專利名稱：高速飛輪電池的轉子的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高速飛輪電池領域，尤其與高速飛輪電池的轉子結構有關。
背景技術：
參閱圖1，高速飛輪電池(飛輪儲能系統(tǒng))通常包括一高強度復合材料的圓筒Ia和 一套裝在圓筒Ia內(nèi)的金屬輪轂2a，由金屬輪轂加來帶動圓筒Ia加速或減速。由于金屬輪 轂加處于圓筒Ia內(nèi)，其外沿線速度比圓筒Ia的線速度小，所以輪轂加所受的離心力和應 力也比圓筒Ia所受的離心力和應力要小一些，而金屬的彈性模量一般又比復合材料的彈 性模量大一些，所以導致在高速旋轉時，復合材料圓筒Ia的膨脹量比金屬輪轂加的膨脹量 大，從而導致圓筒Ia與輪轂加松脫，從而無法繼續(xù)傳遞扭矩?，F(xiàn)有技術中有如下兩種常見解決辦法。1、過盈配合。預先使圓筒Ia跟輪轂加箍得更緊，這樣就可以承受更高一點的轉速。但是，過盈 配合在裝配時比較麻煩，而且效果不太明顯，即轉速并不能因此而增加更多，因為相比于高 速旋轉時的松脫量，在裝配過程中所施加的過盈量總是有限的。2、傘形輪轂。把金屬輪轂加從一個整體圓盤形變成傘形，眾所周知，傘的外沿半徑會靈活地增 大或縮小。隨著圓筒轉子在高速旋轉下的膨脹，傘形輪轂也會在自身離心力的作用下?lián)伍_， 半徑增大，從而始終保持輪轂外沿跟圓筒轉子內(nèi)壁的緊密配合。這種結構下，傘形輪轂不再 是一整塊金屬圓盤，而是用活動的金屬板/片連接在一起，金屬板/片之間的連接是柔性的 (否則不能撐開)，互相之間不提供拉力，所以每一塊金屬板/片所受的離心力，主要由輪轂 中心的小小軸條套來承受。而軸條套的強度有限，不能承受太大的離心力，所以轉子的轉速 也不可能太高。所以，要想制造高速飛輪電池，必須另想辦法解決輪轂與圓筒在高速旋轉下的松 脫問題。此外，就圓筒本身而言，在同一種纖維纏繞成型的情況下，內(nèi)外彈性模量一致，但由 于圓筒外沿線速度大，離心力和應力大，圓筒內(nèi)沿線速度小，離心力應力小，所以導致圓筒 外沿的膨脹量大于圓筒內(nèi)沿的膨脹量，在速度達到一定程度時，膨脹量之間的較大差異，就 會導致圓筒外沿與內(nèi)沿撕開。這就限制了高速飛輪的轉速提高。為此，也有兩個常見的解決辦法。1、預應力纏繞。越到外沿，纏繞時的預應力越大。這種做法會有一定的改善，但不是本質上的改變，而且也比較麻煩。2、分層配置彈性模量。使內(nèi)沿纖維的彈性模量更小，外沿纖維的彈性模量更大，這樣一來，即使內(nèi)沿纖維 所受的應力小于外沿纖維所受的應力，也能使內(nèi)沿纖維的膨脹量跟外沿纖維的膨脹量一樣 大。[0015]但這種做法需要進行纖維的定制化生產(chǎn)，以形成彈性模量的梯度配置。這是比較 麻煩的。而且以目前的纖維生產(chǎn)水平，彈性模量的調節(jié)范圍有限，尚不能大范圍的按需定制 彈性模量。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種高速 飛輪電池的轉子，其采用分割式的圓弧形輪轂結構，巧妙避免了輪轂松脫或輪轂強度不夠 的問題，同時，輪轂本身還可以壓迫圓筒內(nèi)壁，使其向外膨脹，從而使圓筒的外沿和內(nèi)沿的 膨脹量趨于一致，從而削弱了圓筒轉子在高速下的內(nèi)外沿撕裂現(xiàn)象。為解決上述技術問題，本實用新型提供一種高速飛輪電池的轉子，包括一圓筒、 一套裝在圓筒內(nèi)的輪轂以及一帶動輪轂轉動的轉軸，所述輪轂由多段圓弧板拼合而成，在 所述轉軸上設置有多根與轉軸相連并沿輪轂徑向分布的軸條，各圓弧板與各軸條自由端通 過配合件在輪轂的徑向過盈配合。進一步地，在各圓弧板的中部分別設置一凹槽，所述配合件為設置在各凹槽內(nèi)的 軸條套，各軸條自由端分別插裝在各圓弧板的軸條套內(nèi)并與軸條套在輪轂的徑向過盈配
