KR101581731B1 - 회전 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체 (30) 에 관한 것으로, 상기 컬렉터 링 배열체 (30) 는 기계축에 대해 동심적으로 그리고 축방향에 있어서 잇달아 배치된 다수의 컬렉터 링 (18) 을 포함한다. 간단한, 무게를 줄이는, 그리고 특히 효과적인 냉각을 위해 적합한 구성은, 상기 컬렉터 링 배열체 (30) 가 자체 지지식으로 형성되어 있음으로써 달성된다.

Description

회전 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체 {COLLECTOR RING ARRANGEMENT FOR A ROTATING ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 회전 전기 기계 분야에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 회전 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체, 및 이러한 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다.

컬렉터 링을 가진 회전 전기 기계, 예컨대 컬렉터 링 회전자 형태의 삼상교류 비동기식 모터에 있어서, 샤프트 (shaft) 와 함께 회전하는 컬렉터 링을 통하여 적절한 브러시를 이용해 전류가 전달된다. 이러한 유형의 회전 전기 기계의 일례가 도 1 에 단면도로 도시되어 있다. 거기에 도시되어 있는 기계축 (machine axis, 17) 을 가진 회전 전기 기계 (10) 는 상기 기계축 (17) 둘레로 회전 가능한 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 중앙 몸체 (11) 를 구비하고, 상기 중앙 몸체는 단부에서 샤프트 (16) 안으로 병합된다. 중앙 몸체 (11) 상에는 회전자 코어 디스크 몸체 (12) 가 안착하며, 상기 회전자 코어 디스크 몸체 안에는 회전자 권선 (13) 이 수용되어 있고, 상기 회전자 권선은 단부에 회전자 권선 헤드 (13') 를 구비한다. 회전자 (11, 12, 13) 는 동심적으로 고정자 코어 디스크 몸체 (15) 에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 고정자 코어 디스크 몸체 안에는 고정자 권선이 상응하는 고정자 권선 헤드 (15') 와 함께 수용되어 있다. 샤프트 (16) 의 외면에는 다수의 (4 개의) 컬렉터 링 (14) 이 배치되어 있으며, 상기 컬렉터 링은 회전자와 외부 간의 전류전달을 위해 사용된다. 도 1 에 도시되어 있는 기계에 있어서 손실전력은 도면에 도시되어 있지 않은 특별한 냉각장치를 통해 방출되어야 하는 것이 당연하다.

큰 부하를 받는 이러한 유형의 기계에 있어서, 컬렉터 링의 영역은 냉각과 관련하여 별도로 고려되어야 한다. (도 1 에 도시되어 있지 않은) 브러시 및 컬렉터 링 (14) 의 높은 전기적 및 기계적 (마찰) 부하로 인해, 이 영역에서의 상승된 온도발생이 초래된다. 최적의 작동온도에서 벗어날 시 브러시는 마모 증가를 보이거나 또는 한계온도부터는 완전히 파괴될 수 있기 때문에, 이 부품의 적절한 냉각이 제공되어야 한다.

컬렉터 링 영역의 종래의 구성은 도 2 에 따르면 연속적인 샤프트 (16) 를 제공하며, 상기 샤프트 상에 컬렉터 링 (14) 이 조립되어 있다. 이 구성에 있어서 컬렉터 링 (14) 의 냉각은 매우 제한적으로만 가능하다. 외부로부터 냉각공기 (또는 다른 냉각매체) 가 컬렉터 링 (14) 을 향해 흘러야 할 것이다. 하지만 이는 컬렉터 링 (14) 의 회전으로 인해 어려워진다. 내부로부터의 냉각, 즉 공기가 샤프트 (16) 의 내부로부터 방사상으로 바깥으로 흐르는 것은 폐쇄된 샤프트 (16) 로 인해 가능하지 않다. 다른 한편으로는, 샤프트 (16) 에게 상응하는 많은 개구부를 제공하는 것은 기계적 강도로 인해 문제가 있다.

문헌 EP-A1-0 052 385 에는 컬렉터 링에게 냉각가스 구멍이 제공되어 있는, 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체가 공지되어 있으며, 상기 냉각가스 구멍은 컬렉터 링 표면 안의 홈 또는 그루브 (groove) 에서 절삭된다. 냉각가스는 열흡수하에 방사상 바깥으로부터 상기 홈 또는 그루브를 통해 상기 냉각가스 구멍 안으로 도입되며, 그리고 이것을 통해 배풍기를 이용해 배출된다. 하지만 이러한 냉각 형태는 구조적으로 비용이 매우 많이 든다.

