KR101738208B1 - 전기 기계 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전기 기계 모듈과 전기 기계의 냉각 방법을 제공한다. 장치와 방법은 회전자와 고정자 말단 권선을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계를 제공하는 것과, 전기 기계의 적어도 일부를 하우징 내에 둘러싸는 것을 포하맣ㄴ다. 방법은 또한 기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 것, 냉각제를 고정자 말단 권선을 향해 지향시키는 것, 및 회전자에 작동 가능하게 연결되는 회전 교반기 부재를 이용하여 고정자 말단 권선을 지나서 유동하는 냉각제의 일부를 다시 고정자 말단 권선을 향해 복귀시키는 것을 포함한다.

Description

전기 기계 냉각 시스템 및 방법{ELECTRICAL MACHINE COOLING SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 2010년 6월 8일자로 제출되었고 발명의 명칭이 "전기 기계 냉각 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 제12/796,563호를 우선권 주장하고, 상기 출원의 개시는 그 전체가 본 명세서에 참조로 합체된다.
하이브리드 차량은 하이브리드의 개선된 연료 경제성 및 감소된 배출물로 인해 차량 운전자에게 환경 친화적 거동을 보증할 기회를 제공한다. 하이브리드 차량은 전통적인 내연 기관을 전기-기계적 트랜스미션과 결합시킨다. 전기-기계적 트랜스미션 내에 배치된 전기 모터는 차량을 추진하는 에너지를 제공하여, 내연 기관에 의해 제공되는 에너지의 필요성을 감소시킴으로써, 연료 경제성을 증가시키고 배출물을 감소시킨다.
어떠한 전기 기계에서와 마찬가지로, 하이브리드 트랜스미션의 전기 모터는 열의 형태로 일부 에너지를 방출한다. 전기 모터로부터 효율적인 열의 제거는 전기 기계의 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 전기 기계의 작동 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예는 냉각제에 의해 냉각될 수 있는 전기 기계 모듈을 제공한다. 전기 기계 모듈은 대체로 대향하는 단부면을 갖는 회전자와, 고정자 말단 권선을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계를 포함한다. 전기 기계 모듈은 또한 대체로 대향하는 단부면에 인접하게 회전자에 작동 가능하게 연결되고 상기 고정자 말단 권선의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 축방향으로 외측을 향해 연장되는 교반기 부재를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예는 전기 기계의 냉각 방법을 제공한다. 이 방법은 대체로 대향하는 단부면을 갖는 회전자와, 상기 회전자를 실질적으로 둘러싸고 고정자 말단 권선을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계를 마련하는 것을 포함한다. 방법은 또한 전기 기계의 적어도 일부를 하우징 내에 실질적으로 둘러싸는 것과 하우징의 내벽에 의해 기계 공동의 적어도 일부를 획정하는 것을 포함한다. 방법은 기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 것, 냉각제를 고정자 말단 권선을 향해 지향시키는 것, 및 대체로 대향하는 단부면 근처에서 회전자에 작동 가능하게 연결되는 회전 교반기 부재를 이용하여 냉각하도록 고정자 말단 권선을 지나서 유동하는 냉각제의 일부를 다시 고정자 말단 권선을 향해 복귀시키는 것을 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반기 부재를 갖는 전기 모터의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 다른 단면도이다.
도 4는 도 2의 전기 기계의 일부의 사시도이다.
도 5는 도 2의 전기 기계의 일부의 부분 사시도이다.
도 6은 도 2의 전기 기계의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명은 그 용례가 아래의 설명에 기재되거나 아래의 도면에 도시된 구성의 상세 내용 및 구성요소들의 배열로 제한되지 않다는 것을 알아야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한으로서 간주되어서는 안된다는 것을 알아야 한다. 본 명세서에서, "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는" 및 그 파생어의 사용은 그 전에 나열된 아이템 뿐만 아니라 추가의 아이템을 포함하도록 의도된다. 달리 특정하거나 제한하지 않는다면, "장착", "결합", "지지" 및 "연결"이라는 용어 및 그 파생어는 폭넓게 사용되고 직접적 및 간접적 장착, 결합, 지지 및 연결을 포함한다. 또한, "결합" 또는 "연결"은 물리적이거나 기계적인 결합 또는 연결로 제한되지 않는다.
