PL239425B1

PL239425B1 - Cooling system for electric machine winding heads

Info

Publication number: PL239425B1
Application number: PL435247A
Authority: PL
Inventors: Piotr Dukalski; Bartłomiej Będkowski; Roman Krok
Original assignee: Siec Badawcza Lukasiewicz Instytut Napedow I Masz Elektrycznych Komel
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-11-29
Also published as: PL435247A1

Abstract

W układzie chłodzenia czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, przestrzeń pomiędzy czołem uzwojenia (1), rdzeniem magnetycznym (2), elementem nośnym (5) rdzenia magnetycznego oraz radiatorem bocznym (3) jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą (4). Dodatkowo powierzchnia radiatora bocznego (3) posiada rowki (7) umiejscowione od strony czół uzwojenia (1) oraz od strony tarczy wirnika (6). Rowki radiatora (3) mogą mieć kształt okręgu lub podłużne. Na wirniku (6) znajdują się łopatki (8). W tarczy wirnika (6) znajdują się łopatki oraz otwory.In the cooling system, the winding front of an electric machine with an external or internal rotor, the space between the winding front (1), the magnetic core (2), the supporting element (5) of the magnetic core and the side radiator (3) are flooded with heat-conducting resin (4). Additionally, the surface of the side radiator (3) has grooves (7) located on the side of the winding fronts (1) and on the side of the rotor disc (6). The heat sink grooves (3) can be circular or oblong. There are blades (8) on the rotor (6). There are blades and holes in the rotor disc (6).

Description

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 w 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. 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 (US20090273254 A1, US7067944 B2). Rozwiązania te cechują się skutecznością jedynie w przypadku zalewania niewielkich przestrzeni (objętości) czół uzwojenia. W maszynach o większych średnicach i dłuższych czołach nie jest to skuteczne.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 hazards 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 object of the invention is that the winding face housing in motors 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 mounted 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, inter alia, water cooling is used for electric vehicles. The water jacket, most often in the form of a spiral, is built into the hull of the machine (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 be warmer 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. There are known solutions for pouring the heads of the stator winding with heat conducting resin in order to improve the efficiency of heat dissipation from the end connections directly to the cooled hull and / or to the package (US20090273254 A1, US7067944 B2). These solutions are effective only in the case of flooding small spaces (volumes) of the winding fronts. It is not effective on machines with larger diameters and longer faces.

Znane jest również rozwiązanie z opisu PL233086 B1, w którym czoła uzwojenia stojana są zalane w żywicy epoksydowej a ciepło poprzez żywicę epoksydową jest przekazywane do rdzenia magnetycznego stojana, radiatora bocznego oraz do konstrukcji nośnej. Takie rozwiązanie nie wykorzystuje w pełni potencjału radiatora bocznego, ponieważ nie wykorzystuje potencjału jaki może zagwarantować odpowiednie ukształtowanie powierzchni radiatora oraz zastosowanie łopatek montowanych na wirniku, które mogą zintensyfikować strumień powietrza omywającego radiator boczny.A solution from the description PL233086 B1 is also known, in which the faces of the stator winding are cast in epoxy resin and heat is transferred through the epoxy resin to the magnetic core of the stator, side heat sink and to the supporting structure. This solution does not use the full potential of the side heat sink, because it does not use the potential that can be guaranteed by the appropriate shape of the heat sink surface and the use of blades mounted on the rotor, which can intensify the air stream washing the side heat sink.

Według wynalazku, układ chłodzenia czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, w którym przestrzeń pomiędzy czołem uzwojenia, rdzeniem magnetycznym, elementem nośnym rdzenia magnetycznego oraz radiatorem bocznym jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą, natomiast powierzchnia radiatora bocznego ma rowki umiejscowione od strony czół uzwojenia oraz od strony tarczy wirnika. Rowki radiatora mogą mieć kształt okręgu lub mogą być podłużne. Na wirniku znajdują się łopatki oraz otwory.According to the invention, a cooling system of the winding faces of an electric machine with an external or internal rotor, in which the space between the winding face, the magnetic core, the magnetic core bearing element and the side heat sink is flooded with heat-conducting resin, while the side heat sink surface has grooves located on the side of the winding faces and from the side of the winding. the side of the rotor disc. The heat sink grooves may be circular or oblong. There are blades and holes on the rotor.

