KR20230135673A

KR20230135673A - 전기 기계

Info

Publication number: KR20230135673A
Application number: KR1020237029478A
Authority: KR
Inventors: 플로리앙 나흐트만; 로랑 이네이켄; 마티아스 바우어; 카이 유켈란트
Original assignee: 섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2022-03-01
Publication date: 2023-09-25
Also published as: EP4302385A1; WO2022184211A1; US20240146133A1; DE102021105338A1; JP2024509116A; CN116888863A

Abstract

본 발명은 고정자(2) 및 고정자(2)에 대해 회전 가능하게 장착된 회전자(3)를 포함하는 전기 기계(1)에 관한 것이다. 회전자(3)는 회전자 샤프트(4) 및 회전자 샤프트(4)에 회전 고정되는 회전자 몸체(5)를 포함한다. 회전자 샤프트(4)는 축방향으로 연장되고 유압 유체(16)로 충전될 수 있는 유압 채널(6)을 구비하며, 유압 채널(6)로부터 제1 반경방향 유체 채널(7)이 반경방향 외측으로 연장된다. 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소(10)가 회전자 몸체(5)의 축방향 단부면(9) 상에서 회전자 몸체(5)에 회전 고정되며, 커버 요소(10)는 회전자 몸체(5)의 축방향 단부면(9)과 함께, 제1 반경방향 유체 채널(7)에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 제1 냉각 채널(18)을 형성하여, 유압 유체(16)가 반경방향 유체 채널(7) 및 제1 냉각 채널(18)을 통해 반경방향으로 회전자 샤프트의 유압 채널(6)의 외부로 원심력 지지식으로 이송될 수 있도록 한다.

Description

전기 기계

본 발명은 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능하게 장착된 회전자를 포함하는 전기 기계로서, 상기 회전자는 회전자 샤프트 및 상기 회전자 샤프트에 회전 고정식으로 연결되는 회전자 몸체를 포함하고, 상기 회전자 샤프트는 축방향으로 연장되고 유압 유체로 충전될 수 있는 유압 채널을 구비하며, 상기 유압 채널로부터 제1 반경방향 유체 채널이 반경방향 외측으로 연장되고, 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소가 상기 회전자 몸체의 축방향 단부면 상에서 상기 회전자 몸체에 회전 고정식으로 연결되며, 상기 커버 요소는 상기 회전자 몸체의 상기 축방향 단부면과 함께, 상기 제1 반경방향 유체 채널에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 제1 냉각 채널을 형성하여, 상기 유압 유체가 상기 반경방향 유체 채널 및 상기 제1 냉각 채널을 통해 반경방향으로 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널의 외부로 원심력 지지식으로 이송될 수 있도록 하는 전기 기계에 관한 것이다.

전기 모터는 화석 연료를 필요로 하는 내연기관의 대안을 창출하기 위해 자동차를 구동하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 일용 전기 구동장치의 적합성을 개선하고 사용자가 익숙한 운전 쾌적성을 사용자에게 제공할 수 있도록 이미 상당한 노력이 기울여왔다.

영구 여자 동기 기계(permanently excited synchronous machine)는 그러한 많은 전기이동성 응용분야에 사용된다. 일반적으로, 이러한 영구 여자 동기 기계는 통전될 고정자 및 영구 여자 회전자를 포함한다. 회전자는 일반적으로 샤프트, 밸런싱 플레이트들, 적층 회전자 코어들 및 자석들을 포함한다. 상기 자석들은 일반적으로 적층 회전자 코어들에 고정된다.

전기 회전식 기계의 성능은 무엇보다도 작동 중에 발생하는 열에 의존하는데, 이는 열을 증가함에 따라 기계의 효율이 감소하기 때문이다.

핫 스팟(hot spot)이라고 지칭되는 것이 전기 회전식 기계에서 발생할 수 있다는 것도 알려져 있다. 핫 스팟은 전기 기계의 작동 중에 회전자 및/또는 고정자에서 가장 큰 열 발생이 일어나는 영역이다.

전기 기계의 회전자 및 고정자를 냉각하기 위해 일반적으로 사용되는 조치들은, 원심력을 이용하고 냉각제를 이용하여 내부에서 반경방향으로 회전자를 냉각하되, 상기 냉각제는 회전자의 단부면들을 따라 유동하는 것, 및 냉각제뿐만 아니라 상기 냉각제의 방산, 그리고 이에 따라 상기 냉각제에 의해 흡수된 열을 이용하여 외부로부터 반경방향으로 고정자를 냉각하는 것이다.

