회전자 내 구리를 통한 더 가볍고 오래 지속되는 모터

논문 요약:

본 소개 자료는 ASNE에서 발행한 'Copper in the Rotor for Lighter, Longer Lasting Motors' 논문을 기반으로 작성되었습니다.

Figure 1. Schematic illustration of the placement of electric resistance heaters and insulation in the die material testing and now being adopted commercially by motor manufacturers

Figure 6. Aluminum conductor bar left and copper bar right

1. 개요:

제목: Copper in the Rotor for Lighter, Longer Lasting Motors (회전자 내 구리를 통한 더 가볍고 오래 지속되는 모터)
저자: C. Stark, J. G. Cowie, D. T. Peters, and E. F. Brush, Jr.
출판 연도: 2005
출판 저널/학회: ASNE SAN DIEGO SECTION, FLEET MAINTENANCE SYMPOSIUM 2005
키워드: (논문에 명시적으로 키워드가 나열되지는 않았지만, 내용을 바탕으로 관련 키워드는 다음과 같습니다: 구리 회전자, 다이캐스팅, 모터 효율, 모터 무게, 금형 수명, 니켈 기반 합금, 열 피로, 열 균열)

2. 초록:

본 논문은 모터 회전자에 알루미늄 대신 다이캐스트 구리를 사용하는 것의 이점을 검토합니다. 이러한 모터 기술의 발전은 모터 산업에서 오랫동안 추구되어 왔지만, 구리의 높은 융점으로 인한 짧은 금형 수명으로 인해 압력 다이캐스팅을 통한 제조 시도가 좌절되었습니다. 제조 문제를 해결하기 위해 개발된 니켈 기반 합금 고온 금형 기술이 간략하게 검토됩니다. 본 프로그램 이전에 수행된 개발 작업과 해당 작업에서 파생된 상용 모터는 회전자에 더 높은 전기 전도도를 가진 구리를 사용하여 달성할 수 있는 전기 에너지 효율 증가에 초점을 맞추었습니다. 예시적인 산업용 모터의 성능 특성이 제시됩니다. 회전자 내 구리를 수용하기 위해 돌입 전류 및 시동 토크를 제어하기 위한 도체 바 형상의 수정이 논의됩니다. 모터 제조업체의 모델링에 따르면 회전자에 구리를 사용하면 동일한 효율에서 알루미늄 회전자 모터보다 더 가벼운 모터를 만들 수 있습니다. 15 Hp (11 kW) 모터에 대해 계산된 중량 절감 예시가 제시됩니다. 여기에 제시된 데이터는 구리 회전자가 있는 모터가 더 시원하게 작동함을 보여줍니다. 산업 경험에 따르면 냉각기 작동은 유지 보수 비용 절감, 신뢰성 향상 및 모터 수명 연장으로 이어집니다.

3. 연구 요약:

연구 주제 배경:

국방 커뮤니티는 더 가볍고, 저렴하며, 환경 친화적이고, 더 신뢰할 수 있는 재료를 필요로 합니다. C-BCT(Copper-Based Casting Technology) 프로그램은 방위 시스템에서 더 가볍고 효율적인 부품을 위한 구리 기반 합금 응용 프로그램을 개발하는 것을 목표로 하며, 특히 전기 모터용 다이캐스트 구리 회전자에 중점을 둡니다.

이전 연구 현황:

이전 연구에서는 구리 회전자의 이점(더 높은 효율, 더 낮은 작동 온도)을 확인했지만, 구리의 높은 융점으로 인한 짧은 금형 수명으로 인해 제조가 어려웠습니다. 이전 연구는 주로 효율성 향상에 초점을 맞추었습니다.

연구 목적:

이 연구는 알루미늄 대응 제품에 비해 향상된 전기 에너지 효율 또는 상당한 중량 이점을 가진 다이캐스트 구리 회전자 모터를 설계, 제작 및 테스트하는 것을 목표로 합니다. 또한 금형 수명 문제도 해결합니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 두 단계로 구성됩니다. (1) 고온 금형 재료 및 최적 작동 조건을 조사하여 구리 압력 다이캐스팅의 금형 수명 문제를 해결하고, (2) 다이캐스트 구리 회전자가 있는 모터의 성능을 알루미늄 회전자 모터와 비교 평가합니다.

4. 연구 방법론

연구 설계:

이 연구는 재료 과학 조사(금형 재료), 열 모델링 및 실험 테스트(모터의 동력계 테스트)의 조합을 포함했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

금형 재료 연구: 후보 고온 금형 재료 조사, 금형 열 프로파일의 3D 열 모델링, 용융 구리를 사용한 금형 재료의 실험 테스트.
모터 성능 테스트: 다이캐스트 구리 회전자가 있는 모터에 대해 동력계 효율 테스트(IEEE 규격 112, 테스트 방법 B 및 IEC 34-2 테스트 방법)를 수행하고 알루미늄 회전자 모터와 비교했습니다. 손실 분리 분석이 수행되었습니다.

연구 주제 및 범위:

이 연구는 구리 다이캐스팅용 금형 재료, 금형 가열 기술, 모터 성능 테스트(효율, 토크, 온도 상승, 슬립, 역률) 및 구리 회전자에 대한 모터 설계 최적화를 다루었습니다. 범위에는 60Hz 및 400Hz 모터가 포함되었습니다.

