JPS6017737B2 - フライホイ−ルロ−タおよびその製造装置 - Google Patents

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。

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。

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。

．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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

‐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。

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

Claims (1)

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。