JP6337356B2 - 冷却流路を有するロータアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、冷却流路を有するロータアセンブリに関する。より詳細には、コイルターン内に形成された冷却流路の構造を改善し、コイルターンの熱伝逹の不均衡を解消することのできる、ロータアセンブリに関する。

一般的に、発電機は、電磁誘導作用を利用して機械的なエネルギーを電気エネルギーに変換させる装置であり、導体が磁場内で回転運動をする時に電力を起こす原理を利用した装置である。このような発電機は、冷却媒体として水素ガスと水を使用し、埃や湿気の侵入防止と水素ガスの漏洩を防止するために完全密閉構造からなる。

発電機内部の通風は、回転子のロータ軸に取り付けられたファンによる閉鎖循環方式により行われ、水素ガスの冷却のために冷却器が内蔵されている。また、固定子のステータは、ロータを収容し、コイルと、コイルが巻線されるステータコアと、これらを支持するフレームとから構成される。

ロータが回転作動している間、コイルを介して移動する電流が熱を発生させるが、ロータコイルから熱が効果的に放出されなければ、発電機の性能低下の原因となる。

このような問題を解決するために、韓国特許公開第２０１０−０１２０２６７号にロータの冷却のための構造を有する回転電気機械およびロータが開示されている。

従来の冷却構造は、ロータボディの内側に組み立てられるコンダクタ（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の冷却をサブスロットに流入する冷却流体にのみ依存する構造である。しかしながら、このような従来の冷却構造では、次第に大型化する発電機のロータコイルを効率的に冷却させにくいという問題がある。

韓国特許公開第２０１０−０１２０２６７号（公開日２０１０年１１月１５日）

本発明の目的は、コイルターン内に形成された冷却流路の構造を改善し、コイルターンの熱伝逹の不均衡を解消することのできる、ロータアセンブリを提供することである。

上記の技術的解題を解決するために、本発明の一側面によれば、ロータアセンブリは、複数のコンダクタ（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が多段に積層され、ロータボディの歯の間に挿入され、長手方向に沿って冷却流体の移動する複数のダクトが貫通形成された直線部と、前記直線部から延びてスピンドルの外周面に円弧状に配置される曲線部とを有する複数のコイルターンと、前記複数のコンダクタの間にそれぞれ挿入され、前記コンダクタの間を絶縁するターンインシュレータとを備え、前記曲線部は、板面に長手方向に沿って形成されて前記ダクトに連通し、前記冷却流体を前記ダクトに案内するための蛇行するの冷却流路を含む。

前記冷却流路は、円弧状の複数のスロットと、前記複数のスロットの間をそれぞれ連結する連結部とを有してよい。

前記連結部は、角が流線形であってよい。

前記複数のスロットの半径（Ｄ２）より、前記連結部の高さ（Ａ）が大きくてよい。

前記冷却流路は、同一半径を有する前記複数のスロットが前記連結部を挟んで繰り返し形成されてよい。

前記冷却流路は、互いに異なる半径を有するスロットが前記連結部を挟んで交互に配置されてよい。

前記冷却流路は、前記ターンインシュレータを挟んで互いに対向する２つの前記コンダクタにそれぞれに、互いに対向するように形成されてよい。

前記ターンインシュレータは、前記板面に貫通形成され、前記複数のスロットと連通する複数の貫通ホールを有してよい。

前記ターンインシュレータは、前記連結部に対応する部分が塞がれていてよい。

また、本発明の一側面によれば、トップレイヤ（ｔｏｐ ｌａｙｅｒ）およびボトムレイヤ（ｂｏｔｔｏｍ ｌａｙｅｒ）をなし、互いに対向する一対のコンダクタが多段に積層され、ロータボディの歯の間に挿入され、長手方向に沿って冷却流体の移動する複数のダクトが貫通形成された直線部と、前記直線部から延びてスピンドルの外周面に円弧状に配置される曲線部とを有するコイルターンを備え、前記曲線部は、前記コイルターンの板面に長手方向に沿って形成されて前記複数のダクトに連通し、前記冷却流体を前記複数のダクトに案内するための蛇行する冷却流路を有する、ロータアセンブリを提供する。

