一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)的制作方法
【專利摘要】一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，它涉及一種電機護環(huán)。本發(fā)明的目的是要解決現有材料制造大尺寸電機護環(huán)時無法滿足電機護環(huán)的力學性能要求，成本高和制造工藝復雜導致在制造新型大功率發(fā)電機時受到限制的問題。本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)由混雜纖維和樹脂膠液制備而成。優(yōu)點：一、本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)具有直徑大、質量輕、強度高、熱膨脹系數低、密度低、原料廣泛、成型工藝簡單和使用范圍廣的優(yōu)點，完全符合大功率發(fā)電機用電機護環(huán)的技術要求；二、成本低，制備工藝簡單，成本降低約55%～60%；三、密度為1600kg/m3～2000kg/m3，抗拉強度為1300MPa～2100MPa。
【專利說明】一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電機護環(huán)。
【背景技術】
[0002]近年來，我國國民經濟快速增長，使得對電力的需求也隨之增加，這就要求我們擴大電網的規(guī)模。因為大功率發(fā)電機具有發(fā)電效率高，單位造價低等優(yōu)勢，從20世紀80年代開始，我國電力工業(yè)進入了大機組、大電網的發(fā)展階段。從90年代開始電廠裝機容量已逐漸從300麗提高到了 600麗并陸續(xù)有1000麗國產機組投入使用。發(fā)電機是發(fā)電廠的主要設備之一，要提高發(fā)電機的容量，就要求發(fā)電機的性能在現有基礎上有所提高。
[0003]轉子護環(huán)裝于發(fā)電機轉子的兩端，保護轉子線圈的端部，防止在高速旋轉下由于離心力的作用出現大的徑向位移。護環(huán)的直徑比轉子本體直徑大，它在運轉中，除了承受轉子端部繞組等結構件的巨大離心慣性力和護環(huán)自身的離心慣性力之外，還要承受轉子本體和中心環(huán)過盈配合引起的應力，所以護環(huán)是發(fā)電機受力最大的部件，對強度和模量要求很高，轉子護環(huán)的可靠性對發(fā)電機組運行的安全可靠性影響極大。
[0004]傳統的發(fā)電機護環(huán)為了減少漏磁以及漏磁在護環(huán)上產生的附加損耗及發(fā)熱，常采用高電阻非磁性ISMnlSCr反磁合金鋼制造。金屬護環(huán)由于其比重大(常用鋼制材料比重為7.9左右)，導致旋轉時約2/3的離心慣性力來自于自身的重量，這限制了大容量發(fā)電機護環(huán)的設計。此外，現有的金屬護環(huán)在工作中易產生應力腐蝕現象，這使得其故障率增高，從而降低了其使用壽命。金屬護環(huán)的冶煉、鍛造、加工都較為困難。為此我國大量依賴進口，而國外對此材料坯件的尺寸進行出口限制，且價格奇高。所以，在研制特大容量發(fā)電機組時，需要著重解決護環(huán)問題，這就亟需研制新材料以替代現有產品。
[0005]現有復合材料電機護環(huán)的制備方法存在使用金屬材料制備，制備出的金屬護環(huán)比重大，導致旋轉時離心慣性力高，限制了大容量發(fā)電機護環(huán)的設計，并限制了發(fā)電機的尺寸(直徑小于1095mm)，且金屬護環(huán)的冶煉、鍛造、加工都較為困難，因此我國大量依賴進口，成本高，制造工藝復雜的問題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是要解決現有材料制造大尺寸電機護環(huán)時無法滿足電機護環(huán)的力學性能要求，成本高和制造工藝復雜導致在制造新型大功率發(fā)電機時受到限制的問題，而提供一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)。
[0007]一種混雜 纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于混雜纖維復合材料電機護環(huán)按質量分數由55%~65%混雜纖維和35%~45%樹脂膠液制備而成密度為1600kg/m3~2000kg/m3、抗張強度為1300MPa~2100MPa的混雜纖維復合材料電機護環(huán)；所述的混雜纖維復合材料電機護環(huán)的尺寸為:內徑為300mm~1200mm、壁厚為20mm~180mm和長度為300mm~1500mmo
