CN117157187A - 纤维增强塑料套筒的应用工艺 - Google Patents

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Abstract

公开了一种将包围组件的纤维增强塑料(FRP)套筒(110)预张紧的方法，包括：将组件布置在FRP套筒(110)内，组件具有至少两个部件；将成型化合物引入FRP套筒内的至少一个部分中，以朝向FRP套筒的内表面对组件的至少两个部件中的一个部件施力，其中以期望的第一压力(P)、第一温度(T)和第一质量流(rh)引入成型化合物；以及在维持第一压力的状态下，通过使所述成型化合物硬化来将FRP套筒预张紧。所述方法包括将包围具有表面磁体(112、122)的永磁体转子的FRP套筒预张紧的应用。

Description

纤维增强塑料套筒的应用工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年4月23日提交的美国临时专利申请序列号63/178,781的优先权。上述申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种纤维增强塑料(FRP)套筒的应用方法。特别地，该方法包括在预张紧下将FRP套筒应用到诸如永磁体转子的部件的组件。
背景技术
在用于高速机器的转子领域中，已经建立了具有表面磁体的永磁体(PM)转子。表面磁体可以是通常通过胶合应用到转子轴的稀土永磁体。这种转子的速度范围可以是高的，超过10,000转/分钟。
为了确保高速PM转子的功能性，使用纤维增强塑料(FRP)套筒，其它方面暂且不说，以在磁体上施加径向压缩力并且倾向于阻止磁体在高速下分离。套筒的径向压缩力或预张紧是通过对套筒加压或通过在预加应力下将纤维缠绕在表面磁体上而实现的。在大多数应用中，这种FRP套筒被设计成适合材料。即，连续纤维位于周向上，结果在转子运行期间产生的切向应力被套筒有效地吸收。FRP套筒的壁厚取决于当套筒被压到表面磁体上时作用的切向应力和轴向作用的压缩力。由于切向纤维取向，FRP套筒可能具有低的轴向压缩强度，这意味着难以在薄壁套筒上加压。
发明内容
本发明涉及将包围组件的纤维增强塑料(FRP)套筒预张紧的方法。所述方法包括：将所述组件布置在所述FRP套筒内，所述组件具有至少两个部件；将成型化合物引入所述FRP套筒内的至少一个部分中，以朝向所述FRP套筒的内表面对所述组件的至少两个部件中的一个部件施力，其中以期望的第一压力(P)、第一温度(T)和第一质量流引入所述成型化合物；以及在维持所述第一压力的状态下，通过使所述成型化合物硬化来将所述FRP套筒预张紧。
在某些实施方式中，所述组件是永磁体(PM)转子，并且所述至少两个部件是安装在转子上并与所述转子的旋转轴线同心的表面磁体。
在某些实施方式中，所述FRP套筒内的至少一个部分是用于接收所述成型化合物的第一腔室，所述第一腔室是沿周向的并且位于所述PM转子和所述表面磁体的内表面之间。
在一些实施方式中，所述FRP套筒内的另一个部分是第二腔室，所述第二腔室是沿周向的并位于所述表面磁体和所述FRP套筒之间；并且所述方法包括：将所述成型化合物引入所述第二腔室中，以朝向所述FRP套筒的内表面对所述组件的至少两个部件中的一个部件施力，其中以期望的第二压力(P)、第二温度(T)和第二质量流引入所述成型化合物；以及在维持所述第二压力的状态下使所述成型化合物硬化。
在其它实施方式中，所述FRP套筒内的至少一个部分是用于接收所述成型化合物的第一腔室，所述第一腔室是沿周向的并且位于所述表面磁体的外表面和所述FRP套筒的内表面之间。
在某些实施方式中，所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
在一些实施方式中，所述方法还包括将所述组件和所述FRP套筒布置在夹具(fixture)中，所述夹具被构造成提供通向所述至少一个部分的导管并且被构造成在引入所述成型化合物之前在所述套筒和所述夹具之间提供周向间隙；在所述成型化合物硬化后，从所述夹具去除所述组件；以及将浇道从所述至少一个部分分离。
在某些实施方式中，所述方法还包括将所述组件和所述FRP套筒布置在夹具中，所述夹具被构造成提供通向所述第一腔室的第一导管和通向所述第二腔室的第二导管，并且在引入所述成型化合物之前在所述FRP套筒和所述夹具之间包括周向间隙；在所述成型化合物硬化后，从所述夹具去除所述组件；将第一浇道从所述第一腔室分离；以及将第二浇道从所述第二腔室分离，并且所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
在进一步的实施方式中，所述成型化合物选自包括热塑性塑料和热固性塑料的群组。
在某些实施方式中，所述成型化合物选自包括未增强的成型化合物、短纤维增强的成型化合物和长纤维增强的成型化合物及其组合的群组。
