JPS5849744B2 - 合体型フライホイ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転エネルギを貯蔵し、エネルギ貯蔵システム
に使用できる合体型フライホイールニ関する。

回転エネルギ貯蔵のためのフライホイール、特に超高速
回転で使用されるフライホイールでは１ −■ω２で表わせるところの回転エネルギにおい２ て角速度ωの項に重点を置いている。

すなわち、少々軽量でも遠心荷重に耐え、高周速で回転
できればよいとするものである。

従来のフライホイールでは回転時の遠心応力に耐え得る
ことが形状卦よび材料の上からできなかった。

本発明は上記に鑑みてなしたもので、回転エネルギを利
用したエネルギ貯蔵システムに強く、安定な合体型フラ
イホイールを提供するものであり、強くとは強度的な安
定性、信頼性を指向したもので、遠心強度、繰返しによ
る疲労強度の保証が必要である。

これに対して安定なとは、回転中の主として振動に対す
る安定性を目指したということである。

強度の面から、比強度の優れた複合材料を使用するが、
一般に鋼などの従来材料に比べて剛性が低いため変形し
易く、したがって回転中にアンバランスを生じ易い。

このため、アンバランスの発生をも抑制できるようにし
た。

本発明は剛性の異なる複合材料を用いたがじめ効果と同
時に半径方向への繊維配向によって回転安定性をも得る
ように意図したもので、本発明によるフライホイールは
比強度の優れたプラスチック系の複合材料を用いており
、対遠心強度の保証はもとより、半径方向の繊維配向に
よって軸締結の不安定さも除去したものである。

な卦軸方向の厚みの増大による拘束カの低下は複数個の
ロータを一体化することで、解決できた。

以下図によって本発明の実施例について説明するが、発
明に先立って基本的な事柄について述べる。

第１図は、異種材料すなわちガラス繊維強化プラスチッ
ク（以下ＧＦＲＰと記す）および炭素繊維強化プラスチ
ック（以下ＣＦＲＰと記す）の二層の円周方向ワインデ
ング層１，２のみで形成されたフライホイールである。

このような構造のフライホイールでは、強度は繊維方向
に引張られるときと、それと直角方向とでは大きく異な
る。

すなわち繊維が荷重を受持つ円周方向の強度は第１表に
示すように非常に大きく、これに対して直角な、半径方
向は強化が行われないため１／１ ０ ０程度に小さく
なる。

第１表に示す二つの異種材料に動いて、剛性の高いＣＦ
ＲＰを外側に、剛性の低いＧＦＲＰを内側にワインディ
ングしたホイールでは外側のＣＦＲＰのたがじめ効果が
期待される。

すなわち、遠心応カ分布は模式的に第２図ａｎｂの実線
に示すようになる。

円周方向応力σθの分布はＧＦＲＰとＣＦＲＰの境界で
不連続になり、この境界上で最大となるがこの部分は高
強度のＣＦＲＰを用いると安全である。

１た、ＧＦＲＰの内周側のσθが低減される効果の方が
圧倒的に大きい。

次に半径方向応力σ１の分布についてみると、ＣＦＲＰ
にょるたがじめ効果は剛性化の大小から明らかに現れ、
両者の境界上で圧縮の応力が期待できる。

円周方向強化のみのロータにおいては、数多の実験結果
より、半径方向の応力値（最大値）で限界回転数が決定
されることがわかった。

これらの事実に基づくと境界上で圧縮応力を生じ、さら
にＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ各層での最大応力を低減すること
は、大幅な限界周速の向上につながる。

