KR20220136266A - 냉각제 누출물을 위한 저장소를 구비한 전기 기계 - Google Patents

냉각제 누출물을 위한 저장소를 구비한 전기 기계 Download PDF

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KR20220136266A
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안드레아스 디에츠
필립 홀츠하이머
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발레오 지멘스 이오토모티브 독일 게엠베하
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Abstract

전기 기계(1)는 스테이터(3) 및 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과, 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 하우징(2) 및 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와, 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 포함하며, 로터(4)의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)는 실링 장치(21)와 하우징(2) 사이에 형성된다. 드라이브트레인 및 이러한 전기 기계(1)를 구비하는 차량(17), 및 전기 기계(1)를 작동시키는 방법이 추가로 설명된다.

Description

냉각제 누출물을 위한 저장소를 구비한 전기 기계{ELECTRIC MACHINE HAVING A RESERVOIR FOR COOLANT LEAKAGE}
본 발명은 스테이터 및 스테이터에 대해 회전 가능한 로터가 수용되는 하우징과, 냉각제가 흐를 수 있고 유입구로부터 하우징 및 로터를 통해 유출구로 연장되는 냉각 채널을 구비한 냉각 장치와, 하우징의 내부 공간에 대해 로터를 밀봉하기 위한 실링 장치를 포함하는 전기 기계에 관련된다.
이러한 유형의 전기 기계는 전기 구동 차량 또는 하이브리드 차량에 점점 더 많이 사용된다. 본 명세서에서, 전기 기계는 차량의 휠이나 액슬(axle)을 구동하기 위한 전기 모터로서 주로 사용된다. 전기 모터는 그 중에서도, 동기 모터 또는 비동기 모터로 구성될 수도 있다.
전기 모터는 일반적으로 회전 속도 적응을 위해 기어박스에 기계적으로 결합된다. 전기 모터는 추가적으로 일반적으로 배터리로부터 공급되는 DC 전압으로부터, 전기 기계의 작동을 위해 AC 전압, 특히, 다상 AC 전압을 생성하는 인버터에 연결된다.
또한, 전기 기계는 차량의 운동 에너지를 회복하기 위한 발전기로서 작동될 수 있으며, 운동 에너지는 먼저, 전기 에너지로 변환된 다음에 배터리의 화학 에너지로 변환된다.
전기 기계의 로터는 일반적으로 원통형 로터 본체로 둘러싸인 로터 샤프트를 구비한다. 적층된 금속 시트의 스택 외에, 로터 본체는 그 중에서도, 영구 자석 또는 전기 전도체를 구비한 권선을 구비할 수도 있다.
전기 기계의 작동 동안에 발생되는 열로 인해, 전기 기계는 열을 발산하기 위한 냉각 장치를 구비하고, 이 냉각 장치는 액체 냉각제가 흐를 수 있는 냉각 채널을 포함한다. 냉각 채널은 유입구로부터 전기 기계의 하우징 및 로터를 통해 외향으로 하우징에 형성된 유출구로 연장된다. 예를 들면, 물-글리콜 혼합물인 냉각제는 회로에서 이송된다.
실링 장치는 예를 들면, 로터의 축방향 및 반경방향으로, 하우징에 대해 로터를 밀봉한다. 특히, 로터를 통과하는 냉각제가 충전된 냉각 채널은 하우징의 내부 공간에 대해 밀봉되고, 그에 따라 냉각 채널로부터 내부 공간으로 냉각제가 통과하여 예를 들면, 부식의 결과로 내부 공간이 손상될 수 없다. 내부 공간은 그 중에서도, 스테이터를 수용할 수도 있고, 그렇지 않으면, 공기로 충전될 수도 있다.
하우징의 내부의 공기 체적의 온도 유도된 변화(temperature-induced change)는 하우징에 음압 또는 양압의 생성을 방지하는 통기 및/또는 환기의 제공을 필요로 한다. 이를 위해, 실링 장치로부터 하우징의 개구부로 연장되는 환기 채널이 제공될 수도 있다.
실링 장치에도 불구하고, 전기 기계의 작동 동안에 실링 장치를 통해 적어도 소량의 냉각제의 기술적인 누출이 발생할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 기술적인 누출(냉각제 누출)은 특히, 전기 기계가 특정 회전 방향으로 작동될 때 발생한다. 전기 구동 차량의 경우, 예를 들면, 후진 주행 동안에 누출이 발생할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 별개의 저장소, 즉, 이 목적을 위해 제공된 용기에서 기술적인 누출물을 수집하는 것이 이미 제안되었다. 그러나, 이 용기는 차량의 유지보수 과정 동안에 특정 시간 간격으로 비워져야 한다.
본 발명의 목적은 더 적은 경비로 작동될 수 있는 전기 기계를 명시하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 서론에서 언급된 유형의 전기 기계의 경우, 본 발명에 따라 로터의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물을 위한 저장소가 실링 장치와 하우징 사이에 형성되는 것이 제공된다.
