KR20080105573A - Rotating device having cooler for bearing - Google Patents

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KR20080105573A
KR20080105573A KR1020070053331A KR20070053331A KR20080105573A KR 20080105573 A KR20080105573 A KR 20080105573A KR 1020070053331 A KR1020070053331 A KR 1020070053331A KR 20070053331 A KR20070053331 A KR 20070053331A KR 20080105573 A KR20080105573 A KR 20080105573A
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Abstract

A rotating device having cooler is provided to increase rotor the support efficiency of a bearing by cooling the bearing with a water jacket. In a rotating device having cooler, air foil journal bearings(130, 150) are equipped at the end of a stator and supports the weight the radial direction of a rotor. An air foil thrust bearing is equipped between the air foil journal bearing of the rear end and stator. A cooling unit( 160) is equipped around the stator, the air foil journal bearing and the air foil thrust bearing. A second water jacket(165) surrounds the first water jacket and the air foil journal bearing, and third water jacket(168) surrounds the air foil journal bearing and air foil thrust bearing.

Description

베어링 냉각장치를 갖는 회전장치{ROTATING DEVICE HAVING COOLER FOR BEARING}ROTORTING DEVICE HAVING COOLER FOR BEARING

도 1은 종래 기술에 따른 초고속 회전장치의 냉각구조를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing a cooling structure of a super fast rotating apparatus according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 베어링 냉각 장치를 구비한 회전장치의 일 실시예를 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing an embodiment of a rotating device having a bearing cooling device according to the present invention;

도 3은 도 2의 회전장치의 냉각수 흐름을 도시한 단면도,3 is a cross-sectional view showing the coolant flow of the rotating apparatus of FIG.

도 4는 베어링을 냉각시키기 위한 히트파이프의 형상을 도시한 평면도, 그리고4 is a plan view showing the shape of a heat pipe for cooling a bearing, and

도 5는 공기포일베어링의 온도와 하중 지지 능력 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the correlation between the temperature of the air foil bearing and the load carrying capacity.

<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>

110: 고정자 120: 회전자110: stator 120: rotor

130, 150: 공기포일저널베어링 140: 공기포일스러스트베어링130, 150: air foil journal bearing 140: air foil thrust bearing

160: 냉각장치 161: 제1 냉각수유입구160: cooling device 161: first cooling water inlet

162: 제1 워터자켓 163: 제1 냉각수유출구162: first water jacket 163: first cooling water outlet

164: 제2 냉각수유입구 165: 제2 워터자켓164: second cooling water inlet 165: second water jacket

166: 제2 냉각수유출구 167: 제3 냉각수유입구166: second cooling water inlet 167: third cooling water inlet

168: 제3 워터자켓 169: 제3 냉각수유출구168: third water jacket 169: third cooling water outlet

본 발명은 회전장치에 관한 것으로서, 특히, 공기포일베어링을 구비한 초고속 회전장치의 초고속 회전시 발생하는 고정자와 회전자 및 베어링의 마찰열을 방열시킬 수 있는 회전장치에 관한 것이다. The present invention relates to a rotating device, and more particularly, to a rotating device capable of dissipating frictional heat of a stator, a rotor, and a bearing generated during an ultra high speed rotation of an ultra high speed rotating device having an air foil bearing.

일반적으로, 모터와 같은 회전장치는 고정자의 중심에서 회전자가 회전하며, 회전자는 베어링에 의해 지지된다. 따라서 회전장치에는 마찰열이 발생한다. 따라서, 이러한 마찰열을 냉각할 냉각장치가 필요하다.In general, a rotating device such as a motor rotates a rotor at the center of the stator, and the rotor is supported by a bearing. Therefore, frictional heat is generated in the rotating device. Therefore, there is a need for a cooling device to cool this frictional heat.

도 1은 종래 기술에 따른 초고속 회전장치의 냉각구조를 도시한 단면도이다. 도 1은 공기포일베어링을 구비한 무브러시직류(BLDC: BrushLess DC)모터의 내부를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 모터는 고정자(10)와, 고정자(10)에 의해 회전하는 회전자(20)와, 회전자(30)의 양단에서 회전자(30)의 둘레를 지지하는 공기포일저널베어링(30, 50)과, 회전자(30)를 축방향으로 지지하는 공기포일스러스트베어링(40)을 포함한다.1 is a cross-sectional view showing a cooling structure of a super fast rotating apparatus according to the prior art. Figure 1 shows the inside of a brushless DC (BLDC) motor with air foil bearings. As shown in FIG. 1, a conventional motor supports a stator 10, a rotor 20 rotated by the stator 10, and a circumference of the rotor 30 at both ends of the rotor 30. Air foil journal bearings 30 and 50, and the air foil thrust bearing 40 for supporting the rotor 30 in the axial direction.

