Stator und Rotor aus Co-Fe-Stahl für die Luft- und Raumfahrt: wann es sich lohnt

Wenn Sie an elektrischen Maschinen in der Luft- und Raumfahrt arbeiten, haben Sie wahrscheinlich schon dass Treffen.

Jemand sagt: "Was wäre, wenn wir für Stator und Rotor auf Co-Fe umsteigen? Dann könnten wir die Maschine schrumpfen und das Ziel der Leistungsdichte erreichen."

Jemand anderes sagt: "Sicher, wenn Sie eine freie Budgetlinie für exotische Metalle und eine Testkampagne für ein neues thermisches Profil haben."

Dieser Artikel ist genau für diesen Moment gedacht.

Anstatt nur die Eigenschaften aufzulisten, gehen wir darauf ein, wie Co-Fe das Stator- und Rotordesign tatsächlich verändert, wo Luft- und Raumfahrtteams bereits auf Co-Fe setzen, und geben eine praktische Checkliste dafür, wann der Leistungsgewinn eigentlich den Schmerz wert.

• Ultrakurze Antwort: Co-Fe ist es wert, wenn...
  • Sie sind leistungsdichte- oder gewichtsbegrenzt und Bereits jetzt wird Siliziumstahl auf ~1,6-1,7 T in den Zähnen und im hinteren Eisen gepresst.
  • Die Maschine läuft mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Temperatur, wobei eine hohe Sättigung und ein hoher Curie-Punkt den Rotordurchmesser oder die Sicherheitsspanne erhöhen.
  • Sie können die höhere Flussdichte (und den daraus resultierenden kleineren Kern) in Vorteile auf Systemebene umsetzen: weniger Struktur, kleineres Getriebe, geringere Kühlmasse oder höhere Nutzlast/Reichweite.
  • Ihr Programm kann mit höheren Materialkosten, einer komplexeren Fertigung und einer strengeren Prozesskontrolle bei Lamellierung Dicke und Wärmebehandlung.

Warum sich die Luft- und Raumfahrt überhaupt für Co-Fe interessiert

In Elektroflugzeugen und stärker elektrisch betriebenen Motoren tauchen Co-Fe-Legierungen auf, weil sie eines können außergewöhnlich Nun: Sie tragen eine Menge Flussmittel, ohne zu sättigen.

Moderne Fe-Co-V-Legierungen wie Hiperco-Sorten oder 49% CoFe-Laminate erreichen Sättigungsflussdichten um 2.3-2.4 T, verglichen mit ~1.6-1.8 T für traditionellen, nicht orientierten Siliziumstahl.

Der Unterschied ist gewaltig: Bei einem bestimmten Drehmoment oder einer bestimmten Leistung kann man das:

• Zahnbreite schrumpfen,
• den Stapel verkürzen,
• oder das Drehmoment/die Leistung zu erhöhen, ohne die Hüllkurve zu verändern.

Auch Co-Fe-Legierungen sind typisch:

• haben höhere Curie-Temperaturen (Hiperco ~980 °C im Vergleich zu ~450-750 °C bei vielen Ni-Fe- und Si-Fe-Stählen), was dazu beiträgt, die magnetische Leistung in heißen Zonen in der Nähe von Motoren oder in dicht gepackten Aggregaten zu erhalten;
• und kann anbieten geringerer Kernverlust bei vergleichbarer Flussdichte wenn sie sorgfältig geglüht und mit geeigneter Frequenz verwendet werden.

Aus diesem Grund wird in einem Bericht von 2024 ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Hersteller von Elektroflugzeugen häufig Co-Fe gegenüber Fe-Si bevorzugen, um die anspruchsvollen Ziele für Induktion, Verluste und Permeabilität in Hochleistungsmaschinen zu erreichen.

