WO2025160648A1

WO2025160648A1 - Axial-flux electric machine and cover of an axial-flux electric machine

Info

Publication number: WO2025160648A1
Application number: PCT/BR2025/050036
Authority: WO
Inventors: João Paulo Correa MANENTE; Samuel Santos Borges; Thiago Piazera CARVALHO
Original assignee: WEG Equipamentos Eletricos SA
Current assignee: WEG Equipamentos Eletricos SA
Priority date: 2024-02-01
Filing date: 2025-02-01
Publication date: 2025-08-07
Anticipated expiration: 2026-08-01

Abstract

The present invention relates to an axial-flux electric machine (1) comprising at least one cover (1), wherein the cover (1) comprises at least one cooling channel (5) through which a cooling gas flows, wherein the at least one cooling channel (5) comprises at least one expansion region (E) designed to ensure a controlled expansion of the cooling gas.

Description

“MÁQUINA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL E TAMPA DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL” “AXIAL FLUX ELECTRICAL MACHINE AND COVER OF AN AXIAL FLUX ELECTRICAL MACHINE”

CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF INVENTION

[0001] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica de fluxo axial e, mais especificamente, a um motor ou gerador de fluxo axial. [0001] The present invention relates to an axial flux electrical machine and, more specifically, to an axial flux motor or generator.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] Máquinas elétricas de fluxo eletromagnético axial são largamente conhecidas da técnica, e compreendem basicamente pelo menos um estator e pelo menos um rotor em formato de disco, em que o fluxo eletromagnético trafega no sentido axial do eixo girante da máquina. Elas podem compreender tanto motores elétricos quanto geradores elétricos. [0002] Axial electromagnetic flux electric machines are widely known in the art, and basically comprise at least one stator and at least one disc-shaped rotor, in which the electromagnetic flux travels in the axial direction of the rotating shaft of the machine. They can comprise both electric motors and electric generators.

[0003] Em uma das soluções conhecidas para o resfriamento dos motores de fluxo axial, um mecanismo externo, como bomba ou compressor, bombeia fluido refrigerante para o interior do motor (preferencialmente no interior da carcaça e/ou estator), de modo que o fluido possa extrair o calor do motor. Quanto maior a capacidade de extração de calor, maior a densidade de potência (kW/kg) em que o motor pode trabalhar. [0003] In one of the known solutions for cooling axial flux motors, an external mechanism, such as a pump or compressor, pumps coolant fluid into the motor (preferably inside the casing and/or stator), so that the fluid can extract heat from the motor. The greater the heat extraction capacity, the greater the power density (kW/kg) at which the motor can work.

[0004] Assim, é conhecido do estado da técnica formar canais de refrigeração para a passagem do fluido refrigerante pelos componentes do motor. [0004] Thus, it is known from the prior art to form cooling channels for the passage of the coolant fluid through the engine components.

[0005] O documento EP2606561 , por exemplo, mostra uma máquina elétrica com uma câmara anular pela qual um meio de resfriamento pode circular em torno das bobinas do estator. [0005] EP2606561, for example, shows an electrical machine with an annular chamber through which a cooling medium can circulate around the stator coils.

[0006] O documento KR101999860, por sua vez, revela um motor elétrico com uma solução de resfriamento que compreende uma câmara de distribuição do fluido refrigerante que inclui uma porção do fluido refrigerante introduzido e um segundo caminho de distribuição do fluido refrigerante para guiar outra porção do fluido refrigerante para o lado da tampa traseira. [0006] Document KR101999860, in turn, discloses an electric motor with a cooling solution comprising a coolant distribution chamber that includes a portion of the introduced coolant and a second coolant distribution path to guide another portion of the coolant to the side of the rear cover.

