軸流機械：分割されたステータとロータヨーク

セグメント化されたステーターとローターのヨークは、もはやニッチな物珍しさではなく、トルク密度、熱限界、製造可能性が互いに議論し始め、一度に3つすべてを勝ち取る必要が出てきたときに手を伸ばすものだ。

質量あたりのトルクが大きい、機械が短い、機械的に不器用、熱応力が大きい。ヨークレス・セグメントド・アーマチュア(YASA)マシンのきれいなダイアグラムを見たり、モーターベンダーの売り文句を読んだりしたことがあるでしょう。不足しがちなのは、ステータとロータの両方のヨークをセグメント化することで、設計する際の実際の制約がどのように変わるのか、また、きれいな図が現実と合わなくなるのはどこなのかを率直に見ることです。

これは、そのギャップに対する現役エンジニアの見解である。

1.誰もがヨークを切り刻み続ける理由

最初のYASAの研究は、連続したステーターヨークを捨て、集中巻きに巻かれた個別のティースに置き換えることで、非常に高い銅充填率、短いエンド巻線、より少ない鉄の質量が得られ、古典的なトーラスマシンと比べてトルク密度が急上昇することを示しました。パワー密度を追求するのであれば、ヨークレスかセグメント化されたステーターが常に候補の上位に挙がる。

しかし、最近の論文や特許におけるより興味深い傾向は、セグメンテーションが純粋な電磁気の問題から外れてきているということだ。

ステーターティースは個々の熱機械モジュールになりつつあり、多くの場合、冷却ハウジングに接触する独自の軟磁性複合材（SMC）シューを備えている。ローターヨークは、独自のバックアイアンセグメントとマグネットスタックを持つ円周モジュールに分割され、組み立てと修理が容易なようにキャリアディスクにボルトで固定されている。最近のYASAのプロトタイプのような高出力機では、トポロジーはマルチローター、マルチステーターシステムに積み重ねられ、セグメンテーションは磁束と同様に冷却と製造に関係している。

つまり、「セグメンテーションはトルク密度を増加させる」のではなく、「セグメンテーションは磁気的な連続性と引き換えに、巻線形状、熱経路、そしてモーターの組み立て方や修理方法といった3つの制御を同時に行う」というのが、より正直な経験則なのだ。

その交換を受け入れれば、ステーターもローターヨークも交渉の余地が出てくる。

2.セグメント化されたステータヨーク：リングからモジュールへ

古典的な軸流ステーターは、歯が刻印された連続積層リングを使用していました。これは電磁気的にクリーンで、構造的に硬く、巻くのも冷やすのも厄介だ。あなたはそのダンスをやった。

細分化された選択肢は、おおよそ2つのバケツに分類される。

まず、"真の "ヨークレス分割アーマチュア：非磁性構造ディスクによって運ばれるコイルを持つ別々のティースで、連続したステータヨークは全くありません。これはオックスフォードとUGentのYASAパターンであり、現在では文献で十分にカバーされています。ティース間の周方向の磁束共有はほとんどありません。その代償として、電磁気的にはほとんど関係ないにもかかわらず、ハウジングとサポートに使われる樹脂やSMCが機械的構造の一部になってしまいます。

第二に、セグメント化されたヨークモジュールである。最近のUS20230047862A1特許が良い代表例です。各ステーターセグメントは、SMCスリーブ内のラミネートコアで、各軸端にポールシューがあり、シューはウォータージャケットのアウターケースに接触しています。積層によりコアロスが少なく、SMCによりスキューやV字型のシューを形成し、熱を直接ハウジングに押し込むことができます。セグメント間のスロット開口部は、直線、傾斜、Z型、V型にすることができ、変則的な巻線レイアウトに頼ることなく、コギングトルクと高調波含有量を削減することができます。

デザイン的にはシンプルだが、少し違和感のあるメッセージだ。

ステーターヨーク」はもはや、B-t制約から一度サイズを決めただけの単一のリングではない。それは、構造的かつ熱的な足場の中にある、個別の熱源とフラックス経路のフィールドであり、それを悪用することができる（そしておそらく悪用すべきだ）。

これらのセグメントを連続するヨーク歯の縮小版としてしか扱わないのであれば、その使用は不十分となる。

3.ローターヨークのセグメンテーション：マグネットだけではない

ステータに比べ、軸流機のロータヨークは保守的である。多くのYASAスタイルのモーターは、ローターヨークにソリッドスチール・ディスクを使用し、セグメント化された表面磁石またはハルバッハ・アレイを接着している。ローターが遠心応力を受けること、磁束がきれいなリターンパスを望むこと、製造業が平らなディスクを好むことなど、それなりの理由がある。

