KR20130081695A - 전기 기계 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 기계 냉각 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 전기 기계 모듈 및 전기 기계를 냉각하는 방법을 제공한다. 전기 기계 모듈은, 스테이터 단부 턴을 갖춘 스테이터 및 전기 기계를 둘러싸는 하우징을 포함하는 전기 기계를 포함한다. 하우징의 내측 벽은 기계 공동을 한정한다. 전기 기계 모듈은, 하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버를 더 포함한다. 커버 및 스테이터 단부 턴은, 기계 공동과 유체 연통되는 스테이터 공동을 한정한다.

Description

전기 기계 냉각 시스템 및 방법{ELECTRIC MACHINE COOLING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 전기 기계 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은, 하이브리드 차량의 개선된 연료 경제성 및 저감된 배기가스로 인해 차량 운전자가 환경적으로 의식적인 행동에 참여할 기회를 제공한다. 하이브리드 차량은 전통적인 내연 기관과 전자-기계 트랜스미션을 조합한다. 전자기계 트랜스미션 내에 위치하는 전기 모터는 차량을 추진하는 에너지를 제공하여 내연 기관에 의해 제공되는 에너지에 대한 요구를 감소시키는데, 이에 따라 연료 경제성을 향상시키고 배기가스를 저감시킨다.
전기 기계에 있어서, 하이브리드 트랜스미션의 전기 모터는 열의 형태로 일부 에너지를 방출한다. 전기 모터로부터 열을 효율적으로 제거하는 것은, 전기 기계의 수명을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 전기 기계의 작동 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 목적은 전기 기계 냉각 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일부 실시예는, 냉각제에 의해 냉각될 수 있는 전기 기계 모듈을 제공한다. 전기 기계 모듈은, 스테이터 단부 턴을 갖춘 스테이터 및 전기 기계를 둘러싸는 하우징을 포함하는 전기 기계를 포함할 수 있다. 하우징의 내측 벽은 기계 공동을 한정할 수 있다. 전기 기계 모듈은, 하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버를 더 포함할 수 있다. 커버 및 스테이터 단부 턴은, 기계 공동과 유체 연통되는 스테이터 공동을 한정할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 전기 기계 모듈은, 스테이터 단부 턴을 갖춘 스테이터 및 로터를 포함하는 전기 기계를 포함할 수 있다. 전기 기계 모듈은 전기 기계를 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있다. 하우징의 내측 벽은 기계 공동을 한정할 수 있다. 전기 기계 모듈은, 하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버와, 로터에 작동 가능하게 결합되고 스테이터 단부 턴의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 외측을 향해 연장되는 교반기 링을 더 포함할 수 있다. 커버, 교반기 링 및 스테이터 단부 턴은 스테이터 공동을 한정할 수 있는데, 상기 스테이터 공동은 기계 공동과 유체 연통된다.
본 발명의 일부 실시예는 전기 기계를 냉각하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 일반적으로 대향하는 단부 면들을 갖춘 로터와 실질적으로 이 로터의 경계를 둘러싸고 스테이터 단부 턴을 포함하는 스테이터를 포함하는, 전기 기계를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 하우징 내에서 실질적으로 전기 기계의 적어도 일부를 실질적으로 둘러싸는 것과 하우징의 내측 벽으로 기계 공동의 적어도 일부를 한정하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은, 하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버를 제공하는 것, 기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 것, 그리고 스테이터 단부 턴을 냉각하기 위해 커버를 이용하여 스테이터 단부 턴 근처에 냉각제를 집중시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 전기 기계 냉각 시스템 및 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반기 부재를 갖춘 전기 기계의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 다른 단면도이다.
도 4는 도 2의 전기 기계의 일부의 사시도이다.
도 5는 도 2의 전기 기계의 일부의 부분 사시도이다.
도 6은 도 2의 전기 기계의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
본 발명의 임의의 실시예를 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명의 용례에 있어서 이하의 설명에 기재되거나 이하의 도면에 제시된 구성요소의 구조 및 배치에 대한 세부사항으로 본 발명이 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하며 다양한 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어법 및 용어는 설명을 목적으로 한 것이며 한정적으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 "포함하는", "이루어지는" 또는 "구비하는" 및 그 변형을 사용하는 것은, 이하에서 일람되는 항목들 및 그 등가물뿐만 아니라 추가적인 항목을 포괄하려는 의도이다. 달리 특정 또는 한정되지 않는다면, 용어 "장착된", "연결된", "지지된" 및 "결합된" 그리고 이들의 변형은 광의로 사용되며, 직접적인 장착, 연결, 지지 및 결합 그리고 간접적인 장착, 연결, 지지 및 결합 양자 모두를 포괄한다. 더욱이, "연결된" 및 "결합된"은 물리적 또는 기계적 연결 혹은 결합으로 한정되지 않는다.
