[논문]열적 열화 온도 변화에 따른 PAI 에나멜 각형코일의 절연 파괴 주파수 특성

박재준

doi:10.4313/jkem.2016.29.12.829

열적 열화 온도 변화에 따른 PAI 에나멜 각형코일의 절연 파괴 주파수 특성
Insulation Breakdown Frequency Properties of PAI Enamelled Rectangular Coils According to Thermal Deterioration Temperature Variation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.12, 2016년, pp.829 - 834

Abstract ▼ AI-Helper

Coil specimens were prepared by continuous coating on a copper wire with flexible PAI (polyamideimide) and PAI/nanosilica (5 wt%) varnish and thermally aged at 150, 200 and $250^{\circ}C$ for 5, 10 and 15 days, respectively. AC insulation breakdown voltage was investigated under inverter surge condition at 60 Hz and 1,000 Hz and insulation breakdown voltage decreased with increasing aging temperature and aging time at each 60 and 1,000 Hz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 개발된 PAI 에나멜 각형코일이 고전압모터 및 자동차의 구동에 필요한 모터가 인버터서지 등에 영향을 받게 되며, 사용 환경이 열적환경에 노출되어있다 그런 이유로 열적 열화가 절연수명에 매우 큰 인자로서 작용하고 있음을 더욱더 상세하기 알기 위하여 열적 열화 환경온도 150, 200, 250℃ 조건과 적용시간 5일, 10일, 15일 각각 건조오븐에서 열적으로 가속열화를 실시하였으며, 열적 열화된 코일의 절연 파괴 전압을 측정하기 위하여 전원주파수 60 Hz와 1 kHz 변화를 주어 주파수 변화에 따른 절연 파괴 전압 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 개발된 코일의 열적 열화에 의한 전원주파수 가변에 따른 절연 파괴 전압을 측정하였다. 교류 전압 승압속도는 0.
본 연구에서는 유연성 있는 PAI 수지로 구리도체에 코팅한 후 PAI 15 wt% 나노실리카를 분산시킨 바니시를 이중 코팅한 코일의 열적 열화의 절연 파괴 신뢰성 특성을 연구하기 위하여 열화 온도 150, 200, 250℃ 열화 시간 5일, 10일, 15일 동안 지속적으로 인가하여 열적 열화된 코일의 절연 파괴특성을 위하여 60 Hz, 1 kHz의 전원주파수를 가변하여 연구를 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

그림 2와 표 3에서 첫 번째 층은 고유연성 PAI 원형 바니시를 코팅하였고 그리고 두 번째 층의 바니시는 코로나 방지용, 나노실리카 충진함량 15 wt%를 완전 분산시킨 바니시로 코팅된 각형코일 온도 조건 220℃의 경화조건으로 새로운 코일을 개발하였다. 코일의 열적 열화 조건으로 150, 200, 250℃ 온도 조건에서 5, 10, 15일의 열화시간 동안 열적 열화된 9종류의 샘플에 대한, 전원주파수 변화 60 Hz,1 kHz 교류절연 파괴 결과를 Weibull Plot으로 나타내었다.
코일의 열적 열화 조건은 3단계 온도 조건으로 150, 200, 250℃에서 5일, 10일, 15일 3단계 열화기간을 정하여 코일의 열적 열화를 실시한 샘플을 사용하였다. 열적 열화가 코일의 절연 파괴전압에 미치는 영향을 연구하기 위하여 일반적으로 모터가 구동중일 때 환경온도 70℃를 기준으로 했을 때, 150℃(5일, 10일, 15일), 200℃(5일, 10일, 15일) 그리고 250℃(5일, 10일, 15일)에 PAI코일을 가속화된 열적 열화를 실시하였다. 측정결과의 해석을 위하여 Weibull plot을 이용하여 해석하였다.
에서 제조하였다. 첫 번째 층은 고유연성 PAI 원형 바니시를 코팅하였고 그리고 두 번째 층의 바니시는 코로나 방지용, 나노실리카 충진함량 15 wt%를 완전 분산시킨 바니시로 코팅하여 온도 조건 220℃의 경화조건으로 새로운 코일을 개발하였다.
에서 제조한 제품을 이용하였다. 코일의 열적 열화 조건은 3단계 온도 조건으로 150, 200, 250℃에서 5일, 10일, 15일 3단계 열화기간을 정하여 코일의 열적 열화를 실시한 샘플을 사용하였다. 열적 열화가 코일의 절연 파괴전압에 미치는 영향을 연구하기 위하여 일반적으로 모터가 구동중일 때 환경온도 70℃를 기준으로 했을 때, 150℃(5일, 10일, 15일), 200℃(5일, 10일, 15일) 그리고 250℃(5일, 10일, 15일)에 PAI코일을 가속화된 열적 열화를 실시하였다.

