Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Sellamos, apilamos y enviamos pilas de laminación de motores para sistemas de propulsión eVTOL. Esto es lo que hemos aprendido sobre dónde se rompen los diseños y dónde se mantienen.
Principales conclusiones
- La degradación del borde de corte en acero al silicio de 0,20 mm consume 25-40% de la sección transversal de un diente estrecho del estator. El recocido de alivio de tensión a 750-800°C recupera 20-30% de esa penalización por pérdida de núcleo (método de núcleo anular, 1,0T/400Hz).
- Se pueden conseguir puentes de rotor por debajo de 0,5 mm en material de 0,20 mm, pero no son estables. para series de producción superiores a ~2.000 piezas sin mantenimiento acelerado de las matrices.
- Las pilas unidas (con respaldo o adhesivas) superan sistemáticamente a las pilas entrelazadas tanto en la pérdida por corrientes parásitas como en la conductividad térmica en motores de densidad de potencia de clase eVTOL.
- La anchura del puente de condición estampada no es la anchura del puente dibujado. El vuelco y la rebaba desplazan la sección transversal estructural efectiva. Especifique ambos en su dibujo.
El motor de un eVTOL no llega a la inercia. Durante el vuelo estacionario, la batería se descarga a 3-5C. El motor alcanza el par máximo durante 12-20 minutos seguidos, a veces más durante aproximaciones abortadas. Luego pasa a crucero y el perfil de carga electromagnética cambia por completo. A continuación, vuelve a planear para aterrizar. Cada vuelo es un ciclo térmico que no tendría importancia en un propulsor industrial, pero que resulta agotador con las densidades de potencia que requiere el eVTOL.
No diseñamos los motores. Construimos las pilas de laminación que van dentro de ellos. Pero los problemas llegan a nuestra mesa de todos modos, porque el laminado es donde la intención electromagnética se encuentra con la realidad de la fabricación. Un puente de rotor que supere el análisis de elementos finitos con 0,35 mm no tiene por qué sobrevivir a 50.000 ciclos de estampación con esa anchura. Un diente de estator optimizado para la densidad de flujo a 12.000 RPM puede no tener suficiente material tras la degradación del borde de corte para transportar el flujo que prometía el modelo.
En Laminaciones eVTOL, Sin embargo, el verdadero reto no es simplemente sobrevivir a 15.000 RPM, sino sobrevivir a 15.000 RPM con un calibre de 0,20 mm manteniendo un contacto térmico absoluto entre cada laminación de la pila.
Este artículo trata de los retos específicos de laminación que vemos en los programas eVTOL, no la teoría, sino los compromisos que surgen cuando un cliente nos envía un DXF y tenemos que averiguar cómo hacerlo funcionar realmente.
La gente asume que el salto de los motores de tracción de los automóviles a los motores de propulsión de los eVTOL es incremental. Pero no lo es.
El laminado de un motor de tracción de automóvil puede tolerar algunos gramos de más. Se asienta dentro de una carcasa atornillada a un subchasis. Lo rodean camisas de refrigeración. El ciclo de trabajo incluye largos tramos de carga parcial. Si la pérdida del núcleo supera la simulación, el sistema térmico la absorbe.
Un motor eVTOL no tiene esa holgura. Cada gramo de acero laminado es un gramo que la aeronave soporta en cada vuelo estacionario, en cada ascenso y en cada transición. La trayectoria de refrigeración está limitada por el fuselaje; a veces sólo hay flujo de aire sobre la carcasa. Y el ciclo de trabajo en vuelo estacionario es brutal: funcionamiento sostenido a plena potencia en el que cualquier exceso de pérdida por corrientes de Foucault o histéresis se convierte en calor que no tiene adónde ir.