전기이동성 분야에서 전기 기계의 속도가 점점 더 증가하는 경향으로 인해, 일반적으로 횡방향 간섭 끼워맞춤(transverse interference fit)이 회전자 스택들에 요구되며, 이것이 일반적으로 스택에 냉각제를 공급하는 것이 가능하지 않은 이유이다. 차량 부문에서 현대 전기 구동장치의 높은 속도는 원심력 관련 흡입 효과가 반경방향 냉각제 채널에서 발생한다는 것을 의미하기도 하며, 이는 해당 전기 기계의 냉각 시스템에서 유압 유체의 제어되지 않은 분포를 초래할 수 있다. 그러한 흡입 효과로 인한 유압 유체의 이러한 제어되지 않고 원하지 않는 분포는 결과적으로 전기 기계의 열적으로 중요한 영역들에서 불충분한 냉각 능력을 초래할 수 있다. 이는 결국 전기 기계의 효율 감소 또는 심지어 전기 기계의 열 손상 및 고장으로 이어진다.

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 단점들을 완화 또는 완전히 제거하는 것으로, 고속에서도 회전자에 대해 제어되고 신뢰성 있는 냉각을 제공할 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 독립항들에서 설명된 조치들에 의해 달성된다. 추가적인 유리한 실시예들이 종속항들에 명시되어 있다.

일 측면에 따르면, 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능하게 장착된 회전자를 포함하는 전기 기계로서, 상기 회전자는 회전자 샤프트 및 상기 회전자 샤프트에 회전 고정식으로 연결되는 회전자 몸체를 포함하고, 상기 회전자 샤프트는 축방향으로 연장되고 유압 유체로 충전될 수 있는 유압 채널을 구비하며, 상기 유압 채널로부터 제1 반경방향 유체 채널이 반경방향 외측으로 연장되고, 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소가 상기 회전자 몸체의 축방향 단부면 상에서 상기 회전자 몸체에 회전 고정식으로 연결되며, 상기 커버 요소는 상기 회전자 몸체의 상기 축방향 단부면과 함께, 상기 제1 반경방향 유체 채널에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 제1 냉각 채널을 형성하여, 상기 유압 유체가 상기 반경방향 유체 채널 및 상기 제1 냉각 채널을 통해 반경방향으로 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널의 외부로 원심력 지지식으로 이송될 수 있도록 하는 전기 기계로서, 상기 제1 반경방향 유체 채널은 제1 유동 단면 및 상기 제1 유동 단면의 상부에 반경방향으로 형성된 제2 유동 단면을 구비하며, 상기 제1 유동 단면 및 상기 제2 유동 단면은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지고, 상기 제1 반경방향 유체 채널의 상기 제2 유동 단면의 5% ~ 75% 사이, 바람직하게는 15 ~ 25% 사이가 상기 회전자 몸체에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있으며, 상기 제2 유동 단면은 상기 회전자 샤프트와 상기 제1 냉각 채널 사이에 반경방향으로 배열된 제1 저장 챔버 내로 개방되고, 상기 제1 반경방향 유동 채널의 부피는 상기 제1 저장 챔버의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기 기계가 제공된다.

본 발명에 따른 전기 기계의 회전자 상의 이러한 유압 냉각 통로의 구성은 고속에서 흡입 효과가 발생하는 것을 신뢰성 있게 방지할 수 있다.

회전자 몸체에 의한 제1 반경방향 유체 채널의 제2 유동 단면의 축방향 부분 중첩은, 특히 고속에서 회전자 몸체의 습윤화(wetting)를 개선할 수 있다.

본 발명과 관련하여, 용어 "반경방향" 및 "축방향"은 항상 회전자의 회전축을 지칭한다.

먼저, 본 발명의 청구된 요지의 개별 요소들은 청구범위에서 명명된 순서로 설명되며, 본 발명의 요지의 특히 바람직한 실시예들이 아래에 설명된다.

전기 기계는 전기 에너지를 기계적 에너지로 및/또는 그 반대로 변환하기 위해 사용되며, 일반적으로 고정자 또는 전기자(armature)로 지칭되는 고정부 및 회전자로 지칭되고 상기 고정부에 대해 이동 가능하게 배열되는 부분을 포함한다. 전기 기계는 특히 하이브리드 또는 완전 전기 자동차의 구동 트레인 내에서 사용하기 위한 것이다. 특히, 전기 기계는 50 km/h 초과, 바람직하게는 80 km/h 초과, 특히 100 km/h 초과의 차량 속도가 달성될 수 있도록 치수가 결정된다. 전기 모터는 특히 바람직하게는 30 kW 초과, 바람직하게는 50 kW 초과, 특히 70 kW 초과의 출력을 갖는다. 또한, 전기 기계는 5,000 rpm 초과, 특히 바람직하게는 10,000 rpm 초과, 매우 특히 바람직하게는 12,500 rpm 초과의 속도를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기 기계는 특히 자동차의 구동 트레인 내에서 사용하기 위한 반경방향 자속 기계(radial flux machine)로서 구성된다. 본 출원의 맥락에서, 자동차의 구동 트레인은 자동차에서 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시켜 상기 동력을 차륜을 경유하여 도로로 전달하는 모든 구성요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

