KR20200141006A

KR20200141006A - 전기 기계용 샤프트

Info

Publication number: KR20200141006A
Application number: KR1020200065879A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 랑; 토마스 아우어; 세바스티안 파울릭; 하랄드 벤들; 게르하르트 오버마이어; 마리아 랑
Original assignee: 젯트에프 프리드리히스하펜 아게
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2020-12-17
Also published as: US11489410B2; US20200389073A1; DE102019208293A1; CN112054625A

Abstract

본 발명은 전기 기계(10)용 샤프트(12)에 관한 것으로서, 이러한 샤프트는, 전기 기계의 회전자(14)와 일체 회전 방식으로 고정 연결되도록 형성된 외부 부분 샤프트(32); 외부 부분 샤프트와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있고, 전기 기계의 출력 샤프트로서 형성된 내부 부분 샤프트(30); 샤프트에 냉각 유체(28)를 공급하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유입부(36); 및 샤프트에 공급된 냉각 유체를 유출하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유출부(42);를 가지며, 이 경우 외부 부분 샤프트는, 유입부와 유출부 사이에 축 방향으로 배열된 유체 공간(40)을 둘러싸고, 이러한 유체 공간은, 샤프트를 냉각시키기 위하여 냉각 유체를 수용하도록 형성되어 있으며, 그리고 유체 공간에서의 냉각 유체의 유동 방향은 유체 펌프(24)의 이송 방향에 의해서 확정된다. 본 발명은, 또한 이와 같은 샤프트를 갖는 전기 기계(10) 및 이와 같은 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템(20)에 관한 것이다.

Description

전기 기계용 샤프트{SHAFT FOR AN ELECTRIC MACHINE}

본 발명은, 전기 기계용 샤프트, 전기 기계 및 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다.

차량에는 점점 더 하이브리드 구동부 또는 순수 전기 구동부가 장착되고 있다. 하이브리드 구동부는 연료 소비 및 유해 물질 유출을 줄이는 데 기여할 수 있다. 내연 기관 및 하나 또는 복수의 전기 모터를 갖는 병렬 하이브리드로서의 또는 혼합 하이브리드로서의 파워 트레인이 광범위하게 보급되었다. 전기 구동부 및 연소 기관의 구동 토크가 제어에 따라 합산될 수 있기 때문에, 연소 기관의 비교적 더 작은 설계 및/또는 연소 기관의 일시적인 셧다운이 가능하다. 이로 인해서는, 주목할 만한 성능 손실 또는 안락감 손실 없이 CO2-유출량의 두드러진 감소가 달성될 수 있다. 순수 전기 차량은 때때로 주목할 만한 유출량 없이 작동될 수 있다.

특히, 예를 들어 분당 20,000 회전의 범위 내에 있는 매우 높은 회전 속도에 도달할 수 있는 전기 기계를 사용하는 경우에는, 전기 기계의 구성 부품이 과도한 하중 및 고온에 노출된다. 그렇기 때문에, 지나치게 높은 가열 및 이에 수반된 전기 기계의 손상을 방지하기 위하여, 전기 기계에 공급되는 에너지를 제한하는 것이 공지되어 있다. 하지만, 이로 인해서는 전기 기계가 자신의 잠재력을 완전히 사용할 수 없게 된다.

또한, 자체 하우징 상에 배열된 냉각 리브들 또는 하우징 상에 배열된 수냉 장치를 이용해서 전기 기계를 냉각시키는 것도 공지되어 있다. 이와 같은 냉각은 그다지 효율적이지 않은데, 그 이유는 열원에 대해 큰 거리를 두고 냉각이 이루어지기 때문이다.

