KR910007673B1 - 니스 없는 스테이터 구조체를 가진 of수중 전기펌프모터 - Google Patents

니스 없는 스테이터 구조체를 가진 of수중 전기펌프모터 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

니스 없는 스테이터 구조체를 가진 OF수중 전기펌프모터
제1도는 본 발명을 적용한 수중펌프유니트를 길이방향으로 축소하여 일부 절개한도.
제2도는 종래 OF수중 전기펌프모터의 스테이터 구조체를 길이 방향으로 축소시킨 단면도.
제3도는 발명의 시험시 사용되는 길이방향으로 절단된 모조스테이터의 투시도.
제4도는 발명에 사용되는 엔드 턴 지지블록과 스테이터 구조체 일단의 다른 부품을 나타내는 분해사시도.
제5도 내지 제7도는 스테이터 구조체의 주변에 대하여 약 20°이격된 다른 관점에서 본 것으로 발명에 사용되는 스테이터 구조체의 일측단부를 설명하는 부분절개단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 수중펌프유니트 12 : OF수중전기모터
14 : 모터보호장치 16 : 펌프
18 : 하우징 22 : 회전자
26, 28 : 베어링 32 : 스테이터 권선
38 : 슬로트 44 : 유리테이프
본 발명은 수중전기 펌프모터에 관한 것으로, 특히, 고온 OF(Oil-filled)모터의 개선에 관한 것이다.
수년동안, 우물에서 물을 뿜어내거나 오일을 펌핑하기 위하여 수중 (submergible) 펌프유니트가 사용되어왔다. 대표적인 수중펌프유니트는, 예를들면 미합중국 특허 제 1,951,919, 1,970,484, 2,001,649, 2,236,887, 2,251,816, 2,270, 666, 2,315,917, 3,672,795 및 4,275,319호에 개시된 것이 있으며, 상기 특허는 모두 본 발명의 양수인에게 양도되었다. 전형적으로 수중펌프유니트는 전기모터와, 우물안에서 배관 또는 케이블에 의해 동방향성으로 매달린 원심펌프가 있다. 모터에는 움직이는 부품을 미끄럽게하고 전기부품을 절연하여 모터를 냉각시키고 모터의 내부로부터 주변으로 물이 흐르는 것을 방지하는 오일이 채워진다. 오일을 내포한 프로텍터는 모터의 구동 및 비구동주기에서 야기되는 오일수축 및 열팽창을 조절한다.
수중전기 펌프모터는 고가이다. 수중전기 펌프모터에 고장이 발생하였을 때는 이들을 우물에서 끌어내어야 하는데 이는 고액의 낭비를 초래한다. 따라서 전기적인 고장을 최소화하기 위하여 펌프모터에 복잡한 절연시스템이 사용된다. 예를들면, 본 발명의 양수인에 의해 판매되고 있는 일형태의 수중모터의 스테이터 절연 시스템은 스테이터 양단에 있는 절연슬리브 및 절연박판과, 스테이터 권선을 위한 절연슬로트 라이너 튜빙과, 권선의 마그네트 와이어상의 다수 절연층과, 권선의 엔드 턴(end turns)상의 절연테이프와, 엔드 턴상의 슬리브와, 내부 스테이터 구주체 전체에 스며든 절연 니스를 포함한다. 전술한 특허 제 4,275,319호에 개시된 개량된 절연시스템은 종래 절연시스템의 고장에 대한 평균시간을 크게 증가시키고 있다. 그럼에도 불구하고 우물이 고온으로 되는 열악한 환경에서는 상기 개량된 절연시스템도 수중모터의 수명이 소망하는만큼 길지 못하다. 표준적으로는 OF 수중모터에 있어서 스테이터 절연시스템에 니스를 칠하여 사용하여 왔다. 전술한 특허 제 4,275,319호의 발명은 모터의 수명을 연장하기 위해 가수분해적으로 안정한 개량된 니스를 사용한다. 니스는 실질적으로 스테이터 시스템 전체에 발라지며 자력선 절연물이 가수분해되는 것을 방지하기 위한 습기장벽으로서 이용된다. 종래의 방식에 있어서 니스는 또한 스테이터의 전기도체에 대한 보조전기 절연체로서 사용되고, 스테이터 권선의 무게를 지지하며, 스테이터 권선이 실질적으로 움직이지 못하도록 스테이터 권선의 엔드 턴을 밀봉한다.
그러나 스테이터 절연시스템에 니스를 사용하는 것은 바람직하다. 니스 바르기 공정은 비용이 많이들며, 많은 노력을 필요로하고 의도적으로 행하여만 한다. 니스는 사용중에 퇴화하는 경향이 있고 모터를 채우는 오일을 오염시킨다. 더욱이, 동작중에 발생하는 열팽창-수축의 반복주기 및 모터의 정지주기는 니스를 파괴하며 궁극적으로 모터의 전기적고장을 야기한다. 니스의 사용에 관련된 다른 문제는 이하에서 설명한다.
본 발명은 니스 없는 스테이터 구조체를 가진 OF 수중전기 모터를 구성하기 위해 광범위한 투자를 하여 얻어진 것이다. 이 스테이터 구조체에는 니스가 전혀 없지만 본 발명의 모터는 특히 고온분위기에서 종래의 모터보다 실질적으로 더 나은 성능을 나타낸다. 또한, 본 발명은 모터의 수명을 크게 연장시킬 뿐만 아니라 주어진 모터 수명에 대해서도 더 높은 운전온도 비율을 나타낸다.
간단히 설명하여, 본 발명은 가수분해적으로 안정하게 코팅된 도체로 이루어진 스테이터 권선을 가진 니스 없는 스테이터 구조체와, 모터의 오일에 노출된 내마모성 절연체와, 가수분해적으로 안정되게 지지된 엔드 턴을 가진 권선과, 실질적으로 엔드 턴을 고정하기 위한 내오일성 전기절연수단으로 구성된 OF 수중전기 펌프모터를 제공한다.
