KR100275227B1 - 다이나모일렉트릭 머신용 고정자 프레임 제작방법 - Google Patents

다이나모일렉트릭 머신용 고정자 프레임 제작방법 Download PDF

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KR100275227B1
KR100275227B1 KR1019930001780A KR930001780A KR100275227B1 KR 100275227 B1 KR100275227 B1 KR 100275227B1 KR 1019930001780 A KR1019930001780 A KR 1019930001780A KR 930001780 A KR930001780 A KR 930001780A KR 100275227 B1 KR100275227 B1 KR 100275227B1
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코치민 지미
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제이 엘. 차스킨
제너럴 일렉트릭 컴퍼니
버나드 스나이더
아더 엠. 킹
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Abstract

본 발명은 일체형인 단일 조각 기화성 모형을 이용하는 로스트 포옴공법에 의해 제작된 고정자 하우징이나 프레임을 구비한 다이나모일렉트릭 머신에 관한 것이다.
고정자 하우징 주철이나 알루미늄 같은 용융 금속으로 부터 제작될 수 있고, 일체형으로 외부로 연장한 종방향 냉각핀들과 설치용 기부 패드들 및 도관 박스 지지 패드들을 갖는 환형벽을 구비한다. 로스트 포옴공법은 냉각핀들로 하여금 종래의 사형주물공법에 의하여 얻어진 것보다 하우징 지름에 대한 냉각핀 높이의 더 큰 실효비와 하우징 환형벽 두께에 대한 냉각핀 높이의 더 큰 실효비를 가질 수 있게 한다. 더 큰 높이의 핀들은 유사한 크기의 종래 고정자 하우징이나 프레임들 보다 반경방향으로 더 얇게 제작될 수 있는 환형벽을 위해 더 증가된 강도와 강성을 제공한다. 재료 및 노동력의 절감은 고정자 하우징에 의해 인식된다.

Description

다이나모일렉트릭 머신용 고정자 프레임 제작방법
제1도는 본 발명에 따라 다이나모일렉트릭 머신용으로 제작된 고정자 하우징의 사시도.
제2도는 제1도의 반대쪽에서 본 제1도의 고정자 하우징의 사시도.
제3도는 제1도와 제2도에 도시된 고정자 하우징을 제작하기 위한 로스트 포옴 주물 공법에서 사용되는 기화성 모형의 사시도.
제4도는 명료성을 위해 절단된 부분들을 갖는 제1도의 고정자 하우징의 측면도.
제5도는 제4도의 5-5선을 따라 절취한 부분 단부정면도 및 부분 횡단면도.
제6도는 고정자 하우징 공동내부에 설치된 회전자와 고정자 철심의 일부들을 구비하면서 제4도의 6-6선을 따라 절취한 부분 횡단면도.
제7도는 제4도의 7-7선을 따라 절취된 설치용 기부 패드의 저면도.
제8도는 완성된 모터의 다른 부분을 가지고, 단부 프레임과 회전자 샤프트(shaft)를 포함하면서 파단선으로 도시된 본 발명에 따른 고정자 하우징을 사용한 다이나모일렉트릭 머신의 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 다이나모일렉트릭 머신 14 : 벽
16 : 보어 18 : 고정자 조립체
20 : 중심축 24 : 냉각핀
34a,34b : 플랜지 40a,40b,42a,42b : 기부 패드
46 : 망 48a-48d : 보강리브
본 발명은, 일반적으로 다이나모일렉트릭 머신(dynamoelectric machine)용 고정자 하우징(housing) 이나 프레임(frame)에 관한 것으로, 특히 새롭고 향상된 고정자 프레임 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.
종래에는 전기 모터(motor)나 발전기와 같은 다이나모일렉트릭 머신들의 많은 형태들이 고정자 하우징이나 프레임 내부에서 고정자 철심을 지지하도록 제작되었다. 고정자 하우징이나 프레임은 고정자 철심을 수용하기 위한 공동을 형성하며, 미리 정해진 방향에서 적당한 지지대나 공작기계와 같은 장치위에 쉽게 장착될 수 있는 외부 지지 기부(foot)나 패드(pad)를 구비할 수 있다. 고정차 철심의 보어(bore) 내부에 이와 동축으로 회전자(rotor)를 회전가능하게 지지하기에 적합한 베어링(bearing)과 지지구조물이 제공된다. 모터와 발전기에 있어서, 작동중에 핀주위나 또는 핀에 걸쳐서 공기를 통과시켜 냉각을 향상시키는 고정자 하우징 및 프레임의 외부표면위에 통상의 종방향 핀(fin)을 제공하는 것이 일반적이다.
일반적으로, 종래의 다이나모일렉트릭 머신의 주물 고정자 프레임, 하우징 및 몸체는 사형주물공법(sand casting process)에 의해 주철로 만들어져 왔다. 사형주물공법은 적어도 한 분할평면을 형성하는 밀집한 모래로 모형을 묻고, 주형공극부를 형성하기 위해 모형을 제거하며, 고정자 프레임에 고정자 철심 수용공을 형성시키기 위해 주형공극부내에 분리된 철심편을 배치시키고, 주물위에 지지기부나 패드를 설치하고, 필요하다면 주형공극부의 끝손질을 위한 하나 이상의 도관 상자 지지 패드를 설치하는 것을 한정할 분리된 철심편들을 배치시키는 단계를 수반한다. 그런 후 용융 주철은 주형공극부로 부어진다. 응고화와 냉각화 후에 주물은 제거되고 세척되어 비교적 거친 표면의 주물로 된다. 이 공정은 매우 많은 시간을 소비하는데, 일반적으로 시작에서 끝까지 많은 시간이 걸리게 된다.
