磁负载的复合材料转子和制备磁负载的预浸渍带的方法
【专利摘要】一种制备磁负载的预浸渍的带的方法，使用加热的并与加热的熔池（2）相关联的鼓（1），所述熔池（2）含有热塑性树脂溶液。将纤维带材料（4）进料至鼓（1）上，并且恰好在纤维带材料接触鼓的外围之前，将所述纤维带材料（4）用各向异性的磁颗粒材料（6）浸渍以形成预浸渍的带（8）。所述预浸渍的带可以进料至加热站，在所述加热站将所述预浸渍的带与热塑性树脂浸渍的纤维丝束粘合以产生磁负载的复合材料带。
【专利说明】磁负载的复合材料转子和制备磁负载的预浸渍带的方法
[0001]本发明涉及磁负载复合材料(MLC)转子，涉及用于其制备的带，以及涉及用于制造所述转子和带的设备。
[0002]MLC转子，有时称为飞轮，可以用于以超过30，OOOr.p.m的高速旋转的电动发动机/发电机中充当能量存储和/或发动机。转子能够根据能量是否应用于通电线圈或从通电线圈提取而充当发动机或发电机，所述通电线圈在与转子共同使用的定子上。MLC转子的使用具有不需要离散磁性的优点，所述离散磁性在高速下会突然消失。
[0003]通过使用嵌入热固性树脂(例如环氧树脂)、基质中的纤维丝束形成的复合材料飞轮在 US-A-2002/0083791、EP-A-1199493、US-A-4080845 和 TO-A-94/06193 中描述，所述纤维丝束即未缠绕的人造纤维的连续的丝束，所述人造纤维例如玻璃纤维或碳纤维。
[0004]制备MLC转子的已知的方法是缠绕干玻璃纤维丝束和由粉末状的磁性材料(例如各向异性的NdFeB)和热固性树脂制成的浆体。该方法是逐渐将浆体进料至心轴以产生浆体层，同时以开放结构将干玻璃纤维丝束层缠绕在浆体层上。开放结构的开口用浆体填充，使得玻璃纤维丝束捕获MLC浆体层，将其挤压以产生所需的树脂级别。在MLC浆体中的过量的树脂用于浸溃玻璃纤维丝束以产生所需的结构。然后在旋转心轴的同时将所述缠绕结构胶凝并固化。所述方法描述于W0-A-94/06193中。
[0005]制造MLC转子的已知方法依赖于树脂和NdFeB粉末浆体的流动性来流动以产生所需的结构。流动能力阻止了采用实现与电流的各向异性的NdFeB颗粒相关的剩磁通量的增益所需的程序，因为所述颗粒倾向于在定向磁体的极周围集聚。这种集聚引起不利于高速转子/飞轮的不平衡并可能导致转子和定子组件的破坏。
[0006]本发明试图至少部分地减轻前述的困难。
[0007]根据本发明的第一方面，提供了制备磁负载的预浸溃的带的方法的第一特征，所述磁负载的预浸溃的带包括掺杂磁性颗粒的热塑性树脂-浸溃的纤维，所述方法包括用热塑性树脂溶液和用溶剂掺杂的各向异性的磁性颗粒材料浸溃纤维带材料的步骤。
[0008]适宜地，所述各向异性的磁性材料具有纳米尺寸的颗粒。
[0009]优选地，所述浸溃通过使纤维带材料传送经过加热的运输装置来提供，所述运输装置被设置用于将热塑性树脂溶液从加热的熔池(bath)运输。
[0010]有利地，所述加热的熔池含有热塑性树脂溶液和加热到温度为60°C至100°C的聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酰亚胺(PEI)的一种。
[0011]优选地，所述纤维带由玻璃纤维、碳纤维、Kevlar? (聚酰胺)、塑料、铝、硼、尼龙聚烯烃或其混合物制成。
[0012]优选地，所述磁性颗粒由纳米尺寸的NdFeB颗粒，或供选择地，铁、镍、钴和铁氧体及其化合物形成。
[0013]有利地，所述溶剂掺杂的磁性颗粒材料由包括NdFeB颗粒、溶剂和PEEK或PEI的进料提供。
[0014]优选地，所述运输装置为加热到温度为60°C至100°C的加热鼓。
[0015]有利地，所述热塑性树脂溶液和带的厚度由与所述加热鼓相关联的刮板(doctorplate)装置控制，所述带通过将纤维带材料和热塑性树脂溶液结合形成。
