JP2017529484A - フライホイールロータ - Google Patents

Abstract

【解決手段】材料特性を向上させた非中空スチールフライホイールロータは、より低コストでエネルギーの貯蔵を向上させる。このロータの製造プロセスも提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、エネルギー貯蔵全般に関連し、特に、フライホイールを使用したエネルギー貯蔵に関連する。

＜政府権利の説明＞
本発明は、米国エネルギー省と締結された契約 OE-0000232 に基づく政府支援によってなされたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。

多くのエネルギー源、特に、風力タービン及びソーラパネル等のクリーンエネルギー源は、発生した負荷に一時的にマッチしないエネルギーを生成する。先進諸国の多くでは、必要に応じてエネルギーが提供されるように、エネルギーの生成は発生した負荷に追従する。高負荷の状況下では、ピーカ発電機の使用並びに熱発電機上でのスピン式保存及び非スピン式保存等の技術により、可変かつ高い負荷にマッチする生成を可能にする。しかしながら、このような技術が利用可能であるにも関わらず、エネルギー負荷にマッチするエネルギー貯蔵が重要となる場合が多く存在する。

現存するエネルギー貯蔵システムはいずれも、何らかの欠点を有する。サイズ、価格、貯蔵効率、有効性、及び安全性はいずれも、エネルギー貯蔵システムの設計時の懸念事項である。通常、より小型であること、より低価格であること、貯蔵のためのエネルギーの入力及び分配のための抽出の双方において損失を低減すること、連続的動作の損失を低減すること、及び安全に廃棄できることはいずれも、エネルギー貯蔵システムに望まれる性質である。

フライホイールは、回転運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵システムの一種である。フライホイールロータは、モータ／オルタネータに対して直接又は間接に物理的に連結されつつスピンを行う、重量のある、回転対称質量体である。上記モータ／オルタネータは、それ自体が、バックトゥバック（back-to-back）インバータシステム等の AC-AC 変換サブシステムを構築する変換器に電気的に連結される。貯蔵される動力が受容されると、ロータが駆動され、フライホイールロータの回転速度を上昇させる。動力抽出時には、フライホイールロータは、モータ／オルタネータを駆動する。フライホイールロータが高速にスピン可能であるほど、より多くのエネルギーを貯蔵可能であるが、ロータ上に誘発される応力も増える。通常、ロータが動作中に耐え得る応力の量は、ロータ作成に使用される設計、材料、及びプロセスに関する関数である。具体的には、耐え得る応力の量は、その他の因子の中でも、ロータ材料の降伏強度、破壊靭性、最大固有欠陥サイズ（maximal intrinsic defect size）、繰り返し疲労性質、及びロータの形状の組み合わせに依存する。通常、フライホイールのベアリング及びサスペンションのサブシステムは、摩擦及びその他の損失源によるエネルギー損失を最小化するように設計される。

フライホイールシステムにとって、貯蔵可能なエネルギーの量に対するコストが特に重要である。フライホイールシステムのコストは、大まかに２つ、すなわち、フライホイールロータの製造コストと、ベアリング、土台、筐体等の要素を支持するシステムコストのバランスとに分けられる。過去には、フライホイールロータは、製造が非常に高価であった。結果として、フライホイールシステムは、主に、数秒から数分のみのエネルギー貯蔵を伴うアプリケーションに使用されている。なぜなら、数十〜数百 kWh のエネルギーを貯蔵可能な単一のロータを製造するにしても、ロータとともに使用される要素を支持するシステムコストのバランスに対してコスト効率の悪い、多数の個別のロータを使用するにしても、単純にコストが非常に高くなってしまうためである。

既存のフライホイールロータには、米国鉄鋼協会（AISI: American Iron and Steel Institute）4340 及び AISI4140 等、一般的な低合金スチールで作られているものもある。これらのスチールは、低コストであり、その他の所望の特性を有する。しかしながら、無心焼き入れ（有用な降伏強度を達成するために必要とされ、それによって相当な応力量に対応できるようになる）の限界により、このようなロータは、薄い部分に限定される。例えば、これらのロータ材料は、２ギガパスカル（GPa: gigapascal）の極限引張強度（UTS: ultimate tensile strength）と４０メガパスカル平方根メートル（MPa・m^0.5）の破壊靭性を達成できるが、このようなロータは、３から６インチの最大横断面厚さに限定される。

