JP2017017986A - 磁気装荷型複合テープの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂及びＮｄＦｅＢ粉状スラリーの流動性があることにより、高速ロータ／フライホイールに有害なアンバランスを引き起こし、ロータ及びステータ組立品の故障の原因となり得る。【解決手段】加熱され、かつ熱可塑性樹脂溶液を含む加熱バスと連動するドラムを使用する。繊維テープ材料は、ドラム上にフィードされ、繊維テープ材料がドラムの外周に到達する直前に、繊維テープ材料に異方性磁気粒子材料が含浸され、プリプレグテープ８が形成される。プリプレグテープ８は、加熱ステーション２９にフィードされ、そこで熱可塑性樹脂含浸繊維トウ２４と接着され、磁気装荷型複合テープが製造される。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気装荷型複合（magnetically loadedcomposite，ＭＬＣ）ロータの製造に用いるテープを製造するための方法に関する。

ＭＬＣロータは、フライホイールとも称され、３０，０００ｒｐｍを超える高速で回転し、蓄電装置及び／又はモータ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。前記ロータは、前記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、又は取り出されるかにより、モータ又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熱硬化性樹脂マトリックスに埋め込まれた繊維トウ、すなわち例えばガラス繊維又は炭素繊維等の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、米国特許出願公開第２００２／００８３７９１号明細書、欧州特許出願公開第１１９９４９３号明細書、米国特許出願公開第４０８０８４５号明細書、及び国際公開第１９９４／０６１９３号パンフレットに記載されている。

ＭＬＣロータの既知の製造方法は、例えば異方性のＮｄＦｅＢ等の粉状の磁性体材料と熱硬化性樹脂とにより構成されるスラリーと乾燥ガラス繊維とを巻回させることである。この製造方法は、前記スラリーを徐々にマンドレル上にフィードさせてスラリー層を形成し、一方、同時に前記スラリー層上へ間隙構造の乾燥ガラス繊維トウ（tow）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、前記ガラス繊維トウが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。前記ＭＬＣスラリーの過剰樹脂はガラス繊維に含浸され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回転しながらゲル化及び硬化される。このような方法は、国際公開第１９９４／０６１９３号パンフレットに記載されている。

既知のＭＬＣロータ製造方法は、必要な構造を形成するために、樹脂及びＮｄＦｅＢ粉状スラリーの流動性に基づく。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。このような集合は高速ロータ／フライホイールに有害なアンバランスを引き起こし、ロータ及びステータ組立品の故障の原因となり得る。

本発明は、上述の問題を少なくとも部分的に軽減することを目的とする。

本発明の特徴によれば、磁気粒子が添加された熱可塑性樹脂含浸繊維を含む、磁気装荷型プリプレグテープの製造方法であって、繊維テープ材料に熱可塑性樹脂溶液と、溶媒が添加された異方性磁気粒子材料とを含浸させる含浸ステップを含む、製造方法である。

好都合には、前記異方性磁気粒子材料はナノサイズの粒子である。

好ましくは、前記含浸ステップでの含浸は、加熱バスから前記熱可塑性樹脂溶液を輸送させるために配置された加熱された輸送手段に、前記繊維テープ材料を通過させることにより行われる。

効果的には、前記加熱バスは、６０℃〜１００℃の温度にまで加熱された、前記熱可塑性樹脂溶液と、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のうちの１つとを含む。

好ましくは、前記繊維テープ材料は、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー（登録商標）（ポリアミド）、プラスチック、アルミニウム、ホウ素、ナイロン、ポリオレフィン、又はこれらの混合物により構成される。

好ましくは、前記磁気粒子は、ナノサイズのＮｄＦｅＢ粒子、又は鉄、ニッケル、コバルト、フェライト、これらの化合物により形成される。

効果的には、前記溶液が添加された磁気粒子材料は、ＮｄＦｅＢ粒子と、溶媒と、ＰＥＥＫ又はＰＥＩとを含んだフィードから供給される。

好ましくは、前記輸送手段は、６０℃〜１００℃の温度にまで加熱された加熱ドラムである。

効果的には、前記熱可塑性樹脂溶液の厚さ、及び前記繊維テープ材料と前記熱可塑性樹脂溶液とを組み合わせることにより形成された前記テープの厚さは、前記加熱ドラムに備えられたドクタープレート手段により制御される。

