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문제 정의
- 본 연구에서는 개발된 4종류 코일의 절연수명 평가를 실시하였다. 실험조건은 인가전원 및 주파수 1.
- 그리고 그것은 모터제어성능을 향상시키고 그리고 스위칭 손실을 줄여준다[8~10]. 본 연구에서는 이와 같은 고효율의 성능을 갖는 산업용 모터와 같은 산업에 적용 하기 위하여, 4종류의 코일을 개발하여 제조하였다. 즉, PAI원형, 나노실리카 15wt% 충진된 PAI의 바니시를 개발하여 이중층으로 구리도체에 코팅한 코일을 T/D 493K(220℃),513K(240℃), 533K(260℃) 온도조건하에서 경화시킨 3종류 코일을 인버터서지가 인가된 높은 온도스트레스를 주어 절연파괴 시간을 측정하여 가속 절연수명을 평가 하였다.
제안 방법
- 그림 8, 표 6에서는 PAI 원형 코일(Type 1)에 대한 절연 수명을 평가하기 위해 ALTA 7, Reliasoft 회사(Accelerated Life Testing) 프로그램을 이용하여 수명평가를 실시하였다. Confidence Level=90% 하였으며, 가속수명평가를 위해 제조된 코일의 스트레스 사용 환경 온도를 즉, 모터의 코아 부분에 일반적으로 사용 환경 온도가 70~80℃ 정도 환경이지만 더욱 가혹한 조건을 적용하여 100℃로 설정하였다. 그리고 사용하는 모터의 기대수명을 20년 (10,512,000min=175,200day)으로 설정하였고, 사용시작 일은 10분 후부터 사용하는 조건을 적용하였다.
- 그림 9, 표 7에서는 Type 2의 코일 가속수명 평가를 실시한 결과를 나타내었다. Type 2는 T/D:220℃(493K) 온도환경에서 경화된 코일로서, PAI 바니시를 첫 번째 코팅을 실시하였고, 다음 코팅은 코로나 억제용 나노실리카를 15wt% 충진분산시킨 바니시를 코팅한 절연코일의 가속수명평가를 위해 PAI 원형코일과 동일한 방법으로 실시하였다. 가속수명평가 결과는 표 7에서 나타내었다.
- 그림 10, 표 8에서는 Type 3의 코일 가속수명평가를 실시한 결과를 나타내었다. Type 3는 T/D 240℃(513K) 온도환경에서 경화된 코일로서, 나노실리카를 15wt% 충진 분산된 바니시를 이전과 동일한 방법으로 이중으로 코팅된 코일의 가속수명평가를 실시하였다. 그 결과는 표 8에서 나타내었다.
- 그림 11, 표 9에서는 Type 4의 코일 가속수명평가를 실시한 결과를 나타내었다. Type 4는 T/D: 260℃(533K) 온도환경에서 경화된 코일로서, PAI 바니시를 첫 번째 코팅을 실시하였고, 다음 코팅은 코로나 억제용 나노실리카를 15wt% 충진 분산시킨 바니시를 코팅한 절연코일의 가속수명평가를 위해 PAI 원형코일과 동일한 방법으로 실시하였다. 가속수명평가 결과는 표 9에서 나타내었다.
- 감기어진 코일의 실린더형 전극의 지름이 5mmφ 로서, 2회 감기어진 상태로 한쪽 단자의 코일 끝부분은 절연층을 제거하였고 그 단자는 (+) 전원부에 연결되었다 그리고 다른 한쪽 단자는 380g의 하중을 갖는 추를 매달아 지지하도록 하였다[16].
- Confidence Level=90% 하였으며, 가속수명평가를 위해 제조된 코일의 스트레스 사용 환경 온도를 즉, 모터의 코아 부분에 일반적으로 사용 환경 온도가 70~80℃ 정도 환경이지만 더욱 가혹한 조건을 적용하여 100℃로 설정하였다. 그리고 사용하는 모터의 기대수명을 20년 (10,512,000min=175,200day)으로 설정하였고, 사용시작 일은 10분 후부터 사용하는 조건을 적용하였다. 요구된 신뢰도는 90%로 하였으며, 수명 평가에 사용한 코일의 샘플 수는 5개를 기준으로 실험 평가한 결과를 입력 자료로 사용하였다.
