KR100600907B1 - 다이나모일렉트릭 머신 - Google Patents

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KR100600907B1
KR100600907B1 KR1020037005735A KR20037005735A KR100600907B1 KR 100600907 B1 KR100600907 B1 KR 100600907B1 KR 1020037005735 A KR1020037005735 A KR 1020037005735A KR 20037005735 A KR20037005735 A KR 20037005735A KR 100600907 B1 KR100600907 B1 KR 100600907B1
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퍼구슨제임스해롤드
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제너럴일렉트릭캐나다인코포레이티드
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Abstract

다이나모일렉트릭 머신은 고정자 부재와, 회전자 부재와, 제 1 및 제 2 슈라우드 부재를 포함한다. 제 1 및 제 2 슈라우드 부재는 회전자 부재와 함께 회전하도록 회전자 부재의 각각의 제 1 및 제 2 말단 부분에 인접하게 회전자 부재에 장착된다. 제 1 및 제 2 슈라우드 부재는 함께 반경방향 입구 및 출구 통로를 각기 규정하기 위해 반경방향으로 연장되고 그리고 회전자 부재의 각각 반경방향으로 연장되는 제 1 및 제 2 말단 부분으로부터 이격되어 있다. 제 1 및 제 2 슈라우드 부재는 각각 기체 입구 또는 출구를 규정하기 위해 샤프트와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 있는 제 1 및 제 2 반경방향 내측 말단 부분과, 환기 덕트와 입구 및 출구 통로 사이에 기체를 연통하도록, 환기 덕트와 근접하면서 그것으로부터 이격된 회전자 부재에 장착되는 제 1 및 제 2 반경방향 외측 말단을 포함한다. 제 2 슈라우드 부재는 통상의 기계 작동 중에 인입 슈라우드(제 1 슈라우드 부재) 내로 그리고 방출 슈라우드(제 2 슈라우드 부재) 외부로의 기체의 흐름을 용이하게 하기 위해 인입 슈라우드보다 샤프트로부터 더 이격되어 있다. 기체의 흐름을 지향하기 위해 제 1 및 제 2 슈라우드 부재의 입구 및 출구에 팬 모터가 제공된다. 본 발명은 회전자 부재의 환기 덕트로 들어오기 전에 기체에 각가속도를 부여함으로써 풍손의 개선을 제공하고, 또 기체의 흐름에 각감속도를 부여하는 것에 의하여 방출 슈라우드에서 에너지를 부분적으로 회수함으로써 부가적인 개선을 제공한다.

Description

다이나모일렉트릭 머신{DYNAMOELECTRIC MACHINE ROTOR VENTILATION}
본 발명은 회전자(rotor)로부터 열을 제거하기 위해 기체의 강제 대류를 이용하여 냉각되는 회전자를 구비한 다이나모일렉트릭 머신(dynamoelectric machines)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 머신에서 발생하는 풍손(windage loss)이 중요한 고속 머신에 응용될 수 있다.
본 발명은 1998년 7월 5일에 발행되고, "풍손을 감소시키는 냉각 시스템" 이란 명칭의 캐나다 특허 제 1,298,933 호에 관해 개선한 것이다. 상기 캐나다 특허는 회전자의 대향 단부에 회전 베인(vanes)을 설치하는 것에 의하여 풍손을 감소시키는 밀봉된 회전자 다이나모일렉트릭 머신을 개시하고 있다. 한 세트의 베인은 기체를 회전자 내로 지향시키는데 이용되고, 다른 세트의 베인은 회전자에서 순환을 위해 회전자로부터의 기체를 인접한 회전 구조체내로 지향하는데 이용된다. 회전자는 회전자의 인접한 두 폴(poles) 사이의 극간 공간(interpolar space)에 의해 규정된 냉각 슬롯과, 극간 공간을 둘러싸도록 슬롯을 가로질러 위치하는 차폐체(shield) 또는 커버 부재를 포함한다. 베인에 의해 슬롯 내로 지향되는 임의의 기체는 슬롯을 따라 축방향으로 이동하고, 또 차폐체로 인해 반경방향으로 슬롯의 외부로, 에어 갭(air gap)을 가로질러, 회전자를 둘러싸는 고정자 부재 내로 이동되는 것이 방지된다. 결과적으로, 베인과 차폐체의 사용은 회전자 구조체를 냉각시키는 기체 흐름에 연관된 풍손을 감소시킨다.
