유도 전동기 로터의 구리 도체 다이캐스팅을 위한 재료 및 수정

본 소개 자료는 [DIE CASTING ENGINEER]에서 발행한 ["Materials & Modifications to Die Cast the Copper Conductors of the Induction Motor Rotor"] 논문의 연구 내용입니다.

Fig. 1 – Exploded view of typical induction motor. The die cast aluminum end ring with cast fan blades is visible on the rotor. The mulitple conductor bars connecting the end rings are contained within the iron laminations.
Fig. 1 – Exploded view of typical induction motor. The die cast aluminum end ring with cast fan blades is visible on the rotor. The mulitple conductor bars connecting the end rings are contained within the iron laminations.

1. 개요:

  • 제목: Materials & Modifications to Die Cast the Copper Conductors of the Induction Motor Rotor (유도 전동기 로터의 구리 도체 다이캐스팅을 위한 재료 및 수정)
  • 저자: John G. Cowie, Edwin F. Brush, Jr., Dale T. Peters, Stephen P. Midson
  • 출판 연도: 2001년 9월
  • 발행 저널/학회: DIE CASTING ENGINEER
  • 키워드: (논문에 명시적으로 나열되지는 않았지만 내용에 기반하여 관련 키워드는 다음과 같습니다: 구리 다이캐스팅, 유도 전동기 로터, 금형 재료, 고온 합금, 모터 효율, 열 피로)

2. 초록

재료 관련 기사는 일반적으로 알루미늄, 아연 및 마그네슘 기반 다이캐스팅 합금에 초점을 맞추고 있습니다. 이 보고서는 상대적으로 용융점이 높은 금속인 순수 구리의 압력 다이캐스팅을 다룬다는 점에서 다릅니다. 높은 용융 금속 및 합금의 경우, 금형 수명이 짧다는 점이 비용 효율적인 다이캐스팅 작업을 달성하는 데 제한적인 요소입니다. 구리 함유 로터를 통해 보다 효율적인 유도 전동기를 만드는 것이 주요 목표였던 이 연구는 금형 또는 다이 재료 문제를 해결해야 했습니다. 이 연구에서는 금형 재료의 특성과 다이 세트의 열 환경에 대한 수정 사항에 대한 일반화를 통해 비용 효율적인 금형 수명을 달성했습니다. 로터 구조에서 주조된 구리의 특성과 모터 테스트에서 주조된 구리 로터의 성능도 보고되었습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

다이캐스팅은 대량 생산에 적합한 저비용 제조 공정으로, 일반적으로 알루미늄, 아연 및 마그네슘 합금에 사용됩니다. 유도 전동기 로터는 일반적으로 도체 막대와 단락 링으로 구성된 "농형(squirrel cage)" 구조로 구성됩니다. 전통적으로 알루미늄은 높은 전기 전도성과 다이캐스팅 용이성 때문에 사용되었습니다 (그림 1, 2).

이전 연구 현황:

모터 제조업체들은 로터의 도체 구조에서 알루미늄을 구리로 교체하면 모터 효율이 크게 향상된다는 것을 오랫동안 인식해 왔습니다. 일부 특수 목적 및 대형 모터는 제작된 구리 로터를 사용하지만, 이는 비용이 많이 들고 느린 공정입니다. 국제 구리 연구 협회(International Copper Research Association)의 연구에 따르면 텅스텐과 몰리브덴이 구리 다이캐스팅을 위한 잠재적인 금형 재료로 확인되었습니다.

연구 필요성:

1~125 Hp 범위의 모터 효율을 1% 증가시키면 연간 200억 kWhr를 절약할 수 있습니다. 그러나 구리의 융점(알루미늄의 경우 660°C에 비해 1083°C)이 더 높기 때문에 알루미늄 다이캐스팅에 사용되는 기존의 공구강 금형은 구리에 적합하지 않습니다. 다이캐스트 구리 로터를 경제적으로 생산하려면 내구성이 뛰어나고 비용 효율적인 금형 재료가 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

충분한 금형 수명을 달성하기 위해 적합한 금형 재료 및 공정 수정을 식별하는 데 중점을 두고 구리 유도 전동기 로터 제조를 위한 비용 효율적인 다이캐스팅 공정을 개발합니다.

