结构部件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种结构部件，其在使用过程中经受不断变化的磁场。例如，所述结构部件可以是定子孔管、定子齿或定子支撑件。定子孔管(1)由具有单向碳纤维增强聚合物(CFRP)层(2b、2d)的多层复合材料制成。涡流方向沿着定子孔管(1)的轴。在所述CFRP层(2b、2d)中的碳纤维沿着所述定子孔管(1)的周向(或环圈)方向定向。
【专利说明】结构部件
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构部件，并且具体地说，涉及在使用期间经受不断变化的磁场的部件，例如，定子孔管、定子齿以及电动机和发电机的其他部件，或磁共振成像(MRI)扫描器、变压器和电抗器中的类似结构部件。
【发明内容】
[0002]本发明提供一种在使用期间经受不断变化的磁场的结构部件，所述不断变化的磁场作动以在所述结构部件中沿着涡流方向感应涡流，如果不经适当管理，这会出现问题。所述结构部件包括至少一个单向碳纤维增强聚合物(CFRP)层，其中碳纤维(或绳股)沿着大致垂直于涡流方向的方向定向。
[0003]所述结构部件在其中部件常常必须由复合材料制成的电机(例如，电动机和发电机、MRI扫描器、变压器及电抗器等)内具有特定应用。
[0004]所述CFRP层内的涡流损耗通过使得所述碳纤维沿大致垂直于涡流方向的方向定向进行管理。
[0005]将会容易了解，单向碳纤维材料中，所述碳纤维大致沿单一方向排列。(在编织纤维材料中，所述纤维根据编织图案双向地排列(沿纬度和经度方向)。)单向碳纤维材料将通常被提供为织物片(或层片)，它随后以合适制造方法来与环氧树脂(或其他聚合物)组合形成所述CFRP层。每个CFRP层可由一个或多个单向碳纤维材料片制成，每片具有同样的碳纤维排列。如果所述结构部件进一步包括至少一个玻璃纤维增强聚合物(GFRP)层(参见下文)，这通常也将由与相同环氧树脂(或其他聚合物)组合的一个或多个织物片制成。每个层可包括任何合适数量的片。每个片可具有任何合适表面密度(g/m2)、厚度等等，并且结合任何合适类型的碳纤维或玻璃纤维，只要所述纤维具有指定纤维取向。通常的情况是具有更薄碳纤维或绳股的片将会得到更有效的结构部件，因为所述碳纤维内的内部涡流将会随着所述碳纤维的直径增加而开始占优势。
[0006]根据复合材料厚度，可以同时固化所有的层。在这不可能的情况下，所述复合材料必须(并且可以)分阶段地固化。所述结构部件可大致以其最终形状形成。换句话说，在所述环氧树脂(或其他聚合物)固化以形成最终结构部件前，所述碳纤维材料片以及任何可选玻璃纤维材料都可放置在适当成形心轴上。当确定最终结构部件形状时，通常允许所述结构部件在使用时的热膨胀或热收缩、允许硬度改变等等。
[0007]所述结构部件可进一步包括至少一个单向GFRP层和/或至少一个编织GFRP层。换句话说，所述结构部件可以包括不同复合材料的层，一些层是意图确保所述结构部件在特定方向上具有如强度和/或刚度等必需的机械特性。
[0008]所述结构部件可以是电机的定子孔管。在这种情况下，所述碳纤维优选大致沿着所述定子孔管的周向(或‘环圈’)方向定向。如果所述结构部件进一步包括至少一个单向GFRP层，所述玻璃纤维优选大致沿着所述定子孔管的轴向方向定向以在这个方向上为所述结构部件提供强度和刚度。所述结构部件可以是电机的定子组件的定子齿或定子齿支撑件。在这种情况下，所述碳纤维优选大致沿着所述定子组件的径向方向定向。如果所述结构部件进一步包括至少一个单向GFRP层，所述玻璃纤维优选大致沿着所述定子组件的轴向方向定向。任一类型结构部件都可包括除了任何单向GFRP层外的至少一个编织GFRP层。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是穿过根据本发明的定子孔管的一部分的径向横截面图；
[0010]图2是穿过图1的定子孔管的一部分的轴向横截面图；以及
[0011]图3是穿过根据本发明的定子齿的一部分的轴向横截面图。
【具体实施方式】
[0012]图1和图2是穿过用于电动机或发电机的定子孔管I的一部分的横截面。定子孔管I将会位于电动机或发电机的空隙中，以防止冷却剂从液体冷却定子组件泄漏。定子孔管I在周向(或‘环圈(hoop)’)方向上要求硬度以克服外部压力。它还在轴向方向上要求硬度。
[0013]定子孔管I将会具有适当的直径和厚度。定子孔管I可被制成比常规管(例如，完全由GFRP制成的那些)明显更薄，这样，空隙尺寸就可减小。
[0014]例如，应当注意，图1和图2完全是示意性的，并且并不意图指示每个层的相对厚度。