모터의 하우징 둘레에는 고정자 주위를 감싸는 워터자켓(60)이 구비된다. 워터자켓(60)의 냉각수가 냉각수유입구(61)를 통해 유입되고, 히트파이프(62)를 통과하며, 냉각수유출구(63)을 통해 흐르며, 워터자켓(60) 내부를 유동하는 동안 고정자(10)는 냉각수에 의해 방열되어 냉각된다.The water jacket 60 is provided around the stator around the motor housing. The coolant of the water jacket 60 enters through the coolant inlet 61, passes through the heat pipe 62, flows through the coolant outlet 63, and stator 10 while flowing inside the water jacket 60. Is radiated and cooled by the cooling water.

최근의 터보장치는 고속화되는 추세에 있다. 따라서, 저마찰 특성을 갖는 공기포일베어링에서도 높은 마찰열이 발생한다. 그러나 상기와 같은 회전장치의 구조에서는 베어링을 냉각시킬 수 없으므로, 고열의 구동상태에서 베어링이 회전자를 지지하는 효율이 떨어질 수 있는 문제점이 있다. Recent turbo devices are on the trend to speed up. Therefore, high frictional heat is generated even in an air foil bearing having low friction characteristics. However, since the bearing cannot be cooled in the structure of the rotating device as described above, there is a problem that the efficiency of supporting the rotor in a high-temperature driving state may decrease.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베어링을 워터자켓을 이용하여 냉각시킬 수 있어서, 베어링의 회전자 지지효율을 증가시킬 수 있는 베어링 냉각장치를 갖는 회전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a rotating device having a bearing cooling device capable of cooling a bearing using a water jacket, thereby increasing the rotor support efficiency of the bearing. .

본 발명에 따른 베어링 냉각장치를 갖는 회전장치의 바람직한 실시예는 고정자와, 상기 고정자 중심에서 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 하중을 지지하기 위하여 회전자의 양단에 구비된 베어링과, 상기 회전자의 회전시 고정자 및 베어링을 냉각시키기 위한 열교환기를 구비한 냉각장치를 포함한다.A preferred embodiment of a rotating device having a bearing cooling device according to the present invention includes a stator, a rotor rotating at the center of the stator, bearings provided at both ends of the rotor to support the load of the rotor, It includes a cooling device having a heat exchanger for cooling the stator and the bearing during the rotation of the former.

상기 냉각장치의 열교환기는 고정자와 베어링을 둘러싸는 수냉식 히트파이프로 이루어질 수 있다.The heat exchanger of the cooling device may be composed of a water-cooled heat pipe surrounding the stator and the bearing.

상기 냉각장치의 열교환기는 고정자를 둘러싸는 제1 히트파이프와, 상기 회전자 일단의 베어링을 둘러싸는 제2 히트파이프와, 상기 회전자 타단의 베어링을 둘러싸는 제3 히트파이프를 포함할 수 있다.The heat exchanger of the cooling apparatus may include a first heat pipe surrounding the stator, a second heat pipe surrounding the bearing of one end of the rotor, and a third heat pipe surrounding the bearing of the other end of the rotor.

상기 제1 히트파이프, 제2 히트파이프 및 제3 히트파이프는 각각 별도의 냉각수 유입구와 유출구를 구비하여 각 부품의 냉각효율을 높일 수 있다.The first heat pipe, the second heat pipe, and the third heat pipe may have separate cooling water inlets and outlets, respectively, to increase cooling efficiency of each component.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 회전장치는 무브러시직류모터이 고, 상기 베어링은 상기 회전자를 하중방향으로 지지하기 회전자의 전후방 양단에 구비되는 공기포일저널베어링 및 상기 회전자를 축방향으로 지지하기 위해 상기 고정자와 상기 후방 단부의 공기포일저널베어링 사이에 구비되는 공기포일스러스트베어링을 포함하며, 상기 제1 히트파이프는 무브러시직류모터의 고정자 주위에 배치되고, 상기 제2 히트파이프가 상기 회전자 전방 단부의 공기포일저널베어링 주위에 배치되며, 상기 제3 히트파이프가 상기 회전자 후방 단부의 공기포일포일저널베어링과, 공기포일스러스트베어링 주위에 배치된다.According to another embodiment of the present invention, the rotary device is a brushless direct current motor, the bearing is an air foil journal bearing and the rotor shaft is provided at both ends of the front and rear of the rotor to support the rotor in the load direction An air foil thrust bearing provided between the stator and the air foil journal bearing of the rear end for supporting in a direction, wherein the first heat pipe is disposed around the stator of the brushless DC motor, and the second heat pipe Is disposed around the airfoil journal bearing at the rotor front end, and the third heat pipe is disposed around the airfoil foil bearing at the rear end of the rotor and the airfoil thrust bearing.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 베어링 냉각장치를 갖는 회전장치의 일 실시예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a rotating apparatus having a bearing cooling apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5.

