KR20130117777A - 전기 기계의 냉각제 배수 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 기계의 냉각제 배수 시스템 및 방법 Download PDF

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마이클 디 브래드필드
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 실시예는 모듈 하우징과, 이 모듈 하우징에 연결되는 배수 팬을 포함하는 냉각제 배수 시스템을 제공한다. 모듈 하우징은 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하고, 내부벽과, 전기 기계를 기계 공동 내에 적어도 부분적으로 밀폐되는 적어도 하나의 단부 캡을 포함한다. 냉각제 배수 시스템은 또한 모듈 하우징을 통과하고 배수 팬에 인접한 복수 개의 배수홀을 포함한다. 복수 개의 배수홀은 기계 공동으로부터 배수 팬까지 유체 경로를 제공한다.

Description

전기 기계의 냉각제 배수 시스템 및 방법{COOLANT DRAINAGE SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRIC MACHINES}
관련출원
본 출원은 2010년 10월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/897,634호를 우선권 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 합체된다.
기술분야
본 발명은 전기 기계의 냉각제 배수 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 기계를 냉각시키는 종래의 방법은 냉각 재킷의 내측에서 전기 기계의 외주 둘레로 냉각제를 통과시키는 것을 포함한다. 냉각제는 전기 기계의 고정자로부터 열을 추출한다. 몇몇의 기계 구성에서, 열 제거 수준은 냉각제를 냉각 재킷으로부터 고정자의 엔드 턴으로 직접 분사함으로써 증가된다. 분사된 냉각제는 중력으로 인해 전기 기계의 하우징의 바닥을 향해 배수되고 도 1a에 도시된 바와 같이 냉각제를 배출하기 위해 배수홀이 통상 하우징의 바닥 근처에 배치된다. 그러나, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 전기 기계가 후방을 향해 기울어지면, 과량의 냉각제가 전기 기계 둘레의 하우징 내에 고일 수 있다. 기울어짐 동안에, 고인 냉각제의 높이는 전기 기계 고정자와 전기 기계 회전자 사이의 공기 간극을 충분히 침수시키도록 증가하여, 전기 기계의 비교적 큰 스핀 손실 및/또는 열적 고장 등의 악영향을 유발할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예는 내부벽과 적어도 하나의 단부 캡을 갖는 모듈 하우징을 포함하는 냉각제 배수 시스템을 제공한다. 모듈 하우징은 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하고, 냉각제 배수 시스템은 또한 기계 공동 내에 위치 결정되고 모듈 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 전기 기계를 포함한다. 전기 기계는 회전자를 실질적으로 에워싸는 고정자와, 회전자와 고정자 사이에 적어도 부분적으로 형성되는 공기 간극을 포함한다. 냉각제 배수 시스템은 모듈 하우징에 연결되고 배수 출구를 포함하는 배수 팬과, 모듈 하우징을 통해 연장되며 배수 팬에 인접하게 배치되는 복수 개의 배수홀을 더 포함한다. 복수 개의 배수홀은 기계 공동으로부터 배수 팬까지 유체 경로를 제공한다.
본 발명의 몇몇 실시예는 냉각제의 배수 방법을 제공하고, 이 방법은 적어도 하나의 단부 캡 및 복수 개의 배수홀을 지닌 모듈 하우징을 포함하는 전기 기계 모듈을 제공하는 단계와, 모듈 하우징의 기계 공동 내에 전기 기계를 적어도 부분적으로 밀폐하는 단계를 포함할 수 있다. 전기 기계는 회전자를 실질적으로 에워싸는 고정자와, 고정자와 회전자 사이에 형성되는 공기 간극을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 배수 출구를 포함하는 배수 팬을 전기 기계 모듈에 연결하는 단계, 기계 공동이 복수 개의 배수홀을 통해 배수 팬과 유체 연통하도록 복수 개의 배수홀에 대해 배수 팬을 위치 결정하는 단계, 및 기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 냉각제가 실질적으로 기계 공동 전반에 걸쳐, 복수 개의 배수홀을 향해 그리고 복수 개의 배수홀을 통해 배수 팬으로 유동하게 하여, 냉각제가 전기 기계 모듈의 회전 중에 공기 간극 아래에 고이게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예는 중력 이송 냉각제 배수 시스템을 제공한다. 냉각제 배수 시스템은 고정자에 의해 실질적으로 에워싸이는 회전자와, 회전자와 고정자 사이에 형성되는 공기 간극을 갖는 전기 기계를 포함할 수 있다. 냉각제 배수 시스템은 또한 내부벽과 적어도 하나의 단부 캡을 갖는 모듈 하우징을 포함할 수 있다. 모듈 하우징은 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하고 기계 공동 내에 전기 기계를 적어도 부분적으로 밀폐한다. 냉각제 배수 시스템은 모듈 하우징에 연결되고 배수 출구를 포함하는 배수 팬, 제1 세트의 배수홀 및 제2 세트의 배수홀을 더 포함할 수 있다. 제1 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 제1 축방향 단부 근처에 배치되고, 기계 공동 및 배수 팬과 유체 연통하며, 모듈 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 소정 각도 떨어져 있다. 제2 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 제2 축방향 단부 근처에 배치되고, 기계 공동 및 배수 팬과 유체 연통하며, 모듈 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 각도 방향으로 떨어져 있다. 제1 세트의 배수홀과 제2 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 회전 범위에 걸쳐 기계 공동으로부터의 중력 이송 배수 경로를 제공하여 기계 공동 내의 냉각제 고임 수준이 공기 간극 아래로 유지되도록 모듈 하우징의 각도 스팬을 각도 방향으로 떨어져 있다.