전기 기계의 고정자는 바람직하게는 원통형 방식으로 구성되고, 바람직하게는 서로 전기적으로 절연되고 층들로 구성되며 적층 코어를 형성하도록 패키징되는 전기적 적층체로 구성된다.

회전자는 전기 기계의 회전(스피닝(spinning))하는 부분이다. 회전자는 회전자 샤프트 및 상기 회전자 샤프트 상에 회전 고정식으로 배열되는 하나 이상의 회전자 몸체를 포함한다. 상기 회전자 샤프트는 중공을 가질 수 있으며, 이는 한편으로는 중량을 절감시키고 다른 한편으로는 회전자 몸체에 윤활제 또는 냉각제가 공급되도록 한다.

본 발명의 맥락에서, 상기 회전자 몸체는 회전자 샤프트를 제외한 회전자를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상기 회전자 몸체는 특히 적층 회전자 코어 및 상기 적층 회전자 코어의 포켓(pocket)으로 유입되거나 상기 적층 회전자 코어에 원주방향으로 고정된 자기 요소, 및 상기 포켓을 폐쇄하기 위해 존재하는 임의의 축방향 커버부로 구성된다.

회전자 몸체는 종종 스택으로도 지칭되는 하나 이상의 적층 회전자 코어를 포함할 수 있다. 적층 회전자 코어는 일반적으로 전기 시트 금속으로 형성되고 적층되어 패키징됨으로써 스택을 형성하는 복수의 적층 개별 적층체들 또는 회전자 적층체들을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 이는 적층 회전자 코어라고 지칭된다. 이후, 개별 적층체는 접착(gluing), 용접, 또는 나사 결합에 의해 적층 코어 내에 함께 유지되도록 유지될 수 있다.

또한, 전기 기계는 냉각 시스템을 구비할 수 있다. 냉각 시스템은 전기 기계 내에서 전기적 손실에 의해 발생된 열을 방산시키기 위해 사용된다. 이러한 냉각 시스템은 회전자(회전자 냉각 채널) 및/또는 고정자(고정자 냉각 채널) 내에 냉각 채널들을 구비할 수 있으며, 이를 통해 상응하는 냉각 매체 또는 유압 유체가 열을 방산시키기 위해 안내된다. 이를 위해, 상기 냉각 시스템은 특히 냉각 시스템을 통해 바람직하게는 폐쇄 회로에서 냉각 매체를 이동시키는 하나 이상의 펌프를 구비할 수 있다.

전기 기계에서, 상기 유압 유체는 가열되고 있는 전기 기계의 영역으로부터 최대한 효율적으로 열을 방산시키고 이러한 영역의 원하지 않는 과열을 피하도록 하는 기능을 갖는다. 이러한 주요 목적 이외에, 유압 유체는 전기 기계의 냉각 시스템의 가동부 및 금속 표면에 대한 윤활 및 부식 보호를 제공할 수도 있다. 더욱이, 이는 특히 (예컨대, 마모로 인한) 불순물, 물 및 공기를 방산시킬 수도 있다.

상기 유압 유체는 바람직하게는 액체이다. 유압 유체는 특히 오일일 수 있다. 그러나, 원칙적으로 수성 유압 유체, 예컨대 에멀젼을 사용하는 것도 고려될 수 있다.

또한, 상기 전기 기계는 바람직하게는 자동차용 하이브리드 모듈 내에 사용되도록 제공될 수 있다. 하이브리드 모듈에서, 하이브리드 구동 트레인의 구조적 및 기능적 요소들은 하이브리드 모듈이 특히 간단한 방식으로 자동차의 구동 트레인에 통합될 수 있도록 공간적 및/또는 구조적으로 조합되고 미리 구성될 수 있다. 특히, 전기 기계 및 클러치 시스템, 특히 구동 트레인에 전기 기계를 결합 및/또는 구동 트레인으로부터 전기 기계를 분리하기 위한 분리 클러치를 구비한 클러치 시스템이 하이브리드 모듈에 존재할 수 있다.

