KR20020077372A

KR20020077372A - 회전전기기계의 도체 또는 도체 번들용 고품질 절연체를스프레이 소결에 의해 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20020077372A
Application number: KR1020027008516A
Authority: KR
Inventors: 바우만토마스; 니엔부르크요한; 조프카외르크
Original assignee: 알스톰 (스위스) 리미티드
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-10-11
Also published as: CZ20022238A3; EP1243063A1; DE50012326D1; ATE319215T1; US7052569B2; JP2003518906A; CN100350724C; AU1980101A; US20030113441A1; RU2002120490A; EP1243063B1; CN1437786A; DE19963491A1; WO2001048895A1

Abstract

본 발명은 스프레이 소결을 이용하여 회전 전기 기계의 도체 또는 도체 번들용 고품질의 절연체를 제조하는 공정을 개시한다. 종래의 기술과는 달리, 절연체의 낮은 단계의 결점 및 부분 방전에 대한 고유 저항 때문에, 내부 코로나 방전 보호제, 절연체, 및 외부 코로나 방전 보호제을 도체 또는 도체 번들에 이용하는 것은 가능하고, 유리/운모 테이프를 이용하여 와인딩 공정의 이용을 배제할 수 있다. 이것은 복잡한 특정 장치의 이용을 배제하고, 생산 시간을 상당히 단축시킨다.

Description

회전전기기계의 도체 또는 도체 번들용 고품질 절연체를 스프레이 소결에 의해 제조하는 방법 {METHOD FOR PRODUCING A HIGH-QUALITY INSULATION OF ELECTRIC CONDUCTORS OR CONDUCTOR BUNDLES OF ROTATING ELECTRICAL MACHINES USING SPRAY SINTERING}

- 기술분야

본 발명은 회전전기기계의 절연체 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 회전 기계에서 고정자 코일, 트랜스포즈 바, 및 여기 도체등의 형태로 사용하는 도체 또는 도체 번들용 고품질 절연체를 제조하는 공정에 관한 것이다.

- 배경기술

통상적으로, 다양한 공정을 회전전기기계의 도체 또는 도체 번들의 절연체 분야에서 사용하고 있다.

한가지 공정에서는, 원하는 절연 두께에 이를 때까지, 유리 섬유 지지체와 운모 페이퍼를 구비하는 테이프를 고정자 도체상의 층에 나선형으로 감는다. 후속하는 에폭시 수지의 함침 (impregnation) 에 의해, 이와 같이 형성된 절연체 와인딩으로부터 잔여공기를 제거하며, 테이프층들을 부착한다. 적절한 몰드에서의 경화에 의해 절연체에 최종적인 형태를 부여한다. 제조상의 이유로, 이 공정에서는 운모 플레이트렛 (platelet) 은 테이프의 방향으로 향하게되며, 그 결과 완성된 절연체에서 운모 플레이트렛가 도체 표면에 평행하게 향하게 된다. 이수지포화기술 (resin rich technique) 에서는, B 상태의 에폭시 수지를 테이프와 혼합하고 바 (bar) 의 고온 프레싱에 의해 강화시킨다.

EP 0 660 336 A2 에 개시되어 있는 다른 공정에 따르면, 운모로 충전된 열가소성물질로 구성된 테이프를 고정자 도체주위에 감는다. 이 경우, 공정 공기가 제거되고, 열가소성물질이 용융되고, 및 와인딩층들이 접착성있게 부착되는 동안, 강화 (consolidation) 와 성형 (shaping) 은 테이프를 감은 고정자 도체의 고온 프레싱을 사용하여 발생한다. 이 공정에서도 운모 플레이트렛이 도체 표면에 평행하게 향한다. 어떤 공정에서도 공기는 완전하게 방출되지 않는다. 공기 충진갭과 홀은 남아 있게 되어, 전압 로드의 경우에 nC 범위와 그 이상에서 부분 방전이 발생한다.

마지막으로, 미국특허번호 제5,650,031호에 설명된 바와 같이, 고정자 도체도, 충전재없이, 즉 운모없이 열가소성물질의 압출에 의해 절연시킬 수 있다.

근래에는, 절연할 회전전기기계의 도체가 일반적으로 바 또는 코일 형태의 매우 복잡한 형상의 구조를 갖는다. 도체의 직선 부분은 기계의 고정자의 그루브에 위치한다. 도체의 곡선 부분은, 인접 바 및 코일에 적절하게 연결된 후에, 고정자의 양쪽 끝단으로부터 돌출하는 와인딩 헤드를 형성한다. 대형 회전기계의 경우에, 직선 부분의 길이는 6 m 를 초과할 수 있다. 이에 대한 문제는, 일반적으로 절연체와 도체가, 절연체가 분리되는 곳에 형성되는 공동 (cavity) 의 결과로, 시간의 경과에 대한 열응력 차이 때문에 절연체에 결함을 유빌하는 서로 다른 열팽창계수 α를 갖게 되며, 예를 들어 공기의 함유등의 결함이 절연체의제조중에 발생한다는 것이다. 부분 방전이 이런 결함에서 발생하여, 절연체에 손상을 입히게 된다. 이 경우는, 100nC 정도의 부분 방전 작용이 아주 통상적이다.

