[發明專利]轉子

無效

• 申請號: 96192545.0
• 申請日: 1996-01-23
• 公開（公告）號: CN1178572A
• 公開（公告）日: 1998-04-08
• 發明（設計）人: C·D·塔爾蘭特
• 申請（專利權）人: 英國核子燃料公司
• 主分類號: F16F15/305
• 分類號: F16F15/305;B29C70/30;B29B15/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 趙辛,曾祥凌

本發明涉及轉子，特別是用纖維強化復合材料制成的轉子。再具體地講，本發明適用于用在能量存儲和轉換裝置中的轉子。

用于能量存儲和轉換裝置中的飛輪可以用多種材料制成。然而，通常飛輪由以相對低速旋轉的重輪構成。飛輪越重，它所存儲的能量就越多。這是因為飛輪所存儲的能量由下式確定：

E(能量)＝1/2?Iω²??????????????????(1)

這里I是飛輪的慣性矩，ω是飛輪的角速度。這樣，角速度一定時，存儲的能量和慣性矩成正比，也就和飛輪的質量成正比。

用傳統材料制成的飛輪有兩個主要缺點，即它們的重量和龐大的體積。但是，如果可以增大飛輪的角速度而不是它的重量，那么就可以使能量存儲容量大大提高，這是因為，質量一定，能量存儲容量和角速度的平方成正比。(參見上式1)。遺憾地是，飛輪的最大角速度受到制造它的材料強度的限制。

鑒于上述問題，可使比能和能量密度達到最大值的最佳材料是具有最高的強度/重量比的材料。因此，玻璃或碳纖維可以用于制造能量存儲和轉換裝置中的飛輪。在本申請人的早期專利申請，申請號：WO95/02269，WO95/02271，和WO95/02270中闡述了一種使用這種飛輪的能量存儲和轉換裝置，這種飛輪為圓筒形/管形轉子的形狀。

在上述申請中，把玻璃或碳纖維螺旋地纏繞成樹脂粘接材料或繞成環狀以獲得具有適當機械性能的復合結構。雖然本申請人的能量存儲和轉換裝置中的轉子大體上是圓筒形或管形的，但應當知道本專利申請的發明可以應用于任何形狀的飛輪/轉子。

正如應當了解的一樣，在任何飛輪/轉子中，轉子的內外部或內外表面的表面速度之間都存在差異。因此，由于旋轉引起的力和表面速度的平方成正比而和距轉子轉動中心的距離成反比，所以飛輪各層中產生的環向應變沿飛輪橫截面有很大變化。這一變化在飛輪的復合材料中導致了徑向應變的產生，這種應變試圖將復合材料的各層分離，結果產生層離力。然而，如果把轉子制成有一個空的管狀部分的薄壁圓筒，就可以顯著地減小層離應變。

如前所述，通過加大轉子的質量即增大轉子的壁厚可以增大能量存儲容量。而由于上述原因，這樣做也增大了壁厚方向上的應變差異。如果不采取措施減小壁厚方向上的徑向應變差異(或失配)，就必須用低速運行轉子來減小總的徑向應變，這樣也就降低了能量存儲能力。

現有技術中已闡述了減小徑向應變失配的各種方法。例如，在D.M.Ries(FARE?Inc)和J.A.Kirk(馬里蘭大學)的論文中公開的用具有過盈配合的同心圓筒制造轉子的方法。這篇論文收錄在第二十七屆學會間能量轉換工程會議論文集，第四卷，4.43～4.48頁，1992年出版，或如GB-1534393中公開的將一個同心圓筒直接纏繞在另一個上面來制造轉子的方法。再如，一篇題為“電動車機電電池可行性評價”的論文中公開了使用由柔性層分開的一系列同心圓筒來制造轉子以減小徑向應變的方法。該論文參考號為UCRL-ID-109422，由美國的Lawrence?Livermore國家實驗室1992年5月發表。這些解決辦法都僅僅提供了徑向應變平均化的方法，并沒有完全消除應變分配。

WO86/03268公開了在轉子制造過程中通過逐漸改變纖維的纏繞張力來減小/控制由轉子旋轉引起的環向應變變化的可能性。進而，NL9002415講述了在轉子的繞制過程中逐漸向纖維強化復合基體中添加高密度粉末的方法，這樣做也可達到與上面相似的效果。

盡管現有技術公開了多種避免/減少能量存儲和轉換裝置中轉子截面應變失配的方法，但沒有一種現有技術方案是理想的。因此，本發明要在已知的現有技術上進行改進。

按照本發明，制造了一個纖維復合材料的轉子，其中纖維復合材料的模量從轉子外部到內部逐漸遞減。歸因于本發明，即使不能完全消除徑向應變失配，也可以制成一種徑向應變失配顯著減小的轉子。因而，轉子就可以以高得多的速度旋轉而不會出現層離現象。這樣就使能量存儲容量顯著增加。

纖維復合材料的模量最好通過增加一束材料中斷纖維的根數來減小。但應當明白，轉子外部的纖維最好大體上保持連續，以使轉子具有特別堅實的外表面。

理想情況下，纖維復合材料形成轉子的一層薄壁。更優選地是，纖維復合材料形成轉子的空圓筒，轉子只包含這個圓筒。

在本發明的一個特別實施例中，纖維復合材料可以包括碳纖維，玻璃纖維或兩者的組合物。當然其它合適纖維也可用來替代它們。

本發明進一步提供了一種用纖維復合材料制造轉子的方法，包括如下步驟：

(a)準備一束纖維；