KR20130089168A - 전기 기계 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

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데이비드 에이 풀톤
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

본원 발명의 일부 실시예들은 하우징을 포함하는 전기 기계 모듈을 제공한다. 일부 실시예들에서, 하우징은 적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징은 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 내측 벽, 냉각제 섬프, 그리고 상기 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에 위치된 적어도 하나의 냉각제 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 채널은 냉각제 섬프와 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 기계가 기계 공동 내에 위치될 수 있다. 전기 기계는 스테이터 엔드 턴들을 포함하는 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷이 상기 스테이터 조립체의 부분을 적어도 부분적으로 둘러싸도록, 냉각제 재킷이 하우징에 의해서 적어도 부분적으로 형성될 수 있고 그리고 배치될 수 있다.

Description

전기 기계 냉각 시스템 및 방법{ELECTRIC MACHINE COOLING SYSTEM AND METHOD}
본원은 2010년 6월 4일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/351,755 호를 기초로 우선권을 주장하고, 상기 가특허출원의 전체 내용은 본원에서 참조에 의해서 포함된다.
전기 기계를 냉각하기 위한 일부 통상적인 방법들은 전기 기계의 둘레 주위로 냉각제를 통과시키는 것을 포함한다. 냉각제는 전기 기계의 부분들로부터 열을 추출하고, 그러한 열 추출은 전기 기계의 냉각을 유발할 수 있다. 일부 통상적인 전기 기계들의 구성은 스테이터(stator) 조립체와 같은 다른 기계 요소들로부터의 열 배출(rejection) 효율을 적어도 부분적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 스테이터 조립체와 같이 열 에너지를 전도(conduct)할 수 있는 일부 기계 요소들은 열 에너지를 보다 효율적으로 전도하도록 적절하게 구성될 수 없을 것이며, 이는 경계면 저항(interface resistance)을 초래할 수 있다.
일부 통상적인 기계들은 또한 로터 조립체를 통해서 열 에너지를 전도할 수 있을 것이다. 예를 들어, 만약, 일부 전기 기계들에서 일반적인 경우와 같이, 기계의 로터 조립체가 상당한 양의 열 에너지를 생성한다면, 그러한 로터 조립체의 열은 기계의 샤프트 및 베어링들을 통해서 전도될 수 있고 또는 하우징 내의 내부 공기로의 강제 대류에 의해서 손실될 수 있다. 베어링들을 통한 열 전도는 베어링 수명을 줄일 수 있고, 일반적으로 이러한 경로의 전도 저항은 클 수 있다. 또한, 내부 공기로부터 기계의 하우징으로의 대류 저항이 일반적으로 높을 수 있고, 그러한 높은 대류 저항으로 인해서 로터 조립체로부터 열을 방출하는 것이 일반적으로 비효율적인 방식이 된다.
본원 발명의 일부 실시예들은 하우징을 포함하는 전기 기계 모듈을 제공한다. 일부 실시예들에서, 하우징은 적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징은 기계 공동(cavity)을 적어도 부분적으로 형성하는 내측 벽, 냉각제 섬프(sump), 그리고 상기 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에 위치된 적어도 하나의 냉각제 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 채널은 냉각제 섬프와 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 기계가 기계 공동 내에 위치될 수 있다. 전기 기계는 스테이터 엔드 턴들(end turns)을 포함하는 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷이 상기 스테이터 조립체의 부분을 적어도 부분적으로 둘러싸도록, 냉각제 재킷이 하우징에 의해서 적어도 부분적으로 형성될 수 있고 그리고 배치될 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예들은 하우징을 포함하는 전기 기계 모듈을 제공한다. 일부 실시예들에서, 하우징은 적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 하우징은 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 내측 벽, 냉각제 섬프, 그리고 상기 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에 위치된 적어도 하나의 냉각제 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프는 제 2 냉각제의 적어도 일부를 수용하도록 구성 및 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 채널은 냉각제 유입구를 통해서 냉각제 섬프와 유체 연통할 수 있고 그리고 적어도 하나의 냉각제 개구부를 통해서 기계 공동과 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 기계가 기계 공동 내에 위치될 수 있다. 전기 기계는 스테이터 엔드 턴들을 포함하는 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 부재가 하우징의 일부에 커플링되어 냉각제 재킷의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 재킷이 상기 제 1 냉각제의 일부를 수용하도록 구성 및 배열될 수 있고 그리고 냉각제 재킷의 적어도 일부와 열적으로 연통될 수 있다.
도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 단면도이다.
