[發明專利]復合材料飛輪轉子及其制作方法

在審

• 申請號: 201711435490.8
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107979221A
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 張建平;焦志青;李勝飛;唐英偉;溫海平;趙思鋒;王大杰;于金龍
• 申請（專利權）人: 盾石磁能科技有限責任公司
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02;H02J3/30
• 代理公司: 唐山永和專利商標事務所13103
• 代理人: 魏偉

技術領域

本發明屬于高速電機領域，涉及一種由復合材料制成的集電動機/發電機永磁轉子和儲能飛輪于一體的高速飛輪轉子以及飛輪轉子的制作方法。

背景技術

飛輪是一種利用轉動物體慣性進行儲能的裝置。相比于蓄電池、電容器、電感器等儲能裝置，其具有儲能容量大，使用壽命長，效率高，可以多次連續充放電，清潔無污染等優勢。飛輪儲能目前適合于電網調頻、小型孤島電網調峰、電網安全穩定控制、電能質量治理、車輛再生制動及高功率脈沖電源等領域。目前，大多數飛輪仍采用金屬輪轂，且加工工藝成熟。但是相比于復合材料，金屬材料的強度有限，導致飛輪輪緣極限線速度不宜過高，飛輪儲能及功率密度受到限制。在采用復合材料纏繞加工飛輪時，需要提供均勻的預緊力，同時還要考慮到環氧樹脂的固化過程，難度較大。同時，作為電動機/發電機轉子，傳統飛輪采用表貼永磁磁塊作為轉子磁極，如果電機轉速高，在高頻諧波的作用下永磁磁塊會產生較大渦流損耗，造成轉子發熱，在真空環境下，轉子散熱極為困難，使得永磁磁塊溫度較高，容易發生失磁，造成飛輪裝置損壞。

發明內容

本發明要解決的技術問題是現有的高速飛輪結構在高轉速下會產生較大渦流損耗，轉子發熱量大，真空環境下散熱困難，容易導致永磁磁塊失磁的問題。

本發明為解決現有飛輪結構轉子的發熱散熱問題，提供如下技術方案：

一種復合材料飛輪轉子，它是中空圓筒狀結構，它的內層為磁粉纖維層，磁粉纖維層外側為分別由多種復合纖維材料依次纏繞而成的復合材料層；磁粉纖維層充磁后，形成結構不同的上下兩部分磁極，上半部分磁極作為徑向磁懸浮軸承的轉子部分，下半部分磁極作為電機勵磁磁極。

飛輪轉子采用分層結構，能夠將飛輪轉子高速旋轉時的應力分散在各層上，降低飛輪轉子內部的徑向應力峰值，提高飛輪的極限轉速。磁粉制作的磁極解決了渦流的問題，轉子發熱量小，減少失磁風險。

所述磁粉纖維層上半部分磁極呈沿飛輪轉子軸向分布的多個環形；下半部分磁極為在飛輪轉子圓周上均勻分布的電機勵磁磁極。磁粉纖維層是永磁磁粉、環氧樹脂、增強纖維結合制成的復合材料層；

本發明的磁粉纖維層外側復合材料層依次為玻璃纖維增強環氧樹脂層和碳纖維增強型環氧樹脂層。

本發明的飛輪轉子是集電動機或發電機永磁轉子和儲能飛輪于一體的。

本發明還提供一種復合材料飛輪轉子的制作方法，

按下列步驟完成：

1)永磁磁粉與環氧樹脂混合均勻，然后浸入增強纖維材料纏成磁粉纖維層，作為轉子內層；

2)玻璃纖維在環氧樹脂中浸潤，再在步驟1)所得磁粉纖維層的外進行纏繞，經固化后形成玻璃纖維環氧樹脂層；

3)碳纖維在環氧樹脂中浸潤，再在步驟2)所得玻璃纖維環氧樹脂層外繼續進行纏繞，固化后形成碳纖維環氧樹脂層；

4)利用脈沖充磁機對轉子內層的永磁磁粉進行充磁，形成磁粉纖維層上部為沿飛輪轉子軸向分布的多個環形磁環；下部為在飛輪轉子圓周上均勻分布磁極。

本方法采用細小磁粉與環氧樹脂混合，以增強纖維作為基體，嵌入轉子內層，極大地降低飛輪轉子高速旋轉時在高頻諧波作用下產生的渦流損耗，降低發熱，緩解高速飛輪轉子在真空環境下額定功率及容量充放電時的散熱難的問題，避免永磁材料高溫退磁。解決了永磁磁塊所不能避免的周向應力集中問題，提高永磁部分在高轉速時的結構強度。

為方便纏繞復合性材料，步驟1)中磁粉纖維層的纏繞是在一個圓柱形胎軸上進行的。

為纏繞的結構堅實均勻，優選的，在各層進行纏繞時，在起始端施加預緊力的條件下進行纏繞。

附著了樹脂的各層復合材料需要在纏繞時實時固化，固化時刻不同步會導致轉子內部結構與應力的不均勻，因此本發明所述固化過程采用圓柱形胎軸向外輻射熱和轉子外層相內輻射熱的雙向加熱方法，固化快速且固化程度均勻。

附圖說明

圖1為飛輪轉子的結構圖；

圖2為復合材料纏繞固化加工示意圖；

圖中：1、磁粉纖維層；2、玻璃纖維增強型環氧樹脂層；3、碳纖維增強型環氧樹脂層；4、轉子磁極；5、電機磁極；6、圓柱形胎軸。

具體實施方式

針對現有技術的問題，本發明提供了一種復合材料飛輪轉子，其目的在于，采用復合材料取代傳統的金屬材料，利用特殊的加工工藝使得飛輪轉子具有更高的轉速。同時，采用環氧樹脂包裹磁粉顆粒，與增強纖維材料共同纏繞的方式制作磁極，取代傳統的表貼永磁體，達到減小渦流損耗的目的。