電動汽車電機預計將受益于Trelleborg的熱塑性復合材料轉子套筒設計，該設計改進了材料和工藝，以生產輕質、節能的部件。

 

隨著電動汽車(EV)技術的進步，以改善車輛的性能和范圍，電池技術可能會抓住許多頭條新聞，但同樣重要的是電機，將電池能量轉換為車輛推進。多年來，一種稱為永磁電機的電動汽車電機包含了一個碳纖維增強熱固性套管，該套管纏繞在PMM的轉子上。套筒可防止轉子組件在高轉速下飛散。在最近的一項進步中，Trelleborg密封解決方案（美國紐約州奧爾巴尼市）利用熱塑性樹脂的一些優點，開發了一種改進的套筒設計。提高電機效率可能很快推動Trelleborg設計投入生產電動汽車電機。

在電動汽車市場，PMM最近已被選擇用于幾種生產車輛，而不是更常見的感應電機。其中包括特斯拉3型和雪佛蘭 Bolt 和Volt。感應電動機具有相對較低的成本和較高的可靠性，但永磁同步電機提供更高的功率密度和更輕的重量。永磁電機的價格是一個決定性的劣勢，因為永磁體的成本很高，而永磁體通常由稀土金屬制成。因此，提高這些電機效率的每一項進步都是為它們構建業務案例的關鍵。這就是為什么Trelleborg的用于PMM的碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP)套管在電動汽車市場受到認真考慮的原因。

 

電動汽車電機選項。永磁電機通過嵌入磁鐵產生自己的電磁場，這與感應電機不同，感應電機由電池的電能磁化

“我們已經建立了一對套筒在這個市場上的評估，雖然我們不能在這個時候詳細說明，”特里堡產品經理，里德·希斯洛普報告。但電動汽車市場的商業應用似乎即將開始。Trelleborg成熟的復合材料設計和制造技術已被納入PMMs，用于其他商業應用，如工業泵和機床驅動器、井下油氣泵和HVAC設備。

為電動汽車供電

電動汽車電機通過電磁力運行。通過施加交流電，在靜止部件定子中產生旋轉磁場。定子包圍旋轉部件-轉子-也磁化。由此產生的兩個部件之間的磁吸引力和排斥力迫使轉子旋轉并為傳動系統提供動力。

 

CFRTP套管。Trelleborg通過其自動纖維鋪設（AFP）和原位固結，將碳纖維/熱塑性復合材料直接纏繞到金屬結構上。預拉伸復合材料使其即使在高轉速應用（如永磁電機）中也能保持原位

在感應電動機中，導線（如銅或鋁）纏繞或嵌入轉子的疊層鋼筒內，定子的交流電流感應轉子的磁場。另一方面，永磁轉子通過將永磁體包裹或粘結在轉子上而產生自己的磁場。

PMM本質上比感應電機更高效，因為感應轉子消耗電力來產生磁場，而PMM轉子不消耗電力。PMM還提供高功率密度和扭矩密度：與感應電機相比，PMM可以通過更小、更輕的電機提供EV的目標功率和扭矩，從而支持更高性能和更大行駛范圍的關鍵EV目標。PMMs還具有低噪聲產生的特點，這對電動汽車市場具有吸引力。

效率設計

Trelleborg的熱塑性復合材料套管由連續纖維增強預浸料制成，預浸料直接纏繞在PMM轉子上。該公司的制造工藝，自動鋪絲(AFP)與原位固結(ISC --in-situ consolidation)，能夠使套管適用于電動汽車PMM和幾乎任何其他PMM應用。它們的尺寸范圍從直徑小于2.5厘米一直到為商用單通道類飛機推進設計的33厘米直徑的原型電機轉子套筒。

 

AFP/ISC用于設計。Trelleborg的制造工藝提供了新的設計自由度-例如，結構穩定的薄纏繞和厚纏繞，沒有纖維波紋或屈曲。它還可以實現復合PMM套筒的一步制造

為了滿足電動汽車應用的高性能要求，套筒由碳纖維增強聚醚醚酮(PEEK)預浸帶制成。與其他材料和工藝相比，Trelleborg熱塑性復合材料套管的材料和工藝創造了優越的設計自由度。碳纖維/聚醚醚酮套管的替代品包括上述熱固性復合材料版本和鋼版本。熱塑性基體的特性，包括其優越的韌性和耐磨性、耐疲勞性和耐化學品性，使其非常適合電動汽車傳動系統所經歷的惡劣條件。

薄是Trelleborg設計和工藝的關鍵優勢之一。轉子套筒增加了轉子磁體與定子之間的距離，該間隙越大，電機的電磁功率和效率越低。這意味著理想的套筒在盡可能薄的結構中提供高強度。Trelleborg的設計生產了一種套管，這種套管比熱固性復合材料制成的套管更薄，單位厚度的套管比鋼制成的套管更堅固。Trelleborg項目經理格雷厄姆·奧斯特蘭德(G預計電動汽車電機的套筒厚度將為5到20層。