핵심 연구:

  • 구리 다이캐스팅을 위한 후보 금형 재료 식별 및 평가.
  • 최적의 다이 작동 온도 및 열 관리 전략 결정.
  • 다이캐스트 구리의 품질 및 특성 평가.
  • 모터 테스트에서 다이캐스트 구리 로터의 성능 평가.

5. 연구 방법

이 연구는 다음과 같은 다학제적 접근 방식을 포함합니다.

  • 협력: 모터 제조업체, 다이캐스팅 장비 제조업체 및 연구 기관(CDA/ICA, Trex Enterprises)을 포함한 기업 컨소시엄.
  • 자금 지원: 국제 구리 협회(International Copper Association), 공조 및 냉동 기술 연구소(Air Conditioning and Refrigeration Technical Institute), 미국 에너지부(DOE) 및 산업 기술 사무소(OIT).
  • 재료 선택: 고온 강도, 열적 특성 및 내산화성을 기반으로 후보 금형 재료를 선택했습니다. 테스트된 재료는 다음과 같습니다.
    • H-13 공구강 (기준)
    • 몰리브덴 기반 합금 (TZM)
    • 텅스텐 합금 (Anviloy 1200)
    • 니켈 기반 합금 (INCONEL 합금 601, 617, 625, 718 및 MA 754)
  • 테스트 금형 설계: 모터 로터 금형의 한 게이트에서 조건을 시뮬레이션하기 위해 테스트 금형을 설계했습니다 (그림 3, 4). 이 금형은 2파운드 무게의 평평한 반원형 주물을 생산했습니다.
  • 용해 및 주조: 고순도 구리는 750톤 수평 실시간 컴퓨터 제어 다이캐스팅 기계를 사용하여 유도 용해 및 주조되었습니다.
  • 열 모델링: 다이 설계 및 재료 선택을 안내하기 위해 다이캐스팅 금형으로의 열 전달에 대한 컴퓨터 분석을 수행했습니다.
  • 테스트 및 평가:
    • 다이 재료는 테스트 금형에서 동시에 테스트되었습니다.
    • 다이 온도는 전기 저항 히터를 사용하여 제어하고 열전대로 모니터링했습니다.
    • 주조된 구리 품질은 미세 구조 분석, 화학 분석 및 전기 전도도 측정을 통해 평가되었습니다.
    • 모터 성능은 동력계 테스트 벤치를 사용하여 모터 제조업체에서 평가했습니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  • H-13 공구강: 열 균열 및 균열로 인해 빠르게 악화되었지만 사용할 수 없게 되기 전에 750회 이상의 주조를 생산했습니다.
  • TZM 및 Anviloy: 연장된 실행(900회 이상) 후 최소한의 열 균열을 보였지만 Anviloy는 날카로운 반경에서 약간의 균열을 보였습니다. TZM은 산화로 인해 표면 저하를 겪었습니다.
  • 니켈 기반 합금: INCONEL 합금 617 및 625가 가장 우수한 성능을 보였으며 625-650°C의 작동 온도에서 최소한의 균열을 보였습니다. INCONEL 합금 754는 낮은 연성으로 인해 초기에 균열이 발생했습니다.
  • 최적 다이 온도: 열 피로를 최소화하여 다이 수명을 연장하려면 다이를 고온(TZM/Anviloy의 경우 550°C 이상, 니켈 기반 합금의 경우 625°C)에서 작동하는 것이 중요했습니다.
  • 주조 구리 품질: 다이캐스트 구리는 최소한의 다공성과 높은 전기 전도도(평균 98% IACS 이상)로 견고한 미세 구조를 나타냈습니다.
  • 로터 다이캐스팅 시험: 수정된 공정을 사용하여 구리 모터 로터를 성공적으로 다이캐스팅했습니다. 기계 매개변수는 로터 품질에 놀라울 정도로 작은 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
  • 모터 성능: 구리 로터는 알루미늄 로터에 비해 모터 효율이 크게 향상되었습니다. 전체 모터 손실은 14-23% 감소했고 로터 손실은 약 40% 감소했습니다.
Fig. 2 – The aluminum “squirrel cage” of a small motor rotor. The iron laminations have been removed by dissolution in nitric acid.
Fig. 2 – The aluminum “squirrel cage” of a small motor rotor. The iron laminations have been removed by dissolution in nitric acid.
Table 1 – Nominal compositions of candidate mold alloys (wt%).
Table 1 – Nominal compositions of candidate mold alloys (wt%).
Fig. 3 – Test casting used to evaluate and compare candidate mold materials. A two pound copper biscuit is above the gate area and runner bar.
Fig. 3 – Test casting used to evaluate and compare candidate mold materials. A two pound copper biscuit is above the gate area and runner bar.
Fig. 6 – Top: Moving half TZM and Anviloy die inserts after 940 shots. TZM is in the bottom (left) position and Anviloy in the middle and upper positions. Electrical resistance heaters and thermocouple leads are visible on the lower edge of the mounting plate. Bottom: Close-up of Anviloy die inserts after 500 shoots.
Fig. 6 – Top: Moving half TZM and Anviloy die inserts after 940 shots. TZM is in the bottom (left) position and Anviloy in the middle and upper positions. Electrical resistance heaters and thermocouple leads are visible on the lower edge of the mounting plate. Bottom: Close-up of Anviloy die inserts after 500 shoots.
Fig. 9 – Cross-section of rotor showing copper filling the slot openings by the pressure.
Fig. 9 – Cross-section of rotor showing copper filling the slot openings by the pressure.

