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特許7487217半径方向の安定化を図るフライホイールの回転子を浮上させるための磁気軸受
(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】
(24)【登録日】2024-05-10
(45)【発行日】2024-05-20
(54)【発明の名称】半径方向の安定化を図るフライホイールの回転子を浮上させるための磁気軸受
(51)【国際特許分類】
H02K 7/09 20060101AFI20240513BHJP
F16F 15/31 20060101ALI20240513BHJP
F16C 32/04 20060101ALI20240513BHJP
【ＦＩ】
H02K7/09
F16F15/31 H
F16C32/04 A
F16C32/04 Z
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2021547961
(86)(22)【出願日】2019-10-22
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-20
(86)【国際出願番号】 IB2019001140
(87)【国際公開番号】W WO2020084345
(87)【国際公開日】2020-04-30
【審査請求日】2022-10-21
(31)【優先権主張番号】62/749,083
(32)【優先日】2018-10-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521175562
【氏名又は名称】ワッツアップ パワー エー／エス
(74)【代理人】
【識別番号】100118500
【弁理士】
【氏名又は名称】廣澤 哲也
(74)【代理人】
【氏名又は名称】渡邉 勇
(74)【代理人】
【識別番号】100174089
【弁理士】
【氏名又は名称】郷戸 学
(74)【代理人】
【識別番号】100186749
【弁理士】
【氏名又は名称】金沢 充博
(72)【発明者】
【氏名】スパイアマン、マーティン
(72)【発明者】
【氏名】バール、クリスティアン
(72)【発明者】
【氏名】ニールセン、カスパー、ケー．
(72)【発明者】
【氏名】ビョーク、ラスマス
(72)【発明者】
【氏名】コンベスコット、バレール
(72)【発明者】
【氏名】グラナータ、ヤコポ
【審査官】三澤 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５８－０４３１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５４－１２１１４３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０１８－００９６４４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｋ ７／０９
Ｆ１６Ｆ １５／３１
Ｆ１６Ｃ ３２／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
底部支持部を有する固定子と、重力荷重を有し、前記底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子と、
底部磁気浮上軸受を備え、
前記底部磁気浮上軸受は、
前記回転子の底端部に機械的に連結された第１の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第２の永久磁石のリングと、
前記回転子の前記底端部に機械的に連結された第３の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第４の永久磁石のリングを備えており、
前記第１の永久磁石のリングは、第１の高さ、および第１の直径を有し、
前記第１の永久磁石は、上側第１極、下側第２極、および前記回転軸心と平行な磁場を有し、
前記第２の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも低い第２の高さ、および前記第１の直径と同等の第２の直径を有し、
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極に反発する上側第２極を有し、前記底部支持部の上方の前記重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持しており、
前記第３の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高い第３の高さ、および前記第１の直径よりも大きい第３の直径を有し、
前記第３の永久磁石は、内側第２極、外側第１極、および前記回転軸心に対して直交する磁場を有し、
前記第４の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高く、前記第３の高さよりも低い第４の高さ、および前記第３の直径よりも大きい第４の直径を有し、
前記第４の永久磁石は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極に反発する内側第１極を有し、少なくとも前記固定子に対する前記回転子の半径方向の偏心を軽減し、
前記第１の永久磁石の前記上側第１極は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極よりも前記第３の永久磁石の前記内側第２極に近く、
前記第３の永久磁石の前記内側第２極は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極よりも前記第１の永久磁石の前記上側第１極に近い、フライホイールシステム。
【請求項2】
前記３の永久磁石と前記第４の永久磁石との間の磁気結合は、前記重力荷重の少なくとも一部を支持することにさらに寄与している、請求項１に記載のフライホイールシステム。
【請求項3】
前記第１の直径および前記第２の直径は同一である、請求項１に記載のフライホイールシステム。
【請求項4】
前記第１の永久磁石の１つと前記第３の永久磁石の１つの最も近接している対のそれぞれにおいて、前記第１の永久磁石の磁場と前記第３の永久磁石の磁場は、互いに結合されている、請求項１に記載のフライホイールシステム。
【請求項5】
前記フライホイールシステムは、前記固定子に実装された頂部支持部と、
頂部磁気浮上軸受をさらに備え、
前記頂部磁気浮上軸受は、
前記回転子の上端に機械的に連結された第５の永久磁石のリングと、
前記第５の永久磁石のリングの上方において、前記頂部支持部に機械的に連結された第６の永久磁石のリングと、
前記上端に機械的に連結された第７の永久磁石のリングと、
前記第７の永久磁石のリングから半径方向外側に向かって、前記頂部支持部に機械的に連結された第８の永久磁石のリングを備えており、
前記第６の永久磁石は、前記第５の永久磁石に反発して、前記底部支持部の上方の前記回転子の上向きの動きを制限し、
前記第８の永久磁石は、前記第７の永久磁石に反発して、前記第７の永久磁石と前記第８の永久磁石との間の磁気結合は、前記第３の永久磁石と前記第４の永久磁石との間の磁気結合とともに、少なくとも前記回転子の半径方向の偏心を軽減する、請求項１に記載のフライホイールシステム。
【請求項6】
前記第５の永久磁石、前記第６の永久磁石、前記第７の永久磁石、および前記第８の永久磁石は、前記底部支持部の上方において、それぞれ第５の高さ、第６の高さ、第７の高さ、および第８の高さに配置されており、前記第６の高さは前記第５の高さよりも高く、前記第８の高さは前記第７の高さよりも高い、請求項５に記載のフライホイールシステム。
【請求項7】
前記第７の永久磁石と前記第８の永久磁石と間の磁気結合は、前記回転子の前記上向きの動きを制限することにさらに寄与している、請求項６に記載のフライホイールシステム。
【請求項8】
前記フライホイールシステムは、発電機と、
能動型磁気軸受と、
受動型予備磁気軸受をさらに備え、
前記発電機は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の発電機永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結された発電機固定子を備えており、
前記発電機固定子は、前記複数の第１の発電機永久磁石との相互作用によって、前記回転子の回転エネルギーと前記発電機固定子の巻線の電流とを変換するように構成されており、
前記能動型磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の磁化可能な要素と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の磁化可能な要素に磁気的に連結して、前記固定子に対して前記回転子を能動的に安定化するように構成された複数の電磁石を備え、
前記受動型予備磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石に磁気的に連結して、前記能動型磁気軸受が故障した場合に、予備として、前記固定子に対して前記回転子を安定化させるように構成された複数の第２の受動型予備磁気軸受永久磁石を備えている、請求項１に記載のフライホイールシステム。
【請求項9】
前記受動型予備磁気軸受は、前記底部磁気浮上軸受よりも半径方向内側にあり、前記底部磁気浮上軸受は、前記受動型予備磁気軸受よりも前記発電機から離れている、請求項８に記載のフライホイールシステム。
【請求項10】
前記回転子には、開口部が形成されており、前記固定子は、前記開口部を通過し、頂部支持部を前記底部支持部に接続する軸をさらに備えており、前記回転子は、前記軸の周りを回転するように構成されており、前記発電機および前記能動型磁気軸受のそれぞれは、前記軸に実装されており、前記能動型磁気軸受は、前記発電機よりも前記底部支持部に近接しており、前記受動型予備磁気軸受は、前記能動型磁気軸受よりも前記底部支持部に近接している、請求項９に記載のフライホイールシステム。
【請求項11】
底部支持部を有する固定子と、
重力荷重を有し、前記底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子と、
底部磁気浮上軸受を備え、
前記底部磁気浮上軸受は、
前記回転子の底端部に機械的に連結された第１の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第２の永久磁石のリングと、
前記回転子の前記底端部に機械的に連結された第３の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第４の永久磁石のリングを備えており、
前記第１の永久磁石のリングは、第１の高さ、および第１の直径を有し、
前記第１の永久磁石は、上側第１極、下側第２極、および前記回転軸心と平行な磁場を有し、
前記第２の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも低い第２の高さ、および前記第１の直径と同等の第２の直径を有し、
