[发明专利]转子

说明书

本发明涉及转子，特别是用纤维强化复合材料制成的转子。再具体地讲，本发明适用于用在能量存储和转换装置中的转子。

用于能量存储和转换装置中的飞轮可以用多种材料制成。然而，通常飞轮由以相对低速旋转的重轮构成。飞轮越重，它所存储的能量就越多。这是因为飞轮所存储的能量由下式确定：

E(能量)＝1/2 Iω²                  (1)

这里I是飞轮的惯性矩，ω是飞轮的角速度。这样，角速度一定时，存储的能量和惯性矩成正比，也就和飞轮的质量成正比。

用传统材料制成的飞轮有两个主要缺点，即它们的重量和庞大的体积。但是，如果可以增大飞轮的角速度而不是它的重量，那么就可以使能量存储容量大大提高，这是因为，质量一定，能量存储容量和角速度的平方成正比。(参见上式1)。遗憾地是，飞轮的最大角速度受到制造它的材料强度的限制。

鉴于上述问题，可使比能和能量密度达到最大值的最佳材料是具有最高的强度/重量比的材料。因此，玻璃或碳纤维可以用于制造能量存储和转换装置中的飞轮。在本申请人的早期专利申请，申请号：WO95/02269，WO95/02271，和WO95/02270中阐述了一种使用这种飞轮的能量存储和转换装置，这种飞轮为圆筒形/管形转子的形状。

在上述申请中，把玻璃或碳纤维螺旋地缠绕成树脂粘接材料或绕成环状以获得具有适当机械性能的复合结构。虽然本申请人的能量存储和转换装置中的转子大体上是圆筒形或管形的，但应当知道本专利申请的发明可以应用于任何形状的飞轮/转子。

正如应当了解的一样，在任何飞轮/转子中，转子的内外部或内外表面的表面速度之间都存在差异。因此，由于旋转引起的力和表面速度的平方成正比而和距转子转动中心的距离成反比，所以飞轮各层中产生的环向应变沿飞轮横截面有很大变化。这一变化在飞轮的复合材料中导致了径向应变的产生，这种应变试图将复合材料的各层分离，结果产生层离力。然而，如果把转子制成有一个空的管状部分的薄壁圆筒，就可以显著地减小层离应变。

如前所述，通过加大转子的质量即增大转子的壁厚可以增大能量存储容量。而由于上述原因，这样做也增大了壁厚方向上的应变差异。如果不采取措施减小壁厚方向上的径向应变差异(或失配)，就必须用低速运行转子来减小总的径向应变，这样也就降低了能量存储能力。

现有技术中已阐述了减小径向应变失配的各种方法。例如，在D.M.Ries(FARE Inc)和J.A.Kirk(马里兰大学)的论文中公开的用具有过盈配合的同心圆筒制造转子的方法。这篇论文收录在第二十七届学会间能量转换工程会议论文集，第四卷，4.43～4.48页，1992年出版，或如GB-1534393中公开的将一个同心圆筒直接缠绕在另一个上面来制造转子的方法。再如，一篇题为“电动车机电电池可行性评价”的论文中公开了使用由柔性层分开的一系列同心圆筒来制造转子以减小径向应变的方法。该论文参考号为UCRL-ID-109422，由美国的Lawrence Livermore国家实验室1992年5月发表。这些解决办法都仅仅提供了径向应变平均化的方法，并没有完全消除应变分配。

WO86/03268公开了在转子制造过程中通过逐渐改变纤维的缠绕张力来减小/控制由转子旋转引起的环向应变变化的可能性。进而，NL9002415讲述了在转子的绕制过程中逐渐向纤维强化复合基体中添加高密度粉末的方法，这样做也可达到与上面相似的效果。

尽管现有技术公开了多种避免/减少能量存储和转换装置中转子截面应变失配的方法，但没有一种现有技术方案是理想的。因此，本发明要在已知的现有技术上进行改进。

按照本发明，制造了一个纤维复合材料的转子，其中纤维复合材料的模量从转子外部到内部逐渐递减。归因于本发明，即使不能完全消除径向应变失配，也可以制成一种径向应变失配显著减小的转子。因而，转子就可以以高得多的速度旋转而不会出现层离现象。这样就使能量存储容量显著增加。

纤维复合材料的模量最好通过增加一束材料中断纤维的根数来减小。但应当明白，转子外部的纤维最好大体上保持连续，以使转子具有特别坚实的外表面。

理想情况下，纤维复合材料形成转子的一层薄壁。更优选地是，纤维复合材料形成转子的空圆筒，转子只包含这个圆筒。

在本发明的一个特别实施例中，纤维复合材料可以包括碳纤维，玻璃纤维或两者的组合物。当然其它合适纤维也可用来替代它们。

本发明进一步提供了一种用纤维复合材料制造转子的方法，包括如下步骤：

(a)准备一束纤维；