JP2015532700A - フライホイール・エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

本発明はフライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）用回転子（２）のハブ（１）、該ハブ（１）を有する回転子（２）、該回転子（２）を有するフライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）、および該ハブ（１）を製造する方法に関する。ハブ（１）は、カーボンファイバー（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が互いに編角度（Ｆ）で交差する編組体（１５）とマトリックス材（１６）から形成され、幾何学的に異なる部位（１ａ，１ｂ，１ｃ）を有する、カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）により一体的に形成される。第１部位（１ａ）はフライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の軸受（３１，３２）に支持されるジャーナル（２１，２２）を収容し、第１直径（Ｄ１）を有する円筒形として、基準となるハブ（１）の回転軸（Ｒ）に対し平行に延びる。第２部位（１ｂ）は回転子（２）の回転要素（２３）に接続され、第１直径（Ｄ１）よりも大きい第２直径（Ｄ２）を有する円筒形として、基準となるハブ（１）の回転軸（Ｒ）に対し平行に延びる。第１および第２部位（１ａ，１ｂ）は円錐形で一定の壁面傾斜を有する第３部位（１ｃ）により互いに接続されている。カーボンファイバー補強プラスチック積層体は、フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の動作条件に従う回転要素（２３）の進展に対応する伸展性を有する。

Description

本発明はフライホイール・エネルギー貯蔵装置用回転子のハブ、該ハブを有する回転子、該回転子を有するフライホイール・エネルギー貯蔵装置、および該ハブを製造する方法に関する。

フライホイールは、エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵するために使用される。適切な連結部材を使用することで、電力をエネルギー貯蔵装置で回転エネルギーとして貯蔵できる。回転エネルギーは必要に応じて電力に戻し、消費者に提供できる。通常、このようなフライホイール・エネルギー貯蔵装置は回転子として中空円筒を有する。回転子はその回転数および質量に応じた所定の量のエネルギーを貯蔵する。このようなエネルギー貯蔵装置の貯蔵容量は、その最高回転数により限定される。通常、回転子は、回転子を保持する支持軸に対し、適切な接続部を介して接続される。支持軸は適切な軸受に回転可能に設けられる。好ましくは、支持軸および駆動要素は回転子の回転軸上に設けられる。ここで、接続部は外側フライホイール要素（円筒）をアイドル軸（軸）に接続、締結し、ねじりモーメントが駆動軸とフライホイール要素との間で受け渡されるように設けられる。回転要素のエネルギー値を計算するための数式によると、高エネルギー値の回転要素は、好ましくは高質量よりも高スピードを追求するべきである。従って、近年、大容量エネルギー貯蔵装置は、鋼鉄は高強度であるにもかかわらず鋼製回転子を使用しないのが慣例である。

従来の発電システムに比較して、より環境保全性が高い再生可能電源が近年使用されるようになっている。再生可能電源は通常、連続的にエネルギーを供給しないため、前述のエネルギー貯蔵装置の需要は非常に高い。従って、製造コストを抑えながらフライホイール・エネルギー貯蔵装置のエネルギー値を増加することが求められている。

本発明の目的は、簡単、高コスト効率、且つ確実に取り付けられ、フライホイール・エネルギー貯蔵装置のエネルギー値向上を可能とする、フライホイール・エネルギー貯蔵装置用の適切な安価且つ信頼度の高い部品を提供することである。

上記目的は、フライホイール・エネルギー貯蔵装置用の回転子のハブであって、ハブは、編角度で交差するカーボンファイバーにより形成された編組体と、マトリックス材とからなる単一のカーボンファイバー補強プラスチック積層体により形成され、少なくとも３つの幾何学的に異なる部位を有するハブにより達成される。第１直径を有し、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の軸受に取り付けられるジャーナルを収容する第１部位は、ハブの回転軸に対し円筒形状で平行に延在し、第１直径よりも大きい第２直径を有し、回転子の回転要素の接続に用いられる第２部位は、ハブの回転軸に対し円筒形状で平行に延在し、第１および第２部位は、一定の壁面傾斜を有する、円錐状の第３部位により互いに接続されることで、カーボンファイバー補強プラスチック積層体が、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の動作条件に従う回転要素の伸びに対応する伸展性を有する。

フライホイール・エネルギー貯蔵装置のエネルギー値を最大限増加させるためには、装置重量を下げ、最大限回転数を増加させる。これは、回転数が二次関数的に最大エネルギー値を増加させることに対し、重量は一次関数的に増加させるためである。フライホイール・エネルギー貯蔵装置（通常中空円筒）の回転要素は、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の軸受および駆動要素に対し、２つ以上のハブを介して接続される。ハブは回転要素を軸受および駆動要素に接続、固定し、駆動軸と回転要素間でねじりモーメントを受け渡すことが求められる。本発明のハブは十分な機械的強度を有し信頼度が高いため、回転要素に対する遠心力による５０，０００ｒｐｍを超える高回転数で作用する径方向および接線荷重に耐えることができ、回転要素の重量荷重を支持でき、例えばハブとジャーナル間などの、回転要素とハブとの接続部において上記のような回転数で作用する圧力に耐えられる。そして、接線方向の安定性から、駆動源と回転子間での効果的なトルクの受け渡しを保証できるのである。本発明のハブは、その材料および幾何学形状により、特に高回転数で生じる回転要素の伸びに対応可能な径方向伸展性を有する。これにより、回転要素とハブとの間に、高回転数においてハブを損傷させたり、回転要素を屈曲させたりハブからはずしてしまうような危機的な引張応力がかかることが防止される。さらに、カーボンファイバー補強プラスチック積層体を利用したことで、本発明のハブは、フライホイール・エネルギー貯蔵装置内の回転子が落ちても強い衝撃とはならない。さらに、従来のハブおよび対応する回転子と比較して、ハブの重量、即ち回転子の重量は抑えられ回転子の取り付けが簡単となる。本発明のハブの構成として、単一部材となっているため、費用効果が高く製造でき、従って、フライホイール・エネルギー貯蔵装置用の回転子もより費用効果が高く製造できる。