이런 부분 방출 작용의 관점에서는, 장방향 (filed direction) 에 수직으로 향하는 운모 플레이트렛의 장벽 작용으로 인해 기계 절연체가 신뢰성있게 동작하는 것만이 가능했다. 이는 공동으로부터 시작되는 플래쉬오버 경로 (flashover passage) 의 형성을 방지한다. 일반적으로, 장기적인 신뢰성을 위한 동작 장세기 (operating filed strength) 의 상한치는, 2.5 내지 2.75 kV/mm 가 간주된다. 그러나, 상당한 일부경우에는, 중간전압 또는 고전압 절연체에서 사용되는 다른 절연 시스템들에 의해서 이와 같은 최대 레벨을 초과한다.

예를 들어, 알루미나 충전 에폭시 수지가 가스-절연된 회로에 대하여 사용되는 핀-타입 절연체에서, 장기간 작동에 대한 최대장 (maximum field) 은 4 kV/mm 이고, 폴리에틸렌이 사용되는 고전압 케이블에 대한 최대장은 대략 12 kV/mm이다. 이들 종래 절연 시스템의 공통 특징은 동작 로드하에서 부분방전이 없다는 것이다.

그러나, 현재 사용되는 운모를 사용하는 종래의 공정과 물질은 이미 30년 이상되었기 때문에, 이런 종래 기술에 대한 향상으로부터는 단지 단계적인 향상만을 기대할 수 있다. 따라서, 종래 기술에 비하여 짧은 생산시간과 낮은 제조비용으로, 그리고 환경친화적 제조공정으로, 즉 용매의 사용, 방출, 및 특수 폐기물의 산출없이 제조할 수 있으며, 결함을 갖지 않거나, 결함이 있는 경우 그 결함이 부분 방전을 유발하지 않는, 고품질 절연체를 개발하기 위해, 이 종래 기술을 더 향상하는 것이 거의 불가능하다.

- 발명의 요약

따라서, 본 발명의 목적은, 도체 또는 도체번들을 위한 고품질 절연체를 제조하는 공정으로서, 절연체는 고품질을 가지며, 짧은 생산시간에, 낮은 제조 비용으로, 그리고 환경 친화적으로 제조할 수 있는 공정을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 공정은 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 도체 또는 도체번들의 고품질 절연체를 제조하는 공정에 의해 달성할 수 있다. 본 발명의 바람직한 향상은 하위청구항에서 주어진다.

테스트와 동작 로드하에서 부분적인 방전을 유발하는 공동없이 도체 또는 도체 번들에 대한 고품질 절연체를 제조하는 본 신규한 공정은, 배향된 운모 플레이트렛이 더 이상 요구되지 않는다는 것을 의미한다. 많은 폴리머들에 대해서 40중량% 이상의 농도로 운모를 혼합하는 것이 어렵기 때문에, 이는 제조공정의 선택과 절연체용 물질의 선택 양쪽을 용이하게 한다.

- 도면의 간단한 설명

이하, 본 발명을, 도면에서 나타낸 바람직하고 전형적인 실시형태를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 스프레이 소결 장치의 구조를 나타낸다.

도 2 은 (도 2 의 (a) 및 도 2 의 (b) 본 발명에 따른 공정을 실시되는 공정을 나타낸 흐름도이다.

- 실시예

이하, 예를 들어 회전 전기 기계의 도체, 또는 도체 번들용 고품질의 절연체를 제조하는 공정을 상세하게 설명한다. 우선, 절연체의 기본구조를 다루고, 그 후에 본 발명에 따른 공정을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 공정을 이용하여 도포되는 절연체는 3 개의 층을 구비한다. 제 1 층은 도체성 또는 반도체성으로 충전된 폴리머로 이루어지는 내부 코로나 방전 보호제을 형성한다. 이 경우, 후속하여 절연체층의 폴리머 물질과 성공적으로 결합할 수 있는 폴리머를 사용한다. 절연층에서와 동일한 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.

고압 케이블의 경우와 마찬가지로, 내부 코로나 방전 보호제은 전기 및 기계 경계층들을 완충하는 역할을 한다. 전기적인 측면에서, 내부 코로나 방전 보호제은 그 아래에 있는 금속 전도체와 동일한 전위를 가진, 즉 전기 도체의 일부분이고, 반대로 기계적인 측면에서, 내부 코로나 방전 보호제은 절연체의 일부분이다. 이것은, 분리를 통하여 어떠한 전압강하도 없기 때문에, 절연 슬리브 및 도체는 분리된 어떠한 지점에서도 부분 방전이 없다는 것을 보장한다.

도체 또는 도체 번들용 고품질의 절연체를 제조하기 위한 본 발명의 공정은 아래의 요건을 만족시켜야 한다.

1) 제조 공정은 초기 바 또는 코일, 즉 즉 트랜스포즈 되고, 절연되지 않고, 강화된 바 또는 코일의 특별한 형상에 실질적으로 독립적이어야 한다.

2) 절연체는 고품질의 것이어야 하는데, 즉 종래 기술과 비교하여 약 T_max=180℃ 까지 향상된 열 안정도를 가지고, 손상없이 도체의 편평한 측상에서 약 5kV/mm 로 장시간의 동작을 견딜수 있어야 한다.

3) 또한, 본 공정은, 공차 (Δd/d) 가 10% 미만인 일정한 두께의 절연체의 제조가 가능해야 하며, 초기 바 또는 코일의 공차가 크더라도, 0.3 내지 7 mm 두께로 층을 제조할 수 있어야 한다.

4) 제조 시간을 단축하기 위해, 바 또는 코일당 생산 시간은 최소한 1 내지 2 시간이어야 한다.

