BR102016012110B1

BR102016012110B1 - Motor elétrico

Info

Publication number: BR102016012110B1
Application number: BR102016012110-8A
Authority: BR
Inventors: Andry RANDRIA; Bruno Raguin; Gérard Tripot; Benali BOUALEM
Original assignee: Alstom Transport Technologies
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2022-11-29
Also published as: US10186927B2; CN106208441A; CN106208441B; EP3098949A1; BR102016012110A2; US20160352181A1; FR3036882A1; JP6823944B2; FR3036882B1; EP3098949B1; JP2016226277A

Abstract

ESTATOR QUE COMPREENDE UM RADIADOR INTEGRADO Este motor elétrico (10) inclui uma carcaça (12) que define um volume interno e que compreende um rotor (14) e um estator (16), um circuito de refrigeração primário (20) que compreende pelo menos um duto primário (26) e em comunicação hidráulica com o exterior da carcaça (12) para circulação de um gás proveniente do exterior da carcaça (12) no volume interno da carcaça, um circuito de refrigeração secundário (30) que se estende dentro do volume interno da carcaça (12) e isolado do exterior da carcaça, o circuito de refrigeração secundário compreendendo pelo menos um primeiro canal de refrigeração (32) que atravessa o rotor (14) e pelo menos um segundo canal de refrigeração (34) que atravessa o estator (16), caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um canal de isolamento térmico (40) interposto entre o duto primário (26) do circuito de refrigeração primário (20) e o segundo canal de refrigeração (34) do circuito de refrigeração secundário (30).

Description

[0001] A presente invenção se refere a um motor elétrico que inclui um circuito de refrigeração primário para refrigeração de um estator e um circuito de refrigeração secundário para refrigeração de um rotor.

[0002] Usualmente, o circuito de refrigeração primário está em comunicação fluídica com a parte externa da carcaça do motor, de modo a permitir refrigeração do estator ao fazer com que ar ambiente circule no circuito de refrigeração primário. Em geral, quanto ao circuito secundário, ele não está em comunicação fluídica com a parte externa da carcaça do motor elétrico de modo a evitar que poeiras ou outros materiais se acumulem ou incrustem na parte móvel do motor. Consequentemente, o circuito de refrigeração secundário inclui um primeiro canal de refrigeração que atravessa o rotor, no qual um fluido gasoso frio circula para refrigeração do rotor por meio de permuta térmica. O fluido gasoso no primeiro canal de refrigeração é aquecido e é enviado para um segundo canal de refrigeração que atravessa um corpo de estator localizado para, novamente, refrigerar o fluido gasoso dentro do circuito de refrigeração secundário. Este segundo canal de refrigeração é, em geral, integrado em uma pilha de chapas metálicas que formam o estator, de modo a atravessar as chapas metálicas na direção de empilhamento.

[0003] Tal motor elétrico é, por exemplo, descrito no documento EP 2 308 150.

[0004] No entanto, a arquitetura de tal motor elétrico não fornece satisfação total. Na verdade, o canal de refrigeração primário do circuito de refrigeração primário influencia termicamente o circuito de refrigeração secundário em virtude das trocas térmicas entre este canal de refrigeração primário que contém um fluido gasoso quente e o circuito de refrigeração secundário.

[0005] A eficiência do circuito de refrigeração secundário, portanto, é reduzida e o motor corre o risco de sobreaquecimento quando o motor funciona em alta potência.

[0006] Um dos objetivos da invenção consiste em propor um motor elétrico que compreende circuitos de refrigeração que permitem uma refrigeração eficaz e simples do estator e do rotor do motor elétrico.

[0007] Para esta finalidade, o objetivo da invenção é um motor elétrico de acordo com a reivindicação 1.

[0008] As vantagens de um motor elétrico são múltiplas e são resumidas de forma não exaustiva abaixo.

[0009] O canal de isolamento térmico fornece a possibilidade de formar uma barreira térmica para o circuito de refrigeração secundário, permitindo que o último refrigere o rotor do motor elétrico de forma eficiente, o que fornece a possibilidade de aumentar o tempo de vida do motor e/ou fazê-lo funcionar em uma maior potência. Na verdade, por meio do canal de isolamento térmico, as trocas de calor entre o segundo canal de refrigeração do circuito de refrigeração secundário e o circuito de refrigeração primário são grandemente reduzidas, ou mesmo suprimidas, o que fornece a possibilidade de não aquecimento do ar que circula no circuito de refrigeração primário. A eficiência da refrigeração do circuito de refrigeração secundário é aumentada ali.

