飛輪的制作方法
【專利說明】飛輪
[0001]在2014年8月29日提出的日本專利申請2014-176224的說明書、附圖及摘要作為參照而包含于此。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及搭載于飛輪蓄電池裝置等并旋轉而用于蓄積慣性能量的飛輪。
【背景技術】
[0003]以往，已知有將電能轉換成飛輪的旋轉慣性能量并進行貯藏的飛輪蓄電池裝置。搭載于飛輪蓄電池裝置的飛輪的材質為了能夠耐受其高速旋轉時產生的離心力而要求比強度(材料強度除以密度所得到的值)高的材料。而且，為了實現高重量能量密度，希望除去飛輪中的對于能量的貢獻度小的部分。
[0004]因此，以往，提出了呈中空圓筒體且使用碳纖維強化塑料(carbon-fiber-reinforced plastic:CFRP)等纖維強化塑料而形成的飛輪(參照日本特開平9-267402號公報1)。日本特開平9-267402號公報記載的飛輪作為一體構件構成，而且，纖維強化塑料的加強纖維沿周向(即，飛輪的旋轉方向)進行取向。
[0005]飛輪蓄電池裝置的重量能量密度依賴于飛輪的最外周速度。因此，為了提高飛輪的能量密度，希望使飛輪盡可能以高速旋轉。然而，當增大飛輪的旋轉速度時，受到由飛輪的旋轉產生的離心力而飛輪朝向徑向的外方膨脹，伴隨于此，在飛輪的內部可能產生大的變形。其結果是，在飛輪的內部可能產生大的應力。
[0006]本申請發(fā)明者們正在研究飛輪的高速化(例如，使飛輪的最外周速度從當前的約800 (m/sec)高速化至1500 (m/sec)以上)。然而，如日本特開平9-267402號公報記載那樣的加強纖維沿周向進行取向的飛輪的徑向的強度低。當使這樣的飛輪以這樣的高速旋轉時，在飛輪內產生的徑向的應力(應力的徑向分量)的大小超過材料強度的可能性高。因此，存在無法實現這樣的高速化的問題。因此，本申請發(fā)明者們通過對飛輪的構造想辦法，而研究了實現在飛輪旋轉時在內部產生的徑向的應力的減少的情況。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠實現當飛輪旋轉時在內部產生的徑向的應力的減少，由此，能夠實現更高速的旋轉的飛輪。
[0008]以規(guī)定的旋轉軸線為中心旋轉而用于蓄積慣性能量的本發(fā)明的一方案的飛輪的構造上的特征在于，包括:環(huán)構件；及輪轂環(huán)，內嵌于所述環(huán)構件，其中，至少在所述飛輪旋轉時，所述輪轂環(huán)壓接于所述環(huán)構件的內周。
【附圖說明】
[0009]圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的飛輪的結構的立體圖。
[0010]圖2是所述飛輪的剖視圖。
[0011]圖3是表示所述飛輪包含的分割體的結構的立體圖。
[0012]圖4是表示所述分割體包含的碳纖維預浸料的結構的圖。
[0013]圖5是表示本發(fā)明的第二實施方式的輪轂環(huán)包含的分割體的結構的立體圖。
[0014]圖6是表示本發(fā)明的第三實施方式的輪轂環(huán)包含的分割體的結構的立體圖。
[0015]圖7是表示本發(fā)明的第四實施方式的飛輪的結構的立體圖。
[0016]圖8是本發(fā)明的第五實施方式的飛輪的剖視圖。
[0017]圖9是表示實施例的內部應力試驗的結果的坐標圖。
[0018]圖10是表示比較例的內部應力試驗的結果的坐標圖。
【具體實施方式】
