KR20170043636A

KR20170043636A - 전기 기계 엔드 턴 냉각 장치

Info

Publication number: KR20170043636A
Application number: KR1020177007636A
Authority: KR
Inventors: 월리 이. 리펠; 에릭 리펠
Original assignee: 프리펠 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-04-21
Also published as: US20180323676A1; DE112015004235T5; WO2016044570A1; JP2017535232A; JP6420471B2; KR101947292B1; US20160087509A1; CN107078569A

Abstract

전기 기계 고정자의 엔드 턴을 위한 냉각 구조. 냉각 구조는 복수 개의 층들을 포함하고, 상기 복수 개의 층들 중 하나의 층은 유체 통로의 일부를 형성하는 개구부를 구비한다.

Description

전기 기계 엔드 턴 냉각 장치{ELECTRIC MACHINE END TURN COOLING APPARATUS}

본 발명에 따른 실시 예들의 하나 이상의 양태들은 전기 기계들의 냉각에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다.

영구 자석(PM) 브러시리스(brushless) DC 기계들 및 유도 기계(IM, induction machine)들과 같은 브러시 되지 않은 기계들에서, 고정자(stator)는 적층된(laminate) 코어 스택 및 권취(winding)로 구성될 수 있다. 차례로, 적층된 코어 스택은 복수 개의 축 방향으로 지향된 슬롯들을 포함할 수 있으며, 이 슬롯들을 통해 전기 도체들이 배치되어 권취로 지칭되는 구조를 형성할 수 있다. 슬롯들 내부에 포함된 권취의 일부는 "활성 권취(active winding)"이라 지칭되고, 반면 코어의 외부에 있는 2개의 엔드 일부들은 "엔드 턴(end turn)들"로 지칭된다. 엔드 턴들은 활성 권취와 함께 전기 회로를 완성하는 요소들이다. 그 자체로, 엔드 턴들은 에너지 전환 또는 토크 생산에 기여하지 않지만, 전류 흐름의 제곱에 비례하는 열을 발생시키므로 생성된 토크의 제곱에 대략 비례한다. 4극 기계들의 경우, 각 엔드 턴은 전체 기계 손실의 대략 12%를 차지할 수 있다.

성능이 낮은 기계들의 경우, 권취 전류 밀도들은 400A/cm2 미만일 수 있다. 이 경우들에서, 활성 권취 및 엔드 턴 모두에서 생성된 열은 상대적으로 작을 수 있고, 고정자 하우징 위로 향하는 그다지 많지 않은 공기 흐름이 될 수 있으며, 엔드 턴들은 온도들을 안전한 값들로 제한하기에 충분한 열전달을 제공할 수 있다. 고성능 기계들에서 전류 밀도들은 1000A/cm2을 초과할 수 있고, 엔드 턴 열은 활성 권취로 흐르게 되고, 능동 권취 온도는 상승되고, 엔드 턴 온도는 활성 권취의 온도보다 충분히 높게 상승한다. 이는 기계의 고장을 초래한다.

따라서, 엔드 턴 냉각을 위한 효율적인 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수 개의 층들, 제 1 유체 통로의 일부를 형성하는 개구부를 구비하는 복수 개의 층들의 제 1 층, 및 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하기 위해 구성되는 구조를 포함하는 냉각 구조가 제공된다.

일 실시 예에서, 각각의 층은 적층물(lamination) 또는 권취 스트립(wound strip)의 턴이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들 중 어느 하나의 층은, 제 1 개구부, 제 2 개구부 및 제 3 개구부를 구비하고, 상기 제 1 개구부, 제 2 개구부 및 제 3 개구부는 동일한 크기 및 형상을 갖고, 상기 층을 따라 균일하게 이격된다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들 중 어느 하나의 층은, 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 구비하고, 상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부와 크기 및/또는 형상이 다르다.

일 실시 예에서, 상기 제 1 층은 제 1 개구부를 구비하고, 상기 복수 개의 층들 중 제 2 층은 제 2 개구부를 구비하고, 상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부와 크기 및/또는 형상이 다르다.

일 실시 예에서, 상기 구조는, 내부 또는 외부 원통형 표면, 및/또는 환형 엔드 표면을 구비하는 중공 원통이고, 상기 내부 또는 외부 원통형 표면 및 상기 환형 엔드 표면 둘 중 하나 또는 둘 모두는, 상기 엔드 턴과 열 접촉한다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 축 방향의 간극 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성된다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들은 권취 스트립을 포함하고, 상기 층들의 각각은 상기 권취 스트립의 복수 개의 턴들 중 하나이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들은, 제 1 권취 스트립 및 제 2 권취 스트립을 포함하고, 상기 제 2 권취 스트립은 상기 제 1 권취 스트립과 함께 권취되고, 상기 층들의 각각은 상기 제 1 권취 스트립의 턴 또는 상기 제 2 권취 스트립의 턴이다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 상기 개구부를 포함하고, 상기 구조는 상기 복수 개의 유체 채널들과 유체 소통하는 매니폴드 채널을 구비하는 매니폴드를 더 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 상기 개구부를 포함하고, 상기 구조는 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로 유체 유동을 안내하거나, 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로부터 유체 유동을 수용하도록 구성된 유동 디렉터를 더 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들은 복수 개의 교번하는 다른 크기의 개구부들을 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 개구부들의 각각은 다른 층에서의 2개의 개구부들과 오버랩한다.

일 실시 예에서, 상기 유동 디렉터는 복수 개의 층들 중 하나이고, 제 1 크기의 복수 개의 개구부들을 구비하고, 상기 유동 디렉터의 상기 개구부들 중 하나는, 상기 복수 개의 층들 중 하나의 상기 제 1 크기의 개구부에 정렬되고, 상기 복수 개의 층들 중 하나의 상기 제 1 크기의 다른 개구부는, 상기 유동 디렉터의 어떤 개구부에도 정렬되지 않는다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 제 1 매니폴드 채널을 구비하는 제 1 매니폴드와, 제 2 매니폴드 채널을 구비하는 제 2 매니폴드 채널을 구비하는 제 2 매니폴드를 포함하고, 상기 복수 개의 층들의 각각은 복수 개의 개구부들을 구비하고, 상기 복수 개의 층들의 상기 복수 개의 개구부들은, 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들 및 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방사상의 유체 통로들을 형성하고, 각각의 실질적으로 방위각의 유체 통로는, 한 쌍의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 한 쌍의 실질적으로 방사상의 유체 통로들을 연결하고, 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널을 연결하는 적어도 하나의 유체 경로는, 실질적으로 방위각의 유체 통로들 중 적어도 하나를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 방사상의 간극 전기 기계(radial-gap electric machine)의 엔드 턴을 냉각하도록 구성되고, 상기 엔드 턴은 외부 원통형 표면 및 내부 원통형 표면을 구비하고, 상기 구조는 상기 엔드 턴의 상기 외부 원통형 표면과 열 접촉하는 내부 원통형 표면을 구비하는 외부 냉각기 및 상기 엔드 턴의 상기 내부 원통형 표면과 열 접촉하는 외부 원통형 표면을 포함하는 내부 냉각기를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 구조는 제 1 매니폴드 채널을 구비하는 외부 매니폴드와, 제 2 매니폴드 채널을 구비하는 내부 매니폴드 채널을 포함하고, 상기 제 1 매니폴드 채널은 상기 외부 냉각기의 상기 유체 채널들과 유체 소통하고, 상기 제 2 매니폴드 채널은 상기 내부 냉각기의 상기 유체 채널들과 유체 소통한다.

