KR20080086847A

KR20080086847A - 모터 냉각 장치

Info

Publication number: KR20080086847A
Application number: KR1020080026429A
Authority: KR
Inventors: 라젠드라 나라얀 텔로르; 메드하바 프라사드 터너건틀라; 매튜 닥터
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2008-09-26
Also published as: PL384727A1; BRPI0801099A2; CN101272070A; CA2625357A1; EP1976098A2; US20080231126A1; JP2008245512A; MX2008003585A; AU2008201022A1

Abstract

본 발명에 따르면 프레임을 포함하는 모터를 위한 하나 이상의 냉각 덕트가 제공된다. 냉각 덕트는 프레임에 의해 지지되는 벽을 구비하고, 이 벽은 아치형 표면 부분과 비(非)-아치형 표면 부분을 포함하며, 이들 표면 부분은 함께 보어를 형성한다. 또한, 본 발명에 따르면 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달을 증대시키는 방법이 제공된다.

Description

모터 냉각 장치{MOTOR COOLING ARRANGEMENT}

본원에 기재된 주대상은 대략 말하면 보다 효율적인 열전달을 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로 말하면 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열 에너지 전달을 증대시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

열전달 시스템을 모터 조립체에 통합하는 것에 대한 필요성은 당업계에 잘 공지되어 있다. 이러한 시스템은 작동 중에 열을 모터로부터 빼낸다. 예컨대, 한 가지 대표적인 모터 냉각 시스템이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 냉각 시스템은 열 에너지를 모터(14)로부터 빼내기 위한 외부 냉각 회로와 내부 냉각 회로를 구비하는데, 이들 냉각 회로는 각각 화살표 10과 화살표 12로 나타내어져 있다. 외부 냉각 회로에서, 공기는 외부 팬(18)에 의해 팬 커버(20)에 마련된 가이드(도면 부호가 붙여져 있지 않음)를 지나서 프레임(16)의 외면 위로 강제된다. 내부 냉각 회로에서, 공기는 프레임(16) 내에 위치하는 내부 팬(22)에 의해 회전자(28) 및 코어(30)로부터의 열 에너지를 수집하는 프레임 덕트(24) 및 회전자 덕트(26)를 지나도록 순환된다.

도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 내부 냉각 회로로부터의 열 에너지는 외부 냉각 회로에 의해 프레임 덕트(24)로부터 연장되는 냉각 핀(cooling fin)(32)을 경유하여 주변 공기로 전해지고 옮겨져 간다. 또한, 프레임 덕트(24)는 단면 형상이 거의 직사각형인 보어를 형성한다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 모터의 사용시에 발생하는 회전자의 과열 문제를 해결하고, 열의 효율적인 제거 또는 온도 상승의 효과적인 감소를 달성하는 것을 그 과제로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 프레임을 포함하는 모터를 위한 하나 이상의 냉각 덕트가 제공된다. 냉각 덕트는 프레임에 의해 지지되는 벽을 포함하고, 또한 벽은 아치형 표면 부분과 비(非)-아치형 표면 부분을 포함하는데, 이들 표면 부분은 함께 보어를 형성한다.

본 발명의 다른 양태에서는, 회전 가능한 샤프트 및 이 샤프트와 상호 연결된 하나 이상의 팬을 포함하는 모터를 위한 냉각 시스템이 제공된다. 이 냉각 시스템은 회전 가능한 샤프트와 동축 관계로 연장될 수 있는 거의 관형(管形)인 프레임을 포함한다. 이 관형 프레임은 단면 형상이 거의 D자형인 보어를 형성하는 하나 이상의 냉각 덕트를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에서는, 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달을 증대시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 프레임을 마련하는 단계와, 상기 프레임을 단면 형상이 거의 D자형인 보어를 형성하는 하나 이상의 냉각 덕트를 포함하도록 구성하는 단계, 그리고 모터의 작동 중에 공기를 냉각 덕트를 통해 순환시키는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따르면, 프레임 냉각 덕트를 통과하는 공기의 흐름이 증대되어, 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달이 증대되고, 이로써 모터의 온도 상승이 낮아지는 효과가 있다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 전술한 바와 같은 모터를 사용하는 동안에는, 프레임 덕트(24)가 주변 공기로 충분한 열을 전달하지 않는 것으로 확인되었기 때문에, 회전자(28)는 과열될 수 있다. 열의 효율적인 제거, 또는 온도 상승의 효과적인 감소는 모터의 동력 발생에 영향을 미치는 결정적인 파라미터이다. 온도 상승이 낮을수록, 모터가 발생시킬 수 있는 동력이 더 커진다. 따라서, 본원에서는, 즉 본 발명의 한 가지 양태에서는, 프레임 덕트(24)를 통과하는 공기의 흐름을 증대시켜서, 모터로부터 멀어지는 방향으로 전달되는 열을 증대시키고, 이로써 모터의 온도 상승을 낮추는 것을 제안한다.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트를 포함하는 모터로서 그 전체가 도면 부호 100으로 나타내어진 모터의 단면이 도시되어 있다. 이 실시예에서 모터(100)는 회전자 샤프트(102), 회전자(104), 회전자 냉각 덕트(106), 고정자(108), 고정자 코어(110), 프레임(112), 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145) 및 팬 커버(116)를 포함한다.

