特表 2022-536265 フライホイールエネルギー貯蔵装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-15

(54)【発明の名称】フライホイールエネルギー貯蔵装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 33/02 20060101AFI20220805BHJP

【ＦＩ】

F16H33/02 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021571462

(86)(22)【出願日】2020-05-29

(85)【翻訳文提出日】2021-12-07

(86)【国際出願番号】 US2020070096

(87)【国際公開番号】W WO2020247967

(87)【国際公開日】2020-12-10

(31)【優先権主張番号】62/857,088

(32)【優先日】2019-06-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521521253

【氏名又は名称】キネティクコア ソリューションズ エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】クルガーン ジェイムズ ビー

(57)【要約】

フライホイールエネルギー貯蔵装置は例示的に連続的に湾曲した繊維-樹脂複合材料の卵形シェルを含む。ハブは軸のシェルの内部と外部に同心円状に配置される。均一な幅を有する複数の径方向に配向された繊維樹脂複合らせん状巻線が卵形シェルを構成し、シェルをハブに結合して、共通回転およびトルク伝達を実現する。積層された内部構造が外部の卵形シェルに接続され、外部の卵形シェルに圧縮サポートを提供する。回転するとき、卵形シェルがわずかに伸び、動作速度下でのフライホイールの有効慣性モーメントを増やす。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向の軸を有する繊維-樹脂複合楕円形の卵形シェルを含み、
前記卵形シェルの各側のハブボス板に、前記ハブボス板は前記シェルの内部と外部に同心円状に配置されて前記軸に接続され、
径方向に配向された複数の繊維樹脂複合らせん状巻線が、シェルをハブボス板に接続し、共通回転および軸方向の軸へのトルク伝達を実現し、
卵形シェルの軸方向の壁間の軸向に配向された内部が圧縮サポートを提供し、
そのうちに、回転するとき、楕円形の卵形シェルがわずかに伸び、楕円形の卵形シェルまわりの慣性モーメントを増やす、フライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項2】

複数組のらせん状巻線をさらに含み、各組のらせん状巻線は均一な幅を有する、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項3】

各組のらせん状巻線は層を有し、前記層はシェルの外面と回転軸の両側のハブの周りに延伸する、請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項4】

各組のらせん状巻線は、一方向関係で巻かれて樹脂マトリックスに封入されたほぼ連続のシングルエンド糸状材料を有する、請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項5】

各組のらせん状巻線は、回転中に各巻線の幅方向に均一に付勢される、請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項6】

各組のらせん状巻線は、径方向に配向された層状複合材料シェルを有する、請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項7】

前記らせん状巻線は、相互重畳の関係でハブの回転軸に近い位置に配置された部分を有する、請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項8】

径方向に配向されたらせん状巻線の各層は、最初に約５度の角度を有し、徐々に約３５度に増加して、巻かれた層の質量蓄積が回転軸から離れ、フライホイールの慣性モーメントを増やす、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項9】

径方向に配向されたらせん状巻線は、圧縮応力下で引張先端の応力を回転軸の近くに転移する厚み構造に配置され、それによって、繊維巻線の複合材料のラミネート層の有効強度を最大化する、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項10】

外部の卵形シェルに接続されて圧縮サポートを提供するための積層内部構造をさらに含む、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項11】

前記内部構造は、金属またはほぼ連続のシングルエンド糸状材料から形成され、前記シングルエンド糸状材料は、一方向関係で複数の層に巻かれて樹脂マトリックスに封入される、請求項１０に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項12】

卵形シェルの外径と比較して、内部構造の最小内外比は約０．１である、請求項１１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項13】

前記内部構造は、金属、複合材料ラミネート層から形成され、前記複合材料ラミネート層は、一方向関係で複数の層に巻かれて前記外部の卵形シェルの内層に接着される、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項14】

卵形シェルの外径と比較して、内部構造の最小内外比は約０．１である、請求項１３に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項15】

前記外部の卵形体の利用可能なアスペクト比は約０．１～１．０である、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項16】

前記卵形シェルの内周面と外周面は回転楕円形の形状である、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項17】

卵形シェルのらせん状巻線層は、フライホイールの慣性質量の制御に２回用いされる、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項18】