[0010] Vantajosamente, um motor elétrico de acordo com a invenção pode incluir uma ou várias das características das reivindicações 2 a 10, tomadas isoladamente ou de acordo com todas as combinações tecnicamente possíveis.

[0011] A invenção será melhor compreendida quando de leitura da descrição a seguir, fornecida apenas a título de exemplo, e feita com referência aos desenhos, em que: • a Figura 1 é uma vista seccional axial, ao longo de um eixo de rotação X-X' de um motor elétrico, de acordo com a invenção; • a Figura 2 é uma vista seccional, ao longo de um plano A-A, do motor elétrico da Figura 1; • a Figura 3 é uma vista seccional, ao longo de um plano transversal ao eixo de rotação, de uma terceira modalidade exemplificativa da presente invenção; • a Figura 4 é uma vista seccional, ao longo de um plano B-B da Figura 3, de uma segunda modalidade exemplificativa da presente invenção; • a Figura 5 é uma vista seccional axial, ao longo do eixo de rotação de um motor elétrico, de acordo com uma quarta modalidade exemplificativa da invenção.

[0012] Um motor elétrico 10 de acordo com uma primeira modalidade da invenção é ilustrado nas Figuras 1 e 2. O motor elétrico 10 compreende uma carcaça 12 que define um volume interno do motor 10, na qual estão alojados um rotor 14 e um estator 16. O rotor 14 está montado de modo a ser preso, em rotação, sobre um eixo rotativo 18 dentro da carcaça 12 e montado de modo a ser móvel, em rotação, em torno de um eixo de rotação X-X' em relação ao estator 16. O estator 16 envolve o rotor 14 paralelo ao eixo de rotação X-X' dentro da carcaça 12. Convencionalmente, o rotor 14 e o estator 16 fornecem a possibilidade de transformar energia elétrica em energia mecânica distribuída pelo eixo 18 do rotor 14.

[0013] Convencionalmente, o corpo do estator 16 é formado por chapas metálicas de ferro-silício empilhadas ao longo de uma direção axial definida pelo eixo de rotação X-X'. O estator 16 também inclui bobinas de cobre.

[0014] De acordo com uma modalidade, um circuito de refrigeração primário 20 inclui uma entrada primária 22 e uma saída primária 24, cada uma estando em comunicação fluídica com a parte externa da carcaça. Por isto, entenda-se que o ar ambiente é capaz de penetrar no circuito de refrigeração primário 20 através da entrada primária 22 e retornar para o exterior através da saída primária 24. A entrada primária 22 e a saída primária 24 estão conectadas uma à outra por meio de pelo menos um duto primário 26 que atravessa o estator 16 e, por exemplo, se estende ao longo de um eixo substancialmente paralelo ao eixo de rotação X-X'.

[0015] O circuito de refrigeração primário 20, ilustrado na Figura 2, fornece a possibilidade de que um fluido gasoso, isto é, ar ambiente, proveniente do exterior da carcaça 12, flua para a entrada primária 22. O fluxo de gás externo FE é orientado pelo circuito de refrigeração primário 20 através do volume interno da carcaça 12 e, mais particularmente, através do estator 16, de modo a refrigerar a última. O duto primário 26, na verdade, permite a troca de calor entre o fluido gasoso externo FE e o estator 16. A saída primária 24, finalmente, fornece a possibilidade de descarregar o fluido gasoso externo FE aquecido para o exterior da carcaça 12. Assim, a carcaça 12 e o estator 16 são refrigerados pelo ar ambiente das adjacências do motor.

[0016] Na presente descrição, os termos "a montante" e "a jusante" são definidos em relação à direção de circulação de um fluxo de fluido gasoso no motor 10.

[0017] Um circuito de refrigeração secundário 30, ilustrado na Figura 2, compreende pelo menos um primeiro canal de refrigeração 32 que atravessa o rotor 14. O primeiro canal de refrigeração 32 se estende paralelamente ao eixo de rotação X-X' e, assim, forma pelo menos uma abertura através do rotor 14.

[0018] O primeiro canal de refrigeração 32 do circuito de refrigeração secundário 30 permite a troca de calor entre um fluido gasoso interno FI que circula dentro do circuito de refrigeração secundário 30 e a carcaça do rotor 4.

