KR100921687B1 - Cooling structure for generator and electric motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발전기나 전동기의 수냉식 냉각구조에 관한 것으로, 스테이터 외주면과 냉각커버 내주면 사이의 간극 내에 별도의 전열프레임을 구비시켜 간극을 메꿈으로 스테이터와 냉각커버 간 열전도가 균일하고 확실하게 이루어질 수 있는 발전기 및 전동기의 냉각구조에 관한 기술이다.The present invention relates to a water-cooled cooling structure of a generator or an electric motor. A generator having a separate heat transfer frame in the gap between the outer circumferential surface of the stator and the inner circumferential surface of the cooling cover can fill the gap to make the heat conduction between the stator and the cooling cover uniform and reliable. And a technology related to a cooling structure of an electric motor.
일반적으로 전자기유도작용으로 기전력을 발생시켜 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기와 전기적에너지를 이용하여 기계적 구동력을 발생시키는 전동기는 기본적으로 [도 1a]에 도시된 것처럼 내부에 고정 설치되는 원통형태의 고정자, 즉 스테이터(stator)(200)와 상기 고정자의 내측에 설치되고 로터축(110)에 의해 회전되며 회전과정에서 스테이터(200) 에서의 발전을 유도하는 회전자, 즉 로터부(rotor)(100)로 구성된다.In general, a generator that generates electromotive force by electromagnetic induction and converts mechanical energy into electrical energy and a motor that generates mechanical driving force by using electrical energy basically has a cylindrical shape fixedly installed therein as shown in FIG. A stator, that is, a rotor installed inside the
이러한 일반적인 발전기나 전동기는 상기 로터(100)와 스테이터(200) 간의 발전과정에서 스테이터(200)를 비롯해 전체적으로 자체 발열이 이루어지기 때문에 과열을 방지하기 위해 별도의 냉각구조를 갖는다.Such a general generator or electric motor has a separate cooling structure in order to prevent overheating because the self-heating is generated as a whole, including the
상기 냉각구조는 원통형의 냉각커버(300)가 스테이터(200)의 외부둘레를 감싸는 형태로 설치되되, 냉각커버(300) 내부에는 냉각수 이동로(320)가 형성되어 있는 구조로, The cooling structure has a
스테이터(200)의 외주면이 냉각수에 의해 냉각된 냉각커버(300)의 내주면과 접촉됨에 따라 냉각커버(300)와 스테이터(200)간에 열전달이 이루어져 스테이터(200)가 냉각되는 형태로 이루어진다.As the outer circumferential surface of the
그런데 제작과정에서 스테이터(200)를 냉각커버(300) 내부에 결합시키기 위해서는 도면에 도시된 것처럼 스테이터(200) 외주면과 냉각커버(300) 내주면 사이에 미세간극(a)이 형성될 수밖에 없다.However, in order to couple the
따라서 이 구조에서는 냉각과정은 스테이터(200)와 냉각커버(300)간의 직접적인 접촉이 아니라 상기 간극(a)내 공기층을 통한 간접접촉 방식으로 열교환이 이루어지게 된다.Therefore, in this structure, the cooling process is not a direct contact between the
따라서 스테이터(200)-냉각커버(300)간 직접접촉 구조에 비해 냉각효율이 떨어지게 됨은 물론, 로터의 회전과정에서 발생된 진동 때문에 스테이터(200)가 흔들리게 되고 이로 인해 [도 1b]의 각 확대도에서 볼 수 있듯이 간극(a)이 국부적으로 좁혀짐에 따라 냉각지점이 균일하게 분포되지 못해 특정지점이 과열되는 현상이 발생되기도 한다.Therefore, as compared with the direct contact structure between the
본 발명은 상기와 같은 종래 냉각구조의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,The present invention has been proposed to solve the problems of the conventional cooling structure as described above,
스테이터와 냉각커버 간 간극 내 공기층을 통한 간접 열전달 구조에 비해 열전달 효율을 높일 수 있는 발전기 및 전동기의 냉각구조 제공을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a cooling structure of a generator and a motor that can increase heat transfer efficiency as compared with an indirect heat transfer structure through an air layer in a gap between a stator and a cooling cover.
또한 로터의 회전과정에서 발생되는 진동에 의한 스테이터와 냉각커버 간 국부적 접촉현상을 방지하여 항시 냉각지점이 스테이터 외부둘레에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있는 발전기 및 전동기의 냉각구조 제공을 목적으로 한다.In addition, the object of the present invention is to provide a cooling structure of a generator and a motor in which a cooling point is uniformly distributed over the outer circumference of the stator by preventing local contact between the stator and the cooling cover due to the vibration generated during the rotation of the rotor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은,The present invention proposed to achieve the above object,
스테이터 상에 냉각장치가 구비된 발전기 및 전동기의 냉각구조에 있어서,In the cooling structure of the generator and the motor provided with a cooling device on the stator,
상기 냉각장치는 스테이터 외부둘레를 따라 설치되되 내부에 냉각수 이동로가 형성된 냉각커버를 포함하고,The cooling device is installed along the outer circumference of the stator includes a cooling cover formed with a cooling water moving path therein,
상기 냉각커버와 스테이터 사이 간극 내에 별도의 전열부재가 더 추가 설치된 것을 특징으로 한다.In the gap between the cooling cover and the stator is characterized in that a separate heat transfer member is further installed.
그리고 상기 전열부재는 금속분말로 이루어져 냉각커버와 스테이터 사이 간극내 채워진 형태로 이루어진 점도 특징으로 한다.In addition, the heat transfer member is made of a metal powder is characterized in that it is made of a form filled in the gap between the cooling cover and the stator.
또한 상기 냉각수 이동로는 독립된 구간을 갖는 이동로가 냉각커버 둘레를 따라 복수개 배치되고, 각 냉각수 이동로의 양 단에는 냉각수 유입구와 배출구가 각각 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling water moving path is provided with a plurality of moving paths having independent sections along the circumference of the cooling cover, characterized in that the cooling water inlet and outlet are provided at each end of each cooling water moving path.
더불어 상기 전열부재는 금속분말을 압축하여 프레임이나 배관 형태로 이루어진 점과 황동이나 구리, 주석 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the heat transfer member is characterized in that the metal powder is made of any one of the points made of a frame or pipe form and brass, copper, tin.
상기와 같은 특징적 구성으로 이루어진 본 발명은,The present invention consisting of the above characteristic configuration,
별도의 전열부재로 스테이터와 냉각커버 간의 간극을 메꿈에 따라,As the gap between the stator and cooling cover is filled with a separate heat transfer member,
상기 전열부재가 스테이터와 냉각커버 간 열전달 매게체 역할을 함으로써, 기존 공기층을 통한 간접 열전달 구조에 비해 높은 열전달 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.Since the heat transfer member serves as a heat transfer medium between the stator and the cooling cover, there is an advantage that a high heat transfer effect can be obtained compared to the indirect heat transfer structure through the existing air layer.
또한 진동으로 인한 스테이터와 냉각커버 간 국부적인 접촉현상이 방지됨은 물론, 전열부재의 내 외주면이 스테이터의 외주면과 냉각커버의 내주면 전체에 걸쳐 접촉됨에 따라 스테이터 외부둘레 전체에 걸쳐 균일한 냉각이 이루어질 수 있는 장점이 있다.In addition, local contact between the stator and the cooling cover due to vibration is prevented, and as the inner circumferential surface of the heat transfer member contacts the entire outer circumferential surface of the stator and the inner circumferential surface of the cooling cover, uniform cooling can be achieved over the entire outer circumference of the stator. There is an advantage.
이하에서는 도면에 예시된 구성을 참조하여 본 발명의 구체적인 구성 및 그 작용에 대한 실시예를 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the configuration illustrated in the drawings will be described embodiments of the specific configuration and its operation of the present invention.
본 발명 발전기 및 전동기의 냉각구조는 [도 2a] 내지 [도 3]에 도시된 바와 같이 로터(100)와 스테이터(200)로 구성된 발전기나 전동기의 기본 구조에 냉각커버(300)와 전열부재(500)가 부가된 구조로 구성된다.Cooling structure of the generator and the motor of the present invention is a
먼저 일반적인 발전기와 전동기의 핵심구조를 설명하면, 개략적으로 로터(100)의 외부를 스테이터(200)가 감싸고 있는 형태로 이루어지는데,First, the core structure of the general generator and the electric motor will be described, and the
스테이터(200)와 더불어 동력발생 용도의 회전자, 즉 로터(100)는 중앙에 로터축(110)이 관통 결합된다.In addition to the
이러한 로터(100)는 원형의 얇은 판재 형태인 코어를 여러개 중첩시켜 볼트(미도시)를 통해 상호 고정시킨 형태로 제작된다.The
참고적으로 각각의 코어들은 표면을 절연 코팅하여 중첩 시 각 코어 간의 통전이 차단되도록 하여 전체가 일체형으로 제작된 로터와는 달리 전류의 와류 현상에 의한 손실을 방지할 수 있도록 한다.For reference, each core is insulated and coated on the surface to prevent current flow between each core when overlapping, so as to prevent loss due to eddy current eddy current, unlike a rotor manufactured as a whole.
그리고 로터(100)의 외부둘레 상에는 스테이터(200)와의 자력 반응을 위한 마그네트(120)가 매설된다. And the magnet 120 for the magnetic reaction with the
본 발명에서의 로터구조는 핵심사항이 아님으로 공지된 여러 구조 중 다양하게 취사선택이 가능하다.The rotor structure in the present invention can be selected in various ways from among various structures known to be not essential.
이러한 로터(100)와 더불어 동력발생을 위한 핵심구조인 고정자, 즉 스테이 터(stator)(200)는 원통형태로 로터(100)의 외부를 둘러싸고 있는 형태로 위치된다.In addition to the
본 발명의 스테이터(200)는 공지된 것을 사용함으로 코일구조나 기타 기본적인 구조의 설명은 생략한다.Since the
이러한 스테이터(200)에는 발전기 및 전동기의 과열을 방지하기 위한 냉각수단(1000)이 설치된다.The
상기 냉각수단(1000)은 크게 냉각커버(300)와 전열부재(500)로 구성된다.The cooling means 1000 is largely composed of a
먼저 상기 냉각커버(300)는 냉각수를 수용하기 위한 것으로 전체적으로 원통형상으로 이루어지고 스테이터(200) 외부둘레를 감싸는 형태로 위치되되, 외벽(310a)과 내벽(310b)이 상호 이격된 이중벽구조를 갖는다.First, the
상기 외벽(310a)과 내벽(310b) 사이 공간부에는 격판(350)들이 간격을 두고 원둘레를 따라 배치되어 각 격판(350)에 의해 공간이 여러 개로 구획된다. In the space portion between the
이때 [도 2b]에 도시된 것처럼 각 격판(350)들 중 일부는 후단부가 냉각커버(300) 후면에 고정되고 전단부는 냉각커버(300) 전면으로부터 이격된 형태로 설치되고 나머지 격판들은 이와 반대되는 구조로 설치된다.At this time, as shown in FIG. 2b, some of each of the
이러한 반대구조의 격판(350)들이 교호로 배치됨에 따라 각 격판(350)들 사이에는 지그재그 형태로 연통된 냉각수 이동로(320)가 형성된다.As the
그리고 냉각커버(300) 일측에는 냉각수 이동로(320)로 냉각수를 유입시키기 위한 냉각수 유입구(330)가 구비되고, 냉각수 유입구(330)와 일정거리 떨어진 지점에는 냉각수 이동로(320) 내에서 열 교환된 냉각수의 배출을 위한 냉각수 배출 구(340)가 구비된다.In addition, a
이러한 한 쌍의 냉각수 유입구(330)와 배출구(340)는 도면에서처럼 냉각커버(300) 외부둘레를 따라 반복적으로 배치됨에 따라 냉각커버(300) 내부에는 각각 독립된 구간의 냉각수 이동로(320a)(320b)(320c)(320d)가 형성된다.As the pair of
이렇게 독립구간의 냉각수 이동로(320a)(320b)(320c)(320d)들을 여러개 형성시킴에 따라 냉각수의 이동거리가 짧아지게 되고, 따라서 각 냉각수 순환 주기가 짧아짐으로 그만큼 냉각 효율이 높아지게 된다.As the coolant moving paths 320a, 320b, 320c, and 320d are formed in the independent section as described above, the moving distance of the coolant is shortened, and thus the cooling efficiency is increased by shortening each cooling water circulation cycle.