| Parámetro | Laminación de motores de tracción de automóviles | Laminación del motor de propulsión eVTOL |
|---|---|---|
| Espesor típico del acero al silicio | 0,30-0,35 mm | 0,20-0,25 mm (algunos programas a 0,15 mm) |
| Tolerancia a la pérdida de núcleo frente a la simulación | ±8-10% aceptable | ±3-4% antes de que se rompa el presupuesto térmico |
| Anchura mínima del puente del rotor | 0,8-1,2 mm | 0,4-0,7 mm (límite estructural a RPM) |
| Sensibilidad al peso de la pila | Bajo-moderado | Cada gramo auditado contra la envoltura de vuelo |
| Volumen anual típico por SKU | 50K-500K+ | 200-5.000 (prototipo hasta LRIP) |
| Requisito de recocido posterior a la estampación | A menudo se omite en grandes volúmenes | Casi siempre es necesario |
| Límite de altura de la rebaba | 25-40 µm | 10-20 µm, a veces más estrecho |
| Método de unión | Enclavamiento, soldadura común | Es preferible el pegado (backlack o adhesivo) para evitar las corrientes parásitas interlaminares. |
| Sensibilidad del factor de llenado de ranuras | Moderado | Alto-cada % de factor de llenado de cobre afecta a la capacidad térmica continua |
Esa columna de volumen importa más de lo que la gente cree. Con 200-5.000 unidades, no se puede amortizar un troquel progresivo de la misma manera. Algunas de nuestras pilas eVTOL funcionan con troqueles compuestos o incluso con electroerosión por hilo para cantidades prototipo. Los aspectos económicos de la ruta de estampación determinan qué geometrías son realmente viables en una determinada fase del programa.
La delgadez reduce las pérdidas por corrientes parásitas. En teoría es sencillo. A partir de 0,20 mm, trabajamos con un material que se deforma en casi cualquier contacto mecánico.
La zona dañada en el borde de corte de un laminado estampado tiene una profundidad aproximada de 0,3-0,5 mm en cada lado, dependiendo de la calidad del acero, la holgura de la matriz y el filo de la herramienta. En un laminado de automoción de 0,35 mm con un diente de estator de 4 mm, esa zona dañada ocupa quizá 15-25% de la anchura del diente. Manejable.
En una laminación eVTOL de 0,20 mm con un diente de 2,5 mm, la misma zona dañada se come 25-40% de la sección transversal activa. La permeabilidad en esa zona se degrada. La pérdida de núcleo es elevada. El diente no transporta el flujo de la forma esperada por el modelo electromagnético: las formas de onda de la FEM de retorno se desplazan, el par de arrastre aumenta ligeramente y el mapa de eficiencia se desvía de la simulación.
Tres cosas que hemos aprendido para gestionar esto:
Para los calibres eVTOL, utilizamos 5-7% de espesor de material por lado, frente a los 8-10% habituales para materiales más gruesos. Esto reduce la zona de deformación plástica y acorta el perfil de rebaba, pero aumenta el desgaste de la matriz. La vida útil de la herramienta disminuye aproximadamente 25-35%. Rectificamos más a menudo. Es un coste que absorbe el cliente, pero es mejor que absorber una penalización por pérdida de núcleo de 15% en toda la gama de funcionamiento.
En los programas de automoción, a veces enviamos pilas sin recocido cuando el presupuesto térmico del cliente lo permite. En eVTOL, recocemos casi todo. Un ciclo controlado a 750-800 °C en una atmósfera seca de nitrógeno/hidrógeno (punto de rocío inferior a -40 °C) recupera la mayor parte de las propiedades magnéticas perdidas durante el estampado.
Las cifras, medidas en muestras de núcleo anular según la norma IEC 60404-6 a 1,0T/400Hz: Reducciones de pérdidas en el núcleo de 20-30% post recocido en material de 0,20 mm. La permeabilidad relativa a 1,0 T se recupera desde un mínimo de 2.500 (tal como está estampado) hasta 5.500-7.000 (recocido). Eso no es un refinamiento, es la diferencia entre un motor que cumple su objetivo térmico y otro que no.
Algunos clientes piden laminaciones cortadas con láser suponiendo que la calidad del corte es mejor. Puede serlo, pero la zona afectada por el calor de un láser de fibra sobre acero al silicio fino introduce su propia degradación magnética, a veces comparable a la estampación en términos de pérdida de permeabilidad a 0,2 mm del borde. Utilizamos el láser para prototipos, para geometrías demasiado complejas para la estampación y para cantidades muy pequeñas en las que el coste de las herramientas no tiene sentido. Para producciones superiores a ~500 pilas, una matriz de estampación bien mantenida sigue ganando en calidad de borde a 0,20 mm, siempre que la holgura de la matriz y el programa de mantenimiento sean correctos.
