CN102122867B - 用于感应转子的铝基复合材料鼠笼式装置及其制造方法 - Google Patents
用于感应转子的铝基复合材料鼠笼式装置及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102122867B CN102122867B CN201110001693.2A CN201110001693A CN102122867B CN 102122867 B CN102122867 B CN 102122867B CN 201110001693 A CN201110001693 A CN 201110001693A CN 102122867 B CN102122867 B CN 102122867B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminium
- carbon nano
- tube
- contact rod
- contact
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 230000006698 induction Effects 0.000 title description 9
- 241000555745 Sciuridae Species 0.000 title 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 71
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 71
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 22
- RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N [AlH3].[C] Chemical compound [AlH3].[C] RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 44
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 16
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 14
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 11
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 10
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 8
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 6
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 claims description 6
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 6
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 2
- 229910000576 Laminated steel Inorganic materials 0.000 abstract 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004512 die casting Methods 0.000 description 6
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 2
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910020634 Co Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- AAYFQAPISKPSSI-UHFFFAOYSA-N [N].C#C Chemical compound [N].C#C AAYFQAPISKPSSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001398 aluminium Chemical class 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-OIOBTWANSA-N copper-61 Chemical compound [61Cu] RYGMFSIKBFXOCR-OIOBTWANSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000007528 sand casting Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
- H02K17/02—Asynchronous induction motors
- H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
- H02K17/20—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having deep-bar rotors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
- H02K15/0012—Manufacturing cage rotors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/02—Windings characterised by the conductor material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49009—Dynamoelectric machine