- Ltd. 로부터 1.5kV/20kHz의 고전압 펄스파형을 발생시켜, 코일 샘플에 인가되어졌고 동시에 온도스트레스에 의한 가속수명평가를 위해 온도스트레스 변수즉, 20, 70, 100, 150, 200, 250℃ 일정한 온도조건하에서 실험이 실시되었고, 코일의 절연수명이 끝날 때까지 일정한 조건에서 수행하였다.
- 본 연구에서는 각형 구리도체에 유언성을 갖는 PAI 바니시와 코로나방지용으로 PAI에 나노실리카 15wt%를 분산시킨 바니시를 개발하여, 이중층으로 코팅한 코일의 경화온도조건 T/D220℃(493K), 240℃(513K), 그리고 260℃(533K) 3종류와 PAI원형코일을 포함한 4종류의 샘플을 제조하였다. 코일의 가속 절연수명평가를 위하여 온도스트레스를 20℃(293K), 70℃(343K), 100℃(373K), 150℃(423K), 200℃(474K) 그리고 250℃(523K)로서 각각 6단계의 온도스트레스를 일정한 환경에서 인버터서지 1.
- 시간을 단축시킬 목적으로 사용조건보다 가혹한 조건에서 수행하는 시험을 의미하는 것으로, 가속수명시험은 인버터서지 1.5kV/20kHz 조건하에서 일정한 온도스트레스 즉, 293K(상온), 343K(70℃), 373K(100℃), 423K(150℃), 473K(200℃) 그리고 523K(250℃)의 6단계의 온도조건하에서 코일의 절연파괴에 이를 때까지 실시하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 고효율의 성능을 갖는 산업용 모터와 같은 산업에 적용 하기 위하여, 4종류의 코일을 개발하여 제조하였다. 즉, PAI원형, 나노실리카 15wt% 충진된 PAI의 바니시를 개발하여 이중층으로 구리도체에 코팅한 코일을 T/D 493K(220℃),513K(240℃), 533K(260℃) 온도조건하에서 경화시킨 3종류 코일을 인버터서지가 인가된 높은 온도스트레스를 주어 절연파괴 시간을 측정하여 가속 절연수명을 평가 하였다.
- ,Ltd에서 제조하였다. 첫 번째 층은 고유연성 PAI 원형 바니시로 코팅하였고 그리고 두 번째 층의 바니시는 코로나 방지용, 나노실리카 충진함량 15wt%를 완전 분산시킨 바니시로 코팅하여 각각의 온도조건 T/D: 493K, 513K, 533K로 3종류의 경화조건으로 새로운 코일을 개발하였다.
- 본 연구에서는 각형 구리도체에 유언성을 갖는 PAI 바니시와 코로나방지용으로 PAI에 나노실리카 15wt%를 분산시킨 바니시를 개발하여, 이중층으로 코팅한 코일의 경화온도조건 T/D220℃(493K), 240℃(513K), 그리고 260℃(533K) 3종류와 PAI원형코일을 포함한 4종류의 샘플을 제조하였다. 코일의 가속 절연수명평가를 위하여 온도스트레스를 20℃(293K), 70℃(343K), 100℃(373K), 150℃(423K), 200℃(474K) 그리고 250℃(523K)로서 각각 6단계의 온도스트레스를 일정한 환경에서 인버터서지 1.5kV/20kHz를 파괴시까지 인가하여 절연이 파괴되는 시간을 이용하여 아레니우스 모델-와이블 분포함수를 적용하여 ALTA 7 프로그램을 이용, 가속 절연수명을 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- PAI 코일의 에나멜 절연층 두께가 30~50μm이고, 각형구리코일의 두께와 폭은 각각 0.77~0.83mm 그리고 1.17~1.23mm을 Sam Dong Co.,Ltd에서 제조하였다.
- 요구된 신뢰도는 90%로 하였으며, 수명 평가에 사용한 코일의 샘플 수는 5개를 기준으로 실험 평가한 결과를 입력 자료로 사용하였다. 실제적으로 수명평가에 적용된 자료는 100℃(373K)~250℃(523K) 데이터를 사용하였다.
