KR20160053215A - 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제작이 용이하면서 냉각수의 개선된 열교환 효율을 갖는 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징에 관한 것으로, 전동기의 고정자 코어가 내삽되는 원통 형상의 하우징으로써, 원주 방향으로 복수개의 냉각유로(111a)가 나란하게 형성되고 서로 이웃하는 냉각유로(111a)가 최소한 하나 이상의 연결유로(111b)에 의해 연결되는 냉각수용 유로(111a)(112b)가 일체로 형성됨을 특징으로 한다.

Description

전동기용 수냉각장치 일체형 하우징{Water-cooling device integrated housing for a motor}
본 발명은 제작이 용이하면서 냉각수의 개선된 열교환 효율을 갖는 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징에 관한 것이다.
현재 전동기 산업분야에서 고출력 소형·경량화 전동기의 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라 철도 및 전기·하이브리드차용 전동기로 기존의 고출력 밀도화 시키는데 한계가 있는 유도전동기에서 고출력 밀도화가 가능한 영구자석 동기전동기로 전환되고 있는 상황이다.
고출력 밀도화가 가능한 영구자석 동기전동기는 동일 출력 대비 유도전동기에 비해 최대 0.5배 소형화 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 소형화 될수록 방열면적이 줄어들어 고정자 권선의 높은 전류밀도로 인해 발생한 열로 인하여 전동기 내부의 온도가 높아진다. 이로 인한 출력 감소뿐만 아니라 전동기의 수명에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서 전동기를 냉각시키기 위한 효율적인 수냉각장치의 필요성이 요구되고 있다. 수냉각장치 장착을 통해 구동 중 전동기 각 부품의 온도에 미치는 영향을 줄이기 위해 허용온도 이하로 유지하는 것이 중요하다.
기존의 수냉각장치는 나선형 수냉각방식을 기본으로 하고 있으며, 예를 들어,
등록특허공보 제10-1062191호(공고일자: 2011.09.05)와 등록특허공보 제10-0948154호(공고일자: 2010.03.18)에서는 나선형 수냉각을 적용하고 있으며, 냉각 유로의 감는 방식을 다르게 적용하는 방식이 일반적이다.
도 1은 일반적인 전동기의 수냉각장치를 보여주는 도면으로, 하우징(10) 내에는 원통형 나선으로 감긴 코일관(20)이 삽입되며, 코일관(20)의 입구(21)와 출구(22)를 통해 냉각수의 순환이 이루어져 냉각이 이루어진다.
한편, 등록특허공보 제10-0940606호(공고일자: 2010.02.05)와, 공개특허공보 제10-2009-0073791호(공개일자: 2009.07.03)에서는 수냉각장치 유로 사이에 돌기와 냉각유로 냉각 차폐막을 설치하여 단위면적당 열교환을 위한 표면적을 증가시켜, 냉각수의 열전달을 촉진시키는 것을 제안하고 있다.
그러나 이러한 나선형 수냉각장치는 제작과정에서 형상 설계의 어려움이 있으며, 나선형 관을 매입시키거나 나선형 유로를 주조하는 과정에서 온도차로 인한 터짐 현상과 접촉 열저항으로 인한 열교환의 손실이 발생하게 된다. 또한 유로 사이에 돌기와 냉각 차폐막을 설치할 경우 국소 부분에 난류를 형성하게 되어 열전달을 촉진시킬 수 있지만, 이와 같은 방식은 제작과정의 형상설계에 큰 어려움으로 나타날 수 있다.
