JP2016050626A - Flywheel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フライホイールバッテリー装置等に搭載され、回転して慣性エネルギーを蓄えるためのフライホイールに関する。 The present invention relates to a flywheel that is mounted on a flywheel battery device or the like and rotates to store inertial energy.
従来から、電気エネルギーをフライホイールの回転慣性エネルギーに変換し、貯蔵するフライホイールバッテリー装置が知られている。
フライホイールの高速回転時に生じる遠心力に耐用できるように、フライホイールの材質として、比強度(材料強度を密度で割った値)の高い材料が求められる、また、高い重量エネルギー密度を実現するためには、フライホイールのうちエネルギーに対する寄与度の小さい部分を除去することが望ましい。
2. Description of the Related Art Conventionally, flywheel battery devices that convert electric energy into rotational inertial energy of a flywheel and store it are known.
In order to withstand the centrifugal force generated during high-speed rotation of the flywheel, a material with a high specific strength (a value obtained by dividing the material strength by the density) is required as the material of the flywheel, and in order to achieve a high weight energy density Therefore, it is desirable to remove a portion of the flywheel that has a small contribution to energy.
そのため、従来から、中空円筒体をなし、かつ炭素繊維強化プラスチック(carbon-fiber-reinforced plastic:CFRP)等の繊維強化プラスチックを用いて形成されたフライホイールが提案されている(下記特許文献1参照)。特許文献1に記載のフライホイールは、フライホイールは一体部材として構成されており、また、繊維強化プラスチックの補強繊維が周方向(すなわち、フライホイールの回転方向)に配向している。 Therefore, conventionally, a flywheel that has a hollow cylindrical body and is formed using a fiber-reinforced plastic such as carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) has been proposed (see Patent Document 1 below). ). In the flywheel described in Patent Literature 1, the flywheel is configured as an integral member, and the reinforcing fibers of the fiber-reinforced plastic are oriented in the circumferential direction (that is, the rotational direction of the flywheel).
フライホイールバッテリー装置の重量エネルギー密度は、フライホイールの最外周速度に依存している。そのため、フライホイールのエネルギー密度を高めるためには、フライホイールを可能な限り高速で回転させることが望ましい。
しかしながら、フライホイールの回転速度を大きくすると、フライホイールの回転による遠心力を受けてフライホイールが外周側に膨張し、これに伴って、フライホイールの内部に大きな歪が発生するおそれがある。その結果、フライホイールの内部に大きな応力が発生するおそれがある。
The weight energy density of the flywheel battery device depends on the outermost peripheral speed of the flywheel. Therefore, in order to increase the energy density of the flywheel, it is desirable to rotate the flywheel as fast as possible.
However, when the rotational speed of the flywheel is increased, the flywheel expands to the outer peripheral side due to the centrifugal force generated by the rotation of the flywheel, and accordingly, a large distortion may occur inside the flywheel. As a result, a large stress may be generated inside the flywheel.
本願発明者らは、フライホイールのより一層の高速化(たとえば、フライホイールの最外周速度を、現状の約800(m/sec)から1500(m/sec)以上に高速化)を検討している。しかし、特許文献1に示すような中空円筒体の一体部材からなるフライホイールを、このような高速で回転させると、フライホイール内に発生する応力の大きさが材料強度を超過してしまい、実際には、このような高速化を実現できない、という問題がある。したがって、本願発明者らは、フライホイールの構造を工夫することにより、フライホイールの回転時に内部に発生する応力の低減を図ることを検討している。 The inventors of the present application have studied to further increase the speed of the flywheel (for example, to increase the outermost peripheral speed of the flywheel from about 800 (m / sec) to 1500 (m / sec) or more). Yes. However, when a flywheel made of an integral member of a hollow cylindrical body as shown in Patent Document 1 is rotated at such a high speed, the magnitude of the stress generated in the flywheel exceeds the material strength. However, there is a problem that such high speed cannot be realized. Therefore, the inventors of the present application are considering devising the structure of the flywheel to reduce the stress generated inside during the rotation of the flywheel.
そこで、本発明の目的は、フライホイールの回転時に内部に発生する応力の低減を図ることができ、これにより、より高速な回転を実現可能なフライホイールを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a flywheel capable of reducing the stress generated inside during the rotation of the flywheel, thereby realizing a higher speed rotation.
