KR20220136264A - 반경방향 샤프트 실링 링을 구비한 전기 기계 - Google Patents

반경방향 샤프트 실링 링을 구비한 전기 기계 Download PDF

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coolant
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안드레아스 디에츠
필립 홀츠하이머
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발레오 지멘스 이오토모티브 독일 게엠베하
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Abstract

전기 기계(1)는 스테이터(3) 및 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과, 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 하우징(2) 및 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와, 하우징의 내부 공간(19)에 대해 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(18)를 포함하며, 실링 장치(18)는 로터(4)를 둘러싸고, 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)를 한정하는 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 구비한다. 이러한 전기 기계(1)를 구비하는 차량(14)용 드라이브트레인과, 전기 기계(1)를 작동시키는 방법이 추가로 설명된다.

Description

반경방향 샤프트 실링 링을 구비한 전기 기계{ELECTRIC MACHINE WITH A RADIAL SHAFT SEALING RING}
본 발명은 스테이터 및 스테이터에 대해 회전 가능한 로터가 수용되는 하우징과, 냉각제가 흐를 수 있고 유입구로부터 하우징 및 로터를 통해 유출구로 연장되는 냉각 채널을 구비한 냉각 장치와, 하우징의 내부 공간에 대해 로터를 밀봉하기 위한 실링 장치를 포함하는 전기 기계에 관련된다.
이러한 유형의 전기 기계는 전기 구동 차량 또는 하이브리드 차량에 점점 더 많이 사용된다. 본 명세서에서, 전기 기계는 차량의 휠이나 액슬(axle)을 구동하기 위한 전기 모터로서 주로 사용된다. 전기 모터는 그 중에서도, 동기 모터 또는 비동기 모터로 구성될 수도 있다.
전기 모터는 일반적으로 회전 속도 적응을 위해 기어박스에 기계적으로 결합된다. 전기 모터는 추가적으로 일반적으로 배터리로부터 공급되는 DC 전압으로부터, 전기 기계의 작동을 위해 AC 전압, 특히, 다상 AC 전압을 생성하는 인버터에 전기적으로 연결된다.
또한, 전기 기계는 차량의 운동 에너지를 회복하기 위한 발전기로서 작동될 수 있으며, 운동 에너지는 먼저, 전기 에너지로 변환된 다음에 배터리의 화학 에너지로 변환된다.
전기 기계의 로터는 일반적으로 원통형 로터 본체로 둘러싸인 로터 샤프트를 구비한다. 적층된 금속 시트의 스택 외에, 로터 본체는 그 중에서도, 영구 자석 또는 전기 전도체를 구비한 권선을 구비할 수도 있다.
전기 기계의 작동 동안에 발생되는 열로 인해, 상기 전기 기계는 열을 발산하기 위한 냉각 장치를 구비하고, 이 냉각 장치는 액체 냉각제가 흐를 수 있는 냉각 채널을 포함한다. 냉각 채널은 유입구로부터 전기 기계의 하우징 및 로터를 통해 외향으로 하우징에 형성된 유출구로 연장된다. 예를 들면, 물-글리콜 혼합물일 수도 있는 냉각제는 회로에서 이송된다.
실링 장치는 하우징에 대해 로터를 밀봉한다. 특히, 로터를 통과하는 냉각제가 충전된 냉각 채널은 하우징의 내부 공간에 대해 밀봉되고, 그에 따라 냉각 채널로부터 내부 공간으로 냉각제가 통과하여 예를 들면, 부식의 결과로 내부 공간이 손상될 수 없다. 내부 공간은 그 중에서도, 스테이터를 수용할 수도 있고, 그렇지 않으면, 공기로 충전될 수도 있다.
하우징의 내부의 공기 체적의 온도 유도된 변화(temperature-induced change)는 하우징에 음압 또는 양압의 생성을 방지하는 통기 및/또는 환기의 제공을 필요로 한다. 이를 위해, 실링 장치로부터 하우징의 개구부로 연장되는 환기 채널이 제공될 수도 있다.
실링 장치에도 불구하고, 전기 기계의 작동 동안에 실링 장치를 통해 적어도 소량의 냉각제의 기술적인 누출이 발생할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 기술적인 누출(냉각제 누출)은 특히, 전기 기계가 특정 회전 방향으로 작동될 때 발생한다. 전기 기계를 사용하여 구동되는 차량의 경우, 예를 들면, 후진 주행 동안에 누출이 발생할 수 있다.
전기 기계의 하우징과 분리되는 저장소, 즉, 특수 용기에서 기술적인 누출물을 수집하는 것이 이미 제안되었다. 그러나, 상기 용기는 차량의 유지보수 과정 동안에 특정 시간 간격으로 비워져야 하므로, 원하지 않는 노력과 비용으로 이어진다.
저장소가 대신에 하우징에 배치된 경우, 냉각제가 저장소의 외부를 통해 기계의 내부 공간으로 누출되어서, 손상을 일으킬 위험이 있다. 내부 공간에 배치된 스테이터의 권선이 부식되어서 손상이 발생할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 내부 공간으로 냉각제가 누출되는 것을 방지하는 시일을 전기 기계의 로터의 베어링에 장착하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 밀봉된 로터 베어링의 밀봉 작용은 불충분하고, 따라서 냉각제 누출물은 그럼에도 불구하고 내부 공간으로 통과할 수 있다.
