라미네이션 스택이 있는 PM 로터용 슬리브 및 밴딩 옵션

대부분의 적층형 PM 로터는 속도와 손실을 제한하는 금속 슬리브, 온도와 냉각을 제한하는 복합 슬리브, 생산 수율을 조용히 제한하는 밴딩 공정의 세 가지 현실 중 하나로 끝납니다. 비결은 "최선의" 옵션을 찾는 것이 아닙니다. 다음 세대의 제품을 위해 어떤 제약을 감수할 수 있는지를 받아들이는 것입니다.

라미네이션 스택이 실제로 슬리브 문제에 미치는 영향

솔리드에서 이동하면 로터에서 적층 스택으로슬리브는 더 이상 단순한 실린더를 클램핑하지 않습니다. 얇은 판, 자석, 접착제, 때로는 폴 슬리브 또는 쐐기를 함께 보관하려고 합니다. 스트레스 필드가 깨끗해지지 않습니다. 라미네이션 스택, 슬롯, 키홈 및 덕트 특징의 방사형 준수는 후프 응력 경로를 바꾸고 밴드 또는 슬리브가 자석과 하중을 공유하는 방식을 변경합니다.

자석과 슬리브를 두 개의 완벽한 동심 고리로 취급하는 분석 모델은 적층 스택의 높이, 슬롯 또는 기울어짐에 따라 중요한 상호 작용을 놓치기 시작합니다. 그렇기 때문에 최근 연구에서는 슬리브 수축 맞춤, 자석 탄성, 로터 형상을 방사형 및 축 방향 모두에서 명시적으로 결합하여 각 부분을 개별적으로 풀지 않고 결합합니다.

따라서 적층형 PM 로터의 '슬리브 및 밴딩 옵션'에 대해 이야기할 때, 실제로는 전자기 성능에 먼저 최적화되고 나중에 구조적 거동에만 최적화된 스택 주위에 기계적 응력을 전달하는 방법을 선택하는 것에 대해 이야기하는 것입니다.

주요 격리 제품군, 제거됨

엔지니어들은 일반적으로 금속 슬리브, 복합 슬리브(보통 탄소 기반), 라미네이션 스택이나 외부 자석에 직접 감은 섬유 또는 테이프를 사용하는 밴딩 전용 접근법 등 적층형 PM 로터의 세 가지 봉쇄 방식에 따라 분류합니다. 상업용 기계 제작업체와 학계 모두 핵심적인 장단점이 사라지지 않기 때문에 이러한 제품군을 계속 연구하고 있습니다.

금속 슬리브는 적절한 온도 성능과 우수한 열전도를 제공하지만 로터 와전류 손실이 발생하고 가장 큰 반경에서 질량이 증가합니다. 복합 슬리브는 손실과 관성을 줄이지만 열 및 경화 제약으로 인해 어려움을 겪습니다. 자동 기계로 주로 이루어지는 퓨어 밴딩은 재료의 양보다는 공정 제어와 프리텐션에 더 의존합니다.

라미네이션 스택은 이 모든 것 아래에 약간 탄력 있고 약간 불연속적인 형태로 놓여 있으며, 이 세부 사항은 일반적으로 세 가지 경로 중 어떤 경로가 실제로 프로덕션에서 작동하는지를 결정합니다.

적층형 PM 로터의 금속 슬리브

적층형 PM 로터의 경우 금속 슬리브가 기본 시작점인 경우가 많습니다. 인코넬 718, 스테인리스강 및 티타늄 합금은 수백 MPa 범위의 항복 강도와 허용 가능한 인성 및 제조 가능성을 결합하기 때문에 계속해서 등장하고 있습니다.

소매 아래에 라미네이션 스택이 있으면 평소보다 세 가지를 더 신경 써야 합니다.

첫째, 슬리브에 완벽하게 단단한 코어가 보이지 않습니다. 라미네이션은 수축 맞춤과 원심 하중으로 압축되어 단순한 두꺼운 실린더 방정식으로 예측하는 것보다 속도에 따른 접촉 압력이 감소합니다. 최신 분석에서는 유효 방사형 강성이 단단한 강철보다 훨씬 낮을 수 있으므로 간섭 맞춤 및 허용 속도를 계산할 때 라미네이션 계수와 슬롯 형상을 명시적으로 포함합니다.

