フライホイール
回転エネルギーを蓄える機械装置
トレビシックの1802年蒸気機関車はフライホイールを使用して単気筒の動力を均等に分配した。

フライホイールは、角運動量保存則を用いて回転エネルギー（慣性モーメントと回転速度の二乗の積に比例する運動エネルギーの一種）を蓄える機械装置です。特に、フライホイールの慣性モーメントが一定（つまり、質量と断面二次モーメントが一定で、固定軸を中心に回転するフライホイール）と仮定すると、蓄えられる（回転）エネルギーは回転速度の二乗に直接比例します。

フライホイールは後で使用するために機械エネルギーを蓄える役割を果たすため、電気インダクタの運動エネルギー版と考えるのが自然です。適切に抽象化されると、このエネルギー貯蔵の共通原理は、アキュムレータという一般化された概念で説明されます。他の種類のアキュムレータと同様に、フライホイールは本質的にシステムの出力電力の十分に小さな偏差を平滑化し、それによってシステムの機械速度（角速度など）に関してローパスフィルタの役割を効果的に果たします。より正確には、フライホイールに蓄えられたエネルギーは、入力電力が低下したときに出力電力の急増をもたらし、逆に過剰な入力電力（システム生成電力）を回転エネルギーの形で吸収します。

フライホイールの一般的な用途としては、往復動エンジンの出力平滑化、フライホイールによるエネルギー貯蔵、エネルギー源よりも高い速度でのエネルギー供給、ジャイロスコープとリアクションホイールを用いた機械システムの方向制御などが挙げられる。フライホイールは通常鋼鉄製で、従来のベアリング上で回転する。これらのベアリングの最大回転速度は、一般的に数千RPMに制限されている。[1]高エネルギー密度のフライホイールは炭素繊維複合材で作られ、磁気ベアリングを採用することで、最大60,000RPM（ 1kHz ）の速度で回転することができる 。[2]

歴史

レオナルド・ダ・ヴィンチが考案した可変慣性フライホイール

フライホイールの原理は、新石器時代の 紡錘や陶工のろくろ、古代の円形砥石に見られる。[3] 11世紀初頭、イブン・バッサルはノリアとサキヤでフライホイールの使用を開拓した。[4]アメリカの中世学者リン・ホワイトによると、回転速度を均一にする一般的な機械装置としてのフライホイールの使用は、ドイツの職人テオフィラス・プレスビテル（1070年頃-1125年）の著書『様々な技術について』に記録されており、彼は自身の機械のいくつかにこの装置を適用したことを記録している。[3] [5]

産業革命において、ジェームズ・ワットは蒸気機関のフライホイールの開発に貢献し、同時代のジェームズ・ピカードはフライホイールとクランクを組み合わせて往復運動を回転運動に変換しました。[6]

物理

大量生産されたフライホイール

フライホイールのローターに蓄えられる運動エネルギー（より正確には回転エネルギー）は、 で計算できます。ω は角速度、 はフライホイールの対称軸周りの慣性モーメントです。慣性モーメントとは、回転する物体に加えられるトルクに対する抵抗の尺度です（つまり、慣性モーメントが大きいほど、特定のトルクを加えたときの加速が遅くなります）。円筒形の慣性モーメントは、質量（ ）と半径（ ）を使用して計算できます。固体の円筒の場合は、薄壁の空の円筒の場合はおよそ、一定密度の厚壁の空の円筒の場合は です。[7] 1 2 私 ω 2 {\textstyle {\frac {1}{2}}私\オメガ ^{2}} 私 {\displaystyle I} メートル {\textstyle m} r {\displaystyle r} 1 2 メートル r 2 {\textstyle {\frac {1}{2}}ミスター^{2}} メートル r 2 {\textstyle mr^{2}} 1 2 メートル （ r e × t e r n 1つの l 2 + r 私 n t e r n 1つの l 2 ） {\textstyle {\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {外部} }}^{2}+{r_{\mathrm {内部} }}^{2})}