본 발명에 따른 공정에 의해 만족해야 하는 이들 요건을 볼 때, 종래의 스프레이 소결 공정을 개시 시점으로 이용하는 것을 고려할 수 있다.

예를 들어, 이러한 유형의 종래 스프레이 소결 공정은, 발명의 명칭이 "Process for applying a layer of plastic to a metallic conductor" 로서 독일특허번호 DE 39 36 431 호에서 개시되었다. 이 종래 공정에서는, 플라스틱 층을 금속 도체 플라스틱 파우더에 도포하기 위해서, 정전기적으로 충전되고, 미리 가열된 금속 도체상에 증착되고, 그 후에 용융된다. 이 공정은 낮은 전압 로드를 갖는 반도체 절연체를 제조하는데 사용된다. 종래의 스프레이 소결 공정은, 도체 주위에 넓은 범위의 테이프를 감는 것을 포함한, 종래의 절연 공정보다 제조 기술상 현저히 낮은 비용을 요구한다. 이에 의해, 예를 들어 와인딩 로봇, 진공/압력관, 액체 수지의 냉방 저장 장치와 같은 고가의 특수 장치의 사용을 배제할 수 있다. 그들은 상업적으로 입수가능한 코팅 유닛과 로봇으로 대체할 수도 있다.

또한, 이 종래의 스프레이 소결 공정은 종래의 공정보다 더욱 자동화시킬 수있다. 생산 시간은, 수일 대신에 0.5 내지 3 시간이 된다. 투자 비용의 절감은 생산 시간의 단축과 제조 비용의 절감을 달성할 수 있다.

그러나, 통상적으로 스프레이 소결 또는 정전기 스프레이 기술은 현재 광범위한 구성요소, 예를 들어 냉장고, 자동차, 정원 가구 등의 드라이 페인팅에 약 80㎛ 의 매우 얇은 두께로 단지 이용된다는 문제점이 있다. 전기 기술 분야에서, 이 기술은 이제까지 중간- 및 고- 전압 범위내에서 버스바의 절연체에만 이용되었다. 이미 상술한 바와 같이, 상기에서 설명된 절연체는 낮은 전위차가 있는 반도체를 절연하는데에만 이용된다.

그러나, 본 발명에 따른 공정에 의해 제조되는 고품질의 절연체와는 다른 버스바 (busbar) 용 절연체 분야의 종래 이용에서는, 절연체상에 그라운드 전극이 없기 때문에, 대체로 전압이 주변의 공기를 통하여 감소되므로, 절연체상에 약한 전기 로드만 있다. 그러므로, 전기 로드가 낮기 때문에, 종래의 기술에서, 절연체 두께 및 무결점에 관한 요구는 본 발명에 따른 공정보다 낮고, 부분 방전의 위험이 없기 때문에, 결점을 수용할 수 있다. 에폭시 수지에 기초한 파우더를 사용하는 것이 관례이지만, 현재 구성으로, 높은 절연 손실 때문에, 이 파우더는 T = 130˚이상에서는 사용할 수 없다. 또한, 이 파우더를 사용한 샘플 코팅은 높은 수준의 기공 (pore) 을 가지고 있다.

그러므로, 스프레이 소결에 대한 종래 기술과 비교하면, 도체 또는 도체 번들용 고품질의 절연체의 제조를 위한 본 발명에 따른 공정은, 이제까지 고려하지 않은 문제를 해결하고, 종래의 이용에서 이러한 공정에 도움이 되는 특성을 제거하지만, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 문제를 야기시키기 위해 많은 변화를 요구한다.

도 1 은 본 발명에 따른 공정을 실시하는 장치를 도식적으로 나타내며, 단순화를 위해, 다른 구성요소는 도 1 에서 나타내지 않고, 상세한 설명에 나타낸다.

본 발명에 따른 공정을 실행하는 핵심 장치는 스프레이 건 (1) 이다. 파우더, 예를 들어, 열 교차 결합하는 에폭시 파우더 형태인 코팅 물질 (2) 는 저장소 (6) 로부터 스프레이 건 (1) 에 유체 형태로 공급된다. 이 경우에, 유체 매개물은 건조한 공기 또는 질소인 것이 바람직하다. 코팅 물질 (2), 즉 파우더 입자를 충전하는, 스프레이 건 (1) 은 정전기적, 즉 음전기적인 장치 (3), 또는 마찰 전기적, 즉 양전기적인 장치 (3) 를 가질 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 공정에서는, 코팅 물질 (2) 가 전기적으로 충전되는 것이 절대적으로 필수적인 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 충전은, 전기장의 국부적인 증가때문에, 절연시킬 도체의 끝과 모서리에 다량의 물질이 인가된다는 장점을 가지고 있다. 이것은 장치 (3) 에서 높은 전압을 조절함으로써 유도할 수 있다. 이는, 동작시 이들 위치에서 장강도가 높기 때문에 바람직하며, 경험에 따르면 이곳이 절연체를 파괴 (breakthrouth) 하는 곳이었다.