이하의 논의는 당업계의 숙련자가 본 발명의 실시예를 제조 및 사용할 수 있도록 제시된다. 설명된 실시예에 대한 다양한 수정이 당업계의 숙련자에게 쉽게 명백할 것이고, 본 명세서의 포괄적인 원리가 본 발명의 실시예로부터 벗어남이 없이 다른 실시예 및 용례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시된 실시예로 제한되도록 의도되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리 및 특징과 모순이 없는 가장 넓은 범위를 허용하는 것이다. 이하의 상세한 설명은 여러 도면들에서의 동일한 요소가 동일한 참조 번호를 갖는 도면을 참조하여 읽어야 한다. 반드시 실척이 아닌 도면은 선택된 실시예를 도시하며 본 발명의 실시예의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 숙련자라면 본 명세서에 제공되는 예가 많은 유용한 변경예를 갖고 본 발명의 실시예의 범위 내에 속한다는 것을 알 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시하고 있다. 전기 기계 모듈(10)은 전기 기계(12)와 하우징(14)을 포함할 수 있다. 전기 기계(12)는 하우징(14)의 내벽(18)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 기계 공동(16) 내에 배치될 수 있다. 전기 기계(12)는 회전자(20), 상기 회전자(20)를 실질적으로 둘러싸는 고정자(22), 고정자 말단 권선(24) 및 베어링(26)을 포함할 수 있고, 메인 출력 샤프트(28) 둘레에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 기계(12)는 또한 회전자 허브(30)를 포함할 수 있거나 "허브리스(hub-less)" 설계(도시 생략)를 가질 수 있다.
전기 기계(12)는 제한없이 하이브리드 전기 모터, 전기 제너레이터, 또는 차량 알터네이터 등의 전기 모터일 수 있다. 일 실시예에서, 전기 기계(12)는 유도 벨트-알터네이터-스타터(BAS; belt-alternator-starter)일 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 기계(12)는 하이브리드 차량에 사용하기 위한 고전압 헤어핀(HVH) 전기 모터일 수 있다.
제한하지 않지만 고정자 말단 권선(24), 회전자(20) 및 회전자 허브(30) 등의 전기 기계(12)의 구성요소들은 전기 기계(12)의 작동 중에 열을 발생시킬 수 있다. 이들 구성요소들은 전기 기계(12)의 성능을 향상시키고 그 수명을 증가시키도록 냉각될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전자(20)는 대체로 대향하는 단부면(32, 34)을 포함할 수 있다. 밸런스 링(36)이 대체로 대향하는 단부면(32, 34)에 인접한 위치에서 회전자(20) 및/또는 회전자 허브(30)에 연결될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 밸런스 링(36)은 나사산, 복수 개의 나사식 파스너, 마찰 끼워맞춤, 용접, 또는 다른 종래의 연결 방식을 이용하여 회전자 허브(30)에 연결될 수 있어, 밸런스 링(36)은 전기 기계(12)의 작동 중에 회전자(20) 및 회전자 허브(30)와 거의 동시에 회전할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 밸런스 링(36)은 회전자 허브(30)의 내경 상의 립(35)에 "스테이킹(staking)"될 수 있고 밸런스 링(36)의 일부는 (예컨대, 축방향 지지를 위해) 회전자(20)의 라미네이션 스택에 열 프레싱될 수 있다. 강 인서트 피스 등의 추가 구성요소가 또한 밸런스 링(36)을 립(35) 둘레의 회전자 허브(30)에 클램프하는 데에 일조하도록 사용될 수 있다. 밸런스 링(36)은 회전자 허브(30)로부터 축방향으로 기계 공동(16) 내로 연장될 수 있고 전기 기계(12)의 작동 중에 회전자(20)와 회전자 허브(30)에 안정성을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 밸런스 링(36)은 캐스트 알루미늄을 포함한다.