CN110945752Bのような特許は、これが次に向かう方向を示している。各モジュールは背面鉄セグメントと交互極の磁石を持ち、セグメントの長さは全周より短いため、複数のモジュールがローター・ベースに並ぶ。オプションで長さや幅を伸ばしたフラックス・ガイドが磁石の下や横に置かれ、飽和と漏れを調整する。

電磁気的には、ローターヨークの分割は主に3つのことを行う。

まず、周方向のリラクタン ス変調が導入されます。歯からの磁束は、最も近いローターセグメントを通って閉じることを好むようになり、モジュール間のバックアイアンに小さな「隙間」が生じます。低スロット/低極数の組み合わせでは、弱いバーニア効果として、またはコギングに対する追加ハンドルとして意図的に使用することができます。高い極数では、それはほとんどあなたが心に留めておく必要がある別の高調波となります。

第二に、ヨーク内の渦電流経路を分断することである。これは、電気周波数が数百ヘルツ以上に上昇した場合や、ハルバッハ構造を使用してバックアイアンの磁束が大きく変動した場合に問題になり始める。コアレスおよびハルバッハAFPM機に関する研究では、ローターヨーク損失が予算内で自明でない部分であることが強調され続けています。ヨークを分割することは、エキゾチックな材料を使わずにこの損失を抑える、よりクリーンな方法の1つです。

第三に、ローターをキット化する。モジュールを交換したり、極数を変更したり、破損したマグネットパックを交換したりしても、ディスクをすべて廃棄する必要はありません。これは生産技術者の懸念のように聞こえるが、電磁気設計に波及する。なぜなら、「600mmのローターディスクを再設計する」のではなく、「モジュールの図面を変更する」という結果になれば、ポールアーク比やマグネット形状をより積極的に実験できるからだ。

機械的なリスクは明らかで、ジョイントが増え、ボルトが増え、トレランスチェーンが増える。しかし、すでに20～30個の複合材と銅のモジュールで構成されたステーターを設計している場合、ローターを神聖なモノリシックとして扱うことは、時として惰性に過ぎない。

4.ステーターとローターの分割が互いに話し始めるとき

エアギャップの両側がモジュールに切り分けられると、そのカットのパターンは、あなたが誇らしげに最適化したスロットとポールの組み合わせと同じくらい重要になる。

すでに書き方を知っているような拡張的な導出は省いて、実践的な考察をいくつか。

ステーター歯ピッチとローターセグメントピッチが低い共通倍率を共有する場合、歯束密度の周方向に明確な「ホットスポット」ができる。ローターギャップと歯中心が一直線に並ぶ局所的なBピークは倍増する。これは、フィールド変調が必要な場合には便利ですが、通常は、ある特定の偏心ハーモニックにおける不均一な歯の飽和とトルクリップルとして現れます。

ローターセグメントを1/2歯分ずらすか、その他の分数をずらせば、磁石を傾けることなく円周方向のスキューを効果的に得ることができる。モジュールローターの特許の中には、複数のモジュール長や任意のオフセットパターンを認めることで、これを示唆するものがいくつかある。分割コア特許のV字型またはZ字型ステータースロットと組み合わせれば、従来のスキューによるコギングトルク低減の多くを、プレス加工が容易な金型で実現できます。

両側が分割され、両方が何らかのスキューをサポートする場合、どちらがコギング低減を「所有」するかを意識的に決定する必要があります。責任をランダムに分担すると、完璧なジオメトリのもとではうまくシミュレートできても、微妙なバランスのキャンセルがモジュール間の正確な角度関係を仮定しているため、組み立ての広がりに非常に敏感なマシンになりがちです。

精神的な近道として有効なのは、役割を割り当てることです。ステータのセグメンテーションに銅、冷却、コギ ングのほとんどを任せ、ロータのセグメンテーションにマグネットのパッケージング、ヨークの損失、製造性 を任せます。そうすることで、閉形式の最適値は得られませんが、ゴースト高調波を追いかけることはなくなります。

5.実際のヨーク・アーキテクチャの比較

下の表は、理想化されたスケッチが示唆するものではなく、デザイナーが今日実際に行っていることを圧縮したものである。

コアレス軸流機で4本目のコラムを主張することは可能だが、それらはわずかに異なる設計空間に存在し、ヨークの議論を完全に回避することがほとんどである。

6.セグメント化されたヨークで老朽化するデザイン習慣

セグメント化されたステーターやモジュラーローターに移行すると、連続ヨーク思考からのいくつかの習慣が微妙に誤解を招く。

ステーターサポートを "機械的なものだけ "として扱うことは、その一つである。分割ステーター設計では、ティースからハウジングまでの構造経路は、SMCシュー、樹脂、または薄いスチールリングを通ることが多い。この経路は、機械的剛性だけでなく、各ティースの熱時定数も設定します。SMCスリーブを使用した特許は、これを明確に利用しています：SMCは、必要な場所での磁気伝導と、水ジャケットケースへの制御可能な熱橋の両方を提供します。この結合を無視すると、2秒間は正しく、残りのデューティサイクルは間違ったシミュレーションになります。

