Stator dan rotor kedirgantaraan yang menggunakan baja Co-Fe: ketika hal ini sangat berharga

Jika Anda bekerja pada mesin listrik kedirgantaraan, Anda mungkin pernah bahwa pertemuan.

Seseorang berkata, "Bagaimana jika kita menggunakan Co-Fe untuk stator dan rotor? Kita dapat mengecilkan mesin dan mencapai target kepadatan daya."

Orang lain berkata, "Tentu, jika Anda memiliki garis anggaran cadangan untuk logam eksotis dan kampanye uji coba untuk profil termal baru."

Artikel ini ditujukan untuk momen tersebut.

Alih-alih hanya membuat daftar properti, kami akan membahas bagaimana Co-Fe benar-benar mengubah desain stator dan rotor Anda, di mana tim kedirgantaraan sudah bertaruh untuk itu, dan daftar periksa praktis untuk mengetahui kapan peningkatan kinerja sebenarnya sepadan dengan rasa sakitnya.

• Jawaban yang sangat singkat: Co-Fe sangat berharga ketika...
  • Anda memiliki kepadatan daya atau berat badan yang terbatas dan sudah menekan baja silikon hingga ~1,6-1,7 T pada gigi dan besi belakang.
  • Mesin bekerja pada kecepatan tinggi dan/atau suhu tinggi, di mana saturasi tinggi dan titik Curie yang tinggi memberi Anda diameter rotor atau margin keselamatan.
  • Anda dapat menerjemahkan kerapatan fluks yang lebih tinggi (dan menghasilkan inti yang lebih kecil) ke dalam kemenangan di tingkat sistem: struktur yang lebih sedikit, gearbox yang lebih kecil, massa pendinginan yang lebih rendah, atau muatan/jangkauan yang lebih baik.
  • Program Anda dapat berjalan dengan biaya material yang lebih tinggi, manufaktur yang lebih kompleks, dan kontrol proses yang lebih ketat pada laminasi ketebalan dan perlakuan panas.

Mengapa kedirgantaraan peduli dengan Co-Fe sejak awal

Pada pesawat listrik dan mesin yang lebih banyak menggunakan listrik, paduan Co-Fe muncul karena mereka melakukan satu hal luar biasa dengan baik: mereka membawa banyak fluks tanpa membuat jenuh.

Paduan Fe-Co-V modern seperti grade tipe Hiperco atau laminasi CoFe 49% mencapai kerapatan fluks saturasi sekitar 2.3-2.4 Tdibandingkan dengan ~1.6-1.8 T untuk baja silikon tradisional yang tidak berorientasi.

Perbedaannya sangat besar: untuk torsi atau tenaga tertentu, Anda bisa:

• mengecilkan lebar gigi,
• memperpendek tumpukan,
• atau meningkatkan torsi/daya tanpa mengubah amplop.

Paduan Co-Fe juga biasanya:

• memiliki suhu Curie yang lebih tinggi (Hiperco ~980°C vs ~450-750°C untuk banyak baja Ni-Fe dan Si-Fe), membantu mempertahankan kinerja magnetik di zona panas di dekat mesin atau di dalam unit daya yang padat;
• dan dapat menawarkan kehilangan inti yang lebih rendah pada kerapatan fluks yang sebanding bila dianil dengan hati-hati dan digunakan pada frekuensi yang sesuai.

Itulah mengapa tinjauan tahun 2024 secara eksplisit mencatat bahwa produsen pesawat listrik sering kali memilih Co-Fe daripada Fe-Si untuk mencapai target induksi, kehilangan, dan permeabilitas yang menuntut pada mesin berkinerja tinggi.

