KR20170116573A - 고정자를 고속 전기 모터에 고정하는 방법 - Google Patents

고정자를 고속 전기 모터에 고정하는 방법 Download PDF

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KR20170116573A
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엠. 허셔 프레드릭
호크 어스틴
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

전자기 회전자와, 정지부를 갖춘 내부 개방부를 갖는 하우징과, 회전자를 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제1 베어링을 지지하기 위한 제1 베어링 마운트와, 하우징과 연결되고, 회전자를 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링을 지지하는 제2 베어링 마운트를 제공하는 내부를 갖는 보스를 갖는 커버와, 하우징 내부 개방부 내의 틈새 끼워맞춤부를 갖는 고정자이며, 상기 고정자는 하우징 정지부에 의해 제1 베어링 마운트를 향한 방향으로 축방향으로 제한되고, 상기 고정자는 커버 보스를 향한 방향으로 축방향 간극을 가지는 고정자 와, 보스의 극단 단부 상에 연결되며, 고정자와 보스 사이의 축방향 간극을 충실하게 채워서 고정자를 축방향으로 위치시키고 고정자의 움직임을 하우징 개방부 내에서 각 방향으로 구속하는 탄성중합체 스페이서를 포함하는 전기기계가 제공된다.

Description

고정자를 고속 전기 모터에 고정하는 방법{METHOD FOR SECURING STATOR IN HIGH SPEED ELECTRIC MOTORS}
본 발명은 전기 모터에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 전기 터보차저에서 이용되는 전기 모터에 관한 것이다.
내연 기관의 열 효율을 향상시키기 위해, 보통 엔진의 흡입 압력을 높이는 것이 바람직하다. 종래의 해결방법은 엔진의 크랭크트레인에 의해 기계적으로 구동(과급법)되거나, 엔진의 배기 흐름에 의해 열적 및 동력학적으로 구동(터보차저 과급법)되는 컴프레서를 이용하였다. 두 가지 접근 방식의 주된 한계는 이들 접근 방식이 엔진 출력에만 의존하기 때문에, 엔진 출력이 낮을 때 흡입 부스팅을 사용할 수 없다는 것이다. 이러한 문제에 대한 한 가지 해결책은 독립형 전동식(standalone electrically-driven) 컴프레서를 사용하는 것, 또는 터보차저와 통합된 기존 컴프레서를 전기적으로 보조하는 것 중 어느 하나이다. 컴프레서에 요구되는 열역학적 거동 때문에, 전기 기계에는 높은 회전 속도가 필요하다. 전기 기계는 마찬가지로 고속이어야 하며, 이는 이러한 응용을 위한 고속, 저 토크의 전기 모터/발전기를 가리킨다.
대부분의 전기 보조식(electrically-assisted) 컴프레서는 전기 모터에 의해 구동되는 컴프레서 휠을 이용한다. 전기 모터는 전형적으로 전기 고정자로 둘러싸인 전자기 회전자를 갖고 있다. 고정자가 하우징 내부에서 회전하는 것을 방지하기 위해, 고정자는 전형적으로 고정자와 고정자 하우징 사이에서 접착제, 기계적 체결구, 또는 억지 끼워맞춤부(interference fit)를 사용하여 유지된다. 모터의 고정자가 모터 하우징 내에 틈새 끼워맞춤부(clearance fit)를 가질 수 있어서, 고정자를 모터 하우징에 삽입하기 쉬워서 조립 비용을 낮출 수 있고, 고정자를 모터 하우징 내에서 회전하지 못하게 하는 억지 끼워맞춤부, 접착제, 체결구, 또는 부가적인 부품을 없앨 수 있으면서, 동시에 고정자와 모터 하우징 사이에 전도성 열 전달을 촉진시키기에 충분히 빽빽한 끼워맞춤부를 갖는, 전기 보조식 터보차저 또는 슈퍼차저에서 사용하기에 적합한 전기 모터를 제공하는 것이 바람직하다.
앞에서 언급한 희망을 명시하기 위해, 본 발명의 개시가 제시된다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 전기기계의 자유도를 제공하며, 전기기계 머신은 전자기 회전자와, 정지부를 갖춘 내부 개방부를 갖는 하우징과, 회전자를 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제1 베어링을 지지하기 위한 제1 베어링 마운트와, 하우징과 연결되고, 회전자를 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링을 지지하는 제2 베어링 마운트를 제공하는 내부를 갖는 보스를 갖는 커버와, 하우징 내부 개방부 내의 억지 끼워맞춤부를 갖는 고정자이며, 상기 고정자는 하우징 정지부에 의해 제1 베어링 마운트를 향한 방향으로 축방향으로 제한되고, 상기 고정자는 커버 보스를 향한 방향으로 축방향 간극을 가지는 고정자와, 보스의 극단 단부 상에 연결되며, 고정자와 보스 사이의 축방향 간극을 충실하게 채워서 고정자를 축방향으로 위치시키고 고정자의 움직임을 하우징 개방부 내에서 각 방향으로 구속하는 탄성중합체 스페이서를 포함한다.