이러한 냉각커버(300) 내부에 스테이터(200)가 삽입되는데, 종래에는 스테이터(200)와 냉각커버(300)사이 간극(a)이 최대한 좁게 형성되도록 하여 상호 열전달효율이 저하되는 것을 방지하였고, 따라서 제작 및 조립에 어려움이 많았다.The
하지만 본 발명에서는 종래에 비해 냉각커버(300)와 스테이터(200)간 간극(a)이 충분히 넓게 형성되도록 제작함으로써 일단 조립이 원활하게 이루어진다. 물론 이 상태는 그만큼 공기층이 넓어지기 때문에 종래에 비해 열전달효율이 떨어질 수밖에 없다.However, in the present invention, the assembly is smoothly made by making the gap a between the
하지만 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 간극(a) 내에 별도의 전열부재(500)를 설치하는데,However, in the present invention to install a separate
상기 전열부재(500)는 냉각커버(300)와 스테이터(200)간 직접적인 열전달 매게 역할을 하기 위한 것으로, 미세 금속분말이 간극(a) 내에 가득 채워진 형태로 이루어진다.The
이렇게 전열부재(500)를 분말형태로 제작하는 이유는, 만일 전열부재(500)를 판재형태로 제작 할 경우 로터(100)의 회전과정에서 발생되는 진동으로 인해 전열부재의 형태변형이 일어날 가능성이 있기 때문이다. The reason why the
물론 이러한 형태변형 가능성은 굉장히 미비하고 형태변형이 일어나더라도 이로 인한 열전달효율이나 기기 고장 등은 우려할 만한 수준은 아니기 때문이므로 얼마든지 [도 4]처럼 금속판재 형태로 구현할 수도 있다.Of course, the possibility of such a shape deformation is very insignificant, even if the shape change occurs because the heat transfer efficiency or device failure due to this is not a level of concern can be implemented in the form of metal plate as much as [Fig. 4].
이 경우 간극(a) 내에 삽입된 상태에서 전후 단부가 냉각커버(300) 전후면에 밀착될 수 있는 길이로 제작되고, 전체적으로 스테이터(200)의 외주면과 냉각커버(300) 내벽과 동일한 원호를 띠도록 함으로써 간극(a) 내에 삽입되었을 때 틈이 형성되지 않도록 한다.In this case, the front and rear ends are inserted into the gap (a) to have a length that can be in close contact with the front and rear surfaces of the
이러한 전열부재(500)는 금속 중 상대적으로 열전도율이 높은 황동이나 주석, 구리 등을 사용하는데, 특히 황동을 사용할 경우에는 전열 효율을 결정하는 아연의 함유량이 35%이상인 것을 사용한다.The
물론 전열부재(500)의 재질은 상기 세 가지 금속으로 한정되지 않고 타 금속 중에서도 얼마든지 취사선택이 가능하다.Of course, the material of the
전열부재(500)는 간극부(a) 내에서 원둘레를 따라 간격을 두고 배치되는데, 이때 각 전열부재(500) 사이에는 별도의 구획프레임(510)을 구비시켜 전열부재(500) 간의 충돌을 방지한다.The
이때 상기 구획프레임(510)도 열전도율이 높은 금속으로 구현하여 전열부 재(500)간 충돌방지 뿐만 아니라 전열부재(500)와 더불어 열전도 기능도 함께 갖도록 하는 것이 바람직하다. In this case, the
참고로 전열부재(500)는 이러한 구조 외에 [도 5]처럼 판재형태가 아닌 원통 형태로 제작할 수도 있다. 이 경우 상기 구획프레임(510)은 구비할 필요가 없게 된다.For reference, the
다음은 이러한 구성을 통한 본 발명의 작용 및 그 과정에서 나타나는 효과를 설명한다.The following describes the operation of the present invention and the effects in the process through this configuration.
