[发明专利]用于储能的飞轮及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于动能存储的飞轮，更具体地涉及使用复合材料的飞轮组件的构造。

背景技术

众所周知使用飞轮来存储机械动能。存储的能量的量取决于飞轮的质量及其旋转速度。飞轮的动能与其角速度的平方成正比。然而，可以存储在指定飞轮中的能量的量取决于飞轮组件的坚固性以及其如何对高转速下的应力作出回应。

优选地是由具有低密度、高比强度的材料形成飞轮组件。这些材料还需要是极强有力的。为了例如在混合动力车辆或不间断电源中使用，储能飞轮组件需要以极高的速度(大于10,000转/分或甚至超过50,000转/分或100,000转/分)进行操作。因此，对于能够以这些量级的速度可靠操作的飞轮组件具有十分可观的需求。

WO 2010/020806(由本申请人申请)披露了一种飞轮组件，其中转子连接到一个复合端盖上。该端盖安装在一个轴上。

发明内容

本发明提供了一种用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕此轴旋转的转子支架，该支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，

其中，该本体包括一叠层含有纤维的复合材料的片材，

该叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，

一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维，并且

该本体包含至少一个织造织物侧面层，该侧面层提供在该片材叠层的一侧上。

这个侧面层或各侧面层可从该片材叠层的一个侧面至少部分地延伸到该叠层的外圆周边缘表面上以抵抗叠层的分层。

可以提供至少一个织造织物周边层，该周边层在该片材叠层的外圆周边缘表面上延伸。其可被包含而用于牺牲的目的，并且在将支架机加工至所需尺寸时进行成形。该至少一个周边层可与该至少一个侧面层重叠。

该织造织物和/或这些片材可以包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。

本发明的转子支架构型提供了刚性结构。优选地，其刚性足以确保其振动的共振频率大于其操作过程中所遇到的旋转频率。还有，在车辆中使用的飞轮需要承受与车辆的运动相关联的回转力和其他力。

优选地，一种单向片材的纤维与另一种单向片材的纤维之间的角度是大约45°。以此方式使多个片材相对于彼此而定向，可使该支架绕其轴线的物理性质得到均衡。已经确定在制造中可相对简单地实现大约45°的角度，而在其本体的平面中对该转子支架给予充分的准各向同性的性质(即在纤维平面中所有方向上的足够均匀的性质)。需要这种均匀性来使该支架在高速旋转时围绕其圆周具有均匀的偏转。其可以其他安排来实现，但是这些安排可能组装要复杂得多。

各片材的纤维可以与该本体的纵向轴线不同的角度朝向邻近片材的纤维。

在优选实施例中，叠层中的所有片材都是碳纤维单向片材。可以用合适的基质材料对其进行预浸。这种支架构型使用了单向复合片材，因为其比织造纤维材料更强有力。

该支架在两个相邻片材之间可包括一个复合材料中间层。例如，该中间层可包括基质材料中的非对齐长度的纤维。这可通过减少所需片材的数目并替代使用更低成本的复合填充材料来使支架成本进一步降低。

该支架的本体可限定一个大体上是截头圆锥形的向内朝向的表面，该表面与该本体的纵向轴线是同轴的。优选地，该向内朝向的表面限定了相对于与支架的纵向轴线垂直的平面的一个角度，该角度的范围是17°至26°。

本发明还提供了一种包含在此限定的支架的飞轮组件。在该支架上可安装一个转子，该支架的截头圆锥形的向内朝向的表面限定了相对于该本体的纵向轴线的一个角度，该角度被选择以便该支架与该转子张力匹配。以此方式，该转子和支架被安排成当该组件旋转时以相同的方式变形，从而避免了这两个部件的分离。

本发明还提供了一种用于制造转子支架的方法，该转子支架用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕此轴旋转，该支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，该方法包括以下步骤：

形成一叠层包含纤维的复合材料片材，该叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，

将这些片材叠放，使得一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维，并且

将至少一个织造织物侧面层敷于该片材叠层的一侧上。