【专利说】碳纤维转子真是攀科技！

NE时代新能源/李勇更新于 2024-11-14 09:17:44

随着新能源汽车技术的不断进步，对车用电机性能的要求也在日益提升，特别是在效率、功率和转速方面。在这种技术背景下，转子作为电机的核心部件，其设计和材料选择变得尤为关键。

为了避免电机中的转子在高速转动时因离心力发生损坏，给转子上碳纤维护套作为一种增加转子结构强度的方法开始进入大众视野。转速达到27000rpm以上，如何固定磁钢，防止磁钢在离心力作用下飞出而使转子发生严重的形变甚至爆裂，一直都是工程师们关注的重点。本期专利说就来说说碳纤维的转子护套是怎么缠绕的、有什么工艺以及这里面的一些弯弯绕绕！

来源：中复神鹰

这里先回答一下题目所提到的问题，碳纤维转子到底是不是车企跟风模仿攀科技的成果，答案显然是NO！我们都知道碳纤维转子匹配的是电机高速化的需求，也是应付高转速下离心力带来的机械应力的方法，当然方法不止一种，目前除了碳纤维转子护套还有高强度硅钢以及金属护套。

其中金属护套密度高、重量大还需要热套工艺，成本高又复杂效果也不尽人意，高强度硅钢采用的固溶和析出等强化机制抗拉强度是有突破，但是目前也只是突破到了1000MPs，而且成本也不小，磁性和铁损上还存在一些问题，碳纤维在的抗拉强度可达5000MPs，满足小型化和轻量化的大趋势需求，目前看是最优解，但是成本问题以及工艺难度确实也是一座大山，碳纤维转子技术的研发和应用需要高度的技术实力和产业支撑，且要求企业具备从碳纤维材料、结构设计、电磁设计、成型装配工艺、装备制造及检验检测在内的全方位技术能力。

具体来看看啥事碳纤维转子！其实就是在转子上套一个碳纤维护套，这个碳纤维护套可以是以丝束状或条带状的形式缠绕到转子表面，也可以以碳纤维预浸料布的形式成片地缠绕到转子表面，最终形成套筒状结构。

为了使碳纤维在转子表面得到固定，通常使用树脂来对碳纤维进行固化。根据缠绕过程中固化工艺的不同，又可以将缠绕工艺分为湿法缠绕和干法缠绕。

■湿法缠绕是在缠绕过程中，在碳纤维上加液态的树脂，在张力控制器对纤维张力的控制下，将纤维束缠绕到芯模或者内衬表面上，最后固化成型的方法。

图片来源：网络

■干法缠绕是在碳纤维预浸料上附着有固态的树脂，缠绕过程中对预浸料加热，使树脂软化，之后再对缠绕有碳纤维的转子进行整体固化。因此在缠绕过程中不需要额外添加树脂，可以更好地控制成品的树脂含量和性能。

01.

缠绕方案决定产品质量

从工艺的角度来看，干法缠绕的材料和生产设备成本较高，且材料的可选性和可调控性相对有限，湿法缠绕相比于干法缠绕，其材料以及树脂的选择空间更大，可调性也更好，但在碳纤维湿法缠绕工艺中，浸有液态树脂的碳纤维带在转子表面以一定的重叠率螺旋叠绕在一起，彼此重叠的纤维带容易挤压纤维带中的树脂，从而使得转子表面各处的树脂含量（也称含胶量）不均匀，并最终导致固化后的转子表面不平整。

天蔚蓝电驱动的这项专利（公开号：CN118659597A）通过在缠绕过程中逐层施加树脂，避免了传统湿法缠绕中树脂分布不均的问题，从而提高了最终产品的质量和性能。

其缠绕方法是将纤维带以螺旋的方式一层一层地缠绕铁芯外部，形成一个保护性的外套。每一层纤维带都是以螺旋的形式缠绕上去的，这意味着每一圈纤维带都会与上一圈有部分重叠，这种重叠形成了螺旋状的重叠区域。在每层缠绕的过程中，当纤维带已经固定在某个位置，并且不会再被同一层中接下来的纤维带所覆盖的部分，被称为缠绕完成区段。纤维带在缠绕前表面未附着树脂，但是，在每层缠绕的过程中，一旦纤维带的一部分成为了缠绕完成区段，就会在这个区段的表面均匀地涂覆上液态树脂。

