電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步，提升了車輛的性能和續(xù)航里程。雖然占據(jù)頭條新聞的大多是電池技術(shù)，但是，將電池電能轉(zhuǎn)化為汽車推進(jìn)力的電動(dòng)機(jī)也同樣重要。多年來，永磁電動(dòng)機(jī)這類電動(dòng)汽車用的電動(dòng)機(jī)，已采用了一種繞轉(zhuǎn)子纏繞而成的碳纖維增強(qiáng)熱固性塑料的套筒。這種套筒可防止轉(zhuǎn)子組件在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飛散分離。但最新的進(jìn)展是，美國Trelleborg Sealing Solutions公司（以下簡稱Trelleborg）利用熱塑性樹脂的優(yōu)勢改進(jìn)了套筒設(shè)計(jì)，提高了電動(dòng)機(jī)的效率，可能很快就能將其設(shè)計(jì)用于量產(chǎn)的電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)中。

 

    在電動(dòng)汽車市場中，最近已有幾款量產(chǎn)車型選用了永磁電動(dòng)機(jī)而不是更普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這些車型包括特斯拉Model 3 及雪佛蘭Bolt和雪佛蘭Volt。雖然感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的成本相對(duì)較低且可靠性高，但永磁電動(dòng)機(jī)卻能提供更高的功率密度和更輕的重量。

 

 

    用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)通過電磁力運(yùn)轉(zhuǎn)。通過施加交流電，在靜止的部件即定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，定子圍繞的旋轉(zhuǎn)部件即轉(zhuǎn)子被磁化。這樣，就在兩個(gè)組件之間產(chǎn)生磁力的相吸和相斥，迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。

 

    在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，導(dǎo)體如銅或鋁是被纏繞或嵌入在轉(zhuǎn)子的鋼制層壓套筒內(nèi)，定子的交流電流感應(yīng)轉(zhuǎn)子的磁場。而永磁體轉(zhuǎn)子是將永磁體包裹或粘接到轉(zhuǎn)子上來產(chǎn)生自己的磁場。 

永磁電動(dòng)機(jī)通過嵌入磁體產(chǎn)生自己的電磁場，而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)則是通過電池的電力被磁化（圖片來自newenergyandfuel.com） 

 

    永磁電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率高，這是因?yàn)楦袘?yīng)轉(zhuǎn)子需要消耗電能來產(chǎn)生磁場，而永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不需要。永磁電動(dòng)機(jī)還提供了高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度:與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)能以更小的機(jī)型、更輕的重量為電動(dòng)汽車提供所需的功率和扭矩，使電動(dòng)汽車具有更高的性能和更長的續(xù)航里程。永磁電動(dòng)機(jī)還具有低噪聲的特點(diǎn)，這對(duì)于電動(dòng)汽車市場是一大吸引力。

 

 

    將一種連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸料直接纏繞在永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，即制成了Trelleborg的熱塑性復(fù)合材料套筒。采用該公司的自動(dòng)纖維鋪放（AFP）和原位固結(jié)技術(shù)（ISC）等生產(chǎn)工藝制成的套筒，適用于電動(dòng)汽車用永磁電動(dòng)機(jī)和幾乎任何其他應(yīng)用所需的永磁電動(dòng)機(jī)，制成的套筒尺寸從適配直徑不到2.5cm的轉(zhuǎn)子，一直到適配一個(gè)原型電動(dòng)機(jī)（為商用單通道飛機(jī)的推進(jìn)器而設(shè)計(jì)）的33cm直徑的轉(zhuǎn)子。

碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的套筒：采用自動(dòng)纖維鋪放和原位固結(jié)技術(shù)，Trelleborg 直接在金屬結(jié)構(gòu)上纏繞碳纖維/熱塑性復(fù)合材料。預(yù)緊的復(fù)合材料即使在高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用（如永磁電動(dòng)機(jī)）中也能保持位置不變（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    為滿足電動(dòng)汽車應(yīng)用的高性能要求，套筒由碳纖維增強(qiáng)PEEK預(yù)浸帶制成。與其他材料和工藝相比，用于Trelleborg熱塑性復(fù)合材料套筒的材料和工藝帶來了更大的設(shè)計(jì)自由度。這種碳纖維/PEEK套筒所替代的產(chǎn)品包括上述的熱固性復(fù)合材料套筒以及鋼制套筒。這種熱塑性基體材料的特性，如卓越的韌性以及耐磨性、耐疲勞性和耐化學(xué)性等，使其非常適應(yīng)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)所處的惡劣工作環(huán)境。

