KR20090073789A - 전동기 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 냉각장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 프레임(21)의 내부에 회전자와 고정자가 설치되는 결합공(21')이 형성되고, 외면에는 냉각수가 이동되는 냉각유로(25)가 형성된다. 상기 프레임(21)은 프레임커버(41)에 압입된다. 상기 프레임(21) 또는 프레임커버(41)에는 냉각수가 유입 및 배출되는 유로입구(27) 및 유로출구(29)가 상기 냉각유로(25)와 연통되도록 형성된다. 구획리브(33)는 상기 냉각유로(25)에 간격을 두고 설치되어 상기 냉각유로(25)를 구획한다. 상기 구획리브(33)의 양단에는 상기 구획된 냉각유로(25) 사이를 연통시키는 유로통로(33')가 교대로 형성된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전동기 냉각장치에 의하면, 유로통로가 이웃하는 구획리브의 유로통로와 반대방향에 형성되어 냉각수의 이동방향을 반복적으로 변화시키고, 이로 인해 형성된 난류는 대류열전달이 가능하여 냉각수의 열전달량이 증가하는 이점이 있다.

전동기, 모터, 냉각, 열교환, 난류

Description

전동기 냉각장치{Cooling device for electric motor}

본 발명은 전동기 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기가 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 과정에서 발생 되는 열을 냉각시키기 위한 전동기 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 자석이 결합된 회전자와 코일이 권선된 고정자가 구비되어, 고정자의 코일에 인가된 전류에 의해 발생 되는 자속과 회전자의 전자기유도에 의해 회전자가 회전함에 따른 회전축의 동력을 이용하는 장치이다.

이러한 전동기는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되는 과정에서 철의 히스테리시스, 와전류, 기계적인 마찰 등에 의해서 에너지의 손실이 발생되는데, 이러한 손실로 인해 전동기에서는 열이 발생하게 된다.

이 열손실은 전동기의 기능을 저하시키는 원인이 되므로, 전동기에는 열을 냉각시키기 위한 냉각수단이 구비되어 있다. 전동기의 냉각수단으로는 통상 강냉식이 사용되는데, 강냉식 구조로는 냉각팬을 이용한 공냉식과 냉각수를 이용한 수냉 식이 있다.

도 1에는 종래 기술에 의한 전동기 냉각장치가 사시도로 도시되어 있다.

이 도면에 도시된 바에 따르면, 전동기 냉각장치의 골격을 형성하는 프레임(1)에는 전동기의 고정자(도시되지 않음)가 설치되는 결합공(1')이 형성된다. 상기 프레임(1)의 선단과 후단에는 돌출부(3,3')가 상기 프레임(1)의 외주면을 둘러서 돌출되게 구비된다. 상기 돌출부(3,3')는 아래에서 설명될 프레임커버(11)의 내주면에 밀착되어 냉각수의 유출을 방지한다.

상기 돌출부(3,3')는 경계리브(5)에 의해 서로 연결된다. 상기 경계리브(5)는 냉각수의 유동방향을 바꾸는 역할을 한다. 그리고, 상기 프레임(1)에는 냉각유로(9)를 형성하는 다수개의 구획리브(7)가 구비된다.

상기 구획리브(7)는 다수개가 상기 프레임(1)의 외주면을 둘러서 구비되는데, 상기 구획리브(7)의 일단과 타단은 번갈아가며 상기 경계리브(5)의 측면에 연결된다. 즉, 상기 구획리브(7)는 상기 냉각유로(9)가 서로 연통되어 지그재그 형상으로 연장되도록 구비된다.

상기 프레임(1)은 프레임커버(11)에 형성된 관통공(11')에 압입되어, 상기 냉각유로(9)를 외부로부터 차폐한다. 상기 프레임커버(11)에는 냉각수가 유입되는 유로입구(13)와 냉각수가 배출되는 유로출구(15)가 구비된다. 상기 유로입구(13)는 상기 경계리브(5)에 의해 분리된 일측 냉각유로(9)와 연통되고, 상기 유로출구(15)는 타측 냉각유로(9)와 연통된다. 상기 유로입구(13) 및 유로출구(15)는 냉각수의 순환을 위한 순환펌프(도시되지 않음)에 연결된다.