도 3은 도 2의 전기 기계 모듈 내의 냉각제 채널의 측단면도이다.
본원 발명의 임의 실시예들을 구체적으로 설명하기에 앞서서, 이하의 설명에 개진된 그리고 첨부 도면들에 도시된 구체적인 구성 요소들의 구조 및 구성에 본원 발명이 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다. 본원 발명은 다른 실시예들로 구현될 수 있고 그리고 여러 가지 방식으로 실행되거나 실현될 수 있을 것이다. 또한, 본원에서 사용된 어법 및 용어들은 설명을 위한 것이고 그리고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해하여야 할 것이다. 본원에서의 "구비하는", "포함하는" 또는 "가지는"이라는 용어 그리고 그러한 용어들의 변형 용어들의 이용은 그 용어 이후에 나열된 항목들 및 그러한 항목들의 균등물들뿐만 아니라 부가적인 항목들도 포함한다는 것을 의미한다. 달리 특정되거나 달리 제한되지 않는다면, "장착된", "연결된", "지지된", 및 "커플링된"이라는 용어 및 그러한 용어들의 변형된 용어들은 광범위하게 사용되고, 그리고 직접적인 그리고 간접적인 장착들, 연결들, 지지들, 및 커플링들 모두를 포함한다. 또한, "연결된" 및 "커플링된"이라는 용어는 물리적인 또는 기계적인 연결부들 또는 커플링들로 제한되지 않는다.
이하의 설명 내용은 소위 당업자가 본원 발명의 실시예들을 구성하고 이용할 수 있도록 하기 위해서 제공된 것이다. 설명된 실시예들에 대한 여러 가지 변형들은 당업자에게 자명할 것이고, 그리고 본원에 기재된 포괄적인 원칙들은, 본원의 실시예들로부터 이탈하지 않고도, 다른 실시예들 및 적용예들에 대해서 적용될 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 실시예들은 제시된 실시예들로 제한되지 않을 것이고, 본원에서 개시된 원리들 및 특징들과 일치되는 가장 넓은 범위에 부합하게 될 것이다. 이하의 구체적인 설명은 도면들을 참조한 것이고, 상기 도면들에서는, 다른 도면들 내의 유사한 구성요소들이 유사한 참조 번호들을 가진다. 반드시 비례적일 필요는 없는 도면들은 선택된 실시예들을 도시하며, 그리고 본원 발명의 실시예들의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 당업자들은 본원에서 제시된 예들이 본원 발명의 실시예들의 범위 내에 포함되는 많은 유용한 대안적인 실시예들을 가진다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시한다. 상기 모듈(10)은 슬리브 부재(14), 제 1 단부 캡(16), 및 제 2 단부 캡(18)을 포함하는 하우징(12)을 포함할 수 있다. 전기 기계(20)는 하우징(12)의 부분들의 내측 벽(17)에 의해서 적어도 부분적으로 형성되는 기계 공동(22) 내에 수용될 수 있다. 예를 들어, 슬리브 부재(14) 및 단부 캡(16, 18)이 통상적인 체결구들(fasteners)(도시하지 않음)을 통해서, 또는 다른 적합한 커플링 방법을 통해서 커플링되어 전기 기계(20)의 적어도 일부를 기계 공동(22) 내에서 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(12)은 실질적으로 원통형인 캐니스터 및 하나의 단부 캡(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 슬리브 부재(14) 및 단부 캡(16, 18)을 포함하는 하우징(12)은, 예를 들어 알루미늄 또는 다른 금속들과 같은 (그러나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다) 열 전도적 성질들을 일반적으로 포함할 수 있는 재료들, 또는 일반적으로 전기 기계의 동작 온도들을 견딜 수 있는 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(12)은 주조, 몰딩, 압출, 및 기타 유사한 제조 방법들을 포함하는 여러 가지 방법들을 이용하여 제조될 수 있다.
전기 기계(20)는, 하이브리드 전기 모터, 전기 발전기, 차량용 얼터네이터(alternator), 및/또는 유도 벨트-얼터네이터-스타터(BAS)와 같은 전기 모터일 수 있고 이들에 한정되진 않는다. 일 실시예에서, 전기 기계(20)는 고전압 헤어핀(HVH) 전기 모터 또는 하이브리드 차량 용도들을 위한 내부 영구자석 전기 모터일 수 있다.
전기 기계(20)는 로터 조립체(24), 스테이터 엔드 턴들(28)을 포함하는 스테이터 조립체(26), 그리고 베어링(30)을 포함할 수 있고, 그리고 출력 샤프트(34) 주위로 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스테이터(26)는 로터(24)의 일부를 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 기계(20)는 또한 로터 허브(32)를 포함할 수 있고 또는 "무-허브(hub-less)" 디자인(도시하지 않음)을 가질 수 있다.
