ITBO20090435A1 - ROTARY ELECTRIC MACHINE WITH A ROTOR COOLING SYSTEM - Google Patents
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Description
“MACCHINA ELETTRICA ROTANTE CON UN SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO DEL ROTORE†⠀ œROTATING ELECTRIC MACHINE WITH A ROTOR COOLING SYSTEMâ €
SETTORE DELLA TECNICA TECHNIQUE SECTOR
La presente invenzione à ̈ relativa a una macchina elettrica rotante. The present invention relates to a rotating electric machine.
La presente invenzione trova vantaggio applicazione ad una macchina elettrica rotante per autotrazione installata a bordo di un veicolo a cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità . The present invention is advantageously applied to a rotating electric machine for motor vehicles installed on board a vehicle to which the following discussion will make explicit reference without thereby losing generality.
ARTE ANTERIORE ANTERIOR ART
Una macchina elettrica rotante per autotrazione, ad esempio del tipo di quella descritta nella domanda di brevetto EP2008425288, comprende uno statore dotato di un nucleo ferromagnetico di forma tubolare cilindrica che presenta una pluralità di cave assiali destinate ad accogliere l’avvolgimento statorico, ed un rotore montato girevole all’interno dello statore. Sia lo statore, sia il rotore sono sede di perdite di potenza elettrica per effetto Joule che determinano una continua generazione di calore; in caso di surriscaldamento eccessivo gli smalti isolanti dei conduttori elettrici fondono con la conseguente formazione di corti circuiti distruttivi, quindi per evitare un eccessivo aumento della temperatura della macchina elettrica à ̈ necessario prevedere un adeguato raffreddamento sia del rotore, sia dello statore. A rotating electric machine for motor vehicles, for example of the type described in patent application EP2008425288, comprises a stator equipped with a ferromagnetic core of cylindrical tubular shape which has a plurality of axial slots intended to accommodate the stator winding, and a rotor mounted to rotate inside the stator. Both the stator and the rotor are the site of electrical power losses due to the Joule effect which determine a continuous generation of heat; in case of excessive overheating, the insulating enamels of the electrical conductors melt with the consequent formation of destructive short circuits, therefore to avoid an excessive increase in the temperature of the electrical machine it is necessary to provide adequate cooling of both the rotor and the stator.
Mentre à ̈ relativamente semplice assicurare un adeguato raffreddamento allo statore della macchina elettrica non à ̈ altrettanto semplice assicurare un adeguato raffreddamento al rotore della macchina elettrica, particolarmente nel caso in cui il rotore raggiunga velocità di rotazione elevate e quindi debba venire isolato dall’ambiente esterno. In altre parole, il calore prodotto nello statore può essere facilmente evacuato raffreddandolo (ad esempio con aria o con un circuito idraulico) poiché non ha problemi di raggiungibilità essendo fermo e disposto esternamente; al contrario il calore prodotto nel rotore per essere evacuato necessita di un sistema più complesso a causa della rotazione del rotore stesso che lo rende difficile da raggiungere combinata con la disposizione del rotore all’interno dello statore. While it is relatively simple to ensure adequate cooling of the stator of the electric machine, it is not so simple to ensure adequate cooling of the rotor of the electric machine, particularly in the event that the rotor reaches high rotation speeds and therefore must be isolated from the environment. external. In other words, the heat produced in the stator can be easily evacuated by cooling it (for example with air or with a hydraulic circuit) since it has no accessibility problems as it is stationary and placed externally; on the contrary, the heat produced in the rotor to be evacuated requires a more complex system due to the rotation of the rotor itself which makes it difficult to reach combined with the arrangement of the rotor inside the stator.
