[实用新型]高储能飞轮金属轮毂

说明书

技术领域

本实用新型涉及机械科学领域，尤其是一种高储能飞轮金属轮毂。

背景技术

高储能飞轮系统作为一种使用寿命长、污染小、维护费用低的机械储能装置已有30多年的研究历史了。 初期，储能的主要元件是轮缘转子，通常由金属制造而成，如高强度钢，但是高速旋转时巨大的离心力将使金属转子分裂为三大块。储能总量不仅与飞轮质量、旋转速度的平方成正比，而且与转子材料拉伸强度、密度之比成正比，因此减小质量，增大转速可最大限度的提高飞轮储能系统的储能总量。复合材料转子与金属转子相比具有强度高、密度小的特点，能存储更多的能量。这样树脂基纤维增强复合材料，如碳纤或玻纤，具有强度高、密度小的特点，是理想的飞轮轮缘转子制造材料，在高储能飞轮中占据重要的一席。

高运行转速带来了极大的离心力，轮缘内产生极高的径向应力、周向应力。径向应力及周向应力的交互作用使复合材料轮缘沿径向向外膨胀。飞轮金属轮毂作为保持轮缘与回转轴间过盈配合的连接件，通常由强度较高、质量较小的金属合金或复合材料制成。金属合金金属轮毂提供了飞轮组件的强度和刚度。但是金属轮毂的径向变形量与复合材料轮缘的变形量不在同一数量级上，这样轮缘与金属轮毂分离，产生急剧振动，由复合材料制成的金属轮毂柔性更好，可减小金属轮毂与轮缘的分离，但是复合金属轮毂常常由于刚度不够，其自身临界转速较设计运行转速小。

当过盈配合的复合材料轮缘与金属轮毂分离、产生间隙时将带来难以设想的剧烈振动。当该振动频率与飞轮组件与各组成部分发生共振时，会直接毁掉运行中的高储能飞轮系统。但是，常见的相关技术致力于解决飞轮组件与超轻、高强复合材料轮缘的相容性问题。

中国专利（专利号ZL 200410010855.9）所公开的两种金属轮毂结构分别是与内转子相连的金属轮毂由内环、外环及辐条组成的钛合金金属轮毂，与外转子相连的，由内环、外环、辐条、导磁环组成的钛合金金属轮毂，及金属轮毂的制作工艺方法，这种方法中未涉及到转子的临界转速及其响应，转子通过一阶临界转速时将产生急剧振动。

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种高储能飞轮金属轮毂，它能减小高速运行时轮缘于金属轮毂过盈量损失，并降低运行时的共振可能性，以克服现有技术的不足。

本实用新型是这样实现的：高储能飞轮金属轮毂，包括内圈，外圈，在内圈与外圈之间连接有腹板，内圈顶部到中心的垂直长度比内圈底部到中心的垂直长度小1/3～1/2。

在外圈上设有垂直向均匀分布的槽。外圈上开槽将槽将金属轮毂的外圈分成几块，这样不仅打断了周向应力传递，促进回转过程中的径向延伸，产生界面应力，就减小过盈配合量来传递转矩；而且这种压缩还将减少轮缘内的径向拉伸应力，可提高总储能。该结构可增大金属轮毂与复合材料轮缘的相容性，保证轮缘与金属轮毂的过盈量，可以改变轮毂本身的应力状态，提高其变形量。

外圈的外壁为倒锥形，其锥度为1:150。倒锥可保证轮缘与金属轮毂的同轴度及过盈量。

腹板与内圈及外圈的连接位置上设有倒角，倒角的曲率半径为腹板长度的1/5。腹板为金属轮毂提供刚度，刚度与腹板厚度成一定比例关系。腹板厚度越厚，则提供刚度越高。

本实用新型采用金属轮毂截面的非等厚设计，可节约材料、提高临界频率及操作转速，更好降低装配冷却时间。

本实用新型在同时考虑金属轮毂动力学性能及变形、强度的情况下，对金属轮毂结构进行设计。选择金属轮毂的几何尺寸，如腹板厚度、结合面长度、内圈、外圈厚度进行设计，设计过程中，采用有限元分析，如使用ANSYS有限元分析软件进行交互设计。

本实用新型中金属轮毂结构，其临界转速超过工作转速倍数为1.4-3倍。本实用新型中金属轮毂的设计操作转速为16000转/分（RPM），对应的设计操作频率为266.7HZ，该金属轮毂由3J33制成。本实用新型中金属轮毂结构中，通过有限元分析可知，外圈厚度为18mm。轴与金属轮毂的摩擦系数较金属轮毂与复合材料轮缘间的摩擦系数大，因此外圈长度与内圈相比更为长一些，以保证提供与内圈处相同数量级的足够的摩擦阻力。本实用新型中的金属轮毂结构，在正常操作转速下，其径向变形与复合材料轮缘保证接触，比如过盈配合。

由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本实用新型采用改变金属轮毂几何尺寸的方式来改变其固有频率，及离心力中心，既有效降低运行过程中产生共振的可能性，又能有效解决了轮缘与金属轮毂过盈量损失的问题，提高了金属轮毂的动力学稳定性；本实用新型结构简单，容易制作，成本低廉，使用效果好。