JP2016504220A - 磁気装荷型複合ロータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

磁気装荷型複合ロータは、縦軸２を有するマンドレル１を提供することにより形成される。離型剤３はマンドレルに被覆され、軸２の方向に織られているかまたは織られていない繊維材料４が離型剤上に適用されている。磁性粒子２８を含む熱可塑性樹脂含浸トウ２４は繊維材料４上に巻回され、繊維材料は磁性粒子がマンドレルへ侵入するのを実質的に防止している。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気装荷型複合（ＭＬＣ）ロータおよびそのようなロータの製造方法に関するものである。

ＭＬＣロータは、フライホイールとも称され、例えば３０，０００ｒｐｍを超える高速で回転し、蓄電装置およびモータの少なくとも一方として作動する電気モータ／発電機において使用され得る。

ロータは、ロータと併用されるステータの電気コイルに対してエネルギーが加えられるか、または取り出されるかにより、モータまたは発電機として作動し得る。

ＭＬＣロータを使用することにより、高速において飛散し得る個別の磁石が不要になるという効果が得られる。

例えばエポキシ樹脂等の未硬化エポキシ樹脂マトリックスに埋め込まれた繊維トウ、すなわちガラス繊維、炭素繊維またはカーボンナノチューブのような人工繊維の無撚連続繊維束を使用して形成された複合フライホイールが、ＥＰ−Ｂ−０６７９８７およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５１３６７に記載されている。

ＥＰ−Ｂ−０６６７９８７では、乾燥ガラス繊維トウ、例えば等方性ＮｄＦｅＢのような粉末磁性材料で構成されたスラリー、および熱硬化性樹脂であってもよい未硬化エポキシ樹脂がマンドレル上に巻回されている。開示された方法は、スラリー層を形成するためにマンドレル上にスラリーを徐々に送る一方、同時に、スラリー層上に間隙構造の乾燥ガラス繊維トウの層を巻回させる。間隙構造の間隙はスラリーで満たされるため、ガラス繊維トウがＭＬＣスラリー層を閉じ込め、圧搾して必要な樹脂レベルを与える。ＭＬＣスラリーの過剰樹脂はガラス繊維に含浸されて所望の構造を製造するために使用される。そして、巻回構造はマンドレル上でゲル化および硬化される。

そのようなＭＬＣロータの製造方法は、必要な構造を形成するために樹脂およびＮｄＦｅＢ粉末スラリーの流動性に依存している。

流動性があることにより、使用している異方性ＮｄＦｅＢ粒子は配向磁石の磁極周辺に凝集する傾向にあるため、粒子に伴う残留磁束密度の利益を得るために必要な手順を採用することができなくなる。

そのような凝集は高速フライホイールに有害なアンバランスを引き起こし、ロータおよびステータ組立品の故障の原因となり得る。

そのような既知の方法に関連する問題は、ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５１３６７の開示において、少なくとも部分的に軽減されている。

これを参照すると、磁気装荷型予備含浸テープが、熱可塑性溶液および溶媒がドープされた異方性磁性粒子材料と共に繊維テープを含浸させる。

ロータは、磁気装荷型予備含浸テープおよび熱可塑性樹脂含浸繊維トウを加熱ステーションでマンドレル上に巻回することにより形成され、トウとテープとを接合するために加熱ステーションにおいて熱を利用する。

そのようなロータは、商業的に実用的であるために、適当な生産速度および非常に高精度に製造される必要があることは尊重されるだろう。マンドレルは、ロータを形成して硬化させた後に、ロータがマンドレルから外れる必要があるように、再利用可能であることが必要である。