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49009—Dynamoelectric machine
- Y10T29/49012—Rotor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
提供了一种制造转子的方法。该方法包括：将铝和碳纳米管混合；将所述混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒；提供具有多个纵向狭槽的层叠钢叠片；将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出；将具有所述多个导电棒的层叠钢叠片设置在具有用于一对端环的模腔的铸模中，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔。还描述了用铝-碳纳米管复合材料制成的转子。
Description
技术领域
本发明大体上涉及感应电动机，更具体地说涉及用于感应电动机的铝复合材料转子。
背景技术
在燃油效率方面上不断增长的要求已经制造出在汽车业中更有吸引力的混合动力系统。除了普通燃烧发动机之外，用作电动机和发电机的电力机器(通常被称为电机)为混合动力系统中的重要部分。为了降低制造成本，在混合动力系统中所用的许多电机为感应电动机。交流(AC)感应电动机由于能够提供简单牢固的结构、方便维护以及成本低廉等原因所以普遍用在混合动力汽车中。名称“感应电动机”来自通过在定子中产生出的旋转磁通量而感应到“转子”中的AC。铝鼠笼承载电流，并且需要高导电率。在转子中的层状钢片承载着磁通量。旋转磁场在鼠笼中感应出电流。在转子中感应出的磁场与在定子中的偏置磁场相互作用，并且导致旋转和生成力矩。在操作中，转子速度总是慢于磁场速度，从而使得转子棒能够切割磁力线并且产生出有用力矩。该速度差被称为转差速度。转差随着负载而增大，并且对于力矩产生而言是必不可少的。
定子结构通常由成形为形成磁极的钢片层状结构构成。铜导线形成并且插入作为定子组件的一部分。它们与电压源连接以产生出旋转磁场。
转子通常由在钢轴上的层状结构制成。铁芯(层状钢堆叠)用来承载穿过电机的磁场。对该铁芯的结构和材料进行专门设计以减小磁性损失。由清漆绝缘层分开的这些薄堆叠(钢片)降低了会导致涡流损失的杂散环流。用于这些堆叠的材料为专门定制用来产生特定磁性的低碳高硅钢，例如抑制涡流并且使得材料的滞后回线变窄(每个循环的能耗较小或者较低的铁芯损耗)以及高渗透性(电磁)。低碳含量使之成为滞后损失较低的软磁性材料。为了减小在这些薄层状钢片之间的气隙和铁芯损失，最好将这些层状钢堆叠尽可能保持紧密。实际上，通常采用电焊或者互锁机构将该层状钢堆叠保持在一起。
在该层状结构的周边 周围的径向狭槽装有转子棒，它们通常由铝或铜制成。这些转子棒通常沿着转子的长度稍微歪斜以降低噪声，并且消除了扭矩波动，否则这会由于与定子的磁极片的相互作用而导致一些速度变化。转子棒的布置类似于鼠笼。
由于其高密度和熔点，铜在转子用途中尤其对于混合动力系统而言存在层状结构和/或独特问题。在混合动力应用中，由于在机动车中的空间限制，所以通常需要高速(例如超过10000rpm)电机。高密度铜能够在高rpm下产生出非常高的离心力和惯性，并且会产生出性能和耐久性问题。另外，转子优选通过高压模铸(HPDC)制造出。铜的高熔点(1083℃)使得铸造过程非常困难，而且明显降低了模具使用寿命并且增加了铜转子的制造成本。
对于感应电动机而言，铝基鼠笼使用非常普遍，因为铝比铜轻得多并且便宜得多。图1显示出鼠笼式转子。虽然铸铝电机克服了铜材料所带来的高转动惯量和低模具使用寿命的不足，但是为了其成功用在电机中，机械性能存在巨大挑战。与铜的59.6×106S.M-1相比，铝的导电率为37.8×106S.M-1(在20℃下)。纯铝(99.7%纯度)具有高导电率(纯铜的导电率的61%)，但是机械性能较低。A6101-T61(0.6Mg-0.5Si)具有相对较高的导电率(57%)和更好的强度。这两种材料都普遍用于制作感应电动机的鼠笼。该材料的成分、孔隙率、应力/应变曲线、耐疲劳和蠕变性和导电率对于电机的性能和耐久性而言非常重要。在铸铝中通常可见的孔隙率会影响导电率。用于转子用途的铝合金通常为可锻合金，该合金由于其低流动性、高收缩率(从液态到固态的密度改变)、高熔融温度和大凝固范围(在液态和固态之间的温度差异)所以难以铸造。该铝可锻合金的这些特征尤其对于在导电棒和端环之间的位置而言增大了孔隙率和热撕裂趋势，这会导致端环断裂。另外，许多铸铝转子是通过高压模铸制成的。由于模具填充中流速非常高(大约60m/s)而导致的在高压模铸过程期间夹杂的空气和大量铝氧化物也会明显降低转子尤其在转子棒中的导热性和导电性。
因此，需要改进的感应电动机的转子及其制造方法。
发明内容
本发明通过提供改进的转子及其制造方法来满足这个要求。
在一个实施方式中，提供了一种制造转子的方法。该方法包括：将铝和碳纳米管混合；将该混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒；提供具有多个纵向狭槽的层状钢堆叠；将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出 ；将具有所述多个导电棒的层状钢堆叠设置在具有用于一对端环的模腔的铸模中，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔。
另一方面为转子。该转子包括：由铝或铝合金或其组合物制成的一对端环；以及在这对端环之间的多个导电棒，这对端环和多个导电棒形成圆柱体，并且多个导电棒包括铝-碳纳米管复合材料，其中所述导电棒的第一和第二端部延伸进那对端环中。
本发明还提供了以下方案：
方案1. 一种制造转子的方法，包括：