在一些实施方式中，所述成型化合物通过选自包括注射成型和树脂注射的群组的工艺被引入。
在某些实施方式中，通过选自包括所述转子轴和至少一个表面磁体或成型化合物之间的力配合(force fit)、形状匹配连接(positive connection)及其组合的群组的方法将扭矩从所述表面磁体传递到所述转子轴。
在进一步的实施方式中，所述FRP套筒的壁厚在0.1mm至2mm之间。
在一些实施方式中，所述FRP套筒的纤维体积含量为50％至75％。
在某些实施方式中，所述FRP套筒包括具有连续纤维的基体材料，所述连续纤维配置成与所述套筒的纵向轴线成80度至90度的角度。
在某些实施方式中，所述转子轴包括金属材料。
在其它实施方式中，所述成型化合物布置在所述组件的附加部分上，所述附加部分选自包括所述组件的端面、所述表面磁体的上侧、所述表面磁体的下侧以及所述FRP套筒的外侧表面上的群组。
本发明还涉及一种永磁转子组件。所述永磁体转子组件包括：永磁体(PM)转子、所述PM转子上的至少一个表面磁体、纤维增强塑料(FRP)套筒以及成型化合物。所述PM转子和至少一个表面磁体布置在所述FRP套筒内，所述成型化合物在所述FRP套筒中引起预张紧。
在某些实施方式中，所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
附图说明
为了提供对本发明的进一步理解而包括的附图被纳入本说明书中并构成本说明书的一部分。本文展示的附图图示了本发明的不同实施方式，并与说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1A-图1E图示了对包围具有表面磁体的永磁体转子的FRP套筒预加应力的方法的第一实施方式。
图2A-图2C图示了对包围具有表面磁体的永磁体转子的FRP套筒预加应力的方法的第二实施方式。
图3A-图3C图示了对包围具有表面磁体的永磁体转子的FRP套筒预加应力的方法的第三实施方式。
具体实施方式
本公开中的术语“包括(comprising和comprises)”可以意指“包含(including和includes)”或者可以具有美国专利法中通常给予术语“包括(comprising或comprises)”的含义。如果在权利要求中使用，术语“基本上由……组成(consisting essentially of或consists essentially of)”具有美国专利法中赋予它们的含义。本发明的其他方面在以下公开(并且在本发明的范围内)中说明或根据以下公开是显而易见的。
术语“线”、“纤维”、和“纱线”在以下说明中可互换使用。本文所用的“线”、“纤维”、和“纱线”可以指单丝、复丝纱线、加捻纱线、复丝丝束、变形纱线、编织丝束、涂覆纱线、双组分纱线以及由本领域普通技术人员已知的任何材料的拉伸断裂纤维制成的纱线。纤维可以由碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯、金属、聚乙烯玻璃和/或表现出期望的物理、热、化学或其它性质的其它材料制成。
“预张紧(Pretension)”、“预张紧力(pretensioning force)”、“预加应力(prestress)”及其语法变型意味着由套筒(诸如纤维增强塑料套筒)施加到被套筒围住的物体的力，并且可以包括“压缩径向力”和“向心力”。术语“压缩径向力”和“向心力”可以互换使用，意味着作用在沿圆形路径移动的物体上并指向物体移动所绕的中心的力。
术语“纤维增强塑料套筒”和“FRP套筒”互换使用，意味着包括嵌入在基体化合物中的纤维(诸如连续纤维)的管状结构。纤维增强塑料也被称为纤维增强聚合物。套筒包括本文所述的薄壁套筒。
为了更好地理解本发明及通过其使用所获得的优点和目的，请参考随附的说明事项，其中在附图中图示了本发明的非限制性实施方式，并且其中相对应的部件由相同的附图标记标示。
如本文更详细地说明的，公开的方法包括将包围部件的组件的纤维增强塑料套筒预张紧，所述套筒将部件保持在期望位置。可以通过在套筒内的位置注射成型材料来将套筒预张紧。用于注射成型材料的位置的一些示例包括但不限于：
(i)在组件的内部和套筒的内表面之间，以将组件的表面部件推靠在套筒的内表面上，或者
(ii)在组件的外表面和套筒的内表面之间，以将组件的部件推在一起，或
(iii)在组件的内部和套筒的内表面之间并且在组件的外表面和套筒的内表面之间。
成型材料可以由短纤维增强的、长纤维增强的或非增强的成型化合物中的任何一种或组合构成。注射成型工艺或树脂注射工艺可用于引入成型材料，但是可以考虑任何已知的方法。
可使用的成型材料的示例包括热塑性化合物、热固性化合物或具有期望的热、化学和/或机械性能的其它化合物。合适的热塑性化合物的示例包括聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)。合适的热固性化合物的示例包括硬塑性化合物、环氧树脂(EP)、氰酸酯(CE)、双马来酰亚胺、乙烯基酯。