粉末状の磁性材料は、硬くて非常に鋭く製造工程の間においてロータの半径方向内側面に向き合う傾向にあり、よって、硬化したＭＬＣロータをマンドレルから取り外すのを妨げながらマンドレルをすり減らす。よって、マンドレルから硬化したＭＬＣロータを取り外すためには大きな力が必要となり、マンドレルに近接していた最も内側の硬化層を傷つけ、さらにはマンドレルの仕上げを傷つける可能性がある。ＥＰ−Ｂ−０６７９８７における上述の欠点を軽減しようとして、ＭＬＣロータの巻回よりも先に予備含浸ガラス繊維トウがマンドレル上に巻回された。しかしながら、まだ、ガラス繊維トウを通過して、マンドレルの表面に移動する磁性材料粉末が存在し、それはロータの取り外しの妨げとなる。

上記ガラス繊維トウの巻回よりも先にマンドレルを離型剤層で被覆する方法も発見されているが、マンドレル自体は傷つかなくとも、そのような離型剤層が磁性粒子により傷つく傾向がある。

それに加えて、ロータの内側面から微小クラックが広がることが発見され、これらの微小クラックは少なくとも部分的に、樹脂およびガラス繊維の両方の材料に作用する力によるものと信じられている。磁性材料の粒子は、樹脂およびガラス繊維がロータの内側面を横切って流れる原因となる。

本発明は、少なくとも部分的に上述した問題を軽減することを目的とする。

本発明の第１の側面によると、繊維強化プラスチック材料のロータの製造方法であって、縦軸を有する回転可能なマンドレルを提供するステップ（ａ）と、上記マンドレルに離型剤を塗布するステップ（ｂ）と、上記縦軸の方向に延びる繊維を有する繊維材料を上記マンドレルの上記離型剤上に適用するステップ（ｃ）と、磁性粒子が実質的に上記マンドレルに侵入しないように適用される上記繊維材料上に上記磁性粒子を含む磁気装荷型トウを供給するステップ（ｄ）とを含んでいる。

好ましくは、上記繊維材料は、織られておりかつ平織り、模紗織、四枚朱子織、八枚朱子織または綾織りのいずれか１つである。

その代わりに、少なくとも上記縦軸の方向において配列された繊維を構成する不織布、フェルトまたはマットである。

好都合なことには、上記繊維材料は、樹脂が予備含浸されたガラス繊維もしくは炭素繊維のクロス、生地、フェルトまたはマットで作られている。

１つの実施形態では、ステップ（ｄ）は、複数層のマルチフィラメントのガラストウまたはテープ、および樹脂と磁性粒子との混合物を上記繊維材料に供給することを含み、ドクタープレートが、上記樹脂と磁性粒子との混合物を上記繊維材料と上記複数層のマルチフィラメントのガラストウの各々の間とに向かって上記繊維材料を通り抜けないで押し付けるように構成されている。

好都合なことには、上記ガラストウは、上記マンドレル上の上記繊維材料の軸方向長さよりも小さい幅を有していて、上記縦軸の方向に巻回されている。

別の実施形態では、ステップ（ｄ）は、樹脂含浸繊維を含む少なくとも１つの中間層を上記繊維材料の周りに巻回して上記中間層の繊維同士の間の空間を規定するステップと、フィラー状の磁性材料および樹脂のマトリクス材料を含む混合物を上記空間に配置するステップと、樹脂含浸繊維を含む外側層を上記中間層の周りに巻回するステップと、ゲル化のプロセスにおいて上記樹脂がゲル化する前の液相であるとき、上記フィラー状の磁性材料を所望の向きに配列させるために磁場を与えるステップと、上記樹脂を硬化させるステップと、上記磁性材料を磁化するステップとをさらに含んでいる。

さらに別の実施形態では、ステップ（ｄ）は、磁気装荷型予備含浸テープを形成するために、熱可塑性樹脂溶液と溶媒がドープされた異方性磁性材料とを繊維テープ材料に含浸させるステップと、異方性の上記磁気装荷型予備含浸テープと熱可塑性樹脂含浸繊維トウとを加熱ステーションに送るステップと、磁気装荷型複合テープを作り出すために、上記熱可塑性樹脂含浸繊維トウと上記磁気装荷型予備含浸テープとを接合するために上記加熱ステーションで加熱するステップと、所望の磁場配位での磁化の前に上記異方性磁性材料を整列させるために、上記磁気装荷型複合テープを磁気的に活発化されたマンドレル上に巻回するステップとを含んでいる。

