KR101333887B1 - 터보 압축기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보 압축기 시스템(9)에 관한 것으로, 해당 시스템은 고속 모터(10)를 포함하고, 상기 모터(10)는 고정자와 해당 고정자에 상대 회전되는 방식으로 설치되는 회전자(12)를 포함하고, 상기 회전자(12) 상에는 하나 이상의 임펠러(11)가 직접 고정되며, 상기 고정자는 능동형 모터 구조체와 쉘(7)을 포함하며, 상기 능동형 모터 구조체는 강자성 고정자 코어(6)와 권선을 포함하며, 상기 권선은 도넛형 권취 코일(5)로 구성되며, 상기 쉘(7)은 상기 고정자 코어(6)와 상기 쉘(7) 사이에 추가의 개방 공간을 형성하도록 구성되고, 상기 개방 공간은 냉각 채널(15)을 구성하며, 상기 냉각 채널(15)을 통해 상기 하나 이상의 임펠러(11)에 의한 압축 이전에 상기 능동형 모터 구조체와 상기 회전자(12)를 직접 냉각하기 위해 공정 가스가 축방향으로 통과된다.

Description

터보 압축기 시스템{TURBOCOMPRESSOR SYSTEM}
본 발명은 고속 모터를 포함하는 터보 압축기 시스템과 터보 압축기 시스템의 구성 방법에 관한 것이다.
터보 압축기에서는 하나 이상의 임펠러가 샤프트에 직접 연결되어 있다. 이들 임펠러의 작동을 위해 임펠러는 100,000 rpm을 포함한 그 이상까지의 범위에서 예컨대 20,000 rpm의 초고속 회전 속도로 구동되어야 한다. 통상, 이들 증속된 속도는 표준 유도 모터와 기어박스를 조합하는 것에 의해 달성될 수 있는데, 이때 기어박스는 대형의 불 기어(bull gear)와 적어도 하나의 소형의 피스톤 기어로 이루어진다. 이 기어박스에서의 손실은 상당할 수 있어서 시스템 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 더욱이, 이러한 기어박스는 무거울 뿐 아니라 전체 시스템의 점유 공간 중 상당 부분을 구성하고 있다.
한편, 고속 모터 기술의 발전은 직접 구동식 터보 압축기의 개발을 가능케 하였다. 모터 속도의 증가에 의해 동일 출력 파워에 대해 요구되는 토크는 작아진다. 그러나, 모터의 크기는 대략적으로 토크에 비례하여 변하는 것으로 알려져 있으므로, 이것은 높은 파워와 손실 밀도를 의미하기도 한다. 따라서, 고속 모터와 직접 구동식 터보 압축기의 작동 한계는 냉각 시스템의 성능과 제어하에 유지되는 손실의 정도에 의해 확실하게 결정된다.
전자기 작동식 기계의 냉각을 위한 여러 기술이 이전에 공개된 바와 있다. 분명한 것은 이들 개념이 직접 구동식 터보 압축기의 분야에 채용되었다는 것이다. 아래에는 내부 회전자를 가지는 방사형 유동 기계(radial flux machine)를 위한 이들 방법을 요약한다.
기계의 외부에 냉각 핀(fin)을 제공하는 것이 표준이다. 냉각 핀의 작동은 개별 팬을 사용한 강제 대류를 통하거나, 심지어 압축기의 경우, 공정 가스를 이들 핀에 대해 부분적으로 또는 전체적으로 배관 공급하는 것에 의해 향성될 수 있다. 직접 구동식 터보 압축기의 측면에서 이것은 예컨대, US 6675594 B2, KR 10/0572849 B1 및 KR 10/0661702 B1에서 확인할 수 있다.
고정자를 둘러싸는 하우징 내에, 대부분의 경우 액체인, 유체의 유동 통로인 냉각 채널 또는 냉각 쉘이 사용되는 것이 통상적이다. 적절히 설계가 이루어지면, 고정자에서 발생되는 구리와 철의 손실물은 이 방식으로 효율적으로 배출될 수 있다. 겉으로는 단순하지만, 특별한 주의를 요하는 몇 가지 구조적 문제가 존재한다. 예를 들면, 냉각 채널은 때로 시스템의 나머지 부분으로부터 적절히 밀봉되어야 한다. 냉매가 고정자의 외부에 직접 접촉되는 시스템에서 고정자의 내부 측으로의 누설은 바람직하지 않다. 만일 이러한 누출이 고정자 램프와 냉각 채널 사이의 얇은 보조 쉘에 의해 방지된다면, 추가의 열 접촉 저항이 도입된다. 이러한 종류의 냉각은 예컨대, US 5605045 A, US 5857348 A, US 6296441 B1, US 6579078 B2, US 6675594 B2, US 6685447 B2, US 7160086 B2, US 7240515 B2, US 2007/269323 A1, US 7338262 B2, US 7367190 B2, KR 10/0572849 B1, WO 00/17524 A1, WO 00/49296 A1, WO 2008/138379 A1에서와 같이 직접 구동식 터보 압축기를 취급하는 다수의 특허에서 볼 수 있다. 그러나, 이러한 냉각 기술에 대한 여러 종래 기술은 예컨대, US 3184624 A, US 3480810 A, US 3567975 A, US 4516044 A, US 4700092 A에서와 같이 단지 모터 또는 발전기 냉각을 취급하는 특허에서 확인된다. US 2003/038555 A1과 US 6507991 B1에서는 이러한 개념을 슬롯없는 모터 설계에 적용하고 있는데, 해당 설계에서 냉각 채널은 코어 내에 일체화된 방사형의 외향 핀에 의해 형성된다.
외부 냉각 채널 또는 쉘은 시스템을 열 제어하도록 하는데 있어 언제나 충분한 것은 아니다. 따라서, 고정자 및/또는 코일은 축방향으로 배향된 내부의 냉각 채널을 갖추기도 한다. 이들은 그 주변으로부터 완전히 밀봉됨으로써 예컨대 특별한 작용제를 이용한 냉각을 가능케 할 수 있다. 이들은 또한 개방됨으로써 유체로 하여금 엔드턴(endturn)와 같은 다른 구조체도 냉각하도록 할 수 있다. 터보 기계 장치의 분야에서 이것은 예컨대, US 6471494 B2, US 2008/253907 A1, WO 00/49296 A1, WO 2007/110281 A1 및 EP 1680855 B1에서 볼 수 있다.
전술한 방법들은 주로 고정자와 코일 내부에 발생된 열을 배출시키는 것에 중점을 두고 있다. 회전자와 갭[풍손(windage loss)]과 같이 보다 깊숙히 배치된 시스템 요소에서 발생되는 열은 배출이 어렵다. 그러므로, 주로 공기인 가스가 고정자와 회전자 사이의 갭을 통해 소정의 방식으로 강제 유동되는 방법을 사용하는 경우가 많다. 여러 가지 가스 유동 구성은 다음과 같이 차별화될 수 있다: 가스가 축방향 일단의 갭으로 들어가서 축방향 대향 단부의 갭을 빠져나가는 경우와, 가스가 축방향 양단부에 있는 갭을 통한 진입/진출한 후 코일 및/또는 고정자를 통해 반경 방향으로 갭을 통해 진입/진출함으로써 이들 구조체도 냉각시키는 경우. 직접 구동식 터보 압축기 분야에서 이러한 냉각 방법은 예컨대, US 6579078 B2, US 6994602 B2, US 7160086 B2, WO 95/08861 A1, WO 2007/110281 A1, 및 WO 2008/138379 A1에서 접할 수 있다. US 2007/018516 A1의 Pal 등은 냉각을 향상시키기 위해 고정자와 회전자 사이에 일종의 미로 구조를 추가로 적용하고 있다. 고정자와 회전자 사이의 갭을 통한 강제 가스류에 의한 모터의 냉각의 개념은 예컨대, US 3110827A, US 4544855 A 또는 GB 772973 A에서와 같이 모터의 냉각만을 취급하는 선행 특허의 종래 기술로 확인된다.
