IT201900015045A1 - “Motore elettrico con circuito raffreddante” - Google Patents

Description

“Motore elettrico con circuito raffreddante”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un motore elettrico con circuito raffreddante, in particolare un motore elettrico a flusso assiale.

I veicoli elettrici, soprattutto quelli ad elevate prestazioni, montano motori elettrici molto potenti. Come tali, dissipano parecchio calore, che va smaltito. Ad es. i veicoli ad alta potenza hanno motori elettrici con potenze nominali di centinaia di KW, da cui la primaria esigenza di raffreddarli. Ad es. soprattutto per motori ad alti rpm il fenomeno delle correnti parassite può diventare rilevante e contribuire significativamente alle sovratemperature del motore.

A riguardo la Titolare ha scoperto che anche il rotore, nonostante si raffreddi con la rotazione, necessita di raffreddamento, soprattutto in un motore a flusso assiale.

Scopo principale dell’invenzione è migliorare il presente stato dell’arte. Lo scopo è raggiunto da quanto riportato nelle rivendicazioni allegate; e vantaggiose caratteristiche tecniche sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Si propone un motore elettrico comprendente:

un rotore che è girevole attorno ad un asse di rotazione e dotato di una serie circolare di elementi magnetici attorno a detto asse;

un albero che è solidale al rotore e che si estende lungo detto asse,

uno statore comprendente

una sede per supportare girevolmente l’albero, e

avvolgimenti posti in serie circolare attorno a detto asse, ciascun avvolgimento per create un campo magnetico con asse polare parallelo all’asse tramite cui mettere in rotazione il rotore grazie alla interazione magnetica con la corrispondente detta serie circolare di elementi magnetici del rotore;

ove il rotore comprende canali interni per la circolazione di un fluido refrigerante.

Si propone un anche un metodo per raffreddare un motore elettrico comprendente:

un rotore come sopra definito,

un albero come sopra definito,

uno statore come sopra definito,

con la fase di far circolare dentro il rotore un fluido refrigerante.

I detti canali interni possono svilupparsi dentro il rotore secondo vari schemi di percorso, ad es. a serpentina o a spirale attorno all’asse. Secondo una variante preferita, i detti canali interni si estendono nel rotore con simmetria polare rispetto a detto asse.

Secondo un’ulteriore variante preferita, che assicura una copertura capillare del volume del rotore e una facile costruzione, i detti canali interni, in particolare tutti, si estendono radialmente rispetto a detto asse. In particolare i detti canali si estendono radialmente rispetto a detto asse comprendendo per il fluido un tratto radiale di andata e un tratto radiale di ritorno.

Ogni canale interno del rotore comprende un ingresso, da cui viene alimentato con fluido refrigerante, e un’uscita di fluido da cui scarica fluido riscaldato. Ingresso e uscita di fluido possono essere unici per un canale (l’ingresso e l’uscita di un canale portano fluido solo per quel canale) o in comune per molti o tutti i canali (l’ingresso e l’uscita portano fluido per più di un canale).

In generale, la parte di circuito di fluido esterna al rotore può essere configurato in qualsiasi modo. Secondo una variante preferita, che semplifica il circuito di fluido, gli ingressi e le uscite di fluido dei canali (ad es. tutti) sono disposti (ad es. circolarmente) su una superficie (ad es. cilindrica) a contatto con l’albero o rivolta verso l’albero. Questa soluzione ha il vantaggio di concentrare i punti di iniezione del fluido nel rotore e i punti di drenaggio del fluido dal rotore in una zona sufficientemente ristretta, ed è particolarmente efficace se preferibilmente il rotore è calettato sull’albero. In alternativa o combinazione, gli ingressi e le uscite di fluido dei canali (ad es. tutti) possono essere disposti per sfociare sulla periferia o superficie laterale del rotore o su una faccia del rotore ortogonale a detto asse.

Secondo una variante più preferita, che semplifica il circuito di fluido, l’albero comprende canali interni per fluido configurati per far circolare fluido nei canali interni del rotore. I canali interni dell’albero e i canali interni del rotore formano un circuito di fluido.

In particolare, i canali interni dell’albero hanno sbocchi combacianti con ingressi e uscite di fluido appartenenti a canali del rotore, per semplificare il loro accoppiamento.

In particolare gli sbocchi dei canali dell’albero sono presenti sulla superficie laterale dell’albero, per facilitare l’accoppiamento con i canali del rotore se esso è calettato sull’albero. In alternativa o combinazione, gli sbocchi sono presenti ad una estremità dell’albero.

Una prima possibilità per creare i canali interni nel rotore sarebbe tramite lavorazione meccanica del rotore, che però è cosa lunga e/o complicata da fare. Una variante più semplice prevede che il rotore comprenda due pezzi tra loro accoppiabili, e uno dei due pezzi comprende i canali interni. L’altro pezzo ad es. comprende gli elementi magnetici. Così la creazione dei canali può avvenire in un componente del rotore, facilmente più lavorabile individualmente.

