KR20220126097A - 발전기의 냉각장치 - Google Patents

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현대일렉트릭앤에너지시스템(주)
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Abstract

본 발명은, 메인 엔진에 직접 장착된 발전기의 내부에서 발생된 열에너지를 외부로 방출할 수 있는 선박용 발전기의 냉각장치에 관한 것으로, 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 엔진에 결합되고, 공기의 유입구와 유출구를 갖춘 발전기 하우징; 상기 발전기 하우징 내에 수용되고, 엔진의 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 적어도 하나의 팬; 및 상기 유출구에 설치되어, 상기 발전기 하우징 내 공기를 외부로 방출하는 펌핑수단을 포함할 수 있다.

Description

발전기의 냉각장치{Apparatus for cooling generator}
본 발명은 예컨대 선박의 메인 엔진에 직접 장착되는 발전기의 냉각장치에 관한 것이다.
선박을 추진하는 데에 사용되는 메인 엔진의 에너지 효율을 향상시키기 위해, 프로펠러의 구동축에 축발전기가 적용될 수 있다. 이러한 축발전기는 통상 메인 엔진과 프로펠러 사이의 구동축에 직접 설치되거나, 기어 박스를 매개로 구동축과 구동축에 평행한 축발전기의 회전축을 연동시켜 증속된 회전속도로 발전할 수 있게 설치된다.
하지만, 전술한 형태로 축발전기를 배치하는 경우에, 메인 엔진과 프로펠러 사이에 발전기가 위치함에 따라 설치공간이 크게 요구되며, 선박 내 엔진룸의 크기가 축방향으로 증대되어 선박의 적재량을 감소시키는 단점이 있다. 이 때문에, 메인 엔진의 앞 끝 부분, 즉 프로펠러의 반대쪽으로 프로펠러로부터 멀리 떨어진 메인 엔진의 끝 부분에 발전기를 직접 설치하는 구성이 제안되고 있다.
한편, 선박의 메인 엔진은 실린더, 피스톤, 크랭크 샤프트 등을 포함할 수 있다. 크랭크 샤프트는 베어링에 의해 지지됨과 더불어, 커넥팅 로드에 의해 실린더 내 피스톤과 연결됨으로써, 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 역할을 한다. 따라서, 크랭크 샤프트에 발전기를 설치하면 에너지 효율을 높일 수 있으며, 이러한 발전기에서 냉각을 수행하면 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
(특허문헌 1) KR 2020-0112685 A
본 발명은, 예컨대 선박의 메인 엔진에 직접 장착된 발전기의 내부에서 발생된 열에너지를 외부로 방출할 수 있는 발전기의 냉각장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 엔진에 결합되고, 공기의 유입구와 유출구를 갖춘 발전기 하우징; 상기 발전기 하우징 내에 수용되고, 엔진의 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 적어도 하나의 팬; 및 상기 유출구에 설치되어, 상기 발전기 하우징 내 공기를 외부로 방출하는 펌핑수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 엔진에 결합되고, 공기의 유입구와 유출구를 갖춘 발전기 하우징; 상기 발전기 하우징 내에 수용되고, 엔진의 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 적어도 하나의 팬; 및 상기 유입구에 연결되어, 상기 발전기 하우징 내로 외부 공기를 불어넣는 펌핑수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진에 직접 장착되는 발전기에 개방형 공랭 시스템을 구성할 수 있게 됨으로써, 발전기의 냉각을 수행하여 성능 저하를 없게 할 수 있다. 이에 따라 엔진의 에너지 효율성이 향상될 수 있음은 물론, 이러한 엔진을 선박에 설치하는 경우에 선박의 공간 활용성이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 발전기 하우징(10), 팬(20), 펌핑수단(30)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각장치는 엔진(3)에 직접 장착된 발전기(Engine Mounted Generator, EMG; 2)에 적용될 수 있다. 이러한 발전기는 선박에 사용될 수 있으나, 그 사용처는 반드시 이에 한정되지 않는다.
엔진(3)에 직접 장착된 발전기(2)의 회전자(40)는, 엔진을 구성하는 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 연결될 수 있다. 예를 들어, 엔진에 직접 장착된 발전기가 선박에 사용되는 경우에, 크랭크 샤프트의 타측 단부에는 선박의 프로펠러(미도시)가 연결되어 선박에 동력을 제공할 수 있다.
또한, 발전기 하우징(10)은 중간 프레임(4)을 매개로 하여 엔진(3)에 연결될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 예컨대 발전기 하우징이 엔진의 커버에 직접 연결될 수 있다.
