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JP5931499B2 - Flywheel device and energy storage device including the same - Google Patents
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Description

本発明は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体を有するフライホイール装置、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置に関する。   The present invention relates to a flywheel device having a rotating body that stores kinetic energy by rotating, and an energy storage device including the flywheel device.

電気エネルギーを運動エネルギーに変換して貯蔵するものとして、円筒円盤状のフライホイール(FW)を回転可能に備えたフライホイール装置が知られている。   2. Description of the Related Art As a device that converts electrical energy into kinetic energy and stores it, a flywheel device that is rotatably provided with a cylindrical disk-shaped flywheel (FW) is known.

フライホイール装置は、フライホイールの重心を通過する回転軸を設け、発電機に供給された電気エネルギーでフライホイールを回転軸まわりに回転させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーに変換して貯蔵エネルギーとして蓄えている(例えば、非特許文献1、2参照)。   The flywheel device is provided with a rotating shaft that passes through the center of gravity of the flywheel, and by rotating the flywheel around the rotating shaft with the electric energy supplied to the generator, the electric energy is converted into kinetic energy to be stored energy. (For example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

齋藤武雄,小笠原弘丞,山田昇,“フライホイールエネルギー貯蔵と電気自動車への応用に関する研究” ,日本機械学会論文集B 編, Vol. 70, No.697 (2004), pp.244-251.Takeo Saito, Hiroaki Ogasawara, Noboru Yamada, “Study on Flywheel Energy Storage and Application to Electric Vehicles”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, B, Vol. 70, No.697 (2004), pp.244-251. 竹内彰,高橋勲,“フライホイールエネルギー貯蔵装置による短時間大容量電源の試作”,電気学会半導体電力変換・産業電力応用合同研究会講演論文集,pp.83-88,(2000).Akira Takeuchi and Isao Takahashi, “Prototype of short-time large-capacity power supply using flywheel energy storage device”, Proceedings of the IEEJ Semiconductor Power Conversion and Industrial Power Application Joint Research Group, pp.83-88, (2000).

ところで、従来型のフライホイール装置でエネルギーを貯蔵する際のエネルギー密度を増加させるためには、1)フライホイールのローターの回転速度、2)フライホイールのローターのサイズ、3)フライホイールのローターの密度、のいずれかを増加させる必要があるが、いずれもローターへの応力増大は避けられない。このため、ローターを構成する部材として炭素繊維複合材料などの高強度軽量材が必要となる。また、磁気軸受や真空ローター容器を使用しない場合には軸受損および風損などの機械的損失が増大し、構成部品の寿命低下、騒音、発熱などの問題が生じる。また、ローターの高速回転化を行うとモータ選定の自由度が狭まり、汎用モータの使用が困難となる。以上の点から従来型のフライホイールではコストパフォーマンスの向上には限界がある。   By the way, in order to increase the energy density when energy is stored in the conventional flywheel device, 1) the rotational speed of the rotor of the flywheel, 2) the size of the rotor of the flywheel, 3) the rotor of the flywheel Either of the density needs to be increased, but in any case, an increase in stress on the rotor is inevitable. For this reason, a high-strength lightweight material such as a carbon fiber composite material is required as a member constituting the rotor. Further, when a magnetic bearing or a vacuum rotor container is not used, mechanical loss such as bearing loss and windage loss increases, resulting in problems such as a decrease in the life of components, noise, and heat generation. Further, if the rotor is rotated at a high speed, the degree of freedom in selecting a motor is narrowed, and it becomes difficult to use a general-purpose motor. From the above points, there is a limit to the improvement in cost performance of the conventional flywheel.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、装置構成を大型化することなく更に高い運動エネルギーを蓄えることができるフライホイール装置、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a flywheel device capable of storing higher kinetic energy without increasing the size of the device, and an energy storage device including the flywheel device. And

上記課題を解決するために、本発明の第1発明(フライホイール装置)は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体と、二方向の回転軸回りに前記回転体を回転可能に保持する回転体保持機構と、を有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a first invention (flywheel device) of the present invention includes a rotating body that stores kinetic energy by rotating, and a rotation that rotatably holds the rotating body around two rotational axes. A body holding mechanism.

本発明の第2発明(エネルギー貯蔵装置)は、第1発明のフライホイール装置と、電気エネルギーと前記回転体の運動エネルギーとの相互変換を行う変換装置と、を備えたことを特徴とする。   A second invention (energy storage device) according to the present invention includes the flywheel device according to the first invention and a conversion device that performs mutual conversion between electric energy and kinetic energy of the rotating body.

本発明によれば、装置構成を大型化することなく更に高い運動エネルギーを蓄えることができるフライホイール装置、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the flywheel apparatus which can store still higher kinetic energy, without enlarging an apparatus structure, and an energy storage apparatus provided with the same can be provided.

