JP2016526872A - 運動エネルギー貯蔵システムを生成するための方法 - Google Patents

Abstract

フライホイールエネルギー貯蔵システムは、単価当たりの貯蔵されるエネルギーの極めて高い比率を達成するための設計及び加工に様々な実施形態を組み込む。本システムは、真空エンベロープ内で回転する高強度鋼ロータを使用する。本ロータは、様々な低費用の急冷及び焼き戻し合金鋼を使用してその断面全体にわたって高い降伏強度を確実にする形状を有する。低費用はまた、インテグラルシャフトと一体成形した前記ロータを鍛造することによっても達成される。高エネルギー密度は、事前の調整処理を介した適切な安全マージンによって達成される。本軸受及び懸架システムは、ロータを除荷する電磁石を利用して、数年間の動作寿命にわたって低費用の従来の転がり接触軸受の使用を可能にする。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年７月８日出願の米国仮特許出願第６１／８４３，６８３号への優先権を主張するものであり、そのすべての内容は、あらゆる目的において参照することにより本明細書に組み込まれる。

開示の背景
以下の説明は、読者の理解を支援するために提供される。提供される情報のいずれも、先行技術であるとは認められない。

本開示は、全体として、運動エネルギー貯蔵の分野に関する。より具体的には、費用が非常に重要であり、場合によっては重量よりも重要である場合の、固定用途のためのフライホイールエネルギー貯蔵に関する。これらの用途には、他の用途よりも特に、再生可能エネルギー発生源の、周波数調整、使用時間、無停電電源（ＵＰＳ）、需要応答、及び平滑化が挙げられる。

フライホイールは、数百年間、エネルギー貯蔵装置として、または平滑機構もしくは電力のために使用されている。近年、複合材料のような高い強度対重量（比強度）の材料の可用性により、フライホイールエネルギー貯蔵の分野において著しい発展がある。フライホイール材料の単位質量当たりの貯蔵される運動エネルギーは、材料の比強度（密度で除した強度）に正比例するように示され得る。いくつかの複合材料は非常に高い比強度を有するため、複合材料は、単位質量当たり高いエネルギー貯蔵可能性を有するフライホイールにとって魅力的な候補となる。一例として、高強度の炭素繊維複合材料（例えば、７０％体積分率のＴ７００）は、３４３０メガパスカル（ＭＰａ）または４９０，０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の破壊強度及び１８４５キログラム毎立方メートル（ｋｇ／ｍ^３）または０．０６７ポンド毎立方インチ（ｌｂ／ｉｎ^３）の密度を有する。それを１４００ＭＰａ（２００，０００ｐｓｉ）の降伏強度及び７８７０ｋｇ／ｍ^３（０．２８５ｌｂ／ｉｎ^３）の密度を有する高強度の合金鋼等の非複合材料と比較する。したがって、強度対重量基準において、複合材料は、鋼と比較して１０倍より高い比強度を有し、ゆえに、単位質量当たりのエネルギーを１０倍超貯蔵することが可能である。この可能性によって、発明者らは、複合ロータに基づくフライホイールの設計を続けている。

しかしながら、複合材料は、重量当たりの貯蔵される最大エネルギーよりもむしろ単価当たりの貯蔵される最大エネルギーが主要目的である固定用途（即ち、重量が第１の懸念事項ではない用途）において費用効率が高くない。

例示的実施形態は、フライホイールロータに使用される材料及びインテグラルシャフトを有するロータを製造するために使用される方法に関する。いくつかの好ましい材料には、塑性流動を可能にする十分な延性を維持しながら、高いレベルの強度へ熱処理可能な合金鋼が挙げられる。鋼合金は、低い加工費用及び製作費用に加えて高い強度対費用比を有する。ロータは、次いで、インテグラルシャフトを形成するように機械加工され得るモノリシック形状に複数の段階で鍛造され得る。好適な鋼合金の例には、ＡＩＳＩ４３４０、４３３０、１７ＰＨ、Ｍ３００、及び他の高強度の合金が挙げられる。

別の例示的実施形態は、ロータの形状に関する。鋼ロータが熱処理される場合、より高い表面積を有するロータは、より高い冷却速度を有するだろう。冷却速度は結果として得られる鋼の材料特性に影響するため、ロータの形状は、ロータの作業特性に影響し得る。特に、マルテンサイト鋼（フライホイールに望ましい高強度鋼）への変形を生じるためには速い冷却速度が必要とされる。したがって、より速い冷却を可能にするロータ形状はまた、マルテンサイト鋼のより高い比率を有するロータ材料も可能にする。具体的には、薄い円盤形ロータは、同じ方法で調製された同じ体積の円筒形状のロータよりも高いマルテンサイト鋼の比率を有する材料に形成可能であり得る。この状況において、円盤は、（より高いマルテンサイトの比率により）円筒よりも高い比強度を有し得、したがって、円盤形フライホイールは、より高いエネルギー密度を有するだろう。２つの構造は作製するために同じ費用がかかり得るため、円盤形ロータは、より高いエネルギー密度であるが故により費用効率が高いだろう。円盤は、冷却速度がより均一であり得るため、円筒と比較して、断面にわたってより均一の硬度（強度に比例する）も呈し得る。

別の例示的実施形態は、ロータの設計及びそのようなロータを有する従来の軸受の使用に関する。所与のレベルの貯蔵されるエネルギーに関して、より大きい直径のフライホイールロータがより緩慢な回転速度をもたらすことを示し得る。高い回転速度を有する設計において使用されなければならず、かつ複雑で、高価であり、維持管理を必要とし、さらに信頼性が妥協される非接触システム（例えば、磁気浮上）よりもむしろ、高い信頼性があり、経済的であり、及び容易に維持される従来の低費用の転がり接触軸受とともに大直径ロータを使用することを、このより緩慢な速度は可能にする。

別の例示的実施形態は、除荷電磁石の使用による軸受上の荷重を低減させるための方法に関する。電磁石は、全ロータを上部軸受に対して上昇させ、部分的に下部軸受から離昇させる垂直の除荷力を提供するように配置され、下部軸受上の荷重を低減させる。軸受の寿命は荷重の増加によって急速に低下するため、この実施形態の除荷特徴は、低費用の軸受及び重いロータを用いる非上昇ロータシステムと比較して非常に長い軸受寿命を有するシステムをもたらす。特定の実施形態として、５トンのロータは、３４２０巻の１８ＡＷＧサイズ銅線からなる直径約０．７５メートル（３０インチ）のコイルによって上昇し得る。

別の実施形態は、ロータが電磁石によって上昇するときに加えられる荷重を測定するための上部軸受におけるロードセルの使用、及び所望の荷重が常に軸受に加えられることを確実にするために電磁石の磁場を調節する制御システムを使用するための方法に関する。いくつかの実施形態では、この荷重は、非常に低い値で維持することができ、長い軸受寿命をもたらす。例えば、運転中の上部軸受上の荷重は、たった１．３ｋＮ（３００ｌｂｓ）であり得、上部ロードセルの容量は、１つの実装に対してたった２キロニュートン（ｋＮ）または４５０ｌｂｓであってもよい。

別の実施形態は、所望の荷重が維持されることを確実にするように電磁石に印加される電圧を調節するための制御システムの使用に関する。荷重制限は、コントローラで設定されてもよく、電磁石及び／または軸受が誤作動する場合に適切な動作を開始する。次に、自動的に正しい荷重を維持するために荷重検出からのフィードバックループ及び磁石電圧回路が用いられてもよい。

別の実施形態は、下部軸受が、除荷機（ｏｆｆ−ｌｏａｄｅｒ）の故障が生じた場合、数時間にわたってロータの全重量を支持する定格のタッチダウン軸受として使用される方法に関する。

別の実施形態では、下部軸受におけるロードセルは、そこに加えられる荷重を測定する。これは、起動時に所望の荷重が加えられること、及び正常な運転中、電磁石が機能しない場合に荷重の変化が検出されることを確実にするために使用される。このロードセルはまた、適切な動作が開始され得るように制御システムに接続される。１つの実装では、５トンの正常なロータ質量に対する下部ロードセルの所望の容量は、１１０ｋＮ（２５，０００ｌｂｓ）である。

別の例示的実施形態は、除荷磁石の設計及びその低い電力消費に関する。この実施形態では、シングルコイルの絶縁銅線は、磁束に対して十分に大きい断面の提供によって低い電力損失を維持しながら、好適な揚力を提供する。典型的な用途では、平均直径７５０ｍｍの幅１２５ｍｍ及び深さ３５ｍｍのコイルは、たった４５Ｗの電力消費で５０ｋＮの除荷力を提供するだろう。

別の実施形態は、真空中でロータが回転する間、空気中でのこれらの構成要素の運転を可能にするためのシールの使用による軸受及びモータ／発電機の信頼性の改善に関する。ロータの速い先端速度は空気抗力損失をもたらすため、ロータは、真空ハウジング内に封入され、真空中で運転される。しかしながら、転がり接触軸受は、潤滑剤のガス抜け、及び摩耗進行に伴う酸化物形成の欠如による真空中で金属間溶接を形成する傾向によって、真空中で長時間にわたり確実に動作しない場合がある。また、モータ／発電機を真空内に設置することは、熱が真空の外に伝導されなければならないため、その冷却を困難にする。そのような構成では、適切な冷却を確実にするために、高価なヒートパイプ及び／または大きい導電素子の追加を必要とし得る。液体冷却モータに関しては、冷却材を運ぶ配管が、接合部を通して真空エンベロープを貫通するために必要とされ得るが、それは、高価であり漏出をおこしやすい。いくつかの実施形態では、ロータの上部及び下部シャフトは、低摩擦フルオロポリマーリップシールを介して真空エンベロープを通過する。この設計は、軸受及びモータを真空エンベロープの外に置くことを可能にし、それを必要に応じて、容易に及びより安価で、冷却する、検査する、維持する、監視する、及び置き換えることを補助する。円盤形ロータの特徴である低い回転速度では、密封が理由の電力損失は小さく、例えば、６０００ｒｐｍで回転する４０ｍｍシャフト密封に対して５０Ｗ未満である。

別の実施形態では、エネルギー貯蔵システムは、地震中に横運動を提供する地震用支持体上で支持される。そのような地震支持体は、地震の起こりやすい場所において大型建物を支持するために使用される。この実施形態は、地震発生時におけるフライホイール貯蔵システムの安全な運転を提供する。

別の実施形態は、使用開始前のロータの証明試験としても役立つ事前調整処理によって、ロータのエネルギー密度を上昇させるための方法に関する。事前調整プロセスでは、ロータは、材料の降伏点を超えて過剰に回転させられる。最大引張応力は均一の厚さの回転円盤の中心で生じるため、降伏は、中心から外径に向かって進む。このプロセスにより、降伏域が所望の半径（例えば、ロータ半径の約１／√２、これは円盤の体積の半分に当たる）まで大きくなり、続いて円盤がゼロまで減速する場合、円盤の中心で有益な圧縮応力が生じる。円盤を再び回転させると、結果として生じる応力は、これらの圧縮残留応力によって、過剰回転させる事前調整プロセスの前よりも低い。以前に降伏が生じた回転速度に達すると、新しい応力水準は、降伏応力よりも少なく、安全範囲の上昇を補助するだろう。この事前調整プロセスは、したがって、降伏強度に対応する速度で円盤を運転することを可能にし、それによって、有益な安全範囲を維持したままエネルギー密度が上昇する。エネルギー密度（単位質量当たりの貯蔵される運動エネルギー）は、回転速度の二乗に比例するため、速度の上昇は、ロータに貯蔵されるエネルギー密度を上昇させるだろう。

別の実施形態は、円盤の表面がロータの応力状態を示す脆性塗料でコーティングされる方法に関する。脆性塗料は、脆性破壊に対して非常に低い歪みの閾値を有し、ロータ内の応力の規模及びその分布の標識として機能する。ロータの速度の上昇に伴って、ロータの応力状態に対応する歪みは、小亀裂のパターンを通してそのコーティングに記録される。亀裂間の間隔が応力の測定値であり、より近い亀裂は、大きく離れた亀裂よりもより高い段階の応力を表す。同じコーティングを有する同じ材料の引張試料を荷重することによって、亀裂間隔は、応力に応じて目盛付けすることができる。この技術はロータが経験する応力の規模及び方向だけではなく、応力分布も推定することを補助する。これらの推定値を分析結果と比較して、ロータの分析に使用される計算モデルの忠実性を確かめることができる。加えて、この手法によって得られる応力分布は、試験される特定のロータそれぞれと対応する。このため、正確な統計が、ロータ間の製造変動性に対して得られ、円盤の形成に使用された製造プロセスの再現性及び信頼性の定量的な測定を提供することを補助する。

別の実施形態では、真空エンベロープ内に配置されたビデオカメラ及びストロボライトがロータ内の応力状態のリアルタイム観察を可能にする配置が、説明される。ストロボライトの頻度は、ロータの回転速度と同期され、脆性塗料の亀裂の進行、及びゆえに、ロータの応力分布のリアルタイム観察を容易にする。この性能は、高速で塑性域の進行の正確な測定が不可欠な場合に、システムの運転中、特に事前調整プロセス中の相対的な安全範囲を決定するために有用であり得る。

別の実施形態は、送信機及び受信機に連結される歪みゲージが、ロータ内の応力状態を監視するために使用される方法に関する。この実施形態では、歪みゲージは、動径に平行かつ接線に沿った目的とする場所でロータの表面に接合される。各歪みゲージに遠隔測定送信機を追加することにより、ロータ回転時の歪みをリアルタイムで読み取ることが可能となる。真空エンベロープ内にあり、ハウジングに取り付けられた受信機は、歪みゲージの読み取りを受信し、表示及び記録用のコンピュータに接続されたケーブルを介してそれを送信する。この配置は、応力分布及び塑性域の範囲がロータ速度とともに正確に追跡され得るため、事前調整プロセス中に特に重要であり得る情報である回転中のロータ内の歪み分布のリアルタイム測定を提供する。

別の実施形態は、ロータ／シャフト配置内の高い共振振動数を維持したまま、地球回転から生じる回転するロータ上の歳差運動に誘発されるモーメントを低減させるための方法に関する。スラスト軸受単体は、速い回転速度においてこのモーメントを吸収するのに十分ではない。一例示的実施形態では、地球回転から生じる、回転するロータ上の歳差運動に誘発されるモーメントは、ロータシャフトの端部で２つのアンギュラ接触軸受によって抵抗を受ける。アンギュラ接触軸受は、運転中の軸支持及び放射状（または横の）荷重性能を提供し、歳差運動に誘発される荷重に抵抗する。