本発明のハブは、マトリックスシステムに連結されたカーボンファイバーにより一体的に形成される。マトリックスシステムと、カーボンファイバーにより形成される編組体とにより形成される複合構造を、カーボンファイバー補強プラスチック積層体と呼ぶ。カーボンファイバーにより形成される編組体は、全体をマトリックス材に囲まれる。積層構造およびハブの幾何学構造により、動作態様が決定される。カーボンファイバー補強プラスチック積層体の強度および剛性は、繊維マトリックス合成物のように、繊維方向と交差する方向と比較して繊維方向で非常に高くなる。補強されていないマトリックスよりも、繊維方向と交差する方向の強度は低い。従って、繊維層がそれぞれ異なる方向を向くよう積層され、カーボンファイバーの編組体となる。このような編組体では、カーボンファイバーは異なる２方向に延び互いに交差する。具体的な繊維の方向は、ハブの回転軸に対するカーボンファイバーの角度により示される。この角度を繊維角度と呼ぶ。例えば、一方向に延びるカーボンファイバーはハブの回転軸に対する繊維角度が０°であり、他方向に延びるカーボンファイバーはハブの回転軸に対する角度が０°よりも大幅に大きい。従って、繊維角度の差はカーボンファイバー同士が交差する角度に対応する。カーボンファイバーが交差する角度を編角度と呼ぶ。編角度および繊維角度はそれぞれ、本出願およびカーボンファイバー補強プラスチック積層体に求められる伸展性に適応可能である。一実施形態において、カーボンファイバー補強プラスチック積層体のカーボンファイバーは、カーボンファイバー補強プラスチック積層体の表面に対し平行な面を有する面状繊維体であり、カーボンファイバーは回転軸に対し−６０°から＋６０°の範囲内の繊維角度で配置される。ここで、繊維角度は回転軸上の繊維の回転軸に対する角度である。

「編組体」とは、少なくとも２つの可撓性材料である繊維を編組体の層をなすように編むことで得られる物体であるが、編組体全体としては、いくつかの編組体の層を含んでもよい。従って、編組体は単一の糸で形成することはできない。単一の糸の結果として得られるものは編要素とはなり得ないのである。編組体の層において、繊維（または糸）は所定の編角度で交差する。従って、隣接する繊維は互い違いに、交差する繊維（または糸）の上下に通される。隣接する繊維はそれぞれ互い違いに上下に通される。交差する第１および第２カーボンファイバーの数は表面面積単位ごとに基本的には同じである

編組体は、カーボンファイバー間に、異なる数と大きさの、マトリックス材のみで満たされた空間ができるよう、異なる強さで編まれてもよい。カーボンファイバー補強プラスチック積層体を製造する際には、この繊維体積は大きいことが望ましい。繊維の弾性率（ヤング率）はマトリックス材の弾性率よりも大きい必要がある。ある実施形態において、カーボンファイバー補強プラスチック積層体は、上記編組体により形成されるいくつかのカーボンファイバー層を含む。上記例示的編組体は、カーボンファイバー補強プラスチック積層体内の一層である。複数層とは、上下に積層されたいくつかの編組体を指す。

これら編組体は上下に重ねても、マトリックス材により互いに離間するようにしてよい。このようないくつかの層を有するカーボンファイバー補強プラスチック積層体は、非常に高い伸展性と高い抗張力をほこる。好ましい実施形態において、高回転数下で特に理想的な伸展性や抗張力となるよう、カーボンファイバー補強プラスチック積層体は３〜５層からなる。これが適用される一実施形態において、少なくとも数層が、固定糸の形態をとる高強度カーボンファイバーにより補強された高強度カーボンファイバーからなる。固定糸とは、所定の径方向で編組体内に配置されたカーボンファイバーを指す。好ましい実施形態において、固定糸は、回転軸に対して０°の繊維角度で配置される。例えば、高強度カーボンファイバーはＴ７００またはＴ８００カーボンファイバー、あるいはいわゆるＨＴまたはＨＭカーボンファイバーである。これらカーボンファイバーの厚さは、実施形態によって異なる。

マトリックス材は、繊維が抜けることでカーボンファイバー補強プラスチック積層体が不良品とならないよう、繊維に接着するように選択される。例えば、熱硬化性プラスチックや熱可塑性物質のようなあらゆる適切な樹脂系を、マトリックス材として使用可能である。マトリックスシステムは、その他の化学的特性を有さない。ある実施形態において、マトリックス材はエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂である。これらマトリックス材は、ハブ製造処理において早急に硬化するため、生産性を非常に向上させ、材料費を抑えることが可能となる。

カーボンファイバー補強プラスチック積層体の伸展性に関しては、径方向の伸展性が重要となる。これは、回転数の上昇により、回転要素の直径が増し、引張応力が増えることを防ぐために、ハブがこのような伸びに対応可能とするためである。従って、本発明の第１部位が後述のジャーナルを囲い、第２部位が回転要素との接続を担い、第３部位が一定の壁面傾斜を持つ円錐状となるべきである。これにより回転要素の伸びを吸収可能となる。「一定の壁面傾斜」とは第２部位から第１部位に連続的に上る（下る）表面を指す。一定の壁面傾斜を有する表面は凹凸を含まないが、第３部位の壁面傾斜は、一定でなく、部分的に他部と比較して傾斜が急であってもよい。一実施形態において、ハブの静止状態において、第３部位は、第１または第２部位の表面に対し４０°から５０°の角度を有するように配置される。好ましい実施形態において、角度は４５°±２°である。上記の数値は、第３部位の表面と、第１部位の外向きの（回転軸から遠ざかる）面法線または第２部位の内向きの（回転軸に向かう）面法線との間の角度のいずれかを示す。上記角度範囲の壁面傾斜を有する第３部位を有するカーボンファイバー補強プラスチック積層体は、回転子の動作中、回転要素の伸び（直径の増大）に十分対応可能である。好ましい実施形態において、カーボンファイバー補強プラスチック積層体は、特に第２および第３部位で顕著な、適切な伸展性を有することで、ハブの回転中に、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の動作条件に従った回転要素の伸びに、回転に従い縮小する角度で対応可能となる。

