배터리 구동 전기 자동차의 유도 전동기 응용 분야를 위한 Al 합금 및 주조 공정: 리뷰

본 논문 요약은 MDPI Metals에 발표된 논문 "배터리 구동 전기 자동차의 유도 전동기 응용 분야를 위한 Al 합금 및 주조 공정: 리뷰"를 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: 배터리 구동 전기 자동차의 유도 전동기 응용 분야를 위한 Al 합금 및 주조 공정: 리뷰 (Al Alloys and Casting Processes for Induction Motor Applications in Battery-Powered Electric Vehicles: A Review)
  • 저자: 유시안 리, 아니타 후, 윈티안 푸, 수펭 리우, 우티안 쉔, 헨리 후, 슈에유안 니에 (Yuxian Li, Anita Hu, Yintian Fu, Sufeng Liu, Wutian Shen, Henry Hu, and Xueyuan Nie)
  • 발행 연도: 2022년
  • 발행 저널: Metals, MDPI
  • 키워드: Al 합금, 주조 공정, 전기 전도도, 전기 모터, 전기 자동차, 기계적 특성, 강화 메커니즘 (Al alloys; casting processes; electrical conductivity; electric motor; electric vehicle; mechanical properties; strengthening mechanisms)
Figure 1. Components of an electrical sheet, a rotor bar, and an end-ring in an induction motor [1].
Figure 1. Components of an electrical sheet, a rotor bar, and an end-ring in an induction motor [1].

2. 연구 배경:

환경 문제에 대한 관심이 증가하고 배터리 구동 전기 자동차(BEV) 산업이 급성장하면서 경량 소재에 대한 연구가 크게 증가했습니다. 알루미늄(Al) 합금은 유도 전동기에서 구리를 대체할 수 있는 잠재적인 소재로 주목받고 있습니다. 구리는 높은 전기 전도도를 가지고 있지만 밀도가 높고 무겁습니다. 구리 대신 더 가볍고 주조 가능한 알루미늄 합금을 사용하면 전기 유도 전동기의 무게와 크기를 줄여 궁극적으로 BEV의 에너지 효율과 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 순수 알루미늄은 주조성이 좋지 않고 강도가 낮아 적합한 알루미늄 합금과 주조 기술 개발이 필요합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

본 리뷰 논문은 BEV의 유도 전동기와 관련된 일반적인 주조 알루미늄 합금과 관련 주조 공정에 대한 포괄적인 소개를 제공하는 것을 목표로 합니다. 주요 목표는 BEV 모터에 실제로 적용할 수 있는 고강도 및 고전도성 알루미늄 합금의 추가 개발을 촉진하는 것입니다.

본 리뷰에서 탐구하는 주요 영역은 다음과 같습니다.

  • Cu, Si, Ni, Mg, Fe 및 Ti와 같은 원소를 포함하는 다양한 주조 알루미늄 합금 시스템 평가.
  • 이러한 주조 합금과 나노 구조의 단조 알루미늄 합금 비교.
  • 고압 다이캐스팅, 스퀴즈 캐스팅 및 사형 주조와 같이 알루미늄 합금에 적합한 기존 주조 공정 설명.
  • 고용 강화, 석출 강화, 전위 축적 강화 및 결정립계 강화와 같은 알루미늄 합금의 강화 메커니즘 설명.
  • 알루미늄 합금의 전기 전도 현상 개요.
  • 미세 구조적 특성과 관련된 주조 및 변형 공정을 위해 최근 개발된 알루미늄 합금의 기계적 및 전기적 특성에 대한 포괄적인 목록 및 비판적 검토.

4. 연구 방법론

본 연구는 기존 문헌 및 연구 결과를 종합한 리뷰 논문입니다. 방법론은 다음과 같습니다.

  • 문헌 검토: 알루미늄 합금, 주조 공정, 전기 전도도 및 기계적 특성과 관련된 광범위한 출판 논문 및 연구에서 정보를 조사하고 편집합니다.
  • 비교 분석: 다양한 알루미늄 합금 시스템, 주조 기술 및 강화 메커니즘을 평가하고 비교합니다. 리뷰에서는 기존 주조 합금과 첨단 나노 구조 단조 합금을 대조합니다.
  • 비판적 검토: 다양한 연구에서 제시된 데이터를 비판적으로 평가하여 알루미늄 합금의 보고된 기계적 및 전기적 특성을 미세 구조와 관련하여 분석하고 해석합니다.

