JP2018500867A - 複合フライホイールエネルギ貯蔵システムにおけるエネルギ及び/または出力密度を増大する装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年12月2日出願の「High Energy Density Composite Flywheels/Electromechanical Batteries」と題する米国特許出願第14/557,752号の一部継続出願であり、その開示を参照することにより、その全体がここに包含される。
ここで、Eはエネルギ、Iは質量慣性モーメント、ωは回転速度である。
具体的な実施形態を参照して説明したように、フライホイールエネルギ貯蔵装置及び/またはシステムは、ステータに対して回転するように構成されたロータを有することができる。フライホイールのロータは、例えば、薄肉を有すると考えられる環状シリンダを有することができる。ロータ内の応力は、軸方向、半径方向及び接線(フープ)方向における応力−歪関係で評価することができる。回転軸に沿う所定位置で評価することにより(例えば、単位軸方向厚さ)、所定位置におけるフープ応力及び半径方向応力は、以下の式3で表される、その応力−歪関係の観点から計算することができる。
ここで、σrは半径方向応力、σhはフープ応力(「周方向引張応力」または「接線方向応力」としても知られ、及び、νはポアソン比である。
ここで、ρは、材料の密度(例えば、ロータを形成する炭素複合材料の密度)、rは、ロータの半径、ωは、回転速度である。
ここに、Riは、ロータの内径、Roは、ロータの外径である。
ここで、ρmは、それぞれ個別質量の密度であり、rmは、個別質量の平均半径であり、tは、個別質量の厚さであり、ωは、ロータの回転速度であり、rは、ロータの所定の半径であり、Riは、ロータの内径であり、Roは、ロータの外径である。
Claims (34)
- モータ/発電機用中空円筒状のフライホイールを備え、
前記フライホイールは、マトリックス材料と、少なくとも一部がフライホイールの回りを周方向に配向されて前記マトリックス材料内に埋め込まれる繊維とを有する複合材料で形成され、
前記フライホイールは、長手方向回転軸と、半径方向内面と、半径方向外面と、内面と外面との間の半径方向厚さとを有し、
前記フライホイールの前記回転軸の回りの回転は、前記繊維に周方向のフープ応力を、前記マトリックス材料に前記半径方向の厚さ方向応力を生成し、前記繊維及び前記マトリックス材料の材料特性は、前記フライホイールの構造破壊を生じさせる十分に高い回転速度での前記回転軸回りの前記フライホイールの回転で、前記半径方向における前記マトリックス材料を破壊し、前記周方向における前記繊維を破壊せず、このような回転速度は第1回転速度であり、更に、
周方向に回りに分散され、前記回転軸に沿う長手方向セグメントで前記フライホイールの前記内面に連結される複数の負荷質量を備え、前記フライホイールの回転で、前記複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量に、半径方向外方に向く力を前記フライホイールの前記内面に作用させ、前記力は、前記フライホイールの構造破壊を生じさせるために十分に高い回転速度で、前記長手方向セグメイト内で前記周方向に前記線維を破壊させ、前記半径方向に前記マトリックス材料を破壊しないように、前記マトリックス内の最大半径方向応力を減じるように作用し、このような回転速度は、前記第1回転速度よりも大きい第2回転速度である、装置。 - それぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成される、請求項1に記載の装置。
- それぞれの負荷質量は、不活性材料で形成される、請求項1に記載の装置。
- 前記複数の負荷質量は、第1の複数の負荷質量であり、前記長手方向セグメントは、第1の長手方向セグメントであり、更に、周方向に分散され、前記回転軸に沿う第2の長手方向セグメントで前記フライホイールの前記内面の回りに連結される第2の複数の負荷質量を備え、前記フライホイールの回転は、それぞれの負荷質量により、半径方向外方に向く力を前記フライホイールの前記内面に生じさせ、前記力は、前記第2回転速度で、前記第2長手方向セグメントに前記半径方向の破壊を生じさせないように、前記マトリックス内の前記最大厚さ方向応力を低減する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成され、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成される、請求項4に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量内のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成され、第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、不活性材料で形成される、請求項4に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成されかつ磁極性を有し、前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量の磁極性は、前記フライホイールの回りで周囲方向に交代し、前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、前記第2の複数の負荷質量の対応する負荷質量と軸方向に整合し、かつ、その磁極性は同じ方向に配向され、前記第1の複数の負荷質量は、前記第2の複数の負荷質量から軸方向に離隔してその間に長手方向間隙長を有する軸方向ステータ間隙を画定し、更に、その上に配置された複数の導電巻線と、前記長手方向間隙長よりも少ない軸方向厚さとを有するステータを備え、前記ステータは、前記ステータに対する前記フライホイールの回転で前記巻線内に電流の流れを生じさせるように前記巻線の少なくとも一部が、前記第1の複数の負荷質量と前記第2の複数の負荷質量との間で前記ステータ間隙内に軸方向に配置されるように、前記フライホイールに対して作動関係に配置される、請求項4に記載の装置。
