KR20130138212A - 디스크식 원심 펌프 - Google Patents

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KR20130138212A
KR20130138212A KR1020137007029A KR20137007029A KR20130138212A KR 20130138212 A KR20130138212 A KR 20130138212A KR 1020137007029 A KR1020137007029 A KR 1020137007029A KR 20137007029 A KR20137007029 A KR 20137007029A KR 20130138212 A KR20130138212 A KR 20130138212A
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disk
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알렉스 크레비스턴
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

전기 기계 시스템은 하우징 내에 배치되는 전기 모터 및 오일 펌프를 포함한다. 오일 펌프는 전기 모터 내에서 회전축을 중심으로 한 패턴으로 오일을 분산시키도록 구성된다. 전기 기계 시스템을 작동시키는 전기 기계 시스템 작동 방법도 또한 개시된다.

Description

디스크식 원심 펌프{DISK STYLE CENTRIFUGAL PUMP}
예시적인 실시예는 전기 기계 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 디스크식 원심 펌프를 사용하여 오일 냉각을 실시하는 전기 기계에 관한 것이다.
가스비가 증가하고 소비자가 종래의 차량에 의해 유발되는 환경 충격을 더욱 인지하게 됨에 따라 전기 차량(Electric Vehicle; EV) 또는 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle; HEV)이 인기를 얻고 있다. EV 및 HEV 양자 모두는 배출물을 감소시키도록 추진을 위해 전력에 의해 동력을 공급받는 견인 모터(traction motor)를 이용한다.
작동 중에, 견인 모터는 견인 모터에 대한 손상을 회피하기 위해 반드시 제거되어야만 하는 열을 생성한다. 통상적으로, EV 및 HEV에 사용되는 파워 일렉트로닉스와 HEV에 사용되는 내연 기관은 물로 냉각된다. 따라서, 물은 또한 견인 모터를 직접 냉각하는 것으로 생각될 수 있다. 그러나, 어떤 용례에서는 오일 냉각이 선호될 수 있는데, 그 이유는 오일이 견인 모터의 내부 구성요소로부터의 열 제거를 위한 열적으로 효과적이고 비용 효율적인 해결책을 제공하기 때문이다. 견인 모터 냉각 기술을 향상시키는 것은 전기 모터의 증대된 작동 효율에 이르는 한가지 방법이다.
전기 모터 및 이 전기 모터를 수납하는 하우징 내에 배치되는 오일 펌프를 포함하는 전기 기계 시스템이 개시된다. 오일 펌프는 전기 모터 내에서 회전축을 중심으로 하는 패턴으로 오일을 분산시키도록 구성된다.
또한 전기 기계를 작동시키는 전기 기계 작동 방법이 개시된다. 전기 기계 작동 방법은 회전 디스크와 고정 디스크 사이의 공간으로 오일을 인출하기 위해 고정 디스크로부터 거리(D)만큼 공간을 둔 회전 디스크를 회전시키는 것을 포함한다. 전기 기계 작동 방법은 또한 회전 디스크에 커플링된 복수 개의 베인(vane)을 사용하여 전기 모터 내에서 회전축을 중심으로 하는 패턴으로 오일을 분산시키는 것을 포함한다.
아래의 설명은 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 첨부 도면을 참고하면, 유사한 요소들에는 동일한 도면 부호가 부여된다.
도 1은 전기 기계와 내부 냉각 오일 펌프를 구비하는 전기 기계 시스템을 도시한 도면이고,
도 2(도 2a 및 도 2b로 도시함)는 전기 기계 내에서 회전축을 중심으로 한 360도 패턴으로 오일을 분산시키도록 구성된 내부 오일 냉각 펌프의 양태를 도시한 도면이며,
도 3은 내부 오일 냉각 펌프의 다른 양태를 도시한 도면이고,
도 4는 전기 모터 및 내부 오일 냉각 펌프를 구비하는 전기 기계 시스템을 작동시키는 전기 기계 시스템 작동 방법의 일례를 보여주는 도면이다.