In particolare, per semplificare ancora la lavorazione, il pezzo comprendente i canali interni può essere a sua volta formato da due elementi o parti, ad es. sovrapposti: uno integrante i canali di andata per il fluido (dall’esterno del rotore verso l’interno del rotore) e uno integrante i canali di ritorno per il fluido (dall’interno del rotore verso l’esterno del rotore).

Più in particolare, ciascuno dei due elementi comprende un disco o anello con alette radiali che si estendono in rilievo da una faccia del disco o anello, in modo che le alette formino dei canali aperti che corrono radialmente dal centro verso il perimetro del disco o anello. I canali fra le alette di un disco o anello portano fluido in un senso, e i canali fra le alette dell’altro disco o anello portano fluido in senso opposto. Accoppiando i due elementi uno sopra l’altro e fissandoli in una sede circolare del rotore con un coperchio, un disco o anello chiude i canali dell’altro e il coperchio chiude i canali del secondo.

La configurazione ad anello è comoda se gli elementi sono montati sul rotore coassialmente all’albero.

Il fluido refrigerante è ad es. acqua o olio o un fluido sintetico.

Preferibilmente, detta sede per il rotore è una cavità cilindrica dello statore.

Il motore ha preferibilmente due rotori uguali, come sopra definii, e solidali allo stesso albero. I rotori ruotano adiacenti a facce opposte dello statore. In questo caso la cavità cilindrica dello statore è una cavità passante in cui è alloggiato girevolmente l’albero.

Preferibilmente il motore comprende mezzi per far circolare un fluido refrigerante in detti canali interni del rotore.

Preferibilmente il motore comprende una riserva o serbatoio di fluido refrigerante comunicante col circuito di fluido refrigerante che porta fluido refrigerante ai canali del rotore.

Ulteriori vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione seguente, che si riferisce ad un esempio di realizzazione preferito di motore in cui:

- la figura 1 mostra una vista in esploso di un rotore di motore elettrico;

- le figure 2 e 3 mostrano viste in sezione verticale del motore elettrico.

Numeri uguali nelle figure indicano parti uguali o sostanzialmente uguali. Per non affollare i disegni, gli elementi uguali non sono tutti numerati.

Fig.2 e 3 illustrano un motore elettrico MC che comprende un albero 10 solidale ad un rotore 50, entrambi girevoli attorno ad un asse X.

Il motore MC ha preferibilmente simmetria polare attorno all’asse X.

L’albero 10 attraversa coassialmente uno statore 30 col quale si accoppia tramite cuscinetti 32 posti tra lo statore 30 e l’albero 10.

Lo statore 30 ha una serie circolare di avvolgimenti elettrici 34 che sono disposti con simmetria polare attorno all’asse X e sono dotati di nucleo ferromagnetico. In uso ogni avvolgimento 34 genera un campo magnetico per portare in rotazione il rotore 50, il quale comprende una serie circolare di elementi magnetici 52, ad es. magneti permanenti, che coopera con il campo magnetico generato dagli avvolgimenti elettrici 34. Tale campo magnetico ha asse polare parallelo all’asse X. Gli elementi magnetici 52 sono montati su un disco più esterno 58.

Per raffreddare il rotore 50, esso comprende canali interni per la circolazione di un fluido refrigerante. I canali interni si estendono nel rotore con simmetria polare rispetto all’asse X e sono visibili in fig.1.

I canali interni derivano dalla sovrapposizione di due elementi 60, 70, ciascuno comprendente un anello 62, 72 con alette radiali 64, 74 che si estendono in rilievo da una faccia dell’anello di appartenenza.

Le alette 64, 74 formano dei canali aperti che corrono radialmente dal centro al perimetro dell’anello 62, 72.

I due elementi 60, 70 sono accoppiati uno sopra l’altro e fissati dentro una sede circolare 80 del rotore 50 con un coperchio 82, ad es. tramite bulloni 84. In questo modo, l’anello 72 chiude i canali delle alette 64, mentre il coperchio 82 chiude i canali delle alette 74.

I due anelli 62, 72 sono uguali, mentre la sede 84 ha diametro leggermente maggiore dei due anelli 62, 72, per creare uno spazio circolare S più esterno che permette il passaggio di fluido da un anello all’altro.

La configurazione ad anello degli elementi 60, 70 permette di montarli coassialmente all’albero 10 e di sfruttare quest’ultimo per la circolazione di fluido.

I canali formati fra le alette 64, 74 sono configurati in modo da poter portare fluido in un senso e senso opposto, rispettivamente.

Come si vede, a montaggio ultimato i canali si estendono radialmente rispetto all’asse X e grazie alla loro posizione centrale e incassata nel rotore 50 consentono una circolazione di fluido che efficientemente può sottrarre calore al rotore 50.

Ogni canale viene alimentato con fluido refrigerante da un ingresso e scarica fluido riscaldato da un’uscita di fluido. Nell’esempio illustrato, ogni canale fra le alette 64, 74 ha come ingresso e uscita uno spazio circolare che sostanzialmente segue i bordi circolari degli anelli 62, 72.

