JP3697293B2 - Flywheel - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ貯蔵用フライホイールに係り、特にフライホイール本体として繊維強化プラスチックを使用したフライホイールに関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
余剰な電気エネルギを貯蔵し、不足時に取り出せるようにするために、電気エネルギを運動エネルギとして貯蔵するエネルギ貯蔵用フライホイール及び自動車、鉄道車両用エネルギ貯蔵用フライホイールの研究がなされている。
【０００３】
しかし、ＦＲＰがこのエネルギ貯蔵用フライホイールのフライホイール本体として実用化された例は見られない。
【０００４】
本発明者は、特開昭５８−３０５４８号公報にて、フライホイールリングとしてＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を用い、そのＦＲＰリングを軸に保持するハブにアルミニウムを削りだして形成したフライホイールを提案した。
【０００５】
このＦＲＰリングを使用したのは、金属など、他の材料と比べて比強度が高く、フライホイールとしたときに、その単位重量当たりに蓄え得るエネルギ（重量エネルギ密度あるいは単にエネルギ密度と呼ばれる）が大きいためであり、リングのみのエネルギ密度として、８０〜１００Ｗ・ｈ／ｋｇという数値が一つの目安となっている。
【０００６】
ところで、エネルギ貯蔵用のフライホイールとしてのネックは、高速回転に耐え得る軸受の開発がなされていないことにあった。
【０００７】
従来、超電導による磁気浮上では、超電導コイルを収容するクライオスタットが大きくなり、十分な浮上力が得られなかったが、最近、超電導によるピン止め効果により高速のフライホイールを簡単に支持できる技術が本出願人により開発され、再度フライホイールが注目されるに至っている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、フライホイールを周速１，０００ｍ／ｓｅｃ以上の回転速度で回転させるとＦＲＰリングの周方向の伸びが１％以上となり、このＦＲＰリングの内周変位にアルミハブで追従しようとしても、アルミハブの可能な内周変位は１％程度までであり、近年の高強度カーボン繊維の性能向上（破断強度２％以上）に対応できない問題がある。
【０００９】
また現実の使用を考えた場合、エネルギ貯蔵用フライホイールとしては径が６ｍ、重量５０トンの大型フライホイールが必要であり、これにアルミ素材から削り出してハブを形成するとなると、素材の確保が困難であると共に削りだしの工作機にも莫大な費用がかかってしまう。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、大型のフライホイールにも対応できると共にＦＲＰリングの伸びに対応できるフライホイールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、ＦＲＰでフライホイールリングを形成し、そのフライホイールリング内周に、ＧＦＲＰからなるコーン状のハブ又は断面円弧状のクラウン状のハブを取り付け、該ハブは破壊時の伸びが上記フライホイールリングよりも大きいものであることを特徴とするフライホイールである。
【００１２】
請求項２の発明は、上記ハブの破壊時の伸びは２％〜４％であり、上記フライホイールリングの破壊時の伸びは１％以上であるものである。
【発明の実施の形態】
【００１３】
本発明のフライホイールリングは、破壊時の伸びが１％以上、好ましくは１．５〜２．０％で、ヤング率Ｅが、１５，０００〜２０，０００ｋｇ／ｍｍ2 の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用い、例えばＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）で形成する。この場合、プラスチック材料としては、エポキシ樹脂などを用いる。
【００１４】
ハブは、破壊時の伸びが、フライホイールリングの伸びより大きく、例えば２％以上、好ましくは３〜４％で、ヤング率Ｅが３，０００〜４，０００ｋｇ／ｍｍ2 のＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を用い、上方に凸となるコーン状或いはクラウン状に形成する。
【００１５】
このように本発明は、高エネルギ密度のフライホイールが可能となり、電力貯蔵用として、或いは自動車などの車両用のフライホイールとしての利用が期待できる。
【００１６】
ハブの形状として、コーン状、クラウン状を例示したがその他の曲面形状に形成しても良い。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１において、１０は、回転軸で、図では示していないが、ラジアル方向とスラスト方向の荷重が、軸受で支持されると共に余剰電力で回転されるようになっている。
【００１９】
この回転軸１０には、コーン状のＧＦＲＰからなるハブ１１が取り付けられると共にその外周にＣＦＲＰからなるフライホイールリング１２が圧着されて取り付けられてフライホイール１３が形成される。
【００２０】
