JP6407275B2 - エネルギー保存用フライホイールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、運動エネルギー保存に使用されるフライホイールに関し、より詳細には、複合材料を使用するフライホイールアセンブリの構成に関する。

機械的運動エネルギーを保存するためにフライホイールを使用することはよく知られている。保存されるエネルギーの量は、フライホイールの質量およびその回転速度に依存する。フライホイールの運動エネルギーは、その角速度の二乗に比例する。しかしながら所与のフライホイールに保存できるエネルギーの量は、フライホイールアセンブリの頑丈さと、フライホイールアセンブリが高い回転速度時に受ける応力にどの程度影響されるかとに左右される。

低い密度および高い比強度の材料からフライホイールアセンブリを形成することが望ましい。材料は極めて頑丈であることも必要である。例えばハイブリッド車両または非遮断性電源で使用するために、エネルギー保存フライホイールアセンブリは、極めて高い速度、１０，０００回転／分超で、または５０，０００または１００，０００回転／分超でさえ作動する必要がある。従って、これらのオーダーの速度で確実に作動できるフライホイールアセンブリに対するかなりの需要がある。

（本出願人によって出願された）国際公開第２０１０／０２０８０６号パンフレットは、ロータが複合エンドキャップに接続されたフライホイールアセンブリを開示する。エンドキャップはシャフトに取り付けられる。

本発明は、環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体であって、長手軸を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体を提供し、
本体が、繊維を含む複合材料のシートのスタックを含み、
スタックが少なくとも２つの一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、
一方向性シートのうちの１つの繊維は、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向され、
本体は、シートスタックの片側の上に提供された織布の少なくとも１つの片側層を含む。

そのまたは各片側層は、スタックの層間剥離に抵抗するために、シートスタックの片面から、スタックの外周縁表面上に少なくとも途中まで延在し得る。

シートスタックの外周縁表面上に延在する織布の少なくとも１つの周囲層が提供されてもよい。これは犠牲的な目的のために含めることができ、また支持体が所望のサイズに機械加工されるとき成形可能である。少なくとも１つの周囲層は、少なくとも１つの片側層と重なってもよい。

織布および／またはシートは、炭素繊維、Ｅガラス繊維、Ｓガラス繊維、玄武岩繊維（ｂａｓａｌｔ ｒｏｃｋ ｆｉｂｒｅｓ）および窒化ホウ素繊維の少なくとも１つを含み得る。

本発明のロータ支持体構成は、剛性の構成を提供する。好ましくは、それはその振動の共振周波数がその作動の間に直面する回転周波数より高いことを保証するのに十分に剛性である。同じく、乗り物に使用されるフライホイールは、ジャイロ作用および乗り物の動きに関連する他の力に耐える必要がある。

好ましくは、１つの一方向性シートの繊維と、他の一方向性シートの繊維との間の角度は約４５°である。この方法で複数のシートを相互に向けることにより、支持体の物理的特性をその軸周りで均等化しようとする。約４５°の角度は、製造において達成するのに比較的簡単である一方で、十分な準等方的特性をロータ支持体にその本体の面において（すなわち、全方向における十分に均一な特性を繊維の面において）付与するために決定された。この均一性は、支持体が急速に回転されるとき、支持体のその円周方向周りの均一な偏向をもたらすのに望ましい。それは他の構成で達成可能であり得るが、それらは組立てがはるかにより複雑であり得る。

各シートの繊維は、本体の長手軸に基づき、隣接シートの繊維に対して異なる角度で配向可能である。

好ましい実施形態では、スタックのシートの全てが、炭素繊維の一方向性シートである。それらは適切なマトリックス材料で予め含浸されてもよい。この支持体構成は、それらが繊維織材料よりもさらに頑丈になるように、一方向性複合シートを使用する。

支持体は２つの隣接シート間に複合材料の中間層を含んでもよい。例えば、中間層は、マトリックス材料中の非整列の繊維長さを含み得る。これは、必要なシートの数を低減し、代わりにより低いコストの複合充填材料を使用することによって、支持体のコストをさらに低減することを可能にし得る。

支持体の本体は、本体の長手軸と同軸である実質的に円錐台状の内向き表面を画定し得る。好ましくは、内向き表面は、１７〜２６°の範囲内である、支持体の長手軸と垂直な面に対する角度を画定する。

本発明はまた、本明細書に定義された支持体を含むフライホイールアセンブリを提供する。ロータを支持体に取付け可能であり、このとき支持体の円錐台状の内向き表面は、支持体がロータと緊張した状態で適合される（ｓｔｒａｉｎ ｍａｔｃｈｅｄ）ように選択される、本体の長手軸に対する角度を画定する。このようにして、ロータおよび支持体は、アセンブリが回転されるとき同じように変形し、２つの構成要素の分離を回避するように構成される。