预张紧的套筒可以施加力，以将组件的部件保持在期望的位置。套筒可以由嵌入在基体材料中的连续纤维构成。基体材料可以包括塑料材料，该塑料材料可以不同于套筒的塑料材料，并且成型的塑料材料以及纤维可以包括热固性或热塑性材料或其组合。合适的热固性材料的示例包括环氧树脂(EP)、氰酸酯(CE)、双马来酰亚胺和乙烯基酯。合适的热塑性材料的示例包括聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酞酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)。连续纤维可以是单根纤维或纤维束，其以例如相对于套筒的纵向轴线成80度至90度的角度发源。连续纤维与不连续纤维(诸如短切纤维或断裂的拉伸碳纤维)形成对比。套筒中的连续纤维可以配置成与套筒的纵向轴线成80度至90度的角度。套筒的壁厚可在0.1mm至2mm之间。在其它实施方式中，套筒的纤维体积含量可以为45％至75％。
在特定应用中，本公开提供了一种用于将FRP套筒应用到具有一个或多个表面磁体的永磁体转子组件的方法。套筒被预张紧以施加力从而将表面磁体保持在转子上的期望位置。套筒的预张紧力可以通过成型注射的量和压力来调节。预张紧的套筒可以施加向心力，该向心力足以在操作期间抵消表面磁体上的旋转力，并将表面磁体保持在转子上的期望位置。
下面基于应用到具有表面磁体的永磁体转子组件的示例性实施方式更详细地解释本公开。
图1A-图1E图示了实施本方法的步骤，本方法对包围具有至少一个表面磁体112的永磁体转子100(转子)的FRP套筒110预加应力。永磁体转子包括转子轴102。转子和表面磁体可以绕旋转轴线120同心，旋转轴线与套筒的纵向轴线一致。
图1A图示了第一方法步骤，其中FRP套筒110可以被布置为包围永磁体转子100和至少一个表面磁体112。套筒可以是中空的，并且绕旋转轴线基本上同心。套筒可由嵌入塑料材料中的纤维构成。通常，纤维可以是连续的。具有转子和磁体的FRP套筒布置在适于保持具有转子和磁体的FRP套筒的成型夹具116中。成型夹具116被设计成提供FRP套筒110的外表面136和成型夹具116之间的至少一个周向间隙118以及至少一个周向导管114。导管114可以提供对位于转子和表面磁体112的内表面134之间的周向腔室122的访问。
图1B图示了第二方法步骤，其中成型化合物128可以在压力(P)和温度(T)下通过导管114以限定的质量流被引入成型夹具116中，如箭头130所示。当成型化合物128被引入时，成型化合物的流动前部126前进通过导管。成型化合物128可以是热塑性化合物、热固性化合物(诸如硬塑性化合物)或具有期望的热、化学和/或机械性能的其它化合物。
图1C图示了第三方法步骤，其中成型化合物128已经前进通过导管114并且填充了转子与表面磁体112之间的腔室122。成型化合物的压力P可以向外对表面磁体112施力，以增大腔室122的宽度并减小间隙118的宽度。成型化合物的压力可以导致表面磁体压靠FRP套筒。因此，套筒可以被预张紧并施加作用在表面磁体112上的径向压缩力。在预加应力的状态下，成型化合物的硬化可以在压力P下发生。这样，在成型化合物的硬化状态中可以保持预张紧。“硬化”包括“凝固”、“冷却”和可以根据所引入的成型化合物的化学、热和机械特性来使用的其它术语。成型化合物的“引入”包括通过任何已知的手段注射化合物。
图1D图示了第四方法步骤，其中永磁体转子100从成型夹具116去除，并且具有导管114中的成型化合物128的突出浇道124。图1E图示了第五方法步骤，其中去除了突出浇道，并得到可用于进一步工艺步骤的具有被FRP套筒110预张紧的表面磁体112的永磁体转子100。
图2A-图2C图示了本方法的另一实施步骤，本方法对包围具有至少一个表面磁体112的永磁体转子100(转子)的FRP套筒110预加应力。永磁体转子具有转子轴102。转子和表面磁体可以绕旋转轴线120同心。
图2A图示了第一方法步骤，其中FRP套筒110被布置为包围永磁体转子100和至少一个表面磁体112。套筒可以是中空的，并且绕旋转轴线大致同心。套筒可由嵌入塑料材料中的纤维构成。通常，纤维可以是连续的。具有转子和磁体的FRP套筒布置在适于保持具有转子和磁体的FRP套筒的成型夹具116中。成型夹具116被设计为提供FRP套筒110和成型夹具116之间的至少一个周向间隙118以及至少一个周向导管214。导管214可以提供对表面磁体112的外表面236和套筒132的内表面之间的周向腔室222的访问。
与上述关于图1B说明的同样，可以执行第二方法步骤，其中成型化合物204可以在压力(P)和温度(T)下借助限定的质量流通过导管214被引入成型夹具116中。成型化合物204可以是热塑性化合物、热固性化合物(诸如硬塑性化合物)或具有期望的热、化学和/或机械性能的其它化合物。