層が増加または減少すると、フライホイールエネルギー貯蔵容量が複数の巻線層を通じて増加または減少するように配置される、請求項１７に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【請求項19】

最も内側と最も外側の卵形シェル層の両側に接続された二重ボス板をさらに含み、卵形シェルを軸に接続して共通回転およびトルク伝達を実現する、請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０１９年６月４日にＪａｍｅｓ Ｂ． Ｃｌｅｇｅｒｎに提出された「Ｃａｔｅｎａｒｙ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｂａｔｔｅｒｙ」、米国仮特許出願第６２／８５７,０８８号の優先出願利益を主張し、ここで完全に説明されているように、そのすべての内容が参照によって本文に組み込まれる。

【0002】

本発明は、フライホイールエネルギー貯蔵装置に関する。

【背景技術】

【0003】

フライホイールは、回転運動エネルギーの形でエネルギー貯蔵装置として２、０００年以上の歴史がある。より大きなフォームファクター（通常は１０ｋＷｈ以上）を使用すると、マルチモジュールユーティリティシステムから単一ユニットの住宅／商業システムに至るまで、再生可能および従来の電力グリッドにエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）のコアを提供できる。真空密閉フライホイールと超低摩擦磁気ベアリングの組み合わせは、基本的に摩耗した部品がないため、毎日頻繁な充電／放電サイクルを必要とするＥＳＳアプリケーションに特に適している。これらのハイサイクルＥＳＳアプリケーションの例には、断続的な再生可能エネルギーのサポート、電気自動車の充電ステーションへの電力供給、グリッド周波数調整の安定化などがある。しかし、一般に、これらの用途で使用される可能性のある現世代のフライホイールは、比較的低速で回転し、鋼や複合繊維樹脂ラミネートなどの多数の構造材料で形成されている。これらの高品質のフライホイールは、初期費用であろうと設置費用であろうと、通常、蓄えることができるエネルギーのために費用がかかり、その応用は、体積や質量が制限されていない場所に制限される。

【0004】

フライホイールのエネルギー貯蔵容量をチェックするとき、それらは構造設計と構造材料の選択によって大きく制限される。構造設計によって、フライホイールを回転シャフトに接続してトルクを伝達する方法と、回転慣性モーメントを最大化するために構造質量を配置する場所が指定される。構造材料の特性（すなわち、強度、密度、弾性、耐疲労性など）は、構造設計に従ってフライホイールの動作速度と寿命を決定する。たとえば、石器時代、青銅器時代、鉄鋼時代から現在の複合時代に至るまで、構造材料が進化するたびに、フライホイール構造材料の性能が向上することで、特定の構造設計の速度が速くなる。

【0005】

フライホイールの運動エネルギー貯蔵（Ｅｋ）容量は、標準方程式Ｅｋ=1/2Ｉω^２によって決定され、ここで、慣性モーメント（Ｉ）の構造設計質量位置とフライホイール速度（ω）は、２つのエネルギー貯蔵要素である。エネルギー貯蔵の２つの推進要因の中で、特定の構造材料の構造質量と慣性モーメント（Ｉ）を増やすことが、より大きなエネルギー貯蔵を実現するための標準的な方法である。これには、特定の構造材料が最大速度に達した後、従来のディスク、円筒形リム、または環状リム構造のフライホイール設計に厚さまたは高さを追加することが含まれる。従来の質量濃度フライホイールに複合材料を使用することは商業的に証明されており、１,２５０ｋｇの単位で２５ｋＷｈのエネルギーを貯蔵できる。従来のマスフォーカスフライホイールの製造に鋼材を使用することは商業的に証明されており、２,２７０ｋｇの単位で５０ｋＷｈのエネルギーを貯蔵でる。従来のマスフォーカスフライホイールでのコンクリート材料の使用でさえ、商業的に証明され、３,０００ｋｇの単位で１０ｋＷｈのエネルギーを貯蔵できる。

