CN103438152B - 一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套 - Google Patents

Abstract

一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套，属于一种飞轮储能部件，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，主要解决轮毂材料强度不够和轮毂与复合材料层之间变形协调的问题。转子轮毂包括金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层；所述金属轮毂基体为圆盘状或圆柱状，所述金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层由内向外预应力缠绕紧固，最内层为金属轮毂基体，外层为钢丝预应力缠绕层。本发明的优点在于：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，增加飞轮转子的内外半径比，改善轮毂与轮缘的变形协调性，提高飞轮储能的储能密度，显著降低转子制造成本。

Description

一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套

技术领域

本发明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

本发明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。

本发明的方案是：

(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为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。而本发明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。

本发明的有益效果在于：

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发明进行详细说明，其中：

图1为本发明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为本发明所述飞轮转子的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的飞轮转子作进一步详细的说明。

实例1：

如图1、2所示，本例所述的飞轮转子是由金属基体轮毂1、钢丝预应力缠绕层2及复合材料环套4构成的圆盘状，其中心处为用于与飞轮连接的轴承孔3。在使用时，只需将按照上述结构制成的转子通过轴承孔3安装在飞轮的轴承上即可。

所述金属基体轮毂1可选用现有技术的超高强度钢、钛合金或高强铝合金，利用缠绕机将高强度钢丝正应力缠绕在金属轮毂基体上。在缠绕过程中,为避免由于外层钢丝的缠绕张力使金属轮毂基体产生压缩变形,从而引起内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象,采用张力单调递减的变张力缠绕工艺,保证每根钢丝同等强度工作,以期充分发挥钢丝的强度潜力。

所述钢丝预应力缠绕层2可采用现有技术的钢丝缠绕预应力技术，金属轮毂安放于转盘上，固定在地面上的张力发生与控制装置输出钢丝，钢丝随部件的旋转而逐圈、逐层地缠绕在部件外表面。所述钢丝预应力缠绕不仅限于Ф1mm～6mm钢丝，还可包括Ф0.5、Ф0.7等型号的超高强度钢丝。钢丝的横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形。在钢丝缠绕套环的最外层光滑平面由环氧树脂160～220度高温固化制得，所制得的钢丝预应力缠绕层的抗拉强度可高达2800MPa。

所述复合材料环套4可采用复合材料纤维缠绕成型技术，利用缠绕机将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，缠绕张力稳定，缠绕角0°-15°。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。

本发明涉及一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套。包括高强度金属轮毂基体、钢丝预应力缠绕层和复合材料环套。以超高强度的钢丝为原料，结合钢丝缠绕预应力技术和复合材料纤维缠绕成型技术制备高强度飞轮转子环套。此种结构环套可以改变飞轮转子轮毂的应力状态，大大提高金属轮毂的使用强度，改善轮毂与复合材料层的变形协调性，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。该发明可有效增加转子的内外半径比，提高飞轮的储能密度，同时显著降低转子制造成本。

Claims (3)

1.一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套，其特征在于：转子环套包括转子轮毂和复合材料环套(4)；所述转子轮毂包括金属轮毂基体(1)和钢丝预应力缠绕层(2)；所述金属轮毂基体(1)为圆盘状或圆柱状，所述金属轮毂基体(1)和钢丝预应力缠绕层(2)由内向外预应力缠绕紧固，最内层为金属轮毂基体(1)，中间层为钢丝预应力缠绕层(2)，最外层为复合材料环套(4)；

所述金属轮毂基体(1)为不锈钢、钛合金或高强铝合金制成，所述钢丝预应力缠绕层(2)所用钢丝为低合金钢、碳钢或不锈钢钢丝，所述复合材料环套(4)所用复合材料为玻璃纤维或碳纤维；

所述的钢丝横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形，当钢丝横截面为圆形时直径为1mm～6mm，强度2500～3000MPa；

所述钢丝预应力缠绕层(2)的缠绕相对于金属轮毂基体(1)的母线以小于90度的预定角度缠绕在所述金属轮毂基体(1)上。

2.如权利要求1所述的一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套，其特征在于：所述的钢丝预应力缠绕层(2)的钢丝张力为预定额定值的张力的10-80％；通过张力单调递减的变张力缠绕工艺避免内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象。

3.如权利要求1所述的一种钢丝缠绕制备储能飞轮转子环套，其特征在于：所述的复合材料环套(4)是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，缠绕张力稳定，缠绕角0°～15°。