이와 같은 구성을 가지는 종래 기술에 의한 전동기 냉각장치는 상기 유로입구(13)로 냉각수가 유입된다. 냉각수는 상기 경계리브(5)에 의해 유동방향이 반복적으로 전환되면서 상기 냉각유로(9)를 순환하게 된다. 상기 냉각수는 상기 냉각유로(9)를 순환하면서 전동기의 열을 흡수한다. 냉각유로(9)를 순환한 고온의 냉각수는 상기 유로출구(15)를 통해 배출되게 된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 전동기 냉각장치에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래 기술에서는 냉각유로(9)의 폭이 좁고, 유동방향이 전환되는 구간이 많으며, 유동경로가 길기 때문에 유로입구(13)와 유로출구(15)의 압력차가 크게 발생한다. 유로출구(15)에서 압력강하가 크게 일어나면 냉각수의 이동이 원활하지 않아 냉각효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 냉각유로(9)를 이동하는 냉각수는 규칙적인 흐름의 유동을 갖는데, 이는 순환과정 동안 혼합이 잘 일어나지 않기 때문에 열전달의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

그리고, 상기 구획리브(7)는 원기둥 형상의 프레임(1)에 구비되어 냉각유로(9)를 형성하는데, 이와 같이 곡면을 둘러서 용접하는 것은 작업의 난이도가 높아 제품의 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉각수의 유동저항에 기인하는 압력강하 현상을 감소시키는 전동기 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉각수가 이동할 때 난류 유동이 형성되는 전동기 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 냉각수의 이동을 안내하는 냉각유로가 간단하게 형성되는 전동기 냉각장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 회전자와 고정자가 설치되는 결합공이 형성되고, 외면에는 냉각수가 이동되는 냉각유로가 형성되는 프레임과; 상기 냉각유로를 외부와 차폐하도록 상기 프레임이 내부에 압입되는 프레임커버와; 상기 냉각유로와 연통되도록 상기 프레임 또는 프레임커버에 적어도 하나 이상 형성되고, 냉각수가 유입 및 배출되는 유로입구 및 유로출구와; 상기 냉각유로에 간격을 두고 설치되어 냉각유로를 구획하고, 상기 구획된 냉각유로 사이를 연통시키는 유로통로가 양단에 교대로 형성되는 구획리브를 포함하여 구성된다.

상기 구획리브는 상기 프레임의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 구비된다.

상기 구획리브의 길이는 600mm, 상기 유로통로의 높이는 130mm로 형성되고, 상기 유로통로의 너비는 125mm보다 크고 300mm보다 작게 형성된다.

상기 유로통로의 너비는 250mm이다.

상기 유로입구와 연통되는 냉각유로에는 상기 유로입구에서 상기 유로통로를 향하여 연장되는 가이드리브가 구비된다.

상기 가이드리브는 냉각수의 유입방향에 평행하게 형성된 평행부와 상기 유로통로를 향해 기울어진 안내부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면 구획리브의 길이에 대한 유로통로의 너비를 최적의 조건으로 설계하여 냉각수의 이동에 따른 유동저항이 최소화되므로, 냉각수의 원활한 이동이 확보되고 냉각효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 유로통로가 이웃하는 구획리브의 유로통로와 반대방향에 형성되어 냉각수의 이동방향을 반복적으로 변화시킨다. 이로 인해, 냉각수가 난류 유동을 하게 되고, 난류는 냉각수 자체에서 대류열전달이 원활하게 하여 냉각수에 의한 방열량이 증가하는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 냉각유로를 형성하는 구획리브가 프레임의 원주방향에 수직하게 구비되어 제작과 설치가 용이하므로, 제품의 생산성이 향상되는 효과가 있다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전동기 냉각장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2에는 본 발명에 의한 전동기 냉각장치의 바람직한 실시예의 구성이 사시도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명 실시예를 구성하는 구획리브가 정면도로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명 실시예에서 냉각수의 유동을 개략적으로 보인 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 프레임(21)에는 전동기의 고정자(도시되지 않음)가 설치되는 결합공(21')이 형성된다. 상기 프레임(21)에 대해 설명하기에 앞서 전동기의 구성에 대해서 간략하게 설명한다.