與設(shè)計(jì)相適應(yīng)的AFP/ISC工藝：Trelleborg的生產(chǎn)工藝提供了新的設(shè)計(jì)自由度，比如，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的薄、厚纏繞而不產(chǎn)生纖維波紋或屈曲，還能一步制成復(fù)合材料的永磁電動(dòng)機(jī)套筒（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    薄壁是Trelleborg的設(shè)計(jì)和工藝帶來的重要優(yōu)勢。轉(zhuǎn)子套筒增加了轉(zhuǎn)子磁體與定子之間的距離，該間隙越大，電動(dòng)機(jī)的電磁功率和效率就越低，也就是說，理想的套筒要在提供高強(qiáng)度的同時(shí)還要盡量薄。采用Trelleborg的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的套筒，要比采用熱固性復(fù)合材料制成的套筒薄，每單位厚度的強(qiáng)度要比鋼制套筒更強(qiáng)。Trelleborg的項(xiàng)目經(jīng)理Graham Ostrander預(yù)計(jì)，用于電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的套筒將有5到20層厚。

 

    另一個(gè)重要的性能特征是，與鋼相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)電率要低得多，電導(dǎo)率低可減少對(duì)磁場的干擾。薄的壁厚與低的電導(dǎo)率相結(jié)合，為碳纖維/PEEK 的套筒最大程度地提高永磁電動(dòng)機(jī)的功率密度提供了幫助。

 

    由于轉(zhuǎn)子以極高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此套筒設(shè)計(jì)還必須防止徑向力引起的疲勞或突然失效。構(gòu)成永磁體的稀土金屬是脆性的，所以在旋轉(zhuǎn)過程中減小磁體的應(yīng)力對(duì)于永磁電動(dòng)機(jī)的性能和耐久性至關(guān)重要。為處理這些徑向力，用于轉(zhuǎn)子的絕大多數(shù)層按0°鋪放，但也可以根據(jù)需要添加軸向增強(qiáng)層（按90°鋪放）以增加彎曲剛度，Trelleborg的AFP機(jī)器能以任何角度鋪放3～25mm寬的預(yù)浸帶。

提高產(chǎn)出：AFP/ISC技術(shù)能同時(shí)纏繞多個(gè)轉(zhuǎn)子，該機(jī)器能將兩個(gè)轉(zhuǎn)子端對(duì)端地排成一條直線，編程后同時(shí)進(jìn)行纏繞（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    要承受徑向力，關(guān)鍵是要預(yù)緊復(fù)合材料。對(duì)此，Trelleborg目前的AFP機(jī)器能夠產(chǎn)生0.5t的張力（只有在鋪放連續(xù)纖維預(yù)浸料時(shí)才使用）。“這種預(yù)緊力產(chǎn)生了一種像壓應(yīng)力一樣的環(huán)形壓力，可使復(fù)合材料的套筒保持在被纏繞部件的上方。”Ostrander介紹說。

 

    “這種復(fù)合材料的高拉伸強(qiáng)度允許轉(zhuǎn)子以高于任何粘合劑可支撐的更高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。”他補(bǔ)充道。碳纖維的低熱膨脹系數(shù)（CTE）也是導(dǎo)致套筒與轉(zhuǎn)子之間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力機(jī)械結(jié)合的一個(gè)因素，由于質(zhì)量輕，還可以提升加、減速。

 

    理想的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁體重量共同決定了所需的張力。“預(yù)緊的纏繞可使套筒在更寬泛的溫度范圍內(nèi)（-40～80°C）保持在轉(zhuǎn)子上。”Ostrander 介紹說。

 

 

    近年來，工程界經(jīng)常會(huì)追求“為制造而設(shè)計(jì)”，即對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以使制造更加方便、快捷且成本更低。然而，針對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的套筒，有人可能會(huì)將Trelleborg的工藝描述為“為設(shè)計(jì)而制造”，甚或是“為制造而設(shè)計(jì)的制造”。也就是說，Trelleborg的工程師們發(fā)明了一種制造方法，減少了對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一些限制，這種設(shè)計(jì)自由度反過來又使制造流程更有效率。

航空應(yīng)用：作為Trelleborg與電動(dòng)汽車制造商合作開發(fā)的連續(xù)，該公司為驗(yàn)證737電動(dòng)飛機(jī)的概念研究而提供了幫助。在此介紹的采用碳纖維/PEEK套筒的永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，是由NASA資助并由伊利諾伊大學(xué)的研究人員創(chuàng)造和測試的（圖片來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校） 

 

    Trelleborg的AFP既可鋪放熱固性復(fù)合材料預(yù)浸料，也可鋪放熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料，當(dāng)然，原位固結(jié)只適用于熱塑性塑料。針對(duì)這些套筒應(yīng)用，固結(jié)是由激光加熱系統(tǒng)完成的，與傳統(tǒng)的熱氣槍（HGT）加熱相比，它提高了這項(xiàng)加工的速度和效率。

 

    這項(xiàng)加工的一個(gè)重要特征是，可以對(duì)局部進(jìn)行短時(shí)加熱。高溫會(huì)使轉(zhuǎn)子消磁，使其無法使用。“即使我們用高溫將聚合物熔化粘接在一起，加熱的時(shí)間也要非常非常短。”Ostrander 解釋道，“我們的工藝不會(huì)使我們正在纏繞的部件的凈溫度升高幾攝氏度以上。”