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極に反発する上側第２極を有し、前記底部支持部の上方の前記重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持しており、
前記第３の永久磁石のリングは、前記第２の高さよりも低い第３の高さ、および前記第１の直径よりも小さい第３の直径を有し、
前記第３の永久磁石は、外側第１極、内側第２極、および前記回転軸心に対して直交する磁場を有し、
前記第４の永久磁石のリングは、前記第３の高さよりも低い第４の高さ、および前記第３の直径よりも大きい第４の直径を有し、
前記第４の永久磁石は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極に反発する内側第１極を有し、少なくとも前記固定子に対する前記回転子の半径方向の偏心を軽減し、
前記第２の永久磁石の下側第１極は、前記第４の永久磁石の前記内側第１極よりも前記第４の永久磁石の外側第２極に近く、
前記第４の永久磁石の前記外側第２極は、前記第２の永久磁石の前記上側第２極よりも前記第２の永久磁石の前記下側第１極に近い、フライホイールシステム。
【請求項12】
底部支持部を有する固定子と、
重力荷重を有し、前記底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子と、
底部磁気浮上軸受と、
前記固定子に実装された頂部支持部と、
頂部磁気浮上軸受を備え、
前記底部磁気浮上軸受は、
前記回転子の底端部に機械的に連結された第１の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第２の永久磁石のリングと、
前記回転子の前記底端部に機械的に連結された第３の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第４の永久磁石のリングを備えており、
前記第１の永久磁石のリングは、第１の高さ、および第１の直径を有し、
前記第１の永久磁石は、上側第１極、下側第２極、および前記回転軸心と平行な磁場を有し、
前記第２の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも低い第２の高さ、および前記第１の直径と同等の第２の直径を有し、
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極に反発する上側第２極を有し、前記底部支持部の上方の前記重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持しており、
前記第３の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高い第３の高さ、および前記第１の直径よりも大きい第３の直径を有し、
前記第３の永久磁石は、内側第２極、外側第１極、および前記回転軸心に対して直交する磁場を有し、
前記第４の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高く、前記第３の高さよりも低い第４の高さ、および前記第３の直径よりも大きい第４の直径を有し、
前記第４の永久磁石は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極に反発する内側第１極を有し、少なくとも前記固定子に対する前記回転子の半径方向の偏心を軽減し、
前記第１の永久磁石の前記上側第１極は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極よりも前記第３の永久磁石の前記内側第２極に近く、
前記第３の永久磁石の前記内側第２極は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極よりも前記第１の永久磁石の前記上側第１極に近く、
前記頂部磁気浮上軸受は、
前記回転子の上端に機械的に連結された第５の永久磁石のリングと、
前記第５の永久磁石のリングの上方において、前記頂部支持部に機械的に連結された第６の永久磁石のリングと、
前記上端に機械的に連結された第７の永久磁石のリングと、
前記第７の永久磁石のリングから半径方向外側に向かって、前記頂部支持部に機械的に連結された第８の永久磁石のリングを備えており、
前記第６の永久磁石は、前記第５の永久磁石に反発して、前記底部支持部の上方の前記回転子の上向きの動きを制限し、
前記第８の永久磁石は、前記第７の永久磁石に反発して、前記第７の永久磁石と前記第８の永久磁石との間の磁気結合は、前記第３の永久磁石と前記第４の永久磁石との間の磁気結合とともに、少なくとも前記回転子の半径方向の偏心を軽減する、フライホイールシステム。
【請求項13】
前記第１の永久磁石の１つと前記第３の永久磁石の１つの最も近接している対のそれぞれにおいて、前記第１の永久磁石の磁場と前記第３の永久磁石の磁場は、互いに結合されている、請求項１２に記載のフライホイールシステム。
【請求項14】
前記フライホイールシステムは、
発電機と、
能動型磁気軸受と、
受動型予備磁気軸受をさらに備え、
前記発電機は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の発電機永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結された発電機固定子を備えており、
前記発電機固定子は、前記複数の第１の発電機永久磁石との相互作用によって、前記回転子の回転エネルギーと前記発電機固定子の巻線の電流とを変換するように構成されており、
前記能動型磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の磁化可能な要素と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の磁化可能な要素に磁気的に連結して、前記固定子に対して前記回転子を能動的に安定化するように構成された複数の電磁石を備え、
前記受動型予備磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石に磁気的に連結して、前記能動型磁気軸受が故障した場合に、予備として、前記固定子に対して前記回転子を安定化させるように構成された複数の第２の受動型予備磁気軸受永久磁石を備えている、請求項１２に記載のフライホイールシステム。
【請求項15】
底部支持部を有する固定子と、
重力荷重を有し、前記底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子と、
底部磁気浮上軸受と、
発電機と、
能動型磁気軸受と、
受動型予備磁気軸受を備え、
前記底部磁気浮上軸受は、
前記回転子の底端部に機械的に連結された第１の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第２の永久磁石のリングと、
前記回転子の前記底端部に機械的に連結された第３の永久磁石のリングと、
前記底部支持部に機械的に連結された第４の永久磁石のリングを備えており、
前記第１の永久磁石のリングは、第１の高さ、および第１の直径を有し、
前記第１の永久磁石は、上側第１極、下側第２極、および前記回転軸心と平行な磁場を有し、
前記第２の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも低い第２の高さ、および前記第１の直径と同等の第２の直径を有し、
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極に反発する上側第２極を有し、前記底部支持部の上方の前記重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持しており、
前記第３の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高い第３の高さ、および前記第１の直径よりも大きい第３の直径を有し、
前記第３の永久磁石は、内側第２極、外側第１極、および前記回転軸心に対して直交する磁場を有し、
前記第４の永久磁石のリングは、前記第１の高さよりも高く、前記第３の高さよりも低い第４の高さ、および前記第３の直径よりも大きい第４の直径を有し、
前記第４の永久磁石は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極に反発する内側第１極を有し、少なくとも前記固定子に対する前記回転子の半径方向の偏心を軽減し、
前記第１の永久磁石の前記上側第１極は、前記第３の永久磁石の前記外側第１極よりも前記第３の永久磁石の前記内側第２極に近く、
前記第３の永久磁石の前記内側第２極は、前記第１の永久磁石の前記下側第２極よりも前記第１の永久磁石の前記上側第１極に近く、
前記発電機は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の発電機永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結された発電機固定子を備えており、
前記発電機固定子は、前記複数の第１の発電機永久磁石との相互作用によって、前記回転子の回転エネルギーと前記発電機固定子の巻線の電流とを変換するように構成されており、
前記能動型磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の磁化可能な要素と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の磁化可能な要素に磁気的に連結して、前記固定子に対して前記回転子を能動的に安定化するように構成された複数の電磁石を備え、
前記受動型予備磁気軸受は、
前記回転子に機械的に連結された複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石と、
前記固定子に機械的に連結され、前記複数の第１の受動型予備磁気軸受永久磁石に磁気的に連結して、前記能動型磁気軸受が故障した場合に、予備として、前記固定子に対して前記回転子を安定化させるように構成された複数の第２の受動型予備磁気軸受永久磁石を備えている、フライホイールシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【0001】
本出願は、２０１８年１０月２２日に出願された米国特許出願第６２／７４９，０８３号の優先権の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
フライホイールシステムは、回転エネルギーを回転質量、すなわち回転子に蓄える機械装置である。回転子に蓄えられるエネルギー量は、回転子の回転速度の２乗に比例する。回転子は、フライホイールシステムが回転子の回転エネルギーと電気エネルギーとの間で変換することを可能にするために、電磁発電機固定子に磁気的に連結され得る。発電機固定子は、回転子を減速して、回転子から抽出された回転エネルギーから電気エネルギーを生成してもよいし、発電機固定子は、電気エネルギーを受け取り、この電気エネルギーを回転子の回転エネルギーに変換して、回転子を加速させてもよい。フライホイールシステムは、大きなエネルギー貯蔵容量を持つように設計されてもよく、さらに、エネルギーの供給と吸収を迅速に行うことができる。フライホイールシステムの一般的な用途には、（ａ）燃焼発電機の固定子などの他のエネルギー源の出力のピークシェービング、（ｂ）エネルギー貯蔵、（ｃ）バックアップ電源、および（ｄ）迅速なエネルギー供給などが挙げられる。