따라서, 회전자 극간 공간 또는 덕트(ducts)로 유입되는 냉각 기체와 연관된 풍손이 최소의 풍손으로 되고, 동시에 회전자 공간 냉각 덕트의 사용과 연관된 장점을 갖는 다이나모일렉트릭 머신의 환기 시스템이 제공될 필요가 있다.
발명의 요약
본 발명은 본 출원인의 기존 캐나다 특허 제 1,238,933 호에 개시된 바와 같은 차폐체 또는 커버와, 회전자의 반경방향의 대향 단부 표면 위로 반경방향으로 연장되는 개선된 인입(inlet) 및 방출(outlet) 슈라우드(shroud)를 갖는 회전자를 포함하는 다이나모일렉트릭 머신의 냉각에 관한 것이다. 인입 슈라우드는 기체 입구 통로를 제공하는데, 그 통로에서 슈라우드의 회전이 펌프로써 작용하여 회전자의 폴(poles)에서의 회전자의 각속도와 균등한 각속도를 갖도록 기체를 접선으로 가속한다. 그 다음에, 인입 슈라우드는 기체를 축방향으로 연장되는 극간 공간 내로 지향한다. 방출 슈라우드는 회전자 축을 향하여 회전자 폴로부터 반경방향으로 연장되는 출구 통로를 제공하기 위해 회전자의 다른 측면 또는 단부 표면을 덮는다. 방출 슈라우드는 터빈으로써 작용하여 기체의 각속도 성분이 감소될 때, 기체 흐름으로부터 에너지를 회복시킨다. 결과적으로, 극간 공간 또는 덕트의 내외로의 기체 흐름과 연관된 풍손이 감소한다.
바람직하게는, 송풍기 또는 펌프 모터는 기체 흐름을 회전자를 통해 사전 설정된 방향으로 지향하고, 또 극간 공간을 따라 축방향으로 이동하는 기체의 정압 손실(static pressure losses)을 보상하는데 이용된다. 그러나, 방출 슈라우드에 대한 인입 슈라우드의 반경방향의 연장은 풍손을 최적화하고 정압 손실을 보상하기 위해 선택될 수 있다. 몇몇의 실시예에서는 정압 손실을 보상하는데 외부 펌프 또는 송풍기가 필요하지 않다.
본 발명의 일면에 따르면, 고정자 부재와, 고정자 부재 내에서 축방향으로 연장되는 샤프트 위에 장착되는 회전자 부재를 포함하는 다이나모일렉트릭 머신이 제공된다. 회전자 부재는 이격되고 반경방향으로 연장되는 제 1 및 제 2 말단 부분과, 제 1 및 제 2 말단 부분 사이에서 실질적으로는 축방향으로 각기 연장되는 다수의 이격된 환기 덕트(ventilation ducts)를 포함한다. 상기 다이나모일렉트릭 머신은 회전자 부재와 함께 회전하도록 회전자 부재의 제 1 말단 부분에 인접하게 회전자 부재에 장착되는 제 1 슈라우드 부재를 포함한다. 제 1 슈라우드 부재는 반경방향으로 연장되고 그리고 회전자 부재의 반경방향으로 연장되는 제 1 말단 부분으로부터 이격되어 반경방향의 기체 입구 통로를 규정한다. 제 1 슈라우드 부재는 기체 입구를 규정하기 위해 샤프트와 근접하면서 그것으로부터 이격되는 제 1 반경방향 내측 말단과, 환기 덕트 내로 기체를 지향하기 위해 회전자 부재에 장착되는 제 1 반경방향 외측 말단 부분을 포함한다. 제 1 슈라우드 부재는 회전자 부재와 함께 회전하여 반경방향의 기체 입구 통로를 따라서 그리고 환기 덕트 내로 이동하는 기체에 각가속도(角加速度)를 부여한다. 상기 다이나모일렉트릭 머신은 회전자 부재와 함께 회전하도록 회전자 부재의 제 2 말단 부분에 인접하게 회전자 부재에 장착되는 제 2 슈라우드 부재를 포함한다. 제 2 슈라우드 부재는 반경방향으로 연장되고 그리고 회전자 부재의 반경방향으로 연장되는 제 2 말단 부분으로부터 이격되어 반경방향 기체 출구 통로를 규정한다. 제 2 슈라우드 부재는 기체 출구를 규정하기 위해 샤프트와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 있는 제 2 반경방향 내측 말단과, 환기 덕트에서 배출되는 기체를 수용하기 위해 이격된 환기 덕트와 근접하면서 회전자 부재에 장착되는 제 2 반경방향 외측 말단 부분을 포함한다. 제 2 슈라우드 부재는 회전자 부재와 함께 회전하여 환기 덕트에서 배출되고 반경방향 기체 출구 통로를 따라 이동하는 기체에 각감속도(角減速度)를 부여한다.
