(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周にロータを備えたフライホイールを２分割したシャフトに締結部材を介して締結し、前記シャフトを発電電動機に接続して電気エネルギを前記フライホイールの回転エネルギとして蓄積するフライホイール・バッテリにおいて、前記シャフトを先端側から前記フライホイールに向けて徐々に径大となるように構成し、前記フライホイールを、ボスとリムと前記ボスとリムを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポークとから一体的に構成して前記リムの円周に前記ロータを取り付けると共に、前記ボスの前記スポークの接続位置からオフセットさせた位置に挿通孔を穿設し、前記挿通孔に前記締結部材を挿通させて前記２分割したシャフトと前記フライホイールとを固定したことを特徴とするフライホイール・バッテリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はフライホイール・バッテリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
円周にロータを備えたフライホイールを２分割したシャフトに締結部材を介して締結し、シャフトを発電電動機に接続して電気エネルギをフライホイールの回転エネルギとして蓄積するフライホイール・バッテリ（フライホイール型蓄電装置）の例としては、特開昭５２−６５８０４号公報記載の技術を挙げることができる。この従来技術においては、フライホイールは、磁性材で円板状に形成されている。
【０００３】
また、フライホイールを、ボスとリムと前記ボスとリムを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポークとから構成した例としては、特開２０００−２８７３９９号記載の技術を挙げることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のフライホイール・バッテリにあっては、フライホイールは高速で回転するとき、ジャイロ効果によってフライホイール自体の曲げ共振周波数（固有振動数）が、図４に示す如く、高周波数と低周波数の２つに分岐する特性を持つ。
これは、そのｎ次の曲げ共振波でも同様である。
【０００５】
このジャイロ効果による曲げ共振周波数の分岐度合いは、回転軸回りの慣性モーメントＩｐと、回転軸に直交する重心軸回りの慣性モーメントＩｄの比Ｉｐ／Ｉｄによって決まる。この比Ｉｐ／Ｉｄが大きいほど、回転の上昇に伴う共振周波数の分岐度合いが大きくなる。フライホイール・バッテリのような回転軸回りの慣性モーメントの大きな回転体ではＩｐ／Ｉｄのモーメント比が大きくなり、ジャイロ効果の影響が顕著となる。
【０００６】
即ち、図４に示すように、運搬線（回転角速度）ωと各共振周波数の交点ａ，ｂ，ｃ，ｄに相当する回転数が、いわゆる危険速度となることから、フライホイールの最大回転数は、最低の危険速度Ｎａを超えない範囲に設定せざるを得ない。
【０００７】
従って、フライホイールの最大回転数を上げて使用可能範囲を拡大するためには、回転体としての剛性を上げて危険速度Ｎａを高回転側に移行させるのが有効となる。
【０００８】
さらに、Ｉｐ／Ｉｄのモーメント比を低下させて共振周波数の分岐度合いを減少させることも効果的である。Ｉｐ／Ｉｄのモーメント比を低下させることができれば、例えば図４に想像線で示すように共振周波数の分岐度合いを減少させることができ、運搬線ωとの交点をａｃにして危険速度Ｎａｃを高回転側に移行させることができる。
【０００９】
この発明の目的は上記した課題を解消することにあり、回転体としての剛性を高めて危険速度を高回転側に移行させると共に、モーメント比の調整を可能とし、よってフライホイールの最大回転数を上げて使用可能範囲を拡大するようにしたフライホイール・バッテリを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１項にあっては、円周にロータを備えたフライホイールを２分割したシャフトに締結部材を介して締結し、前記シャフトを発電電動機に接続して電気エネルギを前記フライホイールの回転エネルギとして蓄積するフライホイール・バッテリにおいて、前記シャフトを先端側から前記フライホイールに向けて徐々に径大となるように構成し、前記フライホイールを、ボスとリムと前記ボスとリムを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポークとから一体的に構成して前記リムの円周に前記ロータを取り付けると共に、前記ボスの前記スポークの接続位置からオフセットさせた位置に挿通孔を穿設し、前記挿通孔に前記締結部材を挿通させて前記２分割したシャフトと前記フライホイールとを固定するように構成した。
