KR20220160485A - 전기 구동 기계의 고정자, 및 이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

전기 구동 기계의 고정자, 및 이를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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토비아스 엥겔하르트
슈테판 왹슬렌
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 고정자를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 회전자를 수용하기 위한 공동(12)과, 본체(1)를 통하여 축방향으로 연장되고 권선의 전기 전도체(7)를 수용하기 위한 복수의 슬롯(2)을 갖는 본체(1)를 제공하는 단계; 각각의 슬롯 내부가 본체(1)로부터 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성되도록 슬롯 절연체(3)를 제공하는 단계; 본체(1)의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트(4)를 형성하는 단계;를 포함하며, 단부 플레이트(4)는 본체(1)에 유밀 방식으로 부착되고, 이에 따라 유체가 단부 플레이트(4)와 본체(1) 사이에서 본체(1)의 공동(12)에 도달할 수 없으며, 단부 플레이트(4)는 반경방향 부분(5) 및 축방향 부분(6)을 갖고, 축방향 부분(6)은 인서트(8)를 갖는다. 또한, 상응하는 고정자가 제공된다.

Description

전기 구동 기계의 고정자, 및 이를 제조하기 위한 방법{STATOR OF AN ELECTRIC DRIVE MACHINE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, 특히 하이브리드 또는 전기 자동차를 구동하기 위해, 그 안에 삽입된 고정자와 함께 사용될 수 있는 전기 구동 기계의 고정자 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
전기 자동차의 수가 점차 증가함에 따라, 이제 이들의 주행 성능 면에서 때로는 심지어 통상 내연 기관에 의해 구동되는 최고의 스포츠카를 능가하는, 상업적으로 입수 가능한 고성능 전기 자동차도 존재한다. 이에 상응하게 민첩하고 높은 토크의, 연속적인 고전력을 이용 가능하게 하는 구동 장치에는 액체 냉각을 사용하는 전기 모터가 사용된다. 액체 냉각에 의해, 고정자 권선에서 열의 형태로 발생하는 전력 손실이 효율적으로 소산될 수 있다. 이를 위해, 전기 기계의 하우징은 액체 냉각제가 흐르는 냉각 채널 시스템을 수용한다. 전기 모터에서 생성된 열은 열전도 및 대류에 의해 냉각수 내로 소산된다. 냉각수 냉각기에서 흡수된 열이 환경으로 방출되며, 결과적으로 냉각수가 다시 냉각되어 폐회로에서 다시 전기 기계의 하우징에 공급된다.
다수의 전기 기계에서, 권선 돌출부(winding overhang)는 전력 제한 구성 요소이며, 권선 돌출부는, 이들이 작동 동안 최대 허용 가능 또는 허용 온도에 도달하는 전기 기계의 부분이기 때문에, 고정자 슬롯의 외부에 위치된 권선 또는 플랫 와이어(flat-wire) 권선의 부분을 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 이유로, 냉각 시스템의 목적은 권선 돌출부와 냉각수 간의 열전달을 가능한 한 양호하게 만드는 것이다. 따라서, 권선 돌출부는 흔히 캐스팅 화합물(casting compound)로 함침된다. 또한, 오일이 권선 돌출부의 둘레로 직접 흐르는 개념이 있다. 오일은 종래의 냉각수를 대체한다. 이 경우, 고정자와 회전자 사이의 에어 갭에 오일이 유입되지 않도록 보장되어야 한다(왜냐하면, 그러한 경우 높은 마찰 손실을 유발하기 때문이다). 이를 달성하기 위해, 이러한 개념에서는 고정자 공간이 주로 비자화 가능 재료(예를 들어, 섬유 강화 플라스틱)로 제조된 슬리브(sleeve)에 의해 밀봉된다. 그러나 고정자 공간의 라이닝(lining)은, 고정자와 회전자 사이의 "자성 에어 갭"이 더 커짐으로써, 전기 기계의 효율 및 최대 가능 토크를 감소시키는 단점이 있다. 이는 얇은 벽 두께로 고강도 및 강성을 갖도록 하는 방식으로 슬리브를 구현함으로써 방지될 수 있다. 이에 대한 예는 DE 10 2010 055 821 B4호 및 DE 10 2016 101 705 A1호에서 확인할 수 있다.
열손실을 훨씬 더 효율적으로 소산시키기 위해, 권선이 위치된 슬롯을 통하여 냉각 매체가 직접 안내되는, 직접 권선 냉각을 사용하는 전기 기계가 종래기술로부터 알려져 있다. 따라서, 냉각 매체가 완전히 구리 권선의 둘레로 흐르므로, 열전달을 위한 더 큰 표면적을 이용 가능하게 하고, 폐열을 보다 적절하게 소산시킬 수 있게 한다.
