WO2011152594A1 - 전동기 냉각장치 - Google Patents

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WO2011152594A1
WO2011152594A1 PCT/KR2010/006650 KR2010006650W WO2011152594A1 WO 2011152594 A1 WO2011152594 A1 WO 2011152594A1 KR 2010006650 W KR2010006650 W KR 2010006650W WO 2011152594 A1 WO2011152594 A1 WO 2011152594A1
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stator
motor
coil pipe
ceramic coating
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송인엽
송두섭
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주식회사 메트로테크
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the present invention creates a structure for circulating cold water by embedding a spiral coil tube inside the housing surrounding the stator to dissipate heat generated in the stator of the electric motor, but coating a ceramic having good heat resistance and thermal conductivity on the surface of the coil tube.
  • the present invention relates to an electric motor cooling apparatus which prevents cracking and corrosion due to thermal expansion difference in the process of casting the housing with molten aluminum.
  • Korean Patent No. 940606 has been proposed in which a spiral flow path is formed on the outer circumferential surface of the frame (housing) body and coupled in such a manner as to press the frame cover on the outside thereof.
  • Korean Patent No. 948154 proposes an electric motor cooling apparatus which combines a plurality of compartment rings on the outer circumferential surface of the inner housing and has an outer housing to surround the outer circumference of the inner housing and the compartment ring to form a circulation path of the coolant. There is a bar.
  • the present invention is to solve the above problems, the object of the manufacturing process and the configuration is simple and to form a separate independent cooling water path to the coil pipe in order to configure the cooling device at a lower cost, but the housing by the aluminum casting method
  • the coil tube is coated with ceramic to be manufactured by covering it to provide a cooling device of an electric motor.
  • the present invention provides a cooling device for dissipating the stator by forming a cooling water passage inside the housing surrounding the stator of the electric motor, the spiral winding so as to have an inlet and an outlet through which the cooling water is circulated and embedded in the process of casting the housing.
  • Coil tube is provided, the coil tube is characterized in that the ceramic coating layer is formed to prevent corrosion and surface corrosion due to the temperature difference during the casting process of the housing.
  • the housing is made of an electric motor, so an independent cooling water path is formed inside the housing, so that there is no risk of leakage, thereby improving product reliability.
  • the coil tube is made of copper, iron, stainless steel and alloys of high thermal conductivity and excellent heat dissipation, ceramic layer on the outer circumferential surface of the coil tube to prevent the coil tube burst and surface corrosion due to the temperature difference during the casting process It is formed so there is no risk of leakage.
  • the ceramic layer is formed to an optimal thickness that can suppress the bursting of the coil tube during the casting process without affecting the thermal conductivity, the cooling performance of the electric motor is improved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a cooling apparatus of an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an assembled perspective view of the cooling apparatus of one embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an assembled cross-sectional view of the cooling apparatus of one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of the modeled state of the cooling apparatus of an embodiment of the present invention.
  • the material of the pipe is not particularly limited in the process of forming the spiral coil pipe by using a pipe having excellent thermal conductivity, for example, copper and copper-zinc alloy, copper-phosphorus alloy, aluminum and aluminum alloy, iron and iron.
  • a pipe having excellent thermal conductivity for example, copper and copper-zinc alloy, copper-phosphorus alloy, aluminum and aluminum alloy, iron and iron.
  • Any material such as copper alloy or stainless steel or its alloy may be used, but its surface must be coated with heat-resistant ceramic to prevent corrosion during contact with molten aluminum during casting of the housing. .
  • the optimal material for dissipating heat generated from the stator of the motor is an alloy of copper and copper having the highest thermal conductivity, it will be described as an embodiment of the present invention using the same.
  • the manufacturing process of the present invention is as follows. First, the copper pipe is wound into a cylindrical spiral to make a coil pipe 20 having an inlet 21 and an outlet 22, and then sandblasting the surface thereof. At this time, the beads used were eminent steel and the particle size was # 60, and the surface was washed with compressed air after sandblasting.
  • the outer appearance of the pipe may be corrugated, or may be any shape in which the specific surface area is increased by giving irregularities.
  • Preparation of the ceramic coating agent of the present invention is as follows. 1 wt% hydrochloric acid was added to 1 or 2 or more organosilanes and reacted at room temperature. Then, 40 wt% of the mixed solution of silica sol and 35 wt% of silica sol was added to the solution of 1: 2 of distilled water and ethanol. In addition, inorganic pigments such as Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , Mn 2 O 3, etc. for color control were added together and stirred at 50 ° C. for 20 minutes to 1 hour to prepare a ceramic coating.
