KR20090121328A - 전기 기계의 냉각 - Google Patents

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KR20090121328A
KR20090121328A KR1020097019220A KR20097019220A KR20090121328A KR 20090121328 A KR20090121328 A KR 20090121328A KR 1020097019220 A KR1020097019220 A KR 1020097019220A KR 20097019220 A KR20097019220 A KR 20097019220A KR 20090121328 A KR20090121328 A KR 20090121328A
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다니엘 엠. 새반
카산드라 베일리
핀토 파울로 궈데스
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다이렉트 드라이브 시스템즈, 인크.
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Abstract

전기 기계에 관한 것이며, 전기 기계의 하우징에 배치된 고정자와 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자의 제1 단부에서의 복수의 제1 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서의 복수의 제2 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함한다. 고정자는 대체로 튜브 형상과 내부 측면을 가진다. 회전자는 고정자의 내부를 통해 연장된다. 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부의 체적으로의 유동 유입구는 고정자의 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한다. 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부의 체적으로부터의 유동 출구는 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치된다. 유동 유입구와 유동 출구가 협조적으로 배열되어 유체의 유동이 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통하도록 한다.
Figure P1020097019220
전기 기계, 냉각 시스템, 냉각 유체, 고정자, 회전자

Description

전기 기계의 냉각{COOLING AN ELECTRICAL MACHINE}
본 명세서는 모터링 시스템 및/또는 발전 시스템에 관한 것이다.
일부 동력 시스템은 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하며 및/또는 전기 에너지를 기계 에너지로 전환할 수 있다. 예컨대, 발전 시스템은 기계 에너지를 전기로 전환함으로써 전기를 발생시키는 원동기 및 전기 기계를 포함할 수 있다. 유사하게, 모터링 시스템은 전기를 운동으로 전환시킬 수 있는 전기 기계에 결합된 기계적 로드(load)를 포함한다. 일부 시스템에서, 전기 기계는 전기를 발생시키고 전기를 운동으로 전환시키도록 작동될 수 있다. 기계적 영역과 전기적 영역 사이에서 에너지를 전환시키는 것은 전기 기계의 기계적 구성요소의 운동으로 인해 열을 발생시킨다.
전기 기계는 고정자를 포함한다. 냉각 유체는 고정자 외부의 체적을 통해 고정자의 일 단부 또는 양 단부를 대체로 횡단하여 연통되며, 및/또는 고정자 내부의 체적을 통해 고정자의 일 단부 또는 양 단부를 향한 축방향으로 연통된다.
특정 태양에서, 전기 기계는 전기 기계의 하우징에 배치된 고정자와 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자의 제1 단부에서의 제1세트의 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서의 제2세트의 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함한다. 고정자는 대체로 튜브 형상과 내부 측면을 가진다. 회전자는 고정자의 내부를 통해 연장된다. 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부 체적 내로의 유동 유입구는 고정자의 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한다. 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부 체적으로부터의 유동 출구는 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치된다. 유동 유입구와 유동 출구가 협조적으로 배열되어 유체의 유동이 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통하도록 한다.
특정 태양에서, 전기 기계는 전기 기계의 하우징에 배치된 대체로 원통형인 고정자와 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자의 제1 단부에서 제1 세트의 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서 제2 세트의 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함한다. 회전자는 상기 고정자의 내부를 통해 종방향으로 연장된다. 복수의 제1 유입구는 고정자의 외부 주위에서 방위각 방향으로 분포된 위치에 배치된다. 상기 제1 유입구는 고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 갭을 통해 고정자와 회전자 사이에 형성된 공극으로 유동을 유도한다. 공극은 고정자의 내부를 통해 제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부 체적으로부터 제2 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부 체적으로 연장된다.
특정 태양에서, 전기 기계의 하우징에서, 냉각 유체는 하우징 내에 배치된 고정자의 제1 단부 주위의 체적으로 수용된다. 고정자는 고정자의 제1 단부에서 제1 세트의 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서 제2 세트의 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함한다. 고정자는 대체로 튜브 형상과 내부 측면을 가지며, 유동은 내부 측면의 방사상 외부로부터 체적으로 수용된다. 냉각 유체의 유동은 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통된다. 냉각 유체는 내부 측면의 방사상 외부로부터 체적으로부터 수집된다.
실시예들은 하나 이상의 다음의 특징을 포함할 수 있다. 유동 출구는 제1 유동 출구일 수 있으며, 유동 유입구는 제1 유동 유입구일 수 있으며, 체적은 제1 체적일 수 있으며, 유동은 제1 유동일 수 있다. 전기 기계는 제2 말단 선회부 주위의 제2 체적을 향하는 제2 유동을 포함할 수 있다. 제2 유동 유입구는 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치될 수 있다. 전기 기계는 제2 체적으로부터의 제2 유동 출구를 포함할 수 있다. 제2 유동 출구는 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치될 수 있다. 제2 유동 유입구와 제2 유동 출구가 협조적으로 배열되어 제2 유동이 고정자의 제2 단부를 대체로 횡단하여 연통될 수 있다. 제1 유동 유입구와 제2 유동 유입구는 단일 냉각 유체원과 유체 연통될 수 있다. 하우징에서의 격벽은 제1 말단 선회부 주위의 체적을 형성할 수 있으며, 유동 출구는 격벽을 통한 하나 이상의 포트로서 형성될 수 있다. 전기 기계는 고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 다지관을 통해 고정자의 내부 측면과 회전자의 외부 측면 사이에서 형성된 공극으로 제2 유동을 유도하는 제2 유동 유입구를 포함할 수 있다. 제2 유동 유입구는 고정자 주위의 상이한 방위각 위치에서의 복수의 유동 유입구일 수 있다. 제1 유동 유입구와 제2 유동 유입구는 단일 냉각 유체원과 유체 연통될 수 있다. 제1 유동 유입구는 제1 냉각원과 유체 연통될 수 있고, 제2 유동 유입구는 제2 냉각원과 유체 연통될 수 있다. 제2 유동 유입구는 공극의 축 중앙부로 유동을 유도한다. 공극은 제1 말단 선회부 주위의 체적으로 축방향으로 연장될 수 있다. 고정자의 외부 주위에서의 하나 이상의 냉각 재킷은 액체 냉각 유체를 고정자의 주위에서 원주방향으로 순환시켜 고정자를 냉각시킨다. 상기 하나 이상의 액체 냉각 재킷은 복수의 사형 유동 경로(serpentine flow path)를 형성할 수 있으며, 각각의 사형 유동 경로는 고정자의 상이한 축 단면의 주위에서 액체 냉각 유체를 순환시켜 고정자의 축 단면을 냉각시킨다. 액체 냉각 재킷은 하우징 및 고정자로부터 분리될 수 있다. 제1 유입구와 제1 출구가 협조적으로 배열되어 유체가 제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 체적에 있을 때 냉각 유체를 고정자의 제1 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시킬 수 있다.
