CZ2024331A3 - Stator elektromotoru a elektromotor s tímto statorem - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je stator pro elektromotor, který zahrnuje tělo (1) statoru a alespoň dvě cívky (2) uspořádané kolem osy (3) statoru. Stator se vyznačuje tím, že mezi každými dvěma sousedními cívkami (2) je stator opatřen alespoň jedním žebrem (4), přičemž každé žebro (4) je upevněné k tělu (1) statoru. Každá cívka (2) je upevněná alespoň k jednomu žebru (4) pro přenos zatížení z cívky (2) do těla (1) statoru.

Description

Stator elektromotoru a elektromotor s tímto statorem

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je stator pro elektromotor zahrnující žebra pro přenos kroutícího momentu a jiných zatížení, jako i odvodu tepla, z cívek a elektromotor zahrnující tento stator. Toto řešení je vhodné převážně pro elektromotory s duálním rotorem.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje mnoho typů elektromotorů. Většina elektromotorů má jádra statorových cívek mezi sebou propojená do jednoho kusu statorového plechu (takzvaným jhem) a přenos kroutícího momentu do statorového těla je přenášen přes toto jho. Dalším typem je elektromotor s dvourotorovým uspořádáním s absencí jha, jaký je například zveřejněn v dokumentu US20130270948 A1.

V elektromotoru při práci vznikají zatížení. Jedním z nejvíce zatížených prvků jsou cívky. Zatížení cívek se přenáší do statorového těla a spoj cívky se statorovým tělem je tedy velmi namáhán. Cívky jsou ve výše i níže zmíněných dokumentech vsazeny do otvoru ve statorovém těle a pevně uchyceny uchycovacími prvky, např. šroubem, jak je zveřejněno například v dokumentu EP2066005 B1aUS20130270948 A1.

U řešení z patentu EP2066005 B1 je k upevnění cívek a přenosu kroutícího momentu k tělu statoru použito velké množství šroubovaných spojů, které zvyšují hmotnost i velikost motoru a také představují výrobní komplikace. Spojovací šroub vedený skrz jádro cívky zhoršuje magnetický tok v cívce, protože materiál šroubu nedosahuje kvality speciálních materiálů určených pro použití v elektromotorech, čímž se zvyšují celkové ztráty v motoru. U dokumentu US20130270948 A1 je složité uchycení čelního prvku cívky (v dokumentu pod číslem 2) vlivem mnoha různých drobných uchycujících prvků, což výrazně komplikuje a prodražuje montáž.

Bylo by vhodné přijít s řešením pro zlepšení přenosu zatížení statoru elektromotoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje stator pro elektromotor, který zahrnuje tělo statoru a alespoň dvě cívky uspořádané kolem osy statoru. Mezi dvěma sousedními cívkami je stator opatřen alespoň jedním žebrem. Každé žebro je upevněné k tělu statoru a každá cívka je upevněná alespoň k jednomu žebru pro přenos zatížení z cívky do těla statoru.

Cívka standardně zahrnuje vinutí a jádro, na kterém je vinutí navinuto, její konstrukce je tedy standardně komplikovanější než konstrukce žebra a je i komplikovanější její uchycení k tělu statoru oproti upevnění žebra k tělu statoru. Žebro lze k tělu statoru snáze a pevněji upevnit. Díky upevnění cívky k žebru jsou zatížení, zejména krouticí moment, přenášena z cívky na žebro. Toto zatížení je pak přes upevnění žebra k tělu statoru přenášeno na tělo statoru. Tento efektivní přenos zatížení nejen zvyšuje celkovou stabilitu a pevnost konstrukce, ale také prodlužuje životnost statoru. Rovněž jednodušší konstrukce žebra a jeho upevnění mohou vést k nižším výrobním nákladům a rychlejší montáži, což je výhodné z hlediska výroby i údržby.

Osa statoru je výhodně osou otvoru pro hřídel elektromotoru a/nebo osou rotace vstupní hřídele a/nebo osou rotace rotoru.

- 1 CZ 2024 - 331 A3

Výhodně jsou cívky na těle statoru uspořádané do tvaru kruhu při pohledu v ose statoru. Výhodně jsou cívky kolem osy statoru uspořádány rovnoměrně - tzn. že mezi sousedními cívkami jsou stejné rozestupy, například při uspořádání cívek do kruhu je mezi sousedními cívkami stejný úhel od středu tohoto kruhu. To zajišťuje rovnoměrné rozložení magnetického pole v elektromotoru, a tedy i rovnoměrné rozložení zatížení, což přispívá k delší životnosti a spolehlivosti statoru a elektromotoru, který tento stator zahrnuje. Sousední cívky jsou brány jako cívky po obvodu prstence, tedy že každá cívka má dvě sousední cívky, mezi kterými jsou stejné rozestupy. Žebro je tedy umístěno mezi dvěma jednotlivými cívkami po obvodu prstence a může přenášet zatížení převážně ze dvou nejbližších cívek. Přenos zatížení tak v tomto uspořádání může být rovnoměrný po celém obvodu. Každá cívka je výhodně spojena s aspoň dvěma žebry - při uvedeném uspořádání do kruhu výhodně s jedním ve směru hodinových ručiček a s jedním žebrem proti směru hodinových ručiček.

Výhodně stator celkem zahrnuje aspoň tři žebra a tři cívky uspořádané na kružnici se středem v ose statoru tak, že mezi každými sousedními cívkami je umístěné žebro. Průřez žeber, kolmý na osu statoru, je výhodně protáhlý tak, že v radiálním směru vůči ose je tento průřez delší než ve směru kolmo k radiálnímu směru (tedy v tangenciálním směru). Výhodně je v uvedeném směru tento průřez aspoň 1,5krát, výhodněji aspoň 2krát delší.