将铝和碳纳米管混合；
将所述混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒；
提供具有多个纵向狭槽的层状钢堆叠；
将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出；
将具有所述多个导电棒的层状钢堆叠设置在铸模中，所述铸模具有用于一对端环的模腔，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且
用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔。
方案2.如方案1所述的方法，其中通过球磨来混合所述铝和碳纳米管。
方案3.如方案2所述的方法，其中所述球磨在惰性气体下以大约100至大约5000rpm的速度进行大约10分钟至大约10个小时。
方案4.如方案1所述的方法，其中所述导电棒是通过选自热压、热挤出成型或粉末冶金的工艺来形成的。
方案5.如方案1所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约573K至大约873K范围的温度下在大约15至大约50MPa的压力下热压大约10分钟以上而形成的。
方案6.如方案1所述的方法，其中所述导电棒通过在大约623K至大约873K的温度下进行热挤出成型而形成的。
方案7.如方案1所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约673K至大约873K的温度下烧结大约10分钟至大约5个小时而形成的。
方案8.如方案7所述的方法，还包括采用选自热压或热等静压的工艺来挤压所述烧结导电棒。
方案9.如方案1所述的方法，其中所述碳纳米管存在的量大约为0.1wt%至大约5wt%。
方案10.如方案1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与表面活性剂混合。
方案11.如方案1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与硝酸、硫酸、硝酸和硫酸的组合物或乙二醇混合。
方案12.一种制造转子的方法，包括：
对铝和碳纳米管进行球磨；
通过选自热压、热挤出成型或粉末冶金的工艺将所述混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒；
提供具有多个纵向狭槽的层状钢堆叠；
将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出；
将具有所述多个导电棒的层状钢堆叠设置在铸模中，所述铸模具有用于一对端环的模腔，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且
用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔。
方案13.如方案12所述的方法，其中所述球磨在惰性气体下以大约100至大约5000rpm的速度进行大约10分钟至大约10个小时。
方案14.如方案12所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约573K至大约873K范围的温度下在大约15至大约50MPa的压力下热压大约10分钟以上而形成的。
方案15.如方案12所述的方法，其中所述导电棒通过在大约623K至大约873K的温度下进行热挤出成型而形成的。
方案16.如方案12所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约673K至大约873K的温度下烧结大约10分钟至大约5个小时而形成的。
方案17.如方案1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与表面活性剂混合。
方案18.如方案1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与硝酸、硫酸、硝酸和硫酸的组合物或乙二醇混合。
方案19.一种转子，包括：
由铝、铝合金、铝复合材料或其组合物制成的一对端环；
在该对端环之间的圆柱形层状钢堆叠，所述层状钢堆叠其中具有多个纵向狭槽；
在所述纵向狭槽中的多个导电棒，该对端环和所述多个导电棒形成圆柱体，并且所述多个导电棒包括铝-碳纳米管复合材料。
方案20.如方案19所述的转子，其中所述铝-碳纳米管复合材料包括大约0.1wt%至大约5wt%的碳纳米管。
方案21.如方案1所述的转子，其中所述多个导电棒包括一层铝-碳纳米管复合材料和一层铝。
附图说明
图1为鼠笼式转子的一个实施方式的示意图。
图2A-C为导电棒的各种复合结构的剖面的截面图。
具体实施方式
采用铝复合材料来制作用于转子应用的鼠笼式装置。铝复合材料笼式装置具有用于高电机性能的高导电率、用于机器耐久性和设计灵活性的高机械性能(强度、耐疲劳和蠕变性)以及用于更低制造成本的更低废品率。具体地说，鼠笼式棒由铝基体/碳纳米管(CNT)复合材料或铝基体/碳纳米管(CNT)复合材料和纯铝的组合(例如内层为Al-CNT复合材料并且外层为纯铝)制成。端部由纯铝、铸造铝合金，例如A380、A356、A319等或铝复合材料，包括但不限于铝碳纳米管复合材料等制成。铸造铝合金是优选的。可以采用例如现场浇铸工艺来制造出整个结构。在现场浇铸工艺中，这些导电棒预先制作出，然后与钢堆叠一起放置在铸模中。与传统的单部件纯铝模铸鼠笼制造工艺相比，该结构采取了铸铝合金的高导电率和导热率、高导电棒强度和端板强度和良好可铸性这些全部优点。它还能够将包括孔隙率在内的铸造缺陷控制为最小，这对于高导电率而言非常重要。
可以通过粉末冶金和热压或挤出成型来制造Al-CNT复合材料棒。它们可以由单种材料或复合结构制成。该复合结构可以包括两种材料，即导电棒的内层10由Al-CNT复合材料制成并且外层15由纯铝制成，如图2所示。可以在铸模中组装这些棒。可以采用模铸、砂型铸造或其它铸造方法来与钢堆叠一起现场铸造这些导电棒。该方法还能够消除通常伴随着模铸工艺的层状钢片焊接问题。焊接是普遍的问题，因为熔融铝在铸造期间粘附到钢上并且起反应以形成金属间化合物层。
