KR20220136265A - 로터의 단부 섹션에 슬리브를 구비한 전기 기계 - Google Patents

로터의 단부 섹션에 슬리브를 구비한 전기 기계 Download PDF

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KR20220136265A
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stator
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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(22)에 대해 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 포함하며, 로터(4)의 단부 섹션은 실링 장치(21)의 반경방향 샤프트 시일 링(11)에 의해 둘러싸인 슬리브(10)에 의해 둘러싸인다. 차량(17)용 드라이브트레인과, 상기 유형의 차량(17)과, 전기 기계(1)를 작동시키는 방법이 추가로 설명된다.

Description

로터의 단부 섹션에 슬리브를 구비한 전기 기계{ELECTRIC MACHINE WITH A SLEEVE ON THE END SECTION OF A ROTOR}
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 혼합물인 냉각제는 회로에서 이송된다.
실링 장치는 하우징의 내부 공간에 대해 로터를 밀봉한다. 특히, 로터를 통해 주행하는 냉각제가 충전된 냉각 채널은 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.
실링 장치는 그 중에서도, 로터 샤프트 상에서 슬라이딩하고 반경 방향으로 내부 공간에 대해 상기 로터 샤프트를 밀봉하는 반경 방향 샤프트 시일 링을 구비할 수도 있다. 이는 냉각제 누출물이 로터 샤프트로부터 하우징 내부 공간으로 흘러들어가서 하우징 내부를 손상시키는 것을 방지한다. 손상은 특히, 내부 공간에 배치된 스테이터의 권선의 부식으로 구성될 수도 있다.
그러나, 반경방향 샤프트 실링 링, 또는 반경방향 샤프트 실링에 의해 둘러싸인 로터 샤프트의 섹션에서 마모가 발생할 수 있으며, 이로 인해 반경방향 샤프트 실링 링의 실링 기능이 손상된다.
반경방향 샤프트 실링 링에 의해 둘러싸인 로터 샤프트의 섹션에서도 부식이 발생할 수도 있다. 이러한 방식으로, 녹 입자는 하우징의 내부 공간을 통과할 수 있으며, 마찬가지로 하우징 내부에 손상을 줄 수 있다.
이러한 손상은 특히, 장기간에 걸쳐서 전기 기계의 중단 없는 작동을 손상시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 장기간에 걸쳐서 중단 없이 작동될 수 있는 전기 기계를 명시하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적을 달성하기 위해, 로터의 단부 섹션이 실링 장치의 반경방향 샤프트 시일 링에 의해 둘러싸인 슬리브에 의해 둘러싸인 서론에 언급된 유형의 전기 기계에 제공된다.
본 발명은 슬리브가 반경방향 샤프트 실링 링에 의해 둘러싸인 로터 샤프트의 섹션을 보호하고, 반경방향 샤프트 실링 링이 슬라이딩할 수 있는 적절한 표면을 제공한다는 인식에 기초한다. 다시 말해서, 슬리브는 반경 방향 샤프트 실링 링의 매끄러운 주행면을 형성하며, 주행면은 표면 품질과 경도로 구별된다. 따라서, 슬리브는 반경방향 샤프트 실링 링에 적합한 대응물이다.
따라서, 마모 및 부식이 방지되고 그에 따라 기계가 장기간에 걸쳐서, 특히, 높은 회전 속도로 중단 없이 작동될 수 있다.
슬리브에 의해 둘러싸인 로터의 단부 섹션은 바람직하게는 로터의 로터 샤프트에 속한다. 게다가, 전기 기계의 냉각 채널은 바람직하게는 로터의 로터 샤프트를 통해 주행한다. 그러나, 냉각 채널이 로터의 일부 다른 부분, 예를 들면, 로터의 로터 본체를 통해 주행하는 것도 생각할 수 있다.