第1実施形態に係るフライホイール装置の基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing the basic composition of the flywheel device concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係るフライホイール装置の回転部の正面図である。It is a front view of the rotation part of the flywheel device concerning a 1st embodiment. 解析例で、回転体として2軸回りに回転可能な球体を設けたことを示す斜視図である。In the analysis example, it is a perspective view showing that a sphere capable of rotating around two axes is provided as a rotator. 第1実施形態のフライホイール装置の変形例として、球体に代えて設けた楕円体の概略図である。It is the schematic of the ellipsoid provided instead of the spherical body as a modification of the flywheel apparatus of 1st Embodiment. 解析例での解析条件を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis conditions in an analysis example. 解析例での解析結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the analysis result in an example of analysis. 解析例での解析結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the analysis result in an example of analysis. 解析例で、回転体を2軸回りに回転可能にした場合を示す斜視図である。In an analysis example, it is a perspective view which shows the case where a rotary body is made to be rotatable around two axes. 解析例で、回転体を1軸回りに回転可能にした場合を示す斜視図である。In an analysis example, it is a perspective view which shows the case where a rotary body is made to be rotatable around one axis. 解析例で、回転するものを円盤のみとした場合、を示す斜視図である。In an analysis example, it is a perspective view which shows the case where only what rotates is a disk. 実験例で、実験装置の構成を示す斜視図である。In an experiment example, it is a perspective view which shows the structure of an experiment apparatus. 実験例で、実験装置の仕様を示す説明図である。In an experiment example, it is explanatory drawing which shows the specification of an experiment apparatus. 実験例で、貯蔵エネルギーの実測値と解析値との比較を示す説明図である。In an experiment example, it is explanatory drawing which shows the comparison with the measured value and analysis value of stored energy. 第2実施形態に係るフライホイール装置およびエネルギー貯蔵装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the flywheel apparatus and energy storage apparatus which concern on 2nd Embodiment. 図15(a)および(b)は、何れも、第3実施形態に係るフライホイール装置を説明する斜視図である。FIGS. 15A and 15B are perspective views for explaining the flywheel device according to the third embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the following description, the same or similar components as those already described are denoted by the same or similar reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   In addition, it should be noted that the drawings are schematic and the dimensional ratios and the like are different from actual ones. Therefore, specific dimensional ratios and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。   The following embodiments are exemplifications for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention are described below in terms of the material, shape, structure, arrangement, etc. of the components. It is not something specific. The embodiments of the present invention can be implemented with various modifications without departing from the scope of the invention.

[第1実施形態]
まず、第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係るフライホイール装置10を備えたエネルギー貯蔵装置12の基本構成を示す斜視図である。図2は、本実施形態に係るフライホイール装置の回転部の正面図である。
[First Embodiment]
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of an energy storage device 12 including a flywheel device 10 according to the present embodiment. FIG. 2 is a front view of the rotating unit of the flywheel device according to the present embodiment.

本実施形態に係るフライホイール装置10は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体14と、二方向の回転軸であるx軸、y軸回りに回転体14を回転可能に保持する回転体保持機構16と、を有する。なお、以下の説明では、このように2軸回りに回転する回転体を、適宜、2軸スピン体ともいい、2軸回りに回転することを、適宜、2軸スピンともいう。そして、1軸回りに回転する回転体を、適宜、1軸スピン体ともいい、1軸回りに回転することを、適宜、1軸スピンともいう。   The flywheel device 10 according to the present embodiment includes a rotating body 14 that stores kinetic energy by rotating, and a rotating body holding that rotatably holds the rotating body 14 about the x-axis and y-axis that are two-direction rotating shafts. And a mechanism 16. In the following description, such a rotating body that rotates about two axes is also referred to as a biaxial spin body as appropriate, and rotation around two axes is also referred to as a biaxial spin as appropriate. A rotating body that rotates around one axis is also referred to as a uniaxial spin body as appropriate, and rotation around one axis is also referred to as a uniaxial spin as appropriate.

本実施形態では、x軸、y軸は、何れも、回転体14の重心Gを通過するとともに互いに直交している。また、本実施形態では、回転体14として球体14sを設けている。そして、本実施形態に係るエネルギー貯蔵装置12は、フライホイール装置10と、電気エネルギーと回転体14の運動エネルギーとの相互変換を行う変換装置18と、を備えている。   In the present embodiment, both the x axis and the y axis pass through the center of gravity G of the rotating body 14 and are orthogonal to each other. In the present embodiment, a spherical body 14 s is provided as the rotating body 14. The energy storage device 12 according to the present embodiment includes the flywheel device 10 and a conversion device 18 that performs mutual conversion between electrical energy and kinetic energy of the rotating body 14.

本実施形態のフライホイール装置10では、縦回転と横回転を同時に行う(後述の図8(a)も参照)ことで貯蔵エネルギー量を縦回転分と横回転分との和にする構造にされている。内側で回転する軸(x軸)は外側で回転する軸(y軸)によって回転させられるが、外側で回転する軸は常に一方向に回転を行う。本明細書では前者(x軸)を従属軸(Dependent axis)、後者(y軸)を独立軸(Independent axis)と定義する。   In the flywheel device 10 of the present embodiment, the storage energy amount is made to be the sum of the vertical rotation and the horizontal rotation by simultaneously performing the vertical rotation and the horizontal rotation (see also FIG. 8A described later). ing. The axis rotating on the inside (x axis) is rotated by the axis rotating on the outside (y axis), but the axis rotating on the outside always rotates in one direction. In this specification, the former (x axis) is defined as a dependent axis, and the latter (y axis) is defined as an independent axis.

以下、回転体保持機構16および変換装置18の具体的な構成について説明する。変換装置18には、フライホイール装置10に向けて延び出している棒状の回転支持軸20を備えている。回転支持軸20はy軸と同方向を向いている。   Hereinafter, specific configurations of the rotating body holding mechanism 16 and the conversion device 18 will be described. The conversion device 18 includes a rod-shaped rotation support shaft 20 that extends toward the flywheel device 10. The rotation support shaft 20 faces the same direction as the y axis.

回転体保持機構16は、回転支持軸20からの回転力を伝達する回転力伝達軸22を備えている。回転力伝達軸22は、y軸と135°(45°)の角度をなすようにディスク(円盤)28に回転可能に取り付けられている。   The rotating body holding mechanism 16 includes a rotational force transmission shaft 22 that transmits rotational force from the rotational support shaft 20. The rotational force transmission shaft 22 is rotatably attached to a disk (disk) 28 so as to form an angle of 135 ° (45 °) with the y-axis.

更に、回転体保持機構16は、回転体14に固定された第2回転支持軸24を備えている。第2回転支持軸24は回転軸x軸と同方向を向いており、第2回転支持軸24は回転力伝達軸22からの回転力によって回転する。   Further, the rotating body holding mechanism 16 includes a second rotation support shaft 24 fixed to the rotating body 14. The second rotation support shaft 24 faces the same direction as the rotation axis x-axis, and the second rotation support shaft 24 rotates by the rotational force from the rotational force transmission shaft 22.

