KR102034034B1 - 폐열 재활용이 가능한 전동기 - Google Patents

폐열 재활용이 가능한 전동기 Download PDF

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Abstract

폐열 재활용이 가능한 전동기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기는 회전하는 샤프트 상에 배치된 회전자와, 상기 회전자의 외측을 감싸도록 배치되는 철심과 상기 철심 내측에 마련되는 코일로 구성되는 고정자를 포함하는 전동기 본체, 상기 전동기 본체의 외측에서 상기 전동기 본체를 감싸도록 배치되는 전동기 하우징 및 상기 고정자와 상기 전동기 하우징 사이에 마련되어 일면이 상기 철심과 맞닿고 다른 일면이 상기 전동기 하우징과 맞닿아 상기 철심과 상기 전동기 하우징 사이의 온도차에 의해 전기를 발생하는 열전소자를 포함하는 열전부를 포함한다.

Description

폐열 재활용이 가능한 전동기{Heat Recyclable Electric Motor}
본 발명은 폐열 재활용이 가능한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동기 운전 시 필연적으로 발생하는 폐열을 이용하여 전동기를 능동적으로 냉각할 수 있는 폐열 재활용이 가능한 전동기에 관한 기술이다.
전동기 고정자의 권선에 전류가 인가되면 기자력이 발생하여 회전자와의 전자계 상호작용에 의해 전동기는 회전한다. 전동기 구동시 권선의 코일에서 발생하는 동손과 철심에서 발생하는 철손에 의하여 열이 발생하며, 부하토크의 증가에 따라 발열량은 증가한다.
전동기 구동시 고정자 권선과 철심에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 전동기의 샤프트 후단에 냉각용 팬을 결합하여 구성한다. 전동기 회전에 따라 팬은 함께 회전하고, 팬에 의해 발생한 바람은 전동기 후단에서 전단으로 이동하면서 전동기 하우징 표면을 냉각시킨다. 하지만 팬 자체의 구동을 위한 추가적인 부하토크가 요구되고, 이는 결국 전동기의 기계손(풍손)으로 작용하여 운전효율을 떨어뜨린다.
또한, 전동기 구동시 필연적으로 발생하는 열은 폐열로서 사용되지 않고 소멸된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1155938호 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0083740호
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 전동기에서 필연적으로 발생하는 폐열을 이용하여 능동적으로 냉각이 가능한 폐열 재활용이 가능한 전동기를 제공하고자 한다.
둘째, 본 발명은 냉각에 따른 풍손을 최소화하여 운전 효율을 향상시킬 수 있는 폐열 재활용이 가능한 전동기를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기는 전동기 본체, 전동기 하우징 및 열전부를 포함한다.
상기 전동기 본체는 회전하는 샤프트 상에 배치된 회전자와, 상기 회전자의 외측을 감싸도록 배치되는 철심과 상기 철심 내측에 마련되는 코일로 구성되는 고정자를 포함한다.
상기 전동기 하우징은 상기 전동기 본체의 외측에서 상기 전동기 본체를 감싸도록 배치된다.
상기 열전부는 상기 고정자와 상기 전동기 하우징 사이에 마련되어 일면이 상기 철심과 맞닿고 다른 일면이 상기 전동기 하우징과 맞닿아 상기 철심과 상기 전동기 하우징 사이의 온도차에 의해 전기를 발생하는 열전소자를 포함한다.
상기 전동기 하우징의 방열 효율을 향상시켜 상기 전동기 하우징과 상기 고정자 사이의 온도차를 더 크게 함으로써 상기 열전부에서 발생하는 전기의 전압이 증가할 수 있다.
상기 전동기 하우징의 외부 일측에는 회전에 의해 상기 전동기 하우징을 냉각시키는 제 1 냉각팬이 마련되고, 상기 제 1 냉각팬은 상기 열전부로부터 전력을 공급받아 회전하며, 상기 제 1 냉각팬은 상기 열전부로부터 공급받는 전기의 전압이 증가할수록 회전 속도가 빨라질 수 있다.