DE-A1-32 32 102 에는 컬렉터 링 배열체의 영역에서의 냉각을 개선하기 위해 각각의 컬렉터 링을 다수의 개별 컬렉터 링으로 나누는 것이 제안되어 있으며, 상기 개별 컬렉터 링은 컬렉터 링 샤프트 쪽으로 절연된 중간 수축 링 (intermediate shrink ring) 상에 수축 끼워맞춤되어 있다. 상기 중간 수축 링 상에는, 컬렉터 링의 앞 및 뒤에 냉각공기 환풍 장치가 배치되어 있다. 이 해결책도 복잡한 구성 및 매우 까다로운 냉각공기 안내를 요구한다.

본 발명의 목적은 냉각과 관련하여 공지의 컬렉터 링 배열체의 단점을 피하는, 그리고 특히 간단한 구성 및 간단하면서도 효과적인 냉각에 의해 탁월함을 나타내는 컬렉터 링 배열체를 제공하는 것이며, 또한 이러한 배열체를 냉각시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제 1 항과 제 11 항의 특징 전체를 통해 달성된다. 본 발명에 따른 해결책을 위해 본질적인 것은, 컬렉터 링 배열체가 자체 지지식으로 (self-supporting) 형성되어 있다는 것이다. 컬렉터 링 배열체의 자체 지지 구성을 통해, 이 영역에서의 지지 샤프트가 생략될 수 있다. 이를 통해, 한편으로는 컬렉터 링은 모든 쪽으로부터 냉각매체와의 접촉을 위해 쉽게 접근 가능하다. 다른 한편으로는, 컬렉터 링 배열체의 구성은 융통성 있게, 그리고 무게를 크게 줄이면서 수행되며, 이는 기계 샤프트의 베어링과 관련하여 큰 장점을 가져 온다.

본 발명에 따른 컬렉터 링 배열체의 구현형태는, 컬렉터 링이, 냉각매체, 특히 냉각공기를 위해 상기 컬렉터 링 사이에 배치된 관류 개구부의 형성하에 서로 연결되어 있으며, 그리고 상기 컬렉터 링 사이에 배치된 이격 수단에 의해 간격을 두고 있음으로써 탁월함을 나타낸다.

특히, 상기 이격 수단은 이격링 (spacing ring) 을 포함할 수 있으며, 상기 이격링은 둘레에 걸쳐 분배되어 추가적인 이격 요소 (spacing element) 를 구비한다.

냉각매체의 특히 유리한 안내 (guide) 는, 상기 추가적인 이격 요소가 각각의 이격링의 양쪽에 축방향에 있어서 돌출되면, 그리고 상기 추가적인 이격 요소가 각각의 이격링에 성형되어 있으면 발생한다.

하지만, 본 발명의 다른 구현형태에 따르면 상기 이격 수단이 둘레에 걸쳐 분배되어 배치된 이격 요소를 구비하는 것이 또한 가능하다.

바람직하게는, 상기 컬렉터 링 배열체는 둘레에 걸쳐 분배되어 배치된 다수의 엑시얼 (axial) 타이볼트 (tie bolt) 에 의해 결합되며, 이때 상기 타이볼트는 상기 컬렉터 링 및 상기 이격 요소를 관통하여 안내되어 있다.

상기 컬렉터 링과, 상기 컬렉터 링 사이에 배치된 상기 이격 요소가 상기 타이볼트를 이용해, 압착 플랜지 (press flange) 로서 작용하는 엔드링 (end ring) 사이에 압착되면, 상기 컬렉터 링 배열체는 특히 안정적이다.

본 발명의 그 밖의 구현형태는, 상기 컬렉터 링이 각각, 분리된 (separate), 동심적으로 (concentrically) 그리고 축방향에 있어서 잇달아 배치된 다수의 부분링 (partial ring) 으로 나뉘어져 있으며, 상기 부분링은, 냉각매체, 특히 냉각공기를 위해 상기 부분링 사이에 배치된 관류 개구부의 형성하에 서로 연결되어 있고, 그리고 상기 부분링 사이에 배치된 이격 수단에 의해 간격을 두고 있음으로써 특징지어져 있다. 이를 통해, 상기 컬렉터 링은 더욱 효과적으로 냉각될 수 있다.

