本发明涉及一种飞轮转子，特别涉及一种具有高储能的飞轮转子。
背景技术：
飞轮储能是可以将电能、风能、太阳能等能源转化成飞轮的旋转动能加以储存的一种新型高效的机械储能技术。飞轮储能以其体积小、比功率大、充放电速度快、寿命长、无废弃废料污染等特点，引起了各国广泛的关注。近十余年来，随着新型高强度纤维复合材料、电磁悬浮轴承和电力电子技术等一系列关键技术的突破，复合材料飞轮储能系统的优越性逐渐显示出来，与钢制飞轮相比，它具有储能密度高、质量轻、寿命长等方面的优势，使其在电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断供电备用电源等诸多领域有着广泛的应用。
飞轮的质量和占有体积随飞轮储能容量的增加而增大。提高飞轮的线速度，可使飞轮减轻，占地减小，选择比强度高的材料并且采用优化的结构设计，可使飞轮达到较高的轮缘线速度，从而增大飞轮储能密度。由于纤维增强复合材料的比强度较高，可以达到较高的储能密度，是目前国内外制作飞轮的首选材料。复合材料具有可设计性，但缠绕加工工艺比较复杂，不易制作形状复杂的飞轮，因此复合材料飞轮大多采用圆环形状，并通过过盈装配产生的径向压缩应力抵消旋转过程中的拉伸应力，从而能够避免复合材料轮缘由于较弱的径向强度导致的高速旋转过程中的径向失效。
中国专利cn104505976a公开了一种分层固化储能飞轮及其制造方法，是通过碳纤维环向缠绕工艺制备的碳纤维增强树脂复合材料圆环。首先，其金属轮毂部分采用了辐射状的连接板，而且通过焊接方式和内外筒连接，这样一来会提高转子高速旋转过程中的风阻损耗，二来其焊接处的强度会弱化，而且多个焊接点会影响转子的动平衡性能。再则，其分层固化的每层厚度为20mm~40mm，较厚的的分层固化厚度容易造成内层碳纤维的预紧力随着缠绕过程慢慢减小的现象，这将大大降低飞轮转子能承受的最大转速，从而导致储能密度难以提高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种飞轮转子，有利于提高储能密度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：提供一种飞轮转子，包括：金属轮毂，两个金属动平衡测试调节件，第一碳纤维复合材料轮缘，第二碳纤维复合材料轮缘以及第三碳纤维复合材料轮缘；其中，该第一碳纤维复合材料轮缘套在该金属轮毂和该两个金属动平衡测试调节件的外周，该金属轮毂位于中央，该两个金属动平衡测试调节件分别位于两端，该第二碳纤维复合材料轮缘套设在该第一碳纤维复合材料轮缘的外周，该第三碳纤维复合材料轮缘套设在第二碳纤维复合材料轮缘的外周。
在一些实施例中，该金属轮毂具有圆盘状的主体、由该主体的中央向上下两侧延伸出的轴部以及由该主体的边缘向上下两侧延伸出的轮缘；其中，该轴部在上下两个方向上均形成有圆柱凹槽。
在一些实施例中，该金属动平衡测试调节件具有圆环状的基部和由该基部的内侧向内凸伸出的一环凸缘。
在一些实施例中，该第一碳纤维复合材料轮缘呈空心圆柱状，由日本东丽t300碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成，具体有：每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后加热固化。
在一些实施例中，该第二碳纤维复合材料轮缘呈空心圆柱状，由日本东丽t800hb碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成，具体有：每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后加热固化。
在一些实施例中，该第三碳纤维复合材料轮缘呈空心圆柱状，由日本东丽m40jb碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成，具体有：每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后加热固化。
