KR20170101989A - 액체 냉각 이빨들을 구비하는 전기 기계 고정자 - Google Patents

Abstract

전기 기계 고정자의 이빨들을 냉각하기 위한 시스템. 고정자는 복수 개의 라미네이션들로 형성될 수 있는 고정자 코어를 포함한다. 각각의 라미네이션은 복수 개의 백 아이언 구멍들, 복수 개의 이빨 팁 구멍들 및 복수 개의 긴 구멍들을 구비한다. 라미네이션들이 고정자 코어를 형성하기 위해 어셈블리될 때, 백 아이언 구멍들은 백 아이언 입구 채널들 및 백 아이언 출구 채널들을 형성하기 위해 정렬되고, 이빨 팁 구멍들은 이빨 팁 냉각 채널들을 형성하기 위해 정렬된다. 긴 구멍들은 L자형이고, 백 아이언 입구 채널들 및 백 아이언 출구 채널들을 이빨 팁 채널들에 연결한다. 냉각 유체는, 예를 들어, 백 아이언 입구 채널을 통해 축방향으로, 긴 구멍을 통해 이빨 팁으로 방사상으로 안쪽으로, 이빨 팁 채널을 따라 축방향으로, 다른 긴 구멍을 통해 백 아이언 출구 채널로 유동할 수 있다.

Description

액체 냉각 이빨들을 구비하는 전기 기계 고정자

본 발명에 따른 실시 예들의 하나 이상의 양태들은 전기 기계들에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 전기 기계 고정자를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다.

지속적인 질량 대 출력비(비출력(specific power))는 전기 모터들, 특히 전기 및 하이브리드 자동차들에 사용되는 모터들의 중요한 측정 기준이다. 이 파라미터가 증가하면 일정 수준의 성능을 유지하면서 모터 질량을 줄일 수 있다. 이는 직접적, 간접적으로 경제적 이익을 제공한다. 동력은 토크 배속(rpm)과 같기 때문에, 높은 비출력은 높은 샤프트 속도 및 단위 질량당 높은 토크(높은 비 토크)의 조합에 의해 달성될 수 있다. 전기 및 코어 자기 주파수들은 샤프트 속도에 비례할 수 있고, 자기 손실들은 이러한 주파수들의 제곱으로 대략 증가할 수 있기 때문에 코어 손실들은 속도가 증가함에 따라 빠르게 증가할 수 있다. 마찬가지로 권선 손실들은 토크의 제곱에 비례할 수 있으므로, 이 손실 성분은 토크가 증가함에 따라 급격히 증가할 수 있다. 결과적으로, 높은 비출력 기계들의 작동은 코어 및 권선에 대한 효율적인 열 제거에 의해 촉진될 수 있다.

권선 온도가 코어 온도를 초과할 수 있고, 권선 온도들이 상승하면 권선 손실들이 증가할 수 있다. 따라서, 고정자 내에서의 핫-스팟 온도 및 총 손실을 포함하는 메트릭(metric)이 정의될 수 있다. 이 메트릭인 고정자 열 저항은 고정자 권선의 가장 뜨거운 부분과 전체 고정자 열 분산에 의해 나눠진 냉각 매체(예를 들어, 입구 냉각재) 사이의 온도 차이로 정의됩니다. 고정자 열 저항이 낮아짐에 따라, 연속적인 동력 능력 및 그에 따른 전체 기계의 연속 동력 정격이 증가할 수 있다. 이와 같이 낮은 고정자 열 저항은 높은 비출력을 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 관련 기술의 액체-냉각 고정자(liquid-cooled stator)에서, 액티브 코어는 액체 냉각 외장(enclosure) 내에 포함될 수 있고, 권선은 슬롯 라이너들 및 전기 바니시(electrical varnish)를 통해 코어로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 권선 내에서 발생된 열은 외장 내에서 유동하는 냉각제에 도달하기 전에 각각 열 저항을 추가하는 전기 바니시 및 슬롯 라이너들과 같은 일련의 요소를 통해 유동하도록 제한될 수 있다. 전기 바니시 및 슬롯 라이너들 모두는 상당한 열 저항을 제공할 수 있다. 열은 코어 이빨들에 의해 수용되고, 백 아이언을 통해 방사상으로 유동하고, 외장 상으로 유동한다.

큰 직경의 기계들의 경우, 이빨들과 백 아이언 열 저항들이 모두 중요할 수 있다. 코어 및 외장 사이의 인터페이스는 외장 자체의 재료와 같이 또 다른 저항 요소를 나타낼 수 있다. 추가적인 저항 요소는 외장의 내부 표면들으로부터 냉각제로의 열전달과 관련된다. 이러한 열 저항 요소들의 조합은 모터의 성능을 제한할 수 있다. 고정자의 온도, 특히 고정자 이빨들 팁들의 온도는 또한 전도, 대류 및 복사 열 전달에 의해 고정자와 열을 교환할 수 있는 회 전자에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 전기 모터의 고정자를 냉각시키기 위한 개선된 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기 기계 고정자는, 복수 개의 레이어들을 구비하는 고정자 코어를 포함하고, 상기 레이어들의 각각은 백 아이언 부분과 복수 개의 이빨(tooth)들을 구비하고, 상기 복수 개의 레이어들 중 제 1 레이어의 상기 복수 개의 이빨들 중 하나의 이빨은, 유체 채널의 제 1 부분을 형성하는 제 1 구멍을 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 제 1 레이어에 인접한 레이어는 상기 제 1 구멍에 오버랩하는 구멍을 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은 상기 이빨 내부에서 방사상으로 연장한다.

일 실시 예에서, 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은, 상기 복수 개의 레이어들 중 하나의 레이어의 두께와 동일한 축방향 치수를 가진다.

일 실시 예에서, 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은, 상기 축에 대해 방사상의 성분을 구비하는 방향의 제 1 세그먼트와, 상기 축에 대해 방위각의 성분을 구비하는 방향의 제 2 세그먼트를 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 고정자 코어는 전체 볼륨을 구비하고, 상기 고정자 코어는 전체 유체 접촉 면적을 구비하고 상기 유체 채널을 포함하는 복수 개의 유체 채널들을 구비하고, 상기 전체 유체 접촉 면적으로 나눠진 상기 전체 볼륨은 1인치 미만이다.

일 실시 예에서, 상기 제 1 레이어는 상기 제 1 구멍의 미러-이미지 형상을 갖는 제 2 구멍을 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들 중 제 2 레이어는, 상기 복수 개의 레이어들 중 제 1 레이어와 동일한 형상을 구비한다.

일 실시 예에서, 상기 레이어들의 각각의 상기 백 아이언 부분은 복수 개의 제 2 구멍들을 구비하고, 상기 제 2 구멍들은 인접한 레이어들 상에 오버랩되어 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들을 형성한다.

일 실시 예에서, 상기 제 1 구멍은 상기 제 2 구멍들 중 하나에 오버랩한다.

일 실시 예에서, 상기 고정자는 상기 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들의 서브세트로 유체 유동을 안내하거나, 상기 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들의 서브세트로부터 유체 유동을 수용하기 위한 유동 디렉터를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 유동 디렉터는 상기 고정자 코어의 일 단부에 있는 레이어이다.

