KR101290483B1 - 전기기계장치 - Google Patents

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KR101290483B1
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토마스 볼레-아피알라
요르마 티르코넨
빌레 파카리넨
아리 토이카넨
올리 리유코넨
요르마 무스탈라티
이카 마르티카이넨
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더 스위치 드라이브 시스템즈 오와이
모벤타스 기어스 오와이
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Abstract

전기기계장치는 풍력발전 터빈과 같은 외부 회전 요소에 연결되는 기계식 인터페이스 구조물(101)을 포함한다. 본 장치는 전기장치(102-104), 및 기계식 인터페이스 구조물과 전기장치의 로터 사이의 동력 전달 경로 상에 마련되는 하나 이상의 기어 스테이지(105-112)를 포함한다. 본 장치는 기어 스테이지와 전기장치 모두를 위한 공동 윤활오일 룸을 형성하는 기계식 구조물(113-115)을 더 포함한다. 본 전기기계장치는 윤활오일이 기어스테이지를 통과하고 전기장치의 베어링(118, 119)을 통과하며 순환하도록 유도하는 오일채널(116a)을 포함한다. 그러므로, 기어 스테이지와 전기장치 모두를 위한 공동 윤활오일 시스템이 마련될 수 있다.

Description

전기기계장치{An electromechanical device}
본 발명은 하나 이상의 기어 스테이지와 회전 전기장치가 결합된 전기기계장치에 관한 것이다.
많은 전력 생산 시스템에 있어서, 주이동체(prime mover)의 회전속도를 발전기에 적합한 정도의 속도로 변환하는 기어-박스를 통하여 발전기를 풍력발전 터빈과 같은 주이동체(prime mover)에 연결하는 것이 디자인의 다양성 및 구성적인 측면에서 효과적이다. 마찬가지로, 모터를 사용하는 다양한 사례에 있어서, 전기모터는 회전속도를 액츄에이터에 적합한 범위의 속도로 변환하도록 마련되는 기어박스를 통하여 액츄에이터와 연결하는 것이 효과적이다. 기어박스는 상호 연결되는 하나 이상의 기어 스테이지를 포함함으로써 필요한 기어비를 구현할 수 있도록 구성된다. 각각의 기어 스테이지는, 예를 들면, 평기어 스테이지 또는 실린더형 기어 스테이지가 될 수 있다.
기어-박스와 발전기 및/또는 모터와 같은 전기장치를 결합하는 것과 관련된 설계시에 특히 결합품의 크기 및 무게가 문제가 될 수 있다. 또한, 윤활, 냉각 및 기어박스와 전기기계의 조합을 모니터링 하는데 필요한 장비는 기어가 없는 시스템에 비하여 복잡할 수 있다. 예를 들어, 결합된 장비가 원활히 작동하기 위해서는 기어박스의 윤활 시스템 및 전기기계의 윤활 시스템 모두가 동시에 적절히 구동되어야 하는 것이 명백하므로, 윤활 시스템의 신뢰성에 대하여 특별한 주의가 필요할 수 있다. 따라서, 결합시에 충분하고도 효율적인 신뢰성을 확보하기 위해서는 기어박스 및 전기기계의 윤활 시스템 각각의 신뢰도가 기어가 없는 시스템의 단일 윤활 시스템에서 요구되는 신뢰도보다 더욱 높아야만 한다. 그러나, 기어박스를 이용하는 경우에는, 특히 많은 풍력발전장치에 적용되는 경우에 있어서, 기어 없는 시스템의 전기장치에 비하여 더욱 크기가 작고 경량의 전기장치의 사용을 가능하게 한다. 그러므로, 기어박스를 사용할 것인지 기어가 없는 시스템을 사용할 것인지의 여부는 다양한 면에서 발생하는 상반된 효과를 고려하여 결정한다. 기어박스의 사용은 다양한 장점이 있으므로 기어박스 사용시 발생하는 문제점을 제거 또는 완화시키기 위한 기술적 해결책이 제시될 필요가 있다.