同図には一点鎖線でＧＦＲＰのみの場合の遠心応カ分布
を併せて示したが、ＣＦＲＰのたがじめ効果は明瞭であ
る。

次に貯蔵エネルギ向上の方策としては、外周側にワイン
デイング層を増加する方法と、軸方向に増加する方法の
二つが考えられる。

前者はワインデイングの延長で工程的には楽であるが、
回転時に最外周部の周速の増加を生じ、強度的な難しさ
に直面する。

とくに、超高速フライホイールは強度的に非常に厳しい
条件下で用いられるケースが多く、周速の増加は容易で
ない。

これに対して後者は軸方向に質量を増加させることで周
速は不変である。

複数個のロータを堅固に固定できうれば、回転技術の上
からは固有振動数が変化する程度でアンバランスは出に
ぐいと考えられる。

以上の考えは円周方向のみの強化ロータで考えてきたこ
とであるが、フライホイールがピークロード対策に用い
られ頻繁な起動の繰返しトルクをうける場合がある。

そのような場合には円周方向強化ロータでは各要素の層
の間ですべりを生じ易く、捩りに対して安定なロータに
する必要がある。

この意味とさらに変形を押える目的で半径方向に繊維を
配向する必要がある。

以上の考察をもとに本発明の複合材による合体型フライ
ボイールがなされた。

第３図により本発明の具体的な例について説明する。

合体型フライホイールにあ）いては、ロータの成形は初
めに各々のロータの円同方向ワインディングを進める。

すなわち軸芯３の最外周に突起をもうけて、接着面積を
増加し、これに直接、繊維強化プラスチックをワインデ
ィングするものである。

コノワインディングは硬化時の残留応力（とくに半径方
向の）を減少させるため多層方式にする。

繊維強化プラスチック、例えばＧＦＲＰ層４のワインデ
イングが終了した後、ＧＦＲＰより剛性の高い繊維強化
プラスチック、例えばＣＦＲＰ５を同様の方法でワイン
ディングする。

各ワインディング層４，５のワインディング内外径比は
材料によって異なるがｐよそ１．０５〜１．１０を目安
にする。

ワインディングが終った後、先端（最外周部）が滑らか
な曲面になるように切削する。

つぎに、第１次の半径方向のワインディングを行ってワ
インデイング層６を形戒する。

硬化終了後、表面をサンディングし、新しい面を出す。

このようにして成形した二木のロータ７，８をボルト結
合する。

二つのロータ７，８に挾１れたスペースには剛性の高い
ＣＦＲＰをワインディングしてワインディング層９を形
成する。

このワインディング層９は内部のロータ７，８のたがじ
めに大きく貢献する。

ＣＦＲＰ層９自体はリング状であるので内周部で大きな
変位を生じ易く、とくに剛性の高い材料を用いる必要が
ある。

スペース・ワ，インディングが終了後、第２次の半径方
向ワインディングを行ってワインディング層１０を形成
すると二対のロータ７，８の堅固な締結が完了する。

その後、両側にバランス円板１１を取付け、軸芯３と直
結すれば、合体型フライホイールが完或する。

このフライホイールは回転中の変形が小さく、強度およ
び振動の上からも安定なものとなる。

以上説明したように、本発明によれば、剛性の異なる複
合材料を用い、たがじめ効果と半径方向ヘの繊維配向に
よって回転安定性が向上したロータを複数個、重ね合せ
て一体化したので、遠心強度あ・よび繰返しによる疲労
強度が向上し、かつ、回転安定性のすくれたフライホイ
ールが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフライホイールを説明するための２層
よりなるフライホイールの平面図、第２図ａ，ｂは第１
図に示されるフライホイールの遠心応力分布図、第３図
は本発明合体型フライホイールの縦断面図である。 ３・・・軸芯、４，５・・・円周方向ワインデイング層
、６，１０・・・半径方向ワインデイング層、７，８・
・・ロータ、９・・・円周方向ワインデイング層、１１
・・・バランス円，板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸芯の周囲に繊維強化プラスチックの円周方向のワ
   インデング層を形成し、その外周に前記繊維強化プラス
   チックより剛性の高い繊維強化プラスチックの円周方向
   のワインデング層を形成してたがじめしてなるロータを
   複数個重ね合せ、さらにそれらの周囲に繊維強化プラス
   チックで半径方向のワインデング層を形成して一体化し
   たことを特徴とする合体型フライホイール。