JP2002511560A - 自己膨張型ハブを有するフライホイール - Google Patents
自己膨張型ハブを有するフライホイールInfo
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- F16F15/30—Flywheels
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- Y10T74/2117—Power generating-type flywheel
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Abstract
(57)【要約】
複合材料で出来たロータ及び環状ディスクを有する多エネルギ貯蔵のフライホイールである。金属ハブが軸に固着され且つフープにてディスクに接続されている。ハブは、全体として二重の円錐形軸である両側部分を有している。同心状のリムが各ハブ部分の周りを伸長し且つ回転時、ハブ部分は、リムの周りで膨張可能に変形し、ディスクに対し圧縮力を付与して、ロータとディスクの相互接続面に実質的に応力無しの状態を保つ。
Description
【０００１】 発明の分野 本発明は、全体として、エネルギ貯蔵装置、より具体的には、多エネルギフラ
イホイールの設計に関する。
イホイールの設計に関する。
【０００２】 従来技術の説明 ハイブリッド電気自動車、地球の回りを旋回する衛星、軍事武器、発電所、負
荷の平準化、宇宙ステーション、コンピュータ装置及びエレクトロニクス製造用
の連続的な給電のような用途にて多エネルギの貯蔵のためフライホイールを使用
することは、永年、認識されており、日々、新たな用途が登場している。これら
の新たな用途の多くは、現在、利用可能なものよりもエネルギ貯蔵能力が大きく
且つエネルギ密度（装置内に貯蔵されたエネルギと装置の重量との比）がより大
きいことを必要とする。フライホイールの開発者達は、高速度にて生ずる応力の
ため、最も大きい潜在的な市場の需要を満足させるのに十分に小型で且つ軽量な
エネルギ貯蔵能力の大きいフライホイールを製造することはできないでいる。例
えば、ＮＡＳＡ及びＤＯＤのプロジェクト並びに、ハイブリッド車の分野は、極
めて軽量で且つ極めて小型のフライホイールを必要としている。
荷の平準化、宇宙ステーション、コンピュータ装置及びエレクトロニクス製造用
の連続的な給電のような用途にて多エネルギの貯蔵のためフライホイールを使用
することは、永年、認識されており、日々、新たな用途が登場している。これら
の新たな用途の多くは、現在、利用可能なものよりもエネルギ貯蔵能力が大きく
且つエネルギ密度（装置内に貯蔵されたエネルギと装置の重量との比）がより大
きいことを必要とする。フライホイールの開発者達は、高速度にて生ずる応力の
ため、最も大きい潜在的な市場の需要を満足させるのに十分に小型で且つ軽量な
エネルギ貯蔵能力の大きいフライホイールを製造することはできないでいる。例
えば、ＮＡＳＡ及びＤＯＤのプロジェクト並びに、ハイブリッド車の分野は、極
めて軽量で且つ極めて小型のフライホイールを必要としている。
【０００３】 回転体の運動エネルギは０．５Ｉｗ2（ここで、Ｉは、回転体の慣性モーメン
ト、ｗは角速度である）に等しいから、フライホイールの貯蔵エネルギ及びエネ
ルギ密度を増大させようとする努力は、角速度を速くすることに重点を置いてい
る。しかしながら、角速度が速くなるに伴い、フライホイールの構成要素の半径
方向への膨張もまた増す。構成要素は異なる程度にて膨張するから、例えば、整
合外れと偏心との間にて、構成要素の相互接続面に加わった応力は、破壊する可
能性のある共振を減衰させて、軸のベアリングのような構成要素に大きい荷重を
加える可能性がある。
ト、ｗは角速度である）に等しいから、フライホイールの貯蔵エネルギ及びエネ
ルギ密度を増大させようとする努力は、角速度を速くすることに重点を置いてい
る。しかしながら、角速度が速くなるに伴い、フライホイールの構成要素の半径
方向への膨張もまた増す。構成要素は異なる程度にて膨張するから、例えば、整
合外れと偏心との間にて、構成要素の相互接続面に加わった応力は、破壊する可
能性のある共振を減衰させて、軸のベアリングのような構成要素に大きい荷重を
加える可能性がある。
【０００４】 構成要素の相互接続面（インターフェース）における一体性を向上させようと
する試みは、機械式締結具を追加し、構成要素の断面寸法を大きくし且つ圧縮性
の予荷重を加えるといったような措置によって取り付け機構の堅固さ又は強度を
増すことに重心を置いている。
する試みは、機械式締結具を追加し、構成要素の断面寸法を大きくし且つ圧縮性
の予荷重を加えるといったような措置によって取り付け機構の堅固さ又は強度を
増すことに重心を置いている。
【０００５】 フライホイールの設計者の一部は、可撓性の構造体を内蔵させている。米国特
許第５，１２４，６０５号は、外側半径方向応力がハブの軸線に伝達されるのを
防止するため、リム及びハブが等しく膨張する必要性を課題としている。この理
由は、リムの内面及び外面は、高速回転中、外方に膨張し、ハブは、少なくとも
迅速に膨張しなければならないからである。
許第５，１２４，６０５号は、外側半径方向応力がハブの軸線に伝達されるのを
防止するため、リム及びハブが等しく膨張する必要性を課題としている。この理
由は、リムの内面及び外面は、高速回転中、外方に膨張し、ハブは、少なくとも
迅速に膨張しなければならないからである。
【０００６】 米国特許第‘６０５号は、ハブの弾性率がリムの弾性率よりも大きいならば、
これは実現可能であることを示唆している。この米国特許第‘６０５号において
、複数の管組立体がハブ及びリムを接続する位置に配置されている。ハブ組立体
は、フライホイール内にて予め圧縮され又は予荷重が加えられているが、高速回
転時、動的安定性を保つことを目的としている。
これは実現可能であることを示唆している。この米国特許第‘６０５号において
、複数の管組立体がハブ及びリムを接続する位置に配置されている。ハブ組立体
は、フライホイール内にて予め圧縮され又は予荷重が加えられているが、高速回
転時、動的安定性を保つことを目的としている。
【０００７】 米国特許第４，８２１，５９９号は、リムを少なくとも１つの実質的に円形の
皿状部材を有する中央部分に接続する。この皿状部材は、湾曲しており、回転速
度が増すと、皿状部材が弾性的に変形して、これにより、湾曲部を真っ直ぐし、
且つ皿状部材の直径を増大させる。好ましくは、皿状部材は、一体に形成された
環状部分を少なくとも３つ有しており、その内、少なくとも２つは湾曲し且つ第
三の部分の各側部に配置されている。一つの好ましい実施の形態において、中央
部分は、同軸状の皿部材を少なくとも２つ備えている。
皿状部材を有する中央部分に接続する。この皿状部材は、湾曲しており、回転速
度が増すと、皿状部材が弾性的に変形して、これにより、湾曲部を真っ直ぐし、
且つ皿状部材の直径を増大させる。好ましくは、皿状部材は、一体に形成された
環状部分を少なくとも３つ有しており、その内、少なくとも２つは湾曲し且つ第
三の部分の各側部に配置されている。一つの好ましい実施の形態において、中央
部分は、同軸状の皿部材を少なくとも２つ備えている。
【０００８】 米国特許第４，０５８，０２４号には、垂直軸線の周りを回転可能な複数の独
立的な同心状のロータリングを有する慣性エネルギロータが開示されている。ス
ペーサリングは、外側ロータリングの各々をその隣接する内側ロータリングに接
続し且つ実質的に硬い材料で出来ている。スペーサリングは、円筒状の形態を有
し、また、複数のスロットを有しており、これらのスロットは、リングの軸方向
両端からリングの他端に向けて交互に伸長する。
立的な同心状のロータリングを有する慣性エネルギロータが開示されている。ス
ペーサリングは、外側ロータリングの各々をその隣接する内側ロータリングに接
続し且つ実質的に硬い材料で出来ている。スペーサリングは、円筒状の形態を有
し、また、複数のスロットを有しており、これらのスロットは、リングの軸方向
両端からリングの他端に向けて交互に伸長する。
【０００９】 米国特許第４，９９１，４６２号には、半径方向外方に伸長する湾曲スポーク
を有するハブを備える超遠心ロータが記載されている。スポークの外端は、環状
リムの内周面に形成された溝内に受け入れられる。ロータが回転すると、ハブと
リムとの間の物理的性質の差により、及びスポークの湾曲部が平坦となることに
より、ハブは、リムの膨張程度と少なくとも等しい程度、膨張する。
を有するハブを備える超遠心ロータが記載されている。スポークの外端は、環状
リムの内周面に形成された溝内に受け入れられる。ロータが回転すると、ハブと
リムとの間の物理的性質の差により、及びスポークの湾曲部が平坦となることに
より、ハブは、リムの膨張程度と少なくとも等しい程度、膨張する。
【００１０】 米国特許第５，５６６，５８８号には、エネルギの大きい貯蔵能力を提供する
フライホイールロータと、円錐形のテーパー付き端部分を有する外側の主として
