JPS6017737B2 - Flywheel rotor and its manufacturing equipment - Google Patents

Flywheel rotor and its manufacturing equipment

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JPS6017737B2
JPS6017737B2 JP52073241A JP7324177A JPS6017737B2 JP S6017737 B2 JPS6017737 B2 JP S6017737B2 JP 52073241 A JP52073241 A JP 52073241A JP 7324177 A JP7324177 A JP 7324177A JP S6017737 B2 JPS6017737 B2 JP S6017737B2
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JP
Japan
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circumferential
fibers
radial
fiber layer
rotor
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JP52073241A
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JPS548264A (en
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道弘 渡邊
靖 森
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスーパフラィホィールの蓄ェネルギシステムの
中核をなすフライホイールロータに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a flywheel rotor that forms the core of a super flywheel energy storage system.

スーパフラィホィールは超高速で回転させて、その回転
ェネルギを蓄積するシステムであるが、そのために高周
速に耐え得る材料を選定することが重要である。それ故
、比強度(強度/比重)が高いことが選定のパラメータ
になる。そこで繊維強化樹脂(広義のFRP)や繊維強
化金属といった複合材料が注目されている。第1図およ
び第2図は、従来の周万向強化のみのフィラメントワイ
ンディング成形によるフライホイールロータを示す。
The super flywheel is a system that rotates at extremely high speeds and stores its rotational energy, so it is important to select materials that can withstand high circumferential speeds. Therefore, high specific strength (strength/specific gravity) is a parameter for selection. Therefore, composite materials such as fiber-reinforced resin (FRP in a broad sense) and fiber-reinforced metal are attracting attention. FIG. 1 and FIG. 2 show a flywheel rotor formed by conventional filament winding molding, which only strengthens the circumference in all directions.

この図において、フライホイールロータ1を構成する樹
脂マトリクスla中の繊維lbは円周方向のみにしか配
向されていないので円周方向と半径方向の剛性が非常に
異なり、回転中の遠心応力の分布は、円周方向の弾性係
数をEe、半径方向の弾性係数をErとすると、両方向
の弾性係数比、Ee/Erによって定まる、中空等厚円
板における回転中の半径方向応力りrと円周方向応力。
eとの遠心応力の分布を第3図に模式的に示す。この図
から明らかなように、従釆の円周方向強化ロータでは特
に異方性の影響が強いことが特徴である。前述した周方
向強化のみのフライホイールロー夕では強度の異万性が
強い。
In this figure, the fibers lb in the resin matrix la constituting the flywheel rotor 1 are oriented only in the circumferential direction, so the rigidity in the circumferential direction and the radial direction are very different, and the distribution of centrifugal stress during rotation. Let Ee be the elastic modulus in the circumferential direction and Er be the elastic modulus in the radial direction. Directional stress.
Fig. 3 schematically shows the distribution of centrifugal stress with e. As is clear from this figure, a rotor reinforced in the circumferential direction of the subordinate rotor is characterized by a particularly strong influence of anisotropy. The aforementioned flywheel rotor that is only strengthened in the circumferential direction has a strong variation in strength.

