図面 (/)

技術 エネルギー保存用フライホイールおよびその製造方法

出願人 ジーケーエヌハイブリッドパワーリミテッド
発明者 タラント,コリン・デイビッドベイリー,マークマーティン,コリン・レスリーオルーク,ブライアン・パトリック
出願日 2014年7月18日 (6年5ヶ月経過) 出願番号 2016-526706
公開日 2016年9月8日 (4年3ヶ月経過) 公開番号 2016-527452
状態 特許登録済
技術分野 特殊原動機 伝動装置 防振装置 積層体(2)
主要キーワード 外周縁表面 ジャイロ作用 周囲構造体 支持体構成 片面層 ロータ支持体 隣接シート 周囲層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年9月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題・解決手段

運動エネルギー保存用に使用されるフライホイールおよび複合材料を使用するフライホイールの構成。本発明は、環状フライホイールロータ(26)を、シャフト(76)とともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体(74)であって、長手軸(81)を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体(74)を提供し、本体が、繊維を含む複合材料のシート(101〜5)のスタックを含み、スタックが少なくとも2つの10の一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、一方向性シートのうちの1つの繊維が、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向されている。本体は、シートスタックの片側の上に提供された織布の少なくとも1つの片側層(40、42)を含む。本発明のロータ支持体構成は、剛性の構成を提供する。

概要

背景

機械的運動エネルギーを保存するためにフライホイールを使用することはよく知られている。保存されるエネルギーの量は、フライホイールの質量およびその回転速度に依存する。フライホイールの運動エネルギーは、その角速度の二乗に比例する。しかしながら所与のフライホイールに保存できるエネルギーの量は、フライホイールアセンブリ頑丈さと、フライホイールアセンブリが高い回転速度時に受ける応力にどの程度影響されるかとに左右される。

低い密度および高い比強度の材料からフライホイールアセンブリを形成することが望ましい。材料は極めて頑であることも必要である。例えばハイブリッド車両または非遮断性電源で使用するために、エネルギー保存フライホイールアセンブリは、極めて高い速度、10,000回転/分超で、または50,000または100,000回転/分超でさえ作動する必要がある。従って、これらのオーダーの速度で確実に作動できるフライホイールアセンブリに対するかなりの需要がある。

(本出願人によって出願された)国際公開第2010/020806号パンフレットは、ロータ複合エンドキャップに接続されたフライホイールアセンブリを開示する。エンドキャップはシャフトに取り付けられる。

概要

運動エネルギー保存用に使用されるフライホイールおよび複合材料を使用するフライホイールの構成。本発明は、環状フライホイールロータ(26)を、シャフト(76)とともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体(74)であって、長手軸(81)を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体(74)を提供し、本体が、繊維を含む複合材料のシート(101〜5)のスタックを含み、スタックが少なくとも2つの10の一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、一方向性シートのうちの1つの繊維が、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向されている。本体は、シートスタックの片側の上に提供された織布の少なくとも1つの片側層(40、42)を含む。本発明のロータ支持体構成は、剛性の構成を提供する。

目的

本発明はまた、本明細書に定義された支持体を含むフライホイールアセンブリを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するために前記シャフトに結合するためのロータ支持体であって、長手軸を有する本体を含み、前記長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて前記本体が回転するロータ支持体において、前記本体が、繊維を含む複合材料シートスタックを含み、前記スタックが少なくとも2つの一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、前記一方向性シートのうちの1つの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの前記繊維に対して異なる角度で配向され、前記本体が、前記シートスタックの片側の上に提供された織布の少なくとも1つの片側層を含む、ロータ支持体。

請求項2

前記少なくとも1つの片側層が、前記シートスタックの外周表面上に少なくとも途中まで延在する、請求項1に記載の支持体

請求項3

前記本体が、前記シートスタックの前記外周表面上に延在する織布の少なくとも1つの周囲層を含む、請求項1または2に記載の支持体。

請求項4

前記少なくとも1つの周囲層が前記少なくとも1つの片側層と重なる、請求項2に従属する場合の請求項3に記載の支持体。

請求項5

前記織布が、炭素繊維Eガラス繊維、Sガラス繊維玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも1つを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の支持体。

請求項6

前記1つの一方向性シートの前記繊維と、前記他の一方向性シートの前記繊維との間の角度が約45°である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の支持体。