리뷰 범위는 다음과 같습니다.

  • 재료 초점: Cu, Si, Ni, Mg, Fe 및 Ti를 포함하는 주조 알루미늄 합금 시스템과 나노 구조 단조 알루미늄 합금.
  • 공정 초점: 고압 다이캐스팅(HPDC), 스퀴즈 캐스팅 및 사형 주조를 포함한 기존 주조 공정.
  • 특성 초점: 알루미늄 합금의 기계적 특성(강도, 연성, 경도) 및 전기적 특성(전도도, 저항률).

5. 주요 연구 결과:

본 리뷰 논문은 BEV 모터 응용 분야를 위한 알루미늄 합금에 대한 상당한 양의 정보를 통합합니다. 제시된 주요 결과 및 결과는 다음과 같습니다.

  • 알루미늄 합금 시스템: 본 논문은 다양한 주조 합금 시스템을 평가하고 구리(Cu) 및 실리콘(Si)과 같은 합금 원소의 역할을 강조합니다. 예를 들어, Al-Cu 합금(2xx.x 시리즈) 및 Al-Cu-Si 합금(3xx.x 시리즈)은 상평형도(그림 2 및 그림 4)를 참조하여 자세히 논의됩니다. A380 합금은 주조성 및 저비용으로 인해 인기 있는 HPDC 합금으로 언급됩니다.
  • 주조 공정: 알루미늄 합금에 적합한 기존 주조 공정이 설명됩니다.
    • 고압 다이캐스팅(HPDC): 복잡한 형상의 엔지니어링 금속 부품을 대량 생산하는 데 다용도로 사용되는 공정(그림 6 및 그림 7).
    • 스퀴즈 캐스팅: 영구 금형 주조와 다이 포징을 결합하여 미세한 결정립과 우수한 표면 조도 및 최소 다공성을 가진 부품을 생산하는 공정(그림 8).
    • 사형 주조: 가장 오래되고 다용도로 사용되는 주조 공정 중 하나로 복잡한 형상과 대형 부품에 적합(그림 9).
  • 강화 메커니즘: 리뷰에서는 알루미늄 합금의 주요 강화 메커니즘을 간략하게 설명합니다.
    • 고용 강화: 알루미늄 격자에 용질 원자를 추가합니다.
    • 석출 강화: 전위 이동을 방해하기 위해 2차상 석출물을 활용합니다.
    • 전위 축적 강화: 전위 밀도를 통해 강도를 증가시킵니다.
    • 결정립계 강화: 결정립 크기를 줄여 결정립계 면적을 늘리고 전위 이동을 방해합니다.
      (1)식은 이러한 메커니즘을 기반으로 합금의 총 강도를 추정하기 위해 제시됩니다: S = So + Sgs +Sss + Sdis + Sp
  • 전기 전도도: 알루미늄 합금의 전기 전도 현상을 설명하며, 강화 메커니즘은 일반적으로 전기 전도도를 저하시킨다는 점을 지적합니다. 식 (2)와 (3)은 전기 저항률(ρ)과 그 구성 요소를 설명합니다. ρ = ρτ + PD 및 PD = Pss + Pp + Pdis + Pv + Pgs. 표 2는 순수 금속의 전기 전도도 및 저항률을 나열합니다.
  • 나노 구조 알루미늄 합금: 본 논문에서는 고압 비틀림(HPT) 및 등채널 각형 압출(ECAP)과 같은 심각한 소성 변형(SPD) 공정을 통해 강화된 강도와 전도도를 가진 나노 구조 알루미늄 합금을 생산할 수 있는 잠재력을 논의합니다(그림 10). 표 3은 나노 구조 AA6201 및 AA6060 합금의 기계적 특성 및 전기 전도도를 요약합니다.
  • 모터용 주조 알루미늄 합금: 리뷰에서는 모터 응용 분야를 위한 주조 Al-Si-Cu-Mg 합금과 새로운 주조 Al-Ni 합금("테슬라 합금")을 검토합니다. 표 5와 6은 Al-Si-Cu-Mg 합금의 실험 설계 및 특성을 자세히 설명합니다. 그림 17은 AlSi4Cu1Mg0.9 합금 미세 구조의 SEM 현미경 사진을 보여줍니다. 그림 18은 다양한 주조 알루미늄 합금의 항복 강도와 전기 전도도를 비교합니다. 그림 19와 20은 다양한 알루미늄 합금의 주조성 및 수축 결과를 제시합니다.

