JP2017506488A - Flywheel assembly - Google Patents

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Abstract

フライホイールのための環状ロータ。ロータはトウを含み、トウは、軸の周りに巻かれて隣接するトウ巻線間にギャップを有する層を成して配置されたファイバのマトリックスを含み、軸に対する法線とトウとの間の巻き角度は３．５°未満であり、マトリックスはさらにトウの臨界欠陥サイズより小さいサイズの磁性粒子を含む。【選択図】図１Annular rotor for flywheel. The rotor includes a tow, the tow includes a matrix of fibers wound around the axis and arranged in a layer with a gap between adjacent tow windings, between the normal to the axis and the tow The winding angle is less than 3.5 ° and the matrix further includes magnetic particles of a size smaller than the critical defect size of the tow. [Selection] Figure 1

Description

本開示は、フライホイール・アセンブリに関する。本開示は、特に、フライホイール・アセンブリの回転部分の磁気特性を決定するための改良された方法およびシステムに関する。   The present disclosure relates to flywheel assemblies. The present disclosure particularly relates to an improved method and system for determining the magnetic properties of a rotating portion of a flywheel assembly.

フライホイールは良く知られている装置であり、回転質量にエネルギーを蓄積するために使用される。フライホイールに蓄積されるエネルギーの量は、その回転速度の二乗に比例する。一般的に、エネルギーは、フライホイールにトルクを加えてその回転速度を高めることによって、フライホイールに移されて蓄積される。逆に、フライホイールが負荷に対してトルクを加えることによってフライホイールからエネルギーを解放あるいは回収することができ、その結果としてフライホイールの回転速度は低下する。   A flywheel is a well-known device and is used to store energy in a rotating mass. The amount of energy stored in the flywheel is proportional to the square of its rotational speed. Generally, energy is transferred to the flywheel and stored by applying torque to the flywheel to increase its rotational speed. Conversely, the flywheel can release or recover energy from the flywheel by applying torque to the load, resulting in a decrease in the rotational speed of the flywheel.

多くの公知のフライホイール運動エネルギー蓄積アセンブリの中に、電動機または発電機として機能することのできる電気機械が含まれる。電気機械が電動機として作用するとき（すなわち、フライホイール・アセンブリが“電動機動作”または“レキュペレーティング”モードであるとき）、機械に供給された電気エネルギーは運動エネルギーに変換され、その結果として、フライホイール質量はより速く回転するようになる。電気機械が発電機として作用するとき（すなわち、フライホイール・アセンブリが“発電”または“ブースティング”モードであるとき）、フライホイール質量に蓄積されていた運動エネルギーは、電気エネルギーに変換されて電動機などのシステムに伴う他のコンポーネントに供給されることができ、その結果としてフライホイールはよりゆっくり回転するようになる。   Among many known flywheel kinetic energy storage assemblies are included electrical machines that can function as electric motors or generators. When the electric machine acts as a motor (ie when the flywheel assembly is in “motor operation” or “recuperating” mode), the electrical energy supplied to the machine is converted into kinetic energy, and as a result The flywheel mass will rotate faster. When the electrical machine acts as a generator (ie, when the flywheel assembly is in “power generation” or “boosting” mode), the kinetic energy stored in the flywheel mass is converted to electrical energy and converted to the motor. Other components associated with the system, etc., so that the flywheel rotates more slowly.

実際には、フライホイール質量が安全に回転し得る最大速度は、従って、対応するフライホイール・アセンブリが蓄積することのできるエネルギーの量は、少なくとも部分的にフライホイール・アセンブリの機械的強度および歪性能（ｓｔｒａｉｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ）に依存する。例えば、１つの重要なファクタは、高い回転速度で経験される機械的応力に応じてのその挙動である。   In practice, the maximum speed at which a flywheel mass can safely rotate, and therefore the amount of energy that the corresponding flywheel assembly can store, is at least partially determined by the mechanical strength and strain of the flywheel assembly. Depends on strain capabilities. For example, one important factor is its behavior in response to mechanical stress experienced at high rotational speeds.

フライホイール・アセンブリが電気機械を含むとき、フライホイール質量がどれほどの高速で回転し得るかに関する他の１つのファクタは、電気機械を制御し得る仕方である。或る範囲のフライホイール回転速度で働く、信頼し得る有効な制御方式を実行することが望ましい。例えば熱放散に起因するロスなどのロスをなるべく回避および／または低減することも望ましい。さらに、フライホイール・アセンブリが故障あるいは破損を経験した場合に安全であることを含めて、フライホイール・アセンブリがなるべく安全であることが重要である。   When the flywheel assembly includes an electric machine, one other factor regarding how fast the flywheel mass can rotate is how the electric machine can be controlled. It is desirable to implement a reliable and effective control scheme that works over a range of flywheel rotational speeds. It is also desirable to avoid and / or reduce losses such as losses due to heat dissipation as much as possible. In addition, it is important that the flywheel assembly be as safe as possible, including being safe if the flywheel assembly experiences a failure or breakage.

公知の方法によれば、フライホイール・アセンブリの回転部分を制御する仕方は、フライホイール・アセンブリの物理的コンポーネントを構築する仕方に著しい影響を及ぼし得る。例えば、電気機械の１つまたは複数の磁性回転部分は、電気パルスを正弦波などの特定のパターンでフライホイール・アセンブリに加えるための準備として、それらの磁気特性を決定するために特定の仕方で成形されることができる。   According to known methods, the way in which the rotating part of the flywheel assembly is controlled can have a significant impact on the way the physical components of the flywheel assembly are constructed. For example, one or more magnetic rotating portions of an electric machine may be used in a particular way to determine their magnetic properties in preparation for applying electrical pulses to a flywheel assembly in a particular pattern, such as a sine wave. Can be molded.

２０１３年７月１９日に出願された英国特許出願第１３１２９２４．２号および２０１３年７月１９日に出願された英国特許出願第１３１２９２７．５号の全体がこれにより参照により組み込まれる。   UK patent application 131294.2 filed on July 19, 2013 and UK patent application 1312927.5 filed on July 19, 2013 are hereby incorporated by reference in their entirety.

１つの発明が請求項において提示される。   One invention is presented in the claims.

１つの態様に従って、請求項１において定義される、フライホイールのための環状ロータが提供される。従って、フライホイールのための環状ロータが提供され、ロータはトウを含み、トウは、軸の周りに巻かれて隣接するトウ巻線間にギャップを有する層を成して配置されたファイバのマトリックスを含み、軸に対する法線とトウとの間の巻き角度は３．５°未満であり、マトリックスはさらにトウの臨界欠陥サイズより小さいサイズの磁性粒子を含む。   According to one aspect, an annular rotor for a flywheel as defined in claim 1 is provided. Accordingly, an annular rotor for a flywheel is provided, the rotor comprising a tow, the tow being wound around an axis and arranged in a layer with a gap between adjacent tow windings The angle between the normal to the axis and the tow is less than 3.5 ° and the matrix further comprises magnetic particles of a size smaller than the critical defect size of the tow.

任意に、巻き角度は１．５°未満である。   Optionally, the winding angle is less than 1.5 °.

任意に、巻き角度は０．６°未満である。   Optionally, the winding angle is less than 0.6 °.

任意に、巻き角度は０．３°より大きい。   Optionally, the winding angle is greater than 0.3 °.

任意に、磁性粒子は非球形の形状である。   Optionally, the magnetic particles are non-spherical.

任意に、磁性粒子は実質的に線状である。   Optionally, the magnetic particles are substantially linear.

任意に、磁性粒子の長さは５００μｍ未満である。   Optionally, the length of the magnetic particles is less than 500 μm.

任意に、磁性粒子の長さは１０μｍより大きい。   Optionally, the length of the magnetic particles is greater than 10 μm.

任意に、磁性粒子の密度は、軸からの距離が大きくなるに連れて小さくなる。   Optionally, the density of the magnetic particles decreases as the distance from the axis increases.

任意に、磁性粒子は、急冷粉砕された（ｑｕｅｎｃｈ ｍｉｌｌｅｄ）ＮｄＦｅＢを含む。   Optionally, the magnetic particles comprise quench milled NdFeB.

任意に、トウは一方向性ファイバを含む。   Optionally, the tow includes a unidirectional fiber.

任意に、７０μｍ未満の最長寸法の磁性粒子が、一致するトウ間のギャップ内に配置される、環状ロータ。   Optionally, an annular rotor in which the longest dimension magnetic particles of less than 70 μm are placed in the gap between matching tows.

任意に、ロータは磁化される。   Optionally, the rotor is magnetized.

任意に、環状ロータは南北極対を含む。   Optionally, the annular rotor includes a north and south pole pair.

任意に、南北極対は交互の南北極対であり、対の各極は環状ロータの周りの円弧を占める。   Optionally, the north-south pole pairs are alternating north-south pole pairs, and each pole of the pair occupies an arc around the annular rotor.

任意に、環状ロータは１２の南北極対を含む。   Optionally, the annular rotor includes 12 north and south pole pairs.

任意に、極対は、磁束の大部分を環状ロータの軸の方へ向けるように配置される。   Optionally, the pole pairs are arranged to direct the majority of the magnetic flux towards the axis of the annular rotor.

任意に、環状ロータは内側部分であり、同じ軸の周りに巻かれたファイバのマトリックスを含む外側部分をさらに含み、外側部分は内側部分より大きい直径を有し、軸に対する法線と外側部分のトウとの間の巻き角度は１°以下である。   Optionally, the annular rotor is an inner portion and further includes an outer portion that includes a matrix of fibers wound around the same axis, the outer portion having a larger diameter than the inner portion, the normal to the axis and the outer portion of the outer portion. The winding angle with the tow is 1 ° or less.

任意に、内側部分の各北極と整列する外側部分のエリアは黒色または白色に塗られ、内側部分の各南極と整列する外側部分のエリアはそれぞれ黒色または白色のうちの他方に塗られる。   Optionally, the area of the outer portion that aligns with each north pole of the inner portion is painted black or white, and the area of the outer portion that aligns with each south pole of the inner portion is painted on the other of black or white, respectively.

任意に、ロータは真空内に収容される。   Optionally, the rotor is housed in a vacuum.

任意に、ロータはフライホイールのロータである。   Optionally, the rotor is a flywheel rotor.

第２の態様に従って、請求項２２において定義されているフライホイールのための環状ロータを提供する方法が提供される。従って、ファイバのマトリックスを含むトウを軸の周りに巻くことを含むフライホイールのための環状ロータを提供する方法が提供され、トウは隣接するトウ巻線間にギャップを有する層を成して配置され、軸に対する法線とトウとの間の巻き角度は３．５°未満であり、さらにトウの臨界欠陥サイズより小さいサイズの磁性粒子をマトリックスの中に供給することを含む。   According to a second aspect, a method for providing an annular rotor for a flywheel as defined in claim 22 is provided. Accordingly, a method is provided for providing an annular rotor for a flywheel that includes winding a tow including a matrix of fibers about an axis, the tows being arranged in a layer with a gap between adjacent tow windings. And the wrap angle between the normal to the axis and the tow is less than 3.5 ° and further includes providing magnetic particles of a size smaller than the critical defect size of the tow into the matrix.

