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欠陥ゼロを目指す：高圧ダイカスト製リスケージローターの品質を最大化する新アプローチ

本技術概要は、[Ioan MILOSAN, Gheorghe OANCEA, Adrian MIJA, Bela VARGA]によって執筆され、[RECENT J.]（[2022]年）に掲載された学術論文「[Analysis of the quality of squirrel cages rotor machined at Electroprecizia Electrical Motors]」に基づいています。

Fig. 2. Nomogram for the assessment of the maximum probable hydrogen content of liquid aluminium alloys, according to the elaboration conditions [8, 9]

Fig. 4. Rotor squirrel cages after casting with the casting grid

キーワード

主要キーワード: リスケージローター品質

副次キーワード: アルミニウム鋳造, 鋳造欠陥, マイクロシュリンケージ, 電気モーター効率, ガス欠陥, 溶湯品質

エグゼクティブサマリー

課題: 鋳造アルミニウム製リスケージローターの不均一な組織と内部欠陥が、電気モーターの効率を著しく低下させている。

手法: アルミニウム溶湯の品質（特に水素含有量）と鋳造プロセスのパラメータが、完成したローターの品質（マイクロシュリンケージや気孔などの欠陥）に与える相互依存関係を理論的・実験的に分析した。

重要なブレークスルー: 大気中の水分や不適切な溶湯処理に起因する溶湯中の高い水素含有量が、気孔発生の主な原因であり、これが電気抵抗率を局所的に増大させ、モーター性能を損なうことを特定した。

結論: 高品質でエネルギー効率の高い（IE4クラス）電気モーターを製造するためには、溶解および精錬プロセス、特に脱ガス処理の最適化が極めて重要である。

課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか

高効率電気モーターの心臓部であるリスケージローターの製造において、アルミニウム部分の均一な緻密性と高い導電性を確保することは、性能を左右する重要な課題です。しかし、実際の製造現場では、鋳造時に発生する微細な空隙（気泡や気孔）による組織の不均一性が、多くの技術的問題を引き起こしています。これらの欠陥は、ローターのバランスを崩すだけでなく、アルミニウムの電気抵抗率を局所的に大幅に変化させ、モーターの電気効率を直接的に低下させます。特に、スーパープレミアム効率クラス（IE4）のような次世代モーターの開発においては、この品質問題を根本から解決することが不可欠であり、多くのエンジニアが直面している課題です。

アプローチ：研究手法の解明

本研究では、ローター品質低下の根本原因を特定するため、多角的なアプローチを採用しました。

まず、アルミニウム溶湯の品質、特に大気中の水分から混入する水素汚染度に注目しました。理論的分析として、大気湿度と溶湯温度が溶湯中の最大水素含有量に与える影響を評価するため、ノモグラム（図2）と水素溶解度に関する数式（式2）を用いて分析しました。

次に、実験的アプローチとして「初泡法」を用い、実際の溶湯中の水素含有量を評価しました。鋳造されたローターは、国際鋳物欠陥アトラス[11]に基づいた欠陥の特定、ローターの電気的特性を評価するための吸収電力測定（図6）、そして内部の健全性を確認するためのX線分析（RISATTI装置、図7）によって徹底的に検査されました。この体系的な分析により、溶湯品質から最終製品の欠陥までの因果関係が明らかにされました。

ブレークスルー：主要な研究結果とデータ

発見1：溶湯への水素汚染が欠陥の主犯である 本研究は、溶湯中の過剰な水素が気孔欠陥の根本原因であることをデータで示しました。夏の標準的な大気湿度（25 g/m³）と溶湯温度（730 °C）を想定した場合、ノモグラム（図2）から溶湯中の水素含有量は約0.75 cm³/100g Alに達すると推定されました。さらに、初泡法に基づいた計算（式5）では、水素含有量は1.2544 cm³/100g Alという高い値を示しました。これは、気泡のない健全な鋳物を得るための許容値（0.3-0.4 cm³/100g Al、図3参照）を大幅に上回っており、凝固時に水素が放出され、気孔（B111）やマイクロシュリンケージ（B221）といった欠陥（図5）を形成する直接的な原因となります。