허브리스 설계를 포함하는 것과 같은 다른 실시예에서, 밸런스 링(36)은 도 2에 도시된 바와 같이 대체로 대향하는 단부면(32, 34)에 인접하게 회전자(20)에 연결될 수 있다. 밸런스 링(36)은 나사산, 복수 개의 나사식 파스너, 마찰 끼워맞춤, 용접, 또는 다른 종래의 연결 방식을 이용하여 회전자(20)에 연결될 수 있어, 밸런스 링(36)은 전기 기계(12)의 작동 중에 회전자(20)와 거의 동시에 회전할 수 있다. 밸런스 링(36)은 전기 기계(12)의 작동 중에 회전자(20)에 안정성을 제공할 수 있다. 허브리스 설계 또는 회전자 허브(30)를 포함하는 실시예에서, 밸런스 링(36)은 전기 기계의 작동 중에 회전자(20)와 함께 회전할 수 있다는 점으로 인해 회전자(20)에 (즉, 직접적인 연결 또는 회전자 허브(30)를 경유한 연결을 통해) 작동 가능하게 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)는 회전자(20), 회전자 허브(30) 및/또는 대체로 대향하는 단부면(32, 34)에 인접한 밸런스 링(36)에 연결되는 링형 부재일 수 있다. 보다 구체적으로, 교반기 부재(38)의 적어도 일부가 회전자(20), 회전자 허브(30) 및/또는 밸런스 링(36)에 연결되어, 전기 기계(12)가 작동 중일 때에 교반기 부재(38)가 회전자(20) 및 회전자 허브(30)와 함께 동시에 회전할 수 있다. 교반기 부재(38)는 나사산, 하나 이상의 나사식 파스너, 마찰 끼워맞춤, 용접, 또는 다른 종래의 연결 방식을 이용하여 회전자(20), 회전자 허브(30) 및/또는 밸런스 링(36)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 교반기 부재(38)는 회전자 허브(30)의 내경 상의 립(도시 생략)에 스테이킹될 수 있고, 교반기 부재(38)의 일부를 회전자(20)를 둘러싸는 라미네이션 스택에 열 프레싱함으로써 추가의 축방향 지지가 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 교반기 부재(38)는 이 교반기 부재(38)와 회전자(20)가 일체가 되도록 회전자 제조 중에 회전자(20)의 일부로서 캐스팅될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 교반기 부재(38)는 밸런스 링(36)과 일체형일 수 있다. 교반기 부재(38)는 축방향으로 회전자(20) 및/또는 회전자 허브(30)로부터 멀어지게 기계 공동(16) 내로 연장될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)는 밸런스 링(36)와 함께 또는 밸런스 링이 없이 회전자(20) 및/또는 회전자 허브(30)에 연결될 수 있다. 밸런스 링(36)이 존재하면, 교반기 부재(38)의 축방향 길이가 밸런스 링(36)의 축방향 길이와 거의 동일하거나 그 길이보다 길 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 교반기 부재(38)의 적어도 일부는 밸런스 링(36)을 지나서 축방향으로[즉, 회전자(20)로부터 축방향으로 멀어지게] 연장될 수 있다. 또한, 교반기 부재(38)는 고정자 말단 권선(24)의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 고정자 말단 권선(24)에 대해 거의 평행하게 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)는 고정자 말단 권선(24)까지 거의 축방향으로 외측을 향해 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 교반기 부재(38)의 축방향 길이는 고정자 말단 권선(24)의 축방향 길이보다 짧거나 길 수 있다.
허브리스 설계 또는 회전자 허브(30)를 포함하는 실시예에서, 교반기 부재(38)는 전기 기계의 작동 중에 회전자(20)와 함께 회전할 수 있다는 점으로 인해 [즉, 직접적인 연결 또는 회전자 허브(30)나 밸런스 링(36)을 경유하는 연결을 통해] 회전자(20)에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)와 밸런스 링(36)은 전술한 바와 같이 일체형 구조일 수 있다. 다른 실시예에서, 밸런스 링(36)과 교반기 부재(38)는 2개 이상의 독립적인 구성요소를 포함할 수 있다. 밸런스 링(36)과 교반기 부재(38)는 알루미늄, 강, 스테인리스강, 또는 기타 유사한 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)는 회전자(20)의 회전축(40)에 대해 거의 평행하게 연장하도록 배향될 수 있다. 다른 실시예에서, 교반기 부재(38)는 회전자의 회전축(40)에 대해 양의 방향 또는 음의 방향으로 배향될 수 있다.