갭 및/또는 그 주변 구조를 통한 가스의 유도를 위해 필요한 압력은 별도의 팬, 샤프트에 직접 부착되거나 일체화된 소형의 송풍기, 또는 압축기의 경우, 제1 압축 스테이지 다음의 탭으로부터 기원될 수 있다. KR 2001/0064011 A의 Kim 등은 고정자 내부면 또는 회전자 외부면에 있는 가는 나선홈을 사용하여 모터의 활성부 내부에 일종의 송풍기를 일체화하고 있다. 축방향의 압력 강하는 갭을 통해 진입하는 가스의 접선 방향의 가속에 의해 영향을 받는다. 회전자의 선단 속도가 초고속일 수 있는 고속 모터에 대한 특별한 관심이 존재한다. 이러한 경우, 이러한 종류의 강제 대류를 얻기 위해 비교적 큰 파워가 필요할 수 있으므로 전체 시스템의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 불리한 영향은 갭을 증가시키거나 슬롯의 상부에 소정의 자유 공간을 두는 것으로 감소될 수 있다. 분명한 것은 양자의 제안 사항은 전자기적 설계에도 영향을 미친다는 것이다.
소정의 용례에 필요한 경우, 회전자의 내부는 예컨대, US 5605045 A, US 6296441 B1, US 6685447 B2 및 GB 2454188 A에서 볼 수 있는 바와 같이 축방향 및/또는 반경 방향 구멍의 특별한 구성을 통한 소정의 유체 또는 액체의 강제 유동에 의해 냉각될 수도 있다.
기계 장치 내부의 철손, 구리손 및 풍손 이외에, 엔드턴에 상당량의 구리손이 발생된다. 이들은 마찬가지로 강제 대류에 의해 냉각될 수 있다. 이것은 이전의 방법 중 하나와 독립적으로 또는 조합하여 행해질 수 있다. 터보 압축기에 관한 이러한 방법의 확실한 예가 예컨대, US 6009722 A, US 6471493 B2, US 6675594 B2, US 7160086 B2, US 2008/253907 A1, WO 00/49296 A1, KR 2001/0064011 A, KR 10/0661702 B1, 및 WO 2008/138379 A1에서 확인된다. 종래 기술은 예컨대, US 3932778 A, US 4246503 A, US 4306165 A 및 CH 397844 A에서 확인된다.
엔드턴의 냉각을 위한 다른 방법은 기계 장치의 하우징과 같은 다른 열전도 재료 측으로의 열적 브릿지를 구현하기 위해 전기 전도성 및 열 전도성의 재료 내로 엔드턴을 공급하는 것이다. 종래 기술은 예컨대, US 4128527 A, US 4492884 A, US 6201321 B1 및 US 6445095 B1에서 확인된다.
이제까지는 손실을 피하는 방법에 대해서만 논의되었다. 그러나, 설계자는 우선 전체 시스템의 손실을 가능한 한 적게 유지하기 위한 시도를 행하여야 한다. 이것은 고 출력 및 손실 밀도에 기인하여 고속 모터의 경우에 특히 그러하다. 이래에는 소정의 대안적인 선택에 대해 논의된다.
다른 모터 종류에 대한 선택을 행할 수 있다. 영구 자석 동기 기계 장치(PMSM)와 무-브러시 DC 기계 장치(BLDC)와 같은, 영구 자석으로 여기되는 전자적 전류-전환(EC) 기계 장치는 인가된 자기장과 동일한 속도로 회전된다. 발생된 회전자 손실은 기본적으로 고정자 슬롯화(slotting) 및/또는 전류 고조파에 기인한다. 이들의 손실값은 비교적 작아서 이들의 존재는 기계 장치의 정확한 작동에 중요하지 않다. 유도 기계 장치에서는 슬립에 기인하여 회전자에 유도되는 전류에 의해 추가의 손실이 발생된다. 또한, 유도 모토의 효율은 속도 변화에 더 민감하므로 비교적 넓은 범위에 걸쳐 속도를 제어하여야 하는 용례에서 덜 매력적이 된다.
비교적 낮은 토크를 특징으로 하는 고속의 측면에서 유도 기계 장치의 슬립은 매우 작을 수 있어서 모터 종류의 선택은 다른 특성에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 유도 기계 장치는 비교적 적은 비용과 손쉬운 작동을 위한 것으로 알려져 있지만, 슬리브 내에 자석이 표면 실장되어 포함된 PMSM 기계 장치는 상당히 복잡해서 고가이다. 다른 한편, 고속 작동을 목표로 하는 경우, 회전체 동역학적 고려 사항은 유도 기계 장치의 경우에도 통상 중실의 회전자의 사용을 강조함으로써 이들 기계 장치에 대한 다른 설계의 접근을 필요로 한다.
자기 저항 스위칭 방식의 모터와 전통적인 DC 모터와 같은 다른 모터 종류는 고 출력 및 고속의 용례에 덜 적합하므로 논의에서 배제한다.
작동 원리에 기초한 모터 종류의 구분을 보완하도록 고정자 구성을 기초로 하여 모터의 선택을 행할 수 있다. 내부 회전자를 갖는 방사형 유동 모터의 대부분은 슬롯형 고정자를 가진다. 따라서 코일은 단일의 치형부(tooth) 둘레에 집중되거나 고정자 전체에 분산될 수 있다. 집중된 권선은 분산형 권선보다 삽입이 훨씬 용이하지만, 그에 따른 기자력(magneto-motive force)의 공간적 분포는 기계 장치에 고조파 손실과 코깅(cogging)을 야기한다. 이것은 집중형 권선이 고속이 용례에 덜 적합하게 한다.
그러나, 분산형 권선을 갖춘 경우에도 슬롯형 설계는 슬롯이 없는 설계에 비해 회전자에 더 많은 손실을 유도하는데, 이는 슬롯이 없는 설계의 경우 고정자와 회전자 사이에 자기적 갭이 훨씬 크기 때문이다. 슬롯이 없는 기계 장치는 동일한 이유로 코깅 정도가 덜하다. 이것은 슬롯이 없는 기계 장치가 특히 영구 자석 회전자와 조합시 고속의 용례에 매력적이 되게 한다. 슬롯이 없는 영구 자석의 고속 모터에 대한 철저한 조사는 "Analysis and Verification of a Slotless Permanent Magnet Motor for High Speed Applications"라는 제목의 Jorgen Engstrom의 PhD 논문에서 확인된다.
모터 내의 손실의 제어를 위한 다른 방법은 다른 코어 재료 간의 선택이다. 층상형 강(steel)이 사용되는 경우, 재료비를 크게 상승시킬 수 있더라도 층상체의 두께를 최대한 감소시키는 것에 의해 와전류(eddy current)를 최소화할 수 있다. 두께 다음으로 품위(grade) 선택은 손실 최소화에 결정적인 역할을 한다. 비-배형형 및 배향형의 저 손실 품위가 모터에서 확인된다. 비-배향형 품위는 등방성 특성 때문에 가장 보편적이다. 그러나, 배향형 강의 이방성 자기적 특성은 가능하면 활용되어야 한다. 우선, 표준의 유용한 결정립-배향된 강은 표준의 유용한 비-배향된 강보다 비 에너지 손실(specific energy losses)이 크게 작다(예, 1.5 T 피크와 50Hz의 값으로 2.1-> >8 W/kg에 비해 0.73 -> 1.11 W/kg). 두 번째, 표준의 유용한 결정립-베향된 강은 표준의 유용한 비-배향된 강보다 두께가 얇다(예, 0.35 -> 0.65mm에 비해 0.23 -> 0.35mm). 결국, 주어진 비용, 주파수 및 자속 밀도 레벨에서 결정립-배향된 강의 사용은 기계 장치의 효율에 유리한 영향을 미친다. 강의 전기적 특성에 대한 철저한 논의는 Philip Beckley에 의한 저서 "Electrical Steels for Rotating Machines"에 주어진다.
