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ダイカスト銅ローター用ローター品質試験システムの設計と開発

本紹介内容はIEEEで発行された論文 “Design and Development of Rotor Quality Test System for Die-Cast Copper Rotors” の研究内容を紹介するものです。 1. 概要: 2. 概要 / 導入 概要 – 銅ローターモーターは、最新のモーターと同等の優れた効率を発揮し、電気自動車用途に適格となる高い温度に対応できることが市場で周知されています。重金属であるダイカスト銅ローターの製造には、信頼性の高いローター生産のために絶対的な注意が必要です。本論文では、銅ダイカスト加工における一般的な欠陥を特定し、3段階検査における十分な監視方法を提案します。最終段階は、銅ダイカストローターに見られるほとんどの問題を検出するローター品質試験システムで構成されています。このローター品質試験システム分析は、ローター製造プロセスを最適化し、不良ローターをモーターアセンブリに取り付ける状況を回避するのに役立ちます。 I. 導入 電気自動車（EV）への世界的な関心が拡大するにつれて、自動車エンジニアは、材料使用量の削減、サイズの小型化、重量の軽減によって利点を得ることができるモーター製造のための特殊材料を探しています。近年、希土類材料の希少性と、永久磁石モーターにおける高温での磁石性能への懸念から、ダイカスト銅ローターモーターへの関心が高まっています。銅ローター誘導モーターは、小型化、高出力密度、システム全体、効率、耐久性の点で、パラレルハイブリッド電気自動車にとって実行可能な選択肢であると思われます[1]。高圧ダイカストは、ダイカストローターの製造において最も経済的なプロセスであり、1930年代からアルミニウムが選択材料となっています。銅の高い導電率を利用して、ローターにアルミニウムの代わりに銅を使用することは、EV用途向けのエネルギー効率の高いモーターを開発するための確固たる戦略であることが証明されています。かご形誘導電動機のダイカストローターバーでアルミニウムを銅に置き換えることは、ローターI²R損失の低減という点で大きな利点があり、最終的には効率と省エネが向上します。ローターI²R損失の低減は、モーターの動作温度を低下させます。銅ダイカストプロセスはアルミニウムダイカストプロセスと同一ですが、温度と圧力の増加による追加の製造上の課題により、銅ダイカストローターの製造は困難になります。銅の溶融コストと溶融銅の取り扱い費用は、アルミニウムの約3倍高いと推定されています。ダイカスト銅ローターモーターの製造にかかる高コストは、入力電力消費量の削減、メンテナンス費用の削減、長寿命化による省エネによって相殺されます[2]-[7]。新しいダイカストローターの構造には、モーターの動作を危険にさらす可能性のあるさまざまな欠陥があります。ローターの欠陥は、異常な発熱、追加の高調波の存在、アークの発生、振動や騒音の発生、モーターの速度やトルクの変動を引き起こします。ダイカスト銅ローターの問題は、モーターの望ましくない性能につながり、信頼性が低下し、頻繁なサービスが必要になります。ローターの欠陥による誘導電動機の全故障は、約10％と推定されています[8]。銅で製造されたダイカストローターは、製造時にさまざまな欠陥を引き起こす可能性があります。問題の中には、肉眼では検出できないほど見えないものもあれば、特定されていない問題もあります。 3. 研究背景: 研究テーマの背景: 電気自動車（EV）への世界的な関心が高まるにつれて、自動車エンジニアは、材料の使用量、サイズ、重量を削減できるモーター製造用の特殊材料を模索しています。ダイカスト銅ローターモーターは、希土類材料の入手可能性の低さと、永久磁石モーターにおける高温での磁石性能への懸念から、近年注目を集めています。銅ローター誘導モーターは、小型、高出力密度、効率、耐久性の点で、ハイブリッドEVにとって実行可能な選択肢です。高圧ダイカストは、従来アルミニウムを使用してきたローター製造において経済的です。高い導電率を持つ銅は、エネルギー効率の高いEVモーターにとって確固たる代替材料です。ダイカストローターバーでアルミニウムを銅に置き換えることは、ローターI²R損失を大幅に削減し、効率と省エネを向上させ、モーターの動作温度を低下させます。しかし、銅ダイカストはアルミニウムダイカストと類似していますが、より高い温度と圧力のため、製造上の課題があります。溶融銅を溶融および処理するコストは、アルミニウムよりも約3倍高くなります。製造コストは高くなりますが、ダイカスト銅ローターモーターは、省エネ、メンテナンスの削減、長寿命化により費用対効果が高くなります。 既存研究の現状: ダイカストローターの欠陥は、モーターの動作を損ない、異常な発熱、高調波、アーク、振動、騒音、速度/トルク変動などの問題を引き起こす可能性があります。これらの問題は、モーターの信頼性を低下させ、サービス要求を増加させます。ローターの欠陥は、誘導電動機の故障の約10％を引き起こすと推定されています。銅ダイカストローターは、さまざまな製造上の欠陥が発生しやすく、その一部は目に見えません。