CN116423881A - 一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法，涉及高速永磁电机转子领域。该成型方法包括：将单向预浸料分切形成的预浸窄带，其中，单向预浸料中环氧树脂的固化温度小于等于120℃，环氧树脂的玻璃化转变温度为170‑190℃；碳纤维为T700S级、T800S级和T1000G级中一种或几种混合；将转子铁芯固定并对永磁体的表面进行去污处理；接着将预浸窄带包覆于永磁体的表面；缠绕一层加压带；设置固化制度，静置固化；产品冷却至室温后，磨床加工即得。本发明可以实现高预紧力缠绕，即便张力达到600N以上，缠绕时都不会产生毛丝，生产速度更快，生产效率更高，从而制件中纤维强度转化率高，产品重量更轻。
Description
技术领域
本发明涉及高速永磁电机转子领域，具体而言，涉及一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法。
背景技术
高速永磁电机转子在高速旋转时，永磁体会产生较大离心力，必须在永磁体表面设置保护套来抵消该离心力，目前保护套主要是采用合金材料和碳纤维复合材料，而碳纤维复合材料因为具有轻质高强等特点，应用越来越广。碳纤维复合材料护套有多种成型方法，各种方法各有优缺点。
目前通常采用湿法缠绕和预浸纱干法缠绕，当缠绕张力超过250N时，碳纤维便会出现大量毛丝，甚至断纱，缠绕效率降低，从而制件中纤维强度转化率也会降低。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法。
本发明可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，包括：
将单向预浸料分切形成的预浸窄带，其中，所述单向预浸料是采用中温固化高玻璃化转变温度的环氧树脂浸渍碳纤维制得的，所述环氧树脂的固化温度小于等于120℃，所述环氧树脂的玻璃化转变温度为170-190℃；所述碳纤维为T700S级、T800S级和T1000G级中一种或几种混合；
将转子铁芯固定到缠绕机上，并对永磁体的表面进行去污处理；
接着将所述预浸窄带按照预设线型包覆于未经加热的所述永磁体的表面；
接着再缠绕一层加压带；所述加压带缠绕完成后，设置固化制度，静置固化；
产品冷却至室温后，采用磨床将其加工至所需尺寸，得到高速永磁电机转子护套。
在可选的实施方式中，所述预浸窄带缠绕时的预紧力不低于400MPa。
在可选的实施方式中，所述固化制度包括先于70-80℃下固化2-3h，接着于110-120℃下固化3-4h。
在可选的实施方式中，所述固化制度过程中的升温速率为0.1-0.5/min，降温采用随炉冷却。
在可选的实施方式中，所述预浸窄带的宽度不低于3mm，厚度不低于0.08mm。
在可选的实施方式中，所述加压带对内产生压力不低于0.3MPa；
优选地，所述加压带为OPP膜、PET膜或PTFE膜。
在可选的实施方式中，所述预浸窄带包覆于所述永磁体的表面包括：将所述预浸窄带先于所述永磁体表面进行环向缠绕，接着再进行纵向铺设。
在可选的实施方式中，采用酒精或者丙酮对所述永磁体表面进行去污处理。
在可选的实施方式中，所述高速永磁电机转子护套的长度不低于20mm，厚度不低于0.2mm。
第二方面，本发明提供一种高速永磁电机转子护套，其采用如前述实施方式任一项所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法制备而成。
本发明实施例的有益效果包括，例如：本发明提供的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法相对于传统的缠绕工艺(无论是湿法缠绕还是预浸纱干法缠绕)，当缠绕张力超过250N时，碳纤维便会出现大量毛丝，甚至断纱，缠绕效率降低，从而制件中纤维强度转化率也会降低。而采用本发明的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法可以实现中温固化高玻璃化转变温度高预紧力的缠绕，碳纤维表面有一层树脂膜保护，即便张力达到600N以上，缠绕时都不会产生毛丝，生产速度更快，生产效率更高，从而制件中纤维强度转化率也高。纤维强度转化率高，相同的产品需要的纤维就少，产品重量就更轻。本申请的预浸窄带缠绕到零部件表面固化以后，通过磨床磨削到相应外径尺寸以后，直接装机即可，磨削非常简单。本申请中，该树脂体系最高固化温度为120℃，而其玻璃化转变温度却高达180℃，较低的固化温度可以减少高温固化带来的预紧力损失。该树脂体系不仅可以满足大部分电机护套180℃以下长期工作使用的耐温要求，而且其捆绑效果要远高于高温固化高玻璃化转变温度的树脂体系。因此具有本申请提供的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法制备获得的高速永磁电机转子护套加工装配方便，而且耐温高、纤维强度转化率高，安装有上述护套的高速永磁同步电机转速快、永磁体捆绑效果更理想。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