[0016]有利地，在经过所述刮板装置后，所述带的厚度进一步被辊装置之间的通道控制，所述辊装置也有助于去除过量的溶剂。
[0017]适宜地，也通过加热装置去除过量的溶剂，并且提取所述过量的溶剂用于回收。
[0018]根据本发明的第一方面的第二特征，提供了用于进行前述第一特征的设备，包括加热鼓装置、进料装置和进料喷嘴装置，所述加热鼓装置穿过设置成包含热塑性树脂溶液的加热的熔池，所述进料装置设置成将纤维带材料进料至所述鼓装置，所述进料喷嘴装置设置成向所述鼓装置提供溶剂掺杂的磁性颗粒材料以浸溃所述热塑性溶液。
[0019]有利地，在邻近鼓装置处设置刮板装置以控制热塑性树脂材料和磁性浸溃的热塑性溶液的厚度。
[0020]适宜地，提供加热和提取装置以去除过量的溶剂。
[0021]根据本发明所述第一方面的第三特征，提供了根据本发明的所述第一方面的第一特征的方法制备的磁负载的预浸溃的热塑性带。
[0022]根据本发明的第二方面的第一特征，提供了制备磁负载的复合材料带的方法，所述方法包括向加热站进料热塑性树脂浸溃的纤维丝束，向所述加热站进料各向异性的磁负载的预浸溃的带，在所述加热站施加热以粘合所述丝束和带从而制备磁负载的复合材料带的步骤。
[0023]优选地，在加热站的热由激光装置和热氮装置中的一种提供。
[0024]适宜地，所述激光装置是脉冲驱动或连续驱动中的一种以提供足以粘合丝束和带的温度，在例如350°C _400°C的温度下粘合。
[0025]有利地，进料丝束和带的速度为0.1-lm/s的范围。
[0026]优选地，所述加热站包括加热心轴以将复合材料带成形为所需的形状。
[0027]在一个实施方案中，适宜地，所述加热站包括转动驱动的加热心轴和与心轴相关联的压紧辊，所述丝束和带被进料通过压紧辊和心轴之间，有利地，其中所述带缠绕在心轴周围用于后续应用。
[0028]有利地，加热所述心轴至温度为120°C -200°C。
[0029]优选地，所述心轴具有嵌入其中的磁场以向各向异性的磁负载的预浸溃的带提供所需的磁位形。
[0030]适宜地，所述心轴配置有偶数个磁体以产生例如包含12个磁体的6个极对(polepairs)。
[0031]有利地，以弧形设置磁体使得带的半径围绕心轴增加，在磁负载的预浸溃的带中的极大体上对齐。
[0032]根据第二方面的第二特征，提供了用于进行第二方面的第一特征的设备。
[0033]根据本发明的第二方面的第三特征，提供了根据本发明的第二方面的第一特征制备的磁负载的复合材料带。
[0034]热塑性树脂是当加热时转变为液体并且当充分冷却时凝固成玻璃态的聚合物。热塑性聚合物带与现有技术中用于MLC转子结构中的热固性聚合物不同在于它们可以再熔化和重塑。使用热塑性基质比现有技术中的热固性基质的一个优点是在制造过程中限制了磁性颗粒材料的流动性使得由于颗粒移动并集中在场极的聚集效应大大降低。这是由于在制造过程中基质在加热站在非常小的位置和非常短的时间为液体。
[0035]根据本发明的第三方面，提供了制备转子的方法，所述方法包括进行第一和第二方面的第一特征，将磁负载的预浸溃的带缠绕在磁供能的(magnetically energised)心轴上以在磁化前将各向异性的磁性颗粒材料与所需的磁位形对齐的步骤。
[0036]在第三方面的一个特征中，提供了根据第三方面制备的转子。
[0037]根据本发明的第四方面，提供了用于缠绕磁负载的复合材料带的心轴，所述心轴由顺磁性材料制成并包括设置在其上的磁极对的位形以在所述带上对齐磁性颗粒。
[0038]优选地，所述心轴大体上为圆柱体，具有设置在所述圆柱体的相邻径向内表面和外表面的交替的极对。
[0039]有利地，所述心轴被设置成通过加热装置例如热空气加热。
[0040]适宜地，所述心轴被设置成通过卷切机旋转。
