Co-Fe鋼を使用した航空宇宙用ステーターとローター：その価値がある場合

航空宇宙の電気機械に携わっている人なら、おそらく経験したことがあるだろう。 その ミーティングに参加した。

ステーターとローターをCo-Feにしたらどうだろう。マシンを小型化して、出力密度の目標を達成できるかもしれない"

もちろん、エキゾチックメタルや新しい熱プロファイルのテストキャンペーンのための予算枠に余裕があるなら」と言う人もいる。

この記事はまさにその瞬間のためにある。

単に特性を列挙するのではなく、Co-Feが実際にステーターやローターの設計をどのように変えるのか、航空宇宙チームがすでにCo-Feに賭けているのはどこなのか、性能向上が必要な場合の実践的なチェックリストを紹介する。 実際に 痛みに値する。

• 超短い答え：Co-Feにそれだけの価値があるのは...
  • パワー密度または重量に制限がある そして すでにティースとバックアイアンでケイ素鋼を～1.6～1.7Tに絞っている。
  • マシンは高速または高温で運転され、高飽和度と高キュリー点がローター直径または安全マージンを買う。
  • より高い磁束密度（そしてその結果としてのより小さなコア）を、より少ない構造、より小さなギアボックス、より低い冷却質量、あるいはより良いペイロード／レンジといったシステムレベルの勝利に変換することができる。
  • 御社のプログラムは、より高い材料費、より複雑な製造、より厳しい工程管理にも耐えることができます。 ラミネート 厚さと熱処理。

そもそも航空宇宙がCo-Feを気にする理由

電気航空機やより電気的なエンジンでは、Co-Fe合金は一つの役割を果たす。 ななめならず 飽和することなく、多くのフラックスを運ぶことができる。

ハイパーコ型グレードや49% CoFeラミネートのような最新のFe-Co-V合金は、飽和磁束密度が以下のようになる。 2.3-2.4 Tと比較した。 ~1.6-1.8 T 従来の無配向ケイ素鋼の場合。

この差は非常に大きい：

• 歯幅を縮める、
• スタックを短くする、
• あるいは、エンベロープを変えずにトルク／パワーを上げる。

Co-Fe合金も一般的である：

• 持つ より高いキュリー温度 (Hiperco ~980 °Cに対し、多くのNi-FeおよびSi-Fe鋼は~450-750 °C）、エンジンの近くや密に詰め込まれたパワーユニット内の高温ゾーンで磁気性能を維持するのに役立つ；
• を提供することができる。 同程度の磁束密度でコアロスを低減 注意深くアニールし、適切な周波数で使用した場合。

2024年のレビューで、電気航空機メーカーが高性能機で要求される誘導、損失、透磁率の目標を達成するために、Fe-SiではなくCo-Feを選択することが多いと明記されているのはそのためだ。

• Co-Feと他のコア素材との比較。
  • ケイ素鋼（NOES）
    • 低コスト、低コアロス、飽和1.6～1.8Tのオールラウンダー。
    • EVや産業用モーター向けの量販用ステーターとローターを独占。
  • Ni-Fe合金
    • 透磁率が非常に高く、低磁場での損失が非常に小さいが、飽和度は控えめで（しばしば≤1.5 T）、キュリー温度は比較的低い。
    • センサー、変圧器、磁気シールドに最適だが、通常、トルクの大きな航空宇宙機械では最初の選択肢とはならない。
  • Co-Fe合金（Vを含むか含まないか）
    • 一般的な軟磁性合金の最高飽和度（≒2.3～2.4T）。
    • 性能と重量が原料コストに勝るハイエンド・モーター、発電機、磁気軸受に使用。

簡単な比較：航空宇宙用ステータ/ロータコアのCo-Fe対Si-Fe対Ni-Fe

これは 整合性検査表 データシートよりもむしろ。正確な数値は等級、厚さ、加工によって異なるが、相対的な傾向はしっかりしている。

重要なことはCo-Feは、Si-FeやNi-Feでは得られないフラックス密度と温度ヘッドルームを提供する。問題は、あなたのプログラムが 本当に チップを換金する。

• 航空機のレベルでこの数字がどのように現れるか
  • 小型軽量マシン:Bsが高いということは、同じフラックスに対して鉄が少ないということだ。その結果、マウントの軽量化、ナセルの小型化、あるいはペイロードや航続距離の増加につながる。
  • より高いトルク/パワー密度:スターター・ジェネレーターやハイブリッド推進の役割では、Co-Feコアは、EVスタイルのSi-Feスタックが飽和することなくサポートできるトルク密度を超えて押し上げるのに役立ちます。
  • 暑い場所での耐久性:高いキュリー温度は、エンジンの近くや、冷却空気が制限される密に詰め込まれたパワーユニットの中で、磁石を「生かす」。
  • 周波数の柔軟性:適切なラミネート厚さであれば、Co-Feは高速航空宇宙機械に典型的な高い電気周波数でも許容損失を維持できる。

