IT202100024977A1 - HEAT EXCHANGER OF ELECTRIC MACHINE - Google Patents

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IT202100024977A1
IT202100024977A1 IT102021000024977A IT202100024977A IT202100024977A1 IT 202100024977 A1 IT202100024977 A1 IT 202100024977A1 IT 102021000024977 A IT102021000024977 A IT 102021000024977A IT 202100024977 A IT202100024977 A IT 202100024977A IT 202100024977 A1 IT202100024977 A1 IT 202100024977A1
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IT
Italy
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electric machine
metal portions
magnetic cores
exchanger
heat exchanger
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IT102021000024977A
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Italian (it)
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Francesco Chilosi
Silvio Carlo Resteghini
Original Assignee
Tamura Magnetic Eng S R L
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Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Patent application for industrial invention entitled:

SCAMBIATORE DI CALORE DI MACCHINA ELETTRICA HEAT EXCHANGER OF ELECTRIC MACHINE

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore. The present invention relates to a heat exchanger.

In particolare, la presente invenzione concerne uno scambiatore di calore a liquido di una macchina elettrica statica il cui circuito magnetico comprende dei traferri. In particular, the present invention relates to a liquid heat exchanger of a static electric machine whose magnetic circuit comprises air gaps.

La presente invenzione ha inoltre ad oggetto una macchina elettrica statica comprendente uno scambiatore di calore a liquido. The present invention also relates to a static electric machine comprising a liquid heat exchanger.

Le macchine elettriche, destinate a molteplici utilizzi che non rilevano ai fini della presente trattazione, necessitano, ai fini del raggiungimento di buone e costanti prestazioni, dello smaltimento del calore generato al proprio interno. Electric machines, intended for multiple uses that are not relevant for the purposes of this discussion, need, in order to achieve good and constant performance, the disposal of the heat generated internally.

Le problematiche connesse ad un efficace smaltimento del calore sono sempre di estrema attualit? nella costruzione delle macchine elettriche poich?, per raggiungere potenze e prestazioni sempre maggiori devono conseguentemente essere accresciute anche l?efficienza e la capacit? dei dispositivi utilizzati per smaltire il calore in esse generato. Are the problems associated with effective heat dissipation always extremely topical? in the construction of electric machines since?, to reach ever greater power and performance must consequently also be increased? efficiency and capacity? of the devices used to dispose of the heat generated in them.

Un esempio, non limitativo, di macchina elettrica in cui si rivela assai utile lo smaltimento del calore ? quello degli induttori trifase. A non-limiting example of an electric machine in which heat dissipation is very useful? that of three-phase inductors.

Gli scambiatori a liquido di tipo noto e normalmente utilizzati prevedono una piastra metallica posta sostanzialmente a contatto con le parti attive della macchina elettrica, la quale piastra riceve il calore per conduzione dalle parti attive e lo dissipa trasferendolo, attraverso il metallo che ? un buon termoconduttore, all?acqua o altro liquido che lo attraversa per poi a sua volta disperderlo nell?ambiente. Known and normally used liquid heat exchangers have a metal plate placed substantially in contact with the active parts of the electric machine, which plate receives the heat by conduction from the active parts and dissipates it by transferring it through the metal which is a good heat conductor, to water or other liquid which passes through it and then in turn disperses it into the environment.

In genere, come detto, la forma nota di uno scambiatore ? una piastra con differenti forature e con idraulica asservita al trasporto del calore che viene inserita o all?interno degli avvolgimenti o all?interno dei nuclei o superficialmente all?esterno degli avvolgimenti. Generally, as mentioned, the known shape of an exchanger ? a plate with different holes and with hydraulics slaved to the transport of the heat which is inserted either inside the windings or inside the cores or superficially outside the windings.

Le citate piastre metalliche (in genere di alluminio) sono normalmente investite da campo magnetico ed il campo magnetico genera al loro interno delle perdite di energia che la macchina elettrica non accusa particolarmente in termini di temperatura ma che, comunque, peggiorano l?efficienza della macchina stessa in termini di prestazioni. The aforementioned metal plates (generally aluminum) are normally hit by a magnetic field and the magnetic field generates energy losses inside them which the electric machine does not particularly experience in terms of temperature but which, in any case, worsen the efficiency of the machine same in terms of performance.

