JP2004502106A

JP2004502106A - フライホイールの複合ロータ及びその組み立て方法

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Publication number: JP2004502106A
Application number: JP2002506381A
Authority: JP
Inventors: ツァイ、スティーブン　ダブリュ．
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2004-01-22
Also published as: EP1297400A4; EP1297400A1; US6868753B2; US20030000336A1; WO2002001311A1

Abstract

エネルギー蓄積装置として使用するフライホイール（５０）は、異なる繊維複合層（５６，５８，６０）の環帯から作製し、各環帯（５６，５８，６０）の径方向厚さと各環帯（５６，５８，６０）の繊維複合体の物理学的性質をコンピュータモデル化最適化手順により選択し、径方向応力を最小化すると同時に、蓄積する全エネルギーを最大化する。

Description

【０００１】
（発明の分野）
この発明は、高速ロータの分野、より詳細には繊維複合材料を用いるロータ及びフライホイールの設計及び製造に関する。
【０００２】
（発明の背景）
フライホイールは長年にわたり、多様な用途において使用するための潜在的に有用なエネルギー蓄積装置として認められてきた。恐らく、最も重要な潜在的用途の一つは、フライホイールを用いて車輪を駆動する動力を管理することがあるバスや自動車などの輸送手段においてである。フライホイール搭載バスは、都市公共輸送機関で試験されてきた。しかし、フライホイールエネルギー蓄積装置は、バスや他の輸送車両で一般的に用いられるようにはならなかった。現在までのところ、フライホイールは、特に、蓄積される全エネルギー、システムの全重量、エネルギー効率、ロータ寿命、費用及び安全性の領域で必要なレベルの性能を満たさなかった。
【０００３】
このように、エネルギー蓄積容量を最大化し、システム重量を最小化し、収容重量を最小化し、輸送に使用時のエネルギー効率を改善し、ロータ寿命を改善し、及び安全性能を改善したフライホイールエネルギー蓄積システムを提供する必要性がある。
【０００４】
（目的及び利点）
本発明の目的は、エネルギー蓄積を最大化し、ロータ回転に誘発された径方向ひずみを最小化すべく最適化したフライホイールロータを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、高速で作動しなくなる場合には、制御可能かつ安全な方法で作動しなくなるフライホイールを提供することにある。
【０００５】
さらに、本発明の目的は、所定量のエネルギー蓄積容量に対して、今まで必要とされたよりも少ない重量を収容容器内に必要とするフライホイールを提供することにある。
【０００６】
