JP2002010533A - 繊維強化プラスチック製ロータ並びにフライホイールバッテリー装置およびその使用方法 - Google Patents
繊維強化プラスチック製ロータ並びにフライホイールバッテリー装置およびその使用方法Info
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
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- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高いエネルギ貯蔵能力を発揮しつつも、安価
で汎用性があり、作動及び取扱いが簡易かつ容易で、耐
久性に優れ、軽量コンパクトで、高効率なフライホイー
ルバッテリー装置及びその使用方法と、それを実現する
ロータ。 【解決手段】 ロータ本体部１２が繊維強化プラスチッ
クからなり、径方向の比強度を５０００ｍ／ｓｅｃ2以
上とする。エネルギ貯蔵能力がきわめて高いので、その
回転速度を超高回転にする必要が無く、チップ速度を３
３０ｍ／ｓｅｃよりも速くしなくても十分に実用的であ
る。その結果、ロータのチップ速度が音速以下であるの
で衝撃波や空気抵抗の対策の為に、ロータを格納するケ
ーシング内を真空にして真空中で作動する必要がない。
で汎用性があり、作動及び取扱いが簡易かつ容易で、耐
久性に優れ、軽量コンパクトで、高効率なフライホイー
ルバッテリー装置及びその使用方法と、それを実現する
ロータ。 【解決手段】 ロータ本体部１２が繊維強化プラスチッ
クからなり、径方向の比強度を５０００ｍ／ｓｅｃ2以
上とする。エネルギ貯蔵能力がきわめて高いので、その
回転速度を超高回転にする必要が無く、チップ速度を３
３０ｍ／ｓｅｃよりも速くしなくても十分に実用的であ
る。その結果、ロータのチップ速度が音速以下であるの
で衝撃波や空気抵抗の対策の為に、ロータを格納するケ
ーシング内を真空にして真空中で作動する必要がない。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はフライホイールバッ
テリー装置に関するもので、特にそのロータを改良した
ものである。
テリー装置に関するもので、特にそのロータを改良した
ものである。
【０００２】
【従来の技術】電気エネルギを回転エネルギに変換し、
貯蔵し、自動車や産業機械等の電力標準化に寄与するも
のとしてフライホイールバッテリー装置が知られてい
る。そのようなフライホイールバッテリー装置では、貯
蔵できるエネルギ量は、回転するロータの慣性モーメン
ト即ち質量と、角速度の二乗とに比例することから、ロ
ータは高速回転で使用することにより効率が上がり、ま
た、その際に生じる遠心力に耐用する為にロータの比強
度が高いほどより多くのエネルギを貯蔵できるものとな
る。比強度の高い材料としては繊維強化プラスチックが
知られている。例えば、表１に各種材料の一般的な物性
を示す。
貯蔵し、自動車や産業機械等の電力標準化に寄与するも
のとしてフライホイールバッテリー装置が知られてい
る。そのようなフライホイールバッテリー装置では、貯
蔵できるエネルギ量は、回転するロータの慣性モーメン
ト即ち質量と、角速度の二乗とに比例することから、ロ
ータは高速回転で使用することにより効率が上がり、ま
た、その際に生じる遠心力に耐用する為にロータの比強
度が高いほどより多くのエネルギを貯蔵できるものとな
る。比強度の高い材料としては繊維強化プラスチックが
知られている。例えば、表１に各種材料の一般的な物性
を示す。
【０００３】
【表１】
【０００４】このように、繊維強化プラスチックは比強
度が極めて高いので、特開昭５２−１５１４４８号公報
においては、金属に代えて繊維強化プラスチックを用い
た高速回転体が開示されている。こうした繊維強化プラ
スチックを用いたフライホイールにおいては、その高い
比強度による利点を十分に発揮させる為に、ＣＦＲＰに
よるもので５００ｍ／ｓｅｃ以上、ＧＦＲＰによるもの
で４００ｍ／ｓｅｃ以上の超高回転で使用する検討がさ
れている。
度が極めて高いので、特開昭５２−１５１４４８号公報
においては、金属に代えて繊維強化プラスチックを用い
た高速回転体が開示されている。こうした繊維強化プラ
スチックを用いたフライホイールにおいては、その高い
比強度による利点を十分に発揮させる為に、ＣＦＲＰに
よるもので５００ｍ／ｓｅｃ以上、ＧＦＲＰによるもの
で４００ｍ／ｓｅｃ以上の超高回転で使用する検討がさ
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超高回転で使用すると、ロータのチップ速度（最外
周速度）が音速以上に達することになる。そこで、音速
