전기차의 모터 절연시스템 분석[바니쉬코팅,절연지,에폭시 코팅, 함침]

 

전기차 모터 절연 시스템

 

 

 

 전기차 모터의 절연 시스템은 고성능 전기 모터의 안전성과 효율성에 매우 중요하다. 절연 시스템은 전기적 손실을 줄이고, 열을 효과적으로 관리하며, 전기적 간섭을 방지하는 역할을 하므로 필수적인 이에 따른 기술이 정말 많이 들어간다 오늘은 이에 대해 이야기해 보자

1. 전기 절연 시스템의 필요성

전기차 모터는 고출력과 고전류를 다루는 시스템으로, 이러한 고전류는 발열을 동반하게 된다. 발열은 모터의 성능 저하뿐만 아니라, 장기간 사용 시 손상을 야기할 수 있으며 쇼트 시 화재의 원인이 될 수도 있기 때문에 절연 시스템이 필수적이다.

 

그렇다면 절연이란 무엇일까?

 전기(電氣) 및 열(熱)이 통하지 않게 하는 것

 

절연의 정의는 아래와 같고 이를 위해 유전체를 활용해 전기와 열을 차단하는 것을 목적으로 한다.

 

이러한 절연 시스템은 전류가 의도된 경로 외로 흐르지 않도록 방지하고, 모터의 내구성을 높여 전반적인 성능을 유지하는 역할을 한다는 것을 먼저 이해하자

 

• 전기적 절연: 전류가 의도된 경로 외로 흐르지 않도록 보호
• 열 관리: 발생하는 열을 분산하거나 방출하여 모터가 적정 온도에서 동작할 수 있도록 유지
• 기계적 안정성: 와이어나 코일 등이 모터 내부에서 흔들리거나 손상되지 않도록 구조적 지지를 제공

이제 전기차 모터에 적용되는 절연 시스템의 주요 구성 요소들을 살펴보겠습니다.

2. 주요 절연 구성 요소

2.1 Core Sheet Varnishes (코어 시트 바니시)

코어 시트 바니시라 표현했지만 바니시 코팅이라고도 불리는 이 과정은,  모터의 강철 시트, 즉 자성 코어를 절연하는 데 사용된다.

 

자성 코어는 모터의 자기장을 형성하는 데 중요한 역할을 하지만, 이 코어 사이에서 전류가 유도될 수 있으며,  코어 시트 바니시는 이러한 유도 전류(와전류)가 발생하지 않도록 방지하여 전기적 손실을 줄이고 효율성을 높이려는 시도다.

 

실제로 포스코에서 철판을 공급받는 현대차의 경우 이러한 스펙을 세부적으로 확인할 수 있는데 아래와 같이 전령저항을 높여 코어에 와전류가 거대해지는 것을 방지하는 역할을 한다.

 

 

결론적으로 각 층 사이에서 발생할 수 있는 전류의 누설을 막고, 효율적인 자기장 형성을 돕는 재료고 주로 제조사에서 해준다고 이해하자. 주로 사용되는 재료는 상황마다 다르지만 절연 바니시 또는 특수 도료를 사용해 얇은 절연층을 형성한다

2.2  Insulation Paper ( 절연지)

 

 절연지는 열에 강하고 전기가 잘 안 흐르는 고성능 물질로 구성하며, 전기차 모터에서 전기적 절연뿐만 아니라 열 차단 역할을 한다.

 

 특히 고전압이 걸리는 모터에서 절연지는 상간 절연에 사용된다. 즉, 코일 사이에서 발생할 수 있는 전기적 간섭을 방지하고, 코일과 외부 구조물 사이의 전기적 절연을 담당하는 역할이라 이해하자

 

 좀 더 직관적으로 정리하면 상간 절연 및 접지 절연을 담당하며, 높은 온도에서도 안정적인 절연 성능을 제공하는 역할로 우수한 내열성과 기계적 강도를 가지고 있어 열팽창에 의한 손상을 줄인다.

 

좀더 세부적으로 다뤄보자면 슬롯 슬롯 라이너라고 불리는 경우, 전기차 모터 내부에서 코일은 일반적으로 슬롯 안에 감기게 되는데, 이때, 슬롯 내에서 코일이 전기적 절연 상태를 유지할 수 있도록 슬롯 라이너(Slot Liner)로 사용된다.