  • the organosilane used at this time includes methyltrimethoxysilane, epoxysilane, tetraethoxysilane, trifluoropropyltrimethoxysilane, or a mixture of two kinds thereof.
  • the method of coating the surface of the coil tube 20 with the ceramic coating solution prepared as described above uses a spray spray coating method or a dipping method.
  • it is necessary to adjust the viscosity of the coating solution which is used by diluting with methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butanol. Since the thickness of each coating varies depending on the degree of dilution, the coating process is performed several times to form a desired thickness. In general, it is desirable to control the coating thickness once from 5 to 100 microns. If it is applied thinner than 5 microns, the hardness of the film is locally weak, and the molten aluminum constituting the housing strongly corrodes the surface of the coil tube 20.
  • the ceramic film coated as described above is dried at room temperature for 10 to 30 minutes and then heat treated for 20 to 40 minutes in the range of 120 to 200 degrees.
  • the coiled tube 20 heat-treated as described above in a constant mold to pour the molten aluminum to produce a housing (10).
  • the temperature of the molten aluminum was about 700 ⁇ 740 degrees.
  • the housing 10 having the coil tube 20 embedded therein is completed, and then the inner diameter of the housing 10 is cut to fit the stator 11.
  • a heat dissipation grease was applied to the outer circumferential surface of the stator 11 and then press-fitted into the inside of the housing 10. The heat dissipation grease at this time is for the heat generated from the stator 11 to be easily released to the housing 10.
  • the housing was preheated for more than 220 degrees in a drying oven for 2 hours.
  • the cooling water maintained at a constant temperature in the inlet 21 of the coil tube 20 was flowed with a water pressure of 3 kg / cm 2 , and after 20 seconds, the temperature of the cooling water at the outlet 22 was measured to determine the heat dissipation effect. saw.
  • the latent heat of the housing stays at the maximum value, and this is not the moment of heat dissipation. If the temperature difference is measured after 20 seconds or more, the latent heat of the housing is almost eliminated. The temperature was almost the same and there was no effective difference, making it difficult to make a relative comparison. Therefore, the temperature of the outlet side of the cooling water was compared comparatively 20 seconds after the heat dissipation started and the temperature began to cool down. The smaller the difference between the coolant temperature at the inlet and outlet, that is, the lower the coolant temperature at the outlet, the easier the heat dissipation within a certain time.
  • Table shows the heat dissipation effect of the coil tube 20 made of different metal materials and their thickness and the thickness of the ceramic coating layer.
  • the thickness of the copper pipe is constant, the heat transfer effect is reduced as the thickness of the ceramic coating layer increases. And when the thickness of the ceramic coating layer is constant 34 ⁇ 36 microns, it can be seen that the thinner the thickness of the copper pipe, the greater the heat transfer effect, and is affected by the intrinsic thermal conductivity of the pipe material.

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Abstract

본 발명은 전동기의 고정자에서 발생하는 열을 방열시키기 위해 고정자를 감싸는 하우징의 내부에 나선형의 코일관을 매입시켜 냉수를 순환시키는 구조를 만들되 상기 코일관의 표면에 내열성 및 열전도성이 좋은 세라믹을 코팅하여 용융된 알루미늄으로 상기 하우징을 주조하는 과정에서 열팽창 차이로 인한 균열 및 부식이 방지되도록 한 전동기 냉각장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 전동기의 고정자를 감싸는 하우징의 내부에 냉각수로를 형성하여 상기 고정자를 방열시키기 위한 냉각장치에 있어서, 냉각수가 순환되는 입구와 출구를 갖도록 나선형으로 감기고 상기 하우징을 주조하는 과정에서 매입되는 코일관이 구비되며, 상기 코일관은 상기 하우징의 주조과정에서 온도차로 인한 터짐 및 표면 부식을 방지하는 세라믹코팅층이 형성된 특징이 있다.

Description

전동기 냉각장치
본 발명은 전동기의 고정자에서 발생하는 열을 방열시키기 위해 고정자를 감싸는 하우징의 내부에 나선형의 코일관을 매입시켜 냉수를 순환시키는 구조를 만들되 상기 코일관의 표면에 내열성 및 열전도성이 좋은 세라믹을 코팅하여 용융된 알루미늄으로 상기 하우징을 주조하는 과정에서 열팽창 차이로 인한 균열 및 부식이 방지되도록 한 전동기 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 전동기는 수냉식으로 냉각을 하는데, 국내특허 제940606호에는 프레임(하우징) 몸체의 외주면에 나선형 유로를 형성하고 이의 외부에 프레임커버를 씌워 압입하는 방식으로 결합한 구성이 제안된 바 있다.