フライホイールの設計において、運動エネルギーはフープ応力と材料密度および質量の比に比例します。フライホイールの比引張強度は次のように定義されます。比引張強度が最も高いフライホイール材料は、単位質量あたりのエネルギー貯蔵量が最も高くなります。これが、カーボンファイバーが注目される理由の一つです。特定の設計において、貯蔵エネルギーはフープ応力と体積に比例します。[要出典] σ t ρ {\textstyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}

電動モーター駆動のフライホイールは、実用上広く普及しています。電動モーターの出力は、フライホイールの出力とほぼ等しくなります。これは で計算できます。ここで、はローター巻線の電圧、はステーター電圧、 は2つの電圧間の角度です。ローターが破砕するまで、フライホイールに蓄積される回転エネルギーは増加します。これは、ローター内のフープ応力がローター材料の最大引張強度を超えたときに発生します。引張応力は で計算できます。ここで、は円筒の密度、は円筒の半径、は円筒の 角速度です。 （ V 私 ） （ V t ） （ 罪 ⁡ （ δ ） X S ） {\textstyle (V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)} V 私 {\displaystyle V_{i}} V t {\displaystyle V_{t}} δ {\displaystyle \delta} ρ r 2 ω 2 {\displaystyle \rho r^{2}\omega ^{2}} ρ {\displaystyle \rho } r {\displaystyle r} ω {\displaystyle \omega }

デザイン

リム付きフライホイールは、リム、ハブ、スポークから構成されます。[8]フライホイールの慣性モーメントの計算は、さまざまな簡略化を適用することで、より簡単に分析できます。1つの方法は、スポーク、シャフト、ハブの慣性モーメントがゼロであり、フライホイールの慣性モーメントはリムのみから生じると仮定することです。もう1つの方法は、スポーク、ハブ、シャフトの慣性モーメントをリムにまとめることです。これらはフライホイールの慣性モーメントのパーセンテージとして推定でき、その大部分はリムから生じ、 となります。たとえば、ハブ、スポーク、シャフトの慣性モーメントが無視できると見なされ、リムの厚さがその平均半径（）に比べて非常に小さい場合、リムの回転半径はその平均半径に等しくなり、 となります。[要出典] 私 r 私 メートル ＝ K 私 f l y わ h e e l {\displaystyle I_{\mathrm {リム} }=KI_{\mathrm {フライホイール} }} R {\displaystyle R} 私 r 私 メートル ＝ M r 私 メートル R 2 {\textstyle I_{\mathrm {リム} }=M_{\mathrm {リム} }R^{2}}

シャフトレスフライホイールは、環状孔、シャフト、またはハブを必要としません。従来の設計よりも高いエネルギー密度を有しますが[9]、特殊な磁気軸受と制御システムが必要です[10] 。フライホイールの比エネルギーは、形状係数、材料の引張強度、および密度によって決まります[要出典] 。一般的なフライホイールの形状係数は0.3ですが、シャフトレスフライホイールの形状係数は理論限界の約1を超える0.6近くになります[11]。 E M ＝ K σ ρ {\textstyle {\frac {E}{M}}=K{\frac {\sigma }{\rho }}} K {\displaystyle K} σ {\displaystyle \sigma } ρ {\displaystyle \rho }

スーパーフライホイールは、固体のコア（ハブ）と、その周囲に巻かれた高強度で柔軟な材料（特殊鋼、炭素繊維複合材、ガラス繊維、グラフェンなど）の複数の薄い層で構成されています。[12]従来のフライホイールと比較して、スーパーフライホイールはより多くのエネルギーを貯蔵でき、より安全に操作できます。[13]故障した場合、スーパーフライホイールは通常のフライホイールのように爆発したり大きな破片に破裂したりするのではなく、層に分割されます。分離された層は筐体の内壁に対してスライドすることでスーパーフライホイールを減速させ、それ以上の破壊を防ぎます。スーパーフライホイールのエネルギー密度の正確な値は使用する材料によって異なりますが、グラフェンスーパーフライホイールの場合は理論的には質量1kgあたり1200Wh（4.4MJ）にもなります。[要出典]最初のスーパーフライホイールは、1964年にソビエトロシアの科学者ヌルベイ・ギリアによって特許を取得しました。[14] [15]