In altri termini, i campi magnetici che investono le piastre metalliche generano delle correnti (vorticose) che peggiorano l?efficienza complessiva della macchina elettrica. In other words, the magnetic fields which strike the metal plates generate currents (whirling) which worsen the overall efficiency of the electric machine.

Inoltre, gli scambiatori di tipo noto, anche relativamente all?efficienza nello smaltimento del calore non sempre si sono mostrati esenti da inconvenienti, soprattutto con macchine elettriche di elevate prestazioni. Furthermore, the exchangers of the known type, even with regard to the efficiency in dissipating the heat, have not always shown themselves to be free from drawbacks, especially with high-performance electric machines.

Scopo della presente invenzione ? quello di proporre uno scambiatore di calore di macchina elettrica che sia esente dagli inconvenienti della tecnica nota e che garantisca al contempo un efficace smaltimento del calore ed una ottimale efficienza della macchina elettrica. Purpose of the present invention? that of proposing an electric machine heat exchanger which is free from the drawbacks of the prior art and which ensures at the same time effective heat dissipation and optimum efficiency of the electric machine.

Ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di fornire uno scambiatore di calore di macchine elettriche che sia di pratica ed economica realizzazione e di facile installazione. Another purpose of the present invention ? that of providing a heat exchanger for electric machines which is practical and economical to make and which is easy to install.

Ancora un altro scopo della presente invenzione ? quello di fornire una macchina elettrica efficace e di elevate prestazioni. Yet another object of the present invention? to provide an effective and high performance electric machine.

Secondo l'invenzione, questi scopi ed altri ancora sono raggiunti da uno scambiatore di calore e da una macchina elettrica comprendenti le caratteristiche tecniche descritte nelle allegate rivendicazioni. According to the invention, these aims and others still are achieved by a heat exchanger and by an electric machine comprising the technical characteristics described in the attached claims.

Le caratteristiche tecniche dell'invenzione, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente descritte nelle rivendicazioni allegate e i suoi vantaggi sono evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, con riferimento ai disegni allegati che ne illustrano forme di realizzazione esemplificative e non limitative, in cui: - la figura 1 illustra, in una vista prospettica schematica con alcune parti asportate per meglio comprenderne altre, una forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo la presente invenzione, integrato in una relativa macchina elettrica; The technical characteristics of the invention, according to the aforementioned aims, are clearly described in the attached claims and its advantages are evident from the following detailed description, with reference to the attached drawings which illustrate exemplifying and non-limiting embodiments thereof, in which: - the figure 1 illustrates, in a schematic perspective view with some parts removed to better understand others, an embodiment of the heat exchanger according to the present invention, integrated in a related electric machine;

- le figure 2 e 3, illustrano, in rispettive viste schematiche in pianta dall?alto e prospettica dall?alto, la macchina elettrica di figura 1 con ulteriori parti asportate; - figures 2 and 3 show, in respective schematic top plan and top perspective views, the electric machine of figure 1 with further parts removed;

- le figure 4 e 5 illustrano, in rispettive viste prospettiche schematiche da differenti angolazioni, una variante realizzativa dello scambiatore di calore secondo la presente invenzione. - figures 4 and 5 illustrate, in respective schematic perspective views from different angles, a variant embodiment of the heat exchanger according to the present invention.

Secondo quanto illustrato in figura 1, con il numero 1 di riferimento ? indicata nel suo complesso una macchina elettrica integrante uno scambiatore 2 di calore realizzato in accordo con la presente invenzione. According to what is illustrated in figure 1, with the reference number 1 ? indicated as a whole an electric machine integrating a heat exchanger 2 made in accordance with the present invention.

