eVTOL 모터 라미네이션 제조: 얇은 게이지 스탬핑, 고RPM 유지 및 열 스택 문제 해결

스탬프를 찍고, 쌓고, 배송합니다. 모터 라미네이션 스택 를 개발했습니다. 이것이 바로 설계가 고장 나는 부분과 이를 견디는 방법에 대해 알게 된 내용입니다.

주요 내용

• 0.20mm 실리콘 스틸의 첨단 열화는 좁은 고정자 톱니 단면의 25-40%를 소모합니다. 750-800°C에서 응력 완화 어닐링은 코어 손실 페널티(링 코어 방식, 1.0T/400Hz)의 20-30%를 복구합니다.
• 0.20mm 스톡에서 0.5mm 미만의 로터 브리지는 달성 가능하지만 안정적이지 않습니다. 금형 유지보수 없이 최대 2,000개 이상의 생산을 실행할 수 있습니다.
• 본딩 스택(백락 또는 접착제)은 인터록 스택보다 지속적으로 성능이 우수합니다. eVTOL급 전력 밀도 모터의 와전류 손실과 열 전도성 모두에 영향을 미칩니다.
• 스탬프가 찍힌 조건의 브리지 너비는 그려진 브리지 너비가 아닙니다. 롤오버와 버는 유효 구조 단면을 이동시킵니다. 도면에서 두 가지를 모두 지정합니다.

eVTOL의 모터는 해안에 도달하지 못합니다. 호버링 중에는 배터리가 3~5C에서 방전됩니다. 모터는 12~20분 동안 연속으로 최대 토크를 발휘하며, 때로는 접근을 중단하는 동안 더 많은 토크를 발휘하기도 합니다. 그런 다음 순항으로 전환되고 전자기 부하 프로파일이 완전히 바뀝니다. 그런 다음 착륙을 위해 호버링으로 돌아갑니다. 모든 비행은 산업용 드라이브에서는 눈에 띄지 않는 열 사이클이지만, eVTOL에 필요한 전력 밀도에서는 치명적입니다.

우리는 모터를 설계하지 않습니다. 우리는 모터 내부에 들어가는 적층 스택을 제작합니다. 하지만 라미네이션은 전자기적 의도와 제조 현실이 만나는 곳이기 때문에 결국 문제가 발생하게 됩니다. 0.35mm에서 FEA를 통과한 로터 브리지가 그 폭에서 50,000번의 스탬핑 사이클을 견딜 수 있는 것은 아닙니다. 12,000RPM에서 자속 밀도에 최적화된 고정자 톱니는 최첨단 열화 후에 모델이 약속한 자속을 전달하기에 충분한 재료가 남지 않을 수 있습니다.

In eVTOL 라미네이션, 진정한 도전은 단순히 15,000RPM을 견디는 것이 아니라 스택의 모든 적층 사이에 절대적인 열 접촉을 유지하면서 0.20mm 게이지에서 15,000RPM을 견디는 것입니다.

이 게시물에서는 이론이 아니라 고객이 DXF를 보내면 실제로 어떻게 작동하도록 만들지 고민해야 할 때 나타나는 장단점, 즉 eVTOL 프로그램에서 직면하는 구체적인 라미네이션 문제를 다룹니다.

eVTOL 라미네이션 요구 사항이 EV와 다른 이유

사람들은 자동차 트랙션 모터에서 eVTOL 추진 모터로의 전환이 점진적으로 이루어질 것이라고 생각합니다. 그렇지 않습니다.

