KR101985058B1 - 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물, 그 층 구조물의 제조 방법, 및 그 층 구조물을 구비한 전기 기계 - Google Patents

소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물, 그 층 구조물의 제조 방법, 및 그 층 구조물을 구비한 전기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 기계들 또는 그 부품들을 코팅, 실링, 및/또는 연결하기 위한, 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물(30)로서, i. 실리콘을 함유하는 제1층(31) 및 ii. 상기 제1층(31)과 재료간 접합 연결되고 열가소성 플라스틱을 함유하는 제2층(32)을 포함하는 층 구조물(30)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 제2층(32)은 직물 구조체를 갖고, 상기 재료간 접합 연결은 상기 제1층(31)의 실리콘이 상기 제2층(32)에 침투함으로써 형성되도록 구성된다. 또한, 본 발명은 스테이터(20) 및 로터(40)를 포함하되, 상기 스테이터(20) 및/또는 상기 로터(40)가 권선(26) 및/또는 영구자석(44)을 포함하고, 상기 권선(26)의 영역 및/또는 상기 영구자석(44)의 접착부의 영역에 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 소유성-소수성 층 구조물(30, 50)이 배치되는 전기 기계(10)에 관한 것이기도 하다.

Description

소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물, 그 층 구조물의 제조 방법, 및 그 층 구조물을 구비한 전기 기계{SILICONE-BASED LAYER STRUCTURE HAVING AN OLEOPHOBIC-HYDROPHOBIC SURFACE, METHOD FOR PRODUCING SUCH A LAYER STRUCTURE, AND ELECTRIC MACHINE HAVING SUCH A LAYER STRUCTURE}
본 발명은 특히 권선 및/또는 그를 위한 점퍼 링(jumper ring)의 그라우팅 컴파운드(grouting compound)로서 및/또는 자석의 접착부로서 전기 기계들 또는 그 부품들을 코팅, 실링(sealing), 및/또는 연결하기 위한, 소유성-소수성(oleophobic-hydrophobic) 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물(silicone-based layer structure)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 층 구조물을 특히 권선 및/또는 그를 위한 점퍼 링의 그라우팅으로서 구비하는 전기기계에 관한 것이기도 하다.
전기기계들(전기기계식 변환기), 예컨대 자동차용 전기 구동 모터, 스타터(starter), 제너레이터(generator), 또는 스타터-제너레이터는 전기 에너지를 역학 에너지로 변환하거나(모터), 역학 에너지를 전기 에너지로 변환한다(제너레이터). 그러한 전기기계적 변환은 전자기 유도를 그 기반으로 한다. 그러한 타입의 전기기계들은 고정된 스테이터(고정자) 및 움직일 수 있는 부품을 포함하는데, 스테이터는 통상의 구성 형태에 따르면 해당 와이어 권선을 갖는 스테이터 코어(박판 적층 코어)및 그 스테이터 코어 상에 배치된 하나 이상의 점퍼 링을 포함하고, 움직일 수 있는 부품은 가장 통상적인 구조 형태에서는 환형으로 형성된 스테이터 내에 또는 그 둘레에 회전 가능하게 장착되고 다수의 영구자석들을 구비한 로터(회전자)로서 형성된다. 이때, 로터의 이동 자기장으로 인해 스테이터 권선에 전류 흐름이 생성되거나(제너레이터), 스테이터에 의해 생성된 자기장으로 인해 로터의 기계적 이동/회전이 일어난다(모터). 로터가 권선을 포함하고 스테이터가 자석을 포함하는 반대의 구조 형태도 또한 공지되어 있다.
권선과 점퍼 링을 구비한 스테이터 및/또는 로터의 부분들은 그들의 전기적 절연과 그들의 기계적 보호의 목적으로 및 화학적 영향에 대한 보호의 목적으로 그라우팅 컴파운드 내에 매립된다. 그라우팅 컴파운드는 특히 개별 권선들을 전기적으로 서로 연결하는 점퍼 링(상호 연결 링(interconnection ring) 또는 접촉 링(contact ring)으로도 지칭됨)을 매립하는데 사용된다.
전형적으로, 그라우팅 컴파운드는 실리콘 고무를 그 기반으로 한다. 그러한 실리콘 탄성 중합체는 그 열전도성의 향상을 위해 흔히 예컨대 석영 입자들 형태의 높은 충전재 비율의 첨가제를 함유한다. 그러한 재료들은 그라우팅 컴파운드의 대부분의 기술적 요건을 충족하고, 특히 매우 낮은 도전성, 높은 온도 저항성과 온도 변화 저항성, 높은 열 전도성, 높은 산화 안정성, 우수한 기재 접착성과 간단한 경화 처리, 및 높은 가공 허용오차를 갖는다. 그러나 탄화수소에 대한 실리콘의 높은 친화력이 문제가 된다. 즉, 상기 재료들은 엔진 오일 및 트랜스미션 오일을 포함하게 되어 부풀어 오르는 성향을 보인다. 그러나 그러한 부풀어 오름으로 인해 기계적 특성이 저하된다. 예컨대, 강도와 재료 경도가 감소하고, 온도 저항성이 하락하며, 결과적으로 박리 및 경우에 따라서는 취성화(embrittlement)가 발생할 수 있다. 따라서 특히 구조 조건으로 인해 트랜스미션 오일과 접촉하는 전기 모터의 경우, 실리콘 재료의 오일 흡수 및 부풀어 오름을 감소시키거나 방지하는 것이 바람직하다.