바람직하게는, 회전자 부재는 고정자 부재와의 에어 갭 부근에 다수의 이격된 폴(poles)을 포함한다. 축방향으로 연장되는 극간 공간이 인접한 폴 사이에 규정되고, 커버 부재가 환기 덕트를 규정하기 위해 극간 공간을 가로질러 폴 사이에서 연장된다. 이와 달리, 환기 덕트는 회전자 코어 내의 축방향의 통로일 수도 있다.
바람직하게는, 다이나모일렉트릭 머신은 밀봉된 회전자 다이나모일렉트릭 머신이다. 바람직하게는 제 1 및 제 2 슈라우드의 각각은 반경방향 흐름과 축방향 흐름 사이로, 그리고 축방향 흐름과 반경방향 흐름 사이로 각기 기체 흐름을 변경시키기 위해 각각의 제 1 및 제 2 반경방향 외측 말단 부근에 만곡된 림(rim) 표면을 포함한다. 만곡된 림은 요구된 곡률(curvature)을 제공하기 위해 곡선으로 구부러진 단일의 금속 부재이거나 서로에 대해 각을 이루는 일련의 평평한 요소일 수 있다.
기체 입구 내로, 반경방향 기체 입구 통로를 따라, 환기 덕트를 따라 축방향으로, 반경방향의 기체 출구 통로를 따라 그리고 기체 출구 외부로 기체 흐름을 지향하기 위해 기체 입구나 기체 출구 중 한쪽 또는 양쪽 부근에 송풍기 모터를 포함하는 다이나모일렉트릭 머신은 본 발명의 범위 내에 있다.
또한, 방출(제 2) 슈라이더 부재는 인입(제 1) 슈라이더 부재보다 작은 사전 설정된 거리로 축을 향해 반경방향으로 연장되어, 기체 입구와 기체 출구 간에 압력 차를 생성하여 입구 내로, 회전자를 가로질러, 출구 외부로의 기체의 흐름을 유발하거나 용이하게 하는 것도 생각할 수 있다.
본 발명의 특징과 목적을 더 이해하기 위해서, 첨부되는 도면을 참조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다이나모일렉트릭 머신의 반경방향의 단면도,
도 2는 본 발명의 다이나모일렉트릭 머신의 회전자와 고정자의 부분적인 축방향의 단면도.
도 1을 참조하면, 회전자(11)와 고정자(12)를 구비한 수직으로 장착된 다이나모일렉트릭 머신(10)의 일부의 단면도가 도시된다. 상기 다이나모일렉트릭 머신(10)은 예컨대 보통 수력 발전기에 사용되는 것과 같은 수직 샤프트(15)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 또한 수평 샤프트 머신과도 사용될 수 있다. 회전자(11)와 고정자(12) 사이에는 이들 두 구조체를 분리시키는 에어 갭(14)이 있다. 회전자(11)는 회전 가능한 샤프트(15)에 부착되고, 샤프트(15)는 회전자(11)와 샤프트(15)의 회전을 허용하도록 베어링 구조(도시되지 않음)에 장착된다. 허브 부재(16)는 샤프트에 키이 결합(keyed)되거나 또는 이와는 달리 적절하게 고정된다. 반경방향으로 연장되는 지지 플레이트(17)는 허브 부재(16)부터 회전자 코어 구조체(18)까지 연장된다. 회전자 코어를 포함하는 적층체(laminations)(22)는 축방향으로 연장되는 환기 덕트 또는 냉각 덕트(23)를 갖는 폴(28)을 지지한다. 도 2에는 폴(28) 사이의 극간 공간을 따라 연장되는 환기 덕트(23)를 갖는 인접 폴(28)이 도시되어 있다. 도 2에서, 차폐체(25)는 극간 공간을 덮고, 그로 인해 기체 흐름이 환기 덕트(23)의 반경방향 외부로 연장되는 것을 방지하고, 도 1에 도시된 바와 같이 기체 흐름을 환기 덕트(23)를 통해 축방향으로 지향시킨다.