【0003】
フライホイールシステムでの低損失エネルギー貯蔵には、非常に少ない摩擦で回転子が回転する必要がある。したがって、高性能フライホイールの回転子は、通常、重力に逆らうように磁気浮上させる。
【発明の概要】
【0004】
一実施形態では、フライホイールシステムは、底部支持部を有する固定子と、重力荷重として機能し、前記底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子と、底部磁気浮上軸受を備えている。前記底部磁気浮上軸受は、（ａ）前記回転子の底端部に機械的に連結された第１の磁石のリングと、（ｂ）前記第１の磁石のリングの下方において、前記底部支持部に機械的に連結された第２の磁石のリングを備えており、前記第２の磁石は、前記第１の磁石に反発して、前記底部支持部の上方の前記重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持している。前記底部磁気浮上軸受は、（ｃ）前記底端部に機械的に連結された第３の磁石のリングと、（ｄ）前記第３の磁石のリングから半径方向外側に向かって、前記底部支持部に機械的に連結された第４の磁石のリングをさらに備えており、前記第４の磁石は、前記第３の磁石に反発して、少なくとも前記固定子に対する前記回転子の半径方向の偏心を軽減する。
【0005】
一実施形態では、フライホイールシステムの回転子を浮上させて半径方向に安定化するための方法は、（ａ）前記回転子に機械的に連結された複数の第１の磁石に受動的に上向きの磁力を加えて、前記回転子の重力荷重の少なくとも一部を支える工程と、（ｂ）前記回転子に機械的に連結された複数の第２の磁石に半径方向内向きの力を受動的に加えて、少なくとも前記回転子の半径方向の偏心を軽減する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
フライホイールシステムは、従来の電力網に接続されておらず、代わりにいわゆるマイクログリッドに依存している洋上環境または陸上環境での使用が検討されている。これらの環境では、フライホイールシステムはエネルギー源として機能し、例えば、エネルギー貯蔵、バックアップ電源、ピークシェービング、および／または周波数制御などの電力機能を提供することができる。フライホイールシステムは、短期的な高い電力需要に対して迅速に対応することができる。掘削船、半潜水型掘削プラットフォーム、その他の船舶などの不安定な環境、または地震が発生しやすい地域に実装された場合、フライホイールシステムは、フライホイールシステムの性能と寿命の両方に影響を与えるほどの大きな力にさらされる。
【0021】
フライホイールシステムは、フライホイールシステムの基材の上方でフライホイールの回転子を浮上させる磁気浮上軸受を用いることが多い。従来、この磁気浮上軸受は、重力に逆らうように構成されており、この目的のために、実質的に鉛直な回転軸心の周りを回転する回転子に対して軸方向の力を加える。本明細書において、「軸方向」は、フライホイールの回転軸心と平行な方向を指し、「半径方向」は、回転軸心から離れる方向または回転軸心に近づく方向のいずれかで回転軸心に対して垂直な方向を指す。従来の磁気浮上軸受は、回転子の底部に取り付けられた複数の永久磁石の第１の組と、これら永久磁石の第１の組の下方の基材に取り付けられた複数の永久磁石の第２の組を備えている。これら永久磁石の２つの組は互いに反発して、回転子に上向きの力を加える。しかしながら、永久磁石の第１の組と第２の組との間で磁気結合が反発する性質により、永久磁石の第２の組の上方において、完全に整列している永久磁石の第１の組に対応する回転子位置には、不安定な平衡状態が生じる。したがって、従来の磁気浮上軸受によって発生する上向きの力は、軸方向には回転子の位置を安定させることはできるが、従来の磁気浮上軸受では、半径方向には本質的に不安定である。高性能フライホイールシステムは、例えば、（ａ）フライホイールが設置された環境の動き、（ｂ）回転子を加速または減速するために電動機／発電機によって回転子に加えられるトルクなど、結果として半径方向の不安定さが発生した場合に、半径方向の回転子位置を能動的に安定化するための能動型磁気軸受を組み込むことができる。これらの能動型磁気軸受は、従来の磁気浮上軸受で生じる半径方向の不安定さを打ち消すことも可能である。しかしながら、このような能動的な安定化は電力に依存しているため、能動型磁気軸受によって実行される動作は、結果的にフライホイールシステムのエネルギー効率を低下させる。
【0022】
本明細書では、フライホイールの回転子を浮上させるための磁気浮上軸受を備え、半径方向の安定化を実現するフライホイールシステムが開示される。当該磁気浮上軸受は、電力を消費することなく、受動的な磁気結合を用いて軸方向および半径方向の両方の安定化を実現することができる。当該磁気浮上軸受によって行われる半径方向の安定化は、磁気浮上軸受によって軸方向の安定化することによって生じる半径方向の不安定さを解消し、あるいは少なくとも軽減することができる。
したがって、当該磁気浮上軸受は、フライホイールシステムのエネルギー効率を改善されることが可能である。
したがって、当該磁気浮上軸受は、フライホイールシステムのエネルギー効率を改善されることが可能である。
【0023】
図１は、半径方向の安定化を図る回転子を浮上させるための磁気浮上軸受を備えたフライホイールシステム１００の一実施形態を示している。図１は、例示的なフライホイールシステム１００を示しており、フライホイールシステム１００は、少なくとも時々動きにさらされ得る基材１８０上に配置されている。フライホイールシステム１００は、回転子１１０および底部支持部１２２を備えている。回転子１１０は、回転軸心１９０を中心に、方向１９２または方向１９２の逆方向に回転するように構成されている。フライホイールシステム１００は、回転子１１０を底部支持部１２２の上方で浮上させるとともに、回転子１１０の回転軸心１９０に対する半径方向の安定化を提供するための底部磁気浮上軸受１３０をさらに備えている。フライホイールシステム１００は、底部磁気浮上軸受１３０が、底部支持部１２２の上方の回転子１１０の重力荷重の少なくとも一部を支持するように、回転軸心１９０が公称鉛直であるものとして動作するように構成されてもよい。ここで、特に明記しない限り、回転子の「回転軸心」は、回転子の公称回転軸心を指し、回転子の実際の回転軸心は、少なくとも一時的に公称回転軸心から外れる可能性があることを理解されたい。
【0024】
底部磁気浮上軸受１３０は、底部支持部１２２に機械的に連結された磁気構造体１３２、および回転子１１０の底端部に機械的に連結された磁気構造体１３４を備えている。磁気構造体１３２は、磁気構造体１３４に反発して、回転子１１０に（ａ）方向１９４に沿った軸方向上向きの力、および（ｂ）方向１９６と逆方向の半径方向内向きの力の両方を加える。この半径方向内向きの力は、回転子１１０の半径方向の偏心を打ち消す。このような半径方向の偏心は、軸方向上向きの力を生成する磁場に関連する不安定さの結果として、フライホイールシステム１００が配置された環境の動きの結果として、および／またはフライホイールシステム１００の他の機能的な構成要素により回転子１１０に加えられるトルクの結果として、発生し得る。一実施形態では、磁気構造体１３２，１３４は、永久磁石を利用する受動型磁気構造体であり、底部磁気浮上軸受１３０は電力を消費しない。
【0025】
図１の例では、底部支持部１２２は、例えば、建物の床または船舶に搭載されたデッキなどの基材１８０によって支持されている。底部支持部１２２は、基材１８０に実質的に堅固に連結されているため、基材１８０が動くときに底部支持部１２２も基材１８０とともに動く。基材１８０は、例えば、矢印１５２で示される水平方向の並進、矢印１５４で示される縦方向の並進、および１５０で示される回転などの様々な方向、またはそれらの組み合わせで移動することがある。底部磁気浮上軸受１３０によって回転子１１０を軸方向および半径方向において安定化させることにより、基材１８０の動きによって引き起こされる回転子１１０と底部支持部１２２との間の相対的な動きを少なくとも部分的に打ち消すことができる。
【0026】
回転子１１０の重量は、１０から１０，０００キログラムの間であり得る。回転子１１０に比較的大量の回転エネルギーを貯蔵するように構成された一実施形態では、例えば、沖合の環境での使用を目的としたフライホイールシステム１００では、回転子１１０の重量は、１トンから２トンの間であり、例えば１．５トンである。他の実装形態では、回転子１１０に少量の回転エネルギーを貯蔵するように構成され、例えば、家庭用のフライホイールシステム１００では、回転子１１０の重量は、１０から１００キログラムの間である。
【0027】
一実施形態では、フライホイールシステム１００は、回転子１１０の上端の上方に配置された頂部支持部１２４をさらに備えている。底部支持部１２２および頂部支持部１２４は、固定子１２０の一部であってもよい。図面の明確化のために図１には図示されていないが、頂部支持部１２４を備えたフライホイールシステム１００の実施形態では、頂部磁気浮上軸受をさらに備えていてもよい。この頂部磁気浮上軸受は、底部磁気浮上軸受１３０と同一または類似であってもよく、例えば、頂部支持部１２４に機械的に連結された磁気構造体１３２の第２の例と、回転子１１０の上端に機械的に連結された磁気構造体１３４の第２の例を備えている。この頂部磁気浮上軸受が実装されることにより、回転子１１０の上方への動きを制限するだけでなく、その上端において回転子１１０の半径方向の安定化を行う。回転子１１０の上方への動きを制限することは、基材１８０が下方（および上方）に動く場合において有利となることがある。なぜならば、このような場合では、回転子１１０と頂部支持部１２４との間の距離が減少しやすいからである。頂部磁気浮上軸受は、回転子１１０が頂部支持部１２４にぶつかるのを防ぐ役割を果たすとともに、半径方向の安定化を行うことができる。
【0028】
なお、図１では、回転子１１０、磁気構造体１３２、および磁気構造体１３４のそれぞれが円筒形を有しているが、回転子１１０、磁気構造体１３２、および磁気構造体１３４のうちのいずれか１つの形状は、円筒形を有していなくてもよい。例えば、回転子１１０の表面は、回転子１１０と固定子１２０との間の相互作用を容易にする機能をもつ構成部材を収容し、配置するための凹部および／または凸部を有していてもよい。同様に、底部支持部１２２および頂部支持部１２４のいずれか一方の形状は、図１に示したものと異なっていてもよい。
【0029】
本明細書中、フライホイールシステムの構成要素の「頂部」および「底部」は、鉛直回転軸心１９０を基準とする。本明細書に開示されるフライホイールシステムは、非鉛直回転軸心で配向され得ることを理解されたい。例えば、動作環境に設置する前に、または動作環境によって公称鉛直な回転軸心の向きが鉛直から外れる場合（例えば、ほぼ鉛直な向きの軸で動作するように設計されたフライホイールシステムを支持する基材が動くとき、および／または振動中）などである。同様に、本明細書で使用される「上方」および「下方」という用語は、鉛直回転軸心を基準とする。
