IT201800003388A1

IT201800003388A1 - “Componente di raffreddamento per motore elettrico”

Info

Publication number: IT201800003388A1
Application number: IT102018000003388A
Authority: IT
Inventors: Adriano Girotto; Massimiliano Giacometti
Original assignee: Texa Dynamics S R L
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-08
Also published as: CN112292801A; EP3763022A1; US12191726B2; WO2019171318A1; CN112292801B; US20210075282A1

Description

“Componente di raffreddamento per motore elettrico”

DESCRIZIONE

L'invenzione si riferisce - in generale - ad un componente di raffreddamento per un motore elettrico, ad es. montato su veicoli elettrici. Il componente può essere applicato vantaggiosamente soprattutto a motori elettrici ad alta potenza per veicoli, qui presi ad esempio.

I veicoli ad alta potenza hanno motori elettrici con potenze nominali di centinaia di KW, da cui la primaria esigenza di raffreddarli.

Di solito si usano due sistemi di raffreddamento: il bagno d’olio e il circuito ad acqua periferico. Nel bagno d’olio, mutuato dalla tecnologia dei trasformatori, le bobine del motore sono immerse in olio, il quale poi scambia calore con un circuito ad acqua separato. Il circuito ad acqua periferico è costituito da un anello percorso da acqua che si sviluppa attorno al motore.

Il difetto maggiore del bagno d’olio è la capacità termica minore rispetto all’acqua. Il difetto maggiore del circuito ad acqua periferico è la bassa invasività dell’acqua, che circola distante dalle bobine da raffreddare.

Scopo principale dell’invenzione è migliorare questo stato dell’arte.

Altro scopo è realizzare un sistema di raffreddamento più efficiente.

Tali scopi sono raggiunti con un componente e/o metodo come alle rivendicazioni allegate, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose.

Si propone un componente per raffreddare gli avvolgimenti di un motore elettrico, ad es. montato su veicoli elettrici, comprendente

un anello esterno,

un anello interno concentrico all’anello esterno,

segmenti che si estendono radialmente dall’anello interno verso l’anello esterno,

ove gli anelli e i segmenti sono cavi internamente e si raccordano per formare un canale continuo al loro interno capace di trasportare un fluido di raffreddamento lungo un percorso che passa da un anello all’altro,

gli anelli e i segmenti essendo disposti per formare o delimitare delle aperture passanti in grado di accogliere e circondare gli avvolgimenti.

Il componente consente di far circolare il fluido attorno agli avvolgimenti, aumentando l’area di prelievo del calore. Inoltre, il canale continuo assicura una tenuta stagna, e si può usare l’acqua come fluido per sfruttarne l’alta capacità termica.

Preferibilmente, per semplicità costruttiva, l’anello esterno e l’anello interno descrivono una circonferenza.

Preferibilmente, per semplicità costruttiva, i segmenti sono segmenti lineari.

Preferibilmente, per semplicità costruttiva, l’anello esterno e l’anello interno giacciono sostanzialmente su un piano e sono sostanzialmente complanari.

Preferibilmente, l’anello esterno, l’anello interno e i segmenti sono gusci cavi, in particolare fatti di alluminio o plastica caricata. Ancor più preferibilmente, l’anello esterno, l’anello interno e i segmenti sono gusci realizzati tramite stampa 3D.

Preferibilmente, per dare robustezza al componente, l’anello esterno, l’anello interno e i segmenti sono annegati in una matrice indurita, ad es. resina.

Preferibilmente il canale continuo forma un percorso che compie un giro completo attorno al centro degli anelli, in modo da prelevare calore estensivamente dagli avvolgimenti.

Preferibilmente i segmenti si estendono radialmente lungo un asse passante per il centro degli anelli, e in particolare con simmetria polare rispetto a tale centro. Ne risulta che i segmenti formano per gli anelli una sorta di raggiera che lambisce vantaggiosamente i lati degli avvolgimenti a cui asporta calore.

Preferibilmente c’è più di un canale continuo all’interno del componente, in particolare due. Canali multipli consentono uno smaltimento più veloce del calore e un bilanciamento dello smaltimento, evitando ad es. che il fluido nella parte finale di un canale sia troppo caldo per asportate calore efficacemente.