일 실시 예에서, 상기 유체 채널은, 상기 복수 개의 레이어들의 제 1 서브세트의 상기 백 아이언 부분을 통과하는 제 1 축방향 세그먼트; 상기 제 1 레이어의 상기 백 아이언 부분의 제 1 방위각의 세그먼트; 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분인 제 1 방사상의 세그먼트; 상기 복수 개의 레이어들의 제 2 서브세트의 각각의 개개의 이빨을 통해 연장하는 제 2 축방향 세그먼트; 상기 복수 개의 레이어들의 제 2 레이어의 이빨 내의 제 2 방사상의 세그먼트; 상기 제 2 레이어의 상기 백 아이언 부분의 제 2 방위각의 세그먼트; 및 상기 복수 개의 레이어들의 제 3 서브세트의 상기 백 아이언 부분을 통과하는 제 3 축 방향 세그먼트를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들은 복수 개의 라미네이션들이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들은 엣지-권선된 스트립의 복수 개의 턴(turn)들이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들은 면-권선된 스트립의 복수 개의 턴(turn)들이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 이빨들의 상기 이빨들은, 상기 스트립의 제 1 단부에서 상기 스트립의 제 2 단부보다 좁고, 상기 스트립의 상기 제 1 단부에서 인접한 이빨들 사이의 슬롯의 폭은, 상기 스트립의 상기 제 2 단부에서 인접한 이빨들 사이의 슬롯의 폭과 동일하다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들의 각각의 상기 복수 개의 이빨들의 각각의 이빨은, 상기 백 아이언 부분으로부터 방사상으로 안쪽으로 연장한다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들의 각각의 상기 복수 개의 이빨들의 각각의 이빨은, 상기 백 아이언 부분으로부터 방사상으로 바깥쪽으로 연장한다.

일 실시 예에서, 상기 전기 기계는, 고정자 권선; 및 약 0.4W/m/ºC보다 큰 열 전도율을 갖는 전기 절연 수지를 포함하고, 상기 수지는, 약 10% 미만의 공극률로, 상기 고정자 코어 및 상기 고정자 권선 사이의 공간 및/또는 상기 복수 개의 레이어들 중 한 쌍의 인접한 레이어들 사이의 갭을 채운다.

일 실시 예에서, 상기 전기 기계는, 상기 복수 개의 레이어들 중 인접한 2개의 레이어들 사이의 갭에 밀봉 화합물을 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들의 각각은, 개개의 이빨의 팁에서 복수 개의 구멍들 중 하나의 구멍을 구비하고, 상기 복수 개의 구멍들은 제 1 구멍을 포함하고, 상기 복수 개의 구멍들의 상기 구멍들은 오버랩하여 유체 채널의 제 2 부분을 형성하고, 상기 유체 채널의 제 2 부분은 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분을 포함하고, 상기 유체 채널의 제 2 부분은 실질적으로 축방향이다.

일 실시 예에서, 상기 복수 개의 레이어들의 모든 레이어들은 동일하고, 상기 복수 개의 레이어들의 각각의 레이어는 인접한 레이어에 대해 하나의 이빨 피치만큼 클록(clock)된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기 기계는 회전축을 구비하는 로터; 및 축을 구비하는 고정자를 포함하고, 상기 고정자의 상기 축은 상기 로터의 상기 회전축이고, 상기 고정자는, 복수 개의 레이어들을 구비하는 고정자 코어를 구비하고, 상기 레이어들의 각각은 백 아이언 부분 및 복수 개의 이빨들을 구비하고, 상기 복수 개의 레이어들의 제 1 레이어의 상기 복수 개의 이빨들의 하나의 이빨은, 유체 채널의 제 1 부분을 형성하는 제 1 구멍을 구비한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기 기계는 로터; 복수 개의 이빨들을 갖는 고정자 코어를 구비하는 고정자; 상기 고정자 코어의 상기 이빨들을 통해 유체를 채널링하기 위한 채널 수단; 및 상기 채널 수단에 상기 유체를 공급하기 위한 펌핑 수단을 포함한다.

본 발명의 특징들 및 이점들은 명세서, 청구범위 및 첨부된 도면들을 참조하여 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 기계의 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 기계의 다른 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 라미네이션의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 고정자 라미네이션의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 라이네이션들의 스택의 분해 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 라미네이션들의 스택의 부분의 분해 사시도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 전의 스트립의 부분의 평면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 전의 스트립의 부분의 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 전의 스트립의 3개의 부분들의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지-권선된 스트립으로부터 형성된 고정자 코어의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 면-권선된 스트립으로부터 형성된 고정자 코어의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 매니폴드 구조와 함께, 면-권선된 스트립으로부터 형성되는 고정자 코어의 분해도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 엔드-턴 냉각 요소들과 매니폴드 구조와 함께, 면-권선된 스트립으로부터 형성되는 고정자 코어의 분해도이다.
도 2a 및 도 2b와, 도 5a 및 도 5b는 각각의 실시 예에 대해 일정한 스케일로 도시된다.

첨부된 도면과 관련하여, 이하에 설명되는 상세한 설명은 본 발명에 따라 제공되는 횡 방향 액체 냉각 이빨들(transverse liquid cooled teeth)을 갖는 전기 기계 고정자의 예시적인 실시 예들에 대한 설명으로서 의도되고, 본 발명에 따라 제공되어 구성되고 이용되는 형태들만을 나타내는 것은 아니다. 상세한 설명은 예시된 실시 예들과 관련하여 본 발명의 특징을 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 의도된 다른 실시 예에 의해 동일하거나 등가의 기능 및 구조가 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 본원은 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 동일한 도면 부호들은 동일한 요소들 또는 특징을 나타내기 위한 것이다.

본 발명의 일부 실시 예들은 전체 권선 대 냉각제 열 저항이 적당히 감소되도록 열 저항을 제거하거나 감소시켜 연속적인 비 전역을 현저히 증가시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시 예에서, 냉각제는 고정자 코어 이빨들 내에 도입되어, 열 전달 경로 길이가 매우 작은 값으로 유지되고 냉각제 헤드 손실들도 비교적 낮은 값으로 유지된다.

도 1a를 참조하면, 일 실시 예에서, 고정자는 자기 고정자 코어(102, magnetic stator core), 권선(104), 입구 매니폴드(106) 및 출구 매니폴드(108)를 포함한다. 차례로, 고전자 코어(102)는 스택된 내부 라미네이션들(110) 및 단부 라미네이션들(112)을 포함한다. (고정자 코어의 백 아이언에서) 백 아이언 구멍들(130)은 백 아이언 채널들(132)을 형성하도록 오버랩(overlap)된다. 도 1a의 단면도도는 고정자 코어(102)의 상부 부분에서 권선 슬롯을 통해 그리고, 고정자 코어(102)의 하부에서 대향하는 권선 슬롯을 통해 취해진다.

도 1b는 고정자 코어(102)의 상부 부분에서 이빨(120)의 중심을 통과하고 고정자 코어(102)의 하부 부분에서 대향하는 이빨의 중심을 통과하는 단면도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 각각 하나의 라미네이션의 위치에서 고정자 이빨으로 방사상으로 연장되는 복수 개의 긴 구멍들(122)이 단면으로 보일 수 있다. 또한, 긴 구멍들(122) 중 하나의 방사상 부분을 포함하지 않는 각각의 이빨은 이빨 팁 구멍들(126, tooth tip aperture)을 포함하고; 이빨 팁 구멍(126)은 내부 라미네이션들(110)이 적층될 때 정렬되어 축 방향 이빨 팁 채널들(128)을 형성한다. 본원에 사용된 바와 같이, 회전 모터 용 고정자의 "축"은 그러한 고정자와 함께 사용되는 로터가 가질 회전축이며, "축 방향"은 이 축에 평행하다. 도 1a 및 도 1b의 실시 예는, 고정자 내부에 로터를 갖는 모터를 도시한다. 다른 실시 예에서는 고정자가 대신 로터의 내부에 있을 수 있다. 고정자의 채널은 유체 채널들로 작용할 수 있다. 냉각 유체가 채널들을 통해 순환하여 고정자를 냉각시킬 수 있다. 냉각 유체 또는 "냉각제"는 냉각 입구(144)에서 모터로 (예를 들어, 냉각 유체 펌프로부터) 공급될 수 있고, 냉각 출구를 통해 (예를 들어, 열교환기를 통해 냉각 유체 저장부로) 복귀할 수 있다. 동일한 냉각 유체는 도시된 바와 같이 고정자 냉각 회로와 병렬일 수 있고, 도시된 바와 같이 로터의 샤프트에 연결된 회전 유체 커플링을 통해 로터의 냉각 채널에 연결될 수 있는 냉각 회로를 통해 로터를 냉각할 수 있다. 모터는, 예를 들어, 2개의 단부 벨들(148) 및 밀봉 슬리브(150)에 의해 밀봉될 수 있고, 이들 각각은 입구 매니폴드(106) 및/또는 출구 매니폴드(108)에 대해 밀봉될 수 있다.

