KR20230085091A - 단부 플레이트에서 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자 - Google Patents

단부 플레이트에서 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자 Download PDF

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카스텐 지에프카
레지나 바흐
크리스토프 비에초레크
니코 볼프
알렉산더 슐레레트
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발레오 이오토모티브 저머니 게엠베하
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Abstract

전기 기계(24)용 회전자(1, 18)는 회전자 샤프트(3), 회전자 샤프트(3) 상에 배열되고, 적층 전기 라미네이션(stacked electrical laminations)으로 형성된 적층 코어(2), 적층 코어(2)의 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(5)를 갖는 제 1 단부 플레이트(4), 적층 코어(2)의 반대쪽 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(7)를 갖는 제 2 단부 플레이트(6), 상기 제 1 단부 플레이트(4)의 돌출부(5) 주위와, 상기 제 2 단부 플레이트(6)의 축방향 대향 돌출부(7) 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선(8), 냉각수를 공급하기 위해 회전자 샤프트(3)에서 뻗어 있는 중앙 냉각 덕트(10), 및 제 1 단부 플레이트(4)에서 뻗어 있고 그리고 중앙 냉각 덕트(10)로부터 외측으로 연장되는 주변 냉각 덕트(11)를 포함한다.

Description

단부 플레이트에서 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자{ROTOR FOR AN ELECTRIC MACHINE HAVING A COOLING DUCT RUNNING IN AN END PLATE}
본 발명은 전기 기계용 회전자, 회전자를 갖는 전기 기계 및 전기 기계를 갖는 차량에 관한 것이다.
회전자는 회전자 샤프트와, 회전자 샤프트에 배열되고 적층된 전기 라미네이션으로 형성된 적층 코어를 갖는다. 회전자는 고정자와 함께 전기 기계에 속한다.
이러한 유형의 전기 기계는 주로 이러한 차량의 휠 또는 차축을 구동하기 위한 전기 모터로서 전기 구동 차량 및 하이브리드 차량에서 점점 더 많이 사용되고 있다.
이러한 전기 모터는 회전 속도 적응을 위해 통상적으로 기계적으로 기어박스에 결합된다. 전기 모터는 일반적으로 전기 모터의 작동을 위해 배터리로부터 제공되는 DC 전압으로부터 AC 전압, 예를 들어 다상 AC 전압을 생성하는 인버터에 일반적으로 전기적으로 결합된다.
차량의 운동 에너지를 회수하기 위한 발전기로서 이러한 회전자를 갖는 전기 기계를 작동시키는 것도 가능하다. 이를 위해, 운동 에너지는 먼저 전기 에너지로 변환되고, 다음에 차량 배터리의 화학 에너지로 변환된다.
특정 유형의 전기적으로 여기된 동기식 모터(electrically excited synchronous motors: EESM)에서, 회전자는 자기 여기 필드를 생성하기 위해 직류가 공급되는 회전자 권선을 갖고 있다. 관련된 고정자의 고정자 권선으로 회전 필드가 생성되면, 회전자가 고정자 회전 필드와 동시에 회전하도록 회전자에 힘이 작용한다.
그러나, 이 과정에서 회전자 권선이 크게 가열되며, 그에 따라 냉각이 필요하다. 냉각은 예를 들어 회전자의 축방향 측면에 오일을 분사하여 수행할 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 냉각은 표면적으로만 작용하며, 그에 따라 거의 효과가 없다.
따라서, 본 발명은 작동 중에 더 잘 냉각될 수 있는 전기 기계용 회전자를 특정하는 목적에 기초한다.
이 목적을 달성하기 위해, 청구항 1의 특징을 갖는 회전자가 제공된다.
본 발명에 따른 회전자는, 적층 코어의 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부를 갖는 제 1 단부 플레이트, 적층 코어의 반대쪽 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부를 갖는 제 2 단부 플레이트, 제 1 단부 플레이트의 돌출부 주위와, 제 2 단부 플레이트의 축방향 대향 돌출부 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선, 냉각수를 공급하기 위해 회전자 샤프트에서 뻗어 있는 중앙 냉각 덕트, 및 제 1 단부 플레이트에서 뻗어 있고 그리고 중앙 냉각 덕트로부터 외측으로 연장되는 주변 냉각 덕트를 포함한다.
