JP6228646B1 - フライホイール - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載のフライホイールは、回転軸等に取り付けられるハブと、ハブに対して揺動自在に設けられたアームと、アームの先端側に固定された錘とを備え、停止時に小さく収容されていたアームが回転に伴って径方向の外方に広がる。
本発明が解決しようとする課題は、上記の要望に鑑み、回転中に大きい回転モーメントが得られるフライホイールを提供することにある。
本発明の一態様に係るフライホイールは、回転軸に取り付けられるハブ部と、前記ハブ部に周方向に沿って設けられ且つ回転に伴って開閉する複数のスイング部とを備え、前記複数のスイング部は同じ構成をし、前記スイング部は、前記回転軸と平行な軸廻りに複数個の錘が揺動自在に連結された多関節構造を有する。
本発明の別態様に係るフライホイールにおいて、各スイング部における最外周に位置する錘よりも内側に位置する1個又は複数個の錘は、前記回転軸の延伸する方向から見たときに、三角形状又は三角形状に近い形状をし、当該三角形の最も長い辺の両端部分で他の錘又前記ハブ部と連結されている。これにより、開状態のフライホイールの直径を閉状態のフライホイール直径よりも大きくできる。
本発明の別態様に係るフライホイールにおいて、前記スイング部内の複数個の錘の数をn個(nは2以上の自然数である。)とし、前記ハブ部側からi番目(iは(n−1)以下の自然数である。)の錘を第i段の錘とすると、前記複数のスイング部における各段に位置する複数の錘は同じ形状をし、
(1)i=1の場合
前記複数のスイング部における第1段の複数の錘は、前記スイング部が閉じた状態を前記回転軸の延伸する方向から見たときに、第2段の複数の錘と前記ハブ部との間に存在する環状部分内をジグゾパズル状に埋め、
(2)2≦i≦n−1の場合
前記複数のスイング部における第i段の複数の錘は、前記スイング部が閉じた状態を前記回転軸の延伸する方向から見たときに、第(i−1)段の複数の錘と第(i+1)段の複数の錘との間に存在する環状部分内をジグゾパズル状に埋める。これにより、各段の複数の錘を大きくでき、回転中の回転モーメントを大きくできる。なお、「ジグゾパズル状」とは、対象の錘が、当該対象の錘に隣接する他の段の錘及び同じ段の錘により囲まれる領域の外縁形状と相似な形状又は同じ形状を有し、対象の錘が前記領域に嵌るように配された状態をいう。
本発明の別態様に係るフライホイールにおいて、各スイング部内の複数個の錘は、前記ハブ部から離れるにしたがって大きくなる。これにより、回転中の回転モーメントを大きくできる。
実施形態として、本発明に係るフライホイールを回転させて発電する発電システムについて説明する。
主に図1を用いて説明する。
発電システム1は、フライホイール2と、フライホイール2が取付けられる回転軸3と、回転軸3を回転させる回転駆動部5と、回転軸3の回転を利用して発電する発電機6とを有している。発電システム1は、回転駆動部5により回転軸3が回転駆動されることでフライホイール2が回転し、回転しているフライホイール2の回転を利用して発電機6が発電する。
回転駆動部5は、駆動源52と、上下方向に延伸する駆動軸53と、無段変速機54とを備える。なお、駆動源52は例えばモータが利用される。
発電機6は、ダイナモ61と、発電軸62と、発電側ギア63と、連結機構64を備える。連結機構64は、発電軸62と回転軸3とを連結するものである。ここでは、発電軸62は水平方向に、回転軸3は上下方向に、それぞれ延伸するように設けられている。このため、連結機構64は、上下方向に延伸する連結軸65と、連結軸65の下端に設けられ且つ回転軸3の発電用ホイール側ギア34と噛み合う発電側ギア63と、発電軸62と連結軸65とを直交状態で連結するギアボックス67とを有している。
図2及び図3を用いて説明する。
フライホイール2はハブ部21と複数のスイング部23とを備える。ハブ部21は回転軸3(図1参照)に取り付けられる。複数のスイング部23はハブ部21に周方向に沿って設けられている。フライホイール2の回転に伴ってハブ部21に対して複数のスイング部23が揺動する。
