KR101096469B1 - 소형 고전력 교류 발전기 - Google Patents

Abstract

기계와 전기 에너지 사이에서 변환하기 위한 장치이며, 특히 현재 차량을 개장하는 "제거 및 대체" 및 자동차용의 소형이며 고전력 교류 발전기로 사용하기에 적합한 장치이다. 장치는 영구 자석을 가진 회전자, 권선부를 가진 고정자 및 냉각 시스템을 포함한다. 회전자 대체를 최소화하고 허용불가능한 회전자 대체를 흡수함으로써 회전자 자석이 고정자와 충돌하는 것을 방지하는 기구가 배치된다. 냉각 시스템은 권선부와 자석 중 적어도 하나의 열접촉하게 냉각제 유동을 지향시키고 고정자 코어를 통해 적어도 하나의 통로를 포함한다. 다양한 개방 및 폐쇄 냉각 시스템이 개시된다. 냉각은 예를 들어 권선 단부 감김부를 느슨하게 감싸는 것, 비동기식 기류 공급원의 사용, 및/또는 고정자를 통해 연장되는 도관을 통과하는 냉각제를 권선부와 열접촉하게 지향시키는 것에 의해 용이해진다.

회전자, 고정자, 권선부, 감김부, 도관, 고정자 코어, 회전자 자석, 영구 자석

Description

소형 고전력 교류 발전기{COMPACT HIGH POWER ALTERNATOR}

본원은 2003년 7월 10일 출원된 발명자 챨스 와이. 라퐁텐 및 해롤드 씨. 스콧의 미국 특허 출원 제60/486,831호를 우선권 주장한다.

본 발명은 기계 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 위한 기계, 특히 자동차 사용에 적절한 영구 자석을 사용한 소형 고전력 교류 발전기에 관한 것이다.

교류 발전기는 통상적으로 회전 샤프트 상에 장착되고 정지 고정자에 대해 동심으로 배치되는 회전자를 포함한다. 다르게는, 정지 회전자가 회전 고정자에 동심으로 위치될 수 있다. 모터 또는 터빈과 같은 외부 에너지원은 공통적으로 풀리 벨트와 같은 매개 시스템을 통해 또는 직접 회전 요소를 구동시킨다. 고정자 및 회전자 모두는 일련의 전극을 가진다. 회전자 또는 고정자는 자기장을 발생시키며, 이는 다른 구조체의 전극 상의 권선에 영향을 미친다. 자기장이 권선을 방해하면, 전기 전류가 발생되며 이는 적절한 부하를 제공한다. 발생된 전류는 통상적으로 브리지 정류기(bridge rectifier)에 인가되며 때로는 조정되고, 출력을 제공한다. 몇몇의 경우, 조정된 출력 신호는 인버터에 인가되어 AC 출력을 제공한다.

반대로, 적절한 전기 신호가 권선부에 인가되는 경우, 장치는 모터로 작용할 수 있다.

통상적으로, 자동차 응용예에 채용된 교류 발전기는 통상적으로 엔진의 외부에 장착된 하우징과, 하우징에 하우징된 3상 권선부를 갖는 고정자와, 고정자 내의 하우징에 회전식으로 지지된 벨트 구동 클로 폴(claw-pole)형(예를 들어, 룬델(Lundell)) 회전자를 포함한다. 그러나, 이러한 종래의 클로 폴형 교류 발전기의 전력 출력은 교류 발전기의 치수에 정비례하므로, 전력 출력을 증가시키기 위해서는 종래의 교류 발전기의 치수를 상당히 증가시켜야 한다. 따라서, 차량의 공간 제약으로 인해 이러한 교류 발전기를 공기조화, 냉장 또는 통신 장비로의 전력 공급과 같은 예를 들어, 5 kW의 고출력 응용예에 사용하는 것은 곤란하다. 또한, 클로형 발전기는 전압 조정이 회전장의 변조에 의한 것이라는 점에서 바람직하지 못하다. 이러한 변조는 모든 권선부에 영향을 미친다. 따라서, 전압 조정 및 개별 권선부의 제어는 현실적이지 못하다.

또한, 권선을 수행하는 클로 폴형 회전자는 비교적 무거우며(자주 교류 발전기의 전체 중량의 절반을 차지함), 실질적으로 관성을 발생시킨다. 이러한 관성은 사실상 엔진이 가속화될 때마다 엔진 상에 부하를 제공한다. 이는 엔진의 효율을 감소시켜서 추가 연료 소비를 발생시킬 수 있다. 교류 발전기의 회전 구성 요소의 질량 및 직경을 감소시킴으로써 엔진이 극복해야 하는 전체 관성을 감소시키고 이로써 연료 절약이 개선된다. 영구 자석 교류 발전기는 바람직하게는 전체 관성을 감소시키는데 적절하다. 회전 구성 요소의 질량 및 직경은 종래의 룬델 교류 발전기의 질량 및 직경과 비교하여 감소되지만, 동일한 전력량을 제공한다.

모터 차량 교류 발전기의 관성의 감소는 교류 발전기를 가속화하도록 엔진에 의해 요구되는 마력의 감소로도 변형된다. 마력의 절약은 가능하게는 차량 구동 트레인에 인가될 수 있고, 이로써 차량을 추진하는 더 많은 전력을 발생시킨다. 이는 예를 들어, 경주용 엔진에 의해 발생된 한정된 마력 조절을 처리해야 하는 경주용 차량 엔지니어들에게 큰 장점이 된다. 구동 휠에 대해 사용 가능한 마력의 미소한 개선일지라도, 상당한 경쟁적 장점을 제공할 수 있다.

또한, 이러한 관성은 전기 또는 하이브리드 차량과 같은 응용예에 문제가 될 수 있다. 하이브리드 차량은 예를 들어 30 kph(통상적으로 가솔린 엔진이 가장 효율적인 RPM 범위에 대응)의 미리 정해진 임계값 이상의 속도로 차량을 추진하는 가솔린 엔진에 사용된다. 유사하게는, 이른바 시동 발전기(starter-generator)인 "마일드 하이브리드(mild hybrid)"가 채용되어 운전자가 액셀러레이터 페달을 가압하면, 추진력의 초기 발사(initial burst)를 제공하고, 차량이 연료를 절약하고 방출물을 감소시키도록 운행 중에 정지될 때, 차량 엔지의 차단을 용이하게 한다. 이러한 마일드 하이브리드 시스템은 통상적으로 고전압(예를 들어, 42 volt)의 전기 시스템의 사용을 생각하게 된다. 이러한 시스템에 있는 교류 발전기는 연속적인 정지들 사이에서, 특히 스탑 앤 고(stop and go) 운행에서 추진력의 초기 발사를 제공하기 위해 시동 발전기를 구동하기에 충분한 레벨로 배터리를 재충전할 수 있어야 한다. 따라서, 비교적 고전압의 낮은 관성을 갖는 교류 발전기가 요구된다.

일반적으로, 차량 내에 제어 및 구동 시스템, 공기조화기 및 기구(appliance)에 전력 공급하기 위해 추가 전기 전력의 요구가 있다. 이는 냉장 장치, 건설용 응용예 및 군사용 응용예와 같은 여가용, 산업용 운송 응용예를 위한 차량에 있어서 특히 그러하다.

예를 들어, 자동차 산업에 있어서 증가된 연료 절약 및 차량 엔진 상의 전력 부하를 감소시키기 위해, 기계식 또는 유압식보다는 지능형 전기식 제어 및 구동 시스템을 채용하는 경향이 있다. 이러한 시스템은 예를 들어 스티어링 서보(통상적으로 스티어링 보정이 요구될 때만 활성화됨), 완충 장치(도로 및 속도 환경에 대해 완충 장치의 강도를 조절하기 위해 피드백을 사용), 공기조화(소정 온도를 유지하는데 요구되는 최소 속도로 압축기 작동)와 관련되어 채용될 수 있다. 이러한 전기 제어 및 구동 시스템의 사용은 차량의 전기 전력 시스템에 대한 요구(demand)를 증가시킬 수 있다.

유사하게는, 이동식 냉장 시스템이 전기 구동되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가변 속도(차량 엔진 rpm과 독립적)로 냉장 시스템을 구동함으로써 효율이 증가될 수 있다. 또한, 전기 구동 시스템에 의해 예를 들어 압축기(엔진 상), 응축기(공기에 노출되어 배치) 및 증발 유닛(냉각 컴파트먼트에 위치)과 같은 다양한 구성 요소에 연결된 호스는 가정용 냉장고 또는 공기조화기와 유사한 전기 구동 밀폐 시스템으로 대체될 수 있다. 따라서, 이러한 응용예의 차량 전기 전력 시스템은 전기 구동 유닛에 대해 적절한 전력 레벨을 제공할 수 있는 것이 바람직하다.

또한 기존의 차량을 개장하기 위해 고전력 교류 발전기를 "제거 및 교체"하는 것에 대한 소정 요구가 있다. 교류 발전기를 적응시키기 위해 통상적으로 한정된 양의 공간만이 차량의 엔진 컴파트먼트 내에 제공된다. 대체 교류 발전기가 사 용 가능한 공간 내에 맞지 않으면, 가능한 경우 설치는 상당히 복잡하며, 통상적으로 라디에이터, 범퍼 등과 같은 주요 부품의 제거를 요구하며 별도의 브래킷, 벨트 및 하드웨어의 설치를 요구한다. 따라서, 대체 교류 발전기가 제공된 고유 공간에 맞으며, 고유 하드웨어와 연결되는 것이 바람직하다.

일반적으로, 영구 자석 교류 발전기는 잘 알려져 있다. 이러한 교류 발전기는 적절한 자기장을 발생시키기 위해 영구 자석을 사용한다. 영구 자석 발생기는 종래의 계자 권선 발생기보다 더 경량이며 작은 치수를 갖는 경향이 있다. 영구 자석 교류 발전기의 예는 1997년 4월 29일자 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,625,276호, 1998년 1월 6일자로 스콧 등에게 허여된 제5,705,917호, 1999년 3월 23일자 스콧 등에게 허여된 제5,886,504호, 1999년 7월 27일자 스콧 등에게 허여된 제5,929,611호, 2000년 3월 7일자 스콧 등에게 허여된 제6,034,511호, 2002년 8월 27일자 스콧에게 허여된 제6,441,522호에 개시된다.

특히 경량이며 소형인 영구 자석 교류 발전기는 "외부" 영구 자석 회전자 및 "내부" 고정자를 채용함으로써 달성될 수 있다. 회전자는 실린더의 내부면 상에 배치된 고에너지 영구 자석을 구비한 중공 원통형 케이싱을 포함한다. 고정자는 회전자 케이싱 내에 동심으로 배치된다. 고정자를 중심으로 한 회전자의 회전은 회전자 자석으로부터의 자속이 고정자 권선부와 상호 작용하게 하며 고정자 권선부 내에 전류를 발생시킨다. 이러한 교류 발전기의 예는 예를 들어 상술된 1998년 1월 6일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,705,917호 및 1999년 7월 27일자로 스콧 등에게 허여된 제5,929,611호에 개시된다.

이러한 영구 자석 교류 발전기의 고정자는 권선부를 수용하는 슬롯 및 치와 원통형 본체 내에 용접 또는 에폭시 수지로 접착되는 적절한 형상 및 화학 합성물의 개별의 얇은 강 적층체로 적절하게 구성된다. 각각의 적층체 스택은 축 정렬과 회전 정렬 사이에 위치되어, 결과로 발생된 상태 또는 치 및 슬롯이 축선으로 정렬(배치)된다. 슬롯 및 치를 축선으로 정렬함으로써 발생되는 전력 출력파는 사실상 구형파(square wave)이다.

그러나, 출력과의 동기화에 따르는 제어 시스템을 채용하는 응용예에는 제어 타이밍을 개선하기 위해 경사면을 갖는 전력 출력파를 갖는 것이 바람직하다.

영구 자석 발생기에 의해 공급된 전력은 회전자의 속도에 따라 상당히 변경된다. 많은 응용예에서, 회전자 속도의 변경은 예를 들어 차량의 엔진 속도 변경으로 인해 공통적이며 그 부하 특성을 변경시킨다. 따라서, 전자 제어 시스템이 통상적으로 채용된다. 영구 자석 교류 발전기 및 이를 위한 제어 시스템의 예는 1997년 4월 29일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,625,276호에 개시된다. 다른 제어 시스템의 예시는 2000년 1월 25일 앤더슨 등에게 허여된 미국 특허 제6,018,200호에 개시된다.

그러나 이러한 영구 자석 교류 발전기에서, 효율은 고정자로부터 자석을 분리하는 "공기 간극"에 반비례한다. 이러한 공기 간극은 자주 20000분의 1 내지 40000분의 1 인치(2.54cm) 범위에 있다. 이러한 긴밀한 간극 및 공차에 의해, 영구 자석 교류 발전기는 교류 발전기 상에 작용하는 외부 힘에 의해 발생된 회전자의 변위의 결과로 자석과 고정자 사이의 바람직하지 못한 간섭(충돌)이 발생되기 쉽다. 차량 응용예에서, 예를 들어 엔진 진동(특히 디젤 엔진 시동 시), 코너링, 울퉁불퉁한 길 또는 지형의 횡단 및 다른 유형의 충격으로 인한 비교적 강한 외부힘은 다반사이다. 따라서, 회전자의 변위가 최소화되고, 바람직하지 못한 회전자의 변의를 흡수하고 회전자 자석과 고정자와의 충돌을 방지하는 교류 발전기가 요구된다.

예를 들어, 모터 샤프트에 론머 블레이드(lawn mower blade)를 부착하는 등의 부착물을 조정하기 위해 모터 샤프트의 단부에서 테이퍼를 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 종래에는, 이러한 테이퍼는 샤프트의 단부에만 제공되었다. 축선으로 테이퍼진 구멍이 샤프트 단부면에 제공된다. 상기 부착물은 테이퍼진 애퍼쳐와 대응하는 허브를 포함한다. 그러나, 테이퍼진 애퍼처는 통상적으로 어느 정도까지만(대향 관통하는 정도) 부착 허브를 연장시키고, 이는 사실상 보어를 통한 더 작은 직경으로의 원추형 구멍(countersink)이다. 부착물은 부착물 허브 보어를 통과하여 샤프트 단부면의 구멍으로 나사 고정되는 볼트에 의해 샤프트에 고정된다. 테이퍼진 연결부는 샤프트 상의 부착물을 중심 위치시키지만, 사실상 샤프트의 단부 상의 부착물은 외팔보형으로 고정되고 진동 발진(vibrational oscillation)에 영향을 받기 쉽다.

또한, 소형 고전력 교류 발전기에 의해 발생된 열이 문제가 될 수 있다. 이는 특히 상당한 레벨의 전력이 비교적 낮은 엔진 rpm으로 발생되는 응용예에서 특히 그러하며, 일반적으로 팬에 의해 이동되는 공기의 양은 팬 rpm의 제곱(square)에 비례한다. 교류 발전기가 더 소형이며 더 효과적이 됨에 따라, 상당한 레빌의 열이 발생된다. 영구 자석은 특히 높은 부하, 고온의 과열에 의해 손상받기 쉬우며, 이러한 자석은 소자될 수 있다(demagnetized). 유사하게는, 제어 장치에 채용된 전자 구성 요소는 가열 손상되기 쉽다. 따라서, 열 형성을 방산하기 위한 방법이 개발되어야 한다.

발전기 세트의 열 발생 요소(예를 들어, 정류기)를 냉각하기 위해 공기 유동을 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 냉각의 예는 상술된 1999년 7월 27일자 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,929,611호에 개시되어 있다. 통상적으로는 회전자가 장착된 샤프트에 의해 구동되는 팬에 의해 공기 유동이 제공된다. 그러나 다양한 자동차 응용예에서는 낮은 rpm에서도 열이 발생된다.

일반적으로, 직경의 상당한 감소는 관성의 충분한 감소를 달성하도록 채용될 수 있다. 이는 교류 발전기의 감소된 관성에서 냉각하기 위한 심각한 요구를 발생시키기 쉽다. 이러한 교류 발전기의 질량 및 전체 직경의 감소는 종래의 냉각 방법의 사용을 비실용적으로 만드는 경향이 있다.

완전히 밀봉되는 영구 교류 발전기를 허용하는 냉각 기술은 요소의 노출이 교류 발전기의 작동에 불리할 수 있는 상황에서 바람직하다. 이는 특히 대부분의 모래에서 찾을 수 있는 철을 함유한 입자에 대한 친화력으로 인해 자석에 불리할 수 있는 황량한 먼지가 많은 환경에 있기 쉬운 군사용 또는 다른 응용예에 바람직하다.

전력 레벨뿐만 아니라 차량의 사용에 의해 노출되는 공간 및 거침(ruggedness) 제약에 적응할 수 있는 교류 발전기에 대한 요구가 있다. 예를 들 어, 때때로 차량의 작동에 의해 회전자 및 고정자를 충동시키기에 충분한 회전자의 축에 수직인 힘을 발생시키기 쉽다. 고정자 및 회전자는 작은 공기 간극에 의해서만 분리되고, 외부힘은 공기 간극의 접근 시 회전자의 횡방향 이동을 발생시키기 쉽고, 이로써 두드러진 간섭이 발생될 것이다.

본 발명은 특히 기계 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 위해 바람직한 기계를 제공한다.