도 2는 본 발명에 따른 베어링 냉각 장치를 구비한 회전장치의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 회전장치의 냉각수 흐름을 도시한 단면도이며, 도 4는 베어링을 냉각시키기 위한 히트파이프의 형상을 도시한 평면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전장치는 무브러시직류모터이며, 하우징 내부에 고정된 고정자(110)와, 고정자(110) 내측에서 회전하는 회전자(120)를 포함한다. 회전자(120)의 전방 단부 및 후방 단부에는 공기포일저널베어링(130, 150)이 구비되어 회전자(120)의 반경 방향의 하중을 지지하고, 공기포일스러스트베어링(140)이 회전자(120)의 축방향 하중을 지지한다. Figure 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of a rotating device having a bearing cooling device according to the invention, Figure 3 is a cross-sectional view showing the flow of cooling water of the rotating device of Figure 2, Figure 4 is for cooling the bearing It is a top view which shows the shape of a heat pipe. As shown in FIG. 2, the rotation apparatus according to the present invention is a brushless direct current motor, and includes a stator 110 fixed inside the housing and a rotor 120 rotating inside the stator 110. Air foil journal bearings 130 and 150 are provided at the front and rear ends of the rotor 120 to support the radial load of the rotor 120, and the air foil thrust bearing 140 is the rotor 120. Support the axial load.

본 실시예에서, 공기포일스러스트베어링(140)은 고정자(110)와 후방단부의 공기포일저널베어링(150) 사이에 구비된다. 냉각장치(160)는 고정자(110)와 공기 포일저널베어링(130, 150) 및 공기포일스러스트베어링(140) 주위에 구비된다. 냉각장치(160)는 고정자(110) 주위를 둘러싸는 수냉식 냉각장치이며, 제1 워터자켓(162)과, 회전자 전방단부의 공기포일저널베어링(130) 주위를 둘러싸는 제2 워터자켓(165)과, 회전자 후방단부의 공기포일저널베어링(150)과 공기포일스러스트베어링(140) 주위를 둘러싸는 제3 워터자켓(168)으로 이루어진다. In this embodiment, the air foil thrust bearing 140 is provided between the stator 110 and the air foil journal bearing 150 of the rear end. The cooling device 160 is provided around the stator 110, the air foil journal bearings 130 and 150, and the air foil thrust bearing 140. The cooling device 160 is a water-cooled cooling device that surrounds the stator 110, and the first water jacket 162 and the second water jacket 165 that surrounds the air foil journal bearing 130 at the front end of the rotor. ), And a third water jacket 168 surrounding the air foil journal bearing 150 and the air foil thrust bearing 140 of the rotor rear end.

도 3에 도시된 바와 같이, 고정자(110)는 제1 냉각수유입구(161)를 통해 제1 워터자켓(162)으로 유입되며 제1 냉각수유출구(163)를 통해 빠져나가는 냉각수에 의해 냉각된다. 또한, 도면상 회전자(120) 좌측단의 공기포일저널베어링(140)은 제2 냉각수유입구(164)를 통해 제2 워터자켓(165)으로 유입되며 제2 냉각수유출구(166)를 통해 빠져나가는 냉각수에 의해 냉각된다. 마찬가지로, 공기포일스러스트베어링(140)과 도면상 회전자(120) 우측단의 공기포일저널베어링(150)은 제3 냉각수유입구(167)를 통해 제3 워터자켓(168)으로 유입되며 제3 냉각수유출구(169)를 통해 빠져나가는 냉각수에 의해 냉각된다. As shown in FIG. 3, the stator 110 flows into the first water jacket 162 through the first cooling water inlet 161 and is cooled by the cooling water exiting through the first cooling water outlet 163. In addition, the air foil journal bearing 140 of the left end of the rotor 120 in the drawing flows into the second water jacket 165 through the second cooling water inlet 164 and exits through the second cooling water outlet 166. Cooled by cooling water. Similarly, the air foil thrust bearing 140 and the air foil journal bearing 150 at the right end of the rotor 120 in the drawing flow into the third water jacket 168 through the third cooling water inlet 167 and the third cooling water. Cooled by the cooling water exiting through the outlet 169.

