KR101863481B1 - 횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 로터 - Google Patents

횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 로터 Download PDF

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월리 이. 리펠
에릭 이. 리펠
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프리펠 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

전기 기계는 유체 냉각을 구비한다. 전기 기계는 스테이터를 포함하고, 스테이터는 복수 개의 적층된 자기 적층물들을 가지는 스테이터 코어 및 스테이터 와인딩을 가지며, 스테이터 코어의 각 적층물들은 스테이터 복수개의 스테이터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 복수개의 구멍들을 가지고, 복수 개의 스테이터 유체 채널들의 스테이터 유체 채널은 완전히 축 방향이 아니다. 전기 기계는 로터를 더 포함하고, 로터는 복수 개의 적층된 자기 적층물들을 가지는 로터 코어 및 샤프트를 포함하며, 로터 코어의 각 적층물들은 로터 유체 채널들과 유체연통에 있는 회전식 유체 커플링, 및 복수 개의 로터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 복수 개의 구멍를 가진다. 로터와 스테이터는 로터와 스테이터 사이의 공기 갭을 포함하는 자기 경로를 형성하도록 구성된다.

Description

횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 로터{INDUCTION MOTOR WITH TRANSVERSE LIQUID COOLED ROTOR AND STATOR}
본원을 따르는 실시예들의 하나 이상의 양태들은 전기 모터들(electric motors), 및 더 특히 전기 기계(electric machine)의 냉각을 위한 시스템에 대한 것이다.
질량 비의 동력(power to mass ratio; 비출력(specific power))은 전기 모터를 위해, 특히 전기 및 하이브리드 비히클(electric and hybrid vehicles)에 동력으로(power) 이용되는 것들을 위한 중요한 계량(metric)이다. 비출력이 증가됨으로써, 모터 질량(motor mass)은 주어진 성능의 수준(level of performance)을 유지하는 동안 줄어들 수 있다. 이는 직접 및 간접적인 경제적 이익 둘 모두를 제공한다.
동력은 샤프트(shaft) 속도 및 토크의 산출물(product)과 동이하고, 동력(즉 비출력)은 속도 및 토크 둘 모두를 증가 시킴으로써 증가될 수 있다. 속도를 위한, 궁극적인 제한(ultimate limit)은 원심 응력(centrifugal stress)이 기계적으로 실패하는(mechanically fail)로터를 야기하는 것일 수 있다. 인덕션 모터들(induction motors)을 위한 로터 구조(rotor structure)는 상대적으로 강할 수 있으며 따라서 상대적으로 높은 속도들은 안전하게 허용될(tolerated) 수 있다. 150 m/section의 로터 표면 속도는 몇몇 디자인들에 의해 가능할 수 있다.
또한, 궁극적인 토크 제한은 다른 모터 타입들을 위해 다를 수 있다. 토크 제한은 갭 자속 밀도(gap magnetic flux density)의 제곱(square)에 비례될(proportionate) 수 있다. 또한, 다른 인자들(factors)은 토크에 영향을 줄 수(affect) 있다. 인덕션 모터의 경우에, 누설 인덕턴스(leakage inductance)는 인자이고, 최대 토크는 이러한 매개변수(parameter)와 역으로 바뀔 수(vary) 있다. 따라서, 인덕션 모터들을 위한, 더 높은 특정 토크(higher specific torque)는 누설 인덕턴스를 수용함으로써 달성될 수 있다.
철 손실(Iron losses)은 전기 주파수(electrical frequency)의 제곱과 대략 비례하게 생산된다. 속도(rpm)는 전기 주파수에 비례하고, 이는 철 손실이 샤프트 속도의 제곱과 대략적으로 바뀌는 것을 따른다. 마찬가지로, 컨덕터 손실(conductor losses)은 전류(current)와 대략적으로 비례한다. 차례로, 토크는 (최대 자속 밀도의 상태들 하에서) 전류와 대략적으로 비례한다. 따라서, 컨덕터 손실은 토크의 제곱에 의해 대략적으로 변한다. 따라서, 만약 속도와 토크가 서로 비례하도록 유지된다면, 효율이 일정하게(constant) 유지되는 것을 따른다. 따라서, 예를 들어, 만약 토크와 속도가 두 배가된다면(doubled), 두 손실과 통과-동력은 네 인자에 의해 증가되는 반면에, 효율은 대략적으로 일정하게 유지된다. 그러나, 열 전달(Heat transfer)은 또한 네 인자에 의해 증가된다. 따라서, 이는 전기 모터에서 효과적인 냉각을 제공하기 위한 시스템을 위해 필요하다.
본 원의 실시예들의 양태들은 10kW 내지 1000kW의 범위 내의 기계들을 위해 10kW/kg의 초과(excess)인 연속적인 비출력 수준들을 가능하게 하는 인덕션 모터를 냉각하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 매우 높은 비출력 수준들을 달성하기 위해, 로터 표면 속도(rotor surface speeds)는 1500A/cm2 정도(order of 1500 A/cm2)의 스테이터 및 로터 전류 밀도(current densities)와 120m/sec 정도로 유지된다. 컨덕터 및 철 특정 손실들의 결과(resulting conductor and iron specific losses)는 각각 5W/cm3 및 1W/cm3 정도이다. 열 생산(heat production)의 이러한 높은 수중을 위하여 요구되는 특정 열 전달은 (기계 활성 볼륨의 평균인) 01 W/cm3/°C 정도이다. 열은 유체(즉, 냉각제(coolant))가 다른 자기 적층물(magnetic lamination)마다 있는 구멍들(apertures)에 의해 형성되는 좁은 영역들(narrow regions)을 통해 횡방향으로 흐르는, "횡방향 적층물 냉각(transverse lamination cooling)"으로 명명되는, 액체 냉각의 방법 및 시스템을 이용하여 제거된다. 열전달의 요구되는 수준들은 유체와 같은 오일(ATF 또는 변압기 오일(transformer oil))을 이용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테이터로서, 스테이터는 복수 개의 적층된 자기 적층물들(stacked magnetic laminations)을 가지는 스테이터 코어와 스테이터 와인딩(stator winding)을 가지고, 스테이터 코어의 적층물들의 각각은 복수 개의 스테이터 유체 채널(stator fluid channel)들을 형성하도록 겹쳐지는(overlapping) 복수 개의 구멍들을 가지며, 복수 개의 스테이터 유체 채널들의 스테이터 유체 채널은 완전히 축 방향(entirely axial)은 아닌 스테이터; 로터로서, 로터는 복수 개의 적층된 자기 적층물들을 가지는 로터 코어 및 샤프트를 가지고, 로터 코어의 적층물들의 각각은 복수 개의 로터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 복수 개의 구멍들을 가지는 로터; 및 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 회전식 유체 커플링(rotary fluid coupling)을 포함하고, 여기서 로터 및 스테이터는 로터 및 스테이터 사이에 공기 갭을 포함하는 자기 경로를 형성하도록 구성되는 전기 기계가 제공된다.
일 실시예에서, 스테이터 코어의 적층물들의 복수 개의 구멍들은 샤프트와 나선 동축 상에 있고(falls on), 및/또는 로터 코어의 적층물들의 복수 개의 구멍들은 샤프트와 나선 동축 상에 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 로터 유체 채널들의 로터 유체 채널은 완전히 축 방향이 아니다.
일 실시예에서, 기계는, 스테이터 매니폴드(stator manifold)로서, 스테이터 매니폴드는 스테이터 유체 채널들과 유체 연통하는 스테이터 매니폴드 유체 채널을 가지는 스테이터 매니폴드; 및 로터 매니폴드로서, 로터 매니폴드는 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 로터 매니폴드 유체 채널을 가지는 로터 매니폴드 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 스테이터 코어의 적층물은 제1 구멍과 제2 구멍을 포함하고, 제1 구멍은 제2 구멍과 크기 및/또는 모양이 다르고, 및/또는 로터 코어의 적층물은 제1 구멍과 제2 구멍을 포함하고, 제1 구멍은 제2 구멍과 크기 및/또는 모양이 다르다.
