采用了CNT-AI复合材料的AC伺服电机的放热特性的改善

文:2014年第四期

1前言
    近年,人们期待超精加工技术成为可以给未来社会带来巨大影响的技术,作为纳米材料的一种,纳米碳素材料受到巨大的瞩目。纳米碳素材料具有多样结晶性及形态,且作为加工性优异并具有卓越特性的工业材料它能在很多领域被广泛使用。其中碳纳米管作为最受瞩目的材料以其特殊的形状及物理特性带来了信息产业能源产业的革命,为人类的发展做出了巨大的贡献。

    CNT是保持碳素六圆环构造平面,并以周期的圆筒状卷起来的叠层构造也是气态碳素纤维的一种,根据叠层数的不同它的宽窄也不同。构造分为一层SWCNT、两层DWCNT、多层MWCNT三种。CNT的开发从VGCF开始已经有100年以上的历史了。1800年代,在CH4C2H2等热分解及CO的触媒反应研究过程中认识了这种细小的纤维状物质。到了1990年代,Hyperion公司和昭和电工将它用于工业化才得到发展。CNT生产技术被分为物理汽化单层方法、化学热分解法、有机物前驱体法三类。制造方法和碳素纤维制造法类似,请参考Table1。近年,作为碳素材料的应用,碳素纤维和树脂复合材料被应用在航空机机体材料上,储存能源领域的Li离子电池被产品化并进入了应用阶段。在本研究中,关注CNT的高热传导性,合成CNT-AI复合材料,开发高热传导性材料,而且根据在AC伺服电机定子框架放热材料的应用试着开发出高性能高效率的电机。本报告内容如下:

    (1)热传导率、机械强度、热评价率的评价;

    (2)CNT-AI复合材料应用电机放热性的评价;

    (30今后的课题;

2 CNT-AI复合材料的制作和基础特性
2.1CNT-AI复合材料的制作
    研究用的CNT是根据CVD法的VGCF,气态成长法生成纤维化产生的直径200mm,长200μm的CNT。在Fig.1显示了CNT的原子模型图和CNT-AI复合材料的SEM影像。

    CNT形态比是10^4,外观像黑色的棉花一样。在制作金属复合材料之前先试着做PPS树脂复合材料。CNT和PPS树脂的亲和性较低直接让PPS浸透比较困难。为了改善成型时的CNT的亲和性有必要做界面活性处理。溶熔AI和CNT的亲和性也是一样的,做含有界面活性剂CF的方法。另,因为CNT在长远上具有高热传导各向异性,为了有效率的施行热传导就有必要在复合材料上附加热传导各向异性。为了取得复合材料的均一性和各向异性,在制作CNT-AI复合材料的时候,AI的粒径200μm的粉体和CNT搅拌后溶熔,采用边施加压力边压出成型的方式。在Table2和Fig.2有展示CNT-AI的复合材料的制作条件和CNT20wt%-AI的压出成型后的外观。

2.2热传导率和机械特性
    测定CNT-AI复合材料的热传导率、机械破坏强度及热膨胀系数。如Table3所示,CF和CNT含有量在合计约26wt%的条件下成型,并做成各个测定试料片。热传导率的测定试料:制作直径Φ10mm,厚3mm,用Netzsch公司LFA457,破坏强度:制作拉伸强度试验片(JISZ2201)使用英斯特朗型拉伸压缩试验机(岛津制作所DCS-10T),热膨胀系数试料:制作直径Φ5mm,长20mm用真空理工公司制TM-7000M测定评价。

    以前的AI:热传导率92W/mK,拉伸强度280MPa,但是制作的CNT-AI复合材料显示的数值比以上数值都高。如Table3所示,试验片No.2的热传导率径方向169W/mK,轴方向173W/mK。我们也了解到随着CF含有量的增加,破坏强度也随着增加。随着CNT含有量的增加,热传导率的增加减少了23wt%,我们对此现象非常有兴趣。Fig4展示了CNT-AI复合材料的热膨胀率和热膨胀系数的温度依存性。虽然随着温度的增加全体都膨胀了,但是轴方向的膨胀与径方向的膨胀相比较因为大了一位所以径方向的膨胀系数被认为是变成负数了。

3 电机热传导的模拟实验
3.1模型和境界条件
    用市面上销售的热传导解析软件测试法兰角100mm的AC伺服电机的模拟。Table4展示了在FEM解析上用的计算机元素和电机部品的热传导率。解析模具在轴方向处1/4对称,从励磁线圈出开始发热。境界条件就是暂定热传导各部品从定子外框处开始通过向外部放气散热。用FEM要素是三次元四面体10节点未知数。

    Fig5展示了使用了AI定子框架的AC伺服电机的1/2对称模型的热传导解析结果。励磁线圈发出的热量是85W/m^3,定子的境界条件设定为外部温度15℃,热传达系数92W/m^2K。定常状态温度分布的线圈温度:122℃,定子外框温度60℃在定格运转(电流5.7A,AC200V)线圈温度107℃,可推测定子外框会产生45℃的温度上升。