전동기의 내부 중심에는 회전자축이 회전가능하게 설치된다. 상기 회전자축에는 영구자석 또는 동부스바, 코일등이 결합된 회전자가 상기 회전자축의 외주면을 둘러 일체로 구비된다.

그리고, 상기 회전자의 둘레에는 코일이 권선된 고정자가 상기 전동기의 외관을 구성하는 프레임(21)의 내부에 고정되어 설치된다. 상기 고정자의 코일에 전류가 인가되어 자력이 발생하면 상기 회전자를 회전시키게 된다.

상기 프레임(21)의 양단에는 냉각유로(25)를 형성하는 돌출부(23,23')가 상기 프레임(21)의 외주면을 둘러 돌출되게 형성된다. 상기 돌출부(23,23')는 아래에서 설명될 프레임커버(41)의 내주면에 밀착된다. 상기 냉각유로(25)는 냉각수가 순환하는 경로이다.

상기 돌출부(23,23')에는 냉각수가 유입되는 유로입구(27)와 냉각수가 배출되는 유로출구(29)가 상기 냉각유로(25)와 연통되게 형성된다. 상기 유로입구(27) 및 유로출구(29)는 설계조건에 따라 프레임커버(41)에 형성될 수도 있다.

한편, 상기 프레임(21)에는 상기 돌출부(23,23') 각각의 내면에 연결되는 경계리브(31)가 상기 돌출부(23,23')에 수직하게 형성된다. 상기 경계리브(31)는 상기 유로입구(27)와 유로출구(29) 사이의 냉각유로(25)를 차단하여 상기 유로입구(27)로 유입된 냉각수가 유로출구(29)로 직접 배출되지 않게 한다. 즉, 상기 경계리브(31)는 냉각수가 상기 프레임(21)의 냉각유로(25)를 따라 한쪽 방향으로만 이동하게 한다.

그리고, 상기 프레임(21)에는 다수개의 구획리브(33)가 상기 경계리브(31)에 평행하게 구비된다. 즉, 상기 구획리브(33)는 상기 프레임(21)의 원주방향에 수직하게 구비된다.

상기 구획리브(33)는 상기 냉각유로(25)에 간격을 두고 설치되어 상기 냉각유로(25)를 구획하고, 상기 구획된 냉각유로(25) 사이를 연통시키는 유로통로(33')가 상기 구획리브(33)의 양단에 교대로 형성된다. 즉, 상기 유로통로(33')는 구획리브(33)의 일단과 이웃한 구획리브(33)의 타단에 번갈아가며 형성된다.

상기 유로통로(33')가 상기 구획리브(33)의 양단에 교대로 형성되면, 상기 냉각유로(25) 내에서 냉각수의 흐름이 지그재그로 이루어진다.

상기 유로통로(33')의 너비(a)와 높이(b)는 냉각수의 유동저항과 난류형성에 대해 밀접한 관계를 가지는데, 특히, 상기 구획리브(33)의 길이에 대한 상기 유로 통로(33') 너비(a)의 비율이 압력강하 현상에 큰 영향을 끼치는 요소임이 열해석 시뮬레이션 결과 확인되었다.

예를 들어, 상기 구획리브(33)의 길이가 600mm, 상기 유로통로(33')의 높이(b)가 130mm로 고정된 상태에서, 상기 유로통로(33')의 너비(a)가 125mm로 형성될 때에는 대략 3,500Pa(pascal)에 해당하는 압력손실이 발생하는데 비해, 너비(a)가 250mm로 형성될 때에는 대략 700Pa에 해당하는 압력손실이 발생하였다.