일부 적용들에서는 모터의 기능 요소가 관련 요소들의 일부일 수 있으며 그 반대의 경우도 있다. 예를 들어, 모터가 기어 박스에 연결되어 구동되는 경우 기어 피니언은 로터 샤프트의 필수 부품이 될 수 있으며, 해당 베어링은 기어 박스의 일부이다. 마찬가지로, 유체 커플링 또는 하나 또는 둘 모두의 고정자 매니폴드 중 하나 또는 둘 모두가 기어 박스, 인버터 또는 직렬식 기계와 같은 외부 요소의 일부일 수 있다. 일 실시 예에서, 전기 기계는 영구 자석 로터를 갖는 영구 자석 기계이고, 고정자는 여기에 설명된 일부 또는 모든 특징을 포함한다. 일 실시 예에서, 전기 기계의 일부이거나 전기 기계에 결합 된 기어 박스는 입구 매니폴드(106) 또는 출구 매니폴드(108), 엔드 벨, 베어링 및/또는 유체 커플링을 포함하거나 또는 지지한다.

각각의 매니폴드(106, 108)는 백 아이언 채널(132)의 각각의 서브세트와 연통하는 공동(134, cavity)을 포함한다. 공동(134)은 매니폴드 재료와 냉각제 사이의 열 전달을 향상시키는 열 전달 요소들(136)을 포함할 수 있다. 이러한 요소들은 예를 들어, 유체 채널을 포함하는 핀들, 리브들 또는 적층된 라미네이션들일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 각각의 매니폴드(106, 108)는 가스켓, O-링 또는 밀봉재를 사용하여 고정자 코어(102)의 각각의 면에 밀봉된다. 일 실시 예에서, 2개의 매니폴드는 2개 이상의 타이 로드들(미도시)에 의해 함께 드로우된다(draw). 매니폴드들은 또한 권취 단부 턴들을 위한 냉각을 제공할 수 있다. 매니폴드 공동이 냉각 유체와 접촉하는 넓은 영역을 갖는 다층 냉각 요소를 포함하는 경우 상당히 양호한 냉각이 가능할 수 있다.

도 2a는 일 실시 예에서 내부 라미네이션들(110)의 디자인을 도시한다. 각각의 내부 라미네이션(110)은 내부 라미네이션들(110)이 적층될 때 정렬되어 순차적으로 권선(104)을 수용하는 권선 채널을 형성하는 라미네이션 슬롯(114)을 포함한다. 마찬가지로, 라미네이션 이빨들(118)은 내부 라미네이션들(110)이 적층될 때, 이빨들(120)을 형성하도록 정렬된다. 모든 n번째 적층 이빨(118)(도 2a의 실시 예에서 n=4)는 내부 라미네이션(110)의 백 아이언 부분(124) 내로 연장되는 긴 구멍(122)을 포함한다. 슬롯 중심선들을 따라 백 아이언 부분(124) 내에 위치된 백 아이언 구멍들(130)은 적층되어 축 방향 백 아이언 채널(132)을 형성한다. 모든 다른 백 아이언 채널(132)(및 "홀수 넘버링된 백 아이언 채널"로 언급됨)로 이루어진 이들 백 아이언 채널(132)의 절반은 입구 채널로서 작동할 수 있고, 입구 매니폴드(106)에 직접 연결될 수 있다. 나머지 백 아이언 채널(132)은 출구 채널로서 작동 할 수 있고 출구 매니폴드(108)에 직접 연결될 수 있다. 내부 라미네이션(110) 중 어느 하나에서, 모든 다른 가늘고 긴 구멍(122)(본원에서 "짝수의" 긴 구멍들로 지칭됨)으로 이루어진 가늘고 긴 구멍(122)의 절반은 짝수 번째(110)가 적층될 때 번호가 매겨진 백 아이언 채널(132)(백 아이언 출구 채널들)을 형성한다. 마찬가지로, 홀수 번호의 연장된 구멍들(122)은 내부 라미네이션들(110)이 적층될 때 홀수 번호의 백 아이언 채널(132)(백 아이언 입구 채널)과 연속적인 경로를 형성하도록 위치된다.

도 2a에 도시된 실시 예에서, 백 아이언 구멍들(130)의 수와 긴 구멍들의 수는 이빨들의 수와 동일하며, 모든 이빨들은 냉각된다. 다른 실시 예에서, 모든 이빨들 보다 적은 수의 이빨들이 냉각될 수 있으며, 예를 들어 하나의 이빨마다 또는 3번째마다 이빨이 냉각될 수 있다. 그러한 실시 예에서, 백 아이언 구멍들(130)의 수에 기 구멍들의 수를 더한 것은 이빨들의 수의 정수 분수일 수 있고, 예를 들어, 백 아이언 구멍들 또는 긴 구멍들이 있는 1/2, 1/3 또는 1/4의 구멍이 있을 수 있다.

도 2b를 참조하면, 각각의 단부 라미네이션(112)은 백 아이언 부분(124) 및 복수 개의 이빨들(118)뿐만 아니라 복수 개의 백 아이언 구멍들(130)을 포함하고, 이들은 내부 라미네이션(110)의 긴 구멍들의 수 및 백 아이언 구멍들의 수의 전체 수의 절반일 수 있다. 고정자의 입구 단부에서의 단부 라미네이션(112)은 입구 단부 라미네이션(112)의 백 아이언 구멍들(130)이 백 아인 입구 채널들과 정렬되도록 정렬될 수 있다. 유사하게, 고정자의 출구 단부에서의 출구 단부 라미네이션(112)은 출구 단부 라미네이션(112)의 백 아이언 구멍들(130)이 백 아이언 출구 채널들과 정렬되도록 정렬될 수 있다. 내부 라미네이션들(110) 및 단부 라미네이션들(112) 각각은 라미네이션의 외부 엣지 상에 관찰 마크(127, witness mark)를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서 각각의 백 아이언 구멍(130, 도 2a 및 도 2b 참고)는 0.1인치*0.1인치 정사각형이고, 각각의 증거 마크(127, 도 2a 및 도 2b 참고)는 0.005인치 직경의 반원이다.

