライホイール格納システムは、内側および外側壁を画定する内側および外側エンクロージャと、内側および外側エンクロージャのそれぞれの壁の間の一次圧力壁および／またはシールドと、電動発電機ステーターおよびステーターサポートを含むコアアセンブリ、および、電動発電機ローター、フライホイールマスおよびハブを含むスピニングアセンブリを有するエネルギー変換ブロックと、電動発電機ステーターを包囲する電動発電機ローターと、エネルギー変換ブロックを内包する内側エンクロージャと、内側エンクロージャを内包する外側エンクロージャと、冷媒を移送するための第１環状流路であって、第１環状流路の外径は外側エンクロージャの壁によって仕切られるところの第１環状流路とを有し、冷媒を移送するための格納システム流体回路は第１環状流路およびステーターサポート流路を有する。

【0008】

ある態様において、電気機械式フライホイール格納システムはさらに、同軸に配置された内側および外側エンクロージャの内側壁および外側壁と、内側壁を包囲する一次圧力壁と、外側エンクロージャの外側壁に包囲されたシュラウドと、シュラウドによって仕切られた第２環状流路および一次圧力壁とを有し、冷媒を移送するための格納システム流体回路は第２環状流路を有する。

【0009】

他の態様において、電気機械式フライホイール格納システムは、内側および外側壁をそれぞれ画定する内側および外側エンクロージャと、内側および外側壁の間の一次圧力壁と、冷媒を移送するための環状流路と、一次圧力壁により仕切られた環状流路の内径と、内側エンクロージャからぶら下がる電動発電機ステーターと、電動発電機ローターを含み、回転軸線を画定し、電動発電機ステーターを包囲しかつ回転軸線を画定するローターアセンブリと、ローターを包囲しかつ結合されたフライホイールマスとを有し、ステーターのフィールド巻き線は回転軸線の周りに位置し、ステーターのアーマチュア巻き線は回転軸線の周りに位置しない。

【0010】

ある態様において、電気機械式フライホイール安全装置は、内側および外側エンクロージャと、フライホイールマスと、フライホイールマスを内包する内側エンクロージャと、内側エンクロージャを内包する外側エンクロージャと、第１のフライホイールマス回転速度で壊れるように設計されたフライホイールマスの少なくとも第１部分と、第２のフライホイールマス回転速度で壊れるように設計されたフライホイールマスの少なくとも第２部分とを有し、第１フライホイールマス回転速度は第２フライホイールマス回転速度より小さく、フライホイールマスの速度超過時において、フライホイールマスの第１の部分が第２の部分よりも先に故障する。他の態様において、フライホイールマスの第１部分の故障から生じる亀裂に耐えるよう機能する内側エンクロージャ設計が与えられる。フライホイールマスの第２部分がその後に故障したときの亀裂にも耐えるように機能する。

【0011】

ある態様において、電気機械式フライホイール安全装置は、内側および外側エンクロージャと、フライホイールマスと、フライホイールマスを内包する内側エンクロージャと、内側エンクロージャを内包する外側エンクロージャと、外側レイヤーの下に内側レイヤーを含むフライホイールマスであって、内側および外側レイヤーはフライホイールマスの回転軸線を包囲し、第１のフライホイールマス回転速度で壊れるように設計された外側レイヤーと、第２フライホイールマス回転速度で壊れるように設計された内側レイヤーとを有し、第１フライホイールマス回転速度は、第２フライホイールマス回転速度より小さく、フライホイールマスの速度超過時に、外側レイヤーは内側レイヤーより前に故障する。他の態様において、フライホイールマス内側レイヤーは外側レイヤーによって蓄積された運動エネルギーの量と実質的に同じ量の運動エネルギーを蓄積するように設計されており、内側レイヤーは外側レイヤーによって外周を包囲され、内側および外側エンクロージャの間にピボット型ベアリングを有し、フライホイールマスの回転中心線はピボットベアリングを通過し、一つ以上の弾性ベアリングがピボット型ベアリングから離隔され、ベアリングは第１および第２エンクロージャの間の移動を制限し、少なくともひとつのベアリングは粘弾性材料を含み、内側エンクロージャ内の真空エンクロージャであって、内側エンクロージャはフライホイールマスの速度超過による副産物を収容するように設計された金属製の一次圧力エンクロージャであり、真空エンクロージャは金属製エンクロージャであり一次圧力エンクロージャの側壁の厚さに比べ比較的薄い側壁を有し、内側エンクロージャ内の金属製真空エンクロージャと、内側エンクロージャは、真空エンクロージャを包囲するカーボンファイバー合成物の側壁を有し、内側エンクロージャ内のエネルギー変換ブロックは、複数のステーター電気配線およびステーターサポートを有する電動発電機ステーターを含むコアアセンブリと、電動発電機ローターおよびフライホイールマスと、電動発電機ローターは、電動発電機ステーターを包囲し、互いに離隔した内側および外側エンクロージャの蓋と、内側エンクロージャの蓋の第１開口部と、外側エンクロージャ蓋の第２開口部と、エンクロージャの蓋の間に配置された分離可能なステーター配線カップリングとを有し、ステーター配線カップリングは、ステーター配線とカップリング配線との間に電流経路を与え、ステーター配線は、ステーター巻き線とステーター配線カップリングとの間で伸長し、ステーター配線は第１開口部を通過し、カップリング配線は、ステーター配線カップリングと外側エンクロージャの外部との間で伸長し、カップリング配線は第２開口部を通過し、内側および外側蓋の相対的回転により分離可能なステーター配線カップリングは分離され、蓋の中心線はエンクロージャ蓋の中心を通過し、第１および第２開口部の間は角度的にオフセットされ、第１および第２開口部の間の距離が延長するようにオフセットされ、オフセットは、ステーター配線カップリングおよび、ステーター配線とカップリング配線との隣接部分を蓋中心線と平行な線に関して所定の角度に方向付けるように機能し、オフセットがない場合に比べ、オフセットは、ステーター配線カップリングを分離するのに必要な内側および外側エンクロージャの相対回転を減少させるように機能し、複数のステーター配線カップリングおよびそれぞれのステーター配線およびカップリング配線であって、各々のステーター配線は第１開口部を通過し、各々のカップリング配線は第２開口部を通過し、各々のステーター配線およびカップリング配線の組み合わせは、他のひとつ以上のステーター配線およびカップリング配線の組み合わせと異なる長さを有し、異なる長さは、内側および外側蓋の相対回転に応答してステーター配線カップリングの交互分離シーケンスを与える。

【0012】

ある態様において、電気機械式フライホイール安全装置は、第１、第２および第３の入れ子状エンクロージャと、電動発電機ステーターおよびステーターサポートを有するコアアセンブリと、電動発電機ローターおよびフライホイールマスを含むスピニングアセンブリとを有するエネルギー変換ブロックと、電動発電機ローターは電動発電機ステーターを包囲し、第３エンクロージャはエネルギー変換ブロックを内包し、第２エンクロージャは第３エンクロージャを内包し、第１エンクロージャは第２エンクロージャを内包し、第１と第２エンクロージャとの間のピボット型ベアリングであって、スピンイングアセンブリの回転中心はピボット型ベアリングの接触点を通過し、第１および第２エンクロージャによって画成される環状空間内のひとつ以上の弾性ベアリングであって、弾性ベアリングはピボット型ベアリングから離隔されており、ベアリングは、第１および第２のエンクロージャの間の移動を制限するように選択される、弾性ベアリングとを有する。さまざまな態様において、一つ以上の弾性ベアリングは粘弾性材料を含む。

【0013】

ある態様において、電気機械式フライホイール安全装置の動作方法は、ローターを包囲する第２エンクロージャを包囲する一次エンクロージャを与えて、電磁気ベアリングにより磁気浮揚を電動発電機ローターに与え、エンクロージャの間に配置されたピボット型ベアリングにより第２エンクロージャの重量を支持し、エンクロージャの間の環状空間内に配置された粘弾性ベアリングを使ってエンクロージャ間の移動を制限することによって、浮揚した電動発電機ローターを定位置に維持するのに必要な電磁気ベアリング力を減少させる工程を有し、ベアリングはピボットベアリングから離隔されている。

【0014】

ある態様において、電気機械式フライホイール安全装置の動作方法は、フライホイールマスを複数の段階的に故障する構造で設計することにより、フライホイールマスの故障に関連するパワーを制限する工程を有する。

【0015】

本願発明は、図面を参照して説明される。しかし、ここで示す図面は例示に過ぎず、当業者であれば、これらの記載から、本願発明を実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本願発明に従う電気機械式フライホイール装置のブロック図である。

【図2】図２は、図１の電気機械式フライホイール装置の選択した機能およびイクイップメントを示す。

【図3A】図３Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置の第１の実施形態を示す。

【図3B】図３Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置で使用するためのスピニングアセンブリを示す。

