专利名称：一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂的制作方法
技术领域：
一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂技术领域[0001]本实用新型涉及一种飞轮储能部件，尤其涉及一种用于飞轮储能系统的高强度、 低成本的飞轮转子金属轮毂。
背景技术：
[0002]飞轮转子是飞轮储能系统中最重要的环节，选用高抗拉强度的飞轮材料是飞轮电池能够储存较多能量的先决条件。为了提高飞轮储能能力，普遍采用提高转速的方法达到高储能的要求。随着转速的提高，转子承受的离心力逐渐增大，当转子径向拉伸力超过轮毂的强度时，导致转子轮毂破坏。这种局限性限制了储能飞轮的储能密度和储能能量的提高， 严重时会导致灾难性的恶性事故。目前，国内外研制的转子的主流技术是以高强度金属材料为轮毂，采用复合材料纤维缠绕成型技术制备复合材料环套，将金属轮毂和复合材料环套过盈配合组装成飞轮转子。但是，金属轮毂的极限强度有限，使得复合材料层尺寸很大， 生产成本十分昂贵。实用新型内容[0003]本实用新型克服上述现有技术的不足，目的在于提供一种抗拉强度高、成本低、使用安全性能的高性能的飞轮转子轮毂。采用钢丝预应力缠绕结构，巧妙避免了轮毂与复合材料层之间松脱和轮毂强度不够的问题。该转子轮毂为圆盘状或圆柱状，包括金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层。[0004]本实用新型的方案是转子轮毂包括金属轮毂基体(I)和钢丝预应力缠绕层(2)； 所述金属轮毂基体(I)为圆盘状或圆柱状，所述金属轮毂基体(I)和钢丝预应力缠绕层(2) 由内向外预应力缠绕紧固，最内层为金属轮毂基体(1)，外层为钢丝预应力缠绕层(2)。[0005]所述金属轮毂基体(I)为不锈钢、钛合金或高强铝合金制成，所述钢丝预应力缠绕层(2)所用钢 丝为低合金钢、碳钢或不锈钢钢丝。[0006]所述的钢丝横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形,直径为Imm 6mm,强度 2500 3000MPa。[0007]所述钢丝预应力缠绕层(2)的缠绕相对于金属轮毂基体(I)的母线以小于90度的预定角度缠绕在所述金属轮毂基体(I)上，钢丝的导程等于或者小于所述螺旋线的螺距； 钢丝预应力缠绕层(2)为并行结构。[0008]所述的钢丝预应力缠绕层(2)的钢丝张力预定额定值的张力的10-80%，有效预应力钢丝缠绕层的第一圈和最后一圈的钢丝预应力张力为所述预订额定值的10 20% ;通过张力单调递减的变张力缠绕工艺避免内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象。[0009]所述钢丝预应力缠绕层形成在所述金属轮毂的外表面，金属轮毂基体与钢丝缠绕层采用预应力缠绕而实现紧密连接。其中，所述金属轮毂基体为高强度钢、钛合金或高强铝合金，金属轮毂基体为圆盘状或圆柱状。其中，所用钢丝由低合金钢或碳钢制成，直径为 Φ Imm 6mm，强度为3000MPa。采用相对于轮毂的母线以小于90度的预定角度缠绕在所述轮毂上。预应力缠绕后，金属轮毂的抗拉强度可高达2800MPa。其中，所述钢丝缠绕层通过在上述有效预应力钢丝缠绕层的外表面缠绕钢丝而形成，且所述保护钢丝缠绕层的钢丝张力预定额定值的张力的10-80%。其中，所述钢丝预应力缠绕层为并行结构，钢丝预应力缠绕层钢丝的导程等于、大于或小于所述螺旋线的螺距。[0010]本实用新型的有益效果在于以金属基体轮毂和超高强度的钢丝为原料，结合钢丝缠绕预应力技术制备高强度飞轮转子金属轮毂。通过在金属轮毂基体上预应力缠绕高强度钢丝层，可使飞轮转子轮毂所承受的极限强度提高到2800MPa。此种结构可以改变飞轮转子轮毂的应力状态，大大改善轮毂的使用性能，减小整个飞轮系统失效破坏的几率，实现飞轮转子的可靠性使用。同时，该实用新型可有效增加转子的内外半径比，提高飞轮的储能密度，减少材料的使用量，显著降低转子制造成本。
[0011]下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中[0012]图1为本实用新型所述飞轮转子的结构示意图，[0013]其中，1-金属轮毂基体，2-钢丝预应力缠绕层；[0014]图2为本实用新型所述飞轮转子的俯视图。
具体实施方式
[0015]