Ve směru osy statoru má výhodně každé žebro rozměr (tj. délku) rovný aspoň dvěma třetinám rozměru (tj. délky) cívek (zejména jejich vinutí). Výhodněji je délka každého žebra taková, že prochází přes aspoň přes 75 % délky prostoru mezi cívkami, ještě výhodněji aspoň přes 90 % délky tohoto prostoru. Žebra mohou v tomto směru cívky i přesahovat. Čím větší délka žeber, tím lépe je zatížení, zvláště tepelné zatížení a zatížení od kroutícího momentu, z cívek přenášeno na stator.

Výhodně je v pohledu v ose statoru radiální rozměr každého žebra aspoň polovinou rozměru cívky (zejména vinutí cívky) v tomto směru. Prostor mezi cívkami je pak ve směru od každé cívky ke kterékoliv sousední cívce aspoň z poloviny zakrytý některým žebrem, díky čemuž jsou síly od cívek lépe přenášeny na stator.

Stator dle vynálezu může dále zahrnovat standardní součásti statorů pro elektromotory známé odborníkům v oboru, jako jsou kryty, přívody proudu k cívkám, izolace, otvor(y) pro vsazení hřídele rotoru, ložiska apod.

Výhodně je každé žebro upevněno k tělu statoru pevným spojem pro efektivní přenos zatížení na tělo statoru, např. lisováním, svařováním, lepením atd. Výhodně je část žebra zasazená do těla statoru pro pevnější upevnění žebra, tělo statoru tedy může zahrnovat neprůchozí otvor pro žebro. Alternativně tělo statoru může zahrnovat průchozí otvor pro upevnění žebra k tělu statoru. Alternativně každé žebro může být součástí těla statoru, žebra tedy mohou být z jednoho materiálu společně s tělem statoru pro účinnější přenos zatížení. Tělo statoru společně s žebry lze tak vyrobit například odléváním.

Cívka může být lepená k žebru například pomocí lepidla pro elektroniku (např. epoxidové), zalévací hmotou atd. Zlepší se tak pevnost uchycení cívek ke statoru a k žebrům i celého statoru a dále se zvýší odvod tepla z cívek ven.

Alespoň jedno žebro, výhodně každé žebro, může zahrnovat chladicí kanál pro průtok chladicí kapaliny, čímž lze zvýšit účinnost žebra v odvodu tepelného zatížení cívek. Výhodně tedy stator zahrnuje chladicí systém zahrnující chladicí kapalinu a alespoň jeden otvor v těle statoru pro přívod chladicí kapaliny do chladicího kanálu v každém žebru.

Alespoň jedno žebro, výhodně každé žebro, může být tepelně vodivé pro odvod tepla z cívky do těla statoru, např. z hliníku, keramiky, kompozitu. Součinitel tepelné vodivosti může být tedy alespoň 20 W-m^-1-K^-1, výhodně alespoň 40 W^m^-bK^-1.

- 2 CZ 2024 - 331 A3

Výhodně je žebro z nemagnetického a elektricky nevodivého materiálu pro zvýšení účinnosti motoru, např. keramiky, plastu, kompozitu se skleněnými vlákny a/nebo epoxidovou matricí, kompozitů s kevlarovými vlákny a/nebo uhlíkovými vlákny a jiné. Měrný elektrický odpor je tedy výhodně alespoň 10¹⁰ Ω·m. Výhodně je tedy žebro současně z elektricky nevodivého materiálu a z tepelně vodivého materiálu. Alternativně, pokud je žebro z elektricky vodivého materiálu, či navíc, pokud je žebro z elektricky nevodivého materiálu, může být žebro odizolováno od cívky, především od vinutí cívky, například pomocí zalévací hmoty, a/nebo pomocí povrchové úpravy žebra, kdy je na povrchu žebra nevodivá vrstva materiálu (např. pomocí ochranného spreje pro izolaci), či jinými izolačními procesy a materiály. Díky tomu mohou být žebra z elektricky vodivého materiálu, který je výhodný pro žebra z hlediska dalších vlastností, například má vysoké hodnoty tepelné vodivosti (zejména kovy), nebo například, když je žebro vyrobeno z jednoho kusu materiálu se statorem.

Žebro může mít výhodně tvar kvádru, tenké desky s obdélníkovým průřezem či lichoběžníkovým průřezem, případně i jiného tvaru, např. oválného. Jedná se o jednoduché tvary, a tedy výroba žebra a rovněž i upevnění žebra k tělu statoru jsou značně jednodušší a rychlejší než při uchycení cívky k tělu statoru pro přenos zatížení.

Cívka je výhodně upevněná k žebru pomocí zalévací hmoty pro elektroniku. Zalévací hmotou může být materiál vhodný pro interakci s elektronikou, tedy jím může být materiál, který není elektricky vodivý, ale je vodivý tepelně, zároveň může mít vysokou tepelnou odolnost, a který nezpůsobí degradaci vodivých spojů ani dalších součástí statoru a elektromotoru. Zalévací hmotou může být mj. polyuretan, epoxidová pryskyřice (výhodně epoxidová elektro-izolační pryskyřice MC62-W363), kaučuk, akrylát, silikon nebo materiál obsahující silikon (např. silikonová pryskyřice). Výhodně je cívka zalévací hmotou uchycena i k tělu statoru pro sekundární přenos tepelného zatížení i kroutícího momentu rovnou přes zalévací hmotu do těla statoru.