與鋼相比，碳纖維增強復合材料的另一個重要性能特征是導電率低得多。低導電性可減少對磁場的干擾。薄型和低導電性的結合有助于碳纖維/聚醚醚酮套管最大化PMM的功率密度。

由于轉子以非常高的速度旋轉，套筒的設計也必須防止徑向力引起疲勞或突然失效。構成永磁體的稀土金屬是脆性的，因此在旋轉過程中降低磁體上的應力對永磁電機的性能和耐久性至關重要。轉子應用的絕大多數鋪層為0°（環向角），以處理這些徑向力，但也可根據需要加入軸向纖維（90°），以增加彎曲剛度。（Trelleborg的AFP機器能夠以任何角度鋪設3至25毫米寬的預浸帶。）

 

提高吞吐量。AFP/ISC技術可同時適應多個的過卷。與此處所示的一個長圓柱形部件不同，機器將轉子端對端對齊，并編程為同時纏繞所有轉子

承受徑向力的關鍵是預拉伸復合材料-Trelleborg當前的AFP機器能夠承受高達0.5公噸的張力（僅適用于連續纖維預浸料）。奧斯特蘭德說：“這種預張力會產生一個作為壓應力的環向應力，使復合材料套管在被過度纏繞的物品頂部保持原位。”

“這種復合材料的高抗拉強度使得轉子的旋轉速度比任何粘合劑都要快，”他補充道。碳纖維的低熱膨脹系數也是套筒和轉子之間強機械結合的因素，其重量輕，可處理快速加速和減速。

轉子的期望轉速和磁鐵的重量共同決定所需的張力。奧斯特蘭德報告說：“預拉伸纏繞纖維將套筒固定在轉子上，溫度范圍很廣，額定值為-40℃至80℃”。

設計成果：

• 更薄的套筒增加了功率密度。
• 高環向強度確保套筒穩固。
• 熱塑性基質可實現一步過卷工藝。

設計制造

近年來，工程界經常追求“為制造而設計”—對產品的設計進行調整，以便更容易、更快和/或更具成本效益地制造產品。然而，在PMM套筒的情況下，可以將Trelleborg的過程描述為“以設計為導向的制造”，甚至“以制造為目的的設計”。也就是說，Trelleborg工程師開發了一種制造方法，減少了對產品設計的一些限制；而這種設計自由又使得制造流程更加高效。

 

航空航天應用。隨著Trelleborg繼續與電動汽車制造商開展開發工作，該公司已幫助737級電動飛機進行概念驗證研究。PMM轉子，帶有碳纖維/聚醚醚酮套管，由美國宇航局資助的伊利諾伊大學研究人員制造和測試。

Trelleborg的AFP可用于熱固性或熱塑性復合預浸料，但現場固結僅用于熱塑性塑料。對于套筒應用，使用激光加熱系統進行固結，與傳統熱氣炬加熱相比，該系統提高了該過程的速度和效率。

該工藝的一個重要特點是局部加熱，加熱時間短。高溫會使轉子退磁，使其無法使用。奧斯特蘭德解釋說：“盡管我們使用高熱將聚合物熔化在一起，但加熱的時間非常非常短。”。“我們的工藝不會使過度纏繞零件的凈溫度升高超過幾攝氏度。”

熱塑性復合套管的纖維直接纏繞在磁轉子表面進行。奧斯特蘭德強調：“我們有一種特殊的工藝，可以將復合材料放置在零件上，使其保持原位，而無需任何粘合劑或粘合到零件表面。”。沉積頭加熱正在鋪設的材料和下面的基板（在本應用中，首先是轉子表面，然后是先前放置的層），并在樹脂熔融時施加壓力。這使得聚合物鏈在引入的膠帶和基板之間擴散，形成完整的粘合。

多次激光加熱應用（最初在膠帶鋪設時進行，然后在AFP穿過該區域并隨后鋪層時重新加熱）可使PEEK樹脂完全結晶，從而使其在使用過程中的穩定性最大化。奧斯特蘭德報告，對于碳纖維增強PEEK預浸料，壓入材料壓在基材上的壓入點溫度為450℃。PEEK在343℃下熔化，并且夾持溫度通常設置為比熔體溫度高60-120℃。“關鍵是保持低于聚合物的降解溫度，”他說。

 

旋轉試驗。為了驗證機械膨脹、轉子動力學和旋轉損失的分析模型，飛機轉子原型在旋轉坑內進行了試驗（為了安全）。轉子在以18000轉/分的轉速旋轉時成功運行，比預期運行速度快20%。

原位固結熱塑性復合材料使Trelleborg能夠一步操作將PMM套筒纏繞在轉子上。采用這種制造方法制造的結構不需要二次烘箱或熱壓罐固結，通常可獲得約60%的纖維體積。奧斯特蘭德說：“一旦零件完成了纏繞，就完成了最后的加工。”

