ITMI981886A1

ITMI981886A1 - Macchina elettrica

Info

Publication number: ITMI981886A1
Application number: IT98MI001886A
Authority: IT
Inventors: Juergen Glauning
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2000-02-11
Also published as: FR2770941B1; FR2770941A1; ITMI981886A0; IT1301920B1; US6087744A

Description

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda una macchina elettrica con le caratteristiche esposte nel preambolo della rivendicazione 1.

Stato della tecnica

E' noto l'impiegare macchine elettriche, in particolare generatori trifasi, del tipo sopraindicato, per l'alimentazione di energia ad una rete di alimentazione di bordo in autoveicoli. Preferibilmente, allo scopo vengono impiegati generatori con poli a denti frontali, che sono molto leggeri e potenti ed economicamente vantaggiosi. Sono note forme di esecuzione con ventilazione assiale a circuito dell'aria singolo mediante una ventola disposta esternamente.

Sono inoltre noti cosiddetti generatori compatti, che presentano ventilazioni a due circuiti dell'aria mediante due ventole più piccole disposte internamente. L'aria di raffreddamento viene aspirata in entrambi i casi assialmente ed esce dal generatore radialmente nella regione delle sue teste di avvolgimento di statore, in uno scudo sui lati rispettivamente di trasmissione e di collettore. Per garantire un raffreddamento efficace del generatore in presenza di temperature ambienti del motore elevate, sono inoltre noti dispositivi ausiliari per l'aspirazione di aria fresca.

Il dimensionamento del raffreddamento deve essere progettato complessivamente in modo che le temperature dei componenti del generatore non superino specifici valori limiti in tutte le condizioni ai margini che possono verificarsi. L'incapsulamento completo contro la polvere, lo sporco e gli spruzzi d'acqua, usuale per veicoli industriali, aggrava il problema della necessaria asportazione di calore. Sono inoltre noti generatori chiusi con alette di raffreddamento per il raffreddamento superficiale, nonché generatori chiusi con raffreddamento a liquido, per esempio olio.

Vantaggi dell'invenzione

La macchina elettrica secondo l'invenzione presenta il vantaggio che mediante circuiti di raffreddamento separati per uno statore e per un rotore viene consentito un raffreddamento indipendente delle parti. In particolare, con l'impiego di fluidi di raffreddamento diversi per lo statore e il rotore, per esempio acqua e aria, è possibile ottenere un raffreddamento indipendente nonché una ottimizzazione della portata di fluido refrigerante di volta in volta opportuna per quanto riguarda la sollecitazione termica. I circuiti di raffreddamento indipendenti fra loro sono variabili e ottimizzabili singolarmente per quanto riguarda la loro portata volumetrica.

In una vantaggiosa forma di esecuzione i circuiti di raffreddamento sono inseribili singolarmente e indipendentemente l'uno dall'altro al raggiungimento di una temperatura di esercizio della macchina elettrica. E' vantaggioso che lo statore presenti un mantello di raffreddamento, che con una superficie interna è inserito nella carcassa sostanzialmente cilindrica della macchina elettrica del canale di raffreddamento anulare. Per garantire un raffreddamento su una più ampia superficie il più efficace, è però vantaggioso estendere questo canale di raffreddamento su un'ampia superficie del mantello di raffreddamento, per esempio disporlo a meandro o a spirale nella direzione perimetrale della carcassa. Così pure, possono però essere anche previsti nel mantello di raffreddamento più canali di raffreddamento, per esempio collegati tra loro a carnali e/o separati gli uni dagli altri da traverse.

Il cosiddetto raffreddamento ibrido della macchina elettrica, secondo l'invenzione, può vantaggiosamente essere accoppiato ad un circuito di raffreddamento a liquido del motore a combustione interna, essendo prevista più opportunamente una valvola di separazione comandabile elettricamente o in altro modo. Altrettanto possibile è però anche un circuito di raffreddamento proprio per la macchina elettrica, indipendente dal circuito di raffreddamento del motore a combustione interna, potendo essere usata per la circolazione del liquido di raffreddamento una pompa azionata meccanicamente o elettricamente oppure anche un sistema di circolazione per riscaldamento, ossia secondo il principio del termosifone. In tal caso non è necessaria alcuna pompa propria.

