KR20130032826A

KR20130032826A - 세라믹 절연체를 갖는 권선 도체를 구비한 전기 기계

Info

Publication number: KR20130032826A
Application number: KR1020120103134A
Authority: KR
Inventors: 제임스 콜린 해머
Original assignee: 레미 테크놀러지스 엘엘씨
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-04-02
Also published as: US20130069478A1; EP2573908A3; CN103023187A; EP2573908A2

Abstract

권선 와이어 둘레에 절연체로서 세라믹 재료를 갖는 전기 기계가 설명된다. 몇몇 실시예에서, 세라믹 재료는 육방정 질화붕소(HBR), 산화알루미늄, 질화알루미늄, 또는 산화베릴륨이다. 세라믹 재료는 결합제 없는 용액 또는 결합제 함유 용액을 이용하여 와이어 상에 롤링, 브러싱, 침지 또는 분무될 수 있다. 전체 와이어가 코팅될 수 있거나, 특히 도체의 마모를 받고/받거나 다른 전도성 재료와 전기 접촉하는 부분만이 코팅될 수 있다.

Description

세라믹 절연체를 갖는 권선 도체를 구비한 전기 기계{ELECTRICAL MACHINE WITH WINDING CONDUCTOR HAVING CERAMIC INSULATION}

본 발명은 다이나모 전기 기계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 권선에 특정한 절연체를 갖는 다이나모 전기 기계에 관한 것이다.

회전 전기 기계는 전기 에너지와 기계 에너지 간에 변환을 위해 회전 구성요소("회전자")와 고정 구성요소("고정자") 간에 상대 운동을 이용한다. 이들 구성요소들 중 하나는 통상적으로 금속으로 제조되고, 다른 하나는 통상적으로 자석이며, 이들 중 적어도 하나는 통상적으로 둘레에 권취된 와이어를 갖는다.

전기 기계의 한 종류인 전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시킨다. 전기 모터는 통상적으로 회전력을 발생시키도록 자장과 전류 운반 도체 간의 상호 작용을 이용하여 작동한다. 제너레이터의 2개의 주요 부품은 기계적 또는 전기적 분류로 생각될 수 있다. 기계적 분류에서, "회전자"는 전기 기계의 회전 부품이고, "고정자"는 고정 부품이다. 전기적 분류에서, "전기자(armature)"는 전기 기계의 동력 생성 구성요소이고, "계자(field)"는 자기장 구성요소이다. 전기자는 회전자나 고정자 중 어느 한쪽일 수 있다. 회전자나 고정자 중 어느 한쪽에 장착된 전자석 또는 영구 자석은 자기장을 제공한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기자의 "권선"를 구성하는 전류 운반 도체(들)(110)는 도체의 인접한 부분 및 고정자 본체(105)와 같은 시스템의 다른 인접한 전도성 구성요소로부터 전기적으로 절연시키도록 종래에 에나멜, 래핑 테이프, 또는 에폭시로 된 하나 이상의 층(115)으로 코팅되어 있다. 예컨대, 폴리이미드, 유리, 운모, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 또는 그 혼합물에 함침된 테이프가 길이를 따라 와이어 둘레에 권취된 다음, 와이어가 모터의 주요 구성요소들 중 하나 둘레에 권취된다. 이 예에서, 테이프는 전류가 인접한 권선들 사이 및 권선 와이어와 기계 구성요소(예컨대, 고정자) 사이에서 직접 흐르지 못하게 한다.

일부 설계에서, 절연체(115)는 그 둘레에 권취되는 기계 구성요소(105)와의 마찰을 견디기에 충분히 강하지 못하다. 따라서, 절연체(115)를 보호하기 위하여, 권선의 배치를 안내하는 "슬롯"(120)은 슬롯(120) 내에 놓이는 절연체 권취된 도체(110)를 보호하는 추가 재료(125; "슬롯 라이너")를 포함한다. 예컨대, 슬롯 라이너(125)는 미국 공개 공보 제2011/0115414 A1호에 설명된 바와 같이 섬유 또는 래그 폴리에스터(rag-polyester)로 제조될 수 있다.

