KR102546479B1

KR102546479B1 - 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법

Info

Publication number: KR102546479B1
Application number: KR1020160124891A
Authority: KR
Inventors: 한세원; 강동필; 이대호; 황돈하
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2023-06-21
Also published as: KR20180034983A

Abstract

본 발명은 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법에 관한 것으로서, 길이 방향으로 길게 형성되는 금속 도체의 표면을 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅되도록 하는 고윤활-셀프 본딩 코팅제로 코팅 처리하여 각형 코일을 제작하는 단계와; 하나의 권선치에 대응하는 전동기용 분할형 슬롯의 표면에 세라믹 절연 코팅을 수행하는 단계와; 상기 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 기설정된 범위의 장력이 가해지도록 기설정된 횟수로 권선하는 단계와; 권선된 상기 분할형 슬롯에 대한 1차 열처리를 수행하는 단계와; 복수 개의 상기 분할형 슬롯을 환형으로 배열하여 하나의 고정자 모듈로 조립하는 단계와; 조립된 고정자 모듈에 대한 2차 열처리를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 고밀도 와인딩 방식으로 점적율을 최대한 증가시켜 전동기의 고효율화가 가능하고, 셀프본딩 방식으로 종래의 절연 함침 방법으로는 제거하기 어려운 미세기공을 보다 효율적으로 제거할 수 있어 전동기의 절연성능 향상과 더불어 장기신뢰성을 개선할 수 있으며, 슬롯코아에 사용하는 절연가이드를 세라믹코팅 절연방식으로 전환하여 고밀도 와인딩에 필요한 공간을 확대함으로써 전동기의 효율성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법{METHOD FOR WINDING RECTANGULAR COIL OF HIGH DENSITY FOR ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 고밀도 와인딩 방식으로 전동기의 고효율화가 가능한 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법에 관한 것이다.

최근 전력기기나 전기 부품들은 에너지 고효율화, 소형화, 장기신뢰성의 향상을 위해 끊임없이 기술이 개발되어 왔으며, 특히 모터의 소형화와 고효율화를 위해 슬롯(회전자 또는 고정자)에 가능하면 많은 양의 코일을 와인딩하는 것이 중요하다.

그러나 권선의 와인딩 밀도가 높아지면 표면 마찰력의 증가로 인해 코일의 코팅표면이 손상되어 절연 신뢰성이 문제가 발생하기 때문에 이를 극복하기 위해서는 표면 윤활성과 유연성 그리고 절연코일로서의 내구성을 가지는 새로운 소재의 개발이 없이는 매우 어려운 실정으로 이를 극복하기위해 최근 고분자 바니쉬에 나노급 콜로이드 세라믹을 융합한 유무기 하이브리드 바니쉬소재의 적용이 시도되어 왔다. 그러나 고분자량의 수지에 액상 콜로이드 세라믹을 많이 첨가하는 방법으로는 고밀도 권취시 발생하는 표면 손상으로 인한 크랙의 발생으로 절연신뢰성이 크게 저하는 실정이다.

한편, 모터코일도 소형 고집적화를 위해 각형화 필요성이 대두되고 있는데, 이때 구조적으로 각형이 원형보다 와인딩 작업시 마찰접촉면이 대형화하는 문제가 발생하여 점적 밀도를 높여 코일을 제작하기 위해서는 큰 작업힘이 필요하면서 와인딩을 높이는데 한계를 가지게 된다. 또한 구조적으로 각코일의 경우 곡각부가 형성되어 곡각부의 각이 날카로워지면 작업시 코팅표면에 기계적 파손이 쉽게 발생한다. 이러한 실정에 따라, 기존의 기술은 모터코일의 절연소재로는 크게 금속소재와의 밀착력이 우수한 프라이머 소재, 기계적 강도 및 절연성이 우수한 주절연 소재, 고윤활 특성이 요구되는 탑코팅 소재 등으로 구분하여 다층 코팅을 형성하여 극복하고 있으나 작업의 다중성과 코팅층의 두께제어의 어려움 등의 문제점을 가지고 있다.