도 3은 일 실시 예에서 2개의 단부 라미네이션들(112) 사이의 복수 개의 내부 라미네이션들(110)의 적층을 도시한다. 홀수 및 짝수 번호의 긴 구멍들(122)은 이빨 팁 구멍들(126)을 겹쳐서 형성되는 이빨 팁 채널들(128, 도 4b)과 인접한다. 일 실시 예에서, 모든 내부 라미네이션들(110)은 동일하다. 이 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 적층은 j+1번째 적층이 j번째 적층에 대해 시계 방향(또는 반 시계 방향)으로 1 피치 회전되도록 적층될 수 있다. 단부 라미네이션들(112)은 입구 및 출구 유동 디렉터들로서 작용한다. 본원에 사용된 바와 같이, "유동 디렉터(flow director)"는 유체가 이러한 채널을 갖는 구조에서 축 방향 백 아이언 채널의 일부 또는 전부에서가 아니라 일부에서 또는 구조 외부에서 방사상의 백 아이언 채널을 통해 유동하도록 하는 구조이다 (예를 들어, 아래에서 더 상세하게 논의되는 축 방향 갭 고정자 코어에서)와 같은 채널을 갖는다. 도 3의 실시 예에서, 예를 들어, 입구 단부 라미네이션은 유체가 입구 매니폴드(106)로부터 백 아이언 입구 채널로만 유동하게 하고, 출구 단부 라미네이션은 유체가 백 아이언 출구 채널에서만 출구 매니폴드(108)로 유동하게 한다. 일부 실시 예에서 고정자의 모든 라미네이션들은 동일하고, 도 2a에 도시된 바와 같이 내부 라미네이션의 구성을 구비한다. 이들 실시 예들에서, 유동 디렉터는 예를 들어 일부 구멍들에서 (예를 들어, 모든 이빨 팁 구멍들(126)에서, 모든 긴 구멍들(122)에서, 그리고 백 아이언 구멍들(130)의 서브세트에서) 구멍들 중 몇몇 구멍들을 블록하는 단부 라미네이션의 표면에 대해 연장하는 매니폴드 채널에 내부 돌출부들을 갖는 매니폴드일 수 있어서, 유체는 백 아이언 구멍들(130) 및 라미네이션 긴 구멍들(122)의 총 개수의 절반만큼의 구멍들을 포함하는 한 세트의 백 아이언 구멍들 내외로 유동할 수 있다.

특히, 고정자 코어(102)의 입구 단부에서, 제 1 단부 라미네이션(112, 입구 단부 라미네이션)은 짝수 번호의 채널로의 또는 그로부터의 유동을 차단하면서, 냉각 유체가 홀수 번호의 백 아이언 채널들(132, 백 아이언 입구 채널들)로 진입하게 한다. 마찬가지로, 고정자 코어(102)의 출구 단부에서, 제 2 단부 라미네이션(112, 출구 단부 라미네이션)는 짝수 번호의 백 아이언 채널들(132, 백 아이언 출구 채널들)로부터 냉각제가 나오도록 하면서, 홀수 번호들의 채널들로의 또는 그로부터의 유동을 차단한다. 일 실시 예에서, 이들 단부 라미네이션들, 제 1 단부 라미네이션(112) 및 제 2 단부 라미네이션(112)은 모두 동일하다. 제 2 단부 라미네이션(112)은 제 1 단부 라미네이션(112)에 대해 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 1 피치만큼 회전된다. 입구 매니폴드(106)는 수용된 냉각제 흐름을 홀수 번호의 백 아이언 채널들(132)에 분배하는 역할을 한다. 마찬가지로, 출구 매니폴드(108)는 짝수 번호의 백 아이언 채널(132)로부터 수용된 냉각제를 수집한다. 도 3에서, 내부 라미네이션들(110) 각각은 고정자의 길이를 따라 선행하는 라미네이션에 대해 반시계 방향으로 하나의 이빨만큼 회전되는 것으로 도시되어있다. 다른 실시 예에서, 연속적인 라미네이션의 방향 변화는 하나의 이빨보다 클 수 있고, 및/또는 반시계 방향이 아닌 시계 방향일 수 있다. 일부 실시 예에서, 내부 라미네이션의 일부는 인접한 내부 라미네이션에 대해 회전될 수 없다. 예를 들어, k라미네이션들(k는 1보다 큰 양의 정수)의 그룹들은 서로 정렬될 수 있고(즉 서로에 대해 회전되지 않음), k의 인접한 그룹은 하나 이상의 이빨들에 의해 서로에 대해 회전될 수 있다. 예를 들어, k가 2인 경우, 내부 라미네이션들의 쌍들이 정렬되고, 각각의 긴 구멍(122)은 한 쌍의 다른 라미네이션의 대응하는 긴 구멍(122)과 정렬되고, 2개의 긴 구멍들은 라미네이션의 두께의 2배인 축 방향 폭을 갖는 방사상의 이빨 냉각 채널을 형성한다.

일부 실시 예들에서, 모든 내부 라미네이션들(110)은 제조 공차 내에서 동일하다. 이들 실시 예들에서, 조립된 고정자 코어의 외부 표면 상의 내부 라미네이션(110)의 관찰 마크는 나선형을 형성하고, 각각의 라미네이션 상에 있는 관찰 마크는 예를 들어 고정자 코어의 길이를 따라 선행하는 라미네이션에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 1피치만큼 진행된다. 이는 라미네이션이 육안 검사에 의해 정확하게 조립되었는지를 확인하는 것을 가능하게 할 수 있고, 예를 들어, 인접한 것들(neighbors)에 대해 잘못된 양에 의해 계시되는 임의의 단일 라미네이션은, 적절하게 정렬될 경우, 나머지 라미네이션들에 의해 형성된 나선형으로부터 오프셋된 관찰 마크를 가질 것이다. 다른 실시 예들에서 내부 라미네이션들(110)은 관찰 마크 외에 정렬 노치들을 구비하고, 상기 정렬 노치들은 긴 구멍들(122)의 패턴 둘레 상에 다른 지점에 위치하는 각각의 연속적인 라미네이션일 수 있다. 단부 라미네이션들(112)은 또한 정렬 노치들을 구비할 수 있다. 내부 라미네이션들(110) 및 단부 라미네이션(11) 상의 정렬 노치들은 내부 라미네이션(110) 및 단부 라미네이션(112)이 고정자 코어의 일부로서 정확하게 조립될 때, 모든 정렬 노치들은 축 방향으로 정렬된다. 이 실시 예에서, 라미네이션들이 함께 고정되고, 및/또는 고정자 권선(104)이 제 위치에 놓이는 동안, 내부 라미네이션들(110) 및 단부 라미네이션들(112)은 적절한 방위각 정렬을 달성하고 유지하기 위해 대응하는 내부 축 방향 릿지(ridge)를 갖는 하우징 또는 어셈블리 고정부(assembly fixture)에 설치될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 평행한 냉각제 경로가 형성되며, 각각의 냉각제 경로는 축 방향 입구 채널로부터 수신된 냉각제로 시작하여 방사상 방향의 이빨 채널을 통과하고, 이빨 팁 채널을 통과하는 짧은 축 방향 경로가 이어지며, 제 2 방사상의 이빨 채널 통해 인접한 백 아이언 출구 채널에 연결된다. 일 실시 예에서, 권선과 코어 사이의 낮은 열 저항을 달성하기 위해, 종래의 슬롯 라이너들이 코어 슬롯들에 도포된 열 전도성 파우더 코팅재로 대체될 수 있고, 열 전도성 에폭시와 같은 열 전도성 포팅 수지는 단부 턴을 포함하여 권선의 모든 부분 내에서 가압 성형될 수 있다. 이 조합은 권선의 모든 부분과 코어 사이에 단단한 열 커플링을 제공 할 수 있다; 액티브 권선 요소들 및 엔드 턴 모두는 매우 높은 전류 밀도가 임계 온도 한계를 초과하는 권선의 어떤 부분 없이 유지될 수 있도록 냉각될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 내부 라미네이션들(110) 및 단부 라미네이션들(112)은 함께 본딩되고, 어셈블리 이전에 라미네이션들의 표면들 상에 적용되거나 조립된 후에 고정자 코어에 적용될 수 있는 결합제 또는 밀봉 화합물로 밀봉되고, 내부 라미네이션 갭을 통해 침투하여 고정되어, 냉각 유체가 라미네이션 갭을 통해 고정자 코어 밖으로 누출되는 것이 방지된다. 일부 실시 예들에서, 전술한 분말 코팅 또는 포팅 수지는 결합제 또는 밀봉 화합물에 추가하여 또는 대신에 고정자 코어를 밀봉할 수 있다. 소기 펌프(152, 도 1a 및 도 1b)는 고정자 코어 또는 회전자 코어로부터 빠져 나가는 임의의 냉각 유체를 재순환 시키는데 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 냉각 유체는 자동 변속기 유체(ATF) 또는 변압기 오일과 같은 저점도 오일이다. 일부 실시 예들에서, 낮은 열 임피던스가 냉각제와 코어 사이에서 이러한 방식으로 달성될 수 있다. 또한, 코어 이빨들의 냉각이 제공되므로, 이빨들의 열 저항이 전체 열 회로로부터 실질적으로 제거될 수 있다.

