KR20220148242A - 가변 토크 생성 전기 기계용 냉각 시스템 - Google Patents

가변 토크 생성 전기 기계용 냉각 시스템 Download PDF

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KR20220148242A
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할리 씨. 맥도날드
제임스 엘. 베일리
매튜 씨. 맥도날드
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팔콘 파워, 엘엘씨
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Abstract

전기 기계는, 고정자 챔버를 갖는 하우징, 축이 하우징에 대해 회전할 수 있도록 적어도 하나의 베어링 조립체에 의해 지지되는 축, 고정자 코어 및 고정자 코어 주위의 복수의 와이어 권선들을 갖는 고정자 조립체, 고정자 조립체에 자기장을 생성하기 위한 자석 조립체를 갖는 회전자 조립체 - 열을 제거하기 위해 냉각제가 고정자 코어 및 복수의 와이어 권선들에 걸쳐 고정자 챔버를 통해 순환됨 -, 및 복수의 열전 디바이스들을 갖는다. 열전 디바이스들은 냉각제가 복수의 열전 디바이스들에 걸쳐 순환되도록 하우징의 내측 원주 주위에 위치된다. 복수의 열전 디바이스들은 고정자 챔버를 통해 유동하는 냉각제를 냉각하거나 전기 기계에 의해 사용될 수 있는 전류를 생성하기 위해 펠티에 효과를 사용한다.

Description

가변 토크 생성 전기 기계용 냉각 시스템
본 출원은, 2020년 3월 2일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Variable Torque Generation Electric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array"인 미국 가출원 일련 번호 62/984,270의, 35 U.S.C. §119(e) 하의 우선권을 주장한다. 본 출원은, 2020년 9월 11일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor Gear Switching"인 미국 가출원 일련 번호 62/077,243의, 35 U.S.C. §119(e) 하의 우선권을 주장한다. 2021년 3월 2일자로 발명의 명칭이 "Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor Gear Switching"인 동시 계류중인 정식 출원 일련 번호 XX/XXX,XXX는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 또한, 2021년 3월 2일자로 발명의 명칭이 "Variable Torque Generation Electric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array"인 동시 계류중인 정식 출원 일련 번호 XX/XXX,XXX는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
전기 기계들은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 전자기력들을 사용하는 디바이스들이다. 일반적인 전기 기계들은 발전기들 및 전기 모터들을 포함한다.
발전기들은 외부 회로, 예컨대, 전력 그리드, 차량 내의 전기 시스템 등에서의 사용을 위해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 대부분의 발전기들은 샤프트의 회전과 같은 회전력(토크) 형태의 원동력 공급원을 채용한다. 회전력은 발전기 내의 자석들에 의해 생성된 자기장들과 와이어 권선들 사이의 상호작용을 통해 하나 이상의 와이어 권선에 전류가 생성되게 한다. 원동력의 일반적인 공급원들은 증기 터빈들, 가스 터빈들, 수력 터빈들, 내연 기관들 등을 포함하고, 이들은, 분당 회전수(RPM)로 표현되는, 일정한 토크 및 연속적인 회전 속도를 갖는다.
전기 모터들은 발전기들과 기계적으로 동일하지만 역으로 작동한다. 전기 모터들은, 모터의 샤프트의 회전 형태의 원동력(즉, 회전력 또는 토크)을 생성하기 위해, 모터 내의 자석에 의해 생성된 자기장들과 하나 이상의 와이어 권선을 통과하는 전류 사이의 상호작용을 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 그 다음, 이러한 회전력(토크)은 어떤 외부 메커니즘을 추진하는 데 사용된다. 전기 모터들은 일반적으로, 연속적인 회전 및 일정한 토크를 제공하도록 설계된다. 특정 응용들에서, 예컨대, 견인 모터들을 이용한 회생 제동을 채용하는 차량들에서, 전기 모터들은 그렇지 않으면 열 및 마찰로서 손실될 수 있는 에너지를 회수하기 위한 발전기들로서 역으로 사용될 수 있다.
점점 더, 재생 에너지 기술들에 채용되는 발전기들은 광범위하게 변화하는 회전 속도들(RPM) 및 토크에서 작동해야 하는데, 왜냐하면 사용되는 전력원들이 가변적이고, 시기 부적절하며, 종종 예측불가능하기 때문이다. 유사하게, 환경 친화적인 또는 녹색 기술들에 의해 채용되는 전기 모터들은 다양한 회전 속도들(RPM) 및 토크를 생성할 수 있어야 한다. 그러나, 종래의 발전기들 및 모터들은 종종, 그의 정격 회전 속도(RPM) 및 토크 근처에서 작동할 때 90 내지 98퍼센트(90% - 98%) 범위의 효율들을 나타내지만, 이러한 동일한 발전기들 및 모터들의 효율들은 그들이 그의 정격 회전 속도(RPM) 및/또는 토크를 벗어나서 작동할 때 종종 30 내지 60퍼센트(30% - 60%) 정도로 극적으로 감소한다.
