구리 모터 로터의 개발에 있어서 기술적 고려 사항과 구리 로터 모터의 실험 결과 D T Peters 박사 J G Cowie 박사 구리 개발 협회, 뉴욕, 미국 E F Brush, Jr. 박사 BBF 협회, 메사추세츠, 미국 D J Van Son 밴슨 건설팅, 아리조나, 미국 S P Midson Formcast Development, Inc., 콜로라도, 미국 J L Kirtley, Jr. 교수 MIT 공과 대학, 메사추세츠, 미국 번역: 유 한종 / 국제구리협회 1. 개요 구리의 전기적 전도성은 알루미늄보다 약 60%정도가 높기 때문에, 로터에서의 I 2 R (전력) 손실은 모터 케이지의 구조에서 도체 부분을 구리로 대체한다면 궁극적으로 그 손실이 줄어들 수 밖에 없다. 몇몇의 제조업체에서 채택한 구리 합금의 로터를 갖고 있는 일부 모터 모델을 보면, 전체적인 손실은 약 15~20% 정도 감소한다는 것을 실증해 주고 있다. 현재까지 알루미늄은 거의 모든 모터에서 사용되고 있다. 또한 대형 모터에서는 복잡하게 얽힌 케이지 구조 때문에 로터의 적층성형을 통해 고압 다이캐스팅을 쓰는 기술이 행해 져 왔다. 약 250 마력, 또는 200KW 이상의 대형 모터나 또는 일부 작지만 특수한 목적으로 사용되는 모터에서는 구리가 포함된 로터가 사용되고 있는데, 지금까지는 낮은 기술력과 저가 공정 기술을 사용했기 때문에 매년 판매되는 수백만 개의 모터의 생산에는 경제적이지 못한 것이 사실이다. 반면에 구리를 다이캐스팅하기 위해서는 신속하고 원가 효율적인 제조 방법이 필요하지만, 공정 자체가 아직 현실적이지 못하다고 할 수 있다. 이는 성형된 금형 자체가 구리의 고온 용융점으로 인하여 수명이 짧기 때문이다. 1
이번 연구개발의 다양한 시사점에 대해서 본 논문은 주안점을 두고 있다. 그 첫 번째 대상은 구리 로터의 작업성과 고압의 구리 다이캐스팅에 있어서 수명의 문제에 대한 고려 사항이다. 이 문제는 몇몇의 고온에서 견디는 금형 재질을 조사하고, 금형의 수명을 최대화하는 최적의 상태를 연구하는 것이다. 금형 재질의 연구에서 중요한 사항들은 이 논문에서 개요와 방향을 제시할 것이고, 조금 더 복잡한 사항들은 [1] 또는 [2] 에서 언급될 것이다. 비록 모터의 테스트 결과는 구리 로터의 다이캐스팅이 고품질이라고 할 수 있지만 이후의 자세한 조사 결과, 끝부분의 잘라 낸 링의 모습에서는 일부 큰 구멍들을 갖고 있었다. 이러한 기공 현상은 고압의 다이캐스팅에서는 흔한 문제점이라고 할 수 있다. 이 현상은 관련 연구를 가속화시켜서 성형 프로파일(성형 Profile)의 모델링을 연구하고 예측된 모델의 실증적 검토를 함으로써, 큰 기공의 발생을 최소화할 수 있었다. 또한 이미 구리 로터는 몇몇의 주요 모터 생산 업체에서 자체적인 설비로써 동력 값을 측정하는 등의 검토가 진행되어 왔다. 두 번째 대상은, 본 논문에서 이 수치들을 제공함으로써 구리 다이캐스팅 로터를 사용한 모터의 성능, 그리고 동일한 모터를 이용하여 알루미늄 로터를 채택한 경우의 성능을 비교 검토하여 보는 것이다. 또한 구리 로터로 만들어 진 모터의 문헌상의 각종 데이터들도 요약해 보았다. 마지막으로 본 논문이 쓰여 질 시간에도 지속적으로 진행되고 있는 사항이지만 로터 막대형 전도선의 주파수 반응 모델링이다. 이것은 로터에서의 슬롯(SLOT, 홈) 형태를 설계하는데 기본 설계 안으로 쓰일 수 있으며, 구리의 손실을 최소화하고 초기 기동 능력을 증가시키는데 사용하도록 하는 긍정적인 결과를 나타낸다. 제공되는 일부 초기의 로터 설계의 비교 검토 결과는 슬롯 설계의 중요성과 그의 접근 방법에 대한 유용한 자료로 사용될 수 있을 것이다. 2. 로터에서의 구리의 중요성 여러 유도 전동기에 쓰이는 로터에 구리를 사용하는 것은 전동기 기술에 있어서 상당히 앞서서 진행이 되어 왔다. 이 기술은 현재 실용 가능하고 최근 수년간 전동기 효율을 높이기 위해 적용한 방법 중에 가장 적은 비용 증가를 야기한다는 이유 때문이다. 전동기의 손실을 점진적으로 낮추어야 한다는 업계의 현실에 직면하고 있는 반면, 시간이 갈수록 손실을 감소시키는 폭이 비용 증가의 그것보다 점점 작아 지고 있다는 것에 주목해야 한다. 통상 제공되는 15 마력(11KW), 1800 RPM 의 표기 효율은 약 89.5% 정도이다. 이것은 1997 년에 제정된 에너지 정책 규정인 91%보다 아직도 낮은 수치이다. 본 논문의 실험 결과에서 보여 주듯이 구리 로터 전동기는 94%에서 96%정도의 효율을 갖고 있으며, 이는 Premium 전동기의 요구 효율인 통상 93%를 상회하는 결과이다. 현재 비용 증가를 최소화하면서 고효율을 달성하기 위하여 재질적으로 또는 기술적으로 몇 가지 선택 사항이 있는데, 이는 비결정질 철합금 적층성형(Amorphous Iron Alloy Laminations)을 사용하거나 고전도 권선 제품을 사용하는 것이다. 에너지 효율이라는 목적만을 위한 것이 아니라 동작 온도를 낮추고, 전동기의 수명을 늘리며, 수선 유지비의 절감 또한 전동기와 그의 시스템에 매우 중요한 경제적인 요인이 된다. 전동기 제조 업체들의 여러 분석에 의하면 구리 로터의 채택은 동일 효율 제품에서 전반적인 전동기 제작의 제조 원가를 낮추고 전동기의 무게를 줄일 수 있다는 것이 증명되고 있다. 물론 이는 설계자가 설계 시 어느 곳에 설계의 주안점을 두었느냐에 따라서 달라질 수 있다. 구리 로터를 사용함으로써 에너지를 절감할 수 있다는 것은 물론 당연한 귀결이다. 미국 에너지성에 의하면 1/6 마력 이상의 전동기가 미국 내 총 발전량의 60%정도를 소모하고 있으며, 1~125 마력의 중 2
소형 급의 전동기군이 구리 로터로 대체될 수 있는 가장 유력한 제품군이며, 이 제품군에서 전체 전동기 전력 사용량의 60%를 소모하고 있다는 것이다. [3] 미국 독자적으로만 보면 1%의 미국 내 전동기 효율의 증가는 약 200 억 KW-hr 를 절약할 수 있고, 이는 KW-Hr 를 약 800 원으로 환산할 때 한화 14 억원의 순수 이익을 가져올 수 있으며, 이는 연간 3 백 50 만 배럴의 기름 사용량을 줄일 수 있다는 어마어마한 결과를 가져 온다는 결론이다. 3. 금형 재질에 대한 연구 비록 전동기의 제조업체들이 오랜 시간 동안 전기동을 로터에 사용하는 것에 대한 중요성을 인지하고 있었지만, 다이캐스팅 업체의 열악한 제조 기술은 구리 로터의 실용화에서는 넘기 힘든 장벽이 되어 왔다. 1083 도의 높은 용융점은 제조 시 사용되는 각종 금속 공구와 장비들을 빠른 시간 내에 수명을 다하게 한다. 주된 불량의 원인이 되는 과정은 금형 제조업체들이 이야기하는 Heat Checking (열충격) 이지만, 이 뿐만 아니라 탈탄소 과정과 고온 표면 온도에서의 금속의 유연화 과정들도 또한 주요 불량을 야기시키는 과정이다 [4]. Heat checking 은 온도 피로 현상의 하나인데, 이는 녹여 진 금속과 제한된 영역에 있는 표면이 닿는 부위의 금형 표면 층의 연속되는 단기간의 주기적 팽창에 의해 야기된다. 이 주기적인 확장은 금형내부의 저온 부분에 의해 발생하게 된다. 각 주기에서 금형체보다도 낮은 외부의 냉각 상태는 표면을 고장력 상태가 되게끔 만들고, 이는 금형 재질의 탄성 항복점을 넘게 되는 것이다. 