미국특허공개공보 US2010052442호에서는 발전기, 기어열(gear train), 및 기어열에 노출되는 클러치를 포함하는 발전시스템에 관하여 개시하고 있다. 일체형 구조로 형성되어 기어열 하우징의 벽면과 클러치는 발전기의 벽면을 형성하게 되고, 이러한 벽면의 개구 내부에는 기어열과 발전기 사이의 샤프트를 둘러싸는 리드-스루 실링부재(lead-through sealing member)가 마련된다. 따라서, 이러한 구성은 별도의 발전기와 기어-박스가 샤프트의 플랜지 등이 결합되어 상호 연결됨으로써 구성되는 시스템에 비하여 더욱 컴팩트하다. 예를 들면, 기어열과 발전기 각각에 실링부재가 필요한 것이 아니라, 기어열과 발전기 사이에 단일의 리드-스루 실링부재만이 필요하게 된다.
본 발명은 윤활 시스템을 공유하며 단일유닛으로 통합되는 전기장치와 하나 이상의 기어 스테이지의 결합구조로 구성됨으로써 단순한 구조를 가지고 높은 신뢰성이 확보되는 전기기계장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따르면, 새로운 전기기계장치는:
- 외부 회전 요소와 연결되는 기계식 인터페이스 구조물,
- 전기장치,
- 상기 기계식 인터페이스 구조물과 상기 전기장치의 로터 사이의 기계식 동력 전달 경로 상에 마련되는 하나 이상의 기어 스테이지,
- 상기 하나 이상의 기어 스테이지 및 상기 전기 장치를 위한 공통의 윤활오일 룸을 형성하는 기계식 구조물, 및
- 상기 전기기계장치 내에서 순환되는 윤활오일 중 적어도 일부가 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 유동하도록 유도하고, 상기 윤활오일 중 적어도 일부가 상기 전기장치의 베어링(118, 119)을 통과하여 유동하도록 유도하는 오일채널을 포함하여 구성된다.
상기 설명한 전기기계장치는 윤활 시스템을 공유하며 단일유닛으로 통합되는 전기장치와 하나 이상의 기어 스테이지의 결합구조로 구성된다. 따라서, 상기 윤활 시스템은 기어-박스용 및 전기장치용의 별도의 윤활 시스템을 각각 구비하는 종래의 시스템보다 더 단순한 구조를 가지고 높은 신뢰성이 확보될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기기계장치의 크기 및 무게는 전기장치와 기어-박스로 구성되는 종래의 결합구조에 비하여 감소될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 전기기계장치는 윤활오일 중 적어도 일부가 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하도록 하고 적어도 일부의 윤활오일은 전기장치의 베어링을 통과하여 순환되도록 하는 오일펌프를 더 포함한다. 오일채널의 구성을 고려하여 기어 스테이지를 통과하는 부분과 전기장치의 베어링을 통과하는 부분으로 윤활오일을 구분할 수 있다. 예를 들면, 오일채널은 윤활오일이 먼저 기어 스테이지를 통과한 다음에 전기장치의 베어링을 통과하도록 배치될 수도 있고, 또는 기어 스테이지와 전기장치를 동시에 통과하도록 설정될 수도 있으며, 이들이 조합된 형태가 될 수도 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 전기기계장치는 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 윤활오일 중 일부와 전기장치의 베어링을 통과하여 순환하는 윤활오일 중 일부를 냉각하는 오일쿨러를 더 포함한다. 쿨러는 최적 윤활오일의 온도를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 전기기계장치는 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부 및 전기장치의 베어링을 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부에 열을 가하기 위한 프리-히터(pre-heater)를 더 포함한다. 프리-히터는 저온 시동(cold start) 상태에서 유용하게 이용될 수 있다. 기어와 베어링의 수명이란 측면에서 보면, 저온 시동시의 시작에서부터 윤활 오일이 최적의 온도를 유지하는 것이 유리하다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 전기기계장치는 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부 및 전기장치의 베어링을 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부로부터 불순물을 제거하기 위한 필터를 더 포함한다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 전기기계장치는 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부 및 전기장치의 베어링을 통과하여 순환하는 윤활오일의 일부를 모니터링하는 센서를 더 포함한다. 센서는 윤활오일의 온도, 윤활오일의 순도, 윤활오일의 수분 함유량 중 적어도 하나에 반응할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기기계장치는 기재되는 종속항에 의해 설명된다.
