PL233086B1

PL233086B1 - Casing of front ends of the electric machine winding

Info

Publication number: PL233086B1
Application number: PL425436A
Authority: PL
Inventors: Piotr Dukalski; Bartłomiej Będkowski; Tomasz Jarek; Tomasz Wolnik; Tadeusz Glinka
Original assignee: Instytut Napedow I Masz Elektrycznych Komel; Instytut Napedów I Maszyn Elektrycznych Komel
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-08-30
Also published as: PL425436A1

Abstract

Obudowa czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, w którym przestrzeń pomiędzy czołem uzwojenia, rdzeniem magnetycznym i elementem nośnym rdzenia magnetycznego jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą (4). Przestrzeń ta pomiędzy elementem nośnym (5) rdzenia magnetycznego, rdzeniem magnetycznym (2), czołami uzwojenia (1), od strony czół uzwojenia (1) jest dodatkowo ograniczona radiatorem bocznym. Czoła uzwojenia (1) mogą być bezpośrednio styczne do radiatora bocznego, styczne do niego pośrednio poprzez żywicę (4) lub styczne do niego pośrednio poprzez dodatkowy radiator ceramiczny, który może znajdować się pomiędzy radiatorem bocznym a czołami uzwojeń (1). Radiator boczny ma kształt kapy cylindryczno-tarczowej o przekroju osiowym w kształcie litery L" (3.1) lub w postaci pierścienia. Radiator boczny, od strony czołowej może posiadać symetryczne wycięcia, które mogą być ułożone względem środka radiatora promieniowo, prostopadle do promienia radiatora lub spiralnie. Radiator boczny jest wykonany z aluminium lub z materiału ceramicznego."The housing of the winding fronts of an electric machine with an external or internal rotor, in which the space between the winding front, the magnetic core and the magnetic core supporting element is filled with heat-conducting resin (4). This space between the supporting element (5) of the magnetic core, the magnetic core (2), the winding faces (1), and on the side of the winding faces (1) is additionally limited by a side radiator. The winding faces (1) may be directly in contact with the side radiator, indirectly in contact with it through the resin (4), or indirectly in contact with it through an additional ceramic heat sink, which may be located between the side heat sink and the winding faces (1). The side radiator has the shape of a cylindrical-disc cap with an L-shaped axial cross-section (3.1) or in the form of a ring. The side radiator, on the front side, may have symmetrical cutouts that can be arranged radially, perpendicular to the radiator radiator or spirally in relation to the center of the radiator "The side radiator is made of aluminum or ceramic material."

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest obudowa czół uzwojenia maszyny elektrycznej o dużej gęstości prądu w przewodach.The subject of the invention is the housing of the winding fronts of an electric machine with a high current density in the conductors.

