Aerospace-stator en -rotor met gebruik van Co-Fe staal: wanneer is het de moeite waard?

Als je aan elektrische machines voor de ruimtevaart werkt, heb je waarschijnlijk wel eens dat vergadering.

Iemand zegt: "Wat als we Co-Fe gebruiken voor de stator en rotor? Dan kunnen we de machine verkleinen en de beoogde vermogensdichtheid halen."

Iemand anders zegt: "Natuurlijk, als je een extra budgetlijn hebt voor exotische metalen en een testcampagne voor een nieuw thermisch profiel."

Dit artikel is precies voor dat moment.

In plaats van alleen maar eigenschappen op te sommen, bespreken we hoe Co-Fe daadwerkelijk je stator- en rotorontwerp verandert, waar ruimtevaartteams al op inzetten en een praktische checklist voor wanneer de prestatiewinst eigenlijk de pijn waard.

• Ultrakort antwoord: Co-Fe is het waard als...
  • Je bent beperkt in kracht of gewicht en al siliciumstaal knijpen tot ~1,6-1,7 T in de tanden en het achterijzer.
  • De machine draait op hoge snelheid en/of hoge temperatuur, waarbij een hoge verzadiging en een hoog Curiepunt je rotordiameter of veiligheidsmarge kopen.
  • Je kunt de hogere fluxdichtheid (en de daaruit voortvloeiende kleinere kern) vertalen in voordelen op systeemniveau: minder structuur, kleinere versnellingsbak, lagere koelmassa of een betere payload/reikwijdte.
  • Uw programma kan leven met hogere materiaalkosten, complexere productie en strengere procescontrole op laminering dikte en warmtebehandeling.

Waarom lucht- en ruimtevaart zich überhaupt zorgen maken over Co-Fe

In elektrische vliegtuigen en meer elektrische motoren duiken Co-Fe legeringen op omdat ze één ding doen buitengewoon goed: ze dragen veel flux zonder te verzadigen.

Moderne Fe-Co-V-legeringen zoals kwaliteiten van het Hiperco-type of 49% CoFe laminaten bereiken verzadigingsfluxdichtheden rond 2.3-2.4 Tvergeleken met ~1.6-1.8 T voor traditioneel niet-georiënteerd siliciumstaal.

Dat verschil is enorm: voor een gegeven koppel of vermogen kun je:

• krimp de tandbreedte,
• de stapel inkorten,
• of het koppel/vermogen verhogen zonder de omhullende te veranderen.

Co-Fe legeringen ook typisch:

• hebben hogere Curietemperaturen (Hiperco ~980 °C vs ~450-750 °C voor veel Ni-Fe en Si-Fe staalsoorten), waardoor de magnetische prestaties in hete zones in de buurt van motoren of in dicht opeengepakte aggregaten behouden blijven;
• en kan lager kernverlies bij vergelijkbare fluxdichtheid indien zorgvuldig gegloeid en gebruikt bij de juiste frequentie.

Daarom wordt in een review uit 2024 expliciet opgemerkt dat fabrikanten van elektrische vliegtuigen vaak Co-Fe verkiezen boven Fe-Si om veeleisende inductie-, verlies- en permeabiliteitsdoelen te halen in krachtige machines.

• Hoe Co-Fe "aanvoelt" in uw ontwerp vergeleken met andere kernmaterialen
  • Siliciumstaal (NOES)
    • Goede allrounder, lage kosten, laag kernverlies, verzadiging rond 1,6-1,8 T.
    • Domineert statoren en rotoren voor EV's en industriële motoren voor de massamarkt.
  • Ni-Fe legeringen
    • Zeer hoge permeabiliteit en zeer laag verlies bij lage velden, maar de verzadiging is bescheiden (vaak ≤1,5 T) en de Curietemperatuur is relatief laag.
    • Zeer geschikt voor sensoren, transformatoren en magnetische afscherming - meestal niet de eerste keuze voor koppelrijke luchtvaartmachines.
  • Co-Fe legeringen (met of zonder V)
    • Hoogste verzadiging van gewone zachte magnetische legeringen (≈2,3-2,4 T).
    • Gebruikt in hoogwaardige motoren, generatoren en magnetische lagers waar prestaties en gewicht de grondstofkosten overtreffen.

Snelle vergelijking: Co-Fe vs Si-Fe vs Ni-Fe voor stator-/rotorkernen voor de ruimtevaart

Zie dit als een tabel voor saniteitscontrole in plaats van een gegevensblad. Exacte cijfers zijn afhankelijk van de kwaliteit, dikte en verwerking, maar de relatieve trends zijn robuust.