【0030】
図２は、回転軸を有し、半径方向の安定化を図る回転子を浮上させるための磁気浮上軸受を備えたフライホイールシステム２００の一実施形態を示している。図２は、フライホイールシステム２００の断面図を示しており、この断面は、回転軸心１９０を含む平面である。フライホイールシステム２００は、フライホイールシステム１００の一実施形態である。フライホイールシステム２００は、回転子２１０、底部支持部２２２、および底部磁気浮上軸受１３０を備えている。回転子２１０は、軸２１２を備えた回転子１１０の一実施形態である。軸２１２は、回転子２１０の残りの部分とともに回転する。底部支持部２２２は、底部支持部１２２の一実施形態であり、回転子２１０およびその軸２１２に（少なくとも磁気的に）連結するように特別に調整されている。磁気構造体１３２は、底部支持部１２２に機械的に連結されており、磁気構造体１３４は、回転子２１０の底端部に機械的に連結されている。
【0031】
一実施形態では、フライホイールシステム２００は、頂部支持部２２４および頂部磁気浮上軸受２３０をさらに備えている。頂部支持部２２４は、回転子２１０およびその軸２１２と（少なくとも磁気的に）連結するように特別に調整された頂部支持部１２４の一実施形態である。図１を参照して上述したように、頂部磁気浮上軸受２３０は、底部磁気浮上軸受１３０と同一または類似であってもよい。頂部磁気浮上軸受２３０は、頂部支持部２２４に機械的に連結された磁気構造体２３２と、回転子２１０の上端に機械的に連結された磁気構造体２３４を備えている。磁気構造体２３２は、磁気構造体１３２と同一または類似であってもよく、磁気構造体２３４は、磁気構造体１３４と同一または類似であってもよい。
【0032】
底部支持部２２２と回転子２１０との間の空間、および頂部支持部２２４（備えている場合）と回転子２１０との間の空間において、フライホイールシステム２００は、界面領域２８０を形成する。界面領域２８０は、底部磁気浮上軸受１３０を収容しており、頂部支持部２２４を備えている場合には、頂部磁気浮上軸受２３０を収容している。界面領域２８０は、（ａ）回転子２１０と、（ｂ）底部支持部２２２および頂部支持部２２４（備えている場合）との間の相互作用を容易にする他の機能をもつ部材を収容していてもよい。このような機能的な構成要素は、以下を含み得る。すなわち、（ａ）回転子の回転エネルギーをフライホイールシステムの電気エネルギー出力に磁気的に変換し、逆に、フライホイールシステムへの電気エネルギー入力を回転子の回転エネルギーに磁気的に変換する１つまたは複数の発電機、および／または（ｂ）固定子に対する回転子の相対位置を能動的に安定化させる１つまたは複数の能動型磁気軸受である。能動型磁気軸受には、能動型磁気軸受が故障した場合に回転子の安定化を行うための１つまたは複数の受動型予備磁気軸受が付属されていてもよい。本明細書中、「能動型磁気軸受」は、入力信号に基づいて調整可能な軸受のことを指す。能動型磁気軸受は、フィードバックループ内に１つまたは複数のセンサを備えていてもよい。
【0033】
固定子２２０は、底部支持部２２２および頂部支持部２２４ととともに、回転子２１０を含む筐体を形成する、半径方向の壁２２８をさらに備えていてもよい。この筐体は、真空の筐体であってもよい。
【0034】
回転子２１０は、横方向の幅２６２および高さ２６０を有している。一実施形態では、横方向の幅２６２は、回転軸心１９０に沿って一定である。他の実施形態では、横方向の幅２６２は、例えば、図１を参照して上述したように、回転軸心に沿った位置の関数として変化する。横方向の幅２６２は直径であってもよい。横方向の幅２６２および高さ２６０のそれぞれは、１０から２００センチメートルの範囲内であってもよい。
【0035】
図３は、固定軸を有し、半径方向の安定化を図る回転子を浮上させるための磁気浮上軸受を備えたフライホイールシステム３００の一実施形態を示している。図３は、フライホイールシステム３００の断面図を示しており、この断面は、回転軸心１９０を含む平面である。フライホイールシステム３００は、フライホイールシステム１００の一実施形態である。フライホイールシステム３００は、回転子３１０および固定子３２０をそれぞれ備えた実施形態である。固定子３２０は、底部支持部３２２、頂部支持部３２４、および底部支持部３２２と頂部支持部３２４を接続する固定軸３２６を備えている。固定軸３２６は、回転子３１０が固定軸３２６の周りを回転するように、回転子３１０の開口部を通過する。底部支持部３２２および頂部支持部３２４は、底部支持部１２２および頂部支持部１２４の一実施形態であり、それぞれ、固定軸３２６および回転子３１０とともに使用するために特別に構成されている。固定子３２０は、半径方向の壁２２８をさらに備えていてもよい。半径方向の壁２２８は、底部支持部３２２および頂部支持部３２４とともに、回転子３１０の筐体を形成している。この筐体は、真空の筐体であってもよい。
【0036】
フライホイールシステム３００は、底部磁気浮上軸受１３０をさらに備えている。磁気構造体１３２は、底部支持部３２２に機械的に連結されており、磁気構造体１３４は、回転子３１０の底端部に機械的に連結されている。フライホイールシステム３００は、磁気構造体１３２，１３４が頂部支持部３２４および回転子３１０の上端にそれぞれ機械的に連結された、頂部磁気浮上軸受２３０を備えていてもよい。
【0037】
フライホイールシステム３００は、回転子３１０と固定子３２０との間の相互作用を容易にする機能的な構成要素を収容し得る界面領域３８０を形成している。フライホイールシステム２００の界面領域２８０と比較すると、フライホイールシステム３００の界面領域３８０は、固定軸３２６と回転子３１０と間の開口部３１２内の空間をさらに含む。回転子３１０の高さ２６０全体に亘る開口部３１２と、開口部３１２の高さ全体を貫通する固定軸３２６によって、フライホイールシステム３００は、フライホイールシステム２００の界面領域２８０と比較すると、回転子１１０と固定子１２０との間に比較的大きく広がった界面領域３８０を有している。この比較的大きく広がった界面領域３８０は、フライホイールシステム３００に実装された異なる磁性部品間で比較的広い間隔を保つことができ、その結果、このような異なる磁性部品間の潜在的な磁気結合を最小化するように、異なる磁性部品を配置することができる。特に、大きく広がった界面領域３８０により、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０を他の磁場源から比較的離れた場所に配置することができる。したがって、界面領域３８０は、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０（備えている場合）による軸方向および半径方向の安定化のための最適条件を提供することができる。これは、完全な受動型である底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０の実施形態にとっては特に重要な利点である。なぜならば、これらの実施形態では、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０は、他の磁場を補償するために能動的に調整することができないからである。他の磁場源が底部磁気浮上軸受１３０、（および備えている場合は、頂部磁気浮上軸受２３０）に近いフライホイールシステム２００，３００の実施形態では、磁気シールドを実装して、底部磁気浮上軸受１３０（および含まれている場合は、頂部磁気浮上軸受２３０）の性能に対する、このような他の磁場源の影響を軽減することができる。
【0038】
固定軸３２６および開口部３１２は、それぞれ横方向の幅３７０，３７２を有している。一実施形態では、横方向の幅３７０，３７２のそれぞれは、回転軸心１９０に沿って一定である。他の実施形態では、横方向の幅３７０，３７２の一方または両方は、回転軸心に沿った位置の関数として変化する。横方向の幅３７０，３７２のそれぞれは、直径であってもよい。横方向の幅３７０と横方向の幅３７２との間の差は、１から２０ミリメートルの範囲内であってもよい。横方向の幅３７２の横方向の幅２６２に対する比率は、５から５０パーセントの範囲内であってもよい。横方向の幅３７０は、３から１００ミリメートルの範囲内であってもよい。固定軸３２６は、鋼を含んでいるか、またはステンレス鋼などの鋼から構成されてもよい。
【0039】
図４は、軸方向および半径方向の両方の安定化を行う４リング磁気浮上軸受４００の斜視図である。４リング磁気浮上軸受４００は、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０のいずれか一方の例である。４リング磁気浮上軸受４００は、フライホイールシステム２００，３００のいずれか１つに実装されていてもよい。図５は、４リング磁気浮上軸受４００を実装したフライホイールシステム５００の断面側面図を示している。フライホイールシステム５００は、４リング磁気浮上軸受４００として、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０の一方または両方を実装したフライホイールシステム１００の一実施形態である。以下の説明では、図４および図５を参照するのが最もよい。図５は、回転子１１０の途中で切断されたフライホイールシステム５００の底部のみを示している。図４は、フライホイールシステム５００に実装されたときに、回転子１１０を通過した視点から見た４リング磁気浮上軸受４００の斜視図を示している。
【0040】
４リング磁気浮上軸受４００は、（ａ）磁石４１２のリング４１０、（ｂ）磁石４２２のリング４２０、（ｃ）磁石４３２のリング４３０、および（ｄ）磁石４４２のリング４４０を備えている。各リング４１０，４２０，４３０，４４０は、回転軸心１９０を取り囲んでいる。リング４１０，４３０は、磁気構造体１３４の一実施形態であり、リング４２０，４４０は、磁気構造体１３２の一実施形態である。使用の一実施形態では、リング４１０，４３０は、回転子１１０の底端部に機械的に連結されており、リング４２０，４４０は、（図５に示されるように）底部支持部１２２に機械的に連結されている。このように、４リング磁気浮上軸受４００は、底部磁気浮上軸受１３０の一実施形態を表している。他の実施形態では、リング４１０，４３０は、回転子１１０の上端に機械的に連結されており、リング４２０，４４０は、頂部支持部１２４に機械的に連結されている。このように、４リング磁気浮上軸受４００は、頂部磁気浮上軸受２３０の実施形態を形成する。一実施形態では、磁石４１２，４２２，４３２，４４２は永久磁石であり、４リング磁気浮上軸受４００は、受動的に磁気による安定化を行うように構成されている。リング４１０，４３０は、実質的に同心円状であってもよく、リング４２０，４４０は、実質的に同心円状であってもよい。回転子１１０が回転軸心１９０に対して半径方向に中心にあるとき、リング４１０，４２０，４３０，４４０は同心円状であってもよい。
【0041】