Los motores eVTOL, especialmente las configuraciones de transmisión directa utilizadas en las arquitecturas de rotor basculante, no siempre funcionan a las RPM extremas que se verían en un motor de automoción de alta velocidad. Algunos rondan las 2.000-4.000 RPM. Pero los que accionan hélices más pequeñas o pasan por una etapa de reducción pueden alcanzar entre 12.000 y 20.000 RPM, y la tensión centrífuga en el laminado del rotor a esas velocidades es real.
El puente del rotor es la fina sección de acero situada entre la cavidad del imán y el diámetro exterior del rotor. Su función es retener los imanes contra la fuerza centrífuga. Electromagnéticamente, se desea que sea lo más delgado posible, ya que es una vía de fuga de flujo - cualquier flujo que toma un atajo a través del puente en lugar de cruzar el entrehierro se desperdicia, reduciendo la densidad de par y la distorsión de la forma de onda de back-EMF. Estructuralmente, tiene que resistir la carga centrífuga a la máxima sobrevelocidad con un margen de seguridad que satisfaga la certificación aeroespacial.
Aquí está la tensión: el diseñador electromagnético quiere un puente de 0,3 mm. El analista estructural dice que 0,6 mm como mínimo a 15.000 RPM con un factor de seguridad de 1,5×. El ingeniero de estampación dice que todo lo que sea inferior a 0,5 mm en una matriz progresiva con un espesor de material de 0,20 mm será incoherente después de 10.000 golpes.
Una cosa que rara vez aparece en las entregas de simulación: la anchura del puente en el dibujo es nominal. Después de la estampación, el puente tiene una rebaba en un lado y un rollover en el otro. La sección transversal estructural efectiva no es la misma que la dimensión dibujada: suele ser entre 0,03 y 0,08 mm menor, según el material y el estado de la herramienta. La medimos. Lo comunicamos. La mayoría de nuestros clientes de eVTOL incluyen ahora en sus dibujos una tolerancia de anchura de puente en condiciones de estampado, independiente de la anchura nominal de diseño. Si el suyo no lo hace, debería hacerlo.
No podemos dar el nombre del cliente. Lo que sí podemos compartir es la secuencia de resolución del problema, porque ilustra cómo las limitaciones de la fabricación del laminado repercuten en el diseño del motor, y no al revés.
El programa era un motor de rotor exterior de accionamiento directo de 130 kW para una configuración multicóptero. Especificaciones del diseño inicial: Acero al silicio no orientado de 0,20 mm, estator de 48 ranuras, rotor de 40 polos, velocidad máxima de 3.200 RPM. La anchura de los dientes del estator era de 2,8 mm. El puente del rotor se trazó a 0,45 mm.
Lo que pasó en el prototipo: La pérdida de núcleo en el primer lote de pilas de estator fue de 18% por encima de la simulación electromagnética (muestras testigo de núcleo anular, 1,0T/400Hz, preendurecimiento). Tras el recocido, la diferencia se redujo a 6%, mejor, pero aún fuera del margen térmico de ±4% que podía absorber el sistema de refrigeración del cliente. Los puentes del rotor de las primeras 50 piezas mostraban una variación de ±0,06 mm, que el análisis estructural aceptó, pero la variación del flujo de fuga estaba creando una dispersión medible del par de arrastre entre motores.
Lo que hemos cambiado:
Resultado: Las pruebas del prototipo del motor mostraron una potencia de vuelo estacionario continuo dentro de los 2% del objetivo de la simulación térmica. El cliente procedió a la LRIP (producción inicial de bajo volumen) sin rediseñar el circuito electromagnético.
Este es un proyecto eVTOL típico para nosotros. La intención del diseño es correcta. El resultado de la primera pasada de fabricación no es del todo correcto. La iteración se produce en la holgura de la matriz, el control del proceso y la estrategia de inspección, no en el rediseño del motor.
