KR20150003791A - 머신들을 회전시키기 위한 절연 재료 - Google Patents

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KR20150003791A KR1020147031054A KR20147031054A KR20150003791A KR 20150003791 A KR20150003791 A KR 20150003791A KR 1020147031054 A KR1020147031054 A KR 1020147031054A KR 20147031054 A KR20147031054 A KR 20147031054A KR 20150003791 A KR20150003791 A KR 20150003791A
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Abstract

본 발명은 절연 재료, 그리고 모터들 및 발전기들과 같은 머신들을 회전시키기 위한 상기 절연 재료의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 처음으로, 모노모달 나노입자 크기 분포에 기초하지 않는 필러를 갖는 절연 재료를 기재한다. 이것은, 절연될 바디 상에서 원위치 보호성 층들의 형성에 매우 전도성이 있다.

Description

머신들을 회전시키기 위한 절연 재료{INSULATING MATERIAL FOR ROTATING MACHINES}
본 발명은 절연 재료, 그리고 모터(motor)들 및 발전기들과 같은 머신(machine)들을 회전시키기 위한 상기 절연 재료의 사용에 관한 것이다.
전기 머신들, 예컨대 모터들 및 발전기들은 전기 전도체들, 전기 절연부, 및 라미네이팅된 고정자 코어(laminated stator core)를 갖는다. 여기서 절연 시스템(insulating system)의 신뢰성은 그들의 동작 신뢰성에 중대하게 책임이 있다. 절연 시스템은, 전기 전도체들(와이어(wire)들, 코일(coil)들, 바(bar)들)을 서로로부터 그리고 라미네이팅된 고정자 코어 또는 환경으로부터 영속적으로 절연시키는 기능을 갖는다. 고전압 절연부 내에서는, 부분 전도체들 사이의 절연부(부분 전도체 절연부) 사이, 전도체들 또는 권선들(전도체 또는 권선 절연부) 사이, 그리고 슬롯(slot)에 있는 접지 전위 및 전도체와 권선-헤드(winding-head) 구역(주 절연부) 사이에 구별들이 이루어진다. 주 절연부의 두께는, 머신의 정격 전압에, 그리고 가동 및 제조 조건들에 둘 다에 적응된다. 에너지 생산(energy production), 그들의 분배 및 활용을 위한 미래 플랜트(future plant)들의 경쟁력은, 절연을 위해 적용되는 기술들 및 사용되는 재료들에 따라 중대하게 좌우된다.
이러한 방식으로 전기적으로 부하가 걸리는 절연체들에 대한 근본적인 문제점은 소위 부분 방전-유도된 침식에 있다. 머신의 동작중에 기계적 또는 열적 부하 하에서, 절연부와 전도체 사이 또는 절연부와 라미네이팅된 고정자 코어 사이에 있는 인터페이스(interface)들에서 공동들이 형성될 수 있고, 그리고 전기 부분 방전들의 결과로서 이러한 공동들에서 스파크(spark)들이 형성될 수 있다. 스파크들의 결과로서, 절연부에 "트리잉(treeing)" 채널(channel)들이 형성될 수 있다. 형성되는 트리잉 채널들은 궁극적으로 절연체의 전기 브레이크다운(electrical breakdown)을 유도할 수 있다. 이러한 배경에 대비해, 회전하는 머신들(모터들, 발전기들, 터보발전기(turbogenerator)들, 수력 발전기들, 풍력 발전기들)에 있는 고정자들의 전압-운반 전도체들의 영속적인 절연부가 운모-기반 절연 시스템들을 사용하는 것이 최신식이다.
