KR20190032216A

KR20190032216A - 내부 관형 슬리브가 제공된 고정자를 포함하는 전기 기계

Info

Publication number: KR20190032216A
Application number: KR1020180110482A
Authority: KR
Inventors: 줄리앙 부아송; 벤자맹 고센; 미사 밀로사브레비치; 베르 파브리스 르; 다비데 베토니; 루카 파브레
Original assignee: 아이에프피 에너지스 누벨; 마벨 에스.알.엘.
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-03-27
Also published as: CN109525048A; FR3071369A1; FR3071369B1; US20190089211A1; EP3457531A3; EP3457531A2; US10727706B2; JP2019054720A

Abstract

본 발명은 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계에 관한 것이다. 고정자 (12)는 여러 개의 반경 방향 통로, 여러 개의 자기 플럭스 생성기 (34) 및 관형 슬리브 (24) 를 포함한다. 본 발명에 따르면, 관형 슬리브 (24) 의 내부 표면은 평활하다.

Description

내부 관형 슬리브가 제공된 고정자를 포함하는 전기 기계{ELECTRIC MACHINE COMPRISING A STATOR PROVIDED WITH AN INNER TUBULAR SLEEVE}

본 발명은 회전자 및 고정자를 포함하는 회전식 전기 기계에 관한 것이다.

일반적으로, 종래에 이러한 전기 기계는 서로에 대해 동축으로 배열된 고정자 및 회전자를 포함한다.

회전자는 영구 자석 또는 권선과 같은 자기 플럭스 생성기를 지니는 회전자 본체로 이루어진다.

이 회전자는 일반적으로, 회전자로 하여금 회전자의 자석 및/또는 권선에 의해 생성된 자기장과 조합하여 회전 구동될 수 있게 하는 자기장을 생성하기 위한 전기 권선 (또는 전기자 권선) 의 형태의 자기 플럭스 생성기를 지니는 고정자 내에 하우징된다.

종래에 고정자는 고정자의 둘레를 따라 모두 연장되는, 회전자의 방향으로 복수의 반경 방향 슬롯들을 포함한다. 이들 슬롯은 임의의 공지된 수단에 의해 그들에 고정되는 전기자 권선을 수용하도록 의도된다.

때때로 기체상태 또는 액체상태 유체의 통과를 허용하기 위하여 수 센티미터 길이일 수도 있는 에어 갭인, 회전자와 고정자 사이에 큰 에어 갭을 갖는 유형의 전기 기계가 이미 알려져 있다.

이러한 유형의 기계는, 특히, 저속에서 동작하는 큰 에어 갭을 갖는 싱크로-릴럭턴트 (synchro-reluctant) 기계를 위한 특허 출원 US-2008-289,333, US-2013-169,074 또는 US-2013-043,745 로부터 알려져 있으며, 그의 큰 에어 갭은 유체가 이를 통해 흐를 수 있게 한다.

그러나, 이러한 큰 에어 갭은 회전자와 고정자 사이에 자기 플럭스의 통과를 제공하는 단점을 나타내며, 따라서 그것은 동일한 전력 출력을 위한 고정자의 크기뿐만 아니라 기계의 고유 효율에 대한 제한을 수반한다.

전술한 단점들을 극복하기 위해, 고정자와 회전자 사이의 보다 양호한 에너지 전환을 가능하게 하는 작은 에어 갭을 갖고, 기계를 통해 가능한 유체 통과를 갖는 전기 기계가 개발되었다. 이러한 유형의 기계는 특히, 특허 출원 FR-3,041,831 으로부터 공지되어 있다.

이러한 유형의 기계는 특히, 고정자 플럭스 (stator flux) 를 통과시키도록 의도된 치형부 (teeth) 에 의해 양측 상에 구획되는, 고정자의 반경 방향 통로들이 회전자가 삽입되는 관형 슬리브를 형성하기 때문에, 만족스럽다. 그러나, 특히, 전기 기계의 철손, 자기 손실 및 공기역학적 손실을 제한하여, 전기 기계의 성능을 더욱 향상시키고, 그의 조립을 용이하게 하여 그의 비용을 제한하는 것이 바람직하다.

