JP2003244891A

JP2003244891A - フライホイール・バッテリ

Info

Publication number: JP2003244891A
Application number: JP2002042778A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sunaga; 義弘須永; Shoei Abe; 昇栄阿部; Koichi Ono; 浩一小野; Yukihiko Itai; 幸彦板井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気軸受けなどの非接触式の軸受けを用いつ
つ、回転体の高回転時の安定化を可能としたフライホイ
ール・バッテリを提供する。【解決手段】両端が非接触式の軸受けで支持されたシ
ャフトと、それに固定されたフライホイールとからなる
回転体を備えたフライホイール・バッテリにおいて、回
転体の形状を、回転体の回転軸回りの慣性モーメントＩ
ｐと、回転軸に直交すると共に、回転体の重心を通る軸
回りの慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉｄが１未満、よ
り望ましくは０．７あるいはその近傍となるように決定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はフライホイール・
バッテリに関する。

【０００２】

【従来の技術】軸方向の複数個所において非接触式の軸
受けで支持された回転体、より具体的には両端が非接触
式の軸受けで支持されたシャフトと、それに固定された
フライホイールとからなる回転体を備え、電気エネルギ
を前記回転体の回転エネルギとして蓄積するフライホイ
ール・バッテリは、例えば特開２０００−２５３５９９
号公報などで提案されている。この従来技術にあって
は、非接触式の軸受けとして超電導磁気軸受けを用い、
いわゆる超電導フライホイールを構成している。

【０００３】この種のフライホイール・バッテリにおい
て、現実の回転体は、精密に加工して製作しても、幾何
学中心と回転体の重心の間には僅かなずれ（偏芯）が残
るため、その偏芯による遠心力が回転振動を励起する。
上記した従来技術に係る超電導軸受け構造では回転体を
傾けようとするモーメントに対する軸受け支持剛性が低
いことから、偏芯による遠心力が回転体を傾けようとす
るモーメントとして作用しないようにする必要がある。

【０００４】そのため、上記した従来技術においては、
フライホイールを含む回転体のシャフト方向の長さが回
転体の最外直径より小さい、あるいは、回転体の回転対
称軸回りの慣性モーメントを、それに直交すると共に、
回転体の重心を通る軸回りの慣性モーメントより大きく
する、換言すれば回転体の回転軸回りの慣性モーメント
Ｉｐと、回転軸に直交すると共に、回転体の重心を通る
軸回りの慣性モーメントＩｄ（この従来技術ではＩｒで
示される）の比Ｉｐ／Ｉｄが１を超えるように構成して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、上記した
従来技術では、慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄを１より大
きくすることで偏芯に起因した遠心力による回転体を傾
けようとするモーメントを小さくすることが提案されて
いるが、磁気軸受けなどの非接触式の軸受けを用いる限
り、その支持特性によって生じる剛体共振（コニカルモ
ード）に対する減衰比がジャイロ効果の影響により回転
上昇に伴って減少する方向に変化（不安定化）するた
め、回転体の高回転時の安定化が困難となる。

【０００６】回転数に対する減衰比の低下度合いは慣性
モーメント比に依存し、慣性モーメント比がより大きい
ほど減衰比の低下度合いは大きくなる。従って、上記し
た従来技術で提案されるように、慣性モーメント比Ｉｐ
／Ｉｄが１を超えるような回転体では高回転化が不可能
となる。

【０００７】従って、この発明の目的は上記した課題を
解消することにあり、磁気軸受けなどの非接触式の軸受
けを用いつつ、回転体の高回転時の安定化を可能とした
フライホイール・バッテリを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１項にあっては、軸方向の複数個所におい
て非接触式の軸受けで支持されたフライホイールからな
る回転体を備え、電気エネルギを前記回転体の回転エネ
ルギとして蓄積し、蓄積した回転エネルギを発電電動機
を介して出力するフライホイール・バッテリにおいて、
前記回転体の形状を、前記回転体の回転軸回りの慣性モ
ーメントＩｐと、前記回転軸に直交すると共に、前記回
転体の重心を通る軸回りの慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ
／Ｉｄが１未満となるように、決定する如く構成した。