• Seperti apa "rasa" Co-Fe dalam desain Anda dibandingkan dengan bahan inti lainnya
  • Baja silikon (NOES)
    • Serba bagus, biaya rendah, kehilangan inti rendah, saturasi sekitar 1,6-1,8 T.
    • Mendominasi stator dan rotor pasar massal untuk mobil listrik dan motor industri.
  • Paduan Ni-Fe
    • Permeabilitas yang sangat tinggi dan kehilangan yang sangat rendah pada medan rendah, tetapi saturasi sedang (sering ≤1,5 T) dan suhu Curie relatif rendah.
    • Sangat bagus untuk sensor, transformator, dan pelindung magnetik-biasanya bukan pilihan pertama untuk mesin kedirgantaraan yang padat torsi.
  • Paduan Co-Fe (dengan atau tanpa V)
    • Kejenuhan tertinggi dari paduan magnetik lunak yang umum (≈2,3-2,4 T).
    • Digunakan pada motor kelas atas, generator, dan bantalan magnet di mana kinerja dan beratnya mengalahkan biaya bahan baku.

Perbandingan cepat: Co-Fe vs Si-Fe vs Ni-Fe untuk inti stator/rotor dirgantara

Anggap saja ini sebagai tabel pemeriksaan kewarasan daripada lembar data. Angka yang tepat bergantung pada kelas, ketebalan, dan pemrosesan, tetapi tren relatifnya cukup kuat.

Kesimpulan utama: Co-Fe memberi Anda kerapatan fluks dan ruang kepala suhu yang tidak bisa Anda dapatkan dari Si-Fe atau Ni-Fe. Pertanyaannya adalah apakah program Anda benar-benar menguangkan chip tersebut.

• Bagaimana angka-angka itu muncul di tingkat pesawat
  • Mesin yang lebih kecil dan lebih ringan: B yang lebih tinggi berarti lebih sedikit besi untuk fluks yang sama. Hal ini dapat bermuara pada dudukan yang lebih ringan, nacelles yang lebih kecil, atau lebih banyak muatan/jangkauan.
  • Kepadatan torsi/daya yang lebih tinggi: Dalam peran starter-generator atau penggerak hibrida, inti Co-Fe membantu mendorong kepadatan torsi melampaui apa yang dapat didukung oleh tumpukan Si-Fe gaya EV tanpa membuat jenuh.
  • Kemampuan bertahan di lokasi yang panas: Temperatur Curie yang tinggi membuat magnet tetap "hidup" di dekat mesin dan di dalam unit daya yang padat di mana udara pendinginnya terbatas.
  • Fleksibilitas frekuensi: Dengan ketebalan laminasi yang tepat, Co-Fe dapat mempertahankan kerugian yang dapat diterima pada frekuensi listrik tinggi yang khas pada mesin kedirgantaraan berkecepatan tinggi.

Di mana kedirgantaraan sudah mengatakan "ya" pada tumpukan stator dan rotor Co-Fe

Jika Anda melihat literatur kedirgantaraan dan data pemasok baru-baru ini, Anda akan melihat paduan Co-Fe di beberapa sudut yang sangat spesifik:

• generator starter berkecepatan tinggi pada gulungan mesin,
• APU dan unit daya listrik lainnya,
• sistem propulsi listrik eksperimental atau demonstrator,
• dan bantalan magnet atau kompresor berkecepatan tinggi.

Produsen paduan besi-kobalt secara terbuka memposisikan stator Co-Fe dan tumpukan rotor mereka sebagai enabler untuk generator dan APU pesawat dengan kepadatan daya tinggi, mengklaim secara kasar 25% induksi lebih tinggi dan ~30% kehilangan lebih rendah daripada baja listrik konvensional dalam desain yang sebanding.

Studi akademis dan industri tentang mesin berkecepatan tinggi untuk bantalan dirgantara dan magnetik berulang kali bertemu pada Co-Fe sebagai sudut "kanan atas" dari peta kinerja: kejenuhan tertinggi ditambah sifat mekanik yang memadai ketika diproses secara termal dengan benar.