도 1a 내지 도 1c는 상이한 각도에서의 종래의 전기 기계 모듈 하우징의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 전방 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 모듈 하우징의 측면도이다.
도 4는 도 3의 모듈 하우징의 저면도이다.
도 5는 도 3의 모듈 하우징의 내부 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 각도에서의 도 2의 전기 기계 모듈의 모듈 하우징의 사시도이다.
도 7은 상이한 각도에서의 모듈 하우징 내에 고인 냉각제의 깊이를 도시하는 챠트이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 2의 전기 기계 모듈의 배수 팬을 통한 냉각제 유동의 정면도, 측면도, 저면도 및 사시도이다.
본 발명의 임의의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 그 용례가 이하의 설명에 기재되고 이하의 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배치의 상세로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 문구 및 용어는 설명을 하기 위한 것이고 제한으로서 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서, "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는" 및 그 파생어들의 사용은 그 다음에 열거된 물품 및 그 균등물 뿐만 아니라 추가 물품을 포괄하는 것으로 의도된다. 달리 특정하거나 제한하지 않으면, "장착된", "결합된", "지지된" 및 "연결된"이라는 용어와 그 파생어들은 폭넓게 사용되고 직접적 및 간접적 장착, 결합, 지지 및 연결을 모두 포괄한다. 또한, "결합된" 및 "연결된"은 물리적 또는 기계적 결합 또는 연결로 제한되지 않는다.
이하의 논의는 당업계의 숙련자가 본 발명의 실시예를 제조 및 사용하게 할 수 있도록 제공된다. 도시된 실시예에 대한 다양한 수정이 당업계의 숙련자에게 쉽게 명백할 것이고, 본 명세서의 일반적인 원리가 본 발명의 실시예에서 벗어나는 일 없이 다른 실시예 및 용례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시된 실시예로 제한되도록 의도되지 않고 본 명세서에 개시된 원리 및 특징과 일관된 가장 넓은 범위에 일치되도록 의도된다. 이하의 상세한 설명은 상이한 도면의 동일한 요소가 동일한 참조 번호를 갖는 도면을 참조하여 읽어야 한다. 반드시 실척이 아닌 도면은 선택된 실시예를 묘사하며 본 발명의 실시예의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 당업자라면 본 명세서에 제공된 예가 많은 유용한 변형예를 갖고 본 발명의 실시예의 범위 내에 속한다는 것을 알 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)을 도시하고 있다. 전기 기계 모듈(10)은 슬리브 부재(14), 제1 단부 캡(16) 및 제2 단부 캡(18)을 구비하는 모듈 하우징(12)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 모듈 하우징(12)은 캐스트 알루미늄으로 제조될 수 있다. 전기 기계(20)는 슬리브 부재(14)와 단부 캡(16, 18)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 기계 공동(22) 내에 수용될 수 있다. 예컨대, 슬리브 부재(14)와 단부 캡(16, 18)은 파스너(도시 생략) 또는 다른 적절한 연결 방식을 통해 연결되어 기계 공동(22) 내에 전기 기계(20)의 적어도 일부를 밀폐할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단부 캡(16, 18)은 동일한 부품일 수 있다. 다른 실시예에서, 단부 캡(16, 18)은 상이한 개별적인 특징을 포함할 수 있다. 또한 몇몇 실시예에서, 하우징(12)은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 밀폐되고 실질적으로 원통형인 캐니스터(15)와 단일의 단부 캡(16)을 포함할 수 있다.