Znane są rozwiązania obudowy czół uzwojenia stojanów maszyn elektrycznych prowadzonych w różnych celach: w silnikach o budowie otwartej czoła uzwojenia chroni się przed narażeniami zewnętrznymi i uszkodzeniami, a w silnikach indukcyjnych klatkowych dużych mocy czoła zabezpiecza się przed działaniem dużych sił elektrodynamicznych działających w czasie rozruchu. Celem wynalazku jest aby obudowa czół uzwojenia silnikach dobrze odprowadzała ciepło. Znane są rozwiązania stojanów maszyn elektrycznych zewnętrznych i wewnętrznych, które w zależności od budowy, mają układ chłodzenia dostosowany do konstrukcji. Problem chłodzenia maszyn elektrycznych jest szczególnie istotny w maszynach wzbudzanych magnesami trwałymi, gdyż temperatura wewnątrz maszyny nie może przekroczyć granicy, przy której magnesy trwałe rozmagnesowują się. Standardowym chłodzeniem maszyn elektrycznych jest powietrzny układ wentylacyjny. Wentylator jest zabudowany na wirniku i przedmuchuje strumień powietrza wewnątrz maszyny, a w silnikach budowy zamkniętej jest zabudowany także drugi wentylator, który przedmuchuje drugi strumień powietrza po żebrach zewnętrznych kadłuba. W maszynach elektrycznych o dużej gęstości mocy w jednostce objętości, przeznaczonych m.in. do pojazdów elektrycznych stosowane jest chłodzenie wodne. Płaszcz wodny, najczęściej w formie spirali, zabudowany jest w kadłubie maszyny (US7009317 B2). Ciepło wydzielone na skutek strat energii w uzwojeniu i pakiecie stojana odprowadzane jest do chłodzonego cieczą kadłuba poprzez powierzchnię styku pakiet - kadłub. Taki mechanizm chłodzenia stojana powoduje, że czoła uzwojenia mają wyższą temperaturę niż część żłobkowa uzwojenia. Wartość dopuszczalnej temperatury podczas pracy maszyny determinuje temperatura najgorętszego miejsca, która nie powinna przekraczać temperatury dopuszczalnej dla klasy termicznej izolacji. W maszynach elektrycznych o dużej gęstości prądu najwyższą temperaturę mają połączenia czołowe.There are well-known solutions for the housing of the stator winding fronts of electric machines operated for various purposes: in motors with an open winding face structure, they are protected against external exposure and damage, and in high-power squirrel-cage induction motors, the fronts are protected against the action of large electrodynamic forces acting during start-up. The aim of the invention is that the motor winding housing dissipates heat well. There are known solutions of the stators of external and internal electric machines, which, depending on the structure, have a cooling system adapted to the structure. The problem of cooling electric machines is particularly important in machines excited by permanent magnets, because the temperature inside the machine cannot exceed the limit at which permanent magnets demagnetize. The standard cooling of electric machines is an air ventilation system. The fan is built on the rotor and it blows the air stream inside the machine, and in closed-type engines there is also a second fan, which blows a second air stream along the outer ribs of the fuselage. In electrical machines with high power density per unit of volume, intended, among others, water cooling is used for electric vehicles. The water jacket, most often in the form of a spiral, is built into the machine's hull (US7009317 B2). The heat released as a result of energy losses in the winding and the stator package is dissipated to the liquid-cooled hull through the package-hull interface. This stator cooling mechanism causes the winding faces to have a higher temperature than the slot part of the winding. The value of the permissible temperature during machine operation determines the temperature of the hottest place, which should not exceed the permissible temperature for the thermal insulation class. In electrical machines with high current density, the front joints have the highest temperature.

Znane są rozwiązania zalewania czół uzwojenia stojana żywicą ciepłoprzewodzącą w celu poprawy skuteczności odprowadzania ciepła z połączeń czołowych bezpośrednio do chłodzonego kadłuba i/lub do pakietu (US 20090273254 A1, US7067944B2). Rozwiązania te cechują się skute-cznością jedynie w przypadku zalewania niewielkich przestrzeni (objętości) czół uzwojenia. W maszynach o większych średnicach i dłuższych czołach nie jest to skuteczne.There are known solutions for pouring the ends of the stator winding with heat-conducting resin to improve the efficiency of removing heat from the end connections directly to the cooled hull and / or to the package (US 20090273254 A1, US7067944B2). These solutions are effective only in the case of flooding small spaces (volumes) of the winding fronts. This is not effective on machines with larger diameters and longer faces.

Znane są także z rozwiązań patentowych WO 2017/121520 A1 i WO 2014/056717 A2 układy chłodzenia czół uzwojenia z wykorzystaniem radiatorów. W rozwiązaniu WO 2017/121520 A1 czoła uzwojenia są zalane tworzywem, a na obwodzie wewnętrznym czół jest umieszczony pierścień z blach, bądź pierścień z blachy z żebrami, które pełnią funkcję radiatora. Także w patencie WO 2014/056717 A2 pod czołami uzwojenia jest umieszczone żebro prowadzące, które też spełnia funkcję radiatora. Obydwa te patenty proponują umieszczenie radiatorów pod czołami uzwojenia, to jest na obwodzie wewnętrznym czół patrząc od strony wału maszyny. W maszynach elektrycznych czoła uzwojenia są blisko szczeliny powietrznej między stojanem i wirnikiem, w tej strefie występuje stosunkowo duży strumień magnetyczny rozproszenia, który indukuje w blachach prądy wirowe generujące dodatkowe straty energii i nagrzewanie blach. Drugą trudnością jest mało miejsca na umieszczenie ekranu na obwodzie wewnętrznym czół. Średnica wewnętrzna ekranu musi być większa od średnicy wirnika aby możliwy był montaż i demontaż maszyny.Also known from patent solutions WO 2017/121520 A1 and WO 2014/056717 A2 are systems for cooling the winding faces with the use of heat sinks. In WO 2017/121520 A1, the winding faces are sealed with plastic, and on the inner circumference of the fronts there is a sheet metal ring or a sheet metal ring with ribs that act as a heat sink. Also in the patent WO 2014/056717 A2 a guide rib is arranged under the winding faces, which also functions as a heat sink. Both of these patents propose to place heat sinks under the winding faces, i.e. on the inner circumference of the winding faces as viewed from the machine shaft side. In electrical machines, the winding faces are close to the air gap between the stator and the rotor, in this zone there is a relatively large magnetic flux of dissipation, which induces eddy currents in the sheets, generating additional energy losses and heating the sheets. The second difficulty is that there is little space to place the screen on the inner circumference of the foreheads. The internal diameter of the screen must be larger than the rotor diameter to enable assembly and disassembly of the machine.