일 실시 예에서, 상기 제 1 층의 상기 개구부는 상기 제 1 층에서의 홀이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 층들 중 제 3 층은, 제 2 유체 통로의 일부를 형성하는 제 3 개구부를 구비하고, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층 사이의 공극은, 상기 제 1 유체 통로 및 상기 제 2 유체 통로를 연결하는 제 3 유체 통로를 형성하고, 상기 제 3 유체 통로는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층에 실질적으로 평행하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기 기계는, 약 0.4W/m/ºC 보다 큰 열 전도율을 갖는 포팅 재료에 포트된 엔드 턴을 구비하는 고정자; 및 상기 엔드 턴과 열 접촉하는 냉각 구조를 포함하고, 상기 냉각 구조는 복수 개의 층들을 포함하고, 상기 복수 개의 층들 중 제 1 층은 제 1 유체 통로의 일부를 형성하는 개구부를 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 전기 기계는 상기 엔드 턴 및 상기 복수 개의 층들의 하나의 층 사이에 유전체 장벽을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기 기계는, 제 1 유체 통로를 구비하는 열 전달 구조를 포함하고, 상기 냉각 구조는 축에 대해서 회전하도록 구성된 로터를 구비하는 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성되고, 상기 제 1 유체 통로의 일부는 상기 축에 평행하지 않는다.

일 실시 예에서, 상기 열 전달 구조는, 복수 개의 제 1 구멍들; 복수 개의 제 2 구멍들; 상기 복수 개의 제 1 구멍들 중 하나에 엔드를 구비하는 제 2 유체 통로; 상기 복수 개의 제 2 구멍들 중 하나에 엔드를 구비하는 제 3 유체 통로; 및 복수 개의 제 4 유체 통로들을 구비하고, 상기 제 4 유체 통로들은, 상기 제 2 유체 통로 및 상기 제 3 유체 통로를 연결한다.

일 실시 예에서, 상기 제 4 유체 통로들은, 안쪽 체적, 안쪽 표면, 및 2 cm보다 작은 길이를 구비하고, 상기 제 4 유체 통로들의 상기 안쪽 체적에서 각각의 포인트에 대해, 상기 제 4 유체 통로의 상기 안쪽 표면 상의 가장 가까운 포인트까지의 거리는 1 mm보다 작다.

일 실시 에에서, 상기 구조는, 상기 제 1 구멍들의 각각에 직접적으로 연결된 제 1 매니폴드 유체 채널을 구비하는 제 1 매니폴드; 및 상기 제 2 구멍들의 각각에 직접적으로 연결된 제 2 매니폴드 유체 채널을 구비하는 제 2 매니폴드를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 장점들은 명세서, 청구범위 및 첨부된 도면들을 참조하여 설명되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴(end turn) 냉각용 시스템을 구비한 전기 기계 고정자(stator)의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 층진(layered) 냉각 구조의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴 냉각용 시스템을 구비한 전기 기계 고정자의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터, 고정자 및 엔드 턴들을 냉각하기 위한 시스템을 구비한 전기 기계의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2개의 함께 권취된 스트립들의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴 냉각 시스템을 구비한 전기 기계 고정자의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴 냉각 시스템을 구비한 전기 기계 고정자의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴 및 고정자 코어 냉각 시스템을 구비한 전기 기계 고정자의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 턴 냉각을 위한 냉각 구조의 사시도이다.

첨부된 도면들과 관련하여 이하에서 설명될 상세한 설명은, 본 발명에 따라 제공된 전기 기계 엔드 턴(106, end turn) 냉각 장치의 예시적인 실시 예들에 대한 설명이고, 본 발명이 구성되거나 이용되는 유일한 형태들을 나타내는 것이 아니다. 설명은 예시적인 실시 예들과 관련하여 본 발명의 특징들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 의도된 다른 실시 예들에 의해, 동일하거나 등가의 기능들 및 구조들이 달성될 수 있음이 이해된다. 본원의 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 동일한 부재번호들은 동일한 요소들 또는 특징들을 나타내기 위한 것이다.

전기 기계들의 연속적인 전력 소요량(power rating)은 중요한 요소들의 온도 상승에 의해 결정될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 기계 엔드 턴들은 임계 온도 상승에 도달하는 첫 번째 요소들이다. 이러한 경우들에서. 엔드 턴 냉각이 향상 됨에 따라, 기계의 연속적인 전력 소요량이 향상될 수 있어서, 경제적 이익을 얻을 수 있다. 도 1을 참조하면, 일 실시 예에서 전기 기계 고정자(102, electric machine stator)는 엔드 턴(106)을 구비하는 고정자 권취(stator winding)가 권취되는 고정자 코어(105, stator core)를 형성하는 복수 개의 스택된(stack) 고정자 적층물(104, stator lamination)들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 고정자(102, stator)는 적층물들의 스택(stack of laminations) 대신 권취 스트립(wound strip)으로 형성된다.

각각의 엔드 턴(106)은 열전도성 포팅 재료(108, potting material)(예를 들어, 도 1에 파손되어 도시된 바와 같이, 포팅 재료 내부에 내장된 엔드 턴(106)을 드러내기 위한 알루미늄 산화물 충전 에폭시(aluminum oxide-filled epoxy) 또는 다른 수지와 같은 열전도성 포팅 재료)를 포함하고, 포팅 재료는 엔드 턴(106)들 및 매니폴드(manifold)들 사이의 낮은 열 저항 접촉을 확립하기 위해 더해진다. 엔드 턴(106)은, 일부 관련된 기술 엔드 턴(106)들에 존재하는 방사상의 팽창부(bulge)를 구비하는 것과 반대로, 원통 형상의 외부 표면을 갖도록 형성될 수 있다. 열 전도성 포팅 수지(108)는 압력 하에서 인가되어 액티브 슬롯 영역 내로 가압되어, 권취의 활성 부분 및 고정자 코어(105) 사이의 열 저항을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 포트된(pot) 엔드 턴(106)은 외부 원통형 표면(110), 환형 엔드 표면(112) 및 내부 원통형 표면(114)을 갖는 중공 원통 또는 튜브의 형상을 구비한다. 냉각 구조 하우징(118) 및 복수 개의 냉각 적층물들(120)을 포함하는 냉각 구조(116)는, 엔드 턴(106)의 외부 원통형 표면(110) 위에 끼워진다. 냉각 구조(116)는, 엔드 턴(106) 및 냉각 구조(116) 사이의 양호한 열 접촉을 보장하는 방식으로 엔드 턴(106)과 조립된다. 예를 들어, 냉각 구조(116)는 포트된 엔드 턴(106)에 단단히 끼워질 수 있거나, 또는 엔드 턴(106)은 포팅 수지(108)가 냉각 구조(116)에 직접적으로 접촉하도록 냉각 구조(116)와 함께 제 위치에 포트될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 양호한 열 접촉을 제공하기 위해 냉각 구조 하우징(118) 및 엔드 턴(106) 사이에 열 그리스(thermal grease)가 사용된다. 작동 중에, 열은 엔드 턴(106)의 도체들로부터 포팅 수지(108)를 통해 냉각 구조(116)로 흐른다. 냉각 유체는 냉각 구조(116)를 통해 흐르고, 냉각 구조(116)를 냉각하고, 차례로 엔드 턴(106)을 냉각한다.