특히, 냉각제 누출물이 전기 기계의 작동 열로 인해 기화하거나 증발하는 경우에 위험이 발생한다. 따라서, 냉각제 누출물은 액체 응집 상태에서 기체 응집 상태로 변화하며, 냉각제 누출물은 밀봉된 로터 베어링에 의해 형성된 배리어를 쉽게 극복할 수 있다.
본 발명의 목적은 유지 보수에 대한 더 적은 경비로 작동될 수 있는 전기 기계를 명시하는 것이며, 기계의 내부 공간으로 진입한 누출물로 인한 손상이 방지된다.
서론에 언급된 유형의 전기 기계의 경우에 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라, 로터를 둘러싸고 냉각제 누출물을 위한 저장소를 한정하는 반경방향 샤프트 시일 링을 구비하는 실링 장치가 제공된다.
반경방향 샤프트 실링 링에 대해서, 냉각제 누출물이 전기 기계의 내부 공간으로 진입되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 이는 전기 기계의 하우징에 저장소가 배치되게 하여, 저장소를 자동(self-acting) 또는 자동(automatic) 방식으로 비울 수 있다. 따라서, 유지보수 동안에 저장소를 비우는 것이 제거된다. 따라서, 기계를 유지보수 없이 작동할 수 있어서 비용이 절감된다.
반경 방향 샤프트 시일 링은 그 자체로 알려진 방식으로 사용되어서 주변부에 대해 회전 샤프트를 밀봉한다. 반경방향 샤프트 실링 링은 일반적으로 엘라스토머 재료로 구성된 외부 쉘을 구비하며, 금속으로 구성된 보강 링이 내장된다. 회전 샤프트와 접촉하는 시일은 샤프트 실링 링의 내경에 위치된다.
본 발명의 추가의 이점은 하우징 내의 저장소의 배치로, 구조적인 공간이 별도의 저장소와 관련하여 절약될 수 있다는 점으로 구성된다.
전기 기계의 냉각 채널은 로터의 로터 샤프트를 통과한다는 점에 유의되어야 한다. 그러나, 냉각 채널이 로터의 일부 다른 부분, 예를 들면, 로터의 로터 본체를 통과하는 것도 생각할 수 있다.
실링 장치는 바람직하게는 반경 방향 및 축방향으로 로터를 밀봉하도록 구성된다. 이는 냉각제가 냉각 채널에서 빠져나와서 예를 들면, 로터 샤프트의 베어링으로 들어가는 것을 방지한다. 반경 방향의 밀봉은 반경 방향 샤프트 시일 링에 의해 구현될 수도 있다. 축방향의 밀봉은 마찬가지로, 실링 장치에 속하는 슬립 링 시일에 의해 구현될 수도 있다.
저장소는 전기 기계의 반경방향 샤프트 시일 링과 하우징 사이에 형성될 수도 있다. 특히, 저장소는 반경방향 샤프트 시일 링과 하우징을 축방향으로 폐쇄하는 커버 사이에 형성될 수도 있다. 커버는 예를 들면, 전기 기계의 조립 동안에 로터가 축방향으로 삽입되는 하우징의 개구부를 폐쇄할 수도 있다. 따라서, 추가의 구조적인 공간이 필요하지 않도록 기존의 여유 공간을 저장소에 사용할 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 저장소는 반경방향 샤프트 시일 링과 커버 이외의 하우징 부분 사이에 형성될 수도 있다.
커버는 바람직하게는 주조 공정에 의해 제조된다. 이러한 방식으로, 커버의 많은 단위량이 저렴하게 생성될 수 있다. 커버는 바람직하게는 그 질량이 특히 낮은 알루미늄 합금으로 제조될 수도 있다. 이에 대한 대안으로서, 커버는 플라스틱이나 변형된 금속 시트로 생성될 수도 있다.
본 발명의 하나의 개선점은 반경방향 샤프트 시일 링에 그리스 충전물이 제공된다는 것을 제공한다. 이 그리스 충전물은 반경방향 샤프트 실링 링과 로터 사이의 마찰을 줄여서 시일의 마모도 감소시킨다. 따라서, 반경방향 샤프트 실링 링의 실링 작용도 향상된다.
또한, 반경방향 샤프트 실링 링이 건식 구성으로 제공될 수도 있다. 건식 시일의 경우, 유체역학적 슬라이딩 필름이 없으므로 모든 작동 상태에서 충분한 실링 작용이 보장된다.
게다가, 상술된 목적은 본 발명에 따른 전기 기계를 구비하는 차량용 드라이브트레인(drivetrain)에 의해 달성된다. 드라이브트레인은 전기 기계에 결합된 기어박스 및/또는 기계에 연결된 인버터를 추가로 구비할 수도 있으며, 인버터에 의해, 전기 기계의 작동에 필요한 다상 AC 전압이 제공될 수 있다.
게다가, 상기 목적은 상기 유형의 드라이브트레인을 구비하는 차량에 의해 달성된다.
게다가, 본 목적은 본 발명에 따른 전기 기계를 작동시키는 방법에 의해 달성된다. 본 기계에는 스테이터 및 스테이터에 대해 회전 가능한 로터가 수용되는 하우징과, 냉각제가 흐를 수 있고, 유입구로부터 하우징 및 로터를 통해 유출구로 연장되는 냉각 채널을 구비한 냉각 장치와, 하우징의 내부 공간에 대해 로터를 밀봉하기 위한 실링 장치를 구비한다.
본 발명에 따른 방법은 냉각제 누출물을 위한 저장소가 로터를 둘러싸는 반경방향 샤프트 시일 링에 의해 한정된다는 사실에 의해 구별된다.
전기 기계의 설명과 관련하여 논의된 이점 및 상세는 또한 본 발명에 따른 방법에 유사하게 적용되는 것이 명백하다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 기초하여 이하에 논의된다. 도면은 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 기계의 단면 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 로터 샤프트의 우측 단부의 확대도를 도시한다.