請求項7

前記スタックの前記シートの全てが一方向繊維を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の支持体。

請求項8

2つのシートの間に複合材料の中間層を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の支持体。

請求項9

前記中間層が、マトリックス材料中の非整列繊維長さを含む、請求項8に記載の支持体。

請求項10

各シートの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、隣接シートの前記繊維に対して異なる角度で配向される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の支持体。

請求項11

前記支持体の前記本体が、前記本体の長手軸と同軸である実質的に円錐台状の内向き表面を画定する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の支持体。

請求項12

前記内向き表面が、17〜26°の範囲内である、前記支持体の長手軸と垂直な面に対する角度を画定する、請求項11に記載の支持体。

請求項13

前記シートの前記繊維が、炭素繊維、Eガラス繊維、Sガラス繊維、玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも1つを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の支持体。

請求項14

請求項11または請求項12に記載の、あるいは請求項11に従属する場合の請求項13に記載の支持体と、前記支持体に取り付けられたロータとを含むフライホイールアセンブリであって、前記円錐台状の内向き表面が、前記支持体が前記ロータと緊張した状態で適合されるように選択される前記本体の長手軸に対する角度を画定する、フライホイールアセンブリ。

請求項15

環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するために前記シャフトに結合するためのロータ支持体を製造する方法であって、前記支持体が長手軸を有する本体を含み、前記長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて前記本体が回転する方法において、繊維を含む複合材料のシートのスタックを形成するステップであって、前記スタックが少なくとも2つの一方向性シートを含み、そのそれぞれはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在しているステップと、前記一方向性シートのうちの1つの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの前記繊維に対して異なる角度で配向されるように前記シートを積層するステップと、織布の少なくとも1つの片側層を、前記シートスタックの片側の上に適用するステップとを含む方法。

請求項16

前記少なくとも1つの片側層が、前記シートスタックの外周表面上に少なくとも途中まで延在する、請求項15に記載の方法。

請求項17

前記シートスタックの前記外周表面上に延在する織布の少なくとも1つの周囲層を適用するステップを含む、請求項15または16に記載の方法。

請求項18

前記少なくとも1つの周囲層が前記片面層と重なる、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記織布が、炭素繊維、Eガラス繊維、Sガラス繊維、玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも1つを含む、請求項15〜18のいずれか一項に記載の方法。

請求項20

前記1つの一方向性シートの前記繊維と、前記他の一方向性シートの前記繊維との間の角度が約45°であるようにシートが積層される、請求項15〜19のいずれか一項に記載の方法。

請求項21

前記スタックの前記シートの全てが一方向シートである、請求項15〜20のいずれか一項に記載の方法。

請求項22

各シートの前記繊維が、前記本体の長手軸に基づき、隣接シートの前記繊維に対して異なる角度で配向される状態で前記シートが積層される、請求項15〜21のいずれか一項に記載の方法。

請求項23

前記シートの前記繊維が、炭素繊維、Eガラス繊維、Sガラス繊維、玄武岩繊維および窒化ホウ素繊維の少なくとも1つを含む、請求項15〜22のいずれか一項に記載の方法。

請求項24

前記ロータ支持体をシャフトに取り付けるステップと、前記支持体の外周表面を、前記シャフトを回転しながら予め決定されたプロファイル機械加工するステップとを含む、請求項15〜23のいずれか一項に記載の方法。

請求項25

添付図面を参照して本明細書に実質的に記載されたようなロータ支持体。

請求項26

添付図面を参照して本明細書に実質的に記載されたようなフライホイールアセンブリ。

請求項27

添付図面を参照して本明細書に実質的に記載されたようなロータ支持体を製造する方法。

技術分野

0001

本発明は、運動エネルギー保存に使用されるフライホイールに関し、より詳細には、複合材料を使用するフライホイールアセンブリの構成に関する。

背景技術

0002

機械的運動エネルギーを保存するためにフライホイールを使用することはよく知られている。保存されるエネルギーの量は、フライホイールの質量およびその回転速度に依存する。フライホイールの運動エネルギーは、その角速度の二乗に比例する。しかしながら所与のフライホイールに保存できるエネルギーの量は、フライホイールアセンブリの頑丈さと、フライホイールアセンブリが高い回転速度時に受ける応力にどの程度影響されるかとに左右される。