Według wynalazku obudowa czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, w którym przestrzeń pomiędzy czołami uzwojenia, rdzeniem magnetycznym i elementem nośnym rdzenia magnetycznego jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą. Przestrzeń ta od strony czół uzwojenia jest dodatkowo ograniczona radiatorem kątowym bądź radiatorem tarczowym, przy czym czoła uzwojenia są styczne do tarczy radiatora kątowego bądź radiatora tarczowego, styczne poprzez żywicę lub styczne pośrednio poprzez dodatkowy radiator ceramiczny, który jest umieszczony pomiędzy radiatorem tarczowym a czołami uzwojeń bądź między tarczą radiatora kątowego i czołami uzwojenia. Radiator kątowy ma kształt kapy cylindryczno -tarczowej o przekroju osiowym w kształcie litery „L” i jest wykonany z aluminium. Radiator tarczowy jest pierścieniem wykonanym z aluminium. Radiator kątowy na części tarczowej ma symetrycznie rozłożone wycięcia. Korzystny kształt wycięć to wycięcia: promieniowe, promieniowo - obwodowe i spiralne. Radiatory tarczowy ma także symetrycznie rozłożone wycięcia. Korzystny kształt wycięć to wycięcia: promieniowe, promieniowo - obwodowe i spiralne.According to the invention, an electric machine winding housing with an external or internal rotor, in which the space between the winding faces, the magnetic core and the magnetic core support element is filled with heat-conducting resin. This space on the side of the winding fronts is additionally limited by an angular heat sink or a disk heat sink, while the winding fronts are tangent to the angular heat sink or disk heat sink, tangent through the resin or tangential indirectly through an additional ceramic heat sink, which is placed between the disk heat sink and the winding faces, or between the angular heat sink disc and the winding faces. The angular heat sink has the shape of a cylindrical-disk cope with an L-shaped axial cross-section and is made of aluminum. The disc heat sink is a ring made of aluminum. The angular heat sink on the disc part has symmetrically distributed notches. The preferred shape of the cutouts are: radial, radial-circumferential and spiral cutouts. The disc heat sinks also have symmetrically distributed cutouts. The preferred shape of the cutouts are: radial, radial-circumferential and spiral cutouts.

PL 233 086 B1PL 233 086 B1

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie rozwiązania na rysunkach, na których przedstawiono:The subject of the invention is explained in an example of a solution in the drawings, which show:

fig. 1 - obudowę czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem wewnętrznym z radiatorem w kształcie kapy cylindryczno-tarczowej o przekroju osiowym w kształcie litery L, fig. 2 - obudowę czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem wewnętrznym z radiatorem w postaci pierścienia, fig. 3 - obudowę czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem wewnętrznym z radiatorem w postaci pierścienia oraz z dodatkowym radiatorem ceramicznym, stycznym do czół uzwojenia stojana oraz do radiatora bocznego, fig. 4 - radiator boczny z symetrycznymi wcięciami ułożonymi promieniowo, fig. 5 - radiator boczny z symetrycznymi wcięciami ułożonymi promieniowo oraz z wcięciami ułożonymi prostopadle do promienia radiatora, fig. 6 - radiator boczny z symetrycznymi wcięciami ułożonymi spiralnie, fig. 7 - obudowę czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym z radiatorem w kształcie kapy cylindryczno-tarczowej o przekroju osiowym w kształcie litery L.Fig. 1 - electric machine winding casing with an internal rotor with a radiator in the shape of a cylindrical-disc cope with an L-shaped axial section, Fig. 2 - electric machine winding casing with an internal rotor with a ring-shaped radiator, Fig. 3 - an electric machine winding casing with an internal rotor with a radiator in the form of a ring and an additional ceramic heat sink, tangential to the stator winding fronts and to the side heat sink, Fig. 4 - side heat sink with symmetrical notches arranged radially, Fig. 5 - side heat sink with symmetrical notches arranged radially and with notches arranged perpendicular to the radiator radius, Fig. 6 - side heat sink with symmetrical notches arranged in a spiral, Fig. 7 - electric machine winding front casing with an external rotor with a heat sink in the shape of a cylindrical-disc cope with an L-shaped axial cross-section .

fig. 8 - obudowę czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym z radiatorem w postaci pierścienia.Fig. 8 shows an electrical machine winding housing with an outer rotor with a ring-shaped heat sink.

