CS215436B1

CS215436B1 - Liquid cooling of a homopolar electrical machine

Info

Publication number: CS215436B1
Application number: CS932780A
Authority: CS
Inventors: Rudolf Haas; Vladimir Kollhammer; Karel Sramek
Original assignee: Rudolf Haas; Vladimir Kollhammer; Karel Sramek
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-08-27

Abstract

Vynález se týká kapalinového chlazení homopolárního elektrického stroje se zubovým rotorem a listěným statorem rozděleným na alespoň dva dílčí svazky, mezi nimi jsou uspořádány toroidní | cívky budicího vinutí, a odděleným od rotoru : membránou z nemagnetického a elektricky nevo- ! divého materiálu, se vstupem chladivá do prostoru j budicího vinutí, které je uloženo v drážkách i statoru.. Účelem vynálezu je dosáhnout intenzivnějšího odvodu tepla ze stroje přivedením dostatečného množství chladivá do bezprostřední blízkosti míst vzniku ztrát. Tohoto účelu je podle vynálezu dosaženo tím, že dílčísvazkyjsou v ose statorových zubů opatřeny prvními axiálními kanály navazujícími na druhé axiální kanály ve vložkách z nemagnetického a tepelně vodivého materiálu vyplňujících prostorpod cívkamibudicího vinutí ana straně čel pracovního vinutí ústícími volně do čelních prostorů stroje, přičemž každý alespoň sudý druhý axiální kanál je otevřen do prostoru budicího , vinutí, do nějž ústípřívod chladivá. Toto uspořádá- i ní umožňuje navíc vyřešiti průtok chladicíkapaliny u stroje s dvojitým magnetickým obvodem u nějž v prostředním dílčím svazku je v sousedních prvních axiálních kanálech protisměrné proudění kapaliny.The invention relates to liquid cooling of a homopolar electric machine with a toothed rotor and a leafy stator divided into at least two partial bundles, between which are arranged toroidal coils of the excitation winding, and separated from the rotor by a membrane made of non-magnetic and electrically non-conductive material, with the coolant entering the space of the excitation winding, which is placed in the slots of the stator. The purpose of the invention is to achieve more intensive heat removal from the machine by supplying a sufficient amount of coolant to the immediate vicinity of the places where losses occur. This purpose is achieved according to the invention by providing the partial bundles in the axis of the stator teeth with first axial channels connected to second axial channels in inserts made of non-magnetic and thermally conductive material filling the space under the coils of the excitation winding and on the side of the working winding ends opening freely into the front spaces of the machine, with each at least even second axial channel being open into the excitation winding space into which the coolant supply flows. This arrangement also makes it possible to solve the flow of coolant in a machine with a double magnetic circuit in which in the middle partial bundle there is a counter-flow of liquid in the adjacent first axial channels.

Description

Vynález se týká kapalinového chlazení homopolárního elektrického stroje se zubovým rotorem a listěným statorem rozděleným na alespoň dva dílčí svazky, mezi nimiž jsou uspořádány toroidní cívky budicího vinutí, a odděleným od rotoru , membránou z nemagnetického a elektricky nevodivého materiálu, se vstupem chladivá do prostoru i budicího vinutí a jeho výstupem z prostoru čel pracovního vinutí, které je uloženo v drážkách statoru.The invention relates to a liquid cooling of a homopolar electric machine with a gear rotor and a leaf stator divided into at least two sub-bundles between which toroidal excitation coil coils are arranged and separated from the rotor by a membrane of non-magnetic and non-conductive material. winding and its exit from the area of the fronts of the working winding, which is located in the stator grooves.