그러한 사형주물공법에 의한 고정자 하우징 제작에 있어서 심각한 결점을 사형 주물 고정자 하우징들에 상당한 기계 가공을 해야 한다는 것이다. 예를 들면, 고정자 하우징 공동내에 환형 고장자 철심을 설치하는 통상의 기술은 보어속으로 고정자 철심을 냉간 압축시키는 것이다. 이 방법에 있어서, 일반적으로 주조된 대로의 고정자 하우징 내부는 적당한 크기와 허용공차 범위의 치수를 갖는 형태를 만들기 위해 상당한 기계가공되어야 한다. 고정자 하우징 내에 고정자 철심을 설치하기 위한 다른 방법은 열 수축 기술로 알려져 있다. 이 방법에서는, 고정자 철심을 수용하기 위한 고정자 하우징의 가열후에도 균일하고 낮은 응력 수축을 보장하기 위해 균일한 두께의 벽을 갖도록 고정자 프레임의 벽두께가 비교적 정밀하게 기계가공되어야 한다. 이와 같이 열수척법에 의해 고정자 철심과 조립하기 위한 주물 본래의 하우징을 준비하기 위해서는 일반적으로 상당한 기계가공이 사형주물공법에 의해 제작된 고정자 하우징에 요구된다. 더우기, 열수축공법의 완성에는 2∼3시간이 소요된다. 또한 고정자 하우징들의 대향단부 표면은 상당히 기계 가공을 해야 통상 단부차폐물(end shield)이라고 하는 회전자 베어링 지지 프레임과 결합할 수 있도록 준비될 수 있다. 또, 냉각팬 커버나 측판이 팬을 구동시킨 공기가 냉각핀들을 향하게 하기 위해 고정자 하우징의 일단부에 지지되는 경우에는 부가적인 기계 가공이 요구될 수도 있다.
그러므로 종래의 사형주물에 의한 고정자 프레임들은 비싸고 노동집약적인 기계 가공공정을 요구하며, 그 결과, 일반적으로 심각한 재료낭비를 가져오고, 이 모든 것이 제작비용을 상승시킨다. 사형주물에 의한 고정자 하우징이나 몸체의 또 다른 심각한 문제점은 사형주물이 고정자 하우징 설계에 상당한 제한을 가한다는 것이다. 예를 들면, 열 전달 즉, 냉각화가 특별히 중요한 인자인 대형 모터나 발전기에서, 사형주물의 특성은 고정자 하우징의 외부 표면상에 형성된 냉각핀의 상대적 높이와 두께범위를 제한한다. 특히, 핀 공동을 형성하는 거친 모래표면은 부어진 용융 금속과 비교적 높은 마찰 접촉면을 만들어 용융 금속이 그 모래의 접촉면에 천천히 흐르게 한다. 핀의 두께에 대한 높이의 비가 상대적으로 크게되면, 적절한 냉각을 얻으려고 할때 용융된 금속은 핀 공동에 완전히 채워지기도 전에 응고되어서 불완전한 핀이나 균일하지 못한 핀 표면이 만들어지는데, 이 둘다 결함이 있는 주물이 된다. 더우기, 주물재료는 용융 금속이 핀 공동의 완전한 깊이에 도달하기 전에 사형주물에 균열을 일으켜 깨뜨리려 하는 경향이 있다. 이 현상은 본 발명의 실시가 극복해야 하는 문제점을 초래한다.
사형주물에 의한 고정자 하우징에 연관된 문제점을 극복하기 위한 시도에서, 로스트 포옴(lost foam) 주조 공법에 의한 고정자 하우징 제작기술을 선택했다. 이런 형태의 기술과 공법은 증착모형 또는 증착 포옴 주형으로도 불리는데, 일반적으로 바람직하게 완성된 주물 생성물 또는 완성된 주물 생성물의 일부분과 거의 동일한 공동을 형성하는 하나 이상의 중간 매개 주형이나 금속 도구들을 제작하는 것을 수반한다. 매개주형 공극부는 작은 폴리스티렌 플라스틱 비이드(bead)들로 채워지고, 고온의 증기가 플라스틱 비이드에 주입되어 비이드들을 융합시킨다. 이것은 도구나 주형에서 제거된 후에, 대응하는 최종 생성 주물과 거의 동일한 형태를 가지는 기화성 중합체 모형을 만든다. 이 모형에 얇은 기체 투과성 막이나 코팅물이 입혀지게 된다.
코팅된 기화성 중합체 물질로 제작될 수 있는 게이트(gate) 부분들과 적합한 탕구와 함께 코팅된 기화성 모형은 모형, 탕구 및 케이트 부분들에 대해 모래를 채우기 위해 진동될 수 있는 모래용기 안에 묻히게 된다. 회강철 또는 알루미늄 같은 용융 금속이 모형이 부어지게 될 때, 폴리스티렌 모형은 기화하여 용융 금속으로 대치된다. 응고화와 냉각화 후, 최종 생성된 주물은 모래로부터 제거된다. 일반적으로 로스트 포옴 공법은 사형주물 공법의 생성물에 대해 상당히 개선된 치수의 정확도와 안정도 및 표면 마무리를 구비하는 주물을 만든다.