さらに、本発明の目的は、ロータの使用に選択した材料を最適化することにより、及びそれらの材料の物理学的性質を最適化することにより、ロータの有用な寿命を延ばすことにある。
【０００７】
さらに、本発明の目的は、フライホイールの構造に繊維複合材料を用いることにより、フライホイールの性能を改善することにある。
さらに、本発明の目的は、フライホイールを製造する改良製造方法を提供することにある。
【０００８】
（概要）
本発明の目的及び利点は、ハイブリッドロータを有したフライホイールを提供することにより得られる。ハイブリッドロータは、外径と内径とを有した環状円板であり、異なる材料の幾つかの同心層からなる。これらの各層（或いは環帯若しくはプライ）は、同心の形式で別の層と隣接する。層の半径方向厚さは、隣接層の半径方向厚さと異なることがある。層の軸方向の厚さもまた、必要に応じて、層ごとに異なることがある。各層の寸法及び各層に用いる材料の選択は、全蓄積エネルギーを最大化し、回転由来径方向応力を最小化する最適化手順により決定される。層に用いる典型的な材料としては、ガラス／エポキシ材料、炭素繊維材料、Ｔ３００／２５００^ＴＭ、Ｔ８００Ｈ／２５００^ＴＭ、Ｔ１０００^ＴＭなどの種々の繊維複合材料又は任意の他の適切な材料が包まれ得る。任意の層材料内の繊維パーセントは、最適化手順で任意の適当な値に調整してもよい。任意の層において、繊維複合材料は、比重、剛性、強度など層の材料特性を変化させるための調整剤を添加することにより調整してもよい。このような調整剤としては、樹脂に添加される金属性又はセラミック性粉末が包まれ得る。ロータの制御可能な破壊を提供するため、このような調整剤を加えることにより、１つ以上の層を調整してもよい。
【０００９】
記載のように、最適化手順は、回転の全蓄積エネルギーを最大化し、同様に、回転の径方向応力を最小化する。この最適化手順部分として、各層の硬度が特定される。通常、ロータのより外部にある層又はリムは、最高値の硬度になる。最適化手順は、外周方向及び径方向の強度、熱膨張係数及び質量密度など、各層における材料の他の特性の最適化を含み得る。
【００１０】
また、本発明は、ハイブリッドロータを製造する方法を提供する。製造方法には、巻タバコ式方法、湿式フィラメント巻回法、及び乾式フィラメント巻回法が包含される。さらに、製造方法にはスマート硬化サイクルが含まれ、同スマート硬化サイクルでは硬化サイクルを制御して硬化される材料の発熱反応を予期し、それを考慮に入れる。さらに、製造方法には、ロータが回転する間に、樹脂をロータに注入する遠心鋳造法が含まれる。同方法において樹脂は、ロータの内部半径付近に導入されるので、遠心力により、外部半径方向に樹脂が流れる。さらに、製造方法には、スマート硬化中にロータを回転させる遠心スマート硬化法を含む。製造方法はさらに、遠心スマート硬化法と組み合わせた遠心鋳造法を含む。
【００１１】
図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、フライホイールロータの径方向応力に及ぼす異方性の作用を示す。これらの図において、ｋは、外周方向に対する半径方向のヤングモジュール比の平方根、即ち
【数１】