상세한 설명은 첨부 도면들을 참조하여 설명된다. 설명 및 도면들에서 상이한 경우들에서의 동일한 참조 번호들의 사용은 유사한 또는 동일한 항목들을 나타낼 수 있다. 추가적으로, 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본원에 개시된 개념들이 전기 모터들, 발전기들 및/또는 전기기계 변속기 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 종류의 전기 기계들에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시내용 및 하기 청구항들 전체에 걸쳐, 전기 기계라는 용어는 일반적으로, 본원에 설명된 개념들을 채용할 수 있는 임의의 전기기계 디바이스를 설명하는 데 사용되며, 달리 언급되지 않는 한, 전기 기계라는 용어는 전기 모터, 발전기, 선형 모터, 전기기계 변속기 시스템, 또는 이들의 조합들(예를 들어, 회생 제동을 채용하는 하이브리드 차량에 사용하기에 적합한 전기 기계) 등을 지칭할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 전기 기계를 예시하는 측면도이다.
도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 1에 도시된 전기 기계를 예시하는 사시도이다.
도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 회전자 및 고정자를 도시하는, 도 1에 도시된 전기 기계의 단면 사시도이다.
도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 전기 기계 냉각 시스템을 예시하는, 하우징이 제거된 것으로 도시되는, 전기 기계의 상이한 실시예를 예시하는 단면 사시도이다.
도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 회전자 및 고정자를 더 도시하는, 도 1에 도시된 전기 기계의 단면 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 전기 기계 냉각 시스템의 상이한 실시예와 함께, 도 1에 도시된 전기 기계를 도시한다.
도 7은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 3에 도시된 고정자로부터의 복수의 고정자 플레이트들을 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 7에 도시된 단일 고정자 플레이트를 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 복수의 고정자 치형부의 상세도를 도시하는, 도 8에 도시된 고정자 플레이트의 부분도를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 7에 도시된 복수의 고정자 플레이트들의 단면도이다.
도 11은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 전기 기계 냉각 시스템을 예시하는, 하우징이 제거된 것으로 도시되는, 도 4에 도시된 고정자의 단면 사시도이다.
도 12는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 개방 하우징을 갖는 전기 기계의 대안적인 실시예이다.
도 13은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 회전자 및 고정자를 도시하는, 도 12에 도시된 전기 기계의 단면 사시도이다.
도 14는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 고정자 및 회전자를 도시하는, 도 12에 도시된 하우징 단부캡의 부분 사시도이다.
도 15는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 회전자 및 고정자를 도시하는, 도 12에 도시된 전기 기계의 단면 사시도이다.
도 16은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 고정자 치형부가 밀봉 스트립들에 의해 밀봉되는 냉각 시스템을 도시하는, 도 12에 도시된 전기 기계의 사시도이다.
도 17은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 16에 도시된 바와 같은 복수의 고정자 플레이트들의 사시도이다.
도 18은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른, 도 16에 도시된 복수의 고정자 플레이트들의 부분도이다.
개요
주제는 구조적 특징들 및/또는 프로세스 작동들에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구항들에 정의된 주제는 위에서 설명된 특정 특징들 또는 작동들로 반드시 제한되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 위에서 설명된 특정 특징들 및 작동들은 청구항들을 구현하는 예시적인 형태들로서 개시된다.
