KR20230173132A - 섬유 강화 플라스틱 슬리브 적용 공정 - Google Patents
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Abstract
어셈블리를 둘러싸는 섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic; FRP) 슬리브(110) 프리텐셔닝 방법이 개시되는데, 상기 방법은 상기 어셈블리를 FRP 슬리브(110) 내에 배치시키는 단계, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 부품들을 가짐; 상기 어셈블리의 적어도 2개의 부품들 중 하나를 FRP 슬리브의 내부 표면을 향해 가압하기 위해 성형 화합물을 FRP 슬리브 내의 적어도 하나의 부분으로 도입시키는 단계, 성형 화합물은 원하는 제1 압력(P), 제1 온도(T), 및 제1 질량 유량(rh)에서 도입됨; 및 상기 제1 압력을 유지하면서 성형 화합물을 경화시킴으로써 FRP 슬리브를 프리텐셔닝하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 표면 자석들(112,122)을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브를 프리텐셔닝하는 어플리케이션을 포함한다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2021년 4월 23일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제63/178,781호의 우선권의 이익을 주장한다. 전술한 출원은 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic; FRP) 슬리브 적용 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 방법은 프리텐션 하에 영구 자석 로터와 같은 부품 어셈블리에 FRP 슬리브를 적용하는 것을 포함한다.
표면 자석을 갖는 영구 자석(permanent magnet; PM) 로터는 고속 머신용 로터 분야에 확립되어왔다. 표면 자석은 희토류 영구 자석일 수 있으며, 일반적으로 접착에 의해 로터 샤프트에 적용된다. 이러한 로터의 속도 범위는 높으며, 분당 10,000 회전을 초과할 수 있다.
고속 PM 로터의 기능을 보장하기 위해, 섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic; FRP) 슬리브는 무엇보다도 자석에 반경방향 압축력을 가하기 위해 사용되고, 자석이 고속에서 분리되는 것을 방지하는 경향이 있다. 슬리브의 반경방향 압축력 또는 프리텐셔닝은 슬리브를 누르는 것에 의해 또는 표면 자석 상에 프리스트레스 하에 섬유를 와인딩하는 것에 의해 달성된다. 대부분의 어플리케이션에서, 이러한 FRP 슬리브는 재료에 맞게 설계된다. 즉, 연속 섬유가 둘레방향으로 놓여지고, 그 결과 로터의 작동시 발생하는 접선 스트레스가 슬리브에 의해 효과적으로 흡수된다. FRP 슬리브의 벽 두께는 슬리브가 표면 자석 상으로 가압될 때 작용하는 접선 응력과 축방향으로 작용하는 압축력에 의존한다. 접선방향 섬유 배향으로 인해 FRP 슬리브는 축방향의 낮은 압축 강도를 가질 수 있으며, 이는 박벽 슬리브를 가압하기가 어렵다는 것을 의미한다.
본 발명은 어셈블리를 둘러싸는 섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic; FRP) 슬리브 프리텐셔닝 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 어셈블리를 FRP 슬리브 내에 배치시키는 단계, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 부품들을 가짐; 상기 어셈블리의 적어도 2개의 부품들 중 하나를 FRP 슬리브의 내부 표면을 향해 가압하기 위해 성형 화합물을 FRP 슬리브 내의 적어도 하나의 부분으로 도입시키는 단계, 상기 성형 화합물은 원하는 제1 압력(P), 제1 온도(T), 및 제1 질량 유량에서 도입됨; 및 상기 제1 압력을 유지하면서 성형 화합물을 경화시킴으로써 FRP 슬리브를 프리텐셔닝하는 단계를 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 어셈블리는 영구 자석(permanent magnet; PM) 로터이고, 상기 적어도 2개의 부품들은 로터 상에 장착되고 로터의 회전축과 동심인 표면 자석이다.
특정 실시예에서, 상기 FRP 슬리브 내의 부분은 성형 화합물을 수용하기 위한 제1 캐비티이고, 상기 제1 캐비티는 둘레방향이며, PM 로터와 표면 자석의 내부 표면 사이에 위치된다.