碳纳米管(CNT)与大多数现有材料相比具有明显的优点，包括引人注目的机械性能。在CNT中的平面内石墨C-C键为最稳定的化学键之一，并且使得CNT相对于轴向应变额外坚固。CNT具有非常高的强度和韧性。单壁碳纳米管(SWCNT)的杨氏模量在理论上估计为5TPa(1T=1012)。隔离多壁CNT(MWCNT)的杨氏模量的平均值为1.8TPa，并且弯曲强度为14.2GPa。CNT的拉伸强度比钢高100倍，而比重只是钢的1/6。另外，CNT在强碱性或酸性溶液中具有高耐腐蚀性。因此，CNT可以用作坚固复合材料的加强相。已经研究出具有CNT的各种金属基复合材料例如Fe-CNT、Al-、Ni-CNT和Cu-CNT。铝碳纳米管复合材料的构造及其电学性能，C.L.Xu，B.Q.Wei，R.Z.Ma，J.Liang，X.K.Ma和D.H.Wu，Carbon，第37卷第5期，1999年4月9日，第855-858页，该文献在这里被引用作为参考。例如，描述了这样的方法，用碳纳米管渗透铁然后凝固，从而包含有2.2体积百分比纳米管的复合材料相对于纯铁的类似构造部分实现了45%的屈服强度增强。类似的渗透技术用于铝部件。
在CNT的导电性方面也已经引起了相当大的兴趣。已经报道，具有N和M值的特定组合的CNT能够具有高导电性并且可以称为是金属性的，所述N和M值为表示碳纳米管扭曲程度的结构参数。其导电性已经显示出为其空间螺旋特性(扭曲程度)以及其直径的函数。CNT在其电学行为方面可以是金属性的或半导电的。SWCNT绳是已知的导电性最高的碳纤维。可实现的电流密度为107A/cm2；但是在理论上，SWCNT绳应该能够支撑更高的稳定电流密度，例如1013A/cm2。超小SWCNT绳显示出在低于20K的温度下具有超导电性。(Cheap Tubes, Inc.at cheaptubes.com)。
在CNT的热性能方面的初步试验和模拟研究显示出非常高的导热性。
可以通过公知的工艺制造CNT，包括通过采用Co-Mg复合氧化物作为催化剂对乙炔进行化学催化高温分解来进行合成。可以通过溶胶-凝胶法从Co(NO3)2和Mg(NO3)2制备出催化剂。在大约923K的温度下以600ml/分钟的流速向石英腔室注入乙炔-氮混合物(C2H2:N2=1:5)30分钟。通过浸没在硝酸中大约48个消失并且用去离子水清洗来使得所制备出的碳纳米管纯化。使得纯化的CNT悬浮在浓缩硫酸和硝酸(1:3)的混合物中，然后在室温下进行超声波处理48个小时。
Al-CNT复合材料通常包括有大约0.1wt.%至大约5wt.%的碳纳米管。例如通过在惰性气体下以大约100至大约5000rpm的转速将混合物球磨大约10分钟至大约10个小时通常大约为10分钟至大约2个小时来使得CNT(例如长度大约为0.1至大约300微米)和纯铝粉(例如，在大约5至大约70微米之间)混合。工艺参数决定了混合物的均匀性和纯度。速度越高并且长度越长能够改善均匀性，但是会提高氧化趋势。然后在大约15-50MPa的压力下在大约573K至大约873K的温度下对这些混合物进行热压大约10分钟以上，通常大约为10分钟至2个小时。将热压出的棒机加工成一定尺寸。也可以采用热挤出成型和粉末冶金来制造Al-CNT棒。在热挤出成型工艺中，在室温下将这些粉末混合并且压成一定形状，然后通过挤出成型模具在大约623K至大约873K的温度下进行热挤出成型。将挤出棒材切割成段并且进行机加工。在粉末冶金工艺中，在室温下将这些粉末混合并且挤压成一定形状，然手在大约673K至大约873K的温度下烧结大约10分钟至大约5个小时。可以采用热等静压或热压来消除在烧结之后的孔隙。
为了改善碳纳米管的分布，可以在溶液中加入表面活性剂包括但不限于C19H42BrN。该表面活性剂可以显著吸收到CNT的表面上，从而改变了CNT分布。帮助使得CNT分散的另一种方法是通过超声波使得CNT与硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、乙二醇或硝酸和硫酸的1:1混合物混合。为了将CNT封装在铝内，预先将大约3-30wt%CNT与铝粉末混合物以形成用于与纯Al粉末进一步混合成所期望的组分的中间合金粉末，并且在惰性气体氛围下以大约100至大约5000rpm的速度球磨大约30分钟至大约10小时。
要指出的是，术语例如“优选”、“一般”和“通常”在这里不是用来限制所要求保护的发明的范围或是暗示某些特征对于所要求保护的本发明的结构或功能是关键的、不可或缺的或至关重要的。这些术语只是用来着重指出在本发明的具体实施方式中可以或可以不使用的可选或附加特征。
为了描述和限定本发明，要指出的是，术语“装置”在这里用来代表多个部件和单个部件的组合，而不管这些部件是否与其它部件组合。例如，根据本发明的“装置”可以包括电化学转换组件或燃料电池、装有根据本发明的电化学转换组件的车辆等。
为了描述和限定本发明，要指出的是，术语“基本上”在这里用来在内不确定程度，这可以有助于数量比较、数值测量或其它表示。术语“基本上”在这里还用来表示在不会导致所涉及主题的基本功能发生变化的情况下该数量表示与所声称的参考值的偏差程度。
虽然已经参照其具体实施方式对本发明进行了详细说明，但是显然在不脱离在所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下可以有许多变型和变化。更具体地说，虽然本发明的一些方面在这里被认为是优选的或特别有利的，但是可以想到本发明不必局限于本发明的这些优选方面。
Claims (21)
1.一种制造转子的方法，包括：
将铝和碳纳米管混合；
将所述混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒；
提供具有多个纵向狭槽的层状钢堆叠；
将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出；