を超えるときに発生する衝撃波の防止と、空気抵抗を低
減させる為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
し、真空中で作動する必要があった。また、高回転で磁
気浮上等の軸受けを用いた場合には、回転エネルギの損
失を抑制するために、その動的構造が高回転に適してい
ないので、動力損失が生ずる。しかも、渦電流による機
械的損失を生ずるので、ロータは発熱するが、ケーシン
グで密封していることから断熱状態となり、熱の放熱が
困難で、ロータが高温に曝されることとなり、その強度
が低下することがあった。また、高回転でも高効率なモ
ータ／ジェネレータ或いは軸受けは高価であることか
ら、汎用性に乏しく、航空宇宙用途等の限られた用途に
しか用いられていない。さらに、この種の高速回転体は
一般にエネルギ密度が高く、万一破損した時の飛散防止
の為に、堅固なケーシングが用いられている。その為、
フライホイールバッテリー装置は、本来は軽量コンパク
トであることが特長とされているにも拘わらず、これら
の特長が損なわれてしまっている。また、繊維強化プラ
スチック製ロータの場合は、塑性変形がなく破損が一様
にキャタストロフィックな様相を呈してしまうおそれが
ある。
うな超高回転で使用すると、ロータのチップ速度（最外
周速度）が音速以上に達することになる。そこで、音速
を超えるときに発生する衝撃波の防止と、空気抵抗を低
減させる為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
し、真空中で作動する必要があった。また、高回転で磁
気浮上等の軸受けを用いた場合には、回転エネルギの損
失を抑制するために、その動的構造が高回転に適してい
ないので、動力損失が生ずる。しかも、渦電流による機
械的損失を生ずるので、ロータは発熱するが、ケーシン
グで密封していることから断熱状態となり、熱の放熱が
困難で、ロータが高温に曝されることとなり、その強度
が低下することがあった。また、高回転でも高効率なモ
ータ／ジェネレータ或いは軸受けは高価であることか
ら、汎用性に乏しく、航空宇宙用途等の限られた用途に
しか用いられていない。さらに、この種の高速回転体は
一般にエネルギ密度が高く、万一破損した時の飛散防止
の為に、堅固なケーシングが用いられている。その為、
フライホイールバッテリー装置は、本来は軽量コンパク
トであることが特長とされているにも拘わらず、これら
の特長が損なわれてしまっている。また、繊維強化プラ
スチック製ロータの場合は、塑性変形がなく破損が一様
にキャタストロフィックな様相を呈してしまうおそれが
ある。
【０００６】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、高いエネルギ貯蔵能力を発揮しつつも、安価
で汎用性があり、作動及び取扱いが簡易かつ容易で、耐
久性に優れ、軽量コンパクトで、高効率なフライホイー
ルバッテリー装置及びその使用方法と、それを実現する
ロータを目的とするものである。
たもので、高いエネルギ貯蔵能力を発揮しつつも、安価
で汎用性があり、作動及び取扱いが簡易かつ容易で、耐
久性に優れ、軽量コンパクトで、高効率なフライホイー
ルバッテリー装置及びその使用方法と、それを実現する
ロータを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のロータは、ロー
タ本体部が繊維強化プラスチックからなり、径方向の比
強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることを特徴とす
るものである。ここで、繊維強化プラスチックの強化繊
維は、引張弾性率が２５０Ｇｐａ以上かつ引張強度が
４.８Ｇｐａ以上の炭素繊維であることが望ましい。ま
た、強化繊維の繊維方向をロータの周方向としたものが
望ましい。本発明のフライホイールバッテリー装置は、
上記ロータを具備したものである。本発明のフライホイ
ールバッテリー装置の使用方法は、そのフライホイール
バッテリー装置を用い、ロータのチップ速度を３３０ｍ
／ｓｅｃ以下として作動することを特徴とするものであ
る。
タ本体部が繊維強化プラスチックからなり、径方向の比
強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることを特徴とす
るものである。ここで、繊維強化プラスチックの強化繊
維は、引張弾性率が２５０Ｇｐａ以上かつ引張強度が
４.８Ｇｐａ以上の炭素繊維であることが望ましい。ま
た、強化繊維の繊維方向をロータの周方向としたものが
望ましい。本発明のフライホイールバッテリー装置は、
上記ロータを具備したものである。本発明のフライホイ
ールバッテリー装置の使用方法は、そのフライホイール