연자성 복합체 (SMC) 분말도 사용 가능하다. 이들은 상승된 주파수에서 와전류 손실이 비교적 작기 때문에 고속의 용례에 매력적이다. 이들은 3차원 등방성 자기적 및 열적 특성 때문에 비 표준 방식의 모터 구성에도 유리하게 사용될 수 있다. 다른 한편, 이들의 투자율 및 포화 자속 밀도는 전통적인 모터 강에 비해 작기 때문에 SMC를 사용한 적은 단계의 직렬 생산은 비용 효율적이지 않을 것이다. 전기 모터에 SMC를 적용하는 용례의 철저한 설명은 여러 문헌 중에서도 예컨대, Persson 등에 의해 발표된 "Soft magnetic composites off new PM opportunities", Yunkai Huang 등이 발표한 "Somparative Study of High-Speed PM Motors with laminated Steel and Soft Magnetic Composite Cores", Viarouge 등이 발표한 "Experiance with ATOMET Soft Magnetic Composites Properties, Pressing Conditions and Applications"에서 확인된다.
비정질 또는 심지어 나노 결정질의 리본의 사용도 고려할 수 있다. 그러나, 이들은 매우 얇고 경질이어서 제조 도구와 다이스가 보다 급속하게 마모가 이루어져서 이러한 고정자의 비용을 증가시킨다. 더욱이, 이들 재료는 취성을 가져서 심각한 자기 변형(magnetostriction)의 특징을 갖는다. 따라서, 이러한 종류의 재료로 구성된 자성 고정자는 여러 회전 주파수에서 큰 응력을 받기 쉬워서 그 수명을 제한하기 쉽다. 그러므로, 모터에 사용시에는 특별한 조처를 취하여야 한다. 그럼에도 불구하고, 소정의 용례가 예컨대, US 4255684 A, US 6737784 B2 및 US 6960860 B1에서 확인되고 있다.
모터 손실을 더욱 줄이기 위해 모터 외부에도 조치를 취할 수 있다. 하나의 보편적인 예는 사인 필터이다. 이 장치는 비동기적 회전 장을 야기하여 기계 장치에 추가의 손실을 야기할 수 있는 모터 전류 중의 높은 고조파를 필터링한다.
다른 외부적인 예는 파워 전자 드라이브로서, 해당 파워 전자 드라이브는 기복적으로 소정의 특별한 제어 구성에 따라 연속적으로 ON/OFF 스위칭되는 일련의 반도체로 이루어진다. 스위칭 주파수가 작을수록 출력 전류의 고조파 성분이 높아져서 모터 손실이 커진다. 분명히, 특별한 스위칭 패턴 자체(예, 사인파 PWM, 공간 벡터 변조 등)는 모터의 위상 및/또는 극(pole)의 갯수 이외에 손실에도 영향을 미친다.
이전의 비포괄적인 설명으로부터 고속 모터의 양호한 열 관리는 결론적으로 단지 언급된 여러 조치를 잘 조합한 결과일 수 있다. 실제, 고속 모터의 설계자는 모터 단독에 대한 것보다 높은 레벨의 결정을 행하여야 한다. 압축기 장치의 경우, 주요 관심점 중 하나는 총 시스템 효율이다. 이 점에서 소정의 부분에서의 손실을 소정의 값 아래로 하는 것은 충분치 않다. 이것은 허용 가능한 비용으로 전체 시스템의 관점에서 효율적으로 수행되어야 한다.
예를 들면, 반도체의 큰 스위칭 주파수는 모터에 대해 매력적일 수 있지만, 이들 주파수는 드라이브의 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 소정의 교환이 확인되어야 한다. 고속 모터의 특별한 경우, 이것은 기계 장치의 기저 주파수가 너무 높아서 어떻게든 소정의 허용 가능한 출력 전류 고조파 레벨을 얻기 위해 상승된 스위칭 주파수를 필요로 하기 때문에 실행이 어려워질 수 있다.
다른 예에서, 냉각 가스는 기계 장치 내의 갭 및/또는 소정의 덕트를 통해 전도될 수 있다. 필요한 압력이 별도의 팬을 통해, 샤프트에 직접 부착되거나 일체화된 작은 송풍기를 통해 또는 제1 압축 스테이지 이후의 탭으로부터 얻어지던지간에 이것은 소정의 전력 소비를 포함하므로 전체 시스템 효율에 영향을 미친다.
소정의 용례에서, 공정 가스는 압축되기 전에 고정자 주위의 일련의 핀 또는 일종의 냉각 쉘을 통해 전적으로 안내된다. 이렇게 하는 것은 장비의 추가를 피할 수 있지만, 동시에 시스템 레벨에 소정의 효율 손실이 수반되는데, 이는 수반된 압력 손실이 스테이지(들)에서의 높은 압력 비율에 의해 보상되어야 하고 또한 가스가 압축되기 이전에 이미 가열되기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 이것은 예컨대, US 6009722 A, US 6675594 B2, US 6774519 B2, WO 00/49296 A1, WO 02/50481 A1, KR 10/0572849 B1, KR 10/0661702 B1에서 확인된다.
본 발명은 터보 압축기에 사용되는 방사형 유동의 비-슬롯형 모터에 관한 것이다. 그러므로, 첨단 기술 수준의 방사형 유동의 비-슬롯형 모터 기술을 요약한다.
방사형의 비-슬롯형 모터는 그것의 특별한 코일과 코어 구조에 의해 차별화될 수 있다. 때로, 코일의 개념은 철심이 완전히 구리 전도체를 둘러싼다는 점에서 오히려 통상적인 구성이다. 이러한 분류 중에서 회전자와 고정자 철편 사이의 공간의 균일한 충전체와 유사한 코일과 이러한 특성을 갖지 않는 코일 간을 추가로 구분하는 것이 가능하다. 그러나, 코일이 코어 둘레로 도넛형으로 감겨진 다수의 비-슬롯형 설계를 접할 수 있다. 이러한 경우, 구리는 코어의 반경 방향 양측면에 발견된다. 이러한 분류에서 단일편으로 구성된 고정자 코어를 갖는 설계와 일련의 세그먼트로 구성된 고정자 코어를 갖는 설계 사이를 구분할 수 있다.
균일하게 분포된 전도체 세트를 완전히 둘러싸는 철심을 갖는 방사형의 비-슬롯형 모터의 예가 예컨대, 특허 문헌 US 4211944 A, US 5197180 A, US 5313131 A, US 5998905 A, US 6072262 A, US 6507991 B1, US 2003/038555 A1, US 6806612 B2, US 7269890 B2, US 2007/269323 A1, WO 02/15229 A1, WO 2004/098025 A1, WO 2008/085466 A1, EP 0653112 B1, CA 1136200 A1, JP 8154350 A, JP 2002/325404 A, JP 2002/345217 A, JP 2005/110454 A 및 JP 2006/288187 A에서 확인된다. 다른 참고로서, US 2003/038555 A1과 US 6507991 B1에 예시된 비-슬롯형 모터의 개념도 이러한 분류에 속하지만, 두 개의 아크형 부품으로 이루어진 세그먼트형 코어를 가지는 것을 나타내고 있다.
