(57)【要約】【課題】内部応力の発生を最小限に止めるとともに、共振周波数を高めることができるエネルギー保存用フライホイールを提供する。【解決手段】本発明によるエネルギー保存用フライホイールは、回転軸；前記回転軸と同軸をなすように前記回転軸に具備される中空型ハブ；及び前記回転軸と同軸をなすように前記中空型ハブの外周面に具備されるリング型ロータ；を含み、前記中空型ハブは、前記多層型ロータに接触するシリンダー形状の接触部；及び前記接触部からドーム型に延長して前記回転軸に固定される少なくとも２つのドーム型固定部；を含むことを特徴とする。【選択図】図３
2006029315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸；
前記回転軸と同軸をなすように前記回転軸に具備される中空型ハブ；及び
前記回転軸と同軸をなすように前記中空型ハブの外周面に具備されるリング型ロータ；
を含み、
前記中空型ハブは、
前記ロータに接触するシリンダー形状の接触部；
及び
前記接触部からドーム型に延長して前記回転軸に固定される少なくとも２つのドーム型固定部；
を含むことを特徴とするエネルギー保存用フライホイール。
【請求項２】
前記中空型ハブに複数のスロットがその長手方向に形成されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項３】
前記複数のスロットは前記中空型ハブの円周方向に沿って等間隔で形成されることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項４】
前記複数のスロット各々は、
前記接触部の長さより長く形成されることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項５】
前記複数のスロット各々は、
前記回転軸の中心方向に向かうように形成されることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項６】
前記複数のスロットの個数は、前記ロータの強度と共振周波数によって決められることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項７】
前記少なくとも２つのドーム型固定部は、前記接触部の両端に各々具備される互いに対向する２つのドーム型固定部を含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項８】
前記互いに対向する２つのドーム型固定部各々は
外側に膨らんだドーム形状を有することを特徴とする請求項７に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項９】
前記少なくとも２つのドーム型固定部は、前記互いに対向する２つのドーム型固定部の間に位置する中間ドーム型固定部をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項１０】
前記互いに対向する２つのドーム型固定部各々は内側に膨らんだドーム形状を有することを特徴とする請求項７に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項１１】
前記互いに対向する２つのドーム型固定部のうちのいずれか１つは内側に膨らんだドーム形状を有し、他の１つは外側に膨らんだドーム形状を有することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項１２】
前記少なくとも２つのドーム型固定部は、互いに対向する２つのドーム型固定部を含み、
前記互いに対向する２つのドーム型固定部のうちのいずれか１つは前記接触部の両端のうちのいずれか１つに具備され、他の１つは前記接触部の両端の間に位置することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項１３】
前記少なくとも２つのドーム型固定部の個数は、前記多層型ロータの強度及び共振周波数によって決められることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存用フライホイール。
【請求項１４】
回転軸；
前記回転軸と同軸をなすように前記回転軸に具備される中空型ハブ；及び
前記回転軸と同軸をなすように前記中空型ハブの外周面に具備されるリング型ロータ；
を含み、
前記中空型ハブは、
前記ロータに接触するシリンダー形状の接触部；及び
前記接触部から延長して前記回転軸に固定される固定部；を含み、
前記中空型ハブに複数のスロットがその長手方向に形成されることを特徴とするエネルギー保存用フライホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギー保存装置に関し、より詳しくはエネルギー保存用フライホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フライホイールを利用したエネルギー保存システムは、周知のように、余剰の電力を利用してモータを回転させた後、この時得られた回転体の慣性エネルギーを保存するシステムであって、既存の機械的エネルギー保存装置と化学的エネルギー保存装置に比べてエネルギー保存効率が優れているという長所がある。