在一些实施例中，装配之前先在该第二碳纤维复合材料轮缘的外表面涂覆环氧树脂，先用压机压装该第三碳纤维复合材料轮缘；然后在该第一碳纤维复合材料轮缘的外表面涂覆环氧树脂，将该第二碳纤维复合材料轮缘和该第三碳纤维复合材料轮缘的组合体压装在该第一碳纤维复合材料轮缘外面。
在一些实施例中，该第一碳纤维复合材料轮缘和该第二碳纤维复合材料轮缘的外表面加工成0.7°锥度，而该第二碳纤维复合材料轮缘和该第三碳纤维复合材料轮缘的内表面通过模具保证0.7°的锥度。
在一些实施例中，该第一碳纤维复合材料轮缘通过单边0.06mm的过盈量和该金属轮毂装配，该第一碳纤维复合材料轮缘和该第二碳纤维复合材料轮缘之间采用单边0.32mm的过盈量进行过盈配合，该第二碳纤维复合材料轮缘和该第三碳纤维复合材料轮缘之间采用单边0.4mm的过盈量进行过盈配合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还包括：提供一种飞轮储能装置，其包括如上所述的飞轮转子。
与现有技术相比，本发明的飞轮转子，通过金属轮毂，两个金属动平衡测试调节件，第一碳纤维复合材料轮缘，第二碳纤维复合材料轮缘以及第三碳纤维复合材料轮缘的巧妙配合，有利于提高储能及储能密度。
附图说明
图1为本发明的飞轮转子的剖视结构示意。
图2为本发明的飞轮转子的分解立体结构示意。
图3为本发明的飞轮转子中金属轮毂的立体结构示意。
图4为本发明的飞轮转子中金属动平衡测试调节件的立体结构示意。
图5为本发明的飞轮转子中第一碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。
图6为本发明的飞轮转子中第二碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。
图7为本发明的飞轮转子中第三碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。
其中，主要附图标记说明如下：10、飞轮转子，1、金属轮毂，11、主体12、轴部，121圆柱凹槽，13、轮缘，2、金属动平衡测试调节件，21、基部，22、凸缘，3、第一碳纤维复合材料轮缘，4、第二碳纤维复合材料轮缘，5、第三碳纤维复合材料轮缘。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
参见图1至图7，图1为本发明的飞轮转子的剖视结构示意。图2为本发明的飞轮转子的分解立体结构示意。图3为本发明的飞轮转子中金属轮毂的立体结构示意。图4为本发明的飞轮转子中金属动平衡测试调节件的立体结构示意。图5为本发明的飞轮转子中第一碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。图6为本发明的飞轮转子中第二碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。图7为本发明的飞轮转子中第三碳纤维复合材料轮缘的立体结构示意。本发明提出一种飞轮转子10，其包括：金属轮毂1，两个金属动平衡测试调节件2，第一碳纤维复合材料轮缘3，第二碳纤维复合材料轮缘4以及第三碳纤维复合材料轮缘5。将本发明的飞轮转子10应用于飞轮储能装置，有利于提高储能密度。
第一碳纤维复合材料轮缘3套设在金属轮毂1和两个金属动平衡测试调节件2的外周。金属轮毂1位于中央，两个金属动平衡测试调节件2分别位于两端。金属轮毂1为对称结构，两个金属动平衡测试调节件2沿金属轮毂1的中轴线，相对金属轮毂1对称分布。第二碳纤维复合材料轮缘4套设在第一碳纤维复合材料轮缘3的外周，第三碳纤维复合材料轮缘5套设在第二碳纤维复合材料轮缘4的外周。
结合参见图1、图2和图3，金属轮毂1具有圆盘状的主体11、由主体11的中央向上下两侧延伸出的轴部12以及由主体11的边缘向上下两侧延伸出的轮缘13。其中，轴部12在上下两个方向上均形成有圆柱凹槽121。举例而言，金属轮毂1的外径为230mm，采用钢铁研究总院开发的屈服强度达2255mpa的超高强度钢cm-1或高强度钛合金tb2。轮毂13边缘较薄的厚度，能够降低其在高速旋转过程中内部的应力，而轴部12上下两端的圆柱凹槽121能够在保证对外部应力影响较小的情况下减轻飞轮整体重量，提高飞轮储能密度。