总结一下这项专利的缠绕方法：

◎ 准备阶段：准备未浸渍树脂的碳纤维带。准备施胶装置（如喷嘴或刷子）。

◎ 初始缠绕：开始将碳纤维带螺旋缠绕在转子铁芯外周，形成第一层纤维。在每层纤维缠绕的前期，不施加树脂。

螺旋缠绕与重叠区域：纤维护套的每一层由纤维带螺旋缠绕而形成。相邻两圈纤维带之间形成螺旋环状的重叠区域。

缠绕完成区段的定义：在每层缠绕中，将已绕至铁芯外周确定位置的、且不再会被同层的相邻圈覆盖的纤维带区段定义为缠绕完成区段。

◎ 施胶阶段：当每层纤维缠绕过半后或接近倒数几圈时，启动施胶装置，开始给该层的缠绕完成区段施加树脂。施胶方向可以从轴向一端向另一端推进，也可以从轴向中间向两边推进，具体路径和速度可根据实际情况调整。

◎ 施胶完成：在每层纤维缠绕完成后，暂停一小段时间，让最后完成施胶区域的树脂有一定的凝固时间。继续缠绕下一层纤维，重复上述步骤。

在每层施胶完成后，缠绕可以暂停一小段时间，以使最后完成施胶区域的树脂半固化。也可以使用加热装置（如热风机、加热丝等）或紫外线、化学催化剂等方法来加速树脂的半固化过程。

◎最终固化：在整个纤维护套缠绕完成后，将转子连同纤维护套一起放置到烘箱中加热，使纤维护套内的树脂完全固化。

还有一种实施案例算是一种变种吧，是在每一层缠绕过程中，施胶开始的时间和缠绕开始的时间之间的间隔很短。施胶速度与缠绕速度几乎相同，但在位置上间隔一个相位差。整个施胶过程所遵循的原则是施胶区域是本层的缠绕完成区段的表面，且胶在施胶区域分布均匀。

此项专利将碳纤维的湿法缠绕改进为缠绕前纤维不附着液态树脂，而是逐层地动态地在缠绕完成区段施加树脂，使得每层的纤维带的重叠区域的树脂与非重叠区域的树脂是均匀分布的，最终形成的碳纤维护套厚度均匀、表面平整。在每层缠绕过程中，及时使得施胶区域实现半固化，能进一步避免树脂由于纤维带的层间挤压而分布不均匀。

02.

固化工艺有啥说法

目前，湿法缠绕的碳纤维护套主要采用热固性环氧树脂作为缠绕胶黏剂，通过湿法缠绕浸渍液体环氧树脂的碳纤维或者将预先制备成半固化的碳纤维预浸料进行缠绕，再加热固化后成型。但是缠绕过程中树脂胶液浪费大，生产环境差，含胶量及纤维张力不易控制，可供湿法缠绕的树脂胶液品种少，且纤维分布一致性差。

而干法交叉缠绕在缠绕过程中每缠一圈会压住上一圈，完成一层缠绕后表面不平整，缠下一层时会有空气被包覆进去形成气泡，缠绕过程中需要对预浸料进行加热，加热装置与转子的距离及环境温度要求比较高，同样纤维分布一致性差。

相比“碳纤维缠绕后需要刷树脂进行固化”的碳纤维湿式缠绕法，小米的激光原位固化缠绕工艺，不是采用碳纤维原丝和树脂胶水，而是碳纤维预浸带，在同一工站设备上边缠绕边利用激光实现碳纤维预浸带的固化。

来源：小米汽车

虽然小米预研的激光原位固化缠绕工艺还无法完全一窥全貌，但是在天蔚蓝的专利中也找到了一项电机转子及其制造方法的专利（CN117543860A），此专利旨在提供一种电机转子及其制造方法，特别是针对高速永磁电机，通过增强碳纤维保护套与转子铁芯之间的界面黏合强度，确保碳纤维保护套在电机高速运转时能够有效固定磁钢并防止转子形变或爆裂。

