JP2000081091A

JP2000081091A - フライホイール

Info

Publication number: JP2000081091A
Application number: JP10253660A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Nagaya; 重夫長屋; Masaharu Minami; 正晴南; Yutaka Kawashima; 裕河島
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】許容される回転数の低下を抑制できるフライホ
イールを提供する。【解決手段】フライホイール１は電力貯蔵装置に用いら
れる。フライホイール１はリング部材７とディスク部材
８と押付部材９とを備えている。リング部材７はＣＦＲ
Ｐからなりかつ第１の剛性と第１の弾性係数を有してフ
ィラメントワインディング法などによって成形されてい
る。ディスク部材８は周縁部８ａが軸線Ｐに沿って折れ
曲げられた格好に形成されている。周縁部８ａの外周面
は断面が円弧状に形成されている。ディスク部材８が外
周面がリング部材７の内周面７ａに接合して設けられて
いる。ディスク部材８は第１の剛性より低い第２の剛性
を有してプリプレグを積層されるなどして成形されてい
る。押付部材９はリング部材７の内周面７ａに接合して
設けられている。押付部材９はリング部材７の周方向に
沿って等間隔に複数設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵用、原動
機等に用いられるフライホイールに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電用エネルギを大径の図６に示すフラ
イホイール４１に回転エネルギとして蓄積し、電力多用
時に、フライホイール４１に蓄積されたエネルギを取出
して電気エネルギとして使用する電力貯蔵装置が種々提
案されている。

【０００３】電力貯蔵装置に用いられる図６に例示され
たフライホイール４１は、電力貯蔵装置の回転自在な主
軸４３に支持され、かつリング部材としてのフライホイ
ールリング４７と、ディスク部材としての支持ディスク
４８と、を備えている。

【０００４】フライホイール４１は、支持ディスク４８
の周縁部４８ａがフライホイールリング４７の内周面４
７ａに接合した格好で、前記主軸４３に支持されて、前
述した電力貯蔵装置に用いられている。

【０００５】フライホイールリング４７は、図７（Ａ）
に示すように、炭素繊維４９と、エポキシ樹脂５０とか
らなるＣＦＲＰ（Carbon fiber reinforced plastics）
などのＦＲＰ（fiber reinforced plastics ）から成形
されている。フライホイールリング４７は、フィラメン
トワインディング法などによって、エポキシ樹脂５０な
どが含浸された炭素繊維４９がその周方向に沿って巻か
れかつ径方向に沿って積層された後、例えば８０℃など
の温度まで加熱されることによって硬化して成形されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した構成の従来の
フライホイール４１の回転時において、フライホイール
リング４７には、図７（Ａ）から図７（Ｃ）に示すよう
に、その周方向に沿う図中の矢印σθで示す応力と、径
方向に沿う図中の矢印σｒで示す応力と、が作用するこ
ととなる。

【０００７】このとき、炭素繊維４９が、フライホイー
ルリング４７の周方向に沿って巻かれているので、周方
向に沿った引張強度が十分に確保されている。しかし、
前述した構成のフライホイール４１は、径方向に沿った
引張強度がエポキシ樹脂５０の引張強度に近くなってし
まい、回転数が高くなるとフライホイールリング４７を
形成する炭素繊維４９に層間剥離が生じやすく、許容さ
れる回転数が低くなる傾向にあった。

【０００８】従って本発明の目的は、許容される回転数
が低くなることを抑制できるフライホイールを提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、請求項１に記載の本発明のフライホイ
ールは、第１の剛性を有しかつ繊維を径方向に積層され
て形成されたリング部材と、前記第１の剛性より低い第
２の剛性を有してプリプレグを積層されて形成され、か
つ周縁部の断面が円弧状に形成されているとともに、前
記周縁部が前記リング部材の内周面と接して設けられた
ディスク部材と、を備えたことを特徴としている。

【００１０】請求項２に記載の本発明のフライホイール
は、繊維を径方向に積層されて形成されたリング部を備
えたフライホイールにおいて、前記リング部の内周面に
接しかつこのリング部の周方向に沿って等間隔に複数設
けられた押付部材を備えたことを特徴としている。

