PL245603B1

PL245603B1 - Rotating machine cooling system

Info

Publication number: PL245603B1
Application number: PL441861A
Authority: PL
Inventors: Piotr Dukalski; Bartłomiej Będkowski
Original assignee: Siec Badawcza Lukasiewicz Instytut Napedow I Masz Elektrycznych Komel
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-09-02
Also published as: PL441861A1

Abstract

Układ chłodzenia stojana maszyny elektrycznej wirującej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, w którym przestrzeń pomiędzy czołami uzwojenia, rdzeniem magnetycznym i elementem nośnym rdzenia magnetycznego jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą, charakteryzuje się tym, że przestrzeń zalana żywicą ciepłoprzewodzącą (7) pomiędzy elementem nośnym (3) rdzenia magnetycznego, rdzeniem magnetycznym (2), czołami uzwojenia (1), od strony czół uzwojenia (1) jest dodatkowo ograniczona radiatorem kątowym (5), który stanowi część elementu wsporczego (4) oraz radiatorem kątowym (6), który stanowi część elementu nośnego (3). W elemencie wsporczym (4) znajdują się kanały przepływu cieczy układu chłodzenia (8). Element nośny (3) oraz element wsporczy (4) przylegają do siebie tak, aby element nośny (3) stanowił zamknięcie kanałów układu chłodzenia (7). Czoła uzwojenia (1) są styczne do tarczy radiatora kątowego (5) i radiatora kątowego poprzez żywicę (4) oraz są styczne do elementu nośnego (3) poprzez żywicę (4). W radiatorze kątowym znajdują się otwory (9), przez które są wyprowadzone przewody zasilające silnik (10). W radiatorze kątowym (5) znajdują się otwory, służące do wlewu żywicy (7).The cooling system of the stator of an electrical machine rotating with an external or internal rotor, in which the space between the winding ends, the magnetic core and the magnetic core support element is filled with heat-conducting resin, is characterized in that the space filled with heat-conducting resin (7) between the magnetic core support element (3), the magnetic core (2), the winding ends (1), from the side of the winding ends (1) is additionally limited by an angle radiator (5), which is part of the support element (4) and an angle radiator (6), which is part of the support element (3). The support element (4) contains liquid flow channels of the cooling system (8). The support element (3) and the support element (4) are adjacent to each other so that the support element (3) constitutes a closure of the cooling system channels (7). The winding ends (1) are tangential to the angle radiator disc (5) and the angle radiator through the resin (4) and are tangential to the support element (3) through the resin (4). The angle radiator has holes (9) through which the power supply cables (10) are led out. The angle radiator (5) has holes for pouring resin (7).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ chłodzenia stojana maszyny elektrycznej o dużej gęstości prądu w uzwojeniu stojana.The subject of the invention is a cooling system for the stator of an electric machine with high current density in the stator winding.

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.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 into the rotor and blows the air stream inside the machine, and in closed engines a second fan is also built in, which blows the second air stream along the external ribs of the casing. In electric machines with high power density in a unit of volume, intended for electric vehicles, among others, water cooling is used. The water jacket, most often in the form of a spiral, is built into the casing of the machine (US7009317 B2). The heat released as a result of energy losses in the winding and stator pack is dissipated to the liquid-cooled casing through the surface of the pack - casing contact. Such a stator cooling mechanism causes the winding ends 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 spot, which should not exceed the permissible temperature for the thermal class of insulation.

Znane są rozwiązania układów chłodzenia czół uzwojenia stojana magnetycznego w tym rozwiązanie według patentu PL 233086, 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.There are known solutions for cooling systems for winding ends of a magnetic stator, including the solution according to patent PL 233086, in which the space between the winding ends, the magnetic core and the magnetic core support element is filled with heat-conducting resin. This space is additionally limited from the winding ends by an angle radiator or a disc radiator, wherein the winding ends are tangential to the angle radiator or disc radiator disc, tangential through resin or tangential indirectly through an additional ceramic radiator, which is placed between the disc radiator and the winding ends or between the angle radiator and the winding ends.