[0019]以下，參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施方式。圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的飛輪1的結構的立體圖。圖2是飛輪1的剖視圖。圖3是表示飛輪1包含的分割體7的結構的立體圖。圖4是表示分割體7包含的碳纖維預浸料8的結構的圖。
[0020]飛輪1呈中空的大致圓筒狀，搭載于飛輪蓄電池裝置(未圖示)。在飛輪蓄電池裝置中，飛輪1以水平姿勢設置成例如繞鉛垂的旋轉軸線2能夠旋轉。在飛輪1的中空部分收容有沿著旋轉軸線2延伸的旋轉軸(未圖示)或電裝零件等零件。在飛輪1的中空部分收容有零件，因此能實現飛輪蓄電池裝置的緊湊化。
[0021]飛輪1由輪環(huán)(環(huán)構件)3與內嵌于輪環(huán)3的輪轂環(huán)4的組裝品構成。輪環(huán)3及輪轂環(huán)4設置成以旋轉軸線2為中心的同軸狀。在以后的說明中，將旋轉軸線2的軸向設為軸向z。而且，將飛輪1的徑向設為徑向r。徑向r與飛輪1的旋轉半徑方向一致。此外，將飛輪1 (輪環(huán)3及輪轂環(huán)4)的周向設為周向Θ。周向Θ與飛輪1的繞旋轉軸線2的旋轉方向一致。需要說明的是，在該說明書中，“徑向的應力”是指“應力的徑向分量”，“周向的應力”是指“應力的周向分量”。
[0022]輪環(huán)3呈圓筒狀。輪環(huán)3的外徑設定為約450 (mm)。輪環(huán)3使用纖維強化塑料的一例的CFRP來形成。輪環(huán)3的碳纖維的取向方向主要是周向Θ。S卩，輪環(huán)3的碳纖維在軸向z或徑向r上幾乎都未取向。因此，輪環(huán)3在周向Θ上具有高剛性及高強度，在徑向r上具有低剛性及低強度。輪環(huán)3使用使浸漬有樹脂的纖維束(在由多個細絲構成的長纖維束未捻搓的纖維束)卷繞于圓筒或壓力容器的模具上之后使其固化的、所謂纏繞成形法來形成。
[0023]輪轂環(huán)4 一體地具有圓筒狀的輪轂環(huán)主體5和一對圓盤狀的凸緣6。輪轂環(huán)主體5被保持成與旋轉軸線2垂直的姿勢(水平姿勢)。凸緣6從輪轂環(huán)主體5的軸向z的兩端部附近向徑向r的外方伸出。通過輪轂環(huán)主體5的、除了軸向z的兩端部之外的部分的外周面10和一對凸緣6的各內側的主面(上側的凸緣6的下表面及下側的凸緣6的上表面)來劃分用于收容輪環(huán)3的收容空間11。在將輪轂環(huán)4內嵌于輪環(huán)3的狀態(tài)下，輪轂環(huán)主體5的外周面10與輪環(huán)3的內周面9抵接或者與內周面9隔開微小間隔地相對。
[0024]—對圓盤狀的凸緣6的軸向z的間隔設定為與輪環(huán)3的軸向z的長度相等。而且，一對凸緣6的外周端位于比輪環(huán)3的外周面12靠徑向r的內側。S卩，凸緣6的外徑比輪環(huán)3的外徑小，設定為例如約300 (mm)。輪轂環(huán)主體5的外徑設定為與輪環(huán)3的內徑相等，設定為例如約240 (mm)。
[0025]輪轂環(huán)4使用CFRP而形成。輪轂環(huán)4的碳纖維的取向方向主要是徑向r。即，輪轂環(huán)4的碳纖維在軸向z或周向Θ上未取向。因此，輪轂環(huán)4在徑向r上具有高剛性及高強度，在周向Θ上具有低剛性及低強度。輪轂環(huán)4沿周向Θ被進行多等分(圖1中，例如24等分)的分割。換言之，輪轂環(huán)4利用與周向Θ垂直的分割面7A(參照圖3)沿周向Θ被分割。其結果是，輪轂環(huán)4由多個(在圖1中，例如24個)分割體7構成。通過將輪轂環(huán)4沿周向Θ分割，能夠進一步實現輪轂環(huán)4整體的周向Θ的剛性的減少。由此，能夠以比較簡單的結構實現減少了周向Θ的剛性的輪轂環(huán)4。
