一种分层固化储能飞轮及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种分层固化储能飞轮及其制造方法，所述的飞轮包括轮毂和在轮毂的外圆侧缠绕的多层固化纤维层，第一纤维层的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。所述的制造方法包括在轮毂的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层；从第一纤维层至第十纤维层，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂；各层依次缠绕时，应施加一定的预应力。本发明结构合理、工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高，不易发生径向层间分离。
【专利说明】—种分层固化储能飞轮及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种储能飞轮，具体涉及一种分层固化储能飞轮及其制造方法。
【背景技术】
[0002]飞轮储能技术具有快速充放电、瞬时功率大、效率高、寿命长、无污染的优点，是目前最具发展前景的物理储能方式之一。为了追求更高的储能密度，要求飞轮具有尽可能高的线速度，飞轮材料的发展经历了金属合金到复合材料两个阶段。
[0003]目前，金属合金如优质钢、高强铝合金的飞轮，在升速过程中环向应力容易超过环向强度导致飞轮结构破坏，复合材料如玻璃纤维增强树脂、碳纤维增强树脂的飞轮，在升速过程中径向应力容易超过径向强度导致飞轮径向开裂。为了利用复合材料轻质、高强的特点，同时克服飞轮径向强度较小的弱点，有学者提出过多层飞轮过盈装配结构，但是过盈装配工艺复杂、效率低、结构可靠性差。同时，由于飞轮储能密度与飞轮转动惯量正相关，飞轮靠近中心部分的质量对储能贡献不大。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种分层固化储能飞轮及其制造方法。
[0005]本发明的技术方案是:一种分层固化储能飞轮，包括轮毂和在轮毂的外圆侧缠绕的多层固化纤维层，所述的轮毂包括外筒和内筒，在外筒和内筒之间设置有辐射状、均布的多个连接板，在内筒的内部形成轴孔，在轮毂的外圆侧依次缠绕第一纤维层、第二纤维层、至第十纤维层。
[0006]所述的轮毂、外筒、内筒和连接板的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
[0007]所述的第一纤维层的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
[0008]一种分层固化储能飞轮的制造方法，包括以下步骤:
(i)首先制作轮毂，在外筒和内筒之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板；
(? )在轮毂的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层，从第一纤维层开始至第十纤维层，每一层纤维的弹性模量均大于相邻内侧层的弹性模量；
(iii)从第一纤维层至第十纤维层，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂，固化温度为80°C?150°C、固化时间为8?24小时，每层纤维层的厚度在20?40mm之间；
(iv)各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的预应力由内向外逐层递减，预施加的预应力控制在50?200牛顿之间。
[0009]所述的第二纤维层至第十纤维层的材料分别为T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
[0010]本发明的有益效果为:
本发明结构合理、制作工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高。比常规不分层飞轮，各层厚度小，层内径向应力水平低，不易发生径向层间分离，由于外侧层弹性模量大于相邻内侧层，飞轮层间不会发生松脱失效。飞轮中心采用轮毂结构，对储能密度影响较小的同时减轻了飞轮的质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明分层固化储能飞轮的主视剖面图(图2中沿A-A线剖面)；
图2是本发明分层固化储能飞轮的俯视图。
[0012]其中:
I 飞轮轮毂2 固化纤维层
2-1第一纤维层2-2 第二纤维层
2-9第九纤维层2-10第十纤维层
3 外筒4 内筒
5连接板6 轴孔。
【具体实施方式】
[0013]下面，结合附图和实施例对本发明的一种分层固化储能飞轮进行详细说明:
如图1、2所示，一种分层固化储能飞轮结构，包括轮毂I和在轮毂I的外圆侧缠绕的多层固化纤维层2，本发明共十层。其中，轮毂I包括外筒3和内筒4，在外筒3和内筒4之间设置有辐射状、均布的多个连接板5，本发明为八个。连接板5和外筒3和内筒4之间焊接连接，在内筒4的内部形成轴孔6，轮毂1、外筒3、内筒4和连接板5的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
[0014]在轮毂I的外圆侧依次缠绕第一纤维层2-1、第二纤维层2-2、至第九纤维层2-9、第十纤维层2-10。
[0015]其中，第一纤维层2-1的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
[0016]一种分层固化储能飞轮的制造方法，包括以下步骤:
(i)首先制作轮毂1，在外筒3和内筒4之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板5，本发明为八个连接板5，轮毂1、外筒3、内筒4和连接板5的材料均选用优质钢或者高强铝
I=1-Wl O
[0017](ii)在轮毂I的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层2，从第一纤维层2-1开始至第十纤维层2-10，其中第一纤维层2-1的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料均为高模量、高强度的碳纤维。
[0018](iii)从第一纤维层2-1至第十纤维层2-10，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树脂，具体固化温度和时间可根据所采用的环氧树脂种类确定，一般固化温度为80°C?150°C、固化时间为8?24小时,每层纤维层的厚度在20?40mm之间，一般取30mm。
[0019](iv)各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的张力由内向外逐层递减，防止飞轮升速过程中各层间发生松脱失，施加的预应力大小可根据所采用的碳纤维种类确定，一般控制在50?200牛顿之间。
[0020]所述的第二纤维层2-2至第十纤维层2-10的材料分别为T-300、T-700、T-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60，上述材料市售。
[0021]本发明结构合理、制作工艺简单，能够有效地提升飞轮的最大工作转速，飞轮储能密度高。比常规不分层飞轮，各层厚度小，层内径向应力水平低，不易发生层内径向开裂，由于外侧层弹性模量大于相邻内侧层，飞轮层间不会发生松脱失效。飞轮中心采用轮毂结构，对储能密度影响较小的同时减轻了飞轮的质量。
【权利要求】
1.一种分层固化储能飞轮，包括轮毂(I)和在轮毂(I)的外圆侧缠绕的多层固化纤维层(2)，其特征在于:所述的轮毂(I)包括外筒(3)和内筒(4)，在外筒(3)和内筒(4)之间设置有辐射状、均布的多个连接板(5)，在内筒(4)的内部形成轴孔(6)，在轮毂(I)的外圆侧依次缠绕第一纤维层(2-1)、第二纤维层(2-2)、至第十纤维层(2-10)。
2.根据权利要求1所述的一种分层固化储能飞轮，其特征在于:所述的轮毂(I)、外筒(3 )、内筒(4 )和连接板(5 )的材料均选用优质钢或者高强铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种分层固化储能飞轮，其特征在于:所述的第一纤维层(2-1)的材料为玻璃纤维或者芳纶纤维，其余各层材料为高模量、高强度的碳纤维。
4.按照权利要求1所述的分层固化储能飞轮的制造方法，其特征在于:包括以下步骤: (i)首先制作轮毂(1)，在外筒(3)和内筒(4)之间沿圆周焊接辐射状、均布的多个连接板(5)； (ii)在轮毂I的外圆侧依次缠绕多层固化纤维层(2)，从第一纤维层(2-1)开始至第十纤维层(2-10)，每一层纤维的弹性模量均大于相邻内侧层的弹性模量； (iii)从第一纤维层(2-1)至第十纤维层(2-10)，各层依次缠绕、固化，基体采用环氧树月旨，固化温度为80°C?150°C、固化时间为8?24小时，每层纤维层的厚度在20?40mm之间； (iv)各层依次缠绕时，应施加一定的预应力，纤维预施加的预应力由内向外逐层递减，预施加的预应力控制在50?200牛顿之间。
5.根据权利要求4所述的分层固化储能飞轮的制造方法，其特征在于:所述的第二纤维层(2-2)至第十纤维层(2-10)的材料分别为 Τ-300、Τ-700、Τ-800、M35、M40、M45、M50、M55、M60。
【文档编号】H02K7/02GK104505976SQ201410705558
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】杨福江, 吴雷, 杨子龙 申请人:核工业理化工程研究院