엔진(3)에 직접 장착된 발전기(2)의 고정자(50)는, 발전기를 구성하는 발전기 하우징(10)에 고정되게 장착될 수 있다. 이에 따라 발전기 하우징은 고정자를 위한 지지구조물로 작용할 수 있다.
엔진(3)의 크랭크 샤프트(1)에 연결된 회전자(40)는, 엔진에 결합된 발전기 하우징(10)에 장착된 고정자(50) 내에 삽입되어 고정자와 대면하도록 설치될 수 있다.
이와 같이 회전자(40)는 엔진(3)의 크랭크 샤프트(1)와 결합하고 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서, 회전자와 고정자가 서로 대면하게 배치됨으로써, 엔진에 직접 장착된 발전기(2)가 구성될 수 있게 된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 외부 공기가 발전기 하우징(10)의 정면으로 흡입되어 열교환된 후 상부를 통해 방출된다.
발전기 하우징(10)은 대략 원형이나 다각형 등의 형상을 갖고서 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부를 덮어씌우도록 형성되어 엔진(3)에 결합될 수 있다.
이러한 발전기 하우징(10)은 정면에 복수의 유입구(11)가 형성되어, 외부 공기가 발전기 하우징의 정면을 통해 흡입될 수 있다. 유입구에는 발전기(2) 내로 이물질의 유입을 방지하기 위한 그릴 또는 필터(12)가 장착될 수 있다.
발전기 하우징(10)의 상면에는, 발전기 하우징의 내부로 흡입된 공기가 다시 발전기 하우징의 외부로 방출되는 유출구(13)가 형성될 수 있다. 유출구에는 공기의 원활한 배출을 안내하는 가이드(15)가 구비될 수 있다.
따라서, 발전기 하우징(10)은 배면이 개방되고, 정면에 공기의 유입구(11)가 형성되며, 상면에 공기의 유출구(13)가 형성된다. 이로써, 외부 공기는 정면을 통해 발전기 하우징 내로 흡입되어 상면을 통해 발전기 하우징의 외부로 다시 유출될 수 있다.
크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에는 튜닝 휠(5)이 견고하게 고정되어 크랭크 샤프트와 함께 회전할 수 있다. 튜닝 휠은 대략 고리 형상의 부재로서, 튜닝 휠의 엔진 반대쪽 측면에 팬(20)이 견고하게 고정되어 튜닝 휠과 함께 회전할 수 있다.
팬(20)은, 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 유입구(11)를 통해 공기를 크랭크 샤프트(1)의 축방향으로 흡인하여 방사상으로 송풍할 수 있는 예컨대 원심팬으로 형성될 수 있다. 이러한 팬은 대략 관 형상으로 형성되고, 지지판(201)과 복수의 블레이드(202) 및 연결링(203)을 포함할 수 있다.
지지판(201)은 고리 형상의 판재로 형성되고, 튜닝 휠(5)의 엔진 반대쪽 측면에서 튜닝 휠에 고정되게 결합될 수 있다.
복수의 블레이드(202)는 서로 일정한 간격을 두고 배치되어 지지판(201)에 고정될 수 있다. 블레이드는 블레이드의 길이방향이 크랭크 샤프트(1)의 축방향과 평행하게 배치될 수 있다.
연결링(203)은, 블레이드(202)들의 변형을 방지하고 블레이드들이 서로를 지지하도록 하기 위해, 지지판(201)으로부터 외팔보 형태로 연장한 블레이드의 단부를 연결할 수 있다.
이렇게 구성된 팬(20)은 공기를 축방향으로 흡인하여 방사상으로 송풍할 수 있을 뿐 아니라, 회전자(40)의 코어(41)와 권선(42)을 지지할 수 있으며, 튜닝 휠(5)에 연결되어 회전자 허브로서의 역할을 수행할 수 있다.
특히, 유도기형 발전기의 경우에는 원통형 회전자 구조를 갖게 되는데, 팬(20)은 이러한 원통형 회전자 구조에서 코어(41)를 안착 및 고정할 수 있는 구조물로서의 역할을 수행할 수 있다.
회전자(40)의 코어(41)는 얇은 복수의 규소 강판을 고리 형상으로 가공하고 규소 강판의 두께방향, 즉 팬(20)의 축방향으로 적층하여 제작된 것을 채용한다. 이렇게 만들어진 코어는 철손이 적고 투자율이 커서 우수한 자성 특성을 갖는다.
코어(41)는 팬(20)을 구성하는 복수의 블레이드(202)의 외주면에 끼워져 이들 블레이드에 의해 지지될 수 있다. 또한, 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널(43)이 형성될 수 있으며, 이러한 채널을 통해 방사상 안쪽에서 바깥쪽으로 공기가 유동하여 회전자(40)를 통과할 수 있다.