전기 기계(20)는 회전자(24), 고정자(26), 고정자 엔드 턴(28), 및 베어링(30)을 포함할 수 있고, 주 출력 샤프트(31) 둘레에 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고정자(26)는 회전자(24)를 에워쌀 수 있고 회전자(24)와 고정자(26) 사이에 반경 방향 공기 간극(32)이 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 기계(20)는 또한 회전자 허브(34)를 포함할 수 있거나, "허브가 없는" 구성(도시 생략)을 가질 수 있다. 전기 기계(20)는 제한없이 하이브리드 전기 모터, 발전기, 또는 차량 교류발전기 등의 전기 모터일 수 있다. 일 실시예에서, 전기 기계(20)는 하이브리드 차량에 사용하기 위한 고전압 헤어핀(HVH; High Voltage Hairpin) 전기 모터일 수 있다.
제한하지 않지만 회전자(24), 고정자(26) 및 고정자 엔드 턴(28) 등의 전기 기계(20)의 구성요소들은 전기 기계(20)의 작동 중에 열을 발생시킬 수 있다. 이들 구성요소는 전기 기계(20)의 성능을 향상시키고 그 수명을 증가시키도록 냉각될 수 있다.
몇몇 실시예에서 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 하우징(12)은 냉각제 재킷(36)을 포함할 수 있다. 냉각제 재킷(36)은 고정자(26)를 실질적으로 에워싸거나 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있으며 오일(예컨대, 모터 오일, 트랜스미션 오일 등)과 같은 냉각제 또는 유사한 액체 냉각제 유체를 수용할 수 있다. 냉각제 재킷(36)은 냉각제를 수용하는 유체 공급원(도시 생략)과 유체 연통할 수 있다. 냉각제는 냉각제 재킷(36)을 통해 순환되도록 냉각제 재킷(36)에 진입할 때에 압축될 수 있다. 전기 기계(20)에 의해 발생된 열 에너지는 냉각제가 냉각제 재킷(36)을 순환할 때에 냉각제로 전달되어 전기 기계(20)를 냉각할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각제는 냉각제 입구(38)를 통해 냉각제 재킷(36) 내로 도입될 수 있다. 일 실시예에서 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각제 입구(38)는 모듈 하우징(12)의 대체로 하부 근처에 위치 결정될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 냉각제 재킷(36)은 모듈 하우징(12)의 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15) 내에 형성될 수 있고, 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15)의 반경 방향 최내측 벽(42)은 냉각제 재킷(36)을 기계 공동(22)으로부터 실질적으로 분리시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 모듈 하우징(12)은 내부 슬리브 부재(도시 생략)를 포함할 수 있고, 냉각제 재킷(36)은 내부 슬리브 부재와 슬리브 부재(14) 또는 캐니스터(15) 사이에 형성될 수 있다[즉, 내부 슬리브 부재가 냉각제 재킷(36)과 기계 공동(22)을 실질적으로 분리시키는 내부벽(42)을 형성하도록]. 그러한 실시예에서, 예컨대 내부 슬리브 부재는 고정자(26)가 압입되는 스테인리스강 링일 수 있다.
냉각제 재킷(36)을 통해 순환하는 냉각제는 도 2에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(12)의 내부벽(42)을 통해 연장되는 냉각제 구멍(40)으로부터 기계 공동(22) 내로 분사 또는 분산될 수 있다. 냉각제 구멍(40)은 고정자 엔드 턴(28)에 실질적으로 인접하게 모듈 하우징(12)을 따라 축방향으로 배치될 수 있다. 그 결과로서, 냉각제는 냉각제 재킷(36)으로부터 냉각제 구멍(40)을 통해 고정자 엔드 턴(28) 상으로 또는 그 둘레로 분산될 수 있다. 분산된 냉각제는 고정자 엔드 턴(28)으로부터 열 에너지를 받을 수 있고, 그 결과 전기 기계(20)를 냉각시킬 수 있다. 일 실시예에서, 냉각제 구멍(40)은 모듈 하우징(12)의 대체로 상부 둘레에 원주 방향으로 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제 구멍(40)은 원주 방향으로 모듈 하우징(12) 둘레에 실질적으로 전체적으로 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제 구멍(38)은 다른 방법을 통해, 예컨대 단부 캡(16, 18)의 냉각제 채널(도시 생략)을 통해 기계 공동(22) 전반에 걸쳐 냉각제를 분산시키도록 위치 결정될 수 있다.