 

    熱塑性復(fù)合材料的套筒是直接在磁性轉(zhuǎn)子的表面上纏繞完成的。“我們擁有一種特殊工藝，能夠在部件上鋪放復(fù)合材料并使之固定到位，無需任何粘合劑或其他粘接到部件表面的方式。”Ostrander強(qiáng)調(diào)說。鋪放頭對(duì)其正在鋪放的材料以及下面的基材進(jìn)行加熱，并在樹脂熔化時(shí)施加壓力，這使得聚合物鏈能夠在鋪放的帶材與基材之間擴(kuò)散，創(chuàng)造完整的粘接。

 

    激光加熱的多次應(yīng)用：在第一次鋪放帶材時(shí)首次應(yīng)用激光加熱，然后在采用AFP在此區(qū)域鋪放后續(xù)的層時(shí)再次進(jìn)行激光加熱，結(jié)果，獲得了完全結(jié)晶的PEEK樹脂，最大程度地提高了使用期間的穩(wěn)定性。Ostrander表示，將鋪放的材料壓到基材上，在此夾合處，用450℃的溫度加熱碳纖維增強(qiáng)PEEK預(yù)浸料，而PEEK的熔化溫度是343℃，因此，夾合處的溫度設(shè)置通常比熔化溫度高60～120℃。“關(guān)鍵是要低于該聚合物的降解溫度。”他說。

旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)：為了驗(yàn)證機(jī)械膨脹、轉(zhuǎn)子動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)損耗的解析模型，對(duì)飛機(jī)轉(zhuǎn)子原型進(jìn)行了測試。轉(zhuǎn)子成功地實(shí)現(xiàn)了18000 r/min的旋轉(zhuǎn)，比預(yù)定的轉(zhuǎn)速快20%（圖片來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校） 

 

    原位固結(jié)熱塑性復(fù)合材料使得Trelleborg能夠在一步操作中在轉(zhuǎn)子上纏繞出永磁電動(dòng)機(jī)的套筒。采用這種方法制成的結(jié)構(gòu)不需要采用加熱爐或熱壓罐進(jìn)行二次固結(jié)，纖維的體積含量通常達(dá)60%。“只要完成部件的纏繞，就可以進(jìn)行最終的加工了。”Ostrander說道。Trelleborg的工藝允許將一系列不同的生產(chǎn)步驟組合在一個(gè)操作中，這提高了生產(chǎn)的總體效率。

 

    相比之下，熱固性復(fù)合材料的套筒需要多個(gè)加工步驟：熱固性復(fù)合材料的套筒必須與轉(zhuǎn)子分開制造，因?yàn)榧訜釥t或熱壓罐固化會(huì)有損磁體。固化后，再將這些套筒壓到轉(zhuǎn)子上，或者過盈配合到轉(zhuǎn)子上。最后一步是防止將熱固性復(fù)合材料的套筒做得與熱塑性復(fù)合材料的套筒一樣薄。因?yàn)闊崴苄詮?fù)合材料的套筒在固化后不需要被壓到轉(zhuǎn)子上，因而沒有會(huì)損壞薄的套筒的壓力。

 

    Trelleborg的工藝已被用于制造各種類型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，從內(nèi)徑0.5mm到外徑150cm的大小不等的結(jié)構(gòu)。它還制成了兩層薄的以及7.5cm厚的無纖維波紋或屈曲的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，屈曲可能是采用其他固結(jié)方法制成的較厚的層壓結(jié)構(gòu)的一大問題。Ostrander表示：“當(dāng)你把這些材料鋪放到位時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)層間夾有空氣，但采用原位固結(jié)，就能使這些空氣在粘接的過程中被擠出。”此外，由于熱塑性預(yù)浸料幾乎無使用期限制，因此可將原位固結(jié)工藝擴(kuò)展到用于制造飛機(jī)那么大的結(jié)構(gòu)。

 

    無使用期限制還使得Trelleborg的工藝能纏繞很長的部件，對(duì)于轉(zhuǎn)子套筒而言，這意味著可以將一系列的轉(zhuǎn)子排成一條長長的直線來同時(shí)纏繞，從而提高了產(chǎn)出并降低了成本。

 

 

    稀土金屬的價(jià)格使得永磁電動(dòng)機(jī)的成本居高不下，這可能會(huì)影響永磁電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。雖然如此，永磁電動(dòng)機(jī)依然具有很強(qiáng)的吸引力，因?yàn)榕c感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，其效率、扭矩和提供的續(xù)航里程都更大。因此，永磁電動(dòng)機(jī)會(huì)被越來越多的電動(dòng)汽車制造商所采納，而像Trelleborg的熱塑性復(fù)合材料套筒這類先進(jìn)技術(shù)，將助力這一市場發(fā)展進(jìn)程。