유사한 문제 제기가 실링 기술에서도 공지되어 있다. EP 1 361 261 A2는 씨일(seal)의 가수분해 저항성 및 오일 저항성을 향상시키기 위해 불소 플라스틱(fluoroplastic)과 플라스틱의 혼합물에 의해 씨일을 부착하는 것을 개시하고 있다. 이때, 부착은 혼합물의 소결 또는 용해 공정을 통해 이뤄진다.
불소 함유 화합물의 발수(water repellent) 작용은 여러 기술 분야로부터 알려져 있다. 예컨대, 소수성인 동시에 소유성인 표면을 생성하기 위해, 직물을PTFE로 코팅하거나 불화탄소 사슬들을 섬유들에 공유 결합시킨다. 실리콘과 불화탄소 기반의 소수성 코팅을 직물 상에 부착하는 것도 또한 섬유 산업으로부터 공지되어 있다.
DE 195 24 262 B4는 고무에의 오일 침투를 줄이기 위해 경화 가능한 불소 실리콘 커버를 실리콘 고무 기재 상에 부착하는 것을 개시하고 있다. 그에 뒤이어, 과산화물 촉매를 사용하여 재료를 경화하는 것이 필요하다.
DE 203 15 575 U1에서는, 실리콘 표면의 미끄럼 특성을 향상시키는 것을 목적으로, 라이너(liner)의 제조 공정 중에 미세 분산 PTFE가 분포된 층을 라이너의 외면에 부착한다.
본 발명의 근간이 되는 과제는 그 표면이 습기는 물론 오일 함유 물질들을 반발시키는, 즉 소수성 뿐만 아니라 소유성을 가짐으로써 습기 및/또는 오일의 침투로 인한 그 특성의 저하를 회피시키는 실리콘계 층 구조물을 제공하는 것이다. 그러한 재료는 특히 권선 및 그 점퍼 링의 그라우팅 컴파운드로서 및/또는 자석 접착부로서 전기 기계에 적합한 것이어야 한다.
그러한 과제는 독립항들의 특징들을 포함하는, 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물 및 그 층 구조물을 구비한 전기 기계에 의해 해결된다.
따라서 본 발명의 제1 양태는 전기 기계 또는 그 부품을 코팅, 실링, 및/또는 연결하기 위한 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물로서,
- 실리콘을 함유하는 제1층 및
- 제1층과 재료간 접합 연결되고 열가소성 플라스틱을 함유하는 제2층을 포함하되, 제2층은 직물구조체를 갖고, 재료간 접합 연결은 제1층의 실리콘이 제2층에 침투함으로써 형성되는 층 구조물에 관한 것이다.
전술한 형태로 얻어지는 층 구조물은 특히 코팅 및 실링 시에 실리콘을 화학적으로 변질시켜 원하는 특성을 손상시키는 외부 영향들에 코팅이 노출되더라도 실리콘 및 실리콘 함유 화합물의 바람직한 특성을 활용하는 것을 가능하게 한다. 소유성을 갖는 열가소성 플라스틱으로 코팅하는 것은 실리콘 함유 층이 화학적 영향에 더 이상 노출되지 않아 그 내구 수명을 향상시키는 결과를 가져온다. 직물 구조체를 갖는 제2층을 사용하는 것은 외부 층의 기계적 안정성이 높아지는 결과를 가져온다. 따라서 그 층이 매우 얇게 유지될 수 있고, 그 결과 제2층의 유연성이 높아지는 것 이외에도, 층 시스템에서 실리콘 함유 층의 특성이 우세하게 된다.
본 발명의 의미에서, 열가소성 플라스틱은 일정한 온도 범위에서 변형될 수 있는(열가소성) 플라스틱이다. 그러한 과정은 가역적이다. 즉, 과열로 인해 소위 재료의 열분해가 일어나지 않는 한, 그 과정은 냉각과 용해 상태까지의 재가열을 통해 임의의 빈도로 반복될 수 있다. 그 점에서, 열가소성 플라스틱이 듀로플라스틱(duroplatic) 및 탄성 중합체(elastomer)와 구별된다. 또 다른 특유의 특징은 열가소성 플라스틱의 용접성이다. 본 발명의 의미에서, 열가소성 플라스틱은 용해 후에 더 이상 원래 상태로 복귀할 수 없는 플라스틱을 의미하기도 한다. 오히려, 열의 작용 하에 다양한 형태로 전환될 수 있는 플라스틱이 열가소성 플라스틱에 속하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
직물 구조체는 열가소성 플라스틱의 섬유들로 이루어진 복합체를 의미한다. 그러한 섬유들은 기공을 포함할 수 있도록 상호 연결된다. 본 발명의 의미에서, 직물 구조체(섬유 구조체, 직물 층, 또는 직물 패브릭(fabric)이라 하기도 함)은 멜트블로운(meltblown)또는 스펀본드(spunbond) 부직포 및 니들 펠트(needle felt)와 같은 부직포들, 직조 구조체들, 및 개방 셀 발포체 및 폐쇄 셀 발포체와 같은 다공 형태들을 말하는 것으로 한다. 전형적으로 연신 공정이나 팽창 공정에 의해 또는 양 공정들의 조합에 의해 제조되는 미세 다공 필름과 같은 막 타입의 형태들도 역시 "직물 구조체"에 포함된다. 직물 구조체는 예컨대 ePTFE 막에서 공지되어 있는 피브릴(fibril) 구조체들 또한 의미하는 것으로 한다. 직물 구조체를 처리 및 제조하는 통상의 방법, 특히 직물 표면을 거칠게 하는 통상의 방법은 소위 니들링(needling) 또는 "니들 펀칭(needle punching)"이라고도 하는 방법이다. 그러한 방법에서는, 카펫과 유사하게 재료의 외면에 미세한 바늘 모양의 섬유 분출물들이 얻어진다.