前記目的を達成するための請求項1に記載の発明は、所定の回転軸線(2)を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるためのフライホイール(1;31;41)であって、大径部(5;45)と、前記大径部から前記回転軸線の軸方向(z)に突出する、前記大径部よりも小径の小径部(6;46,47)とを有する第1のリング部材(3;23;33;43)と、前記小径部に外嵌された第2のリング部材(4;44)とを含み、前記第1のリング部材の周方向(θ)の剛性は、前記第2のリング部材の周方向(θ)の剛性よりも、低く設定されている、フライホイールを提供する。 The invention according to claim 1 for achieving the above object is a flywheel (1; 31; 41) for storing inertia energy by rotating about a predetermined rotation axis (2). A first ring having a portion (5; 45) and a small-diameter portion (6; 46, 47) having a smaller diameter than the large-diameter portion protruding from the large-diameter portion in the axial direction (z) of the rotation axis A member (3; 23; 33; 43) and a second ring member (4; 44) externally fitted to the small-diameter portion, and the rigidity in the circumferential direction (θ) of the first ring member is Provided is a flywheel that is set lower than the rigidity in the circumferential direction (θ) of the second ring member.
請求項2に記載の発明は、前記第1のリング部材は、周方向(θ)に垂直な分割面(7A;27A)によって周方向(θ)に分割された複数の分割体(7;27)により構成されており、前記複数の分割体は、前記第2のリング部材によって束ねられている、請求項1に記載のフライホイールである。
請求項3に記載の発明は、前記第1のリング部材は、繊維強化プラスチックを用いて形成されており、当該繊維強化プラスチックの強化繊維の配向方向は、当該第1のリング部材の径方向(r)である、請求項1または2に記載のフライホイールである。
According to a second aspect of the present invention, the first ring member has a plurality of divided bodies (7; 27) divided in the circumferential direction (θ) by a dividing surface (7A; 27A) perpendicular to the circumferential direction (θ). 2), and the plurality of divided bodies are the flywheel according to claim 1, which are bundled by the second ring member.
According to a third aspect of the present invention, the first ring member is formed using fiber reinforced plastic, and the orientation direction of the reinforced fiber of the fiber reinforced plastic is the radial direction of the first ring member ( The flywheel according to
請求項4に記載の発明は、前記第2のリング部材は、繊維強化プラスチックを用いて形成されており、当該繊維強化プラスチックの繊維の配向方向は、当該第2のリング部材の周方向(θ)である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のフライホイールである。
なお、以下の説明において、「応力の周方向成分」を「周方向の応力」と言い、「応力の径方向成分」を「径方向の応力」と言う。
According to a fourth aspect of the present invention, the second ring member is formed using fiber reinforced plastic, and the fiber orientation direction of the fiber reinforced plastic is the circumferential direction of the second ring member (θ It is a flywheel as described in any one of Claims 1-3 which are these.
In the following description, “the circumferential component of stress” is referred to as “circumferential stress”, and “stress radial component” is referred to as “radial stress”.
また、前記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。 In the above description, numbers in parentheses represent reference numerals of corresponding components in the embodiments described later, but the scope of the claims is not limited by these reference numerals.
請求項1の構成によれば、フライホイールを、第1のリング部材と第2のリング部材とを組み立てた組立品により構成している。
フライホイールを構成する第1のリング部材の周方向の剛性が低い。そのため、フライホイールの回転時に内部に発生する周方向の応力の低減を図ることができる。半面、第1のリング部材の周方向の剛性を低下させることにより、第1のリング部材の周方向の剛性が高い場合と比較して、フライホイールの回転時に、フライホイールの回転による遠心力の影響を受け易く、それゆえ、径方向の外方に大きく膨張するおそれがある。フライホイールの膨張量が大きいと、フライホイールの内部の歪が大きくなり、回転状態にあるフライホイールの内部に発生する周方向および径方向の応力が増大するおそれがある。
According to the structure of Claim 1, the flywheel is comprised by the assembly which assembled the 1st ring member and the 2nd ring member.
The circumferential rigidity of the first ring member constituting the flywheel is low. Therefore, it is possible to reduce the circumferential stress generated inside the flywheel during rotation. On the other hand, by reducing the rigidity in the circumferential direction of the first ring member, the centrifugal force caused by the rotation of the flywheel can be reduced during rotation of the flywheel as compared with the case where the rigidity in the circumferential direction of the first ring member is high. It is susceptible to damage and may therefore swell significantly radially outward. When the amount of expansion of the flywheel is large, the distortion inside the flywheel increases, and there is a risk that circumferential and radial stresses generated inside the flywheel in a rotating state will increase.
請求項1では、第1のリング部材の小径部に、第1のリング部材よりも周方向の剛性が高い第2のリング部材が外嵌されている。これにより、第1のリング部材の径方向の外方への膨張を抑制でき、その結果、フライホイール1の回転時に内部に発生する周方向および径方向の応力の低減を図ることができる。また、第2のリング部材を小径部に外嵌することにより、第1のリング部材の周方向の剛性を低く設ける場合であっても、フライホイール全体の周方向の剛性を高めることができる。 In Claim 1, the 2nd ring member with higher rigidity of the circumferential direction than the 1st ring member is externally fitted by the small diameter part of the 1st ring member. Thereby, the expansion | swelling to the outward of the radial direction of a 1st ring member can be suppressed, As a result, reduction of the stress of the circumferential direction and radial direction which generate | occur | produce inside when the flywheel 1 rotates can be aimed at. Moreover, even if it is a case where the rigidity of the circumferential direction of a 1st ring member is provided low by externally fitting a 2nd ring member to a small diameter part, the rigidity of the circumferential direction of the whole flywheel can be improved.