냉각 적층물들(120)은 4개의 타입들의 환형 요소들일 수 있고, 이는 타입 A 적층물들(120a), 타입 B 적층물들(120b), 타입 C 적층물들(120c) 및 타입 D 적층물들(120d)로 언급된다(총칭하여 냉각 적층물들(120)이고, 함께 냉각 요소(121)를 형성함). 각각의 적층물은 복수 개의 구멍(aperture)들을 구비한다. 각각의 A 타입 적층물은 복수 개의 넓은 구멍들을 구비한다(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 12개의 넓은 구멍들). 웹(129, web)은 넓은 구멍들(122)의 각 쌍을 분리시킨다. 각각의 적층물은, 냉각 적층물들(120)의 서로에 대한 방위각 정렬을 유지하기 위해 냉각 구조 하우징(118, cooling structure housing)의 외부 원통 벽의 안쪽 표면(interior surface) 상의 대응하는 리지(ridge)와 맞물리는 정렬 노치(126, alignment notch)를 또한 구비할 수 있다. 각각의 타입 B 적층물은 복수 개의 좁은 구멍들(128)(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 12개의 좁은 구멍들(128))을 구비한다. 각각의 타입 B 적층물(120b)의 각각의 구멍은 인접한 타입 A 적층물(120a)의 웹(129)을 가로지르므로(straddle), 각각의 타입 B 적층물(120b)의 각각의 구멍은 타입 A 적층물(120a)의 2개의 구멍들과 오버랩(overlap)한다. 타입 C 적층물(120c)은 좁은 구멍들(128)을 구비하고, 타입 B 적층물(120b)과 같은 다수의 좁은 구멍들(128)을 구비할 수 있다. 유사하게, 타입 D 적층물(120d)은 또한 좁은 구멍들(128)을 가지고, 타입 B 적층물(120b)과 같은 다수의 좁은 구멍들(128)을 절반만큼 가질 수 있다. 타입 C 적층물(120c) 및 타입 D 적층물(120d)은 (예를 들어, 각각의 정렬 노치들의 배치의 결과로서) 상이한 방위각 방향을 가지므로, 타입 D 적층물(120d)의 각 구멍은 타입 C 적층물(120c)의 어떠한 구멍에도 정렬하지 않는다. 도 1은 일 실시 예의 요소들의 상대적인 배열을 도시하고, 일정한 비율로 그려지지 않는다. 각각의 적층물은 외부 하우징 벽(306, 도 3)의 내부 직경 내에서 단단히 끼워지거나 끼워 맞춤(interference fit)되는 외부 직경과, 내부 하우징 벽(308, 도 3)의 외부 직경 상에 단단히 끼워지거나 끼워 맞춤되는 내부 직경을 가질 수 있다. 그 다름, 적층물들은 냉각 구조 하우징(118)에 압착되어(force fit), 냉각 구조 하우징(118)에 적층물들을 고정할 수 있고, 또한 예를 들어 내부 하우징 벽(308) 및 적층물들 사이에 양호한 열 접촉을 형성할 수 있다. 냉각 구조 하우징(118) 내에 하나 이상의 레지스터(register)들(예를 들어, 외부 하우징 벽(306)의 내경의 스텝(step))은 적층물 스택이 조립(assembly) 동안 접할(abut) 수 있는 정지부로서 기능할 수 있고, 적층물 스택의 축 방향 위치를 냉각 구조 하우징(118) 내에 세울(establish) 수 있다. 또한 적층물들은 예를 들어 조립 전에 적층물들의 표면들에 적절한 결합제(bonding agent)를 도포함으로써 서로 결합될 수 있다. 일 실시 예에서, 냉각 구조 하우징(118) 및 적층물들은 모두 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다.

단순화를 위해, 오직 2개의 타입 A 적층물들(120a) 및 1개의 타입 B 적층물(120b)이 도 1에 도시된다. 다른 실시 예들에서, 타입 C 적층물(120c)과 타입 D 적층물(120d) 사이에, 교번하는(alternate) 타입 A 적층물들(120a) 및 타입 B 적층물(120b)의 추가적인 쌍들이 포함될 수 있다. 타입 B 적층물들(120b)의 구멍들(128)은 복수 개의 실질적으로 축 방향 유체 통로들(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 12개의 실질적으로 축 방향 유체 통로들)을 형성한다. 이러한 실질적으로 축 방향 유체 통로들은 웹(129)에 의해 각각 타입 A 적층물(120a)에서 부분적으로 막힐(obstruct) 수 있고, 타입 B 적층물의 구멍들(128)이 웹들(129) 보다 현저하게 넓은 경우, 수용할 수 없는 헤드 손실(head loss)을 초래하지 않을 수 있다. 임의의 2개의 인접한 실질적으로 축 방향 유체 통로들은, 타입 A 적층물(120a)의 넓은 구멍들(122) 중 하나에 의해 각각 형성된 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로(azimuthal fluid passage)들에 의해 연결된다. 일 실시 예에서, 고정자 코어(105) 및 타입 D 적층물(120d) 사이의 간극은, 유체를 타입 D 적층물(120d)의 구멍들을 통해 실질적으로 축 방향 유체 통로들의 절반(half)으로 하나씩 번갈아(every other one) 공급하는 제 1 유체 채널을 형성한다. 따라서, 고정자 코어(105)와 타입 D 적층물(120d) 사이의 간극은, 입구 매니폴드(inlet manifold)(냉각 구조 하우징(118)의 외벽 및 내벽, 고정자 코어(105)의 환형 엔드 표면 및 타입 D 적층물(120d)에 의해 정의됨)의 유체 채널을 형성한다. 동일한 간극은 또한 고정자 코어(105)에 대한 입구 매니폴드로서 작용할 수 있고, 고정자 코어(105)는 고정자(102)를 냉각하기 위해 고정자 코어(105) 내에 유체 채널들을 형성하는 구멍들(예를 들어, 구멍들(107))을 포함할 수 있다. 또한, 냉각 구조 하우징(118)은 타입 C 적층물(120c)의 구멍들을 통해 이러한 실질적으로 축 방향 통로들의 절반으로부터 하나씩 번갈아(every other one) 유체를 수용하는 둘레 방향의 제 2 유체 채널을 포함한다. 유체는 방사상의 하우징 포트(130, radial housing port)를 통해 냉각 구조 하우징(118)으로 유동할 수 있고, 냉각 요소(121)를 통해 유동한 후에 2개의 축 방향 엔드 벨 포트(132, axial end bell port)들을 통해 냉각 구조 하우징(118) 밖으로 유동한다. 전기 기계의 유동 순환로(flow circuit)들은 아래에서 더 자세히 설명된다. 다른 실시 예에서, 유체는 반대 방향으로 흐르고, 유체는 타입 D 적층물(120d)의 구멍들을 통해 실질적으로 축 방향 유체 통로들에 공급되고, 유체는 타입 C 적층물(120c)의 구멍들을 통해 실질적으로 축 방향 유체 통로들로부터 수용된다. 다른 실시 예에서, 냉각 구조(116)는 액체 냉각제와 냉각 구조 하우징(118) 사이의 열 임피던스(thermal impedance)를 감소시키기 위해 적층물들(12)과 다른 특징들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀접하게 이격된 핀(fin)들 또는 "마이크로 핀"들과 같은 핀들은, 냉각 구조 하우징(118)의 내부 표면 영역(internal surface area)을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 냉각 구조 하우징(118)은, 추가의 내부 형상들을 구비하지 않고, 냉각 구조 하우징(118)의 (부드러운) 내부 표면은 열이 냉각 유체로부터 냉각 구조(116)로 전달되게 하는 표면으로서 작용한다(본 실시 예에서 냉각 구조 하우징(118)으로 간단히 구성된다.).