이러한 표면과 내부의 서로 다른 팽창과 수축은 순 구리와 같은 고온에서 녹여야 하는 재질들의 다이캐스팅에서 큰 골칫거리가 되어 왔다. 당연히 금형의 수명의 증가는 구리 로터를 현실화시키는데 선결되어야 하는 과제였다. 이것은 본 과제의 중요한 목표 중의 하나가 고온에서 잘 견디는 금형 재질을 찾아내는 것이라는 것을 의미한다. 온도 피로 불량 진행 과정을 고려해 보면, 표면과 내부의 온도의 차이 (ΔT)와 큰 변형량은 금형과 삽입물 전체의 온도를 높임으로써 최소화할 수 있었다. 1975 년 Herman et al [5]과 1951 년 Doehler [6]는 같은 제안을 하고 있다. 두 번째 개발의 목적은 금형의 수명을 늘리기 위한 방법인 고온유지에 있어서, 다이인서트를 가열하고 단열하기 위한 실용적인 시스템을 고안하고 실현해 보이는 것이다. 3.1 컴퓨터를 이용한 금형 온도 프로파일의 모델링 3 차원의 금형 온도 프로파일에 대한 사전 실습 과정은 다이캐스팅 프로그램을 수행하기 전에 실시되었다. 앞서 언급된 Heat checking 불량에 대한 고려를 하여 어떻게 하면 그의 영향을 최소화 또는 방지할 수 있는지를 고려하여 그 결과를 얻어 내었다. 몰리브덴이나 텅스텐 성분의 다이인서트와 예열 그리고 금형을 섭씨 55 도 또는 약간 그 이상에서 동작시킬 경우 표면상의 주기적 팽창의 정도가 플라스틱의 그것보다 오히려 약간 낮게 나오는 결과를 보였다. 니켈 성분의 합금은 온도의 전도성이 낮기 때문에 최소 동작 온도는 섭씨 625 도 정도로 추정된다. 3.2 시험 금형, 구리의 용융과 금형의 가열 시험 금형은 6 종류의 별도의 인서트를 갖도록 설계하였다. 일련의 재질을 수천 번의 성형으로서 검증한다는 것은 어마어마한 고비용의 적층성형 스템핑을 소비해 버린다는 것에 대해서 비실용적일 수도 있다. 시험 금형은 25 마력(11KW)의 단일게이트 구조를 로터 금형으로 시뮬레이션하였다. 금형의 세트는 660-Tonne 의 Real-Time 성형으로서 Fitting 되었으며, 미국 덴버시의 Fromcast Development 사의 Buhler 다이캐스팅 장비로 제어하였다. 공기 중에서 산소와 수소를 빼내는 것을 제어하기 위해서 잘게 잘라진 구리선 막대형 전도선 (구리 합금 C10100)를 다이캐스팅의 성형 사이클 시에 적합한 시간에 유도 용해시켰다. 용융된 구리 표면에는 커버를 씌우지 않았다. 2 분 간격으로 8 파운드의 구리를 용해시켰는데 3
두 개의 유도 보일러를 번갈아 사용하였고, 60Kw 전원 공급 장치를 연결하여 사용하였다. 구리의 용해된 온도는 성형 슬리브에 부어 넣을 때, 약 섭씨 1220 도였다. 금형의 온도 연구에서 필요했던 것처럼 고온의 다이인서트 온도를 얻기 위해서, 실제 제작해서 사용한 전기저항식 가열기와 다이인서트 절연체의 배열과 구조를 그림 1 에서 간단히 예시하였다. 이 구조는 금형 재질의 평가를 위한 계속되는 연구과정 속에서 수정과 보완을 거듭하게 되었다. 그림. 1 금형 재질의 테스트 과정에서의 전기저항식 가열기와 인서트 단열을 위한 구조의 예시 3.3 금형 재질의 테스트 일반적인 알루미늄 로터를 사용하기 위한 다이인서트인 H-13 가공금속을 금형의 기본적인 비교 검토의 자료와 대상으로 삼기 위해서 사용하였다. 예상했던 대로 H-13 은 약 20 회 정도의 구리 용융 성형 후에는 명백한 Heat Checking (열충격) 현상이 나타났다. 더욱 심각한 부분 균열 현상이 이후 몇 번의 성형 후에 계속 발생하였다. 계속적으로 몇몇의 고온 재질에 대해서도 테스트를 수행해 보았다. 여러 재질 중 중요한 2 가지 재질에 대해서 동시에 검증을 실시하였는데, 그 하나는 몰리브덴 합금 TZM 이고 또 하나는 텅스텐 합금인 Anviloy 이었다. 첫 시험 과정에는 예열을 실시할 수 있는 구조에서 처음 가열된 온도는 약 섭씨 450 도였고, 이것은 온도 분석에서 결정된 최소 온도 보다 약 100 도가 낮은 상태였다. 가열기에서의 문제점은 동작 온도가 약 초기 500 회의 성형 과정에서 어느 정도 낮아졌다는 것이다. 이 문제점에도 불구하고 두 가지 모두의 합금 재질에서 Heat Checking 현상이 두드러지지 않았다는 것이다. 일부 작은 균열이 예각 부위에서 보였고 이젝터 핀 홀에 방사형의 균열이 있는 것이 관찰되었는데, H- 13 과 열 팽창도가 다르기 때문에 발생한 것으로 보였다. 두 번째 시험 과정은 총 940 회의 성형을 하는 과정이었고 모든 가열기를 동작시켰다. 이때 추가의 이젝터 핀 홀의 균열이 검출되었지만, 이 내열합금의 다이인서트가 이번의 가혹한 테스트에서 성형의 횟수를 증가시킬 수 있는 적당한 재질임을 확인할 수 있었다. 그러나 TZM 합금은 구리 캐스팅 온도에서 심각한 산화성을 보여 주었고, 따라서 적절한 외피 보호 작업 없이는 적당한 물질이라고 보기 힘들었다. 또한 몇 가지의 니켈합금도 테스트하였다. 이 합금은 일반적으로 고온에서의 내열성과 항 산화성에 우수하다고 알려 져 있기 때문이다. 시험 금형에서는 동시에 세가지 합금이 사용되었는데 한 합금당 2 개의 인서트를 사용하였다. 이 세가지 합금은 매우 다른 형태를 갖고 있었는데 Solid Solution 강화 INCONEL 합금 617, Gamma Prime 강화 INCONEL 합금 718, 그리고 Mechanically Alloyed Dispersion 강화 INCONEL 합금 754 이다. 첫 번째 과정에서는 비교적 낮은 350 도의 동작 온도에서 617 합금이 250 회의 성형에서도 약간의 잔금만 생길 뿐 최고의 결과치를 나타내었다. 두 번째 시험 과정에서는 다른 solid solution 강화 합금을 테스트하기 위함이었는데, INCONEL 합금 625 와 601 을 617 합금과 같이 4
사용하는 것이었다. 첫 번째 일련의 성형 과정 이후에 지속되는 가열로서 예열 온도를 충분이 높일 수 있었고 동작 온도를 약 540 도까지 올릴 수 있었다. 이후 계속적인 조정 작업으로 인하여 동작 온도를 625 도에서 640 도까지 올릴 수 있었다. 이 경우에서 마지막 330 회의 성형은 고온에서 이루어졌다고 할 수 있으며 추가의 품질 악화 현상은 발생하지 않았다. 3.4 금형 재질 테스트에서의 결론 이 시점에서 더욱 심화된 테스트가 진행되어야 할 것으로 보인다. 그러나 INCONEL 합금 617 과 625 가 600 도와 650 도 사이에서 동작했다는 결과는 구리 모터 로터를 개발하는데 있어서 매우 고무적인 결과라고 할 수 있다. 비록 여기에서 진행하지 않았지만 Haynes 합금 230 은 또한 매우 가능성 높은 금형 재질 중의 하나라고 할 수 있다. 이 합금은 617 합금보다도 약간 더 높은 강도와 연성을 가지며 용접 수선의 장점을 가지고 있다. 합금 230 은 현재 실용 중인 초기의 구리 로터의 금형 재질로서 사용되기도 하였다. 여기에서 중요한 점은 예열 과정의 실효 가능성을 검토하는 것이 금형의 수명을 늘리기 위한 필수적인 요인이라는 것이다. 높은 온도에서의 금형은 표면과 내부의 온도차이 (ΔT)를 줄여 주며, 그 결과 주기적인 팽창과 수축을 줄여 주게 된다. 또한 이 결과 온도 피로를 줄여 줌으로써 Heat Checking 현상을 감소시킬 수 있고, 더욱이 심각한 균열 현상을 막을 수 있다는 것이다. 