さらに、小径部に外嵌する第2のリング部材が大径部よりも小径であるので、フライホイールの回転時に第2のリング部材に作用する遠心力を抑制できる。これにより、第2のリング部材の膨張を抑制でき、その結果、第2のリング部材に起因して、フライホイールの内部に発生する周方向の応力が増大するのを防止できる。
以上により、フライホイールの回転時に内部に発生する応力の低減を図ることができ、これにより、より高速な回転を実現可能なフライホイールを提供できる。
Furthermore, since the second ring member fitted around the small diameter portion has a smaller diameter than the large diameter portion, the centrifugal force acting on the second ring member during rotation of the flywheel can be suppressed. Thereby, expansion of the 2nd ring member can be controlled, and as a result, it can prevent that the stress of the peripheral direction generated in the inside of a flywheel resulting from the 2nd ring member increases.
As described above, it is possible to reduce the stress generated inside during the rotation of the flywheel, and thus it is possible to provide a flywheel capable of realizing higher-speed rotation.
請求項2の構成によれば、第1のリング部材が、複数の分割体によって構成されている。第1のリング部材を周方向に分割することにより、第1のリング部材全体の周方向の剛性の低減をより一層図ることができる。これにより、周方向の剛性が低減された第1のリング部材を、比較的簡単な構成で実現できる。
また、複数の分割体が、第2のリング部材によって束ねられている。そのため、第1のリング部材を構成する複数の分割体が互いに離散するのを防止できる。
According to the structure of
Moreover, the some division body is bundled by the 2nd ring member. Therefore, it can prevent that the several division body which comprises a 1st ring member disperses mutually.
請求項3の構成によれば、第1のリング部材の強化繊維の配向方向がフライホイールの径方向であるので、第1のリング部材は、径方向の剛性および強度は高いが、周方向の剛性および強度は低い。したがって、第1のリング部材の周方向の剛性の低減を図ることができる。これにより、周方向の剛性が低減された第1のリング部材を、比較的簡単な構成で実現できる。 According to the configuration of the third aspect, since the orientation direction of the reinforcing fibers of the first ring member is the radial direction of the flywheel, the first ring member has high radial rigidity and strength, but the circumferential direction Stiffness and strength are low. Accordingly, the circumferential rigidity of the first ring member can be reduced. As a result, the first ring member with reduced circumferential rigidity can be realized with a relatively simple configuration.
請求項4の構成によれば、第2のリング部材の強化繊維の配向方向がフライホイールの周方向であるので、第2のリング部材の周方向の剛性および強度が高い。そのため、フライホイールの高速回転時に、フライホイールの高速回転時における第1のリング部材の膨張を、効果的に抑制できる。
According to the structure of
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るフライホイール1の構成を示す分解斜視図である。図2は、フライホイール1の断面図である。図3は、フライホイール1に含まれる分割体7の構成を示す斜視図である。図4は、分割体7に含まれる炭素繊維プリプレグ8の構成を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a flywheel 1 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the flywheel 1. FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of the divided
フライホイール1は、中空の略円盤状をなしており、フライホイールバッテリー装置(図示しない)に搭載されている。フライホイールバッテリー装置において、フライホイール1は、水平姿勢で、たとえば鉛直な回転軸線2まわりに回転可能に設けられている。フライホイール1の中空部分には、回転軸線2に沿って延びる回転軸(図示しない)や、電装部品等の部品が収容されている。フライホイール1の中空部分に部品が収容されているので、フライホイールバッテリー装置のコンパクト化が図られている。
The flywheel 1 has a substantially hollow disk shape and is mounted on a flywheel battery device (not shown). In the flywheel battery device, the flywheel 1 is provided in a horizontal posture so as to be rotatable around, for example, a
以降の説明において、回転軸線2の軸方向を、軸方向zとする。また、フライホイール1の径方向を、径方向rとする。径方向rは、フライホイール1の回転半径方向と一致する。さらに、フライホイール1の周方向を、周方向θとする。周方向θは、フライホイール1の、回転軸線2まわりの回転方向と一致する。
フライホイール1は、1つのホイールリング(第1のリング部材)3と、ホイールリング3とは別体の2つのバンド(第2のリング部材)4との組立品により構成されている。ホイールリング3は、回転軸線2に対し垂直な姿勢(水平姿勢)に保持された円盤状の大径部5と、大径部5の両主面(上下面)のそれぞれに一体に設けられた合計2つの円筒状の小径部6とを含む。大径部5の外径は、たとえば約600(mm)に設定されており、小径部6の外径(たとえば約240(mm))の約2.5倍の大きさに設定されている。大径部5および2つの小径部6は同軸を有し、かつ互いに同一の内径(たとえば約150(mm))を有している。各小径部6には、バンド4が1つずつ外嵌される。
In the following description, the axial direction of the
The flywheel 1 includes an assembly of one wheel ring (first ring member) 3 and two bands (second ring members) 4 that are separate from the wheel ring 3. The wheel ring 3 is provided integrally with each of the disk-shaped large-
ホイールリング3は、繊維強化プラスチックの一例であるCFRPを用いて形成されている。ホイールリング3の炭素繊維の配向方向は、主として径方向rである。すなわち、ホイールリング3の炭素繊維は、軸方向zや周方向θには配向していない。そのため、ホイールリング3は、径方向rに高剛性および高強度を有し、周方向θに低剛性および低強度を有している。 The wheel ring 3 is formed using CFRP which is an example of fiber reinforced plastic. The orientation direction of the carbon fibers of the wheel ring 3 is mainly the radial direction r. That is, the carbon fibers of the wheel ring 3 are not oriented in the axial direction z or the circumferential direction θ. Therefore, the wheel ring 3 has high rigidity and high strength in the radial direction r, and low rigidity and low strength in the circumferential direction θ.