도 2는 일 실시 예에서 냉각 구조(116) 내부의 유동 패턴을 도식적으로 나타낸다. 도 2의 냉각 구조는 입구 매니폴드(202, inlet manifold), 냉각 요소(121) 및 출구 매니폴드(206, outlet manifold)를 포함한다. 냉각 요소(121)는 실질적으로 축 방향 통로들(204) 및 실질적으로 방위각의 유체 통로들(122)의 네트워크를 포함한다(즉, 실질적으로 방위각의 유체 통로는 넓은 구멍(122)에 의해 형성된다). 타입 D 적층물(120d)의 구멍들(128)은 냉각 요소(121)로의 입구 포트들로서 작용하고, 유체를 입구 매니폴드(202)로부터 실질적으로 축 방향 유체 통로들(204)의 제 1 서브세트(예를 들어, 절반)으로 안내한다. 타입 C 적층물(120c)의 구멍들(128)은, 냉각 요소(121)로부터의 출구 포트들로서 작용하고, 유체를 실질적으로 축 방향 유체 통로들(204)의 제 2 서브세트(예를 들어, 다른 절반)으로부터 입구 매니폴드(206)으로 안내한다. 따라서, 타입 C 적층물(120c) 및 타입 D 적층물(120d)은 각각 유동 디렉터(flow director)일 수 있다. 실질적으로 축 방향 유체 통로들(204)의 각각이 입구 매니폴드(202) 또는 출구 매니폴드(206) 중 어느 하나에만 직접적으로 연결되기 때문에, 입구 매니폴드(202)로부터 출구 매니폴드(206)까지의 각각의 유체 경로(fluid path)는, 실질적으로 축 방향 유체 통로들(204)의 제 1 서브세트 중 하나를 따라 제 1 실질적으로 축 방향 부분(도 2에서 수직인 일부로 도시됨)에 연결되는 실질적으로 방위각의 유체 통로들(122) 중 하나를 따라 실질적으로 방위각의 일부(azimuthal portion)와, 실질적으로 축 방향 유체 통로들(204)의 제 2 서브세트 중 하나를 따라 제 2 실질적으로 축 방향 부분(도 2에서 수직인 일부로 도시됨)을 포함한다.

실질적으로 방위각의 유체 통로들(122)은 작은 축 방향 치수(예를 들어, 약 0.2mm인 스트립의 두께와 동일한 축 방향 치수)를 구비할 수 있고, 결과적으로 실질적으로 방위각의 유체 통로들(122)을 통한 유체의 대응하는 유동은 유체 및 적층물들(120) 사이에 효율적인 열 전달을 초래할 수 있다. 축 방향 통로들(204)은 예시된 바와 같이 엄격하게 축 방향일 필요는 없고, 예를 들어 나선형(helical)일 수 있다.

실질적으로 방위각의 유체 통로들의 치수들은 냉각 유체 및 적층된 냉각 요소(121) 사이의 낮은 열 임피던스를 위해 선택된다. 냉각 유체의 유한한 열 전도율은, 냉각 통로 폭의 감소(예를 들어, 적층물 두께의 감소)에 따라 감소하는 (냉각제를 통과하는 열 흐름에 대응하는) 열 임피던스의 제 1 성분이 된다. 냉각제의 유한한 열 매스(thermal mass)는 열 임피던스의 제 2 성분이 된다. 상기 제 2 성분은 유속(flow rate)에 반비례하고, 일정한 헤드 손실을 위해, 냉각 통로 길이의 감소(예를 들어, 타입 A 적층물들(120a)의 구멍들(122)의 폭이 감소)함에 따라 감소한다. 따라서, 냉각 통로들의 폭은 냉각제 압력(헤드 손실), 냉각 통로들의 길이, 냉각제의 점도, 냉각제의 비열 및 냉각제의 열 전도성의 함수(function)로 선택될 수 있다. 예를 들어, 변압기 오일이나 자동 변속기 유체(ATF)와 같은 저점도 오일이 70kPa(10psi) 정도의 헤드 손실로 냉각 유체로 사용되고, 냉각 통로들의 길이가 1cm 정도면, 0.12mm 내지 0.50mm(0.005'' 내지 0.020'') 범위의 냉각 통로 폭이 사용될 수 있다. 냉각 요소(121)에서 적층물들(120)의 수를 증가시키는 것은 소정의 유체 유속에 대한 헤드 손실을 감소시킬 수 있고(그렇게 함으로써 축 방향 통로들의 임의의 쌍 사이에 평행한 유동 경로들을 제공하는 방위각의 통로들의 수를 증가시키기 때문에), 또한 유체 및 냉각 요소(121) 사이의 열 임피던스를 감소시키고, 일정한 냉각제 유속을 가능하게 한다.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에서, 엣지-권취 스트립(302, edge-wound strip)은 적층물들의 스택 대신에 냉각 요소(121)로서 사용된다. 본원의 도면들은 비례에 맞지 않고, 예를 들어, 적층물들 또는 권취 스트립들(예를 들어 도 3의 권취 스트립)의 두께뿐만 아니라 엔드 턴들에 대한 냉각 구조들의 치수들은, 명확성을 위해 도면들에서 과장될 수 있다. 엣지 권취 스트립의 턴들(304)은 도 1에서 대응하는 적층물들의 기능과 유사한 기능을 수행하고, 적층물들 또는 권취 스트립의 턴들 중 어느 하나는 본원에서 "층(layer)"들로 지칭될 수 있는데, 이는 둘 모두를 포함하는 용어다. 타입 A 턴들(304a)은 웹(129)들에 의해 분리된 넓은 구멍들(122)을 구비하고, 타입 B 턴들(304b)은 2개의 인접한 타입 A 턴들(304a)의 각각 하나에 있는 2개의 웹들(129)을 가로지르는(straddle) 좁은 구멍들(128)을 구비한다. 타입 C 턴들(304c) 및 타입 D 턴들(304d)은 유동 디렉터들로 작용한다. 도 3에서, (도 1의 실시 예의 냉각 구조 하우징(118)과 유사할 수 있는) 냉각 구조 하우징(118)의 안쪽 구조가 보여진다. 냉각 구조 하우징(118)은 외부 하우징 벽(306), 내부 하우징 벽(308) 및 환형 하우징 엔드 벽(310, annular housing end wall)을 포함할 수 있다. 외부 하우징 벽(306) 및 내부 하우징 벽(308)은 고정자 코어(105)의 엔드 표면에 접할 수 있다. 냉각 구조 하우징(118) 및 고정자 코어(105) 사이에 가스킷이 설치되어 인터페이스에서 우수한 유체 밀봉을 제공할 수 있다. 밀봉을 유지하고 냉각 구조 하우징들(118)을 제 위치에 고정하는 것을 돕기 위해, 타이 로드(tie rod)들(도시되지 않음)이 2개의 냉각 구조 하우징들(118)을 함께 드로우(draw) 하는데 사용될 수 있다.