섭씨 650 도 이상의 예열은 실효성이 없다는 결과가 나왔으며, 오히려 이 이상의 온도는 냉각 시간을 길게 함으로써 생산성을 떨어뜨리는 역효과를 나타내었다. 구리 다이캐스팅은 만족할 만한 수준의 구조를 갖고 있음이 확인되었고 오직 작은 오목부가 분산되어 있는 것이 발견되었는데, 이는 수축의 구멍에 의해 야기된다고 할 수 있다. 화학적인 분석은 철과 니켈 그리고 산화성이 최소화될 수 있음을 보여 주고 있다. 이 캐스팅의 전기적 전도성은 IACS 의 98% 이상을 보여 주고 있고, 또한 실제적인 가열과 단열에 대한 설계가 많이 진척되었다. 4. 구리 로터의 다이캐스팅과 성능의 테스트 4.1 다이캐스팅과 용융에 대한 실험 구리 로터는 최소한 4 개사 이상에서 자체의 장비를 이용해서 캐스팅하였다. 이 로터는 재질 연구에서 사용된 Formcast 사의 같은 장비를 이용하였으며 H-13 다이인서트가 사용되었는데, 이는 테스트를 하기 위해서는 많은 로터가 필요하지는 않았기 때문이다. 이 다이인서트는 통상 로터의 다이캐스팅에 많이 쓰이는 삼단금형 조립체에 적재되었다. 역시 잘게 잘라 진 구리 선이 성형 시마다 유도 용융제로 쓰였으며, 이는 커다란 보일러를 사용해야 하는 불편함을 없애고 시간이 지남에 따라서 녹여 진 구리 속의 산소와 수소를 제어하는 내포된 문제를 없애기 위해서이다. 가장 큰 로터의 캐스트는 매 성형 시마다 약 18Kg 의 용융 구리가 필요 했다. 장비 형편상 60Kw 의 전원 공급기를 사용하게 되었는데, 이에 따라 용융 시간은 약 13 분 정도였다. 이것은 탈 산소 과정에서 요구되는 시간과 함께 통상 같은 크기의 알루미늄 로터 생산에서 사용되는 2 분 정도를 합한 기계 주기 시간보다 긴 시간이다. 작은 로터일수록 작은 주기 내에서 캐스트 하였다. 구리는 섭씨 1230 도까지 가열되었으며, 150 도 정도의 과열 상태를 만들었다. 과열 상태를 유지하기 위해서 가열된 성형슬리브는 단열보온 재질로 감쌌다. 성형슬리브는 부어 지는 부분에 교체 가능한 인서트를 갖도록 하였고, 가열은 개스토치에 의한 예열과 슬리브를 감싸고 있는 전기저항식의 가열기를 사용하였다. 성형슬리브는 각 로터의 크기 별로 별도로 제작하였으며, 이것은 공기가 속에 갇히거나 캐스팅 내의 기공 현상을 최소화하는데 필수적인 사항이다. 5
4.2 다이캐스팅 과정의 변수들 다이캐스팅 기계의 Real-Time 성형제어의 각종 기능들은 구리 캐스팅의 품질과 모터 테스트에서 로터의 성능에 영향을 미치는 일련의 다이캐스팅 변수들에 대해서 연구할 기회를 제공하였다. 사용되는 기계에서 RAM 속도가 몇 종류의 위치로 셋팅이 가능하고, 마지막의 고밀화를 위한 압력, 시간 등이 조정 가능하였다. 또한 이 기계는 다이클로져, 성형슬리브 속도, 압력 등이 별개로 제어 가능한데, 이것은 좀 더 정확하게 성형의 기계 셋팅 상태를 반복할 수 있게 한다. 이러한 여러 변수를 가질 수 있는 기능은 세밀한 구리 다이캐스팅 과정을 기계의 동작에 있어서 여러 파라메터들을 시도할 수 있게 한다. [1],[2]. 막대형 전도선들이 적층성형 철들에 용접되어 버리던지 아니면 철의 성질로 인해서 열처리 과정에서 손상이 되던지 하는 것에 대한 우려가 있었다. 적층성형 용접 현상은 전체 모터 손실 중에 자기장 손실을 증가시키게 된다. 기계로부터의 이젝션 과정에서 로터의 반을 물에 넣어 식히는데 빠른 냉각은 철에서부터 구리를 수축시켜서 철의 고온 어닐링(풀림) 현상을 최소화할 수 있다는 이론에 근거해서이다. 나머지 반은 공기 중에서 냉각시켰다. 4.3 모터 성능 테스트 결과 총 140 개의 로터를 4 곳의 다른 공장에서 각각의 실험 장비를 이용해 생산하였다. 3 곳의 공장은 IEEE 규격 112 실험 방법 B 에 따르는 다이나노메터 효율 테스트를 사용하였고, 나머지 한곳은 IEC 34-2 의 테스트 방법을 사용하였다. 위의 IEEE 112 규격은 NEMA (National Electrical Manufacturers Association)과 EPAct (Energy Policy Act) 1992 에서 요구되는 사항이다. IEC 의 방법은 일정 비율의 고정된 표류부하손을 가정하는 방법이다. IEEE 의 방법은 실제 인가되는 전력과 발생되는 전력의 비율로 계산되는 효율이며, 에너지 손실을 아래의 다섯 가지로 분리한다. 철의 코아 손실 적층성형구조의 자기장 손실과 인덕턴스 그리고 역전류에 의해서 발생하는 손실 고정자 저항 권선에서의 전류 손실 로터 저항 로터 막대형 전도선과 끝단 링의 전류 손실 공기압과 마찰 - 베어링 내의 기계적인 마찰과 냉각 팬의 손실 표류부하손실 고정자와 로터 사이의 공기 간격으로 생기는 자기장의 전달 손실 위의 처음 네 개의 손실은 직접 특정하며 마지막은 표류부하 범주에 속한다. 아래 설명이 되겠지만 표류 부하 손실은 구리 로터의 사용에 의해 감소하고, 따라서 일반적으로 가정해서 고정된 값을 고려하는 것보다는 이 손실을 측정 결정하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 알루미늄 로터와의 비교에서 확실하고 정확한 관련 값을 얻기 위해서는 모든 사용되는 모터에 단일 권선 고정자를 사용하였다. 참가하는 모터의 제조업체에 대한 정보는 공개하지 않기로 하였으며, 각 테스트 결과는 공개하기로 하고 업체 별로의 별도의 특이사항은 없었다. 4.3.1 15 마력 (11.2 kw) 모터 테스트 결과 4.3.1.1 로터 테스트 첫 번째 로터는 15 마력 (11.2Kw)의 직경 5.7 인치 (144.8mm) 그리고 6 인치 높이 (152mm)를 갖는 14 lbs (6.4Kg)의 구리가 도체 막대형 전도선 부분과 끝단 링 부분에 사용된 로터였다. 여기서 중요한 것은 사용된 적층성형구조는 알루미늄을 위해서 설계되었다는 것이다. 즉 슬롯 설계는 구리를 위해서 최적화되지는 않았다는 것을 의미한다. 6
Buhler 수평형 다이캐스팅 기계가 사용되었고, 성형 RAM 속도와 시간 프로파일 그리고 마지막 압력이 조절될 수 있는 Real-time 성형제어 기능을 갖추고 있는 장비이다. 성형 프로파일 프로세스가 실질적으로 캐스팅의 품질과 모터의 성능에 영향을 미치는가를 보기 위해 세 종류의 다른 사출 압력과 두 가지의 RAM 속도를 사용하여 캐스팅하였다. [표 1] 15 마력 모터의 IEEE 의 각 손실 측정 결과치. 알루미늄(W) 구리(W) ΔW % 고정자 손실 507 507 0 0 철 코아 손실 286 286 0 0 로터 저항 261 261-104 -40 공기압과 마찰 115 115-43 -37 표류부하 손실 137 137-32 -23 합계 1306 1306-179 -14 일곱 개의 로터가 이 프로세스 변수를 달리하며 테스트되었고, 일반적인 알루미늄 모터의 많은 데이터베이스의 평균값과 비교 검토되었다. 같은 일반 고정자 가 일곱 번 사용되었으므로 테스트의 결과치는 502W 에서 522W 의 범위에서 분포하였다. 이것은 +/- 2%정도의 오차 범위가 모든 실험치 내에서 존재한다는 것을 의미한다. 결과적으로 고정자 저항과 철 코아 자기장 손실은 평균치를 계산하였고, 알루미늄이든지 구리든지 상관없이 일정한 값을 나타낸다고 할 수 있다. 