0003

低い密度および高い比強度の材料からフライホイールアセンブリを形成することが望ましい。材料は極めて頑であることも必要である。例えばハイブリッド車両または非遮断性電源で使用するために、エネルギー保存フライホイールアセンブリは、極めて高い速度、10,000回転/分超で、または50,000または100,000回転/分超でさえ作動する必要がある。従って、これらのオーダーの速度で確実に作動できるフライホイールアセンブリに対するかなりの需要がある。

0004

(本出願人によって出願された)国際公開第2010/020806号パンフレットは、ロータ複合エンドキャップに接続されたフライホイールアセンブリを開示する。エンドキャップはシャフトに取り付けられる。

課題を解決するための手段

0005

本発明は、環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体であって、長手軸を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体を提供し、
本体が、繊維を含む複合材料のシートスタックを含み、
スタックが少なくとも2つの一方向性シートを含み、各一方向性シートはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在し、
一方向性シートのうちの1つの繊維は、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向され、
本体は、シートスタックの片側の上に提供された織布の少なくとも1つの片側層を含む。

0006

そのまたは各片側層は、スタックの層間剥離抵抗するために、シートスタックの片面から、スタックの外周縁表面上に少なくとも途中まで延在し得る。

0007

シートスタックの外周縁表面上に延在する織布の少なくとも1つの周囲層が提供されてもよい。これは犠牲的な目的のために含めることができ、また支持体が所望のサイズに機械加工されるとき成形可能である。少なくとも1つの周囲層は、少なくとも1つの片側層と重なってもよい。

0008

織布および/またはシートは、炭素繊維Eガラス繊維、Sガラス繊維玄武岩繊維(basalt rock fibres)および窒化ホウ素繊維の少なくとも1つを含み得る。

0009

本発明のロータ支持体構成は、剛性の構成を提供する。好ましくは、それはその振動共振周波数がその作動の間に直面する回転周波数より高いことを保証するのに十分に剛性である。同じく、乗り物に使用されるフライホイールは、ジャイロ作用および乗り物の動きに関連する他の力に耐える必要がある。

0010

好ましくは、1つの一方向性シートの繊維と、他の一方向性シートの繊維との間の角度は約45°である。この方法で複数のシートを相互に向けることにより、支持体の物理的特性をその軸周り均等化しようとする。約45°の角度は、製造において達成するのに比較的簡単である一方で、十分な準等方的特性をロータ支持体にその本体の面において(すなわち、全方向における十分に均一な特性を繊維の面において)付与するために決定された。この均一性は、支持体が急速に回転されるとき、支持体のその円周方向周りの均一な偏向をもたらすのに望ましい。それは他の構成で達成可能であり得るが、それらは組立てがはるかにより複雑であり得る。

0011

各シートの繊維は、本体の長手軸に基づき、隣接シートの繊維に対して異なる角度で配向可能である。

0012

好ましい実施形態では、スタックのシートの全てが、炭素繊維の一方向性シートである。それらは適切なマトリックス材料で予め含浸されてもよい。この支持体構成は、それらが繊維織材料よりもさらに頑丈になるように、一方向性複合シートを使用する。

0013

支持体は2つの隣接シート間に複合材料の中間層を含んでもよい。例えば、中間層は、マトリックス材料中の非整列繊維長さを含み得る。これは、必要なシートの数を低減し、代わりにより低いコストの複合充填材料を使用することによって、支持体のコストをさらに低減することを可能にし得る。

0014

支持体の本体は、本体の長手軸と同軸である実質的に円錐台状の内向き表面を画定し得る。好ましくは、内向き表面は、17〜26°の範囲内である、支持体の長手軸と垂直な面に対する角度を画定する。

0015

本発明はまた、本明細書に定義された支持体を含むフライホイールアセンブリを提供する。ロータを支持体に取付け可能であり、このとき支持体の円錐台状の内向き表面は、支持体がロータと緊張した状態で適合される(strain matched)ように選択される、本体の長手軸に対する角度を画定する。このようにして、ロータおよび支持体は、アセンブリが回転されるとき同じように変形し、2つの構成要素の分離を回避するように構成される。