균일하지 않게 분포된 전도체 세트를 완전히 둘러싸는 철심을 갖는 방사형의 비-슬롯형 모터의 예가 예컨대, 특허 문헌 US 4563808 A, US 4818905 A, US 6894418 B2, US 7084544 B2, WO 91/01585 A, WO 00/07286 A1, EP 1680855 B1, GB 2429849 B, JP 2001/333555 A, JP 2002/272049 A, JP 2003/102135 A, JP 2005/110456 A, JP 2007/014140 A, JP 2007/135392 A, JP 2007/336751 A, RU 2120172 C1, 및 RU 2206168 C2에서 확인된다. 이들의 모든 개념의 차이는 대체로 코일과 코어 간의 구성과 코어에 사용되는 재료에 관한 것이다.
단일편으로 구성된 고정자 코어 둘레에 감긴 도넛형 코일을 갖는 방사형 비-슬롯형 모터의 예가 예컨대, US 4103197 A, US 4547713 A, US 4563606 A, US 5304883 A, US 5455470 A, US 6242840 B1, US 6344703 B1, US 6989620 B2, US 7145280 B2, US 2008/018192 A1, US 7391294 B2, WO 00/49296 A1, WO 2004/057628 A2, EP 101751 A2, EP 0964498 B1, EP 1017153 B1, EP 1100177 A1, DE 3629423 A1, GB 2436268 B, JP 2008/048490 A, KR 2004/0065520 A, 및 KR 10/0804810 B1에서 확인된다. 이들은 모두 환형 형상의 최종 코어를 특징으로 한다. 이들은 기본적으로 코일과 코어의 구성 방법이 다르다.
일련의 세그먼트로 구성된 고정자 코어 둘레에 감긴 도넛형 코일을 갖는 방사형의 비-슬롯형 모터의 예는 소수의 특허 문헌에서만 확인되고 있다. EP 1324472 A2에서 Zhang은 세 개의 아크형 세그먼트로 이루어진 환형의 코어를 제안하고 있다. KR 2004/0065521 A, KR 2004/0065529 A 및 KR 2004/0065531에서 Choi는 여섯 개의 선형 세그먼트로 이루어진 육각형 코어를 제안하고 있다. 육각형 코어는 구조적 목적으로 특히 매력적이지만, 불균일한 갭을 도입함으로써 소정의 코깅을 야기한다.
고정자 코어를 세그먼트 없이 구성하는 개념은 특히 초대형 모터나 발전기 분야에서는 새로운 것이 아니다. 그럼에도 소형 기계 장치에는 다소 매력적인 장점을 가질 수도 있다. 예를 들면, 고속 기계 장치의 회전자는 중실의 강제(鋼製) 베이스로 제조되기도 한다. 이러한 경우, 펀칭된 층상체의 내부는 폐기되어야 한다. 세그먼트형 코어의 사용은 상당한 재료의 절감을 가져온다. 때로, 세그먼트화는 앞서 설명된 바와 같은 매력적인 성질을 위해 결정립-배향된 강의 사용을 분명히 허용하기 위해 행해진다(US 4672252 A, US 2006/043820 A1). 이외에도 별도로 치형부 및/또는 커어 세그먼트를 펀칭할 때 추가의 재료 절감을 얻을 수도 있다(GB 1395742 A, US 2001/030486 A1, WO 01/05015 A2, WO 99/01923 A1, WO 01/34850 A2, DE 102004029442 A1). 세그먼트화는 코일의 삽입 및/또는 전체 제조 공정을 용이하게 하기 위해 사용될 수도 있다(US 5986377 A, US 6507991 B1, US 6583530 B2, US 6781278 B2, US 7084545 B2, US 7122933 B2, US 2003/038555 A1, US 2005/269891 A1, EP 1322022 B1, EP 1901415 A1, GB 2394123 B, DE 102005055641 A1, JP 54041401 A, KR 2004/0065521 A).
본 발명은 1보다 큰 복수의 위상을 갖는 고속 모터(10)를 포함하는 터보 압축기 시스템에 관한 것이다. 모터는 고정자와 고정자에 상대 회전 방식으로 장착되는 회전자를 포함한다. 하나 이상의 임펠러가 회전자에 직접 고정된다. 고정자는 능동형 모터 구조체 및 쉘을 포함한다. 능동형 모터 구조체는 강자성 고정자 코어 및 권선을 포함한다. 권선은, 고정자 코어 둘레에 도넛형으로 권취되고 개방 공간을 형성하도록 물리적으로 분리되는 일련의 코일로서 구성된다. 쉘은 고정자 코어와 쉘 사이에 추가의 개방 공간을 생성하도록 구성된다. 개방 공간은 회전자와 고정자 코어에 의해 내부에 형성되고 고정자 코어와 쉘에 의해 외부에 형성되는 냉각 채널을 구성한다. 냉각 채널은 하나 이상의 임펠러에 의한 압축 이전에 능동형 모터 구조체와 회전자를 직접 냉각하기 위해 공정 가스가 축방향으로 통과되는 덕트로서 기능한다.
이 방식으로 터보 압축기 시스템을 구성함으로써 견고하게 조직화된 시스템이 얻어진다. 이러한 시스템은 여러 가지 특징과 대응하는 장점을 가진다.
-공정 가스 자체는 압축 이전에 고속 모터의 냉각에 사용된다. 이것은 공정 가스를 다소간 가열함과 함께 소정의 추가적인 압력 강하를 야기한다. 그러나, 이후 가스의 압축에 필요한 여분의 파워는 다른 냉각 기구의 구성시 보조 장비를 요하지 않기 때문에 보다 높은 시스템 레벨로 회복될 수 있다. 본 기술은 압축 이전에 압력 강하 및 온도 상승이 최소화되는 방식으로 시스템을 설계하는 것이다.
-고정자는 도넛형으로 권취된 코어로 설계되는데, 이는 코일이 고정자 코어 둘레에 도넛형으로 권취되는 것이지 종래 기술의 구성에서와 같이 고정자 치형부 둘레에 권취되는 것이 아님을 의미한다. 그 결과, 냉각 가스가 강자성 고정자 코어와 코일 모두와 동시에 소폭으로 접촉될 수 있는 최대한으로 개방된 구조가 제공된다.
-고정자 코어는 바람직하게 일련의 세그먼트로 구성되어 재료의 낭비를 줄이고 조립을 용이하게 한다. 이접하는 세그먼트들은 서로 고정되기 전에 코일을 장착할 수도 있다.
-고정자 코어 세그먼트는 자기 손실(magnetic losses)을 허용 가능한 비용 수준으로 최대한으로 감소시킬 수 있다는 점에서 얇고 저손실의 결정립-배향된 강으로 적층되는 것이 바람직하다.
고정자 코어 세그먼트는, 고정자 코어의 냉각을 향상시키고, 이후 별개의 연장편이 고정자 코어에 고정되는 것을 방지하고, 코일의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 증가시켜 전류 고조파에 기인한 손실을 감소시킬 수 있다는 점에서 외향 연장편을 갖는 단일편의 층상체로 적층되는 것이 바람직하다.
-쉘은, 외향 연장편에 반경 방향 힘을 인가하여 자동으로 고정자 코어를 보유하고, 결과로써 얻어지는 다각형 형상의 쉘의 경우 고정자 코어가 쉘에 대해 접선 방향으로 이동되는 것을 방지하며, 공정이 간단하고 비용 효율적이며, 구성이 복잡하고 고비용의 중실형 쉘을 필요로 하지 않는다는 점에서, 소정의 압축 응력으로 외향 연장편 둘레에 가요성 재료를 권취하는 것에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
-모터는 비-슬롯형이고, 그에 따라 슬롯 고조파에 기인한 손실이 사실상 없어지고 전류 고조파와 기전력 고조파에 기인한 손실이 크게 감소된다.
도 1은 고정자 코어의 직선형 코어 세그먼트를 도시한다.
도 2는 코일이 상부에 장착된 고정자 코어의 직선형 코어 세그먼트를 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 직선형 코어 세그먼트 12개로 이루어진 다각형 고정자 코어를 도시한다.
도 4 내지 도 6은 고정자 코어의 아크형 코어 세그먼트를 갖는 도 1 내지 도 3에 따른 변형례를 도시한다.