비제한적으로, 로터 조립체(24), 스테이터 조립체(26), 및 스테이터 엔드 턴들(28)과 같은 전기 기계(20)의 구성 요소들이 전기 기계(20)의 동작 중에 열을 생성할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 전기 기계(20)의 성능 및 수명을 늘이기 위해서 냉각될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(12)이 냉각제 재킷(36)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬리브 부재(14)가 냉각제 재킷(36)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)이 슬리브 부재(14) 내에 실질적으로 위치될 수 있다(예를 들어, 냉각제 재킷(36)이 슬리브 부재(14)와 실질적으로 일체가 되도록 형성될 수 있다). 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 슬리브 부재(14)의 외측 둘레(39)와 외측 부재(38)의 내측 둘레(41) 사이에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 부재(38)는 슬리브 부재(14)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 슬리브 부재(14)가 외측 부재(38) 상의 플랜지들(42)과 결합하도록 구성 및 배열되는 리세스들(40)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플랜지들(42) 및 리세스들(40)이 함께 억지끼워 맞춤(interference fit)되어 슬리브 부재(14)를 외측 부재(38)에 커플링시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 슬리브 부재(14) 및 외측 부재(38)가 통상적인 체결구들, 접착제들, 용접, 브레이징 등을 이용하여 함께 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 플랜지들(42)과 리세스들(40) 사이의 억지끼워 맞춤에 부가하여 또는 그 대신에, 슬리브 부재(14) 및 외측 부재(38)가 전술한 커플링 기술들의 임의 조합으로 함께 커플링될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 슬리브 부재(14)와 외측 구조물들 사이의 경계면들은 가스켓 또는 유사한 구조물을 이용하여 실질적으로 밀봉될 수 있다.
추가적으로, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 슬리브 부재(14)의 외측 둘레(39)와 부가적인 하우징 사이에 형성될 수 있고, 그러한 부가적인 하우징 내로 전기 기계 모듈(10)이 설치될 수 있을 것이다(도시하지 않음). 예를 들어, 일부 실시예들에서, 모듈(10)은 모터 하우징, 트랜스미션 하우징, 또는 그 하류 용도들에서의 이용을 위해서 다른 하우징 내에 설치될 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 상기 부가적인 하우징과 슬리브 부재(14) 사이에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 전기 기계(20)의 부분들에 실질적으로 인접할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각제 재킷(36)은 스테이터 조립체(26)의 적어도 일부를 실질적으로 둘러쌀 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 트랜스미션(transmission) 유체, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜/물 혼합물, 물, 오일, 냉각 가스, 냉각 미스트(mist), 또는 열 에너지를 수용하도록 구성된 다른 물질과 같은 제 1 냉각제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(12)은 적어도 하나의 냉각제 유입구(도시하지 않음)를 포함할 수 있고, 그에 따라 냉각제 재킷(36)은, 제 1 냉각제가 냉각제 재킷(36) 내로 분산되기 전에 또는 분산될 때 제 1 냉각제를 가압할 수 있는 유체 공급원(도시하지 않음)과 유체 연통될 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 가압된 제 1 냉각제가 냉각제 재킷(36)의 적어도 일부를 통해서 순환될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 기계(20)에 의해서 생성된 열 에너지는, 이하에서 설명하는 바와 같이, 제 1 냉각제가 냉각제 재킷(36)을 통해서 순환될 때 그러한 제 1 냉각제로 전달될 수 있고, 이는 전기 기계(20)의 적어도 부분적인 냉각을 유도할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)을 통한 순환 후에, 제 1 냉각제가 냉각제 배출구(도시하지 않음)를 통해서 열 전달 요소(예를 들어, 라디에이터, 열 교환기 등)로 지향될 수 있고, 상기 열 전달 요소는 제 1 냉각제로부터 열 에너지를 제거할 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)은 실질적으로 유밀(fluid-tight)적일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)을 형성하기 위한 하우징(12)의 구성과 관계 없이, 냉각제 재킷(36)이 실질적으로 유밀상태가 될 수 있고 그에 따라 상당량의 제 1 냉각제가 냉각제 유입구 또는 냉각제 배출구를 통하지 않고 냉각제 재킷(36) 내로 유입되거나 그로부터 배출될 수 없다. 