CN107979221A - 复合材料飞轮转子及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合材料飞轮转子，它是由内层的磁粉纤维层和其外层的复合纤维层缠绕而成，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，还提供一种复合材料飞轮转子的制作方法，包括1)将磁粉纤维层和其它复合层分别制作并缠绕；2)分别对磁粉纤维层上部、下部充磁,复合层缠绕时使用圆柱形胎轴，缠绕同时采用双向加热法固化，本发明周向应力集中问题和转子涡流耗损发热量大的问题，本转子能制造更高转速飞储能装置。
Description
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。
下面结合附图对发明具体说明，图1示出了本发明所述转子的结构图。一种复合材料飞轮转子，整体外形为中空圆筒状结构，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。
缠绕完成的转子磁粉纤维层1充磁后，由上到下分为两种功能结构，磁粉纤维层上部是与径向磁悬浮轴承定子磁极相对应的转子磁极4部分，它呈沿飞轮转子轴向分布的多个环形，该部分作为飞轮储能装置的径向磁悬浮轴承的转子部分。磁粉纤维层1下部为在飞轮转子圆周上均匀分布的磁极，作为电动机/发电机主磁极，提供励磁磁场。
所述磁粉纤维层1是永磁磁粉与环氧树脂混合，再浸入增强纤维而制成的复合材料层。所述玻璃纤维增强环氧树脂层2为玻璃纤维浸润了环氧树脂材料制成的复合材料层。所述碳纤维增强型环氧树脂层3是碳纤维浸润了环氧树脂制成的复合材料层。这三种复合材料层由内向外依次以磁粉纤维层1、玻璃纤维增强型环氧树脂层2和碳纤维增强型环氧树脂层3缠绕成飞轮转子。
所述永磁磁粉可以选用钕铁硼磁粉。
本发明所述的飞轮转子结构在旋转时，分层结构能够承受更大的周向应力。此方案中磁极的结构相比于传统永磁块能减少涡流损耗产生的热量。
上述复合材料飞轮转子的制作方法是：
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1，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1的外进行缠绕，经固化后形成玻璃纤维环氧树脂层2；
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2外继续进行缠绕，固化后形成碳纤维环氧树脂层3；
4)利用脉冲充磁机对转子内层的永磁磁粉进行充磁，形成的磁粉纤维层1上部为呈沿飞轮转子轴向分布的多个环形磁极，即转子磁极4；下部为在飞轮转子圆周上均匀分布磁极，即电机磁极5。
环氧树脂包裹的磁粉彼此间导电性差，使得磁粉纤维层1整体电导率低，涡流损耗产生的热量少，永磁材料不易因温度过高而失磁。玻璃纤维环氧树脂层2由玻璃纤维在环氧树脂中浸润后在磁粉纤维层外侧缠绕成型。玻璃纤维复合材料作为中间过渡层，一方面减少了转子整体的材料成本，另一方面减少了碳纤维复合材料的径向厚度，减小碳纤维复合材料层间分离的可能性。碳纤维环氧树脂层3由碳纤维在环氧树脂中浸润后在玻璃纤维增强型环氧树脂层外侧缠绕成型。碳纤维层承担了飞轮转子旋转时大部分的应力，相比于传统金属材料层，具有更大的屈服强度与弹性模量。总之，所述复合材料飞轮转子可实现转速更高，储能密度更大。
进一步的，如图2所示，复合材料层可以是在一个圆柱形胎轴6上进行缠绕。圆柱形胎轴作为基模，磁粉纤维层缠在该圆柱形胎轴6上，然后再进行玻璃纤维增强型环氧树脂层、碳纤维增强型环氧树脂层缠绕工作。
缠绕时，在复合材料层一端施加预紧力，使得复合材料层间相互压紧。不同纤维层上的预紧力根据各复合材料层的特性，需采用计算机进行精确地控制。
进行复合材料层缠绕时，用于粘紧复合材料不同层的环氧树脂需要实时固化，固化时刻不同步会导致转子内部结构与应力的不均匀。本发明采用内、外双向加热的固化方法。具体是：采用圆柱形胎轴6向外辐射热和转子外层相内辐射热的双向加热方法。从圆柱形胎轴6向外和从转子外层向内同时进行加热，使缠绕过程中转子内部的热力场均匀分布，保证环氧树脂的固化质量。
本发明采用细小钕铁硼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，延缓复合材料高温老化，极大提升飞轮储能装置在全功率、额定容量工况时的高频次循环充放电能力。
同时，飞轮转子采用钕铁硼磁粉嵌入工艺，避免了采用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。
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。
Claims (10)
1.一种复合材料飞轮转子，它是中空圆筒状结构，其特征是：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。
2.根据权利要求1所述复合材料飞轮转子，其特征是：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。
3.根据权利要求2所述复合材料飞轮转子，其特征是：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。
4.根据权利要求1-3中任一项所述复合材料飞轮转子，其特征是：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。
5.根据权利要求1-3中任一项所述复合材料飞轮转子，其特征是：本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。
6.根据权利要求4中任一项所述复合材料飞轮转子，其特征是：本飞轮转子是集电动机、发电机永磁转子和储能飞轮于一体。
7.一种复合材料飞轮转子的制作方法，按下列步骤制成：
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，形成磁粉层上部为沿飞轮转子轴向分布的多个环形磁极；下部为在飞轮转子圆周上均匀分布磁极。
8.如权利要求7所述复合材料飞轮转子的制作方法，其特征是：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。
9.如权利要求8所述复合材料飞轮转子的制作方法，其特征是：所述固化过程中，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。
10.如权利要求7所述复合材料飞轮转子的制作方法，其特征是：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。
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