ホイールリング3は、周方向θに複数等分(図1では、たとえば24等分)に分割されている。換言すると、ホイールリング3は、周方向θに垂直な分割面7A(図3参照)によって周方向θに分割され、その結果、複数(図1では、たとえば24つ)の分割体7によって構成されている。ホイールリング3を周方向θに分割することにより、ホイールリング3全体の周方向θの剛性の低減をより一層図ることができる。これにより、周方向θの剛性が低減されたホイールリング3を、比較的簡単な構成で実現できる。
The wheel ring 3 is divided into a plurality of equal parts (for example, 24 equal parts in FIG. 1) in the circumferential direction θ. In other words, the wheel ring 3 is divided in the circumferential direction θ by the dividing
図3および図4に示すように、各分割体7は、プリプレグ法を用いて形成されている。具体的には、分割体7は、炭素繊維プリプレグ8を周方向θに積層することにより形成されている。各炭素繊維プリプレグ8は、炭素繊維にマトリックス樹脂(たとえば、エポキシ樹脂)が含浸されたシート状のものであり、分割体7の径方向rに沿う断面形状に整合する凸状を有している。各炭素繊維プリプレグ8の炭素繊維の配向方向は、図4に示すように、炭素繊維プリプレグ8の長手方向のみである。炭素繊維プリプレグ8を周方向θに一方向積層した後、マトリックス樹脂(たとえば、エポキシ樹脂)で硬化することにより、図3に示す分割体7が得られる。これにより、炭素繊維が径方向rのみに配向するCFRPからなる分割体7を、比較的簡単な構成で得ることができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, each divided
図1に示すように、各バンド4は、円筒状をなしている。バンド4の軸方向zの長さは、小径部6の軸方向zの長さと同等に設定されている。バンド4の内径は、小径部6と略同等に設定されている。
各バンド4は、CFRPを用いて形成されている。バンド4の炭素繊維の配向方向は、主として周方向θである。すなわち、バンド4の炭素繊維は、軸方向zや径方向rにはほとんど配向していない。そのため、バンド4は、周方向θに高剛性および高強度を有し、径方向rに低剛性および低強度を有している。バンド4は、樹脂を含浸させたトウ(多数のフィラメントから構成される長繊維束で撚りのないもの)を、円筒や圧力容器の型に巻きつけた後硬化させる、いわゆるフィラメントワインディング法を用いて形成されている。
As shown in FIG. 1, each
Each
フライホイール1の作成時には、全ての分割体7を周方向θに並べてリング体を形成する。これにより、ホイールリング3の大径部5および2つの小径部6が形成される。その後、2つの小径部6にそれぞれバンド4を外嵌する。この状態において、小径部6の外周面10が、バンド4の内周面9に当接するか、あるいは内周面9と微小間隔を隔てて対向している。
At the time of producing the flywheel 1, all the divided
フライホイールバッテリー装置(図示しない)では、フライホイール1を回転軸線2まわりに極めて高速(たとえば、フライホイール1の最外周速度が1200(m/sec)以上(たとえば約1500(m/sec)))で回転させる。このときのフライホイール1の重量エネルギー密度は、約200(Wh/kg)である。このような高速回転状態では、フライホイール1の回転に伴う遠心力を受けて、ホイールリング3の小径部6が径方向rの外方に膨張し、小径部6の外周面10が、小径部6に外嵌されているバンド4の内周面9に圧接する。そして、ホイールリング3のそれ以上膨張の膨張が、バンド4によって抑制または阻止される。小径部6の外周面10がバンド4の内周面9に圧接されることにより、バンド4が複数の分割体7を束ねるようになる。そのため、ホイールリング3を構成する複数の分割体7が互いに離散するのが防止される。
In a flywheel battery device (not shown), the flywheel 1 is extremely fast around the rotation axis 2 (for example, the outermost peripheral speed of the flywheel 1 is 1200 (m / sec) or more (for example, about 1500 (m / sec))). Rotate with The weight energy density of the flywheel 1 at this time is about 200 (Wh / kg). In such a high-speed rotation state, the small-
以上により、第1の実施形態によれば、フライホイール1を、ホイールリング3とバンド4とを組み立てた組立品により構成している。ホイールリング3は、周方向θの剛性が低く、かつ径方向rの剛性が高い。