여기에서는 첨부 도면을 참고로 하여 제한이 아닌 예시로서, 개시된 장치 및 방법의 하나 이상의 실시예에 관한 상세한 설명을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 전기 기계 시스템은 도 1에서 전반적으로 도면 부호 2로 나타낸다. 전기 기계 시스템(2)은 하우징(3)을 포함한다. 하우징(3) 내에는 전기 모터(4) 형태로 도시한 전기 기계가 배치된다. 전기 모터(4)는 복수 개의 스테이터 권선(6)을 지닌 스테이터(5)를 포함한다. 스테이터(5)에 대한 내부는 복수 개의 로터 권선(8) 또는 영구 자석[부재(8)로도 나타냄]을 지닌 로터(7)이다. 스테이터 권선(6)에 의해 생성되는 회전 자기장은 로터 권선(8) 또는 영구 자석과 상호 작용을 일으켜 로터(7)가 회전하게 하도록 한다.
전기 기계 시스템(2)은 전기 모터(4)를 냉각하는 매체로서 오일을 사용한다. 추가로, 오일은 로터(7)와 같은 회전 구성요소를 윤활시키고 냉각하는 데 사용될 수 있다. 하우징(3)에 대한 내부는 오일 펌프(10)이다. 오일 펌프(10)는 오일 섬프(11)로부터 오일을 받아, 스테이터(5), 스테이터 권선(6), 로터(7) 및/또는 로터 권선(8)을 균일하게 냉각하는 분산 패턴으로 오일을 분산시킨다. 일실시예에서, 분산 패턴은 전기 모터(4)의 종축(즉, 회전축)을 중심으로 360도이다. 하우징(3)은 냉각 매체를 위한 외부 연결부를 요구하지 않는 수납형 냉각 시스템을 한정한다. 수납형 냉각 시스템은 신뢰성을 증대시키고 전기 기계 시스템(2)의 비용을 낮춘다.
오일 섬프(11)가 하우징(3)의 저부에 배치되는 오일 펌프(10)는, 하우징(3) 저부에서의 흡입이 주요 공동에 있는 전기 모터(4)로부터의 오일의 배출을 향상시키는 것을 도울 수 있다는 이점을 갖는다.
이제, 오일 펌프(10)의 양태를 도시한 도 2를 참고해야만 할 수 있다. 도 2a의 단면도에 도시한 바와 같이, 오일 펌프(10)는 고정 디스크(20)와, 고정 디스크(20)로부터 거리(D)만큼 공간을 둔 회전 디스크(21)를 포함한다. 회전 디스크(21)는 중앙 디스크(22)와, 중앙 디스크(22)로부터 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 블레이드 또는 베인(23)(팬 형상 블레이드 또는 베인 등)을 포함한다. 도 2b는 고정 디스크(21)에 대한 중앙 디스크(22)와 복수 개의 베인(23)을 보여주는 오일 펌프(10)의 측면도를 예시한다. 베인(23)의 선단은 고정 디스크(20)의 둘레를 넘어, 이 둘레까지, 또는 이 둘레보다 짧게 연장될 수 있다.
작동 중에, 고정 디스크(20)에 대한 중앙 디스크(22)의 회전은 고정 디스크(20)와 중앙 디스크(22) 사이에 진공 또는 저압을 형성하여, 오일 섬프(11)로부터 오일을 인출한다. 고정 디스크(20)와 중앙 디스크(22) 사이의 오일 텐션도 또한 오일 인출에 기여한다. 오일 인출이 계속될 때, 오일은 복수 개의 베인(23) 측으로 흐를 것이다. 오일은 복수 개의 베인(23)에 도달할 때에 회전 디스크(22)의 회전축을 중심으로 복수 개의 베인(23)에 의해 360도 패턴으로 분산될 것이다. 오일은 각각의 베인(23)으로 인한 스로잉(throwing) 또는 슬링(slinging) 작용에 의해 분산된다. 초기 진공이 오일 흐름을 확립하고 나면, 회전 디스크(21)에 의해 슬링되는 오일에 대한 원심력 및 유체 텐션 작용이 전체 오일 펌핑 작용을 향상시키는 데 기여한다. 추가로, 복수 개의 베인(23)은 오일 펌프(10)가 자흡(自吸)하는 것을 가능하게 한다.