본 발명의 작동방법 및 구성에 관한 다양한 실시예 및 그로 인한 추가적인 목적 및 효과는 도시된 도면을 참조하여 후술하는 상세한 실시예의 설명으로부터 잘 이해될 수 있다.
본 명세서에서는 "포함한다(to comprise)"라는 용어는 제시되지 않은 특징의 존재를 배제하지도 요구하지도 않는 개방된 제한(open limitaion)의 의미로 사용된다. 명확하게 언급되지 않은 경우라면 종속항 내에서 개시된 특징들은 자유롭게 상호 결합가능하다.
상기 설명한 전기기계장치는 윤활 시스템을 공유하며 단일유닛으로 통합되는 전기장치와 하나 이상의 기어 스테이지의 결합구조로 구성된다. 따라서, 상기 윤활 시스템은 기어-박스용 및 전기장치용의 별도의 윤활 시스템을 각각 구비하는 종래의 시스템보다 더 단순한 구조를 가지고 높은 신뢰성이 확보될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기기계장치의 크기 및 무게는 전기장치와 기어-박스로 구성되는 종래의 결합구조에 비하여 감소될 수 있다.
본 발명의 일실시예 및 그로 인한 유리한 효과는 도면을 참고하여 예를 들어 더욱 상세히 후술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치의 개략적인 단면을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치의 개략적인 단면을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치의 개략적인 단면을 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 효과적이고 전형적인 실시예에 따른 전기기계장치의 개략적인 단면을 도시한 것이다. 전기기계장치는 외부 회전 요소에 연결되기 위한 기계식 인터페이스 구조물(101)을 포함하며, 외부 회전 요소는 예를 들면, 풍력발전 터빈이 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전기기계장치는 기계 동력을 전력으로 변환하거나 또는 이를 역으로 변환하기 위한 전기장치를 포함한다. 전기장치는 고정자 권선(stator winding)을 구비한 적층 고정자 철심(laminated stator core)(102)을 포함한다. 전기장치는 중심부(117)와, 프레임(103)과, 프레임의 외면에 장착되는 영구자석(104)으로 구성되는 로터를 포함한다. 당연히, 중심부(117)와 프레임(103)은 일체로 구성되는 것도 가능하다. 전기기계장치는 기계식 인터페이스 구조물과 전기장치의 로터 사이의 동력 전달 경로 상에 마련되는 하나 이상의 기어 스테이지를 포함한다. 기어 스테이지는 풍력발전 터빈과 같은 외부의 회전 요소의 회전 속도를 전기장치에 적합한 정도의 속도범위로 변환하도록 설정된다. 전기기계장치는 기어 스테이지의 구성요소들 및 전기장치의 구성요소들을 지지하도록 설정되는 제1기계식 구조물, 제2기계식 구조물, 제3기계식 구조물(113, 114, 115)을 포함한다. 기계식 구조물은 기어 스테이지 및 전기장치용 윤활오일 룸을 형성한다. 전기기계장치에 있어서, 전기기계장치 내에서 순환하는 윤활오일 중 적어도 일부가 기어 스테이지를 통과하여 유동하고 윤활 오일 중 적어도 일부는 전기장치의 베어링(118, 119)을 통과하여 유동하도록 안내하는 오일채널(116a)이 마련된다. 오일채널(116b)은 전기기계장치로부터 윤활오일을 제거하여 윤활오일의 순환이 가능하도록 설정된다. 도 1에서 도시된 베어링은 구름 베어링(rolling bearing)이다. 