Co-Fe 강철을 사용한 항공우주용 고정자 및 회전자: 그만한 가치가 있는 경우

항공 우주 전기 기계에서 작업하는 경우 아마도 그 회의.

누군가 "고정자와 회전자에 Co-Fe를 사용하면 어떨까요?"라고 말합니다. 기계를 축소하고 전력 밀도 목표를 달성할 수 있을 겁니다."라고 말합니다.

다른 누군가는 "물론, 이국적인 금속을 위한 여분의 예산 라인과 새로운 열 프로파일을 위한 테스트 캠페인이 있다면 말이죠."라고 말합니다.

이 글은 바로 그 순간을 위한 글입니다.

단순히 속성을 나열하는 대신 Co-Fe가 실제로 고정자 및 회전자 설계에 어떤 변화를 가져오는지, 항공 우주 팀에서 이미 이 기술에 베팅하고 있는 곳과 성능 향상에 대한 실질적인 체크리스트를 살펴봅니다. 실제로 고통의 가치가 있습니다.

• 매우 짧은 답변입니다: Co-Fe는 다음과 같은 경우에 가치가 있습니다.
  • 전력 밀도 또는 체중 제한이 있습니다. 그리고 이미 이빨과 뒷철에 실리콘 강철을 ~1.6-1.7T까지 압착하고 있습니다.
  • 기계는 고속 및/또는 고온에서 작동하며, 높은 포화도와 높은 퀴리 점으로 인해 로터 직경 또는 안전 마진을 확보할 수 있습니다.
  • 더 높은 자속 밀도(그리고 그에 따른 더 작은 코어)는 더 적은 구조, 더 작은 기어박스, 더 낮은 냉각 질량 또는 더 나은 페이로드/범위 등 시스템 수준의 이점으로 전환할 수 있습니다.
  • 더 높은 재료 비용, 더 복잡한 제조, 더 엄격한 공정 제어를 통해 다음과 같은 프로그램을 운영할 수 있습니다. 라미네이션 두께 및 열처리.

항공우주 업계가 Co-Fe에 관심을 갖는 이유

전기 항공기 및 더 많은 전기 엔진에서 Co-Fe 합금은 다음과 같은 한 가지 이유로 나타납니다. 특별하게 포화 상태 없이 많은 양의 플럭스를 전달합니다.

Hiperco 유형 등급 또는 49% CoFe 라미네이션과 같은 최신 Fe-Co-V 합금은 약 포화 자속 밀도에 도달합니다. 2.3-2.4 T에 비해 ~1.6-1.8 T 기존 비배향 실리콘 스틸의 경우.

주어진 토크나 파워에 따라 그 차이는 엄청납니다:

• 치아 폭을 축소합니다,
• 스택을 줄이세요,
• 또는 엔벨로프를 변경하지 않고 토크/파워를 높이세요.

Co-Fe 합금도 일반적으로 사용됩니다:

• 가지고 더 높은 퀴리 온도 (Hiperco ~980°C 대 많은 Ni-Fe 및 Si Fe 강의 경우 ~450-750°C) 엔진 근처의 고온 영역이나 밀집된 동력 장치 내부에서 자기 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다;
• 다음을 제공할 수 있습니다. 비슷한 자속 밀도에서 코어 손실 감소 조심스럽게 어닐링하고 적절한 빈도로 사용해야 합니다.

2024년 리뷰에서 전기 항공기 제조업체가 고성능 기계의 까다로운 유도, 손실 및 투과성 목표를 달성하기 위해 Fe-Si보다 Co-Fe를 선택하는 경우가 많다고 명시적으로 언급하는 이유도 바로 이 때문입니다.

• 다른 핵심 소재와 비교한 Co-Fe의 디자인 '느낌'
  • 실리콘 스틸(NOES)
    • 다재다능하고 저렴한 비용, 낮은 코어 손실, 약 1.6~1.8T의 포화도를 자랑합니다.
    • 전기차 및 산업용 모터의 대중 시장용 고정자 및 로터를 지배합니다.
  • 니켈-철 합금
    • 투과성이 매우 높고 낮은 필드에서 손실이 매우 낮지만 포화도가 적당하고(보통 ≤1.5T) 퀴리 온도가 상대적으로 낮습니다.
    • 센서, 변압기 및 자기 차폐에 적합하지만 일반적으로 토크 밀도가 높은 항공 우주 기계에는 적합하지 않습니다.
  • Co-Fe 합금(V 포함 또는 미포함)
    • 일반적인 연자성 합금 중 가장 높은 포화도(≈2.3-2.4 T).
    • 성능과 무게가 원자재 비용보다 중요한 하이엔드 모터, 발전기, 자기 베어링에 사용됩니다.