【0006】

質量を増やすことによってフライホイールのエネルギー貯蔵を増やすには、３つの課題がある。第１に、フライホイールのエネルギー貯蔵容量は、フライホイールの質量の増加に比例して増加し、これは、高エネルギー貯蔵容量を備えた大型フライホイールの製造、配送、および配置に関する実際的な運用上の制約につながる。第２に、フライホイールの質量が増加すると、各支持フライホイールシステム（つまり、ベアリング、サポート構造、および真空ハウジング）も「スケールアップ」して、増加した質量を処理する必要があるので、システム全体の品質と複雑さが増加する。第３に、全体的な品質の向上とサブシステムの複雑さにより、エネルギー貯蔵の増加が重要なコスト要因になって、多くのフライホイールエネルギー貯蔵システムの価格は、合理的な投資収益率をはるかに超えている。

【0007】

２番目のエネルギー貯蔵の推動要素は、フライホイールのエネルギー貯蔵容量を２倍にするため、フライホイールの速度を上げることに焦点を当てている。構造設計およびより強い構造材料という２つの領域でフライホイールの速度を高めることができる。重金属やガラス繊維の代わりに、より軽くてより強い複合材料を使用することが、従来の構造品質を備えた従来のディスク、円筒形リム、または環状リムタイプのフライホイール設計の主流になっている。１９７０年代には、樹脂含浸複合繊維材料の連続フィラメントワインディングという新しい製造技術の柔軟性を利用して、エネルギー貯蔵容量を改善するための新しい構造フライホイールの設計を調査するための研究が行われた。これらの新しい構造設計は有望であるが、従来の環状リムマスフライホイール設計を増やすだけである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

再生可能で従来の商用電力設備からの余剰エネルギーを貯蔵し、必要なときにエネルギーを分配するのに適した、高速でコンパクトなフライホイールシステムが開示されている。高速楕円形の卵形フライホイールは、複合材料シェルを含み、該複合材料シェルは、樹脂含浸複合繊維材料のらせん状巻線バンドと圧縮サポートを提供する内部複合構造との組み合せによって形成される。一例では、繊維巻線の複合材料シェルは、軸のいずれか一側に同心円状に配置された一対の構造フランジ板を介して回転軸に結合され、複数の複合材料シェル繊維バンドがトルク伝達のために接続される。フライホイールシェル内部の大部分は中空であり、最大許容シェル半径下でフライホイール慣性モーメント質量を最大化する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

フライホイールの卵形および楕円形の曲率の形成は、スパイラルの外側に巻かれた各ファイバーの半径に応じて変化する求心力をサポートするためのものである。これにより、２平面の構造的サポートが可能になり、同じ直径で同じ構造材料の従来のディスクや円筒形フライホイールと比較して、許容可能な先端速度を大幅に向上させることができる。楕円形のフライホイール構造の完全な複合性により、操作上の安全性が向上し、最適な実装で複合材料の強度を最大限かつ一貫して使用できる。

【0010】

一例では、楕円形の卵形フライホイールは、複数組のらせん状巻線を含み、各組のらせん状巻線は均一な幅を有する。各組のらせん状巻線は、シェル外面の周りの層と回転軸の両側のハブに位置し延伸する層を有する。別の例では、各組のらせん状巻線は、一方向関係で巻かれて樹脂マトリックスに封入されたほぼ連続のシングルエンド糸状材料を有する。別の例では、回転中、各組のらせん状巻線は各巻線の幅方向に均一に付勢される。別の例では、各組のらせん状巻線は、ともに径方向に配向された層状複合材料シェルを有する。別の例では、らせん状巻線は相互重畳の関係でハブの回転軸に近い位置の部分に配置される。

【0011】

一例では、径方向に配向されたらせん状巻線の各層は、最初に約５度の角度を有し、徐々に約３５度に増加して、巻かれた層の質量蓄積が回転軸から離れ、フライホイールの慣性モーメントを増やす。

【0012】

一例では、径方向に配向されたらせん状巻線は、圧縮応力下で引張先端の応力を回転軸の近くに転移する厚み構造に配置され、それによって、繊維巻線の複合材料のラミネート層の有効強度を最大化する。