.フィラメントワインデイング成形による一方向強化複
合材の引張試験での引張強ごに及ぼす織細配向角度8の
影響を第4図に示す。この図において、8=00の場合
、すなわち円周方向では荷重を繊維lbが負担するため
に、強度的に非常に優れており、通常の繊維体積含有率
Vfが0.6〜0.7で80〜100kg/剛2程度の
強度を有している。しかしながら0=900すなわち繊
維lbと直角をなすような半径方向においては、繊維l
bが荷重をもたないために強度は3〜4k9/肋2程度
で、破壊の発生はlk9/脚2前後と非常に低いのが現
状である。したがって回転中の遠心応力が半径方向で容
易に限界に達してしまうので、安全な回転を得られる領
域を非常に挟し、ものにしている。すなわち、二次的な
要因で複合材の特徴を殺している。本発明は上記の点に
かんがみ、織総配向を工夫することによって強度的にも
、回転技術の面からも安定なものとして取扱うことがで
きるフライホイールロータおよびその製造装置を提供す
ることを目的とするものである。本発明の特徴とすると
ころは、従釆の周方向強化ロータでは周万向の強度に余
裕がありすぎ、半径方向の強度が非常に低いものとなっ
ていた。
.. FIG. 4 shows the influence of the weave orientation angle 8 on the tensile strength in a tensile test of a unidirectionally reinforced composite material formed by filament winding. In this figure, when 8=00, the load is borne by the fibers lb in the circumferential direction, so the strength is very good, and the normal fiber volume content Vf is 0.6 to 0.7. It has a strength of about 80 to 100 kg/rigidity 2. However, in the radial direction perpendicular to 0=900, that is, the fiber lb, the fiber l
Since b has no load, its strength is about 3 to 4k9/2 ribs, and the occurrence of fracture is currently very low at around lk9/2 legs. Therefore, the centrifugal stress during rotation easily reaches its limit in the radial direction, so the range in which safe rotation can be obtained is extremely limited. In other words, secondary factors destroy the characteristics of the composite material. In view of the above points, an object of the present invention is to provide a flywheel rotor that can be handled as stable in terms of strength and rotation technology by devising the total weave orientation, and an apparatus for manufacturing the same. It is something to do. The feature of the present invention is that in the circumferentially strengthened rotor of the subordinate rotor, there is too much margin in strength in all directions around the circumference, and the strength in the radial direction is extremely low.

従って、半径方向にも繊維を配向して、半径方向の強度
を向上するとともに、剛性を増して変形に対しても効果
のあるフライホィ−ルロータを提案する。すなわち「フ
ライホイールロータの内周部は従来の円周方向フィラメ
ントワインディング法による繊維層であり〜その外周部
を半径方向強化した半径方向繊維層としたものである。
このようなフライホイールロータではも回転にともなう
円周方向の遠心応力を内周が負担し「外周部が半径方向
の応力に対して荷重の担い手となる。また半径方向の繊
維の拘束によって変形も抑えられ、従釆よりも強度的に
も回転安定性においても優れたフライホイールロータを
得ることができる。また繊維のワインディング、特に半
径方向のワインディングに関しては、安価な装置により
実施することができるようにしたものである。以下、本
発明の実施例を図面に従って説明する。
Therefore, we propose a flywheel rotor that improves the strength in the radial direction by orienting fibers in the radial direction as well as increases the rigidity and is effective against deformation. That is, ``the inner peripheral part of the flywheel rotor is a fiber layer formed by the conventional circumferential filament winding method, and the outer peripheral part is a radial fiber layer reinforced in the radial direction.
In such a flywheel rotor, the inner periphery bears the centrifugal stress in the circumferential direction that accompanies rotation, and the outer periphery bears the load for the radial stress.Also, the restraint of the fibers in the radial direction prevents deformation. This makes it possible to obtain a flywheel rotor that is superior in strength and rotational stability to a secondary rotor.In addition, fiber winding, especially radial winding, can be carried out using inexpensive equipment. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第5図は、本発明における半径方向も強化したフライホ
イールロータを示す。
FIG. 5 shows a flywheel rotor according to the invention which is also strengthened in the radial direction.

本発明のフライホイールロータ2は初めにマンドレル3
に、たとえば硝子繊維、炭素繊維などを樹脂に含浸させ
た繊維を、ロータ円周方向にワインディングして硬化さ
せ、円周方向繊維層4を成形する。
The flywheel rotor 2 of the present invention starts with a mandrel 3
Next, fibers such as glass fibers or carbon fibers impregnated with resin are wound in the circumferential direction of the rotor and hardened to form the circumferential fiber layer 4.