이러한 목적들에 도달하기 위해, 본 발명은 회전자 및 고정자를 포함하는 전기 기계에 관한 것이다. 고정자는 여러 개의 반경 방향 통로, 여러 개의 자기 플럭스 생성기 및 관형 슬리브를 포함한다. 본 발명에 따르면, 관형 슬리브는 자기장의 통과를 촉진하고 이에 따라 자기 손실을 제한하기 위해 강자성 재료 (ferromagnetic material), 또는 반대로 치형부들 사이의 단락을 방지하기 위해 무자성 재료 (amagnetic materia) 로 제조될 수 있다. 또한, 관형 슬리브의 내부 표면 (즉, 회전자에 대향하는 표면) 은 공기역학적 손실을 제한하기 위해 평활하다. 게다가, 관형 슬리브는 고정자 및 특히 고정자 치형부의 기계적 강도에 기여한다.

본 발명은, 회전자 및 고정자를 포함하는 전기 기계에 관한 것으로서, 상기 고정자는 상기 고정자를 따라 원주방향으로 배열된 복수의 반경 방향 통로들, 상기 반경 방향 통로들에 하우징된 복수의 자기 플럭스 생성기들, 상기 회전자를 수용하는 내부 관형 슬리브를 포함하고, 상기 반경 방향 통로들은 상기 자기 플럭스 생성기들에 대향하는 유체 순환 갤러리들을 포함한다. 관형 슬리브의 내부 표면은 평활 (smooth) 하다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 회전자의 외부 표면은 평활하다.

일 구현에 따르면, 상기 반경 방향 통로들은 고정자 치형부, 상기 고정자의 외부 에지 및 상기 관형 슬리브에 의해 구획된다.

유리하게는, 상기 관형 슬리브는, 특히 웨지 또는 원통형 후프의 형태의, 상기 고정자 치형부와 일체인 삽입체 (insert) 이다.

일 양태에 따르면, 상기 유체 순환 갤러리들은 상기 고정자 치형부, 상기 고정자의 상기 외부 에지 및 상기 자기 플럭스 생성기에 의해 구획된다.

일 특징에 따르면, 상기 관형 슬리브는 강자성 재료로 제조된다.

대안적으로, 상기 관형 슬리브는 무자성 재료로 제조된다.

바람직하게는, 상기 관형 슬리브의 두께는 0.1 mm 와 5 mm 사이의 범위이다.

일 실시 형태에 따르면, 각각의 반경 방향 통로는 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함한다.

유리하게는, 상기 자기 플럭스 생성기들은 여러 개의 전기 페이즈 (electric phase) 들에 접속되고, 각각의 반경 방향 통로는 동일한 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함한다.

변형 예에서, 상기 자기 플럭스 생성기들은 여러 개의 전기 페이즈들에 접속되고, 상기 반경 방향 통로들의 둘레 방향 분포는 동일한 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함하는 반경 방향 통로들과 2 개의 상이한 전기 페이즈들에 접속된 2개의 자기 플럭스 생성기들을 포함하는 반경 방향 통로들을 교번하여 포함한다.

대안적으로, 상기 고정자는 12 개의 반경 방향 통로들을 포함하고 상기 자기 플럭스 생성기들을 3 개의 전기 페이즈들에 접속되고, 상기 반경 방향 통로들 내의 상기 자기 플럭스 생성기들의 둘레 방향 분포는 다음과 같다:

a) 제 1의 반경 방향 통로는 제 1의 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함하고,

b) 제 2의 반경 방향 통로는 제 2의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기 및 상기 제 1의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기를 포함하고,

c) 제 3의 반경 방향 통로는 상기 제 2의 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함하고,

d) 제 4의 반경 방향 통로는 제 3의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기 및 상기 제 2의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기를 포함하고,

e) 제 5의 반경 방향 통로는 상기 제 3의 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들을 포함하고,

f) 제 6의 반경 방향 통로는 상기 제 1의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기 및 상기 제 3의 전기 페이즈에 접속된 자기 플럭스 생성기를 포함하고,

g) 둘레 방향 분포에 따른 제 7의 내지 제 12의 반경 방향 통로들은 상기 고정자의 중심에 대해 상기 제 1의 6 개의 반경 방향 통로들과 대칭이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 유체는 상기 전기 기계를 냉각시키기 위한 액체상태 또는 기체상태 유체이다.