• Wie sich Co-Fe in Ihrem Entwurf im Vergleich zu anderen Kernmaterialien "anfühlt"
  • Siliziumstahl (NOES)
    • Gutes Allroundtalent, niedrige Kosten, geringer Kernverlust, Sättigung um 1,6-1,8 T.
    • Dominiert den Massenmarkt für Statoren und Rotoren für Elektrofahrzeuge und Industriemotoren.
  • Ni-Fe-Legierungen
    • Sehr hohe Permeabilität und sehr geringer Verlust bei niedrigen Feldern, aber die Sättigung ist bescheiden (oft ≤1,5 T) und die Curie-Temperatur ist relativ niedrig.
    • Hervorragend geeignet für Sensoren, Transformatoren und magnetische Abschirmungen - normalerweise nicht die erste Wahl für drehmomentstarke Maschinen in der Luft- und Raumfahrt.
  • Co-Fe-Legierungen (mit oder ohne V)
    • Höchste Sättigung der üblichen weichmagnetischen Legierungen (≈2,3-2,4 T).
    • Wird in High-End-Motoren, Generatoren und Magnetlagern verwendet, wo Leistung und Gewicht die Rohstoffkosten übertreffen.

Schneller Vergleich: Co-Fe vs. Si-Fe vs. Ni-Fe für Stator-/Rotorkerne in der Luftfahrt

Betrachten Sie dies als eine Fehlersuchtabelle und nicht ein Datenblatt. Die genauen Zahlen hängen von der Sorte, der Dicke und der Verarbeitung ab, aber die relativen Trends sind robust.

Das Wichtigste zum Schluss: Co-Fe verschafft Ihnen eine Flussdichte und einen Temperaturspielraum, den Sie mit Si-Fe oder Ni-Fe einfach nicht erreichen können. Die Frage ist, ob Ihr Programm wirklich diese Chips einlöst.

• Wie sich diese Zahlen auf der Ebene der Flugzeuge niederschlagen
  • Kleinere, leichtere Maschinen: Ein höherer Bs-Wert bedeutet weniger Eisen für den gleichen Flux. Das kann sich in leichteren Halterungen, kleineren Gondeln oder mehr Nutzlast/Reichweite niederschlagen.
  • Höhere Drehmoment-/Leistungsdichte: In Starter-Generatoren oder Hybridantrieben tragen Co-Fe-Kerne dazu bei, die Drehmomentdichte über das Maß hinaus zu steigern, das Si-Fe-Stacks im EV-Bereich ohne Sättigung unterstützen können.
  • Überlebensfähigkeit an heißen Standorten: Die hohe Curie-Temperatur hält die Magnete in der Nähe von Motoren und in dicht gepackten Aggregaten, wo die Kühlluft begrenzt ist, "am Leben".
  • Frequenzflexibilität: Mit der richtigen Schichtdicke kann Co-Fe akzeptable Verluste bei hohen elektrischen Frequenzen aufrechterhalten, die für Hochgeschwindigkeitsmaschinen in der Luft- und Raumfahrt typisch sind.

Wo die Luft- und Raumfahrt bereits "Ja" zu Co-Fe-Stator- und Rotorstapeln sagt

Wenn Sie sich die aktuelle Luft- und Raumfahrtliteratur und die Daten der Zulieferer ansehen, werden Sie Co-Fe-Legierungen in einigen ganz bestimmten Ecken finden:

• Hochgeschwindigkeits-Starter-Generatoren auf Motorspulen,
• APUs und mehr elektrische Triebwerke,
• Experimental- oder Demonstrationsanlagen für elektrische Antriebe,
• und Magnetlager oder Hochgeschwindigkeitskompressoren.

Die Hersteller von Eisen-Kobalt-Legierungen positionieren ihre Co-Fe-Stator- und -Rotorpakete offen als Wegbereiter für Flugzeuggeneratoren und APUs mit hoher Leistungsdichte und behaupten, dass etwa 25% höhere Induktion und ~30% geringerer Verlust als herkömmliches Elektroband in vergleichbaren Ausführungen.

Akademische und industrielle Studien über Hochgeschwindigkeitsmaschinen für die Luft- und Raumfahrt und Magnetlager kommen immer wieder zu dem Schluss, dass Co-Fe die "obere rechte" Ecke der Leistungskarte darstellt: höchste Sättigung und angemessene mechanische Eigenschaften bei korrekter thermischer Verarbeitung.