하나 이상의 실시예에서의 세부사항들은 첨부 도면 및 다음의 설명에서 기술된다. 다른 특징들은 설명과 도면, 및 청구항으로부터 명백해질 것이다.
도 1A는 전기 기계와 냉각 시스템의 예의 단면도이다.
도 1B는 도 1의 선 A-A을 따라 취해진 단면도이다.
도 2A는 전기 기계와 냉각 시스템의 예의 단면도이다.
도 2B는 도 2A의 선 B-B을 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 전기 기계를 냉각시키는 절차의 예를 도시하는 흐름도이다.
다양한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1 및 도 2는 냉각 시스템을 포함하는 전기 기계의 2가지 예의 실시예를 도시한다. 도 1A는 전기 기계(100)의 예의 단면도이다. 도 1B는 도 1의 선 A-A을 따라 취해진 전기 기계(100)의 측단면도이다. 도 2A는 전기 기계(200)의 다른 예의 단면도이다. 도 2B는 도 2A의 선 B-B을 따라 취해진 전기 기계(200)의 측단면도이다. (이하에서 "기계(machines)"로 상호대체가능한) 전기 기계(100)의 예는 하우징(20)에 구비된 대체로 원통형 고정자(30)의 내부를 통해 연장되는 회전자(40)를 포함한다. 고정자(30)는 고정자(30)의 적층 강자성 코어에 감겨진 다중 전도성 권선(32)을 포함한다. 권선(32)은 고정자(30)의 두 개의 대향 단부들 사이에서 축 방향으로 연장된다. 고정자(30)의 양 단부에서, 권선(32)은 다중 말단 선회부(34)를 형성한다. 회전자(40)는 영구 자석을 포함하고 고정자(30) 내에서 회전가능하다. 회전자(40)의 외부 직경과 고정자(30)의 내부 직경은 고정자(30)와 회전자(40) 사이에 공극(60)을 형성한다. 회전자(40)는 베어링(45)에 의해 지지된다. 베어링의 몇몇 예는 자기 베어링, 자기 하이브리드 베어링, 롤러 베어링, 동적 베어링, 저널 베어링, 추력 베어링 및 다른 타입의 베어링들을 포함한다. 회전자(40)는 베어링들의 임의의 조합 또는 단일 타입의 베어링에 의해 지지될 수 도 있다.
전기 기계(100)는 모터 또는 발전기로서 작동할 수 있다. 발전기 모드에서, 고정자(30)에 대한 회전자(40)의 회전이 권선(32)을 가로지르는 전동력을 유도함으로써, 권선(32)을 가로지르는 전압을 유도하고, 이는 회로가 외부 시스템(미도시)의 일부로서 권선(32)을 가로질러 폐쇄될 때, 전류가 흐르도록 한다. 이후, 유도 전류는 예컨대, 외부 시스템으로 전력을 출력하는 데 사용될 수 있다. 모터 모드 에서, 전류는 고정자 권선을 통과하고, 권선(32)을 통한 전류에 의해 생산된 자기장은 회전자(40)와 고정자(30)의 자기장과 상호작용한다. 상호작용은 회전자(40)의 회전을 야기시킬 수 있다. 회전자(40)의 회전은 예컨대, 기계(100)의 구동 단부에서 샤프트(172)를 통해 기계적 힘을 전달할 수 있다. 또한, 회전자(40)의 회전은 예컨대, 기계(100)의 비구동 단부에서 샤프트(170)를 통해 유체 압축기에 동력을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 기계는 3,600rpm 보다 큰 속도를 포함하는 속도에서 작동된다.
작동 중에는, 모터 또는 발전기로서, 전기 기계(100)의 다양한 구성요소들이 열 에너지를 생산한다. 예컨대, 권선(32)은 전도성 물질로 제조된다. 전도성 물질의 예는 구리, 알루미늄, 은, 금 등을 포함한다. 전도성 물질의 고유 저항으로 인해, 전도성 물질을 통한 전류는 작동 중에 열을 생산한다. 전기 기계(100)의 다른 구성요소도 작동 중에 열을 생산할 수 있다. 예컨대, 운동하는 부분들 사이의 마찰과 다른 전도성 구성요소에서의 전기 저항도 열을 생산할 수 있다.