이하의 설명은 당업자가 본 발명의 실시예를 실시 및 이용 가능하도록 하기 위해 제시된다. 제시된 실시예에 대한 다양한 변형은, 당업자에게는 물론 명확할 것이고, 본 명세서에서의 일반적인 원리는 본 발명의 실시예로부터 벗어나지 않으면서 다른 실시예 및 용례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시된 실시예로 한정하려는 의도가 아니며, 본 명세서에서 개시되는 원리 및 특징에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른 것이다. 이하의 상세한 설명은 도면을 참고하여 읽어야 하는데, 도면에서 다양한 도면에 걸쳐 동일한 요소는 동일한 도면부호를 갖는다. 반드시 축척에 따르는 것은 아닌 상기 도면은, 선택된 실시예를 도시하며, 본 발명의 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아니다. 당업자라면, 본 명세서에서 제공되는 예는 다수의 유용한 대안을 가지며 본 명세서의 실시예의 범위에 속한다는 것을 인식할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시한 것이다. 전기 기계 모듈(10)은 전기 기계(12) 및 하우징(14)을 포함할 수 있다. 전기 기계(12)는 하우징(14)의 내측 벽(18)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 기계 공동(16) 내에 배치될 수 있다. 전기 기계(12)는 로터(20), 실질적으로 로터(20)의 경계를 둘러싸는 스테이터(22), 스테이터 단부 턴(24) 및 베어링(26)을 포함할 수 있으며, 메인 출력 샤프트(28)를 중심으로 배치될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 전기 기계(12)는 로터 허브(30)를 더 포함할 수 있거나, 또는 "허브리스(hub-less)" 구조(도시되어 있지 않음)를 가질 수 있다.
전기 기계(12)는, 한정하는 것은 아니지만, 하이브리드 전기 모터, 전기 발전기, 또는 차량 교류기와 같은 전기 모터일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전기 기계(12)는 유도형 벨트 얼터네이터 스타터(BAS; Belt-Alternator-Starter)일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 전기 기계(12)는 하이브리드 차량에서 사용하기 위한 고전압 헤어핀(HVH; High Voltage Hairpin) 전기 모터일 수 있다.
한정하는 것은 아니지만 스테이터 단부 턴(24), 로터(20), 및 로터 허브(30)와 같은 전기 기계(12)의 구성요소들은, 전기 기계(12)의 작동 중에 열을 발생시킬 수 있다. 이들 구성요소는, 전기 기계(12)의 수명을 연장시키기 위해 그리고 성능을 향상시키기 위해 냉각될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 로터(20)는 일반적으로 대향하는 단부 면(32, 34)을 포함할 수 있다. 밸런스 링(36)은, 일반적으로 대향하는 단부 면(32, 34)에 근접한 위치에서 로터 허브(30) 및/또는 로터(20)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 밸런스 링(36)은, 밸런스 링(36)이 전기 기계(12)의 작동 중에 로터(20) 및 로터 허브(30)와 실질적으로 동기식으로 회전할 수 있도록 하기 위해, 나사, 복수 개의 나사식 패스너, 마찰 맞춤, 용접 또는 다른 통상적인 결합 방식을 이용하여 로터 허브(30)에 결합될 수 있다. 추가적으로, 밸런스 링(36)은 로터 허브(30)의 내측 직경 상에서 립(35)에 "스테이크(stake)"될 수 있으며, 밸런스 링(36)의 일부는 도 3에 도시된 바와 같이 (예컨대, 축방향 지지를 위해) 로터(20)의 라미네이션 스택에 열 가압될 수 있다. 또한 립(35) 주위에서 로터 허브(30)에 밸런스 링(36)을 클램핑하는 것을 돕기 위해 강철 삽입 부품과 같은 추가적인 구성요소가 사용될 수 있다. 밸런스 링(36)은 로터 허브(30)로부터 기계 공동(16) 내로 축방향으로 연장될 수 있으며, 전기 기계(12)의 작동 중에 로터(20) 및 로터 허브(30)에 안정성을 부여할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 밸런스 링(36)은 주조 알루미늄으로 이루어진다.