이하 최상의 실시예를 나타내는 첨부도면에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명을 상세히 설명하기전에 발명의 일반적인 환경을 고려하여 종래의 스테이터 구조체를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명이 적용되는 대표적인 수중펌프유니트(10)를 나타낸다. 펌프유니트는 OF 수중전기모터(12), 모터보호장치(14) 및 펌프(16)로 이루어지며 이는 원심형(Centrifugal)일 수 있다. 모터는 관형 금속하우징(18), 하우징 내부에 설치된 스테이터 구조체(20) 및 회전자 샤프트(24)를 가진 회전자(22)를 구비하며, 상기 회전자는 베어링(26,28)에 의하여 스테이터 내에서 동축상으로 회전가능하게 지지된다. 종래예와 마찬가지로, 모터(12)의 내부는 무색투명한(모두 탄화수소) 광유나(지열 또는 다른 고온환경에서 특히 유용한) 인조 탄화수소유 등의 오일로 채워진다. 모터 샤프트는 보호장치(14)를 통하여 연장되고 펌프(16)의 임펠러 샤프트에 결합되는 단면을 갖는다. 보호장치(14)는 또한 오일을 내포하며 모터의 내부와 연결되어 모터내 오일의 팽창 및 수축을 잘 알려진 방식으로 수용한다. 또한, 모터에는 압력을 보상하는 팽창가능한 챔버가 제공된다. 모터는 주변의 우물물이 들어가지 못하도록 밀봉되며 모터샤프트를 따라 우물물이 누출되는 것 또한 모터에 물이 스며드는 것을 방지하기 위해 한 개 또는 그 이상의 기계적 밀봉체(30)가 제공된다. 모터의 권선구조체(32)는 개략적으로만 도시되어 있다. 전형적으로 모터는 모터 필드를 제공하는 스테이터 권선(32)을 가진 3상의 다람쥐모양의 유도전동기일 수 있다. 펌프유니트는 펌프의 상단으로 꾀어진 튜빙에 의하여 우물물내에 매달릴 수 있으며, 펌프는 튜빙을 통하여 방출한다. 또는 펌프 유니트는 케이블 현수유니트일 수 있으며, 원한다면 펌프는 라이너를 통하여 방출할 수 있다. 여러 가지 모양의 수중펌프유니트가 알려져 있으며, 펌프유니트(10)는 단지 본 발명을 적용시키기 위한 수중펌프유니트의 일예일 뿐이다.
제2도는 종래예의 스테이터 구조체를 상세히 나타낸 것이다. 스테이터 구조체는 그 양측에 전기적으로 절연된 박판인 강판(34)더미를 포함한다. 통상의 방법으로, 박판에는 스테이터의 주변에 대하여 공간을 둔 슬로트(38)등의 길이방향 슬로트를 제공하기 위해 구멍이 뚫어진다. 각각의 슬로트는 벽이 얇은 플루오르화에틸렌 프로필렌 공중합체 튜빙 형태의 슬로트라이너(40)를 포함한다. 슬로트 라이너에는 절연된 마그네트와이어 도체(42)가 삽입되어 스테이터 권선을 형성하며, 권선의 형태는 잘 알려진 바와같이 모터의 형태에 따라 달라진다. 슬로트 라이너로부터 노출된 부분의 도체(42)에는 유리 테이프(44)가 감겨진다. 유리테이프는 보통 조직된 유리직물형상이며 노출된 도선을 함께 묶어서 모터 동작중 가해지는 전자-역학력에 저항하도록 강한 구조체를 형성한다.
도체(42)는 테이프가 감겨진 도선일 수 있으며, 예를들면, 캡톤(듀퐁사 제품)등의 방향족 폴리이미드 테이프가 감겨진 구리 도선일 수 있다. 도체측을 향하는 테이프의 표면은 고융점 접착제로 사용되는 테플론FEP등의 플루오르화 에틸렌 프로필렌 공중합체로 코팅된다. 캡톤 테이프는 중첩된 나선형의 모양으로 구리도체 주위에 단단히 감겨지며, 제1층상에는 제2층이 유사한 방식으로 제공된다. 캡톤 테이프는 열을 인가함으로서 도선에 접착된다.
코일형성블록(46)은 첫 번째 형성된 엔드 턴에서 도선을 원하는 만큼 구부리기 위한 기계적 보조물로서 사용된다.(노멕스등의) 아라미드 시트재의 반원조작인 쐐기 (48)는 스로트내에 권선을 기계적으로 고정하기 위하여 도선을 정위치에 위치시킨다음 슬로트(38)에 박혀진다. 하우징(18)의 끝의 내부에는 전기절연슬리브(50)가 정열되어 하우징으로부터 엔드 턴을 분리시킨다. 튜빙(54)으로 전기 절연된 도선(52)은 스테이터 권선(42)에 납땜되거나 다른 방법으로 접속된다. 각 도선의 끝에 연결된 도체(56)는 스테이터 권선을 파워케이블(비도시) 또는 연속되는 스테이터 섹션(여기에서는 섹션 더미가 사용됨)에 연결하기 위한 것이다. 스테이터 구조체는 또한 공통적으로 탑재 도선, 나일론 코드, 추가적인 절연 슬리브 또는 "스파게티" 및 기타 잘 알려진 부품을 구비한다.
또 하나, 종래의 스테이터 구조체의 절연시스템에 있어서 중요한 구성요소는 스테이터의 내부를 채우는 니스이다. 도시된 형태의 스테이터에 있어서 지금까지 사용된 니스의 일반 형태는 예를들면 뉴저지주 먼 마우드 정크션의 죤 시.돌프사 제품인 F류의 Hi-Therm BC-325인 이소프탈 알키드형 포화 폴리에스테르로 완화되어진 열치료 페놀 수지를 포함하는, 용매로 묽어진 열치료가 가능한 보조니스가 있다. 니스가 채워지고 제2도에 도시된 형태의 스테이터를 가진 OF 수중전기 펌프모터는 본 발명의 양수인에 의해 다년간 판매되었고 널리 사용되고 있다. 다른 제조업자에 의해 판매되는 유사한 모터도 또한 일반적으로 사용되고 있다.
