高速永久磁石（PM）モータは、高い出力密度、効率、コンパクトな設計など、大きな利点を備えています。しかし、ローターに非積層鋼板を使用すると、渦電流損失が著しく増大し、永久磁石の不可逆的な減磁を引き起こす可能性があります。研究によると、高伝導性の鋼板スリーブを低伝導性の炭素繊維複合材料に置き換えることで、ローター損失を効果的に低減し、性能と信頼性を向上させることが示されています。
炭素繊維材料特性
炭素繊維は、95%以上が炭素で構成される高性能素材です。卓越した機械的強度、化学的安定性、そして電気的特性を兼ね備え、「新素材の王様」と呼ばれています。軍事用途と民生用途の両方における戦略的重要性と高コストのため、「黒い金」と呼ばれることもあります。
現在、炭素繊維の大部分はポリアクリロニトリル（PAN）繊維から作られています。PAN繊維から炭素繊維への変換には、以下の3つの主要なステップがあります。
- 前酸化： PAN繊維は300℃以下の温度で酸化され、脱水素化と環化を起こし、炭化に備えて耐熱構造を形成します。
- 炭化： 繊維は不活性雰囲気中で1000～1500℃に加熱されます。炭素以外の原子と不安定な成分が除去され、炭素含有量が92%を超えるグラファイトのような無秩序な構造が得られます。
- グラファイト化（高弾性繊維用）： 炭化繊維は、さらに 2000 ～ 3000°C で処理され、超高弾性繊維が生成されます。
構造用複合材料のマトリックスには、通常、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、または類似の樹脂が用いられます。適切な架橋と加工性を確保するために、硬化剤と添加剤が配合されます。硬化剤の作用温度は通常130℃未満ですが、樹脂系によっては185℃まで上昇することがあります。
カーボンファイバーローターの製造方法
カーボンファイバーローターを製造する従来の2つの方法は、 圧入法 そして 張力巻き取り法。
1. 圧入方式
この方法は、永久磁石とカーボンファイバースリーブ間の干渉嵌合を利用しています。組み立て時に材料の弾性変形により接触面に圧縮応力が発生し、干渉嵌合が適切に選択されていれば永久磁石の安定性が確保されます。
一般的な締まりばめ組立技術には、圧入、冷間組立、熱間組立などがあります。しかし、炭素繊維複合材と永久磁石はどちらも熱膨張係数が低いため、圧入組立のみが適しています。
圧入の工程フロー：
- 繊維束は、スリーブの内径を定義する金型上に層ごとに巻き付けられます。
- 必要な厚さに達した後、スリーブは硬化され、型から取り出されます。
- 永久磁石は油圧プレスを使用してスリーブに押し込まれます。
2. 張力巻き方式
この方法では金型は不要です。炭素繊維は制御された張力下で永久磁石の表面に直接巻き付けられます。硬化後、炭素繊維スリーブが永久磁石に予圧縮応力を付与し、構造的完全性を保護します。
治具の設計と調整
永久磁石とカーボンファイバースリーブの正確な位置合わせは非常に重要です。正確な位置決めを実現するために、カスタム治具が設計されることがよくあります。杭州永久磁石グループは、多様なローター形状の要件を満たす独自の治具設計能力を備えており、位置合わせの精度と再現性を確保しています。
品質保証とテスト
組立後、ローターは振れ公差、形状公差、外径検査、位置公差など、包括的な検査を受けます。当社は、完成品の試験を実施するために、高度な検査機器一式と熟練した技術チームを備えています。お客様との早期段階からの連携により、ローターが正確な性能と寸法要件を満たすことを保証しています。