본 발명의 바람직한 구성에서는, 열가소성 플라스틱을 함유하는, 직물 구조체를 갖는 층이 일 측면에서 예컨대 니들링에 의해 거칠게 되고/거칠게 되거나 다공을 갖도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 층 시스템의 제조 공정에서 거칠게 된 측면의 섬유들을 실리콘 함유 층이 아직 경화되지 않았을 때에 그 실리콘 함유 층과 연결하여 아직 액상인 실리콘이 직물 구조체의 섬유들 및/또는 다공들 사이에 침투하게 함으로써 가교 결합에 의해 고정적인 연결이 일어나도록 하는 것이 유리하다. 환언하면, 직물 구조체의 섬유들과 제1층과의 연결, 특히 가교 결합에 의해 재료간 접합 연결이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 연결은 쐐기꼴 형성 또는 벨크로(Velcro)의 기구와 유사하게 이뤄진다. 이때, 연결의 강도는 특히 실리콘이 직물 구조체에 침투하는 깊이에 의해 결정된다. 제조 시에 제2층의 맞은편 측면을 연신하는 것이 유리한데, 왜냐하면 높은 밀도로 인해 그 영역에서의 패브릭의 소유성 특성이 강화되기 때문이다. 본 구성의 이점은 매우 고정된 연결과 향상된 소유성 특성의 조합에 있다.
본 발명의 바람직한 구성에서는, 재료간 접합 연결이 선택적으로 접합제에 의한 양 층들의 접착으로서 형성되도록 구성된다. 그것은 양 층들의 결합 전에 패브릭이 필수적으로 거칠게 되었어야 하는 것이 아님을 의미한다. 오히려, 이때에는 전체 두께에 걸쳐 연신되고 팽창된 재료들이 바람직하다. 그 경우, 막과 같은 조밀한 다공성 재료들이 생성된다. 예비 연신된 재료들의 이점은 그것의 크게 향상된 소유성 특성 및 그것의 내구성에 있다.
제1층에 재료들을 부착할 때에는, 재료들이 플레이트 또는 밴드로서 하면에 이미 접합제를 구비하여 실리콘 함유 제1층과 바로 접착될 수 있는 것이 바람직하다. 그러나 층을 예컨대 아직 완전히 경화되지 않은 실리콘 함유 층에 직접 부착하여 실리콘이 제2층의 직물 구조체의 다공 속으로 침투하게 함으로써 고정된 물리적 연결을 구현할 수도 있다. 이때, 양자의 방식에서 모두, 제1층에 패브릭을 눌러 붙이는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구성에서는, 제2층에 사용되는 열가소성 플라스틱이 할로겐화 폴리머, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이거나 그것을 포함하도록 구성된다. Teflon®으로 지칭되는 폴리머가 그것의 선형 비분지(unbranched) 구조 때문에 섬유상 직물 구조체를 형성하는데 매우 적합하다. PCTFE 등과 같은 관련된 불소 폴리머도 역시 적합하다. 특히, 연신 및 팽창 공정 후에 ePTFE로 지칭되는 폴리머는 그 가수분해 저항성 및 오일 저항성이 높은 것을 특징으로 한다. 말단 불소 원자들이 화학적 불활성 이외에도 표면의 매우 낮은 점착성을 유발한다. 따라서 본 발명의 의미에서 PTFE로 코팅된 재료들은 기계적 및 화학적 안정성 및 높은 미끄럼 특성을 그 특징으로 한다. 후자는 층 시스템을 실리콘 기반의 씨일, 특히 링 씨일을 제조하는데 사용할 때에 유리하다. 그 밖에, 화학적으로 거의 불활성이거나 오일 저항성을 갖는 직물 구조체 형태의 폴리이미드와 같은 재료들도 바람직하다. 폴리이미드(약자로 PI)는 그 핵심적 구조 특징이 이미드 기인 고성능 플라스틱이다. 특히, 폴리비스말레인이미드(PBMI), 폴리벤즈이미다졸(PBI)과 폴리옥사디아조벤즈이미다졸(PBO), 폴리이미드술폰(PISO), 및 폴리메타크릴이미드(PMI)가 그에 속한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구성에서는, 제2층이 막 또는 부직포, 특히 하면이 섬유질인 막 또는 부직포로 되도록 구성된다. 그것은 연신된 요소들 또는 층들을 갖지 않는 재료들도 바람직하게 사용된다는 것을 의미한다. 그에는 용이한 가공성이 수반된다. 또한, 그러한 연신되지 않은 재료들은 연신된 재료들에 비해 저렴하다.
