ローターに革命を起こす

e-モビリティ用の効率的なローターの構築は、最初の溶解液の一滴から始まります

誘導電動機の需要は拡大しています。 レアアースの不足、気候変動、モビリティの電動化、その他のトレンドがこの需要を押し上げています。 しかし、一般的な産業用誘導モーターには弱点があります。

ドイツのローター メーカー Wieland eTraction Systems は、その層流ダイカスト技術により、非同期モーターの性能を向上させています。 非同期モーターの既知の利点を維持しながら、これらのアルミニウムおよび銅ローター タイプは、効率と安全性において大きな利点をもたらします。

すべてのローターは、周囲の鋳造ケージ内に積み重ねられた、個別に打ち抜かれた複数の電磁鋼板積層体で構成されています。 このケージは通常、高圧ダイカストを使用して製造されます。 サイクル時間は 1 ～ 2 分で、このプロセスは高度に自動化できます。 しかし、鋳造の観点から見ると、ローターは非常に複雑な構造です。

積層スタックをツールに配置した後、鋳造チャンバーは溶融金属で満たされます。 ピストンが液体金属を高速で鋳造ツールに押し込みます。 アルミニウムまたは銅の溶融物は、金型に入ると急速に凝固します。 したがって、工業技術では、流速 50 m/s 以上で 0.1 秒未満の短い充填時間が必要です。

これを達成するために、業界ではポイント ゲートが使用されています。 欠点は、これらのゲートがスタック内のすべてのスロットを一度に埋めるわけではないことです。 溶融物はまずゲートのスロットを直接流れ、次に反対側のリングに流れ込み、最後にいわゆるバックフィルによって残りのスロットを後方から充填します。 その結果、空気、プロセスガス、油や酸化物で汚染されたメルトフロントが逃げることができなくなります。

液体から固体への転移中に、凝固収縮と呼ばれる体積の減少が起こります。 この収縮を補うために、金型が最大容量まで充填された後でも、ピストンは押し続けます。 閉じ込められたガスと収縮の組み合わせにより、高い総気孔率が得られます。 ダイカストローターは最大 10% の気孔率を実現し、公差 5% を大きく上回ります。

一つ一つの細孔が導電面積を減少させ、不均衡を引き起こし、ローターの機械的特性に悪影響を及ぼします。 細孔がスロットから終端リングへの移行部の中心にある場合、高い電流密度と遠心力による最大の機械的応力が予想されます。

これらの潜在的な問題点を軽減するために、多くの鋳造工場では形状を制限し、スロットの数、長さ、幅を減らしています。 機械加工や溶接などの代替製造プロセスにも同様の制限があります。 これは、非同期モーター技術の可能性が長い間十分に活用されていないことを意味します。

Wieland eTraction Systems が開発した層流圧搾鋳造プロセスは、気孔率がゼロのローター、いわゆるゼロ気孔率ローター (ZPR) を鋳造するように設計されています。 特許取得済みのゲート システムは、すべてのスロットと新しい形状の同時充填を保証します。 従来の乱流充填とは対照的に、充填プロセスは上昇し層流になります。 労働要件は従来の鋳造とわずかに異なるため、コスト効率の高い生産が可能になります。

流量が低いと、鋳造材料がゲート内で液体のままになる時間が長くなるため、再供給が容易になります。 アクティブな熱管理により、層状コアから非重要領域までの凝固の進行が制御されます。 層流スクイーズキャスティングプロセスではすべてのスロットが同時に充填されるため、汚染されたメルトフロントがオーバーフローに向けられます。

層流圧搾鋳造プロセスにより、導電率が通常 3 ～ 5% 増加し、特有のトルク変動が大幅に低減され、発生する騒音が最小限に抑えられます。

アーヘン大学の金属成形研究所は、コンピューター断層撮影法を使用してさまざまな細孔構造をスキャンしました。 さらに、極限における材料の機械的挙動もシミュレーションされました。 結果は、気孔のないローターを使用すると、約 12.5% の速度向上が技術的に可能であることを示しています。 実際のバースト テストにより、この動作が確認されました。

孔径に加えて、スロットの形状もローターの強度に影響を与える重要な要素です。 層流圧搾鋳造は、複雑なスロット形状を可能にすることによっても利点をもたらします。 積層コアへの結合を強化する放射状のアンダーカットを備えた溝形状は、すでに鋳造に成功しています。 これに関連して、銅スロットの遠心力に最適に適応する、機械的強度の高い電磁鋼板積層板が使用されます。

80 m/s を超える周速度では、これらの高速を可能にするために、追加のプロセス ステップでカーボンファイバー スリーブやブロンズ キャップなどの補強材をシェーディング リングに適用することも一般的です。 層流圧搾鋳造では、均一で一貫した充填が行われるため、このステップを鋳造プロセスに直接組み込むことができます。 この特許取得済みのプロセスで鋳造されたローターは、破裂する前に最大 200 m/s の速度を達成しました。

Peter Szilágyi は、ウィーランド eトラクション システム。