シリンダと、外側シリンダに取り付けられた円錐形のハブ部分と、相対的に短い
内側シリンダとを有するフライホイールエネルギ貯蔵装置が開示されている。シ
リンダは、軸を円錐形のハブ部分の内側部分に接続する。好ましい実施の形態に
おいて、個々の構成要素は、材料の選択を許容するフィラメントを巻いたファイ
バ複合体から主として製造される。内側シリンダの内側部分は、スロット付きの
アルミニウム製シリンダとすることができる。このように、この特許は、殆どの
エネルギを貯蔵する円筒状の外側部分と、該外側部分を軸に取り付けるハブ部分
とを有するロータを教示している。一例としての事例において、ハブ部分は、該
ハブ部分の外端にて外側シリンダ部分に取り付けることのできる薄肉厚の円錐形
部材と、該円錐形部材が巻かれる、軸方向長さが比較的短い円筒状の内側部材と
を備えている。
フライホイールロータと、円錐形のテーパー付き端部分を有する外側の主として
シリンダと、外側シリンダに取り付けられた円錐形のハブ部分と、相対的に短い
内側シリンダとを有するフライホイールエネルギ貯蔵装置が開示されている。シ
リンダは、軸を円錐形のハブ部分の内側部分に接続する。好ましい実施の形態に
おいて、個々の構成要素は、材料の選択を許容するフィラメントを巻いたファイ
バ複合体から主として製造される。内側シリンダの内側部分は、スロット付きの
アルミニウム製シリンダとすることができる。このように、この特許は、殆どの
エネルギを貯蔵する円筒状の外側部分と、該外側部分を軸に取り付けるハブ部分
とを有するロータを教示している。一例としての事例において、ハブ部分は、該
ハブ部分の外端にて外側シリンダ部分に取り付けることのできる薄肉厚の円錐形
部材と、該円錐形部材が巻かれる、軸方向長さが比較的短い円筒状の内側部材と
を備えている。
【００１１】 当該出願人の同時出願係属中の特許出願第０８／６１２，７１１号には、環状
フープと、該環状フープに接続された一対の可撓性ダイヤフラムとを有するフラ
イホイールハブが開示されている。ダイヤフラムは、フライホイールの軸を受け
入れる開孔を有しており、また、フープは、環状リムを受け入れ得る寸法とされ
ている。ダイヤフラムは、主として、曲線状の半径方向断面により可撓性を実現
する。ハブは、ファイバ及びマトリックス複合材にて製造されることが好ましい
。可撓性のハブは、隣接するフライホイールの構成要素の半径方向への膨張に適
合する傾向があるから、構成要素間の一体性は向上する。更に、ハブは、リムが
その質量中心を回転軸線上に位置決めして、リムの振動を少なくすることを可能
にする。ダイヤフラムの軸方向空間は、例えば、ジャイロ歳差運動力に起因する
リムの撓みを制限し且つ制御するモーメントを提供する。
フープと、該環状フープに接続された一対の可撓性ダイヤフラムとを有するフラ
イホイールハブが開示されている。ダイヤフラムは、フライホイールの軸を受け
入れる開孔を有しており、また、フープは、環状リムを受け入れ得る寸法とされ
ている。ダイヤフラムは、主として、曲線状の半径方向断面により可撓性を実現
する。ハブは、ファイバ及びマトリックス複合材にて製造されることが好ましい
。可撓性のハブは、隣接するフライホイールの構成要素の半径方向への膨張に適
合する傾向があるから、構成要素間の一体性は向上する。更に、ハブは、リムが
その質量中心を回転軸線上に位置決めして、リムの振動を少なくすることを可能
にする。ダイヤフラムの軸方向空間は、例えば、ジャイロ歳差運動力に起因する
リムの撓みを制限し且つ制御するモーメントを提供する。
【００１２】 単一コアの設計のハブが幾つか開発されているが、この設計による膨張の適合
による動作よりも遥かに大きい、その軸に対して平行な軸方向動作を提供する点
にて非効率的である。
による動作よりも遥かに大きい、その軸に対して平行な軸方向動作を提供する点
にて非効率的である。
【００１３】 その結果、高速度のフライホイールの設計にて円錐形のディスクは広く利用さ
れていない。これと代替的に、軸方向に安定的な「撓み」ハブによるアプローチ
は、この設計の固有の「伸び」を通じて膨張に適合するが、常に、ロータの動的
安定性を向上させるために必要とされる硬さを犠牲にする。この高可撓性は、撓
みハブの低質量のアプローチと相俟って、これらの設計アプローチがハブとロー
タとの相互接続部にて「圧縮係止効果」（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏｃｋｉ
ｎｇ）を生じさせることはできない。その結果、これらの設計アプローチは、フ
ィラメント巻きした全ての複合ロータの設計の機能を制限する、破局的な半径方
向への引張り応力を解決することができない。
れていない。これと代替的に、軸方向に安定的な「撓み」ハブによるアプローチ
は、この設計の固有の「伸び」を通じて膨張に適合するが、常に、ロータの動的
安定性を向上させるために必要とされる硬さを犠牲にする。この高可撓性は、撓
みハブの低質量のアプローチと相俟って、これらの設計アプローチがハブとロー
タとの相互接続部にて「圧縮係止効果」（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏｃｋｉ
ｎｇ）を生じさせることはできない。その結果、これらの設計アプローチは、フ
ィラメント巻きした全ての複合ロータの設計の機能を制限する、破局的な半径方
向への引張り応力を解決することができない。
【００１４】 発明の概要 本発明は、多量のエネルギを貯蔵し且つ例えば、１４０ワット時／ｋｇのよう
な高エネルギ密度を実現することのできるフライホイールに関するものである。
本発明のフライホイールは、高速の回転速度にて作動することができ、また、該
フライホイールは、二重円錐体の形態を有する一対の膨張可能なハブを備えてい
る。この二重円錐体の形態は、ハブとロータの相互接面に自己係止式の圧縮継手
を形成することになり、隣接するフライホイールの構成要素の半径方向への膨張
を過度に補正する傾向となる。フライホイールは、自己釣合い型であり、従来技
術の設計にて見られたロータの半径方向への引張り応力及び回転の不安定さを軽
減する。この設計は、糸巻きと全く同様に巻かれ、従って、破断せずに、極めて
大きい応力レベルに耐えることのできる高強度グラファイト又はその他の複合材
料で出来たロータを利用する。グラファイト製の複合フライホイールは最高級の
高合金鋼よりも更に強い、高強度を有するが、ファイバを束に結束する複合マト
リックスは比較的弱い。従って、フライホイールが極めて高速度にて回転すると
き、複合マトリックス材料はハブへの取り付け箇所にて引き剥れ勝ちとなる。こ
のことは、フライホイールが高速度に達する前に、フライホイールを破壊するこ
とになる。本発明の自己膨張式ハブは、工学的分析に基づいており、フライホイ
ールが高速度で回転するとき、ファイバマトリックスが引き剥れるのを防止する
ことを目的としている。
な高エネルギ密度を実現することのできるフライホイールに関するものである。
本発明のフライホイールは、高速の回転速度にて作動することができ、また、該
フライホイールは、二重円錐体の形態を有する一対の膨張可能なハブを備えてい
る。この二重円錐体の形態は、ハブとロータの相互接面に自己係止式の圧縮継手
を形成することになり、隣接するフライホイールの構成要素の半径方向への膨張
を過度に補正する傾向となる。フライホイールは、自己釣合い型であり、従来技
術の設計にて見られたロータの半径方向への引張り応力及び回転の不安定さを軽
減する。この設計は、糸巻きと全く同様に巻かれ、従って、破断せずに、極めて
大きい応力レベルに耐えることのできる高強度グラファイト又はその他の複合材
料で出来たロータを利用する。グラファイト製の複合フライホイールは最高級の
高合金鋼よりも更に強い、高強度を有するが、ファイバを束に結束する複合マト
リックスは比較的弱い。従って、フライホイールが極めて高速度にて回転すると
き、複合マトリックス材料はハブへの取り付け箇所にて引き剥れ勝ちとなる。こ
のことは、フライホイールが高速度に達する前に、フライホイールを破壊するこ
とになる。本発明の自己膨張式ハブは、工学的分析に基づいており、フライホイ
ールが高速度で回転するとき、ファイバマトリックスが引き剥れるのを防止する
ことを目的としている。
【００１５】 従って、共に接続され且つ軸の周りを伸長すると共に、複合相互接続面（コン
ポジット・インターフェース）ディスクに取り付けられた一対のハブ半体を備え
、該複合相互接続面ディスクがフィラメント巻きした複合ロータに取り付けられ
る、ハブによって高エネルギ密度のフライホイールが実現される。該ハブ半体は
同一であり且つその各々が軸を受け入れる中央開孔を有している。好ましい実施
の形態において、軸の中心線に対して約２０°乃至６０°の角度を形成する第一
の壁が軸から半径方向外方に拡がっている。該第一の壁は、軸とロータとの間の
中間の位置にてリムまで伸長している。該リムの端縁は、好ましい実施の形態に
おいて全体として管状の形態であり、リムは、軸の周りで同心状に伸長する環状