In dettaglio, a titolo esemplificativo la macchina 1 elettrica di figura 1 ? una macchina trifase e per ciascuna fase F1, F2, F3 comprende un rispettivo scambiatore 2 di calore; solamente uno dei tre scambiatori 2 di calore, quello relativo alla fase F1, risulta visibile in figura 1 in virt? degli elementi costruttivi che sono stati rimossi, appunto per consentirne una migliore visione. In detail, by way of example, the electric machine 1 of figure 1 ? a three-phase machine and for each phase F1, F2, F3 comprises a respective heat exchanger 2; only one of the three heat exchangers 2, the one relating to phase F1, is visible in figure 1 by virtue of of the construction elements that have been removed, precisely to allow a better view.

La macchina 1 elettrica comprende, per ciascuna fase F1, F2 ed F3, rispettivi nuclei magnetici 3 superiori e nuclei magnetici 4 inferiori e un avvolgimento 5 che circonda esternamente tali nuclei magnetici 3, 4. The electric machine 1 comprises, for each phase F1, F2 and F3, respective upper magnetic cores 3 and lower magnetic cores 4 and a winding 5 which externally surrounds these magnetic cores 3, 4.

Secondo quanto illustrato nelle figure da 1 a 3, lo scambiatore 2 di calore comprende due porzioni P metalliche disposte in successione secondo una direzione D longitudinale determinata. As illustrated in figures 1 to 3, the heat exchanger 2 comprises two metal portions P arranged in succession according to a given longitudinal direction D.

Lo scambiatore 2 di calore comprende inoltre un condotto 6 di circolazione di un liquido di raffreddamento, il quale condotto 6 ? posto a contatto con ciascuna porzione P metallica in corrispondenza di rispettive cavit? 7 ricavate nelle porzioni P metalliche stesse. The heat exchanger 2 also comprises a duct 6 for the circulation of a cooling liquid, which duct 6 is? placed in contact with each metal portion P in correspondence with respective cavities? 7 formed in the metal portions P themselves.

Le citate cavit? 7 sono vantaggiosamente controsagomate rispetto al condotto 6 in modo da offrire una reciproca estesa superficie di contatto e, conseguentemente, di scambio termico. The aforementioned cavities? 7 are advantageously counter-shaped with respect to the duct 6 so as to offer a large mutual contact surface and, consequently, a heat exchange surface.

Rispettivi mezzi di circolazione del liquido di raffreddamento, di tipo noto e non illustrato, sono previsti appunto per far circolare il liquido di raffreddamento all?interno del condotto 6. Respective means for circulating the cooling liquid, of a known type and not shown, are provided precisely to circulate the cooling liquid inside the duct 6.

Secondo la forma realizzativa dello scambiatore 2 illustrata nelle figure 4 e 5, le porzioni P metalliche sono una pluralit?, anche in numero considerevole, disposte in successione secondo la citata direzione D longitudinale determinata. According to the embodiment of the exchanger 2 illustrated in figures 4 and 5, the metallic portions P are a plurality, even in considerable numbers, arranged in succession according to the aforementioned determined longitudinal direction D.

Il numero delle porzioni P metalliche ? chiaramente selezionato in funzione della dimensione della macchina 1 elettrica, dei traferri presenti nel nucleo magnetico in cui lo scambiatore 2 di calore ? destinato ad essere installato ed al numero di nuclei 3 magnetici presenti. Con riferimento alle forme realizzative illustrate dello scambiatore 2 secondo l?invenzione, tra le citate porzioni P metalliche sussiste una lacuna L, ovverosia un vuoto, che rende le stesse porzioni P tra loro fisicamente separate a meno del collegamento realizzato dal condotto 6 di circolazione del liquido di raffreddamento. The number of metallic portions P ? clearly selected according to the size of the electric machine 1, the air gaps present in the magnetic core in which the heat exchanger 2 ? intended to be installed and the number of magnetic cores 3 present. With reference to the illustrated embodiments of the exchanger 2 according to the invention, between the aforementioned metal portions P there is a gap L, i.e. a vacuum, which makes the same portions P physically separate from each other except for the connection made by the duct 6 for circulation of the cooling liquid.

La citata lacuna L definisce, pertanto, tra le porzioni P metalliche stesse una discontinuit? di materiale. Therefore, does the cited gap L define a discontinuity between the metal portions P themselves? of material.

