JP2010527428A - 高速フライホイールの封じ込め - Google Patents

Abstract

本発明は、周辺部がリム（６）で囲まれているハブ（４）と、ハウジング（７０）とを備え、少なくとも一つの環状リング（５４ａ，５６ａ）がフライホイールの両側に設けられ、それにより、フライホイールの振動時に、フライホイールの接触面が環状リングの接触面に当接して摩擦を生じさせる、車両用の高慣性フライホイール（２）を提供する。

Description

本発明はフライホイールに関するものであり、特に、車両に使用される高速フライホイールに関する。

フライホイールは、一般的に、シャフトの周りを回転するように構成された比較的重い質量を備える。シャフトをハウジングに回転自在に連結するため、ベアリングが設けられる。車両におけるフライホイールの利用は、例えば車両の加速又は減速を助けるものとして知られている。また、バッテリとしてフライホイールを用いることも知られており、フライホイールの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。フライホイールの運動エネルギーは、回転慣性と角速度の２乗とに正比例する。車両におけるエネルギー蓄積を目的としてフライホイールを使用する場合、質量、慣性、及び回転速度の最適バランスを実現する必要がある。フライホイールをより高速に回転させることができれば、より小型且つ軽量で所定の蓄積容量が得られる。

固定されたフライホイールは、高速、例えば毎分回転数１００，０００以上の能力がある。しかしながら、車両において使用されるフライホイールは、いくつかの制約のため、通常、毎分回転数２０，０００前後又はそれ以下の速度で動作する。第一に、車両内のフライホイールが動作可能な速度は、車両の動作時に生じる振動に対する脆弱性によって制限され、振動の影響により、フライホイールの取り付け部及びベアリングに著しい負担がかかり、摩擦及び磨耗を増大させてフライホイールの効率を下げ、更には安全面でのリスクとなる可能性がある。フライホイールの振動に対する脆弱性は、固有振動数の高いフライホイールを提供することによって最小限に抑えることができる。

上述した理由により、車両のフライホイールは、良好な、又は少なくとも制御可能な、故障モードを提供することを含め、厳しい安全基準に従う必要がある。初期故障モード、すなわち最低回転速度で起こるモード、に至ったときに、フライホイール及びそのハウジングがフライホイールの破壊で発生した全ての破片を封じ込めるように設計されなければならない。

フライホイールの故障時には、亀裂箇所でハブの亀裂が生じ、フライホイールとベアリングの連結部の剛性が損なわれる。その結果、フライホイールが不安定になり、シャフト上で振動するようになる。その振動は抑制されない限り次第に大きくなり、亀裂箇所に過度な負担がかかって亀裂が延び、やがてフライホイールが完全に故障する、すなわち、リムがベアリングから分離される。

フライホイールが故障すると、フライホイールに蓄積された大量の運動エネルギーが急激に散逸し、フライホイールハウジング内で大きな瞬間圧力が生じる。故障によって生じる破片を封じ込めることが必要であり、それには大きくて重い封じ込め手段を要する場合がある。フライホイールの故障及び破片の封じ込めにおいて直面する問題は、エネルギーが散逸する短い時間によって軽減される。

本発明の目的は、フライホイールの故障時に直面する問題に対処すること、特に、フライホイールのエネルギーが散逸する時間を延長させることである。

従って、本発明は、添付されている請求の範囲の請求項１に記載されるような高慣性フライホイールを提供する。

本発明の利点は、フライホイールの故障時に、フライホイールが砕けるまでにかかる時間が延長され、エネルギーがより長い時間にわたって放出される点である。従って、発生した破片を安全に封じ込めることが容易になり、また、故障したフライホイールの速度を制御システムが安全に低下させるための十分な時間を確保することができる。

環状リングはハウジングに設けられたフランジに配設し、環状リングに接触する面が周辺部の内面に位置するようにすることが好ましい。この構成の利点は、フライホイールの振動時にハブがリングに接触するとき、その表面速度、従って摩擦接触により生じるエネルギーが、リムの外面で接触が起こる場合に比べて大幅に低いことにある。

環状リングには、周辺部の端面、ウェブ、又はその他の略径方向の面に極めて近接した当接面を有し、内向き及び／又は外向きに突出するフランジを設けてもよい。当接面を有するフランジを環状リングに設けることの利点は、フライホイールの故障時に、フライホイールが接触する表面積を増加させ、その結果、摩擦量を増加させてフライホイールの速度をより大幅に低下させる点である。さらに、フライホイールの故障が進行して、リムとシャフトとが分離した状態、又は連結部の剛性が著しく低下した状態になった場合に、フライホイールリムの軸方向の動きが抑えられ、リムが本来のシャフト中心線の周りをほぼ本来の位置で回転する時間が延長され、その結果、さらにエネルギーを散逸させる。

