JP2002010533A - Fiber reinforced plastic rotor and flywheel battery device, and usable thereof - Google Patents
Fiber reinforced plastic rotor and flywheel battery device, and usable thereofInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はフライホイールバッ
テリー装置に関するもので、特にそのロータを改良した
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flywheel battery device, and more particularly to an improved rotor for the flywheel battery device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】電気エネルギを回転エネルギに変換し、
貯蔵し、自動車や産業機械等の電力標準化に寄与するも
のとしてフライホイールバッテリー装置が知られてい
る。そのようなフライホイールバッテリー装置では、貯
蔵できるエネルギ量は、回転するロータの慣性モーメン
ト即ち質量と、角速度の二乗とに比例することから、ロ
ータは高速回転で使用することにより効率が上がり、ま
た、その際に生じる遠心力に耐用する為にロータの比強
度が高いほどより多くのエネルギを貯蔵できるものとな
る。比強度の高い材料としては繊維強化プラスチックが
知られている。例えば、表１に各種材料の一般的な物性
を示す。2. Description of the Related Art Electric energy is converted into rotational energy.
A flywheel battery device is known as one that stores and contributes to standardization of electric power of automobiles, industrial machines, and the like. In such a flywheel battery device, the amount of energy that can be stored is proportional to the moment of inertia or mass of the rotating rotor and the square of the angular velocity. In order to withstand the centrifugal force generated at that time, the higher the specific strength of the rotor, the more energy can be stored. A fiber reinforced plastic is known as a material having a high specific strength. For example, Table 1 shows general physical properties of various materials.
【０００３】[0003]
【表１】 [Table 1]
【０００４】このように、繊維強化プラスチックは比強
度が極めて高いので、特開昭５２−１５１４４８号公報
においては、金属に代えて繊維強化プラスチックを用い
た高速回転体が開示されている。こうした繊維強化プラ
スチックを用いたフライホイールにおいては、その高い
比強度による利点を十分に発揮させる為に、ＣＦＲＰに
よるもので５００ｍ／ｓｅｃ以上、ＧＦＲＰによるもの
で４００ｍ／ｓｅｃ以上の超高回転で使用する検討がさ
れている。As described above, since fiber-reinforced plastics have extremely high specific strength, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-151448 discloses a high-speed rotating body using fiber-reinforced plastics instead of metal. In a flywheel using such a fiber reinforced plastic, in order to sufficiently exhibit the advantage of its high specific strength, it is used at an ultra-high rotation of 500 m / sec or more by CFRP and 400 m / sec or more by GFRP. Considered.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超高回転で使用すると、ロータのチップ速度（最外
周速度）が音速以上に達することになる。そこで、音速
を超えるときに発生する衝撃波の防止と、空気抵抗を低
減させる為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
し、真空中で作動する必要があった。また、高回転で磁
気浮上等の軸受けを用いた場合には、回転エネルギの損
失を抑制するために、その動的構造が高回転に適してい
ないので、動力損失が生ずる。しかも、渦電流による機
械的損失を生ずるので、ロータは発熱するが、ケーシン
グで密封していることから断熱状態となり、熱の放熱が
困難で、ロータが高温に曝されることとなり、その強度
が低下することがあった。また、高回転でも高効率なモ
ータ／ジェネレータ或いは軸受けは高価であることか
ら、汎用性に乏しく、航空宇宙用途等の限られた用途に
しか用いられていない。さらに、この種の高速回転体は
一般にエネルギ密度が高く、万一破損した時の飛散防止
の為に、堅固なケーシングが用いられている。その為、
フライホイールバッテリー装置は、本来は軽量コンパク
トであることが特長とされているにも拘わらず、これら
の特長が損なわれてしまっている。また、繊維強化プラ
スチック製ロータの場合は、塑性変形がなく破損が一様
にキャタストロフィックな様相を呈してしまうおそれが
ある。However, when used at such an ultra-high rotation speed, the tip speed (outermost peripheral speed) of the rotor reaches the speed of sound or more. Therefore, in order to prevent a shock wave generated when the speed of sound exceeds the speed of sound and reduce the air resistance, it is necessary to operate the vacuum in the casing housing the rotor in a vacuum. In addition, when a bearing such as a magnetic levitation is used at high rotation, power loss occurs because the dynamic structure is not suitable for high rotation in order to suppress loss of rotation energy. Moreover, the rotor generates heat because of the mechanical loss due to the eddy current.However, since the rotor is heated, it is insulated because it is sealed in the casing, and it is difficult to dissipate the heat. It could be lower. Further, motors / generators or bearings that are highly efficient even at high rotation speed are expensive, and therefore have poor versatility and are used only for limited applications such as aerospace applications. Further, this kind of high-speed rotating body generally has a high energy density, and a rigid casing is used to prevent scattering in case of breakage. For that reason,
Although flywheel battery devices are originally characterized as being lightweight and compact, these features have been impaired. Further, in the case of a rotor made of fiber-reinforced plastic, there is a risk that the plastic deformation does not occur and the damage is uniformly a catastrophic appearance.