바람직하게는, 상기 부분링을 위한 상기 이격 수단은 둘레에 걸쳐 분배되어 배치된 이격 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 구현형태는, 상기 컬렉터 링 배열체가 내부 챔버를 둘러싸며, 그리고 상기 내부 챔버 안에는 도체가 상기 컬렉터 링으로부터 상기 컬렉터 링 배열체의 기계측 (machine side) 단부로 안내되어 있음으로써 탁월함을 나타낸다. 이를 통해, 효과적인 냉각을 또한 상기 도체에게까지 넓히는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 상기 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 본 발명에 따른 방법은, 냉각매체, 특히 냉각공기가 축방향에 있어서 상기 컬렉터 링 배열체의 내부 속으로 도입되며, 그리고 상기 컬렉터 링 또는 부분링 사이에서 다시 방사상으로 바깥으로 나감으로써 특징지어져 있다.

이하, 본 발명은 도면과 관련하여 실시예를 근거로 보다 상세히 설명된다.
도 1 은 종래 유형의 컬렉터 링 배열체를 가진 일례적인 회전 전기 기계의 단면도;
도 2 는 파선으로 평면적으로 나타낸 종래 유형의 컬렉터 링 배열체의 단면;
도 3 은 도 2 와 비교 가능한 도면으로 나타낸 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컬렉터 링 배열체;
도 4 은 도 3 으로부터의 컬렉터 링 배열체의 상세한 도면;
도 5 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컬렉터 링 배열체의 투시적 측면도;
도 6 은 도 5 로부터의 컬렉터 링 배열체의 단면이다.

도 3 및 도 4 에는, 도 2 에 대해 비교 가능한 도면으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컬렉터 링 배열체가 도시되어 있다. 컬렉터 링 배열체 (20) 의 새로운 구성에 있어서, 컬렉터 링 (18) 의 지지체로서의 샤프트가 완전히 생략된다. 컬렉터 링 (18) 은 동심적으로 서로 포개어져, 즉 축방향으로 잇달아 배치되며, 그리고 그 사이에 놓여 있는 이격링 (21) 을 이용해 공간적으로 서로 분리된다. 이렇게 하여, 컬렉터 링 (18) 과 이격링 (21) 은 자체 지지 컬렉터 링 배열체를 형성한다. 이격링 (21) 에는, 둘레에 걸쳐 균일하게 분배되어 상기 이격링 (21) 의 양쪽에 돌출되는 이격 요소 (22) 가 성형되어 있으며, 상기 이격 요소는, 상기 이격링 (21) 과, 접해 있는 컬렉터 링 (18) 사이에 각각 환상 틈새 부분 (annular gap section) 이 생기도록 하고, 상기 환상 틈새 부분을 통해 냉각매체는 방사상으로 컬렉터 링 (18) 의 측면을 흘러지나갈 수 있으며, 그리고 열을 흡수할 수 있다.

하지만 도 3 및 도 4 에 따른 컬렉터 링 배열체 (20) 에서는, 개별적인 컬렉터 링 (18) 이 이격링 (21) 에 의해 서로 분리되어 있을 뿐만 아니라, 상기 개별적인 컬렉터 링 (18) 은 둘레에 걸쳐 균일하게 분배된 이격 요소 (23) 에 의해 서로 분리된 다수의 부분링 (partial ring, 19) 으로 구성되어 있다. 이로 인해, 냉각매체 또는 냉각공기는 컬렉터 링 (18) 과 이격링 (21) 사이에서 유출될 수 있을 뿐만 아니라 컬렉터 링 (18) 자체를“통해”, 즉 이격 요소 (23) 에 의해 형성된, 부분링 (19) 사이의 환상 틈새 부분을 통해 흐를 수도 있다. 이러한 방식으로, 한편으로는 냉각공기의 균일한 분배가 달성되며, 그리고 다른 한편으로는 열이 방출되는 표면이 현저히 확장된다.

컬렉터 링 배열체의 본 발명에 따른 자체 지지 설계를 통해, 샤프트의 또는 컬렉터 링의 내면에 안내되는 도체를 냉각시키고자 하는 요구도 충족될 수 있다. 이는 도 5 및 도 6 도시되어 있는 본 발명의 실시예에서 알아볼 수 있다: 도 5 및 도 6 에 따른 컬렉터 링 배열체 (30) 는 마찬가지로 자체 지지하며 4 개의 컬렉터 링 (18) 으로 구성되어 있고, 상기 컬렉터 링은 각각 3 개의 부분링 (19) 으로 나뉘어져 있다. 도 3 의 이격링 (21) 대신에, 여기에서는 필요한 간격 및 개별적인 컬렉터 링 (18) 사이의 관류 개구부 (31) 를 만들어내기 위해, 둘레에 걸쳐 분배되어 블록 유형의 이격 요소 (24) 가 사용된다. 이로 인해, 냉각공기를 위한 이 영역에는, 보다 큰 개구부 횡단면이 달성된다.

