[논문]가속된 열적 스트레스에 의한 PAI / Nano Silica 하이브리드 코일의 절연수명 추정

박재준

doi:10.5370/kiee.2019.68.1.52

가속된 열적 스트레스에 의한 PAI / Nano Silica 하이브리드 코일의 절연수명 추정
Estimation of Insulation Life of PAI/Nano Silica Hybrid Coil by Accelerated Thermal Stress 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.68 no.1, 2019년, pp.52 - 60

박재준 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kiee University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, four types of insulation coils were fabricated by adding various kinds of glycols to improve the flexibility and adhesion of insulating coils in varnish dispersed with PAI / Nano Silica_15wt%. The applied voltage and frequency were 1.5 kV / 20 kHz for accelerated life evaluation. Through the 6th temperature stress level, the cause of the insulation breakdown of the coil was ignored and only the breakdown time was measured. The Arrhenius model was chosen based on the theoretical relationship between chemical reaction rate and temperature for estimating the insulation life of the coil due to accelerated thermal stress. Three types of distributions (Weibull, Lognormal, Exponential) were selected as the relationship between thermal stress model and distribution. The average insulation lifetime was estimated under the temperature stress of four types of insulation coils through the relationship between one kind of model and three kinds of distributions.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1 PAI/Nano Silica Vanish 제조 및 코일 제작 Fig. 1 PAI/Nano silica vanish manufacture and coil production
표 표 1 제조된 코일의 종류 및 내용 Table 1 Types and contents of manufactured coil
그림 그림 2 환경온도 & 절연파괴 수명 측정시스템 Fig. 2 Environmental temperature & insulation breakdown life measurement system
그림 그림 3 인가된 인버터서지 출력파형 Fig. 3 Applied inverter surge output waveform
표 표 2 Arrhenius-Weibull 분포의 수명-온도스트레스 계수 Table 2 Life-Temperature stress coefficient of Arrhenius- Weibull distribution
표 표 3 Arrhenius-lognormal분포의 수명-온도스트레스 계수 Table 3 Life-Temperature stress coefficient of Arrheniuslognormal distribution
표 표 4 Arrhenius-Exponential분포의 수명-온도스트레스 계수 Table 4 Life-Temperature stress coefficient of Arrhenius-Exponential distribution
그림 그림 4 4종류 코일의 온도 스트레스 가속열화에 의한 Arrhenius-Weibull 분포의 평균 절연수명 Fig. 4 Average Insulation life for Arrhenius-Weibull distribution induced to temperature stress of four types coils
표 Table 5 Average lifetime of four types coils for three Arrhenius models–distribution 표 5 3종류 Arrhenius 모델-분포에 대한 4가지 코일의 평균수명
표 표 6 Arrhenius-Weibull 관계에서 4종류 코일의 가속계수 Table 6 Acceleration coefficients of four types of coils in the Arrhenius-Weibull relation
그림 그림 5 Coil_1~Coil_4의 아레니우스 모델인 수명- 온도스트레스 가속계수 특성 Fig. 5 Life-temperature stress acceleration factor characteristic of arrhenius model of Coil_1~Coil_4

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 Arrhenius 모델과 확률 분포를 적절히 구성할 때, 가속온도 스트레스 와 인버터서지 환경이 복합화 된 가속열화된 절연재료 및 나노 하이브리드 표면 코팅된 코일의 평균수명을 측정 할 수 있을 것으로 생각합니다.

가설 설정

즉, 활성화 에너지는 온도가 반응에 영향을 미치는 결과의 측정값이다. Arrhenius Life-Temperature Stress 함수는 수명이 프로세스의 역 반응 속도에 비례한다고 가정함으로써 공식화 된다. ALTA 7 소프트웨어에서 Arrhenius Life-Temperature Stress 반응은 다음과 같이 주어진다.

