KR102083362B1

KR102083362B1 - 전기 기계

Info

Publication number: KR102083362B1
Application number: KR1020187001081A
Authority: KR
Inventors: 토마스 랑에
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: CN107750414A; EP3289671A1; EP3289671B1; US20180183301A1; RU2685701C1; CN107750414B; KR20180017164A; US10720814B2; WO2016202492A1; DE102015211048A1

Abstract

본 발명은 하우징(2) 및 튜브(3)를 포함하고, 튜브(3)는 채널(5, 25) 내에 있고, 제1 냉각제(6)가 튜브(3) 주위에 유동할 수 있고, 제2 냉각제(7)가 상기 튜브를 통해 유동할 수 있는 전기 기계(1)에 관한 것이다. 전기 기계를 냉각하기 위한 방법에서, 제1 냉각제(6)가 전기 기계(1) 내의 냉각제 회로 내에서 안내되고, 제2 냉각제(2)가 전기 기계를 통해 안내되고, 제1 냉각제(6)는 전기 기계(1)의 회전자(3)를 통해 안내된다. 이 방식으로, 전기 기계의 소형의 효율적인 냉각이 가능하다.

Description

전기 기계

본 발명은 전기 기계 및 그 냉각에 관한 것이다.

전기 기계, 특히 예를 들어 전기 모터 또는 전기 발전기와 같은 동전기 기계(dynamoelectric machine)는 폐열을 방산하기 위해 효율을 증가시키도록 냉각된다.
고정자 적층 스택으로부터 이격되어 있는 프레임(frame)을 포함하고, 냉각 튜브가 최종 공간 내에 안내되어 있는 기계가 US 2,536,815호로부터 공지되어 있다.
파이프 냉각을 갖는 봉입형(enclosed) 전기 기계가 DE 28 36 903 A1호로부터 공지되어 있으며, 이 전기 기계의 고정자는 시트 금속 케이싱(sheet metal casing)에 의해 간극을 갖고 둘러싸여 있고, 이어서 고정자에 의해 지지된 지지 차폐부를 위한 지지링(support ring)에 기밀하게 연결되고, 지지링은 구멍에서 종축에 대칭으로 고정자 주위에 배열된 냉각 파이프에 밀봉 방식으로 영구적으로 연결되어 있다. 따라서, 그 회로의 부분에서, 외부 공기가 그를 통해 유동하는 냉각 파이프 사이에서 고정자 위로 내부 냉각 공기가 유동하는 봉입된 내부 공간이 생성되고, 지지링은 냉각 파이프에 의해서만 유지되고 이들 냉각 파이프는 고정자와 밀접 열접촉하여 유지된다.
팬(fan)을 포함하고, 내부 고온 공기가 측방향 튜브를 통해 순환되고 저온 주위 공기가 튜브 및 고정자 위로 통과되는 동전기 기계가 GB 516,161 A호로부터 공지되어 있다.
그 외부측에 각주형 지지부를 갖는 회전 전기 기계가 US 3,461,328 A호로부터 공지되어 있다. 공기를 냉각하기 위한 통로가 지지부 내의 세분부(subdivisions)에 의해 형성된다.

본 발명의 목적은 전기 기계의 냉각을 향상시키는 것이다.

이 목적의 하나의 해결책은 청구항 1에 청구된 바와 같은 전기 기계에 의해 얻어진다. 이 목적의 다른 해결책은 청구항 12에 청구된 바와 같은 전기 기계를 냉각하기 위한 방법에 의해 얻어진다. 해결책의 다른 실시예가 청구항 2 내지 11, 13 및 14에 청구된 바와 같이 얻어진다.

하우징을 포함하는 전기 기계는 튜브(tube)를 갖는다. 튜브는 채널 내에 있고, 제1 냉각제가 튜브 주위에 유동할 수 있고, 제2 냉각제가 상기 튜브를 통해 유동할 수 있다. 따라서, 튜브는 2개의 별개의 개별 냉각제와 접촉할 수 있다. 여기서, 냉각제 중 적어도 하나 또는 심지어 양 냉각제는 예를 들어 하나의 냉각제 회로 또는 복수의 상이한 냉각제 회로에 할당될 수 있다. 냉각제는 예를 들어, 또한 가열될 때 흡인되고 이격하여 운반될 수 있는 주위 공기일 수 있다.

