KR20130141448A

KR20130141448A - 전기 기계 냉각 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20130141448A
Application number: KR1020137004283A
Authority: KR
Inventors: 마이클 디 브래드필드
Original assignee: 레미 테크놀러지스 엘엘씨
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: EP2652863A4; EP2652863A1; CN103250331A; WO2012082283A1; US8482169B2; KR101759073B1; CN103250331B; US20110304227A1

Abstract

본 발명의 실시예들은 전기 기계 모듈 및 전기 기계의 냉각 방법을 제공한다. 전기 기계 모듈은 고정자 엔드 턴을 갖는 고정자를 포함한 전기 기계, 관통 볼트, 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 갖는 하우징을 포함한다. 이들 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각은 내벽, 외벽, 이들 내벽과 외벽에 의해 획정된 냉각제 캐비티, 및 볼트 채널을 포함한다. 냉각제 캐비티는 고정자 엔드 턴 중 적어도 하나에 실질적으로 둘러지게 반경 방향으로 배치될 수 있다. 볼트 채널은 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각의 일부분을 통과해 배치되고, 하우징의 실질적으로 원형의 외주부로부터 반경 방향 내측에 위치할 수 있다.

Description

전기 기계 냉각 시스템 및 그 방법{ELECTRIC MACHINE COOLING SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 전기 기계 냉각 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 하이브리드 차량의 개선된 연료 절감 및 배출물 감소로 인해 그 차량의 운전자가 환경 의식 행동에 관여하게 할 기회를 제공하다. 하이브리드 차량은 전통적인 내연 기관과 전기 기계식 변속 장치(electro-mechanical transmission)가 조합된다. 전기 기계식 변속 장치 내에 위치한 전기 모터가 차량을 추진시키는 에너지를 제공하여, 내연 기관에 의해 제공되는 에너지의 필요성을 감소시키며, 이에 의해 연료 절감을 향상시키고 배출물을 감소시킨다.

임의의 전기 기계(electric machine)와 마찬가지로, 하이브리드 변속 장치의 전기 기계는 일부 에너지를 열의 형태로 배출하고 있다. 전기 모터로부터 열의 효율적 제거는 전기 기계의 수명을 개선시킬 뿐만 아니라, 전기 기계의 작동 효율을 향상시킨다.

본 발명의 몇몇 실시예는 전기 기계 모듈을 제공한다. 이 전기 기계 모듈은 고정자 엔드 턴(end turns)을 갖는 고정자를 포함한 전기 기계, 관통 볼트, 및 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 갖는 하우징을 포함한다. 이들 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각은 내벽, 외벽, 이들 내벽과 외벽에 의해 획정된 냉각제 캐비티, 및 볼트 채널을 포함한다. 냉각제 캐비티는 고정자 엔드 턴 중 적어도 하나에 실질적으로 둘러지게 반경 방향으로 배치될 수 있다. 볼트 채널은 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각의 일부분을 통과해 배치되고, 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 함께 결합하도록 관통 볼트의 적어도 일부분을 수용할 수 있다. 볼트 채널은 또한 하우징의 실질적으로 원형의 외주부로부터 반경 방향 내측으로 배치될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예는 회전자 허브에 결합된 회전자를 포함한 전기 기계를 포함하는 전기 기계 모듈을 제공한다. 적어도 하나의 쉘 부재가 회전자 허브에 결합되고 적어도 일부분 상에 핀(fin)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 쉘 부재는 제1 재료로 형성될 수 있고, 회전자 허브는 제2 재료로 형성될 수 있다. 전기 기계 모듈은 또한 복수의 제거 가능하게 결합된 부재를 갖는 하우징을 포함할 수 있다. 제거 가능하게 결합된 프레임 부재는 각각 기계 캐비티를 적어도 부분적으로 획정하여 전기 기계를 부분적으로 에워쌀 수 있는 내벽을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 내벽은 쉘 부재 상의 핀과 짝을 이루게 맞물리는 핀을 갖는 부분을 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예는 전기 기계를 냉각시키는 방법을 제공한다. 이 방법은, 회전자, 이 회전자를 둘러싸는 고정자, 회전자에 결합된 회전자 허브, 및 회전자 허브에 결합된 적어도 하나의 쉘 부재를 포함하는 전기 기계를 제공하는 것, 및 적어도 하나의 쉘 부재의 표면의 적어도 일부분 상에 핀을 제공하는 것을 포함한다. 그 방법은 또한 내벽 및 외벽을 각각 포함하는 복수의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 포함하는 하우징을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다. 내벽은 전기 기계를 적어도 부분적으로 수용하는 기계 공동을 획정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 그 방법은 또한, 적어도 하나의 쉘 부재의 핀을 내벽의 벽면 상의 내벽 핀과 짝을 이루게 맞물리는 것, 내벽과 외벽 사이에 냉각제 캐비티를 제공하는 것, 냉각제 캐비티 내에 냉각제를 도입하는 것, 및 전기 기계로부터의 열 에너지를 제거하도록 냉각제 캐비티에 걸쳐 냉각제를 순환시키는 것을 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 부분 단면 정면도이다.
도 2a는 발명의 하나의 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 부분 단면 정면도이다.
도 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 부분 단면 배면도이다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 전기 기계 모듈의 프레임 부재의 사시도이다.
도 4a는 도 1의 전기 기계 모듈의 부분 단면 측면도이다.
도 4b는 도 1의 전기 기계 모듈의 부분 단면 측면도이다.
도 5a는 전기 기계 모듈의 부분 단면 정면도이다.
도 5b는 도 5a의 단면선 A-A에 따라 취한 전기 기계 모듈의 내벽의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 도 1의 전기 기계 모듈에 걸친 열 소산을 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 1의 전기 기계 모듈의 프레임 부재의 사시도이다.
도 8a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기 기계 모듈의 일부분의 부분 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 단면선 A-A에 따라 취한 전기 기계 모듈의 볼트 채널의 부분 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 단면선 B-B에 따라 취한 전기 기계 모듈의 볼트 채널의 부분 단면도이다.
도 8d는 도 8a의 단면선 C-C에 따라 취한 전기 기계 모듈의 볼트 채널의 부분 단면도이다.
도 9a는 도 8a의 전기 기계 모듈의 외벽의 부분 측면도이다.
도 9b는 도 9a의 단면선 A-A에 따라 취한 전기 기계 모듈의 부분 단면도이다.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 쉘 부재 및 회전자 허브의 사시도이다.

본 발명의 임의의 실시예들을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명이 그 용례에 있어서 이하의 설명에 기재되거나 첨부 도면들에 도시된 구성 요소들의 구조 및 구성에 제한되지 않는다는 점을 이해해야 할 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현될 수 있고 다양한 방식으로 실현되거나 실행될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 이용되는 어법 및 용어들은 설명을 위한 것이지 제한적인 것으로 간주되어서는 안될 것이라는 점을 이해해야 할 것이다. 본 명세서에 있어서 "구비하는", "포함하는" 또는 "가지는"이라는 용어 및 그 어미 변화 표현들의 사용은 그 후에 나열된 항목 및 그 균등물은 물론 추가적인 항목들도 포함하는 것을 의미한다. 달리 명시하거나 한정하지 않는다면, "장착된", "연결된", "지지된", 및 "결합된"이라는 용어 및 그 어미 변화 표현들은 광범위하게 사용되어, 직접적 및 간접적인 장착, 연결, 지지, 및 결합 모두를 포함한다. 또한, "연결된" 및 "결합된"이라는 용어는 물리적 또는 기계적 연결부들 또는 결합부들로 제한되지 않는다.