일 실시예에서, 로터 코어와 스테이터 코어 중 적어도 하나는, 제1 축 방향(first axial orientation)을 구비하는 제1 적층물로서, 제1 적층물은 복수 개의 실질적으로 동일한 제1 구멍들을 가지는 제1 적층물; 및 제2 축 방향(second axial orientation)을 구비하는 제2 적층물로서, 복수 개의 실질적으로 동일한 제2 구멍들을 가지는 제2 적층물을 포함하고, 여기서 제1 구멍들 중 하나는 제2 구멍들 중 하나와 크기 및/또는 모양이 다르고, 및/또는 제1 축 방향은 제2 축 방향과 다르다.
일 실시예에서, 로터 코어 및 스테이터 코어의 각각은, 제1 축 방향을 가지는 제1 적층물로서, 제1 적층물은 복수 개의 실질적으로 동일한 제1 구멍들을 가지는 제1 적층물; 및 제2 축 방향을 가지는 제2 적층물로서, 복수 개의 실질적으로 동일한 제2 구멍들을 가지는 제2 적층물을 포함하고, 여기서 제1 구멍들 중 하나는 제2 구멍들 중 하나와 크기 및/또는 모양이 다르고, 및/또는 제1 축 방향은 제2 축 방향과 다르다.
일 실시예에서, 스테이터 코어 및 로터 코어 중 적어도 하나는, 구멍을 가지는 제1 적층물; 및 제1 적층물에 인접한 제2 적층물을 포함하고, 제2 적층물은 제1 적층물의 구멍과 모양 및/또는 크기가 다른 구멍을 가진다.
일 실시예에서, 로터 코어 및 스테이터 코어 중 적어도 하나는 제1 적층물; 및 제1 적층물에 인접하고, 제1 적층물과 실질적으로 동일하며, 제1 적층물과 동일한 축 방향을 가지는 제2 적층물을 포함한다.
일 실시예에서, 스테이터의 적층물들 중 제1 적층물은 스테이터의 적층물들 중 제2 적층물과 실질적으로 동일하고, 및/또는 로터의 적층물들 중 제1 적층물은 로터의 적층물들 중 제2 적층물과 실질적으로 동일하다.
일 실시예에서, 기계는, 로터 코어에 확보되는(secured) 유동 다이렉터(flow director) 및/또는 스테이터 코어에 확보되는 유동 다이렉터를 포함한다.
일 실시예에서, 기계는, 로터의 적층물의 구멍으로 연장하는 돌출부(protrusion)를 가지는 유동 다이렉터 및 스테이터의 적층물의 구멍으로 연장하는 돌출부를 가지는 유동 다이렉터 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 로터 코어는 제2 적층물 및 로터 코어의 일 단부에서 제1 적층물을 포함하고, 제1 적층물은 적어도 하나의 구멍을 가지고 제2 적층물은 제1 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치지 않는 구멍을 가지고, 및/또는 스테이터 코어는 제2 적층물 및 스테이터 코어의 일 단부에서 제1 적층물을 포함하고, 제1 적층물은 적어도 하나의 구멍을 가지고 제2 적층물은 제1 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치지 않는 구멍을 가진다.
일 실시예에서, 로터 코어 및 스테이터 코어 중 적어도 하나는, 코어의 제1 단부에서, 적어도 하나의 구멍을 가지는, 제1 적층물; 및 제1 단부의 반대편(opposite)의 코어의 일 단부에서, 적어도 하나의 구멍을 가지는, 제2 적층물을 포함하고, 제2 적층물은 제1 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치지 않는 구멍을 가지고, 제1 적층물은 제2 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치지 않는 구멍을 가진다.
일 실시예에서, 스테이터 코어는 대략 0.4 W/m/°C보다 큰 열 전도성(thermal conductivity)을 가지는 전기적으로 절연하는 수지(electrically insulating resin)를 포함하고, 상기 수지는 공간이 약 10%보다 작은 공극률(void fraction)을 구비하도록, 스테이터 와인딩 및 스테이터 코어 사이의 공간, 및/또는 스테이터 와인딩의 단부 턴 및 스테이터 매니폴드 사이의 공간을 채운다.
일 실시예에서, 스테이터 매니폴드는 회전식 유체 커플링과 유체 연통한다.
일 실시예에서, 스테이터 매니폴드 유체 채널은 복수 개의 적층된 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물(stator manifold cooler lamination)들을 포함하고, 여기서 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물들의 각각은 복수 개의 스테이터 쿨러 구멍(stator cooler aperture)들을 가지고, 스테이터 쿨러 구멍들은 복수 개의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널들을 형성하도록 겹친다.
일 실시예에서, 복수 개의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널들 중 하나의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널은 완전히 축 방향이 아니다.
일 실시예에서, 기계는, 로터 매니폴드로서, 로터 매니폴드는 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 로터 매니폴드 유체 채널을 가지는 로터 매니폴드를 포함하고, 여기서 로터 매니폴드 유체 채널은 로터 매니폴드 유체 채널에서의 유체 및 로터 매니폴드 사이에 열 전달을 높이도록 구성된 내부 구조를 가지고, 여기서 로터는 복수 개의 축 바(axial bar)들과 두 개의 단부 링들(two end rings)을 가지는 로터 케이지(rotor cage)를 더 포함하고, 여기서 로터 매니폴드는 두 개의 단부 링들 중 일 단부 링 내부에 끼워지는(embedded) 돌출부를 가진다.
일 실시예에서, 로터 매니폴드는 밸런싱 물질(balancing material)을 확보(secure)하도록 구성되는 홀, 리세스, 또는 돌출부를 가진다.
일 실시예에서, 기계는, 샤프트의 단부를 지지하도록 구성된 베어링; 및 베어링을 지지하도록 구성된 단부 벨(end bell)을 포함하고, 여기서 베어링은 단부 벨과 샤프트 사이에 전기적으로 전도성 있는 경로(electrically conductive path)의 일부를 형성하지 않는다.
일 실시예에서, 스테이터 코어의 외부 표면 및/또는 로터 코어의 외부 표면은 수지로 밀봉된다.
일 실시예에서, 기계는 스테이터 코어를 에워싸는 인클로저를 포함하고, 인클로저는 기계로부터 유체의 누설(leakage)을 방지하도록 구성된다.
일 실시예에서, 기계는 로터 유체 채널들 및 스테이터 유체 채널들에서의 유체를 포함하고, 유체는, 자동 변속 유체(automatic transmission fluids), 변압기 오일 및 물-기반 솔루션들로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 기계는 누설된 유체를 주 유체 경로(main fluid circuit)로 되돌리(return)도록 구성되는 배유 펌프(scavenge pump)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터; 스테이터; 스테이터를 냉각하기 위한 제1 냉각 수단(first cooling means); 및 로터를 냉각하기 위한 제2 냉각 수단(second cooling means)을 포함하고, 여기서 제1 냉각 수단은 복수 개의 스테이터 유체 채널들을 포함하고, 스테이터 유체 채널들 중 하나는 완전히 축 방향이 아니고, 제2 냉각 수단은 복수 개의 로터 유체 채널들을 포함하는 전기 기계가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테이터로서, 스테이터는 스테이터 와인딩; 및 복수 개의 적층된 자기 스테이터 적층물들을 포함하는 스테이터 코어를 포함하고, 스테이터 적층물들의 각각은 복수 개의 스테이터 구멍들을 가지고, 스테이터 구멍들은 복수 개의 스테이터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지고, 복수 개의 스테이터 유체 채널들 중 하나의 유체 채널은 완전히 축 방향이 아닌 스테이터; 샤프트; 및 복수 개의 적층된 자기 로터 적층물들을 포함하는 로터 코어로서, 로터 적층물들의 각각은 복수 개의 로터 구멍들을 가지고, 로터 구멍들은 복수 개의 로터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지고, 복수 개의 로터 유체 채널들 중 하나의 유체 채널은 완전히 축 방향은 아닌 로터 코어; 및 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 회전식 유체 커플링; 스테이터의 일 단부에 확보되는 단부 벨로서, 단부 벨은 밸런싱 퍼티를 확보하도록 구성되는 특징을 포함하는 단부 벨; 샤프트의 일 단부를 지지하도록 구성되고 단부 벨에 의해 지지되는 베어링으로서, 베어링은 내부 레이스, 외부 레이스 및 비-전도성 요소를 포함하고, 내부 레이스는 외부 레이스로부터 절연되는 베어링; 회전식 유체 커플링과 유체 연통하고 스테이터 유체 채널들과 유체 연통하는 스테이터 매니폴드 유체 채널을 포함하는 스테이터 매니폴드; 로터 유체 채널들 및 회전식 유체 커플링과 유체 연통하는 로터 매니폴드 유체 채널을 포함하는 로터 매니폴드; 및 누출된 유체를 주 유체 경로로 되돌리도록 구성되는 배유 펌프를 포함하는 전기 기계가 제공된다.