Alternativně je možné cívky s žebry pevně spojit svařením či šroubovými spoji mezi jádrem cívky a žebrem. Cívky s žebry mohou být spojeny také například prstencem, např. z hliníku či mědi, který je spojený šroubovým spojem nebo svarem, a/nebo mohou být cívky s žebry nasunuté do přesně vyrobených otvorů v prstenci, třeba i nalisováním s každým žebrem a každou cívkou. Prstenec může být spojen s koncem každého žebra, který je opačný konci spojenému s tělem statoru, a s druhým čelem každé cívky, které není zasazené do těla statoru. Alternativně může být výše uvedené doplněné o kompletní zalití zalévací hmotou.

Výhodně každá cívka zahrnuje vinutí a tělo statoru zahrnuje alespoň jeden otvor pro vývod vinutí. Výhodně je alespoň jeden otvor pro vývod vinutí, výhodněji každý otvor pro vývod vinutí, umístěný blíže k ose statoru než daná cívka, od které vede toto vinutí. Standardně jsou otvory pro vývod vinutí umístěné u místa, kde jsou uchycené cívky k tělu statoru, jak je známo z dosavadního stavu techniky. Umístěním otvorů pro vývod vinutí blíže k ose statoru lze zvětšit plochu pro přenos tepelného zatížení u místa těla statoru, kde jsou upevněná žebra (v dosavadním stavu techniky cívky), a tím pádem zlepšit chlazení elektromotoru.

Tělo statoru může zahrnovat alespoň jeden otvor pro usazení cívky, který slouží především pro zaaretování dané cívky pro usnadnění výroby statoru elektromotoru. Výhodně je otvor pro usazení cívky neprůchozí pro lepší mechanické vlastnosti těla statoru (větší plocha pro přenos zatížení, méně koncentrátorů napětí atd.) než u průchozího otvoru. Alespoň jedna cívka je tedy uchycená v otvoru pro usazení cívky. Výhodně může cívka zahrnovat výstupek pro uchycení v otvoru pro usazení cívky. Výhodně jsou na těle statoru otvory pro usazení cívky poskytnuty pro všechny cívky.

Alternativně tělo statoru může zahrnovat průchozí otvor(y) pro usazení cívky.

Výhodně všechna žebra a všechny cívky jsou spojeny, výhodně zalévací hmotou, pro poskytnutí větší opory cívkám a lepší přenos zatížení. Výhodně je každá cívka přímo spojená s dvěma

- 3 CZ 2024 - 331 A3 sousedními žebry. Při uspořádání žeber a cívek do tvaru kružnice, kdy jsou cívky a žebra spojeny zalévací hmotou, má tento útvar tvar prstence.

Každá cívka má výhodně svou délku a šířku, přičemž délka je ve směru osy statoru. Šířka je výhodně kolmá na délku a radiální směr, který protíná střed daného žebra nebo cívky. Délka cívky je výhodně větší než šířka cívky, např. alespoň 1,5x. Výhodně každé žebro má svou délku a šířku, přičemž délka je ve směru osy statoru. Délka žebra je výhodně větší než šířka cívky, např. alespoň 2x.

Výhodně je každá cívka segmentová neboli samonosná. Stator tedy zahrnuje alespoň dvě, výhodněji alespoň 10 cívek, které představují jednotlivé segmenty s vinutím, kde každá cívka má své jádro a vinutí. Pokud je tedy každá cívka segmentová, nemá výhodně sériově spojené vinutí s vinutím další cívky. Každá z cívek je propojená s tělem statoru pro přenos zatížení, zvláště kroutícího momentu, například pomocí spojení s žebrem, které je upevněno k tělu statoru, pomocí zalévací hmoty atd. Stator tedy výhodně nezahrnuje jho. Alternativně můžou být cívky vodivě propojeny pomocí prstence pro spojení cívek.

Výhodně stator zahrnuje prstenec pro spojení alespoň dvou cívek, výhodněji je každá cívka statoru uchycená k prstenci. Prstenec je uchycen, výhodně odnímatelně, k volnému konci alespoň dvou cívek. Volný konec může být výhodně konec opačný konci cívky, který je umístěný u těla statoru, ve směru osy statoru. Prstenec tak pomáhá zpevnit tyto cívky, a tedy i celý stator je odolnější proti negativním účinkům zatížení. Rovněž při sestavování statoru prstenec pomáhá se správným umístěním cívek. Výhodně prstenec může zahrnovat alespoň jeden otvor (průchozí, neprůchozí) či výřez pro uchycení cívky k prstenci. Prstenec pro uchycení cívek lze použít jako dodatečná podpora pro cívky ve statoru, kde jsou například cívky společně s žebry spojeny zalévací hmotou. Velmi výhodně použít u statoru, kde cívky s žebry nejsou zality zalévací hmotou, ale jsou spojeny jiným způsobem (např. šroubovým spojem). Výhodně střed prstence leží na ose statoru.

Prstenec může zahrnovat alespoň jedno chladicí žebro, které pomáhá s odvodem tepla z cívek do dalších částí statoru (např. žeber, těla statoru), výhodněji směrem do těla rotoru skrze vzduchovou mezeru. Toto uspořádání je výhodné zvláště pro elektromotor, kde tělo rotoru není plně uzavřeno, ale obsahuje otvory, kterými může proudit vzduch skrze rotor na stator. Chladicí žebro může být z tepelně vodivého materiálu a být upevněno k prstenci ve směru osy statoru obdobně jako žebro. Alternativně můžou být chladicí žebra odlitá společně s celým prstencem, či mohou vzniknout ohýbáním plechu prstence od ostatních částí prstence.

