Estator y rotor aeroespacial con acero Co-Fe: cuándo merece la pena

Si trabaja en máquinas eléctricas aeroespaciales, probablemente haya tenido que reunión.

Alguien dice: "¿Y si utilizamos Co-Fe para el estator y el rotor? Podríamos encoger la máquina y alcanzar el objetivo de densidad de potencia".

Otro dice: "Claro, si te sobra una partida presupuestaria para metales exóticos y una campaña de pruebas de un nuevo perfil térmico".

Este artículo es exactamente para ese momento.

En lugar de limitarnos a enumerar las propiedades, veremos cómo Co-Fe cambia realmente el diseño del estator y el rotor, dónde apuestan ya por ella los equipos aeroespaciales y una lista de comprobación práctica para saber cuándo la ganancia de rendimiento es en realidad vale la pena el dolor.

• Respuesta ultracorta: Co-Fe merece la pena cuando...
  • Estás limitado por la densidad de potencia o el peso y ya exprimiendo el acero al silicio a ~1,6-1,7 T en los dientes y la plancha trasera.
  • La máquina funciona a alta velocidad y/o alta temperatura, donde una alta saturación y un alto punto de Curie le compran diámetro de rotor o margen de seguridad.
  • La mayor densidad de flujo (y el núcleo más pequeño resultante) puede traducirse en ventajas a nivel de sistema: menos estructura, caja de engranajes más pequeña, menor masa de refrigeración o mejor carga útil/alcance.
  • Su programa puede vivir con un mayor coste de material, una fabricación más compleja y un control más estricto de los procesos en laminación espesor y tratamiento térmico.

Por qué la industria aeroespacial se preocupa por Co-Fe

En los aviones eléctricos y en los motores más eléctricos, las aleaciones de Co-Fe aparecen porque hacen una cosa extraordinariamente bueno: transportan mucho flujo sin saturar.

Las aleaciones modernas de Fe-Co-V, como los grados tipo Hiperco o las laminaciones de CoFe 49%, alcanzan densidades de flujo de saturación en torno a 2.3-2.4 Ten comparación con ~1.6-1.8 T para el acero al silicio tradicional no orientado.

Esa diferencia es enorme: para un par o una potencia dados, se puede:

• reducir la anchura de los dientes,
• acortar la pila,
• o aumentar el par/potencia sin cambiar la envolvente.

También son típicas las aleaciones de Co-Fe:

• tienen temperaturas de Curie más elevadas (Hiperco ~980 °C frente a ~450-750 °C para muchos aceros Ni-Fe y Si-Fe), ayudando a mantener el rendimiento magnético en zonas calientes cerca de los motores o dentro de unidades de potencia muy compactas;
• y puede ofrecer menor pérdida en el núcleo con una densidad de flujo comparable cuando se recuece cuidadosamente y se utiliza con la frecuencia adecuada.

Por eso, un estudio de 2024 señala explícitamente que los fabricantes de aviones eléctricos suelen elegir Co-Fe en lugar de Fe-Si para alcanzar los exigentes objetivos de inducción, pérdida y permeabilidad en máquinas de alto rendimiento.

• Cómo se siente Co-Fe en su diseño en comparación con otros materiales de núcleo
  • Acero al silicio (NOES)
    • Buen todoterreno, bajo coste, baja pérdida de núcleo, saturación en torno a 1,6-1,8 T.
    • Domina el mercado de estatores y rotores para vehículos eléctricos y motores industriales.
  • Aleaciones Ni-Fe
    • Permeabilidad muy alta y pérdidas muy bajas a campos bajos, pero la saturación es modesta (a menudo ≤1,5 T) y la temperatura de Curie es relativamente baja.
    • Ideal para sensores, transformadores y apantallamiento magnético, aunque no suele ser la primera opción para máquinas aeroespaciales con un elevado par de torsión.
  • Aleaciones de Co-Fe (con o sin V)
    • La saturación más alta de las aleaciones magnéticas blandas comunes (≈2,3-2,4 T).
    • Se utiliza en motores, generadores y cojinetes magnéticos de gama alta en los que el rendimiento y el peso se imponen al coste de la materia prima.