既存のローター品質監視方法には、固定子電流周波数成分を分析することにより、破損したバーや偏心などの欠陥を検出するオンライン手法である電流シグネチャ分析（MCSA）が含まれます。ただし、MCSAは複数の欠陥が存在する場合に使用が難しく、モーターが組み立てられて動作している必要があります。結果は他のモーターコンポーネントの影響を受け、専門家の解釈が必要です。これらの方法は、ダイカスト銅ローターの定量的な品質評価を提供せず、完全な組み立て前の製造中に適用することはできません。グラウラーテスト、タップテスト、浸透探傷試験、超音波探傷試験、抵抗試験などの分解されたモーター検出方法が存在しますが、特に内部欠陥などのすべてのタイプの欠陥を検出する上で限界があり、大量生産中の包括的な品質評価には適していません。 研究の必要性: 製造現場でのローター品質評価には、モーターコンポーネントに依存しない直接的な試験方法が必要です。RMFA、グラウラーテスト、超音波探傷試験などの現在の分解された検出方法は、すべての欠陥タイプを検出すること、および電気的、磁気的、絶縁性、構造的特性を含む完全なロータースタック評価を提供することに限界があります。高圧および高温を伴うダイカスト銅ローターの製造プロセスは、電気的、磁気的、絶縁性、構造的な変動を引き起こし、多孔性、ラミネーション短絡、スキュー角度偏差、導電率低下などの問題につながる可能性があります。これらの問題は、銅ローターの利点を打ち消し、モーターの効率と性能を低下させる可能性があります。既存の試験手順は、ダイカスト銅ローターのすべての問題を詳細に評価するには不十分です。これらの問題に対処し、製造を最適化し、不良ローターがモーターアセンブリに取り付けられるのを防ぐには、包括的な3段階検査プロセスが必要です。 4. 研究目的と研究課題: 研究目的: 本研究の目的は、ダイカスト銅ローター用のローター品質試験システム（RQTS）を設計および開発することです。このシステムは、製造中に発生する銅ダイカストローターの一般的な欠陥を検出し、それによってローター製造プロセスを最適化し、不良ローターを使用したモーターの組み立てを防ぐことを目的としています。RQTSは、さまざまな欠陥タイプを検出する際の限界に対処し、生産ラインでの品質管理を可能にすることにより、既存の方法と比較して、ローター品質のより直接的かつ包括的な評価を提供することを目的としています。 主要な研究課題: 5. 研究方法 研究デザイン: 本研究では、ローター品質試験システム（RQTS）を作成するために、設計および開発アプローチを採用しました。これには、電磁誘導原理に基づくシステムの概念化、ハードウェアコンポーネント（電磁センサー、ローター駆動システム、データ収集システム）の設計、および信号分析と品質評価のためのソフトウェアの開発が含まれていました。このシステムは、重量試験、超音波試験を使用したエンドリングの欠陥検出、および最終RQTS試験を含む3段階検査プロセス用に設計されました。RQTSを検証するために、意図的に欠陥が導入されたプロトタイプローターが製作されました。 データ収集方法: RQTSは、電磁センサーを使用して、磁場内で回転するときにローターバーに電圧を誘導します。ローターバーの物理的状態を反映する誘導電圧波形は、センサーのピックアップコイルによってキャプチャされます。NI PCI-5922デジタイザーボードを備えたデータ収集システム（DAQ）は、センサーコイルからのアナログ信号を取得および調整するために使用されます。近接センサーは、周波数分析用の速度入力を提供します。取得した波形は、NI LabVIEWで開発されたカスタムソフトウェアを使用して処理および分析されます。 分析方法: 取得した波形は、NI LabVIEWで開発されたソフトウェアを使用して、時間領域と周波数領域の両方で分析されます。最初に、高周波ノイズを除去するために、バターワースローパスデジタルフィルターが適用されます。FFTを使用した周波数分析は、ローターバー通過周波数を特定し、欠落しているバーを検出するために実行されます。FFTスペクトルの振幅分析は、ローター欠陥の重症度を評価するために使用されます。統計的比較は、事前定義された基準に対してローター品質を評価するために実装されています。ソフトウェアは、ローター品質パーセンテージを計算し、設定された基準に基づいて合格/不合格の判定を提供します。欠陥のあるローターからの波形パターンは、特定の欠陥タイプを識別するために基準波形チャートと比較されます。 研究対象と範囲: 本研究は、誘導電動機用のダイカスト銅ローターに焦点を当てています。開発されたRQTSは、調整可能なチャックおよびテールストックアセンブリ、および適応可能な電磁センサー設定を通じて、さまざまなローターサイズと重量に適用できるように設計されています。一般的なダイカスト銅ローターの欠陥をシミュレートするために製造されたプロトタイプローターは、RQTSのテストと検証のための主要な対象として機能します。研究の範囲には、RQTSハードウェアおよびソフトウェアの設計、開発、検証、およびダイカスト銅ローター製造に関連するさまざまなローター欠陥を検出する能力の実証が含まれます。 6. 主な研究成果: 主要な研究成果:

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