フライホイール2の回転が停止している場合又は回転が低速である場合、図2に示すように、複数のスイング部23はハブ部21に沿って近接している。このときスイング部23は閉じているといい、この状態を閉じた状態や閉状態という。スイング部23が閉じた状態では、フライホイール2の全体形状は円形状又は円形状に似た形状となる。
フライホイール2の回転が高速である場合、図3に示すように、スイング部23はハブ部21の径方向の外方へと延伸する。このときスイング部23は開いているといい、この状態を開いた状態や開状態という。
ハブ部21は回転軸3に取り付けられる取付機能を有している。取付としては以下のような例がある。例1として、ハブ部21は中央に貫通孔を有し、当該貫通孔を挿通する回転軸3をキー等により固定してもよい。例2として、ハブ部21はボスを有し、ボスの貫通孔又は穴(凹み)に挿入された回転軸3をネジ等で固定してもよい。例3として、回転軸3の一端をフランジ状にし、フランジ部にハブ部21をネジ等で固定してもよい。
スイング部23は揺動軸25−1を利用して取り付けられる。揺動軸25−1は回転軸3と平行であってハブ部21の貫通孔を挿通する。揺動軸25−1として例えば先端にネジ部を有するボルト体25aを利用できる。ボルト体25aは、スイング部23のハブ部21側の錘27−1の貫通孔(図示省略)とハブ部21の貫通孔とを挿通し、ナット体25bと螺合する。
なお、スイング部23を回転軸3と平行な軸廻りに揺動自在にハブ部21に取り付けることができれば、ボルト体25aやナット体25bを利用しなくてもよい。
(2−1)概略
スイング部23は、回転軸3と平行な軸廻りに揺動自在に複数個の錘(27)が連結された多関節構造を有している。なお、多関節とは、2以上の関節部を有するものをいう。
ここで、複数個の錘(27)の数をn個(nは2以上の自然数である。)とし、ハブ部21側から1番目の錘を第1段の錘27−1とし、第1段の錘27−1とハブ部21との連結部分を第1関節部25−1とし、ハブ部21側からk番目(kは2以上であってn以下の自然数である。)の錘を第k段の錘27−kとし、第k段の錘27−kと第(k−1)段の錘27−(k−1)との連結部分を第k関節部25−kとする。
なお、「n」は1つのスイング部23における錘(27)の数を表す変数であり、2以上の自然数を意味する。なお、段数に関係なく、錘を指す場合は符号「27」を使用し、関節部を指す場合は符号「25」を使用する。
第1段の錘27−1とハブ部21との連結部分である第1関節部25−1は、スイング部23とハブ部21とを連結する揺動軸25−1である。このため、第1関節部の符号も揺動軸25−1と同じ「25−1」とする。
第2段の錘27−2と第1段の錘27−1との連結部分である第2関節部25−2も回転軸3と平行な揺動軸が利用される。この揺動軸も、第1関節部25−1の揺動軸25−1と同様に、ボルト体25aとナット体25bとから構成されている。
なお、第1関節部25−1はスイング部23内にあるものとする。
n=2の本例では、回転軸3の延伸する方向から閉状態のスイング部23を見たとき、図2に示すように、第2関節部25−2は、第1関節部25−1と回転軸3の中心Oとを結ぶ仮想線X1−1上に位置しない。なお、回転軸3の中心Oはハブ部21の中心と一致し、ハブ部21の中心の符号も「O」を使う。
つまり、錘の数がnの場合、各スイング部23内の第k関節部25−kは、回転軸3の延伸する方向から閉状態のスイング部23を見たときに、第(k−1)関節部25−(k−1)と回転軸3の中心Oとを結ぶ仮想線X1−(k−1)上に位置しない。
つまり、錘の数がnの場合、すべてのスイング部23内の第k関節部25−kは、回転軸3の延伸する方向から閉状態のスイング部23を見たときに、第(k−1)関節部25−(k−1)と回転軸3の中心Oとを結ぶ仮想線X1−(k−1)に対して同じ側に存在する。