任意に、巻き角度は１．５°未満である方法。   Optionally, the winding angle is less than 1.5 °.

任意に、巻き角度は０．６°未満である方法。   Optionally, the winding angle is less than 0.6 °.

任意に、巻き角度は０．３°より大きい方法。   Optionally, the winding angle is greater than 0.3 °.

任意に、磁性粒子は非球形の形状である方法。   Optionally, the magnetic particles are non-spherical.

任意に、磁性粒子は実質的に線状である方法。   Optionally, the method wherein the magnetic particles are substantially linear.

任意に、磁性粒子の長さは５００μｍ未満である方法。   Optionally, the method wherein the length of the magnetic particles is less than 500 μm.

任意に、磁性粒子の長さは１０μｍより大きい方法。   Optionally, the length of the magnetic particles is greater than 10 μm.

任意に、磁性粒子の密度は、軸からの距離が大きくなるに連れて小さくなる方法。   Optionally, the density of the magnetic particles decreases as the distance from the axis increases.

任意に、磁性粒子は、急冷粉砕されたＮｄＦｅＢを含む方法。   Optionally, the magnetic particles comprise quenched and ground NdFeB.

任意に、トウは一方向性ファイバを含む方法。   Optionally, the tow includes a unidirectional fiber.

任意に、磁性粒子は個々のトウ層の表面上で巻線の方向に平らに横たわるようにされる方法。   Optionally, the magnetic particles are made to lie flat in the direction of the winding on the surface of the individual tow layer.

任意に、環状ロータを巻くとき７０μｍ未満のサイズの粒子が、一致するトウ間のギャップに集まるようにされる方法。   Optionally, a method in which particles of a size of less than 70 μm are collected in a gap between matching tows when winding an annular rotor.

任意に、トウを巻いた後、環状ロータを磁化するために環状ロータに磁束を与えるステップが実行される方法。   Optionally, after winding the tow, applying a magnetic flux to the annular rotor to magnetize the annular rotor is performed.

任意に、ロータが南北極対を含む方法。   Optionally, the method wherein the rotor includes a north-south pole pair.

任意に、磁化されたロータは交互の南北極対を含み、対の各極は環状ロータの周りの円弧を占める方法。   Optionally, the magnetized rotor includes alternating north-south pole pairs, and each pole of the pair occupies an arc around the annular rotor.

任意に、ロータは１２の南北極対を含む方法。   Optionally, the rotor includes 12 north and south pole pairs.

極対は、磁束の大部分を環状ロータの軸の方へ向けるように配置される方法。   A method in which the pole pairs are arranged to direct the majority of the magnetic flux towards the axis of the annular rotor.

任意に、環状ロータは内側部分であり、同じ軸の周りに巻かれたファイバのマトリックスを含む外側部分を巻くことをさらに含み、外側部分は内側部分より大きい直径を有する方法であって、軸に対する法線と外側部分のトウとの間の巻き角度は１°以下である方法。   Optionally, the annular rotor is an inner portion, further comprising winding an outer portion comprising a matrix of fibers wound around the same axis, the outer portion having a larger diameter than the inner portion, the The winding angle between the normal and the toe of the outer part is 1 ° or less.

任意に、内側部分の各北極と整列する外側部分のエリアを黒色または白色に塗ることと、内側部分の各南極と整列する外側部分のエリアを黒色または白色のうちの他方に塗ることとをさらに含む方法。   Optionally, paint the area of the outer part aligned with each north pole of the inner part in black or white, and paint the area of the outer part aligned with each south pole of the inner part on the other of black or white Including methods.

次に、添付図面に関して実例として実施態様が説明されるであろう。   Embodiments will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.

フライホイール・アセンブリの横断面側面図である。FIG. 3 is a cross-sectional side view of a flywheel assembly. 磁性グラスファイバ複合ロータを巻くための装置の側面図である。It is a side view of the apparatus for winding a magnetic glass fiber composite rotor. フライホイール・アセンブリの内側環がその上に配置されている磁性デバイスの（部分の）透視図である。FIG. 6 is a (partial) perspective view of a magnetic device with an inner ring of a flywheel assembly disposed thereon. フライホイール・アセンブリの内側環がその上に配置されている磁性デバイスの平面図である。FIG. 5 is a plan view of a magnetic device with an inner ring of a flywheel assembly disposed thereon. 導電性ワイヤに包まれた、図３の磁性デバイスの外面の部分を形成する金属棒（歯）の透視図である。FIG. 4 is a perspective view of a metal bar (teeth) forming part of the outer surface of the magnetic device of FIG. 3 wrapped in a conductive wire. 図４ａに示されたタイプの３つの（歯）棒の平面図である。4b is a plan view of three (tooth) bars of the type shown in FIG. 4a. FIG. 磁化後の、フライホイール・アセンブリの内側環の横断面側面図である。FIG. 6 is a cross-sectional side view of the inner ring of the flywheel assembly after magnetization. 磁化後の、フライホイール・アセンブリの内側環に形成された磁束線の横断面側面図である。FIG. 4 is a cross-sectional side view of the magnetic flux lines formed in the inner ring of the flywheel assembly after magnetization. 対応する磁束線および電界線を伴う組み立て後のロータおよびステータを示す。Fig. 4 shows the assembled rotor and stator with corresponding magnetic flux lines and electric field lines. フライホイール・アセンブリの内側環を形成するトウ巻線の層の拡大部分横断面図を示す。FIG. 4 shows an enlarged partial cross-sectional view of the layers of tow windings forming the inner ring of the flywheel assembly. フライホイール・アセンブリの外側ロータを形成するトウ巻線の層の拡大部分横断面図を示す。FIG. 6 shows an enlarged partial cross-sectional view of the layers of tow windings forming the outer rotor of the flywheel assembly. 急冷粉砕されたＮｄＦｅＢ（磁性粒子材料）の分布曲線を示す。The distribution curve of rapidly pulverized NdFeB (magnetic particle material) is shown. トウを巻いた後の磁性粒子位置決めとドクターブレードの作用とを示す。The magnetic particle positioning after winding the tow and the action of the doctor blade are shown.

図の全体において、類似の構成要素は類似の参照数字で示される。   Throughout the figures, similar components are indicated with similar reference numerals.

概観
概観して、外側部分および内側部分を含むフライホイール・アセンブリが開示される。フライホイールは、強さの望ましい特性と、疲労が生じた場合に制御される故障と、永久磁化された内側部分の磁界を適合させる能力とを示す。磁化された内側部分は、回転時に渦電流に起因する熱の蓄積を防止するように配置される磁性粒子を含むのが有利である。これは、熱放散があまり重要でないので、効率を良くするために真空内での回転を可能にするとともに、フライホイール・システムにおいてエネルギーを蓄積し回収するためのより簡単な制御方式を可能にする。 In overview, a flywheel assembly including an outer portion and an inner portion is disclosed. The flywheel exhibits desirable properties of strength, failure to be controlled when fatigue occurs, and the ability to adapt the magnetic field of the permanently magnetized inner portion. The magnetized inner part advantageously comprises magnetic particles arranged to prevent the accumulation of heat due to eddy currents during rotation. This allows rotation in a vacuum for better efficiency, as heat dissipation is less important, and allows a simpler control scheme to store and recover energy in a flywheel system .

詳細な説明
図１はフライホイール・アセンブリ１０を示す。このアセンブリは同時係属中の英国特許出願第１３１２９２７．５号に示され記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれるので、フライホイール・アセンブリ１０は以下で割合に手短に記載される。 DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 shows a flywheel assembly 10. This assembly is shown and described in co-pending British Patent Application No. 1312927.5, which is hereby incorporated by reference in its entirety, so that flywheel assembly 10 is described briefly below. The

フライホイール・アセンブリ１０は、環状外側ロータ１２と内側環状ロータまたは“内側環”１４とを有するロータ・アセンブリ１２、１４を含む。１つの実施態様では、外側ロータ１２は、樹脂材料のマトリックス内の炭素繊維の一方向性フィラメントを含む複合材料から形成される。当業者に認識されるであろうように、外側ロータ１２および内側環１４は、エネルギー蓄積のための回転するフライホイール質量として作用する。内側環１４は、特に磁性粒子を用いて形成され、以下で詳しく記載されるように、永久的に磁化され得る。１つの実施態様では、内側環１４は、樹脂と磁性粒子との混合物から形成されるマトリックス内のガラス繊維の一方向性フィラメントから形成される。   The flywheel assembly 10 includes a rotor assembly 12, 14 having an annular outer rotor 12 and an inner annular rotor or “inner ring” 14. In one embodiment, the outer rotor 12 is formed from a composite material comprising unidirectional filaments of carbon fibers in a matrix of resin material. As will be appreciated by those skilled in the art, the outer rotor 12 and inner ring 14 act as a rotating flywheel mass for energy storage. Inner ring 14 is formed in particular using magnetic particles and can be permanently magnetized, as described in detail below. In one embodiment, the inner ring 14 is formed from unidirectional filaments of glass fibers in a matrix formed from a mixture of resin and magnetic particles.

ロータ・アセンブリ１２、１４は、ハブまたはエンドキャップ（ｅｎｄ ｃａｐ）１６の形のロータ・サポートにより支えられる。ガラスを含むことのできるリング１８がエンドキャップ１６とロータ・アセンブリ１２、１４との間に設けられている。リング１８は、エンドキャップ１６の外側縁が外側ロータ１２の中に入り込むのを止めるように配置され得る。図１の実施態様のエンドキャップ１６は一般的に円錐状である。その外周はリング１８を支え、リング１８は外側ロータ１２の円筒状内面に取り付けられている。エンドキャップ１６は中央円形開口部２０を有し、これにシャフト２２を挿入することができる。動作時、フライホイール・アセンブリ１０の回転部分は、シャフト２２により画定される中央縦軸２４の周りに回転する。   The rotor assemblies 12, 14 are supported by a rotor support in the form of a hub or end cap 16. A ring 18, which can include glass, is provided between the end cap 16 and the rotor assemblies 12, 14. The ring 18 may be arranged to stop the outer edge of the end cap 16 from entering the outer rotor 12. The end cap 16 of the embodiment of FIG. 1 is generally conical. The outer periphery supports the ring 18, and the ring 18 is attached to the cylindrical inner surface of the outer rotor 12. The end cap 16 has a central circular opening 20 into which the shaft 22 can be inserted. In operation, the rotating portion of flywheel assembly 10 rotates about a central longitudinal axis 24 defined by shaft 22.