360도 패턴에 추가하여, 오일은 전기 모터(4)의 종축을 따라 축방향으로 분산될 수 있다. 이러한 축방향 분산은 베인(23)의 일부 또는 모두의 단부 부분이 회전축에 대하여 각을 형성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 상기 각은 균일한 축방향 분산을 달성하도록 변경될 수 있다. 각진 베인(23) 대신에 또는 각진 베인(23)에 더하여, 분산 패턴을 변경하기 위하여 베인(23)의 선단에 의해 한정되는 둘레가 비원형이 되도록 하나 이상의 베인(23)이 상이한 길이를 가질 수 있다.
회전 디스크(21)는 상이한 실시예에서 다양한 방식으로 구동될 수 있다. 일실시예에서, 회전 디스크(21)는 로터(7)에 동축으로 커플링되어 로터(7)에 의해 직접 구동된다. 다른 실시예에서, 회전 디스크(21)는 기어, 체인 또는 풀리 및 벨트를 사용하는 구성 등에 의해 로터(7)에 의해 간접 구동된다. 다른 실시예에서, 회전 디스크(21)는 도 3에 도시한 바와 같은 보조 보터(30)에 의해 구동된다. 보조 모터(30)의 한가지 장점은, 로터(7)가 정지되거나 저속으로 선회하더라도 오일 펌프(10)가 냉각을 제공할 수 있다는 것이다. 일실시예의 보조 모터(30)에는 전력이 공급된다.
너무 적은 흐름 또는 너무 많은 흐름을 회피하기 위해 오일 흐름이 선택된 범위 내에 있는 것을 가능하게 하도록 오일의 흐름 제어가 제공될 수 있다. 흐름 제어는 보조 모터(30)의 속도를 변경하는 것에 의해 또는 고정 디스크(20)와 회전 디스크(21) 사이의 거리(D)를 변경하는 것에 의해 제공될 수 있다. 고정 디스크와 회전 디스크 사이의 간극을 변경하는 것은 도 3에 도시한 바와 같이 회전 디스크(21)에 커플링된 회전 디스크 액추에이터(31)를 사용하여 달성될 수 있다. 일실시예에서, 회전 디스크 액추에이터(31)는 전기 서보기구이다. 피드백 흐름 제어 루프를 제공하기 위해, 능동 회전 디스크 액추에이터(31)가 흐름 센서(32) 및/또는 속도 센서(33)에 커플링될 수 있다. 일실시예에서, 회전 디스크 액추에이터(31)는 고속에서 및/또는 높은 오일 압력에서 디스크를 이격시키도록 인출하는 스프링 하중식 디바이스와 같은 수동 디바이스이다.
이러한 점에서, 오일 펌프(10)가 스테이터(5)와 복수 개의 스테이터 권선(6)을 균일하게 냉각하기 위해 대칭형 360도 분산 패턴을 제공할 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 일실시예에서는, 오일 분산 패턴이 스테이터(5) 내에서 대칭이 되도록 로터(7)의 회전축이 회전 디스크(22)의 회전축과 거의 동일하다. 대칭형 냉각 패턴은 고온 지점이 형성되는 것을 회피하고, 이에 따라 전기 모터(4)의 구성요소가 겪는 응력을 줄인다.
전기 기계 시스템(2)은 하나 이상의 주요 오일 펌프(10)를 포함할 수 있다는 점도 또한 이해해야만 한다. 일실시예에서, 전기 기계 시스템(2)은 2개의 주요 오일 펌프(10)를 포함하는데, 균일한 냉각을 제공하도록 하나의 주요 오일 펌프(10)는 로터(7)의 일단부에 배치되고 나머지 주요 오일 펌프(10)는 로터(7)의 타단부에 배치된다.
