[发明专利]一种飞轮储能系统用飞轮转子的钢丝缠绕方法

摘要

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。本发明解决了目前飞轮转子用钢丝设计方法缺乏的问题。本发明将飞轮转子钢丝问题进行了理论简化，基于钢丝张力缠绕装配工艺，建立了钢丝的等效模型，通过有限元计算得到了各层钢丝的接触应力，并根据理论公式得到在装配过程中钢丝所需的张力。通过本发明，可以得到飞轮转子用钢丝的外形尺寸、层数、缠绕圈数和缠绕张力。根据本发明设计出来的飞轮转子用钢丝科可以减小体积，降低成本。

主权项

一种飞轮储能系统用飞轮转子的钢丝缠绕方法，包括飞轮轮毂和缠绕在飞轮轮毂上的钢丝，其特征在于：缠绕方法由以下步骤实现：步骤一：确定钢丝组件的极转动惯量指标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：计算得到钢丝组件缠绕的圈数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；步骤十三：设置其余M‑1个相邻等效模型间的接触对，接触单元类型为面面接触，摩擦系数f₁，接触面偏移量为B₁/20；步骤十四：定义求解类型为静力；步骤十五：定义约束条件，轮毂的下端面六个自由度全约束，轮毂上端面约束环向自由度；步骤十六：定义工作转速，单位为弧度/秒；步骤十七：将模型提交给求解器，计算完成后得到模型应力值；步骤十八：检查钢丝的最大应力是否不大于许用应力σ₁，如不成立，则更换强度更高的钢丝，返回步骤二重新计算，如成立，则进行步骤十九；步骤十九：检查每个接触对的接触应力，如接触应力在10～20MPa内，则进行步骤二十，如接触应力大于20MPa时，按照B₁/200的幅度减小此接触对的接触面偏移量并重新计算，直至触应力在10～20MPa内，如接触应力小于10MPa，按照B₁/200的幅度减小此接触对的接触面偏移量并重新计算，直至触应力在10～20MPa内；步骤二十：根据每个等效模型的接触面偏移量，计算第n层钢丝缠绕时的张力F_n，如公式(5)：F_n＝2E₁L₁B₁δ_n/Φ_n    (5)其中F_n为第n层钢丝缠绕张力，δ_n为第n层的接触面偏移量。