본 발명에 따른 공정에서, 스프레이 건 (1) 은, 코팅될 가열된 기판 (4), 즉 코팅될 도체에, 일정한 거리에서, 즉 약 100 내지 300mm 의 거리에서, 일정한 속도로, 즉 약 50 내지 800 mm/s, 및 일정한 파우더의 전달, 즉 약 30 내지 250 g/min 로 통과한다. 스프레이 건 (1) 은 자동 트랜스포즈 유닛, 즉 로봇을 사용하여안내되는 것이 바람직하다. 기판은 전 코팅 공정을 통해 가열된다. 현재의 예는 전기 도체에 관한 것이기 때문에, 이것을 전기 가열에 의해 쉽게 달성할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 기판 (4) 은 직류 전류 또는 50Hz 의 저주파수를 사용한 저항 가열이나, 중간 주파수 또는 고주파수를 사용한 유도 가열에 의해 가열될 수 있다. 이를 위해, 전류원 (5) 이 제공된다. 코팅될 기판 표면 (4a) 의 온도는 에폭시 파우더와 같은 코팅 물질 (2) 이 표면과 접촉하여, 열 교차결합, 즉 경화시킬 때, 용융시키는 방법으로, 선택한다.

가열에 부가하여, 여기에서 설명된 코팅동안, 코팅될 물체를 예열하고 (예를 들어 개별적인 로), 그 후에 코팅 장치에 전송하는 공정을 사용하는 것 또한 생각할 수 있다. 구리의 높은 열용량 때문에, 바 또는 코일을, 요구되는 총 절연체 두께의 일부에 코팅시킬 수도 있다. 파우더가 더 이상 용융하지 않아 편평한 필름을 형성할 정도로 표면 온도가 떨어지고, 오히려 모래같은 덮개에 부착시킨다면, 열을 더 공급할 필요가 있다. 코팅동안 가열이 계속적으로 발생하는지, 또는 가열 및 코팅 사이클이 교대하는지에 대한 사항은 완성되는 절연체의 질에 어떠한 차이점도 만들지 않는다. 매우 큰 구리의 단면도를 가진 물체의 경우, 전류 및 접촉 저항의 도입에는 어려움이 따르고, 10 내지 15 kA 범위의 HF 소오스는 고가이고, 보호에 높은 비용이 들기 때문에, 저항가열 또는 유도가열을 실시하기 어려우면, 로의 중간열을 사용하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시형태에서, "로"는 코팅 장치상에 장착된 물체위로 꺼내지고 이동되고 고정되는 IR 방사기 조립체를 구비한다.

본 발명에 따른 공정에서, 코팅이 단일 경로에서 일어나는 종래의 기술과는 달리, 절연체가 소정의 두께에 이를때까지, 코팅이 층에서 일어난다. 이 공정에서, 하나의 층은, 하나의 스프레이 패스 (pass) 를 사용하여 제조되는 절연층에 대응한다. 이 경우, 스프레이 패스후에, 더 이상 흐를수 없을 만큼 충분하게 용융하고, 뻗치고, 교차 결합하기에 충분한 시간을 코팅 물질에 부여해야 한다. 그러므로, 이하에서 상세하게 설명할 겔 타임은 상당히 중요하다.

원칙적으로, 하나의 스프레이 패스에서 1mm 이상의 두께로 층을 만드는 것은 가능하다. 그러나, 0.2mm 이상의 층 두께에 있어서, 절연체의 다수의 버블, 즉 결점이 크게 발생하지만, 이제까지 이들 버블은 스프레이 소결 적용에서 어떠한 문제점도 나타내지 않았다. 0.2mm 이상의 층 두께에서 버블 형성의 이유는, 낮은 증기압을 가진 흡수 물질과 불순물이 높은 층 두께에서 더 이상 자유롭게 증발할 수 없기 때문이다. 종래의 적용에서는, 버블의 형성은 문제를 야기하지 않았지만, 본 발명에 따른 절연체에 대해서는 결점을 나타내며, 이 결점은 본 발명에 따른 공정에 의해서 피해야 한다. 그러므로, 본 발명에 따른 공정에서는, 0.2mm 까지의 층 두께로, 절연체를 순차로 도포하여, 결함이 없는 원하는 자유도를 얻을 수 있다.

상술한 일정한 스프레이 거리, 스프레이 건의 이동 속도, 코팅 물질 및 파우더의 전달에 의해, 약 1mm 의 총두께에 대해 0.08mm 이상으로 두께가 일치된다. 이 비율은 매우 쉽고, 제어된 공정으로, 변경할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 공정은 절연체의 두께를 국부적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 넓은 면상의 두께에 비해, 트랜스포즈 바의 좁은 면상의 절연체의 두께를 증가시킬 수 있고, 그 결과로, 전기장의 세기는 그루브의 넓이를 증가시키지 않고, 또는 바 (bar) 로부터 열의 소실없이 감소되고, 넓은 면을 경유하여 발생하고, 지체된다.

또한, 본 발명에 따른 공정으로, 통상적으로 전기장 로드가 직선 부분보다 낮은 트랜스포즈 바의 선수(bow) 영역에서, 절연체의 두께를 감소시키는 것은 가능하다. 또한, 도체 또는 반도체 층의 두께, 또는 구성요소에 있어서, 축의 변화는 성취될 수 없거나, 종래의 시스템을 사용하여 어렵게 성취할 수 있는 전계 손실의 가능성을 야기한다.

상기에서 언급된 두께 공차가 불충분하거나, 또는 복잡한 층 배열이 요구되면, 위치 (x, y, z) 에서의 최종 두께가 소정의 값에 대응하는 공정으로, 적외선을 이용하여 주어진 위치 (x, y, z) 에서의 현재 층 두께의 무접촉 측정, 및 로봇 제어 시스템의 적절한 피드백으로, 부가적으로 스프레이 건의 이동율을 변환시키는 것은 가능하다.