磁石４２２は磁石４１２に反発し、実質的または主に軸方向に、これらの間に加わる力により、軸方向の安定化を提供する。磁石４４２は磁石４３２に反発し、これらの間に加わる力が半径方向の成分を含むことにより、半径方向の安定化を提供する。磁石４４２と磁石４３２との間に加わる力は、軸方向の成分をさらに含んでいてもよく、したがって、半径方向の安定化に加えて軸方向の安定化に寄与することができる。磁石４４２と磁石４３２との間の磁気結合によって行われる半径方向の安定化は、磁石４２２と磁石４１２との間の磁気結合によって生じる半径方向の不安定さを解消し、あるいは少なくとも軽減することができる。
【0042】
図４に示す例では、磁石４１２，４２２，４３２，４４２のそれぞれは、立方体の形状を有している。各立方体の一辺の長さは、１から２０ミリメートルの範囲内であってもよく、例えば、２から４ミリメートルである。しかしながら、本明細書の範囲から逸脱することなく、１つまたは複数の磁石４１２，４２２，４３２，４４２の形状および／または寸法は、図４に示したものと異なってもよく、リング４１０，４２０，４３０，４４０のうちの１つまたは複数の磁石の数は、図４に示したものとは異なってもよい。リング４１０とリング４２０の間隔は、数分の１ミリメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。同様に、リング４３０と４４０の間の半径方向の距離は、数分の１ミリメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。リング４１０とリング４２０の間隔は、これらの間の軸方向の力の所望の強さを達成するように設定することができる。同様に、リング４３０とリング４４０との間の半径方向の距離（および軸方向の距離）は、これらの間の半径方向（および軸方向）の力の所望の強さを達成するように設定することができる。一実施形態では、リング４１０，４２０，４３０，４４０は、半径方向の力よりも強い軸方向の力を生成するように構成されている。
【0043】
図５に示すように、リング４１０，４２０，４３０，４４０は、それぞれ直径５１８，５２８，５３８，５４８を有しており、底部支持部１２２からの高さ５１６，５２６，５３６，５４６の位置にそれぞれ配置される。これらの高さは、回転子１１０が底部支持部１２２に対して移動するときに変化することがあり、これらの高さは、フライホイールシステム５００の安定した望ましい構成に関連する公称高さを示していることを理解されたい。高さ５１６は、高さ５２６よりも高い。直径５１８，５２８は、図４および図５に示すように、実質的に同一であってもよいし、互いにわずかに異なっていてもよい。直径５４８は直径５３８よりも大きく、直径５３８は直径５２８，５１８よりも大きい。高さ５３６は高さ５１６よりも高い。図４および図５に示すように、高さ５３６は高さ５４６よりも高い。しかしながら、本明細書の範囲から逸脱することなく、高さ５３６，５４６は同一であってもよいし、高さ５３６は高さ５４６よりも低くてもよい。
【0044】
図４は、磁石４１２，４２２，４３２，４４２の極性の例を示している。矢印４８２は、Ｎ極を示し、直線の先端４８０は、Ｓ極を示している。図示の例では、（ａ）磁石４１２，４２２のそれぞれの極性は、フライホイールシステム５００において、磁石４１２のＮ極が回転子１１０を向き、磁石４２２のＮ極が回転子１１０から離れる方向を向くように、回転軸心１９０と平行であり、（ｂ）磁石４３２，４４２のそれぞれの極性は、磁石４３２のＮ極が回転軸心１９０から離れる方向を向き、磁石４４２のＮ極が回転軸心１９０を向くように、回転軸心１９０に対して垂直である。本明細書の範囲から逸脱することなく、リング４１０とリング４２０とが互いに反発し、リング４３０とリング４４０とが互いに反発する限り、異なる極性の方向であってもよい。一例では、高さ５３６と高さ５４６は異なる高さであり、磁石４３２と磁石４４２の極性は、回転軸心１９０に対して斜めの方向に沿って互いに向き合っている。
【0045】
フライホイールシステム５００は、リング４２０，４４０を底部支持部１２２に機械的に連結する取り付け部材５５２を備えていてもよい。図５に示すように、回転子１１０には、回転軸心１９０を取り囲む溝が形成されていてもよく、取り付け部材５５２が溝に入り込んで、リング４１０，４２０，４３０，４４０を意図された相対位置に配置している。あるいは、回転子１１０は、底部支持部１２２に向かって突出している取り付け部材（図５には図示せず）を備えることにより、リング４１０，４２０，４３０，４４０を意図された相対位置に配置してもよい。一実施形態では、リング４１０，４３０は、回転子１１０内または回転子１１０上の取り付け部材５５０に取り付けられている。
【0046】
図６、図７、および図８は、フライホイールシステム５００における４リング磁気浮上軸受４００の３つのそれぞれの高さ構成６００，７００，８００を示している。図６、図７、および図８は、図５の左側部分の図に対応している。以下の説明では、図６、図７、および図８を参照するのが最もよい。高さ構成６００，７００，８００は、リング４３０の高さ５３６とリング４４０の高さ５４６との間の関係が互いに異なっている（図５の高さの定義を参照）。高さ構成６００では、高さ５３６と高さ５４６は同一である。高さ構成７００では、高さ５３６は高さ５４６よりも高い。高さ構成８００では、高さ５３６は高さ５４６よりも低い。
【0047】
高さ構成６００では、公称高さにおいて、リング４３０とリング４４０との間の磁気結合は、純粋にこれらの間の半径方向の力に対応する。高さ構成６００，７００では、それぞれの公称高さにおいて、リング４３０とリング４４０との間の磁気結合に関連する力は、半径方向成分および軸方向成分の両方を有している。高さ構成７００では、公称高さにおいて、軸方向の力の成分は、底部支持部１２２から離れる方向に、回転子１１０に上向きにかかる力に対応する。したがって、高さ構成７００の公称高さにおいて、リング４３０とリング４４０との間の軸方向の力の成分は、リング４１０とリング４２０との間の磁気結合による軸方向の安定化にさらに寄与する。対照的に、高さ構成８００の公称高さでは、リング４３０とリング４４０との間の軸方向の力の成分は、回転子１１０を底部支持部１２２に向かって押すことにより、リング４１０とリング４２０との間の磁気結合によって生成される軸方向の力に逆らうように作用する。動作中、フライホイールシステム５００は、その環境、例えば、基材１８０の軸方向の動きの影響を受けることがあり、高さ５３６と高さ５４６との間の関係は、このような軸方向の動きの結果として動的に変化することがある。
【0048】
以下の実施例Ｉに示されるデータは、少なくとも特定の状況下では、高さ構成８００が不安定であることを示している。実施例Ｉは、高さ５３６が高さ５４６より低くなると、リング４２０，４４０がリング４１０，４３０に及ぼす軸方向の反発力が減少することを示している。したがって、高さ構成６００，７００は、高さ構成８００よりも高い安定性を提供することができる。また、高さ構成６００における回転子１１０の下方への動きは、実質的に高さ構成８００に対応しており、このような動きは、フライホイールシステム５００の実際の使用中に発生する可能性が高く、高さ構成７００は、高さ構成６００よりも高い安定性を提供することができる。一実施形態では、フライホイールシステム５００は、高さ構成７００に従って構成され、公称高さ５３６，５４６は、基材１８０が動いている間であっても、リング４３０がリング４４０よりも高さを維持するように調整されている。
【0049】
図６、図７、および図８は、リング４１０，４２０，４３０，４４０の極性を示しており、リング４１０，４２０，４３０，４４０内に矢印で示されている。図４および図５を参照して上述したように、極性は、図６、図７、および図８に示すものとは異なっていてもよい。
【0050】
図９は、フライホイールシステム５００における４リング磁気浮上軸受４００の極性構成９００の一例を示している。極性構成９００は、高さ構成６００，７００，８００のうちのいずれか１つとともに実装されてもよい。極性構成９００では、リング４１０，４３０は、以下のいずれかである。（ａ）リング４１０のＮ極は、リング４３０のＮ極よりもリング４３０のＳ極に近く、リング４３０のＳ極は、リング４１０のＳ極よりもリング４１０のＮ極に近いか、または（ｂ）リング４１０のＳ極は、リング４３０のＳ極よりもリング４３０のＮ極に近く、リング４３０のＮ極は、リング４１０のＮ極よりもリング４１０のＳ極に近い。その結果、リング４１０，４３０からのそれぞれの磁場は、互いに適度に整列している。リング４１０とリング４３０との間に効果的な磁気シールドが適用されない場合、リング４１０，４３０からの磁場の働きによって、結合磁場９５０を形成することがある。取り付け部材５５０は、この磁場の組み合わせを促進するために非磁性材料で構成され、結合磁場９５０を形成してもよい。
【0051】
図１０は、フライホイールシステム５００における４リング磁気浮上軸受４００の他の極性構成１０００を示している。極性構成１０００は、高さ構成６００，７００，８００のうちのいずれか１つとともに実装されてもよい。極性構成１０００では、リング４１０とリング４３０との間の極性の関係は、極性構成９００の場合とは逆になる。極性構成１０００では、リング４１０，４３０の極性は、以下のいずれかである。（ａ）リング４１０のＮ極は、リング４３０のＳ極よりもリング４３０のＮ極に近く、リング４３０のＮ極は、リング４１０のＳ極よりもリング４１０のＮ極に近い、または（ｂ）リング４１０のＳ極は、リング４３０のＮ極よりもリング４３０のＳ極に近く、リング４３０のＳ極は、リング４１０のＮ極よりもリング４１０のＳ極に近い。その結果、リング４１０，４３０からのそれぞれの磁場は、互いに整列しない。リング４１０，４３０からの磁場の相互相殺を回避するために、極性構成１０００は、リング４１０およびリング４３０との間に磁気シールド１０５０を用いてもよい。
【0052】
図１１は、図５と同様の断面側面図で示されており、軸方向および半径方向の両方の安定化を実現するための他の４リング磁気浮上軸受１１０２を備えた他のフライホイールシステム１１００を示している。４リング磁気浮上軸受１１０２は、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０のいずれか一方の例である。４リング磁気浮上軸受１１０２は、フライホイールシステム２００およびフライホイールシステム３００のいずれかに実装されてもよい。フライホイールシステム１１００は、フライホイールシステム１００の一実施形態であり、このフライホイールシステム１００は、底部磁気浮上軸受１３０および頂部磁気浮上軸受２３０の一方または両方をそれぞれの４リング磁気浮上軸受１１０２として実装している。
【0053】
４リング磁気浮上軸受１１０２は、（ａ）磁石のリング１１１０、（ｂ）磁石のリング１１２０、（ｃ）磁石のリング１１３０、および（ｄ）磁石のリング１１４０を備えている。これらリング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０のそれぞれは、回転軸心１９０を取り囲んでいる。リング１１１０，１１３０は、磁気構造体１３４の一実施形態であり、リング１１２０，１１４０は、磁気構造体１３２の一実施形態である。使用の一実施形態では、リング１１１０，１１３０は、回転子１１０の底端部に機械的に連結されており、リング１１２０，１１４０は、底部支持部１２２に機械的に連結されている。使用の他の実施形態では、リング１１１０，１１３０は回転子１１０の上端に機械的に連結されており、リング１１２０，１１４０は頂部支持部１２４に機械的に連結されている。リング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０のそれぞれは、例えば、図４を参照して上述したように、複数の磁石を備えていてもよい。一実施形態では、これら磁石のそれぞれは永久磁石であり、４リング磁気浮上軸受１１０２は、磁気によって受動的に安定化するように構成される。