[0019] O circuito de refrigeração secundário 30 está isolado do circuito de refrigeração primário 20, isto é, não há comunicação fluídica entre o circuito de refrigeração primário e o circuito de refrigeração secundário. O fluido gasoso interno FI enche o interior do circuito de refrigeração secundário 30. Este fluido gasoso, por exemplo, ar, é isolado do ar ambiente, uma vez que não há comunicação fluídica entre o circuito de refrigeração secundário e o exterior da carcaça 12.

[0020] O circuito de refrigeração secundário 30 inclui pelo menos um segundo canal de refrigeração 34 que se estende paralelamente ao eixo de rotação X-X' no corpo que forma o estator 16. Este segundo canal de refrigeração 34 está próximo da borda da carcaça 12 do motor 10 ou se estende para fora da carcaça, de modo a gerar uma permuta térmica entre o fluido gasoso interno e o ar ambiente no exterior da carcaça 12. O corpo do estator 16 inclui, em geral, bordas retangulares, conforme mostrado na Figura 1, de modo que o motor tem um tamanho substancialmente idêntico a um motor sem qualquer circuito de refrigeração secundário 30.

[0021] O segundo canal de refrigeração 34 está conectado, em suas extremidades, através de passagens radiais às extremidades do primeiro canal de refrigeração 32 atravessando o rotor 14, de modo que o primeiro canal de refrigeração 32 e o segundo refrigeração canal 34 formem um circuito fechado e estejam em comunicação fluídica.

[0022] O eixo 18 do rotor 14 é equipado com um ventilador 50 que inclui pelo menos duas pás secundárias 54 capazes de gerar, com o fluido gasoso interno FI, um fluxo de gás secundário que circula no circuito de refrigeração secundário 30. As pás 54 são secundárias, por exemplo, localizadas a montante do segundo canal de refrigeração 34 que atravessa o estator 16 e a jusante do primeiro canal de refrigeração 32 que atravessa o rotor 14.

[0023] O eixo 18 do rotor 14 traz o ventilador 50, por exemplo, em uma de suas duas extremidades, conforme é ilustrado nas Figuras 2 e 4. Neste caso, o ventilador 50 está localizado no exterior da carcaça 12 do motor 10.

[0024] O duto primário 26 do circuito de refrigeração primário 20 e o segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30 atravessam o corpo do estator 16 o qual, assim, forma um radiador para descarregar a energia térmica do motor 10. Esta integração do radiador ao estator 16 permite uma redução no volume total do motor 10, quando comparado com motores elétricos convencionais, nos quais um radiador adicional que se estende para fora da carcaça 12 é geralmente fornecido para descarregar a energia térmica proveniente do circuito de refrigeração secundário 30.

[0025] Alternativamente, o ventilador 50 pode estar localizado pelo menos parcialmente dentro da carcaça 12 do motor 10, conforme é ilustrado na Figura 5. Neste caso, o ventilador 50 é um ventilador radial com uma porção dentro da carcaça 12 do motor 10. Assim, é gerado um fluxo de gás interno que conduz o fluido gasoso interno FI do primeiro canal de refrigeração 32do circuito de refrigeração secundário 30 para o segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30 e do segundo canal de refrigeração 34 para o primeiro canal de refrigeração 32. Assim, o fluido gasoso interno FI proveniente do segundo canal de refrigeração 34 é aquecido no primeiro refrigeração canal 32 ao atravessar o rotor 14 durante a troca de calor com o rotor 4, o que tem o efeito de refrigeração do rotor, e é novamente refrigerado quando de sua passagem através de pelo menos um segundo canal de refrigeração 34 que atravessa o estator 16 para a borda ou ao exterior da carcaça 12 do motor 10 e, então, retorna para o primeiro canal de refrigeração 32.

[0026] O ventilador 50 também inclui pelo menos uma pá primária 52 capaz de gerar um fluxo de gás primário destinado a circular no circuito de refrigeração primário 20. A pá primária 52 está, por exemplo, localizada a jusante da entrada primária 22 e a montante do duto primário 26 do circuito de refrigeração primário 20. Assim, o ventilador 50 fornece a possibilidade de gerar, simultaneamente, um fluxo de gás no circuito de refrigeração primário 20 e um fluxo de gás no circuito de refrigeração secundário 30.

