HUT70773A - A fibre reinforced rotor - Google Patents

Description

A találmány tárgya szálerősítésű műanyag rotor, másszóval forgógépekben alkalmazott forgórész, különösen nagy sebességű alkalmazásokhoz.

Korábban nagy sebességű rotorokat javasoltak elsősorban villamos motorokhoz és/vagy generátorokhoz. Ezek motorként vagy generátorként működnek, attól függően, hogy energia « ·· « ··« ·«· • · · · « · • · · ·· « · · 4 · 4 ·« betáplálására vagy kivezetésére kerül sor a rotorhoz tartozó állórész tekercsének végpontjainál. Energia tárolási és átalakítási célzattal ilyen elrendezés található többek között az FR 2 614 367 lajstromszámú szabadalomban.

A korábban szakmailag ismertté vált motor és/vagy generátor megoldások nem kedvezőek a kifejezetten nagy sebességű alkalmazásokhoz.

Találmányunk célkitűzése az igen gyors forgáshoz, nagy sebesség elviseléséhez alkalmas, könnyű, erős, és az elektromágneses térrel jól együttműködő rotor kidolgozása volt.

A találmányunk szerinti rotor mágneses töltőanyagú, szálerősítésű műanyagból van, és a szálerősítésű műanyag a rotor többrétegű, hengeres részeként van elrendezve. A mágneses töltőanyag az egyes rétegekben és azok között van.

Az említett hengeres rész lehet egy üreges, csőalakú rész. Az említett hengeres részt továbbá egy kopásálló réteg is burkolhatja.

A jelen találmány szerinti rotorok előnyös és hatékony elektromágneses kölcsönhatást mutatnak a rotor és a szomszédos sztátor között, végig ezen elemek hosszanti irányában, valamint a forgó tömeg egyes részeinek kiegyensúlyozatlanságát el lehet kerülni nagy sebesség mellett is.

Előnyös kiviteli alakjában a találmányunk szerinti rotornak a hengeres részben egy szálakból terercselt első réteg, és legalább egy arra rátekercselt, és szálakból álló köztes réteg van, amelyben spirális csavarvonalban húzódó hézagok vannak, a hézagokban mágneses töltőanyag van, és egy szálakból terercselt külső réteg van az egy vagy több köztes rétegre rátekercselve.

Szóba jöhet az az eset is, hogy a hengeres rész egy alap hordozóra van rádolgozva.

Az említésre került műanyag a szálerősített kompozitokban használatos ismert mátrix anyagok közül egyet vagy többet tartalmazhat. így például tartalmazhat melegen aktivált, hidegen aktivált, vagy termoplasztikus polimer nűanyagot, pl. ideértve az epoxi gyanták, poliészter gyanták, Friedel-Crafts gyanták, poliimidek, poliamidok, poliéterszulfonátok, poliéter-ketonok (PEEK), egyikét vagy másikát, melyeket adott esetben ismert keményítő, töltő, stb. adalékokkal együtt használunk. Az elemi szálakat pászmákba fogva lehet tekercselni, amelyek azután spirálisan, csavarvonalban és/vagy abroncsszerűen lehetnek elrendezve a kompozitban.

A találmány továbbá a rotor gyártását adja meg. Ebben az eljárásban a következő egymás utáni lépéseket hajtjuk végre :

a/ egy csévélő tüske köré műgyantával impregnált szálakból egy első réteget tekercselünk;

b/ erre az első rétegre műgyantával impregnált szálakból legalább egy köztes réteget tekercselünk, amely köztes rétegben spirális csavarvonalban húzódó hézagokat alakítunk ki az impregnált szálak pászmái között;

c/ a hézagokba mágneses töltőanyagból és műgyanta mátrix anyagból álló keveréket töltünk;

d/ az egy vagy több köztes rétegre egy műgyantával impregnált szálakból álló külső réteget tekercselünk rá;

e/ az eddig összeállított rotort megfelelő irányú mágneses térbe helyezzük, és a mágneses töltőanyagot a műgyanta folyékony és megszilárdulás alatti állapotában polarizáljuk;

f/ a folyékony gyantát megszilárdítjuk;

g/ felmágnesezzük a mágneses töltőanyagot.