상기 전동기 하우징의 외주면에는 복수의 냉각핀이 형성되어 상기 전동기 하우징의 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 전동기 하우징의 외부 일측에는 상기 샤프트 상에 배치되어 회전에 의해 상기 전동기 하우징을 냉각시키는 제 2 냉각팬이 마련되고, 상기 제 2 냉각팬은 상기 샤프트의 회전 속도에 따라 선택적으로 상기 샤프트와 연결될 수 있다.
상기 제 2 냉각팬은 상기 샤프트가 일정 속도 미만으로 회전 시에는 상기 샤프트와 연결되지 않으며, 상기 샤프트가 일정 속도 이상으로 회전 시에만 상기 샤프트와 연결되어 상기 샤프트의 회전에 연동될 수 있다.
상기 제 2 냉각팬과 상기 샤프트의 선택적 연결을 위하여 상기 제 2 냉각팬과 상기 샤프트 사이에는 클러치부가 마련될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기에 의하면 고정자와 전동기 하우징 사이의 온도차를 이용하여 열전소자로 전기를 생성하고, 이를 제 1 냉각팬의 구동에 활용함으로써 전동기에서 필연적으로 발생하는 폐열을 이용하여 능동적으로 냉각이 가능하다.
둘째, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기에 의하면 제 1 냉각팬은 샤프트 상에 결합되지 않고 독자적으로 회전하며, 제 2 냉각팬은 전동기의 고속 운전 시에만 회전 가능하게 구성됨으로써 냉각팬의 구동에 따른 풍손을 최소화하고, 전동기의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기의 샤프트의 길이방향에 대한 수직 단면도;
도 2는 도 1의 A부분 확대도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기의 샤프트의 길이방향에 대한 수평 단면도;
도 4는 전동기의 저속 운전 시 제 2 냉각팬과 클러치부를 나타내는 확대도; 및
도 5는 전동기의 고속 운전 시 제 2 냉각팬과 클러치부를 나타내는 확대도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
그리고, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래기술의 구성요소와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기의 샤프트의 길이방향에 대한 수직 단면도이고, 도 2는 도 1의 A부분 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기의 샤프트의 길이방향에 대한 수평 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기(100)는 전동기 본체(110), 전동기 하우징(120), 열전부(130), 제 1 냉각팬(140) 및 제 2 냉각팬(150)을 포함한다.
전동기 본체(110)는 회전하는 샤프트(111) 상에 배치되어 회전하는 회전자(113)와, 회전자(113)의 외측을 감싸도록 배치되는 철심(117)과 철심(117) 내측에 마련되는 코일(119)로 구성되는 고정자(115)를 포함한다. 이와 같은 전동기 본체(110)의 구성 및 작동은 일반적이며 다수의 선행문헌에 개시되어 있다. 이와 같은 전동기 본체(110)는 널리 알려진 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전동기 하우징(120)은 전동기 본체(110)의 외측에서 전동기 본체(110)를 둘러싸도록 배치된다. 전동기 하우징(120)은 금속 재질로 형성되며, 전동기 하우징(120)의 내주면과 고정자 철심(117) 사이에는 약간의 이격 공간이 형성될 수 있다. 또한, 전동기 하우징(120)의 외주면에는 외측을 향하여 복수의 냉각핀(122)이 형성될 수 있다. 이로써, 공기와의 접촉 면적이 증가하여 전동기 하우징(120)의 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 전동기 하우징(120)의 후단 외측에는 후술할 제 1 냉각팬(140) 및 제 2 냉각팬(150)이 수용되는 하우징 커버(124)가 구비될 수 있다.