또한, 교반기 부재(38)는 반경 방향 원위 표면(42)과 반경 방향 근위 표면(44)을 포함할 수 있다. 반경 방향 원위 표면(42)과 반경 방향 근위 표면(44)의 반경 방향 위치는 변할 수 있다. 예컨대, 반경 방향 원위 표면(42)은 (예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 길이 "x" 만큼) 회전자(20)보다 짧은 반경을 가질 수 있거나, (도 2에 도시된 바와 같이) 회전자(20)의 반경과 동일한 반경을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반경 방향 원위 표면(42)은 고정자 말단 권선(24)의 하면과 교반기 부재(38) 사이에 실질적인 반경 방향 분리를 제공하도록 회전자(20)의 반경보다 짧은 반경을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 스트러트(46)가 교반기 부재(38)를 위한 지지체를 제공할 수 있다. 복수 개의 스트러트(46)는 스트러트(46)와 교반기 부재(38)가 단일체가 되도록 캐스팅되거나 달리 교반기 부재(38)에 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 하우징(14)의 적어도 일부는 복수 개의 냉각제 구멍(48)을 포함할 수 있다. 냉각제 구멍(48)은 예컨대 실질적으로 전기 기계(12) 둘레에 [예컨대, 하우징(14)의 내벽 내에 또는 고정자(22)의 외경을 실질적으로 둘러싸는 하우징(14)의 외면 또는 내면을 따라] 배치된 냉각제 재킷(50) 및 기계 공동(16)과 유체 연통할 수 있다. 전달 유체, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜/물 혼합물, 물, 오일, 또는 유사한 물질 등의 냉각제가 유체 공급원(도시 생략)으로부터 시작하여, 냉각제 재킷(50) 전반에 걸쳐 유동하고, 냉각제 구멍(48)을 통해 기계 공동(16) 내로 분산될 수 있다.
일 실시예에서, 냉각제 구멍(48)은 도 2에 도시된 바와 같이 냉각제가 고정자 말단 권선(24) 위로 분산될 수 있도록 위치 결정될 수 있다. 고정자 말단 권선(24)에 도달한 후에, 냉각제는 고정자 말단 권선(24)으로부터 열 에너지를 받을 수 있고, 이는 전기 기계(12)의 냉각을 초래할 수 있다. 냉각제의 일부는 고정자 말단 권선(24)을 지나서 분산되거나, 예컨대 고정자 말단 권선(24)으로부터 교반기 부재(38)의 반경 방향 원위 표면(42) 위로 튀거나 떨어질 수 있다. 또한, 고정자 말단 권선(24)과 접촉하게 되는 냉각제의 일부는 반경 방향 원위 표면(42)을 향해 계속 유동할 수 있다. 냉각제가 반경 방향 원위 표면(42)에 도달할 때에, 냉각제는 회전자(20)와 동시성인 교반기 부재(38)의 회전으로 인해 고정자 말단 권선(24) 위로 외측을 향해 실질적으로 반경 방향으로 다시 방출된다. 냉각제를 고정자 말단 권선(24)을 향해 반경 방향으로 방출하는 프로세스는 냉각제를 재순환시키는 역할을 하여, 냉각제의 냉각 잠재력을 최대화시킨다.
몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)를 이용하여 냉각제를 고정자 말단 권선(24)을 향해 반경 방향으로 방출하는 프로세스는 냉각제가 추가 냉각을 제공하도록 고정자 말단 권선(24)에 다수 회 도달할 수 있을 때에 "다중 패스" 냉각 방법으로 고려될 수 있다. 종래의 전기 기계는 냉각제가 고정자 말단 권선(24)에 오직 단 한번만 도달한 다음에 추가 냉각 이익 없이 전기 기계(12)로부터 방출되는 "단일 패스" 냉각 방법을 이용한다. 또한, 단일 패스 방법은 오직 냉각제가 고정자 말단 권선(24)의 반경 방향 외표면에만 도달하게 하는 반면에, 다중 패스 방법은 냉각제가 고정자 말단 권선(24)의 반경 방향 내표면을 향해 다시 방출되게 한다. 그 결과, 다중 패스 냉각 방법은 냉각제가 고정자 말단 권선(24)의 반경 방향 외표면 뿐만 아니라 반경 방향 내표면에도 도달하게 하여, 향상된 냉각을 제공한다.
일 실시예에서, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 반경 방향 원위 표면(42)은 텍스쳐 표면(52)을 포함할 수 있다. 텍스쳐 표면(52)은 가리비형, 리브형, 릿지형 등과 같은 여러 텍스쳐를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 텍스쳐 표면(52)은 냉각제가 방출되는 힘을 증가시키도록 형태가 비대칭일 수 있다. 다른 실시예에서, 반경 방향 원위 표면(42)은 텍스쳐가 없을 수 있고 실질적으로 편평하거나 평활한 표면을 포함할 수 있다.