이유는 두 종류의 손실은 로터의 재질에 큰 영향을 받지 않기 때문이다. 4.3.1.2 테스트 결과 위의 표 1 에서 보여 진 테스트의 결과는 확실하게 모든 프로세스 변수에 준하여 일정한 값을 나타내고 있다. 얻어진 효율의 값은 궁극적으로 90.7%정도를 나타내었고, 편차는 +/- 0.1%정도를 나타내었다. 로터의 손실은 평균 157W 정도였는데, 변이의 폭은 153W 에서 167W 이었다. 약 7 번의 테스트에서는 압력이나 스트로크 또는 냉각 등의 프로세스 변수에 의한 상관된 패턴은 찾아낼 수 없었다. 공통된 의견으로는 프로세스는 상당히 안정적이고, 프로세스의 변수는 테스트를 시행한 영역 내에서는 마지막의 성능 테스트와 관련한 예측 가능한 연관성이 없다고 볼 수 있었다. 비록 후단의 공정에서 냉각의 방법이 결과에 영향을 끼치지는 않았다고 할 수 있으나, 수냉식의 냉각 방법이 취급 시간을 줄일 수 있었는데 공냉 시간 20 분에 비해서 약 1 분만에 끝낼 수 있었다. 이것은 생산 공정에서 상당히 유효한 결과였다. 테스트 결과에서 주목할 만하고 일관적으로 도출된 사항은 캐스팅 프로세스가 가장 확실한 실용성을 갖고 있다는 것이다. 결과의 변이 값은 테스트 측정 오차 내에 존재하였으며 변수간의 특정 패턴이 발생하지 않았다. 알루미늄 로터의 전형적인 측정치와 비교 검토하여 볼 때, 구리 로터의 측정 값은 매우 일관적 이어서 데이터의 변이 폭들이 그렇게 큰 의미가 있지는 않다고 할 수 있었다. 표 1 에서는 IEEE 테스트 결과치를 보여 주고 있다. 이는 7 개의 로터의 평균값이다. 로터의 재질 변경에서 볼 때 로터 저항 값이 가장 의미 있고 중요한 사항인데, 측정된 손실 값에서 약 40%의 감소 효과를 나타내었다. 이것은 로터의 재질에 의한 전도성을 기준으로 계산한 최대값의 80% 수준까지 다다른 결과였다. 이것은 실제 첫 모터를 제작해서 시도한 결과로서는 매우 만족할 만한 수치라고 할 수 있었고, 또한 향후 로터의 슬롯 설계를 변경하면 많이 향상 될 수 있는 여지를 안고 있다고 할 수 있다 공기압과 마찰손실은 회전을 방해하는 기계적 손실이다. 이것은 로터의 재질에는 크게 연관이 없어 보이나 이번 테스트에서는 관련이 있다고 결과를 나타내었다. 구리 로터 캐스트는 무게 균형을 위한 돌출부위를 제외하고는 부드러운 끝단 링을 가지고 있었다. 구리 로터는 끝단 링에 냉각용 방열판이 필요 7
없이 로터의 열과 내부의 공기를 순환시킬 수 있었고, 더욱이 고정자 권선의 열나는 부위를 냉각시킬 수 있었다. 또한 낮은 저항성질로 인하여 방열시켜야 하는 열이 적게 발생한다는 이점도 있었다. 이러한 방열판 없는 로터가 중심축에 의해 공기 순환 팬에 연결되어 고정자 냉각에 사용되었다. 이러한 팬의 크기 또한 방열시켜야 하는 열의 양이 적으므로 적당한 작은 크기로 제작이 가능할 것이다. 결과적으로 방열판 구조를 갖고 있는 알루미늄 로터와 비교할 때, 총 공기압의 손실이 115W 에서 37% 감소한 72W 로 떨어지는 결과를 가져 왔다. 이때 베어링에 의한 마찰 손실은 같다고 가정하였다. 즉, 구리 로터에서 사용되는 냉각 시스템은 내무 팬의 효율적인 크기 조정에 의해 공기압 손실을 줄일 수 있었고, 끝단 링의 구리 방열판을 없앨 수 있음으로 인하여 구리 사용량 자체를 줄일 수 있었다. 표류부하손실은 자기장의 전달 효율에 관련한 누적되는 손실인데, 고정되어 있는 고정자와 회전하는 로터 사이에 존재하는 공기층에 의해 발생한다. 이것은 공기층의 일정한 균일도와 로터의 균형도에 의해 영향을 받지만 전기적인 부품 등에 의해서도 자기장의 효율이 영향을 받는다. 로터의 막대형 전도선의 균일성은 적당한 자기장 유도에 있어서 매우 중요한 요인이 된다. 막대형 전도선에 포함된 구멍 또는 기공이나 비철 성분들은 이곳에서 다른 막대형 전도선으로의 Wire Gauge 를 변화시키게 된다. 로터 단면의 변화와 저항값들은 공기층 사이의 자기장에 변화를 주게 된다. 이것은 고정자와 로터 사이의 자기장의 밀도를 일정하게 유지하지 못하게 함으로써 표류부하손실을 증가시키고, 따라서 전반적인 효율을 절감시킨다. 7 개의 구리 로터는 표류부하손실을 일정하게 137W 에서 105W 로 약 23% 절감시키는 결과를 가져 왔다. 물론 알루미늄 로터에서도 좀더 정밀하고 일정한 캐스팅 프로세스는 이러한 표류부하손실을 감소시킬 수 있다고 여겨 지지만, 이번 실험에서 고안된 구리 로터용 프로세스인 가열된 니켈 합금 캐스팅 프로세스는 일반적으로 모터 생산에서 얻어 질 수 없는 균일성을 가짐으로 전반적인 모터의 효율의 증가를 얻을 수 있었다는 것이 명백하다. 로터의 재질을 구리로 바꾸면 재질과 직접 연관된 손실에서 전반적으로 58% 이상의 손실을 줄이는 결과를 가져 왔고, 24%의 기계적 손실 감소와 18%의 표류부하손실의 감소 현상을 나타내었다. 이 모든 것이 복합적으로 이루어져서 총 손실을 179W, 약 14%의 손실의 감소를 가져 왔다. 이 결과는 재질과 프로세스 모두의 효율을 올려 주고 있다. 또한 구리 로터는 일반적으로 로터 막대형 전도선의 비 균일성을 보완하기 위해서 사용이 되는 무게 균형 보정부를 필요로 하지 않는다. 4.3.1.3 성능 측정 손실의 측정과 더불어 성능의 측정은 다음과 같이 항목을 정하였다. 즉 대기 중의 온도를 넘어서는 온도의 상승, 총 부하 속도 그리고 전력 요인이다. [표 2] 15 마력 (11.2Kw)모터의 특징 알루미늄(W) 구리(W) 차이 %변화 효율 89.5 90.7-1.2 +1.4 온도상승 ( ) 64.0 59.5-4.5-7.0 총 부하 RPM 1760 1775 +15 +0.85 슬립(SLIP), % 2.22 1.37-0.85-38 전력요인, % 81.5 79.0-2.5-3 위의 항목들은 일반적인 알루미늄 로터 모터와는 다른 특징을 나타내었다. 전반적인 효율에서는 모터의 표기상의 효율보다 1.2%의 상승 효과를 명백하게 나타내고 있었다. 위에서 언급 한대로 가능한 한 모든 8
것을 동원하여 손실을 줄여서 모터의 효율을 높이기 위한 과거 20 년간의 노력에 견줄 만한 큰 성과라고 할 수 있다. 온도의 상승은 모터의 예상 수명과 밀접한 관계를 갖고 있는 사항이다. 가장 중요하다고 생각되는 것 중에 하나인 모터 수명과 온도와의 연관성 이론은 매 섭씨 10 도의 동작 온도 상승은 모터의 수명을 반으로 줄인다는 것이다. 구리 로터의 온도 상승 억제력이 약 섭씨 5 도에 해당하므로, 기대되는 모터의 수명을 50%정도 증가시킬 수 있다는 단순 계산에 이른다. 물론 이것은 설계된 용량 내에서 모터가 가동할 때를 가정한 것이다. 각종 필드테스트에서 시간을 갖고 이러한 가정을 검증해야겠지만, 이미 프리미엄 효율의 모터에서는 비슷한 결과를 나타내 주고 있다. 전력 요인은 3%의 약간의 감소를 나타내었다. 그러나 오차범위 내의 측정 값이라고 할 수 있다. 전력 요인은 일반적으로 전체 시설물의 전기소비량을 계산할 때 신경을 쓰는 요인이다. 통상 전기료에 초과 사용량에 대한 할증금을 부과하는데, 공장들이 야간 전기의 활용도를 높이게 하기 위해 야간 전력 충전시설을 갖추게 하기 위함이며, 통상 이러한 할증료 계산은 전체 공장 시설의 문제이지 각각 개별 모터의 고려 사항에서 심각한 것은 아니라는 것이다. 