다이캐스트 구리 모터 로터 – 새로운 구리 시장 기회

본 소개 글은 Copper Development Association Inc.에서 발행한 ["The die-cast copper motor rotor – a new copper market opportunity"] 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.

Figure 1 - Die Material Test Die Made up of Six Machined Inserts.
Figure 1 - Die Material Test Die Made up of Six Machined Inserts.

1. 개요:

  • 제목: The die-cast copper motor rotor – a new copper market opportunity (다이캐스트 구리 모터 로터 – 새로운 구리 시장 기회)
  • 저자: D. T. Peters, J. G. Cowie, E. F. Brush, Jr.
  • 발행 연도: 제공된 텍스트에 명시되지 않음.
  • 발행 저널/학회: 명확하게 명시되지 않았지만, 저자들은 Copper Development Association Inc.와 관련되어 있음.
  • 키워드: 다이캐스트 구리(die-cast copper), 모터 로터(motor rotor), 농형 권선(squirrel cage), 다이 수명(die life), 열 피로(thermal fatigue), 니켈계 합금(nickel-base alloy), 모터 효율(motor efficiency), 에너지 손실 감소(energy loss reduction).

2. 초록

유도 전동기 제조업체들은 오랫동안 회전자 농형 권선(squirrel cage)에서 다이캐스트 알루미늄을 구리로 대체하면 모터 손실을 크게 줄이고 전기 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 알루미늄은 다이캐스팅이 용이한 반면, 구리는 높은 용융 온도로 인해 다이캐스팅이 훨씬 어려워 조기 다이 고장을 일으킵니다. 이 연구는 다이 수명 문제를 다룹니다. 고온 다이 재료 후보군을 조사했습니다. 주기적인 열 및 응력 구배에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 "열 균열(heat checking)" 고장 메커니즘에 대한 통찰력을 얻었습니다. ~625°C로 예열 및 작동되는 니켈계 합금 다이 시스템이 개발되었습니다. 다이캐스트 구리 모터 로터는 모터 손실이 15-20% 감소하고 작동 온도가 낮아진 모터 테스트 결과를 보여줍니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

  • 유도 전동기는 일반적으로 회전자 농형 권선에 다이캐스트 알루미늄을 사용합니다.
  • 알루미늄을 구리로 교체하면 모터 손실을 크게 줄이고 효율을 향상시킬 수 있습니다.
  • 구리의 높은 용융 온도는 다이캐스팅을 어렵게 만들어 조기 다이 고장을 유발합니다.

이전 연구 현황:

  • 구리 모터 로터 개발에 대한 간략한 보고서가 Copper 99 (1)에서 발표되었습니다.
  • 텅스텐 합금(Anviloy)이 구리 다이캐스팅에 적합한 것으로 밝혀졌습니다.
  • 특정 니켈계 합금이 유망한 것으로 나타났습니다.
  • 열 및 변형 구배를 최소화하기 위해 높은 다이 예열 및 작동 온도가 도입되었습니다.

연구 필요성:

  • 기존의 구리 로터(대형 또는 특수 목적 모터용) 생산 방법은 비용이 많이 들고 속도가 느려 대량 생산에 적합하지 않습니다.
  • 구리 다이캐스팅이 바람직하지만 구리의 높은 융점으로 인해 다이 수명이 짧아 문제가 됩니다.
  • 효율이 향상되고 작동 온도가 낮아진 모터를 제공하기 위해 구리 다이캐스팅 문제를 해결해야 할 필요성이 있습니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

  • 전기 등급 구리 다이캐스팅에서 다이 수명 문제를 해결합니다.
  • 다이캐스트 구리 모터 로터를 대량 생산하기 위한 다이 시스템 및 공정을 개발합니다.

핵심 연구:

  • 고온 다이 재료 조사.
  • 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 "열 균열" 고장 메커니즘 이해.
  • 다이 인서트 가열 및 절연 시스템 개발.
  • 다이캐스트 구리 로터를 사용한 모터 성능 평가.