Preferibilmente, per realizzare più di un canale continuo all’interno del componente, il componente è formato dall’assieme di due o più parti sovrapposte e isolate tra loro, ove ogni parte realizza, come definito in generale per il componente, un canale o circuito continuo isolato dagli altri per lo scorrimento del fluido raffreddante.

E’ conveniente che il componente così componibile risulti un solido uniforme, ad es. per facilità di montaggio.

Inoltre è conveniente che le due o più parti sovrapposte e isolate tra loro siano dei moduli sovrapponibili o pezzi sovrapponibili con accoppiamento di forma, onde garantire un componente finale composito con geometria semplice e uniforme.

Ad es. le due o più parti sovrapposte e isolate tra loro sono partizioni di un solido o prisma regolare, ad es. un solido di rotazione come un cilindro.

Ad es., se ci sono N ≥ 2 parti sovrapposte e isolate tra loro, ciascuna di esse è costituita dal raccordo e/o unione di

una o più frazioni dell’anello esterno,

una o più frazioni dell’anello interno,

segmenti di raccordo per le dette frazioni.

Una struttura preferita per le due o più parti sovrapposte e isolate tra loro è la seguente.

Con N ≥ 2 parti sovrapposte e isolate tra loro, e detto P = N*k, con k un numero naturale ≥ 1, il numero di P suddivisioni di un angolo giro, ogni parte N-esima è costituita dalla composizione e/o raccordo di

k frazioni angolari dell’anello esterno,

k frazioni angolari dell’anello interno,

2*k segmenti di raccordo per le estremità di dette 2*k frazioni angolari.

Preferibilmente ogni k-esima frazione angolare di anello si sviluppa su un arco di circonferenza compreso in un angolo di 360/P gradi.

Le k frazioni angolari dell’anello esterno e le k frazioni angolari dell’anello interno di una detta parte sono gusci cavi adattati per convogliare il fluido raffreddante. I detti segmenti di raccordo di una detta parte sono gusci cavi adattati per convogliare il fluido raffreddante tra le frazioni angolari dell’anello esterno di quella parte e le frazioni angolari dell’anello interno di quella parte, o viceversa.

Una struttura preferita per i segmenti cavi di ciascuna di dette due o più parti sovrapposte e isolate tra loro è che i segmenti formino una partizione di un segmento complessivo avente spessore pari a quello di tutti gli anelli sovrapposti.

Preferibilmente, per massimizzare lo smaltimento di calore, dette aperture passanti hanno un contorno complementare al perimento degli avvolgimenti che circondano. In particolare, la superficie del bordo interno dell’anello esterno e la superficie del bordo esterno dell’anello interno comprendono cuspidi con le punte dirette radialmente e rivolte verso le cuspidi del bordo opposto.

Un altro aspetto dell’invenzione riguarda un metodo per costruire un componente come sopra definito, in una o ciascuna variante, con la fase di realizzare gli anelli e i segmenti tramite stampa 3D.

La stampa 3D facilita sia la costruzione di un canale avente pareti molto sottili (e quindi con alta conducibilità termica), sia un labirinto di canali molto complesso.

Il metodo prevede ad es. di stampare alluminio o plastica caricata.

Il metodo prevede di irrobustire il componente annegando in una matrice indurita, ad es. resina, il pezzo stampato con stampa 3D.

Un altro aspetto dell’invenzione riguarda un veicolo elettrico dotato del motore come sopra definito in una o ciascuna delle varianti.

I vantaggi dell’invenzione saranno più chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di componente di raffreddamento trazione, riferimento facendo all’allegato disegno in cui ● Fig.1 mostra una vista tridimensionale di uno statore,

● Fig.2 mostra una vista tridimensionale del componente,

● Fig.3 mostra una vista frontale del componente,

● Fig.4 mostra una vista tridimensionale di una variante del componente..

Per non affollare i disegni, alcuni elementi tra lor uguali non sono tutti contrassegnati da un numero. Fig.1 mostra uno statore 10 di un motore elettrico, dove sono visibili degli avvolgimenti 12 disposti circolarmente attorno ad un asse X e circondati da un componente di raffreddamento 20, isolato in fig.2 e 3.