회전자 샤프트(102), 회전자(104), 고정자(108), 고정자 코어(110) 및 팬 커 버(116)는 각각 잘 알려진 전기 모터의 구성 요소이므로, 본 명세서에서는 더 상세히 설명하지 않을 것이다. 회전자 냉각 덕트(106)는 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 것과 유사하게 구성되어, 전술한 것과 유사하게 내부 냉각 회로의 일부분을 형성할 수 있다. 내부 냉각 회로의 다른 부분은 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145)를 포함하고 이들 프레임 냉각 덕트는 각각 회전자 냉각 덕트(106)와 연통될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 프레임(112)은 형태가 거의 관 모양이고, 예컨대 금속 물질 또는 전도성을 갖는 복합 물질 등과 같이 성형 가능할 뿐만 아니라 비교적 양호한 열 에너지의 전도체인 물질을 포함할 수 있다. 특히 적합한 2가지 물질은 주철과 알루미늄이다. 프레임(112)은 프레임으로부터 거의 방사형으로 연장되는 냉각 핀(118)을 포함한다. 냉각 핀(118)은 외부 냉각 회로의 일부분을 형성하는 냉각 공기와 접촉하는 표면의 면적을 증대시키는 역할을 하는데, 상기 외부 냉각 회로는 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 외부 냉각 회로와 유사한 것일 수 있다. 모터(100)의 작동 중에, 중앙에 위치한 회전자(104)에 의해 발생되는 열 에너지는 내부 냉각 회로를 경유하여 모터의 밖으로 전달되면서 프레임(112) 및 냉각 핀(118)을 데운다. 이어서, 냉각 핀(118)으로부터의 열은 외부 냉각 회로에 의해 주변 공기로 전달된다.

프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145)는 프레임(112) 둘레에 원주 방향으로 간격을 두고 배치되어 있고, 또한 모터(100)의 종축(L)으로부터 반경 방향으로 간격을 두고 배치되어 있으며, 모터의 종축과 거의 동일한 방향으로 연장 된다. 예시된 실시예에서는, 종축(L)을 중심으로 대략 45°의 동일 간격을 두고 배치될 수 있는 5개의 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145)가 마련된다. 도시된 바와 같이, 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145)는 프레임(112) 둘레의 상부(도면 부호가 붙여져 있지 않음)의 대략 180°를 따라 마련될 수 있다. 다른 선택예에서는, 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1144, 1145)의 간격을 서로 다르게 하거나, 프레임 냉각 덕트를 임의의 개수로 마련하거나, 또는 프레임 냉각 덕트가 프레임(112)의 상부를 따라 마련되는 범위를 180°보다 크게 하거나 작게 하는 것이 고려된다.