【０００９】回転体の形状を、その回転軸回りの慣性モ
ーメントＩｐと、その回転軸に直交すると共に、回転体
の重心を通る軸回りの慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉ
ｄが１未満となるように決定するように構成したので、
回転の上昇に伴って共振周波数が大きく分岐するコニカ
ルモードに対する減衰比の低下度合いを緩やかにするこ
とができ、磁気軸受けなどの非接触式の軸受けを用いる
ときも、回転体の高回転時の安定化を実現することがで
き、よってバッテリとしてのエネルギ密度を上げること
ができる。

【００１０】請求項２項にあっては、前記回転体の形状
を前記慣性モーメントの比Ｉｐ／Ｉｄが０．７あるいは
その近傍となるように決定する如く構成した。

【００１１】慣性モーメント比をより小さくするほど減
衰比の低下度合いを小さくすることができるが、他方、
慣性モーメント比を小さくすることは、シャフトを長く
することにつながり、曲げ共振周波数低下、あるいはフ
ライホイール・バッテリ本体の重量の増加を招くことに
なる。従って、そのような相反する事象を比較考量し、
前記慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄが０．７あるいはその
近傍となるように回転体の形状を決定する如く構成し
た。これによって磁気軸受けなどの非接触式の軸受けを
用いるときも、回転体の高回転時の一層の安定化を実現
することができる。

【００１２】請求項３項にあっては、さらに、少なくと
も前記磁気軸受けに対する前記回転体の変位、より具体
的には前記磁気軸受けに対する前記回転体の変位および
変位速度を検出する変位検出手段、前記回転体の回転数
を検出する回転数検出手段、および前記検出された変位
が目標値となるように、所定のフィードバック制御則に
基づき、前記回転数に応じて求められるフィードバック
ゲインを用いて前記磁気軸受けに供給すべき操作量を算
出するフィードバック制御手段を備える如く構成した。

【００１３】検出された変位が目標値となるように、所
定のフィードバック制御則に基づき、前記回転数に応じ
て求められるフィードバックゲインを用いて磁気軸受け
に供給すべき操作量、より具体的には磁気軸受けのステ
ータに配置された電磁石の励磁コイルに供給すべき通電
指令値を算出するフィードバック制御手段を備える如く
構成したので、換言すれば、機械系で言えばバネ・ダン
パ系に相当する変位フィードバック、より具体的には、
バネに相当する変位フィードバックおよびダンパに相当
する変位速度フィードバックを、回転数に応じて調整し
たゲインを用いつつ、磁気軸受けについて行うように構
成したので、前記した効果に加え、フィードバックゲイ
ンを介してバネ（支持剛性）とダンパ（減衰比）を比較
的容易に調整することができると共に、回転数に対して
所望のフィードバック則の調整が可能となり、減衰比の
低下に対する補正が可能となって減衰比の低下度合いを
一層緩やかにすることができ、回転体の高回転時の安定
化を一層良く実現することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に即し、この発明
の一つの実施の形態に係るフライホイール・バッテリを
説明する。

【００１５】図１はそのフライホイール・バッテリを全
体的に示す概略図である。

【００１６】図１において、符号１０はそのフライホイ
ール・バッテリを示し、フライホイール・バッテリ１０
はハウジング１２を備える。ハウジング１２の内部には
シャフト１４と、シャフト１４にボルト１６をボルト挿
通孔１６ａに挿通して固定（締結）されてなるフライホ
イール２０が、回転自在に収容される。このように、フ
ライホイール・バッテリ１０は、フライホイール２０の
回転を蓄積エネルギとするフライホイール型蓄電装置と
して構成される。

【００１７】シャフト１４は鉄材からなり、図示の如
く、シャフト半部１４ａ，１４ｂからなる。シャフト半
部１４ａ，１４ｂは共に、先端側からフライホイール２
０に向けて径大に構成される。

【００１８】図２は、フライホイール２０の上面図であ
る。

【００１９】フライホイール２０は、図２から明らかな
如く、上面視でホイール状を呈し、中央位置のボス（ハ
ブ）２０ａ（図２で見えず）の両側でシャフト半部１４
ａ，１４ｂにボルト１６で固定（締結）され、よってシ
ャフト１４を介して回転自在に構成される。