- それぞれの負荷質量は、周方向寸法、軸方向寸法、及び、半径方向寸法を有し、負荷質量のそれぞれの寸法は、実質的に同じである、請求項1に記載の装置。
- それぞれの負荷質量は、前記フライホイールが前記第2回転速度で回転するときに、その構造的一体性を維持するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記複数の負荷質量は、前記第1の複数の負荷質量であり、前記長手方向セグメントは、第1の長手方向セグメントであり、前記フライホイールは、軸方向長さを有し、更に、複数の追加の複数の負荷質量を備え、それぞれの追加の複数の負荷質量は、周方向の回りに分配され、前記回転軸に沿うそれぞれの追加の長手方向セグメントで前記フライホイールの前記内面に転結され、前記第1の長手方向セグメント及び前記複数の追加の長手方向セグメントは、前記フライホイールの軸方向長さに沿って実質的に均一に分配され、前記フライホイールの回転で、それぞれの追加の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量に、半径方向外方に向く力を前記フライホイールの前記内面に生成させ、前記力は、前記マトリックス材料が、前記第2の回転速度で任意の前記追加の長手方向セグメントで前記半径方向の破断を生じないように、前記マトリックス内の前記最大厚さ方向応力を減少するように作用する、請求項1に記載の装置。
- 前記複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成され、磁極性を有し、前記負荷質量の前記磁極性は、前記フライホイールの回りで周方向に交代し、更に、その上に配置された複数の導電巻線を有するステータを備え、前記ステータは、前記ステータに対する前記フライホイールの回転が前記巻線に電流の流れを生成するように、前記複数の負荷質量に作動関係に配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、半径方向寸法を有し、前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量の全ての前記負荷質量の前記半径方向寸法は、第1の半径方向寸法と実質的に等しく、
前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、密度を有し、前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量の全ての前記負荷質量の前記密度は、第1密度と実質的に等しく、
前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量のそれぞれは、前記フライホイールが前記第1速度で回転するときに、第1圧力に実施的に等しい圧力を前記フライホイールの前記内面に生成し、
更に、前記軸方向ステータ間隙内で、前記フライホイールの前記内面に周方向に、回りに分配されかつ連結される第3の複数の負荷質量を備え、
前記第3の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、半径方向寸法を有し、前記第3の複数の負荷質量の前記半径方向寸法は、前記第1半径方向寸法よりも小さい第2半径方向寸法に実施的に等しく、前記第1半径方向寸法と前記第2半径方向寸法との間の差は、前記巻線の少なくとも一部が配置される前記ステータ間隙の半径方向範囲を画定し、
前記第3の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、密度を有し、前記第3の複数の負荷質量の前記密度は、前記第1密度よりも大きい第2密度と実施的に等しく、
前記第3の複数の負荷質量は、前記第1速度で前記フライホイールが回転したときに、前記フライホイールの前記内面に、前記第1圧力と実施的に等しい圧力を生成する、請求項11に記載の装置。 - フライホイールエネルギ貯蔵装置内に配置されるように構成されるロータを備え、前記ロータは、マトリックス材料と、前記ロータの回りに周方向に少なくとも一部が配向されて前記マトリックス材料内に埋め込まれる繊維とを有する複合材料から形成され、前記ロータは、長手方向の回転軸と半径方向の内面とを有し、前記ロータは、ステータに対して前記長手方向軸の回りを回転するように構成され、更に、
前記ロータの前記内面に連結される第1の複数の負荷質量を備え、前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、第1密度と第1サイズとを有し、前記第1の複数の負荷質量の第1部分は、前記回転軸に沿う第1長手方向セグメントで、周方向に、前記内面に沿って分配され、前記第1の複数の負荷質量の第2部分は、前記回転軸に沿う第2長手方向セグメントで前記周方向に前記内面に沿って分配され、更に、