フライホイール1を構成するホイールリング3の周方向の剛性が低い。そのため、フライホイール1の回転時に内部に発生する周方向θの応力の低減を図ることができる。半面、ホイールリング3の周方向θの剛性を低下させることにより、ホイールリング3の周方向θの剛性が高い場合と比較して、フライホイール1の回転時に、フライホイール1の回転による遠心力の影響を受け易く、それゆえ、径方向rの外方に大きく膨張するおそれがある。フライホイール1の膨張量が大きいと、フライホイール1の内部の歪が大きくなり、回転状態にあるフライホイール1の内部に発生する周方向θおよび径方向rの応力が増大するおそれがある。
As described above, according to the first embodiment, the flywheel 1 is constituted by an assembly in which the wheel ring 3 and the
The circumferential rigidity of the wheel ring 3 constituting the flywheel 1 is low. Therefore, it is possible to reduce the stress in the circumferential direction θ generated inside the flywheel 1 during rotation. On the other hand, by reducing the rigidity in the circumferential direction θ of the wheel ring 3, the centrifugal force due to the rotation of the flywheel 1 is rotated during the rotation of the flywheel 1 compared to the case where the rigidity in the circumferential direction θ of the wheel ring 3 is high. It is easily affected, and therefore may expand greatly outward in the radial direction r. When the expansion amount of the flywheel 1 is large, the distortion inside the flywheel 1 increases, and there is a risk that stress in the circumferential direction θ and the radial direction r generated inside the flywheel 1 in a rotating state increases.
この実施形態では、ホイールリング3の小径部6に、ホイールリング3よりも周方向θの剛性が高いバンド4が外嵌されている。これにより、ホイールリング3の径方向rの外方への膨張を抑制でき、その結果、回転状態にあるフライホイール1の内部に発生する周方向θおよび径方向rの応力の低減を図ることができる。また、バンド4を小径部6に外嵌することにより、ホイールリング3の周方向θの剛性を低く設ける場合であっても、フライホイール1全体の周方向θの剛性を高めることができる。
In this embodiment, a
さらに、小径部6に外嵌するバンド4が大径部5よりも小径であるので、フライホイール1の回転時にバンド4に作用する遠心力を抑制できる。これにより、バンド4の膨張を抑制でき、その結果、バンド4に起因して、フライホイール1の内部に発生する周方向θの応力が増大するのを防止できる。
また、ホイールリング3が、周方向θに分割された複数の分割体7によって構成されているので、ホイールリング3全体の周方向θの剛性の低減を図ることができる。これにより、ホイールリング3全体の周方向θの剛性の低減を図ることができる。
Furthermore, since the
Moreover, since the wheel ring 3 is comprised by the some
以上により、フライホイール1の回転時に内部に発生する応力の低減を図ることができ、これにより、より高速な回転を実現可能なフライホイール1を提供できる。
また、バンド4の炭素繊維の配向方向が周方向θであるために、バンド4の周方向θの剛性および強度が高いので、フライホイール1の高速回転時におけるホイールリング3の膨張を、バンド4によって効果的に抑制できる。
As described above, it is possible to reduce the stress generated inside when the flywheel 1 rotates, and thus it is possible to provide the flywheel 1 capable of realizing higher speed rotation.