[0027] De acordo com a invenção, o duto primário 26 do circuito de refrigeração primário 20 é adjacente a um canal de isolamento térmico 40 interposto entre o duto primário 26 e o segundo canal de refrigeração 34, de modo a formar uma barreira térmica entre o duto primário 26 e o segundo canal de refrigeração 34.

[0028] De acordo com uma modalidade, e conforme é visível na Figura 2, o canal de isolamento 40 pertence ao circuito de refrigeração secundário 30, isto é, não está em comunicação fluídica com o segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário. Isto permite que o canal de isolamento térmico 40 seja atravessado pelo fluido gasoso interno FI refrigerado para aumentar o efeito de barreira térmica do canal de isolamento térmico 40.

[0029] Ao interpor o canal de isolamento térmico entre o duto primário 26 e o segundo canal de refrigeração 34, as trocas de calor entre o segundo canal de refrigeração 34 e o duto primário 26 são, portanto, bloqueadas.

[0030] De acordo com a modalidade descrita e visível na Figura 1, o canal de isolamento térmico 40 inclui uma seção em formato de pá com uma espessura medida perpendicularmente ao eixo de rotação X-X' por exemplo, substancialmente compreendida entre 2 e 10 mm. Esta espessura do canal de isolamento térmico 40 é menor do que o diâmetro do duto primário 26 do circuito de refrigeração 20 e do que o diâmetro do segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração 30, de modo a não aumentar o tamanho do motor.

[0031] O canal de isolamento térmico 40 tem uma largura L que permite o isolamento do segundo canal de refrigeração 34 do duto primário 26, pelo menos em uma direção radial definida entre o eixo 18 e o segundo canal de refrigeração 34.

[0032] O canal de isolamento térmico 40 se estende ao longo de uma linha substancialmente paralela ao eixo de rotação X-X' e tem um comprimento substancialmente compreendido entre 100 e 500 mm.

[0033] O canal de isolamento térmico 40 define pelo menos um ponto P mecanicamente conectado ao segundo canal de refrigeração 34 com a carcaça 12 do motor 10.

[0034] A ponte P é, vantajosamente, tão fina quanto possível e, por exemplo, tem uma espessura compreendida entre 3 e 5 mm. Assim, a condução de calor através da ponte P é minimizada.

[0035] As Figuras 3 e 4 mostram uma segunda modalidade, em que o canal de isolamento térmico 40 é uma parte do circuito de refrigeração primário 20, isto é, o canal de isolamento térmico 40 está em comunicação fluídica com o duto primário 26 do circuito de refrigeração primário. Neste caso, o fluido gasoso externo, isto é, ar, que atravessa o duto primário 26 do circuito de refrigeração primário 20 também atravessa o canal de isolamento térmico 40 e, portanto, permite um isolamento térmico particularmente eficiente. Assim, a temperatura no canal de isolamento térmico 40 do circuito de refrigeração primário 20 é sempre menor do que a temperatura no segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30, de modo a formar uma barreira térmica eficiente entre ambos estes circuitos. O segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30 é, portanto, protegido contra a energia térmica do circuito de refrigeração primário 20 pelo canal de isolamento térmico 40.

[0036] Em uma modalidade, o circuito de refrigeração primário 20 inclui vários dutos primários 26 posicionados na periferia do estator 16. Assim, a refrigeração do estator 16 pelos dutos primários 26 é ainda mais aumentada.

[0037] Em uma modalidade alternativa, pelo menos um canal de isolamento térmico 40 do circuito de refrigeração primário 20 envolve, pelo menos parcialmente, pelo menos um segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30. Assim, a energia térmica transmitida a partir do segundo canal de refrigeração 34 é recebida principalmente pelo canal de isolamento térmico 40. Esta energia térmica pode ser descarregada pelo fluxo de gás que flui através do canal de isolamento térmico 40 através da saída primária 24, em direção ao exterior da carcaça 12 do motor 10.

[0038] Alternativamente, conforme ilustrado na Figura 3, três canais de isolamento térmico 40 do circuito de refrigeração primário 20 envolvem pelo menos um segundo canal de refrigeração 34 para descarregar eficientemente a energia térmica transmitida do segundo canal de refrigeração 34 para o exterior da carcaça 12 do motor 10. Assim, a refrigeração do motor 10, em particular do rotor 14, é aumentada. Isto fornece a possibilidade de aumentar o nível de desempenho do motor 10 garantindo, ao mesmo tempo, refrigeração ideal, eficiente e simples.