このような長所のため、電気自動車の補助動力源、無停電電源供給装置、パルスパワー発生器、人工衛星など様々な分野においてフライホイールを利用するエネルギー保存システムが採用されている。
【０００３】
ここで、フライホイールを利用したエネルギー保存システムは、周知のように、慣性エネルギーを保存するフライホイールと、前記フライホイールを駆動させるモータからなる。
そして、前記フライホイールは、周知のように、ロータと、回転軸と、そしてこれらを固定するためのハブからなる。
このようなフライホイールを通じて保存することができる回転運動エネルギーは次のような（数１）で表せる。
【数１】
2006029315.tif 000003
この式のように、フライホイールに保存されるエネルギーはフライホイールの慣性モーメントＩに線形的に比例し、フライホイールの大きさよりは回転速度ωの増加が非常に効果的であることが分かる。
【０００４】
しかし、従来フライホイールの材料として使用された一般金属は、材料の引張強度が弱く高速回転が不可能という問題があった。
しかしながら、最近急激に発展している高強度複合材料の開発によって、フライホイールは１００，０００ｒｐｍ程度の高速回転が可能になった。
即ち、フライホイールの単位重量及び単位体積当りのエネルギー密度を画期的に増加させることによって、高出力のエネルギー保存システムの開発が可能になった。
特に、フライホイールはその半径方向には相対的に低い強度を有するために、フライホイールの内部応力のうち半径方向の引張応力はフライホイールに致命的な損傷を負わすことがある。このような半径方向の引張応力による損傷を防止するために、ロータは多層の複合材リングが組合わされており、高速回転時に内側の複合材リングが半径外側に拡張されるようにして応力を低くしている。
【０００５】
しかし、このようなロータを回転軸に連結するために、半径方向の拡張性が容易なハブの設計が提示されなければならない。つまり、ハブとロータが互いに離脱する傾向が現れるので、ハブとロータ間の接合に関する問題を必ず考慮しなければならない。
言い換えれば、フライホイールは次のような事項が満足するように設計されてこそ成立する。
まず、フライホイールは高速回転時に発生する内部応力が低減するよう設計する必要性がある。
そして、フライホイールは運転回転数を回避する共振回転数を有するよう設計する必要性がある。
このために、その間多くの設計者らによってロータと回転軸を固定する新たなハブの設計が提示されてきた。
【０００６】
以下、従来技術によるエネルギー保存用フライホイールを説明する。
まず、第１の従来技術によるフライホイール１０は、図１に示すように、実軸形態のハブ（ｓｏｌｉｄ  ｔｙｐｅ  ｈｕｂ）１２を使用している。ここではロータ１１にテーパを与えて実軸形態のハブ１２に嵌め込み式で結合させる方法を採っている。
しかしながら、高速回転時に高い引張応力（つまり、高い強度比）が発生するという問題があった（図５参照）。また、ハブ１２とロータ１１との脱着が容易でなくフライホイール１０の維持保守作業が困難であった。
【０００７】
一方、第２の従来技術によるフライホイール２０は、図２に示すように、中空形態のハブ（ｈｏｌｌｏｗ  ｔｙｐｅ  ｈｕｂ）２３を含む。ハブ２３は回転軸２２と連結される部分にはドーム形状を有し、ロータ２１と接する部分はシリンダー形状を有する。
しかしながら、高速回転時にハブ２３とロータ２１の隣接部分に引張応力を減少させることができるが、共振周波数が低く出るという問題があった（図７参照）。
【特許文献１】特開平１０−２３７６号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、内部応力の発生を最少限に止め、共振周波数を高めることができるエネルギー保存用フライホイールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のエネルギー保存用フライホイールは、回転軸；前記回転軸と同軸をなすように前記回転軸に具備される中空型ハブ；及び前記回転軸と同軸をなすように前記中空型ハブの外周面に具備されるリング型ロータ；を含み、前記中空型ハブは、
前記ロータに接触するシリンダー形状の接触部；及び前記接触部からドーム型に延長して前記回転軸に固定される少なくとも２つのドーム型固定部；を含むことを特徴とする。
【００１０】
前記中空型ハブには複数のスロットがその長手方向に形成され、前記複数のスロットは前記中空型ハブの円周方向に沿って等間隔で形成される。
また、前記複数のスロット各々は、前記接触部の長さより長く形成され、前記回転軸の中心方向に向かうように形成される。