与上述关于图1C说明的同样，可以执行第三方法步骤，其中成型化合物204前进通过导管214并填充表面磁体112的外表面236与套筒110的内表面132之间的腔室222。成型化合物204的压力P可以向外对套筒110施力，使套筒膨胀并减小间隙118的宽度。因此，套筒的膨胀可以使套筒预张紧并施加作用在表面磁体112上的径向压缩力。在预加应力的状态下，成型化合物的硬化可以在压力P下发生。这样，在成型化合物的硬化状态中可以保持预张紧。
图2B图示了第四方法步骤，其中永磁体转子100从成型夹具116去除，并且具有导管214中的成型化合物204的突出浇道224。图2C图示了第五方法步骤，其中去除了突出浇道，并得到可用于进一步工艺步骤的具有被FRP套筒110预张紧的表面磁体112的永磁体转子100。
图3A-图3C图示了本方法的另一实施步骤，本方法对包围具有至少一个表面磁体112的永磁体转子100(转子)的FRP套筒110预加应力。永磁体转子具有转子轴102。转子和表面磁体可以绕旋转轴线120同心。
图3A图示了第一方法步骤，其中FRP套筒110布置为包围永磁体转子100和至少一个表面磁体112。套筒可以是中空的，并且绕旋转轴线基本上同心。套筒可以由嵌入塑料材料中的纤维构成。通常，纤维可以是连续的。具有转子和磁体的FRP套筒布置在适于保持具有转子和磁体的FRP套筒的成型夹具116中。成型夹具116被设计为提供FRP套筒110和成型夹具116之间的至少一个周向间隙118以及至少两个周向导管302A、302B。导管302A可以提供对表面磁体112的外表面236与套筒110的内表面132之间的腔室322A的访问。导管302B可以提供对表面磁体134的内表面与转子100之间的腔室322B的访问。
与上述关于图1B说明的同样，可以执行第二方法步骤，其中成型化合物304可以在压力(P)和温度(T)下借助限定的质量流通过导管302A、302B被引入成型夹具116中。成型化合物304可以是热塑性化合物、热固性化合物(诸如硬塑性化合物)或具有期望的热、化学和/或机械性质的其它化合物。
与上述关于图1C说明的同样，可以执行第三方法步骤，其中成型化合物304前进通过导管302A、302B并填充表面磁体112的外表面236与套筒110的内表面132之间的腔室322A以及表面磁体112的内表面134与转子100之间的腔室322B。成型化合物的压力P可以向外对磁体112和套筒110施力，使套筒膨胀并减小间隙118的宽度。因此，套筒的膨胀可以预张紧并施加作用在表面磁体112上的径向压缩力。在预加应力的状态下，成型化合物的硬化可以在压力P下发生。这样，在成型化合物的硬化状态中可以保持预张紧。
图3B示出第四方法步骤，其中永磁体转子100从成型夹具116去除，并且具有导管302A、302B中的成型化合物304的突出浇道324A、324B。图3C图示了第五方法步骤，其中去除了突出浇道，并得到可用于进一步工艺步骤的具有被FRP套筒110预张紧的表面磁体112的永磁体转子100。
除了所示的示例性实施方式外，还设想了其它有利的构造。成型化合物可以可选地形成在PM转子的端面上和/或在FRP套筒的外侧表面上。转子轴可以可选地具有多槽轮廓和/或羽状键槽(feather keyway)和/或齿，以便在转子轴与成型化合物和/或表面磁体之间提供形状匹配连接。扭矩传输也可以可选地通过例如在转子轴与成型化合物和/或表面磁体之间的诸如力配合的非形状匹配连接来完成。例如，力配合被设计为在配合部件之间(诸如在转子轴与成型化合物和/或表面磁体之间)维持受控压力，并且可以在通过接合点传输力或扭矩的情况下使用。力配合通常通过在部件组装期间施加力来实现。可替代地，扭矩传输可以可选地通过转子轴与成型化合物和/或表面磁体之间的形状匹配连接和非形状匹配连接的一个或多个组合来完成。
转子轴可以包括金属材料。
在任何实施方式中，预张紧的套筒可以用基体材料浸渍。合适的基体材料的示例包括热塑性和热固性化合物，诸如环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷、碳、氰酸酯(CE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酞酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)以及其它这种材料。
其它实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种将包围组件的纤维增强塑料(FRP)套筒预张紧的方法，包括：
将所述组件布置在所述FRP套筒内，所述组件具有至少两个部件；
将成型化合物引入所述FRP套筒内的至少一个部分中，以朝向所述FRP套筒的内表面对所述组件的至少两个部件中的一个部件施力，其中以期望的第一压力(P)、第一温度(T)和第一质量流引入所述成型化合物；以及
