KR101898673B1

KR101898673B1 - 전기 기계의 유체 냉각을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101898673B1
Application number: KR1020137007479A
Authority: KR
Inventors: 루돌프 가리가; 마이클 쿠빅
Original assignee: 클린웨이브 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2018-09-14
Also published as: EA201390281A1; KR20180102703A; CN103299517A; US20120049669A1; KR20140018834A; JP2017042043A; US8410647B2; EA201890071A3; US20190207477A1; US8872400B2; US20120049666A1; CA2812397A1; JP6379160B2; BR112013004304A2; JP6212390B2; TWI565199B; TWI484732B; TW201524091A; EP2609675A4; CN103299517B

Abstract

이 발명은 개선된 유체 주입 시스템을 갖는 높은 전력 밀도 전기 기계의 냉각 및 윤활을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 전기 기계 내에 고정자와 기계 하우징 사이의 고정자 유체 유로를 포함할 수 있는 다중 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 고정자 유체 유로는 유체가 고정자 및 회전자와 직접 접촉하게 할 수 있는 하나 이상의 통로를 포함할 수 있을 것이다. 전기 기계를 냉각하는 방법은 고정자와 하우징 사이의 하나 이상의 통로를 통해 유체가 흐르도록 지향시키는 단계를 포함할 수 있을 것이며, 이 것은 고정자 및 회전자로부터 유체로 열이 전달될 기회를 제공함으로써 고정자 및 회전자를 냉각시킬 수 있을 것이다.

Description

전기 기계의 유체 냉각을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR FLUID COOLING OF ELECTRIC MACHINES}

이 출원은 2010년 8월 25일 출원된 미국특허출원 12/868,712호 및 2010년 8월 25일 출원된 미국특허출원 12/868,712호의 일부 계속 출원이며 2010년 12월 1일 출원된 미국특허출원 12/958,321호에 대한 우선권을 주장하며, 그 모두가 전체적으로 인용하여 여기에 통합된다.

전기 기계는 내부 구성요소의 과열로 인한 전력 한계를 갖는다. 종래의 시스템에서, 전기 기계는 흔히 외부 냉각을 통해 냉각된다. 예를 들어, 냉각을 돕기 위해 전기 기계의 외면 상에 히트 싱크가 제공될 수 있을 것이다. 어떤 예에서는, 전기 기계의 외함(outside enclosure)을 통하거나 기계의 외면 위로 유체가 흐를 수 있을 것이다. 예를 들어, 여기에서 전체적으로 인용하여 통합되는 미국특허 7,550,882호, 미국특허 5,939,808호, 미국특허 5,670,838호 및 미국특허 4,700,092호를 참조하라. 어떤 경우에는, 냉각을 돕기 위해 전기 기계 내에 유체가 제공될 수도 있을 것이지만, 기계 내에 내장될 것이다. 예를 들어, 여기에서 전체적으로 인용하여 통합되는 미국특허 4,644,202호 및 미국특허 7,352,090호를 참조하라.

내부 구성요소의 개선된 냉각 및 윤활에 의하면, 종래의 기계 디자인에 비해 훨씬 더 간소하고 더 가벼운 패키지로 고전력을 생산하는 전기 기계를 디자인하는 것이 가능하다. 개선된 냉각 및 윤활은 기계의 작동 전류 및 속도를 증대시키게 하고, 그 것은 더 높은 토크, 더 높은 전력, 및 결과적으로 더 높은 전력 밀도로 직결된다.

그래서, 개선된 전기 기계 시스템 및 방법에 대한 요구가 있으며, 그 것은 냉각 및 윤활을 위해 전기 기계의 내부를 통해 흐를 수 있는 유체를 활용할 수 있을 것이다.

이 발명은 개선된 유체 주입 시스템을 갖는 높은 전력 밀도 전기 기계의 냉각 및 윤활을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 여기에서 기술되는 이 발명의 다양한 양태들이 아래에서 설명하는 어떤 특수한 용도에든 또는 어떤 유형의 전기 기계를 위해서든 적용될 수 있을 것이다. 이 발명은 독립적인 시스템 또는 방법으로서든 또는 차량에서와 같이 통합된 시스템의 일부로서든 적용될 수 있을 것이다. 이 발명의 다양한 양태들이 개별적으로, 집합적으로, 또는 서로의 조합으로 인식될 수 있을 것임을 이해하여야 한다.

이 발명의 한 양태는, 회전축에 고정되고 하나 이상의 베어링의 수단에 의해 지지된 회전자, 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고 회전 가능한 회전자 및 회전축과 관련하여 고정된 고정자, 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징, 및 적어도 하나의 입구를 갖는 유체 분배 매니폴드(fluid distribution manifold) 및 적어도 하나의 출구와 유체 소통하여 기계 내부의 복수의 유체 유로(fluid flow passages)로 이어지는 복수의 분배 개구(distribution openings)를 포함하는, 전기 기계로 구현될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 복수의 유체 유로가 고정자와 하우징 사이의 고정자 유체 유로, 회전축을 따라 회전자 및 고정자로 향하는 회전자 유체 유로, 및 적어도 하나의 베어링과 접하는 베어링 유체 유로를 포함할 수 있을 것이다. 고정자 유체 유로는 유체가 고정자의 외면과 직접 접촉하게 할 수 있는 하나 이상의 유체 유로를 포함할 수 있을 것이다. 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소는 고정자의 외면과 하우징의 내면 사이의 통로를 형성할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 하나 이상의 유체 유로가 적어도 하나의 출구와 유체 소통하고 있는 배출통(exhaust sump)과 유체 소통할 수 있을 것이다. 배출통은 유체 유로에 있는 유체가 출구를 통해 전기 기계를 빠져나가기 전에 배출통 내에 수집될 수 있도록 구성될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 배출통이 열교환기로서 기능함으로써 배출통 내의 유체를 냉각시킬 기회를 제공할 수 있을 것이다.

이 발명의 다른 한 양태는, 회전축에 고정되고 하나 이상의 베어링의 수단에 의해 지지된 회전자, 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고 회전 가능한 회전자 및 회전축과 관련하여 고정된 고정자, 및 회전축을 따라 회전자 및 고정자를 향해 유체를 지향시킬 수 있는 유체 주입기 노즐(fluid injector nozzle)로 이어지는 적어도 하나의 유체 유로를 포함하는, 전기 기계를 제공할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체 주입기 노즐 및/또는 회전축이 유체의 유동 및 분배를 돕기 위해 원심 펌핑을 포함할 수 있는 요소를 포함할 수 있을 것이다. 전기 기계는 또한 분할점으로 이어지는 유체 유로를 포함할 수도 있을 것이며, 유체 유로가 베어링과 접하고 회전자와도 접하도록 분기될 수 있을 것이다. 또한, 전기 기계는 베어링과 회전자로 이어지는 유체 유로 사이의 측정 장치를 포함할 수 있으며, 측정 장치는 베어링으로 흐르는 유체와 회전자로 흐르는 유체의 상대적인 양을 결정하도록 구성된다. 어떤 실시예에서는, 측정 장치가 제거, 교체 및/또는 조절 가능하여 기계가 측정 장치 없이 작동할 수 있거나, 측정 장치가 다른 구성의 다른 측정 장치로 교체될 수 있거나, 또는 조절될 수 있음으로써, 베어링으로 흐르는 유체와 회전자로 흐르는 유체의 상대적인 양을 변경할 수 있을 것이다. 대안적으로, 다른 실시예에서는, 유체 유로가 베어링과 회전자 사이를 분기할 수 없을 것이지만, 대신에, 유체가 먼저 베어링과 접촉하고 베어링을 통해 흐르며, 그 후 회전자로 흐르도록 지향될 수 있을 것이다.

이 발명의 다른 양태에 따라 전기 기계를 냉각하는 방법이 제공될 수 있을 것이다. 방법은 회전축에 고정된 회전자를 제공하는 단계, 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고 회전 가능한 회전자 및 회전축과 관련하여 고정된 고정자를 제공하는 단계, 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징을 제공하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 방법은 또한 고정자와 하우징 사이의 하나 이상의 통로를 통해 흐르도록 유체를 지향시키는 단계를 포함할 수 있을 것이고, 이 것은 고정자와 회전자가 유체와 직접 접촉할 기회를 제공하고, 고정자 및 회전자로부터 유체로 열을 전달함으로써, 고정자 및 회전자를 냉각시킬 수 있을 것이다.

이 발명의 또다른 양태는 전기 기계를 냉각하기 위한 시스템으로 구현될 수 있을 것이다. 시스템은 펌프와 유체 소통하는 전기 기계, 및 전기 기계 및 펌프와 유체 소통하는 열교환기를 포함할 수 있을 것이다. 전기 기계는 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구, 입구 및 출구와 유체 소통하는 하나 이상의 유체 유로, 및 기계 내의 압력을 예정된 범위 내로 유지할 수 있는 압력 균등화 장치를 갖는 유체 밀봉된 함(fluid-sealed enclosure)을 가질 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 기계가 기계 내의 압력의 수준을 결정하기 위한 장치를 포함할 수 있을 것이다. 또한, 유체 밀봉된 함과 함께, 어떤 실시예는 전기 기계의 회전축 둘레의 접촉 밀봉부(contact seal)를 포함하도록 도전성 재료를 활용할 수 있을 것이며, 그 것은 전기 기계에 존재할 수 있는 동극성 플럭스 패스(homopolar flux path)에 의해 발생되는 순환 전류의 부정적 효과에 대응할 수 있을 것이다.

다음의 기술 및 첨부된 도면과 함께 살펴보면 이 발명의 다른 목표 및 장점들이 더 인식 및 이해될 것이다. 다음의 기술이 이 발명의 특정한 실시예들을 기술하는 상세한 세부사항들을 포함하지만, 이 것은 이 발명의 범위에 대한 제한이 아니고 양호한 실시예의 예시인 것으로 해석되어야 한다. 여기에 제안된 바와 같이, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 이 발명의 각각의 양태에 대한 많은 변화예가 가능하다. 이 발명의 정신으로부터 벗어남이 없이 이 발명의 범위 내에서 다양한 변화 및 수정이 이루어질 수 있다.

이 명세서에서 언급한 모든 공보, 특허, 및 특허출원은 각각의 공보, 특허, 또는 특허출원이 참고로 통합되는 것으로 구체적으로 낱낱이 지적된 그대로 여기에 참고로 통합된다.

이 발명의 신규한 요소는 첨부된 특허청구의 범위에서 자세하게 설명된다. 이 발명의 요소 및 장점은 이 발명의 원리가 이용되는 예시적 실시예를 설명하는 다음의 상세한 기술 및 첨부된 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계를 도시하며,
도 1a는 이 발명의 한 실시예에 따른 유체 유동과 함께 전기 기계의 개념도를 도시하고,
도 1b는 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계의 유체 분배 매니폴드의 개념도를 도시하며,
도 1c는 전기 기계 내에 제공될 수 있는 유체 유동 경로의 예시도를 도시하고,
도 1d는 전기 기계 내에 제공될 수 있는 유체 유동 경로의 대안적 예시도를 도시하며,
도 1e는 전기 기계 내에 제공될 수 있는 유체 유동 경로의 대안적 예시도를 도시하고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 베어링 유체 유로를 도시하며,
도 2a는 이 발명의 한 실시예에 따른 베어링 유체 유로 및 베어링 어셈블리의 확대도를 도시하고,
도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 회전자 유체 유로를 도시하며,
도 4는 전기 기계를 통해 유체를 순환시키기 위해 이용될 수 있는 시스템의 개념도를 도시하고,
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 기계 축을 도시하며,
도 6은 이 발명의 한 실시예에 따른 유체 밀봉된 기계 함을 도시하고,
도 7은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계의 분해도를 도시하며,
도 8은 동극성 플럭스 패스와 함께 전기 기계의 도전성 축 밀봉부의 개념도를 도시한다.

이 발명의 양호한 실시예들이 여기에 도시되고 기술되었지만, 이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 그러한 실시예들이 예시적 목적으로만 제공된 것임이 자명할 것이다. 이 발명으로부터 벗어남이 없이 수많은 변화, 변경 및 치환이 이 기술 분야에서 숙련된 자들에 의해 이루어질 것이다. 이 발명을 실시함에 있어서, 여기에 기술된 이 발명의 실시예에 대한 다양한 대안들이 채용될 수 있을 것임을 알아야 한다.

I. 유체 주입 시스템 설명 (Fluid Injection System Description)

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계를 도시한다. 이 발명의 어떤 실시예에서는, 전기 기계가 3상 교류 유도 전동기 등과 같은 전동기일 수 있다. 대안적으로, 전기 기계는 어떤 종류의 전동기, 발전기, 또는 어떤 형태의 전기 및 기계 접속을 요구할 수 있는 어떤 종류의 기계든 될 수 있을 것이다.

전기 기계는 또한 유체 냉각될 수 있거나 그 내부에 어떤 종류의 유체든 가질 수 있는 어떤 종류의 기계든 될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 기계가 냉각 및/또는 윤활을 위한 유체를 가질 수 있을 것이다. 전기 기계 내의 유체는 흐르고 있거나 실질적으로 정지되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전기 기계 내의 유체가 전기 기계를 통해 순환할 수 있고 전기 기계 외부의 소스로부터 들어올 수도 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 기계가 유체 밀봉될 수 있거나 부분적으로 유체 밀봉될 수 있을 것이다.

전기 기계는 시스템에서 활용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 전기 기계는 자동차, 오토바이, 트럭, 밴, 버스, 또는 다른 유형의 승객용, 상용 또는 자가용 차량, 기차 또는 다른 유형의 철도 차량, 수상 오토바이, 항공기, 또는 다른 어떤 유형의 차량, 또는 다른 유형의 상용 또는 자가용 기계 또는 장비에서 사용될 수 있을 것이다. 이 발명의 한 실시예에 따른 유체 주입 시스템을 포함하는 전기 기계는 기계의 외부 또는 내부의 어떤 국소적 냉각도 가능하지 않은 자족적, 통제적, 또는 가혹한 환경에서의 적용을 위해 특히 유용할 수 있을 것이며, 또는 밀봉된 기계 함이 요구될 수 있을 것이다.

전기 기계는 높은 전류 레벨 및 높은 회전 속도에서 작동할 수 있을 것이며, 동일한 크기 및 중량의 종래의 전동기보다 훨씬 더 높은 전력을 생성할 수 있을 것이다. 유체 주입 시스템은 고속 베어링의 윤활과 함께 내부 열원의 직접 냉각을 허용함으로써 이러한 전력 밀도가 가능하게 할 수 있을 것이다.

도 1a는 이 발명의 한 실시예에 따른 유체 유동을 갖는 전기 기계의 개념도를 도시한다. 외부 소스로부터의 유체가 전기 기계로 들어갈 수 있을 것이다. 유체는 하나 이상의 입구를 거쳐 기계에 들어갈 수 있을 것이다. 전기 기계 내의 유체는 전기 기계를 빠져나갈 수 있을 것이다. 유체는 하나 이상의 출구를 거쳐 빠져나갈 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체 소스로부터 유체가 공급되고 기계를 빠져나가서, 전기 기계 내의 유체를 보충하기 위해 새로운 유체가 꾸준히 사용될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체가 순환해서, 전기 기계를 빠져나가는 유체의 적어도 일부 또는 전부가 동일한 전기 기계로 들어가도록 순환될 수 있을 것이다. 그래서, 유체 주입 시스템이 전기 기계에 적용될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 새로운 유체가 전기 기계로 계속 들어가고, 이전의 유체는 전기 기계로부터 계속 빠져나갈 수 있을 것이다. 다른 실시에서는, 유체가 간헐적으로 또는 일괄적으로 전기 기계에 공급되어, 새로운 유체가 추가되고, 이전의 유체가 제거되며, 일정한 시간 후에, 또 새로운 유체가 부가되고, 이전의 유체가 제거되게 할 수 있을 것이다. 이전의 유체가 제거되는 속도와 실질적으로 동일한 속도로 새로운 유체가 부가되거나, 새로운 유체가 부가되고 이전의 유체는 상이하고 다양한 속도로 제거될 수 있을 것이다. 새로운 유체 및/또는 이전의 유체는 요구되는 정도의 냉각 및/또는 윤활을 제공하기 위해 요구되는 속도로 제각기 부가되고 제거될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 전기 기계의 냉각 및/또는 윤활을 증가시키도록 유체 유동의 속도를 증가시키는 것, 또는 전기 기계의 냉각 및/또는 윤활을 감소시키도록 유체 윤활의 속도를 감소시키는 것이 요구될 수도 있을 것이다.