도 4는 제1 워터자켓의 형태를 도시한 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 워터자켓(162)은 고정자(110)를 주위를 복수회 둘러싼 형태의 히트파이프이며, 그 내부로 냉각수가 흐른다. 냉각수는 제1 워터자켓(162)의 일단(1621)에서 유입되어, 타단(1622)으로 유출된다. 냉각수가 히트파이프를 흐르면서 복수회 돌아 흐르면서 고정자(110)의 마찰열이 충분히 냉각될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제2 워터자켓 및 제3워터자켓도 도 4의 제1 워터자켓과 동일한 형태로 이루어질 수 있다.4 illustrates a shape of the first water jacket, and as shown in FIG. 4, the first water jacket 162 is a heat pipe having a shape surrounding the stator 110 a plurality of times, and cooling water therein. Flows. Cooling water flows from one end 1621 of the first water jacket 162 and flows out to the other end 1622. As the cooling water flows through the heat pipe a plurality of times, the frictional heat of the stator 110 may be sufficiently cooled. Although not shown, the second water jacket and the third water jacket may be formed in the same form as the first water jacket of FIG. 4.

전술한 실시예에서, 고정자(110)를 냉각시키는 제1 워터자켓(162)과 베어링 부분을 냉각시키는 제2 워터자켓(165) 및 제3 워터자켓(168)이 서로 분리되어 있으나, 하나의 워터자켓으로 이루어질 수도 있다.In the above embodiment, the first water jacket 162 for cooling the stator 110 and the second water jacket 165 and the third water jacket 168 for cooling the bearing portion are separated from each other, but one water It may be made of a jacket.

또한, 전술한 실시예에서 회전장치의 베어링은 공기포일베어링이지만, 다른 종류의 베어링을 사용하는 회전장치에도 동일한 베어링 냉각구조가 적용될 수 있다.Further, although the bearing of the rotary device in the above embodiment is an air foil bearing, the same bearing cooling structure can be applied to the rotary device using other types of bearings.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 베어링 냉각장치를 갖는 회전장치의 작용효과를 설명한다.Hereinafter, the operation and effect of the rotating device having a bearing cooling device according to the present invention with reference to FIG.

도 5는 베어링의 온도와 하중 지지 능력 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 베어링의 온도는 하중지지능력에 영향을 미친다. 공기포일베어링의 경우 온도가 높아지면, 베어링 유막의 전단력이 약해지기 때문에 하중 지지 능력이 감소한다. 이에 따라 회전자의 거동의 불안정성을 유발할 수 있으며, 회전자가 스톨이나 서지 등과 같은 공력학적 불안정성에 대응하지 못하게 된다. 본 발명에서는 베어링 주위에도 워터자켓이 구비되어 수냉식으로 베어링을 냉각시킨다. 따라서, 베어링의 하중지지능력이 저하되지 않는다.5 is a graph showing the correlation between bearing temperature and load bearing capacity. As shown in Figure 5, the temperature of the bearing affects the load carrying capacity. In the case of air foil bearings, when the temperature increases, the load bearing capacity decreases because the shear force of the bearing oil film becomes weak. As a result, instability of the rotor may be induced, and the rotor may not cope with aerodynamic instability such as stall or surge. In the present invention, a water jacket is provided around the bearing to cool the bearing by water cooling. Therefore, the load bearing capacity of the bearing does not decrease.

각 부품을 냉각시키기 위한 워터자켓들을 별개로 구비하면, 각 부위의 냉각수는 해당 부품만을 냉각시키기 때문에 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다. 여러 부위의 냉각을 위한 워터자켓이 하나인 경우에는 워터자켓 상류측 부품의 냉각효율은 높으나, 하류측 부품은 상류측에서 열교환이 이루어져 데워진 냉각수에 의해 냉각되므로 냉각효율이 낮아질 수 있다. 따라서, 전술한 실시예에서와 같이, 베어링 의 냉각을 위한 제2 및 제3 워터자켓(165, 168)이 회전체의 중심부인 고정자(110)를 냉각시키는 제1 워터자켓(162)과 별도로 구비되면, 베어링의 냉각효율을 제고시킬 수 있다.If water jackets for cooling each part are separately provided, the cooling water in each part only cools the corresponding parts, so that effective cooling can be achieved. In the case where there is only one water jacket for cooling the various parts, the cooling efficiency of the upstream component of the water jacket is high, but the cooling component of the downstream component is cooled by the coolant warmed by heat exchange in the upstream side. Accordingly, as in the above-described embodiment, the second and third water jackets 165 and 168 for cooling the bearing are provided separately from the first water jacket 162 for cooling the stator 110 which is the center of the rotating body. As a result, the cooling efficiency of the bearing can be improved.