제안 방법

005M이 포함된 나노실리카 15wt% 충진 분산된 바니시를 다층 코팅한 코일의 샘플이다. 4종류의 코일에 대한 인버터서지 조건하에서 절연파괴수명을 연구하였다.
PAI/Nano Silica_15wt%에 각기 다른 유연화제를 첨가하여바 니시를 제조 후, 도체 4가지 종류의 절연 코팅된 코일이 제조되었다. 복합가속열화(인버터 서지조건 : 1.
Polyamideimide(PAI)수지는 MDI (methylene diphenyl diisocyanate)와 TMA로부터 NMP에 용해된 상태에서 축합반응을 통해서 80~120℃에서 합성되었으며, 중합반응이 일어나는 동안의 점도변화의 관찰 및 점도제어를 통해 분자량조절을 하였다. 이와 같은 PAI는 우수한 절연성, 기계적 강도, 내열성 등을 가지고 있지만 열전도성과 방전내구성 등의 물성보완이 필요하여, 나노급 실리카 졸을 용해/분산시킨 하이브리드 절연바니쉬 소재를 제조하였다.
감기어진 코일의 실린더형 전극의 지름은 5mmφ 로서(가변이 가능함), 2회 감기어진 상태로 한쪽 단자의 코일 끝부분 절연층을 제거하였고, 그 단자는 (+) 전원부에 연결하였다.
5kV/20kHz, 온도스트레스 조건인 303K(30℃), 343K(70℃), 373K(100℃), 403K(13 0℃), 423K(150℃), 473K(200℃))에서 복합적으로 열화를 가속하여 최종적으로 절연파괴 시간을 평가하였다. 그 결과 아레니우스 수명-온도조건으로 요구된 기준온도조건은 313K(30℃)이었고 가속 온도스트레스 조건을 353K(80℃)로 기준조건보다 50℃ 높은 온도스트레스 하에서 3가지 종류의 Arrhenius-Weibull, Lognormal, Exponential distribution를 이용한 평균절연수명을 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫 번째 코일, Coil_1은 고유연성 PAI 원형 바니시로 코팅하였고, 두 번째 코일, Coil_2은 PAI 바니시에 코로나 억제용으로 나노실리카 충진함량 15wt%를 완전 분산시킨 바니시를 이용하여 코팅한 코일 을 사용하였다. 그리고 세 번째 코일, Coil_3은 PAI수지에 한 종류 유연화제 (BPA Gylcol 0.005M)를 나노실리카 15wt%에 충진 분산된 바니시에 첨가하여 제조된 코일을 사용하였다. 마지막으로 네 번째 코일, Coil_4은 PAI수지에 나노실리카 15wt%를 충진 분산시킨 바니시에 두종류 유연화제(BPA Gylcol 0.
PAI/Nano Silica_15wt%에 각기 다른 유연화제를 첨가하여바 니시를 제조 후, 도체 4가지 종류의 절연 코팅된 코일이 제조되었다. 복합가속열화(인버터 서지조건 : 1.5kV/20kHz, 온도스트레스 조건인 303K(30℃), 343K(70℃), 373K(100℃), 403K(13 0℃), 423K(150℃), 473K(200℃))에서 복합적으로 열화를 가속하여 최종적으로 절연파괴 시간을 평가하였다. 그 결과 아레니우스 수명-온도조건으로 요구된 기준온도조건은 313K(30℃)이었고 가속 온도스트레스 조건을 353K(80℃)로 기준조건보다 50℃ 높은 온도스트레스 하에서 3가지 종류의 Arrhenius-Weibull, Lognormal, Exponential distribution를 이용한 평균절연수명을 평가하였다.
본 연구에서는 3종류의 분포(Exponential, Weibull, Lognormal)와 관계한 Arrhenius-Exponential, Arrhenius - Weibull, Arrhenius-Lognormal을 이용한, 가속수명 시험으로 온도스트레스 가속방법으로 일정한 온도환경조건과 지속적인 인버터서지를 인가하는 방법을 적용하였다. 정상적인 조건보다 가혹한 온도 및 인버터서지 환경조건하에서 짧은 시간동안 고장데이터를 얻은 후, 수명과 온도스트레스와의 관계를 이용하여, PAI/나노실리카 하이브리드 코일의 정상사용조건에서의 절연수명을 추정하는 방 법을 선택한 것이다.
본 연구에서는 3종류의 분포(Exponential, Weibull, Lognormal)와 관계한 Arrhenius-Exponential, Arrhenius-Weibull, Arrhenius-Lognormal을 이용한, 온도스트레스 가속방법으로 상온에서 가혹한 온도까지, 일정한 온도환경조건과 지속적인 인버터서지를 인가하는 방법을 적용하였다.