【０００６】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、高いエネルギ貯蔵能力を発揮しつつも、安価
で汎用性があり、作動及び取扱いが簡易かつ容易で、耐
久性に優れ、軽量コンパクトで、高効率なフライホイー
ルバッテリー装置及びその使用方法と、それを実現する
ロータを目的とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is inexpensive, versatile, easy and easy to operate and handle, has excellent durability, and has a high energy storage capacity. It is an object of the present invention to provide a compact and highly efficient flywheel battery device, a method of using the same, and a rotor for realizing the same.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明のロータは、ロー
タ本体部が繊維強化プラスチックからなり、径方向の比
強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることを特徴とす
るものである。ここで、繊維強化プラスチックの強化繊
維は、引張弾性率が２５０Ｇｐａ以上かつ引張強度が
４.８Ｇｐａ以上の炭素繊維であることが望ましい。ま
た、強化繊維の繊維方向をロータの周方向としたものが
望ましい。本発明のフライホイールバッテリー装置は、
上記ロータを具備したものである。本発明のフライホイ
ールバッテリー装置の使用方法は、そのフライホイール
バッテリー装置を用い、ロータのチップ速度を３３０ｍ
／ｓｅｃ以下として作動することを特徴とするものであ
る。The rotor according to the present invention is characterized in that the rotor body is made of fiber reinforced plastic and has a specific strength in the radial direction of 5000 m / sec 2 or more. Here, the reinforcing fibers of the fiber-reinforced plastic are desirably carbon fibers having a tensile modulus of 250 Gpa or more and a tensile strength of 4.8 Gpa or more. It is desirable that the fiber direction of the reinforcing fibers be the circumferential direction of the rotor. The flywheel battery device of the present invention includes:
It is provided with the above-mentioned rotor. The method of using the flywheel battery device according to the present invention uses the flywheel battery device to reduce the tip speed of the rotor to 330 m.
/ Sec or less.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】本発明のロータは、例えば図１に
示すように、軸部が中心に形成されたハブ１４と、その
外周に形成されるロータ本体部１２とを有して概略構成
される。本発明のロータ１０の特徴は、そのロータ本体
部１２にあり、その他の構成については、公知の構成を
適用できる。本発明のロータ１０のロータ本体部１２
は、繊維強化プラスチックからなるものである。繊維強
化プラスチックとしては、後述する要件を満足するもの
であれば、種々のものを適用でき、例えば、そのマトリ
ックス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、マレイミド樹
脂、アクリル樹脂などを用いることができる。但し、ロ
ータの高温条件下での使用の際に重要となる熱変形を防
止するためには、熱硬化性樹脂が良い。また、強化繊維
としても、種々の繊維が適用可能であるものの、後述す
る要件を満足するものとして炭素繊維が好適である。本
発明のロータ１０のロータ本体部１２は、その径方向の
比強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることが必要と
される。５０００ｍ／ｓｅｃ2未満であると、チップ速
度を高速にしなければ十分なエネルギ量を貯蔵できない
からである。５０００〜９０００ｍ／ｓｅｃ2がより好
適である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A rotor according to the present invention, as shown in FIG. 1, for example, has a hub 14 formed around a shaft and a rotor body 12 formed on the outer periphery thereof. Is done. The feature of the rotor 10 of the present invention resides in the rotor main body portion 12, and other known configurations can be applied. Rotor body 12 of rotor 10 of the present invention
Is made of fiber reinforced plastic. As the fiber-reinforced plastic, various ones can be applied as long as they satisfy the requirements described below.For example, as the matrix resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, epoxy resin, phenol resin, polyamide resin, A polyimide resin, a furan resin, a maleimide resin, an acrylic resin, or the like can be used. However, in order to prevent thermal deformation, which is important when the rotor is used under high temperature conditions, a thermosetting resin is preferable. Although various fibers can be used as the reinforcing fibers, carbon fibers are preferable as satisfying the requirements described below. The rotor main body portion 12 of the rotor 10 of the present invention needs to have a specific strength in the radial direction of 5000 m / sec 2 or more. If it is less than 5000 m / sec 2 , a sufficient amount of energy cannot be stored unless the chip speed is increased. 5000 to 9000 m / sec 2 is more preferable.