前記冷却流路は、前記トップレイヤおよびボトムレイヤにそれぞれ互いに対向するように形成されてよい。

前記冷却流路は、円弧状の複数のスロットと、前記複数のスロットの間をそれぞれ連結する連結部とを含んでよい。

前記連結部は、角が流線形であってよい。

前記スロットの半径（Ｄ２）より、前記連結部の高さ（Ａ）が大きくてよい。

前記冷却流路は、同一半径を有する前記スロットが前記連結部を挟んで繰り返し形成されてよい。

前記冷却流路は、互いに異なる半径を有するスロットが前記連結部を挟んで交互に配置されてよい。

本発明の一実施形態に係るロータアセンブリによれば、コイルターン内に形成された冷却流路の構造を波状の形態に変更することにより、冷却流体がコイルターン内に接触する接触面積を増加させ、冷却効率を向上させることができる。また、ターンインシュレータの貫通ホールの形状を変更してダクト内の熱伝逹の不均衡を解消することにより、コイルターンの冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るロータアセンブリを示す部分斜視図である。 図１のロータアセンブリによる主要部分を示す部分斜視図である。 図２によるコイルターンの主要部分を示す部分斜視図である。 図２によるコイルターンのうち、単層構造のコイルターンによる冷却流路を示す断面図である。 図２によるコイルターンのうち、多層構造のコイルターンによる冷却流路を示す断面図である。 図４および図５による冷却流路の主要部分を示す拡大断面図である。 本発明に係る冷却流路の他の実施形態を示す断面図である。 ロータの任意のダクト内の熱伝逹状態を示す図である。 図２によるコイルターンの積層構造を示す部分斜視図である。 図２のコイルターンによるターンインシュレータの他の実施形態を示す平面図である。 図２のコイルターンによるターンインシュレータのさらに他の実施形態を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るロータアセンブリについて詳細に説明する。ただし、便宜上、コイルターン内部の冷却構造について先に説明し、その後、コイルターンのインシュレータの冷却構造について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るロータアセンブリを示す部分斜視図であり、図２は、図１のロータアセンブリによる主要部分を示す部分斜視図であり、図３は、図２によるコイルターンの主要部分を示す部分斜視図である。

図１〜図３に示されているように、本発明の一実施形態に係る発電機用ロータアセンブリ１０は、ステータ内に配置されて回転するロータ１００と、ロータ１００の外周面に配置される複数のコイルターン１５０とを含んで構成される。コイルターン１５０は、ハウジング１９０に収められ、ロータ１００の外部に露出しない。

ロータ１００は、複数の歯（ｔｏｏｔｈ）１１２およびサブスロット（図示せず）が形成されたロータボディ１１０と、ロータボディ１１０の一側から延びたスピンドル１３０とを含んで構成される。スピンドル１３０の周りに複数のコイルターン１５０が配置される。

歯１１２は、ロータボディ１１０の外周面から半径方向の外側にステータに向かって延び、他の部品との結合関係によってロータボディ１１０の外周面の全体または一部領域に設けられる。歯１１２と、隣接する歯１１２との間の上部側に、後述するコイルターン１５０の直線部１５４が挿入され、下部側にはサブスロットが形成される。サブスロットは、歯１１２の間に形成され、直線部１５４が歯１１２の間に挿入された状態でコイルターン１５０の下側に位置する。サブスロットは、複数のコイルターン１５０の直線部１５４の下側に流入した冷却流体を歯１１２の間に案内することにより、ロータボディ１１０を冷却する。

コイルターン１５０は、多層に積層されたコンダクタ１５２と、コンダクタ１５２の間にそれぞれ挿入され、コンダクタ１５２間の絶縁の役割を果たすターンインシュレータ１７０とを含んで構成される。