빠른 비교: 항공우주 고정자/회전자 코어의 Co-Fe와 Si-Fe, Ni-Fe 비교

이것을 다음과 같이 생각하십시오. 정신 상태 확인 표 데이터시트보다는 정확한 수치는 등급, 두께, 가공에 따라 다르지만 상대적인 추세는 견고합니다.

핵심 요점: Co-Fe는 Si-Fe나 Ni-Fe에서는 얻을 수 없는 플럭스 밀도와 온도 헤드룸을 확보할 수 있습니다. 문제는 귀사의 프로그램이 정말 칩을 현금화합니다.

• 항공기 수준에서 이러한 숫자가 표시되는 방식
  • 더 작고 가벼워진 기계: B가 높을수록 같은 플럭스당 철의 양이 줄어듭니다. 이는 더 가벼운 마운트, 더 작은 나셀 또는 더 많은 페이로드/사거리로 이어질 수 있습니다.
  • 더 높은 토크/출력 밀도: 스타터 발전기 또는 하이브리드 추진 역할에서 Co-Fe 코어는 포화 상태 없이 EV 스타일 Si-Fe 스택이 지원할 수 있는 토크 밀도를 넘어서는 데 도움이 됩니다.
  • 더운 지역에서의 생존성: 높은 큐리 온도는 엔진 근처와 냉각 공기가 제한되어 있는 밀집된 전원 장치에서 자석을 '살아 있는' 상태로 유지합니다.
  • 주파수 유연성: 적절한 적층 두께를 갖춘 Co-Fe는 고속 항공 우주 기계의 일반적인 높은 전기 주파수에서 허용 가능한 손실을 유지할 수 있습니다.

항공우주 업계에서 이미 Co-Fe 고정자 및 로터 스택에 대해 "예"라고 말하는 경우

최근의 항공우주 관련 문헌과 공급업체 데이터를 살펴보면 몇 가지 특정 코너에서 Co-Fe 합금을 볼 수 있습니다:

• 엔진 스풀의 고속 스타터 제너레이터,
• APU 및 기타 전력 장치,
• 실험용 또는 데모용 전기 추진 시스템,
• 마그네틱 베어링 또는 고속 압축기.

철-코발트 합금 제조업체는 Co-Fe 고정자 및 회전자 스택을 고출력 밀도 항공기 발전기 및 APU의 인에이블러로 공개적으로 포지셔닝하면서 다음과 같이 대략적으로 주장합니다. 25% 더 높은 유도 및 ~30% 더 낮은 손실 유사한 설계의 기존 전기 강철보다 더 높은 성능을 제공합니다.

항공우주 및 자기 베어링용 고속 기계에 대한 학계 및 업계 연구는 성능 맵의 '오른쪽 상단'에 있는 Co-Fe에 반복적으로 수렴합니다. 즉, 열처리 시 가장 높은 포화도와 적절한 기계적 특성이 있다는 것입니다.

• Co-Fe가 유용한 일반적인 항공우주 시나리오
  • 엔진 속도에 연동되는 시동 발전기
    • 매우 높은 전기 주파수와 로터 속도.
    • 엔진의 좁은 방사형 및 축 방향 공간.
    • 회전하는 구조물에 무게가 추가되면 막대한 벌금이 부과됩니다.
  • 날개 또는 동체 통합형 추진 모터
    • 허용할 수 없는 포화도 없이는 Si-Fe가 충족할 수 없는 전력 밀도 목표.
    • 더 작은 나셀 또는 팬 직경(항력, 공기역학, 구조)에 대한 강력한 시스템 수준의 인센티브가 제공됩니다.
  • APU 및 기타 전력 장치
    • 가능한 한 가장 작은 봉투에 상당한 생성 기능을 담아야 합니다.
    • 높은 퀴리 온도로 인해 안심할 수 없는 뜨거운 설치 환경.
  • 마그네틱 베어링/고속 컴프레서
    • 제한된 부피에 매우 높은 힘이 필요하며, Co-Fe의 포화 이점이 부하 용량으로 바로 전환됩니다.

Co-Fe로 전환하면 스테이터와 로터에 실제로 어떤 변화가 있나요?

멀리서 보면 Co-Fe 고정자 스택은 얇은 적층, 절연 코팅, 슬롯, 백철 등 실리콘 스틸 스택과 똑같이 생겼습니다.

하지만 전자기적, 기계적으로 디자인 공간은 변화합니다.