모터들 및 발전기들은 매우 좁은 범위의 최적 효율을 갖는 특정 속도 및 토크에서의 작동을 위해 설계되고 모터 또는 발전기에서의 높은 토크 요건들은 더 강력한 영구 자석들을 요구하고, 이는 차례로, 큰 역기전력(EMF)을 생성하고, 이는 차례로, 높은 전압 및 전류로 극복된다. 회전가능한 속도 및 토크가 일정할 때, 모터 또는 발전기는 최적의 효율을 위해서 설계될 수 있다. 종종, 이 효율은 90퍼센트(90%)를 훨씬 초과할 수 있다. 따라서, 그러한 모터들 및 발전기들의 설계 및 제조에서, 고정자 코어, 코어 권선들 및 영구 자석들은 모두, 최적의 또는 임계 효율로 요구 토크, 회전가능한 속도(RPM), 전압 및 전류 비율들을 생성하기 위해 함께 작용하도록 선택된다. 현재 전기 기계 기술의 이러한 주요 구성요소들이 선택되고 모터 또는 발전기에 배치되면, 이들은 변경될 수 없다. 단지 발전기의 구동력의 전력 및 속도 또는 모터 내로의 전류의 전압 및 암페어수만이 변경될 수 있다. 그러나, 그러한 모터들 또는 발전기들이, 예컨대, 육상 차량 및/또는 풍력 또는 수력 발전기들에서 속도 및 토크가 광범위하게 변화하는 경우에 사용될 때, 고정 자석들의 역기전력은 속도 및 토크 요건들이, 설계된 최대값 미만일 때 여전히 극복되어야 하고 고정자 배선은 속도 및 토크가, 설계된 최대값 초과일 때 충분하고 적절하게 크기가 정해져야 한다. 이들이 그렇지 않을 때, 모터 또는 발전기의 전체 효율은 전기 또는 하이브리드 차량들, 풍력 또는 수력 발전기들 등의 경우에 20퍼센트(20%) 정도로 많은 경우들에서 극적으로 저하된다.
본 개시내용은, 넓은 전압 및 암페어수 작동 범위들 및/또는 극단적으로 가변적인 토크 및 회전가능한 속도(RPM) 조건들 하에서 높은 효율로 작동할 수 있는, 전기 모터들, 발전기들 및/또는 변속기 시스템들, 특히 가변 토크 생성(VTG) 모터들, 발전기들 및/또는 변속기 시스템들을 위한 냉각 시스템에 관한 것이다. 본 개시내용에 따른 전기 모터들은 모터가 가변 토크 및/또는 회전가능한 속도(RPM)를 생성하는 기술들에서의 사용에 매우 적합하다. 유사하게, 본 개시내용에 따른 발전기들은, 가변 환경 조건들, 예컨대, 비일관적인 풍속, 시기 부적절한 해양 파도 이동, 하이브리드 차량의 가변 제동 에너지 등이 빈번히 마주치는 경우와 같이 가변 토크 및 회전가능한 속도(RPM) 조건들이 일반적인 기술들에서의 사용에 매우 적합하다. 예시적인 기술들은, 예를 들어, 풍력, 수력발전, 전기 또는 하이브리드 차량들 등을 포함하는 재생 에너지 자원들을 채용하는 기술들을 포함할 수 있다.
본원에 설명된 기법들은, 고정자의 다수의 무연(non-twisted) 병렬 코일 와이어들을 모두 직렬, 모두 병렬, 또는 이들의 조합들로 연결되는 것 사이에서 절환함으로써 고정자에 유도되는 자기장을 변화시키는 것, 및 회전자의 튜닝가능한 할바흐 자석 배열을 사용하여 고정자에 작용하는 영구 자석들의 자기장을 대응적으로 터닝, 변화, 조정, 또는 포커싱하는 것 중 하나 이상에 의해, 전기 기계, 예컨대, 모터, 발전기, 또는 변속기의 출력 "크기"를 동적으로 변화시킬 수 있다. 튜닝가능한 할바흐 자석 배열은, 자석 어레이의 자기장 강도를 튜닝하기 위해 회전될 수 있는 점재된 고정 및 회전가능 자석들로 구성된다. 추가적으로, 토크/RPM 또는 암페어수/전압 요건들이 변함에 따라, 시스템은 회전자/고정자 세트들 내의 (공통 컴퓨터 프로세서에 연결된 다수의 전기 기계 유닛들의) 하나의 고정자 또는 다른 고정자를 활성화할 수 있고, 둘(2), 넷(4), 여섯(6), 또는 그 이상의 병렬, 3상, 무연 코일 권선들의 세트들을 통해 병렬로부터 직렬 권선으로 또는 그 반대로 변경할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 효율을 개선(예를 들어, 최적화 또는 거의 최적화)하기 위해 토크/RPM 또는 암페어수/전압 요건들을 충족할 수 있다.