본 발명은 회전자 샤프트에 형성된 중앙 냉각 덕트에 의해 공급되는 냉각수에 의해 개선된 냉각이 달성될 수 있다는 발견에 기초한다. 여기에서, 냉각수는 제 1 단부 플레이트에서 뻗어 있는 주변 냉각 덕트를 통해 그 외측으로 이동한다. 이러한 방식으로, 적층 코어는 회전자 샤프트와의 직접적인 접촉에 의해 우선 냉각된다. 제 1 단부 플레이트에서 적층 코어 및 회전자 권선의 영역들은 또한 추가적으로 냉각된다. 이러한 방식으로, 위에서 언급한 축방향 측면의 분무에 의한 냉각과 비교하여, 본질적으로 더 중앙에 있고 따라서 더 나은 냉각이 전반적으로 달성될 수 있다.
원주를 따라 배열된, 단부 플레이트의 반경방향 돌출부는 "티스(teeth)" 또는 "플레이트 연장부"라고도 하며, 특히 회전자 권선을 고정 위치에 유지하는 역할을 한다.
단지 하나의 주변 냉각 덕트 대신에, 각각이 중앙 냉각 덕트로부터 외측으로 연장되는 복수의 주변 냉각 덕트는 또한 제 1 단부 플레이트에서 뻗어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 회전자의 경우, 주변 냉각 덕트가 반경방향으로 뻗어 있는 것이 바람직하다. 복수의 주변 냉각 덕트는 바람직하게 중앙 냉각 덕트로부터 반경방향으로, 즉 별-형상 방식으로 분기되어, 회전자의 외부 측면으로 이어질 수 있다. 예로서, 2개, 4개, 6개, 8개 또는 12개의 이러한 주변 반경방향 냉각 덕트가 존재할 수 있다. 특히, 단부 플레이트에 제공된 주변 냉각 덕트의 개수는 회전자의 극 개수에 대응할 수 있다.
본 발명의 추가 구성에서, 주변 냉각 덕트가 단부 플레이트의 돌출부 또는 플레이트 연장부에서 뻗어 있도록 제공될 수 있다. 중앙 냉각 덕트에서 시작하는 복수의 주변 냉각 덕트는 각각 바람직하게 단부 플레이트의 상이한 돌출부를 통해 뻗어 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 특히 적층 코어의 외부 영역이 냉각될 수 있다.
주변 냉각 덕트는 바람직하게 회전자의 원주에 배열된 배출구로 이어진다. 복수의 주변 냉각 덕트의 경우, 원주에 걸쳐 분포되고 그리고 각각 상이한 주변 냉각 덕트에 속할 수 있는 복수의 배출구가 그에 따라 제공될 수 있다. 그러한 배출구는 바람직하게 반경방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트의 단부에 위치된다. 예를 들어 오일과 같은 냉각수는 배출구를 통해 회전자에서 빠져나오고, 예를 들어 오일 섬프에 수집될 수 있으며, 여기에서 회전자 샤프트를 통해 회로에서 다시 회전자로 다시 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 단부 플레이트는 배출구가 이어지는 커버에 의해 축방향으로 커버되어 있다. 커버는 특히 코일 권선을 보호하고 회전자를 안정화시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 변형예는 배출구가 축방향으로 뻗어 있는 부분을 갖는 다는 것을 제공한다. 이러한 방식으로, 배출구는 회전자의 적절한 축방향 위치로 이어질 수 있다. 축방향으로 뻗어 있는 부분은 바람직하게 냉각 덕트의 연장부를 형성하고, 단부 플레이트의 반경방향 돌출부를 냉각시킨다.
본 발명에 따른 회전자의 실시예는 주변 냉각 덕트가 제 1 단부 플레이트에 의해서만 형성되는 것을 제공한다. 이를 위해, 주변 냉각 덕트는 제 1 단부 플레이트에 의해 둘러싸인 캐비티로서 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 회전자의 대안적인 실시예는 주변 냉각 덕트가 제 1 단부 플레이트 및 적층 코어에 의해 캐비티로 형성되는 것을 제공한다. 이를 위해, 제 1 단부 플레이트는 적층 코어의 축방향 측면에 커버되는 반경방향 홈을 가질 수 있다. 따라서, 주변 냉각 덕트는 특히 간단한 방식으로 제조될 수 있고, 적층 코어의 외부 측면의 양호한 냉각이 달성된다.