복수의 권선(42)은 각각 링 형상으로 형성되어, 팬(20)을 구성하는 복수의 블레이드(202)의 외주면에 끼워질 수 있다. 예를 들어, 권선은 코어(41)의 양측에서 복수의 블레이드에 의해 지지되도록 배치될 수 있다.
이와 같이 구성된 회전자(40)는 그 코어(41)와 권선(42)이 팬(20)을 구성하는 복수의 블레이드(202)에 의해 지지되고, 팬은 크랭크 샤프트(1)와 함께 회전 가능하게 결합하는 튜닝 휠(5)에 고정됨으로써, 회전자는 크랭크 샤프트에 연동되어 회전할 수 있게 된다.
한편, 고정자(50)의 코어(51)는 얇은 복수의 규소 강판을 고리 형상으로 가공하고 규소 강판의 두께방향, 즉 팬(20)의 축방향으로 적층하여 제작된 것을 채용한다.
코어(51)는 발전기 하우징(10)의 내주면에 끼워져 발전기 하우징에 의해 지지될 수 있다. 이를 위해 예를 들면 코어의 외주면에는 복수의 클램핑 홈이 원주방향을 따라 서로 이격되어 마련될 수 있으며, 이에 대응하여 발전기 하우징의 내주면에는 복수의 클램핑 돌기가 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 코어(51)에는 복수의 권선(52)이 설치될 수 있는데, 이를 위해 코어의 내주면에는 예를 들어 권선이 감길 수 있는 복수의 요크가 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성될 수 있다.
마찬가지로, 코어(51) 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널(53)이 형성될 수 있으며, 이러한 채널을 통해 방사상 안쪽에서 바깥쪽으로 공기가 유동하여 고정자(50)를 통과할 수 있다.
이와 같이 구성된 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 의해 지지됨으로써, 고정자는 회전자(40)가 내부에 삽입된 상태에서 회전자와 대면하도록 배치될 수 있게 된다.
펌핑수단(30)은 발전기 하우징(10)의 외부에 고정되고 유출구(13)에 연통되어 발전기 하우징 내 공기를 발전기 하우징의 외부로 방출시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 펌핑수단은 유출구에 구비된 가이드(15)에 설치될 수 있다.
이러한 펌핑수단(30)으로는 에어펌프 또는 블로워 등이 채용될 수 있으며, 펌핑수단은 크랭크 샤프트(1)의 축방향에 대해 대략 직각인 방향으로 공기를 토출할 수 있게 배치될 수 있다. 도 1에는, 발전기 하우징(10)을 정면에서 보았을 때 발전기 하우징의 상부에서 발전기 하우징의 좌우로 공기를 방출하는 예가 도시되어 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치의 작동에 대해 간략히 설명한다.
먼저, 엔진(3)이 구동되면 발전기(2)의 회전자(40)는 크랭크 샤프트(1)와 연동되어 회전할 수 있다. 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서 회전자와 대면하게 배치되어, 회전자의 회전에 따른 전자기력에 의해 전기적 출력을 발생시킨다.
이때, 회전자(40)의 코어(41) 및 권선(42) 그리고 고정자(50)의 코어(51) 및 권선(52)에서는 열이 발생하게 된다.
엔진(3)의 구동에 따라, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 연결된 팬(20)이 회전하여 그 주변에 부압을 발생시킨다. 또한, 펌핑수단(30)이 작동하여 발전기 하우징(10) 내 공기를 외부로 방출하는 부압을 발생시킨다.
이에 따라 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 외부 공기는 유입구(11)를 통과하여 발전기 하우징의 내측 공간으로 흡입된다. 발전기 하우징 내에는 계속적으로 외부 공기의 흡입이 이루어질 수 있다.
발전기 하우징(10) 내로 흡입된 공기는 팬(20)에 의해 크랭크 샤프트(1)의 방사상으로 송풍된다.
송풍된 공기는 발전기 하우징(10)의 상부에 있는 유출구(13)를 향해 유동하면서 회전자(40)의 채널(43)과 고정자(50)의 채널(53)을 차례로 통과한다. 동시에, 공기는 회전자 및 고정자와 열교환하여 회전자 및 고정자는 냉각시키고 이들로부터 열을 빼앗아 공기는 승온된다.
이어서 승온된 공기는 발전기 하우징(10)의 상면에 있는 유출구(13)를 통과하고 펌핑수단(30)을 거쳐 발전기 하우징의 외부로 방출되게 된다.
