ラミネーションスタック付きPMローターのスリーブおよびバンディングオプション

ほとんどのラミネートPMローターは、速度と損失を制限する金属スリーブ、温度と冷却を制限する複合スリーブ、生産収率を静かに制限するバンディングプロセスという3つの現実のいずれかに行き着く。コツは、「最良の」選択肢を見つけることではない。次の世代の製品のために、どの制約に耐えるかを受け入れることである。

ラミネーション・スタックがスリーブ問題にもたらすもの

ソリッドから ローターからラミネート・スタックへスリーブはもはや単純な円筒をクランプしているのではない。薄い板、磁石、接着剤、そして時にはポールスリーブやウェッジの積み重ねをまとめようとしているのだ。応力場はきれいであることを停止する。ラミネート・スタックのラジアル・コンプライアンス、スロット、キー溝、ダクトの特徴により、フープ応力経路がシフトし、バンドやスリーブがマグネットとどのように荷重を分担するかが変化します。

磁石とスリーブを2つの完全な同心円として扱う解析モデルは、積層が高くなったり、溝が入ったり、斜めになったりすると、すぐに重要な相互作用を見逃してしまいます。そのため、最近の研究では、スリーブの収縮、磁石の弾性、およびローターの形状を、それぞれ単独で解くのではなく、ラジアル方向とアキシャル方向の両方で明示的に結合しています。

つまり、ラミネートPMローターの "スリーブとバンディングのオプション "について語るとき、実際には、電磁気的性能のために最初に最適化され、構造的挙動のためだけに後に最適化されたスタックの周囲に、機械的ストレスをどのようにルーティングするかについて話しているのだ。

メインの格納容器は解体された

金属スリーブ、複合スリーブ（通常はカーボンベース）、ラミネーションスタックや外部マグネットに直接巻かれたファイバーやテープを使用するバンディングのみのアプローチです。商業的な機械メーカーも学術的な研究も、核心的なトレードオフが消えないため、これらのファミリーの周りを回り続けている。

金属スリーブは、適切な温度耐性と良好な熱伝導を与えるが、ローターの渦電流損失が発生し、最大半径で質量が増加する。複合スリーブは損失と慣性を削減するが、熱と硬化の制約に苦戦する。純粋なバンディングは、自動機械で行われることが多いが、材料のバルクよりもプロセス制御とプリテンションに依存している。

ラミネーション・スタックはこれらすべての下に位置し、わずかに弾力性があり、わずかに不連続である。

ラミネートPMローターの金属スリーブ

ラミネートPMローターでは、金属スリーブが既定 の出発点になることが多い。インコネル718、ステンレス鋼、チタン合金は、数百MPaの降伏強度と許容できる靭性と製造性を兼ね備えているため、何度も登場する。

スリーブの下にラミネート加工を施したスタックでは、通常よりも3つのことに気を配ることになる。

第一に、スリーブには完全な剛性のコアは見られません。ラミネーションは、焼きばめと遠心負荷の下で圧縮され、単純な厚いシリンダー方程式が予測する速度よりも接触圧力が低下します。最新の解析では、ラジアル剛性がソリッドスチールに比べて大幅に低くなる可能性があるため、干渉フィットと許容速度を計算する際にラミネーション係数とスロット形状を明示的に含めます。

第二に、ラミネーション・スタックでは外面が平滑にならないことがある。スキュー、ステップスキュー、またはベントチャンネルのスタンピングは、波状の外径を作成します。単純に丸く研磨し、タイトな金属スリーブをスライドさせると、残った稜線に局所的な過大応力が発生したり、最悪の場合、不完全な接触によりマグネットからスタック、そしてシャフトへの熱流が損なわれる危険性があります。いくつかの工業用設計では、スリーブの厚みを意図的に控えめにし、慎重に指定された研削と振れの限界に依存しているため、スリーブは予測できない局所的な降伏を起こさずに落ち着くことができます。

第三に、スリーブは損失予算の積極的な一部となる。ラミネートされたローターの周囲に連続した導電性チューブは、マグネットやスロットから漏れる高周波磁界の低抵抗経路を形成します。これは、ローターの渦電流損失と、マグネットが最も望まない場所での熱につながります。最近の研究では、絶縁層を持つ軸方向に分割されたチタンスリーブのようなラミネート金属スリーブが研究されており、機械的な利点をほとんど維持したまま渦電流密度を削減している。

