KR20090076808A - 높은 열전도도를 갖는 스테이터 바 부품 - Google Patents

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Abstract

스테이터 바(100). 상기 스테이터 바(100)는 다수의 전도체(120) 및 상기 전도체(120) 주위에 위치된 절연층(130)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(130)은 세라믹 성분(160)을 포함한다.

Description

높은 열전도도를 갖는 스테이터 바 부품{STATOR BAR COMPONENTS WITH HIGH THERMAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 일반적으로 전기기기의 절연 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 비-통상적인 비-금속성 재료들을 포함한 높은 열전도도 섬유 또는 휘스커(whisker), 예를 들면 세라믹의 첨가를 통해 스테이터 바 부품들과 함께 사용되는 절연체의 열전도도를 개선하는 것에 관한 것이다.
전기기기, 예를 들면 발전기, 모터 및 변환기용 절연 재료들은 일반적으로 석면(glass cloth) 및/또는 석면, 수지 바인더, 운모 테이프 및 유사 재료들의 배합물을 포함한다. 이러한 절연 재료들은 일반적으로 전기기기의 다양한 전기적 가혹 조건을 견뎌내는 한편 적절한 절연을 제공할 수 있는 기계적 및 물리적 특성들을 가질 필요가 있다. 또한, 상기 절연 재료들은 극한 작업 온도 변화를 견뎌야 하며 긴 설계 수명을 제공하여야 한다.
최근, 일반 절연물의 열전도도는 높은 열전도도 충전제들의 첨가에 의해 약 0.3 W/mK 내지 약 0.5 W/mK(Watts/meter/degrees Kelvin) 개선되었다. 그러나, 특히 스테이터 바와 관련하여, 수직 분리대로서 및 절연 테이프의 백커(backer)로서 전도체를 절연시키는 데 E-글라스(E-glass)(전기적 유리섬유)가 일반적으로 사용된다. 이러한 E-글라스는 약 0.99 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 유사하게, 다크론(Dacron) 글라스(다글라스(Daglass))가 또한 사용될 수 있다. 다글라스는 약 0.4 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다.
상기 스테이터 바 부품의 열저항을 감소시킴으로써, 상기 스테이터 바 전도체와 스테이터 코어 사이에서 개선된 열전달을 수득할 수 있다. 구체적으로, 구리 전도체의 전류 밀도는 상기 전도체를 효과적으로 냉각시킴으로써 증가될 수 있다.
따라서, 열전도도를 추가로 개선하여 기존의 유닛보다 더 작은 유닛으로부터 더 경제적인 비용 또는 더 높은 효율로 더 많은 전력을 생산할 것이 요망된다.
따라서, 본 발명은 스테이터 바 또는 유사한 형태의 아머추어 코일(armature coil)을 기술한다. 상기 스테이터 바는 다수의 전도체 및 상기 전도체 주위에 위치된 절연층을 포함할 수 있다. 상기 절연층은 세라믹 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 둘 이상의 전도체 티어(tier)들 및 상기 각각의 티어들 사이의 수직 분리대를 갖는 스테이터 바를 기술한다. 상기 수직 분리대는 세라믹 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 둘 이상의 전도체 티어들 및 상기 티어들을 둘러싸는 접지 절연물의 층을 갖는 스테이터 바를 기술한다. 상기 접지 절연물의 층은 세라믹 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들은 다수의 도면 및 첨부된 청구범위와 함께 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 당업계 숙련자에게 명확해질 것이다.
도면을 참조하였을 때, 다수의 도면에 걸쳐 유사한 숫자는 유사한 요소들을 지칭한다. 도 1은 본원에 개시된 스테이터 바(100)를 나타낸다. 위에 기술된 바와 같이, 스테이터 바(100)는 당업계에 공지된 전기기기와 함께 사용될 수 있다. 전기기기는 일반적으로 다중 스테이터 바(100)를 갖는다. 상기 다중 스테이터 바(100)는 동일할 수 있으며, 서로의 위에 또는 서로의 주위에 배치될 수 있다.
일반적으로, 각각의 스테이터 바(100)는 다수의 전도체(120)를 포함할 수 있다. 상기 전도체(120)는 구리, 구리 합금, 알루미늄 또는 유사 재료들로 제조될 수 있다. 전도체 절연물(130)의 층은 개개의 전도체들(120)을 분리할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 전도체 절연물(130)은 전형적인 E-글라스, 다글라스 또는 유사 형태의 유리 재료를 포함할 수 있다. 상기 E-글라스는 우수한 전기-기계적 특성 및 우수한 내화학성을 갖는 저 알칼리 보로실리케이트 유리섬유일 수 있다. E-글라스 또는 전기 등급 유리는 우수한 섬유 형성 능력을 가지며 유리섬유에서 강화상(reinforcing phase)으로 사용된다. 상기 E-글라스는 약 0.99 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 상기 다글라스는 폴리에스터와 유리섬유의 혼합물을 갖는 얀(yarn)일 수 있다. 상기 다글라스는 약 0.4 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 상기 E-글라스, 다글라스 또는 유사 형태의 재료들로부터 제조된 석면은 임의의 바람직한 직조 밀도, 중량, 두께, 강도 및 다른 특성들을 가질 수 있다.