【図3C】図３Ｃは、図３Ｂのスピニングアセンブリのｙ−ｙ断面図を示す。

【図4】図４は、図１の電気機械式フライホイール装置の第２の実施形態を示す。

【図5A】図５Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置のローター磁極を示す。

【図5B】図５Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置のローター磁極およびステーターを示す。

【図6】図６は、図１の電気機械式フライホイール装置の下部ベアリングアセンブリおよびその関連部品を示す。

【図7】図７は、図１の電気機械式フライホイール装置の上部ベアリングアセンブリおよびその関連部品を示す。

【図8】図８は、図１の電気機械式フライホイール装置の第３の実施形態を示す。

【図9A】図９Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置の格納システムを示す。

【図9B】図９Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置の格納システムを示す。

【図9C】図９Ｃは、図１の電気機械式フライホイール装置の格納システムを示す。

【図9D】図９Ｄは、図１の電気機械式フライホイール装置の格納システムを示す。

【図9E】図９Ｅは、図１の電気機械式フライホイール装置の格納システムを示す。

【図10A】図１０Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置の機械的分離を示す。

【図10B】図１０Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置の機械的分離を示す。

【図10C】図１０Ｃは、図１の電気機械式フライホイール装置の機械的分離を示す。

【図10D】図１０Ｄは、図１の電気機械式フライホイール装置の機械的分離を示す。

【図11A】図１１Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置のエネルギー消散を示す。

【図11B】図１１Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線の分離を示す。

【図11C】図１１Ｃは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線の分離を示す。

【図11D】図１１Ｄは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線の分離を示す。

【図12A】図１２Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線カッターを示す。

【図12B】図１２Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線カッターを示す。

【図12C】図１２Ｃは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線カッターを示す。

【図12D】図１２Ｄは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線カッターを示す。

【図12E】図１２Ｅは、図１の電気機械式フライホイール装置のステーター配線カッターを示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本願発明のいくつかの実施形態を説明する。デザイン、図面および説明は本願発明の実施形態の一例に過ぎず、これに限定するものではない。例えば、ここに開示されたもの以外の実施形態は、これらの特徴を含んでも含まなくてもよい。また、開示された利点および利益は、本願発明の特定の実施形態にのみ適用され、開示される発明はそれに限定されない。

【0018】

図１は、電気機械式フライホイール１００を示す。電気的相互接続１０４は、エネルギー変換ブロック１０２、パワーエレクトロニクスおよびコントロール１０６、および、電力ネットワーク１０８を電気的に接続する。

【0019】

特に断らない限り、ここで使用する用語“接続”は、Ｂに直接接続されるＡ、Ｄを介してＥに間接的に接続されるＣを指す。

【0020】

エネルギー変換ブロック１０２は、スピニングアセンブリ１１０およびコアアセンブリ１１２を有する。格納システム１０１は、以下で説明するひとつ以上の格納特徴を有する。スピニングアセンブリ１１０は、電動発電機ローター１１４、フライホイールマス１１６、および、ハブ１１８を有する。コアアセンブリ１１２は、電動発電機ステーター１２０および電動発電機ステーターサポート１２２を有する。さまざまな例において、スピニングアセンブリ１１０は、示すように、シャフトレスである。

【0021】

電気的相互接続１０４は、任意の電気的導体接続、電気的インターフェース装置、電気的トランスデューサ等を有する。パワーエレクトロニクスおよびコントロール１０６は、任意のシリコンおよび／または半導体装置、および／またはデジタルプロセッサ、およびヒューマンインターフェースを含む関連インターフェースを有する。電力ネットワーク１０８は、１）ある例において、エネルギー変換ブロック１０２への電力源であり、２）ある例において、エネルギー変換ブロック１０２からの電力ユーザであり、３）ある例において、エネルギー変換ブロック１０２への電力源であり、かつ、エネルギー変換ブロック１０２からの電力のユーザである。

【0022】

図２は、選択された電気機械式フライホイール装置の機能およびイクイップメント２００を示す。エネルギーストレージ２０２はフライホイール動作の中心である。電気機械式フライホイールにおいて、エネルギーストレージ２０２およびエネルギー変換２０４は運動エネルギーを電力に変換する手段、および／または、電力を運動エネルギーに変換するための手段を与える。エネルギー伝達２０６は、エネルギー変換のイクイップメント２２０、２１６と電力ネットワーク１０８との間で電力の伝達をもたらす。さまざまな例において、回路ブレーカー２３０のような電気スイッチは、電力伝達を可能にする導体の接続および切断をもたらす。さまざまな例において、他の電気機械式フライホイール装置の機能は、以下に説明するいくつかの補助サポート機能を有する。

【0023】

エネルギーストレージ２０２はスピニングアセンブリ１１０を使用する。さまざまな例において、サスペンションシステム２１０はスピニングアセンブリ１１０を支持する。サスペンションイクイップメントは、ベアリングまたはそれと同様の部材２１２を有する。ある例において、受動シャットダウンシステム２１５は、シャットダウンなどの選択された動作再開においてスピニングアセンブリ１１０を支持する。

【0024】

エネルギー変換２０４は、ジェネレータまたは電動発電機のような運動エネルギーを電力に変換する手段を利用する。電動発電機２２０が示されている。電動発電機２２０は、ローター１１４およびステーター１２０を有し、スピニングアセンブリ１１０を回転駆動するための手段、および、スピニングアセンブリ１１０によって回転駆動される手段を与える。さまざまな例において、パワーエレクトロニクス２１６は、電動発電機２２０および／または電力ネットワーク１０８から放出される電気波形の調整を可能にする。例えば、さまざまな例において、パワーエレクトロニクス２１６は、中間ＤＣバス有するＡＣ−ＡＣコンバータにおいて周波数変換を与える。また、パワーエレクトロニクス２１６はフライホイールのローター１１４を加速するような可変速度駆動機能を与える。

【0025】

さまざまな例において、補助サポート機能２０８は以下に詳細に説明する補助サポートイクイップメントにより実行される。補助サポート機能２０８は、ハウジング２４０、安全装置２４２、真空装置２４４、冷却装置２４８、および、マン-マシンインターフェース２４６を有する。

【0026】

制御機能２０５は、監視、評価、命令および他の電気機械式フライホイール機能の制御の一つ以上を与える。特に、制御機能２０５は、エネルギーストレージ２０２、エネルギー変換２０４、エネルギー伝達２０６、および補助サポート２０８機能のひとつ以上の監視および／または制御を通じて電気機械式フライホイールの動作を可能にする。

【0027】

図３Ａは、電気機械式フライホイールの第１部分３００を示す。エネルギー変換ブロック３０２は付加的な外側ハウジング３３８により包囲された内側ハウジング３２８に包囲されている。

【0028】

エネルギー変換ブロック３０２は、スピニングアセンブリ３１０およびコアアセンブリ３２１を有する。スピニングアセンブリ３１０内に含まれるのは、電動発電機ローター３１４、電動発電機ローター３１４に接続され外周を取り囲むフライホイールマス３１６、フライホイールマス３１６に結合されたハブ３１８、および、可動サスペンションエレメント３４４である。いくつかの例において、非磁性のスリーブが、とりわけローター３１４を支持するために、ローター３１４とフライホイールマス３１６との間に挿入されている。ローター３１４、フライホイールマス３１６、ハブ３１８および可動サスペンションエレメント３４４は、軸線ｘ−ｘに関して回転対称である。さまざまな例において、ハブ３１８はローター３１４に対して位置３５０に、および、フライホイールマス３１６に対して位置３５２に、それぞれまたは一方に取り付けられている。可動サスペンションエレメント３４４に対向して、内側ハウジング３３２の第１の壁を介して支持された固定サスペンションエレメント３４６がもうけられている。コアアセンブリ３１２には、ステーター３２０およびステーターサポート３２２が含まれる。ある例において、ステーターサポート３２２は内側ハウジング３３４の第２の壁に結合されている。

【0029】

電動発電機ステーター３２０の外周を包囲するのは、電動発電機ローター３１４である。さまざまな例において、ローター３１４は、磁石部３５４および非磁石部３５６を有する。ある例において、非磁石部３５６は、磁石部３５４をブロックまたは支持するマトリクス材料を有する。ある例において、磁気ローター部は、積層構造である。

【0030】

さまざまな例において、ステーター３２０は、可変電流を流すことができる導電体巻き線を有する一つ以上のコイルを有する磁石構造を含む。それによって、磁気構造体の磁束を変化させることができる。ある例において、第１ステーターコイル３６４は、軸線ｘ−ｘに対してほぼ垂直に交差する軸線ｙ−ｙの周りに形成されている。ある例において、第２ステーターコイル３６８は軸線ｘ−ｘの周りに形成されている。ある例において、複数の第１ステーターコイル３６４が軸線ｙ−ｙの周りに形成され、一つ以上の第２ステーターコイル３６８が軸線ｘ−ｘの周りに形成されている。第１ステーターコイル３６４はアーマチュアコイルであり、第２ステーターコイル３６８はフィールドコイルである。

【0031】

またある例において、電動発電機３６０は、内部構成（ローターがステーターを包囲する）で示されるような単極装置である。当該単極装置は、ａ）ローター３１４と類似の回転可能ローターが、コイルレスの積層磁石構造を有し、ｂ）ステーター３２０に類似の固定中心ステーターは磁気構造体内部の磁束を形成するためのコイルを有する積層磁気構造体を有し、ｃ）ローターはステーターを包囲している。