일부 실시예들에서, 슬리브 부재(14)가 복수의 슬리브 부재 냉각제 개구부들(도시하지 않음)을 포함할 수 있고, 그에 따라 냉각제 재킷(36)이 기계 공동(22)과 유체 연통될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 개구부들은 스테이터 엔드 턴들(28)로부터 실질적으로 반경 방향 외측에 배치될 수 있고, 그에 따라 냉각제 재킷(36)을 통해서 순환하는 냉각제의 적어도 일부가 기계 공동(22)으로 유입될 수 있고 그리고 스테이터 엔드 턴들(28)에 충돌하여 엔드 턴들(28)에 의해서 생성되는 열 에너지의 일부를 수용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 모듈(10)은 적어도 하나의 냉각제 섬프(44)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각제 섬프(44)는 기계 공동(22)의 실질적으로 바닥 부분에 또는 그에 인접하여 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)의 적어도 일부를 형성하도록 하우징(12)의 내측 벽(17)이 구성 및 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 하우징(12)의 내측 벽(17)(예를 들어, 단부 캡들(16, 18), 캐니스터, 및/또는 단일 단부 캡의 내측 벽)이 전기 기계(20)의 부분들을 적어도 수용하도록 구성될 수 있고 그리고 냉각제 섬프(44)를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)가 제 2 냉각제를 포함하도록 구성될 수 있고 그리고 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 오일, 증발 가능 유전성 유체, 오일/증발 가능 유전성 유체 혼합물, 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 기계(20)의 동작 동안에, 냉각제 섬프(44) 내에 존재하는 제 2 냉각제의 정지 높이(resting level)은 일반적으로 로터 조립체(24)와 스테이터 조립체(26) 사이의 공기 갭(45) 아래일 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)가 모듈(10) 외부의 분위기에 대해서 실질적으로 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제는 모듈(10) 내에서 실질적으로 유지될 수 있고, 그에 따라, 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, 제 2 냉각제 루프가 모듈(10) 내에서 실질적으로 독립되어(self-contained) 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 모듈(10)을 통해서 다른 방식들로 분산될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 로터 조립체(24)는 서로 실질적으로 대향하는 적어도 2개의 축방향 단부들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 둘 이상의 단부 링들(46)이 로터 조립체(24)에 커플링될 수 있고, 그에 따라 단부 링들(46)이 로터 조립체(24)의 축방향 단부들 중 하나 또는 양자 모두에 대해서 실질적으로 인접한다. 일부 실시예들에서, 단부 링들(46)은 다른 방식들로 로터 조립체(24)에 커플링될 수 있고, 상기 방식들은 통상적인 체결구들, 용접, 브레이징, 접착제들, 고온 스테이킹(staking), 로터 조립체(24) 라미네이션 적층체로의 가압, 등을 포함하나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 단부 링들(46)은 로터 조립체(24)에 고정적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 원심 펌프(48)가 단부 링들(46) 및/또는 로터 조립체(24) 중 적어도 하나에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 전술한 커플링 방법들을 이용하여, 원심 펌프들(48)이 단부 링들(46) 및/또는 로터 조립체(24)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 로터 조립체(24), 단부 링들(46), 및 원심 펌프들(48)이 함께 커플링될 수 있고, 그에 따라 원심 펌프들(48)이 로터 조립체(24)와 실질적으로 동기식으로 회전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 로터 조립체(24)가 실질적으로 스테이터 조립체(26) 내에서 회전될 때, 원심 펌프들(48)의 부분들이 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제의 적어도 일부와 접촉할 수 있도록, 원심 펌프들(48)이 구성 및 배열될 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 전기 기계(20)가 동작 중일 때, 원심 펌프들(48)은 제 2 냉각제를 냉각제 섬프(44)로부터 끌어들일 수 있고 그리고 기계 공동(22)의 적어도 일부를 통해서 제 2 냉각제를 분산할 수 있고 및/또는 밀어낼 수 있으며, 상기 기계 공동에서 제 2 냉각제가 모듈(10)의 다른 요소들과 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 다른 방법들을 통해서 기계 공동(22)의 부분들을 통해서 분산될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전기 기계(20)가 동작중일 때, 이동하는 로터 조립체(24)는 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제의 실질적인 표면 높이에서 또는 그에 근접한 곳에서 국소적인(localized) 저압 영역을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 베르누이 효과가 제 2 냉각제의 적어도 일부를 로터 조립체(24)를 향해서 끌어당길 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 로터 조립체(24)와 접촉할 때, 제 2 냉각제는 로터 조립체(24)에 의해서 이송될 수 있고 그리고 실질적으로 반경 방향으로 그리고 축방향으로 