【0013】

楕円形の卵形フライホイールは、外部の卵形シェルに接続されて外部の卵形シェルに圧縮サポートを提供するための積層内部構造を含む。一例では、内部構造は、金属またはほぼ連続のシングルエンド糸状材料から形成され、前記シングルエンド糸状材料は、一方向関係で複数の層に巻かれて樹脂マトリックスに封入される。別の例では、内部構造は、金属複合ラミネート層から形成され、該複合ラミネート層は、一方向関係で複数の層に巻かれて外部の卵形シェルの内層に接着される。卵形シェルの外径と比較して、内部構造の最小内外比は約０．１である。

【0014】

一例では、卵形シェルの内周面と外周面は、回転楕円形の形状である。一例では、卵形シェルらせん状巻線層は、フライホイールの慣性質量の制御に２回用いられる。

【0015】

一例では、層が増加または減少すると、フライホイールエネルギー貯蔵容量が複数の巻線層を通じて増加または減少するように配置される。

【0016】

楕円形の卵形フライホイールは、最も内側と最も外側の卵形シェル層の両側に接続された二重ボス板をさらに含み、卵形シェルを軸に接続して共通回転およびトルク伝達を実現する。ボス板の構造強度を超えないように、ボス板の半径を楕円形の卵形半径の１５％以下に保持することで、従来のフライホイール構造の欠点を解消する。

【発明の効果】

【0017】

本明細書で説明されるシステムおよび方法は、エネルギー貯蔵に関するいくつかの利点を有する。これらには、構造的品質をより効果的に利用するフライホイールの提供、構造的故障なしにフライホイールの速度を上げる方法の提供、負荷分散に適応できる柔軟なフライホイール構造の提供、お客様のエネルギー貯蔵ニーズに対応できる経済的なフライホイール構造をカスタマイズすること、小型で高エネルギー密度のフライホイールの利点を小型でコンパクトなサブシステムと組み合わせて、低コストのエネルギー貯蔵システムを形成することが含まれるが、これらに限定されない。以下の説明と図面を検討することにより、さらなる利点が明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】フライホイールエネルギー貯蔵装置の例の斜視図である。

【図2】楕円形の卵形フライホイールの例の側面図である。

【図3】ベアリングサブシステムと伝達サブシステムを含む楕円形の卵形フライホイールの例の断面図である。

【図4】右ベアリングサブシステムとギアボックスサブシステムの詳細な断面図である。

【図5】左ベアリングサブシステムの詳細な断面図である。

【図6】他の例の楕円形の卵形フライホイールの断面図である。

【図7】他の例の楕円形の卵形フライホイールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

説明を進む前に、本明細書で使用される「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」と「含有（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の用語とは、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」または「含有（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「少なくとも含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ａｔ ｌｅａｓｔ）」または「少なくとも含有（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」を含むが、これらに限定されない。「基づく」とは「基づく」および「少なくとも一部に基づく」を指す。

【0020】

図１は、フライホイールエネルギー貯蔵装置１０の例の斜視図である。システム１０は取付構造１４上の封止フライホイールコンポーネント１２を含む。真空ポート１６は封止フライホイールコンポーネント１２によって提供される。フライホイールコンポーネント１２は、プラットフォーム２０に取り付けられたモータまたは発電機１８に操作可能に関連付けられ得る。例えば、フライホイールコンポーネント１２は、ギアボックスリンクロッド２２を介して発電機１８に操作可能に関連付けられ得る。一例では、発電機１８は、冷却サブシステム２６と操作可能に関連付けられ得る冷却パイプ２４を含む。

【0021】

一例では、発電機１８は、電源接続３０および制御・監視接続３２を有する電源制御サブシステム２８に操作可能に関連付けられ得る。例えば、電源制御サブシステム２８は、接合制御装置３４を介して発電機１８に操作可能に関連付けられ得る。

【0022】

サブシステムおよび／またはギアボックスの制御の少なくとも一部は、フライホイールコンポーネント１２中の動作条件に基づき行われる。例えば、制御の少なくとも一部は、接続３６を介した１つまたは複数のセンサーに基づき行われる。