La pila de laminación no es sólo un componente electromagnético. También es una vía térmica, a menudo la principal vía conductora para sacar el calor de los devanados del estator y llevarlo al sistema de refrigeración existente.
Esto crea requisitos que a veces entran en conflicto:
Una pila poco comprimida tiene espacios de aire entre las laminaciones. El aire es un aislante térmico. Cuanto más apretada esté la pila, mejor será la trayectoria térmica entre capas. Pero una compresión excesiva daña el revestimiento aislante y crea cortocircuitos entre las láminas, lo que aumenta las pérdidas por corrientes parásitas y, por tanto, el calor. Nuestro objetivo es un factor de apilamiento de 95-97% para las pilas eVTOL, que está en el extremo superior de lo que utilizaríamos para automoción. Para conseguirlo sin dañar el revestimiento se requiere un prensado controlado con supervisión de la fuerza en tiempo real: registramos curvas de fuerza-desplazamiento en cada pila y marcamos las anomalías automáticamente.
El enclavamiento crea una deformación local en cada punto de hoyuelo, lo que altera la capa aislante y crea bolsas de aire alrededor del elemento de enclavamiento. Cada punto de enclavamiento se convierte en una microfuente de pérdidas por exceso de corrientes parásitas y de resistencia térmica. Para eVTOL, la mayoría de nuestros clientes especifican backlack (revestimiento autoadhesivo) o unión adhesiva. La capa adhesiva rellena los microespacios y mejora la transferencia térmica entre las laminaciones, al tiempo que mantiene el aislamiento eléctrico. La contrapartida es el tiempo de ciclo y la complejidad del proceso: la adhesión requiere un paso de curado controlado (normalmente 180-200°C durante 30-60 minutos bajo presión de sujeción) que no requiere el enclavamiento.
Técnicamente, esto es problema del diseñador del motor, pero recae sobre nosotros porque la forma de la ranura que estampamos determina lo bien que se asienta el bobinado contra la pared dentada del estator, lo que afecta directamente al factor de llenado del cobre y al acoplamiento térmico entre el conductor y el hierro.
Una ranura con radios estrechos y bordes limpios permite que el bobinado se anide más cerca, reduciendo el espacio de aire entre el cobre y el acero. Una ranura con rebabas o rollover empuja el bobinado lejos de la pared, degradando el relleno efectivo de la ranura.
En un motor eVTOL que funcione a alta potencia continua, esos 0,1 mm adicionales de entrehierro efectivo entre el bobinado y el diente pueden significar una temperatura del punto caliente del bobinado entre 5 y 10 °C más alta. Lo hemos comprobado en pruebas térmicas consecutivas (motor instrumentado con termopares, mismo proceso de bobinado, mismo punto de funcionamiento) con una pila a 15 µm de altura de rebaba y otra a 30 µm. La diferencia fue constante y repetible en tres muestras de motor.
La mayoría de los programas eVTOL con los que trabajamos utilizan motores síncronos de imanes permanentes de flujo radial. La pila de laminación es una geometría cilíndrica convencional: anillo del estator, disco del rotor, estampado a partir de una chapa plana. Sabemos cómo fabricarlos. Conocemos el utillaje. El proceso de apilamiento está maduro.
Pero los motores de flujo axial son cada vez más frecuentes. La ventaja de la densidad de par -menor longitud axial para el mismo par de salida- es atractiva para el embalaje eVTOL donde el espacio axial es limitado, pero el espacio radial está disponible.
Las laminaciones de flujo axial son un animal diferente. La trayectoria del flujo discurre axialmente a través de la pila en lugar de radialmente, lo que significa que el plano de laminación debe orientarse de forma diferente. Algunos diseños de flujo axial utilizan tiras enrolladas de acero al silicio (núcleos enrollados en cinta). Otros utilizan núcleos de polvo SMC (compuesto magnético blando). Otros utilizan laminaciones segmentadas dispuestas radialmente, como las porciones de una tarta.