외측을 향하는 경로로 기계 공동(22)의 부분들을 통해서 원심력에 의해서 분산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제의 분산은 스테이터 조립체(26), 스테이터 엔드 턴들(28), 및/또는 베어링들(30)과 같은 (그러나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다) 모듈(10)의 일부 요소들과의 접촉을 유도할 수 있을 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 하우징(12)은 외측 벽(50)을 포함할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 복수의 냉각제 채널들(52)이 내측 벽(17)과 외측 벽(50) 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)이 하우징(12)의 부분들과 실질적으로 일체가 되도록(즉, 실질적으로 내측 벽(17)과 외측 벽(50) 사이가 되도록), 하우징(12)이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)이 기계(20)의 적어도 양 축방향 측부들(sides) 상에 위치될 수 있고, 그리고 다른 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)이 다른 구성들로(예를 들어, 기계(20)의 하나의 축방향 측부 상에서) 배치될 수 있다. 추가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)의 적어도 일부가 베어링들(30)의 적어도 일부를 실질적으로 둘러쌀 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)은 제 2 냉각제를 분산시키는데 있어서 적어도 부분적으로 도움이 되도록 구성 및 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)은 적어도 하나의 섬프 입구(54)를 통해서 냉각제 섬프(44)와 유체 연통될 수 있고 그리고 하우징(12)의 적어도 일부를 통해서 연장될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 모듈(10)은 하나보다 많은 섬프 입구(54)를 포함할 수 있고, 그에 따라 전기 기계(20)의 양 축방향 측부들 상에 배치된 냉각제 채널들(52)이 섬프 입구(54)를 통해서 냉각제 섬프(44)에 유체적으로 연결될 수 있다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 냉각제 채널들(52)은 복수의 냉각제 개구부들(56)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 개구부들(56)은 내측 벽(17)을 통해서 연장할 수 있고, 그에 따라 냉각제 채널들(52)이 기계 공동(22)과 유체 연통될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 개구부들(56)이 내측 벽(17)의 반경 방향 길이들을 따라서 다른 지점들에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 개구부들(56)은 전기 기계(20)의 축방향 측부들 상에서 실질적으로 동일한 위치들에서 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 냉각제 개구부들(56)은 전기 기계(20)의 축방향 측부들 상에서 실질적으로 동일하지 않은 위치들에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 기계(20)의 동작 동안에, 로터 조립체(24)의 운동은 제 2 냉각제의 일부가, 적어도 하나의 섬프 입구(54)를 통해서, 냉각제 섬프(44)로부터 냉각제 채널들(52) 내로 이동되게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)로부터 그리고 냉각제 채널들(52) 내로의 제 2 냉각제의 이동이 전기 기계 냉각을 유도할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제는, 도 2 및 3의 화살표로 도시한 바와 같이, 전체적으로 축방향 및 반경 방향 모두를 따라서, 냉각제 채널들(52)의 적어도 일부를 통해서 유동될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 냉각제 채널들(52)을 통해서 유동함에 따라, 제 2 냉각제의 적어도 일부가 냉각제 개구부들(56)을 통해서 기계 공동(22) 내로 분산될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 냉각제 개구부들(56)을 통해서 분산된 제 2 냉각제가 로터 조립체(24)를 향해서 지향될 수 있도록, 냉각제 개구부들(56)이 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각제 개구부들(56)의 외부로 지향된 후에, 제 2 냉각제가 하우징(12) 및 전기 기계(20)의 요소들의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 로터 조립체(24), 로터 허브(32), 및/또는 스테이터 엔드 턴들(28)을 포함하는 스테이터 조립체(26)와 같은 전기 기계(20)의 열 에너지-발생 요소들의 일부와 접촉할 때, 상기 구성 요소들로부터 제 2 냉각제로의 열 에너지의 강제 대류로 인해서, 제 2 냉각제가 냉각을 제공할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 베어링들(30)로 그리고 모듈(10)의 다른 윤활-필요 요소들로 일부 윤활을 제공할 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예들에 따라서, 일부 통상적인 전기 기계들에 대비하여, 냉각제 섬프(44), 냉각제 채널들(52), 및 제 2 냉각제는 적어도 스테이터 엔드 턴들(28) 및 로터 조립체(24)로부터의 열 대류를 적어도 부분적으로 증가시킬 수 있고 그리고 냉각제 재킷(36) 내로 열 에너지를 전달하기 위한 보다 효과적인 