SE517323C2

SE517323C2 - Cooling device for an electric machine

Info

Publication number: SE517323C2
Application number: SE9802339A
Authority: SE
Inventors: Lars Sjoeberg; Goeran Nord
Original assignee: Emotron Ab
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2002-05-28
Also published as: AU4941199A; WO2000001053A1; SE9802339L; SE9802339D0

Abstract

The invention relates to a cooling system for an electrical machine having windings (W1a, W2a, W3a, W4a) provided in internal grooves with conductors collected in proximate relation. Casting compound (4) around the conductors in the windings in each groove of a material having good thermal conducting performances. At least one tubular channel (5) is provided in close proximity of a portion of the casting around the windings and a cooling fluid (6) flows in said channels (5).

Description

5 1 7 ' 3 2 3 2 UPPFINNINGENS SYFTEN Ett syfte med uppfinningen är att sänka temperaturen i de elektriska kopparledama i en maskin, som har en lindningsbärande stator, t ex en switchard maskin med varier- ande reluktans, genom att på ett effektivt sätt transportera bort det överskottsvärme, som alstras av statorlindningama, när de leder en elektrisk ström, som värmer upp dem. OBJECTS OF THE INVENTION An object of the invention is to lower the temperature of the electrical copper conductors in a machine having a winding-carrying stator, for example a switchard machine with varying reluctance, by efficiently transporting remove the excess heat generated by the stator windings as they conduct an electric current that heats them.

Ett annat syfte med uppfinningen är att transportera den terrniska energin bort från statorlindningama i en elektrisk maskin i, t ex, en maskin med varierande reluktans eller en likströmsmaskin med ett permanentmagnetiskt fält på ett effektivt men fort- farande ekonomiskt sätt.Another object of the invention is to transport the terrestrial energy away from the stator windings in an electric machine in, for example, a machine with varying reluctance or a direct current machine with a permanent magnetic field in an efficient but still economical way.

SUMMERING AV UPPFINNINGEN De ovan angivna syftena erhålles med en anordning, som har de kärmetecken, som anges i kravet 1. Ytterligare egenskaper och utvecklingar av uppfinningen anges i resten av kraven.SUMMARY OF THE INVENTION The above objects are achieved with a device having the characteristics indicated in claim 1. Further features and developments of the invention are set forth in the remainder of the claims.

KORTFATTAD F IGURBESKRIVNIN G För en mer fullständig förståelse av uppfinningen och för ytterligare syften och för- delar därav hänvisas nu till följande beskrivning av utföringsformer därav, såsom visas i de åtföljande ritningama, där ﬁg 1 visar ett snitt genom en utföringsform av en stator och en rotor i en reluktans- maskin; ﬁg 2 visar en sidovy av en motor och en forsta utföringsform av kylsystemet utanför motom; och ﬁg 3 visar en sidovy av en motor och en andra utföringsfonn av kylsystemet utanför IIIOÉOIII. 20 25 30 ' 517 323 Beskrivningen av utföringsforrnen i ﬁg 1 är baserad på det slags switchad reluk- tansmotor, som beskrivs i artikeln ”Inverter drive for switched reluctance motor: circuits and component ratings” av R.M. Davis et al, IEE PROC, volym 128, Pt. B, No, mars 1981, sid. 126-136, och illustreras schematiskt på sidan 126 i denna arti- kel. Emellertid skulle uppﬁnningen också kunna anpassas till pennanentmagnetrna- skiner eller hybridmaskiner med statorer med angränsande pollindningar, och till andra maskiner, i vilka relativt stora lindningar användes, och där en mängd kop- parledare är samlade i en näraliggande relation (sålunda icke utspridda). Polema hos både statom och rotorn kan vara tandade på olika sätt, såsom är välkänt sedan tidiga- re, såsom visas t ex i US-patentet nr 4 748 362 av samma sökande som för denna ansökan (namnet på företaget har ändrats sedan irilärnningen av det patentet). Emel- lertid illustreras icke sådan poltandning, eftersom det icke är någon del av den aktu- ella uppfinningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a more complete understanding of the invention and for further objects and advantages thereof, reference is now made to the following description of embodiments thereof, as shown in the accompanying drawings, in which ﬁ g 1 shows a section through an embodiment of a stator and a rotor in a reluctance machine; ﬁ g 2 shows a side view of an engine and a first embodiment of the cooling system outside the engine; and ﬁ g 3 shows a side view of an engine and a second embodiment of the cooling system outside IIIOÉOIII. 20 25 30 '517 323 The description of the embodiments in ﬁ g 1 is based on the type of switched reluctance motor, which is described in the article "Inverter drive for switched reluctance motor: circuits and component ratings" by R.M. Davis et al, IEE PROC, Volume 128, Pt. B, No, March 1981, p. 126-136, and is schematically illustrated on page 126 of this article. However, the invention could also be adapted to pennet magnetic machines or hybrid machines with stators with adjacent pole windings, and to other machines in which relatively large windings are used, and where a number of copper conductors are gathered in a close relationship (thus not scattered). The poles of both the stator and the rotor may be toothed in different ways, as is well known in the art, as shown, for example, in U.S. Patent No. 4,748,362 to the same applicant as to this application (the name of the company has changed since the patent). However, such pole firing is not illustrated, as it is not part of the present invention.