직접 권선 냉각은, 예를 들어 독일 특허출원 DE 10 2017 102 141호로부터 공지되어 있다. 직접 권선 냉각을 구현하기 위해, 고정자 공간을 밀봉하는 구성 요소를 고정자 내에 직접 적층하고 제자리에서 압착하여 열을 가해 경화시킨다. 가압 체결(force-locking) 및 부분적으로 형상 결합식 (접착) 연결에 의해, "라이너"는 작동 동안 고정자 공간 내의 높은 압력을 견딜 수 있다. 라이너 및 적층 고정자 코어는 분리될 수 없게 서로 연결된다. 적층물(lamination)에 따라, 예를 들어 유리 섬유 강화 플라스틱(GRP)에 의해, 비교적 저렴한 재료가 사용될 수 있으며, 라이너의 얇은 벽 두께가 달성될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 예를 들어 권선 공정에서, 본질적으로 안정적인 슬리브가 제조될 수 있다. 슬리브는 고정자와 별도로 제조되어 경화되며, 고정자 제조 공정 동안 언제든지 고정자 내에 축방향으로 삽입될 수 있다. 이 경우, 이는 적층 고정자 코어로부터 분리될 수 있는 부분을 형성하며, 예를 들어 수리 시에 탈거될 수 있고, 적절한 경우 교체될 수 있다. 슬리브가 적층 고정자 코어와의 연결부 내로 진입하지 않기 때문에, 이는 작동 동안 고정자 공간 내의 냉각 유체의 외부 압력을 견딜 수 있도록 하기 위해, 더 견고하고 더 강한 재료로 제조되어야 한다. 따라서, 이 경우, 탄소 섬유 또는 Zylon 섬유가 사용될 수 있다. 또한, 슬리브의 벽 두께는, 대체로 라이너의 벽 두께보다 더 두꺼워야 한다. 안정화를 위해, 슬리브는, 특히 권선 돌출부 아래에서, 국부적으로 두꺼워져야 하며, 이는 "독립 구조(free-standing)"이고, 적층 고정자 코어의 일부에 의한 지지 없이 냉각 유체의 압력에 노출된다. 여기서, 안정화는 회전자가 여전히 전기 기계에 축방향으로 도입될 수 있도록 하는 방식으로 수행된다. 즉, 두꺼워진 부분(thickening)은 일측은 반경방향 내향으로 그리고 타측은 반경방향 외향으로 제공되어야 한다.
전술한 종래기술을 고려하여, 본 발명의 과제는, 고정자 슬롯을 통하여 그리고 이에 따라 권선 전도체 또는 와이어의 둘레에 안내되는 냉각 유체 유동 공간이 저비용으로 신뢰성 있게 제공되는 고정자를 제공함으로써, 냉각 유체가 회전자 공간 내로 그리고 이에 따라 회전자와 고정자 사이의 에어 갭 내로 유입될 수 없도록 보장하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항에 청구된 바와 같은 방법 및 장치에 의해 해결된다. 추가 실시예는 종속 청구항들에 정의되어 있다.
본 발명에 따른 제조 방법 및 이를 통해 제조될 수 있는 고정자는, 슬롯 절연체(slot insulation)를 갖는 고정자를 제공하는 접근법에 기반하며, 슬롯 절연체는, 단부측에 이미 유밀 방식으로(fluidtight) 구성된 슬롯 절연체 및 이를 둘러싸는 고정자 하우징과 유밀 방식으로 연결된 단부 플레이트를 가지며, 상기 단부 플레이트는 내하력 또는 구조적 부품 강도를 증가시키기 위한 인서트(insert)를 갖는다.
단부 플레이트의 축방향 부분에 냉각 유체의 유압이 가해지며, 상응하게 안정적인 방식으로 구현되어야 한다. 그러나 축방향 부분의 최대 가능 벽 두께는 주변 구성 요소에 의해 제한된다. 따라서, 권선 돌출부의 내경은 축방향 부분의 최대 외경을 결정하며, 회전자의 외경은 축방향 부분의 최소 내경을 결정한다. 결과적으로, 냉각 채널을 통하여 흐르는 냉각 유체의 작용 압력에 따라, 축방향 부분의 내하력이 중요할 수 있다. 본 발명은 이러한 목적을 위한 지원을 제공하며, 이에 따라 전기 기계의 작동 동안 냉각 유체의 유압을 견딜 수 있기에 그 축방향 영역이 충분히 좁은/얇은 단부 플레이트를 제조하기에 (인서트가 없는) 단부 플레이트의 재료의 기계적 특성이 불충분한 경우에 특히 바람직하다. 또 다른 측면에서는, 본 발명에 따른 방법이 단부 플레이트를 위한 저비용으로 가공하기 용이한 재료(예를 들어, 단섬유 강화 플라스틱)를 사용할 수 있게 하므로, 필요한 부품 강도가 인서트에 의해 보정 또는 "보상"될 수 있다.
본 발명에 따라, 고정자를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 고정자의 본체를 제공하는 단계를 포함하며, 고정자의 본체는, 회전자를 수용하기 위한 공동(cavity), 및 본체를 통하여 축방향으로 연장되며 권선을 수용하기 위한 복수의 슬롯을 갖는다. 본체는 바람직하게는 적층 코어를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 고정자는 고정자 권선의 직접 냉각을 사용하는 고정자일 수 있다.
상기 방법은, 슬롯 절연체를 제공하는 단계를 더 포함하며, 이에 따라, 각각의 슬롯 내부가 본체로부터 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성된다. 슬롯 절연체는 각각의 슬롯에 일체형으로 형성될 수 있으며, 높은 절연 내력을 갖는 전기적으로 그리고 바람직하게는 자기적으로 비전도성 재료로 유밀 방식으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 예를 들어, 노멕스-캅톤-노멕스(Nomex-Kapton-Nomex: NKN)(그러나 이는 유밀되지 아님), 또는 유밀될 뿐만 아니라 전기 절연성인 폴리에테르에테르케톤 폴리머PEEK)와 같은 플라스틱이 이를 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 슬롯 절연체는 직접 주입되거나 별도로 제조되어 슬롯 내로 삽입/배치될 수 있다.