WO 2018/050380 A1호에는, 중공 샤프트가 회전축을 중심으로 회전할 수 있도록, 베어링 내에 장착되어 있는 중공 샤프트를 갖는 기계가 공지되어 있다. 중공 샤프트는, 기계의 작동 중에 냉각 매체에 의해서 관류된다. 중공 샤프트는 축 방향 일 단부에 축 방향으로 접하고 그리고/또는 반경 방향으로 외부에서 커플링부에 매체 밀봉 방식으로 접하며, 이러한 커플링부를 통해서는 냉각 매체가 중공 샤프트 내로 공급되고 그리고/또는 중공 샤프트로부터 외부로 공급된다. 커플링부 상에서는, 지지 요소가 일체로 회전하도록 고정 결합된 방식으로 그리고 회전축에 대해 중심 설정되어 배열되어 있으며, 이러한 지지 요소는 중공 샤프트 내로 돌출하고, 냉각 매체에 의해 둘러싸여 있다. 지지 요소 상에서는 회전축에 대해 중심 설정되어 센서 요소가 배열되어 있다. 중공 샤프트의 내측에서는, 재료 측정부가 중공 샤프트와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있다. 재료 측정부와 센서 요소는, 센서 요소에 의해 출력되는 신호들을 참조하여 중공 샤프트의 회전 위치 및/또는 중공 샤프트의 회전 위치의 변동이 결정될 수 있는 방식으로 상호 작용한다. 이 경우의 단점은, 중공 샤프트가 전기 기계의 출력 샤프트로서 기능한다는 것이다. 결과적으로, 중공 샤프트는 상응하는 두꺼운 벽 두께를 가질 수밖에 없으며, 이와 같은 상황은 중공 샤프트에 의한 전기 기계의 냉각을 덜 효율적으로 만든다. 또한, 기계 장치와 중공 샤프트의 연결 및 유체 회로의 구성은 높은 기술적 복잡도와 연계되어 있다.

일반적으로는, 전기 기계에 공급되는 에너지에 대한 제한을 가급적 적게 유지하기 위하여, 전기 기계를 가급적 효율적으로 냉각시키는 것이 바람직하다. 공급되는 에너지의 제한은 전기 기계의 효율 손실과 결부된다. 특히 자동차용 전기 기계에서는, 다양한 작동 모드들이 제공되어 있다. 예를 들어, 전기 기계는 회복 모드에서 작동될 수 있다. 이 모드에서는, 전기 기계의 낮은 효율이 에너지 회수 측면에서 손실을 야기한다. 따라서, 거의 자유롭게 이용할 수 있는 에너지의 일 부분이 회수 및 사용될 수 없다. 그렇기 때문에, 전기 기계, 특히 자동차용 전기 기계의 효율을 증가시키는 것이 특히 중요하다.

상기와 같은 종래 기술을 배경으로 하는 본 발명의 과제는, 전기 기계의 냉각을 개선할 수 있는 가능성을 소개하는 것이다. 특히, 열원에 대해 작은 거리를 두고 냉각을 가능하게 하는 장치가 제공되어야 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 전기 기계용 샤프트와 관련이 있으며, 이러한 샤프트는,

전기 기계의 회전자와 일체 회전 방식으로 고정 연결되도록 형성된 외부 부분 샤프트;

외부 부분 샤프트와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있고, 전기 기계의 출력 샤프트로서 형성된 내부 부분 샤프트;

샤프트에 냉각 유체를 공급하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유입부; 및

샤프트에 공급된 냉각 유체를 유출하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유출부;를 가지며, 이 경우

외부 부분 샤프트는, 유입부와 유출부 사이에 축 방향으로 배열된 유체 공간을 둘러싸고,

유체 공간은, 샤프트를 냉각시키기 위하여 냉각 유체를 수용하도록 형성되어 있으며, 그리고

유체 공간에서의 냉각 유체의 유동 방향은 유체 펌프의 이송 방향에 의해서 확정된다.

본 발명은 또한 전기 기계와 관련이 있으며, 이러한 전기 기계는,

고정자;

회전자; 및

전술된 바와 같은 샤프트;를 가지며, 이 경우 샤프트는 전기 기계의 회전자와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있다.

또한, 본 발명은 전기 기계, 바람직하게는 사전에 정의된 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템과도 관련이 있으며, 이러한 시스템은,

유체를 저장하기 위한 유체 섬프; 및

냉각 회로를 형성하기 위하여, 냉각 유체를 유체 섬프로부터 전기 기계로 이송하기 위한 유체 펌프;를 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 기술되어 있다. 위에서 언급된 특징들 및 이하에서 더 설명될 특징부들이 각각 명시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 조합으로 또는 단독으로 사용될 수 있다는 것도 자명하다. 또한, 여기에 언급된 특징부들 및 장점들이 이들의 사용 목적과 무관하게 모든 전기 기계에 적용될 수 있다는 것도 자명하다.

