[发明专利]一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能部件，尤其涉及一种用于飞轮储能系统的高强度、低成本的飞轮转子金属轮毂。

技术背景

飞轮转子是飞轮储能系统中最重要的环节，选用高抗拉强度的飞轮材料是飞轮电池能够储存较多能量的先决条件。为了提高飞轮储能能力，普遍采用提高转速的方法达到高储能的要求。随着转速的提高，转子承受的离心力逐渐增大，当转子径向拉伸应力力超过轮毂的强度时，会导致转子轮毂破坏。这种局限性限制了储能飞轮的储能密度和储能能量的提高，严重时会导致灾难性的恶性事故。目前，国内外研制的转子的主流技术是以高强度金属材料为轮毂，采用复合材料纤维缠绕成型技术制备复合材料环套，将金属轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子。但是，金属轮毂的极限强度有限，使得复合材料层尺寸很大，生产成本十分昂贵。为此，迫切地需要开发出一种高强度、低成本的高性能飞轮转子轮毂。

发明内容

本发明克服上述现有技术的不足，目的在于提供一种抗拉强度高、成本低、使用安全性能的高性能的飞轮转子轮毂。采用钢丝预应力缠绕结构，巧妙避免了轮毂与复合材料层之间松脱和轮毂强度不够的问题。该转子轮毂为圆盘状或圆柱状，包括：金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层。

本发明的方案是：

一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，包括：金属轮毂基体和钢丝缠绕层，所述的金属轮毂基体为圆盘状或圆柱状，所述钢丝缠绕层形成在金属轮毂基体的外表面，金属轮毂基体与钢丝缠绕层采用预应力缠绕而实现紧密连接。

本发明还具有如下特征：

1、所述的钢丝横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形直径为1mm～6mm，强度2500～3000MPa。

2、所述的金属轮毂基体为钢/钛合金或铝合金，所述的钢丝为低合金钢、碳钢或不锈钢钢丝。

3、所述钢丝缠绕层相对于金属轮毂基体的母线以小于90度的预定角度采用预应力缠绕在所述金属轮毂基体上，钢丝的导程等于或者小于钢丝螺旋线的螺距；钢丝缠绕层为并行结构。

4、所述的钢丝缠绕层的张力为预定额定值张力的10-80％，有效钢丝缠绕层的第一圈和最后一圈的钢丝预应力张力为预定额定值的10～20％。

本发明的有益效果在于：

以金属基体轮毂和超高强度的钢丝为原料，结合钢丝缠绕预应力技术制备高强度飞轮转子金属轮毂。通过在金属轮毂基体上预应力缠绕高强度钢丝层，可使飞轮转子轮毂所承受的极限强度提高到2800MPa，有效降低金属轮毂的开裂趋势，减小整个飞轮系统失效破坏的几率。此种结构可以改变飞轮转子轮毂的应力状态，大大改善轮毂的使用性能，减小整个飞轮系统失效破坏的几率，实现飞轮转子的可靠性使用。同时，该发明可有效增加转子的内外半径比，提高飞轮的储能密度，减少材料的使用量，显著降低转子制造成本。

附图说明

图1为本发明所述飞轮转子的结构示意图；

其中，1、金属轮毂基体，2、钢丝预应力缠绕层。

图2为本发明所述飞轮转子的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的飞轮转子作进一步详细的说明。

实例1：

如图1所示，本例所述的飞轮转子是由金属基体轮毂1及钢丝预应力缠绕层2构成的圆盘状，其中心处为用于与飞轮连接的轴承孔3。在使用时，只需将按照上述结构制成的转子通过轴承孔3安装在飞轮的轴承上即可。

所述金属基体轮毂1可选用现有技术的超高强度钢、钛合金或高强铝合金，利用缠绕机将高强度钢丝正应力缠绕在金属轮毂基体上。在缠绕过程中，为避免由于外层钢丝的缠绕张力使金属轮毂基体产生压缩变形，从而引起内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象，采用张力单调递减的变张力缠绕工艺，保证每根钢丝同等强度工作，以期充分发挥钢丝的强度潜力。

所述钢丝预应力缠绕层2可采用钢丝缠绕预应力技术，金属轮毂安放于转盘上，固定在地面上的张力发生与控制装置输出钢丝，钢丝随部件的旋转而逐圈、逐层地缠绕在轮毂外表面。所述钢丝预应力缠绕不仅限于Φ1mm～6mm钢丝。钢丝的横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形。所制得的钢丝预应力缠绕层的抗拉强度可高达1000-2800MPa。