磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置
【課題】 従来と同等の起磁力の永久磁石を用いて、より大きな伝達トルクを得られる磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を提供する。
【解決手段】 駆動側非磁性板５によって真空層６が形成され、この真空層６内の下方に接続される出力軸８を有し、駆動軸１側及び前記真空層６内にそれぞれ永久磁石装置４，７を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置４，７は、リング状の内部支持部材とリング状の外部支持部材との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石を備え、前記出力軸８にフライホイール９を連結した。
【解決手段】 駆動側非磁性板５によって真空層６が形成され、この真空層６内の下方に接続される出力軸８を有し、駆動軸１側及び前記真空層６内にそれぞれ永久磁石装置４，７を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置４，７は、リング状の内部支持部材とリング状の外部支持部材との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石を備え、前記出力軸８にフライホイール９を連結した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新型クラッチ付きフライホイール装置に係り、特に、ハルバッハ配列の磁石を備えた磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触動力伝達装置や非接触軸受を使用したフライホイール装置では、磁気カップリングクラッチ装置が必須である。磁気カップリングクラッチ装置には、磁束密度が大きく、メンテナンスフリーで電力給電の必要がない永久磁石のものが有効である。
【０００３】
従来の永久磁石を用いた磁気カップリングクラッチ装置としては、図１２に示すような従来の角型８連反発磁場磁気カップリングクラッチ装置（下記特許文献１参照）が用いられている。
【０００４】
磁気クラッチ方式では、同一ギャップで伝達トルクが大きいほど、もしくは、同一トルクでギャップが広いほど、応用範囲は広がり、フライホイール装置などでは全体の効率が高くなる。
【０００５】
一方、ハルバッハ配列の磁石は、コンパクトな磁気カップリングクラッチ装置への適用がなされていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０７４９００号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇｅｎ ＫＵＷＡＴＡ，ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ ＵＰＳ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，２００６
【非特許文献２】「フライホイール型無停電電源用低損失磁気軸受の開発」，電気学会技術開発レポート，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｉｅｅ．ｏｒ．ｊｐ／〜ｉａｓ／２００７／０８／０８Ｄ ９００ ０３．ｐｄｆ
【非特許文献３】清野 寛他，「フライホイール用高温超電導バルク体磁気軸受の基礎検討」，鉄道総研報告，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．３５−４０，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来の磁気カップリングクラッチ装置では、永久磁石の起磁力のわりには大きな伝達トルクを得られないといった問題があった。したがって、フライホイール装置の伝達トルクが低いものとならざるを得ない。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来のものより数倍の発生トルクを得ることができ、より大きな伝達トルクを得られる磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕駆動側非磁性板（５）によって真空層（６）が形成され、この真空層（６）内の下方に接続される出力軸（８）を有し、駆動軸（１）側及び前記真空層（６）内にそれぞれ永久磁石装置（４，７）を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置（４，７）は、リング状の内部支持部材（４Ａ，７Ａ）とリング状の外部支持部材（４Ｃ，７Ｃ）との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石（４Ｂ，７Ｂ）を備え、前記出力軸（８）にフライホイール（９）を連結したことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記フライホイールが磁気浮上大型慣性体であることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔２〕記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記磁気浮上大型慣性体の質量が１４５ｋｇ〜２０００ｋｇであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００１４】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置は、従来と同等の起磁力の永久磁石を用いて、より大きな伝達トルクを得ることができるとともに、８００Ｎ・ｍの高いトルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示す磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を示す図である。
