KR20240023472A - 압축기 및 압축기용 회전자 모듈 - Google Patents

Abstract

압축기 휠(11)과 전기 모터의 회전자(12), 및 전기 모터의 고정자(2)를 포함하는 회전자 모듈(10)을 갖는 압축기가 설명된다. 본 발명에 따르면, 회전자 모듈(10)은 중공 축(14)를 갖는 것이 설명된다. 또한, 이러한 압축기를 위한 회전자 모듈(10)이 설명된다.

Description

압축기 및 압축기용 회전자 모듈{Compressor and rotor module for a compressor}

본 발명은 독일특허공보 DE 11 2012 002 901 T5호에 의해 공지된 바와 같은 청구항 1의 전제부에 명시된 특징들을 갖는 압축기에 관한 것이다. 이러한 압축기는, 예를 들어 압축 공기가 공급되어야 하는 연료 전지의 효율적인 작동을 위해 필요하다.

압축기는 기체를 압축하기 위한 장치이며, 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 포함하는 전기 모터에 의해 구동되는 압축기 휠을 포함한다. 압축기들은 또한 다른 부품들, 예를 들면 터빈을 포함할 수 있다. 압축기 휠과 회전자는 회전자 모듈(rotor module)이라고 지칭되는 회전 조립체(rotating assembly)의 일부이다.

본 발명의 목적은 압축기의 에너지 효율을 개선할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 열거된 특징들을 갖는 압축기에 의해, 그리고 이러한 압축기용 회전자 모듈에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선사항은 종속 청구항들의 주제이다.

본 발명에 따른 회전자 모듈은 전기 모터가 압축기 휠을 구동하는 중공 축(hollow shaft)을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 회전자 모듈은 유리하게는 작은 질량(low mass)을 가지며, 이는 보다 에너지 효율적인 작동을 가능하게 한다.

본 발명의 유리한 개선사항에 있어서, 회전자는 중공 축에 배열된 영구 자석들을 포함한다. 이와 같이 하여, 중공 축은 회전자 하우징(rotor housing)으로 사용될 수 있으며, 따라서 회전자 모듈에 필요한 부품 수를 유리하게 줄일 수 있다.

본 발명의 또 하나의 유리한 개선사항에 있어서, 중공 축은 회전자의 양측에 중공부(hollow section)를 갖는다. 이와 같이 하여, 회전자 모듈의 무게가 훨씬 더 줄어들 수 있다. 여기서, 회전자의 양측에 있는 중공 축의 중공부들은 회전자의 직경에 대응하는 직경을 가질 수 있다. 상기 중공부들은, 예를 들어 회전자의 길이의 적어도 두 배인 길이에 걸쳐 원통형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 추가의 유리한 개선사항은 중공 축이 용접에 의해 결합된 3개의 부분들(sections)을 포함한다는 것이다. 이와 같이 하여, 간단하고 비용 효율적인 생산이 가능하다. 중공 축의 중앙부(central section)는 전기 모터의 회전자를 형성할 수 있다. 즉, 중공 축의 중앙부는 영구 자석들을 구비할 수 있다. 상기 부분들은 양측 방향(both sides)에서 중앙부에 연결될 수 있다. 이들 부분은, 예를 들어 원통형 슬리브(cylindrical sleeves)로 구성되며, 특히 개구부를 구비한 슬리브 베이스(sleeve base)를 갖는다. 슬리브 베이스는 중공 축에 압축기 휠을 결합하는 것을 용이하게 하고, 슬리브 베이스에서의 개구부는, 예를 들어 암나사부(internal thread)를 가질 수 있으며, 압축기 휠은 개구부 안으로 돌출하는 스크류(screw)에 의해 중공 축에 고정될 수 있다. 대안적으로, 압축기 휠은 중공 축에 용접될 수도 있다.