Secondo varianti realizzative dello scambiatore 2 di calore non illustrate ma comunque rientranti nel medesimo concetto inventivo, la citata discontinuit? di materiale ? data non da una lacuna che definisce una separazione fisica tra due porzioni P metalliche adiacenti ma, ad esempio, da una discontinuit? nello spessore del materiale o dalla presenza di fori o aperture che contribuiscono comunque a identificare una zona di distinzione tra due porzioni P metalliche adiacenti. According to embodiments of the heat exchanger 2 not illustrated but in any case falling within the same inventive concept, the cited discontinuity? of material? given not by a gap that defines a physical separation between two adjacent metal portions P but, for example, by a discontinuity? in the thickness of the material or by the presence of holes or openings which in any case contribute to identifying a zone of distinction between two adjacent metal portions P.

Vantaggiosamente, tale discontinuit?, indifferentemente definita da una lacuna o da una ridotta presenza di materiale (in virt? di un ridotto spessore del materiale metallico o della presenza di fori o aperture) ? disposta in corrispondenza di un rispettivo traferro di una macchina elettrica configurato per aumentare la riluttanza del circuito magnetico che in essa si instaura. Advantageously, this discontinuity, indifferently defined by a gap or by a reduced presence of material (by virtue of a reduced thickness of the metallic material or the presence of holes or openings) is? arranged in correspondence with a respective air gap of an electric machine configured to increase the reluctance of the magnetic circuit established in it.

Vantaggiosamente, si ? verificato sia sperimentalmente che mediante simulazioni agli elementi finiti, che il fatto di eliminare in tutto o in parte il materiale metallico dello scambiatore 2 che si trova che si trova in corrispondenza dei traferri (mediante la distinzione tra porzioni P metalliche adiacenti) implica come diretta conseguenza il fatto di eliminare o comunque ridurre drasticamente il fenomeno delle correnti vorticose, cos? incrementando l?efficienza della macchina elettrica. Advantageously, yes? verified both experimentally and by means of finite element simulations, that the fact of eliminating all or part of the metallic material of the exchanger 2 which is located in correspondence with the air gaps (by means of the distinction between adjacent metallic portions P) implies as a direct consequence the fact of eliminating or in any case drastically reducing the phenomenon of swirling currents, cos? increasing the efficiency of the electric car.

Secondo quanto illustrato nelle allegate figure, in entrambe le forme realizzative dello scambiatore 2 le citate porzioni P metalliche presentano vantaggiosamente sezione trasversale conformata ad H, con una rispettiva zona 8 centrale e due ali 9, 10 laterali. As illustrated in the attached figures, in both embodiments of the exchanger 2 the metal portions P advantageously have an H-shaped cross section, with a respective central zone 8 and two lateral wings 9, 10.

Con l?espressione sezione trasversale si intende l?ingombro della porzione P metallica su un piano perpendicolare alla citata direzione D longitudinale determinata. The expression cross section refers to the overall dimensions of the metal portion P on a plane perpendicular to the aforementioned determined longitudinal direction D.

Come chiaramente illustrato in figura 1, la zona 8 centrale della porzione P metallica conformata ad H ? atta ad essere interposta tra due nuclei 3, 4 magnetici rispettivamente superiore e inferiore della macchina 1 elettrica, mentre le due ali 9, 10 laterali sono atte ad essere interposte tra i nuclei magnetici 3, 4 e i rispettivi avvolgimenti 5 esterni. As clearly illustrated in figure 1, the central region 8 of the metal portion P shaped like an H? adapted to be interposed between two magnetic cores 3, 4 respectively upper and lower of the electric machine 1, while the two lateral wings 9, 10 are adapted to be interposed between the magnetic cores 3, 4 and the respective external windings 5.

Secondo le forme realizzative illustrate dello scambiatore 2, ciascuna porzione P metallica avente sezione trasversale conformata ad H comprende una prima piastra 11 metallica definente la citata zona 8 centrale, una seconda 12 ed una terza 13 piastra definenti le citate due ali 9, 10 laterali. According to the illustrated embodiments of the exchanger 2, each metal portion P having an H-shaped cross section comprises a first metal plate 11 defining the aforementioned central area 8, a second 12 and a third 13 plate defining the aforementioned two lateral wings 9, 10.