자동차 트랙션 모터 라미네이션은 몇 그램의 추가 무게를 견딜 수 있습니다. 이 모터는 서브프레임에 볼트로 고정된 하우징 내부에 장착됩니다. 냉각 재킷이 이를 둘러싸고 있습니다. 듀티 사이클에는 장시간의 부분 부하가 포함됩니다. 코어 손실이 시뮬레이션보다 높은 5%를 실행하면 열 시스템이 이를 흡수합니다.

eVTOL 모터에는 그런 여유가 없습니다. 항공기는 모든 호버링, 상승, 전환을 통해 1그램의 적층 강철을 운반합니다. 냉각 경로는 동체 패키징에 의해 제약을 받습니다. 때로는 하우징 위로 공기가 흐르기도 합니다. 그리고 정지 상태에서의 듀티 사이클은 잔인합니다. 과도한 와전류 손실이나 히스테리시스 손실은 갈 곳이 없는 열이 되는 최대 전력 작동이 지속됩니다.

볼륨 열은 사람들이 생각하는 것보다 더 중요합니다. 200~5,000개 단위에서는 프로그레시브 다이를 같은 방식으로 상각할 수 없습니다. 일부 eVTOL 스택은 프로토타입 수량을 위해 컴파운드 다이 또는 와이어 EDM에서 실행됩니다. 스탬핑 경로의 경제성은 주어진 프로그램 단계에서 실제로 실현 가능한 형상에 반영됩니다.

얇은 게이지 스틸: 0.20mm 문제

얇게 만들면 와전류 손실이 줄어듭니다. 이론적으로는 간단합니다. 0.20mm 이하에서는 거의 모든 기계적 접촉에 의해 변형되는 소재를 다루고 있습니다.

스탬핑 라미네이션의 절단면 손상 영역은 강종, 다이 간극, 공구 선명도에 따라 각 면의 깊이가 대략 0.3~0.5mm입니다. 4mm 스테이터 톱니가 있는 0.35mm 자동차 라미네이션에서 이 손상 영역은 톱니 폭의 약 15-25%를 차지합니다. 관리 가능.

2.5mm 톱니가 있는 0.20mm eVTOL 라미네이션에서 동일한 손상 영역이 활성 단면의 25-40%를 차지합니다. 해당 영역의 투과성이 저하됩니다. 코어 손실이 증가합니다. 이 톱니는 전자기 모델에서 예상하는 방식으로 자속을 전달하지 못하여 전자기파 파형이 바뀌고 코깅 토크가 약간 증가하며 효율 맵이 시뮬레이션에서 벗어납니다.

이를 관리하기 위해 세 가지를 배웠습니다:

다이 클리어런스는 자동차 실무보다 더 엄격해야 합니다.

당사는 두꺼운 스톡에 일반적으로 사용되는 8-10%와 달리 eVTOL 게이지의 경우 측면당 5-7%의 소재 두께를 실행합니다. 이렇게 하면 소성 변형 영역이 줄어들고 버 플러스 롤오버 프로파일이 짧아지지만 금형 마모가 증가합니다. 공구 수명은 약 25-35% 감소합니다. 재연삭이 더 자주 발생합니다. 이는 고객이 부담해야 하는 비용이지만 전체 작동 범위에서 15%의 코어 손실 페널티를 감수하는 것보다 낫습니다.

스트레스 해소 어닐링은 선택 사항이 아닙니다.

자동차 프로그램에서는 고객의 열 예산이 허용하는 경우 어닐링되지 않은 스택을 배송하기도 합니다. eVTOL에서는 거의 모든 것을 어닐링합니다. 건조한 질소/수소 분위기(이슬점 -40°C 이하)에서 750-800°C로 제어된 사이클은 스탬핑 중에 손실된 대부분의 자기 특성을 복구합니다.

IEC 60404-6에 따라 1.0T/400Hz에서 링 코어 샘플을 대상으로 측정한 수치입니다: 0.20mm 소재에서 20-30%의 코어 손실 감소. 1.0T에서의 상대 투자율은 최저 2,500(스탬핑 상태)에서 5,500-7,000(어닐링 상태)까지 회복됩니다. 이는 개선이 아니라 열 목표를 충족하는 모터와 그렇지 않은 모터의 차이입니다.

