CN105387129A - 飞轮 - Google Patents

Abstract

飞轮包括轮环和内嵌于轮环的轮毂环。在飞轮旋转时，轮毂环的轮毂环主体压接于轮环的内周。通过轮毂环向轮环的内周的压接而向轮环赋予的径向的压缩应力抵消轮环内的径向的拉伸应力的一部分，其结果是，轮环内的径向的应力降低。

Description

飞轮

在2014年8月29日提出的日本专利申请2014-176224的说明书、附图及摘要作为参照而包含于此。

技术领域

本发明涉及搭载于飞轮蓄电池装置等并旋转而用于蓄积惯性能量的飞轮。

背景技术

以往，已知有将电能转换成飞轮的旋转惯性能量并进行贮藏的飞轮蓄电池装置。搭载于飞轮蓄电池装置的飞轮的材质为了能够耐受其高速旋转时产生的离心力而要求比强度(材料强度除以密度所得到的值)高的材料。而且，为了实现高重量能量密度，希望除去飞轮中的对于能量的贡献度小的部分。

因此，以往，提出了呈中空圆筒体且使用碳纤维强化塑料(carbon-fiber-reinforcedplastic：CFRP)等纤维强化塑料而形成的飞轮(参照日本特开平9-267402号公报1)。日本特开平9-267402号公报记载的飞轮作为一体构件构成，而且，纤维强化塑料的加强纤维沿周向(即，飞轮的旋转方向)进行取向。

飞轮蓄电池装置的重量能量密度依赖于飞轮的最外周速度。因此，为了提高飞轮的能量密度，希望使飞轮尽可能以高速旋转。然而，当增大飞轮的旋转速度时，受到由飞轮的旋转产生的离心力而飞轮朝向径向的外方膨胀，伴随于此，在飞轮的内部可能产生大的变形。其结果是，在飞轮的内部可能产生大的应力。

本申请发明者们正在研究飞轮的高速化(例如，使飞轮的最外周速度从当前的约800(m/sec)高速化至1500(m/sec)以上)。然而，如日本特开平9-267402号公报记载那样的加强纤维沿周向进行取向的飞轮的径向的强度低。当使这样的飞轮以这样的高速旋转时，在飞轮内产生的径向的应力(应力的径向分量)的大小超过材料强度的可能性高。因此，存在无法实现这样的高速化的问题。因此，本申请发明者们通过对飞轮的构造想办法，而研究了实现在飞轮旋转时在内部产生的径向的应力的减少的情况。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够实现当飞轮旋转时在内部产生的径向的应力的减少，由此，能够实现更高速的旋转的飞轮。

以规定的旋转轴线为中心旋转而用于蓄积惯性能量的本发明的一方案的飞轮的构造上的特征在于，包括：环构件；及轮毂环，内嵌于所述环构件，其中，至少在所述飞轮旋转时，所述轮毂环压接于所述环构件的内周。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的飞轮的结构的立体图。

图2是所述飞轮的剖视图。

图3是表示所述飞轮包含的分割体的结构的立体图。

图4是表示所述分割体包含的碳纤维预浸料的结构的图。

图5是表示本发明的第二实施方式的轮毂环包含的分割体的结构的立体图。

图6是表示本发明的第三实施方式的轮毂环包含的分割体的结构的立体图。

图7是表示本发明的第四实施方式的飞轮的结构的立体图。

图8是本发明的第五实施方式的飞轮的剖视图。

图9是表示实施例的内部应力试验的结果的坐标图。

图10是表示比较例的内部应力试验的结果的坐标图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的第一实施方式的飞轮1的结构的立体图。图2是飞轮1的剖视图。图3是表示飞轮1包含的分割体7的结构的立体图。图4是表示分割体7包含的碳纤维预浸料8的结构的图。