본 발명의 특히 바람직한 변형예는 주변 냉각 덕트가 만곡형 방식으로 뻗어 있는 것을 제공한다. 주변 냉각 덕트는 예를 들어 S자형 또는 구불구불한 방식으로 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 주변 냉각 덕트가 길어지고, 이에 의해 열 분산이 향상된다.
중앙 냉각 덕트로부터 외측으로 연장되는 추가 주변 냉각 덕트가 제 2 단부 플레이트에서 뻗어 있는 경우 더 나은 냉각이 달성될 수 있으며, 추가 주변 냉각 덕트는 반경방향 외측으로 뻗어 있을 수 있다. 설계 및 배열의 관점에서, 추가 주변 냉각 덕트는 바람직하게 제 1 단부 플레이트에서 뻗어 있는 냉각 덕트에 대응한다. 2개의 주변 냉각 덕트의 결과로서, 적층 코어의 양 축방향 측면이 충분히 냉각될 수 있다.
단지 하나의 주변 냉각 덕트 대신에, 각각이 중앙 냉각 덕트로부터 외측으로 연장되는 복수의 주변 냉각 덕트가 제 2 단부 플레이트에서 뻗어 있을 수 있다. 설계 및 배열의 관점에서, 이러한 주변 냉각 덕트는 제 1 단부 플레이트에서 뻗어 있는 냉각 덕트에 대응할 수 있다.
본 발명에 따른 회전자의 경우, 제 1 단부 플레이트 및/또는 제 2 단부 플레이트는 각각 금속 합금, 바람직하게는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 이 경우, 단부 플레이트는 각각 플라스틱과 같은 전기 비전도성 재료로 코팅될 수 있다. 이에 대한 대안으로, 단부 플레이트는 각각 예를 들어 플라스틱과 같은 전기 비전도성 재료로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 설명된 유형의 회전자 및 회전자가 회전될 수 있는 고정자를 갖는 전기 기계에 관한 것이다. 고정자는 적층된 전기 라미네이션으로 형성되는 추가 적층 코어(고정자 코어)를 가질 수 있다. 또한, 고정자는 예를 들어 코일 권선 또는 플랫 와이어 권선의 형태의 전기 전도체의 권선을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 차량을 구동하기 위해 제공되는 전기 기계를 갖는 차량에 관한 것이다. 기계는 특히 차량의 휠 또는 차축을 구동할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 기초하여 아래에서 논의될 것이다. 도면들은 개략도이다.
도 1은 예시적인 제 1 실시예에 따른 본 발명에 따른 회전자의 측단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면을 도시한다.
도 3은 예시적인 제 2 실시예에 따른 본 발명에 따른 회전자의 측단면도를 도시한다.
도 4는 회전자를 갖는 전기 기계를 갖는 본 발명에 따른 차량을 도시한다.
도 1의 측단면도에 도시된 회전자(1)는 차량을 구동하는데 사용되는 전기 기계용으로 제공되며, 적층된 전기 라미네이션으로 형성된 원통형 적층 코어(2)를 포함한다. 적층 코어(2)는 형태 맞춤 및/또는 강제 끼워맞춤으로 회전자 샤프트(3)를 둘러싼다. 전기 라미네이션은 동일하게 형성된 펀칭 부품일 수 있다.
원주를 따라 반경방향 돌출부(5)("플레이트 연장부"라고도 함)를 갖는 제 1 단부 플레이트(4)는 적층 코어(2)의 제 1 축방향 측면에 위치된다. 원주를 따라 대응 반경방향 돌출부(7)를 갖는 제 2 단부 플레이트(6)는 대향하는 제 2 축방향 측면에 위치된다. 2개의 단부 플레이트(4, 6)는 각각 플라스틱으로 인서트 성형된 알루미늄 코어를 갖는다. 회전자 권선(8)은 단부 플레이트(4, 6)의 반경방향 돌출부(5, 7) 주위에 권취되어 있다.