首先，本申请先对后文中使用的术语进行阐述：
“单向预浸料”是指数根单向碳纤维经加热加压将表面浸上树脂，为以后制作成型的备用材料，因而叫做碳纤维单向预浸料；
“预浸布”是指经过碳纤维织物经过加温加压技术将环氧树脂复合到碳纤维织物上，也是以后制作成型的备用材料，因而叫做碳纤维预浸布；
“单向预浸料”和“预浸布”的区别在于，单向预浸料沿着纤维方向的力学性能要远远的优于预浸布。
“预浸纱”预浸纱制备技术是一般先将单根纤维束的纱筒置于导纱装置上，进入浸胶装置，使这根纤维束和树脂以一定的形式在合理的温度速度和压力下均匀结合，然后在通过热压装置或者冷却装置，使浸过树脂的纤维束定型，最后进入牵拉和收卷装置制成符合标准要求的预浸纱，其中最主要工艺是树脂浸渍纤维束过程。预浸纱可以根据复合材料构件的需求将数根预浸纱在柔性压辊下集束使用。
本实施例提供了一种高速永磁电机转子护套的中温固化高玻璃化转变温度高预紧力缠绕成型方法，包括如下步骤：
(1)预浸窄带分切。
将单向预浸料分切形成的预浸窄带，具体来说，采用高精度分切机，将宽幅单向预浸料切成指定宽度的预浸窄带。预浸窄带的宽度不低于3mm，厚度不低于0.08mm。
其中，单向预浸料是采用中温固化高玻璃化转变温度的环氧树脂浸渍碳纤维制得的，环氧树脂的固化温度小于等于120℃，环氧树脂的玻璃化转变温度为170-190℃；碳纤维为T700S级、T800S级和T1000G级中一种或几种混合。本申请的单向预浸料室温下粘性良好，可不用加热直接缠绕，碳纤维表面有一层树脂膜保护，即便张力达到600N以上，缠绕时都不会产生毛丝，生产速度更快，生产效率更高，从而制件中纤维强度转化率也高。
(2)铁芯固定。
电机转子具有转子铁芯和永磁体，永磁体套设于转子铁芯的外表面，本申请中，先将转子铁芯固定到缠绕机上，三口卡盘端采用铜片保护铁芯接轴，另一端采用顶针固定。
(3)去污处理。
采用酒精或者丙酮对永磁体的表面进行去污处理。
(4)预浸窄带包覆。
接着将预浸窄带按照预设线型包覆于未经加热的永磁体的表面；预浸窄带包覆于永磁体的表面包括：将预浸窄带先于永磁体表面进行环向缠绕，接着再进行纵向铺设。纵向铺放可以在纵向方向提供一定的强度，可以防止固化后环向开裂。
由于本申请中预浸窄带性能良好，因此在包覆过程中，永磁体的表面无需进行加热，可以极大的降低生产成本，同时，在包覆过程中，预浸窄带缠绕时的预紧力不低于400MPa，例如可以为700-900MPa。预浸窄带预紧力越大，其产生的压应力越大。在保证纤维强度的情况下，压应力越大，缠绕层数越少，永磁体捆绑效果更好。
(5)加压带。
预浸窄带缠绕和铺放完成以后，再在表面缠绕一层加压带；加压带对内产生压力不低于0.3MPa。
加压带的设置一方面可以保证预浸窄带压实效果更好，还可以保证预浸窄带不需要旋转固化，静置固化即可。加压带选择易于与复合材料护套分离的材料，例如包括但不限于OPP膜、PET膜、PTFE膜等，可以保证固化时，表面树脂分布均匀，表面精度高。
(6)固化。
加压带缠绕完成后，设置固化制度，固化制度包括先于70-80℃下固化2-3h，接着于110-120℃下固化3-4h，静置固化；本申请中选用两段式固化制度，可以降低预紧力高温固化时的损失和保证产品玻璃化转变温度达到180℃，从而可以保证产品具有良好的力学性能和较高的耐温性能。固化制度过程中的升温速率为0.1-0.5/min，降温采用随炉冷却，可以降低因温度梯度产生的固化应力，特别是对于厚度较厚的产品。
(7)表面预处理。
产品冷却至室温后，采用磨床将其加工至所需尺寸，得到高速永磁电机转子护套。待护套冷却至室温再进行加工，这样可以防止护套和永磁体分层，特别是在炉子内外温差较大的情况下。
采用上述方法制备获得的高速永磁电机转子护套厚度小且相对重量轻，高速永磁电机转子护套的长度不低于20mm，厚度不低于0.2mm。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
针对铁芯轴外径Φ55mm，永磁体外径Φ79mm，转速为50000rpm的表贴式高速永磁电机转子护套，分别采用不同的方法和材质制造：
实施例1
本实施例提供了一种高速永磁电机转子护套的中温固化高玻璃化转变温度高预紧力缠绕成型方法，包括如下步骤：
(1)预浸窄带分切：采用高精度分切机，将宽幅T700级碳纤维单向预浸料切成指定宽度的预浸窄带。预浸窄带的宽度为6.35mm，厚度为0.125mm。环氧树脂为江苏恒神股份有限公司EM817树脂体系(其固化温度小于等于120℃，环氧树脂的玻璃化转变温度为180℃)。