따라서, 개선된 전기 기계 및 그 권선에 사용되는 도체를 위해 보다 양호한 절연체가 요구된다.

다양한 실시예에서, 전기 기계는 고정자와 회전자를 포함하고, 이들 고정자와 회전자 중 적어도 하나는 육방정 질화붕소(HBR; hexagonal boron nitride), 산화알루미늄, 또는 산화베릴륨 등의 세라믹 재료를 피복되는 도체의 권선을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 세라믹의 분말 형태는 물 또는 다른 용제에 용해된 다음에, 롤링, 브러싱(brushing), 침지(dipping), 또는 분무에 의해 도체에 도포된다. 몇몇 실시예에서, 권선은 고정자 둘레에 있고, 다른 실시예에서 권선은 회전자 둘레에 있다.

도 1은 종래 기술의 고정자와 그 권선의 일부의 개략적인 단면도.
도 2는 본 개시에 따른 제1 구성을 구현하는 기계의 개략적인 단면도.
도 3은 본 개시에 따른 제2 구성을 구현하는 기계의 개략적인 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 제품을 제조하는 방법에서 단계들의 흐름도.

본 발명의 원리의 이해를 촉진하기 위해, 이하, 도면에 도시된 실시예를 참조하고 이 실시예를 설명하는 데에 특정한 언어가 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위의 제한이 이에 의해 의도되지 않는다는 것을 알 것이다. 설명된 또는 도시된 실시예의 임의의 변경 및 추가 수정과, 본 명세서에서 예시된 본 발명의 원리의 임의의 추가 용례는 본 발명이 관련되는 분야의 당업자에게 일반적으로 생각나는 바와 같이 이해된다.

일반적으로, 개시된 시스템의 한가지 형태는 전기 기계이다. 전기 기계의 권선을 형성하는 와이어(들)는 세라믹 절연체에 의해 코팅되어, 도체 둘레에 경질의 절연형 열 전도성 층을 제공하여 열전달, 내구성 및 성능을 향상시킨다.

도 2를 참조하면, 전기 기계(200)는 회전자(220) 둘레에 고정자(210)를 포함한다. 고정자(210)는 실질적으로 원형의 내경(212)과 외경(214)을 갖는다. 내경(212)을 따른 브레이크가 슬롯(216) 내로 개방되고, 이 슬롯을 통해 하나 이상의 권선 와이어(230)가 통과한다. 각 와이어(230)는 본 명세서에서 설명되는 기법들 중 임의의 기법을 이용하여 적용되었거나 당업자에게 생각나는 세라믹 재료의 코팅(235)을 갖는다.

당업자라면 슬롯(216) 내에 3개의 도체(230)의 단면이 도시되어 있지만, 다른 갯수의 권선 및/또는 도체(230)가 다른 실시예에서 사용된다는 것을 알 것이다. 마찬가지로, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다른 슬롯의 총수 및 간격이 다른 구성에서 사용된다. 도체(230)가 세라믹 절연체(235)에 의해 피복되기 때문에, 도체들은 서로의 전기 연결 및 슬롯(216)의 (통상적으로 전도성이고 접지된) 내부와의 전기 연결을 피한다. 또한, 세라믹 절연체(235)의 경도 때문에, 슬롯(216)의 내부는 절연체(235)를 내부로부터 보호하도록 슬롯 라이너를 필요로 하지 않는다. 마지막으로, 많은 실시예에서, 절연체(235)의 열 전도성은 도체(230)로부터 열을 제거하는 데에 일조한다.