将具有所述多个导电棒的层状钢堆叠设置在铸模中，所述铸模具有用于一对端环的模腔，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且
用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔，
所述转子包括：
由铝、铝合金、铝复合材料或其组合物制成的一对端环；
在该对端环之间的圆柱形层状钢堆叠，所述层状钢堆叠其中具有多个纵向狭槽；
在所述纵向狭槽中的多个导电棒，该对端环和所述多个导电棒形成圆柱体，并且所述多个导电棒包括铝-碳纳米管复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过球磨来混合所述铝和碳纳米管。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述球磨在惰性气体下以大约100至大约5000rpm的速度进行大约10分钟至大约10个小时。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述导电棒是通过选自热压、热挤出成型或粉末冶金的工艺来形成的。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约573K至大约873K范围的温度下在大约15至大约50MPa的压力下热压大约10分钟以上而形成的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述导电棒通过在大约623K至大约873K的温度下进行热挤出成型而形成的。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约673K至大约873K的温度下烧结大约10分钟至大约5个小时而形成的。
8.如权利要求7所述的方法，还包括采用选自热压或热等静压的工艺来挤压所述烧结导电棒。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述碳纳米管存在的量大约为0.1wt%至大约5wt%。
10.如权利要求1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与表面活性剂混合。
11.如权利要求1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与硝酸、硫酸、硝酸和硫酸的组合物或乙二醇混合。
12.一种制造转子的方法，包括：
对铝和碳纳米管进行球磨；
通过选自热压、热挤出成型或粉末冶金的工艺将所述混合物形成为铝-碳纳米管复合材料导电棒，其中所述铝-碳纳米管复合材料包括大约0.1wt%至大约5wt%的碳纳米管；
提供具有多个纵向狭槽的层状钢堆叠；
将多个导电棒设置在所述纵向狭槽中，所述多个导电棒的第一和第二端部从所述纵向狭槽中延伸出；
将具有所述多个导电棒的层状钢堆叠设置在铸模中，所述铸模具有用于一对端环的模腔，其中所述多个导电棒的所述第一和第二端部延伸进所述模腔中；并且
用铝、铝合金、铝复合材料或其组合填充所述模腔。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述球磨在惰性气体下以大约100至大约5000rpm的速度进行大约10分钟至大约10个小时。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约573K至大约873K范围的温度下在大约15至大约50MPa的压力下热压大约10分钟以上而形成的。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述导电棒通过在大约623K至大约873K的温度下进行热挤出成型而形成的。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述导电棒是通过在大约673K至大约873K的温度下烧结大约10分钟至大约5个小时而形成的。
17.如权利要求1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与表面活性剂混合。
18.如权利要求1所述的方法，还包括将所述碳纳米管与硝酸、硫酸、硝酸和硫酸的组合物或乙二醇混合。
19.一种转子，包括：
由铝、铝合金、铝复合材料或其组合物制成的一对端环；
在该对端环之间的圆柱形层状钢堆叠，所述层状钢堆叠其中具有多个纵向狭槽；
在所述纵向狭槽中的多个导电棒，该对端环和所述多个导电棒形成圆柱体，并且所述多个导电棒包括铝-碳纳米管复合材料。
20.如权利要求19所述的转子，其中所述铝-碳纳米管复合材料包括大约0.1wt%至大约5wt%的碳纳米管。
21.如权利要求19所述的转子，其中所述多个导电棒包括一层铝-碳纳米管复合材料和一层铝。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12/652,911 | 2010-01-06 | ||
| US12/652,911 US8448328B2 (en) | 2010-01-06 | 2010-01-06 | Methods of making aluminum based composite squirrel cage for induction rotor |
| US12/652911 | 2010-01-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102122867A CN102122867A (zh) | 2011-07-13 |
| CN102122867B true CN102122867B (zh) | 2014-02-19 |
Family