[0007] Já o documento WO2019/171318 revela um componente de resfriamento para um motor elétrico que compreende um canal definido por um anel externo, um anel interno concêntrico ao anel externo e segmentos lineares se estendendo radialmente do anel interno em direção ao anel externo. [0007] Document WO2019/171318 discloses a cooling component for an electric motor comprising a channel defined by an outer ring, an inner ring concentric to the outer ring and linear segments extending radially from the inner ring towards the outer ring.

OJETIVOS DA INVENÇÃO OJECTIVES OF THE INVENTION

[0008] É um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica de fluxo axial com um sistema de refrigeração com eficiente desempenho de refrigeração. [0008] It is an object of the present invention to provide a machine axial flow electric with a cooling system with efficient cooling performance.

[0009] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica de fluxo axial com um sistema de refrigeração que utiliza a redução da temperatura pela expansão do gás de refrigeração para melhorar o desempenho de refrigeração de uma máquina elétrica de fluxo axial. [0009] It is a further object of the present invention to provide an axial flux electric machine with a cooling system that utilizes temperature reduction by expansion of the cooling gas to improve the cooling performance of an axial flux electric machine.

Sumário da Invenção Summary of the Invention

[0010] A presente invenção refere-se a uma tampa de máquina elétrica e a uma máquina elétrica de fluxo axial compreendendo tal tampa de máquina elétrica. [0010] The present invention relates to an electrical machine cover and an axial flux electrical machine comprising such an electrical machine cover.

[0011] A máquina elétrica de fluxo axial compreende uma carcaça com pelo menos uma tampa, sendo que a pelo menos uma tampa compreende pelo menos um canal de refrigeração pelo qual passa um gás de refrigeração, em que o pelo menos um canal de refrigeração compreende pelo menos uma região de expansão projetada para garantir uma expansão controlada do gás de refrigeração. [0011] The axial flux electric machine comprises a housing with at least one cover, the at least one cover comprising at least one cooling channel through which a cooling gas passes, the at least one cooling channel comprising at least one expansion region designed to ensure a controlled expansion of the cooling gas.

[0012] A tampa compreende uma entrada de fluido refrigerante e uma saída de fluido refrigerante e, preferencialmente, a região de expansão apresenta uma área de seção transversal com uma taxa de expansão de seção transversal entre 150% e 1000% desde a entrada de fluido refrigerante até a saída de fluido refrigerante. [0012] The cover comprises a refrigerant inlet and a refrigerant outlet and, preferably, the expansion region has a cross-sectional area with a cross-sectional expansion ratio of between 150% and 1000% from the refrigerant inlet to the refrigerant outlet.

[0013] Em uma concretização da invenção, a região de expansão é formada como uma parte da geometria do canal de refrigeração. [0013] In one embodiment of the invention, the expansion region is formed as a part of the geometry of the cooling channel.

[0014] O canal de refrigeração pode ser formado diretamente integrado com a tampa. No entanto, em uma concretização alternativa, o canal de refrigeração pode ser formado em uma estrutura acoplada à tampa. [0014] The cooling channel may be formed directly integrated with the lid. However, in an alternative embodiment, the cooling channel may be formed in a structure coupled to the lid.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0015] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais: [0015] The present invention will be described below in more detail, with reference to the attached drawings, in which:

[0016] Figura 1 - é uma vista em perspectiva de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção; [0016] Figure 1 is a perspective view of an axial flux electrical machine according to an embodiment of the present invention;

[0017] Figura 2 - é uma vista plana de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção; [0017] Figure 2 is a plan view of an axial flux electrical machine according to an embodiment of the present invention;

[0018] Figura 3 - é uma vista esquemática que mostra a montagem de alguns componentes internos de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção; e [0018] Figure 3 - is a schematic view showing the assembly of some internal components of an axial flux electrical machine according to an embodiment of the present invention; and

[0019] Figura 4 - é uma ilustração esquemática de quatro configurações possíveis para um canal de refrigeração de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com a presente invenção. [0019] Figure 4 - is a schematic illustration of four possible configurations for a cooling channel of an axial flux electrical machine according to the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0020] A figura 1 mostra um motor elétrico de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção. [0020] Figure 1 shows an axial flux electric motor according to an embodiment of the present invention.