전기 기계(100)는 기계(100)의 다양한 구성요소를 냉각시키는 냉각 시스템을 포함한다. 냉각 시스템은 다중 냉각 유체 도관(180)과 유체 연통하는 2개의 냉각 유체원(130a 및 130b)을 포함한다. 각각의 도관(180)은 유체원(130a) 또는 유체원(130b)으로부터 냉각 유체를 수용하고 하우징(20) 내의 기계(100) 영역으로 유체 연통한다. 도시된 유체원(130)은 모터 구동 팬이다. 하우징(20) 내에서, 냉각 유체는 기계(100)의 하나 이상의 구성요소에 인접하게 유동하면서, 전도성 열 전달을 통해 상기 하나 이상의 구성요소로부터 열 에너지를 수용한다. 이후, 냉각 유체는 하우징(20) 외부로 흘러나와, 전달된 열 에너지를 하나 이상의 구성요소로부터 멀리 이송함으로써 기계(100)를 냉각시킨다. 유체원(130a)으로부터의 냉각 유체는 고정자(30)의 축방향 중앙부에서 기계(100)의 중앙적층 영역으로 유도된다. 유체원(130a)으로부터의 냉각 유체는 고정자(30)의 축방향 중앙부로부터 고정자의 양 단부를 향해 공극(60)을 따라 유동하면서 고정자를 냉각시킨다. 유체원(130b)으로부터의 냉각 유체는 말단 선회부(34)를 냉각시키기 위하여 기계의 구동 단부와 비구동 단부 모두의 외부로 유도된다.
도 1A에 도시된, 냉각 유체 유입구(182a)는 냉각 유체를 도관(180a)으로부터 기계(100)의 비구동 단부에서의 말단 선회부(34a) 주위의 체적으로 유도하며, 냉각 유체 유입구(182b)는 냉각 유체를 도관(180b)으로부터 기계(100)의 구동 단부에서의 말단 선회부(34b) 주위의 체적으로 유도한다. 말단 선회부(34a 및 34b) 주위의 각각의 체적은 격벽(160 및 162)에 의해 하우징(20)에 형성된다. 격벽(160a 및 162a)은 고정자(30)의 비구동 단부 주위의 체적을 형성하고, 격벽(160b 및 162b)은 고정자(30)의 구동 단부 주위의 체적을 형성한다. 격벽(160 및 162)은 구성요소의 확장 및/또는 격벽(160 및 162)을 통한 유체 유동을 허용하는 다수의 포트 및 개구를 지닌 칸막이로서 형성된다. 도시된 기계(100)는 유동이 고정자(30)의 각 단부 주위의 체적을 통해 흐르도록 배플 또는 덮개 없이 형성된다. 그러나, 일부 실시예에서는, 이러한 배플 또는 덮개가 포함될 수 있다. 출구(184a 및 184b)는 각각 말단 선회부(34a 및 34b) 주위의 체적으로부터 냉각 유체를 수집하도록 구성된다. 양 출구(184a 및 184b) 모두로부터, 냉각 유체는 공통의 배출 도관(230)에 대한 배 출 다지관으로 유도되어 기계(100)를 빠져나간다. 또한, 공극(60)을 따라 유동하는 냉각 유체는 고정자(30)의 내부 측면의 내부에 방사상으로 존재하는 공극(60)을 통해 각각의 말단 선회부 주위의 체적으로 유입된다. 또한, 공극(60)으로부터의 냉각 유체는 (도 1B에 도시된) 공통 배출 도관(230)으로부터 기계(100)를 빠져나간다.
유체 유입구(182)와 유체 출구(184)는 모두 고정자(30)의 내부 측면의 외부에 방사상으로 존재한다. 유입구(182a)와 출구(184a) 사이의 압력 차이는 고정자의 비구동 단부의 외부를 대체로 횡방향으로 가로지르는 냉각 유체의 유동을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 유입구(182a)와 출구(184a) 사이의 유체 유동은 말단 선회부(34a)를 냉각시키는 냉각 유동으로서 작용할 수 있다. 유사하게, 유입구(182b)와 출구(184b) 사이의 유체 유동은 말단 선회부(34b)를 냉각시키는 냉각 유동으로서 작용할 수 있다. 유입구(182a)와 출구(184a)는 고정자(30) 외부의 냉각 유체를 고정자(30)의 비구동 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시켜 말단 선회부(34a)를 냉각시킬 수 있다. 유사하게, 유입구(182b)와 출구(184b)는 고정자(30) 외부의 냉각 유체를 고정자(30)의 구동 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시켜 말단 선회부(34b)를 냉각시킬 수 있다.
도 1B에 도시된, 냉각 유체 유입구(182c)는 냉각 유체를 도관(180c)으로부터 기계(100)의 중앙적층부의 체적으로 유도하며, 냉각 유체 유입구(182d)는 냉각 유체를 도관(180d)으로부터 기계(100)의 중앙적층부의 체적으로 유도한다. 유입구(182c 및 182d)는 고정자 주위의 다른 2개의 방위각 위치로부터 냉각 유체를 유 도한다. 특히, 유입구(182c 및 182d)는 기계(100)의 축방향 중앙부 근처의 단면을 가로질러 정반대 위치에 있다. 배플(190)은 유입구(182c 및 182d)로부터 고정자(30)의 외부 주변에서 원주방향으로 냉각 유체를 유도한다. 원주방향으로 순환한 이후에, 냉각 유체는 고정자(30)의 외부 표면 주위에 원주방향으로 형성된 환형 다지관(80)으로 배플(190)의 개구 또는 포트를 통해 방사상 내향으로 유동한다. 고정자(30)는 환형 다지관(80)과 공극(60) 사이의 연통을 제공하는 다수의 대체로 방사상 개구 또는 벤트(vent; 70)를 포함한다. 환형 다지관(80)은 중앙적층부 갭으로서 형성되고, 상기 갭은 고정자(30)의 축방향 중앙부에 있는, 또는 몇몇 실시예에서는 고정자(30)의 축방향 중앙부 근처에 있는 냉각 재킷(210)과 고정자 코어 내의 갭이다. 공극(60)은 벤트(70)와 고정자(30)의 제1 단부 및 제2 단부 주위의 체적 사이의 연통을 제공한다. 예컨대, 유체는 공극(60)을 따라 축방향으로 흐르고 고정자(30)의 구동 단부의 외부로 유동하여 출구(184b)를 통과할 수 있으며, 유체는 공극(60)을 따라 축방향으로 흐르고 고정자(30)의 비구동 단부의 외부로 유동하여 출구(184a)를 통과할 수 있다.