도 7은 회전자와 외부 쉘을 갖는 본 발명에 따른 비-슬롯형 모터의 단면도이다.
도 8은 일 측면에 반경 방향 외향 연장편을 갖는 고정자 코어의 세그먼트를 도시한다.
도 9는 일 측면에 반경 방향 외향 연장편을 가지고 타 측면을 통해 코일이 상부에 설치된 고정자 코어의 세그먼트를 도시한다.
도 10은 일 측면에 연장편을 갖는 세그먼트에 강을 사용하는 것을 도시한다.
도 11은 양 측면에 반경 방향 외향 연장편을 갖는 고정자 코어의 코어 세그먼트를 도시한다.
도 12는 양 측면에 반경 방향 외향 연장편을 가지고 직접 권취 공정을 통해 상부에 코일이 설치된 고정자 코어의 코어 세그먼트를 도시한다.
도 13은 양 측면에 연장편을 갖는 코어 세그먼트에 강을 사용하는 것을 도시한다.
도 14는 연장편을 갖는 12개의 코어 세그먼트로 이루어진 다각형 코어를 도시한다.
도 15는 연장편을 갖는 12개의 코어 세그먼트로 이루어진 다각형 코어를 3차원으로 도시한다.
도 16은 둘레 쉘을 가지며 연장편을 갖는 12개의 코어 세그먼트로 이루어진 다각형 고정자 코어를 도시한다.
도 17은 대향 배치된 임펠러를 가지는 본 발명에 따른 단일 스테이지 압축기의 축방향 단면도이다.
도 18은 통상적으로 설치되는 임펠러를 가지는 본 발명에 따른 단일 스테이지 압축기의 축방향 단면도이다.
도 19는 저압 스테이지를 위해 대향 배치되는 임펠러와 고압 스테이지를 위해 통상적으로 설치되는 임펠러를 가지는 본 발명에 따른 2-스테이지 압축기의 축방향 단면도이다.
도 20은 양자의 스테이지를 위해 통상적으로 설치되는 임펠러를 가지는 본 발명에 따른 2-스테이지 압축기의 축방향 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 특징을 더 잘 보여주기 위한 의도로 어떤 경우든 한정적이지 않은 예로써 첨부 도면을 참조로 본 발명에 따른 터보 압축기 시스템의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 고속 모터의 고정자 코어는 판형 세그먼트 베이스(2)를 포함하는 복수 개의 연자성 코어 세그먼트(1)로 구성되는 것이 바람직하다. 세그먼트 베이스(2)는 도 1에 도시된 바와 같이 직선형일 수 있다.
상기 코어 세그먼트(1)는 해당 코어 세그먼트(1)들을 상호 연결하기 위해 연결 수단을 구비하는 것이 바람직한데, 이 경우 오목부와 돌출부의 형태를 가진다. 본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 전술한 오목부와 돌출부는 상기 세그먼트 베이스(2)의 종방향 측면 엣지를 따라 제공되는 도브테일형 구조, 보다 상세하게는 세그먼트 베이스(2)의 일 측면 엣지 상에 도브테일형의 홈(3)과 상기 세그먼트 베이스(2)의 반대 측면 엣지 상에 도브테일형 리브(4)의 형태로 구현된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 세그먼트(1) 상에는 연결되기 전에 코일(5)이 설치된다. 이러한 코일(5)의 설치에는 적어도 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 공정으로, 사전에 사각형의 보빈에 코일(5)을 수동으로 및/또는 자동으로 권취하고, 전체 조립체를 코어 세그먼트(1) 위로 미끄럼 이동시키고, 양자의 구성을 서로 부착할 수 있다. 두 번째 공정으로, 코어 세그먼트(1) 둘레로 가요성의 절연체를 수동으로 및/또는 자동으로 권취한 후 해당 절연체의 상부에 전도체를 직접 권취하는 공정을 행할 수 있다. 양자의 경우, 톱니형 고정자에 전도체를 수동으로 삽입하는 것에 비해 전도체 절연을 손상시키는 위험이 크게 감소된다. 더욱이, 여기서 리츠선(litz-wires)의 사용을 쉽게 고려할 수 있다. 리츠선은 고주파수 용례에 사용되도록 설계되어 있어서 고속 모터에는 탁월한 선택이다.
모든 코어 세그먼트(1)가 일단 연결되면, 도넛형의 권취 연자성 고정자 코어(6)가 얻어진다. 이 경우, 고정자 코어(6)의 단면은 도 3에 도시된 바와 같이 다각형 형상을 가진다. 코어 세그먼트(1)의 총 갯수는 몇가지 주요 인자에 의존한다. 첫째, 코어 세그먼트(1)의 개수는 위상의 개수의 정수배(integer multiple) 또는 분수배(fractional multiple)이다. 둘째, 다각형 고정자 코어(6)의 특별한 경우, 코어 세그먼트(1)의 개수는 고정자 코어(6)와 회전자 사이의 갭의 자기적 불균일성으로 야기되는 최대 허용 코깅 토크에 의존하는데, 토크가 클수록 양호하다. 셋째, 이중층 형의 권선을 형성하기 위해 전도체 층이 각각의 코어 세그먼트(1) 둘레로 감겨지는 경우, 코어 세그먼트(1)의 개수는 고정자 코어(6)의 외주를 따른 기전력의 분배에 의존하는데, 분배가 클수록 양호하다. 넷째, 코어 세그먼트의 개수는 제조 비용에 의존하는데, 비용이 적을수록 양호하다. 이들 파라미터 간의 교환이 있을 수 있다.
고정자 코어(6)에서의 손실을 최소화하기 위해, 연자성 코어 세그먼트(1)는 결정립-배향된 강의 층상체로 된 층상 배열 적층체로 구성되는 것이 바람직하다. 개별 층상체는 축방향으로 적층된다. 자력선의 대부분은 고정자 코어(6)의 단면 외형을 따른다. 그러므로, 직선형 코어 세그먼트(1)가 사용되는 경우, 상기 결정립-배향된 강의 층상체의 우선 자화축은 상기 코어 세그먼트(1)의 접선 방향 중심선과 일치하는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 세그먼트 베이스(2)가 아크형으로 이루어지고, 이 경우 도브테일 연결의 형태의 오목부와 돌출부를 또한 구비하는, 본 발명에 따른 코어 세그먼트(1)의 변형례를 나타낸다.
도 5는 코일(5)이 상부에 설치된 도 4의 아크형 코어 세그먼트(1)를 보여주며, 도 6은 고정자 코어(6)의 단면이 중공의 원통형이고, 도 4의 아크형 코어 세그먼트(1)가 여러 개 상호 연결된 고정자 코어(6)를 나타낸다.
상기 아크형 세그먼트가 상기 결정립-배향된 강의 층상체를 사용하여 적층되는 특별한 경우에 있어서 고정자 코어(6)에서의 손실을 최소화하기 위해, 상기 결정립-배향된 강의 층상체의 우선 자화축은 상기 코어 세그먼트(1)의 접선 방향 엣지에 의해 형성된 각도의 이등분선에 수직한 선과 일치하는 것이 바람직할 수 있다.
추가로 설명되는 바와 같이 직선형이 아닌 다른 형태 또는 전술한 바와 같은 아크형을 갖는 코어 세그먼트(1)의 경우, 상기 강 층상체의 최적의 자기 우선 배향은 철저한 수치적 분석을 통해 정해질 수 있다. 어떤 경우든, 목적은 고정자 코어(6)의 외형을 따르는 자력선에 대한 고정자 코어(6)의 자기 저항을 최소화하는 것이다. 분명히, 코어 세그먼트(1)는 비-배향된 연자성 강, 비정질 또는 나노 결정질 연자성 리본, 연자성 분말 복합체 및/또는 기타 연자성 재료로도 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 고정자 코어(6)는 일련의 다각형 또는 튜브형 단일편의 층상체를 적층하는 것으로 구성될 수 있다. 이것은 코어의 강성을 향상시킨다. 그러나, 이것은 권취 공정을 복잡하게 하고, 강의 층상체의 중심부가 사용되지 않는 이유로 층상체의 펀칭 또는 절단시 재료 낭비가 크고, 배향된 강에 비해 덜 매력적인 성질을 갖는 비-배향된 강의 사용을 필요로 한다.