다른 실시예에서는, 유체가 전기 기계 내에 내장되고 전기 기계 내에서 순환할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 전기 기계의 특정한 부분 내에 내장되고, 다른 부분에서는 유체가 전기 기계의 여러 부분들 사이를 자유롭게 흐를 수 있을 것이다. 이 기술 분야에서 알려진 다양한 유체 냉각식 전기 기계를 위한 어떤 구성요소, 요소, 특징, 또는 단계든 활용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 여기에서 전체적으로 인용하여 통합되는 미국특허공보 2006/0066159호, 미국특허공보 2004/0113500호, 미국특허 5,181, 837호, 미국특허 5,997, 261호, 미국특허 6,355,995호, 미국특허 5,578,879호를 참조하라.

냉각 및/또는 윤활 유체는 이 기술 분야에서 알려진 어떤 유체든 될 수 있을 것이다. 유체는 액체 또는 기상 유체(gaseous fluid)를 포함할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 냉각 및/또는 윤활 유체가 공기 등과 같은 기체, 또는 물, 기름 또는 일종의 액상 유전 유체(liquid dielectric fluid) 등과 같은 액체, 또는 그러한 어떤 유체의 증기 또는 안개, 또는 다른 어떤 유형의 유체일 수 있을 것이다. 이 기술 분야에서 알려진 어떤 유형의 냉매 및/또는 윤활제든 활용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 자동변속장치 유체(ATF: automatic transmission fluid) 등과 같은 전동 유체(transmission fluid)가 이용될 수 있을 것이다. 유체는 요구되는 열, 전기, 화학, 또는 유동 특성에 따라 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유체는 요구되는 범위 내에 드는 비열을 가질 수 있거나, 또는 요구되는 값을 초과하는 저항을 갖는 전기적 부도체인 유체일 수 있거나, 또는 전기 기계를 포함하는 요소들과 관련하여 화학적으로 불활성이거나 반응성인 유체일 수 있거나, 또는 높은 점성 또는 낮은 점성을 갖는 유체일 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 전기 기계 내에 유체들의 조합이 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉각 및/또는 윤활 유체는 기계 내에 제공되는 액체일 수 있을 것이며, 그 것은 기상 유체를 함유하기도 한다. 어떤 실시예에서는, 전기 기계가 액상 유체로 완전히 채워지거나, 액상 유체로 부분적으로 채워지거나, 또는 그 안에서 흐르는 액상 유체의 레벨이 낮을 수도 있을 것이다.

전기 기계에 공급되는 유체는 가압될 수도 있고 되지 않을 수도 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체가 펌프 또는 콤프레서 등과 같은 정압원에 의해 가압될 수도 있을 것이다. 정압원은 전기 기계의 외부(예를 들어, 전기 기계의 입구측)에 있을 수 있거나, 또는 전기 기계의 일부일 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체가 진공 등과 같은 부압원에 의해 감압될 수 있을 것이다. 부압원은 전기 기계의 외부(예를 들어, 전기 기계의 출구측)에 있을 수 있거나, 또는 전기 기계의 일부일 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 압력원이 전기 기계의 내부에 있을 수도 있고 기계 내의 유체의 유동에 의해 보조될 수도 있을 것이다. 유체 유동에 의해 보조될 수 있는 어떤 차압(pressure differential)이든 생성될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 중력 또는 기계 내의 일부를 이동시켜 발생되는 힘 등과 같은 기타의 힘이 유체 유동에 의해 보조될 수 있을 것이다.

전기 기계의 전부 또는 일부가 하우징에 의해 둘러싸일 수 있을 것이다. 기계 하우징은 봉쇄, 지지, 및/또는 보호나 다른 어떤 유사한 기능을 위해 전기 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 어떤 구조 또는 구성요소를 포함할 수 있을 것이다. 구조 또는 구성요소는 기계 하우징으로서 기능하거나 또는 기계 하우징의 일부를 포함할 수 있을 것이고, 무관한 다른 기능을 더 수행할 수도 있을 것이다. 하우징은 기계 어셈블리의 전부 또는 일부를 둘러싸거나, 고정자 또는 회전자 등과 같은 기계의 개별적 구성요소들 중 어느 것의 전부 또는 일부를 둘러쌀 수 있을 것이다. 기계의 하나 이상의 개별적 구성요소의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하나 이상의 개별적 구조 또는 구성요소는 개별적으로 기계 하우징으로서 기능할 수도 있을 것이고, 집합적으로 하나의 기계 하우징을 포함할 수도 있을 것이다. 이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 여기에 지칭되는 기계 하우징이, 여기에 제공된 기술로부터 벗어남이 없이, 기계 케이싱, 프레임, 함, 또는 다른 유사한 명칭을 포함하여 다른 용어로 지칭될 수도 있을 것임이 자명할 것이다. 여기에서 지칭되는 바와 같은 기계 하우징은 전기 기계 또는 전기 기계의 개별적 구성요소들 중 어느 것을 위해 봉쇄, 지지, 및/또는 보호, 또는 다른 어떤 유사한 기능을 수행할 수 있는 어떤 개별적 구조 및/또는 구성요소를 집합적으로 포함할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 기계 하우징의 전부 또는 일부가 유체 밀봉될 수 있을 것이다.

전기 기계는 고전력 전기 접속을 활용할 수 있을 것이다. 신뢰할 수 있는 고전력 접속은 용인할 수 있는 전류 밀도를 갖는 저저항 전기 접촉을 요구할 수 있을 것이다. 구리 직류전력 접속에서의 일반적인 최대 전류 밀도는 대략 2.2 × 10⁶ A/m²일 것이다. 이 것은 일반적으로 접속부의 온도 상승을 40℃를 넘는 주위온도에서 30℃ 미만으로 제한할 것이다. 예를 들어, ANSI C37.20C-1974, IEEE standard 27-1974를 참조하라. 구리 3상 교류전력 접속에서는, 종래에 전기 기계에서 7 × 10⁶ A/m²의 최대 피크 전류 밀도가 신뢰할 만하게 이용되고 있다. 이 발명의 어떤 실시예에서는, 하나 이상의 접속기 표면에 유체 냉각이 도입될 수 있을 것이며, 그 것은 접속 신뢰성을 개선할 수 있을 것이고, 7 × 10⁶ A/ m² 값을 초과하는 것이 가능하게 할 것이다.

도 1은 전기 기계 내의 여러 통로에 유체를 공급하는 이 발명의 한 실시예를 도시한다. 유체는 가압되거나 되지 않을 수 있을 것이다. 유체는 유체 분배 매니폴드(42)의 입구 포트(41)를 통해 기계로 들어갈 수 있을 것이고, 위치 1, 2, 및 3에서 통로에 분배될 수 있을 것이다. 이러한 통로들은 위치 8에서 하나 이상의 베어링(7)으로, 위치 10에서 기계 축(11)을 둘러싸는 하나 이상의 주입기 노즐(9)로, 그리고 위치 6에서 하우징(4)과 고정자 어셈블리(6) 사이의 하나 이상의 공동 속으로 유체를 지향시킬 수 있을 것이다. 그래서, 매니폴드는 베어링 유체 유로, 회전자 유체 유로, 및 고정자 유체 유로로 각각 유체를 분배할 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 위치 1, 2, 및 3에서의 통로가 기계의 상단 근처로 지향될 수 있을 것이고, 또다른 실시예에서는, 이러한 통로가 기계의 하단 근처로 지향되거나 또는 기계의 어느 측부의 어디로든 지향될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 위치 1, 2, 및 3에서의 통로가 실질적으로 동일한 측부 또는 기계 둘레의 유사한 위치에서 제각기 지향될 수 있을 것이고, 다른 경우에는, 통로가 기계 둘레의 어떤 위치에서든 제각기 개별적으로 지향될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 기계 둘레의 어느 위치에서든 어떤 수의 통로든 배치될 수 있을 것이다.

위치 1, 2, 및 3에서 통로로 들어가는 유체는 기계 내에서 다중 경로로 분기될 수 있을 것이다. 한 경로는 유체의 일부를 베어링(7)을 통해 흐르도록 지향시켜 베어링을 윤활 및 냉각시킬 수 있을 것이고(즉, 베어링 유체 유로), 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 사이의 간격(10)을 통해 회전자 및 고정자를 향해 흘러 유체가 회전자 및 고정자를 냉각시킬 수 있도록(즉, 회전자 유체 유로) 유체의 일부를 지향시키게 분기될 수 있을 것이다. 베어링 유체 유로 및 회전자 유체 유로를 통해 흐르도록 분기된 유체는 기계 하우징(4)의 내부 공동(37)을 통해 배출로(20) 및 배출통(22) 속으로 흐름으로써 각각의 경로를 제각기 완료할 수 있을 것이다. 이러한 경로들은 기계의 각각의 단부에서 2개의 위치 1, 3에서 반복될 수 있을 것임을 주목하라. 그래서, 어떤 실시예에서는, 2 이상의 베어링 유체 유로 및 2 이상의 회전자 유체 유로가 기계 내에 제공될 수 있을 것이다.

다른 한 경로는 고정자 어셈블리(5) 주위로 및/또는 따라 위치 6에서 하우징(4)과 고정자 라미네이션(stator laminations)(5)의 사이로 흘러서 유체가 고정자를 냉각시키고 고정자 밖으로 흘러나가서 회전자도 냉각시킬 수 있도록(즉, 고정자 유체 유로) 유체를 지향시킬 수 있을 것이다. 그래서, 어떤 실시예에서는, 동일한 유체가 고정자와 회전자 모두에 접하여 냉각시키도록 고정자 유체 유로를 통해 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 고정자 어셈블리 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로 지향될 수 있을 것이다. 유체는 고정자 어셈블리의 길이를 따라 대안적으로 또는 부가적으로 지향될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체가 고정자 어셈블리 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로, 및/또는 고정자 어셈블리의 길이를 따라, 요구되는 어떤 각도로든 지향될 수 있을 것이다. 하우징(4)의 내면은 위치 6에서 하나 이상의 주변 또는 주위의 홈을 가질 수 있을 것이며, 그 것은 고정자 어셈블리(5)의 외면과 하우징(4)의 내면 사이에 하나 이상의 공동을 형성할 수 있을 것이다. 유체는 이러한 공동들 중 하나 이상을 통해 흘러 고정자(5)를 냉각시킬 수 있을 것이고, 그 후, 어떤 실시예에서는, 유체가 하나 이상의 배출로(21)를 통해 배출통(22) 속으로 흐를 수 있을 것이다. 대안적 또는 부가적으로, 하우징(4)의 내면 및/또는 고정자 어셈블리(5)의 외면은 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소를 가질 수 있을 것이며, 그 것은 고정자 어셈블리의 길이를 따라 고정자 어셈블리의 외면과 하우징의 내면의 사이에 하나 이상의 통로를 형성할 수 있을 것이다. 유체는 이러한 통로들 중 하나 이상을 통해 흘러 고정자(5)를 냉각시킬 수 있을 것이고, 그 후, 어떤 실시예에서는, 유체가 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 통로들 중 하나 이상을 빠져나갈 수 있을 것이다. 유체는 그 후 고정자 엔드턴(stator end turns) 및 회전자 엔드링(rotor end rings)에 접하여 냉각시키도록 흐를 수 있을 것이고, 그 후 기계 하우징의 주 내부 공동(37)을 통해 하나 이상의 배출로(20) 및 배출통(22) 속으로 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 하나의 고정자 유체 유로가 기계 내에 제공될 수 있을 것이다. 대안적으로, 다른 실시예에서는, 2 이상의 고정자 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 고정자 유체 유로를 통해 흐른 유체, 회전자 유체 유로를 통해 흐른 유체, 및 베어링 유체 유로를 통해 흐른 유체가 모두 배출통(22) 속에 함께 모일 수 있을 것이고, 유체는 출구 포트(46)를 통해 기계를 빠져나갈 수 있을 것이다. 양호하게는, 일부 유체는 기계 내의 유체 유동 경로들의 전부를 위해 이용될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 상이한 유체들 또는 그 조합이 상이한 유체 유동 경로들을 위해 이용될 수 있을 것이다.

A. 유체 분배 매니폴드 (Fluid Distribution Manifold)

앞서 기술했듯이, 도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계로 유체가 들어갈 수 있는 입구 포트(41) 및 유체 분배 매니폴드(42)를 도시한다. 어떤 실시예에서는, 입구 포트가 전기 기계의 한 측부에 있도록 지향될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 입구 포트가 전기 기계의 상단 또는 전기 기계의 하단으로부터 오도록 지향될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 입구 포트는 유체가 유수평방향으로 체 분배 매니폴드로 흐르도록 지향될 수 있을 것이다. 대안적으로, 입구 포트는 수직으로, 또는 제한적인 것은 아니지만, 10도 각도, 15도 각도, 30도 각도, 45도 각도, 60도 각도, 75도 각도, 또는 80도 각도를 포함할 수 있는 어느 한 각도로 지향될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 하나, 둘, 셋, 또는 그 이상의 입구 포트가 제공될 수 있을 것이며, 각각의 입구 포트는 기술된 바와 같이 어떤 구성, 위치, 또는 방위를 가질 수 있을 것이다. 각각의 입구 포트는 동일한 유체 분배 매니폴드에 접속될 수 있을 것이고, 또는 대안적으로 서로 유체 소통되거나 되지 않을 수 있는 상이한 매니폴드들에 접속될 수 있을 것이다. 각각의 입구 포트는 동일한 유체 또는 상이한 유형의 유체를 받아들일 수 있을 것이다. 입구 포트는, 매니폴드를 이용하든 하지 않든, 전기 기계의 하우징의 어떤 부분에든 제공될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 매니폴드가 전기 기계의 하우징의 일부로서 제공되거나 및/또는 내부에 내장될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 매니폴드가 별도의 부품으로서 제공되어 전기 기계의 하우징에 부착될 수 있을 것이다. 또다른 실시예에서는, 매니폴드는 매니폴드의 일부가 기계에 부착된 별도의 부품으로서 제공되고 매니폴드의 다른 부분이 기계의 일부로서 제공되어 내부에 내장되는 방식으로 제공될 수 있을 것이다.

도 1b는 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계를 위한 유체 분배 매니폴드의 개념도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 유체는 하나 이상의 입구로부터 매니폴드로 들어갈 수 있을 것이다. 유체 분배 매니폴드는 기계 내의 하나 이상의 유체 유로로 이어질 수 있는 하나 이상의 분배 개구(distribution openings)를 가질 수 있을 것이다. 한 예에서는, 3개의 분배 개구 및/또는 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다.(I, IIA, IIB) 다른 실시예에서는, 어떤 수의 분배 개구 및/또는 유체 유로든 제공될 수 있을 것이며, 그 것은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 이상의 분배 개구 및/또는 유체 유로를 포함할 수 있을 것이다.

어떤 경우에는, 동일한 수의 분배 개구 및/또는 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 대안적으로, 상이한 수의 분배 개구 및/또는 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 다중 유체 유로는 단일의 분배 개구로부터 또는 다른 유체 유로들로부터의 지선일 수 있을 것이다.

유체 분배 매니폴드는 어떤 형상 또는 방위든 가질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 매니폴드는 길쭉하거나 또는 평탄한 형상을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 매니폴드는 평탄한 원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 팔각형, 또는 다른 어떤 형상을 가질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 매니폴드는 가장 작은 치수가 수직방향으로 연장되도록 수평방향으로 지향될 수 있을 것이다. 대안적으로, 매니폴드는 가장 작은 치수가 수평방향으로 연장되도록 수직방향으로 지향될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 매니폴드가 어떤 한 각을 이루게 지향될 수 있을 것이다.

분배 개구는 매니폴드를 따라 어디에든 배치될 수 있을 것이다. 예를 들어, 분배 개구는 매니폴드의 하단면에 배치될 수 있을 것이다. 이 것은 중력이 개구를 통해 유체를 유동시키는 것을 보조하게 할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 분배 개구가 매니폴드의 측부 또는 상단에 배치될 수 있을 것이다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에서 유체가 유체 분배 매니폴드(42)의 입구 포트(41)를 통해 기계로 들어갈 수 있고 위치 1, 2, 및 3에서 통로에 분배될 수 있음을 도시한다. 유체 유로는 채널, 봉쇄된 공간, 봉쇄되지 않은 공간, 평탄한 공간, 튜브, 파이프, 또는 다른 어떤 형상이나 구성으로 형성될 수 있을 것이다. 앞서 기술했듯이, 전기 기계를 위해 어떤 수의 유체 유로든 제공될 수 있을 것이다.

