구리 모터 로터 개발 – 제조 고려 사항 및 모터 테스트 결과

본 소개 자료는 ['Session - 4 : Paper - 1']에서 발행된 '구리 모터 로터 개발 - 제조 고려 사항 및 모터 테스트 결과' 논문을 기반으로 합니다.

Fig. 1 - Schematic illustration of the placement of electric resistance heaters and insulation in the die material tests

1. 개요:

제목: 구리 모터 로터 개발 - 제조 고려 사항 및 모터 테스트 결과 (DEVELOPMENT OF THE COPPER MOTOR ROTOR - MANUFACTURING CONSIDERATIONS AND MOTOR TEST RESULTS)
저자: Dr. D T Peters, Dr. J G Cowie, Dr. E F Brush, Jr., DJ Van Son, S P Midson, Prof. J L Kirtley, Jr.
발행 연도: 제공된 텍스트에 명시되지 않음.
발행 저널/학회: 제공된 텍스트에 명시되지 않음.
키워드: 구리 모터 로터, 다이캐스팅, 다이 수명, 모터 효율, 열 피로, 슬롯 설계, 기공 제어 (Copper motor rotor, die casting, die life, motor efficiency, thermal fatigue, slot design, porosity control).

2. 초록:

제공된 텍스트에는 명시적인 초록이 포함되어 있지 않습니다. 그러나 서론과 다른 섹션에서 연구 내용을 요약하고 있으므로 이를 초록의 기초로 사용할 수 있습니다.

본 논문은 구리의 높은 용융점으로 인한 짧은 다이 수명이라는 주요 과제를 해결하면서 다이캐스트 구리 모터 로터의 개발에 대해 요약합니다. 연구는 다이 재료 선택, 다이 가열 및 절연 설계, 다이캐스팅 공정 최적화, 모터 성능 테스트 및 로터 바 설계를 포함합니다. 연구 결과는 고온(600-650°C)에서 작동하는 니켈 기반 합금이 다이 수명 연장에 유망함을 보여줍니다. 다이캐스트 구리 로터를 장착한 모터는 알루미늄 로터에 비해 상당한 효율 향상(1.2% 포인트 이상) 및 손실 감소(평균 14%)를 나타냈습니다. Flow 3D 시뮬레이션을 사용한 샷 프로파일 최적화를 통해 기공 제어가 달성되었습니다. 스킨 효과를 이용한 로터 바 설계도 모터 성능을 더욱 향상시키기 위해 탐구되었습니다.

3. 연구 요약:

연구 주제 배경:

구리의 전기 전도도는 알루미늄보다 거의 60% 높아 모터 로터에서 I2R 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
알루미늄은 복잡한 농형 회전자(squirrel cage)를 압력 다이캐스팅으로 쉽게 제조할 수 있어 재료로 선택되었습니다.
구리 로터는 느리고 비용이 많이 드는 제작 방법으로 인해 대형 모터 및 특수 응용 분야에 국한되었습니다.
구리 다이캐스팅은 비용 효율적인 생산에 필요하지만 구리의 높은 융점으로 인한 짧은 다이 수명이 큰 장애물이었습니다.

이전 연구 현황:

제조업체의 모터 모델링에 따르면 구리 로터를 사용하면 전체 손실이 15-20% 감소할 가능성이 있습니다.
이전 연구([1], [2])는 다이 재료 선택과 다이 수명을 최대화하기 위한 최적 조건에 초점을 맞췄습니다.
기공을 최소화하기 위한 샷 프로파일 모델링에 대한 일부 연구가 있었습니다.
구리 로터로 제작된 모터에 대한 기존 데이터를 사용할 수 있었습니다.

연구 목적:

구리 로터의 제조 가능성, 특히 압력 다이캐스팅에서 짧은 다이 수명 문제를 해결합니다.
다이캐스트 구리 로터를 통합한 모터의 성능을 평가합니다.
구리를 효과적으로 활용하고 손실을 최소화하기 위해 로터 바 설계를 최적화합니다.

핵심 연구:

고온 다이 재료 조사 및 실용적인 다이 가열 및 절연 시스템 개발.
모터 제조업체의 평가를 위한 구리 로터 다이캐스팅.
구리 로터를 사용한 모터의 동력계 테스트 및 알루미늄 로터 성능과의 비교.
슬롯 설계를 안내하기 위한 로터 바의 주파수 응답 모델링.
기공 발생 원인 조사 및 제거 방법 개발.