Come ad esempio descritto nelle domande di brevetto JP2007228669A e US20050156471A1, per raffreddare il rotore di una macchina elettrica à ̈ stato proposto di realizzare l’albero della macchina elettrica stessa cavo, cioà ̈ dotato di un canale di raffreddamento longitudinale; il canale di raffreddamento ricavato all’interno dell’albero viene collegato ad una prima estremità ad una mandata di un circuito di raffreddamento provvisto di una pompa di circolazione e ad una seconda estremità opposta alla prima estremità ad una presa del circuito di raffreddamento in modo tale che in uso un flusso continuo di fluido refrigerante circoli attraverso il canale di raffreddamento. Tuttavia, tale soluzione risulta particolarmente complessa e potenzialmente poco affidabile, in quanto si deve realizzare un passaggio del fluido refrigerante da una parte fissa (il circuito di raffreddamento) ad una parte mobile (l’albero della macchina elettrica) e viceversa. Il passaggio di un fluido refrigerante tra una parte fissa ed una parte mobile à ̈ particolarmente complesso (quindi costoso) da realizzare ed à ̈ sempre potenzialmente esposto al rischio di perdite di fluido refrigerante, particolarmente quando il rotore raggiunge velocità di rotazione elevate. As for example described in patent applications JP2007228669A and US20050156471A1, to cool the rotor of an electric machine it has been proposed to make the shaft of the electric machine itself hollow, that is, equipped with a longitudinal cooling channel; the cooling channel obtained inside the shaft is connected at one end to a delivery of a cooling circuit equipped with a circulation pump and at a second end opposite the first end to a cooling circuit outlet in so that in use a continuous flow of refrigerant fluid circulates through the cooling channel. However, this solution is particularly complex and potentially unreliable, as the refrigerant fluid must pass from a fixed part (the cooling circuit) to a moving part (the shaft of the electric machine) and vice versa. The passage of a refrigerant fluid between a fixed part and a moving part is particularly complex (therefore expensive) to carry out and is always potentially exposed to the risk of refrigerant fluid leaks, particularly when the rotor reaches high rotation speeds.
Nelle domande di brevetto GB1283332A e US20060066156A1 à ̈ stato proposto di mantenere il canale di raffreddamento longitudinale dell’albero della macchina elettrica isolato e riempito con il fluido refrigerante; alle due estremità dell’albero sono previsti due scambiatori di calore, i quali hanno la funzione di sottrarre calore all’albero stesso. In questo caso, la funzione del fluido refrigerante presente all’interno del canale di raffreddamento à ̈ di portare il calore prodotto all’interno del rotore verso le estremità dell’albero in corrispondenza delle quali il calore stesso viene ceduto agli scambiatori di calore. Questa soluzione ha il notevole vantaggio di non richiedere un passaggio di fluido refrigerante tra una parte fissa ed una parte mobile, ma per contro presenta una efficacia abbastanza modesta in quanto la quantità di calore portata dal fluido refrigerante presente all’interno del canale di raffreddamento verso le estremità dell’albero à ̈ relativamente modesta. Inoltre, questa soluzione comporta un aggravio non indifferente della massa e degli ingombri del rotore a causa della necessità di realizzare l’albero internamente cavo e di riempire la cavità centrale dell’albero con del fluido refrigerante. In patent applications GB1283332A and US20060066156A1 it has been proposed to keep the longitudinal cooling channel of the electric machine shaft isolated and filled with the refrigerant fluid; at the two ends of the shaft there are two heat exchangers, which have the function of subtracting heat from the shaft itself. In this case, the function of the refrigerant fluid inside the cooling channel is to bring the heat produced inside the rotor towards the ends of the shaft where the heat is transferred to the heat exchangers. heat. This solution has the considerable advantage of not requiring a passage of refrigerant fluid between a fixed part and a mobile part, but on the other hand it has a rather modest effectiveness as the quantity of heat carried by the refrigerant fluid inside the cooling channel towards the extremities of the tree it is relatively modest. Furthermore, this solution involves a considerable increase in the mass and dimensions of the rotor due to the need to make the shaft internally hollow and to fill the central cavity of the shaft with coolant.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un macchina elettrica rotante che sia priva degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica realizzazione. The object of the present invention is to provide a rotating electric machine which is free of the drawbacks described above and, in particular, is easy and economical to manufacture.