別の実施形態は、フライホイールロータのための一体化された真空ハウジング及び支持構造に関する。そのような一体化されたハウジングは、部品の数を最小にし、費用を低減することを補助することができる。ハウジングは、ロータで占有された空間内に真空を維持するように設計され得る。費用及び構成要素の数を最小化するために、真空チャンバはまた、ロータを支持する構造、シャフト及び軸受のための整列治具、並びにロータのための懸架システムとしても機能する。真空エンベロープの天板はまた、懸架要素としても機能し得る。運転中、ロータは、真空チャンバの天板内に構造的に一体化される電磁石によって上昇する。天板の剛性は、ロータが懸架されるときに、システムの最小共振振動数が、ロータの運転速度範囲をはるかに下回る値であるように設計される。この配置は、システムの正常な運転中に基本共振が生じることを防ぐことを補助する。

別の実施形態は、放射状リブ補強材を追加または除去することによって天板の剛性を調節するための方法を提供し、それにより、所望の回転速度での共振を促進するための方法を提供する。

別の実施形態は、上部平板、下部平板、及び円筒形部分の３つの構成要素を使用する、適合した剛性を有する正確に整列されたシステムのための低費用の方法である。上部及び下部平板を鋳鉄から、並びに円筒形部分を標準的パイプ部分から製造することによって、経済的であるが、強い設計を得る。基礎鋳鉄形態に溶接することによって、またはそこから機械加工することによって、リブまたは補強材を追加または除去することができる。

別の実施形態は、３つの構成要素システムの上部及び下部平板の相対的位置を正確に決定するためにダウエルピンを使用するための方法である。

別の実施形態は、上部及び下部平板を互いに対して正確に位置するように円筒形部分の端部に固定される上部及び下部平板内の凹リップを使用するための方法である。

別の実施形態では、円筒形部分の２つの端部にある不可欠なＯリングシール溝が、真空システム内の漏出防止用の取り外し可能な接合部を確実にするための低費用の機構を提供する。

別の実施形態では、電磁石構造は、３つの構成要素システムの上部平板内に一体化され、コイルのためのハウジングとして、及び飽和を不可能にするのに十分大きい磁束に対する断面として運転可能な多機能の一体化構造をもたらす。

別の実施形態では、２つの軸受位置のそれぞれにおける軸受／密封パックは、システムを分解することなく軸受を除去及び検査する便利な方法を提供する。

別の実施形態では、上部軸受パックは、電磁石とロータとの間の空隙に対してロータシャフトの軸位置を正確に位置決めするための方法を有する。

別の実施形態では、下部軸受パックは、それと電磁石との間の空隙に対してロータの軸位置を正確に位置決めするための方法を有する。この実施形態に関して、ロータ重量及び／または真空圧力による天板及び底板内のたわみから生じる上部軸受と下部軸受との間の相対変位は、運転中に下部シャフト止め具と下部軸受との間に適切な軸方向隙間が存在するように補正される。

別の実施形態では、小型の薄い波形バネは、各軸受パック内の軸受の事前荷重を確実にする。温度の上昇を生じ、次いで、軸受故障を引き起こす潤滑剤の分解を生じ得る高速での（転がりの代わりに）ボールの輪に対する摺動を防ぐために、最低限の軸の事前荷重が必要である。

別の実施形態では、ユニットの底部のモータ駆動型ウォーム歯車等のアクチュエータは、変位変換器及び制御システムと併せて使用されるときに、ロータの軸位置を遠隔及び自律的に調節するための方法を提供する。

別の実施形態は、電磁石によって磁気的に保持されるべき所望の空隙であるように、最初の組み立ての後にロータを上昇させるための方法を提供する。密封ハウジングの内部への真空の適用は、天板の下方変位、及び外気圧による底板の上方変位を生じる。ロータが静止しており、かつ下部平板上に静置されている場合、外気圧による力は、ロータシャフトが上部軸受パックにおいて軸受止め具と接触するように、底板を屈折させることによってロータを上昇させるのに十分である。この特徴は、ロータを上昇させるための適切な力が達成され得るように、ロータと磁石との間の所望の空隙を達成するための方法を提供する。例えば、直径１．８５ｍ（７３インチ）のハウジングは、天板上に下向きに加えられる２７１ｋＮ（６１，６００ｌｂｓ）の力及び底板に上向きに加えられる同じ力をもたらすだろう。底板上に静置されている５トンのロータの場合、この力は、海面気圧の約２０％の圧力差でロータを上昇させるのに十分である。真空の水準を調節することによって、ロータの上昇変位の量は制御することができる。この実施形態は、回転の前に磁気的に保持されることを可能にするようにロータを位置付けるための低費用かつ有効な方法である。

別の実施形態は、ロータを支持するための方法を説明する。下部軸受パックの軸上及び下部に位置する中空円筒形構造は、除荷機が作動しないときに、ロータの重量を支持する単一の調節可能な足部として作用する。

別の実施形態は、底板の下部及びハウジングの円筒形パイプ部分の下に位置するいくつかの調節可能な足部の配置を説明する。

別の実施形態は、各足部に個別のアイソレーターを追加することによるシステムの免震のための方法を説明する。

別の実施形態は、摺動並びに剪断を可能にする底板の下に位置する厚いゴム製シート等の連続した可撓性支持体の使用による免震のための方法を説明する。

別の実施形態は、高速でのロータの半径の変化を測定する、真空チャンバの内部に位置し、ロータの外周の周りに離間されている容量ゲージ等の非接触変位センサの使用を説明する。

別の実施形態は、ロータ内の動的不均衡を決定及び除去するための方法を説明する。加速度計は、不均衡の水準を測定するために軸受パックの外周の周りに装着される。加速度計信号は、ロータ内の正味の不均衡の角位置を精密に決定するためにモータロータリーエンコーダと相関している。この情報は、不均衡を低減または除去するために不均衡位置に対応する外周で少量の材料を除去するために使用される。

別の実施形態は、構造に対するロータの軸の変位を測定するための変位ゲージの使用を説明する。伸び計等の変位ゲージは、軸受パック内のユニットの底部で装着され、その全運転及び事前調整の速度範囲にわたって、懸架されたロータの動的（軸線上の）運動を記録し、ロータが各共振モードを経験する速度を決定する。この実施形態は、変位単独の軸構成要素を提供し、それは様々な運転モードにわたって懸架されたロータの動的応答の軸構成要素を特徴付けることができるため役立つ。

別の実施形態では、温度センサが、上部及び下部軸受の外輪に隣接して、または外輪上に設置され、潜在的な故障及び／または摩耗を示唆し得る温度変化を監視する。

別の実施形態では、トルクノイズセンサが、上部及び／または下部軸受の下に設置される。このセンサからの信号は、モータとロータとの連結におけるトルク変換器からの信号と比較されるとき、軸受の摩耗の測定値であり、潜在的な軸受故障の早期検出を提供する。

別の実施形態では、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサが、軸受パック及び真空ハウジング内を含むいくつかの場所で、構造上に設置される。変換器は、ゲルまたはグリース音響結合媒体を介して構造要素と密接している。

別の実施形態では、個々のまたは束の超高弾性率（ＵＨＭ）炭素繊維が、ロータ軸から様々な半径距離でロータ表面に接線方向に及び放射状に接合される（さもなければ取り付けられる）。ＵＨＭ炭素繊維の破壊歪みは、回転時にロータが経験する歪み（約５０００×１０^−６）と比べて低い（約１０００×１０^−６）ため、個々の繊維は、ロータ内の歪みが速度とともに上昇するのにつれて破損し始めるだろう。繊維破損は、特徴的なＡＥ信号を有し、それは、ロータ軸受の位置付近の構造に接合されるＡＥセンサ（例えば、５００ｋＨｚセンサ）で検出することができる。この実施形態は、真空エンベロープ内であるが遠隔でロータ内の歪みを決定するための方法を提供する。本方法は、例えば、高温及び／または酸化腐食性大気等の有害環境における歪みゲージまたは他の方法を使用することができない他の用途において使用することができる。鉱物、ガラス、及びポリマー繊維等の他の繊維もまた、異なる水準の破壊歪み能力に対して同様に用いることができる。

別の実施形態は、ロータ破裂故障時における効率的なエネルギー吸収のための方法を説明する。埋め込まれた厚壁の鋼及びコンクリート格納構造は、ハウジングの円筒外壁に極めて接近して、及び好ましくはハウジングの円筒外壁と接触して、構築される。この配置は、エネルギー散逸が摩擦及び粒子間の相互作用によって容易になるように、依然として回転モード（並進モードを最小化する）のまま、含まれるロータ故障から生じる断片を保つ。

別の実施形態では、格納構造は、格納構造の直径が、ユニットの底部から深さを増すにつれて徐々に増加するように、テーパ形状を用いて構築される。ロータ故障時、断片は、上向きに動いて表面上に押し出されるのではなくむしろ、軸方向下向きに変位して、ユニットの下に集まる傾向があるだろう。

別の実施形態では、集合体の大きさがコンクリート壁からの半径距離に沿って縮小するような、段階的な集合体の配置が設置される。これは、集合体の破砕及び圧密がエネルギー吸収を提供するコンクリート格納構造に隣接する、より大きい気孔率を有するエネルギー吸収構造をもたらす。半径距離が増加すると、縮小する集合体の大きさは、同じく、半径距離の増加とともに粒径が縮小するように配列される砂粒子の大きさに近付く。この区域において、断片運動は、砂粒子との摩擦によって抵抗を受ける。

別の実施形態では、正確に整列された軸受／シール／ロードセルアセンブリのうちのそれぞれを含む軸受パックは、ハウジング軸に対して、したがって互いに対して、それぞれの軸を正確に位置決めするダウエルピンまたは位置決め機能を有するハウジング内に収容される。

別の実施形態では、制御ソフトウェアは、その様々な運転モード：事前調整、速度循環、電力循環、受容応答、使用時間、並びにグリッド及び／または再生可能なもの（太陽光、風力、潮力）及び／またはディーゼルもしくはガスを動力源とする発電機等の他の発電源に対して貯蔵の利益を最大化するための他の戦略にわたってシステムの安全な運転を提供する。

別の実施形態では、モータ／発電機の故障、軸受、除荷機、真空ポンプ、冷却システム、地震事象、及び温度の急激な上昇が挙げられるが、これらに限定されない様々な潜在的な故障シナリオ下での安全で効率的な運転のために制御論理が制御ソフトウェアに組み込まれる。

別の実施形態では、ロータは、ロータの異なる速度が誘導モータに出力されるように、電子もしくは機械制御の無段変速機（ＣＶＴ）または他の歯車式変速機に接続される。この様式で滑り速度を超えて誘導モータをオーバードライブすると電力出力が生じ、一方、アンダードライブすると、外部電源による誘導モータの駆動が生じ、その速度をその最大定格値まで上昇させることによってロータ内の運動エネルギーを貯蔵するだろう。これは、ブラシレスＤＣモータ並びにそれらに関連付けられる制御及びドライバソフトウェアスキームを含まないため、エネルギー貯蔵及び送達のための低費用の方法である。

別の実施形態では、放射状の温度勾配が、ロータ半径に沿って維持される。ロータの中心がその外周よりも高い温度である場合、有益な熱応力（中心での圧縮、外周での引張）をもたらす非均一な熱歪みが生じ、それは全体の応力状態を改善し、それによりロータ内のエネルギー密度を上昇させる。

別の実施形態では、ロータの形状は、シャフトを有しない単純な固定または可変厚の円盤である。シャフトは、オーステナイト（したがって非磁性）であり得る合金鋼から別に機械加工され、円盤に接合される。ロータは磁気式除荷機によって直接上昇されるため、接合された接合部内の応力は、低く、軸方向の圧縮事前荷重によって主に圧縮され、従来のポリマー構造の接着剤の接合強度によって容易に適合される。

別の実施形態では、ロータは、シャフトを有しない単純な固定または可変厚の円盤である。シャフトは、オーステナイト（したがって非磁性）であり得る合金鋼から別に機械加工され、円盤に溶接される。溶接作業の後、従来の熱処理手順は、溶接位置でロータ内に導入される応力集中を取り除く。磁気式除荷機は、ロータを、そのシャフトによってではなく直接上昇させ、このため、溶接部内の応力は低い。

別の実施形態では、ロータは、シャフトを有しない単純な固定または可変厚の円盤として作製される。シャフトは、オーステナイト（したがって非磁性）であり得る合金鋼から別に機械加工される。シャフトは、それらを高速で回転させ、次いでそれらを円盤上に軸方向に押し付けることによって、円盤に摩擦溶接される。摩擦溶接作業の後、従来の熱処理手順は、摩擦溶接部でロータ内に導入される任意の応力集中を取り除く。ロータの質量は磁気式除荷機によって上昇されるため、溶接部内の応力は低い。

別の実施形態では、ロータは、従来の構造接着剤を使用して接着剤で一緒に接合されたいくつかの積層板を含む。積層物間の接合部内の唯一の応力は、ロータが上昇されるときに生じる重力荷重である。この応力は低く、接着剤の引張強度によって容易に適合される。例えば、各厚さ２５ｍｍ（１インチ）の１０個の積層物に対して、第１の積層物接合部（最も高く荷重される接合された接合部）内の引張応力は、０．０２１ＭＰａ（３ｐｓｉ）未満である。構造接着剤は、７ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）を容易に上回る引張強度を有する。薄い薄層は、より高い強度に個別に熱処理されてもよく、それにより、ロータエネルギー密度を上昇させる。加えて、積層ロータは、１つの薄層内の欠陥の伝搬が隣接する薄層によって制限される傾向があるため、高い冗長性を有する。加えて、１つの薄層の故障が、全ロータの故障をもたらさない。また、薄層は薄いため、ロータが回転している間、厚いモノリシックロータに存在する２軸平面歪み状態よりも、より高いエネルギー密度に対応するより均一な応力状態である２軸平面応力の状態にある。

別の実施形態では、各積層物において使用される材料は、フェイルセーフ故障モードにおいて異なり得る。例えば、シャフトに隣接する積層物は、シャフトとロータ間の破壊故障が破滅的であり得ることから、延性であるが比較的低い強度の鋼から作製され得る。内部積層物は、より高い強度の鋼から作製され得、その故障は検出可能であり、破滅的ではない。

別の実施形態は、電磁石の代わりに永久磁石の使用を説明する。この配置は、電源、コイル、リード、及び貫通接続が必要とされないことから、より信頼性があり、より安価であり、及びより複雑ではない除荷スキームである。

別の実施形態では、遠隔で制御されるアクチュエータは、ロータと永久磁石除荷機との間に調節可能及び制御可能な空隙を確立する。

別の実施形態では、ロータと電磁式除荷機または永久磁石除荷機との間の空隙は、吊上磁石の力を測定するロードセルからのフィードバックを通して維持される。この配置は、運転中の動力、摩耗、及び温度変化により異なり得る上昇荷重の閉ループ制御を提供する。

