CZ301096B6

CZ301096B6 - Elektrický rotacní stroj

Info

Publication number: CZ301096B6
Application number: CZ20040758A
Authority: CZ
Inventors: Konfršt@Václav
Original assignee: Konfršt@Václav
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2009-11-04
Also published as: AU2004233521A1; US7242122B2; US20070085430A1; AU2004233521B2; US20050285455A1; CZ2004758A3; EP1612919A2; EP1612919A3; CA2494466A1

Abstract

Pomalobežný diskový elektromotor obsahuje permanentní magnety (2) umístené na rotoru sestávajícím z nosice (1), upevnovacího kroužku (7) a z rotorových disku (10). Na statoru jsou umísteny statorové cívky (4). Stator sestává ze segmentu (3), paprsku (8), a ze statorového disku (11). Permanentní magnety (2) jsou umísteny na vnitrní strane válcového povrchu cásti rotoru tvoreného nosicem (1) a cívky (4) jsou na segmentech (3) z magneticky mekkého materiálu s malým radiusem koncentrickým k nosici (1), které soucasne tvorí jádro cívek, prostorove usporádané tak, že rotor bez trení muže obíhat kolem statoru. Jednotlivé segmenty (3) musí splnovat ve vztahu s urceným poctem a usporádáním permanentních magnetu (2) na pocet a usporádání cívek (4), které tvorí póly (15) elektromotoru, následující podmínky: a) pocet permanentních magnetu (2) rotoru je stanovený z podmínek celocíselného delení s poctem R.sub.s.n. segmentu (3), b) pocet permanentních magnetu (2) delený poctem R.sub.s.n. segmentu (3) tvorí celocíselne nedelitelné císlo a také pocet permanentních magnetu (2) delený poctem R.sub.s.n.+1, nebo R.sub.s.n.-1 segmentu (3) není celocíselne delitelný, c) pocet permanentních magnetu (2) delený poctem R.sub.s.n.+2 segmentu (3) práve tak jako poctem R.sub.s.n.-2 segmentu (3) je celocíselne delitelný, d) pocet cívek (4) každého segmentu (3) je presne dvojnásobek poctu fází elektromotoru, nebo libovolný násobek dvojnásobku poctu fází elektromotoru, e) každá motorová fáze je zastoupena na segmentu (3) stejným poctem cívek (4), f) poloha cívek (4) splnuje následující vztahy pro úhel, v jakém jsou na segmentu (3) umísteny: úhel umístení cívky i-té fáz

Description

Oblast techniky

Vynález se týká lehkého pomaloběžného vícepólového diskového elektromotoru určeného zejména pro pohon skládacích vozíků pro tělesně postižené.

io Dosavadní stav techniky

Používané pomaloběžné pohonné jednotky na elektrický pohon, jejichž kroutící moment na výstupním hřídeli při jmenovitých otáčkách v rozsahu jednotek za vteřinu je řádově lOONm, byly klasicky konstruovány na bázi standardního rychloběžného elektropohonu s převodovkou a byly nejporuchovější Částí vozíku.

Specifika provozu elektrického invalidního vozíku vyžadují bezpřevodovkový, bezkontaktní a po celou dobu životnosti bezúdržbový elektromotor.

Vylehčením klasického synchronního motoru s permanentními magnety a osazením cívek do hřebene zubových hlav podle patentu CZ 1480-97 A3, přihlašovatel WAVRE Nicolas Neuchatel, CH, kde zuby na kterých jsou navlečeny cívky s osou do středu motoru a které jsou spojeny jhem nelze dosáhnout potřebných váhových a výkonových parametrů.

Pro účely lehkého motoru o velkém průměru nelze ani využít patentu CZ 279 581 B6, přihlašovatel Ústav termotechniky AVČR, Praha, CZ, který řeší stroj o průměru větším, než jeden metr principem dvou rotorů stroje, jeden s magnety a druhý s dvojicemi pólových nástavců, na kterých jsou navlečeny cívky. Je zřejmé, že toto uspořádání lze využít pouze jako zdroj, nikoliv jako pohon z důvodu nekompenzovaného flip-flop efektu a tím vzniku vibrací.