상기 방법은, 본체의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트를 형성하는 단계를 더 포함하며, 단부 플레이트는 본체에 유밀 방식으로 부착되므로, 유체가 단부 플레이트와 본체 사이에서 고정자 또는 본체의 공동에 도달할 수 없다. 또한, 단부 플레이트는 반경방향 부분 및 축방향 부분을 가지며, 축방향 부분은 인서트를 갖는다. 인서트는, 단부 플레이트의 반경방향 부분의 재료로부터의 이의 제조보다 더 큰 부품 강도를 단부 플레이트의 축방향 부분에 제공하는 구조물 강화 인서트이다. 인서트는, 단부 플레이트의 축방향 부분의 전체 축방향 범위에 걸쳐서 또는 이의 일부에 걸쳐서 연장될 수 있다. 예를 들어, 인서트는 구조적으로 안정적인 중공 원통일 수 있으며, 특히, 단부 플레이트의 축방향 부분에 해당하거나 이의 일부를 형성하는, 단부 플레이트의 재료로 제조된 동일한 중공 원통과 비교하여, 구조적으로 더 안정적인 중공 원통일 수 있다. 결과적으로, 인서트는, 단부 플레이트의 축방향 부분을 강화하는 "코르셋(corset)"으로 간주될 수 있다.
단부 플레이트의 형성은, 예를 들어 사출 성형에 의해, 재료로부터 단부 플레이트를 기본적으로 제조하는 의미에서의 실질적인 형성을 의미할 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법의 일부로서 수행되는, 사전 조립식 단부 플레이트 또는 단부 플레이트 부분을 고정자에 체결하거나 부착하는 의미에서의 형성도 의미할 수 있다. 후자의 경우, 축방향 부분 및 반경방향 부분은, 서로 별개로 본체에 체결되거나 부착될 수 있다. 예를 들어, 단부 플레이트의 축방향 부분은 별개의 구성 요소일 수 있으며, 본체에 유밀 방식으로 먼저 체결되는, 단부 플레이트의 반경방향 부분에 유밀 방식으로 하류에 부착될 수 있다.
단부 플레이트가 본체에 유밀 방식으로 부착되므로, 단부 플레이트와 본체 사이에, 그리고 이에 따라 반경방향으로 고정자와 이 고정자 내에 삽입된 회전자 사이의 에어 갭 내에 유체가 도달할 수 없다. 고정자 권선의 전기 전도체는 단부 플레이트에 접촉되게 놓이기 때문에, 단부 플레이트는, 마찬가지로 전기 절연체(예를 들어, 적절한 경우, 섬유 강화 플라스틱)로 제조된다. 단부 플레이트는, 축방향 및 반경방향 영역, 또는 축방향 및 반경방향 부분을 가지며, 축방향 부분은, 고정자의 종축을 따라(그러나 고정자의 종축에 평행하게 오프셋되어) 연장되고, 반경방향 부분은 이에 수직으로 상응하게 연장된다. 따라서, 단부 플레이트의 축방향 부분은 기하학적으로 실질적으로 중공 원통일 수 있으며, 이의 개구부는 고정자 공간의 개구부에 평행하게 배치된다. 단부 플레이트의 반경방향 부분은, 고정자 공간의 개구부에 평행하게 배치된 동심 개구부를 갖는 기하학적으로 실질적으로 원형 디스크일 수 있다. 슬롯 절연체는, 본체의 단부에서, 각각의 단부 플레이트에, 특히 이의 반경방향 부분에 유밀 방식으로 연결된다. 구성 요소가 열가소성 물질을 포함하는 경우, 용접 및/또는 접착제 접착에 의해 연결이 달성될 수 있다. 또한, 단부 플레이트는 제조 공정에서 슬롯 절연체에 "성형"될 수 있으며, 즉 사출 성형에 의해 슬롯 절연체 상에 일체로 성형될 수 있다.
단부 플레이트의 축방향 부분은 밀봉부에 의해 고정자 하우징에 대해 밀봉된다. 이러한 밀봉부는, 단부 플레이트에 접촉되게 그리고 고정자 하우징에 접촉되게, 반경방향으로 및/또는 축방향으로 놓일 수 있다. 적층 코어와 단부 플레이트의 유밀 축방향 부착은 예를 들어 이들을 본체의 단부에, 별도의 제조 및 접착제 접착에 의해(예를 들어, 환형 접착제 매트를 통해, 전체 표면에 걸쳐서 또는 링으로서 국부적으로), 또는 통상적인 밀봉부(오링, 개스킷 등)와 함께 별도의 제조에 의해, 성형함으로써 달성될 수 있다.