로스트 포옴 주조공법에 의한 회강철 고정자 프레임이나 몸체를 제조하려는 한 시도는 적어도 한 주조공장에 의해 종래 기술로 수행되어져 왔다. 회강철 고정자 프레임을 제작하는 상기 주조 공장에서 사용되는 기화성 모형은, 적절한 고착성으로 완전한 모형을 형성하기 위해 함께 붙어 있는 두개의 분리된 조각이나 부분으로 만들어져 있다. 그러나, 이런 처리 방법은 모형의 분리선이나 분리평면(즉, 접해서 고착된 표면들)은 모형이 치수의 정확도를 가지지 못하게 하는 결점이 있다고 여겨지는게, 이 정확도는 이렇게 하지 않으면 로스트 포옴 주조로 얻어질 잇점을 충분히 인식해야 할 필요가 있을지도 모른다. 로스트 포옴공법을 이용한 종래 기술에 의해 만든 고정자 프레임의 또 다른 결점은 고정자 프레임 위에 있는 외부의 긴 냉각 핀이 종래의 사형주물공법에 의해 제작된 고정자 프레임의 핀 높이와 비교해 보면 똑같거나 줄어들어 보인다는 것이다. 또한, 주어진 직경의 고정자 프레임용 외부 냉각핀의 수는 배교가능한 치수로 된 사형주물 고정자 프레임과 비교해보면, 종래의 로스트 포옴 고정자 프레임 상에서 줄어들고 결과적으로 로스트 포옴 고정자 프레임위의 핀들 사이의 원주상 이격거리를 증가시킨다고 생각되어 진다.
상기에 설명한 종래의 기술과 결점은 당업자들의 종래의 사고를 나타낸 것이다. 예를 들면, 도구 제작자가 외부 냉각핀을 가진 로스트 포옴 고정자 하우징 주물용 기화성 모형을 제작하기 위한 도구나 주형을 만들어 달라는 신청을 받았을 때, 종래의 처리법은 공구나 주형으로 부터 기화성 모형을 만드는 것이 더 쉽고 가격이 더 싸도록 최종 생성물 형태를 제작하는 경향이 있는 것처럼 보인다. 특히, 모터 고정자 하우징위의 냉각핀의 높이와 수의 감소는 금속 공구와 주형의 제작과 공구로 부터의 기화성 모형 제거를 더 쉽고 싸게 해준다고 분명하게 생각하고 있다. 그러므로, 핀의 수와 길이와 높이를 증가시키는 노력은, 더 적고 짧은 높이의 핀이 확실히 공구에서 모형을 제거하는 것을 더 쉽게 해주는 것처럼 보임에도 불구하고, 그 기술에서 종래기술에 반대인 것처럼 보일 것이다. 그래서 주조공법 기술자가 모터 하우징용으로 이용되는 주물을 제작하는 것과 관계한 종래의 결정 사항을 이끌어 내온 것처럼 보인다. 그러나, 완성된 주물 모터 하우징의 기능적 수행을 위한 바람직한 기준을 명시하고, 그런 후 그러한 특성을 가진 완성된 하우징을 제공할 주조 기술을 다듬고 향상시키는 것이 바람직하다.
이 특성은 여러 사항중에서 핀과 고정자 하우징의 전체 강도와 강성(rigidity); 구조적 완벽함의 바람직한 정도를 유지시키기에 필요한 총재료의 양; 완성된 하우징의 열 전달량; 필요하게 될 후 주물 기계가공의 양; 고정자와 하우징 조립용의 공정 형태에 관한 것이다.
본 발명의 실행은 고정자 하우징에 강도와 강성을 더하기 위해 핀 높이를 증가시킨다. 강성은 고정자 철심을 순간적으로 둘러싸는 일반적 환형벽의 강성을 증가시키는데에 특히 바람직하며, 더 얇은 환형벽의 이용을 가능하게 한다. 이 환형벽의 두께는 고정자 프레임의 열 전달 및 냉각 특성에 상당한 형향을 미쳐서, 구조적 특성 뿐만 아니라 열 전달 특성을 향상시키고 재료의 활용화를 성취하게 한다.
본 발명의 일반적인 목적은 새로운 고정자 하우징을 가진 새롭고 향상된 다이나모일렉트릭 머신을 제공하는 것과 고정자 하우징의 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은, 종래 사형주물과 로스트 포옴 주물 고정자 하우징에 대해서 향상된 강도, 구조적 완벽함, 열적 특성을 고정자 하우징이 가지는 점에서 로스트 포옴 주물공법에 의해 제작된 새 고정자 하우징을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고정자 하우징이 사형주물이나 종래의 로스트 포옴 공법에 따른 종래의 고정자 하우징과 비교할 때 하우징 지름에 대한 효율적인 냉각핀의 높이비가 증가되고 환형의 하우징 벽두께에 대한 핀 높이의 비율이 증가되는 종방향의 이격 거리를 줄이지 않고서도 바람직하게 된다는 점에서 로스트 포옴 공정에 따라서 새로운 고정자 하우징을 제작하는 것을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 비교가능한 모터 마력 등급의 종래 사형주물 고정자 하우징용으로 요구된 것보다 적은 재료를 사용하는 반면, 고정자 하우징이 상당히 감소된 기계 가공을 필요로 하고 그 결과 사형주물 고정자 하우징에 비해 재료낭비와 기계가공 비용을 감소시키고, 향상된 강도와 구조적 완벽함 및 열전달 특성들로 특징 지워진다는 점에서, 다이나모일렉트릭 머신용 새로운 고정자 하우징을 제공하고 로스트 포옴 공법에 의한 고정자 하우징 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 하우징이 구조적 및 열적 특성을 향상시켜서 모터로 부터의 바람직한 열전달이 하우징으로 부터 쉽게 소모되고 그러한 모터의 전체 제작에 더 적은 재료가 사용되도록 하는 로스트 포옴 공법에 의해 제작된 고정자 하우징을 구비한 새롭고 개선된 모터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 제작된 고정자 하우징의 하나의 특징은 기계 가공과 재료 낭비의 감소를 통한 경제적 이익 제공에 추가해서 상당히 감소된 노동력 집약, 그로 인한 제조가격의 감소를 가져오는 로스트 포옴 공법에 의해 제조되는 능력에 있다.
