CN1178572A - 转子 - Google Patents

Abstract

一种由纤维复合材料制成的转子,其中纤维复合材料的模量从转子外部向内部逐渐减小。更准确地说是,纤维复合材料的模量通过增加一束材料中断纤维的数目而减小。结果,由纤维复合材料制成的转子的径向应变可以在制造过程中得到控制,以改善转子的运转,特别是当转子应用于一个能量储存和转换装置的时候。

Description

转子

本发明涉及转子，特别是用纤维强化复合材料制成的转子。再具体地讲，本发明适用于用在能量存储和转换装置中的转子。

用于能量存储和转换装置中的飞轮可以用多种材料制成。然而，通常飞轮由以相对低速旋转的重轮构成。飞轮越重，它所存储的能量就越多。这是因为飞轮所存储的能量由下式确定：

E(能量)＝1/2 Iω²                  (1)

这里I是飞轮的惯性矩，ω是飞轮的角速度。这样，角速度一定时，存储的能量和惯性矩成正比，也就和飞轮的质量成正比。

用传统材料制成的飞轮有两个主要缺点，即它们的重量和庞大的体积。但是，如果可以增大飞轮的角速度而不是它的重量，那么就可以使能量存储容量大大提高，这是因为，质量一定，能量存储容量和角速度的平方成正比。(参见上式1)。遗憾地是，飞轮的最大角速度受到制造它的材料强度的限制。

鉴于上述问题，可使比能和能量密度达到最大值的最佳材料是具有最高的强度/重量比的材料。因此，玻璃或碳纤维可以用于制造能量存储和转换装置中的飞轮。在本申请人的早期专利申请，申请号：WO95/02269，WO95/02271，和WO95/02270中阐述了一种使用这种飞轮的能量存储和转换装置，这种飞轮为圆筒形/管形转子的形状。

在上述申请中，把玻璃或碳纤维螺旋地缠绕成树脂粘接材料或绕成环状以获得具有适当机械性能的复合结构。虽然本申请人的能量存储和转换装置中的转子大体上是圆筒形或管形的，但应当知道本专利申请的发明可以应用于任何形状的飞轮/转子。

正如应当了解的一样，在任何飞轮/转子中，转子的内外部或内外表面的表面速度之间都存在差异。因此，由于旋转引起的力和表面速度的平方成正比而和距转子转动中心的距离成反比，所以飞轮各层中产生的环向应变沿飞轮横截面有很大变化。这一变化在飞轮的复合材料中导致了径向应变的产生，这种应变试图将复合材料的各层分离，结果产生层离力。然而，如果把转子制成有一个空的管状部分的薄壁圆筒，就可以显著地减小层离应变。

如前所述，通过加大转子的质量即增大转子的壁厚可以增大能量存储容量。而由于上述原因，这样做也增大了壁厚方向上的应变差异。如果不采取措施减小壁厚方向上的径向应变差异(或失配)，就必须用低速运行转子来减小总的径向应变，这样也就降低了能量存储能力。

现有技术中已阐述了减小径向应变失配的各种方法。例如，在D.M.Ries(FARE Inc)和J.A.Kirk(马里兰大学)的论文中公开的用具有过盈配合的同心圆筒制造转子的方法。这篇论文收录在第二十七届学会间能量转换工程会议论文集，第四卷，4.43～4.48页，1992年出版，或如GB-1534393中公开的将一个同心圆筒直接缠绕在另一个上面来制造转子的方法。再如，一篇题为“电动车机电电池可行性评价”的论文中公开了使用由柔性层分开的一系列同心圆筒来制造转子以减小径向应变的方法。该论文参考号为UCRL-ID-109422，由美国的Lawrence Livermore国家实验室1992年5月发表。这些解决办法都仅仅提供了径向应变平均化的方法，并没有完全消除应变分配。

WO86/03268公开了在转子制造过程中通过逐渐改变纤维的缠绕张力来减小/控制由转子旋转引起的环向应变变化的可能性。进而，NL9002415讲述了在转子的绕制过程中逐渐向纤维强化复合基体中添加高密度粉末的方法，这样做也可达到与上面相似的效果。