다른 전기 기계가 도 3에 기계(300)로서 도시되어 있다. 기계(300)에서, 컴포넌트(310)는 공기 간극(330)에 의해 상보 구성요소(320)로부터 분리되어 있다. 도체(340)는 세라믹 코팅(345)을 갖고 표면(350)을 따라 안착된다. 다시, 세라믹 코팅(345)은 컴포넌트(310)와의 접촉에 의해 물리적 손상으로부터 도체(340)를 보호하고 도체(340)로부터의 (저항 손실에 의해 발생된) 열전달을 용이하게 한다.

다양한 세라믹 재료가 개시된 시스템에 사용하기에 적절하다. 소정의 구성에서 통상적으로 발생되는 온도를 견디기에 적절한 항복 온도, 도체들을 서로로부터 그리고 기계 구성요소로부터 절연시키기에 충분한 유전체 강도, 및 소정의 구성에서 적절한 냉각에 충분한 열 전도성을 갖는 세라믹 재료가 적절하다. 몇몇 실시예에서, 세라믹 재료는, 육방정 질화붕소(HBR), 산화알루미늄, 질화알루미늄, 또는 산화베릴륨이다. 예컨대, HBR은 강보다 경질이므로, 기계 구성요소에 의한 손실로부터 와이어를 보호하도록 슬롯 라이너가 요구되지 않는다. HBR은 약 35 kV/mm의 유전체 강도를 가지므로, 0.2 내지 0.3의 코팅이 7-10 kV의 절연을 초래한다. HBR은 강과 유사한 열 전도성을 가지므로, 당업자에게 생각나는 바와 같이, 와이어에서 발생된 열이 세라믹을 통과하여 기계 구성요소(고정자 또는 회전자) 또는 다른 히트 싱크로 쉽게 나아간다.

본 개시에 따른 전기 기계를 제조하는 프로세스를 설명하는 흐름도가 도 4에 도시되어 있다. 프로세스(400)는 세라믹 재료로 와이어를 코팅(410)함으로써 시작된다. 몇몇 실시예에서, 코팅 단계(410)는 물(또는 다른 용제) 및 선택적으로 결합제와 분말 형태의 세라믹 재료의 용액을 이용하여 와이어를 롤링, 브러싱, 침지 또는 분무하는 것을 포함한다.

일례로서, 질화붕소(BN; boron nitride) 분말을 도포시키는 물 기반 및 용제 기반의 시스템이 미국 오하이오주 콜럼부스 소재의 Momentive Performance Materials사로부터 이용 가능하다. 이들 도포 시스템은 하나 이상의 유기 결합제, 또는 하나 이상의 무기 결합제를 이용할 수 있거나, 결합제를 전혀 사용하지 않을 수 있다. 각 방안은 다음과 같이 당업자에게 생각나는 바와 같은 이점과 단점을 갖는다:

ㆍ그러한 시스템에 사용되는 결합제가 없는 코팅은 일부 다른 코팅보다 화학적으로 더 순수하지만, 코팅을 기판에 부착시키는 경향이 있는 것을 포함하지 않는다.

ㆍ유기적으로 결합된 코팅은 유기적 기반의 가교된 결합제 시스템을 이용한다. 코팅이 건조할 때에, 코팅은 잘 다루지만, 결합제는 오직 약 300℃까지만 안정적이다.

ㆍ무기적으로 결합된 코팅은 비교적 높은 온도에서 사용될 때라도 표면 무결성을 유지하지만, 때때로 고온 경화를 필요로 한다.

광범위한 그러한 코팅 시스템, 결합제 타입, 및 다른 변경이 이용될 수 있고, 이들 선택 사항 중 하나 이상이 전기 기계 구성 및/또는 배경의 함수로서 선택 또는 특정화될 수 있다. 고온의 기계 용례를 위해, 예컨대 무기 결합제가 바람직하다.

