高速モーターローターカーボンファイバー巻線工程

コイルの力: モーター速度を 10 倍向上させるカーボンファイバーのラッピングプロセスを公開

人間の髪の毛よりも細い炭素繊維が、高速モーターのローター上に巨大な遠心力に耐えられる万里の長城をどのように構築できるのでしょうか?

東風汽車がリリースした「MACH E」800V 超高速電気駆動システムは、最大動作速度 25,000 rpm、限界速度 34,447 rpmを超えるモーターを誇ります。.

この驚異的なスピードの裏には、精密なプロセスであるカーボンファイバーラッピング技術があります。

01 高速モーターの強度ボトルネック

高速モーターは、新エネルギー時代における重要な技術的方向性になりつつあります。これらのモーターはなどの分野で大きな可能性を示します。 、ガスタービン、分散型発電、航空宇宙、新エネルギー車.

ただし、中心的な課題が発生します。速度が増加するにつれて、 ローターにかかる遠心力は二次関数的に増加します。.

表面実装永久磁石モーターを例にとると、速度が毎分数万回転に達すると、永久磁石には 数千倍に相当する遠心力がかかります。 自重の従来の金属製保護スリーブは重すぎるか、十分な強度がありませんでした。

ここで、炭素繊維複合材が並外れた価値を発揮します。備えた 高い強度対重量比をカーボンファイバーは、高速モーターのローターにとって理想的な「外装」素材となります。

02 芯材

高速モーターへの炭素繊維複合材料の適用は、単純な材料の代替ではなく、慎重に設計されたシステムです。

炭素繊維は通常、 エポキシ樹脂などのマトリックス材料と結合して 炭素繊維強化ポリマー (CFRP) を形成します。この材料の弾性 率と引張強さは その重要な性能指標であり、高速回転による巨大な応力に耐える能力を直接決定します。

炭素繊維の性能を最適化するために、 プリプレグテープ乾式巻き取り成形技術 がよく使用されます。この方法では、マンドレルに巻き付ける前に、あらかじめ含浸させたプリプレグテープを粘稠な状態まで加熱して軟化させます。巻線張力が圧縮されると各層が接着し、 含浸均一性や成形精度が大幅に向上し、製品の品質が向上します。

03 ラッピング工程公開

ラッピングプロセスは、カーボンファイバー保護スリーブを形成する鍵となります。用途のニーズと材料特性に基づいて、主に次の 2 つのラッピング方法があります。

ウェットラッピング では、炭素繊維の束を樹脂に浸し、張力を制御しながらマンドレルに直接巻き付けます。コストは低いが、 樹脂流動効果や精度制御の難しさなどの課題に直面している.

ドライラッピングでは 、マンドレルに巻き付ける前に加熱して軟化させる、あらかじめ含浸させたプリプレグテープを使用します。この方法は、 樹脂含有量がより安定し、品質の一貫性が高いため、高性能用途に特に適しています。

研究によると、湿式ラッピングと比較して、乾式ラッピングでは容器の製造効率が 30%向上し、樹脂含有量が 20%削減され、総欠陥面積が 40%減少します。.

04 巻き角度と層数

カーボンファイバーラッピング 高速モーターのローターは ランダムに積み重ねられるものではありません。巻き付け角度と層数の設計は、最終製品の機械的特性に直接影響します。

典型的なラッピング デザインでは、 さまざまな角度で複数の層を組み合わせて使用​​することがよくあります。たとえば、高速モーター用複合スリーブの特許では、スリーブが放射状に 3 つの層に分割されています。内層と外層は無アルカリガラス繊維布で、中間層は炭素繊維です。

中間層の炭素繊維はさらに 2 つの副層に分かれています。内側の炭素繊維束は 円周方向に ±88°で巻かれ、外側の炭素繊維束はで巻かれています 円周方向に ±65°。この設計は、半径方向と円周方向の応力分布のバランスをとることを目的としています。

マイクロガスタービン用の高速永久磁石モーターの研究において、研究者らは、 3 つの炭素繊維層すべてを 90 度の円周方向に巻いた場合、永久磁石がより良好な圧縮状態にあり、プロトタイプの製造に適していることを発見しました。

05 挑戦と革新

高速モーターローターのカーボンファイバーラッピング技術は、いくつかの課題に直面しています。 高温環境下での材料特性の変化は 重要な問題です。

マイクロガスタービン用高速永久磁石モータの研究において、温度上昇を考慮したモーダル解析を行ったところ、永久磁石ロータの固有振動数は 8.3%以上低下することがわかりました。 高温状態においてまた、高温は弾性率などの材料特性の変化を引き起こし、ローターの剛性に影響を与えます。

ラッピングプロセスの一貫性と精度 もまた課題です。 Cygnet Texkimp や Bowman Power などの企業は、高圧巻線の速度、精度、再現性を向上させるソリューションの開発に協力しています。

公差制御と表面粗さの問題に対処するために、Tianweilan E-Drive Technology は革新的な方法を提案しました。まず、金型の内面にゲルコートをスプレーして硬化させます。次に、このモールドを巻線ローター本体の外側に入れ子にします。最後に、熱を加えてカーボンファイバーを硬化させ、ゲルコートと一体化させます。この方法により、従来の研削および研磨プロセスに伴う潜在的なフィラメント破損の問題が回避されます。

06 展望と応用

今後を展望すると、高速モーター分野における炭素繊維ラッピング技術の開発傾向は明らかです。 自動化とインテリジェンスのレベルは さらに高まります。

高度な制御、センシング、ロボット技術を統合することで、炭素繊維複合製品の性能の安定性と一貫性が向上するだけでなく、生産効率が大幅に向上し、コストが削減されます。

炭素繊維ラッピング技術はなど、さまざまな分野での応用可能性をすでに示しています 、新エネルギー車、航空宇宙、スポーツ・レジャー製品、医療機器。特に自動車分野では、 水素貯蔵タンクと高速永久磁石モーターローターが 重要な応用方向です。

電気自動車における高出力密度の駆動システムの需要が高まるにつれ、炭素繊維ラッピング技術がますます重要な役割を果たすことになります。

SDM チームは、定格出力 150 kW、定格速度の高速永久磁石モーターの強度シミュレーションを実施しました 30,000 r/min。カーボンファイバーラッピング技術を使用することで、高速回転中にすべてのローターコンポーネントが安全な強度制限内に留まるようにすることに成功しました。

エンジニアは、古代ローマの建築業者が各石の耐荷重を注意深く計算するのと同じように、各カーボンファイバー層の敷設角度と張力制御を注意深く検査します。しかし、彼らが戦う遠心力は、 も数千倍強力です。 石自体の重量より

このモーターが最終的に設計速度で動作すると、各カーボンファイバーは 1 秒間に数百回の応力変化を経験します。それでも、内部の永久磁石と鉄心を保護しながら、万里の長城のようにしっかりと立ち上がらなければなりません。