특히, 전기 기계는 바람직하게는 자동차의 구동 트레인 내의 전기 차축 구동 트레인에서 사용하기 위해 제공될 수도 있다. 자동차의 전기 차축 구동 트레인은 전기 기계 및 변속기를 포함하며, 상기 전기 기계 및 상기 변속기는 구조적 단위를 형성한다. 이러한 구조적 단위는 종종 E-차축(E-axle)으로도 지칭된다.

본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 상기 회전자 샤프트는 축방향으로 연장되고 유압 유체로 충전될 수 있는 유압 채널을 구비하며, 상기 유압 채널로부터 상기 제1 반경방향 유체 채널 및 상기 제1 반경방향 유체 채널로부터 축방향으로 이격된 제2 반경방향 유체 채널이 반경방향 외측으로 연장되고, 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소가 상기 회전자 몸체의 상기 축방향 단부면들 상에서 상기 회전자 몸체에 회전 고정식으로 연결되며, 상기 커버 요소는 상기 회전자 몸체의 상기 축방향 단부면들 중 하나와 함께, 상기 반경방향 유체 채널들 중 하나에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 냉각 채널을 형성하여, 상기 회전자가 상응하는 적어도 하나의 제1 냉각 채널 및 적어도 하나의 제2 냉각 채널을 구비하도록 함으로써, 상기 유압 유체가 원심력에 의해 상기 반경방향 유체 채널들 및 상기 냉각 채널들을 통해 반경방향으로 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널로부터 이송될 수 있도록 하고, 상기 제2 반경방향 유체 채널은 제3 유동 단면 및 상기 제3 유동 단면 상부에 반경방향으로 형성된 제4 유동 단면을 구비하며, 상기 제3 유동 단면 및 상기 제4 유동 단면은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지고, 상기 제2 반경방향 유체 채널의 상기 제4 유동 단면의 5% ~ 75% 사이, 바람직하게는 15 ~ 25% 사이가 상기 회전자 몸체에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있으며, 상기 제4 유동 단면은 상기 회전자 샤프트와 상기 제2 냉각 채널 사이에 반경방향으로 배열된 제2 저장 챔버 내로 개방되고, 상기 제1 반경방향 유동 채널의 부피는 상기 제1 저장 챔버의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 가질 수 있다.

이러한 구성의 장점은 회전자 몸체의 냉각을 위한 2개의 유압 통로 사이에 유압 유체가 고르게 분배될 수 있다는 것이며, 이는 유압 시스템의 구성에 의해 흡입 효과가 신뢰성 있게 방지될 수 있기 때문이다.

커버 요소와 회전자 몸체 사이의 냉각 채널의 개수는, 고정자 몸체의 원주에 걸쳐 가능한 가장 대칭적인 냉각 능력을 달성하기 위해, 특히 바람직하게는 폴(pole) 쌍의 개수, 매우 특히 바람직하게는 폴 쌍의 개수의 2배에 해당한다. 냉각 채널들은 바람직하게는 동일한 디자인을 가지며, 반경방향 직선을 따라 연장된다. 또한, 상기 냉각 채널들은 바람직하게는 회전자 몸체의 원주에 걸쳐 등간격으로 배열된다.

커버 요소는 충분한 강도를 제공할 수 있도록 바람직하게는 고강도 알루미늄으로 형성된다.

본 발명의 추가적인 바람직한 개량에 따르면, 상기 제1 냉각 채널은 상기 제1 반경방향 유체 채널의 상기 제1 유동 단면의 0.5 ~ 1.5 사이에 해당하는 유동 단면을 구비할 수도 있다. 또한, 본 발명의 유사하게 유리한 실시예에 따르면, 상기 제2 냉각 채널은 상기 제2 반경방향 유체 채널의 상기 제3 유동 단면의 0.5 ~ 1.5 사이에 해당하는 유동 단면을 구비할 수 있다. 이러한 조치들은 바람직하지 않게 발생된 흡입 효과의 억제를 지원하기도 한다.

