KR100207171B1 - 다이나모일렉트릭 머신 - Google Patents

Abstract

한 단부에서 유체를 수용하고 다른 단부에서 유체를 방출하도록 적용된 중공층을 가지는 다이나모일렉트릭 머신이 제공된다. 중공축은 그 위에 설치된 적층부를 가진다. 중공디스크는 적층부의 축방향 단부에 인접 접촉 배치된다. 중공디스크는 중공 디스크를 두 내부 부분으로 분할하며 유체를 중공 디스크와 같은 각속도에서 회전시키도록 하기 위한 원형 배플을 구비한다. 두 내부 부분은 원형 배플 주위에 서로 유체 연통된다. 중공축은 유체를 제공하기 위한 한 부분과 그리고 유체를 제거하기 위한 다른 부분과 유체 연통된다.

고정자는 적층판을 둘러싸며 이로부터 이격된다.

Description

다이나모일렉트릭 머신

제1도는 스위치된 자기 저항 전동기의 일부의 부분 절개 측면도.

제2도는 제1도의 2-2선을 따른 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 회전자 5 : 고정자

7 : 중공축 13 : 적층판

15, 17 : 중공 디스크 21, 23 : 배플

25 : 베인 27 : 삽입체

31 : 봉 33, 35, 37, 39 : 구멍

본 발명은 다이나모일렉트릭 머신의 액체 냉각에 관한 것으로, 특히 다이나모일렉트릭 머신에 있는 회전자 냉각에 관한 것이다.

고속, 고동력의 스위치되는 자기 저항 모터는 발생하는 전체 전자기 손실의 상당한 부분을 회전자 적층판이 차지하게 된다. 통상, 이러한 손실의 제거는 회전자 적층판이 설치되는 축을 통하여 안내되어지는 액체 냉각제를 통하여 행해진다.

유체가 적층판과 용이하게 직접 접촉되지 않기 때문에, 열은 적층판을 통하여 축으로, 그런후에 유체로 전달되어야만 한다. 효과적인 열 전달은 넓은 전달 면적과 높은 유체 속도를 필요로 하며, 면적과 속도의 조합은 축의 범위내에서 성취하기가 어렵다. 현재로는 베어링으로의 상당한 열 입력 및 적층판 조립체의 과잉 가열이 따르고 베어링 및 적층판 조립체 온도 제한 때문에 기계의 전체 동력 전환 능력을 제한한다.

고동력 모터는 수냉식 고정자 또는 회전자에 끼워진 열파이프를 사용하여 냉각되었다. 대용량 발전기는 중공 회전자바(bar)를 통과하는 다수의 냉각수 회로로 냉각된다. 회전자 열파이프의 경우에, 강제 공기 흐름을 사용하는 것에 의한 열 파이프 응축부로부터 열의 제거는 여전히 주요한 열 저항을 일으킨다.

대용량 회전자에서의 물의 순환은 회전자 냉각에 매우 효과적이지만, 소용량의 전동기에서의 회전자 수행에 과잉으로 간섭하거나, 전동기 수행에 간섭하지 않을 정도로 충분히 소형으로 제조될 때에는 비용이 많이 들고 확실하지 않다.

본 발명의 목적은 냉각된 회전자에 있는 액체에 대해 보다 효과적인 열 전달을 가지는 다이나모일렉트릭 머신을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 빠른 냉각제 유속을 이용하여 작은 냉각제 통로(미세 통로)에 대한 필요성 없이 액체 냉각된 회전자에서 열 전달 표면 전체에 걸쳐 증가된 열 전달 계수를 가지는 다이나모일렉트릭 머신을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다이나모일렉트릭 머신에 대한 상대적으로 제한된 공간에서의 회전자에 있는 유체를 냉각하도록 개선된 열 전달을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조 및 확실하게 작동하기 어려운 높은 냉각제 유속 및 복잡한 냉각제 통로를 필요로 하지 않는 다이나모일렉트릭 머신을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 양태에 있어서, 한쪽 단부에서 유체를 수용하여 다른 쪽 단부에서 유체를 배출하는데 적합한 중공축을 가지는 다이나모일렉트릭 머신이 제공된다. 중공축은 그 위에 설치된 적층판을 가진다. 중공 디스크는 적층판의 축방향 단부에 인접하여 접촉 배치된다. 중공 디스크는 중공축과 유체 소통된다. 중공 디스크는 축이 회전될 때 중공 디스크내의 액체에 원심 가속력을 부과하기 위한 수단을 포함한다. 고정자는 적층판을 둘러싸며 이로부터 이격된다.