일부 실시예에서, 상기 FRP 슬리브 내의 다른 부분은, 둘레방향이며 표면 자석과 FRP 슬리브 사이에 위치하는 제2 캐비티이고; 그리고 상기 방법은 상기 어셈블리의 적어도 2개의 부품들 중 하나를 FRP 슬리브의 내부 표면을 향해 가압하기 위해 상기 성형 화합물을 제2 캐비티 내로 도입시키는 단계, 상기 성형 화합물은 원하는 제2 압력(P), 제2 온도(T), 및 제2 질량 유량에서 도입됨; 및 상기 제2 압력을 유지하면서 성형 화합물을 경화시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 FRP 슬리브 내의 부분은 성형 화합물을 수용하는 제1 캐비티이고, 상기 제1 캐비티는 둘레방향이며, 표면 자석의 외부 표면과 FRP 슬리브의 내부 표면 사이에 위치된다.
특정 실시예에서, 상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분하다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 어셈블리와 FRP 슬리브를 고정부에 배치하는 단계, 상기 고정부는 적어도 하나의 부분에 도관을 제공하도록 구성되고 성형 화합물의 도입 이전에 슬리브와 고정부 사이에 둘레방향 갭을 제공하도록 구성됨; 상기 성형 화합물의 경화 후에 어셈블리를 고정부로부터 제거하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 부분으로부터 스프루를 분리하는 단계를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 어셈블리와 FRP 슬리브를 고정부에 배치하는 단계, 상기 고정부는 제1 캐비티에 제1 도관을 제공하고 제2 캐비티에 제2 도관을 제공하도록 구성되며, 성형 화합물의 도입 이전에 FRP 슬리브와 고정부 사이에 둘레방향 갭을 포함함; 성형 화합물의 경화 후에 고정부로부터 어셈블리를 제거하는 단계; 상기 제1 캐비티로부터 제1 스프루를 분리시키는 단계; 및 상기 제2 캐비티로부터 제2 스프루를 분리시키는 단계를 더 포함하되, 상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분하다.
추가 실시예에서, 상기 성형 화합물은 열가소성 및 열경화성 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
특정 실시예에서, 상기 성형 화합물은 비강화, 단섬유 강화, 장섬유 강화 성형 화합물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 상기 성형 화합물은 사출 성형 및 수지 사출로 이루어진 군으로부터 선택되는 공정에 의해 도입된다.
특정 실시예에서, 토크는, 로터 샤프트와 적어도 하나의 표면 자석 또는 성형 화합물 사이의 강제 끼워맞춤, 포지티브 연결, 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 표면 자석으로부터 로터의 샤프트로 전달된다.
추가 실시예에서, 상기 FRP 슬리브는 0.1 mm 내지 2 mm의 벽 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 FRP 슬리브는 50% 내지 75%의 섬유 부피 함량을 갖는다.
특정 실시예에서, 상기 FRP 슬리브는 슬리브의 종축에 대해 80도 내지 90도의 각도로 배치된 연속 섬유를 갖는 매트릭스 재료를 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 로터 샤프트는 금속 재료를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 성형 화합물은 어셈블리의 단부면, 표면 자석 위에, 표면 자석 아래에, 그리고 FRP 슬리브의 외측 표면 상으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어셈블리의 추가 부분들 상에 배치된다.
본 발명은 추가로 영구 자석 로터 어셈블리에 관한 것이다. 영구 자석 로터 어셈블리는 영구 자석(PM) 로터; 상기 PM 로터 상의 적어도 하나의 표면 자석; 섬유 강화 플라스틱(FRP) 슬리브; 및 성형 화합물을 포함한다. 상기 PM 로터 및 적어도 하나의 표면 자석은 FRP 슬리브 내에 배치되고, 상기 성형 화합물은 FRP 슬리브 내에 프리텐션을 유도한다.
특정 실시예에서, 상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분한다.
본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함된 첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성한다. 본원에 표시된 도면은 본 발명의 다른 실시예들을 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1A 내지 도 1E는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제1 실시예를 도시한 것이다.
도 2A 내지 도 2C는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제2 실시예를 도시한 것이다.
도 3A 내지 도 3C는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제3 실시예를 도시한 것이다.
