フライホイールとは｜定義と仕組み・エネルギー貯蔵の原理と用途

フライホイールとは、回転軸に取り付けられた重い円盤や車輪のような部品のことです。フライホイールは、運動エネルギーの貯蔵に使用されます。フライホイールの運動量は大きく、簡単にはその回転速度が変わりません。このため、フライホイールは回転するシャフトの速度を一定に保つのに役立ちます。シャフトにかかるトルクが時間とともに増減すると、回転速度がばらつきますが、フライホイールは速度変化に抵抗してその影響を小さくします。たとえばピストンを使用するエンジンは、１回転の中で力が出る区間と出ない区間があり、不均一なトルクになりがちです。そこでフライホイールが余ったエネルギーを一時的に蓄え、足りないときに放出することで、回転のむらをならします。

仕組み（エネルギーを蓄える原理）

車輪（どんな車輪でも）を回転させるにはエネルギーが必要です。摩擦が少なければ（良いベアリングがあり、空気抵抗が小さければ）、長い間回転し続けることができます。そして必要に応じて、その回転を弱める（ブレーキをかける、あるいは発電する）ことで、再び車輪からエネルギーを取り出せます。つまり、フライホイールはエネルギーを蓄えるための単純で信頼性の高い機械要素です。

蓄えられるエネルギーの大きさは、主に次の3要素で決まります。

重量（質量）M：重いほど多く蓄えられます。
速度の要素である角速度：回転が速いほどエネルギーは急増します。
半径 R（大きさ）：質量が軸から遠いほど（外周に重さが集まるほど）必要な回転エネルギーが大きくなります。

この3つの要素（Ｍ（質量）、 $\omega$ （角速度）、R（半径））で、蓄えられる運動エネルギーを表せます。固体円盤の例では、慣性モーメント I = (1/2)MR² となるため、エネルギーは

(1/2) I × $\omega$ ² = $\omega$ ²MR²/4

となります。つまり、回転速度を2倍にすると、蓄えられるエネルギーは4倍になります。これが「フライホイールは重く、そして高速に回すほどたくさん蓄えられる」と言われる理由です。

慣性モーメントと形状の工夫

円盤型：製造が容易で、エンジンの回転むらを抑える用途で広く使われます。
外周重視型（リム型）：同じ質量ならエネルギーをより多く蓄えられます（質量が軸から遠いほど慣性モーメントが大きくなるため）。
多層・複合材ロータ：高回転に耐えやすく、割れにくいように応力分布を最適化します。

ただし、回転体には遠心応力がかかるため、材料強度や安全設計が上限を決めます。高速回転化はエネルギー密度を高めますが、同時に安全対策を強化する必要があります。

エネルギーの出し入れ（伝達・制御）

機械式：クラッチやCVTなどで車輪やシャフトとつなぎ、加速・減速でエネルギーをやり取りします。
電気式：フライホイールに直結したモータ／ジェネレータで充放電します。パワーエレクトロニクスにより、高速かつ精密に制御できます。

構造・材料・支持方法

材料：鋼や合金鋼は堅牢で安価。炭素繊維複合材は軽く高強度で、超高速回転に適します。
軸受：機械式ベアリングのほか、摩擦を抑えるために磁気軸受が使われることがあります。真空容器内に収めて空気抵抗を低減する設計も一般的です。
安全ハウジング：万一の破損時に破片を閉じ込める堅牢な容器が用いられます。バランス取りも重要で、振動や摩耗を抑えます。

例：車両での利用

フライホイールはただのホイールではなく、エネルギーを蓄えるために特別に設計されたものです。したがって、重いおよび/または高速回転する必要があります。例えば、いくつかのバスには、停車や発進のために使用されるフライホイールがあります。バスが停止するとき（例えば信号機のために）、フライホイールは車輪に接続されているので、回転エネルギーがそこに伝達されるので、フライホイールがスピードを上げている間にバスは減速します。そして、バスが再び走行を開始しなければならない時には、再び接続されており、エネルギーは再び転送されます。もちろん、重い車輪をバスに乗せて持ち歩きたくはないでしょうから、超高速回転に耐えられるように軽い素材で作られています。

この考え方はレーシングカーの回生システムや鉄道の駅間での回生エネルギー回収などにも応用され、発進加速を助けたり、ブレーキ時のエネルギーを無駄なく再利用したりできます。