본 발명의 다양한 양태는 전력 레벨뿐만 아니라 차량의 사용에 의해 노출되는 공간 및 거침의 제약에도 적응할 수 있는 영구 자석을 사용한 소형 전력 변환 장치를 제공한다. 본 발명의 다른 양태는 기존의 차량을 개장하기 위해 고전력의 교류 발전기의 "제거 및 대체"를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태는 회전자 변위가 최소화되고, 수용 불가능한 회전자의 변위를 흡수하고 회전자 자석과 고정자와의 충돌을 회피하기 위한 기구를 포함하는 영구 자석을 사용한 소형 고전력 변환 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전력 변환 장치는 회전자, 고정자 및 냉각 시스템을 포함한다.

회전자는 원통형 케이싱 및 케이싱의 내부에 배치된 소정 수의 영구 자석을 포함하며, 케이싱의 축을 중심으로 회전하도록 구성된다.

고정자는 코어 및 적어도 하나의 도전성 권선부를 포함한다. 코어는 그 내부에 소정 수의 슬롯을 갖는 대체로 원통형인 외주연면을 포함한다. 권선부는 슬롯을 통해 코어 주위로 권선된다.

고정자는 회전자 케이싱의 내부에서 회전자 자석에 인접하여 배치되고, 소정 간극 간극에 의해 자속으로부터 분리된 고정자 코어 주연면과 동심으로 배치되어, 고정자 및 회전자의 상대 운동에 의해 자석으로부터의 자속이 고정자 권선부와 상호 작용하게 하고 고정자 권선부에 전류를 유도하게 한다.

냉각 시스템은 적어도 하나의 권선부 및 자석과 열 접촉하는 냉각제 유동을 배향시키고, 고정자 코어를 통한 적어도 하나의 통로를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태와 관련하여, 냉각은 권선부의 표면적을 사실상 증가시키기 위해 권선 단부 감김부를 느슨하게 감는 단계와, 고정자 권선부의 적어도 일부에 걸쳐 배향된 공기 유동을 성형하는 단계와(바람직하게는, 권선부의 느슨하게 감긴 단부 감김부를 통해), 자석과 열 접촉하는 요소에 걸쳐 공기 유동의 일부를 배향하는 단계와, 회전자가 장착되는 샤프트에 대해 비동기식인 예를 들어 전기 팬과 같은 소스로부터 공기 유동을 제공하는 단계와, 권선 단부 감김부와 열 접촉하는 냉각제 유체의 유동을 배향하는 단계 중 하나에 의해 용이해진다.

본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 이하에 설명되고, 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 지시한다.

도1은 본 발명에 따른 교류 발전기의 제1 실시예의 정면도이다(명료성을 위한 권선부는 제거됨).

도2는 도1의 교류 발전기의 측면도이다.

도3은 도1 및 도2(권선부는 개략적으로 도시)의 교류 발전기의 개략 단면도(도2의 선 BB를 따라 취함)이다.

도4a는 도1, 도2 및 도3(명료성을 위해 권선부는 개략적으로만 도시됨)의 교류 발전기의 개략 단면도(도2의 선 CC를 따라 취함)이다.

도4b는 타이 로드가 케이스의 외부에 있도록 개조된 도1, 도2 및 도3(명료성을 위해 권선부는 개략적으로만 도시됨)의 교류 발전기의 개략 단면도(도2의 선 CC를 따라 취함)이다.

도4c는 도4a의 일부의 상세 블로우업이다.

도4d는 축방향 및 회전 방향 정렬된 고정자 코어의 등각도이다.

도4e는 기울어진 고정자 코어의 등각도이다.

도4f는 도4e의 기울어진 고정자 코어의 장착을 설명하는 단면도이다.

도4g는 축방향 정렬 에지를 구비한 자석을 사용하는 회전자의 등각도이다.

도4h는 기울어진 에지를 구비한 자석을 사용하는 회전자의 등각도이다.

(도4a 내지 도4f는 선택적으로 도4로 언급됨)

도5a, 도5b 및 도5c(선택적으로는 도5로 언급됨)는 외부힘에 응답하는 회전자의 이동을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도6a, 도6b, 도6c, 도6d, 도6e, 도6f 및 도6g(선택적으로 도6으로 언급됨)는 본 발명에 따른 교류 발전기의 고정자와 회전자 사이의 바람직하지 못한 간섭을 방지하기 위한 기구의 각각의 실시예의 개략 단면도이다.

도7a는 외부 힘에 응답하는 회전자의 변위를 감소시키는 원추형 단부 캡을 구비한 회전자를 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도7b는 회전자의 흔들림 운동(wobble motion)을 도시하는 도면이다.

도7c는 외부 힘에 응답하는 회전자의 변위를 감소시키기 위해 단면적이 상당히 증가된 단부 캡을 구비한 회전자를 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도7d는 용접된 회전자 케이스를 구비한 회전자를 사용한 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도7e는 단일 유닛으로서 샤프트 주조 및 회전자를 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도8은 도6의 바람직하지 못한 간섭을 방지하는 기구의 조합 및 도7a의 회전자를 채용하는 교류 발전기의 개략(부분) 단면도이다. 도면의 많은 도면의 간극 간극은 명료성을 위해 확대되었다.

도9a는 본 발명의 일 양태에 따른 공기 냉각기를 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도9b는 본 발명의 다른 양태에 따른 코일 단부 감김부에 대한 유체 냉각기 및 자석을 위한 공기 냉각기를 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도9c는 본 발명의 일 양태에 따른 밀봉된 교류 발전기만의 유체 냉각을 채용하는 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도9d는 유체 냉각 교류 발전기의 열 전달 휜(fin) 및 열 전도 캡슐화 냉각 튜브의 배열의 상세 단면도이다.

도9e는 유체 냉각 교류 발전기의 냉각 튜브의 적절한 루트 설정의 상세도이 다.

도10a는 고정자 권선부의 단부 감김부 및 축선으로 정렬된 고정자의 간략화된 개략 상부도이다.

도10b는 고정자 권선부의 단부 감김부 및 경사진 고정자의 간략화된 개략 상부도이다.

도11은 공기 유동으로 만곡되는 고정자 권선부의 단부 감김부를 구비한 고정자 권선부의 단부 감김부의 일부의 간략화된 개략도이다.

도12는 내부 및 외부 팬 및 열 교환기를 채용하는 밀봉된 교류 발전기 유닛의 제1 실시예의 개략 단면도이다.

도13a 및 도13b(선택적으로 도13으로 언급됨)는 열 교환기의 각각의 실시예의 개략도이다.

도14는 외부 공기 유동이 공기 플레늄을 통해 공급되는 밀봉된 교류 발전기 유닛의 제1 실시예의 개략 단면도이다.

도15는 외부 공기 유동이 이중 벽 스노클을 통해 공급되는 국부 밀봉된 교류 발전기의 제1 실시예의 개략 단면도이다.

도16a 및 도16b(선택적으로는 도16으로 언급됨)는 최적화된 팬의 각각의 실시예를 사용하는 도15의 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도17은 최적화된 팬의 다른 실시예를 사용하는 도15의 교류 발전기의 개략 단면도이다.

도18a, 18b 및 18c(합쳐서 도18로서 참조됨)는 도15의 교류 발전기를 사용하 기에 적합한 공기유동 필터링 방법의 각 실시예의 개략 선도이다.

도19는 교류 발전기의 축에 대해 횡방향으로 공기 도관을 채택한 도15의 교류 발전기를 사용하기 위해 적합한 팬 하우징의 배면도이다.

도20a, 도20b 및 도20c는 각각 도16 및 도17의 최적화된 팬을 사용하기에 적합한 필터 시스템의 개략도이다.

도21a는 공랭식 교류 발전기 단부 플레이트에 장착된 전기 부품의 개략 측단면도이다.

도21b는 도21a의 장착부의 개략 배면 단면도(도21a의 A-A 방향에서)이다.

도22a는 공랭식 교류 발전기의 팬 하우징 내에 장착된 전기 부품을 도시하는 개략 측단면도이다.

도22b는 도22a의 전기 부품 장착부의 등각 사시도이다.

도23a는 유체 냉각하는 교류 발전기를 공유하는 단부 감김 유체 냉각식 교류 발전기 내에 장착된 전기 부품을 도시하는 개략도이다.

도23b는 유체 냉각하는 교류 발전기를 공유하는 전유체 냉각식 교류 발전기(an all fluid cooled alternator) 내에 장착된 전기 부품을 도시하는 개략도이다.

도1, 도2, 도3 및 도4를 참조하면, 기계 및 전기 에너지 사이에서 변환하기 위한 장치, 예컨대 본 발명의 다양한 태양에 따른 교류 발전기(100)는, 양호하게 테이퍼진 돌출부(310), 나사부(312)를 구비하는 샤프트(110)와; 회전자(112)와; 고정자(114)와; 전방 단부 플레이트(116)와; 전방 베어링(118)과; 잼 너트(120)와; 후방 단부 플레이트(122)와; 후방 샤프트 보유 링(123)과; 후방 베어링(124)과; 후방 잼 너트(125)와; 후방 단부 플레이트 보유 링(127)과; 전기 팬(126)과; 외부 케이싱(128) 및 각각의 타이 로드(130)를 포함한다. 회전자(112)는 샤프트와 함께 회전하기 위해 샤프트(110) 상에 장착된다. 고정자(114)는 회전자(112) 내에 밀착하여 수용되고 미소 공기 간극(412)에 의해 회전자(112)로부터 분리된다. 전방 단부 플레이트(116), 전방 베어링(118), 후방 베어링(124), 후방 단부 플레이트(122), 외부 케이싱(128) 및 타이 로드(130)는 샤프트(110), 회전자(112) 및 고정자(114)의 정렬을 유지하기 위한 지지 조립체로서 협동한다. 샤프트(110)는 베어링(118, 124)에 의해 유지되고, 상기 베어링은 전방 단부 플레이트(116) 및 후방 단부 플레이트(122)에 각각 장착되고, 샤프트(110)를 단부 플레이트와 동심이고 수직으로 정렬하고 회전식으로 유지한다. 회전자(112)는 회전하기 위해 샤프트(110) 상에 장착되고 테이퍼진 샤프트 부분(310)과 협동하여 확실하게 위치된다. 후방 단부 플레이트(122)는 고정자(114)를 장착하고 위치시켜 회전자(112) 및 샤프트(110)에 의해 적절하게 정렬된 회전자(112) 내에 배치된다. 외부 케이싱(128)은 그 축과 수직인 단부면을 갖고(양호하게는 원통형), 전방 단부 플레이트(116) 및 후방 단부 플레이트(122) 사이에 배치된다. 타이 로드(130)는 부품을 사각형 및 정렬 상태로 유지하는 외부 케이싱(128)에 대항하여 단부 플레이트(116, 122)를 압축한다.

전통적인 자동차 교류 발전기 응용분야에 있어서, 풀리(132)는 샤프트(110)의 단부에 장착된다. 엔진(도시되지 않음)으로부터의 전력은 적절한 벨트 구동부( 도시되지 않음)를 통해 풀리(132)로 전달되고 샤프트(110)까지 전달된다. 이어서 샤프트(110)는 고정자(114)를 중심으로 회전자(112)를 회전시킨다. 회전자(112)는 자기장을 발생하여 고정자(114) 상의 권선부와 상호작용한다. 자기장이 권선부를 차단함에 따라, 전류가 발생되고, 이는 적당한 부하로 제공된다. 유도 전류는 전형적으로 브리지 정류기에 인가되고, 때때로 조정되고, 출력으로서 제공된다. 몇몇 예에서, 조정된 출력 신호는 AC 출력을 제공하기 위해 인버터에 인가된다.

샤프트(110)는 일반적으로 원통형이고 풀리(132)[예컨대 7/8인치(2.2225cm)]과, 전방 베어링(118)[예컨대 1 1/4인치(3.175cm)], 회전자(112)[테이퍼부(310)] 및 잼 너트(120)[나사부(312), 예컨대 1인치(2.54cm)]를 수용하기 위해 더욱 큰 직경부를 갖는 소정 직경[예컨대 3/4인치(1.095cm)]으로 이루어진다. 테이퍼진 돌출부(310)는 샤프트(110) 상의 소정 위치에 배치되고 소정의 테이퍼를 갖는데, 즉 그 직경이 최소 직경[대체로 나사부(312)의 직경과 동일함]에서 단위 길이당 소정량만큼씩 증가하며, 7인치(17.78cm) 길이당 1인치(2.54cm) 내지 16인치(35.56cm) 길이당 1인치(2.54cm)의 범위 내가 적당하고, 양호하게는 피트(30.48cm)당 1인치(2.54cm)이다. 테이퍼부(310)는 비교적 엄밀한 공차, 예컨대 플러스 또는 마이너스 0.004°로 유지되는 것이 양호하다. 테이퍼는 일단 고정된 회전자의 원치 않는 축선 이동을 방지하기 위해 직경에 충분한 변화를 제공하면서 축(110) 및 회전자(112) 사이의 충분한 접촉 면적을 보장하도록 선택된다.

회전자(112)는 양호하게 단부 캡(314), 원통형 케이싱(316) 및 케이싱(316)의 내부 측벽에 배치된 소정 수(예컨대 12쌍)의 교대 자극의 영구 자석(318)을 포 함한다. 도7d 및 도7e는 단부 캡(314) 및 원통형 케이싱(316)의 대체 구성을 상세히 나타낸다.

회전자 단부 캡(314)은 대체로 적절하게 개방되어 있고, 샤프트(110)로의 접속을 제공하기 위해 주연부(321), 각각의 크로스아암(322) 및 중심 허브(324)를 포함한다. 각각의 공기 통로(323)는 단부 캡(314)을 통해 제공되고, 주연부(321), 인접한 크로스아암(322) 및 중심 허브(324)에 의해 경계를 접하게 된다. 필요하면, 크로스아암(322)은 내부 챔버(320)를 냉각하기 용이하게 하기 위해 팬 블레이드로 구성될 수 있다. 보다 상세히 설명될 것이지만, 회전자 허브(324)는 샤프트부의 테이퍼(310)에 대응하는 소정의 테이퍼[예컨대 피트(30.48cm)당 1인치(2.54cm)]를 갖는 관통 보어(326)를 포함한다. 조립시, 샤프트(110)는 보어(326)를 통해 저어널되어 샤프트 테이퍼부(310)가 나사 테이퍼부(312)의 바로 전방의 보어(326) 내에 수용된다. 나사 샤프트부(312)는 회전자(112)를 샤프트(110) 상에 확실하게 위치시키기 위해 잼 너트(120)와 함께 협동한다. 일반적으로, 크로스아암(322)의 두께는 기대 하중을 견딜 수 있으면서 가능한 한 얇게 되도록(중량 및 재료비를 최소화하기 위함) 적절하게 선택되고, 가장 얇은 곳에서 3/8인치(0.9525cm) 내지 5/8인치(1.5875cm)의 범위 내가 적절하다. 회전자 케이싱(316)이 사실상 단부 캡(314)으로부터 외팔보 형태이기 때문에, 필요한 두께는 케이싱(316)의 길이에 비례한다. 보어(326) 근방의 회전자 허브(324)는 테이퍼 샤프트부(310)와의 충분한 표면 접촉을 제공하기에 충분한 두께가 적절하고, 약 1 1/2인치(3.81cm) 가 적절하다.

원통형 회전자 케이싱(316)은 소정의 외경과 두께의 "연질 자성"(자속에 비교적 투과적인) 재료[예컨대 무납강(lead free steel)]로 형성된다. 일반적으로, 전력 출력을 최대화하기 위해, 자석(318)의 내부 표면에 의해 형성된 원의 직경(D_AG)(도4)(때때로 본 명세서에서 공기 간극 직경으로 참조됨)이 교류 발전기(100)를 위한 적용 가능한 전체 크기 구속조건이 가능한 한 크게 주어진다. 예컨대, 많은 자동차 응용분야에 있어서, 교류 발전기(100)는 이용 가능한 공간 내에 끼워맞추기 위하여 길이가 5인치(12.7cm) 이상이고 직경이 5인치(12.7cm) 이상이어서는 안 된다. 케이싱(316)의 두께는 기대 하중을 견딜 수 있으면서 자석(318)으로부터의 자속 밀도가 케이싱을 채우지 않은 상태로 (중량 및 재료비를 최소화하기 위하여) 가능한 한 얇게 되도록 적절히 선택된다. 케이싱(316)의 두께는 1/8인치(0.3175cm) 내지 1/2(1.27cm)인치의 범위 내가 적당하고, 전형적으로는 3/16(0.47625) 내지 1/4인치(0.635cm)의 범위 내이고, 도1 내지 도4의 실시예에서는 3/16인치(0.47625cm)이다.

자석(318)은 적어도 약 5킬로가우스, 양호하게는 8 내지 11킬로가우스 범위의 자속 밀도를 갖는 고에너지적 자석(high energy product magnet)을 포함하는 것이 양호하고, 네오디뮴 철 보론, 또는 사마리움 코발트 등의 희토류 합금으로 적절하게 형성된다. 이러한 희토류 재료는 매우 비싼 경향이 있고, 따라서 사용된 재료의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 동시에 비교적 높은 자속 밀도를 발생하는 것이 바람직하다. 양호한 실시예에서, 자석(802)은 사용된 고에너지적 자석의 양을 최소화하기 위해, 예컨대 약 0.1(0.254) 내지 0.15인치(0.381cm) 두께로 비교적 얇지만, 0.75인치(1.905cm)의 폭에 대략 1인치(2.54cm) 내지 2.5인치(6.35cm) 길이를 곱한 비교적 넓은 면적을 보인다.