【００２０】フライホイール２０のボス２０ａと円周側
の環状のリム２０ｂの間は、所定の間隔（９０度）をお
いてボス２０ａからリム２０ｂに向けて延ばされた複数
本（４本）のスポーク（アーム）２０ｃで一体的に接続
される。ボス２０ａ、リム２０ｂおよびスポーク２０ｃ
は、アルミニウム材から製作される。また、リム２０ｂ
は比較的肉薄に形成され、そのさらに円周側には炭素繊
維強化樹脂材からなるロータ２０ｄが圧入されて取り付
けられる。

【００２１】図示の如く、ロータ２０ｄは上面視でドー
ナツ状を呈し、それぞれ炭素繊維強化樹脂を積層してな
る複数個のピース、例えば５個のピースからなる。各ピ
ースは順次リム２０ｂの外周に圧入される。

【００２２】このように、ロータ２０ｄを炭素繊維強化
樹脂から製作したことで、軽量でありながら、回転強度
の高いものとすることができる。即ち、エネルギＥは、Ｅ＝（１／２）（Ｉｐ×ω²）〔Ｊ〕で導かれるが、回転強度を上げたことで回転角速度ωを
大きく、換言すれば高速回転させることができる（この
回転は高速であって数万ｒｐｍにも達する）。これによ
ってエネルギ密度の高いフライホイール・バッテリを実
現することができる。

【００２３】図１の説明に戻ると、シャフト１４の半部
１４ｂの外周には永久磁石２２が配置され、永久磁石２
２をフィラメントワインディング層２４でシャフト１４
上に巻き止め、発電電動機のロータ（回転子）２６が構
成される。他方、ハウジング１２には、ロータ２６と所
定のギャップ（間隙）をおいてステータ（固定子巻線）
３０が固定される。ロータ２６とステータ３０で発電電
動機が構成される。

【００２４】シャフト１４（より詳しくはシャフト半部
１４ａ，１４ｂ）は、その両端において軸受け３２を介
してハウジング１２内に回転自在に収容される。軸受け
３２は非接触式の軸受け、具体的には磁気軸受け３２か
らなる。

【００２５】磁気軸受け３２は、シャフト１４に固定さ
れた円筒形のロータ鉄芯（図示せず）と、ハウジング１
２に固定された複数個のステータおよびそこに配置され
た電磁石（共に図示せず）とからなり、ロータ鉄芯をス
テータ側の電磁石で放射状に引き合うことで回転体１０
０を非接触に支持する。ステータなどの付近にはステー
タに対するロータ鉄芯の変位（位置）、より一般的には
磁気軸受け３２に対するシャフト１４あるいは回転体１
００の変位を示す信号を出力する変位センサ（変位検出
手段）３４と、回転体１００の回転数を示す回転数セン
サ３６が配置される。

【００２６】変位センサ３４および回転数センサ３６の
出力は、マイクロコンピュータからなるコントローラ４
０に送られる。コントローラ４０は、変位センサ３４の
出力から上記したステータに対するロータ鉄芯の変位
（位置）Ｐを検出すると共に、その出力の微分値（ある
いは差分値）を求めて変位速度（ステータに対するロー
タ鉄芯、より一般的には磁気軸受け３２に対するシャフ
ト１４あるいは回転体１００の変位速度）Ｖを検出す
る。また、回転数センサ３６の出力から回転体１００の
回転数Ｎを検出する。

【００２７】図３に示す如く、コントローラ４０は、検
出された変位Ｐが目標値に一致するように、フィードバ
ック制御則（ＰＤ制御則など）に基づき、回転数Ｎに応
じて求められる変位Ｐおよび変位速度Ｖについての適宜
な比例（Ｐ）ゲインおよび微分（Ｄ）ゲインを用いて磁
気軸受け３２のステータに配置された電磁石の励磁コイ
ルに供給すべき操作量（通電指令値）を算出し、駆動部
３２ａを介して出力する。

【００２８】ハウジング１２の内部は減圧装置（図示せ
ず）に接続され、真空に保持されてフライホイール２０
の回転時の空気抵抗を減少するように構成される。尚、
図示の構成にあっては、シャフト１４とフライホイール
２０とで回転体１００が構成される。