De belangrijkste conclusie: Co-Fe biedt u fluxdichtheid en temperatuurruimte die u eenvoudigweg niet kunt krijgen van Si-Fe of Ni-Fe. De vraag is of uw programma echt verzilvert die fiches.

• Hoe die cijfers op vliegtuigniveau verschijnen
  • Kleinere, lichtere machines: Hogere Bs betekent minder ijzer voor dezelfde flux. Dat kan leiden tot lichtere mounts, kleinere motorgondels of meer laadvermogen/bereik.
  • Hogere koppel/vermogensdichtheid: In de rol van startgenerator of hybride aandrijving helpen Co-Fe kernen de koppeldichtheid te verhogen tot boven wat Si-Fe stacks in EV-stijl kunnen ondersteunen zonder verzadigd te raken.
  • Overlevingsvermogen op hete locaties: Hoge Curietemperatuur houdt magneten "in leven" in de buurt van motoren en in dicht opeengepakte aggregaten waar koellucht beperkt is.
  • Flexibiliteit in frequentie: Met de juiste laagdikte kan Co-Fe aanvaardbare verliezen behouden bij verhoogde elektrische frequenties, typisch voor hogesnelheidsmachines voor de ruimtevaart.

Waar de ruimtevaart al "ja" zegt tegen Co-Fe stator- en rotorstacks

Als je kijkt naar recente luchtvaartliteratuur en gegevens van leveranciers, dan zie je Co-Fe legeringen in een paar zeer specifieke hoeken:

• Startgeneratoren met hoge snelheid op spoelen van de motor,
• APU's en meer elektrische aggregaten,
• experimentele of demonstratie elektrische voortstuwingssystemen,
• en magnetische lagers of hogesnelheidscompressoren.

Fabrikanten van ijzer-kobaltlegeringen positioneren hun Co-Fe stator- en rotorstacks openlijk als hulpmiddelen voor vliegtuiggeneratoren en APU's met hoge vermogensdichtheid, en beweren dat ze ruwweg het volgende doen 25% hogere inductie en ~30% lager verlies dan conventioneel elektrisch staal in vergelijkbare ontwerpen.

Academische en industriële studies van hogesnelheidsmachines voor de ruimtevaart en magnetische lagers komen herhaaldelijk uit op Co-Fe als de "rechterbovenhoek" van de prestatiekaart: de hoogste verzadiging plus adequate mechanische eigenschappen bij de juiste thermische verwerking.

• Gebruikelijke luchtvaartscenario's waarin Co-Fe zijn geld verdient
  • Startgeneratoren gekoppeld aan motortoerental
    • Zeer hoge elektrische frequentie en rotorsnelheid.
    • Krappe radiale en axiale ruimte in de motor.
    • Enorme boetes voor extra gewicht op roterende constructies.
  • In vleugel of romp geïntegreerde aandrijfmotoren
    • Doelen voor vermogensdichtheid die Si-Fe niet kan halen zonder onaanvaardbare verzadiging.
    • Sterke prikkels op systeemniveau voor kleinere gondel- of ventilatordiameter (luchtweerstand, aero, structuren).
  • APU's en meer elektrische aggregaten
    • Noodzaak om aanzienlijke opwekkingscapaciteit in een zo klein mogelijke behuizing te stoppen.
    • Hete installatieomgeving waar hoge Curietemperatuur geruststellend is.
  • Magneetlagers / hoge-snelheidscompressoren
    • Vereisen zeer hoge krachten in een beperkt volume; het verzadigingsvoordeel van Co-Fe wordt direct omgezet in belastbaarheid.

Wat verandert er echt in je stator en rotor als je overschakelt op Co-Fe?

Van een afstand ziet een Co-Fe statorstapel er precies zo uit als een statorstapel van siliciumstaal: dunne lamellen, isolatiecoating, gleuven, back-iron.

Elektromagnetisch en mechanisch verschuift de ontwerpruimte echter.