Il circuito di raffreddamento del rotore della macchina elettrica viene preferibilmente fatto operare con aria come fluido di raffreddamento, perché in tal modo non vi è da tenere conto di problemi di isolamento rispetto ad elementi strutturali che conducono la corrente. In una forma di esecuzione vantaggiosa il rotore presenta un foro centrale, attraverso il quale l'aria può affluire nonché più fori trasversali, attraverso il quale l'aria può defluire radialmente verso l'esterno e ricircolare nella macchina elettrica verso più fori.

Con particolare vantaggio, mediante un esecuzione degli elementi di guida dell'aria è ottenibile un effetto di aspirazione dell'aria circolante, che viene agevolato da un elemento di guida obbligata che chiude centralmente i fori del rotore. Inoltre, può essere vantaggioso prevedere una ruota a impulso o una ventola con più palette che come ulteriore elemento di guida obbligata agevoli la circolazione dell'aria (turbina con palette direttrici).

E' opportuno che la corrente d'aria lambisca una testata dell'avvolgimento della macchina elettrica e possa così provvedere, specialmente alle alte velocità di rotazione, ad un efficace raffreddamento .

In una vantaggiosa forma di esecuzione, un raffreddamento dell'aria che lambisce la carcassa raffreddata ad acqua è garantito da opportune guide dell'aria, per cui è ottenibile uno scambio termico di fluidi refrigeranti ancor più efficace. Il circuito di raffreddamento può essere chiuso, parzialmente aperto oppure anche aperto, ossia con alimentazione d'aria costante dall'esterno. Nel caso di un circuito dell'aria aperto è vantaggiosamente ottenibile uno scarico del materiale asportato per sfregamento da guarnizioni di una frizione a secco dell'autoveicolo. I fori disposti nella carcassa per l'aria defluente possono essere disposti sia assialmente sul lato frontale, sia anche radialmente sul lato perimetrale. In una vantaggiosa variante, tutti i fori della carcassa o alcuni, possono anche essere eseguiti come fori longitudinali o fessure o fessure longitudinali.

Vantaggiose forme di esecuzione dell'invenzione si deducono dalle rimanenti caratteristiche esposte nelle rivendicazioni dipendenti .

Disegni

L'invenzione verrà nel seguito meglio chiarita in esempi di esecuzione con riferimento ai relativi disegni. Mostrano:

la figura 1 una vista sezionata schematica di una macchina elettrica operativamente collegata con un riduttore;

la figura 2, una vista sezionata di un particolare corrispondente alla figura 1, e

la figura 3, una vista sezionata schematica di una forma di esecuzione modificata della macchina elettrica corrispondente alla figura 1. Descrizione degli esempi di esecuzione

La figura 1 mostra in una vista sezionata schematica una macchina elettrica 1 che è operativamente collegata con un riduttore. Nell'esempio di esecuzione rappresentato, il riduttore è un riduttore epicicloidale 52, con il quale il rapporto di trasmissione della macchina elettrica 1 rispetto ad una catena della trasmissione del moto di un autoveicolo può essere variato in due gradini. La macchina elettrica 1, nell'esempio di esecuzione rappresentato un generatore trifase, presenta uno statore 34 con due teste di avvolgimento 10 e 18 e un rotore 44, che è in collegamento operativo con il riduttore epicicloidale 52. Lo statore 34 è circondato da un mantello di raffreddamento 40. Il mantello di raffreddamento 40, eseguito sostanzialmente cilindrico, è collegato rigidamente con una superficie interna 35 di una carcassa 36 parimenti eseguita sostanzialmente cilindrica, di cui il mantello di raffreddamento 40 presenta una o più scanalature eseguite anulari o per esempio a meandro che fungono da canali di raffreddamento 38. Per effetto dell'ampia superficie di contatto risultante del mantello di raffreddamento 40 rispetto alla carcassa 36 è assicurata una buona trasmissione del calore dallo statore 34 al mantello di raffreddamento 40 e quindi alla carcassa 36. Con una circolazione di un mezzo di raffreddamento 32, per esempio acqua, nel canale di raffreddamento 38 è ottenibile in tal modo una buona dissipazione del calore. Il considerevole sviluppo di calore creato nella macchina elettrica 1 del funzionamento sotto forte carico può venire trasferito dallo statore 34 alla carcassa 36 e viene rapidamente asportato dal fluido refrigerante 32.

