CN101800450A - 一种多种混合材料缠绕飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率、高功率、低成本的多种混合材料缠绕飞轮。一种多种混合材料缠绕飞轮，其内部设有用于放置轴和毂的空洞，所述空洞外部缠绕有2～10层的纤维灌注热固树胶层，所述纤维灌注热固树胶层由纤维和热固树胶灌注而成，所述外部缠绕的纤维灌注热固树胶层中至少有一层中的纤维完全由低系数纤维或高系数纤维构成，其余纤维灌注热固树胶层由低系数纤维和高系数纤维混合而成，所述热固树胶为环氧基树脂，所述高系数纤维为碳纤维材料，所述低系数纤维为玻璃纤维和钢丝。本发明不仅制造简单，降低了材料的成本，同时以更高的速度旋转，储存更多的能量，并更好的抑制裂缝的产生和发展。

Description

一种多种混合材料缠绕飞轮

技术领域

本发明涉及一种高效率、高功率、低成本的多种混合材料缠绕飞轮。

背景技术

作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，飞轮储能***储存电能，具有寿命长、维护量小、高效率、和高功率的优点。飞轮储能依靠旋转的飞轮把电能转换为动能储存起来。飞轮储能***依靠电机来实现充电和放电。充电时，电机推动飞轮转动，把电能转换为动能储存起来；放电时，飞轮驱动电机，把动能转换为电能释放出去。

电机有多种设计方法，不同方法有各自的优点，适合于不同的要求。飞轮一般使用钢和复合材料来制造，所以有钢材料飞轮、复合材料飞轮、以及钢和复合材料的混合飞轮。飞轮储能***一般使用磁悬浮轴承来支撑飞轮，这样可以减少摩擦损耗和提高***寿命。为了减少空气阻力，飞轮一般放在密闭的真空容器中。尽管有多种方法来设计飞轮储能***，低成本、高效率、高功率的飞轮储能***是目前业界追求的目标。

储能飞轮在高速旋转时，承受着巨大的离心力，离心力从飞轮的外缘到内缘逐渐减小，外缘承受的离心力最大，内缘最小。为了获取最大的转速，必须使用轻质高强度材料，包括碳纤维、玻璃纤维等。其中碳纤维是目前强度最高的材料，其常见的型号按照强度按从高到低排列依次为T1000，T700，T300，T100等，相应地，价格也随着其强度依次降低。

发明内容

由于飞轮承受的离心力从外缘到内缘逐渐降低，为了降低材料的成本，本发明提供了一种在使用时从外缘到内缘强度逐渐降低的材料制造的多种材料混合缠绕飞轮***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多种混合材料缠绕飞轮，其内部设有用于放置轴和毂的空洞，所述空洞外部缠绕有2～10层的纤维灌注热固树胶层，所述纤维灌注热固树胶层由纤维和热固树胶灌注而成，所述外部缠绕的纤维灌注热固树胶层中至少有一层中的纤维完全由低系数纤维或高系数纤维构成，其余纤维灌注热固树胶层由低系数纤维和高系数纤维混合而成。

进一步的：所述热固树胶为环氧基树脂。

进一步的：所述高系数纤维为碳纤维材料，所述低系数纤维为玻璃纤维和钢丝。

为了达到最佳效果，并且保证储能飞轮从里层向外层，层与层之间的应力和应变是平滑的过渡，进一步的：所述纤维灌注热固树胶层设有5层，其由内至外的第一层含有由90％的低系数纤维和10％的高系数纤维组成，第二层由80％的低系数纤维和20％的高系数纤维组成，第三层由40％的低系数纤维和60％的高系数纤维组成，第四层和第五层都由0％的低系数纤维和100％的高系数纤维组成。

为了进一步控制径向应力和应变，进一步的：所述飞轮的空洞内径为DG为12.5英寸，所述第一层的直径为3.5英寸，第二层的直径为15.5英寸，第三层的直径为17.6英寸，第四层的直径为19.3英寸，第五层的直径为21.1英寸。

本发明不仅制造简单，降低了材料的成本，同时以更高的速度旋转，储存更多的能量，并更好的抑制裂缝的产生和发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、空洞；2、第一层；3、第二层；4、第三层；5、第四层；6、第五层。

具体实施方式

如图1所示的一种多种混合材料缠绕飞轮，其内部设有用于放置轴和毂的空洞1，所述空洞1外部缠绕有2～10层的纤维灌注热固树胶层，所述纤维灌注热固树胶层由纤维和热固树胶灌注而成，所述热固树胶为环氧基树脂，所述外部缠绕的纤维灌注热固树胶层中至少有一层中的纤维完全由低系数纤维或高系数纤维构成，其余纤维灌注热固树胶层由低系数纤维和高系数纤维混合而成，所述高系数纤维为碳纤维材料，所述低系数纤维为玻璃纤维和钢丝。

为了达到最佳效果，并且保证储能飞轮从里层向外层，层与层之间的应力和应变是平滑的过渡，所述纤维灌注热固树胶层设有5层，其由内至外的第一层2含有由90％的低系数纤维和10％的高系数纤维组成，第二层3由80％的低系数纤维和20％的高系数纤维组成，第三层4由40％的低系数纤维和60％的高系数纤维组成，第四层5和第五层6都由0％的低系数纤维和100％的高系数纤维组成。

