【專利說】碳纖維轉(zhuǎn)子真是攀科技！

第一電動大牛作者 NE時代 2024-11-14 12:05

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，對車用電機(jī)性能的要求也在日益提升，特別是在效率、功率和轉(zhuǎn)速方面。在這種技術(shù)背景下，轉(zhuǎn)子作為電機(jī)的核心部件，其設(shè)計和材料選擇變得尤為關(guān)鍵。

為了避免電機(jī)中的轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動時因離心力發(fā)生損壞，給轉(zhuǎn)子上碳纖維護(hù)套作為一種增加轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法開始進(jìn)入大眾視野。轉(zhuǎn)速達(dá)到27000rpm以上，如何固定磁鋼，防止磁鋼在離心力作用下飛出而使轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重的形變甚至爆裂，一直都是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。本期專利說就來說說碳纖維的轉(zhuǎn)子護(hù)套是怎么纏繞的、有什么工藝以及這里面的一些彎彎繞繞！

來源：中復(fù)神鷹

這里先回答一下題目所提到的問題，碳纖維轉(zhuǎn)子到底是不是車企跟風(fēng)模仿攀科技的成果，答案顯然是NO！我們都知道碳纖維轉(zhuǎn)子匹配的是電機(jī)高速化的需求，也是應(yīng)付高轉(zhuǎn)速下離心力帶來的機(jī)械應(yīng)力的方法，當(dāng)然方法不止一種，目前除了碳纖維轉(zhuǎn)子護(hù)套還有高強(qiáng)度硅鋼以及金屬護(hù)套。

其中金屬護(hù)套密度高、重量大還需要熱套工藝，成本高又復(fù)雜效果也不盡人意，高強(qiáng)度硅鋼采用的固溶和析出等強(qiáng)化機(jī)制抗拉強(qiáng)度是有突破，但是目前也只是突破到了1000MPs，而且成本也不小，磁性和鐵損上還存在一些問題，碳纖維在的抗拉強(qiáng)度可達(dá)5000MPs，滿足小型化和輕量化的大趨勢需求，目前看是最優(yōu)解，但是成本問題以及工藝難度確實(shí)也是一座大山，要求企業(yè)具備從碳纖維材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁設(shè)計、成型裝配工藝、裝備制造及檢驗(yàn)檢測在內(nèi)的全方位技術(shù)能力。

具體來看看啥事碳纖維轉(zhuǎn)子！其實(shí)就是在轉(zhuǎn)子上套一個碳纖維護(hù)套，這個碳纖維護(hù)套可以是以絲束狀或條帶狀的形式纏繞到轉(zhuǎn)子表面，也可以以碳纖維預(yù)浸料布的形式成片地纏繞到轉(zhuǎn)子表面，最終形成套筒狀結(jié)構(gòu)。

為了使碳纖維在轉(zhuǎn)子表面得到固定，通常使用樹脂來對碳纖維進(jìn)行固化。根據(jù)纏繞過程中固化工藝的不同，又可以將纏繞工藝分為濕法纏繞和干法纏繞。

■濕法纏繞是在纏繞過程中，在碳纖維上加液態(tài)的樹脂，在張力控制器對纖維張力的控制下，將纖維束纏繞到芯?；蛘邇?nèi)襯表面上，最后固化成型的方法。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

■干法纏繞是在碳纖維預(yù)浸料上附著有固態(tài)的樹脂，纏繞過程中對預(yù)浸料加熱，使樹脂軟化，之后再對纏繞有碳纖維的轉(zhuǎn)子進(jìn)行整體固化。因此在纏繞過程中不需要額外添加樹脂，可以更好地控制成品的樹脂含量和性能。

01.

纏繞方案決定產(chǎn)品質(zhì)量

從工藝的角度來看，干法纏繞的材料和生產(chǎn)設(shè)備成本較高，且材料的可選性和可調(diào)控性相對有限，濕法纏繞相比于干法纏繞，其材料以及樹脂的選擇空間更大，可調(diào)性也更好，但在碳纖維濕法纏繞工藝中，浸有液態(tài)樹脂的碳纖維帶在轉(zhuǎn)子表面以一定的重疊率螺旋疊繞在一起，彼此重疊的纖維帶容易擠壓纖維帶中的樹脂，從而使得轉(zhuǎn)子表面各處的樹脂含量（也稱含膠量）不均勻，并最終導(dǎo)致固化后的轉(zhuǎn)子表面不平整。

天蔚藍(lán)電驅(qū)動的這項(xiàng)專利（公開號：CN118659597A）通過在纏繞過程中逐層施加樹脂，避免了傳統(tǒng)濕法纏繞中樹脂分布不均的問題，從而提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