이하의 논의에서는 당업자들이 본 발명의 실시예들을 구성하고 이용할 수 있도록 제공된 것이다. 예시한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 당업자에게 자명할 것이고, 본 명세서에 기재된 일반적인 원리들은 본 발명의 실시예들로부터 벗어나지 않고 기타 실시예 및 용례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 제시된 실시예들로 한정하고자 하는 것이 아니라, 본 명세서에서 개시하는 원리 및 특징들과 일치되는 가장 넓은 범위에 부합하게 될 것이다. 이하의 상세한 설명은 도면들을 참조한 것으로, 상이한 도면들에서 동일한 요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다. 반드시 축척대로 도시하진 않은 도면들은 선택된 실시예들을 도시하는 것으로, 본 발명의 실시예들의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 당업자라면 본 명세서에서 제시하는 예들이 본 발명의 실시예들의 범위 내에 포함되는 많은 유용한 대안적인 실시예들을 가진다는 것을 이해할 것이다.

도 1에서는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기 기계 모듈(10)의 일부분을 도시하고 있다. 이 전기 기계 모듈(10)은 트위스트 엔드 프레임 부재(twist end frame member)(14) 및 크라운 엔드 프레임 부재(crown end frame member)(16)와 같은 2개 이상의 제거 가능하게 결합된 프레임을 포함한 하우징(12)을 포함할 수 있다. 제거 가능하게 결합된 프레임 부재(14, 16)에 의해 적어도 부분적으로 획정된 기계 캐비티(20) 내에 전기 기계(18)가 수용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시예에서, 트위스트 엔드 프레임 부재(14)와 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 이들 제거 가능하게 결합된 프레임 부재(14, 16)에 의해 생성되는 중앙 립(23)을 통해 하나 이상의 볼트(19) 및 너트(21)를 매개로 결합되어, 기계 캐비티(20) 내에 전기 기계(18)를 에워쌀 수 있다. 다른 실시예에서, 트위스트 엔드 프레임 부재(14) 및 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 아래에서 설명하는 바와 같은 기타 적절한 결합 방법에 의해 결합될 수 있다.

전기 기계(18)는 회전자(22), 고정자(24), 고정자 엔드 턴(26), 및 베어링(28)을 포함할 수 있고, 메인 출력 샤프트(30) 둘레에 배치될 수 있다. 고정자(24)는 회전자(22)를 둘러쌀 수 있으며, 반경 방향 공기 간극(31)이 회전자(22)와 고정자(24) 사이에 존재할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 기계(18)는 회전자 허브(32)를 포함하거나, "무허브(hub-less)" 구조(도시 생략)를 가질 수 있다. 전기 기계(18)는 하이브리드 전기 모터와 같은 전기 모터, 전기 발전기 또는 차량용 얼터네이터일 수 있으며, 이에 한정되진 않는다. 하나의 실시예에서, 도 1에 도시한 바와 같이, 전기 기계(18)는 유도 벨트 얼터네이터 스타터(induction belt-alternator-starter: BAS)일 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 기계(18)는 하이브리드 차량에 이용될 고전압 헤어핀(High Voltage Hairpin: HVH) 전기 모터일 수 있다. 추가로, 몇몇 실시예에서, 전기 기계(18)는 내부 영구 자석(interior permanent magnet: IPM) 전기 기계일 수 있다.

고정자 엔드 턴(28) 및 회전자(22) 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 전기 기계(18)의 구성 요소들은 전기 기계(18)의 작동 중에 열을 발생시킬 수 있다. 그 구성 요소들은 전기 기계(18)의 성능을 향상시키고 수명을 증가시키도록 냉각될 수 있다. 또한, 전기 기계(18)가 IPM 전기 기계를 포함하는 실시예를 비롯한 몇몇 실시예에서, IPM의 온도가 상승함에 따라 자석의 탈자화 가능성이 증가하여 전기 기계(18)의 고장을 야기할 수 있기 때문에, 회전자(18)의 자석의 냉각은 그 전기 기계(18)의 성능 향상 및 수명 증가에 더욱 도움될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 1에 도시한 바와 같이, 트위스트 엔드 프레임 부재(14) 및 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 유사하게 제조되거나 실질적으로 동일할 수 있어, 대체로 중앙 립(23)을 따라 분할되는 하우징(2)의 2개의 절반부를 제공할 수 있다. 프레임 부재(14, 16)는 소실 모형 주조, 인베스트먼트 주조 등의 공정을 통해 알루미늄, 강, 스테인리스강 등의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시예에서, 프레임 부재(14, 16)는 소실 모형 주조에 의해 주조 알루미늄으로 제조될 수 있다. 트위스트 엔드 프레임 부재(14)의 외벽(34)은 변속 장치 본체(도시 생략)와 같은 다른 기계와 맞물리도록 구성될 수 있다. 트위스트 엔드 프레임 부재(14)의 내벽(36)은 기계 캐비티(20) 내에 전기 기계(18)를 수용하도록 구성될 수 있다. 게다가, 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 외벽(38) 및 내벽(40)을 획정할 수 있고, 이들은 각각 다른 기계와 맞물리거나 기계 캐비티(20) 내에서 전기 기계(20)를 수용하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 트위스트 엔드 프레임 부재(14) 및/또는 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 각각 외벽 연장부(35, 37)를 포함할 수 있다. 외벽 연장부(35, 37)들은 도 1 및 도 2b에 도시한 바와 같이 구멍(39, 41)을 포함할 수 있다. 통상의 체결구(도시 생략)를 이용하여 구멍(39, 41)을 통해 하우징(12)을 변속 장치 본체에 결합할 수 있다.

고정자(24)는 고정자 라미네이션(stator lamination)들의 실질적으로 솔리드 스택(solid stack)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정자 라미네이션들은 고정자 라미네이션 스택이 매끈한 외경을 갖도록 반경 방향 길이가 균일할 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 고정자 라미네이션(43)(예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이 중앙에 위치한 고정자 라미네이션)이 고정자 라미네이션 스택의 나머지 부분들을 지나 반경 방향으로 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 그러한 연장된 고정자 라미네이션(43)은 도 1에 도시한 바와 같이 트위스트 엔드 프레임 부재(14)와 크라운 엔드 프레임 부재(16) 사이의 중앙 립(23)의 전체 길에 걸쳐 위쪽으로 연장될 수 있다. 그 결과, 중앙 립(23)을 관통하는 하나 이상의 볼트(19) 및 너트(21)는 또한 연장된 고정자 라미네이션(43)을 통과하여, 고정자(24)를 하우징(12)에 결합할 수 있다. 다른 실시예에서, 연장된 고정자 라미네이션(43)은 중앙 립(23) 내로 위쪽으로, 하지만, 중앙 립(23)의 전체 길이에 걸치지는 않고 연장될 수 있다.

연장된 고정자 라미네이션(43)은 조립 중에 전기 기계 모듈(10)의 구성 요소들을 축방향으로 쌓기 위한 기준면을 제공한다. 연장된 고정자 라미네이션(43)에 의해 생성되는 기준면은 전기 기계(18)의 축방향 위치 설정을 치밀하게 제어하는 데에 도움을 줄 수 있다. 게다가, 기준면은 전기 기계(18)의 회전 중심축(45)에 보다 정확하게 직교할 수 있다. 그 결과, 그 구성 요소들은 고정자(24)의 외부 에지를 이용하여 정렬된 전기 기계 모듈에 비해 보다 정확하게 중심축(34)에 대해 정렬될 수 있다.