5. 주요 결과:

주요 결과:

금형 재료: 고온(600-650°C)에서 작동하는 니켈 기반 합금(INCONEL 합금 617, 625 및 Haynes 합금 230)은 구리 다이캐스팅에서 연장된 금형 수명을 위한 가능성을 보여주었습니다. 실용적인 금형 가열 및 절연 설계가 개발되었습니다.
모터 성능(15 Hp 모터): 구리 회전자는 회전자 저항 손실(I²R) 40% 감소, 총 손실 14% 감소, 효율 1.2% 포인트 증가, 온도 상승 거의 5°C 감소를 보였습니다.
모터 성능(SEW Eurodrive): 구리 회전자 모터는 알루미늄의 외부 모터 치수 표준을 유지하면서 더 높은 효율을 갖습니다.
모터 무게 및 비용: 모델링 결과, 프레임 크기 감소가 가능한 경우 구리 회전자 모터는 동일한 효율에서 알루미늄 회전자 모터보다 더 가볍고(18-20%) 저렴하게(14-18%) 제작될 수 있는 것으로 나타났습니다.
Figure 3. Stray load losses per unit input power for the four SEW motors sizes.
Figure 4. Efficiency dependence on out put power at 60 Hz.
Figure 5. Torque-speed and current-speed curves for1.1 kW motors (left) and 5.5 kW motors (right).
Standard efficiency Al motor (blue); Cu high effficiency motor (red).
Figure 6. Aluminum conductor bar left and copper bar right

그림 목록:

그림 1. 금형 재료 테스트에서 전기 저항 히터 및 절연 배치의 개략도이며 현재 모터 제조업체에서 상업적으로 채택되고 있습니다.
그림 2. 4개의 SEW 모터에 대한 60Hz에서의 손실 분포, 알루미늄 회전자 저효율 표준 라인과 비교한 구리 회전자 버전.
그림 3. 4개의 SEW 모터 크기에 대한 단위 입력 전력당 부하 손실.
그림 4. 60Hz에서 출력 전력에 대한 효율 의존성.
그림 5. 1.1kW 모터(왼쪽) 및 5.5kW 모터(오른쪽)의 토크-속도 및 전류-속도 곡선. 표준 효율 Al 모터(파란색); Cu 고효율 모터(빨간색).
그림 6. 알루미늄 도체 바 왼쪽 및 구리 바 오른쪽.

6. 결론:

주요 결과 요약:

다이캐스트 구리 회전자는 모터 효율을 크게 향상시키고 작동 온도를 낮추어 모터 수명을 연장할 수 있습니다. 가열된 니켈 기반 합금 금형 시스템은 금형 수명을 크게 향상시킵니다. 구리 회전자 모터는 유사한 알루미늄 회전자 모터보다 더 가볍고 저렴할 수 있습니다.

연구의 한계:

15 Hp 모터 테스트는 구리에 최적화되지 않은 알루미늄용으로 설계된 적층을 사용했습니다. 15 Hp 모터 테스트에서 토크가 감소하여 추가 설계 조정이 필요했습니다. 생산 실행에서 장기적인 금형 수명은 추가 검증이 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향:

토크 특성을 개선하기 위한 구리에 대한 회전자 슬롯 설계의 추가 최적화.
금형 수명을 검증하기 위한 장기 생산 실행.
더 넓은 범위의 모터 크기 및 유형에서 구리 회전자의 적용 조사.

추가 탐구 영역:

작동 온도 감소로 인한 모터 수명 증가를 정확하게 정량화.
최적화된 모터 설계를 통한 추가 중량 및 비용 절감 가능성 탐색.

8. 참고 문헌:

Brush, E.F., jr., D.T. Peters, J.G. Cowie, M. Doppelbauer, and R. Kimmich, “Recent Advances in Development of the Die-cast Copper Rotor Motor,” Proceedings of the International Conference on Electric Machines, Crakow, Poland, 2004.
Cowie, J.G., D.T. Peters and D.T. Brender, “Die-cast Copper rotors for Improved Motor Performance," IEEE Pulp and Paper Conference. Charleston, SC, 2003.
Kirtley, J.L., Jr., “Designing Squirrel Cage Rotor Slots with High Conductivity,” Proceedings of the International Conference on Electric Machines, Crakow, Poland, 2004.
Peters, D.T, J.G. Cowie, E.F. Brush, Jr. and S.P. Midson, “Advances in Pressure Die Casting of Electrical Grade Copper," Amer. Foundry Society Congress Paper No. 02-002, Kansas City, Mo., 2002.
Peters, D.T., J.G. Cowie, E.F. Brush, Jr. and S.P. Midson, "Use of High Temperature Die Materials and Hot Dies for High Pressure Die Casting Pure Copper and Copper Alloys," Trans. of the North Amer. Die Casting Assoc. Die Casting Congress, Rosemont, II. 2002.

9. 저작권:

본 자료는 "C. Stark, J. G. Cowie, D. T. Peters, and E. F. Brush, Jr."의 논문입니다. "Copper in the Rotor for Lighter, Longer Lasting Motors"를 기반으로 합니다.
논문 출처: [제공된 텍스트에는 DOI URL이 포함되어 있지 않습니다.]

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