CN105518339B - 用于储能的飞轮及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于动能存储的飞轮，以及使用复合材料的飞轮的构造。本发明提供一种用于将环形飞轮转子(26)联接到一个轴(76)上而绕此轴旋转的转子支架(74)，该支架包括一个具有纵向轴线(81)的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，其中，该本体包括一个含有纤维的复合材料的片材(101至105)的叠层，该叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维是在相同的方向上延伸的，并且一种单向片材的纤维以与该本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维。该本体包含至少一个织造织物的侧面层(40，42)，该侧面层设置在该片材叠层的一侧上。本发明的转子支架构型提供了刚性结构。
Description
技术领域
本发明涉及用于动能存储的飞轮，更具体地涉及使用复合材料的飞轮组件的构造。
背景技术
众所周知使用飞轮来存储机械动能。存储的能量的量取决于飞轮的质量及其旋转速度。飞轮的动能与其角速度的平方成正比。然而，可以存储在指定飞轮中的能量的量取决于飞轮组件的坚固性以及其如何对高转速下的应力作出回应。
优选地是由具有低密度、高比强度的材料形成飞轮组件。这些材料还需要是极强有力的。为了例如在混合动力车辆或不间断电源中使用，储能飞轮组件需要以极高的速度(大于10,000转/分或甚至超过50,000转/分或100,000转/分)进行操作。因此，对于能够以这些量级的速度可靠操作的飞轮组件具有十分可观的需求。
WO 2010/020806(由本申请人申请)披露了一种飞轮组件，其中转子连接到一个复合端盖上。该端盖安装在一个轴上。
发明内容
本发明提供了一种用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕此轴旋转的转子支架，该支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，
其中，该本体包括一叠层含有纤维的复合材料的片材，
该叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，
一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维，并且
该本体包含至少一个织造织物侧面层，该侧面层提供在该片材叠层的一侧上。
这个侧面层或各侧面层可从该片材叠层的一个侧面至少部分地延伸到该叠层的外圆周边缘表面上以抵抗叠层的分层。
可以提供至少一个织造织物周边层，该周边层在该片材叠层的外圆周边缘表面上延伸。其可被包含而用于牺牲的目的，并且在将支架机加工至所需尺寸时进行成形。该至少一个周边层可与该至少一个侧面层重叠。
该织造织物和/或这些片材可以包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。
本发明的转子支架构型提供了刚性结构。优选地，其刚性足以确保其振动的共振频率大于其操作过程中所遇到的旋转频率。还有，在车辆中使用的飞轮需要承受与车辆的运动相关联的回转力和其他力。
优选地，一种单向片材的纤维与另一种单向片材的纤维之间的角度是大约45°。以此方式使多个片材相对于彼此而定向，可使该支架绕其轴线的物理性质得到均衡。已经确定在制造中可相对简单地实现大约45°的角度，而在其本体的平面中对该转子支架给予充分的准各向同性的性质(即在纤维平面中所有方向上的足够均匀的性质)。需要这种均匀性来使该支架在高速旋转时围绕其圆周具有均匀的偏转。其可以其他安排来实现，但是这些安排可能组装要复杂得多。
各片材的纤维可以与该本体的纵向轴线不同的角度朝向邻近片材的纤维。
在优选实施例中，叠层中的所有片材都是碳纤维单向片材。可以用合适的基质材料对其进行预浸。这种支架构型使用了单向复合片材，因为其比织造纤维材料更强有力。
该支架在两个相邻片材之间可包括一个复合材料中间层。例如，该中间层可包括基质材料中的非对齐长度的纤维。这可通过减少所需片材的数目并替代使用更低成本的复合填充材料来使支架成本进一步降低。
该支架的本体可限定一个大体上是截头圆锥形的向内朝向的表面，该表面与该本体的纵向轴线是同轴的。优选地，该向内朝向的表面限定了相对于与支架的纵向轴线垂直的平面的一个角度，该角度的范围是17°至26°。
本发明还提供了一种包含在此限定的支架的飞轮组件。在该支架上可安装一个转子，该支架的截头圆锥形的向内朝向的表面限定了相对于该本体的纵向轴线的一个角度，该角度被选择以便该支架与该转子张力匹配。以此方式，该转子和支架被安排成当该组件旋转时以相同的方式变形，从而避免了这两个部件的分离。
本发明还提供了一种用于制造转子支架的方法，该转子支架用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕此轴旋转，该支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，该方法包括以下步骤：
形成一叠层包含纤维的复合材料片材，该叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，
将这些片材叠放，使得一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维，并且
将至少一个织造织物侧面层敷于该片材叠层的一侧上。