１つの実施態様では、リング１８、エンドキャップ１６および外側ロータ１２のうちの幾つかまたは全部は歪整合される（ｓｔｒａｉｎ ｍａｔｃｈｅｄ）。結果として、フライホイール・アセンブリ１０のこれらのコンポーネントは、大きな回転負荷の下で実質的に一様な変形を示し、これにより、回転中にフライホイールが不意に故障する危険が減少する。   In one embodiment, some or all of the ring 18, end cap 16 and outer rotor 12 are strain matched. As a result, these components of the flywheel assembly 10 exhibit a substantially uniform deformation under a large rotational load, thereby reducing the risk of the flywheel failing unexpectedly during rotation.

内側環１４の円筒状内面の各端部に面取り部が画定される。面取り部は、高速回転時にエッジが割れるのを避けるために縦軸２４に関して少なくとも２０度、より好ましくは２０〜６０度、さらに好ましくは５０〜５５度の角度を画定するのが好ましい。   A chamfer is defined at each end of the cylindrical inner surface of the inner ring 14. The chamfer preferably defines an angle of at least 20 degrees, more preferably 20-60 degrees, and even more preferably 50-55 degrees with respect to the longitudinal axis 24 to avoid breaking the edges during high speed rotation.

フライホイール・アセンブリ１０のコンポーネント同士は、任意の適切な仕方で機械的に結合され得る。図１に示されている特定の実施態様では、シャフト２２は円周方向に延びるフランジ２１を含む。エンドキャップ１６は、シャフト２２に螺合されたクランプナット２６によりフランジ２１に当接して保持される。フレッチング防止シム２８がクランプナット２６とエンドキャップ１６との間に設けられる。シャフト２２は、ベアリングの対３０、３２によってフライホイール・アセンブリ１０の縦軸２４の周りに回転するように支持される。ベアリング３０、３２は、フライホイール・アセンブリのためのコンテインメント（図示されていない）によって支持される。ロータ・アセンブリ１２、１４は、コンテインメントにより担持されているステータ３４の周りに回転することができる。   The components of the flywheel assembly 10 can be mechanically coupled in any suitable manner. In the particular embodiment shown in FIG. 1, the shaft 22 includes a circumferentially extending flange 21. The end cap 16 is held in contact with the flange 21 by a clamp nut 26 screwed onto the shaft 22. An anti-fretting shim 28 is provided between the clamp nut 26 and the end cap 16. The shaft 22 is supported for rotation about the longitudinal axis 24 of the flywheel assembly 10 by a pair of bearings 30, 32. The bearings 30, 32 are supported by a containment (not shown) for the flywheel assembly. The rotor assemblies 12, 14 can rotate about a stator 34 carried by the containment.

コンテインメントは、真空４３を含む空洞を含む。ロータ・アセンブリ１２、１４は、空洞の中に収容され、従って真空４３中で回転する。ステータ３４は、冷却特性を提供し得るオイルまたは他の物質で満たされることのできる追加の空洞４５の中に収容されている。ステータ３４が中に収容されている空洞４５を含まない。なぜならば、真空では、作動時に関係する高電圧に起因するパッシェン放電（Ｐａｓｃｈｅｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）によりステータがダメージを被る可能性があり、それは関連する絶縁材（図示されていない）の劣化につながることがあるからである。   The containment includes a cavity containing a vacuum 43. The rotor assemblies 12, 14 are housed in cavities and thus rotate in the vacuum 43. The stator 34 is housed in an additional cavity 45 that can be filled with oil or other material that can provide cooling properties. The stator 34 does not include a cavity 45 accommodated therein. This is because in vacuum, the stator can be damaged by Paschen discharge due to high voltages involved during operation, which can lead to degradation of the associated insulation (not shown). Because.

ステータ３４は１つ以上のコイル（図示されていない）を含み、それに電動機動作時に電流パルスが加えられ得る。ステータの１つまたは複数のコイルに電流を加えるとそれらは活性化され、ステータ極片に磁束または磁力を生じさせ、これにより内側環１４の磁化された極片を退け、これは、ロータ・アセンブリ１２、１４にトルクを与えるという効果を有する。これにより、回転エネルギーがロータ・アセンブリ１２、１４に蓄積される。逆に、運動する磁化されている内側環１４は、ステータの１つまたは複数のコイルに電流を誘導し、これによりロータ・アセンブリ１２、１４からステータ３４にエネルギーを移すように、制御され得る。要約すると、電動機動作時には、ステータ・コイルに回転磁界を生成して永久磁石内側環１４を電磁的に駆動することによってロータにエネルギーを移すことができる。発電時には、内側環１４の回転磁界がステータのコイルに電流を誘導し、それは、他のシステム、例えば電動機、に給電するために使用され得る。   The stator 34 includes one or more coils (not shown) to which current pulses can be applied during motor operation. Applying current to one or more coils of the stator activates them, creating a magnetic flux or magnetic force in the stator pole pieces, thereby retreating the magnetized pole pieces of the inner ring 14, which is the rotor assembly. 12 and 14 have the effect of giving torque. Thereby, rotational energy is stored in the rotor assemblies 12, 14. Conversely, the moving magnetized inner ring 14 may be controlled to induce current in one or more coils of the stator, thereby transferring energy from the rotor assemblies 12, 14 to the stator 34. In summary, during motor operation, energy can be transferred to the rotor by generating a rotating magnetic field in the stator coil to electromagnetically drive the permanent magnet inner ring 14. During power generation, the rotating magnetic field of the inner ring 14 induces current in the stator coils, which can be used to power other systems, such as electric motors.

フライホイール・アセンブリ１０は、任意の適切な仕方で構築されることができる。１つの実施態様では、外側ロータ１２、内側環１４、エンドキャップ１６およびリング１８は、互いにプレスフィットされる。組立の容易性を高めるために、プレスフィットされるコンポーネントのうちの幾つかまたは全てに樹脂コーティングなどの潤滑剤を塗ることができる。これの１つの例が同時係属中の英国特許出願第１３１２９２７．５号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。１つの実施態様では、樹脂は、後に硬化されてコンポーネント間にボンドを形成する。   The flywheel assembly 10 can be constructed in any suitable manner. In one embodiment, the outer rotor 12, inner ring 14, end cap 16 and ring 18 are press fit to each other. To increase ease of assembly, some or all of the press-fit components can be lubricated with a resin coating or the like. One example of this is described in co-pending British Patent Application No. 1312927.5, which is hereby incorporated by reference in its entirety. In one embodiment, the resin is subsequently cured to form a bond between the components.

外側ロータ１２は、ローラまたはマンドレルの周りにトウ（ｔｏｗ）を巻き、トウの層を構築して、環状またはディスク形の巻かれた層状複合体を形成することによって、少なくとも部分的に、製造されることができる。例えば、外側ロータ１２を形成するために使用されるトウは、炭素複合体を含むことができる。これの１つの例が同時係属中の英国特許出願第１３１２９２４．２号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、従って、外側ロータ１２の製造については本明細書ではこれ以上記載されない。   The outer rotor 12 is manufactured at least in part by winding a tow around a roller or mandrel and constructing a layer of tow to form an annular or disk-shaped wound layered composite. Can. For example, the tow used to form the outer rotor 12 can include a carbon composite. One example of this is described in co-pending UK patent application 131294.2, which is incorporated herein by reference in its entirety, and therefore the manufacture of outer rotor 12 is hereby described. Not described above.

図２は、１つの実施態様に従う、フライホイール・アセンブリ１０の内側環１４のＭＬＣ（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｌｏａｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（磁性体装荷複合体））を巻くための装置を示す。ガラス繊維の一方向性フィラメントから成るトウ３６は、供給ドラム、ホイールまたはボックス３８から引き出される。繊維は、代わりに、炭素繊維、Ｅガラス繊維、Ｓガラス繊維、玄武岩繊維または窒化ホウ素繊維を含むことができる。トウ３６は、前もって樹脂で含浸されてもよいし含浸されなくてもよい。トウ３６は、固定軸の周りに回転するローラ４０を越えて引かれ、次に、ガラス繊維のトウを案内しかつ張力を付与するスプリング付きのまたは負荷調整可能なローラ４２のセットの周りを引かれる。   FIG. 2 illustrates an apparatus for winding an MLC (magnetically loaded composite) of an inner ring 14 of a flywheel assembly 10 according to one embodiment. A tow 36 consisting of unidirectional filaments of glass fiber is withdrawn from a supply drum, wheel or box 38. The fibers can instead include carbon fibers, E glass fibers, S glass fibers, basalt fibers, or boron nitride fibers. The tow 36 may or may not be impregnated with resin in advance. The tow 36 is pulled over a roller 40 that rotates about a fixed axis and then pulled around a set of spring-loaded or load-adjustable rollers 42 that guide and tension the fiberglass tow. It is burned.

トウ３６は、さらなるローラ４６上のトウ３６の位置を調整するためにトウ３６に対して横方向に移動可能な１対の案内ローラ４４の間を通る。次にトウ３６は、内側環１４を形成するために回転するマンドレル４８上に引かれる。トウ３６は、ローリング・プロセスの前に、間にまたは後に、任意の適切な物質でコーティングされることができる。図２に示されている実施態様では、トウ３６がマンドレル４８の外面と接触する箇所より前で、樹脂および磁性粒子の混合物４９がパイプ又はダクト５０を介して回転するマンドレル４８の表面の方へ供給される。ドクターブレード５２は、均一な厚さの樹脂および磁性粒子がマンドレル４８の表面上に分布して、乾いているトウ３６がそれらに包埋されて余分の樹脂を吸収し、トウ３６が十分に濡れることを保証する。１つの実施態様では、今は磁性粒子が装荷されている複合材料中にボイドまたは気泡が生じることなく乾いたガラス繊維トウ３６が樹脂で十分に濡れるように十分な余剰樹脂をマンドレル４８の表面に供給するべきである。内側環１４内の磁性粒子の目的、構成および磁化については、以下でさらに論じられる。   Tow 36 passes between a pair of guide rollers 44 that are movable laterally relative to tow 36 to adjust the position of tow 36 on further roller 46. The tow 36 is then pulled over a rotating mandrel 48 to form the inner ring 14. The tow 36 can be coated with any suitable material before, during or after the rolling process. In the embodiment shown in FIG. 2, before the point where the tow 36 contacts the outer surface of the mandrel 48, toward the surface of the mandrel 48 where the mixture 49 of resin and magnetic particles rotates through a pipe or duct 50. Supplied. In the doctor blade 52, resin and magnetic particles having a uniform thickness are distributed on the surface of the mandrel 48, and the dry tow 36 is embedded in them to absorb excess resin, and the tow 36 is sufficiently wetted. Guarantee that. In one embodiment, sufficient surplus resin is applied to the surface of the mandrel 48 so that the dry glass fiber tow 36 is sufficiently wetted by the resin without voids or bubbles in the composite material now loaded with magnetic particles. Should be supplied. The purpose, configuration and magnetization of the magnetic particles in the inner ring 14 will be discussed further below.