도 3은 실링 장치의 상세를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 차량을 도시한다.
도 1의 단면 사시도에 도시된 전기 기계(1)는 차량의 구동 장치에 속한다. 전기 기계(1)는 대안적으로 또한 일부 다른 기능을 가질 수도 있다.
전기 기계(1)는 내부 공간(19)(도 2 참조)을 구비한 하우징(2)을 포함하며, 내부 공간에는 스테이터(3) 및 스테이터(3)에 대해 회전 가능하고 로터 샤프트(20)를 구비하는 로터(4)가 수용된다. 로터 샤프트(20)는 원통형 로터 본체(21)에 의해 밀폐된다. 게다가, 전기 기계(1)는 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 하우징(2)을 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치를 더 포함한다.
또한, 서로 교환될 수도 있는 유입구(7) 및 유출구(6)는 냉각제가 회로에서 이송되도록 냉각제 라인(도시되지 않음)을 통해 펌프에 연결된다. 냉각제는 전기 기계(1)의 작동 동안에 발생하는 열을 발산한다.
도 1에서 냉각 채널(5)이 유입구(7)로부터 진행하는 하우징(2)을 통해 연장되는 것을 알 수 있다. 냉각제는 냉각 파이프(22)(또한 "랜스(lance)"라고 함)를 통해 로터(4)의 중공 로터 샤프트(20)로 유동한다. 냉각 파이프(22)의 단부에서, 냉각제의 유동 방향이 역전되고, 이를 따라 냉각제가 실링 장치(18)를 지나서 로터 샤프트(20)의 내벽을 따라 로터 샤프트(20)의 외부로 유동하고(도 2 참조), 유출구(6)측으로 흐른다.
하우징(2)의 외부에는, 전기 기계(1)의 작동에 필요한 다상 AC 전압을 제공하는 인버터(8)가 배치된다.
도 2는 단면도이며, 도 1에 도시된 로터 샤프트(20)의 우측 단부를 도시한다. 실링 장치(18)는 하우징(2)에 대해 반경 방향 및 축방향으로 로터 샤프트(20)를 밀봉하는 역할을 한다. 특히, 실링 장치(18)는 스테이터(3)가 수용되는 하우징(2)의 내부 공간(19)에 대해 로터 샤프트(20)를 밀봉하는 역할을 한다. 시일은 냉각제가 내부 공간(19)을 통과하여 예를 들면, 스테이터(3)의 권선을 부식시키는 것을 방지한다.
실링 장치(18)는 슬립 링 시일(9) 및 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 포함한다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(20)의 자유 단부(도 2의 우측)와 하우징(2)의 섹션 사이에서 축방향으로 배치된다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(20)를 축방향으로 밀봉한다.
로터(4)의 단부는 경화된 고급 강철로 구성된 슬리브(10)에 의해 밀폐된다. 슬리브(10)는 하우징(2)의 내부 공간(19)에 대해 반경방향으로 로터 샤프트(20)를 밀봉하는 반경방향 샤프트 실링 링(11)에 의해 밀폐된다. 반경방향 샤프트 실링 링(11)에는 그리스 충전물이 제공되고, 건식 반경방향 샤프트 실링 링(11)으로서 구성된다.
실링 장치(18)는 차량의 후진 주행에 할당된 전기 기계의 특정 회전 방향으로, 상술된 기술적인 누출물이 발생하는 특성을 갖는다. 그러나, 상기 기술적인 누출물은 수 밀리리터의 소량만을 포함한다.
도 2의 단면도에서, 그리고 실링 장치(18)의 상세를 도시하는 도 3의 확대도에서, 슬립 링 시일(9)과 반경 방향 샤프트 시일 링(11)과 시일을 둘러싸는 하우징(2)의 그 섹션 사이에 둘러싸는 여유 공간이 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 여유 공간, 특히, 설치된 상태의 여유 공간의 하부 영역은 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)의 역할을 한다. 전기 기계(1)의 작동의 결과로서 기술적인 누출물이 발생하는 경우, 특히, 역방향 이동 동안에 상기 누출물이 저장소(12)에 수집된다.
회전 방향이 반대인 경우, 상기 냉각제 누출물은 실링 장치(18)를 통해 냉각제 회로로 다시 공급된다. 따라서, 로터(4)가 제 1 방향과 반대 방향으로 회전하면, 저장소(12)가 다시 비워진다.
하우징(2)은 커버(13)에 의해 하우징(2)의 축방향측에서 폐쇄된다. 예시된 예시적인 실시예에서, 커버(13)는 알루미늄 합금으로 구성되고, 사출 성형에 의해 제조된다.
요약하면, 로터(4)가 제 1 회전 방향으로 회전하는 동안에 발생하는 냉각제 누출물은 저장소(12)에 수집되고, 상기 누출물은 대향하는 제 2 회전 방향으로 로터(4)의 회전 동안에 슬립 링 시일(9)에 의해 저장소(12)의 외부로 다시 이송된다.
도 4는 전기 기계(1)를 포함하는 드라이브트레인을 구비한 차량(14)을 도시한다. 전기 기계(1)는 기어박스(15)를 통해 차량(14)의 휠(16)에 결합된다. 전기 기계(1)는 추가로 인버터(8)에 전기적으로 연결된다. 배터리(17)는 인버터(8)에 의해 전기 기계(1)의 작동을 위한 AC 전압으로 변환되는 DC 전압을 제공한다.
1 : 전기 기계
2 : 하우징
3 : 스테이터
4 : 로터
5 : 냉각 채널
6 : 유출구
7 : 유입구
8 : 인버터
9 : 슬립 링 시일
10 : 슬리브
11 : 반경방향 샤프트 실링 링
12 : 저장소
13 : 커버
14 : 차량
15 : 기어박스
16 : 휠
17 : 배터리
18 : 실링 장치
19 : 내부 공간
20 : 로터 샤프트
21 : 로터 본체
22 : 냉각 파이프