둘째, 라미네이션 스택이 매끄러운 외부 표면을 제공하지 못할 수 있습니다. 스큐, 스텝 스큐 또는 벤트 채널 스탬핑은 물결 모양의 OD를 만듭니다. 단순히 둥글게 연마하고 단단한 금속 슬리브에 밀어 넣으면 나머지 융기 부분에 국부적으로 과도한 응력이 발생하거나 불완전한 접촉으로 인해 자석에서 스택으로, 그리고 샤프트로 열 흐름이 손상될 위험이 있습니다. 일부 산업 설계에서는 의도적으로 적당한 슬리브 두께를 유지하고 신중하게 지정된 연삭 및 런아웃 한계에 의존하여 슬리브가 예측할 수 없는 국부적 항복 없이 정착할 수 있도록 합니다.

셋째, 슬리브는 손실 예산의 적극적인 부분이 됩니다. 적층 로터 주변의 연속 전도성 튜브는 자석과 슬롯에서 누출되는 고주파장에 대한 저저항 경로를 형성합니다. 이는 자석이 가장 원치 않는 곳에서 로터 와전류 손실과 열이 발생한다는 의미로 해석됩니다. 최근 연구에서는 절연층이 있는 축방향으로 분할된 티타늄 슬리브와 같은 적층 금속 슬리브를 연구하여 대부분의 기계적 이점을 유지하면서 와전류 밀도를 줄였습니다.

결과적으로 금속 슬리브는 고온, 비교적 낮은 표면 속도 또는 안정적인 열 경로가 필요할 때 적층 로터에 적합합니다. 하지만 이미 손실이 제한되어 있고 자석이 기계적으로 견딜 수 있는 최대치에서 회전하는 설계라면 금속 슬리브는 도움이 되지 않습니다.

복합 슬리브 및 오버윈드

적층 PM 로터 주변의 탄소 섬유 슬리브는 격납 구조에서 로터 와전류 손실을 거의 제거하고 응력 한계에 도달하기 전에 더 높은 표면 속도를 허용하기 때문에 인기를 얻게 되었습니다. 업계 조사에서 인용된 일반적인 값은 금속 슬리브의 경우 최대 표면 선형 속도가 약 240m/s, 적절한 레이업 및 프리텐션이 적용된 섬유 슬리브의 경우 약 320m/s로 나타났습니다.

문제는 복합 슬리브가 라미네이션 스택에 감쌀 때 매우 다르게 작동한다는 점입니다.

파이버 슬리브는 후프 방향에서는 우수하지만 방사 방향으로의 강성은 떨어집니다. 고속 작동 시에는 자석을 압축 상태로 유지하지만 열전도율이 낮아 자석이나 끝 부분에서 발생한 열이 빠져나가는 데 어려움을 겪습니다. 여러 연구에 따르면 단순히 응력 마진을 얻기 위해 복합 슬리브 두께를 늘리는 것은 역효과를 가져옵니다. 슬리브가 두꺼워지면 에어 갭이 밀려나 자속 밀도가 떨어지고 냉각이 악화되어 자석 온도가 상승하기 때문이죠.

제조 경로는 많은 사양서가 암시하는 것보다 더 중요합니다. 로터의 직접 감기 카본 슬리브는 경화 중 자석 온도 허용 오차와 와인딩 공정의 성능에 따라 부분적으로 제한되지만 수백 MPa의 방사형 사전 응력에 도달할 수 있습니다. 압착식 카본 슬리브를 별도로 제조한 다음 확장하여 로터에 장착하면 작동 조건에서 더 높은 순 압축 응력을 달성할 수 있지만 치수와 간섭을 매우 정확하게 제어해야 합니다.

코어가 표면 자석이 있는 적층 스택인 경우 이러한 차이는 실질적인 문제가 됩니다.

직접 감기 슬리브는 스택의 모든 기하학적 결함을 따라야 하며, 라미네이션 통풍구 또는 슬롯 개구부로 인해 레진 흐름이 방해를 받을 수 있습니다. 압착 슬리브는 스택과 자석에 매끄럽고 정밀하게 가공된 OD가 필요하며, 그렇지 않으면 응력 마진과 강성을 모두 약화시키는 국부적인 틈이 생깁니다. 연구 결과에 따르면 소형 초고속 로터의 경우 슬리브 두께와 간섭 맞춤이 밀접하게 결합되어 있으며 자석 인장 응력, 슬리브 응력, 제조 가능성이 모두 허용되는 매우 좁은 영역이 있는 경우가 많습니다.