【０００９】ロータのエネルギ貯蔵量Ｅ、周方向応力σ
θ、径方向応力σrは、それぞれ次式で示される。尚、
ωは角速度、ｒoはロータ径、ｒiはハブ径、ρはロータ
密度、νはポアソン比である。 Ｅ＝Ｉω2／２ σθ＝ｋρω2（ｒo2＋（１−２ν）ｒi2／（３−２
ν）） σr＝Ｊρω2（ｒo−ｒi）2 ここで、Ｉは慣性モーメントであり、次式で示される。
尚、ｍはロータ質量、ｈはロータの長さである。 Ｉ＝ｍ（ｒo2−ｒi2）／２ 但し、ｍ＝ρπ（ｒo2−ｒ
i2）ｈ また、ｋ、Ｊ、ωは次式で示される。 ｋ＝（３−２ν）／４（１−ν） Ｊ＝ｋ／２ ω2＝Ｒ／Ｊ（ｒo−ｒi）2 但し、Ｒはロータの径方向の比強度であり、σr／ρで
示されるロータ材料の固有値である。従って、ロータ径
ｒoと角速度ωの間には、Ｖ＝ｒoω が成立するので、
チップ速度Ｖを３３０ｍ／ｓｅｃとすると、ω＝３３０
／ｒo となる。また、単位重量当たりのエネルギ貯蔵
量Ｅ／ｍは次式で示される。 Ｅ／ｍ＝Ｉω2／２ｍ よって、各種材料でロータを構成した場合の径方向の比
強度と単位エネルギ貯蔵量を求めることができる。一般
的な各種のＦＲＰ（ＧＦＲＰ：ガラス繊維強化プラスチ
ック、ＡＦＲＰ：アラミド繊維強化プラスチック、ＣＦ
ＲＰ：炭素繊維強化プラスチック）について求めた結果
を表２に示す。The energy storage amount E of the rotor and the circumferential stress σ
θ and the radial stress σr are respectively expressed by the following equations. still,
ω is the angular velocity, ro is the rotor diameter, ri is the hub diameter, ρ is the rotor density, and ν is the Poisson's ratio. E = Iω 2/2 σθ = kρω 2 (ro 2 + (1-2ν) ri 2 / (3-2
ν)) σr = Jρω 2 (ro−ri) 2 where I is the moment of inertia and is expressed by the following equation.
Here, m is the rotor mass, and h is the length of the rotor. I = m (ro 2 −ri 2 ) / 2 where m = ρπ (ro 2 −r
i 2 ) h k, J, and ω are represented by the following equations. k = (3−2ν) / 4 (1−ν) J = k / 2 ω 2 = R / J (ro−ri) 2 where R is the specific strength in the radial direction of the rotor and is represented by σr / ρ. Characteristic value of the rotor material to be used. Accordingly, V = roω is established between the rotor diameter ro and the angular velocity ω.
Assuming that the chip speed V is 330 m / sec, ω = 330
/ Ro. Further, the energy storage amount E / m per unit weight is expressed by the following equation. E / m = Iω 2 / 2m Accordingly, the specific strength in the radial direction and the unit energy storage amount when the rotor is made of various materials can be obtained. Various general FRPs (GFRP: glass fiber reinforced plastic, AFRP: aramid fiber reinforced plastic, CF
Table 2 shows the results obtained for (RP: carbon fiber reinforced plastic).
【００１０】[0010]
【表２】 [Table 2]
【００１１】表２から、径方向比強度（径方向引張強度
／密度）が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上あるのはＣＦＲＰ
のみであり、ＣＦＲＰであればバッテリとして十分なエ
ネルギ貯蔵能力を有することができる。したがって、ロ
ータ本体部１２を構成する材料としては、炭素繊維強化
プラスチックが望ましい。From Table 2, it is found that the specific strength in the radial direction (radial tensile strength / density) of 5000 m / sec 2 or more is CFRP.