최근까지 고밀도 와인딩 기술과 관련하여서 주로 에나멜선의 내열성, 내코로나, 가공성을 향상시키는 방법과 기술에 관한 특허로서 관련 국내외 주요 특허(특2005-0096613, 특2001-0017950, 특1984-0007648, US5393612) 등이 다수 출원되어 있긴 하나, 전동기 점적율 향상을 위한 기술적 접근은 아직 미진한 실정으로 적극적으로 대체되는 기술은 아직 개발되어 있지 않다.

프레미엄급 고효율 모터나 고집적 전력기기에는 현재까지 알려진 내열등급이 가장 높은 N, C급의 PAI/PI 절연바니쉬들이 사용되고 있지만, 선진국에서는 절연바니쉬의 고성능화를 위해서 이들 소재에 세라믹을 첨가한 나노복합 절연바니쉬의 개발이 진행되어 상업적 활용이 시도되고 있으며, 최근에는 고성능 제품을 제조하기 위해서 나노하이브리드 바니쉬절연 각형코일 기술개발이 진행되고 있다.

고윤활-자기융착성을 가진 탑코팅 소재의 개발을 위해 낮은 표면 에너지를 가지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 PAI와 공유결합을 통해 공중합체(copolymer)를 만드는 예가 발표되었다. 이처럼 서로 다른 표면에너지를 가지는 화학물질들을 공유결합을 통해 하나의 공중합체(copolymer)로 만드는 경우 상분리를 효과적으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 공중합체 중에서 PAI-PDMS-PAI의 triblock copolymer의 경우 표면에 노출되는 PDMS에 의해 표면에너지가 낮아져 윤활성이 생기고 단독으로 존재하지 않기 때문에 자기융착도 가능한 특징을 가진다.

이렇듯 기능적으로 프라이머층 절연재, 주절연재, 고윤활 탑코팅재 등의 필요성이 부각되어 상업적으로 활용이 시도되고 있고 주절연재로 세라믹이 첨가된 하이브리드 바니쉬의 사용이 부분적으로 진행되어 왔지만 이러한 소재를 각형의 코일에 적용하는데 있어서 보다 효율적으로 와인딩의 밀도를 높이기 위한 공정이나 설계요소의 구체적 기술개발은 아직 미진한 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 와인딩 고밀도화가 가능할 뿐 아니라 고밀도화 진행 시 발생하는 미세기공을 억제할 수 있는 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법은, 길이 방향으로 형성되는 금속도체의 표면을 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅되도록 하는 고윤활-셀프 본딩 코팅제로 코팅 처리하여 각형 코일을 제작하는 단계; 하나의 권선치에 대응하는 전동기용 분할형 슬롯의 표면에 세라믹 절연 코팅을 수행하는 단계; 상기 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 기설정된 범위의 장력이 가해지도록 기설정된 횟수로 권선하는 단계; 권선된 상기 분할형 슬롯에 대한 1차 열처리를 수행하는 단계; 복수 개의 상기 분할형 슬롯을 환형으로 배열하여 하나의 고정자 모듈로 조립하는 단계; 및 조립된 고정자 모듈에 대한 2차 열처리를 수행하는 단계;를 포함하되, 상기 각형 코일을 제작하는 단계는, 길이 방향으로 형성되는 금속도체의 표면에 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층을 형성하는 제1단계; 상기 프라이머층의 표면에 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와, 알루미나, 실리카 및 질화붕소 중 하나 이상을 포함하는 세라믹 졸이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층을 형성하는 제2단계; 및 상기 주절연층의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층을 형성하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고밀도 와인딩 방식으로 점적율을 최대한 증가시켜 전동기의 고효율화가 가능하고, 셀프본딩 방식으로 종래의 절연 함침 방법으로는 제거하기 어려운 미세기공을 보다 효율적으로 제거할 수 있어 전동기의 절연성능 향상과 더불어 장기신뢰성을 개선할 수 있으며, 슬롯코아에 사용하는 절연가이드를 세라믹코팅 절연방식으로 전환하여 고밀도 와인딩에 필요한 공간을 확대함으로써 전동기의 효율성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법을 나타내는 순서도.
도 2는 기존의 환형 코일과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일을 각각 모터 슬롯에 적용한 단면을 비교하기 위한 도면.
도 3은 도 1의 각형 코일 제작 단계에 제작된 코일 시제품의 실사도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 바니쉬로 절연처리된 3중층의 각형 코일 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리아미드이미드 수지의 구조.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AA-PAI와 PUAI의 합성 및 캡핑 scheme.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 실리콘 공중합체 또는 캡핑된 폴리아미드아미드의 구조.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분할형 슬롯과 상기 분할형 슬롯에 각형 코일을 권선한 상태를 각각 나타낸 사진.
도 9는 도 1의 조립 단계에서 조립된 고정자 모듈의 사진.
도 10은 도 1의 1차 열처리 및 2차 열처리 공정을 수행하는 상태의 사진.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일의 권선수 및 작업힘에 따른 점적율을 설명하기 위한 표 및 도면.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일의 특성시험 그래프.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일이 기설정된 장력으로 권선된 분할형 슬롯의 절연성능 시험결과를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일이 기설정된 장력으로 권선된 분할형 슬롯을 포함하는 전동기의 특성시험 그래프.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기용 각형 코일의 고밀도 권선 방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 길이 방향으로 길게 형성되는 금속 도체의 표면을 고함량의 세라믹을 가지는 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅되도록 하는 고윤활-셀프 본딩 코팅제로 코팅 처리하여 각형 코일을 제작한다(S100).