Il componente 20 è costituito da un anello circolare esterno 30, un anello circolare interno 40 concentrico all’anello esterno 30, e da segmenti o razze rettilinee 50 (nell’esempio sette) che uniscono radialmente i due anelli 30, 40.

L’anello esterno 30 e l’anello interno 40 hanno centro sull’asse X.

Due segmenti adiacenti 50 e gli archi di anello 30, 40 da essi compresi delimitano cavità passanti 36 di perimetro complementare a tre avvolgimenti 12 affiancati. Il numero di segmenti o razze 50 può variare, variando allora il numero di avvolgimenti 12 affiancati che stanno fra due segmenti 50 adiacenti. Per minimizzare gli spazi vuoti fra il pacco di avvolgimenti 12 e gli anelli 30, 40, questi ultimi comprendono -rispettivamente sul bordo interno ed esterno - delle cuspidi 38 che occupano lo spazio vuoto attorno ai profili arrotondati degli avvolgimenti 12.

Gli anelli 30, 40 e i segmenti 50 sono gusci cavi e complessivamente formano al loro interno un canale continuo per trasportare un fluido di raffreddamento, che entra nel componente 20 da un ingresso 32 ed esce da uno scarico 34. Per allungare il percorso del canale l’ingresso 32 e lo scarico 34 sono ad es. posti sull’anello 30 in punti diametralmente opposti.

La circolazione del fluido dentro il componente 20 avviene lungo un percorso che coinvolge almeno una volta i due anelli 30, 40 e almeno due segmenti 50. Ovvero, il fluido circola dentro il componente 20 passando dall’anello 30 all’anello 40 tramite un segmento 50 e poi passando dall’anello 40 all’anello 30 tramite un diverso segmento 50. Durante lo scorrimento il fluido lambisce gli avvolgimenti 12 e sottrae loro calore.

Il numero di canali per il fluido raffreddante all’interno del componente può variare, in particolare il numero di canali indipendenti. Due o più canali separati possono meglio asportare calore dagli avvolgimenti 12, garantendo una temperatura più uniforme di esercizio al motore.

Fig.4 mostra un esempio con due canali che percorrono l’interno di un componente 18 tutto attorno al suo centro.

Il componente 18 comprende due parti 50, 70 sovrapposte e isolate tra loro. Ogni parte 50, 70 realizza un circuito per il fluido isolato dall’altro.

La parte 50 (70) comprende tre frazioni angolari 52a, 52b, 52c (72a, 72b, 72c) di anello esterno e tre frazioni angolari 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c) di anello interno, tra loro raccordate da sei segmenti radiali uguali 56-1, 56-2, 56-3, 56-4, 56-5, 56-6 (76-1, 76-2, 76-3, 76-4, 76-5, 76-6).

Le tre frazioni angolari 52a, 52b, 52c (72a, 72b, 72c) e le tre frazioni angolari 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c) sono archi di circonferenza sottesi da angoli di 60 gradi, e sono separate angolarmente tra loro di 60 gradi. I sei segmenti radiali 56-1, 56-2, 56-3, 56-4, 56-5, 56-6 (76-1, 76-2, 76-3, 76-4, 76-5, 76-6) sono disposti lungo le diagonali di un esagono immaginario con centro sull’asse X.

Le tre frazioni angolari 52a, 52b, 52c (72a, 72b, 72c), le tre frazioni angolari 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c) e i sei segmenti radiali 56-1, 56-2, 56-3, 56-4, 56-5, 56-6 (76-1, 76-2, 76-3, 76-4, 76-5, 76-6) sono cavi internamente e la loro giustapposizione crea un canale complessivo per il fluido di raffreddamento.

Il canale nel componente 50 (70) inizia da un ingresso 58 (78), percorre tutti gli elementi cavi del componente 50 (70), e termina con uno scarico 60 (80), posto di fianco all’ingresso 58 (78) sulla frazione 52c (72c).

Gli ingressi 58 (78) e gli scarichi 60 (80) possono altresì essere disposti in direzione radiale sulla superficie esterna dell’anello esterno 30.