【0032】

図３Ｂは、図１の電気機械式フライホイールとともに使用するスピニングアセンブリ３００Ｂを示す。スピニングアセンブリ部品は、フライホイールマス３５７、電動発電機ローター３５２、および、ハブ３５８を有する。さまざまな例において、フライホイールマス３５７は、ひとつ以上の層３５４、３５６を有する。それぞれの層は一つ以上の材料から形成されている。材料は、ひとつの以上のローター速度、温度を含む環境、寿命、強度、耐久性、信頼性、脱ガス量、および、他の動作性、信頼性およびコストに耐える基準に適した材料特性を与えるよう選択される。概して、適切な材料としては、ポリマー補強ファイバーの合成物、例えば、グラスファイバーおよび一つ以上の種類およびグレードのエポキシ補強カーボンを有するグラスファイバーおよびポリマー補強カーボンの強い合成物を含む。ここに参考文献として組み込む、「移動エネルギーストレージ用のフライホイールシステム用ハブおよびシリンダデザイン」と題する、米国特許第６，１７５，１７２号には、フライホイールマス構造技術および材料が開示されている。

【0033】

当業者であれば理解できるように、フライホイールマスの故障は、安全性に関するリスクをもたらす。特に、電動発電機の速度は、異常環境内でフライホイールマスストレスを作り出す。例えば、フープストレスは、フライホイールマスの故障の原因となる。このような故障中のエネルギーは、消散させなければならず、故障した部材は封じ込めなければならない。

【0034】

エネルギー消散手段は特定の時間間隔にわたって解放される特定量のエネルギーを消散するように設計される。エネルギー消散手段の電力定格は、単位時間あたりに放出される故障に関連するエネルギーを減少させることにより減少する。エネルギー消散手段の電力容量定格は故障による全エネルギー放出量を減少させることによって減少させることができる。

【0035】

ある例において、故障によるエネルギー量およびそのエネルギーの放出速度は、少なくとも第１および第２部分を有するフライホイールマスを使用することで減少する。ここで、第１部分は、速度超過などに起因して第２部分が故障する前に故障するように設計されている。フライホイールマスの故障はフライホイールマスの物理的特性を超える条件が原因であるか、フライホイールマスの一部が故意に弱い機械的故障および／または爆発、加熱、切断、衝撃等などの極端な力の印加に起因する。

【0036】

ある例において、フライホイールマスの一部はフライホイールマスのレイヤーである。例えば、第１部分として第１層および第２部分として第２層を有する２部構成のフライホイールマスが使用される。

【0037】

図３Ｂ、３Ｃに示すように、フライホイールマス３５７は、２つのレイヤー３５４、３５６を有する。２つのレイヤーは電動発電機ローターに隣接する内側レイヤー３５４および外側レイヤー３５６を含む。速度超過で故障するシナリオでは、外側レイヤー３５６の故障は、内側レイヤー３５４の故障の前に生じるように設計されている。外側レイヤー３５６の故障は、繊維およびマトリクス材料を含む材料、レイヤーの厚さ、製造方法、第１レイヤーと第２レイヤーとの間のインターフェース材料、衝撃装置、爆破装置、および真空エンクロージャ加圧などを適当に使うことにより実施可能である。

【0038】

外側レイヤー３５６が壊れたとき、外側レイヤー、すなわちフライホイールマスの最大直径部分が失われるので、先端速度（先端速度＝半径×角速度、または、先端速度＝ｒ×ω）は最初減少する。先端速度は、その後、フライホイールマスを遅くさせるウインデージなどの摩擦プロセスを含むエネルギー消散プロセスにより、さらに減少する。さまざまな例において、フライホイールの速度超過による故障は、電気機械式フライホイール電動発電機への電力供給を断つ。つまり、フライホイールマス故障後にフライホイールマスの速度を増加または維持するための手段が断たれる。

【0039】

速度超過中にフライホイールマスの外側部分を擬制にしながらフライホイールマスの内側部分を保存することにより、速度超過によりフライホイールマスの故障が起きた場合に解放される全エネルギー量を減少させることができる。フライホイールマスが故障中に解放されるエネルギーの速度も減少する。結果として、フライホイールの故障により解放されるエネルギーを消散するように設計された安全装置の定格電力が減少する。

【0040】

ある例において、フライホイールマス３５７の内側レイヤー３５４および外側レイヤー３５６は、運動エネルギーを等しい割合（５０／５０）または、ほぼ等しい割合（５０／５０±２０％）で保存するように設計される。この例において、エネルギー消散の電力定格は、他で要求されるものの約半分にまで減少される。

【0041】

ある例において、フライホイールマス３５７の内側レイヤー３５４は強度Ｓ１を有する材料から形成されており、フライホイールマス３５７の外側レイヤー３５６は強度Ｓ２を有する材料から形成されている。Ｓ１およびＳ２は、外側レイヤー３５６が電動発電機の第１の超過速度で故障し、内側レイヤー３５４はそれより速い電動発電機の第２の超過速度で故障するように選択される。下記の表は、選択材料の例を示す。

【表1】

【0042】

ＳＩ単位系におけるゼロ度での極限強度（ＭＰａ）において、３００−４００の範囲のグラスファイバー材料、１０００−１３００の範囲の低強度カーボンファイバー材料、および、１３００−１６００の範囲の高強度カーボンファイバー材料を含む。

【0043】

ある例において、中間および外側レイヤーはカーボンファイバー材料を含み、内側レイヤーはグラスファイバーを含む。他の例において、３つのレイヤーのすべては、実質的にカーボンファイバー材料から形成されている。さまざまな例において、ひとつ以上のレイヤーはテンションをかけてファイバーを巻くことにより予め応力がかけられており、固有の圧縮応力を有する円筒形シェルを実質的に形成する。

【0044】

図４は、第２の実施形態にかかる電気機械式フライホイール４００を示す。エネルギー変換ブロック４０２は、外側ハウジング（図示せず）によって、全体または一部を包囲された内側ハウジング４２８によって包囲されている。

【0045】

エネルギー変換ブロック４０２は、スピニングアセンブリ４１０およびコアアセンブリ４１２を有する。スピニングアセンブリ４１０は、電動発電機ローター４１４、ローターを包囲し、かつ、結合されたフライホイールマス４１６、フライホイールマス４１６に接続されたハブ４１８、ハブ４１８を支持するためのサポートピン４９６、および、ハブ４１８を支持するための可動サスペンションアセンブリ４９２を含む。

【0046】

さまざまな例において、フライホイールマス４１６は、一つ以上の種類またはグレードのガラス繊維および、一つ以上の種類またはグレードの炭素繊維のような異なる材料の層を有する。ここに参考文献として組み込む、“ＨＵＢ ＣＹＬＩＮＤＥＲ ＤＥＳＩＧＮ ＦＯＲ ＦＬＹＷＨＥＥＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＭＯＢＩＬＥ ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＯＲＡＧＥ”と題する米国特許第６，１７５，１７２号にはフライホイールマス構造技術および材料が記載されている。

【0047】

図に示すように、フライホイールマス４１６は、ローターに隣接する第一の層としての内側層４１７、中間層４１９、および、外側層４２１を有する。ある例において、中間層４１９および外側層４２１は炭素繊維材料を含み、内側層４１７はガラス繊維を含む。他の例において、三層すべてが実質的に炭素繊維から形成されている。さまざまな例において、一つ以上の層が、テンションがかかった巻き繊維により予め応力がかけられており、固有の圧縮応力によって実質的に円筒形状のシェルを形成する。

【0048】

サポートピン４９６、可動サスペンションアセンブリ４９２、および、ハブ４１８は同軸上に配置されており、軸線ｘ−ｘに関して回転対称である。サポートピン４９６は上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４との間のギャップ４９１の中に配置されている。ステーターサポート４２２から延在するのは、上部ベアリングキャリア４９０である。ハウジング４３２の第１の壁に支持されるのは、下部ベアリングキャリア４９４である。ある例において、上部ベアリングキャリア４９０の軸線ｘ−ｘに沿った長さ４９３は、上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４との間でサポートピン４９６を回転可能に保持するように機能する。この意味で、上部および下部ベアリングキャリアはサポートピン４９６を介してスピニングアセンブリ４１０を捕捉する手段を与え、受動シャットダウンを含む機能に対して有用である。さまざまな例において、下部ベアリングキャリア４９４および可動サスペンションアセンブリ４９２は第１の電磁気ベアリングを導入する。

【0049】

第２の電磁気ベアリング４５１は、上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４から離隔されている。第２の電磁気ベアリング４５１は、ステーターサポート４２２によって支持された固定ベアリングステーター４５４、ステーターを磁化するための電気巻き線４５２、ローターに結合された対向位置ローター４５６を有する。図に示すように、電磁石の係合面４９８、４９９は、電磁石ベアリング力が軸線ｘ−ｘに対して垂直となるように、軸線ｘ−ｘに対して平行である。他の例において、上記傾斜した電磁石ベアリング面は、軸線ｘ−ｘに平行な線に沿った成分と、軸線ｘ−ｘに対して垂直な線に沿った成分とを有する電磁気ベアリング力を与える。

【0050】

コアアセンブリ４１２には、ステーター４２０および、内側ハウジング４２８の第２の壁４３４に結合されたステーターサポート４２２が含まれる。電動発電機ローター４１４は電動発電機ステーターを包囲する。さまざまな例において、ローターは磁石および非磁石部分（例えば、図３の３５４、３５６参照）を有する。ある例において、非磁石部分は磁石部分を支持またはブロックするマトリクス材料を含む。ある例において、磁石ローター部分は積層体構造を有する。