도 2는 기존의 환형 코일과 본 발명의 상기 S100단계에 의해 제작되는 각형 코일을 각각 모터 슬롯에 적용한 단면을 비교하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 코일의 집적도 증가로 동일 크기와 같은 수의 도체가 들어가면 슬롯의 크기가 작아짐(10~15%)으로써 전기기기의 크기(무게,부피)를 줄일 수가 있으며, 동일 크기에 코일 수를 늘려 출력을 높일 수도 있다. 동일 공간에 삽입가능한 코일 수는 구조형상 외에도 기기제조시의 코일을 어느 정도의 힘으로 감느냐에 달려 있는데, 표면의 마찰계수가 낮으면 같은 힘을 가해도 빽빽이 감을 수 있고 코일표면 재료의 파손도 막을 수 있는 장점이 있어서 고윤활 코팅소재는 중요하다 할 것이다.

다시 말하여, 모터의 스테이터에 코일을 감을 때 도 2의 가운데에 도시된 기존 환형의 경우 형상적으로 공간을 채울 수 있는 비율이 60~70%가 가능하지만, 도 2의 오른쪽에 도시된 각형 코일을 제작하여 공간을 채우는 경우 최대 85%까지 적층이 가능하다. 이에 따라 모터 체적도 7~10% 정도 줄어들고 효율 면에서도 10~25% 정도 향상을 기대할 수 있게 된다.

도 3은 도 1의 각형 코일 제작 단계에 제작된 코일 시제품의 실사도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 바니쉬로 절연처리된 3중층의 각형 코일 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 바니쉬로 절연처리된 3중층의 각형 코일은 금속도체(10), 프라이머층(20), 주절연층(30) 및 탑코팅층(40)으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 각형 코일을 제작하는 단계(S100)는, 길이 방향으로 길게 형성되는 금속도체의 표면에 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층을 형성하는 제1단계와, 상기 프라이머층의 표면에 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층을 형성하는 제2단계와, 상기 주절연층의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층을 형성하는 제3단계를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1단계는 금속도체(10)의 표면에 프라이머용 하이브리드 바니쉬를 코팅하는 것으로, 프라이머용 하이브리드 바니쉬는 금속과의 접착력과 유연성 확보를 위해 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPAoxyethylene glycol(BPA OEG), AA 등으로 변성된 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체에 졸 상태의 세라믹이 1~10wt%의 함량으로 첨가된 하이브리드 바니쉬소재가 적용된다.

이와 같은 유연성 화학구조가 고분자 사슬 내에 많이 포함되면 열내구성이 저하되므로 폴리아미드이미드 분자의 분자량이 20,000~200,000으로 중합되고 있는 중간에 상기 glycol들을 투입하여 triblock--PAI 공중합체 구조가 되도록 합성하는 것이다.