도시된 바와 같은 실시양태에서, 스테이터 바(100)는 전도체(120)의 두 티어들(140)을 포함한다. 임의 개수의 티어들(140)이 사용될 수 있다. 상기 티어(140)는 수직 분리대(150)에 의해 분리될 수 있다. 전형적인 수직 분리대(150)는, 경화 시 유동하여 티어들(140)을 함께 결합시키는 부분 경화 수지로 처리된 종 이, 펠트(felt) 또는 유리섬유를 포함할 수 있다. 상기 분리대(150)는 또한 티어들(140) 사이에서 추가의 전기적 절연을 제공한다.
티어(140)는 또한 접지 절연물(155)의 층에 의해 둘러싸일 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 접지 절연물(155)은 통상적으로 운모 종이, 석면 또는 일방향성 유리섬유, 및 수지 바인더로 구성될 수 있다. 접지 절연물(155)은 일반적으로 수지 풍부 테이프의 형태이다.
도 2는 개선된 전도체 절연체(160)를 갖는 스테이터 바(100)를 나타낸다. 전도체 절연체(16)는 섬유 또는 휘스커의 세라믹 성분이 첨가된 전도체 절연물(130)의 E-글라스 또는 다글라스를 포함한다. 예를 들면, 알루미늄 산화물 섬유 또는 휘스커는 약 20 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 개선된 전도체 절연체(160)는 상기 세라믹 섬유 또는 휘스커를 상기 석면의 위브(weave) 내로 혼입시키거나 이를 유리 얀 내로 혼입시켜 상기 재료의 열전도도를 순수 유리의 열전도도보다 훨씬 더 높게 개선시킬 수 있다. 생성 패브릭 또한 일 방향으로는 상기 세라믹 섬유 또는 휘스커를, 다른 방향으로는 상기 다글라스 또는 다른 재료를 가질 수 있다. 다르게는, 상기 개선된 전도체 절연체(160)는 순수 알루미늄 산화물 포(cloth) 또는 유사한 세라믹 재료의 포일 수 있다.
이 실시예에서, 상기 세라믹 섬유, 휘스커 또는 다른 형태는 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 스트론튬 티타네이트(SrTiO3), 이산화티탄(TiO2), 실리카(SiO2), 다이 아몬드(C) 및 유사한 종류의 재료들을 포함할 수 있다.
상기 개선된 전도체 절연체(160)를 상기 전도체(120) 주위로 래핑(wrapping)함으로써, 열전도도가 증가할 수 있다. 예를 들면, 특정 전도체(120)를 자기장의 공급원에 더 가깝게 위치시킴으로써 더 높은 자기장에 구속시킬 수 있다. 상기 더 높은 자기장은 더 높은 전류를 유발함으로써 상기 스테이터 바(100) 내에서 더 가까운 전도체와 더 먼 전도체들(120) 간의 온도차를 형성할 수 있다. 본원에 개시된 상기 개선된 전도체 절연체(160)의 사용은 상기 각각의 전도체들(120) 간에 개선된 열 흐름 및 더 낮은 온도차를 허용할 수 있다. 유사하게, 특정 스테이터 바(100)는 중공형 전도체를 관통 유체 흐름을 위한 통로로 사용됨으로써 상기 스테이터 바(100)로부터의 열을 전체적으로 제거할 수 있다. 이러한 설계에서, 상기 개선된 전도체 절연체(160)의 사용은 냉각을 더욱 효율적으로 수행할 수 있게 하고, 더 높은 비의 솔리드(solid) 대 중공형 전도체(120)를 제공할 수 있게 한다. 따라서, 전도체(120) 내 구리의 양은 같은 크기의 스테이터 바(100)에서 증가할 수 있다.
도 3은 스테이터 바(200)의 추가의 실시양태를 나타낸다. 스테이터 바(200)는 위에서 기술된 것과 유사할 수 있지만, 개선된 수직 분리대(210)를 가질 수 있다. 위와 같이, 상기 개선된 수직 분리대(210)는 티어들(140) 간에 개선된 열 전달을 제공하도록 하는 종이, 펠트 또는 유리 섬유와 상기 세라믹 섬유 또는 휘스커의 혼합물일 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 상기 섬유 또는 휘스커는 질화붕 소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 스트론튬 티타네이트(SrTiO3), 이산화티탄(TiO2), 실리카(SiO2), 다이아몬드(C) 및 유사한 종류의 재료들을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5는 스테이터 바(250)의 추가의 실시양태를 나타낸다. 위에서 기술된 바와 같이, 스테이터 바(100)의 접지 절연물(155)은 통상적으로 운모 종이, 유리 및 수지 바인더로 구성될 수 있다. 이 절연물은 일반적으로 수지 풍부 테이프의 형태이다. 이 경우, 스테이터 바(250)는 개선된 접지 절연물(260)을 갖는다. 상기 개선된 접지 절연물(260)은 세라믹 섬유 또는 휘스커가 첨가된 위에서 기술된 접지 절연물(155)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 개선된 접지 절연물(260)은 운모/바인더 층(270) 및 상기 운모/바인더 층(270)의 하나 또는 양 측면 상의 세라믹 백커(280)를 갖는다. 이 경우, 통상적인 E-글라스 또는 다글라스 백커는 상기 세라믹 재료를 대체하거나 그와 혼합되어 더 높은 열전도도를 제공할 수 있다.
상술한 내용은 단지 본 발명의 바람직한 실시양태에 관한 것이고 본 발명은 하기의 청구범위 및 그의 균등물에 의해 정의되는 바와 같은 발명의 진의 및 범주를 벗어나지 않고 당업계의 숙련자에 의해 다양하게 변화 및 변경될 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본원에 개시된 스테이터 바의 사시도이다.
도 2는 본원에 개시된 스테이터 바의 측 단면도이다.
도 3은 본원에 개시된 스테이터 바의 측 단면도이다.
도 4는 본원에 개시된 스테이터 바의 측 단면도이다.
도 5는 본원에 개시된 절연 테이프의 측 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100: 스테이터 바 120: 전도체
130: 전도체 절연물 140: 티어
150: 수직 분리대 155: 접지 절연물
160; 개선된 전도체 절연체 200: 스테이터 바
210: 개선된 수직 분리대 250: 스테이터 바
260: 개선된 접지 절연물 270: 운모/바인더 층
280: 백커(backer)