Na základě patentu CZ 291897 B6 z roku 2001 jsou klasické motory s převodovkou nahrazovány bezpřevodovkovými motory na bázi FeNdB magnetů umístěnými na rotoru a cívkami statoru navinutými na kontinuálním kruhovém prstenci z magneticky měkkého materiálu, např. feritu, kde záběrový moment lze zvyšovat zvýšením poloměru umístění funkčních prvků elektromotoru.

Toto konstrukční řešení má svoji technologickou mez vyrobitelnosti do průměru 300 mm. Technologická omezení výroby prstence z magneticky měkkého materiálu nedovoluje toto řešení použít pro výrobu motorů lehké konstrukce bez převodové skříně, jejichž průměr přesahuje 500 mm, o šířce několika cm se záběrovým momentem v řádově 100 Nm, s poměrem průměru motoru a tloušťky motoru větším, než 15.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry pomaloběžný diskový elektromotor s permanentními magnety umístěnými na rotoru a s cívkami umístěnými na statoru. Cívky statoru, které tvoří póly motoru, jsou umístěny na velkém průměru na segmentech tvaru kruhové výseče z magneticky měkkého materiálu, které jsou jednoduše a levně vyrobitelné. Diskrétní magneticky vodivé prvky v motoru s permanentními magnety o vysoké remanenci, pokud by nesplňovaly koinci50 denční vztahy prostorového rozměrového uspořádání, které je předmětem tohoto vynálezu, vytvářejí flip-flop efekty, tzn. přeskoky magnetů podle prostorové hustoty magnetického toku vytvořeného tvarem permanentních magnetů rotoru a geometrickým uspořádáním magneticky vodivých segmentů společně s výslednicí součtu intenzity magnetického pole cívek na pólech segmentů v každé poloze rotoru vůči statoru.

iCZ 301096 B6

Podstata vynálezu spočívá v komplexním konstrukčním uspořádání aktivních částí motoru, tzn.

permanentních magnetů rotoru, segmentů z magneticky vodivého materiálu statoru a rozměru a umístění cívek statoru, které tvoří póly motoru a zajišťuje, že jsou silově a magneticky vůči permanentním magnetům neutrální, tzn. nevytvářejí vibrace. Aby byl zajištěn plynulý chod motoru a eliminován vznik vibrací, musí rozměry segmentů - výsečí prstence, v koincidenci s rozměrovým uspořádáním permanentních magnetů rotoru společně s rozměrovým uspořádáním cívek statoru splňovat současně všechny následující zákonitosti geometrického prostorového uspořádání:

1) Počet permanentních magnetů rotoru musí být sudé číslo, io

2) Vnější válcová plocha segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu má stejnou vzdálenost od povrchu každého permanentního magnetu v každé poloze rotoru vůči statoru. Póly elektromotoru tvoří cívky statoru ve vzduchové mezeře.

3) Počet permanentních magnetů rotoru dělený počtem R_s segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu musí tvořit celočíselně nedělitelné číslo, a dále počet permanentních magnetů dělený počtem R_s Τ 1 nebo Rg - 1 segmentů musí tvořit celočíselně nedělitelné číslo, a zároveň počet permanentních magnetů dělený počtem Rs + 2 nebo Rs - 2 segmentů musí být celočíselně dělitelný.

4) Počet a uložení cívek na segmentu, které tvoří póly elektromotoru, musí splňovat následující zákonitosti:

- počet cívek na segmentu = 2 x počet fází motoru χ N (N = celé číslo)

- každá fáze motoru musí být zastoupena na segmentu stejným počtem cívek ~ pólů fáze motoru

- počet cívek na segmentu statoru z magneticky měkkého materiálu musí být číslo soudělné s počtem permanentních magnetů rotoru

- poloha cívek na segmentu musí splňovat podmínku pro úhlové rozložení na statoru nezávisle na rozměrech a rozložení segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu úhel uložení cívky i-té fáze = (360/ počet perm mag rot) x (pořadí cívky + (i - 1) / n^j _motoni) i = celé číslo v intervalu od +1 do n_fázímotoni nfef motoru⁼ P^očet motoru.

Například pro počet permanentních magnetů 48 splňují zákonitosti prostorového rozložení pro eliminaci parazitních silových rázů, které by způsobovaly vibrace:

- 10 segmentů z magneticky měkkého materiálu

- 12 cívek na každém segmentu pro třífázový pomaloběžný motor, nebo 24 cívek pro šestifázový pomaloběžný motor.