본 발명의 다른 양태에서, 한 단부에서 유체를 수용하여 다른 단부에서 유체를 배출하는데 적합한 중공축을 가지는 다이나모일렉트릭 머신이 제공된다. 중공축은 그 위에 설치된 적층판을 가진다. 중공 디스크는 적층판의 축방향 단부에 인접하여 접촉 배치된다. 축보다 높은 열 전도성을 가지는 재료로 제조된 관형 삽입체는 중공축 내측에서 이와 접촉하도록 배치된다.

도면을 언급함에 있어서 동일부호는 전체를 통하여 동일 부품을 지시하며, 회전자(3) 및 고정자(5)를 가지는 자기저항 전동기(1)가 제1도에 도시되었다. 회전자는 베어링(11)에 회전가능하게 설치된 중공축(7)을 가진다. 축은 경한(hardenable) 공구강으로 제조될 수 있다. 제1도 및 제2도에서 중공축(7)은 적층판(13)의 적층을 지시한다. 축에 부착한 중공 회전 디스크(15, 17)는 양쪽 축양 단부에 위치되어 축과 접촉된다. 디스크는 와류 가열을 피하기 위해 적층판의 외경보다 직경이 다소 작다. 디스크(15, 17)가 거의 적층부만큼 큰 직경을 가진다면, 디스크는 바람직하게 300시리이즈 스테인레스강과 같은 비자성 재료로 제조된다.

디스크가 적층부의 가장 작은 직경과 같은 작은 직경을 가진다면, 비자성 재료에 제한되지 않는다. 중공 회전 디스크(15, 17)의 각각은 디스크와 함께 회전하는 원형 배플(21, 23)에 의해 두 개의 부분으로 분할된다. 배플들은 각각 디스크가 회전될 때 양 부분에 있는 액체에 대해 접선력을 부여하기 위해 양면 상에 다수의 베인(25, vane)들을 가진다. 비등으로 인해 품질이 저하될 수 있는 연료가 사용되지 않을 때와 같이 반냉각 비등이 필요한 상황에서, 배플 주변으로 연장하지 않는 부분 방사상의 베인은 비등에 필요한 입력 조건을 보장하도록 사용될 수 있다. 반냉각 비등은 중공 디스크의 벽으로부터 액체로의 열전달 계수를 향상시킨다. 반냉각 비등을 성취하기 위한 베인 구성은 참조에 의해 본 명세서에 합체되는, X-선 표적 냉각의 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 특허출원 제 07/342,149호에 기술되어 있다. 배플은 배플 주변에서 중공 디스크내의 두 부분사이의 유체 소통을 허용하기 위하여 중공 회전 디스크의 내부 보다 작은 직경을 가진다. 각 중공 회전 디스크의 한 부분은 냉각 액체를 수용하기 위하여 중공축과 유체 소통하며, 중공 디스크중의 다른 부분은 축으로 액체를 복귀 배출하기 위하여 중공축과 유체 소통한다. 모터가 연료 또는 물 또는 오일같은 다른 냉각 액체를 펌프하도록 사용되는 적용에서, 항공기 연료일 수 있는 냉각 액체는 축의 한쪽 단부에서 공급되어 다른 쪽 단부에서 제거된다.

