モーターコアへの3Dプリント技術の応用

出典: 「電気モーターにおける付加製造技術の応用に関するレビュー」

鉄心はモーターの磁気回路の重要な部品であり、電気機械エネルギー変換を実現するための重要な部品であり、高い飽和磁気誘導強度と高い比透磁率、低いヒステリシス損失と低い渦電流損失、および高い機械的強度を備えている必要があります。モーターでは、コアの材料としてシリコンを微量に含む電磁鋼板が一般的に使用され、鉄ニッケル合金や鉄コバルト合金材料を使用するものも少数存在します。コアを製造する従来の方法は、理想的なステーターコアとローターコアの形状をパンチ、レーザー、またはウォータージェットで切断し、それらを積み重ねて、溶接またはリベットで固定するというものです。プロセスが複雑なだけでなく、金型の作成も必要となり、コストがかかります。 3Dプリント技術の導入により、成形効率と材料利用率が向上し、生産コストが削減され、幾何学的位相形状対称ルールの制限が打破され、磁気回路の特性に応じて複雑なトポロジを設計および最適化できるため、モーターの全体的な性能が向上します。

鉄シリコンコア<br /> 適切な量のシリコンを添加すると、シリコン鋼板の抵抗率が上がり、渦電流損失が低減します。しかし、シリコン含有量が 4% を超えると、上部構造 B2 型および D03 型の構造秩序により材料の延性が低下し、従来の圧延またはスタンピングによるシリコン鋼積層板の製造が困難になります。積層造形の出現により、シリコン含有量が高く渦電流損失が低いコアを製造できるようになりました。

レーザー選択溶融など、レーザーを熱源とする3Dプリントプロセスでは、剥離や亀裂が安定して発生します。レーザーによって引き起こされる熱勾配も残留応力を引き起こします。構造の粒径、介在物、内部応力などの微細構造パラメータは、磁気特性に大きな影響を与えます。したがって、多因子直交実験、人工ニューラルネットワークなどの方法を通じて、さまざまなプロセスパラメータが成形部品の全体的な性能に与える影響を測定および分析し、出力性能評価モデルを確立し、モデルに基づいて最適な処理パラメータを取得する必要があります。

研究によると、レーザー出力が低い場合、材料の多孔性が高く、粒子構造が細かくなり、材料のヒステリシス損失が増加することがわかりました。レーザー出力が増加すると、金属粉末の冷却速度が低下し、平均粒径が増加し、ヒステリシス損失が減少します。しかし、レーザー出力が一定レベルまで増加すると、亀裂形成の傾向が増加し、これらの微細構造欠陥の出現によりヒステリシス損失が増加します。図1からわかるように、レーザー出力が250W〜350Wの範囲内であれば、アニールされたFeSi6.7のヒステリシス損失は小さくなります。 300 W のレーザー出力がより適切な選択であり、これにより亀裂の形成を回避しながらより大きな粒径を形成できます。レーザー出力に加えて、基板の予熱温度も電磁性能に大きな影響を与えます。研究によると、基板の予熱温度が上昇し続けると、形成される粒子のサイズは大きくなり、保磁力は低下し、最大相対透磁率も増加する傾向があることがわかっています。

図1 レーザー出力がFeSi6.7積層造形に与える影響。シリコン鋼板は加工後に焼鈍処理が必要です。測定データによると、焼鈍処理をしていないシリコン鋼板のヒステリシス損失は焼鈍処理したものの9倍です。焼鈍処理後、最大相対透磁率は元の14.4倍に増加し、飽和磁気誘導強度が増加します。図2に示す顕微鏡断面から、焼鈍後には亀裂のない粗い組織が現れ、機械的特性が向上していることがわかります。 Gollらは、上記のパラメータを最適化することにより、レーザー選択溶融技術を使用して、保磁力16.2A/m、残留磁気1.26T、最大比透磁率31000のシリコン鋼板を製造しました。ラマース社はまた、レーザー選択溶融技術を利用してH13材料で格子構造の永久磁石同期モーターローターを製造しており、その比透磁率は軟磁性複合材料（SMC）のレベルに達することができます。従来の設計と比較して、ローターの質量は 25% 削減され、慣性モーメントは 23% 削減されます。

図 2 アニール前後の FeSi6.7 の微細断面バインダージェット印刷技術は、高比透磁率の強磁性材料を実現する可能性も秘めています。 Phamらはマイクロジェット接合技術を使用してFe91Si9を3Dプリントしました。結果、コアの最大相対透磁率は1246で、市販のSMC複合材料Somaloyの最大相対透磁率の2.9倍であることが示されました。ただし、損失はSomaloyよりも大幅に高くなっています。バインダーを添加すると強度は高まりますが、相対透磁率と最大飽和磁気誘導強度も低下します。研究により、粒子サイズの増加と焼結温度の低下により、相対透磁率が増加することがわかっています。異なるサイズの粒子を 2 つ混合すると、充填率が高まり、サンプルの密度が向上します。材料組成とプロセスパラメータを最適化することで、マイクロジェット接合印刷された強磁性材料の電磁気的特性と機械的特性をさらに向上できることがわかります。 Cramerらは、マイクロジェット接合技術を使用して高密度FeSi6ステータコアを印刷し、800°Cで固体焼結およびアニール処理を行いました。極限引張強度は434MPa、飽和磁気誘導強度は1.83T、保磁力は32A/m、最大比透磁率は10500でした。