그러나 프레임커버와 프레임을 압입하는 과정에서 틈이 있을 경우 나선형 유로가 정확하게 형성되지 않으므로 나선형으로 냉수가 순환되지 않아 냉각성이 떨어지는 단점이 있으며, 특히 프레임의 외주면을 정밀하게 절삭가공하여 표면정밀도를 높게 해야 프레임커버와 프레임의 압입 정밀도가 높아지므로 작업성이 떨어지는 단점이 있었다.
국내특허 제948154호는 내측하우징의 외주면에 다수개의 구획링을 둘러 결합하고 상기 내측하우징 및 구획링의 외주연을 감싸도록 외측하우징이 구비되어 냉각수의 순환경로가 형성되도록 한 전동기 냉각장치가 제안된 바 있다.
그러나 이것 역시 상기 내측 하우징의 외주면에 다수개의 구획링을 용접해야 되므로 작업성이 까다롭고 또한 내측 하우징과 외측 하우징의 사이에 상기 구획링들이 구비되어 냉각수의 순환경로가 형성되기 때문에 정확하게 조립되지 않으면 구획링들 사이에 틈이 발생되어 순환경로가 나선형으로 정확하게 형성되지 않으므로 냉각성이 떨어지는 기술적인 문제점이 있었다.
또한 고정자를 지지하고 있는 하우징 내부에 냉각수로를 형성하기 위해 자켓타잎의 구조를 이용하는 경우에는 내,외측 두개의 하우징을 결합해야 하는데, 이 때 누수를 방지하기 위해 오링을 사용하거나 이음새에 용접을 해야만 하기 때문에 고열에 의한 오링의 변질 및 용접에 따른 작업상의 애로 등이 문제점으로 발생되었다.
그리고 냉각수로를 형성할 때 별도의 파이프를 이용하지 않고 하우징 자체로 냉각수로를 형성하게 되면, 주물작업이 완료된 후 약간의 기포가 형성되는 경우가 있는데 이로 인하여 냉각수의 누수가 발생될수 있는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 제조공정과 구성이 단순하고 보다 저렴한 비용으로 냉각장치를 구성하기 위하여 코일관으로 별도의 독립된 냉각수로를 형성하되 알루미늄 주물방식으로 하우징을 덮어 씌워서 제조할 수 있도록 상기 코일관을 세라믹으로 코팅하여 전동기의 냉각장치를 제공한 것이다.
또한 본 발명은 하우징을 구성하는 용융된 알루미늄이 고열 전도도를 지닌 코일관의 표면을 부식시키지 않으면서 최대의 방열효과를 얻기위해 최적의 세라믹코팅 두께 및 조성을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 하우징 내부에 매입되는 코일관의 가격을 저렴하게 하기 위해 혹은 열전도도를 최대한 높이기 위해 최적의 외경 및 내경 조건을 제공함에 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은 전동기의 고정자를 감싸는 하우징의 내부에 냉각수로를 형성하여 상기 고정자를 방열시키기 위한 냉각장치에 있어서, 냉각수가 순환되는 입구와 출구를 갖도록 나선형으로 감기고 상기 하우징을 주조하는 과정에서 매입되는 코일관이 구비되며, 상기 코일관은 상기 하우징의 주조과정에서 온도차로 인한 터짐 및 표면 부식을 방지하는 세라믹코팅층이 형성된 특징이 있다.
본 발명에 따르면 원통형으로 형성된 코일관의 외주연을 감싸도록 알루미늄을 주조하여 전동기의 하우징으로 구성한 것이므로 하우징의 내부에 독립된 냉각수로가 형성되어 누수의 위험이 없으므로 제품의 신뢰성이 향상된다. 또한 상기 코일관은 열전도도가 높은 구리, 철, 스테인레스 및 이들의 합금으로 이뤄지므로 방열성이 우수하며, 주조과정에서 온도차로 인한 코일관의 터짐 및 표면 부식을 방지하기 위해 코일관의 외주면에 세라믹층이 형성되므로 누수의 위험이 없다.