別の実施形態では、４６０Ｖ、３相（または他の分布電圧）でグリッドに接続される双方向性コントローラの下流端に装着される２つのインバータからのＤＣ電力によって駆動する単一または複数の連結されたＤＣモータ／発電機は、グリッドスケールでのエネルギー貯蔵のための低費用のスキームである。この配置は、エネルギー貯蔵及び電力の両方においてモジュール性を提供する。例えば、３０ｋＷのモータ／発電機に連結される１５０ｋＷｈ容量のフライホイールは、使用時間の貯蔵に対する差別的価格設定を活かすように、５時間連続して３０ｋＷを送達することができる。受容応答及びより高い電力の短時間の用途のため、１５０ｋＷ定格のモータ／発電機は、容易に置き換えられ、１５０ｋＷを１時間送達することができる。底部シャフト位置での第２の１５０ｋＷのモータ／発電機の追加は、３００ｋＷの電力を３０分間供給することによって、電力定格を２倍にする。

別の実施形態は、複合ロータの高速製造のための方法に関する。この実施形態では、型の内部に位置する回転スプールから繊維束がその中に供給される高速回転する円筒形の型を使用して、複合繊維で強化されたリングが製造される。繊維を分注するスプールのスピン軸は、回転型の軸と平行である。繊維束がスプールから解かれると、遠心力によって回転型の内面に対して保持される。室温硬化型の事前に触媒された熱硬化性樹脂が、回転型の垂直壁に向かって垂直なノズルから、壁に対して置かれた繊維束上に噴霧される。高重力は、樹脂の硬化の進行に伴って繊維束に浸透させるように、液体樹脂に適切な圧力を提供する。硬化が完了すると、型は停止し、リングが型から押し出される。このプロセスは、複合リングを製造するための従来のプロセスであるフィラメントワインディングよりも１０〜５０倍速い。例えば、６０〜９０ｍ／分のフィラメントワインディング速度に対して、この配置では、４，５００ｍ／分の繊維分注速度が可能である。あるいは、高温で硬化する樹脂系が、内部の電気抵抗発熱器、ガス燃焼発熱器、または内側から型を照らす赤外線電球のいずれかにより型表面を加熱するための方法とともに使用されてもよい。あるいは、回転型は、浸透及び硬化が、複合材料中の空間を最小化するように真空下で完了するように中心シャフト及びシャフトリップシールを有する。加工回数がさらに低減され得るように、及び／または最終の複合リングが異なる繊維の種類を重ねたもしくは混合した構成を有するように、異なる繊維もしくは線（ガラス、炭素、ケブラー、ポリマー、金属線等）が同時にまたは順次分注され得るように追加のスプールが同時に展開されてもよく、それはある特定の用途に対して有利であり得る。あるいは、特性を放射状に変化させるために、異なる樹脂系が順次適用されてもよい。例えば、この手法において、その外径において炭素繊維を、及びその内径においてガラス繊維を用いて、複合リングは、容易に製造され得る。この実施形態では、例えば、５２０ｒｐｍで回転する２ｍ直径の型における３００ｇといった高重力によって、空間を含まない複合リングが高い割合で生産され得る。

別の実施形態では、そのスピン軸が回転型の軸と平行である型の内部に位置する回転スプールから分注される銅線等の金属線がその中に供給される高速回転する円筒形の型を使用して、金属線コイルが製造される。繊維束がスプールから解かれると、遠心力によって回転型の内面に対して保持される。室温硬化型の事前に触媒されたポッティング樹脂が、電磁石コイルとして使用するために、電気モータ用に、または他の電気装置用にコイルを入れるために垂直壁にノズルから垂直に噴霧される。

別の実施形態は、そのスピン軸が回転型の軸と平行である型の内部に位置する回転スプールから高速回転する円筒形の型に分注される、事前に浸透させた繊維束またはトウプレグ（ｔｏｗ−ｐｒｅｇ）を使用して、複合リングを作製するための方法を説明する。繊維束がスプールから解かれると、遠心力によって回転型の内面に対して保持される。赤外線、熱風、または他の種類の発熱器は、トウプレグ内のマトリックスポリマーを硬化するための熱を提供する。前述したように、様々な繊維及び／または金属線は、同時または順次にこの手法で分注され得る。

吊上電磁石とロータとの間の間隙が縮小するにつれて、揚力は間隙を安定させるために急速に減少されなければならないため、吊上電磁石の運転は安定しない。別の実施形態では、吊上磁石の安定性は、軸受を介してロータの両側に２つの小型バネを組み込むことによって、著しく改善される。これらのバネは、例えば、軸受の固定外輪と堅い止め具との間に位置するディスクワッシャまたは波形バネであり得る。電磁石の付勢電流が上昇し、電磁石とロータとの間の間隙が縮小するにつれて、上部バネは、ロータの上昇に対する抵抗を増加させる傾向があるが、下部バネ力は減少する。この配置は、吊上磁石を使用してロータの安定した位置付けを可能にし、そうでなければ不可能であるだろう。各バネのバネ定数を適合させることは、様々な用途のためのある範囲の吊上磁石の安定した運転を可能にする。

別の実施形態では、ロータの上昇は、磁石間隙の低下をもたらす真空の使用によって支援され、磁石を上昇させるために必要とされる電流をかなり低くする。大きいロータ（高い貯蔵容量のフライホイールにおいて必要とされる）に関しては、ロータの質量は、構造的なたるみをもたらし、ロータと磁石との間の距離を増加させる。この点で、間隙を埋めるようにロータを上昇させるために磁石に対して大きい電流が必要とされる。真空の適用は、構造の変形により、上部ハウジング（磁石を支持する）及び下部ハウジング（ロータを支持する）の両方をともに近付ける。１つの実験では、真空に曝される直径１．８メートル（７１インチ）のハウジングは、ロータと磁石との間隔の１ｍｍ（０．０４０インチ）を超える縮小をもたらした。

別の実施形態では、例えば、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）等のまたは線形ポテンショメータまたは容量ゲージ等の１つ以上の変位変換器が、ロータと磁石との間の間隙を直接測定するために上部ハウジングに装着される。非接触型の容量ゲージは、運転中の間隙の監視に最適であり得る。互いに対して９０度の２つのゲージが、ロータの傾斜が確認されるそれぞれの位置において間隙を測定するために使用されてもよい。この情報は、制御及び電磁石電力の管理を簡単にするために、ロータの位置付けのための電流の調節用に電磁石コントローラに送られる。

別の実施形態では、上部軸受は、例えば、モータで運転されるウォーム歯車等のモータ式線形アクチュエータに取り付けられる支持体上に装着される。この実施形態は、運転中にロータ間隙を能動的に制御するための方法を提供する。軸受位置（したがって、ロータ／磁石の間隙）に影響する熱膨張、真空の変化、及び外部環境条件は、軸受荷重、ひいてはその寿命及び温度を制御するために補正され得る。

別の実施形態では、円錐構造が、下部軸受支持体の周りに提供され、軸受が機能しない場合にロータシャフトを支持するだろう。摩擦によって発生する熱及び結果として生じる円錐構造の進行性の融解は、円錐構造を構成する材料の溶融の熱によって散逸されたエネルギーによるロータ回転の制御された減速を生じる。低炭素合金及びステンレス鋼ならびにアルミニウム及びチタン合金等の材料は、適合した水準のエネルギー散逸を提供する。１つの実験では、５３５０ｒｐｍで回転する５トンのロータの故障は、ロータがその下部縁部に沿って、及びハウジングから離れることなく、穏やかな摩耗を伴いながら停止したように、進行性の制御された様態で円錐構造の融解をもたらした。

別の実施形態では、下部ハウジングは、ロータ直径に関連している特定の直径のリングによって支持される。加えて、ハウジングのプロファイルは、軸受故障時には、下部ロータ縁部の融解が進行し、ロータがその上で停止するまで摺動する薄い融解金属膜を形成するように、回転ロータの下部縁部が、接点で傾斜して成形されたハウジング表面と接触するようになるものである。１つの実験では、５３５０ｒｐｍで軸受故障を生じる５トンのロータは、ハウジングを貫通することなく、制御された様態で停止した。３０〜５０度の接触するハウジング表面の好適な角度θが、ハウジング壁の貫通及び／または変形を伴わず、エネルギー吸収に最適であると発見された。一実施形態では、ロータ直径の７０〜９５％の直径である支持リングが、軸受故障後のロータを支持するために最適であると発見された。

別の実施形態では、モータ／発電機とロータとの間のシャフト継手は、ロータをモータから隔離するように機能する。ロータは、地球回転から、及びシステムのアセンブリに固有の許容差から生じる歳差運動によって垂直に対してやや傾斜して回転する傾向があるため、２つの内歯スプライン（一方はロータのものであり、他方はモータのものである）を接続する外歯スプラインを含む連結部は、同時にトルクが伝達されることを可能にする軸方向の変位（ロータ上昇からの）ならびに角変位（ロータ傾斜からの）のための方法を提供する。この配置は、システムがさらにより許容性であるようにし、ロータがモータから伝達される振動によって不注意に荷重されることを防ぐ。

本開示に記載される高性能のフライホイールは、マッハ１．５（５１０ｍ／ｓ、１１００ｍｐｈ）を大きく超える先端速度に達し得る。これらの速度では、ロータは、真空中で保持されなければならない。しかしながら、シールまたはポンプ故障によって真空が破損する場合、流入空気は、回転ロータに接触するときに急速に加熱され、内圧を上昇させ、それは次いで、破滅的な結果を伴ってハウジングを吹き飛ばす場合がある。別の実施形態では、フライホイール筺体を含むハウジングの２つの半分は、溶接されたタブ及びボルトによって一緒に保持される。タブは、内圧が上昇する場合、それらが塑性的に屈曲し、ハウジング間の接合部を開放し、それによって、圧力を安全に放出するような寸法のものである。１つの実験では、５６０ｍ／ｓ（１，２５０ｍｐｈ）の先端速度で回転するフライホイールの６０００ｒｐｍでの真空シールの故障は、構造的な故障を伴わずに超過圧力を安全に放出した。

別の実施形態では、フライホイールの真空ハウジングエンベロープ内に組み込まれる圧力逃し弁は、真空シール故障の後の気圧上昇の低下を提供する。真空ハウジングを貫通する貫通接続管と連結して圧力逃し弁は、筺体（例えば、上部もしくは下部ハウジング上または上部ハウジングと下部ハウジングとの間の円筒形部分）上のどこかに位置決めされる。圧力解放弁は、真空ポンプがチャンバを真空にするときに、真空気密シールを提供する。この運転モードでは、外部環境が、真空シールによって真空筺体に進入することを防ぐ。しかしながら、ロータが高速で回転するときに、例えば、筺体内のどこかのシールの故障による真空エンベロープ内への急激な流出がある場合、流入空気は、ロータ上に及ぼされる空力抵抗によって急速に加熱され、急速な圧力上昇を生じ得る。真空シールとしても作用する圧力逃し弁は、筺体内部の上昇した圧力を放出するために開放されるように設計され、ハウジングの破局的故障を不可能にする。圧力逃し弁は、バネにより弁座に対して押し付けられる弁本体を含む。外気圧は、筺体が真空にされる場合、さらなる封止力を追加する。真空が機能せず、筺体内で圧力が発達する場合、弁上で作用する内圧がバネ力を超えるときに弁が開放され、それにより圧力を安全に放出する。弁バネの張力を調節することによって、弁を開放するであろう最低圧力の値は、容易に調節される。

モノリシックフライホイールの使用に対する主な障害は、ロータを回転させることなく、軸受、シール、及びセンサを運用することの難しさである。ロータは、しばしば非常に重く、数トンを容易に超えるため、現場でのフライホイールの運用を非常に困難にする。これを行うために唯一の方法は、フライホイールを維持管理／修理施設への輸送用のトラック上に載せるために、大きなクレーンを使用することである。エネルギー貯蔵用途は、例えば、辺鄙な村における、またはテレビ／携帯電話の中継局での貯蔵用等、しばしば近付き難い位置にあるため、この欠点は、フライホイールエネルギー貯蔵の使用を制限する。一実施形態では、軸受、荷重センサ、及び真空シールアセンブリは、ロータを上昇させなくても、取り外し、置き換えることができる。この実施形態では、軸受カートリッジは、２つの構成要素を含み、外部構成要素はハウジングにボルト締めされ、一方、軸受、荷重センサ、及び真空シールを含む内部構成要素は、定置に留まるロータと共に取り外される。この内部構成要素またはモジュールは、次いで、維持管理技師によって新たな内部構成要素と置き換えられる。下部軸受に関して、静止しているとき、ロータ質量は下部軸受を荷重するため、内部モジュールの取り外しは、ロータの上昇を必要とする。これは、ロータを除荷するように電磁石を作動することによって完了される。１つの実験では、電磁石のコイルに印加される１．５ａｍｐｓの電流は、１ｍｍを超えて５トンのロータを上昇させ、軸受／センサ／シールモジュールの容易な取り外し及び置き換えを可能にするだろう。運転は、一実験において２５０ワット未満を必要とした。

別の実施形態では、動的リップシールは、モータ及び軸受が空気中にあるまま、ロータが真空内にあることを可能にする。この実施形態は、熱遮断及び摩擦係数が高くなり得る真空内での軸受の運転の必要性を排除し、乾式潤滑の使用は、高容量フライホイール内では正常な高く荷重された軸受に対して難しい場合がある。この実施形態はまた、特定の用途おいてモータ／発電機ユニットを容易に置き換えることも可能にする。

別の実施形態では、軸受アセンブリを支持する内部構成要素は、高い摩擦係数が外側の固定軸受レースとその支持円筒との間に存在するように、ショットピーニングまたは陽極酸化または電気メッキによって処理されたその内面を有する。この実施形態は、ロータが磁石によって上昇または下降されるときに軸受とその容器との間に摩擦誘起ヒステリシスをもたらす。そのようなヒステリシスは、電磁石の電流が所与の軸受（軸上）位置に対してかなり広い範囲内であり得るように、制御安定性を提供する。対照的に、低摩擦表面は、温度及び荷重等の運転条件における小さな変化があるときにおいても、常に調節される必要がある高い分解能制御を必要とするだろう。

別の実施形態では、冷却ジャケットは、外部ラジエータ、ポンプ、及び冷却ファンに接続される入口（複数可）及び出口（複数可）を有する軸受を包囲する。冷却ジャケット、及び軸受に隣接する接続用構成要素は、アルミニウム等の高熱伝導材料で作製されてもよく、より優れた冷却効率及びより低い温度勾配を提供する。軸受温度は軸受荷重及び回転速度に伴って上昇するため、ならびに温度は軸受寿命を低減させるため、効率的な冷却によって温度を低く保つことは、フライホイールの長い運転時間のために極めて重要である。