도 1c는 전기 기계 내에 제공될 수 있는 유체 유동 경로들의 예시도를 도시한다. 제1 유체 유동 경로(I)는 고정자 유체 유로일 수 있다. 고정자 유체 유로는 전기 기계의 하우징과 고정자 어셈블리의 사이에 제공될 수 있을 것이다. 한 실시예에서는, 하나의 고정자 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 대안적으로, 전기 기계 내에 다중 고정자 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 고정자 유체 유로가 실질적으로 원통형인 전기 기계의 실질적으로 곡면 위로 기계의 회전축의 둘레로 유체가 흐르게 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 회전 가능한 회전자의 회전축과 기계의 축이 지면에 대해 평행하도록 원통형 기계가 그 측부에 제공되어 있다면, 유체는 원통형 기계 위로부터 원통 곡면의 둘레로 흘러서 고정자 어셈블리 둘레로 실질적으로 원주방향으로 흐를 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 전기 기계가 실질적으로 원통형일 필요가 없고, 그래서 고정자 유체 유로는 대안적으로 유체가 어떤 형상의 표면 또는 다중 표면 둘레로 흘러서 유체가 어떤 형상의 고정자의 주위의 둘레로든 흐르게 할 것이다. 대안적 또는 부가적으로, 다른 실시예에서는, 유체가 고정자 둘레로 어떤 방향으로든 또는 다중 방향으로 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 고정자 유체 유로는 유체가 고정자의 표면 위로 전기 기계의 길이를 따라 기계의 회전축과 실질적으로 평행하게 흐르게 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 유체는 고정자 어셈블리의 중심 근처의 통로로부터 흐를 수 있을 것이고, 고정자의 길이를 따라 외측으로 흘러서, 회전 가능한 회전자의 회전축 및 전기 기계의 축과 실질적으로 평행하게 흐를 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 고정자 유체 유로는 유체가 고정자 어셈블리 주위로 또는 따라 어떤 각도 또는 방향으로든 흐르게 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 유체는 회전축에 대해 약 5도 각도, 약 10도 각도, 약 15도 각도, 약 20도 각도, 약 30도 각도, 약 45도 각도, 약 60도 각도, 약 75도 각도, 또는 약 90도 각도로 흐를 수 있을 것이다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 전기 기계 내에 부가적 유체 유동 경로들이 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 베어링 유체 유로(MA, MB)가 제공될 수 있을 것이다. 회전자 유체 유로가 제공될 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 회전자 및 고정자 어셈블리와 접하도록 지향시킬 수 있을 것이다. 베어링 유체 유로가 제공될 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 베어링 어셈블리와 접하게 할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 하나 , 둘 또는 그 이상의 회전자 유체 유로 및/또는 베어링 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 전기 기계의 양 측부 상에 각각 하나를 포함하여, 2개의 회전자 유체 유로 및 2개의 베어링 유체 유로가 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 그들은 실질적으로 원통형인 전기 기계의 실질적으로 평탄한 단부를 따라 제공될 수 있을 것이다. 대안적으로, 전기 기계의 둘레에 어떤 수의 회전자 유체 유로 및 베어링 유체 유로든 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 전기 기계가 원형 단면 형상을 갖는다면, 다중 회전자 유체 유로 및 다중 베어링 유체 유로가 전기 기계의 둘레의 여러 지점 주위에 제공될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 회전자 유체 유로 및 베어링 유체 유로가 동일한 유체 유로(IIA+MA, IIB+MB)를 갖도록 유래될 수 있을 것이며, 별도의 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 별도의 베어링 유체 유로(MA, MB)로 분기될 수 있을 것이다.

이 발명의 대안적 실시예에서는, 도 1d에서 유체 유로의 예시도로 도시된 바와 같이, 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 베어링 유체 유로(MA, MB)는 동일하게 유래하는 유체 유로를 공유할 필요가 없다. 대신에, 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 베어링 유체 유로(MA, MB)는, 개별적 유체 유로로 별도로 이어지는, 매니폴드로부터의 별도의 개별적인 분배 개구를 가질 수 있을 것이다.

다른 대안적 실시예에서는, 도 1e에서 유체 유동 경로의 예시도로 도시된 바와 같이, 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 베어링 유체 유로(MA, MB)는 동일한 유체 유로(IIA+MA, IIB+MB)를 갖게 유래될 수 있고, 별도의 회전자 유체 유로(IIA, IIB) 및 별도의 베어링 유체 유로(IIIA, IIIB)로 분기될 수 있을 것이다. 대신에, 단일의 유체 유로(IIA+IIIA, IIB+IIIB)가 베어링 유체 유로(IIIA, IIIB)를 통하고, 그 후 순차적으로 회전자 유체 유로(IIA, IIB)를 통하여, 직렬로 유체가 흐르도록 지향시킬 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 고정자 유체 유로가 회전자 유체 유로 및/또는 베어링 유체 유로를 갖는 유체 유로의 어떤 부분이든 공유할 수 있거나 또는 하지 않을 수 있을 것이다. 한 실시예에 따르면, 전기 기계는 5개의 유체 유동 경로, 즉 1개의 고정자 유체 유로, 2개의 회전자 유체 유로, 및 2개의 베어링 유체 유로를 가질 수 있을 것이다.

전기 기계는 하나 이상의 유체 분배 매니폴드를 포함할 수 있을 것이다. 각각의 매니폴드는 유사한 구성 또는 다양한 구성을 가질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 각각의 매니폴드는 유체 유로의 각각에 대해 분배 개구를 제공할 수 있을 것이다. 대안적으로, 다양한 매니폴드들이 상이한 유체 유로들에게 분배 개구를 제공할 수 있을 것이다.

B. 고정자 유체 유동 경로 (Stator Fluid Flow Pathway)

어떤 실시예에서는, 유체가 고정자 유체 유동 경로를 통해 흐를 수 있을 것이다. 도 1은 이 발명의 한 실시예에 따라 전기 기계 하우징(4)과 고정자 어셈블리(5) 사이로 흐르도록 유체를 안내할 수 있는 냉각 유체 경로를 도시한다. 유체는 위치 2에서 하나 이상의 유체 유로로 들어갈 수 있고, 하우징(4)의 내면 상의 원주 홈 또는 주위 홈에 의해 형성된 하나 이상의 공동(6)을 통해 흐를 수 있을 것이다. 대안적 또는 부가적으로, 유체는 하우징(4)의 내면 및/또는 고정자 어셈블리(5)의 외면 상의 홈 또는 다른 요소에 의해 형성된 고정자의 길이를 따르는 하나 이상의 통로를 통해 흐를 수 있을 것이다. 그래서, 어떤 실시예에서는, 유체는, 어떤 방향으로든 또는 다중 방향으로, 고정자의 원주 또는 주위 둘레의 하나 이상의 통로를 통해 흐르거나 및/또는 고정자의 길이를 따르는 하나 이상의 통로를 통해 흐를 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체는 유체가 고정자 엔드턴 위로 및/또는 통해서 회전자 엔드링 위로 흐르게 하는 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 고정자의 길이를 따르는 통로들 중 하나 이상을 빠져나갈 수 있을 것이다. 그래서, 고정자 유체 유로는 유체가 고정자 어셈블리(5), 고정자 엔드턴, 및 회전자 엔드링의 외면과 직접 접하게 할 수 있는 하나 이상의 유체 유로를 포함할 수 있을 것이다. 이 기술 분야에서 숙련된 자에게는 여기에서 지칭된 고정자 라미네이션, 고정자 엔드턴, 및 회전자 엔드링이 여기에 기술된 이 발명으로부터 벗어남이 없이 어떤 유형의 전기 기계에서든 다른 어떤 유사한 구조 또는 구성요소들을 포함할 수 있을 것임이 자명할 것이다.

냉각 유체와 고정자 라미네이션, 고정자 엔드턴, 및 회전자 엔드링 사이의 직접 접촉은 고정자 및 회전자 열원으로부터 냉각 유체로의 열전달을 개선할 수 있을 것이다. 이 유체 유동 경로는 기계 함의 밀봉된 구조에 의해 가능해질 수 있을 것이다. 그래서, 어떤 실시예에서는, 전기 기계를 위한 하우징이 유체 밀봉되고, 또는 냉각 유체와 접촉하고 있는 하우징 부분은 유체 밀봉되지만, 어떤 실시예에서는 기계가 유체 밀봉될 필요가 없을 수도 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 위치 2에서 유체 유로로 들어가는 유체가 고정자 어셈블리(5)의 전체 원주 또는 주위의 둘레의 공동(6)을 통해 흐를 수 있을 것이며, 그 후 배출로(21)를 통해 배출통(22) 속으로 공동을 빠져나갈 수 있을 것이고, 유체는 유체 출구 포트(46)를 통해 기계를 빠져나갈 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 위치 2에서 유체 유로로 들어가는 유체가 고정자 어셈블리(5)의 원주 또는 주위의 일부의 둘레의 공동(6)을 통해 흐를 수 있을 것이다. 대안적 또는 부가적으로, 위치 2에서 유체 유로로 들어가는 유체는 고정자 어셈블리(5)의 길이를 따르는 하나 이상의 통로를 통해 흐를 수 있고, 그 후 어떤 실시예에서는 유체가 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 통로들 중 하나 이상을 빠져나갈 수 있을 것이다. 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 하나 이상의 통로를 빠져나가는 유체는 그 후 고정자 엔드턴 및 회전자 엔드링과 접하도록 흐를 수 있을 것이고, 그 후 기계 하우징의 주 내부 공동(37)을 통해 배출로(20) 및 배출통(22) 속으로 흐를 수 있을 것이며, 유체는 유체 출구 포트(46)를 통해 기계를 빠져나갈 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 기계의 한 단부 또는 기계의 양 단부에서의 하나 이상의 위치에서 고정자 엔드턴 및/또는 회전자 엔드링과 접할 수 있을 것이다.

도 7은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계의 분해도를 도시한다. 고정자 어셈블리(5)의 사시도가 제공된다. 유체는 고정자 어셈블리(5)의 외면을 따라, 도시된 중심 곡면 구역 주위로 및/또는 따라 흐를 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 고정자 어셈블리의 외면이 곡면일 필요가 없고, 그래서 유체는 어떤 형상의 고정자 표면이든 또는 다중 고정자 표면 주위로 및/또는 따라 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 고정자 어셈블리(5)의 전체 주위의 둘레로 아래로 흐를 수 있을 것이고, 어떤 경우에는 고정자의 아래에 배치될 수 있는 배출통(22)에 의해 수집될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체가 고정자 어셈블리(5)의 주위의 일부의 둘레로 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 고정자 어셈블리(5)의 길이를 따라 흐를 수 있을 것이고, 고정자의 중심으로부터 외향 방향으로 고정자의 하나 이상의 가장자리를 향해 흐를 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체가 고정자의 길이를 따라 고정자의 한 가장자리로부터 중심을 향해 및/또는 고정자의 한 가장자리로부터 고정자의 다른 가장자리로 흐를 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 고정자의 가장자리를 향해 통로로 흐르는 유체가 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 통로를 빠져나가고 기계의 주 내부 공동 속으로 흘러들어갈 수 있을 것이다. 고정자 라미네이션의 가장자리에 있는 통로를 빠져나간 후, 유체는 고정자 엔드턴과 접하도록 더 흐를 수 있을 것이고, 고정자 엔드턴 주위로 및/또는 통해서 회전자 엔드링과 접하도록 계속 흐를 수 있을 것이다. 유체는 그 후 기계 하우징의 주 내부 공동을 통해 아래로 흐를 수 있을 것이고, 어떤 경우에는 고정자 및 회전자의 아래에 배치될 수 있는 배출통(22)에 의해 수집될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 유체가 고정자(5)와 회전자(4) 사이의 특정 구역에 가두어질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체가 공동, 채널, 챔버, 또는 다른 어떤 유체 봉쇄 구조 내에 가두어질 수 있을 것이다. 하나 또는 다중의 봉쇄된 유체 유로들이 제공될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체가 고정자와 하우징 사이의 공간의 어디에든 자유롭게 흐를 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체가 고정자와 하우징 사이의 어떤 공간 또는 공간들의 조합에서든 어떤 방향 또는 다중 방향으로든 흐를 수 있을 것이다. 유체는 광역에 걸쳐 자유롭게 흐를 수 있거나 및/또는 하나 이상의 지정된 경로로 제한될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체는 유체가 한 방향 또는 다중 방향으로 흐르게 할 수 있는 경로로 지향될 수 있을 것이다. 부가적으로, 유체 유동 경로는 어떤 지점에서든 몇 번이든 유체 유동의 방향을 변경할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체는 연속 경로를 따라 흐를 수 있거나, 또는 상이한 경로로 분기될 수 있을 것이다. 0, 1, 2 또는 그 이상의 지점으로부터 0, 1, 2, 또는 그 이상의 경로들이 분기될 수 있을 것이다. 유체는 단일의 한정된 경로를 따라 흐를 수 있거나 및/또는 다중 경로를 따라 평행하게 흐를 수 있을 것이다. 다중 유체 유동 경로는 서로 평행할 수 있거나 또는 하지 않을 수 있을 것이다.

하우징의 내면 및/또는 고정자 어셈블리의 외면 상에 하나 이상의 요소가 제공될 수 있을 것이며, 그 것은 고정자와 하우징 사이로 유체 유동을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 통로를 형성할 수 있을 것이다. 부가적 또는 대안적으로, 이러한 하나 이상의 요소들은 고정자의 외면 및/또는 하우징의 내면의 노출된 표면적을 증가시킬 수 있을 것이고, 그 것은 각각 또는 모두의 표면과 유체 사이의 열전달을 도울 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 하우징의 내면이 하나 이상의 홈, 채널, 릿지(ridges), 돌기, 핀(fins), 범프(bumps), 요면(indentations), 패턴, 구조화 표면(textured surfaces), 또는 다른 어떤 표면 요소든 가질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 이러한 요소들은 고정자 표면 주위로 또는 따라 고정자 어셈블리의 외면과 하우징의 내면 사이로 유체 유동을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 통로를 형성할 수 있을 것이다. 부가적 또는 대안적으로, 이러한 요소들은 하우징의 노출된 내면적을 증가시킬 수 있을 것이며, 그 것은 유체와 접촉하고 있는 하나 이상의 유체 유로의 표면적의 양을 증가시킬 수 있다. 이 것은 유체와 하우징 표면 사이의 열전달을 더 큰 정도로 허용할 수 있는 장점이 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서는, 하우징의 내면이 매끈하거나 또는 실질적으로 매끈할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 고정자 어셈블리의 외면이 하나 이상의 홈, 채널, 릿지, 돌기, 핀, 범프, 요면, 패턴, 구조화 표면, 또는 다른 어떤 표면 요소든 가질 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 이러한 요소들은 고정자 표면 주위로 또는 따라 고정자 어셈블리의 외면과 하우징의 내면 사이로 유체 유동을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 통로를 형성할 수 있을 것이다. 부가적 또는 대안적으로, 이러한 요소들은 고정자의 노출된 내면적을 증가시킬 수 있을 것이며, 그 것은 유체와 접촉하고 있는 하나 이상의 유체 유로의 표면적의 양을 증가시킬 수 있다. 이 것은 고정자 표면과 유체 사이의 열전달을 더 큰 정도로 허용할 수 있는 장점이 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서는, 고정자 표면이 매끈하거나 또는 실질적으로 매끈할 수 있을 것이다.