回転支持軸20の先端、回転力伝達軸22の両端、および、第2回転支持軸24の回転力伝達軸22側には、それぞれギア30が取り付けられており、ギア30が噛み合っていることによって回転力が伝達される構成になっている。   Gears 30 are attached to the tip of the rotation support shaft 20, both ends of the torque transmission shaft 22, and the torque transmission shaft 22 side of the second rotation support shaft 24, respectively. It is configured to transmit rotational force.

本実施形態では、変換装置18は、電気エネルギーと回転体14の運動エネルギーとの相互変換を行うことができる。すなわち、変換装置18の動力部(モータなど)が電気エネルギーを受けて回転支持軸20を回転させると、回転体14が2軸(x軸およびy軸)回りに回転して、電気エネルギーが運動エネルギーに変換されて蓄えられる。そして、貯蔵されたこの運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すときには、回転体14の運動エネルギーを変換装置18で電気エネルギーに変換する。従って、装置構成を大型化することなく簡単な構成で、従来よりも高い運動エネルギーを蓄えることができるフライホイール装置10、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置12を実現させることができる。   In the present embodiment, the conversion device 18 can perform mutual conversion between electrical energy and kinetic energy of the rotating body 14. That is, when a power unit (such as a motor) of the converter 18 receives electric energy and rotates the rotation support shaft 20, the rotating body 14 rotates about two axes (x axis and y axis), and the electric energy moves. Converted to energy and stored. When the stored kinetic energy is taken out as electric energy, the kinetic energy of the rotating body 14 is converted into electric energy by the converter 18. Therefore, it is possible to realize the flywheel device 10 and the energy storage device 12 including the flywheel device 10 that can store higher kinetic energy than the conventional one with a simple configuration without increasing the size of the device.

なお、本実施形態では、x軸、y軸が互いに直交する例で説明したが、直交しない構成にすることも可能である。また、x軸、y軸は、何れも、回転体14の重心Gを通過する例で説明したが、必ずしも重心Gを通過する必要はない。   In the present embodiment, the example in which the x-axis and the y-axis are orthogonal to each other has been described, but a configuration in which they are not orthogonal is also possible. Moreover, although both the x-axis and the y-axis have been described as an example of passing through the center of gravity G of the rotating body 14, it is not always necessary to pass through the center of gravity G.

また、回転体14として球体14sを例に挙げて説明したが、楕円体(図4の楕円体34を参照)など、球以外の形状にすることも可能である。   Further, although the spherical body 14s has been described as an example of the rotating body 14, the shape may be other than a sphere such as an ellipsoid (see the ellipsoid 34 in FIG. 4).

また、回転体14に中空部32(図2参照)が形成されていてもよい。回転体中心点C(重心G。図2参照)からの距離が遠い部分の質量が大きいほど、回転体14の回転によって貯蔵される貯蔵エネルギーが大きい。従って、このように中空部32を形成することにより、回転体14の重量を小さくしても貯蔵エネルギーをあまり小さくしなくても済む。そして、高速で回転する回転体14の質量を小さくすることによって、回転体14を支える第2回転支持軸24や回転支持軸20に要求される耐破壊強度が大幅に低くなるので、フライホイール装置10の重量低減化や構成簡素化を図る上で極めて有効である。   Moreover, the hollow part 32 (refer FIG. 2) may be formed in the rotary body 14. FIG. The larger the mass of the portion far from the rotating body center point C (center of gravity G, see FIG. 2) is, the larger the stored energy is stored by the rotation of the rotating body 14. Therefore, by forming the hollow portion 32 in this way, it is not necessary to reduce the stored energy much even if the weight of the rotating body 14 is reduced. Further, by reducing the mass of the rotating body 14 that rotates at a high speed, the fracture resistance required for the second rotating support shaft 24 and the rotating support shaft 20 that support the rotating body 14 is significantly reduced. This is extremely effective in reducing the weight of 10 and simplifying the configuration.

<解析例>
(1)解析モデル
図3は、本解析例で、回転体14として2軸回りに回転可能な球体14sを設けたことを示す斜視図でる。図3では、球体14sの表面と、従属軸x(Dependent axis)および独立軸y(Independent axis)に直交するz軸との交点Aの回転軌跡K(球体14sを回転させたときの交点Aの移動軌跡)も示している。球体14sが2軸回りに回転する場合には球上の地点によって回転軌跡Kが異なる。
<Example of analysis>
(1) Analysis Model FIG. 3 is a perspective view showing that a sphere 14s that can rotate around two axes is provided as the rotator 14 in this analysis example. In FIG. 3, the rotation locus K of the intersection A between the surface of the sphere 14s and the z-axis orthogonal to the dependent axis x and the independent axis y (the intersection A when the sphere 14s is rotated). (Movement trajectory) is also shown. When the sphere 14s rotates around two axes, the rotation locus K varies depending on the point on the sphere.

また、図4は、第1実施形態のフライホイール装置10の変形例として、球体14sに代えて設けた楕円体34の概略図である。   FIG. 4 is a schematic view of an ellipsoid 34 provided in place of the sphere 14s as a modification of the flywheel device 10 of the first embodiment.

1軸回りに回転可能な回転体(1軸スピン体)に貯蔵される運動エネルギーEは、回転体の慣性モーメントIと回転角速度ωとから次式により求めることができる。

Figure 0005931499
The kinetic energy E stored in a rotating body (single-axis spin body) that can rotate around one axis can be obtained from the inertia moment I and the rotational angular velocity ω of the rotating body by the following equation.
Figure 0005931499

しかし、2軸回りに回転可能な回転体(2軸スピン体)の場合には式(1)を単純に適用できるかどうかは判らない。そこで、本発明者は、有限要素法(FEM)を用いて2軸スピン体を微小体積要素に分割し、各要素の重量および接線方向並進速度から運動エネルギーを算出し、それぞれの要素の持つエネルギーを積算することで2軸スピン体の貯蔵エネルギーを解析計算で求めた。本解析手法は2軸スピン体が球以外の形状の場合にも適用できる。   However, in the case of a rotating body (biaxial spin body) that can rotate around two axes, it is not known whether Formula (1) can be simply applied. Therefore, the present inventor divides the biaxial spin body into minute volume elements using the finite element method (FEM), calculates the kinetic energy from the weight of each element and the tangential translation speed, and the energy of each element The accumulated energy of the biaxial spin body was obtained by analytical calculation. This analysis method can also be applied when the biaxial spin body has a shape other than a sphere.