その後、この円周方向繊維層4の形状を決め、表面を研
摩する。つぎに円周方向繊維層4の外面半径方向にさら
に樹脂を含浸した繊維をワインディングをして硬化させ
半径方向繊維層5を成形して完成となる。この半径方向
繊維層5における半径方向繊維のワインディング量は、
繊維および樹脂のそれぞれの種類、繊維体積含有率、形
状などによってそれぞれ異なるが、これらは有限要素法
などによって容易に求めることができる。つぎに半径方
向繊維層5のワインディングの手順を第6図について説
明すると、円板状の周方向繊維層4の外面に繊維Fをた
すぎがけするように巻いて半径方向繊維層5を成形する
もので半径方向の繊維密度はワインディングの間隔およ
び回数で調整する。一般に円周方向繊維層4が薄い円板
状のものでは「その外周部で繊維層4が屈曲しやすく〜
応力集中のため繊維が破損するおそれがあるため「 こ
の部分に曲率をつけ、さらに織総Fが円周方向繊維層4
から滑って移動しないように「第7図に示すように円周
方向繊維層4の外周端面に一定間隔でスリット6を設け
ておけば成形しやすい。このような手間をなくすために
は、円周方向繊維層亀の形状を第蟹図に示すようなis
oにnsoidの形状にしておけばト繊維Fと円周方向
繊維層亀の中心の繊維との間の接触面積が増大して摩擦
力が増加するために〜織縦配向が安定なものとなる。
Thereafter, the shape of this circumferential fiber layer 4 is determined, and the surface is polished. Next, resin-impregnated fibers are further wound in the radial direction of the outer surface of the circumferential fiber layer 4 and hardened to form the radial fiber layer 5, thereby completing the process. The amount of winding of the radial fibers in this radial fiber layer 5 is:
Although it varies depending on the type of fiber and resin, fiber volume content, shape, etc., these can be easily determined by the finite element method or the like. Next, the procedure for winding the radial fiber layer 5 will be explained with reference to FIG. 6. The fibers F are wound around the outer surface of the disc-shaped circumferential fiber layer 4 to form the radial fiber layer 5. The fiber density in the radial direction is adjusted by the winding interval and number of windings. In general, when the circumferential fiber layer 4 is thin and disc-shaped, the fiber layer 4 tends to bend at the outer periphery.
Since there is a risk of the fibers being damaged due to stress concentration, we added a curvature to this part, and furthermore, the total weave F is
Forming is facilitated by providing slits 6 at regular intervals on the outer peripheral end surface of the circumferential fiber layer 4, as shown in Figure 7, to prevent it from slipping. The shape of the circumferential fiber layer turtle is as shown in the crab diagram.
If the nsoid shape is used, the contact area between the fibers F and the fibers at the center of the circumferential fiber layer increases, increasing the frictional force, thereby making the longitudinal weave orientation stable. .

フライホイールロータ2の製造装置も特に主として半径
方向織総配向ワインディング成形装置の一例を第9図に
ついて説明する。
An example of a manufacturing apparatus for the flywheel rotor 2, particularly a winding forming apparatus with a radial weave orientation, will be described with reference to FIG.

円周方向繊維層4の成形についてはト通常のフィラメン
トワインデイング法により行なえるので、ここでは半径
方向繊維節向ワインディング成形装置を主に説明する。
Since the circumferential fiber layer 4 can be formed by the usual filament winding method, the radial fiber node winding forming apparatus will be mainly described here.

7‘ま繊維Fのロービングを支持する台「 8は樹脂9
を有する樹脂槽である。1Mま半径方向巻き機であり「
円周方向繊維層4体を装設する藤11が円周方向繊維層
4の一点が三次元的な公転運動すると共に自転運動する
ようにパルスモーター2を介して回転体13に斜めに取
付けられている。
7' is a stand that supports the roving of fiber F. 8 is resin 9
It is a resin tank having a It is a 1M radial winding machine.
A rattan 11 on which four circumferential fiber layers are mounted is obliquely attached to a rotating body 13 via a pulse motor 2 so that one point of the circumferential fiber layer 4 makes three-dimensional orbital movement and rotational movement. ing.