회전자(11)는 원주방향으로 회전하도록 고정자(12) 내에 장착된다. 고정자(12)는 규칙적으로 연장되는 환기 통로(37)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 유전체(conductor)는 고정자 코어(36)를 통해 연장되며, 유전체의 말단 권선(turns)(38)이 개략적으로 도시되어 있다. 하우징(40)은 고정자(12)로부터 연장되어 챔버(chamber)(41)를 형성한다. 냉각기(42)는 하우징(40)에 장착되며, 그에 따라 통로(37)를 통과한 냉각 기체 또는 기체가 고정자 코어(36)로부터 발생된 열을 흡수하고, 챔버(41)를 통과하며 그리고 기체가 냉각기(42)를 통과할 때 열을 제거한다. 벽(43)은 고정자 주위로 연장되어 챔버(44)를 규정한다. 모터로 구동되는 팬(45)은 각각의 벽(47, 48)의 개구부 내에 장착되어 냉각제 기체를 챔버(44)로부터 챔버(50, 51)로 이동시키는데, 챔버(50, 51)에서 냉각제 기체가 말단 권선(38)에 인접하여 제공된 입구를 거쳐 에어 갭(14)내로 통과한다.
냉각제 기체 또는 기체의 순환에 의하여 고정자(12) 및 다른 부품을 냉각시켜 회전자(11)를 냉각시킨다는 것을 이해할 것이다. 회전자(11)에는 회전자의 제 1 축방향 말단(62)에 인접하게 회전자(11)에 장착되고 그것과 함께 회전하는 제 1 슈라우드 부재(60)가 설치되어 있다. 제 1 슈라우드 부재(60)는 반경방향으로 연장되고 그리고 회전자의 반경방향으로 연장되는 제 1 말단(62)으로부터 이격되어 반경방향의 기체 입구 통로(64)를 규정한다. 제 1 슈라우드 부재(60)는 기체 입구(68)를 규정하기 위해 샤프트(15)와 근접하면서 그것으로부터 이격되는 제 1 반경방향 내측 말단(66)을 포함한다. 게다가, 제 1 슈라우드 부재(60)는 환기 덕트(23)와 근접하면서 그로부터 이격되어 회전자(11)에 장착된 제 2 반경방향 외측 말단(70)을 구비하여 기체를 반경방향 기체 입구 통로(64)로부터 회전자(11)의 환기 덕트(23)를 통하여 그 내로 연통하도록 한다. 반경방향으로 연장된 다수의 블레이드(blades)(65)는 슈라우드의 말단(70)으로부터 가로질러 회전자 지지 플레이트(17)에 장착된다. 블레이드(65)는 기체 흐름에 각가속도를 부여하는 것을 돕는다.