특히, 연신되지 않은 재료를 사용할 경우에는 소유성 특성이 저하되기 때문에, 제2층을 실리콘 함유 제1층의 반대쪽을 향한 측면에서 특히 소유성 층의 분사에 의해 소유화(oleophobize)하는 것이 중요하다. 그를 위해, 각각의 측면에 소유화제(oleophobizing agent)를 부가할 수 있다. 적합한 소유화제들은 바람직하게는 액체, 특히 분산액이기 때문에, 소유화제를 완성된 층에 분사하는 것이 매우 바람직하다. 그것은 층 시스템의 제조 전에는 물론 제조 후에도 수행될 수 있다. 본 발명에 따라 직물 구조체를 갖는 층을 아직 점성이 있는 실리콘에 부착하는 경우, 특히 눌러 붙이는 경우, 층들의 연결 전에 소유화제를 부가하는 것이 유리할 수 있다. 그것은 비극성 실리콘이 전체 층을 통과하여 침투하는 경우에는 층의 소유성 특성이 저해되기 때문이다.
본 발명에 따른 층 시스템은 직물 구조체를 갖는 층을 실리콘 층의 경화 전에 그 위에 평탄하게 올려놓아 점성의 실리콘이 경화 전에 직물 구조체의 섬유들 또는 다공들 사이에 스며들게 함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 실리콘이 경화되어 양 층들 간에 고정된 기계적 연결이 생성된다. 따라서 전구체를 표면에 미세 분산시켜 분배하고 뒤이어 용해 또는 소결 공정에 의해 고정하는 것이 불필요하다. 오히려, 덜 복잡한 단계로 실리콘 층을 소유성 층과 연결할 수 있다. 거칠게 된 패브릭 표면들에 의한 양 층들의 가교 결합이 가능함으로 인해, 소유성을 가져 원칙적으로 최적의 점착성을 갖지 못하는 층을 제1층에 점착하는 것을 개선하기 위해 실리콘 표면을 복잡하게 전처리하는 것이 또한 생략된다. 이때, 층을 예컨대 플라즈마 처리하는 것이 통상적이었다. 특히, 층 시스템을 대형 전기 기계에 사용할 경우, 그러한 전처리를 수행하는 것은 생산 기술적으로 불리한데, 왜냐하면 그것이 공정 조건에 기안하여 기계의 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 오히려, 본 발명에 따른 층 시스템을 오일 팬(oil pan)의 밀폐 및/또는 부식 방지를 위해 오일 팬용 씨일로서 사용하는 것이 가능하다.
특히, 폴리이미드와 같은 열가소성 플라스틱의 사용 시에 소유화를 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 층 시스템의 제조 방법은 양 층들의 연결 이전 및/또는 이후에 적어도 단순히 소유화제를 직물 구조체에 부가하는 것을 그 특징으로 한다. 그것은 직물 구조체의 소유화가 한편으로 패브릭을 실리콘 층에 올려놓기 전에 수행된다는 것을 의미한다. 예컨대, 층 시스템의 형성과는 완전히 분리하여 패브릭의 제조 공정 중에 소유화를 수행할 수도 있다. 그것은 특히 패브릭이 큰 기공을 갖는 부직포이어서 부직포를 통해 실리콘이 완전히 통과해 버리는 것이 가능한 경우에 유리할 수 있다. 그를 피하기 위해, 미리 부착된 소유화 층이 실리콘에 대한 차단 층으로서 작용할 수 있다. 특히, 섬유상, 다공성, 및/또는 막 형태로 형성된 재료의 사용 시에는, 장기간의 보호를 향상시키기 위해, 층들의 연결 후에 처리하는 것도 또한 바람직하다. 대안적으로, 층들의 연결 이전 뿐만 아니라 이후에도 소유화를 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 스테이터 및 로터를 포함하되, 스테이터 및/또는 로터가 권선 및/또는 영구자석을 포함하는 전기 기계에 관한 것이다. 여기서, 본 발명에 따른 전기 기계는 권선의 영역 및/또는 점퍼 링의 영역 및/또는 자석 접착부의 영역에 본 발명에 따른 소유성-소수성 층 구조물을 구비한다. 특히, 구조 조건으로 인해 오일과 접촉하는 전기 모터의 경우, 본 발명에 따른 소유성-소수성의 부여에 의해 해당 실리콘 층 구조물의 장기 안정성이 연장된다.
본 발명의 의미에서의 바람직한 구성은 실리콘 상에 위치한 상부 플라스틱 층이 ePTFE 막이 그 위에 적층된 PTFE 니들 펠트(needle felt)로 이루어지는 것을 제시한다. 이때, ePTFE 층의 두께는 PTFE 니들 펠트 층에 비해 상당히 얇다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 층 시스템의 제조 공정에서 PTFE 니들 펠트 측면의 섬유들을 실리콘 층이 아직 경화되지 않았을 때에 그 실리콘 층과 연결하여 아직 액상인 실리콘이 펠트의 섬유들 사이에 침투하게 하거나 그 반대로 되게 함으로써 가교 결합에 의해 고정적인 연결이 일어나도록 하는 것이 유리하다. 환언하면, 펠트의 섬유들이 제1층에 관입함으로써 재료간 접합 연결이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 연결의 강도는 무엇보다도 섬유들이 제1층에 관입하는 깊이에 의해 결정된다.