コンダクタ１５２は、歯１１２の間に挿入される部分が直線状に積層され（直線部）、直線状に積層された部分からスピンドル１３０の外周面を囲む円弧状に延長形成される（曲線部）。多層に積層されたコンダクタ１５２の一側の直線部１５４がロータ１００の長手方向に沿って歯１１２の間に挿入され、曲線部１５６がスピンドルの外周面に配置された状態で他側の直線部１５４が反対側の歯１１２の間に挿入される略「逆コ」状の配置を、１つのコイルターン１５０と呼ぶ。このようなコイルターン１５０がロータ１００上に複数個配置され、各歯１１２の間にそれぞれ挿入される。直線部１５４をなすコンダクタ１５２の板面には、スリット（ｓｌｉｔ）形状を有する複数のダクト１５０ａが長手方向に沿って貫通形成される。

曲線部１５６には、板面に冷却流体が流れ得る冷却流路１５８が形成される。冷却流路１５８は、直線部１５４のダクト１５０ａに連結され、冷却流体がダクト１５０ａ側に排出できるようにする。

図３に示されているように、冷却流路１５８は、蛇行して形成され、円弧状の複数のスロット１５８ａと、各スロット１５８ａの間を連結する連結部１５８ｂとから構成される。連結部１５８ｂは、直線形態であり、複数のスロット１５８ａの間に形成される。尚、蛇行して形成される冷却流路は、冷却流路の一端（入口）と他端（出口）を最短で結ぶ線よりも長くなるような流路であってよく、一例として、波状の形状を有してよい。あるいは、蛇行して形成される冷却流路は、直線状の流路を複数個つないだ形状、曲線状の流路を複数個つないだ形状、あるいはこれらを組み合わせた形状を有してもよい。

前述した冷却流路は、コイルターンが単層構造（１ｔｕｒｎ−１ｌａｙｅｒ）であるか、多層構造（１ｔｕｒｎ−２ｌａｙｅｒ）であるかによって、その配置がやや異なり得る。

図４は、図２によるコイルターンのうち、単層構造のコイルターンによる冷却流路を示す断面図であり、図５は、図２によるコイルターンのうち、多層構造のコイルターンによる冷却流路を示す断面図であり、図６は、図４および図５による冷却流路の主要部分を示す拡大断面図である。

図４に示されているように、単層構造のコイルターン１５０では、ターンインシュレータ１７０がそれぞれのコンダクタ１５２の間に挿入され、１つのターンインシュレータ１７０を挟んで互いに対向する２つのコンダクタ１５２に形成された冷却流路１５８が互いに対向する形態となる。

冷却流路１５８を通して冷却流体が円滑に流れるには、円弧状のスロット１５８ａが対向する他の冷却流路１５８の連結部１５８ｂに対向するように、互いに交互に配置されることが好ましい。また、冷却流体の流れを妨げないように、ターンインシュレータ１７０上にも、冷却流路１５８の形状に沿って冷却流体が流れるように貫通ホール１７２が板面に貫通形成されることが好ましい。すなわち、ターンインシュレータ１７０は、連結部１５８ｂには接触して対向するコンダクタ１５２の間を絶縁するが、スロット１５８ａとは連通するように貫通ホール１７２が設けられることが好ましい。

一方、図５に示されているように、多層構造のコイルターン１５０'は、２つの互いに対向するコンダクタ１５２'がトップレイヤ（ｔｏｐ ｌａｙｅｒ）およびボトムレイヤ（ｂｏｔｔｏｍ ｌａｙｅｒ）を構成し、トップレイヤとボトムレイヤとの間にターンインシュレータが挿入されないことが特徴である。

このような多層構造のコイルターン１５０'の場合にも、互いに対向する２つのコンダクタ１５２'に形成された冷却流路１５８'が互いに対向する形態となるように形成されることが好ましい。すなわち、１つのコンダクタ１５２'に形成されたスロット１５８ａは、対向するコンダクタ１５２'に形成された連結部１５８ｂに対向するように互いに交互に配置される。

