KR20230034162A

KR20230034162A - 전기 기계

Info

Publication number: KR20230034162A
Application number: KR1020220108874A
Authority: KR
Inventors: 얀 내겔크래머; 크리스티안 쾨넨
Original assignee: 독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2023-03-09
Also published as: US20230064259A1; CN218771480U; DE102021122740A1; JP3239311U

Abstract

본 발명은, 회전자(2) 및 고정자(3)를 갖는, 특히 전기 구동 자동차의 원동기로서의 전기 기계(1)에 관한 것으로, 여기서 고정자(3)는 회전자(2)가 회전 가능하게 배치되어 있는, 실질적으로 원통형인 공간 영역(4)을 둘러싸고, 회전자(2)는 회전자 샤프트(5)를 가지며, 이 회전자 샤프트상에는 회전자 샤프트(5)를 향해 연장되는 홈형 오목부들(8)을 갖는 회전자 코어(6)가 배치되며, 각각의 홈형 오목부(8) 내에는 회전자 권선(12)의 전기 전도성 도체(11) 및 상기 도체(11)를 홈형 오목부(8) 내에 배치하기 위한 변위체(13)가 제공되고, 적어도 하나의 홈형 오목부(8) 내에 회전자 샤프트(5)의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널(14)도 배치된다.

Description

전기 기계{ELECTRIC MACHINE}

본 발명은, 특히 전기 구동 자동차용 원동기로서의 전기 기계에 관한 것이다.

전기 구동 자동차는 종래 기술에 공지되어 있다. 이들은 자동차의 구동에 사용되는 전기 기계를 포함한다. 이들 전기 기계는 일반적으로 회전자 및 고정자를 포함하며, 이들은 전기 기계의 작동 시, 전기 기계의 통전 도체를 통한 전류 흐름으로 인해 그리고 와전류 손실 및 여타의 손실로 인해 열부하에 노출되어 전기 기계의 냉각이 필요하게 된다.

종래 기술에는 전기 기계의 고정자를 냉각하기 위한 고정자 냉각이 널리 공지되어 있다. 이와 관련해서는 AT 521063 A2호, DE 10 2017 221 805 A1호 및 DE 10 2017 218 828 A1호를 참조한다. 이들 종래 기술 문헌은 전기 기계를 냉각하기 위한 냉각수의 관류를 위해 고정자 내에 냉각 채널을 형성하는 구성을 제공한다. 회전자와 고정자에서 발생한 폐열은 열 전도에 의해 반경 방향 외부에 놓여 있는 고정자로 수송되고, 이 폐열은 열전달에 의해 냉각수로 전달되어 냉각수와 함께 방출된다. 냉각수는 냉각 회로에서 순환하며, 제공된 냉각수 냉각기에 의해 재냉각된 후 전기 기계에 재공급된다.

냉각수에 의한 고정자 냉각 기능이 있는 이러한 전기 기계는 한편으로 냉각수가 충전부에서 철저히 멀리 떨어져 있어야 한다는 단점이 있고, 이는 설계 및 밀봉을 복잡하게 만들며, 다른 한편으로는 회전자와 고정자 사이의 간극에 걸친 열전도가 열전달을 제한하는 열 저항이기 때문에 효과적인 냉각의 한계를 나타낸다.

전기 기계의 냉각 효율이 떨어지기 때문에 전기 기계의 동력도 제한되고, 이는 특히 구동 전력이 높은 자동차에서 방해가 된다.

따라서, 본 발명의 과제는 전기 기계의 성능 및 특히 전기 기계의 연속 출력이 증가하도록 개선된 냉각 시스템을 갖는 전기 기계를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구범위 제1항의 특징들에 의해 해결된다.