본 발명에 개시되어 있음.
본 발명의 이러한 및 다른 특징들과 이점들은 설명, 청구범위 및 첨부된 도면들을 참조로 하여 이해되고 인식될 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터의 축 방향 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 라인 1b-1b을 따라서 취해진(taken) 모터의 횡방향 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 라인1c-1c을 따라서 취해진 모터의 횡방향 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유체 유동을 묘사하는 적층물 구조의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 로터 적층물 타입의 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 로터 적층물 타입의 평면도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제3 로터 적층물 타입의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로터 코어의 전개된 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 스테이터 적층물 타입의 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 스테이터 적층물 타입의 평면도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제3 스테이터 적층물 타입의 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물 타입의 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물 타입의 평면도이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제3 매니폴드 쿨러 적층물 타입의 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 스테이터 매니폴드 쿨러를 포함하는 후방 스테이터 매니폴드의 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 A-A를 따르는 도 7a의 스테이터 매니폴드의 단면도이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 매니폴드 쿨러 적층물들을 구비하는 후방 스테이터 매니폴드의 전개된 사시도이다.
도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유동 다이렉터를 형성하는 돌출부를 보여주는 후방 스테이터 매니폴드의 평면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로터 매니폴드의 평면도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 A-A를 따르는 도 8a의 로터 매니폴드의 단면도이다.
도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 B-B를 따르는 도 8a의 로터 매니폴드의 단면도이다.
도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로터의 분리된 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 로터 코어 및 스테이터 코어의 개략적인 전개도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 나선형 유체 통로를 구비하는 로터 코어의 개략적인 전개도이다.
첨부된 도면에 관련하여 아래에서 후술되는 상세한 설명은 본 발명에 따라서 제공되는 횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 모터의 예시적인 실시예들의 설명으로써 의도되고 본 발명은 구성 또는 이용될 수 있는 형상만을 표현하도록 의도되는 것은 아니다. 설명은 도시된 실시예들에 관련한 본 발명의 이후 특징들을 설정한다. 그러나 같은 또는 동등한 특징들 및 구조들이 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되도록 또한 의도되는 다른 실시예들에 의해 성취될 수 있는 것은 이해되어진다. 본원 어떠한 곳에 표시되는 바와 같이, 같은 요소 번호들은 같은 요소들 또는 특징들을 표현하도록 의도된다.
도 1a는, 전기 기계(100), 예를 들어 로터(170) 및 스테이터(163)를 포함하는 인덕션 모터의 축 방향 단면도이다. 일 실시예에서, 모터는 두 개의 평행한 유체 유동 경로들 - 스테이터 코어(101)를 위한 경로 및 로터 코어(127)를 위한 경로 - 을 가진다. 다른 실시예에서, 로터 코어(127)를 위한 및 스테이터 코어(101)를 위한 각각의 유체 유동 경로들은 직렬로(to be in series) 배열될 수 있다. 스테이터(163)는 와인딩(105)을 구비하는 적층된 스테이터 코어(laminated stator core)(101), 전방 및 후방 스테이터 매니폴드(front and rear stator manifold)들(103, 135) 및 전방 및 후방 스테이터 매니폴드 쿨러(front and rear stator manifold cooler)들(104, 160)을 포함한다. 로터(170)는 케이지(cage)(159)를 구비하는 적층된 로터 코어(laminated rotor core)(127), 전방 및 후방 로터 매니폴드(front and rear rotor manifold)들(109, 155) 및 부분적으로 빈 샤프트(partly hollow shaft)(115)를 포함한다. 모터는 전방 및 후방 단부 벨(front and rear end bell)들(107, 157), 전방 및 후방 회전식 샤프트 밀봉(front and rear rotary shaft seal)들(113, 149) 및 전방 및 후방 베어링(front and rear bearing)들(123, 141)을 더 포함한다. 공기 갭(air gap)(137)은 로터 코어(127)와 스테이터 코어(101)를 분리한다. 일 실시예에서, 스테이터 매니폴드들 중 적어도 하나는 각각의 단부 벨의 일체로 된 부분(integral part)이다. 모터의 중심에서(도 1b) 및 단부 턴, 스테이터, 매니폴드 및 베어링을 통과하는 절단면에서(도 1c), 도 1b 및 도 1c는 모터를 통하는 횡방향 영역들을 도시한다.
스테이터 매니폴드들(103, 135)은 다섯 가지 기능 - 스테이터 유체 통로들(131)로부터 및 스테이터 유체 통로들(131)로 유체 유동을 분배하는 기능, 단부 벨들(107, 157) 내의 유체 채널들(112, 153)을 통해 로터 유체 통로들(139)로부터 및 로터 유체 통로들(139)로 유체를 전달하는 기능, 와인딩 단부 턴(winding end turn)들(172)로부터 유체로 열을 전달하는 기능, 스테이터 코어(101)를 위한 축 방향 압축(axial compression)을 제공하는 기능 및 단부 벨들을 확보하고 위치시키는 기능을 제공한다. 로터 코어의 각각의 면(each face)(174, 176)에 부착되는 로터 매니폴드들(109, 155)은 다섯 가지 기능 - 로터 유체 통로들(139)로부터 및 로터 유체 통로들(139)로 유체 유동을 분배하는 기능, 단부 링들(1310)로부터 유체로 열을 전달하는 기능, 단부 링들(1310)을 기계적으로 강화하는 기능, 로터 코어(127)를 위한 축 방향 압축을 제공하는 기능 및 동적 밸런싱(balancing)을 위한 수단을 제공하는 기능을 제공한다. 단부 벨들(107, 157)의 각각은 세 개의 기능 - 베어링 지지를 제공하는 기능, 스테이터 매니폴드 포트들(178)과 유체 커플링들(180) 사이에 유체 유동을 위한 채널들을 제공하는 기능 및 유체 커플링들(180)을 수용하는 기능을 제공한다.
도 2, 도 3a 내지 도 3c 및 도 4에서 도시된 바와 같이, 로터 코어(127)는 적층된 자기 적층물들(310, 320, 330)로 구성되고, 자기 적층물들(310, 320, 330)의 각각은 유체 통로들(210, 220)(도 2)을 형성하도록 완전히 정렬되거나 부분적으로 정렬되는 분포된 구멍들(315, 325, 335)을 포함한다. 로터 유체 통로들(210, 220)은 로터 유체 통로들(139)로서 일괄적으로(collectively) 지칭될 수 있다. 도 2는 로터 코어(127)를 위해 이용되는 유체 유동 통로들(139)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 일 실시예에서, 로터 코어(127)는 세 개의 각각의 구멍 구성요소들을 가지는, (각각 타입 1, 타입 2 및 타입 3으로 디자인되는) 세 가지 타입의 적층물들(310, 320, 330)으로 구성된다. 적층물들은 자기 적층물들일 수 있다. 타입 3은 적층물 적층의 단부들(240, 250)에서 이용되고 "유동 다이렉트들"로 기능하는 반면, 타입 1과 타입 2는 단부 적층물들 내부에서 교대로(alternately) 적층된다. 타입 1 적층물들의 구멍들(315)은 서로와 정렬되고, 타입 1과 타입 2의 적층물들의 스택을 통해서 연장하는 통로들(210, 220)을 형성하고, 적층물들에 실질적으로 수직이다. (도 2에서 도시된 방향으로 수직한) 이 통로들의 각각은 타입 1 적층물(310)의 한 쌍의 인접한 구멍들(315)을 분리하는 웹(web)(312)에 의해 모든 타입 1 적층물(310)에서 부분적으로 차단된다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 단일 타입 3 적층물(330)(상단단부, 240)은 스택에서 ("홀수 통로들(odd numbered passages)"로 지칭될 수 있는) 제1 세트의 통로들(210)로 유입 유동(inlet flow)을 안내하도록 기능하는 반면, 반대 단부(250)(하단 단부)에서 단일 타입 3 적층물(330)은 제2 세트("짝수의")의 통로들(220)로 배출 유동을 제한한다. 도 2의 배열에서, 통로들(210, 220) 중 어떠한 통로들도 스택을 통한 모든 길(way)을 연장하지 않기 때문에, 스택을 통한 각각의 유체 경로 또는 "유체 채널"(260)은 이의 길이의 부분들을 넘어서 축 방향(도 2에서, 수직인)이고, 수평한(horizontal) 화살표들에 의해 표현되는 바와 같이, 스택 내부에 횡방향(예를 들어, 도 2에서, 방위각(azimuthal), 또는 수평) 구성요소(230)를 가진다. 이러한 형태(configuration)에서, 유동은 좁은 영역들(257)을 통하여 홀수 통로들로부터 짝수 통로들로 흐르도록 강제되고, 좁은 영역들(257)에서 열 전달은 유체 내부의 짧은 열 유동 경로들(short heat flow paths)로 인하여 매우 효율적이다. 유체 유동의 이러한 횡단 영역들을 위해, 각 유체 채널의 폭은 하나의 적층물 두께와 같을 수 있다. 이와 같이, 특징적인 열 유동 거리(characteristic heat flow distance)는 사분의 일 적층물 두께 정도(order of one fourth lamination thickness)이다. 좁은 영역들(257)과 조합되는 큰 전체 표면 구역(area)과 결합되는 이러한 매우 짧은 열 유동 거리들 때문에, 적층물들과 유체 사이의 높은 열 전달은 달성될 수 있다. 다른 요소들, 예를 들어 매니폴드들로 제작되는(built) 특성 또는 비-자기 적층물들은 타입 3 자기 적층물들 대신에 유동 다이렉터들로서 이용될 수 있다. 스테이터 코어 적층물들은 매니폴드 쿨러들과 같이 유사하게 배열된 구멍들을 가질 수 있다.