회전자로부터 열 제거를 개선하기 위하여, 회전자는 중공축(7), 적층판(13) 및 중공 회전 디스크(15, 17), 그리고 구리 또는 알루미늄 튜브중에서 높은 열전도성 때문에 구리와 같은 높은 열전도성 재료로 만들어지며 적층판이 위치되는 중공축 주위의 부분과 양호한 열전달 관계로 중공축(7) 내부에 삽입될 수 있는 삽입체(27)를 포함한다. 높은 열 전도성의 삽입체는 축과 삽입체 사이의 양호한 열전달을 보장하도록 열 수축에 의해 적소에 놓여질 수 있다. 삽입체는 세 가지 목적을 위해 제공된다. 첫째, 삽입체는 유속을 증가시키기 위하여 중공축의 내경을 감소시킨다. 이는, 흐름이 난류일 때 열 전달 계수가 표면적의 효과가 감소하는 것보다 빠르게 증가되어 중공 디스크의 사용 여부에 관계없이 보다 큰 열전도가 따르기 때문에 회전자 냉각을 향상시킨다. 둘째, 삽입체는 축내의 유체로의 열 전도를 추가로 증가시키는 핀(fin)효과를 제공한다. 셋째, 삽입체(27)는 적층판(13)과 냉각 유체로의 열 전달을 향상시킨다. 예를 들어 구리의 열전도성은 경한 공구강보다 훨씬 크다.

구리 또는 알루미늄 같은 높은 열 전도성 재료로 만들어진 축방향 연장 봉(31)을 적층판에 삽입함으로서, 추가적인 열 제거가 성취될 수 있다. 봉이 적층과 표면 바로 아래에 삽입되면 모터 작동에 대한 간섭이 최소화된다. 봉은 양쪽 단부에서 냉각 디스크와 양호한 열 접촉을 하여, 축방으로의 열 흐름을 돕는다.

중공 디스크(17)를 축에 황동용접함으로서 중공 디스크중의 하나(17)가 축의 일부를 형성하는데 사용된다. 중공 디스크(15, 17)는 다음의 두 개의 부분으로 형성된다. 컵형 부분(15a, 17a)은 축방향 연장 림을 구비한 원형판을 가지며, 원형 커버 판(15b, 17b)은 황동 용접에 의해 림에 대해 밀봉한다. 베인(25)을 구비한 배플(23)은 두 디스크 부분(17a, 17b) 사이에 배치되며, 축방향 흐름이 축으로부터 중공 디스크를 통하여 전환되는 것을 돕는다. 배플(23)에 있는 작은 중앙 구멍(33)은 유입된 가스가 축방향으로 계속 흐르는 것을 허용한다. 중공축(7)과 적층판(13)사이의 양호한 열 전달을 달성하기 위하여, 적층판은 억지 끼움될 때 구리봉(31)과 함께 축에 대해 적소에서 수축 결합된다. 구리봉(31)은 중공 디스크에 있는 카운터 보오링된 구멍과 정렬되고, 구멍에서는 열 전도성 에폭시가 사용된다. 열 전도성 에폭시는 산화 처리된 적층판(13)들 사이에서도 사용된다. 두 재료의 열 팽창 차이를 허용하기 위해 봉의 단부와 카운터 보오링된 구멍의 하부 사이에 공간이 남게 된다. 적층판이 적소에서 가압된 후, 다른 중공 디스크(15)는 중공축(7)에 있는 축방향으로 분리된 두 그룹의 원주방향 배열 구멍(35, 37)위에 적소에서 억지 끼움되거나 황동 용접될 수 있다. 원형 배플(21)은 축 주위에 끼워지는 중앙 구멍을 가진다. 한쪽 그룹의 구멍은 중공축의 한쪽 부분과 유체 소통하며, 다른쪽 그룹의 구멍은 축의 다른쪽 부분과 유체 소통한다. 원형 플러그(41)는 축방향 흐름을 방지하고 중공 디스크를 통하여 흐름을 전환하기 위해 축방향으로 이격된 구멍(35, 37) 사이에서 중공축에 배치된다. 원형 플러그는 흐름에 실려진 가스를 축방향으로 계속 흐르게 하여 중공 디스크에서 회전하는 유체에 의해 막히지 않게 하는 작은 구멍(39)을 가진다.