体である。その端部にて平坦となり且つ環状のフープにて終わる第二の壁がこの
リムから半径方向内方に伸長している。
ポジット・インターフェース）ディスクに取り付けられた一対のハブ半体を備え
、該複合相互接続面ディスクがフィラメント巻きした複合ロータに取り付けられ
る、ハブによって高エネルギ密度のフライホイールが実現される。該ハブ半体は
同一であり且つその各々が軸を受け入れる中央開孔を有している。好ましい実施
の形態において、軸の中心線に対して約２０°乃至６０°の角度を形成する第一
の壁が軸から半径方向外方に拡がっている。該第一の壁は、軸とロータとの間の
中間の位置にてリムまで伸長している。該リムの端縁は、好ましい実施の形態に
おいて全体として管状の形態であり、リムは、軸の周りで同心状に伸長する環状
体である。その端部にて平坦となり且つ環状のフープにて終わる第二の壁がこの
リムから半径方向内方に伸長している。
【００１６】 同一のハブ半体は、高級鋼で製造され且つ共に溶接されることが好ましい。環
状フープは適当な接着技術により相互接続面ディスクに取り付けられる。フライ
ホイールが回転すると、ハブ面は撓んで複合ロータに圧縮力を発生させ、この圧
縮力は、ロータのマトリックス材料が引き剥れるのを防止する。この出願の目的
上、ハブの設計は、「二重円錐体」（ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ）の形態と称する
。
状フープは適当な接着技術により相互接続面ディスクに取り付けられる。フライ
ホイールが回転すると、ハブ面は撓んで複合ロータに圧縮力を発生させ、この圧
縮力は、ロータのマトリックス材料が引き剥れるのを防止する。この出願の目的
上、ハブの設計は、「二重円錐体」（ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ）の形態と称する
。
【００１７】 本発明の上記及びその他の目的並びに有利な点は、以下の説明、特許請求の範
囲及び図面からより完全に理解されよう。 図面の詳細な説明 図１、図２及び図３には、全体として参照番号１０で示した本発明のフライホ
イールの１つの好ましい実施の形態が図示されている。このフライホイール組立
体は、全体として、両ハブ部分１２、１２Ａから成るハブと、周方向に伸長する
相互接続面ディスク２０と、外側ロータ２２とから成っている。外側ロータ２２
は、全体として矩形の断面を有し、好ましくは、グラファイト複合材料のような
フィラメント巻きした複合構造であるようにする。同様に、相互接続面ディスク
２０は、外周面４５を有する複合フィラメント巻き材料であり、該外周面４５は
、ロータの内面２４と相互接続し且つロータに接続されている。複合ロータ及び
相互接続面ディスクの好ましい製造技術は、エポキシ樹脂により寸法決めされた
（又は被覆された）「タウ−プレグ」（ｔｏｗ−ｐｒｅｇ）グラファイトファイ
バ糸を使用してフィラメント巻きすることを含む。この製造方法は、コンピュー
タ制御によるスプール巻き機械にて利用可能な同心性及び均一さを高度に制御可
能である点にて好ましい。１つの代替的な方法は、手動ロール巻きテープ機械を
使用する簡単な手動レイアップ法である。この方法はエポキシ樹脂を含浸させた
極めて細い（０．０８８９ｍｍ（０．００３５インチ））のプライ又はシートの
単方向ファイバから成る「プレプレグ」（ｐｒｅｐｒｅｇ）テープを利用する。
これは、均一さ及び同心性を正確に制御し得ないため好ましい製造方法ではない
。ディスク２０は、間欠的な軸方向プライにて周方向に巻き、撓みを許容し且つ
大きい圧縮荷重の結果として分離するのを防止し得るように周方向に巻くことが
好ましい。このディスクの厚さは、適用環境により付与されたトルク荷重に抵抗
するのに十分である。
囲及び図面からより完全に理解されよう。 図面の詳細な説明 図１、図２及び図３には、全体として参照番号１０で示した本発明のフライホ
イールの１つの好ましい実施の形態が図示されている。このフライホイール組立
体は、全体として、両ハブ部分１２、１２Ａから成るハブと、周方向に伸長する
相互接続面ディスク２０と、外側ロータ２２とから成っている。外側ロータ２２
は、全体として矩形の断面を有し、好ましくは、グラファイト複合材料のような
フィラメント巻きした複合構造であるようにする。同様に、相互接続面ディスク
２０は、外周面４５を有する複合フィラメント巻き材料であり、該外周面４５は
、ロータの内面２４と相互接続し且つロータに接続されている。複合ロータ及び
相互接続面ディスクの好ましい製造技術は、エポキシ樹脂により寸法決めされた
（又は被覆された）「タウ−プレグ」（ｔｏｗ−ｐｒｅｇ）グラファイトファイ
バ糸を使用してフィラメント巻きすることを含む。この製造方法は、コンピュー
タ制御によるスプール巻き機械にて利用可能な同心性及び均一さを高度に制御可
能である点にて好ましい。１つの代替的な方法は、手動ロール巻きテープ機械を
使用する簡単な手動レイアップ法である。この方法はエポキシ樹脂を含浸させた
極めて細い（０．０８８９ｍｍ（０．００３５インチ））のプライ又はシートの
単方向ファイバから成る「プレプレグ」（ｐｒｅｐｒｅｇ）テープを利用する。
これは、均一さ及び同心性を正確に制御し得ないため好ましい製造方法ではない
。ディスク２０は、間欠的な軸方向プライにて周方向に巻き、撓みを許容し且つ
大きい圧縮荷重の結果として分離するのを防止し得るように周方向に巻くことが
好ましい。このディスクの厚さは、適用環境により付与されたトルク荷重に抵抗
するのに十分である。
【００１８】 図１及び図２を参照すると、ハブ部分１２、１２Ａは、垂直中心線ＣＬ１に沿
って共に接続されて、ハブ構造体を形成する一方、ハブ部分すなわち半体の各々
が全体として二重円錐体の構造を有している。ハブ構造体はロータを軸１６の周
りで回転可能に支持する。軸１６は軸方向中心線ＣＬ２を有している。
って共に接続されて、ハブ構造体を形成する一方、ハブ部分すなわち半体の各々
が全体として二重円錐体の構造を有している。ハブ構造体はロータを軸１６の周
りで回転可能に支持する。軸１６は軸方向中心線ＣＬ２を有している。
【００１９】 ハブ部分１２、１２Ａの各々が、同一であり、このことは、製造の経済性及び
便宜性を著しく向上させる。例えば、ハブ部分１２を参照すると、該ハブは、断
面にて、外面４２と、内面４４と、両側壁４６、４８とを有する全体として矩形
として示した環状フープ４０を備えている。側壁４８は、電子溶接又は業務用エ
ポキシを使用する接着剤接着技術により隣接するハブ部分１２Ａの側壁４８Ａに
接続し得るようにしてある。フープ外面４２は軸の周りで同心状であり且つ複合
ディスク２０の内面４９と相互接続する。
便宜性を著しく向上させる。例えば、ハブ部分１２を参照すると、該ハブは、断
面にて、外面４２と、内面４４と、両側壁４６、４８とを有する全体として矩形
として示した環状フープ４０を備えている。側壁４８は、電子溶接又は業務用エ
ポキシを使用する接着剤接着技術により隣接するハブ部分１２Ａの側壁４８Ａに
接続し得るようにしてある。フープ外面４２は軸の周りで同心状であり且つ複合
ディスク２０の内面４９と相互接続する。
【００２０】 全体として、細いシリンダとして図示したリング５０はフープの周りで同心状
に且つフープから内方に隔てて配置されている。該リング５０は、軸方向軸１６
を受け入れる円筒状内面５２を有している。円筒状部分５２はハブ対軸の相互接
続面の接続を容易にする。部分１２Ａは、リング５０から軸方向に隔てられた同
様のリング５０Ａを有している。
に且つフープから内方に隔てて配置されている。該リング５０は、軸方向軸１６
を受け入れる円筒状内面５２を有している。円筒状部分５２はハブ対軸の相互接
続面の接続を容易にする。部分１２Ａは、リング５０から軸方向に隔てられた同
様のリング５０Ａを有している。
【００２１】 ハブ部分の各々の構造体は、その内端にてリング５０の外端縁５４に取り付け
られた第一の壁６０を更に備えている。円弧状の遷移壁６２は、半径方向に拡が
る部分６４に接続して、環状リム７０に接続し、この環状リムは、以下に説明す
るように、ヒンジ又は撓み管として機能する。環状リム７０は軸の軸線ＣＬ２の
周りで全体として同心状に配置されており、円弧状の外端円７２を有する管状又
は半円形の形態をしている。壁部分７４は壁部分６０と接続し、上方壁部分７６
はハブの壁部分８０に接続し、このハブの壁部分は、全体として平坦で且つ上方
に伸長し、遷移壁部分８２まで内方に収斂し、該遷移壁部分は、環状のフープ部
分４０の内面４４に固着されている。好ましくは、壁部分６０、８０、ディスク
５０及び周方向に伸長するリム７０は全て、単一の製造品として一体に形成し、
次に、接着又はシュリンク嵌めのような従来の方法により軸１６に接続される。
ハブ部分の各々は、全体として円錐形の形状を画成する壁８０、８０Ａ、６０Ａ
を有する全体として二重円錐体の構造をしている。
られた第一の壁６０を更に備えている。円弧状の遷移壁６２は、半径方向に拡が
る部分６４に接続して、環状リム７０に接続し、この環状リムは、以下に説明す