본 발명의 응용 가능한 다른 영역은 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 예는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고 있지만, 단지 예시의 목적으로 의도된 것일 뿐이지 본 발명의 범주를 한정하려는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 충분히 이해될 것이다:
도 1은 컴프레서로서 이용되는 본 발명의 전기기계의 바람직한 실시예의 단면 사시도이다;
도 2는 도 1의 일부분의 확대도이다;
도 3은 커버를 제거한 도 1의 전기기계의 사시도이다;
도 4는 터빈으로서 이용되는 본 발명의 전기기계의 바람직한 실시예의 단면 사시도이다;
도 5는 도 4의 일부분의 확대도이다;
도 6은 터버차저로서 이용되는 본 발명의 전기기계의 바람직한 실시예의 단면 사시도이다.
바람직한 실시예(들)에 관한 다음의 설명은 본질적으로 그저 예시일 뿐이며 결코 본 발명, 본 발명의 응용, 또는 용도를 제한하려는 것이 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 전기 보조식 터보자처(7) 및 전기 모터가 제공된다. 터보자처(7)는 회전자 샤프트(12)를 포함하는 전자기 회전자 조립체(10)를 갖는다. 회전자 샤프트(12)는 일단부에 연결된 터보차저 컴프레서 휠(14)을 갖는다. 회전자 샤프트(12)는 제1 베어링(16)에 의해 제1 단부 상에 회전 가능하게 장착된다. 제1 베어링(16)은 롤러 베어링, 유체막 베어링, 자기 베어링, 또는 공기 포일 베어링일 수 있다. 제1 베어링(16)은 제1 베어링 마운트(18) 내에 위치되어 지지된다. 제1 베어링 마운트(18)는 하우징(20)에 대하여 고정되고 하우징과 일체로 형성된다. 하우징은 전형적으로 알루미늄, 스테인레스 강, 주철, 또는 중합체로 제조된다. 제1 베어링(16)의 전방에는 시일(22)이 있다. 회전자 샤프트(12)는 시일(22)과 접하는 숄더(24)를 갖는다. 회전자 샤프트(12)는 또한 제1 베어링(16)과 접하는 외부 래디얼 숄더(26)를 갖는다. 하우징(20)은 내부 개방부(30)를 갖는다. 내부 개방부는 숄더(32)에 의해 제공되는 축방향 정지부를 갖는다.
커버(38)가 제공된다. 커버는 전형적으로 알루미늄, 스테인레스 강, 주철, 또는 중합체로 제조된다. 커버(38)는 제1 베어링 마운트(18)를 갖는 하우징 측과 대체로 반대편의 극단 표면(extreme surface)(34)을 갖는다. 커버는 고정 연결된 보스(40)를 갖는다. 보스(40)는 관형이며 컴프레서 휠(14)과 대체로 마주하는 단부에 인접한 회전자 샤프트(12)를 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링(46)에 제2 베어링 마운트(42)를 제공한다. 제2 베어링(46)은 제1 베어링(16)과 같은 여러 종류의 베어링일 수 있다. 베어링(46)은 회전자 샤프트(12)의 숄더(48)와 접한다.
전기 고정자(50)가 제공된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 고정자는 개략적으로 도시되지만, 고정자는 일련의 적층체로 제조되는 강자성체 또는 코어를 갖는다. 적층체는 코일 권선(51)으로 싸여 있다. 고정자는 하우징 개방부(30) 내의 미끄럼 끼워맞춤부(slip fit)를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 미끄럼 끼워맞춤부라는 용어는 꽉 조여 있지만, 고정자를 하우징 개방부 내에 손으로 쉽게 삽입할 수 있게 하거나 또는 하우징 개방부에 삽입된 후 고정자가 회전할 수 있게 할 정도로 충분히 느슨한 간극을 말한다. 특정 응용에서, 고정자 외측 직경은 또한 고정자와 하우징 사이에서 열 전도에 도움을 주는 서멀 그리스로 피복될 수 있다. 고정자의 전방 단부를 따라서 있는 적층체(52)는 하우징 개방부 숄더(32)와 접촉하여 그의 축 위치를 컴프레서 휠(14)를 향한 방향으로 제한한다.