Homopolární elektrické stroje v zavřeném provedení, zejména vysokootáčkové, mají na svou kubatůru takový výkon, že jim odpovídající, poměrně značné ztráty není možno odvést běžným chlazením, jako je vzduchové chlazení, a je nutné i použít intensivních způsobů chlazení kapalinou, která navíc musí být elektricky nevodivá, např. olejem. Aby toto chlazení bylo opravdu účinné, je třeba, aby se chladicí kapalina dostala co nejblíže zdrojům ztrát. Ke ztrátám v pracovním vinutí, budicím vinutí a železe, zejména v zubech, na statoru přistupují ztráty třením rotoru o vzduch a vířivě ztráty vznikající v plném materiálu rotoru, které se přes vzduchovou mezeru přenášejí do statoru. Přímé chlazení budicí cívky a čel vinutí i znamená pouze dobrý odvod ztrát z míst, která jsou v přímém styku s chladicí kapalinou, zejména uvnitř drážek však může nastat podstatné překročení přípustného oteplení. Trubky procházející statorem napomáhají odvodu ztřát z magnetického obvodu, znamenají však další odpor ztěžující přestup ztrát do chladivá. Je známé rovněž provedení, u nějž kapalina vstupuje nejprve do prostoru budicí cívky odkud vstupuje do kanálů, které jsou součástí statorových drážek. Toto řešení znamená omezení prostoru pro pracovní vinutí nebo, je-li I tento kanál tvořen uzávěrem otevřené drážky krytým vůči rotoru membránou oddělující stator od rotoru, zhoršování parametrů stroje s rostoucím otevřením drážky, v opačném případě jsou takové kanály málo účinné, neboť jejich průřez neumožňuje průtok dostatečného množství chladicí kapa\ liny.Closed-loop electric machines, especially high-speed, have a power per cubic meter that their corresponding, relatively large losses cannot be compensated by conventional cooling, such as air-cooling, and intensive liquid-cooling methods must also be used. non-conductive, eg oil. For this cooling to be truly effective, the coolant must be as close as possible to the sources of losses. Losses in the working winding, excitation winding and iron, especially in the teeth, are caused by losses due to friction of the rotor by air and swirl losses arising in the full rotor material, which are transferred to the stator via the air gap. Direct cooling of the excitation coil and winding faces 1 only means good loss of losses from places that are in direct contact with the coolant, but especially within the grooves, the permissible overheating can be significantly exceeded. Tubes passing through the stator help dissipate from the magnetic circuit, but provide additional resistance making it difficult to transfer losses to the coolant. It is also known in which the liquid first enters the excitation coil space from where it enters the channels that are part of the stator grooves. This solution means a reduction in the space for the working winding or, if this channel is also formed by an open groove closure covered by the rotor with a diaphragm separating the stator from the rotor, deterioration of the machine parameters with increasing opening of the groove. sufficient cooling liquid flow rate.

Tyto nedostatky jsou odstraněny u kapalinového chlazení homopolárního stroje podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že dílčí svazky jsou v ose statorových zubů opatřeny prvními axiálními kanály navazujícími na druhé axiální kanály ve vložkách z nemagnetického a tepelně vodivého materiálu vyplňujících prostor pod cívkami budicího vinutí a na straně čel pracovního vinutí ústícími volně do čelních prostorů stroje, přičemž každý sudý alespoň druhý axiální kanál je otevřen do prostoru budicího vinutí, do nějž ústí přívod chladivá.These drawbacks are eliminated in the liquid cooling of the homopolar machine according to the invention, which consists in that the sub-bundles are provided on the axis of the stator teeth with first axial channels adjoining the second axial channels in inserts of non-magnetic and thermally conductive material filling the space under the coil on the side of the fronts of the working winding opening freely into the front spaces of the machine, each even at least second axial channel being opened to the field of the field winding into which the coolant inlet flows.

