一種分層固化儲(chǔ)能飛輪及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分層固化儲(chǔ)能飛輪及其制造方法，所述的飛輪包括輪轂和在輪轂的外圓側(cè)纏繞的多層固化纖維層，第一纖維層的材料為玻璃纖維或者芳綸纖維，其余各層材料為高模量、高強(qiáng)度的碳纖維。所述的制造方法包括在輪轂的外圓側(cè)依次纏繞多層固化纖維層；從第一纖維層至第十纖維層，各層依次纏繞、固化，基體采用環(huán)氧樹脂；各層依次纏繞時(shí)，應(yīng)施加一定的預(yù)應(yīng)力。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、工藝簡(jiǎn)單，能夠有效地提升飛輪的最大工作轉(zhuǎn)速，飛輪儲(chǔ)能密度高，不易發(fā)生徑向?qū)娱g分離。
【專利說(shuō)明】—種分層固化儲(chǔ)能飛輪及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種儲(chǔ)能飛輪，具體涉及一種分層固化儲(chǔ)能飛輪及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有快速充放電、瞬時(shí)功率大、效率高、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的物理儲(chǔ)能方式之一。為了追求更高的儲(chǔ)能密度，要求飛輪具有盡可能高的線速度，飛輪材料的發(fā)展經(jīng)歷了金屬合金到復(fù)合材料兩個(gè)階段。
[0003]目前，金屬合金如優(yōu)質(zhì)鋼、高強(qiáng)鋁合金的飛輪，在升速過(guò)程中環(huán)向應(yīng)力容易超過(guò)環(huán)向強(qiáng)度導(dǎo)致飛輪結(jié)構(gòu)破壞，復(fù)合材料如玻璃纖維增強(qiáng)樹脂、碳纖維增強(qiáng)樹脂的飛輪，在升速過(guò)程中徑向應(yīng)力容易超過(guò)徑向強(qiáng)度導(dǎo)致飛輪徑向開裂。為了利用復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)克服飛輪徑向強(qiáng)度較小的弱點(diǎn)，有學(xué)者提出過(guò)多層飛輪過(guò)盈裝配結(jié)構(gòu)，但是過(guò)盈裝配工藝復(fù)雜、效率低、結(jié)構(gòu)可靠性差。同時(shí)，由于飛輪儲(chǔ)能密度與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正相關(guān)，飛輪靠近中心部分的質(zhì)量對(duì)儲(chǔ)能貢獻(xiàn)不大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題而提出，其目的是提供一種分層固化儲(chǔ)能飛輪及其制造方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種分層固化儲(chǔ)能飛輪，包括輪轂和在輪轂的外圓側(cè)纏繞的多層固化纖維層，所述的輪轂包括外筒和內(nèi)筒，在外筒和內(nèi)筒之間設(shè)置有輻射狀、均布的多個(gè)連接板，在內(nèi)筒的內(nèi)部形成軸孔，在輪轂的外圓側(cè)依次纏繞第一纖維層、第二纖維層、至第十纖維層。
[0006]所述的輪轂、外筒、內(nèi)筒和連接板的材料均選用優(yōu)質(zhì)鋼或者高強(qiáng)鋁合金。
[0007]所述的第一纖維層的材料為玻璃纖維或者芳綸纖維，其余各層材料為高模量、高強(qiáng)度的碳纖維。
[0008]一種分層固化儲(chǔ)能飛輪的制造方法，包括以下步驟:
(i)首先制作輪轂，在外筒和內(nèi)筒之間沿圓周焊接輻射狀、均布的多個(gè)連接板；
(? )在輪轂的外圓側(cè)依次纏繞多層固化纖維層，從第一纖維層開始至第十纖維層，每一層纖維的彈性模量均大于相鄰內(nèi)側(cè)層的彈性模量；
(iii)從第一纖維層至第十纖維層，各層依次纏繞、固化，基體采用環(huán)氧樹脂，固化溫度為80°C?150°C、固化時(shí)間為8?24小時(shí)，每層纖維層的厚度在20?40mm之間；
(iv)各層依次纏繞時(shí)，應(yīng)施加一定的預(yù)應(yīng)力，纖維預(yù)施加的預(yù)應(yīng)力由內(nèi)向外逐層遞減，預(yù)施加的預(yù)應(yīng)力控制在50?200牛頓之間。
[0009]所述的第二纖維層至第十纖維層的材料分別為T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
[0010]本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、制作工藝簡(jiǎn)單，能夠有效地提升飛輪的最大工作轉(zhuǎn)速，飛輪儲(chǔ)能密度高。比常規(guī)不分層飛輪，各層厚度小，層內(nèi)徑向應(yīng)力水平低，不易發(fā)生徑向?qū)娱g分離，由于外側(cè)層彈性模量大于相鄰內(nèi)側(cè)層，飛輪層間不會(huì)發(fā)生松脫失效。飛輪中心采用輪轂結(jié)構(gòu)，對(duì)儲(chǔ)能密度影響較小的同時(shí)減輕了飛輪的質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明分層固化儲(chǔ)能飛輪的主視剖面圖(圖2中沿A-A線剖面)；
圖2是本發(fā)明分層固化儲(chǔ)能飛輪的俯視圖。
[0012]其中:
I 飛輪輪轂2 固化纖維層
2-1第一纖維層2-2 第二纖維層
2-9第九纖維層2-10第十纖維層
3 外筒4 內(nèi)筒
5連接板6 軸孔。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種分層固化儲(chǔ)能飛輪進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
