KR20130006335A - 전기 기기의 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 기기의 냉각 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20130006335A
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제임스 제이. 래미
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

본원 발명은 스테이터 조립체를 포함할 수 있는 전기 기기를 포함하는 전기 기기 모듈에 관한 것이다. 스테이터 조립체는 스테이터 단부 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 제공할 수 있고, 그리고 상기 하우징은 기기 공동을 적어도 부분적으로 형성할 수 있다. 또한, 하나 이상의 배플은 스테이터 단부 권선에 근접한 영역에서 하우징에 커플링될 수 있고, 그에 따라 하나 이상의 배플이 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싼다.

Description

전기 기기의 냉각 시스템 및 방법{COOLING SYSTEM AND METHOD FOR AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전기 기기의 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 기기를 냉각시키기 위한 종래의 방법은 전기 기기 상으로 냉각제를 직접적으로 분무(spraying) 또는 분산시키는 것을 포함한다. 냉각제는 전기 기기의 상부 부분에 인접한 스테이터 단부 권선(turns) 상으로 종종 분산된다. 냉각제는 스테이터 단부 권선으로 떨어지고 그리고 전기 기기의 하부 부분에 근접하여 모여짐(pool)에 따라 냉각제가 전기 기기를 냉각시킬 수 있다. 전기 기기의 하부 부분에 근접하여 스테이터 단부 권선을 냉각시키는 것을 돕기 위해서, 모여진 냉각제들은 전기 기기의 하부 부분 내에서 특정 높이로 유지되어야 한다.
본원 발명의 실시예는 스테이터 조립체를 포함할 수 있는 전기 기기를 포함하는 전기 기기 모듈을 제공한다. 스테이터 조립체는 스테이터 단부 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시예들은 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 제공할 수 있고, 그리고 상기 하우징은 기기 공동을 적어도 부분적으로 형성한다. 또한, 하나 이상의 배플(baffle)이 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싸도록, 하나 이상의 배플이 스테이터 단부 권선에 근접한 영역에서 하우징에 커플링될 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예는 스테이터 조립체를 포함하는 전기 기기를 제공하는 단계를 포함하는 전기 기기 냉각 방법을 제공한다. 스테이터 조립체는 스테이터 단부 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 하우징은 기기 공동을 적어도 부분적으로 형성할 수 있고 그리고 전반적인 하부 영역(a generally lower region)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 배플들은 실질적으로 스테이터 단부 권선에 근접한 전반적인 하부 영역 내에서 하우징에 커플링될 수 있고, 그에 따라 배플들은 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싸고 그리고 냉각제가 기기 공동 내로 도입될 수 있다. 일부 실시예는 전반적인 하부 영역을 향해서 기기 공동을 통해서 순환될 수 있는 냉각제의 일부를 제공하며, 그에 따라 전기 기기의 냉각에 적어도 부분적으로 도움을 주기 위해서 냉각제의 부분의 일부가 배플과 접촉한다.
본원 발명의 일부 실시예는 스테이터 조립체를 포함할 수 있는 전기 기기를 포함하는 전기 기기 모듈을 제공한다. 스테이터 조립체는 스테이터 단부 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 제공할 수 있고 그리고 하우징은 전반적인 하부 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 실질적으로 스테이터 단부 권선에 근접한 전반적인 하부 영역 내에서 하우징에 커플링될 수 있는 배플을 제공할 수 있고, 그리고 배플은 실질적으로 비전도성(non-conductive) 물질로 형성될 수 있고 그리고 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러쌀 수 있다.
도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기기 모듈의 사시도.
도 2는 도 1의 전기 기기 모듈의 측면도.
도 3은 도 1의 전기 기기 모듈의 정면도.
도 4는 도 1의 전기 기기 모듈의 단면을 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 단면 도시 사시도의 후면도.
도 6은 선 A-A을 따라서 도시한 도 3의 전기 기기 모듈의 단면도.
도 7은 선 B-B을 따라서 도시한 도 3의 전기 기기 모듈의 단면도.
도 8은 본원 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기기 모듈의 부분적인 정면 단면도.
도 9는 선 C-C을 따라서 도시한 도 3의 전기 기기 모듈의 부분적인 정면 단면도.
도 10은 도 6의 전기 기기 모듈의 부분적인 정면 단면도.
도 11은 본원 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기기 모듈의 부분적인 정면 단면도.
도 12는 도 11의 전기 기기 모듈의 배플 및 스테이터 조립체의 부분적인 사시도.
도 13은 도 11의 전기 기기 모듈의 스테이터 단부 권선 및 배플의 부분적인 정면 단면도.
도 14는 도 11의 전기 기기 모듈의 스테이터 단부 권선 및 배플의 다른 부분적인 정면 단면도.