回転体13は変速機14を介して電動機15で回転され
る。回転体13が回転すると「繊維Fの一端を円周方向
繊維層4に固定しておけば、所期の半径方向ワインディ
ングが達成される。しかしながら軸11が回転体13に
固定されたままであると、半径方向ワインディングは円
周方向繊維層4の一定の場所しか行なわれない結果とな
る。そこで、回転体13の回転を検出器16で検出して
、それに応じたパルス信号を、パルスモータ16に入力
することにより、軸11が自転するので、円周方向繊維
層4の全面に繊維Fを一定の半径方向にワインディング
することができる。なお、半径方向配向の繊維角度は電
動機15の回転数調整と軸11の角度調整機17で可変
可能である。
The rotating body 13 is rotated by an electric motor 15 via a transmission 14. When the rotating body 13 rotates, the desired radial winding is achieved if one end of the fiber F is fixed to the circumferential fiber layer 4. However, if the shaft 11 remains fixed to the rotating body 13, As a result, the radial winding is performed only at certain locations on the circumferential fiber layer 4.Therefore, the rotation of the rotating body 13 is detected by the detector 16, and a corresponding pulse signal is sent to the pulse motor 16. By inputting the input, the shaft 11 rotates, so that the fibers F can be wound in a constant radial direction over the entire surface of the circumferential fiber layer 4.The angle of the fibers oriented in the radial direction can be adjusted by adjusting the rotation speed of the electric motor 15. The angle can be changed using the angle adjuster 17 of the shaft 11.

また繊維Fの密度は軸11の回転角度および回転体13
の総回転数によって定めることができる。軸11の自転
機構の他の例を第10図および第11図に示す。
The density of the fibers F is determined by the rotation angle of the shaft 11 and the rotating body 13.
It can be determined by the total number of rotations. Other examples of the rotation mechanism of the shaft 11 are shown in FIGS. 10 and 11.

この例は軸11に取付けた歯車17と、この歯車17に
係合する歯車状のストッパー8とによって構成されてい
る。ストッパ18は歯車17と同じピッチを有するもの
である。いま、回転体量3が電動機15によって回転ご
れるとき、歯車2はストッパー8の周囲を公転運動し、
この公転運動の1回により前記歯車状のストッパー8に
あたったところで、回転し、そのかみあい量だけ軸11
を自転させることになる。この繰返し動作により、半径
方向のワインディングがまんべんなく行なわれることに
なる。ワインデイングのピッチを変えるには歯車17の
ピッチを変えればよい。以上説明したように、本発明に
よれば、従来の周方向強化のみのフライホイールロータ
の致命的な欠点である半径方向のクラック発生を半径方
向にも繊維を配向することにより防止することができ、
しかも強度的にも回転技術的にも安定なロータを提供す
ることができ、更にはアンバランス量の減少から限界周
速を大幅にアップすることができた。
This example is composed of a gear 17 attached to a shaft 11 and a gear-shaped stopper 8 that engages with the gear 17. The stopper 18 has the same pitch as the gear 17. Now, when the rotating body mass 3 is rotated by the electric motor 15, the gear 2 revolves around the stopper 8,
When it hits the gear-shaped stopper 8 once during this revolution, it rotates, and the shaft 11 rotates by the amount of engagement.
will rotate. This repeated operation results in even winding in the radial direction. To change the winding pitch, the pitch of the gear 17 can be changed. As explained above, according to the present invention, the occurrence of cracks in the radial direction, which is a fatal drawback of conventional flywheel rotors reinforced only in the circumferential direction, can be prevented by orienting fibers in the radial direction as well. ,
Furthermore, we were able to provide a rotor that is stable both in terms of strength and rotational technology, and furthermore, by reducing the amount of unbalance, we were able to significantly increase the limit circumferential speed.

これによってフライホイールによる蓄ェネルギシステム
実用化が可能になった。また本発明によれば、量産およ
び自動化が可能であるなどの効果がある。図面の簡単な
説明第1図は従来の円周方向強化のみのフライホイール
ロータの正面図、第2図は第1図のD−D線矢視図、第
3図は従来の円周方向強化フライホイールロータの回転
による遠心応力分布図、第4図は従来のフライホイール
This made it possible to put energy storage systems into practical use using flywheels. Further, according to the present invention, mass production and automation are possible. Brief explanation of the drawings Figure 1 is a front view of a conventional flywheel rotor reinforced only in the circumferential direction, Figure 2 is a view taken along line D-D in Figure 1, and Figure 3 is a conventional reinforced flywheel rotor in the circumferential direction. Centrifugal stress distribution diagram due to rotation of the flywheel rotor, Figure 4 is a conventional flywheel.

