분말 야금 대 적층 강철 코어: PM이 합리적일 때

정답

분말 야금은 자성 코어가 평평한 강판 더미보다 더 커야 할 때 적합합니다.

이것이 가장 짧은 유용한 답변입니다.

적층 강철 코어 는 여전히 많은 모터, 변압기, 발전기 및 액추에이터의 기본 선택입니다. 자속이 주로 적층 스택의 평면에서 이동하는 경우 효율적이고 친숙하며 확장성이 뛰어나며 이기기 어렵습니다.

일반적으로 부드러운 자성 복합 코어 형태의 분말 야금은 디자인이 어색한 것을 요구할 때 더 좋아 보이기 시작합니다:

• 3차원 플럭스 경로
• 고주파 자기 여기
• 컴팩트한 모터 형상
• 쇼트 엔드 와인딩
• 클로 폴 또는 횡방향 플럭스 경로
• 조립된 자기 부품 수 감소
• 그물 모양에 가까운 자성 부품

하지만 PM은 적층강에서 직접 업그레이드하는 것이 아닙니다. 그것은 거래입니다.

와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 복잡한 모양을 만들 수 있습니다. 조립을 단순화할 수 있습니다.

또한 낮은 투과성, 높은 자화 전류, 약한 저주파 성능, 밀도 변화, 툴링 비용, 예쁜 CAD 모델에는 나타나지 않는 열 문제 등이 발생할 수 있습니다.

진짜 문제는 그렇지 않습니다:

“분말 야금이 적층강보다 더 나은가요?”

더 좋은 질문은:

“이 자기 회로가 3D 컴팩트 코어의 재료적 불이익을 상쇄할 만큼 충분히 보상할 수 있을까요?”

가끔은 그렇습니다. 종종 아니오.

바로 이 지점에서 결정이 유용해집니다.

라미네이트 스틸 코어가 라미네이션 스택에 가장 적합한 이유

적층 강철 코어는 얇은 전기 강철 시트로 제작됩니다. 각 시트는 다음 시트와 코팅 또는 절연되어 있습니다. 스택은 자속을 전달하고 절연은 코어의 두께를 통해 와전류 루프를 차단합니다.

간단한 아이디어. 여전히 강력합니다.

적층 스택은 자속 경로가 대부분 2차원일 때 특히 잘 작동합니다. 많은 레이디얼 플럭스 모터, 변압기 코어, 발전기 및 솔레노이드에서 자속은 주로 각 적층 평면을 따라 이동합니다. 재료는 원하는 방향으로 사용됩니다.

이것이 적층 강철 코어가 튼튼하게 유지되는 이유입니다:

• 기존 방사형 플럭스 고정자
• 트랜스포머 E-I, C 또는 토로이달 스타일 코어 경로
• 평면 플럭스 흐름이 있는 발전기
• 저주파 및 중주파 전자기 장치
• 높은 투과성과 높은 플럭스 밀도가 필요한 애플리케이션

적층 강철의 강도는 단순히 소재에만 있는 것이 아닙니다. 그것은 전체 프로세스입니다.

스탬핑. 스태킹. 인터로킹. 본딩. 용접. 어닐링. 슬롯 형상. 라미네이션 두께. 코팅 품질. 버 제어. 툴링 성숙도.

좋은 라미네이션 스택은 가장 좋은 방법으로 지루합니다. 작동합니다.

하지만 한계가 있습니다. 플럭스가 평면을 벗어나거나, 급회전하거나, 컴팩트한 3D 기둥을 가로지르거나, 적층된 시트에 맞지 않는 기하학적 구조를 통과하려는 경우 적층 강철은 타협이 필요해지기 시작합니다.

세그먼트. 조인트. 추가 에어 갭. 더 많은 부품. 더 긴 와인딩. 조립 공차 문제.

이때가 바로 PM이 대화에 참여하는 시기입니다.

고주파 모터 및 자기 코어 설계에서 PM이 변경하는 사항

분말 야금 연자성 코어는 자성 분말 입자를 서로 전기적으로 절연하고 모양으로 압축한 후 열처리한 자성 분말 입자로 만들어집니다.