몇몇 실시예에서, 세라믹 코팅은 약 10-40%의 세라믹 농도가 적용되고, 나머지는 용제와 결합제이다. 몇몇 실시예에서 용제는 물이지만, 다른 실시예에서 용제는 무기 화합물이다. 몇몇 실시예에서 결합제는 알루미나, 벤토나이트, 또는 산화티타늄이다. 코팅은 약 30 kV/mm의 유전체 강도를 갖는 질화붕소에 대해 0.1-0.3 mm의 두께와 같이 구성의 유전체 요구를 만족시키기에 적절한 두께로 도포된다.

와이어가 코팅된(410) 후에, 전기 기계의 구성요소 둘레에 와이어가 권취된다(420). 권선의 갯수와 패턴은 당업자에게 생각나는 바와 같이 각 기계의 구성 및 목적에 따라 일 실시예로부터 다음 실시예까지 크게 변동할 수 있다. 마찬가지로, 와이어는 몇몇 실시예에서 코팅 전에 형성되지만, 다른 실시예에서, 와이어는 형성되기 전에 코팅된다. 이어서, 구성요소는 기계에 설치 또는 조립된다(430).

본 명세서에 인용된 모든 공보, 종래의 출원, 및 기타 문헌들은 각각이 참조로서 개별적으로 합체되고 전체가 기재된 것처럼 그 전체가 참조로서 본 명세서에 합체된다. 본 발명이 도면 및 상기 설명에서 상세하게 도시 및 설명되었지만, 제한적이 아니라 예시적인 것으로 고려되고, 오직 바람직한 실시예만이 도시 및 설명되었고 본 발명의 사상 내에 있는 모든 변경 및 수정이 보호되는 것이 바람직하다는 것을 알아야 한다.

200, 300: 전기 기계 210: 고정자
220: 회전자 212: 내경
214: 외경 216: 슬롯
230: 와이어 235; 345: 코팅(절연체)

Claims

전기 기계로서,
회전자와,
전도성 권선(winding)을 갖는 고정자를 포함하고, 상기 권선은 그 길이의 적어도 일부를 따라 세라믹 재료에 의해 피복되어 있는 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 권선의 인접한 회전 부분(turns)을 피복하는 세라믹 재료은 물리적 접촉 상태에 있는 것인 전기 기계.
제2항에 있어서, 상기 물리적 접촉은 권선의 회전 부분에서 이루어지는 것인 전기 기계.
제2항에 있어서, 상기 물리적 접촉은 직선형인 권선 부분에서 이루어지는 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 육방정 질화붕소인 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 산화알루미늄인 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 질화알루미늄인 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 산화베릴륨인 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 권선은,
세라믹 재료의 분말 형태를, 물과, 분말 형태를 용해시키도록 작용하는 용제로 이루어지는 캐리어 등급으로부터 선택된 캐리어를 이용하여 용해하는 단계와,
상기 용해된 세라믹 재료를 롤링, 브러싱, 침지, 및 분무의 단계들 중 하나 이상에 의해 권선에 도포하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 도포되는 것인 전기 기계.
전기 기계로서,
고정자와,
전도성 권선을 갖는 회전자를 포함하고, 상기 권선은 그 길이의 적어도 일부를 따라 세라믹 재료에 의해 피복되어 있는 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 권선의 인접한 회전 부분(turns)을 피복하는 세라믹 재료은 물리적 접촉 상태에 있는 것인 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 물리적 접촉은 권선의 회전 부분에서 이루어지는 것인 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 물리적 접촉은 직선형인 권선 부분에서 이루어지는 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 육방정 질화붕소인 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 산화알루미늄인 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 질화알루미늄인 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 산화베릴륨인 것인 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 권선은,
세라믹 재료의 분말 형태를, 물과, 분말 형태를 용해시키도록 작용하는 용제로 이루어지는 캐리어 등급으로부터 선택된 캐리어를 이용하여 용해하는 단계와,
상기 용해된 세라믹 재료를 롤링, 브러싱, 침지, 및 분무의 단계들 중 하나 이상에 의해 권선에 도포하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 도포되는 것인 전기 기계.