어떤 경우에는, 유체가 고정자 유체 유동 경로의 전부 또는 일부를 따라 아래로 흐를 수 있고, 유체 유동이 중력에 의해 구동 또는 보조될 수 있을 것이다. 다른 경우에는, 유체가 요구되는 방식으로 고정자 유체 유동 경로의 전부 또는 일부를 통해 흐르도록 적극적으로 강요하기 위해 펌프, 콤프레서, 또는 다른 기구들이 활용될 수 있을 것이다. 그렇게 강요된 유체 유동은 유체가 고정자 유체 유동 경로 주위로 및/또는 따라 어떤 방향으로든 흘러가게 할 수 있을 것이고, 그 것은 유체가 상향으로, 하향으로, 측방향으로, 또는 다른 각도로 흘러가게 하는 것을 포함할 것이다. 그래서, 유체는 다음의 것들 중 하나 이상, 즉 중력, 유체 유동 경로의 시작점 또는 유체 유동 경로를 따르는 어떤 지점에서의 정압, 유체 유동 경로의 끝점 또는 유체 유동 경로를 따르는 어떤 지점에서의 부압, 또는 전기 기계에 대해 외부적이거나 또는 전기 기계에 일체로 된 부분일 수 있는 하나 이상의 이동 부품 또는 다른 기구로 인해 고정자 유체 유동 경로를 통해 흐를 수 있을 것이다.

C. 회전자 유체 유동 경로 (Rotor Fluid Flow Pathway)

회전하는 회전자(또는 전기자(armature) 등과 같은 다른 유형의 전기 기계에서의 유사한 동적 구성요소) 및 고정적인 고정자 어셈블리를 냉각하기 위한 유체 유동 경로를 위한 실시예가 이 섹션에서 기술된다.

도 3은 전기 기계의 한 섹션의 확대된 상세도를 제공하며 이 발명의 한 실시예에 따른 회전자 유체 유동 경로를 도시한다. 유체는 유체 통로(1)로부터 주입기 노즐(9) 근처의 공동(45) 속으로, 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 사이의 간격(10)을 통하고, 그 후 주입기 노즐(9)과 회전자(35)의 면 사이의 수직 간격(16)을 통해 흐를 수 있을 것이다. 회전자(35)의 면에 인접한 주입기 노즐(9)의 단부에서의 더 큰 직경 요소는 회전하는 회전자(35)의 원심력으로 인해 유체가 간격(16)을 빠져나갈 때 속도를 증가시키게 할 수 있을 것이다. 그래서, 회전자의 면에 인접한 수직 구성요소를 형성하는 주입기 노즐의 부분이 원심 펌핑 디스크(34)로서의 기능도 할 수 있을 것이다.

유체가 간격(16)으로부터 방출되면, 그 것은 표면(17)에서 회전자의 엔드링(15)에 부딪히고 엔드링(15)을 냉각시킬 수 있을 것이다. 회전자 엔드링(15)은 케이지 방식의 회전자(cage style rotor)를 갖는 유도 기계(induction machine)에서의 회전자 봉(rotor bar)를 위한 단락환(shorting ring), 권선형 회전자 방식의 기계(wound rotor type machine)에서의 엔드턴, 영구자석 방식의 기계에서의 회전자의 단부 구조, 또는 어떤 유형의 전기 기계에서의 어떤 유사한 구조를 나타낼 수 있을 것이다.

특히 권선형 또는 케이지 방식의 기계에서의 회전자 엔드링(15)은 고도의 도전성 재료로 형성될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 엔드링이 고도의 열전도 재료로 이루어질 수도 있을 것이다. 그러한 열전도 재료의 어떤 예에서는 제한적인 것은 아니지만 금속(구리, 알루미늄, 황동, 은, 금, 철, 강철, 납 등), 다이어몬드, 탄소, 또는 그 것들의 어떤 합금, 혼합물, 또는 조합을 포함할 수 있을 것이다. 유체 유동으로 엔드링(15)을 냉각시키는 것은 회전자의 중심으로부터의 열이 저온 엔드링 및 유체로의 열전도에 의해 제거되게 할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 전기적 도체 또는 부도체일 수 있는 열전도 재료 또는 장치(히트파이프 등)가 회전자 어셈블리에 부가될 수 있고, 회전자 구조물 및/또는 엔드링과 열적으로 소통하여 열전달을 개선할 수 있을 것이다.

원심력에 의해 유체가 엔드링(15)으로부터 방출되면, 그 것은 고정자 엔드턴(18)을 향해 스핀 오프(spin off) 될 수 있고, 부가적 냉각이 일어날 수 있을 것이다. 고정자 엔드턴은 고정자 어셈블리(5)의 권선의 단부일 수 있고, 그 것은 고도의 전기적 및 열적 도체 재료로 이루어질 수 있고, 그래서 고정자(5)의 중심으로부터 유체로 열을 효과적으로 전달할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 고정자 어셈블리의 권선이 구리, 알루미늄, 또는 다른 어떤 고도의 도전성 재료로 형성될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 고정자 어셈블리의 권선이 고도의 열전도 재료로 형성될 수도 있을 것이다. 어떤 유형의 전기 기계에서는, 고정자 어셈블리가 브러시를 가진 직교류 겸용 전동기(brushed universal motor) 등과 같이 권선이 아닌 영구자석을 가질 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 전기적 도체 또는 부도체일 수 있는 열전도 재료 또는 장치(히트파이프 등)가 고정자 어셈블리에 부가될 수 있고, 고정자 구조물 및/또는 엔드턴과 열적으로 소통하여 열전달을 개선할 수 있을 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유체가 고정자 엔드턴(18)에 부딪히면, 유체는 중력의 작용으로 인해 엔드턴으로부터 기계 하우징(4)의 주 내부 공동(37)의 배출로(20)로 흘러나갈 수 있을 것이다. 기계 하우징, 또는 냉각 유체와 접촉하고 있는 하우징 부분은 유체 밀봉될 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 하우징으로부터 누설됨이 없이 흐르게 할 수 있을 것이지만, 어떤 실시예에서는 기계가 유체 밀봉될 필요가 없을 수도 있을 것이다. 배출로(20)로부터 배출통(22) 속으로 흘러들어가고 유체 출구 포트(46)를 통해 빠져나갈 수 있을 것이다.

전기 기계 내에 하나 이상의 회전자 유체 유동 경로들이 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 2개의 유사한 유체 유동 경로(IIA+IIIA 및 IIB+IIIB)가 제공될 수 있을 것이다. 이러한 2개의 유사한 유체 유동 경로는 전기 기계의 양 단부에 제공될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 어떤 수의 회전자 유체 유동 경로든 있을 수 있고, 그들은 전기 기계 내에서 어떤 위치든 가질 수 있을 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 유체는 유체 유로(1)로부터 공동(45)으로 흐를 수 있을 것이다. 공동은 유체의 일부가 회전자 유체 유동 경로로 분기되어 나가고 유체의 일부는 베어링 유체 유동 경로로 분기되어 나갈 수 있는 분할점일 수 있다. 공동은 어떤 수의 유체 유동 경로로든 분기되어 나가는 어떤 수의 구성이든 갖는 분할점을 형성할 수 있을 것이다. 대안적으로, 공동은 분할점을 형성할 필요가 없고, 특정한 경로를 따라 흐르도록 유체의 전부를 지향시킬 수 있을 것이다.

유체는 공동(45)으로부터 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 및 회전자(35)의 면의 사이의 통로를 따라 흐를 수 있을 것이다. 유체는 회전자 유체 유동 경로(10)의 제1 부분을 따라 실질적으로 수평방향으로 흐르고, 회전자 유체 유동 경로(16)의 제2 부분을 따라 실질적으로 수직방향으로 흐를 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 이러한 유체 유로가 각도(예를 들어, 5도, 15도, 30도, 45도, 60도, 75도, 85도), 또는 수평 또는 수직인 어떤 방위든 가질 수 있을 것이다. 유체 유동 경로 섹션들은 실질적으로 직선일 수도 있고, 굽혀질 수도 있으며, 또는 곡면을 이룰 수도 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체 유동 경로(10)의 제1 부분이 각도를 이루거나 곡선을 이룰 수 있는 중간 부분을 통해 유체 유동 경로(16)의 제2 부분으로 천이할 수 있을 것이다. 다른 경우에는, 유체 유동 경로의 제1 부분은 중간 부분 없이 유체 유동 경로의 제2 부분으로 직접 천이할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 유체 유동 경로의 제1 부분과 제2 부분이 하나의 통로로 통합될 수 있을 것이다.

유체는 주입기 노즐과 기계 축 사이의 유체 유로를 따라 흐르기 위해 압력이 필요할 수도 있고 하지 않을 수도 있을 것이다. 압력은 펌프와 같은 정압원, 진공과 같은 부압원, 또는 다른 어떤 차압 발생 장치에 의해서든 발생될 수 있을 것이다. 압력은 외부 소스 또는 기계에 내장된 소스에 의해 발생될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 중력이 압력을 발생시키거나 기여할 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 또는 회전자(35)의 면 사이의 간격이 변할 수 있을 것이다. 예를 들어, 어떤 에에서는, 주입기 노즐과 회전자의 면 사이의 간격이 주입기 노즐과 기계 축 사이의 간격보다 더 클 수도 있고, 그 반대도 가능하다. 어떤 경우에는, 간격이 대략 0.5 내지 1.0 ㎜일 수 있지만, 간격의 크기는 유체 유동과 압력 요구치, 유체의 유형, 및/또는 기계의 크기의 함수로서 변할 수 있을 것이다.

유체 유로(16)를 빠져나가는 유체는 회전자 앤드링(15)에 부딪힐 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 회전자 앤드링이 비스듬할 수도 있고, 또는 다른 어떤 형상이든 가질 수 있을 것이다. 회전자 엔드링은 수평방향일 수도 있고, 요구에 따라 각도를 이루거나 곡면을 이룰 수도 있을 것이다. 이 것은 아래에서 더 자세하게 설명하겠다. 앞서 기술했듯이, 유체는 고정자 엔드턴(18)에 부딪힐 수 있고, 엔드턴으로부터 흘러나갈 수 있을 것이다. 대안적으로, 유체는 고정자 및 회전자의 근처의 구역에 제공된 다른 어떤 표면에든 부딪힐 수 있을 것이다. 유체는 중력의 작용으로 인해 배출로(20)로 아래방향으로 흐를 수 있을 것이다. 유체는 고정자 및 회전자의 근처 또는 내장된 어떤 표면에든 흘러내려갈 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 표면의 어디에든 유체를 하향으로 및/또는 요구된 위치로 지향시키는 것을 보조할 수 있는 채널 또는 표면 요소가 있을 수 있다. 대안적으로, 표면은 실질적으로 매끈할 수 있을 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전자 유체 유동 경로의 근처에 배치될 수 있는 다른 구성요소들은 전기 기계를 위한 하우징(4)을 포함할 수 있을 것이다. 공동(45)은 베어링(7)의 근처에 배치될 수 있을 것이며, 그 것은 베어링 외부 레이스(race)(31) 및 베어링 내부 레이스(32)에 의해 정위치에 유지될 수 있을 것이다. 이 것은 아래에서 더 자세하게 설명하겠다. 또한, 축 밀봉부(13)가 제공될 수 있을 것이다.

D. 베어링 유체 유동 경로 (Bearing Fluid Flow Pathway)

이 발명의 한 실시예에 따라 베어링 유체 유동 경로가 제공될 수도 있을 것이다. 베어링에 대한 유체 경로는 윤활 및 냉각을 위해 유체가 베어링을 통해 흐르게 할 수 있을 것이다. 이 것은 더 높은 작동 속도, 더 긴 연속 작동, 더 높은 기계 내구성 및 신뢰성, 및 더 긴 기계 수명이 가능하게 할 수 있을 것이다. 증대된 작동 속도는 전기 기계로부터 더 높은 전력을 생성하고 더 높은 전력 밀도를 달성함에 있어서 주요 가능요소일 수 있다.

도 2a는 이 발명의 한 실시예에 따른 베어링 유체 유동 경로 및 베어링 어셈블리의 확대도를 제공한다. 유체는 베어링(7)의 측부 상의 공동(45)으로 들어갈 수 있고, 그 후 측정 장치를 통하고 베어링 어셈블리에서의 간격을 통하여 베어링(7)의 다른 측부 상의 베어링과 축 밀봉부(13) 사이의 공동(12) 속으로 흘러들어갈 수 있을 것이다.

베어링(7)은 외부 레이스(31) 및 내부 레이스(32)에 의해 지지될 수 있으며, 그 것은 베어링 어셈블리를 포함할 수 있을 것이다. 유체는 베어링과 하나 이상의 레이스 사이로 흐를 수 있을 것이다. 대안적으로, 유체의 일부 또는 전부가 베어링과 레이스 사이로 들어감이 없이 베어링의 둘레로 흐를 수 있을 것이다.

도 2는 배유로(drain passage)(14)가 유체가 공동(12)을 빠져나가게 하고 기계 하우징(4)의 주 내부 공동 속으로 흘러들어가게 할 수 있음을 예시한다. 도 1은 유체가 기계 하우징(4)의 내부 공동(37)을 통해 배출로(20)로 흐를 수 있는 방법을 도시한다. 배출로(20)로부터 유체는 배출통(22)으로 지향될 수 있을 것이며, 그 것은 유체 출구 포트(46)를 통해 기계를 빠져나갈 수 있을 것이다. 기계 하우징, 또는 냉각 유체와 접촉하고 있는 하우징 부분은 유체 밀봉될 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 하우징으로부터 누출함이 없이 흐르게 할 수 있을 것이지만, 어떤 실시예에서는 기계가 유체 밀봉될 필요가 없을 수도 있을 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 전기 기계의 축(11)의 둘레에 접촉 밀봉부(13)가 제공될 수 있을 것이고 유체가 회전하는 축(11)과 기계 하우징(4) 사이의 계면을 통해 기계를 빠져나가는 것을 방지할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 축 밀봉부(13)가 도전성 재료로 이루어질 수 있을 것이며, 그 것은 회전자(35)와 고정자(5) 사이의 전기 경로를 완성할 수 있을 것이다. 종래의 기계에서는, 전기 침식으로 인해 조기에 베어링 고장을 유발할 수 있는 순환 전류(43)가 베어링(7)을 통해 흐르는 것을 방지하기 위해 베어링이 기계 하우징 및 회전자로부터 전기 절연될 필요가 있을 수 있다. 도전성 밀봉부(13)를 이용함으로써, 전류(43)는 베어링(7) 대신에 도전성 밀봉부(13)를 통해 흐를 수 있을 것이고, 그 것은 조기의 베어링 고장을 방지하는 역할을 할 수 있을 것이다. 회전하는 축(11)의 하나 또는 양 단부, 또는 기계 하우징(4)을 통해 축이 연장되는 어떤 위치에든 축 밀봉부(13)가 제공될 수 있을 것이다. 그래서, 하나 이상의 축 밀봉부는 전기적 도체일 수 있을 것이지만, 어떤 실시예에서는 축 밀봉부가 전기적 도체일 필요가 없을 수도 있을 것이다. 도전성 밀봉부는 아래에서 더 상세하게 설명하겠다.

전기 기계 내에 하나 이상의 베어링 유체 유동 경로가 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 어떤 실시예에서는, 전기 기계의 양 단부에 2개의 베어링 유체 유동 경로가 제공될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 베어링 유체 유동 경로가 전기 기계 내에 제공될 수 있는 하나 이상의 유체 통로로부터 분기될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 2개의 유사한 유체 유동 경로(IIA+IIIA 및 IIB+IIIB)가 제공될 수 있을 것이다. 이러한 2개의 유사한 유체 유동 경로는 전기 기계의 양 단부에 제공될 수 있을 것이다. 베어링 유체 유동 경로(MA, MB)는 이러한 2개의 유체 유동 경로로부터 분기될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 어떤 수의 베어링 유체 유동 경로든 각각의 유체 유동 경로로부터 분기될 수 있거나, 또는 베어링 유체 유동 경로(MA, MB)가 다른 한 유체 유동 경로로부터 분기될 필요는 없고, 도 1d에 도시된 바와 같이 유체 분배 매니폴드로 직접 접속될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 어떤 수의 베어링 유동 경로든 있을 수 있고, 그들은 전기 기계 내에서 어떤 위치든 가질 수 있을 것이다.