도 15a는 도 11의 전기 기기 모듈의 배플을 도시한 평면도.
도 15b는 도 15a의 배플의 측면도.
도 15c는 도 15a의 배플의 정면도.
도 15d는 도 15a의 배플의 정면 단면도.
도 16은 도 1의 전기 기기 모듈의 사시도.
도 17은 도 7의 전기 기기 모듈의 부분적인 정면 단면도.
본원 발명의 임의 실시예를 구체적으로 설명하기에 앞서서, 본원 발명은 이하에서 설명된 또는 첨부 도면에 도시된 부품 세트들의 배열 및 구성의 구체적인 사항으로 그 용도를 제한하기 위한 것이 아님을 이해하여야 할 것이다. 본원 발명은 다른 실시예로도 가능하고 그리고 다양한 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용된 문체(phraseology) 및 기술용어들은 설명을 위한 것이고 그리고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 "포함", "함유" 또는 "구비" 및 그 변형적인 표현들을 사용하는 것은 해당 표현들 이후에 나열된 항목들 및 그 균등물뿐만 아니라 부가적인 항목들도 포함한다는 것을 의미한다. 특정하거나 달리 제한하지 않는다면, "장착된", "연결된", "지지된", 및 "커플링된" 그리고 그 변형적인 표현들은 넓은 의미로 사용되고 그리고 직접적인 그리고 간접적인 장착, 연결, 지지 및 커플링을 포함한다. 또한, "연결된" 및 "커플링된"은 물리적 또는 기계적 연결 또는 커플링으로 제한되지 않는다.
이하의 설명은 소위 당업자가 본원 발명의 실시예를 구성 및 이용할 수 있도록 제시된 것이다. 설명된 실시예들에 대한 여러 가지 변경이 당업자에게 자명할 것이고, 그리고 본원에서의 일반적인 원리가 본원 실시예로부터 일탈하지 않고도 다른 실시예들 및 적용례들에 적용될 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 실시예는 제시된 실시예들로 제한되지 않을 것이고, 본원에서 개시된 원칙 및 특징들과 부합하는 가장 넓은 범위를 가질 것이다. 이하의 구체적인 설명은 도면들을 참조하여 이해될 수 있을 것이고, 그러한 여러 도면들에서는 유사한 요소들이 유사한 참조 번호를 가진다. 반드시 실척(scale)이지 않은 도면들은 선택된 실시예들을 도시하고 그리고 본원 발명의 실시예의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 당업자는 본원에서 제공된 예들이 많은 유용한 대안적인 실시예들을 가지고 그리고 본원 발명의 실시예의 범위 내에 포함될 것임을 이해할 것이다.
도 1 내지 도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기기 모듈(10)의 부분들을 도시한다. 전기 기기 모듈(10)은 하우징(12) 및 전기 연결부(29)를 포함할 수 있다. 그 대신에, 일부 실시예에서, 하우징(12)은 리브형(ribbed) 구조물(31)을 포함할 수 있고, 그러한 리브형 구조물은 하우징(12)에 대한 구조적 지지를 부분적으로 제공할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기기 모듈(10)의 부분들을 도시한다. 하우징(12)은 실질적으로 둘러싸인, 실질적으로 원통형이 캐니스터(15) 및 단일 단부 캡(17)을 포함할 수 있다. 전기 기기(20)는 단부 캡(17) 및 캐니스터(15)에 의해서 적어도 부분적으로 형성된 기기 공동(22) 내에 수용될 수 있다. 하우징(12)은 실질적으로 경계를 형성할 수 있고(circumscribe), 그리고 적어도 부분적으로 전기 기기(20)를 둘러싼다. 다른 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징(12)은 슬리브 부재(14), 제 1 단부 캡(16), 및 제 2 단부 캡(18)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬리브 부재(14) 및 단부 캡(16, 18) 또는 단부 캡(17) 및 캐니스터(15)가 체결구(11) 또는 다른 적합한 커플링 방식으로 커플링되어, 기기 공동(22) 내에서 전기 기기(20)를 둘러쌀 수 있다.