マルエージングスチール、アーメットスチール、及び何らかのステンレススチール等、高合金スチールで作成される他のスチールフライホイールロータもある。これらのフライホイールロータは、６インチを超える断面形状厚さ全体に亘って、より高い応力に耐え得る。これらのロータは、複数の別個の部分を必要とすることなく、これらの応力を達成する。しかし、ニッケル及びコバルト等の高価な合金要素の含有率が高いため、非常に高いコストがかかってしまう。カーボンファイバで作られるために、非常に高い使用応力を可能にする他の新しいフライホイールロータもあるが、これに対応してより速い回転速度を達成するのに必要なカーボンファイバ及び付随成分のコストが高くなってしまい、使用強度と重量の比に関わらず、カーボンファイバロータを非常に高価にしてしまう。

フライホイールロータ、ジャーナル、ジャーナルを接続する別個のスタブシャフトを含むエネルギー貯蔵システムについて記載する。フライホイールロータは、単一のスチール片で作られた回転対称質量体である。ジャーナルは、質量体の中心回転軸を中心とし、質量体が中心軸に沿って直立するよう方向付けられる実施例では、質量体の頂上部及び底部に配置される。２つのスタブシャフトも、略回転対称であり、各々、ジャーナルの一方に物理的に接続される。

一実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵システムのブロック図である。 一実施形態に係るフライホイールロータの横断面図である。 一実施形態に係るフライホイールロータのジャーナル及び接続スタブシャフトの横断面図である。 一実施形態に係るフライホイールロータの一例としての製造プロセスである。

図面は、例示のみを目的として本発明の実施形態を示すものである。当業者は、以下の検討より、本明細書に記載の本発明の原理から逸脱することなく、図示の構造及び方法の代替実施形態が採用されてもよいことを容易に認識するであろう。
Ｉ．フライホイールエネルギー貯蔵システム

図１は、一実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵システム１００のブロック図である。エネルギー貯蔵システムは、フライホイールロータ１３０、モータ／オルタネータ１４０、第１インバータ１５０、キャパシタ１６０、第２インバータ１７０、及びAC ライン１８０を含む。エネルギーは、従来の３位相６０Ｈｚ配線等、AC ライン１８０から引き出され、又は AC ライン１８０に送られる。第１インバータ１５０及び第２インバータ１７０とキャパシタ１６０は、入力された交流電流を、モータ／オルタネータ１４０にアクセス可能な交流電流に変換する一例としての、バックトゥバック変換器システムを示している。エネルギーをフライホイールロータ１３０内に貯蔵できるように、又はエネルギーをフライホイールロータ１３０から引き出せるように、モータ／オルタネータ１４０は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間で変換を行う。モータ／オルタネータ１４０は、スタブシャフト１９０を用いて、直接又は間接に、フライホイールロータ１３０に対して物理的に連結される。横方向の動き、偏軸回転、及びシステム内の摩擦の低減を補助するために、磁気ベアリング要素が利用されてもよい（図示せず）。モータ／オルタネータ１４０は、ワイヤ又はその他の電気的な連結部を介して、システム１００の残りの箇所に連結される。通常、各構成要素が１つずつ示されているが、実際のフライホイールエネルギー貯蔵システム１００は、個々の構成要素を複数含んでもよい。図１は、一例としての種別の ac-ac 変換システムである。通常、本明細書に記載の発明は、広範に亘る ac-ac 変換トポロジーだけでなく、直流（dc）配線に直接インタフェースをとるシステムも対象とする。後者は、dc マイクログリッド及び太陽光発電の適用に好適である。
ＩＩ．フライホイールロータの形状

図２は、一実施形態に係るフライホイールロータ１３０（又は、単にロータ）の横断面図である。ロータ１３０は、材料の単一質量体で形成される。しかしながら、通常、ロータ１３０の２つの異なる部分が、異なる機能を実施するということができる。主要回転質量体２３０は、ロータの質量体の大部分を構築し、ロータによって貯蔵される運動エネルギーの大部分を貯蔵する。２つのジャーナル２１２は、主要回転質量体のいずれかの側から直角に延伸し、別個のシャフト（図示せず）へのロータの連結を補助する。これらの各部分について、以下にさらに説明する。場合によっては、ロータは、その外面に、例えば、遠心負荷を提供する別々の質量体等の要素も含んでよい。

ロータは、通常、回転対称であるため、原点がロータの中心回転軸を通る円筒座標系を利用して説明され得る。別々の質量体等、他の要素を外面に含む実施例において、ロータ及び別々の質量体要素は、ともに、原点周辺に均一に分布する。

