一种混杂纤维复合材料电机护环的制作方法
【专利摘要】一种混杂纤维复合材料电机护环，它涉及一种电机护环。本发明的目的是要解决现有材料制造大尺寸电机护环时无法满足电机护环的力学性能要求，成本高和制造工艺复杂导致在制造新型大功率发电机时受到限制的问题。本发明一种混杂纤维复合材料电机护环由混杂纤维和树脂胶液制备而成。优点：一、本发明一种混杂纤维复合材料电机护环具有直径大、质量轻、强度高、热膨胀系数低、密度低、原料广泛、成型工艺简单和使用范围广的优点，完全符合大功率发电机用电机护环的技术要求；二、成本低，制备工艺简单，成本降低约55%～60%；三、密度为1600kg/m3～2000kg/m3，抗拉强度为1300MPa～2100MPa。
【专利说明】一种混杂纤维复合材料电机护环
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种电机护环。
【背景技术】
[0002]近年来，我国国民经济快速增长，使得对电力的需求也随之增加，这就要求我们扩大电网的规模。因为大功率发电机具有发电效率高，单位造价低等优势，从20世纪80年代开始，我国电力工业进入了大机组、大电网的发展阶段。从90年代开始电厂装机容量已逐渐从300丽提高到了 600丽并陆续有1000丽国产机组投入使用。发电机是发电厂的主要设备之一，要提高发电机的容量，就要求发电机的性能在现有基础上有所提高。
[0003]转子护环装于发电机转子的两端，保护转子线圈的端部，防止在高速旋转下由于离心力的作用出现大的径向位移。护环的直径比转子本体直径大，它在运转中，除了承受转子端部绕组等结构件的巨大离心惯性力和护环自身的离心惯性力之外，还要承受转子本体和中心环过盈配合引起的应力，所以护环是发电机受力最大的部件，对强度和模量要求很高，转子护环的可靠性对发电机组运行的安全可靠性影响极大。
[0004]传统的发电机护环为了减少漏磁以及漏磁在护环上产生的附加损耗及发热，常采用高电阻非磁性ISMnlSCr反磁合金钢制造。金属护环由于其比重大(常用钢制材料比重为7.9左右)，导致旋转时约2/3的离心惯性力来自于自身的重量，这限制了大容量发电机护环的设计。此外，现有的金属护环在工作中易产生应力腐蚀现象，这使得其故障率增高，从而降低了其使用寿命。金属护环的冶炼、锻造、加工都较为困难。为此我国大量依赖进口，而国外对此材料坯件的尺寸进行出口限制，且价格奇高。所以，在研制特大容量发电机组时，需要着重解决护环问题，这就亟需研制新材料以替代现有产品。
[0005]现有复合材料电机护环的制备方法存在使用金属材料制备，制备出的金属护环比重大，导致旋转时离心惯性力高，限制了大容量发电机护环的设计，并限制了发电机的尺寸(直径小于1095mm)，且金属护环的冶炼、锻造、加工都较为困难，因此我国大量依赖进口，成本高，制造工艺复杂的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是要解决现有材料制造大尺寸电机护环时无法满足电机护环的力学性能要求，成本高和制造工艺复杂导致在制造新型大功率发电机时受到限制的问题，而提供一种混杂纤维复合材料电机护环。
[0007]一种混杂 纤维复合材料电机护环，其特征在于混杂纤维复合材料电机护环按质量分数由55%~65%混杂纤维和35%~45%树脂胶液制备而成密度为1600kg/m3~2000kg/m3、抗张强度为1300MPa~2100MPa的混杂纤维复合材料电机护环；所述的混杂纤维复合材料电机护环的尺寸为:内径为300mm~1200mm、壁厚为20mm~180mm和长度为300mm~1500mmo
[0008]本发明的有益效果是:一、本发明一种混杂纤维复合材料电机护环采用高强度玻璃纤维和高性能碳纤维作为制备复合材料护环的主要材料，通过合理的结构设计和成型加工方法制备电机护环，具有直径大、质量轻、强度高、热膨胀系数低、原料广泛、成型工艺简单和使用范围广等优点，在电机多次启动和停止仍能保证恢复原样。达到保护电机线圈和电机的要求，完全可以代替传统反磁钢护环在我国下一代大容量电机上进行广泛应用；
[0009]二、本发明一种混杂纤维复合材料电机护环设计强度可达1300MPa以上，而密度仅为钢的1/4，从而减少了离心惯性力，因此设计加工时不受尺寸限制，可设计性强，且提高发电机的尺寸(护环直径大于1095mm)和提高转速，即600MW大功率发电机在3600r/min下仍可正常工作，为制造大容量发电机提供了有力条件；