3상 기계(three phase machine)에서 이빨들과 슬롯들의 수는 6의 배수가 될 수 있다. 작은 기계들은 6개의 이빨들이 있을 수 있지만, 대형 기계에는 60개 이상의 이빨들이 있을 수 있다. 이빨들의 수가 증가함에 따라, 전류 고조파가 감소될 수 있는 반면, 권선과 코어 사이의 열 전달은 증가된 경계면 면적 및 감소된 열 유동 길이로 인해 개선될 수 있다. 일 실시 예에서, Nt개의 이빨(Nt는 양의 정수임)가 있고, 내부 라미네이션들(110)의 각각의 백 아이언(즉, 백 아이언 구멍들(130) 및 긴 구멍들(122)의 총 수)의 구멍들, 또는 백 아이언으로 연장하는 구멍들의 총 수는 Nt일 수 있다. 이들 중 절반은 백 아이언 입구 채널들을 형성하는 역할을 하고 나머지 절반은 백 아이언 출구 채널을 형성하는 역할을 한다. 내부 라미네이션들(110) 각각에서, 모든 n번째 이빨은 냉각제 채널로서 작용하는 긴 구멍(122)을 포함한다. 여기서 n은 Nt로 균등하게 나뉘는 2와 Nt/2 사이의 양의 정수입니다. 내부 라미네이션들(110) 각각에서, 긴 구멍들(122)의 절반은 홀수 번호의 백 아이언 채널들(132)로부터 냉각제를 수용하고, 이빨 팁 채널(128, 도 4b)에 냉각제를 방사상 내측으로 운반한다(내부-면 이빨들 내의 방사상-갭 고정자를 위해). 그 다음, 냉각제는 n개의 라미네이션 두께들과 동일한 거리에 대해 이 이빨 팁 채널을 통해 축 방향으로 흐른 다음 짝수 번호의 긴 구멍(122)을 통해 그리고 짝수 번호의 백 아이언 채널(132)을 향해 반경 방향 바깥쪽으로 유동하고 최종적으로 축 방향으로 출구 매니폴드로 유동한다.

Nt개의 이빨들 및 NL개의 전체 내부 라미네이션들(110)을 갖는 실시 예에서, (각각이 긴 구멍(122)으로부터 형성되는) 방사상의 이빨 냉각 채널들의 대략적인 수는 NL*Nt/n이다. 이 채널들과 관련된 전체 벽 면적이 중요할 수 있다. 예를 들어, 각각의 긴 구멍이 0.5인치 제곱의 연관된 벽 면적을 구비하고, NL=600, Nt=48 그리고 n=6일 경우, 총 유체 접촉 표면은 대략적으로 0.5*600*48/6 인치 제곱 또는 거의 17 피트 제곱이다. 총 유체 접촉 면적에 대한 고정자 코어의 체적의 비는 1인치 미만일 수 있다. 냉각수 유동과 관련된 섹션도 상대적으로 크기 때문에 유량 손실에 대한 수두 손실의 비율이 상대적으로 낮다. 열 유동 거리들이 짧을 수 있다. 위 예제에서 보여 주듯이 이빨 요소들 내의 최대 열 유동 길이가 약 0.1인치일 수 있다. 이빨 팁 구멍들은 상대적으로 좁아서 자기 섹션(magnetic section)들이 최소한으로 줄어들 수 있다. 이빨 팁 구멍의 단면은 방사상 이빨 냉각 채널에 의해 제공되는 단면의 약 2배가 될 수 있고, 결과적으로 이빨 팁 채널로 인한 헤드 손실은 상대적으로 작을 수 있다. 더 긴 구멍들을 제공하기 위해 n이 감소함에 따라, 열 전달은 개선될 수 있는 반면, 자기 섹션들은 감소될 수 있다. 이는 원하는 트레이드-오프 기준이 충족되도록 n을 선택하는 것을 가능하게 할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 이빨들과 슬롯들이 방사상의 바깥쪽을 향하는 "인사이드-아웃(inside-out)" 모터를 위한 고정자 코어를 형성하도록 내부 라미네이션들 및 단부 라미네이션들의 유사한 세트가 스택된다. 다른 실시 예들에서, 선형 기계용 고정자 코어는 적절한 유사한 라미네이션들을을 스택(stack)함으로써 형성된다.

도 2a 및 도 2b의 라미네이션들을 스택함으로써 형성된 고정자 코어는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드 사이의 많은 평행한 유체 경로들을 포함하고, 그 중 하나는 도 4a에서 도시된다. 도시된 유체 경로는 제 1 단부 라미네이션(112)의 백 아이언 구멍(130)을 통과하는 제 1 축 방향 부분(410)을 포함하고, 이어서 내부 라미네이션(11)의 제 1 긴 구멍(122)을 따르는 제 1 L자형 부분(415)을 포함하고, 이어서 복수 개의 이빨 팁 구멍들(126)을 통과하는 제 2 축방향 부분(420)을 포함하고, 이어서 제 2 긴 구멍(122)에서 제 2 L자형 부분(425)을 포함하고, 이어서 백 아이언 출구 채널을 형성하는 복수 개의 오버랩하는 백 아이언 구멍들(130)을 통과하는 제 3 축방향 부분(430)을 포함한다. 도 4b에서, 복수 개의 이러한 유체 경로들은 백 아인 입구 채널 및 백 아이언 출구 채널을 포함하는 2개의 백 아이언 채널들(132), 이빨 팁 채널(128) 및 각각의 긴 구멍들(122)에 의해 형성되는 6개의 L자형 채널들을 도시하는 사시도가 도시된다. 유체는 백 아이언 입구 채널을 통해 유입된 다음 3개의 평행 경로들 중 어느 하나를 통해 각각의 긴 구멍들(122)을 통해 이빨 팁 채널(128)로 유동한다. 이빨 팁 채널(128) 내에서, 유체는 백 아이언 출구 채널에 연결된 가장 가까운 긴 구멍(122)으로, 그 긴 구멍(122)에 의해 백 아이언 출구 채널로 형성되고 백 아이언 출구 채널을 통해 밖으로 유동한다. 도 4b는 명료함을 위해 상대적으로 적은 수의 채널 및 유체 경로들만을 도시한다; 전술한 바와 같이, 일부 실시 예들에서, 고정자 코어는 상당히 많은 수의 채널 및 유체 경로들을 포함할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 라미네이션들의 스택으로서 형성되는 대신에, 고정자 코어는 엣지-권취된 스트립으로 형성된다. 본원에서 사용되는 "엣지-권취" 스트립은 SLINKYTM의 형상을 가지며, 또는 피스톤 링의 한 회전 상에서, 길이, 폭 및 두께를 갖는 스트립인 엣지-권취 스트립이며, 길이는 폭 보다 크고, 폭은 두께보다 크고, 스트림은 나선형으로 권취되어 있고, 스트립의 곡률은 폭 방향에 평행한 나선형으로 감겨있다. 도 5a를 참조하면, 권취 전의 스트립은 스트립이 권취될 때 오버랩되는 이빨을 갖는 길이의 일부를 따라 도시된 형상을 가질 수 있고, 고정자 코어 이빨들을 형성한다. 도 6은 내부 턴들의 구멍들을 볼 수 있도록 축 방향으로 떼어낸 연속하는 턴들(또는 "레이어들")을 갖는 엣지-권취 스트립으로부터 형성되는 고정자 코어의 분해도이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "레이어"는 권된 스트립의 턴 또는 라미네이션된 구조의 라미네이션을 지칭한다. 도 6의 권취된 스트립 어셈블리의 작동은 예를 들어 도 3 및 도 4a에서 나타낸 스택된 라미네이션들의 어셈블리와 유사하다. 스트립은 권취 스트립의 첫 번째 및 마지막 턴들(612)을 형성하는 스트립의 2개의 단부들 각각에서 부분(예를 들어, 도 2a 내지 도 3의 실시 예와 유사한 실시 예에서, 이빨 길이가 긴 부분(48))을 구비하고, 짝수 또는 홀수 백 아이언 채널들(132)의 안으로 또는 밖으로 유동하는 유동 디렉터로서 작용하고, 각각은 스트립의 백 아이언 구멍들(130)을 오버랩함으로써 형성된다. 스트립의 이러한 2개의 부분들의 각각은 이빨 팁 구멍들(126) 및 긴 구멍들(122)을 갖지 않을 수 있고, 스트립의 나머지 부분에서 두 배로 이격된 백 아이언 구멍들(130)을 가질 수 있다(예를 들어, 백 아이언 구멍들(130)은 이빨 피치의 2배만큼 이격됨).