前記ロータの前記内面に連結される第2の複数の負荷質量を備え、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、前記第1密度よりも大きい第2密度と、前記第1サイズよりも小さな第2サイズとを有し、前記第2の複数の負荷質量は、前記回転軸に沿う第3長手方向セグメントで、周方向に、前記内面に沿って分配され、前記第3長手方向セグメントは、前記第1長手方向セグメントと前記第2長手方向セグメントとの間にあり、
前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量は、前記ロータが前記ステータに対して前記長手方向軸の回りに回転したときに、前記ロータの前記内面上に、実質的に均等な圧力が作用するように、前記内面を覆う、装置。 - 前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料から形成される、請求項13に記載の装置。
- 前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、非磁性材料から形成される、請求項13に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量、及び、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料から形成される、請求項13に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量の第1サイズは、半径方向の厚さであり、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量の前記第2サイズは、半径方向の厚さでる、請求項13に記載の装置。
- 前記ロータが前記長手方向軸の回りに回転したときに、前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量によって前記ロータの前記内面に生じる有効圧力は、前記ロータが前記長手方向軸の回りに回転したときに、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量によって前記ロータの前記内面に生じる有効圧と同じである、請求項17に記載の装置。
- 前記ロータは、前記ステータの一部が前記第1の複数の負荷質量の前記第1部分と前記第1の複数の負荷質量の前記第2部分との間に配置され、前記第2の複数の負荷質量は、前記第3の長手方向セグメントに、前記ステータの周方向面と前記ロータの前記内面との間に配置される、請求項13に記載の装置。
- 前記第1の複数の負荷質量内のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成され、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、非磁性材料で形成され、
前記第1の複数の負荷質量の前記第1部分と前記第1の複数の負荷質量の第2部分との間に画定される間隙内に配置される前記ステータの前記部分は、その上に配置される複数の導電巻線を有し、前記ロータは、前記ステータに対して前記第1の複数の負荷質量を回転し、前記導電巻線内に電流の流れを誘導するように構成される、請求項19に記載の装置。 - 前記第1の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、永久磁石材料で形成され、前記第2の複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、非磁性材料で形成され、
前記第1の複数の負荷質量の前記第1部分と前記第1の複数の負荷質量の第2部分との間に画定される間隙内に配置される前記ステータの前記部分は、その上に配置される複数の導電巻線を有し、前記ロータは、前記導電巻線内の電流の流れに応答して、前記ステータに対して回転するように構成される、請求項19に記載の装置。 - 前記ロータは、半径方向外面を有し、前記ロータは、前記半径方向内面と前記半径方向外面との間に厚さを有し、
前記ロータの前記回転軸の回りの前記回転は、前記繊維に周方向のフープ応力と前記マトリックス材料に前記半径方向の厚さ方向応力とを生成し、前記繊維及び前記マトリックス材料は、前記ロータの構造破壊を生じさせるに十分に高い回転速度での前記回転軸回りの前記回転で、前記半径方向における前記マトリックス材料の破壊を生じ、前記周方向における前記繊維を破壊しないような材料特性を有し、このような回転速度は第1回転速度であり、更に、
前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量は、共に、前記ロータの前記内面上に実質的に均一な圧力を作用させ、前記圧力は、前記ロータの構造破壊を生じさせるのに十分高い回転速度で、周方向に前記繊維の破壊を生じ、前記半径方向に前記マトリックス材料を破壊しないように、前記マトリックス内に最大厚さ方向応力を減少し、このような回転速度は、前記第1回転速度よりも高い第2回転速度である、請求項13に記載の装置。 - 前記第1の複数の負荷質量及び前記第2の複数の負荷質量は、実質的に前記ロータの全内面を覆う、請求項13に記載の装置。
- フライホイールエネルギ貯蔵装置内に配置されるように構成されるロータを備え、前記ロータは、マトリックス材料と、前記ロータの回りに周方向に少なくとも一部が配向されて前記マトリックス材料内に埋め込まれる繊維とを有する複合材料で形成され、前記ロータは、長手方向の回転軸と半径方向の内面とを有し、
前記ロータは、前記回転軸に沿う第1長手方向セグメントに周方向に前記内面に沿って分配される第1の複数の磁石と、前記回転軸に沿う第2長手方向セグメントに周方向に前記内面に沿って分散される第2の複数の磁石とを有し、前記第1の複数の磁石と前記第2の複数の磁石がその間に間隙を画定し、更に、