• Gängige Szenarien in der Luft- und Raumfahrt, in denen Co-Fe sich bezahlt macht
  • An die Motordrehzahl gekoppelte Starter-Generatoren
    • Sehr hohe elektrische Frequenz und Rotordrehzahl.
    • Enger radialer und axialer Raum im Motor.
    • Erhebliche Strafen für zusätzliches Gewicht bei rotierenden Strukturen.
  • In die Tragfläche oder den Rumpf integrierte Antriebsmotoren
    • Leistungsdichteziele, die Si-Fe nicht ohne inakzeptable Sättigung erreichen kann.
    • Starke Anreize auf Systemebene für kleinere Gondel- oder Fan-Durchmesser (Luftwiderstand, Aerodynamik, Strukturen).
  • APUs und weitere elektrische Aggregate
    • Die Notwendigkeit, auf kleinstem Raum eine erhebliche Stromerzeugungskapazität zu erreichen.
    • Heiße Installationsumgebung, in der eine hohe Curie-Temperatur beruhigend ist.
  • Magnetlager / Hochgeschwindigkeitskompressoren
    • Erfordern sehr hohe Kräfte in einem begrenzten Volumen; der Sättigungsvorteil von Co-Fe schlägt sich direkt in der Tragfähigkeit nieder.

Was ändert sich wirklich an Ihrem Stator und Rotor, wenn Sie zu Co-Fe wechseln?

Aus der Ferne sieht ein Co-Fe-Statorstapel genauso aus wie ein Stator aus Siliziumstahl: dünne Bleche, Isolationsbeschichtung, Schlitze, Rückeisen.

Elektromagnetisch und mechanisch verschiebt sich jedoch der Gestaltungsraum.

1. Flussmittelverteilung und Zahnbelastung
   • Mit Bs ≈ 2,3-2,4 T können Sie mit deutlich höheren Induktionsspitzen in Zähnen und hinteren Eisen arbeiten, bevor die Sättigung Ihr Drehmoment oder Ihre Leistung einschränkt.
   • So können Sie die Zahnbreite oder die Kernlänge verkleinern oder aggressivere Nut/Pol-Kombinationen verwenden, ohne an eine harte Grenze zu stoßen.
2. Thermisches Profil
   • Der geringere spezifische Widerstand von Co-Fe bedeutet, dass die Wirbelstromverluste bei hoher Frequenz und hoher Flussdichte schneller ansteigen als bei Si-Fe, wenn die Schichtdicke nicht reduziert wird.
   • Das Ergebnis ist, dass Co-Fe selbst bei hohen Temperaturen seine Magnetisierung viel besser beibehält als Ni-Fe oder Standard-Si-Fe.
3. Mechanische Grenzen
   • Für Hochgeschwindigkeitsrotoren aus Co-Fe werden häufig spezielle Sorten (z. B. VACODUR oder Hiperco HS) verwendet, die durch maßgeschneidertes Glühen ein Gleichgewicht zwischen Sättigung und Zugfestigkeit herstellen.
   • Der Berstspielraum und die Biegesteifigkeit des Rotors können sich im Vergleich zu einigen Si-Fe-Lösungen sogar verbessern, vorausgesetzt, das Wärmebehandlungsfenster wird genau kontrolliert.
4. Auswirkungen auf Systemebene
   • Kleinere Kerne können kürzere Kühlpfade, andere Wicklungsoptionen (z. B. mehr Kupferfüllung in einem kleineren Steckplatz) und veränderte thermische Engpässe bedeuten.
   • Strukturen, Aufhängungen und NVH-Eigenschaften können sich ändern, wenn man die Masse nach innen verlagert und das Eisenvolumen reduziert.