유리하게는, 상기 전기 기계는 상기 자기 플럭스 생성기들에 근접한 상기 고정자의 외부 부분 상에 배열 된 냉각 시스템을 포함한다.

바람직하게는, 상기 자기 플럭스 생성기들은 전기자 권선으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 전기 기계 및 압축기를 포함하는 전기 압축기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 전기 기계 및 터빈을 포함하는 전기 터빈에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 전기 기계, 터빈 및 압축기를 포함하는 전기 터보차저에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전기 기계의 다른 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 실시 형태에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이고, 첨부 도면 중:
- 도 1은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 따른 전기 기계를 나타내며,
- 도 2는 본 발명의 제 2의 실시 형태에 따른 전기 기계를 나타내며,
- 도 3은 본 발명의 제 1의 변형 실시형태에 따른 자기 플럭스 생성기들의 둘레 방향 분포를 나타내고,
- 도 4는 본 발명의 제 2의 변형 실시형태에 따른 자기 플럭스 생성기들의 둘레 방향 분포를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전기 기계를 비제한적 예로서 개략적으로 나타낸다. 여기서 예로 전기 모터인 도 1에 나타낸 회전식 전기 기계는 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하며, 이들은, 장착되었을 때, 동축인 상태에서 서로에 끼워 맞춰지며, 회전자는 자유롭게 회전가능하다.

이 기계는 이하의 설명에서 단지 예로 1극 쌍 (one-pole-pair) 동기 기계이다.

이것은 더 많은 극 쌍, 또는 권선형 회전자 (wound-rotor) 또는 농형 회전자 (squirrel-cage-rotor) 비동기 기계를 포함하는 임의의 다른 전기 기계를 어떤 식으로든 배제하지 않는다.

도 1에 따른 기계의 회전자는, 그 자체 공지된 방식으로, 바람직하게는 자성인, 샤프트 (14) 를 포함하고, 그 위에 편평한 강자성 시트 또는 강자성의 괴상 (massive) 재료 또는 자석 또는 이들 수단의 조합의 파일 (pile) 이 배열되고, 이들은 회전자 본체 (16) 를 형성하도록 임의의 공지된 수단에 의해 조립된다. 도 1의 실시 형태에 있어서, 회전자 본체 (16) 는 자기 샤프트 및 자석으로 이루어진다.

이 회전자는 자기 플럭스 생성기들, 주로 화전자 본체의 길이와 실질적으로 동일한 길이의 영구 자석들을 지닌다.

고정자는 관형 고정자 본체 (18) 를 형성하도록 임의의 공지된 수단에 의해 서로 접속된 편평한 강자성 시트 (20) 들의 파일을 포함한다.

이 고정자 본체는, 내부에 회전자가 하우징되는 관형 슬리브 (24) (관형 베어링으로도 지칭됨) 에 의해 구획된 중공형 중앙 부분 (22) 을 포함한다. 본 발명에 따르면, 관형 슬리브 (24) 는 삽입체에 의해 또는 치형부를 서로 접속시킴으로써 제조될 수 있다.

에어 갭 (E) 은 회전자 (10) 의 외주와 고정자 (12) 의 관형 슬리브 (24) 의 내주 사이에서 달성된다.

게다가, 관형 슬리브 (24) 의 내부 표면은 평활하다. 따라서, 관형 슬리브 (24) 는 회전자 (10) 가 회전되는 완전 평활한 원통형 튜브를 가질 수 있게 한다. 이 평활한 표면은 높은 엔진 속도 (100,000 rpm 이상) 에서 높을 수도 있는 공기역학적 손실을 제한할 수 있게 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 관형 슬리브 (24) 는 강자성 재료로 제조될 수 있다. 강자성 재료로 제조된 관형 슬리브 (24) 를 갖는 고정자 (12) 의 이러한 설계는 고속으로 동작할 때 현저할 수도 있는 회전자에서의 철손을 전체적으로 감소시키고, 회전자에서 고정자로의 이들 철손을 전달할 수 있게 하며, 이들을 적절한 냉각 시스템에 의해, 특히 냉각을 위해 공기 흐름에 의해 횡단되는 고정자 그리드를 구비한 기계의 상황에서, 제거하는 것이 일반적으로 더 용이하다.

