KR20130131354A

KR20130131354A - 통합된 스위치 어셈블리를 갖는 교류 (ac) 전기 기계를 포함하는 전기 기계 시스템을 위한 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20130131354A
Application number: KR1020137013911A
Authority: KR
Inventors: 브래들리 디 체임벌린; 알렉스 크레비스턴
Original assignee: 레미 테크놀러지스 엘엘씨
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-12-03
Also published as: WO2012061221A3; CN103283128A; US20120112568A1; WO2012061221A2; EP2636130A2

Abstract

전기 기계 시스템은 교류(AC) 전기 기계를 포함한다. AC 전기 기계는 기계 부분과 스위치 부분을 갖는 기계 하우징을 포함한다. 고정자(stator)는 기계 하우징의 기계 부분에 고정적으로 장착되고, 회전자(rotor)는 고정자에 관하여 회전적으로 장착된다. 스위치 어셈블리는 기계 하우징의 스위치 부분 내에 정렬되어 고정자에 전기적으로 연결된다. 직류(DC) 전력원은 스위치 어셈블리를 통해 고정자에 전기적으로 연결된다. 냉각 시스템은 AC 전기 기계에 유동적으로 연결된다. 냉각 시스템은 기계 하우징의 스위치 부분에 있는 스위치 어셈블리에, 그리고 기계 하우징의 기계 부분에 있는 고정자 및 회전자 중 적어도 하나에 냉각재의 흐름을 보낸다.

Description

통합된 스위치 어셈블리를 갖는 교류 (AC) 전기 기계를 포함하는 전기 기계 시스템을 위한 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR AN ELECTRIC MACHINE SYSTEM INCLUDING AN ALTERNATING CURRENT (AC) ELECTRIC MACHINE HAVING AN INTEGRATED SWITCH ASSEMBLY}

예시적인 실시예들은 전기 기계의 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 통합된 스위치 어셈블리를 갖는 교류 전기 기계를 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.

자동차에서, 농업에서, 그리고 전기 및 하이브리드 모터가 사용되는 다른 해비 듀티 애플리케이션(heavy duty application)에서 이용되는 전기 모터 시스템과 같은, 종래의 전기 모터 시스템은 고전압 케이블을 통해 인버터에 동작적으로(operatively) 결합된 전기 모터를 포함한다. 통상적인 인버터는 제어기 부분과 다중 위상 전력 스위칭 부분을 포함한다. 다중 위상 전력 스위칭 부분은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor; MOSFET), 정류기, 커패시터, 인덕터, 고전압 권선 등과 같은 다양한 고전압 컴포넌트를 포함한다. 인버터는 엔진 제어 모듈, 고전압 배터리, 및 전기 모터에 전기적으로 연결된다. 인버터와 배터리 간의 연결 및 인버터와 전기 모터 간의 연결은 고전압 케이블을 요구한다. 게다가, 고전압 컴포넌트의 동작에 의해 발생된 열은 냉각을 요구한다. 따라서, 종래의 인버터는 또한 통상적으로 전용 냉각 시스템에 연결된다. 인버터용 냉각 시스템은 오일, 물, 공기 또는 열을 흡수하고 유지하는 다른 매체와 같은 유체 냉각재(fluid coolant)를 포함한다.

본 발명의 목적은 통합된 스위치 어셈블리를 갖는 교류(AC) 전기 기계를 포함하는 전기 기계 시스템을 위한 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

교류(alternating current; AC) 전기 기계를 포함하는 전기 기계 시스템이 개시된다. AC 전기 기계는 기계 부분과 스위치 부분을 갖는 기계 하우징을 포함한다. 고정자(stator)는 기계 하우징의 기계 부분에 고정적으로 장착되고, 회전자(rotor)는 고정자에 관하여 회전적으로 장착된다. 스위치 어셈블리는 기계 하우징의 스위치 부분 내에 정렬되어 고정자에 전기적으로 연결된다. 직류(direct current; DC) 전력원은 스위치 어셈블리를 통해 고정자에 전기적으로 연결된다. 냉각 시스템은 AC 전기 기계에 유동적으로 연결된다. 냉각 시스템은 기계 하우징의 스위치 부분에 있는 스위치 어셈블리, 그리고 기계 하우징의 기계 부분에 있는 고정자 및 회전자 중 적어도 하나 가까이에 열 전도적으로 냉각재의 흐름을 보낸다.