Fig 1 visar en stator 1 och en rotor 2, vilka båda är gjorda av ett mjukmagnetiskt järnrnaterial. Statom 1 har poltänder la, lb, 2a, 2b, etc på sin insida, vilka skjuter ut mot rotorn 2. Rotom 2 har tänder Rla, Rlb, R2a, R2b, etc, vilka skjuter ut mot sta- tom. En lindning Wla, Wlb och W2a, W2b, etc, är placerade runt varje statorpol.Fig. 1 shows a stator 1 and a rotor 2, both of which are made of a soft magnetic iron material. The stator 1 has pole teeth 1a, 1b, 2a, 2b, etc. on its inside, which project towards the rotor 2. The rotor 2 has teeth R1a, R1b, R2a, R2b, etc., which project towards the stator. A winding W1a, W1b and W2a, W2b, etc., are located around each stator pole.

Fig 1 illustrerar en fyrfasmotor med polema la, lb och 2a, 2b, etc, av samma slag placerade diarnetralt i förhållande till varandra och med sina lindningar inkopplade den ena efter den andra för att därigenom dra den närmaste tanden hos rotom 2 till ett läge mittför de inkopplade, diarnetralt placerade poldelarna ifråga och på detta sätt sätta motom i rotation.Fig. 1 illustrates a four-phase motor with poles 1a, 1b and 2a, 2b, etc., of the same type placed diarnetrally relative to each other and with their windings connected one after the other to thereby pull the nearest tooth of the rotor 2 to a position opposite the connected, diarnetrically placed pole parts in question and in this way set the motor in rotation.

För att få en mycket god kylning av lindningarna är var och av dem inkapslad i en gjutmassa 4 med mycket goda termiskt ledande prestanda, t ex en gjutrnassa av epoxiharts blandat med mineralpulver, t ex kisel eller någon aluminiumoxid. Ett ex- empel på en lärnplig massa är ”Avaldit CW l302”, tillverkad av CIBA-GEIGY.In order to obtain a very good cooling of the windings, each of them is encapsulated in a casting compound 4 with very good thermally conductive performance, for example a casting mass of epoxy resin mixed with mineral powder, for example silicon or some alumina. An example of a teachable mass is “Avaldit CW l302”, manufactured by CIBA-GEIGY.

Dessa material har god termisk ledning men har också en god elektrisk isolerings- egenskap. 20 25 30 51 7 32 4 Som vanligt inom tekniken är en basseparator 5 anordnad mellan vardera två an- gränsande lindningar, t ex mellan lindningama W2b och W3b. Emellertid, och detta visas inte i något tidigare känt material, är denna basseparator här ett kylrör 5 och är gjort av terrniskt ledande material och är försedd med minst en inre kanal 6, i vilken ett kylmedium ﬂyter. Kylröret skulle t ex kunna vara gjort av ett korslänkat eller komprimerat polyetylen, känd såsom PEX.These materials have good thermal conductivity but also have a good electrical insulation property. As usual in the art, a base separator 5 is arranged between each two adjacent windings, for example between the windings W2b and W3b. However, and this is not shown in any prior art material, this base separator here is a cooling tube 5 and is made of thermally conductive material and is provided with at least one inner channel 6, in which a cooling medium ﬂ surfaces. The cooling tube could, for example, be made of a cross-linked or compressed polyethylene, known as PEX.

