車載用フライホイールのジャイロ機能に関する研究 Gyro

車載用フライホイールのジャイロ機能に関する研究
Gyro Function of Flywheel as Energy Storage System of Vehicles
フライホイール式エネルギ貯蔵装置
車載用フライホイールのエネルギ授受
車両加速時（エネルギ供給）
パワ ー 密度[W /kg]
1 05
電気二重層キ ャパシタ
1 04
増大
減少
フライホ イー ル
1 03
車両減速時（エネルギ回生）
1 02
二次電池
1 01
試験車両 in ロッテルダ ム
車載用エネ ルギ貯蔵装置の有力候補
フライ ホイー ル式エネルギ 貯蔵装 置は
エネ ルギ密度，出力密度， 寿命，環境面
に優位性がある
エネルギ移動
エネルギ移動
10-1 10 0 101 102 103
エネ ルギ密度 [Wh/kg]
モー タ
駆 動機構
三相交流
モータ
駆動機 構
三相交流
コンバ ータ
付加質量，車両への影響について課題
がある
橋桁上 でフ ライ ホイールの みの 動力源
車載フライホイール評価実験装置
ジャイロによる車両運動制御の提案
共同 研究 ： ジェイテクト、CCM
400V3相交流電源
コンバータ
車両減速時のエネルギを回生し、 回転エネルギとして保存
有効 エネ ルギ量
4k Wh
最大 出力
325 kW
定格 出力
200 kW
原理
ジャイロ モー メン ト
ジャイロの角運動量変化
★ 能動形 式
AC /DC コンバータ
FWコンバータ
T
：入力トルク
ジャイ ロモー メント
L* O
回転 数
11 00 0r pm
22 00 0r pm
放電抵抗
フ ライ ホイール電 動機
ユニット質量
フライホイール(FW)
x 10
ang ular velo city [rpm ]
1.5
評価試験装置
真空容器内 約3×1 0-4気圧
常 用回 転数14000rpm∼15000rpmにおいて
約 1.7kWの 損失
4
外乱トルクの吸収効果
375 kg
トルクの増幅効果
r ot at io nal s peed
ロー ル軸
ヨー 軸
ロール 軸
1.48
スタビライ ザ
1.46
ダンパ
アクチュエー タ
1.44
横転防止制御シ
ステ ム
1.42
1.4
短期 貯蔵によるピーク エネルギ平準 化
0
100
200
300
tim e [sec]
400
鉄道車両の蛇行動現
象の安定化
ジャイロを用いた車
体傾斜システ ム
500
横転防止制御システム
ジャイロを用いた車体傾斜システム
鉄 道における振子車 両
MBD汎用ソ フトSIMPACKで作成
ロ ールモー メント吸収
T
O ：フライホ イー ル座標系の角速度ベ クト ル
L* ：フライホ イー ル座標系に おけ る角運動量
外乱トルク
慣性による緩和曲 線での振 り遅れ が課題
横転危険信号
空気圧 シリンダなどによりアクティブ制御
ジャ イロを用いた傾斜 制御
外部ジ ンバル拘束
ジ ンバル軸まわりにジャイロを 回動し，ジ ャイロ モーメント を付加
ジ ャイロを用いて 過渡特性の向上を図る
10.5t 大型車両モデ ル
車速 80km/h,ステップ実 舵角 6deg
制 御無し
yes
Y[m ]
内部ジ ンバル拘束
30
160
25
120
横転
40
横転
20
ジャイ ロモー メント
15
10
5
0
0
40
80
2自 由度車 両モデルに よるシミュ レーショ ン
入口緩和曲線
ロー ル角
200
80
制御ト ルク
ジャイ ロ角運動 量56 20 Nms
制 御有り
走行軌跡
12 0
1 60
0
200
0
4
X[m]
8
12
ti me [se c]
16
over centrifug al acc.[G ]
no
rol l an g le [d eg ]
ジ ンバル角30deg
回転数 ，エネルギ量
J
-0.05
大型車の走行シ ミュレ ーシ ョン
My% Cy% Ky 0
T
y
v eloci t y[km/h]
20
2000
1000
6000
20
40
60
0
8
ti me[sec]
100
120
140
hig h-t ensi l steel
maragi ng steel
CFR P
1500
7000
10
00
2500
h igh- t ensil st eel
m ar agin gst eel
C FR P
8000
rot ati on speed[rad/ s]
30
0
20
40
60
80
ti me[s ec]
100
12 0
14 0
5000
20
40
5
60
80
ti me[s ec]
100
2 22
V
0
0
2 11
V
★ 減衰行 列での連 成
により安定 化を図 る
エネルギ量
9000
angul ar moment um[Nms]
40
L 56 20N ms
L 1400 0Nm s
y
横 転防 止制御 とエネルギ貯 蔵の両 立が 可能
角 運動 量
m 0
,C
0 I
M
12 0
14 0
y
2 22
V
C
T
0
0
l at era l di s pl a ce me n t [mm ]
10モード
0
本則速 度
75km/h
10
鉄道車両の蛇行動現象の安 定化
min
横転防止制御シ ステム
車体傾斜システ ム
2
m in
R400m
非振 子車両
自 然振子 車両
提案方 式
共 同研究：筑波 大学 藪野 研究室
車 両進行 方向 に回転軸 を有 するジャ イロを設 置
ジャイ ロによりヨーイ ングの スタビリティ向上を図る
★剛 性行 列での連 成により不安 定化
＞
1
J
2
定曲線 240m
0
t im e[sec]
y
2
ma x
緩和曲 線80m
0.05
20
車両 運動 制御に必要 な角運動 量
1
J
2
出口緩和曲線
0.1
-0.1
フライ ホイー ルの下 限回 転数にお ける角 運動量
使 用回転数 域
定曲線区間
0.15
エネルギ特性とジャイロ機 能の両立
両立の条件
100km/h走 行
を想定
4
G yro 0 rpm
G yro 40 0 0rp m
2
,K
2
0
2 11
V
J
0
b
r0
11
2
22
0
0
J
0
理論 領域：
不安定
安定
1/10スケール 実験 装置
0
-2
-4
0
実験結果
1
2
3
t im e [s e c]
」
4
5
実験v s理論