본 발명은 실링 장치와 하우징 사이에 형성되는 저장소에 의해 수행되는 이러한 기능 덕분에 냉각제 누출물을 수집하기 위한 별도의 용기가 생략될 수 있다는 인식에 기초한다. 이는 먼저, 구조적인 공간을 절약하지만, 훨씬 더 중요한 것은 차량 유지보수 과정 동안에 냉각제 누출물을 비우는 것을 생략할 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 전기 기계는 유지보수 없이 작동될 수 있고, 결과적으로 비용을 절감할 수 있다.
실링 장치는 바람직하게는 반경 방향 및 축방향으로 로터를 밀봉하도록 구성된다. 이는 냉각제가 냉각 채널에서 빠져나와서 예를 들면, 로터 샤프트의 베어링으로 들어가는 것을 방지한다. 반경 방향의 밀봉은 반경 방향 샤프트 시일 링에 의해 구현될 수도 있다. 축방향의 밀봉은 예를 들면, 슬립 링 시일을 갖는 기계적인 하이브리드 시일에 의해 구현될 수도 있다.
게다가, 본 발명에 따른 전기 기계는 소량의 냉각제가 실링 장치를 통과한 결과로 제 1 회전 방향으로의 로터의 회전 동안에 냉각제 누출물이 발생하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 소량의 냉각제가 냉각제 회로에서 빠져나와서 전기 기계의 하우징에 누출물로 수집된다.
실링 장치의 구조로 인해, 제 1 회전 방향으로의 로터의 회전 동안에만 냉각제 누출물이 발생한다. 전기 기계를 이용하여 구동되는 차량의 경우, 제 1 회전 방향은 차량의 후진 주행에 할당될 수도 있다. 냉각제 누출물은 실링 장치와 하우징 사이에 배치된 저장소인 공동의 하부 영역에서 중력의 작용으로 수집된다. 저장소는 특히, 실링 장치를 둘러싸는 여유 공간의 하부 영역으로서 형성될 수도 있다.
본 발명에 따른 전기 기계에서, 특히 유리하게, 냉각제 누출물은 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로의 로터의 회전 동안에 저장소의 외부로 다시 이송된다는 것을 제공될 수 있다. 이는 차량의 전진 주행 동안에 냉각제 누출물로 충전된 저장소가 자동(self-acting)으로 비워진다는 것을 의미한다.
따라서, 저장소로부터 냉각제 누출물을 비우는 것은 차량이 전진 이동할 때 자동으로(automatically) 발생한다. 본 명세서에서, 냉각제 누출물이 실링 장치를 통해 냉각 회로로 다시 공급된다는 것이 중요한다. 그러므로, 냉각제 누출물은 별도의 용기에 수집할 필요가 없으며, 환경으로 흐를 수도 없다.
본 발명의 개선점은 로터, 또는 로터와 함께 회전할 수 있는 실링 장치의 구성요소가 냉각제 누출물이 저장소의 외부로 이송되도록 하는 표면 구조를 갖는다는 것을 제공한다. 따라서, 저장소는 특히 쉽게 조절될 수 있다. 표면 구조는 특히,로터가 제 2 회전 방향으로 회전되는 동안에, 저장소에 수집되는 액체 냉각제가 저장소의 외부로 이송되고 냉각 채널로 복귀하도록 되어 있을 수도 있다.
이를 위해 회전 가능한 구성요소는 슬립 링 시일의, 표면 구조가 제공된 링, 특히, 축방향으로 로터의 밀봉을 위한 전술한 슬립 링 시일의 링으로서 구성될 수도 있다. 표면 구조는 예를 들면, 레이저에 의해 링에 새겨질 수도 있다.
이러한 링은 EP 3190317 A1에 설명되며, 냉각제가 저장소로부터 냉각 채널 내로 다시 펌핑될 수 있는 나선형 홈을 가질 수도 있다. 링에는 슬립 링 시일의 슬라이딩 기능을 향상시키는 소위 레일리 스텝(Rayleigh steps)이 추가로 구비될 수도 있다.
게다가, 실링 장치는 냉각제 누출물을 위한 저장소를 한정하는 반경방향 샤프트 시일 링을 구비할 수도 있다. 따라서 저장소는 반경방향 샤프트 시일과 전기 기계 하우징의 내측 사이에서 연장된다.
게다가, 상술된 목적은 본 발명에 따른 전기 기계를 구비하는 차량용 드라이브트레인(drivetrain)에 의해 달성된다. 드라이브트레인은 전기 기계에 결합된 기어박스 및/또는 기계에 연결된 인버터를 추가로 구비할 수도 있으며, 인버터에 의해, 전기 기계의 작동에 필요한 다상 AC 전압이 제공될 수 있다.
게다가, 상기 목적은 상기 유형의 드라이브트레인을 구비하는 차량에 의해 달성된다.
추가적으로, 본 발명은 전기 기계를 작동시키는 방법에 관련되고, 본 전기 기계는 스테이터 및 스테이터에 대해 회전 가능한 로터가 수용되는 하우징과, 냉각 장치와, 냉각제가 흐를 수 있고, 유입구로부터 하우징 및 로터를 통해 유출구로 연장되는 냉각 채널과, 하우징의 내부 공간에 대해 로터를 밀봉하기 위한 실링 장치를 구비한다.
본 발명에 따른 방법은 제 1 회전 방향으로의 로터의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물을 위한 저장소가 실링 장치와 하우징 사이에 형성된다는 사실에 의해 구별되며, 냉각제 누출물은 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로의 로터의 회전 동안에 저장조의 외부로 다시 이송된다.
전기 기계의 설명과 관련하여 논의된 이점 및 상세는 또한 본 발명에 따른 방법에 유사하게 적용되는 것이 명백하다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 기초하여 이하에 논의된다. 도면은 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 기계의 단면 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 로터의 우측 단부의 확대도를 도시한다.
도 3은 실링 장치의 상세를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 차량을 도시한다.
도 1의 단면 사시도에 도시된 전기 기계(1)는 차량의 드라이브트레인에 속한다.