도 1A 내지 도 1E는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제1 실시예를 도시한 것이다.
도 2A 내지 도 2C는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제2 실시예를 도시한 것이다.
도 3A 내지 도 3C는 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터를 둘러싸는 FRP 슬리브 프리스트레싱 방법의 제3 실시예를 도시한 것이다.
본 발명에서, 용어 "포함하는" 및 "포함하는"은 "포함하는" 및 "포함하다"를 의미할 수 있거나, 미국 특허법에서 용어 "포함하는" 또는 "포함하다"에 일반적으로 주어지는 의미를 가질 수 있다. 용어 "본질적으로 이루어진" 또는 "본질적으로 이루어지다"는 청구항에 사용된 경우 미국 특허법에 이들에 부여된 의미를 갖는다. 본 발명의 다른 양태는 다음 개시 내용에 기재되어 있거나 그로부터 명백하다 (그리고 본 발명의 범위 내에 있다).
용어들 "스레드", "섬유", 및 "얀"은 다음 설명에서 호환활 수 있게 사용된다. 본원에 사용된 "스레드", "섬유", 및 "얀"은 모노필라멘트, 멀티필라멘트 얀, 연사, 멀티필라멘트 토우, 텍스처 얀, 편조된 토우, 코팅 얀, 이성분 얀 뿐만 아니라, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 임의의 재료들 중 연신 절단 섬유들로부터 만들어진 얀들을 나타낼 수 있다. 섬유는 탄소, 나일론, 레이온, 유리섬유, 면, 세라믹, 아라미드, 폴리에스테르, 금속, 폴리에틸렌 유리, 및/또는 원하는 물리적, 열적, 화학적 또는 다른 특성들을 나타내는 다른 재료들로 제조될 수 있다.
"프리텐션", "프리텐션력", "프리스트레스", 및 이의 문법적 변형은 슬리브에 의해 밀폐된 물체에, 섬유 강화 플라스틱 슬리브와 같은 슬리브에 의해 가해진 힘을 의미하고, "반경방향 압축력" 및 "구심력"을 포함할 수 있다. 용어 "반경방향 압축력" 및 "구심력"은 원형 경로에서 움직이는 바디에 작용하고, 바디가 움직이는 중심을 향하는 힘을 의미하기 위해 호환할 수 있게 사용된다.
용어 "섬유 강화 플라스틱 슬리브" 및 "FRP 슬리브"는 매트릭스 화합물에 매립된 연속 섬유와 같은 섬유를 포함하는 관형 구조를 의미하기 위해 호환할 수 있게 사용된다. 섬유 강화 플라스틱은 또한 섬유 강화 폴리머로 알려져 있다. 슬리브는 본원에 설명된 바와 같이 박벽 슬리브를 포함한다.
본 발명과, 그 사용에 의해 달성되는 장점 및 목적을 더 잘 이해하기 위해, 본 발명의 비제한적인 실시예가 첨부 도면에 도시되어 있고 해당 구성 요소가 동일한 도면 번호로 식별되는 첨부된 설명 내용을 참조한다.
본원에 더 자세히 설명된 바와 같이, 개시된 방법은 부품 어셈블리를 둘러싸는 섬유 강화 플라스틱 슬리브를 프리텐셔닝하는 단계를 포함하며, 슬리브는 부품을 원하는 위치에 유지시킨다. 슬리브 내의 위치에 성형 재료를 사출함으로써 슬리브가 프리텐셔닝될 수 있다. 성형 재료를 사출하기 위한 위치의 일부 예들은 다음을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다:
(i) 슬리브의 내부 표면에 반대하여 어셈블리의 표면 부분들을 가압하기 위해 어셈블리의 내부와 슬리브의 내부 표면 사이에, 또는
(ii) 어셈블리 부품들을 함께 가압하기 위해 어셈블리의 외부 표면과 슬리브의 내부 표면 사이에, 또는
(iii) 어셈블리의 내부와 슬리브의 내부 표면 사이에, 그리고 어셈블리의 외부 표면과 슬리브의 내부 표면 사이.