【００２９】このように、フライホイール・バッテリ１
０は、軸方向の複数個所、具体的には両端の２個所で支
持されたフライホイール２０（およびシャフト１４）か
らなる回転体１００を備え、ロータ２６とステータ３０
を電動機として動作させることで駆動されて回転を開始
し、電気エネルギを回転体１００の回転エネルギとして
蓄積し、蓄積した回転エネルギを発電電動機（ロータ２
６とステータ３０）を介して出力する。出力は図示しな
い回路を介して取り出され、所望の用途に供される。

【００３０】この発明の課題は、かかる非接触式の軸受
けを用いつつ、回転体１００が高回転にあっても安定し
て回転するようにしたフライホイール・バッテリを提供
することにあるので、以下、それについて詳説する。

【００３１】図４は、回転体１００を簡略化のため、機
械軸受けなどの固定部を持つ軸受けで単純支持した場合
の、回転数に対する共振周波数分岐特性を示す説明図で
ある。尚、同図（ａ）は慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＞
１とした場合、同図（ｂ）は慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉ
ｄ＜１とした場合を示す。

【００３２】回転体１００は、ジャイロ効果により、同
図に示す如く、それ自身が持つｎ次の曲げ共振周波数
が、回転の上昇に伴ってそれぞれ高い周波数（前回りモ
ード周波数。章動（実線））と低い周波数（後回りモー
ド周波数。歳差（破線））に分岐する特性を持つ。

【００３３】一般に、図示のような回転体１００では、
ジャイロ効果による共振周波数の分岐度合いは、回転体
１００の回転軸回りの慣性モーメントＩｐと、その回転
軸に直交すると共に、回転体１００の重心を通る軸回り
の慣性モーメントＩｄ（図５に示す）の比Ｉｐ／Ｉｄに
よって決まる。図３（ａ）と（ｂ）を対比すれば明らか
なように、この慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄが大きいほ
ど、回転の上昇に伴う共振周波数の分岐が大きくなる。

【００３４】ジャイロ効果は回転体の傾き運動に対して
現れる効果であるので、図４（ａ）（ｂ）に示す通り、
フライホイール２０がより傾く曲げ２次共振周波数が特
にジャイロ効果の影響を大きく受け、その前回りモード
周波数は（Ｉｐ／Ｉｄ）・ωに漸近する特徴がある
（ω：運搬線（前記した回転角速度に同じ））。

【００３５】先に述べたように、回転体１００の幾何学
中心と重心との間には、現実には僅かな偏芯（不釣り合
い）が存在するため、この偏芯による遠心力が回転振動
を惹起する。偏芯による遠心力は回転１次の加振力とし
て回転体１００に作用するため、これら共振周波数と運
搬線ωの交点が、いわゆる曲げ危険速度と呼ばれる。図
示は省略するが、慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＝１では
前記した漸近線が運搬線に一致するので、高回転では常
に危険速度状態となる。

【００３６】図示のフライホイール・バッテリのような
高速回転体では、この危険速度の克服が課題となる。曲
げ危険速度を回避するためには、最高回転数内にこの危
険速度が存在しないように、回転体１００自体の剛性を
上げる、即ち、回転体曲げ共振周波数を高くすることが
有効である。そのためにはシャフト１４を太く・短くす
るのが有効であるが、同時に慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉ
ｄが大きくなる。

【００３７】続いて、磁気軸受け３２で支持された場合
について考える。

【００３８】磁気軸受け３２などの非接触式の軸受け
は、機械式の軸受けと比較すると、その支持剛性が低い
ことから、回転体１００には、曲げ共振の他に、それよ
りも低い周波数において、図６に示すようなパラレル
（並進）モードとコニカル（傾斜）モードからなる２種
の剛体共振が存在する。

【００３９】図７から図９は、回転体１００を簡略化の
ために剛体として扱うと共に、回転体１００の形状を慣
性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＞１、Ｉｐ／Ｉｄ＝１、Ｉｐ
／Ｉｄ＜１とした場合の、回転数Ｎに対するパラレルモ
ードとコニカルモードの共振周波数およびダンパ特性
（減衰比）の変化を示すシミュレーションデータ図であ
る。