소정 구성에서, 전기 기계 시스템(2)은, 로터(7)가 정지되거나 매우 저속으로 회전하는 동안에 보조 오일 펌프가 기능할 것을 요구할 수 있다. 보조 오일 펌프는 도 1 내지 도 3에 도시한 주요 오일 펌프(10)와 유사한 특징을 갖는다. 보조 오일 펌프는 보조 모터(30)와 같은 모터를 사용하여 전기적으로 구동될 수 있으며, 동력이 공급되는 경우에는 언제든지 작동할 것이다. 대안으로서, 오일 흐름이 너무 적을 때에는 흐름 센서(32)에 의해 및/또는 회전 디스크(22)의 회전 속도가 너무 낮을 때에는 속도 센서(33)에 의해 보조 오일 펌프를 구동하는 전기 모터가 온으로 전환될 수 있다.
일반적으로, 전기 기계 시스템(2)이 EV 및 HEV 용례에서 사용될 때, 전기 모터는 전방 동작 및 반대 동작에 대한 양자의 방향으로 회전해야만 한다. 전기 기계 시스템(2)의 장점들 중 한가지는, 회전 디스크(22)가 양방향으로 회전할 때에 오일 펌프(10)가 오일 흐름을 제공한다는 것이다.
전기 기계 시스템(2)의 다른 장점은, 오일 펌프(10)를 작동시키는 데 요구되는 에너지가 최소이고, 회전 디스크(22)에 의한 오일의 가속 및 리프트와 주로 관련된다는 것이다. 오일 펌프(10)는 매우 저압에서 작동하고, 모두가 단일 부분으로 주조되거나 기계 가공될 수 있는 최소의 오일 통로를 갖는다.
하우징(3)에 대해 내부에 있는, 오일 펌프(10)를 갖는 전기 기계 시스템(2)은 도 3에 도시한 바와 같은 외부 보조 냉각 시스템(35)을 활용할 수 있는 시일형 오일 냉각식 모터 구성에 적합하다. 일실시예에서, 외부 보조 냉각 시스템(35)은 오일 섬프(11)에 있는 오일로부터 열을 제거하고, 이 열을 라디에이터와 같은 히트 싱크에 저장한다. 보조 냉각 매체의 비제한적인 일례는 물이다. 따라서, 외부 보조 냉각 시스템을 구비하는 전기 기계 시스템(2)에 필요한 유일한 외부 연결부는 전력용 연결부 및 보조 냉각 매체용 연결부이다.
도 4는 전기 기계 시스템(2)을 작동시키는 전기 기계 시스템 작동 방법(40)의 일례를 제시한다. 전기 기계 시스템 작동 방법(40)은 회전 디스크(21)와 고정 디스크(20) 사이의 공간으로 오일을 인출하기 위해 고정 디스크(20)로부터 거리(D)만큼 공간을 둔 회전 디스크(21)를 회전시키는 것(단계 41)을 필요로 한다. 또한, 전기 기계 시스템 작동 방법(40)은 복수 개의 베인(23)을 이용하여 전기 모터(4) 내에서 회전축을 중심으로 한 360도 패턴으로 오일을 분산시키는 것(단계 42)을 필요로 한다.
실시예들의 요소들이 단수 형태로 소개되었다. 이러한 단수 형태는 하나 이상의 요소가 있다는 것을 의미하는 것으로 의도된다. "포함한다" 및 "갖는다"라는 용어는 열거된 요소들 이외의 다른 요소가 있을 수 있다는 것을 의미하도록 포괄적인 것으로 의도된다. 접속사 "또는"은 2개 이상의 항목의 열거와 함께 사용될 때에 임의의 항목 또는 항목의 조합을 의미하는 것으로 의도된다. "커플링된다"라는 용어는 하나의 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 또는 하나 이상의 중간 구성요소를 통해 간접적으로 커플링되는 것에 관련된다.