성형 재료는 단섬유 강화, 장섬유 강화, 또는 비강화 성형 화합물 중 어느 하나 또는 그 조합들로 이루어질 수 있다. 성형 재료를 도입하기 위해 사출 성형 공정 또는 수지 사출 공정이 사용될 수 있지만, 임의의 알려진 방법이 고려된다.
사용될 수 있는 성형 재료의 예는 열가소성 화합물, 열경화성 화합물, 또는 원하는 열적, 화학적, 및/또는 기계적 특성을 갖는 다른 화합물을 포함한다. 적합한 열가소성 화합물의 예는 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에틸렌 이민(PEI), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 포함한다. 적합한 열경화성 화합물의 예는 듀로플라스틱 화합물, 에폭시(EP), 시아네이트 에스테르(CE), 비스말레이미드, 비닐-에스테르를 포함한다.
프리텐셔닝된 슬리브는 어셈블리 부품들을 원하는 위치에 유지시키기 위해 힘을 가할 수 있다. 슬리브는 매트릭스 재료에 매립된 연속 섬유로 이루어질 수 있다. 매트릭스 재료는 플라스틱 재료를 포함할 수 있고, 슬리브의 플라스틱 재료 및 섬유뿐만 아니라 성형물의 플라스틱 재료와 다를 수 있으며, 이는 열경화성 또는 열가소성 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 열경화성 재료의 예는 에폭시(EP), 시아네이트 에스테르(CE), 비스말레이미드, 및 비닐에스테르를 포함한다. 적합한 열가소성 재료의 예는 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에틸렌 이민(PEI), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 포함한다. 연속 섬유는 슬리브의 종축에 대해, 예를 들어, 80도 내지 90도의 각도에서 유래하는 단일 섬유 또는 섬유 번들일 수 있다. 연속 섬유는 잘려진 섬유나 절단된 연신 탄소 섬유와 같은 불연속 섬유와 대조적이다. 슬리브 내의 연속 섬유는 슬리브의 종축에 대해 80도 내지 90도의 각도로 배치될 수 있다. 슬리브는 0.1 mm 내지 2 mm의 벽 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 슬리브는 45% 내지 75%의 섬유 부피 함량을 가질 수 있다.
특정 어플리케이션에서, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 표면 자석들을 갖는 영구 자석 로터 어셈블리에 FRP 슬리브를 적용하기 위한 방법을 제공한다. 슬리브는 로터 상의 원하는 위치에 표면 자석을 유지하기 위해 힘을 가하도록 프리텐셔닝된다. 슬리브의 프리텐션력은 사출되는 성형물의 양과 압력에 의해 조절될 수 있다. 프리텐셔닝된 슬리브는 작동 중에 표면 자석의 회전력을 상쇄하고 로터 상의 원하는 위치에 표면 자석을 유지하기에 충분한 구심력을 인가할 수 있다.
본 발명은 표면 자석을 갖는 영구 자석 로터 어셈블리에 적용된 바와 같이 예시적인 실시예들에 기초하여 아래에 더 자세히 설명된다
도 1A 내지 도 1E는 적어도 하나의 표면 자석(112)을 갖는 영구 자석 로터(100)(로터)를 둘러싸는 FRP 슬리브(110)를 프리스트레싱하는 본 방법의 실시 단계들을 도시한 것이다. 영구 자석 로터는 로터 샤프트(102)를 포함한다. 로터 및 표면 자석은 회전축(120)에 대해 동심일 수 있으며, 회전축은 슬리브의 종축과 합동이다.
도 1A는 FRP 슬리브(110)가 영구 자석 로터(100) 및 적어도 하나의 표면 자석(112)을 둘러싸도록 배치될 수 있는 제1 방법 단계를 도시한 것이다. 슬리브는 중공형일 수 있고 회전축에 대해 실질적으로 동심일 수 있다. 슬리브는 플라스틱 재료에 매립된 섬유들로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 섬유는 연속적일 수 있다. 로터와 자석들과 함께 FRP 슬리브를 유지하도록 되어 있는 성형 고정부(116)에 FRP 슬리브가 로터와 자석들과 함께 배치된다. 성형 고정부(116)는 FRP 슬리브(110)의 외부 표면(136)과 성형 고정부(116) 사이에 적어도 하나의 둘레방향 갭(118)과 적어도 하나의 둘레방향 도관(114)을 제공하도록 설계된다. 도관(114)은 로터와 표면 자석(112)의 내부 표면(134) 사이에 위치된 둘레방향 캐비티(122)에 대한 액세스를 제공할 수 있다.
