專利名稱：一種儲能飛輪的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于物理儲能領域，具體涉及一種儲能飛輪。
背景技術：
飛輪儲能的基本原理是把電能轉換成旋轉體的動能進行存儲。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉速，將電能轉化為動能；在能量釋放階段，飛輪減速，電動機作發(fā)電機運行，將動能轉化為電能。飛輪儲能具有壽命長、功率大和環(huán)境特性友好的突出優(yōu)點?，F代飛輪儲能電源系統(tǒng)綜合了先進復合材料轉子、磁軸承、高速電機以及功率電子技術而極大地提高了性能，近10年來現代飛輪儲能電源商業(yè)化產品開始推廣。提高飛輪儲能系統(tǒng)能量密度、功率密度的途徑主要是提高轉速。考慮到轉動慣量與尺寸的平方成正比，因此提高飛輪邊緣線速度才能有效提高飛輪動能，限制飛輪線速度提高的因素是材料的強度極限以及輪轂與輪緣的變形協(xié)調。先進高比強度復合材料飛輪結構設計與研究有理論設計與實驗考核兩個方面，缺一不可，歸結起來，高速飛輪結構設計研究是一個高強材料的應用力學問題。高比強度復合材料顯著的各向異性，導致纖維復合材料纏繞成的飛輪徑向抗拉強度低而發(fā)生層間脫裂，因而需采用多個薄圓環(huán)過盈套裝、預應力纏繞、層間彈性層等結構優(yōu)化設計、采取在線固化工藝以及紡織工藝設計等。同時，飛輪還需要芯軸傳遞扭矩和提供支承定位，在芯軸和飛輪輪緣之間的輪轂部分一般采用超高強度鋼或高強度鋁合金，輪轂設計的難點是實現軸和輪緣之間大變形協(xié)調和承擔高速離心載荷，先進飛輪采用了變截面錐殼或輪輻結構。高速飛輪結構強度的突出問題有高速離心力引發(fā)的結構內應力超過材料的許用強度；結構變形引起的應變超過材料的許用應變；各部分結構變形不協(xié)調引發(fā)的結構松脫。

實用新型內容本實用新型針對飛輪結構強度的突出問題，提供一種用混合材料和高強度結構的高速儲能飛輪，本實用新型利用的材料有合金鋼、高強鋁和碳纖維復合材料，采用的結構有軸、圓板、圓環(huán)殼和圓管，儲能飛輪的轉速可達到15000-24000r/min，飛輪外緣線速度為400-600m/s，儲能量為 2-1OMJ0本實用新型的目的是采用下述技術方案實現的一種儲能飛輪，所述儲能飛輪包括芯軸、輪轂和圓管；其改進之處在于，所述芯軸為階梯軸結構；所述芯軸與輪轂配合處采用薄壁結構；所述輪轂采用圓板與圓環(huán)殼組合結構；所述芯軸與輪轂之間采用過盈配合；所述輪轂與圓管之間采用錐面壓力裝配配合。本實用新型提供的一種優(yōu)選的技術方案是所述芯軸采用合金鋼材料；所述輪轂采用鋁合金材料；所述圓管采用碳纖維復合材料。本實用新型提供的第二優(yōu)選的技術方案是所述輪轂包括上輪轂和下輪轂。[0011]本實用新型提供的第三優(yōu)選的技術方案是所述圓管內壁為圓錐面。本實用新型提供的第四優(yōu)選的技術方案是在所述芯軸下端設計放氣通道。本實用新型提供的第五優(yōu)選的技術方案是所述上輪轂連接芯軸與圓管；所述上輪轂與芯軸采用過盈配合；所述上輪轂與圓管采用過渡配合。本實用新型提供的第六優(yōu)選的技術方案是所述下輪轂連接芯軸與圓管；所述下輪轂與芯軸采用過盈配合；所述下輪轂與圓管采用過盈配合。