- 본 연구에서는 개발된 4종류 코일의 절연수명 평가를 실시하였다. 실험조건은 인가전원 및 주파수 1.5kV/20kHz 의 인버터 서지조건이 그림 1에서 나타낸 전극에서 측정하였다. 측정은 감기어진 실린더형 전극에 밀착하여 접촉된 상태의 샘플에 인버터 서지 전원이 인가되어졌다.
- 그리고 사용하는 모터의 기대수명을 20년 (10,512,000min=175,200day)으로 설정하였고, 사용시작 일은 10분 후부터 사용하는 조건을 적용하였다. 요구된 신뢰도는 90%로 하였으며, 수명 평가에 사용한 코일의 샘플 수는 5개를 기준으로 실험 평가한 결과를 입력 자료로 사용하였다. 실제적으로 수명평가에 적용된 자료는 100℃(373K)~250℃(523K) 데이터를 사용하였다.
데이터처리
- 그림 8, 표 6에서는 PAI 원형 코일(Type 1)에 대한 절연 수명을 평가하기 위해 ALTA 7, Reliasoft 회사(Accelerated Life Testing) 프로그램을 이용하여 수명평가를 실시하였다. Confidence Level=90% 하였으며, 가속수명평가를 위해 제조된 코일의 스트레스 사용 환경 온도를 즉, 모터의 코아 부분에 일반적으로 사용 환경 온도가 70~80℃ 정도 환경이지만 더욱 가혹한 조건을 적용하여 100℃로 설정하였다.
성능/효과
- 5kV/20kHz를 전극에 인가하였고, 코일의 절연이 파괴되는 시간을 측정한 결과를 와이블 플롯으로 나타내었다. PAI 원형코일의 온도증가에 따라 형상파라미터가 감소하였고 그리고 스케일파라미터도 감소하는 결과를 얻었다. 또한 B10수명의 결과 역시 감소하였다.
- 가속스트레스 온도증가에 따라 전체코일들의 절연파괴 시간이 감소되었다. 150℃(423K) 이하에서는 Type 2 > Type 4 > Type 3> Type 1의 순서로 절연파괴 시간의 결과를 얻었다.
- 상온상태에서 절연코일의 온도스트레스는 전혀 없었고, 단지 인버터서지 영향만으로 절연이 파괴되는 결과로 볼 때 열적스트레스가 높을수록 절연파괴시간에 큰 인자로서 작용함을 알 수 있었다. 그리고 100℃(373K)이하의 온도스트레스를 줄 때, T/D 220℃(493K)에서 건조된 코일의 절연파괴시간이 좀더 긴 수명을 얻었으며, 423K~523K의 고온에서는 큰 차이 없이 거의 같은 절연수명을 나타내었다.
- 16배 긴 수명을 얻었다. 또한 고장률의 경우 PAI원형에 비하여 Type 2의 경우 원형에 비하여 고장률에서 먼저 발생할 가능성인 0.75배를 나타내었고, Type 2에서는 7,101배 긴 수명의 고장률을 얻게 되었다. Type 4에서는 1.
- 16배 긴 수명을 얻었다. 또한 고장률의 경우 PAI원형에 비하여 Type 2의 경우 원형에 비하여 고장률에서 먼저 발생할 가능성인 0.75배를 나타내었고, Type 2에서는 7,101배 긴 수명의 고장률을 얻게 되었다. Type 4에서는 1.
- 상온상태는 온도스트레스가 없는 상태에서 순수하게 인버터 서지에 의해 절연이 파괴되는 시간을 의미하는 것이며, 코일의 가속수명을 평가하기 위해 가속스트레스인 인버터서지가 인가된 상태에서 환경온도 변화 (343K, 373K, 423K, 473K 그리고 523K)의 스트레스를 가속시켜 파괴되는 시간을 측정한 결과 가속스트레스인 온도증가에 따라 절연파괴 시간이 감소되었다.
- 상온상태를 기준으로 스케일파라미터를 비교할 때 343K에서는 9.22%, 373K일 때 12.2%, 423K일 때 14.7%, 473K일 때 61% 그리고 523K일 때 68.36%로 감소되는 결과이다.