도 1B는 화살표(130)로 나타낸 바와 같이 압력(P) 및 온도(T) 하에 정의된 질량 유량에 의해 성형 화합물(128)이 도관(114)을 통해 성형 고정부(116) 내로 도입될 수 있는 제2 방법 단계를 도시한 것이다. 성형 화합물(128)이 도입됨에 따라 성형 화합물의 플로우 프론트(126)가 도관을 통해 진행된다. 성형 화합물(128)은 열가소성, (듀로플라스틱 화합물과 같은) 열경화성 화합물, 또는 원하는 열적, 화학적, 및/또는 기계적 특성을 갖는 다른 화합물일 수 있다.
도 1C는 성형 화합물(128)이 도관(114)을 통해 전진하여 로터와 표면 자석(112) 사이의 캐비티(122)를 채우는 제3 방법 단계를 도시한 것이다. 성형 화합물의 압력(P)는 표면 자석(112)을 외측으로 가압하여 캐비티(122)의 폭을 증가시키고 갭(118)의 폭을 감소시킬 수 있다. 성형 화합물의 압력은 표면 자석들이 FRP 슬리브에 대해 가압하게 야기할 수 있다. 이와 같이, 슬리브는 프리텐셔닝될 수 있고 표면 자석(112)에 작용하는 반경방향 압축력을 가할 수 있다. 프리스트레스된 상태에서, 성형 화합물의 경화는 압력(P) 하에서 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 프리텐션은 성형 화합물의 경화된 상태에서 유지될 수 있다. "경화"는 "응결", "냉각", 및 도입되는 성형 화합물의 화학적, 열적, 및 기계적 특성에 따라 사용될 수 있는 이러한 다른 용어들을 포함한다. 성형 화합물의 "도입"은 임의의 알려진 수단에 의해 화합물을 주입하는 것을 포함한다.
도 1D는 영구 자석 로터(100)가 성형 고정부(116)로부터 제거되고 도관(114) 내에 성형 화합물(128)의 돌출 스프루(124)를 갖는 제4 방법 단계를 도시한 것이다. 도 1E는 돌출 스프루가 제거되고 결과적인 영구 자석 로터(100)가 추가 공정 단계들에 이용가능한 FRP 슬리브(110)에 의해 프리텐셔닝된 표면 자석(112)을 갖는 제5 방법 단계를 도시한 것이다.
도 2A 내지 2C는 적어도 하나의 표면 자석(112)을 갖는 영구 자석 로터(100)(로터)를 둘러싸는 FRP 슬리브(110)를 프리스트레싱하는 본 방법의 다른 실시 단계를 도시한 것이다. 영구 자석 로터는 로터 샤프트(102)를 갖는다. 로터 및 표면 자석은 회전축(120)에 대해 동심일 수 있다.
도 2A는 FRP 슬리브(110)가 영구 자석 로터(100) 및 적어도 하나의 표면 자석(112)을 둘러싸도록 배치되는 제1 방법 단계를 도시한 것이다. 슬리브는 중공형일 수 있고 회전축에 대해 실질적으로 동심일 수 있다. 슬리브는 플라스틱 재료에 매립된 섬유로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 섬유는 연속적일 수 있다. FRP 슬리브를 로터와 자석과 함께 유지하도록 되어 있는 성형 고정부(116) 내에 FRP 슬리브가 로터와 자석과 함께 배치된다. 성형 고정부(116)는 FRP 슬리브(110)와 성형 고정부(116) 사이에 적어도 하나의 둘레방향 갭(118) 및 적어도 하나의 둘레방향 도관(214)을 제공하도록 설계된다. 도관(214)은 표면 자석(112)의 외부 표면(236)과 슬리브(132)의 내부 표면 사이의 둘레방향 캐비티(222)에 대한 액세스를 제공할 수 있다.