である。
図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、径方向応力及び外周方向応力に及ぼす外周方向硬度半径方向分布の作用をモデル化した結果を示す。
【００１２】
（詳細な説明）
ハイブリッドロータは、繊維複合材料の幾つかの同心環帯又は層から作製する。フライホイールの材料、形態及び製造方法の新しい選択肢を提案する。システム研究は、応力分析の分析的モデル化、相互作用性破壊基準、最適化、硬化、樹脂供給量、進行性破壊及び長期有用寿命予想に相当に依存するものである。
【００１３】
プライ硬度及び比重の変動は、高速回転中のロータの径方向応力を最小化するようにモデル化することになる。その意図は、強度を低下させることなく、ロータ性能を改良することである。
【００１４】
フライホイールロータの応力分布はレクニツスキ（Ｌｅｋｈｎｉｔｓｋｉｉ）により、スティーブン　Ｗ．ツァイ及びテッド　チェロン編集、出版　ゴードン　アンド　ブリーチ、１９６８年の「異方性プレート（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｐｌａｔｅｓ）」１５１頁にて分析されている。
【数２】

【００１５】
それぞれ、方程式（１），（２）を用いて計算した、径方向応力σ_ｒ及び外周方向応力σ_θに及ぼす異方性の作用を図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す。これらの図において、ｋは、（Ｅ_θ÷Ｅ_ｒ）の平方根である。径方向応力σ_ｒ及び外周方向応力σ_θを正規化半径ｒ／ａに対してプロットする。この場合、ｒは半径であり、ａは、外径である。図１Ａは、等方性の場合を示す。このとき、ｋ＝１、半径及び外周方向応力は、ほぼ同一である。図１Ｂは、適度の異方性の場合を示す。ｋ＝２、応力分布性は変化し、径方向応力σ_ｒは、有意に減少する。この事例は、放射状繊維を備えたロータに該当する。製造複雑性に言及することなく、応力分析観点から放射状繊維の使用を正当化するのは困難である。図１Ｃは、高度に異方性のロータの場合を示す。この場合、ｋ＝５．９である。図１Ｃにおいて、径方向応力σ_ｒは、外周方向応力σ_θよりも大きさが二桁少ない。結論は、径方向応力を非常に小さく維持すべきなら、高度に異方性の材料を使用すべきことである。放射状繊維をもつ二次及び三次繊維構造は、より高い硬度及び強度を提供するが、より高い径方向応力も誘発する。全体的な結論は、放射状繊維がより高い蓄積エネルギーをもたらさず、実際には微小裂け目及び離層などの早期破壊を引き起こすことである。
【００１６】
全ての環状ロータを、早期破壊様式を抑制するように設計することができる。１つの方策は、半径の関数としてプライ硬度を変動させることにより、径方向応力を減らすことである。その公式化は、上記に引用した参照文献でレクニツスキによっても提供された。外周方向硬度は、半径の指数法則に従って変動し、べき指数は、ｍで示される。結果を図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに示す。図２Ａにおいて、硬度Ｅ_θを３つのｍ値（等方性ではｍ＝０、線形ではｍ＝１、及び二次関数ではｍ＝２）に対して示す。図２Ｂに示すように、外周方向応力σ_θは、べき指数ｍが変動すると交絡する。図２Ｃに示すように、径方向応力σ_ｒは、べき指数ｍに高度に依存し、ｍが０から２に増加すると、径方向応力は減少する。このように、外周方向硬度の変動は、径方向応力の減少を得るまた別の方法である。径方向応力の減少は、ロータの外部半径でより硬い繊維を用いることにより、及びロータの内部半径でより硬度の低い繊維を用いることにより得られる。
【００１７】
エネルギー蓄積容量は、Ｅ_θがｒ^ｍ（ｍ＝２）として変動するとき、径方向応力を最小化する、すなわち、エネルギー蓄積容量が最大になるので、同じ硬度分布に対して最大化される。ｍが２より大きな場合、エネルギー蓄積容量は、所定の材料及び内部と外部のロータ半径に対して少なくなる。
【００１８】
繊維容量割合が高くなるほど、硬度及び強度が高くなり、径方向応力を減らし、エネルギー蓄積容量を改善することになる。チオコール　ＴＲＣは、最大７０数パーセントの容量％でＴ１０００繊維を含むプリプレグを提供し得る。７５％では、材料は、３１ｍｓｉの複合体硬度及び約４．６×１０^６ｋＰａ（６７０ｋｓｉ）の強度をもつことになる。同等の繊維容量は、同様に、図１３Ｂに示す湿式巻回法により達成することができる。この材料は、ロータの外部リム又は外部プライとして用いることができる。ロータの外部プライと内径との間に設置されるプライに用いる他の全材料は、より低い繊維容量％及びより低い硬度／強度を有する。このハイブリッド化の方法は、エネルギー蓄積を改善するだけでなく、費用のかからない材料を外部リムの内側に用いることになるので、経費も減る。また、この材料の配置は、ロータの制御破壊が得られるように、より弱い材料を選択する機会を提供することになる。