그러나, 이러한 베어링은 미끄럼 베어링(sliding bearing)도 될 수 있음을 유의하여야 한다. 윤활오일은 오일채널의 구성에 따라 기어 스테이지를 따라 유동하는 부분과 전기장치의 베어링을 따라 유동하는 부분으로 구분될 수 있다. 예를들면, 오일채널은 윤활오일이 먼저 기어스테이지를 따라 유동한 후에 전기장치의 베어링을 따라 유동하도록 배열될 수 있으며, 또는, 다른 방법으로는 기어 스테이지와 전기장치를 위한 병렬 유동로를 형성할 수도 있으며, 상술한 방법을 조합하여 구성할 수도 있다. 도 1에서 도시되어 상술한 전기기계장치는 실질적으로 단일 유닛으로 통합되어 공통의 윤활 시스템을 이용하는 하나 이상의 기어 스테이지 및 전기장치의 조합품으로 이루어진다. 따라서, 이러한 윤활 시스템은 분리된 기어박스 및 전기장치가 상호 연결되는 형태의 전통적인 구성에 비하여 더욱 단순한 구조를 가지고 높은 신뢰도를 갖게 된다. 또한, 상술한 전기기계장치의 크기 및 무게는 상술한 종래의 장치의 크기 및 무게에 비하여 감소될 수 있다.
도 1에서 도시된 본 발명의 실시예에 따른 전기기계장치에 있어서, 기어 스테이지는 제1유성-기어 스테이지(first planet-gear stage)와 제2유성-기어 스테이지(second planet-gear stage)로 구성된다. 제1유성-기어 스테이지는 유성-휠 캐리어(planet-wheel carrier)(105), 기어링(106), 유성 휠(107), 썬기어 샤프트(sun gear shaft)(108)를 포함한다. 제2유성-기어 스테이지는 유성-휠 캐리어(109), 기어링(110), 유성 휠(111), 썬기어 샤프트(112)를 포함한다. 제1 유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(105)는 주 이동체(prime mover)로부터 기계동력을 제공받을 수 있도록 기계식 인터페이스 구조물(101)의 일부를 구성한다. 따라서, 제1유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(105)는 주 이동체에 의하여 회전하게 된다. 기어링(106)은 위치 고정된다. 제1유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(108)는 제2유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(109)과 연결된다. 따라서, 제2유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(109)는 제1유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(108)에 의하여 회전하게 된다. 기어링(110)은 위치 고정된다. 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)는 전기장치의 로터의 중심부(117)에 커플링(130)을 통하여 결합된다. 썬기어 샤프트(112)의 회전축과 전기장치의 로터의 중심부(117)가 소정 범위 내에서 오정렬(misalignment)되는 것이 허용되도록 커플링(130)은 중앙부가 볼록한 형태를 갖는다. 또는, 커플링(130)은 베어링(118, 119)이 오정렬으로부터 발생하는 추가적인 하중을 제거할 수 있도록 설정될 수 있다. 또한, 커플링(130)은 작동 중에 정렬의 변화에 대한 허용공차를 제공할 수 있다. 로터의 중심부(117)에는 커플링(130)에 윤활오일을 제공하기 위한 오일-채널(116d)이 마련된다. 