열가소성 테이프를 사용한 자동화된 섬유 배치를 통해 후프 장력을 엄격하게 제어하고 더 높은 모듈러스 섬유를 사용하는 동시에 슬리브의 수분 흡수와 치수 팽창을 줄이는 새로운 복합 소재 접근 방식이 또 다른 변화를 가져왔습니다. 덥고 습한 환경에서 작동하는 라미네이트 로터의 경우 이러한 세부 사항은 수천 시간 후에도 안정적인 클리어런스와 마찰의 차이를 결정할 수 있습니다.

단순한 재료 선택이 아닌 과정으로서의 밴딩

"밴딩"이라고 하면 재료(섬유 밴드)를 의미하기도 하고, 공정(사전 장력이 정해진 사전 함침 테이프의 자동 감기)을 의미하기도 합니다. 라미네이트 PM 로터의 경우 공정이 판도를 바꾸는 요소입니다.

영구 자석 로터 전용 밴딩기는 컴팩트한 스테이션에서 테이프 장력, 회전 속도 및 경화를 제어합니다. 밴딩 작업은 가공된 슬리브를 변경하지 않고도 다양한 로터 형상에 맞게 조정할 수 있기 때문에 OD에 자석이 있거나 슬롯에 약간 묻혀 있는 라미네이션 스택이 있는 경우에 유용합니다.

그러나 라미네이션 스택이 뒤로 밀려납니다. 말 그대로.

각 라미네이션 층은 절연되어 있으므로 유효 반경 방향 강성이 솔리드 링보다 낮습니다. 밴드 장력 하에서는 외부 라미네이션이 약간 붕괴되어 로터의 속도와 온도에 따라 최종 사전 응력이 변경될 수 있습니다. 더 나은 밴딩 공정은 측정된 로터 적합성, 온도 보정, 때로는 다양한 장력으로 단계적으로 와인딩을 결합하여 이 문제를 해결하려고 노력합니다. 로터 슬리브 와인딩 기술에 대한 최근 연구에 따르면 와인딩 및 경화를 최종 조립 단계가 아닌 구조 설계의 일부로 취급할 것을 제안합니다.

밴딩은 엔드 캡, 숄더, 립과 같은 축 방향 고정 기능과도 강하게 상호작용합니다. 이러한 기능은 라미네이션 스택을 방해하고 후프 장력 하에서 국소 응력 집중을 생성합니다. 예를 들어 라미네이션 OD와 엔드 링 사이의 전환부에 있는 모따기는 금속 슬리브의 응력을 완화할 수 있지만 복합 밴드에 수지가 풍부한 포켓을 생성하여 반복적인 열 순환으로 균열을 일으킬 수 있습니다. 여기서 라미네이션 스택 지오메트리는 장기적인 신뢰성이 떨어지기 전에 밴드 장력을 어느 정도까지 밀어낼 수 있는지를 결정합니다.

하이브리드 및 라미네이트 슬리브 개념

최근 하이브리드 및 라미네이트 슬리브가 문헌과 초기 제품에 등장하기 시작했습니다. 아이디어는 간단합니다. '전도성이 강하고 강한' 또는 '절연성과 전도성이 낮은' 중 하나를 선택하는 대신 구조화된 방식으로 결합하는 것입니다.

한 분과에서는 축 방향 분할과 세그먼트 간 절연이 있는 티타늄 합금 슬리브와 같은 적층 금속 슬리브를 탐구합니다. 시뮬레이션과 테스트 결과 이러한 슬리브는 대부분의 기계적 성능을 유지하면서 솔리드 티타늄 슬리브에 비해 로터 와전류 손실을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 10kW, 30,000rpm 고속 PMSM의 경우 절연층이 있는 적층 티타늄 슬리브는 고체 티타늄 및 복합 슬리브에 비해 로터 와전류 손실을 줄이면서도 허용 응력 한도 내에서 유지했습니다.