効果的には、前記テープの厚さは、前記ドクタープレート手段を通過した後に、同様に過剰の溶媒を除去するためのローラ手段の間を通過することにより、さらに制御される。

好都合には、過剰の溶媒は加熱手段によりさらに除去され、前記過剰の溶媒は再利用のために抽出される。

本発明の特徴によれば、前記の特徴に記載の製造方法を実行するための装置であって、熱可塑性樹脂溶液を含むように配置された加熱バスを通過する加熱ドラム手段と、繊維テープ材料を前記ドラム手段にフィードするように配置されたフィード手段と、前記熱可塑性樹脂溶液に含浸させるために、前記ドラム手段に、溶媒が添加された磁気粒子材料を供給するように配置されたフィードノズル手段とを含む装置が提供される。

効果的には、ドクタープレート手段は、前記熱可塑性樹脂材料の厚さ、及び前記磁性体含浸熱可塑性樹脂溶液の厚さを制御するために、前記ドラム手段に近接して配置されている。

好都合には、加熱及び抽出手段が、過剰の溶媒を除去するために備えられている。

本発明の特徴によれば、本発明の前記の特徴に記載された製造方法により製造された、磁気装荷型プリプレグテープが提供される。

本発明の特徴によれば、磁気装荷型複合テープの製造方法であって、熱可塑性樹脂含浸繊維トウを加熱ステーションへフィードし、異方性磁気装荷型プリプレグテープを前記加熱ステーションへフィードし、前記磁気装荷型複合テープを製造するために、前記加熱ステーションに熱を供給して前記トウと前記テープとを接着させるステップを含む製造方法が提供される。そして、前記加熱ステーションは、回転駆動の加熱マンドレルと、前記マンドレルと連動する転圧ローラとを含み、前記トウ及びテープはフィードされて前記転圧ローラと前記マンドレルとの間を通過し、好ましくは、前記マンドレルは、前記異方性磁気装荷型プリプレグテープを所望の磁場構成とするために、前記マンドレルに埋め込まれた磁場を有する。

好都合には、前記マンドレルは、例えば１２個の磁石を備えた６対の磁極対を生じるように、偶数個の磁石により構成されている。

効果的には、前記マンドレル周りにおいて前記テープの半径が増加するのに伴い、前記磁気装荷型プリプレグテープの磁極が実質的に配向されるように、前記磁石は弧状に配置されている。

前記テープは、好ましくは次の利用のために前記マンドレル周りに巻回される。

好ましくは、前記加熱ステーションにおいて、レーザ手段及び加熱窒素手段のうちの１つにより熱が供給される。

好都合には、前記レーザ手段は、パルス照射又は連続照射により、前記トウと前記テープとが十分に接着される温度、例えば３５０℃〜４００℃の範囲の温度を与える。

効果的には、前記トウ及び前記テープのフィード速度は０．１〜１ｍ／ｓの範囲である。

好ましくは、前記加熱マンドレルは、前記複合テープを所望の形状に成形するために設けられている。

効果的には、前記マンドレルは、１２０℃〜２００℃の範囲の温度にまで加熱される。

本発明の特徴によれば、本発明の特徴を実行するための装置が提供される。

本発明の特徴によれば、本発明の特徴により製造された磁気装荷型複合テープが提供される。

熱可塑性樹脂は、加熱した場合には液体に変化し、十分冷却した場合にはガラス状に凝固するポリマーである。熱可塑性ポリマーテープは、再溶融及び再成形が可能であるという点で、先行技術においてＭＬＣロータの製造に使用される熱硬化性ポリマーとは異なる。先行技術の熱硬化性マトリックスに比べて熱可塑性マトリックスを使用することの効果の１つは、製造中において磁気粒子材料の流動性が制限されることにより、磁場の極性によって粒子が移動し集合することによる凝集効果が実質的に低減されることである。これは、マトリックスが、製造中に加熱ステーションにおいて、極めて短時間の間、極小位置で液化することによる。