Phamらは、マイクロジェット接合技術で印刷されたコアとM19コアおよびSMCコアを詳細に比較しました。テスト結果によると、3Dプリントコアの最大相対透磁率は、それぞれM19コアとSMCコアの1.5倍と10倍でした。図3に示すように、飽和磁気誘導強度の点では、3DプリントコアはM19コアと50WW470コアよりも劣っています。微細構造から測定された接着剤印刷コアの平均粒径は、SMC の 2.5 倍です。粒径が大きいほどヒステリシス損失が低減するため、3D プリントコアは低周波数では鉄損が低くなりますが、高周波数では 3D プリントコアの損失が高くなります。さらに、Phamらは実験設計を通じて、焼結温度、ホウ素化合物の添加、およびシリコン含有量がマイクロジェット接合技術で印刷されたシリコン鋼板の性能に与える影響を調査しました。研究によると、ホウ化物を添加すると、粒径が 72μm から 144μm に増加し、ヒステリシス損失が約 20% 減少し、固有の保磁力が約 14%～22% 減少することが示されています。シリコン含有量が増加すると、シリコン鋼板の抵抗率が増加し、損失が減少しますが、シリコン含有量の増加により飽和磁気誘導強度が若干犠牲になります。

図3 積層造形法で作製したFeSi、SMC、M19、50WW470の磁気特性の比較
Lindner らは、高精度の 3D スクリーン印刷技術を使用してシリコン鋼板を作製しました。FeSi 粉末をバインダーと混合した後、開いたメッシュ穴と閉じたメッシュ穴のある特定のマスクを通してそれを形に押しました。印刷後、各層を乾燥させる必要がありました。すべての層を印刷した後、バインダーを除去するために熱処理し、焼結しました。試験結果によると、透磁率は市販のM330-35Aコアと同等ですが、飽和磁気誘導強度はM330-35Aより低くなっています。50Hz、1Tで鉄損は約2.6W/kgと測定され、M330-35Aの1.34倍です。

鉄ニッケルコア<br /> 鉄ニッケル合金材料は鉄損が低いため、変圧器やモーターなどの電磁機器に広く使用されています。 Mikler らは、レーザーエンジニアリングネット成形技術を使用して、従来のプロセスで製造された Ni-11Fe-6V および Ni-17Fe-4Mo よりも高い保磁力と飽和磁化強度を持つ Ni-15Fe-5V および Ni-15Fe-5Mo 軟磁性合金を製造しました。微細な気孔、未溶融粒子、その他の不純物などの微細構造欠陥が存在するため、保磁力は比較的大きくなります。 Zhangらは、選択的レーザー溶融技術によってFe-80%Ni混合粉末を材料として軟磁性コアを作製し、選択的レーザー溶融（SLM）プロセスパラメータが材料の磁気特性に与える影響を詳細に研究した。テスト結果によると、レーザー速度が低い場合、より大きな格子パラメータとより小さな粒径が得られ、スキャン速度が増加すると、飽和磁化強度がわずかに低下します。レーザーパラメータを最適化することで、比較的低い保磁力（30〜40Oe）と高い飽和磁化（80〜100emμ/g）を備えたFe-80％Ni合金が得られます。 Ni含有量を30%に減らすと、保磁力は75A/m、飽和磁化は550Am2/kgになります。

鉄コバルトコア<br /> 鉄コバルト材料は、シリコン鋼材料よりも飽和磁気誘導強度が高く、通常、重量と容積に厳しい要件がある軽量の航空電気機器に使用されます。 Fe-Co 合金に V、Nb、Si などの安定剤を添加すると、機械的特性と電磁気的特性が向上します。しかし、鉄コバルト材料の価格は、従来のプロセスで製造された高性能シリコン鋼板の価格の約100倍です。しかし、3Dプリントされた鉄コバルト材料の価格は、熱処理なしで印刷されたシリコン鋼材料の2倍です。3Dプリントの出現により、鉄コバルト材料のコスト効率が向上しました。レーザー選択溶融技術、レーザー工学ネット形成技術、3D スクリーン印刷技術はすべて、鉄コバルトコアをうまく製造できます。研究によると、熱処理後の鉄コバルト材料の保磁力は 995A/m から 401A/m に低下し、最大比透磁率は 518 から 1615 に増加します。

図4に示すように、コア3Dプリンティングに現在一般的に使用されているプロセスは、主にレーザー選択溶融技術、レーザーエンジニアリングネットシェーピング技術、マイクロインジェクションボンディング技術です。主な研究対象は鉄-シリコン系材料であり、鉄-ニッケル系材料や鉄-コバルト系材料に関する研究は少ない。磁気特性の観点から見ると、3Dプリントコアの最大相対透磁率は従来のコアよりも低く、保磁力は大きく、高周波での損失の問題がより顕著です。具体的なデータは表1に示されています。

図 4 3D プリントコアのサンプル表 1 3D プリントコアの性能パラメータのリスト現在、従来のプロセスで製造された部品と比較して、積層造形技術で製造されたコアの損失密度が高く、3D プリント巻線の抵抗率も比較的高いため、3D プリントモーターの鉄損と銅損が高くなり、モーターの全体的な効率が低下します。したがって、3D プリントモーターの設計における重要な技術の 1 つは、損失を抑制し、効率の向上を実現することです。損失抑制策は主に2つあり、1つはレーザー出力や基板予熱温度などの加工パラメータを最適化し、サンプルのアニールなどの後処理を行うことです。もう1つは、微細構造設計とマクロ構造最適化を利用して損失を低減することです。一般的に、積層造形技術はモーターの設計自由度を高め、モーターの電力密度をさらに高めることを可能にします。3Dプリントモーターはまだ開発の初期段階にあり、大きな課題に直面していますが、将来的には電気自動車、航空宇宙、船舶などの分野の推進システムに広く使用されることは間違いありません。

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