Con riferimento alle sezioni di fig. 2 e 3, si vede che un fluido presente al bordo circolare minore dell’anello 62 si può allontanare dall’asse X percorrendo i canali fra le alette 64 fino al perimetro esterno dell’anello 62. Qui inverte la sua direzione in corrispondenza dello spazio S, arriva sull’anello 72, passa dentro i canali tra le alette 74 e ritorna verso l’asse X fino al bordo circolare minore dell’anello 72. Durante il percorso il fluido ha sottratto calore al corpo del rotore 50.

I canali nel rotore 50 per costruzione hanno ingressi e uscite disposte circolarmente su una superficie a contatto con l’albero 10, cioè i bordi minori degli anelli 62, 72.

Allora si può sfruttare l’albero 10 per trasportare il fluido di raffreddamento.

Allo scopo l’albero 10 comprende canali interni 12 di andata di fluido e canali interni 14 di ritorno di fluido che sono configurati per far circolare fluido nei canali interni del rotore 50.

In particolare, i canali 12, 14 hanno rispettivamente sbocchi superficiali 16, 18 presenti sulla superficie laterale dell’albero 10. Gli sbocchi 16 combaciano con il bordo minore dell’anello 62 e alimentano i canali fra le alette 64, mentre gli sbocchi 18 combaciano con il bordo minore dell’anello 72 e drenano fluido dai canali fra le alette 74.

Dette tenute o O-ring 98 separano il flusso di fluido pertinente agli sbocchi 16, 18 isolandoli.

Ad es. i canali interni 12 di andata di fluido sono un fascio di derivazioni radiali che raggiungono gli sbocchi 16 e si diramano da un condotto centrale comune 12a coassiale all’asse X.

Ad es. i canali interni 14 di ritorno di fluido sono un fascio di canali paralleli all’asse X e posti in simmetria polare attorno all’asse X, da cui partone delle derivazioni radiali 14a per raggiungere gli sbocchi 16.

I canali nell’albero 10 possono anche variare da quanto illustrato.

I canali nell’albero 10 possono anche essere sfruttati per far circolare il fluido refrigerante dentro allo statore 30.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore elettrico (MC) comprendente: un rotore (50) che è girevole attorno ad un asse di rotazione (X) e dotato di una serie circolare di elementi magnetici (52) attorno a detto asse; un albero (10) che è solidale al rotore (50) e che si estende lungo detto asse (X), uno statore (30) comprendente una sede per supportare girevolmente l’albero (70), e avvolgimenti (36) posti in serie circolare attorno a detto asse (X), ciascun avvolgimento (36) per create un campo magnetico, con asse polare parallelo all’asse di rotazione, tramite cui mettere in rotazione il rotore (50) grazie alla interazione magnetica con la corrispondente detta serie circolare di elementi magnetici (52) del rotore; ove il rotore (50) comprende canali interni per la circolazione di un fluido refrigerante.
2. 2. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 1, in cui detti canali interni, in particolare tutti, si estendono radialmente rispetto a detto asse di rotazione.
3. 3. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 2, in cui detti canali interni comprendono per il fluido un tratto radiale di andata e un tratto radiale di ritorno.
4. 4. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui ogni canale interno comprende un ingresso, da cui viene alimentato con fluido refrigerante, e un’uscita da cui scarica fluido riscaldato, e gli ingressi e le uscite sono disposti su una superficie a contatto con l’albero o rivolta verso l’albero.
5. 5. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 4, in cui gli ingressi e le uscite di fluido sono disposti per sfociare sulla periferia o superficie laterale del rotore.
6. 6. Motore elettrico (MC) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui l’albero (10) comprende canali interni per fluido configurati per far circolare fluido nei canali interni del rotore.
7. 7. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 6, in cui i canali interni dell’albero hanno sbocchi combacianti con ingressi e uscite di fluido appartenenti a canali del rotore, gli sbocchi dei canali dell’albero essendo presenti sulla superficie laterale dell’albero.
8. 8. Motore elettrico (MC) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il rotore (50) comprende due pezzi (58; 60, 70) tra loro accoppiabili, uno (60, 70) dei due pezzi comprendendo i canali interni e l’altro pezzo (58) comprendendo gli elementi magnetici (52).
9. 9. Motore elettrico (MC) secondo la rivendicazione 8, in cui il pezzo comprendente i canali interni è a sua volta formato da due elementi (60, 70), uno integrante i canali di andata per il fluido e uno integrante i canali di ritorno per il fluido .
10. 10. Metodo per raffreddare un motore elettrico comprendente: un rotore (50) che è girevole attorno ad un asse di rotazione (X) e dotato di una serie circolare di elementi magnetici (52) attorno a detto asse; un albero (10) che è solidale al rotore (50) e che si estende lungo detto asse (X), uno statore (30) comprendente una sede per supportare girevolmente l’albero (70), e avvolgimenti (36) posti in serie circolare attorno a detto asse (X), ciascun avvolgimento (36) per create un campo magnetico con asse polare parallelo all’asse tramite cui mettere in rotazione il rotore (50) grazie alla interazione magnetica con la corrispondente detta serie circolare di elementi magnetici (52) del rotore; con la fase di far circolare dentro il rotore un fluido refrigerante.