Prstenec může zahrnovat alespoň jeden otvor prstence pro žebro, výhodněji pro každé žebro upevněné k tělu statoru. Otvor prstence pro žebro může být průchozí pro průchod žebra prstencem nebo neprůchozí pro zasazení žebra do prstence. V tomto otvoru prstence pro žebro může být žebro uchyceno k prstenci, případně může prstencem pouze procházet. Díky tomu tak lze prstenec uchytit k volným koncům cívek, i když jsou cívky ve směru osy statoru kratší než žebra.

Prstenec pro spojení cívek může být z elektricky vodivého materiálu, např. obdobně jako žebra, vinutí cívek atd. Elektrická vodivost prstence může být výhodně alespoň 10·106 Sun^-1, výhodněji alespoň 30·106 S^m^-1. Prstenec tak může vodivě propojovat jednotlivé cívky statoru, což může být výhodné např. při propojení fází do hvězdy. Výhodně je prstenec z neferomagnetického materiálu, např. z mědi.

Prstenec může být z tepelně vodivého materiálu, např. obdobně jako žebra, pro co nejlepší odvod tepla z cívek.

Prstenec může být vyrobený odléváním, obráběním, ohýbáním z výpalku, vysekáváním a lisováním atd.

- 4 CZ 2024 - 331 A3

Prstenec může zahrnovat alespoň jeden otvor prstence pro vývod vinutí cívky, výhodněji zahrnuje alespoň jeden otvor prstence pro vývod vinutí každé cívky. Otvor prstence pro vývod vinutí může být průchozím otvorem, výřezem atd. Tento otvor slouží pro umožnění vývodu vinutí cívek za prstenec směrem od těla statoru ve směru osy statoru, tedy například pokud není výhodné vést vinutí u těla statoru (např. při zapojení fází do hvězdy). Konce vinutí cívek můžou být k prstenci uchyceny například pájením, odporovým svařováním, ultrazvukovým svařováním, šroubovým spojem, lisováním atd. Výhodně je v případě, kdy jsou k prstenci uchycena vinutí cívek, je prstenec z elektricky vodivého materiálu. Uchycením vinutí cívek k prstenci se tak vytvoří vodivé spojení mezi cívkou a prstencem a prstenec tak může všechny připojené cívky vodivě propojit. Prstenec může zahrnovat držák pro sevření vinutí cívky, který v sobě konce vinutí sevře a výhodně tak vytvoří vodivé spojení.

Prstenec může elektricky vodivě propojovat alespoň dvě cívky, výhodněji propojuje vodivě každou cívku. Výhodně jsou cívky s prstencem propojeny spojením vinutí cívek s prstencem. To je výhodné zejména při zapojení jednotlivých fází elektromotoru do hvězdy, jelikož na statorovém čele nemusí být dostatek místa, nemusí být dostatečný prostor pro technika pro zapojení vinutí atd.

Prstenec může zahrnovat úchyt pro přídavná zařízení, např. úchyt pro uchycení různých snímačů, hallových sond apod. Úchyt může být i plocha, na kterou se přídavné zařízení uchytí např. lepením.

Výhodně tělo statoru zahrnuje statorové čelo, které má kruhový tvar. Středem statorového čela prochází osa statoru, která je kolmá na statorové čelo. Výhodně je každé žebro zasazené do těla statoru ze statorového čela. Výhodně jsou zde cívky a žebra uspořádané do kruhového tvaru, který má střed totožný se středem statorového čela a jeho poloměr je menší než poloměr statorového čela. Výhodně jsou cívky a žebra umístěné tak, že jejich délky jsou kolmé na statorové čelo. Žebra jsou tedy upevněná k tělu statoru ze statorového čela svým kratším rozměrem.

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje elektromotor, který zahrnuje rotor a stator. Stator zahrnuje statorové čelo, které má kruhový tvar, přičemž středem statorového čela prochází osa statoru, která je kolmá na statorové čelo, jak je popsáno výše. Rotor zahrnuje rotorové čelo a prstenec magnetů vystupujících z rotorového čela směrem ke statorovému čelu. Rotor je rotačně spojený se statorem, např. pomocí hřídele. Osa rotoru je výhodně totožná s osou statoru. Každá cívka je umístěná radiálně od prstence magnetů, jinými slovy ve směru od osy rotoru a osy statoru je v radiálním směru směrem k okraji statorového čela a rotorového čela každá cívka umístěná blíž než daný prstenec magnetů. Daný prstenec magnetů tedy může mít vnitřní i vnější poloměr větší, než jsou poloměry vnitřní i vnější kružnice prstence s cívkami a žebry. Alternativně může být každá cívka umístěná dál než daný prstenec magnetů. Daný prstenec magnetů tedy může mít vnitřní i vnější poloměr menší, než jsou poloměry vnitřní i vnější kružnice prstence s cívkami a žebry.

Výhodně má rotorové čelo kruhový tvar.

Výhodně rotor zahrnuje druhý prstenec magnetů, který je odsazený od prvního prstence magnetů v radiálním směru. Radiální směr je směr od středu rotoru (tedy i osy rotoru) ke kruhovému okraji rotorového čela. Každá cívka statoru je umístěná mezi prvním prstencem magnetů a druhým prstencem magnetů. Jedná se tedy o elektromotor s duálním rotorem, kdy jeden prstenec magnetů rotuje kolem cívek a žeber z vnitřní strany prstence cívek a žeber a druhý prstenec magnetů rotuje kolem cívek a žeber z vnější strany prstence cívek a žeber. Každá cívka je výhodně umístěná mezi statorovým čelem a rotorovým čelem.

Ve standardních elektromotorech s duálním rotorem, jaké jsou v dosavadním stavu techniky, jsou standardně cívky uchyceny pouze za svůj jeden konec ve směru délky, díky čemu jsou cívky, obzvláště jejich spoj s tělem statoru, značně namáhané. Díky upevnění cívek k žebrům, a i zalití zalévací hmotou, je tento elektromotor efektivnější, lépe odvádí teplo a má delší životnost než standardní elektromotor s duálním rotorem z dosavadního stavu techniky.