Further, since the orientation direction of the carbon fibers in the
図5は、本発明の第2の実施形態に係るホイールリング(第1のリング部材)23に含まれる分割体27の構成を示す斜視図である。
ホイールリング23は、周方向θに複数等分(たとえば24等分)に分割されている。換言すると、ホイールリング23は、周方向θに垂直な分割面27Aによって周方向θに分割され、その結果、複数(たとえば24つ)の分割体27によって構成されている。
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of the divided
The
第2の実施形態に係る分割体27が、第1の実施形態に係る分割体7(図1等参照)と相違する点は、プリプレグ法により分割体が形成されているのではなく、他の手法を用いて分割体が形成されている点である。
分割体27は、三次元炭素繊維織物より構成されている。具体的には、分割体27は、炭素繊維を収束加工(カバリング加工)し、その糸で製織した炭素繊維織物を複数枚積層し、画像処理縫合方法により面内糸により縫合した後、精練加工することにより得られる。
The difference between the divided
The
三次元炭素繊維織物により形成された分割体27は、分割体7と同様、炭素繊維の配向方向が径方向rになるように設けられている。分割体27は、炭素繊維を収束加工(カバリング加工)し、その糸で製織した炭素繊維織物を複数枚積層し、画像処理縫合方法により面内糸により縫合した後、精練加工することにより得られる。
第2の実施形態によれば、第1の実施形態に関連して記載した作用効果と同等の作用効果を奏する。
Like the divided
According to 2nd Embodiment, there exists an effect equivalent to the effect described in relation to 1st Embodiment.
また、第1および第2の実施形態において、分割体7,27が、リング体を周方向θに24等分した構成を例に挙げたが、等分の数は「24」に限られず、たとえば「2」、「3」、「4」、「6」、「12」等の他の数であってもよい。また、等分するものでなく、リング体を不等分に分割することにより、分割体が形成されてもよい。
図6は、本発明の第3の実施形態に係るフライホイール31の構成を示す分解斜視図である。第3の実施形態において、第1の実施形態と共通する部分には図1の場合と同一の参照符号を付し説明を省略する。
Further, in the first and second embodiments, the divided
FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of the
第3の実施形態に係るフライホイール31が、第1および第2の実施形態に係るフライホイール1と相違する点は、ホイールリング3,23(図1および図5等参照)に代えて、ホイールリング33を備えた点である。ホイールリング33は、複数の分割体により構成されてはおらず、一体部材により構成されている。ホイールリング33も、ホイールリング3,23と同様、炭素繊維の配向方向が径方向rになるように設けられている。ホイールリング33は、ホイールリング23に含まれる分割体27と同様、三次元炭素繊維織物により構成されている。具体的には、ホイールリング33は、炭素繊維を収束加工(カバリング加工)し、その糸で製織した炭素繊維織物を複数枚積層し、画像処理縫合方法により面内糸により縫合した後、精練加工することにより得られる。
The
第3の実施形態によれば、分割体7に関連する作用効果を除き、第1の実施形態に関連して記載した作用効果と同等の作用効果を奏する。
図7は、本発明の第4の実施形態に係るフライホイール41の断面図である。
第4の実施形態に係るフライホイール41が、第1〜第3の実施形態に係るフライホイール1(図1等参照)と相違する点は、複数(この実施形態では、2つ)の大径部を備える点である。
According to 3rd Embodiment, except the effect relevant to the
FIG. 7 is a cross-sectional view of a
The
フライホイール41は、フライホイール1(図1参照)を2つ、軸方向zに並置し互いに接合したものと同等の構成である。具体的には、フライホイール41は、1つのホイールリング(第1のリング部材)43と、ホイールリング43とは別体の3つのバンド(第2のリング部材)44との組立品により構成されている。
ホイールリング43は、軸方向zに所定間隔を隔てて配置された2つの円盤状の大径部45と、2つの大径部45の間に、当該大径部45と一体に設けられた円筒状の第1の小径部46と、上側の大径部45の上側および下側の大径部45の下側に、当該大径部45と一体に設けられた、円筒状の2つの第2の小径部47とを含む。2つの大径部45は、回転軸線2に対し垂直な姿勢(水平姿勢)に保持されており、同一の諸元を有している。2つの第2の小径部46は、同一の諸元を有している。第1および第2の小径部46,47は、互いに同一の外径を有している。各大径部45の外径は、たとえば約600(mm)に設定されており、小径部46,47の外径(約240(mm))の約2.5倍の大きさに設定されている。大径部45および各小径部46,47は同軸を有し、かつ互いに略同一の内径(約150(mm))を有している。なお、図7では、第1の小径部46の軸方向zの寸法は、第2の小径部47の軸方向zの寸法の約2倍に設定されている。
The
The
バンド44は、第1の小径部46に外嵌される中間バンド51と、各第2の小径部47に1つずつ外嵌される合計2つの端部バンド52とを含む。中間バンド51および端部バンド52の軸方向zの長さは、それぞれ、第1および第2の小径部46,47の長さと同等に設定されている。中間バンド51および端部バンド52の内径は、それぞれ、第1および第2の小径部46,47の外径と同等に設定されている。そのため、中間バンド51および端部バンド52をそれぞれ第1および第2の小径部46,47に外嵌した状態では、小径部46,47の外周面が、それぞれ、中間バンド51および端部バンド52の内周面に接するか、あるいはこれら内周面と微小間隔を隔てて対向している。
The
この場合、バンド51,52(中間バンド51および端部バンド52)は、CFRPを用いて形成されている。バンド51,52は、バンド4(図1等参照)と同様、その炭素繊維の配向方向が、主として、周方向θのみであり、そのため、バンド4は、周方向θに高剛性および高強度有し、径方向rに周方向θに低剛性および低強度を有している。バンド51,52は、いわゆるフィラメントワインディング法を用いて形成されているが、このうち中間バンド51は、第1の小径部46の外周面に、樹脂を含浸させたトウを直接巻き付けることにより形成されている。
In this case, the
第4の実施形態によれば、第1の実施形態に関連して記載した作用効果と同等の作用効果を奏する。
次に第1および第2の試験について説明する。
<第1の試験>
第1の試験では、第1の実施形態のフライホイール1を、回転軸線2まわりに高速回転させた場合における、内部に発生する応力を、有限要素法(FEM)による解析にて求めた。第1の試験では、「2」、「3」、「4」、「6」、「12」、「24」に等分分割されたホイールリング3を有するフライホイール1を演算対象とした。また、分割されていないホイールリング(すなわち、ホイールリング33)を有するフライホイール31も演算対象とした。また、第1の試験では、各ホイールリング3,33の内径寸法を150(mm)とし、その外径寸法を500(mm)とし、その軸方向zの寸法を200(mm)とした。各フライホイール1,31の回転速度を60000(rpm)(この場合の最外周速度は、1570(m/sec))に設定した。
According to 4th Embodiment, there exists an effect equivalent to the effect described in relation to 1st Embodiment.