본 발명에 따르면, 또한 회전자(11)의 제 2 축방향 말단(82)에 인접하여 회전자(11)에 장착되는 제 2 슈라우드 부재(80)가 제공된다. 제 2 슈라우드 부재(80) 역시 회전자(11)와 함께 회전한다. 제 2 슈라우드 부재(80)는 반경방향으로 연장되고 회전자(11)의 제 2 말단(82)으로부터 이격되어 반경방향 기체 출구 통로(84)를 규정한다. 제 2 슈라우드 부재(80)는 기체 출구(88)를 규정하기 위해 샤프트(15)와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 있는 제 2 반경방향 내측 말단(86)을 포함한다. 게다가, 제 2 슈라우드 부재(80)는 환기 덕트(23)와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 회전자(11)에 장착된 제 2 반경방향 외측 말단(90)을 구비하여, 기체를 환기 덕트(23)로부터 반경방향 기체 출구 통로(84)를 통하여 그 내로 그리고 기체 출구 밖으로 연통하도록 한다. 도시된 실시예에서, 제 2 슈라우드 부재(80)의 반경방향의 연장이 제 1 슈라우드 부재(60)의 반경방향의 연장보다 작기 때문에, 제 2 방출 슈라우드의 사전 설정된 거리도 제 1 인입 슈라우드보다 작다. 이것은 화살표로 도시한 방향으로의 회전자를 통한 기체의 흐름을 용이하게 하는 효과가 있다. 반경방향으로 연장된 다수의 블레이드(85)는 방출 슈라우드 부재(80)로부터 그것을 가로질러 회전자 지지 플레이트(17)에 장착되며, 방출 슈라우드 말단(90)에 연결된다. 블레이드(85)는 기체 흐름의 에너지를 개선하는 것을 돕는다.
회전자(11)를 통해 화살표로 도시된 방향으로 기체 흐름을 더욱 용이하게 하기 위해서, 제 1 슈라우드 부재(60)의 입구(68)에는 모터 구동 팬(92)이 설치되어 있고, 제 2 슈라우드 부재(80)의 기체 출구(88)에는 모터 구동 팬(94)이 설치되어 있다. 이러한 팬들의 방향은 화살표로 도시된 방향으로의 또는 회전자 환기 덕트(23)를 통하는 기체 운동을 강제시킨다.
제 2 슈라우드 부재(80)의 출구(88)에서 나가는 기체 흐름은 냉각기(96)를 통해, 통로(98) 안으로 그리고 제 1 슈라우드 부재(60)의 입구(68)로 되돌아 지나간다.
도면에 도시된 다이나모일렉트릭 머신(10)은 밀봉된 회전자 다이나모일렉트릭 유형 머신이다. 벽(32)은 다이나모일렉트릭 머신의 고정자와 회전자 주위를 완전하게 연장한다.
제 1 및 제 2 슈라우드 부재(60, 80)는 도면에 도시된 바와 같이 반경방향 흐름과 축방향의 흐름 사이로 각기 기체 흐름을 변경시키기 위하여, 모서리(말단)(70, 90)에 인접하여 각기 만곡된 림(rim)을 포함한다.
회전자에 접속된 제 1 및 제 2 슈라우드 부재(60, 80)는 환기 덕트(23)와의 기체 흐름을 연통하는 기체 통로(64, 84)를 제공하며, 또 제 1 및 제 2 슈라우드 부재(60, 80)와 연관된 펌핑 작용(pumping action)을 이용하는 기체 순환 시스템을 제공하여 회전자의 환기 덕트(23)를 통해 기체를 이동시키거나 강제하여 강제 대류에 의해 회전자를 냉각시킨다. 또한, 입구 통로(64) 내의 속도까지 기체에 각가속도를 부여하기 위해 회전자에 의해 기체 내에 제공되는 에너지는, 기체에 각가속도가 부여되어 제 2 슈라우드(80)로부터 빠져나올 때 출구 통로(84)에 의해 부분적으로 회수된다. 그러므로 이 구조체와 연관된 풍손이 기체에 각가속도를 부여하는 것에 의해 감소한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 전술한 설명에 비추어, 당업자는 본 발명 의 다른 실시예도 용이하게 이루어 질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 바람직한 실시예의 개시에 제한되지 않으며 첨부되는 청구범위에 의해 제한된다.

Claims (6)

  1. 다이나모일렉트릭 머신에 있어서,
    고정자 부재와;
    상기 고정자 부재 내에서 축방향으로 연장되는 샤프트 위에 장착되는 회전자 부재로서, 이격되고 반경방향으로 연장되는 제 1 및 제 2 말단 부분과, 상기 제 1 및 제 2 말단 부분 사이에서 실질적으로 축방향으로 각기 연장되는 다수의 이격된 환기 덕트(ventilation ducts)를 구비하고, 상기 제 1 말단 부분으로부터 상기 제 2 말단 부분으로 상기 환기 덕트를 따라 한 방향으로 기체 흐름을 가능하게 하는 회전자 부재와;
    상기 회전자 부재와 함께 회전하도록 상기 회전자 부재의 상기 제 1 말단 부분에 인접하게 상기 회전자 부재에 장착되는 제 1 슈라우드(shroud) 부재로서, 상기 제 1 슈라우드 부재는 함께 반경방향 기체 입구 통로를 규정하기 위해 반경방향으로 연장되고 그리고 상기 회전자 부재의 상기 반경방향으로 연장되는 제 1 말단 부분으로부터 이격되며, 상기 제 1 슈라우드 부재는 기체 입구를 규정하기 위해 상기 샤프트와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 있는 제 1 반경방향 내측 말단 부분과, 상기 환기 덕트 내로 기체를 지향시키기 위해 상기 회전자 부재에 장착되는 제 1 반경방향 외측 말단 부분을 구비하고, 상기 제 1 슈라우드 부재는 상기 회전자 부재와 함께 회전하여 상기 반경방향 기체 입구 통로를 따라서 그리고 상기 환기 덕트 내로 이동하는 기체에 각가속도(角加速度)를 부여하는, 상기 제 1 슈라우드 부재와;
    상기 회전자 부재와 함께 회전하도록 상기 회전자 부재의 상기 제 2 말단 부분에 인접하게 상기 회전자 부재에 장착되는 제 2 슈라우드 부재로, 상기 제 1 슈라우드 부재는 함께 반경방향의 기체 출구 통로를 규정하기 위해 반경방향으로 연장되고 그리고 상기 회전자 부재의 상기 반경방향으로 연장되는 제 2 말단 부분으로부터 이격되며, 상기 제 2 슈라우드 부재는 기체 출구를 규정하기 위해 상기 샤프트와 근접하면서 그것으로부터 이격되어 있는 제 2 반경방향 내측 말단 부분과, 상기 환기 덕트에서 배출되는 기체를 수용하기 위해 상기 이격된 환기 덕트와 근접하여 상기 회전자 부재에 장착되는 제 2 반경방향 외측 말단을 구비하고, 상기 제 2 슈라우드 부재는 상기 회전자 부재와 함께 회전하여 상기 환기 덕트에서 배출되고 상기 반경방향 기체 출구 통로를 따라 이동하는 기체에 각감속도(角減速度)를 부여하는, 상기 제 2 슈라우드 부재를 포함하는
    다이나모일렉트릭 머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 부재는, 상기 고정자 부재와의 에어 갭에 인접하여 있는 것으로 인접한 것은 축방향으로 연장되는 극간 공간을 갖는 다수의 이격된 폴(poles)과, 상기 환기 덕트를 규정하기 위해 상기 극간 공간을 가로질러 상기 폴 사이에서 연장되는 차폐체(shield)를 포함하는
    다이나모일렉트릭 머신.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이나모일렉트릭 머신은 밀봉된 회전자 다이나모일렉트릭 머신인
    다이나모일렉트릭 머신.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 슈라우드 부재의 각각은 반경방향 흐름과 축방향 흐름의 사이로 그리고 축방향 흐름과 반경방향 흐름의 사이로 각기 기체 흐름을 변경시키기 위해 각각의 제 1 및 제 2 반경방향 외측 말단 부분 근처에 만곡된 림 표면을 구비하는
    다이나모일렉트릭 머신.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 입구 내로, 상기 반경방향 입구 통로를 따라, 상기 환기 덕트를 따라 축방향으로, 상기 반경방향 기체 출구 통로를 따라 그리고 상기 기체 출구 외부로 기체 흐름을 지향시키기 위해 상기 기체 입구나 기체 출구 중 한쪽 또는 양쪽 부근에 송풍기 모터를 포함하는
    다이나모일렉트릭 머신.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 슈라이더 부재는 상기 제 1 슈라이더 부재보다 작은 사전 설정된 거리로 상기 샤프트를 향해 반경방향으로 연장되는
    다이나모일렉트릭 머신.
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