특히 세라믹층은 열전도에 지장을 주지 않으면서 주조과정에서 코일관의 터짐을 억제할 수 있는 최적의 두께로 형성되므로 전동기의 냉각성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 냉각장치의 분리 사시도
도 2는 본 발명 한 실시예의 냉각장치의 조립 사시도
도 3은 본 발명 한 실시예의 냉각장치의 조립 단면도
도 4는 본 발명 한 실시예의 냉각장치의 모델링한 상태의 사시도
본 발명은 열전도도가 우수한 파이프를 사용하여 나선형의 코일관을 형성하는 과정에서 파이프의 재질은 특별히 한정되지 않으며 예컨대, 구리 및 구리-아연합금, 구리-인 합금, 알루미늄 및 알루미늄합금, 철 및 철-구리합금, 스테인레스 등 여러 가지 중 어느 하나의 재질 혹은 그 합금을 사용하여도 무방하나 하우징의 주조시 용융된 알루미늄과의 접촉과정에서 부식방지를 위해 그 표면은 반드시 내열성이 있는 세라믹으로 코팅해야 한다. 전동기의 고정자에서 발생되는 열을 방출시키기 위한 최적의 재질은 열전도도가 가장 우수한 구리 및 구리의 합금이므로 이를 이용하여 본 발명의 한 실시예로 설명하고자 한다.
본 발명의 제조공정은 다음과 같다. 먼저 구리 파이프를 원통형 나선으로 감아 입구(21)와 출구(22)를 갖는 코일관(20)으로 제작한 뒤 이의 표면을 샌딩블라스트 처리한다. 이때 사용된 비드는 금강사이며 입도가 #60 이었으며, 샌딩블라스트 작업후 표면을 압축에어로 세척하였다.
이 때 사용된 비드는 코일관(20)의 비표면적을 부여하기 위한 작업으로 금강사 뿐만 아니라 글라스비드 등 각종의 것을 사용하여도 무방하나 최종 표면조도는 적어도 Ra=10미크론이상이야 한다. 만일 너무 표면조도가 적어지면 세라믹의 부착력이 저하되는 문제가 발생하게 되며, 혹은 너무 표면조도가 커지게 되면 세라믹코팅이 균일하게 되지 않는 문제가 발생될 수 있다.
한편 코일관(20)의 열방출효과를 보다 높이기 위하여 비표면적이 넓은 형상을 가질 수도 있다. 예컨대 파이프의 외관이 주름진 형태가 되거나, 요철을 주어 기존의 원통형 보다 비표면적이 늘어난 어떠한 형태의 것도 무방하다.
본 발명의 세라믹 코팅제의 준비는 다음과 같다. 1 또는 2 이상의 유기실란에　염산 1wt%를 첨가하여 상온에서 반응시킨 다음에, 증류수와 에탄올이 1 : 2로 혼합된 용액에 실리카졸을 35wt% 혼합시킨 용액을 상기 반응된 용액에 40wt% 첨가하고, 여기에 색상조절을 위한 Co3O4, Fe2O3, Mn2O3 등과 같은 무기안료를 함께 첨가해서 50도에서 20분 ~ 1시간 동안 교반하여 세라믹 코팅제를 제조하였다. 이때 사용된 유기실란은 메틸트리메톡시실란, 에폭시실란, 테트라에톡시실란, 트리플루오로프로필트리메톡시실란 중 하나 혹은 2종의 혼합액이 포함된다.
상기와 같이 준비된 세라믹 코팅액으로 코일관(20)의 표면을 코팅하는 방법은 스프레이 분사코팅법 혹은 침지법을 사용한다. 두께조절을 위해서 상기 코팅액의 점도를 조절할 필요가 있는 데 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜 및 부탄올을 이용하여 희석시켜서 사용한다. 희석의 정도에 따라 1회도포시 두께가 각각 다르기 때문에 원하는 두께를 형성시키기 위해서는 수회의 도포과정을 거쳐서 실시한다. 일반적으로 1회 도포두께를 5 ~ 100미크론으로 제어하는 것이 바람직하다. 만일 5미크론 보다 얇게 도포될 경우 국부적으로 피막의 경도가 약해 하우징을 구성하는 용융 알루미늄이 코일관(20)의 표면을 강하게 부식시키게 되며, 100미크론 보다 두껍게 도포되면　내,외부의 건조과정이 달라져서 국부적으로 균열이 발생되고, 또한 냉각수의 냉각효율이 두꺼운 세라믹층으로 인해 열전달이 저하되는 단점이 있다. 상기와 같이 코팅된 세라믹 막은 상온에서 10분 내지 30분 건조시킨 후 120도 내지 200도범위에서 20분 내지 40분 동안 열처리를 실시한다.