본 개시내용의 냉각 시스템은 상당한 손실을 발생시키지 않고 코일들의 암페어수를 증가시키기 위해 직렬 및 병렬 절환을 사용하여 고정자 코일들의 저항이 증분적으로 감소되는 것을 허용한다. 코일 저항이 감소되는 높은 전류 응용들에서, 와이어들은 과열되고, 그의 절연부를 태우고, 단락되는 경향이 있을 수 있다. 와이어들을 냉각시키는 것은 와이어들이 그의 정격 용량의 5배만큼 더 많은 암페어수를 전달하는 것을 허용할 것이다. 위상당 단일 전도체를 갖는 종래의 모터 또는 발전기와 비교하여, 냉각된 종래의 전기 기계는 냉각을 통해 5배만큼 증가된 그의 전력을 가질 수 있고, 본 개시내용의 전기 기계는 30배만큼 증가된 그의 전력을 가질 수 있다. 전기 기계의 온도가 제어되면, 온도는 직렬/병렬 와이어 절환 시스템을 제어하기 위한 변수로서 사용될 수 있다.
본 개시내용의 냉각 시스템은 코일 권선들을 갖는 복수의 고정자 플레이트들을 갖는 밀봉된 고정자 코어, 순환 냉각제를 갖는 유밀 캐비티, 유체 캐비티 내에서 순환되는 냉각제의 온도를 감소시키기 위해 물 또는 다른 냉각 유체를 순환시키기 위한 배관, 및 고정자 코어의 원주 주변에 위치되고 냉각제와 접촉하는 열전 디바이스들, 예컨대, 펠티에(Peltier) 디바이스들을 포함한다.
본 개시내용의 냉각 시스템에서, 열전 디바이스들은 고정자 코어로부터의 폐열을 전류로 변환하는 데 사용될 수 있고, 이는 전기 기계 내의 전기 응용들에 전력을 공급하거나 보충하는 데 사용될 수 있다. 열전 디바이스들은 고체 상태 열 펌프들이다. 이들을 통과하는 전류의 방향에 기초하여, 이들은 일 측으로부터 다른 측으로 열을 전달한다. 대안적으로, 열전 디바이스들의 2개의 측들 사이에 온도 차이가 있을 때, 전압 차이가 열전 디바이스들의 2개의 측들 사이에 축적될 것이다.
예시적인 실시예들의 상세한 설명
일반적으로 도 1 내지 6을 참조하면, 본 개시내용의 상이한 실시예들에 따른 전기 기계(100)가 설명된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 전기 기계라는 용어는 전기 모터, 발전기, 변속기 시스템 등을 지칭할 수 있다. 도 2 내지 5는, 하우징(102), 주축(104), 고정자 조립체(106) 및 회전자 조립체(108)를 갖는 전기 기계(100)를 도시한다. 하우징(102)은 고정자 챔버(103)를 포함한다. 주축(104)은 하우징(102)을 통해 연장되고, 예를 들어, 적어도 하나의 베어링에 의해 지지됨으로써 전기 기계 하우징에 회전가능하게 연결된다. 고정자 조립체는 복수의 코일 권선들(112)을 지지하는 고정자 코어(110)를 포함한다. 고정자 코어(110)는 복수의 고정자 플레이트들(174) 및 단부 플레이트들(172)에 의해 구성된다. 고정자 플레이트들(174)은 축방향으로 서로 적층되고, 단부 플레이트들(172)은 복수의 고정자 플레이트들(174)의 각각의 단부에 있다. 단부 플레이트들(172) 및 고정자 플레이트들(174)은 회전자에 인접하여 고정자 코어의 내측 에지에 위치된 고정자 슬롯(204)을 생성하는 복수의 고정자 치형부(176)를 포함한다. 와이어는 복수의 고정자 코일 권선들(112)을 형성하기 위해 복수의 고정자 치형부(176) 주위의 슬롯들(204)에 권취된다. 고정자 플레이트들(174)은 도 7 내지 10에 상세히 도시된다.
본 개시내용의 실시예에 따르면, 액밀 캐비티가 제공된다. 액밀 캐비티를 도시하는 실시예들에서, 고정자 치형부(176)의 단부들, 고정자 코어(110)의 외측 원주, 및 고정자 조립체(106)의 양쪽 단부들 사이의 공간을 밀봉함으로써, 밀봉된 고정자 챔버(103)가 형성된다. 밀봉된 고정자 챔버(103)는 고정자 코어의 단부 플레이트들(172)을 넘어서 연장된다. 고정자 조립체(106)의 단부들은 축에 수직인 플레이트로 밀봉된다. 고정자 챔버는 비자성이고, 그의 두께는 회전자(108)와 코일 권선들(112)과 고정자 치형부(176)의 단부들 사이의 자기장에 영향을 주지 않는다.
