フライホイールすなわち弾み車は、回転運動を利用して運動エネルギーを蓄え、あるいは放出する機械要素です。
現代のエネルギー貯蔵と言えばリチウムイオン電池などの化学的バッテリーが主流を占めていますが、化学反応を伴うエネルギー変換は、充放電の速度に限界があり、また充放電サイクルの繰り返しによる材料の劣化が避けられません。対してフライホイールは、質量を持つ物体を回転させるという極めて単純なエネルギー貯蔵システムです。エネルギーの入力と出力を瞬時に行うことができ、劣化という概念がほぼ存在しないため、半永久的な寿命を持ちます。
回転運動のエネルギーと慣性モーメント
フライホイールが蓄えるエネルギーの大きさは、力学における回転運動エネルギーの公式によって導くことができます。
フライホイールに蓄えられる運動エネルギー E は、回転体の慣性モーメント Iと、角速度 ω を用いて以下の数式で表されます。
この数式から、貯蔵できるエネルギーを増大させるための二つの方法がわかります。一つは慣性モーメントIを大きくすること、もう一つは角速度 ω を高くすることです。特に角速度は二乗で効いてくるため、回転スピードを2倍にすれば蓄えられるエネルギーは4倍に跳ね上がります。
慣性モーメンはIは、物体がどれだけ回転状態の変化に抵抗するかを示す物理量であり、物体の質量 ｍ と、回転軸からの距離 r の二乗の積分によって決定されます。
エネルギーを効率よく蓄えるためには、質量をできるだけ回転軸から遠い外周部に集中させることが最適解となります。そのため、中心部を薄くし、外周部のリムと呼ばれるリング状の部位を極端に分厚く重くした形状が一般的に採用されます。質量の大部分が外周部に集中した理想的なリム形状であれば、慣性モーメントは最大に近づき、同じ質量の円盤と比較して約2倍のエネルギーを蓄えることが可能になります。
遠心応力による破壊
角速度ωを上げれば上げるほどエネルギーは無限に増大するように見えますが、実際は回転に伴って発生する強烈な遠心力がフライホイールを引き裂こうとする引張応力として発生します。
回転するリング状のフライホイールの内部に発生する最大の引張応力 σ は、材料の密度 ρ 、外周の半径 r 、および角速度 ω を用いて次のように近似されます。
貯蔵できるエネルギーを増やすために回転速度ωを上げると、それに比例して材料内部の応力σも二乗で増大します。応力が材料の極限引張強さを超えた瞬間、フライホイールは自らの遠心力に耐えきれず、爆発的に破砕して四散します。
したがって、フライホイールの性能限界を決定づけるのは、単に重い材料を使うことではありません。単位質量あたりに蓄えられる最大エネルギーは、材料の引張強さ σ を密度 ρ で割った比強度に正比例します。
歴史的に多用されてきた鋳鉄は安価で重いですが、引張強度が低いため高速回転には不向きです。現代の高性能フライホイールには、極めて高い引張強度を持つ高張力鋼や、チタン合金などが用いられます。さらに最先端のエネルギー貯蔵システムでは、金属よりもはるかに軽く、かつ鋼を凌駕する強靭さを持つ炭素繊維強化プラスチックが採用されています。軽量な炭素繊維のローターを超高速で回転させることで、重い鉄の塊を低速で回すよりも巨大なエネルギーを安全に蓄えることが可能となっています。
エネルギー喪失
フライホイールに蓄えられたエネルギーは、外部へ動力を供給しなくても時間とともに徐々に減少していきます。このエネルギー損失の主な原因は、空気の粘性抵抗と、回転軸を支える軸受の摩擦によるものです。
空力加熱と真空チャンバー
回転速度が毎分数万回転という超高速域に達すると、ローターの表面と周囲の空気との間に生じる摩擦抵抗が増大します。空気の摩擦抵抗は速度の三乗に比例して大きくなるため、大気中で高速回転させるとエネルギーが急速に失われるだけでなく、断熱圧縮と摩擦による空力加熱によってローター自身が高温に達し、材料の強度が熱によって低下する熱劣化を引き起こします。
