[发明专利]一种飞轮储能系统用飞轮转子的钢丝缠绕方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能系统用飞轮转子的钢丝缠绕方法。

背景技术

飞轮转子是飞轮储能系统中最重要的环节。为了提高储能密度，可以在金属轮毂的外面布置碳纤维增强树脂基复合材料，或者缠绕高强度钢丝。碳纤维增强复合材料的价格在每公斤300～800元，高强度钢丝的价格在每公斤20～50元。与复合材料飞轮相比，钢丝缠绕飞轮具有体积小、成本低的优点。

在储能飞轮领域引入钢丝缠绕技术，对飞轮转子的设计构成了新挑战。在钢丝缠绕飞轮中，使用的是预应力钢丝。预应力钢丝常用于超高压容器中、大型高压水缸以及合成超硬材料设备上的高压反应容器等，其工作压力从几千大气压到上万大气压，其设计方法已经成熟。

与高压容器等设备上使用的钢丝相比，飞轮转子用钢丝有明显区别：飞轮是做旋转运动的，而高压容器是静止的。旋转运动会产生巨大的离心力，导致钢丝直径变大，从飞轮轮毂上脱落。因此，高压容器等设备上的预应力钢丝设计方法并不适用于飞轮转子上的预应力钢丝。

目前飞轮轮毂上还没有使用钢丝进行缠绕的先例，理论方法和工程实践上都处于探索阶段，尚未有公开文献介绍飞轮转子用钢丝的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞轮储能系统用飞轮转子的钢丝缠绕方法，解决目前飞轮转子用钢丝设计方法空缺的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述优化设计方法由以下步骤实现：

步骤一：确定钢丝部分的极转动惯量指标J₁、钢丝层的高度H₁、最内层钢丝的内径Φ₁，钢丝以螺旋方式缠绕在轮毂外圆面上；

步骤二：选择钢丝的截面尺寸，钢丝截面为长方形，截面长度为L₁，截面宽度为B₁，并获取钢丝材料的密度ρ₁、泊松比μ₁、弹性模量E₁、钢丝的许用应力σ₁、钢丝与钢丝的摩擦系数f₁、钢丝与轮毂的摩擦系数f₂，获取轮毂的密度ρ₂、泊松比μ₂、弹性模量E₂；

步骤三：计算得到最外层钢丝的外径Φ_外，如公式(1)：

Φ_外＝2(2J₁/ρH₁π+Φ₁⁴/16)^1/4(1)

步骤四：计算得到钢丝缠绕的圈数N，如公式(2)：

N＝H₁/L₁(2)

步骤五：计算得到钢丝缠绕的层数M，如公式(3)：

M＝(Φ₂-Φ₁)/B₁(3)

步骤六：计算得到第n层钢丝的内径Φ_n，如公式(4)：

Φ_n＝Φ₁+(n-1)B₁(4)

其中n表示钢丝层的序号，从内往外数，最内层为第一层；

步骤七：将轮毂的三维实体模型导入到通用有限元分析软件Ansys中，使用国际单位制；

步骤八：在Ansys软件中，建立每层钢丝的等效模型，等效模型为薄壁圆筒形状，壁厚为B₁，圆筒内径为此层钢丝的内径Φ_n，高度为H₁；

步骤九：在Ansys软件中定义钢丝的材料属性，包括钢丝的密度ρ₁、泊松比μ₁、弹性模量E₁，轮毂的密度ρ₂、泊松比μ₂、弹性模量E₂；

步骤十：对等效模型划分网格，单元类型为六面体二十节点单元SOLID186，单元尺寸B₁；

步骤十一：对轮毂网格划分，单元类型为四面体十节点单元SOLID187，单元尺寸为2B₁；

步骤十二：设置最内层钢丝的等效模型与轮毂的接触对，接触单元类型为面面接触，摩擦系数f₂，接触面偏移量为B₁/20；