專利名稱：多邊形截面的儲能飛輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種多邊形截面的儲能飛輪，屬車輛制造技術(shù)領(lǐng)域。
利用高速轉(zhuǎn)動的飛輪儲能是一個很古老的話題。但由于飛輪儲能的機械能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量不容易，因此，二十世紀前幾十年一直沒有很大技術(shù)突破和實用化。
本世紀七十年代后期，由于永磁同步電機和電力逆變技術(shù)的發(fā)展，使機械能和電能的轉(zhuǎn)換非常容易，并且已實用化。將永磁同步電機與飛輪連接，通過永磁同步電機將電能輸入或輸出到飛輪，使轉(zhuǎn)動的飛輪的機械能轉(zhuǎn)變成可方便使用的電能?，F(xiàn)在，利用飛輪儲能已成為現(xiàn)實。飛輪儲能是一種機械儲能裝置，也叫飛輪電池或飛輪電源(機械能電池)。本世紀80年代以來，關(guān)于飛輪儲能和飛輪的制造方面的專利已有大量的申請，如美國US4408500，US5695584，US5566588等等。日本的特開平6-210748飛輪儲能的基本原理是利用轉(zhuǎn)動物體的動能
公式1中E飛輪的動能J飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，與飛輪材料的質(zhì)量和飛輪的截面形狀有關(guān)。
ω飛輪轉(zhuǎn)動的角速度。
飛輪存儲的能量的大小與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J和飛輪轉(zhuǎn)動的角速度的平方ω2成正比。飛輪一旦制造完成，其轉(zhuǎn)動慣量就確定了，提高飛輪的轉(zhuǎn)速可以使飛輪以轉(zhuǎn)速平方的速度提高儲存的機械能。但是，飛輪的轉(zhuǎn)速不可能無限的提高。這是由于轉(zhuǎn)速越高，飛輪中的材料所承受的由離心力引起的應(yīng)力也隨飛輪的轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)速的平方的規(guī)律增大。當飛輪的轉(zhuǎn)速提高到飛輪由離心力引起的內(nèi)應(yīng)力大于飛輪的材料的極限許用應(yīng)力時，飛輪會發(fā)生破壞。這時的飛輪轉(zhuǎn)速叫破壞轉(zhuǎn)速(飛輪)。當飛輪的轉(zhuǎn)速很高時，飛輪的能量很大，突然的破壞會引起爆炸。飛輪的截面形狀不僅僅決定了飛輪的轉(zhuǎn)動慣量的大小，而且還決定飛輪的內(nèi)應(yīng)力分布。好的截面形狀，可以使飛輪在一定的轉(zhuǎn)速下，內(nèi)應(yīng)力分布比較均勻，最大內(nèi)應(yīng)力較小。也就是說，在飛輪材料的最大許用應(yīng)力確定的條件下，好的截面形狀可以使飛輪工作在較高的轉(zhuǎn)速，存儲較大的能量。所以，飛輪材料的最大許用應(yīng)力和飛輪的截面形狀將決定飛輪的儲能大小。
為了比較單位質(zhì)量(重量)的物體存儲能量的大小，可以利用比能量的概念，即e=E/m------<2>]]>其中e單位質(zhì)量比能量E儲能物體所儲存的總能量
m儲能物體所包含的總質(zhì)量公式2適用于各種儲能方式的物體，如飛輪儲能，化學(xué)儲能，儲熱與儲冷裝置等等。
例如目前鉛酸電池的比能量是30-50WH/KG鋅空氣電池比能量是400WH/KG利用飛輪儲能，需要滿足1、比能量e盡可能大。
2、材料強度高，容易設(shè)計，加工。
3、飛輪的形狀便于連接，安裝。
目前，大多數(shù)專利使用的材料是碳纖維混和材料，或凱夫拉尼龍材料(kevlar)，這類材料的缺點是不宜加工，力學(xué)性能是非各向同性，飛輪高速轉(zhuǎn)動時變形較大，與轉(zhuǎn)動軸的連接問題較多。并且用上述材料的飛輪截面形狀大多不是最優(yōu)比能量的截面形狀。有的專利雖采用了各向同性的材料，如US4408500，但截面形狀復(fù)雜，與轉(zhuǎn)動軸連接不方便，同時改變半徑尺寸時，由于應(yīng)力沒有幾何相似性，還要進行復(fù)雜的設(shè)計計算。而且，按上述專利設(shè)計的截面的飛輪的比能量也不是最大的。