1. 플럭스 분포 및 치아 하중
   • Bs ≈ 2.3-2.4 T를 사용하면 포화로 인해 토크 또는 파워가 제한되기 전에 치아 및 백 아이언에서 훨씬 더 높은 피크 인덕션으로 작동할 수 있습니다.
   • 이를 통해 톱니 폭이나 코어 길이를 줄이거나 딱딱한 천장에 부딪히지 않고 더 공격적인 슬롯/폴 조합을 실행할 수 있습니다.
2. 열 프로파일
   • Co-Fe의 낮은 저항은 적층 두께를 줄이지 않으면 와전류 손실이 Si-Fe보다 고주파 및 높은 자속 밀도에서 더 빠르게 증가한다는 것을 의미합니다.
   • Co-Fe는 높은 온도에서도 Ni-Fe나 표준 Si-Fe보다 훨씬 더 효과적으로 자화를 유지한다는 이점이 있습니다.
3. 기계적 한계
   • Co-Fe의 고속 로터는 맞춤형 어닐링을 통해 포화도와 인장 강도의 균형을 맞추는 특수 재종(예: VACODUR 또는 Hiperco HS)을 사용하는 경우가 많습니다.
   • 열처리 창을 엄격하게 제어하는 경우 로터의 버스트 마진과 굽힘 강성은 일부 Si-Fe 솔루션에 비해 실제로 향상될 수 있습니다.
4. 시스템 수준 노크온
   • 코어가 작아지면 냉각 경로가 짧아지고, 권선 선택이 달라지며(예: 더 작은 슬롯에 더 많은 구리를 채우는 것), 열 병목 현상이 변경될 수 있습니다.
   • 질량을 안쪽으로 이동하고 철의 부피를 줄이면 구조, 마운트 및 NVH 특성이 모두 바뀔 수 있습니다.

• Co-Fe로 할 수 있는 구체적인 디자인 움직임
  • 치아/백 아이언의 허용 플럭스 밀도 높이기
    • 작업 영역에서 설계 제한을 ~1.6~1.7T에서 ~2.0~2.1T로 상향 조정하여 실제 포화까지 마진을 유지합니다.
  • 다리미 볼륨 다듬기
    • 토크를 유지하면서 무게 목표를 달성하기 위해 톱니를 좁히거나 요크 두께를 줄이거나 스택을 짧게 만듭니다.
  • 철을 구리로 교환(또는 그 반대)
    • 더 많은 플럭스 용량을 사용하면 성능을 유지하면서 전류 밀도와 구리 손실을 줄일 수 있습니다.
  • 더 얇은 라미네이션을 사용하여 손실 관리
    • Co-Fe는 저항률이 낮기 때문에 고속 기계는 와전류 손실을 제어하기 위해 동급의 Si-Fe 설계보다 더 얇은 적층이 필요한 경우가 많습니다.
  • 고강도 등급으로 푸시 속도 향상
    • 자기 베어링 및 초고속 로터에 고포화 Co-Fe를 고강도 변형 및 적절한 열처리와 결합합니다.

불편한 점: 비용, 제조 가능성, 위험성

많은 프로그램이 Co-Fe에서 물러나는 이유도 바로 여기에 있습니다.

Co-Fe의 가장 큰 단점은 not 물리학. 경제성과 프로세스 민감도입니다.

• 재료비 및 공급
  • Co-Fe 합금은 코발트 함량이 높기 때문에 문헌에서 "더 비싸다"고 명시적으로 언급됩니다.
  • 코발트 가격과 소싱은 지정학적, 윤리적 문제를 수반하며, 현재 일부 OEM은 이를 전략적 리스크로 간주하고 있습니다.
• 처리 난이도
  • Co-Fe 라미네이션은 전체 공정 체인(스탬핑/레이저 절단, 응력, 어닐링, 코팅)에 대해 많은 Si-Fe 등급보다 더 민감합니다. 자기 특성은 열처리 일정과 밀접한 관련이 있습니다.
  • 저항률이 낮다는 것은 라미네이션 게이지를 충분히 얇게 만들지 않거나 코팅/절연이 일정하지 않으면 항공 우주에서 일반적으로 사용되는 주파수에서 와전류 손실이 커진다는 것을 의미합니다.
• 고빈도 행동은 양날의 검입니다.
  • 적당한 주파수와 현명하게 선택한 플럭스 밀도에서 Co-Fe는 실제로 Si-Fe보다 총 손실이 더 낮을 수 있습니다.
  • 라미네이션 두께를 조정하지 않고 B와 f를 너무 세게 누르면 와전류 항이 지배적이며, 여러 비교 연구에서 매우 높은 유도/주파수 조합에서 Si-Fe가 다시 승리하는 크로스오버 지점을 보여줍니다.
• 프로그램 위험
  • 새로운 소재 + 새로운 공급업체 + 새로운 어닐링 + 새로운 고정자/회전자 형상은 안전이 중요한 항공우주 애플리케이션을 위해 한 스택에 많은 '새로운 것'이 담겨 있습니다.
  • 초기 프로토타입이 Si-Fe를 사용했다면, 나중에 Co-Fe로 전환하면 열 모델, 기계적 마진, 때로는 전자기 호환성에 대한 재검증이 필요한 경우가 많습니다.

