DE69303031T2

DE69303031T2 - Ein faserverstaerkter rotor

Info

Publication number: DE69303031T2
Application number: DE69303031T
Authority: DE
Inventors: Colin David Hafon Glyd Tarrant
Original assignee: British Nuclear Fuels PLC
Current assignee: Sellafield Ltd
Priority date: 1992-09-07
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2013-09-07
Also published as: DK0667987T3; JP3177250B2; JPH07502400A; GR3020242T3; ES2087766T3; DE69303031D1; US5546648A; FI951022A0; NO950868L; AU4975293A; US5477092A; HUT70773A; EP0667987A1; CA2143847C; BR9307015A; WO1994006193A1; CA2143847A1; RU95108214A; AU669741B2; ATE139068T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Rotor bzw. Läufer und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf einen Rotor bzw. Anker zur Verwendung bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
Hochgeschwindigkeitsläufer bzw. -rotoren sind für eine Reihe von Anwendungen vorgeschlagen worden, insbesondere als elektrische Motoren/Generatoren. Sie können als ein Motor oder Generator arbeiten, abhängig davon, ob elektrische Energie einer elektrischen Spule in einen Stator, der mit dem Rotor bzw. Läufer verbunden ist, eingespeist oder davon abgezogen wird. Eine solche Anordnung wird z.B. in der FR 2614367 als Einrichtung zur Energiespeicherung und -umwandlung vorgeschlagen.
Läufer bzw. Rotoren für Motor/Generatoranwendungen weisen Konstruktionen auf, die für Hochgeschwindigkeitsanwendungen nicht ideal sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Rotor bzw. Läufer zur Verfügung gestellt, der faserverstärkte Plastikmaterialien, die ein magnetisches Füllmaterial einbeziehen, aufweist, wobei die faserverstärkten Plastikmaterialien als ein mehrschichtiger zylindrischer Abschnitt des Rotors bzw. Läufers angeordnet sind, wobei das magnetische Füllmaterial zwischen und in diesen Schichten angeordnet wird. Der zylindrische Abschnitt kann ein hohler rohrförmiger Abschnitt sein. Der besagte Abschnitt kann in einer nicht verbundenen Schicht eingeschlossen sein, z.B. einer strapazierfähigen.
Rotoren nach der vorliegenden Erfindung ermöglichen vorteilhafterweise eine wirksame elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Rotor bzw. Läufer und einem benachbarten Stator, der entlang der Länge des Körpers des Rotors bzw. Läufers zu halten ist und Bereiche, die aus dem Gleichgewicht sind, können in der rotierenden Masse vermieden werden, wenn der Rotor bzw. Läufer bei hohen Geschwindigkeiten eingesetzt wird.
Bevorzugt weist der besagte Abschnitt in dem Rotor oder Läufer gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Schicht aus Windungen aus Fasern, zumindest eine Zwischenschicht aus Windungen von Fasern, die darauf bzw. darüber liegen oder überlagern und schraubenförmige bzw. spiralförmige Zwischenräume dazwischen festlegen, ein magnetisches Füllmaterial in diesen Räumen und eine äußere Schicht aus Windungen aus Fasern auf, die über der/den Zwischenschicht(en) liegen bzw. diese überlagern.
Der besagte Abschnitt könnte auf einem Substrat liegen bzw. überlagert sein.
Das besagte Plastikmaterial kann irgendeines oder mehrere der bekannten Matrixmaterialien aufweisen, die in faserverstärkten Verbundmaterialien eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das Material ein heißschmelzendes oder kaltschmelzendes oder thermoplastisches Polymermaterial sein, das z.B. aus einem oder mehreren von Epoxidharzen, Polyesterharzen, Friedel-Crafts-Harzen, Polyimiden, Polyamiden, Polyethersulfonen und Polyetherketonen (PEEK) wahlweise zusammen mit bekannten Härtern, Füllmitteln und dergleichen, ausgewählt ist. Die Fasern können als eine Ansammlung bzw. ein Verbund als Kabel bzw. Seile gewunden bzw. geknüpft sein. Sie können spiralförmig bzw. schraubenförmig und/oder warm aufgezogen bzw. ringförmig innerhalb des Verbundes sein.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors bzw. Läufers oder Ankers zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