Kapalinové chlazení podle vynálezu představuje nejen přímé ochlazování cívky budicího vinutí a čel pracovního vinutí chladicí kapalinou, ale řeší i účinný rozvod chladivá z prostoru budicího vinutí do čelního prostoru stroje, neboť chladicí kapalina protéká přímo zuby dílčích svazků v bezprostřední blízkosti pracovního vinutí. Druhé axiální kanály ve vložkách z nemagnetického a tepelně vodivého materiálu vyplňujících prostor mezi dílčími svazky pod budicím vinutím jsou otevřeny do prostoru , budicího vinutí a usměrňují tok chladivá z tohoto prostoru do prvních axiálních kanálů. Bez tohoto ; uspořádání by nebylo možné řešit plynulý průtok chladicí kapaliny zejména u stroje s třemi dílčími svazky. V tomto případě je do prostoru první ί budicí cívky otevřena jen polovina druhých axiálních kanálů, zatímco zbývající část druhých axiál? nich kanálů rozvádí chladivo přicházející do prostoru druhé budicí cívky a ve stroji nenastává nežádoucí promíchávání obou toků chladicí kapaliny a je zaručena účinnost chlazení ve všech částech stroje.The liquid cooling according to the invention not only provides direct cooling of the coil of the field winding and the faces of the working winding with the coolant, but also solves an efficient coolant distribution from the field winding area to the machine front space. The second axial channels in the inserts of non-magnetic and thermally conductive material filling the space between the sub-bundles under the excitation winding are opened to the excitation winding space and direct the coolant flow from this space to the first axial channels. Without this ; the arrangement would not be able to solve a continuous flow of coolant, especially in a machine with three sub-bundles. In this case, only half of the second axial channels are opened into the space of the first excitation coil, while the remainder of the second axial? These channels distribute the coolant coming into the space of the second excitation coil and there is no undesired mixing of both coolant flows in the machine and cooling efficiency is guaranteed in all parts of the machine.

Příklad provedení kapalinového chlazení podle vynálezu je proveden na výkresech na nichž na obr.An embodiment of the liquid cooling according to the invention is carried out in the drawings in which FIG.

je znázorněn stator homopolárního stroje s dvěma dílčími svazky v polovičním axiálním řezu, na obr. 2 je tento stator v polovičním radiálním řezu, přičemž v levé polovině je řez v místě budicího vinutí a v pravé polovině je řez veden dílčím svazkem plechů, obr. 3 představuje stator homopolámího stroje se třemi dílčími svazky v polovičním axiálním řezu a na obr. 4 je tento stator v polovičním radiálním řezu, přičemž v levé polovině je řez v místě první budicí cívky a ve druhé polovině je řez veden druhou budicí cívkou.Fig. 2 shows a stator of a homopolar machine with two sub-bundles in half axial section; Fig. 2 shows this stator in a half radial section, with a cut at the excitation winding in the left half and a section of sheet metal in the right half; Fig. 4 shows the stator of a homopolar machine with three sub-bundles in half axial section, and in Fig. 4 the stator is in half radial section, in the left half a section at the first excitation coil and in the second half a cross-section through the second excitation coil.

Stator homopolárního stroje podle obr. 1 a 2 sestává z kostry 1 stroje tvořící jho magnetického obvodu, v níž jsou uloženy dva dílčí svazky 2 plechů s drážkami 3 v nichž je uloženo pracovní vinutí 4. ί V prostoru mezi oběma dílčími svazky 2 plechů je i uspořádána toroidní cívka 6 budicího vinutí. Stator je od rotoru oddělen membránou 7 z nemagnetického a elektricky nevodivého materiálu. Prostor pod cívkou 6 budicího vinutí až po membránu 7 je vyplněn vložkami 8 z nemagnetického a tepelně i dobře vodivého materiálu. Tyto vložky 8, opatřené stejnými drážkami 3 pro pracovní vinutí 4 jako dílčí svazky 2, napomáhají odvodu ztrátového tepla z této oblasti. V ose zubů 9 dílčích svazků 2 jsou vytvořeny uzavřené první axiální drážky 10 na něž navazují druhé axiální drážky 11 v zubech 9 vložek 8 pod budicím vinutím. Druhé axiální drážky 11 jsou otevřeny do prostoru budicího vinutí, do nějž v horní části kostry 1 přímo ústí přívod 12 chladivá. Chladicí kapalina, například olej nejprve obtéká cívku 6 budicího vinutí a potom je druhými ( axiálními kanály 11 rozvedena do prvních kanálů i 10 v zubech dílčích svazků 2 plechů odkud vytéká i volně na čela 9fpracovního vinutí 4 v čelních prostorech 13 stroje, v nichž jsou provedeny odvodní otvory 14-pro odvádění chladicí kapaliny ¹do chladiče.The stator of the homopolar machine according to FIGS. 1 and 2 consists of the yoke 1 of the machine forming the yoke of the magnetic circuit, in which two sheet metal sub-bundles 2 with grooves 3 in which the working winding 4 are housed. the excitation winding toroidal coil 6 is provided. The stator is separated from the rotor by a diaphragm 7 of non-magnetic and electrically non-conductive material. The space below the coil 6 of the field winding up to the membrane 7 is filled with inserts 8 of non-magnetic and thermally and well conductive material. These inserts 8, provided with the same grooves 3 for the working winding 4 as the sub-bundles 2, help to dissipate the heat loss from this region. In the axis of the teeth 9 of the sub-bundles 2, closed first axial grooves 10 are formed, to which are connected the second axial grooves 11 in the teeth 9 of the inserts 8 under the excitation winding. The second axial grooves 11 are opened into the field of the field winding, into which the coolant inlet 12 flows directly in the upper part of the frame 1. The coolant, for example oil, first flows around the coil 6 of the field winding and is then passed through the second (axial ducts 11 to the first ducts 10 in the teeth of the sub-sheets 2). drain holes 14 for draining coolant ¹ into the radiator.