正味の結果：金属スリーブは、高温、比較的控えめな表面速度、または信頼できる熱経路のいずれかが必要な場合に、ラミネート・ローターに魅力的です。すでに損失が制限され、磁石が機械的に耐えられる上限で回転しているような設計では、金属スリーブは役に立ちません。

コンポジット・スリーブとオーバーウインド

ラミネートPMローター周りのカーボンファイバースリーブは、格納構造からローターの渦電流損失をほぼ除去し、応力限界に達する前に高い表面速度を可能にするため、普及した。業界調査で引用された典型的な値は、適切なレイアップとプリテンションで、金属スリーブの最大表面線速度は約240m/s、繊維スリーブの最大表面線速度は約320m/sである。

課題は、複合スリーブがラミネーション・スタックに巻かれたときに、非常に異なる挙動を示すことである。

ファイバースリーブはフープ方向には優れているが、半径方向の剛性は低い。高速運転では磁石を圧縮して保持するが、熱伝導率が低いため、磁石や端部領域で発生した熱が逃げにくい。いくつかの研究で、応力余裕を得るために複合スリーブの厚みを増すだけでは裏目に出ることが指摘されています。スリーブが厚くなるとエアギャップが押し広げられ、磁束密度が下がると同時に冷却が悪化し、マグネットの温度が上昇します。

製造ルートは、多くの仕様書が示唆する以上に重要です。ローターに直接巻かれたカーボンスリーブは、数百MPaオーダーのラジアルプレストレスを達成することができますが、硬化中の磁石の温度耐性と巻線工程の能力によって一部制限されます。プレスオンカーボンスリーブは、別個に製造され、膨張させてローターに装着されるため、運転条件下でより高い正味圧縮応力を達成することができますが、寸法と干渉を非常に正確に制御する必要があります。

コアが表面磁石との積層スタックである場合、これらの違いは実用上の問題となる。

直接巻きスリーブは、スタックのあらゆる幾何学的欠陥に追従しなければならず、樹脂の流れはラミネーションベントホールやスロット開口部によって妨げられる可能性がある。プレスオンスリーブでは、スタックとマグネットの外径を滑らかに、正確に加工する必要があります。そうしないと、応力マージンと剛性の両方を損なう局所的な隙間が生じます。小型で超高速のローターでは、スリーブの厚みと干渉フィットは密接に連動していることが研究結果で示されています。マグネットの引張応力、スリーブの応力、製造性のすべてが許容範囲にとどまる非常に狭い領域がしばしば存在します。

熱可塑性テープを使用した自動繊維配置により、フープ張力と高弾性率繊維を厳密に制御することが可能になり、同時に吸水とスリーブの寸法膨張を抑えることができます。高温で湿潤な環境で使用されるラミネート・ローターでは、数千時間後に安定したクリアランスが得られるか、摩擦が発生するかの違いは、このような細部にあります。

単なる素材の選択ではなく、プロセスとしてのバンディング

人々が「バンディング」と言うとき、その材料（繊維包帯）を意味することもあれば、そのプロセス（あらかじめ含浸させたテープを、決められたプレテンションで自動巻きすること）を意味することもある。ラミネート加工されたPMローターの場合、その工程がゲームを大きく変える。

永久磁石ローター専用のバンディングマシンは、テープテンション、回転速度、硬化をコンパクトなステーションで制御します。これは、マグネットが外径にあるラミネーションスタックや、スロットにわずかに埋まっているラミネーションスタックの場合に魅力的です。

しかし、ラミネーション・スタックは押し戻される。文字通りだ。

各ラミネーション層は絶縁されているため、実効半径方向剛性はソリッドリングよりも低い。バンド張力下では、外側のラミネーションがわずかに崩れることがあり、ローターが速度と温度に達すると最終的なプレストレスが変化します。より良いバンド巻き工程は、測定されたローターコンプライアンス、温度補正、場合によっては異なる張力による段階的巻線を組み合わせることにより、これを考慮しようとしている。ロータースリーブの巻線技術に関する最近の研究では、巻線と硬化を単なる最終組立段階としてではなく、構造設計の一部として扱うことを示唆している。

