CN116054511B - 纤维套缠绕工艺、转子制作方法、转子及其性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供纤维套缠绕工艺、转子制作方法、转子及其性能评价方法。用于转子的纤维套缠绕工艺包括：S1，提供模拟转子；S2，在模拟转子外周设置第一纤维套，第一纤维套使压力传感器所测量的压力值达到目标预紧力；S3，取下第一纤维套并测量收缩量；S4，在转子主体的外周缠绕第二纤维套，将第二纤维套切开取下，得到第二回缩纤维套，调整工艺参数直到第二回缩纤维套的尺寸与第一回缩纤维套的尺寸相同，确定此状态下的参数为目标工艺参数。根据本发明的工艺能给转子提供足够的、可评判的预紧力；且一旦工艺确定，转子的制作方法简单明确；根据该工艺制作的转子结构强度高；转子的缠绕性能能够被客观评价。

Description

纤维套缠绕工艺、转子制作方法、转子及其性能评价方法

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体地涉及纤维套缠绕工艺、转子制作方法、转子及其性能评价方法。

背景技术

对于高转速的永磁电机，例如新能源汽车的驱动电机，驱动电机朝着更高的功率密度、扭矩密度和更高效率方向发展。高电压（例如大于800V）平台和高转速成为了主流方向。

电机的转子在高转速下需要承受非常大的离心力，这对转子铁芯的机械强度提出了很高的要求。

现有技术中一种增加转子铁芯强度的方法是在电机转子的外周缠绕碳纤维，通过碳纤维护套对转子铁芯施加预压力来抵抗离心力，能够增加转子的机械强度。

碳纤维护套是一种纤维与树脂复合型材料。碳纤维可以是以丝束状或条带状的形式缠绕到转子表面，也可以以碳纤维预浸料布的形式成片地缠绕到转子表面，最终形成套筒状结构。以下将丝束状、或条带状或预浸料布状的碳纤维简称为碳纤维带材。

以丝束状的碳纤维为例，例如在碳纤维与树脂混匀后，使复合丝束（也简称碳纤维丝束或碳纤维带材）以一定张力在转子表面进行周向缠绕；随后在烘箱内以一定温度（例如150℃~200℃）对复合材料进行固化；最终在转子表面形成一个有一定预紧力的薄（例如厚度为0.5mm~2mm）的圆柱形套筒。该套筒能抵挡转子高速旋转下离心炸裂，还能减少转子漏磁。

在上述过程中，如何合理控制工艺参数，使得转子预紧力能达到要求是非常关键的。现有技术通常是通过在缠绕过程中控制对碳纤维带材的张紧力来控制最终的碳纤维套筒的压力的。然而，首先这两个力是不相等的；其次，由于转子的具体结构不同于理想的圆柱形，并且缠绕是多层的，再加上缠绕完成后需要对碳纤维套筒进行固化，各种因素会影响最终的压力值。因此，最终转子预紧力难以准确控制。此外，由于转子通常是薄的硅钢叠片内插入永磁体的结构，因此难以在转子内布置能精确测量碳纤维护套抱紧压力的传感器。

因此，如何合理设置缠绕的工艺参数，使得护套在固化后给转子提供的预紧力满足要求，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供纤维套缠绕工艺、转子制作方法、转子及其性能评价方法。

根据本发明的第一方面，提供一种用于转子的纤维套缠绕工艺，所述转子包括转子主体和纤维套，所述纤维套缠绕于所述转子主体的外周，使得所述转子主体的外周面在单位面积上受到的压力值等于目标预紧力，所述工艺包括，