본 발명의 일 실시예는 회전자 및 고정자를 갖는, 특히 전기 구동 자동차의 원동기로서의 전기 기계에 관한 것으로, 여기서 고정자는 회전자가 회전 가능하게 배치된 실질적으로 원통형인 공간 영역을 둘러싸고, 회전자는 회전자 샤프트를 가지며, 이 회전자 샤프트를 향해 연장되는 홈형 오목부들(recess)을 가진 회전자 코어가 상기 회전자 샤프트상에 배치되고, 각각의 홈형 오목부 내에는 회전자 권선의 전기 전도성 도체가 제공되고 홈형 오목부 내에 도체를 배치하기 위한 변위체가 제공되며, 적어도 하나의 홈형 오목부 내에는 회전자 샤프트의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널도 배치된다. 이로써 회전자가 유체 공급부에 의해 직접 냉각될 수 있고, 그에 따라 회전자로부터 직접 개선된 열 방출이 가능함으로써 더 높은 연속 출력 밀도 및 더 높은 연속 출력이 달성될 수 있다. 또한, 이를 위해 더 균질한 구성 요소 온도를 달성할 수 있다는 점도 유리하며, 이는 작동 전략의 저위험 설계를 가능케 한다.

회전자 코어가 회전자 연철판(rotor laminations)의 스택으로 형성되는 것이 특히 유리하다. 이는 양호한 전기적 및 열적 특성과 간소화된 조립을 가능케 한다.

회전자 샤프트의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널이 복수의 홈형 오목부 내에 또는 각각의 홈형 오목부 내에 배치되는 것도 유리하다. 모든 홈형 오목부 내에 또는 회전자의 원주에 걸쳐 균일하게 분포된 방식으로 배열된 홈형 오목부들 내에 각각 하나의 냉각 채널 또는 각각 복수의 냉각 채널이 제공되는 것이 특히 유리하다. 이를 통해, 냉각은 공간적으로 균일하게 분포되도록 달성될 수 있으며, 이는 회전자 온도의 균일한 분포의 이점을 갖는다.

적어도 하나의 냉각 채널이 변위체 내에 그리고/또는 회전자 권선의 도체들 사이에 배열되고/되거나 형성되는 것도 유리하다. 따라서, 각각의 냉각 채널의 정의되고 안전한 배치가 달성되며, 이는 내구성 및 개선된 냉각에 기여한다.

적어도 하나의 냉각 채널이 변위체와 일체로 형성되거나 변위체에 통합되고, 그리고/또는 변위체에 삽입되고, 그리고/또는 회전자 권선의 도체들 사이에 형성되고, 그리고/또는 삽입되며, 특히 도체들과 연결되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이로써 냉각 채널이 매우 효과적으로 설계될 수 있고 조립 복잡도가 감소할 수 있다.

적어도 하나의 냉각 채널이 회전자 권선의 도체들과 함께 주형 컴파운드로 주조되는 것도 유리하다. 그럼으로써 냉각 채널이 간단한 조치에 의해 열적으로 매립되고 기계적으로 고정되며, 이는 유리하게는 도체의 주조와 함께 수행된다.

회전자 샤프트가, 회전자로 냉각수를 공급하고 그리고/또는 회전자로부터 냉각수를 방출하기 위한 유체 채널을 형성하는 것도 유리하다.

또한, 회전자는 단부측에서 회전자 코어의 적어도 한쪽 축방향 단부 또는 회전자 코어의 양쪽 축방향 단부에 커버 디스크를 갖는 것이 유리하며, 회전자 내의 적어도 하나의 냉각 채널에 냉각수를 공급 및/또는 방출하기 위해 커버 디스크에 적어도 하나의 유체 채널이 제공된다. 커버 디스크(들)에 의해, 냉각수 회로에 대한 회전자의 매우 양호한 연결이 달성될 수 있고, 이에 의해 상기 연결도 간소화될 수 있으며, 제공된 냉각 채널로 냉각수가 균일하게 분포될 수 있다.

회전자 권선이 전기 도체의 적어도 하나의 단부측 권선 헤드(들)를 형성하고, 이 권선 헤드(들)가 회전자의 유체 채널 내에 그리고/또는 커버 디스크의 유체 채널 내에 배치되며 냉각수가 그 주위를 흐를 수 있는 것이 특히 유리하다. 이에 따라, 열적으로 특히 민감한 권선 헤드(들)가 영구적으로 그리고 안정적으로 냉각될 수 있다.

일 실시예에서, 회전자 권선의 도체는 원형 와이어 도체, 헤어핀형 도체, 성형 막대형 도체, 또는 샤프트 권선 요소로서 형성되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 도체는 용례에 따라 열적 요건 및 전기적 요건에 맞게 잘 조정되어 사용될 수 있고, 이 경우 간소화된 제조 및 더 적은 설치 공간 수요가 달성될 수 있다.