内側環１４の構築中、連続する各層においてマンドレル４８の一方の側から他方の側まで望ましい巻き角度で層が１層ずつ敷かれるようにトウ３６が均一にかつ精密に巻かれることを保証するために案内ローラ４４の横方向運動をマンドレル４８の回転と同期させることができる。内側環１４（および、別に、外側ロータ１２）を巻いている間、各層の外縁で巻き角度を逆にして次の層を巻き始めることができる。   During construction of the inner annulus 14, to ensure that the tows 36 are uniformly and precisely wound so that each successive layer is laid one layer at a desired winding angle from one side of the mandrel 48 to the other. In addition, the lateral movement of the guide roller 44 can be synchronized with the rotation of the mandrel 48. While winding the inner ring 14 (and, alternatively, the outer rotor 12), the next layer can begin to wind with the winding angle reversed at the outer edge of each layer.

１つの実施態様では、内側環１４の層を形成するために、トウ３６を巻いている間、マンドレル４８は一定の角速度で回転させられる。当業者が認識するであろうように、内側環１４の層が構築されるにつれて、内側環１４の外周は大きくなる。従って、内側環の外周の線（または接線）速度は、時間の経過に連れて大きくなってゆく。ダクト５０が樹脂および磁性粒子の混合物４９を実質的に一定の速度でかつ磁性粒子を混合物４９内に実質的に均一に分布させて供給すれば、内側環１４内の磁性粒子の密度は内側環１４の外側に向かって減少してゆく。ここで、この、内側環１４の半径の増大に伴う磁性粒子密度の低下は、以下でさらに論じられるように、フライホイール・アセンブリ１０の磁気特性および動作のために有益な効果を有することができる。   In one embodiment, mandrel 48 is rotated at a constant angular velocity while winding tow 36 to form a layer of inner ring 14. As one skilled in the art will appreciate, as the inner ring 14 layer is constructed, the outer circumference of the inner ring 14 increases. Therefore, the linear (or tangential) speed of the outer circumference of the inner ring increases with time. If the duct 50 feeds the mixture 49 of resin and magnetic particles at a substantially constant rate and the magnetic particles are distributed substantially uniformly in the mixture 49, the density of the magnetic particles in the inner ring 14 is increased. It decreases toward the outside of 14. Here, this decrease in magnetic particle density with increasing radius of the inner ring 14 can have beneficial effects for the magnetic properties and operation of the flywheel assembly 10, as discussed further below. .

ローラと樹脂付加コンポーネントとの特定の構成が図２に示され、上記で説明されているけれども、それが適用されることになる用途に合うように調整され得る磁性粒子を含む巻かれた内側環を形成するために他の構成が使用され得るということが認識されるであろう。さらに、内側環１４は、任意の適切な仕方で硬化後にマンドレル４８から取り外されることができる。   Although a specific configuration of the roller and resin addition component is shown in FIG. 2 and described above, a rolled inner ring containing magnetic particles that can be tailored to the application for which it will be applied It will be appreciated that other configurations can be used to form. Further, the inner ring 14 can be removed from the mandrel 48 after curing in any suitable manner.

樹脂および磁性粒子の混合物４９は、内側環１４を形成するために所望の数のトウ３６層が巻かれたならば、硬化させられることができる。その硬化は、例えば、オートクレーブを用いて実行されることができる。しかし、使用される樹脂と関連する所要のガラス遷移温度を達成するために、当業者に理解されるであろうように、硬化は任意の適切な仕方で行われ得るので、本明細書ではこれ以上記述されないであろう。   The resin and magnetic particle mixture 49 can be cured once the desired number of tow 36 layers have been wound to form the inner ring 14. The curing can be performed using, for example, an autoclave. However, as will be understood by those skilled in the art to achieve the required glass transition temperature associated with the resin used, the curing can be performed in any suitable manner, and is described herein. It will not be described above.

ここで、内側環１４などのフライホイール・アセンブリのコンポーネントを形成するために複合材料のトウを巻くことは、これらのコンポーネントの良好な機械的強度を保証するために有益であることが認識されている。さらに、ここで、内側環１４の磁気特性の幾つかまたは全部を、その物理的構造を決定し形成することとは関係なく、決定し得るということが認識されている。従って、本明細書に記載された改良された方法およびシステムでは、内側環１４を物理的に構築している間、フライホイール・アセンブリ１０の動作中に内側環１４が示すべき所望の磁気特性は、ほとんど無視されることができ、あるいは少なくとも決定的でなくてもよい。代わりに、製造者は、物理的製造プロセス中、内側環１４の構造強さ、または他の所望の物理的特性、に焦点を当てることができる。以下でより詳しく記述されるように、内側環１４の磁気特性は、例えば構造の磁化するべき部分を選択し、それによって内側環の磁界を成形することによって、爾後に決定されることができる。１つの実施態様では、内側環１４が物理的に形成され硬化させられた後の、磁界のこの成形は、それの構造強さを損なわない。   It has now been recognized that wrapping composite tows to form flywheel assembly components such as inner ring 14 is beneficial to ensure good mechanical strength of these components. Yes. Furthermore, it is recognized herein that some or all of the magnetic properties of the inner ring 14 can be determined independently of determining and forming its physical structure. Thus, in the improved method and system described herein, the desired magnetic properties that the inner ring 14 should exhibit during operation of the flywheel assembly 10 during physical construction of the inner ring 14 are , Can be almost ignored, or at least not critical. Instead, the manufacturer can focus on the structural strength of the inner ring 14, or other desired physical properties, during the physical manufacturing process. As described in more detail below, the magnetic properties of the inner ring 14 can be determined after a while, for example by selecting the portion of the structure to be magnetized and thereby shaping the magnetic field of the inner ring. In one embodiment, this shaping of the magnetic field after the inner ring 14 is physically formed and cured does not compromise its structural strength.

内側環１４は、トウを巻くことから形成され、従って、製造後に適切なサイズに切断される、より大きな構成体から形成されるのではなくて、所望のサイズおよび形状に構築されるので、内側環１４を切断する必要はない。さらに、その磁気特性を決定するために内側環１４を切断する必要も全くない（以下でさらに論じられる）。通例、フライホイール・アセンブリ１０の破損歪はおよそ１．３％であり、これは、標準磁性材料ピースが複合材料に包まれる、破損歪が通例およそ０．３％である非ＭＬＣフライホイール・アセンブリより勝っている。その理由は、公知の非ＭＬＣ電磁フライホイール・エネルギー蓄積システムでは、個々の永久磁石が互いに接着または固定されて磁性ロータを形成することにある。ロータの中のそのような磁石の構造接続は、理解されるであろうように回転と共に磁束が変化するので、渦電流を誘導する原因となる。これらの渦電流は、動作時により猛烈な熱プロフィールにさらされることを通じて熱の蓄積と、繰り返し使用の頻度の減少、短い寿命などの他の関連する不利な効果とを生じさせる（後にさらに論じられる）。本ＭＬＣロータでは、環の磁性粒子は非常に小さいので、個々の微小な磁石は多層複合体により互いから絶縁され、従って渦電流は生じない。これは、非ＭＬＣシステムの加熱効果を無くするという利益を有する。   The inner ring 14 is formed from wrapping the tow and is therefore not built from a larger construct that is cut to the appropriate size after manufacture, but is constructed to the desired size and shape so that the inner ring 14 There is no need to break ring 14. Furthermore, there is no need to break the inner ring 14 to determine its magnetic properties (discussed further below). Typically, the failure strain of the flywheel assembly 10 is approximately 1.3%, which is a non-MLC flywheel assembly in which a standard magnetic material piece is encased in a composite material and the failure strain is typically approximately 0.3%. It is better. The reason is that in known non-MLC electromagnetic flywheel energy storage systems, the individual permanent magnets are bonded or secured together to form a magnetic rotor. The structural connection of such magnets in the rotor is responsible for inducing eddy currents as the magnetic flux changes with rotation as will be appreciated. These eddy currents cause heat accumulation through exposure to more severe thermal profiles during operation, and other related adverse effects such as reduced frequency of repeated use, shorter lifetimes (discussed further below) ). In the present MLC rotor, the magnetic particles in the ring are so small that the individual micro magnets are insulated from each other by the multilayer composite and thus no eddy currents are generated. This has the benefit of eliminating the heating effect of non-MLC systems.

物理的に形成されてセット（これは硬化ステップを含むことができる）された後、内側環１４は磁化されることができる。１つの実施態様では、磁性粒子が集合することおよび／またはその物理特性の他のあり得る変化を避けるために、内側環１４は、適切にセットされる前は磁化されない。１つの実施態様に従う、内側環１４の磁気特性を制御し決定する仕方が次により詳しく記述されるであろう。   After being physically formed and set (which can include a curing step), the inner ring 14 can be magnetized. In one embodiment, the inner ring 14 is not magnetized before it is properly set to avoid aggregation of magnetic particles and / or other possible changes in its physical properties. How to control and determine the magnetic properties of the inner ring 14 according to one embodiment will be described in more detail below.

図３Ａは、内側環１４に特定の磁気特性を付与するために使用され得る磁化装置５４の透視図を示す。以下でさらに論じられるとともに図３Ｂに平面図で示されてもいるように、磁化装置５４は中心軸５６を含み、その周りに、構築された内側環１４を配置することができる。磁化装置５４は、好ましくは積層軟鉄またはスチールから構成された複数の極片（歯）５８をさらに含む。極片５８は、実質的に規則的な構成体を成すように配置され、これにより中心軸５６を画定することができる。各極片５８は横断面が実質的に矩形であり、その最長の軸は、中心軸５６を通って延びる縦軸に実質的に平行に延びる。片５８は磁束を集中させるようにテーパを付けられ、スチールまたは鉄は磁束の導体として作用して、磁束を成形しあるいは磁束の向きを定めることのできる低リラクタンス経路を提供する。磁化装置５４は、磁化ヨークと称されてもよい。１つの実施態様では、極片５８は中心軸開口部５６の外側の周りで一様な間隔を置いており、各極片５８の側は、それに最も近い隣の極片の側から物理的に離されている。磁化装置５４内に含まれる極片５８の数は変化し得るけれども、本明細書に記載された改良された方法およびシステムに従って内側環１４に磁気特性を付与するために磁化装置５４を使用し得るように偶数個の極５８が存在するべきである。   FIG. 3A shows a perspective view of a magnetizer 54 that can be used to impart specific magnetic properties to the inner ring 14. As discussed further below and also shown in plan view in FIG. 3B, the magnetizing device 54 includes a central axis 56 around which the constructed inner ring 14 can be disposed. The magnetizer 54 further includes a plurality of pole pieces (teeth) 58, preferably composed of laminated soft iron or steel. The pole pieces 58 can be arranged in a substantially regular configuration, thereby defining a central axis 56. Each pole piece 58 is substantially rectangular in cross-section and its longest axis extends substantially parallel to a longitudinal axis extending through the central axis 56. The piece 58 is tapered to concentrate the magnetic flux, and steel or iron acts as a magnetic flux conductor, providing a low reluctance path that can shape or direct the magnetic flux. The magnetizing device 54 may be referred to as a magnetizing yoke. In one embodiment, the pole pieces 58 are evenly spaced around the outside of the central axis opening 56 and each pole piece 58 side is physically located from the side of the nearest neighboring pole piece. Have been separated. Although the number of pole pieces 58 included in the magnetizer 54 can vary, the magnetizer 54 can be used to impart magnetic properties to the inner ring 14 in accordance with the improved methods and systems described herein. There should be an even number of poles 58.