本発明の特徴によると、第１の側面に基づいて製造された磁気装荷型複合ロータが提供される。

本発明の第２の側面によると、縦軸の方向に延びる繊維を有し、複数層の磁気装荷型トウまたはテープにより被覆された樹脂予備含浸繊維材料を備えていることを特徴とする磁気装荷型複合ロータが提供される。

図１は、本発明に係る繊維材料の第１の層が形成されたマンドレルの斜視図である。 図２は、磁気装荷型複合ロータを形成するための装置の概略図である。 図３は、本発明によって作られたロータを示す図である。 図４は、磁気装荷型複合テープを製造するための別の装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図面中では、同じ参照番号は同じ部品を示す。

図１では、円筒状で中空のマンドレル１は、その上にロータが形成されるものであって、長手方向に延びる軸２を有している。マンドレルの外側面の少なくとも一部は、商業的に利用可能な離型剤３で被覆されている。離型剤は、ワックス、ポリビニルアルコール、あるいは例えばｗｗｗ．ｆｉｂｒｅｇｌａｓｔ．ｃｏｍから入手可能なＦｉｂＲｅｌｅａｓｅ（登録商標）のような商業的に利用可能なあらゆる離型剤であってもよい。離型剤の表面に被覆されているのは、少なくとも一層の繊維材料４であって、好ましくは予備含浸ガラス繊維クロス材料であり、縦軸２の方向に延びる繊維を含んでいる。

繊維材料は、その代わりに、不織布、フェルトもしくはマット、または縫い合わせられたクロスであってもよい。

予備含浸ガラス繊維クロスは、もともと粘着性がありかつプレカットされてマンドレルの表面上に巻かれて、そして加熱硬化される。

織られた材料の他の例として以下のものがある。

［平織り］
この織り方のパターンでは、たて糸とよこ糸とが交互の様式で互いに上下になるように絡み合わせられる。平織りは、所与の番手に対して、安定性および多孔性が良く、糸のずれが最も少ない。

［模紗織］
模紗織は、比較的小さい番号の糸が求められる場合に使用される。模紗織は、二本以上のたて糸を互いにまたいで交差させて一本以上のよこ糸と絡み合わせることにより、糸を所定位置に固定する。

［四枚朱子織］
四枚朱子織は平織りよりもしなやかであって、典型的に強化プラスチックにおけるカーブした表面により容易に適合する。この織りパターンでは、３本のたて糸の上および１本のたて糸の下をよこ糸が通る３×１芯地が存在する。

［八枚朱子織］
この織りパターンは、１本のよこ糸が７本のたて糸の上および１本のたて糸の下を通ることを除いて四枚朱子織に似ている。この織り方は非常にしなやかであって、大きく湾曲した表面を形成するのに使用され得る。

［綾織り］
綾織りは、平織りよりもしなやかでより良いドレープ性を有している一方、四枚朱子織または八枚朱子織よりも安定した構造を維持する。その織りパターンは、１本のたて糸が少なくとも２本のよこ糸の上を通ることにより生み出される斜め模様のリブにより特徴づけられる。

繊維材料はまずマンドレルに適用され、この例では好ましくは電気伝導性がなく、好ましくは、織られて樹脂が予備含浸されて、たて糸またはよこ糸が縦軸２の方向に延びる状態でマンドレルに適用される。

重要なことに、予備含浸繊維材料は、（後述するように）引き続き適用される磁性粒子材料が繊維材料を通って離型剤３の表面上に移動しないように、粉末の侵入に対して抵抗を有している。