■其技术方案如下，通过设置凹槽结构，可以使碳纤维束至少部分嵌设在凹槽内，增加转子铁芯与碳纤维保护套之间的接触面积，有助于提高二者之间的连接强度和稳定性，以实现更好的界面结合。

此专利具体碳纤维束的直径为0.05-1mm，凹槽槽口的宽度为0.05-1mm，凹槽的深度为0.015-0.6mm。当然凹槽槽口的宽度要小于凹槽的最大宽度；也就是说，凹槽为锁扣结构，碳纤维束进入凹槽后能够被更好地固定。

嵌设在凹槽内的碳纤维束的嵌入部分高度至少是碳纤维束直径的三分之一，相对于碳纤维束全部嵌入到凹槽内，部分碳纤维单丝裸露在凹槽外，可以增加内层碳纤维束与外层碳纤维束的接触面积，并且在转子旋转工作时，内层碳纤维束因为凹槽的限制作用产生一个用于抵消部分离心力的朝向轴心方向的拉力，使得内层碳纤维束与外层碳纤维束结合的更加牢固。

也可以在纤维布与碳纤维束的接触面涂覆有胶黏剂，纤维布背离碳纤维束的一面涂覆有偶联剂；此种方式可以以纤维布为载体将多根碳纤维束粘结在一起，使得碳纤维保护套与转子铁芯粘结的更加牢固。

碳纤维束由若干碳纤维单丝加捻而成，一方面使得碳纤维束更好的固定在凹槽内，即碳纤维束在嵌入到凹槽内时不会因为变形发生破裂，保证了碳纤维束的完整性；另一方面，胶黏剂能够更好地将碳纤维束粘结到凹槽内，这是因为相对于未成捻的碳纤维束，捻形的碳纤维束表面平整度降低，粗糙度变大，胶黏剂可以更好地将碳纤维束固定在凹槽内。

■其制造方法如下，首先对成型转子铁芯的凹槽内表面进行激光氧化处理；然后将碳纤维束缠绕在经处理后的转子铁芯外侧，使处于最内层的全部或者部分碳纤维束嵌入到凹槽内，嵌入部分的高度至少是碳纤维束直径的三分之一，加热固化后得到电机转子。

其中通过激光氧化可以改变凹槽内表面的化学性质，使得碳纤维束上胶黏剂接触到经激光氧化处理的凹槽内表面后，二者之间形成C—O键、H—O键、Si—O键、Ti—O键等化学键，增加碳纤维保护套与转子铁芯之间的结合力，使得碳纤维保护套更加牢固；采用激光处理也可以加工出适应各种尺寸碳纤维束的凹槽，简单便捷，并且可以随时进行参数调整以适应不同的工况，确保碳纤维保护套更加平整地覆盖在转子铁芯表面，增强碳纤维保护套的性能。

上述的带纤维布方案，其工艺是将纤维布包覆在转子铁芯表面，其中，纤维布与转子铁芯的接触面上涂覆有偶联剂，另一面涂覆有胶黏剂，然后将浸渍胶黏剂的碳纤维束缠绕到纤维布涂覆有胶黏剂的一面，使处于最内层的全部或者部分碳纤维束嵌入到凹槽内，嵌入部分的高度至少是碳纤维束直径的三分之一，加热固化后得到电机转子。

其中碳纤维束中添加的胶黏剂包括环氧树脂和偶联剂，偶联剂的添加量为0.1-1wt%；偶联剂为环氧基硅烷偶联剂或钛酸四丁酯偶联剂。

◎纤维布的材质可以是尼龙、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或聚苯硫醚纤维

■碳纤维单丝的型号可以为T300、T700、T800或T1000

■环氧树脂的型号为Epikote828

■环氧基硅烷偶联剂的型号为KH-560

■钛酸四丁酯偶联剂为工业级

◎ 激光氧化处理的条件为：激光器功率100-1000W，激光光束直径0.05-1mm，线间距0.05-0.2mm，扫描速度500-3000mm/s，频率15-25kHz。