飞轮1呈中空的大致圆筒状，搭载于飞轮蓄电池装置(未图示)。在飞轮蓄电池装置中，飞轮1以水平姿势设置成例如绕铅垂的旋转轴线2能够旋转。在飞轮1的中空部分收容有沿着旋转轴线2延伸的旋转轴(未图示)或电装零件等零件。在飞轮1的中空部分收容有零件，因此能实现飞轮蓄电池装置的紧凑化。

飞轮1由轮环(环构件)3与内嵌于轮环3的轮毂环4的组装品构成。轮环3及轮毂环4设置成以旋转轴线2为中心的同轴状。在以后的说明中，将旋转轴线2的轴向设为轴向z。而且，将飞轮1的径向设为径向r。径向r与飞轮1的旋转半径方向一致。此外，将飞轮1(轮环3及轮毂环4)的周向设为周向θ。周向θ与飞轮1的绕旋转轴线2的旋转方向一致。需要说明的是，在该说明书中，“径向的应力”是指“应力的径向分量”，“周向的应力”是指“应力的周向分量”。

轮环3呈圆筒状。轮环3的外径设定为约450(mm)。轮环3使用纤维强化塑料的一例的CFRP来形成。轮环3的碳纤维的取向方向主要是周向θ。即，轮环3的碳纤维在轴向z或径向r上几乎都未取向。因此，轮环3在周向θ上具有高刚性及高强度，在径向r上具有低刚性及低强度。轮环3使用使浸渍有树脂的纤维束(在由多个细丝构成的长纤维束未捻搓的纤维束)卷绕于圆筒或压力容器的模具上之后使其固化的、所谓缠绕成形法来形成。

轮毂环4一体地具有圆筒状的轮毂环主体5和一对圆盘状的凸缘6。轮毂环主体5被保持成与旋转轴线2垂直的姿势(水平姿势)。凸缘6从轮毂环主体5的轴向z的两端部附近向径向r的外方伸出。通过轮毂环主体5的、除了轴向z的两端部之外的部分的外周面10和一对凸缘6的各内侧的主面(上侧的凸缘6的下表面及下侧的凸缘6的上表面)来划分用于收容轮环3的收容空间11。在将轮毂环4内嵌于轮环3的状态下，轮毂环主体5的外周面10与轮环3的内周面9抵接或者与内周面9隔开微小间隔地相对。

一对圆盘状的凸缘6的轴向z的间隔设定为与轮环3的轴向z的长度相等。而且，一对凸缘6的外周端位于比轮环3的外周面12靠径向r的内侧。即，凸缘6的外径比轮环3的外径小，设定为例如约300(mm)。轮毂环主体5的外径设定为与轮环3的内径相等，设定为例如约240(mm)。

轮毂环4使用CFRP而形成。轮毂环4的碳纤维的取向方向主要是径向r。即，轮毂环4的碳纤维在轴向z或周向θ上未取向。因此，轮毂环4在径向r上具有高刚性及高强度，在周向θ上具有低刚性及低强度。轮毂环4沿周向θ被进行多等分(图1中，例如24等分)的分割。换言之，轮毂环4利用与周向θ垂直的分割面7A(参照图3)沿周向θ被分割。其结果是，轮毂环4由多个(在图1中，例如24个)分割体7构成。通过将轮毂环4沿周向θ分割，能够进一步实现轮毂环4整体的周向θ的刚性的减少。由此，能够以比较简单的结构实现减少了周向θ的刚性的轮毂环4。

如图3及图4所示，各分割体7使用预浸渍法来形成。

具体而言，分割体7通过将碳纤维预浸料8沿着周向θ层叠而形成。各碳纤维预浸料8是在碳纤维中浸渍有基质树脂(例如，环氧树脂)的片状的构件。各碳纤维预浸料8具有与分割体7的沿着径向r的截面形状匹配的形状。各碳纤维预浸料8的碳纤维的取向方向如图4所示仅为碳纤维预浸料8的宽度方向(与长度方向正交的方向)。在将碳纤维预浸料8沿周向θ进行了一方向层叠之后，以基质树脂(例如，环氧树脂)进行固化，从而得到图3所示的分割体7。由此，通过比较简单的结构能够得到由碳纤维仅沿径向r取向的CFRP构成的分割体7。