- 5 CZ 2024 - 331 A3

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je přední pohled na stator elektromotoru ve směru osy statoru s cívkami a žebry zalitými zalévací hmotou, na obr. 2 je výřez A-A statoru znázorňující zasazené žebro do těla statoru, na obr. 3 je výřez elektromotoru s duálním rotorem znázorňující zasazené žebro do těla statoru a uspořádání, na obr. 4 je řez B-B vertikální rovinou elektromotorem, na obr. 5 je detail zasazení čela cívky do těla statoru, na obr. 6 je detail uspořádání cívky a žebra v elektromotoru při pohledu ve směru osy statoru, na obr. 7 je izometrický pohled na stator elektromotoru zahrnující prstenec pro spojení cívek, na obr. 8 je výřez statoru zahrnující prstenec pro spojení cívek, a na obr. 9 je výřez prstence pro spojení cívek.

Příklady uskutečnění vynálezu

Stator elektromotoru bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. První příkladné provedení statoru je vyobrazené na obr. 1 a obr. 2.

Stator elektromotoru dle prvního příkladného provedení zahrnuje tělo 1 statoru, cívky 2 a žebra 4. Na obr. 2 je zaznačen směr D délky a směr Š šířky cívky 2 i žebra 4. Tyto směry jsou v prvním příkladném provedení pro cívku 2 i žebro 4 totožné. Směr D délky cívky 2 je definovaný směrem osy 3 statoru. V prvním příkladném provedení je v tomto směru nejdelší rozměr cívky 2. Obdobně je definovaný i směr D délky žebra 4.

Cívka 2 v prvním příkladném provedení zahrnuje jádro 12, vinutí 13 a dvě čela 14 cívky 2. Jedná se o standardní cívku 2, která slouží jako elektromagnet v elektromotorech. Vinutí 13 z vodivého materiálu je navinuté na feromagnetickém jádru 12. Vinutí 13 zahrnuje dva konce pro vývod vinutí 13 ze statoru ke zdroji elektrické energie elektromotoru. K jádru 12 jsou na protilehlých stranách ve směru D délky cívky 2 uchycena čela 14 cívky 2. Tato čela 14 cívky 2 zahrnují tři ramena, která jsou spojená do tvaru písmene U. Rovnoběžná ramena tohoto tvaru jsou od sebe odsazená ve směru Š šířky cívky 2. Směr Š šířky cívky 2 je kolmý na směr D délky, je tečný ke kružnici procházející středy cívek 2 a žeber 4, jak lze vidět na obr. 6, a směřuje proti směru hodinových ručiček. Na druhém rameni, které spojuje dvě rovnoběžná ramena, je navinuté vinutí 13, tedy vinutí 13 obklopuje jádro 12 a prostřední ramena obou čel 14 cívek 2.

U jednoho čela 14 na každé cívce 2 jsou dvě rovnoběžná ramena, která zahrnují výběžky pro zasazení do otvoru 7 pro usazení cívky 2 v těle 1 statoru, jak lze vidět na obr. 5. Tyto výběžky mají malé rozměry oproti rozměrům čela 14 cívky 2, jelikož jsou pouze pro správné umístění cívky 2 při sestavování statoru, nikoliv k upevnění cívky 2 ke statoru pro přenos zatížení. Čela 14 každé cívky 2 jsou v prvním příkladném provedení z elektricky nevodivého materiálu pro zabránění přenosu elektrického proudu na tělo 1 statoru z cívek 2 při uchycení cívek 2 k tělu 1 statoru.

- 6 CZ 2024 - 331 A3

Cívka 2 je uchycená k tělu 1 statoru ve směru D délky pouze svým jedním koncem, druhý konec cívky 2 ve směru D délky je volný.

Žebro 4 je v prvním příkladném provedení keramická deska s obdélníkovým průřezem, jak lze vidět na obr. 1 a obr. 2. Díky tomuto materiálu je žebro 4 elektricky nevodivé, mechanicky velmi pevné a zároveň dostatečně tepelně vodivé pro odvod tepla z cívek 2 při práci elektromotoru.

Tělo 1 statoru je deska s kruhovým tvarem, jak lze vidět na obr. 1, a zahrnuje statorové čelo 11. Statorové čelo 11 je kruhová plocha, která je v kontaktu se žebry 4. Tělo 1 statoru dále zahrnuje střed, který je tedy středem kruhové desky, a osu 3 statoru, která prochází středem těla 1 statoru a je kolmá na statorové čelo 11. Tělo 1 statoru zahrnuje neprůchozí otvory 7 pro usazení cívky 2, které slouží především pro usazení cívky 2 na požadované místo na statorovém čele 11 při výrobě statoru (např. před zalitím zalévací hmotou 5). Otvory 7 pro usazení cívky 2 jsou komplementární k výběžkům na čele 14 cívky 2. Díky jejich malým rozměrům a díky tomu, že jsou otvory 7 pro usazení cívky 2 neprůchozí, je tak tělo 1 statoru pevnější, odolnější proti poškození v okolí otvorů 7 pro usazení cívky 2 a lépe přenáší zatížení. Tělo 1 statoru zahrnuje otvor pro hřídel, jehož střed leží na ose 3 statoru.