バッテリー装置を用い、ロータのチップ速度を３３０ｍ
／ｓｅｃ以下として作動することを特徴とするものであ
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明のロータは、例えば図１に
示すように、軸部が中心に形成されたハブ１４と、その
外周に形成されるロータ本体部１２とを有して概略構成
される。本発明のロータ１０の特徴は、そのロータ本体
部１２にあり、その他の構成については、公知の構成を
適用できる。本発明のロータ１０のロータ本体部１２
は、繊維強化プラスチックからなるものである。繊維強
化プラスチックとしては、後述する要件を満足するもの
であれば、種々のものを適用でき、例えば、そのマトリ
ックス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、マレイミド樹
脂、アクリル樹脂などを用いることができる。但し、ロ
ータの高温条件下での使用の際に重要となる熱変形を防
止するためには、熱硬化性樹脂が良い。また、強化繊維
としても、種々の繊維が適用可能であるものの、後述す
る要件を満足するものとして炭素繊維が好適である。本
発明のロータ１０のロータ本体部１２は、その径方向の
比強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることが必要と
される。５０００ｍ／ｓｅｃ2未満であると、チップ速
度を高速にしなければ十分なエネルギ量を貯蔵できない
からである。５０００〜９０００ｍ／ｓｅｃ2がより好
適である。
示すように、軸部が中心に形成されたハブ１４と、その
外周に形成されるロータ本体部１２とを有して概略構成
される。本発明のロータ１０の特徴は、そのロータ本体
部１２にあり、その他の構成については、公知の構成を
適用できる。本発明のロータ１０のロータ本体部１２
は、繊維強化プラスチックからなるものである。繊維強
化プラスチックとしては、後述する要件を満足するもの
であれば、種々のものを適用でき、例えば、そのマトリ
ックス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、マレイミド樹
脂、アクリル樹脂などを用いることができる。但し、ロ
ータの高温条件下での使用の際に重要となる熱変形を防
止するためには、熱硬化性樹脂が良い。また、強化繊維
としても、種々の繊維が適用可能であるものの、後述す
る要件を満足するものとして炭素繊維が好適である。本
発明のロータ１０のロータ本体部１２は、その径方向の
比強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上であることが必要と
される。５０００ｍ／ｓｅｃ2未満であると、チップ速
度を高速にしなければ十分なエネルギ量を貯蔵できない
からである。５０００〜９０００ｍ／ｓｅｃ2がより好
適である。
【０００９】ロータのエネルギ貯蔵量Ｅ、周方向応力σ
θ、径方向応力σrは、それぞれ次式で示される。尚、
ωは角速度、ｒoはロータ径、ｒiはハブ径、ρはロータ
密度、νはポアソン比である。 Ｅ＝Ｉω2／２ σθ＝ｋρω2（ｒo2＋（１−２ν）ｒi2／（３−２
ν）） σr＝Ｊρω2（ｒo−ｒi）2 ここで、Ｉは慣性モーメントであり、次式で示される。
尚、ｍはロータ質量、ｈはロータの長さである。 Ｉ＝ｍ（ｒo2−ｒi2）／２ 但し、ｍ＝ρπ（ｒo2−ｒ
i2）ｈ また、ｋ、Ｊ、ωは次式で示される。 ｋ＝（３−２ν）／４（１−ν） Ｊ＝ｋ／２ ω2＝Ｒ／Ｊ（ｒo−ｒi）2 但し、Ｒはロータの径方向の比強度であり、σr／ρで
示されるロータ材料の固有値である。従って、ロータ径
ｒoと角速度ωの間には、Ｖ＝ｒoω が成立するので、
チップ速度Ｖを３３０ｍ／ｓｅｃとすると、ω＝３３０
／ｒo となる。また、単位重量当たりのエネルギ貯蔵
量Ｅ／ｍは次式で示される。 Ｅ／ｍ＝Ｉω2／２ｍ よって、各種材料でロータを構成した場合の径方向の比
強度と単位エネルギ貯蔵量を求めることができる。一般
的な各種のＦＲＰ（ＧＦＲＰ：ガラス繊維強化プラスチ
ック、ＡＦＲＰ：アラミド繊維強化プラスチック、ＣＦ
ＲＰ：炭素繊維強化プラスチック）について求めた結果
を表２に示す。
θ、径方向応力σrは、それぞれ次式で示される。尚、
ωは角速度、ｒoはロータ径、ｒiはハブ径、ρはロータ
密度、νはポアソン比である。 Ｅ＝Ｉω2／２ σθ＝ｋρω2（ｒo2＋（１−２ν）ｒi2／（３−２
ν）） σr＝Ｊρω2（ｒo−ｒi）2 ここで、Ｉは慣性モーメントであり、次式で示される。
尚、ｍはロータ質量、ｈはロータの長さである。 Ｉ＝ｍ（ｒo2−ｒi2）／２ 但し、ｍ＝ρπ（ｒo2−ｒ