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 - układ chłodzenia czół uzwojenia maszyny elektrycznej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, w którym przestrzeń pomiędzy czołem uzwojenia rdzeniem magnetycznym, elementem nośnym rdzenia magnetycznego oraz radiatorem bocznym jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą a powierzchnia radiatora bocznego ma rowki umiejscowione od strony czół uzwojenia oraz od strony tarczy wirnika, fig. 2 - radiator boczny z rowkami o kształcie okręgu, fig. 3 - radiator boczny z rowkami o kształcie podłużnym, fig. 4 - wirnik z łopatkami i otworami w tarczy wirnika.Fig. 1 - cooling system of winding fronts of an electric machine with an external or internal rotor, in which the space between the winding face with the magnetic core, the magnetic core bearing element and the side heat sink is filled with heat-conducting resin, and the side heat sink surface has grooves located on the side of the winding faces and on the side in the rotor disk, Fig. 2 - side heat sink with circular grooves, Fig. 3 - side heat sink with longitudinal grooves, Fig. 4 - rotor with blades and holes in the rotor disk.

Układ chłodzenia czół uzwojenia, który jest przedstawiony na wymienionych rysunkach, dotyczy maszyn elektrycznych z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym. Przestrzeń pomiędzy czołem uzwojenia 1, rdzeniem magnetycznym 2, elementem nośnym 5 rdzenia magnetycznego oraz radiatorem bocznym 3 jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą 4 znamienna tym, że powierzchnia radiatoraThe winding-front cooling system, which is shown in the above-mentioned drawings, applies to electrical machines with an external or an internal rotor. The space between the winding face 1, the magnetic core 2, the supporting element 5 of the magnetic core and the side heat sink 3 is filled with heat-conducting resin 4, characterized in that the surface of the heat sink

PL 239 425 B1 bocznego 3 ma rowki 7, umiejscowione od strony czół uzwojenia 1 oraz od strony tarczy wirnika 6 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1.The side 3 has grooves 7 located on the side of the winding 1 and on the disc side of the rotor 6, as shown in Fig. 1.

Rowki radiatora 3 mogą mieć kształt okręgu 7.1 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 2 lub rowki radiatora 3 mogą mieć kształt podłużny 7.2 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 3.The grooves of the heat sink 3 may be circular 7.1 as shown in Figure 2, or the grooves of the heat sink 3 may have an elongated shape 7.2 as shown in Figure 3.

Na wirniku 6 mogą znajdować się łopatki 8 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1.The rotor 6 may have blades 8 as shown in Fig. 1.

W tarczy wirnika 6 mogą znajdować się łopatki 9 oraz otwory 10 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 4.The rotor disc 6 may have blades 9 and holes 10 as shown in Fig. 4.

Zastosowanie rowków 7 w radiatorze bocznym 3 ma na celu zwiększenie powierzchni oddawania ciepła jakie jest odbierane z czół uzwojenia 1 poprzez żywicę ciepłoprzewodzącą 4. Łopatki 8 powodują zwiększenie przepływu powietrza omywającego radiator 3. Zamiast łopatek 8 mogą występować łopatki 9, które powstają dzięki wykonaniu otworów 10 w tarczy wirnika 6.The use of grooves 7 in the side heat sink 3 is aimed at increasing the heat dissipation surface that is received from the winding fronts 1 through the heat-conducting resin 4. The blades 8 increase the air flow washing the heat sink 3. Instead of the blades 8, there may be blades 9, which are created by making holes 10 in the rotor disc 6.

Claims

1.Cooling system of winding faces of an electric machine with an external or internal rotor, in which the space between the winding face (1), the magnetic core (2), the magnetic core bearing element (5) and the side heat sink (3) is filled with heat-conducting resin (4) characterized in that the surface of the side radiator (3) has grooves (7) located on the side of the winding (1) and on the side of the rotor disc (6).

2. The end cooling system according to claim A device as claimed in claim 1, characterized in that the grooves of the heat sink (3) may be circular (7.1) or oblong (7.2).

3. The front cooling system according to claim 1, The method of claim 1 or 2, characterized in that blades (8) are provided on the rotor (6).

4. The end cooling system according to claim 1, A method as claimed in claim 1, 2 or 3, characterized in that the rotor disc (6) has blades (9) and holes (10).