전기 기계(1)는 하우징(2)을 포함하며, 하우징(2)에는 스테이터(3) 및 스테이터(3)에 대해 회전 가능하고 로터 샤프트(23)를 구비하는 로터(4)가 수용된다. 로터 샤프트(23)는 원통형 로터 본체(24)에 의해 밀폐된다. 게다가, 전기 기계(1)는 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 하우징(2)을 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치를 더 포함한다.
유입구(7) 및 유출구(6)는 냉각제가 회로에서 이송되도록 냉각제 라인(도시되지 않음)을 통해 펌프에 연결된다. 냉각제는 전기 기계(1)의 작동 동안에 발생하는 열을 발산한다.
도 1에서 냉각 채널(5)이 유입구(7)로부터 진행하는 하우징(2)을 통해 연장되는 것을 알 수 있다. 냉각제는 냉각 파이프(25)를 통해 로터(4)의 중공 로터 샤프트(23)로 유동한다. 냉각 파이프(25)의 단부에서, 냉각제의 유동 방향이 역전되고, 이를 따라 냉각제가 실링 장치(21)를 지나서 로터 샤프트(23)의 외부로 유동하고(도 2 참조), 유출구(6)측으로 흐른다.
하우징(2)의 외부에는, 전기 기계(1)의 작동에 필요한 AC 전압을 제공하는 인버터(8)가 배치된다.
도 2는 도 1에 도시된 로터 샤프트(23)의 우측 단부의 단면도를 도시한다. 실링 장치(21)는 하우징(2)에 대해 반경 방향 및 축방향으로 로터 샤프트(23)를 밀봉하는 역할을 한다. 특히, 실링 장치(21)는 스테이터(3)가 수용되는 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 로터 샤프트(23)를 밀봉하는 역할을 한다. 시일은 냉각제가 내부 공간(22)을 통과하여 스테이터(3)의 권선을 부식시키는 것을 방지한다.
실링 장치(21)는 슬립 링 시일(9) 및 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 포함한다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(23)의 자유 단부(도 2의 우측)와 하우징(2)의 섹션 사이에서 축방향으로 배치된다. 슬립 링 시일(9)은 로터 샤프트(23)를 축방향으로 밀봉한다.
로터 샤프트(23)의 상기 단부는 경화된 고급 강철로 구성된 슬리브(10)에 의해 밀폐된다. 슬리브(10)는 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 반경방향으로 로터 샤프트(23)를 밀봉하는 반경방향 샤프트 실링 링(11)에 의해 밀폐된다.
실링 장치(21)는 전기 구동 차량의 후진 주행에 할당된 전기 기계의 특정 회전 방향으로, 상술된 기술적인 누출물이 발생하는 특성을 갖는다. 그러나, 상기 기술적인 누출물은 수 밀리리터의 범위의 소량만을 포함한다.
도 2의 단면도에서, 그리고 실링 장치(21)의 상세를 도시하는 도 3의 확대도에서, 슬립 링 시일(9)과 반경 방향 샤프트 시일 링(11)과 시일을 둘러싸는 하우징(2)의 내부의 그 섹션 사이에 둘러싸는 여유 공간이 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 여유 공간, 특히, 전기 기계(1)의 설치된 상태의 여유 공간의 하부 영역은 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)의 역할을 한다. 전기 기계(1)의 작동의 결과로서 기술적인 누출물이 발생하는 경우, 특히, 역방향 이동 동안에 상기 누출물이 저장소(12)에 수집된다.
회전 방향이 반대인 경우, 상기 냉각제 누출물은 실링 장치(21)를 통해 냉각제 회로로 다시 공급된다. 따라서, 로터(4)가 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로 회전하면, 저장소(12)가 다시 비워진다.
슬립 링 시일(9)은 고정 시일(13)과, 로터 샤프트(23)와 함께 회전 가능하고 특별한 표면 구조를 갖는 링(14)을 포함한다. 특히, 슬립 링 시일(9)은 기계적인 하이브리드 시일로서 구성될 수도 있다.
저장소(12)에 수집된 냉각제 누출물은 링(14)의 표면 구조에 의해 실링 장치(21)를 통해 냉각제 회로 내로 다시 이송되거나 안내된다.
따라서, 전기 기계(1)의 작동 방법에서는, 제 1 회전 방향으로의 로터(4)의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물은 저장소(12)에 수집되고, 상기 누출물은 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로의 로터(4)의 회전 동안에 저장소(12)의 외부로 다시 이송된다.
도 4는 전기 기계(1)를 포함하는 드라이브트레인을 구비한 차량(17)을 도시한다. 전기 기계(1)는 기어박스(18)를 통해 차량(17)의 휠(19)에 결합된다. 전기 기계(1)는 추가로 인버터(8)에 연결된다. 배터리(20)에 저장된 에너지는 인버터(8)에 의해 전기 기계(1)의 작동을 위한 AC 전압으로 변환되는 DC 전압을 제공한다.
1 : 전기 기계
2 : 하우징
3 : 스테이터
4 : 로터
5 : 냉각 채널
6 : 유출구
7 : 유입구
8 : 인버터
9 : 슬립 링 시일
10 : 슬리브
11 : 반경방향 샤프트 실링 링
12 : 저장소
13 : 정적 링
14 : 회전 가능한 링
17 : 차량
18 : 기어박스
19 : 휠
20 : 배터리
21 : 실링 장치
22 : 실내 공간
23 : 로터 샤프트
24 : 로터 본체
25 : 냉각 파이프

