電動汽車用復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的結構與材料優(yōu)化.pdf

1、飛輪電池作為一種性能優(yōu)良的新型儲能電池,具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高效、使用壽命長等優(yōu)點,可用于電動汽車、航空航天以及電力調(diào)峰等領域,是一種前景廣泛的儲能裝置.因此,飛輪轉(zhuǎn)子的研制與開發(fā),也受到了廣泛關注.為了獲得較高的儲能密度,飛輪轉(zhuǎn)子通常由高強度碳纖維復合材料及輕質(zhì)合金制造.目前飛輪轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速達到20萬轉(zhuǎn)每分,儲能密度也達到134 Wh/kg,其理論儲能密度甚至高達306 Wh/kg.目前國內(nèi)外研制開發(fā)的復合材料飛輪轉(zhuǎn)子,主要問題在于,理

2、論研究的缺乏導致優(yōu)化設計困難、材料成本過高,復合材料飛輪制造工藝較復雜,安全可靠性較難保證等.該文提出的飛輪轉(zhuǎn)子模型,鋁合金輪轂重13.5kg,復合材料輪環(huán)重14.5kg,采用多環(huán)套裝纏繞工藝,分為內(nèi)外兩層輪環(huán),分別采用T300和M40J碳纖復合材料.然后,基于彈性力學、復合材料力學的基本理論,推導出了多環(huán)套裝復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的基本解析解答.并據(jù)此編制了計算及優(yōu)化程序,對不同材料不同厚度情況下的飛輪輪環(huán)進行了比較分析.經(jīng)過理論推導及程序

3、優(yōu)化比較,發(fā)現(xiàn),影響飛輪轉(zhuǎn)子極限轉(zhuǎn)速和儲能量的主要控制因素,恰好是其復合材料輪環(huán)較為薄弱的橫向拉伸強度,因此單純地通過采用高縱向拉伸強度的高強碳纖材料來制造飛輪轉(zhuǎn)子,并不能得到期望的高轉(zhuǎn)速和儲能密度.而采用多環(huán)套裝纏繞技術制造的多層飛輪輪環(huán),在利用溫差過盈裝配方法給復合材料輪環(huán)施加預壓應力后,能夠有效避免飛輪轉(zhuǎn)子的復合材料輪環(huán)部分因較低的纖維橫向抗拉強度而破壞失效,從而大幅度提高飛輪轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速和儲能密度.最后,利用彈塑性理論,對飛輪