[实用新型]一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种飞轮储能部件，尤其涉及一种用于飞轮储能系统的高强度、低成本的飞轮转子。

背景技术

飞轮转子是飞轮储能系统中最重要的环节，选用高抗拉强度的飞轮材料是飞轮电池能够储存较多能量的先决条件。为了提高飞轮储能能力，普遍采用提高转速的方法达到高储能的要求。随着转速的提高，转子承受的离心力逐渐增大，当转子径向拉伸力超过轮毂的强度时，导致转子轮毂破坏。这种局限性限制了储能飞轮的储能密度和储能能量的提高，严重时会导致灾难性的恶性事故。

目前，国内外研制的转子的主流技术是以高强度金属材料为轮毂，采用复合材料纤维缠绕成型技术制备复合材料环套，将金属轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子。由于其复合材料部分的纤维强度高而使得其储能密度远高于普通的金属飞轮，因此发展高强纤维是提高飞轮储能密度的关键之一。然而纤维缠绕的复合材料飞轮是各向异性的，所谓复合材料飞轮强度高实际上是指周向(纤维长度方向)强度高，且直接与纤维强度相关。对于采用复合材料轮缘、合金轮毂结构的转子,其强度最危险点与复合材料内外半径比有着密切的关系。内外半径比高,则强度最危险点位于合金轮毂内。随着内外半径比的逐渐减小,合金轮毂的尺寸逐渐减小,应力水平逐渐降低,但同时复合材料增厚,复合材料的径向应力水平逐渐升高，成本大幅增加。

发明内容

本实用新型克服上述现有技术的不足，目的在于提供一种抗拉强度高、成本低、使用安全性能的高性能的飞轮转子。采用钢丝预应力缠绕结构，将钢丝缠绕转子轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子，巧妙避免了轮毂与复合材料层之间变形协调和轮毂强度不够的问题。该转子轮毂为圆盘状或圆柱状，包括：金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层。

本实用新型的方案是：

（1）钢丝预应力缠绕层形成在所述金属轮毂的外表面，金属轮毂基体与钢丝缠绕层采用预应力缠绕而实现紧密连接。其中，所述金属轮毂基体为高强度钢、钛合金或高强铝合金，金属轮毂基体为圆盘状或圆柱状。其中，所用钢丝由低合金钢或碳钢制成，直径为Ф1mm～6mm，强度为3000MPa。采用相对于轮毂的母线以小于90度的预定角度缠绕在所述轮毂上。预应力缠绕后，金属轮毂的抗拉强度可高达2800MPa。其中，所述钢丝缠绕层通过在上述有效预应力钢丝缠绕层的外表面缠绕钢丝而形成，且所述保护钢丝缠绕层的钢丝张力预定额定值的张力的10-80%。其中，所述钢丝预应力缠绕层为并行结构，钢丝预应力缠绕层钢丝的导程等于、大于或小于所述螺旋线的螺距。

（2）复合材料环套形成在所述转子轮毂的外表面，转子轮毂与复合材料环套采用多环过盈装配工艺进行组装，实现转子径向有压缩预应力。其中，所述复合材料环套由浸渍过环氧树脂或不饱和聚酯树脂胶液的连续纤维在张力控制下直接缠绕到转子轮毂上，所述复合材料为玻璃纤维或碳纤维。

2012年北京科技大学郭志猛教授申请了“一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂”的实用新型CN201220301176.7，采用钢丝预应力缠绕技术制备高强度的飞轮转子轮毂。而本实用新型在其基础上将钢丝缠绕转子轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子，进一步提高材料的强度，解决了传统复合材料环套直接与金属轮毂过盈配合组装成飞轮转子产生的轮毂与复合材料层之间变形协调和轮毂强度不够的问题，提高了材料的使用寿命，降低了生产成本。

本实用新型的有益效果在于：

采用钢丝缠绕预应力技术与复合材料纤维缠绕成型技术，将转子轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子。以金属基体轮毂、超高强度的钢丝和复合材料为原料，结合钢丝缠绕预应力技术制备高强度飞轮转子金属轮毂、复合材料纤维缠绕成型技术制备复合材料环套。通过在金属轮毂基体上预应力缠绕高强度钢丝层，再将复合材料环套与转子轮毂过盈配合成飞轮转子，使飞轮转子轮毂所承受的极限强度提高到3200MPa。此种结构可以改变飞轮转子轮毂的应力状态，大大提高金属轮毂的强度，改善轮毂的使用性能，减小整个飞轮系统失效破坏的几率，实现飞轮转子的可靠性使用。同时，该实用新型可有效增加转子的内外半径比，改善轮毂与复合材料层的变形协调性，提高飞轮的储能密度，减少材料的使用量，显著降低转子制造成本。

附图说明

下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明，其中：

图1为本实用新型所述飞轮转子的结构示意图，

其中，1-金属轮毂基体，2-钢丝预应力缠绕层，4-复合材料环套;

图2为本实用新型所述飞轮转子的俯视图。

具体实施方式