前記フライホイールエネルギ貯蔵装置内に配置されるステータを備え、前記ステータの一部は、前記第1の複数の磁石と前記第2の複数の磁石との間に前記間隙を画定し、更に、
前記周方向で、前記内面に沿って分配される複数の負荷質量を備え、前記複数の負荷質量は、非磁性材料で形成され、前記複数の負荷質量は、前記複数の負荷質量が、前記ロータの前記内面と前記ステータの前記一部の周方向面との間となるように、前記第1の複数の磁石と前記第2の複数の磁石との間に画定される前記間隙内に配置され、
前記第1の複数の磁石と、前記第2の複数の磁石と、前記複数の負荷質量とは、前記ロータが前記長手方向軸の回りに回転されたときに、前記ロータの前記内面に、共に、実質的に均等な圧力を作用させ、前記ロータの半径方向応力を低減するように作用する、装置。 - 前記第1の複数の磁石のそれぞれの磁石は、磁極性を有し、前記第1の複数の磁石の磁極性は、前記ロータの前記内面の回りを周方向に交代し、
前記第2の複数の磁石のそれぞれの磁石は、磁極性を有し、前記第2の複数の磁石の磁極性は、前記ロータの前記内面の回りを周方向に交代する、請求項24に記載の装置。 - 前記第1の複数の磁石と、その上に複数の導電巻線を有する前記第2の複数の磁石との間に画定された前記間隙内に、前記ステータの前記一部が配置され、前記ロータは、前記ステータに対して回転し、前記導電巻線内に電流の流れを誘導するように構成される、請求項25に記載の装置。
- 前記第1の複数の磁石と、その上に複数の導電巻線を有する前記第2の複数の磁石との間に画定される前記間隙内に、前記ステータの前記一部が配置され、前記ロータは、前記導電巻線内の電流の流れに応じて、前記ステータに対して回転するように構成される、請求項25に記載の装置。
- 前記第1の複数の磁石のそれぞれの磁石と、前記第2の複数の磁石のそれぞれの磁石とは、第1密度と第1半径方向厚さとを有し、
前記複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量は、第2密度と第2半径方向厚さとを有し、前記第2密度は前記第1密度より大きく、前記第2半径方向厚さは、前記第1半径方向厚さよりも小さい、請求項24に記載の装置。 - 前記ロータが前記長手方向軸の回りを回転したときに、前記ロータの前記内面上に、前記第1の複数の磁石のそれぞれの磁石で作用される有効圧力は、前記ロータが前記長手方向軸の回りを回転したときに、前記ロータの前記内面上に、前記第2の複数の磁石のそれぞれの磁石で作用される有効圧力と等しい、請求項28に記載の装置。
- 前記ステータの前記一部は、前記ステータの前記一部の第1表面が前記第1の複数の磁石のそれぞれの磁石の表面から少しの距離離隔し、前記ステータの前記一部の第2表面が前記第2の複数の磁石のそれぞれの磁石の表面から前記距離離隔するように、前記第1の複数の磁石と前記第2の複数の磁石との間に画定される前記間隙内に配置され、
前記ステータの前記部分の前記周方向表面は、前記複数の負荷質量のそれぞれの負荷質量の表面から前記距離離隔する、請求項24に記載の装置。 - 前記複数の負荷質量は、第1の複数の負荷質量であり、前記第1の複数の磁石、前記第2の複数の磁石、前記ステータの前記一部、及び、前記第1の複数の負荷質量は、共同で、モータ/発電機部を形成する、請求項24の装置。
- 前記ステータの前記一部は、前記ステータの第1部分であり、前記モータ/発電機部は、第1モータ/発電機部であり、
前記ロータは、前記回転軸に沿う第3長手方向セグメントで前記周方向に、前記内面に沿って分配される第3の複数の磁石と、前記回転軸に沿う第4長手方向セグメントで前記周方向に、前記内面に沿って分配される第4の複数の磁石とを有し、前記第1の複数の磁石と前記第2の複数の磁石とはその間に間隙を画定し、前記ステータは、前記第3の複数の磁石と前記第4の複数の磁石との間に画定される前記間隙内に配置され、前記装置は、更に、
前記周方向で、前記内面に沿って分配される第2の複数の負荷質量を備え、前記第2の複数の負荷質量は、非磁性材料で形成され、前記第3の複数の磁石と前記第4の複数の磁石との間に画定される前記間隙内に、前記第2の複数の負荷質量が、前記ロータの内面と前記ステータの前記第2部分の周方向表面との間となるように、配置され、
前記第3の複数の磁石、前記第4の複数の磁石、前記ステータの前記第2の部分、及び、前記第2の複数の負荷質量は、共同で、第2のモータ/発電機部を形成し、更に、
前記周方向に、前記内面に沿って分配される第3の複数の負荷質量を備え、前記第3の複数の負荷質量は、非磁性材料で形成され、前記回転軸に沿う第5長手方向セグメントに配置され、前記回転軸に沿う第5長手方向セグメントは、前記第1モータ/発電機部と前記第2モータ/発電機部との間に配置される、請求項31に記載の装置。 - 前記第1の複数の磁石、前記第2の複数の磁石、前記第3の複数の磁石、前記第4の複数の磁石、前記第5の複数の磁石、前記第1の複数の負荷質量、前記第2の複数の負荷質量、及び、前記第3の複数の負荷質量は、共同で、実質的に均一な圧力を、前記ロータの前記内面に作用させ、前記ロータが前記長手方向軸の回りに回転するとき、前記ロータ内の半径方向応力を減ずるように作用する、請求項32に記載の装置。
- 前記第1の複数の磁石、前記第2の複数の磁石、前記第3の複数の磁石、前記第4の複数の磁石、前記第5の複数の負荷質量、前記第1の複数の負荷質量、前記第2の複数の負荷質量、及び、前記第3の複数の負荷質量は、実質的に前記ロータの全内面を覆う、請求項32に記載の装置。
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