【0051】

さまざまな例において、ステーター４２０は、可変電流を運ぶことができる導電体巻き線を有する一つ以上の一体型コイルを含む磁石構造を有する。それによって、磁石構造は、磁束を変化させる。

【0052】

典型的な、単極ステーターは、少なくとも２つの周辺リムおよび一つのより小さい中間リムを有する。これらのリムは、鉄のような磁性材料を含む。さまざまな例において、リムはそれぞれが実質的に環状の積層構造体である。

【0053】

図に示すように、ステーター４２０は、３つの大きい直径のリム４６４、４６６、４７０および２つの小さい直径のリム４８４、４８８を有する。実質的に環状またはドーナツ形状のポケット４８１が大きい直径のリムと小さい直径のリムとの間に形成されている。これらの３つのポケットの中で、軸線ｘ−ｘを回転軸として、それを包囲するようにコイルが配置され、フィールド巻き線４８２、４８６を形成する。フィールドコイルに加え、ステーター４２０はアーマチュアコイル４５０も含む。

【0054】

アーマチュアコイル４５０は、各アーマチュアコイルが回転軸ｘ−ｘと実質的に垂直の軸線ｙ−ｙを包囲するように、大きいリム４６４、４６６、４７０の周辺においてスロット４８３と嵌合する（図３参照）。

【0055】

ステーター４２０の各リムに対して、複数のローター磁極が存在する。外側のステーターリム４６４、４７０は軸線方向に離隔したローター磁極４６２、４６８（図中の実線で示す）を有し、中央のステーターリム４６６は軸方向に隣接するローター磁極４６３、４６９（図中の破線で示す）を有する。隣接するリム用のローター磁極（例えば、４６２、４６３）は軸線方向（ｘ−ｘ）に離隔されているだけでなく、ひとつのリム用のローター磁極が隣接するリムと関連する最も近いローター磁極から９０電気角度だけ半径方向に離隔されるように、半径方向においても離隔されている。

【0056】

さまざまな例において、ターボ分子ポンプのような内部真空ポンプがフライホイールマス４１６から分子を除去するために与えられる。特に、速度が最大となるフライホイールマス周縁から分子を除去する。ここに参考文献として組み込む、米国特許第５，４６２，４０２号の“ＦＬＹＷＨＥＥＬ ＷＩＴＨ ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ ＰＵＭＰ”には、ターボ分子ポンプおよびそれを組み込んだフライホイールシステムが記載されている。

【0057】

ある例において、第１の真空ポンプは、フライホイールマスの面４５９に関して近接して離隔された、ハウジング壁４３４から支持された固定ラビリンス形状リング４５８により形成されている。さまざまな例において、ラビリンスリングの溝は、動くフライホイール面４５９に対して排気作用を与える。ある例において、その溝は流れの方向に沿って概して減少する断面積を有するスパイラル形状である。またある例において、第２の真空ポンプは上記したものに類似のラビリンスリングによって形成される。それは、ステーター周辺部品（大きい直径のステーターリング４５４、４６４、４６６、４７０など）に固定されるか、または、対向位置ローター極（４５６、４６２、４６３、４６９、４６８）に固定される。

【0058】

ある例において、吸気領域および排気領域は真空可能な内側ハウジング４２８の内部に含まれる。吸気領域の少なくとも一部は、内側ハウジング４２８、ハブ４１８の外側面４１７、および、フライホイールマス４１６の外周面４１３の部分によって画定された境界を有する。排気領域の少なくとも一部は、真空バリアハウジングおよびコアアセンブリ４１２の部分によって画定された境界を有する。第１ドラグポンプは、フライホイールマス４１６の面４５９と真空バリアのハウジング壁４３４との間に設けられる。第２ドラグポンプは少なくともひとつのステーターリング４６６とローター４１４との間に設けられる。

【0059】

図５Ａは、２＋２極のシングルステージ単極装置５００Ａ用の隣接極平面におけるローター極の半径方向の千鳥配列を示す。ローター断面図５０２およびローター５１４を参照して、第１極４６２は第１極平面Ｙ１に配置され、反対位置の極４６３は同じ平面内に配置されている。同様の時計回りに隣接する極面Ｙ２において、隣接する面の極４６５はＹ１面の極の間にある。この断面図では、Ｙ２面４６４内の第２極は存在しない。

【0060】

極面Ｙ１、Ｙ２の平面図５０４、５０６は各極面における極４６２、４６３、４６４および４６５を示す。それらは９０°の角度だけ分離されている。この４極実施形態において、極は同様に９０電気角度だけ分離されている。

【0061】

さまざまな例において、磁路は、隣接する千鳥格子極の間で伸長する。例えば、極アセンブリ５０８、５１０に示すように、磁路４６６、４６８は、極対４６２、４６３と４６３、４６４との間で伸長する。ここに示すように、磁路４６２−４６６−４６５および４６３−４６８−４６４によって、２つの連続磁路が４極装置ローター内に形成される。ある例において、それぞれの磁路アセンブリ４６２−４６６−４６５および４６３−４６８−４６４は、中央部４６６および４６８が他の関連部材４６２、４６５および４６３、４６４とそれぞれ実質的に直角に接続された、“Ｚ”字形状を有する。とりわけ、この構造は磁路の容量を保存する。

【0062】

図５Ｂは、３ステージ装置用のローターおよびステーターを示す。各ステージは４つの極５００Ｂを有する。ここで、ローター磁路アセンブリ５６０が、通常は円筒形のローター構造がロールしていない、つまり、平坦面として図示されている。磁路アセンブリ５２０、５２２、５２３、５２１は部材５１９の間にスペースを有する格子５６９を作るように配列されている。さまざまな例において、当該スペースは、非磁性体によって充填されてよい。

【0063】

格子５６９は、複数のステージＡ、Ｂ、Ｃが、それぞれ４つの極を有するように構成されている。例えば、ステージＡは、第１の完全極５５７および、２つの半分極５５３、５５５からなる第２の極を有するＮ極面を有する。ステージＡは、２つの完全極５５９、５６０を有するＳ極面を有する。したがって、ステージＡのＮ極面およびＳ極面は全部で４つの完全な極を有する。

【0064】

各ステージは４つの磁路アセンブリまたはローター格子部を有する。例えば、ステージＡは磁路アセンブリ５２０、５２２、５２０および５２２を有する。ステージＢは磁路アセンブリ５２３、５２１、５２３、５２１を有する。ステージＣはステージＡと同様に、磁路アセンブリ５２０、５２２、５２０および５２２を有する。さまざまな例において、磁路アセンブリは、その向きのみが異なる。ここで、例えば、アセンブリ５２０は、アセンブリ５２２と軸線ｘ−ｘと平行な軸線の周りに１８０°回転だけ異なると同時に、アセンブリ５２１と軸線ｘ−ｘと垂直な軸線の周りに１８０°回転だけ異なる。

【0065】

ステーター５６２の断面図が示されている。ステーターは大きな直径のリム５３４、５３６、５３８、５４０、および、小さい直径のリム５４４、５４６、５４８を軸線ｘ−ｘを中心軸として有する。第１および第２の大きい直径の中間リム５３６、５３８は、大きい直径のリム５３４、５４０の外周に間に挿入される。ひとつの小さい直径のリムは、リムが、５３４、５４４、５３６、５４６、５３８、５４８および５４０の順番で積まれるように、大きい直径のリムの各一対の間に挿入される。リムは、壁５３０を介して支持される結合されたステーターサポート５３２によって支持される。

【0066】

複数のアーマチュア巻き線、例えば、５７１、５７２は、スロットまたはより小さい構造を介して複数の大きい直径のリム外周部５７４と嵌合する。フィールド巻き線５３５、５３７、５３９は、ステーターの回転軸ｘ−ｘを、各フィールド巻き線が一対の大きい直径リムの間にあるように、小さい直径のリムのそれぞれを包囲する一本のフィールド巻き線で包囲する。

【0067】

ローター５６９の格子構造は、ステーター５３４の第１リムがステージＡのＮ極に対応し、ステーター５３６の第３リムがステージＡのＳ極およびステージＢのＳ極に対応し、ステーターの第４リムがステージＢのＮ極およびステージＣのＮ極に対応し、ステーターの第７リムがステージＣのＳ極に対応するように、配置される。

【0068】

さまざまな例において、ベアリングがスピニングアセンブリおよびフライホイールマス１１６、３１６、４１６を支持するのに使用される。ここで示すスピニングアセンブリを支持するのに十分なベアリングの任意の組み合わせが、使用可能である。

【0069】

図６は、下部ベアリングキャリアおよびいくつかの関連部品６００を示す。図面の上半分に示すように、フライホイールマスに結合するためのハブ６１８、ハブ６１８を支持するためのサポートピン６９６、ハブ６１８を支持するための可動サスペンションアセンブリ６９２、および、下部ベアリングキャリア６９４がもうけられている。ハブ６１８、サポートピン６９６、および可動サスペンションアセンブリ６９２は一緒に固定して結合されている（図６では分解図で示す）。