I stället för att ha ett kylrör 5 skulle gjutningen av gjutmassan runt lindningama kunna utföras med lindningama på plats genom att använda en gjutform med sidoma vända mot lindningama formad såsom de anslutande sidorna hos kylröret 5. När gjutningen har gjorts tas gjutformen bort, och den återstående kaviteten användes såsom en kylkarral med direkt åtkomst till det terrniskt ledande materialet runt om ledama i lindningarna. Det är också möjligt att fylla gjutmassan direkt i hålrummet med lindnjngama insatta och därefter fylla det åtskiljande utrymmet mellan lind- ningarna, där röret 5 skall placeras. När gjutproceduren är avslutad borras eller görs på något annat lämpligt sätt kanaler för kylﬂuidumet mellan lindningarna. I ett dy- likt fall är det viktigt att kylﬂuidumet icke har någon korrosiv verkan på gjutmassan 4, dvs gjutrnassan och kylﬂuidumet är valda på sådant sätt, att de är speciellt kemiskt inerta i förhållande till varandra.Instead of having a cooling tube 5, the casting of the casting mass around the windings could be performed with the windings in place by using a mold with the sides facing the windings shaped as the connecting sides of the cooling tube 5. Once the casting has been done, the mold is removed, and the remaining the cavity was used as a cooling vessel with direct access to the thermally conductive material around the members of the windings. It is also possible to fill the casting mass directly into the cavity with the windings inserted and then fill the separating space between the windings, where the pipe 5 is to be placed. When the casting procedure is completed, ducts for the cooling fluid between the windings are drilled or made in some other suitable way. In such a case, it is important that the cooling fluid has no corrosive effect on the casting mass 4, ie the casting compound and the cooling fluid are selected in such a way that they are particularly chemically inert in relation to each other.

På detta sätt överförs värmet från lindningens ledare till den rörfonniga bassepara- tom 5, som kyls av kylﬂuidum. Detta kan göras approximativt lika effektivt och mycket billigare än det kylsystem, som beskrivs i US-patentet 5 489 810.In this way, the heat is transferred from the winding conductor to the tubular base apparatus 5, which is cooled by cooling ﬂ uidum. This can be done approximately as efficiently and much cheaper than the cooling system described in U.S. Patent 5,489,810.

Kylﬂuidumet 6 skulle kunna föras parallellt genom kanalerna 5, såsom illustreras i ﬁg 2, i vilken ett slutet kylsystem visas, vilket har en extem, kombinerad kylanord- ning och pump 10 kopplad till en kylmediumdistributör l 1, vid ena änden av motorn 12, som distribuerar kylmediet till kanalerna 5 (icke visad i ﬁg 2). Kylelementet 10 skulle kunna göras på många olika sätt välkända för fackmarmen och är därför icke beskrivet i detalj. Den viktiga egenskapen med avseende på uppfinningen är just att kylmediet avkyls och tvingas att ﬂyta genom kylrören 5. En enhet 13 som förenar kylmediet, ansluten till rören 5 vid motoms 12 andra ändsida, samlar ihop ﬂuidumet, 20 25 30 517 323 5 som kommer från dem. Fonnerna hos enheterna 11 och 13 måste anpassas för att låta motorns roterande axel 14 passera genom dem och skulle t ex kunna vara ring- formiga eller dylikt.The cooling medium 6 could be passed in parallel through the channels 5, as illustrated in ﬁ g 2, in which a closed cooling system is shown, which has an extreme, combined cooling device and pump 10 connected to a cooling medium distributor 11, at one end of the motor 12, which distributes the refrigerant to the ducts 5 (not shown in ﬁ g 2). The cooling element 10 could be made in many different ways well known to the person skilled in the art and is therefore not described in detail. The important feature with respect to the invention is precisely that the coolant is cooled and forced to surface through the cooling pipes 5. A unit 13 connecting the coolant, connected to the pipes 5 at the other end side of the motor 12, collects the fluid, which comes from them. The shapes of the units 11 and 13 must be adapted to allow the rotating shaft 14 of the motor to pass through them and could, for example, be annular or the like.

Kylﬂuidumet 6 skulle i stället kunna överföras i serie genom kanalerna 5, såsom illustreras i ﬁg 3, där ett slutet kylsystem visas med en extern, kombinerad kylare och pump 15 ansluten till ett av kylrören 5 (icke visad) vid motorns 12 ena ände.The cooling unit 6 could instead be transmitted in series through the channels 5, as illustrated in Figure 3, where a closed cooling system is shown with an external, combined cooler and pump 15 connected to one of the cooling pipes 5 (not shown) at one end of the engine 12.

Elementet 15 är kopplat till ett armat av rören 5 vid motoms 12 andra ände. Rören 5 har kopplats i serie medelst rörstycken 16 eller dylikt.The element 15 is connected to an arm of the tubes 5 at the other end of the motor 12. The pipes 5 have been connected in series by means of pipe pieces 16 or the like.