本発明の特徴によれば、前記の特徴を実行するためのステップを含み、前記磁気装荷型プリプレグテープを磁気的に活性化されたマンドレル上に巻回し、所望の磁場構成で磁化させる前に前記異方性磁気粒子材料を配向させる、ロータの製造方法が提供される。

本発明の特徴において、前記特徴により製造されたロータが提供される。

本発明の特徴によれば、磁気装荷型複合テープを巻回するためのマンドレルであって、常磁性材料により製造され、前記テープの磁気粒子を配向させるために、前記マンドレルに配置された磁極対の構成を含む、マンドレルが提供される。

好ましくは、前記マンドレルは、実質的に円筒であり、交互に配置された磁極対が、前記円筒の内側及び外側表面に近接して放射状に配置されている。

効果的には、前記マンドレルは、高温空気等の加熱手段により加熱されるように配置されている。

好都合には、前記マンドレルは、巻回装置により回転するように配置されている。

本発明のマンドレルは、最終部品に必要な構成と同一構成の磁場がマンドレル中に埋設されるように設計され得る。異方性磁気粒子材料を備えるこのような装置を使用することにより、粒子の磁気特性によってより強力な磁気パターンが生じ、続いてロータが磁化され使用可能となる。

ここで、本発明は、例示的に、添付の図面に基づき説明され得る。

図１は、本発明の実施形態において磁気装荷型プリプレグテープを製造するための装置を示す。 図２は、本発明の実施形態において磁気装荷型複合テープを製造するための装置を示す。 図３は、本発明の実施形態におけるマンドレルを示す。

図面中において、同一の参照番号は同一の部材を示す。

図１に示す装置は、磁気装荷型プリプレグテープを製造するための装置であり、モータ（図示せず）により駆動されるドラム１を備える。前記ドラムは、電気素子又は高温空気等の好適な熱源により６０℃〜１００℃の温度にまで加熱される。前記ドラム１は、電気素子又は高温空気等の好適な手段により６０℃〜１００℃の温度にまで加熱されるバス２を伴う。前記バスは、熱可塑性樹脂溶液と、溶媒と、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリエーテルイミド（ＰＥＩ）とを、使用に際し必要とされる所望の樹脂含有量を与える比率で含むように構成される。

前記ドラム１周りを輸送される、バス２内の材料の厚さを制御するために、ドクターブレード３が、ドラムの外周に近接して放射状に備えられている。

繊維テープ材料４は、例えばガラス繊維もしくは炭素繊維テープ、ケブラー（登録商標）（ポリアミド）、プラスチックもしくはアルミニウムテープ、ホウ素、ナイロン、ポリオレフィン、又はこれらの組合せ等、その他あらゆる好適な既知繊維であり、ＮｄＦｅＢ粒子等のナノサイズの磁気粒子、溶媒及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のスラリーがフィードノズル６から供給される、ドラム１外周上の供給位置の直前において、供給源（図示せず）からフィードローラ５を経てドラム１へフィードされる。このスラリーは体積比で３０％〜４５％の磁気粒子材料を含み得る。使用可能な他の磁性体材料は、鉄、ニッケル、コバルト、又はこれらの合金である。また代わりに、磁性体材料は、例えばバリウムフェライト等のフェライト、又はコバルト−サマリウム等の他のレアアース元素により構成され得る。スラリードクタープレート７は、ドラム外周に近接して放射状に配置され、組み合わせられた樹脂、繊維及び磁気粒子のスラリー、すなわち熱可塑性テープの片面と両端に付着しているスラリーの厚さを制御するために使用される。従って、ドラム１から出るときに、磁気装荷型プリプレグテープ８が形成され、スクイーズローラ９，１０間を通過し、加熱トンネル１１に入った後、トンネルの出口１２を通って排出される。トンネルは１００℃〜１５０℃の温度にまで加熱される。トンネル１１は、内部に部品１〜１０が配置されているハウジング１３の一部を形成する。ハウジング１３は、温度１００℃の加熱窒素１５の供給装置に接続された入口１４を備える。加熱窒素１５と併用される、トンネル周辺に配置されたヒータ１６は、テープ８から過剰の溶媒を取り除くために配置されており、その過剰の溶媒は、矢印１８により示されるように、ハウジングの出口１７から除去され、溶媒回収装置（図示せず）へフィードされる。その後、プリプレグテープ８は、１組の加熱カレンダローラ（図示せず）を通過し、平テープが形成される。