이 실시예에서도 부분링 (19) 은 (도면에서는 알아볼 수 없는) 이격 요소에 의해 서로 간격을 두고 있으며, 따라서 가느다란 환상 틈새 부분 모양의 관류 개구부가 생성되고, 상기 관류 개구부를 통해 냉각공기가 흐를 수 있다. 상기 자체 지지 컬렉터 링 배열체 (30) 는 둘레에 걸쳐 분배되어 배치된 다수의 엑시얼 (axial) 타이볼트 (tie bolt, 27) 에 의해 결합되며, 상기 타이볼트는 컬렉터 링 (18) 또는 부분링 (19) 및 이격 요소 (24) 를 관통하여 안내되어 있다. 컬렉터 링 (18) 또는 부분링 (19) 과, 상기 컬렉터 링 (18) 사이에 배치된 이격 요소 (24) 는 타이볼트 (27) 를 이용해, 압착 플랜지로서 작용하는 2 개의 엔드링 (end ring, 25, 26) 사이에 압착되며, 그리고 이렇게 하여 기계적으로 안정된 유닛을 형성한다. 외면에서 충분한 냉각을 보장하기 위해, 관류 개구부 (31) 는 외부 컬렉터 링 (18) 과 엔드링 (25, 26) 사이에도 제공되어 있다.

상기 컬렉터 링 배열체 (30) 는 내부 챔버 (28) 를 둘러싸며, 상기 내부 챔버 안으로, 냉각을 위해 축방향으로 냉각공기가 도입되고, 그 후 상기 냉각공기는 관류 개구부 (31 및 32) 를 통해 방사상으로 바깥으로 나간다 (도 5 안의 냉각매체 (33)). 내부 챔버 (28) 안에는, 바람직하게는 상기 컬렉터 링과 전기적으로 연결된 도체 (29) 가 설치될 수 있다. 전체 냉각공기가 도체 (29) 를 흘러지나가기 때문에, 이것은 냉각된다.

컬렉터 링 (18) 의 전기적 절연을 위해, 이격 요소 (24) 또는 이격링 (21) 이 절연적으로 설계되어야 하는 것이 당연하다. 이는 타이볼트 (27) 에도 적용된다.

냉각을 위한 개선된 가능성 이외에, 상기 기술된 방식으로, 컬렉터 링 (18) 을 지지하고 있는 샤프트가 더 이상 필요하지 않음으로써 재료가 절약될 수 있다. 재료 절약은 비용 절감을 초래하며, 그리고 기계의 베어링의 하중을 줄이는데 기여한다. 컬렉터 링 (18) 은 일반적으로 베어링 부위 사이에 놓여 있는 것이 아니라 외부에 놓여 있기 때문에, 이것은 베어링에게 큰 부담이다 (흔들림 (wobbling)). 이 영역에서의 무게 감소를 통해, 베어링에 작용하는 힘이 바람직하게 감소될 수 있다.

10 : 회전 전기 기계 (예컨대 비동기식 기계) 11 : 중앙 몸체
12 : 회전자 코어 디스크 몸체 13 : 회전자 권선
13' : 회전자 권선 헤드 14, 18 : 컬렉터 링
15 : 고정자 코어 디스크 몸체 15' : 고정자 권선 헤드
16 : 샤프트 17 : 기계축
19 : 부분링 20, 30 : 컬렉터 링 배열체
21 : 이격링 22, 23, 24 : 이격 요소
25 : 엔드링 (내부) 26 : 엔드링 (외부)
27 : 타이볼트 28 : 내부 챔버
29 : 도체 31, 32 : 관류 개구부
33 : 냉각매체

Claims (14)

