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公開番号2021166466
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2021103254
出願日20210622
発明の名称フライホイール、及び、フライホイール蓄電システム
出願人福島SiC応用技研株式会社
代理人特許業務法人創成国際特許事務所
主分類H02J 15/00 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】高いエネルギー密度を有するフライホイール、及び、そのフライホイールを採用して蓄電エネルギーの増大と軽量化を両立させることができる蓄電システムを提供する。
【解決手段】フライホイールAは、回転軸と、低密度円盤部10と、高密度外縁部11とを備える。低密度円盤部10は、回転軸に一体に支持されて、その全部が高密度外縁部11の内周面よりも回転軸線X側に位置し、高密度外縁部11は、低密度円盤部10に一体に支持されて、その全部が低密度円盤部10の外側に位置し、回転軸の回転が低密度円盤部10を介して高密度外縁部11に伝達するように構成されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
フライホイール蓄電システムのフライホイールであって、
回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、
前記低密度円盤部は、前記回転軸に一体に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、
前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、
前記回転軸の回転が前記低密度円盤部を介して前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とするフライホイール。
続きを表示(約 1,400 文字)【請求項2】
請求項1記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部の平均密度をρ

、半径をR

、前記高密度外縁部の平均密度をρ

、半径をR

とするとき、R

/R

は0.4以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.6以下であることを特徴とするフライホイール。
【請求項3】
請求項1記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部の平均密度をρ

、半径をR

、前記高密度外縁部の平均密度をρ

、半径をR

とするとき、R

/R

は0.8以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.1以下であることを特徴とするフライホイール。
【請求項4】
請求項1記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか1つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることを特徴とするフライホイール。
【請求項5】
請求項1記載のフライホイールにおいて、
前記高密度外縁部は、重金属、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、及び、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックのうちの何れか1つの材料により形成されていることを特徴とすフライホイール。
【請求項6】
請求項5記載のフライホイールにおいて、
前記高密度外縁部に用いられる前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であることを特徴とするフライホイール。
【請求項7】
請求項5記載のフライホイールにおいて、
前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とするフライホイール。
【請求項8】
請求項7記載のフライホイールにおいて、
前記周回等角対称に配置された重金属の素片は、前記高密度外縁部の回転軸線に向かって突出する形状であることを特徴とするフライホイール。
【請求項9】
発電電動機と、該発電電動機が備える入出力軸と同軸に設けられた回転軸と、該回転軸に設けられたフライホイールとを備えるフライホイール蓄電システムであって、
前記フライホイールは、回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、
前記低密度円盤部は、前記回転軸に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、
前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、
前記低密度円盤部を介して回転軸の回転が前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とするフライホイール蓄電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、フライホイール、及び、フライホイール蓄電システムに関する。
続きを表示(約 3,900 文字)【背景技術】
【0002】
従来、フライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するフライホイール蓄電システムが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。
【0003】
フライホイール蓄電システムのフライホイールとして一般的には、下記特許文献1のように一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたものが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特許6323641号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上記従来の構成では、同じ体格(体積)のフライホイールを同じ回転角速度で回転させようとしたとき、十分な質量エネルギー密度が得られないという問題がある。
【0006】
上記の点に鑑み、本発明は、高いエネルギー密度を有するフライホイール、及び、そのフライホイールを採用して蓄電エネルギーの増大と軽量化を両立させることができる蓄電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、フライホイール蓄電システムのフライホイールであって、回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、前記低密度円盤部は、前記回転軸に一体に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、前記回転軸の回転が前記低密度円盤部を介して前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とする。
【0008】
本発明のフライホイールは、低密度円盤部と高密度外縁部とで構成されていることにより、同じ体積として同じ角速度で回転するとき、従来のフライホイール(一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたもの)に比べて、高い質量エネルギー密度を達成することができる。
【0009】
また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも10%以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρ

、半径をR

、前記高密度外縁部の平均密度をρ

、半径をR

とするとき、R

/R

は0.4以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.6以下とすればよい。
【0010】
また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも50%以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρ

、半径をR

、前記高密度外縁部の平均密度をρ

、半径をR

とするとき、R

/R

は0.8以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.1以下とすればよい。
【0011】
前記フライホイールを設計する場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρ

、半径をR

、前記高密度外縁部の平均密度をρ

、半径をR

とするとき、下記式(1)で定義された値Zを増大させるように、R

/R

とρ

/ρ

とを適正化することが挙げられる。
【0012】
【0013】
式(1)は、本発明フライホイールと一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイール(以下、単に従来のフライホイールという)とのエネルギー密度比である。
【0014】
即ち、式(1)は、次のようにして求められる。従来のフライホイールの質量Mと、慣性モーメントJと、エネルギEとの関係から、従来のフライホイールのエネルギー密度は、式(2)となる。
【0015】
【0016】
一方、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量M

、慣性モーメントをJ

、エネルギをE

との関係と、
【0017】
【0018】
及び、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量M

、慣性モーメントをJ

、エネルギをE

との関係と、
【0019】
により、本発明のフライホイールのエネルギー密度は、式(3)となる。
【0020】
【0021】
そして、式(2)と式(3)とから、本発明フライホイールと従来のフライホイールとのエネルギー密度比を示す式(4)を得ることができる。なお、式(4)により、エネルギー密度比はR

/R

とρ

/ρ

にのみ依存しており、回転角速度ωは無関係となることが明らかである。
【0022】
【0023】
式(1)は、式(4)に基づくものである。よって式(1)からエネルギー密度比の値Zを求めることができる。このように、式(1)を用いることにより、所望のエネルギー密度比を容易に算出することができる。
【0024】
このことから明らかなように、本発明のフライホイールを設計する場合には、前記値Zを最大化させるように前記R

/R

と前記ρ

/ρ

とを決定することが好ましい。
【0025】
更に、本発明のフライホイールを設計する場合には、変数R

/R

と変数ρ

/ρ

との交点に前記値Zが記録されたマトリクス表を用いて、前記値Zの増大領域を視覚的に探索することが好ましい。前記マトリクス表は、例えば、図12に示すように、横方向にR

/R

の値を配し、縦方向にρ

/ρ

の値を配し、R

/R

の値とρ

/ρ

の値との交差位置に式(1)によって算出したエネルギー密度比の値Zを記録したものが挙げられる。
【0026】
前記マトリクス表を用いることにより、目標とするエネルギー密度比(改善比)を達成するR

/R

とρ

/ρ

の組み合わせ候補を複数提示することができる。よって、極めて容易且つ迅速に前記R

/R

と前記ρ

/ρ

とを決定することができる。
【0027】
即ち、従来のフライホイールよりも10%以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、図12に示すマトリクス表を用いれば、R

/R

は0.4以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.6以下とすればよいことが容易に決定でき、従来のフライホイールよりも50%以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、前記マトリクス表を用いれば、R

/R

は0.8以上1未満、かつ、ρ

/ρ

は0.1以下とすればよいことが容易に決定できる。
【0028】
また、本発明のフライホイールにおいて、前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか1つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることが好ましい。
【0029】
また、本発明のフライホイールにおいて、前記高密度外縁部は、重金属、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、及び、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックのうちの何れか1つの材料により形成されていることが好ましい。
【0030】
このとき、前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることが挙げられる。
(【0031】以降は省略されています)

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