CN104871413B - 磁性负载复合转子以及制作磁性负载复合转子的方法 - Google Patents

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Abstract

通过提供具有纵轴(2)的芯轴(1)形成磁性负载复合转子。在芯轴上涂覆脱模剂(3)并且在脱模剂上施加具有沿轴(2)的方向延伸的纤维的编织或非编织材料的纤维材料(4)。包含磁性颗粒(28)的热塑性树脂浸渍丝束(24)缠绕在纤维材料(4)上，所述纤维材料基本防止磁性颗粒穿透到达芯轴。

Description

磁性负载复合转子以及制作磁性负载复合转子的方法
技术领域
本发明涉及磁性负载复合(MLC)转子以及制作这种转子的方法。
背景技术
MLC转子，有时也称为飞轮，可以用于高速(例如超过30000rpm)旋转的电动机/发电机以用作能量存储和/或能量发动机。
根据是将能量施加给结合转子使用的定子上的电子线圈还是从所述电子线圈汲取能量，该转子能够被用作电动机或发电机。
MLC转子的使用具有不需要在高速时会飞脱的独立磁体的有益效果。
WO97/00549、EP-B-067987和PCT/GB2012/051367描述了通过使用嵌入在未固化环氧树脂(例如环氧树脂)基底中的纤维丝束(即连续的人造纤维丝的非绞合束，例如玻璃纤维、或碳纤维、或碳纳米管)形成的复合飞轮。
在EP-B-0667987中，干燥的玻璃纤维丝束、由粉末磁性材料构成的悬浮液(例如各向同性NdFeB)和可以是热固性树脂的未固化环氧树脂被缠绕在芯轴上。所公开的方法将悬浮液逐渐地馈送至芯轴上以产生一层悬浮液，同时，将一层干燥的玻璃纤维丝束缠绕在悬浮液层上，并具有开放结构。开放结构中的开口被悬浮液填充以使得玻璃纤维丝束俘获一层MLC悬浮液，挤压这层悬浮液以产生所需的树脂水平。MLC悬浮液中的多余树脂用于浸渍玻璃纤维丝束以产生所需的结构。然后，缠绕结构在芯轴上被胶化并同时固化。
这种制作MLC转子的方法依赖于树脂和NdFeB粉末悬浮液的流动性以流动产生所需的结构。
因为颗粒趋向于围绕定向磁体的极点聚集，所以流动能力阻止采用如下过程：该过程被需要以能够使得与当前的各向异性NdFeB颗粒有关的剩磁通的增益增加。
这种聚集引起对高速飞轮有害的失衡并且可能导致转子和定子组件的毁坏。
与这种已知方法相关的困难在PCT/GB2012/051367的公开中得到至少部分缓解
在该参考文献中，磁性负载预浸渍带使用热塑性溶液并使用溶剂掺杂的各向异性磁颗粒材料浸渍纤维带材料。
通过如下形成转子：在加热站使磁性负载预浸渍带和热塑性树脂浸渍的纤维丝束缠绕芯轴，并且在加热站加热以将丝束和带结合。
可以理解，为了商业上可行，这种转子必须以合理的生产速度制造并且具有很高的精度。芯轴被要求是可重复使用的以使得在形成转子并固化转子之后，转子必须滑离芯轴。
粉末磁性材料是坚硬和高度粗糙的并且在制造过程中趋向于到达转子的径向内表面，并因此摩擦芯轴从而妨碍固化的MLC转子从芯轴移除。因此，需要较大的力将固化的MLC转子从芯轴移除，这具有损坏靠近芯轴的最内固化层以及损坏芯轴的表面层的可能性。在尝试缓解EP-B-067987中的前述缺陷时，在缠绕MLC转子之前，先将预浸渍的玻璃纤维丝束缠绕在芯轴上。然而，一些磁性材料粉末仍然移动通过玻璃纤维丝束到达芯轴的表面，在该表面处这些磁性材料粉末妨碍转子的移除。
虽然已经发现在缠绕前述玻璃纤维丝束之前给芯轴涂覆脱模剂层是有利的，但是这种脱模剂层易于被磁性颗粒刮擦，就像芯轴自身被刮擦一样。
