科创中国

行业领域

新材料技术

需求背景

1. 高速永磁电机一般是指转速超过10000r/min或难度值超过1×10^5的电机，在各类高速领域得到广泛应用¹。
2. 表贴式高速永磁电机具有转子结构简单且半径小、回转能量密度大、效率高及可靠性强等优点¹。
3. 碳纤维护套具有厚度小、轻质高强的优势，且电机转子在转动过程中不会产生高频的涡流损耗，其不足之处在于导热性差，不利于永磁体的散热¹。
4. 永磁体具有抗压强度远大于抗拉强度的特点，电机转子在高速旋转时会产生较大的离心力，永磁体的抗拉强度不足以承担离心力产生的拉应力，故需要碳纤维护套提供一定的预压力，以保护永磁体在高速旋转时不被破坏，且永磁体与芯模及护套之间不会出现松动¹。
5. 常见的护套预紧力形成方式是在永磁体和护套之间进行过盈配合，此方法存在装配较复杂且过盈量不易实现的缺点，并且碳纤维材料属于脆性材料，韧性较差，在过盈过程中容易产生损伤裂纹，因此过盈装配更适用于金属护套¹。
6. 针对现有技术存在的问题，提出一种更为适合碳纤维材料的方法，即大张力环向缠绕永磁电机转子的碳纤维护套，在制备碳纤维护套的同时为永磁体提供预紧力¹。

需解决的主要技术难题

1. 碳纤维复合材料的引入：碳纤维复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但同时也具有脆性大、易损伤等缺点，因此，如何成功引入碳纤维复合材料用于高速永磁电机转子的缠绕是该工艺需解决的主要技术难题之一。
2. 预紧力的形成与控制：在碳纤维护套提供预紧力的过程中，如何准确控制预紧力的大小以及维持预紧力的稳定是该工艺的另一主要技术难题，因为这直接决定了永磁体在高速旋转时的安全性和稳定性。
3. 纤维张力的施加：在碳纤维缠绕过程中，如何施加足够的张力以使纤维与永磁体表面和芯模紧密贴合是该工艺的又一大难题，因为这直接关系到缠绕效果和电机性能。
4. 工艺参数的优化：碳纤维缠绕工艺中的各个参数（如缠绕张力、缠绕角度、纤维类型和规格等）都对最终电机性能有着重要影响，因此，如何对这些参数进行优化以达到最佳的电机性能是该工艺需解决的技术难题之一。
5. 可靠性和稳定性的提升：由于高速永磁电机的转速极高，因此对其可靠性和稳定性要求极高，如何提升碳纤维护套的可靠性和稳定性以适应高速永磁电机的要求同样是该工艺的一大技术难题。

期望实现的主要技术目标

1. 提升高速永磁电机的转速和功率密度；
2. 提高高速永磁电机的可靠性和稳定性；
3. 优化碳纤维缠绕工艺，提升工艺的可靠性和稳定性；
4. 实现碳纤维缠绕护套的快速制备和应用。

需求解析

解析单位：黑龙江省哈尔滨新区 解析时间：2023-10-26

周锋

哈尔滨工程大学

教授

综合评价

高速永磁电机转子碳纤维缠绕工艺是一种新型的制造工艺，具有提高电机转子强度、减轻转子重量、提高电机效率等优点，具有广泛的应用前景。 碳纤维复合材料的设计和制备是该工艺的关键技术之一，需要选择合适的纤维材料、确定纤维的排列方式和数量、制定纤维缠绕的路径和方式等，对技术和经验要求较高。 碳纤维缠绕设备的开发也是该工艺的关键技术之一，需要设备的机械结构、运动控制系统、纤维张力控制系统等高度配合，保证碳纤维缠绕的精度和稳定性。 工艺参数的优化也是该工艺的重要环节之一，需要通过实验和研究，确定最佳的工艺参数，以提高电机转子的性能和稳定性。

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解析单位：“科创中国”黑龙江科技服务团（黑龙江省科学技术协会） 解析时间：2023-10-24

李娜

黑龙江省轻工科学研究院

科长

综合评价

技术安全性：评估高速永磁电机转子碳纤维缠绕工艺的安全性，包括纤维材料的力学性能、耐高温性能等方面的测试和评估，是否满足高速永磁电机的安全要求。 技术经济性：分析高速永磁电机转子碳纤维缠绕工艺的经济性，包括成本分析、经济效益等方面的评估，与传统转子结构进行对比，判断其经济优势和投资回报率。 技术可持续性：评估高速永磁电机转子碳纤维缠绕工艺的可持续性，包括纤维材料的可回收利用、能源消耗等方面的评估，是否符合绿色建筑和可持续发展的要求。 技术可推广性：分析高速永磁电机转子碳纤维缠绕工艺的可推广性和可复制性，包括生产工艺、施工技术、质量控制等方面的要求是否具有普适性，以及推广过程中可能遇到的问题和解决方案。

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处理进度