종래의 밸런스 링과 비교할 때에, 텍스쳐 표면(52) 또는 실질적으로 편평한 표면을 포함하는 교반기 부재(38)는 냉각제를 수신하는 보다 큰 표면적을 제공하기 때문에 냉각제의 반경 방향 방출을 향상시킬 수 있다. 또한, 교반기 부재(38)는 회전자(20) 및/또는 회전자 허브(30)와 함께 동시에 회전할 수 있기 때문에, 원심력이 냉각제를 교반기 부재(38)로부터 멀어지게 강제할 수 있어 냉각제가 고정자 말단 권선(24) 상에 분산될 수 있다. 일 실시예에서, 텍스쳐 표면(52) 상의 텍스쳐의 양 및 형태는 고정자 말단 권선(24)을 아마도 침식할 수 있는 속도로 냉각제를 방출하는 일 없이 원하는 냉각의 양을 제공하도록 선택될 수 있다. 또한, 종래의 밸런스 링에 비해, 교반기 부재(38)는 기계 공동(16) 내의 공기 순환을 더 증가시킬 수 있고, 이에 따라 교반기 부재(38)가 작동 중일 때에 밸런스 링 단독에 비해 더 큰 질량이 더 많은 공기를 변위시킬 수 있기 때문에 전기 기계의 냉각을 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 텍스쳐 표면(52)은 공기 순환의 증가 및/또는 냉각제의 반경 방향 방출의 증가에 일조하도록 펌프 또는 팬 베인과 유사한 형태가 될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 교반기 부재(38)는 복수 개의 교반기 채널(54)을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)를 통해 반경 방향으로 연장될 수 있다. 복수 개의 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)의 전체 길이 또는 교반기 부재(38)의 전체 길이의 일부와 같이 교반기 부재(38)의 원하는 반경 방향 길이를 통해 연장될 수 있다. 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)의 축방향 길이를 따라 거의 임의의 거리에[예컨대, 회전자(20)에 더 가깝게, 축방향 길이를 따라 중앙에, 또는 회전자(20)로부터 더 멀게] 위치 결정될 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 교반기 채널(54)은 회전자(20)로부터 축방향으로 멀게 위치 결정될 수 있다. 복수 개의 교반기 채널(54) 각각의 위치는 교반기 부재(38)를 따라 대칭적이거나 비대칭적일 수 있다[즉, 각각의 교반기 채널이 교반기 부재(38)의 축방향 길이를 따라 동일한 거리에 위치 결정되지 않을 수 있다].
또한, 임의의 갯수의 교반기 채널(54)이 교반기 부재(38)에 또는 교반기 부재(38)의 부속물에 포함될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 교반기 채널(54) 각각은 형태가 원형일 수 있다. 다른 실시예에서, 교반기 채널(54)은 원형, 정사각형, 직사각형, 타원형 및/또는 기타 형태를 비롯하여 유사하거나 상이한 형태를 가질 수 있다. 또한, 복수 개의 교반기 채널(54)은 유사한 또는 가지각색의 반경 또는 직경을 포함할 수 있다. 교반기 채널(54)은 후술되는 바와 같이 냉각제의 일부가 교반기 채널(54)을 통과하게 하기에 충분한 크기를 가질 수 있다. 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)에 도달하는 냉각제의 다른 부분이 고정자 말단 권선(24)을 향해 실질적으로 반경 방향으로 계속 방출될 수 있도록 크기가 정해지고 위치 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 냉각제의 추가 용적이 또한 회전자 허브(30) 근처에서, 예컨대 회전자 허브(30)의 베이스로부터 또는 메인 입력 샤프트(28)로부터 방출될 수 있다. 회전자 허브(30) 근처에서 방출된 냉각제는 (예컨대, 원심력으로 인해) 하우징(12)을 향해 반경 방향 외측으로 유동할 수 있다. 