【００４０】先に図４に示した単純支持の曲げ共振の場
合と同様に、磁気軸受け支持で現れる剛体共振もジャイ
ロ効果の影響を受け、図７などに示す如く、共振周波数
が分岐する特性を持つ。図４で見られたような回転数の
上昇と共に大きく分岐する曲げ２次共振に関しては、磁
気軸受け支持ではコニカル共振がそれに対応し、曲げ２
次前回り共振周波数に代わってコニカル前回り共振周波
数（１点鎖線で示す）が（Ｉｐ／Ｉｄ）・ωに漸近す
る。

【００４１】図７などから明らかなように、共振周波数
変化の大きいコニカル前回りモードに対するダンパ特性
（減衰比）の低下が大きい。これは、回転数の上昇に伴
ってコニカル前回りモード（剛体共振）が不安定方向に
変化することを意味している。

【００４２】特に、図７に示すように、回転体１００の
慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＞１、より詳しくは１．３
程度とした場合、ダンパ特性（減衰比）の低下度合いが
著しく、高回転化は不可能である。図８に示す、回転体
１００の慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＝１としたとき
は、図７に示す場合に比較すれば、減衰比の低下度合い
はやや改善されるものの、曲げ２次共振の前回りモード
と同様、共振周波数の漸近線がωとなるため、やはり回
転数の増加には限界がある。

【００４３】それに対し、図９に示す、回転体１００の
慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＜１、より詳しくは０．６
程度とした場合、減衰比の低下度合いは緩やかになり、
高回転での安定性を確保することができる。尚、図９に
示す場合、符号ａ，ｂに示すようなコニカル危険速度Ｎ
ａ，Ｎｂが存在することになるが、危険速度Ｎａ，Ｎｂ
付近での減衰比が大きいことから、危険速度の通過は容
易である。

【００４４】この慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄをより小
さくするほど減衰比の低下度合いを小さくすることがで
きるが、他方、慣性モーメント比を小さくすることは、
シャフト１４の軸方向長さを長くすることにつながり、
曲げ共振周波数低下、あるいはフライホイール・バッテ
リ１０全体の重量の増加を招くことになる。

【００４５】発明者達は、そのような相反する事象を比
較考量した結果、慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄが０．７
あるいはその近傍となるように、回転体１００の形状を
決定するのが望ましいとの結論に達した。それによっ
て、磁気軸受けなどの非接触式の軸受けを用いるとき
も、回転体の高回転時の一層の安定化を実現することが
できる。

【００４６】以上の如く、この実施の形態に係るフライ
ホイール・バッテリにおいては、磁気軸受け３２などの
非接触式の軸受けを用いると共に、回転体１００の形状
を、慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄが１未満、望ましくは
０．７あるいはその近傍とする如く構成したので、フラ
イホイール・バッテリの高回転時の安定化が可能とな
り、よって一層エネルギ密度の高いフライホイール・バ
ッテリを実現することができる。

【００４７】尚、ここで、慣性モーメント比が１未満な
どになるように、回転体１００の形状を決定するとは、
具体的には、シャフト１４およびフライホイール２０
（例えばそのロータ２０ｄ）の形状を決定することのみ
ならず、その材質を変えて比重を調節するなども含む意
味である。

【００４８】さらに、磁気軸受け３２について回転数Ｎ
などからフィードバック制御を行うように構成したの
で、減衰比の低下に対して補正することも可能となる。
即ち、ステータに対するロータ鉄芯の変位Ｐが目標値に
一致するように磁気軸受け３２のステータの電磁石の励
磁コイルへの通電指令値をＰＤ制御する、図３に示すよ
うなフィードバック制御を行うとすると、機械系で言え
ば変位フィードバックがバネ、変位速度フィードバック
がダンパに相当するが、課題としているジャイロ効果は
回転体１００の回転数Ｎの関数であることから、この実
施の形態においては、回転数Ｎに応じて変位Ｐおよび変
位速度Ｖのフィードバックゲインを調整するようにし
た。尚、フィードバックゲインは、回転数Ｎに応じて予
め設定しておいても良く、あるいは実時間で算出しても
良い。

【００４９】図１０は、回転数Ｎに対する減衰比の変化
を一般的に示すグラフであるが、この実施の形態のよう
に回転数と変位でフィードバック制御を行うと、例え
ば、同図に「無対策」と破線で示す場合に比し、同図に
実線で示すように、減衰比の低下を矢印で示す如く鈍化
させ、緩やかにすることができる。また、フィードバッ
クゲインを介してバネ（支持剛性）およびダンパ（減衰
比）も比較的容易に調整することができる。