寸法の一例を示すため、一実施形態において、ロータ１３０は、直径が３６〜７２インチの範囲内であり、重量が２〜５トンの範囲内である。
ＩＩ．Ａ 主要回転質量体

主要回転質量体は、回転対称である以外にも、種々の異なる形状で形成され、それぞれ、特定の性能目標を達成するように設計されてもよい。一実施例において、ロータの主要回転質量体２３０は、断面で見た時、「フィッシュテール（fishtail）」形状を有する。

フィッシュテール形状は、ロータに働かされる回転力により、主要回転質量体２３０全体に応力をほぼ均一に分布させることを助ける。フィッシュテール形状は、ロータの質量体及び材料の体積利用率を最適化するための（すなわち、形状因子を最適化するための）形状の一例である。通常、フィッシュテール形状には、中央部と、隣接する周辺質量体とが含まれる。中央部において、ロータは、中心軸２２６付近の第１の半径２０２に近づくほど厚くなり、原点から離れて第２の半径２０４に向かうほど連続的に薄くなる。一実施形態において、この中央部は、以下の形のプロファイルで制御される。

t はロータの長手方向厚さであり、h は中心厚みであり、r は極軸に沿った原点からの距離であり、βは定数である。

ロータの外径２１０付近の第２の半径２０４と第３の半径２０６との間で、周辺質量体の形状に関して、主要回転質量体２３０は、長手方向軸の厚さが連続的に増加する。第３の半径２０６と第４の半径２０８との間で、ロータは、極軸に沿った短距離について、長手方向軸の厚さを一貫して維持する。第４の半径２０８は、極軸に沿ったロータの外面２１０に配置されるか、又はロータの外面２１０付近に配置される。第４の半径２０８付近では、ロータの縁部が丸められてもよく、又は角を有してもよい。

周辺質量体に対する中央部の相対的割合に関して、フィッシュテール部分の質量体の大部分は中央部に配置される。

図２に示す例では、ロータ１３０の外面２１０は、ロータ１３０のフィッシュテール部分の最も幅の広い厚さ２２８より大きな直径を有する。以下にさらに示す通り、ロータ全体を無心焼き入れさせるロータの任意の形状は、比較的高レベルの使用応力を達成することができる。通常、厚さより大きな直径を有するロータは、直径より大きな厚さを有するものに比べて、より低速で回転する。回転速度がより遅いことにより、ロータを回転させるベアリングアセンブリの動作要件を減らし、フライホイールシステムの全体コストを減らす。

他の実施形態において、ロータは、フィッシュテール形状を有する代わりに円筒形状を有する。
ＩＩ．Ｂ ジャーナル及びスタブシャフト

ロータの長手方向軸（又は、中心回転軸）に沿って、ロータは、ロータと双方向モータ／オルタネータ１４０の間でエネルギーを転送するために、２つのシャフトを着脱する２つのジャーナル２１２を含む。ジャーナル２１２は、ロータをシャフトに連結する孔部を不要にする。孔部は、孔部の内径における周方向応力を倍にする。このような孔部は、多くの場合、ロータの製造後にロータに穿孔されるか、又は、ロータは、このような孔部を念頭に入れて意図的に設計及び製造される。一方、孔部をジャーナル２１２で置き換えることにより、応力を、主要回転質量体全体に亘ってより均一に分布させることで、孔部が配置されたであろう箇所への応力集中を回避する。

図３は、一実施形態に係るロータのジャーナル２１２と接続スタブシャフトの横断面図である。各ジャーナル２１２は、それ自体が主要回転質量体２３０の中央部の原点から外側に延びる厚さの増加したマウンド２１４から、質量体の長手方向軸に沿って外側２１８に延びる。このマウンド２１４は、ジャーナル２１２に隣接して厚さが最も大きくなり、半径の増加に合わせて厚さが徐々に先細りするテーパ形状を有する。マウンド２１４のテーパ形状により、ジャーナル２１２が主要回転質量体２３０に接合する点において、ジャーナルが、応力集中又はピーク応力を経験しないようにする。