図２は、概略図であって、ＭＬＣロータを形成するための装置を示している。マンドレルはモータ（図示せず）によって駆動される。マンドレルは、矢印２１で示すように、シリンダの内部に熱した空気を供給する適当な熱源（図示せず）によって加熱されてもよい。マンドレル１は巻上機（図示せず）に取り付けられていて、当該マンドレルは矢印２２の方向に回転するように配置されている。熱可塑性樹脂含浸トウ２４は、矢印２６の方向に回転可能なドラム２５から供給される。トウ材料２４は、１，０００〜３，０００本、好ましくは２４００本のより糸のマルチフィラメントを有している。トウ２４は、マンドレル上の繊維材料４の軸方向長さよりも小さい幅を有していて、両矢印２７で示すように、縦軸２の方向に沿って前後に織られるように配置されている。コンテナ２８は、６０〜１００℃まで加熱された溶剤、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＡＫ）およびポリエーテルイミド（ＰＥＩ）を含む、樹脂と異方性ＮｄＦｅＢ粒子材料の混合物を保持している。コンテナ２８からの樹脂と磁性粒子との混合物はトウ２４に適用される。

ドクターまたはスクレーパブレード２９はトウの上に位置していて、トウ表面の径が増加するように取り付けられており、そのためブレードは立てられている。よって、ドクターブレード２９は、樹脂および磁性粒子をトウの内部および各トウラップの間に押し込むスクィージとして作用する。トウおよびドクターブレードは、適当な厚さのロータを作り上げるために、両矢印２７の方向に動かされる。

本方法により製造されたロータが図３に示されている。ＭＬＣロータ３０は、少なくとも、繊維材料、例えば予備含浸織布で作られた第１の径方向内側層３１を有している。

本発明では、繊維材料は結合層として作用し、ロータが運転中で２５０，０００ｇ近くの慣性力の下で動作しているときに、トウ２４の軸方向クリープを防止する。

図２はロータを製造するための１つの装置を示しているが、ロータは他の方法を用いて製造されてもよく、軸方向に強化された最も内側の繊維材料４の層を備えるという共通要素があればよい。

よって、離型剤および繊維材料の内側層を有するマンドレルは、図１を参照して上記に記載したように提供され、そして装置はＥＰ−Ｂ−０６７９８７に記載されたものであってもよい。未硬化のエポキシ樹脂が含浸された炭素繊維またはガラス繊維のトウは内側の繊維材料４上に巻き付けられる。

未硬化のエポキシ樹脂が含浸された炭素繊維のトウの中間層は、互いに１８０°位相がずれた関係で繊維材料４上に巻き付けられる。トウの間の空間は、減磁された状態の磁性粒子材料および未硬化のエポキシ樹脂で満たされる。未硬化のエポキシ樹脂が含浸された繊維のトウの外側層は、上述したトウの中間層上に巻き付けられる。外部ケーシングは似たような方法で形成され、磁性粒子材料を整列させるために磁場が適用される。エポキシ樹脂は適当な加熱環境で硬化される。

その他の構成では、図１を参照して上述したようにマンドレルが提供される。そして、ロータを形成するための装置は、ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５１３６７に記載されたものと大体において同様である。よって、図４を参照すると、熱可塑性樹脂含浸トウ２４は、プリテンションローラ６５，６６，６７を経て、加熱ステーション６９に配置された転圧ガイドローラ６８へ送られる。加熱ステーション６９では、レーザ７０から加熱エネルギーが供給される。レーザ７０は、加熱ステーション６９において３５０〜４００℃の温度のパルス照射または連続エネルギーを供給する２ｋＷレーザであってもよい。また、加熱ステーション６９には、磁気装荷型予備含浸テープ８０が供給され、これはテンションローラ８１，８２を経て送られる。トウ２４およびテープ８０は、加熱ステーション６９で一緒になり、ＭＬＣロータを形成するためにマンドレルの縦軸の方向において軸方向に移動させられる。形成後は、オーブン中でロータを３００℃まで加熱することにより応力開放が行われてもよい。

本発明は、ＭＬＣロータがその上に形成される上述した向きの繊維材料の内側層を提供し、マンドレルからロータを取り外すのを容易にする。さらに、ＭＬＣロータの層の軸方向クリープを防止し、従って、ロータの内側層からの径方向のクラッキングを防止する。そのような特徴は、ＭＬＣロータの疲労寿命を大幅に長くするという効果を有する。