분산된 냉각제는 중력으로 인해 기계 공동(22)의 하부를 향해 아래로 유동할 수 있다. 분산된 냉각제가 하방으로 유동하기 때문에, 냉각제는 전기 기계 구성요소들, 예컨대 제한하지 않지만 고정자(26), 회전자(24), 회전자 허브(34), 및 베어링(30)으로부터 열 에너지를 계속 제거할 수 있다. 이어서, 분산된 냉각제는 기계 공동(22)의 하부 근처에 고일 수 있다. 기계 공동(22)의 하부 근처에 고인 후에, 냉각제는 고정자(26) 및 고정자 엔드 턴(28) 등의 접촉하고 있는 전기 기계 구성요소보다 여전히 실질적으로 저온일 수 있어, 고정자(26) 및 고정자 엔드 턴(28)으로부터 열 에너지를 계속 제거할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전기 기계 모듈(10)은 기계 공동(22)으로부터 고인 냉각제를 제거하도록 배수 시스템(44)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배수 시스템(44)은 모듈 하우징(12)[즉, 몇몇 실시예에서는 슬리브 부재(14), 캐니스터(15), 내부 슬리브 부재, 및/또는 단부 캡(16, 18)을 통해] 및 배수 팬(48)을 통해 연장되는 배수홀(46)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 배수홀(46)은 모듈 하우징(12)의 각 축방향 단부 근처에 배치될 수 있고, 모듈 하우징(12)의 소정 각도 스팬(span)에 걸쳐 각도 방향으로 서로 떨어져 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 배수홀(46)은 모듈 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 제1 세트를 그리고 모듈 하우징의 다른 축방향 단부를 따라 제2 세트를 포함할 수 있고, 제1 세트와 제2 세트 모두는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(12)의 하부를 따라 서로 원주 방향으로 떨어져 배치될 수 있다. 예컨대, 모듈 하우징의 어느 한 축방향 단부에서, 중앙의 배수홀(46)이 모듈 하우징(12)의 실질적으로 바닥 중앙에 배치될 수 있고, 1개 내지 4개의 추가 배수홀(46)이 중앙의 배수홀(46)의 양측면에서 모듈 하우징(12)을 따라 원주 방향으로 배치되어[즉, 그 결과로 모듈 하우징(12)의 양 축방향 단부에 3개 내지 9개의 배수홀(46)이 생김] 기계 공동(22) 내에 냉각제를 위한 중력 이송 배수 경로를 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 기계 모듈(10)의 사용 용례에 따라 모듈 하우징(12)에 9개가 넘는 배수홀(46)이 포함될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 배수홀(46)이 배치되는 각도 스팬은 약 90도[즉, 모듈 하우징(12)의 바닥 중앙으로부터 양 방향으로 약 45도]일 수 있다.
각도 방향으로 배치되는 것에 의해, 전기 기계(20)가 전방 및 후방을 향해 기울어지거나 회전되면[즉, 도 2에 도시된 바와 같이 전기 기계(12)의 회전축(52)을 중심으로], 배수홀(46)은 배수 시스템(44)의 정상적인 기능을 허용할 수 있다. 또한 축방향으로 배치되는 것에 의해, 전기 기계(20)가 한 측면 또는 다른 측면을 향해 회전되면[즉, 회전축(52)에 수직인 축선을 중심으로], 배수홀(46)은 배수 시스템(44)의 정상적인 기능을 허용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배수홀(46)은 냉각제 배수에 관한 전기 기계(20)의 측면간 기울기의 영향을 최소화하도록 [예컨대, 모듈 하우징(12)의 축방향 단부보다] 고정자(26)에 더 가깝게 축방향으로 내측에 배치될 수 있다.
배수홀(46)의 양은 2개 이상 포함할 수 있고, 기계 공동(22)의 크기, 원하는 냉각제 고임량, 및 기타 인자를 기초로 하여 선택될 수 있다. 또한, 배수홀(46)의 하나 이상의 직경과 배수홀(46)의 각도 간격은 기계 공동(22)의 크기, 원하는 냉각제 고임량, 및 기타 인자를 기초로 하여 선택될 수 있다. 예컨대, 기계 공동(22)의 크기와 원하는 냉각제 고임의 수준은 중력과 그 깊이의 결과로서 고인 냉각제 내에 발생하는 정수압에 영향을 미칠 수 있다. 더 깊은 냉각제의 풀(pool)은 전기 기계(20)의 더 많은 부분이 냉각제와 직접 접촉할 수 있기 때문에 전기 기계(20)를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 더 깊은 냉각제 풀은 또한 더 높은 정수압을 제공하고, 이에 따라 주어진 제한[예컨대, 배수홀(46)]으로 인해 더 높은 유량을 제공한다. 일 실시예에서, 축방향 양쪽에 5개의 12 mm 배수홀(46)을 포함하는 전기 기계 모듈(10; 예컨대, Remy International, Inc에 의해 제조된 HVH410 시리즈 전기 모터)은 공기 간극(32)이 침수되기 전에 기계 공동(22) 내로 분당 약 21 리터의 최대 유량을 견딜 수 있다.