도 1B에 대해 전술한 것과 유사하게, 성형 화합물(204)이 압력(P) 및 온도(T) 하에서 정의된 질량 유량에 의해 도관(214)을 통해 성형 고정부(116) 내로 도입될 수 있는 제2 방법 단계가 수행될 수 있다. 성형 화합물(204)은 열가소성, (듀로플라스틱 화합물과 같은) 열경화성 화합물, 또는 원하는 열적, 화학적 및/또는 기계적 특성을 갖는 다른 화합물일 수 있다.
도 1C에 대해 전술한 것과 유사하게, 성형 화합물(204)이 도관(214)을 통해 전진하여 표면 자석(112)의 외부 표면(236)과 슬리브(110)의 내부 표면(132) 사이의 캐비티(222)를 채우는 제3 방법 단계가 수행될 수 있다. 성형 화합물(204)의 압력(P)은 슬리브(110)를 외측으로 가압하여, 슬리브를 팽창시키고 갭(118)의 폭을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 슬리브의 팽창은 슬리브를 프리텐셔닝할 수 있고 표면 자석(112)에 작용하는 반경방향 압축력을 가할 수 있다. 프리스트레스된 상태에서, 성형 화합물의 경화는 압력(P) 하에 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 프리텐션은 성형 화합물의 경화된 상태에서 유지될 수 있다.
도 2B는 영구 자석 로터(100)가 성형 고정부(116)로부터 제거되고 도관(214) 내에 성형 화합물(204)의 돌출 스프루(224)를 갖는 제4 방법 단계를 도시한 것이다. 도 2C는 돌출 스프루가 제거되고 결과적인 영구 자석 로터(100)가 추가 공정 단계들에 이용가능한 FRP 슬리브(110)에 의해 프리텐셔닝된 표면 자석(112)을 갖는 제5 방법 단계를 도시한 것이다.
도 3A 내지 도 3C는 적어도 하나의 표면 자석(112)을 갖는 영구 자석 로터(100)(로터)를 둘러싸는 FRP 슬리브(110)를 프리스트레싱하는 본 방법의 다른 실시 단계를 도시한 것이다. 영구 자석 로터는 로터 샤프트(102)를 갖는다. 로터 및 표면 자석은 회전축(120)에 대해 동심일 수 있다.
도 3A는 FRP 슬리브(110)가 영구 자석 로터(100) 및 적어도 하나의 표면 자석(112)을 둘러싸도록 배치되는 제1 방법 단계를 도시한 것이다. 슬리브는 중공형일 수 있고 회전축에 대해 실질적으로 동심일 수 있다. 슬리브는 플라스틱 재료에 매립된 섬유로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 섬유는 연속적일 수 있다. FRP 슬리브를 로터와 자석과 함께 유지하도록 되어 있는 성형 고정부(116) 내에 FRP 슬리브가 로터와 자석과 함께 배치된다. 성형 고정부(116)는 FRP 슬리브(110)와 성형 고정부(116) 사이의 적어도 하나의 둘레방향 갭(118) 및 적어도 2개의 둘레방향 도관(302A, 302B)을 제공하도록 설계된다. 도관(302A)은 표면 자석(112)의 외부 표면(236)과 슬리브(110)의 내부 표면(132) 사이의 캐비티(322A)에 대한 액세스를 제공할 수 있다. 도관(302B)은 표면 자석(134)의 내부 표면과 로터(100) 사이의 캐비티(322B)에 대한 액세스를 제공할 수 있다.
도 1B에 대해 전술한 것과 유사하게, 성형 화합물(304)이 압력(P) 및 온도(T) 하에 정의된 질량 유량에 의해 도관(302A, 302B)을 통해 성형 고정부(116) 내로 도입될 수 있는 제2 방법 단계가 수행될 수 있다. 성형 화합물(304)은 열가소성, (듀로플라스틱 화합물과 같은) 열경화성 화합물, 또는 원하는 열적, 화학적, 및/또는 기계적 특성을 갖는 다른 화합물일 수 있다.