ID=44224296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110001693.2A Expired - Fee Related CN102122867B (zh) | 2010-01-06 | 2011-01-06 | 用于感应转子的铝基复合材料鼠笼式装置及其制造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8448328B2 (zh) |
| CN (1) | CN102122867B (zh) |
| DE (1) | DE102011007949A1 (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8448328B2 (en) | 2010-01-06 | 2013-05-28 | GM Global Technology Operations LLC | Methods of making aluminum based composite squirrel cage for induction rotor |
| US8701270B2 (en) * | 2010-01-21 | 2014-04-22 | GM Global Technology Operations LLC | Methods of manufacturing induction rotors with conductor bars having high conductivity |
| WO2011148978A1 (ja) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | 矢崎総業株式会社 | 誘導モータの回転子及びそれを用いた誘導モータ |
| US9130434B2 (en) | 2012-02-01 | 2015-09-08 | Remy Technologies, Llc | Induction rotor end ring support device |
| CN104335317B (zh) * | 2012-05-22 | 2017-07-18 | 皇家飞利浦有限公司 | 具有基于碳复合物的材料的x射线管转子 |
| CN102943223A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-02-27 | 江苏大学 | 一种超声场下高导热系数铝基复合材料的制备方法 |
| DE102014208399A1 (de) * | 2014-05-06 | 2015-11-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Kurzschlussläufer für eine elektrische Maschine |
| US9973062B2 (en) * | 2014-06-30 | 2018-05-15 | GM Global Technology Operations LLC | Method of synthesizing aluminum carbon nanotube materials for structural and conductor applications |
| US20160359399A1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-12-08 | Electro-Motive Diesel, Inc. | Hybrid Traction Motor Rotors for Diesel-Electric Locomotives |
| KR102131542B1 (ko) * | 2018-12-26 | 2020-07-07 | 전주대학교 산학협력단 | 알루미늄, 다중벽 탄소나노튜브, 철 및 코발트가 포함된 혼성복합체를 이용한 브러시리스 dc모터코어 |
| WO2021236476A1 (en) * | 2020-05-20 | 2021-11-25 | BNNano, Inc. | Compositions comprising nanoparticles and metallic materials, and methods of making |
| CN113098163B (zh) * | 2021-04-19 | 2023-03-24 | 云南铜业压铸科技有限公司 | 一种高转速电动机用铸铜转子的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5156316A (en) * | 1991-06-20 | 1992-10-20 | General Electric Company | Friction welding temperature measurement and process control system |
| US6877210B2 (en) * | 2003-01-16 | 2005-04-12 | Ut-Battelle, Llc | Electrofriction method of manufacturing squirrel cage rotors |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3705971A (en) * | 1970-08-13 | 1972-12-12 | Gen Motors Corp | Induction motor fabrication method |
| JPH06225505A (ja) * | 1993-01-22 | 1994-08-12 | Fanuc Ltd | 誘導電動機のダイカスト製籠形ロータの製造方法 |
| JP2945228B2 (ja) * | 1993-02-18 | 1999-09-06 | ファナック株式会社 | 高速誘導電動機の籠形回転子の製造方法 |
| US5429173A (en) * | 1993-12-20 | 1995-07-04 | General Motors Corporation | Metallurgical bonding of metals and/or ceramics |