이때 유연성과 접착성이 우수해야 하는 금속 계면에 형성되는 프라이머층(20)은 세라믹의 고함량 처방시 유연성과 밀착성이 취약해지므로, 콜로이드 실리카졸을 1~10wt% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 만약 졸 상태의 세라믹이 1 wt% 미만이면 열적 특성과 전기적 특성의 향상 효과가 적고, 10wt%를 초과하면 오히려 유연성과 밀착성이 취약해질 수 있기 때문이다.

또한, 상기 제1단계에서의 프라이머층(20)은 금속도체(10)의 표면에 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 프라이머용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층으로, 금속도체(10)의 표면에 프라이머용 하이브리드 절연제가 코팅되는 층이라 할 수 있다.

여기서 프라이머용 하이브리드 바니쉬는 금속과의 접착력과 유연성 확보를 위해 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPAoxyethylene glycol(BPA OEG) 및 AA 등으로 변성된 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체에 졸 상태의 세라믹을 1~10wt%의 함량으로 하이브리드한 바니쉬소재가 적용된다.

이때 프라이머용 하이브리드 바니쉬의 변성 폴리아미드이미드는 oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPAoxyethylene glycol(BPA OEG) 및 AA 중 어느 하나를 중심으로, 양단에 폴리아미드이미드가 합성되는 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체인 것으로, 상기와 같은 유연성 화학구조가 고분자 사슬 내에 많이 포함되면 열내구성이 저하되므로 폴리아미드이미드 분자의 분자량이 20,000~200,000 정도로 중합되고 있는 중간에 앞서 제시된 glycol들을 투입하여 triblock-PAI 공중합체 구조가 되도록 합성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1단계에서의 금속도체(10)는 단일 성분 또는 얼로이(합금, alloy) 등이 길이 방향으로 길게 형성되는 것으로, 전기전도성이 우수하고 휨 변형성이 적절한 구리, 알루미늄 및 이들의 얼로이로부터 어느 하나가 선택적으로 해당될 수 있으며, 압연으로 선재를 제조한 후 각형의 고경도 다이스를 이용하여 연신하면서 각형 모향을 형성시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리아미드이미드 수지의 구조이다. 내열등급이 N, C종에 해당되는 근간인 폴리아미드이미드 수지는 도 5서와 같은 화학적인 기본 구조를 가지고 있으며, 내열성 및 절연성이 우수하지만 수지의 강성률이 높아 세라믹을 고함량으로 첨가하면 접착성과 유연성에서 한계를 보여, 각각의 소재별로 세라믹의 고함량 첨가가 가능하고 요구되는 기능성에 맞도록 폴리아미드이미드 분자를 화학적으로 개질화시킴이 바람직함을 알 수 있다.

즉 디이소시아네이트 화합물과 산무수물 화합물을 일정한 양론비로 반응시켜 말단에 일정량의 이소시안(-NCO)기를 가지는 폴리아미드이미드를 합성하게 되는 것이다.

참고로, 디이소시아네이트 화합물은 4,4'-메틸렌비스(페닐 이소시아네이트)(4,4'-Methylenebis(phenyl isocyanate)), 2,4-메틸렌비스(페닐 이소시아네이트)(2,4-Methylenebis(phenyl isocyanate)) 및 이의 유도체들 중 어느 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다. 그리고 산무수물 화합물은 TMA(Trimellitic anhydride) 및 이의 유도체들 중 어느 하나 이상을 선택적으로 사용할 수 있다.

이처럼 근간 수지인 폴리아미드이미드를 이용하여 프라이머 절연제용으로 유연고접착성의 triblock-PAI 공중합체, 주절연제용으로 고유연성의 Capped AA-PAI나 PUAI, 탑코팅 절연제용으로 고윤활성의 PDMS-PAI 등 특화된 수지를 합성하여 실란처리된된 졸 상태의 세라믹들을 하이브리드화하는 것이 바람직하며, 졸 상태의 세라믹이 고함량(10~25wt%)으로 포함된 절연바니쉬임에도 불구하고, 각각의 프라이머 절연제, 주절연제, 탑코팅 절연제가 계층적으로 코팅된 각형 코일 제조에 어려움이 없었으며, 코일에서 요구되는 제반물성을 만족시킬 수 있다.