【００１１】請求項３に記載の本発明のフライホイール
は、請求項１に記載のフライホイールにおいて、前記リ
ング部材の内周面に接しかつこのリング部材の周方向に
沿って等間隔に複数設けられた押付部材を備えたことを
特徴としている。

【００１２】請求項４に記載の本発明のフライホイール
は、繊維を径方向に積層されて形成されたリング部を備
えたフライホイールにおいて、前記フライホイールが所
定回転数で回転する際に生じる径方向に沿った応力が降
伏点を超えるリング材を前記リング部の内周面に接して
設けたことを特徴としている。

【００１３】請求項５に記載の本発明のフライホイール
は、第１の弾性係数を有して繊維を径方向に積層されて
形成されたリング部を備えたフライホイールにおいて、
前記第１の弾性係数より低い第２の弾性係数を有して形
成されかつ前記リング部の内周面に接して設けられたリ
ング材を備えたことを特徴としている。

【００１４】請求項６に記載の本発明のフライホイール
は、繊維を径方向に積層されて形成されたリング部を備
えたフライホイールにおいて、円環状に形成されかつ内
周面より外周方向に向って凹の切欠を周方向に沿って等
間隔に複数設けるとともに、前記リング部の内周面に接
して設けられたリング材を備えたことを特徴としてい
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の第１の実施形態に
ついて、図１から図３を参照して説明する。

【００１６】図１及び図２に示すフライホイール１は、
電力貯蔵装置２に用いられるようになっている。電力貯
蔵装置２は、発電用エネルギをフライホイール１に回転
エネルギとして蓄積し、電力多用時にこのフライホイー
ル１に蓄積されたエネルギを取出して電気エネルギとし
て使用する装置である。

【００１７】電力貯蔵装置２は、回転体としての前述し
たフライホイール１と、主軸３と、軸受部４と、動力伝
達装置５と、これらフライホイール１、主軸３、軸受部
４及び動力伝達装置５などを収容するケーシング６等を
備えている。

【００１８】主軸３は、互いに同軸的に配される上部軸
１０と下部軸１１とを備えており、これら上下部軸１
０，１１の間にフライホイール１の後述するディスク部
材８を挟み込んだ状態で、フライホイール１を支持して
いる。主軸３は、フライホイール１と一体に、軸線Ｐ回
りに回転するようになっている。

【００１９】主軸３の上部軸１０の上端部１０ａと、ケ
ーシング６の後述する第１の上部ケーシング２７との間
には、上部ラジアル軸受１２が設けられている。主軸３
の下部軸１１の下端部１１ａと、ケーシング６の後述す
る下部ケーシング３０との間には、下部ラジアル軸受１
３が設けられている、これらの上下部ラジアル軸受１
２，１３は、それぞれ磁気軸受からなっており、主軸３
の軸線Ｐ回りの回転を前記ケーシング２７，３０に伝え
ないように、主軸３を回転自在に支持している。

【００２０】主軸３の下部軸１１の軸線Ｐ方向に沿った
中央部には、外周方向に突出して設けられたディスク状
のフランジ部材１４が設けられている。また、ケーシン
グ６の後述する主ケーシング２９には、側壁から内側に
向って突出して形成され、かつフランジ部材１４と軸線
Ｐ方向に沿って相対するフランジ部３１が一体に設けら
れている。

【００２１】下部軸１１に設けられたフランジ部材１４
には、主ケーシング２９のフランジ部３１と相対する内
外周永久磁石１５，１６が設けられている。内外周永久
磁石１５，１６は、それぞれリング状に形成されてお
り、互いの間に中間リング１７を設けている。

【００２２】主ケーシング２９のフランジ部３１には、
内外周永久磁石１５，１６と相対する高温超電導体１８
（バルク体）が設けられている。バルク体１８は液体窒
素タンク１９などを介して主ケーシング２９のフランジ
部３１に支持されている。液体窒素タンク１９には、液
体窒素などを供給する配管２０及び、この液体窒素が気
化して生じる窒素を排出する配管２１とが接続してい
る。