상기 구획리브(33)의 길이가 600mm, 상기 유로통로(33')의 높이(b)가 130mm로 고정된 경우, 상기 유로통로(33')의 너비(a)는 125mm<a<300mm의 조건에서 유동저항 및 열전달에 대해 최적화되며, 바람직하게는 상기 유로통로(33')의 너비(a)가 250mm로 형성된다.

만약, 상기 유로통로(33')의 너비(a)가 125mm이하로 형성되는 경우 유동저항이 커져서 냉각수의 이동이 원활하게 일어나지 못한다. 또한, 상기 유로통로(33')의 너비(a)가 300mm이상으로 형성되는 경우 냉각수의 이동으로 인한 난류의 형성이 미비하여 열전달 효율이 낮아지게 된다.

한편, 상기 구획리브(33)는 상기 프레임(21)의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 다수개가 형성된다. 예를 들어, 상기 구획리브(33)는 상기 프레임(21)의 원주방향을 따라 45도 간격으로 총 7 개가 구비될 수 있다.

상기 유로입구(27)와 연통된 냉각유로(25)에는 적어도 하나 이상의 가이드리브(35)가 구비된다. 상기 가이드리브(35)는 냉각수의 유입방향에 평행하게 형성된 평행부(35a)와 상기 유로통로(33')를 향해 기울어진 안내부(35b)를 포함하여 구성 된다.

상기 평행부(35a)는 상기 유로입구(27)를 통해 유입되는 냉각수가 안내부(35b)로 이동하게 안내하는 역할을 한다. 그리고, 상기 안내부(35b)는 상기 평행부(35a)를 통해 이동하는 냉각수가 상기 유로통로(33')를 향하도록 이동방향을 안내한다.

도 2에서는 상기 안내부(35b)가 상기 평행부(35a)에 수직하게 구비되었으나 반드시 그러한 것은 아니고, 냉각수의 유동방향을 안내하기 위한 다양한 형상으로 구비될 수 있다.

예를 들어, 평행부(35a)와 안내부(35b)는 명확히 구분될 필요 없이, 상기 유로입구(27)로 유입되는 냉각수가 상기 유로통로(33')를 향하도록 곡면으로 형성되어도 무방하다. 또한, 상기 유로입구(27)가 상기 유로통로(33')를 향하도록 형성된 경우에는 냉각수의 이동을 안내하기 위한 상기 가이드리브(35)가 생략될 수도 있다.

한편, 상기 프레임(21)은 프레임커버(41)에 결합된다. 상기 프레임커버(41)에는 상기 프레임(21)이 삽입되는 관통공(41')이 형성된다. 상기 프레임커버(41)의 내경은 상기 돌출부(23,23')의 외경과 동일하게 형성되어 상기 프레임(21)이 상기 관통공(41')에 압입된다. 따라서, 상기 냉각유로(25)는 상기 프레임커버(41)에 의해 차폐되고, 냉각수는 외부로 유출되지 않는다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전동기 냉각장치의 작용을 상세히 설명한다.

전동기에 전원이 인가되면 상기 고정자의 코일에 전류가 흐르고, 고정자에서 발생하는 자력에 의해 회전자가 회전하게 된다.

회전자가 고속 회전하게 되면, 에너지의 변환과정에서 기계적인 마찰 등에 의해 에너지의 손실이 일어나고, 이러한 에너지의 손실은 일반적으로 열로 변환된다.

이렇게 발생한 열은 전동기의 기능을 저하시키는 원인이 되므로, 전동기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해 상기 유로입구(27)로 냉각수가 유입된다. 냉각수는 상기 가이드리브(35)에 의해 유동방향이 안내되고, 상기 구획리브(33)에 형성된 유로통로(33')를 통해 냉각유로(25)를 순환하게 된다.