전기 기기(20)는 로터(24), 스테이터 조립체(26), 및 베어링을 포함할 수 있고, 그리고 메인 출력 샤프트(34) 주위로 배치될 수 있고, 상기 스테이터 조립체는 스테이터(28) 및 스테이터 단부 권선(30)을 포함한다. 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 스테이터 조립체(26)는 로터(24)를 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 기기(20)는 로터 허브(36)를 포함할 수 있고 또는 "허브-리스(hub-less)" 디자인(도시하지 않음)을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 하우징(12)은 전체적으로 2개의 영역으로 분할될 수 있다: 즉, 전반적인 상부 영역(48) 및 전반적인 하부 영역(50)으로 분할될 수 있다. 전반적인 상부 영역(48)은 메인 출력 샤프트(34)의 실질적으로 위쪽에 배치되는 영역을 포함할 수 있고, 그리고 전반적인 하부 영역(50)은 메인 출력 샤프트(34)의 실질적으로 아래쪽에 배치되는 영역을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(12)은 냉각제 재킷(21)을 포함할 수 있다. 냉각제 재킷(21)은 실질적으로 스테이터 조립체(26)의 일부를 실질적으로 둘러싸거나 또는 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있고 그리고 오일, 유압 유체 오일, 동결방지제, 모터 오일, 트랜스미션 오일, 또는 유사한 유체와 같은 냉각제를 수용할 수 있다. 냉각제 재킷(21)은 냉각제를 수용하는 유체 공급원(도시하지 않음)과 유체 소통될 수 있다. 냉각제가 냉각제 재킷(21) 내로 들어감에 따라서 냉각제가 가압될 수 있으며, 그에 따라 냉각제가 냉각제 재킷(21)을 통해서 순환될 수 있다. 전기 기기(20)에 의해서 발생된 열 에너지는 냉각제가 냉각제 재킷(21)을 통해서 순환됨에 따라 냉각제로 전달될 수 있고, 이는, 부분적으로, 전기 기기(20)의 냉각을 유도할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 냉각제가 냉각제 유입구(27)를 통해서 냉각제 재킷(21) 내로 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 유입구(27)가 하우징(12)의 전반적인 하부 영역(50) 내에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각제 재킷(21)은 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15) 내에 형성될 수 있고, 여기에서 하우징(12)의 (예를 들어, 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15)의) 방사상 최내측 벽(23)이 기기 공동(22)으로부터 냉각제 재킷(21)을 실질적으로 분리시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징(12)은 내부 슬리브 부재(19)를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 냉각제 재킷(21)이 내부 슬리브 부재(19) 및 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15) 사이에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 내부 슬리브 부재(19)는 냉각제 재킷(21)과 기기 공동(22)을 실질적으로 분리하는 내측 벽(23)을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 내부 슬리브 부재(19)가 스테인리스 스틸 링일 수 있고, 그러한 링 내로 스테이터(28)가 설치되거나 가압될 수 있다(pressed).
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 스테이터 단부 권선(30)은 트위스트(twist) 단부 스테이터 단부 권선(38) 및 용접 단부 스테이터 단부 권선(40)을 포함할 수 있다. 트위스트 단부 스테이터 단부 권선(38) 및 용접 단부 스테이터 단부 권선(40)이 스테이터 조립체(26)의 실질적으로 대향하는 축방향 단부들에 배치될 수 있다.
전기 기기(20)는 하이브리드 전기 모터, 발전기, 또는 차량용 얼터네이터(alternator)와 같은 전기 모터일 수 있으나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 전기 기기(20)는 하이브리드 차량에서 사용하기 위한 고전압 헤어핀(High Voltage Hairpin ;HVH) 전기 모터일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전기 기기(20)는 하이브리드 차량에서 사용하기 위한 내부 영구 자석(IPM) 전기 기기일 수 있다.