또한, 전기 기계(100)의 냉각 시스템은 도 1A에 도시된 다수의 액체 냉각 재킷(210)을 포함한다. 액체 냉각 재킷(210)은 고정자(30)의 외부 원주를 중심으로 하여 연장된다. 냉각 재킷(210)은 고정자(30) 주변의 사형 유동 경로를 따라 액상 냉각 유체를 순환시키게 하여 고정자(30)를 냉각시킨다. 냉각 액체의 사형 유동은 원주방향이면서 축방향이다. 즉, 냉각 유체의 사형 유동은 전체적으로 원주방향이며 축방향 횡단을 포함한다. 이와 달리 또는 더불어, 다른 유동 경로 형상도 기 계(100)에서 시행될 수 있다. 액체 냉각 재킷(210)은 복수의 분리된 원주방향의 유동 경로(212)를 형성한다. 각각의 원주방향의 유동 경로(212)는 고정자(30)의 다른 축방향 단면의 주변에 액체 냉각 유체를 순환시켜 고정자(30)의 축방향 단면을 냉각시킬 수 있다. 액체 냉각 재킷(210)은 폐쇄 루프 냉각 시스템의 일부이며, 유체가 고정자(30)로부터 열을 흡수하고 하우징(20) 외부의 냉각원으로 열을 전달하기 때문에 액체 냉각 유체는 주기적으로 가열되고 냉각된다. 몇몇 실시예들에서, 액체 냉각 재킷(210)은 하우징(20)과 고정자(30)로부터 분리가능하다. 예컨대, 액체 냉각 재킷(210)은 전기 기계(100)로부터 제거되어 기계(100)와는 독립적으로 수리되거나 변형될 수 있다.
기계(100)의 작동의 일 태양에서, 냉각 유체는 유체원으로부터 도관(180a 및 180b)으로 유동한다. 유체는 도관(180a)으로부터 유동 유입구(182a)로, 도관(180b)으로부터 유동 유입구(182b)로 각각 통과한다. 유동 유입구(182a 및 182b)로부터, 냉각 유체는 고정자의 각각의 단부를 가로질러 유동하고 각각의 말단 선회부(34)를 냉각시킨다. 말단 선회부(34)를 냉각시킨 이후에, 냉각 유체는 각각의 출구(184a 및 184b)를 통해 배출 다지관으로 유동하여 하우징(20)의 외부로 배출된다. 또한, 냉각 유체는 유체원(130b)으로부터 도관(180c 및 180d)으로 유동한다. 유체는 도관(180c)으로부터 유동 유입구(182c)로, 도관(180d)으로부터 유동 유입구(182d)로 각각 통과한다. 유동 유입구(182c 및 182d)로부터, 냉각 유체는 고정자(30)의 축방향 중앙부의 외부 주위의 하우징에서의 영역을 원주방향으로 통과한다. 이후, 냉각 유체는 회전자(40)를 향해 대체로 방사상 내향으로 유동하여, 다지관(80)을 통과하고, 벤트(70)를 통과하여 공극(60)으로 유동한다. 이후, 냉각 유체는 공극(60)을 따라 축방향으로 유동한다. 유체의 일부는 기계(100)의 구동 단부를 향해 유동하고, 말단 선회부(34b)를 가로지르는 냉각 유체의 유동과 합류하여 출구(184b)를 통해 배출 다지관으로 유동한다. 유체의 다른 일부는 기계(100)의 비구동 단부를 향해 유동하고, 말단 선회부(34a)를 가로지르는 냉각 유체의 유동과 합류하여 출구(184a)를 통해 배출 다지관으로 유동한다.
도 2A 및 도 2B에 도시된 전기 기계(200)는 냉각 시스템의 다른 실시예를 포함한다. 기계(200)는 냉각 유체를 다지관(250)으로 유도하는 단일 냉각 유체원(130)을 포함한다. 다지관(250)은 기계(200)의 다양한 부분들에서 냉각 유체를 분배한다. 다지관(250)은 도관(180g)을 통해 기계(200)의 중앙적층부로 냉각 유체를 유도한다. 다지관(250)은 도관(180f) 및 도관(180e)을 통해 각각 기계(200)의 구동 단부와 비구동 단부 모두로 냉각 유체를 유도한다. 전기 기계(200)는 두 개의 원주방향 유동 경로(212)만 갖는 액체 냉각 재킷(210)을 포함한다.
기계(200) 작동의 일 태양에서, 회전자(40)는 유체원(130)의 압축기 요소를 회전시켜 구동시킨다. 냉각 유체는 유체원(130)으로부터 다지관(250)으로 유동한다. 냉각 유체는 다지관(250)에서 도관(180c, 180f 및 180g)들 사이로 분배된다. 도관으로부터, 냉각 유체는 각각의 유동 유입구(182e, 182f 및 182g)를 통과한다. 유동 유입구(182e 및 182f)로부터, 냉각 유체는 고정자의 각각의 단부를 가로질러 유동하고 말단 선회부(34)를 냉각시킨다. 말단 선회부(34)를 냉각시킨 이후에, 냉각 유체는 각각의 출구(184)를 통해 배출 다지관으로 유동하여 하우징(20)의 외부 로 배출된다. 유동 유입구(182g)로부터, 냉각 유체는 고정자(30)의 축방향 중앙부의 외부 주위의 하우징에서의 영역을 원주방향으로 통과한다. 이후, 냉각 유체는 회전자를 향해 대체로 방사상 내향으로 유동하여, 다지관(80)을 통과하고, 벤트(70)를 통과하여 공극(60)으로 유동한다. 이후, 냉각 유체는 공극(60)을 따라 축방향으로 유동한다. 유체의 일부는 기계(200)의 구동 단부와 비구동 단부의 각각을 향해 유동하고, 말단 선회부(34)를 가로지르는 냉각 유체의 유동과 합류하여 출구(184)를 통해 배출 다지관으로 유동한다.