작동 중에, 냉각 유체는 도 1 및 도 2의 실시 예와 유사한 방식으로 유동할 수 있다. 유체는 제 1 턴(304d)에 의해 입구 유동 디렉터를 통해, (타입 B 턴들(304b)의 좁은 구멍들(128)에 의해 형성되는) 실질적으로 축 방향 유체 통로들의 세트의 제 1 서브세트 내로 유동할 수 있고, 이로부터 복수 개의 실질적으로 방위각의 통로들(122)을 통해 실질적으로 축 방향의 유체 통로들의 세트의 제 2 서브세트로 유동하고, 마지막 턴(304c)에 의해 형성되는 출구 유동 디렉터를 통과한다. 이러한 방식으로, 권취 스트립의 턴들은 도 1 및 도 2의 실시 예에서의 적층물들과 구조적으로 유사할 수 있다.

도 4를 참조하면, 일 실시 예에서, 냉각 구조는 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면뿐만 아니라, 엔드 턴(106)의 외부 원통형 표면 및 내부 원통형 표면 모두를 냉각시킨다. 냉각 구조는 도 4에 도시된 바와 같이, 엔드 턴들(106) 모두를 냉각시키기 위해 전기 기계의 엔드들 모두에서 사용될 수 있다. 외부 냉각기(401)는 제 1 냉각 요소(404)를 포함하는 제 1 냉각 구조 하우징(402)을 포함한다. 외부 냉각기(401)는 예를 들어, 도 1의 실시 예와 유사한 방식으로 엔드 턴(106)의 외부 원통형 표면을 냉각시킨다. 또한, 제 1 냉각 구조 하우징(402) 상의 제 1 플랜지(406)는 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면을 가로 질러 방사상 내측으로 연장하여 열 접촉하여 표면의 냉각을 제공한다. 내부 냉각기(407)는 (도 4에 도시된 바와 같이) 엔드 벨(408, end bell)일 수 있는 (또는 그것의 파트일 수 있는) 제 2 냉각 구조 하우징(408)을 포함한다. 제 2 냉각 구조 하우징(408)은 엔드 턴(106)의 내부 원통형 표면을 냉각시키는 제 2 냉각 요소(410)를 포함하고, 제 2 냉각 요소 하우징(408)은 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면의 추가적인 냉각을 제공하기 위해, 제 1 플랜지의 환형 표면을 가로질러 방사상으로 바깥쪽으로 연장하고 제 1 플랜지의 환형 표면과 열 접촉하는 제 2 플랜지(412)를 포함할 수 있다.

도 4의 전기 기계는 1개의 (예를 들어, 기계의 전방에 있는) 냉각제 입구(414, coolant inlet) 및 1개의 (예를 들어, 기계의 후방에 있는) 냉각제 출구(416, coolant outlet)를 포함하고, 각각은 2개의 평행한 냉각제 순환로들에 연결된다. 제 1 순환로는 고정자 코어(105)를 냉각한다. 고정자 코어(105)는 교번하여 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들을 갖는 복수 개의 적층물들과, 각각의 엔드 상에서 유동 디렉터로서 작용하는 1개의 적층물을 포함한다. 이러한 적층물들의 세트는 도 1의 냉각 요소(121)의 적층물들과 유사할 수 있다. 제 2 병렬 순환로에서, 냉각제는 기계의 전방에서 외부 냉각기(401)를 통해 엔드 벨(408)로 유동하고, 내부 냉각기(407)를 통하고, 그 다음 로터(415)를 통해 기계의 후방으로 유동하고, 내부 냉각기(407) 및 외부 냉각기(401)를 통해 유동하고, 냉각제 출구(416)로 향한다. 로터를 통해 유동하기 위해, 유체는 로터 샤프트의 제 1 축 방향 홀(419)에 커플링되는 제 1 로터리 유체를 통해 유동하고, 냉각 채널들(420)을 통해 로터 샤프트의 제 2 축 방향 홀(422)으로 유동하고, 기계 후방의 엔드 벨에 커플링된 제 2 로터리 유체를 통과한다. 로터(415)의 냉각 채널들(42)은 고정자 코어(105) 및 냉각 요소들(404, 410)의 냉각 채널들과 유사할 수 있고, 즉 로터의 적층물들에서 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들을 교번함으로써 형성될 수 있다. 각각의 로터리 유체 커플링(rotary fluid coupling)은 2개의 로터리 시일들(424, rotary seal)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부 하우징 벽의 내부 표면은 레지스터로서 작용하는 스텝(426, step)을 구비할 수 있어서, 냉각 요소(404)의 적층물들이 제 1 냉각 구조 하우징(402) 내로 가압될 때, 적층물들은 스텝(426)에 대해 접함으로써 축 방향으로 위치될 수 있다.

다른 실시 예들에서, 로터 및/또는 고정자(102)의 적층물들은, 도 1의 실시 예의 적층물들을 위한 도 3의 실시 예에서 권취 스트립의 대체와 유사한 방식으로 교번하는 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들(122)을 구비하는 권취 스트립 구조들로 대체될 수 있다.

도 5를 참조하면, 일 실시 예에서 2개의 함께 권취된 스트립들은 좁은 구멍들(128)을 구비하는 제 1 스트립(502) 및 넓은 구멍들(122)을 구비하는 제 2 스트립(504)을 포함하고, 스트립들은, 냉각 요소(121)를 형성하기 위해 권취 스트립의 교번하는 턴들 상에 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들을 갖는 단일 권취 스트립을 대체해서 사용될 수 있다. 그러한 실시 예에서, 제 1 스트립(502)의 엔드들에 2개의 턴들은, 남아있는 턴들과 같이 적은 구멍들(예를 들어, 다수의 구멍들의 절반)을 구비할 수 있고, 스트립의 엔드들에서 2개의 턴들은 유동 디렉터로서 작용할 수 있거나, 2개의 별개의 층들, 예를 들어, 환형 적층물들이 스트립들(502, 504)에 추가되어 유동 디렉터들로서 작용할 수 있다. 다른 실시 예에서, 제 1 스트립(502)은 스트립의 전체 길이를 따라 일정하게 이격된 구멍들을 구비할 수 있고, 제 1 스트립(502)은 제 2 스트립(504)보다 1개 더 많은 턴을 구비할 수 있어서, 함께 권취된 스트립들(502, 504)의 쌍들의 2개의 엔드들에서 턴들은 제 1 스트립(502)의 2개의 턴들이다. 제 1 스트립(502)의 엔드들에서의 2개의 턴들에 각각 커플링되는 2개의 매니폴드들은, 구멍들의 서브세트로 연장되어 구멍들의 서브세트를 차단하는 보스들 또는 직사각형 포스트들과 같은 형상들을 구비할 수 있어서, 차단되지 않은 구멍들로 구성된 서브세트가 실질적으로 축 방향 유체 통로들의 서브세트로 직접적으로 유동할 수 있다. 스트립의 엔드들에서 2개의 턴들의 조합 및 유동을 차단하기 위한 형상들은 냉각 요소(121)의 2개의 엔드들에서 유동 디렉터로서 작용한다.