Tělo 1 statoru dále zahrnuje v prvním příkladném provedení průchozí otvory pro žebra 4, jak lze vidět na obr. 2, ve kterých jsou zasazená a upevněná žebra 4. V prvním příkladném provedení jsou žebra 4 v otvorech pro žebra 4 upevněná tak, že je každé žebro 4 nalisované do požadovaného otvoru pro žebro 4 pro co nejlepší přenos zatížení z žebra 4 na tělo 1 statoru. Tyto otvory pro žebra 4 jsou rozmístěny do kružnice se středem v ose 3 statoru rovnoměrně, aby mezi jednotlivými otvory pro žebra 4 byl stejný rozestup, pro rovnoměrné zatížení statoru. Otvory pro žebra 4 mají komplementární tvar k obdélníkovému tvaru průřezu žebra 4. Žebra 4 jsou tedy rozmístěná rovnoměrně symetricky vzhledem k ose 3 statoru, jak lze vidět na obr. 1.

Mezi sousedními žebry 4 po obvodu kružnice, podle které jsou tato žebra 4 rozmístěná a na které leží středy průřezů žebra 4 v rovině statorového čela 11, jsou umístěny cívky 2. Tyto cívky 2 jsou umístěny obdobně jako žebra 4 - středy průřezů v rovině statorového čela 11 leží na stejné kružnici jako žebra 4, cívky 2 mají mezi svými dvěma sousedními cívkami 2 po obvodu výše zmíněné kružnice stejné rozestupy atd. Cívky 2 jsou zároveň mezi žebry 4 umístěné tak, aby vzdálenost ke dvěma sousedním žebrům 4 byla stejná, jak lze vidět na obr. 1, pro rovnoměrný přenos zatížení.

Všechny cívky 2 a žebra 4 jsou v prvním příkladném provedení společně zality zalévací hmotou 5. Zalévací hmota 5 je v prvním příkladném provedení pryskyřice. Při výrobě statoru dle prvního příkladného provedení jsou tedy nejprve žebra 4 upevněna k tělu 1 statoru, cívky 2 jsou uchyceny k tělu 1 statoru a poté jsou společně zality zalévací hmotou 5, která se následně vytvrdí. Společně tak cívky 2, žebra 4 a zalévací hmota 5 mají tvar prstence. Zalévací hmota 5 umožňuje přenos zatížení, především momentového a tepelného, z cívek 2 na žebra 4 a následně na tělo 1 statoru. Část tepla je díky zalití společně se statorovým čelem 11 přenášena přímo na tělo 1 statoru. Dále zalévací hmota 5 zpevňuje cívky 2 a žebra 4, čímž je stator odolnější proti poškození, chrání proti prachu a vlhkosti, zlepšuje elektroinstalační vlastnosti a zvyšuje celý výkon elektromotoru zahrnujícího tento stator.

Tělo 1 statoru zahrnuje otvory 6 pro vývod vinutí 13, které jsou v prvním příkladném provedení umístěny blíže k ose 3 statoru než cívky 2, jak lze vidět na obr. 1. Otvory 6 pro vývod vinutí 13 jsou obdobně jako cívky 2 a žebra 4 uspořádány do kružnice, která prochází středy otvorů 6 pro vývod vinutí 13, se stejným středem - střed statorového čela 11. Tato kružnice má tedy menší poloměr, než má kružnice, která prochází cívkami 2 a žebry 4. Díky tomu, že tyto otvory 6 pro vývod vinutí 13 jsou umístěny blíže ose 3 statoru než standardně, tzn. než v místě uchycení cívek 2 k tělu 1 statoru, je efektivněji odváděno zatížení, převážně tepelné zatížení, z míst s velkým zatížení (tedy u upevnění žeber 4). Díky tomu, že v těchto místech s velkým zatížením je méně průchozích otvorů, může mít stator delší životnost. V prvním příkladném provedení jsou ke každé cívce 2 dva otvory 6 pro vývod vinutí 13, jak lze vidět na obr. 1. Jedním otvorem 6 pro vývod

- 7 CZ 2024 - 331 A3 vinutí 13 tedy prochází jeden konec vinutí 13 a druhým otvorem 6 pro vývod vinutí 13 prochází druhý konec vinutí 13 dané cívky 2 (není znázorněno na výkresech).

Druhým příkladným provedení je elektromotor, který zahrnuje stator z prvního příkladného provedení, rotor a hřídel. Druhé příkladné provedení je znázorněno na obr. 3 až obr. 6. Na obr. 4 je vertikální řez elektromotorem, přičemž tento řez je pro lepší názornost znázorněný na obr. 1, i když rotor není na obr. 1 znázorněn. Rotor zahrnuje tělo rotoru a rotorové čelo 8, které mají obdobnou konstrukci jako statorové čelo 11 a tělo 1 statoru - rotorové čelo 8 má kruhový tvar, jehož středem prochází osa rotoru kolmá na rotorové čelo 8, a tělo rotoru má tvar desky s kruhovým průřezem. Osa rotoru (rovněž osa rotace rotoru) a osa hřídele jsou zde totožné s osou 3 statoru. Tělo rotoru zahrnuje otvor pro hřídel a v něm náboj, ve kterém je uchycená hřídel pro přenos rotačního pohybu z rotoru, jak lze vidět na obr. 4. Střed otvoru leží na ose rotoru. Rotor je tak spojen se statorem pomocí hřídele.