ハブ１１は、回転軸１０に嵌合する内筒部１４と、その内筒部１４から下向きに、例えば４０〜５０度の角度で広がったコーン部１５と、コーン部１５の外周に一体に設けられた外筒部１６からなる。このハブ１１の製作は、扇状に形成したガラス繊維シートを円周方向に並べると共にこれを厚さ方向に複数枚並べて積層すると共にエポキシ樹脂で固めて形成する。
【００２１】
またフライホイールリング１２は、円周方向にカーボン繊維を巻くと共にエポキシ樹脂で固めて形成し、破壊時の伸びが１％以上、好ましくは１．５〜２．０％で、ヤング率Ｅが、１５，０００〜２０，０００ｋｇ／ｍｍ2 となるものを用いる。また寸法として、例えば、外径６ｍ、内径３．６ｍ、高さ３ｍとなるように形成される。
【００２２】
ハブ１１は、支持部材１７にて回転軸１０に取り付けられ、フライホイールリング１２は、ハブ１１の外筒部１６に圧着した状態で嵌合することで取り付けられる。ハブ１１の材料は、破壊時の伸びが、フライホイールリング１２の伸びより大きく、例えば２％以上、好ましくは３〜４％で、ヤング率Ｅが３，０００〜４，０００ｋｇ／ｍｍ2 のＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を用いる。
【００２３】
以上において、高速回転時、フライホイールリング１２は、その円周方向に伸びるが、コーン状のハブ１１は、その伸びに追従して変形する。この際、ハブ１１の外筒部１４は、フライホイールリング１２に圧着した状態で嵌合し、またコーン部１３の角度が４０〜５０度に形成されるため、変形してもフライホイールリング１２を良好に支持すると共に局部的な応力集中を防止できる。また内筒部１４も同様に局部的な応力集中を防止できる。
【００２４】
次に図２により本発明の他の実施例を説明する。
【００２５】
図２は、ハブ１１の形状を変形した例を示し、回転軸１０に取付られる内筒部１８とフライホイールリング１２と嵌合する外筒部１９間の形状を、断面円弧状のクラウン部２０とし、内筒部１８を支持部材２１で回転軸１０に支持し、外筒部１９をフライホイールリング１２に圧着して取り付けたものである。
【００２６】
本例においても、ハブ１１は、フライホイールリング１２の伸びに追従して伸びると共に形状的に応力集中が起こることがない。
【発明の効果】
【００２７】
以上要するに本発明によれば、高速回転時の遠心力に耐え、かつリングの変位に追従できるフライホイールとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】 本発明の一実施例を示す図である。
【図２】 本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１ ハブ
１２ フライホイールリングBACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]
The present invention relates to energy storage flywheel, and in particular flywheels using fiber reinforced plastic as the flywheel body.
[Prior art]
[0002]
In order to store surplus electrical energy so that it can be taken out in the event of a shortage, researches have been conducted on energy storage flywheels that store electrical energy as kinetic energy, and energy storage flywheels for automobiles and railway vehicles.
[0003]
However, there is no example in which FRP has been put to practical use as a flywheel body of this energy storage flywheel.
[0004]
The present inventor proposed in JP-A-58-30548 a flywheel formed by using FRP (fiber reinforced plastic) as a flywheel ring and scraping aluminum on a hub that holds the FRP ring on a shaft. did.
[0005]
This FRP ring has a high specific strength compared to other materials such as metal, and when used as a flywheel, the energy that can be stored per unit weight (called weight energy density or simply energy density) This is because it is large, and the numerical value of 80 to 100 W · h / kg is one standard as the energy density of only the ring.