허브리스 구조를 비롯한 구조와 같은 다른 실시예에 있어서, 밸런스 링(36)은 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 대향하는 단부 면(32, 34)에 근접하여 로터(20)에 결합될 수 있다. 밸런스 링(36)은, 밸런스 링(36)이 전기 기계(12)의 작동 중에 로터(20)와 실질적으로 동기식으로 회전할 수 있도록 하기 위해, 나사, 복수 개의 나사식 패스너, 마찰 맞춤, 용접 또는 다른 통상적인 결합 방식을 이용하여 로터(20)에 결합될 수 있다. 밸런스 링(36)은 전기 기계(12)의 작동 중에 로터(20)에 안정성을 부여할 수 있다. 로터 허브(30)를 포함하는 실시예 또는 허브리스 구조에 있어서, 밸런스 링이 전기 기계의 작동 중에 로터(20)와 함께 회전할 수 있다는 사실로부터, 밸런스 링(36)은 로터(20)에 작동 가능하게[즉, 직접 결합 또는 로터 허브(30)를 매개로 한 결합에 의함] 결합될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는, 일반적으로 대향하는 단부 면(32, 34)에 근접한 밸런스 링(36), 로터 허브(30) 및/또는 로터(20)에 결합되는 링 형상 부재일 수 있다. 더욱 구체적으로, 교반기 부재(38)의 적어도 일부는, 전기 기계(12)가 작동 중일 때 교반기 부재(38)가 로터(20) 및 로터 허브(30)와 동기식으로 회전하도록 하기 위해 로터(20), 로터 허브(30) 및/또는 밸런스 링(36)에 결합될 수 있다. 교반기 부재(38)는, 나사, 하나 이상의 나사식 패스너, 마찰 맞춤, 용접 또는 다른 통상적인 결합 방식을 이용하여 로터(20), 로터 허브(30) 및/또는 밸런스 링(36)에 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는 로터 허브(20)의 내측 직경 상에서 립(도시되어 있지 않음)에 스테이크될 수 있으며, 로터(20)를 둘러싸는 라미네이션 스택에서 교반기 부재(38)의 일부를 열 가압함으로써 추가적인 축방향 지지부가 마련될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는, 교반기 부재(38) 및 로터(20)가 일체가 되도록 하기 위해 로터 제조 동안 로터(20)의 일부로서 주조될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는 밸런스 링(36)과 일체일 수 있다. 교반기 부재(38)는 로터(20) 및/또는 로터 허브(30)로부터 축방향으로 멀리 기계 공동(16) 내로 연장될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는 밸런스 링(36)과 함께 또는 밸런스 링 없이 로터(20) 및/또는 로터 허브(30)에 결합될 수 있다. 밸런스 링(36)이 존재한다면, 교반기 부재(38)의 축방향 길이는 밸런스 링(36)의 축방향 길이와 실질적으로 동일하거나 또는 밸런스 링(36)의 축방향 길이보다 길 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)의 적어도 일부는 밸런스 링(36)을 지나 축방향으로[즉, 로터(20)로부터 축방향으로 멀리] 연장될 수 있다. 추가적으로, 교반기 부재(38)는 스테이터 단부 턴(24)의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 스테이터 단부 턴(24)에 대해 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는 대략 스테이터 단부 턴(24)만큼 축방향 외측을 향해 실질적으로 연장될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)의 축방향 길이는 스테이터 단부 턴(24)의 축방향 길이보다 짧을 수도 있고 길 수도 있다.
로터 허브(30)를 포함하는 실시예 또는 허브리스 구조에 있어서, 교반기 부재가 전기 기계의 작동 중에 로터(20)와 함께 회전할 수 있다는 사실로부터, 교반기 부재(38)는 로터(20)에 작동 가능하게 결합될 수 있다[즉, 직접 결합 또는 로터 허브(30) 혹은 밸런스 링(36)를 매개로 한 결합에 의함].
일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38) 및 밸런스 링(36)은 앞서 설명된 바와 같이 일체화된 구조일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 밸런스 링(36) 및 교반기 부재(38)은 2개 이상의 독립적인 구성요소를 포함할 수 있다. 밸런스 링(36) 및 교반기 부재(38)는 알루미늄, 강, 스테인레스 강, 또는 다른 유사한 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는, 로터(20)의 회전 축선(40)에 실질적으로 평행하게 연장되도록 배향될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는, 로터의 회전 축선(40)에 대해 양의 방향으로 또는 음의 방향으로 배향될 수 있다.