[도 2a]에 도시된 것처럼 로터축(110)에 의해 로터(100)가 회전하면 로터(100) 상의 마그네틱(120)들과 스테이터(200) 간 자력으로 인한 반응이 일어나고 이 과정이 지속되면서 최초 스테이터(200)가 발열되고 이로 인해 전열부재(500)를 비롯해 냉각커버(300) 전체에 걸쳐 열이 전도된다.As shown in FIG. 2A, when the
이와 동시에 각 냉각수 유입구(330)를 통해 냉각커버(300) 내부로 냉각수가 공급되고, 공급된 냉각수는 각 해당 구간의 냉각수 이동로(320a)(320b)(320c)(320d)를 따라 이동하면서 1차적으로 냉각커버(300)와 열교환 된 후 냉각수 배출구(340)를 통해 외부로 배출되며, 배출과 동시에 다시 냉각수 유입구(330)를 통해 새로운 냉각수가 다시 공급되는 과정이 반복된다.At the same time, the cooling water is supplied into the
이렇게 냉각수에 의해 냉각커버(300)가 냉각되면 냉각커버(300) 내벽에 밀착되어 있는 각 전열부재(500)도 함께 열 교환되어 냉각되고 전열부재(500)를 통해 스테이터(200) 표면도 동시에 냉각된다.When the
이와 같이 스테이터(200)와 냉각커버(300)와 직접 접촉되어 있는 전열부재()를 통해 상호간 열전달이 이루어지기 때문에, 기존 간극(a) 내 공기층을 통한 간접 열교환 구조에 비해 높은 열전도율을 얻을 수 있게 된다. In this way, since the heat transfer between each other through the heat transfer member () in direct contact with the
그리고 앞에서 설명한 것처럼 전열부재(500)가 스테이터(200)-냉각커버(300) 간 간극(a)을 메꾸고 있는 상태이기 때문에 로터(100) 회전과정에서 특정지점의 간극이 좁혀지는 현상은 발생되지 않고 스테이터(200)의 외부둘레와 냉각커버(300)의 외부둘레 전체에 걸쳐 항시 균일한 열전도가 이루어지게 되는 것이다.And as described above, since the
이상 설명한 본 발명의 특징은 당업자에 의해 다양하게 변형되고 조합되어 실시될 수 있으나, 이러한 변형 및 조합이 스테이터와 냉각커버 사이 공간내에 별도의 전열부재를 부가하여 전열부재를 통한 직접적인 열전도가 이루어지도록 함으로써,The above-described features of the present invention may be variously modified and combined by those skilled in the art, but such modifications and combinations may be performed by adding a separate heat transfer member in the space between the stator and the cooling cover to make direct heat conduction through the heat transfer member. ,
기존 간극내 공기층을 통한 간접 열전도에 비해 높은 열교환 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 스테이터 외부면 전체에 걸쳐 항시 균일한 냉각이 이루어질 수 있는 구성 및 목적과 관련이 있을 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 판단되어야 한다.In addition to obtaining a high heat exchange effect compared to the indirect heat conduction through the air layer in the existing gap, and if it is related to the configuration and the purpose that the uniform cooling can be always performed throughout the outer surface of the stator, it is within the protection scope of the present invention. Should be judged.
도 1a 는 종래 기술 중 스테이터와 냉각커버 사이에 간극이 형성된 모습을 나타낸 단면도Figure 1a is a cross-sectional view showing a gap formed between the stator and the cooling cover in the prior art
도 1b 는 종래 기술 중 로터가 회전하는 과정에서 상기 간극 중 특정지점이 좁혀진 상태를 나타낸 단면도Figure 1b is a cross-sectional view showing a state in which a specific point of the gap is narrowed during the rotation of the rotor in the prior art
도 2a 는 본 발명 중 간극 내에 금속분말형태의 전열부재가 채워진 상태를 나타낸 단면도Figure 2a is a cross-sectional view showing a state in which a metal powder-type heat transfer member is filled in the gap in the present invention
도 2b 는 냉각커버의 냉각수 이동로 구조를 나타낸 평면 개략도Figure 2b is a schematic plan view showing the structure of the cooling water flow path of the cooling cover
도 3 은 냉각커버 및 전열부재의 설치구조를 일부확대한 도면3 is a partially enlarged view of the installation structure of the cooling cover and the heat transfer member;
도 4 는 전열부재를 프레임 형태로 구현한 상태를 나타낸 단면도4 is a cross-sectional view showing a state in which the heat transfer member is implemented in a frame form.
도 5 는 전열부재를 배관 형태로 구현한 상태를 나타낸 단면도5 is a cross-sectional view showing a state in which the heat transfer member is implemented in a pipe form.
<도면의 주요부분에대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 로터 101 : 로터축 100: rotor 101: rotor shaft
200 : 스테이터 300 : 냉각커버 200: stator 300: cooling cover
320: 냉각수 이동로 500 : 전열부재 320: cooling water moving path 500: heat transfer member
a : 간극 a: gap
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