[0006]
By the way, the neck as a flywheel for energy storage is that a bearing capable of withstanding high-speed rotation has not been developed.
[0007]
Conventionally, in magnetic levitation by superconductivity, the cryostat that accommodates the superconducting coil has become large, and sufficient levitation force has not been obtained. It has been developed by humans and the flywheel has attracted attention again.
[Problems to be solved by the invention]
[0008]
However, when the flywheel is rotated at a rotational speed of 1,000 m / sec or more, the circumferential extension of the FRP ring becomes 1% or more. Even if the aluminum hub tries to follow the inner peripheral displacement of the FRP ring, the aluminum hub The possible inner circumference displacement is up to about 1%, and there is a problem that it cannot cope with the recent improvement in performance of high-strength carbon fibers (breaking strength of 2% or more).
[0009]
In consideration of actual use, a large flywheel with a diameter of 6 m and a weight of 50 tons is required as a flywheel for energy storage, and if a hub is cut out from an aluminum material, the material can be secured. It is difficult and enormous costs are required for machine tools.
[0010]
An object of the present invention is to provide a flywheel to accommodate elongation of the FRP ring together with the above problems solved, it can cope with a large flywheel.
[Means for Solving the Problems]
[0011]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a flywheel ring is formed by FRP, and a cone-shaped hub made of GFRP or a crown-shaped hub having a circular arc shape is attached to the inner periphery of the flywheel ring. The hub is a flywheel characterized in that the elongation at break is larger than that of the flywheel ring .
[0012]
According to a second aspect of the present invention, the elongation at break of the hub is 2% to 4%, and the elongation at break of the flywheel ring is 1% or more.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0013]
The flywheel ring of the present invention has a fiber reinforced plastic (FRP) having an elongation at break of 1% or more, preferably 1.5 to 2.0% and a Young's modulus E of 15,000 to 20,000 kg / mm @ 2. For example, CFRP (carbon fiber reinforced plastic). In this case, an epoxy resin or the like is used as the plastic material.
[0014]
The hub has an elongation at break larger than that of the flywheel ring, for example, 2% or more, preferably 3 to 4%, and GFRP (glass fiber reinforced plastic) having a Young's modulus E of 3,000 to 4,000 kg / mm @ 2. ) To form a cone or crown that is convex upward.
[0015]
As described above, the present invention enables a flywheel with a high energy density, and can be expected to be used for power storage or as a flywheel for a vehicle such as an automobile.
[0016]
As the shape of the hub, a cone shape and a crown shape are illustrated, but other curved shapes may be used.
【Example】
[0017]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0018]
In FIG. 1,
[0019]
A hub 11 made of cone-shaped GFRP is attached to the
[0020]
The hub 11 is provided integrally with the
[0021]
The flywheel ring 12 is formed by winding carbon fibers in the circumferential direction and solidifying with an epoxy resin. The elongation at break is 1% or more, preferably 1.5 to 2.0 %, and the Young's modulus E is What becomes 15,000-20,000 kg / mm @ 2 is used. The dimensions are, for example, an outer diameter of 6 m, an inner diameter of 3.6 m, and a height of 3 m.
[0022]
The hub 11 is attached to the
[0023]
In the above, the flywheel ring 12 extends in the circumferential direction during high-speed rotation, but the cone-shaped hub 11 deforms following the extension. At this time, the
[0024]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0025]
FIG. 2 shows an example in which the shape of the hub 11 is modified. The shape between the
[0026]
Also in this example, the hub 11 extends following the extension of the flywheel ring 12 and stress concentration does not occur in the shape.
【The invention's effect】
[0027]
According to the brief present invention above, withstand centrifugal force during high-speed rotation, and can be a flywheel can follow the displacement of the ring.
[Brief description of the drawings]
[0028]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
[0029]
11 Hub 12 Flywheel ring
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