원칙적으로, 절연체용 물질은, 열경화성으로 알려진 모든 열적으로 교차 결합 가능한 플라스틱을 사용할 수 있다. 본 적용에서는, 절연체가 180℃ 이하의 온도에서 사용하기에 열에 적합해야 한다는 요건은 에폭시 물질에 의해 만족된다. 이들 물질는 하나 이상의 불교차 결합 수지, 하나 이상의 경화제 (뿐만 아니라 촉진제, 색소제 등의 소수의 첨가물), 및 무기물 충전제의 혼합물로 구성된다. 혼합물은 50℃ 이하에서는 고체이다. 용융 온도, 경화 온도, 및 유리 전이 온도 (Tg) 는 수지와 경화제의 화학적 구성에 따라 변화한다. 기계적인 온도의프로파일 및 절연 강도는 유리 전이 온도 (Tg) 에 밀접하게 연관되어 있다. 절연체가 열 등급 (H) 에 이용가능하면, Tg 는 150℃ 내지 180 ℃ 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 200℃ 이상의 유리 전이 온도는, 한편으로는 성취하기가 어렵고, 다른 한편으로 실내온도 영역에서 상대적으로 깨지기 쉬운 물질을 유발한다.

상기에서 언급된, 바람직한 버블의 부존재는, 도포 두께같은 공정 파라미터 뿐만 아니라 물질의 특성에 의존한다.

액체 상태의 에폭시는 흐를만큼의 충분히 낮은 점성을 가지고 있고, 겔 타임은 모든 버블을 형성하는 불순물을 증발시키기에 충분할 만큼 긴 것이 중요하다. 긴 겔 타임의 요건은, 스프레이 소결 기술을 사용해왔던 파우더 코팅에서의 종래 경향, 즉 박막 코팅동안은 높은 생산시간을 달성하기 위해서 촉진제를 첨가함으로써, 예를 들어 통상적으로 15 세컨드의 짧은 겔 타임을 신중하게 설정하는 경향과 모순된다. 그러나, 촉진제의 레벨을 감소함으로써, 40 세컨드 이상의 상업적으로 사용 가능한 파우더에 대한 겔 타임을 성취하는 것은 어렵지 않고, 현재의 적용에서 충분히 긴시간이다.

스프레이 파우더에 있어서, 통상적으로 점성은 별도의 변수로서 측정되고 규정되지 않으며, 오히려, 점성과 겔 타임으로부터 기인한 런으로 알려진 것이 규정된다. 런이 30mm 이상이면, 버블이 없는 층이 성취된다.

원칙적으로, 가격을 낮추고, 크리프 강도를 향상시키고, 열팽창 계수를 감소시키고, 및 절연체의 열 전도율을 향상시키기 위해서는, 무기물 충전제를 채우는 것이 바람직하다. 총 혼합물중 충전제의 비율은, 4 g/㎤ 이하의 한정된 충전제밀도에 기초하여, 중량 % 로 5 내지 50 %에 이른다. 종래의 충전제의 예들은, 약 10 ㎛ 의 그레인 크기를 갖는 실리카 플라우어 (silica flour), 규회석 (wollastonite), 활석 (talc), 초크 먼지 (chalk dust) 이다. 스프레이 파우더를 제조하기 위해, 충전제가 수지, 경화제, 및 또 다른 첨가물과 혼합된다. 그 후에, 혼합물을 제분하여, 파우더를 형성한다.

통상적으로, 제분 공정은 강철 또는 경강 (모오스 경도 5 내지 6) 으로 만들어진 장치에서 실시된다. 경질 충전제, 즉 실리카 플라우어 (경도 7) 의 사용은, 바람직하게 밀리미터 이하 범위의 칩의 형성에서, 금속성 마멸을 유발한다. 이들은 절연체에 혼합되며, 그들의 바늘형상 때문에, 전기장 강도가 국부적으로 매우 증가되는 위치를 생성시키며, 경험에 따르면 여기에서 전기 절연파괴가 발생한다. "연질" 충전제 (모호스 경도 4 이하), 즉 초크 먼지를 사용함으로써 마멸을 피할수 있고, d₅₀이 1 ㎛ 이하인 상대적으로 미세한 충전제, 즉 점토, SiO₂, ZnO, 또는 TiO₂를 사용함으로써 마멸을 방지할 수 있다.

또한, 예를 들어, Johnson 등의 미국 특허출원 제 4,760,296 호, 또는 독일 특허출원번호 DE 4037 972 AL 에 개시된 바와 같이, 이러한 유형의 미세한 충전제는, 비록 공동 또는 금속 함유 같은 결함이 존재할지라도, 충전제는 전기적 파과를 방지하거나 지연시키는 장점을 가지고 있다. 이들 2 개의 공보에서, 서비스 수명을 연장시키는 효과는 굵은 충전제를 나노미터 범위의 그레인 크기를 가진 충전제 (0.005 내지 0.1 ㎛ 의 최대 그레인 크기) 로 완전히 또는 부분적으로 대체함으로써 달성한다. 그러나, 나노 충전제는, 파우더의 용융 점성을 증가시키는, 틱소트로피 (thixotropy) 효과로 알려진 놀라운 부수적인 특성을 가지고 있다. 이것은 파우더의 제조동안과 그것의 처리중에도 문제를 야기한다. 그러나, 본 발명에 따른 적용에서, 굵은 충전제를 완전히 또는 부분적으로 교체하기 위해, 약 0.2 ㎛ 의 평균 그레인 크기를 가진 TiO₂파우더를 사용하는 선택은, 용융 점성의 바람직하지 못한 증가를 유발하지 않지만, 그럼에도 불구하고, 나노 충전제와 동일한 공정으로 서비스의 수명을 연장시키는 효과를 낳는다. 혼합물에서 TiO₂파우더의 비율은 3% 이상이어야 하며, 5% 이상인 것이 바람직하다.