[0021] Embora a presente invenção seja descrita incorporada em um motor elétrico, deve ser entendido que a solução da presente invenção poderia ser igualmente aplicada a outras máquinas elétricas de fluxo axial como, por exemplo, geradores de fluxo axial. Os componentes internos e o funcionamento de uma máquina elétrica de fluxo axial são conhecidos dos técnicos no assunto e, portanto, a presente descrição focará apenas nos componentes necessários à compreensão da invenção. [0021] Although the present invention is described as embodied in an electric motor, it should be understood that the solution of the present invention could equally be applied to other axial flux electric machines, such as axial flux generators. The internal components and operation of an axial flux electric machine are known to those skilled in the art, and therefore, the present description will focus only on the components necessary for understanding the invention.

[0022] Conforme pode ser visto na figura 1 , na concretização ilustrada, o motor elétrico compreende pelo menos uma tampa 1 , um furo passante central 2 e orifícios de entrada 3 e saída 4 de fluido refrigerante. O furo passante 2 é destinado à recepção de um eixo, entretanto, deve ser entendido que em outras concretizações da invenção, o eixo poderia ser integrado ao motor. [0022] As can be seen in figure 1, in the illustrated embodiment, the electric motor comprises at least a cover 1, a central through hole 2 and coolant inlet holes 3 and outlet holes 4. The through hole 2 is intended for receiving a shaft, however, it should be understood that in other embodiments of the invention, the shaft could be integrated into the motor.

[0023] Deve ser ressaltado que a máquina pode compreender uma carcaça com um corpo fechado por uma tampa ou tampas conectadas entre si formando um invólucro. No entanto, deve ser entendido que o invólucro poderia ser formado de forma diferente, por exemplo, com uma parte de corpo central e duas tampas laterais. [0023] It should be noted that the machine may comprise a housing with a body closed by a cover or covers connected together to form an enclosure. However, it should be understood that the enclosure could be formed differently, for example with a central body part and two side covers.

[0024] Conforme ilustrado nas figuras, a tampa 1 compreende ao menos um canal de refrigeração 5 para circulação de um fluido refrigerante e, mais especificamente, de um gás refrigerante. [0024] As illustrated in the figures, the lid 1 comprises at least one cooling channel 5 for the circulation of a refrigerant fluid and, more specifically, of a refrigerant gas.

[0025] Esse fluido refrigerante resfria os componentes internos da máquina e, naturalmente, resfria com melhor eficiência aqueles componentes adjacentes à tampa. As figuras 1 e 2 mostram, de forma esquemática, o circuito de refrigeração C do gás refrigerante. [0025] This refrigerant fluid cools the internal components of the machine and, naturally, cools more efficiently those components adjacent to the cover. Figures 1 and 2 show, schematically, the refrigeration circuit C of the refrigerant gas.

[0026] O pelo menos um canal de refrigeração 5, que é ilustrado para visualização nas figuras 1 e 2, pode ser formado diretamente integrado com a tampa, por exemplo, por como uma peça fundida ou usinada, ou pode ser formado em uma estrutura acoplada, por exemplo, em uma sobretampa interna acoplada. [0026] The at least one cooling channel 5, which is illustrated for visualization in figures 1 and 2, can be formed directly integrated with the cover, for example, as a casting or machined part, or it may be formed into a coupled structure, for example, into a coupled inner overcover.

[0027] A presente invenção propõe a formação de pelo menos uma região de expansão E no pelo menos um canal de refrigeração 5. Essa região de expansão é projetada para garantir uma expansão controlada do gás de refrigeração, de modo que a temperatura do gás reduza a níveis adequados para evitar congelamentos externos e quedas de pressão abruptas, mantendo a eficiência do circuito de refrigeração C. [0027] The present invention proposes the formation of at least one expansion region E in the at least one cooling channel 5. This expansion region is designed to ensure a controlled expansion of the cooling gas, so that the gas temperature reduces to levels suitable for avoiding external freezing and abrupt pressure drops, maintaining the efficiency of the cooling circuit C.