3.2使用CNT-A1的热传导模拟实验
    以前的定子外框材料A1的热传导率为92W/mK,本研究得出的CNT14wt%-A1复合材料的热传导率增加至171W/mK。在此,我们把定子材料换为CNT-A1复合材料,在AC伺服电机上进行了热传导模拟实验。CNT-A1复合材料的热传导率变化时(CNT含量变化),线圈和定子外框的温度变化的模拟结果为Fig.6所示,随着定子外框的热传导率增加,线圈的温度就减少,定子外框的温度增高。因为定子外框的热传导率增加后,往定子外面散发的热量增加了,因而降低了线圈的温度,而当定子外框外外部传递的热量超过一定程度时就会出现温度上升现象。这样,同样体格的电机使用CNT-A1复合材料的定子外框,就能有效降低线圈温度。在线圈温度达到临界值前能增加的励磁电流也可以得到提升,并随之增加输出。

    通过FEM模拟实验可以预测,使用CNT14wt%-A1复合材料将热传导率增加至171W/mK,线圈的温度可以降低13℃降至114℃,而定子外框温度则从4摄氏度上升至64℃。

4 AC伺服电机的制作和评估
4.1电机的制作和基础特性
    为了确认使用CNT1-A1复合材料的电机的放热效果,对定子外框用A1材料制作和用CNTA1复合材料制作2种样品做了特性评估。2个AC伺服电机的通用规格如Table5所示。形状为法兰角100mm,电机本体长120mm,质量4.5kg。如Fig.5所示,电机运转中的温度热电对取输出轴角度(B13-440)水平(y轴)33mm,上面(x轴)25mm的位置进行测定。

    Fig.7显示的是使用CNT1-A1复合材料制作定子外框的AC伺服电机。CNT1-A1复合材料的基地是条形模样,通过黑色喷涂后得出光滑的表面。另外,电机的特性评估时,在输出轴和反面设置了用于检测位置、速度的光电编码器,电机的控制器使用的是TA8110N725E107(多摩川精机生产)。

    两种电机的“扭矩--旋转圈数”特性分别为旋转数0时扭矩10.2Nm和旋转数4510时扭矩0的直线型。电流--扭矩特性为额定扭矩3.3Nm,额定电流5.6A时扭矩显示为定数0.59Nm/A。

    测试的结果证明,定子外框用A1或CNT1-A1复合材料制作,电机的特性等值,可以开始进行放热实验。

4.2电机的放热特性
    用A1和CNT1-A1复合材料制作的定子外框的2种电机在相同负载条件下运转,测试定子温度和外部温度。记录温度上升后到变化稳定时的温度变化,当定子温度检测位置的温度变化为每0.5h不到1.4℃时,即可停止检测记录。线圈在电机内部不能直接测试温度,所以利用线圈的电阻值的变化量进行计算。

    Table6显示的是旋转速度3000rpm,负载扭矩3.3Nm条件下,3个测定点的温度特性。定子外框使用CNT1-A1复合材料制作时,线圈温度减少19℃,外框增加5℃,另外,减去外部温度差,定子温度上升3.6℃。线圈温度降低的部分,可以增加相当数量的励磁电流。使用CNT1-A1复合材料的放热特性的效果得到确认。

    Table7显示的是用CNT1-A1复合材料制作定子外框的电机的特性设计值和检测值。使用CNT1-A1复合材料的电机的线圈、圈数、其他材料都完全相同,其特性效果和使用A1材料时等价。但是,使用CNT1-A1复合材料可以降低线圈温度,改善放热特性。

    根据温度特性试验的结果,使用CNT1-A1复合材料的电机比使用A1材料的要节能16%。这表示使用CNT1-A1复合材料的电机的额定运转电流可以增加6.8%。也即是说,额定电流可以从5.6A增加到6.25A,额定扭矩可以从3.5Nm增加到3.7Nm。

4.3今后的课题
    CNT1-A1复合材料的开发和电机应用研究的结果为:可以改善放热特性,达成电机的高效率化。但是,如下所示,还有几个今后必须研讨的问题的。(1)CNT材料的价格为1万日元/kg,价格高,(2)CNT的物理性质的未知点多,还不能保证对生物体的安全性,(3)制作跟金属这些亲和性低的复合材料时,需要高压装置。

5 总结
    纳米技术是能对将来进行大变革的技术,其中碳纳米管作为高热传导材料倍受关注。本研究是作为CNT1-A1复合材料开发和产业应用,改善AC伺服电机的放热特性。研究开发所得成果总结如下:

    CNT25wt%以下的CNT1-A1复合材料制作成功,热传导率均匀,是原来的A1材料的2倍的特性。

    制作CNT1-A1复合材料时,开发出了新的使用碳纤维的方法,改善溶融A1的亲和性。

    通过将CNT1-A1复合材料应用在电机定子外框来改善放热特性的试验成功。另外,明白相同体格的电机可以增加6.8%电流。

    最后,本研究是应文部科学省地域科学技术振兴事业辅助事业(长野县TECHNO集团)的委托,将2002~2006年的成果进行总结。其中得到了信州大学工学部远藤教授、杉本教授、森本协调的大力支持。非常感谢。另外,论文中没有联名记载的多摩川精机株式会社Spacetronics研究所久保田明良主任技师、中田主任技师帮助进行了电机特性测试。非常感谢。

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