a) eine Anfangsschicht wird auf einen Dorn bzw. eine Drehspindel gewickelt, die harzimprägnierte Fasern aufweist;
b) wenigstens eine Zwischenschicht wird aufgewickelt, die harzimprägnierte Fasern aus der Anfangsschicht aufweist, um so Räume zwischen den Fasern der Zwischenschicht festzulegen;
c) eine Mischung, die magnetisches Füllmaterial und ein Harz-Matrixmaterial aufweist, wird in den Räumen angeordnet;
d) eine äußere Schicht, die harzimprägnierte Fasern aufweist, wird um die Zwischenschicht gewickelt;
e) ein magnetisches Feld zum Ausrichten bzw. Justieren des magnetischen Füllmaterials wird in einer erforderlichen Orientierung angelegt, während das Harz in dem flüssigen Zustand vor dem Gelieren ist, und während des Geliervorganges;
f) das Harz wird gebacken bzw. erhitzt, und
g) das magnetische Material wird magnetisiert.
Das Harz kann ein aushärtbares bzw. thermofixierbares Harz sein und das Erhitzen bzw. Aufheizen oder Backen kann durch Erhitzen auf eine angemessene bekannte Aufheiztemperatur durchgeführt werden; dem Schritt f) kann vor dem Schritt g) ein Kühlen folgen.
Bevorzugt weisen die Fasern Kohlenstoffasern auf oder können Glasfasern oder Kevlar (Polyaramid)-Kunststoff oder Aluminiumband, Bor, Nylon, Polyolefin oder Mischungen von diesen oder irgendwelchen anderen zweckmäßigen bekannten Fasern aufweisen.
Das magnetische Material, das als das magnetische Füllmaterial eingesetzt wird, kann Teilchen, Sphäroide, Haarkristalle bzw. Whisker, Fasern oder dergleichen aufweisen. Bevorzugt ist das Material ein Pulvermaterial. Das magnetische Material kann Eisen, Nickel, Kobalt oder eine Legierung aufweisen, die eines oder mehrere von diesen enthält. Es kann ein Ferrit, z.B. ein Banumferrit, aufweisen. Alternativ und bevorzugt weist das Material ein bekanntes hartmagnetisches Material auf (d.h. hartmagnetisiert bis entmagnetisiert), das ein Seltenerdelement, beispielsweise Kobalt- Samanum oder Neodymbor aufweist. Das magnetische Material kann zweckmäßigerweise zwischen Schnüren oder Seilen aus Fasern innerhalb des Verbundes einbezogen sein.
Es ist verständlich, daß die Erfindung auch einen Rotor bzw. Läufer, der einen Abschnitt hat, der mittels des Verfahrens nach der Erfindung hergestellt ist, und einen elektrischen Motor oder einen elektrischen Generator oder einen kombinierten Motor-Generator umfaßt, der den Rotor enthält.
Faserverstärkte Verbünde, die magnetische Materialien für rotierende bzw. drehende Teile enthalten, sind im Stand der Technik bekannt, z.B. aus der GB 1370655 und der US 4508567, jedoch sind diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik für verschiedene, im wesentlichen Niedergeschwindigkeitsanwendungen. Die Konstruktion und Herstellung des neuen Rotors bzw. Läufers nach der Erfindung für Hochgeschwindigkeitselektromotoren/-generatoren unterscheidet sich sehr von solchen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. Der Rotor nach der vorliegenden Erfindung kann eine genaue Stellungssteuerung, eine hohe elektrische Wirksamkeit und eine ultrahohe Geschwindigkeitskapazität in einem elektrischen Motor/Generator zur Verfügung stellen. Die Verwendung von Verbünden in Rotoren in der hierin beschriebenen neuen Weise ermöglicht es, eine sehr hochwiderstandsfähige Konstruktion zu erhalten, die hohen Geschwindigkeiten standhalten kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ferner im Wege von Beispielen nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Darstellungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine abschnittweise seitliche Darstellung eines Rotors über einem Stator zeigt;