본원에서 언급되는 "유동 다이렉터"는 적층물들의 스택에서 통로들 중 일부의 통로들, 그러나 모두는 아닌 통로들로 또는 이 통로들 밖으로 유체가 흐르도록 허용하는 구조이다. 유동 다이렉터는, 타입 1 적층물들의 구멍들 중 일부 구멍들, 그러나 모두는 아닌 구멍들과 겹치는 일 세트의 구멍들(335)을 구비하는 위에서 기술된 바와 같은 자기 적층물일 수 있거나, 유동 다이렉터는 비-자기 물질, 예를 들어 알루미늄의 시트일 수 있거나, 유동 다이렉터는, 유사한 구멍들 또는 예를 들어, 타입 1 적층물의 하나 이상의 구멍들을 막기에 충분히 먼 하나 이상의 통로들로 연장하는 돌출부들(190)(도 7d)을 구비하는, 매니폴드로 통합되는 구조일 수 있다.
본원에서 언급되는 용어(terminology)에서, 제1 적층물 및 제2 적층물에 각각 있는 제1 구멍 및 제2 구멍은, 두 개의 적층물들이 인접하고 두 개의 구멍들이 일반적인 상식에 따라 겹치면, 즉 제1 구멍 및 제2 구멍을 통해서 연장하는 열린 경로이면 "겹침"으로 언급된다. 비-인접한 제1 적층물 및 제2 적층물에 대하여, 제1 적층물 및 제2 적층물에 각각 있는 제1 구멍 및 제2 구멍도, 제2 적층물 상으로 축 방향으로 돌출되는(projected) 제1 구멍이 제2 구멍과 겹치면, 즉 두 개의 구멍들 모두를 통해서 연장하는 모터의 축에 평행한 직선이면, "겹침"으로 언급된다.
구멍들의 수가 증가됨으로써, 유체 유동 길들은 짧아지고 유닛 유동 당 헤드 손실의 비율(head loss per unit flow rate)은 줄어드는 반면 열 전달은 본질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 충분하게 큰 구멍들의 수에서, 상대적으로 낮은 헤드 손실은 자동 변속 유체(252; ATF) 또는 변압기 오일(255)와 같은 유체를 위해 달성될 수 있다. 또한, 물, 또는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 같이 첨가물과 섞이는 물과 같은, 물-기반 솔루션(253)은 냉각 유체와 같이 이용될 수 있다. 물은 다른 냉각제들보다 더 높은 비열 용량(specific heat capacity)을 가질 수 있다. 이러한 물-기반 냉각 유체는 전기 기계(100)의 부품들의 부식의 증가된 위험을 전할 수(carry) 있지만, 이는 첨가물들을 이용하는 이러한 위험을 가볍게 하는 것(mitigate)이 가능할 수 있으며; 더욱이, 위험은 예를 들어, 긴 수명이 필요치 않은, 레이스 모터들인, 적용들에서 용인될 수 있다. 매우 얇은 적층물들이 이용되는 바와 같은 몇몇 경우들에서, 타입 1 및 타입 2 적층물들은 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 유동 다이렉트 사이에서 적층물들의 스택은 두 개 또는 세 개의 적층물들의 교대하는 그룹들로 구성될 수 있고, 적층물들은 각각의 그룹에서 동일할 수 있다(즉, 연속적으로 --11, 22, 11-- 또는 연속적으로 ---111, 222, 111---, 등으로 스택된다). 또한, 세개의 적층물들 이상의 그룹들도 이용될 수 있다.
로터에서, 타입 1 적층물들(310)은 상대적으로 넓은 유체 구멍들(315)을 가질 수 있고, 두 개의 타입 3 적층물들(300) 사이에서 타입 2 적층물들(320)과 함께 교대할 수 있으며, 이는 타입 3 적층물들(330)의 구멍들(335)과 유사한, 상대적으로 좁은 구멍들(325)을 가질 수 있다.
도 1a를 다시 참조하면, 로터 코어(127)의 후방 단부에서, 후방 로터 매니폴드(155)는 로터 코어(127) 내부에 로터 유체 통로들(139)에 대하여 바깥 방향으로 방사 방향으로 분포되는 샤프트(115)로부터 유체를 수용한다. 반대 단부에서, 전방 로터 매니폴드(109)는 수용된 유체를 샤프트(115)에 대하여 내부 방향으로 방사 방향으로 안내(direct)한다. 로터 스택(rotor stack)의 단부들에서, 로터 유동 다이렉터들(108, 158)은 유입구(inlet) 및 배출구(outlet) 사이에 각각의 유체 경로가 횡방향 유동을 포함하도록 유입구 유동 및 배출구 유동을 안내한다.
일 실시예에서, 로터 내부의 유동이 단순한 축 방향 유동이도록 어떠한 유동 다이렉터들도 이용되지 않고, 모든 적층물들은 동일하다. 예를 들어, 적층물들은 도 3a에 도시된 모든 타입들일 수 있다. 이러한 실시예가 예를 들어 도 4의 실시예보다 더 낮은 열 전달 비율을 제공할 수 있는 한편, 생산하는 비용이 낮을 수 있다. 로터 및 스테이터를 위한 평행한 유체 유동 경로들을 통하여 유체가 유동하는 비율은, 예를 들어 적층물 유체 구멍들의 크기들을 적당히 변경함으로써 또는 이러한 유체 유동 경로들 중 하나 또는 두 개 모두의 유체 경로에서 오리피스(orifice) 또는 다른 메터링 압착기(metering constriction)와 같은 다른 장치들에 의해 조정될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 일 실시예에서, 로터 코어(127)와 같이, 스테이터 코어(101)는 적층된 자기 적층물들로 구성되고, 자기 적층물들의 각각은 유체 채널들을 형성하도록 부분적으로 정렬하는(즉, 겹치는) 분포된 구멍들을 포함한다. 로터 코어(127)의 적층물들을 위한 경우와 마찬가지로, 스테이터 코어 스택의 두 개의 단부들 상의 적층물들은, 유동 다이렉터들로 작용하도록 구성된 타입 3 적층물들(530)일 수 있는데, 예를 들어 타입 3 적층물들(530)의 인접한 구멍들 사이에서 각도의 절반(one half of the angle)만큼 하나의 타입 3 적층물(530)이 다른 하나의 타입 3 적층물(530)에 대하여 상대적으로 클로킹(clock)된다. 적층물 스택(lamination stack)의 나머지(remainder)는 짝수의 두 개의 교대하는 적층물 타입들로 구성될 수 있고, 그 중 제1 적층물인 타입 1 적층물(510)은 짝수의 상대적으로 넓은 유체 구멍들(515)을 가지고, 그 중 제2 적층물인 타입 2 적층물(520)은 짝수의 상대적으로 좁은 유체 구멍들(525)을 가진다. 타입 3 적층물들(530)의 각각은 타입 1 또는 타입 2 적층물들에 비하여 절반의 많은 유체 구멍들(353)을 가질 수 있다; 타입 3 적층물들(530)의 유체 구멍들(535)은 상대적으로 좁을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 적층물 스택은 동일한 적층물들로 구성되고, 여기에서 앞서 설명한 횡방향 냉각이 여전히 확립(establish)되도록 클로킹(clocking)은 인접한 적층물들(또는 적층물들의 그룹들) 사이에서 교대(alter)된다. 이러한 실시예에 의해 제공되는 열 전달 비율은 다른 구멍 너비들을 가지는 두 개의 타입들의 적층물들이 이용되는 경우의 열 전달 비율보다 더 적을 수 있다.