상기 제1 내지 제3 워터자켓(162, 165, 168)에 사용되는 냉각수는 동일한 냉각수펌프를 이용하여 제공될 수 있다.The cooling water used in the first to third water jackets 162, 165, and 168 may be provided using the same cooling water pump.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the field of the present invention that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 회전장치의 베어링을 냉각시키기 위한 열교환기가 구비되어, 회전시 베어링의 마찰열을 적절히 냉각시킬 수 있어서, 베어링의 하중지지능력을 제고하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there is provided a heat exchanger for cooling the bearing of the rotating device, it is possible to appropriately cool the frictional heat of the bearing during rotation, thereby improving the load bearing capacity of the bearing.

Claims (6)

고정자와, With the stator, 상기 고정자 중심에서 회전하는 회전자와,A rotor rotating at the stator center, 상기 회전자의 하중을 지지하기 위하여 회전자의 양단에 구비된 베어링과,Bearings provided at both ends of the rotor to support the load of the rotor; 상기 회전자의 회전시 고정자 및 베어링을 냉각시키기 위한 냉각장치Cooling device for cooling the stator and bearing during the rotation of the rotor 를 포함하는 회전장치.Rotator comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 냉각장치는 고정자와 베어링을 둘러싸는 수냉식 히트파이프로 이루어진 The cooling device consists of a water-cooled heat pipe surrounding the stator and bearing. 회전장치.Rotator. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각장치는 The cooling device 고정자를 둘러싸는 제1 히트파이프와,A first heat pipe surrounding the stator, 상기 회전자 일단의 베어링을 둘러싸는 제2 히트파이프와, A second heat pipe surrounding the bearing of one end of the rotor, 상기 회전자 타단의 베어링을 둘러싸는 제3 히트파이프A third heat pipe surrounding the bearing of the other end of the rotor 를 포함하는 회전장치.Rotator comprising a. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 제1 히트파이프, 제2 히트파이프 및 제3 히트파이프는 각각 별도의 냉각수 유입구와 유출구를 구비하는 회전장치.The first heat pipe, the second heat pipe and the third heat pipe are each provided with a separate cooling water inlet and outlet. 제3항 또는 제4항에 있어서, The method according to claim 3 or 4, 상기 회전장치는 무브러시직류모터이고,The rotating device is a brushless direct current motor, 상기 베어링은 상기 회전자를 하중방향으로 지지하기 회전자의 전후방 양단에 구비되는 공기포일저널베어링을 포함하며, The bearing includes air foil journal bearings provided at both ends of the front and rear of the rotor to support the rotor in the load direction. 상기 제1 히트파이프는 상기 무브러시직류모터의 고정자 주위에 배치되고, The first heat pipe is disposed around the stator of the brushless direct current motor, 상기 제2 히트파이프가 상기 회전자 전방 단부의 공기포일저널베어링 주위에 배치되며,The second heat pipe is disposed around the air foil journal bearing at the rotor front end, 상기 제3 히트파이프가 상기 회전자 후방 단부의 공기포일포일저널베어링 주위에 배치되는The third heat pipe is disposed around the air foil foil bearing at the rear end of the rotor. 회전장치.Rotator. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 베어링은 상기 회전자를 축방향으로 지지하기 위해 상기 고정자와 상기 후방 단부의 공기포일저널베어링 사이에 구비되는 공기포일스러스트베어링을 포함하며, The bearing includes an airfoil thrust bearing provided between the stator and an airfoil journal bearing at the rear end for supporting the rotor in an axial direction, 상기 제3 히트파이프가 상기 회전자 후방 단부의 공기포일포일저널베어링과, 공기포일스러스트베어링 주위에 배치되는The third heat pipe is disposed around the air foil foil bearing at the rear end of the rotor and the air foil thrust bearing. 회전장치.Rotator.
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