커버(38)는 숄더(56)를 갖는다. 숄더(56)는 하우징의 표면(58)과 접촉하여, 고정자의 전방 단부가 하우징 숄더(32)와 접할 때 고정자의 적층체(60)와 관형 보스(40)의 극단의 축 단부 면(62) 사이에서 약간의 간극이 있게 한다. 관형 보스의 축 단부 면(62)은 탄성중합체 스페이서를 수용하는 기하학적 구조체를 갖는다. 기하학적 구조체는 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 리지 또는 다른 구성과 같이, 탄성중합체 스페이서를 수용/정렬하는 도시된 것과 같은 홈 또는 임의의 다른 패턴일 수 있다. 탄성중합체 스페이서는 도시된 것처럼 오링(O-ring)과 같은 형상을 가질 수 있지만, 장방형, 다각형, 및 곡선 형상과 같은 다른 단면 형상을 가진 다른 환형 부재일 수 있다. 탄성중합체 스페이서는 기하학적 구조체(64)와 접촉한다. 탄성중합체 스페이서(70)는 고정자와 보스(40) 사이의 축방향 간극을 충실하게 채움으로써, 고정자(50)를 축 방향으로 위치시키고 고정자/탄성중합체 스페이서/캡(보스) 계면에서 정적인 마찰로 인한 고정자의 움직임을 하우징 내에서 각 방향으로 구속한다.
본 발명의 부가적인 장점은 탄성중합체 스페이서의 축 방향 압축으로 인해 고정자와 캡 사이에서 비교적 큰 축 방향 가공 간극 및 공차가 가능해진다는 것이다. 위와 같이, 탄성중합체 계면이 압축되기 때문에, 이 압축으로 인해 고정자와 고정자 하우징 숄더 사이에 축 방향의 힘이 작용하게 되어, 고정자를 추가적으로 고정하지 않고도 축방향으로 적극적으로 구속할 수 있다.
도 4 및 도 5는 터빈 발전기(107)라는 현재 발명의 전기기계의 본 발명의 실시예를 도시한다. 하우징(120) 및 커버(138) 내에 장착된 회전자(100)에는 터빈 휠(114)이 연결된다. 엔진 배기가스는 터빈에 동력을 공급한다. 오링 형상의 탄성중합체 스페이서(170)는 보스(140)의 축 면(162)에 제공된다. 탄성중합체 스페이서(170)는 고정자(150)의 각 운동을 구속한다. 고정자(150)는 또한 하우징 개방부 정지부(132)에 의해 축방향으로 구속된다.
도 6은 터보차저(207)라는 현재 발명의 전자기계의 본 발명의 실시예를 도시한다. 하우징(220) 및 커버(238) 내에 장착된 회전자(220)에는 터빈 휠(214) 및 컴프레서 휠(215)이 연결된다. 오링 형상의 탄성중합체 스페이서(270)는 마찬가지로 고정자(250)의 각 운동을 구속하기 위해 제공되는 보스(240)의 축 면(262)에 제공된다. 고정자(250)는 또한 하우징 개방부 정지부(232)에 의해 축방향으로 구속된다.