図3に2軸スピン球のFEMモデルを示す。2軸スピン体としては、y軸に独立軸、x軸に従属軸をもつ半径Rの球体14sとした。ここでの座標は空間に固定された絶対座標である。いま、この球体14sが独立軸(y軸)まわりに角速度ωi、従属軸(x軸)まわりに角速度ωdで回転するとき(ただし、ω=ω)、ある時間において球体内の絶対座標P(x、y、z)に重心Gが位置する微小要素の回転軌跡および速度変化について考える。この微小要素の従属軸および独立軸まわりの並進速度vおよびvは、それぞれ式(2)および式(3)で示される。

Figure 0005931499

Figure 0005931499
FIG. 3 shows an FEM model of a biaxial spin sphere. The biaxial spin body is a sphere 14s having a radius R having an independent axis on the y axis and a dependent axis on the x axis. The coordinates here are absolute coordinates fixed in space. Now, when this sphere 14s rotates at an angular velocity ωi around the independent axis (y-axis) and at an angular velocity ωd around the dependent axis (x-axis) (where ω i = ω d ), the absolute coordinates P in the sphere at a certain time. Consider the rotation trajectory and speed change of a microelement with the center of gravity G located at (x, y, z). Translation speed v d and v i around subordinate axis and independent axes of the microelements, represented by respectively formula (2) and (3).
Figure 0005931499

Figure 0005931499

微小要素の並進移動速度vは式(2)および式(3)の合成速度となり、式(4)で示される。

Figure 0005931499
The translational movement speed v of the minute element is the combined speed of the expressions (2) and (3), and is expressed by the expression (4).
Figure 0005931499

式(4)より、点Pに位置する微小要素に貯蔵される運動エネルギーeは、次式のようになる。

Figure 0005931499
From equation (4), the kinetic energy e stored in the microelement located at the point P is expressed by the following equation.
Figure 0005931499

式(5)を用いて、球体14sを構成する全微小要素の運動エネルギーを足し合わせることで、球体14sに貯蔵される運動エネルギーを求めることができる。なお、ある微小要素の座標の時間変化(軌跡)は各要素の初期座標に依存する。たとえば、図3に示すように回転開始時にP0(x=0、y=0、z≒R)に重心をもつ要素は、回転開始時は従属軸(x軸)まわりの速度成分と独立軸まわりの速度成分が等しく、且つ、最も高速で移動するが、回転が進むにつれて独立軸(y軸)まわりの速度成分は減少し(例えば座標P1を参照)、座標P2(x=0、y=0、z≠R)において独立軸まわりの速度成分は無くなり、従属軸まわりにのみ速度成分を有する状態となる。 By using equation (5), the kinetic energy stored in the sphere 14s can be obtained by adding the kinetic energy of all the microelements constituting the sphere 14s. In addition, the time change (trajectory) of the coordinates of a certain minute element depends on the initial coordinates of each element. For example, as shown in FIG. 3, the element having the center of gravity at P 0 (x = 0, y = 0, z≈R) at the start of rotation is an independent axis and a velocity component around the dependent axis (x axis) at the start of rotation. Although the velocity components around are equal and move at the highest speed, the velocity component around the independent axis (y-axis) decreases as the rotation proceeds (see, for example, coordinate P 1 ), and coordinate P 2 (x = 0, At y = 0, z ≠ R), the velocity component around the independent axis disappears, and the velocity component exists only around the dependent axis.

(2)解析結果
図5に解析条件を示す。本解析例では、球体14s、楕円体34の両者について解析計算を行い貯蔵エネルギーを算出した。図6、図7に解析結果を示す。図6、図7では、比較のため、球体14s、楕円体34をそれぞれ1軸まわりにのみ回転させた際の貯蔵エネルギーも示す。楕円体34の場合には、球体14sに比べて回転軸による慣性モーメントに違いがあるため、独立軸(y軸)と従属軸(x軸)の各軸まわりで1軸回転させた場合の結果を示した。
(2) Analysis results FIG. 5 shows the analysis conditions. In this analysis example, analytical calculation was performed for both the sphere 14s and the ellipsoid 34 to calculate the stored energy. The analysis results are shown in FIGS. 6 and 7 also show the stored energy when the sphere 14s and the ellipsoid 34 are rotated only about one axis, respectively, for comparison. In the case of the ellipsoid 34, since the moment of inertia due to the rotation axis is different from that of the sphere 14s, the result when the axis is rotated about each axis of the independent axis (y axis) and the dependent axis (x axis) is obtained. showed that.