고전압 및 중간-전압 모터들 및 발전기들은 현재, 판상 운모 절연부를 사용한다. 이러한 시스템들에서, 절연된 부분 전도체들로부터 제조된 성형-권선 코일들에는 운모 테이프(tape)들이 감기고, 진공 압력 침투(VPI:vacuum pressure impregnation) 프로시저(procedure)에서 주로 합성 수지가 침투된다. 여기서, 운모 종이의 형태로 운모가 사용되고, 침투 동안, 개별 입자들 사이에서 운모 종이에 위치된 공동들이 수지로 필링(filling)된다. 침투 수지 및 운모 캐리어 재료(mica carrier material)로 형성된 어셈블리(assembly)가 기계적 절연 강도를 제공한다. 전기적 강도는 사용된 운모에 있는 다수의 고체-고체 인터페이스들로부터 일어난다. 유기 및 무기 재료들의 결과적 계층화가 미시적 인터페이스들을 형성하고, 부분 방전들 및 열적 스트레스(thermal stress)들에 대한 상기 미시적 인터페이스들의 저항은 운모 플레이트렛(mica platelet)들의 특성들에 의해 결정된다. 복잡한 VPI 프로시저의 결과로, 내부 기체-고체 인터페이스들의 개수를 최소화시키기 위하여, 절연부에 있는 심지어 매우 작은 공동들조차도 수지로 완전히 필링되어야 한다. 저항의 부가적인 개선을 위해, 나노미립자 필러(nanoparticulate filler)들의 사용이 설명된다. 문헌으로부터(그리고 운모를 사용할 때의 경험을 통해), 무기 입자들이, 폴리메릭 절연 재료(polymeric insulating material)와 대조적으로, 부분 방전에 노출시, 크게 제약된 정도로만 손상 또는 파괴되거나, 또는 전혀 손상 또는 파괴되지 않음이 알려져 있다. 결과적 침식 억제 효과는, 입자 지름과 그로부터 생성되는 입자 표면을 포함하는 인자들에 따라 좌우된다. 여기서, 입자들의 특정 표면적이 더 클수록, 입자들에 대한 침식 억제 효과가 더 크다는 것이 발견된다. 무기 나노입자들은, 50㎡/g 또는 그 초과에서, 매우 높은 특정 표면적들을 갖는다.
이러한 목적을 위해 본질적으로 다음의 기술들이 사용된다:
· 진공 압력 침투 기술(VPI 프로세스(process))
· 수지 풍부 기술
두 개의 기술들 사이의 주요한 차이는, 코일들의 실제 절연 시스템의 구성 및 제조이다. VPI 시스템이, 침투 그리고 강제-공기 오븐(forced-air oven)에서의 권선의 큐어링(curing) 이후에만 완벽한 반면에, 온도 및 압력 하에서 별개로 큐어링된 수지 풍부 코일의 레그(leg)는, 심지어 고정자로의 설치 이전에도, 기능하고 테스트 가능한 절연 시스템을 구성한다.
VPI 프로세스는 다공성 테이프들을 이용하여 동작하고, 강제-공기 오븐에서의 큐어링 이후 과압에 대한 침투 용기의 후속 노출을 이용하여 진공 하에서 고체 연속 절연 시스템이 형성된다.
이와 대조적으로, 수지 풍부 코일들의 제조는 더욱 복잡한데, 그 이유는 각각의 코일 레그 또는 권선 바가 특정 베이킹 프레스(baking press)들에서 개별적으로 제조되어야 하고, 개별 코일의 비용들의 특정 증가가 유도되기 때문이다. 이러한 상황에서, B-스테이지(stage)로 불리는 것에 존재하는 폴리머 절연 물질(polymer insulating substance)이 침투하는 운모 테이프들이 사용된다. 이는, 폴리머, 보통 방향족 에폭시 수지(aromatic epoxy resin)들(경화제들로서, BADGE, BFDGE, 에폭시드화된 페놀 노볼락(epoxidized phenol novolak)들, 에폭시드화된 크레졸 노볼락(epoxidized cresol novolak)들, 그리고 무수물들 또는 아민(amine)들)이 부분적으로 교차결합되고, 따라서 고착건조 상태(tack-free state)에 있지만, 추가적인 가열시, 최종 형상이 되기 위하여, 다시 녹을 수 있고 궁극적으로 큐어링될 수 있음을 의미한다. 수지가 과도하게 유입되기 때문에, 대응하는 절연 품질을 획득하기 위하여, 최종 프레싱 동작 동안, 수지가 모든 공동들 및 보이드(void)들 안으로 흘러갈 수 있다. 과잉 수지는 초 충전(initial charge)을 벗어나서 프레싱 동작에 의해 프레싱된다. 문헌으로부터, 폴리메릭 절연 재료들에서 나노미립자 필러들의 사용이, 전기적 수명에 대해 절연부에서의 상당한 개선들을 유도함이 알려져 있다.
