KR20230085092A - 축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자 - Google Patents

축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자 Download PDF

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

전기 기계(27)용 회전자(1, 19)는 회전자 샤프트(3, 20), 회전자 샤프트(3, 20) 상에 배열되고, 복수의 적층 전기 라미네이션(stacked electrical laminations)을 갖는 적층 코어(2), 적층 코어(2)의 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(6)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(5), 상기 제 1 단부 플레이트(4)의 돌출부(6) 주위와, 상기 제 2 단부 플레이트(5)의 축방향 대향 돌출부(7) 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선(8), 상기 제 1 단부 캡(12)과 상기 제 1 단부 플레이트(4) 사이에 제 1 캐비티(14)가 형성되도록 상기 제 1 단부 플레이트(4)를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 1 단부 캡(12), 상기 제 2 단부 캡(15)과 상기 제 2 단부 플레이트(5) 사이에 제 2 캐비티(16)가 형성되도록 상기 제 2 단부 플레이트(5)를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 2 단부 캡(15), 및 2개의 인접한 회전자 권선(8) 사이에서 축방향으로 뻗어 있고, 제 1 캐비티(14)를 제 2 캐비티(16)에 연결하는 냉각 덕트(17)를 포함한다.

Description

축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트를 구비한 전기 기계용 회전자{ROTOR FOR AN ELECTRIC MACHINE HAVING AN AXIALLY RUNNING COOLING DUCT}
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 대부분 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 플레이트와, 적층 코어의 반대쪽 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부를 갖는 제 2 단부 플레이트와, 제 1 단부 플레이트의 돌출부 주위와, 제 2 단부 플레이트의 축방향 대향 돌출부 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선과, 제 1 단부 캡과 제 1 단부 플레이트 사이에 제 1 캐비티가 형성되도록 제 1 단부 플레이트를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 1 단부 캡과, 제 2 단부 캡과 제 2 단부 플레이트 사이에 제 2 캐비티가 형성되도록 제 2 단부 플레이트를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 2 단부 캡과, 2개의 인접한 회전자 권선 사이에서 축방향으로 뻗어 있고, 제 1 캐비티를 제 2 캐비티에 연결하는 냉각 덕트를 포함한다.
본 발명은 축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트를 통해 회전자 권선에 직접 공급되는 냉각수에 의해 개선된 냉각이 달성될 수 있다는 발견에 기초한다. 여기에서, 냉각수는 하나의 축방향 측면에 위치된 제 1 캐비티로부터 반대쪽 축방향 측면에 위치된 제 2 캐비티로 회전자 권선을 따라 흐른다. 오일만이 축방향 측면에 분사되는 종래의 회전자와 비교하여, 본 발명에 따른 회전자는 실질적으로 더 우수하고 균일하게 냉각될 수 있다.
단부 플레이트의 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부는 "티스(teeth)" 또는 "플레이트 연장부"라고도 하며, 특히 회전자 권선을 특정 위치에 유지하는 역할을 한다.
단지 하나의 축방향으로 뻗어 있는 (또는 축방향) 냉각 덕트 대신에, 회전자는, 각각 2개의 인접한 회전자 권선 사이에서 뻗어 있고 제 1 캐비티를 제 2 캐비티에 연결하는 복수의 축방향 냉각 덕트를 가질 수도 있다.
본 발명의 개발은 제 2 단부 캡이 제 2 캐비티로부터 냉각수를 제거하기 위한 축방향 배출구를 갖는 다는 것을 제공한다. 제거된 냉각수는 펌프에 의해 냉각수 회로로 운송되어 냉각수가 회전자 또는 전기 기계로 다시 통과할 수 있다. 단지 하나의 그러한 배출구 대신에, 제 2 단부 캡은 또한 복수의 그러한 배출구를 가질 수 있다. 이들은 예를 들어 제 2 단부 캡의 원주를 따라 분포될 수 있다.