더 깊은 냉각제 풀은 또한 전기 기계가 기울어질 때에 전기 기계의 작동에 영향을 미칠 수 있다. 단 하나의 큰 배수홀이 있는 종래의 하우징은 기울기 각도에 매우 민감할 수 있다. 예컨대, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 종래의 하우징을 기울이거나 회전시키면 고인 냉각제의 수준이 상승되고, 이는 고정자(26)와 회전자(24) 사이의 공기 간극(32)의 침수를 초래할 수 있다. 배수 시스템(44)의 다수의 배수홀(46)로 인해, 전기 기계 모듈(10)에서는 종래의 하우징의 기울기 각도 대 단일의 큰 배수홀의 함수인 유동 저항이 보다 일관되게 나타날 수 있다. 이는 기울어짐에도 불구하고, 보다 일관된 고임 깊이를 허용할 수 있어, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 공기 간극(32)의 침수의 위험을 최소로 하면서 최대의 일정한 깊이, 또는 냉각제 고임 수준(54)을 허용할 수 있다.
예컨대, 도 6a는 0도의 회전 각도(즉, 0도의 기울기 각도)에서의 전기 기계 모듈(10)의 하부를 도시하고 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 냉각제 고임 수준(54)은 공기 간극(32) 아래이다. 도 6b는 제1 방향으로 15도의 회전 각도에서의 전기 기계 모듈(10)의 하부를 도시하고 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 냉각제 고임 수준(54)은 회전에도 불구하고 여전히 공기 간극(32) 아래일 수 있다. 유사하게, 배수홀(46)의 대칭으로 인해[즉, 바닥 배수홀(46)의 양쪽에 동일한 양의 배수홀(46)로 인해], 냉각제 고임 수준(54)은 전기 기계 모듈(10)이 제1 방향 또는 제2 방향(즉, 제1 방향의 반대 방향)으로 15도 회전될 때에 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6c는 30도의 회전 각도에서 전기 기계 모듈의 하부를 도시하고 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 냉각제 고임 수준(54)은 추가의 회전에도 불구하고 연전히 공기 간극(32) 아래일 수 있다. 배수홀(46)의 대칭으로 인해, 냉각제 고임 수준은 전기 기계 모듈(10)이 제1 방향으로 30도 기울어지든지 또는 제2 방향으로 30도 기울어지든지 간에 실질적으로 동일할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 배수 시스템(44)을 포함하는 전기 기계 모듈(10)은 제1 방향 또는 제2 방향의 어느 한 방향으로 최대 약 30도 또는 그 이상의 회전에도 불구하고 냉각제 고임 수준(54)을 공기 간극(32) 아래에 유지할 수 있다[즉, 냉각제가 공기 간극(32)이 침수되지 않는다]. 몇몇 실시예에서, 회전 범위는 배수홀(46)의 위치 결정 및 양에 따라 약 30도보다 크거나 작을 수 있다. 예컨대, 회전 범위의 하한값은 약 0도일 수 있고[즉, 모듈 하우징(12)이 실질적으로 직립인 경우) 회전 범위의 상한값은 약 1도 내지 약 30도일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전 범위는 전기 기계 모듈(10)의 실질적으로 직립인 위치와 고인 냉각제가 공기 간극(32)을 침수시키는 회전된 위치(즉, 최대 회전 각도) 사이로 정의될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 범위는 전기 기계 모듈(10)의 실질적으로 직립인 위치와 냉각제 고임 수준이 아직 공기 간극(32)이 침수되지 않은 최대 회전 바로 아래의 회전된 위치(즉, 최대 작동 회전 각도) 사이로 정의될 수 있다.