[0028] Assim, de acordo com a presente invenção, o canal de refrigeração 5 requer uma expansão da área da seção transversal entre a entrada e a saída de fluido. Tal expansão tem preferencialmente uma taxa de expansão de seção transversal entre 150% e 1000% desde a entrada de fluido refrigerante até a saída de fluido refrigerante. [0028] Thus, according to the present invention, the cooling channel 5 requires an expansion of the cross-sectional area between the fluid inlet and the fluid outlet. Such expansion preferably has a cross-sectional expansion ratio between 150% and 1000% from the refrigerant inlet to the refrigerant outlet.

[0029] Tal expansão pode ocorrer preferencialmente de forma suave, conforme mostra a concretização exemplificativa da figura 4a, ou de forma abrupta, como mostra a figura 4b. De modo a manter uma expansão suave, a taxa de expansão de área por comprimento de canal não deve exceder uma taxa de 4000%/m. [0029] Such expansion may preferably occur smoothly, as shown in the exemplary embodiment of figure 4a, or abruptly, as shown in figure 4b. In order to maintain smooth expansion, the area expansion rate per channel length should not exceed a rate of 4000%/m.

[0030] Em concretizações da invenção, a região de expansão E é formada como parte da geometria do canal de refrigeração e compreende uma região capaz de expandir de forma controlada um gás que passa através dela. [0030] In embodiments of the invention, the expansion region E is formed as part of the geometry of the cooling channel and comprises a region capable of controllingly expanding a gas passing through it.

[0031] A seção transversal do canal 5 pode ter diferentes formatos, como circular, elíptico, retangular, trapezoidal ou poligonal. Os canais de refrigeração também podem ser projetados com formatos personalizados ou irregulares para atender às condições específicas do local ou aos requisitos de fluxo, desde que os critérios de taxa de expansão da área sejam respeitados. [0031] The cross-section of the channel 5 may have different shapes, such as circular, elliptical, rectangular, trapezoidal, or polygonal. Cooling channels may also be designed with custom or irregular shapes to meet specific site conditions or flow requirements, as long as the area expansion ratio criteria are met.

[0032] Como mostrado na figura 3, em uma concretização da presente invenção, o estator 6 da máquina está acoplado à tampa 1 e, nessa concretização, o pelo menos um canal de refrigeração 5 é particularmente eficiente para resfriamento do estator 6. [0032] As shown in figure 3, in one embodiment of the present invention, the stator 6 of the machine is coupled to the cover 1 and, in this embodiment, the at least one cooling channel 5 is particularly efficient for cooling the stator 6.

[0033] Assim, deve ser ressaltado que, na presente invenção, as uma ou mais regiões de expansão podem ser estrategicamente previstas com geometrias e localização definidas para evitar pontos quentes no estator fixado na face interna da tampa. [0033] Thus, it should be emphasized that, in the present invention, the one or more expansion regions can be strategically provided with defined geometries and locations to avoid hot spots in the fixed stator on the inside of the lid.

[0034] Nessa concretização, pode ser ainda previsto um mancai 7 para a recepção do eixo 8 da máquina e esse mancai 7 também é eficientemente resfriado pelo sistema de refrigeração (canal de refrigeração 5) da tampa 1. [0034] In this embodiment, a bearing 7 can also be provided for receiving the shaft 8 of the machine and this bearing 7 is also efficiently cooled by the cooling system (cooling channel 5) of the cover 1.

[0035] Em concretizações da invenção, a tampa 1 pode compreender ainda uma vedação para impedir o vazamento do gás de refrigeração. [0035] In embodiments of the invention, the lid 1 may further comprise a seal to prevent leakage of the refrigerant gas.