교류(AC) 전기 기계가 또한 개시된다. AC 전기 기계는 기계 부분과 스위치 부분을 갖는 기계 하우징, 기계 하우징의 기계 부분에 고정적으로 장착된 고정자, 고정자에 관하여 회전적으로 장착된 회전자, 기계 하우징의 스위치 부분 내에 정렬되고 고정자에 전기적으로 연결된 스위치 어셈블리, 및 AC 전기 기계에 유동적으로 연결된 냉각 시스템을 포함한다. 냉각 시스템은 기계 하우징의 스위치 부분에 있는 스위치 어셈블리, 그리고 기계 하우징의 기계 부분에 있는 고정자 및 회전자 중 적어도 하나 가까이에 열 전도적으로 냉각재의 흐름을 보낸다.

본 발명에 따르면 통합된 스위치 어셈블리를 갖는 교류(AC) 전기 기계를 포함하는 전기 기계 시스템을 위한 냉각 시스템을 제공하는 것이 가능하다.

다음 설명은 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 첨부 도면을 참조하면, 동일한 요소는 동일하게 번호가 매겨진다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 전기 기계 시스템을 도시한다.
도 2는 도 1의 전기 기계 시스템의 교류(AC) 전기 기계를 도시한다.

개시된 장치 및 방법의 하나 이상의 실시예에 대한 상세한 설명은 예시로서 본 명세서에 나타나고, 참조 도면으로 제한되지 않는다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따라 구성된 전기 기계 시스템이 일반적으로 2로 표시된다. 전기 기계 시스템(2)은 기계 하우징(6)을 갖는 전기 모터(4)의 형태로 도시된 교류(AC) 전기 기계를 포함한다. 기계 하우징(6)은 기계 부분(9)과 스위치 부분(12)을 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 기계 부분(9)은 복수의 권선(20)을 갖는 고정자 어셈블리(17)을 포함한다. 권선(20)은 AC 전기 모터(4)에 대한 다수의 위상을 정의한다. 보다 구체적으로, AC 전기 모터(4)는 다중 위상 AC 전기 모터로 구성된다. 기계 부분(9)은 또한 출력축(34)에 동작적으로 결합된 로터 허브(32)를 갖는 로터 어셈블리(30)을 포함하는 것으로 도시된다. 이 시점에서, 예시적인 실시예에 따른 전기 기계는 전기 모터(즉, 기계적 출력을 생성하기 위해 전류 입력이 제공되는 전기 기계) 또는 발전기(즉, 전류로 변환되는 기계적 입력이 제공되는 전기 기계)의 형태를 취할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

예시적인 실시예에 따라, 기계 하우징(6)의 스위치 부분(12)은 고정자 어셈블리(17)에 전기적으로 연결되는 스위치 어셈블리(40)를 포함한다. 스위치 어셈블리(40)는 제1 고전압 전도체(48)에 의해 고정자 어셈블리(17)의 제1 위상 권선(별도로 표기되지 않음)에 전기적으로 연결되는 제1 스위치 부재(43), 제2 고전압 전도체(49)에 의해 고정자 어셈블리(17)의 제2 위상 권선(별도로 표기되지 않음)에 전기적으로 연결되는 제2 스위치 부재(44), 및 제3 고전압 전도체(50)에 의해 고정자 어셈블리(17)의 제3 위상 권선(별도로 표기되지 않음)에 전기적으로 연결되는 제3 스위치 부재(45)를 포함한다. 스위치 부재들(43 내지 45)은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 정류기, 커패시터, 인덕터 등의 형태를 취한다. 이 시점에서, 오직 3개의 스위치 부재만이 도시되었지만, 스위치 부재의 수, 위치 및 유형이 변할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. "고전압"은 AC 전기 모터(4)와 전원 사이에 공유되는 임의의 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 일 예시적인 양태에 따라, "고전압"은 대략 100 볼트와 대략 1000 볼트 사이의 범위에 있는 전압이다. 전압은 전기 기계가 발전기 모드로 동작할 때 스위치 어셈블리(40)에 전달되거나, 전기 기계가 모터 모드로 동작할 때 스위치 어셈블리(40)에 의해 공급되는 전압을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 일반적으로, 전압은 전기 기계와 스위치 어셈블리(40) 간에 교환되어, 기계적 상태와 전기적 상태 간에 에너지의 변환을 야기하는 에너지를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 스위치 어셈블리(40)는 기계 하우징(6)에 제공되는 제1 전력 단자(53) 및 제2 전력 단자(54)에 전기적으로 연결된다. 전력 단자들(53 및 54)은 제1 고전압 전도체(56) 및 제2 고전압 전도체(57)에 의해 스위치 부재(43 내지 45)에 전기적으로 연결된다. 예시적인 실시예에 따라, 전도체들(48 내지 50 및 56 및 57)은 기계 하우징(6) 내에 정렬된다. 전력 단자들(53 및 54)은 또한 고전압 케이블들(67 및 68)에 의해 각각, 대략 100 볼트 이상의 정격 전압을 갖는 고전압 배터리(64)의 형태로 도시된, 직류(DC) 전력원(62)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 도시된 예시적인 실시예에서, AC 전기 모터(4)는 DC 전력원(62)에 의해 전력이 제공된다.