본 연구에서는 PAI수지의 유연성과 접착력 향상을 위해 4,4-MDI와 TMA 이외에 글리콜을 사용하여 유연한 우레탄구조를 도입하여, 변성 PAI를 합성하였으며 변성된 PAI의 분자구조를 변화시켰다. PAI 고분자에 도입한 글리콜들은 표면장력, 유연성, 절연성 등을 고려하여 실리콘글리콜(1000g/㏖)과 BPA글리콜 (660g/㏖)을 사용하였다.
PAI/나노실리카 하이브리드 절연코일의 절연파괴 가속 수명 시험은 정상적인 사용 환경 조건보다 시간을 단축시킬 목적으로 사용조건보다 가혹한 환경 하에서 수행하는 시험을 의미하는 것이다. 본 연구의 가속수명시험은 같은 조건의 인버터서지 및 온도스트레스 하에서 10개 측정샘플이 절연파괴에 이를 때까지 실험을 실시한 결과를 이용하여 ReliaSoft ALTA-7를 이용하여 절연수명을 추정하였다[14].
실험은 인가전원인 인버터서지를 일정하게하고, 가속 온도스트레스에 대한 영향을 평가하기 위하여, 환경 온도스트레스는 30, 70, 100, 130, 150 그리고 200℃이다. Arrhenius Model은 온도 가속 모델 중 하나로서, 반응속도 R와 온도(절대온도) T와의 관계식
온도조건은 6종류 온도레벨 303K (30℃), 343K (70℃), 373K (100℃), 403K (130℃), 423K (150℃), 473K (200℃)에서 절연파괴 가속수명을 평가하였다.
더욱이 PAI는 내열성과 내습성이 우수하기 때문에 에나멜 전선 절연체로 사용 된다[12]. 위와 같은 고분자수지를 이용하여, 4종류의 PAI/나노실리카 하이브리드 각형 코일을 제조하였고 그리고 제조된 코일을 산업용 모터 및 전기자동차의 모터와 같은 전기기에 적용할 목적으로, 상온에서 정상적인 동작조건보다 더욱더 가혹한 높은 전압 및 인버터서지 그리고 고온의 열적스트레스의 열화모델로 단일전기보다 복합화된 가속 수명 테스트를 통하여 나노하이브리드 코일절연체의 열화모델을 Arrhenius모델로 결정하였다. 절연파괴 된 통계적 결과자료를 이용하여 상온보다 50 ℃(80 ℃) 높은 온도 스트레스 하에서 Arrhenius 모델-3 종류 수명분포가 결합된 고장데이터에 MLE (Maximum Likelihood Estimation) 적용하였고, ReliaSoft ALTA 7 Accelerated Life Test를 이용하여 평균절연수명을 추정하였다 [13~15].
Polyamideimide(PAI)수지는 MDI (methylene diphenyl diisocyanate)와 TMA로부터 NMP에 용해된 상태에서 축합반응을 통해서 80~120℃에서 합성되었으며, 중합반응이 일어나는 동안의 점도변화의 관찰 및 점도제어를 통해 분자량조절을 하였다. 이와 같은 PAI는 우수한 절연성, 기계적 강도, 내열성 등을 가지고 있지만 열전도성과 방전내구성 등의 물성보완이 필요하여, 나노급 실리카 졸을 용해/분산시킨 하이브리드 절연바니쉬 소재를 제조하였다. 그러나 이와 같은 실리카의 첨가는 절연피막의 유연성 및 구리표면과의 밀착력의 저하를 가져오기 때문에 PAI의 화학적 구조 변성이 필요하게 된 것이다.
로부터 제조하였으며, 인가전압은 0~2kV까지 가변할 수 있고, 주파수는 0~20kHz까지 가변할 수 있는 시스템을 사용하였다. 일정한 온도를 유지할 수 있는 항온조 내에서 실험이 실시되었고, 코일의 절연수명이 끝날 때까지 모든 조건을 일정하게 유지하면서 실험을 수행하였고 그리고 실험 시작에서부터 종료시까지 인가전압과 누설전류 그리고 현재상태의 환경온도자료가 컴퓨터에 기록되어졌다.
본 연구에서는 3종류의 분포(Exponential, Weibull, Lognormal)와 관계한 Arrhenius-Exponential, Arrhenius - Weibull, Arrhenius-Lognormal을 이용한, 가속수명 시험으로 온도스트레스 가속방법으로 일정한 온도환경조건과 지속적인 인버터서지를 인가하는 방법을 적용하였다. 정상적인 조건보다 가혹한 온도 및 인버터서지 환경조건하에서 짧은 시간동안 고장데이터를 얻은 후, 수명과 온도스트레스와의 관계를 이용하여, PAI/나노실리카 하이브리드 코일의 정상사용조건에서의 절연수명을 추정하는 방 법을 선택한 것이다.
5 g을 분산시켜서 제조하였다. 제조된 바니시를 사용하여 ㈜삼동에서 구리 와이어에 코팅하여 코일을 제조하였다.
본 연구에 사용된 측정 코일은 4종류가 사용되었다. 첫 번째 코일, Coil_1은 고유연성 PAI 원형 바니시로 코팅하였고, 두 번째 코일, Coil_2은 PAI 바니시에 코로나 억제용으로 나노실리카 충진함량 15wt%를 완전 분산시킨 바니시를 이용하여 코팅한 코일 을 사용하였다. 그리고 세 번째 코일, Coil_3은 PAI수지에 한 종류 유연화제 (BPA Gylcol 0.