図6から判るように、球体14sの場合、全ての回転速度において、2軸回転(2軸スピン)のほうが1軸回転(1軸スピン)よりも貯蔵エネルギーが大きく、その比率は常に2倍となる。また、図7から判るように、楕円体34の場合でも同様に、2軸スピンにした場合のほうが常に貯蔵エネルギー量は大きく、その比率は各回転軸まわりの慣性モーメントを足し合わせて式(1)により算出した貯蔵エネルギーの比率と一致する。つまり、物体を互いに直交する2つの軸まわりで2軸回転(2軸スピン)したときの貯蔵エネルギー量には重ね合わせの原理が適用できることが本解析例により明らかになった。
<実験例>
(1)実験装置
解析例により2軸スピン体による貯蔵エネルギー倍増が予想できたため、実際に、第1実施形態で説明したフライホイール装置10の一例を設計し、実験による原理確認と機械的損失の評価とを行った。図8〜図10は、それぞれ、本解析例で、回転体14を2軸回りに回転可能にした場合、回転体14を1軸回りに回転可能にした場合、および、回転するものをディスク28のみとした場合、を示す斜視図である。図11は、実験装置の構成を示す斜視図であり、図12は実験装置の仕様を示す説明図である。
As can be seen from FIG. 6, in the case of the sphere 14s, the storage energy is larger in the biaxial rotation (biaxial spin) than in the uniaxial rotation (uniaxial spin) at all rotational speeds, and the ratio is always twice. Become. Further, as can be seen from FIG. 7, in the case of the ellipsoid 34 as well, the amount of stored energy is always larger in the case of biaxial spin, and the ratio is calculated by adding the moments of inertia around each rotation axis. It matches the ratio of stored energy calculated by In other words, this analysis example shows that the principle of superposition can be applied to the amount of stored energy when an object is rotated biaxially (biaxial spin) around two axes orthogonal to each other.
<Experimental example>
(1) Experimental device Since it was possible to predict the double of the stored energy by the biaxial spin body according to the analysis example, an example of the flywheel device 10 described in the first embodiment was actually designed, and the principle confirmation and mechanical loss of the experiment were confirmed. Evaluation and performed. FIGS. 8 to 10 show the analysis example in the case where the rotating body 14 can be rotated about two axes, the rotating body 14 can be rotated about one axis, and the rotating disk 14. FIG. FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the experimental apparatus, and FIG. 12 is an explanatory diagram showing the specifications of the experimental apparatus.

図11に示すように、実験装置40は、回転部42、モータ(DCモータ)44、電磁クラッチ46およびトルク計48を有する。回転部42は、図2に示したように、球体14s(Sphere)と、その外側に設置されたギアボックス内蔵の円盤状のディスク28と、を備えており、モータ駆動によって球体14sおよびディスク28は縦回転(独立軸まわり)を行うと同時に、ディスク28に内蔵されたギアの作用によって球体14sが横回転(従属軸まわり)を行うことで、2軸スピンを行う。ギア比は1:1であるため、縦回転と横回転の角速度は等しくなる。また、ギアを取り外すことにより回転部42の1軸回転も行うことができる構造になっている。更に、モータ44とトルク計48の間に取り付けられた電磁クラッチ46を切り離すことで自由回転(フリーラン)が可能となっている。   As shown in FIG. 11, the experimental device 40 includes a rotating unit 42, a motor (DC motor) 44, an electromagnetic clutch 46, and a torque meter 48. As shown in FIG. 2, the rotating unit 42 includes a sphere 14 s (Sphere) and a disk-shaped disk 28 with a gear box installed outside the sphere 14 s, and the sphere 14 s and the disk 28 are driven by a motor. Performs a vertical rotation (around an independent axis) and at the same time performs a biaxial spin by rotating the sphere 14s laterally (around the dependent axis) by the action of a gear built in the disk 28. Since the gear ratio is 1: 1, the angular speeds of vertical rotation and horizontal rotation are equal. Moreover, it is the structure which can also perform 1 axis | shaft rotation of the rotation part 42 by removing a gear. Furthermore, free rotation (free run) is possible by disconnecting the electromagnetic clutch 46 attached between the motor 44 and the torque meter 48.

(2)実験原理および実験条件
モータ駆動により2軸スピン体に回転力を与え、設定回転数に達したところで電磁クラッチを切り離し、2軸スピン体をフリーランさせると、機械的損失(以下、機械損)により徐々に回転数が下がり、やがて停止する。このとき、2軸スピン体に貯蔵されていたエネルギーはすべて機械損により失われる。したがって、あらかじめ機械損の回転速度依存を計測しておくことにより、フリーラン時の時間と回転数の関係から損失エネルギーを積算し、設定回転数における貯蔵エネルギーとして算出できる。なお、ここで言う機械損には風損も含まれる。
(2) Experimental principle and experimental conditions When a rotational force is applied to the biaxial spin body by driving the motor, the electromagnetic clutch is disengaged when the set rotational speed is reached, and the biaxial spin body is free run. The rotation speed gradually decreases due to the loss, and then stops. At this time, all energy stored in the biaxial spin body is lost due to mechanical loss. Therefore, by measuring the rotational speed dependence of the mechanical loss in advance, the loss energy can be integrated from the relationship between the time of free run and the rotational speed, and can be calculated as the stored energy at the set rotational speed. The mechanical loss referred to here includes windage loss.

まず、ある回転速度ωにおける機械損Q(ω)は、この回転速度での定常回転を維持するために必要なトルクT(ω)を測定し、次式により求められる。   First, the mechanical loss Q (ω) at a certain rotational speed ω is obtained from the following equation by measuring the torque T (ω) necessary to maintain steady rotation at this rotational speed.

Figure 0005931499
本実験例では、図8〜図10に示すように、回転部42を(i)2軸スピン(2-axis)、(ii)1軸スピン(1-axis)、および(iii)円盤(Disc)のみで1軸スピン、とした3つのケースにおいて、回転速度ω= 600r/minから1000 r/minの間における定常回転試験を行い、機械損と回転速度との関係を明らかにした。
Figure 0005931499
In this experimental example, as shown in FIGS. 8 to 10, the rotating unit 42 is moved to (i) biaxial spin (2-axis), (ii) uniaxial spin (1-axis), and (iii) disc (Disc ) Only three-axis spins, a steady rotation test was performed at a rotation speed ω = 600 r / min to 1000 r / min, and the relationship between mechanical loss and rotation speed was clarified.