本発明はさらに、フライホイール・エネルギー貯蔵装置用の回転子であって、回転子は、開口端を有する円筒形状を有する回転要素と、円筒形状に沿った中心円筒用軸を有し、回転要素の円筒用軸またはバランス軸はフライホイール・エネルギー貯蔵装置の回転軸となり、回転子は、少なくとも本発明の第１および第２ハブを有し、同一方向のハブは第２部位を介して回転要素に接続され、ハブの各第１部位は、回転要素をフライホイール・エネルギー貯蔵装置の第１および第２軸受に取り付けるためのジャーナルの１つに接続されることを特徴とする回転子に関する。円筒軸は、理想的には対称的な円筒の回転軸であるが、非対称円筒の場合、回転軸はバランス軸であってよい。

回転子とは、フライホイール・エネルギー貯蔵装置内で、エネルギー貯蔵を目的として回転する部材全体を指す。回転子は様々な形状を採り得る。本発明において、回転子は円筒形状の回転要素を有する。回転要素は主にエネルギーを運動エネルギーの形で貯蔵するものである。その他構成要素により、回転要素を回転子の駆動源や軸受に接続する。これにより、最小限の損失で回転可能となる。本発明において、回転要素は両側（端）が開口した円筒である。軸受でこの開口円筒を保持するため、軸受に対応する少なくとも２つのハブにより接続される（第１軸受に対応する第１ハブ、第２軸受に対応する第２ハブ）。これはハブに対し直接接続がされるものではなく、例えば少なくとも第１部位において対応するハブに取り付けられたジャーナルを介して、ハブのカーボンファイバー補強プラスチック積層体による圧入処理により接続される。従って、円筒は少なくとも部分的にハブによって閉じられる。複数のハブは同一の向き、方向で回転要素内に配置される。同一の向きとは、それぞれの第３部位が同一の向きの壁面傾斜を持つことである。これにより、ハブは直接上下に重ねることが可能となる。ハブが垂直方向を向いている場合、円筒形回転要素は垂直方向を向く、即ち、円筒の２開口端を通過する垂直な円筒軸が円筒の中心軸（中心円筒用軸と称する）であるため、全ハブのそれぞれの第１部位は、回転要素内で第２部位の上方、または下方に設けられる。ジャーナルが、回転子用軸受内に取り付け可能な形状である限り、ハブは回転要素内の任意の適切箇所に配置可能となる。回転要素内では、各ハブが、同じ向きで回転要素に接続される。一方、ハブが回転要素に接続される際、回転要素の開口端から引っ張り込まれる場合、該ハブは、同一向きでの取り付けの場合、回転要素の他端用の他ハブよりも大きな断面をもつ必要がある。ある実施形態においてハブは、回転要素内の開口端の部分に配置される。この「部分」とは、回転要素の部分であって、回転要素に沿って開口端から延び、当該位置にて回転要素に第２部位で接続されるジャーナルによりのみハブが回転要素の開口端から突出する部分を指す。回転要素の接続は圧入、接着剤、その他適切な方法によりなされてよい。

ハブの第１部位において、回転子が製造される際、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の軸受に取り付けられるジャーナルが存在する。このジャーナルは、例えばハブに圧入されてもよい。頑丈で、対称的な回転特徴が得られるよう、ジャーナルは金属で形成されてよく、好ましくは隙間のない材料で形成される。好ましくは、ジャーナルの占める体積は小さく、フライホイール・エネルギー貯蔵装置内の回転子はジャーナルを介して回転する。

一実施形態において、回転子内のジャーナルは、ハブおよび回転要素のみを介して互いに接続される。回転要素内で、ハブ間は空であって、連続したシャンクが設けられていない。その結果、円筒用軸にシャンクを適用または設ける必要なく、ハブおよびジャーナルを異なる長さの回転要素に利用可能となる。従って、回転子の構造がさらに簡素化される。

一実施形態において、回転要素内に３つ以上のハブが設けられ、少なくとも２つのハブが同一のジャーナルに接続される。開口端にハブを１つ設け、２つのハブを回転要素の反対側の端のジャーナルを介して互いに接続する構造により、回転要素の２つの端それぞれに１つのみハブが設けられる場合を比較して、回転子の動作はより多様となる。多様な動作は、様々な用途や動作状態や軸受に対して有利である。動作とは回転態様を示し、特に特定の回転数での共振が発生するかしないかに関わるものである。

一実施形態において、回転要素はカーボンファイバー補強プラスチックとマトリックスシステムとから形成されたカーボンファイバー補強プラスチック積層体からなる。このような材料から形成された回転要素は、例えば金属製の回転要素と比較して、軽く、軸受においてより高い回転数を得られる。従って、カーボンファイバー補強プラスチック積層体により形成された回転要素を有する回転子は金属回転子より多量のエネルギーを貯蔵できる。

一実施形態において、ジャーナルは金属製であって、対応するハブとともに圧入される。このようなジャーナルにより、フライホイール・エネルギー貯蔵装置内において再現可能かつ損失が少ない取り付けが可能となる。