【図２】本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の平面図である。
【図３】本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の発生磁界の状態を示す図である。
【図４】本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【図５】実例１としての６５００〜１３０００ｒｐｍ〜ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力との関係を示す図である。
【図６】実例２としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図７】実例３としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図８】実例４としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図９】極１倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１０】極２倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１１】極３倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１２】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置を示す図である。
【図１３】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の解析モデルを示す図である。
【図１４】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置は、駆動側非磁性板（５）によって真空層（６）が形成され、この真空層（６）内の下方に接続される出力軸（８）を有し、駆動軸（１）側及び前記真空層（６）内にそれぞれ永久磁石装置（４，７）を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置であって、前記永久磁石装置（４，７）は、リング状の内部支持部材（４Ａ，７Ａ）とリング状の外部支持部材（４Ｃ，７Ｃ）との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石（４Ｂ，７Ｂ）を備え、前記出力軸（８）にフライホイール（９）を連結するようにした。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示す磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を示す図、図２は本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の平面図であり、図２（ａ）は駆動側のハルバッハ配列の磁石装置の平面図、図２（ｂ）は従動側のハルバッハ配列の磁石装置の平面図、図３はその磁石装置の発生磁界の状態を示す図である。
【００１９】
図１において、１は駆動軸（１次側の軸）、２はスプラインナット、３は非磁性ベアリング、４は駆動（１次）側のハルバッハ配列の磁石装置、５は駆動軸１の下端に固定される駆動側の非磁性板、６は真空層、７は従動（２次）側のハルバッハ配列の磁石装置、８は下方に延びる出力軸である。この出力軸８には磁気浮上大型慣性体であるフライホイール９を連結する。
【００２０】
なお、図２において、駆動側のハルバッハ配列の磁石装置４は、駆動軸（スプライン軸）１を中心として、リング状の内部固定部材４Ａと、リング状のハルバッハ配列の磁石４Ｂと、リング状の外部固定部材４Ｃとからなる。
【００２１】
なお、リング状のハルバッハ配列の磁石４ＢのＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２とその両側に配置されるＮ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４との間には間隔子（セパレータ）４Ｂ−５が配置されている。
【００２２】
このリング状のハルバッハ配列の磁石４Ｂの磁界の分布は、ＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２の間にはＮ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４が配置されているので、Ｎ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４は対向する相手のＳ単極又はＮ単極と磁気的に結合する。つまり、図３に示すように、ＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２では矢印の方向の磁界が、Ｎ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４と相手のＳ単極又はＮ単極との間には図示されるような方向（紙面に対して直角の正と負の方向の磁界）が生成されている。
【００２３】
また、従動側のハルバッハ配列の磁石装置７も駆動側のハルバッハ配列の磁石装置４と同様の構造を有する。つまり、出力軸８を中心として、リング状の内部固定部材７Ａと、リング状のハルバッハ配列の磁石７Ｂと、リング状の外部固定部材７Ｃとからなる。