【0023】

一例では、フライホイールコンポーネント１２は、ギアボックス２２に関連付けられ得る軸５２上に取り付けられた高速３次元（３Ｄ）楕円形の卵形フライホイール５０を含む。図２は、楕円形の卵形フライホイール５０の側面図を示す。楕円形の卵形フライホイール５０は、２次元のディスク、リング、または円筒形（同じ構造材料で作られた同じまたは同様の直径のディスク、リング、または円筒形でも）と比較して、大きな慣性質量と仕事速度の向上を提供する。表１は、同じ幾何学的および材料の制約下でのフライホイールの性能の例の比較を示す。

【0024】

【表1】

【0025】

上記の例では、楕円形の卵形フライホイール５０は、卵形シェル形状を形成するらせん状巻線樹脂含浸複合繊維材料層を含む。この構成は、かなりの慣性質量を最大フライホイール直径に転移する方法を提供する。

【0026】

楕円形の卵形フライホイール５０のらせん状巻線層の数を調整することで、フライホイール慣性質量を調整する。らせん状巻線複合繊維材料の各層は、ほぼ純粋に引き延ばされた状態にあり、最大限に構造材料の性能を高め、卵形複合材料シェルの曲率によって、構造完全性を阻害する応力集中を最小化する。卵形複合材料シェルの３Ｄ特性により、球形の圧力容器内の薄膜応力と同様に、フライホイールの最大直径箇所の複合材料繊維構造材料が２つの平面で応力を共有し、フライホイールのフープ応力は、フープ巻線の円形ディスク、円形リングまたは円筒体の典型的なフープ応力の限界よりかなり大きくなる。

【0027】

操作期間に、真空封止フライホイール５０は、フライホイール軸５２に接続され、外部モータ／発電機１８の２部分の磁気伝達装置に接続され、封止真空シェル１２を介してトルクとエネルギーを伝達し、ギア伝達によってフライホイール回転速度と外部モータ／発電機１８の動作速度をマッチングする。

【0028】

図示されていないが、シェルによってモータ／発電機、接続部品(例えばフライホイール真空シェル１２と接続)および外部磁気伝達装置を覆う。一例では、１つまたは複数のセンサー３６は、位置、温度、振動、フライホイールの１分の回転数(ｒｐｍ)および圧力読み取り値を提供し、これらの読み取り値は、真空シェル１２中に組み込まれたワイヤを介して制御ディスプレイに送信される。

【0029】

外部モータ／発電機１８は、並進プラットフォーム１４、コントローラー２８によって支持され、外部磁気伝達装置と真空シェルの結合および分離を許与する。これにより、真空封止の楕円形の卵形フライホイール５０が外部モータ／発電機１８から切断され得、待機電力損失の重大な要因を解消する。小型のバックアップ化学電池は通常、動作するときモータ／発電機１８によって充電され、またはモータ／発電機１８が分離したとき他の外部電源によってセンサーコンポーネントとアクティブ軸方向スラストベアリングに必要な電力を供給する。モータ／発電機１８が切断されると、楕円形の卵形フライホイールＥＳＳの５０％電力余剰電量までの待機時間が２５０時間を超える可能性がある。外部プラグイン電源または太陽電池アレイをバックアップ化学電池として使用して充電を行い、楕円形の卵形フライホイールＥＳＳの待機時間は、５０％の余剰電量まで、３５０時間を超える可能性がある。

【0030】

図３は、ベアリングサブシステム５４ａ、５４ｂおよび伝達サブシステム５６を含む楕円形の卵形フライホイール５０の断面図である。図４は、右ベアリングサブシステム５４ａ（図３中の詳細な領域４）とギアボックスサブシステム５６の詳細な断面図である。図５は左ベアリングサブシステム５４ｂの詳細な断面図（図３中の詳細な領域５）である。

【0031】

楕円形の卵形フライホイール５０は、卵形複合材料シェル５８を含み、その径方向複合繊維が積層複合材料圧縮サポート構造６０上に巻きつけられる。楕円形の卵形フライホイール５０は、内部ボス板支持体６４、外部バランスボス板６６およびシェル案内板６８と内部ボス板７０上のボス板アタッチメント６２を介して軸５２上に取り付けられる。楕円形の卵形フライホイール５０は、軸方向接地ベアリング、電磁石軸方向スタビライザー７２および径方向接地ベアリング７４を介して軸５２の両端に支持される。回転ＰＭベアリング７６、固定ＰＭベアリング７８、軸方向電動ベアリング８０も見え、ほとんどの負荷を担いシステムを安定化する。内部ＰＭギアボックス８２、減速機板８４、後ベアリングボックス板８６およびベアリングボックス８８も見える。

