KR20130055522A - 전기 장치용 피복 와이어 - Google Patents

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콜린 해머
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 전도체 와이어 절연 방법은 종축을 갖는 전기 전도성 코어를 제공하는 단계와, 상기 코어의 외부면에 전기 절연 재료를 피복하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 전기 절연 재료의 온도를 상승시키는 단계와, 상기 코어와의 접합을 용이하게 하도록 상기 전기 절연 재료에 외압을 인가하는 단계를 더 포함한다.

Description

전기 장치용 피복 와이어{WRAPPED WIRE FOR ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전반적으로 전도체 와이어를 포함하는 전기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 장치 내의 고정자 조립체의 전도체 와이어를 절연시키는 방법에 관한 것이다.
전가 장치는 자동차 파워 트레인과 관련된 것을 포함한 다양한 용례에 사용될 수 있다. 예를 들면, 통상의 자동차는 내연 기관용 시동 모터로서 또는 전기를 발생시켜 차량 부품으로 전력을 전달하거나 및/또는 차량 배터리를 충전하는 교류 발전기로서 전기 장치를 사용할 수 있다.
실례의 전기 장치는 회전자와 고정자를 포함한다. 고정자는 고정자 스택과 해당 고정자 스택 내에 삽입되는 복수의 전도체 와이어 또는 권선으로 이루어진다. 고정자는 자기장을 통해 회전자와 상호 작용함으로써 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
권선은 전도성 코어와 해당 코어를 둘러싸는 전기 절연체로 구성될 수 있다. 통상의 전기 절연체는 고정자 스택에 권선을 삽입하기 전에 코어에 도포되는 에나멜 코팅을 포함할 수 있다. 다른 형태의 전기 절연체는 고정자 스택 내로 권선을 삽입하기 전에 전도성 코어 둘레에 감기는 절연 재료로 이루어진 피복 또는 테이프이다.
전도성 코어는 원형 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 원형 단면의 전도성 코어는 전기 절연 테이프의 접합을 용이하게 할 수 있는데, 이는 전도성 코어 둘레에 감길 때 테이프에 인가되는 힘과 그에 따른 압력이 실질적으로 균일하기 때문이다. 반대로, 전기 절연 테이프가 예컨대 직사각형인 비-원형의 단면을 갖는 전도성 코어 둘레에 감길 때에는 압력이 불균일하거나 일정하지 않을 수 있다. 이로써, 전기 절연 테이프의 접착은 직사각형 단면의 전도성 코어의 특정 위치나 특정 측면을 따라(예, 큰 표면적을 갖는 코어의 측면을 따라) 약해질 수 있다. 보다 구체적으로, 전기 절연체 테이프 내의 장력(힘)은 전도성 코어에 도포되는 동안 거의 일정하고 압력은 전도성 코어의 표면적의 역함수이므로, 테이프에 인가되는 압력은 표면적이 큰 코어의 측면을 따라 감소될 수 있다. 이와 달리, 그리고 원형 단면의 전도성 코어와 유사하게, 직사각형 전도성 코어의 모든 측면의 표면적이 동일하면, 전기 절연 테이프에 인가되는 압력은 거의 일정할 수 있다.
본 발명은 전도성 와이어의 절연 방법에 관한 것이다.
일례의 방법은 종축을 갖는 전기 전도성 코어를 제공하는 단계와 상기 코어의 외부면에 전기 절연 재료를 도포하는 단계를 포함한다. 일례의 방법은 전기 절연 재료의 온도를 상승시키는 단계와 상기 코어와의 접착을 용이하게 하도록 상기 전기 절연 재료에 외압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실례의 실시예에 따르면, 전도체 와이어의 절연 방법이 개시되며, 해당 절연 방법은 원형이 아닌 단면을 갖는 전기 전도성 코어를 제공하는 단계와, 상기 코어 둘레로 적어도 제1 층의 전기 절연 랩(wrap)을 피복하는 단계를 포함한다. 일례의 방법은 전기 절연 랩을 가열하는 단계와 상기 전기 절연 랩에 외압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 추가의 예시적인 방법은 전기 전도성 코어를 제공하는 단계와, 상기 코어 둘레로 제1 층의 전기 절연 랩을 피복하는 단계를 포함한다. 일례의 방법은 상기 제1 층 둘레로 제2 층의 전기 절연 랩을 피복하는 단계를 더 포함한다. 추가로, 상기 일례의 방법은 상기 코어에 상기 제1 층 및 제2 층의 전기 절연 랩을 가압하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점들은 현재 인지된 발명의 최적의 수행 모드를 나타낸 예시적 실시예의 하기 상세한 설명의 검토를 통해 당업자에게 분명해질 것이다.
본 발명에 따르면, 전도성 와이어의 절연 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 전술한 양태와 의도한 장점의 상당 부분은 첨부 도면과 함께 검토 시 다음의 상세한 설명을 참조하면 더 잘 이해되므로 보다 용이하게 알게 될 것이다.