[0008]本發(fā)明的有益效果是:一、本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)采用高強度玻璃纖維和高性能碳纖維作為制備復合材料護環(huán)的主要材料，通過合理的結構設計和成型加工方法制備電機護環(huán)，具有直徑大、質量輕、強度高、熱膨脹系數低、原料廣泛、成型工藝簡單和使用范圍廣等優(yōu)點，在電機多次啟動和停止仍能保證恢復原樣。達到保護電機線圈和電機的要求，完全可以代替?zhèn)鹘y反磁鋼護環(huán)在我國下一代大容量電機上進行廣泛應用；
[0009]二、本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)設計強度可達1300MPa以上，而密度僅為鋼的1/4，從而減少了離心慣性力，因此設計加工時不受尺寸限制，可設計性強，且提高發(fā)電機的尺寸(護環(huán)直徑大于1095mm)和提高轉速，即600MW大功率發(fā)電機在3600r/min下仍可正常工作，為制造大容量發(fā)電機提供了有力條件；
[0010]三、成本低，成本降低約55%~60%,制造工藝簡單；
[0011]四、本發(fā)明的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)密度1600kg/m3~2000kg/m3,抗張強度為1300MPa~2100MPa，高于傳統反磁鋼材料IlOOMPa的抗拉強度。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0013]【具體實施方式】一:本實施方式一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，該電機護環(huán)按質量分數由55%~65%混雜纖維和35%~45%樹脂膠液制備而成密度為1600kg/m3~2000kg/m3、抗張強度為1300MPa~2100MPa的混雜纖維復合材料電機護環(huán)；所述的混雜纖維復合材料電機護環(huán)的尺寸為:內徑為300mm~1200mm、壁厚為20mm~180mm和長度為300mm~1500mmo
[0014]本實施方式優(yōu)點:一、本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)米用高強度玻璃纖維和高性能碳纖維作 為制備復合材料護環(huán)的主要材料，通過合理的結構設計和成型加工方法制備電機護環(huán)，具有直徑大、質量輕、強度高、熱膨脹系數低、原料廣泛、成型工藝簡單和使用范圍廣等優(yōu)點，在電機多次啟動和停止仍能保證恢復原樣。達到保護電機線圈和電機的要求，完全可以代替?zhèn)鹘y反磁鋼護環(huán)在我國下一代大容量電機上進行廣泛應用；
[0015]二、本發(fā)明一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)設計強度可達1300MPa以上，而密度僅為鋼的1/4，從而減少了離心慣性力，因此設計加工時不受尺寸限制，可設計性強，且提高發(fā)電機的尺寸(護環(huán)直徑大于1095mm)和提高轉速，即600MW大功率發(fā)電機在3600r/min下仍可正常工作，為制造大容量發(fā)電機提供了有力條件；
[0016]三、成本低，成本降低約55%~60%,制造工藝簡單；
[0017]四、本發(fā)明的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)密度1600kg/m3~2000kg/m3,抗張強度為1300MPa~2100MPa，高于傳統反磁鋼材料IlOOMPa的抗拉強度。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的混雜纖維為玻璃纖維和碳纖維的混合物。其它與【具體實施方式】一相同。
[0019]本【具體實施方式】中當混雜纖維為玻璃纖維和碳纖維的混合物時，這種混合物中含有的各種纖維之間的質量比為任意比值。
[0020]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:所述的玻璃纖維為S-1玻璃纖維、S-2玻璃纖維或S-3玻璃纖維中的一種或其中幾種的混合物。其它與【具體實施方式】一至二相同。[0021]本【具體實施方式】中當玻璃纖維為S-1玻璃纖維、S-2玻璃纖維或S-3玻璃纖維其中幾種的混合物時，這種混合物中含有的各種纖維之間的質量比為任意比值。
[0022]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述的碳纖維為東麗T700S、東麗T700G、東麗T800H、東麗T1000G、東麗M30S、東麗M30G、東麗M35J、國產T700級碳纖維或國產T800級碳纖維中的一種或其中幾種的混合物。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0023]本【具體實施方式】中當碳纖維為東麗T700S、東麗T700G、東麗T800H、東麗T1000G、東麗M30S、東麗M30G、東麗M35J、國產T700級碳纖維或國產T800級碳纖維其中幾種的混合物時，這種混合物中含有的各種纖維之間的質量比為任意比值。