【0032】

楕円形の卵形フライホイール５０は、内部圧縮支持体９０に構築され得る。一例では、内部圧縮支持体９０は半径ｒ１の樹脂含浸複合繊維材料から周方向に巻かれた中空円筒であり、その厚さはフライホイール動作時圧縮サポートを提供する。内部圧縮支持体は、外部の卵形シェルの内部楕円形の卵形巻線と所定の位置に接着される。

【0033】

一例では、楕円形の卵形フライホイール構造に使用される複合繊維材料を選択し、フライホイールの真空シェルに対する構造完全性を損傷しないように、応力を受けた時（例えば炭素／グラファイト繊維と同様に）最小の伸び率を有する。ある複合材料（例えば強化プラスチック、ガラス繊維、超高密度ポリエチレン、玄武岩およびアラミド繊維など）は、負荷がかかっても伸びたり「クリープ（ｃｒｅｅｐ）」したりし続け、該フライホイールの応用に適されない場合があり、アクティブ動作時の連続負荷要求が高いからである。

【0034】

一例では、楕円形の卵形フライホイール５０のシェルは複数のらせん状巻線樹脂含浸複合繊維ラミネート層から構成され、ラミネート層は、各層がフライホイール半径ｒ０の円周を完全に覆う厚さｔ０を有する。内部ラミネート層は、巻き取りが完了した後除去される内部楕円形の卵形に従い、内部ボイドを形成する。内部ラミネート層は低角度のらせん状巻線経路に沿って、フライホイール軸と軸支持体をたどり、内部ボスフランジ板の外面に接着される。追加の各ラミネート層は、最大角度が内部サポート円筒の外半径ｒ１と等しくなるようにそのらせん状巻線経路の角度を徐々に増加させる。

【0035】

応力サポートおよび慣性質量を提供するために必要の数のラミネート層を増加した後、外層ラミネート層は最も良いらせん角度を有する楕円形の経路を形成する。２層の間の各ラミネート層で、楕円形の経路が内部中空円筒支持体の厚さを通る楕円形の断面を介して垂直経路に移行して、圧縮応力が最大の内部構造支持体の領域に集中することを許与する。

【0036】

楕円形の卵形フライホイール５０は、アクティブ電磁スラストベアリング、軸付き径方向磁気ベアリングおよびシェル固定径方向磁気ベアリング、軸方向電動ベアリングおよびバックアップ接地ベアリングはその回転軸と軸５２に沿って支持され安定化される。フライホイールの両側の外部ボスフランジ板の一部によって、回転軸に沿って慣性軸のバランス質量を微調整する。

【0037】

楕円形の卵形フライホイール構造は、図３に示すように、半径ｒ１かつ厚さｔ１の内部圧縮支持体、外部ボスフランジ板、内部ボスフランジ板、軸支持体および内部軸支持体が含まれる。この図では、内部圧縮支持体の端部に接続されたらせん状巻線ガイドプレートも含まれる。

【0038】

図３には、半径ｒ０の完全な楕円形の外部らせん状巻線層も示され、幅Ｗの圧縮支持体が設けられ、この圧縮支持体は軸圧縮支持体を兼ねる。図３には、半径ｒ０の部分的な楕円形の外部らせん状巻線層も示され、幅Ｗの複数の内部圧縮支持体が設けられる。側面図では、例えばフライホイールの直径に対するシステムなど、内部圧縮支持体の位置が示される。

【0039】

１つの楕円形の卵形フライホイールシェルの例では、階段状の複合繊維樹脂巻線が示され、初期の低角度は、最適ならせん角度の楕円形経路まで伸びており、中空の内部圧縮サポート円筒体の外半径と交差する。複数のらせん状巻線樹脂含浸複合繊維ラミネート層の巻線は、各層が卵形である複合材料シェルを含む。