Claims (10)

  1. 전기 기계(1)로서,
    - 스테이터(3) 및 상기 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과,
    - 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 상기 하우징(2) 및 상기 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와,
    - 상기 하우징(2)의 내부 공간(19)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(18)를 포함하는, 상기 전기 기계(1)에 있어서,
    상기 실링 장치(18)는 상기 로터(4)를 둘러싸고, 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)를 한정하는 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 구비하는 것을 특징으로 하는
    실링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 장치(18)는 반경 방향 및 축방향으로 상기 로터(4)를 밀봉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저장소(12)는 상기 반경방향 샤프트 시일 링(11)과, 상기 하우징(2)을 축방향으로 폐쇄하는 커버(13) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 커버(13)는 주조 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 커버(13)는 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 샤프트 시일 링(11)에는 그리스 충전물이 제공되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 샤프트 시일 링(11)은 건식 구성인 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계(1)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(14)용 드라이브트레인.
  9. 제 8 항에 기재된 드라이브트레인을 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(14).
  10. 전기 기계(1)의 작동 방법으로서, 상기 전기 기계(1)는 스테이터(3) 및 상기 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과, 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 상기 하우징(2) 및 상기 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와, 상기 하우징(2)의 내부 공간(19)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(18)를 구비하는, 상기 전기 기계(1)의 작동 방법에 있어서,
    냉각제 누출물을 위한 저장소(12)는 상기 로터(4)를 둘러싸는 반경방향 샤프트 시일 링(11)에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계의 작동 방법.
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