냉각제는 대류를 통해 고정자 코어(110)로부터 열을 제거하기 위해, 밀봉된 고정자 챔버(103) 전체에 걸쳐 순환된다. 냉각제는 복수의 코일 권선들(112)을 통과하는 상기 밀봉된 고정자 챔버(103)를 통해 순환된다. 냉각제는 광유, 액체 질소, 또는 다른 냉각 물질, 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제는 위에서 언급된 냉각제들로부터 제1 냉각제 및 제2 냉각제 또는 이러한 냉각제들 중 임의의 냉각제들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 냉각제는 고정자 조립체(106)의 온도가 온도 범위를 초과하여 증가할 때 제2 냉각제로 교체될 수 있다.
일 실시예에서, 밀봉된 고정자 챔버(103)의 액밀 캐비티는 고정자 코어(110)의 외측 표면과 하우징(102)의 내측 표면 사이에 갭을 갖는 고정자 코어를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 냉각제는 고정자 코어(110)의 최상부 부분에 걸쳐서뿐만 아니라 고정자 코일(112)을 통해, 그리고 고정자 코일 단부들에 걸쳐 순환할 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 기계 하우징(102)은 고정자 코어(110)의 외측 표면의 연속이다. 본 실시예(도시되지 않음)에서, 냉각제는 고정자 코일(112)을 통해 그리고 고정자 코일 단부들에 걸쳐 유동한다.
도 4는 하우징(102)이 없는 고정자 조립체(106)를 도시한다. 밀봉된 고정자 챔버(103)의 액밀 캐비티는 튜브(107)의 외측 표면에 걸쳐 절단된 길이방향 홈들(109)을 갖는 튜브(107)를 사용하여 형성될 수 있다. 튜브가 고정자(106)의 축방향 중심을 통해서 삽입될 때, 길이방향 홈들(109)은 액밀 밀봉부를 생성하기 위해 고정자 치형부(176)와 맞물린다. 밀봉 튜브(107)는, 내열성 접착제, 예컨대, 가요성 액체 에폭시 글루를 사용하여 고정자 코어(110)와 제 위치에 본딩될 수 있다. 다른 내열성 접착제가 밀봉 튜브를 제 위치에 고정하는 데 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 밀봉 튜브(107)는 내열성 중합체들, 비자성 금속들 또는 금속성 합금들, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 비자성 물질로 만들어진다.
일 실시예에서, 하우징(102)의 일부 또는 전체는 핀이 있는(finned) 직경의 열 전달 튜브로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 냉각제 및 고정자 코어(110)로부터의 열은 핀을 통한 자연적 또는 강제적 공기 순환을 통해 열 전달 튜브 하우징으로 전달된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고정자 단부 플레이트(172)의 외측 직경은 주 고정자 플레이트들(174)의 외측 직경보다 크다. 갭(188)이 고정자(190)의 외측 원주와 고정자 하우징(102)의 내측 표면 사이에 제공된다. 갭(188)은 냉각제가 고정자 단부 플레이트(172)의 외측 표면에 걸쳐 순환하는 것을 허용하기 위해 제공된다. 상이한 실시예에서, 고정자 단부 플레이트들(172)의 외측 직경은 주 고정자 플레이트들(174)의 외측 직경과 동일하다.
전기 기계(100)를 위한 냉각 시스템의 상이한 실시예에서, 밀봉된 튜브들은 고정자 코어와 하우징(102) 사이의 고정자 코어의 원주 주변에서, 갭(188) 상에 설치될 수 있다. 이 튜브들은 고정자 코어(110) 및 고정자 코일들(112)을 통해 유동하는 냉각제를 냉각시키기 위해 물 또는 다른 유체를 순환시킬 수 있다. 본 실시예는 유동하는 물에 대한 접근이 존재하는 경우 또는 별도의 수냉식 라디에이터가 이용가능한 경우의 해양 응용들에서 특히 유익할 수 있다.
도 4에 예시된 바와 같이, 밀봉된 챔버(103)는 냉각제 유입구 포트(166) 및 냉각제 배출구 포트(164)를 포함하고, 상기 유입구 포트 및 배출구 포트는 냉각제로부터 열을 제거하기 위한 열 교환기(도시되지 않음)에 유체적으로 결합된다. 전달 펌프(도시되지 않음)는 밀봉된 챔버(103) 내에서 냉각제를 순환시킨다. 냉각제 유입구 포트(166)로부터 진입한 후, 냉각제는 하우징(102)과 고정자 코어(110) 사이의 챔버 갭(188)으로 진입한다. 냉각제는 스페이서들(177)에 의해 분리된 고정자들의 세트들 사이의 공간으로 진입하고, 고정자 치형부(176)를 통해 축방향으로 그리고 단부 플레이트들(172)을 통해 고정자 코어 외부로 유동하고, 다시 갭(188)으로 유동한다. 최종적으로, 냉각제는 배출구 포트(164)를 통해 하우징(102) 외부로 유동한다.