別の実施形態では、コントローラは、その寿命を損なうことなく、軸受上に最低荷重を維持するために、運転中、電磁石の電流を持続的に調節するように構成される。軸受に装着される熱電対は、適切な事前荷重が常に維持され、磁石からの揚力が運転中に上昇したロータを保持するのに十分であるように軸受荷重を調節するためのガイドラインをコントローラに提供する。

別の実施形態では、コントローラは、軸受の回転数ならびに軸受上の荷重を常に追跡するように構成される。軸受荷重／寿命アルゴリズムを使用して、コントローラは、各特定のフライホイールに対してどの程度の寿命が使用されたか、及びそれが経験したデューティサイクルを追跡する。次に、コントローラは、その予想寿命に達したときに、軸受の交換が所望されることを示すことができる。この実施形態は、各設置におけるデューティサイクルが異なり得ることから、軸受の残りの寿命の決定を可能にする。加えて、データベースが生成され得、経時的に荷重／寿命アルゴリズムを改善するために使用され得る。

別の実施形態では、ロータの完全性の状態は、一定時間の運転後、ロータの表面を走査する内蔵の超音波変換器によって、運転中のロータを用いて決定され得る。変換器がアームの端部に装着され、内部不良に関して変換器がロータを走査することを可能にする。走査運転中、ロータ速度は、約０．１〜１０ｒｐｍに減速される。ロータの１回転の完了後、変換器は、その経路が完全なロータ体積を検査するのに十分な間隔を有する螺旋状の軌道であるように、放射状に所定の位置に動かされる。最大応力状態は回転ロータの中心、またはその近くに存在するため、実際には、走査は、ロータ半径の約２０％の半径まで行われることだけを必要とする。必要とされる変換器の種類は、ロータの厚さによって左右され、角度をなす導波路の組み込みは、ロータ中央平面における、またはその近くのシャフト領域の下での検査を可能にするだろう。真空エンベロープを通して配線するため及び連結ゲルを供給するために、貫通接続が必要とされる。この実施形態は、従来の超音波検査のために全ロータを装置から取り外すことを可能にし、それにより、容易な輸送、分解、及び収益の損失の最小化をもたらす改善した効率を提供する。加えて、検査は、全エネルギー貯蔵システムの運転プロファイルに好都合な間隔で行われてもよい。

機械的エネルギー貯蔵のセーフティクリティカルの観点から、フライホイールが有効であるライフサイクル数を決定することが重要である。これは、完全充電状態までの充電／放電時間が長いことから、大きいシステムにおいて行うことが難しい。例えば、６０ｋＷのモータ／発電機ユニットは、１２０ｋＷｈフライホイールを充電及び放電するために４時間を必要とするだろう。そのようなユニットが１０，０００サイクルを経るには、維持管理のための時間を除いて少なくとも４年〜４年半はかかるだろう。本明細書で考察される実施形態は、厚さではなく直径において調整されるロータを使用して、加速寿命試験を可能にする。鋼合金特性は熱処理に左右され、及び後半は厚さに左右されるため、厚さを同じにして、直径を厚さの少なくとも２倍の大きさに保つことは、原寸大のロータと同一の材料特性が維持されることを確実にする。１つの計算において、直径を３倍低減させることは、ｒｐｍを同じだけ上昇させ（同じ応力状態に関して）、サイクル速度を１時間当たり５サイクル、または３カ月未満で１０，０００サイクルまで低減させる。この実施形態では、より小さいロータが、真空チャンバ内に懸架され、５：１増速器及び１３０ｋＷモータ／発電機を使用して回転する。同じ寸法の２つのユニットが、互いに充電及び放電するために並行して使用され、それにより、電力消費を最小化する。グリッドへの取付けは、２つのシステム内での損失に対して余力を提供する。この手法では、現実的なロータ寿命試験は、妥当な期間で完了され得る。

本開示の前述の特徴及び他の特徴は、添付図面と併せて以下の説明及び添付の請求項からより完全に明らかになるだろう。これらの図面は、本開示に従っていくつかの実施形態のみを示し、したがって、その範囲の限定であるとは考えられないことが理解され、本開示は、添付図面の使用を通してさらなる特異性及び詳細を伴って説明されるだろう。

例示的実施形態に従って、低費用で高エネルギー密度のロータを製造するための一連のプロセスステップを示すプロセスフロー図である。 例示的実施形態に従って、真空エンベロープ内の軸受によって支持され、外付けモータ／発電機によって駆動する回転ロータの形態で運動エネルギー貯蔵装置を示す概略図である。 図3A〜Dは、例示的実施形態に従って、ロータの応力状態に対する事前調整の有益な効果のプロットを示す。 図4Aは、例示的実施形態に従って、ロータ内の応力状態を決定するための脆性塗料コーティングの使用を示す概略図である。図4Bは、例示的実施形態に従う、ロータのスピンアップから生じる脆性塗料コーティングにおける亀裂のパターンの一例である。 例示的実施形態に従って、ロータが回転している間に脆性塗料コーティングにおける亀裂パターンの画像を得るためのストロボライトに連結されるビデオカメラの配置を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、回転している間にロータ内の歪みを決定するために無線周波変速機回路及びアンテナに接続される歪みゲージの配置を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、真空ハウジングの天板がどのようにロータの弾性の懸架要素として機能するのかを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、ロータの懸架要素として作用するハウジングの天板内の補強リブを示す概略図であり、リブの追加または取り除きは、天板の剛性、ひいてはロータ懸架システムの共振振動数を変更する。 図9Aは、例示的実施形態に従って、ロータ軸の精密な整列のための機械加工された凹リップを通して、どのように天板（及び上部軸受）が底板（及び下部軸受）に対して正確に位置決めされるのかを示す概略図である。図9Bは、例示的実施形態に従って、スラスト軸受上に支持されるモータ駆動型機構を用いることによって、ロータと吊上除荷磁石との間の所望の空隙を維持するために下部中央支持体がどのように上昇または下降され得るかを示す概略図である。 例示的実施形態に従う、中央支持足部の概略図である。 例示的実施形態に従って、ユニットに免震を提供するためのゴムまたはエラストマー系シートを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、回転している間のロータの直径変化を監視するための変位ゲージを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、ロータの回転不均衡を測定及び監視するための加速度計を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、運転中に軸方向のシャフト変位及び振動を測定するための伸び計を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、運転中に軸受の摩耗及び装置内の進行している損傷を監視するためのアコースティックエミッションセンサを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、故障したロータからの断片を捕捉するための格納設計を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、ロータ故障中に放出される断片を止めるための段階的な集合体及び砂の配置を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、無段変速機（ＣＶＴ）を通してロータに連結されているモータ／発電機として誘導モータを含む配置を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、有益な熱応力の導入を通じて貯蔵エネルギー密度を改善するためのロータ内への熱勾配の負荷を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、接着剤接合による、別に機械加工されたシャフトのロータへの取り付けを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、溶融または摩擦溶接による、別に機械加工されたシャフトのロータへの取り付けを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、いくつかの積層物から作製されたロータを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、事前に触媒された樹脂と一緒に回転型中に分注される乾式繊維束を使用する、複合リングの急速な製造のための方法を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、内部加熱した回転型中に分注される事前に浸透させた繊維束（トウプレグ）を使用する、複合リングの急速な製造のための方法を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、ロータを上昇するための電磁石の安定した操作を可能にする２つの上部バネ及び下部バネを示す概略図である。 例示的実施形態に従って、吊上電磁石に対する間隙を低減させてロータの上昇を支援するための真空を示す概略図である。 例示的実施形態に従って、ロータと磁石との間隙を直接測定するための変位変換器を示す。 例示的実施形態に従って、モータ式上部軸受支持体を使用して、フライホイール内のロータの軸位置を調節する配置を示す。 例示的実施形態に従って、軸受の故障時にロータを支持し、ロータを支持している間に融解させることによってロータの回転エネルギーの一部を吸収するように設計される下部軸受カートリッジの構成を示す。 例示的実施形態に従って、進行性で安全な回転エネルギーの吸収をもたらす軸受故障後のハウジングによるロータの縁部支持を示す。 例示的実施形態に従って、ロータをモータの振動及び変位から隔離するためのロータとモータとの間の歯車継手を示す。 例示的実施形態に従って、ロータの高速回転時の真空故障による内部の超過圧力を放出するのに十分な変形を可能にしながら、フライホイールのハウジングを一緒に保持する塑性的に変形するタブを通して挿入されるボルトを示す。 例示的実施形態に従って、真空故障によるハウジング内の内部の超過圧力を放出するための圧力逃し弁を示す。 例示的実施形態に従って、ロータを取り外すことなく、軸受及びシールの置き換えを可能にする方法でロータ軸受を支持するための配置を示す。 例示的実施形態に従って、運転中の軸受の効率的な冷却ための配置を示す。 例示的実施形態に従って、欠陥の存在に関してロータを走査するためのフライホイールのハウジング内の超音波検出器のための配置を示す。 例示的実施形態に従って、寿命サイクル及び信頼性を評定するための効率的な循環のために互いに充電及び放電する２つのフライホイールユニットを示す。

好ましい態様の詳細な説明
以下の詳細な説明において、この一部を構成する添付図面が参照される。図面において、文脈が別途示さない限り、同様の記号は、典型的には、同様の構成要素を特定する。発明を実施するための形態、図面、及び特許請求の範囲において記載される例示的実施形態は、制限することを意味しない。他の実施形態が用いられてもよく、本明細書における主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の変更が行われてもよい。本明細書に全体的に記載され、図面内に例示される本開示の態様は、多種多様の異なる構成で、配置され得る、置き換えられ得る、組み合わせられ得る、及び設計され得ることが容易に理解され、それらのすべては、明白に企図され、本開示の一部を構成する。

添付図面を参照して、本開示は、配電網、風力タービン、太陽光パネル、潮力機械等の再生可能エネルギー発生システム、及び電力需要の平滑化が資本費用及び運転費用の両方を低減させる産業用途において使用するための運動エネルギー貯蔵、具体的には、フライホイールに基づくエネルギー貯蔵に関する。本開示はまた、そのような貯蔵装置の生産する、制御する、及び既存のグリッド及びマイクログリッドエネルギー分布システムとの一体化する方法にも関する。本明細書の主題はグリッドスケール用途の分野におけるエネルギー貯蔵装置と関連して提示されるが、そのような装置は、本開示を論評する当業者に理解されるように、電気自動車充電所、鉄道輸送システム、エレベーター、クレーン、船上システム、または運動エネルギー貯蔵を利用する任意の他の装置のための独立型エネルギー貯蔵等の代替の用途において利用され得る。

図１を参照して、低費用で所望の強度及び均一性を有するロータを生産するための金属形成作業の例示的な順序が示される。ロータは、本明細書に開示されるエネルギー貯蔵装置の設計において最も高価な構成要素のうちの１つであり得る。それは、一定のまたは可変厚のものであり得る。高速で回転するとき、一定の厚さのロータ内の応力は、半径応力及び接線応力が、両方引張性であるその中心で最大となる。ロータの中心において、欠陥が生じ伝播される可能性がより高いため、したがって中心での構造的完全性は、縁部における材料の完全性よりも重要である。図１に示される製造順序は、経済的及び再現可能な手法で欠陥の規模を低減することを補助するための方法である。

所望の合金の鋳塊、例えば、米国鉄鋼協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）（ＡＩＳＩ）名称４３４０は、所望の体積に切断され、熱間鍛造温度で、水圧プレス内で開放型機構への１回以上の据込作業を受ける。このプロセスは、鋳塊内の空間を圧縮し、含有物をストリンガーと称される薄く細かい粒子に伸張する。荷重が軸対称であるため、プロセスはまた、ストリンガーの分散ももたらし得る。例示的実施形態では、素材は、閉鎖型セットの用具を用いて各表面上に突起部を含む形状にさらに熱間鍛造される。いくつかの実施形態では、突起部の高さは、ロータのインテグラルシャフトの最終高さを超える。突起部は、特定の用途のために異なる高さであってもよい。この作業後、ロータはここで、ほぼその最終形状である。この形状は、熱処理プロセスにおける急冷作業間の急速かつ均一な冷却のために比較的薄い断面を有し得る。

ＡＩＳＩ４３４０等の変形−焼入れ鋼合金は、マルテンサイトの形成に関して最低冷却速度に依存し、それは焼き戻しプロセスの後、最終製品の強度及び延性を決定する。最低冷却速度は、表面から最も遠い断面の最も厚い位置において生じる。このように、最小費用での最大エネルギー貯蔵密度容量のため、ロータの設計は、低いアスペクト比（厚さ対直径比）に依存する。１つの例では、約１５％のアスペクト比は、ＡＩＳＩ４３４０熱処理合金鋼を使用する場合、１５０ｋＷｈの最大エネルギー貯蔵容量のため、０．２５ｍ（１０インチ）の厚さをもたらす。他の実施形態では、０．２５ｍ未満の厚さが使用されてもよい（例えば、０．０５ｍ〜０．２５ｍの範囲の厚さ）。

突起部を形成するための閉鎖型作業に続いて、素材は、素材の最大厚さをさらに低減させるために粗く機械加工される。このプロセスには、その後、急冷及び焼き戻し（熱処理）が続いてもよい。例示的な急冷は、素材を摂氏８５０度まで加熱し、ポリマー修飾された水浴中で急冷し、その後、摂氏約２１０度〜摂氏２５０度の間で焼き戻す。急冷作業後、部品は仕上げ機械加工され、平衡が保たれる。そのようなプロセス順序は、上述の寸法の例示的ロータに関して、約１２００ＭＰａ（１７０，０００ｐｓｉ）の最小降伏強度、約１３００ＭＰａ（１８５，０００ｐｓｉ）の極限引張強度、及び少なくとも６％の延性をもたらし得る。以下に開示される事前調整プロセスを受けるとき、ロータが、エネルギー密度を改善し、適切な安全範囲を確実にする所望の有益な残留応力状態を有するように、適切な延性を確実にすることが重要であり得る。

図２を参照して、システム１０は、天板１４、円筒形の垂直筺体１６、及び底板１８を含む密閉ハウジング内に位置決めされるロータ１２を含むフライホイールエネルギー貯蔵装置を示す。２つの軸受パック２０は、各軸受パック内に保持された軸受と回転接触しながらロータが自由に回転することを可能にする。ダウエルピン２２は、上部平板及び下部平板を互いに対して正確に位置決めする。円筒形筺体１６内のＯリングシール２４は、天板及び底板を密封し、真空筺体を形成する。天板及び底板内のリブ２６は、所望の水準の剛性を各平板に提供する。ロータの上面に極めて接近している電磁石２８は、ロータを上昇させるのに十分大きい垂直力を提供する。その軸がロータの軸と合致する環状スロット３０は、電磁石の本体中に切り込まれる。環状スロットは、ＤＣ電源に接続されるときにロータ上に制御可能な揚力を提供するであろう単一の絶縁線のいくつかのコイルを含む銅コイル３２で満たされている。

