Rotori rivoluzionari

La costruzione di rotori efficienti per la mobilità elettrica inizia con la prima goccia di fusione

La domanda di motori a induzione è in crescita. La scarsità di terre rare, il cambiamento climatico, l’elettrificazione della mobilità e altre tendenze stanno guidando questa domanda. Tuttavia, il comune motore a induzione industriale presenta dei punti deboli.

Con la sua tecnologia di pressofusione laminare, il produttore tedesco di rotori Wieland eTraction Systems aumenta le prestazioni dei motori asincroni. Pur mantenendo i noti vantaggi dei motori asincroni, questi tipi di rotori in alluminio e rame offrono vantaggi significativi in ​​termini di efficienza e sicurezza.

Ogni rotore è costituito da più lamierini elettrici in acciaio punzonati individualmente e impilati in una gabbia fusa circostante. Questa gabbia è generalmente prodotta utilizzando pressofusione ad alta pressione. Con tempi di ciclo da uno a due minuti, questo processo può essere altamente automatizzato. Ma dal punto di vista della fusione, i rotori sono strutture molto complesse.

Dopo aver posizionato i pacchi di laminazione nell'utensile, la camera di colata viene riempita di metallo fuso. Un pistone spinge il metallo liquido ad alta velocità nell'utensile di colata. Una volta nello stampo, l'alluminio o il rame fusi si solidificano rapidamente. La tecnologia industriale richiede quindi tempi di riempimento brevi, inferiori a 0,1 secondi, con portate superiori a 50 m/s.

Per raggiungere questo obiettivo, l’industria utilizza i punti di accesso. Lo svantaggio: queste porte non riempiono tutti gli slot nello stack contemporaneamente. Il materiale fuso scorre prima attraverso le fessure direttamente sul punto di iniezione, poi nell'anello opposto e infine riempie le restanti fessure dal retro con il cosiddetto riempimento. Di conseguenza, l’aria, i gas di processo e i fronti di fusione contaminati da olio e ossido non possono fuoriuscire.

Durante il passaggio dallo stato liquido a quello solido si verifica una diminuzione di volume, detta ritiro da solidificazione. Per compensare questo ritiro, il pistone continua a premere anche dopo che lo stampo è stato riempito completamente. La combinazione di gas intrappolato e ritiro determina un'elevata porosità totale. I rotori pressofusi raggiungono una porosità fino al 10%, ben al di sopra della tolleranza del 5%.

Ogni singolo poro riduce l'area conduttiva, causa squilibrio e influisce negativamente sulle proprietà meccaniche del rotore. Quando i pori sono centrati nel passaggio dalla fessura all'anello terminale, è necessario prevedere elevate densità di corrente e massimo stress meccanico dovuto alle forze centrifughe.

Per ridurre questi potenziali punti critici, molte fonderie limitano la geometria e riducono il numero, la lunghezza e la larghezza delle fessure. Processi di produzione alternativi, come la lavorazione meccanica o la saldatura, presentano limitazioni simili. Ciò significa che l’intero potenziale della tecnologia dei motori asincroni è rimasto inutilizzato per molto tempo.

Il processo di fusione a compressione laminare sviluppato da Wieland eTraction Systems è progettato per fondere rotori con porosità zero, i cosiddetti rotori a porosità zero (ZPR). Il sistema di colata brevettato garantisce il riempimento simultaneo di tutte le fessure e di nuove geometrie. A differenza del riempimento turbolento convenzionale, il processo di riempimento è ascendente e laminare. I requisiti di manodopera sono solo leggermente diversi dalla fusione convenzionale, consentendo una produzione economicamente vantaggiosa.

Con portate inferiori il materiale colato rimane liquido nel canale per un tempo più lungo e quindi facilita la rialimentazione. La gestione termica attiva controlla l'avanzamento della solidificazione dal nucleo laminare alle aree non critiche. Poiché nel processo di colata a compressione laminare tutte le fessure vengono riempite contemporaneamente, i fronti fusi contaminati vengono convogliati nell'overflow.

Il processo di fusione a compressione laminare comporta un tipico aumento del 3-5% della conduttività elettrica, contribuendo a ridurre significativamente la caratteristica fluttuazione della coppia e minimizzando il rumore emesso.

L'Istituto per la formatura dei metalli dell'Università di Aquisgrana ha scansionato diverse strutture dei pori utilizzando la tomografia computerizzata. Inoltre è stato simulato il comportamento meccanico del materiale ai limiti estremi. I risultati indicano che con un rotore privo di porosità è tecnicamente possibile un aumento della velocità di circa il 12,5%. I test di scoppio effettivi hanno confermato questo comportamento.