本発明はさらに、少なくとも２つの本発明のハブを有する本発明の回転子と、回転子用の駆動源とを有し、回転要素は少なくとも第１ハブを介して、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の第１軸受に第１ジャーナルが設けられ、少なくとも第２ハブを介して、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の第２軸受に第２ジャーナルが設けられた状態で取り付けられ、回転子は、駆動源により第１および／または第２ジャーナルを介して回転可能であることを特徴とするフライホイール・エネルギー貯蔵装置に関する。回転要素でハブが同じ向きであることで、高回転数での回転要素の伸びや、その伸びに準じたハブの変形により軸受内のジャーナルの位置が変化することはない。回転要素の伸びにより変化する第１部位に対する第３部位の角度により、回転軸に沿って第１部位の方向に回転要素の位置が変化する。回転子周囲の収容部が十分に大きければ、静止状態と動作状態間の回転要素の位置移動は大きな問題とはならない。ハブの向きは、回転子の動作によってのみ決まる。適切な軸受を使用すれば、ハブの長さ補償は起きず、その代わりに動作中、回転要素の位置が変化する。好ましい実施形態において、第１および第２軸受は、アクティブ磁気軸受である磁気軸受であって、ジャーナルは回転軸に沿って軸受内に取り付けられることで実質的に固定される。結果として、軸受はより正確かつ低いロスで構成でき、回転子との間のエネルギーのやり取りもより効率的に行える。構成要素、具体的にはハブおよび回転要素の動作は、ハブに圧入され、軸受やモータなどの動力導入要素が取り付けられる金属ジャーナルの構造により決定される。従って、ハブを単に回転要素の各端部に設けることでは、フライホイール・エネルギー貯蔵装置の動作に十分対応できない。様々な動作を利用するには、いわゆるいくつかのハブの、回転要素の少なくとも一方の端部におけるジャーナルに対する複数配置が好ましい。従って、フライホイール・エネルギー貯蔵装置における回転子の動作特徴は、例えば危険回転数が動作範囲に抵触しないようにし、動作に影響を及ぼさないように、適宜変更可能である。危険回転数とは、回転子に振動や共振が起きてしまう速度を指す。

本発明はさらに、ある編角度で交差する、カーボンファイバーにより形成された編組体からなる、少なくとも３つの幾何学的に異なる部位を有するブランク材を製造する工程であって、第１直径を有する第１部位は、製造されるハブの回転軸に対し円筒形状で平行に延在し、第１直径よりも大きい第２直径を有する第２部位は、ハブの回転軸に対し円筒形状で平行に延在し、第１および第２部位は、一定の壁面傾斜を有する、円錐状の第３部位により互いに接続され、編組の直径に応じて繊維角度が変化する工程と、成形型が、製造されるカーボンファイバー補強プラスチック積層体製造に対応する内径となるよう、成形型をブランク材で満たす工程と、好ましくは３０分未満の成形時間で、注入されるマトリックス材として、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂を利用した樹脂トランスファ成形により、カーボンファイバー補強プラスチック積層体を製造する工程と、硬化したカーボンファイバー補強プラスチック積層体をハブとして取り出す工程と、を含む本発明のハブを製造する方法に関する。

ブランク材は、例えば東レ株式会社製Ｔ７００繊維のようなＨＦ繊維をはじめとした高強度カーボンファイバーからなることが望ましい。編組体は従来方法により編まれる。いわゆる編み込み処理（ホース被覆処理）において、ブランク材は径方向、接線方向に必要な繊維を含む。この製造方法により、３つの所定の部位を有する１つ以上の層からなる、安定したサイズのブランク材が得られる。一実施形態において、ブランク材は、カーボンファイバーから形成された前記編組体の、好ましくは３から５層である複数の層からなる。編み込み処理中に、必要な繊維部位や繊維方向が作られる。複数の層は、後述のハブの回転軸に対して０°の繊維層と、回転軸に対し−６０°〜＋６０°の範囲の繊維方向を持つ繊維層からなる。ここで繊維角度（即ち編み角度）は編組の直径に応じて変化する。一定数の編繊維により編組の直径が小さくなると、ハブの回転軸に対する繊維角度も小さくなる。従って、編み込み処理は、完成品としてのハブの動作に求められる繊維分布や繊維方向（繊維角度）が、ハブの全領域で得られるようにする必要がある。ブランク材にはさらにその後ＲＴＭ処理（いわゆる樹脂注入成形法または圧縮形成）が施され、望ましい方向、マトリックス材として適切な樹脂系を持つ、必須のカーボンファイバーからなるカーボンファイバー補強プラスチック積層体としてのハブが得られる。マトリックス材は、ＲＴＭ処理中の成形時間（圧縮時間＋硬化時間＋最充填時間）が好ましくは３０分未満となるよう、可能な限り早く硬化するように選択される。このように成形時間を短くすることで、ハブが費用効果高く製造可能となる。

本発明の上記およびその他態様は以下の図に示される。
図１は、本発明のハブの実施形態を示し、（ａ）は側断面図であり、（ｂ）は上方から見た上面図である。 図２は、（ａ）編組体、（ｂ）カーボンファイバー補強プラスチック積層体の構造の実施形態を示す。 図３は、回転子の第１および第２ジャーナルに取り付けられた３つのハブを有する本発明の回転子の実施形態を示す。 図４は、図３に示す回転子を有する本発明のフライホイール・エネルギー貯蔵装置の実施形態を示す。 図５は、回転要素の位置および直径並びにハブの第３部位の角度の変化を示し、（ａ）は回転要素の静止状態を示し、（ｂ）は動作状態（回転）を示す。