회전자 샤프트(3)는 중공형이며, 도 1의 좌측의 그 축방향 측면에 특히 오일을 포함할 수 있는 냉각수용 유입구(9)를 갖는다. 중앙 냉각 덕트(10)는 유입구(9)로부터 회전자 샤프트(3)의 반대쪽 폐쇄 단부까지 축방향으로 연장된다. 냉각 덕트(10)는 냉각수가 순환하는 냉각수 회로의 구성요소이다.
도 1에서 우측에 있는 중앙 냉각 덕트(10)의 단부 근방에서, 제 1 주변 냉각 덕트(11)는 단부 플레이트(4)의 회전자 샤프트(3)로부터 반경방향 외측으로 연장된다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면을 도시한다. 제 1 단부 플레이트(4)에는, 중앙 냉각 덕트(10)로부터 별-형상 방식으로 외측으로 뻗어 있는 총 8개의 제 1 주변 냉각 덕트(11)가 있음을 알 수 있다. 냉각 덕트(11)는 반경방향 돌출부(5)에서 그리고 그에 따라 회전자 권선(8)에서 반경방향 배출구(12)까지 연장된다.
이러한 예시적인 실시예에서, 주변 냉각 덕트(11)는 제 1 단부 플레이트(4)에 의해서만 형성된다. 이에 대안적으로, 이러한 주변 냉각 덕트는 단부 플레이트 및 적층 코어에 의해 캐비티로 형성될 수 있다. 냉각 덕트(11)를 통과한 후, 냉각수는 배출구(12)에서 반경방향으로 흐른다. 도 2에서, 회전자 권선(8) 사이에 배열된 간극이 외측으로 한정되거나, 선택적으로 생략될 수 있는 극 분리기(13)에 의해 커버되는 것을 볼 수 있다.
유입구(9)에 인접하고 도 1의 좌측에 있는 중앙 냉각 덕트(10)의 측면에서, 제 2 주변 냉각 덕트(14)가 회전자 샤프트(3)로부터 제 2 단부 플레이트(6)를 통해 반경방향 외측으로 연장된다. 제 2 주변 냉각 덕트(14)는 제 1 주변 냉각 덕트(11)에 평행하게 배열된다. 더욱이, 제 2 주변 냉각 덕트(14)에 대응하는 추가의 제 2 주변 냉각 덕트(14)는 제 2 단부 플레이트(6)에서 반경방향 외측으로 뻗어 있다. 제 2 주변 냉각 덕트(14)는 제 2 단부 플레이트(6)에 의해 형성된다.
제 1 주변 냉각 덕트(11) 및 제 2 주변 냉각 덕트(14)는 동일한 방식으로 설계된다. 별-형상 방식으로 외측으로 뻗어 있는 각각의 단부 플레이트(4,6)는 각각의 단부 플레이트(4, 6)에 존재한다. 제 1 냉각 덕트(11) 및 제 2 냉각 덕트(14)의 결과로서, 냉각 유체는 양 단부 플레이트(4, 6)를 통해 흐른다. 냉각수가 반경 방향으로 유출될 수 있는 배출구(15)는 각각의 경우 주변 냉각 덕트(14)의 단부에 위치된다.
제 1 단부 플레이트(4)는 커버(16)에 의해 커버되어 있다. 제 2 단부 플레이트(6)도 마찬가지로 커버(17)에 의해 커버되어 있다. 양 커버(16, 17)는 캡-형상 방식으로 설계되어 있으며, 각각 회전자 샤프트(3)를 위한 관통 개구부를 갖는다. 배출구(12, 15)는 선택적으로 커버(16, 17)에 인접한다.
도 3은 본 발명에 따른 회전자(18)의 제 2 실시예를 측단면도로 도시한다. 제 1 예시적인 실시예의 구성요소에 대응하는 이들 구성요소는 다시 한번 자세히 설명하지 않을 것이다. 제 1 예시적인 실시예에 따르면, 회전자(18)는 회전자 샤프트(3), 적층 코어(2) 및 회전자 권선(8)을 갖는다. 주변 반경방향 냉각 덕트(11, 14)는 커버(16, 17)에 의해 커버되는 단부 플레이트(4, 6)에서 뻗어 있다.