상기와 같이 열처리 된 코일관(20)을 일정한 형틀에 넣고 용융된 알루미늄을 부어 하우징(10)을 제작한다. 이때 용융된 알루미늄의 온도는 약 700 ~ 740도 였다. 그리고 용융 알루미늄이 식으면 코일관(20)이 매입된 하우징(10)이 완성되며, 이후 고정자(11)를 조립하기 위해서 그에 맞도록 하우징(10)의 내경을 절삭가공한다. 고정자(11)의 외주면에 방열구리스를 칠한 다음 상기 하우징(10)의 내부에 압입하였다. 이때의 방열구리스는 고정자(11)에서 발생되는 열이 하우징(10)으로 쉽게 방출되도록 하기 위한 것이다. 이렇게 고정자(11)가 압입된 하우징(10)에 대해서 열전달효과를 알아 보기 위하여 하우징을 건조오븐에서 220도 이상으로 2시간 동안 예열을 하였다. 오븐에서 꺼내자 마자 코일관(20) 입구(21)에 일정온도로 유지되고 있는 냉각수를 3kg/cm2의 수압으로 흘려보내고 20초 지난 다음에 출구(22)의 냉각수 온도를 측정하여 방열효과를 알아 보았다.
20초이내에서 온도차를 측정하게 되면 하우징의 잠열이 최대값에 머물기 때문에 방열이 되는 순간이 아니고, 20초이상으로 지난 다음에 온도차를 측정하게 되면 하우징의 잠열이 거의 없는 상태로 되어 냉각수의 출구쪽 온도가 거의 동일한 값으로 나오게 되어 유효한 차이가 없어 상대 비교하기가 어려웠고, 따라서 방열이 시작되어 식기 시작하는 부근인 정확히 20초 후 냉각수의 출구쪽 온도를 상대비교하였다. 입구 및 출구의 냉각수 온도차가 적을 수록, 즉 출구의 냉각수 온도가 낮을 수록 일정시간내 방열이 쉽게 되는 특징이 있어 이를 기준으로 방열효과를 비교하였다.
표는 코일관(20)을 각기 다른 금속재질로 제작하고 이들의 두께와 세라믹코팅층의 두께에 따른 방열효과를 나타낸 것이다.
표 1
재질 열전도도(W/m.K) 외경(mm) 내경(mm) 파이프두께(mm) 세라믹두께(μm) 입구 냉각수 온도(℃) 출구 냉각수 온도(℃) 온도차이(℃)
구리*1 397 12.8 10.8 2 3 17.2 45.3 28.1
구리*2 397 12.8 10.8 2 5 17.3 48.5 31.2
구리 397 12.8 10.8 2 35 17.3 52.3 35.0
구리 397 12.8 10.8 2 50 17.5 55.6 38.1
구리 397 12.8 10.8 2 100 17.2 60.4 43.2
구리 397 12.8 10.8 2 130 17.1 68.3 51.2
구리*3 397 12.8 11.8 1 35 17.3 43.5 26.2
구리 397 12.8 9.8 3 34 17.4 63.3 45.9
황동 75 12.8 10.8 2 35 17.5 73.4 55.9
철 40 12.8 10.8 2 36 17.4 76.2 58.8
SUS304 17 12.8 10.8 2 34 17.3 78.5 61.2
*1: 세라믹코팅층이 얇아 일부분 벗겨지고, 약간의 부식이 발생.*2: 세라믹코팅층이 부분적으로 얇음.*3: 코일관의 뒤틀림방지를 위한 용접작업시 파이프의 두께가 얇아 작업애로.
상기 표에서 살펴 보면, 구리 파이프의 두께가 일정할 경우 세라믹코팅층의 두께가 높아짐에 따라 열전달 효과가 저하되는 것을 알 수 있다. 그리고　 세라믹코팅층의 두께가 34 ~ 36미크론으로 일정할 경우에는 구리 파이프의 두께가 얇을수록 열전달효과가 커짐을 알 수 있고, 파이프 재질의 고유 열전도도에 따라 영향을 받음을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 전동기의 고정자를 감싸는 하우징의 내부에 냉각수로를 형성하여 상기 고정자를 방열시키기 위한 냉각장치에 있어서,
    냉각수가 순환되는 입구와 출구를 갖도록 나선형으로 감기고 상기 하우징을 주조하는 과정에서 매입되는 코일관이 구비되며,
    상기 코일관은 상기 하우징의 주조과정에서 온도차로 인한 터짐 및 표면 부식을 방지하는 세라믹코팅층이 형성됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹코팅층의 세라믹 코팅제는 1 또는 2 이상의 유기실란에　염산 1wt%를 첨가하여 상온에서 반응시키고, 증류수와 에탄올이 1 : 2로 혼합된 용액에 실리카졸을 35wt% 혼합시킨 용액을 상기 반응된 용액에 40wt% 첨가하여 50도에서 1시간 이상 교반하여 만들어진 것임을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코일관은 구리 파이프 이며, 세라믹코팅층이 35 ∼ 130㎛ 두께로 코팅됨을 특징으로하는 전동기 냉각장치.
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