대안적으로, 관형 슬리브 (24) 는 고정자 기계적 보강 및 공기역학적 손실 감소 기능을 주로 이행하는 무자성 재료로 제조될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전기 기계는 전체 손실, 보다 구체적으로는 에어 갭 내, 따라서 회전자에 가까운, 공기역학적 손실 및 회전자 손실을 제한하면서 고효율을 나타내는데, 일반적으로 이들을 제거하는 것이 어렵다. 이것은 회전자의 적당한 온도에서 동작을 유지하고, 일반적으로 온도에 더 민감한, 보다 효율적인 자석을 사용하는 것을 가능하게 함으로써, 전기 기계의 고유한 성능을 증가시킬 수 있게 한다.

고정자 본체 (18) 는 다수의 둘레 방향으로 분포된 고정자 치형부 (26) (반경 방향 웨브라고도 함) 에 의해 관형 슬리브 (24) 에 접속된다. 비제한적인 예로써, 도 1의 고정자 (12) 는 서로에 대해 30°로 배치된 12 개의 고정자 치형부를 포함한다. 고정자 치형부는 관형 슬리브 (24) 를 향해 지향된 정점을 갖는 실질적으로 삼각형 형상의 반경 방향 통로 (28) 들을 구획한다. 이들 통로들은 환형 요크 (20) 의 하부 에지 (30) 로부터 베어링의 외부 에지 (32) 까지 반경 방향으로 연장되며, 이들은 고정자 본체 (18) 를 따라 모두 축방향으로 펼쳐져 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 회전자 (10) 의 외부 표면은 평활하다. 따라서, 에어 갭 (E) 은 고정자 (12) 의 내부 부분과 회전자 (10) 의 외부 부분 상의 2 개의 완전 원통형 표면들에 의해 구획된다. 이 특성은, 높은 엔진 속도에서 현저히 높은 공기역학적 손실을 제한할 수 있게 한다.

본 발명의 구현에 따라 그리고 기계로부터 요청된 전력에 따라, 관형 슬리브 (24) 는 얇은 자기 브리지를 달성하기 위해 0.1 과 5 mm 사이 범위의 두께를 가질 수 있다. 따라서 (고정자로의 철손 전달과 함께) 회전자에서 유도 고조파를 감소시킬 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 고정자 (12) 는 반경 방향 통로들 (28) 에 그리고 보다 정확하게는 환형 요크의 하부 에지 (30) 부근에 하우징된, 바람직하게는 액밀 (liquid tight) 또는 보호를 갖는, 자기 플럭스 생성기들 (34), 예를 들어 전기자 권선 (34) 을 포함한다. 본 발명의 구현에 따르면, 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 환형 요크 (20) 의 하부 에지 (30) 에 기대어 있을 수 있다. 이러한 구성은 전기 기계에서, 특히 그의 냉각을 위해 또는 압축 또는 팽창 시스템에 공급하기 위해 유체의 통과를 가능하게 하는 대형 반경 방향 통로들 (28) 을 허용한다. 따라서, 냉각 시스템은, 전기 기계를 통해 흐르는 유체 및 회전자에서의 제한된 손실 덕분에, 단순화되며, 그의 냉각을 보다 용이하게 할 수 있거나 또는 심지어 전기 기계 내의 대류 및 구조적 확산으로 손실들이 제거될 수 있으면 냉각 없는 회전자를 고려할 수 있게 한다.

따라서, 큰 길이의 고정자 치형부 (26) 는 자기 플럭스 생성기들 (34) 이 관형 슬리브 (24) 의 자기 플럭스 생성기들 (34) 로부터 떨어져 배치될 수 있게 한다. 또한, 이들 고정자 치형부 (26) 는 이 회전자 (10) 로부터 떨어져 배열된 자기 플럭스 생성기 (34) (권선) 에 의해 생성된 자기 플럭스를 회전자 (10) 를 향해 안내할 수 있게 한다.

따라서, 에어 갭 (E) 의 치수가 감소되고 (1 밀리미터의 십분의 몇), 이는 전기 기계의 효율 및 성능이 최적화될 수 있게 한다.

다음으로, 권선, 관형 슬리브 (24) 의 외부 에지 및 고정자 치형부 (26) 사이에 이와 같이 형성된 축방향 유체 순환 갤러리들 (36) 은 기체상태 또는 액체상태 유체와 같은 유체의 통과를 허용하는 (폐쇄된 슬롯을 갖는) 고정자 그리드를 형성한다.