【００５０】尚、図７から図９において簡略化のために
回転体１００を剛体として扱ったが、弾性体として扱っ
ても、漸近線などに若干の相違が生じるのみで、上記し
た傾向に大きな差異が生じることはない。

【００５１】この実施の形態は、上記の如く、軸方向の
複数個所において非接触式の軸受け（磁気軸受け３２）
で支持された（シャフト１４と、シャフト１４に固定さ
れた）フライホイール２０からなる回転体１００を備
え、電気エネルギを前記回転体の回転エネルギとして蓄
積し、蓄積した回転エネルギを発電電動機（ステータ２
６、ロータ３０）を介して出力するフライホイール・バ
ッテリ１０において、前記回転体１００の形状を、前記
回転体の回転軸回りの慣性モーメントＩｐと、前記回転
軸に直交すると共に、前記回転体の重心を通る軸回りの
慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉｄが１未満となるよう
に、決定する如く構成した。

【００５２】また、前記回転体１００の形状を前記慣性
モーメントの比Ｉｐ／Ｉｄが０．７あるいはその近傍と
なるように決定する如く構成した。

【００５３】さらに、少なくとも前記磁気軸受け３２に
対する前記回転体１００（シャフト１４）の変位Ｐ、具
体的には変位Ｐおよび変位速度Ｖ、より具体的には磁気
軸受け３２のステータに対するロータ鉄芯の変位Ｐおよ
び変位速度Ｖを検出する変位検出手段、前記回転体の回
転数を検出する回転数検出手段（変位センサ３４、コン
トローラ４０）、前記回転体１００の回転数を検出する
回転数検出手段（回転数センサ３６、コントローラ４
０）、および前記検出された変位が目標値となるよう
に、所定のフィードバック制御則に基づき、前記回転数
に応じて求められるフィードバックゲインを用いて前記
磁気軸受けに供給すべき操作量を算出するフィードバッ
ク制御手段（コントローラ４０）を備える如く構成し
た。

【００５４】尚、上記において非接触式の軸受けの例と
して磁気軸受けを示したが、それに限られるものではな
く、空気などの流体を媒体として用いる軸受けなどであ
っても良い。

【００５５】また、上記においてフライホイール・バッ
テリとして、ハウジング１２に固定された発電電動機の
ステータ３０および磁気軸受け３２のステータの径方向
内側にロータ２６およびロータ鉄心をそれぞれ配置した
インナーロータ型を示したが、ハウジング１２に固定さ
れた発電電動機のステータ３０および磁気軸受け３２の
ステータの径方向外側にロータ２６およびロータ鉄心を
それぞれ配置したアウターロータ型であっても良く、さ
らには、それらの一方がインナーロータ型、他方がアウ
ターロータ型の複合型であっても良い。

【００５６】

【発明の効果】請求項１項にあっては、回転体の形状
を、その回転軸回りの慣性モーメントＩｐと、その回転
軸に直交すると共に、回転体の重心を通る軸回りの慣性
モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉｄが１未満となるように決
定するように構成したので、回転の上昇に伴って共振周
波数が大きく分岐するコニカルモードに対する減衰比の
低下度合いを緩やかにすることができ、磁気軸受けなど
の非接触式の軸受けを用いるときも、回転体の高回転時
の安定化を実現することができ、よってバッテリとして
のエネルギ密度を上げることができる。

【００５７】請求項２項にあっては、慣性モーメント比
を小さくするほど減衰比の低下度合いを小さくすること
ができるが、他方、慣性モーメント比を小さくすること
は、シャフトを長くすることにつながり、曲げ共振周波
数低下、あるいはフライホイール・バッテリ本体の重量
の増加を招くことになる。従って、そのような相反する
事象を比較考量し、前記慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄが
０．７あるいはその近傍となるように回転体の形状を決
定する如く構成した。これによって磁気軸受けなどの非
接触式の軸受けを用いるときも、回転体の高回転時の一
層の安定化を実現することができる。