図１は本発明のハブの実施形態を示し、（ａ）は側断面図であり、（ｂ）は上方から見た上面図である。ハブ１は１つのカーボンファイバー補強プラスチック積層体１４で形成され、編み角度ＦＬで交差するカーボンファイバー１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる編組体１５とマトリックス材１６を有する。従って、本発明の積層体１４は、上下に積層されたいくつかの個別の積層体からなる、いわゆるレイアップ（積層、接合）とは異なる。本実施形態において、ハブ１は幾何学的に異なる３つの部位１ａ、１ｂ、１ｃを含む。第１部位１ａは、第１直径Ｄ１と、ハブ１の回転軸Ｒに対し、円筒形に平行な長さＬ１ａを有する。第１部位１ａは、フライホイール・エネルギー貯蔵装置３の軸受３１、３２に装着されるよう外径Ｄ１を有するジャーナル２１、２２を収容するために設けられる。ハブ１の第２部位１ｂは、第１直径Ｄ１より大きい第２直径Ｄ２と、ハブ１の回転軸Ｒに対し、円筒形に平行な長さＬ１ｂを有する。第２部位１ｂは、回転子２の回転要素２３に対する接続のために設けられる。ハブは少なくとも第３部位に壁厚ＤＬを有するため、回転要素の内径はＤ２＋２×ＤＬとする必要がある。第１部位１および第２部位１ｂは、壁面が全体的に傾斜した円錐状の第３部位１ｃを介して互いに接続されている。カーボンファイバー補強プラスチック積層体は、回転要素２３の材料、速度に応じた、フライホイール・エネルギー貯蔵装置３の動作条件に従った回転要素２３の延長に対応するよう、伸展性を有する。図１（ａ）は、ハブ１の最大径部分の側断面図を示す。部位１ａ、１ｂ、１ｃは、周辺部品を有するが、図１（ａ）では見易さのため省略している。図１（ｂ）は頂部に第１部位１ａを有するハブ１を上方から見た上面図を示す。図において、第３部位１ｃの円錐状の外周表面を示す。本実施形態において、ハブ１が静止した状態では、第３部位１ｃは第１または第２部位１ａ、１ｂの表面に対して４５°の角度Ｗを有する。角度Ｗは第３部位１ｃ表面と、第１部位１ａの外向きの（回転軸Ｒから遠ざかる）面法線、または第３部位１ｃ表面と第２部位１ｂの内向きの（回転軸Ｒに向かう）面法線を含む。カーボンファイバー補強プラスチック積層体１４により、ハブ１、特に第２部位１ｂおよび第３部位１ｃにおける適切な伸展性が得られ、回転により縮小する角度Ｗでハブ１が回転する際のフライホイール・エネルギー貯蔵装置３の動作条件に従った回転要素２３の伸びに対応可能となる。本実施形態において、第３部位は凹凸のない一定の４５°の壁面傾斜となっている。

図２は、（ａ）編組体、（ｂ）カーボンファイバー補強プラスチック積層体の構造の実施形態を示す。図２ａは、編組体１５の特徴的要素を示す。編組体１５は少なくとも２繊維１５ａ、１５ｂを絡ませることによって形成されるが、本実施形態では追加で、可撓性材料からなる糸１５ｃも編み込まれている。従って、編組体１５は単一の糸で形成することはできない。単一の糸の結果として得られるものは編要素とはなり得ないのである。編組体１５の層において、繊維１５ａ、１５ｂ（さらに糸１５ｃ）は編角度ＦＬで交差する。従って隣接する繊維１５ａは互い違いに、交差する繊維１５ｂの上下に通される。隣接する繊維１５ａ、１５ｂはそれぞれ互い違いに上下に通される。従って、各編組体層（編組体からなる層）Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は１方向の繊維で形成された層ではなく、少なくとも２方向の繊維１５ａ、１５ｂで形成される。さらに、図２ａに示された編組体１５において、交差するカーボンファイバー１５ａ、１５ｂの数は表面面積単位ごとに基本的には同じである（ここでは６本のカーボンファイバー１５ａと６本のカーボンファイバー１５ｂ）。カーボンファイバー補強プラスチック積層体１１におけるカーボンファイバー１５ａ、１５ｂは面状繊維体であり、カーボンファイバー補強プラスチック積層体１４の表面に対して平行の表面を形成する。従って、本実施形態では、カーボンファイバー１５ａ、１５ｂは約９０°の編角度ＦＬで交差する。編組体はハブ１の回転軸に対して、カーボンファイバー１５ａ、１５ｂの繊維角度ＦＷが、ハブ１の回転軸Ｒに対し−６０°から＋６０°の範囲となるよう配置されることが好ましい。ここで、繊維角度ＦＷは回転軸Ｒに達した繊維と、回転軸Ｒ自体との間の角度である。追加のカーボンファイバー１５ｃは、ハブ１の回転軸Ｒに対して繊維角度ＦＷ０°となるように、いわゆる固定糸１５ｃとして上記面状繊維体に編み込まれる。図２（ｂ）は、カーボンファイバー１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる上述の編組体１５の４層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４（灰色で示す）を有するカーボンファイバー補強プラスチック積層体１４を示す。層の数は好ましくは３から５である。例えば、いくつかの層は、Ｔ７００−１２ｋカーボンファイバー１５ａ、１５ｂに対し、０°の固定糸としてのＴ７００−２４ｋカーボンファイバー１５ｃが編み込まれたものであってよい。編組体１５におけるカーボンファイバーおよび／または固定糸１５ｃとしてＴ８００カーボンファイバーが用いられてよい。その他好適な高強度カーボンファイバーは、いわゆるＨＴまたはＨＭカーボンファイバーを含む。これらカーボンファイバーはそれぞれ異なる厚さであってよい。一実施形態において、カーボンファイバー１５ａ、１５ｂ、１５ｃを覆う、または遮蔽するマトリックス材１６は、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂である。