在维持所述第一压力的状态下，通过使所述成型化合物硬化来将所述FRP套筒预张紧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件是永磁体(PM)转子，并且所述至少两个部件是安装在转子上并与所述转子的旋转轴线同心的表面磁体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述FRP套筒内的至少一个部分是用于接收所述成型化合物的第一腔室，所述第一腔室是沿周向的并且位于所述PM转子和所述表面磁体的内表面之间。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括：
其中，所述FRP套筒内的另一个部分是第二腔室，所述第二腔室是沿周向的并位于所述表面磁体和所述FRP套筒之间；以及
将所述成型化合物引入所述第二腔室中，以朝向所述FRP套筒的内表面对所述组件的至少两个部件中的一个部件施力，其中以期望的第二压力(P)、第二温度(T)和第二质量流引入所述成型化合物；以及
在维持所述第二压力的状态下使所述成型化合物硬化。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述FRP套筒内的至少一个部分是用于接收所述成型化合物的第一腔室，所述第一腔室是沿周向的并且位于所述表面磁体的外表面和所述FRP套筒的内表面之间。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
7.根据权利要求1至3、5和6中任一项所述的方法，包括：
将所述组件和所述FRP套筒布置在夹具中，所述夹具被构造成提供通向所述至少一个部分的导管并且被构造成在引入所述成型化合物之前在所述套筒和所述夹具之间提供周向间隙；
在所述成型化合物硬化后，从所述夹具去除所述组件；以及
将浇道从所述至少一个部分分离。
8.根据权利要求4所述的方法，包括：
将所述组件和所述FRP套筒布置在夹具中，所述夹具被构造成提供通向所述第一腔室的第一导管和通向所述第二腔室的第二导管，并且在引入所述成型化合物之前在所述FRP套筒和所述夹具之间包括周向间隙；
在所述成型化合物硬化后，从所述夹具去除所述组件；
将第一浇道从所述第一腔室分离；以及
将第二浇道从所述第二腔室分离，
其中，所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述成型化合物选自包括热塑性塑料和热固性塑料的群组。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述成型化合物选自包括未增强的成型化合物、短纤维增强的成型化合物和长纤维增强的成型化合物及其组合的群组。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述成型化合物通过选自包括注射成型和树脂注射的群组的工艺被引入。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的方法，其中，通过选自包括所述转子轴和至少一个表面磁体或成型化合物之间的力配合、形状匹配连接及其组合的群组的方法将扭矩从所述表面磁体传递到所述转子轴。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述FRP套筒的壁厚在0.1mm至2mm之间。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述FRP套筒的纤维体积含量为50％至75％。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述FRP套筒包括具有连续纤维的基体材料，所述连续纤维配置成与所述套筒的纵向轴线成80度至90度的角度。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述转子轴包括金属材料。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述成型化合物布置在所述组件的附加部分上，所述附加部分选自包括所述组件的端面、所述表面磁体的上侧、所述表面磁体的下侧以及所述FRP套筒的外侧表面上的群组。
18.一种永磁体转子组件，包括：
永磁体(PM)转子；
所述PM转子上的至少一个表面磁体；
纤维增强塑料(FRP)套筒，其中所述PM转子和至少一个表面磁体布置在所述FRP套筒内；和
成型化合物，
其中，所述成型化合物在所述FRP套筒中引起预张紧。
19.根据权利要求18所述的永磁体转子组件，其中，所述预张紧足以抵抗所述表面磁体上的基于所述PM转子的转速的旋转力。
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