0016

本発明はさらに、環状フライホイールロータを、シャフトとともに回転するためにシャフトに結合するためのロータ支持体であって、長手軸を有する本体を含み、長手軸の周りを、完成したフライホイールアセンブリにおいて本体が回転するロータ支持体を製造する方法を提供し、方法は、
繊維を含む複合材料のシートのスタックを形成するステップであって、スタックが少なくとも2つの一方向性シートを含み、そのそれぞれはそれらの繊維の実質的に全てが同じ方向に延在しているステップと、
一方向性シートのうちの1つの繊維が、本体の長手軸に基づき、別の一方向性シートの繊維に対して異なる角度で配向されるようにシートを積層するステップと、
織布の少なくとも1つの片側層を、シートスタックの片側の上に適用するステップと
を含む。

0017

方法は、ロータ支持体をシャフトに取り付けるステップと、支持体の外周表面を、シャフトを回転しながら予め決定されたプロファイルに機械加工するステップとを含み得る。

0018

次に本発明の実施形態を例としておよび添付の概略図を参照して記載する。

図面の簡単な説明

0019

本発明を具現化するロータ支持体を含むフライホイールアセンブリの側断面図である。
図1に示されるロータ支持体の平面図である。
図2に示されるロータ支持体の線A−Cに沿った断面図である。
本発明を具現化するロータ支持体の製造に使用するための一連炭素繊維シートを示す。
図2に示されるロータ支持体の線A−Bに沿った断面図である。
図1のフライホイールアセンブリの一部の断面図であり、好ましい強度値が付加されている。

実施例

0020

図1は本発明の実施形態によるロータ支持体74を含むフライホイールアセンブリ70を示す。アセンブリは、環状外側ロータ部分26と、内側環ロータ部分または環状部66とを有するロータアセンブリを含む。外側ロータ26は、樹脂材料マトリックス中の炭素繊維の一方向フィラメントを含む複合材料から形成される。内側環状部66は、樹脂および磁性粒子の混合物から形成されたマトリックス中のガラス繊維の一方向フィラメントから形成される。

0021

ロータアセンブリは、ハブまたはエンドキャップの形態のロータ支持体74によって支持される。エンドキャップは、その内縁部および外縁部で円筒表面によって接合された2つの概ね円錐状の表面を画定する層状体である。リング84がエンドキャップとロータアセンブリとの間に提供される。ロータ支持体の外周がリング84を支持し、外側ロータが次にリングに取り付けられる。ロータ支持体は中央円形開口部68を有する。

0022

中心シャフト76はロータ支持体74の開口部68を通って延在する。シャフトは円周方向に延在するフランジ88を含む。ロータ支持体は、シャフト76に螺着される締付ナット86によってフランジ88に対して保持される。抗フレッチングシム64がナット86とエンドキャップ74との間に設けられる。シャフトはベアリング90および92によってフライホイールアセンブリの長手軸81の周りを回転するために支持される。ベアリングは次にフライホイールアセンブリの格納容器(不図示)によって支持される。ロータアセンブリは、格納容器によって支持される電気モータ発電機ステータ94の周りを回転可能である。

0023

乗り物でエネルギーを保存するために使用されるフライホイールは約350mmの外径を有し得、ここで例えば外側ロータの内径は約290mmであり、内側環状部の内径は約250mmである。

0024

次に図1に示されるロータ支持体の製造を図2〜5を参照して記載する。
図2はロータ支持体74を平面図で示し、図2に示される線A−Cに沿った側断面図が図3に示される。ロータ支持体は長手軸28の周りで回転対称である。それは円錐台状であり、円錐形状の軸は長手軸28と一致している。支持体の本体は、実質的に一定の断面厚さを有する。その外周は実質的に円筒状の表面127を画定し、実質的に円筒状の表面127は軸28を中心にして置かれる。中央開口部68と周縁部127との間に本体は外向き円錐台状表面30と内向き円錐台状表面32とを画定する。

0025

本体は炭素繊維材料多層を含む。図4に示されるように、各C字形の層が一方向性炭素繊維材料のシートから切り取られる。図5に示される完成ロータ支持体に統合される前の多数のそのようなシート101〜105が図4に示される。実際には例えば50の層を含むことができる。層はエンドキャップの製造の間にモールドに配置されるとき所望の円錐形状を形成するようにC字形である。