도 1a는 실례의 고정자 조립체의 삽입 단부의 사시도이고;
도 1b는 도 1a의 실례의 고정자 조립체의 연결 단부의 사시도이고;
도 2는 도 1b의 2-2 선을 따라 취한, 실례의 고정자 조립체의 부분 단면도이고;
도 3은 도 2의 3-3 선을 따라 취한, 실례의 고정자 조립체에서의 전도체 와이어의 부분 단면도이고;
도 4는 대략 U자형 형상을 갖는 실례의 고정자 조립체의 전도체 와이어의 전방 사시도이고;
도 5는 절연부에 의해 둘러싸인 전도성 코어를 보여주는, 도 4의 전도성 와이어의 일부의 종방향 단면도이고;
도 6a 내지 도 6c는 전도체 와이어의 전도성 코어의 절연을 위한 예시적인 단계들을 보여주며;
도 7은 제1 층의 절연 랩(가상선으로 도시)을 둘러싸는 제2 층의 절연 랩을 갖는 도 4의 전도체 와이어의 단부 사시도이고;
도 8은 본 발명의 실례의 절연 장치의 개략적인 도면이고;
도 9a는 도 8의 실례의 절연 장치의 제1 쌍의 롤러를 통해 이동하는 전도체 와이어의 정면도이고;
도 9b는 도 9a의 제1 쌍의 롤러를 통해 이동하는 전도체 와이어의 측면도이고;
도 10a는 도 8의 실례의 절연 장치의 제2 쌍의 롤러를 통해 이동하는 전도체 와이어의 정면도이고;
도 10b는 도 10a의 제2 쌍의 롤러를 통해 이동하는 전도체 와이어의 상면도이다.
대응하는 참조 부호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 지시한다. 도면은 본 발명에 따른 여러 특징 및 구성 요소의 실시예를 표현하고 있지만, 해당 도면은 반드시 일정 비율로 도시된 것은 아니며, 본 발명을 더 잘 예시하고 설명하기 위해 소정 특징부는 과장될 수 있다. 여기 개시된 예시들은 발명의 실시예를 설명하는 것이므로 이러한 예시들은 어떤 식이든 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 원리의 이해를 돕기 위한 목적으로 아래 설명되는 도면에 도시된 실시예를 참조한다. 아래 개시된 실시예들은 완전하도록 의도되거나 또는 하기의 상세한 설명에 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하도록 의도된 것이 아니다. 오히려, 실시예들은 당업자가 그 교시내용을 활용할 수 있도록 선택되고 기술된다. 따라서, 발명의 범위를 제한하지 않도록 의도된 것임을 이해할 것이다. 본 발명은 예시된 장치와 설명된 방법 및 발명의 관련 분야의 숙련자에 의해 통상 행해질 수 있는 원리의 추가의 응용에 있어서 임의의 변경 및 추가의 변형을 포함한다.
우선 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 전기 장치(11)의 실례의 고정자 조립체(10)가 예시된다. 보다 구체적으로, 도 1a는 고정자 조립체(10)의 삽입 단부(14)를 보여주고, 도 1b는 고정자 조립체(10)의 연결 단부(12)를 보여준다. 모터(시동 모터 또는 견인 모터 등)로 사용 시 전기 장치(11)는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위해 회전자(도시 생략)에 작동 가능하게 결합된 고정자 조립체(10)를 포함한다. 전기 장치(11)는 전기 에너지를 발생시켜 예컨대, 차량 부품에 전력을 전달하거나 및/또는 차량 배터리를 충전하는 교류 발전기 또는 발전기로도 사용될 수 있다.
고정자 조립체(10)는 예컨대 서포트 또는 고정자 스택(20)과 복수의 전도체 와이어 또는 권선(34)으로 구성된다. 고정자 스택(20)은 개방된 중심부를 갖는 원통형 벽(22)을 포함한다. 원통형 벽(22)은 하나 이상의 라미네이션 스택 또는 층을 포함할 수 있다. 원통형 벽(22)은 실리콘 강으로 이루어질 수 있으며, 실리콘 강은 전기 장치(11)의 작동 중에 히스테리시스 및 와전류 손실을 감소시킨다. 대안으로, 원통형 벽(22)은 솔리드 파워드(solid powered) 금속체로 이루어질 수 있다. 또한, 고정자 스택(20)은 금속(예, 강) 프레임(도시 생략)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 고정자 스택(20)의 원통형 벽(22)은 예컨대, 전도체 와이어(34)의 수용 통로인 120개의 원주방향으로 이격된 축방향-연장 슬롯(26)을 포함한다. 그러나, 예컨대 60개 또는 240개의 다른 갯수의 슬롯(26)이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 각각의 실례의 슬롯(26)은 전도체 와이어(34)의 단부를 지지하기 위한 직사각형 단면을 가진다. 슬롯(26)은 각각 전도체 와이어(34) 사이의 공동과 함께, 전도체 와이어(34)와 고정자 스택(20)의 원통형 벽(22) 사이의 공동 또는 공간을 채우는 절연 재료 또는 충전재(28)(예, 니스, 발포재, 겔, 스프레이)를 포함할 수 있다.
대안으로, 원통형 벽(22)은 복수의 동심 열(rows) 또는 층을 형성하는 반경 방향으로 이격된 복수의 슬롯(26)을 포함할 수 있다. 더 구체화되는 바와 같이, 슬롯(26) 각각은 예컨대, 전도체 와이어(34)의 적어도 일부를 지지한다. 슬롯(26)은 고정자 스택(20)의 원통형 벽(22)의 길이(l)를 따라 연장된다.