이는 기계의 기체 또는 유체 흐름 및/또는 그의 냉각에 있어서의 통합, 그리고 따라서 공간 요건 및/또는 열 방출에 의해 제약되는 주어진 시스템에서의 최적화된 배치를 제공한다.

게다가, 이 전기 기계의 자기 특성은 주어진 성능 수준, 특히 대형 에어 갭 기계와 관련하여, 활성 물질의 양을 제한할 수 있게 하고, 이는 회전자의 질량 및 이에 따른 관성을 제한할 수 있게 한다.

일 특성에 따르면, 전기 기계는 자기 플럭스 생성기들 (34) 에 근접하여, 고정자 (12) 의 외부 부분 상에 배열된 제 2의 냉각 시스템 (도시되지 않음) 을 더 포함할 수 있다. 이 제 2의 냉각 시스템은 전기 기계를 통해 흐르는 동일 유체에 의해, 또는 다른 열 운반체에 의해 달성될 수 있다. 이러한 특성은 전기 기계의 성능이 증가될 수 있게 한다. 따라서, 특히 전류 밀도를 증가시킴으로써 높은 전력 밀도의 전기 기계를 제공하는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 제 2의 실시 형태에 따른 전기 기계를 비제한적 예로서 개략적으로 나타낸다. 제 2의 실시 형태에 따른 전기 기계는 관형 슬리브 (24) 를 제외하고는, 도 1에 나타낸 전기 기계와 동일하다. 도 1과 관련하여 설명된 동일한 요소들은 더 상세히 설명되지 않는다.

이 제 2의 실시 형태를 위해, 관형 슬리브 (24) 는 고정자 치형부 (26) 상의 삽입체 (38) 로 구성된다. 삽입체 (38) 는 웨지 또는 원통형 후프로 이루어질 수 있다. 삽입체 (38) 는 고정자 치형부 (26) 에 의해 형성된 고정자 그리드의 슬롯들의 폐쇄를 제공한다.

또한, 삽입체 (38) 는 강자성 재료로 제조된다. 강자성 재료는 고정자 치형부 (26) 의 강자성 재료와 유사하거나 또는 상이할 수 있다.

이러한 슬롯의 사후적 폐쇄 (posteriori closing) 는 개방된 슬롯 구조, 특히 제조 비용 절감을 수반하는 자동 권선의 이점과, 특히 회전자에서, 폐쇄형 슬롯 구조, 특히 손실 감소의 이점으로부터 이익을 얻을 수 있게 한다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 반경 방향 통로 (28) 는 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함할 수 있다. 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 회전자 (10) 를 회전시키기 위해 회전 자기장을 생성하기 위해 전압 인버터의 전기 페이즈들에 접속될 수 있다.

도 3은 도 1의 실시 형태에 따른 전기 기계용의 3 개의 전기 페이즈들 A, B, C 와 자기 플럭스 생성기 (34) 사이의 제 1의 접속 변형 예를, 비제한적인 예로서, 개략적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 전기 기계와 관련하여 동일한 요소는 더 상세히 설명되지 않는다. 이러한 설계는 제한적인 것이 아니며, 특히 도 3의 변형 실시 형태가 자기 플럭스 생성기들 (34) 의 조립을 용이하게 하기 위해 도 2의 실시 형태로 구현될 수 있다. 도 3은 3 개의 전기 페이즈들 A, B, C 에 대한 접속에 대응하지만, 전기 기계는 예를 들어 2 개, 4 개 또는 6 개 이상의, 상이한 수의 전기 페이즈들에 접속될 수 있다.

도 3의 변형 실시 형태를 위해, 각각의 반경 방향 통로의 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 동일한 전기 페이즈 A, B 또는 C에 접속된다. 따라서, 각각의 반경 방향 통로 (28) 에는, 전기 페이즈 A에 접속된 2 개의 플럭스 생성기들, 또는 전기 페이즈 B에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34), 또는 전기 페이즈 C에 접속된 2 개의 플럭스 생성기들 (34) 이 있다.

