[发明专利]一种储能飞轮及其设计方法

权利要求书

1.一种储能飞轮，其特征在于，包括：轮毂及过盈装配于所述轮毂上的N层复合材料环；

N层所述复合材料环的宽度相同，且在所述储能飞轮转动的情况下，各层所述复合材料环所受到的离心力相等。

2.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，相邻两层所述复合材料环的内径及外径满足如下关系式：

其中，R_i为第i层复合材料环的外径，R_i-1为第i层复合材料环的内径，ρ_i为第i层复合材料环的材料密度，ρ_i+1为第i+1层复合材料环的材料密度，i＝2，3，…，N。

3.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，相邻所述复合材料环之间的第一装配过盈量相等。

4.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述轮毂的材料为高强度结构钢。

5.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，N层所述复合材料环材料均为碳纤维增强树脂基复合材料。

6.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，N层所述复合材料环中，靠近所述轮毂的一半所述复合材料环的径向应力近似相等，远离所述轮毂的一半所述复合材料环的径向应力由内向外依次降低到零。

7.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，在所述储能飞轮转动的情况下，所述轮毂与各层所述复合材料环所受到的离心力相等。

8.一种储能飞轮的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

预设飞轮额定转速ω、轮毂外径线速度V₁、飞轮外径线速度V_o及飞轮能量E；

根据所述飞轮额定转速ω、轮毂外径线速度V₁、飞轮外径线速度V_o、飞轮能量E及复合材料密度ρ，确定轮毂外径R₁、飞轮外径Ro及飞轮宽度h；

预设大于R₁的任意R₂；

根据轮毂外径R₁、飞轮外径Ro及飞轮宽度h，确定过盈装配于所述轮毂上的各层复合材料环的内径及外径，以使各层所述复合材料环的离心力相等；

若根据预设环间过盈量计算，确定各层所述复合材料环的径向应力满足径向许用应力强度，且环向应力满足环向许用应力强度，且临界转速满足转子系统许用临界转速，则将所述轮毂外径R₁、飞轮外径R_o、飞轮宽度h及计算出的各层复合材料环的内径及外径确定为储能飞轮的目标结构参数。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述根据轮毂外径R₁及飞轮外径R_o，确定过盈装配于所述轮毂上的各层复合材料环的内径及外径，以使各层所述复合材料环的离心力相等的步骤，包括：

根据R₁、R₂及关系式计算R₃～R_N；其中，Ri为第i层复合材料环的外径，Ri-1为第i层复合材料环的内径，ρ_i为第i层复合材料环的材料密度，ρ_i+1为第i+1层复合材料层的材料密度，i＝2，3，…，N；

若R_N等于R_O，则进入根据预设环间过盈量计算，确定各层所述复合材料层的径向应力和环向应力的步骤；

若R_N不等于R_O，则重新进入预设大于R₁的任意R₂的的步骤。

10.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

若任意一层复合材料环的径向应力未满足径向许用应力强度，和/或环向应力未满足环向许用应力强度，则重新进入预设大于R₁的任意R₂的步骤。