次に、ω=ωmaxで定常回転中の回転部42をモータ44から切り離して自然減速させるフリーラン試験を行った。フリーラン時に回転を減速させる因子は機械損のみであるから、回転部42に貯蔵されていたエネルギーは全て機械損によって消費されることになる。定常回転時における機械損と回転速度との関係と、フリーラン時における回転速度と経過時間との関係より、ω=ωmax時に回転部42に貯蔵されていたエネルギーのうち測定下限回転数ω=ωmin時までに消費されるエネルギーEは次式によって求められる。

Figure 0005931499
Next, a free-run test was performed in which the rotating part 42 during steady rotation at ω = ω max was separated from the motor 44 and naturally decelerated. Since only the mechanical loss is the factor that slows down the rotation during free run, all the energy stored in the rotating unit 42 is consumed by the mechanical loss. From the relationship between the mechanical loss and rotational speed during steady rotation and the relationship between rotational speed and elapsed time during free run, the measurement lower limit rotational speed ω = of the energy stored in the rotating unit 42 at ω = ω max The energy E consumed until ω min is obtained by the following equation.
Figure 0005931499

本実験例では、モータ出力の制限、トルク回転計の測定精度の制限および電磁クラッチの切り離し伝達速度の制限により、フリーラン開始回転速度ωmax= 900 min-1、測定下限回転数ωmin=600 min-1とし、定常回転試験と同様に3つのケースにおける貯蔵エネルギーEを算出した。これより、ケース(i) あるいはケース(ii) からケース(iii) の貯蔵エネルギーを差し引くことで、球体14sに貯蔵されたエネルギーが抽出できる。なお、上記の解析例では完全な球体において2軸回転化によって貯蔵エネルギーが2倍になることが示されたが、本実験例に用いた球体14sは取り付け部品の影響により完全な球体ではなく、図12に示すように慣性モーメントに異方性があるため2倍とはならず、解析上では1.78倍になる。 In this experimental example, the free run start rotational speed ω max = 900 min -1 and the measurement lower limit rotational speed ω min = 600 due to the motor output limit, the torque tachometer measurement accuracy limit, and the electromagnetic clutch disengagement transmission speed limit. The storage energy E in three cases was calculated in the same manner as in the steady rotation test with min −1 . Thus, the energy stored in the sphere 14s can be extracted by subtracting the stored energy of case (iii) from case (i) or case (ii). In the above analysis example, it has been shown that the storage energy doubles due to the biaxial rotation in a complete sphere, but the sphere 14s used in this experimental example is not a complete sphere due to the influence of mounting parts, As shown in FIG. 12, since the moment of inertia has anisotropy, the moment of inertia is not doubled but is 1.78 times in the analysis.

(3)実験結果
機械損は2軸スピンにした場合が最も大きかった。これは、2軸スピンでは作動するギアおよび軸受の数が1軸回転や円盤のみの場合よりも3個多いためにギヤ損失が増加したためと考えられる。 また、1軸回転と円盤のみでは大きな差は見られず、円盤の風損の影響が支配的であることがわかる。
(3) Experimental results Mechanical loss was greatest when biaxial spin was used. This is presumably because the gear loss increased because the number of gears and bearings operated in the biaxial spin is three more than in the case of single-axis rotation or a disk alone. In addition, it can be seen that there is no significant difference between the uniaxial rotation and the disk alone, and the influence of the disk windage is dominant.

図13に、式(7)により算出した貯蔵エネルギーの実測値と解析値との比較を示す。 1軸スピン、2軸スピンともに貯蔵エネルギーの実測値は解析値より約10%小さいものの、貯蔵エネルギーの比率は解析値(1.78倍)と一致する結果となった。これより、球体14sの2軸回転化によって貯蔵エネルギーの向上が原理的に可能であることが確認できた。   FIG. 13 shows a comparison between the measured value and the analytical value of the stored energy calculated by Expression (7). Although the measured value of stored energy was about 10% smaller than the analytical value for both uniaxial spin and biaxial spin, the ratio of the stored energy was in agreement with the analytical value (1.78 times). From this, it was confirmed that the storage energy can be improved in principle by the biaxial rotation of the sphere 14s.

[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。図14は、本実施形態に係るフライホイール装置50およびエネルギー貯蔵装置52の構成を示す模式図である。なお、説明を判り易くするために、図14では、外殻球60および低粘性流体Mを断面図で描いている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. FIG. 14 is a schematic diagram showing configurations of the flywheel device 50 and the energy storage device 52 according to the present embodiment. In addition, in order to make an explanation easy to understand, in FIG. 14, the outer sphere 60 and the low-viscosity fluid M are drawn in a cross-sectional view.

本実施形態に係るフライホイール装置50は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体54と、二方向の回転軸であるx軸、y軸回りに回転体54を回転可能に保持する回転体保持機構56と、を有する。そして、本実施形態に係るエネルギー貯蔵装置52は、フライホイール装置50と、電気エネルギーと回転体54の運動エネルギーとの相互変換を行う変換装置(電力変換機)58と、を備えている。   The flywheel device 50 according to the present embodiment includes a rotating body 54 that stores kinetic energy by rotating, and a rotating body holding that rotatably holds the rotating body 54 about the x-axis and y-axis that are two-direction rotating shafts. And a mechanism 56. The energy storage device 52 according to the present embodiment includes a flywheel device 50 and a conversion device (power converter) 58 that performs mutual conversion between electric energy and kinetic energy of the rotating body 54.

第1実施形態と同様、本実施形態では、x軸、y軸は、何れも、回転体54の重心Gを通過するとともに互いに直交している。なお、第1実施形態と同様、x軸、y軸は必ずしも重心Gを通過する必要はない。また、本実施形態では、回転体54として球体を設けている。   Similar to the first embodiment, in this embodiment, the x-axis and the y-axis both pass through the center of gravity G of the rotating body 54 and are orthogonal to each other. Note that, similarly to the first embodiment, the x-axis and the y-axis do not necessarily pass through the center of gravity G. In the present embodiment, a sphere is provided as the rotating body 54.

本実施形態では、回転体保持機構56は、回転体54の外表面との間に一定の間隔を形成するように回転体54を覆う外殻球60を備えている。外殻球60と回転体54との間には低粘性流体M(高圧の二酸化炭素など)が充填されて超臨界状態とされている。   In the present embodiment, the rotating body holding mechanism 56 includes an outer shell sphere 60 that covers the rotating body 54 so as to form a fixed interval with the outer surface of the rotating body 54. A space between the outer sphere 60 and the rotating body 54 is filled with a low-viscosity fluid M (high-pressure carbon dioxide or the like) to be in a supercritical state.