発見2：内部欠陥が電気性能に直接的な影響を与える ローターの品質を評価するために行われた吸収電力測定では、測定値が5.94から34.2（div）という非常に広い範囲に分布していることが明らかになりました（表1）。この値のばらつきは、分析されたローターの特性（緻密性）が不均一であることを示しています。理想的なローターは、アルミニウム全体で密度が均一であり、抵抗率が最も低いはずです。この結果は、マイクロシュリンケージや気孔といった内部欠陥が、アルミニウムの導電経路を妨害し、電気抵抗率を増加させることで、モーターの性能に直接的な悪影響を与えていることを明確に裏付けています。

研究開発および製造オペレーションへの実践的示唆

プロセスエンジニア向け: 本研究は、現在の精錬プロセス（脱ガス剤を専用のベルではなく柄杓で投入）が不十分であることを示唆しています。動的レジームでのガス注入による脱ガス技術など、より効果的な脱ガス手法を導入することで、溶湯の水素含有量を大幅に削減し、品質を向上させることが可能です。

品質管理チーム向け: 論文で示された吸収電力試験（図6、表1）およびRISATTI装置によるX線分析（図7）は、内部欠陥を持つローターを特定するための効果的な非破壊検査手法です。特に、吸収電力値の大きなばらつきは、プロセスの不安定性を示す明確な指標となり、品質検査基準の新たな情報として活用できます。

設計エンジニア向け: 論文では、金型キャビティの充填特性が欠陥に影響を及ぼすと言及されています。これは、鋳造方案、エンドリング、およびバーの設計が凝固時の欠陥形成に影響を与えることを示唆しており、初期設計段階でこれらの要素を考慮することが重要であることを示しています。

論文詳細

Analysis of the quality of squirrel cages rotor machined at Electroprecizia Electrical Motors (Electroprecizia Electrical Motors社で機械加工されたリスケージローターの品質分析)

1. 概要:

タイトル: Analysis of the quality of squirrel cages rotor machined at Electroprecizia Electrical Motors
著者: Ioan MILOSAN, Gheorghe OANCEA, Adrian MIJA, Bela VARGA
発表年: 2022
掲載誌/学会: RECENT J. (2022), 68:092-099
キーワード: pressure casting, aluminium, rotor squirrel cages, micro-shrinkages, quality analysis

2. 抄録:

本稿は、Electroprecizia Electrical Motors Săcele社における鋳造段階でのリスケージローターの品質を改善する方法を提示する。この目的のため、鋳造によって得られるリスケージローターの品質と、アルミニウム溶湯の冶金学的品質および鋳造プロセスのパラメータとの間に存在する相互依存関係について、理論的および実験的研究の結果を分析する。リスケージローターのバランシングを行う際、鋳造アルミニウム塊の緻密性の不均一性は、多くの技術的問題を引き起こす。この緻密性の不均一性は、鋳造材料中に空隙（気泡、気孔）が存在することによって決定される。しかし、アルミニウム塊の緻密性（鋳造アルミニウム中の空隙）は、電気抵抗率の急激な局所的変化により、電気モーターの電気効率に決定的な影響を与える。得られた結果の分析に基づき、スーパープレミアムエネルギー効率クラス（IE4）の新しい電気モーターファミリーの開発には、現在のプロセスフローにおいて、鋳造アルミニウム塊中に気泡や気孔の形成につながる原因の分析と検出、そして既存技術の改善や置換によるそれらの削減も含まれると結論付けることができる。

3. 緒言:

電気モーターのローターは、静的、遠心、圧力下、振動など、様々な鋳造法[1-4]を用いてアルミニウムで作られ、各種産業用駆動装置で成功裏に使用されている。ローターの鋳造においては、様々な標準寸法に対して製品図面に準拠した寸法を確保することに加えて、2つのエンドリングおよび積層コア内のバーからなるアルミニウム塊に対して、適切な緻密性と導電性を得ることが特に重要である。Electroprecizia Electrical Motors Săcele社では、現在の鋳造プロセスフロー（図1）において、YIZUMI 5000 kNタイプのコールド横型チャンバー付き圧力鋳造機[5]を用いた射出により、金型キャビティに溶融アルミニウムを導入することで積層コアを強化している。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景: スーパープレミアムエネルギー効率クラス（IE4）の電気モーター開発の要求が高まる中、その構成部品であるアルミニウム製リスケージローターの品質が、モーター全体の電気効率に直接的な影響を与えるため、極めて重要となっている。特に、鋳造時に発生する内部欠陥（空隙、気孔）によるアルミニウム塊の緻密性の不均一性は、電気抵抗率を局所的に増大させ、性能を低下させる主要因である。

従来研究の状況: ローターの製造には様々な鋳造法が用いられており[1-4]、溶湯の品質、特に水素や非金属介在物による汚染が鋳造品質に影響を与えることが知られている[6, 7]。また、アルミニウム中の水素溶解度に関するデータやノモグラム[8, 9]、および鋳造欠陥の分類に関する国際的な基準[11]が存在し、これらが品質分析の基礎となっている。

研究の目的: 本研究の目的は、Electroprecizia Electrical Motors Săcele社におけるリスケージローターの品質を向上させるため、アルミニウム溶湯の品質および鋳造プロセスのパラメータと、最終製品であるローターの品質との間に存在する相互依存関係を分析することである。特に、鋳造アルミニウム塊における気泡および気孔の形成原因を特定し、その削減策を講じることを目指す。

中核となる研究: 本研究では、理論的分析と実験的検証を組み合わせている。理論的分析では、大気湿度と溶湯温度がアルミニウム溶湯中の水素飽和度に与える影響をノモグラムと溶解度式を用いて評価した。実験的研究では、初泡法を用いて溶湯中の水素含有量を評価し、鋳造されたローターに対しては、国際鋳物欠陥アトラスに基づく欠陥の特定、吸収電力測定による電気的特性評価、およびX線分析による内部健全性評価を実施した。

5. 研究方法論

研究デザイン: 理論的分析、実験的研究、および産業現場におけるケーススタディを組み合わせた複合的な研究デザインを採用した。

データ収集・分析方法: - ノモグラム（図2）および確立された数式（式2）を用いた水素溶解度の分析。 - 溶湯中の水素含有量を評価するための簡易的な初泡法の適用。 - 国際鋳物欠陥アトラス[11]を基準とした、鋳造品の目視検査および欠陥分類（図5）。 - 電気的特性と緻密性を評価するための吸収電力測定（図6、表1）。 - RISATTI装置を用いた、バーの非破壊X線分析（図7）。

研究対象と範囲: 研究対象は、Electroprecizia Electrical Motors Săcele社におけるアルミニウム製リスケージローターの圧力鋳造プロセスである。溶湯品質（特に水素含有量と非金属介在物）が最終的なローター品質に与える影響に焦点を当てて調査を行った。

6. 主要な結果:

主要な結果: - 現行プロセスでは、溶湯中の水素含有量が高いレベルにあることが示された（ノモグラムから約0.75 cm³/100g Al、計算値では1.2544 cm³/100g Al）。これは、気泡のない鋳造品を得るための許容レベルを大幅に超えている。 - 鋳造されたローターには、マイクロシュリンケージ（B221）および気泡・気孔（B111）として特定される重大な欠陥が存在した。 - 吸収電力測定では、5.94から34.2（div）までの広範な値が記録され、生産されたローター間で緻密性および電気抵抗率が不均一であることを示している。 - X線分析により、ローターバー内部に欠陥（空隙/気孔）または破断が存在することが確認された。 - 総不良率は0.9-1.5%と推定され、この値を超える場合は合金の精錬または鋳造機の調整に問題があることを示唆している。

Figure Name List: - Fig. 1. The process flow for casting aluminium rotors at Electroprecizia Electrical Motors Săcele - Fig. 2. Nomogram for the assessment of the maximum probable hydrogen content of liquid aluminium alloys, according to the elaboration conditions [8, 9] - Fig. 3. Representation for assessing the tendency of bubble formation in castings according to the hydrogen content of the liquid metal [8, 9] - Fig. 4. Rotor squirrel cages after casting with the casting grid - Fig. 5. Voids in the rings of the rotor squirrel cages (a, c) and in the bars inside the laminations (b) - Fig. 6. Simplified diagram of the installation used to examine cast rotor squirrel cages - Fig. 7. The diagram recorded upon examining the integrity of the bars inside the rotor (laminations) on the RISATTI device