其纏繞方法是將每一層纖維帶都是以螺旋的形式纏繞上去的，這意味著每一圈纖維帶都會與上一圈有部分重疊，這種重疊形成了螺旋狀的重疊區(qū)域。但是，在每層纏繞的過程中，一旦纖維帶的一部分成為了纏繞完成區(qū)段，就會在這個區(qū)段的表面均勻地涂覆上液態(tài)樹脂。

總結(jié)一下這項(xiàng)專利的纏繞方法：

◎ 準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備未浸漬樹脂的碳纖維帶。準(zhǔn)備施膠裝置（如噴嘴或刷子）。

◎ 初始纏繞：開始將碳纖維帶螺旋纏繞在轉(zhuǎn)子鐵芯外周，形成第一層纖維。在每層纖維纏繞的前期，不施加樹脂。

螺旋纏繞與重疊區(qū)域：纖維護(hù)套的每一層由纖維帶螺旋纏繞而形成。相鄰兩圈纖維帶之間形成螺旋環(huán)狀的重疊區(qū)域。

纏繞完成區(qū)段的定義：在每層纏繞中，將已繞至鐵芯外周確定位置的、且不再會被同層的相鄰圈覆蓋的纖維帶區(qū)段定義為纏繞完成區(qū)段。

◎ 施膠階段：當(dāng)每層纖維纏繞過半后或接近倒數(shù)幾圈時，啟動施膠裝置，開始給該層的纏繞完成區(qū)段施加樹脂。施膠方向可以從軸向一端向另一端推進(jìn)，也可以從軸向中間向兩邊推進(jìn)，具體路徑和速度可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

◎ 施膠完成：在每層纖維纏繞完成后，暫停一小段時間，讓最后完成施膠區(qū)域的樹脂有一定的凝固時間。繼續(xù)纏繞下一層纖維，重復(fù)上述步驟。

（如熱風(fēng)機(jī)、加熱絲等）或紫外線、化學(xué)催化劑等方法來加速樹脂的半固化過程。

◎最終固化：在整個纖維護(hù)套纏繞完成后，將轉(zhuǎn)子連同纖維護(hù)套一起放置到烘箱中加熱，使纖維護(hù)套內(nèi)的樹脂完全固化。

實(shí)施案例算是一種變種吧，是在每一層纏繞過程中，施膠開始的時間和纏繞開始的時間之間的間隔很短。施膠速度與纏繞速度幾乎相同，但在位置上間隔一個相位差。整個施膠過程所遵循的原則是施膠區(qū)域是本層的纏繞完成區(qū)段的表面，且膠在施膠區(qū)域分布均勻。

此項(xiàng)專利將碳纖維的濕法纏繞改進(jìn)為纏繞前纖維不附著液態(tài)樹脂，而是逐層地動態(tài)地在纏繞完成區(qū)段施加樹脂，使得每層的纖維帶的重疊區(qū)域的樹脂與非重疊區(qū)域的樹脂是均勻分布的，最終形成的碳纖維護(hù)套厚度均勻、表面平整。在每層纏繞過程中，及時使得施膠區(qū)域?qū)崿F(xiàn)半固化，能進(jìn)一步避免樹脂由于纖維帶的層間擠壓而分布不均勻。

02.

固化工藝有啥說法

目前，濕法纏繞的碳纖維護(hù)套主要采用熱固性環(huán)氧樹脂作為纏繞膠黏劑，通過濕法纏繞浸漬液體環(huán)氧樹脂的碳纖維或者將預(yù)先制備成半固化的碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行纏繞，再加熱固化后成型。但是纏繞過程中樹脂膠液浪費(fèi)大，生產(chǎn)環(huán)境差，含膠量及纖維張力不易控制，可供濕法纏繞的樹脂膠液品種少，且纖維分布一致性差。

而干法交叉纏繞在纏繞過程中每纏一圈會壓住上一圈，完成一層纏繞后表面不平整，纏下一層時會有空氣被包覆進(jìn)去形成氣泡，纏繞過程中需要對預(yù)浸料進(jìn)行加熱，加熱裝置與轉(zhuǎn)子的距離及環(huán)境溫度要求比較高，同樣纖維分布一致性差。

相比“碳纖維纏繞后需要刷樹脂進(jìn)行固化”的碳纖維濕式纏繞法，小米的激光原位固化纏繞工藝，不是采用碳纖維原絲和樹脂膠水，而是碳纖維預(yù)浸帶，在同一工站設(shè)備上邊纏繞邊利用激光實(shí)現(xiàn)碳纖維預(yù)浸帶的固化。