• Skenario kedirgantaraan yang umum di mana Co-Fe mendapatkan keuntungan
  • Generator starter terkait dengan kecepatan mesin
    • Frekuensi listrik dan kecepatan rotor yang sangat tinggi.
    • Ruang radial dan aksial yang sempit di dalam mesin.
    • Hukuman yang sangat besar untuk beban tambahan pada struktur yang berputar.
  • Motor penggerak yang terintegrasi dengan sayap atau badan pesawat
    • Target kepadatan daya yang tidak dapat dipenuhi oleh Si-Fe tanpa kejenuhan yang tidak dapat diterima.
    • Insentif tingkat sistem yang kuat untuk diameter nacelle atau kipas yang lebih kecil (hambatan, aero, struktur).
  • APU dan unit daya listrik lainnya
    • Perlu mengemas kemampuan menghasilkan yang signifikan ke dalam amplop sekecil mungkin.
    • Lingkungan instalasi yang panas dengan suhu Curie yang tinggi meyakinkan.
  • Bantalan magnetik / kompresor berkecepatan tinggi
    • Membutuhkan gaya yang sangat tinggi dalam volume terbatas; Keunggulan saturasi Co-Fe berubah secara langsung menjadi kapasitas beban.

Apa yang benar-benar berubah pada stator dan rotor Anda ketika Anda beralih ke Co-Fe

Dari kejauhan, tumpukan stator Co-Fe terlihat persis seperti baja silikon: laminasi tipis, lapisan insulasi, slot, besi belakang.

Namun demikian, secara elektromagnetik dan mekanis, ruang desain bergeser.

1. Distribusi fluks dan pemuatan gigi
   • Dengan Bs ≈ 2,3-2,4 T, Anda dapat beroperasi pada induksi puncak yang jauh lebih tinggi pada gigi dan besi belakang sebelum kejenuhan menjepit torsi atau daya Anda.
   • Hal ini memungkinkan Anda mengecilkan lebar gigi atau panjang inti, atau menjalankan kombinasi slot/pole yang lebih agresif tanpa menabrak langit-langit yang keras.
2. Profil termal
   • Resistivitas Co-Fe yang lebih rendah berarti kerugian arus eddy meningkat lebih cepat pada frekuensi tinggi dan kerapatan fluks tinggi dibandingkan dengan Si-Fe jika ketebalan laminasi tidak dikurangi.
   • Hasilnya adalah bahwa bahkan pada suhu tinggi, Co-Fe mempertahankan magnetisasinya jauh lebih efektif daripada Ni-Fe atau Si-Fe standar.
3. Batas mekanis
   • Rotor kecepatan tinggi dalam Co-Fe sering menggunakan grade khusus (misalnya, VACODUR atau Hiperco HS) yang menyeimbangkan saturasi dengan kekuatan tarik melalui anil yang disesuaikan.
   • Margin ledakan dan kekakuan lentur rotor sebenarnya dapat meningkat dibandingkan dengan beberapa solusi Si-Fe, asalkan jendela perlakuan panas Anda dikontrol dengan ketat.
4. Ketukan tingkat sistem
   • Core yang lebih kecil dapat berarti jalur pendinginan yang lebih pendek, pilihan belitan yang berbeda (misalnya, lebih banyak tembaga yang mengisi slot yang lebih kecil), dan hambatan termal yang berubah.
   • Struktur, dudukan, dan karakteristik NVH semuanya dapat berubah apabila Anda menggeser massa ke dalam dan mengurangi volume besi.