추가적으로, 교반기 부재(38)는 반경방향 원위 표면(42) 및 반경방향 근위 표면(44)을 포함할 수 있다. 반경방향 원위 표면(42) 및 반경방향 근위 표면(44) 양자 모두의 반경방향 위치는 변할 수 있다. 예를 들면, 반경방향 원위 표면(42)은 로터(20)보다 작은 반경을 가질 수 있거나(예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이 길이 "x"만큼 작은 반경을 가짐), 또는 로터(20)의 반경과 동일한 반경을 가질 수 있다(도 2에 도시된 바와 같음). 일부 실시예에 있어서, 반경방향 원위 표면(42)은, 교반기 부재(38)와 스테이터 단부 턴(24)의 하부 사이에 실질적인 반경방향 간격을 마련하기 위해 로터(20)의 반경보다 짧은 반경을 가질 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 스트럿(46)은 교반기 부재(38)에 대한 지지를 제공할 수 있다. 복수 개의 스트럿(46)은, 스트럿(46)과 교반기 부재(38)가 단일체가 되도록 교반기 부재(38) 내에 주조될 수도 있고 다른 방식으로 교반기 부재 내에 형성될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 하우징(14)의 적어도 일부는 복수 개의 냉각제 구멍(48)을 포함할 수 있다. 냉각제 구멍(48)은, 예컨대, 실질적으로 전기 기계(12) 주위에[예컨대, 스테이터(22)의 외측 직경을 실질적으로 둘러싸는 하우징의 외부 또는 내부를 따라 혹은 하우징(14)의 내측 벽 내에] 그리고 기계 공동(16) 주위에 위치하게 되는 냉각 재킷(50)과 유체 연통될 수 있다. 미션 오일(transmission fluid), 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜/물 혼합물, 물, 오일, 또는 유사한 물질과 같은 냉각제는, 유체 소스(도시되어 있지 않음)로부터 유래하며, 냉각 재킷(50) 전체에 걸쳐 유동할 수 있고, 냉각제 구멍(48)을 통해 기계 공동(16) 내로 분산될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 냉각제 구멍(48)은, 냉각제가 도 2에 도시된 바와 같은 스테이터 단부 턴(24) 상으로 분산될 수 있도록 위치설정될 수 있다. 스테이터 단부 턴(24)에 도달한 이후에, 냉각제는 스테이터 단부 턴(24)으로부터 열 에너지를 받아들일 수 있는데, 이는 전기 기계(12)의 냉각을 초래할 수 있다. 냉각제의 일부는 스테이터 단부 턴(24)을 지나 분산될 수 있거나, 또는 예컨대 스테이터 단부 턴(24)으로부터 교반기 부재(38)의 반경방향 원위 표면(42) 상으로 튀기거나 혹은 적하할 수 있다. 추가적으로, 스테이터 단부 턴(24)과 접촉하게 되는 냉각제의 일부는 반경방향 원위 표면(42)을 향해 계속 유동할 수 있다. 냉각제가 반경방향 원위 표면(42)에 도달할 때, 냉각제는, 로터(20)와 동기되는 교반기 부재(38)의 회전으로 인해 스테이터 단부 턴(24) 상으로 실질적으로 반경방향 외측을 향해 다시 떨어질 수 있다. 스테이터 단부 턴(24)을 향해 냉각제를 반경방향으로 떨어뜨리는 과정은, 냉각제를 재활용하는 역할을 할 수 있으며, 이에 따라 냉각제의 냉각 능력을 최대화할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)를 이용하여 스테이터 단부 턴(24)을 향해 다시 냉각제를 반경방향으로 떨어뜨리는 과정은, 추가적인 냉각을 제공하도록 냉각제가 여러 번 스테이터 단부 턴(24)에 도달할 수 있기 때문에, "멀티 패스(multi-pass)" 냉각 방법으로 간주될 수 있다. 통상적인 전기 기계는, 냉각제가 단지 한 번만 스테이터 단부 턴(24)에 도달한 후 추가적인 냉각 이익 없이 전기 기계(12)로부터 멀리 방출되는 것인 "싱글 패스(single-pass)" 냉각 방법을 사용한다. 추가적으로, 싱글 패스 방법은 오로지 냉각제가 스테이터 단부 턴(24)의 반경방향 외측 표면에 도달하는 것만을 허용하는 반면, 멀티 패스 방법은 냉각제가 스테이터 단부 턴(24)의 반경방향 내측 표면을 향해 다시 떨어지는 것을 허용한다. 결과적으로, 멀티 패스 냉각 방법은, 냉각제가 스테이터 단부 턴(24)의 반경방향 내측 표면뿐만 아니라 반경방향 외측 표면 양자 모두에 도달하도록 허용하며, 이에 따라 냉각을 향상시킨다.
도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 일 실시예에 있어서, 반경방향 원위 표면(42)은 텍스쳐 표면(52)을 포함할 수 있다. 텍스쳐 표면(52)은, 스캘러핑(scalloping), 리빙(ribbing), 릿징(ridging) 등과 같은 다양한 텍스쳐를 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 텍스쳐 표면(52)은 냉각제를 떨어뜨리는 힘을 증가시키기 위해 형상 면에서 비대칭일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 반경방향 원위 표면(42)은 텍스쳐가 결여되어 있을 수 있고 실질적으로 평면적이거나 또는 원만한 표면을 포함할 수 있다.