또 다른 분야에서는 전도성 경로가 내장된 복합 슬리브, 예를 들어 구리 피처를 다른 복합 구조에 내장하는 슬리브를 연구합니다. 최근 연구에 따르면 이러한 구리 내장형 복합 슬리브는 맞춤형 강성 및 사전 응력 패턴 덕분에 순수 복합 슬리브에 비해 고속에서 응력 마진을 개선할 수 있다고 합니다.

적층형 PM 로터의 경우 이러한 하이브리드 슬리브는 구조적 관점에서 완전히 이상적이지 않을 수 있는 적층 스택을 준수하면서 전자기 손실과 기계적 성능을 개별적으로 조정할 수 있다는 점에서 유용합니다. 하지만 더 복잡한 제조 공정과 인터페이스에서의 열 거동에 대한 신중한 분석이 필요합니다.

라미네이트 PM 로터의 슬리브 및 밴딩 옵션 비교

아래 표는 표면 또는 표면 근처 자석이 있는 적층형 PM 로터에 적용되는 일반적인 옵션을 비교한 것입니다. 이 값은 보편적인 것이 아니라 여러 산업 및 학술 자료에서 보고된 추세를 반영한 것입니다.

이러한 범위는 자석 인장 강도, 온도에서의 라미네이션 항복 강도, 키홈, 통풍구 슬롯 또는 수축 시트의 응력 상승 요인 등 라미네이션 스택의 자체 한계에 따라 달라집니다.

라미네이션 지오메트리가 조용히 선택을 제어하는 방법

라미네이션 스택은 전자기 성능을 위해 먼저 설계됩니다. 즉, 특정 토크 리플, 효율성 및 인덕턴스 프로파일을 제공하기 위해 슬롯 개구부, 톱니 폭, 브리지 두께 및 로터 OD가 모두 선택됩니다. 구조적 결과는 나중에 고려됩니다.

고속 PM 로터에서 이러한 결정 순서는 때때로 이상적인 것보다 얇은 외부 브리지 또는 너무 유연한 웹 영역이 있는 스택으로 이어집니다. 슬리브 또는 밴드 사전 응력 하에서 이러한 특징은 변형되어 자석을 약간 밀어내고 국부적인 에어 갭을 변경합니다. 작동 속도에서는 다시 바깥쪽으로 구부러집니다. 이를 무시한 슬리브 또는 밴드 선택은 실제 로터에서 계산과 다르게 작동합니다.

따라서 라미네이트 PM 로터의 최신 설계 흐름은 항상 명확하게 문서화되어 있지는 않더라도 다음과 같은 경향이 있습니다.

먼저 라미네이션 스택과 자석의 기계적 모델만 구축합니다. 수축 맞춤, 밴드, 슬리브는 라미네이션 적합성을 파악한 후에 추가합니다. 이 단계에서는 브릿지와 웹이 공칭 응력 한계에 도달하기도 전에 뒤틀리는지 여부를 파악할 수 있습니다.

다음으로 슬리브 또는 밴드 디자인을 해당 규정 준수에 맞게 조정합니다. 매우 단단한 라미네이션 스택의 경우 사전 응력이 높은 더 얇은 복합 슬리브가 최적일 수 있습니다. 더 부드러운 스택의 경우 간섭은 적지만 두께가 두꺼운 금속 슬리브가 기하학적 결함에 덜 민감하게 반응하면서 동일한 봉쇄력을 제공할 수 있습니다.

마지막으로 로터 와전류 및 열 모델이 실제 슬리브 또는 밴드 지오메트리로 업데이트됩니다. 연구에 따르면 슬리브의 재질과 구조에 따라 손실이 자석에서 슬리브로 이동하거나 둘 다에서 이동할 수 있지만 정답은 재질 선택보다는 속도, 주파수 콘텐츠 및 냉각 시스템에 따라 달라집니다.

라미네이션 스택 지오메트리는 이러한 단계를 한 방향 또는 다른 방향으로 때로는 미묘하게, 때로는 매우 강하게 밀어붙입니다.

일반적인 규칙 대신 사례 중심의 사고

라미네이션 스택과 애플리케이션 세부 사항이 지배적이기 때문에 보편적인 규칙보다는 몇 가지 양식화된 사례로 생각하는 것이 도움이 됩니다.