ジャーナル２１２及びマウンド２１４が接合される箇所には、フィレットが存在する。フィレットは、ジャーナル２１２周辺の応力集中を回避する。ジャーナルの外面／上面は、略平面状であり、極軸に対して直角である。ジャーナル２１２の外面は、ジャーナル２１２に取り付けるように構成されたシャフト２２６の接続端部２２２より狭い（２２０）。そして、スタブシャフトは、その長さの大部分について、より狭い外径２２４に向かって狭くなる。スタブシャフトの全長は、実施例によって変動してもよい。シャフトは、シャフトの狭い部分２２４及びシャフトの接続端部２２２の間の接合部にて、より均一に曲げ応力を分布させるため、独自のフィレット（図示せず）を含んでもよい。

通常、ジャーナル２１２の外径及びスタブシャフトの接続端部２２２の内径の境界に締まり嵌めが配置された場合の直径２２０は、スタブシャフトの長さの大部分における直径２２４より大きい。締まり嵌めの直径２２０を比較的大きくすることは、このような大きな直径には比較的軽い締まり嵌めのみが必要となるので、ジャーナル２１２付近のロータ１３０内の応力集中をさらに低減するのに有効である。さらに通常、ジャーナル領域に誘発された干渉応力には圧縮力があるため、ジャーナル２１２において遠心誘発された応力を軽減するように働く。従って、ジャーナル２１２のテーパ形状及び幅広直径２２０の組み合わせは、ロータ１３０の連結全体に係る応力衝撃を最小化する、シャフトとの連結のメカニズムとなる。

一実施形態において、シャフト２２６は、締まり嵌めを介してジャーナル２１２に連結される。例えば、シャフトは、ジャーナル２１２への取り付けに先立って加熱され、これによってシャフトが熱膨張される。加熱後、ジャーナル２１２及びシャフトが取り付け可能となる。その後、このシャフトは、冷却され、ジャーナル２１２との締まり嵌めを生じるように熱的に収縮される。他の実施形態において、内側圧入（internal press fit）を使用し、シャフトの冷却を使用して、ジャーナル２１２とシャフト２２６との間の締まり嵌めを生じさせてもよい。また、シャフト２２６は、圧入を介して、又は中空円筒シャフトが使用される場合は中央軸方向保持ボルトにより、ジャーナル２１２に連結されてもよい。これらは、シャフト２２６をジャーナル２１２に連結する多数の代替構成の例である。

一例として、一実施形態において、ジャーナル２１２は、約３〜８インチの外径を有し、0.5 インチ以上２インチ以下の距離、マウンドから外側に突出する。シャフトは、４インチ以上 10 インチ以下の外径の接続端部２２２と、ジャーナルの外径に（締まり嵌めを介して）合致するように設計された内径（例えば、約３から８インチ）を有する。締まり嵌めは、数千分の一インチから数百分の一インチのオーダー（例えば、1/10,000 から 1/2,000 インチ）である。すなわち、ジャーナル２１２の外径及びシャフトの内径の双方の例としての直径は、ともに、３から８インチとして列挙したが、実際には、これらの直径は、締まり嵌めの気密度に基づく大きさ分、互いに異なりうる（例えば、双方とも４インチで、一方が他方より 0.0003 インチ大きいか小さい）。シャフトは、接続端部から離れて、１インチ以上３インチ以下の外径２２４を有し、これは、ジャーナル２１２の外径より狭い。

実際には、より大きな直径の方がより良好に機能するため、ジャーナル２１２の直径（及び、シャフトの接続端部２２２の関連内径）には上限は存在しない。しかしながら、以下に記載の側方負荷の要件に見合うシャフトの製造に関連するコスト及び困難が生じる。通常、ジャーナル２１２の直径が大きくなるほど、製造中、ロータ質量体から除去する必要のある材料は少なくなり、製造コストが安くなる。しかしながら、大きな接続端部２２２と狭い半径２２４を備えたシャフト２２６の形成には、シャフトのより大きな開始ブロックから追加の材料を除去する必要があり、製造コストを増やしてしまう。さらに、大きな接続端部２２２は、扱いにくく、ロータ及びシャフトを含むフライホイールシステムの構築をより複雑にしてしまうこともある。