Producimos láminas segmentadas de estator para topologías de flujo axial. El estampado es sencillo: cada segmento tiene una forma pequeña y relativamente simple. El reto es el montaje: alinear, unir y comprimir docenas de segmentos en un anillo con propiedades magnéticas uniformes y una tolerancia geométrica ajustada.
Lo difícil de las laminaciones de flujo axial no es fabricar la pieza. Es hacer la pila. Una desalineación de 0,05 mm entre segmentos crea una variación de reluctancia local que altera la distribución del flujo y crea un punto caliente. La fijación es muy importante. Utilizamos ensamblajes pegados con dispositivos de alineación personalizados y verificamos la concentricidad en la MMC después del curado.
En los rotores de flujo axial, las laminaciones son menos habituales: muchos diseños utilizan acero macizo o SMC. Cuando se especifican laminados, suelen ser anillos finos o formas anulares que requieren herramientas de corte especializadas.
No se trata de un catálogo, sino de lo que hemos fabricado, medido, recocido y enviado a clientes que los han sometido a motores de pruebas funcionales.
| Material | Espesor | Pérdida en el núcleo (1,0T/400Hz, recocido) | Saturación ($B_{sat}$) | Estampabilidad | Únase a | El mejor caso de uso | Limitación clave |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Acero al Si no orientado (~2,5% Si) | 0,20 mm | 1,8-2,2 W/kg | ~1.80 T | Bien | Adhesión o enclavamiento | Estator/rotor eVTOL por defecto | Degradación de los bordes cortados en rasgos estrechos |
| Acero de alto contenido en Si (~3,0-3,5% Si) | 0,15 mm | 1,2-1,6 W/kg | ~1.75 T | Difícil-frágil | Sólo adhesión | Motores de altas revoluciones en los que predominan las pérdidas por corrientes parásitas | La vida útil del troquel cae 30-40%; no es posible el enclavamiento |
| Cinta amorfa/nanocristalina | 0,020-0,025 mm | 0,3-0,5 W/kg | ~1.56 T | No estampable convencionalmente | Sólo adhesión | Aplicaciones de pérdidas ultrabajas, núcleos pequeños | Requiere grabado o electroerosión; frágil; no está preparado para el volumen |
| Cobalto-hierro (49% Co-Fe) | 0,10-0,20 mm | 1,0-1,5 W/kg | ~2.35 T | Estampable pero abrasivo | Vinculación preferente | Máxima densidad de potencia, mínimo tamaño del motor | Coste del material 15-30× acero al silicio; duro con las herramientas |
Si se optimiza el peso por kilovatio en el motor, el hierro cobalto ofrece la menor pila de laminados para un par determinado. Si se trata de optimizar la economía unitaria de una flota, la mayoría de los programas se centran en el acero al silicio de 0,20 mm. La decisión suele tomarse en el contexto de todo el presupuesto de peso de la aeronave: a veces, un ahorro de 200 g en la pila del motor permite añadir 200 g de batería, lo que cambia el perfil de la misión.
La calidad en automoción se basa en ISO/IATF. La calidad aeroespacial de los componentes de motores eVTOL está evolucionando, pero la trayectoria apunta hacia la conformidad con AS9100 y EASA/FAA Parte 21. Qué exigen actualmente nuestros clientes de eVTOL:
Esto supone más documentación que la mayoría de los programas de automoción. Los volúmenes son menores, pero el papeleo por pieza es mayor. Hemos creado nuestro sistema de calidad para gestionarlo porque vemos que este mercado está creciendo y que los requisitos son cada vez más estrictos a medida que los programas de certificación de tipo avanzan en el proceso EASA/FAA.
No existe una norma única. La mayoría de los programas que apoyamos utilizan acero al silicio de 0,20 mm como referencia. Los motores de altas revoluciones o los programas con presupuestos de pérdidas muy ajustados utilizan láminas de 0,15 mm o más finas. La elección depende de la frecuencia eléctrica de funcionamiento del motor: las laminaciones más finas reducen proporcionalmente las pérdidas por corrientes parásitas, y el beneficio es mayor a frecuencias más altas.