なお、フライホイール2を回転軸3の延伸する方向であって図2で見た側と反対側から見ると、第2関節部25−2の位置は反時計まわり側に位置する。つまり、反時計まわり、時計まわりに関係なく、すべての第k関節部25−kが対応する仮想線X1−(k−1)に対して同じ側にあればよい。これにより、図4に示すように、スイング部23が開いたときに錘27がハブ部21からスムーズに離れる。
全てのスイング部23における同じ段に位置する複数の錘27は同じ形状をしている。n=2の本例において、第1段のすべての錘27−1の形状は同じであり、第2段のすべての錘27−2の形状は同じである。なお、本例において、第1段のすべての錘27−1の数は8個であり、第2段のすべての錘27−2の数は8個である。
閉状態のフライホイール2を回転軸3の延伸する方向から見たとき、つまり、図2において、第1段の複数の錘27−1はハブ部21から1番目に位置する第1環状部分28−1内にジグゾパズル状に位置する。また、第2段の複数の錘27−2は第1環状部分28−1の外側に位置する第2環状部分28−2内にジグゾパズル状に位置する。図2の(a)では、第1環状部分28−1を右上がりのハッチングで示し、第2環状部分28−2を左上がりのハッチングで示す。
なお、第1環状部分は、第2段の複数の錘27−2とハブ部21との間の位置する環状部分である。iが2以上で(n−1)以下の場合の第i環状部分は、換言すると、第(i−1)段の複数の錘27−(i−1)と、第(i+1)段の複数の錘27−(i+1)との間に位置する環状部分である。なお、第n環状部分は、第(n−1)段の複数の錘27−(n−1)の外側に位置する環状部分である。
第i段の錘27−i(iは(n−1)以下の自然数である。)の錘27−iは、例えば三角形状又は三角形状に近い形状をしている。ここで、i=1では錘27−1における2つの頂角部分でハブ部21や第2段の錘27−2と連結され、i≧2では第i段の錘27−iにおける2つの頂角部分で他の錘(27−(i+1)や27−(i−1)である。)と連結される。
第1段の錘27−1Aの第1辺27−1aは、スイング部23が閉じている状態において、ハブ部21に近い第1関節部25−1から周方向における第1の方向(ここでは時計回りの方向である。)に隣接する他の錘27−1B(図2の(a)参照)の第1関節部25−1の近くを通るように構成されている。
同じく第1段の錘27−1Aの第2辺27−1bは、周方向における第2方向(ここでは反時計回りの方向である。)に隣接する他の錘27−1C(図2の(a)参照)の第1辺27−1aの近傍を通り且つ当該他の錘27−1Cの第1辺27−1aと平行になるように構成されている。
同様に、第i(iは(n−1)以下の自然数である。)段の錘27−iの第2辺27−ibは、周方向における第2の方向に隣接する他の錘27−iの第1辺27−iaの近傍を通り且つ当該他の錘27−iの第1辺27−iaと平行になるように構成されている。
これを錘の数がn個のスイング部23について当てはめると、第i(iは(n−1)以下の自然数である。)段の錘27−iの第2辺27−ibは、周方向における第2の方向に隣接する他の錘27−iの第(i+1)関節部25−(i+1)の近傍を通るように構成されている。
なお、正確には、周方向に隣接する錘27−i同士の接触を防ぐために、第1辺27−iaと第2辺27−ibとの間の角度は、第i関節部25−iの中心とハブ部21の中心Oとを結ぶ線分と、周方向に隣接する第i段の錘27−iの第i関節部25−iの中心とハブ部21の中心Oとを結ぶ線分との間の角度よりも少し小さい。
最外周に位置する第n段の錘27−nは、矩形状に近い形状をしている。図2を用いて、錘27の数が2のとき(n=2)の錘27−2Aの形状を説明する。
第1段の錘27−1Aと連結される第2関節部25−2は矩形状をする第2段の錘27−2Aの1つの角に位置する。第2段の錘27−2Aにおける第2関節部25−2を挟む2辺の内、周方向に沿って延びる長辺を第1長辺27−2aとし、当該第1長辺27−2aと対向する長辺を第2長辺27−2bとする。第2関節部25−2を挟む2辺の内、径方向に沿って延びる短辺を第1短辺27−2cとし、当該第1短辺27−2cと対向する短辺を第2短辺27−2dとする。