尽管现有技术公开了多种避免/减少能量存储和转换装置中转子截面应变失配的方法，但没有一种现有技术方案是理想的。因此，本发明要在已知的现有技术上进行改进。

按照本发明，制造了一个纤维复合材料的转子，其中纤维复合材料的模量从转子外部到内部逐渐递减。归因于本发明，即使不能完全消除径向应变失配，也可以制成一种径向应变失配显著减小的转子。因而，转子就可以以高得多的速度旋转而不会出现层离现象。这样就使能量存储容量显著增加。

纤维复合材料的模量最好通过增加一束材料中断纤维的根数来减小。但应当明白，转子外部的纤维最好大体上保持连续，以使转子具有特别坚实的外表面。

理想情况下，纤维复合材料形成转子的一层薄壁。更优选地是，纤维复合材料形成转子的空圆筒，转子只包含这个圆筒。

在本发明的一个特别实施例中，纤维复合材料可以包括碳纤维，玻璃纤维或两者的组合物。当然其它合适纤维也可用来替代它们。

本发明进一步提供了一种用纤维复合材料制造转子的方法，包括如下步骤：

(a)准备一束纤维；

(b)在这束纤维上涂上树脂；

(c)将这束纤维缠绕在一个心轴上以制成转子；其中在制造过程中这束纤维中至少有些被弄断以改变纤维复合材料的模量。

最好在(b)步和(c)步之间将纤维弄断。可以用剪切或用突然敲击或打击的简单方法将纤维弄断。

纤维复合材料的模量最好沿转子由外向内递减，并且，转子外部的纤维最好是连续的。

纤维复合材料中所用的纤维可以是碳纤维或玻璃纤维，其它合适材料也可用作替代。

在缠绕过程中使用一种铺展装置使纤维束中的断纤维在各个方向上铺开。这样，在断纤维周围可以形成一种“栅网”效应，可减小纤维材料的模量。

下面详细叙述本发明研制背后的关于推理过程的解释和一种制造本文所述转子的具体方法。

决定转子应变状态的参数是复合比模量(即模量E＝应力(σ)/应变(ε))和密度(ρ)之比)，和材料的可用应变范围。材料的比强度，即强度和密度的比，表明复合纤维材料抵抗转子旋转时由复合材料重量引起的离心力的能力。通过减小应变范围来减小比强度并不能使径向应变差异得到改善。但是在保持总的应变范围不变的同时减小比强度(即减小材料的模量)，可以改善径向应变的分布。

因此，为了减小由环向应变差异引起的径向应变，这里提供了一种在受控状态下减小各层的有效环向模量的方法。

多层缠绕的纤维复合材料的模量取决于纤维(或细丝)相对于作用力方向的角度和纤维的条数。通过在扭转(即缠绕)前引入一道工序将一部分纤维切断并将其铺开以使缠绕有效轴与纤维束不在一条直线上，可以减小制得材料的有效模量。这样通过逐层改变这种方法所处理的纤维的数目，就产生了这样的效果：从一个材料源可得到具有沿壁厚(或横截面)方向变化模量的转子。进而，可以实际调整材料的模量以消除该径向应变失配源。

有了前述概念，下面叙述将本发明付诸实施的工具和方法。首先，要提供一个导槽用来将碳或玻璃纤维束准确定位到工具上。再提供一种往纤维束上涂树脂的装置，例如涂一种环氧树脂。然后准备一个刀片或切刀用来以均匀的间隔切断纤维，这一间隔是由缠绕过程中控制切断操作频率的测量或控制装置决定的。切断操作的结果是使一束纤维中预定百分比的纤维被切断；整束纤维不能切透，因为这会导致缠绕操作失败。再者，对于所涉及的特定的纤维和树脂体系，由测量装置确定的切断长度不会小于纤维“拉出”长度。“拉出”长度是指当纤维和树脂结合部的剪切强度等于纤维强度时纤维的长度。