중앙 립(23)을 통해 연장된 고정자 라미네이션(43)을 이용하여 하우징(12) 내에 전기 기계(18)를 배치함으로서, 고정자(24)의 한쪽 또는 양쪽 축방향 단부와 하우징(12) 간에 클리어런스 간극(47)이 제공될 수 있다. 또한, 연장된 고정자 라미네이션(43)을 중앙 립(23)을 통해 하우징(12)에 결합함으로써, 전기 기계(18)에 의해 생성되는 토크가 하우징(12)에 전달될 수 있다. 고정자(24)를 이용하여 전기 모듈(18)을 하우징(12)에 고정시킴으로써, 토크 전달은 하우징(12)과 고정자(24)의 외경부 간의 압입에 덜 의존적일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 냉각제 캐비티(42,44)는 프레임 부재(14,16) 내에 배치될 수 있다[즉, 적어도 부분적으로 외벽(34, 38)과 내벽(36, 40) 사이에 배치될 수 있다]. 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각제 캐비티(42, 44)는 각각 반경 방향으로 전기 기계(18) 주위에[즉, 실질적으로 고정자(24)를 둘러싸도록]는 물론, 축방향으로 전기 기계(18)에 인접하도록[즉, 전기 기계(18)의 양측을 따라]마련될 수 있다. 냉각제 캐비티(42, 44)는 프레임 부재(14, 16)와 각각 일체로 될 수 있는 입구(46, 48) 및 출구(50, 52)를 통해 유체 공급원(도시 생략)과 유체 연통할 수 있다(도 2a, 도 2b 및 도 3 참조). 몇몇 실시예에서, 도 3에 가장 잘 도시한 바와 같이, 입구(46) 및 출구(50)[그리고, 도시되지 않은 입구(48) 및 출구(52)]는 각각의 단일 바디(54, 56)에 수용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 단일 바디(54, 56)는 외벽(34, 38)에 압입된 강제 바디(steel body)일 수 있다. 바디(54, 56)와 외벽(34, 38) 사이의 계면은 에폭시와 같은 수지나 기타 적절한 밀봉제에 의해 밀봉될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 트위스트 엔드 프레임 부재(14)와 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 실질적으로 상이한 축방향 길이를 가질 수 있다. 그 결과, 프레임 부재(14, 16)들은 예를 들면 중앙 립(23)에 대향하는 프레임 부재(14, 16)의 둘레 립(도시 생략)에서 하우징(12)을 따라 상이한 축방향 길이에서 함께 결합될 수 있다. 하나의 실시예에서, 트위스트 엔드 프레임 부재(14)[또는 크라운 엔드 프레임 부재(16)]는 하우징(12)의 축방향 길이의 대부분에 걸쳐 연장하여, 전기 기계(18)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 캐니스터(canister)형 모듈로서 실질적으로 기능하며, 크라운 엔드 프레임 부재(16)[또는 트위스트 엔드 프레임 부재(14)]는 캐니스터형 모듈을 에워싸는 캡으로서 기능할 수 있다. 프레임 부재(14, 16)가 실질적으로 상이한 길이를 갖고 있는 실시예에서, 적어도 하나의 냉각제 캐비티(42 또는 44)는 반경 방향으로 전기 기계(18) 둘레에는 물론 축방향으로 전기 기계(18)에 인접하게 배치될 수 있는 한편, 다른 냉각제 캐비티(42 또는 44)는 적어도 축방향으로 전기 기계(18)에 인접하게 배치될 수 있다[혹은, 반경 방향으로 전기 기계(18) 둘레에 인접하게는 물론 축방향으로 전기 기계(18)에 인접하게 배치될 수 있다].

도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 냉각제 캐비티(42, 44)의 내면은 냉각제 캐비티 핀(58, 60)을 포함할 수 있다. 냉각제 캐비티 핀(58, 60)은 반경 방향 및 축방향 모두에 있어서 냉각제 캐비티(42, 44) 내로 돌출할 수 있다. 냉각제 캐비티 핀(58, 60)은 (도 4a 및 도 4b에 화살표로 나타낸 바와 같이) 유동하는 냉각제를 받아들일 수 있는 연속한 채널(62, 64)을 냉각제 캐비티(42, 44)에 형성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 냉각제는 입구(46, 48)에서부터 연속한 채널(62, 64)을 통해 앞뒤로 왔다갔다하는 패턴으로 출구(50, 52)까지 흐를 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제 캐비티 핀(58, 60)은 반경 방향 또는 축방향으로 냉각제 캐비티(42, 44) 내로 돌출할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 냉각제 캐비티(42, 44)는 냉각제 핀(58, 60)을 포함하지 않아, 냉각제가 앞뒤로 왔다갔다하지 않고 입구(46, 48)에서부터 출구(50, 52)까지 직선적으로 흐를 수 있다.

냉각 캐비티(42, 44) 내로 돌출함으로써, 냉각제 캐비티 핀(58, 60)은 실질적으로 편평한 표면에 비해 냉각제를 받아들일 보다 큰 면적을 제공할 수 있고, 이에 따라 전기 기계(18)에서 냉각제로 보다 많은 열 에너지 전달을 허용하여 열 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 직선 흐름 경로를 갖기보다는 그 흐름을 방향을 바꿔가면서 안내함으로써, 냉각제의 평균 유속이 증가하여 열전달에 도움을 줄 수 있다. 게다가, 흐름의 앞뒤로 왔다갔다하는 패턴은 냉각제가 냉각제 캐비티(42, 44)의 표면에 난류 형태로 접촉하도록 강제하여, 전기 기계(18)에서 냉각제로의 열 에너지의 전달을 향상시킬 수 있다. 냉각제 캐비티 핀(58, 60)은 내벽(36, 40)에서 외벽(34, 38)으로의 전도 경로를 제공하여, 전기 기계(18)로부터 내벽(36 40)으로 전도된 열이 외벽(34, 38)으로 전도될 수 있게 한다. 외벽(34, 38)은 전기 기계(18)로부터 전도된 열을 제거하는 데에 도움을 줄 수 있는 추가적인 표면적을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 냉각제는 전술한 바와 같이 입구(46, 48)를 통해 냉각제 캐비티(42, 44)로 도입되어 출구(50, 52)를 통해 냉각제 캐비티(42, 44)를 빠져나갈 수 있고, 이에 따라 전기 기계 모듈(10)을 지나는 2개의 병렬 유동 경로가 얻어진다. 다른 실시예에서, 입구(46, 48) 중 하나 이상이 출구로서 기능하고 출구(50, 52) 중 하나 이상의 입구로서 기능할 수 있다. 예를 들면, 출구(52)가 냉각제 캐비티(44)를 위한 입구로서 기능하여, 다른 출구(50)와 유체 연통할 수 있다. 그 결과, 냉각제는 입구(46)를 통해 냉각제 캐비티(42) 내로 도입되어 출구(50)를 통해 냉각제 캐비티(44)를 빠져나간 후에, 출구(52)로 흘러 냉각제 캐비티(44)를 지나 입구(48)를 통해 냉각제 캐비티(44)를 빠져나갈 수 있으며, 이에 의해 전기 기계 모듈(10)을 지나는 하나의 직렬 유동 경로가 얻어질 수 있다.