環状リング及び／又はフライホイールの振動時にリングに接触するハブの部分には、表面コーティングを施してもよい。表面コーティングは、例えば、減速率又は発熱の調整を目的として選択することができる。ブレーキライニング材等の摩擦係数の高いコーティングは、減速率を高めるものであり、一部の応用例に適している。他の応用例においては、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）等の摩擦係数の低いコーティングを施すことにより、減速率を下げ、発熱を最小限に抑える。

ハブの設計は、最大の応力がシャフトをリムに連結するウェブにおいて発生し、フライホイールの初期故障モードが亀裂による金属製ハブの故障となるようなものにすることが好ましい。初期故障モードが確実に金属製ハブの亀裂となるようにする具体的な設計特性には、例えば、様々な半径での具体的な質量配置が含まれる。フライホイールの回転時にウェブにおいて発生する応力は、ウェブの厚みによっても影響を受ける。例えば、厚みが略一定のウェブであれば、フライホイールが回転するとき、質量の中心から遠く離れている部分が中心部分を効果的に引っ張る結果、フライホイールの中心に向かって最大の応力が発生することになる。

フライホイールの初期故障モードがハブの亀裂であることの利点は、ハブが亀裂により故障して砕けるときに、強度にかなり余裕がある複合材リムが、結果として生じた破片を封じ込める働きをする点である。

本発明によるフライホイールの側面図。 図１のフライホイールのII−II線断面図。 図１のフライホイールの別実施形態のII−II線断面図。 図１のフライホイールの別実施形態のII−II線断面図。 図３の実施形態の部分詳細図。 図４の実施形態の部分詳細図。

図１及び図２を参照すると、フライホイール２は、巻き炭素繊維複合材リム６を有する鋼製のハブ装置４を備える。

ハブ４は、周辺部１６，１８を各々有する２つの部分８，１０で形成される。ハブの２つの部分８，１０の直径は等しく、リム６の内径は、ハブ装置４の外側に取り付けられたときに径方向に締まり嵌め状態となり、高速動作時にリム６が確実にハブ４に対して圧縮状態に維持されるように、選択される。

ハブは、周辺部の内面からフライホイールの中心に向かって延びるウェブ２０，２２を有している。フライホイールの回転によってウェブに生じる応力はリムの径方向厚みに生じるものより大きいため、フライホイールの初期故障モードは、ウェブに亀裂が生じることによるハブの故障となる。

フライホイール２は、２つの端部キャップ５０，５２を備えるハウジング７０に収容され、ハウジング内は真空に維持される。

環状リング５４ａ，５６ａは、フライホイール２の両側に設けられ、各端部キャップ５０，５２に設けられたフランジ６２，６４上の環状肩部５８，６０に締まり嵌めにより取り付けられる。各環状リング５４ａ，５６ａとハブの各部分８，１０との間には小さなクリアランスがあり、環状リング５４ａ，５６ａはハブ４に極めて近接しているが接触はしていない状態になっている。

フライホイール２が例えば車両の動作時の振動によって振動すると、周辺部１６，１８の内面にある接触面６６，６８が環状リング５４ａ，５６ａに接触するようになり、それにより振動が抑制される。ハブ４と接触面６６，６８との間に小さなクリアランスを設けたことにより、環状リング５４ａ，５６ａにかかる力が大きくなり過ぎないようにすることができ、且つ、小さな振動であっても制御することができる。

フライホイール２の振動は、ハブ４の亀裂により不具合が生じ始めるときにも起こり、この場合も接触面６６，６８が環状リング５４ａ，５６ａに接触するようになる。接触面６６，６８と環状リング５４ａ，５６ａとの間に摩擦が生じることにより、フライホイール２の速度が低下する。そのため、ハブ４の亀裂箇所にかかる負担が抑えられ、亀裂の拡大がゆっくり起こる。従って、亀裂が拡大してハブの破壊が生じるとき、亀裂がより速いペースで拡大した場合に比べて、フライホイールのハウジング内で発生する瞬間圧力が低い。その結果、故障の結果として発生する破片を、より容易にフライホイールリム６によって封じ込めることができる。

