[發明專利]提高高儲能飛輪金屬輪轂動力學穩定性的方法及裝置

有效

• 申請號: 201210207276.8
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN102723805A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 王琬;何林;楊立;張秀華;李光喜;黃勤;趙雪峰;馮志國
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 李亮;程新敏

技術領域

本發明涉及機械科學領域，尤其是一種提高高儲能飛輪金屬輪轂動力學穩定性的方法及裝置。

背景技術

高儲能飛輪系統作為一種使用壽命長、污染小、維護費用低的機械儲能裝置已有30多年的研究歷史了。?初期，儲能的主要元件是輪緣轉子，通常由金屬制造而成，如高強度鋼，但是高速旋轉時巨大的離心力將使金屬轉子分裂為三大塊。儲能總量不僅與飛輪質量、旋轉速度的平方成正比，而且與轉子材料拉伸強度、密度之比成正比，因此減小質量，增大轉速可最大限度的提高飛輪儲能系統的儲能總量。復合材料轉子與金屬轉子相比具有強度高、密度小的特點，能存儲更多的能量。這樣樹脂基纖維增強復合材料，如碳纖或玻纖，具有強度高、密度小的特點，是理想的飛輪輪緣轉子制造材料，在高儲能飛輪中占據重要的一席。

高運行轉速帶來了極大的離心力，輪緣內產生極高的徑向應力、周向應力。徑向應力及周向應力的交互作用使復合材料輪緣沿徑向向外膨脹。飛輪金屬輪轂作為保持輪緣與回轉軸間過盈配合的連接件，通常由強度較高、質量較小的金屬合金或復合材料制成。金屬合金金屬輪轂提供了飛輪組件的強度和剛度。但是金屬輪轂的徑向變形量與復合材料輪緣的變形量不在同一數量級上，這樣輪緣與金屬輪轂分離，產生急劇振動，由復合材料制成的金屬輪轂柔性更好，可減小金屬輪轂與輪緣的分離，但是復合金屬輪轂常常由于剛度不夠，其自身臨界轉速較設計運行轉速小。

當過盈配合的復合材料輪緣與金屬輪轂分離、產生間隙時將帶來難以設想的劇烈振動。當該振動頻率與飛輪組件與各組成部分發生共振時，會直接毀掉運行中的高儲能飛輪系統。但是，常見的相關技術致力于解決飛輪組件與超輕、高強復合材料輪緣的相容性問題。

中國專利（專利號ZL?200410010855.9）所公開的兩種金屬輪轂結構分別是與內轉子相連的金屬輪轂由內環、外環及輻條組成的鈦合金金屬輪轂，與外轉子相連的，由內環、外環、輻條、導磁環組成的鈦合金金屬輪轂，及金屬輪轂的制作工藝方法，這種方法中未涉及到轉子的臨界轉速及其響應，轉子通過一階臨界轉速時將產生急劇振動。

發明內容

本發明的目的是：提供一種提高高儲能飛輪金屬輪轂動力學穩定性的方法及裝置，它能減小高速運行時輪緣于金屬輪轂過盈量損失，并降低運行時的共振可能性，以克服現有技術的不足。

本發明是這樣實現的：提高高儲能飛輪金屬輪轂動力學穩定性的方法，其特征在于：通過改變高儲能飛輪的金屬輪轂的幾何尺寸，使金屬輪轂的固有頻率改變，從而避免金屬輪轂的固有頻率與其工作頻率相同而產生共振；并使輪轂在轉動過程中產生一個偏轉力矩，避免輪緣從輪轂上脫落，保持其過盈量，以提高金屬輪轂的動力學穩定性。

高儲能飛輪金屬輪轂，包括內圈，外圈，在內圈與外圈之間連接有腹板，內圈頂部到中心的垂直長度比內圈底部到中心的垂直長度小1/3～1/2。

在外圈上設有垂直向均勻分布的槽。外圈上開槽將槽將金屬輪轂的外圈分成幾塊，這樣不僅打斷了周向應力傳遞，促進回轉過程中的徑向延伸，產生界面應力，就減小過盈配合量來傳遞轉矩；而且這種壓縮還將減少輪緣內的徑向拉伸應力，可提高總儲能。該結構可增大金屬輪轂與復合材料輪緣的相容性，保證輪緣與金屬輪轂的過盈量，可以改變輪轂本身的應力狀態，提高其變形量。

外圈的外壁為倒錐形，其錐度為1:150。倒錐可保證輪緣與金屬輪轂的同軸度及過盈量。

腹板與內圈及外圈的連接位置上設有倒角，倒角的曲率半徑為腹板長度的1/5。腹板為金屬輪轂提供剛度，剛度與腹板厚度成一定比例關系。腹板厚度越厚，則提供剛度越高。

本發明采用金屬輪轂截面的非等厚設計，可節約材料、提高臨界頻率及操作轉速，更好降低裝配冷卻時間。

本發明在同時考慮金屬輪轂動力學性能及變形、強度的情況下，對金屬輪轂結構進行設計。選擇金屬輪轂的幾何尺寸，如腹板厚度、結合面長度、內圈、外圈厚度進行設計，設計過程中，采用有限元分析，如使用ANSYS有限元分析軟件進行交互設計。

本發明中金屬輪轂結構，其臨界轉速超過工作轉速倍數為1.4-3倍。本發明中金屬輪轂的設計操作轉速為16000轉/分（RPM），對應的設計操作頻率為266.7HZ，該金屬輪轂由3J33制成。本發明中金屬輪轂結構中，通過有限元分析可知，外圈厚度為18mm。軸與金屬輪轂的摩擦系數較金屬輪轂與復合材料輪緣間的摩擦系數大，因此外圈長度與內圈相比更為長一些，以保證提供與內圈處相同數量級的足夠的摩擦阻力。本發明中的金屬輪轂結構，在正常操作轉速下，其徑向變形與復合材料輪緣保證接觸，比如過盈配合。