적층 스택으로 수십만 rpm으로 작동하는 수십~수백 와트의 소형 초고속 로터를 생각해 보세요. 여기에서는 자석이 작고 적층 OD가 작습니다. 이러한 작은 금속 슬리브의 와전류 손실은 전체 손실의 상당 부분을 차지할 수 있으며 샤프트와 베어링을 통과하는 열 경로만으로도 충분하기 때문에 복합 슬리브 또는 직접 밴딩을 사용하는 것이 합리적입니다. 라미네이션 스택은 일반적으로 간단하며 매우 정밀한 OD로 연마할 수 있어 복합 슬리브가 예측 가능하게 작동하도록 도와줍니다.

적층 스택으로 수만 rpm으로 작동하는 수백 킬로와트에서 메가와트 범위의 고속 산업용 컴프레서 드라이브의 경우 상황은 달라집니다. 로터 직경은 더 커지고, 환경은 더 뜨거워지고, 고장 조건은 더 가혹해집니다. 금속 슬리브는 내열성과 견고성 때문에 더욱 매력적입니다. 로터 손실이 문제가 되는 경우 적층 금속 슬리브 또는 세심하게 설계된 통풍 및 차폐를 통해 이를 줄일 수 있지만, 복합 슬리브는 고온에서 열 제거 및 장기적인 안정성에 어려움을 겪을 수 있습니다.

표면 자석이 있는 적층형 로터 또는 OD에 가까운 매립형 자석을 사용하는 자동차 트랙션 모터에서는 특히 탄소 섬유 강화 슬리브의 경우 복합 슬리브와 밴딩이 매력적입니다. 로터 관성을 줄이고 범위와 과도 응답에 도움이 될 수 있습니다. 하지만 잘 제어된 경화와 강력한 자석 온도 관리가 필요하며, 열 차단 효과는 시스템의 다른 곳에서 적극적인 냉각을 통해 균형을 맞춰야 합니다.

이러한 각 사례는 하나의 소재군에 대한 추상적인 선호도가 아니라 라미네이션 스택 지오메트리와 더 넓은 시스템에 의해 결정됩니다.

실제로 결정해야 할 사항 및 순서

전자기 설계와 라미네이션 스택을 이미 알고 있다면 슬리브 또는 밴드 결정은 몇 가지 실용적인 질문으로 축소됩니다.

과속 테스트 및 오류 사례를 포함하여 얼마나 많은 기계적 속도 마진이 필요한지 묻습니다. 자석이 온도 예산을 초과하기 전에 얼마나 많은 로터 와전류 손실을 허용할 수 있는지 묻습니다. 스택 OD, 런아웃 및 직진도에 대해 어떤 제조 변동이 현실적인지 묻습니다. 기계가 어떤 조건에서 시작, 정지 및 침지되어야 하는지 묻습니다.

이러한 경계가 명확해지면 앞서의 비교는 더 이상 일반적이지 않습니다.

라미네이션 스택이 뻣뻣하고 로터 손실 예산이 빠듯하며 로터 온도를 유지할 수 있는 경우, 특히 자동 와인딩 또는 자동 광케이블 배치가 가능한 경우 복합 슬리브 또는 밴딩 솔루션이 더 유리할 수 있습니다.

환경이 뜨겁고 오염 물질이 있을 가능성이 높으며 라미네이션 스택의 형상이 까다롭거나 직경이 큰 경우, 통풍구 및 키홈 주변의 손실을 제어하고 응력을 관리할 수 있는 국부적 기능이 있는 금속 또는 라미네이트 금속 슬리브가 더 안전한 옵션일 수 있습니다.

제품군에 라미네이션 스택을 공유하지만 자석 등급, 극 수 또는 속도가 다른 여러 로터 변형이 포함된 경우 하나의 라미네이션 도구, 하나의 기본 로터 제품군, 여러 가지 밴딩 패턴 및 두께 등 공정으로서의 밴딩이 매력적으로 다가올 수 있습니다. 밴딩 스테이션은 단순한 작업 셀이 아니라 제품 로드맵의 일부가 됩니다.

이 모든 방향에서 라미네이션 스택은 수동적인 참여자가 아닙니다. 강성, 공차, 지오메트리를 설정합니다. 그런 다음 슬리브나 밴드는 그 현실과 함께 작동하거나 현실과 싸우기도 합니다. 최고의 디자인은 선택에 따라 현실과 함께 작동합니다.