바람직하게는, 자기 플럭스 생성기들 (34) 과 전기 페이즈들 A, B, C 사이의 접속의 둘레 방향 분포는 고정자 (12) 의 중심에 대해 대칭일 수 있다. 바꾸어 말하면, 전기 페이즈 A들은 중심 대칭에 의해 서로 마주하고, 전기 페이즈 B들은 중심 대칭에 의해 서로 마주하고, 전기 페이즈 C들은 중심 대칭에 의해 서로 마주한다.

도 3의 예에 대해, 12 개의 반경 방향 통로들 내의 자기 플럭스 생성기들 (34) 의 둘레 방향 분포는 다음과 같다:

- 제 1의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 A에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 제 2의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 A에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 제 3의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 B에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 제 4의 반경 방향 통로 (28)는 전기 페이즈 B에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 제 5의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 C에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 제 6의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 C에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,

- 둘레 방향 분포에 따른 제 7의 내지 제 12의 반경 방향 통로들 (28) 은 고정자 (12) 의 중심에 대해 상기 제 1의 6 개의 반경 방향 통로들 (28) 에 대해 대칭이다 (즉, 제 7의 반경 방향 통로는 제 1의 반경 방향 통로와 동일하고, 제 8의 반경 방향 통로는 제 2의 반경 방향 통로와 동일하고,... 그리고 제 12의 반경 방향 통로는 제 6의 반경 방향 통로와 동일함).

이 변형예는 12 개의 반경 방향 통로들 (28) 을 갖는 실시 형태에 국한되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 임의의 개수, 특히 6 개, 18 개 등의 반경 방향 통로에 적합할 수 있다.

도 4는 도 1의 실시 형태에 따른 전기 기계용의 3 개의 전기 페이즈들 A, B, C 과 자기 플럭스 생성기들 (34) 사이의 제 1의 변형 접속을, 비제한적인 예로서, 개략적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 전기 기계와 관련하여 동일한 요소는 더 상세히 설명되지 않는다. 이러한 설계는 제한적인 것이 아니며, 특히 도 3의 변형 실시 형태가 자기 플럭스 생성기들 (34) 의 조립을 용이하게 하기 위해 도 2의 실시 형태로 구현될 수 있다. 도 4은 3 개의 전기 페이즈들 A, B, C 에 대한 접속에 대응하지만, 전기 기계는 예를 들어 2 개, 4 개 또는 6 개 이상의, 상이한 수의 전기 페이즈들에 접속될 수 있다.

도 4의 변형 실시형태에 대해, 반경 방향 통로들의 둘레 방향 분포는 동일한 전기 페이즈에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는 반경 방향 통로들 (28) 과 2 개의 상이한 전기 페이즈에 접속된 2개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는 반경 방향 통로들을 교번하여 포함한다. 환언하면, 반경 방향 통로들 (28) 의 제 1의 반부에 대하여, 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 동일한 전기 페이즈에 접속되고, 반경 방향 통로들 (28) 의 제 2의 반부에 대하여, 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 2 개의 상이한 전기 페이즈들에 접속되며, 제 2의 반부의 각각의 반경 방향 통로 (28) 는 제 1의 반부의 2 개의 반경 방향 통로들 (28) 사이에 배열된다.

바람직하게는, 자기 플럭스 생성기들 (34) 과 전기 페이즈들 A, B, C 사이의 접속의 둘레 방향 분포는 고정자 (12) 의 중심에 대해 대칭일 수 있다. 바꾸어 말하면, 전기 페이즈 A들은 중심 대칭에 의해 서로 마주하고, 전기 페이즈 B들은 대칭에 의해 서로 마주하고, 페이즈 C들은 중심 대칭에 의해 서로 마주한다.

도 4의 예에 대하여, 12 개의 반경 방향 통로들 (28) 내의 자기 플럭스 생성기들 (34) 의 둘레 방향 분포는 다음과 같다:

- 제 2의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 B에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 전기 페이즈 A에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 를 포함하고,

- 제 4의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 C에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 전기 페이즈 B에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 를 포함하는고,

- 제 6의 반경 방향 통로 (28) 는 전기 페이즈 A에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 전기 페이즈 C에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 를 포함하고,

이러한 둘레 방향 분포는 도 3의 실시 형태에 의한 것보다 더 사인곡선적 기자력 (more sinusoidal magnetomotive force) 을 얻을 수 있게 하고, 이는 토크 리플 (torque ripple) 뿐만 아니라 회전자 및 고정자에서의 철손을 제한할 수 있게 한다.