외부 부분 샤프트 및 내부 부분 샤프트를 갖는 전기 기계용 샤프트를 제공함으로써는(이 경우 외부 부분 샤프트는 유체 공간을 둘러싸고 있음), 전기 기계를 냉각시키기 위한 유체 공간이 전기 기계의 내부에 제공될 수 있다. 전기 기계의 내부로부터 직접 열이 발산될 수 있다. 전기 기계의 냉각은 기술적으로 간단하게 그리고 효율적으로 가능하다. 전기 기계의 출력 샤프트로서 내부 부분 샤프트를 제공함으로써는, 또 다른 부품들이 생략될 수 있다. 전기 기계는 소수의 부품들로 기술적으로 간단하게 제조될 수 있다. 유체 펌프의 이송 방향을 관통하는 유체 공간에서 냉각 유체의 유동 방향을 사전 설정하거나 확정함으로써, 냉각 회로가 생성될 수 있다. 전기 기계의 작동 시에는, 유체 공간에 있는 냉각 유체가 원심력으로 인해 반경 방향 외부로 외부 부분 샤프트의 내벽을 향해 가압되므로, 유체 공간 내부의 큰 표면적이 냉각 유체로 덮이게 된다. 이 경우에는, 냉각이 더욱 개선된다.

바람직한 일 실시예에서, 외부 부분 샤프트는, 이 외부 부분 샤프트를 내부 부분 샤프트와 일체 회전 방식으로 고정 연결하도록 형성된 연결 섹션을 구비한다. 유입부는 연결 섹션 내에 채널, 천공부 및/또는 보어를 구비한다. 연결 섹션 내에 있는 채널, 천공부 및/또는 보어 형태의 유입부에 의해서는, 유입부가 기술적으로 간단하게 구현될 수 있다. 샤프트에 냉각 유체를 공급하기 위하여, 또 다른 부품들이 필요치 않다. 외부 부분 샤프트를 내부 부분 샤프트와 일체 회전 방식으로 고정 연결하도록 형성된 연결 섹션을 제공함으로써는, 소수의 부품들을 갖는 샤프트가 구성될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 내부 부분 샤프트와 외부 부분 샤프트를 서로 일체 회전 방식으로 고정 연결하기 위하여, 연결 섹션은 종동 치형부를 구비한다. 이로 인해서는, 내부 부분 샤프트와 외부 부분 샤프트 사이에 일체 회전 방식의 고정 연결이 비용면에서 효율적으로 생성될 수 있다. 또한, 샤프트를 형성하기 위하여 내부 부분 샤프트가 외부 부분 샤프트 내로 간단히 삽입 또는 가압될 수 있기 때문에, 샤프트의 제조가 간소화된다.

바람직한 일 실시예에서, 유출부는 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이의 갭에 의해서 형성된다. 이로 인해, 유체 공간으로부터의 따뜻한 냉각 유체의 유출이 기술적으로 간단한 방식으로 실현될 수 있다. 또한, 이로 인해서는 바람직하게 내부 부분 샤프트와 외부 부분 샤프트 사이의 유출 영역에 고정 연결부가 존재하지 않게 되며, 그 결과 내부 부분 샤프트는, 예를 들어 샤프트와 연결된 기계 장치 내에서 유격을 보상하기 위하여, 개선된 방식으로 후퇴할 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 내부 부분 샤프트는 유출부의 영역에, 외부 부분 샤프트에서 내부 부분 샤프트를 지지하기 위한 지지 웹을 구비한다. 이로 인해서는, 실질적으로 강성인 샤프트가 제공될 수 있다. 특히, 내부 부분 샤프트의 지지 및 가열된 냉각 유체의 동시적 유출이 기술적으로 간단하게 달성될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 유출부는 유체 섬프로 이어지는 공급 라인 내로 개방되어 있다. 이와 같은 방식으로는, 기술적으로 간단한 방식으로 냉각 회로가 생성될 수 있다. 또한, 가열되고 이동된 유체가 유체 섬프 내에서 정지할 수 있다. 냉각 유체 내에서 상황에 따라 생성되는 기포들이 자신들의 더 낮은 밀도로 인해 위로 이동할 수 있다. 유체 펌프에 의해서 유체 섬프로부터 냉각 유체가 새로이 흡입될 때에 그리고 새로이 냉각될 때에는, 적은 스플래시(splash) 손실 및 높은 냉각 성능이 가능하다.