I=I O進一步地，所述軸條套沿圓弧板徑向向內(nèi)伸出圓弧板。進一步地，各軸條中部交叉，且每根軸條的兩端分別對應一個圓弧板。進一步地，各軸條中部設置有一供所述轉軸穿過的穿軸孔，所述穿軸孔與輪轂同 軸，所述轉軸依次穿過各軸條的穿軸孔并使各軸條重疊套裝在轉軸上。進一步地，所述轉軸在對應軸條厚度方向的一側設置一卡環(huán)，所述卡環(huán)上開設多 個供各軸條卡入的卡槽。進一步地，所述轉軸在對應軸條厚度方向的另一側設置一限制軸條軸向移動的限 位環(huán)。進一步地，各軸條的末端在同一平面上。進一步地，所述圓筒的材質為纖維復合材料。進一步地，所述軸條的材質為纖維復合材料。本實用新型的有益技術效果在于本實用新型高速飛輪電池的轉子通過使用分割 圓弧型輪轂來傳遞扭矩，使其帶動復合材料的圓筒轉子到更高的轉速，而不存在輪轂松脫 或輪轂強度不夠的問題，同時，輪轂本身還可以壓迫圓筒轉子內(nèi)壁，使其向外膨脹，從而使 圓筒轉子的外沿和內(nèi)沿的膨脹量趨于一致，這就削弱了圓筒轉子在高速下的內(nèi)外沿撕裂現(xiàn)象。
圖1為現(xiàn)有技術中的高速飛輪電池的轉子的結構示意圖。圖2為本實用新型的高速飛輪電池的轉子的軸向剖視示意圖。圖3為本實用新型的高速飛輪電池的轉子的徑向剖視示意圖。圖4為最底層軸條的剖視圖。
具體實施方式
參閱圖2、圖3，本實用新型的高速飛輪電池的轉子，包括一高強度復合材料的圓 筒1、一套裝在圓筒1內(nèi)的輪轂2以及一帶動輪轂2轉動的轉軸3。輪轂2由多段圓弧板21 拼合而成，在轉軸3上設置有多根與轉軸3相連并沿輪轂2徑向分布的軸條4，各圓弧板21 與各軸條4自由端通過配合件在輪轂的徑向過盈配合。該配合件可為連接在圓弧板21上并沿圓弧板21徑向向內(nèi)伸出的軸條套，也可以 為圖2、圖3中所示，在圓弧板21的中部設一凹槽，然后在凹槽內(nèi)設軸條套22，使各軸條4自 由端分別插裝在各圓弧板21的軸條套22內(nèi)并與軸條套22在輪轂2的徑向過盈配合。為 了使軸條套22與軸條4之間的過盈配合結構更穩(wěn)定，本實用新型優(yōu)選使軸條套22沿圓弧 板21徑向向內(nèi)伸出圓弧板21。各軸條4的中部交叉貫穿輪轂2的直徑方向，使得每根軸條4的兩端分別對應壓 緊一個圓弧板21。各軸條4中部分別具有一與輪轂2同軸的穿軸孔41，轉軸3依次穿過各 軸條4的穿軸孔并將各軸條4重疊套裝在其上。為了避免軸條4材質在穿軸孔處斷裂而影 響其強度，此處穿軸孔由各軸條4中部向其寬度方向的兩側撐開形成。各軸條4層疊在一起時，應使除最底層軸條4之外的其他各軸條的中部均沿軸向 拱起，且拱起的幅度由內(nèi)到外依次變大，最底層軸條的一側保持水平，另一側中部沿軸向向 外凸出(參閱圖4)，使最底層軸條4的凸出部分重疊在次底層軸條4的拱起部分背面位置， 從而保證各軸條4的末端都處于同一平面上。轉軸3在對應軸條4厚度方向的一側(優(yōu)選在軸條4平面一側)設置一卡環(huán)5，卡 環(huán)5可一體成型在轉軸3上，也可套設在轉軸3上，然后通過在轉軸3上設置凸臺31來限 制卡環(huán)5軸向移動。該卡環(huán)5上開設多個供各軸條4卡入的卡槽(未圖示)，轉軸3在對應 軸條4厚度方向的另一側(優(yōu)選在軸條4向外拱起的一側)設置有一限位環(huán)6，卡環(huán)5與限 位環(huán)6 —起限制軸條4的軸向移動，并通過卡環(huán)5的卡槽傳遞扭矩帶動軸條4轉動。由于軸條4與輪轂2通過軸條套22連接，軸條套22與軸條4之間是活動套接，在 這種情況下，軸條4本身的離心力需要軸條4自身來承受，與圓筒1和分割圓弧形輪轂2都 無關。在高轉速下，軸條4的圓心處應力最大，等于(1/ *(密度)*(外端線速度的平方)。 當轉速相當高時，例如軸條外端線速度達到1000米/秒，此時如果使用鋼，應力約為3900 兆帕，會將軸條撕裂，如果使用鋁合金，應力約為1350兆帕，也會將軸條斷裂，使用玻璃纖 維，應力約為1200兆帕，則軸條比較安全，如果使用碳纖維復合材料，應力為800兆帕，非常 安全。所以，本實用新型的軸條4采用高強度纖維復合材料，纖維要貫穿軸條4的整個長度 方向，軸條兩端的離心力均由高強度復合材料軸條內(nèi)部承受，與外界無關，而纖維復合材料 軸條的強度非常高，足夠承受軸條兩端的離心力。在制作纖維復合材料軸條時，需要把纖維順序層疊。例如每根軸條要鋪20層纖 維，那么應該先鋪A軸條的第1層，即Al，再鋪Bi、Cl……，然后鋪A2、B2、C2……這樣順序 層疊以后，每根軸條的末端都在同一水平面上，厚度相等，而軸心處的復合材料的總厚度就 等于軸條厚度乘以軸條數(shù)(因為每一層纖維都要過軸心)。裝配時，軸條4末端以一定的過盈量頂住軸條套22底部，從而使圓弧板21緊貼圓 筒1，形成初始摩擦力，保證轉子的穩(wěn)定性。軸條4盡量選用彈性模量較低的纖維，使其在高 速旋轉下的膨脹量較大，再加上裝配時的過盈量，這樣就可以保證軸條4末端永遠頂住圓