열전부(130)는 열전소자를 포함한다. 열전소자(130)는 고정자(115)와 전동기 하우징(120) 사이, 즉 상술한 이격 공간에 배치되어 일면이 철심(117)과 맞닿고, 다른 일면이 전동기 하우징(120)의 내주면과 맞닿을 수 있다. 열전소자(130)는 온도차에 의해 전력을 발생하는 것으로, 철심(117)과 전동기 하우징(120) 사이의 온도차에 의해 전기가 생산될 수 있다. 열전부(130)에서 생산된 전기는 배터리에 저장될 수도 있고, 다른 전기를 이용하여 구동되는 장치를 구동시키는데 사용될 수도 있다. 본 실시예에서 열전부(130)는 전동기 하우징(120)의 냉각에 이용될 수 있으며, 이에 대해서는 상세히 후술하기로 한다. 열전소자(130)의 형태는 일반적인 Rigid형태에서 Flexible, 혹은 Liquid 등, 적용 대상 전동기(100)의 사이즈와 형태에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
전기의 생성에 대해 보다 상세하게 설명하면, 전동기(100)의 고정자(115)의 권선에 전류가 인가되면 자기력이 발생하여 회전자(113)와의 전자계 상호작용에 의해 회전자(113)가 회전할 수 있다. 이 때, 고정자(115) 권선의 코일(119)에서 발생하는 동손과 철심(117)에서 발생하는 철손에 의하여 열이 발생하며, 부하 토크의 증가에 따라 발열량은 증가한다. 고정자(115)의 열은 전동기 하우징(120)을 거쳐 외부로 방출됨으로써 고정자(115)의 냉각이 이루어진다. 여기서, 열전소자(130)의 고정자 철심(117)과 접촉한 면과 전동기 하우징(120)의 내주면과 접촉한 면 사이에서 온도차가 발생하고, 열전소자(130)의 고유 특성에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 그리고, 열전소자(130)의 고정자 철심(117)과 접촉한 면과 전동기 하우징(120)의 내주면과 접촉한 면 사이에서 온도차가 클수록 더 많은 전기 에너지가 발생할 수 있다.
따라서, 전동기(100)의 부하가 일정하다고 하면, 전동기 하우징(120)의 방열 효율에 따라 온도차가 변화하며, 전동기 하우징(120)의 방열 효율을 향상시켜 전동기 하우징(120)과 고정자(115) 사이의 온도차를 더 크게 함으로써 열전부(130)에서 발생하는 전기의 전압을 증가시킬 수 있다.
이를 위하여, 본 실시예의 전동기(100)에는 전동기 하우징(120)의 외부, 하우징 커버(124)의 내부에 회전에 의해 전동기 하우징(120)을 냉각시키는 제 1 냉각팬(140)이 마련될 수 있다. 제 1 냉각팬(140)은 열전부(130)로부터 전력을 공급받아 회전할 수 있다. 또한, 제 1 냉각팬(140)은 열전부(130)로부터 공급받는 전기의 전압이 증가할수록 회전 속도가 빨라질 수 있다.
전동기(100)가 구동되면 열전소자(130)로부터 전기 에너지가 발생하기 때문에 제 1 냉각팬(140)은 전동기(100)의 구동 시에는 회전 속도와 관계 없이 상시 회전할 수 있다. 다만, 제 1 냉각팬(140)은 열전부(130)로부터 공급받는 전기의 전압이 증가할수록 회전 속도가 빨라지기 때문에, 또한, 회전자(113)가 빠르게 회전할수록 발열량이 커지고 열전소자(130) 양 면의 온도차가 커지기 때문에 회전자(113)가 빠르게 회전할수록 제 1 냉각팬(140)도 빠르게 회전할 수 있다.
그리고, 제 1 냉각팬(140)의 회전 속도가 빨라짐으로써 공기의 순환을 가속시켜 전동기 하우징(120)의 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 다시 열전부(130)에서 생산되는 전기의 전압을 높일 수 있다.