본 발명에 따라 제작된 고정자 하우징의 또 다른 특징은, 중대한 경제적 잇점을 제공하고 고정자 하우징의 강도와 구조적 완벽함을 증가시키는 반면 직경에 대한 효율적인 냉각핀 높이의 비가 지금까지 얻어온 것보다 더 크게 해줌으로써 향상된 열전달 특성을 제공하는 로스트 포옴 공법에 의한 제조능력에 있다.
본 발명에 따른 하우징 제작의 바람직한 형태와 바람직한 로스트 포옴 방법의 또 다른 특징은, 철이나 알루미늄을 이용할 때, 상당히 유사한 최종 생성된 고정자 프레임과 함께 철이나 알루미늄으로 부터 고정자 하우징을 만드는 능력에 있다.
본 발명의 작동방법 및 구성과 함께, 본 발명의 또 다른 목적, 특징 및 장점들은 몇개의 도면들을 통해 유사한 구성요소들을 유사한 도면부호로 나타낸 첨부한 도면과 연관하여 볼때 본 발명에 대한 하기의 설명에서 명백해 질 것이다.
이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따라 제작된 다이나모일렉트릭 머신은 대체로 제8도에서 도면번호(10)으로 표시되어 외괵형태를 나타낸다. 본원에 사용된 용어 다이나모일렉트릭 머신은 전기 모터나 발전기 같은 고정자 하우징을 사용하는 전기 기계적 기구나 기계를 덮어싸는 것을 의미한다. 다이나모일렉트릭 머신(10)은 제6도에 도시된 것 같이, 고정자 철심 조립품(18)을 수용하기에 적합한 일반적으로 균일한 직경의 축방향의 원통형 보어나 공동(16)을 형성하는 거의 환형인 벽(14)를 구비하는 제1,2,3,4,5,6도에 도시한 바대로, 고정자 하우징이나 프레임(12)를 포함한다. 축방향 보어(16)은 또한, 벽(14)위에 환형 단부 표면을 형성하고 보어(16)의 세로축을 가로지르는 평면에 자리잡은 하우징(12)의 대향단부(12a)와 (12b)를 교차한다.
상술하겠지만, 고정자 하우징이나 프레임(12)는, 고정자 하우징과 상당히 동일한 형태를 가진 증착형 모형을 사용해서, 제8도의 (20a)와 (20b)로 나타낸 바와 같이 고정자 조립체(18)의 고정자 철심과 회전자 샤프트 베어링과 연관된 단부 프레임이나 단부 차폐물을 수용하는 고정자 하우징을 준비하는데 최소의 기계 가공이 요구되도록 하는 로스트 포옴 주조공법으로 제작된다.
로스트 포옴 주조공법은, 고정자 하우징(12)가 고정자 철심과 단부 프레임 및 기계 가공을 하지 않은 유사품을 가진 조립용에 요구되는 근접한 치수 공차를 갖도록 용융 철이나 알루미늄으로 부터 주조되도록 하여, 재료와 노동력 두 측면에서 부수되는 경비를 절감시켜 재료의 낭비를 상당히 감소시키도록 해준다.
고정자 하우징(12)의 환형벽(14)는 길이의 주요부분을 따라 일반적으로 균일한 반경방향 두께를 가진다. 제4도에 도시된 것 같이, 환형벽(14)는 외부로 테이퍼(taper)된 형태나 원추형 외부 표면(14a)와 (14b)의 형태로 양쪽면에서 반경방향으로 증가시키기 위해 형성된다.
약 17인치(inch)의 공칭들은 종방향 보어(16)의 중심축(20)에서 교차하며, 중심축(20)을 포함한 수직평면과 45°내부 각도를 이룬다. 같은 방식으로, 벽(14)의 하부 아치형 사분원은, 평면(26a)와 (26b)의 교차선과 환형벽(14)의 아래부분 사이에서 형성되어 있다. 마찬가지로, 평면(26a)와 (26b)는 상부 및 하부 사분원 사이에서 연장하는 환형벽(14)의 양측 사분원을 설정한다.
제5도에 도시한 바와 같이, 환형벽(14)의 상부 사분원과 일체형으로 형성된 냉각핀(24)는 수직위로 연장한다. 환형벽(14) 바닥부나 하부 사분원과 일체형으로 형성된 냉각핀(24)는 수직 아래로 연장한다. 환형벽(14)의 양측 사분원들과 일체형으로 형성된 길이방향 냉각 핀(24)는 수평면에서 바깥 쪽으로 연장한다.
고정자 프레임(10)의 거의 모든 냉각 핀(24)들은 환형벽(14)의 하부 사분원의 중심부로부터 하방으로 연장한 냉각 핀을 제외하고는 대체로 같은 높이이다. 설명을 목적으로, 용어 “높이”는 제5도에서 (32)로 표시된 것처럼, 중간 길이 벽부분(14c)의 외부 직경이 인접한 냉각핀 쌍의 기저부나 그 사이에서 형성된 대체로 같은 반경의 필릿(fillet) 기저부에서 측정되는 지점인 환형벽(14)의 중간길이 부분(14c)의 외부 표면으로 부터 각 냉각핀들이 외부로 연장한 거리를 말한다. 거의 같은 높이의 냉각핀(24)와 함께, 특히 환형벽(14)의 상부 및 하부 사분원을 따라서, 같은 높이를 가진 냉각핀의 외부의 길이방향 연부들은 일반적으로 보어축(20)과 같은 축을 가진 원 근처에 있다. 환형벽(14)의 하부 사분원상의 냉각핀(24)는, 하부 사분원의 중심부에 인접하여 다소 짧게 만들어져서 하부 냉각핀의 외부 길이방향 연부들이 서술되겠지만, 벽(14)와 일체형으로 주조성형된 각부 패드들을 설치할 바닥부 공면들을 포함한 평면위에서 이격되어 위치된다.