또 다른 바람직한 일 실시예에서는, 전기 기계의 출력 샤프트를 형성하기 위하여, 내부 부분 샤프트의 단부 섹션이 외부 부분 샤프트보다 축 방향으로 더욱 돌출된다. 이와 같은 방식으로는, 단 하나의 부품만으로 기술적으로 간단하게 냉각 및 기계 장치와의 연결이 달성될 수 있다. 샤프트는, 종래 기술에 공지된 출력 샤프트 대신에 전기 기계용으로 사용될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 단부 섹션은, 기계 장치와 연결되도록 형성되고 그리고/또는 스스로 기계 장치의 일 부분을 형성한다. 이와 같은 방식으로, 샤프트는 또 다른 보조 수단 없이 기계 장치와 상호 작용 연결될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 외부 부분 샤프트는 2개의 부분으로 형성되어 있다. 2개의 부분들은 압입 끼워 맞춤, 마찰 용접 및/또는 접착에 의해 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다. 이와 같은 방식으로, 외부 부분 샤프트의 제조는 기술적으로 간단하게 가능하다. 또한, 2개 부분들의 연결에 의해서 유체가 전기 기계의 회전자 내에 도달하지 않도록 보장될 수 있다.

전기 기계의 바람직한 일 실시예에서, 전기 기계는 인코더 휠을 구비한다. 인코더 휠은, 출력 샤프트와 함께 회전하도록 형성되어 있으며, 인코더 휠을 관통해서 냉각 유체를 샤프트에 공급하기 위하여 보어를 포함한다. 이와 같은 방식으로는, 전기 기계의 회전 속도 및 회전 방향이 기술적으로 간단하게 그리고 신뢰할 수 있는 방식으로 모니터링 될 수 있으며, 이 경우에는 전기 기계의 샤프트로의 냉각 유체의 공급이 보장되었다.

전기 기계의 또 다른 바람직한 일 실시예에서, 외부 부분 샤프트는 압입 끼워 맞춤에 의해서 전기 기계의 회전자와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있다. 이와 같은 방식으로는, 전기 기계의 회전자와 샤프트의 일체로 회전하는 고정 연결이 비용면에서 효율적으로 이루어질 수 있다.

전기 기계의 또 다른 바람직한 일 실시예에서, 전기 기계는, 샤프트 상에서 변속기와 상호 작용 연결되도록 형성되어 있다. 유출부는, 변속기를 윤활하기 위하여 그리고/또는 냉각시키기 위하여 변속기에 냉각 유체를 공급하도록 형성되어 있다. 이와 같은 방식으로는, 상호 작용 연결된 변속기가 기술적으로 간단하게 냉각 및 윤활될 수 있다. 바람직하게는, 변속기의 추가적인 윤활 및 냉각이 생략될 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템은 냉각 유체로부터 열을 제거하기 위하여 열 교환기를 구비한다. 이 경우, 열 교환기는 바람직하게는 유체 유동 방향으로 유체 섬프와 유체 펌프 사이에 배열되어 있다. 이와 같은 방식으로는, 전기 기계의 냉각이 더욱 개선될 수 있다. 냉각 유체로부터 열이 추가로 제거될 수 있다.

냉각 유체는, 사용 장소 및 사용 분야에 따라 다양한 많은 조성들로 제공된다. 이로써, 예를 들어 미네랄 오일 및/또는 합성 오일이 첨가제 있는 상태로 또는 첨가제 없는 상태로 사용될 수 있다. 또한, 물, 특히 탈 이온수를 첨가제 있는 상태로 또는 첨가제 없는 상태로 사용하는 것도 생각할 수 있다. 또한, 알코올 또는 에테르도 첨가제 있는 상태로 또는 첨가제 없는 상태로 냉각 유체로서 사용될 수 있다. 원칙적으로는, 모든 가스 또는 모든 액체가 사용 목적에 따라 냉각 유체로서 사용될 수 있다. 본 경우에는, 전체 온도 범위에 걸쳐 액체인 또는 유동성인 물질이 냉각 유체로서 사용될 수 있다.

회복은, 제동 과정에서 에너지의 회수이다. 회생 브레이크로서도 언급되는 회복 브레이크는, 모든 전기 역학식 브레이크와 같이 마모 없이 작동한다. 견인 모터가 전기 제너레이터로서 작동됨으로써, 제동 효과가 이루어진다. 전기 에너지는 차량 내에서 예를 들어 축전지 또는 고성능 커패시터 내에 보관될 수 있다.

인코더 휠은, 인코더 휠의 각도 위치 또는 회전 위치와 상관이 있는 신호를 생성하기 위한 장치이다. 예를 들면, 톱니 림 내에서의 주기적인 갭들을 참조해서 또는 자기장 변동으로 인한 유도 송신기를 이용해서 각도 신호 또는 회전 속도 신호가 생성될 수 있다. 균일한 톱니 구조는 사인파 형태의 전압 곡선에 상응한다. 더 나아가서는, 특정 간격들로 상이한 크기의 갭들이 사용됨으로써, 특정의 톱니 휠 위치가 제어 장치에 전달될 수 있으며, 이로 인해서는 전압 곡선의 변동이 야기된다. 또한, 예를 들어 광 배리어를 통과하는 톱니 휠의 톱니에 의해서, 각도 위치 또는 회전 속도를 광학적으로 결정하는 것도 생각할 수 있다.