図２に示す装置は、熱可塑性テープを使用して磁気装荷型複合テープを製造するために使用される。円筒マンドレル２０はモータ（図示せず）により駆動され、０．５〜１ｍ／ｓの範囲の速度で熱可塑性テープ（後述）を供給し、またマンドレルは、矢印２１で示すように、シリンダの内部に高温空気を供給し得る簡便な供給源（図示せず）により加熱される。供給源（図示せず）は電気的に加熱されていてもよい。マンドレル２０は巻回装置（図示せず）上に取付接続されており、このときマンドレルは矢印２２で示す方向へ回転するように構成されている。熱可塑性樹脂含浸トウ（tow）２４は、プリテンションローラ２５，２６，２７を経て、加熱ステーション２９に配置された転圧ガイドローラ２８へフィードされる。加熱ステーション２９では、レーザ３０から加熱エネルギーが供給される。レーザ３０は、加熱ステーション２９において３５０℃〜４００℃の温度のパルス照射又は連続エネルギーを供給する２ｋＷレーザであり得る。また、加熱ステーション２９には、磁気装荷型プリプレグテープ８が供給され、これはテンションローラ３１，３２を経てフィードされる。本発明の説明においては、１本の熱可塑性樹脂含浸繊維トウ２４及び１本の異方性磁気装荷型プリプレグテープ８のみを使用することを記載しているが、本発明はこれらに制限されるものではなく、使用されるテープの本数は必要なＭＬＣ複合テープの構成に応じて変更され得ることを理解されたい。

加熱ステーション２９においてテープ８及びテープ２４を接着させることにより形成される磁気装荷型複合テープはマンドレル２０上に巻回され、モータ／発電機用ロータを形成する。また、レーザ加熱によりテープの応力開放が促進される。形成後は、オーブン中で３００℃に加熱することにより応力開放が行われる。図２の実施形態では、接着されたテープは円筒マンドレル上に形成されるように記載されているが、加熱ステーションから出される接着されたテープはいかなる所望の形状／構成にも成形され得ることを理解されたい。

熱硬化性テープに比べて熱可塑性テープを使用する効果は、マトリックスが加熱ステーションにおいて極めて短時間の間、極小位置で液化することにより、製造中において磁気粒子材料の流動性が制限されることである。従って、磁場の極性によって磁気粒子材料が移動し集合することによる凝集効果が実質的に低減される。