더욱 최근에는 본 발명의 양수인에 의해 판매되고 있는 모터는 전술한 특허 제 4,275,319호에 개시된 형태의 개량되고 가수분해적으로 안정한 니스를 구비하며, 이는 모터의 수명을 크게 연장시킨다. 폴리부타디엔 합성물에 근거하여 그러한 니스를 사용함으로서 스테이터의 절연에 대해 내수장벽(water-resistant barrier)을 제공한다. 물론 물은 거의 모든 오일환경에서는 방지되며 수중모터를 오일로 채우고 모터의 내부를 주변우물물로부터 밀봉하고자 하는 노력에도 불구하고 모터로의 누수는 심각한 문제를 일으켜왔다. 개량된 밀봉 및 밀폐 기술은 누수문제를 어느정도 해결하지만, 장기간의 사용후에는 약간의 물이 모터에 침투하게 된다.
가수분해적으로 안정한 니스가 불변상태로 남아 있는 한, 스테이터 코일을 형성하는 마그네트 와이어의 절연은 가수분해되지 않는다. 그러나, 전술한 바와같이, 모터의 가동-정지주기는 열팽창 및 수축을 일으키며, 이는 본질적으로 니스의 파괴, 마그네트와이어 절연의 가수분해 공격에의 노출을 야기하며 궁극적으로 모터의 고장을 가져온다.
마그네트 와이어의 절연이 가수분해적으로 안정한 상태에 있다면, 마그네트 와이어 절연이 가수분해되는 것을 방지하기 위해 니스를 사용할 필요가 없다. 그러나 종래의 마그네트 와이어 절연은 가수분해적으로 안정되지 못하였다. 최근에는 가수분해적으로 안정된 절연체로 절연된 마그네트 와이어를 이용할 수 있게 되었으며, 니스 보호에 대한 필요성을 제거할 수 있는 OF 수중모터의 스테이터 권선을 위한 그러한 마그네트 와이어의 이용 가능성이 높아져가고 있다. 그러나, 종래에 니스는 가수분해에 대한 자력선 절연을 보호하는 것 이외에 중요한 기능을 발휘한다. 이들의 추가적인 기능으로는 마그네트 와이어 권선의 무게를 지탱하고, 제2절연을 제공하며, 권선의 엔드 턴을 밀봉하여 고정시키는(안정시키는)것이 있다. 또한 특허 제 4,275,319호의 개량된 니스는 마그네트와이어 절연물이 가수분해되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 위상장벽(예를들면, 노멕스-캡톤, 노멕스박판), 절연 슬리브(예를들면 노멕스), 엔드 턴 테이프(예를들면 광섬유)등, 가수분해되기 쉬운 절연 시스템의 다른 구성품을 또한 보호한다. 따라서, 가수분해적으로 안정된 마그네트와이어 절연물을 사용하면 그 자체로서 니스의 제거를 허용하지 않는다.
본 발명은 니스가 필요없는 특수 설계된 스테이터 구조체를 제공한다. 발명에서 사용된 스테이터 구조체의 일반적인 구성은 제2도에 도시된 종래의 스테이터 구조체의 구성과 유사하지만 그 차이점을 이하 설명한다.
먼저, 종래 스테이터 구조체와는 달리 본 발명의 스테이터 구조체는 모터의 동작상태에서 가수분해적으로 안정되고 내오일성인 마그네트 와이어 절연물을 사용한다. 절연물은 2가지의 특성을 가져야 하는데, 이는 절연물이, 사용시, 모터에 채워진 오일 및 궁극적으로 모터에 침투되는 물과 접촉하기 때문이다.
가수분해적 안정성이란 화학적 구조의 감퇴없이 그리고 물리적, 전기적 특성의 중대한 손실이 없이 비등점이상의 수증기 및 물에 저항하는 능력을 말한다. 내오일성이란 화학적 구조 또는 물리적, 전기적 특성의 중대한 감퇴없이 오일에 대한 노출에 저항하는 능력을 말한다.
발명을 위해, 마그네트 와이어 절연물은 또한 단단하고 내마모성이 있어야 하며 견고한 U형 벤드를 형성하도록 충분히 유연성이 있어야 한다. 내마모성이란 문지름 또는 미끄럼 마찰에 대하여 약간의 영향도 없이 견디어 내는 능력을 말한다. 마그네트 와이어 절연물은 스테이터 권선이 기계적으로 지탱되더라도(이후 상세히 설명함)약간의 마모작용을 피할 수 없으므로 내마모성이 있어야 한다. 종래의 마그네트 와이어 절연물은 내마모성이 없었다. 마그네트 절연물은 스테이터 코일의 마그네트 절연물은 스테이터 코일은 권취중에 파손, 분열 또는 전기적 강도의 손실없이 반복적인 구부림 및 형성에 저항하도록 충분한 유연성을 지녀야 한다. 마그네트 절연물은 사용되는 구동전압에 대하여 충분한 유전 강도를 가져야하며 조우될 온도에 대하여 충분히 높은 연속 사용 온도를 가져야 한다.