【００２４】
なお、リング状のハルバッハ配列の磁石７ＢのＮＳ又はＳＮ磁極７Ｂ−１，７Ｂ−２とその両側に配置されるＮ単極７Ｂ−３又はＳ単極７Ｂ−４との間には間隔子（セパレータ）７Ｂ−５が配置されている。
【００２５】
図４は本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図、図１２は従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置を示す図、図１３はその従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生磁界を示す図、図１４は従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【００２６】
従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置は、図１４に示すような発生トルクとスラスト特性を示し、本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置は、図４に示すような発生トルクとスラスト特性を示している。つまり、ハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置は、従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置に比較して発生トルクが約２．６倍となっている。
【００２７】
よって、ハルバッハ配列の磁石装置は、従来のものと寸法がほぼ同じであっても、伝達トルクを大きくとることができる。
【００２８】
以下、磁気浮上大型慣性体として各種フライホイール装置を連結した時の伝達トルクと電動機動力の計算結果について説明する。
【００２９】
まず、フライホイールの伝達トルクを計算するための計算式について説明する。
【００３０】
〔必要トルク・回転動力算出式〕
ΔＥ＝Ｉ・〔（ω1 2 −ω2 2 ）／２〕 …（１）
ここで、Ｉ＝（１／２）ｍ・（ｒout 2 −ｒin 2）
〔ΔＥ：フライホイールから取り出せるエネルギ量（Ｊ），Ｉ：慣性モーメント，ω1 ：エネルギ取り出し開始の角速度（ｒａｄ／ｓ），ω2 ：エネルギ取り出し終了の角速度（ｒａｄ／ｓ），ｍ：フライホイール質量（ｋｇ），ｒin：フライホイール内半径（ｍ），ｒout ：フライホイール外半径（ｍ）〕
フライホイール形状から算出した負荷慣性より、回転速度変化（最大回転速度と最低回転速度および速度変化に要する時間）を定義して加速（減速）時のトルクＴを算出する。なお、回転速度変化は一定とする。
〔Ｔ＝｛２π・〔（ｎ1 −ｎ2 ）／６０〕・ＧＤ2 ｝／４ｔ …（２）
ここで、ＧＤ2 ＝πρＬＤ4 ／８＝ｍ（２Ｒ）2 ／２
Ｔ：加速・減速トルク（ｋｇｍ），ＧＤ2 ：回転体の負荷慣性（ｋｇｍ2 ），ｎ1 ：最大回転速度（ｒｐｍ），ｎ2 ：最小回転速度（ｒｐｍ），ｔ：回転速度変化時間（ｓ），ρ：フライホイールの密度（ｋｇ／ｍ3 ），Ｌ：フライホイールの高さ（ｍ），Ｄ：フライホイールの直径（ｍ），Ｒ：フライホイールの半径（ｍ），ｍ：フライホイール質量（ｋｇ）〕
算出した加速（減速）時のトルクと、回転速度変化（最大回転速度と最低回転速度および速度変化に要する時間）から、それに必要な電動機動力を算出する。
【００３１】
Ｐ＝２π〔（ｎ1 −ｎ2 ）／６０〕・Ｔ …（３）
〔Ｐ：所要動力（ｗ）〕
実例１：（株）ＩＨＩ製のフライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置を適用した場合（上記非特許文献１及び２参照）
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝１４０ｋｇ（ロータ質量２５４ｋｇ）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝３５０ｍｍ，フライホイール内半径ｒin＝２２０ｍｍ
（３）フライホイール高さＬ＝２１０ｍｍ
（４）出力 ２００ｋＷ
なお、フライホイールは外形〜内形に存在するリング状で簡易定義し、この質量をフライホイール質量ｍ＝１４０ｋｇとした。回転速度変化は６５００ｒｐｍ〜１３０００ｒｐｍとした。
【００３２】
計算結果：
蓄積エネルギ量は２．３ｋＷｈ、必要トルクは３００Ｎ・ｍ程度となり、１３０００ｒｐｍ〜６５００ｒｐｍの速度変化における伝達トルクと電動機出力との関係を図５に示す。
【００３３】
この図５において、上記した計算条件で必要トルクを上記式（２）で計算すると、図５のトルク曲線（○）となり、加速時間によりトルクが変化する。また、この時の所要動力は上記式（３）で計算でき、これが図５の電動機動力の曲線（□）となる。既知文献の仕様は出力２００ｋＷで２０秒の出力となる。この部分を黒楕円で囲った範囲では、この既知文献の仕様を示したものであり、図５はほぼこれに一致する。この時のトルクは同じく図５の黒楕円囲いの２０秒で見れば良く、３００Ｎ・ｍと算出される。
【００３４】
実例２：本出願人所有試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合（上記非特許文献３参照）。
【００３５】
計算条件：
（１）フライホイールの質量ｍ＝５００ｋｇ（ロータ質量２５４ｋｇ）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝２３０ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）電動機最大出力：２２ｋＷ（参考値）
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍとした。