前記複数のスロットの個数は、前記ロータの強度と共振周波数によって決められ、前記少なくとも２つのドーム型固定部は、前記接触部の両端に各々具備される互いに対向する２つのドーム型固定部を含む。
前記互いに対向する２つのドーム型固定部各々は外側に膨らんだドーム形状を有し、前記少なくとも２つのドーム型固定部は、前記互いに対向する２つのドーム型固定部の間に位置する中間ドーム型固定部をさらに含む。
【００１１】
前記互いに対向する２つのドーム型固定部各々は内側に膨らんだドーム形状を有することができる。
また、前記互いに対向する２つのドーム型固定部のうちのいずれか１つは内側に膨らんだドーム形状を有し、他の１つは外側に膨らんだドーム形状を有する。
前記少なくとも２つのドーム型固定部は、互いに対向する２つのドーム型固定部を含み、前記互いに対向する２つのドーム型固定部のうちのいずれか１つは前記接触部の両端のうちのいずれか１つに具備され他の１つは前記接触部の両端の間に位置する。
前記少なくとも２つのドーム型固定部の個数は、前記多層型ロータの強度及び共振周波数によって決められる。
【００１２】
本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールは、回転軸；前記回転軸と同軸をなすように前記回転軸に具備される中空型ハブ；及び前記回転軸と同軸をなすように前記中空型ハブの外周面に具備されるリング型ロータを含む。
前記中空型ハブは、前記ロータに接触するシリンダー形状の接触部；及び前記接触部から延長して前記回転軸に固定される固定部を含む。前記中空型ハブに複数のスロットがその長手方向に形成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるエネルギー保存用フライホイールは次のような効果がある。
本発明によれば、中空型ハブが少なくとも二つのドーム型固定部を具備されるので、従来の中空型ハブを有するフライホイールに比べて、共振周波数が相対的に大きくなる。
本発明によれば、中空型ハブにスロットが形成されることによって、フライホイールの高速回転時にリング型ロータの内周面圧縮力が与えられてリング型ロータの半径方向引張応力を低減できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールは、図３及び図４に示すように、回転軸１１０と、回転軸１１０と同軸をなすように回転軸１１０に具備される中空型ハブ１２０と、回転軸１１０と同軸をなすように中空型ハブ１２０の外周面に具備されるリング型ロータ１３０を含む。
例えば、図３に示すように、リング型ロータ１３０は複数の層を含む多層型ロータにすることができ、複合材料で作られる。
中空型ハブ１２０は、リング型ロータ１３０に接触するシリンダー形状の接触部１２１と、接触部１２１からドーム型に延長して回転軸１１０に固定される少なくとも２つのドーム型固定部１２２を含む。
特に、中空型ハブ１２０に複数のスロット１２３がその長手方向に形成されるのが好ましい。
【００１６】
これとともに複数のスロット１２３は中空型ハブ１２０の円周方向に沿って等間隔で形成されるのがより好ましい。その理由は、フライホイールの高速回転時に接触部１２１が半径方向に平均して拡張されるようにするためである。
また、複数のスロット１２３各々は、接触部１２１にその長手方向に長く形成されて接触部１２１の長さより所定量長く形成されるのが好ましい。
即ち、図３及び図４に示すように、スロット１２３がドーム型固定部１２２の一部まで延伸する。その理由は、フライホイールの高速回転時に接触部１２１が円滑に拡張できるようにするためである。
【００１７】
また、複数のスロット１２３は、回転軸１１０の中心方向に向かうように形成されるのが好ましい。その理由は、フライホイールの高速回転時に接触部１２１が正確に半径方向に拡張するためであり、拡張による圧縮力をリング型ロータ１３０の内周面に平均して分散するためである。
さらに、リング型ロータ１３０の内周面に圧縮力が付与されると、リング型ロータ１３０の半径方向応力を低くすることができる。これに対する具体的な説明は後述する。
また、複数のスロット１２３の個数は、リング型ロータ１３０の強度と共振周波数によって決めるのが好ましい。
【００１８】
一方、少なくとも２つのドーム型固定部１２２は、互いに対向する２つのドーム型固定部、即ち、接触部１２１の一端に具備される第１ドーム型固定部１２２ａと、そして接触部１２１の他端に具備される第２ドーム型固定部１２２ｂを含むのが好ましい。
ここで、第１ドーム型固定部１２２ａ及び第２ドーム型固定部１２２ｂは、図３及び図４に示すように、外側に膨らんだドーム形状を有する。
【００１９】
以下、図５乃至図９を参照して、詳述した本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールを第１、２の従来技術と比較して説明する。
まず、図５は本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術を比較したものであって、３０，０００ＲＰＭで回転時の半径方向の強度比を示したグラフである。