[0041]本发明的心轴可以被设计成具有嵌入其中的磁场，所述心轴具有与所需的最终组件相同的位形。通过采用这样的具有各向异性的磁性颗粒材料的设备，当转子随后被磁化用于应用时，颗粒的磁区(magnetic regimes)产生更强的磁象(megnetic pattern)。
[0042]本发明现在将通过实例参照附图进行描述，其中:
[0043]图1显示了根据本发明的第一方面用于制备磁负载的预浸溃的带的设备；
[0044]图2显示了根据本发明的第二方面制造磁负载复合材料带的设备，以及
[0045]图3显示了根据本发明的第四方面的心轴。
[0046]在图中，相同的参考数字表示相同的部分。
[0047]显示在图1中的用于制造磁负载的预浸溃的带的设备具有由发动机(未显示)驱动的鼓1，所述鼓通过任意合适的来源，例如电元件或热空气，被加热至温度为60°C至100°C。所述鼓I与熔池2相关联，所述熔池2通过任意合适的装置，例如电元件或热空气，被加热至温度为60°C至100°C。所述熔池被设置成含有得到用于应用的期望的树脂含量所需的比例的热塑性树脂溶液(例如环氧树脂)、溶剂和聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酰亚胺(PEI)。
[0048]为了控制输送到鼓I周围的熔池2中的材料厚度，提供了径向设置在鼓的外周附近的刮板3。
[0049]纤维带材料4，例如玻璃纤维或碳纤维带、或Kevlar? (聚酰胺)、塑料或铝带、硼、尼龙、聚烯烃或其组合，或任意其它合适的已知纤维，恰好在鼓的外围位置之前从进料辊5周围的来源(未显示)进料至鼓1，所述鼓的外围位置是纳米尺寸的磁性颗粒(例如NdFeB颗粒)的浆体、溶剂和聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酰亚胺(PEI)从进料喷嘴6提供的位置。所述浆体可以含有按体积计30%至45%的磁性颗粒材料。其它可以使用的磁性材料是铁、镍、钴或其合金。磁性材料可以，供选择地，由铁氧体例如钡铁氧体，或其它稀土元素例如钐钴制成。径向设置在鼓外围附近的浆体刮板7用于控制组合的树脂、纤维和磁性颗粒浆体的厚度，所述浆体粘附于热塑性带的一侧和边缘。离开鼓I后，由此形成磁负载的预浸溃的带8经过挤压辊9、10之间进入加热通道11，然后从通道的出口 12离开。所述通道被加热至温度为100°C -150°C。所述通道11构成壳体13的一部分，组件1_10位于所述壳体13内部。所述壳体13具有连接到温度为100°C的热氮气15供给的入口 14。设置位于通道周围与热氮气12结合的加热器16以从带8赶走过量的溶剂，并且所述过量的溶剂从壳体出口 17去除，如箭头线18所示，供应给溶剂回收车间(未显示)。然后所述预浸溃的带8经过一组加热的压光辊(未显示)以产生平坦的带。
[0050]显示在图2中的设备用于使用热塑性带制造磁负载复合材料带。圆柱体心轴20由发动机(未显示)以0.5-lm/s的速度驱动以提供热塑性带(在下文中描述)并且由便利的来源(未显示)加热心轴，所述便利的来源可以为圆柱体内部部分提供热空气，由箭头线21显示。所述来源(未显示)可以是电加热的。心轴20连接到安装在卷切机(未显示)上，心轴被设置成在由箭头线22显示的方向上旋转。热塑性树脂浸溃的丝束24被进料通过预拉伸辊25、26、27至位于加热站29的压紧和导辊28。所述加热站29提供有来自激光30的热能，所述激光30可以是在加热站29在350°C至400°C的温度下提供脉冲或连续能量的2KW激光。同样提供给加热站29的是磁负载预浸溃的带8，所述磁负载预浸溃的带8进料通过拉伸辊31、32。尽管本发明被描述成使用仅一个热塑性树脂浸溃的纤维丝束24和一个各向异性的磁负载预浸溃的带8，但是应当理解的是本发明并不限于此，并且所使用的带的数量可以根据所需要的MLC复合材料带的结构而变化。