材料

フライホイールは様々な材料で作られており、用途に応じて材料が選択されます。鉛製の小型フライホイールは子供のおもちゃに見られます。[要出典]鋳鉄製のフライホイールは古い蒸気機関で使用されています。自動車エンジンに使用されるフライホイールは、鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、鋼、またはアルミニウムで作られています。[16]高強度鋼または複合材料製のフライホイールは、車両のエネルギー貯蔵システムやブレーキシステムへの使用が提案されています。

フライホイールの効率は、単位重量あたりに蓄えられる最大エネルギー量によって決まります。フライホイールの回転速度または角速度が増加すると、蓄えられるエネルギー量は増加しますが、同時に応力も増加します。フープ応力が材料の引張強度を超えると、フライホイールは破損します。したがって、引張強度はフライホイールが蓄えられるエネルギー量を制限します。

この文脈では、子供のおもちゃのフライホイールに鉛を使用することは効率的ではありません。しかし、この場合の限界は子供の引っ張る力であるため、フライホイールの速度が破裂速度に達することはありません。自動車などの他の用途では、フライホイールは特定の角速度で動作し、設置スペースによって制約されるため、単位体積あたりの蓄積エネルギーを最大化することが目標となります。したがって、材料の選択は用途によって異なります。[17]

アプリケーション

フライホイールが露出したランディーニのトラクター

フライホイールは、エネルギー源が連続的ではないシステムにおいて、連続的な出力を提供するためによく使用されます。例えば、フライホイールは往復エンジンのクランクシャフトの角速度の急激な変動を平滑化するために使用されます。この場合、クランクシャフトのフライホイールは、ピストンからトルクが加えられたときにエネルギーを蓄え、そのエネルギーをピストンに戻して新鮮な空気と燃料を圧縮します。別の例としては、おもちゃの車などの装置に動力を供給する摩擦モーターが挙げられます。応力がかかっていない安価なケースでは、コストを節約するために、フライホイールの質量の大部分はホイールの縁の方に配置されます。質量を回転軸から遠ざけると、一定の総質量に対する 回転慣性が高まります。

フライホイールは、エネルギー源の能力を超える出力レベルの断続的なエネルギーパルスを供給するためにも使用されます。これは、エネルギー源と互換性のある速度で一定期間にわたってフライホイールにエネルギーを蓄積し、必要に応じて比較的短時間ではるかに高い速度でエネルギーを放出することによって実現されます。例えば、フライホイールは電動ハンマーやリベット打ち機に使用されています。

フライホイールは方向制御や不要な動きの抑制に利用できます。フライホイールの用途は多岐にわたります。例えば、計器用ジャイロスコープ、船舶の安定性、衛星の安定化（リアクションホイール）、おもちゃの回転の維持（摩擦モーター）、磁気浮上物体の安定化（スピン安定化磁気浮上）などです。

フライホイールは、同期補償装置のような電気補償装置としても使用できます。同期補償装置は無効電力を生成または吸収できますが、有効電力には影響しません。その用途の目的は、システムの力率を改善するか、グリッド電圧を調整することです。通常、この分野で使用されるフライホイールは、同期モーターと構造および取り付けが似ています（ただし、この文脈では同期補償装置または同期コンデンサと呼ばれます）。単相誘導機など、フライホイールを使用する他の種類の補償装置もあります。ただし、ここでの基本的な考え方は同じで、フライホイールは、補償する周波数で正確に回転するように制御されます。同期補償装置の場合、回転子と固定子の電圧も同位相に保つ必要があります。これは、回転子の磁場と全体の磁場を同位相に保つことと同じです（回転フレーム基準で）。