도 7은 종래의 단일 홀 하우징(라인 A)과 도 6a 내지 도 6c의 다수의 배수홀 모듈 하우징(12)(라인 B)에 대한 기계 기울기 각도에서의 냉각제 고임 깊이의 그래프를 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 배수홀 모듈 하우징(12)은 공기 간극(32)을 침수시키는 일 없이 종래의 하우징보다 더 기울어지게 할 수 있다(즉, 더 큰 회전 범위를 허용할 수 있다). 보다 구체적으로, 종래의 하우징은 공기 간극(32)이 침수되기 전에 최대 회전 각도(θ1)까지 회전될 수 있다. 다수의 배수홀 모듈 하우징(12)은 공기 간극(32)이 침수되기 전에 θ1보다 큰 최대 회전 각도(θ2)까지 회전될 수 있다. 또한 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 배수홀 모듈 하우징(12)은 단일 홀 하우징에 비해 더 넓은 회전 범위에 걸쳐 더 일관된 냉각제 고임 수준(54)을 허용할 수 있다. 이 일관성은 실질적으로 회전 범위에 걸쳐 기울기 각도에 상관없이 냉각제 고임 수준(54)을 최대화할 수 있고, 이는 종래의 전기 기계 모듈에 비해 고정자 조립체(26)의 보다 효율적인 냉각을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배수홀(46)의 갯수, 기계 공동(22)의 크기, 및/또는 원하는 냉각제 고임 수준은 또한 전기 기계(20)가 사용되도록 의도되는 용례와 얼마나 큰 기울어짐(즉, 회전 범위)이 그러한 용례에서 예상되는지를 기초로 하여 선택될 수 있다. 또한 몇몇 실시예에서, 전기 기계 모듈(10)은 공기 간극(32)이 침수될 위험을 더 감소시키도록 작동 중에 안전 인자 또는 윈도우를 제공하기 위해 전술한 바와 같이 최대 회전 각도(도 7의 θ2)보다는 최대 작동 회전 각도(도 7의 θ3)를 포함하는 회전 각도를 이용하여 제조될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배수홀(46)의 갯수, 기계 공동(22)의 크기, 및/또는 원하는 냉각제 고임량은 또한 전기 기계(20)의 작동 온도 범위를 기초로 할 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 배수 시스템(44)은 온도가 냉각제의 점성 및 유량에 미칠 수 있는 영향에도 불구하고 전기 기계(20)의 실질적으로 모든 작동 온도 범위에 걸쳐 기능할 수 있다.
또한 다수의 배수홀(46)로 인해, 각각의 개별적인 배수홀(46)의 직경은 더 작을 수 있다. 이는 슬리브 부재(14) 및/또는 모듈 하우징(12)의 축방향 길이의 감소에 일조할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배수홀(46)은 슬리브 부재(14) 내로 드릴링될 수 있다. 드릴링된 배수홀(46) 대 경질의 금형 캐스팅 특징을 사용함으로써, 배수 시스템(44)은 보다 비용 효율적으로 주어진 고객 용례 및 원하는 냉각제 용량에 맞게 주문 제작되거나 맞춤화될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배수 출구(50)를 포함할 수 있는 배수 팬(48)은 도 2 및 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 배수홀(46)에 인접하게 모듈 하우징(12)에 연결될 수 있다. 그 결과로서, 모듈 하우징(12)의 어느 한쪽 축방향 단부 상의 배수홀(46)이 배수 팬(48)과 유체 연통할 수 있다. 그 결과로서, 고인 냉각제가 배수홀(46)로부터 배수 팬(48)으로 배수된 다음, 중력에 의해 배수 출구(50)를 통해 흐를 수 있다. 배수 출구(50)는 외부 냉각기(예컨대, 열교환기, 라디에이터 등)에 유체 소통식으로 결합될 수 있어, 모듈 하우징(12)으로부터 배출된 냉각제가 냉각되고 다시 냉각제 입구(38)를 통해 냉각제 재킷(36)으로 순환될 수 있다. 종래의 결합 호스 또는 유사물(도시 생략)이 배수 출구(50)에 연결되어 배수 출구를 외부 냉각기 및/또는 펌프에 유체 소통식으로 결합시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 배수 팬(48)은 캐스트 알루미늄을 포함할 수 있고 도 2에 도시된 바와 같이 예컨대 종래의 압축 가스킷 및/또는 나사식 파스너를 이용하여 모듈 하우징(12)의 외부에 연결될 수 있다. 도 2, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 배수 팬(48)은 냉각제가 배수 출구(50)를 향해 중력에 의해 이송되게 하도록 배수 출구(50)를 향해 하방으로 테이퍼질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이, 배수 팬(48)의 하나 이상의 단부(54)가 만입되어 냉각제 입구(38)에 대해 클리어런스(clearance)를 제공할 수 있다. 모듈 하우징(12)의 하부 근처에 냉각제 입구(38)를 위치 결정하도록 하면 종래의 열적으로 효율적인 저비용의 입구 이송 설계가 사용되도록 제공될 수 있다. 예컨대, 상부 근처에 냉각제 입구(38)를 갖는 모듈 하우징은 냉각제 구멍(40)을 지나서 냉각제를 순환시키는 추가 배플(baffle)을 필요로 하고, 이에 따라 더 비용이 들 수 있다.