1. 베어링 윤활 및 냉각을 위해 유체 유동을 분기하는 방법 (Method of Splitting Fluid Flow for Bearing Lubrication and Cooling)

도 2a는 이 발명의 한 실시예에 따른 베어링 유체 유동 경로의 확대도를 도시한다. 유체 주입 시스템의 베어링 유체 유동 경로에서, 유체는 공동(45) 속으로 지향될 수 있을 것이고, 유체는 베어링(7)과 유체 주입기 노즐(9) 사이에서 분기될 수 있을 것이다. 그래서, 공동(45)은 유체가 2 이상의 방향으로 분기될 수 있는 분할점을 형성할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 유체 유동은, 베어링을 윤활 및 냉각시키기 위해 유체의 일부를 베어링(7)을 통해 지향시킬 수 있는 베어링 유체 유동 경로, 및 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 사이의 간격(10)을 통해 고정자 및 회전자를 향해 유체의 일부를 지향시킬 수 있는 회전자 유체 유동 경로로 분기할 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 주입기 노즐(9)이 유체 주입 시스템이 적절히 작동하게 하기 위해 유체 압력을 요구하거나 하지 않을 수 있을 것이지만, 회전자 및 고정자로 이어지는 경로를 통한 유체 유동의 양에 대한 베어링(7)으로의 유체 유동의 상대적인 양을 조절하거나 측정하는 것이 요구될 수 있을 것이다. 이 것은 주입기 노즐(9)과 베어링 어셈블리 사이에 억류되고, 하나 이상의 베어링(7), 베어링 내부 레이스(32), 및 베어링 외부 레이스(31)를 포함할 수 있는 유체 유동 측정 장치(29)의 이용에 의해 이루어질 수 있을 것이다. 베어링 어셈블리(7, 31, 32) 및 측정 장치(29)는 주입기 노즐(9)에 의해 고정될 수 있을 것이며, 그 것은 측정 장치(29)를 억류하는 작용 및 베어링 어셈블리(7, 31, 32)를 정위치에 조이고 그 것을 정위치에 고정하는 작용을 할 수 있을 것이다. 베어링 어셈블리를 정위치에 조이는 것은 베어링 어셈블리 재료와 하우징 재료 사이의 열팽창 특성의 차이로 인해 기계 하우징(4) 온도가 상승함에 따라 베어링 어셈블리가 변위 또는 선회하는 것을 방지할 수 있을 것이다.

위에서 말한 구성요소들 중 어느 것이든 요구된 특성을 갖는 어떤 재료로든 형성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 베어링은 다른 어떤 유형이 베어링보다 제조 비용이 상대적으로 저렴할 수 있는 강철 베어링일 수 있을 것이다. 강철이 회전 요소 베어링을 위해 양호할 수 있지만, 다른 금속, 플라스틱, 유리, 및/또는 세라믹, 또는 그들의 어떤 조합이 이용될 수도 있을 것이다. 하우징은 제한적인 것은 아니지만 알루미늄, 강철, 철, 구리, 황동, 은, 금, 납 또는 다른 어떤 금속, 또는 플라스틱, 유리, 세라믹 등 다른 재료, 또는 그들의 어떤 합금, 혼합물, 또는 조합으로 형성될 수 있을 것이다.

하우징(4)을 위해 알루미늄 등 고도의 열전도 재로를 이용하는 것은 예를 들어 강철로 형성될 수 있는 베어링(7), 베어링 내부 레이스(32), 및/또는 베어링 외부 레이스(31)의 재료와 관련하여 열팽창 부조화를 발생시킬 수 있을 것이다. 베어링 어셈블리(7, 31, 32)가 안착되는 하우징 구멍(30)은 온도 상승에 따라 베어링 어셈블리보다 더 빨리 크기가 팽창할 수 있을 것이며, 그 것은 베어링 어셈블리(7, 31, 32)가 하우징(4) 속에서 변위 또는 선회하게 할 것이다. 이러한 효과로 인해, 베어링 어셈블리(7, 31, 32)를 정위치에 조이는 것이 요구될 수 있을 것이다. 이 것은 주입기 노즐(9)에 의해 이루어질 수 있을 것이며, 그 것은, 그 유체 분배 기능 외에, 베어링 클램프로서의 기능도 할 수 있으므로, 각각의 기능을 수행하기 위한 보조 하드웨어의 필요를 없앤다.

베어링(7)을 통한 유체 유동을 제어하기 위해, 베어링 외부 레이스(31)에 대해 측정 장치(29)가 조여질 수 있을 것이다. 한 실시예에서는, 측정 장치(29)와 베어링 내부 레이스(32) 사이의 작은 간격(33)이 주입기 노즐(9) 속으로의 유체 압력을 유지하도록 베어링(7)을 통한 유체 유동의 속도를 조절하기 위해 이용될 수 있을 것이지만, 여전히 베어링(7)을 윤활 및 냉각하기에 충분한 유체를 제공한다.

어떤 실시예에서는, 측정 장치(29)가 구멍, 채널, 또는 통로를 가지거나, 또는 천공되거나, 다공질이거나, 투습성이거나, 또는 반투성인 재료로 구성될 수 있을 것이며, 그 것은 측정 장치의 한 측부로부터 측정 장치를 통해 다른 측부로 유체가 흐르게 할 수 있을 것이다. 그러한 경우에, 측정 장치(29)를 위한 간격(33)이 제공되거나 되지 않을 수 있을 것이다. 대안적으로, 측정 장치(29)는 속이 꽉 차고 내부에 구멍, 채널, 또는 통로를 가지지 않을 수 있을 것이다. 측정 장치(29)는 그 것을 통해 흐를 유체에 관해 불투과성, 반투과성, 또는 투과성일 수 있는 재료로 형성될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 측정 장치는 평판일 수 있고, 또는 다른 어떤 형상 또는 구성을 가질 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 측정 장치(29)는 제거, 교체, 및/또는 조절 가능하여 기계가 측정 장치 없이 작동될 수 있거나, 측정 장치가 상이한 크기 및/또는 구성을 갖는 상이한 측정 장치로 교체될 수 있거나, 또는 측정 장치가 조절될 수 있음으로써, 베어링(7)을 통해 흐르는 유체와 주입기 노즐(9)을 통해 흐르는 유체의 상대적인 양을 변경할 수 있게 한다. 그래서, 측정 장치(29)를 이용하는 것은 요구되는 유체 유속을 맞추기거나 또는 상이한 유형의 유체를 이용하는 것에 부응하기 위해 교체성 장치들이 제각기 상이한 유체 통로의 크기 또는 구성을 갖게 할 수 있을 것이다.

예를 들어, 기상 유체를 위해서는 작은 간격(33) 또는 구멍이 이용될 수 있을 것이며, 더 높은 점성 액체를 위해서는 더 큰 간격(33) 또는 구멍이 이용될 수 있을 것이다. 베어링(7)으로 흐르는 유체와 주입기 노즐(9)로 흐르는 유체의 상대적인 양을 결정하기 위해 측정 장치의 크기 및/또는 구성도 조절될 수 있을 것이다. 예를 들어, 상대적으로 더 많은 유체가 베어링 유체 유동 경로 속으로 흐를 것이 요구된다면, 간격(33) 또는 구멍의 크기가 증대될 수 있도록 측정 장치의 크기 및 구성이 조절될 수 있을 것이며, 그 것은 더 많은 유체가 측정 장치를 통해 베어링 유체 유동 경로 속으로 흐르게 할 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 측정 장치929)가 조절 가능할 수 있을 것이다. 예를 들어, 측정 장치의 크기는 조절 가능할 수 있으며, 그 것은 간격(33)의 크기를 변화시킬 수 있을 것이다. 대안적으로, 측정 장치를 통하는 구멍, 채널, 또는 경로의 수 또는 크기는 가변적일 수 있을 것이다. 하나 이상의 값들이 제공될 수 있을 것이다. 상이한 유체 및/또는 유속에 부응할 수 있는 다른 조절 가능한 요소들이 제공될 수 있을 것이다.

측정 장치(29)는 실질적으로 수직인 구성을 가질 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 측정 장치가 각도를 이룰 수 있을 것이다. 측정 장치는 요구된 속도 및 비율의 유체가 베어링 유체 유동 경로 속으로 흐르게 하기 위해 요구된 크기의 각도를 이룰 수 있을 것이다.

측정 장치(29)를 이용하는 것은 동일한 전기 기계에서 상이한 유형의 유체가 이용되게 하는 장점을 가질 수 있을 것이다. 상이한 유체에 부응하기 위해 측정 장치가 교체될 수 있거나, 및/또는 조절 가능한 요소들이 제어될 수 있을 것이지만, 전기 기계에 다른 변화가 만들어질 필요는 없을 수 있다. 이 것은 상이한 유형의 유체에 부응하기 위해 완전히 상이한 구성을 요구할 수 있거나, 및/또는 전체적으로 교체될 필요가 있을 수 있는 종래의 전기 기계 디자인에 대해 대조적인 것이다.

2. 베어링 윤활/냉각 및 회전자 냉각을 위한 유체 유동의 대안적 방법 (Alternate Method of Fluid Flow for Bearing Lubrication/Cooling and Rotor Cooling)

이 발명의 다른 한 실시예에서는, 앞서 기술된 방법에 비해, 베어링 유체 유동 경로 및 회전자 유체 유동 경로를 위한 유체 유동의 대안적 방법이 제공될 수 있을 것이다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 회전자 유체 유동 경로(IIA, IIB) 및 베어링 유체 유동 경로(IIIA, IIIB)는 동일한 유체 유로(IIA+IIIA, IIB+IIIB)를 갖게 유래될 것이고, 별도의 회전자 유체 유동 경로(IIA, IIB) 및 별도의 베어링 유체 유동 경로(IIIA, IIIB)로 분기되지 않을 수 있을 것이다. 대신에, 단일의 유체 유로(IIA+IIIA, IIB+IIIB)가 베어링 유체 유로(IIIA, IIIB)를 통하고, 그 후 순차적으로 회전자 유체 유로(IIA, IIB)를 통하여, 직렬로 유체가 흐르도록 지향시킬 수 있을 것이다. 이 방법은 윤활 및 냉각을 위한 하나 이상의 베어링을 통해 유체가 흐르게 할 수 있고 그 후, 회전자 및 고정자 어셈블리의 냉각을 위한 회전자 유체 유동 경로를 통해 유체가 순차적으로 흐르게 할 수 있는 독특한 유체 유동 경로를 제안한다. 이 방법은 더 큰 베어링이 이용될 때 특별하게 적용 가능할 것이지만, 그 것은 어떤 크기의 베어링과 함께든 선택적으로 이용될 수 있을 것이다.

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 베어링 유체 유동 경로의 한 예를 도시한다. 한 대안적 실시예에서는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 유체가 45에 배치된 공동 속으로가 아니라, 먼저 12에 배치된 공동 속으로 주입될 수 있을 것이다. 유체는 유체 분배 매니폴드에 접속될 수 있는 하나 이상의 유체 유로를 거쳐 12에 배치된 공동 속으로 먼저 흘러들어갈 수 있을 것이다. 유체 유로는 공동(12)에 도달하기에 앞서 회전자 유체 유동 경로 속으로 분기되거나 되지 않을 수 있을 것이다. 양호한 실시예에서는, 유체 유로가 회전자 유체 유동 경로로 별도로 분기되지 않는다. 이 방법에서 배유로(14) 및/또는 측정 장치(29)는 제거되거나 되지 않을 수 있을 것이다. 배유로가 제거되면, 베어링 유동 경로로부터의 유체는 베어링(7)을 통해 모두 지향될 수 있을 것이다.

이 유체 유동 방법은, 유체 통로(1)가 축 밀봉부와 동일한 베어링 측부 상에서 12에 배치된 공동으로 들어갈 수 있고, 배유로(14)가 제거될 수도 있을 것임을 제외하고는, 앞서 기술된 방법과 유사해질 수 있을 것이다. 유체는 12에 배치된 공동으로부터 베어링(7)을 통해 45에 배치된 공동 속으로 흘러들어갈 수 있을 것이다. 그 후, 유체는 주입기 노즐(9) 및 기계 축(11) 사이의 간격(10)을 통해 계속 흐를 수 있을 것이고, 도 에 도시된 바와 같이, 그 후 주입기 노즐(9)과 회전자(35)의 면 사이의 수직 간격(16)을 통해 흘러나가서, 앞서 기술된 바와 같이 회전자 엔드링(15) 및 고정자 엔드턴(18)에 접촉한다. 그래서, 베어링 윤활/냉각 및 회전자 냉각을 위한 이 대안적 유체 유동 방법에 의해, 유체 유동 경로는 베어링(7)과 주입기 노즐(9) 사이에서 분기되지 않을 수 있을 것이지만, 대신에, 유체는 직접 베어링(7)을 통하고 그 후 주입기 노즐(9)과 기계 축(11) 사이의 간격(10) 속으로 직렬로 흘러들어갈 수 있을 것이다.

이 대안적 방법에서는, 유체가 베어링 유체 유동 경로를 통해 흐르고, 그 후 회전자 유체 유동 경로를 통해 순차적으로 흐를 수 있을 것이다. 이 것은, 앞서의 방법에서 제공된 바와 같이 병렬적이기보다는, 베어링과 회전자가 순차로 냉각 및/또는 윤활되게 할 수 있을 것이다. 그래서, 특정한 유체는 하나 이상의 베어링에 먼저 접하고, 베어링 또는 베어링들을 통해 흐른 후, 기술된 실시예 또는 변화예들 중 어느 것에서든 회전자 유체 유동 경로를 통해 흐를 수 있을 것이다. 이 것은 유체가 베어링 유체 유동 경로 및 회전자 유체 유동 경로를 통해 병렬로 흐르고 베어링 및 회전자에 별도의 유체가 접하게 할 수 있도록 유체 유동 경로가 분기될 수 있는 방법들과 대조적일 수 있다.

II. 주입기 노즐로부터의 유체의 원심 펌핑 (Centrifugal Pumping of Fluid from Injector Nozzle)

도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 회전자 유체 유동 경로를 도시한다. 원심 펌핑 디스크(34)가 회전자(35)의 표면에 인접하게 제공될 수 있을 것이다. 원심 펌핑 디스크는 주입기 노즐(9)로부터 내장형으로 형성될 수 있을 것이다. 대안적으로, 원심 펌핑 디스크는 주입기 노즐로부터 분리될 수 있을 것이다. 펌핑 디스크 및 회전자는 회전자 유체 유동 경로의 일부일 수 있는 간격(16)을 형성할 수 있을 것이다.

유체 주입 시스템의 회전자 유체 유동 경로를 위해, 회전하는 회전자(35)에 관하여 고정적일 수 있는 주입기 노즐(9)의 출구 상의 더 큰 직경의 평행 원심 펌핑 디스크(34)가 디스크(34)와 회전자(35)의 면 사이의 간격(16)을 통해 반경 방향으로 유체가 흐르게 할 수 있을 것이고 유체 점성을 증대시킬 수 있을 것이다. 유체 점성이 증대됨에 따라, 유체의 압력이 강하될 수 있을 것이고, 디스크(34)는 유체의 유동 및 분배를 돕기 위한 원심 펌프로서 작용할 수 있을 것이다. 이 방법은 기계 내의 유체 유동을 증대 또는 개선할 수 있거나, 및/또는 발명의 어떤 실시예들에서 유체의 외부 펌핑을 위한 요구사항을 제거하거나 감축할 수 있는 기계 디자인의 내장 부분으로서 원심 펌핑을 포함할 수 있는 장점이 있다.

베르누이 방정식으로부터,

여기에서, P는 압력이고,

ρ는 밀도이며,

V는 유체 점성이며,

g는 중력이고,

h는 높이 변화이며,

K는 상수이다.

일정한 온도를 가정하면, 유체 점성(V)은 회전자의 회전 작용으로 인해 증가하고, 그래서 유체 압력(P)가 감소되게 한다. 이 압력 강하는 주입기 노즐이 원심 펌프로서 작용하게 할 수 있을 것이다.