도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 고정자 조립체(10)는 전도체 와이어(34)로 이루어진 공통 영역(30)과 특별 영역(32)을 포함한다. 특별 영역(32)은 고정자 조립체(10)의 종류와 구성을 지시한다. 종래에 공지된 바와 같이, 특별 영역(32) 내의 전도체 와이어(34)는 중립 전도체 와이어, 페이즈(phase) 전도체 와이어, 크로스-오버 전도체 와이어를 포함할 수 있다. 특별 영역(32)은 또한 다른 전도체 와이어(34)를 포함할 수 있다.
공통 영역(30) 내의 전도체 와이어(34)는 고정자 스택(20)의 슬롯(26) 내에 위치된 복수의 공통 전도체 와이어(36)를 포함한다. 도 4를 참조하면, 하나의 공통 전도체 와이어(36)가 도시되어 있다. 공통 전도체 와이어들(36)은 상이한 최대 전압 용량(예, 대략 120 V)을 가질 수 있다. 추가로, 공통 전도체 와이어(36)의 작동 온도는 대략 -44℉(약 -42℃) 내지 대략 428℉(약 220℃)일 수 있다.
예시적으로, 공통 전도체 와이어(36)는 전기 장치(11)의 슬롯-충전재 비율(SFR; Slot-Fill-Ratio)을 증가시키는 것에 의해 전기 장치(11)의 효율을 향상시키기 위해 직사각형 또는 다른 직선형 단면(도 4)을 가진다. SFR은 슬롯(26) 중 하나의 슬롯 내의 노출 구리 전도체의 총 단면적과 슬롯(26) 자체의 단면적을 비교한 것이다. 전기 장치(11)가 높은 SFR을 가지면, 전도체 와이어(34)의 단면적은 슬롯(26)의 주어진 크기에 대해 전도체 와이어(34)의 저항과 페이즈(phase) 저항(즉, 파워 손실)을 감소시킨다. 전도체 와이어(34)는 예시적으로, 전기 장치(11)에 대해 높은 SFR을 제공하기 위해 원형 단면보다 직사각형 단면을 가진다. 그러므로, 전기 장치(11)의 효율은 향상될 수 있다.
예시적으로, 도 2 및 도 3은 고정자 조립체(10)의 공통 영역(30)이 복수의 내부 공통 전도체 와이어(38)와 복수의 외부 공통 전도체 와이어(40)를 포함하는 것을 나타내고 있다. 본 발명의 예시적인 실시예는 120개의 내부 공통 전도체 와이어(38)와 120개의 외부 공통 전도체 와이어(40)를 포함한다. 통상적인 고정자 조립체(10)는 고정자 조립체(10)의 원하는 파워, 자력 및 기타 작동 요건에 기초하여 다른 갯수의 공통 전도체 와이어(36)[예, 60개의 공통 전도체 와이어(36) 또는 240개의 공통 전도체 와이어(36)]를 포함할 수 있다.
내부 공통 전도체 와이어(38)의 단부(42)와 외부 공통 전도체 와이어(40)의 단부(44)는 예컨대 고정자 조립체(10)의 연결 단부(14)로부터 연장된다(도 1a, 도 1b). 각각의 공통 전도체 와이어(36)는 고정자 조립체(10)의 조립 중에 보다 밀착된 구성으로 굽어지거나 형상화될 수 있다. 공통 전도체 와이어(36)는 2005년 5월 17일자로 발행되고 미국 인디아나주 앤더슨에 소재한 Remy Inc.에 양도되고 그 내용이 여기에 참조로 명시적으로 포함된 Cai 등에게 허여된 미국 특허 6,894,417의 교시내용에 따라 형상화될 수 있다. 보다 구체적으로, 공통 전도체 와이어(36)는 머리핀 형태나 U자형(도 4)으로 굽어지지만, 공통 전도체 와이어(36)는 다른 형태로 굽어질 수 있다. 추가로 도 4를 참조하면, 내부 공통 전도체 와이어(38) 중 하나의 실례의 머리핀 형태는, U자형 단부 턴(end turn)(48)으로부터 연장되고 단부(42)에서 종료되는 두 개의 다리부(46)를 형성한다. 실례의 외부 공통 전도체 와이어(40)는 내부 공통 전도체 와이어(38)와 동일한 전체 형태를 가진다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, U자형 단부 턴(48)은 고정자 조립체(10)의 삽입 단부(14)에서 노출된다. 공통 전도체 와이어(36)의 다리부(46)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 굽어져서 단부 턴(48)을 형성할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 공통 전도체 와이어(36)의 각각의 단부(42, 44)는 각 단부(42, 44)가 엇갈리거나 "교차 배치"되도록[즉, 인접한 공통 전도체 와이어(36)에 대해 다른 슬롯(26)을 통해 위치됨] 고정자 스택(20)의 슬롯(26) 중 하나의 슬롯 내에 수용된다. 보다 구체적으로, 내부 공통 전도체 와이어(38)의 단부(42)는 슬롯(26)의 반경 방향 내측부 내에 원주 방향으로 엇갈려 배치된다. 추가로, 외부 공통 전도체 와이어(40)의 단부(44)는 슬롯(26)의 반경 방향 외측부 내에 원주 방향으로 엇갈려 배치된다.