내부 코로나 방전 보호제 및 외부 코로나 방전 보호제에 사용되는 도전층은, 도전 충전제, 예를 들어 그래파이트, 카본 블랙, 및 금속 파우더를 사용함으로써 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 새로운 절연 도체에 포함된 공정 시퀀스를 물질의 중요한 설명과 상기에서 제시된 장치에 기초하여 설명한다.

공정은 하기 단계들을 포함한다.

1) 회전 장치상에 코팅시킬 코일 또는 바를 장착하는 단계

제 1 단계 (S1) 에서, 코팅될 바 또는 코일이 회전 장치상에 장착된다. 이 경우, 바의 단 또는 코일 아이릿은 고정점이다. 바 또는 코일을 도체의 내부 접착성 결합에 의해 사전 강화하거나 또는 그들 주위에 테이프를 감음으로써 강화하는 것이 바람직한데, 이것은 처리를 촉진하긴 하지만, 필수적인 조건은 아니다. 상대적으로 큰 물체의 경우에, 중간 지지체는 회전 장치와 정확한 포지션닝상에 믿을 만한 안정성을 확보하기 위해 유용하다. 제어 장치를 사용하여, 장착된 코일 또는 바를 가진 회전 장치를 작동시키고, 스프레이 장치의 제어 유닛에 포함시키는 것이 바람직하다.

2) 바 또는 코일을 가열하는 단계

제 2 단계 (S2) 에서, 바 또는 코일은 전기로에 접속된다. 예를 들어, 이 전기로는 직류 또는 저주파, 즉 50Hz 에 의해 제조되는 저항로이거나, 중주파 또는 고주파를 사용한 유도로일 것이다. 이 로는 소정의 기판 온도까지 바 또는 코일을 가열하는데 사용된다.

3) 스프레이 건에 대하여 바 또는 코일 위치를 배향하는 단계

하기의 제 3 단계 (S3) 에서, 스프레이가 시작하는 순서대로 바 또는 코일의 위치를 맞춘다. 이 단계 동안, 바 또는 코일의 편평한 측중 하나를 스프레이 건에 직각으로 맞춘다.

4) 바 또는 코일상에 내부 코로나 방전 보호제을 스프레이하는 단계

실질적인 제 1 코팅 단계인 제 4 단계 (S4) 에서, 수평경로로 내부 코로나 방전 보호제의 스프레이가 후속한다. 스프레이 건의 이동은, 균일한 층 두께 프로파일이 제조되는 공정으로 발생한다. 이를 위해, 매우 넓은 바의 경우에서는, 평행으로 다수의 오버랩 경로를 스프레이하는 것이 필요하다. 이 경우에서, 도체성 또는 반도체성 열경화성 플라스틱이 스프레이 되는 코팅 파우더로서 사용된다. 스프레이를 촉진하기 위해, 큰 물체의 경우에는, 다수의 스프레이 건을 동시에 사용하는 것이 가능하다. 중간 지지체는, 바 또는 코일의 코팅을 완료하기 위해, 스프레이 건이 접근할 경우, 상대적으로 큰 물체의 위치가 자동적으로 이동하도록 안정화시키는데 사용된다. 투입되는 코팅 파우더의 양과 스프레이 건의 이동율을 이용하여 바 또는 코일에 도포되는 층두께를 변화시키는 것은 쉽다. 각각의 경우에 층이 버블을 갖지 않도록, 통상적으로 층두께는 패스당 0.2mm 이하이다.

5) 바 또는 코일의 회전 단계 및 단계 S3, S4 의 반복하는 단계

제 5 단계 (S5) 에서, 편평한 측의 코팅을 종료한 후에, 바 또는 코일을 회전시키고, 더 나아가, 아직 코팅되지 않은 바 또는 코일의 측은 스프레이 건을 향한다. 그 후에, 바 또는 코일의 다른 측을 코팅하기 위해 제 3 단계 (S3) 와 제 4 단계 (S4) 를 반복된다. 동일한 공정으로, 바 또는 코일을 완전히 코팅할 때까지, 또 다른 바 또는 코일의 측에 제 3 단계 (S3), 제 4 단계 (S4), 및 제 5 단계 (S5) 를 다시 반복한다. 또한, 코일의 다른 가장자리에도 상기 단계를 반복한다.

통상적으로, 단일 패스에 내부 코로나 방전 보호제에 요구되는 두께로 도포되지만, 예외적인 경우에 있어서, 층 두께가 0.2mm 이상이라면, 다수의 코팅 패스를 실행하는 것 또한 가능하다.

6) 내부 코로나 방전 보호제의 경화하는 단계

그 후에, 제 6 단계 (S6) 에서, 내부 코로나 방전 보호제 층을 부분적으로 또는 전체적으로, 즉 200℃ 에서 2 내지 10 분 또는 20 내지 60 분의 시간동안 경화한다.

7) 단계 S3 내지 S6 에 따른 절연층의 도포하는 단계

그 후에, 제 7 단계 (S7) 에서, 실질적인 절연층이 도포된다. 이 경우에, 내부 코로나 방전 보호제로부터 다른 코팅 파우더가 사용되는데, 더 상세히 설명하면, 절연물이 채워지거나 채워지지 않은 열경화성 플라스틱이 사용된다.