이제 도 4를 참조하면, 하나의 프레임 냉각 덕트(1144)의 확대된 모습이 도시되어 있지만, 이 실시예에서 나머지 프레임 냉각 덕트(1141, 1142, 1143, 1145) 각각도 유사한 것임은 물론이다. 도시된 바와 같이, 프레임 냉각 덕트(1144)는 프레임(112)에 의해 지지되는 벽(120)을 포함한다. 벽(120)은 단면 형상이 거의 D자형인 보어(도면 부호가 붙여져 있지 않음)를 형성하는데, 보어는 이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이 보어를 통과하는 공기의 흐름을 종래 기술에 비해 증대시킨다. 벽(120)은 한 쌍의 이격 배치된 측벽 부분(122)과 이들 측벽 부분을 상호 연결하는 연결 벽 부분(124)을 포함한다. 보어는 비-아치형 부분(도면 부호가 붙여져 있지 않음)과 아치형 부분(역시 도면 부호가 붙여져 있지 않음)으로 형성된다. 비-아치형 부분은 프레임(112)의 거의 평평한 표면(126)과 각각의 측벽 부분(122)의 거의 평행한 한 쌍의 내면(128) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 아치형 부분은 연결 벽 부분(124)의 내면(130) 등과 같은 하나 이상의 아치형 내면을 포함할 수 있다. 내면(128)은 평평한 표면(126)과 내면(130) 사이에서 연장된다. 한 가지 특별한 선택예에서, 보어는 그 높이가 대략 1.88 인치(4.78 ㎝) 내지 대략 2.48 인치(6.30 ㎝)의 범위이고, 대략 1.6 인치(4.06 ㎝) 내지 대략 2.1 인치(5.33 ㎝)의 범위의 소정 반경을 가질 수 있다. 예시된 실시예에서, 각 보어는 실질적으로 높이가 동일할 수 있다.

본 발명의 특별한 양태에 따르면, 냉각 핀(118)은 각 측벽 부분(122)과 연결 벽 부분(124)으로부터 연장될 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 있어서의 냉각 가능한 전체 표면 면적은, 냉각 핀이 연결 벽 부분으로부터 연장되지 않는 것으로 보이는 종래 장치에 있어서의 냉각 가능한 표면 면적에 비해 크다. 선택된 프레임 냉각 덕트(1142 및 1144)에 있는 냉각 핀(118) 각각은 일반적으로 평행한 내면 각각에 대해 예각을 이루며 연장된다. 냉각 핀(118)은 대략 1.25 인치(3.18 ㎝)의 간격을 두고 배치되고, 대략 3.00 인치(7.62 ㎝)의 핀 높이를 가질 수 있다.

직사각형 모양의 단면 형태와 D자 모양의 단면 형태를 비교해 본 결과, D자 모양의 단면 형태는 동일한 단면적을 갖는 종래의 직사각형 모양의 단면 형태에 비해 상당한 장점을 제공하는 것으로 확인되었다. 해석적 계산과 유한 요소 해석법의 결과가 아래의 표에 요약되어 있다.

		해석적 계산으로부터			유한 요소 해석으로부터
덕트	균등 직경 (m)	압력 강하 (Pa)	체적 유량 (㎥ /초)	유동저항 ( Pa / (㎥/초))	평균 압력 강하 (Pa)	체적 유량 (㎥/초)	유동저항 ( Pa / (㎥/초))	실제 단면적 (㎡)
직사각형 덕트 2"×2.7"	0.06136	8.75	0.0135	648.14815	6.89166	0.01348	511.25074	0.003395
D자 단면 높이=2.7" 폭=1.09558"	0.0639329	8.29	0.0147	563.94558	6.5492	0.013696	478.18	0.0034153
유동 저항=(압력 강하/체적 유량)

위에 나타나 있듯이, 해석적 계산뿐만 아니라 수반된 유한 요소 해석도, 동일 단면적을 갖는 2개의 덕트에 대하여, D자형 덕트가 종래의 직사각형 덕트에 비해 유동 저항이 작다는 것을 명백히 보여준다.

이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달을 증대시키는 방법으로서, 그 전체가 도면 부호 500으로 나타내어진 방법이 도시되어 있다. 이 방법은 프레임을 마련하는 단계(502)와, 상기 프레임을 단면 형상이 거의 D자형인 보어를 형성하는 하나 이상의 냉각 덕트를 포함하도록 구성하는 단계(504), 그리고 모터의 작동 중에 공기를 냉각 덕트를 통해 순환시키는 단계(506)를 포함한다.

현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예인 것으로 고려되는 것과 관련하여 본 발명을 기술하였지만, 본 발명이 본원에 개시된 이러한 실시예에 국한되지 않음은 물론이다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 정신 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형예 및 동등 구성 모두를 커버하도록 의도되어 있다.