[0051]在加热站29通过粘合带8和24形成的磁负载复合材料带缠绕在心轴20上以形成发动机/发电机转子。通过激光加热也协助释放带中的应力。形成后，通过在炉中加热至300°C进行应力释放。尽管在图2的实施方案中描述的为在圆柱体心轴上形成，但是应当理解的是来自加热站的粘合带输出可以形成任何所需的形状/位形。
[0052]使用热塑性带比热固性带的优点在于:由于基质在加热站在非常小的位置和非常短的时间为液体，因此在制造过程中限制了磁性颗粒材料的流动性。因此由于磁性颗粒材料移动并集中在电场极，聚集效应大大降低。
[0053]所述复合材料带优选地具有在制造过程中对齐的各向异性的NdFeB颗粒材料磁区，从而当转子被磁化时产生更强的磁象。如图3所示，圆柱体形状的顺磁性材料(例如钛)的心轴40提供相对于圆柱体的周向表面在其中周向和径向设置的均布的电磁极对41、42。因此，交替的北41和南42极径向设置于心轴圆柱体，各极被垫片(spacer)隔开，并且所述极围绕圆柱体外周交替出现。可以有，例如12个极，即6个极对，围绕心轴外周设置，但是为了便于解释，仅有4个极对显示在图3中。尽管未显示，钛心轴形成外部圆柱体并且具有极对的径向内部铁氧体圆柱体位于内部和外部圆柱体之间的圆环域中。在使用中，当心轴被转动时，使电磁体41、42脉冲以对齐带中交替的北极和南极并且设置定时以使北极和南极与先前磁化的层交替出现。通过使用具有嵌入其中的磁场从而具有最终组件所需的相同位形的心轴，当向转子供能时，材料中各向异性的磁颗粒的磁区对齐以产生更强的磁体，并且通过使用磁化的心轴，实现了更均匀的磁场分布。此外，心轴中的磁场有助于在加热站29在激光熔化带之前稳固带。可以以弧形设置磁体41、42，使得当带的半径围绕心轴增加时，带中的极大体上对齐。
[0054]这样形成的转子然后经受应力降低/退火工艺，在所述工艺中转子被加热到大约250°C，然后允许在12小时期间冷却。
[0055]尽管当使用热塑性带时需要应力降低/退火工艺，但是没有当使用热固性树脂带时所需的胶凝或固化操作，使得制造时间进一步减少。
[0056]关于题述发明，对于所制备的转子的尺寸没有放热限制使得制备非常大直径的转子成为可能，而这对于当前的热固性法、湿法、绕制法是不可能的。
【权利要求】
1.一种制备磁负载的预浸溃的带(8)的方法，所述磁负载的预浸溃的带(8)具有掺杂磁性颗粒的热塑性树脂浸溃的纤维，所述方法包括用热塑性树脂溶液和用溶剂掺杂的各向异性的磁性颗粒材料浸溃纤维带材料(4 )的步骤。
2.权利要求1所述的方法，其中所述各向异性的磁性材料具有纳米尺寸的颗粒。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述浸溃通过使纤维带材料(4)经过加热的运输装置(I)来提供，所述运输装置(I)被设置用于将热塑性树脂溶液从加热的熔池(2)运输。
4.权利要求3所述的方法，其中所述加热的熔池含有热塑性树脂溶液和加热到温度为60°C至100°C的聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酰亚胺(PEI)中的一种。
5.前述任一项权利要求所述的方法，其中所述纤维带由玻璃纤维、碳纤维、Kevlar?(聚酰胺)、塑料、铝、硼、尼龙聚烯烃或其混合物制成。
6.前述任一项权利要求所述的方法，其中所述磁性颗粒由纳米尺寸的NdFeB颗粒形成。
7.权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述磁性颗粒由铁、镍、钴和铁氧体及其化合物的纳米尺寸的颗粒形成。
8.前述任一项权利要求所述的方法，其中所述溶剂掺杂的各向异性的磁性颗粒材料由包括NdFeB颗粒、溶剂和PEEK或PEI的进料(6)提供。
9.权利要求3所述的方法，其中所述运输装置为加热到温度为60°C至100°C的加热鼓。
10.前述任一项权利要求所述的方法，其中所述热塑性树脂溶液和带的厚度由与所述加热鼓相关联的刮板装置(3、7)控制，所述带通过将纤维带材料和热塑性树脂溶液结合形成。