상기 제2단계는 프라이머층(20)의 표면에 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 주절연용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 주절연층(30)을 형성하는 단계이다.

상기 제2단계에서 형성되는 주절연층(30)은 프라이머층(20)의 표면에 후막으로 코팅되어 기본적인 절연성과 기계적 강성률 외에 방전내구성(서지내구성)을 가져야 하는데, 고분자 단독으로는 방전내구성이 크게 부족하기 때문에 나노수준 세라믹의 고함량 복합화를 통하여 이러한 한계를 극복하게 된다.

또한, 상기 제2단계에서의 주절연층(30)은 프라이머층(20)의 표면에 아미드기가 상대적으로 많은 변성 폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 주절연용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층이다.

여기서 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄이 포함된 변성 폴리아미드이미드는, 폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI) 또는 클리콜류가 포함된 PUAI의 양단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 주절연용 하이브리드 바니쉬에는 5~25wt%의 졸 상태의 세라믹이 포함되는 것이 바람직하다.

한편, 주절연층(30)의 수지의 유연성 증가 및 주절연층(30) 내 실리카/수지 간 계면결합력 강화를 통해 세라믹의 고함량 첨가시 문제가 되는 기계적 파손을 막기 위한 고분자의 분자적 조작이 필요하다.

주절연층(30)에서는 폴리아미드이미드 수지의 분자량 및 화학구조의 조절을 통한 수지 유연성 증대 방안, 실리카 나노입자 표면처리를 통한 실리카/수지 간 계면결합력 강화로 외부 스트레스에 대한 내크랙성 향상이 요구된다.

주절연용 하이브리드 바니쉬에서 졸 상태의 세라믹의 고함량 처방시 접착성과 유연성 저하를 막기 위하여 TMA 대신에 일부 adipic acid(AA)와 글리콜류를 도입하여 폴리아미드이미드 사슬의 강성률과 유연성을 적절히 조절하고, 폴리아미드이미드 수지의 터미널 구조를 졸 상태의 세라믹의 분산안정화에 기여하는 다양한 물질들로 캡핑하게 되면 세라믹 고함량 첨가에도 바니쉬 절연재료적 물성들의 확보가 가능하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AA-PAI와 PUAI의 합성 및 캡핑 scheme이다. 도 6을 참조하면, 주절연층(30)용 수지로 이미드기 대비 아미드기가 많은 AA-PAI 또는 우레탄이 포함된 PUAI의 합성과정 후에 알콜류, 셀루솔브류 및 1, 2차 아민류 중에서 어느 하나 이상이 캡핑됨을 나타내었다.

주절연용 하이브리드 바니쉬의 수지로써 고분자 주사슬의 변성과 고분자 터미널의 캡핑에 의해서 개질된 수지를 사용할 경우, 다양한 실란으로 표면개질된 졸 상태의 세라믹이 5~25wt% 함량으로 첨가되어도 주절연용 하이브리드 바니쉬 절연소재로써의 물성만족이 가능하다. 만약 졸 상태의 세라믹이 5wt% 미만이면 주절연용 하이브리드 바니쉬 절연소재로써의 물성을 만족시키지 못하며, 25wt%를 초과하면 오히려 물성이 저하될 우려가 있다.

주절연용 하이브리드 바니쉬의 폴리아미드이미드(프라이머용 폴리아미드이미드 포함)에는 졸 상태의 세라믹의 분산안정성, 유연성 및 밀착성 향상을 위해서 고분자 터미널의 캡핑이 필요한데, 폴리아미드이미드 수지에 적합한 캡핑제로는 알콜류, 셀루솔브류 및 12차 아민류 등이 있다.

상기 제3단계는 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 탑코팅층(40)을 형성하는 단계이다.