【００３６】
計算結果：
蓄積エネルギ量は０．１２ｋＷｈ、必要トルクは７０Ｎ・ｍ程度となり、０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図６に示す。
【００３７】
この図６において、電動機最大出力２２ｋＷを電動機動力曲線（□）から拾うと時間は６０秒となり、この６０秒で減速するためのトルクはトルク曲線（○）から７０Ｎ・ｍ程度となる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００３８】
実例３：本出願人が設計中の新型試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝２０００ｋｇ（回転軸も含め２５００ｋｇとする）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝５００ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）電動機最大出力：７５ｋＷ（参考値）
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍとした。
【００３９】
計算結果：
蓄積エネルギ量は３．５ｋＷｈ、必要トルクは２００Ｎ・ｍ程度であり、０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図７に示す。
【００４０】
この図７において、電動機最大出力７５ｋＷを電動機動力曲線（□）から拾うと時間は４９０秒となり、この４９０秒で減速するためのトルクはトルク曲線（○）から２００Ｎ・ｍ程度となる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００４１】
以上実例１〜３の結果から各種フライホイール装置に本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を磁気カップリングクラッチ装置を適用することで、十分な伝達トルクを得られることがわかる。
【００４２】
実例４：本出願人が設計中の新型試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝２０００ｋｇ（回転軸も含め２５００ｋｇとする）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝５００ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）最大トルク＝８２０Ｍ・ｍ
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍとした。
【００４３】
計算結果：
蓄積エネルギ量は３．５ｋＷｈ、動力は３００ｋＷ，６０秒／３５００→１７５０ｒｐｍ、０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図８に示す。
【００４４】
この図８において、最大トルクを極３倍の最大値である８２０Ｎ・ｍに設定して、この最大トルクを実例３に適用した場合を計算する。この時の最大化減速時間は１２０秒程度となる。この時間およびトルクで減速するための電動機最大出力は３００ｋＷとなる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００４５】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置においては、クラッチが、図９のような外径１４４ｍｍ、内径６１．５ｍｍのリング状の極１倍の場合は、９２．２Ｎ・ｍ、図１０に示すような外径２４５ｍｍ、内径１６２．５ｍｍのリング状の極２倍の場合は、３００Ｎ・ｍであり、上記した実例１〜３全てのフライホイール装置において性能を満足できる。また、図１１に示すような外径３４６．８ｍｍ、内径２６４．３ｍｍのリング状の極３倍の場合は、８２８Ｎ・ｍであり、３００ｋＷ，６０秒の達成（実例４）が可能となる。
【００４６】
このように、本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチは、伝達トルクを大きくとることができるので、その応用範囲は広がり、特にフライホイール装置に好適である。
【００４７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の磁気カップリングクラッチ装置は、大きな伝達トルクを要するフライホイール装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 駆動軸（スプライン軸）
２ スプラインナット
３ 非磁性ベアリング
４ 駆動側のハルバッハ配列の磁石装置
４Ａ，７Ａ リング状の内部固定部材
４Ｂ，７Ｂ リング状のハルバッハ配列の磁石
４Ｂ−１，７Ｂ−１ ＮＳ磁極
４Ｂ−２，７Ｂ−２ ＳＮ磁極
４Ｂ−３，７Ｂ−３ Ｎ単極
４Ｂ−４，７Ｂ−４ Ｓ単極
４Ｂ−５，７Ｂ−５ 間隔子（セパレータ）
４Ｃ，７Ｃ リング状の外部固定部材
５ 駆動側の非磁性板
６ 真空層
７ 従動側のハルバッハ配列の磁石装置
８ 出力軸
９ フライホイール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新型クラッチ付きフライホイール装置に係り、特に、ハルバッハ配列の磁石を備えた磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触動力伝達装置や非接触軸受を使用したフライホイール装置では、磁気カップリングクラッチ装置が必須である。磁気カップリングクラッチ装置には、磁束密度が大きく、メンテナンスフリーで電力給電の必要がない永久磁石のものが有効である。