Claims (10)

  1. 전기 기계(1)로서,
    - 스테이터(3) 및 상기 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과,
    - 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 상기 하우징(2) 및 상기 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와,
    - 상기 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 포함하는, 상기 전기 기계(1)에 있어서,
    상기 로터(4)의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)가 상기 실링 장치(21)와 상기 하우징(2) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 장치(21)는 반경 방향 및 축방향으로 상기 로터(4)를 밀봉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 기계(1)는 제 1 회전 방향으로의 상기 로터(4)의 회전 동안에 냉각제 누출물이 발생하도록 구성되고, 상기 냉각제 누출물은 상기 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로의 상기 로터(4)의 회전 동안에 상기 저장소(12)의 외부로 다시 이송되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 기계(1)는 상기 제 2 회전 방향으로의 상기 로터(4)의 회전 동안에 냉각제 누출물이 상기 냉각 채널(5) 내로 복귀되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 로터(4), 또는 상기 로터(4)와 함께 회전 가능한 상기 실링 장치(21)의 구성요소는 냉각제 누출물이 상기 저장소(12)의 외부로 이송되게 하는 표면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 구성요소는 슬립 링 시일(9)의 링(14)으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실링 장치(21)는 냉각제 누출물을 위한 상기 저장소(12)를 한정하는 반경방향 샤프트 시일 링(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 기계(1)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(14)용 드라이브트레인.
  9. 제 8 항에 기재된 드라이브트레인을 구비하는 것을 특징으로 하는
    차량(14).
  10. 전기 기계(1)의 작동 방법으로서, 스테이터(3) 및 상기 스테이터(3)에 대해 회전 가능한 로터(4)가 수용되는 하우징(2)과, 냉각제가 유동할 수 있고 유입구(7)로부터 상기 하우징(2) 및 상기 로터(4)를 통해 유출구(6)로 연장되는 냉각 채널(5)을 구비한 냉각 장치와, 상기 하우징(2)의 내부 공간(22)에 대해 상기 로터(4)를 밀봉하기 위한 실링 장치(21)를 구비하는, 상기 전기 기계(1)의 작동 방법에 있어서,
    제 1 회전 방향으로의 상기 로터(4)의 회전 동안에 발생하는 냉각제 누출물을 위한 저장소(12)가 상기 실링 장치(21)와 상기 하우징(2) 사이에 형성되고, 상기 냉각제 누출물은 상기 제 1 회전 방향과 반대인 제 2 회전 방향으로의 상기 로터(4)의 회전 동안에 저장소(12)의 외부로 다시 이송되는 것을 특징으로 하는
    전기 기계의 작동 방법.
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