【００１９】
一方向性繊維の長期耐久性を時間−温度重畳モデルを用いて生成したデータにより示すことができる。図３において、ストランド試験から得た炭素一方向性複合体のマスタカーブを示す。パラメータＮ_ｆは、サイクルの数である。用語ＣＦＲＰは、炭素強化プラスチックを表す。その曲線は、比較的平坦である。これは、この高炭素繊維（Ｔ４００）複合体が時間、クリープ（点線で示されるＲ＝１）及び疲労負荷（Ｒ＝０）の影響を受け難いことを意味する。これは、ロータなど複合構造体の長期耐久性を測定するための最善の試験法の一つである。径方向強度に対応したマスタカーブはまた、双軸性応力がかかるロータ材料の設計に利用可能である。
【００２０】
半径方向にそってプライの半径方向硬度と比重を変化させる作用を検討した。半径方向硬度は、同一の樹脂システムを異なる繊維に用いるとしても、多くは変化しない。このように、そのエネルギー蓄積に及ぼす作用は小さい。
【００２１】
しかし、プライの比重変化は、エネルギー蓄積に有意な作用を及ぼす。事実、最適べき指数ｍはマイナスであり、外周方向硬度と反対である。このように、好適な比重変動は、外部リムから中心方向へ移動するにつれて増加することである。この結果は、径方向応力を最小化する必要性に基づくものである。必要な結果を得る可能な一つの選択肢は、金属性又はセラミック性粉末をロータの内側部分の樹脂に加えることであり、その結果、内側部分の硬度は低くなる（外部部分よりも小さい繊維割合をもつことにより）が、材料の重量は重くなる。この方法のさらに別の利点は、脆弱化プライ（繊維が少なく、より壊れ易いマトリックス）では、必要とする収容容量がより少ないことである。
【００２２】
フライホイールロータの最適化は、応力分析の様々な破壊基準の適用が含まれる。
応力分析の結果に適用し、プライの破壊を測定可能な多くの破壊基準がある。最も一般的な基準の内、ツァイ−ウー（Ｔｓａｉ−Ｗｕ）の二次的基準のみが引張外周方向と径方向応力との成分間の相互作用を提供する。最大応力、最大ひずみ及びハシン（Ｈａｓｈｉｎ）などの基準は、ロータに存在するこれらの二つの臨界応力成分間の相互作用を認識しない。
【００２３】
図４は、外周方向と半径方向の結合引張応力をかけた一方向性プライの予測強度を示す。ｘ軸は、０．０（単一軸方向張力）から０．０５（５％外周方向）の半径に対する外周方向の応力比を示す。ｙ軸は有効強度の基準、即ち強度比を示す。２つの破壊基準、すなわち、歪み最大値（非相互作用性基準）及びツァイ−ウー（相互作用性基準）を示す。曲線は、最大４％の径方向応力まで、最大ひずみ基準が作用を示さず、ツァイ−ウーは、単一軸強度の６０％に強度が減少することを示す。
【００２４】
従って、ツァイ−ウー相互作用性基準をプライ強度の測定に用いることが推奨される。この基準は、より実際的、かつ堅実である。この基準（スティーブン　Ｗ．ツァイ、複合物考察、１９９２年による「複合物デザインの理論」におけるように、−１／２の相互作用項を用いて）で、全蓄積エネルギー（ＴＳＥ）を最大化するロータのハイブリッド化度を選択し得る最適化方法を使用可能である。本実施例において、３つの材料を用いる。それら材料の性質を図５に列挙する。これらの材料は表の左欄から、ガラス／エポキシ（Ａ）、Ｔ３００ＴＭ／２５００ＴＭ（Ｂ）、及びＴ８００ＴＭ／２５００ＴＭ（Ｃ）である。Ｔ３００ＴＭとＴ８００ＴＭは、東レにより製造されている独自の繊維である。
【００２５】
図６は、異なる材料の３つのプライ又は環帯を設けたロータの断面図を示す。ロータ１０は、内径ｒ_１と外径ｒ_２を有する。ロータの高さはｈで、ロータの軸方向の厚さである。ロータは、この実施例では３層を有する。これらの層は、環帯又はプライと呼ぶこともある。内部層は、径方向厚さｔ_１を有する。第２層は、半径方向厚さｔ_２を有する。第３、即ち外部層は、径方向厚さｔ_３を有する。図６は、３層を示すが、任意数の層を意図することを理解すべきである。
【００２６】
安全性を維持すると同時に、最高のＴＳＥを有した最良ロータを選択する最適化方法を以下のように述べることができる。
【００２７】
【数３】