i2）ｈ また、ｋ、Ｊ、ωは次式で示される。 ｋ＝（３−２ν）／４（１−ν） Ｊ＝ｋ／２ ω2＝Ｒ／Ｊ（ｒo−ｒi）2 但し、Ｒはロータの径方向の比強度であり、σr／ρで
示されるロータ材料の固有値である。従って、ロータ径
ｒoと角速度ωの間には、Ｖ＝ｒoω が成立するので、
チップ速度Ｖを３３０ｍ／ｓｅｃとすると、ω＝３３０
／ｒo となる。また、単位重量当たりのエネルギ貯蔵
量Ｅ／ｍは次式で示される。 Ｅ／ｍ＝Ｉω2／２ｍ よって、各種材料でロータを構成した場合の径方向の比
強度と単位エネルギ貯蔵量を求めることができる。一般
的な各種のＦＲＰ（ＧＦＲＰ：ガラス繊維強化プラスチ
ック、ＡＦＲＰ：アラミド繊維強化プラスチック、ＣＦ
ＲＰ：炭素繊維強化プラスチック）について求めた結果
を表２に示す。
【００１０】
【表２】
【００１１】表２から、径方向比強度（径方向引張強度
／密度）が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上あるのはＣＦＲＰ
のみであり、ＣＦＲＰであればバッテリとして十分なエ
ネルギ貯蔵能力を有することができる。したがって、ロ
ータ本体部１２を構成する材料としては、炭素繊維強化
プラスチックが望ましい。
／密度）が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上あるのはＣＦＲＰ
のみであり、ＣＦＲＰであればバッテリとして十分なエ
ネルギ貯蔵能力を有することができる。したがって、ロ
ータ本体部１２を構成する材料としては、炭素繊維強化
プラスチックが望ましい。
【００１２】但し、ロータ本体部１２として炭素繊維強
化プラスチックを用いるとしても、炭素繊維に加えて他
の繊維を添加することも可能である。例えば、ガラス繊
維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリエステル繊維、炭
化珪素繊維、ホウ素繊維、パルプ等の天然繊維、ステン
レススチール繊維などが含まれていても良い。炭素繊維
の形態としては、ロービング、補強繊維クロスなどを挙
げることができるが、ロータの耐久強度を向上させるた
めには、例えば、連続した補強繊維束を一方向に引き揃
えたロービングが好ましい。
化プラスチックを用いるとしても、炭素繊維に加えて他
の繊維を添加することも可能である。例えば、ガラス繊
維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリエステル繊維、炭
化珪素繊維、ホウ素繊維、パルプ等の天然繊維、ステン
レススチール繊維などが含まれていても良い。炭素繊維
の形態としては、ロービング、補強繊維クロスなどを挙
げることができるが、ロータの耐久強度を向上させるた
めには、例えば、連続した補強繊維束を一方向に引き揃
えたロービングが好ましい。
【００１３】また、炭素繊維としては、引張弾性率が２
５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が４.８ＧＰａ以上の
ものが、強度とコストにおいてより実用的なロータとな
るので好ましい。引張弾性率としては２５０〜５００Ｇ
Ｐａであればより好ましく、引張強度は４.８〜６.０Ｇ
Ｐａであればより好ましい。さらに、ロータ本体部１２
を繊維強化プラスチックで構成する際、その繊維方向を
周方向に沿ったものとすることにより、万一システムに
異常が生じてロータが暴走しても、キャタストロピック
な繊維破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じる
のでロータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、
特に堅固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパ
クトなフライホイールバッテリー装置とすることができ
る。
５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が４.８ＧＰａ以上の
ものが、強度とコストにおいてより実用的なロータとな
るので好ましい。引張弾性率としては２５０〜５００Ｇ
Ｐａであればより好ましく、引張強度は４.８〜６.０Ｇ
Ｐａであればより好ましい。さらに、ロータ本体部１２
を繊維強化プラスチックで構成する際、その繊維方向を
周方向に沿ったものとすることにより、万一システムに
異常が生じてロータが暴走しても、キャタストロピック
な繊維破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じる
のでロータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、