0026

図4に示されるように各シートは支持体の中心軸28に対して異なる角度で向けられる。示される例では各層は前の層に対して45°回転される。ロータ支持体に組み込まれる層の数は、必要な軸方向剛性および強度をもたらすように選択される。

0027

円錐体74はその長手軸28に垂直な面に対する角度36を画定する。この角度は例えば17〜26°の範囲内、およびより好ましくは約20°の角度であり得る。この角度は、高速で回転する間ロータアセンブリの一体性を保証するために、取り付けられるべきロータと支持体が緊張した状態で適合されるように選択される。

0028

ロータ支持体の本体の上側シートおよび底側シートの外面は、炭素織布の各層40、42で被覆される。これらの層はシートの一部または全部の外縁部を越えて延在する。シートを越えて延在する部分は、シートの一部または全部の外縁部の上に延在するように折り曲げられる。本体の内面上のシート42は、本体の周縁部の周りで外層40によって重ねられる。炭素織材料は、それが十分に柔軟である一方で高い応力に耐えることができるとき、使用される。

0029

1つまたは複数の炭素織クロス追加層126が、ロータ支持体の周縁部の周りで層40、42の上に適用される。

0030

炭素布の層40、42はロータ支持体を強靭化するために提供される。特に、それらが支持体の周縁部の周りに巻かれるとき、それらはシート(101など)の層間剥離に抵抗する働きをする。

0031

炭素織布の追加の円周方向層126は、層40、42またはそれらの中のシートを損傷することによって支持体を脆弱化することなくエンドキャップが所望の直径に正確に機械加工されることを可能にするために、犠牲的な目的で主に提供される。例えば、ロータ支持体は、図1に示されるリング84など、ロータアセンブリの周囲構造体との締まり嵌め部分であるように意図されてもよい。従って、その円周の機械加工が、その形状の必要な精度をもたらすために要求される。

0032

一方向性炭素繊維シートは、T700またはT800繊維またはその等価物から、約58%の繊維体積率で好ましくは製造される。これらのシートに使用される樹脂は、フライホイールが作動する環境に適切なTg(作動温度特性)(例えば100℃未満)を有する強化エポキシである。代替策は、予想される作動温度を再び考慮しつつ、PEEK、PET等などの熱可塑性マトリックス材料を使用することである。

0033

炭素繊維織布は、一方向性シートに関して上で記載したものと同じ範囲の材料から、同じ(または同様の)繊維体積率でおよび同じ樹脂系を使用して、製造可能である。使用される織り方パターンは、例えば5枚朱子織など、ある範囲の織り方から選択可能である。

0034

エンドキャップは、精密な閉鎖モールド内でプライを組み立てることによって製造可能である。アセンブリは、少なくとも5気圧の圧力の下でシート中の樹脂系が溶融する温度まで加熱される。エポキシなどの熱硬化性マトリックスの場合、それは、エポキシ系が硬化するまでこれらの条件の下で保持される。続いてそれは冷却され、エンドキャップはモールドから取り出される。熱可塑性マトリックスが使用される場合、アセンブリは、層中のマトリックスが相互に混合し連結した構造を形成することを可能にする圧力下にマトリックス材料の溶融温度まで加熱され、続いて冷却される。

0035

さらなる形態において、複合材料の中間層が、シートスタックの隣接シート間において、ロータ支持体に含まれてもよい。この材料は、一方向繊維シートの数を低減することを許容する一方で十分な強度および剛性を有する完成ロータ支持体をなおも提供することによって支持体がより低コストのものになるように選択される。

0036

中間層は、樹脂材料と、ランダムに配向された短繊維フィラメントとの混合物から形成されてもよい。フィラメントは例えば炭素から形成されてもよく、また、1〜2cmまたはそれ以上の長さであってもよい。

0037

図6の実施形態に示されるように、エンドキャップ74の半径方向引張り強度は比較的高く、約60〜70MPaである。対照的に、リングの半径方向(および軸方向)横断圧縮強度は低く(14〜16MPa)、ロータのそれ(6.5〜7.5MPa)は、さらにより低い。従ってリングは半径方向においてロータよりも強靭であり、負荷伝播要素としての役割を果たす。リングは、はるかにより硬いエンドキャップが組立ての間比較的軟質なロータに食い込み、損傷を与えることを防止する。エンドキャップの周方向強度(すなわち、円周方向のその強度)は、この実施形態では約45〜55MPaである。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