【0070】

さまざまな例において、可動サスペンションアセンブリ６９２は、可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリングローター６０２を有する。ある例において、ベアリングは可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリング面６０３を有する。当該面は軸線ｘ−ｘに平行なｘ１−ｘ１軸線と当該面とによりなす角度θ１＝０°で方向付けられている。ある例において、ベアリングは、０＜θ１＜９０°（傾斜面）の角度を向いた面６０３を有する。それにより、軸線ｘ−ｘに垂直な軸線に平行な電磁気ベアリング力成分、および、軸線ｘ−ｘに平行な電磁気ベアリング力成分が与えられる。

【0071】

さまざまな例において、可動サスペンションアセンブリ６９２は、可動サスペンションアセンブリ永久磁石６０４を有する。また、ある例において、永久磁石は電磁気ベアリングローター６０２に付加される。ある例において、可動サスペンションアセンブリ磁石ホルダ６０６は可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリングローターおよび可動サスペンションアセンブリ永久磁石の一方又は両方を保持するためのホルダを与える。

【0072】

可動サスペンションアセンブリ６９２が電磁気ベアリングローター６０２を有する場合、下部ベアリングローターキャリア６９４は、対応する下部ベアリングキャリア電磁気ベアリングステーター６１４およびステーターを磁化するための下部ベアリングキャリアステーター電磁気コイル６１６を有する。ステーターは、ハウジングの壁６３２によって支持される下部ベアリングキャリアフレーム６１２によって支持される。

【0073】

ある例において、ベアリングステーターは積層構造である。ある例において、ベアリングは下部ベアリングキャリア電磁石ベアリング面６１５を有する。当該面は、軸線ｘ−ｘに平行なｘ２−ｘ２軸および当該面とのなす角度θ２＝０°で方向付けられる。ある例において、ベアリングは、０＜θ２＜９０°（傾斜面）の角度を向いた面６１５を有する。それによって、軸線ｘ−ｘに垂直な軸線に平行な電磁気ベアリング力成分、および、軸線ｘ−ｘに平行な電磁気ベアリング力成分が与えられる。当業者が理解するように、ベアリング面６０３、６１５は直線のローター面が直線のステーター面と一致し、かつ、傾斜ローター面と傾斜ステーター面とが一致するように、連係する。

【0074】

可動サスペンションアセンブリ永久磁石６０４が使用される場合、下部ベアリングキャリア６９４は、対向位置の永久磁石６２０を有する。ある例において、下部ベアリングキャリア永久磁石ホルダ６１９は、下部ベアリングキャリアフレーム６１２から支持され、永久磁石６２０を支持する。

【0075】

さまざまな例において、下部ベアリングキャリア６９４は、減摩ベアリング６２２のような下部ベアリングキャリアランディングベアリングを有する。ランディングベアリングは下部ベアリングキャリアフレーム６１２から支持される。ある例において、ダンピング材料６２４はランディングベアリングに対する着座材を与える。

【0076】

図７は、上部ベアリングキャリアおよびいくつかの関連部品７００を示す。上部ベアリングキャリア７９０は、固定プレート７０２および可動プレート７０４を有する。

【0077】

固定プレート７０２は溝形式のコイルスペース７０６を有する。当該溝は可動プレート７３０に面する固定プレート７０２の側にある。コイル７０７により包囲される磁気材料を磁化するための電気コイル７２２が含まれる。

【0078】

可動プレート７０４はスプリングスペース７０８および機械的ベアリングスペース７１０を有する。スプリングスペース７０８は、可動プレート７０４の減少する直径部が固定プレート７３２に面するプレートの側に延在し、かつ、コイルスプリング７２０のようなスプリングがこのスペースを占めるように形成される。ベアリングスペース７１０は、固定プレート７３２に面する可動プレート面と対向する可動プレート面７３４の中心のキャビティである。この電磁石の動作はスプリングを圧縮しプレートを一緒に引く。

【0079】

さまざまな例において、上部ベアリングキャリア７９０は、減摩ベアリング７１６のような上部ベアリングキャリアランディングベアリングを有する。ランディングベアリングは可動プレートキャビティ７１０内に配置される。ある例において、ダンピング材料７１８はランディングベアリングに対する着座材を提供する。

【0080】

図６および図７に示すように、サポートピン６９６は上部ベアリングキャリア７９０および下部ベアリングキャリア６９４との間で伸長する。また、上部ベアリングキャリアランディングベアリング７１６、サポートピン６９６、可動サスペンションアセンブリ６９２、下部電磁石ベアリングステーター６１４、下部ベアリングキャリア永久磁石６２０、および下部ベアリングキャリアランディングベアリング６２２は、可動プレート７０４が下部ベアリングキャリア７９３の方向に移動するとき、サポートピンの上方端７２８および下方端６２８が上部ランディングベアリング７１６および下部ランディングベアリング６２２とそれぞれ係合し、かつ、それぞれのランディングベアリング７２６、６２６の中央アパーチャと係合するように、軸線ｘ−ｘを中心として配置される。

【0081】

図８は、電気機械式フライホイール８００の他の実施形態を示す。フライホイールマス８３１は、金属ライナー８３０を有する単極電動発電機ローターを包囲しかつ結合されている。ローターは、Ｎ極ローター８２４、８３２を有する。Ｓ極ローターは図示していない。図５ＢのステージＡおよびステージＢを参照して、Ｓ極ローターが同様に配置される。

【0082】

ステーターサポート８１１は電動発電機ステーター８２８に結合される。フィールド巻き線８２６およびアーマチュア巻き線８２０は上述したのと同様の方法で一体化される。

【0083】

ローター８３０およびフライホイールマス８３１を支持するのは、ハブ８４６である。当該ハブは上部および下部ベアリングキャリア８６０、８６２との間に係合および／または配置されたサポートピン８６４によって支持される。図６および図７に、同様のベアリングキャリアが詳細に示されている。第１電磁気ベアリング８６６は下部ベアリングキャリア内に配置される。第２電磁式ベアリング８７０は第１および第２ベアリングキャリアから離隔されており、ベアリングステーター８１８、ベアリングローターおよびステーターを磁化するためのステーターコイル８１４を有する。

【0084】

電磁気フライホイールハウジングは内部真空バリア８１２を有する。ある例において、外側ハウジング８０７は真空バリアを支持する。適当な真空バリアの材料として、ステンレススチールおよび当業者に周知の他の材料が含まれる。

【0085】

さまざまな例において、ステーターサポート８１１は中空構造を有し、同軸チューブ８０１が内部に配置されている。同軸チューブ８０１はステーターサポート８０２に進入する液体冷媒を閉じこめる。サポート構造の内径と同軸チューブ８０１の外径との間の環状部分はステーターサポート８０３を流れる冷媒用の流路を与える。環状部分を通じて流れる冷媒はステーター８２８から熱を吸収し、さまざまな例において、流入口８０２内にポンプによって戻る前にクーラーによって冷却される。

【0086】

ある例において、熱パイプ８０８はステーターを冷却する。複数の熱パイプの各々は、ステーターに近接した位置にステーターアマーチュア巻き線スロット８７２のような熱吸収第１端を有する。熱パイプの熱放出端は真空バリア８７４に接触するほど真空バリアに近接した位置にあり、または、上述の冷媒流によって冷却される。

【0087】

上述したように、電気機械式フライホイール１００における、冷却装置２４８およびステーターサポート１２２などのシステムおよび構造体は、相関設計されている。

【0088】

格納システム１０１は相関設計の付加的な例を与える。さまざまな格納システムの例において、複数の相関構造は、構造サポート、真空バリア、一次圧力壁、冷媒流路、および、熱伝達経路のひとつ以上を与える。当業者が理解するように、一次圧力エンクロージャの一次圧力壁は、とりわけ、到達圧力およびフライホイールマスが故障中に放出された副産物を封じ込める。

【0089】

図９Ａは、多目的格納システム９００Ａの断面分解図を示す。多目的格納システムは、真空バリアを与えるための内側エンクロージャ９０６、一次圧力壁を与えるための中間エンクロージャ９０４、および、冷媒流路を与えるための外側エンクロージャ９０２を有する。複数のエンクロージャのこれらおよび他の特徴は以下で詳細に説明する。当業者が理解するように、一次圧力壁の厚さは、典型的に、到達圧力およびフライホイールマスの故障中に放出される副産物を封じ込めるために必要な強さに応じて決定される。よって、一次圧力壁の厚さは、壁材料、および、対抗するべき圧力および力を含む条件に依存する。真空バリアは一次圧力壁によって支持される場合、典型的に、その厚さは、一次圧力壁に比べ薄くできる。例えば、さまざまな例において、アルミニウム製の真空バリア壁の厚さに対する鋼鉄製の一次圧力壁の厚さの比率は、２から２０の範囲が好ましい。

【0090】

内側エンクロージャ９０６は内側シリンダ壁９３６を有する。内蓋９１６はシリンダフランジ９４６を介してシリンダの一端を閉じるように動作する。内底９２６はシリンダの反対端を閉じる。この例において、ステーターサポート９８７は内蓋の中央部からぶら下がっている。内側エンクロージャは、例えば、アルミニウムおよび／またはステンレススチールのような金属の適当な真空シーリング材から形成されている。アルミニウムおよびステンレススチールは、酸化および汚染物質の形成を防止するため、クリーンな真空環境を促進する。さまざまな例において、クリーンな真空環境はドラグポンプを含む真空ポンプの動作を促進し、かつ、適当な真空圧力を維持する。

