電動(dòng)汽車用復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)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(chǔ)能電池,具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高效、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),可用于電動(dòng)汽車、航空航天以及電力調(diào)峰等領(lǐng)域,是一種前景廣泛的儲(chǔ)能裝置.因此,飛輪轉(zhuǎn)子的研制與開發(fā),也受到了廣泛關(guān)注.為了獲得較高的儲(chǔ)能密度,飛輪轉(zhuǎn)子通常由高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料及輕質(zhì)合金制造.目前飛輪轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速達(dá)到20萬(wàn)轉(zhuǎn)每分,儲(chǔ)能密度也達(dá)到134 Wh/kg,其理論儲(chǔ)能密度甚至高達(dá)306 Wh/kg.目前國(guó)內(nèi)外研制開發(fā)的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子,主要問(wèn)題在于,理

2、論研究的缺乏導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)困難、材料成本過(guò)高,復(fù)合材料飛輪制造工藝較復(fù)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(fù)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(fù)合材料.然后,基于彈性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)的基本理論,推導(dǎo)出了多環(huán)套裝復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的基本解析解答.并據(jù)此編制了計(jì)算及優(yōu)化程序,對(duì)不同材料不同厚度情況下的飛輪輪環(huán)進(jìn)行了比較分析.經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)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(chǔ)能量的主要控制因素,恰好是其復(fù)合材料輪環(huán)較為薄弱的橫向拉伸強(qiáng)度,因此單純地通過(guò)采用高縱向拉伸強(qiáng)度的高強(qiáng)碳纖材料來(lái)制造飛輪轉(zhuǎn)子,并不能得到期望的高轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能密度.而采用多環(huán)套裝纏繞技術(shù)制造的多層飛輪輪環(huán),在利用溫差過(guò)盈裝配方法給復(fù)合材料輪環(huán)施加預(yù)壓應(yīng)力后,能夠有效避免飛輪轉(zhuǎn)子的復(fù)合材料輪環(huán)部分因較低的纖維橫向抗拉強(qiáng)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(chǔ)能密度.最后,利用彈塑性理論,對(duì)飛輪