以下结合附图对本实用新型的飞轮转子作进一步详细的说明。[0016]实例I [0017]如图1、2所示，本例所述的飞轮转子是由金属基体轮毂I及钢丝预应力缠绕层2 构成的圆盘状，其中心处为用于与飞轮连接的轴承孔3。在使用时，只需将按照上述结构制成的转子通过轴承孔3安装在飞轮的轴承上即可。[0018]所述金属基体轮毂I可选用现有技术的超高强度钢、钛合金或高强铝合金，利用缠绕机将高强度钢丝正应力缠绕在金属轮毂基体上。在缠绕过程中，为避免由于外层钢丝的缠绕张力使金属轮毂基体产生压缩变形，从而引起内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象，采用张力单调递减的变张力缠绕工艺，保证每根钢丝同等强度工作，以期充分发挥钢丝的强度潜力。[0019]所述钢丝预应力缠绕层2可采用现有技术的钢丝缠绕预应力技术，金属轮毂安放于转盘上，固定在地面上的张力发生与控制装置输出钢丝，钢丝随部件的旋转而逐圈、逐层地缠绕在部件外表面。所述钢丝预应力缠绕不仅限于Φ Imm 6mm钢丝,还可包括Φ0. 5、 Φ0. 7等型号的超高强度钢丝。钢丝的横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形。在钢丝缠绕套环的最外层光滑平面由环氧树脂160 220度高温固化制得，所制得的钢丝预应力缠绕层的抗拉强度可高达1000-2800MPa。[0020]本实用新型涉及一种钢丝缠绕飞轮转子轮毂。包括高强度金属轮毂基体和钢丝缠绕套环。以超高强度的钢丝为原料，结合钢丝缠绕预应力技术制备高强度飞轮转子金属轮毂。此种结构轮毂可以改变飞轮转子轮毂的应力状态，大大提高金属轮毂的使用强度，改善轮毂的使用性能，减小整个飞轮系统失效破坏的几率，实现飞轮转子的可靠性使用。该实用新型可有效增加转子的内外半径比，提高飞轮的储能密度，同时显著降低转子制造成本。
权利要求1.一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，其特征在于转子轮毂包括金属轮毂基体(I)和钢丝预应力缠绕层(2);所述金属轮毂基体(I)为圆盘状或圆柱状，所述金属轮毂基体(I)和钢丝预应力缠绕层(2)由内向外预应力缠绕紧固，最内层为金属轮毂基体(1)，外层为钢丝预应力缠绕层(2)。
2.如权利要求1所述的一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，其特征在于所述金属轮毂基体(I)为不锈钢、钛合金或高强铝合金制成，所述钢丝预应力缠绕层(2)所用钢丝为低合金钢、碳钢或不锈钢钢丝。
3.如权利要求2所述的一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，其特征在于所述的钢丝横截面为带圆角的矩形、正方形、梯形或圆形，直径为lmnT6mm，强度250(T3000MPa。
4.如权利要求1所述的一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，其特征在于所述钢丝预应力缠绕层(2)的缠绕相对于金属轮毂基体(I)的母线以小于90度的预定角度缠绕在所述金属轮毂基体(I)上，钢丝的导程等于或者小于所述螺旋线的螺距；钢丝预应力缠绕层(2)为并行结构。
5.如权利要求1所述的一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，其特征在于所述的钢丝预应力缠绕层(2)的钢丝张力预定额定值的张力的10-80%，有效预应力钢丝缠绕层的第一圈和最后一圈的钢丝预应力张力为所述预订额定值的1(Γ20% ;通过张力单调递减的变张力缠绕工艺避免内层钢丝张力减小及钢丝缠绕层松弛现象。
专利摘要一种钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂，属于一种飞轮储能部件。主要解决轮毂与复合材料层之间松脱和轮毂强度不够的问题。转子轮毂包括金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层；所述金属轮毂基体为圆盘状或圆柱状，所述金属轮毂基体和钢丝预应力缠绕层由内向外预应力缠绕紧固，最内层为金属轮毂基体，外层为钢丝预应力缠绕层。通过钢丝预应力缠绕层为并行结构，以解决轮毂与复合材料层之间松脱和轮毂强度不够的问题。钢丝预应力缠绕飞轮转子轮毂具有抗拉强度高、成本低、使用安全性能的高性能的飞轮转子轮毂。
文档编号F16F15/30GK202851812SQ20122030117
公开日2013年4月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者郭志猛, 高学绪, 杨芳, 盛艳伟, 郝俊杰, 罗骥 申请人:北京科技大学