【０００３】
従来の永久磁石を用いた磁気カップリングクラッチ装置としては、図１２に示すような従来の角型８連反発磁場磁気カップリングクラッチ装置（下記特許文献１参照）が用いられている。
【０００４】
磁気クラッチ方式では、同一ギャップで伝達トルクが大きいほど、もしくは、同一トルクでギャップが広いほど、応用範囲は広がり、フライホイール装置などでは全体の効率が高くなる。
【０００５】
一方、ハルバッハ配列の磁石は、コンパクトな磁気カップリングクラッチ装置への適用がなされていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０７４９００号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇｅｎ ＫＵＷＡＴＡ，ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ ＵＰＳ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，２００６
【非特許文献２】「フライホイール型無停電電源用低損失磁気軸受の開発」，電気学会技術開発レポート，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｉｅｅ．ｏｒ．ｊｐ／〜ｉａｓ／２００７／０８／０８Ｄ ９００ ０３．ｐｄｆ
【非特許文献３】清野 寛他，「フライホイール用高温超電導バルク体磁気軸受の基礎検討」，鉄道総研報告，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．３５−４０，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来の磁気カップリングクラッチ装置では、永久磁石の起磁力のわりには大きな伝達トルクを得られないといった問題があった。したがって、フライホイール装置の伝達トルクが低いものとならざるを得ない。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来のものより数倍の発生トルクを得ることができ、より大きな伝達トルクを得られる磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕駆動側非磁性板（５）によって真空層（６）が形成され、この真空層（６）内の下方に接続される出力軸（８）を有し、駆動軸（１）側及び前記真空層（６）内にそれぞれ永久磁石装置（４，７）を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置（４，７）は、リング状の内部支持部材（４Ａ，７Ａ）とリング状の外部支持部材（４Ｃ，７Ｃ）との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石（４Ｂ，７Ｂ）を備え、前記出力軸（８）にフライホイール（９）を連結したことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記フライホイールが磁気浮上大型慣性体であることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔２〕記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記磁気浮上大型慣性体の質量が１４５ｋｇ〜２０００ｋｇであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００１４】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置は、従来と同等の起磁力の永久磁石を用いて、より大きな伝達トルクを得ることができるとともに、８００Ｎ・ｍの高いトルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示す磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を示す図である。
【図２】本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の平面図である。
【図３】本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の発生磁界の状態を示す図である。
【図４】本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【図５】実例１としての６５００〜１３０００ｒｐｍ〜ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力との関係を示す図である。
【図６】実例２としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図７】実例３としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図８】実例４としての０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を示す図である。
【図９】極１倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１０】極２倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１１】極３倍のハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを示す図である。
【図１２】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置を示す図である。