발명의 마그네트 와이어 절연물에 적합한 물질로는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 케톤(PEK) 및 폴리벤지마졸(PBI)이 있으며, 이중에서 PEEK가 가장 좋다. 예를들어 발명에서 사용되는 PEEK 코팅 마그네트 와이어는 사이드당 0.006인치의 두께, 전체 약 0.012인치의 두께로 코팅하기 위해, 진공, 홀리데이, 수포, 또는 이물이 없이 구리도체에 연속적으로 돌출된 결정체 또는 비결정체 PEEK로 코팅된 사이즈 7 내지 14의 어닐링된 고체 구형동선 ASTM B3일 수 있다. 이 절연물은 약 400볼트/밀(ASTM D149)의 유전강도와 약 400℉의 연속사용 온도를 갖는다. 최소 파괴 전압은 8000볼트이다. 발명에 의하여 예상되는 대부분의 모터 운전조건에 대하여는 적어도 약 400볼트/밀의 유전강도와 적어도 약 400℉의 연속 사용 온도가 적합하다. PEEK 절연 마그네트 와이어는 예를들면 ICI 페트로케미칼스 엔드 플라스틱스 디비젼 오브 임페리얼 케니칼 인더스트리스 PLC의 빅트렉스 PEEK가 있다. PEEK는 11(mg)/1000(주기)의 내마모성을 가지며, PEEK는 3.0(mg)/1000(주기)의 내마모성, PBI는 11(mg)/1000(주기)의 내마모성을 갖는다. 상기 PEK에 대한 내마모성 값은 펜톤 출판사에서 출판한 재료공학 재료 선택장치 1988에 나타나 있다. PBI와 PEEK에 대한 값은 CS10휠과 1000그람 무게를 사용하여 ASTM D4060에 따라 양수인의 실험실에서 얻은 것이다. 마그네트 와이어 절연물의 내마모성은 25(mg)/1000(주기) 또는 그 이하로 하는 것이 좋다.
상기 설명에서 알 수 있는 바와같이, 발명에서 사용되는 마그네트 와이어 절연물은 몇가지 특성을 구비하여야 한다. 요구되는 특성을 구비하지 않고 따라서 발명에서 사용되는 마그네트 와이어로서는 부적합한 물질은 폴리에테르 설폰(PES), 폴리이미드, 폴리아미디마이드(토론), 나일론, 폴리에스테르, PVC, 에톡시, 과플루오로 알콕시 (PFA), 테트라 플루오로에틸렌(TFE), 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP)이 있다.
니스를 제거하기 위해서는 본질적으로 스테이터 권선의 무게를 지탱하고 또 실질적으로 권선의 엔드 턴을 고정(안정)시키는 몇가지 다른 수단들이 제공되어져야 한다. 본 발명에 따르면, 이러한 기능들은 지지블록과 상기 지지블록에 스테이터 권선의 엔드 턴을 부착시키는 테이프에 의해 수행된다.
제2도에 도시한 종래의 모터에 있어서, 코일 형성블록은 제1스테이터 권선의 엔드 턴을 형성하고 위치시키기 위해 사용되었고, 이는 짧게 휘어진 반경체(short bending radius)에 의해 압축되어야 한다. 그러나 본 발명에 따르면 블록은 스테이터 권선의 모든 엔드 턴을 지지하고 안정시키며, 또한 제1엔드 턴에 대해 코일 형성 블록을 제공하기 위해 사용된다.
발명의 블록은 마그네트 와이어 권선의 무게를 지지하고 엔드 턴을 고정시킨다. 모터의 운전시에 권선이 약간 움직이더라도 이러한 움직임은 크게 제지된다. 블록은 적당한 유전강도 및 연속 사용 온도를 가진 가수분해적으로 안정되고 내오일성의 전기 절연체이어야 한다. 발명에서 예상되는 대부분의 조건에 대하여 적어도 약 300볼트 / 밀 (ASTM D419)의 유전 강도와 적어도 약 400℉의 연속 사용온도이면 충분하다. 블록은 동작온도에서 경화상태를 유지하여야 한다. 적합한 블록 물질로는 폴리페닐렌 황화물(Ryton), PEEK, 테프론 및 PBI가 있다. 가장 양호한 물질은 리톤(Ryton)이며, 그 다음으로 PEEK, PEK, 테프론순이다. 리톤은 오클라호마 바아틀스빌리의 필립스 케미칼 컴패니의 제품을 이용할 수 있다. 몇가지의 세라믹, 페놀 및 에폭시를 사용할 수 있다. 대부분의 에폭시, PES, 토론, 나일론, 폴리이미드와 대부분의 다른 플라스틱은 가수분해적 안정성, 내오일성, 경화성, 유전강도 및 연속 사용 온도의 소망하는 특성을 겸비하지 못한다.
발명에서 사용되는 형태의 블록은 제4도에 도시하였다. 도시된 바와같이 3개의 블록(58,60,62)이 사용된다. 블록(58,60)은 엔드 박판(36)의 주변형상과 일치하도록 아치형으로 되어 있다. 블록(58)은 블록(60,62)보다 원주상으로 다소 더 길다. 블록(58)에는 한 쌍의 노치(64,66)가 형성되어 있으며, 블록(60,62)에는 하나의 노치(68 또는 70)가 형성되어 있다. 블록(58,60)은 일반적으로 직사각형이며(그러나 약간 휘어짐) 코너(72)가 원형상으로 되어있다. 블록(62)은 기부(73)를 가지며, 이 기부(73)는 일반적으로 블록(60)과 유사하지만 실질적으로 아치형보다는 평평하게 되도록 하기 위해 원주상 길이가 더 짧다. 블록(62)에는 확대부(74)가 형성된다.
제5도 내지 제7도에 도시한 바와같이 스테이터 권선의 엔드 턴은 테이프(76)에 의해 지지블록에 부착된다. 이 테이프는 각 엔드 턴의 절연된 마그네트 와이어 도체를 묶음으로 고정하기 위하여, 블록을 지지하도록 엔드 턴을 고정하기 위하여, 엔드 턴을 각각에 대해 고정하기 위하여, 그리고 위상 장벽을 형성하기 위하여 사용된다. 테이프는 가수분해적으로 안정된 내오일성의 것이어야 한다. 적어도 약 300볼트/밀(ASTM D149)의 유전 강도와 적어도 약 400℉의 연속 사용 온도이면 발명에서 예상되는 대부분의 운전조건에 대하여 충분하다. 테이프는 충분한 인장강도, 바람직하게는 3000psi 이상의 인장강도를 가져야 하며, 사용하는 테이프의 확장을 어느정도 허용하기 위해, 그리고 감겨진 상태에서 테이프가 신장력을 유지하도록 하는 반동력을 제공하기 위해 충분한 탄력성을 가져야 한다. 비 접착성 테프론 테이프가 양호하지만, PEEK, PEK 또는 PBI 테이프를 사용할 수도 있다. 종래 모터에서 단일 엔드 턴을 코일형상 블록에 대하여 고정하기위해 사용되었던 유리섬유 테이프는 소망하는 특성을 구비하지 않았기 때문에 본 발명에서 적절하지 못하다. 일반형의 고무 및 PVC 플라스틱 테이프도 역시 적절하지 못하다.