하기에서는 도면을 참조하여 실시예를 토대로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 회전자 축을 따르는 섹션을 갖는 전기 기계의 본 발명에 따른 제1 실시예의 단면도이다.
도 2는 회전자 축에 수직인 섹션을 갖는 도 1에 따른 전기 기계의 본 발명에 따른 제1 실시예의 회전자의 단면도이다.
도 3은 회전자 축을 따르는 섹션을 갖는 전기 기계의 본 발명에 따른 제2 실시예의 단면도이다.
도 4는 회전자 축에 수직인 섹션을 갖는 도 3에 따른 전기 기계의 본 발명에 따른 제2 실시예의 회전자의 단면도이다.
도 5는 회전자 축을 따르는 섹션을 갖는 전기 기계의 본 발명에 따른 제3 실시예의 단면도이다.
도 6은 회전자 축에 수직인 섹션을 갖는 도 5에 따른 전기 기계의 본 발명에 따른 제3 실시예의 회전자의 단면도이다.

도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 전기 기계(1) 또는 상기 전기 기계(1)의 회전자(2)의 제1 내지 제3 실시예의 여러 단면도를 보여준다. 전기 기계(1)는, 특히 전기 구동 자동차의 원동기로서 사용되는 전기 기계(1)이다. 즉, 이 전기 기계(1)는 자동차에서, 예를 들어 자동차의 하나의 차축의 휠들 또는 자동차의 모든 휠을 구동하기 위한 단독 전기 기계(1)로서 사용될 수 있다. 전기 기계(1)는 예를 들어 추가 전기 기계(1)와 함께 사용될 수도 있으며, 그에 따라 자동차의 관련 차축의 휠들을 구동하기 위해 예를 들어 각각 하나의 전기 기계(1)가 제공된다.

도 1 내지 도 6은 부분적으로 동일한 부분을 보여주지만, 각각의 실시예에 대해 별도로 설명되지는 않으므로, 개별 실시예 및 이들의 부분의 설명은 기본적으로 다른 실시예에도 적용된다.

전기 기계(1)는 회전자(2) 및 고정자(3)를 구비한다. 회전자(2)는 축(x-x)을 중심으로 회전 가능하게 배치되고, 고정자(3)는 도시되지 않은 모터 하우징과 관련하에 고정되어 배치된다.

고정자(3)는 예를 들어, 회전자(2)가 회전 가능하게 배치되어 있는, 실질적으로 원통형인 공간 영역(4)을 둘러싸는 방식으로, 실질적으로 중공 원통형으로 형성된다.

회전자(2)는 축(x-x)을 중심으로 회전 가능하게 장착된 회전자 샤프트(5)를 갖는다.

회전자 샤프트(5) 상에 회전자 코어(6)가 배치된다. 한 유리한 실시예에서, 회전자 코어(6)는 서로 적층된 회전자 연철판(7)의 스택으로 형성된다. 회전자 코어(6)는 달리 형성될 수도 있다.

회전자 코어(6)는 회전자 샤프트(5)를 향해 연장되는 홈형 오목부들(8)을 갖는다. 홈형 오목부들(8)은 회전자(2)의 원주에 걸쳐 분포 배치되며, 특히 균일하게 분포되도록 배치된다. 도 2에 도시된 실시예는 원주에 걸쳐 분포 배치된 6개의 홈형 오목부(8)를 가진 회전자(2)를 보여준다. 다른 실시예에서는 그러한 홈형 오목부(8)가 더 많을 수도 있고 더 적을 수도 있다.

홈형 오목부(8)는 도시된 실시예에서 반경 방향 내부 및 외부의 좁은 베이스면들(9) 및 이들 사이에서 확장되며 서로를 향해 둔각으로 이어지는 측면들(10)에 의해 단면이 대략 6각형으로 형성된다.

개별 홈형 오목부(8) 내에 회전자 권선(12)의 전기 전도성 도체(11) 및 상기 도체(11)를 홈형 오목부(8) 내에 배치하기 위한 변위체(13)가 제공된다.

도 2, 도 4 및 도 6에는 도체(11)가 변위체(13)의 양측에 배치된 것을 보여준다. 이는 달리 구성될 수도 있다.