이로써, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 차가운 외부 공기를 팬(20)에 의해 발전기 하우징(10)의 내부로 흡인한 후 회전자(40) 및 고정자(50)를 냉각시키고, 열교환되어 승온된 공기를 펌핑수단(30)에 의해 발전기 하우징의 외부로 방출시킴으로써 발전기를 냉각시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 발전기 하우징(10), 복수의 팬(21, 22, 23), 펌핑수단(30)을 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 복수의 팬(21, 22, 23)과 여자기(60) 및 이들과 관련된 부품이 추가된 점만 상이하고, 나머지 구성요소들은 전술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명된 것과 동일하게 구성되어 사용될 수 있으므로, 동일한 나머지 구성요소들의 구성 및 작용의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각장치는 엔진(3)에 직접 장착된 발전기(EMG; 2)에 적용될 수 있다. 회전자(40)는 엔진의 크랭크 샤프트(1)와 결합하고 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서, 회전자와 고정자가 서로 대면하게 배치됨으로써, 엔진에 직접 장착된 발전기가 구성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 외부 공기가 발전기 하우징(10)의 정면으로 흡입되어 열교환된 후 상부를 통해 방출된다.
발전기 하우징(10) 내에는 여자기(60)가 설치될 수 있다. 여자기는, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 결합된 여자기 허브(61); 여자기 허브에 장착되어 크랭크 샤프트와 동일한 속도로 회전하는 여자기 회전자(62); 및 여자기 회전자와 소정의 간극을 두고 대면하도록 발전기 하우징의 내주면에 장착된 여자기 고정자(63)를 포함할 수 있다.
여자기 허브(61)는 대략 관 형상으로 형성되고, 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 형성된 복수의 관통홀(64)을 포함할 수 있다.
크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에는 튜닝 휠(5)이 견고하게 고정되어 크랭크 샤프트와 함께 회전할 수 있다. 튜닝 휠은 대략 고리 형상의 부재로서, 튜닝 휠(10)의 엔진 반대쪽 측면에 제1 팬(21)이 견고하게 고정되어 튜닝 휠과 함께 회전할 수 있다. 제1 팬의 내부에 여자기 허브(61)가 동축으로 배치될 수 있다.
제1 팬(21)은, 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 유입구(11)를 통해 공기를 크랭크 샤프트(1)의 축방향으로 흡인하여 방사상으로 송풍할 수 있는 예컨대 원심팬으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 팬은 대략 관 형상으로 형성되고, 지지판(211)과 복수의 블레이드(212) 및 연결판(213)을 포함할 수 있다.
지지판(211)은 고리 형상의 판재로 형성되고, 튜닝 휠(5)의 엔진 반대쪽 측면에서 튜닝 휠에 고정되게 결합될 수 있다.
복수의 블레이드(212)는 서로 일정한 간격을 두고 배치되어 지지판(211)에 고정될 수 있다.
연결판(213)은 고리 형상의 판재로 형성되고, 블레이드(212)들의 변형을 방지하고 블레이드들이 서로를 지지하도록 하기 위해, 지지판(211)으로부터 외팔보 형태로 연장한 블레이드의 단부를 연결할 수 있다.
튜닝 휠(5)의 방사상 바깥쪽 단부에는 허브(6) 및 회전자(40)의 조립체가 장착될 수 있다.
허브(6)는 대략 T자 형상의 단면을 가진 고리 형상의 부재로서, 외주면은 회전자(40)의 코어(41)와 권선(42)을 지지할 수 있다. 내면의 웹(7) 일측은 튜닝 휠(5)에 결합될 수 있다. 내면의 웹 타측에 제2 팬(22)이 견고하게 고정되어 허브 및 튜닝 휠과 함께 회전할 수 있다.
제2 팬(22)은, 제1 팬(21)으로부터 전달받은 공기를 크랭크 샤프트(1)의 방사상으로 송풍할 수 있는 예컨대 원심팬으로 형성될 수 있다. 이러한 제2 팬은 대략 관 형상으로 형성되고, 지지판(221)과 복수의 블레이드(222) 및 연결판(223)을 포함할 수 있다.
지지판(221)은 고리 형상의 판재로 형성되고, 허브(6)의 튜닝 휠 반대쪽 측면에서 허브의 웹(7)에 고정되게 결합될 수 있다.
복수의 블레이드(222)는 서로 일정한 간격을 두고 배치되어 지지판(221)에 고정될 수 있다. 블레이드는 축방향 길이보다 방사상 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
연결판(223)은 고리 형상의 판재로 형성되고, 블레이드(222)들의 변형을 방지하고 블레이드들이 서로를 지지하도록 하기 위해, 지지판(221)으로부터 외팔보 형태로 연장한 블레이드의 단부를 연결할 수 있다.
또한, 튜닝 휠(5)의 방사상 외주면에 제3 팬(23)이 설치되어 튜닝 휠과 함께 회전할 수 있다.