슬립(SLIP)은 60Hz 에서 필드 회전의 동기 RPM 과 로터와 축의 조립체의 RPM 과의 차이를 말한다. 이 차이는 부하를 회전시키는 토오크를 발생시킨다. 구리는 이 토오크를 좀더 적은 슬립(SLIP)을 통해서 또는 좀더 높게 특정된 RPM 값에서 얻어낼 수 있었다. 업계에서 이야기하는 Stiff 모터의 현상이었으며, 또한 이것은 총 부하 값 이하에서는 속도가 과하게 줄어들지 않는 현상을 보여 주었다. 이것은 여러 주파수 대역에서 서보모터 같은 빠른 속도 변화를 요구하는 제품에서는 권장할 만한 특징이라는 것을 의미한다고 할 수 있다. 그러나 이것은 또한 변화하는 토오크 즉, 팬이나 펌프와 같은 부하에서는 문제점을 갖고 있다는 것을 의미한다. 이러한 제품들은 인가되는 에너지의 Cube Law 를 따라야 하는데 그것은 속도변화의 Cube 내에서 변화하기 때문이다. 총 부하에서 속도를 1% 증가시키면 이 제품에서 사용되는 에너지는 속도의 증가로 인하여 Cube 또는 3%의 증가를 가져 오게 된다는 것이다. 그것은 좀더 많은 공기 또는 물을 이동시켜야 하고, 따라서 고효율의 모터임에도 불구하고 에너지의 사용량이 증가한다는 것이다. 이것은 과거의 표준 모터급에서 프리미엄급 모터로의 이전에서도 문제가 되었던 사항인데, 총 부하의 RPM 에서의 전류 요구량이 증가하게 되었다는 것이다. 이것은 적절한 기술력의 대응으로 해결 가능하였다. 즉 간단하게 풀리 비율을 조정해서 팬의 설계 속도 정도 수준으로 약간 늦어 지게 함으로써 해결이 가능하다는 것이다. 이번 테스트에서 사용된 알루미늄 용으로 설계된 로터 적층성형을 사용하였을 때, 토오크의 값이 떨어지게 되었다. 그러나 이 문제도 해결되었다. 구리 로터의 비교 대상이 될 모터는 역사적으로 매우 높은 토오크 값을 갖고 있으며, 이것은 NEMA 에서 규정한 최소값을 훨씬 상회하는 것이었다. 분명하게 구리 로터의 모터는 토오크 측정에서 감소하는 값을 나타내었고, 이것은 전통적으로 NEMA 의 최소 요구 수준에서부터 그 수준보다 훨씬 상회하는 모터의 범주에서 두드러지게 나왔다. 일부 이러한 값은 고 전도의 로터에서 기대되는 사항들이다. 일반적인 모터의 설계는 여러 종류의 합금을 사용하는데, 이는 다른 저항 값들로 인하여 여러 종류의 토오크 값을 갖게 된다. 높은 저항의 알루미늄들은 높은 슬립(SLIP)을 갖게 되고, 또한 높은 토오크 값을 갖게 된다. 표 3 에서 보듯이 이 구리 로터들은 고 전도성을 갖고 있고 낮은 슬립(SLIP)을 갖고 있음으로 동일한 토오크 값을 갖지는 않는다. 고정 로터 토오크는 매우 Static 한 측정값이며, 구리 로터 값은 일반적인 모터의 기대치와 근접한 측정값을 나타내었다. 다이나믹한 성능이라고 할 수 있는 부하를 연결한 상태에서의 기동 토오크 값은 매우 유념할 만하다. 약 1/3 이상이 줄었기 때문이다. 이것은 높은 부하 지연을 야기하게 된다. 정지 9
토오크 (동작중인 모터를 정지하게 하는 부하) 값도 약 17%이상 줄었다. 그러나 이것도 역시 NEMA 규정에는 어긋나지 않고 데이터베이스상의 아주 높은 값을 가진 제품에서만 감소하는 결과를 보였다. [표 3] 측정된 토오크 값 (lb-ft) -15 Hp (11.2 kw) 모터 알루미늄 구리 차이 % 기동 토오크 58.2 37.0-21.2-36 정지 토오크 152.0 125.9-26.1-17 고정 로터 토오크 69.0 65.0-4.0-6 향후, 설계 조정으로 구리 로터 막대형 전도선의 단면의 모양을 변화시킴으로써 이 토오크의 값들을 증가시킬 수 있으리라고 생각한다. 물론 단면적을 증가시키는 것은 원가의 증가를 가져오는 요인이므로 유념해야 한다고 할 수 있다. 4.1.3.4 효율, 재질과 프로세스의 경제성 이 테스트의 결과는 경제성 분석의 모든 데이터를 제공하지는 않는다. 그러나 몇몇의 중요한 사항들은 보여 주고 있다. 총 179w 의 손실 감소는 연간 1600KWh 의 에너지 사용을 줄여 주고, 또한 15 마력의 모터를 가동할 때 일반적인 전기료 계산에서 년간 12 만원이상의 지출 감소 효과를 가져 온다. 이것을 통상 모터의 수명인 10 년을 기준으로 계산하면 120 만원이상의 지출 감소 효과를 가져 오고, 또한 동작 온도 상승이 낮기 때문에 수명이 10 년 그 이상이 된다는 사실은 비용감소의 효과가 더욱 크다고 할 수 있다. 더군다나 최적화된 구리 로터의 설계로 인하여 6 인치 (152.4mm)의 로터 적층성형 구조를 갖는 다는 것은 일반적인 EPAct 의 Open Drip Proof 모터의 알루미늄 로터의 길이가 6.5 인치 (165.1mm)라는 것에 비교할 수 있고, 냉각 팬을 포함한 전체의 길이가 7.5 인치 (190.5mm)에 해당한다는 것에 비교 견줄 만하다. 이것은 0.5 에서 1.5 인치 (12.7 에서 38.1mm)정도의 로터와 고정자에 쓰이는 금속을 줄일 수 있다는 결론이며, 또한 아울러 고정자 권선의 양과 로터의 전도 물질도 함께 줄일 수 있다는 결론이다. 4.3.2 모터 테스트의 다른 항목 25 마력(18.5KW) 모터의 테스트에서는 끝단 링의 직경이 6.5 인치(165mm)와 9.5 인치(241mm)의 스택 높이를 갖는 제품을 실시하였다. 케이지는 25 파운드(약 11.4Kg)의 구리를 함유하였고 한번의 성형당 약 39 파운드(17.7 Kg)의 용융 구리를 사용하였다. 모터의 제조업체에서는 14 로터의 생산이 가능한 충분한 적층품을 제공하였다. 두 번째 테스트인 이번의 좀더 큰 로터의 테스트에서는 훨씬 흥미 있는 결과를 보였다. 이것은 로터의 적층품의 슬롯을 구리에 맞게 재설계했다는 것도 하나의 원인이 될 수 있다고 본다. 다시 말해 4 개의 로터 테스트에서는 주목할 만한 결과의 일관성이 있었으며, 동일한 모터 내에서 알루미늄 로터를 사용했을 때와 비교 검토하였다. 로터의 손실은 40%정도 감소하였고, 총 모터의 손실은 약 23% 정도 감소하였다. 낮은 손실은 로터와 고정자의 온도를 괄목할 만하게 감소시켰다. 이 수치를 보면 테스트가 종료 되었을 때, 구리 로터 모터의 고정자의 권선은 알루미늄의 제품보다 약 섭씨 32 도 (화씨 90 도)가 낮았으며, 로터 자체의 온도는 섭씨 29 도 정도 낮았다. 이것은 작은 냉각 팬을 사용해도 된다는 이야기이며, 이것은 관련된 부품과 마찰 손실 그리고 공기압과 관련된 손실이 줄어 들 수 있다는 설명이 가능하다. 다시 언급하면, 모터의 낮은 온도는 모터 자체의 수명에도 영향을 미치며, 이는 설계된 용량 내에서 가동할 때 약 섭씨 10 도당 수명이 배로 증가한다는 상식을 기준으로 고려해 볼만 하다. 구리 로터를 사용한 모터는 적절한 유지 보수를 동반한다면 당연히 더 나은 수명을 가질 것이며, 더욱 신뢰성 있는 동작을 제공할 것이다. 10