따라서, 전기장치의 로터는 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)에 의하여 회전한다. 필수는 아니나, 바람직하게는, 유성 기어 스테이지는 부동(浮動, floating) 썬기어 샤프트(108, 112), 썬기어 샤프트(108, 112)와 전기장치의 로터의 회전축 방향 간에 발생할 수 있는 상대적 정렬오차를 허용하기 위하여, 즉, 완벽하게 정렬되지 않는 경우를 대비하는 공차를 제공하기 위하여 썬기어 샤프트(108)와 유성-휠 캐리어(109) 사이 및 썬기어 샤프트(112)와 중심부(117) 사이에 위치하며 중앙부가 볼록하게 형성되는 커플링을 포함한다. 제1유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(108)는 제1유성-기어 스테이지의 유성-휠(107) 및 제2유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(109)을 지지하며 부동한다. 한편, 하나 또는 두개의 썬기어 샤프트에는 베어링이 장착될 수도 있다. 베어링 및 기어 스테이지 구성 외에, 윤활시스템이 기어 스테이지와 전기장치 사이에 개재되는 커플링, 즉 썬기어 샤프트(112)와 로터 샤프트(117) 사이의 커플링을 윤활한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 전기장치의 베어링들(118, 119)은 전기장치의 로터 뿐만 아니라 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)도 지지한다. 커플링(130)은 축방향의 힘을 기어 스테이지로부터 기어 스테이지와 전기장치에 공통적으로 마련되는 베어링(118, 119)에 전달하기에 유리하도록 배열된다. 따라서, 베어링들(118, 119)은 전기장치의 로터 뿐만 아니라 제2기어 스테이지 적어도 일부를 지지하는데 이용된다. 그러므로, 독립된 전기장치와 독립된 기어박스가 상호 결합된 종래의 구조에 비하여 적은 숫자의 베어링 만이 구비될 수 있다. 또한, 상술한 종래의 구성에 비하여 회전 샤프트용 봉합 리드 스루(sealed lead-throughs)의 숫자도 감소된다. 기어 스테이지 및 전기장치 모두를 위한 공동 윤활오일 룸을 밀폐하기 위하여 립 씰(lip seal)(135)이 배치된다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치는 외부 기계 구조물과 체결되도록 전기기계장치의 외면 상에 배치되는 연결부재(120)를 포함한다. 외부 기계 구조물로는 예를들면 풍력 발전 타워 상단 기계룸 내의 장착 플랫폼이 될 수 있다. 전기기계장치의 기계식 구조물은 연결부에 대하여 전기장치의 고정자(102)를 지지하는 제1기계식 구조물(113), 연결부재에 대하여 제2유성-기어 스테이지의 기어링(110)을 지지하는 제2기계식 구조물(114), 및 제2유성-기어 스테이지의 기어링에 대하여 전기장치의 로터를 지지하는 제3기계식 구조물(115)을 포함한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 제1기계식 구조물(113)은 전기장치의 고정자(102)에 가해지는 전자기력으로부터 발생하는 자극이 연결부재(120)에 가해지도록 함으로써, 이러한 자극이 제2기어 스테이지와 로터를 지지하는 기계식 구조물을 우회하도록 한다. 따라서, 전기과도현상 등에 의하여 고정자에 가해지는 힘으로부터 발생하는 자극은 고정자(102)로부터 연결부재(120)에 전달됨으로써 이는 외부 기계식 구조물에 전달된다.
