一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子及其制作方法，該飛輪轉(zhuǎn)子由金屬輪轂和復(fù)合材料輪緣兩部分組成。金屬輪轂選用高強(qiáng)度合金鋼材料，通過整體鑄造成型；輪緣部分為三個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)，依次經(jīng)過盈裝配套裝到輪轂上。三個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)通過濕法纏繞工藝分別成型，并在制備過程中采用分次纏繞固化工藝以及張力遞減纏繞工藝。這種通過張力纏繞和過盈裝配得到的三層結(jié)構(gòu)，改變了飛輪的徑向應(yīng)力分布，在層間產(chǎn)生了預(yù)壓力，使得飛輪即使在高轉(zhuǎn)速下仍然不分層、不松脫。本發(fā)明解決了金屬飛輪強(qiáng)度、儲能效率低等無法滿足高轉(zhuǎn)速飛輪使用的問題，極大地提高了飛輪使用的安全性、可靠性。
【專利說明】一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子及其制作方法。
技術(shù)背景
[0002]飛輪儲能是可以將電能、風(fēng)能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)動能加以儲存的一種新型高效的機(jī)械儲能技術(shù)。近十余年以來，隨著新型高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料、電磁懸浮軸承和電力電子技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，復(fù)合材料飛輪儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸顯示出來，與鋼質(zhì)飛輪相比，它具有儲能密度高、重量輕、壽命長等方面的優(yōu)勢，使其在電動汽車、航空航天、電網(wǎng)調(diào)峰、不間斷供電備用電源等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]提高飛輪的儲能量有兩個途徑:⑴增加飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；⑵提高飛輪轉(zhuǎn)速。在這項領(lǐng)域中需解決四方面問題:(I)轉(zhuǎn)子的材料選擇；(2)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計；(3)轉(zhuǎn)子的制作工藝；(4)轉(zhuǎn)子的裝配工藝。目前國內(nèi)對飛輪轉(zhuǎn)子的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，對其制作方法少有研究，尤其是儲能能力達(dá)20KWh，轉(zhuǎn)速超過20000r/min的飛輪轉(zhuǎn)子，其復(fù)合材料部分尺寸大難于成型，且徑向易發(fā)生分層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在已有專利及報道中還沒有關(guān)于20KWh儲能飛輪的制造，本發(fā)明主要提出了一種儲能能力達(dá)20KWh，轉(zhuǎn)速大于2000r/min的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法。輪轂采用整體鑄造，輪緣采用濕法纏繞成型技術(shù)，并通過張力纏繞、多環(huán)過盈裝配等方法解決了大尺寸復(fù)合材料飛輪難于成型及徑向易分層的問題。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，包括金屬輪轂和輪緣，所述的輪緣為為多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)狀結(jié)構(gòu)，金屬輪轂表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)依次經(jīng)過盈裝配套裝與表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的金屬輪轂上。
[0006]本發(fā)明還具有如下特征:
[0007]1、所述飛輪轉(zhuǎn)子外徑為786_，金屬輪轂直徑為516_。
[0008]2、所述的金屬輪轂與三環(huán)之間的過盈量為0.30mm-0.40mm。
[0009]3、在過盈裝配的配合面之間為膠接。
[0010]4、所述的輪環(huán)厚度為40mm-50mm。
[0011]5、纏繞的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料厚度為3mm。
[0012]6、所述的金屬輪轂的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.0Gpa0
[0013]7、一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法，金屬輪轂和輪緣分別成型，再進(jìn)行裝配，方法如下:
