专利名称：高速飞轮电池的转子的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速飞轮电池领域，尤其与高速飞轮电池的转子结构有关。
背景技术：
参阅图1，高速飞轮电池(飞轮储能系统)通常包括一高强度复合材料的圆筒Ia和 一套装在圆筒Ia内的金属轮毂2a，由金属轮毂加来带动圆筒Ia加速或减速。由于金属轮 毂加处于圆筒Ia内，其外沿线速度比圆筒Ia的线速度小，所以轮毂加所受的离心力和应 力也比圆筒Ia所受的离心力和应力要小一些，而金属的弹性模量一般又比复合材料的弹 性模量大一些，所以导致在高速旋转时，复合材料圆筒Ia的膨胀量比金属轮毂加的膨胀量 大，从而导致圆筒Ia与轮毂加松脱，从而无法继续传递扭矩。现有技术中有如下两种常见解决办法。1、过盈配合。预先使圆筒Ia跟轮毂加箍得更紧，这样就可以承受更高一点的转速。但是，过盈 配合在装配时比较麻烦，而且效果不太明显，即转速并不能因此而增加更多，因为相比于高 速旋转时的松脱量，在装配过程中所施加的过盈量总是有限的。2、伞形轮毂。把金属轮毂加从一个整体圆盘形变成伞形，众所周知，伞的外沿半径会灵活地增 大或缩小。随着圆筒转子在高速旋转下的膨胀，伞形轮毂也会在自身离心力的作用下撑开， 半径增大，从而始终保持轮毂外沿跟圆筒转子内壁的紧密配合。这种结构下，伞形轮毂不再 是一整块金属圆盘，而是用活动的金属板/片连接在一起，金属板/片之间的连接是柔性的 (否则不能撑开)，互相之间不提供拉力，所以每一块金属板/片所受的离心力，主要由轮毂 中心的小小轴条套来承受。而轴条套的强度有限，不能承受太大的离心力，所以转子的转速 也不可能太高。所以，要想制造高速飞轮电池，必须另想办法解决轮毂与圆筒在高速旋转下的松 脱问题。此外，就圆筒本身而言，在同一种纤维缠绕成型的情况下，内外弹性模量一致，但由 于圆筒外沿线速度大，离心力和应力大，圆筒内沿线速度小，离心力应力小，所以导致圆筒 外沿的膨胀量大于圆筒内沿的膨胀量，在速度达到一定程度时，膨胀量之间的较大差异，就 会导致圆筒外沿与内沿撕开。这就限制了高速飞轮的转速提高。为此，也有两个常见的解决办法。1、预应力缠绕。越到外沿，缠绕时的预应力越大。这种做法会有一定的改善，但不是本质上的改变，而且也比较麻烦。2、分层配置弹性模量。使内沿纤维的弹性模量更小，外沿纤维的弹性模量更大，这样一来，即使内沿纤维 所受的应力小于外沿纤维所受的应力，也能使内沿纤维的膨胀量跟外沿纤维的膨胀量一样 大。[0015]但这种做法需要进行纤维的定制化生产，以形成弹性模量的梯度配置。这是比较 麻烦的。而且以目前的纤维生产水平，弹性模量的调节范围有限，尚不能大范围的按需定制 弹性模量。
发明内容本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种高速 飞轮电池的转子，其采用分割式的圆弧形轮毂结构，巧妙避免了轮毂松脱或轮毂强度不够 的问题，同时，轮毂本身还可以压迫圆筒内壁，使其向外膨胀，从而使圆筒的外沿和内沿的 膨胀量趋于一致，从而削弱了圆筒转子在高速下的内外沿撕裂现象。为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高速飞轮电池的转子，包括一圆筒、 一套装在圆筒内的轮毂以及一带动轮毂转动的转轴，所述轮毂由多段圆弧板拼合而成，在 所述转轴上设置有多根与转轴相连并沿轮毂径向分布的轴条，各圆弧板与各轴条自由端通 过配合件在轮毂的径向过盈配合。进一步地，在各圆弧板的中部分别设置一凹槽，所述配合件为设置在各凹槽内的 轴条套，各轴条自由端分别插装在各圆弧板的轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配