図６に示されているように、冷却流路１５８のスロット１５８ａと隣接するスロット１５８ａとの中心間距離であるスロットピッチＷは、すべてのスロット１５８ａにおいて同一に設計されてよく、スロットピッチが狭いものと広いものとが交互に配置される形態であってもよい。

また、スロット１５８ａの円弧を円周とする仮想の円を基準とする時、その円の直径Ｄ１の半分であるＤ２は、連結部１５８ｂの高さＡより小さいことが好ましい。その理由は、スロット１５８ａの半径Ｄ２が連結部１５８ｂの高さＡより大きい場合、スロット１５８ａとコンダクタ１５２の板面との厚さが小さすぎて、コンダクタ１５２の剛性に影響を及ぼし得るからである。したがって、スロット１５８ａの半径は、連結部１５８ｂの高さＡより小さく形成されることが好ましい。

前述のように、冷却流路１５８が波状に備えられることにより、コンダクタ１５２と冷却流体とが接触する接触面積が大きくなるため、従来の直線型冷却流路に比べて、コンダクタ１５２の熱を冷却流体により速く伝達できる。したがって、コンダクタの冷却効率が向上する効果がある。

冷却流体が冷却流路１５８に沿って流動する時、冷却流体の流動に対する抵抗を最小化するために、冷却流路１５８の形態を次のように変形してもよい。

図７は、本発明に係る冷却流路の他の実施形態を示す断面図である。

図７に示されているように、本発明の他の実施形態に係る冷却流路１５８''は、スロット１５８ａと連結部１５８ｂとの連結部位が流線形に形成されてもよい。このような形態の冷却流路１５８''によれば、冷却流体の流動時、冷却流体がスロット１５８ａから連結部１５８ｂへ移る時に発生する流動抵抗を最小化することができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係るロータアセンブリは、コイルターン内に形成された冷却流路の構造を波状の形態に変更することにより、冷却流体がコイルターン内に接触する接触面積を増加させ、冷却効率を向上させる効果がある。

以下、コイルターンによるターンインシュレータの冷却構造について説明する。

図８は、ロータの任意のダクト内の熱伝逹状態を示す図であり、図９は、図８によるコイルターンの積層構造を示す部分斜視図である。

前述した直線部１５４をなすコンダクタ１５２の板面には、スリット（ｓｌｉｔ）形状を有する複数のダクト１５４ａが長手方向に沿って貫通形成される。

ターンインシュレータ１７０は、多層構造のコンダクタ１５２の間にそれぞれ挿入され、コンダクタ１５２のダクト１５４ａに対応する位置に、スリット形状の貫通ホール１７２が複数個、貫通形成される。ターンインシュレータ１７０は、電気の通らない材質で作られ、貫通ホール１７２およびダクト１５４ａを通して冷却流体がコイルターン１５０を冷却し、ロータ１００の外部に排出される。

任意のコイルターン１５０の直線部１５４に沿って流動する流体の温度分布をみると、コンダクタ１５２に形成されたダクト１５４ａの配列に従って、ロータボディ１１０の１番目のダクトからロータセンターの最後のダクトまで流量が分配される（図８参照）。１つの直線部１５４内で流れる冷却流体は、流入端側のＡ領域に比べて、Ｂ領域の温度が相対的に高くなる。このように冷却流体による熱伝逹に不均衡が生じると、コイルターン１５０およびロータボディ１１０の冷却効率が低下する問題がある。

したがって、このような問題を解決するために、本発明では、ターンインシュレータ１７０の貫通ホール１７２の配列を異ならせることで熱伝逹の不均衡を解消し、冷却効率を向上できる方法を提供する。

図９に示されているように、ターンインシュレータ１７０に形成された貫通ホール１７２は、１つのダクト１５４ａに対応する位置に２つが対応する形態を有してよい。すなわち、１つのダクト１５４ａの長さの１／２である２つの貫通ホール１７２が１つのダクト１５４ａに対応する位置に配置される。この時、冷却流体の流動方向は、図示された矢印方向である。このように１つのダクト１５４ａに対応する貫通ホール１７２を複数個構成することにより、冷却流体による熱伝達が一方に偏らないようにする効果がある。