비제한적으로, 스테이터 조립체(26) 및 로터(24)와 같은 전기 기기(20)의 부품들은 전기 기기(20)의 작동 중에 열을 생성할 수 있다. 이들 성분들이 냉각되어 전기 기기(20)의 성능을 향상시키고 그리고 수명을 연장시킬 수 있을 것이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 배플(42)이 하우징(12)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서, 배플(42)은, 도 11, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같은 나사형 체결구(44), 또는 다른 체결구, 접착제, 또는 기타 적절한 커플링 방법을 이용하여 하우징(12)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서, 배플(42)은 하나 또는 둘 이상의 커플링 구조물(46)을 포함할 수 있다. 도 15a 내지 도 15d에 도시된 바와 같이, 임의 타입의 커플링 장치가 커플링 구조물(46)을 통해서 삽입되어 배플(42)을 하우징(12)에 커플링할 수 있다. 커플링 구조물은 나사형 체결구(44), 다른 체결구, 접착제, 또는 기타 적합한 커플링 방법을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 배플(42)은 비전도성 물질, 또는 다른 적합한 물질로부터 실질적으로 형성될 수 있으며, 그러한 물질은 전기 기기에 의해서 생성되는 열 에너지 및 냉각제와 같이 기기 공동(22) 내로 도입되는 물체(substance)와 양립가능할(compatible) 수 있다. 일부 실시예에서, 비전도성 물질은 유리, 세라믹, 플라스틱과 같은 폴리머, 기타 적합한 비전도성 물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예에 따라, 배플(42)은 복수의 유닛 또는 실질적으로 단일체인 유닛으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 배플(42)은 수직 하위유닛(subunit; 56) 및 수평 하위유닛(58)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 수직 하위유닛(56)이 메인 출력 샤프트(34)의 수평 축선과 실질적으로 수직으로 배향될 수 있고, 그리고 수평 하위유닛(58)이 메인 출력 샤프트(34)의 수평 축선에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 또한, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 수평 하위유닛(58)은 스테이터 조립체(26)를 향해서 내측으로 축방향을 따라 연장할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 2개의 하위유닛(56, 58)은 나사형 체결구, 접착제, 또는 다른 적합한 방식을 이용하여 함께 커플링된 2개의 상이한 피스들일 수 있다. 다른 실시예에서, 2개의 피스들이 실질적으로 단일 유닛으로 제조될 수 있도록, (예를 들어, 몰딩 프로세스 또는 다른 적합한 프로세스에 의해서) 2개의 하위유닛(56, 58)이 제조될 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 도 15a 내지 도 15d에 도시된 바와 같이, 전체적으로 원형-형상의 스테이터 조립체(26)의 형상을 실질적으로 따르도록, 배플(42)이 전체적으로 곡선형, 각도형(angled), 또는 벤딩형 형상을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 배플(42)은 제조자의 요구 및 사용자의 요구를 충족시키기 위한 다른 형상 및 구성을 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8 그리고 도 10 내지 도 14를 참조하면, 일부 실시예에서, 배플(42)은 대체적으로 스테이터 단부 권선(30)에 인접하여 하우징(12)에 커플링될 수 있다. 하우징(12)에 커플링될 때, 배플(42)은 스테이터 단부 권선(30)의 둘레의 일부를 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예에서, 배플(42)의 수직 하위유닛(56)이 단부 캡(16, 18)(또는 단부 캡(17) 및 캐니스터(15)) 중 하나 또는 양자 모두에, 또는 하우징(12)의 다른 적합한 영역에 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서, 배플(42)은 대체적으로 스테이터 단부 권선(30)에 근접하여 하우징(12)에 커플링될 수 있고, 상기 스테이터 단부 권선은 전반적인 상부 영역(48) 및/또는 전반적인 하부 영역(50) 내에서 하우징(12) 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도 6 내지 도 8 그리고 도 10 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 배플(42)은 전반적인 하부 영역(50) 내에 실질적으로 위치될 수 있다. 또한, 배플(42)의 적어도 일부가 스테이터 단부 권선(30) 및 스테이터 조립체(26)의 가장-하단부 구역에 인접하여 위치되도록(즉, "6시 위치"), 배플(42)이 배치될 수 있다. 전도성 물질로 형성된 배플(42)에 대비하여, 실질적으로 비전도성 물질로 형성되는 결과로 인해서, 배플(42)은 스테이터 단부 권선(30)에 보다 더 근접하여 위치될 수 있는데, 이는 비전도성 조성물이 전기 기기(20)의 전기 역학적 작용(electrical dynamics)에 최소한의 영향만을 미치기 때문이다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 수평 하위유닛(58)은 스테이터 단부 권선(30)의 전기 전도체의 크기, 치수, 및 형상에 거의 일치하도록 조정가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 수평 하위유닛(58)은 트위스트 단부 스테이터 단부 권선(38)의 전기 전도체들을 수용하도록 곡선화되거나, 각도를 형성하거나, 또는 벤딩될 수 있다. 