当切断工序完成后，把纤维束绕到心轴或其它匀速旋转的支撑物上以使纤维按所选定的螺旋形和环形方式缠绕。在纤维束绕到转子上的过程中有一个铺层装置支撑着它。尽管纤维束中未切断的纤维位于绕制方向上，但纤维束中被切断的纤维将被铺展装置重新排列形成一种随机排布，一些已断纤维的末端垂直于未断纤维方向。

正如应该知道的，纤维复合材料的模量将取决于绕到转子上纤维的条数和切断纤维的频率。因此，测量或控制装置仅需用来控制得到一个缠绕层，从而得到一个精确地具有所需模量的转子。这样即可生产出改进的转子了。

在转子的绕制初期，绕在心轴上的内层将包含以频繁间隔切断的纤维束，这些纤维束形成了在树脂基体中纤维方向随机分布的“栅网”层。这将使纤维复合材料具有非常低的模量。随着绕制过程的进行，切断间隔逐渐减小直至到达转子外层，该层的纤维束不进行切断而保持完好无损。转子在这些外层处有相当高的强度。

使用本发明所述方法，所得的转子具有大体上恒定的径向应变，这一应变分布于高速运转的转子壁厚方向上。因此，没有层离现象发生。转子的径向强度也由内层纤维的随机层叠而得以大大改善。

最后，众所周知，碳和玻璃纤维在其长度方向上受拉时极为结实但当张力作用于侧面时却非常脆弱。事实上，在一个纤维束的侧面施加一个轻微的冲击就可以使个别纤维断裂。因此，上述用于切断的纤维束的切断装置可由一个简单装置代替，它通过打击纤维束的侧面来使所需数量的纤维断裂。因而，不需要实际地去切断纤维。

应当了解，按照本发明制造的转子与现有技术相比相当的坚固，并可以在很大角速度情况下使用。实际可达的角速度仅受制造转子材料强度的限制，而不受由转子内部应变失配导致的限度的限制。

虽然，如上所述，按本发明制得的转子适用于许多不同的场合，但它特别适用于由本中请人研制的那种能量存储和转换装置。具体地讲，这一装置包括一个装在圆柱形转子内的定子，定子通电驱动转子绕定子旋转，将能量以转子动能的形式存储起来，定子和转子结合起来可做为一个发电机，将能量以电能形式从转子释放给定子。

当然应当明确，本发明仅在上面以示例形式阐述，在本发明范围内可以进行细节的修改。

Claims (17)

1.一种由纤维复合材料制成的转子，其中纤维复合材料的模量沿转子由外部向内部递减。

2.权利要求1中的转子，其中纤维复合材料的模量通过增加材料束中断纤维的数目来减小。

3.上述权利要求中的转子，其中转子外层的纤维大体上连续。

4.上述权利要求中的转子，其中纤维复合材料形成一个薄壁。

5.上述权利要求中的转子，其中纤维加强复合材料形成一个空圆筒。

6.上述权利要求中的转子，其中纤维复合材料包括碳纤维，玻璃纤维和两者的组合物。

7.上述权利要求中的转子，其中纤维复合材料包含一种将纤维粘在一起的树脂。

8.上述要求1的一种转子，基本如上文所述。

9.一个能量存储和转换装置，包括上述权利要求中的转子和装在转子中的定子，它用来驱动转子以转子动能的形式存储能量。

10.一种用复合材料制造转子的方法，步骤如下：

(a)准备一束纤维；

(b)向纤维束上涂树脂；

(c)将纤维束绕到心轴上形成转子；其中，在制造过程中至少要弄断一定数量的纤维以改变纤维复合材料的模量。

11.权利要求10中的方法，其中纤维在(b)步和(c)步之间被弄断。

12.权利要求10或11中的方法，其中用切断或打击的手段来使纤维断开。

13.权利要求10至12之一中的方法，其中纤维复合材料的模量从转子外部向内部递减。

14.权利要求10至13之一中的方法，其中转子外层的纤维是连续的。

15.权利要求10至14之一中的方法，其中的纤维是碳纤维，玻璃纤维或二者的合成物。

16.权利要求10至15之一中的方法，其中在绕制过程中有一铺展装置作用于纤维束，使断纤维在不同方向上铺展开来。

17.一种根据权利要求10用纤维复合材料制造转子的方法，基本如上文所述。