[0010]三、成本低，成本降低约55%~60%,制造工艺简单；
[0011]四、本发明的一种混杂纤维复合材料电机护环密度1600kg/m3~2000kg/m3,抗张强度为1300MPa~2100MPa，高于传统反磁钢材料IlOOMPa的抗拉强度。
【具体实施方式】
[0012]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0013]【具体实施方式】一:本实施方式一种混杂纤维复合材料电机护环，该电机护环按质量分数由55%~65%混杂纤维和35%~45%树脂胶液制备而成密度为1600kg/m3~2000kg/m3、抗张强度为1300MPa~2100MPa的混杂纤维复合材料电机护环；所述的混杂纤维复合材料电机护环的尺寸为:内径为300mm~1200mm、壁厚为20mm~180mm和长度为300mm~1500mmo
[0014]本实施方式优点:一、本发明一种混杂纤维复合材料电机护环米用高强度玻璃纤维和高性能碳纤维作 为制备复合材料护环的主要材料，通过合理的结构设计和成型加工方法制备电机护环，具有直径大、质量轻、强度高、热膨胀系数低、原料广泛、成型工艺简单和使用范围广等优点，在电机多次启动和停止仍能保证恢复原样。达到保护电机线圈和电机的要求，完全可以代替传统反磁钢护环在我国下一代大容量电机上进行广泛应用；
[0015]二、本发明一种混杂纤维复合材料电机护环设计强度可达1300MPa以上，而密度仅为钢的1/4，从而减少了离心惯性力，因此设计加工时不受尺寸限制，可设计性强，且提高发电机的尺寸(护环直径大于1095mm)和提高转速，即600MW大功率发电机在3600r/min下仍可正常工作，为制造大容量发电机提供了有力条件；
[0016]三、成本低，成本降低约55%~60%,制造工艺简单；
[0017]四、本发明的一种混杂纤维复合材料电机护环密度1600kg/m3~2000kg/m3,抗张强度为1300MPa~2100MPa，高于传统反磁钢材料IlOOMPa的抗拉强度。
[0018]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述的混杂纤维为玻璃纤维和碳纤维的混合物。其它与【具体实施方式】一相同。
[0019]本【具体实施方式】中当混杂纤维为玻璃纤维和碳纤维的混合物时，这种混合物中含有的各种纤维之间的质量比为任意比值。
[0020]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是:所述的玻璃纤维为S-1玻璃纤维、S-2玻璃纤维或S-3玻璃纤维中的一种或其中几种的混合物。其它与【具体实施方式】一至二相同。[0021]本【具体实施方式】中当玻璃纤维为S-1玻璃纤维、S-2玻璃纤维或S-3玻璃纤维其中几种的混合物时，这种混合物中含有的各种纤维之间的质量比为任意比值。
[0022]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:所述的碳纤维为东丽T700S、东丽T700G、东丽T800H、东丽T1000G、东丽M30S、东丽M30G、东丽M35J、国产T700级碳纤维或国产T800级碳纤维中的一种或其中几种的混合物。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0023]本【具体实施方式】中当碳纤维为东丽T700S、东丽T700G、东丽T800H、东丽T1000G、东丽M30S、东丽M30G、东丽M35J、国产T700级碳纤维或国产T800级碳纤维其中几种的混合物时，这种混合物中含有的各种纤维之间的质量比为任意比值。
[0024]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:所述的树脂胶液为树脂、酸酐固化剂及咪唑促进剂的混合物；所述的树脂胶液粘度为0.350Pa.s~
0.SOOPa.s ;所述的树脂为环氧树脂或者环氧乙烯基树脂；所述的酸酐固化剂与树脂的质量比为(0.6~I):1 ;所述的咪唑促进剂与树脂的质量比为(0.00005~0.0002):1。其它