本発明はさらに、環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体であって、長手軸を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体を製造する方法を提供し、方法は、
繊維を含む複合材料のシートのスタックを形成するステップであって、スタックが少なくとも２つの一方向性シートを含み、そのそれぞれはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在しているステップと、
一方向性シートのうちの１つの繊維が、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向されるようにシートを積層するステップと、
織布の少なくとも１つの片側層を、シートスタックの片側の上に適用するステップと
を含む。

方法は、ロータ支持体をシャフトに取り付けるステップと、支持体の外周表面を、シャフトを回転しながら予め決定されたプロファイルに機械加工するステップとを含み得る。

次に本発明の実施形態を例としておよび添付の概略図を参照して記載する。

本発明を具現化するロータ支持体を含むフライホイールアセンブリの側断面図である。 図１に示されるロータ支持体の平面図である。 図２に示されるロータ支持体の線Ａ−Ｃに沿った断面図である。 本発明を具現化するロータ支持体の製造に使用するための一連の炭素繊維シートを示す。 図２に示されるロータ支持体の線Ａ−Ｂに沿った断面図である。 図１のフライホイールアセンブリの一部の断面図であり、好ましい強度値が付加されている。

図１は本発明の実施形態によるロータ支持体７４を含むフライホイールアセンブリ７０を示す。アセンブリは、環状外側ロータ部分２６と、内側環状ロータ部分または環状部６６とを有するロータアセンブリを含む。外側ロータ２６は、樹脂材料マトリックス中の炭素繊維の一方向フィラメントを含む複合材料から形成される。内側環状部６６は、樹脂および磁性粒子の混合物から形成されたマトリックス中のガラス繊維の一方向フィラメントから形成される。

ロータアセンブリは、ハブまたはエンドキャップの形態のロータ支持体７４によって支持される。エンドキャップは、その内縁部および外縁部で円筒表面によって接合された２つの概ね円錐状の表面を画定する層状体である。リング８４がエンドキャップとロータアセンブリとの間に提供される。ロータ支持体の外周がリング８４を支持し、外側ロータが次にリングに取り付けられる。ロータ支持体は中央円形開口部６８を有する。

中心シャフト７６はロータ支持体７４の開口部６８を通って延在する。シャフトは円周方向に延在するフランジ８８を含む。ロータ支持体は、シャフト７６に螺着される締付ナット８６によってフランジ８８に対して保持される。抗フレッチングシム６４がナット８６とエンドキャップ７４との間に設けられる。シャフトはベアリング９０および９２によってフライホイールアセンブリの長手軸８１の周りを回転するために支持される。ベアリングは次にフライホイールアセンブリの格納容器（不図示）によって支持される。ロータアセンブリは、格納容器によって支持される電気モータ発電機ステータ９４の周りを回転可能である。

乗り物でエネルギーを保存するために使用されるフライホイールは約３５０ｍｍの外径を有し得、ここで例えば外側ロータの内径は約２９０ｍｍであり、内側環状部の内径は約２５０ｍｍである。

次に図１に示されるロータ支持体の製造を図２〜５を参照して記載する。
図２はロータ支持体７４を平面図で示し、図２に示される線Ａ−Ｃに沿った側断面図が図３に示される。ロータ支持体は長手軸２８の周りで回転対称である。それは円錐台状であり、円錐形状の軸は長手軸２８と一致している。支持体の本体は、実質的に一定の断面厚さを有する。その外周は実質的に円筒状の表面１２７を画定し、実質的に円筒状の表面１２７は軸２８を中心にして置かれる。中央開口部６８と周縁部１２７との間に本体は外向き円錐台状表面３０と内向き円錐台状表面３２とを画定する。

本体は炭素繊維材料の多層を含む。図４に示されるように、各Ｃ字形の層が一方向性炭素繊維材料のシートから切り取られる。図５に示される完成ロータ支持体に統合される前の多数のそのようなシート１０１〜１０５が図４に示される。実際には例えば５０の層を含むことができる。層はエンドキャップの製造の間にモールドに配置されるとき所望の円錐形状を形成するようにＣ字形である。

図４に示されるように各シートは支持体の中心軸２８に対して異なる角度で向けられる。示される例では各層は前の層に対して４５°回転される。ロータ支持体に組み込まれる層の数は、必要な軸方向剛性および強度をもたらすように選択される。