I=I O进一步地，所述轴条套沿圆弧板径向向内伸出圆弧板。进一步地，各轴条中部交叉，且每根轴条的两端分别对应一个圆弧板。进一步地，各轴条中部设置有一供所述转轴穿过的穿轴孔，所述穿轴孔与轮毂同 轴，所述转轴依次穿过各轴条的穿轴孔并使各轴条重叠套装在转轴上。进一步地，所述转轴在对应轴条厚度方向的一侧设置一卡环，所述卡环上开设多 个供各轴条卡入的卡槽。进一步地，所述转轴在对应轴条厚度方向的另一侧设置一限制轴条轴向移动的限 位环。进一步地，各轴条的末端在同一平面上。进一步地，所述圆筒的材质为纤维复合材料。进一步地，所述轴条的材质为纤维复合材料。本实用新型的有益技术效果在于本实用新型高速飞轮电池的转子通过使用分割 圆弧型轮毂来传递扭矩，使其带动复合材料的圆筒转子到更高的转速，而不存在轮毂松脱 或轮毂强度不够的问题，同时，轮毂本身还可以压迫圆筒转子内壁，使其向外膨胀，从而使 圆筒转子的外沿和内沿的膨胀量趋于一致，这就削弱了圆筒转子在高速下的内外沿撕裂现象。
图1为现有技术中的高速飞轮电池的转子的结构示意图。图2为本实用新型的高速飞轮电池的转子的轴向剖视示意图。图3为本实用新型的高速飞轮电池的转子的径向剖视示意图。图4为最底层轴条的剖视图。
具体实施方式
参阅图2、图3，本实用新型的高速飞轮电池的转子，包括一高强度复合材料的圆 筒1、一套装在圆筒1内的轮毂2以及一带动轮毂2转动的转轴3。轮毂2由多段圆弧板21 拼合而成，在转轴3上设置有多根与转轴3相连并沿轮毂2径向分布的轴条4，各圆弧板21 与各轴条4自由端通过配合件在轮毂的径向过盈配合。该配合件可为连接在圆弧板21上并沿圆弧板21径向向内伸出的轴条套，也可以 为图2、图3中所示，在圆弧板21的中部设一凹槽，然后在凹槽内设轴条套22，使各轴条4自 由端分别插装在各圆弧板21的轴条套22内并与轴条套22在轮毂2的径向过盈配合。为 了使轴条套22与轴条4之间的过盈配合结构更稳定，本实用新型优选使轴条套22沿圆弧 板21径向向内伸出圆弧板21。各轴条4的中部交叉贯穿轮毂2的直径方向，使得每根轴条4的两端分别对应压 紧一个圆弧板21。各轴条4中部分别具有一与轮毂2同轴的穿轴孔41，转轴3依次穿过各 轴条4的穿轴孔并将各轴条4重叠套装在其上。为了避免轴条4材质在穿轴孔处断裂而影 响其强度，此处穿轴孔由各轴条4中部向其宽度方向的两侧撑开形成。各轴条4层叠在一起时，应使除最底层轴条4之外的其他各轴条的中部均沿轴向 拱起，且拱起的幅度由内到外依次变大，最底层轴条的一侧保持水平，另一侧中部沿轴向向 外凸出(参阅图4)，使最底层轴条4的凸出部分重叠在次底层轴条4的拱起部分背面位置， 从而保证各轴条4的末端都处于同一平面上。转轴3在对应轴条4厚度方向的一侧(优选在轴条4平面一侧)设置一卡环5，卡 环5可一体成型在转轴3上，也可套设在转轴3上，然后通过在转轴3上设置凸台31来限 制卡环5轴向移动。该卡环5上开设多个供各轴条4卡入的卡槽(未图示)，转轴3在对应 轴条4厚度方向的另一侧(优选在轴条4向外拱起的一侧)设置有一限位环6，卡环5与限 位环6 —起限制轴条4的轴向移动，并通过卡环5的卡槽传递扭矩带动轴条4转动。由于轴条4与轮毂2通过轴条套22连接，轴条套22与轴条4之间是活动套接，在 这种情况下，轴条4本身的离心力需要轴条4自身来承受，与圆筒1和分割圆弧形轮毂2都 无关。在高转速下，轴条4的圆心处应力最大，等于(1/ *(密度)*(外端线速度的平方)。 当转速相当高时，例如轴条外端线速度达到1000米/秒，此时如果使用钢，应力约为3900 兆帕，会将轴条撕裂，如果使用铝合金，应力约为1350兆帕，也会将轴条断裂，使用玻璃纤 维，应力约为1200兆帕，则轴条比较安全，如果使用碳纤维复合材料，应力为800兆帕，非常 安全。所以，本实用新型的轴条4采用高强度纤维复合材料，纤维要贯穿轴条4的整个长度 方向，轴条两端的离心力均由高强度复合材料轴条内部承受，与外界无关，而纤维复合材料 轴条的强度非常高，足够承受轴条两端的离心力。在制作纤维复合材料轴条时，需要把纤维顺序层叠。例如每根轴条要铺20层纤 维，那么应该先铺A轴条的第1层，即Al，再铺Bi、Cl……，然后铺A2、B2、C2……这样顺序 层叠以后，每根轴条的末端都在同一水平面上，厚度相等，而轴心处的复合材料的总厚度就 等于轴条厚度乘以轴条数(因为每一层纤维都要过轴心)。装配时，轴条4末端以一定的过盈量顶住轴条套22底部，从而使圆弧板21紧贴圆 筒1，形成初始摩擦力，保证转子的稳定性。轴条4尽量选用弹性模量较低的纤维，使其在高 速旋转下的膨胀量较大，再加上装配时的过盈量，这样就可以保证轴条4末端永远顶住圆