도 1b를 참조하면, 슬롯(26)으로부터 연장되는 공통 전도체 와이어(36)의 단부(42, 44)는 상호 연결되어 적어도 하나의 회로를 형성한다. 추가로, 공통 전도체 와이어(36)는 특별 영역(32)의 전도체 와이어(34)와 상호 연결되어 회로를 완성한다. 예를 들면, 전도체 와이어(34)는 상호 연결되어 단상 회로, 2상 회로 또는 3상 회로를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 전도체 와이어(34)는 회로의 구성을 위해 용접 또는 기타 유사한 통상의 방법을 통해 상호 연결될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전도체 와이어(34) 각각은 예컨대 전기 전도성 부분 또는 코어(50)와, 전기적으로 비전도성의 절연부(54)를 포함한다. 전도체 와이어(34)는 전도체 와이어(34)를 통해 전류가 흐를 때 전기 장치(11)가 단락되는 것을 방지하기 위해 서로로부터 그리고 고정자 스택(20)으로부터 절연된다. 전도성 코어(50)는 금속(예, 구리)과 같은 전기 전도성 재료로 이루어진다. 상술한 바와 같이, 전도성 코어(50)는 원형이 아니거나 직선형의 단면, 예컨대 직사각형 단면을 가질 수 있으나, 전도성 코어(50)는 다른 단면 형태(예, 원형)를 가질 수 있다.
절연부(54)는 전도성 코어(50)의 외부면(52) 둘레로 연장되며, 고분자, 종이, 유리 섬유 슬리브 또는 Kevlar® 상표명의 아라미드 섬유(DuPont™으로부터 구매 가능)와 같은 전기 절연 재료로 이루어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실례의 전도체 와이어(34)의 절연부(54)는 복수의 층을 포함한다. 보다 구체적으로, 절연부(54)는 적어도 일 섹션 또는 층의 전기 절연 테이프 또는 랩(56)을 포함한다. 대안으로, 절연부(54)는 코어(50)와 랩(56) 사이에 있거나 랩(56)의 외부면에 도포된 비전도성 코팅 층을 포함할 수 있다.
절연부(54)의 재료 특성은 전도체 와이어(34)의 작동 환경을 결정한다. 랩(56)은 예컨대, 폴리이미드계 재료, 폴리아미드-이미드계 재료, 폴리우레탄계 재료 및 폴리에스터계 재료 등의 적어도 하나의 고분자 전기 절연 재료와 같은 전기적으로 비전도성의 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 랩(56)은 DuPont™으로부터 구매 가능한 상표명 Kapton®의 폴리이미드 필름일 수 있다. 보다 구체적으로, 랩(56)은, 랩(56)의 내부면을 형성하는 커플링부 또는 층 그리고 랩(56)의 외부면을 형성하는 배킹부 또는 층을 포함할 수 있다. 커플링부는 멜트-플로우(melt-flow) 재료, 접착제, 열밀봉 수지 또는 기타 유사한 재료와 같은 고분자 재료로 이루어질 수 있고, 배킹부는 예컨대, 폴리이미드 재료일 수 있다.
예시적으로, 랩(56)은 코어(50)에 피복 시 고체 형태로 있으며, 그 두께보다 실질적으로 큰 폭을 가진다. 랩(56)은 코어(50)의 외부면(52) 둘레로 감겨지거나 씌워질 수 있다. 예시적인 랩(56)은 약 0.001 인치(약 0.0254 mm)의 두께와 약 0.375 인치(약 10 mm) 내지 약 0.5 인치(약 13 mm)의 폭을 가질 수 있다.
도 6a를 참조하면, 실례의 절연부(54)는 적어도 제1 또는 내부의 랩 층(58)과 제2 또는 외부의 랩 층(62)을 포함할 수 있다. 제1 층(58)은 제1 배향으로 피복되고, 제2 층(62)은 제2 배향으로 피복된다. 대안으로, 랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62)은 동일한 배향으로 피복될 수 있다. 보다 구체적으로, 실례의 제1 층(58)은 전도성 코어(50)의 종축(L)에 대해 소정 각도(α)로 전도성 코어(50)에 피복된다. 제1 배향의 실례의 각도(α)는 종축(L)에 대해 0°보다 크고 180°미만일 수 있다. 소정의 예시적 실시예에서, 각도(α)는 약 135°내지 약 170°일 수 있고, 도 6a에 나타낸 바와 같이 약 135°이다. 랩(56)의 실례의 제2 층(62)은 코어(50)의 종축(L)에 대해 소정의 각도(β)로 제1 층(58)에 피복된다. 제2 배향의 실례의 각도(β)는 종축(L)에 대해 0°보다 크고 180°미만일 수 있다. 소정의 예시적 실시예에서, 각도(β)는 약 10°내지 약 45°일 수 있고, 도 6a에 나타낸 바와 같이 약 45°이다. 제1 층(58) 및 제2 층(62)의 각도 배향은 예컨대 약 90°[각도(α)-각도(β)에 의해 형성된 각도]만큼 오프셋될 수 있다. 제1 층(58) 및 제2 층(62)의 각각의 각도 배향은, 각도(α)가 약 10°내지 약 45°이고, 각도(β)가 약 135°내지 약 170°에 있도록 반대로 될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예의 절연부(54)는 랩(56)의 배향이 종축(L)과 평행이 되도록[즉, 제1 층(58)의 각도(α) 및 제2 층(62)의 각도(β) 각각이 대략 0°및/또는 180°가 됨] 전도성 코어(50)의 종축(L)과 동축으로 피복되는 랩(56)의 제1 층(58) 및/또는 제2 층(62)을 포함할 수 있다. 다른 대안적인 실시예는 전도성 코어(50)의 상부측 또는 하부측으로부터 수직으로 피복되는 랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62) 모두를 포함한다.
랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62)은 도 5의 각각의 제1 층(58) 및 제2 층(62)의 융기 중첩부(64, 66)와 도 6a 내지 도 6c의 가상선으로 나타낸 바와 같이 중첩되는 방식으로 전도체 와이어(34)에 피복될 수 있다. 보다 구체적으로, 랩(56)의 제1 층(58)은 예컨대, 코어(50) 둘레로 제1 층(58)이 감겨질 때마다 제1 층(58)이 이전에 코어(50)에 피복된 자체의 일부와 중첩되도록 코어(50)에 피복된다. 랩(56)의 제1 층(58)의 중첩부(64)는 코어(50)가 노출되지 않는 것을 보장하며 이에 따라 전도체 와이어(34)가 절연되는 것을 보장한다. 이로써, 랩(56)의 제1 층(58)의 중첩부(64)의 두께는 중첩되지 않은 부분의 제1 층(58)의 두께의 두 배일 수 있다. 유사하게, 랩(56)의 제2 층(62)은 랩(56)의 제1 층(58)의 외부면(60)에 동일한 중첩 방식으로 피복되어 중첩부(66)를 형성한다. 랩(56)의 각각의 제1 층(58)의 각도(α) 및 제2 층(62)의 각도 (β)의 각도 배향은 예컨대, 층(58, 62) 당 약 10% 내지 약 75%의 바람직한 중첩을 제공한다.
예시적인 절연부(54)는 대략 0.004 인치(약 0.1 mm) 내지 대략 0.008 인치(약 0.2 mm)의 두께를 가질 수 있다. 절연부(54)의 두께는 랩(56)의 예시적인 제1 층(58)의 중첩부(64)의 두께(예, 약 0.025 mm×2 = 약 0.05 mm)를 랩(56)의 예시적인 제2 층(62)의 중첩부(66)의 두께(예, 약 0.025 mm×2 = 약 0.05 mm)에 더하는 것에 의해 계산된다.
도 8을 참조하면, 전도성 코어(50)는 다음의 예시적인 단계로 절연될 수 있다. 도 6a 및 도 8에 도시된 바와 같이, 절연 공정은 전도성 코어(50)에서 시작한다. 전도성 코어(50)는 처음에는 전도성 와이어의 벌크 롤(72)일 수 있는데, 해당 롤은 감겨진 것이 풀리면서 예컨대, 컨베이어 벨트(74) 상에서 절연 장치(70)를 통해 선형으로 통과된다. 코어(50)는 랩(56)의 제1 층(58)으로 감겨진 후 랩(56)의 제2 층(62)으로 감겨진다. 보다 구체적으로, 랩(56)의 제1 층(58)의 멜트 플로우부(melt flow portion)가 코어(50)의 외부면(52)에 피복되고, 랩(56)의 제2 층(62)의 멜트 플로우부가 제1 층(58)의 외부면(60)에 피복될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c 및 도 8에 도시된 바와 같이, 랩(56)의 제1 층(58)은 해당 랩(56)의 제1 층(58)이 코어(50) 둘레로 연장되면서 코어(50)를 완전히 덮도록 코어(50)의 외부면(52)(도 6b)에 피복된다. 예컨대, 랩(56)의 제1 층(58)은 코어(50)의 종축(L)에 각도(α)로 감겨진다. 각도(α)는 코어(50)의 종축(L)에 대해 약 0°내지 약 180°(예, 도 6a의 경우 135°)일 수 있다. 랩(56)의 제1 층(58)이 코어(50) 둘레로 감겨질 때, 제1 층(58)은 이전에 코어(50) 둘레로 감겨진 제1 층 자체의 일부를 중첩한다. 도 6b는 랩(56)의 제1 층(58)의 중첩부(64)를 가상선으로 나타낸다. 중첩부(64)는 약 10% 내지 약 75%의 중첩을 포함할 수 있다.
코어(50) 둘레로 랩(56)의 제1 층(58)을 감은 후, 도 5, 도 6a, 도 6c 및 도 8에 도시된 바와 같이, 랩(56)의 제2 층(62)이 랩(56)의 제1 층(58)의 외부면(60) 둘레로 감겨진다. 랩(56)의 제2 층(62)은 전도성 코어(50)의 종축(L)에 각도(β)로 감겨진다. 보다 구체적으로, 각도(β)는 전도성 코어(50)의 종축(L)에 대해 약 0°내지 약 180°(예, 도 6c의 경우 45°)일 수 있다. 예시적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 랩(56)의 제1 층(58)은 해당 제1 층(58)이 제2 층(62)과 X자형 패턴을 형성하도록 랩(56)의 제2 층(62)으로부터 약 90°만큼 각도가 오프셋된다. 대안으로, 랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62)은 동일한 배향으로 피복될 수 있다.
랩(56)의 제2 층(62)이 랩(56)의 제1 층(58) 둘레로 감겨질 때, 제2 층(62)은 이전에 제1 층(58) 둘레로 감겨진 제2 층(62)의 부분과 중첩한다. 도 6c는 랩(56)의 제2 층(62)의 중첩부(66)를 가상선으로 나타낸다. 중첩부(66)는 약 10% 내지 약 75%의 중첩을 포함할 수 있다. 피복 공정은 전도체 와이어(34)의 절연부(54)가 원하는 특성을 가질 때까지 반복될 수 있다.
랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62)이 피복된 상태에서 컨베이어 벨트(74)는 랩(56)을 가열하기 위해 전도체 와이어(34)가 오븐(78)(예, 적외선 또는 대류형 오븐)을 통과하도록 함으로써, 랩(56)의 적어도 일부의 멜트 플로우부, 예컨대 제1 층(58) 및/또는 제2 층(62)의 멜트 플로우부가 절연부(54) 내에 기계적 결합을 형성하여 절연부(54)를 코어(50)에 접합되게 한다. 예를 들면, 멜트 플로우(melt flow)는 오븐(78)이 약 650℉(약 343℃)의 온도에서 작동되는 동안 예시적인 전도체 와이어(34)가 오븐(78) 내에 약 10초 동안 있을 때 생길 수 있다. 그러나, 오븐(78)의 온도와 전도체 와이어(34)가 오븐(78) 내에 있는 시간 길이는 랩(56)의 재료 특성에 기초하여 변할 수 있음을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 랩(56)이 멜트 플로우 상태에 있을 때(즉, 상승된 온도에 있을 때), 코어(50)에 피복된 랩(56)의 제1 층(58)과 제1 층(58)에 피복된 랩(56)의 제2 층(62) 사이의 접합을 향상시키기 위해 예컨대 압력이 랩(56)에 인가된다. 예컨대, 랩(56)은 적어도 하나의 외부 가압 기구에 의해 가압된다. 보다 구체적으로, 일례의 절연 장치(70)는 제1 가압 기구(80)와 제2 가압 기구(90)를 포함한다. 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)는 랩(56)에 압력을 인가하기 위해 예컨대, 스프링, 유압 또는 공압에 의해 서로를 향해 강제된다. 제1 가압 기구(80)는 회전 가능하게 지지되고 서로 분리 이격된 대향하는 원통형 프레스 또는 롤러(80a, 80b)를 포함한다. 유사하게, 제2 가압 기구(90)는 회전 가능하게 지지되고 서로 분리 이격된 대향하는 프레스 또는 롤러(90a, 90b)를 포함한다. 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)는 랩(56)에 대한 롤러(80a, 80b, 90a, 90b)의 위치를 조정하기 위한 기계적, 유압, 또는 전기적 수단을 포함할 수 있다.
제1 가압 기구(80)는 컨베이어 벨트(74)와 코어(50)에 대해 제2 가압 기구(90)에 수직으로 배향된다. 이로써, 예시적인 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)는 여기 상술되는 바와 같이 전도성 코어(50)의 종축(L)과 서로에 대해 수직인 방향으로 랩(56)에 힘을 인가한다. 보다 구체적으로, 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)는 직사각형 단면의 전도성 코어(50)의 대향 표면에 압력을 인가한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 가압 기구(80)는 컨베이어 벨트(74) 및 전도체 와이어(34)로부터 수직으로 분리 이격됨으로써 롤러(80a)는 예컨대 전도체 와이어(34) 위에 위치되고 롤러(80b)는 전도체 와이어(34) 아래에 위치된다. 반대로, 제2 가압 기구(90)는 컨베이어 벨트(74) 및 전도체 와이어(34)로부터 측방으로 분리 이격됨으로써 롤러(90a)는 전도체 와이어(34)의 일측의 외부에 위치되고 롤러(90b)는 전도체 와이어(34) 타측의 외부에 위치된다. 예시적인 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)의 직경은 약 0.5-6.0 인치일 수 있고, 전도체 와이어(34)의 크기를 수용하도록 변할 수 있다. 추가로, 압력을 랩(56)의 전체 표면에 인가하기 위해, 롤러(80a, 80b)의 길이는 전도체 와이어(34)의 폭보다 크고, 롤러(90a, 90b)의 길이는 전도체 와이어(34)의 높이 또는 깊이보다 크다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 제1 가압 기구(80)와 관련하여, 롤러(80a, 80b)는 제1 가압 기구(80)를 통한 전도체 와이어(34)의 이동을 용이하게 하기 위해 서로 반대 방향으로 회전한다. 예컨대, 도 9a에 도시된 바와 같이, 롤러(80a)는 지면을 벗어나는 방향(86)(즉, 도 9b의 측면 사시도로부터 시계 방향)으로 회전하고, 롤러(80b)는 지면 안으로 들어가는 방향(88)[즉, 롤러(80b)의 측면 사시도로부터 반시계 방향]으로 회전한다. 제1 가압 기구(80)는 대향하는 방향(82, 84)으로 랩(56)에 압력을 인가한다. 보다 구체적으로, 롤러(80a)는 방향(82)으로 랩(56)에 압력을 인가하고, 롤러(80b)는 방향(84)으로 랩(56)에 압력을 인가한다. 상기 방향(82, 84)은 제1 가압 기구(80)에 의해 인가되는 압력이 코어(50)의 종축(L)에 수직하도록 서로 수직으로 정렬되어 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 롤러(90a, 90b)는 제2 가압 기구(90)를 통한 전도체 와이어(34)의 이동을 용이하게 하기 위해 서로 반대 방향으로 회전한다. 예컨대, 롤러(90a)는 시계 방향(96)으로 회전하고, 롤러(90b)는 반시계 방향(98)으로 회전한다. 제2 가압 기구(90)는 대향하는 방향(92, 94)으로 랩에 압력을 인가한다. 보다 구체적으로, 롤러(90a)는 방향(92)으로 랩에 압력을 인가하고, 롤러(90b)는 방향(94)으로 랩(56)에 압력을 인가한다. 상기 방향(92, 94)은 제2 가압 기구(90)에 의해 인가되는 압력이 코어(50)의 종축(L)과 제1 가압 기구(80)에 의해 인가되는 압력의 방향(82, 84)에 횡방향이 되도록 서로 측방향으로 정렬되어 있다.