핵심적인 차이점은 모양뿐이 아닙니다.

전기 경로 제어입니다.

적층강에서 와전류는 절연 시트를 쌓아 제어합니다. PM 연자성 복합재에서는 와전류가 입자 수준에서 제한됩니다. 이는 자기장이 빠르게 변화하거나 고조파가 강하거나 같은 부품 내부에서 자속이 여러 방향으로 이동할 때 도움이 될 수 있습니다.

또한 PM은 디자이너에게 더 많은 기하학적 자유를 제공합니다.

설계자는 “이 자기 경로를 어떻게 시트로 슬라이스할까요?”라고 묻는 대신 “이 자기 경로를 컴팩트한 3D 구성 요소로 만들 수 있을까요?”라고 질문할 수 있습니다.”

이러한 변화가 중요합니다.

항상 그런 것은 아닙니다. 하지만 축 방향 자속 모터, 횡 방향 자속 모터, 클로 폴 로터, 소형 액추에이터, 고속 기계, 고주파 유도 부품 및 하이브리드 자기 어셈블리에서는 중요합니다.

그래도 PM은 세금을 부과합니다.

상대적 자기 투자율은 일반적으로 우수한 적층 전기강보다 훨씬 낮습니다. 낮은 투자율은 더 많은 자화 전류를 의미할 수 있습니다. 전류가 많다는 것은 구리 손실이 많다는 것을 의미합니다. 그리고 이제 코어 손실이 서류상으로는 더 좋아 보이더라도 기계가 더 뜨겁게 작동할 수 있습니다.

이것이 바로 조용한 함정입니다.

PM은 재료 비교에서는 이기고 기기 비교에서는 질 수 있습니다.

빠른 비교: PM 코어와 적층 강철 코어 비교

이는 최종 설계 값이 아닌 일반적인 엔지니어링 범위입니다. 실제 값은 구성, 두께, 코팅, 압축 압력, 열처리, 플럭스 밀도, 온도 및 파형에 따라 달라집니다.

마지막 단어가 중요한데, 바로 파형입니다.

클린 시누소이드 테스트는 실제 인버터 공급 모터가 코어에 미치는 영향을 숨길 수 있습니다.

분말 야금이 합리적일 때

1. 플럭스 경로는 진정한 3차원입니다.

이것이 바로 PM을 사용해야 하는 가장 깔끔한 이유입니다.

자속이 동일한 부품에서 축 방향, 반경 방향, 원주 방향으로 이동해야 하는 경우 적층 스택이 설계에 문제가 될 수 있습니다. 적층 강판은 자속이 대부분 시트 평면에 머물기를 원합니다. PM은 등방성이 더 높기 때문에 적층된 시트에 깔끔하게 맞지 않는 자기 경로를 지원할 수 있습니다.

이것이 바로 PM이 주목받는 이유입니다:

• 축 방향 자속 모터
• 횡방향 플럭스 기계
• 클로 폴 지오메트리
• 소형 전자기 액추에이터
• 3D 귀환 경로 자기 회로
• 세그먼트 또는 하이브리드 모터 코어

일반 방사형 자속 고정자에는 자동으로 PM이 필요하지 않습니다.

횡방향 자속 모터일 수도 있습니다.

그 차이가 전부입니다.

2. 주파수 또는 고조파로 인한 와전류 손실로 고통받는 경우

50/60Hz에서 적층 강철은 일반적으로 편안합니다. 수백 헤르츠에서도 적층 강철은 특히 더 얇은 게이지 소재의 경우 여전히 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. 더 높은 전기 주파수, 높은 극 수, 빠른 스위칭 또는 강한 고조파 콘텐츠에서는 와전류 손실을 관리하기가 더 어려워집니다.

절연 입자가 순환하는 전류 경로를 제한하기 때문에 PM이 도움이 될 수 있습니다.

대략적인 화면 보기:

인버터가 빠르게 전환된다는 이유만으로 PM을 선택하지 마세요.

코어가 항상 스위칭 주파수를 직접 “보는” 것은 아닙니다. 코어는 권선 인덕턴스, 제어 전략, 슬롯, 로터 동작 및 지오메트리를 통해 살아남는 자속 파형을 확인합니다.