도 6을 참조하면, 일 실시 예에서, 도 3에서 도시된 권취 스트립의 외경은, 외경(outer diameter)이 구멍들로 브레이크(break) 하는 지점까지 감소될 수 있고, 즉 도 3의 실시 예에서 좁은 구멍들(128)은 권취 스트립들의 외부 엣지들에서 컷아웃(cutout)들인 개구부들(602)이 되는 좁은 구멍들(128)이고, 각각의 개구부(602)는, 커브된 직사각형의 형상 또는 개구부의 폭에 대응해서 스트립의 길이를 따라 스트립의 외경 감소의 형상이다. 타입 A 턴들(604a)(도 3의 실시 예에서 넓은 구멍들(122)을 갖는 턴들(304a)에 대응함)은 감소된 외경을 구비한다. 이는 외부 하우징 벽(306)의 내부 표면과 함께 타입 B 턴들의 각 쌍 사이에 공극(void)을 초래하고, 실질적으로 방위각의 냉각 통로들의 세트를 형성하고, 실질적으로 방위각의 냉각 통로들은 도 1 및 도 2의 냉각 통로와 유사한 것이다. 도 6의 실시 예에서, 실질적으로 축 방향 냉각 통로들은 타입 B 턴들(604b)의 좁은 개구부들(602)과 함께 외부 하우징 벽(306)의 내부 표면에 의해 형성된다. 타입(604c) 및 타입(604d) 턴들은, 외부 하우징 벽(306)의 내부 표면과 함께, 도 1의 유동 디렉터들(120c, 120d)과 유사하게 유동 디렉터들로서 작용한다. 함께 권취된 스트립들을 갖는 관련된 실시 예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 스트립은 외경에 개구부들을 구비할 수 있고, 제 2 스트립은 제 1 스트립보다 작은 외경을 구비할 수 있다.

다른 유사한 실시 예들에서, 도 3에서 도시된 권취 스트립의 내경(inner diameter)은, 내경이 구멍들로 브레이크 하는 지점까지 증가될 수 있고, 웹들(129)은 생략될(omit) 수 있다. 이 경우, 실질적으로 축 방향 냉각 통로들은, 구멍들 대신에, 권취 스트립의 외경 상에 컷아웃들인 개구부들에 의해 형성되고, 실질적으로 축 방향 유체 통로들은 권취 스트립 또는 스트립들의 내부를 따라 간다(외부를 따라 가는 대신에). 도 6의 실시 예에서, 외부 하우징 벽(306)의 내부 표면과 함께 타입 B 턴들의 각 쌍 사이의 공극은, 도 1 및 도 2의 실질적으로 방위각의 냉각 통로들과 유사한 실실적으로 방위각의 유체 통로들의 세트를 형성한다. 유사한 실시 예들에서 권취 스트립들 대신에 적층 구조들로 구성될 수 있고, 예를 들어 타입 B 적층물들은 내경 또는 외경이 좁은 컷아웃들을 구비할 수 있고, 타입 A 적층물들은 타입 B 적층물들보다 큰 외경 또는 작은 내경을 구비할 수 있다.

도 7를 참조하면, 일 실시 예에서, 냉각 요소(121)의 적층물들의 일부는 감소된 내경을 구비하고, 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면의 추가적인 냉각을 제공할 수 있다. 예를 들어, 적층물들의 제 1 서브세트(702)는, 엔드 턴(106) 위에(예를 들어, 엔드 턴(106)을 캡슐화하는 포팅 수지(108) 위에) 단단히 끼워지는 내경을 가질 수 있고, 적층물들의 제 2 서브세트(704)는 내부 하우징 벽(308)의 외부 표면 위에 단단히 끼워지는 내경을 가질 수 있다. 내부 하우징 벽(308)의 내경은 엔드 턴(106)의 내경과 동일할 수 있고, 내부 하우징 벽(308)의 환형 엔드 표면뿐만 아니라 적층물(706)의 일부는 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면에 대해 접하고 오버랩할 수 있고, 환형 엔드 표면을 통해 엔드 턴(106)의 냉각을 제공한다. 다른 실시 예들에서, 환형 엔드 표면은 플랜지(도 4의 제 1 플랜지(406))에 의해 냉각될 수 있고, 냉각 요소는 엔드 턴(106)의 엔드를 지나 축 방향으로 연장되도록 충분히 많은 수의 층들을 구비할 수 있고, 엔드 턴(106)의 환형 엔드 표면 및 플랜지에 추가적인 냉각을 제공한다.

도 8을 참조하면, 일 실시 예에서, 방사상의 간극 전기 기계에 대해 전술한 것과 유사한 냉각 구조는 축 방향 간극 전기 기계와 함께 사용될 수 있다. 축 방향 간극 전기 기계의 고정자(802)는, 고정자 권취(808)를 위한 일면에 슬롯들(806)을 갖는 면-권취 스트립(face-wound strip) 또는 원통형 자기 적층물들로 형성되는 고정자 코어(804)를 구비할 수 있다. 고정자(802)의 백 아이언(810)은 도 1 및 도 2의 실시 예에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 냉각을 제공하기 위해 교번하는 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들을 포함할 수 있다. 외부 냉각 요소(812) 및 내부 냉각 요소(814)는 각각 고정자 코어(804)의 백 아이언(810) 위에 그리고 내부에 단단히 끼워진다. 외부 냉각 요소(812)는 분리되고 권취되지 않은 것으로 도시되어 있어서, 그렇지 않을 경우 감추어지는 구멍들이 보여진다. 외부 냉각 요소(812), 고정자 코어 백 아이언(810) 및 내부 냉각 요소(814)의 결합된 세트로 구성된 층진 냉각 요소(layered cooling element)는, 이를 통해 연장하는 교번하는 좁은 구멍들 및 넓은 구멍들을 구비하고, 예를 들어, 외부 냉각 요소(812)의 최 내각 층은 좁은 구멍들을 구비하고, 고정자 코어 백 아이언(810)의 최 외각 층은 넓은 구멍들을 구비하고, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 결과적으로, 전체 층진 구조는 도 2에서 도시된 것들에 대응하는 유체 유동 경로들을 제공하고, 각각의 실질적으로 방사상의 유체 통로는, 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들에 의해, 인접한 실질적으로 방사상의 유체 통로들에 연결된다. 냉각 구조 하우징(816)은 외부 냉각 요소(812)의 외부 둘레에, 2개의 파티션들(822)에 의해 분리된 제 1 외부 유체 채널(818) 및 제 2 외부 유체 채널(820)을 포함할 수 있다. 제 1 외부 유체 채널(818)은 입구 포트(824)에 의해 공급되고, 입구 매니폴드의 유체 채널로서 작용하고, 제 2 외부 유체 채널(820)은 출구 포트(826)에 의해 배출(evacuate)되고, 출구 매니폴드의 유체 채널로서 작용한다. 층진 냉각 요소는 2개의 반-환형 절반(semi-annular half)들, 즉 입구 포트(824)에 연결되는 제 1 반-환형 절반 및 출구 포트(826)에 연결되는 제 2 반-환형 절반으로서 작동한다.