(2)铁芯固定：将转子铁芯固定到缠绕机上，三口卡盘端采用铜片保护铁芯接轴，另一端采用顶针固定。
(3)去污处理：采用酒精或者丙酮对永磁体的表面进行去污处理。
(4)预浸窄带包覆：接着将预浸窄带按照预设线型先于永磁体表面进行环向缠绕，接着再进行纵向铺设。单向预浸料纵向铺层比例为总厚度的10％，在包覆过程中，预浸窄带缠绕时的预紧力为732MPa。
(5)加压带：预浸窄带缠绕和铺放完成以后，再在表面缠绕一层OPP膜加压带；加压带对内产生压力不低于0.3MPa。
(6)固化：加压带缠绕完成后，设置固化制度，固化制度包括先于80℃下固化2h，接着于120℃下固化3h，静置固化；固化制度过程中的升温速率为0.5/min，降温采用随炉冷却。
(7)表面预处理：产品冷却至室温后，采用磨床将其加工至所需尺寸，得到高速永磁电机转子护套。
实施例2
本实施例提供了一种高速永磁电机转子护套的中温固化高玻璃化转变温度高预紧力缠绕成型方法，包括如下步骤：
(1)预浸窄带分切：采用高精度分切机，将宽幅T800S级碳纤维单向预浸料切成指定宽度的预浸窄带。预浸窄带的宽度为6.35mm，厚度为0.125。环氧树脂为江苏恒神股份有限公司EM817树脂体系(其固化温度小于等于120℃，环氧树脂的玻璃化转变温度为180℃)。
(2)铁芯固定：将转子铁芯固定到缠绕机上，三口卡盘端采用铜片保护铁芯接轴，另一端采用顶针固定。
(3)去污处理：采用酒精或者丙酮对永磁体的表面进行去污处理。
(4)预浸窄带包覆：接着将预浸窄带按照预设线型先于永磁体表面进行环向缠绕，接着再进行纵向铺设。单向预浸料纵向铺层比例为总厚度的10％，在包覆过程中，预浸窄带缠绕时的预紧力为881MPa。
(5)加压带：预浸窄带缠绕和铺放完成以后，再在表面缠绕一层PET膜加压带；加压带对内产生压力不低于0.3MPa。
(6)固化：加压带缠绕完成后，设置固化制度，固化制度包括先于80℃下固化2h，接着于120℃下固化3h，静置固化；固化制度过程中的升温速率为0.5/min，降温采用随炉冷却。
(7)表面预处理：产品冷却至室温后，采用磨床将其加工至所需尺寸，得到高速永磁电机转子护套。
对比例1
将实施例1中的预浸窄带缠绕替换为同等级碳纤维湿法缠绕或者预浸纱缠绕。
对比例2
将实施例1中的环氧树脂替换为固化温度为180℃，环氧树脂的玻璃化转变温度为220℃的环氧树脂，此时，对应的固化程序为180℃/2h+200℃/2h。
对比例3
将实施例1中的预浸窄带缠绕替换为钛合金TC4护套。
对比例4
将实施例1中的预浸窄带缠绕替换为合金钢inclonel718护套。
对比例5
将实施例1中的预浸窄带缠绕替换为预浸布。理论上可以成型护套，但是会造成纬纱的浪费，没有实际利用价值，市场上没有该种护套。
表1不同材质护套的重量对比
备注：相对重量是相对实施例1的预浸窄带高预紧力缠绕护套的重量。
从四个对比例中可以看出，中温固化高玻璃化转变温度预浸窄带高预紧力缠绕碳纤维护套的重量是湿法缠绕或者预浸纱缠绕护套的32.9％、高温固化高玻璃化转变温度护套的90％、钛合金护套重量的31.4％，合金钢重量的24.0％，从而体现出了中温固化高玻璃化转变温度预浸窄带高预紧力缠绕护套的巨大优势，特别是针对表贴式高速电机转子护套，不仅重量轻，而且转速高。另外，从表中可以看出，实施例2中采用高性能的T800S级高性能预浸窄带，其护套的重量只有实施例1中的83％，因此碳纤维抗拉强度越高，越有利于转子护套减重。
综上所述，本发明实施例提供的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法相对于传统的缠绕工艺(无论是湿法缠绕还是预浸纱干法缠绕)，当缠绕张力超过250N时，碳纤维便会出现大量毛丝，甚至断纱，缠绕效率降低，从而制件中纤维强度转化率也会降低。而采用本发明的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法可以实现中温固化、高玻璃化转变温度和高预紧力的缠绕，由于选择单向预浸料直接进行分切形成预浸窄带，预浸窄带在使用前未进行固化，因此碳纤维表面有一层树脂膜保护，即便张力达到600N以上，缠绕时都不会产生毛丝，生产速度更快，生产效率更高，从而制件中纤维强度转化率也高。纤维强度转化率高，相同的产品需要的纤维就少，产品重量就更轻。并且采用本申请的预浸窄带进行缠绕时，由于预浸窄带性能良好，无需对永磁体进行加热，极大的降低了加工成本。
此外，本申请的预浸窄带缠绕到零部件表面固化以后，通过磨床磨削到相应外径尺寸以后，直接装机即可，磨削非常简单。而采用金属护套，需要采用过盈配合的方式将护套和磁钢装配，装配过程需要采用压机压进，或者液氮降温、回温等方式，操作专业性较强，有一定的复杂性和危险性。而碳纤维护套通过数控磨床磨削外径即可，操作相对简便易行。