ここで、強度比は応力の大きさをそれぞれの材料強度で割って無次元化した値である。特に、強度比が１より小さいとフライホイールが安全に作動することができ、１より大きいとフライホイールの作動に危険要因があることを示す。
【００２０】
第１の従来技術のフライホイール（図１の１０参照）及び第２の従来技術のフライホイール（図２の２０参照）では、強度比が高くなることが分かる。
具体的に、第１の従来技術では、ハブ（図１の１２）とロータ（図１の１１）が隣接する部分、即ち、無次元化された半径の値が約０．５２８に該当する部分で高い引張応力が発生して強度比が高なるのが分かる。
その理由は、ハブ１２の半径方向変位がロータ１１の変位より小さく引張応力が発生するためである。
図５で“ｒ”は半径方向の特定地点での半径を示す変数であり、“ｒｏ”はロータの外径を示す定数である。第２の従来技術もまた同じ理由であるので説明を省略する。
【００２１】
これに反し、本発明の実施例によるフライホイールでは、中空型ハブ１２０とリング型ロータ１３０の接触部分に圧縮力が発生することが分かる。これは中空型ハブ１２０の半径方向変位がリング型ロータ１３０の変位より大きくなることによってリング型ロータ１３０に圧縮力が作用することによる。
また、本発明の実施例によるフライホイールは、圧縮力がリング型ロータ１３０の応力を低減させることによって、第１、２の従来技術のフライホイール１０、２０より強度比が低く分布することが分かる。
【００２２】
一方、図６は本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術を比較したものであって、強度比の最大値を示したグラフである。
特に、図６はフライホイールが３０，０００ｒｐｍで回転する時の最大強度比を示したグラフである。
第１の従来技術によるフライホイール１０の最大強度比が１より大きい約３．７７で、第２の従来技術によるフライホイール２０の最大強度比が約１．３８であることが分かる。したがって、３０，０００ｒｐｍで回転する場合、第１の従来技術及び第２の従来技術によるフライホイールは危険要因を有することが分かる。
これに反し、本発明によるフライホイールは、強度比が１より小さい約０．２４で安全であることが示された。
【００２３】
結果的に、図５と図６から分かるように、本発明によるフライホイールの中空型ハブ１２０はリング型ロータ１３０との組み合わせで半径方向変位に適したものとして示され、リング型ロータの応力を低減させることができる能力が第１、２の従来技術に比べて優れていることが分かる。
一方、図７は共振周波数に関して、本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイール、第１の従来技術、そして第２の従来技術を比較したグラフである。
ここで、第１の従来技術によるフライホイール１０は、共振周波数が１００，９０２ｒｐｍで動力学的に最も安定していることが分かる。
そして、第２の従来技術によるフライホイール２０は、共振周波数が１６，１３６．４ｒｐｍで最も低いことが分かる。その理由は、ハブ２３の回転軸２２の固定部分が１つであるためである。
【００２４】
これに反し、本発明の実施例によるフライホイールは、第２の従来技術のフライホイールより高い５５，９６２ｒｐｍを示す。その理由は、中空型ハブ１２０の回転軸１１０の固定部が第１ドーム型固定部１２２ａと第２ドーム型固定部１２２ｂと２つであるためである。
さらに、図６と図７を総合してみると、フライホイールが３０，０００ｒｐｍで回転する場合、本発明の実施例によるフライホイールの強度比が１より小さく、共振周波数が作動回転数３０，０００ｒｐｍより高く示されるので安全であることが分かる。
【００２５】
一方、図８は本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術の比較したものであって、強度比と共振周波数を考慮してフライホイールが安全に運転される最大回転数を示したグラフである。
ここで、最大回転数は、フライホイールの強度比と共振周波数を同時に満足するフライホイールの最大回転数を意味する。
そして、本発明の実施例ではフライホイールが４３，６００ｒｐｍで第１、２の従来技術のフライホイールより回転速度を高くできることが分かる。
【００２６】
一方、図９は最大保存エネルギーに関して、本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイール、第１の従来技術、そして第２の従来技術を比較して示したグラフである。
ここで、本発明の実施例によるフライホイールのエネルギー保存量が１４．１６ＫＷｈで第１、２の従来技術のそれより非常に高い値を有することが分かる。その理由は、フライホイールのエネルギー保存量は回転数の自乗に比例するので、図８に示したように作動回転数が最も高い本発明の実施例によるフライホイールがエネルギー保存量もまた最も高くなるためである。
【００２７】