4. 연구 방법

연구 설계:

다단계 접근 방식: 다이 재료 연구, 다이캐스팅 공정 개발, 모터 성능 테스트 및 로터 설계 최적화.
실험적: 로터 다이의 단일 게이트를 시뮬레이션하는 테스트 다이를 사용한 다이 재료 테스트.
비교: 구리 및 알루미늄 로터를 비교하는 모터 성능 테스트.
모델링: 다이 온도 프로파일의 3D 열 모델링, 로터 바의 주파수 응답 모델링, 샷 프로파일 최적화를 위한 전산 유체 역학(Flow 3D).

데이터 수집 및 분석 방법:

다이 재료 테스트: 열 검사 및 균열에 대한 육안 검사, 주조물의 화학 분석.
모터 성능 테스트: IEEE 규격 112, 테스트 방법 B 및 IEC 34-2 테스트 방법에 따른 동력계 테스트. 손실(철심, 고정자 저항, 회전자 저항, 풍손 및 마찰, 표유 부하), 효율, 온도 상승, 전부하 속도 및 역률 측정.
기공 분석: 엔드 링 절단 및 육안 검사, Flow 3D 시뮬레이션.

연구 주제 및 범위:

다이 재료: H-13 공구강, 몰리브덴 합금 TZM, 텅스텐 합금 Anviloy, INCONEL 합금 617, 718, 754, 601 및 625.
모터 크기: 15 Hp (11.2 kW), 25 Hp (18.5 kW), 4 Hp (3 kW) 및 5 Hp (3.7 kW).
공정 변수: 다이 온도, 샷 속도 프로파일, 사출 압력, 냉각 방법(수냉 vs. 공랭).
로터 설계: 슬롯 모양, 스킨 효과 활용.

5. 주요 결과:

주요 결과:

600-650°C에서 작동하는 INCONEL 합금 617 및 625는 구리 로터 다이캐스팅용 다이 재료로 유망함을 보였습니다.
실용적인 다이 가열 및 절연 설계가 개발되었습니다(Fig. 1).
다이캐스트 구리 로터는 높은 전기 전도도(평균 98% IACS 이상)를 나타냈습니다.
구리 로터가 장착된 모터는 알루미늄 로터에 비해 significantly 향상된 효율(1.2% 포인트 이상)과 감소된 손실(평균 14%)을 나타냈습니다(Table I, Table II, Table V).
로터 저항 손실은 15 Hp 모터에서 40% 감소했습니다(Table I).
표유 부하 손실은 향상된 주조 일관성으로 인해 감소했습니다.
다이 캐비티의 느린 사전 충전(40-55%)은 큰 기공 형성을 방지하는 전략으로 밝혀졌습니다(Fig. 7).
스킨 효과를 이용한 로터 바 설계는 모터 동작을 조정하는 데 사용될 수 있습니다(Fig. 12, Fig. 15).

Fig. 2 - Cross-section of rotor for three-phase motor showing copper filling the conductor bar slots.

Fig. 3 - Photographs of sectioned end rings from copper rotors typical of baseline die casting conditions.

Fig. 4 - Model of squirrel cage with gates and runner. Symmetry of the part allows simulation of the fill to be done on half of the model thereby saving computer run time.

Fig. 5 - Simulation of the gate end ring fill for the baseline shot profile used for production of copper rotors early in the program.

Fig. 6 - Photograph of copper rotor turned on the OD to expose the conductor bars. Trapped air bubbles are not seen in the bars but are clearly visible in the end ring.

Fig. 7 - Photographs of sectioned end rings with increasing pre-fill. Ejector end rings on left; gate end rings on right.

그림 목록:

Fig. 1 - 다이 재료 테스트에서 전기 저항 히터 및 절연 배치의 개략도.
Fig. 2 - 도체 바 슬롯을 채우는 구리를 보여주는 3상 모터용 로터 단면.
Fig. 3 - 기준 다이캐스팅 조건의 구리 로터에서 절단된 엔드 링 사진.
Fig. 4 - 게이트 및 러너가 있는 농형 회전자의 모델. 부품의 대칭성으로 인해 모델의 절반에서 채우기 시뮬레이션을 수행하여 컴퓨터 실행 시간을 절약할 수 있습니다.
Fig. 5 - 프로그램 초기에 구리 로터 생산에 사용된 기준 샷 프로파일에 대한 게이트 엔드 링 채우기 시뮬레이션.
Fig. 6 - 도체 바를 노출시키기 위해 OD에서 회전된 구리 로터의 사진. 갇힌 기포는 바에서 보이지 않지만 엔드 링에서 명확하게 볼 수 있습니다.
Fig. 7 - 사전 충전이 증가된 절단된 엔드 링 사진. 왼쪽의 이젝터 엔드 링; 오른쪽의 게이트 엔드 링.
Fig. 8 - 단순 유도 전동기 모델.
Fig. 9 - 로터 저항에 의해 영향을 받는 토크 속도 곡선.
Fig. 10 - 알루미늄 바.
Fig. 11 - 구리 로터 바.
Fig. 12 - 로터 바 임피던스.
Fig. 13 - 구리 vs. 알루미늄.
Fig. 14 - 구리 로터 바.
Fig. 15 - 두 구리 로터 바 임피던스 비교.

6. 결론:

주요 결과 요약:

이 연구는 향상된 다이 수명과 향상된 모터 성능으로 구리 모터 로터를 다이캐스팅하는 것이 가능함을 입증했습니다.
고온에서 작동하는 니켈 기반 합금은 유망한 다이 재료입니다.
구리 로터를 사용하면 상당한 효율 향상과 손실 감소를 달성할 수 있습니다.
최적화된 샷 프로파일을 통해 기공을 제어할 수 있습니다.
로터 바 설계는 스킨 효과를 활용하고 모터 특성을 개선하도록 조정할 수 있습니다.

연구의 한계:

다이 재료 테스트는 연장된 생산 실행이 아니었습니다.
일부 모터 테스트는 구리에 최적화되지 않은 알루미늄 로터용으로 설계된 적층으로 수행되었습니다.
경제성 분석은 예비적이었습니다.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향
- 다이 재료 성능을 완전히 검증하기 위해 연장된 생산 실행을 수행합니다.
- 구리 로터에 대한 적층 슬롯 설계 및 기타 모터 구성 요소를 최적화합니다.
- 완전한 경제성 분석을 수행합니다.
- 기공 제어를 위한 사전 충전의 한계를 추가로 조사합니다.
추가 탐구 영역
- Haynes 합금 230과 같은 다른 후보 다이 재료를 탐색합니다.
- 토크 특성을 최적화하고 표유 부하 손실을 최소화하기 위해 추가 로터 바 설계를 개발하고 테스트합니다.

8. 참고 문헌:

[1] Peters D T, Cowie J G, Brush E F Jr., and Midson S P: Advances in Pressure Die Casting of Electrical Grade Copper; Amer. Foundry Society Congress Paper No. 02-002, Kansas City, MO., 2002.
[2] Peters D T, Cowie J G, Brush E F Jr., and Midson S P: 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. Congress, Rosemont, IL, 2002.
[3] DOE/CS-0147 - U. S. Department of Energy; Classification and Evaluation of Electric Motors and Pumps; February, 1980.
[4] Benedyk J C, Moracz D J and Wallace J F: Thermal Fatigue Behavior of Die Materials for Aluminum Die Castings; Trans. of SDCE, Paper No. 111, 1970.
[5] Herman E A, Wallace J F and Machonis A A: Copper Alloy Pressure Die Casting, p 52 - Book; International Copper Research Assoc., Inc. 1975.
[6] Doehler H H: Die Casting, pp 163-165 - Book; McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1951.
[7] Lie S and Di Pietro C: Copper Die-Cast Rotor Efficiency, Improvement and Economic Consideration; IEEE Trans. Energy Convers., vol 10, no. 3, pp 419-424, September 1995.
[8] Poloujadoff M, Mipo J C and Nurdin M: Some Economical Comparisons Between Aluminum and Copper Squirrel Cages; IEEE Trans. Energy Convers., vol 10, no. 3, pp 415-418, September 1995.
[9] Private communication with manufacturer.
[10] Peters D T, Midson, S P, Walkington, W G, Brush, E F Jr. and Cowie J G: Porosity Control in Copper Rotor Die Castings; Trans. of the North Amer. Die Casting Assoc. Congress, Indianapolis, IN, 2003.

9. 저작권:

본 자료는 "Dr. D T Peters, Dr. J G Cowie, Dr. E F Brush, Jr., DJ Van Son, S P Midson, Prof. J L Kirtley, Jr."의 논문입니다. "구리 모터 로터 개발 - 제조 고려 사항 및 모터 테스트 결과"를 기반으로 합니다.
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