실링 장치는 바람직하게는 반경 방향 및 축방향으로 로터를 밀봉하도록 구성된다. 이는 냉각제가 냉각 장치의 외부의 영역, 예를 들면, 로터 샤프트의 베어링으로 들어가는 것을 방지한다. 특히, 발생하는 임의의 기술적인 누출물은 실링 장치에 의해 억제된다.
반경 방향의 밀봉은 반경 방향 샤프트 시일 링에 의해 구현될 수도 있으며, 이에 따라 2차 시일로서 기능한다. 축방향으로의 밀봉은 마찬가지로, 실링 장치에 속하고 1차 시일로서 기능하는 슬립 링 시일에 의해 구현될 수도 있다.
본 발명의 하나의 개선점은 슬리브의 표면 조도가 0.1㎛ 내지 0.32㎛가 되도록 제공한다. 이 낮은 표면 조도는 슬리브의 반경방향 샤프트 실링 링의 슬라이딩 이동이 낮은 마찰로 그리고 마모 없이 이루어져서 충분한 실링 작용이 최소한의 마모를 보장하는 것을 보장한다. 슬리브는 바람직하게 임의의 비틀림 없이 연마된다.
본 발명의 하나의 바람직한 개선점은 내식성 강철 합금으로 제조될 슬리브를 제공한다. 이러한 방식으로, 녹 입자가 하우징의 내부 공간으로 들어가지 않다는 것이 보장될 수 있다.
경화가능한 크롬강, 특히, 재료 번호 1.4034 또는 1.4035의 방청성 마르텐사이트 크롬강이 슬리브 생성용 재질로 특히 적합하다.
슬리브가 경화되는 경우에 특히 유리하다. 따라서, 마모가 감소되고, 반경방향 샤프트 실링 링의 적절한 기능이 장기간에 걸쳐서 계속해서 보장된다.
대안으로서, 또는 이에 더하여, 슬리브는 슬리브에 특히 높은 경도를 부여하여 슬리브의 내마모성을 증가시키는 코팅, 예를 들면, 다이아몬드 코팅을 가질 수도 있다. 코팅은 예를 들면, DLC(다이아몬드형 탄소) 또는 에나멜링(enamelling)을 가질 수도 있다. 이러한 코팅은 낮은 조도로 구별된다.
본 발명에 따른 전기 기계의 경우, 슬리브는 로터에 가압 또는 수축 끼워맞춤되거나, 또는 로터에 용접될 수도 있다. 로터 또는 로터 샤프트에 슬리브를 가압하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기 기계의 하나의 변형예는 축방향으로 로터의 단부 섹션을 넘어서 돌출되는 슬리브를 제공한다. 이러한 방식으로, 슬리브는 상술된 슬립 링 시일(1차 시일)의, 로터와 함께 회전 가능한 링의 홀더로서 기능할 수도 있다. 이를 위해, 링은 슬리브(10)의 돌출 섹션에 클램핑되고, 그에 따라 링은 로터 또는 로터 샤프트에 체결될 수도 있다.
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.
게다가, 상기 목적은 상기 유형의 드라이브트레인을 구비하는 차량에 의해 달성된다. 드라이브트레인의 전기 기계는 차량의 휠 또는 액슬을 구동할 수도 있다. 차량은 예를 들면, 도로 주행 차량, 선박 또는 항공기이다.
게다가, 본 발명은 전기 기계를 작동하는 방법에 관련되고, 전기 기계는 스테이터 및 스테이터에 대해 회전 가능한 로터가 수용되는 하우징과, 냉각제가 유동할 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 로터가 스테이터에 대해 회전함에 따라, 슬리브를 둘러싸는 실링 장치의 반경방향 샤프트 시일 링은 로터의 단부 섹션을 둘러싸는 슬리브 상에서 슬라이딩한다는 사실에 의해 구별되며, 반경방향 샤프트 시일 링은 슬리브를 둘러싼다.