【0040】

楕円形の卵形フライホイール５０の有限要素解析の結果、内部および外部楕円形のらせん状巻線ラミネート層を有し内部中空円筒で圧縮サポートされる。３６０００ｒｐｍ動作速度下でフライホイール応力解析を解釈するために予測安全係数（ＳＦ）を含む。

【0041】

説明を進前に、上記の例は説明のためのものであり、制限するものではないことに留意されたい。他の機器および／または機器配置は本明細書に記載の上記操作を実行することに使用され得る。

【0042】

一例では、図に示されるコンポーネントと接続は以下の操作に使用できる。本明細書で示され説明される操作は例示を実現するために使用される。操作の順序は限定されなく、他の操作を実行してもよいことに留意されない。

【0043】

一例の操作では、楕円形の卵形フライホイール５０は、磁気ベアリングによって支持された真空シェル１２内に軸５２上のレベルまたは垂直軸のまわりに回転する（図３～５）。磁気ベアリングは径方向および軸方向に支持を提供する。楕円形の卵形フライホイール５０の速度は、真空シェル１２の伝達トルク（例えば、フライホイール軸５２および外部モータ／発電機１８に接続された磁気伝達装置）を介して増加または低下されるため、そのエネルギー貯蔵レベルも増加または低下され得る。磁気伝達は楕円形の卵形フライホイール５０と外部モータ／発電機１８間の仲介物として機能し、回転エネルギーが磁気結合を介して真空シェル１２の壁を通して伝達されることを許容する。電力入力と出力は外部モータ／発電機１８によって提供され、外部モータ／発電機１８はユーザソースから電力が供給され、楕円形の卵形フライホイール５０を加速し、電力を回転運動エネルギーに変換して、ユーザが楕円形の卵形フライホイール５０を減速する場合ユーザに電力を転送し、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

【0044】

楕円形の卵形フライホイールが動作するとき、様々な設計によって利用可能なエネルギー貯蔵を増やす。一例では、構造を半径方向に引っ張る求心力のために、卵形シェルの内外楕円形のアーチがわずかに延伸する（例えば、静止状態と比較して約１～２％延伸）。これにより、フライホイールの外半径がわずかに伸び、フライホイール動作時の慣性モーメントが増加し、エネルギー貯蔵能力が３～５％向上した。このような柔軟性により、３Ｄ構造設計をその負荷分布に適応させるとともに、フライホイールのエネルギー貯蔵能力に積極的な利益をもたらす。

【0045】

一例では、楕円形の卵形フライホイール５０は、炭素／グラファイト繊維複合繊維を利用することもでき、負荷下で約１～２％の総伸び率を有する。これらの繊維が径方向にらせん状巻かれると、負荷下で、予想の伸び率によってフライホイールの外半径がわずかに増加する。これにより、フライホイールが動作するとき、フライホイール慣性モーメントが増加し、エネルギー貯蔵能力が約３～５％向上した。このような柔軟性により、３Ｄ構造設計をその負荷分布に適応させるとともに、フライホイールのエネルギー貯蔵能力に積極的な利益をもたらす。

【0046】

一例では、内部構造の複合材料円筒体は、径方向の湾曲（卵形シェルの圧縮応力から）およびフープ複合繊維の径方向膨張も許容される。結果として生じる複合材料円筒体の半径のわずかな増加は、上部ボイド空間に湾曲し、従来のリングエッジのように外部卵形シェルに余分の応力がかかるのを回避する。

【0047】

一例では、卵形シェルの各後続の巻線層のらせん巻き角を上向きに移動することによって、繊維（そうでなければ軸まわりに集中する）がより大きな半径に移動し、フライホイールの有効慣性モーメントを増加させる同時に、いぜんとして軸方向に外部へ放射状に広がるシェルの断面の厚さにより、繊維層の引張応力が増加する。