特に堅固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパ
クトなフライホイールバッテリー装置とすることができ
る。
【００１４】ハブ１４を構成する材料としては、高張力
鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の
構造用金属が適用できるが、好ましくは、５０系、６０
系耐食アルミニウム合金が、強度と軽量性を兼ね備えて
いるので好ましい。
鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の
構造用金属が適用できるが、好ましくは、５０系、６０
系耐食アルミニウム合金が、強度と軽量性を兼ね備えて
いるので好ましい。
【００１５】ロータは例えば次にようにして製造され
る。まず、所定の厚さ及び断面形状を有するハブ１４を
製造する。このハブの製造は、周知の方法で良く、所定
の金属等を用いて、鍛造法（スエージング法）、鋳造法
の公知の連続的またはバッチ的な成形法で得られる円盤
を機械加工して製造できる。こうして得られたハブ１４
の外周に所定のＦＲＰを連続繊維に樹脂を含浸して巻き
付ける、所謂、フィラメントワインディング法により成
形することでロータが製造される。
る。まず、所定の厚さ及び断面形状を有するハブ１４を
製造する。このハブの製造は、周知の方法で良く、所定
の金属等を用いて、鍛造法（スエージング法）、鋳造法
の公知の連続的またはバッチ的な成形法で得られる円盤
を機械加工して製造できる。こうして得られたハブ１４
の外周に所定のＦＲＰを連続繊維に樹脂を含浸して巻き
付ける、所謂、フィラメントワインディング法により成
形することでロータが製造される。
【００１６】このようなロータ１０は主として図２に示
すようなケーシング１６の中に収容してフライホイール
バッテリー装置として使用に供される。
すようなケーシング１６の中に収容してフライホイール
バッテリー装置として使用に供される。
【００１７】本発明のロータであると、エネルギ貯蔵能
力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にする
必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速く
しなくても十分に実用的である。５０〜３３０ｍ／ｓｅ
ｃの範囲で作動させることが好ましい。その結果、ロー
タのチップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗
の対策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
して真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気
浮上等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させ
ないことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密
封する必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流
による機械的損失によってロータが発熱しても、ロータ
を冷却でき、その強度低下がない。また、超高回転にし
ないので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることが
でき、多くの用途に適用できる。ロータが３３０ｍ／ｓ
ｅｃ以上のチップ速度で回転しないようにする為に、各
種のリミッタを配備しておくことが有効である。
力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にする
必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速く
しなくても十分に実用的である。５０〜３３０ｍ／ｓｅ
ｃの範囲で作動させることが好ましい。その結果、ロー
タのチップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗
の対策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空に
して真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気
浮上等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させ
ないことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密