전기 기계 내의 내부 공기는 또한 기계를 위한 표면 냉각의 기류 내에 위치된 공기 도관에 의해 공급될 수 있다. 다음에, 냉각이 상기 공기 도관의 벽을 거쳐 발생한다. 이 종류의 냉각을 위한 결정 인자는 열전달에 수반된 표면 및 벽 두께이다.

전기 기계 내의 튜브 또는 복수의 튜브의 통합은 냉각제 사이의 열에너지의 교환이 향상될 수 있게 한다.

전기 기계의 내부 공기 도관 내의 하나 이상의 튜브, 특히 얇은벽 튜브의 통합은 제1 냉각제가 튜브 또는 튜브들 주위에 유동하고 제2 냉각제가 상기 튜브 또는 튜브들을 통해 유동할 수 있게 한다.

내부 공기 도관 또는 복수의 내부 공기 도관의 벽에 관한 튜브의 밀봉은 전기 기계의 보호도가 유지될 수 있게 한다. 전기 기계의 내부 공기의 냉각을 위한 열전달은 튜브를 통해 추가로 그 벽을 거쳐서도 발생할 수 있다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 튜브의 길이는 고정자 적층체 또는 전기 기계의 고정자 적층체의 길이와 같거나 크다. 튜브가 길수록, 열전달 프로세스를 위해 제공될 수 있는 표면이 더 커진다.

열전달 프로세스를 위해 제공된 튜브는 상이한 단면을 가질 수 있다. 이는 원형, 타원형 및/또는 각형 단면을 가질 수 있다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널의 길이는 고정자 적층체의 길이와 같거나 크다. 채널의 길이 및 튜브의 길이는 특히 서로 일치한다. 하나의 변형예에서, 튜브는 채널보다 길다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널은 전기 기계의 제1 단부면의 영역에 제1 개구와 전기 기계의 제2 단부면의 영역에 제2 개구를 포함한다. 따라서, 전기 기계의 단부면의 영역에서, 냉각제는 채널에 진입하고 대향 단부면에서 재차 나올 수 있다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 하우징은 원주방향에서 냉각핀을 포함하고, 특히 채널은 냉각핀들 사이에 있다. 냉각핀은 전기 기계의 냉각이 부가로 향상될 수 있게 한다. 냉각핀들 사이에 채널을 배열하는 것은 소형 디자인을 제공할 수 있다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 바이패스(bypass)가 제1 냉각제를 안내하도록 제공된다. 바이패스는 고정자 적층체의 단부면의 영역에서 상이한 채널이 서로 연결될 수 있게 한다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널의 채널벽은 전기 기계의 외부벽이다. 이는 예를 들어 냉각 효율이 증가될 수 있게 한다. 그러나, 이 방식으로 전기 기계의 소형 디자인을 성취하는 것이 또한 가능하다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 상기 기계는 직립 받침부 또는 복수의 직립 받침부들을 포함한다. 여기서, 하나의 직립 받침부 또는 복수의 직립 받침부들은 채널이 직립 받침부와 고정자 적층 스택(stator lamination stack) 사이에 있도록 구체화된다. 이는 전기 기계가 소형 디자인을 갖고 채널 내의 냉각제를 위한 냉각제 회로가 소형이 되지 않는 결과를 갖는다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널은 고정자의 무게력(weight force)을 흡수하고 이 무게력을 직립 받침부 내로 도입하기 위한 지지 구조체를 포함한다. 따라서, 채널은 상이한 기능을 충족할 수 있고, 냉각제를 안내하는 것에 추가하여, 튜브를 적어도 부분적으로 수용하고 전기 기계를 위한 구조적 안정성을 제공할 수 있다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널은 단부면에서 폐쇄되어 있고, 튜브 또는 튜브들은 단부면에서 채널을 관통한다.

전기 기계는 튜브를 갖는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 채널이 전기 기계의 직립 받침부들의 영역에 위치되면, 상기 기계는 특히 튜브를 갖는 2개의 채널을 포함한다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널은 가변 축방향 길이를 갖고, 특히 축방향 길이는 고정자를 향해 증가한다. 이는 채널이 고정자 적층체의 단부면을 향해 개방될 수 있게 한다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 채널 내에 복수의 튜브가 존재한다. 이는 냉각제 사이의 채널 내의 열전달을 위한 표면이 크게 유지될 수 있게 한다.

전기 기계의 하나의 실시예에서, 상기 기계는 전기 기계의 직립 받침부에 적어도 2개의 채널을 포함한다. 그 결과, 전기 기계의 무게중심의 바람직하지 않은 변위의 필요성이 없다.