도시된 전기 기계(100 및 200)는 예시적 실시예이다. 따라서, 전기 기계의 일부 실시예는 도시된 예에 대해 추가적이며 및/또는 다른 특징을 포함할 것이며, 전기 기계의 일부 실시예는 도시된 예의 특징을 생략할 것이다.
도 1A에서, 전도성 권선(32)은 고정자(30)에 통합된다. 그러나, 일부 실시예에서, 권선(32)은 고정자(30)가 아니라 회전자(40)에 포함된다. 도 1A에서, 샤프트(170 및 172)는 회전자(40)에 일체형으로 형성된다. 그러나, 샤프트(170 및 172)는 회전자(40)와 일체형이 아닌, 회전자(40)에 직접 또는 간접적으로 부착되는 분리된 요소일 수 있다. 도 1A에서, 격벽(160 및 162)은 고정자(30)의 작 단부 주위의 체적을 형성한다. 그러나, 기계(100)는 하나 이상의 격벽(160 및 162) 없이 실행될 수도 있다. 일부 실시예에서, 고정자(30)의 각 단부 주위의 체적은 하우징(20) 및/또는 기계의 다른 특징부에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 고정자(30)의 각 단부 주위의 체적은 구조에 의해서가 아니라, 오히려 에어 커튼, 하우징의 내부에 걸친 압력 차이 또는 유입구(182)와 출구(184)의 상대적 배향에 의해 형성된다.
도 1A에서, 유입구(182)는 고정자(30)의 각 단부에서 축방향으로 위치되어, 유체를 회전자(40)에 의해 형성되는 주종축에 대해 대체로 수직으로 유도한다. 일부 실시예에서, 유입구(182)는 고정자의 내부 측면의 외부에 방사상으로, 고정자(30)의 단부를 지나서 축방향으로 배치된다. 즉, 일부 실시예에서, 유동 유입구는 고정자의 외부에 방사상으로 위치되고 고정자의 단부를 지나서 축방향으로 오프셋된다. 예컨대, 유입구(182b)는 고정자(30)의 구동 단부를 지나서, 고정자의 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 유입구(182)는 회전자(40)에 의해 형성된 주종축에 대해 각지게 유체를 유도한다. 예컨대, 유입구(182b)는 고정자(30)의 축방향 중앙부를 향한 각도 또는 축방향 중앙부로부터 멀어지는 각도로 유체를 유도할 수 있다. 도 1A에서, 유입구(182a)와 유입구(182b) 모두는 동일한 방위각에 있다. 즉, 유입구(182a)와 유입구(182b) 모두는 고정자를 가로지르는 동일한 방사상 배향으로 (즉, 해당 페이지의 상부로부터) 유체를 유도한다. 그러나, 일부 실시예에서, 유입구(182a 및 182b) 중 하나 또는 모두는 다른 방위각에서 오프셋된다. 예컨대, 일부 실시예에서, 유입구(182a 및 182b)는 해당 페이지로, 해당 페이지의 외부로 또는 해당 페이지의 하부로부터 유동을 유도할 수도 있다.
도 1B에서, 2개의 유동 유입구(182c 및 182d)는 고정자(30)의 축방향 중앙부에서 정반대이다. 그러나, 일부 실시예에서, 하나의 유입구(182) 또는 2개 이상의 유입구(182; 예컨대, 3개, 4개 또는 5개 이상)가 유동을 공극(60)으로 유도하는 데 사용될 수도 있다. 또한, 유입구(182)는 임의의 방위각 배향으로 존재하거나 고정자(30) 주위의 방위각 배향의 세트로 존재할 수도 있으며, 유입구(182)는 고정자(30)에 대해 어떤 축방향 위치에도 존재할 수 있다. 예컨대, 유동을 공극(60)으로 유도하는 유입구(182)는 4개의 다른 방위각 배향으로 격벽(162)들 사이에서 분배될 수도 있다.
또한, 도 2A 및 도 2B에 도시된 다지관(250) 또는 유사한 구조는 유체를 시스템(100)에서 분배하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 유체원(130a 및 130b)은 도관(180a, 180b, 180c 및 180d)과 유사하게 작용하는 도관들을 형성하는 다지관과 유체소통할 수 있다. 또한, 시스템(200)은 다지관(250) 없이 실행될 수도 있다. 예컨대, 각각의 도관(180e, 180f 및 180g)은 개별적인 파이프 또는 다지관(250)에 독립적인 도관에 의해 형성될 수도 있다.
