경량 EV 애플리케이션을 위한 알루미늄 복합재와 실리콘강 자동차 소형 모터 고정자 코어 사이의 무게와 성능 균형은 무엇입니까?

경량 EV 애플리케이션의 경우, 실리콘강은 여전히 지배적인 선택입니다 위해 자동차 소형 모터 고정자 코어 우수한 자기 성능으로 인해 알루미늄 복합재는 자기 효율성을 희생하면서 상당한 무게 절감 효과를 제공합니다. 결정은 이진법이 아닙니다. 모터 크기, 작동 주파수, 열 환경 및 비용 목표에 따라 다릅니다. 오늘날 대부분의 견인 및 보조 EV 모터에서는 규소강 라미네이션(0.20-0.35mm, 무방향성 등급)은 철 손실, 포화 자속 밀도 및 기계적 신뢰성의 최상의 균형을 제공합니다. 알루미늄 복합 코어는 질량 감소가 주요 설계 동인인 특정 저토크, 고속 보조 모터에서 입지를 굳히고 있습니다.

재료 기본 사항: 각 코어의 구성 요소

기존의 자동차 소형 모터 고정자 코어는 일반적으로 2%~3.5%의 실리콘을 함유하는 전기 등급 실리콘강(Fe-Si 합금)의 얇은 적층 적층으로 제작됩니다. 이러한 적층은 와전류를 억제하기 위해 절연 코팅되었으며 원통형 고정자 스택에 압착되거나 연동됩니다.

이와 대조적으로 알루미늄 복합 고정자 코어는 연자성 복합재(SMC) 재료 또는 자성 입자로 강화된 알루미늄-매트릭스 복합재 또는 내장된 자기 회로가 있는 적층 알루미늄 합금을 사용합니다. 기본 재료 밀도는 대략 알루미늄 합금의 경우 2.7g/cm³ 대 규소강의 경우 7.65~7.85g/cm³ — 동일한 부피에서 거의 3:1의 무게 차이.

무게 균형: 실제로 얼마나 절약할 수 있나요?

중량 감소는 자동차 소형 모터 고정자 코어의 알루미늄 복합재에 대한 주요 주장입니다. 외경이 80mm이고 스택 길이가 40mm인 소형 보조 모터 고정자의 경우 실리콘 강철 코어의 무게는 약 320~380g , 동등한 알루미늄 복합 디자인은 목표로 삼을 수 있습니다. 110~140g — 대략적으로 감소 60~65% .

그러나 알루미늄은 자기 포화도가 낮기 때문에 설계자는 등가 자속을 유지하기 위해 자기 회로의 단면적을 늘려야 하는 경우가 많아 원자재 무게 절감 효과를 부분적으로 상쇄합니다. 실제로 다시 최적화된 알루미늄 복합재 자동차 소형 모터 고정자 코어의 실제 대량 절감 효과는 일반적으로 다음과 같습니다. 30~45% 최적화된 실리콘강 설계와 비교됩니다.

자기 성능 비교

자기 성능은 실리콘강이 결정적으로 앞서는 부분입니다. 자동차 소형 모터 고정자 코어의 주요 매개변수에는 포화 자속 밀도(Bs), 상대 투자율(μr) 및 코어 손실(W/kg)이 포함됩니다.

알루미늄 복합재의 낮은 포화 자속 밀도는 자동차 소형 모터 고정자 코어가 물리적으로 더 크거나 더 낮은 자속 밀도에서 작동하여 토크 밀도를 직접적으로 줄여야 함을 의미합니다. 견인 모터가 필요한 경우 50Nm 이상의 피크 토크 , 알루미늄 복합 코어는 일반적으로 상당한 모터 재설계 없이는 실리콘 강철의 실행 가능한 대체품이 아닙니다.

EV 작동 주파수에서의 효율성 및 코어 손실

EV 모터는 시동 시 DC에 가까운 것부터 고속 순항 시 800~1200Hz 소형 보조 모터용. 이러한 주파수에서는 와전류 손실이 자동차 소형 모터 고정자 코어의 코어 손실을 지배합니다.

0.20mm 두께의 실리콘 강철 적층은 최대 약 1000Hz까지 와전류를 효과적으로 억제합니다. 알루미늄 복합재 및 SMC 소재는 본질적으로 저항률이 높아 이론적으로 와전류를 제한합니다. 그러나 투자율이 낮으면 모터에 더 많은 자화 전류가 필요하므로 이를 보상하기 위해 구리 손실(I²R)이 증가합니다. 400~800Hz에서 알루미늄 복합재 자동차 소형 모터 고정자 코어에 미치는 순 효율성 영향은 일반적으로 다음과 같습니다. 1.5~3.5% 포인트 효율성 저하 동일한 작동 지점에서 동등한 실리콘강 설계보다.

500W 정격의 소형 EV 냉각수 펌프 모터의 경우 이러한 효율성 격차는 다음과 같습니다. 7.5~17.5W의 추가 발열 — 밀폐된 엔진룸 환경에서는 적지 않은 열 관리 부담이 있습니다.

열 관리 차이점

알루미늄은 열전도율이 훨씬 더 좋습니다( 150~200W/m·K ) 규소강( 25~30W/m·K ). 이는 알루미늄 복합재 자동차 소형 모터 고정자 코어가 진정한 엔지니어링 이점을 제공하는 영역 중 하나입니다. 즉, 권선에서 생성된 열이 고정자에서 더 빠르게 전도되어 권선 절연체의 핫스팟 온도를 낮출 수 있습니다.