오일과 대면하는 층 시스템의 측면이 ePTFE 막으로 이뤄지는 것이 유리한데, 왜냐하면 미세 다공으로 인해 유성 또는 수성 액체들이 그 막을 통과하기 매우 어렵기 때문이다. 그러한 층 시스템의 이점은 실리콘의 기본적인 특성들의 유지, 실리콘 층과 PTFE 니들 펠트 층 간의 고정적인 접착, 및 오염 측면에 배치되고 PTFE 니들 펠트와 고정 연결되는ePTFE 막의 매우 높은 소수/소유 작용에 있다.
일 실시예에서는, ePTFE 막이 적층된 PTFE 펠트의 거칠게 된 측면, 즉 막이 없는 측면을 아직 액상인 실리콘이 패브릭의 섬유들/필라멘트들에 침투할 수 있도록 액상 경화되지 않은 실리콘 상에 올려놓는다. 따라서 경화 후에 펠트가 실리콘과 매우 잘 접착되고, 무엇보다도 특히 이때에 델타-알파 문제(Delta-Alpha problem)가 발생하지 않는데, 왜냐하면 양 재료들(PTFE/실리콘)의 상이한 열팽창이 펠트 또는 막의 섬유/필라멘트 밀도의 증대/감소에 의해 잘 보상될 수 있기 때문이다. 따라서 박리 작용을 우려할 필요가 없다. 그것은 제1층과 제2층 간의 접착이 순수한 접착 층에 의해 이뤄지는 다른 복합 재료와 대비하여 큰 이점이 된다. 그러한 통상적인 개념에서는, 상이한 열팽창으로 인한 층 박리를 항상 고려하여야 한다.
또 다른 예에서는, 오일과 대면하는 또는 실리콘의 반대쪽을 향한 패브릭의 측면을 소유화제로 추가로 처리하는, 특히 소유성 층의 분사에 의해 처리하는 것이 또한 유리한 것으로 밝혀졌다. 그를 위해, 소유화제를 각각의 측면에 부가할 수 있다. 적합한 소유화제들은 바람직하게는 액체, 특히 분산액이기 때문에, 소유화제를 나중에 오염과 대면하게 될 섬유상, 다공성, 및/또는 막 형태의 재료의 측면에 분사하는 것이 매우 바람직하다. 그것은 층 시스템의 제조 전에는 물론 제조 후에도 수행될 수 있다. 섬유상, 다공성, 및/또는 막 형태의 재료의 거칠게 된 측면, 섬유질 측면, 또는 개방 다공 측면을 아직 액상인 실리콘에 부착하는 경우, 특히 눌러 붙이는 경우, 층들의 연결 전에 소유화제를 부가하는 것이 유리할 수 있다. 그것은 비극성 실리콘이 전체 부직포를 통과해서 침투하여 나중에 오염 물질과 접촉하는 경우에는 층의 소유성 특성이 저해되기 때문이다.
본 발명의 의미에서의 보호 층을 형성하는데 적합한 또 다른 재료들을 다음의 목록에서 열거하기로 한다:
섬유상 재료들:
폴리이미드, 특히 폴리이미드 펠트
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 특히 스펀본드 부직포 또는 멜트블로운 부직포(예컨대, Colbond®사의 Colon®)
폴리에틸렌나프탈레이트(예컨대, Teonex®)
폴리술폰, 폴리페닐렌술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아라미드, 특히 Hicotec®이란 명칭으로 Frenzelit®사에 의해 시판되고 있는 폴리에틸렌설파이드계, 폴리에테르에테르케톤계, 및 폴라아라미드계 부직포,
예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알콕시 공중합체와 같은 불소 함유 폴리머
특히, 미세 섬유, 소위 나노 섬유는 멜트블로운 방법 또는 전기 방사(Z. -M. Huang, Composities Science and Technology, 제63권, 2003, 제2223-53면 참조)에 의해 제조될 수 있다.
다공 재료/발포체:
멜라닌 수지 발포재, 예컨대 Basotect®
폴리이미드 발포체(예컨대, B. Krause, Adv. Mat. , 2002, 제14권, 제15호, 제1041-46면에 따른)
폴리이소시아누레이트(PIR) 발포체
폴리메타크릴이미드(PMI) 발포체
폴리아미드-(예컨대, Zotek® NB 50-블록 발포재)
폴리술폰, 폴리술폰, 폴리페닐렌술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드(EP 1454946 B1), 폴리아미드이미드, 폴리에테르에테르케톤
폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)
폴리에틸렌나프탈레이트(예컨대, Teonex®)
막:
막 재료로서, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알콕시 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체와 같은 불소 폴리머가 사용될 수 있고, 그 밖에 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴니트릴 공중합체도 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구성들은 종속 청구항들에 기재된 나머지 특징들로부터 명백할 것이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면들에 의거하여 또 다른 실시예들에서 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 전기 모터의 스테이터(A)와 로터(B)를 사시도로 나타낸 도면들이고;
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1구성에 따른 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 그라우팅 컴파운드의 본 발명에 따른 층 구조물을 a) 실리콘 층의 경화 전에, b) 경화 후에 개략적인 단면도로 나타낸 도면들이며;
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2구성에 따른 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 그라우팅 컴파운드의 본 발명에 따른 층 구조물을 a) 실리콘 층의 경화 전에, b) 경화 후에 개략적인 단면도로 나타낸 도면들이고;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3구성에 따른 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 그라우팅 컴파운드의 본 발명에 따른 층 구조물을 a) 실리콘 층의 경화 전에, b) 경화 후에 개략적인 단면도로 나타낸 도면들이며;
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 O-씨일(O-seal)로서의 구성의 실시예 1 내지 실시예 3을 개략적인 단면도로 나타낸 도면들이다.