전기장치의 로터는 안전 커플링에 의하여 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)에 결합되며, 안전 커플링에 예상된 한계값을 초과하는 토크가 가해지는 경우에는 이에 대응하여 체결이 해제된다. 이러한 구조에 의하면 합선과 같은 현상 중에 전기과도현상으로부터 일어나는 토크 급증으로부터 기어 스테이지의 구성요소를 보호할 수 있다. 안전 커플링은 예를 들면 안전 커플링에 작용하는 토크가 미리 설정된 한계값을 초과하는 경우에 대응하여 부러지도록 마련되는 멈춤핀을 포함할 수 있다. 도 1은 아주 얇거나 또는 약한 볼트(121)가 마련되어 이러한 볼트는 미리 설정된 한계값을 초과하는 경우에는 부러지도록 구성되는 시스템에 대하여 도시하고 있다. 그러므로, 볼트(121)가 상술한 멈춤핀이 된다. 다른 방법으로, 안전 커플링은 예를 들면 스프링에 의하여 상호 압착되는 마찰면을 포함함으로써, 미리 설정된 한계값을 초과하는 토크가 안전 커플링에 가해지는 경우에 대응하여 서로에 대해 미끌어지도록 구성될 수도 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 로터의 프레임(103)은 기어 스테이지에 대응하여 컵형상으로 형성된다. 전기장치의 로터를 지지하는 기계식 구조물(115)은 컵형상 내부의 반 밀폐(semi-closed)된 공간으로 연장되며, 전기장치의 베어링(118, 119)은 컵형상 내부의 반 밀폐된 공간에 위치하게 된다. 이로 인하여 베어링(118, 119)은 로터 무게 중심 근처에 위치하게 되는 동시에, 전기기계장치의 축방향 길이가 줄어들게 된다. 따라서, 도 1에서 도시된 바와 같이 별개의 전기장치와 별개의 기어박스가 상호 결합하는 종래의 구성의 축방향의 총 길이 보다 전기기계장치의 축방향 길이가 더 짧을 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치는 전기장치의 로터에 연결되는 브레이크를 포함한다. 예를 들면, 이러한 브레이크는 브레이크 디스크(brake disc)(128)가 로터의 프레임(103)에 연결되고 브레이크 칼리퍼(brake caliper)(129)가 기계식 구조물(113)에 연결되는 형태의 디스크-브레이크(disc-brake)가 될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 제동력이 연결부재(120)에 직접적으로 가해지고 그렇게 됨으로써 외부 기계 구조물에 가해지며, 로터와 제2기어 스테이지를 지지하는 기계식 구조물들(114, 115)에는 제동력이 가해지지 않게 된다.
많은 경우에 있어서, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치는 도 3에서 도시된 바와 같이 기울어진 위치에서 작동하게 된다. 전기장치의 축방향과 수평선이 형성하는 각도인 틸트각(tilt angle)(α)은, 예를 들면, 필수는 아니나 4 내지 6 도의 범위 내에서 결정된다. 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)는 커플링(130)에 의하여 전기장치 로터의 중심부(117)와 체결된다. 그러므로, 커플링(130)은 발생할 수 있는 오정렬에 의하여 베어링(118, 119)에 가해지는 추가 하중을 제거하도록 구성된다. 또한, 커플링(130)은 작동 중에 정렬에 있어서 발생하는 변화를 수용한다. 로터의 중심부(117)는 커플링(130)에 윤활오일을 제공하는 오일-채널(116d)를 포함한다. 커플링(130)은 기어 스테이지로부터의 축방향 힘을 기어 스테이지와 전기장치에 공통적으로 배치되는 베어링(118, 119)에 전달하도록 구성되는 것이 바람직하다. 기계식 구조물(115)은 전기기계장치가 기울어진 위치에 있을 때 기계식 구조물(115) 내 윤활오일의 수위가 로터리 리드 스루(rotary lead-through)의 립 씰(135)에 도달하지 않도록 하는 반환 오일채널(116c)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기기계장치는 윤활오일이 기어 스테이지 및 전기장치의 베어링을 통과하여 순환하도록 오일-펌프(122)를 포함한다. 전기기계장치는 오일탱크(127)을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계장치는 기어 스테이지 및 전기장치의 베어링 들을 통과하며 순환하는 윤활오일을 냉각하는 오일 쿨러(123)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계장치는 기어 스테이지 및 전기장치의 베어링 들을 통과하여 순환하는 윤활오일을 예열하기 위한 프리히터(124)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계장치는 윤활오일로부터 불순물을 제거하기 위한 필터(125)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기기계장치는 윤활오일의 상태를 모니터링하기 위한 센서(126)를 포함한다. 센서는 예를 들면, 윤활오일의 온도, 윤활오일의 순도, 및/또는 윤활오일에서 수분의 함유량에 반응할 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 두개의 기어 스테이지를 구비한 전기기계장치를 도시하고 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기기계장치에 있어서 기어 스테이지의 숫자는 두개에 제한되는 것은 아님을 유의하여야 한다. 본 발명의 특정 실시예에 따른 전기기계장치는, 유성 기어 스테이지(planet gear stage) 또는 원통 기어 스테이지(cylinderical gear stage)로 이루어지는 단일의 기어 스테이지만을 구비할 수도 있으며, 각각이 유성 기어 스테이지 또는 원통 기어 스테이지로 이루어지는 두개 이상의 기어 스테이지를 구비하는 것도 가능하다. 또한, 유성 기어 스테이지에 관하여, 도 1 및 도 2에서 도시된 대표적 실시예의 구조와 같이 유성-휠 캐리어는 회전하고 기어링은 고정되는 형태가 필수는 아니다. 또한 기어링이 회전하는 것도 가능하다. 본 발명이 영구자석 전기 장치의 사용에 제한되는 것이 아님을 유의하여야 한다. 기어 시스템에 장착되는 전기장치는 전기적으로 자성화되는 전기장치일 수도 있다.