대상 데이터

본 연구에서는 PAI수지의 유연성과 접착력 향상을 위해 4,4-MDI와 TMA 이외에 글리콜을 사용하여 유연한 우레탄구조를 도입하여, 변성 PAI를 합성하였으며 변성된 PAI의 분자구조를 변화시켰다. PAI 고분자에 도입한 글리콜들은 표면장력, 유연성, 절연성 등을 고려하여 실리콘글리콜(1000g/㏖)과 BPA글리콜 (660g/㏖)을 사용하였다.
Polyamideimide (PAI)/나노 실리카(15 wt%) 바니시를 제조하기 위해서 15wt%의 PAI가 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용매 중에 용해된 PAI 용액(CTI Co.) 100 g 중에 표면처리 나노 실리카 4.5 g을 분산시켜서 제조하였다. 제조된 바니시를 사용하여 ㈜삼동에서 구리 와이어에 코팅하여 코일을 제조하였다.
본 연구에 사용된 측정 코일은 4종류가 사용되었다. 첫 번째 코일, Coil_1은 고유연성 PAI 원형 바니시로 코팅하였고, 두 번째 코일, Coil_2은 PAI 바니시에 코로나 억제용으로 나노실리카 충진함량 15wt%를 완전 분산시킨 바니시를 이용하여 코팅한 코일 을 사용하였다.
본 연구에서 개발된 4종류 코일의 즉, Number_1는 PAI 원형 수지로 코팅한 코일, Number_2는 TMA 1M/MDI 1M(4,4-MDI) 처리된 경우이며, Flexible Glycol이 포함되지 않았으며, 나노실리카 15wt%만 충진 분산된 코일이다. 여기서 처리된 MDI의 약칭 은 메틸렌 디 페닐 디 이소시아네이트, 방향족 디 이소시아네이트 (Methylene diphenyl diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate) 이다.
실험평가 전극은 IS 13778(part 5): 2012, IEC 60851-5 : 2008 코일의 절연수명 평가를 위한 시편과 실린더형 전극배열로, 측정시 감기어진 실린더형 전극에 밀착하여 접촉된 상태의 샘플에 인버터 서지 전원이 인가되어졌다. 감기어진 코일의 실린더형 전극의 지름은 5mmφ 로서(가변이 가능함), 2회 감기어진 상태로 한쪽 단자의 코일 끝부분 절연층을 제거하였고, 그 단자는 (+) 전원부에 연결하였다.

데이터처리

위와 같은 고분자수지를 이용하여, 4종류의 PAI/나노실리카 하이브리드 각형 코일을 제조하였고 그리고 제조된 코일을 산업용 모터 및 전기자동차의 모터와 같은 전기기에 적용할 목적으로, 상온에서 정상적인 동작조건보다 더욱더 가혹한 높은 전압 및 인버터서지 그리고 고온의 열적스트레스의 열화모델로 단일전기보다 복합화된 가속 수명 테스트를 통하여 나노하이브리드 코일절연체의 열화모델을 Arrhenius모델로 결정하였다. 절연파괴 된 통계적 결과자료를 이용하여 상온보다 50 ℃(80 ℃) 높은 온도 스트레스 하에서 Arrhenius 모델-3 종류 수명분포가 결합된 고장데이터에 MLE (Maximum Likelihood Estimation) 적용하였고, ReliaSoft ALTA 7 Accelerated Life Test를 이용하여 평균절연수명을 추정하였다 [13~15].

이론/모형

신뢰성 평가측면에서 Arrhenius, Erying, Inverse Power Law (IPL)모델들이 있다. 그러나 본 연구에서는 환경 온도의 가속과 관계된 Arrhenius Model를 사용하였고, 수명분포는 Exponential, Weibull 그리고 Lognormal 등이 있다.