자석(318)은 임의의 적당한 방식으로 고정될 수 있다. 예컨대, 자석(318)은 케이싱(316)에 아교로 접착될 수 있다. 케이싱(316) 내부로의 자석(318)의 배치는 특히 자기력이 자석(318)을 케이싱(316)에 고정하기 쉽다는 점에서 유리하여, 접착제가 떨어지는 경우에라도 자석이 제 위치에 머물러 있게 될 것이다. 필요하면, 보다 약한 전력 밀도가 허용 가능한 몇몇 응용예에서는, 연질 자성 결과 자극(318A)이 한 세트의 영구 자석 자극 대신에 채택될 수 있다.

고정자(114)는 코어(328) 및 전도성 권선부(330)(도3, 개략적으로만 도시됨)를 적절하게 포함한다. 도4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 코어(328)는 일반적으로 원통형이고 축선으로 총안이 있는 외부 주연부 표면을 구비하며, 즉 소정 수의 치형부(402) 및 슬롯(404)을 포함한다. 코어(328)는 양호하게 대체로 개방되고(후술될 전유체 냉각식 교류 발전기에서는 예외), 코어(328)의 원통형 내부 표면(407)에 의해 형성된 중심 구멍(406)을 구비한다.

코어(328)의 일 실시예는 표면(407)에서 반경방향 내측으로 연장되는 크로스아암(408)을 적절하게 포함한다. 크로스아암(408)은 코어(328)를 후방 단부 플레이트(122)로 장착하는 것을 용이하게 하기 위하여 축선 관통 보어(410)를 적절하게 포함한다. 도3에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 고정자 코어(328)는 보어(410)를 통해 저어널되고 테이퍼 구멍(350)에 고정된 각각의 볼트(352)에 의해 후방 단부 플레이트(122)에 고정될 수 있다.

코어(328)는 얇은 시트의 적층의 연질 자성 재료, 예컨대 소정 형상으로 절단되고 펀치 가공되어 정렬되고 결합(소정의 정렬 상태로 별도의 적층을 유지하기 위해 정밀한 지그로 함께 용접되거나 에폭시 수지로 접착)된 무지향 저손실(무납) 강[non-oriented, low loss (lead free) steel]을 적절하게 포함한다. 일반적으로, 각각의 적층은 축선으로 회전식으로 정렬되어 합력 상태 또는 치형부 및 슬롯은 도4d에 도시된 바와 같이 직선적이고 코어 축에 평행하게 정렬(배치)된다.

그러나, 출력과의 동기에 따른 제어 시스템을 채택하는 응용예에 있어서는, 제어 타이밍을 향상시키기 위하여 특별한 파형, 예컨대 경사측을 갖는 전력 출력파를 갖는 것이 유리하다. 이것은 회전자 자석 및 코어 치형부 사이의 점진적(점차적)인 상호작용을 수립함으로써 달성될 수 있다. 이러한 점진적인 상호작용은 예컨대 자석(318)에 대하여 경사진 에지를 구비한 슬롯과 치형부를 이용하여 제공될 수 있고, 예컨대 일반적으로 나선 형상으로 나타난다. 박판의 코어에서, 이러한 치형부 및 슬롯은 미소하고 점진적인 반경방향으로 경사진 각각의 연속적인 적층을 사용하여 형성될 수 있어서, 용접 또는 에폭시 수지 접착 후의 순효과(net effect)는 적층의 전방면에서 후방면까지 주어진 치형부의 반경방향 위치에서 소정의 오프셋을 갖는 적층이 된다. 양호한 실시예에서, 오프셋은 하나의 치형부에 상당하다(예컨대, 전방면 상의 "n번째" 치형부는 후방면 상의 "n+1번째" 치형부와 정렬된다). 소정량의 오프셋은 대략 1 치형부에 상당하는 양까지의 임의의 오프셋이 적당하고, 양호하게는 대략 0.01 내지 대략 1 치형부에 상당하는 양까지의 범위이다. 도면부호 329로 지시된 코어(328)의 이러한 "경사 코어(skewed core)"실시예는 도4e에 도시된다[특정하게 다른 경우를 제외하고, 이하에서 코어(328)에 대한 도면부호는 코어의 축선으로 정렬된 실시예(328)와 경사진 실시예(329) 모두를 참조한다).

도4f에 도시된 바와 같이, 크로스아암(408)이 예컨대 경사진 코어(329)에서처럼 생략되면, 코어(328)는 적절한 장착 링(412)을 사용하는 후방 단부 플레이트(122)에 고정될 수 있고, 볼트(352)[크로스아암(408) 대신에]와 협동하는 [크로스아암(410)에 대응하는] 관통보어(416) 및 위치결정 견부를 포함한다. 대부분의 경우에 있어서, 장착 볼트(352)에 인가된 충분한 토크는 장착 링(412) 및 후방 단부 플레이트(122)에 대하여 코어(328)의 회전을 방지하기에 적당하다. 그러나, 필요하면, 예컨대 에폭시, 핀 또는 키이 등의 적절한 체결 방법이 사용시 적층의 회전을 방지하는데 도움이 되도록 포함될 수 있다.

회전자 자석 및 코어 치형부 사이의 점진적인(점차적인) 상호작용은 고정자 치형부에 대하여 소정량만큼 자석(318)의 에지를 경사시킴으로써 또한 제공될 수 있다. 예컨대, 경사진 에지를 구비한 자석을 사용하는 회전자는 도4h에 도시된다. 대조하여, 축선으로 정렬된 에지를 구비한 자석을 사용하는 회전자는 도4g에 도시된다. 경사진 코어의 경우에서와 같이, 소정량의 오프셋은 대략 1 치형부에 상당하는 양까지의 임의의 오프셋이 적당하고, 양호하게는 대략 0.01 내지 대략 1 치형부에 상당하는 양까지의 범위이다.

적절하게 절연된 전기 전도체, 양호하게는 바니쉬 구리 모터 와이어 (varnished cooper motor wire)로 형성된 권선부(330)는 각 슬롯(404)을 통해 소정 수의 치형부(402) 주위로 코어(328)의 측면을 따라 외측으로 돌고 그리고 나서 다른 슬롯(404)을 통해 돌아오도록 권선된다. 코어(328)의 측면을 따라 슬롯(404)의 외측으로 연장되는 권선부(330) 부분은 본 명세서에서 각각 전방측 및 후방측 단부 감김(332A, 332B)[합쳐서 단부 감김(332)으로 참조됨]으로 참조된다. 종래에는, 권선부(330)의 단부 감김(332)이 권선부 내의 와이어 양(따라서 임피던스)을 최소화하기 위하여 코어(328)의 측면에 대해 단단히 당겨진다. 그러나 추가로 설명하겠지만, 본 발명의 한 태양에 따르면, 냉각은 단부 감김(332)을 느슨하게 권선함으로써 용이하게 될 수 있어서, 단부 감김(332)은 코어(328)로부터 외측으로 연장되어 다양한 와이어 및 코어(328) 사이에 공기 공간을 제공한다.

필요하면, 권선부(330)는 소정 수의 상태(phase) 및/또는 전술한 스코트 등에게 허여된 미국특허 제5,625,276호에 기재된 독립 그룹으로 분리될 수 있다.

조립시, 고정자(114)는 회전자(112)와 동축으로 배치되고, 회전자(112)의 내부 공동(320) 내에 기밀하게 수용된다. 설명될 것이지만, 후방 단부 플레이트(122)는 고정자(114)를 장착 위치시켜, 회전자(112)의 내부 챔버(320) 내부에 적절히 정렬된다. 고정자 코어(328)의 주연부 표면은 작은 소정의 공기 간극(412)에 의해 자석(318)의 내부 표면으로부터 분리된다(도4b에 가장 잘 도시됨). 공기 간극(412)은 1인치(2.54cm)에 20 내지 40,000개의 범위 내가 적당하고, 도1 내지 도4에 실시예에서는 1인치(2.54cm)에 약 30,000개, 예컨대 1인치(2.54cm)에 31,000개이다. 따라서, 케이싱(316)의 내경, 자석(318), 고정자 코어(328)의 외경은 바람직하게 정렬을 유지하기 위해 정밀한 공차로 유지된다. 회전자(112) 및 고정자(114)가 조심스럽게 정렬되고, 교류 발전기 상의 외력으로 인한 공칭 위치로부터의 요소들의 변위가 한계치(threshold value) 이하로 유지되는 것이 중요하다.

상술한 바와 같이, 샤프트(110), 회전자(112) 및 고정자(114)의 정렬은 전방 단부 플레이트(116), 전방 베어링(118), 후방 베어링(124), 후방 단부 플레이트(122), 외부 케이싱(128) 및 타이 로드(130)를 포함하는 베어링 구조에 의해 이루어졌다. 베어링(118, 124)은 사실상 샤프트(110) 및 베어링 구조 사이에 회전 가능한 연결부의 각각의 지점을 제공한다. 베어링(118, 124)과 샤프트(110)는 각각 단부 플레이트(116, 122)와 동심이고 수직으로 배치된다. 회전자(112)는 양호하게 테이퍼진 회전자 허브 관통 보어(326) 및 테이퍼진 샤프트부(310)의 협동을 통해 샤프트(110)에 대하여 확실하게 위치된다. 고정자(114)는 샤프트(110)에 대해 위치되고, 샤프트와 이후에는 회전자(112)와 후방 단부 플레이트(122)에 의해 정렬된다. 단부 플레이트(116, 122)의 정렬은 외부 케이싱(128) 및 타이 로드(130)에 의해 유지된다.

전방 단부 플레이트(116)는 일반적으로 원통형이 적절하고, 카운터보어(336)를 구비하는 동축 구멍(334)을 포함하는 중앙으로 배치된 허브와; 타이 로드(130)를 수용하기 위해 구멍(334)의 중심으로부터 소정의 반경방향의 거리에서 배치되고 동일한 각도 거리로 분배된 각각(예컨대 8개)의 탭핑된 구멍(337)을 포함하는 주 연부(133)와; 허브(333)에 주연부(133)를 연결하여 각각의 공기 통로(136)를 형성하는 각각(예컨대 4개)의 크로스아암(134)을 포함한다. 전방 단부 플레이트(116) 는 높은 공차로 치수를 재어 기계 가공되고[예컨대 카운터보어(336)에 대해 플러스 또는 마이너스 0.0008TYP, 타이 로드(337) 패턴, 외부 케이스 견부, 장착 구멍 패턴 등의 다른 특징물에 대해서는 0.005TYP], 금속 예컨대 주조 알루미늄으로 적절히 형성되고, 풀리(132) 상에서 당기는 벨트에 의해 발생하는 측하중뿐만 아니라 샤프트(110) 및 회전자(112)의 회전에 의해 생성된 회전 하중을 견디기에 충분하여야 한다. 전방 베어링(118)은 카운터보어(336) 내에 기밀하게 수용되고, 예컨대 적절한 보유 링(338)에 의해 적절하게 고정된다. 따라서, 전방 단부 플레이트(116)는 베어링(118)을 중심 샤프트(110)에 위치시킨다.

후방 단부 플레이트(122)는 후방 베어링(124)을 운반 이동시키고, 고정자 코어(328)를 장착 위치시키고, 팬(126)을 위한 장착 표면을 적절하게 제공한다. 후방 단부 플레이트(122)는 전방으로 감소되는 직경 부분(342) 및 이를 관통하는 중심 구멍(344)을 구비하는 계단형 중심 허브(340)와, 일반적으로 원통형의 후방으로 진행하는 외측 부분(346)을 포함하고, 양호하게 전방 단부 플레이트(116)와 동일한 외경을 가지며, 각 크로스아암(348)에 의해 허브(340)에 연결된다. 추가로 설명하겠지만, 후방 단부 플레이트(122)는 또한 인접한 크로스아암(348), 외측 부분(346) 및 허브(340)에 의해 경계지어진 각각의 공기 통로(347)를 적절하게 포함한다. 각각의 관통 보어(350)는 전방 단부 플레이트(116)의 태핑된 구멍(337)과 같이 중심으로부터 동일한 반경방향 거리와 각도 위치에서 원통형 외측 부분(346)에 제공된다. 고정자 크로스아암 보어(410)[또는 장착 칼라 보어(416)]에 대응하는 소정 수의 태핑된 구멍(예컨대 4개)은 돌출부(340)의 계단형 표면에 제공된다. 감소된 직 경 부분(342)의 외경이 고정자 구멍(406)의 직경과 대체로 동일(그러나 미소하게 작음)하여, 후방 단부 플레이트 부분(342)이 고정자 구멍(406) 내부에 기밀하게 수용될 수 있다. 후방 단부 플레이트(122)는 높은 공차로 치수를 재어 기계 가공되고[예컨대 중심 구멍(344)에 대해 플러스 또는 마이너스 0.0008TYP, 타이 로드 구멍(350) 패턴, 외부 케이스 견부, 장착 구멍 패턴 등의 다른 특징물에 대해서는 0.005TYP], 금속 예컨대 주조 알루미늄으로 적절히 형성된다. 후방 베어링(124)은 후방 단부 플레이트 허브(340)의 구멍(344) 내에 기밀하게 수용되어 샤프트(110)를 중심 위치시킨다.

고정자 코어(328)는 고정자 구멍(406) 내에 수용된 감소된 직경 허브 부분(342)과 허브 계단부에 대해 맞대어 있는 고정자 후방 측벽을 구비하는 허브(340) 상에 장착된다. 코어(328)가 크로스아암(408)을 포함하면, 크로스아암은 적절하게 허브(340)에 접한다. 코어(328)가 크로스아암(408)을 포함하지 않으면, 예컨대 경사진 코어(329), 코어 내부 표면(407)은 감소된 직경 허브 부분(342)과 적절하게 접한다. 보어(410, 또는 416)를 통해 저어널되고 태핑된 구멍(350) 내에 고정된 각각의 볼트(352)는 후방 단부 플레이트(122)에 고정자 코어(328)를 고정시킨다. 따라서 고정자(114)는 샤프트(110)에 확실하게 위치하여 샤프트에 대해 정렬된다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 회전자(112)는 샤프트(110) 상에 확실하게 위치되어 샤프트와 정렬된다. 특히, 전술한 바와 같이, 소정의 테이퍼[7인치(17.78cm) 길이당 1인치(2.54cm) 내지 16인치(35.56cm) 길이당 1인치(2.54cm)의 범위 내가 적당하고, 양호하게는 피트(30.48cm)당 1인치(2.54cm)임]를 갖는 부분 (310)과, 전방 베어링(118) 및 후방 베어링(124) 사이의 바로 전방의 나사부(134)를 포함한다. 샤프트 테이퍼부(134)의 최소 직경은 나사부(134)의 직경보다 약간 큰 것이 적당하다. 회전자 허브(324)는 샤프트부(310)의 테이퍼에 대응하는 소정의 테이퍼를 갖는 관통 보어(326)를 포함한다. 테이퍼진 관통 보어(326)의 최대 직경은 샤프트 테이퍼부(310)의 최대 직경에 대응(예컨대 대체로 동일하거나 약간 더 작음)하고, 테이퍼진 관통 보어(326)의 최소 직경은 샤프트 테이퍼부(310)의 최소 직경에 대응(예컨대 대체로 동일하거나 약간 더 작음)한다. 허브(324)의 축선 치수는 완전히 설치되었을 때 샤프트 섹션(310)의 단부를 약간 너머 연장된다. 조립시, 샤프트(110)는 보어(326)를 통해 저어널되어, 샤프트 테이퍼부(310)는 보어(326) 내에 수용된다. 나사 샤프트부(312)는 표면이 결합할 때까지 회전자 허브의 테이퍼진 표면(326)을 샤프트부(132)의 테이퍼진 표면과 축선으로 문지르는 접촉을 하도록 잼 너트(120)와 협동한다. 따라서, 회전자(112)는 샤프트(110) 상에서 강한 기계적 결합으로 정확하게 위치되고 중심이 결정되고 정렬된다.

단부 플레이트(116, 122)가 외부 케이싱(128)과 타이 로드(130)에 의해 서로 정렬 상태로 유지되기 때문에, 샤프트(110)[및 테이퍼부(310)]는 베어링(118, 124)에 의해 단부 플레이트(116, 122)와 정렬 상태가 유지되고, 고정자(114)는 단부 플레이트(122)에 의해 샤프트(110)와 확실하게 위치되어 정렬되고, 샤프트(110) 상에 회전자(112)의 확실한 위치 결정과 중심 결정은 또한 회전자(112) 및 고정자(114) 사이의 상대 위치 결정 및 정렬을 제공한다.

자동차 응용예에서, 교류 발전기(110)는 회전하는 경우에 있어서 고유의 관성 모멘트로 인한 회전자(112)의 변형 및/또는 변위를 발생시키기 쉬운 비교적 심한 가속을 겪을 수도 있다. 예컨대, 이러한 가속은 엔진 진동(특히 디젤 엔진의 시동시), 코너링, 울퉁불퉁한 길 또는 지형의 횡단, 및 다른 유형의 충격에 기인한다. 영구 자석 교류 발전기(100)의 효율은 고정자로부터 자석을 분리시키는 "공기 간극(412)"의 폭에 반비례한다. 전술한 바와 같이, 공기 간극(412)은 1인치(2.54cm)에 20 내지 40,000개의 범위 내가 적당하고, 도1 내지 도4의 실시예에서는 1인치(2.54cm)에 약 30,000개, 예컨대 1인치에 31,000개이다. 회전자(112)의 변위는 충돌 및 가능한 파괴적 간섭을 발생시키도록 공기 간극(412)의 폭을 초과할 필요가 있다. 게다가, 다양한 이유로, 예컨대 교류 발전기(100)의 작동시 관성을 최소화하기 위해, 회전자(112)는 가능한 한 가벼운 것이 바람직하다. 따라서, 회전자(112)는 이러한 힘에 기인한 변형에 영향을 받기 쉬워진다.