일반적으로 스테이터 권선은 제2도에서 설명한 종래 스테이터 구조체의 스테이터 권선과 동일 방식으로 권취된다. 절연된 마그네트 와이어 도체(42)는 스테이터 슬로트(38)의 쌍의 슬로트 라이너(40)를 통하여 권취되어(바람직하게는 연속적으로) 스테이터 코일을 구성하는 도체 묶음을 형성한다. 제4도에는 그러한 묶음중 하나의 일부를 단편적으로 도시하고 있다.
발명의 3상 유도모터의 스테이터의 제조에 있어서, 제1위상의 제1코일의 엔드 턴(78)을 형성하기 위해 테이프(76)에 의해 나선상으로 감겨진 제1도체 묶음은 제5도에 도시된 바와같이 블록(58)주위에 형성된다. 제1위상의 제2코일의 엔드 턴(80)은 테애프로 감겨진다음 엔드 턴(78)과 일체로 테이프에 의해 감겨진다. 제1위상의 제3코일의 엔드 턴(82)은 테이프로 감겨진 다음, 제1위상의 상기 세 개의 모든 코일의 엔드 턴이 제5도에 도시된 바와같이 상기 세 개의 엔드 턴 주위에 노치(64,66)를 통하여 감겨진 테이프에 의해 블록(58)에 고정된다. 스테이터 구조체의 반대단에서도 유사한 과정을 수행하며, 스테이터 구조체의 그끝에서 엔드 턴을 지지하기 위해 제4도에 도시한 것과 동일한 블록이 제공된다. 스테이터 코일의 권취중에 스테이터 코일의 도체가 스테이터 슬로트 라이너를 통하여 그리고 그 스테이터 주위에서 단단하게 권취되는 경우, 스테이터 구조체의 반대단의 엔드 턴은 각각의 블록(58)에 대하여 단단하게 끌어당겨지며, 이로서 지지블록은 늘어나서 엔드박판과 결합한다.
제6도에 도시된 바와같이, 유사한 코일 권취와 포장 과정은 제2위상의 3개의 코일의 엔드 턴(84,86,88)을 형성하고 엔드 턴을 테이프로 포장하며(코일 주위에서 슬로트(68)을 통하여 포장된 테이프에 의해)블록을 지지하도록 엔드 턴을 결속한다. 스테이터의 반대단에서도 동일 과정이 수행되어 엔드 턴은 스테이터 구조체의 반대단에서 각각의 지지블록(60)에 대하여 단단하게 늘려지고 지지블록은 엔드 박판에 대하여 단단하게 늘려진다.
최종적으로 제3위상의 3개의 코일의 3개의 엔드 턴(90,92,94)은 제7도에 도시한 바와같이 동일 방식으로 형성되고 고정된다. 이 경우에, 엔드 턴 주위에서 슬로트(70)를 통하여 포장되는 테이프에 의하여 블록(62)의 확대부(74)상에서 엔드 턴이 지지되도록 엔드박판으로부터 엔드 턴까지의 거리를 더 크게 할 필요가 있다. 스테이터의 반대단에서는 다시 동일 과정이 수행되고, 이로서 엔드 턴은 스테이터 구조체의 반대단에서 블록(62)에 대하여 단단하게 늘려지고 블록은 엔드 박판에 대하여 단단하게 늘려진다.
본 발명에서는 노멕스 시트재를 사용하는 대신 가수분해적으로 안정되지 않은 전기 절연 슬리브(50)가 또한 사용되며, 절연슬리브는 예를들면 테프론, PEEK, PEK, 리톤, 또는 PBI로 형성된다. 테프론이 가장 양호하며 그 다음은 PEEK가 양호하다. 약간의 페놀을 사용할 수도 있다. 가수분해적으로 안정되는 것 이외에 물질은 내오일성이어야 한다. 노멕스, 캡톤, 대부분의 에폭시는 적합하지 못하다. 절연 슬리브의 물질은 적절한 유전강도와 연속 사용 온도를 가져야 한다. 발명에서 예상되는 대부분의 운전 조건에 대하여 적어도 약 300볼트/밀(ASTM D149)의 유전강도와 적어도 약 400℉의 연속사용 온도이면 충분하다.
제2도에서 설명한 종래의 모터에 있어서는, 모터 유도선이 회전 샤프트 또는 샤프트 커플링에 접촉되지 않도록, 모터 조립중에 모터 유도선을 정위치에 결속하기 위해 나일론 줄(비도시)을 사용한다. 나일론은 마모되기 쉬워서 본 발명에서 사용되지 못한다. 발명에서 사용되는 모터 유도선 결속은 가수분해적으로 안정되고 내오일성일 뿐만 아니라 비 마모성이어야 한다. 발명에서 예상되는 대부분의 운전조건에 대해서는 적어도 약 300볼트/밀(ASTM D149)의 유전 강도와 적어도 약 400℉의 연속 사용 온도이면 충분하다. 적어도 3000psi의 인장 강도가 바람직하다. 얇은 테프론, PEEK 또는 PEK 테이프가 적합하며, 이중에서 테프론이 양호하다. 테이프는 넓은 접촉면적 때문에 필라멘트 줄위에 포장되는 것이다.