냉각제의 일부는 교반기 부재(38)의 반경 방향 근위 표면(44)에 도달할 수 있고, 교반기 채널(54)은 반경 방향 근위 표면과 반경 방향 원위 표면 사이에서 유동하도록 냉각제를 위한 경로를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 교반기 부재(38) 위로 반경 방향 외측을 향해 유동하는 냉각제(50)는 교반기 채널(54)을 통해 유동할 수 있어, 반경 방향 원위 표면(42)에 도달하고 고정자 말단 권선(24)을 향해 실질적으로 반경 방향으로 방출되거나, 적어도 고정자 말단 권선(24) 근처에 집중된다. 냉각제의 추가 용적은 고정자 말단 권선(24)을 비롯하여 전기 기계(12)를 냉각하는 데에 또한 일조할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시하고 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 덮개(56)가 내벽(18)에 연결되어 고정자 말단 권선(24)을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있어, 덮개(56)와 각각의 고정자 말단 권선(24)은 고정자 말단 권선(24) 둘레에 고정자 공동(58)을 형성한다. 고정자 공동(58)은 기계 공동(16)과 유체 연통할 수 있다. 덮개(56)는 또한 고정자(22)를 실질적으로 둘러싼다. 예컨대, 도 7a는 (예컨대, 일체형의 고정자 하우징 링과 덮개 조립체로서) 고정자(22)를 완전히 둘러쌀 뿐만 아니라 고정자 말단 권선(24)을 부분적으로 둘러싸는 덮개를 도시하고 있다. 몇몇 실시예에서, 추가 캡(도시 생략)은 덮개(56)를 하우징(14) 내에 밀폐할 수 있다. 다른 실시예에서, 덮개(56)는 [고정자 말단 권선(24)을 부분적으로 둘러싸도록 고정자(22)의 어느 한 단부에서 내벽(18)으로부터 연장되는] 하우징(14)의 일부일 수 있다.
덮개(56)는 내벽(18)으로부터 원하는 반경 방향 거리를 연장할 수 있고, 몇몇 실시예에서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 축방향으로 내측을 향해 접힐 수 있다. 덮개(56)는 또한 하우징(14)으로부터 원하는 축방향 거리에 위치 결정될 수 있다. 원하는 거리는 전기 기계(12)의 반경 방향 부분 또는 원주를 따라 균일하거나 변할 수 있고, 그 결과, 고정자 공동(58)의 크기가 반경 방향 부분을 따라 균일하거나 변할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 고정자 공동(58)은 고정자 말단 권선(24)의 전체 360도 주위를 연장하지 않을 수 있다(즉, 고정자 말단 권선(24)의 일부 반경 방향 부분이 덮개(56)에 의해 둘러싸이지 않는다).
덮개(56)는 플라스틱, 알루미늄, 강, 폴리머 재료, 또는 유사한 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정자 공동(58)의 크기는 냉각제의 유전체 특성 및 덮개(56)가 제조되는 재료에 따라 또는 전기 기계 모듈(10) 내에서 공동의 반경 방향 위치에 따라 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 고정자 공동(58)의 크기는 도 3에 도시된 바와 같이 고정자 말단 권선(24)에 가장 가까운 덮개(56)의 영역을 에폭시 재료(60) 등의 높은 유전체 강도를 갖는 재료로 코팅함으로써 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 기계 모듈(10)의 상부는 전기 기계 모듈(10)의 하부보다 실질적으로 큰 고정자 공동(58)을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 덮개(56)는 압력 끼워맞춤, 마찰 끼워맞춤, 나사식 파스너, 또는 유사한 연결 방식에 의해 내벽(18)에 연결될 수 있다. 또한, 덮개(56)는 하나 이상의 부분을 포함할 수 있는데, 덮개(56)의 일부 부분은 내벽(18)과 일체형이고 덮개의 다른 부분은 내벽(18)에 연결된다. 