추가 세부사항 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에서 설명된다. 이들 도면에서 동일하고 등가물인 구성 요소들은 동일한 참조 번호가 부여된다.
도 1은 압축기를 도시하고,
도 2는 압축기의 회전자 모듈을 도시하며, 그리고
도 3은 회전자 모듈의 또 하나의 실시예를 도시한다.

도 1은 압축기 휠(11)과 전기 모터의 회전자(12)를 포함하는 회전자 모듈(10), 및 고정자(2)가 배열된, 하우징(1)을 갖는 압축기를 개략적으로 도시한다. 회전자(12)와 고정자(2)는 압축기 휠(11)을 구동하는 전기 모터를 형성한다. 도시된 실시예에서, 압축기는 오직 단일의 압축기 휠(11)을 갖는다. 그러나, 압축기 휠을 압축기의 양 단부에 제공하는 것도 가능하다. 따라서, 압축기의 회전자 모듈은 2개의 압축기 휠을 포함할 수도 있다.

도 2는 압축기의 회전자 모듈(10)을 상세히 도시한다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 회전자 모듈(10)은 압축기 휠을 구동시키는 중공 축(hollow shaft; 14)을 포함한다. 따라서, 회전자(12)는 중공 축(14)을 통해 압축기 휠(11)에 결합된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 중공 축(14)에는 회전자(12)의 양측에 캐비티(cavity; 15, 16)가 있다. 캐비티(15, 16)의 영역에서, 중공 축(14)의 외경은 일반적으로 회전자(12)의 영역에서의 중공 축의 외경과 동일하며, 회전자의 영역에서의 중공 축의 외경과 5% 이하 만큼, 예를 들면 2% 이하 만큼 차이가 있다.

중공 축(14)은 함께 용접된 3개의 부분들(sections)을 포함한다. 중공 축(14)의 중앙부(14a)는 전자석의 회전자(12)를 형성한다. 중공 축(14)의 끝 부분들(14b, 14c)은 중앙부(14a)의 양측에 붙어있고, 각각이 베이스(base; 14d)를 갖는다. 끝 부분들(14b, 14c)은 중앙부(14a)에 용접되고, 각각의 경우 끝 부분들의 베이스(14d)에 개구부(14e)를 갖는다. 이들 개구부(14e)는 중공 축(14)의 다양한 부분들(14a, 14b, 14c)이 함께 용접될 때 압력 균등화(pressure equalization)가 이루어질 수 있게 한다. 용접 후, 개구부들(14e)은, 예를 들어 압축기 휠(11)을 중공 축(14)에 고정시키는 스크류(screw; 17)에 의해 폐쇄될 수 있다. 이 목적을 위해 개구부들(14e)에 암나사부(internal thread)가 형성될 수 있다.

특히, 회전자 모듈(10)이 2개의 단부의 각각에 압축기 휠(11)을 포함하는 경우, 중공 축(14)의 2개의 끝 부분들(14b, 14c)은 생산을 단순화하기 위해 동일한 구조(design)를 가질 수 있다.

상기 부분들(14a, 14b, 14c)은 맞대기 접합(butt-jointed)될 수 있으며, 예를 들면 상기 부분들은 맞대기 시임(butt seam) 또는 Y-시임(Y-seam)에 의해 함께 용접될 수 있다. 대안적으로, 상기 부분들은 또한 서로 삽입되어, 예를 들면 천공 시임(perforated seam)에 의해 용접될 수 있다.

중공 축(14)은, 길이의 대부분(most)에 걸쳐 원통 형상을 갖는다. 도시된 실시예에서, 이 원통체는 중앙부와 상기 중앙부에 용접된 슬리브의 대부분으로 형성된다.

전기 모터의 회전자(12)는, 도시된 실시예에서 중공 축(14)의 내부에 배열된 영구 자석들을 갖는다. 따라서, 중공 축(14)은 회전자(12)를 위한 하우징을 형성한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 영구 자석들은 중공 축(14)의 외부에 위치될 수도 있다.