これを防ぐため、高性能なフライホイールシステムは必ず高真空に排気された密閉チャンバーの内部に格納され、空気分子との衝突を排除する設計が採られます。
軸受摩擦と磁気浮上
もう一つの損失源である軸受の摩擦に対しては、通常の転がり軸受を使用すると、潤滑油の撹拌抵抗や金属同士の微小な転がり摩擦によってエネルギーが消費されます。
これを極限までゼロに近づけるため、電磁石の吸引力によってローターを完全に空中に浮上させ、機械的な接触を排除するアクティブ磁気軸受や、極低温下における超伝導体のピン止め効果を利用した超伝導磁気軸受が採用されます。真空空間の中で空中に浮遊しながら回転するローターは、摩擦という制約から解放され、数ヶ月間放置してもエネルギーの数パーセントしか失わないという状態を実現します。
ジャイロ効果
巨大な質量を持つフライホイールが高速で回転すると、エネルギーの貯蔵と同時に、強大な角運動量ベクトルを持つジャイロスコープとしての性質を発揮します。
回転しているフライホイールの回転軸の向きを外部からの力で無理に変えようとすると、加えられた力の方向とは直角の方向に向かって、回転軸が逃げようとする強烈な反発力が発生します。これをジャイロ効果あるいは歳差運動と呼びます。発生するジャイロモーメント M は、慣性モーメント I 、ローターの角速度 ω、および回転軸を傾けようとする角速度 Ω の積となります。
この現象は、フライホイールを搭載した機械システム全体の動的挙動に大きな影響を与えます。据え置き型の設備であれば問題ありませんが、移動する車輌や重機に巨大なフライホイールを搭載した場合、車体がカーブを曲がったり傾斜地を走行したりして姿勢を変化させるたびに、フライホイールから強大なジャイロモーメントが車体のフレームに向かって予期せぬねじり応力として作用します。
これを相殺するためには、互いに逆方向に回転する二つのフライホイールを同軸上あるいは並列に配置し、それぞれの角運動量ベクトルを完全にキャンセルさせるという設計が必要となります。
工業機械への適応
フライホイールが持つ「エネルギーを瞬時に出し入れできる」という特性は、極端な負荷変動が連続する産業機械や重機において、システムの安定性と効率を飛躍的に高める切り札として機能します。
トルク脈動の平滑化
エンジンのクランクシャフトには、必ず重量のあるフライホイールが結合されています。エンジンの燃焼室での爆発は断続的であり、クランクシャフトにはハンマーで叩くような強烈で不均一なトルクが加わります。フライホイールはこの爆発の瞬間の余剰エネルギーを回転エネルギーとして吸収し、圧縮工程などの動力が発生しない区間においてそのエネルギーを放出することで、回転のムラを吸収し、滑らかで連続的な動力を後段のトランスミッションへと伝達します。
スマートグリッドと未来のエネルギーインフラ
フライホイール技術は、巨大な電力網の安定化とに対しても、次世代のインフラストラクチャーを支える重要な技術として注目を集めています。
太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーは、天候によって出力が秒単位で激しく変動します。この電力網への不安定な電力供給は、周波数の乱れを引き起こし、大規模な停電の引き金となります。
この短周期の激しい電力変動を吸収するためには、化学電池では反応速度が遅すぎ、寿命も短くなってしまいます。そこで、巨大な真空チャンバー内に数十トンの炭素繊維ローターを磁気浮上させた大容量フライホイールエネルギーストレージシステムが導入されています。
電力網の周波数が上がった瞬間に余剰電力をモーターで回転エネルギーへと変換して吸収し、周波数が下がった瞬間にローターの勢いで発電機を回して瞬時に電力を放出し、グリッドの周波数を一定に保ちます。化学物質を使用せず、数百万回の充放電サイクルに耐え抜くこの巨大なフライホイールは、エネルギー網を安定化させる要石となっています。
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