작업시, 냉각 유체는 중공 회전축(7)의 한쪽 단부안으로 도입된다. 유체는 베인(25)에 의해 원심 가속력을 받게 되는 중공 디스크의 한쪽 부분으로 전환되어, 디스크(15)의 주위로 방사상 외향으로 흐른 후에, 배플의 다른 면(디스크의 다른쪽 부분)에서 축을 향하여 방사상 내향으로 흐른다.

자유 대류 열 전달은 가속력 증가와 함께 증가된다. 유체는 중공축으로 복귀하여 축을 따라서 흐르고 다른 중공 디스크(17)안으로 도입되어 외향으로 재차 가속력을 받게 되고 축으로 복귀된다. 높은 열 전도성 삽입체(27)가 사용되면 적층판으로부터 냉각 유체까지의 열 전달은 향상되며 유체 속도가 축에서 증가된다. 삽입체로 인하여 증가된 속도는 표면적 감소와 삽입체에 의한 압력 강하 증가에 대하여 평형화되는 것이 필요하다. 흐름이 난류일 때, 축에 있는 유체에 대한 열 전달의 순수 이득이 발생한다. 축방향으로 연장한 봉(31)이 사용되면, 중공 디스크(15, 17)에 대한 축방향 열전도가 향상된다. 회전자에서 발생된 상당한 양의 열은 봉의 부근에 있는 적층판의 외부 가까이에서 발생된다. 봉은 적층판보다 낮은 열 저항 경로를 중공 디스크에 대해 제공한다. 적층판과 비교하여 보다 큰 열팽창 계수의 구리 또는 알루미늄 봉 때문에, 작업시에 봉은 적층판 보다 더 팽창되어, 중공 디스크를 향해 가압하여 열전달을 향상시킨다.

베어링 가열의 효과와 고정자로부터의 열이 무시되고 160℃의 주위 온도를 취하면, 분당 9.46리터(2.5갈론)의 액체에 의해 그리고 1.91cm(0.75인치)의 내경을 가지는 중공축에 의해 냉각되며 약 8.13cm(3.2인치)의 외경의 적층부를 가지는 90kw, 25,000rpm으로 정격된 스위치 자기 저항 전동기의 회전자를 적층판의 외부 단부에 중공 디스크가 부가되는 동일 회전자와 비교하였을 때, 중공 디스크가 부가되는 회전자의 열분석은 중공 디스크를 갖지 않는 회전자의 온도 상승의 단지 67%로 계산된 온도 상승이 따르게 된다. 이때, 중공 디스크는 배플과 각 디스크의 내벽 사이에 0.16cm(0.0625인치)의 틈새를 가진다. 0.82cm(0.32인치) 내경의 구리 삽입체가 중공축에 배치되고 중공 디스크가 사용되지 않을 때의 계산 결과는 중공축 냉각만을 사용하였을 때 발생하는 온도 상승의 72%정도의 온도 상승이다. 구리 삽입체와 두 개의 중공 디스크가 함께 사용될 때의 계산 결과는 냉각을 위하여 중공축만이 사용되는 것의 50%의 온도 상승이다.

스위치되는 자기 저항 머신이 도시되었지만 예를 들어 유도 머신의 회전자와 브러리시스(brushless)동기 머신의 개선된 냉각이 본 발명으로 달성된다.

상술한 것은 다이나모일렉트릭 머신의 개선된 출력 밀도를 위하여 제한된 공간에서 냉각 유체에 대한 보다 효과적인 열 전달을 제공하는 액체 냉각 회전자를 사용하는 다이나모일렉트릭 머신을 설명하였다.

본 발명의 실시예를 도시 및 설명하였지만 본 발명의 정신 및 범주로부터 이탈함이 없이 다양한 형태의 변화 및 상세함이 취해질 수 있다는 것을 통상의 지식을 가진자에 의해 이해될 수 있을 것이다.