배수 팬(48)은 몇몇 용례에 공통적인 임의의 다른 기존의 하드웨어 또는 특징부를 위한 클리어런스를 제공하도록 상이하게 만입, 성형 또는 위치 결정될 수 있다. 예컨대, 상이한 용례를 위해 전체적으로 새로운 모듈 하우징 또는 전기 기계 모듈을 필요로 하는 것보다는 용례 특정 또는 고객 특정 몰드가 생성되어 배수 팬(48)을 캐스팅할 수 있다. 이는 또한 다양한 용례(예컨대, 상이한 장착 조건, 위치 등을 갖는)에 대해 공통적인 전기 기계 모듈을 사용하게 하여 맞춤화된 애드온 배수 팬(48)만을 필요로 할 수 있다. 이는 맞춤화된 전체 모듈 하우징에 대한 요구를 감소시킴으로써 기계 가공 및 제조 비용을 최소화시킬 수 있다.
당분야의 숙련자라면 본 발명이 특정한 실시예 및 예와 관련하여 전술하였지만, 본 발명이 반드시 그렇게 제한되지 않고, 다수의 다른 실시예, 예, 용도, 변경예 및 그러한 실시예, 예 및 용도의 개량이 아래에 첨부된 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다는 것을 알 것이다. 본 발명의 다양한 특징 및 이점이 아래의 청구범위에 기재된다.
10: 전기 기계 모듈 12: 모듈 하우징
14: 슬리브 부재 16: 제1 단부 캡
18: 제2 단부 캡 20: 전기 기계
22: 기계 공동 24: 회전자
26: 고정자 28: 고정자 엔드 턴
30: 베어링 32: 공기 간극

Claims (21)

  1. 냉각제 배수 시스템으로서,
    내부벽과 적어도 하나의 단부 캡을 포함하고, 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하는 모듈 하우징;
    상기 기계 공동 내에 위치 결정되고 상기 모듈 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 전기 기계로서, 회전자를 실질적으로 에워싸는 고정자와, 회전자와 고정자 사이에 적어도 부분적으로 형성되는 공기 간극을 포함하는 전기 기계;
    상기 모듈 하우징에 연결되고 배수 출구를 포함하는 배수 팬; 및
    상기 모듈 하우징에 배치되고 모듈 하우징을 통해 연장되며 배수 팬에 인접하게 배치되고, 기계 공동으로부터 배수 팬까지 유체 경로를 제공하는 복수 개의 배수홀
    을 포함하는 냉각제 배수 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 기계는 하이브리드 전기 기계인 것인 냉각제 배수 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 배수홀은 기계 공동으로부터 배수 팬까지 중력 이송 유체 경로를 제공하도록 모듈 하우징의 하부를 따라 위치 결정되는 것인 냉각제 배수 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모듈 하우징은 냉각제 재킷과, 내부벽을 통과하는 복수 개의 냉각제 구멍을 포함하고, 상기 냉각제 구멍은 적어도 냉각제 재킷 및 기계 공동과 유체 연통하는 것인 냉각제 배수 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 모듈 하우징은 실질적으로 원통형이고, 상기 복수 개의 배수홀은 실질적으로 원통형인 모듈 하우징의 적어도 일부 둘레에서 각도 방향으로 서로 떨어져 있는 것인 냉각제 배수 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 배수 팬은 적어도 하나의 만입된 단부를 포함하고, 상기 모듈 하우징은 냉각제 재킷과 유체 연통하고 배수 팬의 적어도 하나의 만입된 단부 근처에 배치되는 냉각제 입구를 포함하는 것인 냉각제 배수 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 냉각제 입구를 통해 냉각제 재킷으로 도입되는 냉각제는 냉각제 구멍을 통해 기계 공동 내로 분산되고, 냉각제의 적어도 일부는 배수홀을 통해 배수 시스템으로 유동하여, 기계 공동 내의 냉각제 풀(pool)이 공기 간극 아래로 유지되는 것인 냉각제 배수 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 배수홀은 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 배치되는 제1 세트의 배수홀과 하우징의 제2 축방향 단부를 따라 배치되는 제2 세트의 배수홀을 포함하는 것인 냉각제 배수 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배수 팬은 적어도 배수 출구 근처에서 적어도 부분적으로 테이퍼지는 것인 냉각제 배수 시스템.
  10. 냉각제의 배수 방법으로서,
    적어도 하나의 단부 캡을 지닌 모듈 하우징으로서, 이 하우징을 통해 연장되는 복수 개의 배수홀을 지닌 모듈 하우징을 포함하는 전기 기계 모듈을 제공하는 단계;
    상기 모듈 하우징의 기계 공동 내에 전기 기계를 적어도 부분적으로 밀폐하는 단계로서, 상기 전기 기계는 회전자를 실질적으로 에워싸는 고정자와, 상기 고정자와 회전자 사이에 형성되는 공기 간극을 포함하는 것인 단계;
    배수 출구를 포함하는 배수 팬을 전기 기계 모듈에 연결하는 단계;
    상기 기계 공동이 복수 개의 배수홀을 통해 배수 팬과 유체 연통하도록 복수 개의 배수홀에 대해 배수 팬을 위치 결정하는 단계;
    상기 기계 공동 내로 냉각제를 도입하는 단계; 및
    냉각제가 실질적으로 기계 공동 전반에 걸쳐, 복수 개의 배수홀을 향해 그리고 복수 개의 배수홀을 통해 배수 팬으로 유동하게 하여, 냉각제가 전기 기계 모듈의 회전 중에 공기 간극 아래에 고이게 하는 단계
    를 포함하는 냉각제의 배수 방법.