방식을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 기계 공동(22)의 부분들을 통해서 분산될 때, 전술한 바와 같이, 제 2 냉각제는 스테이터 엔드 턴들(28), 로터 조립체(24), 및/또는 모듈(10)의 다른 요소들에 의해서 생성된 열 에너지의 적어도 일부를 강제된 대류를 통해서 수용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기계 공동(22)의 부분들을 통해서 분산된 후에, 제 2 냉각제의 일부가 내측 벽(17)을 따라서 그리고 전기 기계(20)의 부분들과 같은 모듈(10)의 다른 부분들을 따라서 냉각제 섬프(44)를 향해서 다시 유동할 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 내측 벽(17)과 접촉할 수 있고, 그러한 접촉은, 제 2 냉각제가 냉각제 섬프(44)에 도달하기 전에, 제 2 냉각제로부터 내측 벽(17)으로의 열 에너지 전달을 유도할 수 있다. 이어서, 하우징(12)의 내측 벽(17)으로 전달되는 열 에너지가 주변 분위기로 복사될 수 있고, 그러한 복사는 모듈(10)의 냉각을 적어도 부분적으로 유도할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 냉각제 섬프(44)로 다시 재순환되기에 앞서서, 제 2 냉각제가 적어도 부분적으로 감소된 온도를 가지게 되는데, 이는 제 2 냉각제가 그 열 에너지의 적어도 일부를 하우징(12)으로 전달하기 때문이다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 전기 기계(20)의 동작 동안에, 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제가 모듈(10)의 다른 부분들에 대비하여 보다 더 낮은 온도에서 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제가 일반적으로 보다 더 낮은 온도를 가질 수 있기 때문에, 제 2 냉각제가 원심 펌프(48) 및/또는 냉각제 채널들(52) 및 냉각제 개구부들(56)에 의해서 기계 공동(22)의 부분들을 통해서 반복적으로 분산될 때, 제 2 냉각제는 전기 기계 모듈(10)로부터 추가적인 열 에너지를 제거할 수 있다.
일부 실시예들에서, 하우징(12)은 적어도 하나의 리브(58)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 내측 벽(17)은 적어도 하나의 리브(58)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 내측 벽(17)이 복수의 리브들(58)을 포함할 수 있다. 비록 이하에서 "리브들"로서 인용하고 있지만, 일부 실시예들은 하나의 리브(58)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 리브들(58)은 내측 벽(17)으로부터 기계 공동(22) 내로 축방향 거리로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리브들(58)이 내측 벽(17)과 실질적으로 일체가 되도록, 리브들(58)이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리브들(58)은 전술한 커플링 기술들 중 임의의 기술을 이용하여 내측 벽(17)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리브들(58)은 실질적으로 평면형인 내측 벽에 대비하여 보다 큰 표면적을 제공할 수 있고, 이는 전기 기계 모듈(10)의 개선된 냉각을 초래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제 재킷(36)의 위치로 인해서, 제 2 냉각제로부터 하우징(12)에 의해서 수용되는 열 에너지가 냉각제 재킷(36) 및 제 1 냉각제로 전도될 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)가 냉각제 재킷(36)의 일부에 실질적으로 인접하도록 그리고 2개의 요소들이 열적으로 연통되도록, 냉각제 섬프(44)가 모듈(10) 내에 구성 및 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)의 적어도 일부가 냉각제 재킷(36)에 가까이 근접할 수 있다. 단지 예로서, 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44)가 슬리브 부재(14)의 내측 벽(17)에 의해서 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 섬프(44)가 슬리브 부재(14)의 두께만큼 냉각제 재킷(36)으로부터 분리될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 열 에너지의 적어도 일부가 냉각제 섬프(44)로부터, 슬리브 부재(14)를 통해서, 냉각제 재킷(36)을 통해서 순환하는 제 1 냉각제로 전달될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가 냉각제 섬프(44)로 순환될 때(예를 들어, 원심 펌프(48) 및/또는 냉각제 채널들(52) 및 냉각제 개구부들(56)에 의해서 기계 공동(22) 내로 방출된 후에), 열 에너지가 냉각제 섬프(44) 내의 제 2 냉각제로부터 하우징(12)의 부분들(예를 들어, 슬리브 부재(14))을 통해서 냉각제 재킷(36) 및 제 1 냉각제로 전도될 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제 1 냉각제가 냉각제 재킷(36)의 외부로 열 전달 요소까지 지향될 수 있고, 이는 동작하는 전기 기계 모듈(10)로부터 열 에너지를 제거하는 것을 도울 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 열 에너지를 전달하기 위해서 제 2 냉각제가 하우징(12)의 외부로 지향될 필요가 없고, 이는 개선된 냉각을 초래할 수 있는데, 이는 제 2 냉각제가 모듈(10)의 다른 부분들로 보다 용이하게 재순환될 수 있기 때문이다.