도5a를 참조하면, 외력의 부재시, 회전자(112)는 샤프트(110)와 동심이고 수직하며, 회전자 케이싱(316)은 샤프트(110)와 동축인 공칭 표준 위치[선(502 및 504)에 의해 지시됨]에 있고, 회전자 단부 캡(314)의 전방[전방 단부 플레이트(116)에 가장 가까운] 에지는 샤프트(110)의 축에 수직인 공칭 표준 위치[선(506)에 의해 지시됨]에 있다. 전형적으로 샤프트(110)의 축에 평행하게 만나는 외력 성분은 회전자(112)의 배치에 거의 영향이 없지만; 회전자 단부 캡(314)과, 회전자 허브(324), 테이퍼진 샤프트부(310) 및 잼 너트(120)의 협동은 회전자(112)의 축선 이동 또는 변형에 저항하기에 충분히 강하고, 어떤 경우에 있어서, 축선 변형에 더욱 큰 공차를 둔다. 그러나, 외력은 충분한 강도의 샤프트(110)의 축에 수직인 성 분과 만나게 되기 쉬어 회전자(112)를 변형시킨다. 외력으로 인한 회전자(112)의 편향에 추가하여, 실질적인 문제로서, 제조 프로세스의 한계(공차)로 인하여, 회전자(112)는 아주 미소하게 원형이 아니며[원통 케이싱(316)은 샤프트(110)에 완전히 평행하게 되지 않을 것이다], 원추형 흔들림(conical wobble)이 편심적으로 회전하는 중에 추가로 공기 간극을 감소하게 한다.

보다 구체적으로, 샤프트(110)의 축에 직각을 이루는 가속을 받을 때, 회전자 케이싱(316)은 원통형 형상을 유지하려는 경향이 있다. 그러나, 비틀림은 회전자 단부 캡(314)에서 나타난다. 사실상, 회전자(112)는 회전자 단부 캡(314)과 샤프트(110)에서 외팔보가 된다{앵커(외팔보) 지점(508)으로 개략적으로 지시됨}. 수직의 가속에 대응하여, 회전자(112)는 사실상 힘의 방향에서 앵커 지점(508)에 대하여 피봇한다. 공칭 법선 위치로부터의 최대 편향은 앵커 지점(508)으로부터 가장 먼 회전자(112)의 일부분, 즉 케이싱(316)의 말단부(후방 단부), 및 {단부 캡(314)이 케이싱(316)과 결합하는} 단부 캡(314)의 외부 외면에서 일어난다. 만약 자석(318) 부근에서의 편향이 공기 간극(412), 예를 들어 31,000 인치(78740cm)를 초과한다면, 자석(318)은 가능한 파괴적인 간섭을 야기하는 고정자(114)와 충돌할 것이다. 만약 완전히 둥글지 않은 흔들림(out of round wobble)이 공기 간극(412)을 초과하는 상태로부터 일탈을 일으킨다면 유사한 문제가 일어난다.

예를 들어, 도5b에서 도시된 바와 같이, 상향 가속에 대응하여, 고정자(114)가 하향으로(도시된 바와 같이, 시계방향으로) 사실상 피봇할 것이다. 회전자 케이싱(316)의 상향 측면은 510으로 일반적으로 지시된 양만큼 공칭 법선 위치(502)로부터 안쪽으로 편향된 말단 단부와 함께, 샤프트(110)를 안쪽으로 사실상 피봇할 것이다. 단부 캡(314)의 상향 주연부는 512로 일반적으로 지시된 양만큼 공칭 법선 위치(502)의 후방으로 유사하게 이동한다. 반대로, 회전자 케이싱(316)의 하향 측면의 말단부는 514로 일반적으로 지시된 양만큼 공칭 법선 위치(502)로부터 외향으로 편향될 것이고 단부 캡(314)의 하향 주연부는 516으로부터 일반적으로 지시된 양만큼 공칭 법선 위치(506)의 전방으로 유사하게 이동한다. 원통형 회전자 케이싱(316)이 그 형상을 유지하기 때문에, 대응하는 상부 및 하부의 편향의 양은 사실상 비례적이고 즉 편향(510, 512)은 각각 편향(514, 516)에 사실상 비례적이다(그리고 많은 기하학적 형상에서 동등하다).

반대 방향으로부터의 힘은 미러 이미지 편향을 야기할 것이다. 예를 들어, 도5c에서 도시된 바와 같이, 하향 가속에 대응하여, 사실상 상향으로(도시된 바와 같이, 반시계방향으로) 피봇할 것이다. 회전자 케이싱(316)의 하향 측면은 518로 일반적으로 지시된 양에 의해 공칭 법선 위치(504)로부터 안쪽으로 편향된 말단 단부와 함께, 샤프트(110)를 안쪽으로 사실상 피봇할 것이다. 단부 캡(314)의 하향 외면은 520으로 일반적으로 지시된 양에 의해 공칭 법선 위치(506)의 후방으로 유사하게 이동한다. 반대로, 회전자 케이싱(316)의 상향 측면의 말단부는 522로 일반적으로 지시된 양에 의해 공칭 법선 위치(502)로부터 바깥쪽으로 그리고 524로 일반적으로 지시된 양에 의해 공칭 법선 위치(506)의 전방으로 유사하게 이동한다. 다시, 원통형 회전자 케이싱(316)이 그 형상을 유지하기 때문에, 대응하는 상부 및 하부의 편향의 양은 사실상 비례적이고(그리고 많은 기하학적 형상에서 동등하며), 즉 편향(518, 520)은 각각 편향(522, 524)에 사실상 비례적이다.

본 발명의 다른 태양과 일치하여, 충돌은 자석(318)의 편향이 공기 간극(412)을 초과하기 이전에 공칭 법선 위치로부터의 회전자 편향을 억제하도록 하나 이상의 범퍼를 배치함으로써 방지된다. 범퍼는 하나 또는 두 개의 케이싱(316) 또는 단부 캡(314)과 상호 작용하는 회전자(112)의 내부 또는 외부의 각각 또는 모두에 배치될 수 있으며, 회전자 케이싱은 케이싱(316) 또는 단부(314)의 내향 또는 외향이 공기 간극의 폭에 대응하는 소정의 제한치를 초과하는 것을 방지하는 형상을 유지하여 충돌을 방지할 것이다. 범퍼는 최대 하중(예를 들어, 20 g's 중량)에 대응하여 회전자(112)의 편향을 억제하기 이전에 단지 소정량을 변형시키도록 소정의 듀로미터(durometer)와 함께 상대적으로 부드럽고 탄력적인 재료로 형성된다. 이러한 재료의 예들은 테플론, 유리가 함유된 테플론, 오일이 함유된 소결 청동이다. 범퍼는 예를 들어 후방 단부 플레이트(122), 전방 단부 플레이트(116) 또는 다른 지지 구조{예를 들어, 타이 로드(130)}에 배치될 수 있고, 지지 표면으로서 회전자(112)의 일부분을 사용한다. 대안적으로, 범퍼는 회전자(112) 상에 배치될 수 있고 지지 표면으로서 지지 구조의 특성을 이용하거나, 일부 예들에서 자석(318)과 고정자(114) 사이의 공기 간극(412)에 삽입된다. 범퍼는 본 명세서에 때때로 "지지 간극", 예를 들어 0.01 인치(0.0254cm)로 언급된 소정량에 의해 상호 작용하는 지지 표면으로부터 분리되어 배치된다. 지지 간극은 범퍼의 최대 변형량에 지지 간극을 더한 것이 자석 공기 간극(412) 이하가 되도록 선택된다. 또한 범퍼와 상호 작용하는 지지 표면은 예를 들어 마찰 및/또는 경화를 최소화하도록 처리될 수도 있다. 예를 들어, 크롬 또는 어느 다른 형태의 금속 아연 종류의 마무 리가 채택될 수도 있다.

이미 알 수 있는 바와 같이, 자석(318)과 고정자(114)의 충돌은 회전자 케이싱(316)의 내부 편향을 방지함으로써 회피될 수 있다. 도6a 및 도8을 참조하면, 일반적으로 원통형 숄더(602)는 회전자 케이싱(316)의 단부 아래에 전방으로 연장하는 후방 단부 캡(122) 상에 형성될 수도 있으며, 즉 회전자 내부 챔버(316) 내부에 수용된다. 숄더(602)의 외부 직경은 소정량에 의해 회전자 케이싱(316)의 내부 직경 이하이다. 원통형 범퍼(604)는 숄더(602)에 대하여 배치된다. 따라서 범퍼(604)의 외부 표면은 회전자 케이싱(316)과 동축이며, 지지 간극(606)에 의해 회전자 케이싱(316)의 내부 표면으로부터 분리된다. 범퍼(604)는 회전자 케이싱(316)의 편향을 억제하기 이전에 단지 소정량을 변형시키도록 소정의 듀로미터를 갖춘 재료로 형성된다. 지지 간극(606)은 충분히 자석 공기 간극(412) 미만이 되도록 선택되어, 범퍼(604)를 넘어서 회전자 케이싱(316)의 내부 표면이 범퍼(604)와 접촉하고, 범퍼(604)의 최대 변형은 자석이 고정자 코어(314)와 접촉하기 전에 일어나며, 즉 범퍼(604)의 최대 변형량에 지지 간극을 더한 것이 자석 공기 간극(412) 미만이다. 바람직하다면, 표면 처리, 예를 들어 크롬, 금속 아연 또는 단단한 양극 산화층(608)이 회전자 케이싱(316)의 지지 표면에 제공될 수 있다.

대안적으로, 도6b에 도시된 바와 같이, 외부 직경이 회전자 케이싱(316)의 내부 직경과 사실상 동일한 원통형 범퍼(610)는 회전자 케이싱(316)의 내부 표면에 고정(예를 들어 접착)될 수 있다. 범퍼(604A)의 내부 표면은 지지 간극(606)에 의해 후방 단부 숄더(602)(지지 표면으로서 작용함)의 외부 표면으로부터 분리된다. 바람직하다면, 표면 처리(608A)는 숄더(602)의 지지 표면 상에 제공될 수 있다.

일부 응용에서, 회전자 케이싱(316)의 마우스에 대해 수용된 칼라(collar) 또는 슬리브의 형태로 범퍼(또는 표면 처리)를 채택하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 구조의 일례가 도6c에 도시되어 있다. 소정 길이 및 두께의 원통형 본체(614)를 갖는 칼라 범퍼(612)와 립(616)은 회전자 케이싱(316)의 마우스에 고정(예를 들어, 에폭시로 접착)된다. 칼라 범퍼(612)는 자석(318) 및 고정자(114)의 충돌을 방지하도록 후방 단부 플레이트(122)와 상호 작용한다. 칼라 본체(614)는 지지 간극(606)에 의해 {칼라 본체(614)에 대하여 지지 표면으로서 작용하는} 숄더(602)의 측면벽으로부터 지지된다. 바람직하다면, 칼라 립(616)의 단부 표면은 회전자 케이싱(316)의 편향에 대하여 부가적인 보호를 제공하도록 적절한 지지 간극(606A)에 의해 후방 단부 플레이트(122)로부터 분리된 후방 단부 플레이트(122)의 측면 벽과 상호 작용할 수도 있다.

일반적으로, 이것은 회전자 무게, 및 관성을 최소화하도록 회전자(112) 상에 가능한 적게 배치하는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 경우에, 쉬운 조립이 바람직한 도6b 또는 도6c의 실시예를 만들 수도 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 자석(318) 및 고정자(114)의 충돌은 회전자 케이싱(316)의 바깥쪽으로의 편향을 억제함으로써 회피될 수 있다. 도6d 및 도8을 참조하면, 일반적으로 소정량에 의해 회전자 케이싱(316)의 외부 직경보다 더 큰 내부 직경을 갖는 회전자 케이싱(316)과 동축인, 원통형 숄더(602)는 회전자 케이싱(316)의 단부를 넘도록 전방으로 연장하는 후방 단부 캡(122) 상에 제공된다. 원통형 범퍼(620)는, 회전자 케이싱(316)과 동축으로 위치된, 숄더(618)의 내부 측벽에 고정(예를 들어, 접착)된다. 범퍼(620)의 내부 직경은 지지 간극(622)에 동일한 양에 의해 회전자 케이싱(316)의 외부 직경보다 더 크다. 회전자 케이싱(316)의 외부 표면은 지지 표면으로서 작용한다. 바람직하다면, 표면 처리(608B)는 회전자 케이싱(316)의 지지 표면상에 제공될 수 있다.

범퍼는 다른 지지 구조에 배치될 수 있거나 지지 표면으로서 회전자(112)의 일부분을 사용한다. 예를 들어, 도6e 및 도8을 참조하면, 각각의 원통형 범퍼 슬리브(624)는 하나 이상(바람직하게 각각)의 타이 로드(130)가 동축으로 배치된다. 범퍼 슬리브(624)의 외부 직경은 회전자 케이싱(316)에 가장 가까운 슬리브의 표면이 적절한 지지 간극(626)에 의해 케이싱(316)으로부터 분리되도록 선택된다. 범퍼 슬리브(624)는 타이 로드(130)에 고정될 수도 있지만, 바람직하게 회전할 수 있으며, 즉 축으로서 타이 로드(130)와 함께 롤러로서 작용한다. 범퍼 슬리브(624)의 회전은 마모를 감소시키는 경향이 있을 수 있고, 범퍼의 수명을 연장한다. 회전자 케이싱(316) 둘레로 타이 로드(130)에 반대로(서로 180도로) 적어도 두 세트의 범퍼 슬리브(624)의 배치는 샤프트(110)에 반대 방향으로부터 회전자(112) 상의 힘을 반대로 작용하게 하는 경향이 있다.

범퍼는 또한 회전자 단부 캡(314)의 전방 표면과 함께 전방 단부 캡(314) 상에 배치될 수도 있다. 도6f 및 도8을 참조하면, 환상형 범퍼(628)는 회전자 케이싱(316)과 동축으로 위치된 전방 단부 플레이트(116)의 내부 측벽에 고정(예를 들어, 접착)된다. 범퍼(628)의 내부 및 외부 직경은 바람직하게 단부 캡(314)의 외부 외면(예를 들어, 브래킷)에 대응하도록 선택된다. 범퍼(628)를 수용하고 위치 시키기 위한 환상 디프레션(annular depression, 630)은 전방 단부 플레이트(116)의 내부 측벽에 적절히 제공된다. 바람직하다면, 다른 위치 형상물(예를 들어, 돌출부 또는 숄더)이 범퍼(628)를 위치시키도록 전방 단부 플레이트(116)의 내부 측벽에 또한 제공될 수도 있다. 그러나 이러한 돌출부는 범퍼(628)의 최대 편향보다 측멱으로 적절히 더 낮게 된다. 범퍼(628)의 두께는 회전자 단부 캡(314)에 대향하는 면이 적절한 지지 간극(632)에 의해 단부 캡(314)으로부터 분리되도록 선택된다. 회전자 단부 캡(314)의 {단부 플레이트(116)에 가장 가까운} 전방 표면은 지지 표면으로서 작용한다. 공칭 법선 위치로부터 회전자 단부 캡(314)의 {단부 플레이트(116)에 가장 가까운} 전방 에지의 범위를 한정함으로써, 자석(318)과 고정자(114)의 충돌이 회피될 수 있다. 바람직하다면, 표면 처리(608B)는 회전자 단부 캡(314)의 지지 표면상에 제공될 수 있다.

일부의 경우에{예를 들어, 범퍼 슬리브(622)의 경우에}, 지지 표면과 접촉하는 범퍼(604)가 초기에 위치되는 것, 즉 초기 지지 간극이 0을 이루도록 하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 경우에 범퍼의 재료는 지지 표면과 범퍼 상이의 상대 이동 및 상호 작용이 적절한 지지 간극을 궁극적으로 달성하도록 범퍼를 닳게 하도록 선택될 수 있다.

일부의 경우에, 자석(318)과 고정자(114) 사이의 공기 간극(412)으로 범퍼 재료의 얇은 밴드를 삽입하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 도6g 및 도8을 참조하면, 상대적으로 강한 실질적으로 자성을 띤 투명한 재료의 얇은 밴드(634)(예를 들어, 테플론 테이프)는 후방 에지(후방 단부 플레이트(122)에 가장 가 까운 에지)를 따라 고정자(114)의 외부 표면(톱날 모양인 원통형 측벽)에 공기 간극(412) 내부에 배치된다. 밴드(634)는 최대 하중 하의 전체 압축을 회피하고 자석(318)이 고정자(114)와 충돌하는 것을 방지하도록, 밴드(634)의 두께가 주어진, 충분한 듀로미터를 갖는 재료로 이루어진다. 또한, 밴드(634)가 상대적으로 낮은 마찰 계수를 나타내는 것이 바람직하다. 바람직하다면, 크롬 표면 처리가 또한 마찰을 감소시키도록 자석(318)에 적용될 수 있다.