【００２３】バルク体１８は、配管２０を通して外部か
ら液体窒素が供給されることによって、相対する内外周
永久磁石１５，１６と互いに磁気反発力を生じる。そし
て、フランジ部材１４等を介して、主軸３及びフライホ
イール１などを浮上させて支持するようになっている。
また、前記フランジ部材１４、内外周永久磁石１５，１
６、中間リング１７及びバルク体１８は、高温超電導磁
気軸受２２を構成しており、主軸３などを軸線Ｐに沿う
スラスト方向に沿って支持している。

【００２４】主軸３の上部軸１０には、上部ラジアル軸
受１２の上端側に、上部補助軸受２３が設けられてい
る。主軸３の下部軸１１には、下部ラジアル軸受１３の
下端側に、下部補助軸受２４が設けられている。これら
の上下部補助軸受２３，２４は、それぞれ上下部ラジア
ル軸受１２，１３の上下部軸１０，１１との間の隙間つ
まり軸受隙間の約半分の軸受隙間を有する転がり軸受と
なっている。

【００２５】これらの上下部補助軸受２３，２４は、上
下部ラジアル軸受１２，１３が動作不良となった際に、
主軸３の軸線Ｐ回りの回転を許容して、主軸３およびフ
ライホイール１などの損傷を防止するようになってい
る。

【００２６】なお、前記上下部ラジアル軸受１２，１
３、高温超電導磁気軸受２２および上下部補助軸受２
３，２４は、前述した軸受部４を構成している。

【００２７】動力伝達装置５は、主軸３の外周面に設け
られた回転子２５と、この回転子２５と相対してケーシ
ング６に設けられた固定子２６とを備えた発電・電動機
である。動力伝達装置５は、フライホイール１及び主軸
３の回転エネルギの出し入れ（充放電）を行うようにな
っている。

【００２８】ケーシング６は、第１の上部ケーシング２
７と第２の上部ケーシング２８と主ケーシング２９と下
部ケーシング３０とを備えている。第１の上部ケーシン
グ２７は、主軸３の上部軸１０の上端部１０ａと、上部
ラジアル軸受１２と、上部補助軸受２３とを包囲してい
る。

【００２９】第２の上部ケーシング２８は、動力伝達装
置５を包囲している。主ケーシング２９は、フライホイ
ール１及び高温超電導磁気軸受２２などを包囲してい
る。下部ケーシング３０は、主軸３の下部軸１１の下端
部１１ａと、下部ラジアル軸受１３と、下部補助軸受２
４とを包囲している。また、主ケーシング２９の外周に
は防護材３２が設けられている。

【００３０】前述したケーシング２７，２８，２９，３
０は、互いに流体密に接合するようになっている。ケー
シング６の一部には、排気口３３が設けられている。ケ
ーシング６は、排気口３３を介して、その内部の気体が
排出されて真空に保たれるようになっている。

【００３１】ケーシング６は、内部が真空に保たれるこ
とによって、前記フライホイール１、主軸３、軸受部４
及び動力伝達装置５を、外部と遮断するようになってい
るとともに、フライホイール１の回転運動の損失低減
と、高温超電導磁気軸受２２などの真空断熱を図ってい
る。

【００３２】前記フライホイール１は、リング部として
のリング部材７と、ディスク部材８と、押付部材９と、
を備えている。リング部材７は、炭素繊維とエポキシ樹
脂とからなるＣＦＲＰなどのＦＲＰから成形されてい
る。リング部材７は、第１の剛性及び第１の弾性係数を
有するように、フィラメントワインディング法などによ
って、エポキシ樹脂などが含浸された炭素繊維が、径方
向に沿って積層された後、例えば８０℃まで加熱される
ことによって硬化して成形されるようになっている。