병렬 유동 경로 또는 직렬 유동 경로는 예를 들면 최종 사용자 용례에서 냉각제의 흐름 및 압력 특성들을 수용하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 최종 사용자 용례가 냉각제의 유량에 의해 제한된다면, 전기 기계 모듈(10)은 직렬 유동 경로를 채용하고, 이에 의해 유량은 감소시키고 압력은 증가시킬 수 있다. 다른 예에서, 최종 사용자 용례가 냉각제의 압력에 의해 제한된다면, 전기 기계 모듈(10)은 병렬 유동 경로를 채용하고, 이에 의해 압력을 감소시킬 수 있다. 유동 경로를 2개의 병렬 경로로 분할함으로써, 유동 저항이 유량의 제곱에 비례하기 때문에 유동 저항을 단지 단일 유동 경로만을 갖는 전기 기계 모듈에 비해 약 75%만큼 감소시킬 수 있다.

몇몇 실시예에서, 냉각제는, 물, 에틸렌 글리콜, 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물, 기계유, 유압 유체 오일, 부동액 또는 이와 유사한 유체일 수 있다. 냉각제는 하우징(12)에 유입될 때에 압축될 수 있다. 출구(50, 52)를 통해 하우징(12)을 떠난 후에는, 냉각제는 냉각제가 받아들인 열 에너지를 제거할 수 있도록 하우징(12) 외부의 열전달 요소(도시 생략)를 향해 흐를 수 있다. 열전달 요소는 열 에너지를 제거할 수 있는 라디에이터 또는 이와 유사한 열 교환 장치일 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 중앙 립(23)은 어쩌면 모듈(10)의 반경을 증가시킬 수 있다. 이러한 반경의 증가는 모듈(10)의 크기가 몇몇 용례 또는 용도를 위해서는 너무 커지게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프레임 부재(14, 16)는 아래에서 설명하는 바와 같이 모듈(10)의 반경을 실질적으로 증가시키지 않거나 최소한으로 증가시키면서 함께 결합될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 모듈(10)은 실질적으로 중앙 립(23)이 없는 프레임 부재(14, 16)를 포함할 수 있다. 그 결과, 변속 장치 본체를 비롯한 다양한 장치 내에 모듈(10)을 설치하는 데에 요구되는 반경 방향 공간이 감소될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 도 8a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 모듈(10)은 관통 볼트(104)를 포함할 수 있다. 이 관통 볼트(104)는 프레임 부재(14, 16)들의 결합 및/또는 축방향 클램핑에 적어도 부분적으로 도움을 줄 수 있다. 몇몇 실시예에서, 관통 볼트(104)의 한쪽 또는 양쪽 단부는 도 8a에 도시한 바와 같은 나사부(105)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 관통 볼트(104)는 하우징(12)의 축방향 길이보다 더 크거나 실질적으로 동일한 축방향 길이를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 관통 볼트(104)의 축방향 길이는 예를 들면 제조업자 또는 최종 사용자의 요구에 의해 필요한 바에 따라 하우징(12)의 축방향 길이보다 작을 수 있다. 관통 볼트(104)의 길이가 하우징(12)의 축방향 길이와 실질적으로 동일한 실시예에서, 프레임 부재(14, 16)들의 축방향 클램핑은 보다 짧은 스크루 또는 관통 볼트를 이용하는 모듈에 비해 보다 튼튼할 수 있다. 예를 들면, 더 큰 길이를 갖는 관통 볼트(104)는 가변적인 열팽창을 보다 용이하게 허용할 수 있고, 또한 실제 죔 토크의 편차에 대한 민감성을 감소시킨다. 추가로, 모듈(10)은 예를 들면 4개 내지 8개의 관통 볼트(104)와 같은 하나보다 많은 관통 볼트(104)를 포함할 수 있다[예를 들면, 하우징(12)의 둘레에서 간격을 두고 떨어져 배치됨].

몇몇 실시예에서, 프레임 부재(14, 16) 각각은 하나 이상의 볼트 채널(106)[예를 들면, 관통 볼트(104)의 개수와 실질적으로 동일]을 포함할 수 있다. 각각의 볼트 채널(106)은 관통 볼트(104)의 일부분을 수용하는 치수로 될 수 있다. 보다 구체적으로, 볼트 채널(106)은 각각 프레임 부재(14, 18)에서 고정자 라미네이션 스택의 중심으로부터 축방향 외측으로 연장할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프레임 부재(14, 16)의 제조 중에 예를 들면 소실 모형 주조를 이용하여, 볼트 채널(106)이 프레임 부재(14, 16)와 함께 주조되어, 볼트 채널(106)이 하우징(12)의 한쪽 축방향 단부에서부터 하우징(12)의 반대측 축방향 단부에 이르기까지 실질적으로 전체에 걸쳐 연장하도록 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 볼트 채널(106)은 하우징(12)의 축방향 길이 전체 또는 그 일부분에 걸쳐 연장할 수 있다.

게다가, 볼트 채널(106)은 하우징(12)의 실질적으로 원형의 외주부로부터 반경 방향 내측으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 볼트 채널(106)은 냉각제 캐비티(42, 44) 내측에 위치시키거나 적어도 부분적으로 그 내에 형성하여, 볼트 채널(106)이 기능적으로 요구되는 것[즉, 냉각제 캐비티(42, 44)에 의해 요구되는 것]보다도 더 하우징(12)의 외경으로부터 외측으로 연장하지 않도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 볼트 채널(106)의 개재가 하우징(12)의 임의의 영역에서의 반경 방향 길이를 증가시키지 않을 수 있다. 통상적으로, 전기 기계 모듈은 관통 볼트의 축방향 클램핑을 허용하도록 하우징의 본체를 지나 돌출하는 외측 "귀 형상부"를 포함하여, 최종 사용 용례에서 하우징을 패키징하는 데에 요구되는 전체 면적을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서, 냉각제 캐비티(42, 44)의 기능적 요건에 의해 요구되는 하우징의 직경을 내에 관통 볼트(106)를 형성함으로써, 전기 기계 모듈(10)은 통상의 전기 기계 모듈에 비해 그 크기를 현저히 감소시킬 수 있어, 전기 기계 모듈(10)을 보다 작은 면적 내에 패키징할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 볼트 채널(106)은 냉각제 캐비티(42, 44)의 일부분 내로 반경 방향 내측으로 연장할 수 있다. 예를 들면, 볼트 채널(106)이 냉각제 캐비티(42, 44)의 구조 또는 기능을 방해할 수 있는 프레임 부재(14, 16)의 몇몇 영역에는 벽(108)이 볼트 채널(106)과 냉각제 캐비티(42, 44) 사이에 배치될 수 있다[예를 들면, 냉각제 캐비티(42, 44)와 냉각제 유동 경로의 일체성을 보장하도록]. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 벽(108)은 주조 금속 합금(예를 들면, 주조 알루미늄)으로 이루어질 수 있고, 실질적으로 볼트 채널(106)의 축방향 길이의 일부분을 따라 연장할 수 있다. 벽(108)은 여전히 냉각제의 흐름이 전술한 바와 같이 냉각제 캐비티(42, 44)를 통한 경로를 따르게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 볼트 채널(106)은 일반적으로 통상의 하우징에서 중실 구조 또는 벽이 배치되는 영역에 배치될 수 있다. 그 결과, 관통 볼트(104) 및 볼트 채널(106)은 물론 벽(108)의 개재는 냉각제 캐비티(42, 44)를 통해 유동하는 냉각제의 경로에 최소한의 중단을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 냉각제 캐비티(42, 44)는 부분적으로는 하우징(12)의 둘레에 둘러진 관통 볼트(104) 및 볼트 채널(106)의 위치로 인해 몇몇 영역에서 상이한 구성을 포함할 수 있다. 전술하고 도 9b에 도시한 바와 같이, 관통 볼트(104) 및 볼트 채널(106)들은 하우징(12)의 둘레에 간격을 두고 서로 떨어질 수 있다. 도 9b에 도시한 바와 같이 관통 볼트(104) 및 볼트 채널(106)이 배치되지 않은 영역(110)에서의 냉각제 캐비티(42, 44)는 도 8a에 도시한 바와 같은 관통 볼트(104) 및 볼트 채널(106)이 배치되어 있는 영역(112)에 비해 외벽(34, 38)을 향해 더 큰 축방향 거리에 걸쳐 연장하고 실질적으로 더 큰 표면적을 포함할 수 있다. 도 9a에 도시한 바와 같이, 관통 볼트(104)를 포함하지 않는 영역(110)은 관통 볼트(104)를 포함하는 영역(112)보다 실질적으로 더 클 수 있다. 그 결과, 냉각제 캐비티(42, 44)의 대부분이 도 9b와 실질적으로 유사한 구성을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 8a에 도시한 바와 같이 고정자 라미네이션의 적어도 일부분은 반경 방향 길이가 균일할 수 있다. 그 결과, 고정자(24)는 실질적으로 매끈한 외경을 포함할 수 있고, 프레임 부재(14, 16)에 의해 완전히 또는 부분적으로 에워싸일 수 있다. 예를 들면, 도 8a 및 도 9a에 도시한 바와 같이, 내벽(36, 40)은 실질적으로 고정자(24)의 외경 및 축방향 측면과 접촉하여, 기계 캐비티(20) 내에 고정자(24)를 배치하는 데에 도움을 줄 수 있다[예를 들면, 프레임 부재(14, 16)와 고정자(24) 간의 압입에 의해].

