研究者が電気機械用磁気コアを 3D プリントする新しい方法を開発

タリン工科大学とエストニア生命科学大学の研究者は、3D プリンティング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ます。

磁気コアは、透磁率の高い磁性材料です。 これらは、電磁石、変圧器、電気モーター、発電機、インダクター、その他の磁気アセンブリを含む、さまざまな電気システムや機械で磁場を誘導および方向付けるために一般的に使用されます。

これまで、軟磁性コアの 3D プリンティングは、コア効率を維持することが難しいため、大きな課題でした。 研究チームは現在、軟磁性複合材料に優れた磁気特性をもたらすことができると主張する、包括的なレーザーベースの積層造形ワークフローを提案しています。

3D プリント電磁材料

電磁特性を持つ金属の積層造形は、新たな研究分野です。 電気機械研究コミュニティは現在、独自の 3D プリント コンポーネントの開発とシステムへの統合を開始しており、設計の自由度がイノベーションにとって大きなメリットであると主張しています。

たとえば、磁気特性や電気特性を備えた複雑な機能部品を 3D プリントすれば、モーター、アクチュエーター、電気回路、ギアボックスを組み込んだカスタム マシンへの道が開かれる可能性があります。 このような機械は、組み立て、後処理、材料の無駄を最小限に抑え、可動コンポーネントの多くが 3D プリントされたデジタル製造施設で製造できます。

残念ながら、複雑な電気機械の大部分を 3D プリントすることは、いくつかの要因によりまだ現実的ではありません。 これらのデバイスには、マルチマテリアルアセンブリの必要性はもちろんのこと、出力密度を向上させるために小さなエアギャップなどの困難な要件が求められることがよくあります。

そのため、これまでの研究は主に、3D プリントされた軟磁性ローター、銅コイル、アルミナ ヒート ガイドなど、より「基本的な」部品に焦点を当ててきました。 軟磁性コアも大きな関心を集めていますが、3D プリンティングプロセスにおけるコア損失を最小限に抑えることは、まだ乗り越えるべきハードルです。

最適化された 3D プリント ワークフロー

磁気コアの最適化された 3D プリンティング ワークフローを紹介することを目的として、研究者らは、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 パラメーターを決定しました。

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、および最高の透磁率を達成するためのアニーリング パラメーターの影響も調査しました。 最適な焼きなまし温度は 1200°C であると決定され、その結果、99.86% の最高相対密度、0.041 mm の最低表面粗さ、0.8 W/kg の最小ヒステリシス損失、および 420 MPa の極限降伏強度が得られました。

最終的に、エストニアの研究者らは、レーザーベースの金属積層造形が、電気機械用途向けの磁気コア材料を 3D プリントする実行可能な方法であることを示しました。

今後の研究として、チームは部品の微細構造を特徴づけて、粒子サイズと粒子配向、透磁率と強度への影響についての洞察を得る予定です。 研究者らはまた、パフォーマンスを向上させるために 3D プリントされたコアの形状を最適化する方法をさらに調査する予定です。

研究のさらなる詳細は、「電気機械アプリケーションのためのレーザー付加製造磁気コアの設計とプロセス」というタイトルの論文に記載されています。

3D プリンティングと磁気を組み合わせることで、電気機械だけでなく、さまざまな新しい用途が可能になります。 今年の初め、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科学者チームは、3D プリンティングを使用して一連の微細なナノ磁石を開発しました。 カスタム 3D プリンティング プロセスを使用して作成されたナノ磁石は、DNA にインスピレーションを得た二重らせんの形状をしており、粒子捕捉、イメージング技術、スマートマテリアルなどの分野で有望です。

また、スペインの学際的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用した 3D プリンティング磁石の新しい方法を開発しました。 この作業は、新型コロナウイルス感染症の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策として実施されたもので、製造部門では磁石の製造に必要な材料を含む多くの材料が不足した。

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注目の画像は、銅コイルで囲まれた磁気コアで構成されるフェライト インダクターを示しています。 画像はユルギス・マンカウスカス経由。

Kubi Sertoglu は機械工学の学位を取得しており、執筆への親近性と技術的背景を組み合わせて積層造形の最新ニュースやレビューを提供しています。