本實用新型提供的第七優(yōu)選的技術方案是所述芯軸主體部分的軸徑為120-160mm ;所述輪轂的內徑為120_160mm、外徑為360_420mm ;所述圓管的外徑為500-600mm,內徑為360_420mm ;所述圓管的總長為600_1200mm。與現有技術相比，本實用新型達到的有益效果是I、本實用新型提供的儲能飛輪采用多種材料、多種結構復合，充分利用各種材料的特性，實現高承載カ和大變形協(xié)調的優(yōu)化組合。2、本實用新型提供的儲能飛輪速度高，儲能密度高，儲存相同的能量，與金屬飛輪相比，因復合材料高速飛輪重量小而減少軸承載荷，以降低損耗，提高了儲能效率。3、本實用新型提供的儲能飛輪采用輪轂與圓管之間采用小錐度圓錐面配合，過盈裝配容易實現。4、本實用新型提供的儲能飛輪采用了雙輪轂結構，提高了飛輪整體剛度，避免了低頻共振模態(tài)。5、本實用新型提供的高速儲能飛輪結構材料高低搭配，降低整體結構的造價。
圖I是依據本實用新型的儲能飛輪剖視圖，其中，I為芯軸；2為上輪轂；3為下輪轂；4為碳纖維復合材料圓管；圖2是依據本實用新型的上輪轂配合的示意圖；圖3是依據本實用新型的下輪轂配合的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進ー步的詳細說明。儲能飛輪剖視圖如圖I所示，儲能飛輪由芯軸I、上輪轂2、下輪轂3和圓管4四部分組成。內部芯軸I采用合金鋼材料，利用合金鋼的高剛度特性；外部圓管4采用高環(huán)向強度的碳纖維復合材料結構，纖維排布方向為環(huán)向，纏繞成形，濕法纏繞或預浸碳纖維纖維帶干法纏繞，可發(fā)揮碳纖維方向承載カ大的特點，圓管4內壁為圓錐面；中間輪轂采用高強鋁合金材料，利用高強鋁合金材料均勻的高強度特性。芯軸I主體部分的軸徑為120-160mm ;輪轂的內徑為120_160mm、外徑為360-420mm ;圓管的外徑為500_600mm，內徑為360_420mm ;圓管4的總長為600_1200mm。整體儲能飛輪總體轉動慣量為4_6kgm2 ;飛輪的邊緣線速度為400_600m/S，儲能2-IOMJ。芯軸I為階梯軸結構，實現電機與飛輪之間扭矩的傳遞，與上輪轂2和下輪轂3配合處采用薄壁結構，ー是容易過盈裝配形成預壓應力，ニ是在離心載荷下容易變形，與輪轂變形協(xié)調，芯軸下端設計放氣通道，為封閉在圓管、上輪轂、下輪轂及芯軸之間的空間進出氣體，以避免飛輪在真空條件下緩慢放氣；輪轂采用圓板與圓環(huán)殼組合結構實現大變形；圓管4結構，將質量分布在遠離軸心的地方，増加飛輪的轉動慣量，以提高能量密度。芯軸I與輪轂之間，采用熱套裝的過盈配合；輪轂與圓管4之間采用錐面壓力裝配配合，錐面配合的優(yōu)點在于在較小的壓裝軸向位移中獲得大面積的過盈配合。具體設計的配合方式如下圓板與圓環(huán)殼組合結構的上輪轂連接芯軸I與圓管4，上輪轂與芯軸I采用過盈配合，由溫差法裝配實現，溫差的范圍200-300攝氏度；上輪轂2與圓管4采用過渡配合，因配合面為錐面，在常溫條件下軸向壓力裝配即可，上輪轂2配合示意圖如圖2所示。圓板與圓環(huán)殼組合結構的下輪轂連接芯軸I與圓管4，下輪轂3與芯軸I采用過盈 配合，由溫差法裝配實現，溫差的范圍200-300攝氏度；下輪轂3與圓管4采用過盈配合，因配合面為錐面，在常溫條件下軸向壓力裝配即可，下輪轂3配合示意圖如圖3所示。