하나 이상의 냉각 채널은 특히 회전자 몸체에 대면하는 환형 디스크형 커버 요소의 단부면 상에 형성될 수 있으며, 특히 바람직하게는 엠보싱(embossing) 공정에 의해 커버 요소 내로 유입된다. 회전자 몸체로부터 멀어지는 측을 대면하는 환형 디스크형 커버 요소의 단부면은 특히 평면 디자인을 가질 수 있으며, 그 결과, 예컨대, 평면 센서 대상 디자인이 요구되는 센서 기능의 개발이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 커버 요소는, 원주방향으로 등거리로 배열되고 회전자가 회전할 때 증분 센서에 의해 검출되어 회전자 위치 신호로 처리되는 포켓형 리세스를 구비하는 알루미늄으로 형성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 특히 바람직한 실시예에 따르면, 상기 커버 요소들 중 적어도 하나는 축방향으로 연장되는 유출 채널을 구비할 수 있다. 이러한 방식으로, 특히, 축방향으로 유출되는 유압 유체가 유출 채널의 상부에 반경방향으로 배열되고 일반적으로 높은 열 부하를 받을 수 있는 고정자의 권선 돌출부로 향할 수 있다는 효과가 달성될 수 있으므로, 전기 기계의 전반적인 냉각이 개선될 수 있다. 유출 채널은 특히 바람직하게는 본질적으로 회전자 몸체에 존재하는 자기 포켓들의 중간에 위치된다.

또한, 상기 유출 채널은 상기 제1 또는 제2 반경방향 유체 채널의 상기 제1 유동 단면의 50 ~ 300% 사이에 해당하는 유동 단면을 구비하도록 본 발명을 더욱 개량할 수도 있으며, 이로써 원하지 않는 흡입 효과가 더욱 억제될 수 있다.

본 발명의 유사하게 바람직한 실시예 변형에서, 상기 커버 요소들 중 적어도 하나는 상기 커버 요소의 반경방향 내측 측면 상에 면취부를 구비하여, 상기 냉각 채널들 중 하나와 상응하는 상기 저장 챔버 사이에 깔때기-유사 전이부가 존재하도록 할 수도 있다. 이는 회전자의 유압 냉각 통로로의 유압 유체의 균일한 공급을 지원할 수도 있는데, 이는 원치 않는 흡입 효과가 깔때기-유사 전이부에 의해 더욱 감소될 수 있다는 것이 확인되었기 때문이다. 상기 챔퍼도 유압 유체를 회전자 몸체의 방향으로 향하게 하며, 이는 냉각에 유리한 효과를 가진다. 본 발명의 하나의 가능한 실시예에서, 챔퍼는 반경방향으로 저장 챔버를 통해 완전히 연장될 수 있으며, 이에 따라 환형 저장 챔버 벽을 형성할 수 있다.

상기 회전자는 최대 12,000 ~ 18,000 rpm의 속도로 작동하도록 본 발명을 더욱 개량하는 것이 유리할 수도 있으며, 상기 유압 시스템은 이러한 속도 범위에서 특히 효율적이고 안전하게 작동하여 바람직하지 않은 흡입 효과를 감소시키거나 피할 수 있다.

본 발명의 요지의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널은 반경방향 외측으로 연장되고 상기 회전자 몸체의 외부에서 상기 회전자 샤프트에 축방향으로 배열되는 제3 반경방향 유체 채널을 구비할 수 있으며, 상기 제3 반경방향 유체 채널은 특히 상기 회전자 몸체의 외부의 추가적인 부품들이 전기 기계 내에서 냉각될 수 있도록 한다.

마지막으로, 상기 저장 챔버들 중 적어도 하나는 단면이 볼록하고 반경방향 외측으로 만곡된 외부 반경방향 윤곽부를 구비하도록 본 발명을 유리하게 구현할 수도 있으며, 이 또한 원하지 않는 흡입 효과를 감소시키거나 피하는 효과적인 조치임이 입증되었다.

본 발명은 본 발명의 일반적인 개념을 제한하지 않으면서 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도면에서:
도 1은 전기 기계를 나타내는 축방향 단면도이고,
도 2는 전기 기계의 회전자를 나타내는 축방향 단면도이며,
도 3은 축방향 단면도에서 회전자의 저장 챔버 주위의 영역을 나타내는 상세도이고,
도 4는 회전자를 나타내는 단면도이며,
도 5는 하이브리드 및 완전 전기 구동 트레인을 구비하는 자동차를 나타내는 개략적인 블록도이다.

도 1은 고정자(2) 및 고정자(2)에 대해 회전 가능하게 장착된 회전자(3)를 포함하는 전기 기계(1)를 도시한다. 회전자(3)는 회전자 샤프트(4) 및 회전자 샤프트(4)에 회전 고정식으로 연결되는 회전자 몸체(5)를 구비한다.

도 2로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 회전자 샤프트(4)는 축방향으로 연장되고 유압 유체(16)로 충전될 수 있는 유압 채널(6)을 구비하며, 유압 채널(6)로부터 제1 반경방향 유체 채널(7)이 반경방향 외측으로 연장된다. 환형 디스크형 커버 요소(10)가 회전자 몸체(5)의 양 축방향 단부면(9) 상에서 회전자 몸체(5)에 회전 고정식으로 연결된다. 유압 유체(16)는 미도시된 유압 펌프에 의해 후술될 유압 시스템을 통해 이송될 수 있다.