또 다른 모터는 4 마력(3KW)의 용량을 가진 제품이었다. 종단 링은 3.54 인치(90mm)의 직경과 6.1 인치(155mm)의 스택 높이를 갖고 7lbs(3.2kg)의 구리를 갖고 있다. 총 모터의 손실은 일반 알루미늄 로터의 제품보다 21% 정도 손실의 감소를 가지고 왔다. 5 마력의 제품은 (3.7KW) 또 하나의 다른 회사에서 캐스팅되었다. 단면도는 아래 그림 2 와 같다. 로터의 I²R 손실은 알루미늄 로터의 제품보다 38% 정도 감소하였지만 놀랍게도 철 코어 손실은 구리 로터에서 오히려 증가하는 현상을 보였다. 이것은 확실하게 로터와 고정자의 적층품의 설계에서 기존 알루미늄에서 사용되던 것을 그대로 사용하는 데서 오는 결과이며, 설계 시 이를 충분하게 고려해야 한다는 결론이 나온다. 이것은 알루미늄 설계에서 이미 철은 충분히 포화 상태라는 것을 의미한다. 구리의 더 많은 전류 값은 철을 더 이상 자기화시킬 수 없으며, 이것은 더 큰 손실 값으로 이어진다는 것이다. 표 4 에서 보듯이 I 2 R 손실은 구리 로터에 맞게 설계되었을 때, 모든 테스트에서 29%에서 40%까지 줄었으며 하나의 적은 용량의 모터 값만이 높은 결과를 보였다. 그림 2 - 삼상 모터에서 구리의 전도체가 막대형 전도선의 슬롯에 채워 진 것을 보여 주는 단면 [표 4] 로터의 I 2 R 손실 구리와 알루미늄의 비교 마력 kw 극수 알루미늄 구리 차이 % 4 3 4 221 92 129-58 5 3.7 4 ----* ----* ----* -38 15 11 4 262 157 104-40 25 19 4 410 292 118-40 * 총 손실 값은 보고 되지 않았음 4.3.3 구리 로터의 다이캐스팅에서 구조와 화학적 검증 금형 기술적으로 검증해 보면 구리의 막대형 도체선과 철의 적층품 간에는 서로의 간섭이 없는 것으로 확인되었다. 막대형 도체선에는 약간의 구리-철간의 연결 부위에서 작은 흠들이 발견되었고, 구리 모습의 알갱이 닮은 균열 내에서 적층품의 흠과 미세한 수축 그리고 불순물로 인한 Cold-Fold 현상이 발견되었으나, 이러한 구리의 흠들은 심각한 증상은 아니었다. 화학적인 분석은 약간의 철(10 에서 11ppm)이 발견되었고, 산소(0.084 에서 0.163wt, %)등이 캐스팅 과정에서 검출되었다. 이러한 미세한 흠집들과 화학적인 함유물들의 복합적인 효과로 인해서 전기적인 전도성을 떨어뜨리게 되었으며, 이는 11
미미하였지만 두 개의 막대형 전도선에서 검증한 결과, IACS 의 96.8%와 98.7%의 수치를 나타내고 있었다. 처음 구리 로터의 제품군에서는 끝단 링에서 기공 현상이 발견되었다. 약 2~3%정도이었는데 이는 구리 막대형 전도선까지 확대가 되지는 않았다. 구리 로터에서의 도체선의 일관성은 표류부하손실을 줄여 주었으며, 이는 예상외의 결과였다. 약간의 무게 보정이 균일하지 못한 무게의 분산을 보정해 주기 위해서 필요했다. 두 번째 제품군에서는 더 많은 로터들이 문제점들을 가지고 있었는데, 첫 번째 성형에서는 25%정도가 폐기될 정도였고, 전기 성능 테스트를 위해 사용된 로터의 8~10%정도가 폐기되었다. 아래에 논의되겠지만 이러한 기공 현상은 어느 정도 구리 로터의 성능에 영향을 미친다고 할 수 있다. 알루미늄 로터의 다이캐스팅은 매우 빈번히 알루미늄을 추가로 넣어야 할 정도의 기공을 발생시키며, 항상 무게 보정을 해야만 한다. 4.3.4 문헌상의 데이터와 비교 검토 표 5 는 구리 로터용으로 조정된 모터에서 효율과 손실에 대한 값을 나타내었으며, 알루미늄으로 제작된 모터에서 이미 공식적으로 보고된 문헌상의 비교 데이터를 나타내었다. 4 마력에서 270 마력에까지의 넓은 용량에 대해서 조사되었다. 모터의 용량이 커지면 커질수록 효율의 값이 더욱 증가한다는 것이 명백한 추이로 보여 진다. 그리고 총 손실의 감소값이 평균 14.7%에 이른다는 것을 확인할 수 있다. 4.3.5 모터 테스트에서의 결론 여기에서 보고된 모터 성능의 테스트에서는 케이지 구조의 구리 함유에 대한 예상되는 많은 이점에 대해서 모터의 제작사들이 연간 계산으로 검증하였다. 결과적으로 평균 14%의 손실 감소를 가져 왔고, 명기된 효율보다도 최소한 1%이상의 증가를 가져 왔다. 구리 로터를 위한 최적화와 적층성형 슬롯의 재설계 또한 기타 부분의 부품 변경 등에 의하면 효율은 더욱 증가한다고 할 수 있으며, 토오크 값의 감소를 완화시킬 수 있음이 확인되었다. 또한 결과론적으로 구리의 다이캐스팅 프로세스는 현재의 알루미늄 캐스팅 프로세스보다도 훨씬 균일한 품질과 일관성 있는 제품을 만들 수 있다고 할 수 있음이 확인되었다. 전형적인 알루미늄 로터의 생산은 자주 추가로 재질을 넣어서 스택의 길이를 보정해 줌으로써, NEMA 에서 요구하는 최소 토오크 값과 효율을 만족시키기 위한 성능의 하한값 보정 작업이 요구된다. 구리의 성능과 일관성은 이러한 만약을 위한 재질의 보충을 필요하지 않게 함으로 인하여 프로세스의 단순화를 꾀할 수 있다는 것이다. 초기의 가격에 대한 예상은 구리와 알루미늄의 비교에서 원가의 상승을 가정하게 하였으나, 총 사용 재질의 감소와 채택된 기술에 의한 보상 효과로 인해 광범위한 유도 전동기 제품군에서 구리로의 재질 변경에 대한 충분한 명분을 찾아낼 수 있었다. [표 5] 로터의 재질을 알루미늄에서 구리로 대체하였을 때의 전반적인 모터의 효율과 손실 효율 손실 마력 kw 극수 알루미늄 구리 차이 감소율, % 참조 4 3 4 83.2 86.4 3.2 19.0 본 연구 7.5 5.5 4 74.0 70.0 5.0 19.2 7 10 7.5 4 85.0 86.5 1.5 10.0 8 15 11.2 4 89.5 90.7 1.2 11.4 본 연구 25 18.8 4 90.9 92.5 1.6 17.6 본 연구 40 30 4 88.8 90.1 1.3 11.6 9 120 90 4 91.4 92.8 1.4 16.3 9 270 200 4 92.0 93.0 1.0 12.5 4 12
5. 다이캐스팅에서 기공의 관리 고압의 다이캐스팅은 유도형 모터의 구리 로터를 생산하는데 있어서 가장 경제성 있는 프로세스로 인정받고 있다. 그러나 용융된 금속을 다이 캐버티 내에 주입할 때의 높은 주입률은 캐스팅 내에 분산된 기공을 발생시키기도 한다. 위에서 언급되었듯이 몇몇의 모터 제작사들에 의해 테스트된 로터들은 매우 쉽게 무게 균형을 이루었으며, 또한 표류부하손실을 감소시킬 수 있었다. 이 두 가지 요인은 구조 내에는 큰 구멍들이 발생하지 않았다는 것을 의미한다. 낮은 표류부하손실은 두 곳의 로터 도체 막대형 전도선에 흐르는 전류의 값이 동일했을 때만 얻어질 수 있기 때문이다. 만약에 큰 구멍이 막대형 전도선 내에 존재한다면 단면적을 줄이게 될 것이고, 따라서 전류의 값을 감소시킬 것이다. 대용량의 로터 생산에서는 위에서 언급된 사항들이 무게 중심을 이루기 위해 매우 어려운 작업 중의 하나이다. 끝단의 링에 대해서 조사해 본 결과 큰 구멍들이 발견되었다. 이러한 기공들은 일부 캐스팅에서는 25%정도까지 차지하였고, 다른 것에서는 8 에서 10%정도를 나타내었다. 추가의 15 마력 모터의 로터에서는 예상보다도 많은 기공이 발생하였다. (그림 3) 이러한 발견 사항들은 기공의 발생 원인을 찾아내기 위한 연구를 하게 하였으며, 큰 구멍들을 없애기 위한 작업에 착수하게 되었다. 이러한 작업은 다른 문헌[10]에서 모두 서술되어 있고 여기서는 요점만 언급한다. 그림 3 베이스라인 다이캐스팅 상태에서 구리 로터의 끝단 단면의 사진. 3 차원의 컴퓨터 소프트웨어를 활용한 유체역학 분석으로 다이 캐버티 내의 용융금속의 흐름을 시뮬레이션 분석하였다. 이 시뮬레이션의 결과는 일련의 영상물로 표현되었고, 성형의 속도와 시간과의 프로파일을 밝히기 위한 것이었다. 이것이 통상 끝단 링과 막대형 전도선내의 큰 구멍을 만들기 때문이다. 단일 형태로 분포되어 있는 구멍들을 연구한 결과, 튼 구멍을 없애는 프로파일을 찾아낼 수 있었다. 로터의 케이지와 게이트 그리고 Runner Bar 등이 그림 4 에 표시되어 있다. 그림 4 게이트와 Runner 를 포함한 케이지의 모델. 대칭성은 채워 지는 과정의 시뮬레이션을 1/2 만 실시할 수 있게 함으로써 컴퓨터 운영 시간을 반으로 줄일 수 있었다. 13