레이저 커팅이 필요한 곳은 있지만 예상과는 다른 곳

일부 고객은 절단 품질이 더 좋다고 가정하고 레이저 절단 라미네이션을 요청합니다. 그럴 수도 있지만, 얇은 실리콘 스틸에 파이버 레이저로 열을 가하면 가장자리 0.2mm 이내에서 투과성 손실 측면에서 스탬핑과 비슷한 수준의 자기 열화가 발생하기도 합니다. 레이저는 프로토타입, 스탬핑하기에는 너무 복잡한 형상, 툴링 비용이 합리적이지 않은 매우 적은 수량에 사용됩니다. 500 스택 이상 생산의 경우, 다이 간극과 유지보수 일정만 적절하다면 잘 관리된 스탬핑 다이가 0.20mm의 가장자리 품질에서 여전히 우위를 점합니다.

높은 RPM: 로터 브리지 및 구조적 한계

특히 틸트로터 아키텍처에 사용되는 직접 구동 구성의 eVTOL 모터는 고속 자동차 모터에서 볼 수 있는 극한의 RPM으로 항상 작동하는 것은 아닙니다. 일부는 2,000~4,000RPM에서 작동합니다. 하지만 더 작은 프로펠러를 구동하거나 감속 단계를 거치는 경우 12,000~20,000RPM으로 회전할 수 있으며 이러한 속도에서 로터 적층에 가해지는 원심 응력은 실제적입니다.

로터 브리지는 자석 포켓과 로터 OD 사이에 있는 얇은 강철 부분입니다. 원심력에 대항하여 자석을 유지하기 위해 존재합니다. 전자기적으로는 누설 자속 경로이기 때문에 가능한 한 얇아야 합니다. 에어 갭을 통과하지 않고 브리지를 통해 지름길을 택하는 자속은 낭비되어 토크 밀도가 감소하고 역기전력 파형이 왜곡됩니다. 구조적으로는 항공 우주 등급 인증을 충족하는 안전 마진으로 최대 과속의 원심 부하를 견뎌야 합니다.

전자기 설계자는 0.3mm의 브리지를 원합니다. 구조 분석가는 1.5배 안전율에 15,000RPM에서 최소 0.6mm가 필요하다고 말합니다. 스탬핑 엔지니어는 0.20mm 스톡 두께의 프로그레시브 다이에서 0.5mm 미만은 10,000회 타격 후에도 일관성이 없다고 말합니다.

프로덕션에서 보유할 수 있는 것

• 스탬프가 찍힌 0.20mm 소재의 0.4mm 미만새로운 툴링과 매우 엄격한 공정 제어를 통해 소량으로 달성할 수 있습니다. 수천 개 이상의 생산량에는 안정적이지 않습니다. 펀치가 마모됨에 따라 피처가 점진적으로 변형됩니다.
• 0.5-0.7 mm얇은 게이지의 eVTOL 로터 브리지를 위한 당사의 신뢰할 수 있는 생산 제품군입니다. 긴 금형 수명을 보장합니다. 전체 생산 로트에서 치수 일관성이 유지됩니다.
• 0.7mm 이상스탬핑하기는 편하지만 전자기 설계자는 브리지 누설로 인해 효율성이 떨어지기 시작합니다. 이 점이 바로 고객이 하나의 얇은 브리지에서 구조적 응력을 멀리 이동시키는 V자형 자석 포켓 배열 또는 스포크형(자속 집중) 로터 토폴로지로 전환하도록 유도하는 이유입니다.

스탬프 조건과 공칭 브리지 폭 비교

시뮬레이션 핸드오프에서 거의 나타나지 않는 한 가지는 도면의 브리지 폭이 공칭이라는 점입니다. 스탬핑 후 다리는 한쪽에는 버가 있고 다른 한쪽에는 롤오버가 있습니다. 실제 구조 단면은 드로잉된 치수와 동일하지 않으며, 재료 및 공구 상태에 따라 일반적으로 0.03~0.08mm 더 작습니다. 측정합니다. 보고합니다. 현재 대부분의 eVTOL 고객은 도면에 공칭 설계 폭과 별도로 스탬프 조건의 교량 폭 공차를 포함하고 있습니다. 귀사의 경우 그렇지 않다면 반드시 포함해야 합니다.