【0048】

一例では、楕円形のアーチに配置されたらせん状の外部巻線の重 層は、卵形複合材料シェルの３Ｄ特性を形成する。これにより、フライホイール卵形シェル中の構造複合材料は、球形の圧力容器中の膜応力と同様に２つの平面で応力を担う。これにより、楕円形の卵形フライホイールは、同じ半径下でフープ巻きの円形ディスク、円形リングまたは円筒体の典型的なフープ応力の限界より約４０％超え、楕円形の卵形フライホイールの動作回転速度が大幅に向上し、そのエネルギー貯蔵レベルが向上する。楕円形の卵形フライホイールのアスペクト比が１．０に近づき、フライホイールが球形（卵形ではなく）になると、２つの平面の応力が典型的なフープ応力よりも約１００％改善され得る。内部フライホイール構造を追加することで、アスペクト比の増加による圧縮応力の増加を対処する必要がある。

【0049】

これらの５つの側面を楕円形の卵形フライホイール構造に組み合わせると、同じ構造材料、質量および直径を有する従来のフライホイールと比較して、エネルギー貯蔵能力が５倍増加した。

【0050】

一例として、有限要素解析（ＦＥＡ）により図１に示す楕円形の卵形フライホイールの例を設計および評価した。フライホイールの設計例は、卵形シェルと内部サポート巻線であり、該内部サポート巻線はエポキシ樹脂含浸の中強度の３０００ｍＰａ炭素複合繊維ラミネート層を有する。ボスフランジはステンレス鋼ＡＩＳＩ Ａ５１４を使用してシミューレートされた。図３に示すように、シミューレートされたフライホイールが密閉された真空環境ではモデル化され、磁気ベアリングを使用してほぼ摩擦なしで動作する。シミューレートされたフライホイールの最大直径は約１．０メートルであり、軸と接続する部分の幅は約０．４５メートルである。

【0051】

解析した結果、シミューレートされたフライホイール中のエネルギー貯蔵量は約５０．９ｋＷｈであり、フライホイール慣性は約２４．１ｋｇ-ｍ^２であり、動作速度は約３６０００ターン／分である。

【0052】

システム応力は約１．４～２．２の安全係数を維持した。シミューレートされたフライホイール動作は、商用で期待される安全係数の範囲内にあるだけでなく、フライホイール総質量に基づく重量エネルギー密度は約２０５ｗ-ｈ／ｋｇであり、フライホイール体積に基づく重量エネルギー密度は約４９０ｗ-ｈ-ｌｉｔｅｒである。比較すると、従来の２Ｄ円筒形フライホイールは、約２０ｗ-ｈ／ｋｇと約４５ｗ-ｈ-ｌｉｔｅｒであった。疲労解析の結果、楕円形の卵形フライホイールは耐用年数に２００,０００回を超える充放電サイクルを提供する。

【0053】

強度４１００ｍＰａの高強度炭素複合繊維ラミネート層を使用し、同じシミューレートされたフライホイール幾何学的な構造では、同じ安全係数下で、動作速度が４９０００ｒｐｍを超え、約９７ｋＷｈのエネルギー貯蔵能力を実現した。

【0054】

図６～７は他の例の楕円形の卵形フライホイールの断面図を示す。図６中の楕円形の卵形フライホイール１５０は、楕円形の卵形フライホイール５０よりも円錐形である。楕円形の卵形フライホイール１５０は同じ幅（幅Ｗ１とフライホイール５０の幅Ｗはほぼ同じ）を有し、軸１５２の近くに内部サポート構造１５３を有する。図７中の楕円形の卵形フライホイール２５０はより広く（幅Ｗ２）、中心内部サポート構造２５３と軸２５２に近い別のサポート構造２５４を有する。

【0055】

本明細書で開示されるシステムおよび方法は、単位質量あたりのエネルギー貯蔵容量が既知の回転エネルギー貯蔵装置のそれよりも大きい楕円形の楕円形フライホイールを提供する。本明細書に記載の楕円形の楕円形フライホイールは、配備されたユーティリティおよび再生可能エネルギーの場所、住宅および商業の場所、ならびに潜在的な輸送、例えば、電気自動車の充電ステーションへの電力供給で使用するための小さな動作フットプリントおよび質量を備えたエネルギー貯蔵を提供するのに特に適していることを理解されたい。

【0056】

示され説明されている例は、例示の目的で提供されており、限定することを意図するものではないことに留意されたい。他の例も考慮され得、垂直に配向された楕円形の楕円形フライホイールを含むが、これに限定されない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】