스플래시 손실은, 불순물로 인해, 바람직하게는 기포에 의해서 생성되는 냉각 유체의 냉각 특성에 악영향을 미치는 효율 손실이다. 불순물은 대부분 냉각 유체보다 더 나쁜 열적 특성을 가지므로, 오염된 냉각 유체가 열을 덜 흡수할 수 있다. 또한, 공기 개재에 의해서 냉각 유체가 오염되는 경우에는, 냉각 유체의 점도가 변할 수 있으므로, 유체 펌프가 덜 효율적으로 작동하게 된다.

본 발명은, 첨부된 도면부와 관련하여 선택된 몇몇 실시예들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다. 도면부에서,
도 1은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 전기 기계의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 전기 기계의 샤프트의 개략적인 상세도를 도시한다.
도 4는 샤프트를 갖는 전기 기계의 기술적인 도면을 도시한다.
도 5는 샤프트를 갖는 전기 기계의 또 다른 기술적인 도면을 도시한다.

도 1에는, 전기 기계(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 전기 기계(10)는, 전기 기계의 회전자(14)와 일체로 회전하도록 고정 연결된 샤프트(12)를 구비한다. 전기 기계(10)의 고정자(16)는 하우징(18)과 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있다. 고정자(16)가 회전자(14)에 대해 상대적인 고정자(16)의 회전 운동을 방해하는 다른 부품과도 상호 작용 연결될 수 있다는 것은 자명하다. 도시는 예시적으로 이해되어야 하고, 구성 요소들은 척도에 맞지 않는다. 또한, 또 다른 세부 사항에 대한 도시는 생략되었다.

전기 기계(10)의 작동 시에, 회전자(14)와 샤프트(12)는 동일한 회전 속도로 회전한다. 고정자(16)는, 이 고정자가 실질적으로 운동, 특히 회전 운동을 전혀 실행하지 않는 방식으로 하우징(18)과 연결되어 있다. 전기 기계(10)는 직류 기계, 교류 기계, 3상 교류 기계일 수 있다. 일반적으로, 본 발명은, 출력 샤프트를 구비하는 모든 전기 기계와 함께 사용될 수 있다.

도 2에는, 전기 기계(10)를 냉각시키기 위한 시스템(20)이 개략적으로 도시되어 있다. 시스템(20)은 유체 섬프(22), 유체 펌프(24) 및 라인들(26)을 포함한다.

유체 펌프(24)는, 유체 섬프로부터 전기 기계(10)의 샤프트(12)로 냉각 유체(28)를 이송한다. 냉각 유체(28)는 전기 기계(10)로부터 열을 흡수한다. 냉각 유체(28)가 추가 이송됨으로써, 샤프트(12) 내에 있는 냉각 유체(28)는 전기 기계(10)의 샤프트(12)로부터 밀려나가서 재차 유체 섬프(22) 내로 환류한다.

이 경우, 유체 펌프(24)는, 냉각 유체를 이송하기에 적합한 모든 유형의 펌프일 수 있다. 냉각 유체(28)의 냉각을 개선하기 위하여 시스템(20) 내에 하나 또는 복수의 열 교환기가 제공될 수 있다는 것은 자명하다. 또한, 냉각 유체(28)로부터 부유 물질을 여과하기 위하여 유체 필터가 제공될 수 있다. 전기 기계(10) 및/또는 냉각 유체(28)의 온도를 검출하기 위하여, 하나 또는 복수의 온도 센서가 제공될 수도 있다. 전기 기계(10) 및/또는 냉각 유체(28)의 온도에 따라 유체 펌프(24)를 조절하는 것을 생각할 수 있다. 도시는 기능적인 최소 도면으로서 이해되어야 한다. 또한, 유체 펌프(24)가 또 다른 냉각 회로를 작동시키는 것도 생각할 수 있다.

도 3에는, 전기 기계(10)의 샤프트(12)의 상세도가 개략적으로 도시되어 있다. 샤프트(12)는, 도시된 예에서 중실 샤프트로서 형성되었고 반경 방향 내부에 배치된 제1 내부 부분 샤프트(30)를 구비한다. 샤프트(12)는, 또한 중공 샤프트로서 형성되었고 내부 부분 샤프트(30)를 둘러싸는, 반경 방향 외부에 배치된 제2 외부 부분 샤프트(32)를 구비한다.