Next, the first and second tests will be described.
<First test>
In the first test, the stress generated inside when the flywheel 1 of the first embodiment was rotated at high speed around the
以上の条件で、ホイールリング3,33内の軸方向zの中央位置における、応力の面内分布を演算により求めた。ホイールリング3,33内の径方向rの応力の面内分布を図8および図9に示し、ホイールリング3,33内の周方向θの応力の面内分布を図10に示す。図8〜図10では、径方向位置の基準(すなわち「零」)を、回転軸線2としている。なお、フライホイール31についての演算結果は、図8〜図10において「分割なし」で表している。
Under the above conditions, the in-plane distribution of stress at the center position in the axial direction z in the wheel rings 3 and 33 was obtained by calculation. The in-plane distribution of stress in the radial direction r in the wheel rings 3 and 33 is shown in FIGS. 8 and 9, and the in-plane distribution of stress in the circumferential direction θ in the wheel rings 3 and 33 is shown in FIG. 8 to 10, the reference for the radial position (that is, “zero”) is the
図8に示す結果からは、ホイールリング3,33の分割数の如何に拘らず、ホイールリング33内に発生する径方向rの応力が、全ての径方向位置において強度上限値を下回っていることがわかる。
一方、図9に示す結果からは、ホイールリング3,33の分割数の増加に従って、ホイールリング3,33内に発生する周方向θの応力が低減していることがわかった。これは、分割数の増大に従って、ホイールリング3,33内に発生する周方向θの応力が低減していることが原因であることが考えられる。とくに、分割数が「12」および「24」である場合に、低い周方向θの応力を実現でき、全ての径方向位置において強度上限値を下回っていることがわかった。なお、バンド4に周方向θの応力が発生するために、分割数を「24」より増大させても、更なる周方向θの応力の低減は図れないものと思料する。
<第2の試験>
第2の試験では、第3の実施形態のフライホイール31を、回転軸線2まわりに高速回転させた場合における、フライホイール31内に発生する応力を、有限要素法(FEM)による解析にて求めた。第1の試験では、ホイールリング33の内径寸法を150(mm)とし、その外径寸法を600(mm)とし、その軸方向zの寸法を200(mm)とした。フライホイール31の回転速度を50000(rpm)(この場合の最外周速度は、約1570(m/sec))に設定した。
From the results shown in FIG. 8, the radial direction stress generated in the wheel ring 33 is less than the upper limit of strength at all radial positions regardless of the number of divisions of the wheel rings 3 and 33. I understand.
On the other hand, the results shown in FIG. 9 indicate that the stress in the circumferential direction θ generated in the wheel rings 3 and 33 is reduced as the number of divisions of the wheel rings 3 and 33 is increased. It is considered that this is because the stress in the circumferential direction θ generated in the wheel rings 3 and 33 is reduced as the number of divisions is increased. In particular, it was found that when the number of divisions was “12” and “24”, a low stress in the circumferential direction θ could be realized, and the strength was lower than the upper limit at all radial positions. It should be noted that since stress in the circumferential direction θ is generated in the
<Second test>
In the second test, the stress generated in the
以上の条件で、ホイールリング33内の軸方向zの中央位置の、応力の面内分布を演算により求めた。ホイールリング33内の径方向rの応力の面内分布を図11に示し、ホイールリング33内の周方向θの応力の面内分布を図12に示す。図11および図12では、径方向位置の基準(すなわち「零」)を、回転軸線2としている。
図11に示す結果からは、ホイールリング33の分割数の如何に拘らず、ホイールリング33内に発生する径方向rの応力が、全ての径方向位置において強度上限値を下回っていることがわかる。
Under the above conditions, the in-plane distribution of stress at the center position in the axial direction z in the wheel ring 33 was obtained by calculation. The in-plane distribution of stress in the radial direction r in the wheel ring 33 is shown in FIG. 11, and the in-plane distribution of stress in the circumferential direction θ in the wheel ring 33 is shown in FIG. In FIG. 11 and FIG. 12, the reference for the radial position (that is, “zero”) is the
From the results shown in FIG. 11, it is understood that the stress in the radial direction r generated in the wheel ring 33 is lower than the upper limit of strength at all radial positions regardless of the number of divisions of the wheel ring 33. .