Fig. 5. Voids in the rings of the rotor squirrel cages (a, c) and in the bars inside the laminations (b)

7. 結論:

実験結果の分析は、ローターの特性（緻密性/気孔率、密度、電気抵抗率、均一性）が、鋳造に使用される溶湯（アルミニウム）の品質、水素含有量レベル、および金型キャビティの充填特性（鋳造方案-エンドリング-積層コア内のチャネル/バー）によって決定されることを示している。鋳造ローターの品質向上は、鋳造欠陥の原因特定が困難であることによって大きく妨げられており、これが溶解・精錬作業および鋳造段階の最適化という考えにつながる。初泡法を用いた水素含有量測定装置は、未脱ガス/脱ガス済み溶湯の水素含有量の決定と、脱ガス作業の効率評価の両方を可能にし、動的レジームでのガス注入による脱ガス技術を導入することで溶湯の脱ガスを強化することができる。

8. 参考文献:

1. Bonollo F., Gramegna N., Timelli G. (2015): High-Pressure Die-Casting: Contradictions and Challenges. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, ISSN 1047-4838, Vol. 67, No. 5, pp. 901-908, https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-015-1333-8
1. Dargusch M.S., Dour G., Schauer N., Dinnis C.M., Savaged G. (2006): The Influence of Pressure during Solidification of High Pressure Die Cast Aluminium Telecommunication Components. Journal of Materials Processing Technology, ISSN 0924-0136, Vol. 180, is. 1-3, pp. 37-43, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.05.001
1. Obiekea K.N., Aku S.Y., Yawas D.S. (2014): Effects of Pressure on the Mechanical Properties and Microstructure of Die Cast Aluminum A380 Alloy. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, ISSN 2327-4085, Vol. 2, pp. 248-258, http://dx.doi.org/10.4236/jmmce.2014.23029
1. http://engineeringhut.blogspot.com/2010/11/special-casting-processes.html. Accessed: 2022-11-20
5.https://www.alfamm.ro/select_by_technology/Die%20Casting/Die%20Casting%20Machine/Yizumi/Standard%20Series/681/5000/. Accessed: 2022-11-20
1. https://www.iqsdirectory.com/articles/die-casting/aluminum-casting.html. Accessed: 2022-11-20
1. https://ramtoolinc.com/blog/intro-aluminum-die-castings/. Accessed: 2022-11-20
1. Varga B. (1992): Elaborarea și turnarea aliajelor neferoase (Elaboration and casting of non-ferrous alloys). Transilvania University of Brasov, Indrumar de laborator (Laboratory guide) (in Romanian)
1. Varga B. (1999): Modelarea proceselor de degazare a aliajelor de aluminiu de turnatorie prin barbotare (Modelling of the degassing processes of foundry aluminium alloys by bubbling). In: Modelarea si simularea pe calculator a procesarii materialelor (Computer modelling and simulation of material processing), U.T. Pres, ISBN 973-98701-8-Х, р. 15-38
1. Sabau A.S., Vishvanathan S. (2002): Micro Porosity Prediction in Aluminum Alloy Castings. Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 33B, ISSN 2327-4077, p. 243-255, DOI:10.1007/s11663-002-0009-2
1. ***: Atlas internațional al defectelor de turnare (International Atlas of Casting Defects) (1977): Editura Tehnică, Bucharest, p. 69-112 (in Romanian)
1. Palanisamy S., Nagarajah C.R., Iovenitti P. (2007): Ultrasonic inspection of rough surface aluminium die castings. Insight, ISSN 2156-4868, Vol. 49, No. 3, pp. 160-164, DOI:10.1784/insi.2007.49.3.160, https://www.ndt.net/article/insight/papers/insi.49.3.160.pdf