ジャーナル２１２は、短い距離だけ、ロータから外側２１８に延伸する。外側に向かってより長い距離２１８延びることは、締まり嵌めをより良好にし、なおかつロータにより良好な圧縮応力を付与するが、本明細書に記載のロータの性能を依然として達成しつつ、距離２１８延ばすことは、必ずしも可能でないこともある。この理由は、ジャーナルが外側により延びることにより、ロータはより大きな材料の開始ブロックでなければならないこと、及びロータの最終形状に達するために開始ロータ質量体からより多くの材料が除去されなければならないことという双方が、ロータの製造コストを増やしてしまうからである。さらに、以下に図４を参照して説明する通り、ロータ材料の開始ブロックは、ロータがその最終形状に加工される前に、多数の処理が施され、その特性（強度等）に影響を与えることがある。このような処理の１つが硬化であり、質量体とするまでに材料がどの程度硬化されればよいかということについて、上限が存在する。質量体がこの上限より厚い場合、材料の質量体全体に無心焼き入れを施すことはできない。その結果として、ジャーナル２１２をさらに外側２１８に延ばし、ロータ質量体全体を無心焼き入れするために、より大きな材料ブロックで開始することは、必ずしも常に可能ではない。

シャフト２２６は、相当な側方負荷に耐えるように設計される。これらの曲げ応力は、接続端部２２２付近で最高となる。通常、ロータは、地球の重力に平行な軸の周りに回転するように動作するであろう。しかしながら、シャフト２２６は、ロータが傾いた場合、又はロータが地球の重力に直角な軸周りを回転するように作動された場合、ロータが依然として完全に動作可能であるように設計される。一実施形態において、シャフト２２６は、変形又は不具合を伴うことなく、1G（9.80665 m/sec²）の側方負荷に対応するように設計される。本実施形態の一例において、1G の側方負荷下でシャフト２２６に掛かるピーク曲げ応力は、170Mpa であり、降伏／極限引張強度は 500Mpa-1.5Gpa の間である。この基準に合うように製造可能な合金の例として、AISI4340 があるが、他の合金もこれらの基準を満たし得る。

シャフトの長さ及び直径は、負荷下で材料強度の制約を満たすことに加え、選択された曲げ剛性を有効にするように設計可能である。一実施形態において、この選択された曲げ剛性は、25-200 ニュートン／ミクロン（N/μm）（例えば、70N/μm）であり、シャフト端部における側方負荷を参照した剛性を有し、結果として、質量体周波数の横方向中心が 20-60 ヘルツ（Hz）となる。フライホイールロータサスペンションサブシステムの横方向共振モード及び捩れ共振モードを設定するために、この曲げ剛性は、横方向コンプライアンス及び捩れコンプライアンスを設定するように選択可能である。この準拠サブシステムは、剛体ロータを通常剛性のハウジングに効果的に接合する。このハウジングは、地面に固定されてもよいし、引いては、通常、足場である２次サスペンションにより、地面から隔てられてもよい。通常、共振モードは、単にゼロスピードで定められ、ロータ速度がゼロを上回る速度に上がるに連れて、質量体横方向中心モード及び回転（whirl）モードに転換する。

主要回転質量体２３０及びジャーナル２１２を含むロータは、例えば、以下に説明する一例としての材料及び一例としてのプロセスを使用して、単一片の材料として製造される。従って、ロータは、主要回転質量体及びジャーナル２１２の間に溶接部、接合部、継ぎ目、孔部、又は差異を生じない、単一本体構造を有する。しかしながら、以下にさらに説明する通り、単一本体／単一片のロータの異なる部分に異なる処理及び／又は製造プロセスが施されることにより、ロータの異なる点での特性を変動させてもよい。例えば、ロータの表面は、ロータの内部とは異なる処理を受けてもよい。
ＩＩＩ．ロータの材料特性及び製造

ロータの性能は、ロータを構築する材料のいくつかのパラメータと、原料がロータ内に現れる最終状態に転換される際に実施される製造プロセスとに基づく。これらのパラメータには、ロータの降伏強度、ロータの破壊靭性、ロータにおける最大固有欠陥サイズ（又は最大初期亀裂サイズ）、及び繰り返し疲労（又は繰り返し亀裂成長率）が含まれる。ロータは、これらの特性の既知の同等物である他の特性か、又はこれらの特性に変換可能である若しくはこれらの特性から導出可能である他の特性に関しても説明されうる。

一実施形態において、ロータは、ロータの降伏強度σyield が第１の閾値より大きくなり、ロータの破壊靭性σfracture が第２の閾値より大きくなり、最大固有欠陥サイズαintr が閾値サイズより小さくなるようなパラメータ値を有する。このように規定することにより、ロータは、その動作寿命に亘って、耐え得る使用応力σworking に関して十分な性能に達する。動作中、ロータは、常に、以下の条件を満たすであろう。