다른 예에서, 수평 하위유닛(58)은 용접 단부 스테이터 단부 권선(40)을 수용하기 위해서 실질적으로 평면형, 평판형(flat), 또는 직선형일 수 있다. 일부 실시예에서, 전체적으로 평면형인 수평 하위유닛(58)을 포함하는 배플(42)이 트위스트 단부 스테이터 단부 권선(38)에 근접하여 위치될 수 있고, 그리고 전체적으로 곡선형인 수평 하위유닛(58)을 포함하는 배플은 용접 단부 스테이터 단부 권선(40)에 근접하여 위치될 수 있다. 추가적으로, 제조자가 희망하는 결과(outcome) 및 최종 사용자가 희망하는 결과를 달성하기 위해서, 배플(42)은, 예를 들어, 다른 구성, 형상, 및/또는 디자인을 포함할 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예에 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각제 재킷(21)을 통해서 순환하는 냉각제가 내측 벽(23)들 중 하나 이상을 통해서 연장하는 복수의 냉각제 개구(25)로부터 기기 공동(22) 내로 분무 또는 분산될 수 있다. 일부 실시예에서, 내측 벽(23)은 약 7개의 냉각제 개구(25)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 7개 보다 많거나 적은 냉각제 개구(25)가 포함될 수 있다. 복수의 냉각제 개구(25)가 적어도 기기 공동(22) 및 냉각제 재킷(21)와 유체 소통할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 냉각제 개구(25)는 (예를 들어, 하우징(12)의 축방향 양 단부에 근접하여 위치된) 스테이터 단부 권선(30)에 실질적으로 인접한 하우징(12)을 따라서 축방향으로 위치될 수 있다. 결과적으로, 냉각제가 냉각제 재킷(21)으로부터, 복수의 냉각제 개구(25)를 통해서, 그리고 적어도 부분적으로 스테이터 단부 권선(30) 상으로 또는 그 주위로 분산될 수 있다. 분산된 냉각제는 스테이터 단부 권선(30)으로부터 열 에너지를 수용할 수 있고, 이는 전기 기기(20)의 적어도 부분적인 냉각을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 냉각제 개구(25)가 하우징(12)의 전반적인 상부 영역(48) 주위로 원주방향을 따라서 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 냉각제 개구(25)가 하우징(12)의 전체 원주 주위로 원주방향을 따라 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 냉각제 개구(25)에 더하여, 냉각제의 부가적인 부피가 로터 허브(36)(도시하지 않음)에 근접하여, 예를 들어, 로터 허브(36)의 베이스로부터 또는 메인 출력 샤프트(34)의 베이스로부터 배출될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각제 유입구(27)를 통과한 후에, 일부 실시예에서, 냉각제의 일부가 냉각제 유입구 배관(33)을 통해서 유동할 수 있고, 그에 따라 냉각제의 일부가 로터 허브(36)에 근접하여 배출될 수 있다. 로터 허브(36)로부터 배출되는 냉각제는 (예를 들어, 원심력에 의해서) 하우징(12) 및 스테이터 조립체(26)를 향해서 방사상 외측으로 유동할 수 있다. 이러한 냉각제의 부가적인 부피는, 스테이터 조립체(26)를 포함하여, 전기 기기(20)를 냉각시키는 것을 추가적으로 도울 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각제가 기기 공동(22) 내로 도입된 후에, 냉각제의 적어도 일부를 전체적으로 하향 방향으로 끌어 당기는 것을 중력이 도울 수 있다. 냉각제가 전체적으로 하향 방향으로 유동함에 따라, 전기 기기(20)에 의해서 생성되는 열 에너지의 적어도 일부를 수용 및 제거함으로써, 전기 기기(20)의 냉각을 도울 수 있을 것이다. 냉각제가 전체적으로 하향 유동함에 따라, 냉각제의 일부가 전기 기기(20) 및/또는 하우징(12)을 따라서 하향 유동할 수 있고, 이는 전기 기기 모듈(10)의 추가적인 냉각을 유도할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각제의 적어도 일부가 스테이터 단부 권선(30)의 외측 지름 및/또는 내측 지름을 가로질러 유동하여 전기 기기(20)를 냉각시키는 것을 적어도 부분적으로 도울 수 있다.
일부 실시예에서, 하우징(12)은 냉각제 안내부(60)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 안내부(60)가 전체적으로 상승된 릿지(ridges), 렛지(ledges), 홈통(troughs), 슈라우드(shrouds), 리브형(ribbed) 구조물들, 그리고 기타 유사한 특징부들을 포함할 수 있고, 이러한 구조물 및 특징부는 단부 캡(16, 18) 및 슬리브 부재(14), 단부 캡(17) 및 캐니스터(15), 또는 하우징(12) 상의 또는 그 내부의 다른 적합한 위치로부터 기기 공동(22) 내로 축방향으로 및/또는 방사상으로 연장한다. 냉각제의 일부가 전체적으로 하향 유동함에 따라, 냉각제는 냉각제 안내부(60)에 의해서 하우징(12)의 내부 표면을 따라서 안내되거나 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 안내부(60)가 하우징(12)의 요소들과 일체형이 되도록 냉각제 안내부(60)가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제 안내부(60)는 전술한 커플링 기술들 중 임의의 기술을 이용하여 하우징(12)에 커플링될 수 있다.