在飞轮1的制造时，向轮环3例如逐个地内嵌分割体7，最终将全部的分割体7沿周向θ排列，由此形成由环体构成的轮毂环4。由此，能够实现轮毂环4的向轮环3的内嵌。在此状态下，轮毂环主体5的外周面10与轮环3的内周面9抵接或者与内周面9隔着微小间隔相对。而且，在此状态下，下侧的凸缘6从下方与轮环3进行面接触而支承轮环3。由此，能够防止轮环3从轮毂环4脱落。

在飞轮蓄电池装置(未图示)中，使飞轮1绕着旋转轴线2以极高速(例如，飞轮1的最外周速度为1200(m/sec)以上(例如约1500(m/sec)))旋转。此时的飞轮1的重量能量密度为约200(Wh/kg)。在飞轮1高速旋转时，受到与飞轮1的旋转相伴的离心力，飞轮1朝向径向r的外方膨胀。其结果是，在飞轮1的内部产生变形，在轮环3的内部产生拉伸应力。轮毂环4的周向θ的刚性设定得比轮环3的周向θ的刚性低。由此，若受到在飞轮1的旋转时产生的离心力，则轮毂环主体5比轮环3更容易向径向r的外方膨胀。因此，在飞轮1旋转时，更大地向径向r的外方膨胀的轮毂环主体5压接于轮环3的内周。

通过轮毂环4向轮环3的内周的压接，向轮环3赋予径向r的压缩应力。径向r的刚性高的轮毂环4相对于轮环3的内周面9沿径向r压接。由此，能够将径向r的压缩应力高效率地向轮环3赋予。这样赋予的径向r的压缩应力将轮环3内的径向r的拉伸应力的一部分抵消。其结果是，轮环3内的径向r的应力下降。因此，与通过一体构件设置飞轮1的情况相比，能够实现在飞轮1旋转时在内部产生的径向r的应力的减少。

而且，由于构成飞轮1的轮毂环4的周向θ的刚性低，因此能够实现在飞轮1旋转时在内部产生的周向θ的应力的减少。此外，轮毂环4由沿周向θ分割的多个分割体7构成，因此能够实现轮毂环4整体的周向θ的刚性的减少。由此，在飞轮1旋转时，能够进一步实现在内部产生的周向θ的应力的减少。

通过以上，在飞轮1旋转时，能够实现在飞轮1的内部产生的应力(径向r的应力及周向θ的应力这双方)的减少。由此，能够提供一种可实现更高速的旋转的飞轮1。此外，由于减小了轮毂环4中包含的凸缘6的外径，因此能够抑制作用于轮毂环4的离心力。由此，能够防止以轮毂环4的凸缘6为起因而在飞轮1的内部产生的应力的增大。并且，通过变更凸缘6的外径，也能够适当调整作用于轮毂环4的离心力。

而且，由于轮环3的碳纤维的取向方向为飞轮1的周向θ，因此轮环3的周向θ的刚性及强度高。因此，即使构成飞轮1的轮毂环4的周向θ的刚性设定得较低的情况下，也能够将飞轮1整体的周向θ的刚性及强度维持得较高。图5是表示本发明的第二实施方式的轮毂环24中包含的分割体27的结构的立体图。

轮毂环24沿着周向θ被分割为多等分(例如24等分)。换言之，轮毂环24通过与周向θ垂直的分割面27A沿周向θ分割。其结果是，轮毂环24由多个(例如24个)分割体27构成。第二实施方式的分割体27与第一实施方式的分割体7(参照图1等)不同的点在于，不是通过预浸渍法形成分割体，而是使用其他的方法来形成分割体。