Comparación rápida: Co-Fe vs Si-Fe vs Ni-Fe para núcleos de estator/rotor aeroespacial

Piense en esto como un tabla de comprobación en lugar de una hoja de datos. Las cifras exactas dependen de la calidad, el grosor y el procesamiento, pero las tendencias relativas son sólidas.

Lo más importante: El Co-Fe ofrece una densidad de flujo y un margen de temperatura que no se pueden conseguir con el Si-Fe o el Ni-Fe. La cuestión es si su programa realmente cobra esas fichas.

• Cómo se reflejan esas cifras en los aviones
  • Máquinas más pequeñas y ligeras: Un Bs más alto significa menos hierro para el mismo flujo. Esto puede traducirse en montajes más ligeros, góndolas más pequeñas o más carga útil/alcance.
  • Mayor densidad de par/potencia: En las funciones de generador de arranque o propulsión híbrida, los núcleos de Co-Fe ayudan a aumentar la densidad de par por encima de lo que pueden soportar las pilas de Si-Fe de tipo EV sin saturarse.
  • Supervivencia en lugares calurosos: La alta temperatura de Curie mantiene los imanes "vivos" cerca de los motores y en unidades de potencia muy compactas donde el aire de refrigeración es limitado.
  • Flexibilidad de frecuencia: Con el grosor de laminación adecuado, el Co-Fe puede mantener unas pérdidas aceptables a las elevadas frecuencias eléctricas típicas de las máquinas aeroespaciales de alta velocidad.

El sector aeroespacial ya dice "sí" a las pilas de estator y rotor de Co-Fe

Si consulta la bibliografía aeroespacial reciente y los datos de los proveedores, verá aleaciones de Co-Fe en algunos rincones muy concretos:

• generadores de arranque de alta velocidad en bobinas de motor,
• APU y unidades de potencia más eléctricas,
• sistemas de propulsión eléctrica experimentales o de demostración,
• y cojinetes magnéticos o compresores de alta velocidad.

Los fabricantes de aleaciones de hierro y cobalto posicionan abiertamente sus conjuntos de estator y rotor de Co-Fe como facilitadores para generadores de aeronaves y APU de alta densidad de potencia, alegando aproximadamente 25% mayor inducción y ~30% menor pérdida que el acero eléctrico convencional en diseños comparables.

Los estudios académicos e industriales sobre máquinas de alta velocidad para el sector aeroespacial y cojinetes magnéticos convergen repetidamente en el Co-Fe como la esquina "superior derecha" del mapa de rendimiento: máxima saturación más propiedades mecánicas adecuadas cuando se procesa térmicamente de forma correcta.

• Escenarios aeroespaciales comunes en los que Co-Fe se gana el pan
  • Generadores de arranque vinculados al régimen del motor
    • Frecuencia eléctrica y velocidad del rotor muy elevadas.
    • Espacio radial y axial reducido en el motor.
    • Enormes penalizaciones por peso añadido en estructuras giratorias.
  • Motores de propulsión integrados en el ala o el fuselaje
    • Objetivos de densidad de potencia que el Si-Fe no puede alcanzar sin una saturación inaceptable.
    • Fuertes incentivos a nivel de sistema para reducir el diámetro de la góndola o del ventilador (resistencia, aerodinámica, estructuras).
  • APU y unidades de potencia más eléctricas
    • Necesidad de introducir una gran capacidad de generación en el menor espacio posible.
    • Entorno de instalación caliente donde la alta temperatura de Curie es tranquilizadora.
  • Cojinetes magnéticos / compresores de alta velocidad
    • Requieren fuerzas muy elevadas en un volumen limitado; la ventaja de saturación del Co-Fe se convierte directamente en capacidad de carga.

¿Qué cambia realmente en el estator y el rotor cuando se cambia a Co-Fe?

Desde lejos, un estator de Co-Fe tiene el mismo aspecto que uno de acero al silicio: finas láminas, revestimiento aislante, ranuras, contrahierro.

Sin embargo, desde el punto de vista electromagnético y mecánico, el espacio de diseño cambia.