본 발명의 취지를 구현한 다이나모일렉트릭 머신과 고정자 하우징의 한 특징에 따라, 냉각핀(24)는 적어도 4.0인 바람직하게는 거의 4.8인 고정자 하우징 직경에 대한 냉각핀으로 높이의 실효비를 갖는다. 냉각핀 직경에 대한 냉각핀 높이의 실효비는 고정자 프레임의 길이방향 중심에서 환형벽(14)의 외부지름에 대한 모든 냉각핀(24)들의 높이의 합계의 비로서 정의된다. 원한다면, 이러한 비율은 6.0까지 증가될 수도 있다. 이 비는 같은 축방향 보어 크기의 종래 사형주물 고정자 하우징이나 프레임으로 얻어진 냉각핀 지름에 대한 냉각핀 높이의 실효비보다 더 높다. 서술된 실시예의 냉각핀(24)가 약 1.69in의 높이와 약 0.206in의 평균 두께를 갖고 고정자 하우징(12)와 비교가능한 보어 크기의 종래 사형주물 고정자 프레임들 위의 냉각핀들이 약 0.75in의 공칭거리만큼 떨어져서 이격되는 것과 더불어서, 고정자 하우징(12)용의 직경에 대한 냉각핀 높이의 증가된 실효비는 동일한 공칭의 축방향 보어 크기를 갖는 종래의 사형주물 고정자 하우징에 대해 냉각 및 열전달 표면적을 20∼25% 증가시키는 결과를 가져온다. IEEE 112B에 의해 실험된것 같이, 고정자 하우징(12)를 위한 직경에 대한 냉각핀 높이의 증가된 실효비로 인한 증가된 열전달 표면적은 대략 4∼8%의 증가된 냉각 또는 열소실률(watts/℃)을 가져온다.
제4도를 참조하면, 종방향의 냉각핀(24)는 고정자 하우징(12)의 환형벽(14)의 거의 완전한 종방향 길이를 따라 연장한다. 바람직하게는 조금 증가된 직경 및 반경방향 플랜지(flange)는 (34a)와 (34b)에 표시된 환형벽(14)의 각 단부에 형성된다. 플랜지(34a)와 (34b)는 환형벽(14)의 상기 기술된 상하부 및 양측부 사분원을 따라 연장하는 4개의 아치형 부분으로 각각 구성되어 있다. 냉각핀(24)는 단부 플랜지(34a)와 (34b) 사이에서 종방향으로 연장한다. 각각의 냉각핀(24)의 양단부들은 제4도에서 (36)으로 나타낸 것 같이, 고정자 하우징(12)를 사용하는 완성된 팬냉각 모터위에 설치될 때, 일반적으로 냉각팬 덮개나 몸체의 환형 연부를 수용하고 안내하기 위해 오목하게 되어 있다. 각각의 냉각핀의 양단부위에 거의 유사한 오목한 표면(36)을 제공함으로써, 냉각팬 덮개와 연관된 팬 브레이드 조립체는 고정자 하우징(12)의 양단부중 일단부에 설치될 수 있다.
고정자 하우징(12)에 형성된 증가된 높이의 길이방향 냉각핀(24)는 환형벽(14)가 그것의 거의 완전한 길이를 따라서 더 얇은 반경방향 두께를 가지도록 해서, 지금까지 같은 마력등급을 갖고 종래의 사형주물 공정으로 제조된 동일한 크기의 고정자 하우징으로 얻어질 수 있다. 환형벽(14)와 일체형인 증가된 높이의 냉각핀을 형성함으로써, 냉각핀은 실제 전체 길이를 통해 더 얇은 환형벽에 강성을 주어서, 최종생성된 하우징(12)의 전체 강성과 강도가 거의 같은 공칭 크기의 고정자 철심공동들이나 보어와 마력등급을 가진 종래의 사형주물 고정자 하우징이나 프레임 보다 같거나 크도록 한다. 실효비가 적어도 약 200인 환형벽 두께에 대한 냉각핀 높이의 실효비는 250∼300의 범위에서, 고정자 하우징이 상술된 핀 크기와 벽 두께와 약 15in 직경의 축방향 고정자 철심의 보어를 구비하는데 유리하다. 환형벽 두께에 대한 냉각핀 높이의 실효비는, 고정자 하우징(12)의 종방향 중심에서 환형벽(14)의 반경 두께에 대한 모든 핀(24)들의 높이의 합의 비로 정의된다. 냉각핀(24)들의 높이를 더 크게 함으로써 가능한 환형벽(14)의 더 얇은 반경방향 두께는 또한, 종래 사형주물 공법에 따라 제작된 비교될 크기의 고정자 하우징에서 필요로 하게 되는 두꺼운 환형벽과 비교해보면, 환형벽을 통한 냉각 속도를 증가시킨다. 도시되고 설명된 실시예에 있어서, 고정자 프레임이나 하우징(12)는 NEMA 규격 320에서 449까지로 분류된 고정자 하우징이나 프레임 용에 특히 적합한 고정자 하우징을 나타낸다.