• Gerakan desain beton yang dapat Anda lakukan dengan Co-Fe
  • Naikkan kerapatan fluks yang diijinkan pada gigi/besi belakang
    • Pindahkan batas desain dari ~1,6-1,7 T ke arah ~2,0-2,1 T di wilayah kerja, jaga margin ke saturasi yang sebenarnya.
  • Memangkas volume besi
    • Persempit gigi, kurangi ketebalan yoke, atau perpendek tumpukan untuk mencapai target berat sekaligus mempertahankan torsi.
  • Menukar besi dengan tembaga (atau sebaliknya)
    • Dengan kemampuan fluks yang lebih banyak, Anda terkadang dapat mengurangi kerapatan arus dan kehilangan tembaga sekaligus mempertahankan performa.
  • Gunakan laminasi yang lebih tipis untuk mengatasi kehilangan
    • Karena Co-Fe memiliki resistivitas yang lebih rendah, mesin berkecepatan tinggi sering kali membutuhkan laminasi yang lebih tipis daripada desain Si-Fe yang setara untuk menjaga agar kerugian eddy tetap terkendali.
  • Kecepatan dorong dengan nilai kekuatan tinggi
    • Pasangkan Co-Fe saturasi tinggi dengan varian kekuatan tinggi dan perlakuan panas yang sesuai untuk bantalan magnet dan rotor berkecepatan sangat tinggi.

Hal-hal yang tidak nyaman: biaya, kemampuan produksi, dan risiko

Di sinilah banyak program yang mundur dari Co-Fe.

Kelemahan terbesar Co-Fe adalah tidak fisika. Ini adalah ekonomi dan sensitivitas proses.

• Biaya & pasokan material
  • Paduan Co-Fe secara eksplisit disebut dalam literatur sebagai "lebih mahal" karena kandungan kobaltnya yang tinggi.
  • Penetapan harga dan sumber kobalt membawa beban geopolitik dan etika, yang sekarang dianggap oleh beberapa OEM sebagai risiko strategis.
• Kesulitan pemrosesan
  • Laminasi Co-Fe lebih sensitif terhadap rantai proses penuh (stamping/pemotongan laser, stres, anil, pelapisan) dibandingkan dengan banyak nilai Si-Fe. Sifat magnetik terkait erat dengan jadwal perlakuan panas.
  • Resistivitas yang lebih rendah berarti bahwa jika Anda tidak menggunakan pengukur laminasi yang cukup tipis-atau jika pelapisan/insulasi tidak konsisten-eddy kehilangan balon pada frekuensi khas kedirgantaraan.
• Perilaku frekuensi tinggi adalah pedang bermata dua
  • Pada frekuensi moderat dan kepadatan fluks yang dipilih dengan bijak, Co-Fe sebenarnya dapat menunjukkan kehilangan total yang lebih rendah daripada Si-Fe.
  • Dorong B dan f terlalu keras tanpa menyesuaikan ketebalan laminasi, dan istilah arus pusar mendominasi; beberapa studi komparatif menunjukkan titik-titik persilangan di mana Si-Fe menang lagi pada kombinasi induksi/frekuensi yang sangat tinggi.
• Risiko program
  • Material baru + pemasok baru + anil baru + geometri stator/rotor baru adalah banyak hal "baru" dalam satu tumpukan untuk aplikasi kedirgantaraan yang sangat penting bagi keselamatan.
  • Jika prototipe sebelumnya menggunakan Si-Fe, beralih terlambat ke Co-Fe sering kali memicu kualifikasi ulang model termal, margin mekanis, dan terkadang kompatibilitas elektromagnetik.