본 발명의 하나의 핵심적인 사상은 중심 회전자(12)와 주변 고정자를 가지는모터(10)를 도시한 도 7에 도시된 바와 같이 쉘(7)에 의해 소정의 방식으로 고정자의 능동 부품(active parts)을 둘러싸는 것으로, 이때 고정자는 상기 쉘(7)과 능동형 모터 구조체를 포함하며, 해당 능동형 모터 구조체는 상기 고정자 코어(6)와 상호 연결된 코일(5)로 이루어진 하나 이상의 권선에 의해 형성된다.
쉘(7)은 복수 개의 세그먼트로 구성될 수 있지만, 이것은 반드시 필요한 것은 아니다. 쉘(7)은 연자성 재료로 제조될 수 있다. 이 경우, 쉘은 US 6989620 B2에서 Nilson에 의해 설명되는 바와 같이 권선의 누설 인덕턴스를 증가시키고 전류의 고조파 성분을 감소시킨다. 또한, 쉘은 저-저항 열 경로를 형성한다. 다른 한편, 이러한 쉘(7)에는 철손이 발생된다. 이것은 층상체를 사용하여 쉘(7)을 적층하거나 연자성 와이어를 사용하여 쉘(7)을 권취하는 것에 의해 부분적으로 교정될 수 있다. 쉘(7)은 알루미늄과 같이 비자성이지만 전도성인 재료를 사용하여 구성됨으로써 저-저항 열 브릿지를 형성할 수도 있다. 쉘(7)은 고강도 플라스틱 또는 유리 섬유와 같이 비전도성의 재료로 제조될 수도 있다. 쉘(7)에 대한 구조적 논의가 추가로 제공된다.
도 7을 참조하면, 축방향 측면으로부터 바라볼 때, 특히 쉘(7)에 인접하게 후속하는 코일들(5) 사이에 접선 방향의 공간이 다수 존재한다. 코일(5)과 쉘(7) 사이의 방사형 공간은 설계자에 의해 선택될 수 있다. 얻어지는 공간은 압축 이전에 능동형 고정자 부품을 냉각시키기 위해 공정 가스를 축방향으로 안내하고자 하는 것이 주요 목적이다. 그러므로, 축방향의 압력 강하가 항상 존재하며, 이러한 압력 강하는 압축 스테이지의 설계 중에 고려되어야 하며 압축에 필요한 파워에 다소 부정적인 영향을 미친다. 그러나, 압력 강하의 크기는 쉘(7)의 내경의 변경을 통해 영향을 받을 수 있다. 적절히 설계된 경우, 이러한 압력 강하는 전체 시스템의 바람직한 압력 비율에 비해 매우 작게 형성될 수 있다.
고정자 코어(6)에서 발생되는 손실의 대부분은 고정자 코어(6)의 자유 표면에 걸친 강제 대류에 의해 제거된다. 코일(5) 아래의 중심에서 발생되는 손실은 대류에 의해 반경 방향으로 제거되기 전에 먼저 전도에 의해 접선 방향으로 유동되어야 한다. 전달성 표면을 증가시켜 높은 냉각 능력을 얻기 위해, 도 8에 도시된 바와 같이 코어 세그먼트(1) 상의 일 엣지 근처에 예컨대 반경 방향 외향 연장편(8)이 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 코어 세그먼트(1)는 기본적으로 평탄한 세그먼트 베이스(2)를 포함하고, 해당 세그먼트 베이스는 그것의 일측면 엣지 근처에 하향 절곡부를 구비함으로써 두 개의 다리부(2A, 2B)에 의한 비대칭의 V-형 단면을 얻게 된다. 이는 상기 베이스의 하향 절곡부가 제1 다리부(2A)를 형성하고 베이스의 나머지 부분이 나머지 다리부(2B)를 형성하기 때문이며, 상기 다리부(2B)는 이 경우 상기 다리부(2A)보다 길이가 훨씬 길다. 상기 다리부(2A, 2B)에 의해 형성되는 각도(A)는 비교적 커서, 사용될 코어 세그먼트(1)의 수에 따라, 대략 95~175°범위의 값까지, 바람직하게는 대략 155°에 이른다.
전술한 바와 같이, 외향 연장편(8)(예, 핀)은 코어 세그먼트(1)의 일 엣지 근처에, 본 실시예의 경우 세그먼트 베이스(2)의 절곡부 근처에 제공되는데, 본 실시예에서는 네 개의 연장편(8)이 제1 다리부(2A)에서 수직으로 연장되는 한편, 네 개의 다른 연장편(8)이 상기 제2 다리부(2B) 상에서 수직으로 연장됨으로써, 각각의 다리부(2A, 2B) 상의 상기 연장편은 대략 V-형 형상을 나타낸다.
제2 다리부(2B) 상의 연장편이 세그먼트 베이스(2)의 절곡부 근처에만 제공되고 해당 다리부(2B)의 자유 엣지에는 연장편이 존재하지 않으므로, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 자유 단부를 통해 코어 세그먼트(1) 위로 보빈이 활주될 수 있다. 이러한 종류의 코어 세그먼트(1)에 결정립-배향된 강이 사용되는 경우, 강의 자기 우선 배향은 인접할지라도 주변 코일(5)의 접선 방향 중심선에 평행하지 않을 것이다. 이 경우 가장 적절한 강의 자기 우선 배향은 오직 수치적 분석만으로 결정될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 코어 세그먼트(1)를 구성하기 위해 큰 롤 형태의 강으로부터 층상체(1')를 펀칭 또는 절단할 때 재료가 다소 낭비될 수 있다. 그러므로, 예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이 각각의 세그먼트 베이스(2)의 종방향 양측면 엣지에 종방향 연장편(8)을 갖는 코어 세그먼트(1)를 사용하는 것이 특히 유리하다. 이 경우, 코일(5)은 직접 권취 공정을 이용하여 수동으로 또는 자동으로 감겨질 수 있다. 이로써 얻어지는, 코일(5)을 포함하는 코어 세그먼트(1)가 도 12에 도시된다. 결정립-배향된 강이 사용되는 경우, 그 이방성 투자율이 보다 크게 활용된다. 도 13에 도시된 바와 같이 큰 롤 형태의 강으로부터 층상체(1')를 펀칭 또는 절단할 때 강의 낭비가 덜 하다. 어떤 경우든, 많은 고속의 용례의 경우에 속하는, 고정자 층상체가 단일편으로 만들어지고 중심부가 사용되지 않는 톱니형 고정자의 용례에 비해, 재료의 낭비가 적고 비용적 이익이 명백하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 연장편(8)은 해당 연장편(8)이 추가의 조립 단계에서 고정자 세그먼트(1)에 고정되어야 하도록 고정자 세그먼트(1)와 별도로 제작될 수 있다. 이것은 설계자가 도 13에 도시된 예에 비해 재료의 낭비를 더 줄일 수 있게 한다. 더욱이, 이것은 냉각 및/또는 누설 인덕턴스에 관한 최적의 특성을 얻기 위해 다른 재료 또는 재료의 조합을 사용할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 모터의 냉각 및 전자기 특성 모두에 영향을 미치기 위해 외향 연장편(8)(예, 핀)과 유사한 방식으로 내향 연장편(예, 핀 또는 치형부)이 제공될 수 있다. 연자성의 내향 연장편이 사용되는 경우, 모터는 비-슬롯형 모터가 아니다. 분명히, 내향 및 외향 연장편 모두는 조합될 수 있다.