Fig. 2 mit einem vergrößerten Maßstab das Teil des Rotors innerhalb des Bereiches 'X' nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine diagrammartige Darstellung einer Anwendung des Rotors und des Stators nach den Fig. 1 und 2 zeigt; und
Fig. 4 eine Anwendung einer modifizierten Form des Rotors und des Stators nach den Fig. 1 und 2 zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein elektrischer Motor 8 bzw. Elektromotor 8 gezeigt, der einen hohlzylindrischen Rotor bzw. Läufer oder Anker 10 über einen zylindrischen Stator 11 eines laminierten Aufbaus aufweist und der Endzapfen 12, 13 zur Anordnung in Tragabschnitten 14, 15 hat. Endringe 16, 17 halten an den Enden des Rotors 10 den Rotor bzw. Läufer fest bzw. unverlierbar an dem Stator 11. Ein zentrales Sackloch 18 in dem Stator 11 steht mit einer Anzahl (sieben sind dargestellt) von radialen Löchern 19 in Verbindung, die an einem engen bzw. niedrigen luftaufnehmenden Spalt 20 (nicht in Fig. 1 gezeigt) zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 11 münden. Elektrische Spulen 21 (nur eine ist gezeigt) sind in dem Stator 11 angeordnet, um ein elektrisches Feld zur Verfügung zu stellen, um den Rotor 10 anzutreiben. Ein Loch 22 in der Trageinrichtung 15 steht mit dem zentralen Loch 18 in Verbindung, um einen Zuführweg für Luft zu dem luftaufnehmenden Raum 20 zur Verfügung zu stellen.
Wie mit mehr Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt ist, weist der Rotor 10 eine innere Schale 30 und eine äußere Schale 31 auf, die die innere Schale 30 umgibt bzw. überlagert. Zwei Zwischenschichten 36, 37, die jeweils Bänder 38, 39 aufweisen, die jeweils aus Kohlefasern in einer Epoxidharzmatrix sind, sind umfänglich mit dem gleichen Schrauben- bzw. Helixwinkel gewickelt, jedoch winkelmäßig 180º außer Phase über der Schicht 32 versetzt. Räume 40, 51, die jeweils zwischen den Bändern 38, 39 sind, sind mit einem Verbund 44 gefüllt, der magnetisches Pulvermaterial aufweist, das in einer Epoxidharzmatrix gehalten ist. Eine äußere Schicht 46, die Bänder 48 aus Kohlenstoffasern in einer Epoxyharzmatrix bzw. Epoxidharzmatrix aufweist, ist umfänglich dicht zusammen auf die Zwischenschicht 37 gewickelt. Eine abschließende strapazierfähige Schicht 50 (z.B. Chrom) überdeckt die äußere Schicht 46.
Im Betrieb des Motors 8 wird Luft durch die Löcher 22, 18, 19 zu dem luftaufnehmenden Raum 20 geführt, um den Rotor bzw. Läufer 10 zu tragen. Die Spulen 21 werden erregt und das sich ergebende elektrische Feld dreht den Rotor 10. wegen des geringen Gewichts des Rotors 10 können extrem hohe Drehzahlen erhalten werden, z.B. oberhalb von 20.000 Umdrehungen pro Minute (z.B. 100.000 Umdrehungen pro Minute), obwohl der Rotor 10 unterhalb dieser Geschwindigkeiten verwendet werden kann.
Bei einer Anwendung des Motors 8 in der Druckindustrie ist der Motor 8 (nicht gezeigt), wie in Fig. 3 dargestellt, gegenüber und benachbart zu einer Führungs- bzw. Ablenkwalze 55 angeordnet, um so zwischen ihnen Papier 57 von einer Walze 60 zuzuführen, die auf einem Lauflager 62 getragen wird. Der Motor 8 ermöglicht es, die Dehnung bzw. Zugspannung des Papiers 57 zu steuern.
