[논문]모터코일의 절연기술

한세원; 강동필; 황돈하

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문제 정의

모터 제작과정에 와인딩된 스테이터를 고접착성 바인더 수지에 함침한 뒤건조/경화를 시켜야 하는데 장시간이 소요되므로 대규모 열설비를 구축해야 하고 유증기 환경에서의 운영이 불가피하며 에너지 사용량도 많아 이러한 공정을 개선하기 위한 노력도 이루어지고 있다. 본 고에서는 모터의 효율과 성능을 개선하는데 필요한 코일의 최근 절연기술에 관해 간단히 기술하고자 한다[1].

제안 방법

에나멜 절연의 경우 표 1과 같이 열적성능을 구분하고 있다. 또한 에나멜 절연은 와인딩 작업 또는 모터 동작 시 기계적 스트레스와 함께 열충격(heat shock)을 받기 때문에 이에 대한 내구성 확인은 NEMA/IEC의 경우 같은 코일 종류에 따라 인위적 신장 후의 절연코팅의 균열 여부로 성능을 판정한다. 일반적으로 열등급에 따른 에나멜 코일용 권장 절연소재는 NEMA/IEC 규격에서 상세히 추천되어 이를 선택하여 사용하는 것이 일반적이다.

성능/효과

한편 실리카 입자의 분산성 뿐만 아니라 실리카 입자와 구리도선 및 고분자인 폴리아미드이미드(PAI) 간의 계면강도를 향상시키기 위해 첫째, 적합한 계면 커플링제를 선정 또는 개발이 중요하나, 이때, PAI 하이브리드의 밀착성을 향상시키기 위해 표면개질 즉, 커플링제의 실리카와의 화학적 결합이 전제가 되어야 하며, 커플링제의 양적 조절, 종류의 변화 등을 통해 어떤 조건이 실리카의 PAI 내의 분산성에 적합한지, 또한 열적, 전기적, 기계적 효율이 향상될 수 있는지를 확인할 수 있어야 한다. 둘째, 계면간 결합력을 높여 계면 불일치에서 생기는 유연성, 밀착성 저하 현상을 줄이기 위해 하이브리드 성을 높여야 하고 PAI 수지의 터미널을 다양한 수산기와 에테르기로 Capping하여 Si-OH, Si-O-Si를 가지는 실리카졸과 수소 결합 또는 극성-극성 상호 작용 등을 통한 계면간 결합력을 높이고 기존 7만 Da. 크기의 PAI를 단독으로 사용하던 것에서 2만~10만 Da.
일본 덴소(주)에서는 그림 2와 같이 하이브리드 전기자동차용으로 나노복합 절연 각형코일을 개발하여 전동기 스테이터의 크기를 대폭 감소시키는 기술을 소개한 바 있다. 여기서 개발된 절연코일은 나노복합 절연소재를 사용하여 점적율을 10% 정도 높이고, 와인딩 방법에 대한 새로운 설계 개념을 도입하여 하이브리드 전동기의 성능과 효율을 크게 개선하였다.
모터 설계 및 제작 시 점적율을 20% 향상시키면 2%의 효율 개선과 10% 정도의 컴팩트화 효과가 발생한다. 점적율을 20% 향상시키는 경우 동손 50%, 철손 20%의 감소가 가능하다(전동기 손실의 약 40%가 동손, 25%가 철손이므로 하이브리드 권선 기술의 도입으로 전동기 고효율화의 기여는 동손 20%와 철손 4%를 절감하므로 약 25% 정도의 기술적 비중을 갖는 것으로 분석). 현재 인버터 구동 모터의 경우 임펄스에 의한 코로나 방지대책으로 과절연 설계를 하는 경우가 많아 기술적, 경제적 소비 신뢰성(nano filler 강화 PEI 코팅을 적용하는 경우 코로나 내구성으로 인해 신뢰지수(코로나 수명시험))을 1.

후속연구

그리고 점적율 개선으로 인한 효율 향상을 꾀하기 위해 각형코일을 사용함으로써 코일 굴곡부의 기계적 접착력과 굴곡 스트레스에 대한 내구성을 향상시키는 연구가 더욱 필요해졌다. 하지만 수지에 세라믹졸의 첨가량이 증가되면 기계적 특성 중 하나인 유연성/인성 등이 크게 저하되고, 코팅제의 구리에 대한 밀착력이 낮아지는 문제점이 생긴다.
한편 실리카 입자의 분산성 뿐만 아니라 실리카 입자와 구리도선 및 고분자인 폴리아미드이미드(PAI) 간의 계면강도를 향상시키기 위해 첫째, 적합한 계면 커플링제를 선정 또는 개발이 중요하나, 이때, PAI 하이브리드의 밀착성을 향상시키기 위해 표면개질 즉, 커플링제의 실리카와의 화학적 결합이 전제가 되어야 하며, 커플링제의 양적 조절, 종류의 변화 등을 통해 어떤 조건이 실리카의 PAI 내의 분산성에 적합한지, 또한 열적, 전기적, 기계적 효율이 향상될 수 있는지를 확인할 수 있어야 한다. 둘째, 계면간 결합력을 높여 계면 불일치에서 생기는 유연성, 밀착성 저하 현상을 줄이기 위해 하이브리드 성을 높여야 하고 PAI 수지의 터미널을 다양한 수산기와 에테르기로 Capping하여 Si-OH, Si-O-Si를 가지는 실리카졸과 수소 결합 또는 극성-극성 상호 작용 등을 통한 계면간 결합력을 높이고 기존 7만 Da.
모터의 효율향상은 중대한 과제이다. 향후 슈퍼프리미엄급 모터를 개발하기 위해서는 보다 혁신적 절연소재의 개발이 필요하다. 코일의 점적율을 높이는 것과 더불어 성능이 개선되기 위해서는 단일 절연수지만 가지고는 한계를 가진다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

코일코팅에 쓰이는 고분자에 실리카 나노입자를 분산시킨 복합재료를 사용하면 어떤 효과를 얻을 수 있는가?

기본적으로 코일 코팅에 쓰이는 고분자는 열내구성과 열전도성이 매우 낮기 때문에 절연특성과 열전도 성이 우수한 실리카 나노입자를 분산시켜 복합재료로써 자체 물성을 향상시킨다. 이와 같은 복합재료를 사용해서 절연재료의 열전도율을 향상시키면 코일에서 발생되는 열을 효과적으로 발산시켜 도체의 운전온도를 낮추게 되고, 도체저항이 감소하여 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

모터의 소형 경량화가 중요해지고 있는 이유는?

최근 모터의 사용용도가 다양해져 수송/운송 (EV, Elevator, 고속전철 등), 이송장치(자동화 생산설비) 등 모터 자체를 장착한 상태로 움직이는 경우가 증가하고 있어 모터의 소형 경량화가 중요 해지고 있다. 모터의 소형 경량화를 위하여 코일의 고집적화가 필수적이다.

일본 덴소(주)에서 개발한 나노복합 절연 각형코일은 어떻게 하이브리드 전동기의 성능과 효율을 개선시켰는가?

일본 덴소(주)에서는 그림 2와 같이 하이 브리드 전기자동차용으로 나노복합 절연 각형코일을 개발하여 전동기 스테이터의 크기를 대폭 감소시키는 기술을 소개한 바 있다. 여기서 개발된 절연코일은 나노복합 절연소재를 사용하여 점적율을 10% 정도 높이고, 와인딩 방법에 대한 새로운 설계 개념을 도입하여 하이브리드 전동기의 성능과 효율을 크게 개선하였다.

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