큰 기계들을 위한 것과 같은, 일부 실시예들에서, 적층물들은 두 개 이상의 동심원 세트들의 구멍들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층물들의 각각은 적층물의 중심축 상에 중심이 있는 제1 원(first circle) 상에 배열되는 제1 세트의 구멍들 및 제1 원과 동심이고 제1 원보다 더 크거나 작으며 제2 원(second circle) 상에 중심이 있는 제2 세트의 구멍들을 포함할 수 있다. 제2 세트의 구멍들은 제1 세트의 구멍들과 동일한 수의 구멍들을 포함할 수 있고, 제2 세트의 구멍들은 제1 세트의 구멍들의 구멍들과 방위각으로(azimuthally) 정렬될 수 있다. 제1 세트의 구멍들 및 제2 세트의 구멍들은 부품 내에서(예를 들어, 스테이터, 로터, 또는 매니폴드 쿨러 내에서) 분리 유체 경로(separate fluid circuit)들의 일부들을 형성할 수 있고, 유체 경로들은 유동 다이렉터들에 외부 유체 연결부들의 구조 및 유동 다이렉터들의 구조를 따라 직렬 또는 병렬이 되도록 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구멍들은 동일하지 않지만, 크기, 모양 및/또는 방향이 변한다.
스테이터 적층물들 모두는 종래의 와인딩 슬롯(winding slot)들을 형성하도록 완전히 정렬하는 슬롯들을 포함할 수 있다. 스테이터 코어(101)의 후방 단부에서, 후방 스테이터 매니폴드(135)는 유입구(133)로부터 유체를 수용하고, 이후 유체는 스테이터 유체 통로들(131)로 분배된다. 스테이터 코어(101)의 반대 단부에서, 전방 스테이터 매니폴드(103)는 스테이터 코어(101)로부터 수용된 유체를 배출구(129)로 안내한다. 스테이터 코어(101)의 후방 단부에서, 후방 스테이터 유동 다이렉터(134)는 홀수의 스택 구멍들로 유체의 진입을 안내하고, 전방 단부에서, 전방 스테이터 유동 다이렉터(102)는 짝수의 스택 구멍들로 유체의 배출을 제한한다.
도 1a를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 유체 누출이 발생하지 않도록 스테이터 매니폴드들(103, 135)은 스테이터 코어(101)의 각각의 면들에 밀봉된다. 이는 밀폐제(sealants), 평면 가스켓(flat gaskets), 오-링(O-rings) 또는 다른 수단들의 이용으로 달성된다. 일 실시예에서, 두 개의 스테이터 매니폴드들 및 두 개의 단부 벨들은 (미도시된) 타이 로드(tie rod)들과 함께 끌어당겨지고, 수용하는 특징들(예를 들어, 홀들)을 가진다.
샤프트(115)의 후방 단부에 위치된 샤프트 후방 축 방향 홀(Shaft rear axial hole)(143) 및 후방 방사 방향 홀들(147, 151)은 하나 이상의 후방 단부 벨 유체 채널들(153)으로부터 수용되는 유체를 후방 로터 매니폴드(155) 내부에서의 하나 이상의 후방 로터 매니폴드 유체 채널들(140)로 연통(communicate)시킨다. 마찬가지로, 샤프트(115)의 전방 단부에 위치된 전방 축 방향 홀(119) 및 전방 방사 방향 홀들(121, 125)은 하나 이상의 전방 로터 매니폴드 유체 채널들(126)로부터 수용되는 유체를 전방 단부 벨 유체 채널들(112)로 연통시킨다. 샤프트(115)는 각각의 축 방향 위치에서 하나 이상(예를 들어, 네 개)의 방사 방향 홀들을 가질 수 있다. 후방 샤프트 플러그(Rear shaft plug)(145) 및 전방 샤프트 플러그(front shaft plug)(117)는 유체가 샤프트 단부들을 빠져나가는(exiting) 것을 방지한다. 유동이 완전히 후방 방사 방향 홀들(147)로 안내되도록 후방 회전식 샤프트 밀봉들(149)은 후방 단부 벨 유체 채널들(153)으로부터 수용되는 유체를 억제(constrain)한다. 마찬가지로, 유동이 완전히 전방 단부 벨 유체 채널들(112)로 안내되도록 전방 회전식 샤프트 밀봉들(113)은 샤프트 전방 방사 방향 홀들(121)로부터 수용되는 유체를 억제한다. 다음으로, 후방 단부 벨 유체 채널들(153)은 정렬하고 밀봉하는 홀들을 통해 후방 스테이터 매니폴드 유체 채널(161)로부터 유동하는 유체를 수용한다. 마찬가지로, 전반 단부 벨 유체 채널들(112)은 전방 스테이터 매니폴드(103)로 유동하는 유체를 되돌(return)린다. 방사 방향 및 축 방향 샤프트 홀들, 샤프트 플러그들 및 샤프트 밀봉들의 조합들은 회전식 유체 커플링의 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 이러한 기능들은 앞서 설명한 바 대신에 외부 유체 커플링들에 의해 수행된다.
전방 및 후방 베어링들(123, 141)은 기존에 존재하던 것일 수 있고, 분리 유체 또는 모터를 냉각하도록 이용되는 유체 중 하나에 의해 윤활(lubricate)되거나 밀봉될 수 있다. 전기 동력이 비여과 인버터(unfiltered inverter)에 의해 제공되는 경우에, 적어도 하나의 베어링들은 절연(insulate)되어서 고 주파수 순환 전류(high frequency circulating current)들은 베어링들을 통해 흐르는 것이 방지된다. 이는 세라믹 또는 하이브리드 세라믹 베어링들을 이용함으로써, 또는 내부 또는 외부 절연 슬리브(insulating sleeve)를 포함하는 적어도 하나의 베어링을 이용함으로써 달성될 수 있다.
스테이터 와인딩은 기존에 존재하던 것일 수 있다. 단부 턴들은 강화된 냉각을 위한 스테이터 매니폴드들(103, 135)과 열 접촉으로 끌릴 수(brought into) 있다. 열 접촉은 알루미늄 산화물로 채워진 에폭시(aluminum oxide-filled epoxies)와 같은 열적으로 전도성 있는 수지를 이용함으로써 도움받을 수 있다. (예를 들어 전도성-강화 구성요소들(conductivity-enhancing components)의 추가에 의해) 수지의 열 전도성이 증가됨에 따라, 수지 점성(resin viscosity)은 증가할 수 있고, 제조 중 와인딩(105)으로 수지를 침투시키는 것을 어렵게 할 수 있다. 이러한 문제는 열가소성 캡슐화 기술(thermoplastic encapsulation technique)의 이용에 의해 극복될 수 있다; 몰드(mold)가 이용될 수 있으며, 포팅 수지(potting resin)는 압력 하에 주입될 수 있다. 이러한 접근에서, 4.0W/m/°C를 초과하는 열 전도성을 가지는 포팅 수지들이 효과적으로 이용될 수 있다(즉, 허용 가능한 낮은 공극률(void fraction)들은 이러한 수지와 함께 달성될 수 있다). 포팅 수지(165)가 스테이터 코어(101)로부터 와인딩(105) 사이의 공간을 채우고 이들 사이에 좋은 열적인 경로를 제공하는 동안, 포팅 수지(165)는, 예를 들어, 스테이터 코어(101)로부터 와인딩(105)을 절연시키도록 이용될 수 있다; 유체가 적층물-사이 갭들(inter-lamination gaps)을 통해서 로터 공동(rotor cavity)으로 누출되는 것이 방지되도록, 동일한 수지가 스테이터 코어(101)의 내부 표면을 밀봉하도록 동일한 처리가 적용된다. 스테이터 와인딩 내부의 어떠한 공간들도 채우기 위하여 동일한 수지(165)가 스테이터 와인딩으로 침투할 수 있어 와인딩 내부에서 개선된 열 전달을 제공한다. 일 실시예에서, 포팅 수지의 열 전도성은 0.4 W/m/°C 내지 10.0 W/m/°C 사이에 있을 수 있다. 스테이터 매니폴드의 내부 직경은 스테이터 매니폴드로부터 와인딩(105)을 전기적으로 절연하도록 유전물질(dielectric material)의 코팅 또는 시트를 가질 수 있다.