【００１１】
円周にロータを備えたフライホイールを２分割したシャフトに締結部材を介して締結すると共に、シャフトを先端側からフライホイールに向けて徐々に径大となるように構成することで、シャフトの大径化を図ることが可能となって回転体としての剛性を上げることができる。それによって危険速度を高回転側に移行させることができ、フライホイールの最大回転数を上げて使用可能範囲を拡大することができる。
【００１２】
また、シャフトを分割構造とすることで、シャフトの径および長さでＩｐ／Ｉｄのモーメント比を調整することができると共に、曲げ共振周波数も調整することができ、よってモーメント比の設定自由度も向上させることができる。
【００１３】
さらには、フライホイールを、ボスとリムとそれらを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポークとから一体的に構成してリムの円周にロータを取り付けると共に、ボスのスポークの接続位置からオフセットさせた位置に挿通孔を穿設し、挿通孔に締結部材を挿通させて２分割したシャフトとフライホイールとを固定するように構成したので、回転時にフライホイール自身に作用する遠心力によるフライホイールの各部の変形の影響を低減することができ、締結手段に作用する剪断力を低減できると共に、締結手段配置位置におけるシャフトとボスの間のしゅう動も低下できるので、締結手段のゆるみも回避することができる。このように、締結手段の強度および信頼性も確保することができるので、よって回転体としての剛性を一層上げることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即し、この発明の一つの実施の形態に係るフライホイール・バッテリを説明する。
【００１５】
図１はそのフライホイール・バッテリを、発電電動機も含めて全体的に示す概略図である。
【００１６】
図１において、符号１０はその発電電動機を示し、発電電動機１０はハウジング１２を備える。ハウジング１２の内部にはシャフト１４と、シャフト１４に４本のボルト（締結手段）１６でボルト挿通孔１６ａを挿通して固定（締結）されたフライホイール２０が、回転自在に収容される。尚、発電電動機１０はフライホイール２０の回転を蓄積エネルギとする、特開昭５２−０６５８０４号公報に記載されるようなフライホイール型蓄電装置、いわゆるフライホイール・バッテリとして構成される。
【００１７】
シャフト１４は鉄材からなり、図示の如く、シャフト半部１４ａ，１４ｂからなる。シャフト半部１４ａ，１４ｂは共に先端側からフライホイール２０に向けて径大に構成される。
【００１８】
図２は、フライホイール２０の上面をシャフトとの締結状態も含めて示す概略図である。
【００１９】
フライホイール２０は、図２から明らかな如く、上面視でホイール状を呈し、中央位置にボス２０ａを備え、ボス（ハブ）２０ａの両側でシャフト半部１４ａ，１４ｂにボルト１６で固定（締結）され、よってフライホイール２０がシャフト１４を介して回転自在に構成される。
【００２０】
フライホイール２０のボス２０ａと円周側の環状のリム２０ｂの間は、所定の間隔（９０度）をおいてボス２０ａからリム２０ｂに向けて延ばされた複数本（４本）のスポーク（アーム）２０ｃで一体的に接続される。ボス２０ａ、リム２０ｂおよびスポーク２０ｃは、アルミニウム材から製作される。また、リム２０ｂは比較的肉薄に形成され、そのさらに円周側には炭素繊維強化樹脂材からなるロータ２０ｄが圧入されて取り付けられる。
【００２１】
図示の如く、ロータ２０ｄは上面視でドーナツ状を呈し、それぞれ炭素繊維強化樹脂を積層してなる複数個のピース、例えば５個のピースからなる。各ピースは順次リム２０ｂの外周に圧入される。
【００２２】
このように、ロータ２０ｄを炭素繊維強化樹脂から製作したことで、軽量でありながら、回転強度の高いものとすることができる。即ち、エネルギＥは、
Ｅ＝１／２（Ｉｐ×ω2 ）〔Ｊ〕
で導かれるが、回転強度を上げたことで回転角速度ωを大きく、換言すれば高速回転させることができる（この回転は高速であって数万ｒｐｍにも達する）。これによってエネルギ密度の高いフライホイール・バッテリを実現することができる。
【００２３】
シャフト１４の半部１４ｂの外周には永久磁石２２が配置され、永久磁石２２をフィラメントワインディング層２４でシャフト１４上に巻き止め、発電電動機のロータ（回転子）２６が構成される。他方、ハウジング１２には、ロータ２６と所定のギャップ（間隙）をおいてステータ（固定子巻線）３０が固定される。