S1，提供模拟转子：

所述模拟转子具有与所述转子主体相同的尺寸，所述模拟转子的表面设有压力传感器；

S2，套设第一纤维套：

在所述模拟转子外周设置所述第一纤维套，所述第一纤维套将所述模拟转子箍紧并使所述压力传感器所测量的压力值达到所述目标预紧力；

S3，取下所述第一纤维套并测量收缩量：

将所述第一纤维套沿所述模拟转子的母线切开后取下，得到第一回缩纤维套，测量所述第一回缩纤维套的尺寸；

S4，缠绕试验：

使用第二工艺参数在所述转子主体的外周缠绕第二纤维套，所述第二纤维套的尺寸与所述第一纤维套相同，

将所述第二纤维套沿所述转子主体的母线切开后取下，得到第二回缩纤维套，测量所述第二回缩纤维套的尺寸，

调整所述第二工艺参数，直到所述第二回缩纤维套的尺寸与所述第一回缩纤维套的尺寸相同，确定此状态下的所述第二工艺参数为目标工艺参数。

在至少一个实施方式中，所述第二工艺参数包括以下至少一者：所述转子主体的温度、环境温度、纤维的张紧力、缠绕层数、固化温度和固化时间。

在至少一个实施方式中，所述第一纤维套和所述第二纤维套的结构相同。

在至少一个实施方式中，所述测量所述第一回缩纤维套的尺寸包括：测量所述第一回缩纤维套在自然状态下的直径。

在至少一个实施方式中，所述测量所述第一回缩纤维套的尺寸包括：测量所述第一回缩纤维套在回弹后形成的重叠区域的周向长度。

在至少一个实施方式中，所述第一纤维套和所述第二纤维套在被裁开后静置相同的时间等待回缩。

在至少一个实施方式中，所述纤维套为碳纤维套。

在至少一个实施方式中，所述纤维套、所述第一纤维套和所述第二纤维套通过纤维丝束缠绕后固化得到，或者

所述纤维套、所述第一纤维套和所述第二纤维套通过纤维预浸布料多层缠绕后固化得到。

根据本发明的第二方面，提供一种转子的制作方法，包括：

将纤维套按照目标工艺参数缠绕于转子主体的外周其特征在于，

所述目标工艺参数的值通过本发明的第一方面所述的用于转子的纤维套缠绕工艺而获得。

根据本发明的第三方面，提供一种转子，所述转子包括转子主体和纤维套，其中，所述转子通过如本发明的第二方面的转子的制作方法制作。

根据本发明的第四方面，提供一种转子性能的评价方法，所述转子包括转子主体和纤维套，所述纤维套缠绕于所述转子主体的外周，所述方法用于评价所述转子主体的外周面在单位面积上受到的压力值是否满足目标预紧力的要求，其中，所述方法包括，

S1，提供模拟转子：

所述模拟转子具有与所述转子主体相同的尺寸，所述模拟转子的表面设有压力传感器；

S2，模拟缠绕：

在所述模拟转子外周设置所述第一纤维套，所述第一纤维套将所述模拟转子箍紧并使所述压力传感器所测量的压力值达到所述目标预紧力；

S3，取下所述第一纤维套并测量收缩量：

将所述第一纤维套沿所述模拟转子的母线切开后取下，得到第一回缩纤维套，测量所述第一回缩纤维套的尺寸；

S4，真实缠绕试验：

在所述转子主体的外周缠绕第二纤维套，所述第二纤维套的尺寸与所述第一纤维套相同，

将所述第二纤维套沿所述转子主体的母线切开后取下，得到第二回缩纤维套，测量所述第二回缩纤维套的尺寸；

S5，性能评价：

比较第一回缩纤维套的尺寸和第二回缩纤维套的尺寸，若第二回缩纤维套的回缩量大于或者等于第一回缩纤维套的回缩量，则第二纤维套能够为所述转子主体提供所述目标预紧力。

根据本发明的用于转子的纤维套缠绕工艺，通过合理设置模拟转子、以及巧妙地选取中间参照物，使得纤维套对不同结构的转子（真实转子和模拟转子的内部构造不同）的预紧力通过纤维套受到的反作用力被反应，从而能在不改变真实转子结构的基础上，准确获知纤维套是否给转子提供了足够的预紧力，使得纤维套的缠绕工艺能满足要求。

一旦纤维套的缠绕工艺被确定，根据本发明的转子的制作方法可以遵循确定的目标工艺参数，转子的制作方法简单明确。

根据该工艺制作的转子结构强度高。转子的缠绕性能能够被客观评价。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的模拟转子的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施方式的转子主体的结构示意图。

图3是根据本发明的一个实施方式的第一纤维套和相应的第一回缩纤维套的剖面示意图。

图4是根据本发明的一个实施方式的第二纤维套和相应的多次试验中第二回缩纤维套的剖面示意图。

附图标记说明：

R1 模拟转子；R0 转子主体；10 压力传感器；11 传感器线束；12 压力帽；

C1 第一纤维套；C11 第一回缩纤维套；C2 第二纤维套；C21 第二回缩纤维套。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