式中、Ｒは応力／強度比で、Ｒ＝１のとき、破壊が生じる。
方程式（４）において、Ｉは、ハイブリッドロータの慣性の質量モーメントである。全蓄積エネルギー（ＴＳＥ）は、各リングの内部及び外部半径の項で記載することができる。
【数４】

【００２８】
方程式４で述べた非直線性最適化問題を解くため、実行可能な強制的最小化方法の修飾方法を用いる。単一、１対の成分、及び３つの成分で図５の材料を使用した場合について、結果を図７に示す。図７は、垂直軸に全蓄積エネルギーＴＳＥをＷｈ単位で、水平軸に種々の材料の半径方向分布をｍｍで示す。最適化は、最大３つの異なる複合層について行った。各複合層の厚さは、設計可変性と考えられ、単体層に分けられる。回転速度は、６０，０００ＲＰＭである。不正確さを回避するため、層厚さの最小値を０．０１ｍｍに設定した。硬度が増加する材料のハイブリッド化が、最高の全蓄積エネルギーＴＳＥをもたらし得ることは、図７から明らかである。この傾向は、図２Ａ〜２Ｃに示したように、外周方向硬度の増加と一致する。
【００２９】
最高蓄積エネルギーは、半径方向にそって、硬度が高くなる３層の材料を有することにより得られる。
層の数は、１、２又は３に限定する必要はない。４つ以上のリングが有利になることもある。各リングにおいて、図５に列挙した以外の材料を使用してもよい。より詳細には、Ｔ１０００^ＴＭを使用することもある。他の繊維複合材料もまた、使用してもよい。
【００３０】
現在まで、フライホイールは、多段式巻き法及び多硬化サイクルにより作製されてきた。この方法は、時間を消費し、経費がかかり、ロータ破壊を惹起し得る境界面をもたらす。
【００３１】
本発明は、単一段階のスマート硬化を提供する。図８は、硬化モデル化に用いる形態とＢＣパラメータを示す。図８において、ロータ２０は、内径Ｒｉ＝０．０７６ｍ（３ｉｎ）及び外径Ｒｏ＝０．３０５ｍ（１２ｉｎ）を有する。温度ＢＣ熱流束は、ｈ_ｉ＝ｈ_ｏ＝５０Ｗ／ｍＫである。計算パラメータは、Ｔｍａｘ＝４５０Ｋ及びΔＴｍａｘ＝７Ｋである。
【００３２】
２つの硬化サイクルを図９Ａ，９Ｂに示す。図９Ａは、従来の硬化サイクル例を示す。このサイクルでは、オーブン周囲温度を１℃／分の傾斜で最大温度Ｔｍａｘに上げる。図９Ｂは、オーブン周囲温度を一定速度で上げずに、むしろ、ロータの発熱反応などの因子を考慮に入れるコンピュータモデルにより決定された速度で上げるスマート硬化サイクルを示す。
【００３３】
図１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ、図９Ａ，９Ｂの硬化サイクルにかけたときの、図８のロータについてモデル化した温度に対する時間のプロフィールを示す。図１０Ａ，１０Ｂの両方において、温度は、ロータ内の３つの半径方向位置について示す。これらの位置は、約７．５ｃｍ（３インチ）、約１７．５ｃｍ（７インチ）及び約２５ｃｍ（１０インチ）の半径で、それぞれａ，ｂ，ｃと呼ぶ。図１０Ｂのように、ロータ全体の温度がほぼ一定で変化しないとき、残留応力は最小化されるようになる。スマート硬化サイクルの完了に必要な時間は、従来の硬化の３倍である。ロータの品質改良は、スマート硬化から期待することができる。各リングを次のリングを適用する前に硬化する多段式硬化は、それぞれの連続した加熱と冷却に時間が必要なため、スマート硬化よりさらに長くかかる。このため、多段式硬化は好適ではない。多段式硬化は、リング間の結合が弱くなり得るので、同様に好適ではない。
【００３４】
皺がよることを防止するため、硬化に適用可能な他の選択肢がある。例えば、一つの選択肢は、内径ＩＤから外径ＯＤまで硬化を制御可能なことである。別の選択肢は、硬化中に遠心力による引張外周方向応力を課すことである。
【００３５】
遠心鋳造法は、乾燥繊維を巻き取ったロータ内へ樹脂を注入するために使用し得る。また、遠心力を硬化中に印加し、正の外周方向応力を確保でき、それによって、プライの皺化が最小化できるか、或いは消失することもある。スマート硬化中のこの遠心圧力の付加は、ロータの品質を間違いなく改善することになる。
【００３６】
このような遠心スマート硬化に関連する理論を考慮する。約７．５ｃｍ（３インチ）の内径とＲの外径を有したフライホイールを考慮する。まず、乾燥トウ、即ち樹脂を含まない平行繊維糸をマンドレルに巻回する。ロータを一定角速度で回転させ、中心から樹脂を供給する。回転ロータの樹脂速度は、一次元性と推測でき、下記のように記載することができる。
【数５】