Co-Feステーターとロータースタックに航空宇宙がすでに「イエス」と言っているところ

最近の航空宇宙関連の文献やサプライヤーのデータを見ると、Co-Fe合金は非常に特殊なコーナーに使われていることがわかる：

• エンジンのスプールにある高速スターター・ジェネレーター、
• APUと電動パワーユニット、
• 実験用または実証用の電気推進システム、
• と磁気ベアリング、または高速コンプレッサー。

鉄コバルト合金のメーカーは、Co-Fe固定子および回転子スタックを、高出力密度の航空機用発電機およびAPUの実現装置として公然と位置づけており、およそ次のように主張している。 25%は高誘導、～30%は低損失 同程度の設計であれば、従来の電磁鋼板よりも優れている。

航空宇宙用高速機械や磁気軸受に関する学界や産業界の研究は、性能マップの「右上」としてCo-Feに繰り返し収斂している。

• Co-Feが活躍する一般的な航空宇宙シナリオ
  • エンジン回転数に連動するスターター・ジェネレーター
    • 非常に高い電気周波数とローター回転数。
    • エンジン内の半径方向と軸方向のスペースが狭い。
    • 回転構造に重量が加わると莫大なペナルティーが課される。
  • 主翼または胴体一体型推進モーター
    • Si-Feが許容できない飽和なしに満たすことのできない電力密度目標。
    • ナセルやファンの直径を小さくする強力なシステムレベルのインセンティブ（抗力、空力、構造）。
  • APUと電動パワーユニット
    • 可能な限り小さな枠の中に大きな発電能力を詰め込む必要がある。
    • キュリー温度が高いと安心できる高温の設置環境。
  • 磁気軸受 / 高速コンプレッサー
    • 限られた体積で非常に大きな力を必要とする場合、Co-Feの飽和の利点がそのまま負荷容量に変わる。

Co-Feに交換すると、ステーターとローターで何が変わるのか？

遠くから見ると、Co-Feステーター・スタックは、薄いラミネート、絶縁コーティング、スロット、バックアイアンなど、シリコン・スチール製のものとまったく同じに見える。

しかし、電磁気的、機械的には、デザインスペースがシフトする。

1. フラックス分布と歯の負荷
   • Bs≒2.3～2.4Tでは、飽和によってトルクやパワーが制限される前に、ティースとバックアイアンでかなり高いピーク誘導で運転することができます。
   • そのため、歯幅やコアの長さを縮めたり、よりアグレッシブなスロットとポールの組み合わせを、ハードな天井にぶつかることなく実行することができる。
2. 熱プロファイル
   • Co-Feは抵抗率が低いため、積層厚を薄くしなければ、高周波数・高磁束密度での渦電流損失がSi-Feよりも速く上昇する。
   • その結果、高温でもCo-Feは、Ni-Feや標準的なSi-Feよりもはるかに効果的に磁化を保つことができる。
3. 機械的限界
   • Co-Feの高速ローターには、テーラードアニールによって飽和度と引張強度のバランスを取った特殊グレード（バコデュールやハイパーコHSなど）がよく使用される。
   • ローターのバーストマージンと曲げ剛性は、熱処理ウィンドウが厳密に制御されていれば、いくつかのSi-Feソリューションと比較して実際に向上する可能性があります。
4. システムレベルのノックオン
   • コアが小さくなると、冷却経路が短くなり、巻線の選択が変わり（例えば、小さなスロットに多くの銅を充填する）、熱ボトルネックが変わる可能性がある。
   • 質量を内側に移動し、鉄の体積を減らすと、構造、マウント、NVH特性はすべて変化します。

• Co-Feでできる具体的なデザインの一手
  • ティース／バックアイアンの許容磁束密度を上げる
    • 真の飽和までマージンを保ちながら、設計限界を～1.6～1.7Tから作動領域で～2.0～2.1Tに引き上げる。
  • トリムアイアンのボリューム
    • トルクを維持しながら重量目標を達成するために、歯を細くし、ヨークの厚みを減らし、スタックを短くする。
  • 鉄と銅の交換（またはその逆）
    • フラックス能力が高ければ、性能を維持しながら電流密度と銅損を減らせることもある。
  • より薄いラミネーションでロスを管理する
    • Co-Feは抵抗率が低いため、高速機では渦損失を抑えるために、同等のSi-Fe設計よりも薄いラミネーションが必要になることが多い。
  • 高強度グレードでプッシュ・スピード
    • 磁気ベアリングや超高速ローターには、高飽和度Co-Feと高強度変種を組み合わせ、適切な熱処理を施す。