또한, 스테이터 코어(101) 및 와인딩(105)의 활성화 부분 사이에서의 열 전달은 증가될 수 있다. 이를 위해서, 종래의 슬롯 라이너들의 제거(elimination) 및 슬롯 벽들에 적용되는 에폭시 파우더 코팅(epoxy powder coat; 예를 들어, 열 가소성 코팅)과 같은 수지 코팅의 이용은 열 전달의 비율을 증가시킬 수 있다. 또한, 활성화 슬롯 영역 도처에서 관통하도록(penetrate) 위에서 언급된 열 가소성을 허용함으로써, 매우 높은 열 전달은 단부 턴을 위함뿐만 아니라 활성화 와인딩 요소를 위해 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 슬롯 라이너들(slot liners), 또는 강화된 열 전도성을 구비하는 슬롯 라이너들은 스테이터 코어(101) 및 와인딩(105) 사이에서 높은 열 전달을 제공하는 동안 적층물들로부터 전기적으로 와인딩(105)을 절연하도록 슬롯들(수지 코팅 대신에 또는 더하여)에서 이용된다.
일 실시예에 있어서, 단부 턴 단면(end turn cross section)은 종래의 "불지 패턴(bulge pattern)"에 대응되는 바와 같은, 직사각형으로서 유지된다. 이는 와인딩(105)이 완료된 후 쉽게 설치되는 매니폴드를 가능하게 하는 동안(while), 수직 벽들(straight walls)을 구비하는 단순한 매니폴드 디자인을 허용한다. 또한, 이러한 디자인은 스테이터 매니폴드 및 단부턴 사이의 개선된 열 전달을 가능하게 할 수 있다; 이러한 열 전달은 단부 턴 및 스테이터 매니폴드 사이의 어떠한 잽을 채우도록 수지(165)를 제공함(예를 들어, 분사)으로써 더 개선될 수 있다. 스테이터 매니폴드는 단부 턴의 상단면과 열 접촉으로 이끌어질 수 있는 상단 플랜지(top flange)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스테이터 매니폴드는 환형 단부 요소(annular end element)에 의해 연결되는 두 개의 짧은 동심 관 영역들을 포함할 수 있다; 내부 튜브 영역(inner tube section)은 단부 턴과 열 접촉에 있는 상간 플랜지를 형성할 수 있다. 이 특징은 와인딩(105)을 위해 추가되는 보호를 제공하는 동시에, 유체 및 단부 턴 사이의 열 전달을 더 개선한다.
도 6a 내지 도 6c 및 도 7a 내지 도 7c을 참조하면, 유체와 매니폴드의 벽들 사이에 열 전달을 강화하는 각각의 스테이터 매니폴드 내부에 구조가 추가될 수 있다. 예를 들어, 로터 및 스테이터 코어들 모두에서 이용되는 것과 유사한 구멍들을 가지는, 환형 금속성(annular metallic)(예를 들어, 알루미늄) 적층물들은 (도 6a내지 도 6c 및 도 7c에서 도시되는) 매니폴드 냉각 요소들을 형성하도록 적층(및 함께 접착(bond))된다. 전방 요소는 전방 스테이터 매니폴드 쿨러(104)로서 언급되고, 후방 요소는 후방 스테이터 매니폴드 쿨러(160)로서 언급된다. 이러한 요소들은 스테이터 매니폴드 유체 채널들(128, 161) 내부에서 압입(press-fitted)될 수 있어서 효율적인 열 접촉이 각각의 매니폴드들 및 매니폴드 쿨러들 사이에서 달성된다. 로터 및 스테이터 코어들과 같이, 매니폴드 쿨러는, 두 개의 타입 3 적층물들(630) 사이에서, 교대하는 타입 1 적층물들(610) 및 타입 2 적층물들(620)의 스택을 포함할 수 있고, 타입 3 적층물들(630)은 매니폴드 쿨러 유동 다이렉터로 작용하도록 서로에 대해 클로킹된다. 타입 1 적층물들(610)은 상대적으로 넓은 유체 구멍들(615)을 가질 수 있고, 타입 2 적층물들(620) 및 타입 3 적층물들(630)은 상대적으로 좁은 유체 구멍들(625, 635)를 가질 수 있다. 이러한 요소들을 통한 유체 유동은 스테이터 매니폴드 벽들을 통하여 단부 턴들로부터 전달되는 열을 효과적으로 제거하도록 기능한다. 예를 들어, 로터 케이지(159)의 단부 링들로부터 유체로 열 유동을 증가시키도록 로터 매니폴드들(109, 155)에서의 로터 매니폴드 쿨러들로서 유사한 내부 구조(interior structure)(예를 들어, 적층물들의 세트들)가 사용될(employed) 수 있다. 도 1a 및 도 7b에서, 스테이터 매니폴드 쿨러들(104, 160)의 구조의 일부 상세한 설명은 간단화되고 개략적으로 도시된다. 편의상(For simplicity), 스테이터 매니폴드의 유입구(133) 또는 배출구(129)는 도7b 및 도 7c에서 도시되지 않는다. 전방 스테이터 매니폴드(103)는 후방 스테이터 매니폴드(135)와 동일하거나 유사할 수 있다. 도 7b는 후방 스테이터 매니폴드(135) 내의 돌출부들을 도시하고, 돌출부들은 스테이터 매니폴드 쿨러의 타입 2 적층물들의 교차하는 구멍들을 막도록 위치되고 크기가 조절된다. 이러한 종류의 돌출부들(190)이 이용될 때, 돌출부들이 스택의 단부를 형성하는 타입 2 적층물의 구멍의 일부(예를 들어, 절반)를 맞물릴 수 있도록(즉, 차단할 수 있도록) 타입 3 적층물 및 타입 1 적층물이 돌출부들(190)을 맞물리는 스택의 단부로부터 생략될 수 있다는 점에서, 적층물 스택의 형태는 도 2와 다를 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 로터 매니폴드는 샤프트 홀(shaft hole)(710)을 형성하는 중앙 관 부분(central tubular portion)을 가질 수 있다. 중앙 관 부분은 로터 매니폴드 유체 채널(730)과 샤프트(115) 내의 방사 방향 홀들(125, 151) 사이에 흐르는 유체를 허용하도록 컷아웃들(cutouts)을 가질 수 있다. 로터 매니폴드는 도 8b 및 도 8c에서 도시된 바와 같이, 레지스터(register)(750)를 포함할 수 있고, 상부는 밸런싱 퍼티와 같은 밸런싱 물질 확보를 돕는다. 레지스터(750)의 하나 이상의 표면들은 홀들, 돌출부들 또는 리세스들과 같은 특징들(755)(features)을 가질 수 있다. 하나 이상의 표면들은 레지스터(750)에 밸런싱 퍼티(balancing putty)의 확보를 용이하게 하도록 거칠어질 수 있다(즉, 하나 이상의 표면들은 복수 개의 작은 돌출부들 및 리세스들을 포함할 수 있다). 특징들(755)은 도 8b에서 개략적으로 도시된다.