고정자 공동(58)은 냉각 재킷(50) 및 냉각제 구멍(48)(도 2에 도시된 것과 유사함)으로부터의 냉각제, 또는 덮개(56)의 냉각제 구멍(61)을 통해 덮개(56)와 내벽(18) 사이에 형성된 냉각 재킷(59)으로부터의 냉각제를 수신할 수 있다. 냉각 재킷(59)은 도 6 내지 도 7b에 도시된 바와 같이 유체 공급원과 유체 연통하는 이송 포트(62)로부터 냉각제를 수신할 수 있다. 냉각제가 고정자 공동(58) 내로 유동한 후에, 덮개(56)는 유동하는 냉각제를 고정자 공동(52) 내에 집중시키는 데에 일조할 수 있어, 냉각제가 더 많은 열 에너지를 전달하는 데에 일조하도록 오랜 시간 동안 고정자 말단 권선(24)과 접촉하거나 그 근처에 머무를 수 있다. 냉각제는 궁극적으로 고정자 공동(58)으로부터 기계 공동(16)을 향해 분산될 수 있다. 종래의 냉각 시스템에 비해, 덮개(56)는 냉각제의 적어도 일부가 고정자 말단 권선(24)으로부터 빨리 분산되는 것을 방지할 수 있고 냉각제를 열 에너지를 발산하는 고정자 말단 권선(24) 근처에 집중하도록 일조할 수 있기 때문에, 덮개(56)가 고정자 말단 권선(24)의 냉각을 크게 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 고정자 공동(58)은 덮개(56)와 고정자 말단 권선(24) 뿐만 아니라 교반기 부재(38)에 의해 형성될 수 있다. 고정자 공동(58)은 전술한 바와 같이 기계 공동(16)과 유체 연통할 수 있다. 냉각제가 고정자 공동(58)에 진입할 때에, 냉각제는 고정자 말단 권선(24) 위로 유동할 수 있고 덮개(56)의 존재에 의해 고정자 공동(58) 내에 집중될 수 있다. 또한, 냉각제가 교반기 부재(38)를 향해 유동할 때에, 고정자 말단 권선(24)과, 고정자 말단 권선(24) 둘레에 다시 한번 집중될 수 있는 덮개(56)를 향해 반경 방향으로 방출될 수 있다. 덮개(56)와 교반기 부재(38)의 조합은 냉각제를 고정자 말단 권선(24) 근처 및 둘레에서 적용하고 재순환시킴으로써 냉각 효과를 상승 개선시킬 수 있다.
고정자 공동(58)이 몇몇 실시예에서 기계 공동(16)과 유체 연통할 수 있기 때문에, 냉각제의 상당 부분이 고정자 공동(58) 내에 머무를 수 있는 동안에 냉각제의 일부가 기계 공동(16) 내로 유동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전자 허브(30) 근처에서 방출되는 추가 용적의 냉각제를 이용하여 추가 냉각이 달성될 수 있다. 추가 용적의 냉각제는 반경 방향 외측을 향해 복수 개의 교반기 채널(52) 중 일부를 통해 고정자 공동(58)을 향해 유동할 수 있어, 고정자 말단 권선(24)에 대해 적용 및 재적용될 수 있다. 냉각제의 추가 유동은 고정자 말단 권선(24) 근처에서 냉각제의 교환 및 반복적인 냉각제 재순환으로 인해 보다 효율적인 열 에너지 전달을 초래할 수 있다.
전기 기계 구성요소들에 걸쳐 유동한 후에, 냉각제는 [예컨대, 덮개(56) 외측의 기계 공동(16) 내로 또는 덮개(56)의 배출 포트(64)를 통해 유동함으로써] 하우징(12)의 바닥부에 또는 그 근처에 머무를 수 있다. 고여있는 냉각제를 하우징(12)으로부터 제거하게 하도록 바닥부에 또는 그 근처에 배출구(도시 생략)가 배치될 수 있다. 배출구는 라디에이터 또는 기타 적절한 열교환기와 같이 배출된 냉각제로부터 열 에너지를 제거할 수 있는 요소에 연결될 수 있어, 냉각제가 다시 유체 공급원으로 순환될 수 있다.
당업계의 숙련자라면 본 발명이 특정한 실시예 및 예와 관련하여 전술되었지만, 본 발명이 반드시 그러한 예로 제한되지 않고, 다수의 다른 실시예, 예, 용도, 수정 및 상기 실시예, 예, 및 용도로부터의 발전이 첨부된 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다는 것을 알 것이다. 본 명세서에 인용된 각 특허 및 공보의 전체 개시는 그러한 각 특허 또는 공보가 본 명세서에 개별적으로 참조로 합체된 것처럼 참조로 합체된다. 본 발명의 다양한 특징 및 이점이 이하의 청구범위에 기재되어 있다.