以下、添付した図１０乃至図１３を参照して、本発明の他の実施例によるエネルギー保存用フライホイールのハブについて説明する。
図３及び図４の本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールのうちの変形しない部位は同一名称及び同一符号を使用する。
本発明の他の実施例によれば、ハブ２００は、図１０に示すように、接触部１２１の両端に各々具備される互いに対向する２つのドーム型固定部１２２ａ、１２２ｂと、接触部１２１の内周面に具備される中間ドーム型固定部１２２ｃを含む。
中間ドーム型固定部１２２ｃは２つの対向するドーム型固定部１２２ａ、１２２ｂの間に位置する。
【００２８】
本発明の他の実施例によれば、ハブ３００は、図１１に示すように、接触部１２１の両端に各々具備され内側に膨らんだドーム形状を有する互いに対向する２つのドーム型固定部３１０、３２０を含む。
本発明の他の実施例によれば、ハブ４００は、図１２に示すように、接触部１２１の一端に具備され内側に膨らんだドーム形状を有するドーム型固定部４１０と、そして接触部１２１の他端に具備され外側に膨らんだドーム形状を有するドーム型固定部４２０を含むこともある。
本発明の他の実施例によれば、ハブ５００は、図１３に示すように、互いに対向する２つのドーム型固定部５１０、５２０を含み、そのうちの１つのドーム型固定部５１０は接触部１２１の一端に具備され、他の１つのドーム型固定部５２０は接触部１２１の内周面に具備される。つまり、ドーム型固定部５２０は接触部１２１の両端の間に位置する。
一方、少なくとも２つのドーム型固定部の個数は、リング型ロータ１３０の強度及び共振周波数によって決めるのが好ましい。
【００２９】
以上で、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の従来技術によるエネルギー保存用フライホイールの一部切開斜視図である。
【図２】第２の従来技術によるエネルギー保存用フライホイールの一部切開斜視図である。
【図３】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールの一部切開斜視図である。
【図４】図３のフライホイールのハブの一部切開斜視図である。
【図５】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術及びそして第２の従来技術によるフライホイールを比較したものであって、３０，０００ＲＰＭで回転時の半径方向の強度比を示したグラフである。
【図６】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術を比較したものであって、強度比の最大値を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術を比較したものであって、共振周波数を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術の比較したものであって、強度比と共振周波数を考慮してフライホイールの最大作動回転数を示したグラフである。
【図９】本発明の実施例によるエネルギー保存用フライホイールと、第１の従来技術と、そして第２の従来技術の比較したものであって、最大保存エネルギーを示したグラフである。
【図１０】本発明の他の実施例によるフライホイールのハブの一部切開斜視図等である。
【図１１】本発明の他の実施例によるフライホイールのハブの一部切開斜視図等である。
【図１２】本発明の他の実施例によるフライホイールのハブの一部切開斜視図等である。
【図１３】本発明の他の実施例によるフライホイールのハブの一部切開斜視図等である。
【符号の説明】
【００３１】
１０，２０    フライホイール
１１，２１，１３０    ロータ
１２，２３，２００，３００，４００，５００  ハブ
２２，１１０  回転軸
１２０  中空型ハブ
１２１  接触部
１２２，３１０，３２０，４１０，４２０，５１０，５２０  ドーム型固定部
１２２ａ  第１ドーム型固定部
１２２ｂ  第２ドーム型固定部
１２２ｃ  中間ドーム型固定部
１２３  スロット
１３０  リング型ロータ
【図１】
2006029315.tif 000004
【図２】
2006029315.tif 000005
【図３】
2006029315.tif 000006
【図４】
2006029315.tif 000007
【図５】
2006029315.tif 000008
【図６】
2006029315.tif 000009
【図７】
2006029315.tif 000010
【図８】
2006029315.tif 000011
【図９】
2006029315.tif 000012
【図１０】
2006029315.tif 000013
【図１１】
2006029315.tif 000014
【図１２】
2006029315.tif 000015
【図１３】
2006029315.tif 000016