本申请中，该树脂体系最高固化温度为120℃，而其玻璃化转变温度却高达180℃，较低的固化温度可以减少高温固化带来的预紧力损失。该树脂体系不仅可以满足大部分电机护套180℃以下长期工作使用的耐温要求，而且其捆绑效果要远高于高温固化高玻璃化转变温度的树脂体系。
因此具有本申请提供的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法制备获得的高速永磁电机转子护套加工装配方便，而且耐温高、纤维强度转化率高，安装有上述护套的高速永磁同步电机转速快、永磁体捆绑效果更理想。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，包括：
将单向预浸料分切形成的预浸窄带，其中，所述单向预浸料是采用中温固化高玻璃化转变温度的环氧树脂浸渍碳纤维制得的，所述环氧树脂的固化温度小于等于120℃，所述环氧树脂的玻璃化转变温度为170-190℃；所述碳纤维为T700S级、T800S级和T1000G级中一种或几种混合；
将转子铁芯固定到缠绕机上，并对永磁体的表面进行去污处理；
接着将所述预浸窄带按照预设线型包覆于未经加热的所述永磁体的表面；
接着再缠绕一层加压带；所述加压带缠绕完成后，设置固化制度，静置固化；
产品冷却至室温后，采用磨床将其加工至所需尺寸，得到高速永磁电机转子护套。
2.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述预浸窄带缠绕时的预紧力不低于400MPa。
3.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述固化制度包括先于70-80℃下固化2-3h，接着于110-120℃下固化3-4h。
4.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述固化制度过程中的升温速率为0.1-0.5/min，降温采用随炉冷却。
5.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述预浸窄带的宽度不低于3mm，厚度不低于0.05mm。
6.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述加压带对内产生压力不低于0.3MPa；
优选地，所述加压带为OPP膜、PET膜或PTFE膜。
7.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述预浸窄带包覆于所述永磁体的表面包括：将所述预浸窄带先于所述永磁体表面进行环向缠绕，接着再进行纵向铺设。
8.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，采用酒精或者丙酮对所述永磁体表面进行去污处理。
9.根据权利要求1所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法，其特征在于，所述高速永磁电机转子护套的长度不低于20mm，厚度不低于0.2mm。
10.一种高速永磁电机转子护套，其特征在于，其采用如权利要求1-9任一项所述的高速永磁电机转子护套的高预紧力缠绕成型方法制备而成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211225196.5A CN116423881A (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211225196.5A CN116423881A (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116423881A true CN116423881A (zh) | 2023-07-14 |
Family
ID=87087807
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211225196.5A Pending CN116423881A (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种高速永磁电机转子护套及其高预紧力缠绕成型方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116423881A (zh) |
-
2022
- 2022-10-09 CN CN202211225196.5A patent/CN116423881A/zh active Pending
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