タリン工科大学がモーターコアの3Dプリントの新手法を開発

はじめに: 磁気コアは、高い透磁率を持つ磁性材料です。電磁石、変圧器、モーター、発電機、インダクタ、その他の磁気部品など、さまざまな電気システムや機械で磁場を誘導および制御するためによく使用されます。これまで、軟磁性コアの 3D プリントは、コアの効率を維持するのが難しいため、大きな課題となっていました。
2022年5月24日、アンタークティックベアは、タリン工科大学とエストニア生命科学大学の研究者が、3Dプリント技術を使用して軟磁性コアを製造することを研究していることを知りました。研究チームは、軟磁性複合材よりも優れた磁気特性を生み出すことができると主張する、包括的なレーザーベースの付加製造ワークフローを提案した。
△フェライトインダクタは、銅コイルに囲まれた磁気コアで構成されています。画像はJurgis Mankauskasによるものです。
3D プリント電磁材料<br /> 電磁気特性を持つ金属の付加製造は、新たな研究分野です。モーター製造業界ではすでに 3D プリントされた統合アプリケーション部品の開発を実験しており、設計の自由度が業界のイノベーションに大きく貢献できると考えています。
たとえば、磁気特性と電気特性を備えた複雑な機能部品を 3D プリントすることで、モーター、アクチュエーター、回路、ギアボックスを組み込んだカスタムマシンの実現が可能になります。多くの組み立て部品が 3D プリントされているため、特注の機械は、材料の無駄を最小限に抑えながら、デジタル製造施設で製造、組み立て、後処理することができます。
しかし、大型で複雑なモーター部品の 3D プリントはまだ現実的ではありません。これらのデバイスには、複数の材料を使用した組み立ての必要性は言うまでもなく、電力密度を高めるために小さなエアギャップが必要であるなど、難しい要件が伴うことがよくあります。
その結果、これまでの研究は、3D プリントされた軟磁性ローター、銅コイル、アルミナ熱伝導体などのより基本的なコンポーネントに重点が置かれてきました。軟磁性コアも大きな注目を集めていますが、3D プリントプロセス中のコア損失を最小限に抑えることは克服すべきハードルです。
△印刷されたサンプルキューブのセットは、レーザー出力と印刷速度がコア構造に与える影響を示しています。写真提供：タリン工科大学。
最適化された 3D プリントワークフロー<br /> 最適化された磁気コア 3D 印刷ワークフローを実証するために、研究者はレーザー出力、スキャン速度、ハッチ間隔、層の厚さなど、アプリケーションに最適なプロセスパラメータを決定しました。
△ (a) Taltech の SLM Solutions SLM 280 印刷システム、(b) カスタムリコーター、粉末リザーバー、および削減プラットフォームを備えたプリンター構築チャンバー、および (c) カスタムリコーターシステムの断面図。
エストニア大学のチームはまた、最小限の DC 損失、準静的損失、ヒステリシス損失、最高の透磁率を達成するためのアニーリングパラメータの影響を研究しました。最適なアニーリング温度は 1200 °C と決定され、その結果、相対密度は 99.86% と最も高くなり、表面粗さは 0.041 mm と最も低くなり、ヒステリシス損失は 0.8 W/kg と最も小さくなり、極限降伏強度は 420 MPa になりました。

△ 3Dプリントされた磁気コアの表面粗さに対するエネルギー入力の影響。画像提供：タリン工科大学。
最終的に研究者らは、レーザーベースの金属積層造形が、電気モーター用途の磁気コア材料を 3D プリントするための実行可能な方法であると判断しました。
今後の研究で、研究チームは部品の微小亀裂の特徴を明らかにし、粒子サイズと粒子配向、そしてそれらが透磁率と強度に与える影響についての知見を得る予定です。研究者らは、3Dプリントされた磁気コアの形状を最適化して性能を向上させる方法についてもさらに調査する予定です。
研究の詳細については、「電気機械アプリケーション向けのレーザー付加製造磁気コアの設計とプロセス」という論文をご覧ください。
関連論文リンク: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/10/3665
3D プリントと磁性材料の組み合わせにより、モーターだけでなく、数多くの新しい用途が生まれました。今年初め、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所が率いる国際的な科学者チームが、3Dプリント技術を使用して一連の極小ナノ磁石を開発した。カスタム 3D 印刷プロセスを使用して作成されたナノ磁石は、DNA にヒントを得た二重らせん形状をしており、粒子捕捉、イメージング技術、スマート材料などの分野で有望視されています。
一方、スペインの学際研究センターであるIMDEAナノサイエンス研究所の研究者らは最近、リサイクル材料を使って磁石を3Dプリントする新しい方法を開発した。この作業は、COVID-19パンデミックによって引き起こされたサプライチェーンの問題への対応として行われたもので、このパンデミックにより、磁石の製造に必要な材料を含む多くの材料が製造業界で不足している。

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