원신 펌핑 디스크(34)의 크기를 증가시키는 것은 펌핑 효과를 증가시킬 수 있을 것이다. 디스크(34) 상의 실질적으로 매끈한 표면을 이용하는 것은 기계 상의 항력 손실을 감소시킬 수 있을 것이다. 더 큰 펌핑 효과가 요구되면, 회전하는 원심 펌핑 디스크(34)의 표면 상에 날개(vane)를 부가하는 것은 유체 점성의 부가적인 변화로 인해 펌핑 압력을 증가시킬 수 있을 것이지만, 기계로부터 더 많은 전력이 작동할 것을 요구할 수 있을 것이다. 또한, 도 5에 예시된 바와 같이, 부가적인 원심 펌핑력은 기계 축(11) 상에 날개(36)와 같은 요소를 제공함으로써 달성될 수 있을 것이다. 이러한 날개는 도 3에 예시된 바와 같이 축(11)과 유체 주입기 노즐(9) 사이의 간격(10)의 구역에 있을 수 있다. 이러한 날개(36)는 간격(10)을 통해 유체를 펌핑하도록 작용할 수 있을 것이다. 날개는 요구된 방향으로 유체를 지향시키는 것을 보조하기 위해 각도를 이룰 수 있을 것이다. 예를 들어, 날개는 유체가 전기 기계의 중심을 향해(즉, 제1 간격(10)을 통하고, 그 후 제2 간격(16)으로 천이함) 흐르도록 각도를 이룰 수 있을 것이다. 대안적으로, 유체를 지향시키고 펌핑 압력에 영향을 주는 것을 보조하기 위해 홈, 릿지, 채널, 또는 다른 어떤 표면 요소가 제공될 수 있을 것이다.

원심 펌핑 디스크(34)는 펌핑 효과를 보조하기 위해 요구되는 기계 및/또는 표면 요소를 제공할 수 있는 어떤 재료로든 형성될 수 있을 것이다. 앞서 말했듯이, 원심 펌핑 디스크가 실질적으로 매끈해지는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 어떤 다른 실시예에서는, 원심 펌핑 디스크는 구조화 표면, 또는 디스크에 인접한 간격(16)을 통한 유체 유동에 영향을 줄 수 있는 채널, 릿지, 요면, 또는 날개 등 다른 표면 요소를 가질 수 있을 것이다. 회전자(35)의 면에 인접한 디스크 표면은 수직방향으로 지향될 수 있을 것이고, 또는 요구된 방식으로 유체를 지향시킬 수 있는 어떤 각도를 가질 수 있을 것이다.

부가적 유체 유동이 항상 요구되지는 않을 것이기 때문에, 원심 펌핑에 의해 유체 유동을 개선하는 이 방법은 부가적 냉각이 가장 요구될 때 유체 유동을 증가시키는 것이 자동으로 가능하게 할 수 있을 것이다. 기계의 회전 속도가 증가함에 따라, 기계의 전력도 증가할 수 있을 것이며, 그래서 기계로부터의 열손실도 증가할 수 있을 것이다. 통합적인 원심 펌핑 방법은 기계의 회전 속도에 관하여 유체 유속을 비례적으로 증가시킬 수 있을 것이며, 그 것은 고전력 작동시에 냉각 시스템의 열전도 속도를 동시에 증가시킬 수 있을 것이다. 그래서, 기계 내에서의 열전도의 필요성이 증가함에 따라, 원심 펌핑 방법에 의해 증가된 유체 유동 및 열전도가 제공될 수 있을 것이다.

III. 회전자 엔드링 상의 유체 유동 및 열전도를 개선하는 방법 (Method of Enhancing Fluid Flow and Heat Transfer on Rotor End Ring)

종래의 기계에서는, 전기 기계의 회전자 엔드링은 기계 하우징에서 공기를 순환시키고 대류 열전도를 증가시키기 위해 흔히 핀을 갖게 만들어진다.

유체 주입 냉각식 기계에서는, 열전도 기구가 주입된 유체로의 전도 및/또는 대류에 의한 것일 수 있을 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 주입된 유체는 간격(16)을 빠져나가고, 회전자 엔드링(15)의 내경 상에 분무하며, 고정자 엔드턴(18) 상에 분무하기 위해 엔드링 위 및 주위로 흐를 수 있을 것이다.

회전자 엔드링(15)은 유체 주입기 노즐(9)(및/또는 원심 펌핑 디스크(34))과 회전자(35)의 면 사이의 간격(16)의 개구로부터 요구된 거리에 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 간격(16)의 개구와 회전자 엔드링(15) 사이의 거리는 유체 유동의 요구된 양을 제공하거나 및/또는 유체 유동의 방향을 제어하기 위해 그에 맞춰 조절될 수 있을 것이다. 부가적으로, 어떤 실시예에서는, 유체 주입기 노즐(9) 및/또는 원심 펌핑 디스크(34)가 구성될 수 있거나 및/또는 간격(16)을 빠져나가는 유체가 회전자 엔드링(15)을 향해 요구된 방식으로 지향되게 하는 요소를 포함할 수 있을 것이다.

회전자 엔드링 상의 열전도 및 유체 유동을 개선하기 위해, 회전자 엔드링은 간격(16)을 빠져나간 유체에 노출된 표면적을 증가시킬 수 있거나 및/또는 회전자의 표면 위로 흐르게 하고 그 후 원심력에 의해 고정자를 향해 흐르도록 유체를 지향시키는 것을 도울 수 있는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 회전자 엔드링 표면은 실질적으로 평탄해질 수 있거나 또는 경사 요소(17)를 포함할 수 있을 것이다. 엔드링(15)의 내경 상에 경사 요소(17)를 부가하는 것은 냉각 유체에 노출되는 표면적을 증가시킬 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 회전자 엔드링 표면이 실질적으로 매끈해질 수 있거나 또는 채널, 릿지, 돌기, 날개, 요면, 또는 다른 어떤 요소와 같은 표면 요소를 포함할 수 있을 것이며, 그 것은 유체에 노출될 수 있는 회전자 엔드링의 표면적을 증가시킬 수 있거나 및/또는 엔드링 위 및 주위로의 유체의 유동을 개선할 수 있을 것이다. 요소는 고정자 엔드턴(18)을 향해 유체를 분무하기 위해 회전자 엔드링(15)의 길이를 따라 유체 유동을 조장할 수 있는 방식으로 정렬될 수 있을 것이다.

경사 요소(17)는 원심력의 방향으로 인해 유체 유속을 증가시킬 수도 있을 것이고, 그러므로 회전자 엔드링(15)으로부터 유체로의 열전도 속도를 증가시킬 수 있을 것이다. 엔드링의 내경 상에 경사 요소(17)를 부가하는 것은 원심력이 축방향 속도 성분을 가질 것이기 때문에 유체 유동을 개선할 수 있을 것이다. 이 요소는 유체 막 두께를 감소시킬 수 있을 것이고, 엔드링의 표면을 가로질러 유체 속도를 증가시킬 수 있을 것이며, 그래서 열전도 속도를 증가시키고, 기계에서의 풍손(wind losse)을 최소화 할 수 있을 것이다.

요구된 경사의 각도는 어떤 각도(N)일 수 있을 것이며, 여기에서 N은 수평방향에 대한 0과 90 사이의 숫자이다. 예를 들어, 경사 요소는 약 1도, 2도, 3도, 5도, 7도, 10도, 12도, 15도, 20도, 25도, 30도, 35도, 40도, 45도, 50도, 60도, 70도, 또는 약 80도 이상 또는 이하일 수 있을 것이다.

어떤 경우에는, 경사면이 실질적으로 매끈할 수 있을 것이다. 대안적으로, 유체에 대해 노출된 표면적을 더 증가시킬 수 있거나, 회전자의 표면 위로의 유체 유속을 더 개선할 수 있거나, 및/또는 고정자를 향한 회전자 엔드링 위로의 유체 유동을 지향시키는 것을 도울 수 있는 어떤 수의 부가적인 표면 요소든 포함될 수 있을 것이다.

IV. 도전성 밀봉부로 기계 축을 밀봉 (Sealing Machine Shaft with Electrically Conductive Seals)

도 8은 교류 인버터에 의해 구동되는 전기 기계에 존재할 수 있는 동극성성 플럭스 패스와 함께 전기 기계의 도전성 축 밀봉부의 한 예시를 도시한다. 이러한 플럭스 경로는 회전자(35), 고정자(5) 및 하우징(4) 사이의 순환 전류(43)를 발생시킬 수 있을 것이다. 회전자가 고정자 및/또는 하우징으로부터 전기적으로 절연되어 있지 않으면, 이러한 전류는, 특히 베어링이 금속이거나 또는 다른 방식의 전도체이면, 기계 베어링(7)을 통해 흐를 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 베어링이 볼 또는 롤러 베어링과 같은 금속의 회전요소 베어링일 수 있을 것이며, 전류(43)는 베어링의 회전 접촉을 통해 흐를 수 있을 것이다. 이러한 회전 접촉은 점 또는 선 접촉과 같은 작은 표면적 접촉일 수 있을 것이며, 높은 전류 밀도가 생길 수 있을 것이고 전기적 아크 발생이 베어링 레이스(32) 상에 자국을 생성할 수 있을 것이다.

볼 또는 롤러가 고속으로 회전될 수 있음에 따라 베어링과 베어링 레이스 사이의 회전 접촉은 단속 접촉(intermittent contacts)일 수 있을 것이다. 고정류 밀도와 조합된 이러한 단속 접촉은 베어링의 회전 당 아크 발생이 여러번 일어나게 할 수 있을 것이며, 결국 베어링 어셈블리 재료의 표면 상에 파괴적인 자국을 만들 수 있을 것이다. 베어링 어셈블리의 표면 상의 자국은 베어링 고장으로 이어질 수 있을 것이고 기계 베어링의 수명을 실질적으로 단축시킬 수 있을 것이다.

이 문제에 대한 종래의 해법은 세라믹 회전요소, 또는 기계 축(11), 내부 베어링 레이스(32), 또는 외부 베어링 레이스(31) 상의 전기 절연체를 갖는 베어링과 같은 특수한 전기 절연된 베어링을 이용하는 것을 포함한다. 이러한 해법은 고가이거나, 및/또는 신뢰할 수 없을 것이다.

이 발명의 한 실시예에 따르면, 내부 유체 주입 시스템을 갖는 기계는 기계로부터 유체의 누설을 방지하기 위해 기계 축(11) 상의 밀봉 방법을 요구할 수 있을 것이다. 이 것은 기계 축(11)과 하우징(14) 사이의 계면에서 유체가 기계를 빠져나가는 것을 방지할 수 있는 접촉 밀봉부(13)에 의해 성취될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 접촉 밀봉부가 하우징 및/또는 기계 축을 접촉할 수 있을 것이다. 접촉 밀봉부(13)가 도전성 재료로 이루어지면, 밀봉부는 기계 축(11)과 하우징(4) 사이의 전기 접촉을 제공할 수도 있을 것이다.

이러한 신규의 밀봉 방법은 도전성 축 밀봉부(13)를 통해 전류가 흐르게 하는 대안적 경로(43)를 제공할 수도 있을 것이며, 그래서 순환 전류 문제에 대한 해법을 줄 수도 있을 것이다. 밀봉부(13)는 베어링보다 훨씬 더 큰 표면적 접촉을 가질 수 있을 것이며, 그러므로 순환 전류(43)가 주로 밀봉부(13)를 통해 흐를 수 있을 것이다. 그래서, 베어링이 베어링 레이스와 단속 접촉을 이룰 때, 밀봉부가 순환 전류(43)를 위한 대안적 경로를 제공할 수 있으므로, 베어링과 레이스 사이에 전기 아크 발생이 일어나지 않을 수 있다.

어떤 실시예에서는, 접촉 밀봉부를 위한 재료가 높은 도전성을 갖도록 선택될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 접촉 밀봉부가 베어링 및/또는 베어링 레이스를 위해 선택되는 재료보다 더 큰 도전성을 갖는 재료로 형성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 접촉 밀봉부(13)가 E1의 제1 도전성을 갖고 베어링(7)이 E2의 제2 도전성을 가지면, E1은 E2보다 더 클 수 있을 것이다. 그래서, 순환 전류(43)가 베어링(7)을 통하기보다는 완전히 접촉 밀봉부(13)를 통해 흐를 수 있을 것이다. 그러나, 어떤 실시예에서는, 밀봉부가 실질적으로 점 또는 선 접촉일 수 있는 베어링의 표면적 접촉에 비해 훨씬 더 큰 표면적 접촉을 가질 수 있으므로, 순환 전류가 베어링을 통하기보다는 접촉 밀봉부를 통해 양호하게 흐르도록 E1이 E2보다 더 클 필요가 없을 수 있다. 밀봉부의 더 큰 표면적 접촉은 전기 기계에서 작동할 때 밀봉부의 유효 도전성이 베어링 및/또는 베어링 레이스의 유효 도전성보다 더 크게 할 수 있을 것이다.

접촉 밀봉부를 위해 이용될 수 있는 재료의 어떤 예는, 제한적인 것은 아니지만, 알루미늄, 구리, 황동, 니켈, 티타늄, 그라파이트, 탄소, 은, 금, 철, 강철, 또는 그들의 어떤 합금, 혼합물, 또는 조합이든 포함할 수 있을 것이다. 접촉 밀봉부는 도금되거나 피복되거나, 또는 기본 금속을 포함하여 다양한 재료의 층 또는 구성요소를 포함할 수 있을 것이다. 접촉 밀봉부는 어떤 플라스틱 또는 탄성중합체(폴리테트로플루오로 에틸렌 등)로든 형성될 수 있을 것이고, 도전성 재료로 완전히 또는 부분적으로 채워질 수 있을 것이다. 접촉 밀봉부는 기본 금속, 다른 어떤 도전성 재료, 또는 그들의 어떤 조합으로든 형성될 수 있거나 또는 포함할 수 있을 것이다.

도전성 접촉 밀봉부(13)를 이용함으로써, 순환 전류(43)가 베어링(7)을 가로질러 흐르는 것이 방지되거나 감소될 수 있을 것이며, 전기 아크 발생으로 인해 베어링 레이스(31, 32) 상에 발생하는 자국으로 인한 조기의 베어링 고장의 문제 없이, 더 비용 절감적인 종래의 금속 베어링을 이용하게 할 수 있을 것이다. 그래서, 하우징으로부터의 유체 누설을 방지하기 위해 이용될 수 있는 밀봉부를 제공함으로써, 및 그 밀봉부를 위해 도전성 재료를 이용함으로써, 종래의 비용 절감적인 금속 베어링이 전기 기계에서 신뢰할 만하게 이용될 수 있을 것이다.

V. 열교환기로서의 배출통 (Exhaust Sump as Heat Exchanger)

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계의 한 예를 제공한다. 전기 기계는 유체 주입 시스템을 포함할 수 있고, 기계 내에 다양한 유체 유동 경로를 제공할 수 있을 것이다. 유체는 전기 기계의 냉각 및/또는 윤활을 위해 이용될 수 있을 것이다. 열원으로부터 기계로의 열전도를 통해 유체 온도가 상승될 수 있고, 그 후 유체는 기계의 바닥에서 수집될 수 있으며, 그 것은 도 4에 도시된 바와 같이 외부의 원격 열교환기로 펌핑되어 퍼내질 수 있을 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기 기계 내의 유체는 아래로 흐르고 배출통(22) 속에 수집될 수 있을 것이다. 배출통(22)에 수집된 다량의 유체가 있을 수 있고, 유체가 기계를 빠져나가기 전에 어떤 시간 지연이 있을 수 있기 때문에, 이 위치에서 유체로부터 열을 제거할 기회가 있을 수 있다. 그래서, 배출통은 통합된 로컬 열교환기로서 기능할 수도 있을 것이다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에서의 전기 기계의 배출통(22)을 도시한다. 배출통(22)에 냉각 핀(23)을 적용함으로써 열 제거가 수행될 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 통을 빠져나가기 전에 부가적인 냉각을 제공할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 배출통의 외면에 하나 이상의 외부적 히트 싱크가 적용될 수도 있을 것이다. 대안적으로, 배출통에 내장된 냉각 핀 및/또는 다른 요소는 배출통의 외부가 히트 싱크로서 기능하게 할 수 있을 것이다. 냉각 핀 및/또는 히트 싱크는 배출통의 외면 상의 표면적을 증가시키거나 및/또는 배출통으로부터의 열전도를 개선할 수 있는 어떤 구성이든 가질 수 있을 것이다. 냉각 핀 및/또는 히트 싱크는 고도의 열 전도성을 갖는 재료로 형성될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 냉각 핀 및/또는 히트 싱크로부터 열이 소극적으로 소멸될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 적극적 냉각을 돕기 위해 냉각 핀 및/또는 히트 싱크의 표면 위로 기체를 불어대기 위해 팬과 같은 장치가 이용될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 냉각 핀 및/또는 히트 싱크의 표면 위로, 배출통의 어떤 외면 위로, 또는 배출통의 어떤 부분을 통해 기상 또는 액상의 형태를 갖는 다른 한 유체가 흐를 수 있을 것이다. 다른 유체는 냉각 표면 위로 적극적으로 통과될 수 있을 것이며, 그 것은 팬, 펌프, 콤프레서, 또는 압력차를 발생시키는 다른 어떤 장치, 또는 다른 어떤 적극적인 냉각 기구의 도움에 의할 수 있다. 다른 유체는 로컬 열교환기의 일부로서 및/또는 다른 한 원격 열전도 시스템의 일부로서 보내질 수 있을 것이다. 유체 유형에 따라, 배출통은 기체 대 기체 열교환기, 액체 대 기체 열교환기, 기체 대 액체 열교환기, 액체 대 액체 열교환기, 또는 다른 어떤 유형 또는 구성의 열교환기로서 기능할 수 있을 것이다.