W takim rozwiązaniu efektywność odprowadzania ciepła z czół uzwojenia przez radiator boczny jest uzależniona od rezystancji styku pomiędzy radiatorem a konstrukcją wsporczą, która odbiera ciepło. Takie rozwiązanie stanowi problem gdy wraz ze wzrostem obciążenia rezystancja stykowa rośnie, zwłaszcza w konstrukcjach silnika z wirnikiem zewnętrznym i układem chłodzenia cieczą, zabudowanym w konstrukcji wsporczej, gdzie radiator jest osadzony na średnicy większej niż konstrukcja wsporcza, która jest chłodzona. Wraz ze wzrostem obciążenia silnika rozszerzalność cieplna radiatora powoduje, że rozszerza się on szybciej niż konstrukcja wsporcza, na której jest osadzony a to powoduje zwiększanie się rezystancji stykowej pomiędzy tymi elementami i w konsekwencji pogorszenie możliwości odbioru ciepła z uzwojenia i wzrost jego temperatury.In such a solution, the efficiency of heat removal from the winding ends by the side radiator depends on the contact resistance between the radiator and the support structure that receives the heat. Such a solution is a problem when the contact resistance increases with increasing load, especially in motor designs with an external rotor and a liquid cooling system, built into the support structure, where the radiator is mounted on a larger diameter than the support structure that is cooled. With increasing engine load, the thermal expansion of the radiator causes it to expand faster than the support structure on which it is mounted, which causes an increase in the contact resistance between these elements and, as a consequence, a deterioration in the ability to receive heat from the winding and an increase in its temperature.

Według wynalazku, w układzie chłodzenia stojana maszyny elektrycznej wirującej z wirnikiem zewnętrznym lub wewnętrznym, przestrzeń pomiędzy czołami uzwojenia, rdzeniem magnetycznym i elementem nośnym rdzenia magnetycznego jest zalana żywicą ciepłoprzewodzącą. Przestrzeń zalana żywicą ciepłoprzewodzącą pomiędzy elementem nośnym rdzenia magnetycznego, rdzeniem magnetycznym, czołami uzwojenia, od strony czół uzwojenia jest ograniczona pierwszym radiatorem kątowym, który stanowi część elementu wsporczego oraz drugim radiatorem kątowym, który stanowi część elementu nośnego. W elemencie wsporczym znajdują się kanały przepływu cieczy układu chłodzenia. Element nośny oraz element wsporczy przylegają do siebie tak, aby element nośny stanowił zamknięcie kanałów układu chłodzenia. Czoła uzwojenia są styczne do tarczy pierwszego radiatora kątowego i są styczne do tarczy drugiego radiatora kątowego poprzez żywicę oraz są styczne do elementu nośnego poprzez żywicę. W drugim radiatorze kątowym znajdują się otwory, przez które są wyprowadzone przewody zasilające silnik. W pierwszym radiatorze kątowym znajdują się otwory, służące do wlewu żywicy.According to the invention, in the cooling system of the stator of an electrical machine rotating with an external or internal rotor, the space between the winding ends, the magnetic core and the magnetic core support element is filled with heat-conducting resin. The space filled with heat-conducting resin between the magnetic core support element, the magnetic core, the winding ends, from the side of the winding ends is limited by the first angle radiator, which is part of the support element, and the second angle radiator, which is part of the support element. The support element contains liquid flow channels of the cooling system. The support element and the support element are adjacent to each other so that the support element constitutes a closure of the cooling system channels. The winding ends are tangential to the disc of the first angle radiator and are tangential to the disc of the second angle radiator through the resin and are tangential to the support element through the resin. The second angle radiator contains openings through which the motor power supply cables are led out. The first angle radiator has holes for pouring the resin.

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

fig. 1 Przekrój osiowy stojana maszyny wirującej przez otwór wyprowadzeniowy przewodów zasilających oraz przez radiator kątowy od strony przeciwnej do wyprowadzeń przewodów zasilających fig. 2 Przekrój osiowy stojana maszyny wirującej przez radiator kątowy od strony przeciwnej do wyprowadzenia przewodów zasilających oraz od strony wyprowadzenia przewodów zasilających fig. 3 Model 3D stojana maszyny wirującej z układem chłodzenia, widok od strony przeciwnej do wyprowadzeń przewodów.Fig. 1 Axial cross-section of the stator of a rotating machine through the outlet opening for the power supply cables and through the angle radiator on the side opposite to the power supply cable outlets. Fig. 2 Axial cross-section of the stator of a rotating machine through the angle radiator on the side opposite to the power supply cable outlets and from the side of the power supply cable outlets. Fig. 3 3D model of the stator of a rotating machine with a cooling system, view from the side opposite to the power supply cable outlets.