もう一つの癖は、ローターのバックアイアンを一様なリングのようにサイジングすることです。モジュールロータでは、磁束の有効断面積は角度の周期関数です。ステータのレイアウト、ポールアーク、およびモジュールの境界の位置が悪いと、一部のモジュールが他のモジュールよりも多くの磁束を運ぶ可能性があります。これを早期に発見する簡単な方法は、各ローターモジュールがそれ自身のバックアイアン要素を持つ2D円周リラクタンスネットワークを実行し、いくつかのスロット/ポールの組み合わせで磁束がどのように分布するかを見ることです。このモデルは賞を取ることはできませんが、3D FEAメッシュに時間を費やす前に、醜いパターンにフラグを立てることができます。

第三の習慣：トルクリプル制御のためにマグネットのスキューに頼りすぎること。セグメンテーションされたステーターの特許は、形状の決まったスロット開口部、スキューのあるシュー、さらにはZ字型の経路を提供し、これらはすべて歯の形状に焼き付けられています。ローターの分割と組み合わせることで、リップル制御の大半を静鉄に移行しながら、マグネットをシンプルかつ機械的に堅牢に保つことができます。これは、YASAやメルセデスなどが話しているような大量生産に向かう場合、より重要なことである。

7.熱と電流密度：セグメンテーションはいかにゲームを変えたか

最近の記録的な軸流モーターが成功したのは、誰かが魔法のような新しい磁石を見つけたからではない。トポロジーと冷却に力を入れており、ステーターとローターのヨークの分割はその両方に組み込まれている。

例えば、YASAの現在のプロトタイプは、40kW/kgを超える出力密度を報告しており、後のユニットは約59kW/kgの主張に達している。写真と典型的な材料データから形状を再構築する独立した分析も同じ結論に達している。複数のヨークレスステージを積み重ね、それらを非常に直接的に冷却することが、この数字をもっともらしくしている。

ステータのティースが独立したモジュールになれば、それぞれの周囲に銅のエッジワ インドをきつく巻き、オイルやクーラント用に制御された隙間を残し、熱を冷却されたハウジングに直 接送り込むことができます。最近の MDPI の研究のように、ティースとハウジングの間に SMC シューやヒートパイプを使えば、熱経路は十分短くなり、銅の 40～60A/mm²はかなりのデューティサイクルでも耐えられるようになります。

ローター分割はここでも役立つ。背面鉄とマグネットのスタックをモジュールに分割することで、表面積が増え、ローターキャリア内に冷却オイルやガスを通すオプションが増えるだけでなく、滑らかなローターディスクを高周波でヒーターにしてしまう渦電流損失密度を制限することができます。非常に高いティップスピードの場合、モジュールごとに異なる材料を検討し、ディスク全体ではなくモジュールごとに飽和マージンと機械的強度を交換することもできます。

正味の効果は、電流密度と熱限界が、連続ヨークの最悪冷却領域によって決定されなくなることです。セグメンテーションによって、損失が最も大きい部分に冷却能力を偏らせることができる。これは、静かだが重大な変化である。

8.今後の展開

ラジアル磁束密度の不均衡を解決するために内側と外側に分割された分割ティース、SMCモジュール式ステータを備えたハイブリッド軸流-ラジアル磁束機、航空機推進用のマルチスタック鉄心レス設計などです。比較研究により、ヨークレスや分割されたアーマチュア構造は、製造の複雑ささえ受け入れれば、トルク密度や多くの場合効率において従来のアキシャルフラックスレイアウトに勝ることが判明し続けています。

産業面では、YASAのモーターはコンセプトカーからメルセデス、ランボルギーニ、フェラーリなどのシリーズ生産に移行しており、公開特許はステーターとローターのモジュール化がより顕著になることを示している。CN110945752Bや関連出願に記載されているモジュール式ローターとステーターのキットは、小型・中型パワー機向けで、極数や直径が新しい部品番号ではなく、単なる構成パラメータである製品ファミリーを示唆している。

したがって、今日軸流磁束に取り組んでいるのであれば、「連続ヨーク、シンプルなディスクローター」が徐々に保守的な設計のベースラインとなり、実用的なものの上限ではなくなっていくと考えるのが妥当である。

9.短く、率直な収穫

モノリシックヨークのままであれば、よりシンプルなモデル、よりシンプルな金型が得られ、それでも立派な軸流マシンを作ることができます。分割されたステータとロータのヨークを受け入れれば、設計空間はより複雑になりますが、銅の形状、熱経路、製造性をより細かく制御することができます。

最近の研究や、現在静かに生産が始まっているモーターから得られる証拠は、この混乱に対処する価値があるということだ。