バンディングはまた、エンドキャップ、ショルダー、リップといった軸方向の保持機能とも強く相互作用する。これらの特徴は、ラミネーションの積層を中断し、フープ張力下で局所的な応力集中を生じさせます。例えば、ラミネーション外径とエンドリングの境界部に面取りを施すと、金属スリーブでは応力が緩和されますが、コンポジットバンドでは樹脂リッチなポケットが形成され、熱サイクルを繰り返すとクラックが発生します。このように、ラミネーション・スタックの形状は、長期信頼性が低下する前に、バンドの張力をどこまで高めることができるかを決定します。

ハイブリッドとラミネート・スリーブのコンセプト

最近、ハイブリッド・スリーブやラミネート・スリーブが文献や初期の製品に登場し始めた。考え方は簡単で、「導電性で強い」か「絶縁性で導電性が低い」かのどちらかを選ぶのではなく、それらを構造的に組み合わせるのである。

そのひとつは、軸方向に分割され、セグメント間が絶縁されたチタン合金スリーブなどの積層金属スリーブを研究している。シミュレーションと試験は、これらのスリーブが、機械的能力をほとんど維持しながら、中実のチタンスリーブに比べてローターの渦電流損失を大幅に削減できることを示している。10 kW、30,000 rpmの高速PMSMの場合、絶縁層を持つラミネートチタンスリーブは、許容応力限度内に収まる一方で、無垢チタンスリーブや複合スリーブの両方と比較してローターの渦電流損失を低減した。

別の分野では、導電性の経路を埋め込んだ複合スリーブ、たとえば複合構造に銅を埋め込んだスリーブなどを研究しています。最近の研究では、このような銅を埋め込んだ複合スリーブは、剛性とプレストレスパターンを調整することで、 純粋な複合スリーブに比べ、高速でのストレスマージンを改善できることが報告されています。

ラミネートされたPMローターにとって、このハイブリッド・スリーブは有用なものです。構造的に完全に理想的とは言えないラミネート・スタックに適合させながら、電磁損失と機械的性能を個別に調整することができます。しかし、より複雑な製造と、界面での熱挙動に関する慎重な分析が必要となる。

ラミネートPMローターのスリーブとバンディングオプションの比較

下表は、表面磁石または表面磁石に近い磁石を使用したラミネートPMローターに適用される代表的なオプションを対比したものである。数値は普遍的なものではなく参考値であり、産業界や学術界で報告されている傾向を反映したものである。

これらの範囲は、磁石の引張強さ、温度におけるラミネーションの降伏強さ、キー溝、ベントスロット、シュリンクシートなどの応力上昇要因など、ラミネーションスタック自身の限界の上に位置します。

ラミネーションの形状があなたの選択を静かに支配する

ラミネーション・スタックは、まず電磁気的性能のために設計されます。つまり、スロット開口部、歯幅、ブリッジ厚さ、ローター外径はすべて、特定のトルクリップル、効率、インダクタンス・プロファイルを実現するために選択されます。構造的な結果は後からついてきます。

高速PMローターでは、このような判断の順序により、理想よりも薄いアウターブリッジや、柔軟すぎるウェブ領域を持つスタックになることがあります。スリーブやバンドにプレストレスがかかると、これらの部分が変形し、マグネットがわずかに押され、局所的なエアギャップが変化します。運転速度が上がると、再び外側にたわみます。これを無視したスリーブやバンドの選択は、実際のローターでは計算上とは異なる挙動を示します。

したがって、ラミネートPMローターの最新の設計フローは、必ずしも明確に文書化されていないとしても、次のような傾向がある。

まず、ラミネーション・スタックとマグネットだけの機械的モデルを構築する。シュリンクフィット、バンド、スリーブは、ラミネーションのコンプライアンスが理解された後に追加されます。このステップにより、ブリッジやウェブが公称応力限界に達する前に歪むかどうかが明らかになります。

次に、スリーブやバンドの設計をそのコンプライアンスに合わせて調整します。非常に硬いラミネーション・スタックには、プレストレスの高い薄い複合スリーブが最適です。より柔らかいスタックの場合、干渉は少ないが厚みのある金属スリーブが、幾何学的な欠陥に対する感度を下げ、同じ封じ込めを提供することができる。