好ましくは、複合テープは、ロータが磁化された際により強力な磁気パターンを生じるように、製造工程において配向された異方性ＮｄＦｅＢ粒子材料の磁気状態（magnetic regimes）を有する。図３に示すように、チタン等の常磁性材料のマンドレル４０は円筒形状であり、円筒の円周表面に対し周方向にかつ放射状に配置された等間隔の電磁極対４１，４２を備える。従って、Ｎ極４１及びＳ極４２がマンドレルの円筒に対して放射状に交互に配置されており、個々の磁極はスペーサーにより間隔を空けて配置され、円筒の外周に交互に磁極が存在している。説明の都合上、図３には４つの磁極対しか示されていないが、例えば１２の磁極、すなわち６つの磁極対が、マンドレルの外周に配置され得る。示されていないが、チタン製マンドレルは外側の円筒を形成し、内側に放射状の鉄製円筒があり、磁極対は内側と外側の円筒間の環内に位置している。使用時には、マンドレルの回転に伴い、電磁石４１，４２がテープ中に交互のＮ極及びＳ極を配列させるように規則的に動いて、そのタイミングはすでに磁化された層に応じてＮ極及びＳ極が交互になるように構成される。最終部品に必要な構成と同一の磁場構成を有するように、中に埋設された磁場を備えるマンドレルを使用することにより、ロータの磁化時に、材料中の異方性磁気粒子の磁気状態が配向されて、より強力な磁石を生じる。また、磁化されたマンドレルを使用することにより、より均一な磁気分布が達成される。また、マンドレルの磁場は、加熱ステーション２９においてレーザによりテープが溶融する前にテープを正しい位置に保持するのに役立つ。磁石４１，４２は弧状に配置され、これによりマンドレル周りにテープの半径が増加するのに伴い、テープ中の磁極が実質的に配向される。

従って、その後、このように形成されたロータは、応力低減／アニール工程を経る必要があり、その工程においてロータは約２５０℃まで加熱された後、１２時間かけて冷却される。

熱可塑性テープを使用する際、応力低減／アニール工程は必要であるが、熱硬化性樹脂テープを使用する際に必要とされるようなゲル化／硬化操作がないため、製造時間が大幅に短縮化される。

本発明において、製造されるロータのサイズについて発熱による限界（exothermal limit）がないため、現在の熱硬化性の湿式巻回工程では不可能な、極めて大径のロータの製造が可能である。

Claims (12)

1. 磁気装荷型複合テープの製造方法であって、
   熱可塑性樹脂含浸繊維トウ（２４）を加熱ステーション（２９）へフィードし、
   異方性磁気装荷型プリプレグテープ（８）を前記加熱ステーションへフィードし、
   前記磁気装荷型複合テープを製造するために、前記加熱ステーションに熱を供給して前記トウと前記テープとを接着させるステップを含み、
   前記加熱ステーション（２９）が、回転駆動の加熱マンドレル（２０）と、前記マンドレルと連動する転圧ローラ（２８）とを含み、
   前記トウ及びテープがフィードされて前記転圧ローラと前記マンドレルとの間を通過し、
   前記マンドレルが、前記異方性磁気装荷型プリプレグテープを所望の磁場構成とするために、前記マンドレルに埋め込まれた磁場（４１，４２）を有する製造方法。
2. 前記マンドレルが、例えば１２個の磁石を備えた６対の磁極対を生じるように、偶数個の磁石（４１，４２）により構成されている請求項１に記載の製造方法。
3. 前記マンドレル周りにおいて前記テープの半径が増加するのに伴い、前記磁気装荷型プリプレグテープの磁極が実質的に配向されるように、前記磁石（４１，４２）が弧状に配置されている請求項２に記載の製造方法。
4. 前記テープが、好ましくは次の利用のために前記マンドレル周りに巻回される請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記加熱ステーションにおいて、レーザ手段（３０）及び加熱窒素手段のうちの１つにより熱が供給される請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記レーザ手段が、パルス照射又は連続照射により、前記トウと前記テープとが十分に接着される温度、例えば３５０℃〜４００℃の範囲の温度を与える請求項５に記載の製造方法。
7. 前記トウ及び前記テープのフィード速度が０．１〜１ｍ／ｓの範囲である請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
8. 前記加熱マンドレル（２０）が、前記複合テープを所望の形状に成形するために設けられている請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
9. 前記マンドレルが、１２０℃〜２００℃の範囲の温度にまで加熱される請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 前記マンドレルは、実質的に円筒であり、交互に配置された磁極対（４１，４２）が、前記円筒の内側及び外側表面に近接して放射状に配置されている請求項２に記載の製造方法。
11. 前記マンドレルが、高温空気等の加熱手段（２１）により加熱されるように配置されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の製造方法。
12. 前記マンドレルが巻回装置により回転するように配置されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の製造方法。

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