• Konkrete Gestaltungsmaßnahmen, die Sie mit Co-Fe durchführen können
  • Erhöhung der zulässigen Flussdichte in den Zähnen/dem hinteren Eisen
    • Verschiebung der Auslegungsgrenze von ~1,6-1,7 T nach oben in Richtung ~2,0-2,1 T im Arbeitsbereich unter Beibehaltung der Spanne bis zur echten Sättigung.
  • Trimmen des Eisenvolumens
    • Verkleinern Sie die Zähne, reduzieren Sie die Jochdicke oder verkürzen Sie den Stapel, um ein Gewichtsziel zu erreichen und gleichzeitig das Drehmoment beizubehalten.
  • Tausche Eisen gegen Kupfer (oder umgekehrt)
    • Mit einer höheren Flusskapazität können Sie manchmal die Stromdichte und den Kupferverlust reduzieren und gleichzeitig die Leistung beibehalten.
  • Verwenden Sie dünnere Laminate, um Verluste zu vermeiden
    • Da Co-Fe einen geringeren spezifischen Widerstand hat, benötigen Hochgeschwindigkeitsmaschinen oft dünnere Bleche als entsprechende Si-Fe-Konstruktionen, um die Wirbelstromverluste unter Kontrolle zu halten.
  • Schubgeschwindigkeit mit hochfesten Sorten
    • Kombinieren Sie hochgesättigtes Co-Fe mit hochfesten Varianten und einer geeigneten Wärmebehandlung für Magnetlager und Ultrahochgeschwindigkeitsrotoren.

Die unangenehmen Seiten: Kosten, Herstellbarkeit und Risiko

In diesem Punkt weichen viele Programme von Co-Fe ab.

Der größte Nachteil von Co-Fe ist nicht Physik. Es geht um Wirtschaftlichkeit und Prozessempfindlichkeit.

• Materialkosten und -versorgung
  • Co-Fe-Legierungen werden in der Literatur wegen ihres hohen Kobaltgehalts ausdrücklich als "teurer" bezeichnet.
  • Die Preisgestaltung und die Beschaffung von Kobalt sind mit geopolitischen und ethischen Problemen verbunden, die einige OEMs nun als strategisches Risiko betrachten.
• Schwierigkeiten bei der Verarbeitung
  • Co-Fe-Bleche reagieren empfindlicher auf die gesamte Prozesskette (Stanzen/Laserschneiden, Spannung, Glühen, Beschichtung) als viele Si-Fe-Sorten. Die magnetischen Eigenschaften sind eng mit dem Wärmebehandlungsplan verbunden.
  • Ein geringerer spezifischer Widerstand bedeutet, dass die Wirbelstromverluste bei den für die Luft- und Raumfahrt typischen Frequenzen in die Höhe schießen, wenn die Schichtdicke nicht dünn genug ist - oder wenn die Beschichtung/Isolierung uneinheitlich ist.
• Hochfrequentes Verhalten ist ein zweischneidiges Schwert
  • Bei moderaten Frequenzen und klug gewählten Flussdichten kann Co-Fe tatsächlich einen geringeren Gesamtverlust aufweisen als Si-Fe.
  • Wenn man B und f zu stark drückt, ohne die Blechdicke anzupassen, dominiert der Wirbelstromterm; mehrere vergleichende Studien zeigen Überschneidungspunkte, an denen Si-Fe bei sehr hohen Induktions-/Frequenzkombinationen wieder gewinnt.
• Programm-Risiko
  • Neues Material + neuer Lieferant + neues Glühen + neue Stator-/Rotorengeometrie - das ist eine Menge "Neues" in einem Stapel für eine sicherheitskritische Luft- und Raumfahrtanwendung.
  • Wenn bei früheren Prototypen Si-Fe verwendet wurde, führt ein späterer Wechsel zu Co-Fe häufig zu einer erneuten Qualifizierung der thermischen Modelle, der mechanischen Spannen und manchmal auch der elektromagnetischen Verträglichkeit.