來源：小米汽車

雖然小米預(yù)研的激光原位固化纏繞工藝還無法完全一窺全貌，但是在天蔚藍(lán)的專利中也找到了一項(xiàng)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法的專利（CN117543860A），此專利旨在提供一種電機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法，特別是針對高速永磁電機(jī)，通過增強(qiáng)碳纖維保護(hù)套與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的界面黏合強(qiáng)度，確保碳纖維保護(hù)套在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠有效固定磁鋼并防止轉(zhuǎn)子形變或爆裂。

■其技術(shù)方案如下，通過設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，可以使碳纖維束至少部分嵌設(shè)在凹槽內(nèi)，增加轉(zhuǎn)子鐵芯與碳纖維保護(hù)套之間的接觸面積，有助于提高二者之間的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)更好的界面結(jié)合。

此專利具體碳纖維束的直徑為0.05-1mm，凹槽槽口的寬度為0.05-1mm，凹槽的深度為0.015-0.6mm。當(dāng)然凹槽槽口的寬度要小于凹槽的最大寬度；也就是說，凹槽為鎖扣結(jié)構(gòu)，碳纖維束進(jìn)入凹槽后能夠被更好地固定。

嵌設(shè)在凹槽內(nèi)的碳纖維束的嵌入部分高度至少是碳纖維束直徑的三分之一，相對于碳纖維束全部嵌入到凹槽內(nèi)，部分碳纖維單絲裸露在凹槽外，可以增加內(nèi)層碳纖維束與外層碳纖維束的接觸面積，并且在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時，內(nèi)層碳纖維束因?yàn)榘疾鄣南拗谱饔卯a(chǎn)生一個用于抵消部分離心力的朝向軸心方向的拉力，使得內(nèi)層碳纖維束與外層碳纖維束結(jié)合的更加牢固。

也可以在纖維布與碳纖維束的接觸面涂覆有膠黏劑，纖維布背離碳纖維束的一面涂覆有偶聯(lián)劑；此種方式可以以纖維布為載體將多根碳纖維束粘結(jié)在一起，使得碳纖維保護(hù)套與轉(zhuǎn)子鐵芯粘結(jié)的更加牢固。

碳纖維束由若干碳纖維單絲加捻而成，一方面使得碳纖維束更好的固定在凹槽內(nèi)，即碳纖維束在嵌入到凹槽內(nèi)時不會因?yàn)樽冃伟l(fā)生破裂，保證了碳纖維束的完整性；另一方面，膠黏劑能夠更好地將碳纖維束粘結(jié)到凹槽內(nèi)，這是因?yàn)橄鄬τ谖闯赡淼奶祭w維束，捻形的碳纖維束表面平整度降低，粗糙度變大，膠黏劑可以更好地將碳纖維束固定在凹槽內(nèi)。

■其制造方法如下，首先對成型轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽內(nèi)表面進(jìn)行激光氧化處理；然后將碳纖維束纏繞在經(jīng)處理后的轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)，使處于最內(nèi)層的全部或者部分碳纖維束嵌入到凹槽內(nèi)，嵌入部分的高度至少是碳纖維束直徑的三分之一，加熱固化后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子。

其中通過激光氧化可以改變凹槽內(nèi)表面的化學(xué)性質(zhì)，使得碳纖維束上膠黏劑接觸到經(jīng)激光氧化處理的凹槽內(nèi)表面后，二者之間形成C—O鍵、H—O鍵、Si—O鍵、Ti—O鍵等化學(xué)鍵，增加碳纖維保護(hù)套與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的結(jié)合力，使得碳纖維保護(hù)套更加牢固；采用激光處理也可以加工出適應(yīng)各種尺寸碳纖維束的凹槽，簡單便捷，并且可以隨時進(jìn)行參數(shù)調(diào)整以適應(yīng)不同的工況，確保碳纖維保護(hù)套更加平整地覆蓋在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，增強(qiáng)碳纖維保護(hù)套的性能。

上述的帶纖維布方案，其工藝是將纖維布包覆在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，其中，纖維布與轉(zhuǎn)子鐵芯的接觸面上涂覆有偶聯(lián)劑，另一面涂覆有膠黏劑，然后將浸漬膠黏劑的碳纖維束纏繞到纖維布涂覆有膠黏劑的一面，使處于最內(nèi)層的全部或者部分碳纖維束嵌入到凹槽內(nèi)，嵌入部分的高度至少是碳纖維束直徑的三分之一，加熱固化后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子。

其中碳纖維束中添加的膠黏劑包括環(huán)氧樹脂和偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑的添加量為0.1-1wt%；偶聯(lián)劑為環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸四丁酯偶聯(lián)劑。