명세서 내에서 상술한 구체적인 예는 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예에 단순히 한정되는 것은 아니다.
101 : 기계식 인터페이스 구조물 105, 109 : 유성-휠 캐리어
106, 110 : 기어링 107, 111 : 유성휠
108, 112 : 썬기어 샤프트 113, 114, 115 : 기계식 구조물
116a, 116b, 116c, 116d : 오일채널 118, 119 : 베어링
120 : 연결부재 121 : 볼트
122 : 오일-펌프 123 : 오일 쿨러
124 : 프리히터 125 : 필터
126 : 센서 127 : 오일탱크
128 : 브레이크 디스크 129 : 브레이크 칼리퍼
130 : 커플링 135 : 립 씰

Claims (19)

  1. 전기기계장치에 있어서,
    - 외부 회전 요소와 연결되는 기계식 인터페이스 구조물(101),
    - 전기장치(102-104, 117),
    - 상기 기계식 인터페이스 구조물과 상기 전기장치의 로터 사이의 기계식 동력 전달 경로 상에 마련되는 하나 이상의 기어 스테이지(105-112), 및
    - 상기 전기장치 내에서 순환하는 윤활오일 중 적어도 일부가 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 유동하도록 유도하고, 상기 윤활오일 중 적어도 일부는 상기 전기장치의 베어링(118, 119)을 통과하여 유동하도록 유도하는 오일채널(116a)을 포함하고,
    상기 전기기계장치는 상기 하나 이상의 기어 스테이지 및 상기 전기장치를 위한 공동 윤활오일 룸을 형성하는 기계식 구조물(114-115)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 윤활오일 중 적어도 일부가 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환되도록 하고 상기 윤활오일 중 적어도 일부는 상기 전기장치의 상기 베어링을 통과하여 순환되도록 하는 오일펌프(122)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부 및 상기 전기장치의 상기 베어링을 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부를 냉각하기 위한 오일쿨러(123)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부 및 상기 전기장치의 상기 베어링을 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부에 열을 가하기 위한 프리-히터(pre-heater)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부 및 상기 전기장치의 상기 베어링을 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부로부터 불순물을 제거하기 위한 필터(125)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 하나 이상의 기어 스테이지를 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부 및 상기 전기장치의 상기 베어링을 통과하여 순환하는 상기 윤활오일의 일부를 모니터링하는 센서(126)를 더 포함하고,
    상기 센서는 상기 윤활오일의 온도, 상기 윤활오일의 순도, 상기 윤활오일의 수분 함유량 중 적어도 하나에 반응하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 기어 스테이지는 유성-기어 스테이지(105-108, 109-112)인 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기어 스테이지는 제1유성-기어 스테이지(105-108)와 제2유성-기어 스테이지(109-112)로 구성되고,
    상기 제1유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어(105)는 상기 기계식 인터페이스 구조물의 일부를 구성하고, 상기 제1유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(108)는 상기 제2유성-기어 스테이지의 유성-휠 캐리어에 연결되며, 상기 제2유성-기어 스테이지의 썬기어 샤프트(112)는 상기 전기장치(102-104, 117)의 상기 로터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기기계장치는,