円錐体７４はその長手軸２８に垂直な面に対する角度３６を画定する。この角度は例えば１７〜２６°の範囲内、およびより好ましくは約２０°の角度であり得る。この角度は、高速で回転する間ロータアセンブリの一体性を保証するために、取り付けられるべきロータと支持体が緊張した状態で適合されるように選択される。

ロータ支持体の本体の上側シートおよび底側シートの外面は、炭素織布の各層４０、４２で被覆される。これらの層はシートの一部または全部の外縁部を越えて延在する。シートを越えて延在する部分は、シートの一部または全部の外縁部の上に延在するように折り曲げられる。本体の内面上のシート４２は、本体の周縁部の周りで外層４０によって重ねられる。炭素織材料は、それが十分に柔軟である一方で高い応力に耐えることができるとき、使用される。

１つまたは複数の炭素織クロスの追加層１２６が、ロータ支持体の周縁部の周りで層４０、４２の上に適用される。

炭素布の層４０、４２はロータ支持体を強靭化するために提供される。特に、それらが支持体の周縁部の周りに巻かれるとき、それらはシート（１０１など）の層間剥離に抵抗する働きをする。

炭素織布の追加の円周方向層１２６は、層４０、４２またはそれらの中のシートを損傷することによって支持体を脆弱化することなくエンドキャップが所望の直径に正確に機械加工されることを可能にするために、犠牲的な目的で主に提供される。例えば、ロータ支持体は、図１に示されるリング８４など、ロータアセンブリの周囲構造体との締まり嵌め部分であるように意図されてもよい。従って、その円周の機械加工が、その形状の必要な精度をもたらすために要求される。

一方向性炭素繊維シートは、Ｔ７００またはＴ８００繊維またはその等価物から、約５８％の繊維体積率で好ましくは製造される。これらのシートに使用される樹脂は、フライホイールが作動する環境に適切なＴｇ（作動温度特性）（例えば１００℃未満）を有する強化エポキシである。代替策は、予想される作動温度を再び考慮しつつ、ＰＥＥＫ、ＰＥＴ等などの熱可塑性マトリックス材料を使用することである。

炭素繊維織布は、一方向性シートに関して上で記載したものと同じ範囲の材料から、同じ（または同様の）繊維体積率でおよび同じ樹脂系を使用して、製造可能である。使用される織り方パターンは、例えば５枚朱子織など、ある範囲の織り方から選択可能である。

エンドキャップは、精密な閉鎖モールド内でプライを組み立てることによって製造可能である。アセンブリは、少なくとも５気圧の圧力の下でシート中の樹脂系が溶融する温度まで加熱される。エポキシなどの熱硬化性マトリックスの場合、それは、エポキシ系が硬化するまでこれらの条件の下で保持される。続いてそれは冷却され、エンドキャップはモールドから取り出される。熱可塑性マトリックスが使用される場合、アセンブリは、層中のマトリックスが相互に混合し連結した構造を形成することを可能にする圧力下にマトリックス材料の溶融温度まで加熱され、続いて冷却される。

さらなる形態において、複合材料の中間層が、シートスタックの隣接シート間において、ロータ支持体に含まれてもよい。この材料は、一方向繊維シートの数を低減することを許容する一方で十分な強度および剛性を有する完成ロータ支持体をなおも提供することによって支持体がより低コストのものになるように選択される。

中間層は、樹脂材料と、ランダムに配向された短繊維フィラメントとの混合物から形成されてもよい。フィラメントは例えば炭素から形成されてもよく、また、１〜２ｃｍまたはそれ以上の長さであってもよい。

図６の実施形態に示されるように、エンドキャップ７４の半径方向引張り強度は比較的高く、約６０〜７０ＭＰａである。対照的に、リングの半径方向（および軸方向）横断圧縮強度は低く（１４〜１６ＭＰａ）、ロータのそれ（６．５〜７．５ＭＰａ）は、さらにより低い。従ってリングは半径方向においてロータよりも強靭であり、負荷伝播要素としての役割を果たす。リングは、はるかにより硬いエンドキャップが組立ての間比較的軟質なロータに食い込み、損傷を与えることを防止する。エンドキャップの周方向強度（すなわち、円周方向のその強度）は、この実施形態では約４５〜５５ＭＰａである。

Claims (19)