Det bästa resultatet åstadkommes av kylﬂuidum, om ett roterande flöde alstras, eftersom detta förhöjer värmeöverföringen från lindningsdelen till kylﬂuidumet.The best result is obtained by the cooling unit, if a rotating flow is generated, as this increases the heat transfer from the winding part to the cooling unit.

Detta skulle kunna erhållas genom att ha en tillräckligt hög ﬂödeshastighet. Det är också möjligt att utfonna inloppsrören på sådant sätt, att ﬂödet börjar rotera före det att det inträder i kylröret, tex genom att förse det med en inre ﬂäns eller liknande (icke visat).This could be obtained by having a sufficiently high speed of fate. It is also possible to design the inlet pipes in such a way that the börjar fate begins to rotate before it enters the cooling pipe, for example by providing it with an inner ﬂ end or the like (not shown).

Flödeshastigheten bör vara så hög, att temperaturskillnaden mellan inlopps- och ut- loppsﬂödet är lägre än ett förbestämt värde, tex lägre än 0,5°C. Detta innebär att ﬂödeshastigheten for den i ﬁg 3 visade seriekopplingen bör vara högre än för den i ﬁg 2 visade parallellkopplingen, dvs tryckfallet från inloppet till utloppet är högre för seriekopplingen än för parallellkopplingen.The flow rate should be so high that the temperature difference between the inlet and outlet flow is lower than a predetermined value, eg lower than 0.5 ° C. This means that the speed of fate for the series connection shown in 3 g 3 should be higher than for the parallel connection shown in 2 g 2, ie the pressure drop from the inlet to the outlet is higher for the series connection than for the parallel connection.

Såsom illustreras i ﬁg 3 skulle temperatursensorer 17 respektive 18 kunna anordnas för att avkänna temperaturema i inloppet och i utloppet. Utsignalerna från sensorer- na 17 och 18 är var och en kopplade till en skild ingång på en differentialspännings- enhet 19, som justerar pumpens pumpningshastighet till en högre nivå, när skillnads- temperaturen mellan inloppet och utloppet är för högt. På detta sätt behöver pump- ningshastigheten icke ligga på en mycket hög nivå hela tiden. En högre hastighet innebär mera oljud, och det är fördelaktigt om detta skulle kunna undvikas förutom när det behövs.As illustrated in Fig. 3, temperature sensors 17 and 18, respectively, could be provided to sense the temperatures in the inlet and in the outlet. The output signals from the sensors 17 and 18 are each connected to a separate input on a differential voltage unit 19, which adjusts the pumping speed of the pump to a higher level, when the difference temperature between the inlet and the outlet is too high. In this way, the pumping speed does not have to be at a very high level all the time. A higher speed means more noise, and it is advantageous if this could be avoided except when needed.

Ett kylﬂuidum skulle kunna vara vatten eller olja, t ex kiselolja.A cooling fluid could be water or oil, such as silicon oil.

Claims

10 20 25 30 51 7 3 2 3 6 PATENT REQUIREMENTS

Cooling device for an electric machine with windings arranged in internal grooves with conductors gathered in close relationship, characterized by casting mass (4) cast around the conductors of the windings (W 1a, W 2a, W 3a, W 4a) in each groove, which casting mass (4) is made of a material with good thermally conductive properties; at least one tubular channel (5) arranged in close connection with a part of the casting mass (4) around the windings (Wla, W2a, W3a, W4a) and in which channel a cooling space (6) ﬂ surfaces.

Cooling device according to claim 1, characterized in that the tubular channel (5) is provided with walls made of a thermally conductive material.

Cooling device according to claim 1, characterized in that at least one wall of the tubular channel is provided with the casting compound (4) itself.

Cooling device according to Claim 3, characterized in that the material in the casting mass (4) and in the cooling unit are inert in relation to one another.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the casting compound (4) comprises epoxy resin mixed with mineral powder, for example of silicon or an alumina.

Cooling device according to one of the preceding claims for a machine with stator poles placed adjacent to one another, characterized in that the tubular channels (5) are placed adjacent to the windings belonging to two different poles.

Cooling device according to claim 6, characterized in that all the tubular channels (5) are arranged parallel to each other.

Cooling device according to claim 6, characterized in that all the tubular channels are arranged in series with each other. 517 323 7

Cooling device according to one of Claims 6 to 8, characterized by means (17, 18, 19) for measuring the difference temperature between the inlet outlet and the outlet outlet through the channels, and that the result of the measurement controls the pumping speed of a pump (10; 15) for the outlet current.