式中、αは、０から１の範囲に及ぶパラメータである。さらに、ロータ材料は、ロータの動作寿命内において、繰り返し亀裂の進行、又は製造時にロータに存在する初期亀裂が臨界亀裂サイズに成長するまでの進行が、数万回に及ぶ完全応力サイクルを許容する程度に十分ゆっくり進行するように設計される。

具体例として、一実施形態によると、ロータは、少なくとも 900Mpa の降伏強度σyield と、少なくとも 70 メガパスカル平方根メートル（MPa・m^0.5)の破壊靭性と、２ミリメートル（mm）以下の最大固有欠陥サイズを有する。他の実施形態において、ロータは、900Mpa-2GPa の降伏強度σyield と、40MPa・m^0.5 以上 200MPa・m^0.5 以下の破壊靭性と、0.05mm 以上 2mm 以下の最大固有欠陥サイズを有する。他の実施形態において、ロータは、上述の範囲内の任意のサブ範囲に含まれる特性を有してもよい。例えば、一実施形態において、ロータは、900-1000MPa、1000-1100MPa、1100-1200MPa、1200-1300MPa、1300-1400MPa、1400-1500MPa、1500-1600MPa、1600-1700MPa、1700-1800MPa、1800-1900MPa、1900-200MPa、又はこれらサブ範囲の任意の組み合わせの降伏強度σyield を有する。同一又は別の実施形態において、ロータは、40-50MPa・m^0.5、50-60MPa・m^0.5、60-70MPa・m^0.5、70-80MPa・m^0.5、80-90MPa・m^0.5、90-100MPa・m^0.5、100-110MPa・m^0.5、110-120MPa・m^0.5、120-130MPa・m^0.5、130-140MPa・m^0.5、140-150MPa・m^0.5、150-160MPa・m^0.5、160-170MPa・m^0.5、170-180MPa・m^0.5、180-190MPa・m^0.5、190-200MPa・m^0.5、又はこれらサブ範囲の任意の組み合わせの破壊靭性σfractureを有する。同一又は別の実施形態において、ロータは、0.5-0.6mm、0.6-0.7mm、0.7-0.8mm、0.8-0.9mm、0.9-1.0mm、1.0-1.1mm、1.1-1.2mm、1.2-1.3mm、1.3-1.4mm、1.4-1.5mm、1.5-1.6mm、1.6-1.7mm、1.7-1.8mm、1.8-1.9mm、1.9-2.0mm、又はこれらサブ範囲の任意の組み合わせの最大固有欠陥サイズを有する。

前述の一例としての閾値を満たすロータは、300M スチールで作成することができる。300M スチールは、Aerospace Material Standard（AMS）Society of Automotive Engineers（SAE）（SAE-6257と略称される）に記載されている。300M スチールは、シリコン（Si）1.6%、クロミウム（Cr）0.82%、ニッケル（Ni）1.8%、モリブデン（Mo）0.40%、バナジウム（V）0.08%、炭素（C）0.40-0.44%、及び残りが鉄（Fe）という比率の化学組成を有する。300M スチールは、比較的低コストであるため、この材料で作られたロータを含むフライホイールエネルギー貯蔵システムのコスト低減に有益である。V 及び Si は焼き入れ性を向上させる合金要素であり、肉厚断面のロータを、厚さが最大 14”であって全体的に無心焼き入れされたもの（例えば、上述のフィッシュテール形状）にすることを可能にする。

しかしながら、300M スチールという仕様のみでは、上に特定したパラメータを保証するのに不十分である。ロータの性能を向上させるために、追加の製造ステップが使用される。これらのステップには、精製、複数ステップの鋳造、加熱処理、表面処理、及び加工が含まれる。

300M スチールは、真空アーク溶解（VAR: vacuum-arc-remelting）、電子スラグ溶解（ESR: electro-slag-remelting）、又は真空誘導溶解（VIM: vacuum induction melting）等の精製プロセスを使用して精製される。これらのプロセスは、所望の最大固有欠陥サイズより大きな欠陥の除去を助ける。一方、300M スチールが代わりに開放空気中で溶解されると、混入物又はその他の不純物等、この所望の最大固有欠陥サイズを上回る欠陥を有する傾向にある。VAR 精製は、最大固有欠陥サイズを２mm 以下にすることを助ける。