Secondo la presente invenzione viene fornita un macchina elettrica rotante secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate. According to the present invention, a rotating electric machine is provided as claimed in the attached claims.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate some non-limiting examples of embodiment, in which:
- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica, in sezione longitudinale e con parti asportate per chiarezza di una macchina elettrica rotante realizzata in accordo con la presente invenzione; - figure 1 is a schematic view, in longitudinal section and with parts removed for clarity of a rotating electric machine made in accordance with the present invention;
- la figura 2 Ã ̈ una vista in scala ingrandita di un particolare della macchina elettrica rotante della figura 1; - figure 2 is an enlarged scale view of a detail of the rotating electric machine of figure 1;
- la figura 3 Ã ̈ una vista schematica, in sezione longitudinale e con parti asportate per chiarezza di una diversa forma di attuazione di una macchina elettrica rotante realizzata in accordo con la presente invenzione; e - figure 3 is a schematic view, in longitudinal section and with parts removed for clarity of a different embodiment of a rotating electric machine made in accordance with the present invention; And
- la figura 4 Ã ̈ una vista in scala ingrandita di un particolare della macchina elettrica rotante della figura 3. - figure 4 is an enlarged scale view of a detail of the rotating electric machine of figure 3.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE PREFERRED FORMS OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
In figura 1 à ̈ indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1 una macchina elettrica rotante per autotrazione (cioà ̈ per trasformare energia cinetica in energia elettrica ed energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo) che presenta una forma sostanzialmente cilindrica e si estende lungo un asse 2 di rotazione. In figure 1, the reference number 1 indicates as a whole a rotating electric machine for motor vehicles (i.e. to transform kinetic energy into electric energy and electric energy into kinetic energy on board a vehicle) which has a substantially cylindrical shape and extends along an axis 2 of rotation.
La macchina 1 elettrica comprende uno statore 3 centralmente forato ed un rotore 4 che à ̈ disposto all’interno dello statore 3 ed à ̈ montato girevole attorno all’asse 2 di rotazione; in particolare, il rotore 4 à ̈ calzato attorno ad un albero (non illustrato) che à ̈ montato girevole attorno all’asse 2 di rotazione mediante cuscinetti (non illustrati). The electric machine 1 comprises a centrally perforated stator 3 and a rotor 4 which is arranged inside the stator 3 and is mounted to rotate around the rotation axis 2; in particular, the rotor 4 is fitted around a shaft (not shown) which is mounted rotatably around the rotation axis 2 by means of bearings (not shown).
Inoltre, la macchina 1 elettrica comprende un sistema 5 di raffreddamento del rotore 4 avente la funzione di asportare il calore dal rotore 4. Il sistema 5 di raffreddamento comprende una coppia di scambiatori 6 di calore, i quali sono tra loro identici e sono disposti specularmente in corrispondenza dei due lati opposti del rotore 4. Secondo una preferita forma di attuazione, gli scambiatori 6 di calore sono fissati alle pareti di base dello statore 3 in modo da formare con lo statore 3 una camera 7 chiusa attorno al rotore 4. Ciascuno scambiatore 6 di calore à ̈ raffreddato a fluido e quindi à ̈ costantemente attraversato da un flusso di un fluido 8 refrigerante; secondo una possibile forma di attuazione, il fluido 8 refrigerante può venire fatto circolare anche attraverso lo statore 3 per raffreddare lo statore 3 stesso. Furthermore, the electric machine 1 comprises a system 5 for cooling the rotor 4 having the function of removing the heat from the rotor 4. The cooling system 5 comprises a pair of heat exchangers 6, which are identical to each other and are arranged specularly at the two opposite sides of the rotor 4. According to a preferred embodiment, the heat exchangers 6 are fixed to the base walls of the stator 3 so as to form with the stator 3 a closed chamber 7 around the rotor 4. Each exchanger 6 of heat is cooled by fluid and is therefore constantly crossed by a flow of a coolant 8 fluid; according to a possible embodiment, the refrigerant fluid 8 can also be made to circulate through the stator 3 to cool the stator 3 itself.