封する必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流
による機械的損失によってロータが発熱しても、ロータ
を冷却でき、その強度低下がない。また、超高回転にし
ないので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることが
でき、多くの用途に適用できる。ロータが３３０ｍ／ｓ
ｅｃ以上のチップ速度で回転しないようにする為に、各
種のリミッタを配備しておくことが有効である。
【００１８】
【実施例】［実施例１］概略形状が図１に示すようなロ
ータ１０を製造した。ハブ１４は５０５２耐食アルミニ
ウム合金を鋳造した。ロータ本体部１２の成形は炭素繊
維（「パイロフィルＴＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨ
ン（株）製）にエポキシ樹脂（「＃３５０」三菱レイヨ
ン（株）製）が３５重量％になるように含浸し、予備硬
化してトウプリプレグに加工したものを用いた。なお、
用いた炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度
は４.８Ｇｐａである。外径が４００ｍｍのハブ１４を
マンドレルとしてトウプリプレグを円筒軸に対して約９
０゜で１００ｍｍ厚さに成形し、ロータ１０の外径が６
００ｍｍ、長さが２００ｍｍとなるようにした。巻き付
け時のトウテンションは２〜５ｋｇ／本とした。これを
回転させながら、硬化炉で１３０℃で３時間、加熱硬化
して成形体を得た。これにモータ／ジェネレータを組み
込んで、動バランスを調整して、ロータを製造した。こ
のロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は６８０
０ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータを空気軸受けでア
ルミニウム合金製のケーシング中に収容してフライホイ
ールバッテリー装置を製造した。これを空気中で５００
０〜１００００ｒｐｍ（チップ速度：１０４〜２０８ｍ
／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置は１２ＫＶ
Ａ−３０秒の出力を発揮し、エレベータの電力標準化装
置として実用的に用いられた。
ータ１０を製造した。ハブ１４は５０５２耐食アルミニ
ウム合金を鋳造した。ロータ本体部１２の成形は炭素繊
維（「パイロフィルＴＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨ
ン（株）製）にエポキシ樹脂（「＃３５０」三菱レイヨ
ン（株）製）が３５重量％になるように含浸し、予備硬
化してトウプリプレグに加工したものを用いた。なお、
用いた炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度
は４.８Ｇｐａである。外径が４００ｍｍのハブ１４を
マンドレルとしてトウプリプレグを円筒軸に対して約９
０゜で１００ｍｍ厚さに成形し、ロータ１０の外径が６
００ｍｍ、長さが２００ｍｍとなるようにした。巻き付
け時のトウテンションは２〜５ｋｇ／本とした。これを
回転させながら、硬化炉で１３０℃で３時間、加熱硬化
して成形体を得た。これにモータ／ジェネレータを組み
込んで、動バランスを調整して、ロータを製造した。こ
のロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は６８０
０ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータを空気軸受けでア
ルミニウム合金製のケーシング中に収容してフライホイ
ールバッテリー装置を製造した。これを空気中で５００
０〜１００００ｒｐｍ（チップ速度：１０４〜２０８ｍ
／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置は１２ＫＶ
Ａ−３０秒の出力を発揮し、エレベータの電力標準化装
置として実用的に用いられた。
【００１９】［実施例２］炭素繊維（「パイロフィルＴ
ＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨン（株）製）にエポキ
シ樹脂（「＃７５０」ＳＨＥＬＬ（株）製）が３５重量
％になるようにコータで含浸し、フィラメントワインデ
ィング法で外径が２５０ｍｍの鉄製マンドレルに、樹脂
含浸した炭素繊維トウを周方向に７５ｍｍ厚さを巻き付
け、４００ｍｍ×２ｍ長の成形体を得た。なお、用いた
炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度は４.
