(57)【要約】  運動エネルギー保存用のフライホイールおよび複合材料を使用するその構成。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。本発明は、長手軸（８１）を有し、且つ環状ロータ（２６）と、ロータを軸方向シャフト（７６）に結合するためのロータ支持体（７４）とを含むフライホイールアセンブリ（７０）を提供し、ロータはマトリックス材料中の繊維を含み、マトリックス材料中の繊維を含むリング（８４）がロータ支持体の外周に取り付けられ、ロータはリングの外周に取り付けられ、ロータ、ロータ支持体、およびリングはそれぞれ、アセンブリの長手軸と一致する長手軸を有する。複合材料から形成される中間リング（８４）の存在は、アセンブリの製造を補助し、およびロータとロータ支持体との間に適切な界面を提供することによってアセンブリの耐久性を高める。
2016525335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸を有し、且つ環状ロータと、前記ロータを軸方向シャフトに結合するためのロータ支持体とを含むフライホイールアセンブリであって、
前記ロータがマトリックス材料中の繊維を含み、
マトリックス材料中の繊維を含むリングが前記ロータ支持体の外周に取り付けられ、および前記ロータが前記リングの外周に取り付けられ、
前記ロータ、ロータ支持体、およびリングがそれぞれ、前記アセンブリの前記長手軸と一致する長手軸を有する
フライホイールアセンブリ。
【請求項２】
前記リングが、円周方向において前記ロータよりも高い弾性を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記リングが、円周方向において前記ロータ支持体よりも高い弾性を有する、請求項１または２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記リングが前記ロータ支持体の最も外側の円周表面に取り付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記ロータ支持体が前記リングに圧入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記リングが前記ロータに圧入される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記ロータ支持体と前記リングとの間の界面が、前記リングと前記ロータとの間の界面とも交差する横断面と交差する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記リングが、前記ロータよりも高い半径方向圧縮強度を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記リングが、前記ロータ支持体よりも低い半径方向圧縮強度を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記リングの前記繊維が、ガラス繊維、玄武岩繊維および低比弾性率炭素繊維を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記リングが前記ロータ支持体の周りの締まり嵌め部分である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記ロータが前記リングの周りの締まり嵌め部分である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記ロータ支持体が実質的に円錐台状の内側表面を画定し、前記実質的に円錐台状の内側表面がその長手軸の周りで回転対称である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記ロータ支持体の前記円錐台状の内側表面によってその長手軸と垂直な面に対して画定される角度が、前記ロータ支持体を前記リングと実質的に緊張した状態で適合するように選択される、請求項１３に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記角度が１７〜２６°の範囲内である、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記リングの前記外周表面が円筒表面を画定し、および前記ロータ支持体および前記リングは、前記ロータ支持体の前記円錐台状内側表面を外側に突出することによって画定される仮想表面が前記リングの内周表面から前記リングを貫いて延在し前記リングの前記外側円筒表面にぶつかるように構成される、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記リングの前記外周表面が、前記リングを前記ロータへ嵌入することを補助する面取り部を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記リングの前記内周表面が、前記ロータ支持体を前記リングへ嵌入することを補助する面取り部を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記または各面取り部が、前記リングの前記長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定する、請求項１７または１８に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記ロータ支持体の前記外周表面が、前記ロータ支持体を前記リングへ嵌入することを補助する面取り部を有する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記面取り部が、前記ロータ支持体の前記長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定する、請求項２０に記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記ロータの内側を向く表面に取り付けられた内側環状部を含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項２３】