分割体27由三维碳纤维织物构成。对碳纤维进行收敛加工(包覆加工)，将利用该线织制的碳纤维织物层叠多个，通过图像处理缝合方法利用面内线进行了缝合之后，进行精练加工，由此得到分割体27。通过三维碳纤维织物形成的分割体27与分割体7同样，以碳纤维的取向方向成为径向r的方式设置。对碳纤维进行收敛加工(包覆加工)，将由该线织制的碳纤维织物层叠多个，通过图像处理缝合方法利用面内线进行了缝合之后，进行精练加工，由此得到分割体27。

根据第二实施方式，起到与第一实施方式关联记载的作用效果同等的作用效果。图6是表示本发明的第三实施方式的轮毂环34中包含的分割体37的结构的立体图。轮毂环34沿周向θ被分割为多等分(例如24等分)。换言之，轮毂环34由与周向θ垂直的分割面37A沿周向θ分割，其结果是，由多个(例如24个)分割体37构成。

第三实施方式的分割体37与第一及第二实施方式的分割体7、27(参照图1及图5)不同的点在于，分割体37不是由CFRP而是由钢材形成。作为该钢材的具体例，可列举例如高张力钢。根据第三实施方式，起到与第一实施方式关联记载的作用效果同等的作用效果。

需要说明的是，分割体37的材质也可以设为钢材以外的金属材料，例如高强度铝合金。而且，在第一～第三实施方式中，列举了分割体7、27、37是将环体沿周向θ进行24等分的结构的例子。然而，等分的数目并不局限于“24”，也可以是例如“2”、“3”、“4”、“6”、“12”等其他的数目。而且，也可以不是等分的结构，而通过将环体不等分地分割来形成分割体。

图7是表示本发明的第四实施方式的飞轮41的结构的立体图。在第四实施方式中，对于与第一实施方式共通的部分，标注与图1的情况相同的参照标号而省略说明。第四实施方式的飞轮41与第一及第二实施方式的飞轮1的不同点在于取代轮毂环4、24(参照图1及图5等)而具备轮毂环44的点。轮毂环44不是由多个分割体构成，而是由一体构件构成。轮毂环44与轮毂环4、24同样，以碳纤维的取向方向成为径向r的方式设置。轮毂环44与轮毂环24中包含的分割体27同样，由三维碳纤维织物构成。对碳纤维进行收敛加工(包覆加工)，将利用该线织制的碳纤维织物层叠多个，通过图像处理缝合方法利用面内线进行了缝合之后，进行精练加工，由此得到轮毂环44。

根据第四实施方式，除了与分割体7关联的作用效果之外，起到与第一实施方式关联记载的作用效果同等的作用效果。需要说明的是，在使用钢材等金属材料作为轮毂环的材质的情况下，将轮毂环形成为第四实施方式那样的一体构件的情况不优选。即，在使用钢材作为轮毂环的材质的情况下，优选将轮毂环设为分割构造。这是因为，由钢材构成的轮毂环的周向θ的刚性高，若以一体构件设置，则无法充分减少在飞轮旋转时在内部产生的周向θ的应力。

图8是本发明的第五实施方式的飞轮51的剖视图。在第五实施方式中，对于与第一实施方式共通的部分，标注与图1的情况相同的参照标号而省略说明。第五实施方式的飞轮51与第一实施方式的飞轮1(参照图1等)的不同点在于取代了轮毂环4(参照图1等)而设置轮毂环54的点，所述轮毂环54具有外周端向比轮环3的外周面12向径向r的外方伸出的一对凸缘56。

通过变更凸缘(凸缘6、56)的外径，能够调整作用于轮毂环(轮毂环4、54)的离心力的大小。即，若凸缘的外径小，则作用于轮毂环的离心力减小。若凸缘的外径大，则作用于轮毂环的离心力增大。将第五实施方式的凸缘56的外径设定得比第一实施方式的凸缘6(参照图2等)的外径大。因此，第五实施方式的作用于轮毂环54的离心力高于第一实施方式的作用于轮毂环4的离心力。这种情况下，在飞轮51旋转时在轮毂环54产生的周向θ的应力比轮毂环4的情况增大。