로터 케이지(159)는 기존에 존재하던 것일 수 있고 거푸집(cast; 예를 들어, 알루미늄 또는 구리)일 수 있으며, 또는 구조화될(structured; 예를 들어 구리) 수 있다. 일 실시예에서, 로터 케이지(159)는 로터 코어(127) 상에 위치한 로터 매니폴드를 구비하는 거푸집이고; 로터 매니폴드는 주조 처리(casting process) 동안 용융 금속(molten metal)을 위한 유체 경로들로서 역할을 하는 홀들(760)을 가질 수 있다. 또한, 로터 매니폴드 내의 이러한 홀들(760)은 로터의 강도(strength)를 증가시키는, 주조 후에 로터 매니 폴드에 로터 케이지(159)를 고정시킬(anchor) 수 있다. (도8a 내지 도8c에서 도시된) 로터 매니폴드들(109, 155)은 로터 케이지(159)가 거푸집인 경우에 단부 링 내부에 수용되는 외부 림(outer rim) 또는 다른 특징을 포함할 수 있다. 이러한 림은 단부 링을 위해 추가된 기계적인 강도를 제공할 수 있고, 따라서 단부 링 실패(end ring failure)없이 회전 증가된 회전 속도를 가능하게 한다. 도 8d에서 도시된 바와 같이, 로터 매니폴드는 단부 링(1310) 내측에 있을 수 있고, 단부 링 내로 연장하는 특징(feature)은 단부 링(1310)을 냉각하고 확보하는, 단부링(1310)으로 연장하는 ("T"자 단면 모양을 가지는) 관 부분 및 환형 부분을 포함할 수 있다. 도 8d의 실시예에서의 전방 또는 후방 로터 매니폴드(109, 155)의 비율(proportions)은 도 1a의 대응하는 요소들의 것과 다르다. 유사하게, 예를 들어, 도 7a의 실시예에서 스테이터 매니폴드(135)의 비율은 도 1a 및 도 1c의 것과 다르다. 당업자들에게 이해되는 바와 같이, 이러한 변형뿐만 아니라 구성요소들의 비율이 다른 변형은 본 발명의 사상과 범위 내에 있다. 도 9는 로터 코어 및 스테이터 코어의 확대된 개략적인 도면이다.
도 10을 참조하여, 몇몇 실시예들에서 로터 코어의 각 적층물(310, 320, 330)은 인접한 적층물들(310, 320, 330)에 대해 수놓아질 수 있어서, 타입2 적층물들(320)의 구멍들(325)에 의참조하면, 일부 실시예들에서, 로터 코어의 각각의 적층물(310, 320, 330)은 인접한 적층물들(310, 320, 330)에 대해 클로킹될 수 있어서, 타입 2 적층물들(320)의 구멍들(325)에 의해 형성되는 유체 통로들(139)은 직선, 곡선 대신에, 로터의 중심축과, 즉 로터 샤프트와 동축으로 나선을 형성한다. 예를 들어, 도 10의 실시예에서, 각각의 구멍(325)은 네 개의 이러한 나선들 중 하나 상에 있고, 이들 중 두 개의 나선들(1010, 1020)은 도 10에서 확인된다. 전방 로터 유동 다이렉터(330)의 두 개의 구멍들(335)은 네 개의 나선들 중 두 개의 나선들 상에 있고, 후방 로터 유동 다이렉터(330)의 두 개의 구멍들(335)은 네 개의 나선들 중 다른 두 개의 나선들에 있다. 나선들의 피치(pitch)는 도 10에서 도시된 것보다 작거나 클 수 있다. 일 실시예에서, 피치는 나선 바들을 구비하는 로터 케이지의 것에 매치(match)하도록 선택될 수 있고, 로터의 길이를 넘는(over) 바-사이 간극(spacing)의 1/2 내지 1과 1/2의 클로킹에 대응할 수 있다. 유사하게, 다른 실시예들에서 매니폴드 쿨러들 하나 또는 두 개 모두 또는 스테이터의 유체 통로들은 나선형일 수 있다.
일부 적용예들에서, 개시된 인덕션 기계(induction machine)(100)의 기능적인 요소들은 연관된 요소 및 그 반대의 일부일 수 있다. 예를 들어, 인덕션 기계(100)가 기어 박스(gear box)를 구동하는 경우에, 기어 피니언(gear pinion)은 모터 샤프트(115)의 일체형 부분(integral part)일 수 있는 반면, 대응하는 베어링은 기어 박스의 일부일 수 있다. 유사한 방식으로, 하나 또는 두 개 모두의 유체 커플링들 또는 하나 또는 두 개 모두의 스테이터 매니폴드들은 기어 박스들, 인버터들 또는 탠덤 기계들(tandem machines)와 같은, 외부 요소들의 부분들인 것이 가능하다. 또한, 비록 전기 기계(100)가 인덕션 모터로서 기술되지만, 이는 기어박스를 포함하는 기계, DC 브러시리스 기계(DC brushless machine) 또는 리니어 기계(linear machine)와 같은, 다른 기계나 일 수 있고, 또는 그 일부일 수 있다. 일 실시예에서, 전기 기계는 영구자석 로터(permanent magnet rotor)를 구비하는 영구자석 기계(permanent magnet machine)이고, 스테이터는 위에서 기술된 특징들 모두 또는 몇몇을 포함한다. 일 실시예에서, 전기 기계에 연결되거나 일부인 기어 박스는 유체 커플링, 베어링, 벨, 및/또는 스테이터 매니폴드를 포함하거나, 지지한다. 전기 기계의 로터는 도 1a의 실시예에서와 같이, 스테이터 내부에 있을 수 있거나, 전기 기계는 스테이터가 로터 내부에 있는, "뒤집는(inside out)" 형태에서 조립(constructed)될 수 있다. 어떠한 일 적층물 내부의 유체 구멍들은 모양 및/또는 크기가 다르거나 동일할 수 있고, 일 적층물에서의 유체 구멍은 다른 적층물들에서의 유체 구멍과 크기 및/또는 모양이 다르거나, 다른 적층물에서의 유체 구멍과 동일할 수 있다. 일 실시예에서 전기 기계의 오직 스테이터 또는 오직 로터만 냉각된다.
스테이터 및 로터 코어들 두 개 모두를 위해, 적층물들 사이의 작은 갭들, 또는 "적층물 사이 틈(interlamination fissures)"은 유체 누출을 야기할 수 있다. 이러한 누출을 줄이기 위해 몇몇의 방법들을 이용할 수 있다. 스테이터 및 로터 두 개 모두를 위해, 관통하는 밀폐제들(penetrating sealants)은 적층물 사이 틈(fissures) 내로 나르는(wick) 것이 허용되고 외부로 적용될 수 있다. 스테이터를 위해, 에폭시 파우더 코팅과 같은 외부 수지 코팅은 "통합된 인클로져"로써 제공하는 것으로 응용될 수 있다. 인클로저(185; 도 1a)는 단부 벨들 또는 스테이터 매니폴드에 밀봉되고 스테이터를 넘어서 위치되는, 예를 들어 알루미늄 슬리브인, 슬리브일 수 있다. 밀봉은 O-링, 밀봉제(187), 또는 크림프(crimp)에 의해 영향을 받을 수 있다. 마지막으로, 로터 공동에 들어가는 어떠한 유체 누출을 위해, 작은 배유 펌프(136)(도 1a)는 누출된 유체를 주 유체 경로에 되돌리도록 이용될 수 있다.
예시
프로토 타입 네 기둥 기계(prototype four pole machine)는 설계되고, 제조되었으며, 열 적으로 시험되었다. 기계의 대략적인 총 질량은 12.2kg이고; 포팅 및 매니폴드들을 포함하는, 스테이터 질량은 7.3kg이며; 샤프트를 포함하는 로터 질량은 3.8kg이다. 외부 직경은 6.2"이고 전체 길이는 축 투영(shaft projection)을 제외하고 6.1"이다. 스테이터와 로터 활성화 적층 높이는 2.50"이다. 적층물의 두께는 01.010"이다. 스테이터 및 로터 두 개 모두를 위한 열 전달 데이터 및 유체 유동은 표 1에서 나열된다.