다른 실시예에서, 고정자(24)는 전술한 바와 같이 고정자 라미네이션 스택의 나머지 부분들을 지나 반경 방향으로 연장하여, 하우징(12)을 관통하거나 그렇지 않을 수 있는 연장된 고정자 라미네이션(43)을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 프레임 부재(14, 16)를 통과하는 볼트 채널(106)의 구성들은 서로 상이할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 각각의 볼트 채널(106)은 도 8a에 도시한 바와 같이 개방단(114) 및 폐쇄단(116)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 몇몇 실시예에서, 크라운 엔드 프레임 부재(16)가 개방단(114)을 포함하고 트위스트 엔드 프레임 부재(14)가 폐쇄단(116)을 포함할 수 있다. 추가로, 두 프레임 부재(14, 16) 모두가 개구(118)를 포함하여, 볼트 채널(106)이 프레임 부재(14, 16) 모두를 관통하게 할 수 있다[예를 들면, 두 프레임 부재(14, 16)가 모두 볼트 채널(106)의 적어도 일부분씩을 포함함]. 그 결과, 프레임 부재(14, 16)가 결합하기 전에 실질적으로 서로 인접하게 배치되는 경우, 관통 볼트(104)의 적어도 일부분이 하우징(12) 내에 삽입되어, 프레임 부재(14, 16) 모두를 실질적으로 관통할 수 있다.

각각의 볼트 채널(106)은 트위스트 엔드 프레임 부재(14)의 축방향 길이보다 실질적으로 작은 거리만큼 트위스트 엔드 프레임 부재(14)를 통과하여, 폐쇄단(16)으로 끝날 수 있다. 예를 들면, 관통 볼트(104)는 자가 태핑(self-tapping) 관통 볼트라서, 나사부(105)가 폐쇄단(116)에 관통 볼트(104)를 실질적으로 고정시키도록 폐쇄단(116)에 의해 수용될 수 있다. 그 결과, 프레임 부재(14, 16)들이 결합을 위해 서로에 대해 배치된 경우[즉, 실질적으로 서로 인접하게 배치되어, 트위스트 엔드 프레임 부재(14)의 개구(118)가 크라운 엔드 프레임 부재(16)의 개구(118)와 일렬로 되는 경우], 관통 볼트(104)는 트위스트 엔드 프레임 부재(14)의 폐쇄단(116)에 도달할 때까지 크라운 엔드 프레임 부재(16)의 개방단(114)을 통해 각각의 볼트 채널(106) 내로 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 폐쇄단(116)은 프레임 부재(14, 16)들을 축방향으로 함께 클램핑하는 데에 적어도 부분적으로 도움을 주도록 관통 볼트(104) 상의 나사부(105)와 맞물리는 데에 이용될 수 있는 나사부(도시 생략)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 크라운 엔드 프레임 부재(16)가 개방단(114)을 포함하고 트위스트 엔드 프레임 부재(14)가 폐쇄단(116)을 포함할 수 있다.

추가로, 몇몇 실시예에서, 관통 볼트(104)는 모듈(10)의 축방향 길이보다 대체로 더 큰 축방향 길이에 걸쳐 연장할 수 있고, 프레임 부재(14, 16) 모두가 개방단(116)(도시 생략)을 포함할 수 있다. 그 결과, 관통 볼트(104)는 두 프레임 부재(14, 16) 모두로부터 외측으로 연장할 수 있다. 너트(도시 생략)가 개방단(116)들 중 하나에 위치한 관통 볼트(104)의 부분에 결합되어, 관통 볼트(104)를 볼트 채널(106) 내에 고정시키는 데에 도움을 줄 수 있다. 몇몇 실시예에서, 개방단들 중 하나는 너트와 관통 볼트(104)가 함께 결합될 때에 너트를 수용하는 캐비티 또는 캐스트 포켓(도시 생략)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전술한 관통 볼트-너트 결합 방법은 보다 큰 사이즈의 모듈(10)에 이용될 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 몇몇 실시예에서는 회전자 허브(32)의 적어도 일부가 축방향 회전자 허브 핀(68)을 포함할 수 있다. 축방향 회전자 허브 핀(68)은 추가적인 표면적을 제공함으로써 전기 기계(18)로부터의 열 에너지 소산을 더욱 증가시킬 수 있다. 축방향 회전자 허브 핀(68)은 회전자 허브(32)에 결합되거나, 그에 장착되거나, 혹은 그와 일체로 형성될 수 있고, 내벽(36, 40)과 인터페이싱할 수 있다(실질적으로 길이 방향으로). 축방향 회전자 허브 핀(68)은 체결구, 압입, 용접, 브레이징, 접착제 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 결합 기법을 이용하여 회전자 허브(32)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 축방향 회전자 허브 핀(68)은 회전자(22) 상에 압입될 수 있다. 하나의 실시예에서, 내벽(36, 40)의 적어도 일부분은 축방향 회전자 허브 핀(68)과 깍지끼듯 서로 맞물리게 또는 짝을 이루게 맞물리도록 구성된 축방향 내벽 핀(70, 72)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 공기 캐비티(74)가 축방향 내벽 핀(70, 72)과 축방향 회전자 허브 핀(68) 사이에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 축방향 내벽 핀(70, 72)과 축방향 회전자 허브 핀(68)은 서로 물리적으로 접촉하며, 윤활제를 이용하여, 축방향 회전자 허브 핀(68)이 회전할 때에 그들 간의 마찰을 감소시킬 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 10에 도시한 바와 같이 축방향 회전자 허브 핀(68)은 나사 형성 체결구(120)를 이용하여 회전자 허브(32)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 쉘 부재(122)가 회전자 허브(32)에 결합될 수 있고, 이 쉘 부재(122)의 적어도 일부가 축방향 회전자 허브 핀(68)을 포함할 수 있다. 쉘 부재(122) 상의 축방향 회전자 허브 핀(68)은 전술한 바와 유사한 방식으로 모듈(10)의 일부분들과 상호 작용할 수 있다. 쉘 부재(122)는 예를 들면 회전자 허브(32)가 회전함에 따라 회전하도록 회전자 허브(32)에 결합되어, 전기 기계(18)의 냉각에 더욱 도움을 줄 수 있다. 다른 실시예에서, 쉘 부재(122)는 다른 체결구, 압입, 용접, 브레이징, 접착제 등을 비롯한 기타 결합 기법을 이용하여 회전자 허브(32)에 결합될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 쉘 부재(122)는 회전자 허브(32)의 한쪽 축방향 측부에 결합되는 쉘 부재 부분(123), 및 회전자 허브(32)의 다른쪽 축방향 측부에 결합되는 쉘 부재 부분(124)을 포함할 수 있고, 이들은 전기 기계(18)의 냉각을 부분적으로 향상시킬 수 있다.