본 발명에서는, 제2도의 종래 스테이터 구조체에서 사용된 개별 위상장벽이 필요없이 되는데, 이는 엔드 턴 주위에 포장된 테이프가 위상장벽으로서 작용하기 때문이다. 또한 제2도의 스테이터 구조체에서 사용된 쐐기(48)가 필요없어지는데, 스테이터 권선의 무게가 지지블록에 의하여 지탱되기 때문이다. 스테이터 구조체에서 사용되는 어떤 탑재와이어, 추가 절연 슬리브 또는 "스파게티" 또는 다른 구성 부품은 가수분해적으로 안정되고 내오일성이어야 하며 적합한 유전강도 및 연속 사용 온도를 가져야 한다.
제2도를 참조하여 앞에서 설명한, 그리고 전술한 특허 제 4,275,319호에 개시된 형태의 니스를 포함한 표준 시스템 및 발명에 따른 새로운 스테이터 절연 시스템의 시험을 용이하게 하기 위하여 "스테이터레트"라 하는 장치의 다수유니트가 설치되었다. 본질적으로 스테이터의 최소화형이지만 전기적 시험을 용이하게 하도록 구성된 권선패턴을 갖는다. 제3도는 길이방향으로 절개된 스테이터레트의 절반을 도시한 것이다. 스테이터레트는 한더미의 금속박판(34´), 절연 엔드 박판(36´), 스테이터 슬로트(38´), 각각 이중권선(bifilar winding)(a,b)으로 되어있고 각각 8개의 회전부를 갖는 9개의 개별권선 또는 테스트 코일(1-9)을 구비한다. 권선의 도체(42´)는 슬로트 라이너로 삽입되고 엔드 턴은 표준절연 시스템의 경우 유리직물테이프(44´), 본 발명의 경우 테프론 테이프(44´)로 포장된다. 도체단의 빗금부분은 a와 b를 구분한다. 각 도체쌍의 일단만이 접근 가능해야 한다. 접근가능 도체단의 일부는 도면에서 원으로 표시하였다. 권선 패턴은 도면의 상부 및 하부에서 상호 관련된 교차점(및 일부 접근가능도체단)으로 제3도의 위에 개략적으로 도시되어 있다. 권선패턴 이외에 이중권선도 본질적으로 실제 스테이터에서 동일하다.
절연 물질은 실제 스테이터에서 사용되는 것들이다. 표준 절연시스템의 경우에는 종래의 마그네트 와이어가 사용되고, 본 발명의 경우에는 PEEK 코팅 마그네트 와이어가 사용되었다.
이후 설명되는 특수 열적 노화 시험에 있어서는, 일군의 표준 스테이터레트가 전술한 종래의 모터에서 사용된 표준 폴리부타디엔니스에 의해 진공으로 되고, 본 발명에 따른 일군의 스테이터레트는 니스없는 상태로 잔류된다. 스테이터레트는 권취중에 발생될 수 있는 어떤 기계적 손상의 영향을 제거하기 위하여 전압시험(표준 스테이터레트의 경우 주입전후)을 행하여야 한다. 그다음 스테이터 레트는 IEEE 스탠다드 98-1972에서 설명하는 가이드 라인에서 구한 시험주기에 따라 시험된다. 각 스테이터레트는 에이징 챔버로서 사용되고 그 온도가 조정될 수 있는 2리터 파아르화학 오토클레이브(봄베)에 위치된다. 노화 시험은 185℃,210℃ 및 235℃의 정상 온도에서 시행된다. 봄베에는 표준 모터오일이 3/4정도(최상부 엔드 턴을 덮을 수 있을정도)가 채워지고, 약 60밀리리터의 증류수를 함유한 시험관이 스테이터레트의 구멍에 위치된다. 이만큼의 물은 시스템이 물로서 항상 완전히 포화되고 물이 과잉되게 하기에 충분한 양이며 이로서 누수가 발생한 모터의 환경을 가장한다.
이러한 판정은 주어진 스테이터레트가 고장전에 얼마나 오랫동안 계속되는 것으로 예상되는지를 결정하고, 고장에 대해 판정된 평균시간의 약 1/10에 해당하는 시간에 열노화가 방지된다. 스테이터 레트를 포함하는 봄베는 그후 실온으로 냉각되고 하루밤동안 -40℃의 냉동실에 보관된다. 그다음 봄베는 냉동실에서 꺼내어져 실온으로 환원되게하고, 그후 스테이터레트를 파아르 봄베에서 꺼내어 유전시스템에 잔류하는 집적도를 결정하기 위해 전압 시험을 행한다.
사용되는 전기 테스터는 히포트로닉스 30KV, 60Hz의 유전 테스터이다. 열노화 테스트의 각 주기에 대한 전기 시험에서 사용되는 시험 전압은 모터의 실제 사용에서 기대되는 최고전압보다 약 10% 더 높게 설정된다. 3종류의 전압시험이 사용되었다. 제1테스트에서는 2중권선을 포함하는 두 와이어 사이에 500볼트 RMS를 인가하였다. 이것은 특수 이중코일로된 2개의 와이어(각각의 길이는 약 6피트)상에 절연필름 양단의 전압응력을 제공한다. 제2형태의 전압시험에서는 하나의 이중코일의 두 와이어와 스테이터 박판 사이에 3500볼트 RMS의 전압을 인가하였다. 이것을 와이어 절연필름 양단의 전압응력과 슬로트 라이너 물질을 직렬로 배열한다. 이중코일의 두 도체는 이 시험에서 병렬로 결합된다. 제3시험에서는 두 입전이중 코일사이에 3500볼트 RMS의 전압을 인가하였다. 다시말하면, 예를들어 코일(1)의 두 와이어가 병렬 연결되고 코일(2)의 두 와이어가 병렬연결되며, 전압은 이들 두 코일 사이에 인가된다. 이 시험중에 스테이터 금속은 부유되며 전압시험은 본질적으로 코일의 엔드 턴 양단에 인가된다. 이 시험은 교차점에서 엔드 턴 사이에 전압응력을 위치시킨다.