磁化装置５４が内側環１４に磁束を付与するために、極片５８は、交互の北（Ｎ）極および南（Ｓ）極として作用するように構成されなければならない。１つの実施態様では、これは、各極片５８の外側の周りのコイル６０の中に導電性巻線材料（好ましくは銅）を包み込むことにより成し遂げられる。ここで図４ａに示されているように、コイル６０は各極片５８の側面５９および端面６１の周りに形成される。導電性巻線材料は、望ましい電流に依存して異なる横断面積を持ち得る。好ましくは、この導体は、改良されたパッキングを可能にする平らなリボンのプロフィールを有する。１つの実施態様では、８個のコイル６０が各極片５８の周りに形成され、隣り合う極片５８の周りのコイル６０は、隣り合う極片同士が磁化後に反対の極性を持つこととなるように、それぞれ異なる方向（時計回りおよび反時計回り）に巻かれる。これは、ここで図４ｂに示されている。   In order for the magnetizer 54 to impart magnetic flux to the inner ring 14, the pole pieces 58 must be configured to act as alternating north (N) and south (S) poles. In one embodiment, this is accomplished by enclosing a conductive winding material (preferably copper) in a coil 60 around the outside of each pole piece 58. Here, as shown in FIG. 4 a, the coil 60 is formed around the side surface 59 and the end surface 61 of each pole piece 58. The conductive winding material can have different cross-sectional areas depending on the desired current. Preferably, the conductor has a flat ribbon profile that allows improved packing. In one embodiment, eight coils 60 are formed around each pole piece 58, and the coils 60 around adjacent pole pieces 58 will have opposite polarities after the adjacent pole pieces are magnetized. In this way, they are wound in different directions (clockwise and counterclockwise). This is shown here in FIG. 4b.

磁性極片５８は任意の仕方で成形されてよくて、例えば、理解されるであろうように磁気ベアリングを形成するために完全に環状の極片（内側環の周囲全体の周りに延びる）を用いることができる。さらに、順次周囲極片（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｏｌｅ ｐｉｅｃｅｓ）（それぞれ内側環の周囲全体の周りに延びる）を用いてマルチ・ロー・ベアリングを形成することができる。さらに、特定の磁界強度パターンを形成するように極を調整することができる。   The magnetic pole piece 58 may be shaped in any manner, for example, a fully annular pole piece (extending around the entire circumference of the inner ring) to form a magnetic bearing as will be appreciated. Can be used. In addition, multi-low bearings can be formed using sequentially circumferential pole pieces (each extending around the entire circumference of the inner ring). In addition, the poles can be adjusted to form a specific magnetic field strength pattern.

磁化装置５４の極片５８が包まれた後、磁化装置５４の中心軸開口部５６の中に内側環１４を挿入するべきである。その後、例えばキャパシタ・バンク６２およびスイッチ６３を介して、コイル６０に電流を通すことができる。１つの実施態様では、約３０ｋＡないし４０ｋＡの非常に強い電流が使用される。この非常に強い電流をコイル６０に通すことの効果は、上で言及されたように、磁化装置５４および中心軸５８にＮおよびＳ電磁極を形成し、これにより、これらに接して配置されている内側環１４に磁束を付与することである。これは、内側環１４を、周囲にＮ極およびＳ極７８が交互に位置する幾つかの永久磁石に転換するという効果を有する。   After the pole piece 58 of the magnetizer 54 is wrapped, the inner ring 14 should be inserted into the central axis opening 56 of the magnetizer 54. Thereafter, current can be passed through the coil 60, for example, via the capacitor bank 62 and the switch 63. In one embodiment, a very strong current of about 30 kA to 40 kA is used. The effect of passing this very strong current through the coil 60, as mentioned above, is to form N and S electromagnetic poles in the magnetizer 54 and central axis 58, thereby being placed in contact with them. The magnetic flux is applied to the inner ring 14. This has the effect of converting the inner ring 14 into several permanent magnets with alternating N and S poles 78 around it.

１つの実施態様では、内側環１４に、ＮおよびＳが交互に位置する１２個の磁極７８を形成するために磁化装置５４を使用することができる。これは、ここで図５に示されている。物理的には、極７８は実質的に同じサイズを持つべきである。従って、各極７８は、内側環１４の周りで約３０°の円弧を占める。   In one embodiment, the magnetizer 54 can be used to form twelve magnetic poles 78 with alternating N and S in the inner ring 14. This is now illustrated in FIG. Physically, the poles 78 should have substantially the same size. Thus, each pole 78 occupies an arc of about 30 ° around the inner ring 14.

例えば２、４、６、８、１０または１２極の内側環（１、２、３、４、５、６極対）など、他の装置も形成され得る。希望により、もっと多数を用いることができるであろう。   Other devices may also be formed, such as 2, 4, 6, 8, 10 or 12 pole inner rings (1, 2, 3, 4, 5, 6 pole pairs). More could be used if desired.

極対の数を増やした場合、使用時にフライホイールへおよびフライホイールからより多くのエネルギーを移すことができるけれども、システム全体の複雑さが増す。製造上の制約条件を満たすために磁性ロータ片（内側環磁化ＭＬＣ）は最小のサイズであるべきなので、制約因子はロータの直径である。内側環ＭＬＣを磁化するために使用される電磁石の電流は、ＭＬＣに永久磁石を生成するのに十分でなければならない。これは最小（銅）導体横断面積により決定され、理解されるであろうように、これは、電磁石の巻線が銅の導通能力により制約されるという結果をもたらす。   Increasing the number of pole pairs increases the complexity of the overall system, although more energy can be transferred to and from the flywheel in use. Since the magnetic rotor piece (inner ring magnetization MLC) should be the smallest size to meet manufacturing constraints, the limiting factor is the rotor diameter. The electromagnet current used to magnetize the inner ring MLC must be sufficient to create a permanent magnet in the MLC. This is determined by the minimum (copper) conductor cross-sectional area, and as will be understood, this results in the electromagnet winding being constrained by the copper's conducting ability.

ひとたび磁化されてしまえば、内側環１４は、磁化装置５４から取り外されることができ、外側ロータ１２および他のコンポーネントと共にフライホイール・アセンブリ１０に組み込まれることができる。１つの実施態様では、内側環１４および／または外側ロータ１２は、Ｎ、Ｓ極に対応してペンキで塗られることができる。例えば、ＮおよびＳ極７８または極と整列する外側ロータ１２のエリアにそれぞれ白および黒のペンキを塗りあるいはそれらを白および黒に彩色することができる。任意に、それらを明暗に塗りあるいは彩色することができる。ＮおよびＳ極７８のこの視覚的区別は、例えば、光センサがフライホイール・アセンブリの動作を監視するべく内側環１４の回転を検出し追跡することを可能にするために使用されることができる。これは、ウィリアムズ・ハイブリッド・パワー・リミテッド（Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ）の名義で今日出願される別の英国特許出願により詳しく記載されているので、本明細書ではこれ以上は論じられないであろう。   Once magnetized, the inner ring 14 can be removed from the magnetizer 54 and incorporated into the flywheel assembly 10 along with the outer rotor 12 and other components. In one embodiment, the inner ring 14 and / or the outer rotor 12 can be painted with corresponding N, S poles. For example, the N and S poles 78 or areas of the outer rotor 12 that are aligned with the poles can be painted with white and black paint, respectively, or can be colored white and black. Optionally, they can be painted or colored light and dark. This visual distinction of the N and S poles 78 can be used, for example, to allow the light sensor to detect and track the rotation of the inner ring 14 to monitor the operation of the flywheel assembly. . This is described in more detail in another UK patent application filed today in the name of Williams Hybrid Power Limited and will not be discussed further herein.

上で言及されたように、磁化装置５４を使用して内側環１４を磁化するプロセスは内側環が物理的に形成されてセットされた後に行われるけれども、それを物理的に構築している間に内側環１４の磁気特性に貢献することが可能である。これを行える１つの仕方は、内側環１４の層の中の磁性粒子の構成を制御すること（または変化させること）により、これは、内側環が磁化装置５４によって磁化された後に内側環１４が生じさせる磁束プロフィールおよび磁界形状に貢献する。内側環１４内の磁束は、内側環１４内に電流がどれだけ誘導され得るかを制御（あるいは制限）するので非常に重要であり、その結果としてロータ・アセンブリ１２、１４は回転してその中に回転エネルギーを蓄積する。   As mentioned above, the process of magnetizing the inner ring 14 using the magnetizer 54 takes place after the inner ring is physically formed and set, but while physically building it. It is possible to contribute to the magnetic properties of the inner ring 14. One way to do this is by controlling (or changing) the composition of the magnetic particles in the layer of the inner ring 14 so that after the inner ring is magnetized by the magnetizer 54, the inner ring 14 Contributes to the resulting magnetic flux profile and magnetic field shape. The magnetic flux in the inner ring 14 is very important because it controls (or limits) how much current can be induced in the inner ring 14 so that the rotor assemblies 12, 14 rotate and contain therein. Accumulate rotational energy.

ここで、内側環１４により生成される磁束線にとっては内側環１４の半径に平行に延びないこと、あるいは内側環１４の本体の外へ突出しないことが有利であるということが認識されている。代わりに、磁束線にとってはなるべく内側環１４の本体の中に閉じ込められることが有益である。磁束のこの閉じ込めは、磁化された後の内側環１４の磁気強度を強めるのに役立つ。例えば、磁束線は、内側環１４の円形コア６４または周囲６６と実質的に同心に延びることができるであろう。上記のように、内側環１４は、ひとたび磁化されれば、複数の永久ＮおよびＳ極対を有する。１つの実施態様では、ここで図６に示されているように、磁束線は、各極の方へ内方に湾曲し、内側環１４の回転軸の上で弓形になるように制御される。   Here, it has been recognized that it is advantageous for the magnetic flux lines generated by the inner ring 14 not to extend parallel to the radius of the inner ring 14 or to protrude out of the body of the inner ring 14. Instead, it is beneficial for the flux lines to be confined in the body of the inner ring 14 as much as possible. This confinement of the magnetic flux helps to increase the magnetic strength of the inner ring 14 after being magnetized. For example, the flux lines could extend substantially concentric with the circular core 64 or periphery 66 of the inner ring 14. As described above, the inner ring 14 has a plurality of permanent N and S pole pairs once magnetized. In one embodiment, as shown here in FIG. 6, the flux lines are controlled to be curved inwardly toward each pole and arcuate on the axis of rotation of the inner ring 14. .

