用于电动汽车电动机的热塑性复合材料转子套筒

 

    电动汽车技术的进步，提升了车辆的性能和续航里程。虽然占据头条新闻的大多是电池技术，但是，将电池电能转化为汽车推进力的电动机也同样重要。多年来，永磁电动机这类电动汽车用的电动机，已采用了一种绕转子缠绕而成的碳纤维增强热固性塑料的套筒。这种套筒可防止转子组件在高速转动时飞散分离。但最新的进展是，美国Trelleborg Sealing Solutions公司（以下简称Trelleborg）利用热塑性树脂的优势改进了套筒设计，提高了电动机的效率，可能很快就能将其设计用于量产的电动汽车电动机中。

 

    在电动汽车市场中，最近已有几款量产车型选用了永磁电动机而不是更普通的感应电动机，这些车型包括特斯拉Model 3 及雪佛兰Bolt和雪佛兰Volt。虽然感应电动机的成本相对较低且可靠性高，但永磁电动机却能提供更高的功率密度和更轻的重量。

 

 

    用于电动汽车的电动机通过电磁力运转。通过施加交流电，在静止的部件即定子中产生旋转的磁场，定子围绕的旋转部件即转子被磁化。这样，就在两个组件之间产生磁力的相吸和相斥，迫使转子旋转并驱动传动系统。

 

    在感应电动机中，导体如铜或铝是被缠绕或嵌入在转子的钢制层压套筒内，定子的交流电流感应转子的磁场。而永磁体转子是将永磁体包裹或粘接到转子上来产生自己的磁场。 

永磁电动机通过嵌入磁体产生自己的电磁场，而感应电动机则是通过电池的电力被磁化（图片来自newenergyandfuel.com） 

 

    永磁电动机本质上比感应电动机的效率高，这是因为感应转子需要消耗电能来产生磁场，而永磁电动机的转子不需要。永磁电动机还提供了高功率密度和高转矩密度:与感应电动机相比，永磁电动机能以更小的机型、更轻的重量为电动汽车提供所需的功率和扭矩，使电动汽车具有更高的性能和更长的续航里程。永磁电动机还具有低噪声的特点，这对于电动汽车市场是一大吸引力。

 

 

    将一种连续纤维增强预浸料直接缠绕在永磁电动机的转子上，即制成了Trelleborg的热塑性复合材料套筒。采用该公司的自动纤维铺放（AFP）和原位固结技术（ISC）等生产工艺制成的套筒，适用于电动汽车用永磁电动机和几乎任何其他应用所需的永磁电动机，制成的套筒尺寸从适配直径不到2.5cm的转子，一直到适配一个原型电动机（为商用单通道飞机的推进器而设计）的33cm直径的转子。

碳纤维增强热塑性塑料的套筒：采用自动纤维铺放和原位固结技术，Trelleborg 直接在金属结构上缠绕碳纤维/热塑性复合材料。预紧的复合材料即使在高转速的应用（如永磁电动机）中也能保持位置不变（图片来自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    为满足电动汽车应用的高性能要求，套筒由碳纤维增强PEEK预浸带制成。与其他材料和工艺相比，用于Trelleborg热塑性复合材料套筒的材料和工艺带来了更大的设计自由度。这种碳纤维/PEEK套筒所替代的产品包括上述的热固性复合材料套筒以及钢制套筒。这种热塑性基体材料的特性，如卓越的韧性以及耐磨性、耐疲劳性和耐化学性等，使其非常适应电动汽车动力传动系统所处的恶劣工作环境。

与设计相适应的AFP/ISC工艺：Trelleborg的生产工艺提供了新的设计自由度，比如，可以实现结构稳定的薄、厚缠绕而不产生纤维波纹或屈曲，还能一步制成复合材料的永磁电动机套筒（图片来自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    薄壁是Trelleborg的设计和工艺带来的重要优势。转子套筒增加了转子磁体与定子之间的距离，该间隙越大，电动机的电磁功率和效率就越低，也就是说，理想的套筒要在提供高强度的同时还要尽量薄。采用Trelleborg的设计生产的套筒，要比采用热固性复合材料制成的套筒薄，每单位厚度的强度要比钢制套筒更强。Trelleborg的项目经理Graham Ostrander预计，用于电动汽车电动机的套筒将有5到20层厚。

 

    另一个重要的性能特征是，与钢相比，碳纤维增强复合材料的导电率要低得多，电导率低可减少对磁场的干扰。薄的壁厚与低的电导率相结合，为碳纤维/PEEK 的套筒最大程度地提高永磁电动机的功率密度提供了帮助。

 

    由于转子以极高的转速转动，因此套筒设计还必须防止径向力引起的疲劳或突然失效。构成永磁体的稀土金属是脆性的，所以在旋转过程中减小磁体的应力对于永磁电动机的性能和耐久性至关重要。为处理这些径向力，用于转子的绝大多数层按0°铺放，但也可以根据需要添加轴向增强层（按90°铺放）以增加弯曲刚度，Trelleborg的AFP机器能以任何角度铺放3～25mm宽的预浸带。

提高产出：AFP/ISC技术能同时缠绕多个转子，该机器能将两个转子端对端地排成一条直线，编程后同时进行缠绕（图片来自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    要承受径向力，关键是要预紧复合材料。对此，Trelleborg目前的AFP机器能够产生0.5t的张力（只有在铺放连续纤维预浸料时才使用）。“这种预紧力产生了一种像压应力一样的环形压力，可使复合材料的套筒保持在被缠绕部件的上方。”Ostrander介绍说。