전기 기계 시스템(2)은 스위치 어셈블리(40)에 전기적으로 연결된 제어기(78)을 포함하는 것으로 도시된다. 제어기(78)는 스위치 부재들(43 내지 45)을 전기적으로 활성화(개방/폐쇄)하여, DC 전력원(62)으로부터의 DC 전류를 다중 위상 AC 전류로 변환하여, 이를 AC 전기 모터(4)에 동력을 공급하는데 이용한다. 제어기(78)는 AC 전기 모터(4)로부터 멀리 떨어진 제어기 하우징(80) 내에 정렬된다. 제어기 하우징(80)은 AC 전기 모터(4)에 제어기(78)를 전기적으로 연결하는 제어 단자(83)를 포함한다. 보다 구체적으로, 제어기(78)는 기계 하우징(6)에 제공되는 제어 단자 요소(87)와 제어 단자(83) 사이에 확장되는 저전압 케이블(85)에 의해 스위치 어셈블리(40)로 링크된다. "저전압"은 스위치 부재들(43 내지 45)의 상태 변경(예컨대, 개방/폐쇄)을 달성하기 위해 이용되는 스위치 어셈블리(40)와 제어기(78) 사이에 공유되는 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 예시적인 실시예의 일 양태에 따라, "저전압"은 대략 0 볼트보다 큰 전압과 대략 99 볼트 사이의 범위에 있는 전압으로 구성된다. 전기 기계 시스템(2)은 또한 제어기(78)에 전기적으로 연결된 모터 제어 모듈(89)을 포함한다. 모터 제어 모듈(89)은 AC 전기 모터(4)의 원하는 동작 속도를 확립한다. 제어기(78)는 또한 액세서리 제어 모듈을 포함할 수도 있는 추가적인 제어 입력(92) 또는 토크, 속도, 전력 등과 같은 다른 차량 동작 파라미터에 링크된 것으로 도시된다.

전기 기계 시스템(2)이 냉각 시스템(120)을 포함하는 것으로 더욱 도시된다. 냉각 시스템(120)은 냉각재 입력 포트(124) 및 냉각재 출력 포트(130)을 포함하고, 이들은 기계 하우징(6)에 유동적으로 연결된다. 냉각재 입력 포트(124)는 공기, 오일, 물, 글리콜 혼합물 등과 같은 냉각재(140)가 AC 전기 모터(4)의 스위치 부분(12)을 향하도록 한다. 냉각재(140)는 각각의 스위치 부재(43 내지 45)로부터의 열을 흡수하도록 스위치 어셈블리(40) 가까이에 열 전도적으로 전달된다. 그런 다음, 냉각재(140)는 기계 하우징(6)의 기계 부분(9)을 향해 흐른다. 냉각재(140)는 로터 허브(32) 상으로 그리고 로터 라미네이션(별도로 표기되지 않음) 상으로 흐른다. 대안적으로, 냉각재(140)는 냉각재 재킷(도시되지 않음)을 통해 로터 라미네이션(별도로 표기되지 않음) 및/또는 고정자 어셈블리(17) 가까이에 열 전도적으로 냉각재(140)를 전달하는 것과 같이, 기계 부분(9)으로부터의 열을 간접적으로 흡수할 수 있다. 냉각재(140)는 냉각재 출력 포트(130)를 통해 기계 하우징(6)에서 옮겨지기 전에 로터 어셈블리(30) 및 고정자 어셈블리(17)로부터의 추가적인 열을 흡수한다. 그런 다음, 냉각재(140)는 그 열을 제거하기 위해 열 교환기를 지나가고, AC 전기 기계(4)로 재도입된다. 대안적으로, 냉각재(140)는 다른 디바이스에 전달될 수 있다.

이 시점에서, 예시적인 실시예는 AC 전기 기계의 모터 컴포넌트 및 스위치 어셈블리 양자 모두에 냉각재를 보내는 냉각 시스템을 통합함으로써 다수의 냉각 시스템에 대한 필요성을 제거한다는 것이 이해되어야 한다. 예시적인 실시예에서, 스위치에 대한 냉각 요건은 전기 기계의 기계 부분들(예컨대, 고정자 및 회전자)을 냉각하는데 이용되는 동일한 냉각재에 의해 만족된다. 이런 식으로, 스위치 어셈블리를 위한 제어는 스위치 부재 그 자체로부터 멀리 장착될 수 있다.