また、回転体保持機構56は、外殻球60の中心を通る上下方向軸(z軸)上に一対の誘導コイル62a、62bが配置されている。誘導コイル62a、62bは、それぞれ、外殻球60の上側、下側に配置されている。更に、回転体保持機構56は、外殻球60の中心を通る水平方向軸(x軸)上に一対の誘導コイル64a、64bが配置されている。誘導コイル64a、64bは、外殻球60の両サイド側に配置されている。   In the rotating body holding mechanism 56, a pair of induction coils 62a and 62b are arranged on the vertical axis (z axis) passing through the center of the outer shell sphere 60. The induction coils 62a and 62b are disposed on the upper side and the lower side of the outer shell sphere 60, respectively. Further, in the rotating body holding mechanism 56, a pair of induction coils 64 a and 64 b are arranged on a horizontal axis (x axis) passing through the center of the outer shell sphere 60. The induction coils 64 a and 64 b are disposed on both sides of the outer sphere 60.

本実施形態では、変換装置58からの電力により、回転体54が磁力で浮上するとともにx軸、z軸の2軸まわりに回転し、電気エネルギーが運動エネルギーとして貯蔵される。また、貯蔵されたこの運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すときには、回転体14の運動エネルギーを変換装置58で電気エネルギーに変換する。   In the present embodiment, due to the electric power from the conversion device 58, the rotating body 54 floats by magnetic force and rotates about two axes, the x axis and the z axis, and electric energy is stored as kinetic energy. When the stored kinetic energy is taken out as electric energy, the kinetic energy of the rotating body 14 is converted into electric energy by the converter 58.

従って、機械的なエネルギー損失を生じさせることなく回転体54を2軸まわりに回転させてエネルギーを貯蔵することができる。   Therefore, energy can be stored by rotating the rotating body 54 around two axes without causing mechanical energy loss.

なお、回転体54の磁気浮上に支障がない限り、低粘性流体Mを設けない構成、更には外殻球60を設けない構成にすることも可能である。   As long as the magnetic levitation of the rotating body 54 is not hindered, a configuration in which the low-viscosity fluid M is not provided, and a configuration in which the outer sphere 60 is not provided may be employed.

また、第1実施形態と同様、回転体54に中空部72(図2参照)が形成されていてもよい。   Moreover, the hollow part 72 (refer FIG. 2) may be formed in the rotary body 54 similarly to 1st Embodiment.

[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明する。図15(a)および(b)は、何れも、本実施形態に係るフライホイール装置80を説明する斜視図である。なお、図15(b)では外殻球90を描き、図15(a)では外殻球を描かないで示している。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. FIGS. 15A and 15B are perspective views for explaining the flywheel device 80 according to the present embodiment. In FIG. 15B, the outer sphere 90 is drawn, and in FIG. 15A, the outer sphere is not drawn.

本実施形態に係るフライホイール装置80は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体84と、二方向の回転軸りに回転体84を回転可能に保持する回転体保持機構86と、を有する。そして、本実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、フライホイール装置80と、電気エネルギーと回転体84の運動エネルギーとの相互変換を行う変換装置(図示せず)と、を備えている。   The flywheel device 80 according to the present embodiment includes a rotating body 84 that stores kinetic energy by rotating, and a rotating body holding mechanism 86 that rotatably holds the rotating body 84 around two rotational axes. The energy storage device according to the present embodiment includes a flywheel device 80 and a conversion device (not shown) that performs mutual conversion between electrical energy and kinetic energy of the rotating body 84.

第1実施形態と同様、本実施形態では、二方向の回転軸は、何れも、回転体84の重心を通過するとともに互いに直交している。なお、第1、第2実施形態と同様、x軸、y軸は必ずしも重心Gを通過する必要はない。また、本実施形態では、回転体84として球体を設けている。   Similar to the first embodiment, in this embodiment, the two rotational axes pass through the center of gravity of the rotating body 84 and are orthogonal to each other. As in the first and second embodiments, the x-axis and y-axis do not necessarily have to pass through the center of gravity G. In the present embodiment, a sphere is provided as the rotating body 84.

本実施形態では、回転体保持機構86は、回転体84の外側に位置する外殻球90と、外殻球90の内壁側(内表面側)に複数配置され、回転体84を支えつつ外殻球90の内表面と回転体84の外表面との間に一定の間隔を形成させる複数の回転体支持部92と、を備えている。回転体支持部92は、回転体84に当接する球状の当接体94と、外殻球90の内壁側に配置されて当接体94を回転可能に保持する当接体保持部96とを有する。   In the present embodiment, a plurality of rotating body holding mechanisms 86 are arranged on the outer shell ball 90 located outside the rotating body 84 and on the inner wall side (inner surface side) of the outer shell ball 90, and support the rotating body 84 while supporting the outer surface. And a plurality of rotating body support portions 92 that form a constant interval between the inner surface of the shell sphere 90 and the outer surface of the rotating body 84. The rotating body support portion 92 includes a spherical abutting body 94 that abuts against the rotating body 84 and an abutting body holding portion 96 that is disposed on the inner wall side of the outer shell sphere 90 and rotatably holds the abutting body 94. Have.

そして、本実施形態では、外殻球90の内壁側の所定位置から延び出す複数の誘導コイル98が配置されている。誘導コイルの配置位置は、回転体84を互いに直交する2軸まわりに磁力で回転させることができるように予め設定されている。   In this embodiment, a plurality of induction coils 98 extending from a predetermined position on the inner wall side of the outer sphere 90 are arranged. The arrangement position of the induction coil is set in advance so that the rotating body 84 can be rotated by magnetic force around two axes orthogonal to each other.