EP　1366112　B1은, 나노미립자 폴리머의 제조 및 특성들을 설명하는 시스템을 설명한다. 그 안에, 실리콘 이산화물(silicon dioxide)에 기초한 나노미립자 필러를 갖는 폴리머가 설명되고, 이때 분포 곡선은 1.5　dmax 이하의 반치 전폭(full width at half maximum of not more than 1.5　dmax)을 갖는다.
그 안에 제안된 절연부가 패시베이션 코트(passivation coat)의 형성 면에서 아직 최적에 있지 않다는 제안된 솔루션의 단점이 존재한다. 패시베이션 코트는, 나노입자들로 필링된 폴리머가 부분 방전들에 노출될 때, 절연 재료의 적용에 의해 형성된다. 부분 방전 부하 하에서, 폴리메릭 매트릭스(polymeric matrix)는 분해되고 필러, 다시 말해, 예컨대, 나노입자들을 릴리싱(releasing)하며, 그런 다음 상기 나노입자들은 표면 상에 단단하게 부착된 코트를 형성하고, 따라서 절연부로 코팅된 엘리먼트들을 패시베이팅한다. 전술된 EP　1366112　B1의 경우, 패시베이션 코트가 형성되기에 오랜 시간이 걸리고, 응집(agglomeration)이 불완전하다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 부분 방전 부하 하에서, 폴리메릭 매트릭스의 분해(degradation)를 이용하여, 침식 패시베이션 보호 코트의 형성을 촉진하는 절연 재료를 위해 필러를 특정하는 것이다.
이러한 목적, 및 본 발명의 소재의 달성은, 수지 및 그 안에 임베딩(embedding)된 나노미립자 필러를 이용한 포뮬레이션(formulation)을 포함하는 절연 재료이고, 여기서 필러가 적어도 바이모달 크기 분포(bimodal size distribution)로 존재하는 것이 특징이다. 본 발명의 추가적인 주제는, 회전하는 전기 머신들, 바람직하게 발전기들에 있는 코일 권선들에 침투시키기 위한 본 발명에 따른 절연 재료의 사용이다.
문제의 절연 재료는 바람직하게, 그 안에 확산된 나노미립자 필러를 이용한, 열적으로 그리고/또는 UV 광에 의해 중합 가능한 포뮬레이션을 포함하는 절연 재료이고, 상기 필러에 대해, 분포 곡선은 1.5　dmax 초과의 반치 전폭(full width at half maximum of greater than 1.5　dmax) ―투과 전자 현미경에 의해 특징지어짐― 을 갖는다.
본 발명의 일반적인 발견은, 폴리메릭 수지들에 기초한, 필링되지 않은 또는 운모-기반의 절연 재료가 부분 방전 부하 하에서 폴리메릭 매트릭스의 신속한 분해를 나타낸다는 점이다. 예컨대 알루미늄 산화물 및 실리콘 산화물과 같은 침식-저항 나노입자들의 사용을 통해, 매트릭스가 노출되어, 폴리머 분해가 유발된다. 노출된 나노입자들의 층으로 구성된, 바디의 코팅된 표면 상에서의 단단히 부착된 시트형(sheetlike) 층의 형성에 의해, 점진적으로, 증가하는 침식 시간이 동반된다. 표면의 이러한 원위치 패시베이션의 결과로, 패시베이션 코트 아래에 있는 폴리머가 추가적인 부분 방전 침식으로부터 보호된다. 여기서, 패시베이션 코트의 형성은, 특정한 정도로, 확산에 의해 포함된 나노입자들의 크기 및 퍼센티지 비율(percentage fraction)에 따라 좌우되는데, 그 이유는 입자 간 거리가 나노입자들 사이의 폴리머 매트릭스의 분해를 위해 그리고 그에 따라 시간에 따른 패시베이션 코트의 형성을 위해 중대하기 때문이다.
도 1은 절연 재료로 코팅된 바디 표면 상에서 폴리메릭 매트릭스의 분해에 의한 패시베이션 코트의 도식적인 실시예를 도시한다.
도 2는 침식 깊이와 필러 함량 사이의 관계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 예시적 실시예에 따라 입자 크기 분포를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적 실시예의 추가적인 입자 크기 분포를 도시한다.