성능/효과

5의 결과를 얻게 되었다. 나노실리카 입자를 충진 분산시킨 바니시에 유연화제 1종류를 첨가한 경우의 바니시를 도체에 절연 코팅한 경우로서, PAI 원형 코일(Coil_1)과 비교하여 볼 때 2.87배 높은 파라미터의 결과를 얻게 되었다. 그리고 Coil_4 코일의 경우, B 파라미터 결과 는 2629로서 Coil_1에 비하여 3.
셋째, 원형 PAI수지에 비하여 유/무기하이브리드 코일의 평균 절연수명 평가 결과 유/무기하이브리드 코일이 17.29배 긴 절연 수명을 갖고, 온도스트레스에 강한 유/무기 하이브리드 코일을 개발하였다. 이로서, 저압 및 고압 그리고 전기자동차에 적용할 수 있는 인버터 서지에 강한 전기기기의 신뢰성과 안정성을 갖는 코일로서 향후 활용이 기대됨.
첫째, Arrhenius 온도모델과 3종류 분포관계를 이용한 가속복 합열화에 의한 평균절연수명평가에서, Arrhenius-Weibull model 과 Arrhenius-Exponential과의 평균수명의 차이는 0~4.05%의 차이를 나타내었다. 그러나 Lognormal의 분포는 상대적으로 평균수명의 오차가 더욱 크게 나타남을 알 수 있었다.

후속연구

둘째, 실측된 측정데이터의 수가 많으면 추정된 목표에 더욱더 근접할 수 있음을 알 수 있었고, 향후 연구 시에 충분히 고려해야 할 문제로 생각되었다.
29배 긴 절연 수명을 갖고, 온도스트레스에 강한 유/무기 하이브리드 코일을 개발하였다. 이로서, 저압 및 고압 그리고 전기자동차에 적용할 수 있는 인버터 서지에 강한 전기기기의 신뢰성과 안정성을 갖는 코일로서 향후 활용이 기대됨.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PAI의 특징은 무엇인가?	그런 이유로, 본 연구에서는 PAI는 극성 용매에 녹으며 자석 배선 절연체(magnet wire insulation) 및 회로 기판 용 고분자를 동판에 박막코팅 절연재로 널리 사용됩니다. 또한, PAI는 성형 가능한 내열성 수지로서, 엔지니어링 플라스틱으로 뛰어난 전기 적 특성 및 기계적 특성이 우수하며, 가공성 및 내열성을 모두 가지는 고분자 수지이다. 더욱이 PAI는 내열성과 내습성이 우수 하기 때문에 에나멜 전선 절연체로 사용 된다[12].
	Arrhenius모델은 무엇인가?	더욱이 PAI는 내열성과 내습성이 우수 하기 때문에 에나멜 전선 절연체로 사용 된다[12]. 위와 같은 고 분자수지를 이용하여, 4종류의 PAI/나노실리카 하이브리드 각형 코일을 제조하였고 그리고 제조된 코일을 산업용 모터 및 전기자 동차의 모터와 같은 전기기에 적용할 목적으로, 상온에서 정상적 인 동작조건보다 더욱더 가혹한 높은 전압 및 인버터서지 그리고 고온의 열적스트레스의 열화모델로 단일전기보다 복합화된 가속 수명 테스트를 통하여 나노하이브리드 코일절연체의 열화모델 을 Arrhenius모델로 결정하였다. 절연파괴 된 통계적 결과자료 를 이용하여 상온보다 50 ℃(80 ℃) 높은 온도 스트레스 하에서 Arrhenius 모델-3 종류 수명분포가 결합된 고장데이터에 MLE (Maximum Likelihood Estimation) 적용하였고, ReliaSoft ALTA 7 Accelerated Life Test를 이용하여 평균절연수명을 추정하였다 [13~15].
	PAI (Polyamideimide) 원형 및 나노실리카 하 이브리드 코일의 가속열화를 측정을 위해 본 연구에서 구성한 조건은 무엇인가?	그림 2에서는 PAI (Polyamideimide) 원형 및 나노실리카 하 이브리드 코일의 가속열화를 측정하기 위한 전극, 온도챔버 그리 고 고주파 고전압 펄스발생기의 측정 시스템을 나타내었다. 출력 전압의 파형은 그림 3에 나타내었고, 진폭의 크기는 0~1.5kV (peak to peak) 출력전압과 주파수 20 kHz의 인버터서지가 인가 되었다. 에나멜 절연층 두께는 30~50 μm이고, 각형 구리코일의 두께와 폭은 각각 0.77~0.83 mm 그리고 1.17~1.23 mm을 Sam Dong Co. Ltd에서 제조된 코일을 사용하였다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증