추가로, 몇몇 실시예에서, 회전자 허브(32)와 쉘 부재(122)는 알루미늄, 강, 스테인리스강, 기타 적절한 금속, 금속 합금이나 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전자 허브(32) 및 셀 부재(122)를 제조하는 데에 이용되는 재료는 다른 인자들 중에서 전기 기계(18)의 사이즈 및 의도한 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전자 허브(32)와 쉘 부재(122)는 실질적으로 동일한 재료로 제조되거나 유사한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들면, 회전자 허브(32)와 쉘 부재(122)는 모두 알루미늄으로 제조되고 서로 압입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 알루미늄제 구성 요소[즉, 알루미늄제 회전자 허브(32) 및 알루미늄제 쉘 부재(122)]는 중간 정도의 토크, 및 알루미늄제 구성 요소와 강제 회전자(22) 간의 중간 정도의 열팽창 차로 인해 비교적 소형의 전기 기계에 이용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 회전자 허브(32)와 쉘 부재(122)는 실질적으로 상이한 재료로 제조될 수 있다. 그 재료로는, 알루미늄, 강, 스테인리스강, 또는 기타 적절한 금속, 금속 합금이나 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 회전자 허브(32)는 강 또는 스테인리스강으로 제조되고 쉘 부재(122)는 알루미늄으로 제조되거나, 그 반대로도 제조될 수 있다. 실질적으로 강으로 제조된 회전자 허브(32)는 알루미늄제 회전자 허브(32)와 비교할 때에, 회전자(22)[예를 들면, 회전자(22)의 적층된 회전자 라미네이션]를 위한 보다 견고한 구조용 지지체를 제공하고 메인 출력 샤프트(30)로 비교적 많은 양의 토크를 전달할 수 있다. 게다가, 강제 회전자 허브(32)는 회전자(22)와 유사한 열팽창 특성을 가질 수 있다. 또한, 실질적으로 알루미늄으로 제조된 쉘 부재(122)는 강제 쉘 부재(122)와 비교할 때에, 회전자(22)로부터 축방향으로 멀어지는 쪽으로의 열 에너지의 전도가 보다 양호해지는 동시에, 국부적 환경으로 또는 냉각제 캐비티(42, 44)를 통해 흐르는 냉각제로의 열 에너지의 대류가 보다 양호해질 수 있다.

본 명세서에 있어서, 짝을 이루게 맞물린다는 표현은 한정하고자 하는 것은 아니지만, 서로 맞물리는 핀들 간의 물리적 접촉 또는 서로 맞물리는 핀들 간의 비접촉(예를 들면, 윤활제 또는 공기 간극에 의해 서로 떨어져 있음)을 지칭할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 깍지끼듯 맞물린다는 표현은 서로 맞물리는 핀들 한 개씩이 교대로 배치되는 것에 한정되는 것이 아니라, 서로 맞물리는 핀들 두개씩이 교대로 배치되거나, 서로 맞물리는 핀들 한개 및 두 개씩이 교대로 배치되는 등을 지칭할 수 있다.

전기 기계(18)의 작동 중에, 축방향 회전자 허브 핀(68)과 축방향 내벽 핀(70, 72)의 짝을 이룬 상호 작용은 통상의 전기 기계 모듈과 비교할 때에, 그러한 특징에 의해 생성된 비교적 큰 표면적으로 인해, 회전하는 회전자(22) 및 회전자 허브(32)와 정지된 내벽(36, 40) 간에 증가된 열 에너지 전달을 제공할 수 있다. 축방향 회전자 허브 핀(68)에서 축방향 내벽 핀(70, 72)으로 전달된 후에, 열 에너지는 냉각제 캐비티 핀(58, 60)[즉, 내벽(36, 40)을 통해]으로 전달될 수 있다. 그 열 에너지는 냉각제 캐비티 핀(58, 60)으로부터 순환하는 냉각제로 전달될 수 있다. 그러면, 냉각제는 출구(50, 52)를 통해 열전달 요소로 흐를 수 있다. 게다가, 일부의 열 에너지는 비교적 작은 공기 캐비티(74) 및 회전하는 회전자 허브(32)에 의해 그 영역에 존재하는 비교적 높은 대류 계수로 인해 공기 캐비티(74) 내에서 소산될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 반경 방향 내벽 핀(76, 78)이 회전자 허브(32)의 내측 반경 방향 부분 근처[즉, 회전자 허브(32)의 내경 근처]에서 내벽(36, 40)을 따라 장착되거나 그와 일체로 될 수 있다. 통상의 전기 기계 모듈과 비교할 때에, 반경 방향 내벽 핀(76, 78)에 의해 제공된 추가적인 표면적으로 인해, 회전자 허브(32)와 반경 방향 내벽 핀(76, 78) 간에 열 에너지 전달이 보다 효과적일 수 있다. 반경 방향 내벽 핀(76, 78)은 회전자 허브(32)에서부터 기계 캐비티(20) 내의 공기 간극(80)을 통해 내벽(36, 40)으로 열을 전달하는 추가적인 표면적을 제공할 수 있다. 일부의 열 에너지는 기계 캐비티(20) 도처의 공기 간극(80)을 통해 소산될 수 있는 한편, 나머지 열 에너지는 내벽(36, 40)을 통해 냉각제 캐비티(42, 44)로 전달될 수 있고, 여기서 냉각제로 전달되어 나중에 열전달 요소에 의해 제거될 수 있다. 게다가, 일부의 열 에너지는 비교적 작은 공기 간극(80) 및 회전하는 회전자 허브(32)에 의해 그 영역에 존재하는 비교적 높은 대류 계수로 인해 공기 간극(80) 내에서 소산될 수 있다.