根据第五实施方式，除了与减小轮毂环4的凸缘6的外径相关联的作用效果之外，起到与第一实施方式关联记载的作用效果同等的作用效果。需要说明的是，也可以将第五实施方式与第二～第四实施方式组合。

接下来，对内部应力试验进行说明。

针对以下的实施例及比较例，利用基于有限要素法(FEM)的解析求出了高速旋转时的在飞轮的内部产生的应力。各飞轮的旋转速度设定为60000(rpm)(这种情况下的最外周速度为1400(m/sec))。

实施例：以第五实施方式的飞轮51为计测对象。轮毂环主体5的内径尺寸设为220(mm)，凸缘56的外径尺寸设为260(mm)，凸缘56的轴向z的厚度设为10(mm)。轮环3的内径尺寸设为240(mm)，轮环3的外径尺寸设为500(mm)，轮环3的轴向z的尺寸设为200(mm)。

比较例：以呈中空圆筒状且由一体构件构成的CFRP制的飞轮为计测对象。飞轮的内径尺寸设为240(mm)，其外径尺寸设为450(mm)，轴向z的尺寸设为200(mm)。在以上的条件下，通过运算求出了轮环(飞轮)内的轴向z的中央位置附近的径向r的应力的面内分布。实施例的径向r的应力的面内分布如图9所示，比较例的径向r的应力的面内分布如图10所示。在图9及图10中，将径向位置的基准(即“零”)作为旋转轴线2。

根据图9所示的结果可知，在实施例中，在全部的径向位置处，径向r的应力低于强度上限值。另一方面，根据图10所示的结果可知，在比较例中，在飞轮的径向r的中央部分，径向r的应力高于强度极限值。以上，说明了本发明的5个实施方式，但是本发明也可以通过其他的方式来实施。

例如，作为纤维强化塑料，优选CFRP。然而，也可以使用碳纤维以外的纤维、例如包含玻璃纤维、硼纤维、芳族聚酰胺纤维等作为强化纤维的纤维强化塑料作为本发明的轮环3及/或轮毂环4、24、34、44、54的母材。而且，作为纤维强化塑料的基质树脂，列举了环氧树脂的例子，但是除此之外，还可以使用不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、呋喃树脂、马来酰亚胺树脂、丙烯酸树脂等作为基质树脂。

此外，在权利要求书的范围内能够施加各种变更。

Claims (7)

1.一种飞轮，以规定的旋转轴线为中心旋转且用于蓄积惯性能量，所述飞轮包括：环构件；及轮毂环，内嵌于所述环构件，其中，

至少在所述飞轮旋转时，所述轮毂环压接于所述环构件的内周。

2.根据权利要求1所述的飞轮，其中，

所述轮毂环的周向的刚性设定得比所述环构件的周向的刚性低，

所述轮毂环的径向的刚性设定得比所述环构件的径向的刚性高。

3.根据权利要求1所述的飞轮，其中，

所述轮毂环由多个分割体构成，所述多个分割体是利用与周向垂直的分割面沿周向分割所述轮毂环而形成的。

4.根据权利要求2所述的飞轮，其中，

所述轮毂环由多个分割体构成，所述多个分割体是利用与周向垂直的分割面沿周向分割所述轮毂环而形成的。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的飞轮，其中，

所述轮毂环一体地具有圆筒状的轮毂环主体和从所述轮毂环主体向径向的外方伸出的圆盘状的凸缘，所述凸缘为了支承所述环构件而从下方抵接于该环构件。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的飞轮，其中，

所述环构件使用纤维强化塑料形成，该纤维强化塑料的强化纤维的取向方向是该环构件的周向。

7.根据权利要求5所述的飞轮，其中，

所述环构件使用纤维强化塑料形成，该纤维强化塑料的强化纤维的取向方向是该环构件的周向。