1. 環状フライホイールロータ（２６）を、シャフトとともに回転するために前記シャフト（７６）に結合するためのロータ支持体（７４）であって、長手軸（８１）を有する本体を含み、前記長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて前記本体が回転するロータ支持体において、
   前記本体が、繊維を含む複合材料のシートのスタック（１０１〜１０５）を含み、
   前記スタックが少なくとも２つの一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、
   前記一方向性シートのうちの１つの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの前記繊維に対して異なる角度で配向され、
   前記本体が、前記シートスタックの片面の上に提供された織布の少なくとも１つの片側層（４０、４２）を含み、
   前記少なくとも１つの片側層が、前記スタックの層間剥離に抵抗するために、前記シートスタックの外周縁表面上に少なくとも途中まで延在する、ロータ支持体。
2. 前記本体が、前記シートスタックの前記外周表面上に延在する織布の少なくとも１つの周囲層（１２６）を含む、請求項１に記載のロータ支持体。
3. 前記少なくとも２つの一方向性シートの２つの間に複合材料の中間層を含む、請求項１または２に記載のロータ支持体。
4. 前記中間層が、マトリックス材料中の非整列の繊維長さを含む、請求項３に記載のロータ支持体。
5. 前記支持体の前記本体が、前記本体の長手軸と同軸である実質的に円錐台状の内向き表面を画定し、
   前記内向き表面が、１７〜２６°の範囲内である、前記支持体の長手軸と垂直な面に対する角度を画定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータ支持体。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の支持体と、前記支持体（７４）に取り付けられたロータ（２６）とを含むフライホイールアセンブリであって、前記支持体の前記本体は、前記本体の長手軸（８１）と同軸である実質的に円錐台状の内向き表面を画定し、前記支持体が前記ロータと緊張した状態で適合されるように選択される前記本体の長手軸に対する角度を画定する、フライホイールアセンブリ。
7. 環状フライホイールロータ（２６）を、シャフトとともに回転するために前記シャフト（７６）に結合するためのロータ支持体（７４）を製造する方法であって、前記支持体が長手軸（８１）を有する本体を含み、前記長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて前記本体が回転する方法において、
   繊維を含む複合材料のシートのスタック（１０１〜１０５）を形成するステップであって、前記スタックが少なくとも２つの一方向性シートを含み、そのそれぞれはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在しているステップと、
   前記一方向性シートのうちの１つの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの前記繊維に対して異なる角度で配向されるように前記シートを積層するステップと、
   織布の少なくとも１つの片側層（４０、４２）を、前記シートスタックの片面の上に適用するステップとを含み、
   前記少なくとも１つの片側層が、前記スタックの層間剥離に抵抗するために、前記シートスタックの外周縁表面上に少なくとも途中まで延在する、方法。
8. 前記シートスタックの前記外周表面上に延在する織布の少なくとも１つの周囲層（１２６）を適用するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ロータ支持体（７４）をシャフト（７６）に取り付けるステップと、前記支持体の外周表面を、前記シャフトを回転しながら予め決定されたプロファイルに機械加工するステップとを含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの周囲層（１２６）が前記少なくとも１つの片側層（４０、４２）と重なる、請求項２に記載のロータ支持体。
11. 前記織布および／または前記シートの前記繊維が、炭素繊維、Ｅガラス繊維、Ｓガラス繊維、玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも１つを含む、請求項１〜５および１０のいずれか一項に記載のロータ支持体。
12. 前記１つの一方向性シートの前記繊維と、前記他の一方向性シートの前記繊維との間の角度が約４５°である、請求項１〜５、１０および１１のいずれか一項に記載のロータ支持体。
13. 前記スタックの前記シートの全て（１０１〜１０５）が一方向繊維を含む、請求項１〜５および１０〜１２のいずれか一項に記載のロータ支持体。
14. 各シートの前記繊維（１０１〜１０５）が、前記本体の長手軸（８１）に基づき、隣接シートの前記繊維に対して異なる角度で配向される、請求項１〜５および１０〜１３のいずれか一項に記載のロータ支持体。
15. 前記少なくとも１つの周囲層（１２６）が前記少なくとも１つの片側層（４０、４２）と重なる、請求項８に記載の方法。
16. 前記織布および／または前記シートの前記繊維が、炭素繊維、Ｅガラス繊維、Ｓガラス繊維、玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも１つを含む、請求項７〜９および１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記１つの一方向性シートの前記繊維と、前記他の一方向性シートの前記繊維との間の角度が約４５°である、請求項７〜９、１５および１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記スタックの前記シートの全て（１０１〜１０５）が一方向繊維を含む、請求項７〜９および１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 各シートの前記繊維（１０１〜１０５）が、前記本体の長手軸（８１）に基づき、隣接シートの前記繊維に対して異なる角度で配向される、請求項７〜９および１５〜１８のいずれか一項に記載の方法。

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