이 발명의 어떤 실시예에 따르면, 배출통은 도 1에 도시된 바와 같이 출구 포트(46)를 가질 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 다중 출구 포트가 제공될 수 있을 것이다. 대안적으로, 아무런 출구 포트도 제공되지 않을 수 있고 유체는 전기 기계 내에서 재순환될 수 있을 것이다. 배출통은 하나 이상의 출구를 향해 유체를 깔때기 모양으로 이동시키기 위한 형상을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 통의 바닥면은 출구를 향해 유체를 배유하도록 경사져 있을 수 있다. 유체는 중력, 차압, 원심력, 또는 다른 어떤 힘에 의해 구동되어 출구를 빠져나갈 수 있을 것이다.

배출통(22)은 다량의 냉각 유체(특히, 액체 냉매가 이용되면)를 수집하도록 작용할 수 있을 것이기 때문에, 유체가 통(22)으로 들어가는 시각과 유체가 통(22)을 빠져나가는 시각 사이의 시간 지연이 있을 수 있다. 어떤 경우에는, 통은 다량의 유체가 통을 빠져나가기 전에 통 내에 수집될 수 있도록 유체 용기로서 작용할 수 있을 것이다. 다량의 유체가 항상 존재하거나 또는 통 내에 수집되도록 시스템에서의 유체의 레벨이 조절될 수 있을 것이다. 유체가 실질적으로 동일하거나 상이한 속도로 통으로 들어가고 빠져나가도록, 유체는 어떤 속도로든 통에 들어갈 수 있고 어떤 속도로든 통을 빠져나갈 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 유체가 통을 연속적으로 빠져나가고, 다른 경우에는, 유체가 일정한 시간 동안 통 내에 수집된 후 다양한 속도 또는 간격으로 빠져나갈 수 있을 것이다. 그래서, 배출통 내에 수집될 수 있는 유체는 배출통을 빠져나가기 전에 냉각될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 유체가 배출통 내에 수집될 수 있는 시간이 열전도 시스템의 다른 부분으로 펌핑되어 나가기 전에 유체를 미리 냉각시키기 위해 이용될 수 있을 것이다. 도 4는 재순환 펌프(25)와 유체 소통하는 배출통을 포함할 수 있는 전기 기계(24)를 도시한다. 배출통 내의 유체를 미리 냉각하는 것은 전기 기계를 위한 유체 순환 시스템에서 재순환 펌프의 작동 온도 요구사항을 감축할 수 있는 장점이 있다. 다른 실시예에서는, 유체가 전기 기계로부터 제거될 수 있으며 재순환될 필요가 없다. 또다른 실시예에서는, 유체가 전기 기계 내에서 재순환될 수 있으며 기계로부터 제거될 필요가 없다.

VI. 전반적인 유체 순환 시스템 (Overall Fluid Circulation System)

도 4는 이 발명의 한 실시예에 따라 전기 기계(24)를 통해 유체를 순환시키기 위해 이용될 수 있는 시스템의 개념개요도를 도시한다. 펌프(25)와 유체 소통하도록 전기 기계(24)가 제공될 수 있을 것이다. 펌프는 일방향 체크 밸브(19)와 유체 소통할 수 있으며, 일방향 체크 밸브(19)는 필터(26)와 유체 소통할 수 있고, 필터(26)는 열교환기(27)와 유체 소통할 수 있을 것이다. 열교환기(27)는 유체 유동 회로를 완성하기 위해 전기 기계(24)와 유체 소통할 수 있을 것이다. 대안적으로, 펌프는 일방향 체크 밸브(19)와 유체 소통할 수 있으며, 일방향 체크 밸브(19)는 열교환기(27)와 유체 소통할 수 있고, 열교환기(27)는 필터(26)와 유체 소통할 수 있을 것이다. 필터(26)는 유체 유동 회로를 완성하기 위해 전기 기계(24)와 유체 소통할 수 있을 것이다. 다른 대안적 실시예에서는, 유체 순환 시스템의 구성요소들이 유체 유동 회로에서 어떤 순서로든 배열될 수 있을 것이다. 또한, 하나 이상의 구성요소들 중 복수가 회로에 포함될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 구성요소들이 회로로부터 제거될 수 있을 것이다.

도 4에 도시된 한 실시예에 따르면, 유체는 입구를 통해 전기 기계(24)로 들어갈 수 있고, 출구를 통해 전기 기계(24)를 빠져나갈 수 있을 것이다. 전기 기계를 빠져나간 유체는 유체 유동을 구동할 수 있는 펌프(25)를 통과할 수 있을 것이다. 유체는 일방향 체크 밸브(19)를 통과할 수 있을 것이며, 그 것은 유체가 한 방향으로만 장치를 통과하게 하고 유체가 역방향으로 흘러 전기 기계로 되돌아가는 것을 방지할 수 있을 것이다. 유체는 열교환기(27)를 통과하기 전에 필터(26)를 통과할 수 있을 것이다. 열교환기(27)는 유체로부터의 열을 양호하게 전달하여 유체가 열교환기를 빠져나갈 때 더 낮은 온도로 되게 할 수 있을 것이다. 열교환기(27)로부터, 유체는 전기 기계(24)의 입구로 들어갈 수 있을 것이다. 그래서, 유체는 재순환 펌프에 의해 구동되어 시스템 내로 재순환될 수 있을 것이다. 유체는 전기 기계를 냉각 및/또는 윤활하기 위해 이용될 수 있을 것이고, 전기 기계에 있는 동안 가열될 수 있을 것이다. 유체는 외부 열교환기에 의해 전기 기계의 외부에서 냉각될 수 있고, 그래서 전기 기계에 다시 들어가기 전에 냉각될 수 있을 것이다.

펌프(25)는 요구된 양의 유체가 요구된 속도로 시스템을 통해 순환하게 하거나, 또는 다른 어떤 요구된 특징을 포함할 수 있는 이 기술 분야에서 알려진 어떤 유형의 펌프든 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 펌프는 원심, 다이어프램, 기어, 날개, 임펠러, 플렉서블 라이너, 인젝션, 피스톤, 진행형 공동, 연동, 또는 로브(lobe) 펌프, 또는 다른 어떤 유형 또는 구성의 펌프일 수 있을 것이다. 또한, 펌프는 기계로부터 원격에 배치되거나 부착되거나 내장될 수 있을 것이다. 펌프는 전기 기계로부터 분리되거나 통합된 장치일 수 있고, 기계와 별도의 것 또는 동일한 것일 수 있는 어떤 동력원이든 공급될 수 있으며, 및/또는 펌프는 기계로부터 동력을 얻을 수 있을 것이다.

외부 열교환기(27)는 액체 대 액체, 기체 대 기체, 또는 액체 대 기체 열교환기, 또는 이 기술 분야에서 알려진 다른 어떤 유형의 열교환기일 수 있을 것이다. 예를 들어, 유체는 열교환기로 들어갈 수 있고 다른 한 유체에 열을 전달할 수 있을 것이다. 다른 유체는 기체 또는 액체일 수 있을 것이다. 열교환기는 이 기술 분야에서 알려진 어떤 형태 또는 구성이든 될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 열교환기는 평판형 구성을 가질 수 있을 것이다. 대안적으로, 열교환기는 외피 및 튜브형 구성을 가질 수 있을 것이다.

열교환기의 목적은 기계 냉각 유체로부터 열을 빼내서 결국 주변 공기 또는 다른 유체로 열을 전달하는 것일 수 있다. 기계 냉각 유체로부터 열을 제거하는 것은 더 낮은 기계 작동 온도를 제공할 수 있고, 그래서 기계 신뢰성을 개선할 수 있을 것이다. 부가적으로, 더 낮은 기계 작동 온도는 고정자 및 회전자 도전 재료를 위한 더 낮은 전기 저항치로 귀결될 수 있을 것이다. 이 것은 기계에서의 저항 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있을 것이고, 그 것은 개선된 기계 효율로 이어질 수 있을 것이다.

A. 열팽창 챔버, 플레넘, 및 유체 용기로서의 기계 하우징을 갖는 재순환 펌프 회로 (Recirculation Pump Circuit, with Machine Housing as Thermal Expansion Chamber, Plenum, and Fluid Reservoir)

도 4는 이 발명의 한 실시예에서 재순환 펌프(25)가 전기 기계(24)의 유체 출구로부터 체크 밸브(19)를 통하고 필터 장치(26)를 통하며 열교환기(27)를 통하여 전기 기계(24)의 유체 입구로 유체를 전달할 수 있음을 도시한다. 재순환 펌프는 시스템 내에서의 유체 유동을 구동할 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 재순환 펌프는 유체 유동의 속도를 변화시키도록 제어될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유체 유동의 속도는 재순환 펌프를 제어함으로써 증가, 감소, 또는 유지될 수 있을 것이다. 그래서, 유체 유동 속도는 제어 가능한 재순환 펌프에 기반하여 변화 및/또는 유지될 수 있을 것이다. 유체 유동의 속도는 전기 기계에 제공된 열전도 속도에 영향을 줄 수 있을 것이다. 이 재순환 열전도 회로에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기계 하우징(4)이 열팽창 챔버, 플레넘, 및/또는 재순환 유체를 위한 용기로서 작용할 수 있을 것이다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기 기계를 도시한다. 유체를 담고 있는 전기 기계는 일반적으로 유체 순환 시스템에서 개방 회로(대기에 대한 개방) 또는 폐쇄 회로(대기에 대한 폐쇄)로 구성될 수 있을 것이다. 폐쇄 회로 기계 구성은 일반적으로 순환 유체의 열팽창으로 인한 시스템으로부터의 유체 누출을 방지하도록 별도의 팽창 챔버를 요구할 수 있을 것이다.

이 발명의 한 실시예에 따르면, 부분적으로 유체가 채워진 기계는, 하나 이상의 압력 균등화 요소가 기계에 부가된 채로, 기계 하우징(4)이 열팽창 챔버로서 기능하고 기계 하우징(4)의 주 내부 공동(37)이 플레넘으로서 작용하게 할 수 있을 것이다. 압력 균등화 요소는 아래에서 더 상세하게 설명하듯이 압력 균등화 장치(28)를 포함할 수 있을 것이다. 이 방법은 외부 팽창 챔버 또는 유체 용기를 필요로 함이 없이 폐쇄 회로 유체 순환 시스템을 이용할 수 있게 할 것이다. 기계 하우징(4) 내의 압력이 증가 또는 감소할 때, 압력 균등화 장치를 이용하는 것은 기계 및 유체 순환 시스템 내의 압력 균등화를 허용할 수 있고, 그래서 시스템으로부터의 유체 누출을 방지하는 것에 도움이 될 수 있을 것이다.

시스템 온도가 상승함에 따라, 기계 내의 유체는 온도가 상승하고 팽창하여 기계 내의 압력을 상승시킬 수 있을 것이다. 기계 내의 압력을 균등화하기 위해, 기계 하우징은 밸브, 피스톤, 소결 금속 통풍구, 또는 팽창성 주머니와 같은 압력 균등화 장치(28)를 포함할 수 있을 것이다. 압력 균등화 장치는 기계 하우징이 열팽창 챔버 및 플레넘으로서 작용하게 하고, 기계 내의 유체의 온도가 변함에 따라 유체 밀봉된 기계 내의 압력을 외부 환경 압력으로 균등화 할 수 있을 것이다. 압력 균등화는 기계 하우징 내의 압력을 예정된 범위 내로 유지할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 예정된 범위가 하나 이상의 임계 압력 이하 및/또는 이상인 어떤 압력이든 될 수 있을 것이다. 어떤 경우에는, 임계 압력이 주변 압력일 수 있을 것이다. 그래서, 유체 밀봉된 함의 온전한 상태를 여전히 유지하면서 압력 균등화를 허용하도록 전기 기계(24) 상에 압력 균등화 장치(28)가 제공될 수 있을 것이다. 하나 이상의 압력 균등화 장치가 양호하게는 이 압력 균등화를 적절히 가능하게 하는 기계 하우징의 어디에든 배치될 수 있을 것이다.

이 발명의 한 실시예에 따르면, 부분적으로 유체가 채워진 기계는 기계 하우징이 유체 용기로서 작용하게 할 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 전기 기계는 사용자 또는 검사자가 기계 하우징 내부의 유체의 레벨을 결정하게 할 수 있는 하나 이상의 유체 레벨 장치(48)를 가질 수 있을 것이다. 유체 레벨 장치는, 장치가 기계 내의 유체의 레벨에 관하여 사용자 또는 검사자에게 피드백을 제공할 수 있도록, 어떤 유형의 물리적, 기계적, 전기적, 전자적, 광학적, 공기식, 초음파식, 또는 무선 주파수 장치, 또는 그들의 어떤 조합, 또는 이 기술 분야에서 알려지거나 나중에 개발되는 다른 어떤 유형 또는 구성의 감지, 측정, 또는 지시 장치로든 될 수 있을 것이다.

어떤 실시예에서는, 전기 기계가 기계 내의 유체의 레벨에 관하여 가시적 피드백을 제공할 수 있는 하나 이상의 투명창을 가질 수 있을 것이다. 창은 사용자 또는 검사자가 전기 기계 내부를 보고 내부의 유체 레벨을 결정하게 할 수 있을 것이다. 창은 투명 재료로 형성될 수 있을 것이며, 전기 기계 하우징이 유체 밀봉된 기계 함을 여전히 유지할 수 있게 할 것이다. 창은 어떤 형상 또는 크기로든 될 수 있을 것이며, 사용자 또는 검사자가 기계 내부의 유체 레벨 또는 유체 레벨의 범위를 결정할 수 있게 할 것이다. 하나 이상의 창은 기계 하우징 내의 요구된 유체 레벨을 결정하기에 적합한 위치에서 전기 기계의 하나 이상의 측부에 배치될 수 있을 것이다. 하나 이상의 창은 또한 유체 용기의 일부로서 작용할 수도 있는 배출통 내의 유체 레벨을 보기 위해 배출통 상에 또는 근처에 배치될 수 있을 것이다.

B. 유체 밀봉된 기계 함 (Fluid-Sealed Machine Enclosure)

도 6은 이 발명의 한 실시예에 따른 유체 밀봉된 기계 함을 도시한다. 유체 주입 시스템을 구현하기 위해, 기계 하우징(4)은 밀봉된 함일 수 있을 것이며, 기계로부터 내부 유체의 누출을 방지하기 위해 모든 조인트 및 분할점에서 하우징 요소들이 밀봉된다. 유체 밀봉된 구성을 이용하는 것은 종래의 기계를 위해서는 일반적으로 필요하지 않을 수 있을 것이지만, 유체 주입되는 기계 디자인을 위해서는 중요한 요소일 수 있을 것이다.

밀봉부는 제거 가능한 엔드벨(end bell)(38)와 하우징(4)의 사이, 전력 접점을 위한 유전성 절연체(39)와 엔드벨(38)의 사이, 전력 접점(40)과 유전성 절연체(39)의 사이, 및 회전하는 기계 축(11)과 엔드벨(38) 및 하우징(4)의 사이에 도입될 수 있을 것이다.

유체 주입기 노즐(9)을 위한 장착용 하드웨어는 기계의 외측으로부터 접근되어 설치될 수 있을 것이고, 그러므로, 유체가 주입기 노즐 장착 하드웨어 위치로 흐르는 것을 막고 하드웨어 계면을 통한 유체 누출을 방지하기 위해, 밀봉부는 주입기 노즐과 기계 하우징(4) 및 엔드벨(38)의 사이의 위치 47에서 구현될 수도 있을 것이다. 유체 주입기 장착 하드웨어는 패스너가 느슨해지는 경우에 기계 내부의 회전하는 구성요소에 대한 손상을 방지하기 위해 기계의 외측으로부터 설치될 수 있을 것이다. 이 디자인의 실시예에서는, 패스너가 풀리면, 그 것은 항상 내부의 회전하는 구성요소로부터 멀리 떨어져서 기계의 외측에 있을 것이다.