上で言及されたように、１つの実施態様では、トウ３６の巻きは、磁性粒子の密度が内側環１４の外側部分に向かって減少してゆくように、制御される。これは、磁束線を制御および／または成形することをより容易にするとともに磁束の大部分をステータ３４の方へ向けて発電時にステータ・コイルに誘導される電流を強めるので、有利であり得る。   As mentioned above, in one embodiment, the winding of the tow 36 is controlled such that the density of the magnetic particles decreases towards the outer portion of the inner ring 14. This may be advantageous because it makes it easier to control and / or shape the flux lines and directs the majority of the flux towards the stator 34 to increase the current induced in the stator coil during power generation.

図７は、組み立てられたときのステータ３４、内側環１４、外側ロータ１２およびステータ／ロータ・ギャップ７６を示す。永久磁石内側環１４の磁界７０およびステータ３４の電界７２が示されている。図示されているように、磁束は、内側環１４の中心の方に向かって集中し、従ってロータおよびステータの間でのどちらの方向の最大エネルギー移動をも可能にする。外側ロータ１２に与えられる漂遊磁束７４があるかもしれないけれども、それらは、前述されたように、磁性粒子の密度が内側環１４の外側部分に向かって減少してゆくことによって低減される。   FIG. 7 shows the stator 34, the inner ring 14, the outer rotor 12 and the stator / rotor gap 76 when assembled. The magnetic field 70 of the permanent magnet inner ring 14 and the electric field 72 of the stator 34 are shown. As shown, the magnetic flux is concentrated towards the center of the inner ring 14 and thus allows maximum energy transfer in either direction between the rotor and stator. Although there may be stray magnetic flux 74 applied to the outer rotor 12, they are reduced by decreasing the density of the magnetic particles toward the outer portion of the inner ring 14 as described above.

図８は、１つの実施態様に従って、内側環１４の、その縦軸を通る平面における拡大略横断面図を示す。この内側環１４を或る長さのトウ３６から形成するとき内側環１４のトウと内側環の縦軸２４に対する法線との間に割合に大きく広い巻き角度が用いられていて、隣り合うトウ巻線間に磁性体装荷樹脂を収容するギャップをもたらす。好ましくは、この角度は３．５°未満であり、より好ましくは１．５°未満である。さらに好ましくは、この角度は１．２５°未満であり、任意に０．３°より大きい。さらに好ましくは、この角度は０．６°未満であり、０．３°より大きく、なお一層好ましくは約０．５°である。これは、内側環のトウ巻線の全てについてあてはまるであろう。好ましくは、内側環は、軸方向に延びるファイバを全く含まないように、より好ましくは５°より大きい巻き角度を有するファイバが全く無いように、巻かれる。比較をすると、図９はフライホイール・アセンブリ１０の外側ロータ１２を通る対応する部分横断面図を示し、これは磁性体装荷樹脂を収容しなくてもよい。図９のトウのためには狭い巻き角度が選択されているので、隣り合うトウ巻線間には実質的にギャップが無いことが分かる。しかし、外側ロータ１２のトウとロータの縦軸２４に対する法線との間の巻き角度は、隣り合う巻線同士の間に重なり合いが無いことを保証するために十分に大きい。外側ロータ１２の巻き角度は好ましくは２°未満であり、より好ましくは１°未満である。好ましくは、この角度は０．６°未満であり、任意に０．２°より大きい。より好ましくは、エンディング角度は０．５°未満で０．２°より大きく、なお一層好ましくは約０．３１５°である。これは、外側ロータ１２のトウ巻線の全てについてあてはまるであろう。図８および９において、図１の空洞は明瞭性を目的として図示されていない。   FIG. 8 shows an enlarged schematic cross-sectional view of the inner ring 14 in a plane through its longitudinal axis, according to one embodiment. When this inner ring 14 is formed from a toe 36 having a certain length, a relatively large and wide winding angle is used between the toe of the inner ring 14 and the normal to the longitudinal axis 24 of the inner ring. A gap for accommodating the magnetic material loaded resin is provided between the windings. Preferably, this angle is less than 3.5 °, more preferably less than 1.5 °. More preferably, this angle is less than 1.25 ° and optionally greater than 0.3 °. More preferably, this angle is less than 0.6 °, greater than 0.3 °, and even more preferably about 0.5 °. This will be true for all of the toe windings of the inner ring. Preferably, the inner ring is wound so as not to include any axially extending fiber, more preferably no fiber having a winding angle greater than 5 °. By comparison, FIG. 9 shows a corresponding partial cross-sectional view through the outer rotor 12 of the flywheel assembly 10, which may not contain magnetic loading resin. Since a narrow winding angle is selected for the tow of FIG. 9, it can be seen that there is substantially no gap between adjacent tow windings. However, the winding angle between the toe of the outer rotor 12 and the normal to the longitudinal axis 24 of the rotor is sufficiently large to ensure that there is no overlap between adjacent windings. The winding angle of the outer rotor 12 is preferably less than 2 °, more preferably less than 1 °. Preferably, this angle is less than 0.6 ° and optionally greater than 0.2 °. More preferably, the ending angle is less than 0.5 ° and greater than 0.2 °, and even more preferably about 0.315 °. This will be true for all of the tow windings of the outer rotor 12. 8 and 9, the cavity of FIG. 1 is not shown for clarity.

ここで、内側環１４内の磁性粒子の形状は動作中フライホイール・アセンブリ１０の強度および信頼性に強い影響を及ぼし得るということが認識されている。内側環１４を形成するためにトウ３６に塗られる混合物４９内に実質的に球形の（または丸い）磁性粒子を用いることは、磁性の観点から許容し得るであろう。しかし、複合体内に球形のまたは丸い粒子を用いるのは、一般的にはその物理的強度、特にその剪断強さのためには良くない。作動時、内側環１４を含む、フライホイール・アセンブリ１０の回転部分は、（時折）非常に大きな速度で回転しなければならないであろう。内側環１４が球形のまたは丸い粒子を含んでいれば、フライホイール回転中縦方向の流れ（軸２４に実質的に平行な縦方向の膨張）に対抗しないのでフライホイール・アセンブリ１０の破損、あるいはフライホイール・アセンブリ１０に対するダメージに寄与する（あるいは少なくとも阻止しない）ことがあるであろう。例えば、そのような破損は、環１４が外側ロータ１２と整列するのではなくて軸方向に剪断変形して外側ロータ１２から突出することから成ることがある。逆に、実質的に平らな粒子は、すなわち磁性小平板または針の形状は、高速回転時にフライホイールの縦方向流れを妨げるであろう。さらに、小平板または針は内側環１４の層の剪断変形を妨げる。従って、１つの実施態様では、混合物４９内の磁性粒子は、小平板および針を含む。小平板および針は、１つの実施態様では、内側環１４が硬化させられる前にドクターブレード５２により所望の構成に組織されることができる。これは、ここで図２に示されている。   Here, it is recognized that the shape of the magnetic particles in the inner ring 14 can have a strong impact on the strength and reliability of the flywheel assembly 10 during operation. It may be acceptable from a magnetic point of view to use substantially spherical (or round) magnetic particles in the mixture 49 that is applied to the tow 36 to form the inner ring 14. However, the use of spherical or round particles within a composite is generally not good because of its physical strength, especially its shear strength. In operation, the rotating portion of the flywheel assembly 10, including the inner ring 14, will (sometimes) have to rotate at a very high speed. Failure of the flywheel assembly 10 if the inner ring 14 contains spherical or round particles, as it will not resist longitudinal flow (longitudinal expansion substantially parallel to the axis 24) during flywheel rotation, or It may contribute (or at least not prevent) damage to the flywheel assembly 10. For example, such a failure may consist of the ring 14 protruding axially from the outer rotor 12 instead of being aligned with the outer rotor 12. Conversely, substantially flat particles, i.e., magnetic platelets or needle shapes, will interfere with the longitudinal flow of the flywheel during high speed rotation. Furthermore, the platelets or needles prevent shear deformation of the inner ring 14 layer. Thus, in one embodiment, the magnetic particles in mixture 49 include platelets and needles. The platelets and needles can in one embodiment be organized into the desired configuration by the doctor blade 52 before the inner ring 14 is cured. This is now illustrated in FIG.

実質的に線形の磁性小平板を用いることは、フライホイール・アセンブリが破損した場合にフライホイール・アセンブリがどういう風にバラバラになるかということに関して有益であり得る。一方向性ファイバが使用されるため、内側環は、軸方向に延びるファイバが無くて巻き角度が割合に小さいので、回転軸に対して垂直な平面内では非常に強いが回転軸に平行な平面内で他の方向においては割合に弱い。外側ロータについても同様である。結果として、回転中、内側環１４は絶えず外方に外側ロータ１２を押している。従って内側環１４および外側ロータ１２は樽型風に変形する。本質的に、外側ロータおよび内側環は軸方向にはマトリックス材料だけによって互いに固定される。従って、フライホイールは、回転軸に対して垂直な１つまたは複数の平面に沿って割れることにより破損することがある。内側環１４の破壊的変形が生じる前に外側ロータ１２が先に割れることがある。内側環１４の磁性粒子構造のために、たとえ破壊的変形が生じたとしても、ロータがばらばらになった場合に、内側環１４に含まれる磁石の大きな塊が真空空洞のあちこちに飛び散ることはない。これは、割合に軽量のケース内にフライホイールが収容されるときに、例えば重量を軽くすることが非常に重要である高速自動車に収容されるときに、特に重要であり得る。なぜならば、そのような軽量のケースは、破損した場合にフライホイールの非制御破裂に抵抗する十分な強さを持たないことがあるからである。   Using a substantially linear magnetic flat plate can be beneficial in terms of how the flywheel assembly breaks down if the flywheel assembly breaks. Since unidirectional fibers are used, the inner ring has no fiber extending in the axial direction and the winding angle is relatively small, so it is very strong in a plane perpendicular to the rotation axis but parallel to the rotation axis. In other directions, it is relatively weak. The same applies to the outer rotor. As a result, during rotation, the inner ring 14 constantly pushes the outer rotor 12 outward. Accordingly, the inner ring 14 and the outer rotor 12 are deformed into a barrel shape. In essence, the outer rotor and the inner ring are secured to each other in the axial direction only by the matrix material. Thus, the flywheel can be damaged by cracking along one or more planes perpendicular to the axis of rotation. The outer rotor 12 may crack first before destructive deformation of the inner ring 14 occurs. Due to the magnetic particle structure of the inner ring 14, even if destructive deformation occurs, a large mass of magnets contained in the inner ring 14 will not scatter around the vacuum cavity even if the rotor breaks apart. . This can be particularly important when the flywheel is housed in a relatively lightweight case, for example when it is housed in a high speed car where it is very important to reduce weight. This is because such a lightweight case may not be strong enough to resist uncontrolled rupture of the flywheel if broken.

