電動汽車技術(shù)的進步，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)化為汽車推進力的電動機也同樣重要。多年來，永磁電動機這類電動汽車用的電動機，已采用了一種繞轉(zhuǎn)子纏繞而成的碳纖維增強熱固性塑料的套筒。這種套筒可防止轉(zhuǎn)子組件在高速轉(zhuǎn)動時飛散分離。但最新的進展是，美國Trelleborg Sealing Solutions公司（以下簡稱Trelleborg）利用熱塑性樹脂的優(yōu)勢改進了套筒設計，提高了電動機的效率，可能很快就能將其設計用于量產(chǎn)的電動汽車電動機中。

 

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

 

 

    用于電動汽車的電動機通過電磁力運轉(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)動傳動系統(tǒng)。

 

    在感應電動機中，導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。 

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

 

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

 

 

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

碳纖維增強熱塑性塑料的套筒：采用自動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/熱塑性復合材料。預緊的復合材料即使在高轉(zhuǎn)速的應用（如永磁電動機）中也能保持位置不變（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    為滿足電動汽車應用的高性能要求，套筒由碳纖維增強PEEK預浸帶制成。與其他材料和工藝相比，用于Trelleborg熱塑性復合材料套筒的材料和工藝帶來了更大的設計自由度。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、耐疲勞性和耐化學性等，使其非常適應電動汽車動力傳動系統(tǒng)所處的惡劣工作環(huán)境。

與設計相適應的AFP/ISC工藝：Trelleborg的生產(chǎn)工藝提供了新的設計自由度，比如，可以實現(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，還能一步制成復合材料的永磁電動機套筒（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

    薄壁是Trelleborg的設計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，電動機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度的同時還要盡量薄。采用Trelleborg的設計生產(chǎn)的套筒，要比采用熱固性復合材料制成的套筒薄，每單位厚度的強度要比鋼制套筒更強。Trelleborg的項目經(jīng)理Graham Ostrander預計，用于電動汽車電動機的套筒將有5到20層厚。

 

    另一個重要的性能特征是，與鋼相比，碳纖維增強復合材料的導電率要低得多，電導率低可減少對磁場的干擾。薄的壁厚與低的電導率相結(jié)合，為碳纖維/PEEK 的套筒最大程度地提高永磁電動機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，因此套筒設計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力對于永磁電動機的性能和耐久性至關重要。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)需要添加軸向增強層（按90°鋪放）以增加彎曲剛度，Trelleborg的AFP機器能以任何角度鋪放3～25mm寬的預浸帶。

提高產(chǎn)出：AFP/ISC技術(shù)能同時纏繞多個轉(zhuǎn)子，該機器能將兩個轉(zhuǎn)子端對端地排成一條直線，編程后同時進行纏繞（圖片來自Trelleborg Sealing Solutions） 

 

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

 

    “這種復合材料的高拉伸強度允許轉(zhuǎn)子以高于任何粘合劑可支撐的更高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。”他補充道。碳纖維的低熱膨脹系數(shù)（CTE）也是導致套筒與轉(zhuǎn)子之間實現(xiàn)強力機械結(jié)合的一個因素，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)常會追求“為制造而設計”，即對產(chǎn)品的設計進行調(diào)整，以使制造更加方便、快捷且成本更低。然而，針對永磁電動機的套筒，有人可能會將Trelleborg的工藝描述為“為設計而制造”，甚或是“為制造而設計的制造”。也就是說，Trelleborg的工程師們發(fā)明了一種制造方法，減少了對產(chǎn)品設計的一些限制，這種設計自由度反過來又使制造流程更有效率。

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

 

    Trelleborg的AFP既可鋪放熱固性復合材料預浸料，也可鋪放熱塑性復合材料預浸料，當然，原位固結(jié)只適用于熱塑性塑料。針對這些套筒應用，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，它提高了這項加工的速度和效率。

 

    這項加工的一個重要特征是，可以對局部進行短時加熱。高溫會使轉(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，加熱的時間也要非常非常短。”Ostrander 解釋道，“我們的工藝不會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強調(diào)說。鋪放頭對其正在鋪放的材料以及下面的基材進行加熱，并在樹脂熔化時施加壓力，這使得聚合物鏈能夠在鋪放的帶材與基材之間擴散，創(chuàng)造完整的粘接。

 

    激光加熱的多次應用：在第一次鋪放帶材時首次應用激光加熱，然后在采用AFP在此區(qū)域鋪放后續(xù)的層時再次進行激光加熱，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PEEK預浸料，而PEEK的熔化溫度是343℃，因此，夾合處的溫度設置通常比熔化溫度高60～120℃。“關鍵是要低于該聚合物的降解溫度。”他說。

旋轉(zhuǎn)試驗：為了驗證機械膨脹、轉(zhuǎn)子動力和旋轉(zhuǎn)損耗的解析模型，對飛機轉(zhuǎn)子原型進行了測試。轉(zhuǎn)子成功地實現(xiàn)了18000 r/min的旋轉(zhuǎn)，比預定的轉(zhuǎn)速快20%（圖片來自伊利諾伊大學香檳分校） 

 

    原位固結(jié)熱塑性復合材料使得Trelleborg能夠在一步操作中在轉(zhuǎn)子上纏繞出永磁電動機的套筒。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行二次固結(jié)，纖維的體積含量通常達60%。“只要完成部件的纏繞，就可以進行最終的加工了。”Ostrander說道。Trelleborg的工藝允許將一系列不同的生產(chǎn)步驟組合在一個操作中，這提高了生產(chǎn)的總體效率。

 

    相比之下，熱固性復合材料的套筒需要多個加工步驟：熱固性復合材料的套筒必須與轉(zhuǎn)子分開制造，因為加熱爐或熱壓罐固化會有損磁體。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合材料的套筒做得與熱塑性復合材料的套筒一樣薄。因為熱塑性復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：“當你把這些材料鋪放到位時，你會發(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，由于熱塑性預浸料幾乎無使用期限制，因此可將原位固結(jié)工藝擴展到用于制造飛機那么大的結(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纏繞，從而提高了產(chǎn)出并降低了成本。

 

 

    稀土金屬的價格使得永磁電動機的成本居高不下，這可能會影響永磁電動機在電動汽車上的應用。雖然如此，永磁電動機依然具有很強的吸引力，因為與感應電動機相比，其效率、扭矩和提供的續(xù)航里程都更大。因此，永磁電動機會被越來越多的電動汽車制造商所采納，而像Trelleborg的熱塑性復合材料套筒這類先進技術(shù)，將助力這一市場發(fā)展進程。