However, CFRP can have a sufficient energy storage capacity as a battery. Therefore, the material constituting the rotor main body 12 is desirably carbon fiber reinforced plastic.
【００１２】但し、ロータ本体部１２として炭素繊維強
化プラスチックを用いるとしても、炭素繊維に加えて他
の繊維を添加することも可能である。例えば、ガラス繊
維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリエステル繊維、炭
化珪素繊維、ホウ素繊維、パルプ等の天然繊維、ステン
レススチール繊維などが含まれていても良い。炭素繊維
の形態としては、ロービング、補強繊維クロスなどを挙
げることができるが、ロータの耐久強度を向上させるた
めには、例えば、連続した補強繊維束を一方向に引き揃
えたロービングが好ましい。However, even if carbon fiber reinforced plastic is used for the rotor body 12, other fibers can be added in addition to carbon fibers. For example, natural fibers such as glass fibers, aramid fibers, PBO fibers, polyester fibers, silicon carbide fibers, boron fibers, and pulp, and stainless steel fibers may be included. Examples of the form of the carbon fiber include roving and reinforcing fiber cloth. In order to improve the durability of the rotor, for example, roving in which continuous reinforcing fiber bundles are aligned in one direction is preferable.
【００１３】また、炭素繊維としては、引張弾性率が２
５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が４.８ＧＰａ以上の
ものが、強度とコストにおいてより実用的なロータとな
るので好ましい。引張弾性率としては２５０〜５００Ｇ
Ｐａであればより好ましく、引張強度は４.８〜６.０Ｇ
Ｐａであればより好ましい。さらに、ロータ本体部１２
を繊維強化プラスチックで構成する際、その繊維方向を
周方向に沿ったものとすることにより、万一システムに
異常が生じてロータが暴走しても、キャタストロピック
な繊維破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じる
のでロータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、
特に堅固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパ
クトなフライホイールバッテリー装置とすることができ
る。The carbon fiber has a tensile modulus of 2
A rotor having a strength of 50 GPa or more and a tensile strength of 4.8 GPa or more is preferable because the rotor becomes more practical in terms of strength and cost. 250-500G as tensile modulus
Pa is more preferable, and the tensile strength is 4.8 to 6.0 G.
Pa is more preferable. Further, the rotor body 12
When the rotor is made of fiber-reinforced plastic, the direction of the fiber is set along the circumferential direction. Since interlaminar destruction occurs in the direction, the rotor body does not scatter and is safe. Therefore,
In particular, there is no need to use a rigid casing, and a lightweight and compact flywheel battery device can be obtained.
【００１４】ハブ１４を構成する材料としては、高張力
鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の
構造用金属が適用できるが、好ましくは、５０系、６０
系耐食アルミニウム合金が、強度と軽量性を兼ね備えて
いるので好ましい。As a material for forming the hub 14, structural metals such as high-strength steel, stainless steel, aluminum alloy, and titanium alloy can be used.
A corrosion-resistant aluminum alloy is preferred because it has both strength and lightness.
【００１５】ロータは例えば次にようにして製造され
る。まず、所定の厚さ及び断面形状を有するハブ１４を
製造する。このハブの製造は、周知の方法で良く、所定
の金属等を用いて、鍛造法（スエージング法）、鋳造法
の公知の連続的またはバッチ的な成形法で得られる円盤
を機械加工して製造できる。こうして得られたハブ１４
の外周に所定のＦＲＰを連続繊維に樹脂を含浸して巻き
付ける、所謂、フィラメントワインディング法により成
形することでロータが製造される。The rotor is manufactured, for example, as follows. First, the hub 14 having a predetermined thickness and a cross-sectional shape is manufactured. The hub may be manufactured by a well-known method. A predetermined metal or the like is used to machine a disk obtained by a known continuous or batch forming method such as a forging method (swinging method) or a casting method. Can be manufactured. Hub 14 thus obtained
The rotor is manufactured by forming a predetermined FRP around the outer periphery of the continuous fiber by impregnating a continuous fiber with a resin and winding the resin by a so-called filament winding method.
【００１６】このようなロータ１０は主として図２に示
すようなケーシング１６の中に収容してフライホイール
バッテリー装置として使用に供される。The rotor 10 is housed in a casing 16 as shown in FIG. 2 and is used as a flywheel battery device.