본 발명에 따른 회전자의 경우에, 회전자 샤프트는 제 1 캐비티로 이어지는 중앙 냉각 덕트를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 회전자 샤프트는 중공형이며, 냉각수가 이를 통해 흐르고, 그에 따라 회전자 샤프트가 냉각된다. 하나의 축 방향 단부에서, 회전자 샤프트는 제 1 캐비티로 이어지는 하나 이상의 반경방향 회전자 샤프트 배출구를 갖고 있다. 여기에서, 냉각수는 회전자 권선과 축방향 냉각 덕트로 통과할 수 있다.
본 발명의 하나의 개선점은 제 1 단부 캡이 제 1 캐비티로부터 냉각수를 제거하기 위한 축방향 배출구를 갖고, 상기 배출구는 제 2 단부 캡의 배출구에 대해 반경방향 내측으로 오프셋 배치되는 것을 제공한다. 본 발명에 따른 회전자의 작동 동안에, 원심력으로 인해 캐비티의 반경방향 외부 영역에 냉각수가 축적된다. 오프셋이란 축적된 냉각수가 일정량을 초과하는 경우에만 제 1 단부 캡의 배출구에서 냉각수가 나오는 것을 의미한다. 이렇게 하면 냉각수가 제 1 단부 캡의 배출구에도 불구하고 축방향 냉각 덕트를 통해 영구적으로 흐르는 것을 보장하며, 냉각수는 제 2 단부 캡의 배출구를 통해 반대측 축방향 측면에서 회전자에서 나올 수 있다. 이를 통해 항상 최적의 냉각을 보장한다.
단지 하나의 그러한 배출구 대신에, 제 1 단부 캡은 또한 복수의 그러한 배출구를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들은 제 1 단부 캡의 원주를 따라 분포될 수 있다.
본 발명에 따른 회전자의 대안적인 개선예에서, 제 1 단부 캡은 제 1 캐비티에 냉각수를 공급하기 위한 축방향 유입구를 갖는다. 이를 위해, 냉각수는 예를 들어 유입구를 통해 제 1 캐비티로 분무될 수 있으며, 제 2 단부 캡의 배출구를 통해 회전자를 나오기 전에 회전자 권선을 따라 제 2 캐비티로 통과할 수 있다. 바람직하게, 제 1 단부 캡의 축방향 유입구는 제 2 단부 캡의 배출구에 대해 반경방향 내측으로 오프셋 배열된다. 따라서, 축적된 냉각수가 일정량을 초과해야만 냉각수가 유입구에서 나온다. 이렇게 하면 냉각수가 유입구에도 불구하고 축방향 냉각 덕트를 통해 영구적으로 흐르고, 냉각수가 제 2 단부 캡의 배출구를 통해 반대측 축방향 측면에서 회전자에서 나올 수 있다. 이를 통해 항상 최적의 냉각을 보장한다.
단지 하나의 그러한 유입구 대신에, 제 2 단부 캡은 또한 복수의 그러한 유입구를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들은 제 1 단부 캡의 원주를 따라 분포될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 회전자의 축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트는 2개의 인접한 회전자 권선 사이에서 축방향으로 연장되는 극 분리기에 의해 커버되거나 한정된다. 극 분리기는 결과적으로 축방향 냉각 덕트의 반경방향 외부 측면을 형성할 수 있고, 축방향 냉각 덕트의 반경방향 내부 측면은 적층 코어에 의해 형성될 수 있다. 또한, 내부 측면과 외부 측면을 각각 연결하는 축방향 냉각 덕트의 2개의 측면은 2개의 회전자 권선에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 회전자의 경우에, 제 1 캐비티 및/또는 제 2 캐비티는 각 경우에 반경방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트로서 설계되도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 반경방향으로 뻗어 있는 (반경방향) 냉각 덕트는 단부 플레이트에 의해 범위가 정해진 단부 캡의 함몰부에서 뻗어 있을 수 있다. 이 경우에도, 냉각수는 회전자 샤프트 또는 유입구를 통해 제 1 캐비티 또는 반경방향 냉각 덕트로 공급될 수 있으며, 이를 통해 회전자 권선으로 흐를 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. 바람직하게, 전기 기계는 제 1 단부 캡의 유입구를 향해 안내되는 노즐을 추가로 가질 수 있다. 노즐은 예를 들어 전기 기계의 하우징에 체결되는 노즐에 의해 고정자에 고정적으로 연결될 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 제공된다. 회전자(1)는 적층된 전기 라미네이션으로 형성되고 그리고 형태 맞춤 및/또는 강제 끼워맞춤으로 회전자 샤프트(3)를 둘러싸는 원통형 적층 코어(2)를 포함한다. 전기 라미네이션은 동일하게 형성된 펀칭 부품일 수 있다.
제 1 단부 플레이트(4)는 적층 코어(2)의 제 1 축방향 측면에 위치된다. 제 2 단부 플레이트(5)는 적층 코어(2)의 반대편인 제 2 축방향 측면에 위치된다. 단부 플레이트(4, 5)는 각각 반경방향 돌출부(6, 7)(또한, "플레이트 연장부")를 갖고, 그 둘레에 복수의 회전자 권선(8)이 권취된다. 2개의 단부 플레이트(4, 5)는 각각 플라스틱으로 인서트 성형된 알루미늄 코어를 갖는다.
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 단부까지 축방향으로 연장된다. 유입구(9) 및 중앙 냉각 덕트(10)는 냉각수가 순환하는 냉각수 회로의 구성요소이다. 중앙 냉각 덕트(10)는 제 1 단부 캡(12)과 제 1 단부 플레이트(4) 사이에 형성된 제 1 캐비티(14)로 이어진다. 제 1 캐비티(14)는 선택적으로 반경방향 냉각 덕트(11)로 또한 설계될 수 있다.