Die Verwendung des Rotors nach der Erfindung als ein elektrischer Generator wird in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 weist ein Generator 65 einen Rotor bzw. Läufer 66 auf, der bezüglich der meisten Gesichtspunkte dem Rotor 10 nach den Fig. 1 und 2 ähnelt, und um einen aufrechten internen Stator 68 angeordnet ist. Der interne Stator 68 ähnelt bzw. ist in den meisten Belangen dem Stator 11 nach Fig. 1 gleich, hat jedoch ein flaches bzw. ebenes oberes Ende 70, von dem eine Endscheibe 72 des Rotors 66 um einen luftaufnehmenden Raum 74 versetzt ist. Ein Schaft 76 erstreckt sich von der Endscheibe 72 durch einen einen Gasdruck aufnehmenden Raum 77 zum Anschluß an eine (nicht gezeigte) Antriebseinheit (z.B. eine Gasturbine) . Ein externer Stator 78 um den Rotor 66 legt zwischen ihnen einen gasaufnehmenden Raum 80 fest. Der externe Stator 78 weist elektrische Spulen bzw. Wicklungen 82 auf, während elektrische Spulen bzw. Wicklungen 84 in dem inneren oder internen Stator 69 angeordnet sind. Das untere Ende des internen Stators 68 definiert einen Zapfen 68, der in einem Grundteil 88 angeordnet ist.
Im Betrieb des Generators 65 treibt die Drehung oder Rotation des Schaftes 76 den Rotor 66 an, wodurch in den Spulen 82, 84 ein elektrischer Strom erzeugt wird.
Ein Beispiel eines zweckmäßigen magnetischen Pulvermaterials ist Kobalt-Samarium, jedoch können andere magnetische Pulvermaterialien verwendet werden.
Es ist verständlich, daß alternative Fasern, z.B. Glasfasern, in dem Rotor 10, 66 verwendet werden können. Es wird auch erkannt werden, daß der Rotor 10, 66 nur eine Schale oder mehr als zwei Schalen aufweisen kann und daß nur eine oder mehr als zwei Zwischenschichten von Windungen vorhanden sein können.
Ein Verfahren zur Ausbildung des Rotors 10 wird nun beschrieben werden.
Unter Verwendung einer üblichen Faser- bzw. Drahtwikkelvorrichtung werden Bänder 34 aus Kohlenstoffasern der Anfangsschicht 32 der inneren Schale 30 auf einen drehenden Dorn bzw. eine Wickelspule oder Drehspindel gewickelt, die mit unausgeheiztem bzw. ungehärtetem Epoxidharz imprägniert bzw. beschichtet sind. Die Zwischenschichten 26, 37 der Bänder 38, 39 aus Kohlenstoffasern, die mit unausgehärtetem bzw. nicht erhitztern Epoxidharz imprägniert sind, werden auf die innere Schicht 32 mit einem 180º-Phasenversatzverhältnis aufeinander gewickelt. Die Räume 40, 41 zwischen den Bändern 38, 39 werden mit einer Zusammensetzung bzw. einem Verbund 44 gefüllt, der magnetisches Pulvermaterial in einem entmagnetisierten Zustand und unausgehärtetem Epoxidharz aufweist. Die äußere Schicht 46 aus Bändern 48 aus Kohlenstoffasern, die mit unausgehärtetem Epoxidharz imprägniert sind, wird auf die Zwischenschicht 37 gewickelt. Die äußere Schale 31 wird in einer ähnlichen bzw. gleichen Weise ausgebildet, mit Ausnahme der strapazierfähigen Schicht 50. Ein magnetisches Feld wird in einer bekannten Weise angeregt, um so das magnetische Pulvermaterial in der Zusammensetzung bzw. Verbindung 44 auszurichten. Schließlich wird das Epoxidharz in einer angemessenen Hitzeumgebung gebacken bzw. ausgehärtet Die äußere Schale 31 wird maschinell bzw. spanabhebend bis zu einer Größe bearbeitet, von dem Dorn entfernt, und die Endringe 16, 17 werden unter Verwendung eines zweckmäßigen Klebers, z.B. Araldite (Handelsname), angebracht. Die strapazierfähige Schicht 50 wird anschließend vorgesehen. Der so ausgebildete Rotor bzw. Läufer 10 ist unter Verwendung einer zweckmäßigen elektrischen Spule oder Wicklung magnetisiert, um das magnetische Pulvermaterial in der Verbindung bzw. Zusammensetzung 40 in ihren permanenten magnetischen Zustand zu überführen.
Der Rotor bzw. Läufer 66 wird in einer ähnlichen bzw. gleichen Weise hergestellt, ausgenommen, daß die Endscheibe 72 an der Innenseite des Rotors 66 unter Verwendung eines zweckmäßigen Klebers (z.B. Araldite) angebracht wird.
Eine alternative strapazierfähige Schicht 50, wie etwa ein glasfaserverstärkter Verbund oder keramisches Material können verwendet werden.
Anstatt daß der Rotor eine hohle Form ist, können die Schalen 30, 31 auf einem Substrat (z.B. Aluminium) übereinander angeordnet werden, um einen Verbundrotor auszubilden.