1. Distribución del flujo y carga de los dientes
   • Con Bs ≈ 2,3-2,4 T, puede funcionar a picos de inducción significativamente más altos en dientes y contrafierros antes de que la saturación pince su par o potencia.
   • Esto le permite reducir la anchura de los dientes o la longitud del núcleo, o utilizar combinaciones más agresivas de ranuras y polos sin toparse con un techo duro.
2. Perfil térmico
   • La menor resistividad del Co-Fe significa que las pérdidas por corrientes de Foucault aumentan más rápidamente a alta frecuencia y alta densidad de flujo que en el Si-Fe si no se reduce el grosor del laminado.
   • El resultado es que, incluso a temperaturas elevadas, el Co-Fe conserva su magnetización mucho mejor que el Ni-Fe o el Si-Fe estándar.
3. Límites mecánicos
   • Los rotores de alta velocidad de Co-Fe suelen utilizar calidades especializadas (por ejemplo, VACODUR o Hiperco HS) que equilibran la saturación con la resistencia a la tracción mediante un recocido a medida.
   • El margen de rotura y la rigidez a la flexión del rotor pueden mejorar en comparación con algunas soluciones de Si-Fe, siempre que se controle estrictamente la ventana de tratamiento térmico.
4. Repercusiones en el sistema
   • Los núcleos más pequeños pueden implicar rutas de refrigeración más cortas, diferentes opciones de bobinado (por ejemplo, más relleno de cobre en una ranura más pequeña) y cuellos de botella térmicos alterados.
   • Las estructuras, los soportes y las características NVH pueden cambiar cuando se desplaza la masa hacia el interior y se reduce el volumen del hierro.

• Movimientos concretos de diseño que puede hacer con Co-Fe
  • Aumentar la densidad de flujo admisible en dientes/plancha trasera
    • Desplazar el límite de diseño de ~1,6-1,7 T hacia ~2,0-2,1 T en la región de trabajo, manteniendo el margen hasta la saturación real.
  • Recortar el volumen de hierro
    • Estreche los dientes, reduzca el grosor del yugo o acorte la pila para alcanzar un objetivo de peso manteniendo el par.
  • Cambiar hierro por cobre (o viceversa)
    • Con más capacidad de flujo, a veces se puede reducir la densidad de corriente y la pérdida de cobre manteniendo el rendimiento.
  • Utilice láminas más finas para gestionar las pérdidas
    • Como el Co-Fe tiene menor resistividad, las máquinas de alta velocidad suelen requerir laminaciones más finas que los diseños equivalentes de Si-Fe para mantener bajo control las pérdidas por parásitos.
  • Velocidad de empuje con grados de alta resistencia
    • Combine Co-Fe de alta saturación con variantes de alta resistencia y un tratamiento térmico adecuado para cojinetes magnéticos y rotores de velocidad ultrarrápida.

Las partes incómodas: coste, fabricabilidad y riesgo

Aquí es donde muchos programas retroceden ante Co-Fe.

El mayor inconveniente de Co-Fe es no física. Es economía y sensibilidad del proceso.

• Coste y suministro de material
  • Las aleaciones de Co-Fe se citan explícitamente en la bibliografía como "más caras" debido a su alto contenido en cobalto.
  • El precio y el abastecimiento de cobalto conllevan un lastre geopolítico y ético que algunos fabricantes de equipos originales consideran un riesgo estratégico.
• Dificultad de procesamiento
  • Las laminaciones de Co-Fe son más sensibles a toda la cadena de procesos (estampación/corte por láser, tensión, recocido, revestimiento) que muchos grados de Si-Fe. Las propiedades magnéticas están estrechamente ligadas al programa de tratamiento térmico.
  • Una resistividad más baja significa que si no se aplica un grosor de laminado lo suficientemente fino -o si el revestimiento/aislamiento es inconsistente- las pérdidas por parásitos se disparan a frecuencias típicas de la aeronáutica.
• El comportamiento de alta frecuencia es un arma de doble filo
  • A frecuencias moderadas y densidades de flujo bien elegidas, la pérdida total de Co-Fe puede ser inferior a la de Si-Fe.
  • Si se presionan demasiado B y f sin ajustar el grosor del laminado, domina el término de corrientes parásitas; varios estudios comparativos muestran puntos de cruce en los que el Si-Fe vuelve a ganar en combinaciones de inducción/frecuencia muy altas.
• Riesgo del programa
  • Nuevo material + nuevo proveedor + nuevo recocido + nueva geometría de estator/rotor es mucho "nuevo" en una sola pila para una aplicación aeroespacial de seguridad crítica.
  • Si los prototipos anteriores utilizan Si-Fe, el cambio tardío a Co-Fe suele provocar una recalificación de los modelos térmicos, los márgenes mecánicos y, a veces, la compatibilidad electromagnética.