一連の、外部に装着された足部３４は、装置を地震事象から隔離させるいくつかの接合及び積層鋼／ゴム層を含むパッド３６上の装置を支持する。軸受パック２０は、真空エンベロープ内への空気の進入に対して回転シャフトを密封するリップシール３８を収容する。波形バネ４０は、最小の軸上の事前荷重が転がり接触軸受４２上に存在することを確実にし、ロードセル４４は、運転中の軸受への軸荷重を追跡するための方法を提供する。ロータ１２のシャフトは、シール、バネ、軸受、及びロードセルを収容するために機械加工される一連のステップを有する。軸受パックの外側のハウジング４６は、ダウエル４８によって天板上に正確に位置決めされる。シャフトの軸位置は、内側にネジ式の中空円筒形挿入部５０によって調節され、それを回転すると、ロードセル４４の（及びしたがって、シャフトの）軸位置を位置決めする上部の設定点を確立する。この特徴は、ロータ１２の上面と電磁石２０との間の空隙の調節のための方法を提供する。連結シャフト５２は、ロータシャフトの頂部をモータ／発電機５４に接続する。

図３Ａ〜Ｄは、以下に開示される事前に調整処理がロータ上で実施されるときのロータ内の応力分布のプロットを示す。図３Ａは、ロータの中心で降伏がちょうど生じ始める速度で回転しているロータ内の応力分布（半径応力及び接線応力）を示す。この点は、ロータに対する荷重の最大水準であると考えられ、その最大運転速度は、通常、この値をはるかに下回る値に設定される。しかしながら、降伏開始に対応する点を上回るロータ速度の上昇により、図３Ｂに示されるように、半径ｒ_ｐまで大きくなる塑性域が生じる。ロータ速度をゼロに低下させると、ここで、図３Ｃに示されるように中心の圧縮域によって特徴付けられる残留応力状態が存在する。図３Ａで達した速度までロータを再回転させると、正のマージンが降伏速度に対応する速度で存在するように、残留圧縮域は最大応力を低減させる。この事前調整プロセスは、このようにして、ロータ内のエネルギー貯蔵密度を増加させる。

いくつかの実施形態では、ロータ歪みは、計算モデルを使用して推定され得る。そのような実施形態では、所望の量の歪みは、所与のロータ材料及び形状に対する回転速度に変換され得る。この方法では、十分な量の歪みは、各ロータ内の歪みを実際に測定することなく、簡単に所与の回転速度になるだろう。他の事例では、後に示されるように、歪みは、歪みを決定することができるように回転しながら測定され、回転速度は所望の降伏域が生成されるまで上昇され得る。

図４Ａは、ロータ１２上への脆性塗料５６の適用を示す。ロータを回転させると、ロータ内の歪みは、脆性塗料に図４Ｂに示される亀裂パターン５７を生成し、それは、ロータ内の応力状態を表す。亀裂パターンは、接線及び放射状に分布した亀裂を含み、その間隔が応力の規模の測定であり、より近い間隔は、より大きい応力である。応力分布の定量値は、引張標本への荷重を既知の荷重に対して較正及び亀裂パターンの測定によって得ることができる。応力の規模に加えて、亀裂の方向性は主応力方向に垂直であるため、主応力の方向もまたパターンに表わされる。

図５は、ビデオカメラ５８及びストロボライト６０の使用を例示し、その周波数は、ロータ速度と同期される。この方法では、真空エンベロープ１６内のロータ１２上の脆性塗料層の亀裂の進行は、ロータ速度の関数として記録され得る。

図６では、無線周波数（ＲＦ）送信機６２を有する歪みゲージは、真空チャンバ壁１６の内側でロータ１２の表面に接合され、放射状ベクトルと平行かつ接線である目的とする方向に沿って向けられる。代替実施形態では、送信機６２は、当該技術分野で既知の任意の種類の無線送信機または無線通信システムであってもよく、無線周波数送信機には限定されない。真空エンベロープの内の受信機は、表示及び記録のためにケーブルを介して歪みゲージの読み取りをレコーダーに通信する。この配置は、応力分布及び塑性域の範囲がロータ速度とともに正確に追跡されるため、事前調整プロセス中に特に重要な情報である回転中のロータ上の歪み分布のリアルタイム測定を提供する。加えて、制御ソフトウェアは、この情報を使用して、正常ではない応答を警告し、必要に応じて、ユニットを停止することができる。

図７は、システムの最小共振振動数を決定するバネとして、ロータが懸架される天板の弾性応答の使用を例示する。ロータの重量は、その剛性に応じて天板を屈折させる。共振振動数は、ロータ重量に対する平板剛性（図中に点線で示される平板のたわみで除したロータ重量）の比率の平方根に比例する。このため、天板の剛性を調節することができる場合、システムの所望の共振振動数を得ることができる。この特徴は、図８に示され、補強材６４を追加または除去することによって、天板１４の剛性をどのように調節することができるのかを示す。所与のロータ速度に関する横方向の荷重は、ロータシャフトの長さに左右され、荷重はシャフトの長さの増加とともに減少する。しかしながら、ロータ／シャフト構造の第１の曲げモードの共振振動数は、シャフトの長さの縮小とともに増加する。共振振動数は、シャフトの長さＬ^３／２とともに減少するが、シャフト直径ｄ^２を増加させる。このため、シャフトの長さに対する直径の好適な比率は、ロータ歳差運動による軸受への低い横方向の荷重ならびに高い共振振動数の両方を有するシステムを提供する。

図９Ａは、例示的実施形態に従って、ロータ軸の精密な整列のための機械加工された凹リップを通して、どのように天板（及び上部軸受）が底板（及び下部軸受）に対して正確に位置決めされるのかを示す概略図である。天板１４内の凹リップ６６は、天板１４を真空チャンバ壁１６に対して正確に位置決めする。同様の凹リップが、底板内に存在してもよい。凹リップ６６内の真空チャンバ壁１６の位置付けは、上部軸受パックと下部軸受パックとの間の整列が正確かつ精密であることを確実にする。

図９Ｂは、例示的実施形態に従って、スラスト軸受上に支持されるモータ駆動型機構を用いることによって、ロータと吊上除荷磁石との間の所望の空隙を維持するために下部中央支持体がどのように上昇または下降され得るかを示す概略図である。ウォーム歯車６８を使用して、軸受パック２０、及びしたがってロータの軸位置を、そこと電磁石との間の空隙に対して正確に位置決めする。ウォーム歯車は、出力シャフト７０を回転するようにモータ（示さず）によって、または手動で駆動され、軸受パックと対になるネジによって、全アセンブリを上昇または下降させる。この実施形態に関して、ロータ重量及び／または真空圧力から生じる天板及び底板内のたわみによる上部軸受と下部軸受との間の相対変位は、運転中に下部シャフト止め具と下部軸受との間に適切な軸方向隙間が存在するように補正され得る。これらの調節は、変位変換器及びコントローラと併せて使用される場合、遠隔、及び必要に応じて独立して行うことができる。

図１０を参照して、下部軸受パックの軸上及び下部に位置する中空円筒形構造７２は、ロータ１２が静止しているとき、及び／または除荷機が作動しないときに、底板２６を支持する単一の調節可能な足部として作用する。一実施形態では、足部は、設置場所において、足部の長さが床面の外形に適合するように変化することが可能なネジ式の拡張部分を含む。

図１１を参照して、全ユニットは、免震を提供するために厚いゴム製シート、または積層鋼平板及びゴムシートのアセンブリ７４上に位置する。この実施形態では、フライホイール支持構造は、ゴムシート上に直接位置するか、または、免震構成要素を構成する鋼平板及びゴムシートのアセンブリ７４にボルト締めされる。一実施形態では、鋼平板及びゴムシートのアセンブリ７４は、装置の破滅的な故障により生じる損傷を低減するように構成された円筒形構造体または容器内に位置決めされ得る。

図１２を参照して、真空チャンバ壁１６の内部に位置し、ロータ１２の外周の周りに離間される容量ゲージ等の非接触変位センサ７６は、その速度の変化に伴うロータの半径の変化を決定する。この情報は、数値モデルを確かめるため、ならびに切迫したロータまたは軸受の故障を示し得る異常な変位変化を警告するために有用である。例となる実施形態では、３０度離れて位置する１組の１２個の変位センサは、ロータが回転すると、ロータの外径のプロファイルをもたらすだろう。ロータの外周の変位は、５０キロヘルツのサンプリングレートを有するアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換機を使用して２０マイクロ秒毎に決定され得る。これは、６０００ｒｐｍで回転するロータに対して回転の０．７２度毎のロータプロファイルの測定と一致する。リアルタイムプロファイル並びにプロファイルの任意の直円度は、記録されたデータから決定することができ、コンピュータモデルに対して確認され得る。加えて、横の振動モード及びモード形状は、リアルタイムで決定することができる。

図１３を参照して、２つ以上の加速度計７８は、ロータの不均衡の水準を測定するために各軸受パックの外周の周りに装着される。加速度計信号の振幅は、ロータ速度が既知であるときの質量の不均衡に関する情報を提供する。各加速度計信号の拍子信号がモータロータリーエンコーダと相関している場合、ロータ内の正味不均衡の角位置を特定することができ、その後の機械加工作業において取り除かれる。加えて、運転中の加速度計信号の変化は、軸受摩耗及び／またはシステムの切迫した故障の標識として使用することができる。

図１４を参照して、変位ゲージ８０は、軸受パック内のユニットの底部で装着され、その全運転及び事前調整の速度範囲にわたって懸架されたロータの動的（軸線上の）運動を記録し、ロータが各共振モードを経験する速度を決定する。この情報を使用して、システムの異常な挙動を示すこともできる。

図１５を参照して、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサ８２は、軸受パック及び真空ハウジング内を含むいくつかの場所で、構造上に設置される。これらのセンサは、軸受及びまたはロータ内の欠陥伝搬から出現する音を測定し、それにより、システム内の１つ以上の構成要素の摩耗または切迫した故障の測定を提供する。一実施形態では、アコースティックエミッションセンサ８２は、高周波音（例えば、５００ｋＨｚ以上）を測定する。

図１６を参照して、厚壁の鋼及びコンクリート格納構造８４、８６は、装置１０の円筒外壁に極めて接近して、好ましくは、装置１０の円筒外壁に接触して構築される。この配置は、エネルギー散逸が摩擦及び粒子間の相互作用によって容易になるように、回転モード（並進モードを最小化する）で含まれるロータ故障から生じる断片を保つ。格納構造は、格納構造の直径が、ユニットの底部から深さを増すにつれて徐々に増加するようなテーパ形状８４を有する。ロータ故障時、断片は、上向きに動き、表面上に押し出されるのではなくむしろ、軸方向に変位し、ユニットの下に集まる傾向があるだろう。一実施形態では、格納構造８４、８６は、少なくとも部分的に埋め込まれ得る。

図１７を参照して、集合体の大きさがコンクリート壁からの半径距離に沿って縮小するような段階的な集合体８８の配置が設置される。これは、コンクリート格納構造に隣接する大きい気孔率を有するエネルギー吸収構造をもたらし、半径距離の増加とともに粒子の大きさは縮小する。

図１８を参照して、フライホイール装置１０は、電子もしくは機械制御の無段変速機（ＣＶＴ）１００または他の歯車式変速機を通して誘導モータ９０に接続される。この様式で滑り速度を超えて誘導モータをオーバードライブすると、グリッドに電力を出力する発電機のように作動する。ＣＶＴ内の歯車比を変更することによってアンダードライブすると、ロータを加速するために外部電源による誘導モータの駆動が生じ、それによりエネルギーを貯蔵するだろう。これは、ブラシレスＤＣモータ、インバータ、並びにそれらに関連付けられる制御及びドライバソフトウェアスキームを含まないため、低費用の方法である。

図１９を参照して、放射状の温度勾配が、発熱器１１０によってロータ１２に与えられる。ロータの中心がその外周よりも高い温度である場合、結果として生じる非均一な熱歪みは、有益な熱応力（中心での圧縮、外周での引張）をもたらし、それは全体の応力状態を改善し、それによりロータ内のエネルギー密度を上昇させる。一実施形態では、発熱器は、電気抵抗性発熱器または当該技術分野で既知の任意の他の好適な発熱器を含み得る。一実施形態では、発熱器は、ロータに集中的に配置され、ロータの上のハウジングに取り付けられる。同心の発熱体のそれぞれに対して異なる電流入力を有する特定の温度プロファイルが生成される。温度プロファイルは、ロータの中心からその外周に放射状に配置される高温計の直線状の配列を用いて、運転中に測定される。

図２０は、オーステナイト（したがって、非磁性）であり得る合金鋼から作製され得る個別の、別に機械加工され、構造接着剤１２２を使用してロータ１２に接着剤で接合されたシャフト１２０を使用する概念を例示する。ロータは磁気式除荷機によって直接上昇されるため、接合された接合部内の応力は、低く、軸方向の圧縮事前荷重によって主に圧縮され、従来のポリマー構造の接着剤の接合強度によって容易に適合される。この手法は、インテグラルシャフトを有しないため、容易に鍛造及び機械加工される極めて単純な形状のロータを使用することを可能にする。

図２１を参照して、ロータ１２は、図２０にあるようなシャフトを有しない単純な固定または可変厚の円盤である。この場合、シャフト１２０は、ロータに溶接される。いくつかの実施形態では、シャフトは、接触面１２６とロータ１２との間の従来の溶融隅肉溶接を用いてモータに溶接され得る。溶接作業の後、従来の熱処理手順は、溶接位置でロータ内に導入される応力集中を取り除く。ロータが磁気式除荷機によって直接上昇されるため、溶接部内の応力は低い。

別の実施形態では、シャフト１２０は、シャフトを回転するロータ素材に押し付けるような高い軸力１２８を使用してロータに摩擦溶接される。接触面１２６は、境界面を溶接するのに十分な高温に達する。溶接作業の後、従来の熱処理手順は、溶接部でロータ内に導入される応力集中を取り除く。ロータが磁気式除荷機によって直接上昇されるため、溶接部内の応力は低い。