第2段の錘27−2Aの第2長辺27−2bは、スイング部23が閉じている状態で、フライホイール2の外周形状が円形状となるような円弧状をしている。
第2段の錘27−2Aの第1短辺27−2c及び第2短辺27−2dは、スイング部23が閉じている状態では、径方向と略平行になるように構成されている。特に、第1短辺27−2cは、スイング部23が開いた際に、図3の下方に延伸するスイング部23Dに示すように、径方向(図3中の仮想線Yが延伸する方向である)と略直交するように構成されている。
第2段の錘27−2Aの第2短辺27−2dと第2長辺27−2bとの交点は、スイング部23が開いた際に、図3の下方に延伸するスイング部23Dに示すように、第2関節部25−2の中心とハブ部21の中心Oとを結ぶ仮想線Y上に位置するように構成されている。なお、この仮想線Y上に第1関節部25−1も位置するように、錘27の形状・重心位置等が設定されている。
第2長辺27−nbは、スイング部23が閉じている状態で、フライホイール2の外周形状が円形状となるような円弧状をしている。なお、第2長辺27−nbは円弧でなく、例えば、直線であってもよく、全体として多角形状となるようにしてもよい。
第1短辺27−nc及び第2短辺27−ndは、スイング部23が閉じた状態では、径方向と略平行になるように構成されている。特に、第1短辺27−ncは、スイング部23が開いたときに、径方向と略直交するように構成されている。第2短辺27−ndと第2長辺27−nbとの交点は、スイング部23が開いたときに、第n関節部25−nの中心とハブ部21の中心Oとを結ぶ仮想線Y上に位置するように構成されている。
スイング部23を回転軸3の延伸方向から見たとき、スイング部23のn個の錘27の大きさ(面積)は最もハブ部21から離れた第n段の錘27−nが最も大きくなるように構成されている。これにより、回転中の回転モーメントを大きくできる。
スイング部23のn個の錘27の大きさ(面積)は、ハブ部21から離れるにしたがって大きくなるように構成されている。これにより、回転中の回転モーメントを大きくできる。
スイング部23のn個の錘27の重量は、ハブ部21から離れるにしたがって重くなる方が好ましい。これにより、回転中の回転モーメントを大きくできる。なお、回転始動時に小さい駆動力で回転させたい場合は、ハブ部21から遠い錘27を小さく(面積及び重量とも)すればよい。つまり、フライホイール2の使用目的によりn個の錘27の大きさ・重量及びこれらのバランスを適宜設定すればよい。
実施形態のスイング部23の錘27−1、27−2は、ボルト体25a及びナット体25bを利用した揺動軸25−nで連結されている。このため、例えば、各錘27を複数枚の板材で構成している場合、枚数を適宜変更することで使用目的に合ったスイング部23を得ることができる。なお、複数枚の板材は、回転軸3の延伸する方向から見たときの形状が同じであればよく、厚みは同じであってもよいし、異なってもよい。
図4を用いて、錘27の数が2の場合(n=2)の開閉時の外周径について説明する。
第1段の錘27−1の第1辺27−1aは第2辺27−1bよりも長くなるように構成されている(図2参照)。これにより、第1段の錘27−1の第2関節部25−2を通る円周の直径が閉状態よりも開状態の方が大きくなる。
最外周に位置する第2段の錘27−2の第1長辺27−2aは第1短辺27−2cよりも長く構成されている(図2参照)。これにより、第2段の錘27−2の最外位置(第2長辺27−2bと第2短辺27−2dとの交点位置)を通る円周の直径が閉状態より開状態の方が大きくなる。
フライホイール2における各スイング部23の第1段の錘27−1の第1辺27−1aを第2辺27−1bよりも長く、しかも第2段の錘27−2の第1長辺27−2aを第1短辺27−2cよりも長くそれぞれ構成することで、閉状態の最外位置を通る円周の直径を小さく、開状態の最外位置を通る円周の直径を大きくできる。
フライホイール2について実施例を図2及び図4を用いて説明する。