대상 데이터

피 측정 샘플은 5회 솔레노이드 형으로 감은 코일로서, 감긴 코일의 곡률은 5 mmφ의 형상을 갖는 샘플로서, 한쪽 단자의 코일 끝부분은 절연층을 제거하였고 그 단자는 (+) 전원부에 연결되었다 그리고 다른 한쪽 단자는 접지로 연결된 상태이다.

데이터처리

열적 열화가 코일의 절연 파괴전압에 미치는 영향을 연구하기 위하여 일반적으로 모터가 구동중일 때 환경온도 70℃를 기준으로 했을 때, 150℃(5일, 10일, 15일), 200℃(5일, 10일, 15일) 그리고 250℃(5일, 10일, 15일)에 PAI코일을 가속화된 열적 열화를 실시하였다. 측정결과의 해석을 위하여 Weibull plot을 이용하여 해석하였다.

이론/모형

그림 2와 표 3에서 첫 번째 층은 고유연성 PAI 원형 바니시를 코팅하였고 그리고 두 번째 층의 바니시는 코로나 방지용, 나노실리카 충진함량 15 wt%를 완전 분산시킨 바니시로 코팅된 각형코일 온도 조건 220℃의 경화조건으로 새로운 코일을 개발하였다. 코일의 열적 열화 조건으로 150, 200, 250℃ 온도 조건에서 5, 10, 15일의 열화시간 동안 열적 열화된 9종류의 샘플에 대한, 전원주파수 변화 60 Hz,1 kHz 교류절연 파괴 결과를 Weibull Plot으로 나타내었다.