複数ステップの鋳造は、ロータに方向性粒子を導入する。通常、粒子の向きは、使用される鋳造プロセスに基づいて定まる。単一ステップの鋳造プロセスでは、ロータ全体を通じて一貫した方向性粒子の存在を保証するのには不十分となることがある。複数の鋳造ステップを実施することにより、ロータ全体を通じて一貫した粒子の向きを保証することを助ける。粒子の向きを制御することで、ロータ内に存在する任意の混入物の成形及び配向の利点も追加する。

通常、加熱処理を使用して、スチールの降伏強度及び硬度を上げる。加熱処理において、スチールは、加熱されてオーステナイトになる（すなわち、オーステナイト化される）。加熱の時間及び温度は、部分的に、ロータの粒径を規定する。その後、オーステナイトは、急速に冷却（すなわち、急冷）される。急冷により、オーステナイトを、パーライト及びマルテンサイト等、スチールの他のいくつかの材料状態のうちの１つに変換する。熱伝達の物理により、スチール内の深さすべてに亘って同一の速度で冷却されるのではない。これは、スチールのより浅い箇所では、相当な割合でマルテンサイトに急冷される場合が多く（例えば、マルテンサイトが 50% 超）、一方でスチールのより深い箇所では、相当な割合でパーライト又はその他の材料位相に急冷されることがあり、スチールのごく僅かな箇所がマルテンサイトに急冷される（例えば、マルテンサイトが 50% 未満）ことを意味する。スチールが急冷して変化する種々の材料状態の割合は、材料の遷移曲線（TTT 曲線と称する）で管理される。具体的には、マルテンサイトは、非常に高い降伏強度を有し、また非常に高い硬度を有するため、ロータにおいて使用されることが望ましい。スチール片は、スチールがどの厚さにおいても少なくとも 50% のマルテンサイトを含有する時、無心焼き入れされたと言われる。

一実施形態において、300M スチールを 8-14 インチの深さまで無心焼き入れすることができ、これは相当量の運動エネルギーを貯蔵するのに十分なサイズのロータを形成するのに非常に有用であるため、VAR300M スチールがロータに使用される。特に、300M における Si 及び V の合金要素は、マルテンサイトへの遷移に有利となるように、急冷中のパーライトの形成を遅らせ、結果として、スチール内の十分な深さにおける無心硬度を増加させる。VAR300M ロータでは、無心焼き入れにより、ロータに 2GPa までの降伏強度σyield を達成させる。

急冷されたスチールは、破壊靭性が低いという欠点を有する。結果として、急冷ステップの次に、焼き戻しステップを行い得る。焼き戻しでは、スチールを、室温まで徐々に冷却する前の期間（例えば、数時間）、オーステナイト化温度（例えば、600-1200 ファーレンハイト（F: Fahrenheit））を下回る温度に維持する。いくらかの降伏強度σyield と引き換えに、焼き戻しは、破壊靭性を非常に向上させ、残りの内部応力を低減する。VAR300M ロータでは、焼き戻しは、ロータに、900MPa のσyield も維持しつつ、少なくとも 70MPa・m^0.5 の破壊靭性σfracture を達成させる。

表面処理では、ロータの表面を保護する。いくつかの異なる表面処理が使用されてもよい。第１に、ショットピーニング（shot peening）であり、圧縮応力をロータの表面に加えることで、それを硬化するものである。第２に、ロータ表面の降伏強度とともに硬度を同様に増加させる、窒素及び／又は炭素による処理である。他の表面処理も使用されてよい。

上述の通りに構築されたロータの利点の１つとして、数万〜数十万 kWh のエネルギーを貯蔵可能な著しく大きなロータが、他の潜在的に考えられるプロセスに比較して低コストで製造できるということが挙げられる。さらに、このようなロータを組み込んだフライホイールシステムの総コストも、多数のより小型のロータを使用した既存のフライホイールシステムに比較して低くなる。これは、より大きなロータを使用することで、多数のロータとそれに関連する支持要素の必要性を低減するという事実によるものである。例えば、各々が独自の小型ベアリングを使用する小型ロータを多数使用することに対して、大型ロータを支持する大型ベアリングを使用するフライホイールシステムの方が、大幅に安価となる。さらに、別々のロータ要素を積み上げて組み立てたロータより、単一のモノリシックなロータの方が、通常、より経済的である。
ＩＶ．製造方法