参照图1至图4，以在转子外周缠绕碳纤维套为例，介绍根据本申请的一个实施方式的纤维套缠绕工艺、转子的制作方法以及转子。

根据本申请所制作的转子包括转子主体R0和套设在转子主体R0外周的纤维套。纤维套在固化完成后，对转子主体R0的外周面在单位面积上施加的压力等于或略大于目标预紧力Fb。

纤维套可以是碳纤维以丝束状或条带状的形式缠绕到转子表面，也可以是以碳纤维预浸料布的形式成片地缠绕到转子表面，最终形成套筒状结构。以下将丝束状、或条带状或预浸料布状的碳纤维简称为纤维带材。

目标预紧力Fb的达成是通过使用合理的目标工艺参数Pk而实现的。

目标工艺参数Pk包括：转子温度、缠绕环境温度、丝束张紧力、缠绕层数、固化温度与时间等。

为了确定目标工艺参数Pk，引入模拟转子R1和第一纤维套C1。

在下述方法中，模拟转子R1和第一纤维套C1将作为中间参照物，帮助确定目标工艺参数Pk。通过将第一纤维套C1缠绕到可测护套预紧力的模拟转子R1，可以获知达到目标预紧力Fb的第一纤维套C1将具备什么样的性能。之后，通过评判纤维套是否具有相应的性能，可以在不借助压力传感器的情况下，反推缠绕是否达到了目标预紧力。

参照图1和图2，介绍模拟转子R1。模拟转子R1与转子主体R0具有同样的尺寸，这里同样的尺寸主要是二者的直径和轴向长度相等。模拟转子R1不必是由硅钢片叠置而成，例如，模拟转子R1可以是一个钢制圆柱体，从而方便设置压力传感器10。

压力传感器10用于测量目标预紧力Fb，或者更准确地说，压力传感器10所测量的压力可以用于评判套设在模拟转子R1外周的碳纤维套是否提供了目标预紧力Fb。

本实施方式中，模拟转子R1是内部部分掏空（掏空部分用于安装压力传感器10）的圆柱体。压力传感器10的测量部位，即压力帽12，设置在模拟转子R1的表面，并且，压力帽12的外表面轮廓与模拟转子R1的外表面轮廓平齐或者说重合（压力帽12相对于模拟转子R1的表面既不突出也不凹陷）。从而，压力帽12受压所测得的压力值可以等于纤维缠绕到模拟转子R1后压在转子壁上单位面积的力。压力传感器10的传感器线束11可以从模拟转子R1的轴向端部引出。

使用第一工艺参数P1给模拟转子R1缠绕第一纤维套C1，使得缠绕完成后，压力传感器10测得的压力等于目标预紧力Fb。这里，缠绕完成，指的是第一纤维套C1在缠绕后完成固化的最终状态。

第一纤维套C1的缠绕方法与等待为转子主体R0提供的纤维套的缠绕方法一致，即，它们同为丝束状或条带状的纤维缠绕到转子表面，或者同为碳纤维预浸料布缠绕到转子表面，最终形成套筒状结构。

第一工艺参数P1包括：转子温度、缠绕环境温度、丝束张紧力、缠绕层数、固化温度与时间等。

应当理解，由于固化前后的纤维套对模拟转子R1提供的预紧力可能是不一样的，因此，可能需要进行多次试验。不断调整第一工艺参数P1，使得固化后的第一纤维套C1能为模拟转子R1提供目标预紧力Fb。在可能的调整过程中，优选地，通常将转子温度、缠绕环境温度、缠绕层数、固化温度与时间作为定量，而将丝束张紧力作为控制的变量；作为次优方案，也可以将温度，例如固化温度作为变量。

接下来，切割并取下能为模拟转子R1提供目标预紧力Fb的第一纤维套C1。

具体地，参照图3，沿第一纤维套C1的母线将其轴向地切开，将第一纤维套C1从模拟转子R1上取下。

应当理解，取下的被裁开的第一纤维套C1在完全展开后成矩形片状。然而由于第一纤维套C1已固化且具有预紧力，因此，取下的第一纤维套C1会在内应力的作用下自发回弹，形成第一回缩纤维套C11。第一回缩纤维套C11的横截面呈近似的圆形，且其半径R11比原来的第一纤维套C1的半径R1稍小。

第一回缩纤维套C11的回缩表现为，第一回缩纤维套C11在裁切边缘附近的部分重叠在一起，形成第一重叠区域C110。第一重叠区域C110所对应的近似圆弧的圆心角为θ11；第一重叠区域C110所对应的近似圆弧的长度为L11。