Il fluido refrigerante 32 può entrare attraverso un foro di ingresso qui non riconoscibile nel canale di raffreddamento 38 a forma anulare o a meandro, al di sopra del quale è montato l'intero perimetro del mantello di raffreddamento 40. Il fluido di raffreddamento 32 assorbe energia termica e può uscire nuovamente attraverso un foro di uscita, parimenti qui non rappresentato. Mediante un accoppiamento su ampia superficie e una buona trasmissione termica tra statore 34 e mantello di raffreddamento 40, lo statore 34, e con esso la macchina elettrica 1 possono venire raffreddati molto efficacemente. Il trasferimento di calore fra statore 34 e mantello di raffreddamento 40 è ulteriormente migliorabile mediante la migliore possibile distribuzione del flusso di fluido refrigerante 32, il che è ottenibile mediante diramazione e/o mediante traverse 42 in più canali di raffreddamento. Il fluido di raffreddamento 32 può venire fatto circolare da una bocca separata, prevista allo scopo. Così pure, è però anche possibile una circolazione che sia basata sul principio del termosifone, ossia senza necessità di una pompa separata .

In un'altra variante, può essere prevista una inserzione in un sistema di raffreddamento o circuito di raffreddamento del motore a combustione interna, dovendosi però tenere conto che alle temperature di esercizio del motore a combustione interna le temperature del fluido refrigerante 32 sono nettamente più elevate di quelle in un circuito di raffreddamento separato.

E' inoltre riconoscibile il rotore 44 supportato girevolmente in due cuscinetti a rotolamento 60, che forma unitamente con un polo a denti frontali 46 e le due teste di avvolgimento 10 e 18 la macchina elettrica 1. E' inoltre riconoscibile una forma di esecuzione dell'estremità d'albero del rotore 44 disposta a destra nella figura 1 come ruota planetaria centrale 66 per il riduttore epicicloidale 52, la quale ingrana con più satelliti 68. Questi sono supportati girevolmente su un portasatelliti 71, che con un albero condotto 72 del meccanismo epicicloidale 52 forma una unità costruttiva. I satelliti 68 ingranano inoltre con una corona a dentatura interna 70, che è fissabile rispetto alla carcassa 36 o rispetto al portasatelliti 71 e può in tal modo realizzare entrambi i rapporti di trasmissione possibile del riduttore epicicloidale.

Il rotore 44 è dotato di un foro centrale 2 all'estremità d'albero disposta a sinistra in figura 1, che sbocca in un foro 4 di diametro maggiore e consente un afflusso di aria di raffreddamento. L'aria affluente attraverso il foro 2 circola nel rotore 44 attraverso il foro 4, per tutta la sua lunghezza, e può uscire attraverso almeno due fori trasversali 6 direttamente all'esterno del cuscinetto a rotolamento 60 di destra, radialmente verso l'esterno, in un vano di ingresso 54 fra il riduttore 52 e la macchina elettrica 1. I fori trasversali 6, almeno due ma preferibilmente presenti in maggiore quantità sono preferibilmente disposti non perfettamente perpendicolari ad un asse di rotazione 56 del motore 44 ma, per una migliore guida dell'aria leggermente obliqui verso l'esterno, inclinati in direzione dell'estremità d'albero del rotore 44.