这种结构，不仅导致了层之间的强度和刚度的变化，还导致了密度和弹性模量的变化，这些变化直接影响了飞轮裂缝的产生和发展。

通过此种配置结构，其内层由于其弹性模量小产生的变形大于外层，结果是内层将会向外挤压外层，外层箍住内层，从而提高了飞轮抵抗裂缝产生和发展的性能。而即使飞轮产生裂缝，一般产生在最里层，其向外层扩展的现象将被阻止；即使裂缝还是向外扩展，将会导致飞轮旋转不平衡，不平衡就会被侦测出从而裂缝的发展得到处理，防止了裂缝贯穿所有的层。

通过以上各层材料的配比，使得从里层到外层，材料密度逐渐减小，弹性模量逐渐加大。这样会使内层挤压外层，外层箍住内层，飞轮的径向应力和应变能够实现从里到外比较平滑的过度，并减小各层的径向应力和应变。

另外，由于各层密度逐渐减小，弹性模量逐渐加大，这样产生的周向应力和应变也是逐渐变化的过程，不会引起突然地变化。

其密度和弹性模量与各层的应力和应变的关系如下：

$E=\frac{1}{2}\mathrm{\ρv}{r}^2{s}^2$

σ_h＝ρR²s²＝ε^hM

σ_r＝ρr²s²

其中，

E-飞轮储能量

σ_h-飞轮上的周向应力

σ_r-飞轮上的径向应力

ρ-密度

v-体积

r-飞轮厚度

R-飞轮直径

s-飞轮转速

M-弹性模量

而为了为了进一步控制径向应力和应变，也可通过改变各层的厚度和直径。可将各层的直径设为：飞轮的空洞1内径为D_G为12.5英寸，第一层2的直径D₁为13.5英寸，第二层3的直径D₂为15.5英寸，第三层4的直径D₃为17.6英寸，第四层5的直径D₄为19.3英寸，第五层6的直径D₅为21.1英寸。因此，现在各层的厚度分别为6.75英寸，7.75英寸，8.8英寸，9.65英寸，10.05英寸。这些确定的厚度和直径只是本发明现在优先考虑的数值，但这并不局限于，为了更好的控制飞轮的应力和应变而根据本发明的方法和原理更改这些数值。

在具体制造时，本发明可以通过控制纤维带的转动速度和缠绕长度来实现，当然，除此以外，还可以使用其他其他方法来实现。

例如丝缠绕技术：纤维束存放在容器里的一个或多个槽中，并根据飞轮各层的顺序，相互叠放在一起，初步形成的层然后通过一个或多个物理校正装置(滚轴或梳子)，接着进入一个树脂加工容器，滚筒在容器内不停地转动，浸满了树脂液体。层经过这个树脂加工器，层的底面沾满了一层树脂液体，形成了湿层。湿层然后又通过一个或多个物理校正装置(滚轴或梳子)产生出一个均匀、预定宽度的层。湿层然后通过一个定位装置(孔)，缠绕在一个预定形状的壳上面，形成飞轮的一个层。一旦飞轮所有的层都缠好，壳便愈合，然后每层的树脂逐渐干燥。

又如通过控制纤维带的旋转速度和缠绕长度的相关性来实现控制纤维缠绕的格式。

Claims (5)

1.一种多种混合材料缠绕飞轮，其内部设有用于放置轴和毂的空洞(1)，其特征是：所述空洞(1)外部缠绕有2～10层的纤维灌注热固树胶层，所述纤维灌注热固树胶层由纤维和热固树胶灌注而成，所述外部缠绕的纤维灌注热固树胶层中至少有一层中的纤维完全由低系数纤维或高系数纤维构成，其余纤维灌注热固树胶层由低系数纤维和高系数纤维混合而成。

2.根据权利要求1所述的多种混合材料缠绕飞轮，其特征是：所述热固树胶为环氧基树脂。

3.根据权利要求1所述的多种混合材料缠绕飞轮，其特征是：所述高系数纤维为碳纤维材料，所述低系数纤维为玻璃纤维和钢丝。

4.根据权利要求1所述的多种混合材料缠绕飞轮，其特征是：所述纤维灌注热固树胶层设有5层，其由内至外的第一层(2)含有由90％的低系数纤维和10％的高系数纤维组成，第二层(3)由80％的低系数纤维和20％的高系数纤维组成，第三层(4)由40％的低系数纤维和60％的高系数纤维组成，第四层(5)和第五层(6)都由0％的低系数纤维和100％的高系数纤维组成。

5.根据权利要求4所述的多种混合材料缠绕飞轮，其特征是：所述飞轮的空洞(1)内径为D_G为12.5英寸，所述第一层(2)的直径为3.5英寸，第二层(3)的直径为15.5英寸，第三层(4)的直径为17.6英寸，第四层(5)的直径为19.3英寸，第五层(6)的直径为21.1英寸。

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