Vantaggiosamente la seconda e la terza piastra 12, 13 sono collegate stabilmente alla prima piastra 11. Advantageously, the second and third plates 12, 13 are stably connected to the first plate 11.

Secondo quanto illustrato in particolare nelle figure 1 e 4, il citato condotto 6 di circolazione del liquido di raffreddamento attraversa almeno la zona 8 centrale delle porzioni P metalliche ed ? su tali zone 8 centrali che sono ricavate le sopra citate cavit? 7. As shown in particular in figures 1 and 4, the cited duct 6 for circulation of the cooling liquid crosses at least the central area 8 of the metal portions P and ? on these central zones 8 which are obtained the aforementioned cavities? 7.

Nel caso, come quello illustrato, di un condotto 6 di circolazione a conformazione tubolare cilindrica, le citate cavit? 7 presentano anch?esse una parete semicilindrica controsagomata per aderire al condotto 6 stesso e garantire una efficace trasmissione del calore per conduzione tra le porzioni P metalliche ed il condotto 6. In the case, like the one illustrated, of a circulation duct 6 with a cylindrical tubular shape, the cited cavities 7 also have a counter-shaped semi-cylindrical wall to adhere to the duct 6 itself and ensure effective heat transmission by conduction between the metal portions P and the duct 6.

La sopra descritta forma ad H delle porzioni P metalliche implica considerevoli vantaggi. The H shape described above of the metal portions P implies considerable advantages.

Per prima cosa, la conformazione ad H senza incidere sulle dimensioni complessive della macchina consente di incrementare la superficie di scambio: da una parte verso il nucleo magnetico e dall?altra verso l?avvolgimento. Non si incrementano le dimensioni complessive in quanto le piastre 12, 13 definenti le ali 9, 10 dell?H occupano la zona di aria normalmente esistente nella macchina elettrica intorno al nucleo e adibita a distanziare il nucleo dall?avvolgimento. First of all, the H shape without affecting the overall dimensions of the machine allows to increase the heat exchange surface: on one side towards the magnetic core and on the other towards the winding. The overall dimensions are not increased since the plates 12, 13 defining the wings 9, 10 of the H occupy the area of air normally existing in the electric machine around the core and used to distance the core from the winding.

Nelle macchine raffreddate ad aria questa zona o ?canale? ? utilizzato per finalit? di raffreddamento ma in quelle raffreddate ad acqua, come quelle cui la presente invenzione ? riferita, ? sostanzialmente dannoso in quanto contribuisce al riscaldamento dell?ambiente circostante. In air-cooled machines this area or ?channel? ? used for purpose? of cooling but in those cooled by water, such as those to which the present invention? referred, ? substantially harmful as it contributes to the heating of the surrounding environment.

In sintesi, grazie alla configurazione ad H si raggiungono molteplici vantaggi: In summary, thanks to the H configuration, multiple advantages are achieved:

- si riduce la dispersione di energia verso l?aria e l?ambiente circostante, - the dispersion of energy towards the air and the surrounding environment is reduced,

- si aumenta la superficie di scambio termico verso il nucleo, - the heat exchange surface towards the core is increased,