본 발명의 설명은 본질적으로 단지 예시일 뿐이며, 따라서 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변형은 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다. 그와 같은 변형은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. 전자기 회전자와;
    정지부를 갖춘 내부 개방부를 갖는 하우징과;
    상기 하우징에 대하여 고정되어 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제1 베어링을 지지하기 위한 제1 베어링 마운트와;
    상기 하우징과 고정 연결된 커버이며, 상기 커버는 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링을 지지하는 제2 베어링 마운트를 제공하는 내부를 갖는 고정 연결된 보스를 가지는 커버와;
    상기 하우징 내부 개방부 내의 틈새 끼워맞춤부(clearance fit)를 갖는 고정자이며, 상기 고정자는 상기 하우징 정지부에 의해 장착된 상기 제1 베어링 마운트를 향한 방향으로 축 방향으로 제한되며, 상기 고정자는 상기 커버 보스를 향한 방향으로 축방향 간극을 갖는 고정자와;
    상기 보스의 극단 단부 상에 연결되며, 상기 고정자와 상기 보스 사이의 상기 축방향 간극을 충실하게 채워서 상기 고정자를 축방향으로 위치시키고 상기 고정자의 움직임을 상기 하우징 개방부 내에서 각 방향으로 구속하는 탄성중합체 스페이서를 포함하는, 전기기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보스 극단 단부는 상기 탄성중합체 스페이서의 배치를 위해 마련된 탄성중합체 스페이서 기하학적 구조체의 축 면을 갖는, 전기기계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정지부는 상기 하우징 내부 개방부 내의 숄더인, 전기기계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기하학적 구조체는 두 개의 측벽을 갖는, 전기기계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 적층체를 가지며, 상기 적층체 중의 하나는 상기 하우징 내의 상기 정지부와 접촉하는, 전기기계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 적층체를 가지며, 상기 적층체 중의 하나는 상기 탄성중합체 스페이스와 접촉하는, 전기기계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 베어링은 롤러 베어링, 유체막 베어링, 자기 베어링, 또는 공기 포일 베어링을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 전기기계.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 베어링은 롤러 베어링, 유체막 베어링, 자기 베어링, 또는 공기 포일 베어링을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 전기기계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 터빈 휠 및 컴프레서 휠을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 컴포넌트와 연결되는, 전기기계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 터빈 휠 및 컴프레서 휠과 연결되는, 전기기계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 터빈 휠과 연결되며, 상기 고정자는 발전기의 일부인, 전기기계.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전기 모터는 200,000 RPM까지의 속도에 도달할 수 있는, 전기기계.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 커버는 상기 하우징에 대하여 상기 커버의 축방향 위치를 제한하는 숄더를 갖는, 전기기계.
  14. 터빈 휠 및 컴프레서 휠을 포함하는 휠 그룹 중의 적어도 하나와 연결되는 전기 회전자와;
    숄더 정지부를 갖춘 내부 개방부를 갖는 하우징과;
    상기 하우징에 대하여 고정되어 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 베어링을 지지하기 위한 제1 베어링 마운트와;
    상기 하우징과 고정 연결된 커버이며, 상기 커버는 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링을 지지하는 제2 베어링 마운트를 제공하는 내부를 갖는 고정 연결된 보스를 갖고, 상기 커버는 상기 하우징에 대하여 상기 커버의 축방향 제한을 설정하기 위한 숄더 정지부를 가지는 커버와;
    코일 권선으로 감싸인 적층체를 갖는 전기 고정자 - 상기 고정자는 상기 하우징 내의 억지 끼워맞춤부를 가지며, 상기 고정자는 상기 적층체와 접촉하는 상기 하우징 숄더 정지부에 의해 상기 제1 베어링 마운트를 향한 방향으로 축방향으로 제한되고, 상기 고정자는 상기 커버 보스를 향한 방향으로 축방향 간극을 가짐 - 와;
    상기 보스의 극단 축 단부 면 내의 기하학적 구조체에 연결되고, 상기 고정자와 상기 보스 사이의 상기 축방향 간극을 충실하게 채워서 상기 고정자를 축방향으로 위치시키고 상기 고정자의 움직임을 상기 하우징 내에서 각 방향으로 구속하는, 탄성중합체 스페이서를 포함하는, 전기기계 터보차저.
  15. 터빈 휠 및 컴프레서 휠과 연결되는 전기 회전자와;
    숄더 정지부를 갖춘 내부 개방부를 갖는 하우징과;
    상기 하우징에 대하여 고정되어 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 베어링을 지지하기 위한 제1 베어링 마운트와;
    상기 하우징과 고정 연결된 커버이며, 상기 커버는 상기 회전자를 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착하는 제2 베어링을 지지하는 제2 베어링 마운트를 제공하는 내부를 갖는 고정 연결된 보스를 갖고, 상기 커버는 상기 하우징에 대하여 상기 커버의 축방향 제한을 설정하기 위한 숄더 정지부를 가지는 커버와;
    코일 권선으로 감싸인 적층체를 갖는 전기 고정자이며, 상기 고정자는 상기 하우징 내의 억지 끼워맞춤부를 가지며, 상기 고정자는 상기 적층체와 접촉하는 상기 하우징 숄더 정지부에 의해 상기 제1 베어링 마운트를 향한 방향으로 축방향으로 제한되고, 상기 고정자는 상기 커버 보스를 향한 방향으로 축방향 간극을 가지는 고정자와;
    상기 보스의 극단 축 단부 면 내의 기하학적 구조체에 연결되고, 상기 고정자와 상기 보스 사이의 상기 축방향 간극을 충실하게 채워서 상기 고정자를 축방향으로 위치시키고 상기 고정자의 움직임을 상기 하우징 내에서 각 방향으로 구속하는, 탄성중합체 스페이서를 포함하는, 전기기계 터보차저.
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