In corrispondenza di ciascuno scambiatore 6 di calore, il sistema 5 di raffreddamento comprende un elemento 9 di trasmissione avente la funzione di trasferire senza contatto il calore dal rotore 4 allo scambiatore 6 di calore. Ciascun elemento 9 di trasmissione comprende una pluralità di alette 10, le quali presentano una forma anulare, sono disposte una di fianco all’altra tra loro parallele e distanziate, sono solidali al rotore 4 per ruotare assieme al rotore 4, e sporgono dal rotore 4 stesso; inoltre, ciascun elemento 9 di trasmissione comprende una pluralità di alette 11, le quali sono portate in posizione fissa dallo scambiatore 6 di calore, sono disposte una di fianco all’altra tra loro parallele e distanziate, sono parallele alle alette 10 e sono intercalate alle, e compenetranti con le, alette 10 in modo tale che tra due alette 10 sia disposta una aletta 11 che à ̈ affacciata senza contatto alle due alette 10 stesse. At each heat exchanger 6, the cooling system 5 comprises a transmission element 9 having the function of transferring the heat from the rotor 4 to the heat exchanger 6 without contact. Each transmission element 9 comprises a plurality of fins 10, which have an annular shape, are arranged side by side, parallel and spaced apart, are integral with the rotor 4 to rotate together with the rotor 4, and protrude from the rotor 4 itself; moreover, each transmission element 9 comprises a plurality of fins 11, which are brought into a fixed position by the heat exchanger 6, are arranged side by side, parallel to each other and spaced apart, are parallel to the fins 10 and are intercalated at and interpenetrating with the fins 10 in such a way that between two fins 10 there is a fin 11 which faces without contact the two fins 10 themselves.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, ciascun elemento 9 di trasmissione comprende un corpo 12 di supporto girevole di forma discoidale, il quale supporta le alette 10; cioà ̈ le alette 10 sono solidali al corpo 12 di supporto girevole. A sua volta, il corpo 12 di supporto girevole à ̈ fissato (saldato o avvitato) al rotore 4 per scambiare calore per conduzione con il rotore 4. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il corpo 12 di supporto girevole non à ̈ presente e le alette 10 sono monolitiche con il rotore 4; in altre parole, le alette 10 non nascono fisicamente separate dal rotore 4, ma sono parte integrante del rotore 4. As illustrated in Figure 2, each transmission element 9 comprises a disk-shaped rotatable support body 12, which supports the fins 10; that is, the fins 10 are integral with the rotatable support body 12. In turn, the revolving support body 12 is fixed (welded or screwed) to the rotor 4 to exchange heat by conduction with the rotor 4. According to a different embodiment not shown, the revolving support body 12 is not present. and the fins 10 are monolithic with the rotor 4; in other words, the fins 10 are not physically separated from the rotor 4, but are an integral part of the rotor 4.
Inoltre, ciascun elemento 9 di trasmissione comprende un corpo 13 di supporto girevole di forma discoidale, il quale supporta le alette 11; cioà ̈ le alette 11 sono solidali al corpo 12 di supporto girevole. A sua volta, il corpo 13 di supporto girevole à ̈ fissato (saldato o avvitato) allo scambiatore 6 di calore rotore 4 per scambiare calore per conduzione con lo scambiatore 6 di calore. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il corpo 13 di supporto girevole non à ̈ presente e le alette 12 sono monolitiche con lo scambiatore 6 di calore; in altre parole, le alette 12 non nascono fisicamente separate dallo scambiatore 6 di calore, ma sono parte integrante dello scambiatore 6 di calore. Furthermore, each transmission element 9 comprises a disk-shaped rotatable support body 13, which supports the fins 11; that is, the fins 11 are integral with the rotatable support body 12. In turn, the revolving support body 13 is fixed (welded or screwed) to the rotor heat exchanger 6 to exchange heat by conduction with the heat exchanger 6. According to a different embodiment not shown, the rotatable support body 13 is not present and the fins 12 are monolithic with the heat exchanger 6; in other words, the fins 12 are not physically separated from the heat exchanger 6, but are an integral part of the heat exchanger 6.