고정자 하우징이나 프레임(12)는 하우징의 서로 인접한 대향 단부쌍들 안의 환형벽(14)와 일체형으로 형성된 4개의 설치용 기부 패드(40a),(40b),(42a),(42b)를 가지고 있다. 설치 기부 패드의 쌍(40a),(40b)와 (42a),(42b)는 외형이 거의 동일하기 때문에, 설치 기부 패드(40a)만 상술하기로 한다. 제4도 내지 제7도를 참조하면, 설치용 기부 패드(40a)는 다른 설치용 기부 패드(40b),(42a),(42b)위에 대응되는 바닥 표면들과 공면인 하부 및 바닥 평면(44a)를 구비한 일반적으로 직각인 패드(44)를 포함한다. 설치 패드(44)는 하우징(12)의 바닥면(44a)에 수직이고 종방향 보어축(20)에 평행인 평면과 약 20°의 내부각을 형성하는 지지 웨브(web)(46)을 통해서 환형벽(14)와 일체형으로 형성된다.
고정자 하우징(12)의 특징은 환형벽(14)의 반경방향 두께와 거의 동일한 두께의 연결 웨브(46)을 제작하는데 있다. 이것은, 주물의 여러 부분들에 대해 거의 동일한 두께가 요구되는 로스트 포옴 주조에서 특히 바람직하다. 환형벽(14)와 일반적으로 같은 두께의 연결 웨브(46)을 제작함으로써, 그리고 같은 크기의 종래 사형주물 고정자 프레임 보다 얇은 벽(14)와 함께, 연관된 설치용 패드(44)의 지지 강도는 대응되는 환형 고정자 벽에 설치용 기부 패드를 일체형으로 연결하는 연결 웨브의 두께가 일반적으로 환형 고정자 벽 두께보다 큰 종래의 같은 크기의 사형주물 고정자 하우징에 비해서 조금 감소될 것이다. 얇은 연결 웨브(46)의 감소된 강도를 극복하기 위해서, 제7도의 (48a-48d)와 도면 5의 (50)으로 표시된 바와 같이 다수의 보강 리브(rib)들이 설치 기부 패드(44)를 웨브(46)과 환형벽(14)에 일체형으로 상호연결시킨다. 보강 리브(48-48d)들은 웨브946)에 수직인 이격된 평면에 평행하게 공간에 놓여있고, 설치 패드(44)와 환형벽(14) 사이에서 웨브(46) 뒷쪽으로 뻗는다. 웨브(50)은 웨브(46)에 거의 수직인 단일 웨브이며, 설치 패드(44)에 형성된 두개의 설치 볼트 구멍(52a)와 (52b)에 가까이 갈수 있도록 설치 패드(44)의 일단부에 배치된다.
설치 기부 패드(40a),(40b)와 (42a),(42b)는 (44a)로 표시된 바와 같이, 그들의 하부 및 바닥 평면 표면을 가지고 있고, 환형벽(14)의 중심축(20)을 가진 수직면에 직각인 공동 평면에 놓여있다. 완성된 모터나 발전기 조립체 응용에서 고정자 하우징에 대한 특별한 덮개 제한범위에 의존하여, 환형벽 하우징(14)의 하부 아치형 사분원 상의 아래로 뻗은 냉각핀(24)는 거의 동일한 높이를 가질 것이다. 선택적으로, 환형벽(14)의 하부 사분원의 중심에 일반적으로 근접한 아래로 뻗는 종방향 냉각핀들은 아래 방향으로 뻗는 어떠한 냉각핀도 설치 기부 패드(40a),(40b)와 (42a),(42b)위에 있는 공면 바닥 설치 표면의 평면 아래로 뻗지 못하도록 할만큼 더 짧은 높이로 만들어질 것이다.
간단히 설명한대로 고정자 하우징 및 프레임(12)는 주철이나 알루미늄에서 하우징(12)의 정확한 제조를 할 수 있는 로스트 포옴 주조 공정에 의해 만들어진다. 로스트 포옴 방식에 의한 고정자 하우징(12) 제작의 특징은, 결정된 고정자 하우징이 알루미늄이나 주철로 만들어졌을 때 외형이 상당히 비슷하다는 점이다(로스트 포옴공법은 앞서 설명한 다양한 공정단계를 포함한다고 대체로 알려져 있다). 고정자 하우징 제작용으로 종래의 사형주물공법과 비교해서 로스트 포옴공법의 이용으로 얻어질 수 있는 중대한 장점은 상당히 감소된 재료낭비와 감소된 기계가공 요건들을 통해 실현될 비용의 절감에 있다. 출원인은 로스트 포옴공법으로 얻어지는 정확한 허용공차 제한이 기계가공 요건들을 상당히 줄여주어, 완성된 고정자 하우징이나 프레임 제작과 연관된 노동 비용을 상당히 줄일 수 있다고 결정했다. 매우 중요한 것은, 로스트 포옴공법이 비교되는 크기와 마력등급의 종래 사형주물 고정자 하우징으로 획득되어 온것보다 보어를 수용하는 고정자 철심 주변의 더 얇은 환형벽(14)를 가지고 고정자 하우징(12)의 제작을 쉽게한다는 사실이다. 지금까지의 사형주물 고정자 하우징이나 프레임으로 얻어진 것보다 환형벽 외부 직경에 대한 냉각핀 높이의 더 높은 실효비와 환형벽 두께에 대한 냉각핀 높이의 더 높은 실효비를 설정하는 종방향의 냉각핀을 제공할 수 있도록 연결된 더 얇은 벽은 종래 사형주물공법에 따라 제작된 고정자 하우징 보다 향상되거나 거의 동일한 강도 및 강성을 갖는 경량의 고정자 하우징을 얻게한다.