ここで説明する例は一実施例であり、本発明をこの例に限定するものではない。
スイング部23は合計で8個あり、周方向に等間隔をおいて設けられている。
各スイング部23の段数は2であり、錘27の数が2である(n=2)。8個の第1関節部25−1を通る仮想円の直径D3は94.6[mm]であり、8個の第2関節部25−2を通る仮想円の直径D4は252[mm]である。
第1段の錘27−1の第1辺27−1aは158[mm]、第2辺27−1bは88[mm]、第3辺27−1cは118[mm]で各頂点がR加工されている(丸くなっている)。
第2段の錘27−2の第1長辺27−2aは94[mm]、第1短辺27−2cは70[mm]、第2短辺27−2dは59[mm]である。第2長辺27−2bは半径190[mm]の円弧であって45[度]分である。
フライホイール2の閉状態の外径D1は380[mm]、開状態の外径D2は550[mm]である。なお、閉状態の外周円に対する開状態の外周円の拡がり度(D2/D1)は、1.45倍である。
以上、一実施形態に係る発電システム1及びフライホイール2を説明したが、この実施形態に限られるものではなく、例えば、以下のような変形例であってもよい。また、実施形態と変形例とを組み合わせたものでもよいし、変形例同士を組み合わせたものでもよい。また、実施形態や変形例に記載していない例や要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。
実施形態の発電システム1は、フライホイール2を回転駆動させる駆動源52としてモータを利用しているが、例えば、内燃機関等のエンジンを利用してもよい。また、発電システムは、蓄電池を備え、フライホイールの回転により発電した電力の一部を蓄電池に蓄えるようにしてもよい。
また、実施形態では、フライホイール2が取り付けられる回転軸3が上下方向に延伸しているが、上下方向と交差する方向の回転軸としてもよい。但し、回転中のスイング部の重力の作用を考慮すると、回転軸は上下方向の方が好ましい。
(1)用途
実施形態のフライホイール2は発電システム1に利用されているが、他の用途にも利用することができる。他の用途としては、例えば、エンジンの回転脈動を平滑化するためにエンジンの回転軸に取り付ける場合がある。
スイング部は、フライホイールの回転軸が上下方向に延伸する場合、奇数個、偶数個に関係なく、複数個あればよい。逆に回転軸が例えば水平方向の場合、偶数個の方が好ましい。
錘の形状は、当該錘が属する段の環状部分をジグゾパズル的に埋めるように構成されていたが、錘が属する段の環状部分に閉状態のときに隙間が存在するような形状であってもよい。但し、回転中の回転モーメントを大きくしたい場合は隙間を少なくする方が好ましい。
実施形態では、1つのスイング部23の錘(27)の数が2個であった(n=2)が、3以上であってもよい。以下、錘の数が3個の場合(n=3)について図5を用いて説明する。
スイング部123は、内側から、第1段の錘127−1、第2段の錘127−2、第3段の錘127−3の3個を有している。
第1段の錘127−1は第1関節部125−1によりハブ部21に揺動自在に連結されている。第2段の錘127−2は第2関節部125−2により第1段の錘127−1に揺動自在に連結されている。第3段の錘127−3は第3関節部125−3により第2段の錘127−2に揺動自在に連結されている。
さらに言うと、すべてのスイング部123の第2関節部125−2及び第3関節部125−3は、第1関節部25−1の中心と回転軸3の中心Oとを結ぶ仮想線1X−1に対して時計まわり側に位置する。
本例においても、同じ段に位置する複数の錘127は同じ形状をしている。閉状態のフライホイール102を回転軸の延伸する方向から見たとき、つまり、図5において、第1段の錘127−1は第1環状部分内にジグゾパズル状に位置し、第2段の錘127−2は第2環状部分内にジグゾパズル状に位置し、第3段の錘127−3は第3環状部分内にジグゾパズル状に位置する。
複数個の関節部は、第1関節部とハブ部21の中心とを結ぶ仮想線に対して時計廻り側に存在しているが、例えば、仮想線に対して交互に時計廻り側と、反時計廻り側とを行き来するような存在してもよい。