제3 팬(23)은, 제1 팬(21)으로부터 전달받은 공기를 크랭크 샤프트(1)의 방사상으로 송풍하도록 형성될 수 있다. 이러한 제3 팬은 복수의 블레이드(232)를 포함할 수 있다.
복수의 블레이드(232)는 서로 일정한 간격을 두고 튜닝 휠(5)의 방사상 외주면에 배치되며 고정될 수 있다. 블레이드는 축방향 길이보다 방사상 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
이러한 제1 팬(21)과 제2 팬(22) 및 제3 팬(23)의 상호작용에 의하면 회전자(40) 및 고정자(50)로 향하는 공기의 유량을 증대시켜 발전기의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
동기기형 발전기의 경우에는 돌극형 회전자 구조를 갖게 되는데, 허브(6)는 이러한 돌극형 회전자 구조에서 코어(41)를 안착 및 고정할 수 있는 구조물로서의 역할을 수행할 수 있다.
회전자(40)의 코어(41)는 얇은 복수의 규소 강판을 코어 형상으로 가공하여 허브(6)의 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 탈착가능하게 결합하고, 규소 강판의 두께방향, 즉 허브의 축방향으로 적층하여 구비될 수 있다.
코어(41)는 허브(6)의 외주면에 끼워져 허브에 의해 지지될 수 있다. 또한, 코어들 사이에 있는 간극을 통해 축방향으로 공기가 유동하여 회전자를 통과할 수 있다.
복수의 권선(42)은 각각 링 형상으로 형성되어, 각 코어(41)에 감길 수 있다.
이와 같이 구성된 회전자(40)는 그 코어(41)와 권선(42)이 허브(6)에 의해 지지되고, 허브는 크랭크 샤프트(1)와 함께 회전 가능하게 결합하는 튜닝 휠(5)에 고정됨으로써, 회전자는 크랭크 샤프트에 연동되어 회전할 수 있게 된다.
한편, 고정자(50)의 코어(51)는 얇은 복수의 규소 강판을 고리 형상으로 가공하고 규소 강판의 두께방향, 즉 허브(6)의 축방향으로 적층하여 제작된 것을 채용한다.
코어(51)는 발전기 하우징(10)의 내주면에 끼워져 발전기 하우징에 의해 지지될 수 있다. 코어에는 복수의 권선(52)이 설치될 수 있다.
코어(51) 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널(53)이 형성될 수 있으며, 이러한 채널을 통해 방사상 안쪽에서 바깥쪽으로 공기가 유동하여 고정자(50)를 통과할 수 있다.
이와 같이 구성된 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 의해 지지됨으로써, 고정자는 회전자(40)가 내부에 삽입된 상태에서 회전자와 대면하도록 배치될 수 있게 된다.
펌핑수단(30)은 발전기 하우징(10)의 외부에 고정되고 유출구(13)에 연통되어 발전기 하우징 내 공기를 발전기 하우징의 외부로 방출시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 펌핑수단은 유출구에 구비된 가이드(15)에 설치될 수 있다.
이러한 펌핑수단(30)으로는 에어펌프 또는 블로워 등이 채용될 수 있으며, 펌핑수단은 크랭크 샤프트(1)의 축방향에 대해 대략 직각인 방향으로 공기를 토출할 수 있게 배치될 수 있다. 도 3에는, 발전기 하우징(10)을 정면에서 보았을 때 발전기 하우징의 상부에서 발전기 하우징의 위로 공기를 방출하는 예가 도시되어 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치의 작동에 대해 간략히 설명한다.
먼저, 엔진(3)이 구동되면 여자기(60)에서 전기적 출력(직류)이 생성되고 발전기(2)의 계자에 공급될 수 있다. 이로써, 계자에 자계를 형성하고 자계를 유지할 수 있게 된다.
동시에, 엔진(3)이 구동되면 발전기(2)의 회전자(40)는 크랭크 샤프트(1)와 연동되어 회전할 수 있다. 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서 회전자와 대면하게 배치되어, 회전자의 회전에 따른 전자기력에 의해 전기적 출력을 발생시킨다.
이때, 회전자(40)의 코어(41) 및 권선(42) 그리고 고정자(50)의 코어(51) 및 권선(52)에서는 열이 발생하게 된다.
엔진(3)의 구동에 따라, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 튜닝 휠(5)을 매개로 연결된 제1 팬(21) 및 제3 팬(23)과 더불어, 크랭크 샤프트의 일측 단부에 튜닝 휠과 허브(6)를 매개로 연결된 제2 팬(22)이 회전하여 그 주변에 부압을 발생시킨다. 또한, 펌핑수단(30)이 작동하여 발전기 하우징(10) 내 공기를 외부로 방출하는 부압을 발생시킨다.