하우징(102)은 본원에 개시된 냉각 시스템에, 냉각제가 유동하는 상이한 하위섹션들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 냉각제는 내부에 핀이 있는 튜브의 양 측 상에 외부에 핀이 있는 열 전달 플레이트들을 갖는 내부에 핀이 있는 튜브를 통해 유동된다. 그 다음에, 냉각제는 핀이 있는 열 전달 플레이트들의 양 측 상에 복수의 열전 디바이스들(168)을 갖는 다른 내부에 핀이 있는 튜브를 통해 유동할 수 있다. (도시되지 않은) 핀이 있는 열 전달 플레이트들은 열전 디바이스들(168)의 외부 표면 상에 연결될 수 있다.
도 11은 밀봉된 고정자 챔버(102)의 내부를 도시하고, 상기 밀봉된 챔버는 상기 밀봉된 챔버 내에 배열된 복수의 열전 디바이스들(168)을 갖는다. 냉각제가 열전 디바이스들에 걸쳐 순환될 때, 열전 디바이스들은 냉각제로부터 열을 더 제거하고/거나 펠티에 효과를 통해 전기의 흐름을 생성할 수 있다. 열전 디바이스들은 시스템 제어기에 의해 미리 결정된 바와 같이, 전달될 열의 수준에 의해 지시되는 바와 같이 간헐적으로 에너지공급될 수 있다.
열전 디바이스들(168)은 또한, 고정자 코어(110)와, 갭(188) 상에 위치된 물 순환 밀봉 튜브들 사이에서 고정자 코어의 원주 주위에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 고정자 코어(110)와 물 순환 튜브들 사이의 열 차이는 고정자 코어(110)로부터의 폐열을 전류로 변환하기 위해 열전 디바이스들(168)에 의해 사용될 수 있다. 이 전류는, 순환 펌프들 또는 하우징(102) 내의 전자장치들, 예컨대, 전자 스위치들, 모터 제어기들 등에 전력을 공급하거나 보충하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 상이한 응용들을 가질 수 있다.
하우징(102)이, 핀이 있는 외측 직경을 갖는 열전달 튜브로 구성되는 실시예들에서, 열전 디바이스들(168)은 고정자 코어(110)와 하우징(102) 사이에 위치되도록 열전달 튜브의 내부에 직접 본딩될 수 있다. 하우징(102)이, 고정자 코어(110)의 외측 표면의 연장부인 다른 실시예들, 예컨대, 도 11에 도시된 실시예에서, 열전 디바이스들(168)은 하우징(102)에 본딩될 수 있다.
단부 플레이트들(172)의 외측 직경이 주 고정자 플레이트들(174)의 외측 직경과 동일한 실시예들에서, 열전 디바이스들(168)은 고정자 코어들(110)의 둘 이상의 상이한 세트들 사이에 그리고 단부 플레이트들(172)의 외측 직경 옆에 위치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 권선들이 복수의 고정자 치형부를 에워쌀 때 냉각제는 코일 권선들에 의해서 남겨진 고정자 슬롯들의 공간을 통해서만 그리고 코일 권선들의 단부들 주위로 유동한다. 추가적으로, 홀들(도시되지 않음)이 고정자 코일을 통해 축방향으로 천공될 수 있고, 여기서 냉각제가 또한 순환할 수 있다.
도 7 및 10은, 각각이 복수의 주 고정자 플레이트들(174)을 포함하는, 서로 옆에 나란히 위치되는 고정자 코어들(110)의 2개의 세트들의 예를 도시한다. 고정자 코어들의 2개의 상이한 세트들은 축방향으로 함께 적층된 복수의 스페이서들(177)에 의해 분리된다.
냉각 시스템의 상이한 실시예들에서, 열전 디바이스들(168)은 열전 냉각기들(TEC)로서 작용하도록 전류로 별도로 에너지공급될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 열전 디바이스들(168)은 냉각제 및/또는 고정자 코어(110)로부터 물 튜브들, 핀이 있는 외측 튜브, 또는 이들 양쪽 모두의 조합으로의 열의 전달을 가속시킬 수 있다. 열전 디바이스들은 특히 고열 응용들, 또는 온도가, 미리 결정된 온도 범위를 초과하는 상황들에서 열전 냉각기들로서 사용될 수 있다.