参见图4，金属动平衡测试调节件2具有圆环状的基部21和由基部21的内侧向内凸伸出的一环凸缘22。
参见图5，第一碳纤维复合材料轮缘3呈空心圆柱状，由日本东丽t300碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成。具体的分层固化缠绕成型技术指标有：缠绕张力恒定为50n，每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后置于高温炉中加热固化。举例而言，第一碳纤维复合材料轮缘3的内径230mm，通过单边0.06mm的过盈量和金属轮毂1装配，其最大外径为300.64mm。
参见图6，第二碳纤维复合材料轮缘4呈空心圆柱状，由日本东丽t800hb碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成。具体的分层固化缠绕成型技术指标有：缠绕张力恒定为50n，每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后置于高温炉中加热固化。举例而言，第二碳纤维复合材料轮缘4的最大内径和最大外径分别为300mm和328.8mm。
参见图7，第三碳纤维复合材料轮缘5呈空心圆柱状，由日本东丽m40jb碳纤维通过浸渍环氧树脂、缠绕、分层固化制备而成。具体的分层固化缠绕成型技术指标有：缠绕张力恒定为50n，每缠绕3mm~5mm厚度轮缘后置于高温炉中加热固化。举例而言，第三碳纤维复合材料轮缘5的最大内径和最大外径分别为328mm和450mm。
值得一提的是，第一碳纤维复合材料轮缘3和第二碳纤维复合材料轮缘4之间采用单边0.32mm的过盈量进行过盈配合，第二碳纤维复合材料轮缘4和第三碳纤维复合材料轮缘5之间采用单边0.4mm的过盈量进行过盈配合。为了便于装配，第一碳纤维复合材料轮缘3和第二碳纤维复合材料轮缘4的外表面加工成0.7°锥度，而第二碳纤维复合材料轮缘4和第三碳纤维复合材料轮缘5的内表面通过模具保证0.7°的锥度。
第一碳纤维复合材料轮缘3、第二碳纤维复合材料轮缘4和第三碳纤维复合材料轮缘5的装配过程分为两次压装：装配之前先在第二碳纤维复合材料轮缘4的外表面涂覆环氧树脂，先用压机压装第三碳纤维复合材料轮缘5；然后在第一碳纤维复合材料轮缘3的外表面涂覆环氧树脂，将第二碳纤维复合材料轮缘4和第三碳纤维复合材料轮缘5的组合体压装在第一碳纤维复合材料轮缘3外面。
与现有技术相比，本发明的飞轮转子10的有益之处至少包括：
1、本发明的飞轮转子10能承受50000rpm的高转速，且在该转速下的总储能达12kwh、储能密度约为115wh/kg。
2、现有技术的金属轮毂采用了辐射状的连接板，而且通过焊接方式和内外筒连接，这样一来会提高转子高速旋转过程中的风阻损耗，二来其焊接处的强度会弱化，而且多个焊接点会影响转子的动平衡性能，本发明的金属轮毂1采用一体式设计，完全避免了这些缺点。
3、本发明在第一碳纤维复合材料轮缘3的两端装设两个金属动平衡测试调节件2，其内壁设计有一环凸缘22，在飞轮转子10的动平衡测试过程中，若在凸缘22处合理的进行磨削，能够减小飞轮转子的动不平衡量，提高其动平衡性能，且几乎不会给轮毂在高速旋转过程中的强度带来不利的影响。
4、现有技术采用了多达十层不同碳纤维的缠绕工艺，工艺的复杂性相对较高，而本发明只需要三种不同的碳纤维，分别制造成碳纤维复合材料轮缘3、4、5，然后进行过盈装配，这降低了工艺的复杂性。
5、现有技术的分层固化的每层厚度为20mm~40mm，本发明也是采用分层固化方式，但是每层的厚度约3mm~5mm，更薄的分层固化厚度能够更好的保证碳纤维轮缘3、4、5内部尤其是较内层的预紧力。
6、本发明的碳纤维复合材料轮缘3、4、5通过表面锥度设计，并在装配前对表面涂覆环氧树脂，这能利于碳纤维环的装配，且能避免装配过程中碳纤维的断裂或树脂基体的裂纹产生。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