I fori trasversali 6 adempiono, oltre che alla funzione di guida dell'aria, contemporaneamente alla funzione di una turbina, con la quale la velocità periferica sul diametro esterno è maggiore della velocità periferica sul diametro interno. In tal modo si può ottenere una aspirazione o una depressione, che può spingere fuori l'aria dal nucleo del rotore 44, ossia dal foro 4. Questo effetto viene agevolato da un elemento di guida obbligata a forma angolata, nel presente esempio di esecuzione un tappo di chiusura 8 a forma conica, la cui punta di cono 9 coincide con l'asse di rotazione 56 del rotore 44. Il tappo di chiusura 8 chiude in tal modo il foro 4 sul lato del rotore 44 contrapposto al foro 2 e obbliga l'aria affluente attraverso il foro 2 ad uscire attraverso i fori trasversali 6.

L'aria che si trova nel vano di ingresso 54 viene inoltre guidata attraverso più fori 14 o intagli longitudinali 15, che dirigono l'aria in direzione di un traferro fra rotore 44 e statore 34. L'aria pertanto lambisce la testa di avvolgimento 10 (lato azionamento) e può assorbire calore. Contemporaneamente, essa può raffreddarsi lambendo la carcassa 36 .raffreddata ad acqua, prima di venire guidata verso la testa di avvolgimento 18 passando attraverso il polo a dente frontali 46 e un avvolgimento di eccitazione 16. Gli elementi citati vengono pertanto raffreddati.

Quando l'aria a sua volta lambisce la carcassa 36 raffreddata ad acqua, essa può cedere altro calore e si raffredda. L'aria può uscire dalla macchina elettrica 1 attraverso più fori 22 o intagli longitudinali 23 disposti frontalmente nella carcassa 36, mentre una parte di questa aria defluente viene nuovamente aspirata attraverso il foro 2 come aria fresca. In tal modo si ottiene un circuito parzialmente chiuso.

La figura 2 in una vista sezionata di particolare corrispondente alla figura 1 una ruota ad impulso 28 o ventola, che presenta la forma di un disco piatto ed è fissata in posizione direttamente confinante con le aperture di deflusso dei fori trasversali radiali 6 sull'albero del rotore 44. In tal modo viene agevolato il rinvio del flusso d'aria dai fori trasversali 6 nei fori 14 e/o negli intagli longitudinali 15, il quale flusso d'aria subisce una deviazione di 180° partendo da una direzione coassiale all'asse di rotazione 56 fino a lambire il traferro fra il rotore 44 e statore 34.

La ruota a impulso 28 presenta inoltre più palette 26 montate perpendicolarmente su un lato piatto rivolto alla macchina elettrica 1 nonché una lamiera deflettrice dell'aria 30 applicata perpendicolarmente alle loro estremità. Questa lamiera deflettrice dell'aria anulare 30 con contorno ricurvo ai bordi interno ed esterno dell'anello si trova quindi con il suo lato piatto parallelo al lato piatto della ruota a impulso 28 e perpendicolare all'asse di rotazione 56. La ruota a impulso interagisce con le palette 26 e con la lamiera deflettrice dell'aria come una turbina e serve per incrementare l'effetto di aspirazione dell'aria dai fori trasversali 6.