도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 고정자 그리드를 구성하는 고정자 치형부 (26) 는 이를 관통해 흐르는 유체에 실질적으로 평행한 축 방향, 즉 고정자의 종축에 실질적으로 평행한 축 방향을 가질 수 있어서, 이 유체의 방향에 가능한 최소한의 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 나타내지 않은 변형 실시 형태에 따르면, 이들 고정자 치형부의 축 방향은 고정자의 종 방향 축에 대해 경사질 수 있다.

또한, 이 방향은, 유체의 모션을 유도/개시 또는 정지시키기 위해 의도되는, 나선형과 같은, 복잡한 공기역학적인 형상일 수도 있다.

이러한 나선형 형상은 또한, 고정자 치형부와 유체 사이의 접촉면을 증가시킬 수 있게 한다.

게다가, 고정자 치형부의 이러한 나선형 형상은 경사각에 따라 토크 리플을 감소시킬 수 있기 때문에 자성의 관점에서 적절한 것으로 보여질 수 있다.

또한, 이들 고정자 치형은 또한, 단면 형상, 눈물 방울 (teardrop) 형상 또는 항공기 날개 형상과 같은 그리드를 통한 유체의 유동과 관련된 압력 강하를 최소화하기 위한 공기역학 프로파일을 가질 수 있다.

표면 처리가 고정자 및 회전자에 제공되어, 이 기계를 임의의 유형의 유체에 그리고 운송 산업, 식품 산업, 석유 산업, 건축 부문 및 전기 기계를 통한 유체의 수송 또는 안내를 필요로 하는 다른 분야에서 임의의 유형의 이용에 적합하게 만들 수 있다.

전기 기계의 냉각과 관련하여, 이 전기 기계 아키텍처는 고정자에서 매우 큰 교환 표면을 제공하여, 유사한 성능을 갖는 종래의 전기 기계와 비교하여 단순화된 냉각 시스템을 사용할 수 있게 하며, 잠재적으로 이 최적화된 냉각 덕분에 고정자에서의 전류 밀도를 증가시킬 수 있게 한다. 사실, 이 아키텍처는

- 수동 또는 고유 냉각, 및/또는

- 고정자 요크의 주변부에서의 능동 또는 수동 추가 냉각

을 갖는 것을 가능하게 한다.

유체에 의해 횡단될 수 있게 하고 고정자 플럭스 생성기를 회전자 플럭스 생성기로부터 반경 방향으로 떨어지게 배치할 수 있는, 기하학적 구조와 관련된 고유 이점으로 인해, 이러한 유형의 기계는 작은 통합 관련 수정으로 기존 시스템에 쉽게 통합될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르면, 전기 기계는 전기 압축기 내 압축기, 전기 터빈 또는 전기 터보차저 아키텍처와 콤팩트하게 결합될 수 있다. 이러한 콤팩트화는, 회전하는 샤프트의 길이 및 질량/관성을 최대로 감소시킬 것을 요구하는, 매우 높은 엔진 속도로 시스템이 동작해야 하는 경우에 적절하다.

적용 예

본 발명에 따른 전기 기계의 특징 및 이점은 이후의 적용 예를 읽음으로써 명백해질 것이다.

이 예에서, 본 발명자들은 (종래 기술 AA에 따른) 개방 슬롯 전기 기계와 본 발명 INV 에 따른 폐쇄 슬롯 전기 기계를 비교한다 (평활한 관형 슬리브는 도 1의 예에 따른 강자성 재료로 제조된다). 그 2 개의 전기 기계는, 슬롯의 개방 또는 폐쇄를 제외하고는, 동일하다. 양자 모두의 전기 기계는 NO20 강판으로 제조된다.

표 1은 슬롯 폐쇄가 철손 수준에 미치는 영향을 나타낸다. 이 표에서, Ipeak는 위상의 최대 전류에 해당하고, psi는 디플럭스 각도 (deflux angle) 에 해당한다.

전체적으로, 철손은 본 발명에 따른 전기 기계의 경우 감소한다는 것에 주목한다. 회전자에서의 철손은 26 % 정도의 값만큼 감소한다는 것을 알 수 있다. 동시에, 고정자에서 철손은 4 % 만큼만 증가한다.

