KR102609596B1 - 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터 - Google Patents

테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터에 관한 것으로, 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터{Axial flux motor with cooling structure using a tesla turbine}
본 발명은 모터 냉각 기술에 관련한 것으로, 특히 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터에 관한 것이다.
최근 차량용 및 기타 운송수단용 모터의 출력 밀도 향상을 위한 축방향 자속 모터(Axial flux motor) 개발이 활발하다. 이러한 축방향 자속 모터는 다극에 유리하고 얇은 박형으로 만들기 쉽기 때문에 연속으로 이어서 고출력 밀도를 가진 다중 모터에 적용될 수 있다.
또한, 축방향 자속 모터는 코일이 평평하기 때문에 헤어핀 권선에 사용되는 각형 구리 스트립을 측면에서 끼우는 방식으로 제작할 수 있어 제조가 간단하면서도 쉬운 장점이 있다.
이와 같은 출력 밀도가 높은 축방향 자속 모터는 코일이 권선되는 고정자(Stator)에서 많은 발열이 발생하기 때문에 냉각 구조가 필수적으로 요구되며, 냉각 구조 설계의 중요성이 날로 증가하고 있는 추세이다.
종래의 모터 냉각 구조는 대부분 고정자 외각 하우징(Housing)에 쿨링 자켓(cooling jacket)을 형성하거나, 오일(oil) 펌프 등을 이용하여 고정자 철심이나 권선에 직접적인 오일을 투입하여 냉각하는 방법을 주로 사용하고 있다.
특히 고정자를 감싸는 하우징에 쿨링 자켓을 이용하는 방법은 직접 발열하는 열원(Heat source)인 코일 권선에서 고정자 철심에 열을 전달하고, 고정자 철심은 하우징에 열을 전달하여 하우징과 철심 사이에 삽입되는 쿨링 자켓 내부의 냉각 유로를 흐르는 냉매를 통해 냉각한다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0038781호(2018.04.17)에서 냉각매체를 유동시키는 유동 통로를 모터 하우징의 내부에 형성하고, 유동 통로와 연결되는 냉각매체 유입부 및 배출부를 형성하며, 유동 통로와 연결되는 적어도 하나의 관통 홀을 구비한 구동모터의 냉각유닛을 제안하고 있다.
본 발명자는 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 기술에 대한 연구를 하였다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0038781호(2018.04.17)
본 발명은 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터가 회전 중심인 샤프트(Shaft)와; 샤프트에 축설되는 디스크(Disk) 형태의 회전자 철심과, 회전자 철심 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 영구 자석(Permanent Magnet)들을 구비하는 회전자(Rotor)와; 샤프트에 축설되지 않고 샤프트 외연과 특정 간격을 가지도록 장착되는 디스크(Disk) 형태의 고정자 철심(Stator Core)과, 고정자 철심 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 권선 코일(Wired Coil)들을 포함하는 고정자(Stator)와; 샤프트에 축설되되, 샤프트 회전에 따라 회전되어 고정자 내부로 냉매를 공급하여 열을 냉각시키는 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터가 테슬라 터빈 회전에 따라 테슬라 터빈으로부터 샤프트와 수직 방향으로 토출되는 냉매를 고정자 내부를 관통하여 순환시키는 냉각 유로를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 냉각 유로가 방사형으로 다수개 형성될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터가 테슬라 터빈을 수납하고, 냉각 유로와 연통되되, 고정자 내부를 관통하여 순환하는 냉매가 충진되는 냉매 탱크를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 냉매 탱크가 냉각 유로 양단과 연통되는 부분이 깔대기 형상으로 구현되어, 냉각 유로로 유입되는 냉매의 압력을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터가 냉매 탱크 내에 충진되는 냉매를 펌핑하는 펌프와; 펌프에 의해 펌핑되는 냉매를 냉각시켜 냉매 탱크 내로 공급하는 열교환기를 더 포함한다.
본 발명은 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있으므로, 모터 성능을 향상할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 일 실시예의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 회전자를 예시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 고정자를 예시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 테슬라 터빈을 예시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 냉각 유로가 방사형으로 다수개 형성되는 것을 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 일 실시예의 구성을 도시한 단면도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터(100)는 샤프트(Shaft)(110)와, 회전자(Rotor)(120)와, 고정자(Stator)(130)와, 테슬라 터빈(Tesla Turbine)(140)을 포함한다.