1. 회전 전기 기계를 위한 컬렉터 링 배열체에 있어서,
   다수의 컬렉터 링; 및
   다수의 이격 수단을 포함하고,
   상기 다수의 컬렉터 링은, 상기 전기 기계의 축 (electrical machine axis) 을 중심으로 동심으로 (concentrically) 그리고 축 방향으로 잇달아 배치되고, 자체 지지식이며,
   상기 다수의 이격 수단 각각은 상기 다수의 컬렉터 링 중 각각의 인접한 컬렉터 링들 사이에 배치되고, 상기 다수의 컬렉터 링은 서로 연결되어, 냉각 매체를 운반하도록 구성되는 다수의 관류 개구부를 형성하고, 상기 다수의 관류 개구부 각각은 상기 다수의 컬렉터 링 중 각각의 인접한 컬렉터 링들 사이에 배치되고,
   상기 다수의 컬렉터 링 각각은 적어도 두 개의 분리된 부분 링으로 세분되고, 상기 부분 링은 동심으로 잇달아 배치되고 서로 연결되어, 상기 적어도 두 개의 분리된 부분 링 사이에 배치되는 냉각 매체를 위한 관통 구멍 개구부를 형성하고, 상기 적어도 두 개의 분리된 부분 링 사이에 다수의 제 2 이격 수단이 배치되는, 컬렉터 링 배열체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 매체는 냉각 공기인, 컬렉터 링 배열체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 이격 수단은 다수의 이격 링을 포함하고, 상기 이격 링 각각은 상기 컬렉터 링 배열체의 둘레에 걸쳐 배치되는 다수의 추가 이격 요소를 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 추가 이격 요소 각각은 상기 다수의 이격 링 중 각각의 이격 링의 양쪽에 상기 축 방향으로 돌출하고, 상기 다수의 이격 링 중 각각의 이격 링 상에 일체형으로 형성되는, 컬렉터 링 배열체.
5. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 이격 수단 각각은 상기 컬렉터 링 배열체의 둘레에 걸쳐 배치되는 다수의 이격 요소를 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
6. 제5항에 있어서,
   둘레에 걸쳐 배치되고 상기 다수의 컬렉터 링과 상기 다수의 이격 요소를 통하여 축방향으로 통과하는 엑시얼(axial) 타이 볼트를 추가로 포함하여 상기 컬렉터 링 배열체를 함께 지지하는, 컬렉터 링 배열체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 다수의 엑시얼 타이 볼트는, 가압 플랜지로서 구성되는 두 개의 엔드링(25, 26; end ring) 사이에서 상기 다수의 이격 요소 및 상기 다수의 컬렉터 링을 가압하도록 구성되는, 컬렉터 링 배열체.
8. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 매체는 냉각 공기를 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
9. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 제 2 이격 수단은 상기 적어도 두 개의 분리된 부분 링의 둘레에 걸쳐 배치되는 다수의 이격 요소를 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
10. 제1항에 있어서,
    상기 컬렉터 링 배열체에 의해 둘러싸인 내부 영역에, 상기 다수의 컬렉터 링으로부터 상기 컬렉터 링 배열체의 기계측 단부로 안내되는 도체를 추가로 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
11. 회전 전기 기계의 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 방법에 있어서,
    다수의 컬렉터 링을 축을 중심으로 동심으로 그리고 축 방향으로 잇달아 배치하고 내부를 둘러싸는 단계로서, 상기 다수의 컬렉터 링은 자체 지지식이고, 다수의 부분 링으로 세분되는 단계;
    상기 다수의 컬렉터 링 중 인접한 컬렉터 링들 사이에 다수의 이격 수단을 제공하고, 상기 다수의 부분 링 중 인접한 부분 링들 사이에 다수의 제 2 이격 수단을 제공하여, 상기 컬렉터 링들과 상기 부분 링들 사이에 관류 개구들을 형성하는 단계; 및
    상기 축 방향에 있어서 상기 내부로 냉각 매체를 도입하여, 상기 냉각 매체가 상기 다수의 컬렉터 링들과 상기 부분 링들 사이에서 방사상으로 나오는 단계를 포함하는, 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 매체는 냉각 공기를 포함하는, 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 컬렉터 링들에 전기적으로 연결되고, 상기 컬렉터 링들의 내부 영역에 배열되고, 상기 냉각 매체에 노출되는 도체를 포함하는, 컬렉터 링 배열체.
14. 제11항에 있어서,
    상기 컬렉터 링들의 내부 영역에서 상기 컬렉터 링들에 전기적으로 연결되고, 상기 냉각 매체에 노출되는 적어도 하나의 도체를 배열하는 단계를 포함하는, 컬렉터 링 배열체를 냉각시키기 위한 방법.

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