環状リングは、別の断面形状であってもよい。図３及び図５の実施形態は、フライホイール２の中心から離れて外向きに突出するフランジ７６，７８を各々有する環状リング５４ｂ，５６ｂを示している。フライホイールが故障し、その結果として振動が起こると、フランジ７６，７８の当接面８０，８２がハブの周辺部１８，２０の端面８４，８６に接触するようになり、面８０，８２と周辺部の端面８４，８６との摩擦によりフライホイールの速度をさらに低下させる。フランジ７６，７８はまた、フライホイールが故障して砕けるときに、軸方向に拘束する働きをする。

図４及び図６の実施形態においては、環状リング５４ｃ，５６ｃに、フライホイール２の中心側に内向きに突出するフランジ８８，９０が各々設けられている。また、環状リング５４ｃ，５６ｃとフランジ８８，９０の結合部外側には、面取り面９２が設けられている。フライホイール２が故障して振動し始めると、ウェブ２０，２２が当接面９４，９６に接触するようになり、面９４，９６とウェブ２０，２２との間で生じる摩擦により、フライホイールの速度をさらに低下させる。

図３及び図４の各実施形態においては、フライホイール２の故障が進行して、リム６とシャフトとが分離した状態、又は連結部の剛性が著しく低下した状態になった場合に、当接面によって、リム６が本来の中心線の周りを略定位置で回転する時間を延長し、その結果、さらにエネルギーを散逸させることができる。

フライホイールの故障の兆候を検出し、それに応じて制御された方法でフライホイールの速度を低下させるために、制御システム（図示せず）を用いてもよい。

制御システムはフライホイールの速度変化率を測定するように構成することができ、慣性が知られているとき、該システムは、ある瞬間に発生又は吸収されている電力を算出することができる。この電力を出力シャフトにおける測定電力と比較することにより、予期される動作からの突然の逸脱を判断することができ、それに応じてフライホイールの速度を低下させることができる。

別の方法として、制御システムは、環状リング付近のハウジングの温度を測定するように構成し、ハブが環状リングに接触するときの摩擦により生じる突然の温度上昇を検出し、それに応じてフライホイールの速度を低下させることができるようにしてもよい。

制御システムがフライホイールの速度を低下させる必要があると検知すれば、通常の方法で電力を伝達することにより減速を実現することが可能である。あるいは、フライホイールが砕けるときに放出されるエネルギーを吸収し、昇温及び／又は状態変化により安全にエネルギーを消散させる、水や油等の物質をハウジング内に注入することにより、速度を低下させることもできる。フライホイールは真空状態で動作しているため、物質の注入は、ポンプを要さず、ほとんど瞬時に行うことができ、従って、電磁弁を開放すると、物質が急速にハウジング内に流れ込む。

Claims (15)

1. 車両用の高慣性フライホイールであって、周辺部がリムで囲まれているハブと、ハウジングとを備え、少なくとも一つの環状リングが前記フライホイールの両側に設けられ、それにより、前記フライホイールの振動時に、前記フライホイールの接触面が前記環状リングの接触面に当接し、摩擦を生じさせることを特徴とする高慣性フライホイール。
2. 前記少なくとも一つの環状リングは前記ハブの周辺部の直径よりも小さな直径を有し、前記環状リングは、前記ハブの周辺部に極めて近接して位置するように、前記ハウジングに設けられたフランジ上に締まり嵌めにより取り付けられ、前記フライホイールの接触面は前記ハブの周辺部上にあることを特徴とする請求項１に記載の高慣性フライホイール。
3. 前記少なくとも一つの環状リングは、前記フライホイールの略径方向の面に極めて近接した当接面を有する内側に突出したフランジを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高慣性フライホイール。
4. 前記少なくとも一つの環状リングは、前記フライホイールの略径方向の面に極めて近接した当接面を有する外側に突出したフランジを有することを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
5. 故障時に前記フライホイールの速度を低下させるための制御システムを含むことを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
6. 前記環状リングの接触面にコーティングが施されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
7. 前記当接面にコーティングが施されることを特徴とする請求項３に記載の高慣性フライホイール。
8. 前記コーティングは高い摩擦係数を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の高慣性フライホイール。
9. 前記コーティングはブレーキライニング材であることを特徴とする請求項８に記載の高慣性フライホイール。
10. 前記コーティングは低い摩擦係数を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の高慣性フライホイール。
11. 前記コーティングはダイアモンド状炭素であることを特徴とする請求項１０に記載の高慣性フライホイール。
12. 前記フライホイールの接触面にコーティングが施されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
13. フライホイールアセンブリは、初期故障モードが金属製の前記ハブの亀裂になるように設計されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
14. 前記少なくとも一つの環状リングはスチール製であることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載の高慣性フライホイール。
15. 添付の図面を参照して実質的に説明された高慣性フライホイール。

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