【図１３】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の解析モデルを示す図である。
【図１４】従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置は、駆動側非磁性板（５）によって真空層（６）が形成され、この真空層（６）内の下方に接続される出力軸（８）を有し、駆動軸（１）側及び前記真空層（６）内にそれぞれ永久磁石装置（４，７）を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置であって、前記永久磁石装置（４，７）は、リング状の内部支持部材（４Ａ，７Ａ）とリング状の外部支持部材（４Ｃ，７Ｃ）との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石（４Ｂ，７Ｂ）を備え、前記出力軸（８）にフライホイール（９）を連結するようにした。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示す磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置を示す図、図２は本発明の実施例を示すハルバッハ配列の磁石装置の平面図であり、図２（ａ）は駆動側のハルバッハ配列の磁石装置の平面図、図２（ｂ）は従動側のハルバッハ配列の磁石装置の平面図、図３はその磁石装置の発生磁界の状態を示す図である。
【００１９】
図１において、１は駆動軸（１次側の軸）、２はスプラインナット、３は非磁性ベアリング、４は駆動（１次）側のハルバッハ配列の磁石装置、５は駆動軸１の下端に固定される駆動側の非磁性板、６は真空層、７は従動（２次）側のハルバッハ配列の磁石装置、８は下方に延びる出力軸である。この出力軸８には磁気浮上大型慣性体であるフライホイール９を連結する。
【００２０】
なお、図２において、駆動側のハルバッハ配列の磁石装置４は、駆動軸（スプライン軸）１を中心として、リング状の内部固定部材４Ａと、リング状のハルバッハ配列の磁石４Ｂと、リング状の外部固定部材４Ｃとからなる。
【００２１】
なお、リング状のハルバッハ配列の磁石４ＢのＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２とその両側に配置されるＮ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４との間には間隔子（セパレータ）４Ｂ−５が配置されている。
【００２２】
このリング状のハルバッハ配列の磁石４Ｂの磁界の分布は、ＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２の間にはＮ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４が配置されているので、Ｎ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４は対向する相手のＳ単極又はＮ単極と磁気的に結合する。つまり、図３に示すように、ＮＳ又はＳＮ磁極４Ｂ−１，４Ｂ−２では矢印の方向の磁界が、Ｎ単極４Ｂ−３又はＳ単極４Ｂ−４と相手のＳ単極又はＮ単極との間には図示されるような方向（紙面に対して直角の正と負の方向の磁界）が生成されている。
【００２３】
また、従動側のハルバッハ配列の磁石装置７も駆動側のハルバッハ配列の磁石装置４と同様の構造を有する。つまり、出力軸８を中心として、リング状の内部固定部材７Ａと、リング状のハルバッハ配列の磁石７Ｂと、リング状の外部固定部材７Ｃとからなる。
【００２４】
なお、リング状のハルバッハ配列の磁石７ＢのＮＳ又はＳＮ磁極７Ｂ−１，７Ｂ−２とその両側に配置されるＮ単極７Ｂ−３又はＳ単極７Ｂ−４との間には間隔子（セパレータ）７Ｂ−５が配置されている。
【００２５】
図４は本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図、図１２は従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置を示す図、図１３はその従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生磁界を示す図、図１４は従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置の発生トルク及びスラスト特性図である。
【００２６】
従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置は、図１４に示すような発生トルクとスラスト特性を示し、本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置は、図４に示すような発生トルクとスラスト特性を示している。つまり、ハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置は、従来の角型８連反発磁気カップリングクラッチ装置に比較して発生トルクが約２．６倍となっている。
【００２７】
よって、ハルバッハ配列の磁石装置は、従来のものと寸法がほぼ同じであっても、伝達トルクを大きくとることができる。
【００２８】
以下、磁気浮上大型慣性体として各種フライホイール装置を連結した時の伝達トルクと電動機動力の計算結果について説明する。
【００２９】
まず、フライホイールの伝達トルクを計算するための計算式について説明する。
【００３０】
〔必要トルク・回転動力算出式〕
ΔＥ＝Ｉ・〔（ω1 2 −ω2 2 ）／２〕 …（１）
ここで、Ｉ＝（１／２）ｍ・（ｒout 2 −ｒin 2）