[0014](I)金屬輪轂鑄造包括以下步驟:制作木模、砂芯、合箱澆注、鑄件在砂箱中保溫后進(jìn)行打箱清砂、氣割冒口，完成鑄造，然后經(jīng)過冷熱加工相結(jié)合的方法，經(jīng)最后精車得到金屬輪轂；[0015](2)三個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)的制作方法:輪緣包括三個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)，每個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)的成型過程如下:整個過程采用濕法纏繞工藝，且均為環(huán)向纏繞，采用兩種不同的碳纖維材料混纏，從紗架出來的連續(xù)碳纖維經(jīng)過浸膠方法，膠槽浸潰環(huán)氧樹脂，浸膠后經(jīng)濾膠口再纏繞到芯模上，整個過程采用環(huán)向纏繞，即芯模繞自己的軸線勻速運(yùn)動，絲嘴在平行于芯模軸線方向作直線運(yùn)動，芯模每轉(zhuǎn)動一周，絲嘴移動一個紗片寬度，即螺距；如此循環(huán)下去，纖維沿芯模軸向往復(fù)依次為一個循環(huán)，纏繞時保證紗片相接但不相交；采用分次固化環(huán)氧樹脂，先纏繞一定厚度，該厚度小于15mm ;再進(jìn)行固化，每次固化需要將纏好碳纖維的芯模從轉(zhuǎn)軸上取下整個放入烘箱，待其固化完成后再纏繞，直至單個環(huán)纏繞完成，即達(dá)到設(shè)計尺寸；單個環(huán)固化完成后將其從芯模脫模，得到最終的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)；
[0016](3)纏繞過渡層:在金屬輪轂表面直接纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，作為金屬輪轂與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的過渡層，厚度為3_，與輪緣三個環(huán)的纏繞方式相同，為濕法纏繞，且纏繞方向?yàn)榄h(huán)向；
[0017](4)將纏繞完成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)和金屬輪轂進(jìn)行內(nèi)外徑配合尺寸加工，采取由內(nèi)到外的次序，并且過盈量由內(nèi)到外逐漸增加，過盈量在0.30mm-0.40mm ;然后進(jìn)行機(jī)械加工，加工后各復(fù)合材料輪緣的內(nèi)外徑的圓度在0.05mm以內(nèi)，各配合面的公差在
0.05mm以內(nèi)，加工后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)和纏繞有過渡層的金屬輪轂應(yīng)除水處理之后方可進(jìn)行裝配工藝；先加工纏繞在金屬輪轂上的玻璃纖維復(fù)合材料的外徑和第一個環(huán)的內(nèi)徑，然后二者進(jìn)行套裝，套裝過程通過大噸位壓機(jī)實(shí)現(xiàn)；將金屬輪轂放在表面光滑的工裝底座上，然后在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面涂上室溫固化環(huán)氧膠粘劑，再將第一環(huán)水平套于金屬輪轂上，然后再蓋上蓋板，放在壓機(jī)上進(jìn)行壓裝；第二環(huán)和第三環(huán)的壓裝過程與上述第一環(huán)的壓裝過程相同，也是先加工內(nèi)環(huán)外徑再加工外環(huán)內(nèi)徑，同樣做膠接處理；最后再加工輪緣外徑至設(shè)計尺寸，并進(jìn)行拋光，最終得到本發(fā)明所述飛輪轉(zhuǎn)子。
[0018]8、所述的碳纖維材料混纏選用碳纖維T700和M40J，基體均為環(huán)氧樹脂；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為s玻璃纖維，樹脂基體為環(huán)氧樹脂5208。
[0019]9、所述的浸膠方法為膠輥接觸法，通過調(diào)節(jié)刮刀與膠輥距離，以改變膠輥表面的膠層厚度來控制含膠量。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的轉(zhuǎn)子輪轂采用高強(qiáng)度鋼，輪緣采用碳纖維復(fù)合材料，使得轉(zhuǎn)子能夠承受更高的轉(zhuǎn)速，增加了儲能密度。碳纖維復(fù)合材料環(huán)過盈裝配工藝能有效的改善輪體高速轉(zhuǎn)動時的應(yīng)力分布，使得輪緣材料承受的環(huán)向應(yīng)力減小，從而使輪體達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。復(fù)合材料環(huán)的分次纏繞固化工藝以及張力遞減纏繞工藝，能夠有效的提高碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)效率并有效的避免成型過程中缺陷的產(chǎn)生。。本發(fā)明解決了金屬飛輪強(qiáng)度、儲能效率低等無法滿足高轉(zhuǎn)速飛輪使用的問題，極大地提高了飛輪使用的安全性、可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明涉及飛輪轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明涉及飛輪轉(zhuǎn)子二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明涉及濕法纏繞工藝示意圖。[0024]圖4為本發(fā)明涉及第一環(huán)壓裝示意圖。
[0025]圖5為本發(fā)明涉及三環(huán)均已壓裝完成后示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
[0027]如圖1-2所示，一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，包括金屬輪轂和輪緣，所述的輪緣為為多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)狀結(jié)構(gòu)，金屬輪轂表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)依次經(jīng)過盈裝配套裝與表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的金屬輪轂上。其中金屬輪轂外徑或輪緣內(nèi)徑為516mm，復(fù)合材料輪緣外徑為786mm，高度為250mm，中心軸直徑為100mm。
