CN104505976A - 一种分层固化储能飞轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分层固化储能飞轮及其制造方法，所述的飞轮包括轮毂和在轮毂的外圆侧缠绕的多层固化纤维层，第一纤维层的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。所述的制造方法包括在轮毂的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层；从第一纤维层至第十纤维层，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂；各层依次缠绕时，应施加一定的预应力。本发明结构合理、工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高，不易发生径向层间分离。

Description

一种分层固化储能飞轮及其制造方法
技术领域
本发明属于一种储能飞轮，具体涉及一种分层固化储能飞轮及其制造方法。
背景技术
飞轮储能技术具有快速充放电、瞬时功率大、效率高、寿命长、无污染的优点，是目前最具发展前景的物理储能方式之一。为了追求更高的储能密度，要求飞轮具有尽可能高的线速度，飞轮材料的发展经历了金属合金到复合材料两个阶段。
目前，金属合金如优质钢、高强铝合金的飞轮，在升速过程中环向应力容易超过环向强度导致飞轮结构破坏，复合材料如玻璃纤维增强树脂、碳纤维增强树脂的飞轮，在升速过程中径向应力容易超过径向强度导致飞轮径向开裂。为了利用复合材料轻质、高强的特点，同时克服飞轮径向强度较小的弱点，有学者提出过多层飞轮过盈装配结构，但是过盈装配工艺复杂、效率低、结构可靠性差。同时，由于飞轮储能密度与飞轮转动惯量正相关，飞轮靠近中心部分的质量对储能贡献不大。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种分层固化储能飞轮及其制造方法。
本发明的技术方案是：一种分层固化储能飞轮，包括轮毂和在轮毂的外圆侧缠绕的多层固化纤维层，所述的轮毂包括外筒和内筒，在外筒和内筒之间设置有辐射状、均布的多个连接板，在内筒的内部形成轴孔，在轮毂的外圆侧依次缠绕第一纤维层、第二纤维层、至第十纤维层。
所述的轮毂、外筒、内筒和连接板的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
所述的第一纤维层的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
一种分层固化储能飞轮的制造方法，包括以下步骤：
   （i）首先制作轮毂，在外筒和内筒之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板；
   （ⅱ）在轮毂的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层，从第一纤维层开始至第十纤维层，每一层纤维的弹性模量均大于相邻内侧层的弹性模量；
   （ⅲ）从第一纤维层至第十纤维层，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂，固化温度为80℃～150℃、固化时间为8～24小时，每层纤维层的厚度在20～40mm之间；
   （ⅳ）各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的预应力由内向外逐层递减，预施加的预应力控制在50～200牛顿之间。
所述的第二纤维层至第十纤维层的材料分别为T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
本发明的有益效果为：
本发明结构合理、制作工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高。比常规不分层飞轮，各层厚度小，层内径向应力水平低，不易发生径向层间分离，由于外侧层弹性模量大于相邻内侧层，飞轮层间不会发生松脱失效。飞轮中心采用轮毂结构，对储能密度影响较小的同时减轻了飞轮的质量。
附图说明
图1 是本发明分层固化储能飞轮的主视剖面图（图2中沿A-A线剖面）；
图2 是本发明分层固化储能飞轮的俯视图。
     其中：
        1    飞轮轮毂         2     固化纤维层
        2-1  第一纤维层       2-2   第二纤维层
        2-9  第九纤维层       2-10  第十纤维层
        3    外筒             4     内筒
        5    连接板           6     轴孔。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明的一种分层固化储能飞轮进行详细说明：
如图1、2所示，一种分层固化储能飞轮结构，包括轮毂1和在轮毂1的外圆侧缠绕的多层固化纤维层2，本发明共十层。其中，轮毂1包括外筒3和内筒4，在外筒3和内筒4之间设置有辐射状、均布的多个连接板5，本发明为八个。连接板5和外筒3和内筒4之间焊接连接，在内筒4的内部形成轴孔6，轮毂1、外筒3、内筒4和连接板5的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
在轮毂1的外圆侧依次缠绕第一纤维层2-1、第二纤维层2-2、至第九纤维层2-9、第十纤维层2-10。
其中，第一纤维层2-1的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
一种分层固化储能飞轮的制造方法，包括以下步骤：
（i）首先制作轮毂1，在外筒3和内筒4之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板5，本发明为八个连接板5，轮毂1、外筒3、内筒4和连接板5的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
（ⅱ）在轮毂1的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层2，从第一纤维层2-1开始至第十纤维层2-10，其中第一纤维层2-1的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料均为高模量、高强度的碳纤维。
（ⅲ）从第一纤维层2-1至第十纤维层2-10，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂，具体固化温度和时间可根据所采用的环氧树脂种类确定，一般固化温度为80℃～150℃、固化时间为8～24小时，每层纤维层的厚度在20～40mm之间，一般取30mm。
（ⅳ）各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的张力由内向外逐层递减，防止飞轮升速过程中各层间发生松脱失，施加的预应力大小可根据所采用的碳纤维种类确定，一般控制在50～200牛顿之间。
所述的第二纤维层2-2至第十纤维层2-10的材料分别为T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60，上述材料市售。
本发明结构合理、制作工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高。比常规不分层飞轮，各层厚度小，层内径向应力水平低，不易发生层内径向开裂，由于外侧层弹性模量大于相邻内侧层，飞轮层间不会发生松脱失效。飞轮中心采用轮毂结构，对储能密度影响较小的同时减轻了飞轮的质量。

Claims (5)

1.一种分层固化储能飞轮，包括轮毂（1）和在轮毂（1）的外圆侧缠绕的多层固化纤维层（2），其特征在于：所述的轮毂（1）包括外筒（3）和内筒（4），在外筒（3）和内筒（4）之间设置有辐射状、均布的多个连接板（5），在内筒（4）的内部形成轴孔（6），在轮毂（1）的外圆侧依次缠绕第一纤维层（2-1）、第二纤维层（2-2）、至第十纤维层（2-10）。
2.根据权利要求1所述的一种分层固化储能飞轮，其特征在于：所述的轮毂（1）、外筒（3）、内筒（4）和连接板（5）的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种分层固化储能飞轮，其特征在于：所述的第一纤维层（2-1）的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
4.按照权利要求1所述的分层固化储能飞轮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
   （i）首先制作轮毂（1），在外筒（3）和内筒（4）之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板（5）；
   （ⅱ）在轮毂1的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层（2），从第一纤维层（2-1）开始至第十纤维层（2-10），每一层纤维的弹性模量均大于相邻内侧层的弹性模量；
   （ⅲ）从第一纤维层（2-1）至第十纤维层（2-10），各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂，固化温度为80℃～150℃、固化时间为8～24小时，每层纤维层的厚度在20～40mm之间；
   （ⅳ）各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的预应力由内向外逐层递减，预施加的预应力控制在50～200牛顿之间。
5.根据权利要求4所述的分层固化储能飞轮的制造方法，其特征在于：所述的第二纤维层（2-2）至第十纤维层（2-10）的材料分别为T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
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