잘못된 주파수 가정은 잘못된 소재를 화려하게 보이게 만들 수 있습니다.

약 10분 동안.

3. PM은 구리를 단축하거나 자기 조인트를 제거합니다.

이것이 바로 PM이 승리할 수 있는 시스템 차원의 이유입니다.

PM 코어는 적층강보다 자기 투과성이 떨어질 수 있습니다. 그러나 그 모양이 더 짧은 권선, 더 큰 슬롯 채우기, 더 적은 조인트, 더 적은 누설 자속 또는 더 깨끗한 복귀 경로를 허용하는 경우 전체 모터가 개선될 수 있습니다.

이것이 중요한 부분입니다.

모터는 열이 철 손실에서 발생하든 구리 손실에서 발생하든 상관하지 않습니다. 열은 열입니다. 토크는 토크입니다. 온도 상승은 온도 상승입니다.

따라서 PM 질문은 다음과 같이 구성해야 합니다:

PM 지오메트리가 낮은 투과성을 정당화할 만큼 총 기계 손실, 크기, 질량 또는 조립 비용을 줄입니까?

아니요:

PM은 샘플 링에서 와전류 손실이 더 낮습니까?

샘플 링은 모터가 아닙니다.

4. 라미네이트 디자인에 너무 많은 조각이 있습니다.

때로는 시뮬레이션이 답을 알려주기 전에 그림이 먼저 답을 알려주기도 합니다.

적층 솔루션에 여러 개의 코어 세그먼트, 어려운 적층, 2차 가공, 용접 제어, 절연 수리, 엄격한 조립 정렬 및 추가 자기 조인트가 필요한 경우 PM은 심각한 테스트가 필요할 수 있습니다.

그물 모양에 가까운 프레스로 부품 수를 줄일 수 있습니다.

그렇다고 해서 무료라는 의미는 아닙니다. 파우더 압축에는 자체 규칙이 있습니다:

• 누르는 방향이 중요합니다
• 벽 두께 중요성
• 밀도가 항상 균일하지 않음
• 날카로운 모서리는 취약점을 만들 수 있습니다.
• 배출 표면은 현실적이어야 합니다.
• 열처리가 최종 자기 거동에 미치는 영향
• 툴링 변경은 저렴하지 않습니다.

PM은 지름길이 아닙니다. 다른 제조 언어입니다.

디자인이 그 언어를 사용한다면 PM은 강력할 수 있습니다.

그렇지 않은 경우 라미네이트 스틸이 더 깨끗한 해답일 수 있습니다.

적층 강철이 여전히 더 나은 선택인 경우

자기 설계가 이미 평면적이고 효율적이며 제조 가능한 경우 라미네이트 스틸을 기본으로 유지해야 합니다.

라미네이션 스택을 먼저 사용하세요:

• 플럭스는 주로 평면 내
• 지오메트리를 쉽게 찍을 수 있습니다.
• 높은 투과성이 필요합니다.
• 플럭스 밀도가 높음
• 빈도가 낮거나 보통인 경우
• 생산 공정은 이미 안정적입니다.
• 열 거동이 잘 이해됩니다.
• PM은 구리 길이 또는 부품 수를 줄이지 않습니다.

여기에는 많은 모터가 포함됩니다.

특히 기존의 방사형 플럭스 스테이터가 그렇습니다.

적절한 전기강 두께의 우수한 적층 스택은 투과성이 높고 포화도가 높으며 손실 거동이 성숙하기 때문에 PM보다 성능이 우수할 수 있습니다. 물론 PM은 와전류를 줄일 수 있습니다. 그러나 동일한 에어 갭 플럭스를 생성하기 위해 더 많은 전류가 필요한 경우 구리 손실이 이득을 앗아갈 수 있습니다.

드라마는 없습니다. 그냥 수학입니다.

재료 선택 범위: 실용적인 첫 번째 필터

아래 표는 데이터시트나 프로토타입 테스트를 대체하는 것이 아닙니다. 잘못된 첫 번째 선택을 피하기 위한 방법입니다.