전체 고정자 코어(6)와 코일(5)의 단면은 도 8 또는 도 11에 도시된 종류의 코어 세그먼트(1)를 사용시 도 14에 도시된다. 도 15는 3차원적 도면으로 제공된다. 동일하지만 다각형 쉘(7)에 의해 둘러싸인 고정자 코어(6)가 도 16에 도시된다.
연장편(8)의 존재는 연장편이 없는 경우에 비해 공정 가스의 축방향 압력 강하를 다소 증가시킨다. 이것은 압축기에 필요한 파워에 다소 불리한 영향을 미친다. 그러나, 연장편의 존재는 유리하게 활용될 수 있다. 우선, 연장편(8)은 고정자 코어(6)를 쉘(7)에 기계적으로 고정시키는데 사용될 수 있다. 연장편(8)의 두께는 토크 발생으로 야기되는 절곡을 피하도록 결정될 수 있다. 고속 모터에서 이것은 토크 레벨이 비교적 낮기 때문에 주요한 문제가 아니다. 두 번째, 연장편(8)이 연자성이면, 연장편은 다소의 추가적인 표류 자장(magnetic stray field)을 야기한다. 결국, 모터의 인덕턴스가 증가되어 전류 리플(current ripple)과 손실을 감소시킨다. 세 번째, 연장편(8)이 금속성이면, 연장편은 냉각 표면을 증가시킴은 물론, 고정자 코어(6)로부터 쉘(7)까지 낮은 저항의 열 경로를 제공한다. 어떤 용례에 의해 필요한 경우, 이것은 예컨대, 2차 쉘에 액체의 유동 통로인 냉각 채널을 제공하는 것에 의해 추가의 냉각 메커니즘을 가능케 한다.
냉각 용량의 향상을 위한 다른 옵션은 전도체 층의 일부 또는 모두 사이에 반경 방향 공간을 제공하는 것이다. 이들 공간에는 이상적으로는 이들 반경 방향 구멍을 통해 공정 가스가 대략 접선 방향으로 흐르게 할 목적으로 작은 가스 유동 가이드를 구비할 수 있다. 이렇게 함으로써 모터의 외경은 증가하지만, 내경에는 영향이 없다.
도 16을 참조하면, 쉘(7)은 중공의 원통부의 형태를 가질 수 있다. 예컨대 전체 코어 조립체를 중공의 원통형 쉘(7) 내부에 가압 체결하는 것을 생각해 볼 수 있다. 이것은 2차 냉각 쉘이 제공된다면 특히 흥미로운 옵션이다. 그러나, 다각형 형상의 쉘(7)에 대한 일부의 구조적 논의가 존재한다. 우선, 토크 발생에 기인하는 고정자 코어(6)와 쉘(7) 간의 접선 방향 상대 이동이 억제되는데, 이는 쉘(7)에서 모터 중심까지의 거리가 일정하지 않기 때문이다. 두 번째, 쉘(7)은 소정의 압축 응력으로 권취될 수 있는데, 이 경우 연장편(8)이 지지 구조로서 사용된다. 이 경우, 설계자는 예컨대 연자성 와이어와 리본; 다른 금속 와이어, 리본 또는 시트; 및 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 비-전도성 재료 간의 선택에 대한 자유를 가진다.
도 17은 본 발명에 따른 터보 압축기 시스템(9)의 종방향 단면도인데, 상기 터보 압축기 시스템(9)은 본 발명의 상세에 따라 구성된 고정자 코어(6)를 갖는 고속 모터(10)를 포함하며, 본 실시예에서 터보 압축기 시스템(9)은 임펠러(11)가 모터(10)의 회전자(12)의 샤프트 상에 직접 설치되므로 직접 구동식 압축기 시스템으로서 구성된다.
코일 아래의 회전자(12)의 샤프트의 부분은 영구 자석 모터 또는 유도 모터를 형성하도록 전자기적으로 설계될 수 있다.
도 17의 예에서, 임펠러(11)는 회전자(12)의 샤프트 상에 대향되게 설치된다. 쉘(7)은 모터(10)의 하우징(13)의 일부를 일체로 형성하고, 상기 하우징(13)은 가스 유입구(14)를 형성하며, 상기 유입구(14)는 회전자(12)의 샤프트의 일단부 근처에 바람직하게 위치되며, 상기 임펠러(11)는 회전자(12)의 상기 샤프트의 타단부 근처에 바람직하게 설치되며 그 블래이드가 모터(10) 측을 향한다.
모터(10)의 활성화시, 회전자(12)는 회전을 시작하고 임펠러(11)는 회전자(12)와 고정자 코어(6)에 의해 내부에 형성되고 고정자 코어(6)와 쉘(7)에 의해 외부에 형성되는 채널(15)을 통해 유입구(14)와 모터(10)를 통해 가스를 흡인할 것이다.
이 방식으로 얻어지는 터보 압축기 시스템(9)은 능동형 모터 구조체 및/또는 회전자(12)의 주요한 냉각이 고정자 코어(6) 둘레에 코일(5)이 도넛형으로 권취된 고속 모터(10)의 고정자의 능동형 모터 구조체(예, 코일(5)과 고정자 코어(6))에 걸쳐 채널(15)을 따라 공정 가스를 안내하는 것에 의해 달성된다는 점에 특징이 있다. 압축 이전의 축방향 압력 강하 및 온도 상승 모두는 압축을 위한 파워에 영향을 미치므로 터보 압축기 시스템(9)을 설계하면서 적절히 조절되어야 한다. 축방향 압력 강하는 반경 방향 단면의 크기에 의해 주로 결정된다. 온도 상승은 전자기 부품과 회전자(12)-고정자 코어(6) 간의 갭의 적절한 설계에 의해 영향을 받을 수 있다.
코어 세그먼트(6) 재료를 신중하게 선택해야 할 중요성은 이미 앞서 지적한 바 있다. 연자성 외향 연장편(8)(예, 핀)을 가질 수 있지만 연자성 내향 연장편(예, 핀)을 갖지 않으며 연자성 코어를 구비하는 본 발명에 따른 고속 모터(10)의 바람직한 실시예는 비-슬롯형 모터의 분류에 속한다. 비-슬롯형 모터가 추가의 장점을 가지는 여러 가지 측면이 존재한다. 우선, 비-슬롯형 기계 장치에서 회전자와 고정자 코어 간의 자기적 거리는 슬롯형 기계 장치의 경우에 비해 크다. 이러한 이유로, 고정자에서의 전류 및 기전력 고조파에 기인한 회전자 손실은 쉽게 나타나지 않는다. 두 번째, 회전자(12)와 고정자 코어(6) 간의 자기적 거리는 어떻든 길기 때문에, 자기적 거리가 약간 증가하더라도 톱니형 고정자에서 미치는 것처럼 전자기장 분포에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 이 자기적 거리의 역할은 설계 과정 중 덜 결정적이다. 결국, 자기적 거리를 약간 증가시키는 것은 자속 밀도를 너무 많이 감소시키지 않으면서 풍손을 크게 감소시키고 축방향 압력 강하를 제한할 수 있다.
터보 압축기 시스템을 높은 시스템 레벨로 고찰시, 압축 이전의 축방향 압력 강하와 온도 상승에 기인한 압축을 위한 증가된 파워 요건은 소정의 축방향 가스 유동에 팬을 필요로 하지 않는다는 사실, 또는 2차 쉘이 필수적인 것으로 고려되지 않는 경우 다른 냉각 매체를 필요로 하지 않는다는 사실에 의해 보상될 수 있다.
