專利名稱：高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空設(shè)計(jì)及精密制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及儲(chǔ)能飛輪輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制作方法。
背景技術(shù)：
利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)能是一種很古老的儲(chǔ)能思想。飛輪作為一種簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置，已經(jīng)被人們利用了幾千年，但受轉(zhuǎn)速、材料強(qiáng)度等限制，一般應(yīng)用都是以勻速為目的，其存儲(chǔ)的能量少、存儲(chǔ)時(shí)間短。因此，二十世紀(jì)前幾十年一直沒有大的技術(shù)突破和實(shí)用化。
進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，由于在高強(qiáng)度復(fù)合材料、電力電子新技術(shù)、低損耗軸承三個(gè)方面取得了突破，給飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展帶來了新的活力和契機(jī)。飛輪儲(chǔ)能在航空航天、電動(dòng)汽車、電力調(diào)峰等方面開拓了廣闊的應(yīng)用前景。輪轂是電機(jī)轉(zhuǎn)子和復(fù)合材料飛輪的連接部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到飛輪的極限轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能密度。國(guó)外的儲(chǔ)能飛輪輪轂大多設(shè)計(jì)成中間軸四輻條結(jié)構(gòu)，如加拿大Energy system公司的飛輪輪轂。結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括輪轂外環(huán)1、輻條2，材料一般采用的是鋁合金。這種結(jié)構(gòu)的輪轂由于輪轂輻條1根部厚，輻條2之間倒角的曲率半徑是輪轂外環(huán)1/2-2/3。當(dāng)輪轂外環(huán)2已經(jīng)達(dá)到材料強(qiáng)度使用極限時(shí)，輪轂輻條1的應(yīng)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的輪轂材料使用效能不夠充分，降低了整個(gè)飛輪的儲(chǔ)能密度。這種結(jié)構(gòu)的輪轂中間沒有輸出軸，在和外部電機(jī)連接時(shí)易出現(xiàn)較大的安裝誤差，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)工作時(shí)會(huì)因?yàn)檩嗇灪瓦B接軸的膨脹率的不同而導(dǎo)致輪轂和連接軸脫離，出現(xiàn)事故。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的輪轂僅能與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)相連接，無法和外轉(zhuǎn)子電機(jī)連接，限制了它的使用范圍。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容針對(duì)儲(chǔ)能飛輪輪轂要求有高的材料使用效能與高的儲(chǔ)能密度，同時(shí)解決與外轉(zhuǎn)子電機(jī)的連接問題，本發(fā)明的目的將要設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)的飛輪輪轂一種用于與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)連接；另一種用于與外轉(zhuǎn)子電機(jī)連接，同時(shí)給出輪轂的制作方法。
本發(fā)明的第一種輪轂結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，包括輪轂外環(huán)、輻條、輸出軸、輪轂內(nèi)環(huán)，區(qū)別的其特征在于在輪轂外環(huán)與輪轂內(nèi)環(huán)之間有四根或四根以上的輻條，在輻條本體的中心位置制備有輸出軸，輻條之間倒角的曲率半徑是輪轂外環(huán)的1/10-1/20。輪轂外環(huán)、輻條、輸出軸、輪轂內(nèi)環(huán)采用高強(qiáng)度鈦合金材料。
本發(fā)明的第一種輪轂結(jié)構(gòu)工作時(shí)其輸出軸與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)軸固定連接，將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給輪轂及飛輪，本發(fā)明的第二種輪轂結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，包括輪轂外環(huán)、輻條、導(dǎo)磁環(huán)、輪轂內(nèi)環(huán)，區(qū)別的其特征在于在輪轂外環(huán)與輪轂內(nèi)環(huán)之間有四根或四根以上的輻條，輻條之間倒角的曲率半徑是導(dǎo)磁環(huán)的1/5-1/10，導(dǎo)磁環(huán)與輪轂內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)面固定連接。輪轂外環(huán)、輻條、輪轂內(nèi)環(huán)采用高強(qiáng)度鈦合金材料，導(dǎo)磁環(huán)采用純鐵材料。
本發(fā)明的第二種輪轂結(jié)構(gòu)工作時(shí)將外轉(zhuǎn)子電機(jī)磁極按電機(jī)設(shè)計(jì)要求粘接在導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)側(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的制作方法包括以下步驟(a)選用高強(qiáng)度鈦合金材料做輪轂坯體；(b)粗車輪轂坯體；(c)將粗車后的輪轂坯體在離子氮化爐中時(shí)效24小時(shí)；(d)在輪轂坯體上銑出中間的輻條；(e)將銑出輻條的輪轂坯體在離子氮化爐中時(shí)效48小時(shí)；(f)精車輪轂坯體制成如圖2與圖4所示的輪轂結(jié)構(gòu)；(g)用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清洗，則完成輪轂結(jié)構(gòu)的制作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于本發(fā)明提供了兩種結(jié)構(gòu)的飛輪輪轂一種用于與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)連接；輻條接近輸出軸的根部與圖1所示的輪轂相比更薄，背景技術(shù)中輻條之間倒角的曲率半徑是輪轂外環(huán)1/2-2/3，而本發(fā)明輻條之間倒角的曲率半徑是輪轂外環(huán)1/10-1/20，使材料的使用效能在整個(gè)輪轂中都達(dá)到最大，充分利用了材料的使用效能，從而提高了儲(chǔ)能密度。
