用于儲能的飛輪及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于動能存儲的飛輪，更具體地涉及使用復(fù)合材料的飛輪組件的構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知使用飛輪來存儲機械動能。存儲的能量的量取決于飛輪的質(zhì)量及其旋轉(zhuǎn)速度。飛輪的動能與其角速度的平方成正比。然而，可以存儲在指定飛輪中的能量的量取決于飛輪組件的堅固性以及其如何對高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力作出回應(yīng)。
[0003]優(yōu)選地是由具有低密度、高比強度的材料形成飛輪組件。這些材料還需要是極強有力的。為了例如在混合動力車輛或不間斷電源中使用，儲能飛輪組件需要以極高的速度(大于10，000轉(zhuǎn)/分或甚至超過50，000轉(zhuǎn)/分或100，000轉(zhuǎn)/分)進行操作。因此，對于能夠以這些量級的速度可靠操作的飛輪組件具有十分可觀的需求。
[0004]WO 2010/020806(由本申請人申請)披露了一種飛輪組件，其中轉(zhuǎn)子連接到一個復(fù)合端蓋上。該端蓋安裝在一個軸上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種用于將環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子聯(lián)接到一個軸上而繞此軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子支架，該支架包括一個具有縱向軸線的本體，該本體在制成的飛輪組件中繞著該縱向軸線旋轉(zhuǎn)，
[0006]其中，該本體包括一疊層含有纖維的復(fù)合材料的片材，
[0007]該疊層包括至少兩種單向片材，各片材的基本上所有的纖維在相同的方向上延伸，
[0008]一種單向片材的纖維以與本體的縱向軸線不同的角度朝向另一種單向片材的纖維，并且
[0009]該本體包含至少一個織造織物側(cè)面層，該側(cè)面層提供在該片材疊層的一側(cè)上。
[0010]這個側(cè)面層或各側(cè)面層可從該片材疊層的一個側(cè)面至少部分地延伸到該疊層的外圓周邊緣表面上以抵抗疊層的分層。
[0011]可以提供至少一個織造織物周邊層，該周邊層在該片材疊層的外圓周邊緣表面上延伸。其可被包含而用于犧牲的目的，并且在將支架機加工至所需尺寸時進行成形。該至少一個周邊層可與該至少一個側(cè)面層重疊。
[0012]該織造織物和/或這些片材可以包括碳纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、玄武巖纖維和氮化硼纖維中的至少一種。
[0013]本發(fā)明的轉(zhuǎn)子支架構(gòu)型提供了剛性結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，其剛性足以確保其振動的共振頻率大于其操作過程中所遇到的旋轉(zhuǎn)頻率。還有，在車輛中使用的飛輪需要承受與車輛的運動相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)力和其他力。
[0014]優(yōu)選地，一種單向片材的纖維與另一種單向片材的纖維之間的角度是大約45°。以此方式使多個片材相對于彼此而定向，可使該支架繞其軸線的物理性質(zhì)得到均衡。已經(jīng)確定在制造中可相對簡單地實現(xiàn)大約45°的角度，而在其本體的平面中對該轉(zhuǎn)子支架給予充分的準各向同性的性質(zhì)(即在纖維平面中所有方向上的足夠均勻的性質(zhì))。需要這種均勻性來使該支架在高速旋轉(zhuǎn)時圍繞其圓周具有均勻的偏轉(zhuǎn)。其可以其他安排來實現(xiàn)，但是這些安排可能組裝要復(fù)雜得多。
[0015]各片材的纖維可以與該本體的縱向軸線不同的角度朝向鄰近片材的纖維。
[0016]在優(yōu)選實施例中，疊層中的所有片材都是碳纖維單向片材。可以用合適的基質(zhì)材料對其進行預(yù)浸。這種支架構(gòu)型使用了單向復(fù)合片材，因為其比織造纖維材料更強有力。
[0017]該支架在兩個相鄰片材之間可包括一個復(fù)合材料中間層。例如，該中間層可包括基質(zhì)材料中的非對齊長度的纖維。這可通過減少所需片材的數(shù)目并替代使用更低成本的復(fù)合填充材料來使支架成本進一步降低。
[0018]該支架的本體可限定一個大體上是截頭圓錐形的向內(nèi)朝向的表面，該表面與該本體的縱向軸線是同軸的。優(yōu)選地，該向內(nèi)朝向的表面限定了相對于與支架的縱向軸線垂直的平面的一個角度，該角度的范圍是17°至26°。
[0019]本發(fā)明還提供了一種包含在此限定的支架的飛輪組件。在該支架上可安裝一個轉(zhuǎn)子，該支架的截頭圓錐形的向內(nèi)朝向的表面限定了相對于該本體的縱向軸線的一個角度，該角度被選擇以便該支架與該轉(zhuǎn)子張力匹配。以此方式，該轉(zhuǎn)子和支架被安排成當該組件旋轉(zhuǎn)時以相同的方式變形，從而避免了這兩個部件的分離。