るように、ヒンジ又は撓み管として機能する。環状リム７０は軸の軸線ＣＬ２の
周りで全体として同心状に配置されており、円弧状の外端円７２を有する管状又
は半円形の形態をしている。壁部分７４は壁部分６０と接続し、上方壁部分７６
はハブの壁部分８０に接続し、このハブの壁部分は、全体として平坦で且つ上方
に伸長し、遷移壁部分８２まで内方に収斂し、該遷移壁部分は、環状のフープ部
分４０の内面４４に固着されている。好ましくは、壁部分６０、８０、ディスク
５０及び周方向に伸長するリム７０は全て、単一の製造品として一体に形成し、
次に、接着又はシュリンク嵌めのような従来の方法により軸１６に接続される。
ハブ部分の各々は、全体として円錐形の形状を画成する壁８０、８０Ａ、６０Ａ
を有する全体として二重円錐体の構造をしている。
【００２２】 好ましいハブ材料は、約５％のモリブデン、１０％のコバルト、１９％のニッ
ケル及び１％以下又は少なくとも１％のクロムの組成を有する３００マレージン
グ鋼である。ハブの半体は、電子ビーム溶接により溶接した後、熱処理して、極
限強度約３００ｋｉｓ、降伏強度約２９０ｋｓｉ、伸び約８％乃至９％、ロック
ウェルＣ硬さ５４及び面積縮小率約２５％乃至５０％となるようにすることが好
ましい。
ケル及び１％以下又は少なくとも１％のクロムの組成を有する３００マレージン
グ鋼である。ハブの半体は、電子ビーム溶接により溶接した後、熱処理して、極
限強度約３００ｋｉｓ、降伏強度約２９０ｋｓｉ、伸び約８％乃至９％、ロック
ウェルＣ硬さ５４及び面積縮小率約２５％乃至５０％となるようにすることが好
ましい。
【００２３】 工学的分析及びコンピュータシミュレーションに基づいて、形成されるハブの
設計は、フライホイールが極高速度にて回転するとき、ロータのファイバマトリ
ックスが引き剥れるのを許容しない。ハブの設計は、複合ロータ２２とディスク
２０との相互接続面に大きい圧縮力を生じさせ、この圧縮力は、ロータマトリッ
クスの材料が引き剥れるのを防止する。コンピュータシミュレーションの結果、
マトリックス内の圧縮は、フライホイールの速度が増すときでさえ、増大する状
態を続け、実質的に、マトリックスが極く高速度のときでさえ、引き剥れないこ
とが分かる。このことは、本発明の設計のフライホイールがその他の利用可能な
フライホイールよりも所定の重量及び寸法に対してより多くのエネルギを貯蔵す
ることを許容する。
設計は、フライホイールが極高速度にて回転するとき、ロータのファイバマトリ
ックスが引き剥れるのを許容しない。ハブの設計は、複合ロータ２２とディスク
２０との相互接続面に大きい圧縮力を生じさせ、この圧縮力は、ロータマトリッ
クスの材料が引き剥れるのを防止する。コンピュータシミュレーションの結果、
マトリックス内の圧縮は、フライホイールの速度が増すときでさえ、増大する状
態を続け、実質的に、マトリックスが極く高速度のときでさえ、引き剥れないこ
とが分かる。このことは、本発明の設計のフライホイールがその他の利用可能な
フライホイールよりも所定の重量及び寸法に対してより多くのエネルギを貯蔵す
ることを許容する。
【００２４】 図５の応力線図は、フライホイール内の色々な位置における応力分布を示し且
つディスク／ロータの相互接続面にて実質的に応力無しの相互接続面となるまで
圧力が減少する状態を示す。この特徴は、高速の回転速度を許容し且つ複合的な
相互接続面の全ての継手にて簡単な接着製造方法を許容する。図４には、作動中
のフライホイールの変形又は膨張が示してあり、また、図８には、ロータの動的
安定性の特徴が図示されている。フライホイールが、実質的に、作動周波数範囲
以下であるその臨界的共振に近付くと、ハブの可撓性又は膨張は、リムがその質
量中心を軸の軸線上に位置決めすることを許容する。すなわち、ハブは、フライ
ホイールが自己釣合いを行なうことを容易にする。このことは、ロータの振動を
少なくする一方、このことは、軸のベアリングの磨耗及びハブの疲労といった作
動寿命を損う反力荷重を少なくすることになる。自己釣合わせの特徴が存在しな
い場合、質量の不釣合いは、図８に図示した破壊的な振幅にまで振動モードを励
起する可能性がある。
つディスク／ロータの相互接続面にて実質的に応力無しの相互接続面となるまで
圧力が減少する状態を示す。この特徴は、高速の回転速度を許容し且つ複合的な
相互接続面の全ての継手にて簡単な接着製造方法を許容する。図４には、作動中
のフライホイールの変形又は膨張が示してあり、また、図８には、ロータの動的
安定性の特徴が図示されている。フライホイールが、実質的に、作動周波数範囲
以下であるその臨界的共振に近付くと、ハブの可撓性又は膨張は、リムがその質
量中心を軸の軸線上に位置決めすることを許容する。すなわち、ハブは、フライ
ホイールが自己釣合いを行なうことを容易にする。このことは、ロータの振動を
少なくする一方、このことは、軸のベアリングの磨耗及びハブの疲労といった作
動寿命を損う反力荷重を少なくすることになる。自己釣合わせの特徴が存在しな
い場合、質量の不釣合いは、図８に図示した破壊的な振幅にまで振動モードを励
起する可能性がある。
【００２５】 本発明の一つの重要な特徴は、膨張するハブがフライホイールの構成要素の間
にて引張り応力が結合することを少なくする点である。金属ハブは、遠心荷重に
よって膨張する。複合ディスクの内径にける半径方向への圧縮は、ハブの膨張に
より生じ、また、ディスクを通して伝播し、相互接続面（インターフェース）デ
ィスクと複合（コンポジット）ロータとの間に応力無しの相互接続面を効果的に
形成することになる。
にて引張り応力が結合することを少なくする点である。金属ハブは、遠心荷重に
よって膨張する。複合ディスクの内径にける半径方向への圧縮は、ハブの膨張に
より生じ、また、ディスクを通して伝播し、相互接続面（インターフェース）デ
ィスクと複合（コンポジット）ロータとの間に応力無しの相互接続面を効果的に
形成することになる。
【００２６】 図１及び図４を参照すると、作動速度にて、壁６０は、矢印で示すように、内
方に平坦化し勝ちとなる。また、円錐形の外壁８０は、平坦化し勝ちとなるが、
より大きい程度に平坦化し且つ外方に平坦化し又は動くことになる。その結果、
膨張し、このため、ハブは、ロータにて大きい圧縮力を生じさせる遠心荷重によ
り、全体として、図４に示すような形状となる。
方に平坦化し勝ちとなる。また、円錐形の外壁８０は、平坦化し勝ちとなるが、
より大きい程度に平坦化し且つ外方に平坦化し又は動くことになる。その結果、
膨張し、このため、ハブは、ロータにて大きい圧縮力を生じさせる遠心荷重によ
り、全体として、図４に示すような形状となる。
【００２７】 軽量で且つエネルギの大きい貯蔵能力は、この設計の重要な特徴である。宇宙
での適用例において、ポンド当たりの打上げコストは、＄１０，０００．００．
以上であると推定される。接続ディスク及び外側ロータのフィラメント巻きした
複合体と相俟って、膨張ハブの設計を使用することにより、軽量化が実現される
。ハブの外径とロータの外径との比は、最適な結果が得られるように、約２対１
とすることが重要である。
での適用例において、ポンド当たりの打上げコストは、＄１０，０００．００．
以上であると推定される。接続ディスク及び外側ロータのフィラメント巻きした
複合体と相俟って、膨張ハブの設計を使用することにより、軽量化が実現される
。ハブの外径とロータの外径との比は、最適な結果が得られるように、約２対１
とすることが重要である。
【００２８】 本発明によるフライホイールのエネルギ貯蔵特徴は、高速回転するシリンダの
運動エネルギを最大にするための基本的原理を利用するものである。 比エネルギ公式
運動エネルギを最大にするための基本的原理を利用するものである。 比エネルギ公式
【００２９】
【数１】 ここで、 ρ＝質量密度 ＲO＝シリンダの外半径 Ｒi＝シリンダの内半径 ｌ＝シリンダの軸方向長さ ωm＝シリンダの角速度 ａ＝アスペクト比、Ｒi／ＲO フライホイールの比エネルギ容量は、フライホイールロータの先端速度に伴っ
て等しく、アスペクト比と共に増大することが分かる。ハブ対ロータの相互接続
面の応力のため、グラファイト製の複合ロータに対するアスペクト比は、その相
互接続面における半径方向応力を最小にし得るように妥当な程に小さい。エネル
ギ貯蔵フライホイールにおいて、金属製の膨張ハブに起因する圧縮は、アスペク
ト比ａ＝０．８の応力無しの相互接続面を形成する。分析の結果、ロータ組立体
の外径が６３．５ｃｍ（２５インチ）、設計速度が３５，０００ｒｐｍのとき、
ハブ及びロータフライホイールの組立体に対する最高の比エネルギは、１４０ワ
ット時／ｋｇ以上であることが分かる。
て等しく、アスペクト比と共に増大することが分かる。ハブ対ロータの相互接続
面の応力のため、グラファイト製の複合ロータに対するアスペクト比は、その相
互接続面における半径方向応力を最小にし得るように妥当な程に小さい。エネル
ギ貯蔵フライホイールにおいて、金属製の膨張ハブに起因する圧縮は、アスペク
ト比ａ＝０．８の応力無しの相互接続面を形成する。分析の結果、ロータ組立体