본 발명의 고정자 코어(6)는 도넛형으로 권취되므로, 엔드턴(16)의 축방향 길이가 상대적으로 작아서 회전체 동역학적 자유도가 커진다. 이것은 회전체 동역학적 거동이 성능 상의 주요 제약 중 하나를 구성하므로 고속 모터 설계에 있어서 매우 중요한 특성이다. 이 점에서 본 발명의 특별한 구성의 또 다른 장점이 존재한다. 공정 가스가 능동형 고정자 부분을 일단 통과하면, 공정 가스는 대향 설치된 임펠러(11) 내로 직접 전달될 수 있다. 이렇게 하는 것에 의해 임펠러(11)의 후면측에 지지 기능성(bearing functionality)이 제공되지만, 무거운 임펠러(11)는 축방향 샤프트 중심에 근접하게 되고, 이는 회전체 운동에 유리하다. 또한, 추가의 배관을 필요로 하지 않아서 파이프의 총 압력 손실이 작게 유지된다.
터보 압축기와 관련하여 제시된 모터 기술의 사용은 단일 스테이지 압축기에 한정되지 않는다. 도 18, 도 19 및 도 20에 소정의 다른 단일 및 2-스테이지 구성이 도시된다.
본 발명의 터보 압축기 시스템은 어떤 형태와 크기로도 실현될 수 있으므로, 본 발명은 예시로써 설명되거나 도면에 도시된 바와 같은 실시예의 형태에 결코 한정되지 않는다.

Claims (32)

  1. 터보 압축기 시스템(9)이며,
    1보다 큰 복수의 위상을 갖는 고속 모터(10)를 포함하고, 상기 모터(10)는 고정자와 상기 고정자에 상대 회전 방식으로 장착되는 회전자(12)를 포함하고, 하나 이상의 임펠러(11)가 상기 회전자(12)에 직접 고정되고, 상기 고정자는 능동형 모터 구조체 및 쉘(7)을 포함하고, 상기 능동형 모터 구조체는 강자성 고정자 코어(6) 및 권선을 포함하고, 상기 권선은, 고정자 코어(6) 둘레에 도넛형으로 권취되고 개방 공간을 형성하도록 물리적으로 분리되는 일련의 코일(5)로서 구성되고, 상기 쉘(7)은 상기 고정자 코어(6)와 상기 쉘(7) 사이에 추가의 개방 공간을 형성하도록 구성되고, 상기 개방 공간은 상기 회전자(12)와 상기 고정자 코어(6)에 의해 내부에 형성되고 상기 고정자 코어(6)와 상기 쉘(7)에 의해 외부에 형성되는 냉각 채널(15)을 구성하며, 상기 냉각 채널(15)은 상기 하나 이상의 임펠러(11)에 의한 압축 이전에 상기 능동형 모터 구조체(6-5)와 회전자(12)를 직접 냉각하기 위해 공정 가스가 축방향으로 통과되는 덕트로서 기능하는, 터보 압축기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 다각형 형상인, 터보 압축기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 원통형 튜브 형상인, 터보 압축기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 단일 편의 강자성 층상체(1')의 적층체로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 일련의 강자성 코어 세그먼트(1)로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 코어 세그먼트(1) 각각은 연자성의 비-배향된 또는 결정립-배향된 강의 층상체(1'), 비정질 또는 나노 결정질 리본의 적층체로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 코어 세그먼트(1) 각각은 소결된 연자성 분말, 연자성 복합체 또는 페라이트 부품으로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 소결된 연자성 분말 또는 소결된 연자성 복합체의 입자 크기는 500㎛보다 작은, 터보 압축기 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 외향 연장편(8)을 구비하는, 터보 압축기 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외향 연장편(8)은 상기 고정자 코어(6)와 상기 쉘(7) 사이의 연결부를 형성하는, 터보 압축기 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 외향 연장편(8)은 상기 고정자 코어(6)의 일체형 부품으로서 형성되는, 터보 압축기 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 외향 연장편(8)은 상기 고정자 코어(6)에 견고하게 부착된 별도 부품으로서 형성되는, 터보 압축기 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 내향 연장편을 제공하고, 상기 내향 연장편은 상기 고정자 코어(6)의 일체형 부품으로서 형성되는, 터보 압축기 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 고정자 코어(6)는 내향 연장편을 제공하고, 상기 내향 연장편은 상기 고정자 코어(6)에 견고하게 부착된 별도 부품으로서 형성되는, 터보 압축기 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 쉘(7)은 단일의 중실편으로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 쉘(7)은 중실편의 적층체로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 쉘(7)은 일련의 세그먼트로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  18. 제10항에 있어서, 상기 쉘(7)은 상기 외향 연장편(8) 둘레에 권취된 슬리브로서 구성되는, 터보 압축기 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 코일(5)의 수는 상기 위상의 개수의 정수배 또는 분수배인, 터보 압축기 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 코일(5)은 꼬아진 전도체로 권취되는, 터보 압축기 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 코일(5)은 리츠형 전도체로 권취되는, 터보 압축기 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 코일(5)은 상기 강자성 고정자 코어(6)에 직접 권취되는, 터보 압축기 시스템.
  23. 제5항에 있어서, 상기 코일(5)은 상기 코어 세그먼트(1)에 직접 권취되는, 터보 압축기 시스템.
  24. 제5항에 있어서, 상기 코일(5)은 상기 코어 세그먼트(1)에 대해 활주되어 고정되기 전에 전기 절연 보빈에 미리 권취되는, 터보 압축기 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 권선은 단일 층 권선인, 터보 압축기 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 권선은 다층 권선인, 터보 압축기 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 코일(5)은 상기 코일(5)의 내부 냉각을 향상시키기 위해 소정의 공정 가스의 접선 방향 유동이 유발되도록 구성되는 전기 절연 방사형 스페이서를 구비하는, 터보 압축기 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 회전자(12)는 상기 고정자 내의 상기 권선의 전류에 의해 생성되는 회전 자기장과 동기 작동되도록 영구 자석을 포함하는, 터보 압축기 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 하나의 임펠러(11)가 공정 가스가 상기 냉각 채널(15)을 통과한 직후 상기 임펠러(11) 내로 유동되도록 상기 회전자(12)에 고정되는, 터보 압축기 시스템.
  30. 터보 압축기 시스템 구성 방법이며,
    - 전기 모터(10)의 고정자를 제공하는 단계와,
    - 상기 고정자 내에 생성되는 회전 자기장에 의해 회전되는 전기 모터의 회전자(12)의 샤프트를 제공하는 단계와,
    - 상기 터보 압축기 시스템(9)이 사용되는 동안 공정 가스가 압축 이전에 능동형 모터 구조체를 직접 냉각하기 위해 상기 전기 모터(10)를 통과한 직후 압축되도록 상기 회전자(12)의 샤프트에 하나 이상의 임펠러(11)를 장착하는 단계와,
    - 능동형 모터 구조체와 쉘(7)로 상기 고정자를 구성하는 단계와,
    - 강자성 고정자 코어(6)와 권선으로 상기 능동형 모터 구조체를 구성하는 단계로서, 상기 권선은, 고정자 코어(6) 둘레에 도넛형으로 권취되고 개방 공간을 형성하도록 물리적으로 분리되는 일련의 코일(5)로서 구성되는, 강자성 고정자 코어(6)와 권선으로 상기 능동형 모터 구조체를 구성하는 단계와,
    - 추가의 개방 공간을 생성하도록 상기 쉘(7)을 구성하는 단계를 포함하는, 터보 압축기 시스템 구성 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    - 상기 고정자에 외향 연장편(8)을 제공하는 단계와,
    - 상기 외향 연장편(8) 상의 상기 쉘(7)에 의해 인가되는 반경 방향 힘을 통해 상기 고정자 코어(6)를 견고하게 보유하도록 상기 쉘(7)을 구성하는 단계를 더 포함하는, 터보 압축기 시스템 구성 방법.
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