성능/효과

그림 3, 표 4에서는 그림 2의 경우처럼 열적 열화 온도조건이 더욱더 가혹한 온도 200℃에서의 결과를 나타낸 것이다. 50℃ 상승된 온도조건의 절연 파괴 결과는 5일의 경우 150℃에 비하여 0.38 kV 낮은 결과를 나타내었고 그리고 10일의 경우 오히려 0.08 kV가 높은 결과이며, 15일의 경우 역시 0.6 kV 높은 절연 파괴의 결과를 얻게 되었다. 오히려 약간의 향상을 나타낸 이유는 코일의 절연코팅과정에서 절연층 두께의 오차는 존재하게 된다.
그 결과로 인하여 열적 열화가 가혹할수록 구리와 나노콤포지트의 열팽창계수의 차이가 크고 구리와 고분자간 접착력이 매우 약하여 계면에 큰 결함의 원인이 되어 절연 파괴 전압이 낮아지는 결론에 이르렀다.
열적 열화도 절연 파괴감소를 나타내지만 전원주파수의 증가도 절연 파괴를 가속하는 인자로서 작용하고 있음을 알 수 있었다. 그러나 주파수 가속보다는 열적 열화가 절연의 열화를 더욱더 가속시키는 더 큰 인자로서 작용하고 있음을 알 수 있었다.
그림 4와 표 5에서는 250℃ 온도 조건에서 5일, 10일, 15일 동안의 열적 열화된 코일의 절연 파괴 전압의 Weibull plot 결과로서, 상온상태의 비교결과 5일의 경우, 1.6 kV 감소되었고, 10일의 경우 2.52 kV 그리고 15일의 경우 4.22 kV 감소한 결과로서, 감소 이유는 3.02배로 매우 크게 절연내력이 약화된 결과를 얻게 되었다.
열적 열화 온도 조건 150, 200, 250℃에 적용시간 5일, 10일, 15일 온도 증가와 가열 시간의 증가에 따라 60 Hz, 1 kHz 주파수에서 절연 파괴 전압은 모두 감소한 결과를 얻었다. 더욱이 주파수 증가에 따라 절연 파괴 감소 폭보다 열화 온도 증가에 따른 절연 파괴 감소폭이 상대적으로 큰 결과를 얻었다.
17 kV 감소하는 결과를 얻었다. 미약한 파괴전압이지만 고주파 전원이 인가될 때 주파수 가속에 의한 열화로 절연 파괴 전압이 감소하고 있음을 알 수 있었다.
그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 열적 열화 온도 조건 150, 200, 250℃에 적용시간 5일, 10일, 15일 온도 증가와 가열 시간의 증가에 따라 60 Hz, 1 kHz 주파수에서 절연 파괴 전압은 모두 감소한 결과를 얻었다. 더욱이 주파수 증가에 따라 절연 파괴 감소 폭보다 열화 온도 증가에 따른 절연 파괴 감소폭이 상대적으로 큰 결과를 얻었다.
94 kV 감소하는 정도가 점차로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 열적 열화도 절연 파괴감소를 나타내지만 전원주파수의 증가도 절연 파괴를 가속하는 인자로서 작용하고 있음을 알 수 있었다. 그러나 주파수 가속보다는 열적 열화가 절연의 열화를 더욱더 가속시키는 더 큰 인자로서 작용하고 있음을 알 수 있었다.
열적 열화에 의하여 절연성능 약화된 상태로서, 고분자가 갖는 열적 팽창계수와 구리가 갖은 열적팽창계수가 서로 다르기 때문에, 급격한 온도차에 의하여 금속과 고분자간의 계면이 매우 취약하게 되어 절연 파괴에 영향을 주는 것으로 사료되며, 실질적으로 150℃ 온도는 PAI수지와 PAI-나노실리카 콤포지트의 유리전이 온도가 그 이하의 온도로서, 표 2에서 나타낸 바처럼 상온상태에서 교류 60 Hz 절연 파괴 전압은 6.3 kV로서 150℃ × 5 day의 열화동안 1.04 kV 절연 파괴 전압이 열적 열화로 인하여 감소하는 결과이다.
이로써, 본 연구에서는 온도가 150℃, 200℃, 250℃ 순서로 그리고 5일, 10일, 15일 가열시간에 따라 절연 파괴 전압이 감소하는 결과를 나타내었고 또한 주파수 60 Hz에 비하여 1 kHz에서 절연 파괴 전압이 더욱 낮아지는 결과는 열화환경 온도가 가혹한 상태에 가열 시간이 오래될수록 열적 열화가 가속됨을 의미한 것이다. 이는 열적 열화가 가혹한 조건에 이를수록 도전성 금속도체인 구리와 PAI 원형수지 그리고 PAI에 나노입자 15 wt%를 충진시킨 나노바니시를 이중으로 코팅한 코일의 경우 이중층의 박막이 구리금속과 열적팽창계수의 큰 차이와 지나친 열적 열화로 접착력이 크게 감소되어 계면 결함의 결과로 파괴전압이 낮아지게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무기물 필러 테스트에 사용된 물질에는 어떠한 것들이 있는가?	부분방전으로부터 에나멜와이어의 열화를 줄이기 위하여, 무기물 필러-고분자 콤포지트를 형성하여 절연층 안으로 끼어들게 된다. 여러 가지 무기물 필러 즉, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티탄에이트(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 등이 테스트되어졌다 [3-4]. 콤포지트의 서지저항 특성은 충진된 무기물 입자 크기가 감소되고, 충진함량이 증가할수록 향상 된다.
	서지전압이란 무엇을 의미하는가?	특히, 고속 스위칭 인버터 되먹임이 전기자동차 또는 고압전기 모터와 같은 환경에서 설치되어 사용함으로, 절연층이 구동중인 전기기내의 상시온도가 70℃ 온도에 노출되거나 인버터 서지 전압원으로 부터 부분방전 결과로 손상되게 된다 [1]. 또한 모터로 인버터 공급전압이 모터로부터 반사전압과 매우 짧은 시간동안에 중첩된다. 서지전압이라 불리는 이런 동시적인 중첩전압이 부분방전 개시전압보다 더욱 크고 코로나가 매우 가까운 근처 에나멜 와이어에서 발생하여, 그 결과 절연층이 열화하기 시작하게 된다 [2].
	에나멜 와이어는 무엇으로 둘러 싸져 있는가?	에나멜 와이어는 도전성 구리 또는 알루미늄코어(aluminum core)에 폴리에스터(polyester), 폴리에스터이미드(polyesterimide) 그리고 폴리아미드이미드(polyamideimide) 그리고 폴리이미드(polyimide)와 같은 얇은 절연층에 의해 둘러 싸여진다. 그것은 전기모터와 같은 코일에 응용되고 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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J. J. Park, Trans. KIEE., 65, 1840 (2016).
M. Kozako, R. I. Kido, N. Fuse, Y. Ohki, T. Okamoto, and T. Tanaka, Proc. 2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (Boulder, USA, 2004) p. 398. [DOI: https://doi.org/10.1109/ceidp.2004.1364271]
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상세보기
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S. U. Haq, S. H. Jayaram, and E. A. Cherney, IEEE Trans. Dielec. Elec. Insul., 14, 417 (2007).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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