또한 회전자(112)가 그 공칭 법선 위치로부터 편향될 수 있는 범위를 한정하도록 범퍼를 사용함으로써 잠재적인 충돌을 방지한다. 제조시의 공차로 인해 외부 힘의 영향 및 완전히 둥글지 않은 상태를 최소화하는 것이 또한 바람직하다.

본 발명의 다른 태양과 일치하여, 샤프트(110)에 수직인 힘 성분에 대응하여 공칭 법선 위치로부터 회전자 케이싱(316){자석(318)}의 편향과, 완전히 둥글지 않은 성분으로 인한 요동이 자석(318)과 앵커 지점 사이의 축방향 거리를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이것은 케이싱(316)의 내부 안에서 자석(318)에 밀접한 앵커 지점에 {전방 단부 플레이트(116)에 가장 가까운} 회전자 케이싱(316)의 전방의 대부분의 단부를 연결하도록 단부 캡(314)의 윤곽을 나타냄으로써, 고정자 권선부(330)를 위한 내부 공동(cavity, 320) 내에 충분한 공간을 제공하면서도 달성된다. 회전자 단부 캡(314)의 적어도 일부분{예를 들어, 크로스암(322)}은 회전자 케이싱(316){및 이후에 샤프트(110)}에 대하여 사실상 90도 이외의 각도일 수 있다. 각이진 부분은 {예를 들어, 단부 캡(314)의 일부분이 대체로 원추형이 되도록} 직선일 수 있거나 {예를 들어, 단부 캡(314)의 일부분이 대체로 벨(bell) 형상이 되도 록} 만곡될 수 있다.

이미 알 수 있는 바와 같이, 회전자(112)는 사실상 회전자 단부 캡(314)과 샤프트(110)의 결합{도5에서 앵커 지점(508)}에서 외팔보가 된다. 외부 힘으로 인한 공칭 법선 위치로부터의 최대 편향은 앵커 지점으로부터 가장 먼 회전자(112)의 일부분, 즉 케이싱(316)의 말단부(후방 단부), 및 {단부 캡(314)이 케이싱(316)과 결합하는} 단부 캡(314)의 외부 외면에서 일어난다. 유사하게, 완전히 둥글지 않은 흔들림으로 인한 법선 경로로부터의 가장 큰 편향은 앵커 지점으로부터 가장 먼 회전자(112)의 일부분, 즉 케이싱(316)의 말단부(후방 단부)에서 일어난다. 공차로 인한 완전히 둥글지 않은 상태는 케이싱(316)의 공칭 위치로부터 원추형 이동을 초래한다. 즉, 회전자(112)가 고정자(114) 상의 주어진 위치 둘레로 회전할 때 회전자 케이싱(316)은 접근할 수 있고 고정자(114) 상의 그 위치로부터 재처리된다. 피봇 위치로부터 고정자의 위치의 축방향 거리가 크면 클수록, 케이싱(316)의 상대 이동은 더 커진다. 예를 들어, 도7a 및 도7b에서 도시된 바와 같이, 피봇 위치로부터 축방향 거리(X1){예를 들어, "편평한" 허브의 피봇 위치(508)로부터 회전자 케이싱(316)의 후방 단부로의 축방향 거리}에서, 공차로 인한 완전히 둥글지 않은 상태는 양(W1)에서 고정자 쪽으로 떨어져서 흔들림을 일으키는 경향이 있을 수 있다. 그러나, 거리(X2){예를 들어, 원추형 허브의 피봇 위치(708)로부터 회전자 케이싱(316)의 후방 단부로의 축방향 거리}가 적을수록, 양(W2)이 더 적다는 것이 인식된다. 따라서, 회전자 케이싱(316){및 자석(318)}의 후방 단부에 더 가깝게 앵커 지점을 이동시킴으로써, 자석(318) 및 고정자(114)의 부근에서의 흔들림은 감소 된다.

도7a를 참조하면, 감소된 흔들림 회전자(712)는 회전자 케이싱(316)의 내부에 배치된 앵커(외팔보) 지점(708)을 달성하는 허브(724)를 구비하는 단부 캡(314)을 포함한다. 앵커 지점(708)은, 소정의 거리(D1)에 의해, {단부 플레이트(116)에 가장 가까운} 케이싱(316)의 전방 에지로부터 샤프트(110)의 축을 따라 후방쪽으로 이동된다. 전형적인 자동차의 적용에 있어서, 케이싱(316)의 직경은 2.5 내지 5 인치(6.35 내지 12.7cm)의 범위, 바람직하게 4.5 인치(11.43cm)가 적합하고, 케이싱(316)의 길이는 3 내지 6 인치(7.62 내지 15.24cm)의 범위, 바람직하게 5 인치(12.7cm)가 적합하다. 거리(D1)는 0.5 내지 1 인치(1.27 내지 2.54cm)의 범위, 바람직하게 3/4 인치(1.905cm)가 적합하다. 임의의 군용 및 상용 차량{예를 들어, 허머스(Hummers)}에서, 케이싱(316)의 직경은 5 내지 8 인치(12.7 내지 20.32cm)의 범위, 바람직하게 6.5 인치(16.52cm)가 적합하고, 케이싱(316)의 길이는 0.5 내지 10 인치(1.27 내지 25.4cm)의 범위, 바람직하게 7 인치(17.78cm)가 적합하다. 거리(D1)는 3/4 내지 2 인치(1.905 내지 5.08cm)의 범위, 바람직하게 1.5 인치(3.81cm)가 적합하다.

회전자 단부 캡(714)은 고정자 권선부(330)를 수용하도록 내부 공동(320)에 충분한 공간을 동시에 제공하면서 허브(724)에 케이싱(316)의 전방 단부를 연결하도록 외형이 형성된다. 예를 들어, 도7a의 실시예에서, 단부 캡(714)은 (사실상 각각의 각이 진 크로스아암을 제공하도록 복수의 개구(예를 들어, 3개)를 포함할 수 있는) 원추형 부분(726)과, 케이싱(316)의 전방 단부에 크로스아암을 연결하는 대체로 환상 외면부(728)를 포함한다. 외면부(728)는 소정 거리로 샤프트(110)를 향하여 케이싱(316)으로부터 수직으로 연장하고, 0.5 내지 2인치(1.27 내지 5.08cm)의 범위, 바람직하게 3/4 인치(1.905cm)가 적합하다. 따라서 내부 챔버(320)는 고정자 코어(328), 및 권선부(330)의 톱날 모양의 외부 에지의 부근에서 더 전방으로 연장한다.

도7c는 외부 표면(729)이 단면 영역을 수직으로 크게 증가시키는 샤프트(110)를 만나는 것을 제외하고 도7a에서 도시된 바와 유사한 허브를 도시한다. 이것은 도5에서 도시된 바와 같은 더 좋게 편향을 억제하도록 돕는 단부 캡(714)의 강도를 증가시킨다. 도7c에서 케이싱(316)은 단부 캡(714)에 용접(731)된다.

도7d는 단일의 일체형 유닛(732)으로서 형성된 단부 캡(314)과 케이싱(316)을 모두 도시한다. 유닛(732)은 이후에 적합하게 기계가공되고, 또한 그 강도를 증가시킨 캐스트이다. 유닛(732)은 또한 예를 들어 강철의 단일 빌렛(billet)으로부터 전체적으로 기계가공될 수 있다.

도7e는 3개 모두가 캐스트되고 나서 단일 유닛(733)으로서 기계가공된 단부 캡(314), 케이싱(316) 및 샤프트(110)를 도시한다. 이 구성은 샤프트 부분과 내부 케이싱 모두가 최소의 흔들림으로 기계가공될 수 있기 때문에 최대의 강도 및 정렬을 제공한다. 이 구성은 또한 부품들 및 조립 시간을 감소시키는 장점을 가진다. 유닛(733)은 또한 케스팅의 필요를 제거하는 강철의 단일 빌렛으로부터 전체적으로 기계가공될 수 있다.

도8에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 다양한 범퍼가 형상화된 회전자 단부 캡과 함께 조합으로 사용될 수 있다.

이미 알 수 있는 바와 같이, 소형 고전력 교류 발전기에 의해 발생된 열은 또한 문제가 될 수 있다. 고정자 권선부는 적합하게 절연된 전기 컨덕터, 예를 들어 니스칠된 구리 모터 권선부로 형성되고, 고정자 코어의 외면에서 각각의 슬롯과 약 소정 수의 치형부를 통해 권선된다. 회전자가 고정자에 대하여 회전할 때, 회전자 자석에 의해 발생된 자기장은 권선부와 상호 작용하여, 전기 전류를 발생시키게 한다. 그러나 권선부는 특성을 가지고, 및 권선부를 통해 흐르는 전류가 소산 되어야만 하는 열을 발생시킨다. 종래에, 권선부는 권선의 길이를 최소화하도록 고정자 코어에 대하여 단단히 권선되고, 이후에 임피던스, 및 냉각에 영향을 주는 공기 유동이 회전자, 예를 들어 회전자가 부착되는 샤프트에 대한 동적 힘에 의해 구동된 팬에 의해 제공된다. 따라서, 적은 공기 유동이 낮은 rpm에서 제공된다.

그러나, 예를 들어 하이브리드 차량과 같은 다양한 자동차 응용에서, 고레벨의 전력 요구, 및 이에 따른 냉각을 위한 높여진 필요성이, 예를 들어 아이들 속도에서 낮은 rpm에서 일어날 수 있다. 이것은 또한 특히 운전자가 차량이 통행시 멈추어질 때 연료를 절감하고 방출을 절감시키도록 차량 엔진의 멈춤을 촉진시켜서 가속 페달을 감압할 때 추진력의 초기 폭발을 제공하도록 시동 발전기 또는 다른 모터가 채택된다. 또한, 소형 고전력 교류 발전기에서, 상당한 열 레벨이 상대적으로 작은 영역에서 발생된다. 교류 발전기 구성요소의 공기 냉각 효력은 교류 발전기를 통해 유동하는 공기의 양의 함수이다. 주어진 전력 출력을 위한 공기 유동에 이용 가능한 소형 교류 발전기에서의 단면 영역은 종래의 교류 발전기에서 이용 가능한 것보다 더 작다. 따라서, 공기 냉각이 덜 효과적인 경향이 있다. 그러나, 영구 자석이 특히 과열로 인한 피해를 입기 쉬우며, 고하중 및 고온도 상태 하에서 이러한 자석은 소자된다. 유사하게, 제어기에 채택된 전기 구성요소는 열 피해를 입기 쉽다. 따라서, 종래의 냉각 기술은 이렇나 소형 고전력 교류 발전기, 특히 자동차 응용에서 적합하지 않은 것 같다.

본 발명의 다른 태양과 일치하여, 냉각은, 사실상 권선부(330)의 표면 영역을 증가시키도록 단부 감김부(332)를 느슨하게 덮여있게 하는 것과, 고정자 권선부의 적어도 일부에 걸쳐서(바람직하게 권선부의 느슨하게 덮혀진 단부 감김부를 통해) 지향된 공기 유동을 달성시키는 것과, 자석(318)을 냉각시키도록 자석(318)과 열접촉하는 요소에 걸친{예를 들어 회전자 케이싱(316)} 공기 유동의 일부분을 지향시키는 것과, 회전자가 장착되는 샤프트에 대하여 비동기인 원천, 예를 들어 전기 팬으로부터 공기 유동을 제공하는 것과, (바람직하게 전방 단부 감김부(332A) 및/또는 후방 단부 감김부(332B)와 열 접촉하는 고정자 코어와 대체로 동심인 루프 내에 배치된 하나 이상의 일부분을 포함하는 열 유동 도전율을 통해) 단부 감김부(332)와 열 접촉하는 냉각 유체의 유동을 지향하는 것에 의해 촉진된다.

도3 및 도4과 결합하여 이미 알 수 있는 바와 같이, 권선부(330)는 단부 감김부(332)를 형성하는 소정 수의 치형부(402) 둘레에 코어(328)의 측면을 따라 외향적으로, 각각 슬롯(404)을 통해 권선되고 나서 다른 슬롯(404)을 통해 복귀한다. 보다 구체적으로, 도9a, 도10a 및 도10b를 참조하면, 각각의 권선부(330)는 절연된 유도 와이어(예를 들어, 니스칠된 구리 모터 와이어)의 개별 스트랜드의 적어도 하 나의 관련 번들을 포함한다. 종래 예와 대조적으로, 단부 감김부(332)는 다양한 번들 및 코어 측면 사이의 공기 공간과 함께, 비용 및 임피던스를 최소화하도록 고정자 코어의 측면에 대하여 단단히 단부 감김부를 권선하는 도면과 달리) 고정자 코어의 측면 둘레에 느슨하게 덮여진다. 고정자를 넘어서 권선 단부 감김부를 느슨하게 연장하는 고유의 비효율성은 개방 권선부 구조의 노출된 표면 영역에 의해 제공된 증가된 냉각 용량에 비교하여 사소한 것으로 결정되었다. 바람직하게, 도10a에 잘 도시된 바와 같이, 각각의 단부 감김부(332)는 고정자 측면(328)으로부터 다양한 거리로 연장되어, 공기 유동에 대한 라티스(lattice)형 구조를 나타낸다. 단부 감김부(332)는 고정자 측면(328)으로부터 0 내지 1.5 인치(0 내지 3.81cm)의 범위, 바람직하게 1/4 내지 1 인치(0.635 내지 2.54cm)의 범위의 거리로 적합하게 연장한다. 예를 들어, 인접한 단부 감김부는 고정자로부터 점진적으로 불어나가도록 증가하는 다른 거리, 예를 들어 1.5인치(3.81cm)의 증가에 의해 바깥쪽으로 연장한다. 도10의 실시예에서, 제1 단부 감김부(1002)는 대략 제1 소정 거리, 예를 들어 1/2 인치(1.27cm)에 의해 고정자 측면(328)으로부터 오프셋 된다. 다음의 인접한 단부 감김부(1004)는 대략 증가적으로 증가된 거리, 예를 들어 3/4인치(1.905cm)에 의해 고정자 측면(328)으로부터 오프셋된다. 마찬가지로, 다음의 인접한 단부 감김부(1006)는 대략 또한 증가적으로 증가된 거리, 예를 들어 1인치에 의해 고정자 측면(328)으로부터 오프셋된다. 패턴은 이어서 적합하게 반복된다. 이 배열은 도10b에 도시된 바와 같이 비스듬한 코어(329)에 동등하게 유효하다.

바람직하다면, 라티스 패턴은, 각각 약 1/2 인치(1.27cm), 3/4 인치 (1.905cm), 1 인치(2.54cm)의 오프셋 거리를 적합하게 갖는 상(A, B, C)의 단부 감김부의 3상 시스템을 위하여, 각 상과 관련된 각각의 단부 감김부(332)를 오프셋시킴으로써 고정자 측면(328)으로부터 다른 오프셋 거리가 달성될 수 있다.

도9a를 참조하면, [인접한 후방 단부 플레이트 크로스아암(348), 외부(346) 및 허브(340)에 의해 경계를 갖는] 후방 단부 플레이트(122)에 공기 통로(902)와, 고정자 중심 개구(406)와, 회전자 공기 통로(323) 및 전방 단부 플레이트 공기 통로(136)를 포함하는 냉각 시스템을 채용함으로써 냉각 공기 유동은 [바람직하게는 느슨하게 둘러싸여진 전방측과 후방측 단부 감김부(332A, 332B)통해] 고정자 권선부(330) 상으로 지시된다. 공기를 배출하는 후방 단부 플레이트 공기 통로(902)는 적절한 상대 배치 또는 윤곽에 의해 또는 도9a의 실시예에서와 같이 후방 검출기(904)와 협동하여 권선부(330)[후방측 단부 감김부(332B)]에 충돌하도록 지시된다. 유사하게, 공기 출구 고정자 중심 개구(406)는 적절한 상대 배치 또는 윤곽에 의해 또는 도9a의 실시예에서와 같이 전방 검출기(906)와 협동하여 권선부(330)[전방측 단부 감김부(332A)]에 충돌하도록 지시된다. 비동기로 힘이 가해진 공기 공급원, 예를 들어, 후방 단부 플레이트(122)의 배면에 장착된 전기 팬(126)이 바람직하게 활용된다. 바람직한 실시예에서, 종래의 팬(908)은 또한 풀리(132)와 전방 단부 플레이트(116) 사이의 샤프트(110)의 회전을 위해 장착된다. 다양한 공기 통로의 단면, 외형(감김부 및 에지)과 상대 배치는 바람직하게는 공기 속도의 감소를 최소화하고 단부 감김부(332) 상의 공기 유동을 최대화하도록 선택된다.

보다 상세히는, 일반적으로 화살표(910)[바람직하게는 비동기식 팬(126)으로부터 가해진 공기]로 지시된 냉각 공기는 단부 플레이트 공기 통로(902)를 통해 교류기(100) 내로 도입된다. 공기 유동(910)은 후방 변류기(904) 상에 충돌하고, 반경 방향 외향 방향으로 재지시되고, 고정자 중심 개구(406)를 통해 이와 다르게 유동하는 공기는 외향으로 고정자 코어(328)에 대해 유동한다. 바람직한 실시예에서, 외향으로 재지시된 공기는 충돌하여 권선부(330)의 후방측의 느슨하게 둘러싸인 후방측 단부감김부(332B) 사이의 공간을 통해 유동한다. 공기 유동(910)은 그 다음에 각각의 스트림(914, 916)으로 분할된다. 단부 감김부(332B)를 빠져나간 후에, 기류(914)는 고정자 중심 개구(406)를 통해 유동하고 전방 변류기(906) 상에 충돌하고, 전방측의 느슨하게 둘러싸인 단부 감김부(332A), 회전자 통로(323)를 통해 지시되고, 전방 단부 플레이트(116)의 공기 통로(136)를 통해 교류기(100)로 빠져나간다. 고정자 중심 개구(406)가 최대 직경 경로, 따라서 최소 저항 경로를 나타내기 때문에 기류(914)는 공기 유동(910) 벌크를 포함한다. 후방측 단부 감김부(332B)를 빠져나온 후의 기류(916)는 회전자 케이싱(316)의 외측 주위로 유동하고, 전방 단부 플레이트(116)의 공기 통로(136)를 통해 교류기(100)를 빠져나간다. 기류(916)는 자석(318)의 냉각을 제공한다.