도시된 실시예들에서, 냉각원(130)은 모터 구동식 팬이다. 그러나, 냉각원은 가압된 냉각 유체원을 제공하는 임의의 유체 유동 발생기일 수도 있다. 일부 실시예에서, 냉각원(130)은 샤프트(170)의 회전에 의해 동력원이 공급되는 압축기이다. 냉각 유체의 예는 공기, 수소, 증기, 질소, 메탄 및 이러한 유체 및/또는 다른 유체들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 경우에, 냉각 유체는 기계의 하나 이상의 측면들을 냉각시키기 위함보다는 다른 이유로 순환된다. 예컨대, 일부 경우에, 냉각 유체는 기계의 하나 이상의 구성요소들을 가열시키는데 사용될 수 있다. 예시적 유체 유동 발생기는 임펠러, 팬, 송풍기 등을 포함한다. 유체 유동 발생기는 샤프트(170)에 결합되지 않고 외부 시스템에 의해 독립적으로 동력을 공 급받는 원심 압축기 또는 모든 유형의 압축기를 포함할 수 있다. 또한, 유체 유동은 다양한 구성요소 및/또는 본 명세서에 정확히 명시되지 않은 전기 기계의 부분들을 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 냉각 유체는 회전자(40), 고정자(30), 베어링(45), 하우징(20) 및 정확히 명시되지 않은 다른 구성요소들을 냉각시킬 수도 있다.
일부 실시예에서, 냉각 유체의 유동은 반전된다. 예컨대, 냉각 유체는 배출 다지관으로부터 출구(184)를 통해 고정자의 단부 주위의 체적으로 유동할 수 있다. 이러한 예에서, 냉각 유체는 고정자의 단부 주위의 체적으로부터 유입구(182)를 통해 도관(180a 및 180b)으로, 그리고 공극(60)을 통해 도관(180c 및 180d)으로 유동한다. 일부 실시예에서, 추가적인 냉각 유체 가이드가 부가되어 유체를 유도하거나 전향시킬 수도 있다. 예컨대, 시스템(200)에서, 배플(190)은 고정자(30)의 측면들을 향해 유체를 유도한다.
액체 냉각 재킷(210)은 4개의 원주방향 유동 경로(212)를 갖는 것으로 도시되지만, 하나 이상의 액체 냉각 재킷(210)은 다수의 원주방향 유동 경로(212)를 갖는 것으로 실행될 수 있다. 예컨대, 액체 냉각 재킷(210)은 4개의 유동 경로(212)보다 적거나 많은 유동 경로를 포함할 수 있다. 액체 냉각 재킷(210)은 개방루프 또는 폐쇄루프 냉각 시스템으로서 실행될 수 있다. 액체 냉각 재킷(210)은 물, 질소 및/또는 기타등과 같은 액체 냉각 유체를 순환시킬 수 있다.
특정 적용예에서, 냉각 시스템은 향상된 유동 및/또는 최적 유동 및/또는 냉각 효율을 제공하도록 변경될 수도 있다. 예컨대, 유입구 가이드 또는 배플과 같 은 수동적으로 또는 자동적으로 조절가능하거나 교체가능한 특징들이 원심 압축기 흡기구에 설치될 수도 있다. 또한, 조정가능한 배플 또는 스로틀 밸브를 포함하는 원심 임펠러의 출력의 유동 경로를 조정하는 일부 실시예에 특징들이 추가될 수도 있다. 일부 실시예에서, 유입 공기의 온도, 조성, 예컨대, 기체들의 혼합, 또는 유입 압력을 조정하여 기체 유동 및/또는 열 전달 특성이 조정될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서는 PLC(프로그램가능 로직 제어기) 또는 매립 프로세서 장치와 같은 제어기로의 입력을 위하여 예컨대, RTD(저항 온도 검출기), 열전대 또는 광감지 장치를 사용하여 예컨대, 회전자, 고정자 또는 유입구와 출구와 같은 다양한 위치에서 관측된, 유입구-출구 차이를 결정하는 온도 정보를 감지 할 수 있다. 제어기는 상태 지시 또는 정보를 제공하거나, 예컨대, LAN 또는 인터넷과 같은 네트워크에 의해 다른 장치와 통신하거나, 또는 전술된 바와 같이 유동을 조정가능한 조정 메커니즘을 제어하는 제어 명령을 발행할 수 있다. 제어기는 예컨대, 관측된 온도와 같은 하나 이상의 파라미터를 조정하기 위해 사용되는 피드백 제어 시스템의 일부일 수 있다.
도 3은 전기 기계를 냉각시키는 절차(300)의 예를 도시하는 흐름도이다. 절차(300)는 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 예시적 전기 기계(100 및 200)를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 절차(300)는 발전, 모터링 또는 다른 작동 모드 이전에, 중간에, 또는 이후에 전기 기계를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 절차(300)는 동일한 순서 또는 상이한 순서로 더 많거나, 더 적거나, 또는 다른 작동들을 포함한다.
302a에서, 냉각 유체는 제1 유동 유입구로부터 고정자의 제1 단부 주위의 대응 체적으로 수용된다. 302b에서, 냉각 유체는 제2 유동 유입구로부터 고정자의 제2 단부 주위의 대응 체적으로 수용된다. 제1 유동 유입구 및/또는 제2 유동 유입구는 고정자의 내부 표면의 외부에 방사상으로 위치된다. 제1 유동 유입구 및 제2 유동 유입구는 동일한 냉각 유체원 또는 2개의 다른 냉각 유체원과 유체 연통할 수 있다.