図４は、一実施形態に係るロータの一例としての製造プロセスである。図４の例において、要素が合金され、所望の材料組成を備えたスチールを製造する（４０１）。例えば、300M を使用する場合、Si 、Cr、Ni、Mo、V、C、及び Fe がともに合金される。その後、合金された要素が精製され、大きな欠陥を除去する（４０３）。上述の例について続けると、VAR プロセスを使用して、300M 合金を精製してもよい。その後、精製された合金が、複数ステップのプロセスを使用して、ニアネットシェイプに鋳造され、粒子サイズ及び方向を配向する（４０５）。加熱処理が加えられ、鋳造されたロータ材料に無心焼き入れを行い、降伏強度を向上させる（４０７）。その後、焼き戻しが行われ、破壊靭性を向上させる（４０９）。その後、ロータ材料が加工され、ロータを所望の形状に形成する（４１１）。

当業者は、本開示を熟読することにより、本明細書に開示の原則を通じてさらに代替の構造的設計及び機能的設計を認識するであろう。従って、特定の実施形態及び適用例について図示及び説明してきたが、本開示の実施形態は、本明細書に開示の精密な構造及び構成要素に限定されるものでないことを理解しなければならない。添付のクレームに規定の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示の方法及び装置の配置、動作、及び詳細において、当業者にとって明らかとなる種々の修正、変更、及び変形がなされてもよい。

Claims (20)

1. 少なくとも 900MPa の降伏強度と、少なくとも 70MPa・m^0.5 の破壊靭性と、2mm 以下の最大固有欠陥サイズとを有する単一片のスチールでできている回転対称質量体を備えるフライホイールロータ。
2. 前記質量体の中心軸を通る穴を有さない、請求項１に記載のフライホイールロータ。
3. 前記質量体の少なくとも一部は、前記質量体の外面から４インチを超えて離れている、請求項１に記載のフライホイールロータ。
4. 前記質量体は、第２の軸に沿う厚さよりも大きな直径を、第１の軸に沿って有する、請求項１に記載のフライホイールロータ。
5. 前記質量体から突出した複数のジャーナルをさらに備え、
   各ジャーナルは、外側シャフトに物理的に連結される形状を有する、請求項１に記載のフライホイールロータ。
6. 前記ロータは、２〜５トンの範囲内の質量体を有する、請求項１に記載のフライホイールロータ。
7. 前記質量体は、その先端において、３６〜７２インチの範囲内の外径を有する、請求項１に記載のフライホイールロータ。
8. 前記質量体は、真空アーク溶解（VAR: vacuum-arc-remelted）で処理され、なおかつ無心焼き入れされた、焼き戻し 300M スチールで形成される、請求項１に記載のフライホイールロータ。
9. 前記質量体は、フィッシュテール形状を備える、請求項１に記載のフライホイールロータ。
10. 真空アーク溶解（VAR: vacuum-arc-remelted）で処理され、なおかつ無心焼き入れされた、焼き戻し 300M スチールの単一片で作られた回転対称質量体を有し、
    前記質量体は、前記質量体から突出した複数のジャーナルを備え、
    各前記ジャーナルは、外側シャフトと物理的に連結する形状を有する、フライホイールロータ。
11. 少なくとも 900MPa の降伏強度を有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
12. 少なくとも 70MPa・m^0.5 の破壊靭性を有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
13. 2mm 以下の最大固有欠陥サイズを有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
14. 前記質量体の中心軸を通る穴を含まない請求項１０に記載のフライホイールロータ。
15. 前記質量体の少なくとも一部は、前記質量体の外面から４インチを超えて離れている、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
16. 前記質量体は、第２の軸に沿う厚さよりも大きな直径を、第１の軸に沿って有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
17. 前記ロータは、２〜５トンの範囲内の質量体を有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
18. 前記質量体は、その先端において、３６〜７２インチの範囲内の外径を有する、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
19. 前記質量体は、フィッシュテール形状を備える、請求項１０に記載のフライホイールロータ。
20. 300M スチールの単一質量体を形成するために複数の要素を合金にするステップと、
    真空アーク溶解（VAR: vacuum-arc-remelting）プロセスを使用して前記質量体を精製するステップと、
    前記質量体内の粒子サイズ及び方向を揃えるために、複数ステップの鋳造プロセスを実施するステップと、
    前記質量体を無心焼き入れするために前記質量体を加熱及び急冷するステップと、
    前記質量体を焼き戻すステップと、
    前記質量体を加工するステップと、を備える、フライホイールロータの製造方法。

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