参照

参考文献

  1. ^ 「フライホイールは蒸気時代の技術からF1へ」。2012年7月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年7月3日閲覧。; 「フライホイールは蒸気時代の技術からF1へ」ジョン・スチュワート | 2012年7月1日、2012年7月3日閲覧
  2. ^ 「リカルド・キナジー社の『第2世代』高速フライホイール技術のブレークスルー」2011年8月21日。2012年7月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年7月3日閲覧。「リカルド・キナジー社の第2世代高速フライホイール技術のブレークスルー」プレスリリース日：2011年8月22日。2012年7月3日閲覧。
  3. ^ ab リン・ホワイト・ジュニア、「テオフィラス・レディヴィヴス」、テクノロジー・アンド・カルチャー、第5巻、第2号（1964年春）、書評、224～233頁（233）
  4. ^ Letcher, Trevor M. (2017).風力エネルギー工学：陸上および洋上風力タービンのためのハンドブック. Academic Press . pp.  127– 143. ISBN 978-0128094518アル・アンダルス（アンダルシア）のイブン・バッサル（1038～1075年）は、ノリアとサキヤにフライホイール機構を導入し、駆動装置から被駆動装置への動力伝達をスムーズにする技術を開拓した。
  5. ^ リン・ホワイト・ジュニア、「中世工学と知識社会学」、パシフィック歴史評論、第44巻、第1号（1975年2月）、1-21頁（6）
  6. ^ オズボーン、ロジャー（2013年）『鉄、蒸気、貨幣：産業革命の成立』ランダムハウス、131ページ。ISBN 9781446483282。
  7. ^ Dunn, DJ「チュートリアル – 慣性モーメント」(PDF) . FreeStudy.co.uk . p. 10. 2012年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2011年12月1日閲覧。
  8. ^ フライホイール・ローターおよび格納容器技術開発、FY83. カリフォルニア州リバモア：ローレンス・リバモア国立研究所、1983年、pp. 1–2
  9. ^ Li, Xiaojun; Anvari, Bahar; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (2018-08-14). 「シャフトレス、ハブレス、高強度鋼ローターを備えたユーティリティスケールフライホイールエネルギー貯蔵システム」. IEEE Transactions on Industrial Electronics . 65 (8): 6667– 6675. doi :10.1109/TIE.2017.2772205. S2CID  4557504.
  10. ^ Li, Xiaojun; Palazzolo, Alan (2018-05-07). 「5自由度複合磁気軸受を備えた実用規模のシャフトレスエネルギー貯蔵フライホイールの多入力多出力制御」. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control . 140 (10): 101008. doi :10.1115/1.4039857. ISSN  0022-0434.
  11. ^ Genta, G. (1985)、「フライホイールエネルギー貯蔵システムの応用」、Kinetic Energy Storage、Elsevier、pp.  27– 46、doi :10.1016/b978-0-408-01396-3.50007-2、ISBN 9780408013963
  12. ^ “Technology | KEST | Kinetic Energy Storage”. KEST Energy . 2020年7月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年7月29日閲覧。
  13. ^ Genta, G. (2014-04-24). 運動エネルギー貯蔵：先進フライホイールシステムの理論と実践. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-1-4831-0159-0。
  14. ^ エゴロワ, オルガ; バルバショフ, ニコライ (2020-04-20). 2020 USCToMM 機械システムとロボティクスシンポジウム議事録. シュプリンガー・ネイチャー. pp.  117– 118. ISBN 978-3-030-43929-3。
  15. ^ [1]、「Маховик」、1964 年 5 月 15 日発行 
  16. ^ 「フライホイール：鉄 vs. スチール vs. アルミニウム」Fidanza Performance . 2016年10月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年10月6日閲覧。
  17. ^ アシュビー、マイケル (2011).機械設計における材料選択（第4版）. バーリントン、マサチューセッツ州: バターワース・ハイネマン. pp.  142– 146. ISBN 978-0-08-095223-9。

さらに読む

  • Weissbach, RS; Karady, GG; Farmer, RG (2001年4月). 「フライホイールエネルギー貯蔵システムを用いた無停電電源装置と動的電圧補償装置の複合装置」. IEEE Transactions on Power Delivery . 16 (2): 265– 270. doi :10.1109/61.915493. ISSN  0885-8977.
  • 「同期発電機 I」（PDF） 。 2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
  • https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf 2017年8月30日アーカイブ（Wayback Machine）
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  • 「ダーウィン製、アウトバックでテスト済みのエネルギー貯蔵システムをアフリカの遠隔地で使用」、Renew Economy—フライホイールベースのマイクログリッド安定化技術
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