베이스 라인 캐스팅의 시뮬레이션은 쓸데없는 패턴이 예상될 수 있는가에 대한 것을 결정하기 위함이었다. 이 베이스 라인 성형 프로파일은 완전 충전을 하기 위해, 최대 속도로 바꾸기 전에 게이트 끝단 링의 10% 정도 채워 질 때까지의 초기 저속의 플런저 속도를 제공한다. 시뮬레이션은 그림 5 에서 나타내었다. 이것은 3 차원 화면의 한 장면이다. 이 그림은 캐버티 벽면 다음에 있는 캐스팅의 표면과 만약에 있을 수 있는 구멍을 감싸고 있는 표면만을 나타낸다. 구멍은 공기 방울 주변에서 표면의 형태로서 확인할 수 있다. 그렇지 않으면 캐스팅은 실제 금속이 존재하므로 마치 텅 빈 공간처럼 보여 질 것이다. 그림 5 본 프로그램에서 초기에 구리 로터의 생산을 위해 사용된 베이스라인 성형 프로파일을 위한 게이트 끝단 링을 채우는 과정의 시뮬레이션 그림 5 에서의 화살표는 그림 3 에서의 단면을 잘라 내었을 때의 기공이 위치하는 것과 같은 지점에서의 기공 존재 예측을 나타내 주고 있다. 끝단 링의 이젝터 영상 또한 실제적인 관측에서 물방울이 연속으로 존재하는 것을 보여 주는데, 이 영상은 또한 막대형 전도선에서 물방울의 형성을 보여 주고 있다. 이러한 것은 나중에 끝단 링의 채우는 과정에서 이젝터에 가해 졌을 수도 있다. 큰 구멍이나 물방울들은 로터의 막대형 전도선 중 가장 두꺼운 막대형 전도선 부위를 가공하는 과정에서는 관측되지 않았다. 그림 6 에서 보듯이 약간의 핀 머리 만한 크기의 구멍들이 존재하는 것이 확인되었을 뿐이다. 그림 6 막대형 전도선을 드러내도록 외경을 가공한 구리 로터의 사진. 내재된 공기의 방울이 보이지 않지만 끝단의 링 부위에서는 관찰되고 있다. 14
충전 과정의 시뮬레이션인 성형 프로파일은 게이트 이후까지의 캐버티를 완만한 속도로 예비 채움 과정을 사용하여 40%에서 55%까지 하는 것이 끝단 링의 커다란 구멍을 만들지 않는 훌륭한 하나의 방법이라는 것을 보여 주었다. 몇몇의 구리 로터를 유체 3 차원 시뮬레이션의 예측을 테스트하기 위하여 캐스팅하였다. 직경 5.7 인치 (145mm)와 높이 5.15 인치(133mm) 크기의 제품을 Formcast 사의 Buhler 의 수평 다이캐스팅 장비로 제어하며, 660 톤의 Real-Time 성형으로 제작하였다. 이 장비는 알다시피 매우 세밀한 성형 프로파일 작업이 가능하다. 이 시도에 쓰인 금형은 상용화된 2 단 로터 금형이고, 모서리 부분에 게이트를 갖고 있으며, 캐스팅된 로터의 스택의 삽입과 추출을 보조해주는 수직의 코어 당김 장치를 갖고 있다. 잘게 나눈 막대형 전도선(C10100) 형태의 구리를 유도 용융시켜서 사용하였고, 푸시-업식의 용광로에 매 성형마다 질소 보호막을 사용하였다. 또한 60KW 전원 공급 장치를 사용하였다. 매 성형의 무게는 24~ 26.5 lbs(11~12 Kg) 정도였다. 위에서 언급하였듯이 구리 로터의 상용화 생산을 위해서는 가열된 니켈 성분의 합금 금형이 필요하다. 이번 실험에서는 이 형태의 금형이 마련이 안되었기 때문에 H-13 철 계열의 금형 세트를 사용하게 되었다. 매 성형 전에 금형의 6 곳에서 온도를 특정한 결과, 섭씨 115 도에서 315 도까지의 온도 분포를 보였다. 이것은 금형의 수명을 유지하는데 필요한 온도인 섭씨 650 도에는 훨씬 못 미치는 온도이다. 상대적으로 낮은 금형의 온도 때문에 상대적으로 높은 용융 온도를 유지해야 (섭씨 1425 도) 슬리브와 금형 게이트 그리고 적층성형 스택에서 온도 보상이 가능하였다 높은 용융 온도는 게이트에서 저속의 예비 채움 과정으로 테스트하는 과정에서 고형화를 피할 수 있는 아주 중요한 요인이라고 할 수 있다. 따라서 성형 슬리브는 섭씨 450 도까지 가열되었다 성형의 프로파일은 게이트 아래에서 Runner (러너)의 1/2 까지 속도의 변화를 주게 하였고, 33~55%까지 예비 채움 과정을 시도하였다. 결과적으로 만들어 진 것은 그림 7 에서의 단면으로 확인 가능하다. 예비 채움 과정이 증가할수록 기공 현상은 줄어 들고 있음이 확연하며, 이것은 용융액을 게이트에 이르도록 가속하는 것과 비교가 된다. 추측하기에는 예비 채움 과정의 양은 무한정 증가시킬 수 없기 때문에 추가의 실험으로 최대값으로 구하는 실험이 필요하다고 여겨 진다. 15
Runner 에서 속도의 변화 33% 사전 채움 55% 사전 채움 그림. 7 사전 채움 과정의 증가에 따른 사진. 왼쪽은 추출기의 끝쪽 링의 단면, 오른쪽은 게이트의 끝쪽 링의 단면 16
6. 구리를 위한 로터 설계의 최적화 6.1 개요 구리 로터의 성능을 밝히기 위한 테스트는 알루미늄 로터를 위해서 설계된 로터 적층성형과 슬롯 설계를 일부 모터 제작사들이 만들어서 진행하게 되었다. 단순하게 알루미늄을 구리로 바꾸는 변화만으로도 관련된 손실의 감소와 효율의 증가를 보여 주었다. 따라서 케이지 내의 구리 성분에 따르는 높은 전도성 등을 고려하여 로터 막대형 전도선을 재설계하고 전체 모터를 변경한다면 훨씬 모터의 성능을 증가시킬 수 있다는 것은 명백한 사실이다. 처음에는 단지 알루미늄을 구리로 대체한다는 것은 유도 전동기에서 매우 단순할 것으로 생각하였다. 즉 높은 구리의 전도성은 단순하게 모터의 효율을 높일 것으로 생각하였다. 그러나 그렇게 단순한 과정은 아니었다. 간단하게 유도 전동기의 등가 회로를 그림 8 에 나타내었다. 그림 8. 간단한 유도 전동기의 등가 회로 로터 등가 회로의 저항 값 R 2 는 구리 로터의 전도성에 반비례하게 된다. 이것은 직접적으로 토오크- 속도의 상관 그래프에서 일련의 모델에 대한 예측을 가능하게 한다. 그에 대한 예를 그림 9 에 예시하였다. 예시된 것은 2 종류의 토오크-속도의 예측 그래프이다. 두 가지 곡선의 차이점은 로터의 저항 값 R 2 이다. 곡선 중에 낮은 저항 값을 갖는 것은 낮은 슬립(SLIP)이 발생 하는 구간에서의 오른쪽 곡선이며, 따라서 이는 낮은 슬립(SLIP)이 발생한다는 것을 알 수 있으며, 이는 높은 효율을 갖고 동작한다고 할 수 있다. 반면에 이것은 기동 토오크 저항이 낮다는 것을 보여 준다. Fig. 9 로터에 영향을 받는 토오크-속도의 그래프 17