스트립의 나머지 부분은 이빨 구멍들을 가질 수 있으며, 감긴 스트립의 내부 턴들(610)을 형성할 수 있다. 스트립의 백 아이언 부분은 권취를 용이하게 하기 위해 노치들 또는 슬롯들(예를 들어, 권취될 때 스트립의 바깥쪽 모서리가 될 수 있는 도 5a에 도시된 바와 같이 스트립의 바닥 엣지 상의 슬롯)을 가질 수 있다(즉, 스트립이 권취될 때 스트레칭 또는 압축되어야 하는 정도만큼 감소하기 위해). 높은 극-계수 모터에서, 백 아이언은 충분히 좁아서 이러한 노치들 없이 쉽게 절곡될 수 있고, 스트립은 이들 없이 제조될 수 있다(예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같음). 다른 실시 예에서, 도 5a에 도시된 스트립이 방사상 바깥쪽으로 향하는 엣지-권취 스트립으로 형성될 수 있다. 그러한 스트립은 고정자가 로터 내부에 있는 "인사이드 아웃(inside-out)" 방사상 간극 모터의 고정자 코어로 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 도 1의 스트립의 노치들 및 구멍들은, (예를 들어, 스트립을 권취하는데 사용되는 기계에 인접한 적절한 펀치 또는 펀치들 세트에 의해 형성됨), 스트립의 피쳐들의 펀칭은 턴들의 권취와 동기화 될 수 있고, 연속 턴들의 피쳐들 간의 정렬을 유지한다.

다른 실시 예에서, 도 5b에서 도시된 스트립은 도 7에서 도시된 면-권취 구조 내로 형성될 수 있고, 이는 예를 들어 축방향-갭 전기 기계의 고정자 코어일 수 있다. 일부 파선들은 명확성을 위해 도 7으로부터 생략될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "면-권취" 스트립은 길이, 폭 및 두께를 갖는 전기자의 테이프(electician's tape) 형상을 갖는 구조이고, 길이는 폭보다 크고, 폭은 두께보다 크고, 스트립은 나선형으로 권취되고, 스트립의 곡률은 두께 방향에 대해 평행하다. 이 실시 예에서, 이빨들의 피치는 (도 5b에 도시된 바와 같이) 스트립의 길이를 따라 증가할 수 있으므로, 권취되면서 부분적으로 권취 스트립의 직경이 증가할 때, 각각의 턴들 상에서 이빨들의 수는 일정하게 유지될 수 있다. 이 구조에서의 유체 유동은 도 4a 및 도 4b에서 도시된 유동과 유사할 수 있고, 입구 매니폴드에서 시작되는 예시적인 유체 경로는 구조의 바깥쪽 주위로 연장되고, 백 아이언 내부 채널들의 방사상으로 공급되고, 방사상의 백 아이언 채널들의 세트의 모든 다른 하나(every other one)를 포함한다. 각각의 백 아이언 입구 채널로부터, 하나 이상의 긴 구멍들(122)의 각각은 유체가 백 아이언 입구 채널로부터 방위각의 방향으로, 그리고 각각의 이빨 팁으로 유동하게 한다. 이어서, 유체는 하나 이상의 이빨 팁 구멍들(126)을 통해 방사상 내측으로 유동하고, 다른 긴 구멍(122)을 통해 백 아이언으로 축 방향으로 되돌아 가고, 인접한 방사상의 백 아이언 출구 채널에 연결되고, 고정자 코어의 내부 직경의 매니폴드 내부에 연결된다. 일부 실시 예들에서, 권취 슬롯들의 폭은 스트립의 길이를 따라 일정하지만, 이빨들의 폭(및 전술한 바와 같이 이빨 피치)는 증가한다. 일부 실시 예들에서, 구멍들의 치수들은 스트립의 길이를 따라 일정하다. 다른 실시 예들에서, (i)백 아이언 구멍들, (ii)이빨 팁 구멍들, 및 (iii) 하나 이상의 긴 구멍들 중 하나 이상의 치수들이 스트립의 길이를 따라 변한다(예를 들어, 구멍이 넓어짐에 따라 이빨이 넓어짐).

도 8을 참조하면, 일 실시 예에서, 유체는 (매니폴드 구조의 내부 표면 상에 포트들 중 하나를 구비하는 것 대신) 매니폴드 구조의 바깥쪽 표면 상에 내부 포트(824) 및 외부 포트(826) 모두를 갖는 매니폴드 구조(816)를 갖는 매니폴드 구조(816)를 사용하여 축방향-갭 고정자 코어로 공급되고, 이로부터 복귀된다. 매니폴드 구조(816)는 2개의 파티션들(822)에 의해 분리된 제 1 반원형 외부 유체 채널(820) 및 제 2 반원형 외부 유체 채널(820)을 포함할 수 있다. 제 1 외부 유체 채널(818)은 입구 포트(824)에 의해 공급되고, 입구 매니폴드의 유체 채널로서 작용하고, 제 2 외부 유체 채널(820)은 외부 포트(826)에 의해 배기되고, 출구 매니폴드의 유체 채널로서 작용한다. 그 다음, 고정자 코어(802)는 입구 포트(824)에 연결된 제 1 반-환형 절반부(semi-annular half)와 출구 포트(826)에 연결된 제 2 반-환형 절반부로서 작동한다. 냉각제 유동은 일반적으로 제 1 반-환형 절반부 내부에서 방사상으로 내측으로 이루어져서, 제 1 반-환형 외부 유체 채널(818)로부터, 고정자 코어의 제 1 반-환형 절반부를 통해, (매니폴드 구조(816)의 내부 직경에서 형성되는) 내부 유체 채널(832)로 유동한다. 내부 유체 채널(832)에서, 유체는 제 1 반-환형 절반부로부터 제 2 반-환형 절반부로 방위각 방향으로 유동한다. 그 다음 냉각제는 내부 유체 채널(832)로부터 외부로 제 2 반-환형 절반의 고정자 코어를 통해 제 2 외부 유체 채널(820)으로 그리고 이어서 유출 포트(826)으로 유동하는 제 2 반-환형 반부 내에서 대체로 방사상으로 바깥쪽으로 유동한다. 고정자 코어의 제 1 반-환형 반부에서의 하나의 예시적인 유체 경로는, 유체가 입구 유동 디렉터(고정자 코어의 가장 바깥쪽 턴)를 통과하고, 권취 스트립의 몇 개의 턴들의 백 아이언 구멍들(130)(백 아이언 입구 채널을 형성하기 위해 오버랩하는 백 아이언 구멍들(130))을 통과하고, 고정자 코어의 단부에 대해 축방향으로 제 1 긴 구멍(122)을 통과하고, 하나 이상의 고정자 이빨 팁 구멍들(126)을 통해 방사상으로 내부(또는 도 4b에서 바깥쪽)로 유동하고, 제 2 긴 구멍(122)을 통해 백 아이언과, (권취 스트립의 몇 개의 턴들의 백 아이언 구멍들(130)을 오버랩함으로써 형성되는) 백 아이언 출구 채널로 유동하고, 백 아이언 출구 채널을 통해 방사상으로 바깥쪽으로 유동하여 내부 유체 채널(832)로 유동한다. 다른 실시 예에서, 매니폴드 구조는 (예를 들어, 매니폴드 구조의 외부 표면 상의 입구 포트(824) 및 출구 포트(826)를 갖는 대신에) 매니폴드 구조의 외부 표면 상의 입구를 갖는 파티션들(822)은, 예를 들어, 매니폴드 구조의 외부 표면 상의 입구와, 매니폴드 구조의 내부 표면 상의 출구를 구비한다.

