JPS6131739A - フライホイ−ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は蓄エネルギー用フライホイールに関する。

〔発明の背景〕

フライホイールをエネルギー貯蔵体として利用する場合
、フライホイールの最高外周速度で決まる蓄エネルギー
の大小が重要なポイントになる。

このフライホイールの蓄エネルギーの密度は、構成材料
形状およびその内部構造−比強度（強度／密度）分布お
よび比弾性率（弾性率／密度）分布に大きく依存する。

材料に関しては、その比強度が大きいほど、フライホイ
ールの蓄エネルギー密度は大きくとれる。

最近の高引張強度を有する繊維（炭素繊維、炭化ケイ素
繊維、ガラス繊維等々）を含有する繊維強化プラスチッ
クの繊維方向の比強度は、普通鋼の比強度に比べて２０
〜３０倍高い。しかし、繊維と直角方向の比強度が、繊
維方向の比強度に比べて２〜３％程度と極めて低いこと
が、繊維強度プラスチックの利用効率を低めている。こ
のことが繊維強化プラスチツク製フライホイールの高エ
ネルギー密度化への発展性を大きく阻害している。

繊維強化プラスチックでフライホイールを構成する場合
、繊維を周方向巻きにする方法は、製作が容易で信頼性
も高い。この場合、繊維と直角方向である半径方向の比
強度は、周方向の比べて前述のごとく、２〜３％程度と
極めて低い。このため、内径外径比の小さい、すなわち
無駄な空間の少ない太めのフライホイールを作る場合−
とりわけ工夫もしなければ比弾性率は一定となシ、半径
方向の低い比強度によって限定されてしまうことになる
。

この問題を解決する方法として、半径方向の発生応力を
低くする方法、および半径方向の強度を強化する方法が
ある。

前者の方法としてマルチリングの方法（複合フライホイ
ールの最近における開発研究；機械の研究、第３０巻第
１２号（１９７８）がある。これは周方向の比弾性率Ｅ
ｅ／ρに関して Ｉ □αｙｌｌｅＤ＃ ρ ここに、　ｒ：半径座標 Ｄ＃二同局方向ポアッソン 比することによシ、回転中の半径方向の変位を半径方向
すべての位置で同じようにして、半径方向の発生応力を
Ｏにする方法である。ここで、周方向の弾性率Ｅ＃は、
繊維の含有率を変えたシ、弾性率の異なる２種以上の繊
維を用いること等によって変えることができ、密度ρは
金属粉等の母材と比重の異なる微粉を母材に混入させる
ことで変えることができる。

しかし、このマルチリングの方法では、内径外径比の小
さい（無駄な空間の少ない）フライホイールを構成する
場合、蓄エネルギー密度は理論限界値の約１７２しかと
ることができないという欠点がある。

一方、半径方向を強化して蓄エネルギー密度を高める有
力な方法として、公知技術ではないが、本願出願人によ
って、周方向の比応力σ＃／ρを半径方向に一定にする
方法が提案されている。この方法にあっても蓄エネルギ
ー密度を理論限界値にすることはできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、蓄エネルギー密度を理論限界値あるい
はそれ近辺に高めた高エネルギー密度のフライホイール
を提供することである。

〔発明の概要〕

まず、蓄エネルギー密度の定義には２通シがある。重量
エネルギー密度ｅｙ　（単位重量あたシの蓄エネルギー
量）および容積エネルギー密度ｅ１（単位容積めた）の
蓄エネルギー量）でおる。・ｅｗ、’ｅｖの理論限界値
は次式で表わせる。

ｅｖ＝−（１−λ２）０本　　　　・・・・・・・・・
（２）ことに、　λ　：内径外径比 ρ　：密度（一定） σ＊：総合強度 ここで、半径方向および周方向の強度をσ、＊。