Na obr. 3 a 4 je homopolární stroj v provedení, které z elektromagnetického hlediska představuje spojení dvou systémů popsaných výše v jediný stroj, který má tři dílčí svazky 2 plechů a dvě cívky 3 budicího vinutí umístěné mezi dílčími svazky 2. Zde je do prostoru budicího vinutí otevřen vždy jen každý sudý druhý axiální kanál 11, přičemž soustava druhých axiálních kanálů 11 pod jednou cívkou 6 budicího vinutí je o jednu kanálovou rozteč posunuta vůči soustavě druhých axiálních kanálů 11 pod druhou cívku 6 budicího vinutí. Chladicí kapalina je z přívodní komory 15 vedena rozváděcími kanály 16 do prostorů obou cívek 6 budicího vinutí. Z prostoru první cívky 6 v levé polovině stroje proudí chladivo jednak do prvního dílčíhoFigures 3 and 4 show a homopolar machine in an electromagnetic embodiment which represents the connection of the two systems described above into a single machine having three sub-bundles 2 of sheets and two excitation coil 3 coils located between the sub-bundles 2. Here, only one even second axial channel 11 is opened, the set of second axial channels 11 under one excitation coil 6 being shifted by one channel spacing relative to the set of second axial channels 11 under the second excitation coil 6. The coolant is led from the inlet chamber 15 through the distribution channels 16 to the spaces of the two coils 6 of the field winding. From the space of the first coil 6 in the left half of the machine, the refrigerant flows on the one hand to the first part

Claims

Liquid cooling of a homopolar electric machine with a gear rotor and a leaf and stator divided into at least two sub-bundles, including toroidal excitation coil coils, and separated from the rotor by a membrane of non-magnetic and electrically non-conductive ihaterial, coolant entering the excitation space winding and its exit from the area of the working winding faces, which is located in the stator grooves, characterized in that the partial bundles (2) are provided in the axis of the stator teeth (9) with first axial channels (10) adjoining the second axial channels (11). ) in inserts (8) of non-magnetic and thermally conductive material filling the space under the coils (6) of the excitation winding and on the faces side (5) of the working winding (4) flowing freely into the front spaces

2 knows the beam 2 and from there to the left front space 13 of the machine, secondly through the second, intermediate, partial beam 2 to the third partial beam 2, from where it flows into the right front space 13 of the machine. Thus, in the middle bundle there is a counter-flow of coolant in the adjacent first axial channels. Both currents flow smoothly through the machine, nowhere in the stator of the machine can be mixed.

BACKGROUND OF THE INVENTION (13), each at least even axial channel (11) being opened into the field winding space into which the coolant inlet (12) opens.

2. The liquid cooling of a homopolar machine according to claim 1, with three sub-bundles and two field coil coils, characterized in that every second axial channel is open to the field coil winding, the array of second axial channels (11) in the space between the first and second the sub-bundle (2) is rotated by one channel spacing with respect to the system of second axial ducts (11) in the space between the second and third sub-bundles (2) and the supply chamber (15) distributes the refrigerant to the first and second excitation coil (6) winding.