추가적으로, 일부 실시예에서, 하우징(12)은 냉각제 안내 배수관(61)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 안내 배수관(61)이 배플(42)에 실질적으로 근접하여 위치될 수 있고, 그에 따라 냉각제 안내부(60)에 의해서 안내되는 냉각제의 적어도 일부가 배플(42)을 향해서 안내되고, 지향되며, 배수되고, 또는 조준될(aimed) 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 안내 배수관(61)이 간격을 두고 냉각제 안내부(60)를 통해서 위치될 수 있고, 그에 따라 냉각제가 냉각제 안내부(60)를 따라서 유동함에 따라, 냉각제가 전반적인 하부 영역(50)을 향해서 보다 신속하게 유동하도록 냉각제 안내 배수관(61)을 통해 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 11, 도 13, 도 14 및 도 17에 도시된 바와 같이, 배플(42)을 향한 냉각제의 흐름(funneling)을 돕기 위해서, 냉각제 안내 배수관(61)은 냉각제 안내부(60)의 일부, 단부 캡(16, 18) 및 슬리브 부재(14), 단부 캡(17) 및 캐니스터(15), 또는 하우징(12)의 다른 요소를 통해서 형성된 전체적으로 튜브와 유사한 구성을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제 안내 배수관(61)은, 예를 들어 제조자 또는 최종 사용자가 요구하는 바에 따라, 다른 구성 및 형상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전술한 바와 같이, 전반적인 하부 영역(50) 내에 위치될 수 있는 배플(42)이 전기 기기(20)의 냉각을 추가적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 도 13 및 도 14에서 화살표로 도시된 바와 같이, 냉각제가 전체적으로 하향 유동함에 따라, 냉각제의 부분들이 스테이터 단부 권선(30)의 내측 지름에 걸쳐 유동할 수 있고, 스테이터 단부 권선(30)의 전기 전도체를 통해서 유동할 수 있으며, 스테이터 단부 권선(30)의 둘레 주위로 유동할 수 있고, 그리고 스테이터 단부 권선(30)의 외측 지름 주위로 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 배플(42)의 포함으로 인해서, 냉각제의 일부가 스테이터 단부 권선(30)에 근접하여 및/또는 그 주위에서 집중될 수 있고, 이는 배플들을 포함하지 않는 또는 전반적인 하부 영역 내에 배플들을 포함하지 않는 종래의 전기 기기 모듈에 비해서 향상된 냉각을 제공할 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 배플(42)은 배플 배출구(70)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 배플 배출구(70)는 수평 하위유닛(58) 및 스테이터 단부 권선(30)의 둘레의 일부에 의해서 적어도 부분적으로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 배플 배출구(70)는 배플(42)의 축방향으로 가장 내측의 구역에 위치될 수 있으며, 그에 따라 냉각제가 하향 유동함에 따라, 냉각제의 일부가 배플(42)에 근접하여 그리고 그 주위에 모여질 수 있고 그리고 냉각제의 일부가 배플 배출구(70)를 통해서 유동할 수 있다.
도 13, 도 14 및 도 17에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 하나 이상의 냉각제 채널(62)이 전기 기기 모듈(10) 내에 포함될 수 있으며, 하나 보다 많은 냉각제 채널(62)이 포함될 수도 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 채널(62)은, 내측 벽(23), 단부 캡(16, 18) 및 슬리브 부재(14), 및/또는 단부 캡(17) 및 캐니스터(15)를 포함하여, 배플(42), 스테이터 조립체(26), 및 하우징(12)의 부분들로 적어도 부분적으로 구성될 수 있으나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로, 배플 배출구(70)를 통해서 유동할 수 있는 냉각제의 일부가 냉각제 채널(62)을 통해서 안내될 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예에서, 배플(42) 및 스테이터 단부 권선(30)에 도달하는 냉각제의 적어도 일부가 배플 배출구(70)를 통해서 스테이터 조립체(26)에 근접한 그 주위의 냉각 채널(62)로 안내될 수 있고, 이는 냉각을 적어도 부분적으로 도울 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제의 실질적으로 일정한 유동이, 하우징(12)의 전반적인 하부 영역(50) 내의 스테이터 단부 권선(30)을 포함하여, 배플(42) 및 스테이터 조립체(26)를 통해서 그리고 그들에 걸쳐 통과할 수 있고, 그리고 배플 배출구(70)를 통해서 냉각제 채널(62)까지 유동할 수 있다. 이러한 구성은 과다한 열 에너지의 존재를 감소시키는데 도움을 줄 수 있고 그리고 전반적인 하부 영역(50) 내의 전기 기기(20) 부품들에 대한 냉각을 개선하는데 도움이 될 수 있다.
또한, 본원 발명의 일부 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 냉각제 배출구(64)가 전기 기기 모듈(10)에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제 배출구(64)가 단부 캡(16, 18) 및 슬리브 부재(14), 또는 단부 캡(17) 및 개구(25)와 같은 하우징(12)의 부분들을 통해서 형성된 개구들일 수 있다. 일부 실시예에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 하우징(12)의 실질적으로 축방향으로 대향하는 단부들에서 하우징(12)의 전반적인 하부 영역(50)의 부분들을 통해서 냉각제 배출구가 형성될 수 있다. 냉각제 배출구(64)는 전기 기기 모듈(10) 내로 도입된 냉각제를 위한 배수관으로서의 역할을 할 수 있고, 그리고 일부 실시예에서, 냉각제 채널(62)의 일부에 근접하여 또는 그 내부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 냉각제 채널(62) 내에서 유동하는 냉각제의 적어도 일부가, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 냉각제 배출구(64)를 향해서 지향될 수 있다.