A gyanta lehet hőre keményedő fajtájú, ahol a megszilárdítás egy bizonyos hőmérsékletre való felmelegítést jelent; ekkor ezt az f/ lépést követően és a g/ lépést megelőzően hűtést alkalmazunk.

Előnyösen a szálak szén (karbon) szálak vagy üvegszálak vagy Kevlár (poliaramid), esetleg alumínium, bór, nylon, poliolefin vagy kevert típusú szálak. Tulajdonképpen minden ismert mechanikai erősítő szálanyag szóba jöhet.

A mágneses töltőanyag por, szemcse, granulátum, vagy szálas formátumú egyaránt lehet. Mindazonáltal a por alakú anyag használata a legcélszerűbb. A mágneses töltőanyag lehet vas, nikkel, kobalt vagy ezek ötvözete. Lehet ferrit, például bárium-ferrit. Más és egyben igen előnyös eset, ha a mágneses töltőanyag ritkaföldfémet tartalmazó ún. keménymágneses anyag. (Valójában ezek olyan anyagok, amelyek nehezen veszítik el mágnesezettségüket.) Ilyenek pl. a kobalt-szamáriun vagy a neodímium-bór mágnes anyagok. A mágneses töltőanyag alkalmasint a kompozitban, a szálak és pászmák között helyezkedik el.

Megjegyzendő, hogy a találmány kiterjed az olyan rotorokra vagy azok részelemeire, amelyek a fenti eljárás szerint készültek, nemkülönben azokra a villamos motor vagy

« · « generátor illetőleg kombinált motor/generátor megoldásokra, amelyek ilyen rotort tartalmaznak.

Mágneses anyagot tartalmazó szálerősítésű kompozitokkal készített forgó elemekhez, rotorokhoz például a GB 1 370 655 és az US 4 508 567 lajstromszámú szabadalmi leírások révén szerezhetünk hasznos szakmai információkat. Mindamellett ezek lényegében alacsony sebességű alkalmazásokra vonatkoznak. A jelen találmányai megcélzott nagy sebességű alkalmazásokhoz is megfelelő rotorok, ezek felépítése és gyártása ezektől meglehetősen eltérő. Itt rendkívül pontos helyzet beállítást érhetünk el, valamint nagy villamos hatásfokot és ultra-nagy sebességet a motorban illetve generátorban. A kompozitok ilyen, a következőekben részletezett újszerű felhasználása rotorokban rendkívül erős, a nagy sebességek által okozott nagy mechanikai terhelést is elviselő konstrukciós megoldást eredményez.

A továbbiakban példákkal illusztrálva fogjuk az új rotort bemutatni, a kísérő ábráink a következőket mutatják:

1. ábra egy sztátor és egy azt körülvevő rotor hosszanti metszete;

2. ábra az 1. ábrán X jellel ellátott rész kinagyítva;

3. ábra egy motor alkalmazási lehetőség;

4. ábra a sztátor és a rotor egy módosított alakú kivitele.

Az 1. ábrán a 8 motor egy belül üreges hengeres kiképzésű 10 rotort tartalmaz, amely egy laminált, hengeres 11 sztátort vesz körül, és amelynek a végén 12 és 13 csapok • · · · *· < · · ♦ · · ₄ találhatók az ezeket befogadó 14 és 15 perselyekbe illeszkedően. A 11 sztátor körül a 10 rotort a 16 és 17 véggyűrűk tartják megfelelő helyzetben. A 11 sztátorban van egy 18 zsákfurat, amely további radiális 19 résekkel - az ábrán szám szerint héttel - van öszzeköttetésben, amelyek végei egy igen keskeny 20 légrésbe torkollanak (ez nem szerepel az

1. ábrán), és amely 20 légrés a 11 sztátort és a 10 rotort választja el egymástól. A 11 sztátorban 21 villamos tekercsek vannak (csak egyetlen van feltüntetve), ezek keltik a működtetéshez szükséges villamos erőteret. A 15 persely tömbjében van egy 22 lyuk, amelyen át a 20 légrésből a levegő a 18 zsákfuraton át vissza tud áramlani.

