[发明专利]复合材料飞轮转子及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于高速电机领域，涉及一种由复合材料制成的集电动机/发电机永磁转子和储能飞轮于一体的高速飞轮转子以及飞轮转子的制作方法。

背景技术

飞轮是一种利用转动物体惯性进行储能的装置。相比于蓄电池、电容器、电感器等储能装置，其具有储能容量大，使用寿命长，效率高，可以多次连续充放电，清洁无污染等优势。飞轮储能目前适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域。目前，大多数飞轮仍采用金属轮毂，且加工工艺成熟。但是相比于复合材料，金属材料的强度有限，导致飞轮轮缘极限线速度不宜过高，飞轮储能及功率密度受到限制。在采用复合材料缠绕加工飞轮时，需要提供均匀的预紧力，同时还要考虑到环氧树脂的固化过程，难度较大。同时，作为电动机/发电机转子，传统飞轮采用表贴永磁磁块作为转子磁极，如果电机转速高，在高频谐波的作用下永磁磁块会产生较大涡流损耗，造成转子发热，在真空环境下，转子散热极为困难，使得永磁磁块温度较高，容易发生失磁，造成飞轮装置损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的高速飞轮结构在高转速下会产生较大涡流损耗，转子发热量大，真空环境下散热困难，容易导致永磁磁块失磁的问题。

本发明为解决现有飞轮结构转子的发热散热问题，提供如下技术方案：

一种复合材料飞轮转子，它是中空圆筒状结构，它的内层为磁粉纤维层，磁粉纤维层外侧为分别由多种复合纤维材料依次缠绕而成的复合材料层；磁粉纤维层充磁后，形成结构不同的上下两部分磁极，上半部分磁极作为径向磁悬浮轴承的转子部分，下半部分磁极作为电机励磁磁极。

飞轮转子采用分层结构，能够将飞轮转子高速旋转时的应力分散在各层上，降低飞轮转子内部的径向应力峰值，提高飞轮的极限转速。磁粉制作的磁极解决了涡流的问题，转子发热量小，减少失磁风险。

所述磁粉纤维层上半部分磁极呈沿飞轮转子轴向分布的多个环形；下半部分磁极为在飞轮转子圆周上均匀分布的电机励磁磁极。磁粉纤维层是永磁磁粉、环氧树脂、增强纤维结合制成的复合材料层；

本发明的磁粉纤维层外侧复合材料层依次为玻璃纤维增强环氧树脂层和碳纤维增强型环氧树脂层。

本发明的飞轮转子是集电动机或发电机永磁转子和储能飞轮于一体的。

本发明还提供一种复合材料飞轮转子的制作方法，

按下列步骤完成：

1)永磁磁粉与环氧树脂混合均匀，然后浸入增强纤维材料缠成磁粉纤维层，作为转子内层；

2)玻璃纤维在环氧树脂中浸润，再在步骤1)所得磁粉纤维层的外进行缠绕，经固化后形成玻璃纤维环氧树脂层；

3)碳纤维在环氧树脂中浸润，再在步骤2)所得玻璃纤维环氧树脂层外继续进行缠绕，固化后形成碳纤维环氧树脂层；

4)利用脉冲充磁机对转子内层的永磁磁粉进行充磁，形成磁粉纤维层上部为沿飞轮转子轴向分布的多个环形磁环；下部为在飞轮转子圆周上均匀分布磁极。

本方法采用细小磁粉与环氧树脂混合，以增强纤维作为基体，嵌入转子内层，极大地降低飞轮转子高速旋转时在高频谐波作用下产生的涡流损耗，降低发热，缓解高速飞轮转子在真空环境下额定功率及容量充放电时的散热难的问题，避免永磁材料高温退磁。解决了永磁磁块所不能避免的周向应力集中问题，提高永磁部分在高转速时的结构强度。

为方便缠绕复合性材料，步骤1)中磁粉纤维层的缠绕是在一个圆柱形胎轴上进行的。

为缠绕的结构坚实均匀，优选的，在各层进行缠绕时，在起始端施加预紧力的条件下进行缠绕。

附着了树脂的各层复合材料需要在缠绕时实时固化，固化时刻不同步会导致转子内部结构与应力的不均匀，因此本发明所述固化过程采用圆柱形胎轴向外辐射热和转子外层相内辐射热的双向加热方法，固化快速且固化程度均匀。

附图说明

图1为飞轮转子的结构图；

图2为复合材料缠绕固化加工示意图；

图中：1、磁粉纤维层；2、玻璃纤维增强型环氧树脂层；3、碳纤维增强型环氧树脂层；4、转子磁极；5、电机磁极；6、圆柱形胎轴。

具体实施方式

针对现有技术的问题，本发明提供了一种复合材料飞轮转子，其目的在于，采用复合材料取代传统的金属材料，利用特殊的加工工艺使得飞轮转子具有更高的转速。同时，采用环氧树脂包裹磁粉颗粒，与增强纤维材料共同缠绕的方式制作磁极，取代传统的表贴永磁体，达到减小涡流损耗的目的。