の外径が６３．５ｃｍ（２５インチ）、設計速度が３５，０００ｒｐｍのとき、
ハブ及びロータフライホイールの組立体に対する最高の比エネルギは、１４０ワ
ット時／ｋｇ以上であることが分かる。
【００３０】 本発明の教示内容は、ハブの他の実施の形態にて実現することができる。例え
ば、好ましい円錐角度χは約４５°であるが、約２０°乃至６０°の範囲内の色
々な他の円錐角度を利用してもよい。円錐角度が大きいことの効果は、相互接続
面４８にて軸方向相互接続面荷重を更に増大させることであるが、これに応じて
、相互接続面ディスクにおける半径方向圧縮を増大させることになる。また、内
側円錐角度が増すことの効果は、ロータ／ディスク相互接続面における軸方向相
互接続面荷重を更に増大させることであるが、これに対応して、相互接続面ディ
スクにおける半径方向圧縮を減少させることになる。その結果、内側及び外側円
錐角度の１つの好ましい組み合わせは、全体として、ロータ／ディスク相互接続
面にて必要とされる継手の型式、及び相互接続面ディスクにて望まれる半径方向
膨張程度によって決まり、その双方は、ロータ及びディスクの特定の寸法、及び
軸の速度によって決まる。
ば、好ましい円錐角度χは約４５°であるが、約２０°乃至６０°の範囲内の色
々な他の円錐角度を利用してもよい。円錐角度が大きいことの効果は、相互接続
面４８にて軸方向相互接続面荷重を更に増大させることであるが、これに応じて
、相互接続面ディスクにおける半径方向圧縮を増大させることになる。また、内
側円錐角度が増すことの効果は、ロータ／ディスク相互接続面における軸方向相
互接続面荷重を更に増大させることであるが、これに対応して、相互接続面ディ
スクにおける半径方向圧縮を減少させることになる。その結果、内側及び外側円
錐角度の１つの好ましい組み合わせは、全体として、ロータ／ディスク相互接続
面にて必要とされる継手の型式、及び相互接続面ディスクにて望まれる半径方向
膨張程度によって決まり、その双方は、ロータ及びディスクの特定の寸法、及び
軸の速度によって決まる。
【００３１】 リム領域内の材料の厚さは、ハブの膨張、従って、圧縮に影響を与える。殆ど
の用途に対して約１２．７ｍｍ（約１／２インチ）のリムの厚さが好ましいが、
９．５２５ｍｍ（３／８インチ）乃至２５．４ｍｍ（１インチ）の範囲の厚さが
許容可能であり、その厚さは、製造材料と適合する所望の圧縮状態を実現し得る
ようにフライホイールハブを調節すべく変更することができる。
の用途に対して約１２．７ｍｍ（約１／２インチ）のリムの厚さが好ましいが、
９．５２５ｍｍ（３／８インチ）乃至２５．４ｍｍ（１インチ）の範囲の厚さが
許容可能であり、その厚さは、製造材料と適合する所望の圧縮状態を実現し得る
ようにフライホイールハブを調節すべく変更することができる。
【００３２】 図６には、本発明の一つの代替的な形態が図示されており、この形態において
、各々、部分１２、１２Ａから成る多数のハブが隔てられ且つ軸１６Ａに沿って
分配されており、相互接続面ディスク２０Ａを通じて、より長い軸方向の円筒状
ロータ２２Ａに接続する。その他の点にて、ハブ部分、リム及びロータは、上述
した通りである。この構造の有利な点は、ロータの軸方向長さが長いため、重量
を増すという犠牲が少ない状態にて追加的なエネルギ貯蔵が可能となる点である
。
、各々、部分１２、１２Ａから成る多数のハブが隔てられ且つ軸１６Ａに沿って
分配されており、相互接続面ディスク２０Ａを通じて、より長い軸方向の円筒状
ロータ２２Ａに接続する。その他の点にて、ハブ部分、リム及びロータは、上述
した通りである。この構造の有利な点は、ロータの軸方向長さが長いため、重量
を増すという犠牲が少ない状態にて追加的なエネルギ貯蔵が可能となる点である
。
【００３３】 図８には、本発明の可撓性のハブ対硬いハブとの性能が示してある。硬いハブ
の場合、支承荷重は、全体として、速度の増加と共に、放物線状に連続的に増大
することが理解されよう。しかしながら、本発明の可撓性の膨張可能なハブの場
合、フライホイールが一度び作動周波数範囲以下の臨界的共振に近付いたならば
、自己釣合いが行われ、このため、支承荷重は、実質的に、極めて小さい許容可
能な値まで低下する。この減少したロータの動作は、ベアリングに対する荷重及
びハブの疲労を軽減することになる。
の場合、支承荷重は、全体として、速度の増加と共に、放物線状に連続的に増大
することが理解されよう。しかしながら、本発明の可撓性の膨張可能なハブの場
合、フライホイールが一度び作動周波数範囲以下の臨界的共振に近付いたならば
、自己釣合いが行われ、このため、支承荷重は、実質的に、極めて小さい許容可
能な値まで低下する。この減少したロータの動作は、ベアリングに対する荷重及
びハブの疲労を軽減することになる。
【００３４】 同心状の円形のリム７０に取り付けられた両側の円錐形部分の反作用を通じて
本発明の膨張特徴が実現され、この円錐形部分は、軸とロータとの中間に配置さ
れた「撓み管」（ｆｌｅｘ ｔｕｂｅ）又はヒンジとして機能する。２つの円錐
形部分の対向する遠心力動作は、単一の円錐形ディスク装置に共通する軸方向動
作を緩和し（遠心荷重による正味軸方向動作が最小となる）、また、組み合わさ
って、殻体内で最小の「伸び」状態にて大きい半径方向への膨張を生じさせる。
換言すれば、内径及び外径の円錐形殻体が遠心力荷重の下で膨張すると、その各
々は、反対方向に「平坦化」し勝ちとなる。相互接続面リムは、円錐形部分の各
々が、２つの殻体の間にて曲げ荷重を結合することなく、独立的に平坦化するこ
とを許容する「ヒンジ」として作用する。このことは、円錐形殻体の各々の軸方
向動作を切り離して、その各々が他方が軸方向へ動作するのを補正することを許
容する。このことは、フライホイールハブのより厚い部分により、遠心力による
大きい膨張を実現することができ、その結果、ロータの動的安定性を促進するよ
り高度の硬さを可能にする。これらの部分は、ある円錐角度にて傾斜しており、
また、「撓み」ハブと同様に、略完全な曲げ状態に達する場合と相違して、軸の
角度回転動作に抵抗するため、略純粋なメンブラン応力にて作用する。円錐形殻
体の反作用及び相互接続面リムのヒンジ動作により、ハブの膨張適合が可能とな
る。厚い殻体は、実質的に、遠心力による半径方向への膨張率に何ら影響しない
。このことは、純粋なメンブランの動作は、通常、純粋な曲がりの数倍程度であ
る点にて、本発明のハブ構造体の重要な利点である。典型的に、その他の「撓み
ハブ」のアプローチにおいて、角度首振り運動に対する抵抗性の増加は、ハブの
遠心力による膨張能力を顕著に失うことでのみ実現でき、また、高速度の用途に
て使用されたとき、ハブ対ロータの相互接続面にて破局的な半径方向応力を生じ
させる。ハブの膨張率は、両側の円錐形ディスクの反作用、及び相互接続面リム
のヒンジに起因する性質上のものであるため、ハブは、他の者によって以前に説
明されたような「撓みハブ」ではなく、所定の直径及び軸方向寸法に対してある
範囲の圧縮係止力を提供し得るように「調節する」ことのできる「自己膨張式」
の圧縮係止装置である。この調節可能な特徴は、その他の「撓み」ハブのアプロ
ーチで実現することはできない。
本発明の膨張特徴が実現され、この円錐形部分は、軸とロータとの中間に配置さ
れた「撓み管」（ｆｌｅｘ ｔｕｂｅ）又はヒンジとして機能する。２つの円錐
形部分の対向する遠心力動作は、単一の円錐形ディスク装置に共通する軸方向動
作を緩和し（遠心荷重による正味軸方向動作が最小となる）、また、組み合わさ
って、殻体内で最小の「伸び」状態にて大きい半径方向への膨張を生じさせる。
換言すれば、内径及び外径の円錐形殻体が遠心力荷重の下で膨張すると、その各
々は、反対方向に「平坦化」し勝ちとなる。相互接続面リムは、円錐形部分の各
々が、２つの殻体の間にて曲げ荷重を結合することなく、独立的に平坦化するこ
とを許容する「ヒンジ」として作用する。このことは、円錐形殻体の各々の軸方
向動作を切り離して、その各々が他方が軸方向へ動作するのを補正することを許
容する。このことは、フライホイールハブのより厚い部分により、遠心力による
大きい膨張を実現することができ、その結果、ロータの動的安定性を促進するよ
り高度の硬さを可能にする。これらの部分は、ある円錐角度にて傾斜しており、
また、「撓み」ハブと同様に、略完全な曲げ状態に達する場合と相違して、軸の
角度回転動作に抵抗するため、略純粋なメンブラン応力にて作用する。円錐形殻
体の反作用及び相互接続面リムのヒンジ動作により、ハブの膨張適合が可能とな
る。厚い殻体は、実質的に、遠心力による半径方向への膨張率に何ら影響しない
。このことは、純粋なメンブランの動作は、通常、純粋な曲がりの数倍程度であ
る点にて、本発明のハブ構造体の重要な利点である。典型的に、その他の「撓み
ハブ」のアプローチにおいて、角度首振り運動に対する抵抗性の増加は、ハブの
遠心力による膨張能力を顕著に失うことでのみ実現でき、また、高速度の用途に
て使用されたとき、ハブ対ロータの相互接続面にて破局的な半径方向応力を生じ
させる。ハブの膨張率は、両側の円錐形ディスクの反作用、及び相互接続面リム