1. Fluxverdeling en tandbelasting
   • Met Bs ≈ 2,3-2,4 T kun je werken met een aanzienlijk hogere piekinductie in tanden en rugijzer voordat verzadiging je koppel of vermogen vastklemt.
   • Daardoor kun je de tandbreedte of kernlengte verkleinen of agressievere sleuf/poolcombinaties gebruiken zonder tegen een hard plafond aan te lopen.
2. Thermisch profiel
   • De lagere weerstand van Co-Fe betekent dat wervelstroomverliezen sneller toenemen bij hoge frequentie en hoge fluxdichtheid dan in Si-Fe als de dikte van de laminering niet wordt verminderd.
   • Het resultaat is dat Co-Fe zelfs bij hoge temperaturen zijn magnetisatie veel beter behoudt dan Ni-Fe of standaard Si-Fe.
3. Mechanische grenzen
   • Hogesnelheidsrotors in Co-Fe gebruiken vaak gespecialiseerde kwaliteiten (bv. VACODUR of Hiperco HS) die verzadiging in evenwicht brengen met treksterkte via gloeien op maat.
   • De barstmarge en buigstijfheid van de rotor kunnen zelfs verbeteren in vergelijking met sommige Si-Fe-oplossingen, op voorwaarde dat je het warmtebehandelingsvenster goed onder controle houdt.
4. Doorwerking op systeemniveau
   • Kleinere kernen kunnen kortere koeltrajecten, andere wikkelkeuzes (bijvoorbeeld meer koper in een kleinere sleuf) en andere thermische knelpunten betekenen.
   • Structuren, bevestigingen en NVH-eigenschappen kunnen allemaal veranderen als je massa naar binnen verplaatst en het volume van het ijzer verkleint.

• Concrete ontwerpbewegingen die je kunt maken met Co-Fe
  • Toegestane fluxdichtheid in tanden/rugijzer verhogen
    • Verplaats de ontwerpgrens van ~1,6-1,7 T naar ~2,0-2,1 T in het werkgebied, met behoud van de marge tot werkelijke verzadiging.
  • Volume ijzer trimmen
    • Versmal de tanden, verklein de dikte van het juk of verkort de stack om een gewichtsdoel te bereiken met behoud van koppel.
  • Ruil ijzer voor koper (of omgekeerd)
    • Met meer fluxcapaciteit kun je soms de stroomdichtheid en het koperverlies verminderen met behoud van prestaties.
  • Gebruik dunnere lamellen om verlies te beperken
    • Omdat Co-Fe een lagere weerstand heeft, vereisen hogesnelheidsmachines vaak dunnere lamellen dan gelijkwaardige Si-Fe ontwerpen om wervelverliezen onder controle te houden.
  • Druksnelheid met kwaliteiten van hoge sterkte
    • Combineer Co-Fe met hoge verzadiging met varianten met hoge sterkte en de juiste warmtebehandeling voor magnetische lagers en rotoren met ultrahoge snelheden.

De ongemakkelijke dingen: kosten, maakbaarheid en risico

Dit is waar veel programma's terugdeinzen voor Co-Fe.

Het grootste nadeel van Co-Fe is niet natuurkunde. Het is economie en procesgevoeligheid.

• Materiaalkosten en levering
  • Co-Fe legeringen worden in de literatuur expliciet genoemd als "duurder" vanwege hun hoge kobaltgehalte.
  • De prijs en inkoop van kobalt hebben een geopolitieke en ethische lading, die sommige OEM's nu als strategisch risico beschouwen.
• Moeilijke verwerking
  • Co-Fe laminaten zijn gevoeliger voor de volledige procesketen (stansen/lasersnijden, spanning, gloeien, coating) dan veel Si-Fe kwaliteiten. Magnetische eigenschappen zijn nauw verbonden met het warmtebehandelingsschema.
  • Een lagere weerstand betekent dat als je de laminatiedikte niet dun genoeg maakt of als de coating/isolatie niet consistent is, de wervelverliezen oplopen bij frequenties die typisch zijn voor de ruimtevaart.
• Hoogfrequent gedrag is een tweesnijdend zwaard
  • Bij gematigde frequenties en verstandig gekozen fluxdichtheden kan Co-Fe zelfs een lager totaal verlies vertonen dan Si-Fe.
  • Duw B en f te hard zonder de dikte van de laminering aan te passen en de wervelstroomterm overheerst; verschillende vergelijkende studies tonen overgangen waar Si-Fe weer wint bij zeer hoge inductie/frequentiecombinaties.
• Programmarisico
  • Nieuw materiaal + nieuwe leverancier + nieuwe gloeibehandeling + nieuwe stator/rotorgeometrie is veel "nieuw" in één stapel voor een veiligheidskritische luchtvaarttoepassing.
  • Als eerdere prototypes Si-Fe gebruiken, leidt de late overschakeling naar Co-Fe vaak tot herkwalificatie van thermische modellen, mechanische marges en soms elektromagnetische compatibiliteit.