앞의 시험에서 마그네트 와이어 절연, 접지절연 및 엔드 턴상의 절연에 대한 집적도의 평가가 행하여질 수 있다. 15밀리 암페어 이상의 누설전류는 고장 판독으로 생각한다. 상기 3가지 전압 시험중 어느 하나에서의 고장(전압강복)은 시험샘플의 고장으로 간주된다.
각 시험주기의 부품에 대한 전압시험을 완성한 후에 스테이터 레트는 파아르 봄베에서 제거되고 제1노화기간과 같은 기간동안 열노화를 계속한다. 주기적 노화 및 전기 시험은 고장전의 실제 수명을 결정하기 위해 계속된다.
발생된 시험테이타를 분석하면 열수명 시험테이터의 통계상 분석에 대한 IEEE 표준 101-1972가이드와 매우 밀접하다. 간단히 말하면, 주어진 온도에서의 고장 횟수는 통계상으로 분석되었고 적합한 통계상 분포로 고정되었다. 주어진 온도에서의 고장 횟수의 분포에 대한 통계상의 분석으로부터 50%의 고장 가능성에 대한 시간이 추출되었다.
실험실의 시험은 235℃에서 2284시간의 마그네트 와이어와 표준니스를 가진 절연 시스템에 대한 50%의 고장가능성의 시간을 나타내었으며 이때의 봄베 압력은 460psia이었다. 355℃에서 14458시간의 노화시간후에 PEEK 코팅 마그네트 와이어를 사용한 니스없는 스테이터레트에서는 고장이 발생되지 않았다. 본 발명의 스테이터 레트에 대해서는 물-포화 오일에서 235℃에서 50%의 고장가능성은 2284시간보다 적어도 100%이상, 즉, 4568시간이 되도록 결정되었다. 상기 시험은 본 발명에 따라 제조된 OF 수중 전기 펌프모터의 수명이 월등히 더 우수하다는 것을 명백히 증명하고 있다.
또 하나의 실험실 시험에서는 회전자 잠금조건에서 300℉에서 구동하는 니스없는 모조모터(모조모터는 전술한 바와같이 단일회전자 모터로서 제2도의 하우징(18)이 제거된 것이다)를 사용하였다. 모조모터는 전기적 고장없이 64,000회 순환하였다. 이 시험에서는 엔드 턴에 극도의 응력이 작용하였다. 스테이터 권선은 10초동안 여기되고 60초동안 해제되었다. 이러한 방법을 고장이 발생할때까지 또는 엔드 턴 이동이 모터 고장을 일으키지 않음을 보장하도록 충분한 순환이 이루어질때까지 반복된다. 표준니스 모조모터는 니스없는 모조모터와 함께 시험되었는데 니스 모조모터를 10∼15℉ 더 높은 온도에서 구동시키고 동일 횟수의 주기에 대하여 어느 쪽의 모조모터에서도 고장이 발생되지 아니하였다.
50마력의 540시리즈 TRW 레다 모터를 본 발명에 따라 제조하고 공학 시험에서 표준 니스 540시리즈 모터와 함께 구동시켰다.
이 모터들은 1370볼트 23암페어 60Hz 전압에서 200℉의 물에서 시험하였다(회전자 잠금상태에서), 온도 계산치는 니스모터가 니스없는 모터보다 권선에 있어서 12℉ 더 높은 것으로 나타났다. 상기 두 모터는 고장없이 10,000회이상 반복되었다. 이것은 다른 모터가 실제의 사용에서 보이는 것(100이하)보다 훨씬 더 많은 시작과 정지를 나타낸다. 최종적으로 160마력의 115볼트 540시리즈 모터를 본 발명에 따라 제조하고 제조시의 시험에서 펌프를 시험하기 위해 슬레이브 모터로서 사용하였다. 이 모터는 베어링 고장으로 시험을 중지할 때까지 165회의 시작과 정지를 반복하면서 672시간동안 구동하였다.
본 발명에 의하면 스테이터 구조체에 니스를 수용시키는 시간 및 경비가 절약된다. 또한 니스파괴로 인한 전기적 고장도 제거된다. 니스없는 스테이터 구조체의 부수적인 효과는 모터가 실질적으로 냉각기를 구동시키는 것이다. 이는 모터를 채우는 오일은 마그네트 와이어 절연체와 직접 접촉하고 스테이터 권선의 엔드 턴 주위에서 스테이터의 슬로트를 통하여 자유로이 순환되기 때문이다. 본 발명은 종래의 모터가 구동되는 온도와 같은 온도에서 동작하는 모터의 구동 수명을 크게 연장시키고 종래 모터의 한계치 이상의 고온에서 동작하게 하여도 모터의 제조비가 절감된다.
니스를 없애면 또한 모터오일의 중요한 오염원이 제거된다. 니스가 동작중에 노화되면 물리적으로 감퇴되고 니스의 미소입자들이 오일내에 침전되는 경향이 있다. 이것은 오일의 윤활작용 및 전기 절연특성을 감퇴시킨다.
니스를 제거하는 또다른 효과는 스테이터의 파괴방지 및 재건하는데에 있다. 니스없는 스테이터는 니스있는 스테이터에서 재건되기전에 필요한 스테이터의 철저한 세척 및 니스제거가 필요없이 쉽게 재권취된다. 니스없는 스테이터에서 와이어를 쉽게 제거할 수 있는 것은 고장분석을 간단히 하는데, 이는 고장증거가 니스제거중에 파괴되지 않기 때문이다.
니스없는 스테이터의 도체의 권취는 종래의 마그네트 와이어의 절연포장을 없앰으로써 용이해진다. 본 발명에서 사용되는 적어도 마그네트와이어는 표면이 부드럽고 권취가 더 쉽다. 니스있는 스테이터에서 사용되는 종래 마그네터 와이어의 포장된 절연구조의 제거는 잠재적인 전기적 고장원을 또한 제거한다. 모터의 동작주기중에 전기적, 기계적으로 유기된 마그네트 와이어의 이동은 절연물의 합성마멸(resultant wear), 분열, 파괴, 또는 일반적인 감퇴에 의한 포장된 절연재 그 자체 또는 다른 물질의 마찰을 야기하며, 이것은 본질적으로 전기적 고장을 일으킨다. 더욱이 마그네트 와이어 주위에 감겨진 절연테이프의 포장이음매는 절연시스템에서 약한 접합부를 제공한다. 이러한 모든 것은 본 발명에 의하여 제거된다.