[0015]碳纤维是电导体，并且当定子孔管I位于空隙中时，磁通量将引起电流在定子孔管中流动并且产生涡流损耗。损耗量级将取决于定子孔管I中流动的电流量级及其电阻率。定子孔管I的电阻率取决于很多因素，包括例如碳纤维与玻璃纤维比率、碳纤维的取向方向以及碳纤维间的接触。涡流方向将沿定子孔管I的轴，如箭头A所指示。
[0016]定子孔管I由具有以下构造的多层复合材料形成:
[0017]?玻璃纤维增强聚合物(GFRP)层2a_l个300g/m2编织玻璃纤维材料片，其中纬度和经度方向是相对轴向方向以+/-45度定向
[0018].碳纤维增强聚合物(CFRP)层2b-2个600g/m2 (或8个150g/m2)单向碳纤维材料片，其中碳纤维沿周向方向定向
[0019].GFRP层2c-l个600g/m2 (或2个300g/m2)单向玻璃纤维材料片，其中玻璃纤维沿着轴向方向定向
[0020].CFRP层2d-2个600g/m2(或8个150g/m2)单向碳纤维材料片,其中碳纤维沿着周向方向定向
[0021].GFRP层2e_l个300g/m2编织玻璃纤维材料片，其中纬度和经度方向是相对轴向方向以+/-45度定向
[0022]编织GFRP层2a和2e分别限定定子孔管I的径向外层和内层。
[0023]将会容易了解，定子孔管I中的涡流损耗能最小化，因为单向CFRP层2b、2d中的碳纤维沿垂直于涡流方向的周向方向定向，如箭头B所指示。然而，在定子孔管I的轴向方向上的硬度通过单向GFRP层2c维持，因为玻璃纤维沿着这个方向定向，如箭头C所指示。
[0024]编织GFRP层2a、2e提供具有额外强度和刚度的定子孔管I。
[0025]图3是穿过用于电动机或发电机的定子组件的定子齿10的一部分的横截面。定子齿10包括根部14，所述根部14被定形成容纳在定子支撑件16的径向内表面的互补开口中。在实践中，多个类似周向间隔的定子齿将安装到定子支撑件16以支撑定子线棒或绕组(未示出)。
[0026]例如，应当注意，图3完全是示意性的，并且并不意图指示每个层的相对厚度。
[0027]每个定子齿10由具有以下构造的多层复合材料形成:
[0028].玻璃纤维增强聚合物(GFRP)层12a_l个300g/m2编织玻璃纤维材料片，其中纬度和经度方向是相对轴向方向以+/-45度定向
[0029].碳纤维增强聚合物(CFRP)层12b-2个600g/m2 (或8个150g/m2)单向碳纤维材料片，其中碳纤维沿周向方向定向
[0030]-GFRP层12c-l个600g/m2 (或2个300g/m2)单向玻璃纤维材料片，其中玻璃纤维沿着轴向方向定向
[0031]?CFRP层12d-2个600g/m2(或8个150g/m2)单向碳纤维材料片，其中碳纤维沿周向方向定向
[0032].GFRP层12e_l个300g/m2编织玻璃纤维材料片，其中纬度和经度方向是相对轴向方向以+/-45度定向
[0033]将会容易了解，每个定子齿10中的涡流损耗能最小化，因为单向CFRP层12b、12d中的碳纤维沿垂直于涡流方向的径向方向定向，如箭头D所指示。然而，在每个定子齿10的轴向方向上的硬度通过单向GFRP层12c维持，因为玻璃纤维沿着这个方向定向。
[0034]编织GFRP层12a、12e提供具有额外强度和刚度的每个定子齿10。
【权利要求】
1.一种在使用期间经受不断变化的磁场的结构部件，所述不断变化的磁场作动以在所述结构部件中沿着涡流方向感应涡流，所述结构部件包括至少一个单向碳纤维增强聚合物层(2b、2d;12b、12d)，其中所述碳纤维沿大致垂直于所述涡流方向的方向定向。
2.根据权利要求1所述的结构部件，所述结构部件进一步包括至少一个单向玻璃纤维增强聚合物层(2c; 12c)。
3.根据权利要求1或2所述的结构部件，所述结构部件进一步包括至少一个编织玻璃纤维增强聚合物层(2a、2e ;12a、12e)。
4.根据任何前述权利要求所述的结构部件，所述结构部件是电机的定子孔管(1)，其中所述碳纤维大致沿所述定子孔管(I)的周向方向定向。
5.根据权利要求4所述的结构部件，所述结构部件进一步包括至少一个单向玻璃纤维增强聚合物层(2c)，其中所述玻璃纤维大致沿着所述定子孔管(I)的轴向方向定向。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的结构部件，所述结构部件是电机的定子组件的定子齿(12)或定子齿支撑件，其中所述碳纤维大致沿所述定子组件的径向方向定向。
7.根据权利要求6所述的结构部件，所述结构部件进一步包括至少一个单向玻璃纤维增强聚合物层(12c)，其中所述玻璃纤维大致沿着所述定子组件的轴向方向定向。
【文档编号】H02K1/12GK104184222SQ201410217177
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2013年5月22日
【发明者】J.M.格里尔 申请人:通用电气能源能量变换技术有限公司