与【具体实施方式】一至四相同。
[0025]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:所述的树脂胶液为树脂、酸酐固化剂及咪唑促进剂的混合物；所述的树脂胶液粘度为0.350Pa.s~
0.SOOPa.s ;所述的树脂为环氧树脂或者环氧乙烯基树脂；所述的酸酐固化剂与树脂的质量比为(0.8~I):1 ;所述的咪唑促进剂与树脂的质量比为(0.0001~0.0002):1。其它与
【具体实施方式】一至五相同。
[0026]【具体实施方式】七:本实`施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:一种混杂纤维复合材料电机护环具体是按以下步骤制备的:
[0027]—、预处理:缠绕成型用的金属芯模进行预处理，得到预处理后的金属芯模；并将玻璃纤维在温度为80°C的条件下进行烘干处理，烘干时间为6h~12h，得到烘干后的玻璃纤维；
[0028]二、金属芯模的安装及纤维缠绕机参数设定:将预处理后的金属芯模安装在纤维缠绕机的主轴上，然后调试纤维缠绕机程序，设定纤维缠绕机的缠绕速度、缠绕半径、缠绕角度、缠绕层数、缠绕循环数、缠绕张力和小车速度，得到安装好金属芯模并设定好参数的纤维缠绕机；
[0029]所述的缠绕速度为20m/min~40m/min ;所述的缠绕半径为150mm~760mm ;所述的缠绕角度为0°~100° ;所述的缠绕层数为30层~450层；所述的缠绕循环数为30~120 ;所述的缠绕张力为5N~16N ;所述的小车速度0.05m/s~0.8m/s ；
[0030]三、缠绕:将树脂胶液灌注于安装好金属芯模并设定好参数的纤维缠绕机的储液槽中，然后将烘干后的玻璃纤维和碳纤维同时连接于预处理后的金属芯模起始端，启动安装好金属芯模并设定好参数的纤维缠绕机，使烘干后的玻璃纤维和碳纤维通过树脂胶液灌注的储液槽中，得到浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维；将浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维按顺序进行铺放，然后对浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维进行缠绕，直至缠绕完成，得到缠绕好的试件；
[0031]所述的浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维中含有树脂胶液的总质量百分数为30%~45% ;所述的树脂胶液粘度为0.340Pa.s~0.800Pa.s ；[0032]所述浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维的铺放顺序为:平行于圆筒轴向方向为0°方向，垂直于圆筒轴向方向为90°方向，按方向为0°~6°与按方向为80°~100°依次逐层交替铺放浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维，且按方向为0°~6°铺放的浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维的总层数与按方向为80°~100°铺放的浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维的总层数比为1: (3~10);
[0033]所述浸溃后的玻璃纤维和浸溃后的碳纤维的质量比为任意比值；
[0034]四、固化:在转速为7r/min~15r/min和温度为50°C~90°C下,将缠绕好的试件放入固化炉中旋转烘烤固化，固化时间为5h~12h，再将固化炉从温度为50°C~90°C升温至110°C~180°C，并在转速为7r/min~15r/min和温度为110°C~180°C下继续固化
1.5h~5h，得到固化后的试件，最后将固化后的试件在室温下放置5h~12h后进行脱模，即得到混杂纤维复合材料电机护环。其它与【具体实施方式】一至六相同。
[0035]本实施方式步骤三中所述浸溃后的玻璃纤维是通过称量任一段的浸溃后的玻璃纤维的质量，来控制浸溃后的玻璃纤维中含有树脂胶的质量百分数。