Rotor ve druhém příkladném provedení zahrnuje první prstenec 9 magnetů a druhý prstenec 10 magnetů, které vystupují z rotorového čela 8 směrem ke statorovému čelu 11, jak lze vidět na obr. 3. Oba prstence zahrnují magnety standardně používané v elektromotorech a držák magnetů. Držák magnetů je deska ve tvaru kružnice a na jednom svém konci je v kontaktu s rotorovým čelem 8 a ke druhému konci, který je volný a umístěný blíže ke statorovému čelu 11, jsou uchyceny magnety, jak lze vidět na obr. 3. Dále oba kruhové prstence mají společný střed, který leží na ose rotoru. První prstenec 9 magnetů má větší poloměr než druhý prstenec 10 magnetů a zároveň i vnitřní poloměr (nejvíce vzdálený rozměr od osy rotoru v radiálním směru), než je největší poloměr prstence cívek 2 a žeber 4, tak, aby první prstenec 9 magnetů mohl rotovat kolem prstence cívek 2 a žeber 4. Druhý prstenec 10 magnetů má svůj vnější poloměr (nejvíce vzdálený od osy rotoru, v radiálním směru) menší, než je nejmenší poloměr prstence cívek 2 a žeber 4, tak, aby druhý prstenec 10 magnetů mohl rotovat kolem prstence cívek 2 a žeber 4 na opačné straně než první prstenec 9 magnetů. První prstenec 9 magnetů a druhý prstenec 10 magnetů tak prstenec cívek 2 a žeber 4 v radiálním směru na většině své délky (ve směru D délky) obklopují, jak lze vidět na obr. 3, obr. 4 a obr. 6.

Jak lze vidět na obr. 4, jedno čelo 14 cívky 2 je tedy uchycené ke statorovému čelu 11 a druhé čelo 14 cívky 2 je volné v prostoru mezi rotorem a statorem. I přesto, že cívky 2 jsou uchyceny pouze za jeden svůj konec a svým největším rozměrem vystupují z těla 1 statoru, je díky upevnění cívek 2 k žebrům 4 a zalití zalévací hmotou 5 elektromotor pevnější s lepším odvodem tepla a má delší životnost než standardní elektromotory s duálním rotorem z dosavadního stavu techniky.

Třetím příkladným provedením je stator elektromotoru, který zahrnuje prstenec 15 pro spojení cívek 2. Třetí příkladné provedení vychází z prvního příkladného provedení, nicméně tělo 1 statoru ve třetím příkladném provedení nezahrnuje otvory 6 pro vývod vinutí 13. Ostatní znaky statoru jsou stejné jako v prvním příkladném provedení. Třetí příkladném provedení je znázorněno na obr. 7 až 9. Prstenec 15 dle třetího příkladného provedení, které lze vidět na obr. 9, zahrnuje otvory 17 prstence 15 pro každé žebro 4, chladicí žebra 16, otvory 18 prstence 15 pro vývod vinutí 13 každé cívky 2 a otvory pro výstupky čel 14 cívek 2 pro uchycení cívek 2 k prstenci 15. Prstenec 15 ve třetím příkladném provedení je měděný plech, který zahrnuje otvory, výřezy a ohnuté části plechu, kterými jsou chladicí žebra 16 a výstupky prstence 15 pro konce vinutí 13.

Otvory 17 prstence 15 pro žebra 4, jak lze vidět na obr. 8 a obr. 9, mají větší rozměry v průřezu ve směru osy 3 statoru, než je průřez žebra 4, pro snazší nasazení prstence 15 na žebra 4 a pro zalití žeber 4 a cívek 2 zalévací hmotou 5.

Chladicí žebra 16 jsou ve třetím příkladném provedení vytvořena ohnutím části plechu prstence 15, jsou tedy ze stejného materiálu jako další části prstence 15. Tato chladicí žebra 16 pomáhají s odvodem tepla z cívek 2 přes žebra 4 do těla 1 statoru, při použití statoru dle třetího příkladného provedení v elektromotoru je převážná část tepla odvedena vzduchovou mezerou do těla rotoru. Nejvíce se tedy ve třetím příkladném provedení podílí na odvodu tepla z cívek 2 zalévací hmota 5

- 8 CZ 2024 - 331 A3 (která není vyobrazená na výkresech třetího příkladného provedení), prstenec 15 (obzvláště chladicí žebra 16) a žebra 4. Chladicí žebra 16 směřují stejně jako žebra 4 upevněná k tělu 1 statoru směrem od statorového čela 11 k rotorovému čelu 8.

Otvory prstence 15 pro výstupky čel 14 cívek 2 jsou ve třetím příkladném provedení, jak lze vidět na obr. 8 a obr. 9, výřezy. Pro každou cívku 2 je jeden otvor prstence 15 pro výstupky čel 14 cívek 2 umístěn u vnějšího obvodu prstence 15 a jeden u vnitřního obvodu prstence 15 pro stabilnější uchycení cívky 2. Rovněž tím, že se jedná o výřezy, je prstenec 15 snáze uchytitelný k cívkám 2. Prstenec 15 nasazený na cívky 2 a žebra 4 lze vidět na obr. 7.

Prstenec 15 dále zahrnuje výstupky s plochou pro uchycení konce vinutí 13 cívky 2 k prstenci 15 u otvoru 18 prstence 15 pro vývod vinutí 13. Vinutí 13 cívky 2 se tedy prochází otvorem 18 prstence 15 pro vývod vinutí 13. Vinutí 13 je uchycené pájením k ploše výstupku prstence 15 pro tyto konce vinutí 13. Všechny cívky 2 jsou tak ve třetím příkladném provedení elektricky vodivě propojeny. Otvory 18 prstence 15 pro vývod vinutí 13 jsou ve třetím příkladném provedení spojené s výřezy pro výstupky čel 14 cívek 2, jak lze vidět na obr. 8 a obr. 9.

Alternativní provedení:

Alternativy týkající se jednotlivých znaků či součástí vynálezu, které jsou stručně uváděné níže, mohou být dle uvážení odborníka v oboru využity samostatně ale mohou být i vzájemně kombinovány. Není-li pro určité alternativní provedení uvedeno jinak, jsou ostatní znaky tohoto provedení realizovány jako ve kterémkoliv z výše popsaných provedení, která jsou zobrazena na výkresech.