도 9를 참조하면, 일 실시 예에서, 권선 스트립 엔드 턴 냉각 구조들(912, 914)는 축방향 갭 전기 기계의 고정자 단부 턴들을 냉각시키는 데 사용된다. 외부 냉각 구조(912)는 권취된 스트립의 모든 다른 턴에 복수 개의 좁은 구멍들(915)을 갖는다. 외부 냉각 구조(912)의 연속적인 턴들은 내부 턴들의 구멍들이 보이도록 방사상으로 당겨져서 이격된다. 이들은 실질적으로 방사상의 출구 채널들의 세트와 방사상의 입구 채널들의 세트를 형성하도록 정렬된다. 가장 바깥쪽의 턴(928) 및 외부 냉각 구조(912)의 가장 안쪽 턴 각각은 좁은 구멍들을 갖는 중간 턴들과 같은 다수의 좁은 구멍들을 구비한다. 외부 냉각 구조(912)의 가장 바깥쪽의 구멍들은 입구 채널들과 정렬되고, 외부 냉각 구조(912)의 가장 안쪽의 구멍들은 출구 채널들과 정렬된다. 넓은 구멍들(916)을 구비하는 턴들은 좁은 구멍들(915)을 구비하는 개입 턴들(intervening turns)과 교대하고, 각각의 넓은 구멍은 하나 또는 2개의 인접한 턴들에서 2개의 좁은 구멍들을 연결한다. 유체는 가장 바깥쪽 턴을 통해 입추 채널들로 유동하고, 각각의 입구 채널로부터, 긴 구멍들에 의해 형성된 복수 개의 방위각의 채널들을 통해 평행한 유체 경로들로, 출구 채널들로, 그리고 나서 출구 채널들에서 방사상으로 안쪽으로 유동한다. 방위각의 채널들은 열이 권취된 스트립의 표면으로부터 냉각제로 전달될 수 있는 상당한 표면적을 제공할 수 있다.

축방향 갭 전기 기계의 고정자(902)는 면-권취된 자기 스트립으로 형성되고, 고정자 권취(908)를 위한 하나의 면에서 슬롯들(906)을 갖는 고정자 코어(904)를 구비할 수 있다. 고정자(902)의 백 아이언(910)은, 도 9의 실시 예에서와 같이, 백 아이언 구멍들(130)을 구비할 수 있고, 고정자 코어는 또한, 내부 턴들 또는 라미네이션들 상에서, 고정자 이빨 냉각을 위한 유체 경로들을 제공하기 위해 서로 오버랩하는 긴 구멍들과 이빨 팁 구멍들을 구비한다. 고정자 권취(908)의 단부 턴들은 단부 턴들로부터 단부 턴 냉각 구조들(912, 914)로의 열 유동 경로를 제공할 수 있는 열 전도성 포팅 수지(909)로 캡슐화될 수 있다. 일 실시 예에서 동일한 포팅 수지는 권취의 도체들과 고정자 코어의 레이어들 사이에 존재할 수 있는 갭들을 채우기 위해 권취 슬롯들에 가압 성형된다. 열 전도성 포팅 수지(909)는 또한 고정자 코어(904)를 밀봉하여, 냉각제가 고정자 코어(904) 내의 유체 채널들로부터 새어나가는 것을 방지할 수 있다.

외부 냉각 구조(912)로부터, 냉각제는 외부 냉각 구조(912)의 가장 안쪽 턴의 구멍들이 고정자 코어의 가장 바깥쪽 턴에 대응하는 백 채널 구멍들과 정렬되거나, 또는 외부 냉각 구조(912)의 가장 안쪽의 턴과 고정자 코어의 가장 안쪽의 턴 사이의 갭의 결과이다. 고정자 코어를 통과한 후에, 냉각제는 외부 냉각 구조(912)와 유사한 구조를 갖는 내부 냉각 구조(914)를 통해 유동한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각제는, 입구 포트(824) 및 출구 포트(826)를 구비하는 매니폴드 구조(816)에 의해, 외부 냉각 구조(912), 고정자 코어(902) 및 내부 냉각 구조(914)의 조합으로 공급될 수 있고, 조합으로부터 복귀될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 도 9의 면-권취 구조들은 원통형 라미네이션들로 형성된 유사한 구조들로 대체될 수 있다.

도 1의 열 전달 요소들(136)은 외부 냉각 구조(912)와 유사하게 엣지-권취 또는 라미네이트된 구조들일 수 있다. 예를 들어, 열 전달 요소(136)는 입구 및 출구 유동 디렉터들로서 작용하는 제 1 및 마지막 라미네이션들, 및 하나가 좁은 구멍들을 구비하고, 나머지 모두가 넓은 구멍들을 구비하는 교번하는 내부 라미네이션들의 세트일 수 있다. 좁은 구멍들은 오버랩하여, 입구 및 출구 채널들을 교대로 형성할 수 있고, 입구 채널들은 입구 유동 디렉터에 의해 공급되고 출구 유동 디렉터는 출구 채널들로부터 구조 외부로 유사한 유동 경로를 제공한다. 그 다음, 각각의 입구 채널은 넓은 구멍들에 의해 형성도니 복수 개의 평행한 냉각 통로들에 의해 각각의 인접한 출구 채널에 연결될 수 있다.

일부 실시 예들에서, 유체는 도 4a 및 도 4b에서 도시된 것들과 다른 경로들을 따라 유동할 수 있다. 예를 들어, 유체는 고정자의 전체 길이를 따라 각각의 이빨 팁 채널에서 각각의 이빨에서 축 방향으로 유동할 수 있다; 채널들은 단부들에서 적절한 입구 및 출구 매니폴드들에 연결될 수 있다. 다른 실시 예에서, 긴 구멍들 및 대응하는 유체 유동은 도 4a 및 도 4b에 도시된 것들과 다를 수 있고, 유체가 하나의 치아를 따라 축 방향으로 유동한 후, 유체는 백 아이언 방사상으로 바깥쪽으로 유동하고, 제 2 이빨에 대하여 방위각 방향으로, 이빨 팁으로 방사상으로 안쪽으로, 복귀하기 전에 제 2 이빨의 이빨 팁을 따라 축방향으로, 긴 구멍을 통해 백 아이언 출구 채널으로 유동한다. 다른 실시 예에서, 유체는 하나의 라미네이션 내에서 이빨 팁 내로 방사상으로 안쪽으로 백 아이언 채널(132)로부터 유동하고, 예를 들어, 이빨 내의 U자형 구멍 다음에 백 아이언으로 되돌아갈 수 있다. 일부 실시 예들에서, 구멍들은 도시된 것과 다른 형상을 갖는다. 긴 구멍들은 예를 들어 각도가 아닌 곡선일 수 있고, 백 아이언 구멍들은 정사각형이 아닌 둥근 모양이거나 직사각형일 수 있다.