그림 목록:

  • 그림 1. 유도 전동기의 전기 강판, 회전자 바 및 엔드 링의 구성 요소 [1].
  • 그림 2. Al-Cu 시스템의 상평형도 [7].
  • 그림 3. Cu 함량의 함수로서 Al-Cu 합금의 기계적 특성 [8].
  • 그림 4. 다양한 합금 유형의 조성 범위가 있는 Al-Si 2원 공정 상평형도 [9].
  • 그림 5. 다양한 Si 함량이 기계적 특성에 미치는 영향. (a) 극한 강도, (b) 항복 강도, (c) 연신율, (d) Al-Si 합금의 경도 [12].
  • 그림 6. 열간 챔버 다이캐스팅 공정의 그래픽 그림 [14].
  • 그림 7. (a) 냉간 챔버 다이캐스팅 기계의 그래픽 그림. (b) 냉간 챔버 다이캐스팅의 주조 사이클 [14].
  • 그림 8. 직접 스퀴즈 캐스팅 공정의 개략도. (a) 예열, (b) 주입, (c) 응고 및 (d) 이젝션 [22].
  • 그림 9. 사형 주조의 그래픽 그림 [26].
  • 그림 10. 조립립(CG) 순수 Al 및 상용 Al-Mg-Si 합금과 고압 비틀림(HPT) 및 등채널 각형 압출(ECAP) [32]을 포함한 심각한 소성 변형(SPD) 공정을 통해 얻은 나노 구조 대응물의 실온 전기 전도도(% IACS) 대 극한 인장 강도.
  • 그림 11. 결정립 "A" [45] 내부에 쌍정 "T"의 형성과 관련된 GB 에너지 변화의 개략도.
  • 그림 12. Al 기반 Al-Cu 합금 [46]에 대한 Cu 조성에 따른 열전도율 변화.
  • 그림 13. 다양한 온도 [46]에서 순수 Al 및 Cu와 Al-Cu 합금의 열전도율 비교.
  • 그림 14. Smith-Palmer 방정식 [46]에서 결정된 Cu 조성에 따른 전기 전도도 변화.
  • 그림 15. 액체 Al 및 Al-4 wt% Cu, Al-20 wt% Cu 및 Al-30 wt% Cu 액체 합금 [47]에 대한 전기 전도도의 온도 의존성.
  • 그림 16. 방향성 응고된 (a1,a2) Al-6 wt% Cu; (b1,b2) Al-24 wt% Cu; (C1,C2) Al-33 wt% Cu 합금 [48]의 성장 형태의 광학 현미경 사진.
  • 그림 17. (a) 주조 상태 및 (b) T6 조건 [50]에서 s-5 합금의 미세 구조를 보여주는 SEM 현미경 사진.
  • 그림 18. 주조 알루미늄 합금 [43]에 대한 항복 강도 대 전기 전도도 플롯.
  • 그림 19. 주조 순수 알루미늄 및 Al 합금의 주조성, (a) 유동성, (b) 열간 균열 감수성 [43].
  • 그림 20. 주조 순수 알루미늄 및 Al 합금 [43]의 수축.
Figure 2. Phase diagram of Al-Cu system [7].
Figure 2. Phase diagram of Al-Cu system [7].
Figure 3. Mechanical properties of Al-Cu alloys as a function of Cu content [8].
Figure 3. Mechanical properties of Al-Cu alloys as a function of Cu content [8].
Figure 5. Effect of different Si contents on the mechanical properties. (a) Ultimate strength, (b) yield strength, (c) elongation, and (d) hardness in Al-Si alloys [12]
Figure 5. Effect of different Si contents on the mechanical properties. (a) Ultimate strength, (b) yield strength, (c) elongation, and (d) hardness in Al-Si alloys [12]
Figure 6. Graphical illustration of hot-chamber die casting process [14].
Figure 6. Graphical illustration of hot-chamber die casting process [14].
Figure 7. (a) Graphical illustration of a cold-chamber die casting machine. (b) Casting cycle for cold-chamber die casting [14].
Figure 7. (a) Graphical illustration of a cold-chamber die casting machine. (b) Casting cycle for cold-chamber die casting [14].
Table 8. Effects of strengthening mechanisms and common chemical elements on the strengths and electrical conductivities of cast Al alloys
Table 8. Effects of strengthening mechanisms and common chemical elements on the strengths and electrical conductivities of cast Al alloys