[0020]本發(fā)明還提供了一種用于制造轉(zhuǎn)子支架的方法，該轉(zhuǎn)子支架用于將環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子聯(lián)接到一個軸上而繞此軸旋轉(zhuǎn)，該支架包括一個具有縱向軸線的本體，該本體在制成的飛輪組件中繞著該縱向軸線旋轉(zhuǎn)，該方法包括以下步驟:
[0021]形成一疊層包含纖維的復(fù)合材料片材，該疊層包括至少兩種單向片材，各片材的基本上所有的纖維在相同的方向上延伸，
[0022]將這些片材疊放，使得一種單向片材的纖維以與本體的縱向軸線不同的角度朝向另一種單向片材的纖維，并且
[0023]將至少一個織造織物側(cè)面層敷于該片材疊層的一側(cè)上。
[0024]該方法可包括將該轉(zhuǎn)子支架安裝在一個軸上，并且將該支架的外圓周表面機加工成預(yù)定的外形同時使該軸旋轉(zhuǎn)。
【附圖說明】
[0025]現(xiàn)在參考示意性附圖通過舉例方式來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中:
[0026]圖1是包括實施本發(fā)明的轉(zhuǎn)子支架的飛輪組件的截面?zhèn)纫晥D；
[0027]圖2是圖1所示的轉(zhuǎn)子支架的平面視圖；
[0028]圖3是在圖2中沿著線A-C示出的轉(zhuǎn)子支架的截面?zhèn)纫晥D；
[0029]圖4展示了用于制備實施本發(fā)明的轉(zhuǎn)子支架的一組碳纖維片材；
[0030]圖5是在圖2中沿著線A-B示出的轉(zhuǎn)子支架的截面視圖；并且
[0031]圖6是圖1的飛輪組件的一部分的截面視圖，增加了優(yōu)選強度值。
【具體實施方式】
[0032]圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包含轉(zhuǎn)子支架74的飛輪組件70。該組件包括一個轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件具有環(huán)形外轉(zhuǎn)子部分26和內(nèi)環(huán)形轉(zhuǎn)子部分或內(nèi)環(huán)形件66。夕卜轉(zhuǎn)子26是由一種復(fù)合材料形成，該復(fù)合材料包括樹脂材料基質(zhì)中的碳纖維單向長絲。內(nèi)環(huán)形件66是由在樹脂和磁性粒子混合物形成的基質(zhì)中的玻璃纖維單向長絲形成的。
[0033]該轉(zhuǎn)子組件是由輪轂或端蓋形式的轉(zhuǎn)子支架74所載。該端蓋是一個層狀體，該層狀體限定了兩個通常為圓錐形的表面，這兩個圓錐形的表面是通過其內(nèi)緣和外緣上的圓柱形表面而接合的。在端蓋與轉(zhuǎn)子組件之間提供一個環(huán)84。該轉(zhuǎn)子支架的外部圓周載有環(huán)84，并且該外轉(zhuǎn)子隨即安裝在該環(huán)上。該轉(zhuǎn)子支架具有一個中央圓形開口 68。
[0034]中央軸76延伸穿過轉(zhuǎn)子支架74中的開口68。該軸包括一個周向延伸的凸緣88。通過螺紋擰接在軸76上的夾緊螺母86，使轉(zhuǎn)子支架被保持在凸緣88上。在螺母86與端蓋74之間提供了一個抗微振磨損墊片64。對該軸進行支撐，以通過軸承90和92而繞該飛輪組件的縱向軸線81旋轉(zhuǎn)。這些軸承隨即由飛輪組件的堵件(未示出)所支撐。該轉(zhuǎn)子組件可繞由該堵件所載的電動發(fā)電機定子94旋轉(zhuǎn)。
[0035]用于在車輛中儲能的飛輪可具有大約350mm的外直徑，例如，該外轉(zhuǎn)子的內(nèi)直徑是大約290mm，并且該內(nèi)環(huán)形件的內(nèi)直徑是大約250mm。
[0036]以下將參照圖2至圖5對圖1所示的轉(zhuǎn)子支架的制備進行描述。
[0037]圖2示出了轉(zhuǎn)子支架74的平面視圖，同時在圖3中示出了在圖2中沿著線A-C標記的截面?zhèn)纫晥D。該轉(zhuǎn)子支架是繞縱向軸線28旋轉(zhuǎn)對稱的。該轉(zhuǎn)子支架是截頭圓錐形的，其圓錐形狀的軸線與縱向軸線28—致。該支架的本體具有基本上不變的截面厚度。其外周限定了基本上是圓柱形的表面127，該表面還在軸線28上定中心。在中央開口 68與周邊127之間，該本體限定了一個向外朝向的截頭圓錐形的表面30和一個向內(nèi)朝向的截頭圓錐形的表面32。
[0038]該本體具有多層碳纖維材料。如在圖4中所展示的，各C形層是由單向碳纖維材料片材切割而成的。圖4中示出了在結(jié)合到圖5展示的制成的轉(zhuǎn)子支架中之前的若干片材101至105。實際上，例如可包括50層。這些層是C形的，以便它們在端蓋制備過程中放入模具中時形成所需的圓錐形。
[0039]如圖4所示，各片材是以相對于該支架的中央軸線28不同的角度而定向的。在所示的示例中，各層相對于前一層旋轉(zhuǎn)45°。選定在轉(zhuǎn)子支架中結(jié)合的層數(shù)，以提供所需的軸向剛度和強度。
[0040]圓錐形本體74限定了相對于與其縱向軸線28垂直的平面的一個角度36。這個角度的范圍可以是例如17°至26°，更優(yōu)選地是大約20°的角度。選定這個角度，以便該支架與要安裝在其上的轉(zhuǎn)子張力配合，以確保該轉(zhuǎn)子組件在其高速旋轉(zhuǎn)過程中的完整性。
[0041]該轉(zhuǎn)子支架的本體中的頂部和底