该方法可包括将该转子支架安装在一个轴上，并且将该支架的外圆周表面机加工成预定的外形同时使该轴旋转。
附图说明
现在参考示意性附图通过举例方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是包括实施本发明的转子支架的飞轮组件的截面侧视图；
图2是图1所示的转子支架的平面视图；
图3是在图2中沿着线A-C示出的转子支架的截面侧视图；
图4展示了用于制备实施本发明的转子支架的一组碳纤维片材；
图5是在图2中沿着线A-B示出的转子支架的截面视图；并且
图6是图1的飞轮组件的一部分的截面视图，增加了优选强度值。
具体实施方式
图1展示了根据本发明的一个实施例的包含转子支架74的飞轮组件70。该组件包括一个转子组件，该转子组件具有环形外转子部分26和内环形转子部分或内环形件66。外转子26是由一种复合材料形成，该复合材料包括树脂材料基质中的碳纤维单向长丝。内环形件66是由在树脂和磁性粒子混合物形成的基质中的玻璃纤维单向长丝形成的。
该转子组件是由轮毂或端盖形式的转子支架74所载。该端盖是一个层状体，该层状体限定了两个通常为圆锥形的表面，这两个圆锥形的表面是通过其内缘和外缘上的圆柱形表面而接合的。在端盖与转子组件之间提供一个环84。该转子支架的外部圆周载有环84，并且该外转子随即安装在该环上。该转子支架具有一个中央圆形开口68。
中央轴76延伸穿过转子支架74中的开口68。该轴包括一个周向延伸的凸缘88。通过螺纹拧接在轴76上的夹紧螺母86，使转子支架被保持在凸缘88上。在螺母86与端盖74之间提供了一个抗微振磨损垫片64。对该轴进行支撑，以通过轴承90和92而绕该飞轮组件的纵向轴线81旋转。这些轴承随即由飞轮组件的堵件(未示出)所支撑。该转子组件可绕由该堵件所载的电动发电机定子94旋转。
用于在车辆中储能的飞轮可具有大约350mm的外直径，例如，该外转子的内直径是大约290mm，并且该内环形件的内直径是大约250mm。
以下将参照图2至图5对图1所示的转子支架的制备进行描述。
图2示出了转子支架74的平面视图，同时在图3中示出了在图2中沿着线A-C标记的截面侧视图。该转子支架是绕纵向轴线28旋转对称的。该转子支架是截头圆锥形的，其圆锥形状的轴线与纵向轴线28一致。该支架的本体具有基本上不变的截面厚度。其外周限定了基本上是圆柱形的表面127，该表面还在轴线28上定中心。在中央开口68与周边127之间，该本体限定了一个向外朝向的截头圆锥形的表面30和一个向内朝向的截头圆锥形的表面32。
该本体具有多层碳纤维材料。如在图4中所展示的，各C形层是由单向碳纤维材料片材切割而成的。图4中示出了在结合到图5展示的制成的转子支架中之前的若干片材101至105。实际上，例如可包括50层。这些层是C形的，以便它们在端盖制备过程中放入模具中时形成所需的圆锥形。
如图4所示，各片材是以相对于该支架的中央轴线28不同的角度而定向的。在所示的示例中，各层相对于前一层旋转45°。选定在转子支架中结合的层数，以提供所需的轴向刚度和强度。
圆锥形本体74限定了相对于与其纵向轴线28垂直的平面的一个角度36。这个角度的范围可以是例如17°至26°，更优选地是大约20°的角度。选定这个角度，以便该支架与要安装在其上的转子张力配合，以确保该转子组件在其高速旋转过程中的完整性。
该转子支架的本体中的顶部和底部片材的外面分别由织造碳纤维织物层40、42所覆盖。这些层延伸到这些片材中的一些片材或所有片材的外缘之外。延伸到这些片材之外的这些部分折叠，以在这些片材中的一些片材或所有片材的外缘上延伸。该本体的内面上的片材42通过外层40叠放在该本体的周边周围。使用织造碳纤维材料，因为其足够柔韧、同时能够抵抗高应力。
一个或多个另外的织造碳布层126被敷在该转子支架的周边周围的层40、42上。
提供碳纤维织物层40、42来加强该转子支架。具体地，当这些碳纤维织物层缠绕在该支架的周边周围时，它们用于抵抗片材(101等等)的分层。
这些另外的织造碳纤维织物圆周层126主要用于牺牲的目的，以使该端盖被准确机加工至所需的直径，而不会通过损坏这些层40、42或其内的片材而使支撑减弱。例如，该转子支架可用于与转子组件中的周围结构(如图1中所示的环84)过盈配合。因此，需要对其圆周进行机加工来使其形状具有必需的精度。
这些单向碳纤维片材优选地是由T700或T800纤维或纤维体积分数为大约58％的等效物制造的。在这些片材中所用的树脂是增韧环氧树脂，其对于飞轮将在其中进行操作的环境具有合适的Tg(操作温度特性)(例如低于100℃)。一种替代方案是使用热塑性基质材料，如PEEK、PET等，再次考虑到预期的操作温度。
该织造碳纤维织物可由如上所述的相同范围的材料制造，相对于这些单向片材具有相同的(或相似的)纤维体积分数并使用相同的树脂体系。所用的织纹图案可以选自于一套织纹，例如五线束缎纹织纹。
可通过在精密关闭的模具中组装多层来制造该端盖。将该组件加热至片材中的树脂体系熔化的温度，同时在至少五个大气压的压力下。在热固性基质(如环氧树脂)的情况下，将其保持在这些条件下，直到环氧体系固化。然后将其冷却，并且从该模具中取出端盖。在使用热塑性基质的地方将该组件加热至基质材料的熔化温度，同时处于压力下而使这些层中的基质混合在一起而形成一种坚固的结构并随后冷却。
在另一个变体中，在该转子支架中可在片材叠层的相邻片材之间包含一个复合材料中间层。选定这种材料，以便通过减少单向纤维片材的数目而同时仍然使制成的转子支架具有足够的强度和刚性而使该支架降低成本。
该中间层可由树脂材料和随机取向的短纤维长丝的混合物形成。这些长丝例如可由碳形成并且为1cm至2cm或更长。