또한, 일부 실시예들에서, 제 2 냉각제가, 예를 들어, 오일 대신에, 증발 가능 유전성 유체 또는 증발 가능 유전성 유체/오일 혼합물을 포함하는 경우에, 제 2 냉각제의 증발열이 전기 기계(20) 구성 요소들로부터의 열 전달을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 전술한 실시예들의 적어도 일부가 전기 기계(20)의 내구성 및 효율을 적어도 부분적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 스테이터 엔드 턴들(28) 및 로터 조립체(24)(그러나 이러한 것으로 제한되지 않는다)를 포함하는 모듈(10)의 적어도 일부들로부터의 열 대류를 증가시킴으로써, 그리고 냉각제 재킷(36) 내의 제 1 냉각제 내로 열 에너지를 보다 효과적으로 전달함으로써, 제 2 냉각제를 가지는 냉각제 섬프(44) 및/또는 냉각제 채널들(52)이 전기 기계(20)의 동작 온도를 감소시킬 수 있고 그리고 연속적인 성능을 증가시킬 수 있으며, 이는 전기 기계(20)의 내구성 및 효율 모두를 증가시킬 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 냉각제 섬프(44) 및 냉각제 채널들(52)의 이용은 전기 기계(20)를 냉각시키기 위한 제 1 냉각제 및 냉각제 재킷(36)에 대한 냉각 요건들을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 냉각제 재킷(36) 내의 제 1 냉각제의 필요 유량이 감소될 수 있고, 이는 (예를 들어, 액체 공급원으로의 그리고 액체 공급원으로부터의 펌핑 손실들을 감소시킴으로써) 전기 기계 모듈(10)의 효율을 증가시킬 수 있고, 그리고 허용가능한 냉각제 유입구 온도가 감소될 수 있고, 이는 열 전달 요소의 필요 크기를 줄일 수 있고 및/또는 열 전달 요소에 대한 필요성을 완전히 제거할 수 있으며, 그에 따라 전기 기계 모듈(10)의 시스템 비용을 감소시킬 수 있다.
본원 발명이 특별한 실시예들 및 예들과 관련하여 앞서서 설명되었지만, 본원 발명은 반드시 그러한 것으로 제한되지 않고, 그리고 많은 다른 실시예들, 예들, 용도들, 변경들 그리고 그러한 실시예들로부터의, 예들로부터의, 용도들로부터의 변형예들도 본원에 첨부된 청구항들에 포함된다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 인용된 각각의 특허 및 공보들 각각이 본원에서 참조에 의해서 개별적으로 포함된 것과 같이, 본원에서 인용된 각각의 특허 및 공보들의 전체 개시 내용이 참조에 의해서 포함된다. 본원 발명의 여러 가지 특징들 및 장점들이 이하의 청구항들에서 기술되어 있다.

Claims (20)

  1. 전기 기계 모듈로서:
    하우징으로서, 적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재, 및 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 하우징의 내측 벽을 포함하며, 상기 내측벽의 적어도 일부가 냉각제 섬프(coolant sump)의 적어도 일부를 형성하도록 구성 및 배열되며, 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에는 적어도 하나의 냉각제 채널이 배치되며, 이 적어도 하나의 냉각제 채널은 상기 냉각제 섬프와 유체 연통하는 것인 하우징;
    상기 기계 공동 내에 위치되고 그리고 상기 하우징에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸이는 한편, 스테이터 엔드 턴들(end turns)을 포함한 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함하는 전기 기계; 및
    상기 하우징에 의해 적어도 부분적으로 형성되며, 상기 스테이터 조립의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 냉각제 재킷
    를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각제 채널이 기계 공동과 유체 연통하도록 상기 내측 벽의 일부를 통과해 배치되는 적어도 하나의 냉각제 개구부를 더 포함하는, 전기 기계 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각제 개구부가 상기 로터 조립체의 일부에 실질적으로 인접하는, 전기 기계 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 벽이 적어도 하나의 리브를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 재킷은 제 1 냉각제의 일부를 수용하도록 구성 및 배열되며, 그리고 상기 냉각제 섬프는 제 2 냉각제의 일부를 수용하도록 구성 및 배열되는, 전기 기계 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각제는, 트랜스미션 유체, 에틸렌 글리콜, 및 물 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각제는, 오일 및 증발 가능 유전성 유체 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 섬프의 적어도 일부는 상기 냉각제 재킷의 적어도 일부에 바로 인접하는, 전기 기계 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 조립체의 축방향 단부에 커플링되는 적어도 하나의 원심 펌프 및 적어도 하나의 단부 링을 더 포함하는, 전기 기계 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 베어링을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉각제 채널이 적어도 하나의 베어링의 일부를 적어도 부분적으로 둘러싸는, 전기 기계 모듈.