상기 제3단계에서의 탑코팅층(40)은 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬를 코팅하여 형성되는 층으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는 다이블록 공중합체(PAI-PDMS), 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)를 포함하는 것이 바람직하다.

즉 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는 표면장력이 낮은 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드계 공중합체를 합성하여 사용할 수 있다. 이러한 실리콘 공중합체는 셀프본딩을 위해 폴리디메틸실록산이 내부에 포함된 것을 사용할 수도 있다.

한편, 상기 제3단계에서의 탑코팅층(40)은 주절연층(30)의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드와 졸 상태의 세라믹이 10~30wt%로 혼합 형성된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 이루어진 층으로, 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드 공중합체를 의미한다. 이러한 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드 공중합체는 다이블록 공중합체(PAI-PDMS), 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)를 포함한다.

고윤활-자기융착성을 가진 탑코팅 소재의 개발을 위해 낮은 표면에너지를 가지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)을 폴리아미드이미드와 공유결합을 통해 공중합체(copolymer)를 만들 수 있다. 이처럼 서로 다른 표면에너지를 가지는 화학물질들을 공유결합을 통해 하나의 공중합체(copolymer)로 만드는 경우 상분리를 효과적으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 공중합체 중에서 PAI-PDMS-PAI의 triblock copolymer의 경우 표면에 노출되는 PDMS에 의해 표면에너지가 낮아져 윤활성이 생기고 단독으로 존재하지 않기 때문에 자기융착도 가능한 특징을 가진다.

본 발명의 졸 상태의 세라믹에 사용되는 세라믹은 알루미나, 실리카, 질화붕소 또는 기타 전기절연성 세라믹이 사용된다. 즉, 변성 폴리아미드이미드, 아미드기가 상대적으로 많은 변성 폴리아미드이미드 및 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드에 각각 혼합되는 졸 상태의 세라믹은 알루미나, 실리카, 질화붕소 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 실리콘 공중합체 또는 캡핑된 폴리아미드아미드의 구조이다. 도 7을 참조하면, 폴리아미드이미드 터미널에 캡핑된 수지를 활용하면 고윤활성에 효과가 좋음을 알 수 있다.

이처럼 터미널에 수지가 캡핑된 폴리아미드이미드를 이용하여 합성된 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드계 공중합체에 세라믹입자를 혼합하여 마이크로/나노 융복합소재를 제조함으로써, 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로도 활용 가능하다. 단, 탑코팅용 하이브리드 바니쉬로 활용 가능한 마이크로/나노 융복합소재는 나노-마이크로 복합체와 나노하이브리드소재의 형태가 포함될 수 있다.

이러한 각형 코일의 최외각 표면층을 형성하는 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는, 윤활성을 가져 적용제품 제작시 작업이 용이하고 절연피막의 기계적 손상이 없이 고장력으로 와인딩 작업을 할 수가 있으므로, 고집적도를 갖는 기기제작에 유리하다.

더불어 boron nitride(BN)는 층상구조가 잘 발달 되어있어 고체 윤활성을 가지며 판상이라 절연특성이 우수하고 열전도성이 높아 전력기기 작동시 발생되는 열을 빠르게 확산시켜 전력기기 효율을 증가시킬 수 있는 절연재료이다.

도 7의 실리콘으로 캡핑된 폴리아미드이미드에 실리카 및 알루미나 외에도 BN(질화붕소) 나노졸을 이용하여 제조된 탑코팅용 하이브리드 바니쉬는 고윤활성 부여가 가능하여 탑코팅제로 사용시 열전도성을 높이는 효과가 있다.

특히, 졸 상태의 세라믹 함량이 10~30wt%로 하이브리드된 고윤활성의 탑코팅제인 것이 바람직하다. 이때 졸 상태의 세라믹이 10wt% 이하인 경우 열전도성이나 절연특성이 낮고, 30wt%를 초과하면 탑코팅용 하이브리드 바니쉬의 밀착특성이 나빠진다. 이에 따라, 세라믹 함량이 전체적으로 10wt% 이상일 경우에도 코일용 절연 재료로써의 물성을 만족하면서 윤활성을 가지는 각형 코일을 제조할 수 있다.