커버 요소(10)는 회전자 몸체(5)의 축방향 단부면(9)과 함께, 제1 반경방향 유체 채널(7)에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 제1 냉각 채널(18)을 형성하여, 유압 유체(16)가 반경방향 유체 채널(7) 및 제1 냉각 채널(18)을 통해 반경방향으로 회전자 샤프트의 유압 채널(6)의 외부로 원심력 지지식으로 이송될 수 있도록 한다.

도 3의 상세도에 도시된 바와 같이, 제1 반경방향 유체 채널(7)은 제1 유동 단면(12) 및 제1 유동 단면(12)의 상부에 반경방향으로 형성된 제2 유동 단면(13)을 구비한다. 제1 유동 단면(12) 및 제2 유동 단면(13)은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지며, 제1 반경방향 유체 채널(7)의 제2 유동 단면(13)의 15 ~ 25% 사이가 회전자 몸체(5)에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있다. 제2 유동 단면(13)은 회전자 샤프트(4)와 제1 냉각 채널(18) 사이에 반경방향으로 배열된 제1 저장 챔버(17) 내로 개방되고, 제1 반경방향 유동 채널(7)의 부피는 제1 저장 챔버(17)의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 갖는다.

또한, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 유압 채널(6)로부터, 제1 반경방향 유체 채널(7) 및 제1 반경방향 유체 채널(7)로부터 축방향으로 이격된 제2 반경방향 유체 채널(8)이 반경방향 외측으로 연장된다. 이 경우에서도, 커버 요소(10)는 회전자 몸체(5)의 상응하는 축방향 단부면(9)과 함께, 반경방향 유체 채널(8)에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 냉각 채널을 형성하여, 회전자(3)가 상응하는 적어도 하나의 제1 냉각 채널(18) 및 적어도 하나의 제2 냉각 채널(19)을 구비한다.

따라서, 유압 유체(16)가 원심력에 의해 반경방향 유체 채널들(7, 8) 및 냉각 채널들(18, 19)을 통해 반경방향으로 회전자 샤프트(4)의 유압 채널(6)의 외부로 이송될 수 있다. 제1 반경방향 유체 채널과 마찬가지로, 제2 반경방향 유체 채널(8)은 제3 유동 단면(14) 및 제3 유동 단면(14)의 상부에 반경방향으로 형성된 제4 유동 단면(15)을 구비하며, 제3 유동 단면(14) 및 제4 유동 단면(15)은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지고, 제2 반경방향 유체 채널(8)의 제4 유동 단면(15)의 15 ~ 25% 사이가 회전자 몸체(5)에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있다. 제4 유동 단면(12)은 회전자 샤프트(4)와 제2 냉각 채널(19) 사이에 반경방향으로 배열된 제2 저장 챔버(24) 내로 개방되고, 제2 반경방향 유동 채널(8)의 부피는 제2 저장 챔버(24)의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 갖는다.

각각의 커버 요소(10)는 축방향으로 연장되는 유출 채널(20)을 구비하며, 유출 채널(20)은 제1 또는 제2 반경방향 유체 채널(7, 8)의 제1 유동 단면(12, 14)의 50 ~ 300% 사이에 해당하는 유동 단면(21)을 구비한다. 이는 유압 유체(16)가 회전자(2)의 외부로 나가 고정자(2)의 단부 권선 상으로 배출됨으로써, 고정자(2)의 단부 권선이 이에 따라 냉각될 수 있도록 하며, 이는 도 1로부터 명확하게 이해될 수 있다. 냉각 채널들(18, 19)은 특히 커버 요소들(10)에 엠보싱 처리되어 가공을 생략할 수 있다.

도 2로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 제1 유동 단면(12) 및 제3 유동 단면(14)으로부터 각각의 유출 채널(20)까지의 2개의 유압 통로는 본질적으로 동일한 디자인을 가진다.

또한, 도 3으로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 제1 냉각 채널(18)은 제1 반경방향 유체 채널(7)의 제1 유동 단면(12)의 0.5 ~ 1.5 사이인 유동 단면을 구비하고, 제2 냉각 채널(19)은 제2 반경방향 유체 채널(8)의 제3 유동 단면(14)의 0.5 ~ 1.5 사이에 해당하는 유동 단면을 구비한다.

