大张力纤维缠绕对芯模的径向压紧作用实验研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

表贴式高速永磁体电机是近年来电机领域研究的热点，其具有结构简单，能量密度大，效率高的特点。然而在电机高速旋转时，贴在表面的永磁体会承受巨大的离心力，必须采取保护措施防止分离。目前一般采用两种方法：一种是在永磁体外采用复合材料进行绑扎，另一种是在永磁体外层设置一种非导磁金属保护套。相较于非导磁金属保护套，复合材料绑扎带具有厚度小，无高频涡流损耗，不产生退磁的优点。

碳纤维护套采用环向缠绕成型工艺，在缠绕过程中对纤维施加一定的拉力，使纤维承受一定的预紧力，预紧力的大小直接影响纤维对芯模的径向背压，所以需对缠绕时的张力进行设计，达到控制纤维对芯模的背压作用。由于在缠绕过程中，每层纤维之间会存在相互作用，即放松效应，使得每缠绕一层纤维，会使内层纤维应力下降，进而影响作用在芯模表面的径向背压，因此提出一种层与层相互作用的应力分布关系。基于同等最大张力的情况下，恒定张力缠绕时张力利用率最大化，纤维层产生预紧力最大，对芯模的径向背压同样为最大，本文设计采用恒定张力缠绕。同时，对于纤维缠绕复合材料，需进行固化工艺处理，而缠绕芯模和复合材料缠绕层的热学性质和物理性质的差异，固化工艺也会对纤维预紧力产生影响。在升温降温阶段，缠绕层的材料属性发生了变化，纤维层与芯模之间会产生一种相互作用的内应力，在实际计算设计时必须考虑。

本文主要目的是通过理论设计优化，加以实验辅助验证，探究大张力纤维缠绕情况下，如何使最内层纤维的预紧力最大化，使得纤维对缠绕芯模的径向背压达到最大。在实际应用中则是以径向背压作用对高速永磁体电机外层的永磁体进行绑扎，防止分离，在高速永磁电机的保护方面具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

在纤维缠绕过程中，对纤维施加一定的拉力会产生缠绕预紧力，其大小直接影响碳纤维对芯模的径向背压。高速电机转子内层为刚性圆柱，外层为圆环状永磁材料，为使外层在旋转时不分离，需对碳纤维护套施加较大缠绕张力。本次设计拟测定碳纤维复合材料固化过程的基本力学性能参数，并针对大张力缠绕转子芯模的径向压紧绑扎作用进行实验研究要求，以使纤维对芯模的背压作用达到预期条件。

技术方案

1. 选择材料及其参数，设计及计算标准。本实验选用芯模为转轴与永磁体及垫块共同构成，碳纤维选用T-700s，树脂采用环氧树脂，成型工艺为恒定张力环向缠绕成型。设计缠绕张力80N，单根纤维带宽3mm，缠绕层数24层，单层纤维厚度0.17mm。对纤维缠绕层内应力模型进行分析，分析计算结果，并分析固化对缠绕预紧力的影响。
2. 按照国标进行纤维增强单向板的试样制备，并测定固化成型后碳纤维复合材料的基本力学性能；通过动态热机械分析仪（DMA）测定固化升温阶段碳纤维复合材料的压缩性能。
3. 进行大张力纤维缠绕转子芯模的径向压力测试：将应变片镶嵌入永磁体侧边；固化成型后采用逆向测试的方法进行测试，用静态应变仪记录永磁体脱去缠绕层时的回弹应变，得到受压时的应变，根据应变即可算出径向背压；最后对实验数据进行整理分析，进行误差分析。

3. 研究计划与安排

第1—3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4—6周：按照实验方案，完成材料基本力学性能参数测试。

第6—9周：按照实验方案，完成大张力碳纤维缠绕的径向压紧力测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张宗毅，邓贵德，寿比南，李晓阳. 缠绕张力对环缠绕复合材料气瓶应力的影响[j]. 压力容器，2011，05：7-14.

[2]邢忠静，李家惠，陈利，杨涛. 刚性圆柱上环向缠绕张力的分析与设计[j]. 纺织学报，2011，08：122-127.

[3]林松，王俊峰，穆晗，刘胜利，刘哲军，陈亮. 缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响[j]. 玻璃钢/复合材料，2015，10：26-30.