Claims (10)

  1. 복수 개의 전도체(120); 및
    상기 복수 개의 전도체(120) 주위에 위치된, 세라믹 성분(160)을 포함하는 절연층(130)
    을 포함하는, 스테이터 바(stator bar)(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 성분(160)이 세라믹 섬유 또는 휘스커(whisker)를 포함하는, 스테이터 바(100).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(130)이 약 0.99 W/mK 초과의 열전도도를 갖는, 스테이터 바(100).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 성분(160)이 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 스트론튬 티타네이트(SrTiO3), 이산화티탄(TiO2), 실리카(SiO2) 또는 다이아몬드(C)를 포함하는, 스테이터 바(100).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(130)이 유리와 상기 세라믹 성분(160)의 배합물을 포함하는, 스테이터 바(100).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(130)이 상기 세라믹 성분(160)만을 포함하는, 스테이터 바(100).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(130)이 제 1 방향으로 복수 개의 유리섬유를 포함하고, 상기 세라믹 성분(160)은 제 2 방향으로 복수 개의 세라믹 섬유를 포함하는, 스테이터 바(100).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(130)이 각각의 티어(tier)들(140) 사이에 수직 분리대(150)를 포함하는, 스테이터 바(100).
  9. 둘 이상의 전도체 티어들(140); 및
    각각의 티어들(140) 사이의, 세라믹 성분(210)을 포함하는 수직 분리대(150)
    를 포함하는, 스테이터 바(200).
  10. 둘 이상의 전도체 티어들(140); 및
    상기 티어들(140)을 둘러싸는, 세라믹 성분(260)을 포함하는 접지 절연물(155)의 층
    을 포함하는, 스테이터 바(250).
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