간단한 규칙입니다:

코어가 대부분 평평한 자기 고속도로인 경우 라미네이션을 사용합니다.

코어가 콤팩트한 자기 접합과 비슷하다면 PM을 테스트하세요.

숨겨진 거래: 철 손실 대 구리 손실

PM 토론은 종종 철분 손실에 초점을 맞춥니다.

너무 좁습니다.

PM 소프트 마그네틱 코어는 더 높은 주파수에서 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 그러나 투자율이 낮으면 더 강한 자화력이 필요할 수 있습니다. 자화력이 강하다는 것은 일반적으로 더 많은 전류를 의미합니다. 전류가 많으면 구리 손실이 증가합니다.

따라서 실제 비교는 다음과 같습니다:

PM 코어 손실 감소 마이너스 낮은 투과성으로 인한 추가 구리 손실 플러스 또는 마이너스 더 짧은 와인딩 또는 더 적은 조인트로 인한 지오메트리 이득

이것이 바로 진짜 방정식입니다.

적층 코어는 철의 손실은 더 많지만 전류가 더 적게 필요할 수 있습니다. PM 코어는 와전류 손실이 적지만 더 많은 구리 여기가 필요할 수 있습니다. 어느 쪽이든 이길 수 있습니다.

자료 차트 하나만으로는 알 수 없습니다.

전체 전자기 및 열 모델이 필요합니다.

그런 다음 프로토타입이 필요합니다.

성가시지만 사실입니다.

비용: PM이 견적을 낼 가치가 있는 곳

비용은 단순히 킬로그램당 가격이 아닙니다.

적층강 비용에는 판재, 코팅, 스탬핑, 공구 마모, 스크랩, 적층, 접합 또는 용접, 필요 시 어닐링, 검사 및 조립이 포함됩니다.

PM 비용에는 분말, 절연 처리, 혼합, 다짐 툴링, 프레스 시간, 밀도 제어, 열처리, 마감, 코팅, 검사, 금이 가거나 밀도가 맞지 않는 부품의 스크랩이 포함됩니다.

비용에 대한 질문이 있어야 합니다:

완성된 마그네틱 기능당 각 옵션의 비용은 얼마인가요?

킬로그램 단위가 아닙니다.

부품별로 분리된 것이 아닙니다.

대략적인 결정 가이드입니다:

고정된 볼륨 임계값에 주의하세요.

소형 PM 액추에이터와 대형 모터 코어는 동일한 비용 로직을 공유하지 않습니다. 단순한 스탬핑 라미네이션과 세그먼트, 본딩, 비뚤어진 다중 부품 라미네이션 스택도 비용을 공유하지 않습니다.

올바른 비용 모델에는 다음이 포함됩니다:

• 연간 볼륨
• 도구 수명
• 스크랩 비율
• 제거된 부품 수
• 와인딩 길이 변경
• 조립 시간
• 검사 요구 사항
• 열처리 비용
• 치수 허용 오차
• 단위당 성능 향상

PM이 단순한 라미네이션 스택 하나를 제거하면 손실될 수 있습니다.

PM이 6개의 부품, 2개의 고정 장치, 긴 와인딩 오버행, 마그네틱 조인트를 제거하면 승리할 수 있습니다.

이것이 정직한 비용 이야기입니다.

엔지니어를 위한 더 나은 의사 결정 규칙

이 중 두 가지 이상에 해당하는 경우 PM을 진지한 후보로 사용하세요:

• 플럭스 경로는 3차원입니다.
• 작동 주파수는 수백 헤르츠 이상입니다.
• 고조파 코어 손실은 실제 열 문제입니다.
• 라미네이트 버전에는 여러 세그먼트 또는 조인트가 필요합니다.
• PM 모양은 엔드 와인딩을 단축합니다.
• 그물 모양에 가까운 프레스로 가공이나 조립이 필요하지 않습니다.
• 축 방향 플럭스, 횡 방향 플럭스, 클로 폴 또는 컴팩트 액추에이터 토폴로지입니다.
• 이 프로젝트는 실제 파형 조건에서 프로토타입 테스트를 지원할 수 있습니다.