슬롯 절연체의 유밀 실시예 및 단부 플레이트와의 이의 유밀 부착을 통해, 권선 돌출부의 영역 및 슬롯 내에 회전자 공간에 대하여 유밀인 유동 공간이 형성된다. 권선에서 발생하는 열 손실을 소산시키기 위해 상기 공간을 통하여 전기 비전도성 유체가 흐른다. 유동 영역의 경계는, 권선 돌출부 영역에서 단부 플레이트 및 하우징에 의해 미리 결정된다. 슬롯의 영역에서, 유동 영역은 슬롯 절연체에 의해 한정된다. 이러한 방식으로, 권선의 둘레에 거의 완전히 냉각 유체가 흐를 수 있어서 이상적으로 냉각될 수 있다.
또 다른 단계에서, 본 발명에 따른 방법은, 본체의 슬롯 내에 전도체(예를 들어, 구리 전도체)를 삽입하는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, 이들은 원하는 회로 패턴에 따라 서로 전기적으로 접촉되어 고정자 권선을 형성한다.
본 발명에 따른 방법은, 단부 플레이트의 축방향 부분이 인서트를 갖는 특징을 제외하고는, 독일 특허출원 DE10 2017 102 141 A1호에 상응하게 수행될 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따라, 단부 플레이트를 형성하는 단계는, 단부 플레이트의 재료로 재료 섬유를 적어도 부분적으로 오버몰딩(overmolding)하여 단부 플레이트를 제조하는 단계로서, 오버몰딩된 재료 섬유가 인서트를 형성하는 단계; 및 본체의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트를 유밀 방식으로 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 인서트는, 순수 섬유, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유(aramid fiber) 등을 포함할 수 있다. 오버몰딩 공정 동안, 섬유는 동시에 함침된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따라, 단부 플레이트를 형성하는 단계는, 단부 플레이트의 재료로 인서트를 오버몰딩함으로써 단부 플레이트를 제조하는 단계로서, 인서트는 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함하는, 단계; 및 본체의 2개의 단부 각각에 유밀 방식으로 각각의 단부 플레이트를 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 인서트는 별도로 제조된 부분의 형태일 수 있으며, 예를 들어, 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함할 수 있다. 단부 플레이트 재료를 통한 인서트의 오버몰딩은, 부분적인 오버몰딩(예를 들어, 성형) 또는 완전한 오버몰딩을 포함할 수 있다. 또한, 인서트의 적어도 부분적인 오버몰딩이 고정자 상에 직접 수행될 수 있으며, 결과적으로 단부 플레이트의 전체가 또는 이의 적어도 축방향 부분이 동시에 본체 상에 성형된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따라, 인서트의 표면은 단부 플레이트의 표면에 해당할 수 있다. 즉, 인서트는, 단부 플레이트 재료로 완전히 오버몰딩될 필요는 없지만, 해당 고정자 또는 단부 플레이트의 제조 동안 성형될 수 있으므로, 이의 표면 중 하나가 적어도 부분적으로 노출된다. 일 실시예에서, 인서트는 내부에서 반경방향으로 놓일 수 있으며, 즉, 고정자의 내부에 대향하는 단부 플레이트 표면을 형성할 수 있다. 이는 특히, 인서트가 내부면에 매우 양호한 표면을 갖거나 매우 양호한 표면으로 구현될 수 있는 경우에 바람직할 수 있다. 추가 실시예에서, 인서트는 외부에서 반경방향으로 놓일 수 있으며, 즉 고정자의 내부로부터 이격되게 지향되는 표면을 형성할 수 있거나, 즉, 권선 돌출부의 영역에 놓이는 냉각 채널의 부분으로 지향되는 단부 플레이트 표면을 형성할 수 있다. 이는 특히, 인서트의 표면이 비교적 낮은 품질인 경우에 바람직할 수 있다. 실시예 중 하나를 선택함으로써, 반경방향 밀봉 표면이 높은 표면 품질이도록 보장하는 것이 가능하며, 밀봉 효과가 신뢰 가능하게 보장될 수 있다. 고정자의 구체적인 구성예에 따라, 하나 또는 다른 실시예가 바람직할 수 있다. 표면의 양호한 또는 불량한 품질은, 슬롯 절연체 및/또는 본체에 단부 플레이트를 부착하기 위한 전술한 방법 중 하나와 관련된 표면의 적합성을 의미할 수 있다.
또한, 관련된 재료의 특성, 즉, 단부 플레이트의 재료 및 인서트의 재료의 특성이 적절하게 이용될 수 있다. 인서트 및 단부 플레이트 재료가 작동 동안 서로 분리(lift off)되지 않는 것이 중요하다. 예를 들어, 제조 동안 고온이 존재하고, 인서트가 단부 플레이트 재료보다 더 높은 열팽창을 갖는 경우, 인서트는, 이후에 항상 단부 플레이트 재료상으로 수축되거나 단부 플레이트 재료를 향해 돌출되기 때문에, 단부 플레이트의 축방향 부분에 접촉되게 외부에서 반경방향으로 놓일 수 있다. 반면에, 인서트가 내부에서 반경방향으로 위치되고, 제조 동안 고온이 존재하는 경우, 인서트의 열팽창은, 이에 따라 바람직하게는 단부 플레이트 재료의 열팽창 미만일 수 있다.