PART 3: EXPERT Q&A AND CONCLUSION (MARKETING PERSONA)

専門家Q&A：技術的な疑問にお答えします

Q1: なぜアルミニウムローターにおいて、単なる気孔発生以上に水素含有量が重要視されるのですか？ A1: 水素含有量は、モーターの電気効率に直接影響を与えるためです。水素に起因する空隙は、アルミニウムの導電経路を妨げ、局所的な電気抵抗率を増加させます。これは、特にIE4クラスのような高性能・高効率モーターの性能を著しく損なうため、単なる機械的欠陥以上の問題となります。

Q2: 論文で言及されている「初泡法」とはどのような手法で、なぜ採用されたのですか？ A2: 初泡法は、凝固していくサンプル溶湯の表面に最初の気泡が現れる温度を観測する手法です。この温度を水素溶解度に関する式（論文の式2など）に代入することで、溶湯中の水素含有量を算出します。この手法は、高価な専門装置を必要とせず、製造現場で溶湯品質を実用的に評価できる簡便な方法であるため採用されました。

Q3: 論文で指摘された既存の精錬プロセスの主な問題点は何でしたか？ A3: 主な問題点は、脱ガス剤（錠剤）を専用のベル（撹拌・沈下用治具）ではなく、単なる柄杓で投入していたことです。この方法では、脱ガス剤がるつぼの底まで確実に到達せず、効果的なガス除去に必要な溶湯の循環運動も得られないため、脱ガス効率が著しく低くなります。

Q4: 吸収電力試験の結果に大きなばらつきがあったことは、生産現場にとって何を意味しますか？ A4: 吸収電力値の大きなばらつき（表1）は、ローターの品質が著しく不均一であることを示しています。一部のローターは緻密性が高く電気抵抗が低い一方、他のローターは気孔が多く電気特性が劣っているということです。このようなプロセスの管理不足は、不良率の上昇とモーター性能の不安定化に直結します。

Q5: 論文では外因性気孔と内因性気孔の両方が特定されていますが、プロセスエンジニアにとっての実用的な違いは何ですか？ A5: 外因性気孔は、金型キャビティ内の空気が巻き込まれることで発生し、射出パラメータやエアベントの最適化によって対策できます。一方、内因性気孔は、溶湯自体に溶解している水素が原因で発生するため、鋳造前の溶解・脱ガス工程を改善し、溶湯からガスを除去する必要があります。原因が異なるため、対策のアプローチが全く異なります。

Q6: RISATTI装置（図7）は品質管理においてどのように役立ちますか？ A6: これは、ローターの積層コア内部にあるアルミニウムバーの健全性を検査する非破壊検査装置です。記録された曲線は各バーに対応するピークを示し、ピークが低い、または欠落している場合は、空隙、気孔、あるいはバーの完全な破断といった欠陥があることを示します。これにより、不良ローターを迅速に選別することが可能になります。

結論：より高い品質と生産性への道筋

本研究が明らかにしたように、高性能な電気モーターを製造する上で、溶湯の品質管理は避けて通れない核心的な課題です。特に、アルミニウム溶湯中の水素含有量を厳密に制御することが、最終製品であるリスケージローター品質を決定づける鍵となります。欠陥を削減し、電気特性を安定させることは、不良率の低減だけでなく、製品全体の信頼性と性能向上に直結します。

CASTMANでは、業界の最新の研究成果をお客様の生産性および品質向上に活かすことに尽力しています。本稿で議論された課題が貴社の事業目標と合致する場合、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。これらの原理を貴社のコンポーネントにどのように適用できるか、共に探求してまいります。

著作権情報

このコンテンツは、"[Ioan MILOSAN, Gheorghe OANCEA, Adrian MIJA, Bela VARGA]"による論文"[Analysis of the quality of squirrel cages rotor machined at Electroprecizia Electrical Motors]"に基づく要約および分析です。

出典: https://doi.org/10.31926/RECENT.2022.68.092

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Tags: A380; , Aluminium die coating; , Aluminum Casting; , CAD; , Die casting; , Efficiency; , Microstructure; , Quality Control; , aluminum alloy; , 금형