[0036]本实施方式步骤三中所述浸溃后的碳纤维是通过称量任一段的浸溃后的碳纤维的质量，来控制浸溃后的碳纤维中含有树脂胶的质量百分数。
[0037]步骤二中所述的缠绕速度为20m/min~35m/min ;所述的缠绕半径为150mm~750mm;所述的缠绕角度为0°~90° ;所述的缠绕层数为30层~400层；所述的缠绕循环数为30~111 ;所述的缠绕张力为5N~15N ;所述的小车速度0.05m/s~0.75m/s。
[0038]步骤二中所述的缠绕速度为40m/min ;所述的缠绕半径为517.5mm~619.0mm ;所述的缠绕角度为0°~90° ;所述的缠绕层数为400层；所述的缠绕循环数为111;所述的缠绕张力为5N~15N ;所述的小车速度0.05m/s~0.75m/s。
[0039]本【具体实施方式】一种混杂`纤维复合材料护环的制备方法，利用纤维缠绕机通过数字电脑控制，采用湿法纤维缠绕方式进行加工得到的。在缠绕前，设计加工缠绕用金属芯模，并在芯模表面进行预处理(如涂附脱模剂或缠绕脱模布)，之后将芯模装置安装在纤维缠绕机的主轴上,调试程序并设定相关参数(如缠绕速度,缠绕半径,缠绕角度,纤维预紧力，起始位置及终点位置)，设置缠绕速度时须考虑芯模直径，避免局部纤维缠绕不均匀；将树脂液体灌注于储液槽中，将纤维联接于芯模的起始端。缠绕时，纤维便可通过储液槽使树脂均匀覆盖于纤维上，按照预定缠绕规律进行缠绕直至缠绕完成。采用的混杂纤维材料同时具有碳材料的特有属性和纺织纤维的柔软可加工性能，通过合理的对混杂纤维进行设计和铺层，可以使材料具有钢材的强度。
[0040]且本实施方式张力制度的设计根据如下公式计算得出:
[0041]当j取1、2、3……时，第j层环向中每股纤维缠绕张力为:
E
T F' t0+tGe +?0α?ηα
[0042]~~Α=~^-xAogo
θ+ βθ + σ s>n α
【权利要求】
1.一种混杂纤维复合材料电机护环,其特征在于混杂纤维复合材料电机护环按质量分数由55%~65%混杂纤维和35%~45%树脂胶液制备而成密度为1600kg/m3~2000kg/m3、抗张强度为1300MPa~2100MPa的混杂纤维复合材料电机护环；所述的混杂纤维复合材料电机护环的尺寸为:内径为300_~1200mm、壁厚为20mm~180mm和长度为300_~1500mm。
2.根据权利要求1所述的一种混杂纤维复合材料电机护环，其特征在于所述的混杂纤维为玻璃纤维和碳纤维的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种混杂纤维复合材料电机护环，其特征在于所述的玻璃纤维为S-1玻璃纤维、S-2玻璃纤维或S-3玻璃纤维中的一种或其中几种的混合物。
4.根据权利要求2所述的一种混杂纤维复合材料电机护环，其特征在于所述的碳纤维为东丽T700S、东丽T700G、东丽T800H、东丽T1000G、东丽M30S、东丽M30G、东丽M35J、国产T700级碳纤维或国产T800级碳纤维中的一种或其中几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种混杂纤维复合材料电机护环，其特征在于所述的树脂胶液为树脂、酸酐固化剂及咪唑促进剂的混合物；所述的树脂胶液粘度为0.350Pa.s~.0.SOOPa.s ;所述的树脂为环氧树脂或环氧乙烯基树脂；所述的酸酐固化剂与树脂的质量比为(0.6~I):1 ;所述的咪唑促进剂与树脂的质量比为(0.00005~0.0002):1。
6.根据权利要求1所述的一种混杂纤维复合材料电机护环，其特征在于所述的树脂胶液为树脂、酸酐固化剂及咪唑促进剂的混合物；所述的树脂胶液粘度为0.350Pa.S~.0.SOOPa.s ;所述的树脂为环氧树脂或环氧乙烯基树脂；所述的酸酐固化剂与树脂的质量比为(0.8~I):1 ;所 述的咪唑促进剂与树脂的质量比为(0.0001~0.0002):1。
【文档编号】C08G59/42GK103819877SQ201410105090
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】王荣国, 刘文博, 杨帆, 王冬峣, 徐忠海, 矫维成, 张慧 申请人:哈尔滨工业大学