도 1은 모터의 종축을 따라 취한 모터의 단면도로서, 외부 냉각 회로와 내부 냉각 회로를 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 모터의 확대 단면도로서, 종래의 냉각 덕트를 보여주는 도면.

도 3은 모터의 횡축을 따라 취한 단면도로서, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 덕트를 보여주는 도면.

도 4는 도 3의 원 4를 따라 취한 모터의 부분 확대도로서, 냉각 덕트 중 하나를 보여주는 도면.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달을 증대시키는 방법을 예시하는 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 모터

106 : 회전자 냉각 덕트

112 : 프레임

118 : 냉각 핀

120 : 벽

1141, 1142, 1143, 1144, 1145 : 프레임 냉각 덕트

Claims

프레임(112)을 포함하는 모터(100)를 위한 적어도 하나의 냉각 덕트(1141)에 있어서,

프레임에 의해 지지되는 벽(120)을 포함하고, 상기 벽은 아치형 표면 부분과 비(非)-아치형 표면 부분을 포함하며, 이들 표면 부분은 함께 보어를 형성하는

냉각 덕트.
제 1 항에 있어서,

상기 보어의 단면은 거의 D자형이고, 상기 벽은 프레임으로부터 각각 연장되고 이격 배치되는 한 쌍의 측벽 부분(122)과, 상기 측벽 부분을 상호 연결하는 연결 벽 부분(124)을 포함하는

냉각 덕트.
제 2 항에 있어서,

상기 비-아치형 부분은 프레임의 거의 평평한 표면(126)과 각각의 측벽 부분의 거의 평행한 한 쌍의 내면(128)을 포함하고, 상기 아치형 부분은 연결 벽 부분의 아치형 내면을 포함하는

냉각 덕트.
제 2 항에 있어서,

상기 각각의 측벽 부분과 연결 벽 부분으로부터 연장되는 복수 개의 냉각 핀(cooling fin)(32)을 더 포함하고, 상기 냉각 핀은 평행한 내면 각각에 대해 예각을 이루어 각각 연장되는

냉각 덕트.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 냉각 덕트는 복수 개의 냉각 덕트를 포함하고, 상기 냉각 덕트는 각각 모터의 종축(L)으로부터 반경 방향으로 간격을 두고 배치되어 있으며, 모터의 종축과 거의 동일한 방향으로 연장되고, 복수 개의 냉각 덕트는 프레임의 둘레의 일부분을 따라 동일 간격으로 배치되는

냉각 덕트.
회전 가능한 샤프트(102) 및 이 샤프트와 상호 연결된 적어도 하나의 팬(18)을 포함하는 모터용 냉각 시스템에 있어서,

회전 가능한 샤프트와 동축으로 연장가능한 거의 관형(管形)인 프레임을 포함하고, 상기 관형 프레임은 단면 형상이 거의 D자형인 보어를 형성하는 적어도 하나의 냉각 덕트를 포함하는

냉각 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 냉각 덕트는 한 쌍의 이격 배치된 측벽 부분과 상기 측벽 부분을 상호 연결하는 연결 벽 부분(124)을 포함하고, 상기 보어는 프레임의 거의 평평한 표면과, 각각의 측벽 부분의 거의 평행한 한 쌍의 내면, 그리고 연결 벽 부분의 아치형 내면에 의해 형성되는

냉각 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 각 측벽 부분과 연결 벽 부분으로부터 연장되는 복수 개의 냉각 핀을 더 포함하고, 상기 냉각 핀 각각은 평행한 내면 각각에 대해 예각을 이루어 연장되는

냉각 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 냉각 덕트는 복수 개의 냉각 덕트를 포함하고, 냉각 덕트는 각각 모터의 종축으로부터 반경 방향으로 간격을 두고 배치되어 있으며, 모터의 종축과 거의 동일한 방향으로 연장되고, 복수 개의 냉각 덕트는 관형 프레임의 외주의 일부분을 따라 동일 간격을 두고 배치되는

냉각 시스템.
모터로부터 멀어지는 방향으로의 열전달을 증대시키는 방법에 있어서,

프레임을 마련하는 단계와,

단면 형상이 거의 D자형인 보어를 형성하는 적어도 하나의 냉각 덕트를 포함하도록 상기 프레임을 구성하는 단계와,

모터의 작동 중에 공기를 냉각 덕트를 통해 순환시키는 단계를 포함하는

열전달 증대 방법.