5弧板21的轴条套22，从而不让圆筒1在径向晃动，进一步确保转子的稳定性。综上所述，本实用新型高速飞轮电池的转子通过使用分割圆弧型轮毂来传递扭 矩，使其带动复合材料的圆筒到更高的转速，而不存在轮毂松脱或轮毂强度不够的问题，同 时，轮毂本身还可以压迫圆筒内壁，使其向外膨胀，从而使圆筒的外沿和内沿的膨胀量趋于 一致，这就削弱了圆筒在高速下的内外沿撕裂现象。以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非限制本实用新型的保护范围， 凡运用本实用新型说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本实用新型的保护 范围内。
权利要求1.一种高速飞轮电池的转子，包括一圆筒、一套装在圆筒内的轮毂以及一带动轮毂 转动的转轴，其特征在于，所述轮毂由多段圆弧板拼合而成，在所述转轴上设置有多根与转 轴相连并沿轮毂径向分布的轴条，各圆弧板与各轴条自由端通过配合件在轮毂的径向过盈 配合。
2.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，在各圆弧板的中部分别设 置一凹槽，所述配合件为设置在各凹槽内的轴条套，各轴条自由端分别插装在各圆弧板的 轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配合。
3.如权利要求2所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，所述轴条套沿圆弧板径向 向内伸出圆弧板。
4.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，各轴条中部交叉，且每根轴 条的两端分别对应一个圆弧板。
5.如权利要求4所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，各轴条中部设置有一供所 述转轴穿过的穿轴孔，所述穿轴孔与轮毂同轴，所述转轴依次穿过各轴条的穿轴孔并使各 轴条重叠套装在转轴上。
6.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，所述转轴在对应轴条厚度 方向的一侧设置一卡环，所述卡环上开设多个供各轴条卡入的卡槽。
7.如权利要求6所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，所述转轴在对应轴条厚度 方向的另一侧设置一限制轴条轴向移动的限位环。
8.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，各轴条的末端在同一平面上。
9.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，所述圆筒的材质为纤维复 合材料。
10.如权利要求1所述的高速飞轮电池的转子，其特征在于，所述轴条的材质为纤维复 合材料。
专利摘要一种高速飞轮电池的转子，包括一高强度复合材料的圆筒、一套装在圆筒内的轮毂和带动轮毂转动的转轴，所述轮毂由多段圆弧板拼合而成，在所述转轴上设置有多根与转轴相连并沿轮毂径向分布的轴条，在各圆弧板的中部分别设置一凹槽，各凹槽内设轴条套，各轴条自由端分别插装在各圆弧板的轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配合。该高速飞轮电池的转子通过采用分割式的圆弧形轮毂结构，巧妙避免了轮毂松脱或轮毂强度不够的问题，同时，轮毂本身还可以压迫圆筒内壁，使其向外膨胀，从而使圆筒的外沿和内沿的膨胀量趋于一致，削弱了圆筒转子在高速下的内外沿撕裂现象。
文档编号H02K1/22GK201937386SQ20112003019
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者肖耀军 申请人:深圳飞能能源有限公司