예시적인 실시예 또는 실시예들을 참고로 하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위에서 벗어나는 일 없이 다양한 변형이 가능하고 본 발명의 요소를 등가물로 대체할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 기본적인 범위에서 벗어나는 일 없이 특정 조건 또는 재료를 본 발명의 교시에 맞추는 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라, 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 전기 기계 시스템으로서,
    하우징;
    하우징 내에 배치되고, 스테이터 및 로터를 포함하는 전기 모터; 및
    하우징 내에 배치되고, 전기 모터 내에서 회전축을 중심으로 한 패턴으로 오일을 분산시키도록 구성된 오일 펌프
    를 포함하는 전기 기계 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴은 360도 패턴인 것인 전기 기계 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 이 하우징 내에 오일을 시일하도록 구성된 것인 전기 기계 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 오일 펌프는 고정 디스크 및 이 고정 디스크로부터 거리(D)만큼 공간을 둔 회전 디스크를 포함하고, 상기 공간은 오일 섬프로부터 오일을 인출하도록 구성되는 것인 전기 기계 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전 디스크는 중앙 디스크 및 이 중앙 디스크로부터 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 베인(vane)을 포함하고, 복수 개의 베인은 상기 공간으로 인출된 오일을 분산시키도록 구성되는 것인 전기 기계 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 복수 개의 베인의 각각의 베인은 회전축에 대해 각을 이루는 것인 전기 기계 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 복수 개의 베인의 각각의 베인의 단부에 의해 한정되는 둘레는 비원형인 것인 전기 기계 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 회전 디스크는 전기 모터에 있는 로터에 의해 구동되는 것인 전기 기계 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 회전 디스크를 구동하도록 구성된 보조 모터를 더 포함하는 전기 기계 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 보조 모터는 변속 모터인 것인 전기 기계 시스템.
  11. 제4항에 있어서, 상기 거리(D)를 변경하도록 구성된 회전 디스크 액추에이터를 더 포함하는 전기 기계 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회전 디스크 액추에이터는 전기 서보기구를 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 회전 디스크 액추에이터는 수동 기계식 디바이스를 포함하는 것인 전기 기계 시스템.
  14. 제4항에 있어서, 상기 회전 디스크는 오일 섬프로부터 오일을 인출하여 오일을 분산시키도록 임의의 방향으로 회전하도록 구성되는 것인 전기 기계 시스템.
  15. 제4항에 있어서, 하우징에 대해 외부에 배치되고 하우징 내부의 오일로부터 열을 제거하도록 구성된 수냉각 시스템을 더 포함하는 전기 기계 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 수냉각 시스템은 오일 섬프에 있는 오일로부터 열을 제거하는 것인 전기 기계 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 로터가 정지되거나 저속으로 회전하는 경우에 오일을 펌핑하고 분산시키도록 구성된 다른 오일 펌프를 더 포함하는 전기 기계 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다른 오일 펌프는 다른 전기 모터에 의해 구동되는 것인 전기 기계 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 다른 전기 모터는 로터의 회전 속도를 감지하는 속도 스위치와 주요 오일 펌프를 통과하는 오일 흐름을 감지하는 흐름 스위치 중 적어도 하나에 커플링되는 것인 전기 기계 시스템.
  20. 전기 모터를 포함하는 전기 기계 시스템을 작동시키는 전기 기계 시스템 작동 방법으로서,
    회전 디스크와 고정 디스크 사이의 공간으로 오일을 인출하기 위해, 고정 디스크로부터 거리(D)만큼 공간을 둔 회전 디스크를 회전시키는 것; 및
    회전 디스크에 커플링된 복수 개의 베인을 사용하여 전기 모터 내에서 회전축을 중심으로 한 패턴으로 오일을 분산시키는 것
    을 포함하는 전기 기계 시스템 작동 방법.
  21. 제20항에 있어서, 전기 모터 내의 로터의 회전 속도와 오일의 유량 중 적어도 하나에 기초하여 거리(D)를 조정하는 것을 더 포함하는 전기 기계 시스템 작동 방법.
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