 

이는 특히 상절연(Phase Insulation)으로 불리는 중요한 절연 방식으로 전기차 모터에서는 다상 전류가 흐르기 때문에, 각 상의 전류가 간섭되지 않도록 상간 절연이 필수적이다.

 

결론적으로 슬롯 라이너는 코일과 슬롯 벽 사이에서 절연 역할을 하여 상간 단락이나 전기적 간섭을 방지하는 역할을 한다.

2.3 Wire Enamels (와이어 에나멜)

 

 와이어 에나멜 혹은 에나멜 코팅이라 불리는 이과정은 모터의 구리 와이어를 절연하는 역할을 한다. 전기차 모터의 내부에는 많은 구리 와이어가 감겨 있으며, 이 와이어들 사이에서 전기적 간섭을 방지하는 것이 중요하다. 와이어 에나멜은 이러한 전기적 간섭을 방지하고, 모터가 높은 전압에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 돕는다.

 

 동선 사이의 전기적 절연을 유지하고, 고온에서도 안정적으로 절연 성능을 제공한다. 폴리우레탄, 폴리에스터 등 다양한 수지를 사용한 코팅 하며 선간절연을 에나멜 코팅으로 했다면 상간절연은 절연지로 한다 정도로 이해하자

2.4 Impregnating Resins (함침 수지)

 

 

함침 수지는 구리 와이어에 에나멜 코팅 후 추가적으로 적용되는 재료로, 절연 성능을 더욱 강화하는 역할을 한다. 이는 코일을 고정하고, 기계적 강도를 높이며, 동시에 열 전도성을 향상해 모터의 과열을 방지한다.

 

함침수지는 주로 진공 및 압력 방식으로 적용되는데, 이 과정은 ‘함침 공정(Impregnation Process)’이라 불리며,  모터의 권선이나 코일을 진공 상태로 만든 후, 공기와 기포를 제거하고, 이를 통해 함침수지가 권선의 빈 공간에 잘 침투할 수 있도록 한다

 

그 이후 진공 상태에서 함침수지가 코일과 권선 사이로 주입됩니다. 이때 수지는 모터 내부의 구석구석까지 침투하여 절연과 기계적 결합을 강화한다

 

최종적으로 경화시키기 위해 함침수지가 완전히 주입된 후, 이를 열을 가해 경화시킵니다. 경화된 함침수지는 고체 형태로 변해 모터 내부의 모든 부품을 단단히 고정하고 절연 특성을 부여한다.

 

와이어를 고정하여 기계적 안정성을 제공하며, 열전달을 촉진하여 모터가 효율적으로 열을 방출할 수 있도록 돕는다. 기계적 안정성 제공, 열 방출 촉진, 고온 환경에서도 장기간 사용 가능하게 만드는 핵심 과정 중 하나다

2.5 에폭시 코팅

 

출처-먼로 라이브

 

  모터 끝단에서 추가적인 절연과 기계적 보호를 제공하는 역할로, 에폭시 코팅은 일반적으로 모터의 끝 부분이나 와이어가 감긴 코일에 적용되며, 여러 가지 기능을 수행한다.

 

특히 전기적 절연 강화 하는데 모터 내부에서 전류가 의도치 않게 누설되지 않도록 하여 모터의 안정성을 높입니다. 고전압 상태에서도 전기적 손상을 방지하며, 기계적 강도 제공한다. 특히 전기차 모터의 경우 고속 회전 및 진동으로 인한 물리적 충격을 흡수하여 모터가 외부 환경으로부터 보호한다.

 

뿐만 아니라 열 방출 촉진의 역할도 수행하는데 에폭시 코팅은 열전도성이 뛰어나 모터 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다. 이를 통해 모터가 과열되지 않도록 방지가 가능하며 내구성 향상이 가능한데, 이는 습기, 먼지 등 외부 환경적 요인으로부터 모터를 보호하여 수명을 연장 등의 장점이 있다.

 

결론적으로 에폭시 코팅은 이러한 기능 덕분에 전기차 모터가 장시간 안정적으로 구동될 수 있도록 하며, 코일과 다른 부품 간의 전기적 절연을 보강하는 데 기여한다