[0036] A figura 4 mostra uma ilustração esquemática de quatro configurações a, b, c e d possíveis para um canal de refrigeração de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com a presente invenção. Nessas concretizações exemplificativas, as regiões de expansão E são formadas por diferentes geometrias. Deve ser ressaltado que a região de expansão poderia ter outras geometrias, desde que permita uma expansão controlada do gás de refrigeração. [0036] Figure 4 shows a schematic illustration of four possible configurations a, b, c and d for a cooling channel of an axial flux electric machine according to the present invention. In these exemplary embodiments, the expansion regions E are formed by different geometries. It should be emphasized that the expansion region could have other geometries, as long as it allows a controlled expansion of the cooling gas.

[0037] Nesse sentido, a partir da vista frontal, como mostrado na figura 4, os canais são de formatos diferentes entre a entrada de fluido refrigerante e a saída do fluido refrigerante, tal como circular - vide figuras 4a e 4b, poligonal (figura 4c) e serpentina (figura 4d). [0037] In this sense, from the front view, as shown in figure 4, the channels are of different shapes between the refrigerant fluid inlet and the refrigerant fluid outlet, such as circular - see figures 4a and 4b, polygonal (figure 4c) and serpentine (figure 4d).

[0038] Assim, a presente invenção, através da previsão de pelo menos uma região de expansão E no canal de refrigeração, utiliza a redução da temperatura pela expansão do gás para melhorar o desempenho de refrigeração de uma máquina de fluxo axial. [0038] Thus, the present invention, by providing at least one expansion region E in the cooling channel, uses the temperature reduction due to gas expansion to improve the cooling performance of an axial flow machine.

[0039] Embora as concretizações descritas foquem em uma tampa 1 com o canal de refrigeração, deve ser entendido que a máquina poderia ter duas tampas com canais de refrigeração que se fecham entre si incluindo ou não um corpo de carcaça entre essas tampas. [0039] Although the described embodiments focus on a cover 1 with the cooling channel, it should be understood that the machine could have two covers with cooling channels that close to each other, including or not a housing body between these covers.

[0040] Tendo sido descritos exemplos de concretizações da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações apenas, aí incluídos os possíveis equivalentes. [0040] Having described examples of embodiments of the present invention, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations of the described inventive concept, being limited solely by the content of the claims alone, including possible equivalents.

Claims

1. Axial flux electric machine comprising at least one cover (1) characterized in that the cover (1) comprises at least one cooling channel (5) through which a cooling gas passes, wherein the at least one cooling channel (5) comprises at least one expansion region (E) designed to ensure a controlled expansion of the cooling gas.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the cover further comprises a refrigerant inlet (3) and a refrigerant outlet (4) and in which the expansion region has a cross-sectional area with a cross-sectional expansion ratio between 150% and 1000% from the refrigerant inlet (3) to the refrigerant outlet (4).

Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the expansion region (E) is formed as a part of the geometry of the cooling channel (5).

Machine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channel (5) is formed directly integrated with the lid (1).

Machine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channel (5) is formed in a structure coupled to the cover (1).

6. Cover (1) for an axial flux electric machine characterized in that it comprises at least one cooling channel (5) through which a cooling gas passes, wherein the at least one cooling channel (5) comprises at least one expansion region (E) designed to ensure a controlled expansion of the cooling gas.

7. Lid, according to claim 6, characterized by the fact that it further comprises a refrigerant fluid inlet (3) and a refrigerant fluid outlet (4) and in which the expansion region has a cross-sectional area with a cross-sectional expansion rate between 150% and 1000% from the refrigerant fluid inlet (3) to the refrigerant fluid outlet (4).

8. Lid according to claim 6 or 7, characterized in that the expansion region (E) is formed as a part of the geometry of the cooling channel (5).

9. Lid according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the cooling channel (5) is formed directly integrated with the lid (1).

10. Lid according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the cooling channel (5) is formed in a structure coupled to the lid (1).