도 4는 전동기의 저속 운전 시 제 2 냉각팬과 클러치부를 나타내는 확대도이고, 도 5는 전동기의 고속 운전 시 제 2 냉각팬과 클러치부를 나타내는 확대도이다.
전동기 하우징(120)의 방열 효율을 향상시키기 위하여 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 전동기 하우징(120)의 외부, 하우징 커버(124)의 내부에는 샤프트(111) 상에 배치되어 회전에 의해 전동기 하우징(120)을 냉각시키는 제 2 냉각팬(150)이 마련되고, 제 2 냉각팬(150)은 샤프트(111)의 회전 속도에 따라 선택적으로 샤프트(111)와 연결될 수 있다.
보다 상세하게는, 제 2 냉각팬(150)은 샤프트(111)가 일정 속도 미만으로 회전 시에는 샤프트(111)와 연결되지 않으며, 샤프트(111)가 일정 속도 이상으로 회전 시에만 샤프트(111)와 연결되어 상기 샤프트(111)의 회전에 연동될 수 있다.
제 2 냉각팬(150)과 상기 샤프트(111)의 선택적 연결을 위하여 제 2 냉각팬(150)과 샤프트(111) 사이에는 일정 회전 속도 이상에서만 샤프트(111)와 제 2 냉각팬(150)을 연결하는 클러치부(160)가 마련될 수 있다. 본 실시예에서 클러치부(160)로는 원심력 스위치가 적용될 수 있다. 원심력 스위치는 전동기(100)의 샤프트(111)에 설치되어 시동 후 동기속도의 75%~80%에 도달하면 자동적으로 원심력에 의해 작동하는 스위치이다.
본 실시예에서 제 2 냉각팬(150)과 샤프트(111) 사이에는 베어링(152)이 배치될 수 있다. 그리고, 제 2 냉각팬(150)에는 클러치부(160)와의 결합을 위한 결함홈이 형성될 수 있다.
클러치부(160)는 샤프트(111) 상에 배치되되 제 2 냉각팬(150)과 이격될 수 있다. 클러치부(160)에는 커플링홈(154)과 대응되는 형상을 가지며, 커플링홈(154)에 삽입되어 제 2 냉각팬(150)과 클러치부(160)를 커플링하는 커플링돌기(162)가 형성될 수 있다. 또한, 클러치부(160)에는 원심력에 의해 펼쳐지며 클러치부(160)를 제 2 냉각팬(150) 측으로 이동시키는 스위치(164)가 마련될 수 있다.
이로써, 도 4에 도시된 바와 같이 전동기(100) 시동 직후 샤프트(111)의 회전 속도가 낮은 경우 또는 전동기(100)가 저속 운전 하는 경우에는 원심력이 작기 때문에 스위치(164)가 펼쳐지지 않으며, 따라서 클러치부(160)가 제 2 냉각팬(150) 측으로 이동하지 못하므로 클러치부(160)는 제 2 냉각팬(150)과 커플링될 수 없다. 이 때, 제 2 냉각팬(150)은 베어링(152)에 의해 아이들(idle) 상태가 되어 회전하지 않는다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 전동기(100)가 고속 운전 시에는 원심력이 커지기 때문에 스위치(164)가 펼쳐지면서 클러치부(160)가 제 2 냉각팬(150) 측으로 이동하게 된다. 이에 따라 커플링돌기(162)가 커플링홈(154)에 삽입되어 제 2 냉각팬(150)과 클러치부(160)가 결합되고, 이로써 제 2 냉각팬(150)은 클러치부(160)에 의해 샤프트(111)와 연동되어 회전할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 재활용이 가능한 전동기(100)에 의하면 전동기(100)가 저속 운전 시에는 발열량이 상대적으로 적기 때문에 열전부(130)에 의해 회전하는 제 1 냉각팬(140)만 구동되어 전동기 하우징(120)을 냉각시킬 수 있다. 그리고, 전동기(100)가 고속 운전 시에는 상대적으로 발열량이 많기 때문에 제 1 냉각팬(140)과 제 2 냉각팬(150)이 함께 구동되어 전동기 하우징(120)을 냉각시킬 수 있다.