회전자 권선(12)의 도체(11)는 원형 와이어 도체, 헤어핀형 도체, 성형 막대형 도체 또는 샤프트 권선 요소로서 형성될 수 있다.

회전자(2)의 냉각을 위해 적어도 하나의 홈형 오목부(8) 내에, 회전자 샤프트(5)의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널(14)도 배치된다.

도 2는 홈형 오목부(8) 내의 냉각 채널(14)을 보여준다. 또 다른 실시예에서는, 복수의 홈형 오목부(8) 내에 또는 각각의 홈형 오목부(8) 내에 회전자 샤프트(5)의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널(14)이 배치될 수 있으며, 이와 관련하여 각각의 변위체(13) 내에 냉각 채널(14)이 제공된 회전자(2)를 대안적으로 보여주는 도 4도 참조한다.

도 2에서 알 수 있듯이, 적어도 하나의 냉각 채널(14)은 변위체(13) 내에 배치될 수 있다.

또 다른 한 실시예에서, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 냉각 채널(14)은 또한 대안적으로 또는 추가적으로 회전자 권선(12)의 도체들(11) 사이에 배치될 수 있고, 그리고/또는 형성될 수 있다. 이 경우, 각각의 도체(11) 그룹에서 변위체(13)의 양측에 적어도 하나의 냉각 채널(14), 유리하게는 예를 들어 2개 이상의 냉각 채널(14)이 제공된다.

이 경우, 적어도 하나의 냉각 채널(14)이 예를 들어 사출 성형 공정 등에 의해 변위체(13)와 일체로 형성될 수 있거나, 냉각 채널(14)이 예를 들어 변위체(13)의 오목부 내에 삽입되는 튜브로서 변위체(13) 내에 통합될 수도 있고, 그리고/또는 냉각 채널(14)이 변위체(13) 내에 삽입될 수도 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 냉각 채널(14) 또는 개별 냉각 채널(14)이 회전자 권선(12)의 도체들(11) 사이에 형성될 수도 있고 그리고/또는 삽입될 수도 있으며, 특히 도체(11)와 연결되도록 형성될 수도 있다(도 6 참조). 이 경우, 예를 들어, 적어도 하나의 냉각 채널(14)이 회전자 권선(12)의 도체들(11)과 함께 주형 컴파운드로 주조되는 것이 유리할 수 있다. 이를 위해, 개별 냉각 채널(14)은 예를 들어, 도체들(11)과 함께 주형 컴파운드로 주조되는 튜브, 특히 플라스틱 튜브 또는 금속 튜브로서 형성될 수 있다.

적어도 하나의 냉각 채널(14)에 냉각수를 공급하기 위해, 회전자 샤프트(5)는 냉각수를 회전자(2)에 공급하고 그리고/또는 회전자(2)로부터 방출하기 위한 유체 채널(15, 16)을 포함한다. 유체 채널(15)은 반경 방향 내측에 제공되어 냉각수를 공급하는 역할을 하고, 유체 채널(16)은 반경 방향으로 더 외측으로 유체 채널(15)에 대해 동축으로 배치되어 냉각수를 방출하는 역할을 한다.

또한, 회전자(2)는 단부측에서 회전자 코어(6)의 적어도 한쪽 축방향 단부에 또는 회전자 코어(4)의 양쪽 축방향 단부측에 커버 디스크(17)를 가지며, 상기 커버 디스크(들) 내에 반경 방향으로 적어도 하나의 유체 채널(18)이 회전자(2) 내에 적어도 하나의 냉각 채널(14)에 냉각수를 공급 및/또는 방출하기 위해 제공된다. 즉, 커버 디스크(17)는 회전자 샤프트(5)와 회전자(2)의 냉각 채널(14) 사이의 유체 연결을 위해 이용된다.

이를 위해, 커버 디스크(17)는 회전자 코어(6)의 축방향 단부들에서 회전자(2)의 회전자 코어(6)와 견고하게 밀봉되도록 연결된다.