前記内側環状部が磁性材料の粒子を含む、請求項２２に記載のアセンブリ。
【請求項２４】
前記内側環状部の前記外周表面が、前記環状部を前記ロータに嵌入することを補助する面取り部を有する、請求項２２または２３に記載のアセンブリ。
【請求項２５】
前記面取り部が、前記環状部の前記長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定する、請求項２４に記載のアセンブリ。
【請求項２６】
前記ロータの前記内周表面、前記ロータ支持体の前記面取り部および前記内側環状部の前記面取り部によって画定された容積が、接着接合材料で実質的に満たされる、請求項２０に従属する場合の請求項２４または２５に記載のアセンブリ。
【請求項２７】
前記接着接合材料が樹脂材料である、請求項２６に記載のアセンブリ。
【請求項２８】
前記内側環状部の前記内周表面の各端部の縁部が、その表面に対して２０〜６０°の範囲内の角度を画定する面取り部を有する、請求項２２〜２７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項２９】
前記内側環状部の前記内周表面の各端部の縁部が、その表面に対して５０〜５５°の範囲内の角度を画定する面取り部を有する、請求項２８に記載のアセンブリ。
【請求項３０】
前記ロータ支持体が樹脂材料を使用して前記リングに接着接合される、請求項１〜２９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項３１】
前記ロータが樹脂材料を使用して前記ロータ支持体に接着接合される、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項３２】
フライホイールアセンブリを製造する方法であって、前記アセンブリが環状ロータと、前記ロータを支持シャフトに結合するためのロータ支持体と、リングとを含み、前記ロータおよび前記リングがマトリックス材料中の繊維を含み、前記リングが前記ロータ支持体の外周に取り付けられ、前記ロータが前記リングの外周に取り付けられ、前記方法が、
前記ロータ支持体を前記リングに圧入すること
を含む方法。
【請求項３３】
前記ロータ支持体の最も外側の円周表面が前記リングに圧入される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記リングを前記ロータに圧入することを含む、請求項３２または３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ロータ支持体が前記リングに圧入され、次に前記リングが前記ロータに圧入される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記ロータ支持体と前記リングとの間の界面が、前記リングと前記ロータとの間の界面とも交差する横断面と交差する、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
内側環状部を前記ロータの内向き表面に対して圧入することを含む、請求項３２〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
圧入された表面間に接着接合材料を組み込むことを含む、請求項３２〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
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４０】
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を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【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そのようなフライホイールの構成に関する。
【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。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】
米国特許第４，３４１，００１号明細書は、金属製ハブを含むフライホイールアセンブリを開示する。複合繊維リムはハブに直接巻かれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、長手軸を有し、且つ環状ロータと、ロータを軸方向シャフトに結合するためのロータ支持体とを含むフライホイールアセンブリを提供し、
ロータはマトリックス材料中の繊維を含み、
マトリックス材料中の繊維を含むリングがロータ支持体の外周に取り付けられ、ロータはリングの外周に取り付けられ、
ロータ、ロータ支持体、およびリングはそれぞれ、アセンブリの長手軸と一致する長手軸を有する。
【０００６】
複合材料から形成される中間リングの存在は、アセンブリの製造を補助し、およびロータとロータ支持体との間に適切な界面を提供することによってアセンブリの耐久性を高める。リングの繊維は、ガラス繊維、玄武岩繊維（ｂａｓａｌｔ  ｒｏｃｋ  ｆｉｂｒｅｓ）および低比弾性率炭素繊維の少なくとも１つを含み得る。
【０００７】
好ましくはリングは円周方向においてロータよりも高い弾性を有する。これはリングがロータの内径に圧入されることを可能にする。さらに、リングはまた、円周方向においてロータ支持体よりも高い弾性を有し得、その結果、リングをロータ支持体の外周上に圧入することができる。
【０００８】
好ましい実施形態では、ロータ支持体は、実質的に円錐台状の内側表面を画定し、内側表面はその長手軸の周りで回転対称である。円錐台状の内側表面によってその長手軸と垂直な面に対して画定される角度は、ロータ支持体をリングと実質的に緊張した状態で適合するように選択される。これは遠心力にさらされるときロータ支持体およびリングのアセンブリの一体性を保証する。