A részleteket kinagyítva bemutató 2. ábrán látunk a 1 rotor alkotóelemeként egy 30 belső köpenyt és egy 31 külső köpenyt, ami az előbbire van rádolgozva. A 36 és 37 köztes rétegek 38 és 39 pászmákat tartalmaznak, melyek történetesen epoxi gyanta mátrixba ágyazott szénszálak, amelyek spirálisan, állandó menetemelkedési szöggel vannak feltekercselve, de egyáshoz képest 180°-nak megfelelő ellenfázisban vannak a 32 réteg felett. A 38 és 39 pászmák közötti 40 és 41 hézagok 44 kompozittal vannak kitöltve, amely por alakú mágneses anyagot tartalmaz epoxi gyanta mátrixba ágyazva. A külső 46 réteg epoxi gyanta mátrixba ágyazott, a 37 köztes rétegen szorosan egymás mellé tekercselt 48 pászmákból áll, amelyet szintén szénszálak alkotnak. Végül a 46 réteget fedő legkülső 50 réteg valamilyen kopásálló anyagból, például krómból van.

Működéskor a 10 rotorhoz, annak 20 légréséhez a 22 • · · • ·* * «·· • · · · t *·· ft «««· ··

- 7 lyukon, a 18 zsákfuraton, és a radiális 19 réseken át juttatunk levegőt. A 21 villamos tekercsekbe elektromos energiát táplálunk be, minek következtében a létrejövő eletromos tér megforgatja a 10 rotort. A 10 rotor csekély súlyának köszönhetően extrém nagy, 20.000 feletti (például 100.000) percenkénti fordulatszám is elérhető, ami azonban nem zárja ki a kisebb fordulatszámú felhasználást sem.

A 3. ábra egy példaképpen! alkalmazási területet vázol, a nyomdaiparból véve. A motor - amely ezen az ábrán nem szerepel - az 55 és 56 továbbítógörgők egyikét hajtja meg, amelyek együtt egy adagoló dob 62 magjára csévélt 60 hengerről 57 papírt húznak le és továbbítanak. A motor az 57 papír feszességének szabályozására is alkalmas.

A találmány szerinti rotor generátorban való alkalmazását példázza a 4. ábránk. A 65 generátorban a korábban látotthoz számos szempontból hasonló 66 rotor található, amely egy álló elrendezésű belső 68 sztátort ölel körül, amely ugyancsak hasonló a korábbihoz, de van egy sík 70 felső vége, amelyet a 66 rotor ennek megfelelő 72 tárcsájától egy 74 légrés választ el. A 72 tárcsához egy 76 tengely kapcsolódik, amely keresztülhaladva a 77 gázkiegyenlítő téren a nem ábrázolt meghajtó egységgel, például gázturbinával teremt kapcsolatot. A külső elhelyezkedésű 78 sztátor a benne levő 66 rotorral együtt egy 80 légrést határoz meg. A külső elhelyezkedésű 78 sztátorban 82 tekercsek, míg a belső 68 sztátorban 82 tekercsek találhatók. A belső 68 sztátor alul egy 86 csapban végződik, amely a 88 alaptömbben foglal helyet.

♦· » ··· ··« • · · ·

Működéskor a 65 generátor 76 tengelye meghajtja a 66 rotort, ezáltal elektromos áramot indukál a 82 és 84 tekercsekben.

A por alakú mágneses anyag lehet kobalt-szamárium ötvözet, de egyéb anyag is szóba jöhet.

Fontos megjegyezni, hogy egyéb alternatív szálak is, például üvegszálak is megfelelnek a 10, 66 rotor kialakításához. Úgyszintén fontos megjegyezni, hogy a 10, 66 rotor tartalmazhat csupán egyetlen, vagy akár kettőnél több köpenyt, és akár egyetlen, vagy akár kettőnél több tekercseléssel kialakított köztes réteget.

A 10 rotor előállításának egy lehetséges változatát mutatjuk be a következőkben.

Egy a szokásostól semmiben sem különböző száltekercselő gép segítségével szénszálakból álló 34 pászmákat tekercselve kezdjük meg a 32 réteget, a 30 belső köpeny továbbá kezeletletlen epoxi gyanta impregnálást tartalmaz, és a forgó csévélő tüske köré van vonva. A szénszálakból álló 38, 39 pászmák 26, 37 köztes rétegei szintén kezeletletlen epoxi gyanta impregnálással készülnek, a belső 32 rétegre vanak tekerve úgy hogy egymáshoz képest 180°-os fáziseltolódásban vannak. A 38, 39 pászmák közötti 40, 41 hézagok mágneses anyag demagnetizált állapotú porát és kezeletletlen epoxi gyantát tartalmazó 44 kompozittal vannak kitöltve. A szénszálakból álló, epoxi gyantával impregnált 48 pászma külső 46 rétege a 37 köztes rétegre van feltekercselve. A 31 külső köpeny az előzőhöz hasonló módon van kialakítva, azzal a különbséggel, hogy itt helyet kap egy a kopásálló 50 réteg.