도 1C에 대해 전술한 것과 유사하게, 성형 화합물(304)이 도관(302A, 302B)을 통해 전진하여 표면 자석(112)의 외부 표면(236)과 슬리브(110)의 내부 표면(132) 사이의 캐비티(322A)와 표면 자석(112)의 내부 표면(34)과 로터(100) 사이의 캐비티(322B)를 채우는 제3 방법 단계가 수행될 수 있다. 성형 화합물의 압력(P)은 자석(112)과 슬리브(110)를 외측으로 가압하여 슬리브를 팽창시키고 갭(118)의 폭을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 슬리브의 팽창은 프리텐션할 수 있고, 표면 자석(112)에 작용하는 반경방향 압축력을 가할 수 있다. 프리스트레스된 상태에서, 성형 화합물의 경화는 압력(P) 하에서 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 프리텐션은 성형 화합물의 경화된 상태에서 유지될 수 있다.
도 3B는 영구 자석 로터(100)가 성형 고정부(116)로부터 제거되고 도관(302A, 302B)에 성형 화합물(304)의 돌출 스프루(324A, 324B)를 갖는 제4 방법 단계를 도시한 것이다. 도 3C는 돌출 스프루가 제거되고 결과적인 영구 자석 로터(100)가 추가 공정 단계들에 이용가능한 FRP 슬리브(110)에 의해 프리텐셔닝된 표면 자석(112)을 갖는 제5 방법 단계를 도시한 것이다.
도시된 예시적인 실시예에 추가로, 추가의 유리한 구성이 고려된다. 성형 화합물은 선택적으로 PM 로터의 단부면 상에 및/또는 FRP 슬리브의 외측 표면 상에 형성될 수 있다. 로터 샤프트는, 로터 샤프트와 성형 화합물 및/또는 표면 자석 사이에 포지티브 연결을 제공하기 위해 멀티홈 프로파일 및/또는 페더 키홈 및/또는 치형부를 선택적으로 가질 수 있다. 토크 전달은 선택적으로, 예를 들어, 로터 샤프트와 성형 화합물 및/또는 표면 자석 사이의 강제 끼워맞춤과 같은 비-포지티브 연결에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들어, 강제 끼워맞춤은 로터 샤프트와 성형 화합물 및/또는 표면 자석 사이와 같이 결합 부품 사이에 제어된 압력을 유지하도록 설계되고, 힘이나 토크가 연결 지점을 통해 전달되는 곳에 사용될 수 있다. 강제 끼워맞춤은 일반적으로 컴포넌트 조립 동안 힘을 가함으로써 달성된다. 대안적으로, 토크 전달은 선택적으로 로터 샤프트와 성형 화합물 및/또는 표면 자석 사이의 포지티브 및 비-포지티브 연결들 중 하나 또는 그 이상의 조합에 의해 달성될 수 있다.
로터 샤프트는 금속 재료를 포함할 수 있다.
임의의 실시예들에서, 프리텐셔닝된 슬리브는 매트릭스 재료로 함침될 수 있다. 적합한 매트릭스 재료의 예들은 에폭시(EP), 비스말레이미드, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 세라믹, 탄소, 시아네이트 에스테르(CE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 열가소성과 열경화성 화합물들, 및 다른 이러한 재료들을 포함한다.
다른 실시예들은 다음 청구항의 범위 내에 있다.