【０００９】
リングの外周表面は、リングをロータへ嵌入することを補助する面取り部を有し得る。面取り部は、リングの長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定し得る。
【００１０】
ロータ支持体およびリングは、ロータ支持体の円錐台状内側表面を外側に突出することによって画定される仮想表面が、リングの内周表面からリングを貫いて延在しリングの外側円筒表面にぶつかるように構成可能である。結果として、アセンブリの回転の間にロータ支持体によってリングにかけられる力は、リングの耐荷力を最適化するように、例えばその縁部のいずれの面取り部も避けながらリングの外側円筒表面を通して主に方向付けられる。
【００１１】
ロータ支持体の外周表面および／またはリングの内周表面は、リングをロータ支持体へ嵌入することを補助する面取り部を有し得る。そのまたは各面取り部は、ロータ支持体の長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定し得る。これは、エンドキャップがリングに圧入されるとき、リングのコーナーのせん断を回避する働きをする。
【００１２】
アセンブリはまた、ロータの内向き表面に取り付けられる内側環状部を含み得る。内側環状部は、アセンブリがステータに磁気的に結合されることを可能にするために、磁性材料の粒子を含み得る。
【００１３】
内側環状部の外周表面および／またはロータの内周表面は、環状部をロータへ嵌入することを補助する面取り部を有し得る。そのまたは各面取り部は、ロータの長手軸に対して約１５°以下の角度のリード部分を画定し得る。
【００１４】
ロータの内周円筒表面、ロータ支持体の面取り部および内側環状部の面取り部によって画定された容積は、接着接合材料で実質的に満たされ得る。そうでない場合、この場所の空隙の存在は、高い遠心力に耐えるアセンブリの能力を低減し得る。接着接合材料は、例えば樹脂材料であり得る。
【００１５】
内側環状部の内周表面の各端部の縁部は、高い回転速度時にこれらの縁部のひび割れを回避するために、その表面に対して２０〜６０°の範囲（またはより好ましくは５０〜５５°の範囲）の角度を画定する面取り部を有し得る。
【００１６】
本発明はまた、フライホイールアセンブリを製造する方法を提供し、アセンブリは環状ロータと、ロータを支持シャフトに結合するためのロータ支持体と、リングとを含み、ロータおよびリングがマトリックス材料中の繊維を含み、リングはロータ支持体の外周に取り付けられ、ロータはリングの外周に取り付けられ、方法はロータ支持体をリングに圧入することを含む。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態によるフライホイールアセンブリの側断面図である。
【図２】図１のフライホイールアセンブリの分解図である。
【図３】図１および２のアセンブリの一部の拡大断面図であり、そのさらなる拡大部分を伴う。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明の一実施形態によるフライホイールアセンブリ７０を示す。それは、環状外側ロータ部分２６と、内側環状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。
【００２０】
ロータアセンブリは、ハブまたはエンドキャップ７４の形態のロータ支持体によって支持される。リング８４が、半径方向においてエンドキャップとロータアセンブリとの間に設けられ、ここでリングとエンドキャップおよびロータアセンブリそれぞれとの間の界面は軸方向において重なる。好ましくは、リングとロータとの間の界面は、軸方向において、リングとエンドキャップとの間の界面と完全に重なる。エンドキャップは形状が概ね円錐状である。その外周がリング８４を支持し、リング８４が次に外側ロータ２６に対しその内側円筒表面に取り付けられる。エンドキャップはロータアセンブリから軸方向に外側に延在し、中央円形開口部６８を有する。
【００２１】
中心シャフト７６はエンドキャップの開口部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。エンドキャップは、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の対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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に図１に示されるフライホイールアセンブリの製作を、図２の分解図を参照して記載する。本発明によれば、エンドキャップ７４、リング８４、外側ロータ２６および内側環状部６６は一緒に圧入される。一緒に圧入される構成要素は、圧入工程の前、約６０〜７０℃まで加熱される。これらの圧入される構成要素のそれぞれは、複合材料から形成される。所望の締まり嵌めを得るべく圧入された表面間の半径方向の重なりは、金属構成要素で典型的に使用されるものよりも幾分大きいかもしれない。例えば、内側および外側表面の直径の差は、０．２５ｍｍ〜０．８５ｍｍのオーダーであり得る。加えて、構成要素はアセンブリの強度をさらに高めるために一緒に接着接合される。
【００２４】
好ましくは、樹脂コーティングが、組立ての間に潤滑剤として作用するように構成要素に塗布され、その後、構成要素間の接着接合を形成するように硬化される。
【００２５】
樹脂、例えばＨｅｎｋｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるようなＨｙｓｏｌ（登録商標）ＥＡ９３９４を、潤滑剤および接着接合剤として使用可能である。
【００２６】