実施形態の揺動軸25は、ボルト体25aを利用し、軸に相当するものが存在する。しかしながら、錘を揺動自在に連結できればよく、一方の錘が貫通孔を有し、他方の錘が一方の錘の貫通孔に嵌合する円筒状、円柱状又は半球状に突出する凸部により構成することもできる。
フライホイール2,102は、スイング部23,123の開閉を調整する調整手段を備えてもよい。調整手段としては、例えば、コイルバネやゴムバンド等の弾性体等を利用できる。
一例として、弾性体としてのコイルバネ29を実施形態のフライホイール2に設けた変形例について図6を用いて説明する。
フライホイール2は、スイング部23の改変を調整するためのコイルバネ29を有している。コイルバネ29は周方向に隣接する第2関節部25−2を接続(連結)している。
錘27の数がn個の場合、例えば、スイング部23の第k関節部25−kと、当該スイング部23に周方向に隣接する他のスイング部23の第k関節部25−kとを弾性体で接続することで実施できる。
また、図6とは異なるが、スイング部23の第2関節部25−2と、このスイング部23に周方向に隣接する他のスイング部23の第1関節部25−1とを接続してもよい。錘27の数がn個の場合について説明すると、スイング部23の第k関節部25−kと、当該スイング部23に周方向に隣接する他のスイング部23の第(k−1)関節部25−(k−1)とを弾性体で接続してもよい。
なお、バネ定数(弾性率)の異なる弾性体を利用することで、フライホイール2が所定の回転数のときにスイング部23が全開するように設定できる。
21 ハブ部
23 スイング部
25 関節部
27 錘
Claims (3)
- 回転軸に取り付けられるハブ部と、
前記ハブ部に周方向に沿って設けられ且つ回転に伴って開閉する複数のスイング部と
を備え、
前記複数のスイング部は同じ構成をし、
前記スイング部は、前記回転軸と平行な軸廻りに複数個の錘が揺動自在に連結された多関節構造を有し、
前記スイング部内の複数個の錘の数をn個(nは2以上の自然数である。)とし、
前記ハブ部側からi番目(iは(n−1)以下の自然数である。)の錘を第i段の錘とすると、
前記複数のスイング部における各段に位置する複数の錘は同じ形状をし、
(1)i=1の場合
前記複数のスイング部における第1段の複数の錘は、前記スイング部が閉じた状態を前記回転軸の延伸する方向から見たときに、第2段の複数の錘と前記ハブ部との間に存在する環状部分内をジグゾパズル状に埋め、
(2)2≦i≦n−1の場合
前記複数のスイング部における第i段の複数の錘は、前記スイング部が閉じた状態を前記回転軸の延伸する方向から見たときに、第(i−1)段の複数の錘と第(i+1)段の複数の錘との間に存在する環状部分内をジグゾパズル状に埋める
フライホイール。 - 各スイング部における最外周に位置する錘よりも内側に位置する1個又は複数個の錘は、前記回転軸の延伸する方向から見たときに、三角形状又は三角形状に近い形状をし、当該三角形の最も長い辺の両端部分で他の錘又前記ハブ部と連結されている
請求項1に記載のフライホール。 - 各スイング部内の複数個の錘は、前記ハブ部から離れるにしたがって大きくなる
請求項1又は2に記載のフライホイール。
Priority Applications (1)
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JPS60145644U (ja) * | 1984-03-08 | 1985-09-27 | 三菱自動車工業株式会社 | ダイナミツクダンパ |
DE19649712A1 (de) * | 1996-11-30 | 1998-06-04 | Daimler Benz Ag | Antreibbare Welle mit beschleunigungsabhängig änderbarem Trägheitsmoment |
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