304a에서, 냉각 유체는 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통된다. 304b에서, 냉각 유체는 고정자의 제2 단부를 대체로 횡단하여 연통된다. 고정자의 제1 단부 및/또는 고정자의 제2 단부에서, 대체로 횡방향의 유동은 고정자로의 유입 없이 고정자의 외부 횡방향 면적을 횡단한다. 예컨대, 대체로 횡방향의 유동은 고정자의 상부로부터 고정자의 하부로 고정자를 가로질러 유동할 수 있으며, 대체로 횡방향의 유동은 고정자의 좌측으로부터 고정자의 우측으로, 또는 어떤 다른 각도로도 고정자를 가로질러 유동할 수 있다. 냉각 유체의 대체로 횡방향의 유동은 단면의 직경에 대체로 수직인 고정자의 축방향 단면에 충돌하는, 대체로 비-축방향 유동일 수도 있다. 일부 실시예에서, 대체로 횡방향의 유동은 축방향 유동 성분을 가진다. 대체로 횡방향의 유동이 고정자의 외부 주연 및/또는 회전자의 외부 주연에 충돌할 때, 유동은 고정자 및/또는 회전자의 원주 주변으로 유도되어, 고정자 및/또는 회전자를 냉각시킨다. 대체로 횡방향의 유동은 말단 선회부를 냉각시키는 냉각 메커니즘으로서 작용할 수도 있다. 일부 실시예에서, 냉각 유체는 고정자의 제1 단부와 제2 단부 모두를 대체로 횡단하여 동시에 연통된다. 다른 실시예에서, 고정자의 구동 단부 또는 비구동 단부만이 대체로 횡방향의 유동에 의해 냉각된다.
306에서, 냉각 유체는 제3 유동 유입구로부터 고정자와 회전자 사이의 공극으로 수용된다. 제3 유동 유입구는 제1 유동 유입구 및/또는 제2 유동 유입구와 동일한 또는 상이한 냉각 유체원과 유체 연통될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 유동 유입구는 다른 방위각 위치에서 고정자의 축방향 중앙부 주위에 분포된 다수의 유동 유입구를 포함한다. 제3 유동 유입구로부터의 냉각 유체는 고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 다지관을 통해 공극으로 연통된다.
308에서, 냉각 유체는 고정자의 제1 단부 및/또는 제2 단부 주위의 체적으로 공극을 따라 축방향으로 연통된다. 일부 실시예에서, 냉각 유체는 제3 유동 유입구의 양측에서 양 축방향으로 공극을 따라 동시에 연통된다. 예컨대, 제3 유동 유입구가 고정자의 축방향 중앙부에 가까이 위치하면, 냉각 유체는 고정자의 중앙부로부터 전기 기계의 구동 단부 및 비구동 단부를 향해 공극을 따라 동시에 유동할 수도 있다. 이러한 경우에, 냉각 유체는 고정자의 제1 단부 주위의 체적 및 고정자의 제2 단부 주위의 체적으로 연통된다. 다른 경우에, 냉각 유체는 고정자의 하나의 단부로만, 예컨대, 고정자의 구동 단부 또는 비구동 단부로 공극을 따라 축방향으로 연통된다.
310a에서, 냉각 유체는 제1 유동 출구를 통해 고정자의 제1 단부 주위의 체적으로부터 수집된다. 310b에서, 냉각 유체는 제2 유동 출구를 통해 고정자의 제2 단부 주위의 체적으로부터 수집된다. 제1 유동 출구 및/또는 제2 유동 출구는 고정자의 내부 표면의 외부에 방사상으로 위치된다. 일부 실시예에서, 제1 유동 출 구를 통해 수집된 냉각 유체는 제1 유동 유입구와 제3 유동 유입구로부터의 냉각 유체를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 유동 출구를 통해 수집된 냉각 유체는 제2 유동 출구와 제3 유동 출구로부터의 냉각 유체를 포함한다. 제1 유동 유입구 및 제2 유동 유입구로부터, 냉각 유체는 하나 이상의 배출 다지관을 통해 기계의 외부로 연통된다.
일부 실시예에서, 제1 유동 출구 및 제1 유동 유입구는 유동을 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통시키도록 협조적으로 배열되며, 및/또는 제2 유동 출구 및 제2 유동 유입구는 유동을 고정자의 제2 단부를 대체로 횡단하여 연통시키도록 협조적으로 배열된다. 일부 실시예에서, 제1 유동 출구 및 제1 유동 유입구는 냉각 유체가 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 체적에 있을 때 냉각 유체를 고정자의 제1 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시키도록 배열되며, 및/또는 제2 유동 출구 및 제2 유동 유입구는 냉각 유체가 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 체적에 있을 때 냉각 유체가 고정자의 제2 단부의 외부 직경을 가로질러 변위되도록 배열된다.
다수의 실시예들이 설명되었다. 그러나, 다양한 변형이 발생할 수도 있음을 이해해야 한다. 따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 전기 기계의 하우징에 배치되며, 고정자의 제1 단부에서 복수의 제1 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서 복수의 제2 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함하며, 대체로 튜브 형상과 내부 측면을 가지는 고정자와,
    상기 고정자의 내부를 통해 연장되는 회전자와,
    상기 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한, 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부의 체적 내로의 유동 유입구와,
    상기 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한, 제1 말단 선회부 주위의 하우징 내부의 체적으로부터의 유동 출구를 포함하며,
    상기 유동 유입구와 유동 출구가 협조적으로 배열되어 유체의 유동이 고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 연통하도록 하는 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유동 출구는 제1 유동 출구를 포함하며, 상기 유동 유입구는 제1 유동 유입구를 포함하며, 상기 체적은 제1 체적을 포함하며, 상기 유동은 제1 유동을 포함하며,
    상기 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한, 제2 말단 선회부 주위의 제2 체적 내로의 제2 유동 유입구와,
    상기 내부 측면의 외부에 방사상으로 위치한, 제2 말단 선회부 주위의 제2 체적으로부터의 제2 유동 출구를 더 포함하며,
    제2 유동 유입구와 제2 유동 출구가 협조적으로 배열되어 제2 유동이 고정자의 제2 단부를 대체로 횡단하여 연통하도록 하는 전기 기계.