방법의 또 다른 실시예에 따라, 단부 플레이트를 형성하는 단계는, 단부 플레이트의 반경방향 부분을 본체의 해당 단부에 유밀 방식으로 부착하는 단계, 및 인서트를 단부 플레이트의 반경방향 부분에 유밀 방식으로 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 인서트는 단부 플레이트의 축방향 부분에 해당하며, 별도로 제조된다. 이를 위해, 예를 들어, 합성 수지로 함침된 섬유가 맨드릴(mandrel) 상에 감겨서 경화될 수 있다. 이미 설명된 방법 중 하나에 따라, 단부 플레이트의 반경방향 부분이 본체의 단부에 유밀 방식으로 부착된 후에, 별도로 제조된 인서트는, 예를 들어 접착제 접착 또는 용접에 의해, 단부 플레이트의 반경방향 부분에 유밀 방식으로 이후에 연결될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 단부 플레이트의 반경방향 부분에 반경방향으로 둘러싸인 조인트를 형성하는 것이 추가적으로 가능하며, 인서트는 이의 단부 중 하나에 의해 조인트 내로 삽입되고, 이러한 위치에서 접착제로 접착되거나 용접될 수 있으며, 이러한 수단에 의해, 인서트에는 반경방향 부분에 부착된 경우 훨씬 더 양호한 유지력이 주어질 수 있다.
본 발명에 따라, 특히 전술한 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있는 전기 구동 기계의 고정자가 또한 제공된다. 따라서, 아래에 설명되는 본 발명에 따른 고정자는, 본 발명에 따른 제조 방법과 관련하여 설명된 모든 구조적 공간 특징, 또는 제조 방법의 기능적 특징에 해당하는 구조적 공간 특징을 가질 수 있으며, 그 반대로도 마찬가지이다.
본 발명에 따른 고정자는, 바람직하게는 적층 고정자 코어에 상응하는 본체를 가지며, 상기 본체는, 회전자를 수용하기 위한 공동과, 상기 본체를 통하여 축방향으로 연장되고 권선을 수용하기 위한 복수의 슬롯을 가지며, 이들 슬롯의 내부는 본체에 대해 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성된다. 고정자의 각각의 단부 상에 상기 본체에 유밀 방식으로 부착된 각각 하나의 단부 플레이트가 형성됨에 따라, 유체가 단부 플레이트와 본체 사이에서 본체의 공동에 도달할 수 없다. 단부 플레이트는 반경방향 부분 및 축방향 부분을 가지며, 이미 전술한 바와 같이, 축방향 부분은 인서트를 갖는다.
고정자의 또 다른 실시예에 따라, 인서트는, 단부 플레이트의 재료로 오버몰딩된 재료 섬유를 포함할 수 있다. 이 경우, 재료 섬유는, 인서트의 재료에 의해 동시에 함침된다.
고정자의 또 다른 실시예에 따라, 인서트는 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함할 수 있다. 이 경우, 인서트는 얇은 중공 원통의 형태일 수 있으며, 단부 플레이트의 축방향 부분에 완전히 내장될 수 있거나, 예를 들어, 오버몰딩될 수 있거나, 이는 부분적으로만 오버몰딩될 수 있다. 일반적으로, 인서트는, 전적으로 단부 플레이트의 축방향 부분에 또는 그 내에 배치 또는 부착될 수 있거나, 대안적으로 반경방향 부분 내로 돌출될 수 있다. 후자의 경우는, 반경방향으로 외측 영역에서, 즉 고정자의 외부를 향해, 반경방향으로 내측 영역으로, 즉 고정자의 내부를 향해, 단부 플레이트의 반경방향 부분의 양측 표면의 연속부에 의해 한정되는 단부 플레이트의 영역으로 인서트가 돌출되는 경우에 존재한다. 인서트의 배치의 선택은, 가능한 결정 파라미터의 두 가지 실시예를 들면, 기하학적 치수 및 재료의 열팽창 계수를 고려하여, 개별 사례에 맞게 조정될 수 있다.
고정자의 또 다른 실시예에 따라, 인서트의 표면은 단부 플레이트의 표면에 해당할 수 있다. 즉, 이 경우, 인서트가 단부 플레이트의 재료에 의해 완전히 둘러싸이지 않기 때문에, 인서트의 표면이 노출된다. 이 경우, 인서트는, 단부 플레이트의 축방향 부분에 접촉되게 외부에서 반경방향으로 또는 내부에서 반경방향으로 놓일 수 있다.