대부분의 경우 라미네이트 스틸을 사용하세요:

• 플럭스 경로는 대부분 2차원입니다.
• 이 설계는 기존의 방사형 자속 고정자 또는 변압기 코어입니다.
• 높은 투과성이 필요합니다.
• 기계는 저주파 또는 중간 주파수로 실행됩니다.
• 얇은 라미네이션은 와전류 문제를 해결할 수 있습니다.
• PM은 부품 수, 구리 길이 또는 조립 비용을 줄이지 않습니다.
• 디자인은 출시 전에 자주 변경해야 합니다.

직설적인 버전입니다:

자기 경로가 평평한 경우 적층 강철을 사용합니다. 자기 경로가 공간적일 때는 PM을 테스트합니다.

완벽하지는 않습니다. 충분히 유용합니다.

라미네이션 스택을 PM으로 교체할 때 흔히 발생하는 설계 실수

실수 1: 라미네이션 지오메트리 복사하기

이런 일이 자주 발생합니다.

한 팀이 적층된 고정자 모양을 가져와 PM에서 동일한 모양을 만든 다음 더 나은 성능을 기대합니다.

보통 그렇게 하면 PM이 낭비됩니다.

PM은 재료 라벨뿐만 아니라 자기 아키텍처를 변경하는 데도 사용해야 합니다. 모양이 2D 라미네이션 모양으로 유지되는 경우 적층 강철은 종종 이점을 유지합니다.

실수 2: 핵심 손실만 비교하기

코어 손실은 기계가 아닙니다.

비교:

• 핵심 손실
• 구리 손실
• 와인딩 길이
• 채도
• 에어 갭 플럭스
• 온도 상승
• 토크 밀도
• 제조 가능한 밀도
• 조립 허용 오차
• 총 비용

PM 코어는 와전류 손실이 적으면서도 모터의 효율이 떨어질 수 있습니다.

구리 손실이 나타나기 전까지는 잘못된 느낌입니다.

실수 3: 투과성 무시하기

PM 재료는 종종 더 많은 자화력을 필요로 합니다. 이는 지오메트리가 보정하지 않는 한 동일한 플럭스 타겟에 대해 더 높은 전류를 의미합니다.

그렇기 때문에 형상의 자유가 무언가를 돌려줄 때 PM이 가장 효과적입니다.

더 짧은 플럭스 경로. 누설이 적습니다. 더 짧은 권선. 더 적은 조인트. 더 나은 포장.

이러한 이점이 없으면 낮은 투과성을 방어하기 어려워집니다.

실수 4: 고주파를 하나의 숫자로 취급하기

“고주파”만으로는 충분하지 않습니다.

어떤 빈도가 중요한지 물어보세요:

• 전기 기본 주파수
• 인버터 리플 주파수
• 슬롯 고조파 주파수
• 국소 치아 플럭스 주파수
• 로터 관련 주파수
• 마이너 루프 여기 주파수

코어는 한 번에 여러 개를 볼 수 있습니다.

깨끗한 1kHz 재료 테스트가 모든 고속 모터를 설명하는 것은 아닙니다.

실수 5: 열 탈출 경로를 잊어버림

와전류 손실이 낮다고 해서 자동으로 온도가 낮아지는 것은 아닙니다.

PM 밀도, 절연 층, 바인더 시스템, 코팅, 부품 두께, 실장 방법은 열 흐름에 영향을 미칩니다. 컴팩트한 PM 부품은 적층 스택이 열을 확산시킬 수 있는 곳에 열을 가둘 수 있습니다.

열 모델링은 전자기 설계 후에 추가해서는 안 됩니다.

첫 번째 비교에 속합니다.

PM 마그네틱 코어에 가장 적합한 애플리케이션

축 방향 자속 모터

축 자속 모터는 종종 콤팩트한 자기 경로와 짧은 축 복귀 구조가 필요합니다. PM은 평판으로 제작하기 쉽지 않은 톱니, 폴 또는 고정자 섹션을 형성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

축 방향 플럭스에서 PM이 항상 더 나은 것은 아닙니다. 하지만 모델링할 가치가 있는 경우가 많습니다.