不快な点：コスト、製造性、リスク

ここで多くのプログラムがCo-Feから手を引く。

Co-Feの最大の欠点は 違う 物理学。経済学とプロセス感度だ。

• 材料費と供給
  • Co-Fe合金はコバルト含有量が高いため、文献では「より高価」と明示されている。
  • コバルトの価格設定と調達には地政学的・倫理的な問題が伴うが、一部のOEMは現在、これを戦略的リスクとして扱っている。
• 加工の難しさ
  • Co-Feラミネーションは、多くのSi-Feグレードよりも全プロセスチェーン（スタンピング/レーザー切断、応力、アニール、コーティング）に対してより敏感です。磁気特性は、熱処理スケジュールと密接に関連しています。
  • 抵抗率が低いということは、ラミネーション・ゲージを十分に薄くしなかったり、コーティングや絶縁に一貫性がなかったりすると、航空宇宙特有の周波数で渦流損失が大きくなることを意味する。
• 高頻度行動は諸刃の剣
  • 適度な周波数と賢く選択されたフラックス密度では、Co-FeはSi-Feよりも実際に低い全損失を示すことができる。
  • 積層厚さを調整せずにBとfを強く押しすぎると、渦電流項が支配的になる。いくつかの比較研究では、非常に高い誘導/周波数の組み合わせでSi-Feが再び勝利するクロスオーバーポイントが示されている。
• プログラム・リスク
  • 新素材＋新サプライヤー＋新アニール＋新ステーター／ローター形状は、安全性が重要な航空宇宙用途にとって、1つのスタックにたくさんの「新しい」が詰まっている。
  • 初期のプロトタイプがSi-Feを使用していた場合、後期にCo-Feに切り替えると、熱モデル、機械的マージン、場合によっては電磁両立性の再検証が必要になることが多い。

• Co-Feのビジネスケースをテストするための質問
  • 1.今日の私の鉄分利用率は？
    • もしあなたのSi-Feステーター/ローターがクリティカルパスで1.3Tしか走っていないのであれば、Co-Feはおそらくコストを回収できるほどには針を動かさないだろう。
  • 2.重量は本当にミッションクリティカルなのか？
    • このジェネレーターが非回転ベイに設置され、構造的なペナルティがそこそこある場合、数キログラムの軽量化はCo-Feを正当化するものではないかもしれない。
    • エンジンのスプールで回転したり、翼の下にぶら下がったりすれば、1キログラムごとに構造と抗力が増幅される。
  • 3.私が実際に操作している電気周波数は？
    • 薄いラミネーションで数百Hzまでなら、Co-Feは損失競争力があるか、それ以上である。
    • kHzの範囲では、先進的なSi-Fe、アモルファス、またはナノ結晶のアプローチの方が良いかもしれない。
  • 4.サプライヤーのエコシステムはどの程度成熟しているか？
    • Co-Feラミネーション・サプライヤーは、すでに航空宇宙産業の顧客をサポートし、貴社の品質要件を理解しているサプライヤーが少なくとも1社ありますか？
  • 5.システムレベルでの明確な勝利を挙げることはできますか？
    • 例：冷却ループを1つ減らす、ナセルを小さくする、ペイロードを大きくする、特定のミッションプロファイルを可能にする。
    • もし、その利点が「データシートの数字が良くなる」という形でしか現れないのであれば、認証チームや調達チームにとって、それは通常十分ではない。

シンプルなメンタルモデル：「Co-Feステーター＆ローターコアの「3つのグリーンライト

信号機のテストを想像してほしい。Co-Feに移るのは 三共 このうち、緑色は

1. 物理学グリーン - あなたは目に見えている 鉄限定 (Si-Fe設計では飽和または温度）、Co-Feは明らかにそのボトルネックを取り除く。
2. システムグリーン - その結果、質量／体積の減少やパフォーマンスの向上がもたらされる。 ミッションレベルの価値 (航続距離、ペイロード、冗長性、パッケージング）。
3. プログラム・グリーン - Co-Feを認定するためのサプライヤー、予算、スケジュールに加え、より高い材料と製造の複雑さに対する計画もある。

どれかひとつでも赤いままなら、通常はその方が賢明だ：

• Si-Feの設計を改良する（より良いグレード、より薄いラミネーション、冷却の改善）、
• あるいは、ハイブリッド・アプローチ（例えば、コアの大部分をSi-Feとし、磁束密度のピークが避けられない部分のみをCo-Feとする）を検討する。

では...Co-Feが航空宇宙用のステーターとローターのスタックにとって "価値がある "のはいつなのか？

短く正直に言おう：

• もし 高速・高出力・高密度航空宇宙機械-スターター・ジェネレーター、APUジェネレーター、統合推進モーターなど、Si-Fe設計はすでに飽和と熱の限界に直面しています、 Co-Feは真剣にトレードを検討する価値がある。.
• もしあなたが 中速で包装に適したシステム 鉄が制限されていない場合、Co-Feは通常、パフォーマンス・スプレッドシートをわずかにグリーンにする高価な方法に見える。

うまく使えば、Co-Feは "派手な素材のアップグレード "というよりは、むしろ 戦略的テコ.標準的な電気鋼板では不可能な方法で、重量、出力、熱的余裕の間の通常のトレードオフ曲線を曲げることができる。

航空宇宙におけるステーターとローターの設計者の仕事は、Co-Feが好きか嫌いかではない。

もしご希望であれば、特定のマシン（パワー、スピード、電圧、エンベロープ）に対するCo-Fe対Si-Feのコンセプトをスケッチし、この一般的なガイダンスをプロジェクトレベルの決定に変えるお手伝いをします。