【0091】

中間エンクロージャ９０４は内側エンクロージャ９０６を内包する。中間エンクロージャは内側シリンダ壁９３４を有する。内側エンクロージャ９１６の蓋が中間シリンダ９４４の端面と中間蓋との間でシールされるように、中間蓋９１４はシリンダの一端を閉じるように動作する。中間底９２４はシリンダの反対端を閉じる。中間エンクロージャは、例えば、鋼鉄および／または鋼鉄合金のような適当な圧力容器材料から形成されている。適当な材料の厚さは、使用される材料および選択された設計の破損のシナリオ中に吸収されなければならないエネルギーを考慮して選択される。さまざまな例において、圧力容器の壁の厚さおよび／または強度はエネルギー消散要求を制限することにより減少させることができる。例えば、フライホイールマスは、フライホイールの故障によるエネルギー解放を減速または減少させる特徴を有してよい。

【0092】

内側および中間エンクロージャ９０６、９０４との間のギャップが示されているが、そのギャップにフィットするインターフェースおよび／または伝達化合物を有してもよい。それにより、一つの壁から他の壁へ熱伝導が可能になる。例えば、ステーターから放射される熱（例えば、図８の８２８）は内側エンクロージャ９３６の壁に伝達し、ギャップがなければ、中間エンクロージャ９３４の壁に熱伝導する。

【0093】

外側エンクロージャ９０２は中間エンクロージャ９０４を内包する。外側エンクロージャは外側シリンダ壁９３２を有する。外蓋９１２はシリンダフランジ９４２を介してシリンダの一端を閉じるように動作し、外底９２２は反対端を閉じる。外側エンクロージャは、鋼鉄または鋼鉄合金のような適当な真空シーリング材から形成されている。

【0094】

分流隔壁９０８は中間壁９３４と外側壁９３２との間の環状路を、内側および外側環状路に分割するための円筒形隔壁９３８を有する。円筒形隔壁の端部は、円筒形隔壁と中間シリンダ壁９３４、内蓋９１６、および／または中間蓋９１４のような隣接構造との間にシーリングを与えるための内側に向いたシールリング９４８を有する。ひとつ以上の冷媒排出コンジット９５８がシールリングを貫通し、内側環状空間９５１と流体的に係合するための手段を与える。隔壁は金属およびプラスチックのような適当な冷媒流路材料から形成される。実施形態において、隔壁は高密度のポリエチレンプラスチックまたは塩化ポリビニルプラスチックのようなプラスチックから形成される。

【0095】

図９Ｂは、図９Ａの格納システムの断面の略示図である。内側壁９３６は中間壁９３４によって周りを覆われ、中間壁は外側壁９３２によって周りを覆われている。外側壁は隔壁９３８の周りに位置し、隔壁は中間壁９３４の周りに位置する。その結果、中間壁と外側壁との間の環状空間が内側環状空間９５１および外側環状空間９５３に分割される。

【0096】

図９Ｃは、組み立て後の図９Ａの格納システム９００Ｃを示す。ステーター１２０、ローター１１４、および、フライホイールマスを有するフライホイールの内部は省略してある。フライホイール内部については図８を参照せよ。

【0097】

フライホイールの動作中、熱は内側エンクロージャのフライホイール空間９８１内に解放される。さまざまな例において、この熱は冷媒（矢印で示す）および包囲体９８３の一方または両方に伝達される。冷媒が流路および冷却システムのどこかを通じて移動するに従い、熱は冷媒によって交互に吸収・放出される。

【0098】

冷媒は、ステーターサポート環状流空間９９２を画定するステーターサポート中央キャビティ９９１内に挿入される冷媒吸入コンジット９８８を通じて格納システム９６０に流入する。流入コンジット９６２からの冷媒流は、環状流空間９６４を流れ、ステーターサポート壁９９３に伝達される熱を吸収する。ステーターサポート環状空間９６６からの冷媒流は、外蓋９１２と中間蓋９１４との間の流体プレナム９６８に移送される。プレナム９７０を離れた流れは、外側環状空間９５３に移送される。さまざまな例において、冷媒は外側エンクロージャ壁９３２をまたぐ熱伝導を介して包囲体９８３へ熱を放出する。外側環状空間９５３からの流れ９７２は内側環状空間９７４に移送される。さまざまな例において、冷媒は中間および内側エンクロージャ壁９３４、９３６をまたぐ熱伝導により熱を吸収する。内側環状空間９５１からの冷媒の流れ９７６は冷媒排出コンジット９７８に伝達される。

【0099】

ある例において、格納システムの性能はハイブリッド格納構造を使用することにより強化される。ハイブリッド格納構造は、例えば、オーバーコートまたはオーバーラップのような外側構造によって強化された比較的薄い壁のエンクロージャを有する。典型的なオーバーラップは、グラスファイバーおよび／またはカーボンファイバーのポリマーマトリクスを含む。強化性能は、強度の向上、軽量化、および部品数の減少の一つ以上を含む。

【0100】

図９Ｄは、ハイブリッドの一次圧力エンクロージャ９００Ｄを利用する格納システムの断面略示図である。ハイブリッド一次圧力エンクロージャ９１７は、中間シェル９１１および外側オーバーラップ９１３を有する。上述した真空バリアに類似の内側エンクロージャ９０９はフランジ９１５を有する。フランジは一方側でハイブリッド一次圧力エンクロージャと、反対側で内側および中間蓋９０７、９０５との間に挿着される。

【0101】

さまざまな例において、オーバーラップの厚さｔ１４および中間シェルの厚さｔ１２は、ハイブリッド一次圧力エンクロージャ側壁の厚さｔ１５を画定する。シェルの底は、厚さｔ１０を有し、ある例において、底は、オーバーラップされないため、ｔ１０＞ｔ１２である。当業者が理解するように、材料の厚さは、材料の種類、環境および期待される耐荷重を含むファクタに基づいて選択される。

【0102】

さらにさまざまな例において、ハイブリッド一次圧力エンクロージャは、中間シェル９１１と外側オーバーラップ９１３との間で軸線ｘ−ｘ方向に軸荷重を伝達する。例えば、中間シェルとオーバーラップ９２１との間のインターフェースに適用される接着剤、および／または、中間シェル９２３の粗い外側面は、軸方向の相対移動を制限する。

【0103】

蓋９０５、９０７をハイブリッド一次圧力エンクロージャ９１７に取り付けるためのクロージャ特徴が設けられる。第１の例９０１において、ヘッド付きクロージャボルトが、蓋に取り付けるために使用される。圧力エンクロージャの上面９２５における螺刻ボア９５１、並びに、フランジ９４９、内蓋９４７、および、内蓋９４５との嵌合を通じて、螺刻ボルト９６１が使用される。第２の例９０３において、圧力エンクロージャの上面における螺刻ボア９６７、並びに、フランジおよび蓋との嵌合を通じて、螺刻スタッドが挿入される。その上にナットが取り付けられてクロージャが完成する。さまざまな例において、オーバーラップに配置された螺刻挿入は、シェル内の螺刻ボア（図示せず）よりも強固なボルト結合を与える。

【0104】

図９Ｅは、ハイブリッド内側エンクロージャ９００Ｅを利用する格納システムの断面略示図である。ハイブリッド内側エンクロージャ９７１は内側エンクロージャおよび一次圧力エンクロージャの両方の機能を有する。ハイブリッド内側エンクロージャは内側シェル９３７および外側オーバーラップ９３９を有する。内側シェルは上述した真空バリアと類似しており、フランジ９１５を有する。フランジは一方側でハイブリッド内側エンクロージャと他方側で内側および中間蓋９３３，９３１の間に挿入される。

【0105】

さまざまな例において、オーバーラップの厚さｔ２４は内側シェルの厚さｔ２２とともに、ハイブリッド内側エンクロージャ壁の厚さｔ２５を画定する。当業者が理解するように、材料の厚さは、材料の種類、環境および所望の耐荷重を含むファクタに基づいて選択される。

【0106】

また、さまざまな例において、ハイブリッド一次圧力エンクロージャは内側シェル９３７と外側オーバーラップ９３９との間でｘ−ｘ方向に荷重の移動をもたらす。例えば、内側シェルとオーバーラップ９７３および／または内側シェル９７５の粗い表面との間のインターフェースに付着された接着剤が軸線方向の相対移動を制限する。他のクロージャ特徴は、当業者に周知のものである。

【0107】

動作中、電気機械式フライホイールのフライホイールマスは、フライホイール充電中に電動発電機によって加速される。充電中に、エネルギーは電動発電機に伝達される。放電中に、電動発電機はフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それに伴いフライホイールマスは減速する。パワーエレクトロニクスは、電動発電機および機械的に結合されたフライホイールマスを駆動させるためにネットワーク電力の変換を与える。パワーエレクトロニクスは、電力が伝送される電気ネットワークによる使用に適した波形に、電動発電機で生成された電力を変換する。