此外，已经发现微裂纹从转子的内表面传播并且相信这些微裂纹至少部分地源于对材料(树脂和玻璃纤维两者)施加的力，并且磁性材料颗粒使得微裂纹流过转子的内表面。
发明内容
本发明力图至少部分地缓解前述问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种制作纤维强化塑料材料的转子的方法，其包括如下步骤：
(a)提供具有纵轴的可旋转芯轴
(b)对所述芯轴施加脱模剂
(c)在所述脱模剂上对所述芯轴施加纤维材料；以及
(d)在所述纤维材料上提供磁性负载丝束(包括磁性颗粒)，其中，施加所述纤维材料以使得磁性颗粒基本不会穿透所述纤维材料到达芯轴；
其特征在于，当在所述脱模剂上对所述芯轴施加纤维材料时，所述纤维材料具有沿所述纵轴的方向延伸的纤维。
优选地，所述纤维材料是编织物并且是平纹织物、仿纱罗织物、四经缎织物、八经缎织物和斜纹织物中之一。
可替代地，纤维材料是至少由沿纵轴方向布置的纤维构成的无纺织物、毡或垫。
方便地，纤维材料由树脂预浸渍的玻璃或碳纤维布、织物、毡或垫构成。
在一个实施例中，步骤(d)包括向所述纤维材料提供复数层的多丝玻璃丝束或带，以及树脂和磁性颗粒的混合物，并且配置刮板(doctor plate)以朝向所述纤维材料压迫所述树脂和磁性颗粒的混合物，但是不通过所述纤维材料，并且在所述复数层的多丝玻璃丝束的每一层之间。
方便地，玻璃丝束的宽度小于纤维材料在芯轴上的轴向长度，并且在所述纵轴的方向上缠绕。
在另一实施例中，步骤(d)包括如下进一步的步骤：围绕所述纤维材料缠绕至少一个中间层，所述中间层包含树脂浸渍的纤维，从而限定所述中间层的纤维之间的空间；在所述空间中布置包含磁性填充材料和树脂基底材料的混合物；围绕中间层缠绕包含树脂浸渍纤维的外层；在胶化过程中当在进行胶化之前所述树脂是液态时施加磁场以在所需的方向对齐磁性填充材料；固化所述树脂；以及磁化磁性材料。
在又一实施例中，步骤(d)包括如下步骤：使用热塑性树脂溶液和溶剂掺杂的各向异性磁性材料浸渍纤维带材料以形成磁性负载预浸渍带，将所述各向异性的磁性负载预浸渍带和热塑性树脂浸渍纤维丝束馈送至加热站，在所述加热站加热以结合所述丝束和带从而产生磁性负载复合带，在磁供能芯轴上缠绕磁性负载复合带以在使用期望的磁场结构磁化之前对齐所述各向异性的磁性颗粒材料。
根据本发明的特征，提供了一种根据本发明的第一方面制作的磁性负载复合转子。
根据本发明的第二方面，提供了一种包含树脂预浸渍纤维材料的磁性负载复合转子，所述纤维材料具有在纵轴方向延伸的纤维，并且涂覆有多层磁性负载丝束或带。
附图说明
现在参照附图通过示例描述本发明，其中：
图1以示意的形式示出根据本发明的由纤维材料的第一层构成的芯轴的透视图，
图2以示意的形式示出用于形成磁性负载复合转子的装置，
图3示出根据本发明制造的转子，以及
图4示出用于制造磁性负载复合带的另一装置。
在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
在图1中，要在其上形成转子的圆柱形的中空芯轴1具有纵向延伸的轴2。芯轴的外表面的至少一部分用市售的脱模剂3涂覆，该脱模剂3可以是蜡、聚乙烯醇或者诸如从www.fibreglast.com可获得的的任意市售脱模剂。在脱模剂之上涂覆的是至少一层纤维材料4，优选地是预浸渍玻璃纤维布材料，其具有沿纵轴2的方向延伸的纤维。
纤维材料可以可替代地是无纺布、毡或垫或者编织布。
预浸渍的玻璃纤维布天然具有粘性的并且被预切割并且被滚动到芯轴的表面上，然后被热固化。
编织材料的进一步的示例可以是：
平纹织物
在该织物模式，经纱和填充纱线以交替方式交织在彼此之上和之下。对于给定的纱线支数，平纹织物产生良好的稳定性、多孔性和最少的纱线滑动。