이하에서는, 본 발명을 전기 모터의 스테이터를 위한 및 로터용 자석 접착부를 위한 그라우팅 컴파운드들 예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 소유성-소수성 표면을 갖는 실리콘계 층 구조물은 다른 기계들 또는 부품들(예컨대, 오일 팬용 씨일 재료)과 관련되어 사용될 수도 있음을 알아야 할 것이다.
전체적으로 도면 부호 "10"으로 지시된 전기 모터의 기본 구성 요소들을 도 1a 및 도 1b에 의거하여 설명하는바, 도 1a는 스테이터(20)를 그리고 도 1b는 로터(40)를 각각 도시하고 있다.
도 1a에 도시된 스테이터(20)는 통상적으로 예컨대 강으로 된 수직으로 겹쳐 쌓인 다수의 개별 박판들의 적층 박판 다발로 이루어지는 스테이터 코어(22)를 포함한다. 스테이터 코어(스테이터 박판 적층 코어)(22)는 그 내부 둘레에 수직으로 연장된 홈들(24)을 규칙적인 간격을 두고 구비한다. 홈들(24) 내에 및 그 둘레에는 권선들(26)이 연장되는데, 그 권선들(26)은 전형적으로 거의 대부분이 절연 코팅된 구리 와이어로 제조된다. 스테이터 코어(22)를 넘어 돌출하는 권선들(26)의 부분은 권선 헤드(28)로 지칭된다.
부분 권선들(26)은 도 1a에서 보이지 않는 점퍼 링(29)에 의해 전기적으로 서로 연결된다. 예컨대, 3상 전기 모터의 경우, 총 24개의 부분 권선들의 3번째 부분 권선마다 공통의 점퍼 링 세그먼트를 통해 서로 연결되고, 따라서 본 예에서는 점퍼 링(29)이 8개씩의 부분 권선들을 전기적으로 서로 연결하는 3개의 세그먼트들을 포함한다. 여기서는 보이지 않는 점퍼 링(29)의 전기 절연을 위해, 권선 헤드(28) 및 점퍼 링(29)의 상부 바깥쪽 영역은 실리콘계의 그라우팅 컴파운드(30) 내에 매립되는데, 그러한 그라우팅 컴파운드(30)는본 발명에 따른 소유성-소수성 표면 마감을 갖는 층 구조물의 형태로 형성된다. 그에 대해서는 아래에서 도 2 및 도 3에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1b에 도시된 로터(40)는 로터 코어(박판 적층 코어)(42) 및 그 로터 코어(42)와 접착되는 다수의 영구자석들(44)을 포함한다. 도시된 예시적 구성에서는, 로터(40)가 외부 로터(external rotor)로서 형성되고, 따라서 자석들(44)이 그 내부 둘레 면에 배치된다. 본 경우에는, 스테이터(20)가 조립 상태에서 로터(40)의 내부에 위치하고, 따라서 스테이터(20)의 권선(26)과 로터(40)의 자석(44) 사이에 에어 갭이 존재한다. 그와는 다른 구성에서는, 로터(40)가 내부 로터(internal rotor)로서 형성될 수도 있고, 이때에는 자석들(44)이 로터 코어(42)의 외부 둘레에 배치된다. 로터(40)는 도시되지 않은 구동 축과 회전 불가능하게 연결되는 중심 샤프트(46)를 더 포함한다.
도 2b는 스테이터(20)(내지 그 권선 헤드 또는 그 점퍼 링)및 그 위에 부착된 본 발명에 따른 층 구조물의 형태의 그라우팅 컴파운드(30)를 개략적인 단면도로 도시하고 있다. 본 발명에 따른 층 구조물(30)은 3개의 층들(31, 32, 33)을 포함한다. 제1층(31)은 스테이터(20)(내지 그 권선 헤드 및/또는 그 점퍼 링)의 표면에 접한다. 제1층(31)은 실리콘을 함유하거나 실리콘으로 이루어진다. 실리콘은 특히 메틸폴리실록산고무, 예컨대 비닐메틸-폴리실록산 고무(VMQ) 또는 페닐비닐메틸-폴리실록산 고무(PVMQ)이다. 예컨대, 여기서는 RAKU-SIL® 10-S 13/9(회사명: Rampf Giessharze GmbH & Co. KG)라는 상표로 판매되고 있는 실리콘 탄성 중합체가 사용될 수 있다.