등록특허공보 제10-1062191호(공고일자: 2011.09.05)
등록특허공보 제10-0948154호(공고일자: 2010.03.18)
등록특허공보 제10-0940606호(공고일자: 2010.02.05)
공개특허공보 제10-2009-0073791호(공개일자: 2009.07.03)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제작이 용이하면서 냉각수의 개선된 열교환 효율을 갖는 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징(이하, "일체형 하우징"으로도 약칭함)을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징은, 전동기의 고정자 코어가 내삽되는 원통 형상의 하우징으로써, 원주 방향으로 복수개의 냉각유로가 나란하게 형성되고 서로 이웃하는 냉각유로가 최소한 하나 이상의 연결유로에 의해 연결되는 냉각수용 유로가 일체로 형성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 냉각유로를 형성하도록 원주 방향으로 나란하게 돌출 형성되되, 일부가 절개되어 상기 연결유로를 제공하게 되는 복수의 격벽이 일체로 형성된 하우징 몸체와; 상기 하우징 몸체와 조립되어 상기 격벽의 상단과 기밀을 이루게 되며, 냉각수의 공급과 배출을 위한 입수포트와 출수포트를 갖는 하우징 커버;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 서로 이웃한 연결유로의 사잇각은 180°를 포함한 둔각 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 냉각수용 유로는 좌우 대칭되게 2채널로 구성되어 각 채널 별로 냉각수의 공급과 배출이 이루어지는 입수포트와 출수포트가 마련됨을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 입수포트는 각 채널의 출수포트 사이에 배치됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동기용 수냉각장치 일체형 하우징은, 수냉각을 위한 냉각수용 유로가 일체로 형성됨으로써, 제작이 용이하고 종래의 나선형 수냉각장치와 비교하여 접촉 열저항을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 냉각수용 유로를 2채널 구조로 구성함으로써, 보다 효율적인 냉각이 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전동기의 수냉각장치를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 일체형 하우징의 하우징 몸체의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 일체형 하우징의 하우징 몸체의 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 일체형 하우징에서의 냉각수 흐름을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 일체형 하우징의 유로 구조에 대한 냉각수 유동 해석 결과를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3에 예시된 것과 같이, 본 발명의 일체형 하우징은, 영구자석 동기전동기의 고정자 코어가 내삽되는 원통 형상의 하우징으로써, 원주 방향으로 복수개의 냉각유로(111a)가 나란하게 형성되고 서로 이웃하는 냉각유로가 최소한 하나 이상의 연결유로(111b)에 의해 연결되는 냉각수용 유로(111a)(111b)가 일체로 형성됨을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 일체형 하우징은 냉각유로를 형성하도록 원주 방향으로 나란하게 돌출 형성된 격벽(112)이 일체로 형성된 하우징 몸체(110)와, 하우징 몸체(110)와 조립되어 격벽의(111) 상단과 기밀을 이루게 되는 하우징 커버(120)를 포함한다.
격벽(112)은 하우징 몸체(110)의 외주면을 따라서 원주 방향으로 돌출 형성되며, 그 일부가 절개되어 이웃하는 냉각유로(111a)를 연결하게 되는 연결유로(111b)를 제공한다.
연결유로(111b)는 격벽(112)에 대해 일정한 경사각을 갖고 형성될 수 있으나, 본 발명에서 연결유로(111b)는 격벽(112)과 수직하게 형성되며, 따라서 냉각유로(111a)와 연결유로(111b)는 수직하게 연결되어 연결유로(111b) 주변에 난류유동이 형성되어 냉각수 유동에 의해 정체 구간 형성에 도움을 주어 열 교환량을 증가시킬 수 있을 것이다.
바람직하게는, 본 발명에 있어서 냉각수용 유로(111a)(111b)는 좌우 대칭되게 2개의 채널로 구성됨을 특징으로 한다.
구체적으로 도 3 및 도 4를 참고하면, 냉각수용 유로(111)(111b)는 하우징 몸체(110)의 중심축(C)에 대해 좌우 대칭되는 제1채널(C1)과 제2채널(C)로 구성될 수 있으며, 각 채널 별로 냉각수의 공급과 배출이 이루어지는 입수포트(121a)(122a)와 출수포트(121b)(122b)가 마련된다.
바람직하게는, 입수포트(121a)(122a)는 각 채널의 출수포트(121b)(122b) 사이에 배치되며, 따라서 양측 끝단보다 상대적으로 온도가 높은 전동기의 중심부로 냉각수가 유입되어 양측 끝단으로 냉각수의 배출이 이루어져 보다 효율적인 냉각 성을 얻을 수 있다.
격벽(112)에 형성된 연결유로(111b)는 최소한 하나 이상 마련될 수 있으며, 예를 들어, 각 격벽(112)에 하나의 연결유로가 마련되는 경우에 전체 냉각수용 유로는 직렬로 연결되어 냉각수가 흐르게 되며, 한편 각 격벽(112)에 두 개 이상의 연결유로가 마련되는 경우에는 전체 냉각수용 유로는 병렬로 연결되어 냉각수가 흐를 수 있다.
하우징 커버(120)는 하우징 몸체(110) 바깥에 조립되어 격벽(112) 상단과 기밀을 이루게 되며, 냉각수의 공급과 배출을 위하여 하나의 냉각 채널에 대해 한 쌍의 입수포트와 배수포트가 마련된다.