제 1 단부 캡(12)은 회전자 샤프트(3)가 통과하는 중앙 개구부를 갖는다. 제 1 단부 캡(12)의 중심과 외주 사이에는, 원주에 걸쳐 분포되어 있고 이를 통해 냉각수가 회전자(1) 밖으로 흘러나올 수 있는 복수의 축방향 배출구(13)가 있다. 도 1에서, 제 1 단부 캡(12)은 포트-형상이며, 제 1 단부 플레이트(4)의 반경방향 돌출부(6) 위에 놓이는 축방향 부분을 갖는다. 축방향 냉각 덕트(17)는 회전자 권선(8) 사이의 제 1 캐비티(14)로부터 나오며, 냉각 덕트는 적층 코어(2)에 의해 내부에서 반경방향으로 그리고 극 분리기(25)에 의해 외부에서 반경방향으로 한정된다.
회전자(1)의 반대쪽 측면에서, 도 1의 좌측에는, 반경방향 돌출부(7)로 제 2 단부 플레이트(5)를 커버하는 제 2 단부 캡(15)이 있다. 제 2 단부 캡(15)은 그 축방향 냉각 덕트(17)가 이어지는 제 2 캐비티(16)를 둘러싼다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 단면을 도시한다. 중앙 냉각 덕트(10)에 평행하게 뻗어 있는 총 8개의 동일하게 구성된 축방향 냉각 덕트(17)가 있음을 알 수 있다.
도면에서, 냉각수의 흐름 방향은 화살표로 상징적으로 표시된다. 또한, 십자 표시가 있는 작은 원은 도면의 평면으로 유입되는 냉각수를 나타내고, 점을 포함하는 작은 원은 도면의 평면 밖으로 유출되는 냉각수를 나타낸다.
축방향 냉각 덕트(17) 각각이 2개의 인접한 회전자 권선(8) 사이로 연장되는 것이 도 2에 도시되어 있다. 각각의 축방향 냉각 덕트(17)는 2개의 인접한 회전자 권선(8) 사이에 위치된 극 분리기(25)에 의해 커버되어 있다.
도 1을 다시 참조하면, 냉각수는 축방향 냉각 덕트(17)를 통해 흐른 후 회전자 권선(8)의 권선 헤드를 냉각시키는 제 2 캐비티(16)로 통과하는 것을 볼 수 있다.
제 1 단부 캡(12)의 축방향 배출구(13)와 유사하게, 제 2 단부 캡(15)은 또한 원주에 걸쳐 분포된 배출구(18)를 갖는다. 이러한 예시적인 실시예에서, 총 8개의 배출구(18)가 있고, 따라서 배출구(18)의 수는 회전자 극의 수에 대응한다. 그러나, 배출구의 수는 회전자 극의 수와 상이할 수도 있다. 예를 들어 2개, 4개, 6개 또는 12개의 배출구가 있을 수 있다. 배출구(18)에서 나온 후, 냉각수는 냉각수 회로에서 추가로 운반된다.
도 3은 본 발명에 따른 회전자(19)의 제 2 실시예를 측단면도로 도시한다. 제 1 예시적인 실시예의 구성요소에 대응하는 구성요소는 다시 한번 자세히 설명하지 않을 것이다.
회전자(19)는 솔리드 회전자 샤프트(20), 적층 코어(2) 및 회전자 권선(8)을 갖는다. 회전자(19)의 축방향 측면은 제 1 포트형상 단부 캡(21) 및 제 2 포트형상 단부 캡(22)에 의해 커버되어 있다. 개략적으로 도시된 노즐(23)은 회전자(19)로부터 축 방향으로 이격되어 배열된다. 노즐(23)은 회전자(19)를 둘러싸는 고정자(도시하지 않음)에 고정식으로 연결되며, 이를 위해 노즐(23)은 예를 들어 전기 기계의 하우징에 체결된다. 제 1 단부 캡(21)은 회전자 샤프트(20)를 위한 관통 개구부에 인접한 축방향 유입구(24)를 그 중심 근처에 갖는다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 또한 원주 방향으로 서로 이격되어 배열된 복수의 축방향 유입구가 있을 수 있다.
노즐(23)에 의해, 냉각수는 유입구(24)를 통해 양압으로 제 1 캐비티(14)로 분사될 수 있다. 다음에, 냉각수는 축방향 냉각 덕트(17)를 따라 제 1 캐비티(14)로부터 제 2 캐비티(16)로 통과하고, 축방향 배출구(18)를 통해 회전자(19)를 빠져나간다.
유입구(24)는 배출구(18)에 대해 반경방향 내측으로 오프셋되어 있다. 이는 회전자(19)의 작동 동안에 냉각수가 축방향 냉각 덕트(17)를 통해 영구적으로 흐르는 것을 보장한다. 캐비티(14, 16)의 반경방향 외측 영역은 축방향 배출구(18)까지 냉각수로 채워질 수 있으며, 그 결과 특히 회전자 권선(8)이 충분히 냉각된다.
도 4는 차량(26)을 구동하는 역할을 하는 전기 기계(27)를 갖는 차량(26)을 도시한다. 전기 기계(27)는 본 발명에 따른 회전자(1), 및 회전자(1)를 둘러싸는 고정자(29)가 수용되는 하우징(28)을 갖는다.
1: 회전자 2: 적층 코어
3: 회전자 샤프트 4: 제 1 단부 플레이트
5: 제 2 단부 플레이트 6: 돌출부
7: 돌출부 8: 회전자 권선
9: 유입구 10: 중앙 냉각 덕트
11: 반경방향 냉각 덕트 12: 제 1 단부 캡
13: 배출구 14: 제 1 캐비티
15: 제 2 단부 캡 16: 제 2 캐비티
17: 축방향 냉각 덕트 18: 배출구
19: 회전자 20: 회전자 샤프트
21: 제 1 단부 캡 22: 제 2 단부 캡
23: 노즐 24: 유입구
25: 극 분리기 26: 차량
27: 전기 기계 28: 하우징
29: 고정자