전술한 바와 같이, 프레임 부재(14, 16)는 반경 방향 및 축방향 모두에 있어서 전기 기계(18)를 둘러싸는 액체 냉각식 하우징(12)을 제공하여, 냉각제가 전기 기계(18)의 발열 요소와 밀접하게 접촉하게 할 수 있다. 게다가, 반경 방향 내벽 핀(76, 78)은 액체 냉각식 하우징(12)에 의해 3개의 측부(즉, 축방향 외측, 반경 방향 내측, 및 반경 방향 외측)에서 고정자 엔드 턴(26)을 둘러싸는 데에 도움을 준다. 발열 요소와 냉각제 간의 거리를 최소화함으로써, 열저항을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 냉각을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 도 6에 전기 기계(18)에서 냉각제에 이르는 열 에너지의 유동 경로가 도시되어 있다.

몇몇 실시예에서, 회전자 허브(32)는 통상의 회전자 허브 베이스보다 두꺼운 베이스(32)를 포함할 수 있다. 이러한 보다 두꺼운 회전자 허브 베이스(82)는 열 에너지를 회전자로부터 멀어지게 축방향 및 반경 방향으로 전도하는 데에 도움을 준다. 추가로, 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 쉘 부재(122)는 도 10에 도시한 바와 같이 동일한 기능을 수행하는 두꺼운 베이스(82)를 제공할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 도 1에 도시한 바와 같이 고정자 엔드 턴(26)은 매립 재료(84) 내에 매립될 수 있다. 매립 재료(84)는 에폭시 수지 또는 이와 유사한 재료일 수 있다. 내벽(36, 40)은 매립된 고정자 엔드 턴(26)을 수용하도록 열 캐비티(86, 88)를 획정하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 고정자 엔드 턴(26)은 기계 캐비티(20) 내에 삽입하기 전에 몰드 내에 매립될 수 있다. 몰드는 열 캐비티(86, 88)와 유사한 형상의 캐비티를 고정자 엔드 턴(26) 주위에 형성하도록 하는 형상을 가질 수 있다.

하나의 실시예에서, 열 전도성 재료(90)가 매립된 고정자 엔드 턴(26)과 내벽(36, 40) 사이의 열 캐비티(86, 88) 내의 임의의 공기 간극을 채울 수 있다. 열 전도성 재료(90)는 열 캐비티(86, 88)에 걸친 열 에너지 소산을 증가시킬 수 있다(즉, 공기 간극에 걸친 열 에너지 소산에 비교할 때). 열 전도성 재료(90)는 서멀 그리스, 서멀 페이스트 또는 이와 유사한 재료 등의 열을 전도할 수 있는 화합물일 수 있다. 열 에너지는 매립된 고정자 엔드 턴(26)으로부터 열 전도성 재료(90)를 거쳐 내벽(36, 40)으로 전달될 수 있다. 그 열 에너지는 냉각제 캐비티 핀(58, 60)을 통해 냉각제로 전달되어, 출구(50, 52)를 빠져나가는 냉각제를 통해 하우징(12)으로부터 제거될 수 있다.

하나의 실시예에서, 두 프레임 부재(14, 16)는 고정자 엔드 턴(26)의 근처에서 내측으로 단이 져, 열 캐비티(86, 88)의 크기를 감소시키고, 이에 따라 고정자 엔드 턴(26)으로부터의 열 에너지가 내벽(36, 40)에 도달하기 위해 통과해야 하는 매립 재료의 두께를 감소시킬 수 있다. 게다가, 프레임 부재(14, 16)들 내부에 고정자 엔드 턴(26)을 매립하는 것과 달리, 고정자 엔드 턴(26)을 외부 몰드에 매립한 후에 열 전도성 재료(90)를 이용하여 고정자 엔드 턴(26)과 프레임 부재(14, 16) 사이의 공극을 매움으로써, 전기 기계(18)는 추후 점검, 수리 등을 위해 프레임 부재(14, 16)로부터 분해될 수 있다. 또한, 고정자 엔드 턴(26)이 외부 몰드 내에 매립되기 때문에, 하우징(12)은 전기 기계(18)를 축방향 및 반경 방향으로 각각 둘러쌀 수 있는 2개의 별개의 프레임부(14, 16)를 포함할 수 있는 반면, 통상의 하우징은 삽입된 고정자 엔드 턴(26)에 매립 재료가 접근할 수 있도록 구성되어야 한다.

몇몇 실시예에서, 2개의 프레임 부재(14, 16)를 포함한 하우징(12)은 몇몇 통상의 기계 하우징 구조보다 적은 수의 체결구를 필요로 할 수 있다. 예를 들면, 2개의 프레임 부재(14, 16)는 조립을 위해 2개의 별개의 조인트를 요구하는 하우징에 비해, 단일 조인트[즉, 중앙 립(23)]에서 함께 결합될 수 있다. 게다가, 2개의 프레임 부재(14, 16)는 전술한 바와 같이 통상의 기계 하우징 요소보다 실질적으로 튼튼하고 전기 기계(18)의 정렬 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 그 결과, 프레임 부재(14, 16)는 통상의 기계 하우징 요소에 비해 체결구들 간에 보다 큰 각도 스팬을 허용할 수 있다. 그 결과, 중앙 립(23)은 이용될 보다 큰 볼트 또는 체결구에 대해 보다 큰 반경 방향 공간을 제공할 수 있다. 보다 큰 볼트는, 하우징의 두께를 종종 제한하는 통상의 구조에서 이용되는 보다 작은 체결구에 비해 큰 클램핑 압력을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 외벽(38)의 소정 영역에 위치한 리세스(92)를 포함할 수 있다. 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 6에 도시한 바와 같이, 단자 블록(96), 위치 센서(98) 등과 같은 전기적 구성 요소들이 리세스(92) 내에 배치될 수 있다. 리세스(92)에 그러한 구성 요소들을 보관함으로써, 수많은 용례에서 종종 바람직하지 못한 하우징(12)의 추가적인 축방향 길이가 불필요하다. 커버 플레이트(94)가 외벽(38)에 제거 가능하게 결합되어, 전기적 구성 요소들을 리세스(92) 내에 확실하게 보관하도록 리세스(92)를 에워쌀 수 있다. 몇몇 실시예에서, 위치 센서(98)는 전기 기계(18)를 위한 각도 위치 센서일 수 있고, 기계 캐비티(20) 외부의 리세스(92) 내(도 1 참조)에 또는 기계 캐비티(20) 내(도시 생략)에 위치할 수 있다. 기계 캐비티(20) 외부에 위치하는 위치 센서(98)는 점검, 유지보수 또는 기타 목적을 위해 보다 양호한 접근성을 제공할 수 있다.

게다가, 몇몇 실시예에서, 단자 블록(96)은 고정자 위상 도선(stator phase lead)(100)을 구리 단자를 통해 외부 배선 연결부에 연결할 수 있는 성형 플라스틱 단자 블록일 수 있다. 고정자 위상 도선(100)은 고정자(24)로부터의 구리 전도체 위상 도선일 수 있다. 단지 블록(6)은 축방향 또는 반경 방향 방식으로 외부 배선 연결부에 연결되도록 구성될 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 크라운 엔드 프레임 부재(16)는 또한 고정자 위상 도선(100)을 수용하도록 채널(102)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 크라운 엔드 프레임 부재(16)의 주조 중에, 외벽(38)이 내벽(40)의 깊이에 묻힌 채널(102)을 생성할 수 있다.