도 6, 도 16 및 도 17을 참조하면, 일부 실시예에서, 전기 기기 모듈(10)이 섬프(sump) 시스템(68)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 섬프 시스템(68)은 섬프 배관(71), 섬프 배출구(73), 및 섬프 구역(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 섬프 배관(71)은 냉각제 배출구(64)와 유체 소통할 수 있고, 그에 따라 냉각제 배출구(64)를 통해서 유동하는 냉각제의 일부가 섬프 배관(71) 및 섬프 배출구(73)를 통해서 그리고 섬프 구역 내로 분산될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬프 구역은 냉각제가 기기 공동(22)을 거쳐 유동한 후의 냉각제를 위한 저장용기로서 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 섬프 구역은 라디에이터(radiator) 또는 유사한 특징부와 같은 열 교환 요소에 유체적으로 연결될 수 있고, 그에 따라 냉각제가 열 교환 요소로 순환될 수 있고, 그러한 열 교환 요소에서 냉각제에 의해서 이송된 열 에너지의 일부가 제거될 수 있고 그리고 냉각제가 모듈(10)로 재순환될 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 모듈(10)은 보조 유입구(75) 및 보조 배출구(77)를 포함한다. 보조 유입구(75) 및 보조 배출구(77)는, 모듈(10) 내외로 더 많은 냉각제가 유동될 것을 제조자 및/또는 최종 사용자가 요구하는, 그러한 용도에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 유입구(75) 및 보조 배출구(77)가 모듈(10) 작동에서 일반적으로 요구되지 않을 때, 그러한 보조 유입구(75) 및 보조 배출구(77)는 플러그(79)를 이용하여 실질적으로 밀봉될 수 있다.
추가적으로, 본원 발명의 일부 실시예에서, 배플(42)을 포함하는 것은 하우징(12)의 하단부에서 냉각제 풀(pool)을 유지할 필요성을 제거하거나 감소시키고, 그리고 냉각제의 유동 제어를 단순화할 수 있다. 일부 종래의 전기 기기 모듈에서, 냉각제 풀은 중요한 특징부가 될 수 있는데, 이는 그러한 냉각제 풀이 스테이터 조립체(26) 및 스테이터 단부 권선(30)의 냉각에 도움을 줄 수 있기 때문이다(즉, 냉각제가 스테이터 단부 권선(30)과 접촉할 수 있도록 풀이 충분히 높게 상승할 수 있다). 냉각제 풀은 또한, 예를 들어, 스테이터 조립체(26)와 로터(24) 사이의 공기 갭(66)의 범람(flooding)을 유발함으로써, 전기 기기 모듈의 작동을 어렵게 할 수 있고, 이는 전기 기기(20)의 작동을 중단시킬 수 있다. 결과적으로, 공기 갭(66)의 범람을 피하기 위해서 모듈로 유입되고 모듈로부터 배출되는 냉각제의 유량을 주의 깊게 조정하는 것이 필요할 수 있다. 본원 발명의 일부 실시예에서, 배플(42)의 포함이 냉각제 풀의 필요성을 배제할 수 있는데, 이는 냉각제의 적어도 일부가 전기 기기(20)의 열 에너지-생성 부분들의 일부에 여전히 노출되나, 냉각제의 일부가 스테이터 조립체(26) 주위에 집중될 수 있기 때문에 냉각제 풀에 비해서 보다 더 지향적인(directed) 방식이 되기 때문이다. 또한, 냉각제는 냉각제 채널(62)을 통해서 신속하게 통과될 수 있고 그리고 섬프 시스템(68) 내로 배수될 수 있으며, 이는 냉각제 풀에 대한 필요성을 추가적으로 배제할 수 있고, 그에 따라 일부 실시예에서, 유량의 주의 깊은 조정이 필수적이지 않거나 또는 최소한으로 필수적이 될 수 있다.
특별한 실시예 및 예와 관련하여 본원 발명에 대해서 앞서 설명하였지만, 본원 발명이 반드시 그러한 것으로 제한되지 않고, 그리고 수많은 다른 실시예들, 예들, 용도들, 실시예들부터의 변경들 및 변화들, 예들 및 용도들을 본원에 첨부된 특허청구범위에 포함시키기 위한 의도가 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 인용된 각각의 특허 및 공보의 전체 개시내용은, 그러한 각각의 특허 또는 공보가 본원에서 개별적으로 참조되어 포함되는 것과 같이, 본원에서 참조로서 포함된다. 본원 발명의 여러 가지 특징들 및 장점들이 이하의 특허청구범위에 기재되어 있다.