예시적인 절연 장치(70)는 오븐(78)과 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)를 둘러싸는 하우징(76)을 포함할 수 있으므로, 랩(56)은 가압되는 동안 계속 가열될 수 있다. 절연 장치(70)의 대안적인 실시예는 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)가 오븐(78)에 후속하여(오븐의 하류에) 컨베이어 벨트(74)를 따라 위치되도록 하우징(76)을 제거할 수 있다. 이로써, 랩(56)은 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)에 의해 가압되는 동안 냉각이 개시될 수 있다.
제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)는 코어(50)에 대한 랩(56)의 제1 층(58)의 접합과 제1 층(58)에 대한 랩(56)의 제2 층(62)의 접합을 향상시키기 위해 랩(56)에 압력을 인가한다. 추가로, 랩(56)의 가열을 통해, 절연부(54) 내에 기계적 결합이 형성될 수 있다. 또한, 랩(56)의 가압은 랩(56)과 코어(50) 사이 그리고 랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62) 사이의 결합을 증강할 수 있다. 이로써, 절연부(54)의 신뢰성이 증가될 수 있어서 전기 장치(11) 내의 단락 사고의 위험이 감소될 수 있다. 랩(56)에 압력을 인가하는 것에 의해, 랩(56)의 멜트 플로우부가 코어(50)의 측면을 가로질러 보다 일관되고 균일한 방식으로 퍼지거나 유동될 수 있는데, 이는 전도성 코어(50)의 모든 측면에 대한 랩(56)의 접합을 향상시킬 수 있다. 랩(56)에 인가되는 균일한 압력은 절연부(54)의 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 가압 기구(80, 90)에 의해 랩(56)에 인가되는 압력과 랩(56)이 압력을 받는 시간 길이 양자 모두는 랩(56)의 재료 특성과 전도체 와이어(340)의 크기에 따라 좌우된다. 예를 들면, 예시적인 가압 기구(80, 90) 각각은 약 1.0-100.0 psi(파운드/in2)의 압력을 약 0.01-1.0 초 동안 랩(56)에 인가할 수 있다.
전도체 와이어(34)는 랩(56)의 제1 층(58) 및 제2 층(62)이 제1 가압 기구(80) 및 제2 가압 기구(90)에 의해 가압된 후 냉각될 수 있다. 예를 들면, 전도체 와이어(34)는 절연 시스템(70)의 단부 근처에 위치된 샤워 헤드(100) 또는 기타 기구에 의해 수냉될 수 있다. 예컨대, 단일형 다이나믹 절연 시스템(70)이 코어(50)를 절연시켜 전도체 와이어(34)를 형성하지만, 고정형이거나 무-컨베이어 시스템 또는 다른 장치를 사용하여 동일한 결과를 얻을 수 있다. 전도체 와이어(34)는 냉각 단계 후에 벌크 롤(102)로 롤링되어 나중의 사용을 위해 보관될 수 있다. 대안으로, 전도체 와이어(34)는 크기에 맞게 절단되어 고정자 조립체(10)의 조립에 필요한 복수의 전도체 와이어(34)를 형성하도록 하기 위해 컨베이어 벨트(74)를 따라 계속 이동될 수 있다.
절연된 이후, 전도체 와이어(34)는 고정자 스택(20)과의 조립을 위해 적절한 크기로 절단될 수 있다. 전도체 와이어(34)의 단부(42, 44)는 고정자 조립체(10)의 삽입 단부(14)(도 1a)에서 고정자 스택(20)의 슬롯(26) 내로 삽입된다. 또한, 전도체 와이어(34)는 보다 콤팩트한 고정자 조립체(10)를 제공하기 위해 절곡될 수 있다. 고정자 조립체(10)의 연결 단부(12)(도 1b)로부터 외측으로 연장되는 전도체 와이어(34)의 단부(42, 44)는, 절연부(54)를 제거하여 각 단부(42, 44)의 코어(50)를 노출시키기 위해 통상의 공정을 통해 박피될 수 있다. 보다 구체적으로, 전도체 와이어(34)의 각 단부(42, 44)의 코어(50)는 인접하는 단부(42, 44)와 용접 또는 상호 연결하여 회로를 형성하기 위해 노출된다. 전도체 와이어(34)는 해당 전도체 와이어(34)를 고정자 스택(20) 내에 안정화하기 위해 니스 또는 다른 밀봉재, 코팅, 필름 또는 에폭시로 코팅될 수 있다.
본 발명은 예시적인 구성을 가지는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 본 개시의 취지 및 범위 내에서 더 변형될 수 있다. 따라서, 본원 발명은 발명의 개괄적 원리를 이용하는 발명의 임의의 변경, 사용 또는 개작을 포괄하도록 의도된 것이다. 또한, 본원 발명은 본 발명이 속하는 분야에서 공지되거나 관습적인 실행 내에 있는 본 개시로부터 벗어난 부분을 포괄하도록 의도된 것이다.