のヒンジに起因する性質上のものであるため、ハブは、他の者によって以前に説
明されたような「撓みハブ」ではなく、所定の直径及び軸方向寸法に対してある
範囲の圧縮係止力を提供し得るように「調節する」ことのできる「自己膨張式」
の圧縮係止装置である。この調節可能な特徴は、その他の「撓み」ハブのアプロ
ーチで実現することはできない。
【００３５】 本発明のハブが高圧縮性で且つロータが動的安定性に優れることに加えて、本
発明の別の重要な利点は、その他の「撓み」ハブのアプローチの場合と比べて、
ハブの物理的寸法がコンパクトな点である。典型的に、ハブとロータとの相互接
続面における引張り応力を小さく保つのに必要な「可撓性」を提供する大きい軸
方向ループを含めることにより、遠心力による大きい圧縮率が実現される。これ
らの軸方向ループは、ハブの寸法を増大させ、その結果、ハブの長さは、ハブの
直径方向寸法よりも数倍も長くなる。その結果、極めて大きい直径のロータとハ
ブとの相互接続面にて、これらのハブ装置を包装することは実際的ではない。「
二重円錐体」の膨張ハブの遠心力による膨張率は、円錐形殻体が性質上、平坦化
して、大きい膨張特性を実現することにのみ依存しているため、直径がより大き
く、より高速度で回転するフライホイールの相互接続面の場合、軸方向寸法を更
に増す必要はない。このことは、ロータの動的不釣合い効果の下、極めて安定的
である、極めて大きい直径で軸方向寸法が短いフライホイールが開発可能である
ことを意味する。
発明の別の重要な利点は、その他の「撓み」ハブのアプローチの場合と比べて、
ハブの物理的寸法がコンパクトな点である。典型的に、ハブとロータとの相互接
続面における引張り応力を小さく保つのに必要な「可撓性」を提供する大きい軸
方向ループを含めることにより、遠心力による大きい圧縮率が実現される。これ
らの軸方向ループは、ハブの寸法を増大させ、その結果、ハブの長さは、ハブの
直径方向寸法よりも数倍も長くなる。その結果、極めて大きい直径のロータとハ
ブとの相互接続面にて、これらのハブ装置を包装することは実際的ではない。「
二重円錐体」の膨張ハブの遠心力による膨張率は、円錐形殻体が性質上、平坦化
して、大きい膨張特性を実現することにのみ依存しているため、直径がより大き
く、より高速度で回転するフライホイールの相互接続面の場合、軸方向寸法を更
に増す必要はない。このことは、ロータの動的不釣合い効果の下、極めて安定的
である、極めて大きい直径で軸方向寸法が短いフライホイールが開発可能である
ことを意味する。
【００３６】 フィラメント巻きしたロータを介して大きい半径方向応力を減衰することは、
複合ロータの異なる直径にて「応力無し」の相互接続面を形成することを可能に
することになる。内径対外径のアスペクト比が極めて大きいとき、極めて薄いフ
ープに対して円筒状フライホイールロータの最適な比エネルギ（単位質量当たり
のエネルギ）が得られるから、この特別に考慮した「応力無し」の相互接続面は
、ロータの相互接続面に対して極めて大きい直径を使用することを許容する。こ
のことは、他のアプローチと比べて、本発明のフライホイールにおいて、フライ
ホイールの重量／ポンド当たり全体として５０％も比エネルギを増加させること
を可能にする。
複合ロータの異なる直径にて「応力無し」の相互接続面を形成することを可能に
することになる。内径対外径のアスペクト比が極めて大きいとき、極めて薄いフ
ープに対して円筒状フライホイールロータの最適な比エネルギ（単位質量当たり
のエネルギ）が得られるから、この特別に考慮した「応力無し」の相互接続面は
、ロータの相互接続面に対して極めて大きい直径を使用することを許容する。こ
のことは、他のアプローチと比べて、本発明のフライホイールにおいて、フライ
ホイールの重量／ポンド当たり全体として５０％も比エネルギを増加させること
を可能にする。
【００３７】 フライホイールのエネルギ貯蔵モジュールのこの高エネルギ密度の特性は、従
来のフィラメント巻きしたフライホイールロータを駄目にする典型的な破局的半
径方向引張り応力を解消するヒンジ式の二重円錐形ハブと共に、ロータのリムに
て高強度のフィラメント巻き複合体の組み合わせを使用することで実現される。
二重円錐体の膨張ハブは、複合的な内側巻き付け相互接続面にて均一に大きい圧
縮応力を生じさせ、また、フープ硬さの可変の組み合わせ（例えば、エネルギ貯
蔵ハブにおける低い硬度からロータリムの外径部分における中程度の硬度の範囲
）を利用し、これにより、全体的な複合レイアップの極端な深さに通常、起因す
るリムの厚さを通じて半径方向への引張り応力を軽減することを目的とするもの
である。このハブの着想は、ハブの圧縮に起因するディスクの相互接続面継手を
高圧縮「係止」することを伴う他の着想にて典型的に見られる、ハブ対ロータの
相互接続面の破損を防止する。
来のフィラメント巻きしたフライホイールロータを駄目にする典型的な破局的半
径方向引張り応力を解消するヒンジ式の二重円錐形ハブと共に、ロータのリムに
て高強度のフィラメント巻き複合体の組み合わせを使用することで実現される。
二重円錐体の膨張ハブは、複合的な内側巻き付け相互接続面にて均一に大きい圧
縮応力を生じさせ、また、フープ硬さの可変の組み合わせ（例えば、エネルギ貯
蔵ハブにおける低い硬度からロータリムの外径部分における中程度の硬度の範囲
）を利用し、これにより、全体的な複合レイアップの極端な深さに通常、起因す
るリムの厚さを通じて半径方向への引張り応力を軽減することを目的とするもの
である。このハブの着想は、ハブの圧縮に起因するディスクの相互接続面継手を
高圧縮「係止」することを伴う他の着想にて典型的に見られる、ハブ対ロータの
相互接続面の破損を防止する。
【００３８】 図１及び図２に図示したリム及び相互接続面ディスク構成要素は、色々な型式
の材料にて製造することができるが、上述したように製造した、グラファイトフ
ァイバ及びシアン塩酸マトリックス複合体から成る型式の複合体は、その強度及
びガス抜き特性に優れる点にて特に適している。また、炭素繊維及びエポキシマ
トリックス複合体もまた、強度対重量比が優れているが、抜けるガスが多いため
、次善のものである。軸１６、１６Ａは、鋼又はチタンのような高強度材料にて
製造することが好ましい。
の材料にて製造することができるが、上述したように製造した、グラファイトフ
ァイバ及びシアン塩酸マトリックス複合体から成る型式の複合体は、その強度及
びガス抜き特性に優れる点にて特に適している。また、炭素繊維及びエポキシマ
トリックス複合体もまた、強度対重量比が優れているが、抜けるガスが多いため
、次善のものである。軸１６、１６Ａは、鋼又はチタンのような高強度材料にて
製造することが好ましい。
【００３９】 実施例 設計の有効性を証明するため、図１及び図２に図示したような構造としたフラ
イホイールの設計について、コンピュータ分析を行った。外径２２．８６ｍｍ（
０．９００インチ）及び内径１５．７４８ｍｍ（０．６２０インチ）の４１３０
中空の鋼製軸上にハブを取り付けた。図２を参照すると、Ｒ1＝５０．３１７ｍ
ｍ（１．９８１インチ）、Ｄ1＝６．８８５である。組み立てたハブの軸方向の
長さは１２．７ｃｍ（５インチ）とし、管状リムの半径Ｒ2は５．０８ｍｍ（０
．２０インチ）とした。ハブの材料は、上述した組成のマレージング３００鋼と
した。
イホイールの設計について、コンピュータ分析を行った。外径２２．８６ｍｍ（
０．９００インチ）及び内径１５．７４８ｍｍ（０．６２０インチ）の４１３０
中空の鋼製軸上にハブを取り付けた。図２を参照すると、Ｒ1＝５０．３１７ｍ
ｍ（１．９８１インチ）、Ｄ1＝６．８８５である。組み立てたハブの軸方向の
長さは１２．７ｃｍ（５インチ）とし、管状リムの半径Ｒ2は５．０８ｍｍ（０
．２０インチ）とした。ハブの材料は、上述した組成のマレージング３００鋼と
した。
【００４０】 相互接続面ディスクは、含浸させたマトリックスを有するグラファイトファイ
バの多数のプライ層とした。ファイバは、軸方向及び周方向が交互に現れるよう
な配置とした（０／９０レイアップ）。相互接続面ディスクは、内径２０．０６
６ｃｍ（７．９インチ）、及び外径２９．４６４ｃｍ（１１．６インチ）とした
。相互接続面ディスクの内径はエポキシ接着剤によりフープの外面に接着させた
。
バの多数のプライ層とした。ファイバは、軸方向及び周方向が交互に現れるよう
な配置とした（０／９０レイアップ）。相互接続面ディスクは、内径２０．０６
６ｃｍ（７．９インチ）、及び外径２９．４６４ｃｍ（１１．６インチ）とした
。相互接続面ディスクの内径はエポキシ接着剤によりフープの外面に接着させた
。
【００４１】 外側ロータ又はリムは、２５．４ｍｍ（１インチ）乃至１２．７ｍｍ（１／２
インチ）の厚さとし、軸方向幅又は長さは１７．７８ｃｍ（７．０インチ）とし
た。このロータの外周には、グラファイトファイバを巻き付けた。
インチ）の厚さとし、軸方向幅又は長さは１７．７８ｃｍ（７．０インチ）とし
た。このロータの外周には、グラファイトファイバを巻き付けた。