如圖1、2所示，一種分層固化儲(chǔ)能飛輪結(jié)構(gòu)，包括輪轂I和在輪轂I的外圓側(cè)纏繞的多層固化纖維層2，本發(fā)明共十層。其中，輪轂I包括外筒3和內(nèi)筒4，在外筒3和內(nèi)筒4之間設(shè)置有輻射狀、均布的多個(gè)連接板5，本發(fā)明為八個(gè)。連接板5和外筒3和內(nèi)筒4之間焊接連接，在內(nèi)筒4的內(nèi)部形成軸孔6，輪轂1、外筒3、內(nèi)筒4和連接板5的材料均選用優(yōu)質(zhì)鋼或者高強(qiáng)鋁合金。
[0014]在輪轂I的外圓側(cè)依次纏繞第一纖維層2-1、第二纖維層2-2、至第九纖維層2-9、第十纖維層2-10。
[0015]其中，第一纖維層2-1的材料為玻璃纖維或者芳綸纖維，其余各層材料為高模量、高強(qiáng)度的碳纖維。
[0016]一種分層固化儲(chǔ)能飛輪的制造方法，包括以下步驟:
(i)首先制作輪轂1，在外筒3和內(nèi)筒4之間沿圓周焊接輻射狀、均布的多個(gè)連接板5，本發(fā)明為八個(gè)連接板5，輪轂1、外筒3、內(nèi)筒4和連接板5的材料均選用優(yōu)質(zhì)鋼或者高強(qiáng)鋁
I=1-Wl O
[0017](ii)在輪轂I的外圓側(cè)依次纏繞多層固化纖維層2，從第一纖維層2-1開始至第十纖維層2-10，其中第一纖維層2-1的材料為玻璃纖維或者芳綸纖維，其余各層材料均為高模量、高強(qiáng)度的碳纖維。
[0018](iii)從第一纖維層2-1至第十纖維層2-10，各層依次纏繞、固化，基體采用環(huán)氧樹脂，具體固化溫度和時(shí)間可根據(jù)所采用的環(huán)氧樹脂種類確定，一般固化溫度為80°C?150°C、固化時(shí)間為8?24小時(shí),每層纖維層的厚度在20?40mm之間，一般取30mm。
[0019](iv)各層依次纏繞時(shí)，應(yīng)施加一定的預(yù)應(yīng)力，纖維預(yù)施加的張力由內(nèi)向外逐層遞減，防止飛輪升速過(guò)程中各層間發(fā)生松脫失，施加的預(yù)應(yīng)力大小可根據(jù)所采用的碳纖維種類確定，一般控制在50?200牛頓之間。
[0020]所述的第二纖維層2-2至第十纖維層2-10的材料分別為T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60，上述材料市售。
[0021]本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、制作工藝簡(jiǎn)單，能夠有效地提升飛輪的最大工作轉(zhuǎn)速，飛輪儲(chǔ)能密度高。比常規(guī)不分層飛輪，各層厚度小，層內(nèi)徑向應(yīng)力水平低，不易發(fā)生層內(nèi)徑向開裂，由于外側(cè)層彈性模量大于相鄰內(nèi)側(cè)層，飛輪層間不會(huì)發(fā)生松脫失效。飛輪中心采用輪轂結(jié)構(gòu)，對(duì)儲(chǔ)能密度影響較小的同時(shí)減輕了飛輪的質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種分層固化儲(chǔ)能飛輪，包括輪轂(I)和在輪轂(I)的外圓側(cè)纏繞的多層固化纖維層(2)，其特征在于:所述的輪轂(I)包括外筒(3)和內(nèi)筒(4)，在外筒(3)和內(nèi)筒(4)之間設(shè)置有輻射狀、均布的多個(gè)連接板(5)，在內(nèi)筒(4)的內(nèi)部形成軸孔(6)，在輪轂(I)的外圓側(cè)依次纏繞第一纖維層(2-1)、第二纖維層(2-2)、至第十纖維層(2-10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分層固化儲(chǔ)能飛輪，其特征在于:所述的輪轂(I)、外筒(3 )、內(nèi)筒(4 )和連接板(5 )的材料均選用優(yōu)質(zhì)鋼或者高強(qiáng)鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分層固化儲(chǔ)能飛輪，其特征在于:所述的第一纖維層(2-1)的材料為玻璃纖維或者芳綸纖維，其余各層材料為高模量、高強(qiáng)度的碳纖維。
4.按照權(quán)利要求1所述的分層固化儲(chǔ)能飛輪的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: (i)首先制作輪轂(1)，在外筒(3)和內(nèi)筒(4)之間沿圓周焊接輻射狀、均布的多個(gè)連接板(5)； (ii)在輪轂I的外圓側(cè)依次纏繞多層固化纖維層(2)，從第一纖維層(2-1)開始至第十纖維層(2-10)，每一層纖維的彈性模量均大于相鄰內(nèi)側(cè)層的彈性模量； (iii)從第一纖維層(2-1)至第十纖維層(2-10)，各層依次纏繞、固化，基體采用環(huán)氧樹月旨，固化溫度為80°C?150°C、固化時(shí)間為8?24小時(shí)，每層纖維層的厚度在20?40mm之間； (iv)各層依次纏繞時(shí)，應(yīng)施加一定的預(yù)應(yīng)力，纖維預(yù)施加的預(yù)應(yīng)力由內(nèi)向外逐層遞減，預(yù)施加的預(yù)應(yīng)力控制在50?200牛頓之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分層固化儲(chǔ)能飛輪的制造方法，其特征在于:所述的第二纖維層(2-2)至第十纖維層(2-10)的材料分別為 Τ-300、Τ-700、Τ-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
【文檔編號(hào)】H02K7/02GK104505976SQ201410705558
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】楊福江, 吳雷, 楊子龍 申請(qǐng)人:核工業(yè)理化工程研究院