【００３３】ディスク部材８は、その中央が前記上部軸
１０と下部軸１１とに挟まれた格好で、主軸３と同軸的
に配されるようになっている。ディスク部材８は、主軸
３と同軸的に配された際に、その周縁部８ａが主軸３の
軸線Ｐに沿って折り曲げられた格好に形成され、かつ外
径がリング部材７の内径と略等しく形成されている。周
縁部８ａの外周面８ｂは、断面が円弧状となるように形
成されている。図示例において、ディスク部材８は、周
縁部８ａが、軸線Ｐに沿って高温超電導磁気軸受２２に
向って折り曲げられた格好に形成されている。

【００３４】ディスク部材８は、前記第１の剛性より低
い第２の剛性を有するように、一方向に沿って互いに平
行に炭素繊維などの繊維を引きそろえたシート状のプリ
プレグを積層した後、例えば８０℃まで加熱されること
によって硬化して成形されるようになっている。

【００３５】プリプレグを積層する際には、繊維の方向
が放射状となって、ディスク部材８の径方向に沿った引
張強度が、周方向に沿って略均一となるように、所謂擬
似等方成形されている。なお、図示例においては、プリ
プレグを繊維方向が０°、９０°、＋４５°、−４５°
となる方向に重ね合わせている。ディスク部材８は、そ
の周縁部８ａの外周面８ｂをリング部材７の内周面７ａ
に接合させて、リング部材７に取付けられるようになっ
ている。

【００３６】押付部材９は、前記リング部材７の内周面
７ａに接合し、かつこのリング部材７の周方向に沿って
略等間隔に複数設けられている。図示例において、押付
部材９は、リング状に形成された母材がリング部材７の
周方向に沿って略等間隔に分割された格好に形成されて
いる。

【００３７】前述した構成によって、電力貯蔵装置２
は、図３に示すように、動力伝達装置５などを介して、
充電すると、図Ａ中の線分ＡＢのように、フライホイー
ル１の回転数が増大して電力を回転エネルギとして蓄え
る。蓄えられたエネルギは図３中の線分ＢＣのようにフ
ライホイール１が回転数一定で回転することによって貯
蔵される。図３中の線分ＣＤに示すように、動力伝達装
置５などを介して、フライホイール１の回転数を低下さ
せることによって、放電して、蓄えた回転エネルギを取
出すことができる。

【００３８】本実施形態のフライホイール１は、第１の
剛性を有するリング部材７の内周面７ａに、周縁部８ａ
の外周面８ｂが接合した状態で、第１の剛性より低い第
２の剛性を有するディスク部材８が設けられている。こ
のため、フライホイール１が回転する際に、リング部材
７に層間剥離などが生じる前に、ディスク部材８が外周
方向に膨張することとなって、前記リング部材７を内周
面７ａから外周方向に向って押し付けることとなる。

【００３９】したがって、リング部材７の層間剥離が抑
制されることとなって、フライホイール１の許容される
回転数が低下することを抑制することができる。

【００４０】また、フライホイール１は、リング部とし
てのリング部材７の内周面７ａに接合してこのリング部
材７の周方向に沿って等間隔に複数の押付部材９を設け
ている。このため、フライホイール１が回転すると、押
付部材９が遠心力によってリング部材７を内周面７ａか
ら外周方向に向って押し付けることとなる。したがっ
て、リング部材７の層間剥離がより一層確実に抑制され
ることとなって、フライホイール１の許容される回転数
が低下することをより一層確実に抑制することができ
る。

【００４１】次に、本発明の第２の実施形態を図４を参
照して説明する。なお、前記第１の実施形態と同一構成
部分には、同一符号を付して説明を省略する。

【００４２】本実施形態のフライホイール１は、リング
部としてのリング部材７の内周面７ａに接合した円環状
のリング材３５を備えている。リング材３５は、リング
部材７の内径と略等しい外径を有して形成され、外周面
３５ａを、リング部材７の内周面７ａに接合した状態で
設けられている。

【００４３】リング材３５は、前記第１の弾性係数より
低い第２の弾性係数を有するとともに、フライホイール
１が所定回転数で回転すると、この回転によって生じる
遠心力による応力が降伏点を超えるように形成されてい
る。