【００４２】 応力分析は、作動速度が３５，０００乃至５０，０００ｒｐｍの範囲にあるも
のと想定した。ハブと軸との相互接続面における計算応力は１３７８９．５ｋｐ
ａ（２０００ｐｓｉ）であった。リムとハブの相互接続面における応力は、１１
ｋｓｉ／圧縮と計算され、この値は、典型的な接着材料の安全な応力レベルの十
分な範囲内にある。
のと想定した。ハブと軸との相互接続面における計算応力は１３７８９．５ｋｐ
ａ（２０００ｐｓｉ）であった。リムとハブの相互接続面における応力は、１１
ｋｓｉ／圧縮と計算され、この値は、典型的な接着材料の安全な応力レベルの十
分な範囲内にある。
【００４３】 この圧縮は、フィラメント巻きしたロータの厚さを通じて伝播し、複合マトリ
ックス中の半径方向張力を最小にし、簡単なフィラメント巻きした製造アプロー
チにより極めて高速のロータ速度を許容する。このフライホイールの設計の膨張
特性の設計は、回転するエネルギ貯蔵リムを回転する軸に接続する、遠心力によ
り調節したヒンジ止め円錐形のハブ構成要素を使用することにより実現される。
これらの圧縮ハブは、複合ディスクに対して高圧縮の相互接続面を発生させる膨
張率をハブとリングの外半径に生じさせる。図５の応力分布は、ハブ／ディスク
（ディスクの内径）の相互接続面における高圧縮を示し、また、ディスク／ロー
タの相互接続面（ロータの外径）における応力無しの相互接続面まで減少する。
この特徴は、極めて高速の回転速度を許容するのみならず、全ての複合的相互接
続面継手にて簡単な接着組み立て方法を使用することも許容する。圧縮ハブの高
圧縮率は、フライホイールのフィラメント巻きしたロータの半径方向応力を最小
にすることが実証されている。フィラメント巻きしたマトリックス中の最大の半
径方向応力は、５２．０ｋｒｐｍのとき、３ｋｓｉ以下であり、これは、平坦な
クーポン見本のロット試験により測定した５ｋｓｉの許容可能な引張り応力より
も十分に小さい。フライホイールについて予想される機械的な破断安全率が図７
の応力一覧にまとめてある。
ックス中の半径方向張力を最小にし、簡単なフィラメント巻きした製造アプロー
チにより極めて高速のロータ速度を許容する。このフライホイールの設計の膨張
特性の設計は、回転するエネルギ貯蔵リムを回転する軸に接続する、遠心力によ
り調節したヒンジ止め円錐形のハブ構成要素を使用することにより実現される。
これらの圧縮ハブは、複合ディスクに対して高圧縮の相互接続面を発生させる膨
張率をハブとリングの外半径に生じさせる。図５の応力分布は、ハブ／ディスク
（ディスクの内径）の相互接続面における高圧縮を示し、また、ディスク／ロー
タの相互接続面（ロータの外径）における応力無しの相互接続面まで減少する。
この特徴は、極めて高速の回転速度を許容するのみならず、全ての複合的相互接
続面継手にて簡単な接着組み立て方法を使用することも許容する。圧縮ハブの高
圧縮率は、フライホイールのフィラメント巻きしたロータの半径方向応力を最小
にすることが実証されている。フィラメント巻きしたマトリックス中の最大の半
径方向応力は、５２．０ｋｒｐｍのとき、３ｋｓｉ以下であり、これは、平坦な
クーポン見本のロット試験により測定した５ｋｓｉの許容可能な引張り応力より
も十分に小さい。フライホイールについて予想される機械的な破断安全率が図７
の応力一覧にまとめてある。
【００４４】 極めて低速の回転速度にて生ずる極めて有利な「自己釣合い」特性は、この膨
張ハブのアプローチに固有のものである。この自己釣合い特徴は、支持構造体と
、ロータの不釣合いに起因して生ずる支承荷重とを著しく最小にする傾向がある
。二重円錐体の膨張ハブの最適な遠心力圧縮及び自己釣合い特性は、回転装置の
遠心力応力から臨界的な「旋回」速度に対する閉形態の分析近似法により得られ
た一組みの硬さの条件から開始する広範囲に亙る詳細な応力及びロータの動的有
限要素分析による業界の研究の結果として、実現されたものである。フライホイ
ールの基本的な臨界速度（旋回共振）は、有利な（極めて低い）回転周波数にて
共振が生じ、これにより、より高速の作動速度における共振旋回応答性を解消す
るように、二重円錐ハブの硬さを修正することにより、調節が為される。本発明
のフライホイールハブの自己釣合いの特徴は、図８の周波数応答プロット図に図
示されており、硬いハブ（非可撓性）の応答性を重ね合わせて、本発明のハブに
よる減衰効果を実証している。図８の結果は、フライホイールが安定状態が実現
される迄、各軸の回転周波数に止まることを許容される場合における、フライホ
イールのロータ内の偏心的な不釣合いに起因するロータの動的応答性をシミュレ
ートするものである。
張ハブのアプローチに固有のものである。この自己釣合い特徴は、支持構造体と
、ロータの不釣合いに起因して生ずる支承荷重とを著しく最小にする傾向がある
。二重円錐体の膨張ハブの最適な遠心力圧縮及び自己釣合い特性は、回転装置の
遠心力応力から臨界的な「旋回」速度に対する閉形態の分析近似法により得られ
た一組みの硬さの条件から開始する広範囲に亙る詳細な応力及びロータの動的有
限要素分析による業界の研究の結果として、実現されたものである。フライホイ
ールの基本的な臨界速度（旋回共振）は、有利な（極めて低い）回転周波数にて
共振が生じ、これにより、より高速の作動速度における共振旋回応答性を解消す
るように、二重円錐ハブの硬さを修正することにより、調節が為される。本発明
のフライホイールハブの自己釣合いの特徴は、図８の周波数応答プロット図に図
示されており、硬いハブ（非可撓性）の応答性を重ね合わせて、本発明のハブに
よる減衰効果を実証している。図８の結果は、フライホイールが安定状態が実現
される迄、各軸の回転周波数に止まることを許容される場合における、フライホ
イールのロータ内の偏心的な不釣合いに起因するロータの動的応答性をシミュレ
ートするものである。
【００４５】 装置の作動時、フライホイールは、超臨界的速度にて作動される、すなわち、
その作動速度は、臨界的共振速度よりも速い。フライホイールの速度が振動モー
ドの速度に近付くのに伴い、振動振幅は臨界的速度にて最大値となり、次に、フ
ライホイールの速度が更に増すと、有限レベルまで減少する。この有限レベルは
、ロータがそれ自体を中心決めし且つその質量中心の周りにて回転するのを許容
し得るように膨張し又は撓むハブの変形により最小とされる。このように、ハブ
は応力を減少させ且つ超臨界的速度にてロータに対する自己釣合い装置として機
能する。この応力分析の結果から、１００ｋｒｐｍ以内の角速度及び多エネルギ
の貯蔵を実現し易くするように、本発明に従って製造したハブは、１０キロワッ
ト時以上であり、また、１４０ワット時／ｋｇ以上の高エネルギ密度を示すこと
が分かった。これに反して、現在の技術の典型的なエネルギ密度は約２０ワット
時／ｋｇである。
その作動速度は、臨界的共振速度よりも速い。フライホイールの速度が振動モー
ドの速度に近付くのに伴い、振動振幅は臨界的速度にて最大値となり、次に、フ
ライホイールの速度が更に増すと、有限レベルまで減少する。この有限レベルは
、ロータがそれ自体を中心決めし且つその質量中心の周りにて回転するのを許容
し得るように膨張し又は撓むハブの変形により最小とされる。このように、ハブ
は応力を減少させ且つ超臨界的速度にてロータに対する自己釣合い装置として機
能する。この応力分析の結果から、１００ｋｒｐｍ以内の角速度及び多エネルギ
の貯蔵を実現し易くするように、本発明に従って製造したハブは、１０キロワッ
ト時以上であり、また、１４０ワット時／ｋｇ以上の高エネルギ密度を示すこと
が分かった。これに反して、現在の技術の典型的なエネルギ密度は約２０ワット
時／ｋｇである。
【００４６】 本発明の原理が上記の一例としての実施の形態にて明らかとなったが、本発明
の実施に使用した構造体、配置、比率、要素、材料及び構成要素に対して色々な
変更及び改変を加え得ることは当業者に明らかであろう。これら色々な改変例が
特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱しない範囲において、これらは、本発明
の範囲に包含することを意図するものである。
の実施に使用した構造体、配置、比率、要素、材料及び構成要素に対して色々な
変更及び改変を加え得ることは当業者に明らかであろう。これら色々な改変例が
特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱しない範囲において、これらは、本発明
の範囲に包含することを意図するものである。
【図１】 フライホイール組立体の一部切欠いた斜視図である。
【図２】 本発明のフライホイールハブの構造を示す、図１の線２−２に沿った断面図で
ある。
ある。
【図３】 本発明によるフライホイールハブの一部切欠いた斜視図である。
【図４】 非変形状態の休止位置と作動速度にて生じる変形位置すなわち膨張位置との双
方におけるハブを示す線図である。
方におけるハブを示す線図である。
【図５】 作動中、フライホイール内の異なる半径方向位置にて生ずる応力を示す線図で
ある。
ある。