図３は、本発明に係る回転子２の実施形態を示す。回転子２は、回転子２の第１および第２ジャーナル２１、２２に取り付けられるハブ１１、１２、１３を有する。フライホイール・エネルギー貯蔵装置３の回転子２は、回転要素２３を有する。回転要素２３は、端２３１、２３２が開口した円筒形状を有し、フライホイール・エネルギー貯蔵装置３における回転軸Ｒとして設けられた円筒形状に沿った中心円筒用軸ＺＡを有する。本実施形態において、回転要素２３は、上端２３１が第１ハブ１１を介して第１ジャーナル２１に接続され、下端２３２が第２および第３ハブ１２、１３を介して第２ジャーナル２２に接続される。ここで、ハブ１１、１２、１３は、上記第２部位１ｂを介して回転要素２３に同一方向で接続され、ハブ１１、１２、１３の上記第１部位１ａは上記ジャーナル２１、２２に接続される。この実施形態のハブの配置は、複数配置とも呼ばれ、回転要素２３または回転子２の動作に影響を及ぼす。従って、フライホイール・エネルギー貯蔵装置３内の回転子２の動作特徴は、例えば危険回転数が動作範囲に抵触しないようにし、動作に影響を及ぼさないように、適宜変更可能である。危険回転数とは、回転子２に振動や共振が起きてしまう速度を指す。別の実施形態では、回転要素２３の各端にハブが一つのみ設けられてよい。このような配置は簡易配置と呼ばれる。別の実施形態では、回転要素２３に接続するため、２つ以上のハブ１が各ジャーナル２１、２２に設けられてよい。上記ジャーナル２１、２２に対するハブ１の数は、回転要素２３の形状やサイズ、さらにフライホイール・エネルギー貯蔵装置２の動作中における所望の回転数に応じて決まる。

図３の回転子の断面図から、回転子２内のジャーナル２１、２２がハブ１１、１２、１３および回転要素２３によってのみ互いに接続されていることがわかる。本発明の回転子は中空状である。即ち、第１および第３ハブ１１、１３、第１および第２ジャーナル２１、２２、回転要素２３で形成された空間は空であり、特に本実施形態では回転軸Ｒに沿ったシャンクや軸がその空間に設けられていない。従って、図３に示す本発明の回転子２は連続したシャンクを有さない。例えば、この回転要素２３はカーボンファイバー補強プラスチック製のカーボンファイバー補強プラスチック積層体およびマトリックスシステムを有することで、軽量となる。これら要素を補強するよう、ジャーナル２１、２２は金属製であり、対応するハブ１１、１２、１３とともに圧入される。

図３の回転子２は例えば長さＬＲ１３００ｍｍ、外径３５０ｍｍ、壁厚２０ｍｍを有する。回転子２の重量は４０ｋｇである。ハブ１１、１２、１３の外径は３１０ｍｍである。第１部位の長さＬ１は３０ｍｍであり、第２部位の長さＬ１ｂは５０ｍｍである。第１、第２、第３部位の壁厚は数ミリ以上である。円筒状の第１部位の内径は１００ｍｍである。第３部位１ｃの表面の第１および第２部位１ａ、１ｂの表面に対する角度Ｗは静止状態で４５°となる。積層構造は３から５層Ｌ１、Ｌ２、．．．の編組体１５からなる。編組体１５ではＴ７００−１２ｋ繊維に対し、例えばＴ７００−２４Ｋ繊維が繊維角度ＦＷ０°で補強用に編み込まれる。

図４は、図３記載の回転子２を有する本発明のフライホイール・エネルギー貯蔵装置の実施形態を示す。フライホイール・エネルギー貯蔵装置３は、３つのハブ１１、１２、１３を有する回転子２を有する。斜視図においては、第１ハブ１１（図内黒で示す）のみが視認可能である。フライホイール・エネルギー貯蔵装置３はさらに回転子２用の駆動部３３を有する。回転要素２３は第１ジャーナル２１を保持する第１ハブ１１を介して第１軸受３１内に取り付けられ、第２ジャーナル２２を保持する第２および第３ハブを介してフライホイール・エネルギー貯蔵装置の第２軸受３２内に取り付けられる。回転子２は駆動部３３により、第１および／または第２ジャーナル２１、２２を介して回転可能である。軸受３１、３２は、軸方向軸受、横方向軸受、および危急軸受を含むが、本実施形態においてはアクティブ磁気軸受である。フライホイール・エネルギー貯蔵装置３内の回転子２は垂直に設けられる。即ち、回転軸Ｒとしての円筒用軸ＺＡは垂直に延びる。ここで、回転子２は、上下カバーにより閉じられた容器（不図示）に囲まれている。軸受３１、３２および回転子２周囲の上記閉鎖容器は、回転子が外れたときに、回転子２の周囲を保護し、さらにフライホイール・エネルギー貯蔵装置３内で回転子２が可能な限り損失が小さく動作できるよう真空状態を作るために用いられる。この閉鎖容器は、ベースプレートを介して基板に固着される。図３に示す、回転子を有するフライホイール・エネルギー貯蔵装置は、５４，０００ｒｐｍの回転数で、５ｋＷｈの出力を取得、生成することができる。回転要素にハブを収容することで、ジャーナル２１、２２は軸受３１、３２内で実質的に不動の状態で取り付けられ、動作中では、回転要素２３はジャーナル２１、２２と独立して回転軸Ｒに沿って、回転数に基づく伸びに応じて上方（回転数増）または下方（回転数減）に移動する。フライホイール・エネルギー貯蔵装置の駆動部は当業者に知られている。本発明の範囲内で、当業者は本発明のフライホイール・エネルギー貯蔵装置に合わせた駆動部を選択する。ジャーナルとの間で駆動トルクを受け渡すための構成要素も同様である。ジャーナルに駆動トルクが送られるよう、当該ジャーナルは軸受内の永久磁石モータ／磁石発電機に磁界を介して接続された少なくとも１つの永久磁石を有する。このモータ／発電機の出力は、例えば１０ｋＷから１００ｋＷである。