〔ΔＥ：フライホイールから取り出せるエネルギ量（Ｊ），Ｉ：慣性モーメント，ω1 ：エネルギ取り出し開始の角速度（ｒａｄ／ｓ），ω2 ：エネルギ取り出し終了の角速度（ｒａｄ／ｓ），ｍ：フライホイール質量（ｋｇ），ｒin：フライホイール内半径（ｍ），ｒout ：フライホイール外半径（ｍ）〕
フライホイール形状から算出した負荷慣性より、回転速度変化（最大回転速度と最低回転速度および速度変化に要する時間）を定義して加速（減速）時のトルクＴを算出する。なお、回転速度変化は一定とする。
〔Ｔ＝｛２π・〔（ｎ1 −ｎ2 ）／６０〕・ＧＤ2 ｝／４ｔ …（２）
ここで、ＧＤ2 ＝πρＬＤ4 ／８＝ｍ（２Ｒ）2 ／２
Ｔ：加速・減速トルク（ｋｇｍ），ＧＤ2 ：回転体の負荷慣性（ｋｇｍ2 ），ｎ1 ：最大回転速度（ｒｐｍ），ｎ2 ：最小回転速度（ｒｐｍ），ｔ：回転速度変化時間（ｓ），ρ：フライホイールの密度（ｋｇ／ｍ3 ），Ｌ：フライホイールの高さ（ｍ），Ｄ：フライホイールの直径（ｍ），Ｒ：フライホイールの半径（ｍ），ｍ：フライホイール質量（ｋｇ）〕
算出した加速（減速）時のトルクと、回転速度変化（最大回転速度と最低回転速度および速度変化に要する時間）から、それに必要な電動機動力を算出する。
【００３１】
Ｐ＝２π〔（ｎ1 −ｎ2 ）／６０〕・Ｔ …（３）
〔Ｐ：所要動力（ｗ）〕
実例１：（株）ＩＨＩ製のフライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチ装置を適用した場合（上記非特許文献１及び２参照）
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝１４０ｋｇ（ロータ質量２５４ｋｇ）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝３５０ｍｍ，フライホイール内半径ｒin＝２２０ｍｍ
（３）フライホイール高さＬ＝２１０ｍｍ
（４）出力 ２００ｋＷ
なお、フライホイールは外形〜内形に存在するリング状で簡易定義し、この質量をフライホイール質量ｍ＝１４０ｋｇとした。回転速度変化は６５００ｒｐｍ〜１３０００ｒｐｍとした。
【００３２】
計算結果：
蓄積エネルギ量は２．３ｋＷｈ、必要トルクは３００Ｎ・ｍ程度となり、１３０００ｒｐｍ〜６５００ｒｐｍの速度変化における伝達トルクと電動機出力との関係を図５に示す。
【００３３】
この図５において、上記した計算条件で必要トルクを上記式（２）で計算すると、図５のトルク曲線（○）となり、加速時間によりトルクが変化する。また、この時の所要動力は上記式（３）で計算でき、これが図５の電動機動力の曲線（□）となる。既知文献の仕様は出力２００ｋＷで２０秒の出力となる。この部分を黒楕円で囲った範囲では、この既知文献の仕様を示したものであり、図５はほぼこれに一致する。この時のトルクは同じく図５の黒楕円囲いの２０秒で見れば良く、３００Ｎ・ｍと算出される。
【００３４】
実例２：本出願人所有試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合（上記非特許文献３参照）。
【００３５】
計算条件：
（１）フライホイールの質量ｍ＝５００ｋｇ（ロータ質量２５４ｋｇ）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝２３０ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）電動機最大出力：２２ｋＷ（参考値）
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍとした。
【００３６】
計算結果：
蓄積エネルギ量は０．１２ｋＷｈ、必要トルクは７０Ｎ・ｍ程度となり、０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図６に示す。
【００３７】
この図６において、電動機最大出力２２ｋＷを電動機動力曲線（□）から拾うと時間は６０秒となり、この６０秒で減速するためのトルクはトルク曲線（○）から７０Ｎ・ｍ程度となる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００３８】
実例３：本出願人が設計中の新型試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝２０００ｋｇ（回転軸も含め２５００ｋｇとする）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝５００ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）電動機最大出力：７５ｋＷ（参考値）
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍとした。
【００３９】
計算結果：
蓄積エネルギ量は３．５ｋＷｈ、必要トルクは２００Ｎ・ｍ程度であり、０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図７に示す。
【００４０】
この図７において、電動機最大出力７５ｋＷを電動機動力曲線（□）から拾うと時間は４９０秒となり、この４９０秒で減速するためのトルクはトルク曲線（○）から２００Ｎ・ｍ程度となる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００４１】
以上実例１〜３の結果から各種フライホイール装置に本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を磁気カップリングクラッチ装置を適用することで、十分な伝達トルクを得られることがわかる。
【００４２】