그림 이름 목록:

  • Fig. I - 전형적인 유도 전동기의 분해도.
  • Fig. 2 - 소형 모터 로터의 알루미늄 "농형(squirrel cage)".
  • Fig. 3 - 후보 금형 재료를 평가하고 비교하는 데 사용된 테스트 주조.
  • Fig. 4 - 테스트 주조를 위한 다이 인서트의 세부 사항.
  • Fig. 5 - H-13 공구강 다이 세트에서 생산된 주조의 게이트 영역에서 채취한 다이캐스트 구리 시편의 미세 구조.
  • Fig. 6 - 상단: 940회 주조 후 이동하는 절반 TZM 및 Anviloy 다이 인서트.
  • Fig. 7 - 750톤 기계의 중앙 플래튼 부분에서 배출되려고 하는 다이캐스트 구리 로터.
  • Fig. 8 - 닫힌 위치에서 로터 주조를 위한 툴링이 있는 수평 압력 다이캐스터.
  • Fig. 9 - 압력에 의해 슬롯 개구부를 채우는 구리를 보여주는 로터의 단면.

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 600-650°C에서 작동하는 INCONEL 합금 601, 617 및 625는 구리 모터 로터 다이캐스팅을 위한 유망한 금형 재료입니다.
  • 열 피로를 줄여 다이 수명을 연장하려면 고온에서 다이를 작동하는 것이 필수적입니다.
  • 다이캐스트 구리 로터는 높은 순도와 전도도로 생산할 수 있습니다.
  • 구리 로터의 다이캐스팅 공정은 견고하여 광범위한 기계 매개변수를 허용합니다.
  • 구리 로터는 알루미늄 로터에 비해 모터 효율을 크게 향상시킵니다.

이 연구는 구리 유도 전동기 로터를 다이캐스팅하는 것이 가능하다는 것을 보여주며, 모터 효율을 크게 향상시킬 수 있는 길을 제공합니다. 적합한 금형 재료 및 공정 매개변수의 식별은 이 기술의 상업적 실행 가능성에 매우 중요합니다. 실제적인 의미에는 전기 모터의 상당한 에너지 절약 및 운영 비용 절감이 포함됩니다.

8. 참고 문헌:

  • [참고 문헌]
    (제공된 문서에는 전용 참고 문헌 섹션이 없습니다. 참고 문헌은 국제 구리 연구 협회(International Copper Research Association), 미국 에너지부(U.S. Department of Energy) 및 IEC 34-2 및 IEEE Std. I12 Method B와 같은 특정 출판물과 같이 텍스트 내에 암시되어 있습니다.)

9. 저작권:

  • 본 자료는 "John G. Cowie, Edwin F. Brush, Jr., Dale T. Peters, Stephen P. Midson"의 ["Materials & Modifications to Die Cast the Copper Conductors of the Induction Motor Rotor"] 논문을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: www.diecasting.org/dce (DOI URL은 제공되지 않았으며 웹사이트만 제공됨)

본 자료는 위 논문을 소개하기 위해 제작되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용하는 것을 금합니다. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

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Tags: Aluminum Die casting; ,CAD; ,Copper Die casting; ,Copper Rotor; ,Die casting; ,Efficiency; ,Magnesium alloys; ,Microstructure; ,STEP; ,금형; ,알루미늄 다이캐스팅