製造プロセスの間、シャフト７６はエンドキャップの中央開口部６８を通して挿入される。エンドキャップは締付ナット８６によってシャフトに適所で固定される。次にエンドキャップの外周が、アセンブリおよびシャフトの長手軸８１の周りで回転されるときに機械加工される。エンドキャップ７４は所望のサイズに正確に機械加工される。次にガラス繊維フープで巻かれたリング８４がエンドキャップ７４の外側円周表面の上に圧入される。このプロセスは、潤滑剤として作用する接着接合剤と、エンドキャップの外周表面およびリングの内周表面の面取り部の形態の１５度の角度のリード部分を設けることとによって補助される。このようにして２つの構成要素を損傷することなく相互に嵌め合わせることができる。
【００２７】
次にエンドキャップとガラスリングの結合体は、外側の炭素フープで巻かれたロータ２６に押し込まれる。再度、これは、接着接合剤の潤滑と、リング８４の外周表面およびロータ２６の内側円筒表面の１５度の角度のリード部分とによって補助される。次に、内側のフープで巻かれた磁性複合環状部６６が、いま一度潤滑剤として接着接合剤を使用して、および環状部の外周表面およびロータの内側円筒表面の１５度の角度のリード部分によって補助されて、外側炭素ロータ２６に押し込まれる。
【００２８】
圧入後、構成要素は接着接合剤を硬化するために加熱される。
面取り部が内側環状部６６の内側円筒表面の各端部に画定される。面取り部は、高い回転速度時の縁部のひび割れを回避するために、長手軸８１に対して好ましくは少なくとも２０度、より好ましくは２０〜６０度、より好ましくはさらに５０〜５５度の角度を画定する。
【００２９】
図１および２に示されるロータアセンブリの拡大断面図が図３に示される。点線１６０は、エンドキャップ７４の内側円錐表面を外側方向に突出し、リング８４およびロータ２６を貫く仮想線である。図３はまた、この線がリングおよびロータの界面と交差する場所のさらなる拡大図を含む。上で考察したように、面取り部（図３中それぞれ１００および１０２を付される）が、組立てプロセスを補助するために、リング８４および環状部６６の外周縁部に形成される。結果として容積９８が外側ロータ２６、リング８４および環状部６６の間に画定される。エンドキャップの外縁部がリング８４によって完全に支持されることを保証するために、アセンブリは、突出線１６０が容積９８の外側の位置でリング８４および外側ロータ２６の界面と交差するように構成されるべきである。さらに、この交差部分を容積９８から間隔を空けて離すことが望ましく、間隔が大きくなるほど他の構成要件により適切にさらされる。リング８４および環状部６６の全幅が外側ロータ２６によって支持されることを保証するために、好ましくは容積は組立てプロセスの間接着接合剤で満たされる。
【００３０】
ロータ支持体またはエンドキャップ７４は、周囲リング８４と緊張した状態で適合される（ｓｔｒａｉｎ  ｍａｔｃｈｅｄ）ように円錐状の構成を有する。従って回転の間のその弾性的な変形は、高速回転の間の分離を回避するためにリングの変形と実質的に一致する。回転軸と垂直な面に対してロータ支持体の本体によって画定される角度は、好ましくは１７〜２６度の範囲内、より好ましくは約２０度である。
【００３１】
リング８４は負荷伝播中間部材としての役割を果たす。それはエンドキャップの外縁部を支持するのに十分に強靭である。これはエンドキャップが外側ロータ２６の表面に食い込みまたは実質的に侵食し、応力開始点を形成することを回避する。例えばガラス繊維ベースの複合体がリングに使用されてもよい。
【００３２】
回転の間、遠心力のせいでエンドキャップの直径は増大する。リング８４がない場合、エンドキャップの強靭な外縁部は、相対的により軟質な外側ロータの中に押し込まれ、高い応力の領域を生じさせる可能性がある。これはリングがある場合の事例であろう回転速度よりも低い回転速度でロータの崩壊に至る可能性がある。
【００３３】
リングは、エンドキャップおよび外側ロータ両方の材料よりも優れた円周方向（フープ）弾性を有する材料から好ましくは形成される。これはリングがエンドキャップ上に圧入（拡張）され続いて炭素ロータ２６に圧入されることを可能にする。リングは、外側ロータよりも高い半径方向圧縮強度と、エンドキャップよりも低い半径方向圧縮強度とを好ましくは有する。
【００３４】
図４は本発明の一実施形態によるロータ２６、環状部６６、リング８４およびエンドキャップ７６の強度値の表示を含む。
【００３５】
図４に示されるように、この実施形態における外側ロータ２６の周方向引張り強度は比較的高く、約１８０〜１９５ＭＰａであり、その結果、外側ロータは高速回転の間に受ける負荷に耐えることができる。対照的に、リング８４の周方向引張り強度は比較的低く（約５０〜６０ＭＰａ）、エンドキャップの周方向強度（約４５〜５５ＭＰａ）と同様である。
【００３６】
円周方向におけるリング８４の弾性は、外側ロータおよびエンドキャップ両方のそれよりも高い。これは、エンドキャップ上へのリングの圧入を、および次にリングおよびエンドキャップ結合体のロータへの圧入を促す。
【００３７】
リングの半径方向（および軸方向）横断圧縮強度（１４〜１６ＭＰａ）はロータのそれ（６．５〜７．５ＭＰａ）よりも高いが、半径方向におけるエンドキャップの引張り強度（６０〜７０ＭＰａ）よりも低い。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、組立ての間、はるかにより硬いエンドキャップ周縁部が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。
【００３８】
軸方向におけるロータおよび内側環状部の横断圧縮強度は比較的低い（それぞれ６．５〜７．５ＭＰａおよび１３〜１５ＭＰａ）。内側環状部の周方向引張り強度は外側ロータのそれよりも低く、約３３〜３５ＭＰａである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2016525335.tif 000007
2016525335.tif 000008
2016525335.tif 000009
2016525335.tif 000010
2016525335.tif 000011