[0039] Os três canais de isolamento térmico 40 formam uma barreira térmica em torno do segundo canal de refrigeração 34. A refrigeração do fluido gasoso interno FI que atravessa o segundo canal de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 30 é, portanto, aprimorada.

[0040] Deverá ser notado que a invenção não está limitada às modalidades anteriormente descritas, mas pode ter diversas alternativas.

[0041] Em particular, o circuito de refrigeração primário 20 que se comunica com o exterior pode incluir vários dutos primários 26 posicionados na periferia do estator 16, de modo a aumentar a refrigeração do último.

[0042] Além disso, os segundos canais de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário interno 30 podem ser agrupados em pelo menos uma porção periférica entre a borda do estator 16 e o circuito primário 20 que comunica com o exterior. Assim, é mais simples separar os segundos canais de refrigeração 34 do circuito de refrigeração secundário 32 com um canal de isolamento térmico 40 dos dutos primários 26 do circuito de refrigeração primário 20.

[0043] Também é possível que o circuito de refrigeração primário 20 e o circuito de refrigeração secundário 30 compreendam uma pluralidade de canais.

[0044] O motor elétrico 10 pode ser usado em qualquer área industrial, em particular no campo dos veículos de transporte e, mais particularmente, veículos ferroviários.

Claims

1. Motor elétrico (10) que compreende: - uma carcaça (12) que define um volume interno e que compreende: o um rotor (14) e um estator (16) posicionado dentro do volume interno da carcaça (12), o um circuito de refrigeração primário (20) que compreende pelo menos um duto primário (26) que atravessa o volume interno da carcaça (12) e em comunicação fluídica com o exterior da carcaça (12) de modo a circular um gás proveniente do exterior da carcaça (12) dentro do volume interno da carcaça (12), o um circuito de refrigeração secundário (30) que se estende dentro do volume interno da carcaça (12) e isolado do exterior da carcaça (12), o circuito de refrigeração secundário (30) compreendendo pelo menos um primeiro canal de refrigeração (32) que atravessa o rotor (14) e pelo menos um segundo canal de refrigeração (34) que atravessa o estator (16), - pelo menos um canal de isolamento térmico (40) interposto entre o duto primário (26) do circuito de refrigeração primário (20) e o segundo canal de refrigeração (34) do circuito de refrigeração secundário (30); caracterizado pelo fato de que: - o duto primário (26) atravessa o estator (16); - o canal de isolamento térmico (40) forma uma barreira térmica entre o duto primário (26) e o segundo canal de refrigeração (34) do circuito de refrigeração secundário (30); e - o primeiro canal de refrigeração (32) e o segundo canal de refrigeração (34) formam um circuito fechado e estão em comunicação fluídica.

2. Motor elétrico (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o canal de isolamento térmico (40) pertence ao circuito de refrigeração primário (20).

3. Motor elétrico (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o canal de isolamento térmico (40) pertence ao circuito de refrigeração secundário (30) interno.

4. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o canal de isolamento térmico (40) envolve, pelo menos parcialmente, pelo menos o segundo canal de refrigeração (34) do circuito de refrigeração secundário (30) interno.

5. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o canal de isolamento térmico (40) é configurado como uma pá e tem uma espessura perpendicular a um eixo de rotação X-X' menor do que o diâmetro do duto primário (26) do circuito de refrigeração primário (20) e o diâmetro do segundo canal de refrigeração (34) do circuito de refrigeração secundário (30).

6. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que um ventilador radial (50) está montado sobre o eixo (18) do motor elétrico (10) para acelerar um fluxo de gás no circuito de refrigeração secundário (30).

7. Motor elétrico (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o ventilador radial (50) permite a aceleração simultânea de um fluxo de gás no circuito de refrigeração primário (20) e um fluxo de gás no circuito de refrigeração secundário (30).

8. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o circuito de refrigeração primário (20) que se comunica com o exterior inclui vários dutos primários (26) posicionados em uma periferia do estator (16).

9. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o circuito de refrigeração secundário (30) compreende vários segundos canais refrigeração (34), os segundos canais de refrigeração (34) estando agrupados em pelo menos uma porção periférica entre uma extremidade do estator (16) e o circuito de refrigeração primário (20) que se comunica com o exterior.

10. Motor elétrico (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o circuito de refrigeração primário (20) e o circuito de refrigeração secundário (30) compreendem uma pluralidade de canais.