図２２を参照して、ロータは、従来の構造接着剤を使用して接着剤で一緒に接合されたいくつかの積層板から構築される。様々な実施形態において、接着剤には、構造エポキシ接着剤、油耐性ポリサルファイド系可撓性接着剤、シリコーン系接着剤、または当該技術分野で既知の任意の他の好適な接着剤が挙げられる。積層物間の接合部内の唯一の応力は、ロータが上昇されるときに生じる重力荷重である。この応力は、低く、接着剤の引張強度によって容易に適合される。例えば、各厚さ２５ｍｍ（１インチ）の１０個の積層物に対して、第１の積層物接合部（最も高く荷重される接合された接合部）内の引張応力は、０．０２１ＭＰａ（３ｐｓｉ）未満である。構造接着剤は、７ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）を容易に上回る引張強度を有する。薄い薄層は、より高い強度に個別に熱処理されてもよく、それにより、ロータエネルギー密度を上昇させる。加えて、積層ロータは、１つの薄層内の欠陥の伝搬が隣接する薄層によって制限される傾向があるため、高い冗長性を有する。加えて、１つの薄層の故障が、全ロータの故障をもたらさない。また、薄層は薄いため、ロータが回転している間、２軸平面応力の状態にあり、それは厚いモノリシックロータに存在する２軸平面歪み状態よりも均一な応力状態である。加えて、薄い平板は、厚い平板よりも高い降伏強度に熱処理することができ、このため、一緒に積層された薄い平板からなるロータは、同じ総厚のモノリシックロータにおけるものよりもより高いエネルギー密度を呈するだろう。

図２３を参照して、そのスピン軸が回転型の軸と平行である型の内部に位置する回転スプール１３４から繊維束がその中に供給される高速回転する円筒形の型１３２を使用して、複合繊維で強化されたリングが製造される。繊維束がスプールから解かれると、遠心力によって回転型の内面に対して保持される。室温硬化型の事前に触媒された熱硬化性樹脂が、回転型の垂直壁に向かって壁に対して置かれた繊維束上にノズル１３６から垂直に噴霧される。高重力は、樹脂の硬化の進行に伴って繊維束に浸透させるように、液体樹脂に適切な圧力を提供する。硬化が完了すると、型は取り外され、リングが型から押し出される。このプロセスは、複合リングを製造するための従来のプロセスであるフィラメントワインディングよりも１０〜５０倍速い。例えば、６０〜９０ｍ／分のフィラメントワインディング速度と比較して、４５００ｍ／分の繊維分注速度が可能である。あるいは、高温で硬化する樹脂系が、内部の電気抵抗発熱器、ガス燃焼発熱器、または内側から型を照らす赤外線電球のいずれかにより型表面を加熱するための方法とともに使用されてもよい。あるいは、回転型は、浸透及び硬化が、複合材料中の空間を最小化するように真空下で完了し得るように中心シャフト及びシャフトリップシールを有する。加工回数がさらに低減され得るように、及び／または最終の複合リングが異なる繊維の種類を重ねた構造を有するように、異なる繊維（ガラス、炭素、ケブラー、金属線等）が同時または順次に分注され得るように追加のスプールが同時に展開されてもよく、それはある特定の用途に対して有利であり得る。あるいは、特性を放射状に変化させるために、異なる樹脂系が順次適用されてもよい。例えば、この手法において、その外径において炭素繊維を、及びその内径においてガラス繊維を用いて、複合リングは、容易に製造され得る。この用途における高重力によって、空間を含まない複合リングが高い割合で生産され得る。

図２４を参照して、事前に浸透させ、部分的に硬化された繊維束（トウプレグ１３８）が、図２３にあるようにスプール１３４から高速回転する円筒形型１３２中に分注される。内部（または外部）発熱器１４２は、分注されたトウプレグを加熱し、その流動及び硬化を可能にする。

図２５は、例示的実施形態に従って、ロータを上昇するための電磁石の安定した操作を可能にする２つの上部バネ及び下部バネを示す概略図である。図２５では、円盤ワッシャまたは波形バネ等の小型バネ１３８は、軸受カートリッジ２０内の上部軸受４２の上及び下部軸受の下に位置する。この配置は、電磁石２８の電流に対するロータ１２の位置のより安定した制御を提供する。ロータを上昇させるために必要とされるコイル電流は間隙の縮小とともに急速に減少するため、間隙の低減とともにその抵抗力が増加するバネの追加は、磁石の特性を補う。

図２６は、例示的実施形態に従って、吊上電磁石に対する間隙を低減させてロータの上昇を支援するための真空を示す概略図である。図２６を参照して、ハウジング１４、１６、１８への真空の適用は、上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８のたわみ１４０によって、軸受カートリッジ２０に対するロータ１２の上昇をもたらす。この運動は、ロータ１２と電磁石３２に対するその最終位置との間の距離の低減をもたらす。この特徴は、ロータとその最終運転位置との間の距離を移動するために必要とされるＤＣ電力の低減を可能にする。例えば、直径６と１／２フィート（２メートル）のハウジングを含む１つの試験では、真空の適用は、ロータと磁石との間の相対距離を０．１０インチ（２．５ｍｍ）超低減させた。磁石単体を用いてこれを達成するためには、電磁石内の電流（したがって、電源の大きさ）を２倍にする必要があるだろう。真空の度合いは、ロータと磁石との距離を移動する速度を制御することによって調節することができる。

図２７は、例示的実施形態に従って、ロータと磁石との間隙を直接測定するための変位変換器を示す。図２７を参照して、線形差動変圧器（ＬＶＤＴ）または容量ゲージ等の変位変換器１４２は、ロータ１２と磁石３２との間の間隙を直接測定する。ＬＶＤＴ等の接触変位変換器は、電磁石に電圧を加え、真空が適用されるときに所望の間隙が達成されることを確実にするために組み立て後に使用される。ＬＶＤＴの本体は、測定を行うためのロータと接触するその探触子を用いて真空エンベロープ内部のハウジングに連結される。探触子は、ロータが回転を開始する前に、ソレノイドによってロータから離昇する。容量ゲージ等の非接触変位変換器は、間隙を直接測定するために同様に向けられる。非接触変位変換器は、ロータが静止しているか、または回転しているかに関わらず、測定を行うことができ、ロータの速度範囲にわたって間隙を監視する利点を有する。

図２８は、例示的実施形態に従って、モータ式上部軸受を使用して、フライホイール内のロータの軸位置を調節する配置を示す。図２８では、上部ハウジング１４上に装着されるモータ式上部軸受１４４は、軸受カートリッジ２０内の止め具の位置を転移させ、それは次いで、ロータ１２の位置を設定する。この特徴を制御システムに連結することによって、電磁石の電流は、フライホイール性能の最適化及びハウジングの位置付けに関して、様々な間隙条件に合わせて調節することができる。ロータの位置は、軸受カートリッジ２０内の内部要素１７６によって設定される（図３４に示される）。内部構成要素１７６を回転すると、内部構成要素１７６と軸受カートリッジ２０の本体との間のネジ式の境界面を介して内部構成要素１７６が動き、それは次いで、電磁石がロータを内部構成要素１７６に対して上昇させるときに、ロータ位置を設定する。軸受カートリッジ２０へのモータ式の特徴の追加は、フライホイールが回転している間に実施されるこの調節を可能にする。ウォーム歯車の減速装置に連結される小型モータは、内部構成要素１７６の上下の小さな変位を可能にし、それにより、ロータと磁石との間隙を変化させる。

図２９は、下部ハウジング１８上に装着された円錐状の下部軸受カートリッジ２０を示す。軸受の故障は、制御された様態で減速されるように、ロータ１２による軸受カートリッジの融解をもたらす。軸受故障が生じるとき、軸受は急停止し、破壊され、回転ロータは降下して円錐状の下部軸受カートリッジ２０の頂部と接触する。結果として生じる摩擦は、円錐形状の頂部をすぐに融解させ、その後、その接触面を変形及び拡大し始める。ロータがさらに変位すると、円錐形状の直径の増加は、接触面積及び抵抗摩擦力を次第に増加させ、制御された様式でロータを減速させる。

図３０は、軸受故障時に、回転ロータ１２がその下部縁部上のハウジング上に静置されるように成形される下部ハウジング１８の立体構造を示す。ハウジングは、ロータが停止するまで下部縁部が制御された様式で融解するような角度θで成形される。ハウジング上に堆積される融解層は、それがロータによって切断または貫通されることを防ぐ。直径１４７の円筒形支持体１４６は、ロータハウジングに対する支持を提供する。

図３１は、ロータシャフト１４８に取り付けられた内歯スプライン１５０を示す。内歯スプライン１５０は、外歯スプラインの付いた円筒１５２と噛合する。外歯スプラインの付いた円筒１５２は、モータ１６０に取り付けられた別の内歯スプラインの付いたシャフトと噛合する。この配置は、モータとロータとの間にトルクを伝達しながら２つのシャフト間の相対的なシャフト方向運動を提供する。そのようなシャフト方向運動は、ロータが回転している間、ロータの改善した上昇及び下降を可能にする。加えて、内歯スプラインと外歯スプラインとの間の小さな隙間は、ロータ軸とモータシャフト軸との間の小さな角の不整合を許容する。

図３２を参照して、溶接されたタブ１５４は、上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８のそれぞれに取り付けられる。上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８は、次いで、上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８上の整列したタブ１５４を、それぞれ、ボルト１５８で一緒にボルト締めすることによって接合され得る。２つのハウジング部分の固定が完了する際、小さい間隙１６０が、タブ表面の間に存在し、それは、上部ハウジング部分１４と下部ハウジング部分１８との間の止り嵌めを確実にする。タブ及び対応するボルトは、上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８の周りに距離１５６離れて配置される。一実施形態では、タブ１５４は、上部ハウジング部分１４及び下部ハウジング部分１８よりも強い下部強度を有する。高速運転の間に真空の故障が生じた場合、流入空気は、回転するロータによって加熱され、次いで、ハウジング内の空気の急速膨張及び圧力上昇をもたらすだろう。この実施形態では、より弱いタブの塑性変形は、より強いハウジングが分離し、ハウジングを分離または射出せずに圧力を急速に放出することを可能にする。

図３３は、真空ハウジング１４内の圧力逃し弁１６２を示す。圧力解放弁１６２は、真空密封を可能にする一方で、真空が機能しない場合に真空ハウジング１４内のあらゆる超過圧力を放出するだろう。圧力逃し弁１６２は、真空ハウジング１４の外側に取り付けられる。貫通接続構造１６８は、貫通接続構造１６８の一部であるネジ部分１６６を螺合するナット１７２によって真空ハウジング１４に対して押し付けられるＯリングシールを含む。貫通接続構造１６８は、テーパ座を備える内孔を有し、その中にバネによってテーパ座に対して保持される弁１６４が固定される。真空ハウジング１４内部の空気が真空にされるとき、圧力逃し弁１６４上の外気圧は、バネからの力を増大させ、貫通接続構造１６８上の圧力除去装置１６４の固定力を増加させ、真空気密シールをさらに確実にする。回転シールまたはホースの故障により真空ハウジング１４内の真空が失われる場合、故障点からの流入空気は、回転ロータによって空気力学的に加熱され得、それにより、真空ハウジング１４内部の圧力は、気圧を大きく上回り得る値まで急速に上昇する。真空ハウジング１４の広い表面積により、小さい陽圧は、真空ハウジング１４の様々な構成要素間の接合部の故障を引き起こす可能性がある大きい力を生じる。そのような故障は、真空ハウジング１４の射出を引き起こす場合があり、それを破滅的な結果を起こす可能性がある噴出物に変える。例えば、直径７フィートのハウジング上に作用している５ｐｓｉの圧力は、ハウジング上に３．５トンの力を及ぼす。この実施形態では、ハウジング内部で発達する任意の陽圧は、圧力逃し弁１６２をバネに対して上昇させ、オリフィス１７０を介して空気を放出させる。バネ速度及びバネ内の初期の事前荷重は、所与のオリフィスサイズ及び圧力上昇特性に対して内圧の安全な放出を提供するように設計され得る。

図３４は、ロータを取り外すことなく、軸受、荷重センサ、及びシールの取り外し及び置き換えを可能にするための軸受カートリッジ２０のための実施形態を示す。軸受カートリッジ２０は、真空ハウジング１４（上部ハウジングとも称される）に装着される内部構成要素１７４を含む。荷重センサ１７６、センサキャリア１７８、事前荷重バネ１８０、バネキャリア１８２、軸受１８４、回転シール１８６、及び保持リング１８８は、内部構成要素１７４内に位置する。ロータ１２の位置は、軸受カートリッジ１７４の内部構成要素の設定により磁石２８に対して維持される。下部連結シャフト１９２は、歯車継手１９４及び隔離ラジアル玉軸受１９８によって位置決めされる上部連結シャフト１９６を介してモータに取り付けられる。モータ／発電機は、モータ支持構造２００に装着される。一実施形態では、モータ支持構造２００は、モータシャフト軸をロータシャフト軸に対して整列させるベルハウジングである。真空ハウジング１４からモータ支持構造２００のボルトを外すことは、モータ／モータ支持構造／連結シャフトアセンブリがロータから離昇することを可能にする。次に、内部構成要素１７４のネジを外して、軸受カートリッジ２０から分離する。一度内部構成要素１７４が取り外されると、荷重センサ１７６、事前荷重バネ１８０、軸受１８４、及び回転シール１８６は、検査、及び必要に応じて、置き換えのために容易に取り外すことができる。

図３５では、水冷ジャケット２２０が、軸受カートリッジを囲むように示される。冷却ジャケットの壁と一体になって機械加工された一組のフィン２６０は、軸受との良好な熱的結合を提供し、効率的な熱除去を容易にする。冷却ジャケット内で循環し、出口管を介してラジエータ（示さず）に退出する冷却流体を、入口管２２２は提供する。入口管は、ホース２２４を介してラジエータマニホールドの冷却側に接続される。

図３６は、走査超音波変換器２２８を使用するロータのその位置での検査のための実施形態を示す。接合部２３２から旋回し、また真空密封ポート２３６の一部であり、そこを通って、信号ケーブル及び電力ケーブルのための配線が上部ハウジング１４を貫通して通される回転アーム２３０の端部に、変換器が装着される。変換器は、変換器の前縁部で多孔スポンジを通して注入されるゲル状連結用媒体を介してロータ１２上に直接静置される。ロータがゆっくりと回転する間に、弧２３４を描くアームの回転は、ロータの全体積の検査を可能にする。シャフトの下でロータ材料を、その中心で及びその総厚を通して洞観するために、変換器は適切に角度をなす導波路に適合される。

図３７は、加速寿命試験においてライフサイクルデータを提供するための、一方が充電している間に、他方が放電する並行モードで駆動する２つの大きさのフライホイール２３８の配置を示す。グリッド２４０は、この配置における損失を補うための電力を提供する。構成要素２４２は、２つのフライホイール２３８間のスイッチである。