도 1 및 도 2의 유동 디렉터들(120c, 120d)과 유사한 구조들은 다른 층들보다 적은 구멍들을 구비하는 층들에 의해 형성되고; 예를 들어, 외부 냉각 요소(812)의 최 외각 층(828)은 제 1 반-환형 절반에 대한 입구 유동 디렉터 및 제 2 반-환형 절반에 대한 출구 유동 디렉터로서 작용한다. 유사하게, 내부 냉각 요소(814)의 최 내각 층은 반-환형 절반에 대한 출구 유동 디렉터 및 제 2 반-환형 절반에 대한 입구 유동 디렉터로서 작용한다. 본원에서 사용된 바와 같이, “유동 디렉터”는 유체가 이러한 통로들 또는 이러한 통로들을 구비하는 구조의 방사상의 통로를 구비하는 구조에서, 축 방향 통로들의 일부 또는 전부에서 유동하도록 허용하는 구조이다.

도 8의 실시 예에서, 유체는 입구 매니폴드로부터 (냉각 구조 하우징(816)의 내경에 형성되는) 내부 유체 채널(832) 주위로 제 1 반-환형 절반을 통해, 제 2 반-환형 절반으로 그리고 제 2 반-환형 절반을 통해 바깥쪽으로 유동한다. 특히, 제 1 반-환형 절반에서, 유체는 입구 매니폴드로부터 입구 유동 디렉터(최 외각 측(828)의 절반)를 통해 층진 냉각 요소의 제 1 반-환형 절반에서 실질적으로 방사상의 유체 통로들의 제 1 서브세트(예를 들어, 1개의 절반)로 유동한다. 그 다음, 이 유체는 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들을 통해 제 1 반-환형 절반에서 실질적으로 방사상의 유체 통로들의 제 2 서브세트로 유동하고, (제 1 반-환형 절반을 위해 출구 유동 디렉터로서 작용하는) 내부 냉각 요소(814)의 최 내각 턴(830)을 통과하고, 내부 유체 채널(832) 주위를 유동하고, 제 2 환형 절반에서 방사상의 유체 통로들 및 방위각의 유체 통로들을 통해 제 2 외부 유체 채널(820)으로 유동한다. 내부 유체 채널(832)은 제 1 환형 절반에 대해 출구 매니폴드로서 작용하고, 층진 냉각 요소의 제 2 환형 절반에 대해 입구 매니폴드로서 작용한다.

도 6의 그것과 유사한 다른 실시 예들에서, 도 8의 층진 냉각 요소의 층들은, (만약, 구멍들이 고정자 코어 백 아이언(810)의 후방으로 이동될 경우) 구멍들을 외부 냉각 요소(812) 및 내부 냉각 요소(814)의 대응하는 엣지들을 통해 구멍들이 브레이크 할 때까지, 외부 냉각 요소(812)의 구멍들, 고정자 코어 백 아이언(810), 및 고정자의 전방(즉, 도 8 상에서 왼쪽으로) 또는 고정자의 후방을 향하는 내부 냉각 요소(814)를 이동시킴으로써 수정될 수 있다. 그 다음, 좁은 구멍들은 원래 곱은 구멍들을 구비하는 층들의 직사각형 컷아웃들인 좁은 개구부들(예를 들어, 권취 스트립들의 턴들)이 되고, (웹들(129)이 생략되거나 제거될 경우) 원래 넓은 구멍들을 구비하는 층들은 인접한 레이어들보다 더 좁은 층들이 된다. 좁은 개구부들을 갖는 인접한 층들 사이에 공극은, 교번하는 턴들이 더 좁아져서, 결과적으로 방위각의 냉각 통로들을 형성한다.

도 9를 참조하면, 일 실시 예에서, 3D 프린팅과 같은 과정을 이용하여 형성되는 층진 구조와 구조적으로 동일한 냉각 요소(902)가 형성된다. 이러한 구조는 도 1 및 도 2의 실시 예들의 구멍들과 유사한(즉, 이와 유사한 방식으로 배열된) 복수 개의 공동들(904, cavity)를 포함할 수 있고, 실질적으로 축 방향 및 실질적으로 방위각의 유체 통로들을 형성하고, 축 방향 유체 통로들 각각은, 도 1의 층진 구조의 경우에서와 같이, 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들에 의해 인접한 실질적으로 축 방향 유체 채널들에 연결된다. 유사하게, 복수 개의 실질적으로 방사상의 유체 통로들을 구비하는 3D 프린팅 구조가 형성될 수 있고, 각각의 유체 통로는 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들에 의해 인접한 실질적으로 방사상의 유체 채널들에 연결된다. 3D 프린팅을 이용하여, 다양한 모양들을 갖고 다양한 방향들로 연장하는 통로들을 구비하는 구조를 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 구조에서, 냉각 유체가 다수의 작은 냉각 통로들(예를 들어, 도 1의 실시 예의 방위각의 유체 통로들에 대응하는 냉각 통로들)을 통해 유동하게 함으로써, 본원에 기재된 층진 구조들의 경우에서와 같이. 높은 냉각 효율의 이점이 실현될 수 있다. 층진 구조의 경우에서와 같이, 비교적 작은 횡단 치수들(유체를 통한 열 유동으로 인한 열 임피던스의 성분 감소) 및 비교적 짧은 길이들(냉각제의 유한한 열 매스로 인한 열 임피던스의 성분 감소)을 구비하는 냉각 통로들로 인해 양호한 효율이 달성될 수 있다.

전기 기계 엔드 턴(106) 냉각 장치의 예시적인 실시 예들이 본원에서 구체적으로 설명되고 도시되었지만, 다양한 수정들 및 변형들이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 원리들에 따라 구성된 전기 기계 엔드 턴 냉각 장치는, 본원에서 구체적으로 기술된 것 이외의 다른 형태로도 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명은 또한 다음의 특허 청구 범위들 및 그 등가물들에서 정의된다.