纖維布的材質(zhì)可以是尼龍、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維或聚苯硫醚纖維

■環(huán)氧樹脂的型號為Epikote828

■鈦酸四丁酯偶聯(lián)劑為工業(yè)級

◎ 激光氧化處理的條件為：激光器功率100-1000W，激光光束直徑0.05-1mm，線間距0.05-0.2mm，掃描速度500-3000mm/s，頻率15-25kHz。

◎碳纖維束的纏繞條件為：纏繞張力100-300N，刮刀間隙0.05-0.15mm，纏繞速度5000-7000mm/min。

此專利也給了5個實(shí)施例（后面有總結(jié)圖表）

◎?qū)嵤├?：對成型轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽內(nèi)表面進(jìn)行激光氧化處理，激光參數(shù)為：激光器功率300W，激光光束直徑0.2mm，線間距0.1mm，掃描速度1500mm/s，頻率20kHz，得到的凹槽最大寬度為0.25m。

將浸漬膠黏劑的碳纖維束纏繞在經(jīng)激光氧化處理后的轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)，其中膠黏劑包括環(huán)氧樹脂和環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑，環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑的添加量為1wt%，纏繞張力為200N，刮刀間隙為0.1mm，纏繞速度為6000mm/min，使處于最內(nèi)層的碳纖維束中一部分嵌入凹槽內(nèi)，其余的碳纖維束不嵌入凹槽內(nèi)，嵌入部分的高度是碳纖維束直徑的二分之一，在160℃下加熱固化3h，得到樹脂含量為25wt%的碳纖維轉(zhuǎn)子。經(jīng)過25000rpm超速實(shí)驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子直徑塑性形變?yōu)?.05mm。

◎?qū)嵤├?：對成型轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽內(nèi)表面進(jìn)行激光氧化處理，激光參數(shù)為：激光器功率500W，激光光束直徑0.4mm，線間距0.15mm，掃描速度2000mm/s，頻率20kHz，得到的凹槽最大寬度為0.45mm。

將浸漬膠黏劑的碳纖維束纏繞在經(jīng)激光氧化處理后的轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)，其中膠黏劑包括環(huán)氧樹脂和鈦酸四丁酯偶聯(lián)劑，鈦酸四丁酯偶聯(lián)劑的添加量為1wt%，纏繞張力為200N，刮刀間隙為0.1mm，纏繞速度為6000mm/min，使處于最內(nèi)層的碳纖維束中全分嵌入凹槽內(nèi)，嵌入部分的高度是碳纖維束直徑的三分之一，在160℃下加熱固化3h，得到樹脂含量為25wt%的碳纖維轉(zhuǎn)子。經(jīng)過25000rpm超速實(shí)驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子直徑塑性形變?yōu)?.06mm。

◎?qū)嵤├?：對成型轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽內(nèi)表面進(jìn)行激光氧化處理，激光參數(shù)為：激光器功率500W，激光光束直徑0.4mm，線間距0.15mm，掃描速度2000mm/s，頻率20kHz，得到的凹槽最大寬度為0.45mm；

將由碳纖維束制成的含有B階段樹脂的碳纖維預(yù)浸帶纏繞在經(jīng)激光氧化處理后的轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)，纏繞速度為6000mm/min，使處于最內(nèi)層的碳纖維束中一部分嵌入凹槽內(nèi)，其余碳纖維束不嵌入，嵌入部分的高度是碳纖維束直徑的三分之一，在160℃下加熱固化3h，得到樹脂含量為25wt%的碳纖維轉(zhuǎn)子。經(jīng)過25000rpm超速實(shí)驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子直徑塑性形變?yōu)?.08mm。

◎?qū)嵤├?：與實(shí)施例1的不同之處在于：膠黏劑中未包含環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑。經(jīng)過25000rpm超速實(shí)驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子直徑塑性形變?yōu)?.13mm。

◎?qū)嵤├?：與實(shí)施例1的不同之處在于：其中，纖維布與轉(zhuǎn)子鐵芯的接觸面上涂覆有環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑，另一面涂覆有膠黏劑，膠黏劑包括環(huán)氧樹脂和環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑，環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑的添加量為1wt%；將浸漬膠黏劑的碳纖維束纏繞到纖維布涂覆有膠黏劑的一面，纏繞張力為200N，刮刀間隙為0.1mm，纏繞速度為6000mm/min，使處于最內(nèi)層的碳纖維束中一部分嵌入凹槽內(nèi)，其余碳纖維束不嵌入，嵌入部分的高度是碳纖維束直徑的三分之一，在160℃下加熱固化3h，得到樹脂含量為25wt%的碳纖維轉(zhuǎn)子。經(jīng)過25000rpm超速實(shí)驗(yàn)后，轉(zhuǎn)子直徑塑性形變?yōu)?.04mm。