| US5488984A (en) * | 1994-06-03 | 1996-02-06 | A. O. Smith Corporation | Electric motor rotor lamination treatment to prevent rotor soldering |
| US5736707A (en) * | 1996-04-17 | 1998-04-07 | General Electric Company | Electric resistance welding of electric motor cage rotor assemblies |
| DE69734916T2 (de) * | 1996-06-12 | 2006-07-20 | Fanuc Ltd., Oshino | Verfahren und vorrichtung zum giessen von leitern eines käfigläufers für induktionsmotoren |
| US6088906A (en) * | 1997-09-16 | 2000-07-18 | Ut-Battelle, Llc | Method of manufacturing squirrel cage rotors |
| US6453980B1 (en) * | 1999-12-30 | 2002-09-24 | General Electric Company | Method for vertical die casting of a rotor |
| JP3982446B2 (ja) * | 2003-04-16 | 2007-09-26 | 株式会社日立製作所 | 回転電機の製造方法 |
| CN1753286A (zh) * | 2005-09-21 | 2006-03-29 | 西子联合控股有限公司 | 一种永磁同步电动机及其自动扶梯或自动人行道 |
| BRPI0905381A2 (pt) * | 2008-03-28 | 2016-07-05 | Mitsubishi Shindo Kk | fio, haste ou tubo de liga de cobre de alta resistência e alta condutividade |
| US8181333B2 (en) | 2008-07-09 | 2012-05-22 | GM Global Technology Operations LLC | Method of manufacturing squirrel-cage rotor |
| US8403026B2 (en) * | 2009-03-24 | 2013-03-26 | GM Global Technology Operations LLC | Pressure casting of electric rotors |
| US8448328B2 (en) | 2010-01-06 | 2013-05-28 | GM Global Technology Operations LLC | Methods of making aluminum based composite squirrel cage for induction rotor |
| US8701270B2 (en) * | 2010-01-21 | 2014-04-22 | GM Global Technology Operations LLC | Methods of manufacturing induction rotors with conductor bars having high conductivity |
-
2010
- 2010-01-06 US US12/652,911 patent/US8448328B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2011
- 2011-01-03 DE DE102011007949A patent/DE102011007949A1/de not_active Withdrawn
- 2011-01-06 CN CN201110001693.2A patent/CN102122867B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5156316A (en) * | 1991-06-20 | 1992-10-20 | General Electric Company | Friction welding temperature measurement and process control system |
| US6877210B2 (en) * | 2003-01-16 | 2005-04-12 | Ut-Battelle, Llc | Electrofriction method of manufacturing squirrel cage rotors |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 《fabrication of aluminum carbon nanubube composites and their electrical properties》;Xu C.L.;《CARBON》;19990409;摘要和2,3.1,表2 * |
| Xu C.L..《fabrication of aluminum carbon nanubube composites and their electrical properties》.《CARBON》.1999, |
| 冯岩.氮化硼、碳纳米管增强铝基耐磨、减摩复合材料.《中国优秀硕士学位论文全文数据库》.2004, |
| 刘宗建.碳纳米管在乙二醇水溶液中的分散性.《广东工业大学学报》.2009, |