１つ以上の方法が本明細書に記載され、１つ以上の流れ図が本明細書で使用された。操作方法の考察及び流れ図の使用は、実施される操作の順番に対して制限することを意味しない。本明細書に記載の主題は、時々、異なる他の構成要素内に含まれる、またはそこに接続される異なる構成要素を例示する。そのような描かれる構造様式は単なる例示であり、実際に同じ機能性を達成する多くの他の構造様式が実装されてもよいことを理解されたい。概念的な意味では、同じ機能性を達成するための構成要素の任意の配置は、所望の機能性が達成されるように効果的に「関連付けられる」。したがって、特定の機能性を達成するために組み合わせられる本明細書に記載の任意の２つの構成要素は、構造様式または中間構成要素に関係なく所望の機能性が達成されるように互いに「関連付けられる」として見える。同様に、そのように関連付けられる任意の２つの構成要素もまた、所望の機能性を達成するように互いに「作動可能に接続される」または「作動可能に連結される」ように見え、そのように関連付けることが可能な任意の２つの構成要素もまた、所望の機能性を達成するように互いに「作動可能に連結可能」であるように見える。作動可能に連結可能な特定の例には、物理的に嵌合可能な及び／もしくは物理的に相互作用する構成要素、並びに／または無線で相互作用可能な及び／もしくは無線で相互作用する構成要素、並びに／または論理的に相互作用する及び／もしくは論理的に相互作用可能な構成要素が挙げられるが、これらに制限されない。

本明細書における実質的に任意の複数形の用語及び／または単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈及び／または用途に適切であるように、複数形から単数形に及び／または単数形から複数形に変換することができる。様々な単数形／複数形変更は、明瞭さのために本明細書に明示的に示され得る。

当業者には、全体的に、本明細書及び特に添付の請求項（例えば、添付の請求項の主文）で使用される用語は、概して、「非制限的な」用語であると意図されることが理解されるだろう（例えば、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は「含むが、それに限定されないことが理解されるだろう（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は「含むが、それに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである等）。当業者には、特定の数の導入される請求項の列挙が意図される場合、そのような意図は特許請求の範囲に明白に列挙され、そのような列挙がない場合はそのような意図は存在しないことがさらに理解されるだろう。例えば、理解を助けるため、以下の添付される特許請求の範囲は、請求項の列挙を導入するために、導入句「少なくとも１つの」及び「１つ以上の」の使用が含まれてもよい。しかしながら、そのような語句の使用は、不定冠詞「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」による請求項の列挙の導入が、そのような導入される請求項の列挙を含む任意の特定の請求項を、同じ請求項が、導入句「１つ以上の」または「少なくとも１つの」及び「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」等の不定冠詞を含む場合であっても（例えば、「１つの（ａ）」及び／または「１つの（ａｎ）」は、典型的には、「少なくとも１つの」または「１つ以上の」を意味すると解釈されるべきである）そのような列挙を含む唯一の発明に制限すると解釈されるべきではなく、請求項の列挙を導入するために使用される定冠詞の使用についても同じことが言える。加えて、特定の数の導入される請求項の列挙が明白に列挙される場合であっても、当業者であれば、そのような列挙が、典型的に、少なくとも列挙される数を意味すると解釈されるべきであることを理解するだろう（例えば、他の修飾語句を伴わない「２つの列挙」であるわずかの列挙は、典型的に、少なくとも２つの列挙または２つ以上の列挙を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ等」に類似の慣例が使用されるような場合には、概して、そのような構文は、当業者であればその慣例を理解し得るという意味において意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、これらに限定されないが、Ａ単体、Ｂ単体、Ｃ単体、Ａ及びＢをともに、Ａ及びＣをともに、Ｂ及びＣをともに、並びに／またはＡ、Ｂ、及びＣをともに有するシステムを含む）。「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ等」に類似の慣例が使用されるような場合には、概して、そのような構文は、当業者であればその慣例を理解し得るという意味において意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、これらに限定されないが、Ａ単体、Ｂ単体、Ｃ単体、Ａ及びＢをともに、Ａ及びＣをともに、Ｂ及びＣをともに、並びに／またはＡ、Ｂ、及びＣをともに有するシステムを含む）。当業者には、発明を実施するための形態、特許請求の範囲、または図面においてのいずれかに関わらず、２つ以上の代替の用語を示す事実上任意の離接的な用語及び／または語句は、その用語のうちの１つ、その用語のうちのいずれか、または両方の用語を含む可能性を企図することが理解されるべきであることがさらに理解されるだろう。例えば、「ＡまたはＢ」という語句は、「Ａ」もしくは「Ｂ」または「Ａ及びＢ」の可能性を含むと理解されるだろう。

加えて、決定または判定の任意の種類のプロセシングまたはレンダリングを実施するコントローラ、送信機、受信機、及び／または構成要素に対する任意の言及は、プロセッサ及びプロセッサ実行可能命令を記憶するメモリを含む計算装置によって実施され得ることを理解されたい。

例示的実施形態の前述の記載は、例示及び説明の目的のために示された。開示される精密な形態に関してすべてを網羅するまたはそれに制限するとは意図されず、修正及び変形は、上述の教示の観点から可能であるか、または開示される実施形態の実施から取得され得る。本発明の範囲は、本明細書に添付の請求項及びそれらの均等物によって定義されることが意図される。

機械的エネルギー貯蔵のセーフティクリティカルの観点から、フライホイールが有効であるライフサイクル数を決定することが重要である。これは、完全充電状態までの充電／放電時間が長いことから、大きいシステムにおいて行うことが難しい。例えば、６０ｋＷのモータ／発電機ユニットは、１２０ｋＷｈフライホイールを充電及び放電するために４時間を必要とするだろう。そのようなユニットが１０，０００サイクルを経るには、維持管理のための時間を除いて少なくとも４年〜４年半はかかるだろう。本明細書で考察される実施形態は、厚さではなく直径において調整されるロータを使用して、加速寿命試験を可能にする。鋼合金特性は熱処理に左右され、及び後半は厚さに左右されるため、厚さを同じにして、直径を厚さの少なくとも２倍の大きさに保つことは、原寸大のロータと同一の材料特性が維持されることを確実にする。１つの計算において、直径を３倍低減させることは、ｒｐｍを同じだけ上昇させ（同じ応力状態に関して）、サイクル速度を１時間当たり５サイクル、または３カ月未満で１０，０００サイクルまで低減させる。この実施形態では、より小さいロータが、真空チャンバ内に懸架され、５：１増速器及び１３０ｋＷモータ／発電機を使用して回転する。同じ寸法の２つのユニットが、互いに充電及び放電するために並行して使用され、それにより、電力消費を最小化する。グリッドへの取付けは、２つのシステム内での損失に対して余力を提供する。この手法では、現実的なロータ寿命試験は、妥当な期間で完了され得る。
[本発明1001]
密封ハウジング部分と、
前記ハウジング部分内に配置されたロータと、
前記ロータと平板との間に配置される下部接触軸受及び上部接触軸受のうちの1つ以上を備えた軸受ハウジングと、
前記ロータを前記上部軸受に対して上昇させ、前記下部軸受から離昇させる垂直の除荷力を提供するように構成された除荷磁石と
を備える、フライホイール装置。
[本発明1002]
前記密封ハウジング部分に装着され、前記ロータと前記除荷磁石との間の間隙を測定するように構成された第1の変位センサをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1003]
前記第1の変位センサから90度の角度で前記密封ハウジング部分に装着された第2の変位センサをさらに備える、本発明1002のフライホイール装置。
[本発明1004]
前記第1の変位センサが、線形可変差動変圧器、線形ポテンショメータ、または容量ゲージを含む、本発明1002のフライホイール装置。
[本発明1005]
前記軸受ハウジングの周りに位置付けられた円錐構造をさらに備え、前記円錐構造が、前記下部または上部接触軸受のうちの1つ以上の故障時にロータシャフトを支持するように構成される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1006]
前記ロータに接続されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトをモータシャフトに接続するように構成された隔離シャフト継手と
をさらに備え、前記隔離シャフト継手が、
前記ロータシャフトに連結される第1の内歯スプラインと、
前記内歯スプラインに連結される外歯スプラインと、
前記外歯スプライン及び前記モータシャフトに連結される第2の内歯スプラインと
を備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1007]
前記密封ハウジング部分が、上半分及び前記上半分から分離可能な下半分を備え、前記上半分の前記下半分との係合時に、前記上半分上のタブが前記下半分上の対応するタブと係合するように、複数のタブが前記上半分及び下半分のそれぞれに形成された、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1008]
前記軸受ハウジングが、
前記密封ハウジング部分に連結された外部構成要素と、
1つ以上の接触軸受、荷重センサ、及び真空シールを収容する分離可能な内部構成要素と
を備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1009]
前記軸受ハウジングが、前記下部接触軸受または前記上部接触軸受のうちの1つ以上を包囲する冷却ジャケットをさらに備え、前記冷却ジャケットが、前記軸受ハウジングから熱を除去することを可能にするために冷却流体を提供するように構成された冷却装置に接続される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1010]
軸受の回転数及び前記軸受上の荷重を監視するように構成されたセンサをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1011]
前記上部軸受または下部軸受のうちの少なくとも1つに加えられた荷重を測定するように構成された荷重センサと、
測定された荷重に基づいて前記除荷磁石の磁場を調節するように構成された制御システムと
をさらに備え、前記除荷磁石が、電磁石である、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1012]
前記コントローラが、前記測定された荷重を所定の荷重制限と比較するように構成される、本発明1011のフライホイール装置。
[本発明1013]
前記ロータが、円盤形ロータを含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1014]
前記ハウジング部分の天板に溶接された複数の複数の補強リブをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1015]
前記下部または上部軸受のうちの少なくとも1つに前記ロータを介して最低限必要な力を及ぼすように構成されたバネをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1016]
前記密封ハウジング部分が密閉され、その中に前記ロータが配置された真空エンベロープを提供する、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1017]
前記ロータのシャフトが、低摩擦リップシールを介して前記真空エンベロープを通って延びる、本発明1016のフライホイール装置。
[本発明1018]
前記低摩擦リップシールが、フルオロポリマーリップシールを含む、本発明1017のフライホイール装置。
[本発明1019]
前記軸受ハウジング及びモータが、前記真空エンベロープの外に位置する、本発明1017のフライホイール装置。
[本発明1020]
前記密封ハウジング部分が、前記ロータを支持し、前記軸受ハウジング及び前記ロータのシャフトのための整列治具を提供し、かつ前記ロータ用の懸架システムを提供するように構成される、本発明1016のフライホイール装置。
[本発明1021]
前記密封ハウジング部分が、前記ロータのための懸架要素を提供する天板を備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1022]
前記除荷磁石が、前記密封ハウジング部分によって形成される真空チャンバの天板内に構造的に一体化される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1023]
前記除荷磁石が、絶縁銅線のシングルコイルを備えた電磁石である、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1024]
前記密封ハウジング部分が、天板、底板、及び円筒形部分を備え、前記天板及び前記底板が鋳鉄を含み、前記円筒形部分がパイプ部分を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1025]
前記密封ハウジング部分内の前記ロータの軸位置を遠隔で調節するように構成されたアクチュエータをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1026]
前記ロータが、別の非磁性シャフトに連結された円盤形ロータを含み、前記ロータが、接着剤または溶接によって前記非磁性シャフトに連結される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1027]
前記ロータが、一緒に接着接合された複数の積層板を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1028]
前記ロータ上の歪みをリアルタイムで監視するように構成された歪みゲージをさらに備え、前記歪みゲージが前記ロータの表面に接合され、前記歪みゲージが、前記ハウジング部分内に位置する受信機に歪み測定値を無線で送信するように構成される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1029]
前記ロータに接続されたシャフトの末端に位置するアンギュラ接触軸受をさらに備え、前記アンギュラ接触軸受が、運転中、歳差運動に誘発される荷重に抵抗するための前記ロータの軸支持を提供するように構成される、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1030]
前記軸受ハウジングの外周の周りに装着され、前記ロータ内の不均衡を測定するように構成された2つ以上の加速度計をさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1031]
前記軸受ハウジングの底に装着され、前記ロータの動的軸方向運動を測定するように構成された変位ゲージをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1032]
前記フライホイール装置内の音を測定するために、前記軸受ハウジングに、及び前記密封ハウジング部分内に位置した、複数のアコースティックエミッションセンサをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1033]
前記ロータの中心が前記ロータの外周よりも高温であるように、前記ロータ上に放射状の温度勾配を与えるように構成された発熱器をさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1034]
前記フライホイール装置に対して免震を提供するように構成された免震構成要素をさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1035]
前記免震構成要素が、前記ハウジング部分に、及び前記ハウジング部分の底板の下に位置付けられた可撓性パッドまたは連続する可撓性支持シートに、外部に装着される調節可能な足部のうちの少なくとも1つを含む、本発明1034のフライホイール装置。
[本発明1036]
その中に前記ロータが配置される真空チャンバの内側に位置した複数の非接触変位センサをさらに備え、前記複数の非接触変位センサが前記ロータの外周の周りに位置し、前記複数の非接触変位センサが、回転している時の前記ロータ半径の変化を測定するように構成され、前記複数の非接触変位センサが複数の容量ゲージを備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1037]
前記磁石が、永久磁石を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1038]
前記ロータと前記永久磁石との間の空隙を制御するために前記ハウジング部分内の前記ロータの位置を調製するように構成された遠隔制御可能なアクチュエータであって、モータで運転されるウォーム歯車を備える、前記アクチュエータと、
荷重センサからの測定値に応じて前記アクチュエータを制御するように構成されたコントローラと
をさらに備え、前記荷重センサが、上昇する磁石の力を測定するように構成される、本発明1037のフライホイール装置。
[本発明1039]
無段変速機に接続された誘導モータをさらに備える、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1040]
前記密封ハウジング部分が、天板、底板、及び真空チャンバ壁を備え、前記真空チャンバ壁の第1の端部が、前記天板の凹リップ内に位置付けられ、前記真空チャンバ壁の第2の端部が、前記底板の凹リップ内に位置付けられる、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1041]
前記ロータが、マルテンサイト鋼を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1042]
前記鋼合金が、米国鉄鋼協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）4340鋼を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1043]
前記円盤形ロータが、15％以下の厚さ対直径比を含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1044]
前記円盤形ロータが、0．25ｍ以下の厚さを含む、本発明1001のフライホイール装置。
[本発明1045]
鋳塊を切断する段階と、
前記鋳塊を第1の温度で開放型中に据え込む段階と、
前記鋳塊を、円盤形素材の両側の表面上に突起部を含む円盤形素材に熱間鍛造する段階と、
前記円盤形素材を熱処理する段階と、
前記円盤形素材を冷却し、円盤形ロータを形成する段階と
を含む、方法。
[本発明1046]
前記鋳塊を据え込む段階が、鋳塊を加熱して鋳塊内の空間を圧縮し、鋳塊内の含有物を伸張させることを含み、前記方法が、前記円盤形素材を機械加工して前記円盤形素材の厚さを低減させる段階をさらに含む、本発明1045の方法。
[本発明1047]
前記熱処理する段階が、
前記円盤形素材を少なくとも摂氏850度に加熱することと、
前記円盤形素材をポリマー修飾された水浴中で冷却することと、
前記円盤形素材を摂氏約210度〜摂氏約250度の温度で焼き戻すことと
を含む、本発明1045の方法。
[本発明1048]
前記円盤形ロータが、少なくとも約1200メガパスカルの降伏強度、少なくとも約1300メガパスカルの極限引張強度、及び少なくとも約6パーセントの延性を備える、本発明1045の方法。
[本発明1049]
冷却した円盤形素材を仕上げ機械加工し、平衡を保つ段階をさらに含む、本発明1045の方法。
[本発明1050]
前記円盤形ロータが、マルテンサイト鋼を含む、本発明1045の方法。
[本発明1051]
前記鋳塊が、鋼合金を含む、本発明1045の方法。
[本発明1052]
前記円盤形ロータの材料の降伏強度を超えるように前記円盤形ロータに歪みを生じる回転速度で前記円盤形ロータを回転させる段階と、
既定の降伏量に達することに応じて、静止位置に戻すように前記円盤形ロータを減速させる段階であって、前記円盤形ロータの前記回転及び減速が、前記円盤形ロータの材料の降伏強度を上昇させる、段階と、
前記円盤形ロータを前記回転速度に再回転させる段階であって、前記円盤形ロータを前記回転速度に再回転させる段階が、前記円盤形ロータの材料の降伏強度の上昇による前記円盤形ロータの材料の上昇した降伏強度を超えない円盤形ロータ上の歪みを生じる、段階と
をさらに含む、本発明1045の方法。
[本発明1053]
フライホイールロータを事前に調整する方法であって、
前記ロータの材料の降伏強度を超えるように前記ロータに歪みを生じる回転速度で前記ロータを回転させる段階と、
既定の降伏量に達することに応じて、静止位置に戻すように前記ロータを減速させる段階であって、前記ロータの前記回転及び減速が、前記ロータの材料の降伏強度を上昇させる、段階と、
前記ロータを前記回転速度に再回転させる段階であって、前記ロータを前記回転速度に再回転させる段階が、前記ロータの材料の降伏強度の上昇による前記ロータの材料の上昇した降伏強度を超えないロータ上の歪みを生じる、段階と
を含む、前記方法。
[本発明1054]
前記ロータの表面を脆性塗料でコーティングする段階と、
亀裂に関して前記脆性塗料を監視する段階と、
前記脆性塗料の亀裂に基づいて前記ロータの応力の状態を決定する段階と
をさらに含む、本発明1053の方法。
[本発明1055]
前記監視する段階が、
前記ロータにストロボライトを適用することであって、前記ストロボライトが前記ロータの速度と同期される、ストロボライトを適用することと、
ビデオカメラで前記亀裂の進行を記録することと
を含む、本発明1054の方法。
[本発明1056]
比較可能な回転速度において、再回転時に前記ロータ上の、結果として生じる応力が、前記回転による前記ロータ上の応力よりも低い、本発明1053の方法。