本實用新型的目的是設(shè)計一種多邊形截面的儲能飛輪，采用最常用的各向同性材料，利用多邊形截面形狀制造儲能飛輪，使其容易連接，并在多邊形截面中具有較大的比能量，對于不同半徑尺寸的飛輪容易設(shè)計。
本實用新型設(shè)計的多邊形截面的儲能飛輪，該多邊形截面為梭形，設(shè)R為飛輪最大外緣半徑，H為飛輪中心半高度，L為飛輪的連接平臺外徑尺寸，h為飛輪外緣半厚度，上述尺寸滿足下列關(guān)系h∶H＝2-15∶100L∶R＝2-12∶100H∶R＝2-10∶100本實用新型設(shè)計的多邊形截面的儲能飛輪，其上的連接平臺便于多個飛輪的連接，便于飛輪與同步電機的連接，而且設(shè)計計算簡單。


圖1是本實用新型設(shè)計的多邊形截面儲能飛輪的截面形狀圖。
圖2是儲能飛輪的第一象限截面圖。
圖1和圖2中，Z軸是飛輪的旋轉(zhuǎn)軸的主軸，r軸是垂直于Z軸的平面軸線。
R飛輪最大外緣半徑，與旋轉(zhuǎn)軸垂直方向。
H飛輪中心最大厚度(高度)，旋轉(zhuǎn)軸方向。
L飛輪的連接平臺外徑尺寸。
h飛輪外緣厚度。
飛輪的特征尺寸的比例如下hH=2~15100-----(3)]]>LR=2~12100-----(4)]]>HR=2~10100-----(5)]]>按上述比例設(shè)計的飛輪截面形狀是在多邊形截面中具有較大比能量的飛輪。
在給ρ，R，σ的數(shù)值下，在公式(3)(4)(5)給定范圍內(nèi)確定

的數(shù)值后，通過試算，利用有限元法，求出在許用應(yīng)力σ的約束內(nèi)，最大飛輪角速度ω。如果公式(3)(4)(5)給定的參數(shù)不變的話，在給定最大許用應(yīng)力條件下，這種多邊形截面在不同外園半徑條件下具有幾何相似性。即當找到在一個半徑下的最優(yōu)多邊形截面形狀后(原始計算的)，可以按幾何相似的原理設(shè)計其他半徑的多邊形截面形狀的尺寸(相似計算的)，因而，可以簡化飛輪的設(shè)計計算。在材料的最大許用應(yīng)力給定的條件下，對于原始計算的飛輪尺寸和轉(zhuǎn)速與相似計算的飛輪尺寸和轉(zhuǎn)速有ω1ω0=R0R1-----<6>]]>ω0原始計算的飛輪轉(zhuǎn)動的角速度。
R0原始計算的飛輪的外緣半徑。
ω1相似計算的飛輪轉(zhuǎn)動的角速度。
R1相似計算的飛輪的外緣半徑。
當要設(shè)計的飛輪的半徑大于或小于原始計算的飛輪半徑時，飛輪的截面尺寸按前述2設(shè)計，飛輪的最大轉(zhuǎn)速則按公式(6)設(shè)計。
本實用新型的實施例為實施例1R＝0.095mL＝0.004mH＝0.006mh＝0.0003m實施例2R＝0.0475m L＝0.002mH＝0.003mh＝0.00015m如果用馬氏體時效鋼，許用應(yīng)力為2400兆帕，則例(1)的最高轉(zhuǎn)速是124035轉(zhuǎn)/分，最大比能量是69.21W.h/kg。例(2)用與例(1)同樣的材料，截面尺寸比例(1)小，但比能量是一樣的。例(2)飛輪的最大轉(zhuǎn)速是例(1)的兩倍。
權(quán)利要求1.一種多邊形截面的儲能飛輪，其特征在于該多邊形截面為梭形，設(shè)R為飛輪最大外緣半徑，H為飛輪中心半高度，L為飛輪的連接平臺外徑尺寸，h為飛輪外緣半厚度，上述尺寸滿足下列關(guān)系h∶H＝2-15∶100L∶R＝2-12∶100H∶R＝2-10∶100
專利摘要本實用新型設(shè)計的多邊形截面的儲能飛輪,該多邊形截面為梭形,設(shè)R為飛輪最大外緣半徑,H為飛輪中心半高度,L為飛輪的連接平臺外徑尺寸,h為飛輪外緣半厚度,上述尺寸滿足下列關(guān)系:h∶H=2—15∶100,L∶R=2—12∶100,H∶R=2—10∶100,本儲能飛輪其上的連接平臺便于多個飛輪的連接,也便于飛輪與同步電機的連接。如果用馬氏體時效鋼,許用應(yīng)力高,轉(zhuǎn)速快,而且設(shè)計計算簡單。
文檔編號B60L11/16GK2384807SQ99243510
公開日2000年6月28日 申請日期1999年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月20日
發(fā)明者陶曉峰, 張明 申請人:北京市海淀區(qū)迪賽通用技術(shù)研究所