10 : 전기 기기 모듈
11 : 체결구
12 : 하우징
15 : 캐니스터
17 : 단부 캡
29 : 전기 연결부
31 : 리브형 구조물

Claims (20)

  1. 스테이터 단부 권선을 포함하는 스테이터 조립체를 포함하는 전기 기기와,
    상기 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸고, 기기 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 하우징과,
    하나 이상의 배플이 상기 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싸도록 스테이터 단부 권선에 근접한 영역에서 하우징에 커플링되는 하나 이상의 배플을 포함하는, 전기 기기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 배플은 실질적으로 비전도성인 물질로 형성되는, 전기 기기 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실질적으로 비전도성인 물질은 플라스틱을 포함하는, 전기 기기 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 냉각제 안내부를 포함하는, 전기 기기 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 배플, 스테이터 조립체 및 하우징이 하나 이상의 냉각제 채널을 실질적으로 형성하는, 전기 기기 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스테이터 단부 권선은 트위스트 단부 스테이터 단부 권선 및 용접 단부 스테이터 단부 권선을 포함하고,
    상기 하나 이상의 배플은 2개의 배플을 포함하고,
    상기 2개의 배플 각각은 수평 하위유닛을 포함하며,
    상기 수평 하위유닛은 트위스트 단부 스테이터 단부 권선 및 용접 단부 스테이터 단부 권선에 각각 일치하도록 조정가능하게 구성되는, 전기 기기 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 냉각제 배출구를 포함하는, 전기 기기 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 전반적인 하부 영역을 포함하고, 상기 하나 이상의 배플은 실질적으로 상기 전반적인 하부 영역 내에서 하우징에 커플링되는, 전기 기기 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기기 공동 내로 분산될 수 있는 냉각제를 더 포함하고, 상기 냉각제의 적어도 일부는 전기 기기의 냉각을 적어도 부분적으로 돕기 위해 하나 이상의 배플을 향해 대체로 하향으로 유동하는, 전기 기기 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 섬프 시스템을 더 포함하고, 상기 냉각제의 일부는 섬프 시스템을 향해 유동하는, 전기 기기 모듈.
  11. 전기 기기를 냉각하기 위한 방법이며,
    스테이터 단부 권선을 포함하는 스테이터 조립체를 포함하는 전기 기기를 제공하는 단계와,
    상기 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 제공하는 단계로서, 상기 하우징은 기기 공동을 적어도 부분적으로 형성하고 그리고 전반적인 하부 영역을 포함하는, 하우징을 제공하는 단계와,
    배플이 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싸도록 스테이터 단부 권선에 근접하여 하우징의 전반적인 하부 영역에 배플을 커플링하는 단계와,
    상기 기기 공동 내로 냉각제를 도입하는 단계와,
    상기 냉각제의 일부 중 어느 정도의 냉각제가 배플과 접촉하여 상기 전기 기기의 냉각을 적어도 부분적으로 돕도록, 냉각제의 일부를 상기 전기 기기를 통해, 전반적인 하부 영역을 향해 순환시키는 단계를 포함하는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 배플은 실질적으로 비전도성인 물질로 형성되는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 비전도성인 물질은 플라스틱을 포함하는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 전반적인 하부 영역 내에 실질적으로 배치된 하나 이상의 냉각제 배출구를 제공하는 단계를 더 포함하는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 냉각제 배출구를 통해 유동하는 냉각제의 적어도 일부를 배수하는 단계를 더 포함하는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 냉각제 배출구에 유체적으로 연결된 섬프 시스템을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 냉각제 배출구를 통해 배수되는 냉각제의 적어도 일부는 상기 섬프 시스템 내로 유동하는, 전기 기기를 냉각하기 위한 방법.
  17. 스테이터 단부 권선을 포함하는 스테이터 조립체를 포함하는 전기 기기와,
    상기 전기 기기를 적어도 부분적으로 둘러싸고, 전반적인 하부 영역을 포함하는 하우징과,
    배플이 상기 스테이터 단부 권선의 둘레의 일부를 둘러싸도록 스테이터 단부 권선에 근접하여 하우징의 전반적인 하부 영역에 커플링되는 배플을 포함하며,
    상기 배플은 실질적으로 비전도성인 물질로 형성되는, 전기 기기 모듈.
  18. 제17항에 있어서, 상기 스테이터 조립체가 로터를 실질적으로 둘러싸는, 전기 기기 모듈.
  19. 제17항에 있어서, 상기 스테이터 단부 권선은 트위스트 단부 스테이터 단부 권선 및 용접 단부 스테이터 단부 권선을 포함하고,
    상기 배플 각각은 수평 하위유닛을 포함하며,
    상기 수평 하위유닛은 트위스트 단부 스테이터 단부 권선 및 용접 단부 스테이터 단부 권선에 각각 일치하도록 조정가능하게 구성되는, 전기 기기 모듈.
  20. 제17항에 있어서, 상기 배플, 스테이터 조립체 및 하우징이 냉각제 채널을 실질적으로 형성하는, 전기 기기 모듈.
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