Claims (56)

1. 密封ハウジング部分と、
   前記ハウジング部分内に配置されたロータと、
   前記ロータと平板との間に配置される下部接触軸受及び上部接触軸受のうちの１つ以上を備えた軸受ハウジングと、
   前記ロータを前記上部軸受に対して上昇させ、前記下部軸受から離昇させる垂直の除荷力を提供するように構成された除荷磁石と
   を備える、フライホイール装置。
2. 前記密封ハウジング部分に装着され、前記ロータと前記除荷磁石との間の間隙を測定するように構成された第１の変位センサをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
3. 前記第１の変位センサから９０度の角度で前記密封ハウジング部分に装着された第２の変位センサをさらに備える、請求項２に記載のフライホイール装置。
4. 前記第１の変位センサが、線形可変差動変圧器、線形ポテンショメータ、または容量ゲージを含む、請求項２に記載のフライホイール装置。
5. 前記軸受ハウジングの周りに位置付けられた円錐構造をさらに備え、前記円錐構造が、前記下部または上部接触軸受のうちの１つ以上の故障時にロータシャフトを支持するように構成される、請求項１に記載のフライホイール装置。
6. 前記ロータに接続されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトをモータシャフトに接続するように構成された隔離シャフト継手と
   をさらに備え、前記隔離シャフト継手が、
   前記ロータシャフトに連結される第１の内歯スプラインと、
   前記内歯スプラインに連結される外歯スプラインと、
   前記外歯スプライン及び前記モータシャフトに連結される第２の内歯スプラインと
   を備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
7. 前記密封ハウジング部分が、上半分及び前記上半分から分離可能な下半分を備え、前記上半分の前記下半分との係合時に、前記上半分上のタブが前記下半分上の対応するタブと係合するように、複数のタブが前記上半分及び下半分のそれぞれに形成された、請求項１に記載のフライホイール装置。
8. 前記軸受ハウジングが、
   前記密封ハウジング部分に連結された外部構成要素と、
   １つ以上の接触軸受、荷重センサ、及び真空シールを収容する分離可能な内部構成要素と
   を備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
9. 前記軸受ハウジングが、前記下部接触軸受または前記上部接触軸受のうちの１つ以上を包囲する冷却ジャケットをさらに備え、前記冷却ジャケットが、前記軸受ハウジングから熱を除去することを可能にするために冷却流体を提供するように構成された冷却装置に接続される、請求項１に記載のフライホイール装置。
10. 軸受の回転数及び前記軸受上の荷重を監視するように構成されたセンサをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
11. 前記上部軸受または下部軸受のうちの少なくとも１つに加えられた荷重を測定するように構成された荷重センサと、
    測定された荷重に基づいて前記除荷磁石の磁場を調節するように構成された制御システムと
    をさらに備え、前記除荷磁石が、電磁石である、請求項１に記載のフライホイール装置。
12. 前記コントローラが、前記測定された荷重を所定の荷重制限と比較するように構成される、請求項１１に記載のフライホイール装置。
13. 前記ロータが、円盤形ロータを含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
14. 前記ハウジング部分の天板に溶接された複数の複数の補強リブをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
15. 前記下部または上部軸受のうちの少なくとも１つに前記ロータを介して最低限必要な力を及ぼすように構成されたバネをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
16. 前記密封ハウジング部分が密閉され、その中に前記ロータが配置された真空エンベロープを提供する、請求項１に記載のフライホイール装置。
17. 前記ロータのシャフトが、低摩擦リップシールを介して前記真空エンベロープを通って延びる、請求項１６に記載のフライホイール装置。
18. 前記低摩擦リップシールが、フルオロポリマーリップシールを含む、請求項１７に記載のフライホイール装置。
19. 前記軸受ハウジング及びモータが、前記真空エンベロープの外に位置する、請求項１７に記載のフライホイール装置。
20. 前記密封ハウジング部分が、前記ロータを支持し、前記軸受ハウジング及び前記ロータのシャフトのための整列治具を提供し、かつ前記ロータ用の懸架システムを提供するように構成される、請求項１６に記載のフライホイール装置。
21. 前記密封ハウジング部分が、前記ロータのための懸架要素を提供する天板を備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
22. 前記除荷磁石が、前記密封ハウジング部分によって形成される真空チャンバの天板内に構造的に一体化される、請求項１に記載のフライホイール装置。
23. 前記除荷磁石が、絶縁銅線のシングルコイルを備えた電磁石である、請求項１に記載のフライホイール装置。
24. 前記密封ハウジング部分が、天板、底板、及び円筒形部分を備え、前記天板及び前記底板が鋳鉄を含み、前記円筒形部分がパイプ部分を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
25. 前記密封ハウジング部分内の前記ロータの軸位置を遠隔で調節するように構成されたアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
26. 前記ロータが、別の非磁性シャフトに連結された円盤形ロータを含み、前記ロータが、接着剤または溶接によって前記非磁性シャフトに連結される、請求項１に記載のフライホイール装置。
27. 前記ロータが、一緒に接着接合された複数の積層板を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
28. 前記ロータ上の歪みをリアルタイムで監視するように構成された歪みゲージをさらに備え、前記歪みゲージが前記ロータの表面に接合され、前記歪みゲージが、前記ハウジング部分内に位置する受信機に歪み測定値を無線で送信するように構成される、請求項１に記載のフライホイール装置。
29. 前記ロータに接続されたシャフトの末端に位置するアンギュラ接触軸受をさらに備え、前記アンギュラ接触軸受が、運転中、歳差運動に誘発される荷重に抵抗するための前記ロータの軸支持を提供するように構成される、請求項１に記載のフライホイール装置。
30. 前記軸受ハウジングの外周の周りに装着され、前記ロータ内の不均衡を測定するように構成された２つ以上の加速度計をさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
31. 前記軸受ハウジングの底に装着され、前記ロータの動的軸方向運動を測定するように構成された変位ゲージをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
32. 前記フライホイール装置内の音を測定するために、前記軸受ハウジングに、及び前記密封ハウジング部分内に位置した、複数のアコースティックエミッションセンサをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
33. 前記ロータの中心が前記ロータの外周よりも高温であるように、前記ロータ上に放射状の温度勾配を与えるように構成された発熱器をさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
34. 前記フライホイール装置に対して免震を提供するように構成された免震構成要素をさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
35. 前記免震構成要素が、前記ハウジング部分に、及び前記ハウジング部分の底板の下に位置付けられた可撓性パッドまたは連続する可撓性支持シートに、外部に装着される調節可能な足部のうちの少なくとも１つを含む、請求項３４に記載のフライホイール装置。
36. その中に前記ロータが配置される真空チャンバの内側に位置した複数の非接触変位センサをさらに備え、前記複数の非接触変位センサが前記ロータの外周の周りに位置し、前記複数の非接触変位センサが、回転している時の前記ロータ半径の変化を測定するように構成され、前記複数の非接触変位センサが複数の容量ゲージを備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
37. 前記磁石が、永久磁石を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
38. 前記ロータと前記永久磁石との間の空隙を制御するために前記ハウジング部分内の前記ロータの位置を調製するように構成された遠隔制御可能なアクチュエータであって、モータで運転されるウォーム歯車を備える、前記アクチュエータと、
    荷重センサからの測定値に応じて前記アクチュエータを制御するように構成されたコントローラと
    をさらに備え、前記荷重センサが、上昇する磁石の力を測定するように構成される、請求項３７に記載のフライホイール装置。
39. 無段変速機に接続された誘導モータをさらに備える、請求項１に記載のフライホイール装置。
40. 前記密封ハウジング部分が、天板、底板、及び真空チャンバ壁を備え、前記真空チャンバ壁の第１の端部が、前記天板の凹リップ内に位置付けられ、前記真空チャンバ壁の第２の端部が、前記底板の凹リップ内に位置付けられる、請求項１に記載のフライホイール装置。
41. 前記ロータが、マルテンサイト鋼を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
42. 前記鋼合金が、米国鉄鋼協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）４３４０鋼を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
43. 前記円盤形ロータが、１５％以下の厚さ対直径比を含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
44. 前記円盤形ロータが、０．２５ｍ以下の厚さを含む、請求項１に記載のフライホイール装置。
45. 鋳塊を切断する段階と、
    前記鋳塊を第１の温度で開放型中に据え込む段階と、
    前記鋳塊を、円盤形素材の両側の表面上に突起部を含む円盤形素材に熱間鍛造する段階と、
    前記円盤形素材を熱処理する段階と、
    前記円盤形素材を冷却し、円盤形ロータを形成する段階と
    を含む、方法。
46. 前記鋳塊を据え込む段階が、鋳塊を加熱して鋳塊内の空間を圧縮し、鋳塊内の含有物を伸張させることを含み、前記方法が、前記円盤形素材を機械加工して前記円盤形素材の厚さを低減させる段階をさらに含む、請求項４５に記載の方法。
47. 前記熱処理する段階が、
    前記円盤形素材を少なくとも摂氏８５０度に加熱することと、
    前記円盤形素材をポリマー修飾された水浴中で冷却することと、
    前記円盤形素材を摂氏約２１０度〜摂氏約２５０度の温度で焼き戻すことと
    を含む、請求項４５に記載の方法。
48. 前記円盤形ロータが、少なくとも約１２００メガパスカルの降伏強度、少なくとも約１３００メガパスカルの極限引張強度、及び少なくとも約６パーセントの延性を備える、請求項４５に記載の方法。
49. 冷却した円盤形素材を仕上げ機械加工し、平衡を保つ段階をさらに含む、請求項４５に記載の方法。
50. 前記円盤形ロータが、マルテンサイト鋼を含む、請求項４５に記載の方法。
51. 前記鋳塊が、鋼合金を含む、請求項４５に記載の方法。
52. 前記円盤形ロータの材料の降伏強度を超えるように前記円盤形ロータに歪みを生じる回転速度で前記円盤形ロータを回転させる段階と、
    既定の降伏量に達することに応じて、静止位置に戻すように前記円盤形ロータを減速させる段階であって、前記円盤形ロータの前記回転及び減速が、前記円盤形ロータの材料の降伏強度を上昇させる、段階と、
    前記円盤形ロータを前記回転速度に再回転させる段階であって、前記円盤形ロータを前記回転速度に再回転させる段階が、前記円盤形ロータの材料の降伏強度の上昇による前記円盤形ロータの材料の上昇した降伏強度を超えない円盤形ロータ上の歪みを生じる、段階と
    をさらに含む、請求項４５に記載の方法。
53. フライホイールロータを事前に調整する方法であって、
    前記ロータの材料の降伏強度を超えるように前記ロータに歪みを生じる回転速度で前記ロータを回転させる段階と、
    既定の降伏量に達することに応じて、静止位置に戻すように前記ロータを減速させる段階であって、前記ロータの前記回転及び減速が、前記ロータの材料の降伏強度を上昇させる、段階と、
    前記ロータを前記回転速度に再回転させる段階であって、前記ロータを前記回転速度に再回転させる段階が、前記ロータの材料の降伏強度の上昇による前記ロータの材料の上昇した降伏強度を超えないロータ上の歪みを生じる、段階と
    を含む、前記方法。
54. 前記ロータの表面を脆性塗料でコーティングする段階と、
    亀裂に関して前記脆性塗料を監視する段階と、
    前記脆性塗料の亀裂に基づいて前記ロータの応力の状態を決定する段階と
    をさらに含む、請求項５３に記載の方法。
55. 前記監視する段階が、
    前記ロータにストロボライトを適用することであって、前記ストロボライトが前記ロータの速度と同期される、ストロボライトを適用することと、
    ビデオカメラで前記亀裂の進行を記録することと
    を含む、請求項５４に記載の方法。
56. 比較可能な回転速度において、再回転時に前記ロータ上の、結果として生じる応力が、前記回転による前記ロータ上の応力よりも低い、請求項５３に記載の方法。

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