후방 변류기(904)는 권선부(330)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 [바람직하게는 후방측 단부 감김부(332B)인] 권선부(330) 상으로 기류를 재지시하도록 충돌 기류(910)에 대해 소정의 외형을 제공하는 요소를 포함한다. 변류기(904)의 직경과 소정의 외형은 공기 속도의 과도한 감소를 생성하지 않고 권선부를 통해 가능한 만큼 효과적으로 공기를 재지시하도록 선택된다. 후방 변류기(904)는 적절하게는 공기 유동 내로 대면하는 정점이 배치된 후방 단부 플레이트 허브(340)에 동심으로 배치된 중심 개구를 갖는 일반적으로 원추형 또는 디스크형 요소이다. 후방 변류기(904)는 바람직하게는 고정자 중심 개구(406)의 외주 또는 그 바로 아래에서 후방 단부 플레이트 공기 통로(902)를 빠져나감에 따라 기류(910)의 통로 내로 반경 방향 외향으로 연장된다. 후방 변류기(904)는 예를 들어, 시트 금속 또는 플라스틱과 같은 임의의 적합한 비교적 강성의 재료로 형성될 수 있고, 또는 후방 단부 플레이트(122)와 일체로 형성될 수 있다. 개별 변류기 컴포넌트의 이용 또는 단부 플레이트(122)에 일체식으로 형성된 변류기 특징물 사이의 선택은 비용의 문제에 주로 관련된다.

전방 변류기(906) 등은 적절하게는 권선부(330)에 발생된 열을 방열시키기 위해 권선부(330) 상에 공기 흐름을 재지시하기 위한 충돌 공기 흐름(914)에 대한 소정의 외형을 나타내는 [바람직하게는 전방측 단부 감김부(332A)인] 요소를 포함한다. 변류기(906)의 직경 및 소정의 외형은 공기 속도의 큰 감소를 생성하지 않고 권선부를 통해 가능한 한 많은 공기를 효율적으로 재지시하기 위해 선택된다. 변류기(906)는 적절하기는 공기 유동 내에 대면하는 정점이 배치된 중심 개구를 갖는 일반적으로 원추형 또는 디스크형 요소를 포함한다. 전방 변류기(906)는 적절하게 회전자(112)와 회전하는 회전자 허브(324)[샤프트(110)]와 동심이고, 고정자 중심 개구(406)를 빠져나오는 기류(914)의 통로 내로 반경 방향 외향으로 연장한다. 전방 변류기(906)는 예를 들어, 시트 금속 또는 플라스틱과 같은 임의의 적절한 비교적 강성의 재료로 형성될 수 있고, 회전자(112) 또는 잼 너트(120)와 일체 로 형성될 수 있다. 개별 변류기 컴포넌트 또는 회전자(112) 또는 잼 너트(120)에 일체식으로 형성된 변류기 특징물의 이용 사이의 선택은 주로 비용의 문제에 관련된다. 도9a의 실시예에서, 전방 변류기(906)는 적절하게는 고정자 중심 개구(406) 내로의 통로에서 대략 3/4만큼 외주로 연장하도록 외부 직경을 갖는다.

바람직하다면, 변류기(906, 904)에 부가하여(또는 그 대신에 소정의 경우에), 열 전달 효율은 기류 내로의 단부 감김부(332)의 굴곡에 의해 증가될 수 있다. 보다 상세히는, 도11을 참조하면, 단부 감김부(332)들은 고정자 중심 개구(406) 너머로 외향으로 그리고 개구를 통과하는 공기 유동의 경로 내로 내향으로 굴곡된다.

전술한 바와 같이, 도9a에 도시된 실시예에서, 종래의 비동기 팬(908)은 풀리(132)와 전방 단부 플레이트(116) 사이의 샤프트(110)의 회전을 위해 장착된다. 팬(908)은 사실상 교류기(100)를 통과하는 공기를 끌어당기는 진공을 생성한다. 그러나, 교류기(100)는 아이들 속도 또는 아이들 속도 바로 위에서 높은 수준의 전력을 발생시킬 수 있다. 샤프트(110)와 동기로 회전하는 팬(908)은 통상적으로 이러한 상태 하에서 충분한 공기 유동을 제공할 수 없다. 샤프트(110)와 동기하여 작동하는 전기 팬(126)은 보조 냉각을 적절하게 제공하고, 교류기(100)를 통해 공기를 밀어내도록 정압을 제공한다.

팬(126)은 전술한 바와 같이 후방 단부플레이트(122)의 배면에 장착된다. 일반적으로, 교류기(100)를 통과하는 공기 유동을 최대화하는 것이 바람직하다. 따라서, 팬(126)은 바람직하게는 교류기(100)의 주어진 크기 제한에서 0의 압력의 분당 최대 입방 피트(CFM)의 용량을 제공하도록 선택된다. 상업적으로 이용 가능 한 팬이 채용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 팬(126)은 교류기 외부 케이싱(128)에 근접하는 블레이드 직경을 갖는 영구 자석 팬이다.

냉각용 유체의 이용에 부가하여 또는 그 대신에, 힘이 가해진 공기는 낮은 공기 유동 또는 극단적인 가열 작동 상태 하에서 그리고 모래 투성이의, 습기가 많은 또는 다른 거친 상태에서 유리할 수 있다.

예를 들어, 소정의 경우에, 코일 단수 감김부(332)의 유체 냉각으로 공기 냉각을 보충하는 대에 유리하다. 일반적으로, 냉각제 유체는 전기적인 절연을 유지하면서 단부 감김부(332)와 열 접촉하도록 지시된다. 예를 들어, 냉각제 유체는 전방 단부 감김부(332A) 및/또는 후방 단부 감김부(332B)와 열 접촉하여 배치된 하나 이상의 부분을 포함하는 열 전도성 도관을 통과하여 루트가 정해질 수 있다. 도관부는 적절하게는 단부 감김부(332)의 특징물을 추종하고, 예를 들어, 단부 감김부에 근접하여 배치된 고정자 코어와 일반적으로 동심인 일반적으로 원형 또는 나선형 루프를 포함한다. 도관은 교류기에서 발견되는 상승된 온도를 견딜 수 있는 임의의 열 전도성 재료로 형성될 수 있고, 선택된 냉각제와 반응하지 않는다. 적절한 재료들은 예를 들어, 구리 및 알루미늄 튜브를 포함한다. 도관은 바람직하게는 예를 들어, 엔지니어링 에폭시와 같은 전기적 절연 열 전도체에 의해 인접한 단부 감김부에 열적으로 연결된다. 냉각제 유체는 임의의 유체일 수 있고, 바람직하게는 적절한 열적 및 유동 특성을 갖는 액체이다. 일 예는 종래의 엔진 냉각제이다. 차량 응용예에서, 엔진 냉각제는 바람직하게는 라디에이터로부터 배출된 직후에 교류기로 지시될 수 있다.

도9b 및 도9e를 참조하면, 바람직한 실시예에서, 냉각제 유체는 도관(예를 들어, 구리 튜브)(918)을 통해 단부 감김부(332)와 열 접촉하도록 지시된다. 도관(918)은 적절하게는 입구(922), 축선 방향으로 지시된 부분(950, 958, 966), 반경 방향으로 지시된 부분(952, 956, 960, 964) 및 루프형 부분(954, 962)을 포함한다. 루프형 부분(954, 962)은 각각 적절하게는 단부 감김부(332)에 의해 형성된 환형부에 대응하는 직경을 갖고, 고정자 코어(328)의 축선에 대해 중심을 갖는[예를 들어, 코어(328)의 외주와 슬롯(404)의 저부에 의해 경계를 갖는] 하나 이상의 원형 또는 나선형 감김부를 포함한다. 도관부(952, 954, 956)는 적절하게는 전방 단부 감김부(332A)의 전방에 (전방면과 평행하게) 고정자 코어(328)의 축선에 직각인 면에 모두 배치된다. 도관부(960, 962, 964)는 적절하게는 후방 단부 감김부(332B)의 뒤에 (후방면과 평행하게) 고정자 코어(328)의 축선에 직각인 면에 모두 배치된다. 축선부(950, 958)는 적절하게는 고정자 중심 개구(406)를 통해 연장한다. 축부(950, 958)는 적합하게는 후방 단부 플레이트 통로(902)를 통해 연장한다. 냉각제는 입구(922)를 통해 도입되고 부분(950, 952, 954, 956, 958, 960, 962, 964, 966)을 통해 순차적으로 유동하고, 출구(924)를 통해 빠져나간다.

도관(918)은 전기 절연, 열 전도 재료(920)(예를 들어, 엔지니어링 에폭시)에 의해 단부 감김부(332)에 열적으로 접속된다. 재료(920)는 적절하게는 단부 감김부(332), 루프부(954, 962) 및 반경방향 부분(952, 956, 960, 964)에 의해 캡슐화된다. 재료(920)는 단부 감김부(332)로부터 냉각제로 열을 전도하면서 동시에 전기적인 절연을 제공한다.

도9b의 실시예에서, 자석(318)은 기류(916)를 이용하여 냉각된다. 기류(916)는 회전자 케이싱(316)의 외측 주위로 유동하고 전방 단부 플레이트(116)의 공기 통로(136)를 통해 교류기(100)를 빠져나간다. 공기 유동은 팬(908)에 의해 공급된다. 도9a에 도시된 바와 같은 비동기 팬(126)이 자석(318)의 냉각을 개선시키기 위해 이용될 수 있다.

바람직하다면, 도관(918)을 통한 냉각제 유동은 기본적으로 폐쇄된 시스템을 허용하도록 자석(318)을 냉각시키기 위해 또한 이용될 수 있다. 도관(918)을 통한 냉각제 유동에 의해 냉각된 공기유동은 자석(318)을 가로질러 지시된다.

도9c 및 9d를 참조하면, 각각 열 전도성인 방열 휜(922)이 도관(918)에 열 전도성으로 접속되어 제공된다. 휜(922)은 적절하게는 열 전도성 캡슐화제(920) 내로 합체된다. 휜(922)은 적절하게는 중심 개구(406) 내로 반경 방향으로 연장한다.

각각의 블레이드들은 동심형 팬(926)을 형성하도록 회전자(112)의 전방면에 배치된다. 팬(926)은 공기 유동(916)을 발생시키고, 공기는 고정자 코어 중심 개구(406)를 통해 열 교환기 휜(922) 위로 회전자(112)의 단부 플레이트의 개구(323)를 통해 인출되고, 회전자 케이싱(316)의 외측 주위로 유동하도록 압박된다. 회전자 케이싱(316)의 외측 주위로 유동한 후에 공기 유동은 중심 개구(406) 내로 다시 통로(928)에 의해 지시된다. 회전자 케이싱(316) 주위의 공기 유동은 캡슐화제(920)에 매립된 열 교환기 휜(922)을 가로질러 자석(918)에 의해 생성된 열을 운반한다. 냉각제 튜브(918)의 유체 냉각제 유동은 고정자(328)의 권선부와 자석(318)에 의해 발생된 열을 운반한다.

외부 공급원으로부터의 공기 순환이 더 이상 필요없기 때문에, 교류기는 적절하게는 O-링(930) 및 플러그(932)를 이용하여 밀봉된다. 이는 영구 자석 교류기의 작동에 해로운 모든 오염이 없도록 밀봉하는 장점을 갖는다. 바람직하다면, 교류기의 최하점에 위치된 일방향 밸브 또는 멤브레인(도시 안함)이 물의 응축 가능한 드레인을 보조하기 위해 제공될 수 있다. 보다 큰 공기 유동이 요구되는 경우, 비동기식 팬(126)이 설치될 수 있다.

소정의 상황, 즉, 먼지가 많고, 다습하거나 또는 다른 유해한 상태 하에서, 공랭식 교류기는 잠재적인 외부 오염에 대해 밀봉될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따라, 열 교환기로써 작동하는 외부 교류기 케이스에 걸쳐 개별 내부 및 외부 냉각 공기 유동을 수립함으로써 밀봉된 공랭식 교류기가 제공될 수 있다. 내부 및 외부 공기 유동은 적절하게는 내부 및 외부 팬에 의해 제공된다. 내부 공기 유동은 코일 및 자석으로부터 열 교환기로 열을 전달하기 위해 고정자 코일, 회전자 및 열 교환기 내부에 걸쳐 지시된다. 외부 공기 유동은 열을 방열시키기 위해 교환기의 외부에 걸쳐 지시된다. 바람직하게는, 외부 공기 유동을 위한 공급원은 교류기로부터 원격으로 위치될 수 있고, 예를 들어, 공압 또는 스노클을 통해 제공된다.

도12를 참조하면, 밀봉식 교류기(1200)의 제1 실시예는 샤프트(110), 밀봉된 전방 단부 플레이트(1202), 전방 베어링(118), 고정자(114), 전방 대면 회전자(1204), 잼 너트(120), 내부 팬(1206), 후방 베어링(124), 밀봉식 후방 단부 플레이트(1208), 열 교환기(1210), 외부 팬(1212) 및 공기 흡입구(1214)를 갖는 팬 하우징(1213)을 포함한다.[이러한 실시예에서, 타이 로드(130)(도시 안함)는 도4에 도시된 바와 같이 외부에 배치될 수 있다.] 전방 단부 플레이트(1202)는 적절하게는 전방 베어링(118)을 장착하고 위치시키기 위해 단차를 갖는 중심 허브(1214)[일반적으로 후방 단부 플레이트 허브(340)와 유사함]과, 고정자 코어(328)를 포함한다. 샤프트(110)의 테이퍼부(310)는 [일반적으로 회전자(1204)의 축선 길이에 대응하는] 전방 단부 플레이트(1202)로부터 소정의 축선 거리를 갖고 배치된다. 회전자(1204)는 회전자(112)와 기본적으로 동일하지만, 회전자(112)의 전방 대면 배치를 수용하도록 역으로 허브(324)의 테이퍼부를 갖는다. 도3의 실시예에서와 같이, 회전자(1204)는 샤프트(110)의 회전을 위해 장착되고, 샤프트 테이퍼부(310)를 갖는 허브(324)의 상호작용에 의해 샤프트(110)에 정으로 위치되어 정렬되고, 고정자(114)는 회전자(1204) 내에 폐쇄식으로 수납되고, 작은 공기 간극(412)에 의해 회전자(1204)로부터 분리된다. 열 교환기(1210)는 일반적으로 원통형이고 회전자 케이싱(316)의 외부에서 샤프트(110)와 동심으로 배치된다. 전방 단부 플레이트(1202), 베어링(118, 124), 열 교환기(1210) 및 후방 단부 플레이트(1208)는 고정자(114), 회전자(1204) 및 내부 팬(1206)을 둘러싸는 밀봉 구획을 제공한다.

도12 및 도13a를 참조하면, 열 교환기(1210)는 적절하게는 원통형 분리기(케이싱(1216)을 포함하고, 각각 모두 열접촉하는 반경 방향으로 연장하는 내부 및 외부 휜(1218, 1220)을 지지한다. 열 교환기(1210)는 적절하게는 알루미늄 또는 철과 같은 열 전도성 재료의 유닛 압출체이다. 선택적으로 도13b에 도시된 바와 같이, 구조를 간단히 하기 위해 열 교환기(1210)는 실린더(1216)의 외부면을 커버하는 실린더(1216)의 내부면을 커버하는 제2 재료, 예를 들어 알루미늄으로 형성된 복수의 (예를 들어, 1개만 도시되었지만 12개의) 개별(적절하게 압출 성형된) 휜 섹션(1218A)(각각 소정의 호형으로 연장함)과 복수의 (예를 들어, 1개만 도시되었지만 12개의) 개별 (적절하게는 압출 성형된) 휜 섹션(1220A)을 갖는 제1 재료, 예를 들어 철로 형성된 개별 원통형 케이싱을 형성할 수 있다. 예를 들어, 휜의 12개의 30°섹션과 휜의 4개의 90°섹션이 채용될 수 있다. 각각의 휜 섹션(1216A, 1220A)은 적절하게는 (제1 및 제2 재료의 상이한 열팽창률을 수용하기 위해 충분히 가요성으로 잔류하는) 접착제에 의해 케이싱(1216)에 고정되고 열 접촉된다.

열 교환기(1210)는 회전자 케이싱(316)으로부터 동심이고 반경 방향 외향으로 배치된다. 각각의 축선 채널(1226)은 인접한 내부 휜(1218), 케이싱(1216)과 회전자 케이싱(316)의 외부 표면 사이에 한정된다. 설명되는 바와 같이, 채널(1226)을 통한 공기 유동은 회전자(112)와 권선부(330)로부터 내부 휜(1218) [및 케이싱(1216)]으로 열을 전달한다. 열은 그 다음에 휜(1218)으로부터 외부 휜(1220)으로 전도된다. 외부 휜(1220) [그리고 케이싱(1216)] 상의 공기 유동은 열을 방열시키기 위해 채용된다.