    - 외부 기계 구조물과 연결되도록 상기 전기기계장치의 외면에 마련되는 연결부재(120),
    - 상기 연결부재에 대하여 상기 전기장치의 고정자(102)를 지지하기 위한 제1기계식 구조물(113),
    - 상기 연결부재에 대하여 상기 제2유성-기어 스테이지의 기어링(110)을 지지하기 위한 제2기계식 구조물(114), 및
    - 상기 제2유성-기어 스테이지의 상기 기어링에 대하여 상기 전기장치의 상기 로터를 지지하기 위한 제3기계식 구조물(115)을 포함하고,
    상기 제1기계식 구조물과 상기 제2기계식 구조물은 상기 전기장치의 상기 고정자에 가해지는 전자기력으로부터 발생되는 자극이 상기 연결부재에 전달되도록 함으로써 상기 자극이 상기 제3기계식 구조물을 우회하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기장치의 로터와 상기 제2유성-기어 스테이지의 상기 썬기어 샤프트는 미리 설정된 한계값을 초과하는 토크가 가해지는 경우에 이에 대응하여 연결해제 되도록 설정되는 커플링에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커플링은 미리 설정된 한계값을 초과하는 토크가 상기 커플링에 가해지는 경우에 이에 대응하여 부러지는 멈춤핀(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 커플링은 상호 압착되는 마찰면을 포함함으로써, 미리 설정된 한계값을 초과하는 토크가 가해지는 경우에 이에 대응하여 서로에 대해 미끌어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2유성-기어 스테이지의 상기 썬기어 샤프트(112)는 상기 제2유성-기어 스테이지의 유성-휠과 상기 전기장치의 상기 로터를 지지하는 상태로 부동(浮動, floating)하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1유성-기어 스테이지의 상기 썬기어 샤프트(108)는 상기 제1유성-기어 스테이지의 유성-휠과 상기 제2유성-기어 스테이지의 상기 유성-휠을 지지하는 상태로 부동(浮動, floating)하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 전기장치의 상기 로터에 연결되는 브레이크 디스크(128)와 상기 제1기계 지지구조물(113)에 연결되는 브레이크 칼리퍼(brake caliper)(129)로 구성되는 디스크 브레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 로터의 프레임(103)은 상기 하나 이상의 기어 스테이지 측으로 개방되는 형태의 컵형상으로 형성되고, 상기 전기장치의 상기 로터를 지지하는 상기 제3기계식 구조물(115)은 상기 컵형상의 반 밀폐(semi-closed)된 공간으로 연장되며, 상기 전기장치의 상기 베어링들(118, 119)은 상기 컵형상의 반 밀폐된 공간내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  17. 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성-기어 스테이지(109-112)의 상기 썬기어 샤프트(112)는 상기 전기장치의 상기 로터와 커플링에 의하여 연결되고, 상기 커플링은 상기 썬기어 샤프트와 상기 로터의 회전축 사이에 오정렬(misalignment)이 허용되도록 가운데가 볼록한(cambered) 형상인 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 로터는 상기 윤활오일을 상기 커플링 측으로 전달하기 위한 오일채널(116d)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
  19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기기계장치는 상기 전기장치의 축방향과 수평선이 0 보다 큰 예각을 형성하여 상기 전기기계장치가 기울어진 상태에서 상기 윤활오일 룸 내의 상기 윤활오일의 수위가 로터리 리드 스루(rotary lead-through)의 립 씰(leap seal)(135)에 도달하지 않도록 하기 위한 반환 오일채널(116c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계장치.
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