[实用新型]一种大储能飞轮转子

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种大储能飞轮转子。 

技术背景

飞轮储能是可以将电能、风能、太阳能等能源转化成飞轮的旋转动能加以储存的一种新型高效的机械储能技术。近十余年以来，随着新型高强度纤维复合材料、电磁悬浮轴承和电力电子技术等一系列关键技术的突破，复合材料飞轮储能系统的优越性逐渐显示出来，与钢质飞轮相比，它具有储能密度高、重量轻、寿命长等方面的优势，使其在电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断供电备用电源等诸多领域有着广泛的应用。 

提高飞轮的储能量有两个途径：(1)增加飞轮转子转动惯量；(2)提高飞轮转速。在这项领域中需解决四方面问题：(1)转子的材料选择；(2)转子的结构设计；(3)转子的制作工艺；(4)转子的装配工艺。目前国内对飞轮转子的研究主要集中在结构设计上，对其制作方法少有研究，尤其是储能能力达20KWh，转速超过20000r/min的飞轮转子，其复合材料部分尺寸大难于成型，且径向易发生分层。在已有专利及报道中还没有关于20KWh储能飞轮的制造。 

实用新型内容

本实用新型主要提出了一种储能能力达20KWh，转速大于2000r/min的复合材料飞轮转子的制作方法。金属轮毂采用整体铸造，轮缘采用湿法缠绕成型技术，并通过张力缠绕、多环过盈装配等方法解决了大尺寸复合材料飞轮难于成型及径向易分层的问题。 

本实用新型所采用的技术方案是：一种大储能飞轮转子，包括金属轮毂和轮缘，所述的轮缘为为多层碳纤维增强复合材料环状结构，金属轮毂表面缠绕有玻璃纤维增强复合材料，多层碳纤维增强复合材料环依次经过盈装配套装于表面缠绕有玻璃纤维增强复合材料的金属轮毂上。 

本实用新型还具有如下特征： 

1、所述飞轮外径为786mm，金属轮毂直径为516mm。 

2、所述的金属轮毂与多层碳纤维增强复合材料环之间的过盈量为0.30mm-0.40mm。 

3、在过盈装配的配合面之间为胶接。 

4、所述的每层碳纤维增强复合材料环厚度为40mm-50mm。 

5、缠绕的玻璃纤维增强复合材料厚度为3mm。 

6、所述的金属轮毂的抗拉强度达到2.0Gpa。 

7、所述的碳纤维材料混缠选用碳纤维T700和M40J，基体均为环氧树脂；玻璃纤维增强复合材料为s玻璃纤维，树脂基体为环氧树脂5208。 

本实用新型与现有技术相比优点在于：本实用新型的转子轮毂采用高强度钢，轮缘采用碳纤维复合材料，使得转子能够承受更高的转速，增加了储能密度。碳纤维复合材料环过盈装配工艺能有效的改善轮体高速转动时的应力分布，使得轮缘材料承受的环向应力减小，从而使轮体达到更高的转速。复合材料环的分次缠绕固化工艺以及张力递减缠绕工艺，能够有效的提高碳纤维复合材料的生产效率并有效的避免成型过程中缺陷的产生。。本实用新型解决了金属飞轮强度、储能效率低等无法满足高转速飞轮使用的问题，极大地提高了飞轮使用的安全性、可靠性。 

附图说明

图1为本实用新型涉及飞轮转子三维结构示意图。 

图2为本实用新型涉及飞轮转子二维结构示意图。 

图3为本实用新型涉及湿法缠绕工艺示意图。 

图4为本实用新型涉及第一环压装示意图。 

图5为本实用新型涉及三环均已压装完成后示意图。 

具体实施方式

实施例1 

如图1-2所示，一种大储能飞轮转子，包括金属轮毂和轮缘，所述的轮缘为为多层碳纤维增强复合材料环状结构，金属轮毂表面缠绕有玻璃纤维增强复合材料，多层碳纤维增强复合材料环依次经过盈装配套装与表面缠绕有玻璃纤维增强复合材料的金属轮毂上。其中金属轮毂外径或轮缘内径为516mm，复合材料轮缘外径为786mm，高度为250mm，中心轴直径为100mm。 

根据有限元分析得到的转子轮缘部分环、径向应力分布，将轮缘部分分成了三个环，在环间增加了过盈量，这样改变了飞轮的径向应力分布，在层间产 生了预压力，使得飞轮即使在设计转速25000r/min下运转仍然不分层、不松脱。 

经过优化，最终确定复合材料轮缘三个纤维增强环的厚度为40mm～50mm，过盈量为0.3mm～0.40mm。 

实施例2 

本实用新型所涉及一种飞轮转子的制作方法，轮毂和轮缘选用不同材料分别成型，再进行装配，轮毂与轮缘成型方法具体如下：