냉각핀(24)와 고정자 하우징 환형벽(14) 사이의 공동작용이 사용되는 가공되지 않은 재료 전체량의 감소를 가져오는 더 얇은 환형벽과 더 높은 높이(일반적으로 반경방향의 길이)를 갖는 핀들을 사용할 수 있다는 것이 강조된다. 그러므로, 핀에 의해 제공되는 구조적 보강이 없다면 더욱 두꺼운 환형벽이 강화를 목적으로 필요하게 될 것이다. 그러나, 더 높은 높이와 외향 길이의 핀을 만드는데 적은 양의 재료를 첨가하는 것은 환형벽에서 재료의 훨씬 더 큰 감소를 허용하고, 감소된 전체 재료 소비 뿐만 아니라 향상된 열적 성능시험에 공헌하는 더 얇은 환형벽과 더 큰 높이의 핀을 허용한다.
제3도는 기화성은 아니지만 기체를 투과시킬 수 있는 코팅막을 갖는 융합되고 작은 폴리에스티렌 플라스틱 비이드들과 같은 기화성 중합체 재료로 만들어진 모형(12′)를 도시하고 있다. 모형(12′)는 모터 고정자 하우징이나 프레임 제작용으로 이전에 알려진 모형처럼 분리선이나 분리평면을 가지지 않는 일체형으로 된 단일 조각의 모형이다. 일체형의 단일 조각 모형(12′)의 중대한 잇점은, 이것이 거의 동일한 치수의 외형으로 앞서말한 고정자 하우징(12)를 본떠서 생성된 주형이 앞서 말한 반경방향 벽두께와 직경 및 환형벽 두께에 대한 더 큰 냉각핀 높이의 실효비를 얻는동안 최소의 기계가공을 하도록 하는 점이다. 이것은 냉각용 열전달표면 영역을 증가시키고, 고정자 프레임 하우징(12)의 더 얇은 환형벽(14)에 강성을 더한다. 로스트 포옴공법은 다양한 크기의 고정자 하우징이나 프레임용으로 사용될 지도 모르지만, 알려진대로, NEMA 320에서 최고 449까지의 규격 프레임으로 특별히 유용한 응용에 사용된다. 로스트 포옴공법은 종래의 사형주물공법에 비해 고정자 하우징이나 프레임을 제작하는데 걸리는 총 시간을 상당히 줄여주기도 한다.
일체형 단일 조각 모형(12′)는 제4-6도에서 (60)으로 나타낸 것 같이 고정자 하우징(12)위에서 세워지는 일체형 도관박스 설치 및 지지 패드를 형성하기 위한 형태를 갖고 있다. 도관박스 설치용 패드(60)은 고정자 프레임 하우징(12)의 환형벽(14)와 일체형인 주변의 수평 및 수직 지지벽(62a-d)들을 가져서, 도관 박스 설치용 패드안의 내부공동(64)는 축방향 보어(16)과 연통하여 열려있다. 공동(64)는 고정자 코어의 내부 감기에 연결하기 위한 설치 패드(60)의 내부 전기 전도체의 출입을 쉽게하는 원형출구(66a)를 구비한 일반적으로 수직으로 배치된 벽(66)에 의해 그것의 외면상에 인접된다. 벽(66)은 또한 연결기판이나 도관 박스 등과 같은 부착을 손쉽게 하기 위해 원형통로(66)에 대해 이격되어 있는 4개의 구멍(66b)들을 가진다.
로스트 포옴공법에 의한 고정자 하우징이나 프레임(12)를 제작함으로써, 도관 박스 설치용 패드(60)의 주변벽들은 사형주물 고정자 하우징이나 프레임상의 도관 박스 지지 및 설치 패드로 예전에 얻어진 것보다 더 얇게 만들어질 수도 있다. 그러므로, 사형주물 고정자 하우징에서 생길 수 있는 균열이나 다른 피로 응력발생 가능성을 상당히 감소시키고 더 큰 유연성을 제공한다.
로스트 포옴 모형(12′)는 그 길이중간에 있는 하우징의 양측면으로 부터 상방으로 연장한 고정자 하우징(12)위에 주물형 직립 상승 돌출부를 형성하는 형태를 갖는다. 상승 돌출부(70a)(70b)는 환형벽(14)와 일체형으로 형성되고, 제8도에 도시된 것 같이 완성된 다이나모일렉트릭 머신 뿐만 아니라 고정자 하우징(12)의 승강 및 조작을 손쉽게 하는 리프트 후크(lift hook)들을 수용하기 위해 그안에 각각 형성된 적절한 개구부(72a),(72b)를 갖는다.
앞서 서술한대로, 로스트 포옴공법에 의해 다이나모일렉트릭 머신(10)의 고정자 하우징(12)를 제작함으로써, 축방향 보어(16)은 보어(16)의 최소 기계가공으로 고정자 철심(18)과 조립할 수 있도록 하기 위한 거의 근접한 치수의 허용 공차로써 형성될 것이다. 제6도를 참조하면, 고정자 철심(18)은 종래 설계구조에서의 감긴 코아(78)을 포함한다. 철심(78)은, 고정자 철심으로 부터 고정자 하우징(12)까지의 열 전달을 최대로 하기 위해 거의 근접한 허용 공차 보어(16)으로의 냉간 압축조립을 쉽게할 외부 원통형 표면(78a)를 가지고 있다. 회전자(80)은, 이미 알려진 단부 프레임들이나 차폐물(20a),(20b), (제8도)들에 의해 운반되는 적절한 베어링 내부에서 회전가능하게 지지되는 회전자 샤프트(82)에 의해 감긴 철심(78)내에서 축방향 보어(78b)내부에 회전가능하게 지지된다.
