軽量 EV アプリケーション向けのアルミニウム複合材料とケイ素鋼自動車用小型モーター ステーター コアの間の重量と性能のトレードオフは何ですか?

軽量EVアプリケーションの場合、 ケイ素鋼が依然として有力な選択肢である のために 車載用小型モータステータコア 優れた磁気性能により、アルミニウム複合材料は磁気効率を犠牲にして大幅な重量削減を実現します。この決定は二者択一ではなく、モーターのサイズ、動作周波数、熱環境、コスト目標によって異なります。現在のほとんどのトラクションおよび補助 EV モーターでは、 ケイ素鋼積層板 (0.20 ～ 0.35 mm、無方向性グレード) は、鉄損、飽和磁束密度、機械的信頼性の最適なバランスを実現します。 アルミニウム複合コアは、質量削減が主な設計要因である特定の低トルク高速補助モーターで普及しつつあります。

材料の基礎: 各コアの構成要素

従来の自動車用小型モーターのステーター コアは、通常 2% ～ 3.5% のシリコンを含む電気グレードのシリコン鋼 (Fe-Si 合金) の薄い積層体を積層して作られています。これらの積層体は渦電流を抑制するために絶縁コーティングされており、円筒形のステーター スタックに圧入または連結されています。

対照的に、アルミニウム複合ステータコアは、軟磁性複合材 (SMC) 材料、磁性粒子で強化されたアルミニウムマトリックス複合材料、または磁気回路が埋め込まれた積層アルミニウム合金を使用します。基材の密度はおよそ アルミニウム合金の場合は 2.7 g/cm3 対 ケイ素鋼の場合は 7.65 ～ 7.85 g/cm3 — 同等の体積でほぼ 3:1 の重量差があります。

重量のトレードオフ: 実際にどれくらい節約できるか?

軽量化は、自動車用小型モーターのステーター コアにおけるアルミニウム複合材の主な議論です。外径 80 mm、スタック長 40 mm の小型補助モーター ステーターの場合、ケイ素鋼コアの重量は約 320～380g 、同等のアルミニウム複合材の設計では、 110～140g — おおよその削減 60～65% .

ただし、アルミニウムは磁気飽和が低いため、設計者は同等の磁束を維持するために磁気回路の断面積を増やす必要があり、原材料の軽量化が部分的に相殺されます。実際には、再最適化されたアルミニウム複合材料自動車用小型モーターのステーターコアにおける実際の質量削減は、通常、次のようになります。 30～45% 最適化されたケイ素鋼設計との比較。

磁気性能の比較

磁気性能はシリコン鋼が決定的に優れています。自動車用小型モーターのステーター コアの主要パラメーターには、飽和磁束密度 (Bs)、比透磁率 (μr)、およびコア損失 (W/kg) が含まれます。

アルミニウム複合材の飽和磁束密度が低いということは、自動車用小型モーターのステーター コアを物理的に大きくするか、より低い磁束密度で動作させる必要があり、トルク密度が直接低下することを意味します。必要なトラクションモーターの場合 50 Nmを超えるピークトルク , アルミニウム複合コアは一般に、モーターを大幅に再設計しない限り、ケイ素鋼の代替として使用できません。

EV動作周波数における効率とコア損失

EV モーターは、始動時の DC 付近から始動時までの幅広い周波数範囲で動作します。 高速巡航時 800 ～ 1200 Hz 小型補助モーター用。これらの周波数では、渦電流損失が自動車用小型モーターのステーター コアのコア損失の大半を占めます。

厚さ0.20mmのケイ素鋼積層体が渦電流を約1000Hzまで効果的に抑制します。アルミニウム複合材料と SMC 材料は本質的に高い抵抗率を持っており、理論的には渦電流を制限します。しかし、透磁率が低いと、モーターがより多くの磁化電流を必要とし、補償するために銅損 (I²R) が増加することを意味します。 400 ～ 800 Hz におけるアルミニウム複合材料の自動車用小型モーターのステーター コアに対する正味の効率への影響は、通常、 1.5 ～ 3.5 パーセントポイントの効率低下 同じ動作点における同等のケイ素鋼設計よりも優れています。

定格 500W の小型 EV 冷却剤ポンプ モーターの場合、この効率ギャップは次のようになります。 7.5 ～ 17.5 W の追加発熱量 — 密閉されたボンネット下の環境では、熱管理の負担が大きくなります。

熱管理の違い

アルミニウムは熱伝導率が大幅に優れています ( 150～200W/m・K ) ケイ素鋼との比較 ( 25～30W/m・K ）。これは、アルミニウム複合自動車用小型モーター ステーター コアが真のエンジニアリング上の利点を提供する領域の 1 つです。巻線で発生した熱をステーターからより迅速に伝導して、巻線絶縁体のホットスポット温度を下げることができます。