5. 연구 방법

  • 연구 설계: 실험 및 전산.
  • 데이터 수집:
    • 고온 다이 재료 후보군 조사.
    • 다이의 주기적인 열 및 응력 구배에 대한 컴퓨터 시뮬레이션(3-D).
    • H-13 강철, TZM, Anviloy 및 니켈계 합금(INCONEL 617, 625, 718, 754, 601)을 사용한 다이 재료 평가 테스트.
    • 구리 테스트 부품 및 모터 로터의 압력 다이캐스팅 시험.
    • 모터 성능 테스트(IEEE 규격 112, 테스트 방법 B 및 IEC 34-2 방법에 따른 동력계 효율 테스트).
  • 분석:
    • 다이 인서트의 온도 프로파일 및 응력 분포 분석.
    • 열 균열, 균열 및 침식을 기반으로 한 다이 재료 성능 평가.
    • 구리 및 알루미늄 로터 간의 모터 효율 및 손실 비교.
    • 다이캐스트 구리 로터의 금속학적 검사.
  • 연구 범위: 구리 모터 로터용 다이 재료 및 주조 공정 개발 및 테스트, 모터 성능 평가.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  • 컴퓨터 시뮬레이션은 높은 다이 예열 및 작동 온도를 사용하여 열 피로 고장을 최소화하는 방법에 대한 통찰력을 제공했습니다.
  • ~625°C에서 예열 및 작동되는 니켈계 합금(INCONEL 합금 617 및 625) 다이 시스템은 기존에 작동되는 다이 강철에 비해 다이 수명을 크게 연장했습니다.
  • 높은 작동 온도를 유지하기 위해 다이 인서트 가열 및 절연 시스템(그림 3)이 개발되었습니다.
  • 다이캐스트 구리 로터는 모터 손실이 15-20% 감소하고 작동 온도가 낮아졌습니다.
  • 로터 저항 손실이 40% 감소했습니다(표 I).
  • 표유 부하 손실이 23% 감소했습니다(표 I).
  • 풍손 및 마찰 손실이 37% 감소했습니다(표 I).
  • 전체 모터 효율이 최소 1.2% 포인트 증가했습니다(표 II).
  • 모터 온도 상승이 4.5°C 감소했습니다(표 II).
  • 금속학적 검사 결과 구리 도체 막대와 철 라미네이션 사이에 최소한의 상호 작용이 있음을 확인했습니다.
Figure 2 - Output of Thermal Modeling Showing H-13 Die Surface “Painted” onto the Test Casting at Instant of Fill with 1200ºC Copper.
Figure 2 - Output of Thermal Modeling Showing H-13 Die Surface “Painted” onto the Test Casting at Instant of Fill with 1200ºC Copper.
Figure 3 - Schematic Illustration of Placement of Electric Resistance Heaters and Insulation in the Die Material Test Set-up Developed in the Course of this Study.
Figure 3 - Schematic Illustration of Placement of Electric Resistance Heaters and Insulation in the Die Material Test Set-up Developed in the Course of this Study.
Figure 4 – Photograph of the Cross Section of a Die-cast Copper Rotor
Figure 4 – Photograph of the Cross Section of a Die-cast Copper Rotor

그림 이름 목록:

  • 그림 1 - 6개의 가공된 인서트로 구성된 다이 재료 테스트 다이.
  • 그림 2 - 1200°C 구리로 채우는 순간 테스트 주물에 "페인트된" H-13 다이 표면을 보여주는 열 모델링 출력.
  • 그림 3 - 이 연구 과정에서 개발된 다이 재료 테스트 설정에서 전기 저항 히터 및 절연체의 배치를 보여주는 개략도.
  • 그림 4 – 다이캐스트 구리 로터의 단면 사진

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 600-650°C에서 작동하는 INCONEL 합금 617 및 625는 구리 로터 생산에서 긴 다이 수명을 위한 유망한 다이 재료입니다.
  • 열 피로를 최소화하여 다이 수명을 연장하려면 높은 다이 작동 온도가 중요합니다.
  • 다이캐스트 구리 로터는 모터 효율을 크게 향상시키고 손실을 줄입니다.
  • 구리 로터의 다이캐스팅 공정은 실용적이고 재현 가능합니다.
  • 이 연구는 모터 로터용 구리 다이캐스팅의 과제를 성공적으로 해결하여 대량 생산을 위한 실행 가능한 방법을 제시했습니다.
  • 이 연구 결과는 모터 효율을 개선하고, 에너지 소비를 줄이며, 모터 수명을 연장하는 데 중요한 의미를 갖습니다.
  • 실용적인 다이 가열 및 절연 시스템 개발은 핵심적인 기여입니다.
  • 이 연구는 구리의 상당한 신규 시장 잠재력을 뒷받침합니다.

8. 참고 문헌:

  • [1] D.T. Peters and J.G. Cowie, “The Copper Motor Rotor and Plastic Injection Molds – New Developments Relying on Copper's Conductivity”, Copper 99- Cobre 99, G.A. Eltringham, N.L. Piret and M. Sahoo, Eds., The Minerals, Metals & Materials Society, 1999, 313-325.
  • [2] U.S. Department of Energy, DOE/CS-0147, “Classification and Evaluation of Electric Motors and Pumps”, February 1980.
  • [3] E.A. Herman, J.F. Wallace, A.A. Machonis, Copper Alloy Pressure Die Casting, International Copper Research Association, New York, 1975, p.52.
  • [4] D.T. Peters, 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",
  • S. Lie, and C. Di Pietro, “Copper Die-cast Rotor Efficiency Improvement and Economic Consideration”, IEEE Trans. Energy Conservation, Vol. 10, No. 3, 1995, 419-424.
  • M. Poloujadoff, J.C. Mippo, and M. Nurdin, “Some Economical Comparisons
    Between Aluminum and Copper Squirrel Cages”, IEEE Trans. Energy
    Conservation, Vol. 10, No. 3, 1995, 415-418.
  • Private communication with manufacturer.

9. 저작권:

  • This material is a paper by "[D.T. Peters, J.G. Cowie, E.F. Brush, Jr.]": Based on "[The die-cast copper motor rotor – a new copper market opportunity]".
  • Source of paper: [DOI URL - Note: The DOI URL is not provided in the original document]

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Tags: CAD; ,Computer simulation; ,Copper Rotor; ,Die casting; ,Efficiency; ,High pressure die casting