【００１７】本発明のロータであると、エネルギ貯蔵能
力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にする
必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速く
しなくても十分に実用的である。５０〜３３０ｍ／ｓｅ
ｃの範囲で作動させることが好ましい。その結果、ロー
タのチップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗
の対策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
して真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気
浮上等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させ
ないことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密
封する必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流
による機械的損失によってロータが発熱しても、ロータ
を冷却でき、その強度低下がない。また、超高回転にし
ないので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることが
でき、多くの用途に適用できる。ロータが３３０ｍ／ｓ
ｅｃ以上のチップ速度で回転しないようにする為に、各
種のリミッタを配備しておくことが有効である。The rotor of the present invention has a very high energy storage capacity, so that it is not necessary to make the rotation speed extremely high, and it is sufficiently practical even if the chip speed is not higher than 330 m / sec. is there. 50-330m / se
It is preferable to operate in the range of c. As a result, since the tip speed of the rotor is lower than the speed of sound, there is no need to operate the vacuum in the casing housing the rotor in order to prevent shock waves and air resistance. In addition, even when a bearing such as a magnetic levitation is used at a high rotation, the power loss is small because it is not operated at a very high rotation. Further, since it is not necessary to seal the casing, heat can be easily dissipated, and even if the rotor generates heat due to mechanical loss due to eddy current, the rotor can be cooled and its strength does not decrease. In addition, since the rotation is not made ultra-high, a versatile and inexpensive bearing or the like can be used and can be applied to many uses. 330m / s rotor
It is effective to provide various limiters in order to prevent rotation at a chip speed higher than ec.
【００１８】[0018]
【実施例】［実施例１］概略形状が図１に示すようなロ
ータ１０を製造した。ハブ１４は５０５２耐食アルミニ
ウム合金を鋳造した。ロータ本体部１２の成形は炭素繊
維（「パイロフィルＴＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨ
ン（株）製）にエポキシ樹脂（「＃３５０」三菱レイヨ
ン（株）製）が３５重量％になるように含浸し、予備硬
化してトウプリプレグに加工したものを用いた。なお、
用いた炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度
は４.８Ｇｐａである。外径が４００ｍｍのハブ１４を
マンドレルとしてトウプリプレグを円筒軸に対して約９
０゜で１００ｍｍ厚さに成形し、ロータ１０の外径が６
００ｍｍ、長さが２００ｍｍとなるようにした。巻き付
け時のトウテンションは２〜５ｋｇ／本とした。これを
回転させながら、硬化炉で１３０℃で３時間、加熱硬化
して成形体を得た。これにモータ／ジェネレータを組み
込んで、動バランスを調整して、ロータを製造した。こ
のロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は６８０
０ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータを空気軸受けでア
ルミニウム合金製のケーシング中に収容してフライホイ
ールバッテリー装置を製造した。これを空気中で５００
０〜１００００ｒｐｍ（チップ速度：１０４〜２０８ｍ
／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置は１２ＫＶ
Ａ−３０秒の出力を発揮し、エレベータの電力標準化装
置として実用的に用いられた。EXAMPLES Example 1 A rotor 10 having a schematic shape as shown in FIG. 1 was manufactured. Hub 14 was cast from a 5052 corrosion resistant aluminum alloy. The rotor body 12 is formed by impregnating carbon fiber ("Pyrofil TRH50S-24L" manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) with epoxy resin ("# 350" manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) so as to be 35% by weight. A cured and processed tow prepreg was used. In addition,
The carbon fiber used has a tensile modulus of 260 Gpa and a tensile strength of 4.8 Gpa. With the hub 14 having an outer diameter of 400 mm as a mandrel, the tow prepreg is moved about 9 mm with respect to the cylindrical axis.
Formed to a thickness of 100 mm at 0 ° and the outer diameter of the rotor 10 is 6 mm.
The length was set to 00 mm and the length to 200 mm. The tow tension at the time of winding was 2 to 5 kg / piece. While rotating this, it was cured by heating at 130 ° C. for 3 hours in a curing furnace to obtain a molded body. A rotor was manufactured by incorporating a motor / generator into the assembly and adjusting the dynamic balance. The radial specific strength of the rotor body 12 of this rotor is 680.
It was 0 m / sec 2 . The rotor was housed in an aluminum alloy casing with an air bearing to produce a flywheel battery device. 500 in air
0-10000 rpm (chip speed: 104-208 m
/ Sec). This battery device is 12KV
It exhibited an output of A-30 seconds and was practically used as a power standardization device for elevators.