··

- 9 Ismert módon mágneses teret veszünk igénybe azon célból, hogy a mágneses anyag 44 kompozitban levő porszemcséit megfelelően rendezzük. Végül az epoxi gyantát hevítéssel kezeljük, ezzel megszilárdítjuk. A 31 külső köpenyt méretre esztergáljuk, levesszük a csévélő tüskéről, és a 16, 17 véggyűrűket a helyükre ragasztjuk valamilyen alkalmas ragasztóanyaggal, például az Araldit márkanéven kapható ragasztóval. Ezután viszük fel a kopásálló 50 réteget.

A 10 rotort egy elektromágneses tekercs által létrehozott megfelelő irányú mágneses térrel aktiváljuk oly módon, hogy a mágnesezhető anyag porszemcséit a 44 kompozitban állandó ménesnek megfelelő orientált állapotba hozzuk.

A 66 rotor hasonló módon készül, csak itt a végső 72 tárcsa a 66 rotor belső oldalához van ragasztva valamilyen alkalmas ragasztóanyaggal, például Araldittal.

Kopásálló 50 rétegként mást is használhatunk, például üvegszál erősítésű kompozitot, vagy valamilyen kerámiát.

Eleve üreges formátumú rotor helyett a 30 belső köpenyt és a 31 külső köpenyt kialakíthatjuk egy hordozóra rádolgozva is, amely hordozó lehet például alumíniumból.

Claims (8)

1. Szabadalmi igénypontok.

   1. Szálerősítésű műanyag rotor mágneses töltőanyaggal, azzal jellemezve, hogy a szálerősítésű műanyag a rotor (10,66) többrétegű, hengeres részeként van elrendezve, és a mágneses töltőanyag az egyes rétegekben (32,36,37,46) és azok között van.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a hengeres rész egy üreges, csőalakú rész.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a hengeres részt egy kopásálló réteg (50) burkolja.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a hengeres részben egy szálakból terercselt első réteg (32) , és legalább egy arra rátekercselt, és szálakból álló köztes réteg (36,37) van, amelyben spirális csavarvonalban húzódó hézagok (40,41) vannak, a hézagokban (40,41) mágneses töltőanyag van, és egy szálakból tekercselt külső réteg (46) van az egy vagy több köztes rétegre (36,37) rátekercselve.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a hengeres rész egy alap hordozóra van rádolgozva.

   4 4
6. 6. Az 1-3. igénypontok, bármelyike szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a mágneses töltőanyag por, szemcse, granulátum, vagy szálas formátumú.
7. 7. A 6. igénypont szerinti rotor, azzal jellemezve, hogy a mágneses töltőanyag ritkaföldfémet tartalmazó ún. keménymágneses anyag.
8. 8. Eljárás az 1. igénypont szerinti rotor előállítására, azzal jellemezve, hogy a következő egymás utáni lépéseket hajtjuk végre :

   a/ egy csévélő tüske köré műgyantával impregnált szálakból egy első réteget (32) tekercselünk;

   b/ erre az első rétegre (32) műgyantával impregnált szálakból legalább egy köztes réteget (36,37) tekercselünk, amely köztes rétegben (36,37) spirális csavarvonalban húzódó hézagokat (40,41) alakítunk ki az impregnált szálak pászmái (38,39) között;

   c/ a hézagokba (40,41) mágneses töltőanyagból és műgyanta mátrix anyagból álló keveréket töltünk;

   d/ az egy vagy több köztes rétegre (36,37) egy műgyantával impregnált szálakból álló külső réteget (46) tekercselünk rá;

   e/ az eddig összeállított rotort (10,66) megfelelő irányú mágneses térbe helyezzük, és a mágneses töltőanyagot a műgyanta folyékony és megszilárdulás alatti állapotában polarizáljuk;

   f/ a kezeletlen folyékony gyantát megfelelő kezelés