【００３７】
内径及び外径における圧力は、大気圧である。
圧力プロフィールは、方程式６を積分することにより得られ、下記により与えられる。
【数６】

【００３８】
樹脂硬化反応は、本明細書において無視する。ロータに完全に浸透させるのに必要な時間は、下記により与えられる。
【数７】

【００３９】
所定の平均繊維容量割合に対して、浸透性は、一定と推測し、カルマン−コゼニー方程式により簡単に与えられる。
【数８】

【００４０】
試料計算は、図１１に列挙した典型的な材料特性で行うことができる。図１１は、繊維容量が６０％の材料特性と処理条件を示す表である。半径０．３ｍのフライホイールの充填時間は、５０ｒｐｍか３，０００ＲＰＭの回転速度で約１０，０００秒即ち３時間である。これは、図１２に示される。これらは、推定値の大きさ程度であるが、明らかに、遠心力が実行可能な構想であることを示す。
【００４１】
次に、ロータでの脆弱材料の使用について、検討する。
最適ロータ設計は、外部リム上に最も硬く、最強のプライかリングを有する。Ｔ１０００^ＴＭは、ロータの強度の点で最良の候補物質である。内部プライは全て、径方向応力が最小化されるような半径方向の変形に従うように作製される。内部プライは、外部リングと一致して増大するので、半径方向ギャップがなくなる。速度が増加すると、さらに半径方向に変形することになるが、径方向応力は、非常に小さなままである。
【００４２】
高度に異方性の材料に対して、双軸張力は、非常に有害である。これは、図４に示してある。強度比（又は安全性因子）は、径方向応力が外周方向応力に対して増加すると、急速に低下する。高度異方性材料の外周方向硬度は、図２に示すように径方向応力を減らすことになる。このように、高異方性と硬度の高い降下（二次的低下を含む）は、径方向応力を有意に減少させることになる。硬度の低下に関して、これを実際問題として達成可能な方法を検討することが興味深い。一つの方法は、内側プライの繊維割合を減らすことになろう。プライ硬度と強度は共に、直線的に低下することになる。慎重に弱体化した材料の使用は、ロータの破壊の進行を制御させる可能性がある。
【００４３】
破壊を制御する一つの点は、破壊開始区域にロータの外部リムを作製することである。外部リムが過応力により働かなくなると、内側材料が非常に弱くなるので、繊維から樹脂が剥がれることにより、完全に崩壊することになる。この破壊の種類は、通常、最大強度に達したとき、文字通りに破裂するガラス／エポキシ複合体において観察される。この破壊様式で生じた破片は、小さいので、容易に収容可能である。ロータに必要な収容容量が強度及び質量で減少し得るというこの傾向に従う。ロータと同じ重さの収容シリンダを提供する代わりに、破壊制御設計が重い収容システムの必要性を有意に減らすことになる。
【００４４】
フライホイールロータの異なる製造方法を次に検討する。
図１３の（ａ）部分は、「巻タバコ式」として公知の製造方法を示す。図１３の（ａ）部分において、プリプレグシート３０がマンドレル３２に巻回される。
図１３の（ｂ）部分は、「湿式フィラメント巻回法」として公知の製造方法を例示する。図１３の（ｂ）部分において、繊維スプール３６から細糸３４が樹脂浴３８を通過し、次に、回転マンドレル４０に巻上げられる。この湿式方法の変種は、予め含浸されたテープを使用することである。
【００４５】
図１３の（ｃ）部分は、「乾式フィラメント巻回法」として公知の製造方法を示す。図１３の（ｃ）部分において、乾燥プリプレグトウ４２は、繊維スプール４４から巻き取られ、マンドレル４６に巻上げられる。
【００４６】
図１３の（ａ），（ｂ），（ｃ）部分に示した任意の製造方法を本発明に従ったフライホイールロータの製造に用いることができる。最適方法は、手頃な費用で必要な信頼性及び長い寿命を備えた、必要な全エネルギー蓄積を与える方法になる。
【００４７】