[0028]根據(jù)有限元分析得到的轉(zhuǎn)子輪緣部分環(huán)、徑向應(yīng)力分布，將輪緣部分分成了三個環(huán)，在環(huán)間增加了過盈量，這樣改變了飛輪的徑向應(yīng)力分布，在層間產(chǎn)生了預(yù)壓力，使得飛輪即使在設(shè)計轉(zhuǎn)速25000r/min下運(yùn)轉(zhuǎn)仍然不分層、不松脫。
[0029]經(jīng)過優(yōu)化,最終確定復(fù)合材料輪緣三個纖維增強(qiáng)環(huán)的厚度從為IOmm?50mm,過盈量為 0.3mm ?0.40mm η
[0030]實(shí)施例2
[0031]本發(fā)明所涉及一種飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法，輪轂和輪緣選用不同材料分別成型，再進(jìn)行裝配，輪轂與輪緣成型方法具體如下:
[0032]儲能飛輪輪轂鑄造方法，包括以下步驟:制作木模、砂芯、合箱澆注、鑄件在砂箱中保溫后進(jìn)行打箱清砂、氣割冒口，完成儲能飛輪輪轂的鑄造，然后經(jīng)過冷熱加工相結(jié)合的方法，經(jīng)最后精車得到飛輪輪轂。
[0033]本發(fā)明所涉及飛輪轉(zhuǎn)子輪緣，有三個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)組成，單個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)的成型過程如下:
[0034]整個過程采用濕法纏繞工藝，纏繞過程示意圖如圖3所示，且均為環(huán)向纏繞，碳纖維選用Τ700和M40J，從紗架出來的連續(xù)纖維經(jīng)過膠槽浸潰環(huán)氧樹脂，浸膠后經(jīng)濾膠口再纏繞到芯模上，整個過程采用環(huán)向纏繞，即芯模繞自己的軸線勻速運(yùn)動，絲嘴在平行于芯模軸線方向作直線運(yùn)動，芯模每轉(zhuǎn)動一周，絲嘴移動一個紗片寬度(即螺距)，如此循環(huán)下去，纖維沿芯模軸向往復(fù)依次為一個循環(huán)，纏繞時保證紗片相接但不相交。
[0035]浸膠方法為膠輥接觸法，通過調(diào)節(jié)刮刀與膠輥距離，以改變膠輥表面的膠層厚度來控制含膠量。
[0036]由于輪緣較厚一次纏繞不能保證樹脂固化質(zhì)量，所以采用分次固化，即先纏繞一定厚度，厚度小于15_，再進(jìn)行固化，每次固化需要將纏好碳纖維的芯模從轉(zhuǎn)軸上取下整個放入烘箱，待其固化完成后再纏繞，直至單個環(huán)纏繞完成，即達(dá)到設(shè)計尺寸。單個環(huán)固化完成后將其從芯模脫模，得到最終的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)。
[0037]考慮到金屬與碳纖維熱脹系數(shù)差異較大，在金屬輪轂表面直接纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為s玻璃纖維，樹脂基體為環(huán)氧樹脂5208，作為金屬與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的過渡層，厚度為3_左右，與輪緣三個環(huán)的纏繞方式相同，為濕法纏繞，且纏繞方向?yàn)榄h(huán)向。
[0038]將纏繞完成的各輪緣和輪轂進(jìn)行內(nèi)外徑配合尺寸加工，各輪緣的裝配采取由內(nèi)到外的次序，并且過盈量由內(nèi)到外逐漸增加，過盈量在0.30mm?0.40mm之間。機(jī)械加工需選用復(fù)合材料專業(yè)切削刀具進(jìn)行加工，加工后各復(fù)合材料輪緣的內(nèi)外徑的圓度在0.05mm以內(nèi)，各配合面的公差保證在0.05mm以內(nèi)，加工復(fù)合材料輪緣后應(yīng)除水處理之后方可進(jìn)行裝
配工藝。
[0039]具體加工及套裝步驟為:先加工輪轂上玻璃纖維復(fù)合材料的外徑和第一個環(huán)的內(nèi)徑，然后二者進(jìn)行套裝，套裝過程通過大噸位壓機(jī)實(shí)現(xiàn)。將加工好的輪轂放在表面光滑的工裝底座上，然后在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面涂上與固化劑質(zhì)量比為5: I的雙組份室溫固化環(huán)氧膠粘劑，再將第一環(huán)水平套于輪轂上，帶有1: 400錐度，如圖4所示，然后再蓋上蓋板，放在壓機(jī)上進(jìn)行壓裝。第二環(huán)和第三環(huán)的壓裝過程與上述第一環(huán)的壓裝過程相同，也是先加工內(nèi)環(huán)外徑再加工外環(huán)內(nèi)徑，同樣做膠接處理，完成后如圖5所示。最后再加工輪緣外徑至設(shè)計尺寸，并進(jìn)行拋光，最終得到本發(fā)明所述飛輪轉(zhuǎn)子。
【權(quán)利要求】
1.一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，包括金屬輪轂和輪緣，其特征在于:所述的輪緣為為多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)狀結(jié)構(gòu)，金屬輪轂表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，多層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)依次經(jīng)過盈裝配套裝與表面纏繞有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的金屬輪轂上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:所述飛輪轉(zhuǎn)子外徑為786mm,金屬輪轂直徑為516mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:所述的金屬輪轂與三環(huán)之間的過盈量為0.30mm-0.40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:在過盈裝配的配合面之間為膠接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:所述的輪環(huán)厚度為40mm-50mnin