각각의 커버 요소(10)는 커버 요소(10)의 반경방향 내측 측면(22) 상에 면취부(23)를 구비하여, 냉각 채널들(18, 19) 중 하나와 상응하는 저장 챔버(17, 24) 사이에 깔때기-유사 전이부가 존재하도록 한다.

또한, 회전자 샤프트(4)의 유압 채널(6)은 반경방향 외측으로 연장되고 회전자 몸체(5)의 외부에서 회전자 샤프트(4)에 축방향으로 배열되는 제3 반경방향 유체 채널(25)을 구비한다. 제3 반경방향 유체 채널(25)은 특히 전기 기계(1)의 다른 구성요소를 냉각시키기 위해 제공된다.

도 4는 도 2로부터 확인되는 회전자(3)를 나타내는 단면도이다. 원주방향으로 서로 90°만큼 오프셋되고 회전자 샤프트(4)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 4개의 냉각 채널(18, 19)을 확인할 수 있으며, 각각의 냉각 채널(18, 19)은 유출 채널(20) 내로 개방된다. 각각의 저장 챔버들(17, 24)은 단면이 볼록하고 반경방향 외측으로 만곡된 외부 반경방향 윤곽부(26)를 구비한다는 것이 상기 단면도에 명확하게 도시되어 있다.

전기 기계(1)는 특히, 도 5에 예시로서 도시된 바와 같이, 자동차(27)의 하이브리드 또는 완전 전기 구동 트레인(28)에 사용하기 위한 것이다. 도 5의 상부 도면에서는 전기 기계(1)를 구비하는 하이브리드 모듈(30)이 구동 트레인(28)에 통합된 반면, 하부 도면에서는 전기 기계(1)를 구비하는 전기 차축 구동 트레인(29)이 상응하는 자동차(27)의 구동 트레인(28)에 통합된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들로 제한되지 않는다. 따라서, 이상의 설명은 제한적인 것으로 간주되지 않고, 오히려 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 이하의 청구범위는 명명된 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 존재한다는 의미로 이해되어야 한다. 이는 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다. 특허청구범위 및 이상의 설명이 “제1” 및 “제2” 특징들을 정의하는 경우, 이러한 지정은 우선 순위를 정의하는 것이 아니라 동일한 유형의 2개의 특징들을 구별하는 역할을 한다.

1 전기 기계
2 고정자
3 회전자
4 회전자 샤프트
5 회전자 몸체
6 유압 채널
7 제1 반경방향 유체 채널
8 제2 반경방향 유체 채널
9 단부면
10 커버 요소
12 제1 유동 단면
13 제2 유동 단면
14 제3 유동 단면
15 제4 유동 단면
16 유압 유체
17 제1 저장 챔버
18 제1 냉각 채널
19 제2 냉각 채널
20 유출 채널
21 유동 단면
22 측면
23 면취부
24 제2 저장 챔버
25 제3 반경방향 유체 채널
26 반경방향 윤곽부
27 자동차
28 구동 트레인
29 전기 차축 구동 트레인
30 하이브리드 모듈