Obudowa czół uzwojenia, która jest przedstawiona na wymienionych rysunkach, dotyczy maszyn elektrycznych z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym. Przestrzeń zalana żywicą ciepłoprzewodzącą 4 jest ograniczona elementem nośnym 5 rdzenia magnetycznego, rdzeniem magnetycznym 2 i czołami uzwojenia 1, a od strony bocznej czół uzwojenia jest dodatkowo ograniczona radiatorem kątowym 3.1 bądź radiatorem tarczowym 3.2, jak zostało to przedstawione na rysunkach fig. 1, fig. 2, fig. 7 oraz fig. 8. Czoła uzwojenia 1 są styczne do radiatora tarczowego 3.2 bądź do tarczy radiatora kątowego 3.1. Styczne poprzez żywicę 4, jak zostało to przedstawione na rysunkach fig. 1, fig. 2, fig. 7 i fig. 8 lub styczne pośrednio przez dodatkowy radiator ceramiczny 3.3, który jest pomiędzy radiatorem tarczowym 3.2 a czołami uzwojeń 1, jak na rysunku fig. 3, bądź między tarczą radiatora kątowego 3.1 i czołami uzwojenia 1. Radiator kątowy 3.1 ma kształt kapy cylindryczno-tarczowej o przekroju osiowym w kształcie litery L, jak na rysunkach fig. 1 i fig. 7 i jest wykonany z aluminium bądź z innego metalu lub też z materiału ceramicznego. Radiator tarczowy 3.2 ma kształt pierścienia, jak na rysunkach fig. 2, fig. 3 i fig. 8 i jest wykonany z aluminium bądź z innego metalu lub też z materiału ceramicznego. Radiator kątowy 3.1 na części czołowej ma symetrycznie rozłożone wycięcia. Korzystny kształt wycięć to wycięcia: promieniowe 6 jak na rysunku fig. 4 bądź wycięcia podwójne promieniowe 6.1 i obwodowe jak na rysunku fig. 5 lub wycięcia spiralne 6.3 jak na rysunku fig. 6. Radiator tarczowy 3.2 ma także symetrycznie rozłożone wycięcia. Korzystny kształt wycięć to wycięcia: promieniowe 6 jak na rysunku fig. 4 bądź wycięcia podwójne promieniowe 6.1 i obwodowe 6.2 jak na rysunku fig. 5 lub wycięcia spiralne 6.3 jak na rysunku fig. 6.The winding housing, which is shown in the above-mentioned drawings, relates to electrical machines with an external or an internal rotor. The space flooded with heat-conducting resin 4 is limited by the supporting element 5 of the magnetic core, the magnetic core 2 and the winding ends 1, and on the side of the winding ends it is additionally limited by an angular radiator 3.1 or a disc radiator 3.2, as shown in Figures 1, Fig. 2, Fig. 7 and Fig. 8. The fronts of the winding 1 are tangential to the disk heat sink 3.2 or to the disk of the angular heat sink 3.1. Tangents through the resin 4 as shown in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 7 and Fig. 8 or tangent indirectly through an additional ceramic heat sink 3.3 which is between the disc heat sink 3.2 and the winding faces 1 as in Fig. 3, or between the plate of the angular heat sink 3.1 and the faces of the winding 1. The angular heat sink 3.1 has the shape of a cylindrical-disc cope with an L-shaped axial section, as shown in Fig. 1 and Fig. 7, and is made of aluminum or another metal. or made of ceramic material. The disc heat sink 3.2 has the shape of a ring, as shown in Figures 2, 3 and 8, and is made of aluminum or another metal or of a ceramic material. The angular heat sink 3.1 on the front end has symmetrically distributed cutouts. The preferred shape of the notches are radial cut-outs 6 as in FIG. 4, or double radial cut-outs 6.1 and circumferential cut-outs as in FIG. 5 or spiral cut-outs 6.3 as in FIG. 6. The disc heat sink 3.2 also has symmetrically distributed cut-outs. The preferred shape of the notches are the radial cutouts 6 as in Fig. 4 or the radial double cutouts 6.1 and circumferential cutouts 6.2 as in Fig. 5 or spiral cutouts 6.3 as in Fig. 6.