통상적인 밸런스 링과 비교하면, 텍스쳐 표면(52) 또는 실질적으로 평면적인 표면을 포함하는 교반기 부재(38)는, 냉각제를 받을 더 큰 표면적을 제공하기 때문에 냉각제의 반경방향 떨어짐을 향상시킬 수 있다. 또한, 교반기 부재(38)는 로터(20) 및/또는 로터 허브(30)와 동기식으로 회전할 수 있기 때문에, 냉각제가 스테이터 단부 턴(24) 상에 분산될 수 있도록 하기 위해 원심력은 냉각제가 교반기 부재(38)로부터 멀어지도록 강제할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 텍스쳐 표면(52) 상의 텍스쳐 정도 및 텍스쳐 형상은, 가능하다면 스테이터 단부 턴(24)을 침식할 수 있는 속도로 냉각제를 떨어뜨리지 않으면서 원하는 양의 냉각제를 제공하도록 선택될 수 있다. 추가적으로, 통상적인 밸런스 링에 비해, 교반기 부재(38)는 기계 공동(16) 내의 공기 순환을 더욱 증가시킬 수 있고, 이에 따라 전기 기계 냉각을 향상시킬 수 있는데, 왜냐하면 밸런스 링 단독일 때에 비해 교반기 부재의 더 큰 질량은 교반기 부재(38)가 운동할 때 더 많은 공기를 이동시킬 수 있기 때문이다. 일 실시예에 있어서, 텍스쳐 표면(52)은, 공기 순환의 증가를 돕고/돕거나 냉각제의 반경방향 떨어짐을 증가시키기 위해 펌프 또는 팬 베인과 유사하게 성형될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 교반기 부재(38)는 복수 개의 교반기 채널(54)을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)를 통해 반경방향으로 연장될 수 있다. 복수 개의 교반기 채널(54)이 교반기 부재(38)의 임의의 원하는 반경방향 길이에 걸쳐, 예컨대 교반기 부재(38)의 총 길이 또는 교반기 부재(38)의 총 길이의 일부에 걸쳐 연장될 수 있다. 교반기 채널(54)은 교반기 부재(38)의 축방향 길이를 따라 대략 임의의 거리에[예컨대, 로터(20)에 더욱 근접하게, 축방향 길이를 따라 중앙에, 또는 로터(20)로부터 더욱 멀리에] 위치설정된다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 교반기 채널(54)이 로터(20)로부터 축방향으로 원위에 위치설정될 수 있다. 복수 개의 교반기 채널(54) 각각의 위치는 교반기 부재(38)를 따라 대칭 또는 비대칭[즉, 각각의 교반기 채널이 교반기 부재(38)의 축방향 길이를 따라 동일한 거리에 위치설정될 수 없음]일 수 있다.
추가적으로, 교반기 부재(38) 내에 또는 교반기 부재(38)에 부착하여 임의의 갯수의 교반기 채널(54)이 포함될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 교반기 채널(54) 각각은 형상이 원형일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 교반기 채널(54)들은, 원형, 정사각형, 직사각형, 계란형 및/또는 다른 형상을 비롯하여, 유사한 형상이거나 상이한 형상일 수 있다. 또한, 복수 개의 교반기 채널(54)은 유사하거나 변경된 반경 혹은 직경을 나타낼 수 있다. 교반기 채널(54)은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 냉각제의 일부가 교반기 채널(54)을 통과하도록 허용하기에 충분한 크기일 수 있다. 교반기 채널(54)은, 교반기 부재(38)에 도달하는, 다른 부분의 냉각제가 스테이터 단부 턴(24)을 향해 실질적으로 반경방향으로 계속 떨어질 수 있도록 크기 및 위치가 설정될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 추가적인 체적의 냉각제가 또한 로터 허브(30) 부근에서, 예컨대 로터 허브(30)의 베이스로부터 또는 메인 입력 샤프트(28)로부터 방출될 수 있다. 로터 허브(30) 부근에서 방출되는 냉각제는, 하우징(12)을 항해 반경방향 외측으로 유동할 수 있다(예컨대 원심력으로 인함). 냉각제의 일부는 교반기 부재(38)의 반경방향 근위 표면(44)에 도달할 수 있으며, 교반기 채널(54)은 반경방향 근위 표면과 반경방향 원위 표면 사이에서 냉각제가 유동하도록 하기 위한 경로를 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, 교반기 부재(38) 상에서 반경방향 외측을 향해 유동하는 냉각제는, 반경방향 원위 표면(42)에 도달하도록, 스테이터 단부 턴(24)을 향해 실질적으로 반경방향으로 떨어지도록, 또는 적어도 스테이터 단부 턴(24) 부근에 집중되도록, 교반기 채널(54)을 통해 유동할 수 있다. 추가적인 체적의 냉각제는, 스테이터 단부 턴(24)을 비롯하여, 전기 기계(12)를 냉각하는 데 더욱 도움이 될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시한 것이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 커버(56) 및 각각의 스테이터 단부 턴(24)이 스테이터 단부 턴(24) 주위에서 스테이터 공동(58)을 한정하도록, 커버(56)는 내측 벽(18)에 결합될 수 있고 적어도 부분적으로 스테이터 단부 턴(24)을 둘러쌀 수 있다. 스테이터 공동(58)은 기계 공동(16)과 유체 연통될 수 있다. 커버(56)는 또한 실질적으로 스테이터(22)를 둘러쌀 수 있다. 예를 들면, 도 7a는 (예컨대, 일체인 스테이터 하우징 링 및 커버 조립체로서) 스테이터(22)를 완전히 둘러쌀 뿐만 아니라 스테이터 단부 턴(24)을 부분적으로 둘러싸는 커버를 도시한 것이다. 일부 실시예에 있어서, 추가적인 캡(도시되어 있지 않음)이 하우징(14) 내에서 커버(56)를 둘러쌀 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 커버(56)는 하우징(14)의 일부일 수 있다[예컨대, 부분적으로 스테이터 단부 턴(24)을 둘러싸기 위해 스테이터(22)의 어느 쪽 단부 상에서 내측 벽(18)으로부터 연장됨].