[0024]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:所述的樹脂膠液為樹脂、酸酐固化劑及咪唑促進劑的混合物；所述的樹脂膠液粘度為0.350Pa.s~
0.SOOPa.s ;所述的樹脂為環(huán)氧樹脂或者環(huán)氧乙烯基樹脂；所述的酸酐固化劑與樹脂的質量比為(0.6~I):1 ;所述的咪唑促進劑與樹脂的質量比為(0.00005~0.0002):1。其它
與【具體實施方式】一至四相同。
[0025]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:所述的樹脂膠液為樹脂、酸酐固化劑及咪唑促進劑的混合物；所述的樹脂膠液粘度為0.350Pa.s~
0.SOOPa.s ;所述的樹脂為環(huán)氧樹脂或者環(huán)氧乙烯基樹脂；所述的酸酐固化劑與樹脂的質量比為(0.8~I):1 ;所述的咪唑促進劑與樹脂的質量比為(0.0001~0.0002):1。其它與
【具體實施方式】一至五相同。
[0026]【具體實施方式】七:本實`施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)具體是按以下步驟制備的:
[0027]—、預處理:纏繞成型用的金屬芯模進行預處理，得到預處理后的金屬芯模；并將玻璃纖維在溫度為80°C的條件下進行烘干處理，烘干時間為6h~12h，得到烘干后的玻璃纖維；
[0028]二、金屬芯模的安裝及纖維纏繞機參數設定:將預處理后的金屬芯模安裝在纖維纏繞機的主軸上，然后調試纖維纏繞機程序，設定纖維纏繞機的纏繞速度、纏繞半徑、纏繞角度、纏繞層數、纏繞循環(huán)數、纏繞張力和小車速度，得到安裝好金屬芯模并設定好參數的纖維纏繞機；
[0029]所述的纏繞速度為20m/min~40m/min ;所述的纏繞半徑為150mm~760mm ;所述的纏繞角度為0°~100° ;所述的纏繞層數為30層~450層；所述的纏繞循環(huán)數為30~120 ;所述的纏繞張力為5N~16N ;所述的小車速度0.05m/s~0.8m/s ；
[0030]三、纏繞:將樹脂膠液灌注于安裝好金屬芯模并設定好參數的纖維纏繞機的儲液槽中，然后將烘干后的玻璃纖維和碳纖維同時連接于預處理后的金屬芯模起始端，啟動安裝好金屬芯模并設定好參數的纖維纏繞機，使烘干后的玻璃纖維和碳纖維通過樹脂膠液灌注的儲液槽中，得到浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維；將浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維按順序進行鋪放，然后對浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維進行纏繞，直至纏繞完成，得到纏繞好的試件；
[0031]所述的浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維中含有樹脂膠液的總質量百分數為30%~45% ;所述的樹脂膠液粘度為0.340Pa.s~0.800Pa.s ；[0032]所述浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維的鋪放順序為:平行于圓筒軸向方向為0°方向，垂直于圓筒軸向方向為90°方向，按方向為0°~6°與按方向為80°~100°依次逐層交替鋪放浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維，且按方向為0°~6°鋪放的浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維的總層數與按方向為80°~100°鋪放的浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維的總層數比為1: (3~10);
[0033]所述浸潰后的玻璃纖維和浸潰后的碳纖維的質量比為任意比值；
[0034]四、固化:在轉速為7r/min~15r/min和溫度為50°C~90°C下,將纏繞好的試件放入固化爐中旋轉烘烤固化，固化時間為5h~12h，再將固化爐從溫度為50°C~90°C升溫至110°C~180°C，并在轉速為7r/min~15r/min和溫度為110°C~180°C下繼續(xù)固化
1.5h~5h，得到固化后的試件，最后將固化后的試件在室溫下放置5h~12h后進行脫模，即得到混雜纖維復合材料電機護環(huán)。其它與【具體實施方式】一至六相同。