EV HVAC 송풍 모터 또는 전자식 파워 스티어링(EPS) 모터와 같이 액체 냉각 기능이 없는 소형 모터에서 이러한 열적 이점은 절연 수명을 의미 있게 연장하거나 권선에서 더 높은 연속 전류 밀도를 허용할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 알루미늄 복합 자동차 소형 모터 고정자 코어를 사용하는 설계자는 다음을 사용할 수 있습니다. 클래스 H(180°C) 대신 클래스 F 절연(155°C) , 권선 재료 비용을 절감합니다.

기계적 강도 및 제조 가능성

자동차 소형 모터 고정자 코어용 실리콘강 라미네이션 스택은 고속 프로그레시브 스탬핑을 사용하여 제조됩니다. 이는 일반적으로 툴링 비용이 다음과 같은 성숙한 대량 프로세스입니다. $15,000~$80,000 복잡성에 따라 다르지만 부품당 비용은 $0.50~$2.00 대규모로.

알루미늄 복합재 및 SMC 코어는 거의 그물 모양에 가까운 프레스 또는 다이캐스트로 제작되므로 축방향 플럭스 고정자 코어 및 통합 냉각 채널과 같은 스탬핑 적층으로는 불가능한 복잡한 3D 형상이 가능합니다. 그러나 SMC 소재는 낮은 인장 강도(규소강의 경우 60~100MPa, 350~500MPa) , 압입 조립 또는 높은 방사형 자기력으로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다.

• 실리콘 강철 고정자: 높은 방사형 강도, 간섭 끼워 맞춤 하우징 조립에 적합
• 알루미늄 복합 고정자: 접착 결합 또는 오버몰딩이 필요합니다. 압입에 적합하지 않음
• SMC 고정자: 충격 부하 시 부서지기 쉽습니다. 진동 환경에 대한 설계 조정이 필요합니다.

도로로 인한 진동을 받는 자동차 애플리케이션용(일반적으로 10~2000Hz, 최대 20g 피크 ), 실리콘강 자동차 소형 모터 고정자 코어의 기계적 견고성은 상당한 신뢰성 이점입니다.

제품 수명주기에 따른 비용 비교

원자재 비용은 실리콘강을 선호합니다. 전기등급 실리콘강 비용은 대략 $1.2~$2.5/kg 자동차 규모에서는 자성 복합 응용 분야에 적합한 알루미늄 합금 비용 $2.0~$4.5/kg 등급 및 표면 처리 요구 사항에 따라 다릅니다.

그러나 자동차 소형 모터 고정자 코어의 총 소유 비용은 모터 시스템 수준을 고려해야 합니다. 더 가벼운 알루미늄 복합 고정자가 무게에 민감한 EV 플랫폼(예: 2륜 EV 또는 마이크로 모빌리티 애플리케이션)에서 더 작은 배터리 팩을 가능하게 하는 경우 시스템 수준 비용 절감 효과가 코어당 재료 비용의 증가보다 클 수 있습니다.

주류 승용차용 EV 보조 모터(파워 윈도우, 펌프, 팬)의 경우 실리콘강의 비용 및 성능 사례가 남아 있습니다. 실질적으로 더 강함 현재 볼륨에서.

응용 분야 적합성: 각 재료를 선택하는 경우

자동차 소형 모터 고정자 코어에 적합한 코어 소재는 특정 모터 기능 및 플랫폼 요구 사항에 따라 크게 달라집니다.

다음과 같은 경우에 실리콘강을 선택하십시오:

• 높은 토크 밀도 필요(트랙션, EPS, 제동 액추에이터)
• 작동 주파수가 지속적으로 400Hz를 초과합니다.
• 압입식 또는 수축식 하우징 어셈블리가 지정됨
• 단위당 비용은 연간 50,000개 이상의 볼륨에서 주요 설계 제약 조건입니다.
• 모터 수명 목표가 10년/150,000km를 초과했습니다.

다음과 같은 경우 알루미늄 복합재를 선택하십시오.

• 플랫폼 무게 예산이 매우 빠듯함(초소형 EV, 드론, 전기자전거)
• 3D 자속 경로가 필요합니다(축 자속 모터 토폴로지)
• 고정자 내에 통합 열 관리 구조가 필요합니다.
• 모터는 0.8T 미만의 중저 자속 밀도에서 작동합니다.
• 다이 툴링 비용이 엄청나게 드는 프로토타입 또는 소량 생산

오늘날 EV 플랫폼의 대다수 자동차 소형 모터 고정자 코어 애플리케이션의 경우, 규소강(무방향성, 0.20–0.35mm, 등급 35H270 ~ 35H300)은 여전히 최적의 재료입니다. — 비교할 수 없는 자기 성능, 기계적 견고성, 제조 성숙도 및 비용 효율성을 제공합니다. 알루미늄 복합 코어는 질량이 중요하고 자기 성능 요구 사항이 보통인 틈새 응용 분야에서만 매력적인 사례를 제시합니다. SMC 및 알루미늄 복합재 기술이 성숙해짐에 따라(특히 높은 자속 밀도에서 투자율을 개선하고 코어 손실을 줄이는 측면에서) 자동차 소형 모터 고정자 코어 시장에서의 역할이 확대될 수 있으며, 특히 축 자속 모터 아키텍처가 차세대 EV 드라이브트레인에서 견인력을 얻음에 따라 더욱 그렇습니다.