σθ傘とした場合、総合強度０本は σ中−σ−＋σｅ＊　　　　・・・・・・・・・（８）
で定義される。

ｅｗを理論限界値もしくはその近辺にするためには、次
のようにしなければならない。すなわち半径方向および
周方向の応力、σ１．σθが次式（４）。

（５）に従うように、半径方向および周方向の弾性率Ｅ
、、Ｅθの半径方向分布を調整した軸対称型にする。

σ、（ξ）＝ρｒａＶ。”８．（ξ）　　　　　　・・
・・・・・・・（４）σθ（０＝ρ（０ｖｏ”　８　ｉ
ｃｅ’）　　　　　　　−・”　・”（５）ただし、 ξ＝−・・・・・・・・・（６） ｒｏ　：外周半径 ｖｏ　：外周速度 ・・・・・・・・・（′７） Ｓ、（ξ）＝Ｓｏ＝ＳＦ（の　　　　　　　・・・・・
・・・・（８）ψ（ξ）＝ρ（ξ）１（ξ）　　　　　
　　　　・・・・・・・・・αＱここに、ρ（ξ）：密
度 ｔ（ξ）二回転軸方向の厚み この場合、総合強度σ傘＝σ１＋σθは０　”　＝　ｌ
）　ｖｏ”８６　　　　　　、．１．、、、、（１１）
となる。

ｅｗを式（１）で表わせる理論限界値に一致させるため
には密度ρ（ξ）を一定にし、さらに半径方向および周
方向の比強度σ−１σｅ’にの半径方向分布を、最大発
生応力σ、。、σ０□８の半径方向分布と一致させなけ
ればならない。

また、ｅｙを理論限界値にするためには、ｅＶを理論限
界値にする上記の工夫を施した上に、さらに次のように
しなければならない。すなわち、厚みｔ（のを一定にし
なければならない。これにょシ、式（７）、（８）で定
義された関数ｓ、（ξ）、Ｓ＃（０は次式（１２１，０
階になる。

・・・・・・・・・α２ ・・・・・・・・・α尋 このときの最大発生応力は、式（４）、　（５）、　（
ＬＬ　（１３および最大周速度ｖｏ、で決まるσ７．σ
、となる。ただし、ｖｏ□、は次式（１４）で表わせる
。

ここで、ｅＷｌｅＶが理論限界値になるときの、最適力
分布ともいうべきσア（ξ）、σ、（ξ）の分布のよう
すを第１図に示す。図中点線は遠心力である。

この最適構造体の場合の重量エネルギー密度ｅｙ、容積
エネルギー密度ｅｙと内径外径比λとの関係を第２図お
よび第３図に示す。比較のために従来技術であるマルチ
リングおよび５Ｏ＝一定のものも示しておく。いずれも
理論限界値の最大値を１としている。

さて、半径方向および周方向の発生応力が式（４）（５
）、α２１．（１ｍに従う分布になるようにするために
は、半径方向および周方向の弾性率が次式を満足しなけ
ればならない。

ただし ｙ１＝Ｓ、−Ｄ、ＳＦ　　　　　・旧・・・・・住ｅ）
’　２　＝　ｋ　Ｓ　ｒ　−Ｄ　６８Ｂ　　　　　　”
　＝”・（Ｉ？）Ｄ、：周方向のポアッソン比 以上説明してきたことは、λ＝Ｏの中実円板部のフライ
ホイールでもいえることである。ここで説明したことが
厳密に実現されたとき、重量エネルギー密度および容積
エネルギー密度は理論限界値をとるわけであるが、近似
的に満たされている場合も、ここで示した方法は有効で
あることは明らかである。

〔発明の実施例〕

重量エネルギー密度および容積エネルギー密度ともに理
論限界にするフライ夾杼−ルの実施例は第４図に示すよ
う・な厚みが一定で軸対象なもの、あるいはこれに準す
るものに限定されてしまう。

半径方向に所望の強度をもたせ、かつ所望の応力分布が
発生するようにするためには、繊維が半径方向にも配向
した繊維強化プラスチックを使うことが一例として考え
られる。

その一実施例として、第５図に示すような積層根方ｔが
ある。繊維が周方向に配向した円板状の繊維強化樹脂製
プリプレグ材２１、および繊維が半径方向に放射状に配
列した円板上の繊維強化樹脂製プリプレグ材２２を順次
積層する。それぞれのプリプレグ材は半硬化状態に形成
され、最後に積層板としてプレス加工して、１個のフラ
イホイールを作シ出す。ことで重要なことは、各プリプ
レグ材はなるべく薄めに作ることである。そうでないと
、周方向強化のプリプレグ材と半径方向強化のプリプレ
グ材のそれぞれの固有の応力効果がうまく干渉せず、高
エネルギー密度は期待できなくなる。