【0108】

動作中、格納システムは一次圧力壁を与える。例えば、図９Ｃに示すように、格納システム９００Ｃが与える一次圧力壁９０６は、フライホイールの故障が生じた場合に壊れる。さまざまな例において、フライホイールスペース９８１内の真空維持を可能にする真空バリアが内側エンクロージャ９０２によって与えられる。冷媒流スペースが外側エンクロージャ９０２によって与えられる。冷媒流スペースは、分流シュラウド９０８によって内側流路９５１および外側流路９５３に分割される。ステーターサポート９８７内に流れる冷媒によって吸収される熱、および、内側環状流路内を流れる冷媒によって吸収される熱は、外側エンクロージャ壁９３２を通じる外部環境９８３への熱伝達によって、および、熱旋風クーラーなど（図示せず）による外部流体から格納システムへの熱伝達の一方または両方によって放出される。

【0109】

複数のエンクロージャを使用する他の例として、エンクロージャどうし間での移動を制限するような入れ子状エンクロージャによる機械的なアイソレーションがある。

【0110】

図１０Ａ−１０Ｄは、図８に示すものと類似の電気機械式フライホイールのような電気機械式フライホイール用の機械的アイソレーションシステム１０００Ａ−Ｄを示す。図１０Ａは、外側アセンブリ１００３および内側アセンブリ１００１である。

【0111】

外側アセンブリ部分は、外側エンクロージャ１００２、外側エンクロージャの蓋１０１２、内側エンクロージャ１００６、内側エンクロージャの蓋１０１６、および、ステーターサポート１０１８を有する。内側アセンブリ部分は、中間エンクロージャ１０４４、ステーターサポート１０１８、内側蓋１０１６、および、中間蓋１０１４を有する。ステーター、ローター、ベアリング、および、上述した他の部品は、説明の都合上、図１０Ａ−Ｃには示していない。これらについては、上述した説明を参照されたい。

【0112】

バネ状、ダンピング状、および／またはピボット状のアセンブリ間の動きの制限／緩衝を与える材料および／または装置によって、内側および外側アセンブリ１００１、１００３は、少なくとも部分的に機械的に分離される。さまざまな例において、アセンブリの中心線が発散するような半径方向のオフセット、アセンブリの軸線方向のスペースが変化するような軸方向オフセット、および、これらのミスアライメントの組み合わせによって、アセンブリは分離可能である。

【0113】

ある例において、内側アセンブリ１００１は、下部のピボット型サポート１０３０および、ひとつ以上の上部の弾性サポート１０２０−１０２３によって支持される。下部のピボット型サポートは雌ピボット構造１０３２と嵌合する雄ピボット構造１０３４を有する。ピボットが実質的に尖っているか、またはボールおよびソケットのように丸まっているか、または、当業者の知る他の形状をとるかは、材料、耐荷重、速度、および製造および組み立てのひとつ以上の変数によって影響される。また、雌雄嵌合が、外側エンクロージャの外側チューブ１０４２および中間エンクロージャ底１０４０に存在するか否かは、製造および組み立て工程を考慮した変数により影響される。

【0114】

内側および外側アセンブリ１００１、１００３が一緒に取付けられるとき、外側エンクロージャ１００２は内側アセンブリ１００１に対してサポートを与える。

【0115】

半径方向および軸線方向の両方のサポートは、雄ピボット突起１０３５を受ける雌ピボットソケット１０３３を介してピボットサポート１０３０によって与えられる。中間エンクロージャ１００４の底１０４０は外側エンクロージャの底１０４２から支持される。

【0116】

半径方向のサポートは、内側および外側エンクロージャ１００５の間の環状スペース内に配置される弾力性サポート１０２０−１０２３によって与えられる。図１０Ａに示すように、弾力性サポート１０２０、１０２２は、中間エンクロージャ１０４４の外側面１０５１と外側エンクロージャ１０４６の内側面１０５２との間に伸長する。さまざまな例において、弾力性サポートは、外側エンクロージャと中間エンクロージャの一方または両方に、接着剤、ねじまたは当業者に周知の手段によって結合される。

【0117】

弾力性サポートは、機械的スプリングダンパー装置のような機械的装置、および、圧縮性、ダンピング特性、バネ係数および動作温度などの所望の特性を有するバルク材料から形成されるサポートを有する。適切なバルク材料は、加えられる荷重および所望の動作条件に対応するように選択される。典型的な材料は、天然ゴム、ブチルゴムを含む合成ゴム、および、ポリウレタンのようなさまざまなポリマーを含む。典型的な製品として、ＢＡＳＦ社製のＣｅｌｌａｓｔｏ（商標）、ＤｕＰｏｎｔ社製のＶａｍａｃ（商標）がある。

【0118】

図１０Ｄはバルク１０００Ｄから形成される弾力性支持ブロックを示す。ブロックは、幅ｗ１および高さｈ１の断面を有する。ブロックは長さｌ１を有し、それは選択された材料から形成される際に適当なサポートを与えるべく断面積に応じて選択される。ブロックは中間エンクロージャ１００４の外側面１０４４とインターフェースするための第１面１０７６を有する。第１端部における第１面と反対側の第２端部には外側エンクロージャ１００２の内径１０４６とインターフェースするための第２面がある。第２面は、実際には第２端部から切断されたＶ字形状部分１０７３から生じる２つの部分１０７２、１０７４を有する。材料の選択に従うブロックの幾何学形状の変化により、ブロックは当業者が理解するように広範囲の設計基準に適応するよう取付可能である。

【0119】

図１０Ｂにおいて、内側エンクロージャｔ１の中心軸線および外側エンクロージャｔ２の中心軸線は、アセンブリ１００１、１００３が垂直軸線“ｖ”から離れる方向へ支持フロア１０２９の突然の傾き動作などを経験した後に、同軸ではなくなる。移動から生じる慣性力に応じて、中心軸は垂直軸線から離れるように動き、垂直軸線に対して角度θ１、θ２が形成される。環状空間の対向側に配置される弾力性サポートは、変化した環状空間と一致する。

【0120】

特に、縮んだ弾力性サポート１０２０は、減少したギャップｇ０と一致し、伸びた弾力性サポート１０２３は、増加したギャップｇ３と一致する。さまざまな例において、弾力性サポートは圧縮される、均一な環状空間に設置されるとき圧縮される。さまざまな例において、弾力サポートは均一の環状空間に設置されるとき伸ばされる。

【0121】

弾力性サポートはピボットサポートによって、内側エンクロージャの移動を制限するように作用する。この例では、アセンブリ１００１、１００３は、内側エンクロージャの傾斜角度θ１より大きい傾斜角度θ２（θ２＞θ１）まで外側エンクロージャが傾斜する動きに応答する。当業者が理解するように、内側エンクロージャの動きを制限することで、電磁気ベアリング（例えば、４５１、６９２、６９４）が磁気で浮上したスピニングアセンブリ（例えば、３１０、４１０）がステーター（例えば、４２２）に対する位置に保持されることを保証するべく印加されなければならない力を減少させることができる。

【0122】

ある例において、フライホイールマスが故障したとき電磁気ベアリング（例えば、４５１、６９２、６９４）はステーター（例えば、４２２）に関する位置にスピニングアセンブリ（例えば、３１０、４１０）を保持することができない。図３Ａ―３Ｃとともに上述したように、フライホイールマスの故障はフライホイール内に保存されたエネルギーを消散させる。当業者が理解するように、フライホイールマスの故障中に解放されるエネルギーを消散させる安全装置が必要である。

【0123】

図１１Ａは、エネルギー消散装置１１００Ａを有する電気機械式フライホイールを示す外側アセンブリ１００３は内側アセンブリ１００１を内包し、内側アセンブリ１００１はスピニングアセンブリ３１０およびコアアセンブリ３１２を内包する。内側アセンブリは、内側および外側アセンブリの間に挿入された下部ピボットサポート１０３０により底で支持される。内側および外側アセンブリの間の環状空間１０２１内に配置された上部弾性サポート１０２０、１０２２は、内側アセンブリに横方向のサポートを与える。

【0124】

とりわけ、変動するフライホイールマス１１７２の部分および／または粒子が内側エンクロージャ１００６に衝突する際、フライホイールマスの故障は内側アセンブリ１００１に対して角運動量を伝達する傾向がある。内側アセンブリが回転する範囲で、角運動量は、ピボットサポート１１３０での摩擦力によって、および／または、環状空間１０２１内に配置された流体１１７０によって印加される粘性力によって消散される。しかし、ステーターコイルからのステーター配線はこの相対回転運動を妨げる。例えば、ステーター３２０から外側アセンブリ１０７４の位置まで伸長するステーター配線１１６０（便宜上、一本のみ記載）は、内側アセンブリがピボットサポート１０３０上で自由に回転することを禁止する。この例において、ステーター配線は内側エンクロージャの蓋開口部１１６２、中間エンクロージャの蓋開口部１１６４、および外側エンクロージャの蓋開口部１１６６を通過する。外側アセンブリに関して回転するように内側アセンブリを自由にするには、ステーター配線の分離が必要である。ステーター配線の分離装置１１０３が以下で説明される。

【0125】

図１１Ｂは、ステーター配線カップリング１１００Ｂの斜視図を示す。図１１Ｃはステーター配線カップリング１１００Ｃの側面図を示す。図において、ステーター配線カップリング１１０３は中間エンクロージャの蓋１０１４と外側エンクロージャの蓋１０１２の間に配置され、軸線ｘ−ｘは、蓋１０１２、１０１４、１０１６の中心を通る。さまざまな実施形態において、ステーター配線カップリングは壊れやすい接続、爆発カップリング、弾力性カップリング、バネ負荷カップリング、プラグおよびソケット結合、動く部品間で導電材料を使ったカップリングなどのいずれかである。