회전자(2)는 바람직하게, 회전자 권선이 전기 도체(11)의 적어도 하나의 단부측 권선 헤드(20) 또는 단부측 권선 헤드들(20)을 형성하도록 형성된다. 이들 권선 헤드는 회전자(2)의 유체 챔버(19) 내에 또는 유체 채널(19) 내에 그리고/또는 커버 디스크(17)의 유체 채널(19) 내에 배치되고 그 주위로 냉각수가 흐를 수 있다. 도 1 및 도 5에 따르면, 각각의 권선 헤드(20)는 커버 디스크(17)의 유체 챔버(19) 또는 유체 채널(19) 내에 배치되고, 이에 따라 냉각수가 공급되어 그 주위를 흐른다. 도 3에 따르면, 각각의 권선 헤드(20)는 회전자(2)의 유체 챔버(19) 또는 유체 채널(19) 내에 배치되고, 커버 디스크(17)의 유체 채널(18)로부터 냉각수가 공급되어 그 주위로 냉각수가 흐른다.

고정자(3)는 더 설명하지 않는다. 고정자도 마찬가지로, 이 고정자를 직접 냉각시킬 수 있도록 하기 위해 유체 관류를 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다. 고정자(3)의 냉각 채널은 냉각 회로에 통합될 수 있다.

1 전기 기계
2 회전자
3 고정자
4 공간 영역
5 회전자 샤프트
6 회전자 코어
7 회전자 연철판
8 오목부
9 베이스면
10 측면
11 도체
12 회전자 권선
13 변위체
14 냉각 채널
15 유체 채널
16 유체 채널
17 커버 디스크
18 유체 채널
19 유체 챔버/유체 채널
20 권선 헤드

Claims

회전자(2) 및 고정자(3)를 갖는, 특히 전기 구동 자동차의 원동기로서의 전기 기계(1)이며, 고정자(3)는 회전자(2)가 회전 가능하게 배치되어 있는, 실질적으로 원통형인 공간 영역(4)을 둘러싸고, 회전자(2)는 회전자 샤프트(5)를 가지며, 이 회전자 샤프트상에는 회전자 샤프트(5)를 향해 연장되는 홈형 오목부들(8)을 갖는 회전자 코어(6)가 배치되며, 각각의 홈형 오목부(8) 내에는 회전자 권선(12)의 전기 전도성 도체(11) 및 상기 도체(11)를 상기 홈형 오목부(8) 내에 배치하기 위한 변위체(13)가 제공되고, 적어도 하나의 홈형 오목부(8) 내에 상기 회전자 샤프트(5)의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널(14)도 배치되는, 전기 기계(1).
제1항에 있어서, 회전자 코어(6)는 회전자 연철판(7)의 스택으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 홈형 오목부(8) 내에 또는 각각의 홈형 오목부(8) 내에 회전자 샤프트(5)의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 채널(14)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 채널(14)은 변위체(13) 내에 그리고/또는 회전자 권선(12)의 도체들(11) 사이에 배치되고 그리고/또는 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제4항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 채널(14)은 변위체(13)와 일체로 형성되거나 변위체(13)에 통합되고, 그리고/또는 변위체(13)에 삽입되고, 그리고/또는 회전자 권선(12)의 도체들(11) 사이에 형성되고, 그리고/또는 삽입되며, 특히 도체(11)에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제5항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 채널(14)은 회전자 권선(12)의 도체(11)와 함께 주형 컴파운드로 주조되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 샤프트(5)는 냉각수를 회전자(2)로 공급하고 그리고/또는 회전자(2)로부터 방출하기 위한 유체 채널(15, 16)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 회전자(2)는 단부측에서 회전자 코어(6)의 적어도 한쪽 축방향 단부에 또는 회전자 코어(6)의 양쪽 축방향 단부측에 커버 디스크(17)를 가지며, 상기 커버 디스크(들) 내에는 회전자(2) 내의 적어도 하나의 냉각 채널(14)에 냉각수를 공급하고 그리고/또는 방출하기 위해 적어도 하나의 유체 채널(18)이 제공되는, 전기 기계(1).
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 권선(12)이 전기 도체(11)의 적어도 하나의 단부측 권선 헤드(20) 또는 단부측 권선 헤드들(20)을 형성하고, 상기 권선 헤드(들)는 회전자(2)의 유체 채널(19) 내에 그리고/또는 커버 디스크(17)의 유체 채널(19) 내에 배치되고 그 주위로 냉각수가 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 권선(12)의 도체(11)는 원형 와이어 도체, 헤어핀형 도체, 성형 막대형 도체 또는 샤프트 권선 요소로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).