ターンインシュレータの貫通ホールは、次のように様々な形態にも変形設計できる。

図１０は、図８のコイルターンによるターンインシュレータの他の実施形態を示す平面図である。図１０に示されているように、ターンインシュレータ１７０'の貫通ホール１７２'は、１つのダクト１５４ａに対応する位置に、互いに長さの異なる２つの貫通ホール１７２'が対応する形態を有してもよい。すなわち、２つの長さの比率が１：２の形態の貫通ホール１７２'が設けられることにより、冷却流体がサブスロットに流入する流入方向側の大きさがより大きく形成できる。この時、冷却流体の流動方向は、図示された矢印方向である。

図１１は、図８のコイルターンによるターンインシュレータのさらに他の実施形態を示す平面図である。図１１に示されているように、ターンインシュレータ１７０''の貫通ホール１７２''は、１つのダクト１５４ａに対応する位置に３つが対応する形態を有してもよい。すなわち、１つのダクト１５４ａの長さの１／３である３つの貫通ホール１７２''が１つのダクト１５４ａに対応する位置に配置されてもよい。この時、冷却流体の流動方向は、図示された矢印方向である。

前述のように、ターンインシュレータの貫通ホールの形状を変更することは、それぞれの貫通ホールの面積を制御することにより、貫通ホールを通過する冷却流体の流量を設計する方法である。コイルターンの構造や冷却流路を大きく変更しなくても、冷却流体による熱伝逹の不均衡を解消し、コイルターンおよびロータボディの冷却効率を向上させることができる。

上記で説明され図面に示された本発明の一実施形態は、本発明の技術的思想を限定すると解釈されてはならない。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項によってのみ制限され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的思想を多様な形態に改良および変更することが可能である。したがって、このような改良および変更が通常の知識を有する者に自明である限り、本発明の権利範囲に属する。

１０・・・ロータアセンブリ、１００・・・ロータ、１１０・・・ロータボディ、１１２・・・歯、１３０・・・スピンドル、１５０・・・コイルターン、１５０ａ・・・ダクト、１５２・・・コンダクタ、１５４・・・直線部、１５４ａ・・・ダクト、１５６・・・曲線部、１５８・・・冷却流路、１５８ａ・・・スロット、連結部・・・１５８ｂ、１７０・・・ターンインシュレータ、１７２・・・貫通ホール、１９０・・・ハウジング

Claims (17)