半径R11、圆心角为θ11以及圆弧长L11中的一者或多者，可以作为第一纤维套C1的收缩量。

接下来，使用第二纤维套C2对转子主体R0进行缠绕试验。

使用第二工艺参数P2在转子主体R0的外周缠绕第二纤维套C2。第二工艺参数P2包括转子温度、缠绕环境温度、丝束张紧力、缠绕层数、固化温度与时间等。为了使下文将介绍的参数调整能快速进行，第二工艺参数P2参考第一工艺参数P1，在第一工艺参数P1的附近设置。例如，将第二工艺参数P2中的转子温度、缠绕环境温度、缠绕层数、固化温度与时间设置成与第一工艺参数P1中相应量相等，并在第一工艺参数P1中丝束张紧力的附近选取并逐步调整第二工艺参数P2中的丝束张紧力。

第二纤维套C2的尺寸与第一纤维套C1相同。主要是，第二纤维套C2的轴向长度、缠绕层数与第一纤维套C1相同。

参考图4，在缠绕和固化完成后，将第二纤维套C2沿转子主体R0的母线切开后取下，使其自由回弹后，得到第二回缩纤维套C21。

优选地，第二回缩纤维套C21的自由回弹时间与第一回缩纤维套C11的自由回弹时间相等，例如均为10分钟。

测量第二回缩纤维套C21的尺寸，包括第二回缩纤维套C21的半径R21、第二重叠区域C210所对应的圆心角θ21和圆弧长L21中的一者或多者。

调整第二工艺参数P2进行多次试验，直到第二回缩纤维套C21的尺寸与第一回缩纤维套C11的尺寸相同，或者，直到第二回缩纤维套C21的回缩量稍大于第一回缩纤维套C11的回缩量，表现为：第二回缩纤维套C21的半径R21等于或稍小于第一回缩纤维套C11的半径R11，或者第二重叠区域C210所对应的圆心角θ21等于或稍大于第一重叠区域C110所对应的圆心角θ11，或者第二重叠区域C210所对应的圆弧长L21等于或稍大于第一重叠区域C110所对应的圆弧长L11。确定此状态下的第二工艺参数P2为目标工艺参数Pk。

例如，图4中“×”所对应的第二回缩纤维套C21的回缩量小于第一回缩纤维套C11的回缩量，第二回缩纤维套C21不符合要求，对应的第二工艺参数P2不符合要求；“√”所对应的第二回缩纤维套C21的回缩量等于或稍大于第一回缩纤维套C11的回缩量，第二回缩纤维套C21符合要求，对应的第二工艺参数P2符合要求，可以作为目标工艺参数Pk。

最后，根据所确定的目标工艺参数Pk，在转子主体R0外周缠绕纤维，固化后形成的纤维套能给转子主体R0提供目标预紧力Fb。

应当理解，上述方法还能用于评价一个转子的纤维套是否能提供足够的目标预紧力。即，比较第一回缩纤维套C11的尺寸和第二回缩纤维套C21的尺寸，若第二回缩纤维套C21的回缩量大于或者等于第一回缩纤维套C11的回缩量，则第二纤维套C2能够为转子主体R0提供目标预紧力Fb；否则，第二纤维套C2为转子主体R0提供的预紧力不满足目标预紧力Fb的要求。

本发明至少具有以下优点中的一个优点：

（i）本发明通过设置模拟转子R1，通过给设有压力传感器的模拟转子R1缠绕纤维套，使得纤维套给转子的预紧力能够被准确测量。

（ii）通过将纤维套的回缩量作为中间参数，能够客观地反应纤维套的缠绕预紧力是否满足要求，从而可以给真实的、结构不完全等同于模拟转子的转子主体做恰当的缠绕。

当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。例如：

纤维套所使用的纤维除了碳纤维外，还可以是其它纤维，例如玻璃纤维等。

Claims (11)

1.一种用于转子的纤维套缠绕工艺，所述转子包括转子主体（R0）和纤维套，所述纤维套缠绕于所述转子主体（R0）的外周，使得所述转子主体（R0）的外周面在单位面积上受到的压力值等于目标预紧力Fb，其特征在于，所述工艺包括，