実例４：本出願人が設計中の新型試験フライホイール装置にハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチを適用した場合
計算条件：
（１）フライホイール質量ｍ＝２０００ｋｇ（回転軸も含め２５００ｋｇとする）
（２）フライホイール外半径ｒout ＝５００ｍｍ（円板形状）
（３）フライホイール高さＬ＝３３０ｍｍ
（４）最大トルク＝８２０Ｍ・ｍ
なお、回転速度変化は０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍとした。
【００４３】
計算結果：
蓄積エネルギ量は３．５ｋＷｈ、動力は３００ｋＷ，６０秒／３５００→１７５０ｒｐｍ、０ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係を図８に示す。
【００４４】
この図８において、最大トルクを極３倍の最大値である８２０Ｎ・ｍに設定して、この最大トルクを実例３に適用した場合を計算する。この時の最大化減速時間は１２０秒程度となる。この時間およびトルクで減速するための電動機最大出力は３００ｋＷとなる。つまり、黒楕円で囲った部分となる。
【００４５】
本発明の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置においては、クラッチが、図９のような外径１４４ｍｍ、内径６１．５ｍｍのリング状の極１倍の場合は、９２．２Ｎ・ｍ、図１０に示すような外径２４５ｍｍ、内径１６２．５ｍｍのリング状の極２倍の場合は、３００Ｎ・ｍであり、上記した実例１〜３全てのフライホイール装置において性能を満足できる。また、図１１に示すような外径３４６．８ｍｍ、内径２６４．３ｍｍのリング状の極３倍の場合は、８２８Ｎ・ｍであり、３００ｋＷ，６０秒の達成（実例４）が可能となる。
【００４６】
このように、本発明に係るハルバッハ配列の磁石装置を有する磁気カップリングクラッチは、伝達トルクを大きくとることができるので、その応用範囲は広がり、特にフライホイール装置に好適である。
【００４７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の磁気カップリングクラッチ装置は、大きな伝達トルクを要するフライホイール装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 駆動軸（スプライン軸）
２ スプラインナット
３ 非磁性ベアリング
４ 駆動側のハルバッハ配列の磁石装置
４Ａ，７Ａ リング状の内部固定部材
４Ｂ，７Ｂ リング状のハルバッハ配列の磁石
４Ｂ−１，７Ｂ−１ ＮＳ磁極
４Ｂ−２，７Ｂ−２ ＳＮ磁極
４Ｂ−３，７Ｂ−３ Ｎ単極
４Ｂ−４，７Ｂ−４ Ｓ単極
４Ｂ−５，７Ｂ−５ 間隔子（セパレータ）
４Ｃ，７Ｃ リング状の外部固定部材
５ 駆動側の非磁性板
６ 真空層
７ 従動側のハルバッハ配列の磁石装置
８ 出力軸
９ フライホイール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動側非磁性板によって真空層が形成され、該真空層内の下方に接続される出力軸を有し、駆動軸側及び前記真空層内にそれぞれ永久磁石装置を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置は、リング状の内部支持部材とリング状の外部支持部材との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石を備え、前記出力軸にフライホイールを連結したことを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記フライホイールが磁気浮上大型慣性体であることを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【請求項３】
請求項２記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記磁気浮上大型慣性体の質量が１４５ｋｇ〜２０００ｋｇであることを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【請求項１】
駆動側非磁性板によって真空層が形成され、該真空層内の下方に接続される出力軸を有し、駆動軸側及び前記真空層内にそれぞれ永久磁石装置を具備する磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記永久磁石装置は、リング状の内部支持部材とリング状の外部支持部材との間のリング状の領域にハルバッハ配列の磁石を備え、前記出力軸にフライホイールを連結したことを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記フライホイールが磁気浮上大型慣性体であることを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【請求項３】
請求項２記載の磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置において、前記磁気浮上大型慣性体の質量が１４５ｋｇ〜２０００ｋｇであることを特徴とする磁気カップリングクラッチ付きフライホイール装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−２０９９６３（Ｐ２０１０−２０９９６３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７８１（Ｐ２００９−５４７８１）
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
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