EV HVAC ブロワー モーターや電子パワー ステアリング (EPS) モーターなど、液体冷却のない小型モーターでは、この熱的利点により、絶縁寿命を大幅に延長したり、巻線の連続電流密度を高めることができます。このような用途でアルミニウム複合材料の自動車用小型モーターのステーター コアを使用している設計者は、次のような用途に使用できる可能性があります。 クラス H (180°C) の代わりにクラス F 絶縁 (155°C) 、巻線材料コストを削減します。

機械的強度と製造性

自動車用小型モーター ステーター コア用のシリコン スチール積層スタックは、高速順送スタンピングを使用して製造されます。このプロセスは成熟した大量生産プロセスであり、通常、工具コストは 15,000ドル～80,000ドル 複雑さによって異なりますが、部品あたりのコストは最低です $0.50–$2.00 規模で。

アルミニウム複合コアおよび SMC コアは、多くの場合、ニアネットシェイプのプレスまたはダイキャストで作られ、これにより、軸方向磁束ステーター コアや統合された冷却チャネルなど、打ち抜き積層では不可能な複雑な 3D 形状が可能になります。ただし、SMC 材料には、 引張強度が低い (60 ～ 100 MPa 対、ケイ素鋼の場合は 350 ～ 500 MPa) そのため、圧入アセンブリや高い半径方向磁力の下で亀裂が発生しやすくなります。

• シリコン鋼ステータ: ラジアル強度が高く、しまりばめハウジングアセンブリに適しています
• アルミニウム複合ステータ: 接着またはオーバーモールドが必要です。圧入には適しません
• SMC ステータ: 衝撃荷重を受けると脆くなります。振動環境に対する設計上の配慮が必要

道路から誘発される振動の影響を受ける自動車用途向け (通常は 10 ～ 2000 Hz、最大 20g ピーク )、ケイ素鋼自動車用小型モーター ステーター コアの機械的堅牢性は、信頼性において大きな利点となります。

製品ライフサイクル全体でのコスト比較

原材料コストがケイ素鋼に有利です。電気グレードのケイ素鋼のコストはおよそ 1.2 ～ 2.5 ドル/kg 自動車の生産量では、磁性複合材料の用途に適したアルミニウム合金はコストがかかります 2.0 ～ 4.5 ドル/kg グレードと表面処理の要件に応じて異なります。

ただし、自動車用小型モーター ステーター コアの総所有コストは、モーター システム レベルを考慮する必要があります。軽量のアルミニウム複合ステータにより、重量に敏感な EV プラットフォーム (たとえば、二輪 EV や超小型モビリティ アプリケーション) でバッテリー パックの小型化が可能になれば、システム レベルのコスト削減が、コアあたりの材料コストの上昇を上回る可能性があります。

主流の乗用車用 EV 補助モーター (パワー ウィンドウ、ポンプ、ファン) では、依然としてケイ素鋼のコストと性能が問題となります。 かなり強い 現在のボリュームで。

アプリケーションの適合性: 各材料を選択する場合

自動車用小型モーターのステーター コアに適したコア材料は、特定のモーター機能とプラットフォームの要件に大きく依存します。

次の場合にシリコン鋼を選択してください。

• 高トルク密度が必要（トラクション、EPS、ブレーキアクチュエーター）
• 動作周波数が継続的に400Hzを超える
• 圧入または焼きばめハウジングアセンブリが指定されています
• 年間 50,000 個を超える生産量では、ユニットあたりのコストが主な設計制約になります
• モーター寿命目標は10年/15万kmを超える

次の場合にアルミニウム複合材を選択してください。

• プラットフォームの重量予算が非常に厳しい (マイクロ EV、ドローン、電動自転車)
• 3D 磁路が必要です (アキシャル フラックス モーター トポロジ)
• ステーター内には統合された熱管理構造が必要です
• モーターは 0.8 T 未満の低から中程度の磁束密度で動作します
• 金型のコストが法外にかかる試作または少量生産

現在の EV プラットフォームにおける自動車用小型モーター ステーター コア アプリケーションの大部分では、 ケイ素鋼 (無方向性、0.20 ～ 0.35 mm、グレード 35H270 ～ 35H300) が引き続き最適な材料です。 — 比類のない磁気性能、機械的堅牢性、製造の成熟度、コスト効率を提供します。アルミニウム複合コアは、質量が重要であり、磁気性能要件が控えめなニッチな用途でのみ、説得力のあるケースを示します。 SMC およびアルミニウム複合材技術が成熟するにつれ、特に透磁率の向上と高磁束密度でのコア損失の低減において、特にアキシャル磁束モータ アーキテクチャが次世代 EV ドライブトレインで注目を集めるにつれて、自動車用小型モータ ステータ コア市場における役割が拡大する可能性があります。