【００１９】［実施例２］炭素繊維（「パイロフィルＴ
ＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨン（株）製）にエポキ
シ樹脂（「＃７５０」ＳＨＥＬＬ（株）製）が３５重量
％になるようにコータで含浸し、フィラメントワインデ
ィング法で外径が２５０ｍｍの鉄製マンドレルに、樹脂
含浸した炭素繊維トウを周方向に７５ｍｍ厚さを巻き付
け、４００ｍｍ×２ｍ長の成形体を得た。なお、用いた
炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度は４.
８Ｇｐａである。これを回転させながら、硬化炉で１３
０℃で３時間、加熱硬化して、室温まで冷却した後、鉄
製のマンドレルから脱芯して成形体を得た。この成形体
を２００ｍｍ間隔に輪切りにして、ＦＲＰ製のロータ本
体部１２を製造した。ハブ１４は６０６３耐食アルミニ
ウム合金製の円盤を鍛造加工してフライス盤で機械加工
して仕上げた。上記ロータ本体部１２内に、このハブ１
４を圧入して組み立て、モータ／ジェネレータを組み込
んで、動バランスを調整して、ロータ１０を製造した。
このロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は８１
００ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータをボールベアリ
ング軸受けでＣＦＲＰ製のケーシング１６中に収容して
フライホイールバッテリー装置を製造した。これを空気
中で７５００〜１５０００ｒｐｍ（チップ速度：１５７
〜３１４ｍ／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置
は１２ＫＶＡ−３０秒の出力を発揮し、軽量かつコンパ
クトであり、クレーンやフォークリフト等の乗り物用の
電力標準化装置として実用的に用いられた。Example 2 Carbon fiber ("Pyrofil T")
"RH50S-24L" manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. is impregnated with a coater so that the epoxy resin ("# 750" manufactured by SHELL Co., Ltd.) becomes 35% by weight. The resin-impregnated carbon fiber tow was wound in a circumferential direction with a thickness of 75 mm to obtain a molded body having a length of 400 mm × 2 m. The carbon fiber used had a tensile modulus of 260 Gpa and a tensile strength of 4.
8 Gpa. While rotating this, 13
After heat-curing at 0 ° C. for 3 hours and cooling to room temperature, it was de-cored from an iron mandrel to obtain a molded body. This molded body was cut into 200 mm intervals to produce a rotor main body 12 made of FRP. The hub 14 was formed by forging a disk made of a 6063 corrosion-resistant aluminum alloy and machining it with a milling machine. The hub 1 is provided in the rotor body 12.
4 was press-fitted and assembled, the motor / generator was incorporated, and the dynamic balance was adjusted to manufacture the rotor 10.
The radial specific strength of the rotor body 12 of this rotor is 81
00 m / sec 2 . This rotor was accommodated in a casing 16 made of CFRP with a ball bearing bearing to manufacture a flywheel battery device. This is put in air at 7500-15000 rpm (tip speed: 157
３314 m / sec). This battery device exhibited an output of 12 KVA-30 seconds, was lightweight and compact, and was used practically as a power standardization device for vehicles such as cranes and forklifts.