샤프트(12)의 회전 속도 및 이로써 전기 기계(10)의 회전자(14)의 회전 속도를 결정하기 위하여, 샤프트 상에는 인코더 휠(34)이 배열되어 있다. 인코더 휠(34)은, 연결 섹션(38) 내에 있는 채널 형태의 유입부(36)를 관통해서 인코더 휠(34)을 통해 유체 공간(40)에 유체를 공급하기 위하여, 리세스를 구비한다. 유출부(42)는, 내부 부분 샤프트(30)와 외부 부분 샤프트(32) 사이에 갭의 형태로 형성되어 있다. 적용 예에 따라서는, 내부 부분 샤프트(30) 상에서 외부 부분 샤프트(32)를 지지하기 위하여, 유출부(42)의 영역에 지지 웹(41)이 제공될 수도 있다. 연결 섹션(38)은, 내부 부분 샤프트(30)와 외부 부분 샤프트(32)를 서로 일체 회전 방식으로 고정 연결하기 위해 형성되어 있다. 이를 위해, 연결 섹션(38)은 종동 치형부를 구비할 수 있다. 2개의 부분 샤프트들(30, 32)을 서로 용접 또는 접착하는 것도 생각할 수 있다. 압입 끼워 맞춤도 생각할 수 있다.

도 4는, 샤프트(12)를 갖는 전기 기계(10)의 일 단면의 상세한 기술적인 도면을 개략적으로 보여준다. 동일한 참조 번호들은 동일한 특징부와 관련이 있고, 새로이 설명되지 않는다. 본 도면은 단면도이다.

도시된 예에서, 샤프트(12)는 자신의 유출 측에 변속기(44) 형태의 기계 장치를 구비한다. 반경 방향 외부에 배치된 부분 샤프트는 제1 부분(32a) 및 제2 부분(32b)에 의해서 형성되었다. 또한, 샤프트(12)는, 내부 부분 샤프트(30)와 외부 부분 샤프트(32)를 일체로 회전하도록 고정 연결하기 위하여, 자신의 연결 섹션(38)에 종동 치형부(46)를 구비한다. 2개의 부분들(32a, 32b)은 마찰 용접에 의해 서로 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다.

전기 기계(10) 및 특히 샤프트(12)가 유체 회로와 연결되어 있으면, 냉각 유체(28)는 유체 펌프(24)에 의해 유체 섬프(22) 밖으로 흡입된다. 유체 펌프(24)는 냉각 유체(28)를 라인들(26) 및 유압 스크루 연결부들을 통해 샤프트(12) 내로 보낸다. 내부 부분 샤프트(30) 및 외부 부분 샤프트(32) 및 전기 기계(10)의 회전자(14)와 함께 회전하는 인코더 휠(34)과 베어링 커버(48) 사이에는 밀봉부, 예를 들어 레이디얼 샤프트 실이나, 밀봉 링과 배플 플레이트(baffle plate)로 이루어진 조합이 있다.

냉각 유체(28)는 베어링 커버(48) 내의 보어들을 통해서 내부로, 다시 말하자면 인코더 휠(34)의 리세스 내로 유동한다. 그곳으로부터 냉각 유체는 인코더 휠(34) 내에 있는 보어들의 형태의 복수의 유입부들(36)을 통해 샤프트(12) 내로 보내지고, 유체 공간(40) 내에 수용된다.

냉각 유체(28)가 내부 부분 샤프트(30)와 외부 부분 샤프트(32) 사이의 중간 공간을 관통해서 추가 유동하지 않도록 하기 위해, 밀봉부들(50)이 상기 갭을 밀봉하며, 이 경우 연결 섹션(38) 상에 배열된 밀봉부(50)는 마찬가지로 그리스 윤활된 베어링에 대해서 또는 전기 기계의 공간에 대해서도 밀봉한다. 밀봉부(50)는 바람직하게 O자형 링으로서 구현될 수 있으며, 이 경우 이러한 링은 일반적으로 동일한 회전 속도의 부품들 또는 강성의 부품들을 서로에 대해 밀봉한다. 그와달리, 밀봉부(54)는 예컨대 레이디얼 샤프트 밀봉 링이나, 밀봉 링과 배플 플레이트로 이루어진 조합일 수 있으며, 이 경우 밀봉부(54)는 상이한 회전 속도의 부품들을 서로에 대해 밀봉한다. 결과적으로, 냉각 유체(28)는 유체 공간(40) 내로 그리고 바람직하게는 외부 부분 샤프트(32)의 부근으로 유동한다. 이로 인해, 냉각 유체(28)는 전기 기계(10)의 회전자(14)의 부근에 도달하게 된다. 우수한 냉각 성능이 성취된다. 냉각 성능은 원심력[샤프트(12)의 회전]에 의해서 보조되며, 이 경우 유체 공간(40) 내의 냉각 유체(28)는 외부 부분 샤프트(32)의 벽들로 보내지고, 전기 기계(10)의 회전자(14)로부터 열을 흡수한다. 외부 부분 샤프트(32)는 2개의 부분으로 구성되어 있으며, 이 경우 2개의 부분들(32a 및 32b)은 서로 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다. 이는 예를 들어 마찰 용접 또는 압입 끼워 맞춤을 통해서 이루어질 수 있다.