로터와 스테이터 데이터
스테이터 유체유동 분당 11리터
스테이터 수두손실(ATF, 25 °C) 7psi
스테이터 열 방출 254W
ATF 유입구 온도(정상 상태) 28.4 °C
뒷 철 온도 29.3 °C
온도 델타 0.9 °C
열 임피던스(cooling channels to ATF) 0.0035 °C/W
로터 유체 유동 5 liters per minute
로터 수두손실(ATF, 25 °C) 7 psi
로터 열 방출 86 W
ATF 유입구 온도 21.3 °C
로터 표면 온도 26.3 °C
온도.델타 5.0 °C
열 임피던스(rotor surf. to ATF) 0.058 °C/W
열 임피던스(rotor surface to cooling channels) 0.044 °C/W
열 임피던스(cooling channels to ATF) 0.014 °C/W
비록 횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 모터의 예시적인 실시예들이 본원에서 명확하게 기술되고 도시되었지만, 많은 변형들 및 변경들은 당업자들에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 원리에 따라서 제작된 횡방향 수냉식 로터 및 스테이터를 구비하는 인덕션 모터가 본원에서 명확하게 기술된 바와 다른 것으로 구체화 되는 것은 이해된다. 또한, 본 발명은 다음의 청구범위, 및 그것의 동등물들에 의해 정의된다.
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Claims (27)

  1. 전기 기계에 있어서,
    상기 전기 기계는,
    스테이터;
    로터; 및
    회전식 유체 커플링;
    을 포함하고,
    상기 로터는 축을 구비하고, 상기 로터는,
    상기 축에 정렬된 샤프트; 및
    로터 바디;
    를 포함하고,
    상기 로터 바디는 복수 개의 적층된 자기 적층물들을 가지는 로터 코어를 구비하고, 상기 복수 개의 적층된 자기 적층물들은 상기 로터 바디의 제1 단부로부터 상기 로터 바디의 제2 단부로 유체를 전달(carry)하도록 구성된 복수 개의 로터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 복수 개의 구멍들을 구비하고,
    상기 회전식 유체 커플링은 상기 로터 유체 채널들과 유체 연통하고,
    상기 복수 개의 구멍들 중 제1 구멍은 축 방향의 제1 유체 통로의 일부를 정의하도록 인접한 자기 적층물의 구멍과 부분적으로 정렬되고,
    상기 복수 개의 구멍들 중 제2 구멍은 축 방향의 제2 유체 통로의 일부를 정의하도록 인접한 자기 적층물의 구멍과 부분적으로 정렬되고,
    제3 유체 통로는 상기 제1 유체 통로 및 상기 제2 유체 통로를 연결하고, 상기 제3 유체 통로는 상기 제1 유체 통로에 대하여 평행하지 않고, 상기 제3 유체 통로는 상기 제2 유체 통로에 대하여 평행하지 않고,
    상기 제1 구멍은 상기 로터 바디의 상기 제1 단부에서 유입구를 정의하고,
    상기 제2 구멍은 상기 로터 바디의 상기 제2 단부에서 배출구를 정의하고,
    상기 제2 유체 통로는 상기 로터 바디의 상기 제1 단부에서 차단되거나, 상기 제1 유체 통로는 상기 로터 바디의 상기 제2 단부에서 차단되어서, 유체 경로가 상기 제1 유체 통로로부터 상기 제3 유체 통로를 통하여 상기 제2 유체 통로로 확립(establish)되고,
    상기 전기 기계는 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 공기 갭을 포함하는 공기 공간을 구비하고, 상기 로터는 상기 로터로부터 상기 공기 공간으로 유체의 탈출(escape)을 방지하도록 구성된 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 로터 매니폴드 유체 채널을 가지는 로터 매니폴드를 더 포함하고,
    상기 로터 매니폴드 유체 채널은 상기 로터 매니폴드 및 상기 로터 매니폴드 유체 채널 내의 유체 사이에 열 전달을 강화하도록 구성된 내부 구조를 구비하고,
    상기 로터는 복수 개의 축 바들 및 두 개의 단부 링들을 가지는 로터 케이지를 더 포함하고,
    상기 로터 매니폴드는 상기 두 개의 단부 링들 중 일 단부 링 내부에 끼워지는 돌출부를 가지는 전기 기계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터는 스테이터 와인딩 및 복수 개의 적층된 자기 적층물들을 가지는 스테이터 코어를 가지고, 상기 스테이터 코어의 상기 적층물들의 각각은 복수 개의 스테이터 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 복수 개의 구멍들을 가지고, 상기 복수 개의 스테이터 유체 채널들 중 하나의 스테이터 유체 채널은 완전히 축 방향이 아니고,
    상기 로터 및 상기 스테이터는 상기 로터 및 상기 스테이터 사이의 공기 갭을 포함하는 자기 경로를 형성하도록 구성되는 전기 기계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 코어의 상기 적층물들의 복수 개의 상기 구멍들은 상기 샤프트와 나선 동축 상에 있고, 및/또는
    상기 로터 코어의 상기 적층물들의 복수 개의 상기 구멍들은 상기 샤프트와 나선 동축 상에 있는 전기 기계.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 유체 채널들과 유체 연통하는 스테이터 매니폴드 유체 채널을 가지는 스테이터 매니폴드; 및
    상기 로터 유체 채널들과 유체 연통하는 로터 매니폴드 유체 채널을 가지는 로터 매니폴드;
    중 적어도 하나를 더 포함하는 전기 기계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스테이터 코어에 확보되는 유동 다이렉터 및/또는 상기 로터 코어에 확보되는 유동 다이렉터를 더 포함하는 전기 기계.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 및 상기 로터 코어 중 적어도 하나는,
    상기 코어의 제1 단부에서, 적어도 하나의 구멍을 가지는, 제1 적층물;
    상기 제1 단부에 반대되는 상기 코어의 단부에서, 적어도 하나의 구멍을 가지는, 제2 적층물;
    을 포함하고,
    상기 제2 적층물은 상기 제1 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치치 않는 구멍을 가지고,
    상기 제1 적층물은 상기 제2 적층물의 어떠한 구멍과도 겹치지 않는 구멍을 가지는 전기 기계.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스테이터 코어는 0.4 W/m/°C보다 큰 열 전도성을 가지는 전기적 절연 수지를 포함하고, 공간이 10%보다 작은 공극률을 가지도록 상기 수지는,
    상기 스테이터 코어 및 상기 스테이터 와인딩 사이의 공간; 및/또는
    상기 스테이터 와인딩의 단부 턴 및 상기 스테이터 매니폴드 사이의 공간; 및/또는
    상기 스테이터 와인딩 내부의 공간;
    을 채우는 전기 기계.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 스테이터 매니폴드 유체 채널은 복수 개의 적층된 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물들을 포함하고,
    상기 스테이터 매니폴드 쿨러 적층물들의 각각은 복수 개의 스테이터 쿨러 구멍들을 가지고, 상기 스테이터 쿨러 구멍들은 복수 개의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널들을 형성하도록 겹쳐지는 전기 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널들 중 하나의 스테이터 매니폴드 쿨러 유체 채널은 완전히 축 방향이 아닌 전기 기계.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 및 상기 로터 코어의 각각은,
    제1 축 방향 및 복수 개의 동일한 제1 구멍들을 가지는 제1 적층물; 및
    제2 축 방향 및 복수 개의 동일한 제2 구멍들을 가지는 제2 적층물;
    을 포함하고,
    상기 제1 구멍들 중 하나는 상기 제2 구멍들 중 하나와 크기 또는 모양이 다르거나, 상기 제1 축 방향은 상기 제2 축 방향과 다른 전기 기계.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 및 상기 로터 코어 중 적어도 하나는,
    제1 적층물; 및
    상기 제1 적층물에 인접하고, 상기 제1 적층물과 동일하고, 상기 제1 적층물과 동일한 축 방향을 가지는 제2 적층물;
    을 포함하는 전기 기계.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 코어의 외부 표면 및/또는 상기 로터 코어의 외부 표면은 수지로 밀봉되는 전기 기계.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 스테이터 유체 채널들 내 및 상기 로터 유체 채널들 내에 유체를 더 포함하고, 상기 유체는 자동 변속 유체들, 변압기 오일들 및 물-기반 솔루션들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 전기 기계.
  15. 제3항에 있어서,
    누출된 유체를 주 유체 경로로 되돌리도록 구성된 배유 펌프를 더 포함하는 전기 기계.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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