８Ｇｐａである。これを回転させながら、硬化炉で１３
０℃で３時間、加熱硬化して、室温まで冷却した後、鉄
製のマンドレルから脱芯して成形体を得た。この成形体
を２００ｍｍ間隔に輪切りにして、ＦＲＰ製のロータ本
体部１２を製造した。ハブ１４は６０６３耐食アルミニ
ウム合金製の円盤を鍛造加工してフライス盤で機械加工
して仕上げた。上記ロータ本体部１２内に、このハブ１
４を圧入して組み立て、モータ／ジェネレータを組み込
んで、動バランスを調整して、ロータ１０を製造した。
このロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は８１
００ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータをボールベアリ
ング軸受けでＣＦＲＰ製のケーシング１６中に収容して
フライホイールバッテリー装置を製造した。これを空気
中で７５００〜１５０００ｒｐｍ（チップ速度：１５７
〜３１４ｍ／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置
は１２ＫＶＡ−３０秒の出力を発揮し、軽量かつコンパ
クトであり、クレーンやフォークリフト等の乗り物用の
電力標準化装置として実用的に用いられた。
ＲＨ５０Ｓ−２４Ｌ」三菱レイヨン（株）製）にエポキ
シ樹脂（「＃７５０」ＳＨＥＬＬ（株）製）が３５重量
％になるようにコータで含浸し、フィラメントワインデ
ィング法で外径が２５０ｍｍの鉄製マンドレルに、樹脂
含浸した炭素繊維トウを周方向に７５ｍｍ厚さを巻き付
け、４００ｍｍ×２ｍ長の成形体を得た。なお、用いた
炭素繊維の引張弾性率は２６０Ｇｐａ、引張強度は４.
８Ｇｐａである。これを回転させながら、硬化炉で１３
０℃で３時間、加熱硬化して、室温まで冷却した後、鉄
製のマンドレルから脱芯して成形体を得た。この成形体
を２００ｍｍ間隔に輪切りにして、ＦＲＰ製のロータ本
体部１２を製造した。ハブ１４は６０６３耐食アルミニ
ウム合金製の円盤を鍛造加工してフライス盤で機械加工
して仕上げた。上記ロータ本体部１２内に、このハブ１
４を圧入して組み立て、モータ／ジェネレータを組み込
んで、動バランスを調整して、ロータ１０を製造した。
このロータのロータ本体部１２の径方向の比強度は８１
００ｍ／ｓｅｃ2であった。このロータをボールベアリ
ング軸受けでＣＦＲＰ製のケーシング１６中に収容して
フライホイールバッテリー装置を製造した。これを空気
中で７５００〜１５０００ｒｐｍ（チップ速度：１５７
〜３１４ｍ／ｓｅｃ）で作動した。このバッテリー装置
は１２ＫＶＡ−３０秒の出力を発揮し、軽量かつコンパ
クトであり、クレーンやフォークリフト等の乗り物用の
電力標準化装置として実用的に用いられた。
【００２０】
【発明の効果】本発明のロータであると、エネルギ貯蔵
能力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にす
る必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速
くしなくても十分に実用的である。その結果、ロータの
チップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗の対
策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空にして
真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気浮上
等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させない
ことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密封す
る必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流によ
る機械的損失によってロータが発熱しても、ロータを冷
却でき、その強度低下がない。また、超高回転にしない
ので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることがで
き、多くの用途に適用できる。しかも回転数が１０００
０〜１５０００ｒｐｍ以下であるので、エネルギ密度が
低く、ロータは破壊しにくく、また、繊維方向を周方向
に沿ったものとすることにより、万一システムに異常が
生じてロータが暴走しても、キャタストロピックな繊維
破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じるのでロ
ータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、特に堅
固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパクトな
フライホイールバッテリー装置とすることができる。ま
た、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が
４.８ＧＰａ以上の炭素繊維を用いることで、強度とコ
ストに優れたものとなる。本発明のフライホイールバッ
テリー装置は、ハイブリッド電気自動車や、エレベータ
やクレーン等の産業機械等のように頻繁に電力貯蔵と消
費を繰り返し、ピーク時の電力標準（ピークカット）と
エネルギ回生のあるバッテリー装置に特にに好適であ
る。
能力がきわめて高いので、その回転速度を超高回転にす
る必要が無く、チップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃよりも速
くしなくても十分に実用的である。その結果、ロータの
チップ速度が音速以下であるので衝撃波や空気抵抗の対
策の為に、ロータを格納するケーシング内を真空にして
真空中で作動する必要がない。また、高回転で磁気浮上
等の軸受けを用いた場合にも、超高回転で作動させない
ことから動力損失も小さい。また、ケーシングで密封す
る必要がないことから、熱の放熱が容易で、渦電流によ