상기 유로통로(33')의 너비(a)는 상기 구획리브(33)의 길이에 대해 최적의 조건으로 설계되어 냉각수의 유동저항을 최소화한다. 즉, 냉각수의 압력강하 현상이 감소하여 냉각수의 순환이 원활하게 일어난다.

냉각수는 처음에는 거의 규칙적인 흐름을 갖는 층류와 비슷한 상태로 유입되는데, 상기 구획리브(33)의 양단에 번갈아가며 형성된 상기 유로통로(33')는 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 냉각수의 이동방향을 반복적으로 변화시킨다.

이 과정에서 매끄럽고 규칙적인 흐름을 갖는 층류와 유사한 상태의 냉각수가 불규칙하게 움직이면서 서로 섞이는 난류상태로 변화하게 된다. 냉각유로(25) 내에서 형성되는 난류는 상대적으로 열전달율이 높기 때문에 고체와 유체간의 열전도는 물론 유체의 운동에 의한 대류열전달이 활발하게 일어나며, 냉각수가 난류가 되면서 열전달을 위해 머무르는 영역이 더 넓어지므로 냉각효율이 향상된다.

즉, 냉각수가 상기 냉각유로(25)로 유입되어 층류흐름을 갖게 될 경우, 상기 프레임(21)의 표면을 흐르는 냉각수의 열전도에 의해서만 열전달이 일어나는데 비해, 상기 유로통로(33')를 통과한 냉각수는 난류로 전환되어 상기 프레임(21)의 반경 방향으로 대류열전달이 발생되므로 열전달이 급격히 증가하게 된다.

이와 같이, 상기 냉각유로(25)를 이동하며 난류 상태로 변환된 냉각수는 상기 전동기에서 발생한 열을 흡수한 후 상기 유로출구(29)로 배출된다.

한편, 상기 구획리브(33)는 상기 프레임(21)의 원주방향에 수직하게 구비되므로, 상기 프레임(21)의 원주방향을 따라 곡면에 구비되는 것에 비해 제작과 조립이 용이하다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 종래 기술에 의한 전동기 냉각장치의 구성을 보인 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 전동기 냉각장치의 바람직한 실시예의 구성을 보인 사시도.

도 3은 본 발명 실시예를 구성하는 구획리브를 보인 정면도.

도 4는 본 발명 실시예에서 냉각수의 유동을 개략적으로 보인 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21: 프레임 21': 결합공

23,23': 돌출부 25: 냉각유로

27: 유로입구 29: 유로출구

31: 경계리브 33: 구획리브

33': 유로통로 35: 가이드리브

35a: 평행부 35b: 안내부

41: 프레임커버 41': 관통공

Claims (6)

1. 내부에 회전자와 고정자가 설치되는 결합공이 형성되고, 외면에는 냉각수가 이동되는 냉각유로가 형성되는 프레임과;

   상기 냉각유로를 외부와 차폐하도록 상기 프레임이 내부에 압입되는 프레임커버와;

   상기 냉각유로와 연통되도록 상기 프레임 또는 프레임커버에 적어도 하나 이상 형성되고, 냉각수가 유입 및 배출되는 유로입구 및 유로출구와;

   상기 냉각유로에 간격을 두고 설치되어 냉각유로를 구획하고, 상기 구획된 냉각유로 사이를 연통시키는 유로통로가 양단에 교대로 형성되는 구획리브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구획리브는 상기 프레임의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 구비됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 구획리브의 길이는 600mm, 상기 유로통로의 높이는 130mm로 형성되고, 상기 유로통로의 너비는 125mm보다 크고 300mm보다 작게 형성됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 유로통로의 너비는 250mm임을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로입구와 연통되는 냉각유로에는 상기 유로입구에서 상기 유로통로를 향하여 연장되는 가이드리브가 구비됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 가이드리브는 냉각수의 유입방향에 평행하게 형성된 평행부와 상기 유로통로를 향해 기울어진 안내부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전동기 냉각장치.

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