전기 기계를 냉각하기 위한 방법에서, 제1 냉각제(예를 들어, 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 액체)가 전기 기계 내의 냉각제 회로 내에서 안내되고, 제2 냉각제(예를 들어, 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 액체)가 전기 기계를 통해 안내되고, 제1 냉각제는 특히 전기 기계의 회전자 및/또는 고정자를 통해 안내된다.

방법에 있어서, 전기 기계가 전술된 실시예 중 하나에서 또는 후술되는 바와 같은 실시예에서 사용될 수 있다.

전기 기계의 설명된 실시예 또는 설명된 방법은 전기 기계의 향상된 냉각이 성취될 수 있게 한다. 양호한 냉각을 위한 결정 인자는 특히 열전달에 수반된 표면 및 벽 두께이다. 따라서, 특히 예를 들어 전기 기계의 내부 공기 도관 내의 하나 이상의 얇은벽 튜브의 통합은 냉각을 향상시킬 수 있다. 냉각제는 튜브를 통해 유동한다. 내부 공기 도관의 벽에 관한 튜브의 밀봉은 기계의 보호도가 유지될 수 있게 한다. 따라서, 내부 공기를 냉각하기 위한 열전달은 추가적으로 튜브의 벽을 거쳐서도 발생한다. 내부 공기 도관을 통해 냉각제를 안내하는 것은 튜브 냉각과 표면 냉각의 조합에 기인하는 하이브리드 개념을 야기한다. 표면 냉각은 예를 들어, 전기 기계의 하우징 상의 냉각핀에 의해 발생한다.

이 냉각 개념은 다양한 장점이 개별적으로 또는 조합하여 성취될 수 있게 한다. 이와 같이, 부가의 냉각기 유닛 또는 냉각 모듈 없이 방열의 상당한 증가를 성취하는 것이 가능하다. 냉각을 최적화하기 위한 가능성이 또한 냉각 채널 또는 냉각 튜브의 크기, 형상 및 수를 변동함으로써 성취될 수 있다.

이는 비용 이익(유로화/kW)의 성취 뿐만 아니라, 또한 더 양호한 재료 이용율(특히, 활성부, 즉 비동기식 기계의 경우에, 고정자에 대해)을 가능하게 한다. 냉각면당 사용된 재료의 양의 감소 또는 부가의 공간을 필요로 하지 않고 더 큰 냉각면을 성취하는 것이 가능하다. 이는 더 높은 기계 효율을 야기할 수 있다. 냉각 성능을 향상시키기 위해, 전기 기계는 내부팬 및/또는 외부팬을 포함할 수 있다. 팬 또는 팬들은 일체형 팬 및/또는 개별 구동 팬이다.

전기 기계를 냉각하기 위한 방법의 하나의 실시예에서, 유동은 동일한 방향으로 튜브 또는 튜브들을 통해 발생할 뿐 아니라 상기 튜브 또는 튜브들 주위로 발생한다. 대향 방향이 또한 가능하다. 방법의 이 실시예에서, 이어서 유동은 대향 방향으로 튜브를 통해 발생할 뿐 아니라 상기 튜브 주위로 발생한다.

전기 기계를 냉각하기 위한 방법의 하나의 실시예에서, 유동은 반전 방향으로 튜브 또는 튜브들을 통해 발생할 뿐 아니라 상기 튜브 또는 튜브들 주위로 발생한다.

전기 기계를 냉각하기 위한 방법의 하나의 실시예에서, 기체 냉각제가 제1 냉각제로서 사용되고, 기체 또는 액체 냉각제가 제2 냉각제로서 사용되고, 특히 고정자는 냉각핀에 의해 주로 냉각된다. 이에 따라, 회전자는 이어서, 그를 통해 그리고 그 주위로 유동이 통과하는 튜브를 거쳐 주로 냉각된다.

이하에는 도면을 참조하여 예시로서 본 발명을 설명한다.
도 1은 전기 기계의 하우징을 단면도로 도시하고 있다.
도 2는 전기 기계의 하우징을 측면도로 도시하고 있다.
도 3은 전기 기계의 하우징을 사시 단면도로 도시하고 있다.
도 4는 전기 기계의 하우징을 종단면도로 도시하고 있다.
도 5는 전기 기계를 통한 단면도이다.