図１４は、本発明に従ったハイブリッドロータを含むフライホイールを示す。ハイブリッドロータ５０は、環状の円筒形で、内径５２と外径５４を有する。内径５２と外径５４間の領域は、同心層からなる。３つの同心層５６，５８，６０を示す。層５６は、半径６２で層５８と結合する。層５８は、半径６４で規定される境界で層６０に接着する。層５６の半径方向厚さ６６は、半径６２の長さから半径５２の長さを引いたものである。層５８の半径方向厚さ６８は、半径６４の長さと半径６２の長さ間の差である。層６０の厚さ７０は、半径５４の長さから半径６４の長さを引いたものと等しい。層６０は、外部層である。各層５６、５８及び６０は、繊維複合材料を含む材料から作製してある。各層の材料の物理学的性質は、回転の全蓄積エネルギーを最大化し、回転径方向応力を最小化するように選択する。特に、各材料の硬度は、内部半径５２から外部半径５４へいくほど、硬度が増加するように選択する。従って、外部層６０は、最も硬い層で、内部層５６は、最も硬度の低い層である。コンピュータモデル化により、層の硬度が半径の二乗として変動するとき、径方向応力が最小で、全蓄積エネルギーが最大なことが示される。従って、図１４に示したハイブリッドロータは、各層の分布に存在するという事実を考慮すると同時に、このような二次的硬度分布に接近することが好ましい。
【００４８】
本発明の典型的な実施形態を述べてきた。これらは、例示であって、限定しようとするものではない。このように、本発明は、詳細に実行する上で多くの変更が可能であり、当業者により本明細書に含まれる説明から得られるかもしれない。このような変更は全て、添付の特許請求の範囲内であるとみなす。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】ｋ＝１の等方性の場合において、フライホイールロータの径方向応力に及ぼす異方性の作用を示すグラフ。
【図１Ｂ】ｋ＝２の適度な異方性の場合において、フライホイールロータの径方向応力に及ぼす異方性の作用を示すグラフ。
【図１Ｃ】ｋ＝５．９の高度な異方性の場合において、フライホイールロータの径方向応力に及ぼす異方性の作用を示すグラフ。
【図２Ａ】ｍ＝０は一定、ｍ＝１は線形、ｍ＝２は半径の二次関数とするモデル化に用いた外周方向硬度の３つの半径方向分布を示すグラフ。
【図２Ｂ】図２Ａに示した３つの硬度分布に対して、ロータ内の径方向位置の関数としての外周方向応力σ_θを示すグラフ。
【図２Ｃ】図２Ａに示した３つの硬度分布に対して、ロータ内の径方向位置の関数としての径方向応力σ_ｒを示すグラフ。
【図３】ストランド試験下で一方向性炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のマスタカーブを示し、Ｇｐａに対する破壊までの時間減少の対数にて引張疲労強度σ_ｆを示すグラフ。
【図４】外周方向と半径方向の結合応力をかけた一方向性プライ（又は一方向性層）の予測強度を示すグラフ。
【図５】３つの繊維複合材料の性質を列挙した表。
【図６】ハイブリッドロータの断面図。
【図７】図６のロータに図５の材料を用いてモデル化した結果を示すグラフ。
【図８】硬化サイクルのモデル化で用いたロータの形態及びパラメータを示す平面図。
【図９Ａ】温度対時間を示す硬化サイクル、より詳細には、直線的傾斜の温度上昇を示す硬化サイクルのグラフ。
【図９Ｂ】図８に示した特定のロータ構造体のモデル化に基づくスマート硬化サイクルを示すグラフ。
【図１０Ａ】図９Ａの従来の硬化サイクルのモデル化結果を示し、図８のロータ内の３つの径方向位置について、温度を時間に対してプロットしてあるグラフ。
【図１０Ｂ】図９Ａのスマート硬化サイクルのモデル化結果を示し、図８のロータ内の上記の３つの半径での温度対時間を示すグラフ。
【図１１】遠心鋳造（注入）充填時間を計算するための材料特性及び処理条件を示した表。
【図１２】種々の回転速度（ｒｐｍ）の半径の関数としての遠心注入の充填時間を示すグラフ。
【図１３】本発明のハイブリッドロータの製造に適用可能な、マンドレルに繊維複合体を付加する３つの方法を例示する斜視図。
【図１４】本発明によるハイブリッドロータの斜視図。