• Fragen für den Drucktest Ihres Co-Fe Business Case
  • 1. Wie hoch ist mein Eisenverbrauch heute?
    • Wenn Ihr Si-Fe-Stator/Rotor nur 1,3 T in kritischen Pfaden läuft, wird Co-Fe die Nadel wahrscheinlich nicht genug bewegen, um die Kosten zu amortisieren.
  • 2. Ist das Gewicht in diesem Fall wirklich ausschlaggebend?
    • Wenn dieser Generator in einem nicht rotierenden Schacht mit geringen strukturellen Nachteilen untergebracht ist, rechtfertigt die Einsparung von ein paar Kilogramm möglicherweise nicht das Co-Fe.
    • Wenn es sich auf einer Motorspule dreht oder unter einer Tragfläche hängt, wird jedes Kilogramm durch Strukturen und Widerstand verstärkt.
  • 3. Mit welcher elektrischen Frequenz arbeite ich wirklich?
    • Bis zu einigen hundert Hz kann Co-Fe bei dünnen Lamellen verlustmäßig konkurrenzfähig oder besser sein.
    • Im kHz-Bereich sind fortschrittliche Si-Fe-, amorphe oder nanokristalline Verfahren möglicherweise besser geeignet.
  • 4. Wie ausgereift ist mein Lieferanten-Ökosystem?
    • Haben Sie mindestens einen Co-Fe-Laminierungslieferanten, der bereits Kunden aus der Luft- und Raumfahrt unterstützt und Ihre Qualifikationsanforderungen versteht?
  • 5. Kann ich einen klaren Gewinn auf Systemebene vorweisen?
    • Beispiele: ein Kühlkreislauf weniger, eine kleinere Gondel, eine höhere Nutzlast, ein bestimmtes Missionsprofil, das möglich wird.
    • Wenn sich der Nutzen nur in "schöneren Zahlen in einem Datenblatt" zeigt, ist das für die Zertifizierungs- und Beschaffungsteams in der Regel nicht ausreichend.

Ein einfaches mentales Modell: "drei grüne Lichter" für Co-Fe Stator- und Rotorkerne

Stellen Sie sich einen Ampeltest vor. Sie gehen nur auf Co-Fe, wenn alle drei davon sind grün:

1. Physik grün - Sie sind sichtlich eisenbeschränkt (Sättigung oder Temperatur) in einem Si-Fe-Design, und Co-Fe beseitigt diesen Engpass eindeutig.
2. System grün - Die daraus resultierende Verringerung der Masse/des Volumens bzw. der Leistungszuwachs eröffnet folgende Möglichkeiten Auftragswert (Reichweite, Nutzlast, Redundanz, Verpackung).
3. Programm grün - Sie haben Lieferanten, Budget und Zeitplan, um Co-Fe zu qualifizieren, sowie einen Plan für die höhere Material- und Fertigungskomplexität.

Wenn eines davon rot bleibt, ist es in der Regel klüger:

• Verfeinern Sie Ihr Si-Fe-Design (bessere Qualität, dünnere Schichten, bessere Kühlung),
• oder hybride Ansätze in Betracht ziehen (z. B. Si-Fe im größten Teil des Kerns und Co-Fe nur dort, wo Flussdichtespitzen unvermeidlich sind).

Wann also lohnt sich Co-Fe für Stator- und Rotorstapel in der Luft- und Raumfahrt?

Hier ist die kurze, ehrliche Version:

• Wenn Sie eine Hochgeschwindigkeitsmaschine für die Luft- und Raumfahrt mit hoher LeistungsdichteStarter-Generator, APU-Generator oder integrierter Antriebsmotor - und Ihr Si-Fe-Design stößt bereits an Sättigungs- und thermische Grenzen, Co-Fe ist auf jeden Fall eine ernsthafte Handelsstudie wert.
• Wenn Sie an folgenden Themen arbeiten mittelschnelle, verpackungsfreundliche Systeme Wenn man keine Eisenbeschränkung hat, sieht Co-Fe in der Regel wie ein teurer Weg aus, um die Leistungstabelle etwas grüner zu machen.

Richtig eingesetzt, ist Co-Fe weniger ein "schickes Material-Upgrade" als vielmehr ein strategischer Hebel. Mit ihm lässt sich die übliche Kompromisskurve zwischen Gewicht, Leistung und Wärmespanne auf eine Weise biegen, wie es bei herkömmlichen Elektrostählen nicht möglich ist.

Die Aufgabe des Stator- und Rotordesigners in der Luft- und Raumfahrt besteht nicht darin, Co-Fe zu lieben oder zu hassen, sondern genau zu wissen, wann dieser Hebel das gesamte Flugzeug besser macht.

Wenn Sie möchten, kann ich Ihnen dabei helfen, ein Co-Fe- vs. Si-Fe-Konzept für Ihre spezielle Maschine (Leistung, Geschwindigkeit, Spannung, Hüllkurve) zu skizzieren und diese allgemeine Anleitung in eine Entscheidung auf Projektebene umzusetzen.