本実施形態では、変換装置(図示せず)からの電力により、回転体84が二方向の回転軸まわりに回転してエネルギーを貯蔵する。また、貯蔵されたこの運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出すときには、回転体14の運動エネルギーを変換装置で電気エネルギーに変換する。従って、機械的なエネルギー損失を生じさせることなくエネルギーを貯蔵することができる。また、第2実施形態のように超臨界状態にする必要がなく、装置構成が大幅に簡素となる。   In the present embodiment, the rotating body 84 rotates around two rotation axes and stores energy by electric power from a conversion device (not shown). Moreover, when taking out this stored kinetic energy as an electrical energy, the kinetic energy of the rotary body 14 is converted into an electrical energy with a converter. Therefore, energy can be stored without causing mechanical energy loss. Further, it is not necessary to set the supercritical state as in the second embodiment, and the apparatus configuration is greatly simplified.

なお、第1実施形態や第2実施形態と同様、回転体84に中空部が形成されていてもよい。   In addition, the hollow part may be formed in the rotary body 84 similarly to 1st Embodiment or 2nd Embodiment.

以上のように、本発明にかかるフライホイール装置、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置は、回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体と、二方向の回転軸回りにこの回転体を回転可能に保持する回転体保持機構と、を有するので、装置構成を大型化することなく更に高い運動エネルギーを蓄えることができるフライホイール装置、および、それを備えたエネルギー貯蔵装置として用いるのに好適である。   As described above, the flywheel device according to the present invention, and the energy storage device including the flywheel device, can rotate the rotating body that rotates to rotate around the rotational axis in two directions, and the rotating body that stores kinetic energy by rotating. And a rotary body holding mechanism for holding the flywheel device, the flywheel device capable of storing higher kinetic energy without increasing the size of the device configuration, and the energy storage device including the flywheel device.

10 フライホイール装置
12 エネルギー貯蔵装置
14 回転体
16 回転体保持機構
18 変換装置
32 中空部
34 楕円体
50 フライホイール装置
52 エネルギー貯蔵装置
54 回転体
56 回転体保持機構
58 変換装置
80 フライホイール装置
84 回転体
86 回転体保持機構
x 回転軸
y 回転軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flywheel apparatus 12 Energy storage apparatus 14 Rotating body 16 Rotating body holding mechanism 18 Conversion apparatus 32 Hollow part 34 Ellipsoidal body 50 Flywheel apparatus 52 Energy storage apparatus 54 Rotating body 56 Rotating body holding mechanism 58 Conversion apparatus 80 Flywheel apparatus 84 Rotation Body 86 Rotating body holding mechanism x Rotating axis y Rotating axis

Claims (7)

回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体と、
二方向の回転軸回りに前記回転体を回転可能に保持する回転体保持機構と、
を有し、
前記回転体が球状であり、
前記回転体保持機構は、前記回転体を超臨界状態にした液体で回転可能に保持することを特徴とするフライホイール装置。
A rotating body that stores kinetic energy by rotating;
A rotating body holding mechanism that rotatably holds the rotating body around two rotation axes;
I have a,
The rotating body is spherical,
The said rotary body holding | maintenance mechanism hold | maintains the said rotary body rotatably with the liquid which made the supercritical state, The flywheel apparatus characterized by the above-mentioned.
前記回転軸は、前記回転体の重心を通過するとともに互いに直交していることを特徴とする請求項1記載のフライホイール装置。   The flywheel device according to claim 1, wherein the rotating shafts pass through the center of gravity of the rotating body and are orthogonal to each other. 前記回転体に中空部が形成されていることを特徴とする請求項1または2記載のフライホイール装置。 The flywheel device according to claim 1, wherein a hollow portion is formed in the rotating body. 請求項1〜3のいずれか1項記載のフライホイール装置と、
電気エネルギーと前記回転体の運動エネルギーとの相互変換を行う変換装置と、
を備えたことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
The flywheel device according to any one of claims 1 to 3 ,
A conversion device that performs mutual conversion between electrical energy and kinetic energy of the rotating body;
An energy storage device comprising:
二方向の回転軸回りに回転することにより運動エネルギーを蓄える回転体と、  A rotating body that accumulates kinetic energy by rotating around two rotational axes;
電気エネルギーを、前記回転体を二方向に回転させる運動エネルギーに変換することによって、前記回転体に二方向の運動エネルギーを蓄積させ、前記回転体の二方向に蓄積された回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電気エネルギーを取り出す変換装置と、  By converting electrical energy into kinetic energy that rotates the rotating body in two directions, the rotating body accumulates kinetic energy in two directions, and the rotational energy accumulated in the two directions of the rotating body becomes electrical energy. A conversion device that extracts electrical energy by converting; and
を備えたことを特徴とするエネルギー蓄積装置。  An energy storage device comprising:
前記回転体に向けて延び出している回転支持軸と、  A rotation support shaft extending toward the rotating body;
前記回転支持軸と交差する方向に延びる第2回転支持軸と、  A second rotation support shaft extending in a direction intersecting the rotation support shaft;
前記回転支持軸と前記第2回転支持軸とにギアで噛みあう回転力伝達軸と、  A rotational force transmission shaft that meshes with the rotation support shaft and the second rotation support shaft with a gear;
を備え、With
前記回転支持軸が回転することにより、前記回転体が、前記回転支持軸回りに回転するとともに前記第2回転支持軸回りに回転することを特徴とする請求項5に記載のエネルギー蓄積装置。  The energy storage device according to claim 5, wherein the rotating support shaft rotates, so that the rotating body rotates around the rotation supporting shaft and rotates around the second rotating support shaft.
前記回転体が球状であり、
前記回転体保持機構は、
前記回転体の外側に位置する外殻球と、
前記外殻球の内表面側に複数配置され、前記回転体を支えつつ前記外殻球の内表面と前記回転体の外表面との間に一定の間隔を形成させる複数の回転体支持部と、
を有することを特徴とする請求項5記載のエネルギー蓄積装置
The rotating body is spherical,
The rotating body holding mechanism is
An outer sphere located outside the rotating body;
A plurality of rotating body support portions that are arranged on the inner surface side of the outer shell sphere and that form a fixed interval between the inner surface of the outer shell sphere and the outer surface of the rotating body while supporting the rotating body; ,
The energy storage device according to claim 5, comprising:
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