仿纱罗织物
仿纱罗织物用于要求相对较少量的纱线的情形。仿纱罗织物通过使两个或更多个经线彼此穿过并与一个或多个填充线交织将纱线锁定位置。
四经缎(爪形)织物
四经缎织物比平纹织物更加柔韧并且更容易适合强化塑料中典型的弯曲表面。在该织物模式，存在3x1连接，其中填充纱线在三根经纱之上而在一根经纱之下。
八经缎织物
该织物模式与四经缎织物的模式类似，除了一根填充纱线在七根经纱之上而在一根经纱之下。该织物非常柔韧并且可以用于在弯曲表面上形成。
斜纹织物
斜纹织物比平纹织物更加柔韧并且具有较好的褶皱能力，同时相比四经缎或八经缎织物保持更好的织物稳定性。该织物模式的特征是由一根经纱在至少两根填充纱线之上制作的斜罗纹。
在该示例中，最初施加至芯轴的纤维材料可以优选地是不导电的并且优选地是编织物并且被树脂预浸渍并且以使经纱或纬纱沿纵轴2的方向延伸的方式被施加至芯轴。
重要的是，预浸渍纤维材料具有对于粉末渗透的阻力以使得随后施加的磁性颗粒材料(如下文描述的)不会通过纤维材料移动到脱模剂3的表面上。
图2以简化示意的方式示出形成MLC转子的装置。芯轴由电动机(未示出)驱动。可以用可以给圆柱体内部提供热空气的方便的源(未示出)加热芯轴，如箭头线21所示。芯轴1被安装在绕线机(未示出)上并且芯轴被配置为沿箭头线22的方向旋转。热塑性树脂浸渍的丝束24由在箭头线26的方向上可旋转的滚筒25提供。丝束材料24具有在1000和3000股线之间(优选为2400股线)的多丝。丝束24的宽度小于纤维材料4在芯轴上的轴向长度，并且被配置为在纵轴2的方向上来回缠绕，如双箭头线27所示。容器28包含树脂和各向异性NdFeB颗粒材料的混合物，所述混合物也可以包含被加热至60℃和100℃之间的温度的溶剂和聚醚醚酮(PEAK)和聚醚酰亚胺(PEI)。来自容器28的树脂和磁性颗粒的混合物被施加至丝束24。
刮板或刮刀29安置于丝束上并且被安装为使得当丝束表面的直径增加时，刀片被提升。因此，刮板29用作迫使树脂和磁性颗粒进入丝束和每个丝束纱线之间的刮板。丝束和刮板在双箭头线27的方向上移动以制造合适厚度的转子。
根据本发明的方法制作的转子在图3示出。MLC转子30具有纤维材料的至少第一径向内层31，其由例如预浸渍编织布构成。
在本发明中，纤维材料用作连接层，当转子在接近250000g的重力下运作和工作时防止丝束24的轴向蠕变。
图2示出用于制作转子的一个装置，但是也可以使用其他方法制作转子，共同因素是提供纤维材料4的轴向强化最内层。
因此，如以上参照图1所述的，提供了具有脱模剂和纤维材料内层的芯轴，并且所述装置可以如EP-B-067987所述。使用未固化的环氧树脂浸渍的碳纤维或玻璃纤维丝束被缠绕在内部的纤维材料4上。
使用未固化环氧树脂浸渍的碳纤维丝束的中间层以彼此之间180°异相的关系缠绕在纤维材料4上。丝束之间的空间被填充退磁状态的磁性颗粒材料和未固化的环氧树脂。被未固化环氧树脂浸渍的纤维丝束的外层缠绕在前述丝束的中间层上。以类似的方式形成外壳并且施加磁场以对齐磁性颗粒材料。在合适的加热环境，环氧树脂被固化。
在另外的配置中，参照图1如上所述地提供芯轴。用于形成转子的装置则与PCT/GB2012/051367所述的大致相同。因此，参照图4，热塑性树脂浸渍的丝束24被馈送越过预加应力滚轴65、66、67到达位于加热站69的压缩和引导滚轴68。
由激光70给加热站69供应热能，激光70可以是在加热站69提供350℃到400℃的脉冲或连续能量的2kw激光。提供给加热站69的还有磁性负载预浸渍带80，其被馈送越过应力滚轴81、82。丝束24和带80，与加热站69一起沿芯轴的纵轴方向进行纵向移动以形成MLC转子。在形成之后，可以通过在炉中将转子加热至300℃实施应力释放。