여기서 실리카/수지 계면결합력 강화를 위해서 졸 상태의 세라믹을 실란으로 표면개질을 하는 것이 바람직하다. 즉 amine, thiol, epoxide 및 carboxylic acid 등의 반응성기를 갖는 유기실란으로 세라믹 표면을 적절하게 표면처리하면 유무기 계면에서 물리적 화학적 결합이 효과적으로 형성되며, 때로는 올리고머 아미드이미드를 이용하여 분자사슬 꼬임 등의 추가적인 기계적 결합을 유도하는 방법을 이용하기도 한다.

다음으로, 하나의 권선치에 대응하는 전동기용 분할형 슬롯의 표면에 세라믹 절연 코팅을 수행한다(S200).

여기서, 상기 세라믹 절연 코팅을 수행하는 단계(S200)는, 상기 분할형 슬롯의 표면에 에폭시-세라믹 분말 코팅을 이용하여 50 내지 300μm 범위의 두께로 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다.

즉, 본 발명의 상기 S200단계에 의해 생성되는 세라믹 코팅층은, 0.5 내지 1mm 범위의 두께로 코팅층을 형성하는 기존 절연지(insulating paper)의 경우보다 상대적으로 더 두꺼운 코팅층이 형성되어야 할 것이다.

다음으로, 상기 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 기설정된 범위의 장력이 가해지도록 기설정된 횟수로 권선한다(S300).

여기서, 상기 권선하는 단계(S300)는, 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 권선치에 대응하는 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 권선하되, 바람직하게는 5kgf의 장력으로 80 내지 90회 권선할 수 있다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일의 권선수 및 작업힘에 따른 점적율을 설명하기 위한 표 및 도면이다.

도 11을 참조하면, 가로가 1.2mm이고 세로가 0.8mm인 각형 코일을 이용하여, 하나의 고정자 모듈을 구성하는 T형의 제1 권선치(teeth)와 상기 제1권선치에 인접한 제2 권선치 사이의 공간의 절반을 채운다고 가정할 때, 권선수가 '113'이고 작업힘이 '5kgf'인 경우엔 각형 코일의 점적율이 100%를 나타내고, 권선수가 '80' 내지 '85'이고 작업힘이 '5kgf'인 경우엔 각형 코일의 점적율이 75%임을 확인할 수 있다.

또한, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일의 특성시험 그래프로서, 구리 도체의 각형 코일을 모터 스테이터에 감는 작업 시, 장력을 2, 5, 10kgf로 달리하면서 코일의 전기적 특성 변화를 시험한 것이다. 이러한 경우, 5kgf의 와인eld 장력으로 당겨 감는 작업이 이루어지면, 절연내력은 초기값대비 저하율이 5% 미만의 안정적인 특성을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일이 기설정된 장력으로 권선된 분할형 슬롯의 절연성능 시험결과를 나타내는 그래프이다.

도 13을 참조하면, 7개의 시편을 이용하여 5kgf의 와인딩 장력으로 제작된 분할형 슬롯의 미세기공에 의한 절연성능을 시험한 결과, 1.2kV 인가 전압에서 부분방전값이 3000pC 미만으로 안정적인 특성을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각형 코일이 기설정된 장력으로 권선된 분할형 슬롯을 포함하는 전동기의 특성시험 그래프이다.

도 14를 참조하면, 각형 코일이 5kgf의 와인딩 장력으로 권선된 분할형 슬롯을 포함하는 1kW급 전동기의 경우, 최대 93%의 효율을 나타냄을 알 수 있다.

다음으로, S300단계에 의해 권선된 상기 분할형 슬롯에 대한 1차 열처리를 수행하고(S400), 복수 개의 상기 분할형 슬롯을 환형으로 배열하여 하나의 고정자 모듈로 조립한 후(S500), 조립된 고정자 모듈에 대한 2차 열처리를 수행한다(S600).

여기서, 상기 분할형 슬롯은 지면에 수평한 방향(X)으로 절단한 단면은 부채꼴 형상을 나타내나 지면에 수직인 방향(Y)으로 절단한 단면은 사각형을 나타낼 수 있으며, 이러한 상기 분할형 슬롯을 조립하여 하나의 고정자 모듈로 조립한 형태는 도 9에 도시된 바와 같다.

이때, 상기 1차 열처리 및 상기 2차 열처리는 180도 내지 220도의 온도로 2시간 내지 3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

따라서, 전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고밀도 와인딩 방식으로 점적율을 최대한 증가시켜 전동기의 고효율화가 가능하고, 셀프본딩 방식으로 종래의 절연 함침 방법으로는 제거하기 어려운 미세기공을 보다 효율적으로 제거할 수 있어 전동기의 절연성능 향상과 더불어 장기신뢰성을 개선할 수 있으며, 슬롯코아에 사용하는 절연가이드를 세라믹코팅 절연방식으로 전환하여 고밀도 와인딩에 필요한 공간을 확대함으로써 전동기의 효율성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

10: 금속도체
20: 프라이머층
30: 주절연층
40: 탑코팅층

Claims

길이 방향으로 형성되는 금속도체의 표면을 변성 PAI 절연바니쉬가 다층 구조로 코팅되도록 하는 고윤활-셀프 본딩 코팅제로 코팅 처리하여 각형 코일을 제작하는 단계;
하나의 권선치에 대응하는 전동기용 분할형 슬롯의 표면에 세라믹 절연 코팅을 수행하는 단계;
상기 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 기설정된 범위의 장력이 가해지도록 기설정된 횟수로 권선하는 단계;
권선된 상기 분할형 슬롯에 대한 1차 열처리를 수행하는 단계;
복수 개의 상기 분할형 슬롯을 환형으로 배열하여 하나의 고정자 모듈로 조립하는 단계; 및
조립된 고정자 모듈에 대한 2차 열처리를 수행하는 단계;를 포함하되,
상기 각형 코일을 제작하는 단계는,
길이 방향으로 형성되는 금속도체의 표면에 변성 폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 프라이머층을 형성하는 제1단계;
상기 프라이머층의 표면에 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많거나 우레탄기가 포함된 변성 폴리아미드이미드와, 알루미나, 실리카 및 질화붕소 중 하나 이상을 포함하는 세라믹 졸이 혼합 형성되어 이루어지는 주절연층을 형성하는 제2단계; 및
상기 주절연층의 표면에 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드가 포함되어 이루어지는 탑코팅층을 형성하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1단계에서의 변성 폴리아미드이미드는,
oligo(oxyethylene glycol)(OEG), oligo(oxypropylene glycol)(OPG), BPAoxyethylene glycol(BPA OEG) 및 adipic acid(AA) 중 어느 하나를 중심으로 양 말단에 폴리아미드이미드가 합성된 변성 트리블록-폴리아미드이미드(triblock-PAI) 공중합체의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2단계에서의 변성 폴리아미드이미드는,
폴리아미드이미드(PAI)에 아디프산(AA)이 합성되어 이미드기 대비 아미드기가 상대적으로 많은 아디프산-폴리아미드이미드(AA-PAI)인 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2단계에서의 변성폴리아미드이미드는,
글리콜류가 도입된 우레탄변성 폴리아미드이미드(PUAI, polyurethaneamideimide)의 양 말단에 알코올류, 셀루솔브류 및 아민류 중 어느 하나 이상이 캡핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 제3단계에서의 폴리디메틸실록산-폴리아미드이미드는,
다이블록 공중합체(PAI-PDMS) 또는 트리블록 공중합체(PAI-PDMS-PAI)인 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 1차 열처리 및 상기 2차 열처리는,
180도 내지 220도의 온도로 2시간 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 절연 코팅을 수행하는 단계는,
상기 분할형 슬롯의 표면에 에폭시-세라믹 분말 코팅을 이용하여 50 내지 300μm 범위의 두께로 세라믹 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.
제1항에 있어서,
상기 권선하는 단계는,
상기 분할형 슬롯에 상기 각형 코일을 5kgf의 장력으로 80 내지 90회 권선하는 것을 특징으로 하는 각형 코일의 고밀도 권선 방법.