커버(56)는 내측 벽(18)으로부터 원하는 반경방향 거리만큼 연장될 수 있으며, 일부 실시예에 있어서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 내측을 향해 축방향으로 다시 구부러질 수 있다. 커버(56)는 또한 하우징(14)으로부터 원하는 축방향 거리만큼 위치설정될 수 있다. 원하는 거리는, 전기 기계(12)의 반경방향 부분을 따라, 또는 전기 기계의 둘레를 따라 균일할 수 있거나 변할 수 있으며, 그 결과로서, 스테이터 공동(58)은 반경방향 부분을 따라 크기 면에서 균일할 수 있거나 변할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예에 있어서, 스테이터 공동(58)은 스테이터 단부 턴(24)의 전체 360 도 주위로 연장되지 않을 수 있다[즉, 스테이터 단부 턴(24)의 일부 반경방향 부분은 커버(56)에 의해 둘러싸이지 않음].
커버(56)는 플라스틱, 알루미늄, 강, 폴리머 재료 또는 유사한 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 스테이터 공동(58)의 크기는, 커버(56)를 제조하는 재료 및 냉각제의 유전 특성 또는 전기 기계 모듈(10) 내에서의 그 반경방향 위치에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 에폭시 재료(60)와 같은 고 유전 강도의 재료로 스테이터 단부 턴(24)에 가장 근접한 커버(56)의 영역을 코팅함으로써 스테이터 공동(58)의 크기는 감소될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 전기 기계 모듈(10)의 상부 부분은 전기 기계 모듈(10)의 하부 부분보다 실질적으로 더 큰 스테이터 공동(58)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 커버(56)는, 압력 끼워맞춤, 마찰 끼워맞춤, 나사식 패스너, 또는 유사한 결합 방식에 의해 내측 벽(18)에 결합될 수 있다. 추가적으로, 커버(56)는 하나 이상의 부분을 포함할 수 있는데, 커버(56)의 일부 부분은 내측 벽(18)과 일체이며 커버의 다른 부분은 내측 벽(18)에 결합된다. 스테이터 공동(58)은, 커버(56)의 냉각제 구멍을 통해 커버(56)와 내측 벽(18) 사이에 형성되는 냉각 재킷(59)으로부터 또는 냉각 재킷(50) 및 냉각제 구멍(48)(도 2에 도시된 바와 유사함)으로부터 냉각제를 받아들일 수 있다. 냉각 재킷(59)은, 도 6 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 유체 소스와 유체 연통되는 공급 포트(62)로부터 냉각제를 받아들일 수 있다. 냉각제가 스테이터 공동(58) 내로 유동한 이후에, 커버(56)는 스테이터 공동(58) 내에서 유동하는 냉각제가 집중되는 것을 도울 수 있으며, 이에 따라 냉각제는 더 많은 열 에너지의 전달을 돕기 위해 장기간 동안 스테이터 단부 턴(24)과 접촉하여 또는 스테이터 단부 턴 부근에 유지될 수 있다. 냉각제는 결과적으로 스테이터 공동(58)으로부터 기계 공동(16)을 향해 분산될 수 있다. 통상적인 냉각 시스템과 비교하면, 커버(56)는 스테이터 단부 턴(24)의 냉각을 크게 향상시킬 수 있는데, 왜냐하면 커버(56)는 냉각제의 적어도 일부가 스테이터 단부 턴(24)으로부터 멀리 신속하게 분산되는 것을 방지할 수 있고 열 에너지를 방출하는 스테이터 단부 턴(24) 부근에 냉각제가 집중되는 것을 도울 수 있기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 스테이터 공동(58)은 커버(56) 및 스테이터 단부 턴(24)뿐만 아니라 교반기 부재(38)에 의해 한정될 수 있다. 스테이터 공동(58)은 앞서 설명된 바와 같이 기계 공동(16)과 유체 연통될 수 있다. 냉각제가 스테이터 공동(58)에 진입하면, 냉각제는 스테이터 단부 턴(24) 상으로 유동할 수 있고, 커버(56)의 존재로 인해 스테이터 공동(58) 내에 집중될 수 있다. 추가적으로, 냉각제가 교반기 부재(38)를 향해 유동할 때, 냉각제는 스테이터 단부 턴(24) 및 커버(56)를 향해 다시 반경방향으로 떨어질 수 있는데, 여기서 냉각제는 다시 한 번 스테이터 단부 턴(24) 주위에 집중될 수 있다. 커버(56)와 교반기 부재(38)의 조합은, 스테이터 단부 턴(24) 부근에서 그리고 스테이터 단부 턴 주위에서 냉각제를 적용 및 재활용함으로써 시너지를 이루어 냉각 효율을 개선할 수 있다.