ここで、内側環１４を形成するためにトウ３６に加えられる混合物４９内の磁性粒子のサイズがフライホイール・アセンブリ１０の疲労性能に影響を及ぼし得るということも認識されている。   Here, it is also recognized that the size of the magnetic particles in the mixture 49 added to the tow 36 to form the inner ring 14 can affect the fatigue performance of the flywheel assembly 10.

当業者はグリフィスのクラック理論（Ｇｒｉｆｆｉｔｈ’ｓ Ｃｒａｃｋ Ｔｈｅｏｒｙ）に精通しているであろう。それによると、次のとおりである。   Those skilled in the art will be familiar with Griffith's Crack Theory. According to it, it is as follows.

Figure 2017506488
Figure 2017506488

ここでＥは材料のヤング率であり、γは材料の表面エネルギー密度であり、Ｃは定数である。グリフィスのクラック理論によれば、定数Ｃは、特定の量の応力（σｆ）にさらされたときに材料を割れさせる臨界欠陥サイズ（ａ）に、下記の関係によって関連付けられる。 Here, E is the Young's modulus of the material, γ is the surface energy density of the material, and C is a constant. According to Griffith's crack theory, the constant C is related to the critical defect size (a) that causes the material to crack when exposed to a certain amount of stress (σ f ) by the relationship:

Figure 2017506488
Figure 2017506488

ここで、内側環１４内の磁性粒子が臨界欠陥サイズ（ａ）より大きければそれらは実際上内側環において‘欠陥’となり、従って、内側環１４の疲れ寿命を短縮することによってフライホイール・アセンブリの破損リスクに寄与するであろうということが認識されている。逆に、ここで、内側環１４内の磁性粒子が臨界欠陥サイズ（ａ）より小さくて、それらが好ましくは非球形であるならば、それらは実際上、グリフィスのクラック理論により決定されるように応力下で割れを生じさせることとの関連において‘不可視’であろうということが認識されている。磁性粒子はトウの周囲方向における内側環１４の強度に影響を及ぼさないけれども、トウに対して垂直な方向（フライホイール・アセンブリに関して縦方向）における強度は、磁性粒子が樹脂に対して構造強化要素として作用するために、強められる。従って、１つの実施態様では、内側環１４内に含まれる磁性粒子のサイズはトウ材料についての臨界欠陥サイズ（ａ）より小さく、ここで、臨界欠陥サイズ（ａ）は、疲れの量すなわちフライホイール・アセンブリ１０の動作中に内側環１４がさらされる最大応力量、に基づいて計算される。例えば、磁性粒子は、それぞれ長さ（最長寸法）が１００ミクロン未満で、平均サイズが６０ミクロン、最大サイズが５００ミクロンであり得る。使用される材料は、急冷粉砕されたＮｄＦｅＢであり得る。図１０は、急冷粉砕されたＮｄＦｅＢの分布曲線を示す。ＮｄＦｅＢを粉砕しておよそ１０μｍ×２０μｍ×２５０μｍの寸法の平らな針状粒子を製造することができる。最小寸法が１０μｍ未満の粒子は、液状ポリマの粘度を高めて不利なので、（たとえばふるい分けにより）排除される。粒子は、６０μｍ×６０μｍ×１０μｍを超えるときは針状になりやすい。サマリウム・コバルト磁石合金（一般的にＳｍＣｏ５、またはＳｍＣｏと書かれる、を磁性粒子のために用いて、図１０に示されている望ましい形状およびサイズ分布を形成するために粉砕することもできるであろう。   Here, if the magnetic particles in the inner ring 14 are larger than the critical defect size (a), they effectively become 'defects' in the inner ring, and thus reduce the fatigue life of the inner ring 14 by reducing the fatigue life of the inner ring 14. It is recognized that it will contribute to the risk of breakage. Conversely, if the magnetic particles in the inner ring 14 are now smaller than the critical defect size (a) and they are preferably non-spherical, they are effectively determined by Griffith's crack theory. It is recognized that it will be 'invisible' in the context of cracking under stress. Although the magnetic particles do not affect the strength of the inner ring 14 in the circumferential direction of the tow, the strength in the direction perpendicular to the tow (longitudinal direction with respect to the flywheel assembly) is such that the magnetic particles are structural strengthening elements relative to the resin. Strengthened to act as. Thus, in one embodiment, the size of the magnetic particles contained within the inner ring 14 is smaller than the critical defect size (a) for the tow material, where the critical defect size (a) is the amount of fatigue or flywheel. Calculated based on the maximum amount of stress to which the inner ring 14 is exposed during operation of the assembly 10. For example, the magnetic particles can each have a length (longest dimension) of less than 100 microns, an average size of 60 microns, and a maximum size of 500 microns. The material used can be quenched and ground NdFeB. FIG. 10 shows a distribution curve of rapidly pulverized NdFeB. NdFeB can be ground to produce flat needle-like particles with dimensions of approximately 10 μm × 20 μm × 250 μm. Particles with a minimum dimension of less than 10 μm are eliminated (for example by sieving) because they increase the viscosity of the liquid polymer and are disadvantageous. Particles tend to be acicular when exceeding 60 μm × 60 μm × 10 μm. A samarium-cobalt magnet alloy (generally written as SmCo5, or SmCo, can also be used for magnetic particles and ground to form the desired shape and size distribution shown in FIG. Let's go.

図１１に示されているように、図８と関連して、比較的に長い針形状８０はドクターブレード５２の作用により個々のトウ層３６の表面上で巻き方向に平らに横たわるように機械的に強制されやすい。より小さい粒子８２（典型的には、図１０の分布の６０〜７０μｍの平均サイズより小さい最長寸法（長さ）の）は、トウを巻く動作によって一致する（隣り合う）トウ間のギャップに引きずり込まれやすい。これは、内側環の磁束線を、従って磁性粒子内の磁性体制を整列させるのに役立つ。各磁性粒子は、連合して所望の磁性効果全体を形成する個々の棒磁石として作用すると考えることができるであろう。   As shown in FIG. 11, in conjunction with FIG. 8, the relatively long needle shape 80 is mechanically laid flat on the surface of the individual tow layer 36 in the winding direction by the action of the doctor blade 52. Easy to be forced into. Smaller particles 82 (typically of the longest dimension (length) smaller than the average size of 60-70 μm in the distribution of FIG. 10) are dragged into the gap between adjacent (adjacent) tows by the towing action. It is easy to get caught. This serves to align the magnetic flux lines of the inner ring and thus the magnetic regime within the magnetic particles. Each magnetic particle could be thought of as acting as an individual bar magnet that combines to form the overall desired magnetic effect.

本明細書に記載された改良された方法およびシステムは、信頼できる、頑丈で効率的で安全なフライホイール・アセンブリの創作および動作を可能にする。例えば、それは、応力および疲れに関連して、かつ磁束相互作用のために、理想的な形状を提供することによってフライホイールの１つまたは複数の磁性回転部分の磁束プロフィールを成形し制御することを可能にする。これは、フライホイール・アセンブリへおよびフライホイール・アセンブリから移動され得る（およびフライホイール・アセンブリに蓄積され得る）エネルギーの量を増やすのに役立つ。   The improved methods and systems described herein allow creation and operation of a reliable, rugged, efficient and safe flywheel assembly. For example, it relates to shaping and controlling the magnetic flux profile of one or more magnetic rotating parts of a flywheel by providing an ideal shape in relation to stress and fatigue and for magnetic flux interactions. to enable. This helps to increase the amount of energy that can be transferred to (and stored in) the flywheel assembly.

本明細書に記載された改良された方法およびシステムに従って形成される磁化された内側環は、フライホイール・アセンブリの動作中熱くならない。それは、渦電流が存在しないからである。渦電流が無く、熱くなりにくいということは、フライホイール・アセンブリを他の公知フライホイールよりも多くのサイクルを循環させることができるということを意味する。固体磁石ロータを含む公知システムは、ステータ自体が熱くなるために、ほんの小さな時間当たりサイクル（最大回転速度に及ぶ電動機動作および最小回転速度に至るまでの発電動作）数に限定される。その理由は、高速回転のために空気抵抗を減らすべくロータを真空中に置かなければならないので、動作に起因して生じた熱は放射によってのみ放散され得るからである。それは、１つまたは複数のステータ・コイルを付勢してロータ・アセンブリを動かすために使用される制御方式はより低いスイッチング周波数を有し、これによってより効率的であることができ、より少量の処理能力を必要とし得るこということをも意味する。これは、ウィリアムズ・ハイブリッド・パワー・リミテッド（Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ）の名義で今日出願される別の英国特許出願により詳しく記載されているので、本明細書ではこれ以上は論じられないであろう。例えば、割合に簡単な同期矩形波制御方式を使用することができる。そのような方式は、ステータへの電流パルスを制御する、大電流（例えば、およそ１０００アンペア）をしばしば極めて高いスイッチング速度で扱わなければならないインバータ・スイッチング・ドライブ（または他の制御手段）におけるロスおよび加熱を減少させる。   The magnetized inner ring formed in accordance with the improved method and system described herein does not become hot during operation of the flywheel assembly. This is because there is no eddy current. The lack of eddy currents and the difficulty of getting hot means that the flywheel assembly can circulate more cycles than other known flywheels. Known systems that include solid magnet rotors are limited to a small number of cycles per hour (motor operation up to maximum rotational speed and power generation operation down to minimum rotational speed) because the stator itself becomes hot. The reason is that because the rotor must be placed in a vacuum to reduce the air resistance for high speed rotation, the heat generated due to the operation can be dissipated only by radiation. It is possible that the control scheme used to energize one or more stator coils to move the rotor assembly has a lower switching frequency, which can be more efficient and less It also means that it may require processing power. This is described in more detail in another UK patent application filed today in the name of Williams Hybrid Power Limited and will not be discussed further herein. For example, a relatively simple synchronous rectangular wave control scheme can be used. Such schemes control current pulses to the stator, loss in inverter switching drives (or other control means) and high currents (eg, approximately 1000 amps) that often have to be handled at very high switching speeds and Reduce heating.

本明細書に記載された改良された方法およびシステムは、或る範囲の様々な用途において、例えば高速自動車においておよび／または、バス、路面鉄道を含む公共乗り物および他の、例えばクレーン、リフトおよび飛行機などの装置において、フライホイール・アセンブリを実現するために使用されることができる。   The improved methods and systems described herein may be used in a range of different applications, such as in high-speed automobiles and / or public vehicles including buses, trams, and other, such as cranes, lifts and airplanes. Can be used to implement a flywheel assembly.

フライホイール・アセンブリは運動エネルギー蓄積装置を提供し、これにより、仮に回収システムが設けられなかったならば環境へ失われることになるエネルギーを回収することができる。例えば、摩擦ブレーキを用い、余分のエネルギーを熱として放散することにより乗り物の速度を落としてゆくのではなくて、乗り物の速度が落ちてゆくときエネルギーを捕らえることができる。   The flywheel assembly provides a kinetic energy storage device that can recover energy that would otherwise be lost to the environment if no recovery system was provided. For example, a friction brake can be used to capture energy as the vehicle speed drops rather than reducing the vehicle speed by dissipating excess energy as heat.