本發(fā)明的另一種用于與外轉(zhuǎn)子電機(jī)連接，本發(fā)明的第二種輪轂將外轉(zhuǎn)子電機(jī)磁極按電機(jī)導(dǎo)磁環(huán)粘接在一起，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子和輪轂已經(jīng)集成為一體，這樣使飛輪結(jié)構(gòu)更加緊湊、儲(chǔ)能密度更高。
這兩種結(jié)構(gòu)的飛輪輪轂都具有結(jié)構(gòu)緊湊、材料使用效能高及儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的制作方法采用了兩次離子氮化爐時(shí)效的處理方法，使輪轂加工時(shí)的內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，從而使輪轂具有高的形位公差。用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂表面清洗，可增強(qiáng)輪轂和復(fù)合材料環(huán)的連接強(qiáng)度。


圖1是加拿大Energy system公司的飛輪輪轂實(shí)物圖；圖2是本發(fā)明第一種輪轂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明第一種輪轂的剖視圖；圖4是本發(fā)明第二種輪轂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明第二種輪轂的剖視具體實(shí)施例方式本發(fā)明的第一種輪轂結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，包括輪轂外環(huán)1、輻條2、輸出軸3、輪轂內(nèi)環(huán)4，輪轂外環(huán)1、輻條2、輸出軸3、輪轂內(nèi)環(huán)4采用高強(qiáng)度鈦合金材料。
本發(fā)明的第二種輪轂結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，包括輪轂外環(huán)1、輻條2、導(dǎo)磁環(huán)3、輪轂內(nèi)環(huán)4，輪轂外環(huán)1、輻條2、輪轂內(nèi)環(huán)4采用高強(qiáng)度鈦合金材料，導(dǎo)磁環(huán)3采用純鐵材料。
用精密機(jī)械加工的方法制作出如圖4所示為導(dǎo)磁環(huán)3形狀，導(dǎo)磁環(huán)3采用過盈方式與輪轂連接成如圖4所示的結(jié)構(gòu)，或采用膠接。
利用本發(fā)明的制作輪轂的方法包括以下七個(gè)步驟(a)選用高強(qiáng)度鈦合金材料做輪轂坯體；(b)用普通車床粗車輪轂坯體；(c)將粗車后的輪轂坯體放在離子氮化爐中時(shí)效24小時(shí)；(d)用數(shù)控銑床在輪轂坯體上同時(shí)銑出所需的輻條數(shù)目；(e)將銑出輻條的輪轂坯體在離子氮化爐中時(shí)效48小時(shí)；(f)用超精車床精車出如圖2與圖4所示的輪轂結(jié)構(gòu)；(g)用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)表面清洗，則完成輪轂結(jié)構(gòu)的制作。
權(quán)利要求
1.高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)，包括輪轂外環(huán)(1)、輻條(2)、輪轂內(nèi)環(huán)(4)，其特征在于還包括輸出軸(3)，在輪轂外環(huán)(1)與輪轂內(nèi)環(huán)(4)之間有四根或四根以上的輻條(2)，在輻條(2)本體的中心位置制備有輸出軸(3)，輻條(2)之間倒角的曲率半徑是輪轂外環(huán)(1)的1/10-1/20。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)，其特征在于輪轂外環(huán)(1)、輻條(2)、輸出軸(3)、輪轂內(nèi)環(huán)(4)采用高強(qiáng)度鈦合金材料。
3.高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)，包括輪轂外環(huán)(1)、輻條(2)、輪轂內(nèi)環(huán)(4)，其特征在于還包括導(dǎo)磁環(huán)(3)，在輪轂外環(huán)(1)與輪轂內(nèi)環(huán)(4)之間有四根或四根以上的輻條(2)，輻條(2)之間倒角的曲率半徑是導(dǎo)磁環(huán)(3)的1/5-1/10，導(dǎo)磁環(huán)(3)與輪轂內(nèi)環(huán)(4)內(nèi)環(huán)面固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)，其特征在于輪轂外環(huán)(1)、輻條(2)、輪轂內(nèi)環(huán)(4)采用高強(qiáng)度鈦合金材料，導(dǎo)磁環(huán)(3)采用純鐵材料。
5.高儲(chǔ)能密度飛輪輪轂結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于包括以下步驟(a)選用高強(qiáng)度鈦合金材料做輪轂坯體；(b)粗車輪轂坯體；(c)將粗車后的輪轂坯體在離子氮化爐中時(shí)效24小時(shí)；(d)在輪轂坯體上銑出中間的輻條；(e)將銑出輻條的輪轂坯體在離子氮化爐中時(shí)效48小時(shí)；(f)精車輪轂坯體制成輪轂結(jié)構(gòu)；(g)用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清洗，則完成輪轂結(jié)構(gòu)的制作。
全文摘要
本發(fā)明屬于航空設(shè)計(jì)及精密制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及儲(chǔ)能飛輪輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制作方法。結(jié)構(gòu)一包括輪轂外環(huán)1、輻條2、輪轂內(nèi)環(huán)4。結(jié)構(gòu)二包括輪轂外環(huán)1、輻條2、導(dǎo)磁環(huán)3、輪轂內(nèi)環(huán)4。制作方法選用高強(qiáng)度鈦合金材料做輪轂坯體并粗車、在離子氮化爐中時(shí)效24小時(shí)后，在輪轂坯體上銑出輻條并放在離子氮化爐中時(shí)效48小時(shí)、精車制成輪轂結(jié)構(gòu)；用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清洗，則完成輪轂結(jié)構(gòu)的制作。本發(fā)明的輪轂都具有結(jié)構(gòu)緊湊、材料使用效能高及儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)。制作時(shí)采用了兩次離子氮化爐時(shí)效的處理方法，使輪轂加工時(shí)的內(nèi)應(yīng)力充分釋放，從而使輪轂具有高的形位公差。用濃度為5％的氫氟酸溶液對(duì)輪轂表面清洗，可增強(qiáng)輪轂和復(fù)合材料環(huán)的連接強(qiáng)度。
文檔編號(hào)H02K7/00GK1592044SQ20041001085
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者吳一輝, 白越 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所