【００５８】請求項３項にあっては、検出された変位が
目標値となるように、所定のフィードバック制御則に基
づき、前記回転数に応じて求められるフィードバックゲ
インを用いて磁気軸受けに供給すべき操作量、より具体
的には磁気軸受けのステータに配置された電磁石の励磁
コイルに供給すべき通電指令値を算出するフィードバッ
ク制御手段を備える如く構成したので、換言すれば、機
械系で言えばバネ・ダンパ系に相当する変位フィードバ
ック、より具体的には、バネに相当する変位フィードバ
ックおよびダンパに相当する変位速度フィードバック
を、回転数に応じて調整したゲインを用いつつ、磁気軸
受けについて行うように構成したので、前記した効果に
加え、フィードバックゲインを介してバネ（支持剛性）
とダンパ（減衰比）を比較的容易に調整することができ
ると共に、回転数に対して所望のフィードバック則の調
整が可能となり、減衰比の低下に対する補正が可能とな
って減衰比の低下度合いを一層緩やかにすることがで
き、回転体の高回転時の安定化を一層良く実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態に係る、フライホ
イールなどからなる回転体を備えたフライホイール・バ
ッテリを全体的に示す概略図である。

【図２】図１に示すフライホイールの上面図である。

【図３】図１に示す磁気軸受けのフィードバック制御を
示すブロック図である。

【図４】図１に示す回転体を簡略化のために機械軸受け
などの固定部を持つ軸受けで単純支持した場合の、回転
数に対する共振周波数分岐特性を慣性モーメント比別に
示す説明図である。

【図５】図４などで用いる慣性モーメント比を示す説明
図である。

【図６】図１に示す回転体に作用する剛体共振を説明す
る説明図である。

【図７】図１に示す回転体を簡略化のため剛体として扱
うと共に、その形状を慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＞１
とした場合の、パラレルモードとコニカルモードの共振
周波数および減衰比の変化を示すシミュレーションデー
タ図である。

【図８】慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＝１とした場合
の、図７と同様のシミュレーションデータ図である。

【図９】慣性モーメント比Ｉｐ／Ｉｄ＜１とした場合
の、図７と同様のシミュレーションデータ図である。

【図１０】図３に示すフィードバック制御の効果を説明
するための、回転数に対する減衰比の変化を一般的に示
すグラフである。

【符号の説明】

１０フライホイール・バッテリ１４シャフト２０フライホイール２２永久磁石２６（発電電動機の）ロータ３０（発電電動機の）ステータ３２磁気軸受け３４変位センサ（変位検出手段）３６回転数センサ（回転数検出手段）４０コントローラ（変位および回転数検出手段お
よびフィードバック制御手段）１００回転体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野浩一埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者板井幸彦埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA17 CA02 CA22 DA03 DA09 DA18 DB05 DB06 DB08 DB37 GA09 5H607 AA04 AA14 BB02 BB07 BB14 BB25 CC09 DD02 DD16 EE42 GG17 GG29 HH01 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向の複数個所において非接触式の軸
受けで支持されたフライホイールからなる回転体を備
え、電気エネルギを前記回転体の回転エネルギとして蓄
積し、蓄積した回転エネルギを発電電動機を介して出力
するフライホイール・バッテリにおいて、前記回転体の
形状を、前記回転体の回転軸回りの慣性モーメントＩｐ
と、前記回転軸に直交すると共に、前記回転体の重心を
通る軸回りの慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉｄが１未
満となるように、決定することを特徴とするフライホイ
ール・バッテリ。
【請求項２】前記回転体の形状を前記慣性モーメント
の比Ｉｐ／Ｉｄが０．７あるいはその近傍となるように
決定することを特徴とする請求項１項記載のフライホイ
ール・バッテリ。
【請求項３】さらに、ａ．少なくとも前記磁気軸受けに対する前記回転体の変
位を検出する変位検出手段、ｂ．前記回転体の回転数を検出する回転数検出手段、およびｃ．前記検出された変位が目標値となるように、所定の
フィードバック制御則に基づき、前記回転数に応じて求
められるフィードバックゲインを用いて前記磁気軸受け
に供給すべき操作量を算出するフィードバック制御手
段、を備えたことを特徴とする請求項１項または２項記
載のフライホイール・バッテリ。