Claims

1. Rotor bzw. Läufer mit faserverstärktem Kunststoff- bzw. Plastikmaterial, das ein magnetisches Füllmaterial einbezieht, wobei das faserverstärkte Plastik- bzw. Kunststoffmaterial als ein mehrschichtiger zylindrischer Abschnitt des Rotors oder Läufers angeordnet ist, wobei das magnetische Füllmaterial innerhalb und zwischen den Schichten angeordnet ist.

2. Rotor bzw. Läufer nach Anspruch 1, und wobei der zylindrische Abschnitt ein hohler rohrförmiger Abschnitt ist.

3. Rotor bzw. Läufer nach Anspruch 1 und Anspruch 2, und wobei der besagte Abschnitt in einer strapazierfähigen Schicht eingeschlossen ist.

4. Rotor bzw. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, und wobei der besagte Abschnitt eine erste Schicht aus Windungen bzw. Wicklungen von Fasern, zumindest eine Zwischenschichten von Windungen von Wicklungen von Fasern, die darauf überlagert bzw. liegend sind und dazwischen schraubenförmige bzw. spiralförmige Räume festlegen, ein magnetisches Füllmaterial in den Räumen und eine äußere Schicht aus Windungen bzw. Wicklungen von Fasern aufweist, die um die Zwischenschicht(en) herum überdecken bzw. liegen.

5. Rotor bzw. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und wobei der besagte Abschnitt auf einem Substrat liegt bzw. überlagert ist.

6. Rotor bzw. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und wobei das magnetische Füllmaterial Pulver, Partikel, Sphäroide, Haarkristalle bzw. Wisker oder Fasern aufweist.

7. Rotor bzw. Läufer nach Anspruch 6 und wobei das magnetische Material ein sog. hartmagnetisches Material aufweist, das ein Seltenerdelement aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Rotors bzw. Läufers nach Anspruch 11 wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:

a) auf einen Dorn bzw. eine Drehspindel wird eine Anfangsschicht gewickelt, die harzimprägnierte bzw. beschichtete Fasern aufweist;

b) wenigstens eine Zwischenschicht wird aufgewickelt, die harzimprägnierte bzw. beschichtete Fasern aus der Anfangsschicht aufweist, um so Räume zwischen den Fasern der Zwischenschicht festzulegen;

c) eine Mischung, die magnetisches Füllmaterial und ein Harz-Matrixmaterial aufweist, wird in den Räumen angeordnet;

d) eine äußere Schicht, die harzimprägnierte Fasern aufweist, wird um die Zwischenschicht gewickelt;

e) ein magnetisches Feld zum Ausrichten bzw. Justieren des magnetischen Füllmaterials wird in einer erforderlichen Orientierung angelegt, während das Harz in dem flüssigen Zustand vor dem Gelieren ist, und während des Geliervorganges;

f) das Harz wird gebacken bzw. erhitzt, und

g) das magnetische Material wird magnetisiert.