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 로터의 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(22)(도 2 참조)을 구비한 하우징(2)을 포함하며, 내부 공간에는 스테이터(3)와, 로터 샤프트(23)를 구비하는 회전가능한 로터(4)가 수용된다. 로터 샤프트(23)는 원통형 로터 본체(24)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(25)(또한 "랜스(lance)"라고 함)를 통해 로터(4)의 중공 로터 샤프트(23)로 유동한다. 냉각 파이프(25)의 단부에서, 냉각제의 유동 방향이 역전되고, 이를 따라 냉각제가 실링 장치(18)를 지나서 로터 샤프트(23)의 내벽을 따라 로터 샤프트(23)의 외부로 유동하고(도 2 참조), 유출구(6)측으로 흐른다. 이에 대한 대안으로서, 냉각제는 또한 대향 단부에서 로터 샤프트(23)의 외부로 유동할 수도 있다.
하우징(2)의 외부에는, 전기 기계(1)의 작동에 필요한 다상 AC 전압을 제공하는 인버터(8)가 배치된다.
도 2는 단면도이며, 도 1로부터 로터(4) 또는 로터 샤프트(23)의 우측 단부를 도시한다. 이는 특히, 기어박스로부터 회피되는 단부일 수도 있다. 도 3은 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 반경 방향 및 축방향으로 로터 샤프트(23)를 밀봉하는 역할을 하는 스테이터(3)가 수용되는 실링 장치(21)의 상세를 도시한다. 시일은 냉각제가 내부 공간(22)을 통과하여 예를 들면, 스테이터(3)의 권선을 부식시키는 것을 방지한다.
실링 장치(21)는 슬립 링 시일(9) 및 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 포함한다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(23)의 자유 단부(도 2의 우측)와 하우징(2)의 섹션 사이에서 축방향으로 배치된다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(23)를 축방향으로 밀봉하고, 1차 시일로서 기능한다.
로터 샤프트(23)의 단부 섹션은 슬리브(10)에 의해 밀폐되고, 이는 실링 장치(21)의 반경방향 샤프트 시일 링(11)에 의해 밀폐된다. 반경방향 샤프트 시일 링(11)은 로터 샤프트(23)를 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 반경방향으로 밀봉하고, 2차 시일로서 기능한다. 특히, 반경방향 샤프트 실링 링은 슬립 링 시일(9)에서 냉각 회로로부터 빠져나오고 반경방향 샤프트 실링 링(11)과 하우징(2) 사이에 수집된 냉각제 누출물물에 대한 배리어를 형성한다.
슬리브(10)는 반경방향 샤프트 시일 링(11)의 기능을 보장하기 위해 조도 및 경도와 관련하여 특정 특성을 갖는다. 따라서, 슬리브(10)는 0.2㎛의 특히 낮은 표면 조도를 갖는다. 게다가, 슬리브(10)는 본 경우에, 재료 번호 1.4034를 갖는 마르텐사이트 크롬강인 방청성 강철 합금으로 제조된다. 이 재료를 선택함으로써 슬리브가 부식으로부터 보호된다. 게다가, 슬리브는 또한 임의의 꼬임 없이 단단하게 연마된다.
그러므로, 슬리브의 높은 표면 품질은 긴 서비스 수명에 걸쳐서 유지된다는 것이 추정될 수 있다. 부식에 대해 보호되는 슬리브를 사용하면, 녹 입자가 냉각 회로나 로터 베어링 내로 들어가는 것을 방지한다.
게다가, 슬리브(10)는 로터(4) 상으로 가압된다. 게다가, 도 2에서 슬리브(10)가 축방향으로 로터(4)의 단부 섹션을 넘어 돌출되는 것을 볼 수 있다.
둘러싸는 여유 공간은 슬립 링 시일(9)과, 반경방향 샤프트 시일 링(11)과, 시일을 둘러싸는 하우징(2) 내부의 섹션 사이에 형성된다. 전기 기계의 설치된 상태에서 바닥부에 위치되는 여유 공간의 영역은 기술적인 누출물이라고도 하며 전기 기계의 특정 작동 상태에서 발생할 수 있는 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)의 역할을 한다. 기술적인 누출물은 저장소(12)에 수집된다.