제2및 제3층들(33, 32)은 도 2a에 도시된 바와 같이 적어도 점성이 있는 제1 실리콘 함유 층(31) 상에 함께 올려 놓여진다. 이때, 도시된 제1 실시예에서, 도 2a에서 양 층들(32, 33)은 하면 측(즉, 실리콘 쪽을 향한)에서 섬유상으로 형성되고 상면 측(즉, 오일 쪽을 향한)에서 얇은 미세 다공 막(32)으로서 형성되는 플라스틱 층이다. 미세 다공 막(상면 측)은 얇은 ePTFE 층이다. 플라스틱 층의 섬유상 하면은 플라스틱 재료에서 일련의 가는 고온 바늘들의 작용에 의한 콤팩트 플라스틱 포일 또는 미세 다공 막의 니들링을 통해 제조된다. 섬유상으로 형성되는 것에 의해, 하면의 표면이 크게 확대된다. 니들 펠트의 출발 재료로서 콤팩트 플라스틱 포일을 사용하는 경우, 후속 적층 공정에서도 여전히 얇은 ePTFE 층이 적층된다. 미세 다공 막을 니들링의 출발 재료로서 사용하는 경우, 막 층의 부착이 생략되는데, 그것은 막 층이 애초부터 이미 존재하고 있기 때문이다. 이어서, 그와 같이 형성된 상층과 하층으로 이뤄진 플라스틱 층의 니들링된 섬유질 하면을 아직 경화되지 않은 점성의 실리콘 함유 층(31)에 부착하고, 그 결과 재료가 하면의 섬유들 사이에 침투한다. 추후에 재료가 경화되면, "쐐기꼴 형성"으로도 지칭되는 고정적인 재료간 접합 연결이 일어나게 된다. 적합한 섬유상 다공성 및/또는 막 모양의 재료로서, 예컨대 펠트 층에 비해 매우 얇은 ePTFE 츠잉 상면에 있는 것을 특징으로 하는 Heimbach사의 PTFE 니들 펠트 또는 폴리이미드 니들 펠트를 들 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 층 시스템(30)의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 2에서와 같이, 부분 도면들은 제2층(32)의 부착 전후의 층 시스템(30)을 각각 나타내고 있다. 도 3b에 개략적인 단면도로 도시된 본 발명에 따른 층 시스템(30)은 스테이터 표면에 부착되는 층 시스템을 나타낸다. 여기서, 최하층 또는 제1층(31)은 도 2에서 설명한 바와 같이 형성된다. 그러한 제1층(31) 상에 직물 구조체를 갖는 제2층(32)이 부착된다. 선택된 실시 형태에서는, 제1층(31)과 제2층(32)의 재료간 접합 연결이 접합제(34)에 의해 구현된다. 이때, 직물 구조체는 부분도 A)에 도시된 바와 같이 그 하면에 예컨대 아크릴레이트 접착 층(34)이 형성된 플레이트 또는 밴드의 형태로 형성될 수 있다. 제2층(32) 그 자체는 예컨대 연신된 ePTFE로 이뤄진 막으로서 형성될 수 있다. 본 발명의 의미에서 제2층(32)에 적합한 재료들은 예컨대 Gore®의 Joint Sealant F, MultiFlon(FluorTex®의, 플레이트 또는 밴드로서 적용 가능한), 및 Style HD로 지칭되는 역시 FluorTex®사의 씨일 밴드이다.
도 4b는 제2층(32)이 부직포로서 구성되는 본 발명에 따른 층 시스템의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 그러한 부직포의 제조 공정에서, 선택된 재료의 섬유들을 예컨대 니들링 기법에 의해 서로 섞어 짜서 상면과 하면에서 거칠게 된다. 도 2 및 도 3에서 사용된 막에 비해 표면이 넓은 조대한 구조체가 생성된다. 도 2에서 설명한 바와 비슷하게, 도 4b의 층 시스템은 패브릭을 적어도 점성이 있는 실리콘 함유 제1층(31)에 부착함으로써 형성된다. 제1층(31)의 점성 재료가 부직포에 침투하여 고정 연결을 생성한다. 여기서, 적합한 재료는 이미 설명한 PTFE이지만, 예컨대 고온 부직포로 사용되는, Headingfilter사의 폴리이미드 부직포와 같은 재료들도 적합한 재료이다. 실리콘 함유 재료가 조대한 패브릭(32)을 완전히 통과해 버리는 것을 방지하기 위해, 부직포의 추후 상면(36)이 되는 측면을 소유화제로 처리할 수 있다. 그 경우, 소유화제의 함침 깊이가 미처리 패브릭(35)의 섬유들 사이에 실리콘 함유 재료가 침투하는 깊이를 결정한다. 소유화제로서는, 예컨대 FS 22, FS 61, FS 63, FS 81, FS 83, FS 3100, 및 그 혼합물들과 희석액들과 같은, Du Pont의 Capstone 프로그램의 시약들, Solvay®의 XPH 5510 및 MFA D 5220과 같은 Hyflon®타입들, 및 3M®의 TF 5060GZ 및 TF 5050Z와 같은 DyneonTM PTFE 분산액들이 적합하다. 다양한 소유화제들의 혼합물들 및/또는 소유화제들의 희석액들도 역시 사용될 수 있다. 패브릭(32)의 소유화를 위해, 적절한 제제를 패브릭(32)에 분사함으로써 부가하는 것이 바람직하다. 그러한 과정은 필요에 따라 반복될 수 있다. 그러한 재료들은 얇은 침투 깊이를 그 특징으로 한다. 오히려, 먼저 부직포 상에 피막이 형성되고, 그 피막이 나중의 경화 시에 패브릭과 가교 결합된 소유성 층(36)을 제공한다.