횡방향 자속 모터

횡방향 자속기는 자기 경로가 3차원인 경우가 많기 때문에 가장 명확한 PM 후보 중 하나입니다. 라미네이트 솔루션은 세그먼트화되고 조립이 많아질 수 있습니다.

단순히 평평한 고정자 스택을 가로지르는 것이 아니라 권선 주변으로 자속이 이동하는 설계라면 PM에 주목할 필요가 있습니다.

클로 폴 및 룬델 스타일의 자기 경로

기존 라미네이션 스택에서는 발톱 모양의 폴이 어색합니다. PM은 더 적은 수의 개별 자석 조각으로 발톱과 극 특징을 더 자연스럽게 형성할 수 있습니다.

이점은 전자기뿐만이 아닙니다. 조립 간소화도 가능합니다.

소형 액추에이터 및 솔레노이드

소형 액추에이터는 포장 공간이 제한적이고 자속 반환이 복잡한 경우가 많습니다. PM은 특히 응답 속도나 AC 여기가 중요한 경우 자기 경로를 더 적은 부품으로 통합하는 데 도움이 될 수 있습니다.

고주파 유도 부품

인덕터, 초크 및 고주파에서 작동하는 소형 자기 부품의 경우 PM은 와전류 효과를 줄이면서 자기 경로를 형성할 수 있습니다.

거래는 투과성과 열 동작을 유지합니다.

언제나.

하이브리드 코어

때로는 PM이나 적층강이 최선의 답이 아닐 수도 있습니다.

둘 다입니다.

라미네이트 섹션은 강력한 평면 플럭스를 전달할 수 있습니다. PM 섹션은 3D 복귀 경로, 로컬 톱니 피처 또는 복잡한 끝 영역 플럭스를 처리할 수 있습니다.

하이브리드 코어는 설명하기 쉽지 않습니다. 그렇다고 약한 것은 아닙니다.

실제 머신은 종종 혼합 솔루션을 보상으로 제공합니다.

프로토타입 테스트 체크리스트

적층강보다 PM을 선택하기 전에 실제 장치와 유사한 조건에서 두 가지 옵션을 모두 테스트하세요.

이 체크리스트를 사용하세요:

좋은 프로토타입 비교는 “어떤 코어 소재의 손실이 더 낮은가?”라는 질문을 던져서는 안 됩니다.”

“어떤 완전한 장치가 더 낮은 온도, 더 낮은 비용 또는 더 작은 크기로 필요한 출력을 제공합니까?”라고 질문해야 합니다.”

신뢰할 수 있는 결과입니다.

최종 의사 결정 프레임워크

실용적인 결정 방법은 다음과 같습니다.

다음과 같은 경우 적층 강철을 먼저 선택합니다:

이 디자인은 기존의 평면형 디자인으로 이미 효율적입니다.

즉, 일반적인 방사형 자속, 변압기 스타일의 자속, 적당한 주파수, 높은 자속 밀도, 적층 스택으로 인한 큰 조립 고통이 없습니다.

이러한 상황에서 적층 강철은 오래된 기술이 아닙니다.

올바른 도구입니다.

다음과 같은 경우 PM을 선택하여 진지하게 평가하세요:

컴팩트하고 공간 활용도가 높으며 조립에 제약이 없는 디자인입니다.

즉, 3D 플럭스, 축 또는 횡 경로, 클로 폴, 짧은 와인딩 기회, 어려운 적층 분할 또는 고조파 및 리플로 인한 코어 손실이 발생합니다.

지오메트리가 가치를 창출할 때 PM은 그 자리를 차지합니다.

단순히 라미네이션 형태의 부품으로 교체할 때는 그렇지 않습니다.

다음과 같은 경우 하이브리드 디자인을 사용합니다:

한 지역에서는 고투과성 평면 강철을 원하고 다른 지역에서는 3D 플럭스 자유도를 원합니다.

많은 기계는 순수한 교과서적인 형태가 아닙니다. 한 가지 재료로 모든 작업을 수행하는 것보다 혼합 자기 코어가 더 실용적일 수 있습니다.

자주 묻는 질문