본 발명이 예시적인 실시예 및 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 행해지고 등가물이 이들의 요소를 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 많은 수정이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 가르침을 특정 상황 또는 물질에 적용하도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 최적 모드로 고려된 것과 같은 개시된 특정한 실시예로 제한되지 않지만, 본 발명은 특허 청구의 범위에 속하는 모든 실시예들을 포함할 것이 의도된다.

Claims

전기 기계 시스템에 있어서,
기계 부분과 스위치 부분을 갖는 기계 하우징, 상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 고정적으로 장착된 고정자(stator), 상기 고정자에 관하여 회전적으로 장착된 회전자(rotor), 및 상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분 내에 정렬되고 상기 고정자에 전기적으로 연결된 스위치 어셈블리를 포함하는 교류(alternating current; AC) 전기 기계;
상기 스위치 어셈블리를 통해 상기 고정자에 전기적으로 연결된 직류(direct current; DC) 전력원; 및
상기 AC 전기 기계에 유동적으로 연결된 냉각 시스템 - 상기 냉각 시스템은 상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분에 있는 상기 스위치 어셈블리 가까이에 열 전도적으로, 그리고 상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 있는 상기 고정자 및 상기 회전자 중 적어도 하나 가까이에 열 전도적으로, 냉각재의 흐름을 보냄 -
을 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분에 유동적으로 연결된 냉각재 입력 포트 및 상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 유동적으로 연결된 냉각재 출력 포트를 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 냉각재는 오일을 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 냉각재는 글리콜을 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 AC 전기 기계는 다중 위상 전기 모터인 것인 전기 기계 시스템.
제5항에 있어서, 상기 스위치 어셈블리는 상기 다중 위상 전기 모터의 제1 위상을 확립하는 제1 스위치 부재(switch member), 상기 다중 위상 전기 모터의 제2 위상을 확립하는 제2 스위치 부재, 및 상기 다중 위상 전기 모터의 제3 위상을 확립하는 제3 스위치 부재를 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서,
제어기 하우징에 정렬된 제어기를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 기계 하우징으로부터 멀리 떨어져 있고,
상기 제어기는 저전압 전기 케이블을 통해 상기 스위치 어셈블리에 전기적으로 연결되는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기에 전기적으로 연결된 모터 제어 모듈을 더 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 DC 전력원은 배터리인 것인 전기 기계 시스템.
제9항에 있어서, 상기 배터리는 100 볼트 이상의 정격 전압을 갖는 고전압 배터리인 것인 전기 기계 시스템.
교류(AC) 전기 기계로서,
기계 부분과 스위치 부분을 갖는 기계 하우징;
상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 고정적으로 장착된 고정자;
상기 고정자에 관하여 회전적으로 장착된 회전자;
상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분 내에 정렬되고 상기 고정자에 전기적으로 연결된 스위치 어셈블리; 및
상기 AC 전기 기계에 유동적으로 연결된 냉각 시스템 - 상기 냉각 시스템은 상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분에 있는 상기 스위치 어셈블리에, 그리고 상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 있는 상기 고정자 및 상기 회전자 중 적어도 하나에 냉각재의 흐름을 보냄 -
을 포함하는 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 기계 하우징의 상기 스위치 부분에 유동적으로 연결된 냉각재 입력 포트 및 상기 기계 하우징의 상기 기계 부분에 유동적으로 연결된 냉각재 출력 포트를 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 냉각재는 오일을 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 냉각재는 글리콜을 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서, 상기 AC 전기 기계는 다중 위상 전기 모터인 것인 교류(AC) 전기 기계.
제15항에 있어서, 상기 스위치 어셈블리는 상기 다중 위상 전기 모터의 제1 위상을 확립하는 제1 스위치 부재, 상기 다중 위상 전기 모터의 제2 위상을 확립하는 제2 스위치 부재, 및 상기 다중 위상 전기 모터의 제3 위상을 확립하는 제3 스위치 부재를 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서,
제어기 하우징에 정렬된 제어기를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 기계 하우징으로부터 멀리 떨어져 있고,
상기 제어기는 저전압 전기 케이블을 통해 상기 스위치 어셈블리에 전기적으로 연결되는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제17항에 있어서,
상기 스위치 어셈블리를 통해 상기 고정자에 전기적으로 연결된 직류(DC) 전력원을 더 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.
제18항에 있어서, 상기 DC 전력원은 대략 100 볼트 이상의 정격 전압을 갖는 고전압 배터리인 것인 교류(AC) 전기 기계.
제11항에 있어서,
상기 제어기에 전기적으로 연결된 모터 제어 모듈을 더 포함하는 것인 교류(AC) 전기 기계.