물을 펌핑하기 위하여 저전력 소모의 모터에서 니스없는 스테이터를 사용하여 왔더라도 그러한 모터는 물이 채워졌었고, 저온 및 저전력 소모율에서 OF 모터에 사용되는 니스에 의한 기능은 필요로 하지 않았다. 오일충전모터에 있어서는 니스있는 스테이터를 수십년 동안 사용하여 왔고, 니스는 스테이터 절연시스템의 필수불가결한 요소로서 간주되어 왔다. 종래 기술에 반대되는 본 발명은 명백히 우수한 모터를 생산한다.
지금까지 발명의 양호한 실시예를 도시하고 설명하였으나 기술에 숙련된 사람들은 범위가 청구범위에서 한정되는 발명의 원리 및 취지에서 벗어남이 없이 상기 실시예를 변형시킬 수 있다.
예를들어 특정의 특성을 구비하는 절연시스템의 성분으로서 지정된 것이외의 물질을 사용할 수도 있다. 충전이 발명에서 요구되는 특성과 조화된다면 어떤 물질의 충전형이 사용될 수 있다. 본 발명이 원칙적으로 예를들면 400℉의 고온환경에서 사용하고자 하는 모터에 관련된 것이지만, 본 발명에 따라 구성된 모터를 저온환경, 예를들면 215℉ 또는 그 이상의 온도에서 사용하고자 하는 경우가 있을 수 있다. 이 경우에 절연시스템에서 사용되는 여러 가지 물질의 연속사용온도가 400℉ 이하로 될 수 있다. 또한 본 발명은 원칙적으로 예를들어 300-400볼트/밀의 지정된 유전 강도를 갖는 구동전압을 갖는 모터에서 사용하고자 한 것이나, 저 유전강도를 갖는 물질이 충분할때에는 가수분해적 안정성, 내오일성 및 내마모성 등의 요구되는 다른 특성을 구비해야 하는 경우도 있을 수 있다.

Claims (11)

  1. OF 수중 전기 펌프 모터에 있어서, 모터의 오일에 노출되는 가수분해적으로 안정되고 내오일성이며 내마모성인 절연물로 코팅된 도체에 의하여 형성되는 스테이터 권선을 가진 니스없는 스테이터 구조체를 포함하며, 상기 권선은 엔드 턴을 고정시키기 위한 가수분해적으로 안정되고 내오일성이며 전기적 절연성인 수단상에 탑재된 엔드 턴을 갖는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도체의 절연체는 PEEK, PEK, PBI를 구성하는 족(group)으로부터 선택하는 것을 특징으로하는 OF 수중 전기 펌프모터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도체의 절연체는 대략 400볼트/밀 이상의 유전강도와 대략 400℉ 이상의 연속사용 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기절연수단은 상기 권선의 대응하는 엔드 턴을 지지하는 다수 블록을 포함하며, 상기 블록은 엔드 턴 및 블록의 주위를 감싸는 가수분해적으로 안정되고 내오일성의 전기절연 테이프에 의하여 대응 엔드 턴에 부착되는 것을 특징으로하는 OF 수중전기 펌프모터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 블록은 경화형이고 상기 테이프는 탄성이 있는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 블록 및 테이프는 대략 400℉ 이상의 연속 사용온도를 가지며, 상기 테이프는 대략 300볼트/밀이상의 유전강도를 갖는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모터는 상기 스테이터 구조체를 내포하는 금속하우징을 가지며, 또한 상기 엔드 턴 주위에서 상기 하우징의 내부를 정렬하는 전기절연 슬리브를 포함하고, 상기 슬리브는 가수분해적으로 안정되고 내오일성인 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스테이터 구조체는 물-포화 오일에서 235℃에서 적어도 4,568시간동안 50% 고장가능성을 갖는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  9. OF 수중전기 펌프모터에 있어서, 모터의 오일에 노출된 가수분해적으로 안정되고 내오일성이며 내마모성 절연체로 코팅된 도체에 의하여 형성된 스테이터 권선을 가진 니스없는 스테이터 구조체를 포함하며, 상기 권선은 가수분해적으로 안정되고 내오일성이며 전기 절연성인 블록상에 탑재된 엔드 턴을 구비하고, 상기 블록은 엔드 턴과 블록주위를 감싸는 가수분해적으로 안정되고 내오일성이며 전기절연성인 테이프에 의해 엔드 턴에 부착되며, 상기 블록은 경화성이고 상기 테이프는 탄성을 가지며, 상기 스테이터 구조체는 물-포화오일에서 235℃에서 적어도 4568시간동안 50%의 고장 가능성을 갖는 것을 특징으로하는 OF 수중전기 펌프모터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도체의 절연물은 대략 400볼트/밀 이상의 유전강도와 대략 400℉ 이상의 연속사용 온도를 가지며, 상기 블록과 테이프는 대략 400℉ 이상의 연속사용온도를 가지고 상기 테이프는 대략 300볼트/밀 이상의 유전강도를 갖는 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 모터는 상기 스테이터 구조체를 구비한 금속하우징을 가지며 또한 상기 엔드 턴 주위에서 상기 하우징의 내부를 정렬하는 전기 절연성 슬리브를 구비하며, 상기 슬리브는 가수분해적으로 안정되고 내오일성인 것을 특징으로 하는 OF 수중전기 펌프모터.
KR1019890007232A 1988-06-13 1989-05-30 니스 없는 스테이터 구조체를 가진 of수중 전기펌프모터 KR910007673B1 (ko)

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