회전자 모듈(10)은 압축기 휠(11)과 회전자(12) 사이에 환형 디스크(annular disk; 13)를 포함할 수 있다. 회전자 모듈(10)은 이 환형 디스크(13)에 축방향으로 장착될 수 있다. 또한, 레이디얼 베어링들(radial bearings)이 회전자 모듈(10)에 제공될 수 있으며, 특히 중공 축의 2개의 끝 부분들(14b, 14c)에서 중공 축(14)을 지지하기 위해, 제공될 수 있다. 따라서, 중공 축(14)은 회전자(12)의 양측에서, 예를 들어 에어 베어링(air bearings) 또는 자기 베어링(magnetic bearings)으로 지지될 수 있다. 예를 들면, 회전자(12)의 직경에 대응하는 직경을 갖는 중공 축(14)의 영역들에 레이디얼 베어링들이 제공될 수 있다.

도 3은 중공 축(14)의 양단에 압축기 휠(11)이 부착된 점만 상술한 실시예와 상이한 회전자 모듈의 또 하나의 실시예를 도시한다. 제1 압축기 휠(11)과 마찬가지로 제2 압축기 휠(11)은 기체의 압축을 위해 제공될 수 있으며, 또는 기체를 팽창시켜 전기 에너지를 생성하는데 사용될 수 있는 팽창기 스테이지(expander stage)를 형성할 수 있다. 이 경우, 압축기의 전기 모터가 발전기로 작동된다.

1 : 하우징
2 : 고정자
10 : 회전자 모듈
11 : 압축기 휠
12 : 회전자
13 : 환형 디스크
14 : 중공 축
14a : 중공 축의 단면
14b : 중공 축의 끝 부분
14c : 중공 축의 끝 부분
14d : 베이스
14e : 개구부
15 : 캐비티
16 : 캐비티
17 : 스크류

Claims (12)

1. 압축기 휠(11)과 전기 모터의 회전자(12)를 포함하는 회전자 모듈(10), 및
   상기 전기 모터의 고정자(2)를 포함하고,
   상기 회전자 모듈(10)은 중공 축(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회전자(12)는 중공 축(14)에 배열된 영구 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 중공 축(14)은 상기 회전자(12)의 양측에 캐비티들(15, 16)을 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 회전자(12)의 양측의 캐비티들(15, 16)에서, 상기 중공 축(14)은 직경이 상기 회전자(12)의 직경과 일치하는 것을 특징으로 하는 압축기.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중공 축(14)은 함께 용접되는 3개의 부분들(14a, 14b, 14c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 중공 축(14)의 중앙부(14a)는 영구 자석을 갖고 회전자(12)를 형성하는 반면, 상기 중앙부(14a)에 붙어있는 두 부분(14b, 14c)은 개구부(14e)를 갖는 베이스(14d)를 각각 구비한 슬리브들인 것을 특징으로 하는 압축기.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
   상기 중공 축은 중공 축의 끝 부분들(14b, 14c)에서 반경 방향으로 장착되는 것을 특징으로 하는 압축기.
8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기 휠(11)과 상기 회전자(12) 사이의 상기 중공 축(14)은 상기 회전자 모듈(10)이 축 방향으로 장착된 환형 디스크(13)를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기 휠(11)은 스크류(17)에 의해 상기 중공 축(14)에 고정되는 것을 특징으로 하는 압축기.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축기 휠(11)이 상기 중공 축(14)의 양 단부에 부착되는 것을 특징으로 하는 압축기.
11. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기 휠(11)이 상기 중공 축(14)의 일단에 부착되고, 팽창기 스테이지(expander stage)가 상기 중공 축의 타단에 부착되는 것을 특징으로 하는 압축기.
12. 전자석의 회전자(12)와 압축기 휠(11)을 구비한 압축기용 회전자 모듈에 있어서,
    상기 회전자 모듈(10)은 중공 축(14)을 갖는 것을 특징으로 하는 압축기용 회전자 모듈.