이로써, 본 실시예의 전동기(100)는 구동에 따라 필연적으로 발생되는 폐열을 냉각에 이용하여 제 1 냉각팬(140)을 구동함으로써 자체적으로 냉각이 가능하다는 장점이 있다. 즉, 기존 샤프트(111) 일체형 팬의 경우 단순히 전동기(100)의 속도에 비례하여 팬의 속도가 결정되었지만, 본 실시예의 전동기(100)에 의하면 전동기(100)의 속도보다는 발열량, 다시말해 실제적인 부하의 크기에 비례하여 제 1 냉각팬(140)의 속도가 증가하기 때문에 보다 능동적인 냉각이 가능하다.
또한, 제 1 냉각팬(140)이 마련됨과 동시에 고속 운전 시, 즉 발열량이 많은 경우에만 제 2 냉각팬(150)이 구동되기 때문에 냉각팬에 의한 전동기(100)의 기계손을 최소화하여 운전 효율 저하를 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 전동기 110: 전동기 본체
111: 샤프트 113: 회전자
115: 고정자 117: 철심
119: 코일 120: 전동기 하우징
122: 냉각핀 124: 하우징 커버
130: 열전부(열전소자) 140: 제 1 냉각팬
150: 제 2 냉각팬 152: 베어링
154: 커플링홈 160: 클러치부
162: 커플링돌기 164: 스위치

Claims (7)

  1. 회전하는 샤프트 상에 배치된 회전자와, 상기 회전자의 외측을 감싸도록 배치되는 철심과 상기 철심의 내측에 마련되는 코일로 구성되는 고정자를 포함하는 전동기 본체;
    상기 전동기 본체의 외측에서 상기 전동기 본체를 감싸도록 배치되는 전동기 하우징; 및
    상기 고정자와 상기 전동기 하우징 사이에 마련되어 일면이 상기 철심과 맞닿고 다른 일면이 상기 전동기 하우징과 맞닿아 상기 철심과 상기 전동기 하우징 사이의 온도차에 의해 전기를 발생하는 열전소자를 포함하는 열전부;를 포함하며,
    상기 전동기 하우징의 외부 일측에는 회전에 의해 상기 전동기 하우징을 냉각시키는 제 1 냉각팬이 마련되고, 상기 제 1 냉각팬은 상기 열전부로부터 전력을 공급받아 회전하며, 상기 제 1 냉각팬은 상기 열전부로부터 공급받는 전기의 전압이 증가할수록 회전 속도가 빨라지는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전동기 하우징의 방열 효율을 향상시켜 상기 전동기 하우징과 상기 고정자 사이의 온도차를 더 크게 함으로써 상기 열전부에서 발생하는 전기의 전압이 증가하는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전동기 하우징의 외주면에는 복수의 냉각핀이 형성되어 상기 전동기 하우징의 방열 효율을 향상시키는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전동기 하우징의 외부 일측에는 상기 샤프트 상에 배치되어 회전에 의해 상기 전동기 하우징을 냉각시키는 제 2 냉각팬이 마련되고, 상기 제 2 냉각팬은 상기 샤프트의 회전 속도에 따라 선택적으로 상기 샤프트와 연결되는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 냉각팬은 상기 샤프트가 일정 속도 미만으로 회전 시에는 상기 샤프트와 연결되지 않으며, 상기 샤프트가 일정 속도 이상으로 회전 시에만 상기 샤프트와 연결되어 상기 샤프트의 회전에 연동되는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 냉각팬과 상기 샤프트의 선택적 연결을 위하여 상기 제 2 냉각팬과 상기 샤프트 사이에는 클러치부가 마련되는 폐열 재활용이 가능한 전동기.
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