半径方向の繊維含有率をＶ７、周方向の繊維含有率をｖ
ａとおく。半径方向および周方向の強度分布が式（４）
、　（５）　、αの、α騰で表わされる分布（この場合
ＶＯ：ＶＯゆ、８）に従い、かつ半径方向および周方向
の発生応力が式（４）、　（５）、　０２１．α騰で表
わされる分布（この場合０くｖｏくｖｏ□８）になるよ
うにするためには、Ｖｒ　ｗ　Ｖ　ｅが近似的に次式を
満足しなければならない。

Ｖ、（ξ）ｋＲ−１（ＯＶａ（ａ　　　　　’　　　”
・”４まただし、 ・・・・・・・・・翰 ここでの近似は、σ−くσｆ＊およびＥ−＜：Ｅｆを前
提としている。ここで、σ−は母材の強度、σｆ＊は繊
維の強度、Ｅ、は母材の弾性率、Ｅｆは繊維の弾性率を
表わす。な計、式翰における関数ｙ１は式αｅで定義し
たものと同じである。

この実施例における効果は、重量エネルギー密度および
容積エネルギー密度ともに高くとれることはもちろんの
こと、積層板方式であるために量産性に優れておシ、低
コストのフライホイールを提供できることである。

周方向および半径方向に繊維が配向したフライホイール
を形成する別の実施例として第６図に示す円形らせん巻
のクロス３を用いた積層板でも実施できる。この場合の
半径方向に配向した繊維の含有率の半径方向の分布■１
およびＶθは、先の例で示した式住呻、（１１と同じ分
布になる。

また、先の例と同様に、蓄エネルギー密度が高くとれる
ことはもちろんのこと、そのほかに、初めから最終状態
の繊維強化プラスチックが成形加工できるためプレス加
工が不要になシ、積層間の接着性は先の例におけるプレ
ス加工タイプの積層板方式に比べて強靭なフライホイー
ルを提供できることにある。

また別の実施例として、繊維強化プラスチツク中の繊維
に関して、繊維の弾性率の異なる複数種の繊維を、半径
方向あるいは周方向、もしくは半径方向および周方向に
混入させ、半径方向にその混入率を変えていく方法があ
る。

高エネルギー密度を確保するためには、一般に炭素繊維
が使われるが、この方法を用いると、比較的安価かガラ
ス繊維等の使用を可能にするため、フライホイールの製
造コストを低く抑える効果がある。この方法でも、先の
２つの実施例を使うことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、フライホイール回転による蓄エネルギ
ーに関して、重量エネルギー密度を理論限界値もしくは
それ近辺に高くとれる効果がある。

また、厚みを一定にすることによシ、容積エネルギー密
度を理論限界値もしくはそれ近辺に高くとれる効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明において重量エネルギー密度および容
積エネルギー密度ζもに理論限界にするときの、半径方
向および周方向の応力σ２．σθおよびこれらの和σの
半径方向の分布を示した図、第２図はこのときの重量エ
ネルギー密度と内径外径比との関係を示した図１．第３
図は同じ場合における容積エネルギー密度と内径外径比
との関係を示した図、第４図は、実施例のフライホイー
ルの形状を表わした図、第５図および第６図は、本発明
の実施例として、それぞれフライホイールを構成する積
層プリプレグおよび積層クロスの繊維の配列の仕方を示
した図である。 １・・・フライホイール、２１・・・周方向繊維配向プ
リプレグ材、２２・・・半径方向繊維配向プリプレグ材
、３・・・円形らせん巻きのクロス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蓄エネルギー用軸対称量フライホイールにおいて、
   円板の半径方向および周方向の比弾性率（弾性率／密度
   ）を半径方向の内側から外側に向って変化させ、フライ
   ホイールが回転したときに発生する総合比応力（半径方
   向および周方向に発生する応力の和と密度の比）を一定
   にしたことを特徴とするフライホイール。 ２、特許請求の範囲第１項記載のフライホイールにおけ
   る総合比応力を一定にする手段として、繊維強化樹脂に
   内在する繊維を周方向および半径方向に配列し、それぞ
   れの繊維含有率を、円板の半径方向の内側から外側に向
   かって変えたことを特徴とするフライホイール。 ３、特許請求の範囲第１項記載のフライホイールにおい
   て、密度を一定にしたことを特徴とするフライホイール
   。 ４、特許請求の範囲第１項記載のフライホイールにおい
   て、半径方向および周方向の比強度（強度／密度）分布
   を、最高回転速度で発生する半径方向および周方向の最
   大比応力（応力／密度）分布と一致させたことを特徴と
   するフライホイール。