이에 따라 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 외부 공기는 유입구(11)를 통과하여 발전기 하우징의 내측 공간으로 흡입된다. 발전기 하우징 내에는 계속적으로 외부 공기의 흡입이 이루어질 수 있다.
발전기 하우징(10) 내로 흡입된 공기는 여자기 허브(61) 내로 들어간다. 여자기 허브 내로 들어간 공기는 여자기 허브의 관통홀(64)을 통과한 후 제1 팬(21)과 제2 팬(22) 또는 제3 팬(23)에 의해 연속하여 크랭크 샤프트(1)의 방사상으로 송풍된다.
송풍된 공기는 발전기 하우징(10)의 상부에 있는 유출구(13)를 향해 유동하면서 회전자(40)들 사이의 간극과 고정자(50)의 채널(53)을 차례로 통과한다. 동시에, 공기는 회전자 및 고정자와 열교환하여 회전자 및 고정자는 냉각시키고 이들로부터 열을 빼앗아 공기는 승온된다.
이어서 승온된 공기는 발전기 하우징(10)의 상면에 있는 유출구(13)를 통과하고 펌핑수단(30)을 거쳐 발전기 하우징의 외부로 방출되게 된다.
이로써, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 차가운 외부 공기를 복수의 팬(21, 22, 23)에 의해 발전기 하우징(10)의 내부로 흡인한 후 내부의 회전자(40) 및 고정자(50)를 냉각시키고, 열교환되어 승온된 공기를 펌핑수단(30)에 의해 발전기 하우징의 외부로 방출시킴으로써 발전기를 냉각시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 정면도이고, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치를 도시한 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 발전기 하우징(10), 팬(20), 펌핑수단(30)을 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 펌핑수단(30)의 배치 및 덕트(31)의 추가만 상이하고, 나머지 구성요소들은 전술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명된 것과 동일하게 구성되어 사용될 수 있으므로, 동일한 나머지 구성요소들의 구성 및 작용의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각장치는 엔진(3)에 직접 장착된 발전기(EMG; 2)에 적용될 수 있다. 회전자(40)는 엔진의 크랭크 샤프트(1)와 결합하고 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서, 회전자와 고정자가 서로 대면하게 배치됨으로써, 엔진에 직접 장착된 발전기가 구성될 수 있게 된다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 외부 공기가 발전기 하우징(10)의 정면으로 흡입되어 열교환된 후 방사상으로 방출된다.
발전기 하우징(10)은 대략 원형이나 다각형 등의 형상을 갖고서 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부를 덮어씌우도록 형성되어 엔진(3)에 결합될 수 있다.
이러한 발전기 하우징(10)은 정면에 복수의 유입구(11)가 형성되어, 외부 공기가 발전기 하우징의 정면을 통해 흡입될 수 있다. 유입구에는 발전기(2) 내로 이물질의 유입을 방지하기 위한 그릴 또는 필터(12)가 장착될 수 있다.
복수의 유입구(11) 중 적어도 하나에는 발전기 하우징(10) 내로 외부 공기를 불어넣는 펌핑수단(30)이 연결될 수 있다.
이러한 펌핑수단(30)으로는 에어펌프 또는 블로워 등이 채용될 수 있으며, 펌핑수단은 크랭크 샤프트(1)의 축방향으로 외부 공기를 주입할 수 있게 배치될 수 있다.
해당 유입구(11)와 펌핑수단(30) 사이에는 덕트(31)가 개재될 수 있다. 예를 들어, 대략 직각으로 절곡되거나 만곡된 덕트의 일단이 발전기 하우징(10)의 유입구에 연결되며, 덕트의 타단이 펌핑수단에 연결될 수 있다.
발전기 하우징(10)의 방사상 측면에는, 발전기 하우징의 내부로 흡입 및 주입된 공기가 다시 발전기 하우징의 외부로 방출되는 복수의 유출구(13)가 형성될 수 있다. 유출구에는 발전기(2) 내로 이물질의 유입을 방지하기 위한 그릴 또는 망부재(미도시)가 장착될 수 있다.
여기서, 방사상 측면은 발전기 하우징을 정면에서 보았을 때 상하, 좌우, 대각선 방향으로 배치된 표면을 의미한다. 도 5에는, 발전기 하우징을 정면에서 보았을 때 발전기 하우징으로부터 대각선 방향에서 방사상 바깥쪽으로 공기를 방출하는 예가 도시되어 있다.
따라서, 발전기 하우징(10)은 배면이 개방되고, 정면에 공기의 유입구(11)가 형성되며, 방사상 측면으로 공기의 유출구(13)가 형성된다. 이로써, 외부 공기는 정면을 통해 발전기 하우징 내로 흡입 및 주입되어 방사상 측면을 통해 발전기 하우징의 외부로 다시 유출될 수 있다.