【００４４】本実施形態のフライホイール１は、このフ
ライホイール１が所定回転数で回転する際に生じる径方
向に沿った応力が降伏点を超えかつリング部材７が有す
る第１の弾性係数より低い第２の弾性係数を有するリン
グ材３５を、リング部材７の内周面７ａに接合して設け
ている。

【００４５】このため、フライホイール１が回転する
と、遠心力によってリング材３５が外周方向に膨張する
こととなって、前記リング部材７を内周面７ａから外周
方向に向って押し付けることとなる。したがって、リン
グ部材７の層間剥離が抑制されることとなって、フライ
ホイール１の許容される回転数が低下することを抑制す
ることができる。

【００４６】次に、本発明の第３の実施形態を図５を参
照して説明する。なお、前記第１及び第２の実施形態と
同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。

【００４７】本実施形態のフライホイール１は、リング
部としてのリング部材７の内周面７ａに接合した円環状
のリング材３６を備えている。リング材３６は、リング
部材７の内径と略等しい外径を有して形成され、外周面
３６ａを、リング部材７の内周面７ａに接合した状態で
設けられている。

【００４８】リング材３６は、その周方向に沿って略等
間隔に、その内周面３６ｂから外周方向に向って凹に形
成された切欠３７を複数設けて、フライホイール１が回
転する際に遠心力によるリング部材７の外周方向に向う
膨張より、大きく膨張するように形成されている。

【００４９】本実施形態のフライホイール１は、内周面
３６ｂから外周方向に向って凹の切欠３７を周方向に沿
って等間隔に複数形成し、かつリング部材７より遠心力
によって外周方向に向って膨張しやすいリング材３６
を、リング部材７の内周面７ａに接合して設けている。

【００５０】このため、フライホイール１が回転する
と、リング材３６が遠心力によって前記リング部材７を
内周面７ａから外周方向に向って押し付けることとな
る。したがって、リング部材７の層間剥離が抑制される
こととなって、フライホール１の許容される回転数が低
下することを抑制することができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明のフライホイールは、第１の剛性
を有するリング部材の内周面に、周縁部が接しかつ第１
の剛性より低い第２の剛性を有するディスク部材が設け
られている。このため、フライホイールが回転する際
に、リング部材に層間剥離などが生じる前に、ディスク
部材が外周方向に膨張することとなって、前記リング部
材を内周面から外周方向に向って押し付けることとな
る。したがって、リング部材の層間剥離が抑制されるこ
ととなって、許容される回転数が低くなることを抑制す
ることができる。

【００５２】本発明のフライホイールは、リング部の内
周面に接してこのリング部の周方向に沿って等間隔に複
数押付部材を設けているため、フライホイールが回転す
ると、押付部材が遠心力によって前記リング部を内周面
から外周方向に向って押し付けることとなる。したがっ
て、リング部の層間剥離が抑制されることとなって、許
容される回転数が低くなることを抑制することができ
る。

【００５３】本発明のフライホイールは、第１の剛性を
有するリング部材の内周面に、周縁部が接しかつ第１の
剛性より低い第２の剛性を有するディスク部材を設けて
いる。さらに、リング部材の内周面に接してこのリング
部材の周方向に沿って等間隔に複数押付部材を設けてい
る。

【００５４】このため、フライホイールが回転する際
に、リング部材に層間剥離などが生じる前に、ディスク
部材が外周方向に膨張することとなって、前記リング部
材を内周面から外周方向に向って押し付けるとともに、
押付部材が遠心力によって前記リング部を内周面から外
周方向に向って押し付けることとなる。したがって、リ
ング部材の層間剥離が抑制されることとなって、許容さ
れる回転数が低くなることを抑制することができる。

【００５５】本発明のフライホイールは、このフライホ
イールが所定回転数で回転する際に生じる径方向に沿っ
た応力が降伏点を超えるリング材を、リング部の内周面
に接して設けている。このため、フライホイールが回転
すると、リング材が遠心力によって前記リング部を内周
面から外周方向に向って押し付けることとなる。したが
って、リング部の層間剥離が抑制されることとなって、
許容される回転数が低くなることを抑制することができ
る。