도12에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 열 교환기(1210)는 외부 휜(1220) 상의 공기 유동을 용이하게 하기 위해 바람직하게는 원통형 외부 커버(1222)를 포함한다. 커버(1222)는 열 교환기 외부 휜(1220)의 반경 방향 외향으로 분리기(케이싱)(1216)와 동축으로 배치된다. 커버(1222)는 적절하게는 외부 팬 하우징(1213) 내에 놓여지고 그 전방 단부에서 열 교환기(1210)용의 출구(1224)를 제공한다. 각각의 축방향 채널(1228)은 팬 하우징(1213)의 내부에 연통하고 따라서, 인접한 외부 휜(1220), 케이싱(1216) 및 열 교환기 커버(1222) 사이를 한정한다.

적절하게는 회전자(112)에 부착되거나 또는 일체형인 내부 팬(1212)은 열 교환기(1210)의 고정자 코일(330)[바람직하게는 관통 단부 감김부(332)], 회전자(112) 및 관통 내부 채널(1226) 상으로 지시되는 내부 공기 유동을 생성한다. 보다 상세히는, 내부 팬(1212)은 공기를 외향으로 추진하도록 구성되고, 회전자(112)의 내부에 부압을 생성하고, 일반적으로 화살표(1230)에 의해 지시된 기류가 채널(1226)을 통해 압박되고, 회전자 케이싱(316) [그리고 따라서 자석(318)]을 냉각시키고, 내부 열 전달 휜(1218)과 케이싱(1216)으로 열을 전달한다. 기류(1230)는 채널(1226)을 빠져나가서, 고정자 중심 개구(406) 내로 전방측 단부 턴(332A)을 통해 유동한다. 고정자 개구(406)의 후방측을 빠져나가는 공기 유동은 후방측 단부 권선부(332B)를 통해 유동하도록 지시된다. 이는 적절하게는 변류기(1232)를 이용하여 실시된다. 단부 권선부(332B)를 통해 유동한 후에, 기류는 회전자 개구(323)를 통해 유동하고 팬(1206)에 의해 재순환된다. 고정자 코일(330) 및 자석(318)의 열은 방열되고 열 교환기 내부 휜(1218)으로 전달된다. 휜(1218)은 열이 휜(1218)으로부터 외부 휜(1220)으로 전도되도록 케이싱(1216)과 외부 휜(1220)과 열접촉한다. 외부 휜(1220) [및 케이싱(1216)] 상의 공기 유동은 열을 방열시키기 위해 채용된다.

일반적으로 도면부호 1234로 지시된 외부 휜(1220) 상의 공기 유동은 적절하게는 외부 팬(1212)에 의해 발생된다. 흡기구(1214)를 통해 제공된 외부 공기는 팬(1212)의 회전에 의해 하우징(1213)의 내부에서 외향으로 추진되고 채널(1228)을 통해 압박되어, 최종적으로는 출구(1224)를 통해 빠져나간다. 바람직하다면, 필터(도시 안함)가 출구(1224)와 팬 하우징 공기 흡기구(1214) 상에 제공될 수 있다.

소정의 경우, 밀봉된 교류기 유닛으로부터 원격으로 위치된 공급원으로부터 가압된 외부 공기를 채용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시예(1400)는 도14에 도시된다. 밀봉된 교류기(1400)는 바람직하게는, 전용 외부 팬(1212)에 의해 구동되는 대신에 교류기(1400)가 후방 하우징(1402)을 채용하고, 열 교환기 내부 채널(1228)과 연통하는 내부가 플리넘(1404) 및 원격 팬(1406)과 같은 적절한 원격 가압 공기 공급원과 상호작용하는 점을 제외하고 교류기(1200)와 유사하다. 외부 공기 유동(1234)은 원격 팬(1406)에 의해 공급되어 하우징(1402)의 내부와 채널(1228)을 통해 플리넘(1404)을 통해 지시되고, 최종적으로는 출구(1224)를 통해 빠져나간다.

특히 먼지가 많고 다습하거나 또는 다른 유해 상태에 적용되는 본 발명의 대체 실시예는 원격의 보다 덜 유해한 공급원으로부터 냉각 공기를 제공하도록 이중벽 스노클과 상호 작용하는 국부적으로 밀봉된 교류기를 채용한다. 도15를 참조하면, 국부적으로 밀봉된 교류기(1500)는 스노클(1502)과 상호 작용한다. 교류기(1500)는 적절하게는 도1 내지 4를 참조하여 설명된 교류기(100)와 거의 유사하다. 그러나, [전방 단부 플레이트(116)와 유사한] 전방 단부 플레이트(116A)와 [전방 베어링(118)과 유사한] 전방 베어링(118A)은 밀봉되고, [후방 단부 플레이트(122)와 유사한] 후방 단부 플레이트(122A)는 공기 통로(902)에 부가하여 공기 통로 (1504)의 개별 외부 세트를 포함하고, (도4의 실시예와 유사하게) 타이 로드(130)는 외부 케이싱(128)의 외측에 배치된다. 부가로, 교류기(1500)는 후술하는 바와 같이 각각의 공기 유동을 분리시키기 위해 공기 댐(1506)을 포함한다. 공기 댐(1502)은 적절하게는 펠트로 형성되고, 또는 단부 플레이트(122A)와 일체로 형성된다.

스노클(1502)은 적절하게는 각각 내부 및 외부 벽(1512, 1514)에 의해 형성된 일반적으로 수직이고 일반적으로 원통형인 내부 및 외부 굴뚝부(1512A, 1514A)와 횡방향 내부 및 외부 연결부(1512B, 1514B)를 포함한다. 수직 및 횡방향부의 수는 공기 속도를 최대화하기 위한 임의의 주어진 설치를 위해 가능한 가장 적은 수(예를 들어, 밴드의 최소수)를 유지한다. 내부벽(1512) [그리고 내부 연결부(1512B)의 내부 연결부의 선단 입부]은 단부 플레이트 내부 및 외부 통로(902, 1504) 사이에 배치되고, 내부벽(1512)의 외부 직경은 바람직하게는 통로(1504)의 내부 직경과 동일하거나 작고, 내부벽(1512)의 내부 직경은 통로(902)의 외부 직경과 동일하거나 크다. 단부 플레이트 외부 통로(1504)와 연통하는 흡기 통풍로(1516)는 외부 벽(1512)과 내부 벽(1514) 사이에서 한정된다. 단부 플레이트 내부 통로(902)와 연통하는 출력 통풍로(1520)는 내부벽(1512) 내에서 한정된다. 흡기 통풍로(1516)와 출력 통풍로(1520)는 적절하게는 각각 제1 및 제2 공기 필터(1518, 1522)에 의해 덮여진다. 입력 필터(1518)는 사실상 교류기 내로 도입되는 공기를 제거한다. 출구 필터(1520)는 교류기가 작동하지 않을 때 배출구를 통해 교류기로 먼지가 들어오지 않는 것을 방지한다. 내부 굴뚝부(1512A)는 외부벽(1514)에 의해 한정된 외부 굴뚝부(1514A)에 걸쳐 적절하게 연장된다. 흡입 통풍로(1516) 및 출력 통풍로(1520)[필터(1518, 1522)]는 교류 발전기(1500)가 장착되는 차량에 의해 가로질러지도록 물의 최대 깊이에 대응하여 소정 높이로 배치된다. 적절한 디플렉터(1524)가 공기 통로(902) 사이에 적절하게 배치되어 출력 통풍로(1520)로부터 흡입 통풍로(1516)로의 배출 공기의 도입을 최소화한다.

스노클(1502)은 어댑터 플레이트(1503)를 사용하여 교류 발전기(1500)의 후방 단부 플레이트(122A)에 고정된다. 도15의 실시예에서, 스노클(1500)과 단부 플레이트(122A)는 타이 로드(tie rod; 130)에 의해 고정된다. 다르게는, 외부 연결부(1514B)의 입부는 후방 단부 플레이트(122A) 상에 끼워맞춤될 수 있고, 필요하다면 금속 밴딩에 의해 고정될 수 있다. 임의의 경우에, 적절한 밀봉제, 가스켓 또는 O-링(도시 안됨)이 필수적으로 방수 밀봉을 달성하는데 양호하게는 채용된다. 전기 팬(126)은 블레이드가 회전자(112)의 내부의 부압을 생성하도록 배열되게 하면서, 내부 연결부(1512B)의 내부에서(내부를 관통하는 각각의 공기 통로들로 적절하게 디스크 형상으로 된) 어댑터 플레이트(1503)에 적절하게 배치된다.

팬(126)은 회전자와 고정자를 통하는 냉각 공기 유동(1526)을 생성하도록 냉각제 유로를 따라 공기를 순환시키고, 공기는 필터(1518) 및 흡입 통풍로(1516)를 관통하여 수납되고 횡 방향 외측 연결부(1514B)와, 후방 단부 플레이트(122A)의 외측 공기 통로(1504)와, 회전자 케이싱(316)의 외부와 외측 케이싱(128) 사이의 공간과, 회전자 단부 캡(314)의 통로(323)와, 단부 감김부(332A)의 상부와, 고정자 코어(328)의 개구(406)를 관통하고, 단부 감김부(332B)의 상부와, 후방 단부 플레 이트(122A)의 관통 내측 공기 통로(902)를 관통하고, 팬(126)을 관통하고, 스노클 내측 연결부(1512B), 출력 통풍로(5120) 및 필터(1522)를 관통한다. 이에 따라, 교류 발전기(1500)는 국부적으로 밀봉되고, 스노클(1502)에 의해 한정된 깊이까지 물 속에 잠겨질 수 있다.

팬(126)은 종래의 전기 팬일 수 있다. 하지만, 팬(126)에 의한 냉각제 순환은 최소화되는 것이 바람직하다. 영구 자석 팬 설계는 적은 에너지 입력으로 매우 높은 마력을 발휘하고, 상대적으로 작은 축선 치수를 나타내면서 증가된 공기 속도 및 압력에 대하여 큰 직경의 블레이드를 용이하게 한다.

따라서, 이용가능한 공간에 대하여 특정하게 최적화된 팬이 바람직하다. 도16a를 참조하면, 이러한 팬의 제1 실시예(1600A)는 고정자 프레임(1602), 고정자 코어(1604)와 권선부(1606), 전방 및 후방 팬 베어링(1608, 1610), 팬(1612)을 포함한다. 고정자 프레임(1602)은 대체로 원통형 본체(1615)를 적절하게 포함하고, 그 내부의 중심에 배치된 팬 베어링(1608, 1610)을 적절하게 포함한다. 고정자 프레임(1602)은 샤프트(110)와 동심원으로 후방 단부 플레이트(122A)에 적절하게 고정된다. 팬 고정자 코어(1604)는 대체로 원통형으로 고정자 프레임 본체(1615) 주위에 적절하게 배치된다.

팬(1612)은 공학적 플라스틱, 알루미늄, 다른 적절한 재료의 주조 팬 본체(1614), 팬 회전자(1616) 및 보유 패스너(1618)를 적절하게 포함한다. 팬 본체(1614)는 각각의 통로(1626)를 형성하는 각각의 크로스아암에 의해 본체(1614)에 연결된 [베어링(1608, 1610)에 의해 회전가능하게 유지되는)수직 중앙 내부 샤프트 (1624)를 갖춘 중앙 허브(1623)를 적절하게 포함한다. 통로(1626)는 스노클 내측 연결부(1512B)와 연통한다. 필요하다면, 펠트 또는 낮은 마찰 재료로 적절하게 형성된 공기 댐(1625)이 입력 및 출력 통로 사이에서의 공기의 이동을 최소화하도록 스노클 내측 벽(1512)과 팬 회전자 단부 캡(1612) 사이에 제공될 수 있다.

팬 본체(1614)에 적절하게 체결된(즉, 에폭시 또는 다른 적절한 체결 방법) 팬 회전자(1616)는 그 내부에 배치된 각각의 자석(1632)을 포함한다. 자석(1632)은 작은 공기 간극에 의해서만 분리되어 팬 고정자 코어(1604)에 근접하여 배치되어 팬 고정자 권선부(1606)와 전자기계적으로 상호작용하고, 권선부(1606)에 인가된 전기 신호는 자석(1632)의 상대 운동을 야기하여, 이에 따라 팬(1612)을 가동시킨다. 전력은 교류 발전기(1500)에 의해 발생된 전력으로부터 내부적으로 제공될 수 있거나 또는 외부 소스(예를 들어, 차량 배터리)로부터 제공될 수 있다. 팬 블레이드(1634)는 스노클 외부 연결부(1514B)로부터 후방 단부 플레이트 외측 통로(1504)를 통해 공기를 이동시키도록 배치된다. 가능한 한 큰 직경으로 블레이드를 배치함으로써, 최대 공기 이동 및 압력이 제공된다. 팬 블레이드는 후방 단부 플레이트(122A)의 외측 공기 통로(1504)를 통해 공기 흐름(1526)을 밀어낸다. 이후에, 공기 흐름(1526)은 도15에 도시된 바와 같이 교류 발전기(1504)의 내부를 통해 순환하고, 이후에 후방 단부 플레이트(122A0의 내부 공기 통로(902)를 통과하고 팬(1600)의 통로를 통과하여, 도15에 도시된 바와 같이 어댑터 플레이트(1503A), 출력 통풍로(1520) 및 필터(1522)에 적절하게 고정되는 스노클 내측 연결부(1512B)를 통해 배출된다.

필요하다면, 팬 블레이드는 단부 플레이트 내측 및 외측 통로(902, 1504)와 정렬된 각각의 상이한 경사 섹션을 구비하도록 구성되어 공기를 통로(1504) 내로 밀어 넣고 공기를 통로(902)로부터 뽑아낸다. 도17을 참조하면, 이러한 블레이드를 채용하는 팬(1700)은 대체로 팬(1600)과 유사하다. 하지만, 팬(1700)은 (공기 통로가 없는) 더 소형의 고정자 프레임(1702)과, 동심원의 내측 및 외측 실린더[1706(원통형 본체(1630)와 유사), 1708]를 각각 포함하는 팬 회전자(1704)를 이용한다. [대체로 블레이드(1634)와 유사한]제1 세트의 팬 블레이드(1710)가 [이를 외측 실린더(1709)에 연결하는] 외부 실린더(1708)의 외부에 제공된다. 제2 세트의 팬 블레이드(1712)는 실린더(1706, 1708)를 연결시킨다.

외측 실린더(1708)는 대략 동일한 직경의 내측 스노클 벽(1512)과 적절하게 동심원을 이룬다. [도16의 실시예의 블레이드(1634)와 유사한]팬 블레이드(1710)는 스노클 외부 연결부(1514B)로부터 후방 단부 플레이트 외측 통로(1504)를 통해 공기를 이동시키도록 배치된다. 실린더(1706, 1708)는 단부 플레이트 내측 통로(902)가 실린더[예를 들어, 실린더(1706)의 외경은 통로(902)의 내경 이하이고, 통로(902)의 외경은 외측 실린더(1708)의 내경 이하]에 의해 브래킷된다. 팬 블레이드(1712)는 팬 블레이드(1710)에 비해 역방향 각도를 나타내므로 통로(902)에서 부압이 생성[즉, 공기가 통로(902)를 통해 교류 발전기(1500)로부터 추출]된다. 단부 플레이트(122A)에 근접한 팬 회전자(1614A)의 측면은 근소한 공차로 적절하게 유지되고, 0.01 내지 0.05 인치(0.0254 내지 0.127cm), 양호하게는 0.03 인치(0.0762cm)의 범위에 적절하게 있는 대체적으로는 도면 부호 1714로 표시되는 상대적으로 작은 공기 간극에 의해서만 단부 플레이트(122A)로부터 분리된다. 간극(1714)은 경로 사이에서의 공기의 이동이 무시될 수 있을 만큼 충분히 작다. 팬이 회전함에 따라, 이는 교류 발전기를 냉각시키기 위하여 필요한 유동을 생성하는 교류 발전기 내의 외측 링 및 교류 발전기로부터 내측 링을 대향 방향으로 압력을 발전시킨다.