크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에는 튜닝 휠(5)이 견고하게 고정되어 크랭크 샤프트와 함께 회전할 수 있다. 튜닝 휠의 엔진 반대쪽 측면에 팬(20)이 견고하게 고정되어 튜닝 휠과 함께 회전할 수 있다.
팬(20)은, 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 유입구(11)를 통해 공기를 크랭크 샤프트(1)의 축방향으로 흡인하여 방사상으로 송풍할 수 있는 예컨대 원심팬으로 형성될 수 있다. 이러한 팬은 공기를 축방향으로 흡인하여 방사상으로 송풍할 수 있을 뿐 아니라, 회전자(40)의 코어(41)와 권선(42)을 지지할 수 있으며, 튜닝 휠(5)에 연결되어 회전자의 허브로서의 역할을 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치의 작동에 대해 간략히 설명한다.
먼저, 엔진(3)이 구동되면 발전기(2)의 회전자(40)는 크랭크 샤프트(1)와 연동되어 회전할 수 있다. 고정자(50)는 발전기 하우징(10)에 장착된 상태에서 회전자와 대면하게 배치되어, 회전자의 회전에 따른 전자기력에 의해 전기적 출력을 발생시킨다.
이때, 회전자(40)의 코어((41) 및 권선(42) 그리고 고정자(50)의 코어(51) 및 권선(52)에서는 열이 발생하게 된다.
엔진(3)의 구동에 따라, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 연결된 팬(20)이 회전하여 그 주변에 부압을 발생시킨다. 이에 따라 발전기 하우징(10)의 정면에 있는 외부 공기는 유입구(11)를 통과하여 발전기 하우징의 내측 공간으로 흡입된다.
더욱이, 발전기 하우징(10)의 외부에서 펌핑수단(30)이 작동하여 외부 공기를 발전기 하우징 내에 강제로 주입시킨다. 이에 따라 발전기 하우징 내에는 계속적으로 외부 공기의 흡입 및 주입이 이루어질 수 있다.
발전기 하우징(10) 내로 흡입 및 주입된 공기는 팬(20)에 의해 크랭크 샤프트(1)의 방사상으로 송풍된다.
송풍된 공기는 발전기 하우징(10)의 방사상 측면에 있는 유출구(13)를 향해 유동하면서 회전자(40)와 고정자(50)를 차례로 통과한다. 동시에, 공기는 회전자 및 고정자와 열교환하여 회전자 및 고정자는 냉각시키고 이들로부터 열을 빼앗아 공기는 승온된다.
이어서 승온된 공기는 발전기 하우징(10)의 방사상 측면에 있는 유출구(13)를 통해 발전기 하우징의 외부로 방출되게 된다.
이로써, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 차가운 외부 공기를 팬(20)에 의해 발전기 하우징의 내부로 흡인하고 펌핑수단(30)에 의해 발전기 하우징의 내부로 강제 주입한 후 회전자(40) 및 고정자(50)를 냉각시키고, 열교환되어 승온된 공기를 발전기 하우징의 외부로 방출시킴으로써 발전기를 냉각시킬 수 있다.
이 경우, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전기의 냉각장치는, 다른 실시예의 냉각장치에 비해 발전기 하우징 내로 유입되는 공기의 유속이 증대되어 냉각효율이 향상될 수 있는 장점이 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 엔진에 직접 장착되는 발전기에 개방형 공랭 시스템을 구성할 수 있게 됨으로써, 발전기의 냉각을 수행하여 성능 저하를 없게 할 수 있다. 이에 따라 엔진의 에너지 효율성이 향상될 수 있음은 물론, 이러한 엔진을 선박에 설치하는 경우에 선박의 공간 활용성이 증대될 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 전술되고 도해된 실시예들은 서로 조합될 수 있으며, 각 실시예는 필요에 따라 선택적으로 다른 실시예의 일부 구성요소를 더 채용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 크랭크 샤프트 2: 발전기
3: 엔진 4: 중간 프레임
5: 튜닝 휠 6: 허브
7: 웹 10: 발전기 하우징
11: 유입구 12: 필터
13: 유출구 15: 가이드
20, 21, 22, 23: 팬 30: 펌핑수단
31: 덕트 40: 회전자
41, 51: 코어 42, 52: 권선
43, 53: 채널 50: 고정자
60: 여자기 61: 여자기 허브
62: 여자기 회전자 63: 여자기 고정자
64: 관통홀

Claims (20)

  1. 엔진에 결합되고, 공기의 유입구와 유출구를 갖춘 발전기 하우징;
    상기 발전기 하우징 내에 수용되고, 상기 엔진의 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 적어도 하나의 팬; 및
    상기 유출구에 설치되어, 상기 발전기 하우징 내 공기를 외부로 방출하는 펌핑수단
    을 포함하는 발전기의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전기 하우징은, 배면이 개방되어 상기 크랭크 샤프트의 일측 단부를 덮어씌우고, 정면에 상기 유입구가 형성되며, 상면에 상기 유출구가 형성된 발전기의 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유출구에는 공기의 원활한 배출을 안내하는 가이드가 구비된 발전기의 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트의 일측 단부에 튜닝 휠이 고정되고,