본 발명을 특별한 실시예들 및 예들과 관련하여 앞서 설명하였지만, 본 발명이 반드시 그러한 식으로 제한되어야 할 필요는 없고, 많은 다른 실시예, 예, 용도는 물론 그 실시예, 예 및 용도로부터의 수정예 및 변형예도 첨부된 청구 범위에 포함된다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 인용된 각각의 특허 및 공개 문헌들의 전체 개시 내용은 각각의 특허 문헌 또는 공개 문헌이 본 명세서에 참조에 의해 개별적으로 포함되어 있는 것처럼, 참조에 의해 포함된다. 본 발명의 여러 특징들 및 장점들이 이하의 청구항들에서 기술되어 있다.

Claims

고정자 엔드 턴(end turns)을 갖는 고정자를 포함한 전기 기계;
관통 볼트; 및
적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 포함한 하우징
을 포함하며, 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재는 각각
기계 캐비티(machine cavity)를 적어도 부분적으로 획정하여 상기 전기 기계를 부분적으로 에워쌀 수 있는 내벽;
외벽;
상기 내벽과 외벽에 의해 적어도 부분적으로 획정되고, 상기 고정자 엔드 턴 중 적어도 하나에 실질적으로 둘러지게 반경 방향으로 배치된 냉각제 캐비티; 및
상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각의 일부분을 통과해 형성되고, 상기 하우징의 실질적으로 원형의 외주부로부터 반경 방향 내측에 위치하며, 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 함께 결합하도록 관통 볼트의 적어도 일부분을 수용할 수 있는 볼트 채널
을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제1항에 있어서, 상기 관통 볼트는 자가 태핑(self-tapping) 관통 볼트 인 것인 전기 기계 모듈.
제1항에 있어서, 상기 관통 볼트는 복수의 관통 볼트를 포함하고, 상기 볼트 채널은 복수의 볼트 채널을 포함하며, 이들 복수의 볼트 채널은 상기 하우징의 둘레에 둘레 방향으로 간격을 두고 떨어진 영역에서의 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재들 각각의 부분을 통과해 연장하는 것인 전기 기계 모듈.
제1항에 있어서, 복수의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각은 냉각제 캐비티와 유체 연통하는 입구 및 출구를 더 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제8항에 있어서, 상기 전기 기계를 냉각시키도록 냉각제가 상기 입구로부터 냉각제 캐비티를 지나 상기 출구로 흐르는 것인 전기 기계 모듈.
제1항에 있어서, 상기 냉각제 캐비티는 고정자 엔드 턴 중 적어도 하나에 축방향으로 실질적으로 인접하게 배치되는 것인 전기 기계 모듈.
제1항에 있어서, 상기 냉각제 캐비티는 냉각제 캐비티 내로 반경 방향 및 축방향으로 돌출하는 핀을 포함하는 내면을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제8항에 있어서, 상기 볼트 채널은 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 중 하나를 실질적으로 완전히 통과해 형성되는 것인 전기 기계 모듈.
제9항에 있어서, 상기 볼트 채널은 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 모두를 실질적으로 완전히 통과해 형성되는 것인 전기 기계 모듈.
고정자 엔드 턴을 갖는 고정자를 포함한 전기 기계;
관통 볼트; 및
적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 포함한 하우징
을 포함하며, 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재는 각각
기계 캐비티를 적어도 부분적으로 획정하여 상기 전기 기계를 부분적으로 에워쌀 수 있는 내벽;
외벽;
상기 내벽과 외벽에 의해 적어도 부분적으로 획정되고, 상기 고정자 엔드 턴 중 적어도 하나에 실질적으로 둘러지게 반경 방향으로 배치된 냉각제 캐비티; 및
상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각의 일부분을 통과해 형성되고, 상기 냉각제 캐비티의 일부분 내로 반경 방향 내측으로 연장하며, 상기 적어도 2개의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 함께 결합하도록 관통 볼트의 적어도 일부분을 수용할 수 있는 볼트 채널
을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제11항에 있어서, 상기 볼트 채널은 벽에 의해 냉각제 캐비티로부터 분리되는 것인 전기 기계 모듈.
회전자 허브에 결합된 회전자를 포함하는 전기 기계;
회전자 허브에 결합되고 적어도 일부분 상에 핀(fin)을 포함하는 적어도 하나의 쉘 부재; 및
복수의 제거 가능하게 결합된 부재를 포함한 하우징
을 포함하며, 상기 적어도 하나의 쉘 부재는 제1 재료를 포함하고 상기 회전자 허브는 제2 재료를 포함하며, 상기 제거 가능하게 결합된 프레임 부재는 각각은,
기계 캐비티를 적어도 부분적으로 획정하여 상기 전기 기계를 부분적으로 에워쌀 수 있는 내벽
을 포함하며, 상기 내벽의 적어도 일부분은 상기 적어도 하나의 쉘 부재 상의 핀과 짝을 이루게 맞물리도록 구성 및 배치된 핀을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제12항에 있어서, 상기 제1 재료는 알루미늄이고 상기 제2 재료는 강인 것인 전기 기계 모듈.
제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 쉘 부재는 나사 형성 체결구에 의해 회전자 허브에 결합되는 것인 전기 기계 모듈.
제12항에 있어서, 상기 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각은 외벽, 및 상기 내벽과 외벽에 의해 획정된 냉각제 캐비티를 더 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제15항에 있어서, 상기 냉각제 캐비티는 냉각제 캐비티 내로 반경 방향 및 축방향으로 돌출하는 핀을 포함하는 내면을 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제12항에 있어서, 상기 제거 가능하게 결합된 프레임 부재 각각은 냉각제 캐비티와 유체 연통하는 입구 및 출구를 더 포함하는 것인 전기 기계 모듈.
제17항에 있어서, 상기 전기 기계를 냉각시키도록 냉각제가 상기 입구로부터 냉각제 캐비티를 지나 상기 출구로 흐르는 것인 전기 기계 모듈.
전기 기계를 냉각시키는 방법으로서:
회전자, 이 회전자를 둘러싸는 고정자, 및 회전자에 결합된 회전자 허브를 포함한 전기 기계, 및 상기 회전자 허브에 결합되고 적어도 일부분이 핀을 포함한 적어도 하나의 쉘 부재를 제공하는 것;
내벽 및 외벽을 각각 포함한 복수의 제거 가능하게 결합된 프레임 부재를 포함하고, 상기 내벽이 상기 전기 기계를 적어도 부분적으로 수용하는 기계 캐비티를 획정하는 한편 내벽 핀을 포함하고 있는 하우징을 제공하는 것;
상기 적어도 하나의 쉘 부재의 핀을 내벽 핀과 짝을 이루게 맞물리는 것;
상기 내벽과 외벽 사이에 냉각제 캐비티를 제공하는 것;
상기 냉각제 캐비티 내에 냉각제를 도입하는 것; 및
상기 전기 기계로부터의 열 에너지를 제거하도록 상기 냉각제 캐비티에 걸쳐 냉각제를 순환시키는 것
을 포함하는 전기 기계의 냉각 방법.
제19항에 있어서, 순환하는 냉각제를 위해 왔다갔다하는 패턴의 유동 경로를 생성하도록 냉각제 캐비티 내로 돌출하는 냉각제 캐비티 핀을 제공하는 것을 더 포함하는 것인 전기 기계의 냉각 방법.