Claims

냉각 구조에 있어서,
복수 개의 층들을 포함하고,
상기 복수 개의 층들 중 제 1 층은 제 1 유체 통로의 일부를 형성하는 개구부를 구비하고,
상기 구조는 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성되는 냉각 구조.
제 1 항에 있어서,
각각의 층은,
적층물 또는
권취 스트립의 턴인 냉각 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들 중 어느 하나의 층은,
제 1 개구부,
제 2 개구부 및
제 3 개구부를 구비하고,
상기 제 1 개구부, 제 2 개구부 및 제 3 개구부는 동일한 크기 및 형상을 갖고, 상기 층을 따라 균일하게 이격되는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들 중 어느 하나의 층은, 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 구비하고, 상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부와 크기 및/또는 형상이 다른 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층은 제 1 개구부를 구비하고, 상기 복수 개의 층들 중 제 2 층은 제 2 개구부를 구비하고, 상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부와 크기 및/또는 형상이 다른 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 구조는, 내부 또는 외부 원통형 표면, 및/또는 환형 엔드 표면을 구비하는 중공 원통이고,
상기 내부 또는 외부 원통형 표면 및 상기 환형 엔드 표면 둘 중 하나 또는 둘 모두는, 상기 엔드 턴과 열 접촉하는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 구조는 축 방향의 간극 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성된 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들은 권취 스트립을 포함하고, 상기 층들의 각각은 상기 권취 스트립의 복수 개의 턴들 중 하나인 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들은, 제 1 권취 스트립 및 제 2 권취 스트립을 포함하고, 상기 제 2 권취 스트립은 상기 제 1 권취 스트립과 함께 권취되고,
상기 층들의 각각은 상기 제 1 권취 스트립의 턴 또는 상기 제 2 권취 스트립의 턴인 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 개구부를 포함하는 복수 개의 유체 채널들을 구비하고,
상기 구조는 상기 복수 개의 유체 채널들과 유체 소통하는 매니폴드 채널을 구비하는 매니폴드를 더 포함하는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 개구부를 포함하는 복수 개의 유체 채널들을 구비하고,
상기 구조는 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로 유체 유동을 안내하거나, 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로부터 유체 유동을 수용하도록 구성되는 유동 디렉터를 더 포함하는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들은, 복수 개의 교번하는 다른 크기의 개구부들을 포함하는 구조.
제 12 항에 있어서,
상기 개구부들의 각각은 다른 층에서의 2개의 개구부들과 오버랩하는 구조.
제 12 항에 있어서,
상기 개구부를 포함하는 복수 개의 유체 채널들을 구비하고,
상기 구조는 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로 유체 유동을 안내하거나, 상기 복수 개의 유체 채널들의 서브세트로부터 유체 유동을 수용하도록 구성되는 유동 디렉터를 더 포함하는 구조.
제 14 항에 있어서,
상기 유동 디렉터는 복수 개의 층들 중 하나이고, 제 1 크기의 복수 개의 개구부들을 구비하고,
상기 유동 디렉터의 상기 개구부들 중 하나는, 상기 복수 개의 층들 중 하나의 상기 제 1 크기의 개구부에 정렬되고,
상기 복수 개의 층들 중 하나의 상기 제 1 크기의 다른 개구부는, 상기 유동 디렉터의 어떤 개구부에도 정렬되지 않는 구조.
제 1 항에 있어서,
제 1 매니폴드 채널을 구비하는 제 1 매니폴드와, 제 2 매니폴드 채널을 구비하는 제 2 매니폴드를 더 포함하고,
상기 복수 개의 층들의 각각은 복수 개의 개구부들을 구비하고,
상기 복수 개의 층들의 상기 복수 개의 개구부들은,
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들; 및
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방사상의 유체 통로들;
을 형성하고,
각각의 실질적으로 방위각의 유체 통로는, 한 쌍의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 한 쌍의 실질적으로 방사상의 유체 통로들을 연결하고,
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널을 연결하는 적어도 하나의 유체 경로는, 상기 실질적으로 방위각의 유체 통로들 중 적어도 하나를 포함하는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 구조는 무전기성 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성되고, 상기 엔드 턴은 외부 원통형 표면 및 내부 원통형 표면을 구비하고,
상기 구조는,
상기 엔드 턴의 상기 외부 원통형 표면과 열 접촉하는 내부 원통형 표면을 구비하는 외부 냉각기; 및
상기 엔드 턴의 상기 내부 원통형 표면과 열 접촉하는 외부 원통형 표면을 포함하는 내부 냉각기;
를 포함하는 구조.
제 17 항에 있어서,
상기 외부 냉각기는 복수 개의 유체 채널들을 포함하고, 상기 내부 냉각기는 복수 개의 유체 채널들을 포함하고,
상기 구조는 제 1 매니폴드 채널을 구비하는 외부 매니폴드와, 제 2 매니폴드 채널을 구비하는 내부 매니폴드를 더 포함하고,
상기 제 1 매니폴드 채널은 상기 외부 냉각기의 상기 유체 채널들과 유체 소통하고,
상기 제 2 매니폴드 채널은 상기 내부 냉각기의 상기 유체 채널들과 유체 소통하는 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층의 상기 개구부는, 상기 제 1 층의 홀인 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 층들 중 제 3 층은, 제 2 유체 통로의 일부를 형성하는 제 3 개구부를 구비하고,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층 사이의 공극은, 상기 제 1 유체 통로 및 상기 제 2 유체 통로를 연결하는 제 3 유체 통로를 형성하고,
상기 제 3 유체 통로는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층에 실질적으로 평행한 구조.
약 0.4W/m/ºC 보다 큰 열 전도율을 갖는 포팅 재료에 포트된 엔드 턴을 구비하는 고정자; 및
상기 엔드 턴과 열 접촉하는 냉각 구조, 상기 냉각 구조는 복수 개의 층들을 포함함;
를 포함하고,
상기 복수 개의 층들 중 제 1 층은 제 1 유체 통로의 일부를 형성하는 개구부를 구비하는 전기 기계.
제 21 항에 있어서,
상기 엔드 턴 및 상기 복수 개의 층들 중 하나의 층 사이에 유전체 장벽을 더 포함하는 전기 기계.
냉각 구조에 있어서,
제 1 유체 통로를 구비하는 열 전달 구조를 포함하고,
상기 냉각 구조는, 축에 대해서 회전하도록 구성된 로터를 구비하는 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하도록 구성되고,
상기 제 1 유체 통로의 일부는 상기 축에 평행하지 않는 냉각 구조.
제 23 항에 있어서,
상기 열 전달 구조는,
복수 개의 제 1 구멍들;
복수 개의 제 2 구멍들;
상기 복수 개의 제 1 구멍들 중 하나에 엔드를 구비하는 제 2 유체 통로;
상기 복수 개의 제 2 구멍들 중 하나에 엔드를 구비하는 제 3 유체 통로; 및
복수 개의 제 4 유체 통로들;
을 구비하고,
상기 제 4 유체 통로들은, 상기 제 2 유체 통로 및 상기 제 3 유체 통로를 연결하는 냉각 구조.
제 24 항에 있어서,
상기 제 4 유체 통로들은,
안쪽 체적,
안쪽 표면, 및
2 cm보다 작은 길이를 구비하고,
상기 제 4 유체 통로들의 상기 안쪽 체적에서 각각의 포인트에 대해, 상기 제 4 유체 통로의 상기 안쪽 표면 상에 가장 가까운 포인트까지의 거리는 1 mm보다 작은 냉각 구조.
제 24 항에 있어서,
상기 제 1 구멍들의 각각에 직접적으로 연결된 제 1 매니폴드 유체 채널을 구비하는 제 1 매니폴드; 및
상기 제 2 구멍들의 각각에 직접적으로 연결된 제 2 매니폴드 유체 채널을 구비하는 제 2 매니폴드;
를 더 포함하는 구조.
냉각 구조에 있어서,
복수 개의 층들, 각각의 층은 환형 적층물 또는 권취 스트립의 환형 또는 원통형 턴임;
제 1 매니폴드 채널을 구비하는 제 1 매니폴드; 및
제 2 매니폴드 채널을 구비하는 제 2 매니폴드;
를 포함하고,
상기 복수 개의 층들의 각각은 복수 개의 개구부들을 구비하고,
상기 복수 개의 층들의 상기 복수 개의 개구부들은,
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방위각의 유체 통로들; 및
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널과 유체 소통하는 복수 개의 실질적으로 방사상의 유체 통로들;
을 형성하고,
각각의 실질적으로 방위각의 유체 통로는, 한 쌍의 실질적으로 축 방향의 유체 통로들, 또는 한 쌍의 실질적으로 방사상의 유체 통로들을 연결하고,
상기 제 1 매니폴드 채널 및 상기 제 2 매니폴드 채널을 연결하는 적어도 하나의 유체 경로는, 상기 실질적으로 방위각의 유체 통로들 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 구조는 전기 기계의 엔드 턴을 냉각하기 위해 구성된 냉각 구조.