 

    “这种复合材料的高拉伸强度允许转子以高于任何粘合剂可支撑的更高转速旋转。”他补充道。碳纤维的低热膨胀系数（CTE）也是导致套筒与转子之间实现强力机械结合的一个因素，由于质量轻，还可以提升加、减速。

 

    理想的转子转速与磁体重量共同决定了所需的张力。“预紧的缠绕可使套筒在更宽泛的温度范围内（-40～80°C）保持在转子上。”Ostrander 介绍说。

 

 

    近年来，工程界经常会追求“为制造而设计”，即对产品的设计进行调整，以使制造更加方便、快捷且成本更低。然而，针对永磁电动机的套筒，有人可能会将Trelleborg的工艺描述为“为设计而制造”，甚或是“为制造而设计的制造”。也就是说，Trelleborg的工程师们发明了一种制造方法，减少了对产品设计的一些限制，这种设计自由度反过来又使制造流程更有效率。

航空应用：作为Trelleborg与电动汽车制造商合作开发的连续，该公司为验证737电动飞机的概念研究而提供了帮助。在此介绍的采用碳纤维/PEEK套筒的永磁电动机转子，是由NASA资助并由伊利诺伊大学的研究人员创造和测试的（图片来自伊利诺伊大学香槟分校） 

 

    Trelleborg的AFP既可铺放热固性复合材料预浸料，也可铺放热塑性复合材料预浸料，当然，原位固结只适用于热塑性塑料。针对这些套筒应用，固结是由激光加热系统完成的，与传统的热气枪（HGT）加热相比，它提高了这项加工的速度和效率。

 

    这项加工的一个重要特征是，可以对局部进行短时加热。高温会使转子消磁，使其无法使用。“即使我们用高温将聚合物熔化粘接在一起，加热的时间也要非常非常短。”Ostrander 解释道，“我们的工艺不会使我们正在缠绕的部件的净温度升高几摄氏度以上。”

 

    热塑性复合材料的套筒是直接在磁性转子的表面上缠绕完成的。“我们拥有一种特殊工艺，能够在部件上铺放复合材料并使之固定到位，无需任何粘合剂或其他粘接到部件表面的方式。”Ostrander强调说。铺放头对其正在铺放的材料以及下面的基材进行加热，并在树脂熔化时施加压力，这使得聚合物链能够在铺放的带材与基材之间扩散，创造完整的粘接。

 

    激光加热的多次应用：在第一次铺放带材时首次应用激光加热，然后在采用AFP在此区域铺放后续的层时再次进行激光加热，结果，获得了完全结晶的PEEK树脂，最大程度地提高了使用期间的稳定性。Ostrander表示，将铺放的材料压到基材上，在此夹合处，用450℃的温度加热碳纤维增强PEEK预浸料，而PEEK的熔化温度是343℃，因此，夹合处的温度设置通常比熔化温度高60～120℃。“关键是要低于该聚合物的降解温度。”他说。

旋转试验：为了验证机械膨胀、转子动力和旋转损耗的解析模型，对飞机转子原型进行了测试。转子成功地实现了18000 r/min的旋转，比预定的转速快20%（图片来自伊利诺伊大学香槟分校） 

 

    原位固结热塑性复合材料使得Trelleborg能够在一步操作中在转子上缠绕出永磁电动机的套筒。采用这种方法制成的结构不需要采用加热炉或热压罐进行二次固结，纤维的体积含量通常达60%。“只要完成部件的缠绕，就可以进行最终的加工了。”Ostrander说道。Trelleborg的工艺允许将一系列不同的生产步骤组合在一个操作中，这提高了生产的总体效率。

 

    相比之下，热固性复合材料的套筒需要多个加工步骤：热固性复合材料的套筒必须与转子分开制造，因为加热炉或热压罐固化会有损磁体。固化后，再将这些套筒压到转子上，或者过盈配合到转子上。最后一步是防止将热固性复合材料的套筒做得与热塑性复合材料的套筒一样薄。因为热塑性复合材料的套筒在固化后不需要被压到转子上，因而没有会损坏薄的套筒的压力。

 

    Trelleborg的工艺已被用于制造各种类型的复合材料结构，从内径0.5mm到外径150cm的大小不等的结构。它还制成了两层薄的以及7.5cm厚的无纤维波纹或屈曲的稳定结构，屈曲可能是采用其他固结方法制成的较厚的层压结构的一大问题。Ostrander表示：“当你把这些材料铺放到位时，你会发现层间夹有空气，但采用原位固结，就能使这些空气在粘接的过程中被挤出。”此外，由于热塑性预浸料几乎无使用期限制，因此可将原位固结工艺扩展到用于制造飞机那么大的结构。

 

    无使用期限制还使得Trelleborg的工艺能缠绕很长的部件，对于转子套筒而言，这意味着可以将一系列的转子排成一条长长的直线来同时缠绕，从而提高了产出并降低了成本。

 

 

    稀土金属的价格使得永磁电动机的成本居高不下，这可能会影响永磁电动机在电动汽车上的应用。虽然如此，永磁电动机依然具有很强的吸引力，因为与感应电动机相比，其效率、扭矩和提供的续航里程都更大。因此，永磁电动机会被越来越多的电动汽车制造商所采纳，而像Trelleborg的热塑性复合材料套筒这类先进技术，将助力这一市场发展进程。