Claims

ロータ内径及びロータ外形を有したハイブリッドロータからなるフライホイールと、前記ハイブリッドロータは環帯と、各環帯が繊維複合材料の層からなることと、各環帯が半径方向厚さ、環帯内径及び環帯外径を有することと、前記環帯が同心状に結合されることと、外部環帯がロータ外径と等しい環帯外径を有することと、内部環帯がロータ内径と等しい環帯内径を有することと、外部環帯の繊維複合材料の硬度が他の環帯の繊維複合材料の硬度よりも大きいこととからなる、フライホイール。
材料の硬度が内部環帯から外部環帯に指向するに従い環帯ごとに増加する請求項２に記載のフライホイール。
前記硬度が半径のほぼ線形関数である請求項３に記載のフライホイール。
前記硬度が半径のほぼ二次関数である請求項４に記載のフライホイール。
前記外部環帯がＴ１０００^ＴＭ繊維複合材料からなる請求項１に記載のフライホイール。
前記環帯の少なくとも一つがガラス／エポキシ複合材料からなる請求項１に記載のフライホイール。
前記環帯の少なくとも一つが、Ｔ３００／２５００^ＴＭ複合材料からなる請求項１に記載のフライホイール。
前記環帯の少なくとも一つが、Ｔ８００／２５００^ＴＭ複合材料からなる請求項１に記載のフライホイール。
前記内部環帯の繊維複合材料の質量密度が外部環帯の繊維複合材料の質量密度よりも大きい請求項１に記載のフライホイール。
前記ハイブリッドロータが少なくとも３つの環帯からなる請求項１に記載のフライホイール。
前記環帯の少なくとも一つが、金属性粉末をさらに含有する請求項１に記載のフライホイール。
前記環帯の少なくとも一つが、さらにセラミック性粉末を含有する請求項１に記載のフライホイール。
ハイブリッドロータを加熱し、その加熱温度をロータの発熱反応を予測して変動する速度で上昇させるスマート硬化からなる、ハイブリッドロータの製造方法。
遠心作用によりロータの外径に樹脂を流動させるために、ロータが回転している間に、ハイブリッドロータの内径付近に樹脂を案内することによってハイブリッドロータ内に樹脂を注入するハイブリッドロータの製造方法。
ロータが回転している間に、ロータ内へ樹脂を注入する工程と、
ロータの回転を継続する間に、スマート硬化を行う工程とからなる、ハイブリッドロータの製造方法。
ロータ内の各環帯の材料特性を規定するとともに、径方向応力を最小化すると同時に全蓄積エネルギーを最大化すべく各環帯の半径方向厚さを規定するハイブリッドロータの設計方法。