사례 연구: 130kW 다이렉트 드라이브 외부 로터 프로그램

고객의 이름은 밝힐 수 없습니다. 공유할 수 있는 것은 문제 해결 순서인데, 이는 라미네이션 제조 제약 조건이 모터 설계에 어떻게 피드백되는지, 그 반대의 경우가 아니라 어떻게 피드백되는지를 보여주기 때문입니다.

이 프로그램은 멀티콥터 구성을 위한 130kW 다이렉트 드라이브 외부 로터 모터였습니다. 초기 설계 사양: 0.20mm 비방향성 실리콘 스틸, 48슬롯 고정자, 40극 로터, 최대 속도 3,200RPM. 고정자 톱니 폭은 2.8mm였습니다. 로터 브리지는 0.45mm로 그려졌습니다.

프로토타입에서 일어난 일 첫 번째 고정자 스택 배치의 코어 손실은 전자기 시뮬레이션(링 코어 증인 샘플, 1.0T/400Hz, 어닐링 전)에서 18%를 초과하는 것으로 측정되었습니다. 어닐링 후에는 갭이 6%로 좁혀졌지만 여전히 고객의 냉각 시스템이 흡수할 수 있는 ±4%의 열 마진을 벗어났습니다. 처음 50개의 로터 브리지는 구조 분석에서 허용되는 ±0.06mm의 편차를 보였지만 누설 자속 변화로 인해 모터 간에 측정 가능한 코깅 토크 산란이 발생했습니다.

변경된 사항:

1. 고정자 툴에서 다이 간극을 측면당 7%에서 5.5%로 줄였습니다. 애널 후 증인 샘플의 코어 손실이 예산 범위 내에서 시뮬레이션보다 높은 3.5%로 감소했습니다.
2. 통계적 샘플링이 아닌 10번째 로터 적층마다 광학 측정을 사용하는 전용 브리지 폭 검사 단계가 추가되었습니다. 변동이 ±0.03mm로 강화되었습니다.
3. 고정자 다이를 컴파운드 다이에서 소형 프로그레시브 다이로 전환하여 더 높은 툴링 투자 비용으로 더 긴 생산 기간 동안 가장자리 일관성을 개선했습니다. 고객은 800개 단위의 초기 생산 주문에 비해 부품당 손실이 개선되었기 때문에 비용 델타를 승인했습니다.

결과: 모터 프로토타입 테스트 결과, 열 시뮬레이션 목표치인 2% 이내의 연속 호버링 출력을 보였습니다. 고객은 전자기 회로를 재설계하지 않고 LRIP(저속 초기 생산)로 진행했습니다.

이것은 우리에게 전형적인 eVTOL 참여입니다. 설계 의도는 옳습니다. 하지만 첫 번째 제조 결과는 그렇지 않습니다. 모터 재설계가 아닌 다이 클리어런스, 공정 제어 및 검사 전략에서 반복이 이루어집니다.

열 문제: 라미네이션 스택이 열 문제가 되는 경우

라미네이션 스택은 단순한 전자기 부품이 아닙니다. 라미네이션 스택은 열 경로이기도 하며, 종종 고정자 권선에서 열을 냉각 시스템으로 전달하기 위한 주요 전도 경로이기도 합니다.

이로 인해 때때로 충돌하는 요구 사항이 발생합니다:

스택 압축 및 열 전도성

느슨하게 압축된 스택은 적층 사이에 공기 틈이 있습니다. 공기는 단열재입니다. 스택이 단단할수록 레이어 간 열 경로가 더 좋아집니다. 그러나 과도하게 압축하면 단열 코팅이 손상되고 층간 단락이 발생하여 와전류 손실이 증가하여 더 많은 열이 발생합니다. 유니티는 eVTOL 스택에 95-97%의 스택 계수를 목표로 하고 있으며, 이는 자동차에서 실행하는 것보다 높은 수준입니다. 코팅을 손상시키지 않고 이 목표에 도달하려면 실시간 힘 모니터링을 통해 압력을 제어해야 하며, 모든 스택에서 힘-변위 곡선을 기록하고 이상 징후를 자동으로 표시합니다.