‐外こおける一方向強化材の強度の異万性を説明する図
、第5図は本発明のフライホイールロータの縦断面図〜
第6図は本発明のフライホイールロータにおける半径方
向繊総ワインディング手順を示す図、第7図は本発明の
フライホイールロー外こおける半径方向繊維を固定する
ための構造の一例を示す図t第8図は本発明のフライホ
ィールロ−外こおける安定な半径方向織総配向を得る形
状の例を示す図、第9図は本発明の製造装置特に半径方
向繊維配向ワインディング成形装置の構成を示す図、第
10図は本発明の製造装置における自転回転機構の他の
例を示す図、第11図は第10図の幻−幻線矢視図であ
る。 ・2・・・フライホイールロータ、4…円周方
向繊維層、5…半径方向繊維層、7・・・台、8・・・
樹脂槽ト9・・・樹脂、10…半径方向巻き機、11・
・・髄、12…パルスモータ、13・・・回転体。
- A diagram illustrating the variation in strength of the unidirectional reinforcing material in the outer shell. Figure 5 is a longitudinal cross-sectional view of the flywheel rotor of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a total winding procedure for radial fibers in the flywheel rotor of the present invention, and FIG. Fig. 8 shows an example of a shape for obtaining stable radial weave orientation in the flywheel row outer shell of the present invention, and Fig. 9 shows the configuration of the manufacturing apparatus, particularly the radial fiber orientation winding forming apparatus of the present invention. 10 are diagrams showing other examples of the autorotation mechanism in the manufacturing apparatus of the present invention, and FIG. 11 is a phantom-phantom line arrow view of FIG. 10.・2... Flywheel rotor, 4... Circumferential fiber layer, 5... Radial fiber layer, 7... Stand, 8...
Resin tank 9... Resin, 10... Radial winding machine, 11.
...Marrow, 12...Pulse motor, 13...Rotating body.

舟1図 XZ図 対3図 対4函 対5図 対5図 労7図 好8図 あり菌 第 10 図 群il図Boat 1 XZ diagram Pair 3 figure pair of 4 boxes Pair 5 diagram Pair 5 diagram Figure 7 of Labor Good figure 8 Bacteria Figure 10 group il diagram

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 フイラメントワインデイング法によるロータ円周方
向の円周繊維層の外面に、フイラメントワイワデイング
法によるロータ半径方向の半径方向繊維層を形成したこ
とを特徴とするフライホイールロータ。 2 単繊維を集束してなる繊維を供給する手段と、繊維
に樹脂を含浸させるための樹脂槽と、この樹脂槽の樹脂
中に含浸した繊維を巻付ける軸とこの軸を回転する手段
とを有する円周方向巻き機と、円周方向巻き機によつて
成形されかつ繊維が半径方向に巻付けられる円周方向繊
維層を装設する傾斜軸とこの軸を公転させる手段と前記
軸の一回公転に対して軸を微小自転させる手段とを有す
る半径方向巻き機とからなるフライホイールロータの製
造装置。
[Scope of Claims] 1. A flywheel rotor characterized in that a radial fiber layer in the radial direction of the rotor is formed by a filament winding method on the outer surface of a circumferential fiber layer in the rotor circumferential direction by a filament winding method. 2. A means for supplying fibers made by bundling single fibers, a resin tank for impregnating the fibers with resin, a shaft around which the fibers impregnated in the resin in the resin tank are wound, and a means for rotating this shaft. a circumferential winding machine having an inclined shaft having a circumferential fiber layer formed by the circumferential winding machine and on which the fibers are wound in a radial direction; a means for revolving this shaft; A flywheel rotor manufacturing device comprising a radial winding machine having means for slightly rotating a shaft relative to rotation and revolution.
JP52073241A 1977-06-22 1977-06-22 Flywheel rotor and its manufacturing equipment Expired JPS6017737B2 (en)

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