  11. 제10항에 있어서, 냉각제가 중력으로 인해 복수 개의 배수홀을 향해 그리고 복수 개의 배수홀을 통해 유동하도록 모듈 하우징의 적어도 일부를 따라 복수 개의 배수홀을 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 냉각제의 배수 방법.
  12. 제11항에 있어서, 전기 기계 모듈의 예상되는 회전 범위를 기초로 하여 복수 개의 배수홀의 양을 선택하고 모듈 하우징을 따라 복수 개의 배수홀을 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 냉각제의 배수 방법.
  13. 제12항에 있어서, 복수 개의 배수홀을 각각 모듈 하우징 내로 드릴링하는 단계를 더 포함하는 냉각제의 배수 방법.
  14. 제10항에 있어서, 모듈 하우징의 하부를 따라 각도 방향으로 서로 떨어진 상태로 복수 개의 배수홀을 위치 결정하고 모듈 하우징의 축방향 단부 근처에 복수 개의 배수홀을 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 냉각제의 배수 방법.
  15. 중력 이송 냉각제 배수 시스템으로서,
    고정자에 의해 실질적으로 에워싸이는 회전자와, 회전자와 고정자 사이에 형성되는 공기 간극을 포함하는 전기 기계;
    내부벽과 적어도 하나의 단부 캡을 포함하는 모듈 하우징으로서, 기계 공동을 적어도 부분적으로 형성하고 기계 공동 내에 전기 기계를 적어도 부분적으로 밀폐하는 모듈 하우징;
    상기 모듈 하우징에 연결되고 배수 출구를 포함하는 배수 팬;
    모듈 하우징을 통해 연장되고 모듈 하우징의 제1 축방향 단부 근처에 배치되는 제1 세트의 배수홀로서, 제1 세트의 배수홀은 기계 공동 및 배수 팬과 유체 연통하며 제1 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 각도 방향으로 떨어져 있는 것인 제1 세트의 배수홀; 및
    모듈 하우징을 통해 연장되고 모듈 하우징의 제2 축방향 단부 근처에 배치되는 제2 세트의 배수홀로서, 제2 세트의 배수홀은 기계 공동 및 배수 팬과 유체 연통하며 제1 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 제1 축방향 단부를 따라 각도 방향으로 떨어져 있는 것인 제2 세트의 배수홀
    을 포함하고,
    상기 제1 세트의 배수홀과 제2 세트의 배수홀은 모듈 하우징의 회전 범위에 걸쳐 기계 공동으로부터의 중력 이송 배수 경로를 제공하여 기계 공동 내의 냉각제 고임 수준이 공기 간극 아래로 유지되도록 모듈 하우징의 소정 각도 스팬을 따라 각도 방향으로 떨어져 있는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 모듈 하우징은 냉각제 재킷을 포함하고, 내부벽은 상기 냉각제 재킷 및 기계 공동과 유체 연통하는 복수 개의 냉각제 구멍을 포함하는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 배수 팬은 적어도 하나의 만입된 단부를 포함하고, 모듈 하우징은 상기 적어도 하나의 만입된 단부에 인접하게 배치되고 냉각제 재킷과 유체 연통하는 냉각제 입구를 포함하는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 냉각제 입구를 통해 냉각제 재킷으로 도입되는 냉각제는 냉각제 구멍을 통해 기계 공동 내로 분산될 수 있고, 냉각제의 적어도 일부는 제1 세트의 배수홀과 제2 세트의 배수홀 중 하나를 통해 배수 팬으로 유동하여, 기계 공동 내에 냉각제의 고임 수준이 공기 간극 아래로 유지되는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수 개의 배수홀은 모듈 하우징 내로 드릴링되는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 배수 팬은 적어도 배수 출구 근처에서 적어도 부분적으로 테이퍼지는 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 상기 모듈 하우징의 회전 범위는 제1 방향 및 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 약 0도에서 상한값까지이고, 상한값은 약 1도 내지 약 30도인 것인 중력 이송 냉각제 배수 시스템.
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