횡방향 액체 냉각 이빨들을 갖는 전기 기계 고정자의 예시적인 실시 예들이 본원에서 구체적으로 기재되고 도시되었지만, 많은 수정 및 변형들이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 원리에 따라 횡방향 냉각 이빨들을 갖는 전기 기계 고정자는 본원에서 기술된 것 이외의 다른 형태로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 또한 다음의 청구범위들 및 그 등가물에서 정의된다.

Claims (25)

1. 축을 구비하는 전기 기계 고정자에 있어서,
   복수 개의 레이어들을 구비하는 고정자 코어를 포함하고, 상기 레이어들의 각각은 백 아이언 부분과 복수 개의 이빨(tooth)들을 구비하고,
   상기 복수 개의 레이어들 중 제 1 레이어의 상기 복수 개의 이빨들 중 하나의 이빨은, 유체 채널의 제 1 부분을 형성하는 제 1 구멍을 구비하는 전기 기계 고정자.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 레이어에 인접한 레이어는 상기 제 1 구멍에 오버랩하는 구멍을 구비하는 전기 기계 고정자.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은 상기 이빨 내부에서 방사상으로 연장하는 전기 기계 고정자.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은, 상기 복수 개의 레이어들 중 하나의 레이어의 두께와 동일한 축방향 치수를 갖는 전기 기계 고정자.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 유체 채널의 상기 제 1 부분은, 상기 축에 대해 방사상의 성분을 구비하는 방향의 제 1 세그먼트와, 상기 축에 대해 방위각의 성분을 구비하는 방향의 제 2 세그먼트를 구비하는 전기 기계 고정자.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자 코어는 전체 볼륨을 구비하고, 상기 고정자 코어는 전체 유체 접촉 면적을 구비하고 상기 유체 채널을 포함하는 복수 개의 유체 채널들을 구비하고,
   상기 전체 유체 접촉 면적으로 나눠진 상기 전체 볼륨은 1인치 미만인 전기 기계 고정자.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 레이어는 상기 제 1 구멍의 미러-이미지 형상을 갖는 제 2 구멍을 구비하는 전기 기계 고정자.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수 개의 레이어들 중 제 2 레이어는, 상기 복수 개의 레이어들 중 제 1 레이어와 동일한 형상을 구비하는 전기 기계 고정자.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이어들의 각각의 상기 백 아이언 부분은 복수 개의 제 2 구멍들을 구비하고, 상기 제 2 구멍들은 인접한 레이어들 상에 오버랩되어 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들을 형성하는 전기 기계 고정자.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 구멍은 상기 제 2 구멍들 중 하나에 오버랩하는 전기 기계 고정자.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정자는 상기 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들의 서브세트로 유체 유동을 안내하거나, 상기 복수 개의 실질적으로 축방향 유체 통로들의 서브세트로부터 유체 유동을 수용하기 위한 유동 디렉터를 포함하는 전기 기계 고정자.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유동 디렉터는 상기 고정자 코어의 일 단부에 있는 레이어인 전기 기계 고정자.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 채널은,
    상기 복수 개의 레이어들의 제 1 서브세트의 상기 백 아이언 부분을 통과하는 제 1 축방향 세그먼트;
    상기 제 1 레이어의 상기 백 아이언 부분의 제 1 방위각의 세그먼트;
    상기 유체 채널의 상기 제 1 부분인 제 1 방사상의 세그먼트;
    상기 복수 개의 레이어들의 제 2 서브세트의 각각의 개개의 이빨을 통해 연장하는 제 2 축방향 세그먼트;
    상기 복수 개의 레이어들의 제 2 레이어의 이빨 내의 제 2 방사상의 세그먼트;
    상기 제 2 레이어의 상기 백 아이언 부분의 제 2 방위각의 세그먼트; 및
    상기 복수 개의 레이어들의 제 3 서브세트의 상기 백 아이언 부분을 통과하는 제 3 축 방향 세그먼트;
    를 포함하는 전기 기계 고정자.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들은 복수 개의 라미네이션들인 전기 기계 고정자.
    
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들은 엣지-권선된 스트립의 복수 개의 턴(turn)들인 전기 기계 고정자.
    
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들은 면-권선된 스트립의 복수 개의 턴(turn)들인 전기 기계 고정자.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수 개의 이빨들의 상기 이빨들은, 상기 스트립의 제 1 단부에서 상기 스트립의 제 2 단부보다 좁고,
    상기 스트립의 상기 제 1 단부에서 인접한 이빨들 사이의 슬롯의 폭은, 상기 스트립의 상기 제 2 단부에서 인접한 이빨들 사이의 슬롯의 폭과 동일한 전기 기계 고정자.
    
18. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들의 각각의 상기 복수 개의 이빨들의 각각의 이빨은, 상기 백 아이언 부분으로부터 방사상으로 안쪽으로 연장하는 전기 기계 고정자.
    
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들의 각각의 상기 복수 개의 이빨들의 각각의 이빨은, 상기 백 아이언 부분으로부터 방사상으로 바깥쪽으로 연장하는 전기 기계 고정자.
    
20. 제 1 항에 있어서,
    고정자 권선; 및
    약 0.4W/m/ºC보다 큰 열 전도율을 갖는 전기 절연 수지를 더 포함하고,
    상기 수지는, 약 10% 미만의 공극률로, 상기 고정자 코어 및 상기 고정자 권선 사이의 공간 및/또는 상기 복수 개의 레이어들 중 한 쌍의 인접한 레이어들 사이의 갭을 채우는 전기 기계 고정자.
    
21. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들 중 인접한 2개의 레이어들 사이의 갭에 밀봉 화합물을 더 포함하는 전기 기계.
    
22. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들의 각각은, 개개의 이빨의 팁에서 복수 개의 구멍들 중 하나의 구멍을 구비하고,
    상기 복수 개의 구멍들은 제 1 구멍을 포함하고,
    상기 복수 개의 구멍들의 상기 구멍들은 오버랩하여 유체 채널의 제 2 부분을 형성하고, 상기 유체 채널의 제 2 부분은 상기 유체 채널의 상기 제 1 부분을 포함하고, 상기 유체 채널의 제 2 부분은 실질적으로 축방향인 전기 기계.
    
23. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이어들의 모든 레이어들은 동일하고, 상기 복수 개의 레이어들의 각각의 레이어는 인접한 레이어에 대해 하나의 이빨 피치만큼 클록(clock)되는 전기 기계.
    
24. 회전축을 구비하는 로터; 및
    축을 구비하는 고정자를 포함하고,
    상기 고정자의 상기 축은 상기 로터의 상기 회전축이고,
    상기 고정자는, 복수 개의 레이어들을 구비하는 고정자 코어를 구비하고,
    상기 레이어들의 각각은 백 아이언 부분 및 복수 개의 이빨들을 구비하고,
    상기 복수 개의 레이어들의 제 1 레이어의 상기 복수 개의 이빨들의 하나의 이빨은, 유체 채널의 제 1 부분을 형성하는 제 1 구멍을 구비하는 전기 기계.
    
25. 로터;
    복수 개의 이빨들을 갖는 고정자 코어를 구비하는 고정자;
    상기 고정자 코어의 상기 이빨들을 통해 유체를 채널링하기 위한 채널 수단; 및
    상기 채널 수단에 상기 유체를 공급하기 위한 펌핑 수단을 포함하는 전기 기계.

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