主な用途

内燃機関の回転むらの平滑化：特に単気筒・少気筒エンジンで効果的。
回生エネルギーの回収・再利用：バス、トラック、鉄道、産業機械の加減速で。
無停電電源（UPS）：瞬停・短時間停電のブリッジ電源として、高出力で素早く応答。
電力系統の安定化：周波数変動の吸収、短周期の出力平滑化（再生可能エネルギーの短周期変動対策）。
産業設備：プレス機・打抜き機など、瞬間的に大きなトルクが必要な装置の電源ピーク低減。

長所

高出力・高速応答：瞬時に大きな力を出し入れできます。
長寿命：充放電劣化がほぼなく、繰り返し回数に強い。
環境負荷が比較的低い：主に金属や複合材で構成され、化学的劣化がありません。

短所

自己放電（待機損失）がある：摩擦がや空気抵抗、軸受損などで、長時間の静置保存には不向き。
安全対策が必要：高速回転体ゆえに、破損時のエネルギー解放が大きい。堅牢な容器と厳密なバランスが不可欠。
体積・設置条件：騒音・振動対策、真空容器や制御装置などの付帯設備が必要になる場合があります。

注意点（ジャイロ効果と設置）

高速回転体にはジャイロ効果があり、姿勢変化に抵抗します。乗り物に搭載する際は、逆回転する2基を対向配置してジャイロ効果を打ち消す、懸架や支持の工夫をするなどの対策がとられます。

歴史と発展

フライホイールの発想は古く、ろくろや水車、蒸気機関の時代から回転を安定させる目的で使われてきました。近年は材料工学と磁気軸受、真空技術、パワーエレクトロニクスの発展により、高回転・高効率のフライホイール蓄エネルギーシステムが発達し、交通・産業・電力の幅広い分野で再評価されています。

動いているシンプルなフライホイール。レオナルド・ダ・ヴィンチの図面をもとに構築された

スポークフライホイール

フライホイールの数学

回転するフライホイールの運動エネルギーは

E = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}}I $E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}$

ここで、中心質量の慣性モーメントは

I = 1 2 M R 2 {displaystyle I={\frac {1}{2}}MR^{2}}}} $I={\frac {1}{2}}MR^{2}$

ここで、I{{displaystyle I}は、回転中心に関する質量の慣性モーメントであり、ω{displaystyle ω}は $\omega$ ω）はラジアン単位の角速度です。

歴史

フライホイールは古代から使用されており、最も一般的な伝統的な例は轆轤（ろくろ）です。産業革命では、ジェームズ・ワットが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・ピッカードがフライホイールを使用しました。

その他の意味

ベンチャーキャピタルの世界では、「フライホイール」という言葉が使われています。

質問と回答

Q:フライホイールとは何ですか?

A:フライホイールとは、回転軸に取り付けられた重い円盤または車輪のことです。運動エネルギーの貯蔵に使用され、不均一なトルクによる速度変化に抵抗して、シャフトを同じ速度で回転させるのに役立ちます。

Q:フライホイールはどのようにエネルギーを蓄積するのですか?

A:フライホイールは、回転するときにホイールからエネルギーを受け取り、エネルギーが必要なときに再び放出することでエネルギーを蓄積しています。蓄えられるエネルギー量は、質量、角速度、半径に依存します。

Q:フライホイールにはどのような用途があるのですか?

A:フライホイールは、ピストンを動力源とするエンジンにおいて、トルクの不均一性による回転速度の変化の問題を解決するために使用されています。また、バスの停止・発進の際、車輪の回転エネルギーをフライホイールに伝達し、減速と加速を行うために使用されています。

Q:フライホイールに蓄えられるエネルギーの大きさは、どのような要因で決まるのですか?

A:フライホイールに蓄えられるエネルギー量は、その質量、角速度、半径に依存します。重くて角速度が速い分銅は、軽くて角速度が遅い分銅より回転させるのに必要なエネルギーが大きくなります。

Q:すべてのホイールは "フライホイール "と見なされるのですか?

A:いいえ、すべてのホイールが "フライホイール "と見なされるわけではありません。フライホイールは運動エネルギーを蓄積するために特別に設計されたもので、これを効果的に行うためには重くなければならず、また高速で回転させなければなりません。

Q:バスはどのようにフライホイールを使うのですか?

A:バスは、停止時（信号待ちなど）にフライホイールを車輪に連結して使用します。これにより、車輪の回転エネルギーをフライホイールに伝達し、減速しつつ、後で再始動する際に再び速度を上げることができるのです。