本发明通过提供在其上形成MLC转子的如上述定向的纤维材料的内层，促进了转子从芯轴上的移除，此外，防止MLC转子层的轴向蠕变并因此防止转子的内表面的轴向裂纹。这种特征具有明显提高MLC转子的疲劳寿命的有益效果。

Claims (11)

1.一种制作纤维强化塑料材料的转子(30)的方法，包括如下步骤：
(a)提供具有纵轴(2)的可旋转芯轴(1)，
(b)为所述芯轴施加脱模剂(3)，
(c)在所述脱模剂上为所述芯轴施加纤维材料(4)；以及
(d)在所述纤维材料上提供包含磁性颗粒的磁性负载丝束(24)，其中，施加所述纤维材料以使得所述磁性颗粒不会穿透所述纤维材料到达所述芯轴；
其特征在于，当在所述脱模剂上为所述芯轴施加纤维材料时，所述纤维材料具有沿所述纵轴方向延伸的纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是编织物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是至少由沿所述纵轴方向布置的纤维构成的无纺织物、毡或垫。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料由树脂预浸渍的玻璃或碳纤维布、织物、毡或垫构成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述步骤(d)包括向所述纤维材料提供复数层的多丝玻璃丝束或带，以及树脂和磁性颗粒的混合物，并且配置刮板以朝向所述纤维材料压迫所述树脂和磁性颗粒的混合物，但是不通过所述纤维材料，并且在所述复数层的多丝玻璃丝束的每一层之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述玻璃丝束的宽度小于所述纤维材料在所述芯轴上的轴向长度，并且在所述纵轴的方向上缠绕。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述步骤(d)包括如下进一步的步骤：围绕所述纤维材料缠绕至少一个中间层，所述中间层包含树脂浸渍的纤维，从而限定所述中间层的纤维之间的空间；在所述空间中布置包含磁性填充材料和树脂基底材料的混合物；围绕所述中间层缠绕包含树脂浸渍纤维的外层；在胶化过程中当在进行胶化之前所述树脂是液态时施加磁场以在所需的方向对齐所述磁性填充材料；固化所述树脂；以及磁化所述磁性材料。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述步骤(d)包括如下步骤：使用热塑性树脂溶液和溶剂掺杂的各向异性磁性材料来浸渍纤维带材料以形成磁性负载预浸渍带(80)，将各向异性的磁性负载预浸渍带和热塑性树脂浸渍纤维丝束馈送至加热站，在所述加热站加热以结合所述丝束和带从而产生磁性负载复合带，在磁供能芯轴上缠绕所述磁性负载复合带以在使用期望的磁场结构磁化之前对齐各向异性的磁性颗粒材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是平纹织物、仿纱罗织物、四经缎织物、八经缎织物和斜纹织物中之一。
10.根据权利要求1-9中任一项制作的磁性负载复合转子。
11.一种包含树脂预浸渍纤维材料的磁性负载复合转子，所述纤维材料具有在纵轴方向延伸的纤维，并且涂覆有多层磁性负载丝束或带。
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