儲能飛輪的裝配過程如下I)首先加工好芯軸I、上輪轂2預制件、下輪轂3預制件；2)采用復合材料エ藝制作碳纖維復合材料圓管4，內部磨削成圓錐面；3)芯軸I與輪轂預制件采用溫差法過盈套裝，再加工輪轂與圓管內錐面配合的外錐面；4)把加工好的芯軸-輪轂組件放入圓管內部，采用壓力裝配工具，使芯軸-輪轂沿軸向向上移動設計的位移量，形成過盈裝配；飛輪在高速旋狀過程中，輪轂變形較大，圓管變形較小，始終保持接觸，傳遞扭矩。本實用新型應用領域廣，可以應用在風カ發(fā)電調頻，緊急備用電源，車輛剎車動能再生，港口起重機械勢能再生、負載頻繁變化發(fā)動機組動カ調峰等領域。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其保護范圍的限制，盡管參照上述實施例對本申請進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解本領域技術人員閱讀本實用新型后依然可對申請的具體實施方式
進行種種變更、修改或者等同替換，這些變更、修改或者等同替換，其均在其申請待批的權利要求范圍之內。
權利要求1.ー種儲能飛輪，所述儲能飛輪包括芯軸(I)、輪轂和圓管(4);其特征在于，所述芯軸(I)為階梯軸結構；所述芯軸(I)與輪轂配合處采用薄壁結構；所述輪轂采用圓板與圓環(huán)殼組合結構；所述芯軸(I)與輪轂之間采用過盈配合；所述輪轂與圓管(4)之間采用錐面壓力裝配配合。
2.如權利要求I所述的儲能飛輪，其特征在于，所述芯軸(I)采用合金鋼材料；所述輪轂采用鋁合金材料；所述圓管(4)采用碳纖維復合材料。
3.如權利要求I所述的儲能飛輪，其特征在于，所述輪轂包括上輪轂(2)和下輪轂⑶。
4.如權利要求I所述的儲能飛輪，其特征在于，所述圓管(4)內壁為圓錐面。
5.如權利要求I所述的儲能飛輪，其特征在于，在所述芯軸(I)下端設計放氣通道。
6.如權利要求3所述的儲能飛輪，其特征在于，所述上輪轂(2)連接芯軸(I)與圓管(4);所述上輪轂(2)與芯軸(I)采用過盈配合；所述上輪轂(2)與圓管(4)采用過渡配合。
7.如權利要求3所述的儲能飛輪，其特征在于，所述下輪轂(3)連接芯軸(I)與圓管(4);所述下輪轂(3)與芯軸(I)采用過盈配合；所述下輪轂(3)與圓管(4)采用過盈配合。
8.如權利要求I所述的儲能飛輪，其特征在于，所述芯軸(I)主體部分的軸徑為120-160mm ;所述輪轂的內徑為120_160mm、外徑為360_420mm ;所述圓管⑷的外徑為500-600mm,內徑為 360_420mm ;所述圓管(4)的總長為 600_1200mm。
專利摘要本實用新型屬于物理儲能領域，具體涉及一種儲能飛輪。儲能飛輪包括芯軸、輪轂和圓管；芯軸為階梯軸結構；芯軸與輪轂配合處采用薄壁結構；輪轂采用圓板與圓環(huán)殼組合結構；芯軸與輪轂之間采用過盈配合；輪轂與圓管之間采用錐面壓力裝配配合。本實用新型提供的技術方案采用多種材料、多種結構復合，充分利用各種材料的特性，實現高承載力和大變形協(xié)調的優(yōu)化組合；采用多種形式配合設計和裝配工藝，在工程實際中容易實現；結構材料高低搭配，降低整體結構的造價。
文檔編號H02K7/02GK202424394SQ20112050735
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權日2011年12月8日
發(fā)明者戴興建, 蔣曉春, 鄧占鋒 申請人:中國電力科學研究院, 清華大學