- 상온상태에서 절연코일의 온도스트레스는 전혀 없었고, 단지 인버터서지 영향만으로 절연이 파괴되는 결과로 볼 때 열적스트레스가 높을수록 절연파괴시간에 큰 인자로서 작용함을 알 수 있었다.
- 그림 4, 표 3에서는 높은 유연성을 갖는 PAI 바니시를 도체코일에 코팅하였고, 다음 층으로 코로나를 막은 높은 절연성능을 갖도록 나노실리카 충진함량 15wt%로 충진 분산된 나노바니시를 코팅한 코일을 T/D 220℃(493K) 건조과정에서 제조된 코일의 장시간 절연파괴 시간을 측정한 결과 와이블플롯으로 나타낸 결과이다. 스케일파라미터(63.2%)의 결과, 온도 스트레스가 증가할수록 절연파괴 시간은 크게 감소한 결과이다. 또한 B10 수명(10%)의 결과도 온도스트레스 증가에 따라 크게 감소하는 결과이다.
- 또한 B10 수명(10%)의 결과도 온도스트레스 증가에 따라 크게 감소하는 결과를 얻었다. 온도스트레스 증가에 따른 절연파괴 시간의 감소비율은 상온상태를 기준으로 할 때, 343K일 때 40.9%, 373K일 때 60.34%, 423K일 때 80.47%, 473K일 때 86.99% 그리고 523K일 때 91.00%로 매우 크게 감소된 결과이다. 상온상태에서 절연코일의 온도스트레스는 전혀 없었고, 단지 인버터서지 영향만으로 절연이 파괴되는 결과로 볼 때 열적스트레스가 높을수록 절연파괴시간에 큰 인자로서 작용함을 알 수 있었다.
- 또한 B10 수명(10%)의 결과도 온도스트레스 증가에 따라 크게 감소하는 결과이다. 온도스트레스 증가에 따른 절연파괴시간의 감소비율은 상온상태를 기준으로 할 때, 343K 환경에서 58.84%, 373K 환경에서 68.9%, 423K 환경에서 94.3%, 473K 환경에서 94.5% 그리고 523K 에서 95.9%로 매우 크게 감소된 결과를 얻었다.
- 또한 B10 수명(10%)의 결과도 온도스트레스 증가에 따라 크게 감소하는 결과를 얻었다. 온도스트레스 증가에 따른 절연파괴시간의 감소비율은 상온상태를 기준으로 할 때, 343K일 때 58.5%, 373K일 때 60.37%, 423K일 때 90.87%, 473K일 때 92.84% 그리고 523K일 때 95.5%로 매우 크게 감소한 결과를 얻었다. 상온상태에서 절연코일의 온도스트레스는 전혀 없었고, 단지 인버터서지 영향만으로 절연이 파괴되는 결과로 볼 때 열적스트레스가 높을수록 절연파괴시간에 큰 인자로서 작용함을 알 수 있었다.
- 83배 고장률이 느리게 나타나는 결과이다. 이로서 평균수명과 B10의 경우 Type 2가 높은 수명을 나타내었지만, 고장발생률은 원형에 비하여 Type 3이 월등히 긴 7101배를 기록하였다.
- 이상의 가속 온도스트레스 하에서 코일의 절연수명을 평가한결과 Type 1(PAI원형코일)과 나노실리카를 충진 분산된 바니시를 이용한 코일 Type 2, Type 3, Type 4의 β인 형상파라미터가 대체로 높은 값을 나타내었다.
- 이상의 가속 온도스트레스 하에서 코일의 절연수명을 평가한결과 Type 1(PAI원형코일)과 나노실리카를 충진 분산된 바니시를 이용한 코일 Type 2, Type 3, Type 4의 β인 형상파라미터가 대체로 높은 값을 나타내었다. 평균수명은 PAI원형에 비하여 Type 2에서는 6.37배, Type 3에서는 3.87배 그리고 Type 4에서는 4.64배 긴 수명을 나타내었다. 그리고 B10수명과 품질보증시간의 경우 PAI원형에 비하여 Type 2에서는 71.
- 그 결과는 표 8에서 나타내었다. 평균수명은 약 32min을 나타내었으며, 고장률은 349,673,611(day)을 기록하였고, 형상파라미터는 3.33의 결과이다.
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