本明細書で開示されたように、フライホイール装置のロータの機械的形状を、実質的に磁界形状とは無関係に所要の仕方で提供することができる。従って、機械的特性または磁束特性を犠牲にせずに同じフライホイール・アセンブリによって最適な機械的特性および最適な磁束特性を提供することができる。   As disclosed herein, the mechanical shape of the flywheel device rotor can be provided in a desired manner substantially independent of the magnetic field shape. Thus, optimal mechanical and magnetic flux characteristics can be provided by the same flywheel assembly without sacrificing mechanical or magnetic flux characteristics.

Claims (43)

フライホイールのための環状ロータであって、前記ロータは、
トウを含み、前記トウは、軸の周りに巻かれて隣接するトウ巻線間にギャップを有する層を成して配置されたファイバのマトリックスを含み、前記軸に対する法線と前記トウとの間の巻き角度は３．５°未満であり、前記マトリックスはさらに前記トウの臨界欠陥サイズより小さいサイズの磁性粒子を含む、
環状ロータ。 An annular rotor for a flywheel, said rotor being
A tow including a matrix of fibers wound around an axis and arranged in a layer with a gap between adjacent tow windings, between a normal to the axis and the tow The winding angle is less than 3.5 °, and the matrix further includes magnetic particles having a size smaller than the critical defect size of the tow,
Annular rotor. 前記巻き角度は１．５°未満である、請求項１に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the winding angle is less than 1.5 °. 前記巻き角度は０．６°未満である、請求項１または２に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the winding angle is less than 0.6 °. 前記巻き角度は０．３°より大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to any one of claims 1 to 3, wherein the winding angle is larger than 0.3 °. 前記磁性粒子は非球形の形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic particles have a non-spherical shape. 前記磁性粒子は実質的に線状である、請求項５に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 5, wherein the magnetic particles are substantially linear. 前記磁性粒子は最長寸法において５００μｍ未満である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the magnetic particles have a longest dimension of less than 500 μm. 前記磁性粒子は最長寸法において１０μｍより大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the magnetic particles have a longest dimension larger than 10 μm. 前記磁性粒子の密度は、前記軸からの距離が大きくなるにつれて小さくなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the density of the magnetic particles decreases as the distance from the axis increases. 前記磁性粒子は、急冷粉砕されたＮｄＦｅＢを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the magnetic particles include quenched and pulverized NdFeB. 前記トウは一方向性ファイバを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the tow includes a unidirectional fiber. 前記磁性粒子は最長寸法において７０μｍ未満であって、一致するトウ間の前記ギャップ内に配置される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the magnetic particles have a longest dimension of less than 70 μm and are arranged in the gap between matching tows. 前記ロータは磁化される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the rotor is magnetized. 南北極対を含む、請求項１３に記載の環状ロータ。   The annular rotor of claim 13, comprising a north-south pole pair. 前記南北極対は交互の南北極対であり、対の各極は前記環状ロータの周りの円弧を占める、請求項１４に記載の環状ロータ。   The annular rotor of claim 14, wherein the north-south pole pairs are alternating north-south pole pairs, and each pole of the pair occupies an arc around the annular rotor. １２極の南北極対を含む、請求項１４または１５に記載の環状ロータ。   16. An annular rotor as claimed in claim 14 or 15 comprising a 12 pole north-south pole pair. 前記極対は、磁束の大部分を前記環状ロータの前記軸の方へ向けるように配置される、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to any one of claims 13 to 16, wherein the pole pair is arranged to direct most of the magnetic flux toward the axis of the annular rotor. 前記環状ロータは内側部分であり、前記環状ロータは、同じ軸の周りに巻かれたファイバのマトリックスを含む外側部分をさらに含み、前記外側部分は前記内側部分より大きい直径を有し、前記軸に対する法線と前記外側部分の前記トウとの間の前記巻き角度は１°以下である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor is an inner portion, the annular rotor further including an outer portion including a matrix of fibers wound around the same axis, the outer portion having a larger diameter than the inner portion, with respect to the axis The annular rotor according to any one of claims 1 to 18, wherein the winding angle between a normal line and the toe of the outer portion is 1 ° or less. 前記内側ロータの各北極と整列する前記外側ロータのエリアは黒色または白色に塗られ、前記内側ロータの各南極と整列する前記外側ロータのエリアはそれぞれ黒色または白色のうちの他方に塗られる、請求項１８に記載の環状ロータ。   The area of the outer rotor aligned with each north pole of the inner rotor is painted black or white, and the area of the outer rotor aligned with each south pole of the inner rotor is painted on the other of black or white, respectively. Item 19. An annular rotor according to Item 18. 前記ロータは真空内に収容される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の環状ロータ。   The annular rotor according to claim 1, wherein the rotor is accommodated in a vacuum. 前記ロータはフライホイールの前記ロータである、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の環状ロータ。   21. The annular rotor according to any one of claims 1 to 20, wherein the rotor is the rotor of a flywheel. フライホイールのための環状ロータを提供する方法であって、
ファイバのマトリックスを含むトウを軸の周りに巻くステップであって、前記トウは隣接するトウ巻線間にギャップを有する層を成して配置され、前記軸に対する法線と前記トウとの間の巻き角度は３．５°未満である、前記巻くステップと、
前記トウの臨界欠陥サイズより小さいサイズの磁性粒子を前記マトリックスの中に供給するステップと、
を含む方法。 A method for providing an annular rotor for a flywheel, comprising:
Winding a tow including a matrix of fibers around an axis, the tow being arranged in a layer with a gap between adjacent tow windings, between the normal to the axis and the tow The winding step, wherein the winding angle is less than 3.5 °;
Providing magnetic particles having a size smaller than the critical defect size of the tow into the matrix;
Including methods. 前記巻き角度は１．５°未満である、請求項２２に記載の方法。   The method of claim 22, wherein the winding angle is less than 1.5 °. 前記巻き角度は０．６°未満である、請求項２２または２３に記載の方法。   The method according to claim 22 or 23, wherein the winding angle is less than 0.6 °. 前記巻き角度は０．３°より大きい、請求項２２〜２４に記載の方法。   25. A method according to claims 22-24, wherein the winding angle is greater than 0.3 [deg.]. 前記磁性粒子は非球形の形状である、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 22 to 25, wherein the magnetic particles have a non-spherical shape. 前記磁性粒子は実質的に線状である、請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の方法。   27. A method according to any one of claims 22 to 26, wherein the magnetic particles are substantially linear. 前記磁性粒子は最長寸法において５００μｍ未満である、請求項２２〜２７のいずれか一項に記載の方法。   28. A method according to any one of claims 22 to 27, wherein the magnetic particles are less than 500 [mu] m in their longest dimension. 前記磁性粒子は最長寸法において１０μｍより大きい、請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の方法。   29. A method according to any one of claims 22 to 28, wherein the magnetic particles are larger than 10 [mu] m in their longest dimension. 前記磁性粒子の密度は、前記軸からの距離が大きくなるに連れて小さくなる、請求項２２〜２９のいずれか一項に記載の方法。   30. A method according to any one of claims 22 to 29, wherein the density of the magnetic particles decreases with increasing distance from the axis. 前記磁性粒子は、急冷粉砕されたＮｄＦｅＢを含む、請求項２２〜３０のいずれか一項に記載の方法。   31. A method according to any one of claims 22-30, wherein the magnetic particles comprise quenched and ground NdFeB. 前記トウは一方向性ファイバを含む、請求項２２〜３１のいずれか一項に記載の方法。   32. A method according to any one of claims 22 to 31 wherein the tow comprises a unidirectional fiber. 前記磁性粒子は前記個々のトウ層の表面上で前記巻線の方向に平らに横たわるようにされる、請求項２２〜３２のいずれか一項に記載の方法。   33. A method according to any one of claims 22 to 32, wherein the magnetic particles are made to lie flat in the direction of the winding on the surface of the individual tow layer. 前記環状ロータを巻くとき７０μｍ未満の最長寸法の粒子が、一致するトウ間の前記ギャップに集まるようにされる、請求項３３に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the longest dimension particles of less than 70 [mu] m are caused to collect in the gap between matching tows when winding the annular rotor. 前記トウを巻いた後、前記環状ロータを磁化するために前記環状ロータに磁束を与えるステップが実行される、請求項２２〜３４のいずれか一項に記載の方法。   35. A method according to any one of claims 22 to 34, wherein after winding the tow, applying a magnetic flux to the annular rotor is performed to magnetize the annular rotor. 前記ロータは南北極対を含む、請求項３５に記載の方法。   36. The method of claim 35, wherein the rotor includes a north and south pole pair. 前記磁化されたロータは交互の南北極対を含み、対の各極は前記環状ロータの周りの円弧を占める、請求項３６に記載の方法。   37. The method of claim 36, wherein the magnetized rotor includes alternating north-south pole pairs, and each pole of the pair occupies an arc around the annular rotor. 前記ロータは１２極の南北極対を含む、請求項３６または３７に記載の方法。   38. A method according to claim 36 or 37, wherein the rotor comprises a 12 pole north-south pole pair. 前記極対は、磁束の大部分を前記環状ロータの前記軸の方へ向けるように配置される、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載の方法。   39. A method according to any one of claims 36 to 38, wherein the pole pairs are arranged to direct a majority of the magnetic flux towards the axis of the annular rotor. 前記環状ロータは内側部分であり、前記方法は、同じ軸の周りに巻かれたファイバのマトリックスを含む外側部分を巻くステップをさらに含み、前記外側部分は前記内側部分より大きい直径を有し、前記軸に対する法線と前記外側部分の前記トウとの間の巻き角度は１°以下である、請求項２２〜３９のいずれか一項に記載の方法。   The annular rotor is an inner portion, and the method further comprises winding an outer portion including a matrix of fibers wound around the same axis, the outer portion having a larger diameter than the inner portion; 40. A method according to any one of claims 22 to 39, wherein a winding angle between a normal to an axis and the toe of the outer portion is 1 [deg.] Or less. 前記内側ロータの各北極と整列する前記外側ロータのエリアを黒色または白色に塗るステップと、前記内側ロータの各南極と整列する前記外側ロータのエリアを黒色または白色のうちの他方に塗るステップとをさらに含む、請求項４０に記載の方法。   Painting the area of the outer rotor aligned with each north pole of the inner rotor in black or white; and painting the area of the outer rotor aligned with each south pole of the inner rotor on the other of black or white. 41. The method of claim 40, further comprising: 実質的に本明細書において添付図面に関して記載された環状ロータ。   An annular rotor substantially as herein described with reference to the accompanying drawings. 実質的に本明細書において添付図面に関して記載された方法。   A method substantially as herein described with reference to the accompanying drawings.
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