Claims (14)

1. 머신에 회전 가능하게 설치되며, 한쪽 단부에서 유체를 수용하여 다른 쪽 단부에서 유체를 배출하는 중공축과; 상기 중공축상에 설치되는 적층판과; 상기 적층판으로부터 떨어져서 상기 적층판을 에워싸는 고정자를 포함하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신에 있어서, 상기 중공축에 설치되며, 측벽들 및 상기 중공축과 유체 소통하는 내부 챔버를 가지며, 한쪽 측벽이 상기 적층판의 축방향 단부와 접촉하도록 상기 축방향 단부에 인접하여 배치되고, 상기 중공 축이 회전할 때 내부의 유체에 원심 가속력을 부과하는 수단을 포함하는 중공 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
2. 제1항에 있어서, 상기 중공축 내측에 위치되어 상기 중공축과 접촉 배치되며, 상기 중공축보다 높은 열 전도성 재료로 제조되고, 유체의 통과를 허용하도록 양쪽 단부가 개방된 관형 삽입체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
3. 제2항에 있어서, 상기 삽입체 재료는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 높은 열전도성 재료의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
4. 제2항에 있어서, 상기 삽입체는 상기 중공축 내측에 수축 결합되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
5. 제1항에 있어서, 상기 적층판을 통하여 축방향으로 연장하며 상기 중공 디스크와 접촉하는 다수의 열전도성 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 열전도성 부재는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
7. 제1항에 있어서, 상기 중공축에 설치되며, 측벽들 및 상기 중공축과 유체 소통하는 내부 챔버를 가지며, 한쪽 측벽이 상기 적층판의 다른쪽 축방향 단부와 접촉하도록 상기 다른쪽 축방향 단부에 인접하여 배치되고, 상기 중공축이 회전할 때 내부의 유체에 원심 가속력을 부과하는 수단을 포함하는 제2중공 디스크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
8. 머신에 회전 가능하게 설치되며, 한쪽 단부에서 유체를 수용하여 다른쪽 단부에서 유체를 배출하는 중공축과; 상기 중공축상에 설치되는 적층판과; 상기 적층판으로부터 떨어져서 상기 적층판을 에워싸는 고정자를 포함하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신에 있어서, 상기 중공축에 설치되며, 측벽들 및 내부 챔버를 가지며, 한 측벽이 상기 적층판의 축방향 단부에 접촉되도록 상기 축방향 단부에 인접하여 배치되며, 배플의 주변에서 서로 유체 소통하는 2개의 내부 부분으로 상기 내부 챔버를 분할하고 상기 유체에 접선속도를 부과하는 베인을 가지는 상기 배플을 포함하는 중공 디스크를 포함하며; 상기 중공축은 유체를 제공하기 위하여 상기 내부 부분의 한쪽과 유체 소통하고, 유체를 제거하기 위하여 상기 내부 부분의 다른 쪽과 유체 소통하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
9. 제8항에 있어서, 상기 중공축 내측에 위치되어 상기 중공축과 접촉 배치되며, 상기 중공 축보다 높은 열 전도성 재료로 제조되며, 유체의 통과를 허용하도록 양쪽 단부가 개방된 관형 삽입체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
10. 제9항에 있어서, 상기 삽입체 재료는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 높은 열전도성 재료의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
11. 제9항에 있어서, 상기 삽입체는 상기 중공축 내측에 수축 결합되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
12. 제8항에 있어서, 상기 적층판을 통하여 축방향으로 연장하며 상기 중공 디스크와 접촉하는 다수의 열전도성 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
13. 제12항에 있어서, 상기 다수의 열전도성 부재는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.
14. 제9항에 있어서, 상기 중공축에 설치되며, 측벽들 및 내부 챔버를 가지며, 한 측벽이 상기 적층판의 다른 쪽 축 방향 단부에 접촉되도록 상기 다른쪽 축방향 단부에 인접하여 배치되며, 배플의 주변에서 서로 유체 소통하는 2개의 내부 부분으로 상기 내부 챔버를 분할하고 상기 유체에 접선 속도를 부과하는 베인을 가지는 상기 배플을 포함하는 제2중공 디스크를 추가로 포함하며; 상기 중공축은 유체를 제공하기 위하여 상기 내부 부분의 한쪽과 유체 소통하며, 유체를 제거하기 위하여 상기 내부 부분의 다른 쪽과 유체 소통하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각식 다이나모일렉트릭 머신.