고정자의 또 다른 실시예에 따라, 인서트는 단부 플레이트의 축방향 부분에 해당할 수 있다. 즉, 인서트는 단부 플레이트의 축방향 부분을 형성할 수 있으며, 한편으로는 본체에, 그리고 다른 한편으로는 단부 플레이트의 반경 부분에 유밀 방식으로 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따라, 본 발명에 따른 고정자는, 복수의 냉각 채널을 포함하는 고성능 직접 냉각 시스템을 구비하며, 각각의 냉각 채널은 고정자의 슬롯을 통하여 연장되고, 권선 돌출부의 영역에 각각 배치된 유체 유입구 및 유체 배출구를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 고정자는, 권선의 직접 냉각을 통해 전기 기계를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 냉각 유체는 상당한 손실이 발생하는 곳으로 정확히 안내된다. 또한, 저렴한 재료 및 제조 방법이 사용될 수 있다. 제조 비용은, 라이너 또는 캔(can)을 이용한 직접 냉각 변형예보다 상당히 더 낮다. 본 발명에 따른 고정자는 제조 시에 그리고 작동 시에 높은 견고성을 제공한다. 또한, 적층 고정자 코어 자체가 누설 밀봉일 필요가 없고 이의 축방향 길이상에 임의의 구성 요소를 적재할 필요가 없기 때문에, 적층 고정자 코어의 조립을 위해 임의의 원하는 조립 방법이 사용될 수 있다는 점을 강조할 수 있다. 예를 들어, 적층 코어는 용접되거나 천공 조립될 수 있다. 이 방법은 예를 들어 열처리된 에나멜(baked enamel)에 의한 조립보다 훨씬 더 비용 효율적이다. 본 발명에 따른 고정자는, 에어 갭 내에 추가 밀봉이 구비되거나 구비되지 않는 방식으로 구현될 수 있다. 유체가 회전자 공간 내로 유입될 수 없고 이에 따라 에어 갭 내로 유입될 수 없는 점을 추가로 보장하기 위해, 에어 갭 내 추가 밀봉이 선택된다. 에어 갭 내 추가 밀봉이 없는 실시예는, 에어 갭 내에 구성 요소가 없다. 결과적으로 에어 갭이 매우 작게 선택될 수 있으므로, 기계의 더 높은 성능 및 더 높은 효율을 유발할 수 있다.
본 발명에 따른 고정자에서 그리고 본 발명에 따른 제조 방법의 범위 내에서, 전기 기계의 더 높은 견고성 및 관련된 더 낮은 고장 위험에 의해, 그리고 냉각 유체 시스템에서 더 높은 압력을 사용하는 가능성에 의해, 내하력의 상당한 증가가 달성된다. 이로 인해, 특히 더 높은 점도를 가질 수 있는 사용 냉각 유체와 관련하여 더 큰 유연성을 야기한다. 또한, 체적 유량이 증가될 수 있으므로, 소산되는 열의 양이 증가될 수 있다. 또한, 밀봉 영역에서 매우 양호한 표면이 달성될 수 있다. 이는 밀봉부를 신뢰 가능하게 장착할 수 있도록 하기 위해, 그리고 모든 작동 범위에서 및 이의 수명에 걸쳐서 전기 기계의 누설 밀봉을 신뢰 가능하게 보장할 수 있도록 하기 위해 필요하고 유용하다.
위에 언급된 특징 및 이하에서 설명될 것들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 각각 명시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 조합으로 또는 그 자체로도 사용될 수 있다는 것은 명백하다.
본 발명의 또 다른 장점 및 실시예는 전반적으로 설명으로부터 그리고 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 삽입된 슬롯 절연체를 갖는 본 발명에 따른 고정자의 부분의 사시도이다.
도 2는 삽입된 슬롯 절연체 및 단부 플레이트를 갖는 본 발명에 따른 고정자의 부분의 사시도이다.
도 3은 삽입된 슬롯 절연체, 단부 플레이트, 및 슬롯 내에 삽입된 고정자 권선의 전기 전도체를 갖는 본 발명에 따른 고정자의 부분의 사시도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 고정자의 종축을 따르는, 상기 고정자의 부분의 단면도이다.
도 4b는 반경방향 섹션 B-B에서, 도 4a에 도시된 본 발명에 따른 고정자의 종축에 수직인 상기 고정자의 부분의 단면도이다.
도 4c는 반경방향 섹션 C-C에서, 이의 종축에 수직인 도 4a에 도시된 본 발명에 따른 고정자의 일부의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고정자의 단부의 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고정자의 단부의 다른 실시예의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 고정자의 단부의 다른 실시예의 단면도이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 고정자의 일부의 사시도를 도시한다. 상이한 도면은 본 발명에 따른 제조 방법의 상이한 단계를 나타낸다. 도 1에 도시된 고정자의 상태에 선행하는 제1 단계에서, 고정자의 본체(1)가 제공되며, 본체(1)는, 회전자를 수용하기 위한 공동과, 본체(1)를 통하여 축방향으로 연장되고 권선을 수용하기 위한 복수의 슬롯(2)을 갖는다. 후속 단계에서, 본 발명에 따른 방법은 슬롯 절연체(3)를 제공하는 단계를 포함하며, 그에 따라 각각의 슬롯 내부가 본체(1)로부터 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성된다. 본 발명에 따른 제조 방법의 이러한 단계에서의 고정자의 상태가 도 1에 도시되어 있다. 슬롯 절연체(3)는 고정자 슬롯(2) 내로 성형될 수 있거나, 완성된 슬리브로서 이들 내로 삽입될 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 방법의 후속 단계에서, 각각의 단부 플레이트(4)가 본체(1)의 2개의 단부 각각에 배치되며, 각각의 단부 플레이트(4)는 본체(1)에 유밀 방식으로 부착됨으로써, 유체가 단부 플레이트(4)와 본체(1) 사이에서 고정자의 공동에 도달할 수 없다. 여기서, 단부 플레이트(4)는 반경방향 부분(5) 및 축방향 부분(6)을 가지며, 축방향 부분(6)은 인서트(8)를 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반경방향 부분(5)은, 본체(1)의 종축 또는 축방향 범위에 수직인 평면에서, 본체(1)의 단부에 면 형태로 연장된다. 축방향 부분(6)은, 본체(1)의 종축에 평행하거나 축방향 범위에 평행하게, 전체 원주에 걸쳐서 면 형태로 연장된다. 인서트(8)는, 도시된 실시예에서, 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6) 내에 완전히 내장되기 때문에, 점선으로 도시된다. 도 2에 도시된 고정자의 상태는, 예를 들어, 본체(1)의 단부에 접촉되게 인서트(8)를 배치하고, 단부 플레이트(4)의 재료로 이를 오버몰딩함으로써 달성될 수 있다. 동시에, 단부 플레이트(4)가 본체(1)의 단부 상에 성형되고, 슬롯 절연체(3)가 (예를 들어, 용접 또는 접착제 접착에 의해) 단부 플레이트(4)에 유밀 방식으로 연결된다. 대안적으로, 인서트(8)는, 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)에 삽입되어 단부 플레이트(4)의 재료로 오버몰딩될 수 있다. 그 다음, 별도로 제조된 이러한 단부 플레이트(4)는 본체(1)의 단부에 유밀 방식으로 부착되며, 슬롯 절연체(3)에 유밀 방식으로 연결된다.