샤프트(Shaft)(110)는 회전 중심이 되는 회전축 역할을 담당하며, 회전체인 회전자(120)의 중심에 축설되어 모터가 전동기로 동작할 때는 회전자(120)의 회전에 따라 회전되어 외부로 회전력을 제공하고, 모터가 발전기로 동작할 때는 외력에 의해 회전되어 회전자(120)로 회전력을 제공한다.
회전자(Rotor)(120)는 샤프트(110)에 축설되는 디스크(Disk) 형태의 회전자 철심(121)과, 회전자 철심(121) 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 영구 자석(Permanent Magnet)(122)들을 구비한다.
도 2 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 회전자를 예시한 도면이다. 도 2 를 참조해 보면, 디스크(Disk) 형태의 회전자 철심(121) 상에 다수의 영구 자석(Permanent Magnet)(122)들이 특정 간격을 가지도록 배치되어 있음을 볼 수 있다. 도면에서 미설명 부호 123은 샤프트 축설을 위한 축설부이다.
고정자(Stator)(130)는 샤프트(110)에 축설되지 않고 샤프트(110) 외연과 특정 간격을 가지도록 장착되는 디스크(Disk) 형태의 고정자 철심(Stator Core)(131)과, 고정자 철심(131) 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 권선 코일(Wired Coil)(132)들을 포함한다.
도 3 은 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 고정자를 예시한 도면이다. 도 3 을 참조해 보면, 디스크(Disk) 형태의 고정자 철심(Stator Core)(131) 상에 다수의 권선 코일(Wired Coil)(132)들이 특정 간격을 가지도록 배치되어 있음을 볼 수 있다.
이 때, 도 1 에 도시한 바와 같이, 고정자(Stator)(130)를 복수개 적층하고, 복수개 적층된 고정자(Stator)(130)의 양단에 각각 한쌍의 회전자(120)를 샤프트(110)에 축설하여 축방향 자속 모터(100)를 다중 모터 형태로 구현할 수 있다.
테슬라 터빈(Tesla Turbine)(140)은 샤프트(110)에 축설되되, 샤프트(110) 회전에 따라 회전되어 고정자(130) 내부로 냉각수나 냉각 오일 등과 같은 냉매를 공급하여 열을 냉각시킨다.
도 4 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 테슬라 터빈을 예시한 도면이다. 도 4 를 참조해 보면, 샤프트(110) 회전에 따라 테슬라 터빈(140)이 회전하면서 특정 간격을 가지고 샤프트에 축설되는 디스크(141)들의 회전 중심 부근에 형성되는 냉매 유입구(142)를 통해 냉매가 유입된다.
냉매 유입구(142)를 통해 유입되는 냉매는 특정 간격을 가지고 샤프트에 축설되는 디스크(141)들 사이의 간격을 통해 샤프트(110)와 수직한 방향으로 토출되어 고정자(130) 내부로 공급되면서 고정자 철심(131)에 배치되는 다수의 권선 코일(Wired Coil)(132)들에 의해 발생되는 열을 흡수하여 냉각시킨다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있으므로, 모터 성능을 향상할 수 있다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터(100)가 냉각 유로(150)를 더 포함할 수 있다. 냉각 유로(150)는 테슬라 터빈(140) 회전에 따라 테슬라 터빈(140)으로부터 샤프트(110)와 수직 방향으로 토출되는 냉매를 고정자(130) 내부를 관통하여 순환시킨다. 이 때, 냉각 유로(150)가 방사형으로 다수개 형성될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터의 냉각 유로가 방사형으로 다수개 형성되는 것을 예시한 도면이다. 도 5 를 참조해 보면, 다수의 냉각 유로(150)가 고정자(130) 내부를 관통하여 방사형으로 배치되어 있음을 볼 수 있다.
이와 같이 구현함에 의해, 테슬라 터빈(140) 회전에 따라 테슬라 터빈(140)으로부터 샤프트(110)와 수직 방향으로 토출되는 냉매는 냉각 유로(150)를 통해 고정자(130) 심부까지 유입되면서 순환하고, 이 과정에서 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 냉매가 흡수하여 냉각시킨다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터(100)가 냉매 탱크(160)를 더 포함할 수 있다. 냉매 탱크(160)는 테슬라 터빈(140)을 수납하고, 냉각 유로(150)와 연통되되, 고정자(130) 내부를 관통하여 순환하는 냉매가 충진된다.