• Preguntas para poner a prueba su caso de negocio de Co-Fe
  • 1. ¿Cuál es mi consumo actual de hierro?
    • Si su estator/rotor Si-Fe sólo funciona a 1,3 T en trayectos críticos, es probable que Co-Fe no mueva la aguja lo suficiente como para amortizar el coste.
  • 2. ¿Es el peso una misión realmente crítica?
    • Si este generador se instala en un compartimento no giratorio con modestas penalizaciones estructurales, el ahorro de unos pocos kilogramos puede no justificar la Co-Fe.
    • Si está girando en un carrete de motor o colgando bajo un ala, cada kilogramo se amplifica a través de las estructuras y la resistencia.
  • 3. ¿A qué frecuencia eléctrica funciono realmente?
    • Hasta unos cientos de Hz, con laminaciones finas, el Co-Fe puede ser competitivo en pérdidas o incluso mejor.
    • En la gama de kHz, puede que le convengan más los enfoques avanzados de Si-Fe, amorfos o nanocristalinos.
  • 4. ¿Cuál es el grado de madurez de mi ecosistema de proveedores?
    • ¿Dispone de al menos un proveedor de laminación Co-Fe que ya preste asistencia a clientes del sector aeroespacial y comprenda sus requisitos de cualificación?
  • 5. ¿Puedo señalar una victoria clara a nivel del sistema?
    • Ejemplos: un bucle de refrigeración menos, góndola más pequeña, mayor carga útil, un perfil de misión específico que se hace posible.
    • Si el beneficio sólo aparece como "números más bonitos en una hoja de datos", no suele ser suficiente para los equipos de certificación y adquisición.

Un modelo mental sencillo: "tres luces verdes" para núcleos de rotor y estator de Co-Fe

Imagínese una prueba de semáforo. Sólo se pasa a Co-Fe cuando los tres de estos son verdes:

1. Física verde - Usted está visiblemente hierro limitado (saturación o temperatura) en un diseño Si-Fe, y el Co-Fe elimina claramente ese cuello de botella.
2. Sistema verde - La reducción de masa/volumen o el aumento de rendimiento resultantes desbloquean valor a nivel de misión (alcance, carga útil, redundancia, embalaje).
3. Programa verde - Usted tiene proveedores, presupuesto y calendario para calificar Co-Fe, además de un plan para el material más alto y la complejidad de fabricación.

Si alguno se queda en rojo, suele ser más inteligente:

• perfeccionar su diseño Si-Fe (mejor grado, laminaciones más finas, mejor refrigeración),
• o considerar enfoques híbridos (por ejemplo, Si-Fe en la mayor parte del núcleo con Co-Fe sólo donde los picos de densidad de flujo son inevitables).

Entonces... ¿cuándo "merece la pena" la Co-Fe para las pilas de estator y rotor aeroespaciales?

Esta es la versión corta y honesta:

• Si está diseñando un máquina aeroespacial de alta velocidad y alta densidad de potencia-generador de arranque, generador APU o motor de propulsión integrado- y su diseño de Si-Fe ya está presionado contra los límites de saturación y térmicos, Co-Fe es absolutamente digno de un estudio comercial serio.
• Si está trabajando en sistemas de velocidad moderada que facilitan el envasado cuando no se tiene un límite de hierro, Co-Fe suele parecer una forma cara de hacer que la hoja de cálculo del rendimiento sea ligeramente más verde.

Si se utiliza bien, Co-Fe no es tanto una "mejora de material" como una "mejora de calidad". palanca estratégica. Permite doblar la curva de compromiso habitual entre peso, potencia y margen térmico de formas que los aceros eléctricos estándar sencillamente no pueden.

El trabajo del diseñador de estatores y rotores en el sector aeroespacial no consiste en amar la Co-Fe u odiarla, sino en saber exactamente cuándo esa palanca es la que hace que todo el avión sea mejor.

Si lo desea, puedo ayudarle a esbozar un concepto de Co-Fe frente a Si-Fe para su máquina específica (potencia, velocidad, voltaje, envolvente) y convertir esta orientación general en una decisión a nivel de proyecto.