본드 스택과 연동 스택 비교

인터록은 각 딤플 지점에서 국부적인 변형을 일으켜 절연 층을 파괴하고 인터록 기능 주변에 에어 포켓을 생성합니다. 각 인터록 지점은 과도한 와전류 손실과 열 저항의 마이크로 소스가 됩니다. eVTOL의 경우 대부분의 고객이 백락(자체 접착 코팅) 또는 접착 본딩을 지정합니다. 접착층은 미세한 틈을 메우고 실제로 전기 절연을 유지하면서 라미네이션 간의 열 전달을 개선합니다. 단점으로는 사이클 시간과 공정 복잡성이 있는데, 본딩에는 제어된 경화 단계(일반적으로 클램핑 압력에서 30~60분 동안 180~200°C)가 필요하지만 인터로킹에는 필요하지 않습니다.

슬롯 지오메트리 및 와인딩 열 추출

이는 기술적으로는 모터 설계자의 문제이지만, 스탬핑하는 슬롯 모양에 따라 권선이 고정자 톱니 벽에 얼마나 잘 고정되는지가 결정되며, 이는 구리 충전율과 도체와 철 사이의 열 결합에 직접적인 영향을 미치기 때문에 우리에게도 영향을 미칩니다.

반경이 촘촘하고 가장자리가 깨끗한 슬롯은 와인딩이 더 가깝게 중첩되어 구리와 강철 사이의 공기 간격을 줄여줍니다. 버나 롤오버가 있는 슬롯은 와인딩을 벽에서 밀어내어 슬롯의 유효 충전량을 떨어뜨립니다.

지속적인 고출력으로 작동하는 eVTOL 모터에서 권선과 톱니 사이의 유효 공기 간격이 0.1mm만 더 늘어나면 권선 핫스팟 온도가 5~10°C 더 높아질 수 있습니다. 한 스택은 15µm 버 높이에서, 다른 스택은 30µm에서 연속 열 테스트(열전대 계측 모터, 동일한 권선 공정, 동일한 작동 지점)를 통해 이를 확인했습니다. 그 차이는 세 개의 모터 샘플에서 일관되고 반복적으로 나타났습니다.

축 방향 플럭스 대 방사형 플럭스: 라미네이션에 미치는 영향

우리가 작업하는 대부분의 eVTOL 프로그램은 레이디얼 플럭스 영구 자석 동기 모터를 사용합니다. 적층 스택은 평평한 시트에서 스탬핑된 기존의 원통형 기하학적 구조의 고정자 링, 로터 디스크입니다. 우리는 이것을 만드는 방법을 알고 있습니다. 툴링은 이해합니다. 스태킹 공정이 성숙합니다.

하지만 축 방향 자속 모터가 더 자주 등장하고 있습니다. 토크 밀도 이점(동일한 토크 출력에 대해 더 짧은 축 길이)은 축 방향 공간은 제한적이지만 방사형 공간을 사용할 수 있는 eVTOL 패키징에 매력적입니다.

축 방향 플럭스 라미네이션은 다른 동물입니다. 플럭스 경로가 방사형이 아닌 축 방향으로 스택을 통과하므로 적층 평면의 방향이 달라져야 합니다. 일부 축 방향 플럭스 설계는 실리콘 스틸(테이프 감기 코어)의 감긴 스트립을 사용합니다. 일부는 SMC(연자성 복합체) 분말 코어를 사용합니다. 일부는 파이 조각처럼 방사형으로 배열된 세그먼트 라미네이션을 사용합니다.

축방향 플럭스를 위해 제조하는 제품

축 방향 자속 토폴로지를 위한 세그먼트 고정자 라미네이션을 제작합니다. 스탬핑은 간단합니다. 각 세그먼트는 작고 비교적 단순한 모양입니다. 문제는 조립입니다. 수십 개의 세그먼트를 일관된 자기 특성과 엄격한 기하학적 공차를 가진 링으로 정렬, 접착 및 압축하는 것입니다.