모래, 먼지, 습하거나 또는 다른 악조건(예를 들어, 사막 또는 농업 응용분야)에서는 교류 발전기 내로 유입된 공기를 여과하는 것이 바람직할 수 있다. 오염물을 함유하는 공기 및 먼지는 부식의 가능성이 있고, 모래는 (교류 발전기 및/또는 팬에서의) 영구 자석 상에 축적될 수 있는 철 화합물을 통상적으로 포함한다. 입력 필터는 교류 발전기 내로 유입된 공기를 효율적으로 세척시키는데 채용된다. 출력 필터는 교류 발전기가 가동하지 않을 때 배출구를 통해 먼지가 교류 발전기로 유입되는 것을 방지하는데 채용된다. 임의의 적절한 여과 전략이 양호하게는 교류 발전기 흡입구 내로 배출 공기의 유입을 최소화하기 위한 설비로 채용될 수 있다. 예를 들어, 도18a의 실시예에서, [교류 발전기(1500) 내에서의 부압을 생성하도록 배치된 블레이드를 갖춘]팬(1600B)이 중앙 원통형 덕트 및 동심원 접시형 디플렉터(1808)를 포함하는 하우징(1800) 내에 배치된다. 팬(126)은 [이를 관통하는 통로를 갖춘 덕트(1802)의 내부를 따르는 외주를 적절하게 갖는] 프레임(126A) 상에서 덕트(1802) 내에 동심원으로 적절하게 장착된다. 프레임(126A)은 하우징(1800)과 일체일 수 있다. 일단부에서는 단부 플레이트(122A)의 측벽에 근접하게 배치되고 다른 단부에서는 폐쇄되는 덕트(1802)가 단부 플레이트 내측 및 외측 통로(902, 1504) 사이에서 이들과 동심원을 이루며 배치되고, 덕트(1802)의 외경은 적절하게 통로(1504)의 외경 이하이고, 덕트(1802)의 내경은 통로(902)의 외경 이상이다. 덕트(1802)는 각각의 입력 및 출력 통풍로(1810, 1804)를 한정한다. 덕트(1802)의내부에 있는 출력 통풍로(1804)는 교류 발전기 단부 플레이트(122A) 내의 내측 통로(902)와 연통하여 입부(1805)를 통해 반경방향으로 배출한다. 덕트(1802)와 동심원인 링 타입의 공기 필터(1806)는 출력 통풍로(1804)의 입부에 배치된다. 디플렉터(1808)는 덕트(1802)의 외부 주위에 배치되고, 전방 대면 입부(1812)를 제공한다. 덕트(1802)와 동심원을 이루는 링 타입의 공기 필터(1814)는 입력 통풍로(1810) 내에 배치된다. 디플렉터(1808)는 입력 통풍로(1810)를 한정하도록 덕트(1802)와 협동작용한다. 전방 대면 입부(1812)를 갖춘 디플렉터(1808)는 교류 발전기(1500)으로의 배출 공기의 도입을 최소화하도록 된다.

공기 흡입구를 통한 교류 발전기(1500)로의 배출 공기의 도입은 공기 흡입 및 배출구의 상대적인 배치에 의해 또한 최소화될 수 있다. 예를 들어, 도18b를 참조하면, 입력 통풍로는 덕트(1802)의 반경 방향 외향으로 개방되고, 출력 통풍로는 후방에서 축방향으로 개방된다. 도18b의 실시예에서, 입력 및 출력 필터(1814, 1806)는 모두 링 타입의 필터이다. 덕트(1802)는 계단(증가된 직경)부를 포함하고, 그 측벽은 단부 플레이트(122A)와 협동작용하여 입력 통풍로를 한정한다. 도18c의 실시예에서, 입력 필터(1814)는 링 타입의 필터이고, 출력 필터(1806)는 편평한 플레이트 타입의 필터이다. 이러한 경우에, 입력 통풍로는 단부 플레이트(122A)와 협동작용하여 덕트(1802)의 외부 상에 배치된 환형 플레이트(1820)에 의 해 한정된다. 필요하다면, 덕트(1802) 및 플레이트(1820)는 팬 프레임(126A)의 일체부일 수 있다.

교류 발전기로부터 이격된 위치, 예를 들어 교류 발전기의 근방의 주위 공기 온도가 원하는 것보다 높은 위치로부터 공기를 흡입하는 것이 종종 바람직하다. 도15의 실시예에서, 이는 후방에 부착되는 스노클을 이용하고 교류 발전기로부터 축방향으로 초기부터 연장함으로써 달성된다. 몇몇 응용예에서, 자유 공간의 축선 정도는 제한되고, 교류 발전기의 축에 대해 횡 방향으로 연장되는 공기 흡입 덕터를 제공하는 것이 바람직하다. 도19를 참조하면, 이러한 횡 방향으로 덕트된 교류 발전기는 접선방향으로 연장되는 연장부(1904)를 갖추고 공기 필터(1906)로 적절하게 캡핑되는 도관(1902)이 플레이트(1820)와 링 타입의 필터(1812) 대신에 채용되는 것을 제외하고는, 도18c의 실시예와 대체로 적절하게 유사하다.

필터는 도16 및 도17의 최적화된 팬일 수도 있다. 예를 들어, 도20a를 참조하면, 팬(1600)은 대체로 원통형 팬 하우징(2000) 내에 동심원을 이루며 배치될 수도 있다. 하우징(2000)은 내향으로 연장되어 근처의 팬 회전자 단부 캡(1614)까지 이어지고 작은 간극(2004)에 의해서만 단부 캡(1614)으로부터 분리된 동심원 내측 원통형 벽을 적절하게 포함한다. 벽(2002)의 직경은 회전자 본체(1630)와 공기 통로(1626)의 중간, 바람직하게는 본체(1630)와 동일한 외경을 갖는다. 벽(2002)은 각각의 입력 및 출력 통풍로(2006, 2008)를 한정한다. 간극(2004)은 통풍로(2006, 2008) 사이에서의 공기의 이동이 무시될 수 있을 만큼 작다. 벽(2002)의 외부의 입력 통풍로(2006)는 팬 블레이드(1634)와 연통되어 결국 단부 플레이트 외측 통로 (1504)와 연통하고, 벽(2002)과 동심원을 이루는 링 타입의 공기 필터(2010)를 수용하도록 구성된 흡입구를 포함한다. 벽(2002)의 내부에 위치되는 출력 통풍로(2008)는 팬(1600)의 통로(1626, 1620 및 1622)와 연통하고 결국 교류 발전기 단부 플레이트(122A)의 내측 통로(902)와 연통한다. 출력 통풍로(2006)는 편평한 플레이트 타입의 필터인 필터(2009)를 통해 배출한다. 팬 공기 유동(2010)을 역전시키는 능력은 고무 플렉스 튜브(2012) 또는 다른 적절한 재료를 사용하면서 더 환경적으로 친숙한 위치로 통풍로(2008)의 연장을 허용하고 악조건 하에서 교류 발전기에 근접하여 이용가능한 것보다 더 냉각된 공기를 교류 발전기(1500)로 공급하게 한다. 유사하게, 도20b를 참조하면, 팬(1700)은 팬 하우징(2000) 내에 동심원으로 배치될 수도 있다. 이러한 경우에, 내측 원통형 벽(2002)은 팬 회전자 외측 실린더(1708)와 정렬되고, 벽(2002)의 외경은 실린더(1709)의 외경과 적절하게 동일하다.

앞서 설명한 바와 같이, 교류 발전기 고정자 권선부로 유도된 전류는 종종 조정된 브릿지 정류기에 통상적으로 인가되고, 출력으로서 제공된다. 몇몇 경우에서, 조정된 출력 신호가 인버터에 인가되어 AC 출력을 제공한다. 또한, 회전자 속도의 변화 또는 부하 특성의 변화를 수용하는 전자 제어 시스템이 채용될 수 있다. 이러한 전자 시스템에 채용된 부품들은 열에 취약한 경향이 있다. 따라서, 가장 냉각된 공기의 경로의 다이 캐스트 열 싱크, 예를 들어 공기 흡입구의 근방에 전자 부품(특히, 작동 시 열을 발생하는 부품들)을 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도21a 및 도21b를 참조하면, 열 발생 전자 부품(2100)은 열 싱크(2102)에 (가압되어) 장착되고, 차례로 교류 발전기 단부 플레이트(121A)의 공기 통로(1504) 내에 장착된다. 열 싱크(2102)는 가벼운 열 전도성 재료, 예를 들어 알루미늄으로 (예를 들어, 기계 가공 또는 압출 가공으로) 형성되고, 횡 방향(예를 들어, 수직 방향) 냉각 휜(2106)과 양 단부에서 각각의 체결 탭(2108)을 갖춘 메인 리브(2104)를 포함한다. 부품(2100)은 메인 리브(2104) 상에 적절하게 장착된다. 열 싱크(2102)는 단부 플레이트 통로(1504) 내에 끼워지도록 외형을 갖추어 냉각 공기 유동(대체로 1526으로 표시)은 휜(2106) 사이에서 휜을 가로지른다. 열 싱크(2102)는 탭(2108)을 통과하여 단부 플레이트(121A)로 나사 결합되는 각각의 나사(21100에 의해 단부 플레이트(121A)에 적절하게 체결된다.

다르게는, 열 싱크 보유 전자 부품은 교류 발전기와 협동 작용하는 팬 하우징(예를 들어, 1800, 2000)의 입력 통풍로, 스노클(예를 들어, 1502), 플레넘(예를 들어, 1402) 등 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 부품(2200)은 팬 하우징(2000)의 입력 통풍로(2006) 내에 차례로 장착되는 열 싱크(2202) 상에 장착될 수 있다. 열 싱크(2202)는 베이스(2204)와 횡 방향(예를 들어, 수직 방향) 냉각 휜(2206)을 갖춘, 예를 들어 알루미늄과 같은 가벼운 열 전도성 재료로 (예를 들어, 기계 가공 또는 압출 가공) 콤(comb) 형상으로 적절하게 형성된다. 부품(2200)은 베이스(2204)에 적절하게 장착된다. 대체로 도면 부호 1526으로 표시된 냉각 공기 유동은 필터(2010)와 각각의 냉각 휜(2206)을 통해 유동하여 후방 단부 플레이트 통로(1504)를 통해 교류 발전기로 유동한다.

도12 내지 도14와 관련하여 설명된 실시예와 같은 밀봉된 유닛에서, 열 발생 전력 부품은 밀봉된 교류 발전기의 외부, 예를 들어 외부 채널(1228) 내에 열 교환 기 커버(222) 상에 배치된 열 싱크 상에 양호하게는 배치된다.

도23a 및 도23b를 참조하면, 열 발생 전기 부품은 열 플레이트(2302)를 통해 냉각된 유체 유동이 교류 발전기로 유입되기 전에, 도9b 및 도9c에 개략적으로 도시된 교류 발전기 냉각 유체를 사용하는 열 플레이트에 장착될 수 있다. 열 발생 부품(2303)은 열 플레이트(2302)에 적절하게 체결된다. 도23b에서 교류 발전기의 밀봉은 교류 발전기의 외부에 2302 및 2303을 위치시킴으로써 유지된다는 것을 주목하자.

본 발명은 다양한 실시예로 설명되었지만, 본 발명은 특정 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 기술 사상으로부터 벗어나지 않고 실시될 수 있다는 것이 고려된다. 부품, 재료, 값, 구조 및 설계 및 배열의 다른 양태에서의 변형예가 다음의 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명에 따라 실시될 수 있다.

Claims (67)

1. 전력 변환 장치로서,

   원통형 케이싱과, 상기 케이싱의 내부에 배치된 미리 정해진 개수의 영구 자석을 포함하고, 상기 케이싱의 축 주위에서 회전하도록 구성된 회전자와,

   코어와 하나 이상의 도전성 권선부를 포함하는 고정자로서, 상기 코어는 원통형의 외부 주연면과, 그 내부에 형성된 미리 정해진 개수의 슬롯들을 포함하고, 상기 권선부는 상기 슬롯들을 통해 상기 코어 주위에 권선되고, 상기 고정자는 고정자 코어 주연면이 회전자 자석에 근접되게 하면서 회전자 케이싱의 내부에 동심으로 배치되고 미리 정해진 간극 거리만큼 자석으로부터 분리되어 회전자와 고정자의 상대 운동에 의해 자석으로부터의 자속이 고정자 권선부와 상호 작용하게 하고 상기 고정자 권선부 내에서 전류를 유도하게 하고, 상기 고정자 권선부는 상기 코어로부터 외향으로 연장되는 단부 감김부를 포함하여 상기 단부 감김부와 상기 코어 사이에서 공간을 제공하는, 상기 고정자와,

   냉각제의 유동이 상기 권선부와 자석 중 적어도 하나와 열 접촉하도록 지향시키고, 고정자 코어를 관통하는 하나 이상의 통로를 포함하는 냉각 시스템을 포함하는

   전력 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,

   단부 플레이트를 더 포함하고,

   상기 고정자는 상기 단부 플레이트 상에 장착되고,

   상기 회전자는 상기 단부 플레이트에 대해 회전되도록 장착되는

   전력 변환 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은 고정자 코어 통로와 유체 연통하는, 상기 단부 플레이트를 관통하는 하나 이상의 제1 통로를 더 포함하는

   전력 변환 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은 고정자 코어 통로와 유체 연통하는, 상기 회전자를 관통하는 하나 이상의 제1 통로를 더 포함하는

   전력 변환 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 냉각 시스템은 상기 회전자와 함께 회전하도록 장착된 팬을 더 포함하고,

   상기 팬은 고정자 코어 통로를 통해 냉각제를 이동시키도록 배치되는

   전력 변환 장치.
6. 제3항에 있어서,

   상기 냉각제는 공기이고, 상기 냉각 시스템은 단부 플레이트 통로 및 고정자 코어 통로를 통해 공기를 이동시키도록 배치된 강압식 공기 공급부를 더 포함하는

   전력 변환 장치.
7. 제1항에 있어서,

   외력과 응답해서 상기 회전자의 위치가 상기 고정자로 미리 정해진 거리보다 가깝게 이동하는 것을 방지하도록 배치되어, 상기 자석과 상기 고정자 사이의 충돌이 회피되게 하는 하나 이상의 범퍼를 더 포함하는

   전력 변환 장치.
8. 제2항에 있어서,

   상기 단부 플레이트에 회전가능하게 결합된 샤프트를 더 포함하고, 상기 회전자는 상기 샤프트와 함께 회전하기 위해 상기 샤프트에 결합되는

   전력 변환 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 샤프트는 상기 고정자에 대해 미리 정해진 위치에서 상기 샤프트의 단부들 사이에 배치되는 테이퍼진 부분(tapered portion)을 포함하고, 상기 테이퍼진 부분의 직경은 미리 정해진 테이퍼를 갖고,

   상기 회전자는 상기 샤프트의 테이퍼진 부분의 테이퍼에 대응하는 미리 정해진 테이퍼를 갖는 중심 관통 보어를 포함하고,

   상기 샤프트는 상기 회전자의 테이퍼진 보어를 통해 저어널되어 샤프트의 테이퍼진 부분은 회전자 보어에 수용되고, 회전자의 테이퍼진 보어와 샤프트의 테이퍼진 부분의 협력작용은 샤프트와 고정자에 대해 회전자를 위치시키는

   전력 변환 장치.
10. 제6항에 있어서,

    상기 강압식 공기 공급부는 상기 회전자의 회전에 대해 비동기식 팬을 포함하는

    전력 변환 장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 냉각 시스템은 고정자 코어 통로를 통해 연장되고 상기 권선부와 열접촉하는 도관을 포함하는

    전력 변환 장치.
12. 제1항에 있어서,

    회전자 자석 및 고정자 슬롯들 중 적어도 하나의 배치는 상기 고정자의 축에 대해 미리 정해진 양만큼 경사진

    전력 변환 장치.
13. 제1항에 있어서,

    상기 냉각 시스템은 고정자 코어 통로를 통해 연장되고 권선 단부 감김부와 열접촉하는 도관을 포함하는

    전력 변환 장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 도관과 상기 권선 단부 감김부를 연결하는 열전도성의 전기 절연 소자를 더 포함하는

    전력 변환 장치.
15. 제13항에 있어서,

    상기 도관은 열전도성의 전기 절연 재료에 의해 상기 권선 단부 감김부와 함께 캡슐화되는

    전력 변환 장치.
16. 제1항에 있어서,

    권선 단부 감김부가 고정자 코어 통로를 통해 냉각제 유동의 통로에 배치되는

    전력 변환 장치.
17. 제11항에 있어서,

    상기 도관에 열적으로 연결된 냉각 휜을 더 포함하는

    전력 변환 장치.
18. 제11항에 있어서,

    상기 냉각제는 액체인

    전력 변환 장치.
19. 제1항에 있어서,

    고정자 권선부는 고정자 코어 통로를 통해 냉각제 유동 통로 안으로 만곡된 단부 감김부를 포함하는

    전력 변환 장치.
20. 제1항에 있어서,

    상기 냉각제는 공기이고,

    고정자 코어 통로를 통해 공기를 이동시키도록 배치된 강압식 공기 공급부를 더 포함하는

    전력 변환 장치.
21. 제1항에 있어서,

    샤프트, 제1 단부 플레이트 및 제2 단부 플레이트를 더 포함하고,

    회전자 케이싱, 고정자 코어 및 외부 케이싱은 상기 샤프트와 동심이고,

    상기 샤프트는 제1 단부 플레이트 및 제2 단부 플레이트에 회전가능하게 연결되고,

    상기 고정자는 상기 제2 단부 플레이트 상에 장착되고,

    상기 회전자는 상기 제1 단부 플레이트와 상기 제2 단부 플레이트 사이 및 상기 외부 케이싱 내에서 회전하기 위해 상기 샤프트와 연결되는

    전력 변환 장치.
22. 제8항에 있어서,

    상기 샤프트는 상기 고정자에 대해 미리 정해진 위치에서 상기 샤프트의 단부들 사이에 배치된 테이퍼진 부분을 포함하고, 상기 테이퍼진 부분의 직경은 미리 정해진 테이퍼를 갖고,

    상기 회전자는 상기 샤프트의 테이퍼진 부분의 테이퍼에 대응하는 미리 정해진 테이퍼를 가진 중심 관통 보어를 포함하고,

    상기 샤프트는 상기 회전자의 테이퍼진 보어를 통해 저어널되어, 샤프트의 테이퍼진 부분은 회전자 보어에 수용되고, 회전자의 테이퍼진 보어와 샤프트의 테이퍼진 부분의 협력작동은 샤프트와 고정자에 대해 회전자를 위치시키는

    전력 변환 장치.
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