Claims (19)
- 어셈블리를 둘러싸는 섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic; FRP) 슬리브 프리텐셔닝 방법으로서,
FRP 슬리브 내에 배치시키는 단계, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 부품들을 가짐;
상기 어셈블리의 적어도 2개의 부품들 중 하나를 FRP 슬리브의 내부 표면을 향해 가압하기 위해 성형 화합물을 FRP 슬리브 내의 적어도 하나의 부분으로 도입시키는 단계, 상기 성형 화합물은 원하는 제1 압력(P), 제1 온도(T), 및 제1 질량 유량에서 도입됨; 및
상기 제1 압력을 유지하면서 성형 화합물을 경화시킴으로써 FRP 슬리브를 프리텐셔닝하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 청구된 바와 같이,
상기 어셈블리는 영구 자석(permanent magnet; PM) 로터이고, 상기 적어도 2개의 부품들은 로터 상에 장착되고 로터의 회전축과 동심인 표면 자석인, 방법. - 제2항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브 내의 적어도 하나의 부분은 성형 화합물을 수용하기 위한 제1 캐비티이고, 상기 제1 캐비티는 둘레방향이며 PM 로터와 표면 자석의 내부 표면 사이에 위치하는, 방법. - 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브 내의 다른 부분은, 둘레방향이며 표면 자석과 FRP 슬리브 사이에 위치하는 제2 캐비티이고; 그리고
상기 어셈블리의 적어도 2개의 부품들 중 하나를 FRP 슬리브의 내부 표면을 향해 가압하기 위해 상기 성형 화합물을 제2 캐비티 내로 도입시키는 단계, 상기 성형 화합물은 원하는 제2 압력(P), 제2 온도(T), 및 제2 질량 유량에서 도입됨; 및
상기 제2 압력을 유지하면서 성형 화합물을 경화시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제2항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브 내의 적어도 하나의 부분은 성형 화합물을 수용하는 제1 캐비티이고, 상기 제1 캐비티는 둘레방향이며, 표면 자석의 외부 표면과 FRP 슬리브의 내부 표면 사이에 위치되는, 방법. - 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분한, 방법. - 제1항 내지 제3항, 제5항, 및 제6항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 어셈블리와 FRP 슬리브를 고정부에 배치시키는 단계, 상기 고정부는 적어도 하나의 부분에 도관을 제공하도록 구성되고 성형 화합물의 도입 이전에 슬리브와 고정부 사이에 둘레방향 갭을 제공하도록 구성됨;
상기 성형 화합물의 경화 후에 어셈블리를 고정부로부터 제거하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 부분으로부터 스프루를 분리하는 단계를 포함하는, 방법. - 제4항에 청구된 바와 같이,
상기 어셈블리와 FRP 슬리브를 고정부에 배치하는 단계, 상기 고정부는 제1 캐비티에 제1 도관을 제공하고 제2 캐비티에 제2 도관을 제공하도록 구성되며, 성형 화합물의 도입 이전에 FRP 슬리브와 고정부 사이에 둘레방향 갭을 포함함;
성형 화합물의 경화 후에 고정부로부터 어셈블리를 제거하는 단계;
상기 제1 캐비티로부터 제1 스프루를 분리시키는 단계; 및
상기 제2 캐비티로부터 제2 스프루를 분리시키는 단계를 포함하되,
상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분한, 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 성형 화합물은 열가소성 및 열경화성 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 성형 화합물은 비강화, 단섬유 강화, 장섬유 강화 성형 화합물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 성형 화합물은 사출 성형 및 수지 사출로 이루어진 군으로부터 선택되는 공정에 의해 도입되는, 방법. - 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
토크는, 로터 샤프트와 적어도 하나의 표면 자석 또는 성형 화합물 사이의 강제 끼워맞춤, 포비티브 연결, 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 표면 자석으로부터 로터의 샤프트로 전달되는, 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브는 0.1 mm 내지 2 mm 사이의 벽 두께를 갖는, 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브는 50% 내지 75%의 섬유 부피 함량을 갖는, 방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 FRP 슬리브는 슬리브의 종축에 대해 80도 내지 90도의 각도로 배치된 연속 섬유를 갖는 매트릭스 재료를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 로터 샤프트는 금속 재료를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같이,
상기 성형 화합물은 어셈블리의 단부면, 표면 자석 위에, 표면 자석 아래에, 그리고 FRP 슬리브의 외측 표면 상으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어셈블리의 추가 부분들 상에 배치되는, 방법. - 영구 자석 로터 어셈블리로서,
영구 자석(PM) 로터;
상기 PM 로터 상의 적어도 하나의 표면 자석;
섬유 강화 플라스틱(FRP) 슬리브, 상기 PM 로터 및 적어도 하나의 표면 자석은 FRP 슬리브 내에 배치됨; 및
성형 화합물을 포함하되,
상기 성형 화합물은 FRP 슬리브 내에 프리텐션을 유도하는, 영구 자석 로터 어셈블리. - 제18항에 있어서,
상기 프리텐션은 PM 로터의 회전 속도에 기초하여 표면 자석의 회전력에 반대하기에 충분한, 영구 자석 로터 어셈블리.
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