도 12 내지 18은 전기 기계(100)의 냉각 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 냉각 시스템은 고정자 단부 플레이트(172), 주 고정자 치형부(176)를 갖는 주 고정자 플레이트들(174), 및 고정자 냉각 플러그들(178)을 포함한다. 고정자 단부 플레이트(172)는 외측 직경(182)의 주연부 주위에 슬롯형 홀들(180)을 포함한다. 도 16은 주 고정자 플레이트들(174), 단부 플레이트들(172) 및 고정자 냉각 플러그들(178)을 갖는 고정자 조립체(106)를 예시한다. 도 10은 주 고정자 치형부(176)를 더 상세히 도시한다. 고정자 냉각 플러그들(178)은 고정자 냉각 플러그들을 고정자 플레이트들(184 및 186) 상의 접촉 표면들에 접착시키기 위해 내열성 접착제로 설치될 수 있다. 고정자 냉각 플러그들(178)은, 도 5 및 15에 도시된 바와 같이, 하우징(102)의 길이를 통해 연장되고 고정자 단부 플레이트들로부터 더 멀리 연장되어 고정자 캐비티를 밀봉된 상태로 유지한다. 냉각 플러그들(178)은 슬롯형 단부들(179)을 포함하고, 도 17 및 18에 도시된 바와 같이, 고정자 코어(110)와 고정자 단부 플레이트들(172) 사이의 밀봉을 보조하기 위해 고무 개스킷(181)이 피팅될 수 있다.
전기 기계(100)의 일부 실시예들에서, 냉각제는 하우징(102)의 밀봉된 통(도시되지 않음) 내에 위치되는 시스템 전자장치들을 통해 순환될 수 있다. 냉각제는 유입구 매니폴드에 위치되는 제1 파이프로부터, 밀봉된 통 내로 유동하고, 배출구 매니폴드에 위치되는 제2 파이프를 통해 복귀할 수 있다. 제1 및 제2 파이프들은 고정자(106)의 이동 및 회전을 허용하도록 가요성일 수 있다. 시스템 전자장치들은 전자 스위치들 및 모터 제어기들을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 전기 기계(100)의 냉각 시스템은 냉각제를 순환시키기 위한 밀봉된 고정자 챔버(103)를 포함하지 않는다. 이러한 실시예들에서, 열전 디바이스들(168)은 고정자 코어(110)로부터 폐에너지를 수집하거나 고정자 코어(110)와 하우징(102) 사이의 열 전달을 가속하기 위해 하우징(102)과 고정자 코어(110) 사이에서 하우징(102)의 내측 표면 상에 배치될 수 있다.
고정자 단부 플레이트(172)는 알루미늄, 스테인리스 강, 또는 관련 기술분야에 알려진 임의의 다른 금속성 물질일 수 있다. 고정자 단부 플레이트(172) 및 주 고정자 플레이트들(174)은 상이한 물질들로 만들어질 수 있거나 동일한 물질로 만들어질 수 있다. 주 고정자 플레이트들(174)을 위한 물질들은 자성 철, 비정질 철 호일, 그의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 고정자 냉각 플러그들(178)은 플라스틱, 실리콘, 에폭시 카본 물질 또는 다른 중합체 물질들로 만들어질 수 있다. 고정자 냉각 플러그(178)와 고정자 치형부(176) 사이의 갭(196)은, 고정자 챔버(103)의 유밀 밀봉을 여전히 유지하면서, 본 발명의 상이한 실시예들에 포함될 수 있다.
주제는 구조적 특징들 및/또는 프로세스 작동들에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구항들에 정의된 주제는 위에서 설명된 특정 특징들 또는 작동들로 반드시 제한되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 위에서 설명된 특정 특징들 및 작동들은 청구항들을 구현하는 예시적인 형태들로서 개시된다.

Claims (20)

  1. 전기 기계로서,
    밀봉된 고정자 챔버를 포함하는 하우징;
    밀봉된 고정자 챔버 내에 배치된 고정자 조립체 - 고정자 조립체는 고정자 코어 및 고정자 코어에 의해 지지되는 복수의 와이어 권선들을 포함함 -
    를 포함하고,
    밀봉된 고정자 챔버는 고정자 코어 및 복수의 와이어 권선들로부터 열을 제거하기 위해 고정자 코어 및 복수의 와이어 권선들에 걸쳐 밀봉된 고정자 챔버를 통해 순환되는 냉각제를 수용하도록 구성되는, 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    고정자 코어는:
    복수의 고정자 플레이트들;
    복수의 고정자 플레이트들의 각각의 단부에서의 단부 플레이트들을 포함하고,
    고정자 플레이트들 및 단부 플레이트들 각각은 복수의 고정자 치형부를 갖는, 전기 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    길이방향 홈들이 외측 표면을 통해 절단된 비자성 튜브를 더 포함하고, 길이방향 홈들은 고정자 코어의 복수의 고정자 치형부와 맞물려 유밀 캐비티를 생성하는, 전기 기계.