回転要素の位置、直径の変化や、ハブの第３部位の角度の変化を図５に示す。（ａ）は回転要素が静止した状態を示し、（ｂ）は動作中の状態を示す。カーボンファイバー補強プラスチック積層体の材料特性（編組体、繊維角度、角度、層数、マトリックスシステム、カーボンファイバーの選択）、ハブ１１、１２、１３の幾何学的形状を適切に選択することで、図５（ａ）と図５（ｂ）の比較からわかるように、超高回転数での回転要素の伸びに正確に対応可能な径方向伸展性がハブ１１、１２、１３に与えられる。図５（ａ）に示すように、静止状態でハブ１１、１２、１３の壁面傾斜は角度Ｗ４５°となり、回転要素は静止直径ＤＲとなる。ハブ１１、１２、１３は特に第３部位１ｃで顕著である伸展性により、高回転数動作による回転要素２３の伸び（図５（ｂ）参照）および回転要素２３の拡径ＤＲＢ（静止中直径ＤＲよりも大）に対応可能となる。ここで、高回転数動作中の壁面傾斜、およびそれに対応する第３部位の表面の第１および第２部位の表面に対する角度ＷＢは、静止中の壁面傾斜の角度Ｗよりも小さい。従って、第２部位の内径は、静止中内径Ｄ２から回転子２の動作中の直径Ｄ２Ｂに増加する。このような伸びは、回転数に応じて、例えば１ｍｍから２ｍｍとなる。従って、回転要素２３とハブ１１，１２，１３との間に、高回転数においてハブ１１，１２，１３を損傷させたり、回転要素２３を屈曲させたりハブ１１，１２，１３からはずしてしまうような危機的な引張応力がかかることが防止される。ハブ１１、１２、１３の第１部位の直径Ｄ１は、これら第１部位１ａがジャーナル２１、２２に対して強く押し付けられているため、回転子２の動作中は変化しない。回転子２の動作中の低減した角度ＷＢにより、回転要素２３の位置が動作中に、回転数に応じて１ｍｍから２ｍｍの長さＢＲだけ上昇する。これに対し、第１および第２ジャーナル２１、２２の位置ＰＺ１、ＰＺ２は、回転子が静止中、回転中に関わらず変化しない。その結果、ジャーナルの軸受３１、３２はより正確に調整および操作可能となる。動作中のジャーナル２１、２２の正確な位置づけにより、特に適切なアクティブ磁気軸受を使用可能となる。

ここに示した実施形態はあくまで本発明の例であって、限定的に解釈されるべきではない。当業者により想到された別の実施形態も同様に本発明の保護対象の範囲に含まれる。

１ ハブ
１１ 第１ハブ
１２ 第２ハブ
１３ 第３ハブ
１ａ ハブの第１部位
１ｂ ハブの第２部位
１ｃ ハブの第３部位
１４ カーボンファイバー補強プラスチック積層体
１５ 編組体
１６ マトリックス材
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ カーボンファイバー
２ 回転子
２１ 第１ジャーナル
２２ 第２ジャーナル
２３ 回転要素
２３１、２３２ 回転要素の開口端
３ フライホイール・エネルギー貯蔵装置
３１ フライホイール・エネルギー貯蔵装置の第１軸受
３２ フライホイール・エネルギー貯蔵装置の第２軸受
３３ 回転子用駆動源
ＢＲ 回転軸に沿った回転要素の移動（動作中）
Ｄ１ 第１直径
Ｄ２ 第２直径（静止中）
Ｄ２Ｂ 第２直径（動作中）
ＤＬ 積層体厚さ
ＤＲ 回転要素の直径（静止中）
ＤＲＢ 回転要素の直径（動作中）
ＦＬ 編角度
ＦＷ 繊維角度
Ｌ１ａ ハブの第１部位の回転軸に沿った長さ
Ｌ１ｂ ハブの第２部位の回転軸に沿った長さ
ＬＲ 回転子の長さ
ＰＺ１、ＰＺ２ 第１および第２ジャーナルの位置
Ｒ ハブ／回転子／回転要素の回転軸
Ｗ 第１および第２部位の表面に対する第３部位の表面の角度（静止状態）
ＷＢ 第１および第２部位の表面に対する第３部位の表面の角度（動作状態）
ＺＡ 円筒用軸

Claims (16)

1. フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）用の回転子（２）のハブ（１）であって、
   前記ハブ（１）は、所定の編角度（ＦＬ）で交差するカーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）により形成された編組体（１５）と、マトリックス材（１６）と、からなるカーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）により、一体的に形成され、少なくとも３つの幾何学的に異なる部位（１ａ、１ｂ、１ｃ）を有するものであって、
   第一の部位（１ａ）は、第１直径（Ｄ１）を有し、前記ハブ（１）の回転軸（Ｒ）と平行であって、円筒形状に延出された前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の軸受（３１、３２）に取り付けられるジャーナル（２１、２２）を収容し、
   第２の部位（１ｂ）は、前記第１直径（Ｄ１）よりも大きい第２直径（Ｄ２）を有し、前記ハブ（１）の回転軸（Ｒ）と平行であって、円筒形状に延出された前記回転子（２）の回転要素（２３）の接続に用いられるものであり、
   前記第の１部位（１ａ）および第２の部位（１ｂ）は、一定の壁面傾斜を有する、円錐状の前記第３の部位（１ｃ）により互いに接続されるものであり、
   前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体は、前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の運転条件下の前記回転要素（２３）の伸びに対応する伸展性を有するものであることを特徴とするハブ（１）。
2. 前記ハブ（１）の静止状態において、前記第３の部位（１ｃ）は、前記第１または第２の部位（１ａ、１ｂ）の表面に対し４０°から５０°の角度（Ｗ）を有するように配置され、
   前記角度（Ｗ）は好ましくは４５°±２°であることを特徴とする請求項１に記載のハブ（１）。
3. 前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）は、特に前記第２および第３の部位（１ｃ）で顕著な、適切な伸展性を有することで、前記ハブ（１）の回転中に、前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の運転条件下の前記回転要素（２３）の伸びに、回転に従い縮小する角度（Ｗ）で対応可能となることを特徴とする請求項２に記載のハブ（１）。
4. 前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）のカーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）は、前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）の表面に対し平行な面を有する面状繊維体であり、
   前記カーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）は前記回転軸（Ｒ）に対し−６０°から＋６０°の範囲内の繊維角度（ＦＷ）で配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のハブ（１）。
5. 前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）は、カーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）から形成された編組体（１５）の、好ましくは３から５層である複数の層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のハブ（１）。
6. 少なくとも数層が、固定糸（１５ｃ）の形態をとる高強度カーボンファイバー（１５ｃ）により補強された高強度カーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）からなり、
   前記固定糸（１５ｃ）は、好ましくは回転軸に対して０°の繊維角度（ＦＷ）で配置されることを特徴とする請求項５に記載のハブ（１）。
7. 前記マトリックス材（１６）はエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のハブ（１）。
8. フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）用の回転子（２）であって、
   前記回転子（２）は、開口端（２３１、２３２）を有する円筒形状を有する回転要素（２３）と、前記円筒形状に沿った中心円筒用軸（ＺＡ）とを有し、
   前記回転要素（２３）の前記円筒用軸（ＺＡ）は前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の回転軸（Ｒ）であり、
   前記回転子（２）は、少なくとも前記請求項１に記載の前記第１および第２のハブ（１、１１、１２）を有し、
   同一方向に揃えた前記第１および第２のハブ（１、１１、１２）は前記第２の部位（１ｂ）を介して前記回転要素（２３）に接続され、
   前記第１および第２のハブ（１、１１、１２）の各第１の部位（１ａ）は、前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の第１および第２軸受（３１、３２）に、前記回転要素（２３）を取り付けるための前記ジャーナル（２１、２２）の１つに接続されることを特徴とする回転子（２）。
9. 前記回転子（２）内の前記ジャーナル（２１、２２）は、前記ハブ（１、１１、１２、１３）および前記回転要素（２３）のみを介して互いに接続されることを特徴とする請求項８に記載の回転子（２）。
10. 前記回転要素（２３）内に３つ以上のハブ（１１、１２、１３）が設けられ、少なくとも２つのハブ（１２，１３）が同一のジャーナル（２２）に接続されることを特徴とする請求項８または９に記載の回転子（２）。
11. 前記回転要素（２３）はカーボンファイバー補強プラスチックとマトリックスシステムとから形成されたカーボンファイバー補強プラスチック積層体からなることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の回転子（２）。
12. 前記ジャーナル（２１、２２）は金属製であって、前記対応するハブ（１、１１、１２、１３）に圧入されることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の回転子（２）。
13. 少なくとも２つの請求項１に記載の前記ハブ（１、１１、１２）を有する請求項８に記載の前記回転子（２）と、
    該回転子（２）用の駆動源（３３）とを有し、
    前記回転要素（２３）は少なくとも前記第１のハブ（１１）を介して、前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の第１の軸受（３１）に前記第１のジャーナル（２１）が設けられ、少なくとも前記第２のハブ（１２）を介して、前記フライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）の第２の軸受（３２）に前記第２のジャーナル（２２）が設けられた状態で取り付けられ、
    前記回転子（２）は、前記駆動源（３３）により前記第１および／または第２のジャーナル（２１、２２）を介して回転可能であることを特徴とするフライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）。
14. 前記第１および第２の軸受（３１、３２）は、好ましくはアクティブ磁気軸受である磁気軸受であって、
    前記ジャーナル（２１、２２）は前記回転軸（Ｒ）に沿って前記軸受（３１、３２）内に取り付けられることで実質的に固定されることを特徴とする請求項１２に記載のフライホイール・エネルギー貯蔵装置（３）。
15. 編角度（ＦＬ）で交差する、カーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）により形成された編組体（１５）からなる、少なくとも３つの幾何学的に異なる部位（１ａ、１ｂ、１ｃ）を有するブランク材を製造する工程であって、
    第１直径（Ｄ１）を有する前記第１部位（１ａ）は、製造されるハブ（１）の回転軸（Ｒ）に対し円筒形状で平行に延在し、
    前記第１直径（Ｄ１）よりも大きい第２直径（Ｄ２）を有する前記第２部位（１ｂ）は、前記ハブ（１）の前記回転軸（Ｒ）に対し円筒形状で平行に延在し、
    前記第１および第２部位（１ａ、１ｂ）は、一定の壁面傾斜を有する、円錐状の前記第３部位（１ｃ）により互いに接続され、
    編組の直径に応じて繊維角度（ＦＷ）が変化する工程と、
    成形型が、製造されるカーボンファイバー補強プラスチック積層体に対応する内径となるよう、前記成形型を前記ブランク材で満たす工程と、
    好ましくは３０分未満の成形時間で、注入されるマトリックス材（１６）として、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂を利用した樹脂トランスファ成形により、前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）を製造する工程と、
    硬化した前記カーボンファイバー補強プラスチック積層体（１４）を前記ハブ（１）として取り出す工程と、
    を含む請求項１に記載のハブ（１）を製造する方法。
16. 前記ブランク材は、前記カーボンファイバー（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）から形成された前記編組体（１５）の、好ましくは３から５層である複数の層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）からなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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