Zastosowanie, radiatora tarczowego 3.2 bądź kątowego 3.1 znacząco zwiększa intensywność odprowadzania ciepła z czół 1 uzwojenia. Korzystnie jest aby tarcza radiatora kątowego 3.1 bądź radiator tarczowy 3.2 były styczne do czół uzwojenia 1 bezpośrednio lub styczne przez radiator pośredniczący 3.3 ceramiczny, który osłania czoła przed przebiciem elektrycznym do tarczy metalowej radiatora kątowego 3.1 bądź radiatora tarczowego 3.2, Wycięcia: 6, 6.1,6.2 i 6.3, 3.1 w tarczy radiatora kątowego bądź w radiatorze tarczowym 3.2 ograniczają prądy wirowe indukowane w radiatorze metalowym.The use of a disk heat sink 3.2 or angular heat sink 3.1 significantly increases the intensity of heat dissipation from the fronts 1 of the winding. It is preferable that the angular heat sink disk 3.1 or the disk heat sink 3.2 are tangent to the winding faces 1 directly or tangential through the ceramic intermediate heat sink 3.3, which protects the fronts against electrical breakdown to the metal disk of the angular heat sink 3.1 or the disk heat sink 3.2, Cutouts: 6, 6.1, 6.2. and 6.3, 3.1 in the angular heat sink or in the disk heat sink 3.2 limit the eddy currents induced in the metal heat sink.

Obudowa czół uzwojenia maszyny elektrycznej przedstawiona w wynalazku efektywnie odprowadza, poprzez radiator kątowy 3.1 bądź tarczowy 3.1, ciepło z czół uzwojenia 1.The housing of the winding fronts of the electric machine presented in the invention effectively dissipates the heat from the winding heads 1 through the angular heat sink 3.1 or the disc 3.1 heat sink.

Claims

Patent claims

1.Electric machine winding casing with an external or internal rotor, in which the space between the winding faces, the magnetic core and the magnetic core bearing element is filled with heat-conducting resin, characterized in that the space filled with heat-conducting resin (4) between the core carrier (5) magnetic core (2), the winding faces (1), the winding faces (1) are additionally limited by the angular heat sink (3.1) or a disc heat sink (3.2), where the winding faces (1) are tangent to the angular heat sink disk ( 3.1) or ra

PL 233 086 B1 of the disc diator (3.2), tangential through the resin (4) or tangential indirectly through an additional ceramic heat sink (3.3), which is placed between the disc heat sink (3.2) and the winding faces (1) or between the angular heat sink (3.1) and winding heads (1).

2. The housing according to claim 1 The heat sink according to claim 1, characterized in that the angular radiator (3.1) has the shape of a cylindrical-disc cope with an L-shaped axial section (3.1) and is made of aluminum or ceramic material.

3. The housing according to claim 1 The heat sink according to claim 1, characterized in that the disc heat sink is a ring (3.2) and is made of aluminum or a ceramic material.

4. The housing according to claim 1 The method of claim 1 and 2, characterized in that the disc of the angular heat sink (3.1) made of alumninium has preferably symmetrically distributed radial recesses (6).

5. The housing according to claim 1 The method of Claims 1 and 2, characterized in that in the disc of the angular heat sink (3.1) made of alumninium, double recesses are advantageous: radial (6.1) and circumferential (6.2) distributed symmetrically.

6. The housing according to claim 1 The method of Claim 1 and 2, characterized in that symmetrically distributed spiral cutouts (6.3) are advantageously arranged on the disc of the angular heat sink (3.1) made of aluminum.

7. The housing according to claim 1 The method of Claims 1 and 3, characterized in that the disc heat sink (3.2) is made of aluminum with advantageously symmetrically distributed radial cutouts (6).

8. The housing according to claim 1 The method according to Claims 1 and 3, characterized in that on the disc heat sink (3.2) made of aluminum, double recesses are advantageous: radial (6.1) and circumferential (6.2) symmetrically distributed.

9. The housing according to claim 1 The method of Claims 1 and 3, characterized in that symmetrically distributed spiral cutouts (6.3) are provided on the aluminum disc heat sink (3.2).