【００２０】[0020]
【発明の効果】本発明のロータであると、エネルギ貯蔵
能力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にす
る必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速
くしなくても十分に実用的である。その結果、ロータの
チップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗の対
策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空にして
真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気浮上
等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させない
ことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密封す
る必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流によ
る機械的損失によってロータが発熱しても、ロータを冷
却でき、その強度低下がない。また、超高回転にしない
ので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることがで
き、多くの用途に適用できる。しかも回転数が１０００
０〜１５０００ｒｐｍ以下であるので、エネルギ密度が
低く、ロータは破壊しにくく、また、繊維方向を周方向
に沿ったものとすることにより、万一システムに異常が
生じてロータが暴走しても、キャタストロピックな繊維
破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じるのでロ
ータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、特に堅
固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパクトな
フライホイールバッテリー装置とすることができる。ま
た、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が
４.８ＧＰａ以上の炭素繊維を用いることで、強度とコ
ストに優れたものとなる。本発明のフライホイールバッ
テリー装置は、ハイブリッド電気自動車や、エレベータ
やクレーン等の産業機械等のように頻繁に電力貯蔵と消
費を繰り返し、ピーク時の電力標準（ピークカット）と
エネルギ回生のあるバッテリー装置に特にに好適であ
る。According to the rotor of the present invention, since the energy storage capacity is extremely high, it is not necessary to make the rotation speed extremely high, and the rotor can be sufficiently used even if the chip speed is not higher than 330 m / sec. It is a target. As a result, since the tip speed of the rotor is lower than the speed of sound, there is no need to operate the vacuum in the casing housing the rotor in order to prevent shock waves and air resistance. In addition, even when a bearing such as a magnetic levitation is used at a high rotation, the power loss is small because it is not operated at a very high rotation. Further, since it is not necessary to seal the casing, heat can be easily dissipated, and even if the rotor generates heat due to mechanical loss due to eddy current, the rotor can be cooled and its strength does not decrease. In addition, since the rotation is not made ultra-high, a versatile and inexpensive bearing or the like can be used and can be applied to many uses. Moreover, the rotation speed is 1000
Since it is 0 to 15000 rpm or less, the energy density is low, the rotor is not easily broken, and by setting the fiber direction along the circumferential direction, even if an abnormality occurs in the system and the rotor runs away, Since radial interlayer destruction occurs without catastrophic fiber destruction, the rotor main body does not scatter and is safe. Therefore, there is no need to use a particularly rigid casing, and a lightweight and compact flywheel battery device can be obtained. Further, by using carbon fibers having a tensile modulus of 250 GPa or more and a tensile strength of 4.8 GPa or more, the strength and the cost are excellent. The flywheel battery device of the present invention is a battery device that frequently repeats power storage and consumption, such as a hybrid electric vehicle or an industrial machine such as an elevator or a crane, and has a power standard at a peak (peak cut) and energy regeneration. It is particularly suitable for
【図１】 ロータの一例を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an example of a rotor.
【図２】 フライホイールバッテリー装置の一例の要部
を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a main part of an example of a flywheel battery device.
１０ ロータ １２ ロータ本体部 １４ ハブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rotor 12 Rotor main part 14 Hub
Claims (5)
らなり、径方向の比強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上で
あることを特徴とするロータ。1. A rotor characterized in that the rotor body is made of fiber-reinforced plastic and has a specific strength in the radial direction of 5000 m / sec 2 or more.
は、引張弾性率が２５０Ｇｐａ以上かつ引張強度が４.
８Ｇｐａ以上の炭素繊維であることを特徴とする請求項
１記載のロータ。2. The reinforcing fiber of the fiber-reinforced plastic has a tensile modulus of at least 250 Gpa and a tensile strength of 4.
2. The rotor according to claim 1, wherein the rotor is a carbon fiber of 8 Gpa or more.
したことを特徴とする請求項１または２記載のロータ。3. The rotor according to claim 1, wherein a fiber direction of the reinforcing fibers is set to a circumferential direction of the rotor.
ータを具備することを特徴とするフライホイールバッテ
リー装置。4. A flywheel battery device comprising the rotor according to claim 1.
ー装置を用い、ロータのチップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃ
以下として作動することを特徴とするフライホイールバ
ッテリー装置の使用方法。5. A flywheel battery device according to claim 4, wherein the tip speed of the rotor is 330 m / sec.
A method of using a flywheel battery device that operates as follows.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000186715A JP2002010533A (en) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | Fiber reinforced plastic rotor and flywheel battery device, and usable thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2000186715A JP2002010533A (en) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | Fiber reinforced plastic rotor and flywheel battery device, and usable thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002010533A true JP2002010533A (en) | 2002-01-11 |
Family
ID=18686826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000186715A Withdrawn JP2002010533A (en) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | Fiber reinforced plastic rotor and flywheel battery device, and usable thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002010533A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014190503A (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Railway Technical Research Institute | Flywheel structure in power storage device |
| JP2016525335A (en) * | 2013-07-19 | 2016-08-22 | ジーケーエヌ ハイブリッド パワー リミテッド | Energy storage flywheel and method of manufacturing the same |
| CN111114735A (en) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 中国科学院光电研究院 | Lightweight flywheel and method for manufacturing same |
-
2000
- 2000-06-21 JP JP2000186715A patent/JP2002010533A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111114735A (en) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 中国科学院光电研究院 | Lightweight flywheel and method for manufacturing same |
| CN111114735B (en) * | 2019-12-26 | 2022-01-21 | 中国科学院光电研究院 | Lightweight flywheel and method for manufacturing same |
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