Układ chłodzenia stojana maszyny elektrycznej wirującej, który jest przedstawiony na wymienionych rysunkach dotyczy maszyny z wirnikiem wewnętrznym lub zewnętrznym.The stator cooling system of a rotating electrical machine, which is shown in the above drawings, applies to a machine with an internal or external rotor.

Przestrzeń zalana żywicą ciepłoprzewodzącą 7 pomiędzy elementem nośnym 3 rdzenia magnetycznego, rdzeniem magnetycznym 2, czołami uzwojenia 1, od strony czół uzwojenia 1 jest dodatkowo ograniczona radiatorem kątowym 5, który stanowi część elementu wsporczego 4 oraz radiatorem kątowym 6, który stanowi część elementu nośnego 3 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1 i fig. 2. W elemencie wsporczym 4 znajdują się kanały przepływu cieczy układu chłodzenia 8 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1 i fig. 2. Element nośny 3 oraz element wsporczy 4 przylegają do siebie tak, aby element nośny 3 stanowił zamknięcie kanałów układu chłodzenia 7 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1 i fig. 2. Czoła uzwojenia 1 są styczne do tarczy radiatora kątowego 5 i radiatora kątowego 6 poprzez żywicę 4 oraz są styczne do elementu nośnego 3 poprzez żywicę 4 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1 i fig. 2.The space filled with heat-conducting resin 7 between the support element 3 of the magnetic core, the magnetic core 2, the winding ends 1, is additionally limited from the side of the winding ends 1 by the angle radiator 5, which is part of the support element 4, and the angle radiator 6, which is part of the support element 3, as shown in Fig. 1 and Fig. 2. The support element 4 contains liquid flow channels of the cooling system 8, as shown in Fig. 1 and Fig. 2. The support element 3 and the support element 4 are adjacent to each other so that the support element 3 constitutes a closure of the cooling system channels 7, as shown in Fig. 1 and Fig. 2. The winding ends 1 are tangential to the disc of the angle radiator 5 and the angle radiator 6 through the resin 4 and are tangential to the support element 3 through the resin 4, as shown in Fig. 2. in the drawing Fig. 1 and Fig. 2.

W radiatorze kątowym 6 znajdują się otwory 9, przez które są wyprowadzone przewody zasilające silnik 10 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 1 i fig. 2, natomiast w radiatorze kątowym 5 znajdują się otwory 11, służące do wlewu żywicy 7 jak zostało to przedstawione na rysunku fig. 3.The angle radiator 6 has openings 9 through which the power supply cables for the motor 10 are led out, as shown in Fig. 1 and Fig. 2, while the angle radiator 5 has openings 11 for pouring the resin 7, as shown in Fig. 3.

Claims

1. A cooling system for the stator of an electrical machine rotating with an external or internal rotor, in which the space between the winding ends, the magnetic core and the magnetic core support element is filled with heat-conducting resin, characterized in that the space filled with heat-conducting resin (7) between the magnetic core support element (3), the magnetic core (2), the winding ends (1), on the side of the winding ends (1) is additionally limited by the first angle radiator (5), which is part of the support element (4) and the second angle radiator (6), which is part of the support element (3), the support element (4) has liquid flow channels of the cooling system (8), the support element (3) and the support element (4) are adjacent to each other so that the support element (3) constitutes a closure of the cooling system channels (8), the winding ends (1) are tangential to the disc of the first angle radiator (5) and tangential to the disc of the second, angle radiator (6) through the resin (7) and are tangential to the support element (3) through the resin (7).

2. A system according to claim 1, characterized in that the second angle radiator (6) has openings (9) through which the cables (10) supplying the motor are led out.

3. A system according to claim 1, characterized in that the first angle radiator (5) has openings (11) for pouring the resin (7).