Claims (11)

  1. 전기 기계(27)용 회전자(1, 19)에 있어서,
    - 회전자 샤프트(3, 20),
    - 회전자 샤프트(3, 20) 상에 배열되고, 복수의 적층 전기 라미네이션(stacked electrical laminations)을 갖는 적층 코어(2),
    - 적층 코어(2)의 축방향 측면에 배열되고, 그 원주를 따라 배열된 반경방향 돌출부(6)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(5),
    - 상기 제 1 단부 플레이트(4)의 돌출부(6) 주위와, 상기 제 2 단부 플레이트(5)의 축방향 대향 돌출부(7) 주위에 각각 권취된 복수의 회전자 권선(8),
    - 상기 제 1 단부 캡(12)과 상기 제 1 단부 플레이트(4) 사이에 제 1 캐비티(14)가 형성되도록 상기 제 1 단부 플레이트(4)를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 1 단부 캡(12),
    - 상기 제 2 단부 캡(15)과 상기 제 2 단부 플레이트(5) 사이에 제 2 캐비티(16)가 형성되도록 상기 제 2 단부 플레이트(5)를 축방향으로 커버하는 포트-형상 제 2 단부 캡(15), 및
    - 2개의 인접한 회전자 권선(8) 사이에서 축방향으로 뻗어 있고, 제 1 캐비티(14)를 제 2 캐비티(16)에 연결하는 냉각 덕트(17)를 포함하는
    회전자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단부 캡(15)은 제 2 캐비티(16)로부터 냉각수를 제거하기 위한 축방향 배출구(18)를 갖는
    회전자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전자 샤프트(3)는 제 1 캐비티(14)로 이어지는 중앙 냉각 덕트(10)를 갖는
    회전자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 단부 캡(12)은 제 1 캐비티(14)로부터 냉각수를 제거하기 위한 축방향 배출구(13)를 갖고, 상기 배출구는 제 2 단부 캡(15)의 배출구(18)에 대해 반경방향 내측으로 오프셋 배열되는
    회전자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단부 캡(12)은 상기 제 1 캐비티(14)에 냉각수를 공급하기 위한 축방향 유입구(24)를 갖는
    회전자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유입구(24)는 제 2 단부 캡(15)의 배출구(18)에 대해 반경방향으로 내측으로 오프셋 배열되는
    회전자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    축방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트(17)는 2개의 회전자 권선(8) 사이에서 축방향으로 연장되는 극 분리기(25)에 의해 커버되는
    회전자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 캐비티(14) 및/또는 제 2 캐비티(16)는 각 경우에 반경방향으로 뻗어 있는 냉각 덕트로 설계되는
    회전자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 회전자(1, 19)와, 고정자(29)를 갖는
    전기 기계(27).
  10. 제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 회전자(1, 19)와, 고정자(29)와, 고정자(29)에 고정적으로 연결되고, 유입구(24)를 향해 안내되는 노즐(23)을 구비하는
    전기 기계(27).
  11. 차량(26)을 구동하기 위해 제공되는, 제 9 항 또는 제 10 항에 기재된 전기 기계(27)를 갖는
    차량(26).
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