Claims

회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계로서,
상기 고정자 (12) 는 상기 고정자 (12) 를 따라 둘레 방향으로 배열된 복수의 반경 방향 통로들 (28), 상기 반경 방향 통로들 (28) 에 하우징된 복수의 자기 플럭스 생성기들 (34), 상기 회전자 (10) 를 수용하는 내부 관형 슬리브 (24) 를 포함하고,
상기 반경 방향 통로들 (28) 은 상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 에 대향하는 유체 순환 갤러리들 (36) 을 포함하고,
상기 관형 슬리브 (24) 의 내부 표면은 평활한 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 회전자 (10) 의 외부 표면은 평활한, 전기 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 반경 방향 통로들 (28) 은 고정자 치형부 (26), 상기 고정자 (20) 의 외부 에지 (20) 및 상기 관형 슬리브 (24) 에 의해 구획되는, 전기 기계.
제 3 항에 있어서,
상기 관형 슬리브 (24) 는, 특히 웨지 또는 원통형 후프의 형태의, 상기 고정자 치형부 (26) 와 일체인 삽입체 (38) 인, 전기 기계.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 유체 순환 갤러리들 (36) 은 상기 고정자 치형부 (26), 상기 고정자 (20) 의 상기 외부 에지 (20) 및 상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 에 의해 구획되는, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관형 슬리브 (24) 는 강자성 재료로 제조되는, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관형 슬리브 (24) 는 무자성 재료로 제조되는, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관형 슬리브 (24) 의 두께는 0.1 mm 와 5 mm 사이의 범위인, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 반경 방향 통로 (28) 는 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는, 전기 기계.
제 9 항에 있어서,
상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 여러 개의 전기 페이즈들 (A, B, C) 에 접속되고, 각각의 반경 방향 통로 (28) 는 동일한 전기 페이즈 (A, B, C) 에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는, 전기 기계.
제 9 항에 있어서,
상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 여러 개의 전기 페이즈들 (A, B, C) 에 접속되고, 상기 반경 방향 통로들 (28) 의 둘레 방향 분포는 동일한 전기 페이즈 (A, B, C) 에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는 반경 방향 통로들 (28) 과 2 개의 상이한 전기 페이즈들 (A, B, C) 에 접속된 2개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하는 반경 방향 통로들 (28) 을 교번하여 포함하는, 전기 기계.
제 9 항에 있어서,
상기 고정자 (12) 는 12 개의 반경 방향 통로들 (23) 을 포함하고 상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 3 개의 전기 페이즈들 (A, B, C) 에 접속되고, 상기 반경 방향 통로들 (28) 내의 상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 의 둘레 방향 분포는 다음과 같은, 전기 기계.
a) 제 1의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 전기 페이즈 (A) 에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,
b) 제 2의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 제 1의 전기 페이즈 (A) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 제 2의 전기 페이즈 (B) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 를 포함하고,
c) 제 3의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 제 2의 전기 페이즈 (B) 에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,
d) 제 4의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 제 2의 전기 페이즈 (B) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 제 3의 전기 페이즈 (C) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 를 포함하고,
e) 제 5의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 제 3의 전기 페이즈 (C) 에 접속된 2 개의 자기 플럭스 생성기들 (34) 을 포함하고,
f) 제 6의 반경 방향 통로 (28) 는 상기 제 3의 전기 페이즈 (C) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (34) 및 상기 제 1의 전기 페이즈 (A) 에 접속된 자기 플럭스 생성기 (28) 를 포함하고,
g) 상기 둘레 방향 분포에 따른 제 7의 내지 제 12의 반경 방향 통로들 (28) 은 상기 고정자 (12) 의 중심에 대해 상기 제 1의 6 개의 반경 방향 통로들 (28) 과 대칭이다.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체는 상기 전기 기계를 냉각시키기 위한 액체상태 또는 기체상태 유체인, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 기계는 상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 에 근접한 상기 고정자 (12) 의 외부 부분 상에 배열된 냉각 시스템을 포함하는, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 플럭스 생성기들 (34) 은 전기자 권선으로 이루어지는, 전기 기계.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계 및 압축기를 포함하는, 전기 압축기.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계 및 터빈을 포함하는, 전기 터빈.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계, 터빈 및 압축기를 포함하는, 전기 터보차저.