이전의 예시적인 실시예에서 벗어나, 2개의 배출구(21, 22) 각각은, 주변 냉각 덕트(11, 14)에 인접하고 그리고 커버(16, 17)에서 뻗어 있는 축방향으로 뻗어 있는 부분(19, 20)을 갖는다. 축방향으로 뻗어 있는 부분(19, 20)은 회전자(18)를 빠져나가기 전에 냉각수가 축 방향으로 편향되도록 하여, 그에 따라 커버(16, 17) 및 회전자 권선(8)의 외부 영역을 모두 냉각시킨다.
도 4는 차량(23)을 구동하는 역할을 하는 전기 기계(24)를 갖는 차량(23)을 개략적으로 도시한다. 전기 기계(24)는 회전자(18), 및 회전자(1)를 둘러싸는 고정자(26)가 수용되는 하우징(25)을 갖는다.
1: 회전자 2: 적층 코어
3: 회전자 샤프트 4: 제 1 단부 플레이트
5: 반경방향 돌출부 6: 제 2 단부 플레이트
7: 반경방향 돌출부 8: 회전자 권선
9: 유입구 10: 중앙 냉각 덕트
11: 제 1 냉각 덕트 12: 배출구
13: 극 분리기 14: 제 2 냉각 덕트
15: 배출구 16: 커버
17: 커버 18: 회전자
19: 부분 20: 부분
21: 배출구 22: 배출구
23: 차량 24: 전기 기계
25: 하우징 26: 고정자

Claims (13)

  1. 전기 기계(24)용 회전자(1, 18)에 있어서,
    - 회전자 샤프트(3),
    - 회전자 샤프트(3) 상에 배열되고, 적층 전기 라미네이션(stacked electrical laminations)으로 형성된 적층 코어(2),
    - 적층 코어(2)의 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(5)를 갖는 제 1 단부 플레이트(4),
    - 적층 코어(2)의 반대쪽 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(7)를 갖는 제 2 단부 플레이트(6),
    - 상기 제 1 단부 플레이트(4)의 돌출부(5) 주위와, 상기 제 2 단부 플레이트(6)의 축방향 대향 돌출부(7) 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선(8),
    - 냉각수를 공급하기 위해 회전자 샤프트(3)에서 뻗어 있는 중앙 냉각 덕트(10), 및
    - 제 1 단부 플레이트(4)에서 뻗어 있고 그리고 중앙 냉각 덕트(10)로부터 외측으로 연장되는 주변 냉각 덕트(11)를 포함하는
    회전자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 냉각 덕트(11)는 반경방향으로 뻗어 있는
    회전자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주변 냉각 덕트(11)는 적층 코어(2)의 돌출부에서 뻗어 있는
    회전자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주변 냉각 덕트(11)는 회전자(1, 18)의 원주 상에 배열된 배출구(12, 15, 21, 22)로 이어지는
    회전자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 단부 플레이트(4)는 배출구(21)가 배치되는 커버(16)에 의해 축방향으로 커버되어 있는
    회전자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배출구(21)는 축방향으로 연장되는 부분(19)을 갖는
    회전자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주변 냉각 덕트(11)는 제 1 단부 플레이트(4)만으로 형성되거나, 또는 제 1 단부 플레이트(4) 및 적층 코어(2)에 의해 형성되는
    회전자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주변 냉각 덕트(11, 14)는 만곡형 방식으로 뻗어 있는
    회전자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가 주변 냉각 덕트(11)가 제 1 단부 플레이트(4)에서 주변 냉각 덕트에 평행하게 뻗어 있는
    회전자.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 냉각 덕트(10)로부터 외측으로 연장되는 추가 주변 냉각 덕트(14)가 제 2 단부 플레이트(6)에서 뻗어 있는
    회전자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단부 플레이트(4) 및/또는 상기 제 2 단부 플레이트(6)는 각각 금속 합금, 바람직하게 알루미늄 합금을 포함하는
    회전자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 회전자(1, 18)와, 고정자(26)를 갖는
    전기 기계(24).
  13. 차량(23)을 구동하기 위해 제공되는, 제 12 항에 기재된 전기 기계(24)를 갖는
    차량(23).
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