最後に、ローターの渦電流と熱のモデルは、実際のスリーブやバンドの形状で更新されます。研究によると、スリーブの材質と構造によって、損失をマグネットからスリーブへ移動させたり、スリーブから両方へ移動させたりすることができますが、正しい答えは、材質の選択だけよりも、回転数、周波数、冷却システムによって異なります。

ラミネーション・スタックの形状は、これらのステップをある方向、あるいは別の方向に押しやる。

一般的なルールではなくケース・スタイルで考える

ラミネーション・スタックとアプリケーションの詳細が支配的であるため、普遍的なルールではなく、いくつかの様式化されたケースで考えることが助けになる。

数十～数百ワットの小型超高速ローターが、ラミネート・スタックを用いて数十万rpmで運転されることを考えてみよう。この場合、マグネットは小さく、ラミネートの外径も小さい。複合スリーブやダイレクトバンディングは理にかなっています。このような小さな金属スリーブの渦電流損失は、全損失の大きな割合を占める可能性があり、シャフトとベアリングを通る熱経路で十分なことがよくあります。通常、積層は単純であり、非常に精密な外径に研磨することができるため、複合スリーブの挙動を予測しやすくなります。

数百キロワットから数メガワットの範囲の高速産業用コンプレッサー駆動で、ラミネートスタックを使用して数万rpmで運転する場合、状況は変わります。ローターの直径は大きくなり、環境は高温になり、故障条件は厳しくなります。金属スリーブは、その温度耐性と靭性から、より魅力的になります。ローターの損失が問題となる場合、ラミネート加工された金属スリーブや、注意深く設計されたベントやシールドによって損失を減らすことができますが、複合スリーブは高温での排熱や長期安定性で苦労する可能性があります。

表面磁石または外径に近い埋込磁石を持つラミネート・ローターを使用する自動車用トラクション・モーターでは、複合スリーブとバンディングが魅力的であり、特に炭素繊維強化スリーブが適している。これらはローターの慣性を減少させ、レンジと過渡応答に役立ちます。しかし、硬化を十分に制御し、磁石の温度をしっかりと管理する必要があります。また、熱バリア効果は、システムの他の部分で積極的に冷却することによってバランスを取る必要があります。

これらのケースはそれぞれ、ラミネーション・スタックの形状と、より広範なシステムによって決定されるものであり、1つの材料系列に対する抽象的な好みによって決定されるものではない。

実際に何をどの順番で決めるか

もしあなたがすでに電磁気設計とラミネーション・スタックを知っているなら、スリーブかバンドかの決定は、いくつかの実際的な質問に集約される。

オーバースピードテストや故障ケースを含め、どの程度の機械的な速度マージンが必要かをお尋ねください。マグネットが温度バジェットを超える前に、どの程度のローター渦電流損失を許容できるか。スタックの外径、振れ、真直度について、どの程度の製造ばらつきが現実的か。機械がどのような状態で始動、停止、ソークをしなければならないか。

その境界線が明確になれば、先ほどの比較は一般的なものではなくなってしまう。

ラミネーション・スタックの剛性が高く、ローターの損失予算が厳しく、ローターの温度を抑えることができれば、複合スリーブやバンディング・ソリューションの方が有利になるでしょう。

環境が高温で、汚染物質が発生しやすく、ラミネーション・スタックの形状が厄介だったり、直径が大きかったりする場合は、金属スリーブやラミネート金属スリーブが安全な選択肢となることが多い。

製品ファミリーに、ラミネーションスタックを共有しながらも、マグネットグレード、極数、速度が異なる複数のローターバリエーションが含まれる場合、工程としてのバンディングが魅力的になります：1つのラミネーションツール、1つの基本的なローターファミリー、複数の異なるバンディングパターンと厚み。バンディングステーションは、単なる作業セルではなく、製品ロードマップの一部になります。

これらすべての方向性において、ラミネーション・スタックは受動的な参加者ではない。剛性、公差、ジオメトリーを設定します。スリーブやバンドは、その現実と一緒に働くか、あるいは戦うことになります。最良のデザインは、選択することによって、その現実と一緒に働きます。