| 氮化硼、碳纳米管增强铝基耐磨、减摩复合材料;冯岩;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20040421;摘要，4.2节 * |
| 碳纳米管在乙二醇水溶液中的分散性;刘宗建;《广东工业大学学报》;20090630;摘要，前言，1.2CNTs的纯化 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102011007949A1 (de) | 2011-09-01 |
| US20110163627A1 (en) | 2011-07-07 |
| CN102122867A (zh) | 2011-07-13 |
| US8448328B2 (en) | 2013-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102122867B (zh) | 用于感应转子的铝基复合材料鼠笼式装置及其制造方法 | |
| US8403026B2 (en) | Pressure casting of electric rotors | |
| US8347485B2 (en) | Centrifugally-cast shorted structure for induction motor rotors | |
| CN106238699B (zh) | 通过挤压铸造或半固态金属成形和后热处理使用原位成形的增强相制作铝或镁基复合材料发动机缸体或其他零件的方法 | |
| CN102626821B (zh) | 一种半固态材料连接成形一体化方法 | |
| CN106399880B (zh) | 一种涂覆氧化铝晶须碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN102136783A (zh) | 制造带有高导电率导体条的感应转子的方法以及由此制成的转子 | |
| US11171551B2 (en) | Rotor having an insert | |
| DE102010020897A1 (de) | Elektrotechnische Spule in Gusstechnik, Herstellungsverfahren für eine solche Spule und Elektromaschinen verwendend solche Spulen | |
| CN103066764B (zh) | 铸造转子和方法 | |
| JP2005048206A (ja) | 高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法 | |
| EP3041968B1 (en) | Turbomachine components manufactured with carbon nanotube composites | |
| CN109266914B (zh) | 一种石墨烯增强金属基复合材料的制备方法 | |
| CN111633209A (zh) | 一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法 | |
| CN106253513A (zh) | 用于柴油机-电力机车的混合牵引电动机转子 | |
| US20130106012A1 (en) | Manufacture process for high wear-heat resistant parts carbon brushes & brake pads ASTM preform slurry electrolyte carbon nanofoam CNFs & 2.5 phase design and precision die cast extrusion for highly pure metal, super alloy, ceramics, alkaline, and alkalide | |
| CN107021491B (zh) | 一种Ti5Si3金属间化合物微纳米线及其制备方法 | |
| US9601978B2 (en) | Aluminum alloy rotor for an electromagnetic device | |
| CN110476337A (zh) | 混合式鼠笼转子 | |
| WO2014182645A1 (en) | Anisotropically aligned carbon nanotubes in a carbon nanotube metal matrix composite | |
| Vavilov et al. | Improving the processibility of manufacturing windings of electrical machines using additive manufacturing methods: experience of using A1Si10Mg and carbon nanotubes | |
| JP2017159362A (ja) | 熱間等方圧加圧法により第１の金属部品の周囲に形成された第２の金属部品を用いた鋳造 | |
| CN106367630B (zh) | 一种涂覆单质铜的多壁碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法 | |
| JP2015071825A (ja) | アルミニウム合金−セラミックス複合材の製造方法 | |
| CN105296954B (zh) | 合成用于结构和导体应用的铝碳纳米管材料的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140219 Termination date: 20210106 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |