KR101019955B1 - 회전기기 - Google Patents

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Abstract

회전기기에 나선형의 냉각유로를 제공하여 회전기기의 발열된 공기를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 회전기기가 개시된다. 상기와 같은 구성에 의해 회전기기의 발열된 공기를 효율적으로 냉각시킬 수 있으며, 회전기기를 냉각시키기 위해 유입 및 배출되는 공기의 열교환 면적을 증가시켜 열교환 효율을 높일 수 있고, 회전기기에 제공되는 냉각팬의 용량을 최소화하여 회전기기의 부피 및 크기 등을 최소화할 수 있다.
회전기기, 나선, 냉각유로

Description

회전기기{ROTATING APPARATUS}
본 발명은 회전기기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 회전기기에 나선형의 냉각유로를 형성하여 회전기기가 냉각되는 면적이 증가하여 냉각성능이 향상될 수 있는 회전기기에 관한 것이다.
고성능, 고출력 전기기기의 개발요구에 따라 발전기, 전동기 등과 같은 회전기기가 제공된다. 이러한 회전기기에서는 열손실이 필연적으로 발생되기 때문에 전기기기에서 발생되는 열을 효과적으로 제거해야 한다.
이러한 회전기기의 주요 구성은 프레임(FRAME) 내에 고정자(STATOR), 축(SHAFT), 회전자(ROTOR) 및 회전자의 회전에 따라 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부(COOLER)가 제공된다.
특히, 회전자에서 발생하는 열은 고정자에서 발생된 열을 프레임의 방열핀을 통해 대기 중으로 방출되는 방법과 프레임 내부에 냉각팬을 설치하여 프레임 내부의 방열을 제거하는 방법이 있다.
상기 프레임에 방열핀을 제공하여 회전자의 열을 방출시키는 방법은 고정자와 프레임 사이의 열전도 방식으로 방열을 제거하기 때문에 큰 시스템에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 프레임 내부에 냉각팬을 설치하여 프레임 내부의 방열을 제거하는 방법은 고정자에 직선의 냉각유로가 제공되어 냉각유로를 통해 냉각된 공기를 제공하기 때문에 냉각된 공기의 유동 형태가 단순화되는 경향이 있다.
그 결과 발열부의 냉각효율이 떨어지고, 냉각된 공기가 유입 및 배출되는 면적이 일정하기 때문에 발열된 공기를 냉각시킨 공기가 배출되는 부위의 압력이 증가하여 냉각팬의 용량이 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 나선형의 냉각유로를 제공하여 회전기기의 발열된 공기를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 회전기기를 제공한다.
또한, 본 발명은 회전기기를 냉각시키기 위해 유입 및 배출되는 공기의 열교환 면적을 증가시켜 방열 효율을 높이고, 회전기기에 제공되는 냉각팬의 용량을 최소화하여 회전기기의 부피 및 크기 등을 최소화할 수 있는 회전기기를 제공한다.
상술한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 회전기기는 프레임; 프레임 내에 제공되며, 나선형의 냉각유로를 포함하는 고정자; 및 고정자 내에 고정자와 이격되어 제공되는 회전자;를 포함하며, 냉각유로는 프레임 및 고정자 사이 또는 고정자 표면에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 회전기기의 발열된 공기를 효율적으로 냉각시킬 수 있으며, 회전기기를 냉각시키기 위해 유입 및 배출되는 공기와 고정자의 접촉 면적을 증가시켜 방열효율을 높이고, 회전기기에 제공되는 냉각팬의 용량을 최소화하여 회전기기의 부피 및 크기 등을 최소화할 수 있다.
상기 프레임 및 상기 고정자 사이에 위치하도록 상기 고정자의 외면에는 소정간격 이격되는 복수개의 지지바가 제공되며, 상기 나선형의 냉각유로는 상기 지지바 사이에 형성될 수 있다.
또한, 고정자 표면에는 냉각유로 홈이 형성될 수 있으며, 냉각유로 홈에는 냉각유체가 제공될 수 있으며, 이때, 냉각유로는 고정자 표면에서 균일 또는 불균일한 간격을 가지도록 형성될 수 있다.
즉, 냉각유체가 회전자의 회전축 방향으로 유입되는 경우, 냉각유로는 균일한 간격으로 형성될 수 있으며, 냉각유체가 회전자의 반경방향으로 유입되는 경우, 냉각유로는 불균일 간격으로 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 냉각유로에 의해 냉각유체가 유입되는 방향에 관계없이 회전자에서 발생된 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
한편, 상기 고정자의 일측에는 상기 회전자의 회전축과 동일축 상에 있도록 냉각팬이 제공되며, 상기 냉각팬에 가까운 상기 냉각유로의 폭은 상기 냉각팬으로부터 먼 상기 냉각유로의 폭보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 프레임 내부의 고정자 일측에 제공된 냉각팬은 냉각유로를 통해 냉각유체가 유입되어 회전자의 열을 냉각시킨 유체가 외부로 용이하게 배출될 수 있게 한다.
따라서, 냉각팬과 가까운 고정자의 일측의 냉각유체의 이동 속도는 냉각팬과 먼 고정자의 타측의 속도보다 빠를 수 있다. 따라서, 냉각팬이 제공되지 않은 고정자의 타측의 냉각유로의 폭을 냉각팬과 가까운 고정자의 일측에 형성된 냉각유로 보다 넓게 형성하여, 고정자를 냉각시킨 냉각유체가 원활하게 배출될 수 있다.