希斯洛普強調：“我們的工藝允許我們在一個操作中結合一系列不同的制造步驟。”。“這提高了整個制造過程的效率。”

相比之下，熱固性復合材料套管需要一個多步驟的過程。熱固性版本必須與轉子分開制造，因為烤箱或熱壓罐固結會損壞磁鐵。固化后，將這些套筒壓在轉子上或收縮配合在轉子上。最后一步可防止熱固性套管與熱塑性套管一樣薄。希斯洛普解釋說：“由于不必在固化后將熱塑性塑料套管壓在轉子上，因此不會產生會損壞薄套管的壓縮載荷。”。

Trelleborg工藝已用于制造各種復合材料結構，其尺寸從內徑0.5毫米到外徑150厘米不等。它還制造了薄至兩層、厚至7.5厘米、無纖維波紋或屈曲的穩定結構。奧斯特蘭德說，在用其他固結方法制造的較厚層壓板中，屈曲可能是一個問題。“當你把這些材料放在適當的地方，你最終會在層與層之間截留空氣，但通過原位固結，空氣在粘合過程中被擠出。”再加上熱塑性預浸料幾乎無限的擠出時間，奧斯特蘭德總結道，“原位固結過程可以放大，使結構像飛機一樣大。”

不確定的停機時間也使Trelleborg工藝能夠纏繞非常長的零件。在轉子套筒的情況下，這一能力意味著轉子的長鏈可以設置在一條線上并同時纏繞。希斯洛普說：“這樣，我們就提高了吞吐量，降低了客戶的總體成本。”

PMM的吸引力

稀土金屬的成本仍然不利于PMM的總體擁有成本，這一事實以及地緣政治緊張（中國是稀土金屬的主要供應商）可能會減緩PMM在EV系列車輛上的應用。但是，永磁同步電機的吸引力仍然很強，因為與感應電機相比，它具有更高的效率、扭矩和驅動范圍。去年，路透社報道了主要汽車制造商為減少對稀土金屬的依賴所做的大量努力?？磥?，大多數人是通過尋找替代材料的永久磁鐵，而不是切換到感應電機。

無論是通過替代磁鐵，還是通過更容易、成本更低的稀土金屬供應，PMM似乎很可能被越來越多的電動汽車制造商采用。Trelleborg的熱塑性復合材料套管等先進產品有望推動這一市場。

 

該資源面向電機和復合材料專家，討論轉子和定子套筒設計考慮因素、制造見解等。

 

激光輔助卷繞（LATW）工藝

Alformet GmbH宣布發布白皮書，探討熱塑性復合材料轉子和定子套管如何提高電機性能。

據該公司稱，所有行業的電氣化程度不斷提高，對電動機的性能和生產提出了越來越高的要求。隨著更高的轉速、更嚴格的效率要求以及對具有挑戰性的解決方案的推動，金屬和熱固性復合材料等傳統材料顯示出其局限性。然而，熱塑性復合材料為優化電機設計提供了新的機遇。

TPC套管有哪些優點？

 

復合材料轉子/定子套筒

阻尼和尺寸穩定性。TPC與碳纖維相結合，提供接近零的熱膨脹和增強的振動阻尼。這提高了高速時的穩定性，延長了電機壽命。

嚴格的制造公差。激光輔助卷繞工藝確保直接從生產開始進行高精度制造，減少了后加工的需要。

壁厚減小。通過在TPC套管中進行原位固結，優化了纖維鋪設，使墻體更薄，同時保持強度，減少材料使用，提高空間效率。

環境可持續性。與熱固性復合材料不同，熱塑性加工消除了苛刻化學品的使用，使其成為一種更清潔和更可持續的替代品，具有低二氧化碳排放量，以及可在電機壽命結束時重復使用的材料。

室溫處理。熱塑性膠帶焊接發生在局部加熱點，使直接繞組到敏感部件，如永磁體，而不會有退磁的風險。

自定義材質屬性。通過聚合物和纖維的正確組合，TPC允許控制套管厚度、導熱性和CO2足跡，確保它們滿足不同電機應用的精確要求。

可擴展性和自動化生產。LATW工藝實現了復合材料套筒的高速、自動化生產，確保了大批量制造中的一致性和成本效益。

Alformet的白皮書為行業的兩個方面的工程師提供了資源——那些不熟悉復合材料的電機設計工程師，以及那些尋求了解電機要求的熱塑性復合材料工程師。涵蓋的關鍵主題包括：

• 轉子和定子套管用熱塑性復合材料與金屬和熱固性材料的比較；
• 設計注意事項，以最佳平衡性能設計、制造設計、成本設計和裝配設計。
• 關于自動化和可擴展性如何使熱塑性解決方案適用于工業生產的制造見解。