【0054】
リング１１２０はリング１１１０に反発し、実質的または主に軸方向に、これらの間に加わる力により、軸方向の安定化を提供する。リング１１４０はリング１１３０に反発し、これらの間に加わる力が半径方向の成分を含むことにより、半径方向の安定化を提供する。リング１１３０とリング１１４０との間に加わる力は、軸方向の成分をさらに含んでいてもよく、したがって、半径方向の安定化に加えて軸方向の安定化に寄与することができる。リング１１４０とリング１１３０との間の磁気結合による半径方向の安定化は、リング１１２０とリング１１１０との間の磁気結合によって生じる半径方向の不安定さを解消し、あるいは少なくとも軽減することができる。
【0055】
リング１１１０とリング１１２０の間隔は、数分の１ミリメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。同様に、リング１１３０とリング１１４０との間の半径方向の距離は、数分の１ミリメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。リング１１１０とリング１１２０の間隔は、これらの間の軸方向の力の所望の強さを達成するように設定することができる。同様に、リング１１３０とリング１１４０との間の半径方向距離（および軸方向距離）は、これらの間の半径方向（および軸方向）の力の所望の強度を達成するように設定することができる。一実施形態では、リング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０は、半径方向の力よりも強い軸方向の力を加えるように構成される。
【0056】
リング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０は、直径１１１８，１１２８，１１３８，１１４８をそれぞれ有しており、底部支持部１２２からの高さ１１１６，１１２６，１１３６，１１４６の位置にそれぞれ配置される。これらの高さは、回転子１１０が底部支持部１２２に対して相対的に移動するときに変化することがあり、これらの高さは、フライホイールシステム１１００の安定した望ましい構成に関連する公称高さを示していることを理解されたい。高さ１１１６は、高さ１１２６よりも高い。直径１１１８，１１２８は、図１１に示すように、実質的に同一であってもよいし、互いにわずかに異なっていてもよい。直径１１４８は直径１１３８よりも大きく、直径１１４８は直径１１２８，１１１８よりも小さい。高さ１１１６は高さ１１３６よりも高い。図１１に示すように、高さ１１３６は高さ１１４６よりも高い。しかしながら、本明細書の範囲から逸脱することなく、高さ１１３６，１１４６は同一であってもよいし、高さ１１３６は高さ１１４６よりも低くてもよい。
【0057】
一実施形態では、（ａ）リング１１１０，１１２０のそれぞれの極性は回転軸心１９０と平行であり、（ｂ）リング１１３０，１１４０のそれぞれの極性は回転軸心１９０に対して垂直である。本明細書の範囲から逸脱することなく、リング１１１０とリング１１２０とが互いに反発し、リング１１３０とリング１１４０とが互いに反発する限り、異なる極性の方向であってもよい。一例では、高さ１１３６と高さ１１４６は異なる高さであり、磁石１１３２と磁石１１４２の極性は、回転軸心１９０に対して斜めの方向に沿って互いに向き合っている。
【0058】
フライホイールシステム１１００は、リング１１２０，１１４０を底部支持部１２２に機械的に連結する取り付け部材１１５２を備えていてもよい。図１１に示すように、回転子１１０には、回転軸心１９０を取り囲む溝が形成されていてもよく、取り付け部材１１５２が溝に入り込んで、リング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０を意図された相対位置に配置している。あるいは、回転子１１０は、底部支持部１２２に向かって突出している取り付け部材（図１１には図示せず）を備えることにより、リング１１１０，１１２０，１１３０，１１４０を意図された相対位置に配置してもよい。一実施形態では、リング１１１０，１１３０は、回転子１１０内または回転子１１０上の取り付け部材１１５０に取り付けられている。
【0059】
図１２、図１３、および図１４は、フライホイールシステム１１００における４リング磁気浮上軸受１１０２の３つのそれぞれの高さ構成１２００，１３００，１４００を示している。図１２、図１３、および図１４は、図１１の左側部分の図に対応している。以下の説明では、図１２、図１３、および図１４を参照するのが最もよい。高さ構成１２００，１３００，１４００は、リング１１３０の高さ１１３６とリング１１４０の高さ１１４６との間の関係が互いに異なっている（図１１の高さの定義を参照）。高さ構成１２００では、高さ１１３６と高さ１１４６は同一である。高さ構成１３００では、高さ１１３６は高さ１１４６よりも高い。高さ構成１４００では、高さ１１３６は高さ１１４６よりも低い。
【0060】
高さ構成１２００では、公称高さにおいて、リング１１３０とリング１１４０との間の磁気結合は、純粋にこれらの間の半径方向の力に対応する。高さ構成１３００，１４００では、それぞれの公称高さにおいて、リング１１３０とリング１１４０との間の磁気結合は、これらの間に半径方向の力および軸方向の力の両方を生成する。高さ構成１３００では、公称高さにおいて、軸方向の力は、底部支持部１２２から離れる方向に、回転子１１０に上向きにかかる力に対応する。したがって、高さ構成１３００の公称高さにおいて、リング１１３０とリング１１４０との間の軸方向の力は、リング１１１０とリング１１２０との間の磁気結合による軸方向の安定化にさらに寄与する。対照的に、高さ構成１４００の公称高さでは、リング１１３０とリング１１４０との間の軸方向の力は、回転子１１０を底部支持部１２２に向かって押すことにより、リング１１１０とリング１１２０との間の磁気結合によって生成される軸方向の力に逆らうように作用する。動作中、フライホイールシステム１１００は、その環境、例えば、基材１８０の軸方向の動きの影響を受けることがあり、高さ１１３６と高さ１１４６との間の関係は、このような軸方向の動きの結果として動的に変化することがある。
【0061】
【0062】
リング４１０とリング４３０は、４リング磁気浮上軸受４００において互いに近接しているのに対し、リング１１２０とリング１１４０は、４リング磁気浮上軸受１１０２において互いに近接している。図９および図１０を参照して上述した極性構成９００および極性構成１０００は、４リング磁気浮上軸受１１０２のリング１１２０およびリング１１３０に転用することができる。
【0063】
図１５は、（ａ）固定軸、（ｂ）半径方向の安定化を図る回転子を浮上させるための少なくとも１つの磁気浮上軸受、および（ｃ）前記少なくとも１つの磁気浮上軸受から離れた前記固定軸に実装された他の磁気モジュールを有するフライホイールシステム１５００の一実施形態を示している。フライホイールシステム１５００は、少なくとも１つの発電機１５１０、少なくとも１つの能動型磁気軸受１５３０、および少なくとも１つの受動型予備磁気軸受１５２０を備えたフライホイールシステム３００の一実施形態である。フライホイールシステム１５００は、１つまたは複数の能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０をさらに備えていてもよい。
【0064】
フライホイールシステム１５００では、底部磁気浮上軸受１３０は、開口部３１２および固定軸３２６から離れて実装されている。一実施形態では、フライホイールシステム１５００は、開口部３１２および固定軸３２６から離れて実装された頂部磁気浮上軸受２３０も備えている。少なくとも１つの発電機１５１０、少なくとも１つの能動型磁気軸受１５３０、少なくとも１つの受動型予備磁気軸受１５２０、および備えている場合には、１つまたは複数の能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０のそれぞれは、（ａ）底部磁気浮上軸受１３０（および備えている場合、頂部磁気浮上軸受２３０）における外部磁場の存在、および／または（ｂ）このような外部磁場を軽減するための磁気シールドの必要性を最小化するように、固定軸３２６に配置される。
【0065】
図１５は、１つの発電機１５１０、２つの能動型磁気軸受１５３０、および２つの受動型予備磁気軸受１５２０を示している。しかしながら、本明細書の範囲から逸脱することなく、フライホイールシステム１５００は、発電機１５１０、能動型磁気軸受１５３０、および受動型予備磁気軸受１５２０のうちのいずれか１つは、異なる数であってもよい。同様に、本明細書の範囲から逸脱することなく、１つまたは複数の能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０を実装したフライホイールシステム１５００の一実施形態では、能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０の数は、図１５に示す数と異なってもよい。
【0066】
各発電機１５１０は、回転子３１０の回転エネルギーをフライホイールシステム１５００の電気エネルギー出力に磁気的に変換し、逆に、フライホイールシステム１５００への電気エネルギー入力を回転子３１０の回転エネルギーに磁気的に変換する。発電機１５１０は、（ｉ）回転子３１０に機械的に連結された複数の永久磁石１５１４、および（ｉｉ）固定軸３２６に機械的に連結された発電機固定子１５１２を備えていてもよい。発電機固定子１５１２は、永久磁石１５１４に磁気的に連結して、回転子３１０の回転エネルギーと発電機固定子１４１２の巻線を流れる電流とを変換する。
【0067】
能動型磁気軸受１５３０は、固定子３２０に対する回転子３１０の相対位置を能動的に安定化する。各能動型磁気軸受１５３０は、（ｉ）回転子３１０に機械的に連結された複数の磁化可能な部材１５３４、および（ｉｉ）固定軸３２６に機械的に連結された複数の電磁石１５３２を備えていてもよい。電磁石１５３２は、磁化可能な部材１５３４に磁気的に連結して、固定子３２０に対して回転子３１０を能動的に安定化する。各能動型磁気軸受１５３０は、回転子３１０の位置および／または動きを感知する１つまたは複数のセンサ１５３６をさらに備え、能動的なフィードバック信号を電磁石１５３２に送信してもよい。
【0068】