본 발명의 회전기기는 고정자에 나선형의 냉각유로를 제공하여 냉각유체가 고정자에 머무르는 시간을 증가시켜 발열된 회전기기의 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 회전기기는 냉각된 공기가 유입 및 배출되는 면적을 증가시켜 회전기기에 제공되는 냉각팬의 용량을 최소화하더라도 냉각효율을 높일 수 있다. 그 결과 회전기기의 부피 및 크기 등을 최소화할 수 있는 냉각장치를 제공한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 및 작용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 고정자를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 2의 고정자의 단면을 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 회전기기(100)는 프레임 내에 제공된 고정자 코일(144)를 포함하는 고정자(140) 및 고정자(140) 내에 제공되며, 회전축(120)을 중심으로 회전 가능한 회전자(130)를 포함한다. 이때 고정자(140)에는 회전기기(100)의 회전자(130)의 회전에 의해 발생하는 열을 냉각할 수 있도록 냉각유체가 공급되는 냉각유로(142)가 형성될 수 있다.
이때, 냉각유로(142)는 프레임과 고정자(140) 사이에 제공될 수 있으며, 다르게는 고정자(140) 표면에 형성될 수도 있다.
즉, 프레임과 고정자(140) 사이에 제공되는 냉각유로(142)는 프레임과 고정자(140) 사이에 존재하는 간격에 지지바(143)(support bar)를 삽입하여 프레임과 고정자(140) 사이의 공간을 일정 간격을 두고 나눌 수 있으며, 지지바(143)에 의해 나눠진 공간이 냉각유로(142) 역할을 할 수 있다. 이 때, 지지바(143)는 나선형태로 프레임과 고정자(140) 사이에 제공될 수 있다. 이로 인해, 냉각유로(142)를 형성하기 위해 고정자(140) 표면에 별도의 가공을 할 필요가 없으며 지지바(143)에 비틀림을 주어 나선형 냉각유로(142)를 형성할 수 있다.
또한, 냉각유로(142)는 고정자(140) 표면에 형성할 수도 있다. 즉, 고정자(140) 표면에 홈을 형성하여 형성된 홈에 냉각유체를 제공할 수도 있다. 이 때, 고정자(140) 표면에 형성하는 홈의 형상은 사각형. 원형, 타원형 등 필요한 냉각 효율에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 고정자(140)는 고정자(140)의 표면을 따라 냉각유체가 제공될 수 있는 냉각유로(142)를 포함할 수 있으며, 냉각유로(142)는 고정자(140)를 따라 나선형으로 형성될 수 있다.
이때, 냉각유로(142)는 프레임(110)과 고정자(140) 사이에 복수개의 지지바(143)를 삽입하여 형성할 수 있으며, 다르게는 고정자(140) 표면에 냉각유로(142) 홈을 형성하여 형성할 수도 있다.
즉, 프레임(110)과 고정자(140) 사이에 소정 간격 이격되어 있을 경우, 이격된 공간에 지지바(143)를 삽입할 수 있다. 여기서, 지지바(143)는 프레임(110)과 고정자(140) 사이에 나선형으로 삽입될 수 있으며, 냉각유체가 공급될 수 있도록 적어도 하나 이상 제공되는 것이 바람직하다. 지지바(143)는 프레임(110)과 고정자(140)가 소정 간격을 가질 수 있도록 고정자(140)에 대해 프레임(110)을 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 고정자(140)의 표면에 냉각유로(142)를 형성하는 역할도 할 수 있다.
또한, 지지바(143)는 회전기기(100)의 회전에 따라 발열이 최소화될 수 있는 물질로 제공되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 회전기기(100)의 회전에 의해 발생하는 열을 냉각시키기 위해 냉각유로(142)를 형성하는데, 각각의 지지바(143) 사이를 이동하는 냉각유체가 지지바(143)에 의해 냉기를 뺏기는 것을 최소화하기 위해 지지바(143)는 회전기기(100)의 회전에 의해 최소한으로 발열될 수 있는 물질로 제공될 수 있다.
만약, 지지바(143)에 의해 냉각유체의 냉기를 빼앗기면 그 만큼 열교환 효율이 저하될 수 있다. 열교환 효율이 높기 위해서는 냉각유체와 고정자(140) 표면의 온도차가 클수록 좋은데, 지지바(143)에 의해 냉각유체의 냉기를 빼앗기면 냉각유체의 온도가 높아지므로 결국 냉각유체와 고정자(140) 표면의 온도차가 작아질 수 있다.
다르게는 고정자(140) 표면에 냉각유로(142) 홈을 형성하여 냉각유로(142)를 형성할 수도 있다. 이 경우 프레임(110)과 고정자(140) 사이에 틈이 없기 때문에 지지바(143)를 삽입할 수 없는 경우 냉각유로(142) 홈을 형성하여 냉각유체를 공급할 수 있게 한다.
이하 본 발명에서는 프레임(110)과 고정자(140) 사이에 지지바(143)가 삽입 된 예를 들어 설명하기로 하며, 냉각유료가 형성되는 방법에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
냉각유로(142)는 나선형으로 형성될 수 있다. 냉각유로(142)를 나선형으로 형성하게 되면, 냉각유체의 난류운동에너지가 증가하고, 냉각유체가 공급되는 면적 및 냉각유체가 고정자 표면에 머무르는 시간이 증가될 수 있기 때문에 회전기기(100)의 열전달량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 회전기기(100)의 열이 용이하게 냉각될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로를 도시한 도면이고, 도 4는 발명의 다른 실시예에 따른 냉각유로를 도시한 도면이다.