Claims (12)

1. 繊維強化プラスチック材料のロータの製造方法であって、
   縦軸を有する回転可能なマンドレルを提供するステップ（ａ）と、
   上記マンドレルに離型剤を塗布するステップ（ｂ）と、
   上記縦軸の方向に延びる繊維を有する繊維材料を上記マンドレルの上記離型剤上に適用するステップ（ｃ）と、
   磁性粒子が実質的に上記マンドレルに侵入しないように適用される上記繊維材料上に上記磁性粒子を含む磁気装荷型トウを供給するステップ（ｄ）とを含んでいる
   ことを特徴とするロータの製造方法。
2. 請求項１において、
   上記繊維材料は、織られておりかつ平織り、模紗織、四枚朱子織、八枚朱子織または綾織りのいずれか１つである
   ことを特徴とするロータの製造方法。
3. 請求項１において、
   上記繊維材料は、少なくとも上記縦軸の方向において配列された繊維を構成する不織布、フェルトまたはマットである
   ことを特徴とするロータの製造方法。
4. 請求項１において、
   上記繊維材料は、樹脂が予備含浸されたガラス繊維もしくは炭素繊維のクロス、生地、フェルトまたはマットで作られている
   ことを特徴とするロータの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記ステップ（ｄ）は、複数層のマルチフィラメントのガラストウまたはテープ、および樹脂と磁性粒子との混合物を上記繊維材料に供給することを含み、ドクタープレートが、上記樹脂と磁性粒子との混合物を上記繊維材料と上記複数層のマルチフィラメントのガラストウの各々の間とに向かって上記繊維材料を通り抜けないで押し付けるように構成されている
   ことを特徴とするロータの製造方法。
6. 請求項５において、
   上記ガラストウは、上記マンドレル上の上記繊維材料の軸方向長さよりも小さい幅を有していて、上記縦軸の方向に巻回されている
   ことを特徴とするロータの製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記ステップ（ｄ）は、
   樹脂含浸繊維を含む少なくとも１つの中間層を上記繊維材料の周りに巻回して上記中間層の繊維同士の間の空間を規定するステップと、
   フィラー状の磁性材料および樹脂のマトリクス材料を含む混合物を上記空間に配置するステップと、
   樹脂含浸繊維を含む外側層を上記中間層の周りに巻回するステップと、
   ゲル化のプロセスにおいて上記樹脂がゲル化する前の液相であるとき、上記フィラー状の磁性材料を所望の向きに配列させるために磁場を与えるステップと、
   上記樹脂を硬化させるステップと、
   上記磁性材料を磁化するステップとをさらに含んでいる
   ことを特徴とするロータの製造方法。
8. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記ステップ（ｄ）は、
   磁気装荷型予備含浸テープを形成するために、熱可塑性樹脂溶液と溶媒がドープされた異方性磁性材料とを繊維テープ材料に含浸させるステップと、
   異方性の上記磁気装荷型予備含浸テープと熱可塑性樹脂含浸繊維トウとを加熱ステーションに送るステップと、
   磁気装荷型複合テープを作り出すために、上記熱可塑性樹脂含浸繊維トウと上記磁気装荷型予備含浸テープとを接合するために上記加熱ステーションで加熱するステップと、
   所望の磁場配位での磁化の前に上記異方性磁性材料を整列させるために、上記磁気装荷型複合テープを磁気的に活発化されたマンドレル上に巻回するステップとを含んでいる
   ことを特徴とするロータの製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法により製造された磁気装荷型複合ロータ。
10. 縦軸の方向に延びる繊維を有し、複数層の磁気装荷型トウまたはテープにより被覆された樹脂予備含浸繊維材料を備えている
    ことを特徴とする磁気装荷型複合ロータ。
11. 添付の図面および該図面を参照した明細書中に実質的に記載された方法。
12. 添付の図面および該図面を参照した明細書中に実質的に記載された磁気装荷型複合ロータ。
    

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