Claims

고정자(2) 및 상기 고정자(2)에 대해 회전 가능하게 장착된 회전자(3)를 포함하는 전기 기계(1)로서, 상기 회전자(3)는 회전자 샤프트(4) 및 상기 회전자 샤프트(4)에 회전 고정식으로 연결되는 회전자 몸체(5)를 포함하고, 상기 회전자 샤프트(4)는 축방향으로 연장되고 유압 유체(16)로 충전될 수 있는 유압 채널(6)을 구비하며, 상기 유압 채널(6)로부터 제1 반경방향 유체 채널(7)이 반경방향 외측으로 연장되고, 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소(10)가 상기 회전자 몸체(5)의 축방향 단부면(9) 상에서 상기 회전자 몸체(5)에 회전 고정식으로 연결되며, 상기 커버 요소(10)는 상기 회전자 몸체(5)의 상기 축방향 단부면(9)과 함께, 상기 제1 반경방향 유체 채널(7)에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 제1 냉각 채널(18)을 형성하여, 상기 유압 유체(16)가 상기 반경방향 유체 채널(7) 및 상기 제1 냉각 채널(18)을 통해 반경방향으로 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널(6)의 외부로 원심력 지지식으로 이송될 수 있도록 하는 전기 기계(1)로서,
상기 제1 반경방향 유체 채널(7)은 제1 유동 단면(12) 및 상기 제1 유동 단면(12)의 상부에 반경방향으로 형성된 제2 유동 단면(13)을 구비하며, 상기 제1 유동 단면(12) 및 상기 제2 유동 단면(13)은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지고, 상기 제1 반경방향 유체 채널(7)의 상기 제2 유동 단면(13)의 5% ~ 75% 사이, 바람직하게는 15 ~ 25% 사이가 상기 회전자 몸체(5)에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있으며, 상기 제2 유동 단면(13)은 상기 회전자 샤프트(4)와 상기 제1 냉각 채널(18) 사이에 반경방향으로 배열된 제1 저장 챔버(17) 내로 개방되고, 상기 제1 반경방향 유동 채널(7)의 부피는 상기 제1 저장 챔버(17)의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항에 있어서,
상기 회전자 샤프트(4)는 축방향으로 연장되고 유압 유체(16)로 충전될 수 있는 유압 채널(6)을 구비하며, 상기 유압 채널(6)로부터 상기 제1 반경방향 유체 채널(7) 및 상기 제1 반경방향 유체 채널(7)로부터 축방향으로 이격된 제2 반경방향 유체 채널(8)이 반경방향 외측으로 연장되고, 적어도 하나의 환형 디스크형 커버 요소(10)가 상기 회전자 몸체(5)의 상기 축방향 단부면들(9) 상에서 상기 회전자 몸체(5)에 회전 고정식으로 연결되며, 상기 커버 요소(10)는 상기 회전자 몸체(5)의 상기 축방향 단부면들(9) 중 하나에 연결되어 상기 반경방향 유체 채널들(7, 8) 중 하나에 유압식으로 결합될 수 있고 양측이 개방된 적어도 하나의 냉각 채널(19)을 형성하여, 상기 회전자(3)가 상응하는 적어도 하나의 제1 냉각 채널(18) 및 적어도 하나의 제2 냉각 채널(19)을 구비하도록 함으로써, 상기 유압 유체(16)가 원심력에 의해 상기 반경방향 유체 채널들(7, 8) 및 상기 냉각 채널들(18, 19)을 통해 반경방향으로 상기 회전자 샤프트의 상기 유압 채널(6)의 외부로 이송될 수 있도록 하고, 상기 제2 반경방향 유체 채널(8)은 제3 유동 단면(14) 및 상기 제3 유동 단면(14) 상부에 반경방향으로 형성된 제4 유동 단면(15)을 구비하며, 상기 제3 유동 단면(14) 및 상기 제4 유동 단면(15)은 1:1.5 ~ 1:25 사이의 비율을 가지고, 상기 제2 반경방향 유체 채널(8)의 상기 제4 유동 단면(15)의 5% ~ 75% 사이, 바람직하게는 15 ~ 25% 사이가 상기 회전자 몸체(5)에 의해 축방향으로 부분적으로 덮여 있으며, 상기 제4 유동 단면(12)은 상기 회전자 샤프트(4)와 상기 제2 냉각 채널(19) 사이에 반경방향으로 배열된 제2 저장 챔버(24) 내로 개방되고, 상기 제2 반경방향 유동 채널(8)의 부피는 상기 제2 저장 챔버(24)의 부피에 대해 0.5:1 ~ 3:1 사이의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제2항에 있어서,
상기 제2 냉각 채널(19)은 상기 제2 반경방향 유체 채널(8)의 상기 제3 유동 단면(14)의 0.5 ~ 1.5 사이에 해당하는 유동 단면을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 냉각 채널(18)은 상기 제1 반경방향 유체 채널(7)의 상기 제1 유동 단면(12)의 0.5 ~ 1.5 사이에 해당하는 유동 단면을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버 요소들(10) 중 적어도 하나는 축방향으로 연장되는 유출 채널(20)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유출 채널(20)은 상기 제1 또는 제2 반경방향 유체 채널(7, 8)의 상기 제1 유동 단면(12, 14)의 50 ~ 300% 사이에 해당하는 유동 단면(21)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커버 요소들(10) 중 적어도 하나는 상기 커버 요소의 반경방향 내측 측면(22) 상에 면취부(23)를 구비하여, 상기 냉각 채널들(18, 19) 중 하나와 상응하는 상기 저장 챔버(17, 24) 사이에 깔때기-유사 전이부가 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자(3)는 최대 12,000 ~ 18,000 rpm의 속도로 작동하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자 샤프트(4)의 상기 유압 채널(6)은 반경방향 외측으로 연장되고 상기 회전자 몸체(5)의 외부에서 상기 회전자 샤프트(4)에 축방향으로 배열되는 제3 반경방향 유체 채널(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저장 챔버들(17, 24) 중 적어도 하나는 단면이 볼록하고 반경방향 외측으로 만곡된 외부 반경방향 윤곽부(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(1).