마지막으로, 도 3은 본 발명에 따른 제조 방법의 선택적인 단계를 도시하며, 권선의 전기 전도체(7)(도시된 실시예에서, 이들은 "플러그-인(plug-in)" 코일(헤어핀 코일(hairpin coil))의 구리 전도체임)가 슬롯(2) 내로 삽입되었고, 결과적으로, 전기 기계의 권선이 제조될 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 예시적인 고정자의 일부의 단면도를 이의 종축(L)을 따라 도시한다. 상응하게, 도 4b, 도 4c는 이 둘 모두가 도 4a에 표시되는 반경방향 섹션 B-B 또는 C-C에서, 도 4a에 도시된 도면에 수직으로, 도 4a에 도시된 본 발명에 따른 고정자의 일부의 단면도를 도시한다.
권선의 직접 냉각을 제공하기 위해, 전기 전도체(7) 둘레의 유동 공간이 고정자에 형성되며, 이러한 공간은, 제1 챔버(10A), 제2 챔버(10B), 및 전기 전도체(7)에 의해 점유되지 않는 해당 슬롯(2)의 개재된 내부를 포함한다. 후자는 도 4b 및 도 4c에서 특히 잘 보일 수 있는 슬롯(2) 내의 전기 전도체(7) 사이의 중간 공간에 해당한다. 여기서, 제1 챔버(10A) 및 제2 챔버(10B)는, 권선의 권선 돌출부(14)를 각각 포함한다. 본 발명에 따른 고정자에 기초하여 구성된 전기 기계의 작동 동안, 펌프에 의해 제공되는 가능한 유체 흐름은 화살표(11)로 표시되며, 흐름의 방향은 물론 임의로 선택된다. 유동 공간은, 회전자(도면에 도시되지 않음)를 수용하기 위한 공동(12) 또는 회전자 공간에 대하여 유밀되도록 설계됨으로써, 냉각 유체가 회전자 공간 내로 유입될 수 없고, 이에 따라 회전자와 고정자 사이의 에어 갭 내로 유입될 수 없도록 보장한다.
반경방향 부분(5) 및 축방향 부분(6)을 각각 갖는 단부 플레이트는, (예를 들어, 단부 플레이트(4)의 재료의 용접, 접착제 접착 또는 성형에 의해) 고정자의 본체(1)에 유밀 방식으로 부착됨으로써, 유체가 단부 플레이트(4)와 본체(1) 사이에 반경방향으로 도달할 수 없고, 이에 따라 도 4a에서 공동(12)의 최상부 부분에 해당하는 에어 갭 내에 도달할 수 없도록 보장한다. 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)은, 밀봉부(9)에 의해 고정자의 하우징(13)에 대해 밀봉된다. 도시된 실시예에서, 밀봉부는, 단부 플레이트(4)에 접촉되게, 특히 이의 축방향 부분(6) 및 하우징(13)에 접촉되게 반경방향으로 놓인다. 추가적으로 또는 대안적으로, 밀봉부(9)는 대체로 단부 플레이트에 접촉되게 그리고 하우징(13)에 접촉되게 축방향으로 놓일 수 있다.
도 4a에 도시된 본 발명에 따른 고정자의 실시예에서, 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)은, 이의 구조적 강도를 증가시키기 위한 인서트(8)를 갖는다. 인서트(8)는 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6) 내에 성형된다. 이미 설명된 바와 같이, 인서트(8)는, 오버몰딩 공정 동안 단부 플레이트(4)의 재료로 함침된 순수 섬유(유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 인서트(8)는, 단부 플레이트 재료로 오버몰딩된 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 실시예에서, 인서트(8)는 (바람직하게는 완전히) 전적으로 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)에 위치된다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 고정자의 단부의 추가 실시예의 단면도를 도시한다. 도 5 내지 도 7의 도면은 도 4a의 부분 도면으로서 대체적인 윤곽에 포함되기 때문에, 동일한 요소는 동일한 참조 부호를 구비하며, 다시 상세히 설명되지 않는다.