11.权利要求10所述的方法，其中在经过所述刮板装置后，所述带的厚度进一步被辊装置(9、10)之间的通道控制，所述辊装置(9、10)也有助于去除过量的溶剂。
12.权利要求11所述的方法，其中还通过加热装置(11-16)去除过量的溶剂，并且提取所述过量的溶剂用于回收。
13.一种用于进行权利要求1至12的方法的设备，其包括加热鼓装置(I)、进料装置(5)和进料喷嘴装置(6)，所述加热鼓装置(I)穿过包含热塑性树脂溶液的加热的熔池(2)，所述进料装置(5)将纤维带材料进料至所述鼓装置，所述进料喷嘴装置(6)向所述鼓装置提供溶剂掺杂的磁性颗粒材料以浸溃所述热塑性溶液。
14.权利要求13所述的设备，其中在邻近鼓装置(3、7)处设置刮板装置以控制热塑性树脂材料和磁性浸溃的热塑性溶液的厚度。
15.权利要求13或14所述的设备，其中提供加热和提取装置(11-16)以去除过量的溶剂。
16.根据权利要求1至12制备的磁负载的预浸溃的热塑性带。
17.一种制备磁负载的复合材料带的方法，所述方法包括以下步骤:向加热站(29)进料热塑性树脂浸溃的纤维丝束(24)，向所述加热站进料各向异性的磁负载的预浸溃的带(8),在所述加热站施加热以粘合所述丝束和带从而制备磁负载的复合材料带。
18.权利要求17所述的方法，其中在加热站的热由激光装置(30)和热氮装置中的一种提供。
19.权利要求18所述的方法，其中所述激光装置是脉冲驱动或连续驱动的一种以提供足以粘合丝束和带的温度，在例如350°C _400°C的温度下粘合。
20.权利要求17至19中任一项所述的方法，其中进料丝束和带的速度为0.1-lm/s。
21.权利要求17至20中任一项所述的方法，其中所述加热站(29)包括加热心轴(20)以将复合材料带成形为所需的形状。
22.权利要求17至21中任一项所述的方法，其中所述加热站(29)包括转动驱动的加热心轴(20)和与心轴相关联的压紧辊(28)，所述丝束和带被进料通过压紧辊和心轴之间，有利地，其中所述带缠绕在心轴周围用于后续应用。
23.权利要求22所述的方法，其中加热所述心轴至温度为120°C-200°C。
24.权利要求22或23所述的方法，其中所述心轴具有嵌入其中的磁场(41、42)以向各向异性的磁负载的预浸溃的带提供所需的磁位形。
25.权利要求24所述的方法，其中所述心轴配置有偶数个磁体(41、42)以产生例如包含12个磁体的6个极对。
26.权利要求25所述的方法，其中以弧形设置磁体(41、42)使得带的半径围绕心轴增加，在磁负载的预浸溃的带中的极大体上对齐。
27.根据权利要求17至26的方法制备的磁负载的复合材料带。
28.一种制备转子的方法，所述方法包括权利要求1至12的方法步骤和权利要求17至26的方法步骤，包括将磁负载的预浸溃的带缠绕在磁供能的心轴上以在磁化前将各向异性的磁性颗粒材料与所需的磁位形对齐。
29.根据权利要求28的方法`制备的转子。
30.一种用于缠绕磁负载的复合材料带的心轴(40)，所述心轴由顺磁性材料制成并包括设置在其上的磁极对(41、42)的位形以在所述带上对齐磁性颗粒。
31.权利要求30所述的心轴，其中所述心轴大体上为圆柱体，具有设置在所述圆柱体的相邻径向内表面和外表面的交替的极对(41、42 )。
32.权利要求30或31所述的心轴，其中所述心轴被设置成通过加热装置(21)例如热空气加热。
33.权利要求30至32任一项所述的心轴，其中所述心轴被设置成通过卷切机旋转。
【文档编号】H02K15/12GK103608157SQ201280029583
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月16日
【发明者】C·D·塔兰特, G·M·D·戴 申请人:威廉斯混合动力有限公司