Técnicamente sí, pero no lo recomendamos para la mayoría de las aplicaciones eVTOL. Los hoyuelos entrelazados provocan daños locales en el aislamiento y cortocircuitos interlaminares entre las laminaciones, aumentando las pérdidas por corrientes parásitas. También introducen resistencia térmica en cada punto de los hoyuelos. Para un motor que ya está limitado térmicamente a potencia de vuelo estacionario continuo, esta combinación es un problema. La unión (backlack o adhesiva) ofrece un resultado electromagnético y térmico más limpio.
En materiales de calibre fino con características estrechas -típicos de los diseños de estator eVTOL-, la zona magnéticamente dañada por el estampado puede ocupar 25-40% de la anchura de un diente del estator. Esto aumenta la pérdida en el núcleo, reduce la permeabilidad efectiva (que desplaza las formas de onda de la FEM de retorno y aumenta el par de arrastre) y crea una discrepancia entre las predicciones del AEF y el comportamiento real del motor. El recocido de alivio de tensiones recupera la mayor parte de los daños. Sin el recocido, el rendimiento real de la pila puede desviarse 15-25% del valor de referencia de la simulación.
Sí. Fabricamos laminados de estator segmentados para topologías de flujo axial. El estampado por segmento es estándar; el ensamblaje en un anillo de precisión es donde se concentra la dificultad. Utilizamos un ensamblaje pegado con fijación personalizada para mantener la alineación entre segmentos dentro de 0,05 mm y verificamos la concentricidad en la MMC después del curado.
El marco normativo aún está en fase de formación. La mayoría de nuestros clientes de eVTOL exigen una gestión de calidad alineada con AS9100, una trazabilidad completa de los materiales (desde el número de colada hasta la serie de la pila) y una verificación de la pérdida de núcleo a nivel de lote según IEC 60404. A medida que maduren los programas de certificación de tipo con arreglo a las condiciones especiales SC-VTOL y FAA de la AESA, esperamos que los requisitos se formalicen aún más, sobre todo en lo que respecta al control de cambios en los procesos y la cualificación de materiales.
Depende de la relación peso-coste. Las aleaciones de Co-Fe ofrecen ~2,35 T de saturación frente a ~1,80 T del acero al silicio, lo que permite un motor físicamente más pequeño para el mismo par. El material cuesta entre 15 y 30 veces más. Para los programas en los que el margen de carga útil de la aeronave es estrecho y cada gramo de masa del motor reduce directamente la carga útil de ingresos, las matemáticas funcionan. Para las plataformas de taxi aéreo urbano que optimizan la economía por unidad en toda una flota, el acero al silicio suele salir ganando.
Orden de magnitud aproximado: las laminaciones por electroerosión de hilo cuestan entre 30 y 80 veces más por pieza que las laminaciones estampadas con troqueles progresivos en volumen de producción. El umbral de rentabilidad depende de la complejidad de la geometría, pero para la mayoría de los diseños de estator eVTOL, el utillaje estampado empieza a tener sentido económicamente por encima de 300-500 pilas. Por debajo de esta cifra, la electroerosión por hilo o las matrices compuestas son más rentables si se incluye la amortización del utillaje.
La misma disciplina de proceso que en los grandes volúmenes, aplicada a lotes más pequeños. Realizamos inspecciones de primera y última partícula en cada lote de producción. Se comprueban los anillos testigo de pérdida de núcleo de cada bobina de acero entrante. Las dimensiones de las pilas se verifican en la MMC. La diferencia con la automoción es que el control estadístico de procesos por sí solo no funciona cuando el tamaño del lote es de 200 pilas: inspeccionamos más, medimos más y documentamos más por unidad producida.
¿Tiene problemas con la deformación del puente del rotor en sus prototipos actuales? ¿Ve cifras de pérdidas en el núcleo que no coinciden con su simulación? Envíenos su archivo DXF para una revisión DFM gratuita-Evaluaremos el riesgo de degradación de los bordes, la posibilidad de fabricar puentes y la compresión térmica de la pila para su geometría y volumen específicos. No se requiere NDA para la revisión inicial.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Spanish 
English 
German 
French 
Italian 
Japanese 
Korean 
Dutch 
Indonesian