Podział kosztów wirnika silnika o strumieniu osiowym: magnesy, rdzeń żelazny czy hermetyzacja – co ma największy udział?

Silniki xial flux napędzają rewolucję w zakresie zasilania w nowych pojazdach energetycznych, robotach humanoidalnych, samolotach eVTOL (elektryczny pionowy start i lądowanie) i nie tylko, dzięki swoim kompaktowym rozmiarom, lekkości i dużej gęstości mocy. Jednak stosunkowo wysokie koszty produkcji pozostają wąskim gardłem w zastosowaniu na dużą skalę. Co więc dokładnie składa się na koszt wirnik silnika o strumieniu osiowym ? A spośród gatunku magnesu, procesu laminowania rdzenia i materiału kapsułkującego, który z nich stanowi największą część? W tym artykule wyjaśnimy to za Ciebie.

1. Klasa magnesu – niekwestionowany mistrz kosztów

Spośród wszystkich materiałów stosowanych w silnikach osiowych  magnesy (magnesy trwałe) stanowią największą pozycję kosztową.

Wysokowydajne magnesy neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB) osadzone w tarczy wirnika stanowią „serce” generujące pole magnetyczne. Ponieważ wirniki silników o strumieniu osiowym są zazwyczaj ultracienkie i mogą pracować w temperaturach 180–200°C, magnesy muszą wykazywać wyjątkowo wysoką energię, wysoką koercję (aby oprzeć się rozmagnesowaniu) i zdolność do przetwarzania na plasterki o grubości mikrona. Standardowe magnesy NdFeB nie są w stanie spełnić tych rygorystycznych wymagań – niezbędne są specjalnie dostosowane materiały wysokiej jakości.

Dane branżowe pokazują, że  magnesy stanowią 35–40% całkowitego kosztu silnika i jeszcze bardziej dominują w kosztach materiałów wirnika. Wraz ze wzrostem cen materiałów ziem rzadkich w ostatnich latach udział ten wykazuje tendencję wzrostową. Dlatego też  klasa magnesu jest najważniejszym czynnikiem determinującym koszt wirnika.

2. Laminowanie rdzenia – mniejszy udział kosztów, ale nie bez wyzwań technicznych

Rdzeń żelazny (w tym rdzeń stojana i część żelaza wirnika) stanowi stosunkowo mniejszą część kosztu silnika o strumieniu osiowym.

W przeciwieństwie do tradycyjnych silników o strumieniu promieniowym, w których zastosowano laminowanie stali krzemowej, silniki o strumieniu osiowym są narażone na trójwymiarowy obwód magnetyczny, którego nie da się obsłużyć konwencjonalną stalą krzemową. Obecnym głównym rozwiązaniem jest  SMC (miękki kompozyt magnetyczny)  – proszek żelaza pokryty warstwą izolacyjną, a następnie zagęszczony do odpowiedniego kształtu – który może tworzyć złożone geometrie typu dysku w jednym etapie prasowania.

Rdzeń zazwyczaj stanowi około 10-15% całkowitego kosztu silnika.  Chociaż udział ten jest skromny, technologia procesowa dla SMC jest wymagająca: powłoka izolacyjna na każdej cząstce proszku musi być wyjątkowo cienka, aby osiągnąć wysoką gęstość, ale nie może zostać uszkodzona podczas zagęszczania pod wysokim ciśnieniem – co wymaga długoterminowej walidacji procesu. Ponadto surowiec do produkcji proszku miękkiego stopu magnetycznego kosztuje około dwa razy więcej niż stal krzemowa, co dodatkowo zwiększa koszty procesu.

3. Materiał do kapsułkowania – najmniejszy udział, a jednak kluczowa rola

Materiały kapsułkujące stanowią najmniejszą część kosztu wirnika silnika o strumieniu osiowym.

Związki kapsułkujące stosuje się głównie do wypełniania szczelin między obudową a rdzeniem oraz między obudową a uzwojeniami cewki, spełniając takie funkcje, jak przewodzenie ciepła, izolacja elektryczna, mocowanie i rozpraszanie naprężeń. Ponieważ silniki o strumieniu osiowym są płaskie i mają ograniczoną powierzchnię do rozpraszania ciepła, zarządzanie temperaturą stanowi główne wyzwanie. Stosowanie mas doniczkowych o wysokiej przewodności cieplnej (np. o przewodności cieplnej 2-3 W/m·K) jest ważnym środkiem poprawy chłodzenia.

Jednakże pod względem udziału w kosztach materiały kapsułkujące pozostają daleko w tyle za magnesami i rdzeniem, stanowiąc jedynie niewielką część całkowitego BOM wirnika.

4. Podsumowanie: Magnesy > Rdzeń > Hermetyzacja

Podsumowując, ranking kosztów wirnika silnika o strumieniu osiowym jest jasny:

Klasa magnesu to największy składnik kosztów wirnika silnika o strumieniu osiowym , stanowiący 35–40% całkowitego kosztu silnika – znacznie przewyższający rdzeń i hermetyzację. To wyjaśnia również, dlaczego w branży magnesy są postrzegane zarówno jako „serce”, jak i „pięta achillesowa” silników osiowych: określają one nie tylko górną granicę wydajności silnika, ale także jego minimalny koszt.

5. SDM: Elastyczna linia produkcyjna umożliwia dostawy masowe

W procesie industrializacji wirników silników o strumieniu osiowym kluczowe znaczenie mają wydajne i elastyczne możliwości produkcyjne.  SDM (Hangzhou Shengshideng Magnetic Materials Co., Ltd.)  – przedsiębiorstwo zajmujące się zaawansowanymi technologiami na szczeblu krajowym, skupiające się na magnesach i rozwiązaniach magnetycznych – zyskało wyraźną przewagę w dziedzinie wirników silników o strumieniu osiowym.

Po stronie produkcyjnej  firma SDM utworzyła w swojej fabryce elastyczną linię montażową, umożliwiającą szybką zmianę pomiędzy różnymi typami zespołów wirnika silnika o strumieniu osiowym . Ta elastyczna zdolność produkcyjna umożliwia skuteczną reakcję na indywidualne potrzeby w zakresie produkcji wielogatunkowej w małych partiach, znacznie poprawiając zarówno przepustowość, jak i elastyczność dostaw.

Do tej pory  firma SDM osiągnęła już dostawę objętościową modeli wirników silników o strumieniu osiowym . Ponieważ silniki o strumieniu osiowym szybko penetrują rynki warte biliony juanów, takie jak nowe pojazdy energetyczne, roboty humanoidalne i gospodarka na małych wysokościach, elastyczny układ linii SDM i udokumentowane doświadczenie w dostawach masowych budują solidną fosę dla firmy w coraz bardziej konkurencyjnym krajobrazie.