도 1의 도시는 전기 기계의 하우징(2)의 단면도를 도시하고 있고, 하우징(2)은 냉각핀(4) 및 직립 받침부들(16, 18)을 포함한다. 직립 받침부들(16, 18)은 냉각 시스템용 튜브가 그를 통해 도입될 수 있는 복수의 구멍을 갖는다. 예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 튜브는 구멍과 기밀 밀봉부를 형성한다. 전기 기계를 고정하는 종래의 이들의 기능에 추가하여, 직립 받침부들은 추가의 기능, 즉 전기 기계의 냉각을 위한 튜브(냉각 튜브)를 지지하고 그리고/또는 채널(냉각 채널)을 폐쇄하거나 경계 한정하는 기능을 갖는다.

도 2의 도시는 전기 기계(1)의 하우징(2)의 측면도를 도시하고 있다. 직립 받침부들(16, 17)로부터 나오는 튜브(3)는 전기 기계(1)의 직립 받침부들(16, 17)의 영역에 도시되어 있다. 튜브(3)는 제1 냉각제가 전기 기계 내에서 이들 튜브 주위에 유동하고 외부로부터 제2 냉각제를 공급받아 이 제2 냉각제가 튜브를 통해 유동하는 것을 보장하도록 제공된다. 바이패스(14)가 전기 기계(1) 내에 제공되고, 이 바이패스에 의해 제1 냉각제가 전기 기계(1)의 단부면들 사이에 연통할 수 있다.

도 3의 도시는 전기 기계(1)의 하우징(2)의 사시 단면도를 도시하고 있다. 여기서, 튜브(3)는 채널(5, 25) 내에 안내된다. 채널(5)은 직립 받침부(16)의 영역에서 종료하거나 시작한다. 채널(25)은 직립 받침부(18)의 영역에서 종료하거나 시작한다. 튜브는 채널(5, 25) 내에 안내된다. 전기 기계가 동작 중일 때, 제1 냉각제는 튜브(3)의 길이를 통해 유동한다. 단자 박스가 단자 구멍(21, 22)을 거쳐 접속될 수 있다. 단자 구멍(21, 22)을 거쳐 케이블 부싱을 제공하거나 케이블을 도입하는 것이 또한 가능하다.

도 4의 도시는 전기 기계(1)의 하우징(2)을 종단면도로 도시하고 있다. 이는 튜브(3)가 그 내로 돌출하는 2개의 채널(5, 25)을 도시하고 있다. 채널(5, 25)은 고정자 적층 스택의 단부면의 영역에서 또는 굽이진 돌출부(winding overhang)의 영역에서(양자 모두 도 5에 도시되어 있음) 개방되어 있다. 제1 냉각제는 또한 직립 받침부들에 대향하는 전기 기계의 영역에서 바이패스(14)를 거쳐 축방향으로 안내될 수 있다. 고정자 적층 스택의 단부면의 영역에서, 냉각제는 직립 받침부 영역으로부터 동일한 단부면 상의 대향하는 직립 받침부 영역으로 바이패스(15)를 거쳐 안내될 수 있다. 채널(5)은 직립 받침부(16)의 영역에 제1 개구(12)를 갖는다. 개구(12)는 전기 기계의 단부면을 향해 지향된다. 따라서, 채널(5)은 예를 들어, 전기 기계의 굽이진 돌출부를 포함하는 영역을 향해 개방된다. 채널(5)은 직립 받침부(17)의 영역에 제2 개구(13)를 또한 갖는다. 개구(13)는 또한 전기 기계의 단부면을 향해 지향된다. 따라서, 여기서, 채널(5)은 또한 예를 들어, 전기 기계의 굽이진 돌출부를 포함하는 영역을 향해 개방된다. 여기에는 도시되어 있지 않은 채널(25)과 같이, 채널(5)은 직립 받침부(16)의 영역에서 전기 기계의 단부면 영역에 정지부(19)를 포함한다. 튜브(3)는 채널(5)의 정지부(19)를 통해 통과한다. 직립 받침부(17)의 영역에서, 채널(5)은 튜브(3)가 그를 통해 통과하는 단부면 정지부(20)를 포함한다.