I due corpi 12 e 13 di supporto sono disposti affacciati uno davanti all’altro in modo tale da realizzare una compenetrazione reciproca tra le alette 10 e le alette 11; in questo modo le alette 11 sono disposte intercalate alle alette 10 (e viceversa). The two supporting bodies 12 and 13 are arranged facing each other in such a way as to achieve mutual interpenetration between the fins 10 and the fins 11; in this way the fins 11 are arranged interleaved with the fins 10 (and vice versa).
Secondo una possibile forma di attuazione, il collegamento tra gli scambiatori 6 di calore e lo statore 3 à ̈ realizzato a tenuta pneumatica in modo che la camera 7 chiusa che contiene il rotore 4 sia a tenuta pneumatica; in questa situazione, all’interno della camera 7 chiusa viene realizzato e mantenuto il vuoto per eliminare l’attrito dell’aria sul rotore 4. In alternativa, la macchina 1 elettrica potrebbe comprendere una carcassa esterna che contiene al proprio interno lo statore 3, il rotore 4 e gli scambiatori 6 di calore, à ̈ a tenuta pneumatica, e presenta il vuoto al proprio interno. According to a possible embodiment, the connection between the heat exchangers 6 and the stator 3 is made with a pneumatic seal so that the closed chamber 7 which contains the rotor 4 is pneumatically sealed; in this situation, inside the closed chamber 7 a vacuum is created and maintained to eliminate the friction of the air on the rotor 4. Alternatively, the electric machine 1 could comprise an external casing which contains the stator 3, rotor 4 and heat exchangers 6, is pneumatically sealed, and has a vacuum inside.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure 1 e 2, le alette 10 e 11 sono disposte parallele all’asse 2 di rotazione e quindi le alette 10 sporgono assialmente dalle pareti di base del rotore 4. In altre parole, nella forma di attuazione illustrata nelle figure 1 e 2 le alette 10 e 11 sono conformate come una serie di tazza concentriche e tra loro compenetranti. Invece, nella forma di attuazione illustrata nelle figure 3 e 4, le alette 10 e 11 sono disposte perpendicolari all’asse 2 di rotazione e quindi le alette 10 sporgono radialmente da una parete laterale del rotore 4. In altre parole, nella forma di attuazione illustrata nelle figure 3 e 4 le alette 10 e 11 sono conformate come una serie di dischi concentrici e tra loro compenetranti. In the embodiment illustrated in Figures 1 and 2, the fins 10 and 11 are arranged parallel to the axis 2 of rotation and therefore the fins 10 project axially from the base walls of the rotor 4. In other words, in the illustrated embodiment in figures 1 and 2 the fins 10 and 11 are shaped like a series of concentric cups and interpenetrating with each other. Instead, in the embodiment illustrated in Figures 3 and 4, the fins 10 and 11 are arranged perpendicular to the axis 2 of rotation and therefore the fins 10 protrude radially from a side wall of the rotor 4. In other words, in the form of embodiment illustrated in Figures 3 and 4, the fins 10 and 11 are shaped as a series of concentric and interpenetrating discs.