る機械的損失によってロータが発熱しても、ロータを冷
却でき、その強度低下がない。また、超高回転にしない
ので、汎用性のある安価な軸受け等を用いることがで
き、多くの用途に適用できる。しかも回転数が１０００
０〜１５０００ｒｐｍ以下であるので、エネルギ密度が
低く、ロータは破壊しにくく、また、繊維方向を周方向
に沿ったものとすることにより、万一システムに異常が
生じてロータが暴走しても、キャタストロピックな繊維
破壊を生じることなく径方向の層間破壊を生じるのでロ
ータ本体部の飛散がなく、安全である。従って、特に堅
固なケーシングを用いる必要が無く、軽量コンパクトな
フライホイールバッテリー装置とすることができる。ま
た、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上、かつ、引張強度が
４.８ＧＰａ以上の炭素繊維を用いることで、強度とコ
ストに優れたものとなる。本発明のフライホイールバッ
テリー装置は、ハイブリッド電気自動車や、エレベータ
やクレーン等の産業機械等のように頻繁に電力貯蔵と消
費を繰り返し、ピーク時の電力標準（ピークカット）と
エネルギ回生のあるバッテリー装置に特にに好適であ
る。
【図１】 ロータの一例を示す斜視図である。
【図２】 フライホイールバッテリー装置の一例の要部
を示す斜視図である。
を示す斜視図である。
１０ ロータ １２ ロータ本体部 １４ ハブ
Claims (5)
- 【請求項１】 ロータ本体部が繊維強化プラスチックか
らなり、径方向の比強度が５０００ｍ／ｓｅｃ2以上で
あることを特徴とするロータ。 - 【請求項２】 前記繊維強化プラスチックの強化繊維
は、引張弾性率が２５０Ｇｐａ以上かつ引張強度が４.
８Ｇｐａ以上の炭素繊維であることを特徴とする請求項
１記載のロータ。 - 【請求項３】 強化繊維の繊維方向をロータの周方向と
したことを特徴とする請求項１または２記載のロータ。 - 【請求項４】 請求項１、２、３のいずれかに記載のロ
ータを具備することを特徴とするフライホイールバッテ
リー装置。 - 【請求項５】 請求項４記載のフライホイールバッテリ
ー装置を用い、ロータのチップ速度を３３０ｍ／ｓｅｃ
以下として作動することを特徴とするフライホイールバ
ッテリー装置の使用方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000186715A JP2002010533A (ja) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | 繊維強化プラスチック製ロータ並びにフライホイールバッテリー装置およびその使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000186715A JP2002010533A (ja) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | 繊維強化プラスチック製ロータ並びにフライホイールバッテリー装置およびその使用方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002010533A true JP2002010533A (ja) | 2002-01-11 |
Family
ID=18686826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000186715A Withdrawn JP2002010533A (ja) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | 繊維強化プラスチック製ロータ並びにフライホイールバッテリー装置およびその使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002010533A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014190503A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Railway Technical Research Institute | 電力貯蔵装置におけるフライホイール構造 |
| JP2016525335A (ja) * | 2013-07-19 | 2016-08-22 | ジーケーエヌ ハイブリッド パワー リミテッド | エネルギー保存用フライホイールおよびその製造方法 |
| CN111114735A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 中国科学院光电研究院 | 轻量化飞轮及其制造方法 |
-
2000
- 2000-06-21 JP JP2000186715A patent/JP2002010533A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014190503A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Railway Technical Research Institute | 電力貯蔵装置におけるフライホイール構造 |
| JP2016525335A (ja) * | 2013-07-19 | 2016-08-22 | ジーケーエヌ ハイブリッド パワー リミテッド | エネルギー保存用フライホイールおよびその製造方法 |
| CN111114735A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 中国科学院光电研究院 | 轻量化飞轮及其制造方法 |
| CN111114735B (zh) * | 2019-12-26 | 2022-01-21 | 中国科学院光电研究院 | 轻量化飞轮及其制造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070904 |