이하 도면에서 도시된 구성은 도 1 및 도2에서 설명된 구성과 동일 또는 유사한 효과를 나타낼 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 냉각유로는 프레임과 고정자 사이에 균일하게 형성하거나 불균일한 간격을 가지도록 형성할 수 있다.
즉, 냉각유체가 회전기기(100_도 1참조)의 회전축(120) 방향으로 유입될 경우, 냉각유로(142)의 간격을 균일하게 할 수 있으며, 냉각유체가 회전기기(100)의 반경방향으로 유입될 경우 냉각유로(142a)의 간격을 불균일하게 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성된 냉각유로에 의해 회전기기에 냉각유체가 공급되는 방향에 관계없이 발열된 회전기기를 냉각할 수 있다.
도 5은 본 발명의 다른 실시예의 고정자를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 고정자의 단면을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제공된 냉각팬(150)과 가까운 고정자(140) 일측의 냉각유로(142b)의 폭은 냉각팬(150)과 먼 고정자(140) 타측의 냉각유로의 폭보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 냉각유체는 냉기(冷氣)를 포함하는 기체로 제공될 수 있는데, 상기 냉각유체의 흐름을 안내하고자 고정자(140) 일 측에는 냉각팬(150)이 제공될 수 있다. 즉, 냉각팬(150)은 회전기기(100_도 1 참조)를 냉각시킨 유체가 외부로 배출되는 위치에 제공되어, 회전기기(100)를 냉각시킨 유체의 이동 방향과 나란한 방향으로 회전하여 회전기기(100)를 냉각시킨 유체가 용이하게 배출될 수 있게 한다.
이때, 회전기기(100)에 냉각유체가 유입될 때는, 냉각유체와 발열된 회전기기(100)가 접하는 면적이 증가해야 회전기기(100)의 냉각이 용이하게 진행될 수 있다. 따라서, 냉각유체가 유입되는 고정자(140)의 타측의 냉각유로(142b) 즉, 냉각팬(150)과 먼 고정자(140) 타측의 냉각유로(142b)의 폭은 회전기기(100)를 냉각시킨 유체가 배출되는 고정자(140)의 일측의 냉각유로(142b) 즉, 냉각팬(150)과 가까운 고정자(140) 일측의 냉각유로(142b)의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 냉각유로(142b)에 의해 냉각유로(142b)에서 받는 압력을 최소화하게 되어 작은 용량의 냉각팬(150)을 이용하여 발열된 회전기기(100)를 냉각시킬 수 있으며, 냉각팬(150)의 축소로 회전기기(100)가 경량화 될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 고정자를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 고정자의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각유로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 고정자를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 고정자의 단면을 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 회전기기 110: 프레임
120: 회전축 130: 회전자
140: 고정자 142, 142b, 142b: 냉각유로
143, 143a, 143b: 지지바 150: 냉각팬

Claims (7)

  1. 프레임;
    상기 프레임 내에 제공되며, 나선형의 냉각유로를 포함하는 고정자; 및
    상기 고정자 내에 상기 고정자와 이격되어 제공되는 회전자;를 포함하며,
    상기 냉각유로는 상기 프레임 및 상기 고정자 사이 또는 상기 고정자 표면에 형성되고,
    상기 냉각유로는 상기 회전자의 축방향으로 불균일한 간격으로 형성되고,
    상기 냉각유로는 냉각유체가 유입되는 부분이 냉각유체가 배출되는 부분보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 회전기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 및 상기 고정자 사이에 위치하도록 상기 고정자의 외면에는 소정간격 이격되는 복수개의 지지바가 제공되며, 상기 나선형의 냉각유로는 상기 지지바 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 회전기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 표면에는 냉각유로 홈이 형성되며, 상기 냉각유로 홈에는 냉각유체가 제공되는 것을 특징으로 하는 회전기기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정자의 일측에는 상기 회전자의 회전축과 동일축 상에 있도록 냉각팬이 제공되며, 상기 냉각팬에 가까운 상기 냉각유로의 폭은 상기 냉각팬으로부터 먼 상기 냉각유로의 폭보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 회전기기.
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