Secondo una preferita forma di attuazione, il sistema 5 di raffreddamento comprende degli elementi 14 conduttori, i quali sono annegati all’interno del rotore 4, sono disposti assialmente (cioà ̈ parallelamente all’asse 2 di rotazione) e sono termicamente accoppiati ai corpi 12 di supporto girevoli. La funzione degli elementi 14 conduttori à ̈ di trasportare il calore generato all’interno del rotore 4 verso i corpi 12 di supporto girevoli in modo da favorire il raffreddamento del rotore 4; a tale scopo, gli elementi 14 conduttori presentano una elevata conducibilità termica nella direzione assiale (cioà ̈ parallelamente all’asse 2 di rotazione). Ad esempio, gli elementi 14 conduttori possono essere costituiti da barre metalliche, possono essere costituiti da barre di fibre di carbonio, oppure possono essere costituiti da “heat-pipes†. According to a preferred embodiment, the cooling system 5 comprises conducting elements 14, which are embedded inside the rotor 4, are axially arranged (i.e. parallel to the rotation axis 2) and are thermally coupled to the revolving support bodies 12. The function of the conducting elements 14 is to transport the heat generated inside the rotor 4 towards the rotating support bodies 12 so as to favor the cooling of the rotor 4; for this purpose, the conducting elements 14 have a high thermal conductivity in the axial direction (ie parallel to the rotation axis 2). For example, the conductive elements 14 can be made up of metal bars, they can be made of carbon fiber bars, or they can be made of â € œheat-pipesâ €.
I sopra descritti elementi 9 di trasmissione del calore risultano estremamente efficienti ed efficaci nel trasmettere il calore dalla parte girevole (il rotore 4) alla parte fissa (gli scambiatori 6 di calore), in quanto per effetto della elevata estensione complessiva della superfici affacciate tra le alette 10 e le alette 11 e per effetto della ridotta distanza tra tali superfici affacciate si verifica una elevata trasmissione di calore per irraggiamento dalle alette 10 alle alette 11. E’ importante osservare che tale trasmissione di calore per irraggiamento non à ̈ in alcun modo influenzata dalla assenza di aria (nel caso in cui nella camera 7 contenente il rotore 4 venga fatto il vuoto) e dalla velocità di rotazione del rotore 4. Questo ultimo aspetto à ̈ particolarmente importante, in quanto in questo modo il calore asportato dal rotore 4 dipendete unicamente dalla temperatura del rotore 4 e non dalla velocità di rotazione del rotore 4, quindi al rotore 4 viene assicurato un adeguato raffreddamento anche quando il rotore 4 à ̈ fermo (ad esempio quando la macchina 1 elettrica viene utilizzata come freno elettromagnetico di stazionamento) o comunque ruota a bassa velocità pur producendo una coppia motrice elevata (condizione non infrequente nell’autotrazione). The above-described heat transfer elements 9 are extremely efficient and effective in transmitting heat from the rotating part (the rotor 4) to the fixed part (the heat exchangers 6), since due to the high overall extension of the surfaces facing between the fins 10 and fins 11 and due to the reduced distance between these facing surfaces there is a high transmission of heat by radiation from fins 10 to fins 11. It is important to note that this transmission of heat by radiation is in no way influenced by the absence of air (in the event that a vacuum is created in the chamber 7 containing the rotor 4) and by the speed of rotation of the rotor 4. This last aspect is particularly important, as in this way the heat removed from the rotor 4 you only depend on the temperature of the rotor 4 and not on the speed of rotation of the rotor 4, therefore the rotor 4 is ensured a adequate cooling even when the rotor 4 is stationary (for example when the electric machine 1 is used as an electromagnetic parking brake) or in any case rotates at low speed while producing a high drive torque (a not uncommon condition in motor vehicles).
Il sistema 5 di raffreddamento sopra descritto, oltre ad essere particolarmente efficace ed efficiente nel raffreddare il rotore 4 Ã ̈ anche particolarmente semplice, robusto (non prevedendo alcun tipo di contatto strisciante tra parti fisse e parti rotanti) e compatto. The cooling system 5 described above, in addition to being particularly effective and efficient in cooling the rotor 4, is also particularly simple, robust (not providing any type of sliding contact between fixed and rotating parts) and compact.
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