본 발명에 따르는 고정자 하우징이나 프레임을 사용하는 다이나모일렉트릭 머신의 양호한 실시예와 고정자 하우징 제작용 로스트 포옴공법이 도시되고 설명되었지만, 그것의 변경과 변화는 본 발명으로 부터 벗어나지 않고 폭넓게 이루어질 수 있는 것은 물론이다.
본 발명의 다양한 특징들이 하기 청구범위에서 한정되어 있다.

Claims (13)

  1. 축방향 보어를 갖는 일반적인 환형벽과 일체형으로 외부 종방향으로 연장한 다수의 냉각핀들을 구비한 하우징을 포함하며, 다이나모일렉트릭 머신에 사용하는 일체형의 단일 조각 고정자 프레임을 제작하는 방법으로서, a. 고정자 프레임과 거의 일치하는 형태를 갖고, 용융금속에 접촉될 때 기화 할 수 있는 일체형 단일 조각의 기화성 모형을 형성하는 단계; b. 기체를 투과시킬 수 있지만 용융금속에 접촉할 때 기화하지는 않는 모형의 전체 표면위에 코팅막을 형성하는 단계; c. 용융금속이 모형에 접촉하도록 부어질 수 있는 방식으로 모래에 코팅된 모형을 묻는 단계; d. 환형벽과 외부 종방향으로 연장된 냉각핀이 상기 환형벽 외경에 대한 냉각핀 높이의 실효비가 약 4∼6이 되도록 용융 금속을 형성하기 위하여 모형을 기화시키고 생성된 틈을 채워서 모형에 접촉하도록 충분한 양의 용융금속을 쏟아 붓는 단계; e. 일체형의 단일 조각 고정자 프레임 주물을 형성하기 위하여 용융금속을 응고화 및 냉각 시키는 단계; f. 모래로 부터 상기 주물을 꺼내는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나모 일렉트릭 머신에 사용되는 일체형의 단일 조각 고정자 프레임 제작방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각핀들이 약 4.8의 환형벽 외경에 대한 냉각핀 높이의 실효비를 갖도록 상기 모형은 상기 냉각핀을 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환형벽이 상하부 및 대향 측부의 사분면들을 구비하고, 상기 상하부 사분면들은 일반적으로 수직인 거의 동일하게 이격된 면들안에 놓인 외부 종방향으로 연장한 냉각핀들을 구비하며, 상기 양측부 사분면들은 일반적으로 수평한 거의 동일하게 이격된 면들안에 놓인 외부 종방향으로 연장한 냉각핀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 상기 상부 및 양측부 사분면을 따라 형성된 냉각핀은 상기 축방향 보어의 종방향 축과 동심인 원위에 놓인 외부 종방향 핀 테두리를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 종방향 냉각핀들은 상기 환형벽에 대해 원주상으로 거의 동일하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모형은 상기 환형벽과 일체형인 다수의 설치용 기부 패드를 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 모형은 상기 하우징의 대향 단부들에 쌍을 이루며 상기 기부 패드를 형성하기 위한 형태를 갖고, 상기 지지 패드들은 미리 설정된 방위로 고정자 프레임을 설치할 수 있는 공평면인 바닥면들을 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 설치용 기부 패드들 각각과 상기 환형벽 사이를 상호 연결하는 일체형 웨브들과, 상기 웨브들에 일반적으로 수직 관계로 상기 웨브들의 대향 측부들 위에 형성된 다수의 보강 리브들을 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 상호 연결용 웨브들이 상기 환형벽의 두께와 거의 동일한 횡간 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 모형이 상기 환형벽에 일체형인 적어도 하나의 도관 박스 지지 패드를 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 모형이 외부쪽으로 테이퍼진 거의 환형의 대향 단부들을 갖는 상기 환형벽을 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 종방향 냉각핀들이 상기 외부쪽으로 테이퍼진 대향단부들과 일체형으로 형성된 대향 단부들을 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
  13. 축방향 보어를 갖는 일반적인 환형벽과 일체형으로 외부 종방향으로 연장한 다수의 냉각핀들을 구비한 하우징을 포함하며, 다이나모일렉트릭 머신에 사용하는 일체형의 단일 조각 고정자 프레임을 제작하는 방법으로서, a. 고정자 프레임과 거의 일치하는 형태를 갖고, 용융금속에 접촉될 때 기화 할 수 있는 일체형 단일 조각의 기화성 모형을 형성하는 단계; b. 기체를 투과시킬 수 있지만 용융금속에 접촉할 때 기화하지는 않는 모형의 전체 표면위에 코팅막을 형성하는 단계; c. 용융금속이 모형에 접촉하도록 부어질 수 있는 방식으로 모래에 코팅된 모형을 묻는 단계; d. 모형을 기화시키고 생성된 틈을 채워서 모형에 접촉하도록 충분한 양의 용융금속을 쏟아 붓는 단계; e. 고정자 프레임 주물을 형성하기 위하여 용융금속을 응고화 및 냉각 시키는 단계; f. 모래로 부터 상기 주물을 꺼내는 단계들을 포함하고, 상기 모형은 상기 핀들이 적어도 약 4.0의 환형벽 외경에 대한 냉각핀 높이의 실효비를 갖고 약 200의 환형벽 두께에 대한 냉각핀 높이의 실효비를 갖도록 상기 환형벽과 상기 외부 종방향으로 연장한 냉각핀들을 형성하기 위한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고정자 프레임 제작방법.
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