도 1에서, 보호성 코트가 형성될 때까지, 패시베이션 코트의 모델(model)이 다수의 스테이지들을 거침이 나타난다. 초기 프로세스들에서, 나노입자들 사이의 순수한 폴리머가 침식되어, 나노입자들의 집중이 유도된다. 부분 방전들 형태의 에너지의 추가적인 흡수가 나노입자들의 일부 상에 국부적인 소결 동작을 야기한다. 이러한 메커니즘(mechanism) 때문에, 추가적인 부식으로부터 아래에 있는 침식되지 않은 나노미립자 폴리머를 보호하는 세라믹 층(ceramic layer)이 형성된다.
적어도 두 개의 상이한 종류들 및/또는 크기들의 나노입자들 ― 각자의 입자 지름들이 크게 상이함 ― 의 사용이 특히 확연한 침식 저항을 갖는 나노합성물들을 유도함을 보여주는 것이 가능했다. 바이모달 분포가 여기서 이미 장점을 갖고; 다른 실시예들에서, 멀티모달 입자 비율들이 바람직하다.
이것은 패시베이션 코트들의 형성을 위해 도 1 및 도 2의 위에서-간략화된 표현에서 개략적으로 이해될 수 있다. 부분 방전들의 영향 하에서, 패시베이팅 보호성 코트로 종료되는 화학적 또는 물리적 프로세스들을 통한 나노입자들의 응집이 존재한다. 적어도 두 개의 상이한 크기로 결정된 나노입자들의 결합이 이러한 프로세스를 강화하는데, 그 이유는 TE의 영향 하에서, 비교적 작은 지름 및 대응하게 확장된 액티브(active) 표면적을 갖는 나노입자들이 응집 또는 국부적 소결 프로세스들을 지원하고 그러므로 침식-저항 코트의 현상(develpment)을 더욱 신속하게 유도하기 때문이다. 이것은, 다음의 장점을 갖는다
- 작은 지름을 갖는 나노입자들의 집중이 낮게 유지될 수 있고, 이것은 경제적으로 그리고 화학적 관점으로부터 둘 다 가치가 큰데, 그 이유는 그것이 점성, 반응성, 및 저장 안정성과 같은 특성들에 대해 더욱 효과적인 제어를 허용하기 때문이다
- 동시에, 예컨대 넓은 특정 표면적 및 더 작은 나노입자들과 같은 포지티브(positive) 특성들이 활용될 수 있다.
본 발명에 따라, 1.5　dmax 이상의 반치 전폭(full width at half maximum of not less than 1.5　dmax)을 갖는 분포 곡선을 포함하는 예컨대 에폭시 수지와 같은 수지에서, 나노입자들은 확산된다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 분포 곡선에 대한 최소 반치 전폭은 1.55　dmax, 더욱 구체적으로 1.6　dmax, 또는 훨씬 더 높은 값들이다.
이는, 단 하나의 크기의 나노입자들이 아니라, 대신에 복수의 입자 크기 비율들을 포함하는 입자 분포를 설명한다.
본 발명의 하나의 유리한 실시예에 따라, 나노입자들은 필러에서 단순분산으로(monodispersely) 확산된다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에 따라, 필러에 있는 나노입자들은 금속 산화물, 반금속 산화물, 및 특히 바람직하게는 실리콘 이산화물 및/또는 알루미늄 산화물에 기초한다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에 따라, 폴리메릭 매트릭스 ―상기 폴리메릭 매트릭스에서, 필러가 확산됨― 는 예컨대 비스페놀(bisphenol) A 및/또는 비스페놀 F와 같은 비스페놀들에 기초한 예컨대 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether)와 같은 에폭시 수지이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수지는 메틸테트라프탈릭 무수물(methyltetraphthalic anhydride) 및/또는 메틸헥사하이드로프탈릭 무수물(methylhexa-hydrophthalic anhydride)과 같은 예컨대 산무수물 경화제와 같은 경화제를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에 따라, 수지는 예컨대 아민 유도체 및/또는 나프테네이트(naphthenate)와 같은 가속기를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에 따라, 필러는 1㎚ 내지 200㎚의 범위, 더욱 구체적으로는 1㎚ 내지 150㎚, 그리고 매우 바람직하게는 1㎚ 내지 80㎚의 범위에 있는 입자 지름들을 갖는 나노입자 비율들을 포함한다.