一方、図12に示す結果からは、低い周方向θの応力を実現できるものの、径方向位置によっては、周方向θの応力の値が高くなる箇所があることもわかった。
以上、この発明の4つの実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、第4の実施形態において、2つの大径部45を備える構成を例に挙げて説明したが、大径部45を3個以上備える構成であってもよい。
On the other hand, from the results shown in FIG. 12, it was found that although the stress in the circumferential direction θ can be realized, there are places where the value of the stress in the circumferential direction θ increases depending on the radial position.
As mentioned above, although four embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, in the fourth embodiment, the configuration including two large-
また、繊維強化プラスチックとして、CFRPが好適である。しかし、炭素繊維以外の繊維、たとえばガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維等を強化繊維として含む繊維強化プラスチックを、本願のホイールリング3,23,33,43および/またはバンド4,44の母材として用いてもよい。
繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂として、エポキシ樹脂を例に挙げたが、その他、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、アクリル樹脂等を、マトリックス樹脂として用いることができる。
Moreover, CFRP is suitable as the fiber reinforced plastic. However, fiber reinforced plastics containing fibers other than carbon fibers, such as glass fibers, boron fibers, and aramid fibers, as reinforcing fibers are used as the base material for the wheel rings 3, 23, 33, 43 and / or the
As the matrix resin for fiber reinforced plastics, epoxy resin was used as an example, but in addition, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, epoxy resin, phenol resin, polyamide resin, polyimide resin, furan resin, maleimide resin, acrylic resin, etc. It can be used as a matrix resin.
その他、特許請求の範囲内で種々の変更を加えることが可能である。 In addition, various modifications can be made within the scope of the claims.
1…フライホイール、2…回転軸線、3…ホイールリング(第1のリング部材)、4…バンド(第2のリング部材)、5…大径部、6…小径部、7…分割体、23…ホイールリング(第1のリング部材)、27…分割体、31…フライホイール、33…ホイールリング(第1のリング部材)、41…フライホイール、43…ホイールリング(第1のリング部材)、44…バンド(第2のリング部材)、45…大径部、46…第1の小径部(小径部)、47…第2の小径部(小径部)、r…径方向、z…軸方向、θ…周方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flywheel, 2 ... Rotation axis, 3 ... Wheel ring (1st ring member), 4 ... Band (2nd ring member), 5 ... Large diameter part, 6 ... Small diameter part, 7 ... Divided body, 23 ... wheel ring (first ring member), 27 ... divided body, 31 ... flywheel, 33 ... wheel ring (first ring member), 41 ... flywheel, 43 ... wheel ring (first ring member), 44 ... band (second ring member), 45 ... large diameter part, 46 ... first small diameter part (small diameter part), 47 ... second small diameter part (small diameter part), r ... radial direction, z ... axial direction , Θ ... Circumferential direction
Claims (4)
大径部と、前記大径部から前記回転軸線の軸方向に突出する、前記大径部よりも小径の小径部とを有する第1のリング部材と、
前記小径部に外嵌された第2のリング部材とを含み、
前記第1のリング部材の周方向の剛性は、前記第2のリング部材の周方向の剛性よりも、低く設定されている、フライホイール。 A flywheel for storing inertia energy by rotating about a predetermined rotation axis,
A first ring member having a large-diameter portion and a small-diameter portion projecting in the axial direction of the rotation axis from the large-diameter portion and having a smaller diameter than the large-diameter portion;
A second ring member externally fitted to the small diameter portion,
A flywheel in which a circumferential rigidity of the first ring member is set to be lower than a circumferential rigidity of the second ring member.
少なくともフライホイールの回転時において、前記複数の分割体は、前記第2のリング部材によって束ねられる、請求項1に記載のフライホイール。 The first ring member is configured by a plurality of divided bodies divided in the circumferential direction by a dividing surface perpendicular to the circumferential direction,
The flywheel according to claim 1, wherein the plurality of divided bodies are bundled by the second ring member at least during rotation of the flywheel.
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