ロータ２６とステータ３０で発電機・電動機が構成される。
【００２４】
シャフト１４（およびそれに締結されたフライホイール２０）は、軸受け３２を介してハウジング１２内に回転自在に収容される。尚、軸受け３２は、図示の簡略化のため、玉軸受けとして示すが、実際には磁気軸受けからなり、非接触にシャフト１４を支持する。また、ハウジング１２の内部３４は減圧装置（図示せず）に接続され、真空に保持されてフライホイール２０の回転時の空気抵抗を減少するように構成される。
【００２５】
発電電動機１０は、充電時には図示しない通電回路を介してステータ３０が通電されてステータ３０とロータ２６が電動機として動作し、フライホイール２０を回転させると共に、放電時にはステータ３０とロータ２６が発電機として動作し、フライホイール２０の回転を電気エネルギに変換する。かく発生された電力は、図示しない回路を介して取り出されて所望の用途に供される。
【００２６】
図示の構成において特徴的なことは、フライホイール２０を、ボス２０ａとリム２０ｂとボス２０ａとリム２０ｂを所定の間隔をおいて接続する４個のスポーク２０ｃとから構成してリム２０ｂの円周にロータ２０ｄを取り付けると共に、シャフト１４をシャフト半部１４ａ，１４ｂに２分割し、フライホイール２０をその２分割したシャフト１４（シャフト半部１４ａ，１４ｂ）にボルト（締結部材）１６を介して締結したことである。
【００２７】
即ち、ボス２０ａを穿孔してシャフト１４を圧入するような構成とせず、シャフト１４を２分割する構成としたので、シャフト１４の大径化を図ることが可能となって回転体としての剛性を上げることができる。それによって危険速度を高回転側に移行させることができ、フライホイール２０の最大回転数を上げて使用可能範囲を拡大することができる。
【００２８】
さらには、シャフト１４を分割構造とすることで、曲げ共振周波数とモーメント比をシャフト１４の径および長さで調整することが可能となり、それらの設定自由度も向上させることができる。従って、磁気軸受け３２で要求されるモーメント比の調整も容易となる。また、ボス２０ａとシャフト１４の圧入代の確保も不要となる。
【００２９】
ところで、先に述べたように、フライホイール２０は、高回転時に発生する、それ自身の遠心力によって各部が変形、具体的には、各部が径方向外側に膨らむように変形する。従って、ボルト１６の配置位置もその点を考慮して決める必要がある。
【００３０】
それについて図３を参照して説明すると、ボルト１６の配置位置としては、同図（ａ）に示すようにボス２０ａのスポーク２０ｃの接続位置、即ち、スポーク２０ｃの根元に配置する場合、同図（ｂ）に示すようにボス２０ａのスポーク２０ｃの接続位置からオフセットさせた位置、即ち、スポーク２０ｃの間に配置する場合、および同図（ｃ）に示すようにスポーク２０ｃの根元とスポーク２０ｃの間に共に配置する場合とが考えられる。
【００３１】
この場合、図３（ａ）（ｃ）に示すように、ボルト挿通孔１６ａをスポーク２０ｃの根元に穿設してボルト１６をそこに配置すると、スポーク２０ｃに作用する遠心力によって引っ張られてボルト挿通孔１６ａは径方向（遠心力作用方向）に移動するため、ボルト１６に大きな剪断力が発生する。また、その移動により、シャフト１４とボルト１６の間にしゅう動が発生し、ボルト１６のゆるみが惹起される。
【００３２】
従って、この実施の形態においては図３（ｂ）に示すように、ボルト１６をボス２０ａのスポーク２０ｃの接続位置からオフセットさせた位置、即ち、スポーク２０ｃの間に配置するようにした。これによって回転時にフライホイール２０自身に作用する遠心力によるフライホイール２０の各部の変形の影響を低減することができる。
【００３３】
即ち、スポーク２０ｃに作用する遠心力によるボルト挿通孔１６ａの変位量を減少させることができ、ボルト１６に作用する剪断力、およびボルト１６のゆるみを惹起させるボルト挿通孔１６ａにおけるシャフト１４とボス２０ａのしゅう動も低下できるので、ボルト１６のゆるみも回避することができる。このように、締結手段１６の強度および信頼性も確保することができるので、よって回転体としての剛性を一層上げることができる。
【００３４】
尚、図２に示すように、ボルト１６を隣接するスポーク２０ｃの間の厳密な中央位置に配置するようにしたが、左スポーク２０ｃの接続位置からオフセットさせた位置に配置すれば足りるので、厳密に中央位置でなくても良く、左右にずらせて配置しても良い。
【００３５】
尚、締結手段の例もボルト１６に止まるものではなく、ボルト１６の本数も図示の本数に止まらないことは、言うまでもない。