• Co-Fe 비즈니스 사례에 대한 압력 테스트를 위한 질문
  • 1. 오늘 내 철분 사용량은 얼마인가요?
    • Si-Fe 고정자/회전자가 임계 경로에서 1.3T만 작동하는 경우, Co-Fe는 비용을 회수할 만큼 충분히 바늘을 움직이지 않을 것입니다.
  • 2. 여기서 무게가 정말 미션 크리티컬한가요?
    • 이 발전기가 회전하지 않는 베이에 위치하여 구조적 페널티가 크지 않은 경우, 몇 킬로그램을 줄인다고 해서 Co-Fe가 정당화되지 않을 수 있습니다.
    • 엔진 스풀에서 회전하거나 날개 아래에 매달려 있는 경우, 모든 킬로그램은 구조물과 항력을 통해 증폭됩니다.
  • 3. 실제로 어떤 전기 주파수로 작동하나요?
    • 얇은 라미네이션을 통해 최대 수백 Hz까지 Co-Fe는 손실 경쟁력이 있거나 더 우수할 수 있습니다.
    • kHz 범위에서는 고급 Si-Fe, 무정형 또는 나노 결정 접근 방식이 더 적합할 수 있습니다.
  • 4. 공급업체 에코시스템은 얼마나 성숙해 있나요?
    • 이미 항공우주 고객을 지원하고 귀사의 자격 요건을 이해하고 있는 Co-Fe 라미네이션 공급업체가 한 곳 이상 있습니까?
  • 5. 명확한 시스템 수준의 승리를 가리킬 수 있나요?
    • 예: 냉각 루프 하나 감소, 더 작은 나셀, 더 높은 페이로드, 특정 임무 프로필이 가능해집니다.
    • 이점이 "데이터 시트의 더 멋진 숫자"로만 표시된다면 인증 및 조달 팀에게는 일반적으로 충분하지 않습니다.

간단한 멘탈 모델: Co-Fe 고정자 및 회전자 코어에 대한 "3개의 녹색 표시등"

신호등 테스트를 상상해 보세요. 다음과 같은 경우에만 Co-Fe로 이동합니다. 세 가지 모두 이 중 녹색입니다:

1. 물리 녹색 - 눈에 띄게 철 제한 (포화도 또는 온도)의 병목 현상이 발생하는데, Co-Fe는 이러한 병목 현상을 확실히 제거합니다.
2. 시스템 녹색 - 그 결과 질량/부피 감소 또는 성능 향상은 다음과 같이 잠금 해제됩니다. 미션 수준의 가치 (범위, 페이로드, 중복성, 패키징).
3. 프로그램 녹색 - Co-Fe 자격을 갖추기 위한 공급업체, 예산 및 일정과 더 높은 재료 및 제조 복잡성에 대한 계획이 있습니다.

이 중 하나라도 빨간색으로 유지되는 경우 일반적으로 더 현명하게 처리하는 것이 좋습니다:

• Si-Fe 설계 개선(더 나은 등급, 더 얇은 라미네이션, 향상된 냉각),
• 또는 하이브리드 접근 방식(예: 대부분의 코어에 Si-Fe를 사용하고 자속 밀도 피크가 불가피한 경우에만 Co-Fe를 사용)을 고려하세요.

그렇다면 항공우주용 고정자 및 회전자 스택에 Co-Fe가 '가치'가 있는 시기는 언제일까요?

짧고 솔직한 버전은 다음과 같습니다:

• 디자인하는 경우 고속, 고출력 밀도의 항공 우주 기계-스타터 제너레이터, APU 제너레이터, 통합 추진 모터 등 Si-Fe 설계는 이미 포화 및 열 한계에 직면해 있습니다, Co-Fe는 진지하게 거래 연구를 할 가치가 있습니다..
• 작업 중인 경우 중간 속도의 패키징 친화적인 시스템 철 제한이 없는 경우 Co-Fe는 일반적으로 성능 스프레드시트를 약간 더 친환경적으로 만드는 데 비용이 많이 드는 방법처럼 보입니다.

Co-Fe를 잘 활용하면 '화려한 소재 업그레이드'라기보다는 전략적 레버. 이를 통해 표준 전기강은 불가능한 방식으로 무게, 전력 및 열 마진 사이의 일반적인 트레이드오프 곡선을 구부릴 수 있습니다.

항공우주 분야에서 고정자 및 로터 설계자의 임무는 Co-Fe를 좋아하거나 싫어하는 것이 아니라, 그 레버가 전체 항공기의 성능을 향상시키는 레버인지 정확히 파악하는 것입니다.

원하신다면 특정 기계(전력, 속도, 전압, 엔벨로프)에 대한 Co-Fe 대 Si-Fe 개념을 스케치하고 이 일반적인 지침을 프로젝트 수준의 결정으로 전환하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.