도 5 및 도 6에 도시된 본 발명에 따른 고정자는, 한편으로는, 인서트(8)가 단부 플레이트(4)의 반경방향 부분(5)으로 돌출된다는 점에서, 도 4a에 도시된 고정자와 상이하다. 완전성을 위해, 도 4a에 도시된 실시예와 유사하게, 인서트(8)는 또한 단부 플레이트(4)의 반경방향 부분(5)으로 연장될 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 도 5 및 도 6에서, 인서트(8)는 단부 플레이트 재료로 완전히 오버몰딩되는 것이 아니라, 단지 "성형"된다. 결과적으로, 인서트(8)의 표면은 단부 플레이트(4)의 표면에 해당하고, 보다 정확하게는, 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)의 표면에 해당한다. 도 5에서, 인서트(8)는 축방향 부분(6) 상에 내부에서 반경방향으로 배치되며, 도 6에서, 인서트(8)가 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6) 상에 외부에서 반경방향으로 배치되는 반대의 경우가 도시된다. "반경방향 외측으로" 및 "반경방향 내측으로"라는 용어는, 고정자 및 회전자 공간(12)의 종축(L)에 대한 반경방향 위치와 관련된다.
도 7은 본 발명에 따른 고정자의 단부의 다른 실시예의 단면도를 도시한다. 여기서, 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)은 인서트(8)에 해당하므로, 축방향 부분(6)은 단부 플레이트(4)의 재료를 갖지 않는다. 이를 위해, 인서트(8)는 별도로 제조되어, 이미 설명된 방식 중 하나로 사전에 (예를 들어, 접착제 접착 또는 용접에 의해) 본체(1)의 단부에 유밀 방식으로 부착된, 단부 플레이트(4)의 반경방향 부분(5)에 연결될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고정자 제조 방법으로서, 이 방법은:
    본체(1)를 제공하는 단계;- 본체는 회전자를 수용하기 위한 공동(12)과, 상기 본체(1)를 통하여 축방향으로 연장되고 권선의 전기 전도체(7)를 수용하기 위한 복수의 슬롯(2)을 가짐-;
    각각의 슬롯 내부가 본체(1)로부터 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성되도록 슬롯 절연체(3)를 제공하는 단계;
    본체(1)의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트(4)를 형성하는 단계;를 포함하며,
    단부 플레이트(4)는 본체(1)에 유밀 방식으로 부착되고, 이에 따라 유체가 단부 플레이트(4)와 본체(1) 사이에서 본체(1)의 공동(12)에 도달할 수 없으며,
    상기 단부 플레이트(4)는 반경방향 부분(5) 및 축방향 부분(6)을 갖고,
    상기 축방향 부분(6)은 인서트(8)를 갖는, 고정자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단부 플레이트(4)를 형성하는 단계는,
    단부 플레이트(4)의 재료로 재료 섬유를 적어도 부분적으로 오버몰딩하여 부 플레이트(4)를 제조하는 단계로서, 상기 오버몰딩된 재료 섬유가 인서트(8)를 형성하는, 단계; 및
    본체(1)의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트(4)를 부착하는 단계를 포함하는, 고정자 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단부 플레이트(4)를 형성하는 단계는,
    단부 플레이트(4)의 재료로 인서트(8)를 오버몰딩하여 단부 플레이트(4)를 제조하는 단계로서, 인서트(8)가 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함하는, 단계; 및
    본체(1)의 양측 단부 각각에 각각 하나의 단부 플레이트(4)를 부착하는 단계를 포함하는, 고정자 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    인서트(8)의 표면이 단부 플레이트(4)의 표면에 해당하는, 고정자 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    단부 플레이트(4)를 형성하는 단계는,
    단부 플레이트의 반경방향 부분(5)을 본체(1)의 해당 단부에 부착하는 단계;
    상기 인서트를 단부 플레이트(4)의 반경방향 부분(5)에 부착하는 단계를 포함하는, 고정자 제조 방법.
  6. 전기 구동 기계의 고정자로서,
    상기 고정자는 본체(1)를 가지며,
    상기 본체(1)는 회전자를 수용하기 위한 공동(12)과, 상기 본체(1)를 통하여 축방향으로 연장되고 권선의 전기 전도체(7)를 수용하기 위한 복수의 슬롯(2)을 가지며, 이들 슬롯의 내부는 본체(1)로부터 전기적으로 절연되고 유밀 방식으로 형성되며,
    상기 고정자의 각각의 단부에 상기 본체(1)에 유밀 방식으로 부착된 각각 하나의 단부 플레이트(4)가 형성되고, 이에 따라 유체가 단부 플레이트(4)와 본체(1) 사이에서 본체(1)의 공동(12)에 도달할 수 없으며,
    상기 단부 플레이트(4)는 반경방향 부분(5) 및 축방향 부분(6)을 갖고,
    상기 축방향 부분(6)은 인서트(8)를 갖는, 전기 구동 기계의 고정자.
  7. 제6항에 있어서,
    인서트(8)는 단부 플레이트(4)의 재료로 오버몰딩된 재료 섬유를 포함하는, 전기 구동 기계의 고정자.
  8. 제6항에 있어서,
    인서트(8)는 섬유 강화 플라스틱 복합재를 포함하는, 전기 구동 기계의 고정자.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    인서트(8)의 표면이 단부 플레이트(4)의 표면에 해당하는, 전기 구동 기계의 고정자.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    인서트(8)는 단부 플레이트(4)의 축방향 부분(6)에 해당하는, 전기 구동 기계의 고정자.
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