【0126】

ある例において、ステーター配線カップリングはプラグ１１０４およびソケット１１０２を含む。ここで、ステーター配線１１６０は内側エンクロージャ開口部１１６２（図１１Ａおよび１１Ｃ参照）、中間エンクロージャ開口部１１６４を通過し、カップリングプラグ１１０４に導電的に固定される。例えば、ステーターが複数の巻き線（ひとつのステーター配線が示されている）を有する場合、ひとつ以上のステーター配線が単一のプラグに固定されてもよい。外側アセンブリ１０７４の外側の位置から伸長するカップリング配線１１６８は、カップリングソケット１１０２に導電的に固定される。上部開口部１１６６および下部開口部１１６２、１１６４の相対回転がステーター配線カップリングにテンションを与えるときに、ステーター配線カップリングを分離する力が与えられる。ソケットからプラグを引き抜くのに十分な力が印加されたとき、ステーター配線カップリングは分離される。

【0127】

ある例において、ステーター配線１１６０、ステーター配線カップリング１１０３、カップリング配線１１６８が実質的に直線１１８０に沿って配置され、軸線ｘ−ｘに平行な線ｘ１−ｘ１に関して角度φをなすように、上部開口部１１６６および下部開口部１１６２、１１６４は角度βだけオフセットされている。外側エンクロージャの蓋１０１２が中間エンクロージャの蓋１０１４および内側エンクロージャの蓋１０１６に関して反時計回りに回転するとき、ステーター配線カップリングにはテンションがかけられる。当業者が理解するように、角度アレンジメントβ＞０、φ＞０は（β＝０、φ＝０の場合のアレンジメントに比べ）、内側エンクロージャの蓋１０１４および中間エンクロージャの蓋１０１６に関する外側エンクロージャの蓋１０１２の小さい相対回転によって、カップリングを分離できる。

【0128】

ある例において、内側エンクロージャの蓋１０１４および中間エンクロージャの蓋１０１６に関する外側エンクロージャの蓋１０１２の相対回転が存在する場合、複数のステーター配線カップリングが交互に分離するように設計される。例えば、複数のステーター配線カップリング１１０３がそれぞれステーター配線１１６０およびカップリング配線１１６８を有する。それぞれのステーター配線は、内側および中間エンクロージャの蓋１０１６、１０１４内の同じ開口部１１６２、１１６４を通過し、それぞれのカップリング配線は外側エンクロージャの蓋１０１２内の同じ開口部１１６６を通過する。また、それぞれのステーター配線およびカップリング配線の組み合わせは、他のステーター配線およびカップリング配線の組み合わせと異なる長さを有する。当業者が理解するように、ステーター配線およびカップリング配線の長さの異なる組み合わせは、エンクロージャ蓋の相対回転に応答してステーター配線カップリング分離の交互シーケンスを与えるべく使用される。

【0129】

図１１Ｄは、プラグおよびソケットステーター配線カップリング１１００Ｄの実施形態を示す。ステーター配線１１６０は、カップリングプラグに導電的に取り付けられ、カップリング配線１１６８はカップリングソケット１１０２に導電的に取り付けられる。プラグおよびソケットの嵌合は導体１１６０、１１６８の間に電流経路を与える。プラグおよびソケットアレンジメントは、バネ、弾性部品および重力を使ったものを含む。

【0130】

ある例において、図１１Ｄに示すプラグおよびソケットは、電気的コンタクトを作り保持するために締まりばめに頼っている。例えば、ｗｐ＞ｗｓおよび／またはｈｐ＞ｈｓが締まりばめを与える。他の締まりばめアレンジメントも、縁溝フィット、円錐フィット等のようなプラグおよびソケットの嵌合を与える。

【0131】

当業者が理解するように、プラグおよびソケット設計は、銅、銀、金、これらの材料の合金などのようなプラグおよびソケット用の導電材料を利用する。さまざまな例において、導電材料はプラグとソケットとの間の空間を導電材料が満たし、および／または、組み立て前に一方または両方の部品をコーティングするのに使用される。導電材料は、ラメラグラファイト、金、薄膜堆積したコバルトまたはニッケルと金との合金（＜１重量％、つまり、硬質金）、パラジウムニッケルおよびパラジウムコバルト、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、破砕した亜鉛または銀を含む導電グリースなどの導電潤滑油およびシーラントグリースを含む。

【0132】

この例において、ステーター配線は、内側エンクロージャの蓋開口部１１６２、中間エンクロージャの蓋開口部１１６４、および、外側エンクロージャの蓋開口部１１６６を通過する。外側アセンブリに関して、内側アセンブリを自由に回転させるには、ステーター配線を分離する必要がある。ステーター配線分離デバイス１１０３は以下に説明される。

【0133】

図１２Ａから１２Ｅは、外側アセンブリに対して内側アセンブリを自由に回転させるための他の手段を示す。ここで、切断機構は、ステーター配線を上部および下部ステーター配線セグメント１１６８、１１６０のような分離セグメントに分離する。

【0134】

図１２Ａは、スロット付きコーン形カッター１２００Ａ形式の第１カッター機構を示す。概して円錐または円錐台形のボディ１２０２はカッターエンド１２０３および非カッターエンド１２０５を有する。ボディは、長さ方向に沿って対向するスロット１２４０を有する。長さ方向には、コーンの軸線ｘ−ｘに対して垂直な面にカッタージョー１２０６、１２０８を有する第１および第２ハーフボディ１２２６、１２２８が形成されている。ジョーは、ジョーが閉じたときに、ステーター配線が切断されるカッターノッチ１２１６、１２１８のような対向するカッター面を有する。

【0135】

図１２Ｂは、図１２Ａのカッター機構内に挿入されるステーター配線１２００Ｂを示す。特に、ステーター配線１２３０は円錐カッターボディおよび円筒構造１２０４のようなカッターレシーバを通過する。さまざまな例において、円筒構造は中間エンクロージャ蓋開口部１１６４および外側エンクロージャ蓋開口部１１６６と同じ任意の適当な寸法を有する。ある例において、開口部は、分離カッターレシーバ用の台座を与える。

【0136】

本例は、ステーター配線が移動するとき円錐カッターを機能させる、ステーター配線と円錐カッターの間にカップリングを与える。例えば、ブロックが大きくてカッターの非カッターエンド１２０５が通過できないとき、ステーター配線に取り付けられたブロック１２３２がカップリングを与える。この結果、カッター／ブロック・インターフェースにより、カッターはステーター配線とともに移動させられる。図１２Ｂに示すように、カッターレシーバ１２０４を介してステーター配線を引っ張るステーター配線の移動１２０９により、円錐カッターはカッターレシーバ内部に引き込まれる。カッターとレシーバとの間のインターフェース（ｄｚ２＞ｄｚ１）により、カッタージョー１２０６、１２０８は閉まり、ステーター配線を切断する。

【0137】

図１２Ｃ、１２Ｄは、円錐カッターおよびジョーの詳細１２００Ｃ、１２００Ｄを示す。図１２Ｃは、円錐カッタージョー１２０６、１２０８を示し、図１２Ｄは開いたジョー１２４２の平面図、ジョー１２４４の側面図、および、閉じたジョー１２４６の平面図を示す。特に、ジョーの側面１２４４は重なったジョーを示す。これにより、ジョーの閉止が容易になる。当業者が理解するように、開示されたものと類似のさまざまな円錐カッター構成がステーター配線カッターを与えるために使用可能である。

【0138】

図１２Ｅは、ピン型ジョーステーター配線カッター１２００Ｅを示す。ここで、重なったジョー１２５６、１２５８は一方側でピボット１２８０を有し、他のジョーに対して相対的に回転する。通常の開放位置１２５２において、ジョーはステーター配線（図示せず）が通過する通路１２７２の周りに位置する。切断位置１２５４において、ジョーは旋回して通路１２７４を閉じ始める。完全に閉止した位置１２５６において、通路は完全に閉じられ１２５７、ステーター配線は完全に切断される。

【0139】

ピン型ジョーカッター１２００Ｅの動作は上記した方法のいずれを使ってもよい。例えば、図１２Ｅのひとつに類似のコーン構成などが含まれる。他の手段がステーター配線切断ジョーを動作させるために使用されてもよい。例えば、磁力（例えば、モーターまたはソレノイド）、空力（例えば、空気動作モーターまたはプランジャー）、膨張、および、推進力装置がカッターを動作させるのに使用されても良い。他の例において、配線がひとつ以上のジョーに接触した状態でステーター配線が動けば、ステーター配線およびジョーと係合して、ジョーを別に動作させることなくステーター配線の切断が達成される。

【0140】

本願発明のさまざまな実施形態を説明してきたが、これらは例示に過ぎず、発明を限定するものではない。発明の思想および態様から離れることなく、さまざまな修正および変更が可能であることは当業者の知るところである。本願発明の範囲および態様は、以下の特許請求の範囲の記載およびその均等の範囲において解釈されるべきである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0141】

【特許文献1】米国特許第６，１７５，１７２号明細書

【特許文献2】米国特許第５，４６２，４０２号明細書

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図12E】