  3. 제2항에 있어서, 제1 유동 유입구와 제2 유동 유입구는 단일 냉각 유체원과 유체 연통하는 전기 기계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 체적을 형성하는 하우징에서의 격벽을 더 포함하며, 유동 출구는 격벽을 통한 적어도 하나의 포트를 포함하는 전기 기계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유동 유입구는 제1 유동 유입구를 포함하며,
    고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 다지관을 통해 고정자의 내부 측면과 회전자의 외부 측면 사이에서 형성된 공극으로 제2 유동을 유도하는 제2 유동 유입구를 더 포함하는 전기 기계.
  6. 제5항에 있어서, 제2 유동 유입구는 고정자 주위의 상이한 방위각 위치에 복수의 유동 유입구를 포함하는 전기 기계.
  7. 제5항에 있어서, 제1 유동 유입구와 제2 유동 유입구는 단일 냉각 유체원과 유체 연통하는 전기 기계.
  8. 제5항에 있어서, 제1 유동 유입구는 제1 냉각원과 유체 연통하고, 제2 유동 유입구는 제2 냉각원과 유체 연통하는 전기 기계.
  9. 제5항에 있어서, 제2 유동 유입구는 공극의 축방향 중앙부로 유동을 유도하며, 상기 공극은 제1 말단 선회부 주위의 체적으로 축방향으로 연장하는 전기 기계.
  10. 제1항에 있어서, 액체 냉각 유체를 고정자의 주위에서 원주방향으로 순환시켜 고정자를 냉각시키는 적어도 하나의 냉각 재킷을 고정자의 외부 주위에 더 포함하는 전기 기계.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체 냉각 재킷은 복수의 사형 유동 경로를 형성하고, 각각의 사형 유동 경로는 고정자의 상이한 축 단면의 주위에서 액체 냉각 유체를 순환시켜 고정자의 축 단면을 냉각시키는 전기 기계.
  12. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체 냉각 재킷은 하우징으로부터 분리가능하며 고정자로부터 분리가능한 전기 기계.
  13. 전기 기계의 하우징에서, 하우징 내에 배치된 고정자의 제1 단부 주위의 체적에 냉각 유체를 수용하는 단계와,
    고정자의 제1 단부를 대체로 횡단하여 냉각 유체를 연통시키는 단계와,
    내부 측면의 방사상 외부로부터 상기 체적으로부터 냉각 유체를 수집하는 단계를 포함하며,
    상기 고정자는 고정자의 제1 단부에서 복수의 제1 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서 복수의 제2 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함하며 대체로 튜브 형상과 내부 측면을 가지며, 유동은 내부 측면의 방사상 외부로부터 체적으로 수용되는 전기 기계를 냉각시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 체적은 제1 체적을 포함하고, 상기 냉각 유체는 냉각 유체의 제1 유동을 포함하며,
    내부 측면의 외부로부터 고정자의 제2 단부 주위의 제2 체적으로 냉각 유체의 제2 유동을 수용하는 단계와,
    고정자의 제2 단부를 대체로 횡단하여 냉각 유체의 제2 유동을 연통시키는 단계와,
    내부 측면의 방사상 외부로부터 제2 체적으로부터 냉각 유체의 제2 유동을 수집하는 단계를 더 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  15. 제14항에 있어서, 냉각 유체의 제1 유동을 수용하는 단계는 제1 냉각 유체원으로부터 냉각 유체의 제1 유동을 수용하는 단계를 포함하고, 냉각 유체의 제2 유동을 수용하는 단계는 제1 냉각 유체원으로부터 냉각 유체의 제2 유동을 수용하는 단계를 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  16. 제14항에 있어서, 냉각 유체의 제1 유동을 수용하는 단계는 제1 냉각 유체원으로부터 냉각 유체의 제1 유동을 수용하는 단계를 포함하고, 냉각 유체의 제2 유동을 수용하는 단계는 제2 냉각 유체원으로부터 냉각 유체의 제2 유동을 수용하는 단계를 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  17. 제13항에 있어서, 냉각 유체는 냉각 유체의 제1 유동을 포함하며,
    고정자의 외부 주위에서의 복수의 상이한 방위각 위치로부터 고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 갭을 통해, 고정자의 내부 측면과 고정자를 통해 연장되는 회전자의 외부 측면 사이에서 형성되는 공극으로 냉각 유체의 제2 유동을 유도하는 단계를 더 포함하는 전기 기계 냉각 방법.
  18. 전기 기계의 하우징에 배치되고, 고정자의 제1 단부에서 복수의 제1 말단 선회부와 고정자의 제2, 대향 단부에서 복수의 제2 말단 선회부를 구비하는 권선을 포함하는 대체로 원통형인 고정자와,
    상기 고정자의 내부를 통해 종방향으로 연장되는 회전자와,
    고정자의 코어를 축방향으로 분할하는 갭을 통해 고정자와 회전자 사이에 형성된 공극으로 유동을 유도하는, 고정자의 외부 주위에서 방위각 방향으로 분포된 다수의 위치에서의 복수의 제1 유입구를 포함하며,
    상기 공극은 고정자의 내부를 통해 제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로부터 제2 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로 연장되는 전기 기계.
  19. 제18항에 있어서,
    제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로의 제2 유입구와,
    제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로부터의 제1 출구를 더 포함하며,
    제2 유입구와 제1 출구가 협조적으로 배열되어 유체가 제1 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 체적에 있을 때 냉각 유체를 고정자의 제1 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시키는 전기 기계.
  20. 제19항에 있어서,
    제2 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로의 제3 유입구와,
    제2 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 하우징 내부의 체적으로부터의 제2 출구를 더 포함하며,
    제3 유입구와 제2 출구가 협조적으로 배열되어 유체가 제2 말단 선회부 주위의 고정자 외부의 체적에 있을 때 냉각 유체를 고정자의 제2 단부의 외부 직경을 가로질러 변위시키는 전기 기계.
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