◎碳纤维束的缠绕条件为：缠绕张力100-300N，刮刀间隙0.05-0.15mm，缠绕速度5000-7000mm/min。

此专利也给了5个实施例（后面有总结图表）

◎实施例1：对成型转子铁芯的凹槽内表面进行激光氧化处理，激光参数为：激光器功率300W，激光光束直径0.2mm，线间距0.1mm，扫描速度1500mm/s，频率20kHz，得到的凹槽最大宽度为0.25m。

将浸渍胶黏剂的碳纤维束缠绕在经激光氧化处理后的转子铁芯外侧，其中胶黏剂包括环氧树脂和环氧基硅烷偶联剂，环氧基硅烷偶联剂的添加量为1wt%，缠绕张力为200N，刮刀间隙为0.1mm，缠绕速度为6000mm/min，使处于最内层的碳纤维束中一部分嵌入凹槽内，其余的碳纤维束不嵌入凹槽内，嵌入部分的高度是碳纤维束直径的二分之一，在160℃下加热固化3h，得到树脂含量为25wt%的碳纤维转子。经过25000rpm超速实验后，转子直径塑性形变为0.05mm。

◎实施例2：对成型转子铁芯的凹槽内表面进行激光氧化处理，激光参数为：激光器功率500W，激光光束直径0.4mm，线间距0.15mm，扫描速度2000mm/s，频率20kHz，得到的凹槽最大宽度为0.45mm。

将浸渍胶黏剂的碳纤维束缠绕在经激光氧化处理后的转子铁芯外侧，其中胶黏剂包括环氧树脂和钛酸四丁酯偶联剂，钛酸四丁酯偶联剂的添加量为1wt%，缠绕张力为200N，刮刀间隙为0.1mm，缠绕速度为6000mm/min，使处于最内层的碳纤维束中全分嵌入凹槽内，嵌入部分的高度是碳纤维束直径的三分之一，在160℃下加热固化3h，得到树脂含量为25wt%的碳纤维转子。经过25000rpm超速实验后，转子直径塑性形变为0.06mm。

◎实施例3：对成型转子铁芯的凹槽内表面进行激光氧化处理，激光参数为：激光器功率500W，激光光束直径0.4mm，线间距0.15mm，扫描速度2000mm/s，频率20kHz，得到的凹槽最大宽度为0.45mm；

将由碳纤维束制成的含有B阶段树脂的碳纤维预浸带缠绕在经激光氧化处理后的转子铁芯外侧，缠绕速度为6000mm/min，使处于最内层的碳纤维束中一部分嵌入凹槽内，其余碳纤维束不嵌入，嵌入部分的高度是碳纤维束直径的三分之一，在160℃下加热固化3h，得到树脂含量为25wt%的碳纤维转子。经过25000rpm超速实验后，转子直径塑性形变为0.08mm。

◎实施例4：与实施例1的不同之处在于：胶黏剂中未包含环氧基硅烷偶联剂。经过25000rpm超速实验后，转子直径塑性形变为0.13mm。

◎实施例5：与实施例1的不同之处在于：其中，纤维布与转子铁芯的接触面上涂覆有环氧基硅烷偶联剂，另一面涂覆有胶黏剂，胶黏剂包括环氧树脂和环氧基硅烷偶联剂，环氧基硅烷偶联剂的添加量为1wt%；将浸渍胶黏剂的碳纤维束缠绕到纤维布涂覆有胶黏剂的一面，缠绕张力为200N，刮刀间隙为0.1mm，缠绕速度为6000mm/min，使处于最内层的碳纤维束中一部分嵌入凹槽内，其余碳纤维束不嵌入，嵌入部分的高度是碳纤维束直径的三分之一，在160℃下加热固化3h，得到树脂含量为25wt%的碳纤维转子。经过25000rpm超速实验后，转子直径塑性形变为0.04mm。