Quindi, nel componente 50 (70) il fluido entra nell’ingresso 58 (78) e percorre in sequenza: metà frazione 52c (72a), il segmento 56-5 (76-1), la frazione 54c (74a), il segmento 56-6 (76-2), la frazione 52a (72b), il segmento 56-1 (76-3), la frazione 54a (74b), il segmento 56-2 (76-4), la frazione 52b (72c), il segmento 56-3 (76-5), la frazione 54b (74c), il segmento 56-4 (76-6), metà frazione 52c (72a), e infine esce dallo scarico 60 (80). Le frecce indicano il verso di scorrimento del fluido.

Esemplificativamente, nel componente 50 il fluido può scorrere in verso orario attorno l’asse X, e nel componente 70 in verso orario attorno l’asse X. Comunque, i versi di scorrimento del fluido nei componenti 50, 70 può essere variato per migliorare il trasferimento termico, ad es. con scorrimenti in controcorrente.

I componenti 50, 70 possono compenetrarsi uno nell’altro, perché dove uno ha un vuoto l’altro ha un pieno. La stampa 3D consente loro una struttura altrimenti impossibile da accoppiare meccanicamente. Ecco perché i segmenti radiali 56-1, 56-2, 56-3, 56-4, 56-5, 56-6 (76-1, 76-2, 76-3, 76-4, 76-5, 76-6) raccordano le estremità delle frazioni angolari 52a, 52b, 52c, 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c, 72a, 72b, 72c) con uno schema alternato, cioè i segmenti radiali 56-1, 56-2, 56-3, 56-4, 56-5, 56-6 (76-1, 76-2, 76-3, 76-4, 76-5, 76-6) sono attaccati su ogni frazione angolare 52a, 52b, 52c, 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c, 72a, 72b, 72c) in corrispondenza di angoli opposti e relativi alle diagonali di quella frazione angolare 52a, 52b, 52c, 54a, 54b, 54c (74a, 74b, 74c, 72a, 72b, 72c).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Componente (20; 18) per raffreddare gli avvolgimenti di un motore elettrico (10) comprendente un anello esterno (30), un anello interno (40) concentrico all’anello esterno, segmenti (50) che si estendono radialmente dall’anello interno verso l’anello esterno, ove gli anelli (30, 40) e i segmenti (50) sono cavi internamente e raccordati per formare un canale continuo al loro interno capace di trasportare un fluido di raffreddamento lungo un percorso che passa da un anello all’altro, gli anelli (30, 40) e i segmenti (50) essendo disposti per delimitare delle aperture passanti (36) in grado di accogliere e circondare avvolgimenti del motore.
2. Componente (20; 18) secondo la rivendicazione 1, in cui i segmenti sono segmenti lineari.
3. Componente (20; 18) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’anello esterno (30), l’anello interno (40) e i segmenti (50) sono gusci cavi, in particolare fatti di alluminio o plastica caricata.
4. Componente (20; 18) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente una matrice indurita, ad es. resina, in cui l’anello esterno (30), l’anello interno (40) e i segmenti (50) sono annegati.
5. Componente (20; 18) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il canale continuo forma un percorso che compie un giro completo attorno al centro degli anelli (30, 40).
6. Componente (20; 18) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente al suo interno una pluralità di canali continui come sopra definito, in particolare due.
7. Componente (18) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che, per realizzare la molteplicità di canali continui, è formato dall’assieme di due o più parti (50, 70) sovrapposte e isolate tra loro, ove ogni parte realizza un canale o circuito continuo isolato dagli altri per lo scorrimento di fluido.
8. Componente (18) secondo la rivendicazione 7, in cui le due o più parti sovrapposte e isolate tra loro sono pezzi sovrapponibili con accoppiamento di forma, ad es. partizioni di un solido regolare.
9. Componente (20; 18) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui la superficie del bordo interno dell’anello esterno (30) e la superficie del bordo esterno dell’anello interno (40) comprendono cuspidi (38) con le punte dirette radialmente e rivolte verso le cuspidi del bordo opposto.
10. Metodo per costruire un componente (20) come ad una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, con la fase di realizzare gli anelli (30, 40) e i segmenti (50) tramite stampa 3D.