    상기 팬은 상기 튜닝 휠의 엔진 반대쪽 측면에 고정되어, 상기 튜닝 휠과 함께 회전하는 발전기의 냉각장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팬은, 상기 발전기 하우징의 유입구를 통해 공기를 상기 크랭크 샤프트의 축방향으로 흡인하여 상기 크랭크 샤프트의 방사상으로 송풍하는 발전기의 냉각장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 팬은,
    고리 형상의 판재로 형성되어, 상기 튜닝 휠에 고정되는 지지판;
    서로 일정한 간격을 두고 배치되어 상기 지지판에 고정된 복수의 블레이드; 및
    상기 복수의 블레이드의 단부를 연결하는 연결링
    을 포함하고,
    상기 복수의 블레이드는 블레이드의 길이방향이 상기 크랭크 샤프트의 축방향과 평행하게 배치된 발전기의 냉각장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 팬은 회전자를 지지하고, 상기 회전자의 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널이 형성되며,
    상기 발전기 하우징의 내주면에 고정자가 지지되고, 상기 고정자의 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널이 형성된 발전기의 냉각장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트의 일측 단부에 튜닝 휠이 고정되고,
    상기 팬은 복수개로 구비되며,
    상기 튜닝 휠의 엔진 반대쪽 측면에 제1 팬이 고정되어, 상기 튜닝 휠과 함께 회전하는 발전기의 냉각장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 팬은, 상기 발전기 하우징의 유입구를 통해 공기를 상기 크랭크 샤프트의 축방향으로 흡인하여 상기 크랭크 샤프트의 방사상으로 송풍하는 발전기의 냉각장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 튜닝 휠의 방사상 바깥쪽 단부에 허브가 장착되고,
    상기 허브의 웹 일측에 제2 팬이 고정되어, 상기 허브 및 상기 튜닝 휠과 함께 회전하는 발전기의 냉각장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 팬은, 상기 제1 팬으로부터 전달받은 공기를 상기 크랭크 샤프트의 방사상으로 송풍하는 발전기의 냉각장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 허브는 회전자를 지지하고, 상기 회전자의 코어들 사이에는 축방향으로 연장한 간극이 있으며,
    상기 발전기 하우징의 내주면에 고정자가 지지되고, 상기 고정자의 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널이 형성된 발전기의 냉각장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 튜닝 휠의 방사상 외주면에 제3 팬이 설치되어, 상기 튜닝 휠과 함께 회전하는 발전기의 냉각장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 팬은, 상기 제1 팬으로부터 전달받은 공기를 상기 크랭크 샤프트의 방사상으로 송풍하는 발전기의 냉각장치.
  15. 엔진에 결합되고, 공기의 유입구와 유출구를 갖춘 발전기 하우징;
    상기 발전기 하우징 내에 수용되고, 엔진의 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 적어도 하나의 팬; 및
    상기 유입구에 연결되어, 상기 발전기 하우징 내로 외부 공기를 불어넣는 펌핑수단
    을 포함하는 발전기의 냉각장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발전기 하우징은, 배면이 개방되어 상기 크랭크 샤프트의 일측 단부를 덮어씌우고, 정면에 상기 유입구가 형성되며, 방사상 측면으로 상기 유출구가 형성된 발전기의 냉각장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유입구와 상기 펌핑수단 사이에는 덕트가 개재된 발전기의 냉각장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트의 일측 단부에 튜닝 휠이 고정되고,
    상기 팬은 상기 튜닝 휠의 엔진 반대쪽 측면에 고정되어, 상기 튜닝 휠과 함께 회전하는 발전기의 냉각장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 팬은, 상기 발전기 하우징의 유입구를 통해 공기를 상기 크랭크 샤프트의 축방향으로 흡인하여 상기 크랭크 샤프트의 방사상으로 송풍하는 발전기의 냉각장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 팬은 회전자를 지지하고, 상기 회전자의 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널이 형성되며,
    상기 발전기 하우징의 내주면에 고정자가 지지되고, 상기 고정자의 코어 내에는 소정 간격마다 방사상으로 연장한 채널이 형성된 발전기의 냉각장치.
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