본 발명의 하나의 유리한 실시예에 따라, 1㎚ 내지 500㎚, 바람직하게는 1㎚ 내지 300㎚, 특히 바람직하게는 1㎚ 내지 100㎚의 평균 지름(D50)을 갖는 필러가 존재한다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에 따라, 필러는 전체 포뮬레이션 중에서 1wt% 내지 80wt%, 더욱 구체적으로는 1wt% 내지 60wt%, 그리고 매우 바람직하게는 1wt% 내지 50wt%의 범위에 있는 양으로 절연 물질에 존재한다.
1.5　dmax 초과의 반치 전폭(full width at half maximum of more than 1.5　dmax)을 갖는 분포 곡선을 갖는 입자 비율의 사용은, 나노합성물들의 선택 및 제조에서 뿐만 아니라, 합성물들의 품질 보장에서도 실질상 장점들을 생성한다. 입자 확산들은 바람직하게 졸-겔 작용(sol-gel operation)들에 의해 준비된다. 원하는 입자 크기 분포를 설정하기 위해, 또한 상이한 입자 확산들의 결합을 사용하는 것이 가능하다. 입자 크기는 종래 기술에 따라, 바람직하게는 투과 전자 현미경, 생략하여 TEM으로부터의 마이크로그래프(micrograph)들에 기초한 입자 지름의 수동 또는 자동 평가에 따라 특징지어진다.
도 3은 본 발명의 하나의 동작 예의 입자 크기 분포를 예로서 도시한다. 필러에 대해 도시된 입자 시스템이, 입자 지름에 대비해 1㎚의 간격들로 각각의 파우더 비율(powder fraction)의 퍼센티지 비율의 표현을 통해 그래픽적으로(graphically) 재생된다. 입자 혼합물은 자신의 dmax를 나타내는데, 다시 말해 9㎚에서, 대응하는 입자 크기에 대한 최대 비율을 갖는 분포 곡선에서의 피크를 나타낸다. 분포 곡선의 반치 전폭은, dmax에 대한 절반 높이(half height)에서, ㎚ 단위의 분포 곡선의 폭에 의해 주어진다. 이러한 입자 구성에서, 분포 곡선의 반치 전폭은 1.6 dmax인 것으로 발견된다.
마지막으로, 도 4는, 비록 본 발명의 상이한 동작 예일지라도, 도 3의 것에 비교할만한 표현을 도시하며, 여기서 알루미늄 산화물 입자들 및 실리콘 이산화물 입자들을 포함하는 시스템이 도시된다. 도 4에서 전개되는 크기 분포는 9㎚에서 국부적 dmax를 도시한다. 이를 기초로, 분포 곡선은 1.7 dmax의 반치 전폭을 갖는다.
본 발명은 처음으로, 모노모달 나노입자 크기 분포(monomodal nanoparticle size distribution)에만 기초하지 않는 필러를 갖는 절연 재료를 기재한다. 그 결과, 원위치 보호를 제공하는, 절연될 엘리먼트 상의 코트들의 형성이 크게 촉진된다.

Claims (7)

  1. 수지 및 그 안에 임베딩(embedding)된 나노미립자 필러(nanoparticulate filler)를 이용한 포뮬레이션(formulation)을 포함하는 절연 재료로서,
    상기 필러는 적어도 바이모달 크기 분포(bimodal size distribution)로 존재하는,
    절연 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포뮬레이션은 에폭시 수지와 같은 수지에 기초하고, 상기 수지는 열적으로 그리고/또는 UV 광에 의해 중합 가능한,
    절연 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    1.5　dmax 초과의 반치 전폭(full width at half maximum of greater than 1.5　dmax) ―투과 전자 현미경에 의해 특징지어짐― 을 갖는 분포 곡선을 갖는, 그 안에 확산된 나노미립자 필러가 존재하는,
    절연 재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1㎚ 내지 500㎚의 평균 지름(D50)을 갖는 필러가 존재하는,
    절연 재료.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필러는 금속 산화물 및/또는 반금속 산화물에 기초하여 존재하는,
    절연 재료.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필러는 상기 포뮬레이션 중에서 1wt% 내지 80wt%의 양으로 존재하는,
    절연 재료.
  7. 회전하는 전기 머신(electrical machine)들, 바람직하게는 발전기들의 코일 권선(coil winding)들에 침투시키기 위한, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 절연 재료의 사용.
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