상기에서 설명된 다른 단계와는 달리, 상기에서 설명된 제 3 단계, 제 4 단계, 및 제 5 단계를, 소정의 절연체 두께에 이를때까지, 0.2mm 이하의 층을 반복적으로 도포하면서, 절연 코팅 파우더로만 실행한다. 이 경우에, 각각의 층을 스프레이 한 후에, 2 내지 10 번의 파우더 겔 타임을 지속하는 중간 경화을 실행한다. 부가하여, 코팅 파우더가 믿을만하게 용융된다는 것을 확증하기 위해, 층두께가 증가할 경우, 기판 온도가 재조절되어야 한다는 사실을 인식할 필요가 있다. 이것은 접촉없이, 예를 들어 IR 고온계를 이용하여 실행되는 것이 바람직하다. 도전체와 절연체가 과열되는 것을 방지하기 위해, 도체의 온도 의존 저항을 모니터링하는 것은 가능하다.

8) 단계 S3, S4, S5, 및 S6 에 따른 외부 코로나 방전 보호제의 도포 단계

절연층 (단계 S7) 의 이용에 후속하는 다음단계에서, 도전 에폭시를 구비하는 외부 코로나 방전 보호제을 절연층에 도포한다. 사용되는 물질와 공정 단계는 상기에서 설명한 제 3 단계, 제 4 단계, 및 제 5 단계에 대응한다.

9) 도포된 절연체의 사후 경화하는 단계

코팅 동작 (S1 내지 S8) 들에 후속하는 마지막 단계는, 회전 장치로부터 제거후에 고정 장치상 또는 로에서 전류 가열을 이용하여 도포된 절연체의 사후 경화이다.

본 발명에 따른 절연 공정에서는, 바를 그들의 단부에 고정하므로, 단부가 코팅되지 않는다. 그러나, 이 경우, 바의 단이 원형 커넥터가 납땜되도록 깨끗하게 남아 있기 때문에, 이것은 어떤 단점을 갖는 것은 아니다.

반면, 코일의 경우에, 코일 아이릿 영역을 의도적으로 코팅하지 않는다. 이것은 설치에 요구되는 코일의 손상을 보장하기 때문이다. 이 경우, 코일 아이릿은 설치후에 설치된 상태에서만 절연된다.

코일 아이릿을 절연하는 동작에 대해서는 하기 공정을 권장한다.

1) 한쪽의 전동기 고정자는 수직으로 위치하고, 코일은 전기 가열된다. 이 경우, 유동층 소결 탱크에 코일의 끝단들이 침지되기 때문에, 코일 하단의 코일 아이릿은 열경화성 파우더로 코팅된다. 이 경우, 고정자는 180°회전하고, 고정자의 다른 끝단의 코일 아이릿은 상기에서 설명된 공정과 동일하게 코팅된다. 특히, 이 공정은 상대적으로 작은 고정자를 코팅하는데 적합하다.

2) 선택적으로, 전동기 권선은 저항 가열되고, 코일의 일단은 스프레이 소결에 의해 절연된다. 이 공정은 고정자의 총 무게는 큰, 상대적으로 큰 전동기에 사용하는 것이 바람직하며, 수직장착은 문제를 야기할 수 있다. 또한, 큰 기계의 경우에, 통상적으로, 코일사이의 거리가 크고, 그 결과 스프레이 건으로 코팅이 용이하다.

본 발명에 따른 공정의 선택적인 실시형태에서는, 코일 또는 바의 사전강화에, 도체 또는 반도체 층을 갖추고, 사전강화시에 내부 코로나 방전 보호제를 형성하는 테이프를 사용하는 경우, 상기에서 설명한 단계 3) 내지 5) 의 내부 코로나 방전 보호제상에 스프레이 단계를 배제하는 것이 가능하다.

요약하면, 본 발명은 스프레이 소결을 이용한 회전 전기 기계의 도체 또는 도체 번들용 고품질 절연체를 제조하는 공정을 개시한다. 종래의 기술과는 달리, 내부 코로나 방전 보호제, 절연체, 및 외부 코로나 방전 보호제을, 결점이 없고, 어떠한 부분적인 방전도 발생하지 않고, 종래에 사용되었던 운모를 함유한 절연체에 요구되는 복잡하고 특별한 장치의 필요가 없는 도체 및 도체 번들에 사용하는 것은 가능하다.

그러므로, 본 발명은, 결점이 없으므로 부분 방전이 없는 고품질의 절연체를 가진 도체 바 또는 도체 코일을 절연하는 간단하고 저렴한 공정을 제공한다.

요약하면, 스프레이 소결을 이용한 전기 기계의 도체 또는 도체 번들용 고품질의 절연체를 제조하는 공정을 개시한다. 종래의 기술과는 달리, 절연체의 낮은 레벨의 결점 및 부분 방전에 대한 고유 저항 때문에, 내부 코로나 방전 보호제, 절연체, 및 외부 코로나 방전 보호제을 도체 또는 도체 번들에 적용하는 것은 가능하고, 유리/운모 테이프를 이용하여 와인딩 공정의 이용을 배제할 수 있다. 이것은 복잡하고 특별한 장치의 사용을 배제하고, 제조 시간을 상당히 단축시킨다.