  11. 전기 기계 모듈로서:
    하우징으로서, 적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재, 및 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 하우징의 내측 벽을 포함하고, 상기 내측 벽의 적어도 일부는 냉각제 섬프의 적어도 일부를 형성하도록 구성 및 배열되며, 상기 냉각제 섬프는 제 2 냉각제의 적어도 일부를 수용하도록 구성 및 배열되며, 상기 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에는 적어도 하나의 냉각제 채널이 배치되며, 이 적어도 하나의 냉각제 채널은 냉각제 입구를 통해 상기 냉각제 섬프와 유체 연통되며, 적어도 하나의 냉각제 개구부가 상기 적어도 하나의 냉각제 채널을 상기 기계 공동과 유체 연통시키도록 상기 내측 벽의 일부를 통과해 배치되어 있는 것인 하우징;
    상기 기계 공동 내에 위치되고 그리고 상기 하우징에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸이는 한편, 스테이터 엔드 턴들을 포함한 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함하는 전기 기계;
    상기 하우징의 적어도 일부에 커플링된 외측 부재; 및
    상기 외측 부재의 내측 둘레의 적어도 일부와 상기 슬리브 부재의 외측 둘레 사이에 형성된 냉각제 재킷으로서, 상기 제 1 냉각제의 일부를 수용하도록 구성 및 배열되며 상기 스테이터 조립체의 적어도 일부를 둘러싸는 것인 냉각제 재킷
    을 포함하며, 상기 냉각제 섬프의 적어도 일부는 상기 냉각제 재킷의 적어도 일부와 열적으로 연통하는, 전기 기계 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 내측 벽에 커플링된 적어도 하나의 리브를 더 포함하는, 전기 기계 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 로터 조립체의 적어도 하나의 축방향 면(face)에 커플링되는 적어도 하나의 원심 펌프 및 적어도 하나의 단부 링을 더 포함하는, 전기 기계 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각제의 적어도 일부를 상기 기계 공동의 적어도 일부로 분산시키도록, 상기 적어도 하나의 원심 펌프가 구성 및 배열되는, 전기 기계 모듈.
  15. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 베어링을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉각제 채널이 상기 적어도 하나의 베어링의 일부를 적어도 부분적으로 둘러싸는, 전기 기계 모듈.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각제 개구부가 상기 로터 조립체의 일부에 실질적으로 인접하여 위치되는, 전기 기계 모듈.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각제는 트랜스미션 유체, 에틸렌 글리콜, 및 물 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각제는 오일 및 증발 가능 유전성 유체 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 기계 모듈.
  19. 전기 기계 모듈을 냉각하는 방법으로서:
    적어도 하나의 단부 캡에 커플링된 슬리브 부재를 포함하고 내측 벽에 의해 기계 공동의 적어도 일부를 형성하는 하우징을 제공하는 것;
    상기 내측 벽의 적어도 일부가 냉각제 섬프의 적어도 일부를 형성하도록 구성 및 배열하여, 상기 하우징 내에 적어도 하나의 냉각제 섬프를 제공하는 것;
    상기 하우징의 내측 벽과 외측 벽 사이에, 상기 냉각제 섬프와 유체 연통하도록 적어도 하나의 냉각제 채널을 배치하는 것;
    스테이터 엔드 턴들을 포함한 스테이터 조립체 및 로터 조립체를 포함하는 전기 기계를 상기 기계 공동 내에 배치하는 것; 및
    상기 하우징에 의해서 적어도 부분적으로 형성된 냉각제 재킷을 제공하는 단계로서, 상기 냉각제 재킷이 상기 스테이터 조립체의 적어도 일부를 둘러싸도록 그리고 상기 냉각제 재킷의 적어도 일부가 상기 냉각제 섬프의 적어도 일부와 열적으로 연통하도록 상기 냉각제 재킷이 위치되는, 냉각제 재킷을 제공하는 단계
    를 포함하는, 냉각 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    적어도 하나의 냉각제 개구부가 상기 로터 조립체의 적어도 일부에 실질적으로 인접하도록, 적어도 하나의 냉각제 개구부를 상기 내측 벽을 통과해 배치시키는 단계를 더 포함하는, 냉각 방법.
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