6. 결론 및 논의:

주요 결과 요약:

본 리뷰 논문은 BEV 유도 전동기 응용 분야를 위한 알루미늄 합금 및 주조 공정에 대한 현재 연구 상태를 효과적으로 요약합니다. 알루미늄 합금의 잠재력을 구리의 경량 대체재로 강조하며, 기계적 강도와 전기 전도도의 균형을 맞추는 필요성을 강조합니다. 본 논문에서는 다양한 주조 알루미늄 합금 시스템, 적합한 주조 공정(HPDC, 스퀴즈 캐스팅, 사형 주조) 및 강화 메커니즘을 논의합니다. 또한 나노 구조 알루미늄 합금과 특히 모터 부품용으로 설계된 주조 합금의 최근 발전을 탐구합니다.

학문적 의의:

본 리뷰는 재료 과학, 자동차 공학 및 전기 공학 분야의 연구원 및 엔지니어에게 귀중한 자료를 제공합니다. 분산된 정보를 단일의 접근 가능한 문서로 통합하여 BEV 모터에 알루미늄 합금을 사용하는 데 있어 과제와 기회에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

실용적 의미:

본 리뷰의 결과는 자동차 산업에 중요한 실용적 의미를 갖습니다. 고성능 알루미늄 합금 및 최적화된 주조 공정 개발을 안내함으로써 본 연구는 더 가볍고 에너지 효율적인 BEV를 구현하여 주행 거리를 개선하는 데 기여합니다. 복잡한 모터 부품을 위한 비용 효율적인 주조 방법 탐구는 대량 생산에 특히 관련이 있습니다.

연구의 한계:

리뷰 논문으로서 본 연구는 기존 연구의 범위와 가용성에 의해 제한됩니다. 독창적인 실험 데이터를 제시하지 않습니다. 또한 본 논문에서는 다양한 알루미늄 합금을 논의하지만 Al-Ni "테슬라 합금"과 같은 일부 첨단 합금의 주조성은 추가 조사 및 검증이 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

본 리뷰에서는 향후 연구를 위한 여러 방향을 제시합니다.

  • 주조 상태 고성능 합금 개발: 향후 연구는 광범위한 열처리가 필요 없이 바람직한 고강도 및 전기 전도도 균형을 달성하는 주조 상태 알루미늄 합금 개발에 초점을 맞춰야 합니다. 이는 제조 비용과 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
  • 주조성 최적화: 특히 Al-Ni 합금과 같은 새로운 조성을 가진 첨단 알루미늄 합금의 주조성을 최적화하여 복잡한 모터 부품 설계에 안정적으로 사용할 수 있도록 추가 탐구가 필요합니다.
  • 미세 구조-특성 관계: 주조 알루미늄 합금의 미세 구조-특성 관계에 대한 더 깊은 이해는 BEV 모터에 대한 특정 성능 요구 사항을 달성하기 위해 합금 조성 및 주조 공정을 맞춤화하는 데 중요합니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 유시안 리, 아니타 후, 윈티안 푸, 수펭 리우, 우티안 쉔, 헨리 후, 슈에유안 니에의 논문 "배터리 구동 전기 자동차의 유도 전동기 응용 분야를 위한 Al 합금 및 주조 공정: 리뷰"를 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.3390/met12020216

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Tags: Al-Si alloy; ,aluminum alloys; ,CAD; ,Casting Technique; ,Die casting; ,High pressure die casting; ,High pressure die casting (HPDC); ,Microstructure; ,Permanent mold casting; ,Sand casting; ,금형; ,자동차 산업; ,주조 기술