受動型予備磁気軸受１５２０は、能動型磁気軸受１５３０が故障した場合に回転子３１０を安定化させる。各受動型予備磁気軸受１５２０は、（ｉ）回転子３１０に機械的に連結された複数の永久磁石１５２４、および（ｉｉ）固定軸３２６に機械的に連結された複数の永久磁石１５２２を備えている。永久磁石１５２２は、永久磁石１５２４に磁気的に連結して、１つまたは複数の能動型磁気軸受１４３０が電力を失った場合や、故障した場合に、予備として、固定子３２０に対して回転子３１０を安定化させる。一実施形態では、１つの受動型予備磁気軸受１５２０は底部支持部３２２の近傍に配置されている。この実施形態では、受動型予備磁気軸受１５２０を固定軸３２６に配置し、底部磁気浮上軸受１３０から半径方向内側に配置することにより、これら２つの磁気モジュール間の磁気干渉が軽減される。他の実施形態では、１つの受動型予備磁気軸受１５２０が頂部支持部３２４の近傍に配置され、フライホイールシステム１５００は頂部磁気浮上軸受２３０を備えている。この実施形態では、受動型予備磁気軸受１５２０を固定軸３２６に配置し、頂部磁気浮上軸受２３０から半径方向内側に配置することにより、これらの２つの磁気モジュール間の磁気干渉を軽減する。
【0069】
能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０は、固定子３２０に対する回転子３１０の軸方向における相対的な位置を能動的に安定化させる。各能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０は、（ｉ）回転子３１０に機械的に連結された複数の永久磁石１５４４、および（ｉｉ）固定軸３２６に機械的に連結された複数の電磁石１５４２を備えている。電磁石１５４２は永久磁石１５４４に磁気的に連結して、固定子３２０に対する回転子３１０の相対的な軸方向位置を能動的に安定化する。各能動型縦方向安定化磁気軸受１５４０は、回転子３１０の位置および／または動きを感知する１つまたは複数のセンサ（図１５には図示せず）をさらに備え、能動的なフィードバック信号を電磁石１５４２に送信してもよい。
【0070】
図１６は、フライホイールシステム５００またはフライホイールシステム１１００などのフライホイールシステムの回転子を浮上させ、かつ回転子を半径方向において安定化させるための方法１６００の一実施形態を示している。方法１６００は、ステップ１６１０およびステップ１６２０を含む。ステップ１６１０は、回転子に機械的に連結された複数の第１の磁石に、受動的に上向きの磁力を加えて、回転子の重力荷重の少なくとも一部を支える。ステップ１６１０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６１０の一例では、リング４２０は、図４および図５を参照して上述したように、リング４１０に上向きの磁力を及ぼす。あるいは、ステップ１６１０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６１０の一例では、リング１１２０は、図１１を参照して上述したように、リング１１１０に上向きの力を及ぼす。ステップ１６２０は、回転子に機械的に連結された複数の第２の磁石に、受動的に半径方向内向きの力を加えて、少なくとも回転子の半径方向の偏心を軽減する。ステップ１６２０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６２０の一例では、リング４４０は、図４および図５を参照して上述したように、リング４３０に半径方向内向きの力を及ぼす。あるいは、ステップ１６２０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６２０の一例では、リング１１４０は、図１１を参照して上述したように、リング１１３０に半径方向内向きの力を及ぼす。
【0071】
一実施形態では、方法１６００は、第２の磁石に、受動的に第２の上向きの磁力を加えるステップ１６３０をさらに含む。ステップ１６３０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６３０の一例では、リング４４０は、例えば、図７を参照して上述したように、リング４３０に上向きの軸方向の力を及ぼす。あるいは、ステップ１６３０は、底部磁気浮上軸受１３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６３０の一例では、リング１１４０は、例えば、図１３を参照して上述したように、リング１１３０に上向きの軸方向の力を及ぼす。
【0072】
任意選択で、方法１６００は、（ａ）回転子の下方の支持部に機械的に連結された永久磁石組立体と、（ｂ）第１の磁石および第２の磁石との間の磁気結合の少なくとも一部によって、（ステップ１６１０，１６２０、および任意選択でステップ１６３０の）鉛直方向上向きの磁力および半径方向内向きの磁力を生成することを含む。例えば、リング４１０とリング４３０は、図９を参照して上述したように、互いに磁気的に連結されていてもよく、あるいは、上述したように、リング１１２０とリング１１４０は、互いに磁気的に連結されていてもよい。
【0073】
一実施形態では、方法１６００は、ステップ１６４０およびステップ１６５０をさらに含む。ステップ１６４０は、回転子に機械的に連結された複数の第３の磁石に、受動的に下向きの磁力を加えて、回転子の上方への動きを制限する。ステップ１６４０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６４０の一例では、リング４２０は、図４および図５を参照して上述したように、リング４１０に下向きの磁力を及ぼす。あるいは、ステップ１６４０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６１０の一例では、リング１１２０は、図１１を参照して上述したように、リング１１１０に下向きの力を及ぼす。ステップ１６５０は、回転子に機械的に連結された複数の第４の磁石に、受動的に半径方向内向きの力を加えて、回転子の半径方向の偏心の軽減に寄与する。ステップ１６５０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６５０の一例では、リング４４０は、図４および図５を参照して上述したように、リング４３０に半径方向内向きの力を及ぼす。あるいは、ステップ１６５０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６５０の一例では、リング１１４０は、図１１を参照して上述したように、リング１１３０に半径方向内向きの力を及ぼす。
【0074】
ステップ１６４０およびステップ１６５０を含む方法１６００の一実施形態は、第４の磁石に、受動的に第２の下向きの磁力を加えるステップ１６６０をさらに含んでもよい。ステップ１６６０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受４００によって実行されてもよい。このようなステップ１６６０の一例では、リング４４０は、例えば、図７を参照して上述したように、リング４３０に下向きの軸方向の力を及ぼす。あるいは、ステップ１６６０は、頂部磁気浮上軸受２３０として実装された４リング磁気浮上軸受１１０２によって実行されてもよい。このようなステップ１６６０の一例では、リング１１４０は、例えば、図１３を参照して上述したように、リング１１３０に下向きの軸方向の力を及ぼす。
実施例Ｉ：３００キログラムの回転子の安定化
実施例Ｉ：３００キログラムの回転子の安定化
【0075】
この実施例では、３００キログラムの実施形態の回転子１１０を浮上させるように構成された４リング磁気浮上軸受４００の実施形態について、軸方向および半径方向の力が計算されている。この結果は、図１７にグラフで示している。グラフ１７２０およびグラフ１７２２は、高さ構成７００による４リング磁気浮上軸受４００の一実施形態に関するものである。グラフ１７３０およびグラフ１７３２は、高さ構成８００による４リング磁気浮上軸受４００の一実施形態に関するものである。グラフ１７１０およびグラフ１７１２は、リング４３０およびリング４４０を有していない４リング磁気浮上軸受４００に対応する軸方向のみの磁気浮上軸受に関するものである。
【0076】
グラフ１７１０，１７２０，１７３０のそれぞれは、回転子１１０の軸方向の位置の関数として、上向きの軸方向の力を示している。グラフ１７１２，１７２２，１７３２のそれぞれは、回転子１１０の複数の軸方向の位置について、半径方向の偏心距離の関数として、半径方向の力を示している。半径方向の力が正の値のとき、半径方向の力が外向きであること、すなわち、偏心していることを示す。
【0077】
基準となる例として、最初のグラフ１７１０，１７１２では、軸方向のみの磁気浮上軸受は、回転子１１０が下降するにつれて大きくなる安定した上向きの軸方向の力を生成しており、望ましい（グラフ１７１０を参照）。しかしながら、半径方向外向きの力は相当大きい。半径方向の中心から少しでも外れると、回転子１１０に強い半径方向外向きの力がかかる。これにより、望ましくない半径方向の不安定さが生じるため、能動型磁気軸受によって打ち消される必要がある。
【0078】
次に、高さ構成７００による４リング磁気浮上軸受４００の実施形態では、グラフ１７２０は、回転子１１０が降下するにつれて大きくなる安定した上向きの軸方向の力を示しており、望ましい。グラフ１７２２は、グラフ１７１２と比較して半径方向外向きの力が大幅に減少していることを示している。これは、４リング磁気浮上軸受４００の本実施例による安定性の向上を示している。グラフ１７２２の半径方向外向きの力は、グラフ１７１２の半径方向外向きの力よりも大幅に小さいため、これらの力はより容易に打ち消され、結果として、フライホイールシステムはよりエネルギー効率が高くなる。
【0079】
最後に、高さ構成８００による４リング磁気浮上軸受４００の実施形態では、グラフ１７３０は、回転子１１０がある高さよりも降下すると小さくなる不安定な上向きの軸方向の力を示している。これは、グラフ１７２０に示された挙動よりも望ましくない場合がある。グラフ１７３２は、グラフ１７２２と同様の大きさの半径方向の力を示しているが、異なる点は、グラフ１７３２の半径方向の力は、最小の高さで半径方向内側になることである。
実施例ＩＩ：１５００キログラムの回転子の安定化
実施例ＩＩ：１５００キログラムの回転子の安定化
【0080】
この実施例では、１５００キログラムの実施形態の回転子１１０を浮上させるように構成された４リング磁気浮上軸受４００の実施形態について、軸方向および半径方向の力が計算されている。ここで検討する実施形態は、高さ構成７００によって構成されている。この結果は、図１８にグラフで示している。グラフ１８１０は、回転子１１０の複数の半径方向の偏心距離について、回転子１１０の軸方向の位置の関数として、上向きの軸方向の力を示している。グラフ１８１２は、回転子１１０の複数の軸方向の位置について、半径方向の偏心距離の関数として、半径方向の力を示している。半径方向の力が正の値のとき、半径方向の力が外向きであること、すなわち偏心していることを指示す。グラフ１８１０およびグラフ１８１２に表された挙動は、回転子１１０の質量が大きいため、結果として、はるかに大きい値で力の大きさが示されていることを除いて、グラフ１７２０およびグラフ１７２２に表されたものと同様である。
特徴の組み合わせ
特徴の組み合わせ
【0081】