밀봉된 하우징(4)은 온도 변화로 인한 내부 유체의 열팽창에 부응할 수 있을 것이다. 기계 내부의 압력이 유체 열팽창으로 인해 과도해지는 것을 방지하기 위해 압력 균등화 방법이 이용될 수 있을 것이다. 밀봉된 하우징 디자인은 압력 균등화를 허용할 수 있고 증가된 압력으로 인한 기계로부터의 유체 누출을 방지할 수 있는 압력 균등화 장치(28)를 포함할 수 있을 것이다. 압력이 낮을수록 축 밀봉부(13)에 대한 요구가 줄어들 수 있을 것이고 비용 절감적이고 밀봉 압력이 더 낮은 표준적인 축 밀봉부를 이용할 수 있을 것이다.

유체 유동 회로에 대한 계면을 단순화하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 밀봉된 하우징은 유체 분배 매니폴드(42) 및 배출통(22)을 특별히 포함할 수 있을 것이고, 기계로의 단일의 유체 입구(41) 및 기계로부터의 단일의 유체 출구(46)가 성취될 수 있을 것이다. 대안적으로, 어떤 수의 유체 입구 또는 출구든 제공될 수 있을 것이다. 매니폴드(42)는, 유체를 기계 내의 하나 이상의 유체 유로에 분배할 수 있는 내부 플레넘과 함께, 단일의 유체 입구 접속을 허용할 수 있을 것이다. 유사하게, 기계 내의 유체 유로를 빠져나오는 유체를 배출로(20 및 21)를 통해 수집하기 위해 배출통(22)이 이용될 수 있을 것이다. 단일의 출구 포트(46)를 통해 기계를 빠져나가기 전에 통 내의 다량의 유체를 수집하기 위해 배출통(22)이 제공될 수 있을 것이다.

앞서의 설명으로부터, 특정한 구현이 예시 및 기술되었지만, 거기에 다양한 수정이 이루어질 수 있고 여기에서 고려되고 있음을 알아야 한다. 이 발명이 명세에 제공된 특정한 예에 의해 제한되는 것은 의도하지도 않는다. 발명이 앞서 말한 명세를 참고하여 기술되었지만, 여기에서의 양호한 실시예의 기술 및 예시가 제한하려는 뜻으로 해석되는 것을 의도한 것이 아니다. 또한, 이 발명의 양태는 다양한 조건 및 변수에 의존하는 여기에서 말한 특정한 기술, 구성 또는 상대적 비율로 제한되는 것이 아님을 알아야 한다. 발명의 실시예의 형태 및 상세사항에서의 다양한 수정이 이 기술 분야의 숙련된 자에게 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명은 그러한 어떤 수정, 변화 및 치환이든 망라해야 하는 것으로 생각된다.

Claims

전기 기계로서,
회전축에 고정되고 하나 이상의 베어링에 의해 지지된 회전자,
상기 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고, 회전 가능한 상기 회전자 및 회전축에 대하여 고정된 고정자,
상기 전기 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징, 및
상기 전기 기계 내의 복수의 유체 유로
를 포함하고, 상기 유체 유로는,
상기 고정자와 상기 하우징 사이의 하나 이상의 고정자 유체 유로,
상기 회전축을 따라 상기 회전자 및 고정자를 향하는 하나 이상의 회전자 유체 유로, 및
적어도 하나의 베어링에 접하는 하나 이상의 베어링 유체 유로
를 포함하고, 상기 베어링 유체 유로는 유체를 베어링의 일 측부 상의 공동으로 향하게 하여 베어링 어셈블리 내의 간격을 통해 베어링의 타 측부 상의 다른 공동으로 흐르게 하는 것인 전기 기계.
제1항에 있어서, 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 상의 원주 홈 또는 주위 홈을 포함하고, 상기 홈은 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이에 공동을 형성하는, 전기 기계.
제2항에 있어서, 유체는 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 공동을 통해 상기 고정자 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로 흐르도록 지향되는, 전기 기계.
제3항에 있어서, 상기 유체는 상기 고정자의 외면과 직접 접하는, 전기 기계.
제1항에 있어서, 회전자 유체 유로는 유체 주입기 노즐을 포함하고, 상기 주입기 노즐은 회전축을 둘러싸고 상기 주입기 노즐과 상기 회전축 사이에 간격을 형성하는, 전기 기계.
제5항에 있어서, 유체는 상기 회전축을 따라 상기 주입기 노즐과 상기 회전축 사이의 상기 간격을 통해 상기 회전자를 향해 흐르도록 지향되는, 전기 기계.
제6항에 있어서, 상기 유체는 상기 주입기 노즐과 상기 회전자의 표면 사이의 간격을 통해 상기 주입기 노즐을 빠져나가는, 전기 기계.
제7항에 있어서, 상기 주입기 노즐을 빠져나가는 상기 유체는 원심력에 의해 상기 회전자의 표면 위로, 그리고 상기 회전자의 엔드링의 둘레 및 위로, 그리고 상기 고정자를 향해 흐르도록 지향되는, 전기 기계.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 유체 유로는 상기 유체 유로가 베어링에 접하는 베어링 유체 유로와 상기 회전자에 접하는 회전자 유체 유로로 분기되는 분할점으로 이어지는, 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 베어링 유체 유로와 회전자 유체 유로 사이의 측정 장치를 더 포함하고, 상기 측정 장치는 상기 베어링에 접하여 흐르는 유체와 상기 회전자에 접하여 흐르는 유체의 상대적인 양을 결정하도록 구성되어 있는, 전기 기계.
제1항에 있어서, 지정된 입구 포트 및 출구 포트를 제외하고는 유체가 전기 기계로 들어가거나 빠져나오는 것이 방지되도록 상기 하우징의 전체 또는 일부가 유체 밀봉되어 있는, 전기 기계.
전기 기계를 냉각 및 윤활하는 방법으로서,
회전축에 고정된 회전자를 제공하는 단계,
상기 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고, 회전 가능한 상기 회전자 및 회전축에 대하여 고정된 고정자를 제공하는 단계,
상기 전기 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징을 제공하는 단계, 및
상기 전기 기계 내의 복수의 유체 유로를 제공하는 단계
를 포함하고, 상기 유체 유로는,
상기 고정자와 상기 하우징 사이의 하나 이상의 고정자 유체 유로,
상기 회전축을 따라 상기 회전자 및 고정자를 향하는 하나 이상의 회전자 유체 유로, 및
적어도 하나의 베어링에 접하는 하나 이상의 베어링 유체 유로
를 포함하고, 상기 베어링 유체 유로는 유체를 베어링의 일 측부 상의 공동으로 향하게 하여 베어링 어셈블리 내의 간격을 통해 베어링의 타 측부 상의 다른 공동으로 흐르게 하는 것인 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제12항에 있어서, 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 상의 원주 홈 또는 주위 홈을 제공하는 것을 포함하고, 상기 홈은 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이에 공동을 형성하는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제13항에 있어서, 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 상기 공동을 통해 상기 고정자 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로 유체를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제14항에 있어서, 상기 유체가 상기 고정자의 외면에 직접 접촉하고 상기 고정자로부터 상기 유체로 열이 전달되게 함으로써 상기 고정자를 냉각시키는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제12항에 있어서, 회전자 유체 유로는 유체 주입기 노즐을 제공하는 것을 포함하고, 상기 주입기 노즐은 상기 회전축을 둘러싸고 상기 주입기 노즐과 상기 회전축 사이에 간격을 형성하는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제16항에 있어서, 상기 회전축을 따라 상기 주입기 노즐과 상기 회전축 사이의 상기 간격을 통해 상기 회전자를 향해 유체를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제17항에 있어서, 상기 유체는 상기 주입기 노즐과 상기 회전자의 표면 사이의 간격을 통해 상기 주입기 노즐을 빠져나가는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제18항에 있어서, 상기 주입기 노즐을 빠져나가는 상기 유체는 원심력에 의해 상기 회전자의 표면 위로, 그리고 상기 회전자의 엔드링의 주위 및 위로, 그리고 상기 고정자를 향해 흐르는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제19항에 있어서, 상기 유체는 상기 회전자의 표면, 상기 회전자의 엔드링, 및 상기 고정자와 직접 접촉하고 상기 회전자로부터 상기 유체로, 그리고 상기 고정자로부터 상기 유체로 열이 전달되게 함으로써 상기 회전자 및 고정자를 냉각시키는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제12항에 있어서, 적어도 하나의 유체 유로는 상기 유체 유로가 베어링에 접하는 베어링 유체 유로와 상기 회전자에 접하는 회전자 유체 유로로 분기되는 분할점을 제공하는 것을 포함하는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제21항에 있어서,
상기 베어링 유체 유로를 통해 유체를 유동시키는 단계
를 더 포함하고, 유체는 베어링과 직접 접촉하고, 베어링을 통해 유동하는 것인, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제22항에 있어서, 상기 유체는 상기 베어링을 위한 윤활을 제공하고 상기 베어링으로부터 상기 유체로 열이 전달되게 함으로써 상기 베어링을 냉각시키는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
제12항에 있어서, 지정된 입구 포트 및 출구 포트를 제외하고는 유체가 전기 기계로 들어가거나 빠져나오는 것이 방지되도록 상기 하우징의 전체 또는 일부가 유체 밀봉되어 있는, 전기 기계 냉각 및 윤활 방법.
전기 기계로서,
회전축에 고정되고 하나 이상의 베어링에 의해 지지된 회전자,
상기 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고, 회전 가능한 상기 회전자 및 회전축에 대하여 고정된 고정자,
상기 전기 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징,
상기 고정자와 상기 하우징 사이의 하나 이상의 고정자 유체 유로로서, 상기 고정자 유체 유로는 유체가 상기 고정자의 외면과 직접 접촉하게 하는 하나 이상의 유체 유로를 포함하는 것인, 고정자 유체 유로, 및
적어도 하나의 베어링에 접하는 하나 이상의 베어링 유체 유로
를 포함하고, 상기 베어링 유체 유로는 유체를 베어링의 일 측부 상의 공동으로 향하게 하여 베어링 어셈블리 내의 간격을 통해 베어링의 타 측부 상의 다른 공동으로 흐르게 하는 것인 전기 기계.
제25항에 있어서, 상기 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 상의 하나 이상의 원주 홈 또는 주위 홈을 포함하고, 상기 하나 이상의 홈은 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이에 하나 이상의 공동을 형성하는, 전기 기계.
제26항에 있어서, 유체는 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 상기 하나 이상의 공동을 통해 상기 고정자 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로 흐르도록 지향되는, 전기 기계.
제27항에 있어서, 상기 유체는 상기 고정자의 외면과 직접 접하는, 전기 기계.
제25항에 있어서, 상기 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 또는 상기 고정자의 외면 상에 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소를 포함하고, 상기 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소는 상기 고정자의 길이를 따라 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 하나 이상의 통로를 형성하는, 전기 기계.
제29항에 있어서, 유체는 상기 고정자의 길이를 따라 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 하나 이상의 통로를 통해 흐르도록 지향되는, 전기 기계.
제30항에 있어서, 상기 유체는 상기 고정자의 외면과 직접 접하는, 전기 기계.
제30항에 있어서, 상기 하나 이상의 통로는, 상기 유체가 상기 고정자의 가장자리에 있는 통로를 빠져나가게 하는, 전기 기계.
제32항에 있어서, 상기 고정자의 가장자리에 있는 상기 하나 이상의 통로를 빠져나가는 상기 유체는 상기 회전자의 외면과 직접 접촉하는, 전기 기계.
제25항에 있어서, 상기 고정자의 외면은, 상기 고정자 표면 둘레로 또는 고정자 표면을 따르도록 유체 유동을 지향시키거나 상기 하나 이상의 유체 유로의 표면적을 증가시키는 하나 이상의 요소를 포함하는, 전기 기계.
제25항에 있어서, 상기 하우징의 내면은, 상기 고정자 표면 둘레로 또는 고정자 표면을 따르도록 유체 유동을 지향시키거나 상기 하나 이상의 유체 유로의 표면적을 증가시키는 하나 이상의 요소를 포함하는, 전기 기계.
제25항에 있어서, 지정된 입구 포트 및 출구 포트를 제외하고는 유체가 전기 기계로 들어가거나 빠져나오는 것이 방지되도록 상기 하우징의 전체 또는 일부가 유체 밀봉되어 있는, 전기 기계.
전기 기계를 냉각하는 방법으로서,
회전축에 고정되고 하나 이상의 베어링에 의해 지지된 회전자를 제공하는 단계,
상기 회전자와 고정자 사이에 간격을 두고, 회전 가능한 상기 회전자 및 회전축에 대하여 고정된 고정자를 제공하는 단계,
상기 전기 기계의 전부 또는 일부를 둘러싸는 하우징을 제공하는 단계,
상기 고정자와 상기 하우징 사이에 하나 이상의 고정자 유체 유로를 제공하는 단계로서, 상기 고정자 유체 유로는 유체가 상기 고정자와 직접 접촉하게 하는 하나 이상의 유체 유로를 포함하는 것인, 고정자 유체 유로를 제공하는 단계,
적어도 하나의 베어링에 접하는 하나 이상의 베어링 유체 유로를 제공하는 단계로서, 상기 베어링 유체 유로는 유체를 베어링의 일 측부 상의 공동으로 향하게 하여 베어링 어셈블리 내의 간격을 통해 베어링의 타 측부 상의 다른 공동으로 흐르게 하는 것인, 베어링 유체 유로를 제공하는 단계, 및
유체가 상기 고정자와 직접 접촉하고 상기 고정자로부터 상기 유체로 열이 전달되게 함으로써 상기 고정자를 냉각시키도록 상기 고정자와 상기 하우징 사이의 상기 하나 이상의 통로에 유체를 유동시키는 단계
를 포함하는, 전기 기계 냉각 방법.
제37항에 있어서, 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 상의 하나 이상의 원주 홈 또는 주위 홈을 제공하는 것을 포함하고, 상기 하나 이상의 홈은 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이에 하나 이상의 공동을 형성하는, 전기 기계 냉각 방법.
제38항에 있어서, 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 상기 하나 이상의 공동을 통해 상기 고정자 둘레로 원주방향으로 또는 주위방향으로 유체를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계 냉각 방법.
제37항에 있어서, 상기 고정자 유체 유로는 상기 하우징의 내면 또는 상기 고정자의 외면 상에 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소를 제공하는 것을 포함하고, 상기 하나 이상의 홈 또는 다른 표면 요소는 상기 고정자의 길이를 따라 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 하나 이상의 통로를 형성하는, 전기 기계 냉각 방법.
제40항에 있어서, 상기 고정자의 길이를 따라 상기 고정자의 외면과 상기 하우징의 내면 사이의 상기 하나 이상의 통로를 통해 유체를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계 냉각 방법.
제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 통로는 상기 유체가 상기 고정자의 가장자리에 있는 통로를 빠져나가게 하는, 전기 기계 냉각 방법.
제42항에 있어서, 상기 고정자의 가장자리에 있는 상기 하나 이상의 통로를 빠져나가는 상기 유체는 상기 회전자의 외면과 직접 접하는, 전기 기계 냉각 방법.
제37항에 있어서, 상기 고정자의 외면 상에 하나 이상의 요소를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 요소는 상기 고정자 표면 둘레로 또는 고정자 표면을 따르도록 유체 유동을 지향시키거나 상기 하나 이상의 유체 유로의 표면적을 증가시키는, 전기 기계 냉각 방법.
제37항에 있어서, 상기 하우징의 내면 상에 하나 이상의 요소를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 요소는 상기 고정자 표면 둘레로 또는 고정자 표면을 따르도록 유체 유동을 지향시키거나 상기 하나 이상의 유체 유로의 표면적을 증가시키는, 전기 기계 냉각 방법.
제37항에 있어서, 지정된 입구 포트 및 출구 포트를 제외하고는 유체가 기계로 들어가거나 빠져나오는 것이 방지되도록 상기 하우징의 전체 또는 일부가 유체 밀봉되어 있는, 전기 기계 냉각 방법.