如在图6的实施例中所示，端盖74的径向抗张强度相对较高，为大约60MPa至70MPa。相反地，该环的径向(和轴向)横向抗压强度较低(14MPa至16MPa)，并且该转子的径向(和轴向)横向抗压强度(6.5MPa至7.5MPa)也较低。因此，该环在径向方向上比该转子更坚韧，并且用作负载扩散元件。该环防止在组装过程中硬得多的端盖探入并损坏相对较软的转子。在这个实施例中，该端盖的环向强度(即其圆周方向的强度)是大约45MPa至55MPa。
Claims (22)
1.一种用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕该轴旋转的转子支架，该转子支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，
其中，该本体包括由含有纤维的复合材料构成的片材叠层，
该片材叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，
一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线不同的角度朝向另一种单向片材的纤维，并且
该本体包含织造织物的至少一个侧面层，该侧面层提供在该片材叠层的一侧面上；
其中，该至少一个侧面层至少部分地在该片材叠层的外圆周边缘表面上延伸，以阻止片材叠层的分层。
2.如权利要求1所述的转子支架，其中，该本体包括织造织物的至少一个周边层，该周边层在该片材叠层的外圆周表面上延伸。
3.如权利要求2所述的转子支架，其中，该至少一个周边层叠放在该至少一个侧面层上。
4.如以上任一项权利要求所述的转子支架，其中，该织造织物包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。
5.如权利要求1-3中任一项所述的转子支架，其中，一种单向片材的纤维与另一种单向片材的纤维之间的角度是大约45°。
6.如权利要求1-3中任一项所述的转子支架，其中，该片材叠层中的所有片材都包括单向纤维。
7.如权利要求1-3中任一项所述的转子支架，包括在两种片材之间的一个复合材料的中间层。
8.如权利要求7所述的转子支架，其中，该中间层包括基质材料中的非对齐长度的纤维。
9.如权利要求1-3中任一项所述的转子支架，其中，各片材的纤维以与该本体的纵向轴线成不同角度地朝向邻近片材的纤维。
10.如权利要求1所述的转子支架，其中，该转子支架的本体限定了一个大体上是截头圆锥形的向内朝向的表面，该表面与该本体的纵向轴线同轴。
11.如权利要求10所述的转子支架，其中，该向内朝向的表面限定了相对于与转子支架的纵向轴线垂直的平面的一个角度，该角度的范围是17°至26°。
12.如权利要求1-3中任一项所述的转子支架，其中，这些片材的纤维包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。
13.一种飞轮组件，该飞轮组件包括如权利要求10或权利要求11所述的转子支架以及安装在该转子支架上的转子，其中，该截头圆锥形的向内朝向的表面限定了相对于该本体的纵向轴线的一个角度，该角度被选择使得该转子支架与该转子张力匹配。
14.一种用于制造转子支架的方法，该转子支架用于将环形飞轮转子联接到一个轴上而绕该轴旋转，该转子支架包括一个具有纵向轴线的本体，该本体在制成的飞轮组件中绕着该纵向轴线旋转，该方法包括以下步骤：
形成由包含纤维的复合材料构成的片材叠层，该片材叠层包括至少两种单向片材，各片材的基本上所有的纤维在相同的方向上延伸，
将这些片材叠放，使得一种单向片材的纤维以与本体的纵向轴线成不同角度地朝向另一种单向片材的纤维，并且
将织造织物的至少一个侧面层敷于该片材叠层的一侧面上；
其中，该至少一个侧面层至少部分地在该片材叠层的外圆周边缘表面上延伸，以阻止片材叠层的分层。
15.如权利要求14所述的方法，包括施加织造织物的至少一个周边层，该周边层在该片材叠层的外圆周表面上延伸。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该至少一个周边层叠放在该侧面层上。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，该织造织物包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。
18.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，叠放这些片材，使得一种单向片材的纤维与另一种单向片材的纤维之间的角度是大约45°。
19.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，该片材叠层中的所有片材都是单向片材。
20.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，叠放这些片材，各片材的纤维以与该本体的纵向轴线成不同角度地朝向邻近片材的纤维。
21.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，这些片材的纤维包括碳纤维、E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的至少一种。
22.如权利要求14至16中任一项所述的方法，包括将该转子支架安装在一个轴上，并将该转子支架的外圆周表面机加工成预定的外形同时使该轴旋转。
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