• Vragen om je Co-Fe business case onder druk te testen
  • 1. Wat is mijn ijzergebruik vandaag?
    • Als je Si-Fe stator/rotor slechts 1,3 T draait in kritieke paden, zal Co-Fe de naald waarschijnlijk niet genoeg verplaatsen om de kosten terug te verdienen.
  • 2. Is gewicht hier echt missiekritisch?
    • Als deze generator in een niet-roterend compartiment staat met bescheiden structurele nadelen, is het besparen van een paar kilo misschien geen rechtvaardiging voor Co-Fe.
    • Als het ronddraait op een motorspoel of onder een vleugel hangt, wordt elke kilogram versterkt door structuren en luchtweerstand.
  • 3. Op welke elektrische frequentie werk ik eigenlijk?
    • Tot een paar honderd Hz, met dunne lamellen, kan Co-Fe verliesconcurrerend of beter zijn.
    • In het kHz-bereik zijn geavanceerde Si-Fe, amorfe of nanokristallijne benaderingen wellicht beter geschikt.
  • 4. Hoe volwassen is mijn leveranciersecosysteem?
    • Heeft u ten minste één Co-Fe lamineerleverancier die al ondersteuning biedt aan klanten in de ruimtevaart en uw kwalificatievereisten begrijpt?
  • 5. Kan ik een duidelijke overwinning op systeemniveau aanwijzen?
    • Voorbeelden: een koellus minder, kleinere gondel, hogere payload, een specifiek missieprofiel dat mogelijk wordt.
    • Als het voordeel alleen naar voren komt als "mooiere cijfers op een gegevensblad", is dat meestal niet genoeg voor certificerings- en inkoopteams.

Een eenvoudig mentaal model: "drie groene lichten" voor Co-Fe stator- en rotorkernen

Stel je een stoplichttest voor. Je gaat pas naar Co-Fe als alle drie van deze zijn groen:

1. Natuurkunde groen - Je bent zichtbaar ijzerbeperkt (verzadiging of temperatuur) in een Si-Fe ontwerp, en Co-Fe neemt dat knelpunt duidelijk weg.
2. Systeem groen - De resulterende massa/volumevermindering of prestatiewinst ontsluit waarde op missieniveau (bereik, laadvermogen, redundantie, verpakking).
3. Programma groen - Je hebt leveranciers, budget en planning om Co-Fe te kwalificeren, plus een plan voor de hogere materiaal- en productiecomplexiteit.

Als een van deze rood blijft, is dat meestal slimmer:

• je Si-Fe ontwerp verfijnen (betere kwaliteit, dunnere lamineringen, betere koeling),
• of overweeg een hybride aanpak (bijvoorbeeld Si-Fe in het grootste deel van de kern en Co-Fe alleen daar waar fluxdichtheidspieken onvermijdelijk zijn).

Dus... wanneer is Co-Fe "de moeite waard" voor stator- en rotorstacks in de ruimtevaart?

Hier is de korte, eerlijke versie:

• Als je een ruimtevaartmachine met hoge snelheid en hoog vermogen-startergenerator, APU-generator of geïntegreerde aandrijfmotor - en je Si-Fe ontwerp zit al tegen verzadigings- en thermische limieten aan, Co-Fe is absoluut een serieuze handelsstudie waard.
• Als je werkt aan verpakkingssystemen met gemiddelde snelheid Als je niet ijzerbeperkt bent, lijkt Co-Fe meestal een dure manier om de prestatie-spreadsheet iets groener te maken.

Goed gebruikt is Co-Fe minder een "mooie materiaalupgrade" en meer een strategische hefboom. Hiermee kun je de gebruikelijke afwegingscurve tussen gewicht, vermogen en thermische marge ombuigen op een manier die standaard elektrische staalsoorten gewoon niet kunnen.

De taak van de stator- en rotorontwerper in de ruimtevaart is niet om van Co-Fe te houden of het te haten, maar om precies te weten wanneer die hefboom degene is die het hele vliegtuig beter maakt.

Als je wilt, kan ik je helpen bij het schetsen van een Co-Fe vs. Si-Fe concept voor jouw specifieke machine (vermogen, snelheid, spanning, omhullende) en deze algemene richtlijnen omzetten in een beslissing op projectniveau.