5弧板21的軸條套22，從而不讓圓筒1在徑向晃動，進一步確保轉子的穩(wěn)定性。綜上所述，本實用新型高速飛輪電池的轉子通過使用分割圓弧型輪轂來傳遞扭 矩，使其帶動復合材料的圓筒到更高的轉速，而不存在輪轂松脫或輪轂強度不夠的問題，同 時，輪轂本身還可以壓迫圓筒內(nèi)壁，使其向外膨脹，從而使圓筒的外沿和內(nèi)沿的膨脹量趨于 一致，這就削弱了圓筒在高速下的內(nèi)外沿撕裂現(xiàn)象。以上所述僅為本實用新型的較佳可行實施例，并非限制本實用新型的保護范圍， 凡運用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作出的等效結構變化，均包含在本實用新型的保護 范圍內(nèi)。
權利要求1.一種高速飛輪電池的轉子，包括一圓筒、一套裝在圓筒內(nèi)的輪轂以及一帶動輪轂 轉動的轉軸，其特征在于，所述輪轂由多段圓弧板拼合而成，在所述轉軸上設置有多根與轉 軸相連并沿輪轂徑向分布的軸條，各圓弧板與各軸條自由端通過配合件在輪轂的徑向過盈 配合。
2.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，在各圓弧板的中部分別設 置一凹槽，所述配合件為設置在各凹槽內(nèi)的軸條套，各軸條自由端分別插裝在各圓弧板的 軸條套內(nèi)并與軸條套在輪轂的徑向過盈配合。
3.如權利要求2所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，所述軸條套沿圓弧板徑向 向內(nèi)伸出圓弧板。
4.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，各軸條中部交叉，且每根軸 條的兩端分別對應一個圓弧板。
5.如權利要求4所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，各軸條中部設置有一供所 述轉軸穿過的穿軸孔，所述穿軸孔與輪轂同軸，所述轉軸依次穿過各軸條的穿軸孔并使各 軸條重疊套裝在轉軸上。
6.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，所述轉軸在對應軸條厚度 方向的一側設置一卡環(huán)，所述卡環(huán)上開設多個供各軸條卡入的卡槽。
7.如權利要求6所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，所述轉軸在對應軸條厚度 方向的另一側設置一限制軸條軸向移動的限位環(huán)。
8.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，各軸條的末端在同一平面上。
9.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，所述圓筒的材質為纖維復 合材料。
10.如權利要求1所述的高速飛輪電池的轉子，其特征在于，所述軸條的材質為纖維復 合材料。
專利摘要一種高速飛輪電池的轉子，包括一高強度復合材料的圓筒、一套裝在圓筒內(nèi)的輪轂和帶動輪轂轉動的轉軸，所述輪轂由多段圓弧板拼合而成，在所述轉軸上設置有多根與轉軸相連并沿輪轂徑向分布的軸條，在各圓弧板的中部分別設置一凹槽，各凹槽內(nèi)設軸條套，各軸條自由端分別插裝在各圓弧板的軸條套內(nèi)并與軸條套在輪轂的徑向過盈配合。該高速飛輪電池的轉子通過采用分割式的圓弧形輪轂結構，巧妙避免了輪轂松脫或輪轂強度不夠的問題，同時，輪轂本身還可以壓迫圓筒內(nèi)壁，使其向外膨脹，從而使圓筒的外沿和內(nèi)沿的膨脹量趨于一致，削弱了圓筒轉子在高速下的內(nèi)外沿撕裂現(xiàn)象。
文檔編號H02K1/22GK201937386SQ20112003019
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日2011年1月28日
發(fā)明者肖耀軍 申請人:深圳飛能能源有限公司