10: 전기 기계 모듈 12: 전기 기계
14: 하우징 16: 기계 공동
18: 내벽 20: 회전자

Claims (20)

  1. 냉각제에 의해 냉각될 수 있는 전기 기계 모듈로서,
    기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 내벽을 포함하는 하우징으로서, 냉각제 재킷을 포함하고, 상기 냉각제 재킷은 냉각제를 수용하도록 구성되며, 상기 내벽은 상기 냉각제 재킷으로부터 기계 공동 내로 상기 냉각제의 일부를 분산시키도록 구성되는 복수 개의 냉각제 구멍을 포함하는 것인 하우징;
    대향하는 단부면들을 갖고 제1 반경을 갖는 회전자와, 고정자 말단 권선을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계; 및
    상기 대향하는 단부면들에 인접하게 회전자에 작동 가능하게 연결되고 상기 고정자 말단 권선의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 축방향으로 외측을 향해 연장되는 교반기 부재
    를 포함하고, 상기 교반기 부재는 상기 냉각제 구멍 중 적어도 일부를 통해 분산되는 냉각제 중 적어도 일부가 상기 고정자 말단 권선을 향해 반경 방향으로 외측을 향한 방향으로 방출되도록 구성되는 것인 전기 기계 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 반경 방향 원위 표면과 반경 방향 근위 표면을 포함하고, 상기 반경 방향 원위 표면은 텍스쳐 표면을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 기계는 회전자 허브를 더 포함하고, 상기 교반기 부재는 상기 회전자 허브에 의해 회전자에 연결되는 것인 전기 기계 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 대향하는 단부면들에 인접하게 회전자에 작동 가능하게 연결되는 밸런스 링을 더 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 교반기 부재와 밸런스 링은 일체형이고, 상기 교반기 부재의 적어도 일부는 회전자로부터 멀어지게 상기 밸런스 링을 지나서 축방향으로 연장되는 것인 전기 기계 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 교반기 부재는 반경 방향 원위 표면과 반경 방향 근위 표면을 포함하고, 상기 반경 방향 원위 표면은 텍스쳐 표면을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 교반기 링을 통해 반경 방향으로 연장하는 복수 개의 교반기 채널을 더 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수 개의 교반기 채널은 상기 반경 방향 근위 표면과 반경 방향 원위 표면 사이에서 유동하는 냉각제의 경로를 제공하는 것인 전기 기계 모듈.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재의 축방향 길이는 상기 고정자 말단 권선의 축방향 길이보다 작거나, 크거나, 실질적으로 동일한 것인 전기 기계 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 전기 기계의 작동 중에 회전자와 함께 회전하는 것인 전기 기계 모듈.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 실질적으로 링형인 것인 전기 기계 모듈.
  14. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 회전자에 직접 연결되는 것인 전기 기계 모듈.
  15. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 회전자의 회전축에 대해 양의 방향과 음의 방향 중 하나의 방향으로 배향되는 것인 전기 기계 모듈.
  16. 제1항에 있어서, 상기 교반기 부재는 회전자의 회전축에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 것인 전기 기계 모듈.
  17. 전기 기계의 조립 방법으로서,
    대향하는 단부면들을 갖는 회전자와, 상기 회전자를 실질적으로 둘러싸고 고정자 말단 권선을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계를 마련하는 단계;
    상기 전기 기계의 적어도 일부를 하우징 내에 실질적으로 둘러싸는 단계;
    상기 하우징의 내벽에 의해 기계 공동의 적어도 일부를 획정하는 단계;
    냉각제를 수용할 수 있는 냉각제 재킷을, 냉각제 재킷이 고정자의 적어도 일부를 둘러싸도록 위치 설정하는 단계;
    상기 내벽의 일부를 통해 복수 개의 냉각제 구멍을 배치하는 단계로서, 상기 복수 개의 냉각제 구멍은 반경 방향으로 내측을 향한 방향에서 상기 냉각제의 일부를 상기 냉각제 재킷으로부터 상기 고정자 말단 권선을 향해 안내하도록 구성되는 것인 단계; 및
    상기 대향하는 단부면들 중 적어도 하나의 단부면 근처에서 회전자에 교반기 부재를 연결하는 단계로서, 상기 교반기 부재는 상기 고정자 말단 권선을 지나서 유동하는 냉각제의 일부를 냉각을 위해 반경 방향으로 외측을 향한 방향에서 상기 고정자 말단 권선을 향해 다시 보내도록 구성되는 단계
    를 포함하는 전기 기계의 조립 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 교반기 부재는 상기 냉각제의 적어도 일부를 고정자 말단 권선 근처에 집중시키도록 구성되는 것인 전기 기계의 조립 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 회전자는 제1 반경을 갖고 상기 교반기 부재는 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 갖는 것인 전기 기계의 조립 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 교반기 부재는 반경 방향 원위 표면과 반경 방향 근위 표면을 포함하고, 상기 반경 방향 원위 표면은 텍스쳐 표면을 포함하는 것인 전기 기계의 조립 방법.
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