이 때, 냉매 탱크(160)가 냉각 유로(150) 양단과 연통되는 부분이 깔대기 형상(161)으로 구현되어, 냉각 유로(150)로 유입되는 냉매의 압력을 증가시켜 원활한 냉매 순환이 이루어지도록 구현될 수도 있다.
냉매 탱크(160)에 충진된 냉매는 테슬라 터빈(140) 회전에 따라 테슬라 터빈(140)으로부터 샤프트(110)와 수직 방향으로 토출되어 냉각 유로(150)를 통해 고정자(130) 심부까지 유입되면서 순환하고, 이 과정에서 고정자 철심에 권선되는 권선 코일에서 발생되는 열을 냉매가 흡수하여 냉각시킨다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터(100)가 펌프(170)와, 열교환기(180)를 더 포함할 수 있다. 도 1 에서 미설명 부호 190은 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터 내부 부품을 감싸 보호하는 하우징(Housing)이다.
펌프(170)는 냉매 탱크(160) 내에 충진되는 냉매를 펌핑한다. 열교환기(180)는 펌프(170)에 의해 펌핑되는 냉매를 냉각시켜 냉매 탱크(160) 내로 공급한다. 고정자 철심에 권선되는 권선 코일에서 발생되어 냉매에 흡수된 열은 열교환기(180)의 열교환 동작에 의해 외부로 방열되어 냉매가 냉각되고, 냉각된 냉매가 냉매 탱크(160) 내로 재유입되어 공급됨으로써 냉매 탱크(160) 내의 냉매가 지속적으로 냉각된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 테슬라 터빈(Tesla Turbine)을 이용해 축방향 자속 모터의 고정자(Stator) 심부까지 냉매를 순환시켜 고정자 철심에 권선되는 권선 코일(Wired Coil)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있으므로, 모터 성능을 향상할 수 있다.
본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 모터 냉각 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 축방향 자속 모터
110 : 샤프트
120 : 회전자
121 : 회전자 철심
122 : 영구 자석
130 : 고정자
131 : 고정자 철심
132 : 권선 코일
140 : 테슬라 터빈
141 : 디스크
142 : 냉매 유입구
150 : 냉각 유로
160 : 냉매 탱크
170 : 펌프
180 : 열교환기
190 : 하우징

Claims (6)

  1. 회전 중심인 샤프트(Shaft);
    상기 샤프트에 축설되는 디스크(Disk) 형태의 회전자 철심과, 상기 회전자 철심 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 영구 자석(Permanent Magnet)들을 구비하는 회전자(Rotor);
    상기 샤프트에 축설되지 않고 상기 샤프트 외연과 특정 간격을 가지도록 장착되는 디스크(Disk) 형태의 고정자 철심(Stator Core)과, 상기 고정자 철심 상에 특정 간격을 가지도록 배치되는 다수의 권선 코일(Wired Coil)들을 포함하는 고정자(Stator);
    상기 샤프트에 축설되되, 상기 샤프트 회전에 따라 회전되어 상기 고정자 내부로 냉매를 공급하여 열을 냉각시키는 테슬라 터빈(Tesla Turbine); 및
    상기 테슬라 터빈 회전에 따라 상기 테슬라 터빈으로부터 상기 샤프트와 수직 방향으로 토출되는 냉매를 상기 고정자 내부를 관통하여 순환시키는 냉각 유로;를 포함하는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 방사형으로 다수개 형성되는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 테슬라 터빈을 수납하고, 상기 냉각 유로와 연통되되, 상기 고정자 내부를 관통하여 순환하는 냉매가 충진되는 냉매 탱크를;
    더 포함하는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로 양단과 연통되는 부분이 깔대기 형상으로 구현되어, 상기 냉각 유로로 유입되는 냉매의 압력을 증가시키는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉매 탱크 내에 충진되는 냉매를 펌핑하는 펌프;와
    상기 펌프에 의해 펌핑되는 냉매를 냉각시켜 상기 냉매 탱크 내로 공급하는 열교환기를;
    더 포함하는 테슬라 터빈을 이용한 냉각 구조를 구비한 축방향 자속 모터.
  6. 삭제
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