  4. 제1항에 있어서,
    밀봉된 고정자 챔버는 냉각제로부터 열을 제거하기 위해 열 교환기 조립체에 유체적으로 결합된 유입구 포트 및 배출구 포트를 포함하는, 전기 기계.
  5. 제4항에 있어서,
    냉각제는 광유를 포함하는, 전기 기계.
  6. 제4항에 있어서,
    냉각제는 고정자 조립체의 온도가 증가할 때 제2 냉각제로 대체되는 제1 냉각제를 포함하는, 전기 기계.
  7. 제1항에 있어서,
    냉각제가 복수의 열전 디바이스들에 걸쳐 순환되도록 밀봉된 챔버 내에 배열되는 복수의 열전 디바이스들을 더 포함하고, 복수의 열전 디바이스들은 펠티에 효과를 사용하여 전기의 흐름을 생성하는 것 및 냉각제를 냉각하는 것 중 적어도 하나를 위해 구성되는, 전기 기계.
  8. 제7항에 있어서,
    복수의 열전 디바이스들은 밀봉된 고정자 챔버의 원주 주위에 배열되는, 전기 기계.
  9. 제8항에 있어서,
    전기 기계는 하우징의 내측 벽 주위에 배치된 유체 순환 튜브들을 더 포함하는, 전기 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    유체 순환 튜브들은 물을 순환시키는, 전기 기계.
  11. 제9항에 있어서,
    복수의 열전 디바이스들은 고정자 코어와 유체 순환 튜브들 사이에 배치되는, 전기 기계.
  12. 제9항에 있어서,
    복수의 열전 디바이스들에 의해 생성된 전기는 전기 기계를 포함하는 시스템에 사용된 전기 동력 디바이스들에 전력을 공급하는, 전기 기계.
  13. 제1항에 있어서,
    냉각제는 전자장치를 통해 더 순환되고, 전자장치는 모터 제어기를 포함하는, 전기 기계.
  14. 전기 기계로서,
    밀봉된 고정자 챔버를 포함하는 하우징;
    밀봉된 고정자 챔버 내에 배치된 고정자 조립체 - 고정자 조립체는 고정자 코어 및 고정자 코어에 의해 지지되는 복수의 와이어 권선들을 포함함 -;
    밀봉된 고정자 챔버는 고정자 코어 및 복수의 와이어 권선들로부터 열을 제거하기 위해 고정자 코어 및 복수의 와이어 권선들에 걸쳐 밀봉된 고정자 챔버를 통해 순환되는 냉각제를 수용하도록 구성됨; 및
    냉각제가 복수의 열전 디바이스들에 걸쳐 순환되도록 하우징의 내측 벽 주위에 배치된 복수의 열전 디바이스들 - 복수의 열전 디바이스들은 펠티에 효과를 사용하여 전기의 흐름을 생성하는 것 및 냉각제를 냉각하는 것 중 적어도 하나를 위해 구성됨 -
    을 포함하는, 전기 기계.
  15. 제14항에 있어서,
    고정자 코어는:
    복수의 고정자 플레이트들;
    복수의 고정자 플레이트들의 각각의 단부에서의 단부 플레이트들을 포함하고,
    고정자 플레이트들 및 단부 플레이트들 각각은 복수의 고정자 치형부를 갖는, 전기 기계.
  16. 제14항에 있어서,
    밀봉된 고정자 챔버는 냉각제로부터 열을 제거하기 위해 열 교환기 조립체에 유체적으로 결합된 유입구 포트 및 배출구 포트를 포함하는, 전기 기계.
  17. 제14항에 있어서,
    냉각제는 광유를 포함하는, 전기 기계.
  18. 제14항에 있어서,
    전기 기계는 하우징의 내측 벽 주위에 배치된 유체 순환 튜브들을 더 포함하는, 전기 기계.
  19. 제18항에 있어서,
    복수의 열전 디바이스들은 고정자 코어와 유체 순환 튜브들 사이에 배치되는, 전기 기계.
  20. 제14항에 있어서,
    복수의 열전 디바이스들에 의해 생성된 전기는 전기 기계를 포함하는 시스템에 사용된 전기 동력 디바이스들에 전력을 공급하는, 전기 기계.
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