50 : 전도성 코어
58 : 제1 층
62 : 제2 층
70 : 절연 장치
72 : 벌크 롤
74 : 컨베이어 벨트
76 : 하우징
78 : 오븐
80 : 제1 가압 기구
90 : 제2 가압 기구
100 : 샤워 헤드
102 : 벌크 롤

Claims (24)

  1. 전도체 와이어를 절연시키는 방법으로서,
    종축을 갖는 전기 전도성 코어를 제공하는 코어 제공 단계와;
    상기 코어의 외부면에 전기 절연 재료를 피복하는 피복 단계와;
    상기 전기 절연 재료의 온도를 상승시키는 온도 상승 단계와;
    상기 코어와의 접합을 용이하게 하도록 상기 전기 절연 재료에 외압을 인가하는 외압 인가 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 상승 단계는 상기 전기 절연 재료의 멜트 플로우(melt flow)를 야기하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 절연 재료는 전기 절연 랩(wrap)인 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전기 절연 랩은 상기 코어 둘레에 피복된 제1 층과 해당 제1 층 둘레에 피복된 제2 층을 포함하는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기 절연 재료의 피복 단계는 상기 코어 둘레로 상기 전기 절연 랩의 제1 층을 상기 코어의 종축에 대해 대략 130°내지 대략 170°의 각도로 피복하는 것을 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기 절연 재료의 피복 단계는 상기 제1 층 둘레로 상기 전기 절연 랩의 제2 층을 상기 코어의 종축에 대해 대략 10°내지 대략 45°의 각도로 피복하는 것을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기 절연 재료에 대한 외압 인가 단계는 회전 가능하게 지지된 제1 롤러와 회전 가능하게 지지된 대향하는 제2 롤러를 통해 상기 전도체 와이어를 이동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 롤러는 상기 전기 절연 재료에 제1 방향으로 압력을 인가하고, 상기 제2 롤러는 상기 전기 절연 재료에 제2 방향으로 압력을 인가하며, 상기 제2 방향은 상기 코어의 종축과 상기 제1 방향에 대해 횡방향인 것인 방법.
  9. 전도체 와이어를 절연시키는 방법으로서,
    원형이 아닌 단면의 전기 전도성 코어를 제공하는 코어 제공 단계와;
    상기 코어 둘레에 적어도 전기 절연 랩의 제1 층을 피복하는 피복 단계와;
    상기 전기 절연 랩을 가열하는 가열 단계와;
    상기 전기 절연 랩에 외압을 인가하는 외압 인가 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전기 절연 랩은 상기 코어에 인접한 커플링부를 포함하고, 멜트 플로우 재료와 접착제 재료 중 하나로 이루어지는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기 절연 랩을 가열하는 가열 단계는 상기 전기 절연 랩의 상기 커플링부가 멜트 플로우되도록 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 전기 절연 랩을 가열하는 가열 단계와 상기 전기 절연 랩에 외압을 인가하는 외압 인가 단계는 동시에 행해지는 것인 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 전기 절연 랩을 가열하는 가열 단계는 상기 전기 절연 랩에 외압을 인가하는 외압 인가 단계 이전에 행해지는 것인 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 외압 인가 단계는 상기 전기 절연 랩을 상기 코어의 종축에 수직한 제1 방향으로부터 가압하고, 상기 전기 절연 랩을 상기 코어의 종축과 상기 제1 방향에 횡방향이 되는 제2 방향으로부터 가압하는 것을 포함하는 것인 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 전도체 와이어를 전기 장치의 고정자 조립체와 결합하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 코어는 직사각형 단면을 가지는 것인 방법.
  17. 전기 절연부를 전기 장치의 전도체 와이어에 접합시키는 방법으로서,
    전기 전도성 코어를 제공하는 코어 제공 단계와;
    상기 코어 둘레에 전기 절연 랩의 제1 층을 피복하는 피복 단계와;
    상기 제1 층 둘레에 전기 절연 랩의 제2 층을 피복하는 피복 단계와;
    상기 전기 절연 랩의 제1 층 및 제2 층을 상기 코어에 대해 가압하는 가압 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기 절연 랩의 상기 제1 층 및 제2 층을 가열하는 가열 단계
    를 더 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전기 절연 랩의 상기 제1 층 및 제2 층 각각은 내부면과 외부면을 포함하고, 상기 제1 층의 상기 내부면은 상기 코어에 인접하고, 상기 제2 층의 상기 내부면은 상기 제1 층의 상기 외부면에 인접하며, 상기 제1 층의 내부면과 상기 제2 층의 내부면 중 적어도 하나는 상기 제1 층 및 제2 층의 가열 단계 중에 멜트 플로우되도록 구성된 멜트 플로우 재료와 접착제 코팅 중 하나를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 층 및 제2 층의 가열 단계의 온도는 상기 전기 절연 랩의 제1 층의 내부면과 상기 전기 절연 랩의 제2 층의 내부면 중 적어도 하나의 멜트 플로우 온도와 대략 동일한 것인 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 코어는 직사각형 단면을 갖는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 코어는 정사각형 단면을 갖는 것인 방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 전기 장치는 고정자 조립체를 포함하는 것인 방법.
  24. 제17항에 있어서, 상기 전기 절연 랩의 제1 층 및 제2 층의 피복 단계는 상기 제1 층을 상기 코어 둘레로 상기 코어의 종축에 대해 대략 130°내지 대략 170°의 각도로 피복하고, 상기 제2 층을 상기 제1 층 둘레로 상기 코어의 종축에 대해 대략 10°내지 대략 45°의 각도로 피복하는 것을 포함하는 것인 방법.
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