스테이터 공동(58)은 일부 실시예에서 기계 공동(16)과 유체 연통될 수 있기 때문에, 냉각제의 일부는 기계 공동(16) 내로 유동할 수 있는 반면, 냉각제의 상당 부분은 스테이터 공동(58) 내에 남게 될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 로터 허브(30) 부근으로부터 방출되는 추가적인 체적의 냉각제를 이용하여 추가적인 냉각이 달성될 수 있다. 추가적인 체적의 냉각제는 반경방향 외측으로, 복수의 교반기 채널(52)의 일부를 통해 그리고 스테이터 공동(58)을 향해 유동할 수 있으며, 이에 따라 이 냉각제는 스테이터 단부 턴(24)에 적용 및 재적용될 수 있다. 냉각제의 추가적인 유동은, 스테이터 단부 턴(24) 부근에서의 냉각제의 반복적인 재활용 및 냉각제의 교환으로 인해 더욱 효율적인 열 에너지 전달을 유발할 수 있다.
전기 기계 구성요소 위로 유동한 이후에, 냉각제는 [예컨대 기계 공동(16) 내에서 커버(56)의 외부에 또는 커버(56)의 배수 포트(64)를 통해 유동함으로써] 하우징(12)의 바닥 부분에 또는 바닥 부분 부근에 모일 수 있다. 배수부(도시되어 있지 않음)는 하우징(12)으로부터 모여있는 냉각제를 제거할 수 있도록 하기 위해 바닥 부분에 또는 바닥 부분 부근에 위치하게 될 수 있다. 배수부는, 라디에이터 또는 다른 적절한 열 교환기와 같이 배수되는 냉각제로부터 열 에너지를 제거할 수 있는 요소에 결합될 수 있으며, 이에 따라 배수되는 냉각제는 유체 소스로 다시 순환될 수 있다.
당업자라면, 특정 실시예 및 예와 관련하여 이상에 본 발명이 설명되어 있지만, 본 발명은 반드시 이로써 한정되는 것은 아니라는 것과, 다수의 다른 실시예, 예, 용도, 변형 및 이러한 실시예, 예 및 용도로부터의 이탈은 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해 포함되도록 의도된 것이라는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 인용된 각각의 특허 및 공개공보의 전체 개시내용은, 이러한 각각의 특허 또는 공개공보가 인용됨으로써 개별적으로 본 명세서에 포함되는 것처럼, 인용함으로써 본 명세서에 포함된다. 본 발명의 다양한 특징 및 장점은 이하의 청구범위에 기재되어 있다.
18 : 내측 벽
20 : 로터
22 : 스테이터
24 : 스테이터 단부 턴
30 : 로터 허브
32, 34 : 단부 면
36 : 밸런스 링
38 : 교반기 부재
42 : 반경방향 원위 표면
44 : 반경방향 근위 표면
48 : 냉각제 구멍
50 : 냉각 재킷
54 : 교반기 채널

Claims (20)

  1. 냉각제의 의해 냉각될 수 있는 전기 기계 모듈로서, 이 전기 기계 모듈은,
    스테이터 단부 턴을 갖춘 스테이터를 포함하는 전기 기계,
    전기 기계를 둘러싸는 하우징으로서, 하우징의 내측 벽은 기계 공동을 한정하는 것인 하우징, 그리고
    하우징에 결합되며 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버
    를 포함하고, 상기 커버 및 스테이터 단부 턴은 스테이터 공동을 한정하며, 스테이터 공동은 기계 공동과 유체 연통되는 것인 전기 기계 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커버는, 냉각제가 기계 공동 내로 분산될 때 스테이터 공동 내의 냉각제의 적어도 일부를 실질적으로 스테이터 단부 턴 주위에 집중시키는 데 커버가 도움이 되도록 하기 위해 기계 공동 내로 연장되는 것인 전기 기계 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커버는 적어도 부분적으로 스테이터 단부 턴을 둘러싸는 것인 전기 기계 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 커버는 전체적으로 스테이터를 둘러싸는 것인 전기 기계 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 커버는 스테이터 단부 턴을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 축방향 내측을 향해 연장되는 것인 전기 기계 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 커버는 하우징의 축방향 단부들로부터 멀리 소정 축방향 거리에 위치하게 되며, 상기 축방향 거리는 하우징의 둘레를 따라 변하는 것인 전기 기계 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 커버는 플라스틱, 알루미늄, 강, 및 폴리머 재료 중 적어도 하나로 이루어지는 것인 전기 기계 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    커버와 스테이터 단부 턴 사이에서 스테이터 공동의 적어도 일부 내에 채워지는 에폭시 재료
    를 더 포함하는 전기 기계 모듈.