La figura 3 mostra in un'altra vista sezionata una forma di esecuzione modificata della macchina elettrica a raffreddamento ibrido 1. Le parti uguali a quelle delle figure precedenti sono dotate di uguali numeri di riferimento e non verranno ulteriormente descritte. Qui però, a differenza della rappresentazione di figura 1, a sinistra sul lato frontale della carcassa 36, ossia sullo stesso lato dei fori 2, è prevista una copertura 48, che impedisce il deflusso dell'aria verso l'esterno e in tal modo provvede a creare un circuito chiuso dell'aria di raffreddamento. L'aria uscente dai fori 22 e/o dagli intagli longitudinali 23 può così rientrare nel foro 2. Gran parte del calore assorbito dall'aria di raffreddamento viene pertanto trasportata verso l'esterno dal mezzo di raffreddamento 32 liquido.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Macchina elettrica, in particolare per l'avviamento di un motore a conduzione interna e/o per l'alimentazione della tensione di una rete di alimentazione di bordo di un autoveicolo, con uno statore fissato in una carcassa e con un sistema di poli rotanti a denti frontali supportato su un rotore, in cui la macchina elettrica è accoppiabile al motore a conbustione interna attraverso un collegamento operativo separabile, caratterizzata dal fatto che lo statore (34) e il rotore (44) sono inseriti in circuiti di raffreddamento separati, presentanti fluidi di raffreddamento diversi.
2 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che lo statore (34) presenta un raffreddamento a liquido e il rotore (44) presenta un raffreddamento ad aria.
3 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che fra una carcassa (36) sostanzialmente cilindrica e uno statore (34) è previsto un mantello di raffreddamento (40) che è accoppiato ad una superficie interna della carcassa (36).
4. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che nel mantello di raffreddamento (40) è previsto almeno un canale di raffreddamento (38).
5. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che 1'almeno un canale di raffreddamento (38) è disposto nella direzione perimetrale della carcassa (36).
6. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che l’almeno un canale di raffreddamento (38) è disposto a meandro e/o a spirale nella direzione perimetrale della carcassa (36).
7. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che sono previsti più canali di raffreddamento (38), i quali sono separati gli uni dagli altri mediante traverse (42).
8. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che il raffreddamento a liquido della macchina elettrica (1) è indipendente da un circuito di raffreddamento del liquido del motore a combustione interna.
9. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che il raffreddamento a liquido della macchina elettrica (1) è un raffreddamento a termosifone.
10. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che il raffreddamento a liquido della macchina elettrica (1) è accoppiato con il circuito di raffreddamento a liquido del motore a combustione interna.
11. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che il raffreddamento ad aria del rotore (44) avviene mediante una circolazione d'aria.
12 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che il raffreddamento ad aria del rotore (44) avviene mediante una guida centrale dell'aria (2, 4) e più fori trasversali radiali (6) nel rotore (44).
13 . Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che l'aria può circolare attraverso più fori (14) nella macchina elettrica 81).
14. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che l'aria può circolare attraverso più intagli longitudinali (15) della macchina elettrica (1).
15. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che viene ottenuto un effetto di aspirazione dell'aria circolante, mediante la generazione di una depressione.
16. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che l'aria circolante è incrementabile mediante un elemento di guida obbligata che chiude centralmente il foro trapanato (4) del rotore (44).
17 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 16, caratterizzata dal fatto che l'elemento di guida obbligata è un tappo di chiusura (8) con una punta conica (9) disposta su un'asse di rotazione (56) del rotore (44).
18 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 17, caratterizzata dal fatto che un altro elemento di guida obbligata comprende una ruota a impulso (28) con più palette (26).
19 . Macchina elettrica secondo la rivendicazione 18, caratterizzata dal fatto che l'elemento di guida obbligata è una lamiera di deflessione dell'aria (30) rotante.
20. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 19, caratterizzata dal fatto che la corrente d'aria lambisce una testa di avvolgimento (10) della macchina elettrica (1).
21. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 20, caratterizzata dal fatto che avviene un raffreddamento dell'aria che lambisce la carcassa (36) raffreddata ad acqua.
22. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che il circuito dell'aria è chiuso.
23. Macchina elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 21, caratterizzata dal fatto che il circuito dell'aria è aperto.
24 . Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che mediante la corrente d'aria può avvenire uno scarico di materiale asportato per sfregamento da guarnizioni di una frizione a secco dell 'autoveicolo.
25. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che per l'aria defluente sono disposti assialmente fori (22) disposti sul lato frontale nella carcassa (36).
26. Macchina elettrica secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che per l'aria affluente sono disposti assialmente intagli longitudinali (23) disposti sul lato frontale nella carcassa (36).
27. Macchina elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 25, caratterizzata dal fatto che per l'aria defluente sono disposti radialmente fori (22) disposti sul lato mantello nella carcassa (36).
28. Macchina elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 25, caratterizzata dal fatto che per l'aria defluente sono disposti radialmente in tagli longitudinali (23) disposti sul lato mantello della carcassa (36).