【００５６】本発明のフライホイールは、第１の弾性係
数を有するリング部の内周面に、第１の弾性係数より低
い第２の弾性係数を有するリング材を接して設けてい
る。このため、フライホイールが回転する際に、リング
部に層間剥離などが生じる前に、リング材が外周方向に
膨張することとなって、前記リング部を内周面から外周
方向に向って押し付けることとなる。したがって、リン
グ部の層間剥離が抑制されることとなって、許容される
回転数が低くなることを抑制することができる。

【００５７】本発明のフライホイールは、円環状に形成
されかつ内周面から外周方向に向って凹の切欠をリング
部の周方向に沿って等間隔に複数形成したリング材をリ
ング部の内周面に接して設けている。このため、フライ
ホイールが回転すると、リング材が遠心力によって前記
リング部を内周面から外周方向に向って押し付けること
となる。したがって、リング部の層間剥離が抑制される
こととなって、許容される回転数が低くなることを抑制
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のフライホールを備え
た電力貯蔵装置を示す断面図。

【図２】図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿う方向からみ
たフライホイールの平面図。

【図３】図１に示された電力貯蔵装置の運転状況の一例
を示す図。

【図４】本発明の第２の実施形態を示すフライホイール
の平面図。

【図５】本発明の第３の実施形態を示すフライホイール
の平面図。

【図６】従来のフライホイールの断面図。

【図７】（Ａ）は図７に示された従来のフライホイール
の一部を拡大して示す断面図。（Ｂ）は図７に示された
従来のフライホイールに生じる周方向に沿った応力の分
布を示す図。（Ｃ）は図７に示された従来のフライホイ
ールに生じる径方向に沿った応力の分布を示す図。

【符号の説明】

１…フライホイール７…リング部材（リング部）７ａ…内周面８…ディスク部材８ａ…周縁部９…押付部材３５…リング材３６…リング材３６ａ…内周面３７…切欠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南正晴兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者河島裕兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内Ｆターム(参考） 5H607 AA12 BB02 BB14 CC01 CC03 EE42 GG01 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の剛性を有しかつ繊維を径方向に積層
されて形成されたリング部材と、前記第１の剛性より低い第２の剛性を有してプリプレグ
を積層されて形成され、かつ周縁部の断面が円弧状に形
成されているとともに、前記周縁部が前記リング部材の
内周面と接して設けられたディスク部材と、を備えたこ
とを特徴とするフライホイール。
【請求項２】繊維を径方向に積層されて形成されたリン
グ部を備えたフライホイールにおいて、前記リング部の
内周面に接しかつこのリング部の周方向に沿って等間隔
に複数設けられた押付部材を備えたことを特徴とするフ
ライホイール。
【請求項３】前記リング部材の内周面に接しかつこのリ
ング部材の周方向に沿って等間隔に複数設けられた押付
部材を備えたことを特徴とする請求項１記載のフライホ
イール。
【請求項４】繊維を径方向に積層されて形成されたリン
グ部を備えたフライホイールにおいて、前記フライホイ
ールが所定回転数で回転する際に生じる径方向に沿った
応力が降伏点を超えるリング材を前記リング部の内周面
に接して設けたことを特徴とするフライホイール。
【請求項５】第１の弾性係数を有して繊維を径方向に積
層されて形成されたリング部を備えたフライホイールに
おいて、前記第１の弾性係数より低い第２の弾性係数を
有して形成されかつ前記リング部の内周面に接して設け
られたリング材を備えたことを特徴とするフライホイー
ル。
【請求項６】繊維を径方向に積層されて形成されたリン
グ部を備えたフライホイールにおいて、円環状に形成さ
れかつ内周面より外周方向に向って凹の切欠を周方向に
沿って等間隔に複数設けるとともに、前記リング部の内
周面に接して設けられたリング材を備えたことを特徴と
するフライホイール。