Claims

도체 또는 도체 번들용 고품질의 절연체를 제조하는 공정에 있어서,

(S1) 회전 및 고정 장치상에 코팅될 도체 또는 도체 번들을 장착하는 단계;

(S2 내지 S8) 소정의 층 두께 프로파일을 갖는 절연체를, 조절가능한 변위유닛상에 배열된 스프레이 건을 이용하여, 예열된 도체 또는 도체 번들에 도포하고, 상기 도포동안, 변위 유닛 과 회전 고정 장치에 의해, 스프레이 건 과 도체 또는 도체 번들의 결합체 이동을 행하거나, 단독의 스프레이 건의 이동을 변위 유닛에 의해 행하는 단계; 및

(S9) 도포된 층을 사후 경화하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항에 있어서,

(S2) 도체 또는 도체 번들을 소정의 기판 온도로 가열하는 단계;

(S3) 편평한 면의 한면이 스프레이 건을 향하도록, 스프레이 건에 대해 도체 또는 도체 번들의 위치를 배향시키는 단계;

(S4) 코팅될 도체 또는 도체 번들상에 내부 코로나 방전 보호제을 스프레이 하는 단계;

(S5) 편평한 면의 다른 한면이 스프레이 건을 향하도록, 도체 또는 도체 번들을 회전시키고, 도체 또는 도체 번들의 모든 편평한 면이 코팅될 때까지 S3 내지S4 단계를 반복하는 단계;

(S6) 도포되는 내부 코로나 방전 보호제를 부분적으로 또는 완전히 경화하는 단계;

(S7) S3 내지 S6 단계에 따라 도체 또는 도체 번들의 모든 면에 절연체를 0.2mm 이하의 층 두께로 도포하고, 필요하다면, 각 층, 기판 온도를 조절한 후에 중간 경화을 행하는 단계 , 및

(S8) S3 내지 S6 단계에 따라 외부 코로나 방전 보호제를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

도체 또는 도체 번들은 트랜스포즈 바 또는 코일인 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항, 제 2 항, 또는 제 3 항에 있어서,

내부 접착성 결합 또는 주위에 테이프를 감음으로써 도체 또는 도체 번들을 사전강화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 3 항에 있어서,

단계 (S1) 는 바단부의 바 또는 코일 아이릿의 코일을 고정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한항에 있어서,

단계 (S1) 에서, 상대적으로 큰 물체는, 정확한 위치를 확보하기 위해, 부가적인 중간 지지체에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 내지 제 6 항중 어느 한항에 있어서,

도체 또는 도체 번들은, 전기적으로 직류 전류 또는 저주파수를 사용하는 저항가열, 또는 중간 주파수 또는 고주파수를 사용하는 유도가열에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 6 항중 어느 한항에 있어서,

단계 (S2) 에 따른 가열 대신에, 회전 및 고정 장치를 장착하기 전후에, 도체 또는 도체 번들 가열을 복사에 의해 행한 후, 기판 온도가 소정의 기판 온도 이하로 내려갈 때마다 가열을 행하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S4, S7, 및 S8 에서, 넓은 도체 또는 도체 번들의 경우에, 다수의 스프레이 건에 의해 다수의 평행경로로 스프레이하여 행하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S4 에서, 도체성 또는 반도체성으로 채워진 열적으로 교차 결합가능한 플라스틱을 코팅 파우더로 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 6 항에 있어서,

단계 S4 에서, 스프레이 건이 접근할 때, 중간 지지체는 자동적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한항에 있어서,

코팅 파우더의 투입량 (delivery quantity) 및 스프레이 건의 이동율을 제어함으로써, 층 두께를 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 3 항에 있어서,

코일이 존재할 때, 코일의 나머지 면에 대해 단계 S5 를 반복하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 내지 제 13 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S7 에서, 절연물로 채워진 열적으로 교차 결합가능한 플라스틱을 코팅 파우더로서 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S8 에서, 도체성인 열적으로 교차 결합가능한 플라스틱을 코팅 파우더로서 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S9 에서, 사후 경화를 전류 가열에 의해 행한 후, 회전 장치로부터 도체를 냉각시켜 제거하거나, 회전장치로부터 도체를 즉시 제거하여 로에서 사후 경화하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 4 항에 있어서,

단계 S0 에서, 도체 또는 반도체 층이 제공됨과 동시에 내부 코로나 방전 보호제을 형성하는 테이프가 상기 강화제로서 사용되는 경우, 내부 코로나 방전 보호제의 도포에 있어서 단계 S3 내지 S6 는 교체없이 제거되는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S4 는, 도체 표면에 도포하기 전에 코팅 물질를 충전하되, 이 경우, 상기 충전은 정전기적이거나 마찰전기적일 수 있으며, 단부에서 더 두꺼운 코팅이 발생하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S3 내지 S8 단계에서, 다른 도체 또는 도체 번들 면들에는 다른 층 두께를 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 공정.
제 3 항에 있어서,

(S10) 코일의 경우, 코일의 설치후에. 전동기 고정자를 수직으로 위치시키고, 전기적으로 코일을 가열하고, 에폭시로 코팅하기 위한 유동층 소결 탱크에 코일 아이릿을 침지시키는 단계;

코일의 양면과 바의 경우, 전동기 권선을 저항 가열하고, 바의 양쪽단부를 스프레이 소결함으로써 단부를 절연시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한항에 있어서,

단계 S7 에서, 접촉없이 표면 온도를 모니터하고, 소정의 표면 기록으로부터 기록된 표면 온도의 편차에 따라, 그 표면 온도를 재조정하는 것을 특징으로 하는 공정.
제 10 항, 제 14 항, 또는 제 15 항중 어느 한항에 있어서,

열적으로 교차 결합가능한 플라스틱은 B 상태에서 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 공정.