S1，提供模拟转子（R1）：

所述模拟转子（R1）具有与所述转子主体（R0）相同的尺寸，所述模拟转子（R1）的表面设有压力传感器（10）；

S2，套设第一纤维套（C1）：

在所述模拟转子（R1）外周设置所述第一纤维套（C1），所述第一纤维套（C1）将所述模拟转子（R1）箍紧并使所述压力传感器（10）所测量的压力值达到所述目标预紧力Fb；

S3，取下所述第一纤维套（C1）并测量收缩量：

将所述第一纤维套（C1）沿所述模拟转子（R1）的母线切开后取下，得到第一回缩纤维套（C11），测量所述第一回缩纤维套（C11）的尺寸；

S4，缠绕试验：

使用第二工艺参数（P2）在所述转子主体（R0）的外周缠绕第二纤维套（C2），所述第二纤维套（C2）的尺寸与所述第一纤维套（C1）相同，

将所述第二纤维套（C2）沿所述转子主体（R0）的母线切开后取下，得到第二回缩纤维套（C21），测量所述第二回缩纤维套（C21）的尺寸，

调整所述第二工艺参数（P2），直到所述第二回缩纤维套（C21）的尺寸与所述第一回缩纤维套（C11）的尺寸相同，确定此状态下的所述第二工艺参数（P2）为目标工艺参数。

2.根据权利要求1所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述第二工艺参数（P2）包括以下至少一者：所述转子主体（R0）的温度、环境温度、纤维的张紧力、缠绕层数、固化温度和固化时间。

3.根据权利要求1所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述第一纤维套（C1）和所述第二纤维套（C2）的结构相同。

4.根据权利要求1所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述测量所述第一回缩纤维套（C11）的尺寸包括：测量所述第一回缩纤维套（C11）在自然状态下的直径。

5.根据权利要求1所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述测量所述第一回缩纤维套（C11）的尺寸包括：测量所述第一回缩纤维套（C11）在回弹后形成的重叠区域的周向长度。

6.根据权利要求1所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述第一纤维套（C1）和所述第二纤维套（C2）在被裁开后静置相同的时间等待回缩。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述纤维套为碳纤维套。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的用于转子的纤维套缠绕工艺，其特征在于，所述纤维套、所述第一纤维套（C1）和所述第二纤维套（C2）通过纤维丝束缠绕后固化得到，或者

所述纤维套、所述第一纤维套（C1）和所述第二纤维套（C2）通过纤维预浸布料多层缠绕后固化得到。

9.一种转子的制作方法，包括：

将纤维套按照目标工艺参数缠绕于转子主体（R0）的外周其特征在于，

所述目标工艺参数的值通过如权利要求1至8中任一项所述的用于转子的纤维套缠绕工艺而获得。

10.一种转子，所述转子包括转子主体（R0）和纤维套，其特征在于，所述转子通过如权利要求9所述的转子的制作方法制作。

11.一种转子性能的评价方法，所述转子包括转子主体（R0）和纤维套，所述纤维套缠绕于所述转子主体（R0）的外周，所述方法用于评价所述转子主体（R0）的外周面在单位面积上受到的压力值是否满足目标预紧力Fb的要求，其特征在于，所述方法包括，

S1，提供模拟转子（R1）：

所述模拟转子（R1）具有与所述转子主体（R0）相同的尺寸，所述模拟转子（R1）的表面设有压力传感器（10）；

S2，模拟缠绕：

在所述模拟转子（R1）外周设置第一纤维套（C1），所述第一纤维套（C1）将所述模拟转子（R1）箍紧并使所述压力传感器（10）所测量的压力值达到所述目标预紧力Fb；

S3，取下所述第一纤维套（C1）并测量收缩量：

将所述第一纤维套（C1）沿所述模拟转子（R1）的母线切开后取下，得到第一回缩纤维套（C11），测量所述第一回缩纤维套（C11）的尺寸；

S4，真实缠绕试验：

在所述转子主体（R0）的外周缠绕第二纤维套（C2），所述第二纤维套（C2）的尺寸与所述第一纤维套（C1）相同，

将所述第二纤维套（C2）沿所述转子主体（R0）的母线切开后取下，得到第二回缩纤维套（C21），测量所述第二回缩纤维套（C21）的尺寸；

S5，性能评价：

比较第一回缩纤维套（C11）的尺寸和第二回缩纤维套（C21）的尺寸，若第二回缩纤维套（C21）的回缩量大于或者等于第一回缩纤维套（C11）的回缩量，则第二纤维套（C2）能够为所述转子主体（R0）提供所述目标预紧力Fb。

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