- si aumenta la superficie di scambio termico verso l?avvolgimento, evitando magari anche il ricorso ad ulteriori scambiatori agenti, dall?esterno sull?avvolgimento. - the heat exchange surface towards the winding is increased, possibly also avoiding the use of additional heat exchangers acting on the winding from the outside.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore di macchine elettriche, comprendente:1. Electric machine heat exchanger, including: - una pluralit? di porzioni (P) metalliche disposte in successione secondo una direzione (D) longitudinale determinata,- a plurality? of metal portions (P) arranged in succession according to a given longitudinal direction (D), - un condotto (6) di circolazione di un liquido di raffreddamento posto a contatto con ciascuna di dette porzioni (P) metalliche in corrispondenza di rispettive cavit? (7) ricavate in dette porzioni (6) metalliche, dette cavit? (7) essendo controsagomate rispetto a detto condotto (6) di circolazione.- a duct (6) for circulating a cooling liquid placed in contact with each of said metal portions (P) in correspondence with respective cavities? (7) obtained in said metallic portions (6), said cavities? (7) being counter-shaped with respect to said circulation duct (6). 2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (P) metalliche di detta pluralit? sono tra loro distinte mediante una discontinuit? di materiale, detta discontinuit? di materiale essendo disposta in corrispondenza di un rispettivo traferro di una macchina elettrica e configurata per aumentare la riluttanza del circuito magnetico.2. Exchanger according to claim 1, characterized in that said metallic portions (P) of said plurality? are they distinct from each other by means of a discontinuity? of material, called discontinuity? of material being arranged in correspondence with a respective air gap of an electric machine and configured to increase the reluctance of the magnetic circuit. 3. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta discontinuit? di materiale ? data da una lacuna (L), con dette porzioni (P) metalliche tra loro fisicamente separate e collegate da detto condotto (6) di circolazione.3. Exchanger according to claim 2, characterized in that said discontinuity? of material? given by a gap (L), with said metal portions (P) physically separated from each other and connected by said circulation conduit (6). 4. Scambiatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette porzioni (P) metalliche presentano sezione trasversale conformata ad H, con una rispettiva zona (8) centrale atta ad essere interposta tra due nuclei (3, 4) magnetici e due ali (9, 10) laterali atte ad essere interposte tra nuclei (3, 4) magnetici e avvolgimenti (5) esterni.4. Exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that said metal portions (P) have an H-shaped cross section, with a respective central area (8) suitable for being interposed between two magnetic cores (3, 4) and two lateral wings (9, 10) adapted to be interposed between magnetic cores (3, 4) and external windings (5). 5. Scambiatore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto condotto (6) di circolazione di un liquido di raffreddamento attraversa almeno parzialmente detta zona (8) centrale di dette porzioni (P) metalliche.5. Exchanger according to claim 4, characterized in that said conduit (6) for circulation of a cooling liquid crosses at least partially said central zone (8) of said metal portions (P). 6. Scambiatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4 e 5, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette porzioni (P) metalliche aventi sezione trasversale conformata ad H comprende una prima piastra (11) definente detta zona (8) centrale, una seconda (12) ed una terza (13) piastra definenti dette due ali (9, 10) laterali, dette seconda e terza piastra (12, 13) essendo collegate stabilmente a detta prima piastra (11).6. Exchanger according to any one of claims 4 and 5, characterized in that each of said metal portions (P) having an H-shaped cross section comprises a first plate (11) defining said central area (8), a second (12) and a third (13) plate defining said two lateral wings (9, 10), said second and third plates (12, 13) being stably connected to said first plate (11). 7. Macchina elettrica comprendente almeno due nuclei (3, 4) magnetici ed un avvolgimento (5) esterno di detti due nuclei (3, 4) magnetici, caratterizzata dal fatto di comprendere uno scambiatore (2) di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7 e mezzi di circolazione di un liquido di raffreddamento. 7. Electric machine comprising at least two magnetic cores (3, 4) and an outer winding (5) of said two magnetic cores (3, 4), characterized in that it comprises a heat exchanger (2) according to any one of the claims from 1 to 7 and means for circulating a cooling liquid. 8. Macchina secondo la rivendicazione 7, in cui detto scambiatore (2) presenta rispettive porzioni (P) metalliche aventi sezione trasversale conformata ad H, con una rispettiva zona (8) centrale interposta tra due detti nuclei (3, 4) magnetici e due ali (9, 10) laterali interposte tra detti nuclei (3, 4) magnetici e detto avvolgimento (5) esterno. 8. Machine according to claim 7, wherein said exchanger (2) has respective metal portions (P) having an H-shaped cross section, with a respective central area (8) interposed between two said magnetic cores (3, 4) and two lateral wings (9, 10) interposed between said magnetic cores (3, 4) and said external winding (5).
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