[0026]如圖3及圖4所示，各分割體7使用預浸漬法來形成。
[0027]具體而言，分割體7通過將碳纖維預浸料8沿著周向Θ層疊而形成。各碳纖維預浸料8是在碳纖維中浸漬有基質樹脂(例如，環(huán)氧樹脂)的片狀的構件。各碳纖維預浸料8具有與分割體7的沿著徑向r的截面形狀匹配的形狀。各碳纖維預浸料8的碳纖維的取向方向如圖4所示僅為碳纖維預浸料8的寬度方向(與長度方向正交的方向)。在將碳纖維預浸料8沿周向Θ進行了一方向層疊之后，以基質樹脂(例如，環(huán)氧樹脂)進行固化，從而得到圖3所示的分割體7。由此，通過比較簡單的結構能夠得到由碳纖維僅沿徑向r取向的CFRP構成的分割體7。
[0028]在飛輪1的制造時，向輪環(huán)3例如逐個地內嵌分割體7，最終將全部的分割體7沿周向Θ排列，由此形成由環(huán)體構成的輪轂環(huán)4。由此，能夠實現輪轂環(huán)4的向輪環(huán)3的內嵌。在此狀態(tài)下，輪轂環(huán)主體5的外周面10與輪環(huán)3的內周面9抵接或者與內周面9隔著微小間隔相對。而且，在此狀態(tài)下，下側的凸緣6從下方與輪環(huán)3進行面接觸而支承輪環(huán)3。由此，能夠防止輪環(huán)3從輪轂環(huán)4脫落。
[0029]在飛輪蓄電池裝置(未圖示)中，使飛輪1繞著旋轉軸線2以極高速(例如，飛輪1的最外周速度為1200 (m/sec)以上(例如約1500 (m/sec)))旋轉。此時的飛輪1的重量能量密度為約200 (ffh/kg)。在飛輪1高速旋轉時，受到與飛輪1的旋轉相伴的離心力，飛輪1朝向徑向r的外方膨脹。其結果是，在飛輪1的內部產生變形，在輪環(huán)3的內部產生拉伸應力。輪轂環(huán)4的周向Θ的剛性設定得比輪環(huán)3的周向Θ的剛性低。由此，若受到在飛輪1的旋轉時產生的離心力，則輪轂環(huán)主體5比輪環(huán)3更容易向徑向r的外方膨脹。因此，在飛輪1旋轉時，更大地向徑向r的外方膨脹的輪轂環(huán)主體5壓接于輪環(huán)3的內周。
[0030]通過輪轂環(huán)4向輪環(huán)3的內周的壓接，向輪環(huán)3賦予徑向r的壓縮應力。徑向r的剛性高的輪轂環(huán)4相對于輪環(huán)3的內周面9沿徑向r壓接。由此，能夠將徑向r的壓縮應力高效率地向輪環(huán)3賦予。這樣賦予的徑向r的壓縮應力將輪環(huán)3內的徑向r的拉伸應力的一部分抵消。其結果是，輪環(huán)3內的徑向r的應力下降。因此，與通過一體構件設置飛輪1的情況相比，能夠實現在飛輪1旋轉時在內部產生的徑向r的應力的減少。
[0031]而且，由于構成飛輪1的輪轂環(huán)4的周向Θ的剛性低，因此能夠實現在飛輪1旋轉時在內部產生的周向Θ的應力的減少。此外，輪轂環(huán)4由沿周向Θ分割的多個分割體7構成，因此能夠實現輪轂環(huán)4整體的周向Θ的剛性的減少。由此，在飛輪1旋轉時，能夠進一步實現在內部產生的周向Θ的應力的減少。
[0032]通過以上，在飛輪1旋轉時，能夠實現在飛輪1的內部產生的應力(徑向r的應