샤프트(12)의 유체 공간(40)은 이미 샤프트(12) 내에 단조 가공되어 있을 수 있지만, 절삭 방식으로 회전 가공되어 있을 수도 있다. 전기 기계(10)의 회전자(14)가 제공되어 있는 외부 부분 샤프트(32)는, 전기 기계(10)로부터 외부 부분 샤프트(32) 내로의 열 전도성을 증가시키기 위하여, 바람직하게는 전기 기계(10)의 회전자(14)에 대해 큰 접촉 면적을 가지며, 이 경우 상기 열은 최종적으로 냉각 유체(28)로 송출된다. 샤프트(12)의 유체 공간(40)이 폐쇄되어 있기 때문에, 냉각 유체(28)는 내부 부분 샤프트(30)와 외부 부분 샤프트(32) 사이에 있는 갭 형태의 유출구(42) 내에 도달하고, 그곳으로부터 재차 유체 섬프(22) 내에 도달한다.

도 5는, 본 발명에 따른 샤프트(12)를 갖는 전기 기계(10)의 기술적인 도면을 보여준다. 동일한 참조 번호들은 동일한 특징부와 관련이 있기 때문에 새로이 설명되지 않는다.

도 5는 샤프트(12) 및 결과적으로 또한 전기 기계(10)의 회전자(14)가 도 4에 도시된 단면과 비교하여 축을 중심으로 회전된 단면도를 도시한다. 본 단면에서는, 유입부(36)를 볼 수 없다. 또한, 베어링 커버(48) 및 변속기(44) 내에 있는 또 다른 세부 사항의 도시는 생략되었다. 인코더 휠(34) 내에는 보어들(52)이 도시되어 있으며, 이러한 보어들은 인코더 휠(34)을 관통하여, 회전자(14), 샤프트(12) 및 인코더 휠(34)의 이러한 회전 위치에서는 볼 수 없는 연결 섹션(28) 내의 유입부(36) 내로 이루어지는 냉각 유체(28)의 관류를 가능하게 한다.

본 발명은 도면부 및 상세한 설명부를 참조하여 포괄적으로 기술되고 설명되었다. 기술 및 설명은 예로서 이해되어야 하고 한정적으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않는다. 다른 실시예들 또는 변형예들은, 본 발명을 사용할 때에 그리고 도면부, 공개 내용 및 이하의 특허청구범위를 정확하게 분석할 때에 당업자에게 드러난다.

특허청구범위에서, "포함하다" 및 "갖는"이라는 단어들은 또 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수의 존재를 배제하지 않는다. 복수의 다양한 종속 특허 청구항들에서 몇몇 조치들을 단순히 언급만 하는 것은, 이들 조치들의 조합이 마찬가지로 바람직하게 사용될 수 없다는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특허 청구항들에 있는 참조 부호들은 한정적인 것으로 이해되어서는 안 된다.

10: 전기 기계
12: 샤프트
14: 회전자
16: 고정자
18: 하우징
20: 시스템
22: 유체 섬프
24: 유체 펌프
26: 라인
28: 냉각 유체
30: 내부 부분 샤프트
32: 외부 부분 샤프트
34: 인코더 휠
36: 유입부
38: 연결 섹션
40: 유체 공간
41: 지지 웹
42: 유출부
44: 변속기
46: 종동 치형부
48: 베어링 커버
50: 밀봉부
52: 인코더 휠 내의 보어
54: 밀봉부