Každé žebro 4 alternativně zahrnuje chladicí kanál, ve kterém při provozu elektromotoru proudí chladicí kapalina. Tělo 1 statoru tedy zahrnuje u každého žebra 4 dva otvory pro chladicí kapalinu. Jeden otvor pro chladicí kapalinu slouží pro přítok chladicí kapaliny do žebra 4 a druhý pro odtok. Dodatečný odvod tepla pomocí chladicích kanálů a chladicí kapaliny zvyšuje odvod tepla z cívek 2. Alternativně žebro 4 obsahuje jen jeden chladící kanálek s tím, že kapalina žebrem necirkuluje, ale kanálek je kapalinou zaplněný.

Alternativně stator zahrnuje jeden otvor 6 pro vývod vinutí 13 v těle 1 statoru, který slouží pro vývod napájecího kabelu řídicí elektroniky. Řídicí elektronika je umístěná v prostoru mezi statorem a rotorem. K řídicí elektronice jsou připojena vinutí 13 všech cívek 2.

Alternativně uvnitř statoru jsou jednotlivé dráty (vinutí 13) cívek 2 pospojovány tak, že se spojí do jednotlivých fázi, a ze statoru už vedou jen fázové vodiče.

Alternativně tělo 1 statoru zahrnuje výstupky pro uchycení cívek 2 a každá cívka 2 zahrnuje otvory pro nasazení na tělo 1 statoru.

Alternativně je každé žebro 4 nalepené k tělu 1 statoru ze statorového čela 11.

Alternativně je vinutí 13 uchycené svařením k ploše výstupku prstence 15 pro tyto konce vinutí 13.

Alternativně je stator dle třetího příkladného provedení součástí elektromotoru, přičemž rotor vychází ze druhého příkladného provedení. Tělo rotoru zahrnuje otvory pro průtok vzduchu k chladicím žebrům 16 prstence 15, díky čemuž je odvod tepla z cívek 2 účinnější.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít v různých elektromotorech, zejména s duálním rotorem, s dvoufázovou či více fázovou konstrukcí.

Claims (15)

1. Stator pro elektromotor, zahrnující tělo (1) statoru a alespoň dvě cívky (2) uspořádané kolem osy (3) statoru, vyznačující se tím, že mezi každými dvěma sousedními cívkami (2) je stator opatřen alespoň jedním žebrem (4), přičemž každé žebro (4) je upevněné k tělu (1) statoru, a každá cívka (2) je upevněná alespoň k jednomu žebru (4) pro přenos zatížení z cívky (2) do těla (1) statoru.

2. Stator pro elektromotor podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedno žebro (4) zahrnuje chladicí kanál.

3. Stator pro elektromotor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň jedno žebro (4) je z tepelně vodivého materiálu pro odvod tepla z cívky (2) do těla (1) statoru se součinitelem tepelné vodivosti větším nebo rovným 20 W^m^-bK^-1.

4. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že každá cívka (2) je upevněná k alespoň jednomu žebru (4) zalévací hmotou (5) pro elektroniku.

5. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že každá cívka (2) zahrnuje vinutí, přičemž tělo (1) statoru zahrnuje alespoň jeden otvor (6) pro vývod vinutí, přičemž otvor (6) pro vývod vinutí je umístěný blíže k ose (3) statoru než daná cívka (2).

6. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že tělo (1) statoru zahrnuje alespoň jeden otvor (7) pro usazení cívky (2), přičemž otvor (7) pro usazení cívky (2) je neprůchozí, přičemž alespoň jedna cívka (2) je uchycená v otvoru (7) pro usazení cívky.

7. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že všechna žebra (4) a všechny cívky (2) jsou k sobě upevněné.

8. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že každá cívka (2) je segmentová.

9. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že zahrnuje prstenec (15) pro spojení alespoň dvou cívek (2), přičemž prstenec (15) je uchycen k volnému konci alespoň dvou cívek (2).

10. Stator pro elektromotor podle nároku 9, vyznačující se tím, že prstenec (15) zahrnuje alespoň jedno chladicí žebro (16) pro odvod tepla z cívek (2).

11. Stator pro elektromotor podle nároku 9 nebo 10, vyznačující se tím, že prstenec (15) zahrnuje alespoň jeden otvor (17) prstence (15) pro žebro (4).

12. Stator pro elektromotor podle nároku 9 nebo 11, vyznačující se tím, že alespoň dvě cívky (2) jsou prstencem (15) elektricky vodivě propojené.

13. Stator pro elektromotor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12, vyznačující se tím, že tělo (1) statoru zahrnuje statorové čelo (11), které má kruhový tvar, přičemž středem statorového čela (11) prochází osa (3) statoru, která je kolmá na statorové čelo (11), přičemž každé žebro (4) je zasazené do těla (1) statoru ze statorového čela (11).

14. Elektromotor, zahrnující alespoň jeden rotor, vyznačující se tím, že zahrnuje stator dle nároku 13, přičemž rotor je rotačně spojený se statorem, přičemž rotor zahrnuje rotorové čelo (8) a prstenec magnetů vystupujících z rotorového čela (8) směrem k statorovému čelu (11), přičemž každá cívka (2) je umístěna radiálně od prstence magnetů.

- 10 CZ 2024 - 331 A3

15. Elektromotor podle nároku 14, vyznačující se tím, že rotor zahrnuje druhý prstenec (10) magnetů, přičemž každá cívka (2) statoru je umístěná mezi prvním prstencem (9) magnetů a druhým prstencem (10) magnetů.