하우징 커버(120)는 열처리로 팽창시켜 하우징 몸체(110)의 격벽(112) 상단과 밀폐가 이루어져 하우징 몸체(110)와 조립이 이루어지며, 따라서 냉각수용 유로(111a)(111b)를 따라서 순환하게 되는 냉각수의 누수를 방지하고 접촉 열저항을 최소화한다.
바람직하게는, 서로 이웃한 연결유로의 사잇각은 180°를 포함한 둔각 범위인 것을 특징으로 한다.
이에 대한 구체적인 실시예로써, 도 3에서 제2채널(C2)을 참고하여 설명하도록 하며, 제2채널(C2)에서 중심축(C)을 기준으로 좌측부터 격벽의 순서에 따라서 알파벳 대문자 순서로 도면부호를 표기하고 해당 격벽의 연결유로는 알파벳 소문자 순서로 도면부호를 표기하여 설명한다.
본 실시예에서 제1격벽(A)의 연결유로(a)와 제2격벽(B)의 연결유로(b)는 사잇각이 180°를 갖고 각 격벽의 서로 반대 방향 배치되며, 또한 제2격벽(B)의 연결유로(b)와 이웃한 제3격벽(C)의 연결유로(c)는 사잇각이 180°를 갖고 각 격벽의 서로 반대 방향 배치된다.
도 4를 참고하면, 이러한 연결유로 구조를 갖는 하우징에서는 서로 이웃하는 냉각유로의 냉각수 흐름이 서로 반대 방향으로 흐르면서 전동기에서 발생되는 열을 흡수한다.
한편 본 실시예에서는 각 격벽에 하나의 연결유로가 형성되어 이웃하는 격벽의 연결유로가 180°인 것으로 예시하여 설명하였으나, 각 격벽의 연결유로의 숫자에 따라서는 이웃하는 격벽 사이의 연결유로 사잇각은 둔각의 범위 내에서 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 하우징의 유로 구조에 대한 냉각수 유동 해석 결과를 보여주는 도면으로, 하우징의 외측면 원주 방향으로 형성된 두 냉각유로를 연결하게 되는 연결유로 주변에서 난류유동이 형성되어 냉각수 유동에 대한 정체구간 형성에 도움을 주어 열 교환량이 증가될 수 있음을 알 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 하우징 몸체 111a : 냉각유로
111b : 연결유로 112 : 격벽
120 : 하우징 커버

Claims (6)

  1. 고정자 코어가 내삽되는 원통 형상의 하우징으로써,
    원주 방향으로 복수개의 냉각유로가 나란하게 형성되고 서로 이웃하는 냉각유로가 최소한 하나 이상의 연결유로에 의해 연결되는 냉각수용 유로가 일체로 형성됨을 특징으로 하는 수냉각장치 일체형 하우징.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각유로를 형성하도록 원주 방향으로 나란하게 돌출 형성되되, 일부가 절개되어 상기 연결유로를 제공하게 되는 복수의 격벽이 일체로 형성된 하우징 몸체와;
    상기 하우징 몸체와 조립되어 상기 격벽의 상단과 기밀을 이루게 되며, 냉각수의 공급과 배출을 위한 입수포트와 출수포트를 갖는 하우징 커버;를 포함하는 수냉각장치 일체형 하우징.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 이웃한 연결유로의 사잇각은 180°를 포함한 둔각 범위인 것을 특징으로 하는 수냉각장치 일체형 하우징.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각수용 유로는 좌우 대칭되게 2채널로 구성되어 각 채널 별로 냉각수의 공급과 배출이 이루어지는 입수포트와 출수포트가 마련됨을 특징으로 하는 수냉각장치 일체형 하우징.
  5. 제4항에 있어서, 상기 입수포트는 각 채널의 출수포트 사이에 배치됨을 특징으로 하는 수냉각장치 일체형 하우징.
  6. 고정자 코어가 수납되는 하우징을 포함하는 전동기에 있어서,
    상기 하우징은, 원주 방향으로 복수개의 냉각유로가 나란하게 형성되고 서로 이웃하는 냉각유로가 최소한 하나 이상의 연결유로에 의해 연결되는 냉각수용 유로가 일체로 형성됨을 특징으로 하는 전동기.
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