실시예들에서, 타입 898F25의 두께 1. 3mm의 PTFE 니들 펠트 또는 타입 898F11의 두께 1. 6mm의 펠트(양자 모두 Heimbach사의)를 사용하고, 양자의 경우에 모두 40ml/m2의 Capstone 용액을 펠트에 분사하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 실온에서 밤새워 분산액을 건조한 후에, Pentosin 오일(Pentosin FFL-2)은 물론 실리콘도 반발하는 소유성 표면이 생겼다.
도 2 내지 도 4에서 설명한 본 발명에 따른 층 시스템의 적용례들은 스테이터 표면 이외에 예컨대 오일 팬 등과 같은 오일을 담은 용기를 실링하기 위해서도 사용될 수 있다. 또한, 씨일로서의 사용도 바람직하다. 이때, 실리콘계의 코어(37), 예컨대 씨일 링 등은 제1층과 상응하게 직물 패브릭(32)으로 코팅될 수 있다. 그와 관련하여, 도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 도 2, 도 3, 및 도 4로부터 넘어온 실시예들을 도시하고 있다. 따라서 도 5는 열가소성 플라스틱 기반의 섬유상 다공성 및/또는 막 형태의 재료, 즉 본 발명의 의미에서의 직물 재료가 고정적으로 연결되는 실리콘 코어(37)로 이뤄진 층 시스템을 도시하고 있다. 이때, 도 5a에서는 패브릭의 거칠게 된 바늘 모양의 하면(33)이 속으로 돌출함으로써 고정적인 연결이 생성된다. 도 5b는 패브릭(32)이 접합제(34)에 의해 접착되는 것을 나타내고 있고, 도 5c는 실리콘 코어 및 일 측면(36)에서 코어와 가교 결합하고 코어의 반대 쪽을 향한 외부 측면(35)에서 소유화된 부직포로 이뤄진 연결을 나타내고 있다.
또한, 각각의 실시예에서, 제2층은 다시 2개의 층들로 구성될 수 있다. 그와 관련하여, 아래의 표로부터 그러한 조성을 알 수 있을 것이다.
제2층(32)의 다층 구조 층(32a)(실리콘 층에 점착) 층(32b)(상면이 오염 쪽으로 마감)
1 섬유 층 생략
2 섬유 층 1(조대 섬유들) 섬유 층 2(미세 섬유들)
3 섬유 층 발포 층
4 섬유 층 막
5 발포 층 생략
6 발포 층(조대 셀) 발포 층(미세 셀)
오염 쪽으로 마감된 제2층은 추가로 소유화제를 더 구비할 수 있다.
10: 전기 기계/전기 모터
20: 스테이터
22: 스테이터 코어
24: 홈
26: 권선
28: 권선 헤드
30: 층 구조물/그라우팅 컴파운드
31: 제1층/실리콘 층
32: 제2층/직물 패브릭
33: 직물 패브릭의 바늘 모양 섬유
34: 접합제
35: 부직포 하면
36: 부직포 상면/소유화된
37: 실리콘 코어
40: 로터
42: 로터 코어
44: 자석
46: 샤프트
50: 층 구조물/접착부

Claims (10)

  1. 스테이터(20) 및 로터(40)를 포함하는 전기 기계(10)로서, 상기 스테이터(20) 및/또는 상기 로터(40)는 권선(26) 및/또는 영구자석(44)을 포함하고, 상기 권선(26)의 영역 및/또는 상기 영구자석(44)의 접착부의 영역에 소유성-소수성 층 구조물(30)을 갖는 그라우팅 컴파운드가 배치되고,
    상기 소유성-소수성 층 구조물(30)은:
    i. 실리콘을 함유하고 상기 권선(26) 및/또는 상기 영구자석(44)의 접착부에 접하는 제1층(31) 및
    ii. 상기 제1층(31)과 재료간 접합 연결되고 열가소성 플라스틱으로 이루어진 직물 구조체를 함유하는 제2층(32)을 포함하고,
    상기 재료간 접합 연결은 상기 제1층(31)의 실리콘이 상기 제2층(32)에 침투함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 재료간 접합 연결은 선택적으로 접합제(34)에 의한 상기 제1층(31) 및 상기 제2층(32)의 접착으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 오일 저항성이 있는 폴리머이거나 그를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 직물 구조체는 막, 부직포, 섬유상 패브릭, 및/또는 발포체이거나 그를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  5. 제4항에 있어서, 상기 직물 구조체는 섬유질, 다공성, 또는 접합제를 갖는 하면(33, 35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2층(32)은 상기 실리콘 함유 제1층의 반대 쪽을 향한 측면에서 소유성 층의 분사에 의해 소유화되는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 전기 기계(10)의 그라우팅 컴파운드를 형성하는 방법으로서, 상기 제2층(32)을 상기 실리콘을 함유하는 제1층(31)의 경화 전에 그 위에 올려놓아 경화 전의 액상 실리콘을 직물 구조체의 섬유들(33, 35) 및/또는 다공들에 상호 침투시키는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2층(32)을 올려놓기 이전 및/또는 이후에 소유화제를 제2층(32) 상에 부가하는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 플라스틱은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및/또는 폴리이미드이거나 그를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계(10).
  10. 삭제
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