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:纏繞的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料厚度為3mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子，其特征在于:所述的金屬輪轂的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.0Gpa。
8.一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法，金屬輪轂和輪緣分別成型，再進(jìn)行裝配，其特征在于，方法如下: (1)金屬輪轂鑄造包括以下步驟:制作木模、砂芯、合箱澆注、鑄件在砂箱中保溫后進(jìn)行打箱清砂、氣割冒口，完成鑄造，然后經(jīng)過冷熱加工相結(jié)合的方法，經(jīng)最后精車得到金屬輪轂；` (2)三個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)的制作方法:輪緣包括三個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)，每個碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)的成型過程如下:整個過程采用濕法纏繞工藝，且均為環(huán)向纏繞，采用兩種不同的碳纖維材料混纏，從紗架出來的連續(xù)碳纖維經(jīng)過浸膠方法，膠槽浸潰環(huán)氧樹脂，浸膠后經(jīng)濾膠口再纏繞到芯模上，整個過程采用環(huán)向纏繞，即芯模繞自己的軸線勻速運(yùn)動，絲嘴在平行于芯模軸線方向作直線運(yùn)動，芯模每轉(zhuǎn)動一周，絲嘴移動一個紗片寬度，即螺距；如此循環(huán)下去，纖維沿芯模軸向往復(fù)依次為一個循環(huán)，纏繞時保證紗片相接但不相交；采用分次固化環(huán)氧樹脂，先纏繞一定厚度，該厚度小于15mm ;再進(jìn)行固化，每次固化需要將纏好碳纖維的芯模從轉(zhuǎn)軸上取下整個放入烘箱，待其固化完成后再纏繞，直至單個環(huán)纏繞完成，即達(dá)到設(shè)計尺寸；單個環(huán)固化完成后將其從芯模脫模，得到最終的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)； (3)纏繞過渡層:在金屬輪轂表面直接纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，作為金屬輪轂與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的過渡層，厚度為3mm，與輪緣三個環(huán)的纏繞方式相同，為濕法纏繞，且纏繞方向?yàn)榄h(huán)向； (4)過盈配合裝配:將纏繞完成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)和金屬輪轂進(jìn)行內(nèi)外徑配合尺寸加工，采取由內(nèi)到外的次序，并且過盈量由內(nèi)到外逐漸增加，過盈量在0.30mm-0.40mm ；然后進(jìn)行機(jī)械加工，加工后各復(fù)合材料輪緣的內(nèi)外徑的圓度在0.05mm以內(nèi)，各配合面的公差在0.05mm以內(nèi)，加工后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)和纏繞有過渡層的金屬輪轂應(yīng)除水處理之后方可進(jìn)行裝配工藝；先加工纏繞在金屬輪轂上的玻璃纖維復(fù)合材料的外徑和第一個環(huán)的內(nèi)徑，然后二者進(jìn)行套裝；將金屬輪轂放在表面光滑的工裝底座上，然后在玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面涂上室溫固化環(huán)氧膠粘劑，再將第一環(huán)水平套于金屬輪轂上，再蓋上蓋板，放在壓機(jī)上進(jìn)行壓裝；第二環(huán)和第三環(huán)的壓裝過程與上述第一環(huán)的壓裝過程相同，也是先加工內(nèi)環(huán)外徑再加工外環(huán)內(nèi)徑，同樣做膠接處理；最后再加工輪緣外徑至設(shè)計尺寸，并進(jìn)行拋光，最終得到本發(fā)明所述飛輪轉(zhuǎn)子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法，其特征在于:所述的碳纖維材料混纏選用碳纖維T700和M40J，基體均為環(huán)氧樹脂；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為s玻璃纖維，樹脂基體為環(huán)氧樹脂5208。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種大儲能飛輪轉(zhuǎn)子的制作方法，其特征在于:所述的浸膠方法為膠輥接觸法，通過調(diào)節(jié)`刮刀與膠輥距離，以改變膠輥表面的膠層厚度來控制含膠量。
【文檔編號】B29C70/30GK103867639SQ201210529742
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月11日
【發(fā)明者】蔣濤, 劉芝秀, 李珍, 裴艷敏, 孔德群 申請人:北京奇峰聚能科技有限公司