6.2 표면 효과의 사용 구리의 높은 전도성은 설계자에게 모터의 성능을 높이기 위해 로터의 동작에 매우 적합하게 맞춘 표면 효과 를 사용할 수 있게 한다. 예를 들면 모터가 동작을 하고 있을 때 슬립(SLIP)은 작고 로터의 주파수가 낮다는 것이다. (1Hz 의 단위이다) 모터가 기동할 때는 로터는 거의 정지 상태이고 전기적 주파수는 로터 전도체에서 볼 때 높아진다. (약 전기선의 주파수와 같다). 마찬가지로 로터의 저항 값은 높아질 수 있다. 우리는 모터의 설계자가 이 효과의 장점을 고려해서 설계할 수 있는 두 가지 방법을 소개한다. 그림 10 은 전형적인 모든 마력수의 모터에서 캐스트되어 사용되는 막대형 전도선의 모습이다. 이 막대형 전도선은 철의 로터 톱니 모습으로 테이퍼가 되어 있어야 한다. (이 테이퍼는 충분한 폭을 가지고 있어서 Flux 를 전달할 수 있어야 하고, 따라서 대강 직사각형의 모습이어야 한다). 막대형 전도선은 로터의 표면 쪽으로 테이퍼가 되어 있어야 하고, 따라서 로터 표면에 발생하는 자기장의 형태가 훨씬 연속적으로 만들어 질 것이다. Fig. 10 알루미늄 로터의 막대형 전도선 로터 작업에서 맴돌이 전류를 발생시켜서 고주파수 영역에서 막대형 전도선의 저항값을 증가시키기 위한 방법 중의 하나는 그림 11 에서와 같이 막대형 전도선을 설계하는 것이다. 이것은 그림 10 의 막대형 전도선을 구리로 대체하기 위한 하나의 설계라고 할 수 있다. 즉 막대형 전도선 위의 가장 넓은 부분을 잘라 냄으로써 윗부분의 좁아 진 부분이 로터의 표면을 직각으로 향하게 하는 것이다. Fig. 11 구리 로터의 막대형 전도선 6.3 주파수 반응성 우리는 이러한 다른 형태의 로터가 어떻게 동작을 하는지를 이해하기 위해서 단위 길이당 임피던스의 주파수 특성을 조사하였다. 로터 막대형 전도선의 임피던스 값은 그림 12 에서 나타내었다. 이때의 로터의 모습은 그림 10 과 11 에서 예시된 막대형 전도선이다. 18
Fig. 12 로터 막대형 전도선의 임피던스 보여 지는 바와 같이 구리 로터의 저항은 동작되는 상태에 맞추어서 낮은 주파수 대역에서 낮은 값을 나타내고 있다. 반면에 높은 주파수 대역에서는 높은 저항 값을 나타낸다. 이 특별한 경우에는 구리의 막대형 전도선에서 보기에는 초기의 기동 환경에서의 주파수 60Hz 는 높은 주파수로 보기는 힘들기 때문에, 초기 저항 값이 60Hz 이상에서 보여 주듯이 높은 값을 나타내 주지는 않는다. 그러나 60Hz 이상에서는 높은 저항 값을 보여 주며, 반면에 표류부하손실과 표류무부하손실 값도 증가하는 원인이 된다. 6.4 표류 손실 모든 유도 전동기에서는 고정자의 권선은 자기장의 Flux 를 발생시키는데, 이 Flux 밀도의 분포가 정확하게 사인파형을 갖지는 않는다. 완전한 사인파형과의 차이로 인하여 일반적으로 얘기하는 공간 하모닉 이 생기며, 이것은 자기장 밀도의 형태가 퓨리에 방정식의 한 부분으로 나타나게 된다. 삼상의 권선은 5 번째와 7 번째의 공간 하모닉을 생기게 하며, 이것은 로터에서 6 번째 주파수 영역에서 (60Hz 기준으로 할 때 약 360Hz 범위) 여자(Magnetic Excitation)를 발생시키게 된다. 또한 완전한 사인파형과의 차이점에서 발생하는 중요한 변수 중의 하나는 하모닉의 측면에서 볼 때 극의 세트당 고정자 슬롯의 숫자이다. (4 극에서 36 개의 슬롯을 고려하고 있는데 이것의 여자 주파수는 1,80Hz 정도이다.) 이 주파수 대역에서의 높은 저항 값은 높은 표류부하손과 표류무부하손실을 야기하게 된다. 그림 13 은 구리 캐스트 로터와 알루미늄 로터 케이지로 만들어 진 모터의 토오크-속도의 비교 곡선 그래프이다. 두 모터는 거의 비슷한 기동 토오크 값을 갖는다. 그림에서 보듯이 알루미늄 로터는 훨씬 큰 정지 토오크 값을 갖는다. 이는 구리 로터의 모터에서는 누설 임피던스 값이 위쪽의 좁은 슬롯 부분 때문에 발생하기 때문이다. 구리 로터 모터는 낮은 슬립(SLIP)을 나타내었고, 그러나 높은 고조파에서의 저항 값으로 인하여 높은 표류부하손실을 갖게 되었으며, 이것은 낮은 슬립을 상쇄시키고 있었다. 이 모터들은 거의 동일한 성능을 나타내고 있었다. 19
Fig. 13 구리와 알루미늄의 비교 6.5 로터 막대형 전도선 설계의 다른 방법 아래 그림 14 는 로터 막대형 전도선의 다른 형태 설계 법을 제시한다.. Fig. 14 구리 로터의 막대형 전도선 여기에서 보여지는 구리 막대형 전도선은 비교적 표면 부분에서 넓은 구리 면적을 갖도록 설계되었다. 또한 그 아래에서 누설 자기를 발생시키는 좁은 영역이 있고, 또 그 아래 부분에 실제 주요 회전 부위 (Running Bar)가 있게 된다. 이 형태의 로터 막대형 전도선은 비교적 높은 기동 저항을 야기시키고, 낮은 동작 저항을 갖게 되며, 또한 고조파에서의 저항 값도 비정상적으로 크게 하지는 않는다는 것이다. 두 로터의 임피던스 비교 값은 그림 15 에 나타내었다. 이 두 로터는 비슷한 동작 저항 값을 가지고 있었지만, 하나는 높은 기동 저항 값을 가지고 있었고, 높은 하모닉 전류 부분에서는 낮은 저항 값을 갖게 되고 있었다. 20
Fig. 15 두 구리 로터 막대형 전도선의 임피던스 값의 비교 7. 결론 약 7 년간의 선행 기술 연구에서는 pf 구리를 유도 전동기내의 케이지에 적용할 수 있도록 하였으며, 몇몇의 제조업체들은 고효율 전동기 분야에 있어 이러한 기술을 채택하여 이미 생산하고 있거나 생산을 준비 중이다. 로터에서의 구리의 채택은 전기적인 고 전도성의 이점으로 인하여 수년간 이론적으로 그리고 실험적으로 검증되어 왔다고 할 수 있다. 로터의 I 2 R 손실은 약 29%에서 40%까지 감소시킬 수 있었으며, 총 손실은 11%에서 19%까지 감소하였다. 따라서 총 효율도 최소 1.5% 정도의 증가를 가져 오는 요인이 되었다. 진행 중인 작업은 막대형 전도선의 형태에 따라서 높은 기동 토오크 값을 갖도록 하는 것과 표류부하손실을 줄이도록 하는 것이다. 또한 고압의 다이캐스팅이 많은 양의 양산 단계에서는 실질적으로 필요한 과정을 인지하고, 거의 모든 마력 수에 해당 하는 모터에서 복잡한 케이지 구조를 만드는 데는 반드시 거쳐야 하는 과정임을 알고 있다. 그러나 구리의 높은 용융 온도와 관련된 금형 수명의 문제점들이 제기되었는데, 이제는 거의 모두 해결이 되었다고 할 수 있다. 이것은 니켈 성분의 구리 합금의 개발로 가능하였으며, 또한 Heat checking (열충격) 불량의 메커니즘을 제어하기 위하여 점진적 온도 상승 기법으로 작업을 함으로써 위의 문제를 해결할 수 있었다. 또한 필수적으로 성형 프로파일에서 3 차원의 유체 역학적인 시뮬레이션 기법을 개발함으로써, 구리 로터의 끝단의 링에서 큰 구멍들을 없애는데 큰 발전을 이루었다고 할 수 있다. 8. 알리는 사항. 본 프로젝트는 전세계의 구리 산업의 도움을 국제 구리 협회를 통해서 받아서 진행되었고, 구리 개발 협회가 관리 진행하였다. 추가의 경비 지원이 미국 산업 기술부의 에너지 관리국으로부터 NICE 지원 책의 하나로 있었으며, 냉방기 및 냉장고 기술 연구소에서부터 지원이 있었다. 몇몇의 주요 모터 제작사로부터 모터 적층성형 재질과 다이 삽입, 내부적으로 모터의 다이나노메터 테스트와 관련된 비용 부담이 있었다. 스위스의 DieTec, GmbH 의 Mr. Ruedi Beck 은 다이캐스팅 툴 설계와 가열된 니켈 합금의 21
삽입과 관련된 혁신적인 기술의 접근법을 제공하였고, 이는 상용화에서 현재 채택되어 사용되고 있다. Walkington 엔지니어링사의 W.G.Walkington 은 이 금형에서의 용융체의 흐름에 대한 3 차원 유체 역학 시뮬레이션을 수행하였다. 9. 참조 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, p52 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 22