上述した特徴および以下に記載する特徴は、本明細書の範囲から逸脱することなく、様々な方法で組み合わせることができる。例えば、本明細書に記載されたフライホイールシステム、または関連する方法の態様は、本明細書に記載された他のフライホイールシステム、または関連する方法の特徴を組み込むか、または交換できることが理解されるだろう。以下の実施例は、上述した実施形態の可能な、非限定的な組み合わせを示している。本発明の意図および範囲から逸脱することなく、本明細書の方法および装置に他の多くの変更および修正を加えることができることは明らかであろう。
【0082】
（Ａ１）フライホイールシステムは、（ａ）底部支持部を有する固定子、（ｂ）重力荷重として機能し、底部支持部の上方において回転軸心の周りを回転するように構成された回転子、および（ｃ）底部磁気浮上軸受を備えている。底部磁気浮上システムは、（ｉ）回転子の底端部に機械的に連結された第１の磁石のリングと、（ｉｉ）第１の磁石のリングの下方において、底部支持部に機械的に連結された第２の磁石のリングを備えており、第２の磁石は、第１の磁石に反発して、底部支持部の上方の重力荷重の少なくとも一部を磁気的に支持している。底部磁気浮上システムは、（ｉｉｉ）回転子の底端部に機械的に連結された第３の磁石のリングと、（ｉｖ）第３の磁石のリングから半径方向外側に向かって、底部支持部に機械的に連結された第４の磁石のリングをさらに備えており、第４の磁石は、第３の磁石に反発して、少なくとも固定子に対する回転子の半径方向の偏心を軽減する。
【0083】
（Ａ２）（Ａ１）に記載のフライホイールにおいて、第１の磁石のそれぞれ、第２の磁石のそれぞれ、第３の磁石のそれぞれ、第４の磁石のそれぞれは、永久磁石であってもよい。
【0084】
（Ａ３）（Ａ１）および（Ａ２）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第１の磁石および第２の磁石のそれぞれの磁場は、回転軸心と平行であってもよい。
【0085】
（Ａ４）（Ａ３）に記載のフライホイールシステムにおいて、第３の磁石および第４の磁石のそれぞれの磁場は、回転軸心に対して直交してもよい。
【0086】
（Ａ５）（Ａ１）乃至（Ａ４）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石は、底部支持部の上方において、それぞれ第１の高さ、第２の高さ、第３の高さ、および第４の高さに配置されてもよい。第１の高さは第２の高さよりも高く、第３の高さは第４の高さよりも高い。
【0087】
（Ａ６）（Ａ５）に記載のフライホイールシステムにおいて、第３の磁石と第４の磁石との間の磁気結合は、重力荷重の少なくとも一部を支持することにさらに寄与してもよい。
【0088】
（Ａ７）（Ａ５）および（Ａ６）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石は、回転軸心を中心として、それぞれ第１の直径、第２の直径、第３の直径、および第４の直径を有するように配置されており、第３の直径は第１の直径および第２の直径よりも大きく、第４の直径は第３の直径よりも大きい。
【0089】
（Ａ８）（Ａ７）に記載のフライホイールシステムにおいて、第１の直径および第２の直径は同一であってもよい。
【0090】
（Ａ９）（Ａ７）および（Ａ８）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第３の高さは第１の高さよりも高くてもよい。
【0091】
（Ａ１０）（Ａ９）に記載のフライホイールシステムにおいて、第１の磁石の磁場は、回転軸心と平行であってもよく、第３の磁石の磁場は、回転軸心に対して直交してもよい。第１の磁石のそれぞれは上極と下極を有していてもよく、第３の磁石のそれぞれは内極と外極を有していてもよい。第１の磁石の１つと第３の磁石の１つの最も近接している対のそれぞれにおいて、内極は下極よりも上極に近く、上極は外極よりも内極に近く、内極と下極のそれぞれは、Ｎ極およびＳ極のどちらか一方であり、外極と上極のそれぞれは、Ｎ極およびＳ極のうちの他方である。
【0092】
（Ａ１１）（Ａ１０）に記載のフライホイールシステムにおいて、最も近接している対のそれぞれにおいて、第１の磁石の磁場と第３の磁石の磁場は、互いに結合されていてもよい。
【0093】
（Ａ１２）（Ａ１）乃至（Ａ６）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石は、回転軸心を中心として、それぞれ第１の直径、第２の直径、第３の直径、および第４の直径を有するように配置されてもよい。第４の直径は第１の直径および第２の直径よりも小さくてもよく、第３の直径は第４の直径よりも小さい。
【0094】
（Ａ１３）（Ａ１２）に記載のフライホイールシステムにおいて、第１の直径および第２の直径は同一であってもよい。
【0095】
（Ａ１４）（Ａ１１）乃至（Ａ１３）のいずれかに記載のフライホイールシステムにおいて、第２の高さは第４の高さよりも高くてもよい。
【0096】
（Ａ１５）（Ａ１４）に記載のフライホイールシステムにおいて、第２の磁石の磁場は回転軸心と平行であってもよく、第４の磁石の磁場は回転軸心に対して直交してもよい。第２の磁石のそれぞれは上極と下極を有していてもよく、第４の磁石のそれぞれは内極と外極を有していてもよい。第２の磁石の１つと第４の磁石の１つの最も近接している対のそれぞれにおいて、内極は下極よりも上極に近く、上極は外極よりも内極に近く、内極と下極のそれぞれは、Ｎ極とＳ極のどちらか一方であり、外極と上極のそれぞれはＮ極とＳ極のうちの他方である。
【0097】
（Ａ１６）（Ａ１５）に記載のフライホイールシステムにおいて、最も近接する対のそれぞれは、第２の磁石と第４の磁石とが互いに磁気的に連結されていてもよい。
【0098】
（Ａ１７）（Ａ１）乃至（Ａ１６）のいずれかに記載のフライホイールシステムは、固定子に実装された頂部支持部と、頂部磁気浮上軸受をさらに備えていてもよい。頂部磁気浮上軸受は、（ｉ）回転子の上端に機械的に連結された第５の磁石のリングと、（ｉｉ）第５磁石のリングの上方において、頂部支持部に機械的に連結された第６磁石のリングを備えており、第６磁石は、第５磁石に反発して、底部支持部の上方の回転子の上向きの動きを制限する。頂部磁気浮上軸受は、（ｉｉｉ）上端に機械的に連結された第７の磁石のリングと、（ｉｖ）第７の磁石のリングから半径方向外側に向かって、頂部支持部に機械的に連結された第８の磁石のリングをさらに備えており、第８の磁石は、第７の磁石に反発して、第７の磁石と第８の磁石との間の磁気結合は、第３の磁石と第４の磁石との間の磁気結合とともに、少なくとも回転子の半径方向の偏心を軽減する。
【0099】
（Ａ１８）（Ａ１７）に記載のフライホイールシステムにおいて、第５の磁石、第６の磁石、第７の磁石、および第８の磁石は、底部支持部の上方において、それぞれ第５の高さ、第６の高さ、第７の高さ、および第８の高さに配置されてもよく、第６の高さは第５の高さよりも高く、第８の高さは第７の高さよりも高い。
【0100】
（Ａ１９）（Ａ１８）に記載のフライホイールシステムにおいて、第７の磁石と第８の磁石と間の磁気結合は、回転子の上向きの動きを制限することにさらに寄与してもよい。
【0101】
（Ａ２０）（Ａ１）乃至（Ａ１９）のいずれかに記載のフライホイールシステムは、（ａ）発電機をさらに備えていてもよく、この発電機は、（ｉ）回転子に機械的に連結された複数の第１の永久磁石と、（ｉｉ）固定子に機械的に連結された発電機固定子を備えている。発電機固定子は、第１の永久磁石との相互作用によって、回転子の回転エネルギーと発電機固定子の巻線の電流とを変換するように構成されている。フライホイールシステムは、（ｂ）能動型磁気軸受をさらに備えていてもよく、この能動型磁気軸受は、（ｉ）回転子に機械的に連結された複数の磁化可能な要素と、（ｉｉ）固定子に機械的に連結され、複数の磁化可能な要素に磁気的に連結して、固定子に対して回転子を能動的に安定化するように構成された複数の電磁石を備えている。フライホイールシステムは、（ｃ）受動型予備磁気軸受をさらに備えていてもよく、受動型予備磁気軸受は、（ｉ）回転子に機械的に連結された複数の第２の永久磁石と、（ｉｉ）固定子に機械的に連結され、第２の永久磁石に磁気的に連結して、能動型磁気軸受が故障した場合に、予備として、固定子に対して回転子を安定化させるように構成された複数の第３の永久磁石を備えている。
【0102】
（Ａ２１）（Ａ２０）に記載のフライホイールシステムにおいて、受動型予備磁気軸受は、底部磁気浮上軸受よりも半径方向内側にあり、底部磁気浮上軸受は、受動型予備磁気軸受よりも発電機から離れていてもよい。
【0103】
（Ａ２２）請求項２１に記載のフライホイールシステムにおいて、回転子には、開口部が形成されていてもよく、固定子は、開口部を通過し、頂部支持部を底部支持部に接続する軸をさらに備えていてもよく、回転子は、軸の周りを回転するように構成されてもよい。発電機および能動型磁気軸受のそれぞれは、軸に実装されてもよく、能動型磁気軸受は、発電機よりも底部支持部に近接していてもよく、受動型予備磁気軸受は、能動型磁気軸受よりも底部支持部に近接していてもよい。
【0104】
（Ｂ１）フライホイールシステムの回転子を浮上させ、かつ回転子を半径方向において安定化させるための方法は、（ａ）回転子に機械的に連結された複数の第１の磁石に、受動的に上向きの磁力を加えて、回転子の重力荷重の少なくとも一部を支える工程と、（ｂ）回転子に機械的に連結された複数の第２の磁石に、受動的に半径方向内向きの力を加えて、少なくとも回転子の半径方向の偏心を軽減する工程を含む。
【0105】
（Ｂ２）（Ｂ１）に記載の方法は、第２の磁石に、受動的に第２の上向きの磁力を加える工程をさらに含んでもよい。
【0106】
（Ｂ３）（Ｂ１）および（Ｂ２）のいずれかに記載の方法は、（ｉ）回転子の下方において、支持部に機械的に連結された永久磁石組立体と、（ｉｉ）第１の磁石および第２の磁石との間の磁気結合の少なくとも一部によって、鉛直方向上向きの磁力および半径方向内向きの磁力を生成する工程を含んでもよい。
【0107】
（Ｂ４）（Ｂ１）乃至（Ｂ３）のいずれかに記載の方法は、回転子に機械的に連結された複数の第３の磁石に、受動的に下向きの磁力を加えて、回転子の上方への動きを制限する工程、および回転子に機械的に連結された複数の第４の磁石に、受動的に半径方向内向きの力を加えて、回転子の半径方向の偏心の軽減に寄与する工程をさらに含んでもよい。
【0108】
（Ｂ５）（Ｂ４）に記載の方法は、第４の磁石に、受動的に第２の下向きの磁力を加える工程をさらに含んでもよい。
【0109】
本明細書の範囲から逸脱することなく、上述したシステムおよび方法に変更を加えることができる。したがって、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されている事項は、限定的な意味ではなく、例示として解釈されるべきであることに留意されたい。以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載の一般的および特定の特徴、ならびに言語の問題としてそれらの間にあると言われる可能性がある本システムおよび方法の範囲のすべての記載を網羅することを意図している。
【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】
【図17】
【図18】