• Pertanyaan untuk menguji kasus bisnis Co-Fe Anda
  • 1. Berapa penggunaan zat besi saya hari ini?
    • Jika stator/rotor Si-Fe Anda hanya menjalankan 1,3 T di jalur kritis, Co-Fe mungkin tidak akan cukup menggerakkan jarum untuk membayar kembali biayanya.
  • 2. Apakah berat badan benar-benar sangat penting di sini?
    • Jika generator ini berada di teluk yang tidak berputar dengan hukuman struktural yang sederhana, mencukur beberapa kilogram mungkin tidak membenarkan Co-Fe.
    • Jika berputar pada spul mesin atau tergantung di bawah sayap, setiap kilogram diperkuat melalui struktur dan hambatan.
  • 3. Berapa frekuensi listrik yang sebenarnya saya gunakan?
    • Hingga beberapa ratus Hz, dengan laminasi tipis, Co-Fe dapat menjadi kompetitif atau lebih baik.
    • Pada rentang kHz, Anda mungkin lebih baik dilayani dengan pendekatan Si-Fe, amorf, atau nanokristalin tingkat lanjut.
  • 4. Seberapa matangkah ekosistem pemasok saya?
    • Apakah Anda memiliki setidaknya satu pemasok laminasi Co-Fe yang telah mendukung pelanggan kedirgantaraan dan memahami persyaratan kualifikasi Anda?
  • 5. Dapatkah saya menunjukkan kemenangan tingkat sistem yang jelas?
    • Contoh: satu putaran pendingin yang lebih sedikit, nacelle yang lebih kecil, muatan yang lebih tinggi, profil misi tertentu yang memungkinkan.
    • Jika manfaatnya hanya muncul sebagai "angka-angka yang lebih bagus di lembar data," itu biasanya tidak cukup untuk tim sertifikasi dan pengadaan.

Model mental yang sederhana: "tiga lampu hijau" untuk inti stator & rotor Co-Fe

Bayangkan sebuah tes lampu lalu lintas. Anda hanya pindah ke Co-Fe ketika ketiganya di antaranya berwarna hijau:

1. Hijau fisika - Anda terlihat jelas besi terbatas (kejenuhan atau suhu) dalam desain Si-Fe, dan Co-Fe dengan jelas menghilangkan hambatan tersebut.
2. Sistem hijau - Pengurangan massa/volume yang dihasilkan atau peningkatan performa membuka kunci nilai tingkat misi (jangkauan, muatan, redundansi, pengemasan).
3. Program hijau - Anda memiliki pemasok, anggaran, dan jadwal untuk memenuhi syarat Co-Fe, ditambah rencana untuk material yang lebih tinggi dan kompleksitas manufaktur.

Jika salah satu dari mereka tetap merah, biasanya lebih pintar:

• menyempurnakan desain Si-Fe Anda (kualitas yang lebih baik, laminasi yang lebih tipis, pendinginan yang lebih baik),
• atau mempertimbangkan pendekatan hibrida (misalnya, Si-Fe di sebagian besar inti dengan Co-Fe hanya jika puncak kerapatan fluks tidak dapat dihindari).

Jadi... kapan Co-Fe "layak" untuk tumpukan stator dan rotor dirgantara?

Inilah versi singkat dan jujurnya:

• Jika Anda sedang merancang sebuah mesin kedirgantaraan berkecepatan tinggi dan berdensitas daya tinggi-generator starter, generator APU, atau motor penggerak terintegrasi-dan desain Si-Fe Anda sudah ditekan pada batas kejenuhan dan termal, Co-Fe benar-benar layak untuk dipelajari secara serius.
• Jika Anda sedang mengerjakan sistem berkecepatan sedang dan ramah pengemasan Jika Anda tidak memiliki keterbatasan dana, Co-Fe biasanya terlihat seperti cara yang mahal untuk membuat spreadsheet kinerja menjadi sedikit lebih hijau.

Jika digunakan dengan baik, Co-Fe tidak terlalu "upgrade material mewah" dan lebih merupakan tuas strategis. Ini memungkinkan Anda membengkokkan kurva pertukaran yang biasa terjadi antara berat, daya, dan margin termal dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh baja listrik standar.

Tugas perancang stator dan rotor di bidang kedirgantaraan bukanlah untuk menyukai atau membenci Co-Fe, melainkan untuk mengetahui secara pasti kapan tuas tersebut adalah tuas yang membuat seluruh pesawat menjadi lebih baik.

Jika Anda mau, saya dapat membantu Anda membuat sketsa konsep Co-Fe vs Si-Fe untuk mesin spesifik Anda (daya, kecepatan, voltase, amplop) dan mengubah panduan umum ini menjadi keputusan tingkat proyek.