  9. 냉각제의 의해 냉각될 수 있는 전기 기계 모듈로서, 이 전기 기계 모듈은,
    스테이터 단부 턴을 갖춘 스테이터 및 로터를 포함하는 전기 기계,
    전기 기계를 둘러싸는 하우징으로서, 하우징의 내측 벽은 기계 공동을 한정하는 것인 하우징,
    하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버, 그리고
    로터에 작동 가능하게 결합되며 스테이터 단부 턴의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라 실질적으로 외측을 향해 연장되는 교반기 링
    을 포함하며,
    커버, 교반기 링 및 스테이터 단부 턴은 스테이터 공동을 한정하고, 상기 스테이터 공동은 기계 공동과 유체 연통되는 것인 전기 기계 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 전기 기계는 로터 허브를 더 포함하며, 교반기 부재는 로터 허브에 의해 로터에 결합되는 것인 전기 기계 모듈.
  11. 제9항에 있어서, 교반기 부재는 반경방향 원위 표면 및 반경방향 근위 표면을 포함하며, 상기 반경방향 원위 표면은 텍스쳐 표면을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
  12. 제9항에 있어서, 교반기 부재의 축방향 길이는, 스테이터 단부 턴의 축방향 길이보다 작은 것, 스테이터 단부 턴의 축방향 길이보다 큰 것, 그리고 스테이터 단부 턴의 축방향 길이와 거의 동일한 것 중 하나인 것인 전기 기계 모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    전기 기계를 실질적으로 둘러싸는 냉각 재킷과, 냉각 재킷 및 기계 공동과 유체 연통되는 냉각제 구멍
    을 더 포함하는 전기 기계 모듈.
  14. 전기 기계를 냉각하는 방법으로서,
    전기 기계를 제공하는 것으로서, 상기 전기 기계는,
    대체로 대향하는 단부 면을 갖춘 로터, 및
    실질적으로 로터의 경계를 둘러싸고 스테이터 단부 턴을 포함하는 스테이터
    를 포함하는 것인 전기 기계를 제공하는 것,
    하우징 내의 전기 기계의 적어도 일부를 실질적으로 둘러싸는 것,
    하우징의 내측 벽으로 기계 공동의 적어도 일부를 한정하는 것,
    하우징에 결합되고 기계 공동 내로 반경방향 내측을 향해 연장되는 커버를 제공하는 것,
    기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 것, 그리고
    스테이터 단부 턴을 냉각하기 위해 커버를 이용하여 스테이터 단부 턴 부근에 냉각제를 집중시키는 것
    을 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    대체로 대향하는 단부 면 부근에서 로터에 작동 가능하게 결합되는 회전하는 교반기 부재를 이용한 냉각을 위해 스테이터 단부 턴을 지나 유동하는 냉각제의 일부를 다시 스테이터 단부 턴으로 복귀시키는 것
    을 더 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  16. 제15항에 있어서, 냉각제는 커버 및 회전하는 교반기 부재를 이용하여 스테이터 단부 턴 부근에 집중되는 것인 전기 기계 냉각 방법.
  17. 제14항에 있어서, 냉각제는 하우징의 냉각 재킷과 유체 연통되는 냉각제 구멍을 통해 스테이터 단부 턴을 지나 반경방향으로 소정 위치로부터 기계 공동 내로 도입되는 것인 전기 기계 냉각 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    냉각제가 스테이터 단부 턴을 향하도록 안내하기 위해 냉각제 구멍을 위치설정하는 것
    을 더 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  19. 제15항에 있어서, 냉각제는, 스테이터 단부 턴을 향해 반경방향 외측을 향해 냉각제가 분산되도록 스테이터 단부 턴으로부터 반경방향 내측을 향해 소정 위치로부터 기계 공동 내로 도입되는 것인 전기 기계 냉각 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    냉각제가 스테이터 단부 턴을 향하도록 안내하기 위해 교반기 링을 통한 교반기 채널을 제공하는 것
    을 더 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
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