【図６】 単一のロータにて多数のハブを利用する１つの代替的な実施の形態の図である
。
。
【図７】 原型フライホイールの応力の概略を示す表である。
【図８】 本発明の可撓性のハブによる自己釣合い特徴及び従来の硬いハブを示す対数目
盛りによるグラフである。
盛りによるグラフである。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年３月８日（２００１．３．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図７】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図８】
Claims (13)
- 【請求項１】 軸の軸線の周りで回転し得るように軸に接続すべき軽量で多
エネルギ貯蔵のフライホイールにおいて、 （ａ）全体として外周面及び内周面を有する、複合材料で出来た環状ロータと
、 （ｂ）全体として環状であり且つ前記軸の周りに配置された、複合材料で出来
た相互接続面ディスクであって、前記ロータの内面に接着された外面と、全体と
して内周面とを有する相互接続面ディスクと、 （ｃ）軸の軸線に対して全体として垂直に伸長する垂直な中心線に対し反対側
に配置された部分を有するハブであって、ハブ部分の各々が軸に係合する継手を
有し、前記ハブ部分の各々が、軸の軸線の周りを全体として同心状に伸長するヒ
ンジに対して鋭角な角度にて全体として半径方向外方に拡がる第一の壁と、前記
ヒンジから前記垂直な中心線に向けて収斂し且つ前記軸の軸線から半径方向に隔
てられたフープにて終わる第二の壁とを有するハブと、 （ｄ）前記フープが、前記相互接続面ディスクの内面に固着された全体として
円筒状の外面を有し、これにより、回転時、ハブ部分が前記ヒンジの周りにて膨
張可能に変形し、ディスクとロータとの相互接続面にて実質的に応力無しの状態
を保つようにすることとを備える、フライホイール。 - 【請求項２】 請求項１のフライホイールにおいて、前記鋭角な角度が２０
°乃至６０°の範囲にある、フライホイール。 - 【請求項３】 請求項１のフライホイールにおいて、前記リムが全体として
半円形の断面を有する、フライホイール。 - 【請求項４】 請求項１のフライホイールにおいて、ハブの直径対ロータの
外径の比が約２対１である、フライホイール。 - 【請求項５】 請求項１のフライホイールにおいて、前記リム及びロータが
フィラメント巻きした複合マトリックス構造体を備える、フライホイール。 - 【請求項６】 請求項５のフライホイールにおいて、前記複合構造体がグラ
ファイトファイバ及びシアン塩酸物である、フライホイール。 - 【請求項７】 請求項５のフライホイールにおいて、前記構造体が周方向及
び軸方向の双方に付与されたプライを含む、フライホイール。 - 【請求項８】 請求項１のフライホイールにおいて、前記ハブが鋼製である
、フライホイール。 - 【請求項９】 軸の軸線の周りで回転し得るように軸に接続すべき軽量で多
エネルギ貯蔵のフライホイールにおいて、 （ａ）全体として外周面及び内周面を有する、複合材料で出来た環状ロータと
、 （ｂ）全体として環状であり且つ前記軸の周りに配置された、複合材料で出来
た相互接続面ディスクであって、前記ロータの内面に接着された外面と、全体と
して内周面とを有する相互接続面ディスクと、 （ｃ）軸の軸線に対して全体として垂直に伸長する垂直な中心線に対し反対側
に配置され且つ当接する関係にある部分を有するハブであって、ハブ部分の各々
が、軸に係合する継手を有し、軸の軸線の周りを全体として同心状に伸長するリ
ムに対して鋭角な角度にて全体として半径方向外方に拡がる第一の壁と、前記リ
ムから前記垂直な中心線に向けて収斂し且つフープにて終わる第二の壁とを有す
るハブと、 （ｄ）前記フープが、前記相互接続面ディスクの内面に固着された全体として
円筒状の外面を有し、これにより、前記軸が回転したとき、前記ハブの壁が、前
記垂直な中心線に向けた方向に変形し、前記第二のハブの壁が、前記リムの周り
で前記垂直な中心線から離れる方向に変形することとを備える、フライホイール
。 - 【請求項１０】 請求項９のフライホイールにおいて、前記鋭角な角度が２
０°乃至６０°の範囲にある、フライホイール。 - 【請求項１１】 請求項９のフライホイールにおいて、前記リム及びロータ
がフィラメント巻きしたマトリックス構造体を備える、フライホイール。 - 【請求項１２】 軸の軸線の周りで回転し得るように軸に接続すべき軽量で
多エネルギ貯蔵のフライホイールにおいて、 （ａ）全体として外周面及び内周面を有する、複合材料で出来た環状ロータと
、 （ｂ）全体として環状であり且つ前記軸の周りに配置された、複合材料で出来
た相互接続面ディスクであって、前記ロータの内面に接着された外面と、全体と
して内周面とを有する相互接続面ディスクと、 （ｃ）軸の軸線に対して全体として垂直に伸長する垂直な中心線に対し反対側
に配置された部分を有する膨張ハブであって、ハブ部分の各々が、軸に係合する
継手手段と、リムまで伸長する全体として円錐形の外壁と、前記リムから前記継
手手段まで伸長する円錐形の内壁とを有する膨張ハブと、 （ｄ）前記ハブが、前記相互接続面ディスクの内面に固着された全体として円
筒状の外面を有し、これにより、回転したとき、撓みハブ部分が独立的に平坦と
なることが許容され、ディスクに圧縮力を付与するように膨張するようにしたこ
ととを備える、フライホイール。 - 【請求項１３】 軸の軸線の周りで回転し得るように軸に接続すべき軽量で
多エネルギ貯蔵のフライホイールにおいて、 （ａ）全体として外周面及び内周面を有する、複合材料で出来た全体として円
筒状の環状ロータと、 （ｂ）各々が全体として環状であり且つ前記軸の周りに隔たった関係にて配置
された、複合材料で出来た少なくとも２つの相互接続面ディスクであって、各々
が、前記ロータの内面に接着された外面と、全体として内周面とを有する相互接
続面ディスクと、 （ｃ）ディスクの各々と関係したハブであって、各々が、軸の軸線に対して全
体として垂直に伸長する垂直な中心線に対し反対側に配置された部分を有するハ
ブとを備え、前記ハブの各々が軸に係合する継手手段を有し、反対側に配置され
た前記部分の各々が、軸の軸線の周りを全体として同心状に伸長するリムまで軸
の軸線に対して鋭角な角度にて全体として半径方向外方に拡がる第一の壁と、前
記リムから前記垂直な中心線に向けて収斂し且つ前記軸の軸線から半径方向に隔
てられたフープにて終わる第二の壁とを有し、 （ｄ）前記フープが、前記相互接続面ディスクの内面に固着された全体として
円筒状の外面を有し、これにより、回転時、ハブ部分が変形し且つ膨張して、デ
ィスクに対し力を付与し、ロータとディスクとの相互接続面にて実質的に応力無
しの状態を保つようにした、フライホイール。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/006,475 US6014911A (en) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | Flywheel with self-expanding hub |
| US09/006,475 | 1998-01-13 | ||
| PCT/US1998/027466 WO1999053597A2 (en) | 1998-01-13 | 1998-12-23 | Flywheel with self-expanding hub |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002511560A true JP2002511560A (ja) | 2002-04-16 |
| JP2002511560A5 JP2002511560A5 (ja) | 2006-10-19 |
Family
ID=21721090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000544050A Pending JP2002511560A (ja) | 1998-01-13 | 1998-12-23 | 自己膨張型ハブを有するフライホイール |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6014911A (ja) |
| EP (1) | EP1060337B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002511560A (ja) |
| AT (1) | ATE276456T1 (ja) |
| CA (1) | CA2318177C (ja) |
| DE (1) | DE69826325T2 (ja) |
| ES (1) | ES2226206T3 (ja) |
| WO (1) | WO1999053597A2 (ja) |
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