1. 複数のコンダクタが多段に積層され、ロータボディの歯の間に挿入され、長手方向に沿って冷却流体が流入可能な複数のダクトが板面に積層方向に並んで貫通形成された直線部と、前記直線部から延びてスピンドルの外周面に円弧状に配置される曲線部とを有する複数のコイルターンと、
   前記複数のコンダクタの間にそれぞれ挿入され、前記コンダクタの間を絶縁するターンインシュレータと
   を備え、
   前記曲線部は、前記複数のダクトに連通し、前記冷却流体を前記ダクトに案内すべく蛇行する複数の冷却流路を含み、前記複数の冷却流路のそれぞれが、前記ターンインシュレータを挟んで対向する２つの前記コンダクタにより、積層方向に形成される、ロータアセンブリ。
2. 前記冷却流路は、円弧状の複数のスロットと、前記複数のスロットの間をそれぞれ連結する連結部とを有し、前記連結部は、角が流線形である、請求項１に記載のロータアセンブリ。
3. 前記複数のスロットの半径（Ｄ２）より、前記連結部の高さ（Ａ）が大きい、請求項２に記載のロータアセンブリ。
4. 前記冷却流路は、同一半径を有する前記複数のスロットが前記連結部を挟んで繰り返し形成されるか、または、前記冷却流路は、互いに異なる半径を有するスロットが前記連結部を挟んで交互に配置される、請求項２または３に記載のロータアセンブリ。
5. 前記冷却流路は、前記ターンインシュレータを挟んで互いに対向する２つの前記コンダクタにそれぞれに、互いに対向するように形成される、請求項２に記載のロータアセンブリ。
6. 前記ターンインシュレータは、前記板面に貫通形成され、前記複数のスロットと連通する複数の貫通ホールを有し、前記ターンインシュレータは、前記連結部に対応する部分が塞がれている、請求項５に記載のロータアセンブリ。
7. トップレイヤおよびボトムレイヤをなし、互いに対向する一対のコンダクタが多段に積層され、ロータボディの歯の間に挿入され、長手方向に沿って冷却流体が流入可能な複数のダクトが積層方向に並んで貫通形成された直線部と、前記直線部から延びてスピンドルの外周面に円弧状に配置される曲線部とを有するコイルターン
   を備え、
   前記曲線部は、前記複数のダクトに連通し、前記冷却流体を前記複数のダクトに案内すべく互いに対向する前記一対のコンダクタにより形成された蛇行する冷却流路を複数有する、ロータアセンブリ。
8. 前記冷却流路は、前記トップレイヤおよびボトムレイヤにそれぞれ互いに対向するように形成され、前記冷却流路は、円弧状の複数のスロットと、前記複数のスロットの間をそれぞれ連結する連結部とを有し、
   前記連結部は、角が流線形である、請求項７に記載のロータアセンブリ。
9. 前記複数のスロットの半径（Ｄ２）より、前記連結部の高さ（Ａ）が大きい、請求項８に記載のロータアセンブリ。
10. 前記冷却流路は、同一半径を有する前記複数のスロットが前記連結部を挟んで繰り返し形成されるか、または互いに異なる半径を有するスロットが前記連結部を挟んで交互に配置される、請求項８に記載のロータアセンブリ。
11. 多層に積層され、長手方向に沿って複数のダクトが貫通形成されたコンダクタと、多層に積層される前記コンダクタの間にそれぞれ挿入され、前記コンダクタ間の絶縁の役割を果たすターンインシュレータとを有するコイルターンと、
    ロータボディの外周面から半径方向の外側に延び、前記コイルターンが挿入されて支持され、前記コイルターンの下部には冷却流体の流入するサブスロットが形成された歯と
    を備え、
    前記ターンインシュレータには、前記複数のダクトに対応する位置に、前記複数のダクトより短い長さの貫通ホールが複数個貫通形成される、ロータアセンブリ。
12. 前記貫通ホールは、前記ダクトの１／２の大きさであるスリット２つが１つの前記ダクトの位置に対応して配置されるか、または前記貫通ホールは、前記ダクトの１／３の大きさであるスリット３つが１つの前記ダクトの位置に対応して配置される、請求項１１に記載のロータアセンブリ。
13. 前記貫通ホールは、長さが１：２の２つのスリットが１つの前記ダクトの位置に対応して配置され、大きさの大きいスリットが前記冷却流体の流動する方向側に配置される、請求項１１に記載のロータアセンブリ。
14. 前記貫通ホールは、前記冷却流体が前記サブスロットに流動する方向側が大きく形成される、請求項１１に記載のロータアセンブリ。
15. 多層に積層され、長手方向に沿って複数のダクトが貫通形成されたコンダクタと、多層に積層された前記コンダクタの間にそれぞれ挿入され、前記コンダクタ間の絶縁の役割を果たすターンインシュレータとを有するコイルターンと、
    ロータボディの外周面から半径方向の外側に延び、前記コイルターンが挿入されて支持され、前記コイルターンの下部には冷却流体の流入するサブスロットが形成された歯と、
    を備え、
    前記ターンインシュレータには、前記複数のダクトに対応する位置に、前記冷却流体が前記サブスロットに流動する方向側が大きくなるように形成された複数の貫通ホールが貫通形成される、ロータアセンブリ。
16. 前記複数の貫通ホールは、長さが１：２の２つのスリットが１つの前記ダクトの位置に対応して配置される、請求項１５に記載のロータアセンブリ。
17. 前記複数の貫通ホールは、大きさの大きいスリットが前記冷却流体の流動する方向側に配置される、請求項１５に記載のロータアセンブリ。