슬립 링 시일(9)은 정적 시일(13)과, 이에 대응하여, 로터(4)와 함께 회전 가능하고 세라믹 재료로 구성된 링(14)을 포함한다. 회전 가능한 링(14)은 로터 샤프트(23)에 고정 연결된다. 이를 위해, 회전 가능한 링(14)은 슬리브(10)의 돌출 섹션, 특히, 슬리브(10)와 회전 가능한 링(14) 사이에 배치되고 고무 재료로 구성되는 중간 링(15)에 클램핑되지만 상기 중간 링은 또한 생략될 수도 있다. 즉, 슬리브(10)는 축방향 연장 접촉면(16)을 따라 중간 링(15)을 밀폐하고, 중간 링(15)은 회전 링(14)을 밀폐하고, 그에 따라 회전 링(14)이 로터 샤프트(23)에 체결된다.
로터(4)가 스테이터(3)에 대해 회전함에 따라, 실링 장치(21)의, 슬리브(10)를 둘러싸는 반경방향 샤프트 시일 링(11)은 로터(4)의 단부 섹션을 둘러싸는 슬리브(10) 상에서 슬라이딩된다.
도 4는 전기 기계(1) 및 기어박스(18)를 포함하는 드라이브트레인을 구비한 차량(17)을 도시한다. 전기 기계(1)는 기어박스(18)를 통해 차량(17)의 휠(19)에 결합된다. 전기 기계(1)는 인버터(8)에 추가로 연결된다. 배터리(20)에 의해 제공되는 DC 전압은 인버터(8)에 의해 전기 기계(1)의 작동을 위한 다상 AC 전압으로 변환된다.
1 : 전기 기계
2 : 하우징
3 : 스테이터
4 : 로터
5 : 냉각 채널
7 : 유입구
6 : 유출구
8 : 인버터
9 : 슬립 링 시일
10 : 슬리브
11 : 반경방향 샤프트 실링 링
12 : 저장소
13 : 정적 링
14 : 회전 가능한 링
15 : 중간 링
16 : 접촉면
17 : 차량
18 : 기어박스
19 : 휠
20 : 배터리
21 : 실링 장치
22 : 실내 공간
23 : 로터 샤프트
24 : 로터 본체
25 : 냉각 파이프

Claims (11)

  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(22)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 포함하는, 상기 전기 기계(1)에 있어서,
    상기 로터(4)의 단부 섹션은 상기 실링 장치(21)의 반경방향 샤프트 시일 링(11)에 의해 둘러싸인 슬리브(10)에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 장치(21)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 슬리브(10)의 표면 조도는 0.1㎛ 내지 0.32㎛인 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 방청성 강철 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 재료 번호가 1.4034 또는 1.4035인 방청성 마르텐사이트 크롬강으로 제조되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 경화되거나 내마모성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 상기 로터(4) 상에 압착되거나 또는 수축 끼워맞춤되거나, 상기 로터(4)에 용접되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 축방향으로 상기 로터(4)의 단부 섹션을 넘어 돌출되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계(1)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(17)용 드라이브트레인.
  10. 제 9 항에 기재된 드라이브트레인을 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(17).
  11. 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(22)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 구비하는, 상기 전기 기계(1)의 작동 방법에 있어서,
    상기 로터(4)가 상기 스테이터(3)에 대해 회전함에 따라, 슬리브(10)를 둘러싸는 상기 실링 장치(21)의 반경방향 샤프트 시일 링(11)은 상기 로터(4)의 단부 섹션을 둘러싸는 상기 슬리브(10) 상에서 슬라이딩하는 것을 특징으로 하는
    전기 기계의 작동 방법.
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