[0035]本實施方式步驟三中所述浸潰后的玻璃纖維是通過稱量任一段的浸潰后的玻璃纖維的質量，來控制浸潰后的玻璃纖維中含有樹脂膠的質量百分數。
[0036]本實施方式步驟三中所述浸潰后的碳纖維是通過稱量任一段的浸潰后的碳纖維的質量，來控制浸潰后的碳纖維中含有樹脂膠的質量百分數。
[0037]步驟二中所述的纏繞速度為20m/min~35m/min ;所述的纏繞半徑為150mm~750mm;所述的纏繞角度為0°~90° ;所述的纏繞層數為30層~400層；所述的纏繞循環(huán)數為30~111 ;所述的纏繞張力為5N~15N ;所述的小車速度0.05m/s~0.75m/s。
[0038]步驟二中所述的纏繞速度為40m/min ;所述的纏繞半徑為517.5mm~619.0mm ;所述的纏繞角度為0°~90° ;所述的纏繞層數為400層；所述的纏繞循環(huán)數為111;所述的纏繞張力為5N~15N ;所述的小車速度0.05m/s~0.75m/s。
[0039]本【具體實施方式】一種混雜`纖維復合材料護環(huán)的制備方法，利用纖維纏繞機通過數字電腦控制，采用濕法纖維纏繞方式進行加工得到的。在纏繞前，設計加工纏繞用金屬芯模，并在芯模表面進行預處理(如涂附脫模劑或纏繞脫模布)，之后將芯模裝置安裝在纖維纏繞機的主軸上,調試程序并設定相關參數(如纏繞速度,纏繞半徑,纏繞角度,纖維預緊力，起始位置及終點位置)，設置纏繞速度時須考慮芯模直徑，避免局部纖維纏繞不均勻；將樹脂液體灌注于儲液槽中，將纖維聯接于芯模的起始端。纏繞時，纖維便可通過儲液槽使樹脂均勻覆蓋于纖維上，按照預定纏繞規(guī)律進行纏繞直至纏繞完成。采用的混雜纖維材料同時具有碳材料的特有屬性和紡織纖維的柔軟可加工性能，通過合理的對混雜纖維進行設計和鋪層，可以使材料具有鋼材的強度。
[0040]且本實施方式張力制度的設計根據如下公式計算得出:
[0041]當j取1、2、3……時，第j層環(huán)向中每股纖維纏繞張力為:
E
T F' t0+tGe +?0α?ηα
[0042]~~Α=~^-xAogo
θ+ βθ + σ s>n α
【權利要求】
1.一種混雜纖維復合材料電機護環(huán),其特征在于混雜纖維復合材料電機護環(huán)按質量分數由55%~65%混雜纖維和35%~45%樹脂膠液制備而成密度為1600kg/m3~2000kg/m3、抗張強度為1300MPa~2100MPa的混雜纖維復合材料電機護環(huán)；所述的混雜纖維復合材料電機護環(huán)的尺寸為:內徑為300_~1200mm、壁厚為20mm~180mm和長度為300_~1500mm。
2.根據權利要求1所述的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于所述的混雜纖維為玻璃纖維和碳纖維的混合物。
3.根據權利要求2所述的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于所述的玻璃纖維為S-1玻璃纖維、S-2玻璃纖維或S-3玻璃纖維中的一種或其中幾種的混合物。
4.根據權利要求2所述的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于所述的碳纖維為東麗T700S、東麗T700G、東麗T800H、東麗T1000G、東麗M30S、東麗M30G、東麗M35J、國產T700級碳纖維或國產T800級碳纖維中的一種或其中幾種的混合物。
5.根據權利要求1所述的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于所述的樹脂膠液為樹脂、酸酐固化劑及咪唑促進劑的混合物；所述的樹脂膠液粘度為0.350Pa.s~.0.SOOPa.s ;所述的樹脂為環(huán)氧樹脂或環(huán)氧乙烯基樹脂；所述的酸酐固化劑與樹脂的質量比為(0.6~I):1 ;所述的咪唑促進劑與樹脂的質量比為(0.00005~0.0002):1。
6.根據權利要求1所述的一種混雜纖維復合材料電機護環(huán)，其特征在于所述的樹脂膠液為樹脂、酸酐固化劑及咪唑促進劑的混合物；所述的樹脂膠液粘度為0.350Pa.S~.0.SOOPa.s ;所述的樹脂為環(huán)氧樹脂或環(huán)氧乙烯基樹脂；所述的酸酐固化劑與樹脂的質量比為(0.8~I):1 ;所 述的咪唑促進劑與樹脂的質量比為(0.0001~0.0002):1。
【文檔編號】C08G59/42GK103819877SQ201410105090
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王榮國, 劉文博, 楊帆, 王冬峣, 徐忠海, 矯維成, 張慧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學