축방향 플럭스 라미네이션의 어려운 부분은 조각을 만드는 것이 아닙니다. 스택을 만드는 것입니다. 세그먼트 사이의 0.05mm 오정렬은 플럭스 분포를 방해하고 핫스팟을 생성하는 국부적인 릴럭턴스 변동을 일으킵니다. 고정은 매우 중요합니다. 당사는 맞춤형 정렬 픽스처와 함께 본딩 어셈블리를 사용하고 경화 후 CMM으로 동심도를 확인합니다.

축 방향 플럭스 로터의 경우, 적층은 덜 일반적이며 많은 설계에서 솔리드 스틸 또는 SMC를 사용합니다. 라미네이션이 지정된 경우 일반적으로 특수 블랭킹 툴링이 필요한 얇은 링 또는 환형 모양입니다.

재료 선택: 실제로 실행하는 것

이것은 카탈로그가 아니라 우리가 스택을 제작하고, 측정하고, 어닐링하고, 기능 테스트 모터에 장착한 고객에게 배송한 결과물입니다.

모터 수준에서 킬로와트당 무게를 최적화하는 경우 코발트-철은 주어진 토크에 대해 가장 작은 적층 스택을 제공합니다. 항공기 전체의 단위 경제성을 최적화하는 경우 0.20mm의 실리콘 스틸이 대부분의 프로그램에 적합합니다. 일반적으로 전체 항공기 중량 예산의 맥락에서 결정이 내려지는데, 모터 스택을 200g 줄이면 배터리를 200g 추가할 수 있어 임무 프로파일이 바뀌는 경우도 있습니다.

품질 및 인증: 항공우주 산업이 라미네이션 공급업체에 요구하는 사항

자동차 품질은 ISO/IATF를 기반으로 합니다. eVTOL 모터 부품의 항공우주 품질은 진화하고 있지만, 그 궤적은 AS9100 및 EASA/FAA Part 21 준수를 향해 나아가고 있습니다. 현재 eVTOL 고객이 요구하는 사항:

• 완전한 자재 추적성: 제철소 열 번호 → 코일 ID → 스탬핑 로트 → 완성된 스택 일련 번호
• 모든 중요 치수에 대한 CMM 데이터가 포함된 1차 물품 검사 보고서
• 각 생산 로트의 증인 샘플에 대한 코어 손실 테스트(IEC 60404-6에 따른 링 코어 방식 또는 지정된 경우 IEC 60404-2에 따른 엡스타인 프레임)
• 공칭의 ±0.5% 이내 스택 무게 허용 오차
• 로트당 통계 샘플에 대한 버 측정(광학 프로파일 측정, 고객 사양별 임계값)
• 어닐링을 위한 문서화된 공정 제어: 시간-온도 프로파일, 대기 조성(N₂/H₂ 비율), 이슬점 로그
• 변경 관리: 고객 통지 및 승인 없이 자재 대체, 공정 변경, 툴링 수정 금지

대부분의 자동차 프로그램보다 문서가 더 많습니다. 양은 적지만 부품당 서류 작업은 더 무겁습니다. 우리는 이 시장이 성장하고 형식 인증 프로그램이 EASA/FAA 프로세스를 거치면서 요구 사항이 강화되는 것을 보고 이를 처리할 수 있는 품질 시스템을 구축했습니다.

자주 묻는 질문

현재 프로토타입에서 로터 브리지 변형으로 어려움을 겪고 계신가요? 시뮬레이션과 일치하지 않는 코어 손실 수치가 보이나요? 무료 DFM 검토를 위해 DXF 파일을 보내주세요.-특정 형상과 부피에 대한 에지 성능 저하 위험, 브리지 제조 가능성, 열 스택 압축을 평가합니다. 초기 검토에는 NDA가 필요하지 않습니다.