Claims

전기 기계(10)용 샤프트(12)로서, 상기 샤프트는,
전기 기계의 회전자(14)와 일체 회전 방식으로 고정 연결되도록 형성된 외부 부분 샤프트(32);
외부 부분 샤프트와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있고, 전기 기계의 출력 샤프트로서 형성된 내부 부분 샤프트(30);
샤프트에 냉각 유체(28)를 공급하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유입부(36); 및
샤프트에 공급된 냉각 유체를 유출하기 위하여, 외부 부분 샤프트와 내부 부분 샤프트 사이에 반경 방향으로 배열된 유출부(42);를 가지며,
이 경우
외부 부분 샤프트는, 유입부와 유출부 사이에 축 방향으로 배열된 유체 공간(40)을 둘러싸고,
유체 공간은, 샤프트를 냉각시키기 위하여 냉각 유체를 수용하도록 형성되어 있으며, 그리고
유체 공간에서의 냉각 유체의 유동 방향은 유체 펌프(24)의 이송 방향에 의해서 확정되는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항에 있어서,
외부 부분 샤프트(32)는, 상기 외부 부분 샤프트를 내부 부분 샤프트(30)와 일체 회전 방식으로 고정 연결하도록 형성된 연결 섹션(38)을 구비하며, 그리고
유입부(36)는 연결 섹션 내에 채널, 천공부 및/또는 보어를 구비하는, 전기 기계용 샤프트(12).
제2항에 있어서, 내부 부분 샤프트와 외부 부분 샤프트(30, 32)를 서로 일체 회전 방식으로 고정 연결하기 위하여, 연결 섹션(38)은 종동 치형부(46)를 구비하는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유출부(42)는 외부 부분 샤프트(32)와 내부 부분 샤프트(30) 사이의 갭에 의해서 형성되는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 부분 샤프트(30)는 유출부(42)의 영역에, 외부 부분 샤프트(32)에서 내부 부분 샤프트를 지지하기 위한 지지 웹(41)을 구비하는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유출부(42)는 유체 섬프(22)로 이어지는 공급 라인 내로 개방되어 있는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 기계(10)의 출력 샤프트를 형성하기 위하여, 내부 부분 샤프트(30)의 단부 섹션이 외부 부분 샤프트(32)보다 축 방향으로 더욱 돌출하는, 전기 기계용 샤프트(12).
제7항에 있어서, 단부 섹션은, 기계 장치와 연결되도록 형성되고 그리고/또는 스스로 기계 장치의 일 부분을 형성하는, 전기 기계용 샤프트(12).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 부분 샤프트(32)는 2개의 부분으로 형성되어 있으며, 2개의 부분들(32a, 32b)은 압입 끼워 맞춤, 마찰 용접 및/또는 접착에 의해 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있는, 전기 기계용 샤프트(12).
전기 기계(10)로서, 상기 전기 기계는,
고정자(16);
회전자(14); 및
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 샤프트(12);를 가지며, 이 경우 샤프트는 전기 기계의 회전자와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있는, 전기 기계(10).
제10항에 있어서, 상기 전기 기계는 인코더 휠(34)을 구비하며, 이 경우 인코더 휠은, 샤프트(12)와 함께 회전하도록 형성되어 있으며, 인코더 휠을 관통해서 냉각 유체(28)를 샤프트에 공급하기 위하여 보어를 포함하는, 전기 기계(10).
제10항 또는 제11항에 있어서, 외부 부분 샤프트(32)는 압입 끼워 맞춤에 의해서 전기 기계의 회전자(14)와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있는, 전기 기계(10).
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 기계는, 샤프트(12) 상에서 변속기(44)와 상호 작용 연결되도록 형성되어 있으며, 그리고
유출부(42)는, 변속기를 윤활하기 위하여 그리고/또는 냉각시키기 위하여 변속기에 냉각 유체(28)를 공급하도록 형성되어 있는, 전기 기계(10).
전기 기계(10), 바람직하게는 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템(20)으로서, 상기 시스템은,
냉각 유체(28)를 저장하기 위한 유체 섬프(22); 및
냉각 회로를 형성하기 위하여, 냉각 유체를 유체 섬프로부터 전기 기계로 이송하기 위한 유체 펌프(24);를 갖는, 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템(20).
제14항에 있어서, 상기 시스템은 냉각 유체(28)로부터 열을 제거하기 위하여 열 교환기를 구비하며, 이 경우 열 교환기는 유체 유동 방향으로 바람직하게는 유체 섬프(22)와 유체 펌프(24) 사이에 배열되어 있는, 전기 기계를 냉각시키기 위한 시스템(20).