도 5의 도시는 전기 기계(1)의 다른 양태를 도시하고 있다. 도 5는 전기 기계(1)를 통한 단면도를 도시하고 있고, 여기서 축(24)을 갖는 샤프트(23)에 추가하여, 회전자 적층 스택(10) 및 고정자 적층 스택(8)의 개략도가 또한 존재한다. 본 예에서, 전기 기계(1)의 회전자는 단부면에 팬(11)을 포함한다. 전기 기계의 고정자는 단부면에 굽이진 돌출부(9, 26)를 포함한다. 제1 냉각제(6)는 냉각제 회로(6) 내에서 이들 굽이진 돌출부(9, 26)를 거쳐 안내되고, 상기 냉각제는 전기 기계의 하나의 단부면으로부터 대향 단부면으로 채널(5)을 거쳐 안내된다. 채널(5)은 제1 냉각제(6)가 그 주위에 유동하고 제2 냉각제(7)가 그를 통해 유동하는 튜브(3)를 포함한다. 제1 냉각제(6)는 튜브(3)를 거쳐 제2 냉각제(7)에 열에너지를 방출한다. 제1 냉각제(6)는 예를 들어 기체이고, 제2 냉각제(7)는 예를 들어 액체이다. 제1 및 제2 냉각제(6, 7)는 서로로부터 분리되고 혼합되지 않는다.

Claims

하우징(2), 직립 받침부(16, 17, 18) 및 튜브(3)를 포함하고, 상기 튜브(3)는 채널(5, 25) 내에 있고, 제1 냉각제(6)가 상기 튜브(3) 주위에 유동할 수 있고, 제2 냉각제(7)가 상기 튜브를 통해 유동할 수 있는 전기 기계(1)에 있어서,
바이패스(14, 15)가 상기 제1 냉각제(6)를 안내하도록 제공되고, 상기 채널(5, 25)은 상기 직립 받침부(16, 17, 18)와 고정자 적층체(8) 사이에 있고, 상기 채널(5, 25)은 고정자의 무게력을 흡수하고 이 무게력을 직립 받침부(16, 17, 18) 내로 도입하기 위한 지지 구조체인 것을 특징으로 하는 전기 기계(1).
제1항에 있어서, 상기 튜브(3)의 길이는 고정자 적층체(8)의 길이와 같거나 큰, 전기 기계(1).
제2항에 있어서, 상기 채널(5, 25)의 길이는 상기 고정자 적층체(8)의 길이와 같거나 큰, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널(5)은 상기 전기 기계(1) 또는 상기 전기 기계(1)의 고정자의 제1 단부면의 영역에 제1 개구(12)와 상기 전기 기계(1) 또는 상기 전기 기계(1)의 고정자의 제2 단부면의 영역에 제2 개구(13)를 갖는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징(2)은 원주방향에서 냉각핀(4)을 포함하고, 상기 채널(5, 25)은 상기 냉각핀(4) 사이에 있는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널(5, 25)의 채널벽은 상기 전기 기계(1)의 외부벽인, 전기 기계(1).
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널(5, 25)은 단부면(19, 20)에서 폐쇄되어 있고, 상기 튜브(3)는 상기 단부면에서 상기 채널(5, 25)을 관통하는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널(5, 25)은 가변 축방향 길이를 갖고, 상기 축방향 길이는 상기 고정자를 향해 증가하는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 채널(5) 내에 복수의 튜브(3)가 존재하는, 전기 기계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 기계(들)의 직립 받침부(16, 17, 18)에 적어도 2개의 채널(5, 25)을 갖는, 전기 기계(1).
전기 기계(1)를 냉각하기 위한 방법이며, 제1 냉각제(6)가 상기 전기 기계(1) 내의 냉각제 회로 내에서 안내되고, 제2 냉각제(7)가 상기 전기 기계를 통해 안내되고, 상기 제1 냉각제(6)는 상기 전기 기계(1)의 회전자를 통해 안내되고, 상기 제1 냉각제를 상기 전기 기계(1)의 단부면들 사이에 연통시킬 수 있는 바이패스(14)가 상기 전기 기계 내에 제공되고, 제1항 또는 제2항에 따른 전기 기계(1)가 전기 기계(1)로서 사용되는, 전기 기계(1)를 냉각하기 위한 방법.
제12항에 있어서, 튜브(3)를 통해 발생하는 제2 냉각제(7)의 유동은 상기 튜브(3) 주위로 발생하는 제1 냉각제(6)의 유동과 동일한 방향으로 발생하거나, 또는 상기 튜브(3)를 통해 발생하는 제2 냉각제(7)의 유동은 상기 튜브(3) 주위로 발생하는 제1 냉각제(6)의 유동과 대향 방향으로 발생하는, 전기 기계(1)를 냉각하기 위한 방법.
제12항에 있어서, 기체 냉각제가 제1 냉각제(6)로서 사용되고, 기체 또는 액체 냉각제가 제2 냉각제로서 사용되고, 고정자는 냉각핀(4)에 의해 주로 냉각되는, 전기 기계(1)를 냉각하기 위한 방법.
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