【００３６】
この実施の形態は、上記の如く、円周にロータ２０ｄを備えたフライホイール２０を２分割したシャフト１４（シャフト半部１４ａ，１４ｂ）に締結部材（ボルト１６）を介して締結し、前記シャフト１４を発電電動機に接続して電気エネルギを前記フライホイール２０の回転エネルギとして蓄積するフライホイール・バッテリにおいて、前記シャフト１４を先端側から前記フライホイール２０に向けて徐々に径大となるように構成し、前記フライホイールを、ボス２０ａとリム２０ｂと前記ボスとリムを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポーク２０ｃとから一体的に構成して前記リムの円周に前記ロータ２０を取り付けると共に、前記ボスの前記スポークの接続位置からオフセットさせた位置に挿通孔１６ａを穿設し、前記挿通孔１６ａに前記締結部材１６を挿通させて前記２分割したシャフト１４と前記フライホイール２０とを固定するように構成した。
【００３７】
より具体的には、フライホイール・バッテリにおいて、フライホイール２０を、ボス２０ａとリム２０ｂとボス２０ａとリム２０ｂを所定の間隔をおいて接続する４個のスポーク２０ｃとから構成してリム２０ｂの円周にロータ２０ｄを取り付けると共に、シャフト１４をシャフト半部１４ａ，１４ｂに２分割し、フライホイール２０をその２分割したシャフト１４（シャフト半部１４ａ，１４ｂ）に締結部材（ボルト）１６を介して締結し、前記シャフト１４を発電電動機に接続して電気エネルギを前記フライホイール２０の回転エネルギとして蓄積すると共に、前記締結部材を、前記ボス２０ａの前記スポーク２０ｃの接続位置からオフセットさせた位置に配置するように構成した。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、円周にロータを備えたフライホイールを２分割したシャフトに締結部材を介して締結すると共に、シャフトを先端側からフライホイールに向けて徐々に径大となるように構成することで、シャフトの大径化を図ることが可能となって回転体としての剛性を上げることができる。それによって危険速度を高回転側に移行させることができ、フライホイールの最大回転数を上げて使用可能範囲を拡大することができる。
【００３９】
また、シャフトを分割構造とすることで、シャフトの径および長さでＩｐ／Ｉｄのモーメント比を調整することができると共に、曲げ共振周波数も調整することができ、よってモーメント比の設定自由度も向上させることができる。
【００４０】
さらには、フライホイールを、ボスとリムとそれらを所定の間隔をおいて接続する複数個のスポークとから一体的に構成してリムの円周にロータを取り付けると共に、ボスのスポークの接続位置からオフセットさせた位置に挿通孔を穿設し、挿通孔に締結部材を挿通させて２分割したシャフトとフライホイールとを固定するように構成したので、回転時にフライホイール自身に作用する遠心力によるフライホイールの各部の変形の影響を低減することができ、締結手段に作用する剪断力を低減できると共に、締結手段配置位置におけるシャフトとボスの間のしゅう動も低下できるので、締結手段のゆるみも回避することができる。このように、締結手段の強度および信頼性も確保することができるので、よって回転体としての剛性を一層上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係るフライホイール・バッテリを、発電電動機も含めて全体的に示す概略図である。
【図２】図１に示すフライホイールの上面をシャフトとの締結状態も含めて示す概略図である。
【図３】図１に示すフライホイールとシャフトを締結するボルトの配置位置例を示す説明図である
【図４】フライホイール・バッテリにおいて回転時のジャイロ効果によるフライホイールの曲げ共振周波数（固有振動数）への影響を示す説明グラフである。
【符号の説明】
１０      発電電動機
１４      シャフト
１６      ボルト（締結手段）
１６ａ    ボルト挿通孔
２０      フライホイール
２０ａ  （フライホイールの）ボス
２０ｂ  （フライホイールの）リム
２０ｃ  （フライホイールの）スポーク
２０ｄ  （フライホイールの）ロータ
２２      永久磁石
２４      フィラメントワインディング層
２６    （発電電動機の）ロータ
３０    （発電電動機の）ステータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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