Uvedené zařízení je kromě pomaloběžného diskového elektromotoru možno použít také jako generátor větrné elektrárny. Počet otáček větrné elektrárny je omezen průměrem vrtule, přičemž omezující podmínkou je, že konce listů vrtule větrných elektráren používaných v zastavěných oblastech nesmí přesáhnout rychlost zvuku. Větrná elektrárna osazená navrhovaným generátorem podle vynálezu proto pracuje pri pomalé rotaci přibližně 1,1 otáčky za sekundu, přičemž rotor generátoru je přímo spojen s vrtulí větrné elektrárny. Při počtu 48 permanentních magnetů produkuje třífázový proud o frekvenci 50 Hz. Z toho vyplývá výhoda možnosti přímého napojení větrné elektrárny na rozvodnou síť,

Další možnost použití navrhovaného zařízení je ve formě elektrické části vodní turbíny. Zařízení je použito zejména pro malé lokální vodní elektrárny s nízkým spádem vody. Pro nízký spád platí, že k zajištění dostatečného výkonu musí mít lopatky oběžného kola vodní turbíny velké stoupání. Velké stoupání lopatek způsobuje nízkou rychlost rotace oběžného kola. Lopatky jsou zde v takovém úhlu, že těleso generátoru dosahuje přibližně 1,1 otáčky za sekundu, přičemž těleso generátoru je přímo propojeno s oběžným kolem turbíny. Pri počtu 48 permanentních magnetů zařízení produkuje třífázový proud o frekvenci 50 Hz a je opět napojeno přímo do rozvodné sítě. S ohledem na bezkartáčkovou konstrukci není na závadu zvýšená vlhkost a celé zařízení může po zatěsnění pracovat pod vodou.

Přímé napojení na síť má za následek minimalizaci doprovodných zařízení, jednoduchost a bezobslužnost zařízení a z toho vyplývající nízkou cenu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresů, na kterých znázorňuje is obr. 1 - část elektromotoru v bokorysném řezu procházejícím osou elektromotoru, obr. 2 - objasňuje vznik parazitních sil F_Fe, které jsou způsobeny permanentními magnety a konstrukcí segmentů z magneticky měkkého materiálu, a podstatu jejich eliminace, tak jak je popsána v bodech 1, 2, a 3 článku Podstata vynálezu, obr. 3 - průběh magnetického pole permanentních magnetů, které v koincidenci s magnetickým polem H cívek vyvolá Činnou sílu F na obvodu motoru a současně znázorňuje podstatu vzniku parazitních sil vlivem součtu magnetické intenzity suma H jednotlivých cívek - pólů elektromotoru uvnitř segmentu statoru tak, že při nesplnění podmínky suma H = 0 vyvolává na pólech segmentů parazitní síly v koincidenci s magnetickými siločarami permanentních magnetů rotoru, a jejichž podmínky eliminace jsou uvedeny v bodu 4 článku Podstata vynálezu.

Příklady provedeni vynálezu

Pomaíoběžný diskový elektromotor (obr. 1) je vytvořen ze statoru a z rotoru. Nosná konstrukce rotoru je vytvořena ze dvou rotorových disků JO vyrobených z lehkého pružného materiálu, například z duralu. Oba rotorové disky JO jsou na vnějším obvodu mechanicky propojeny ráfkem kola 7. Ráfek kola 7 slouží k vytvoření skříňové konstrukce sendvičového uspořádání rotoru. Ráfek kola 7 slouží, v případě použití pro pohon vozíků pro tělesně postižené, pro montáž pneumatiky. Ke vnitřní válcové ráfku kola 7 je připojen nosič permanentních magnetů i vytvořený z magneticky vodivého materiálu. Nosič permanentních magnetů 1 má tvar kruhového prstence. Na jeho vnitřní válcové ploše jsou upevněny permanentní magnety 2 o vysoké remanentní indukci. Rotor je mechanicky spojen se statorem kuličkovými ložisky 13. Kuličková ložiska 13 jsou uložena v ložiskových pouzdrech 12. Ložisková pouzdra 12 jsou mechanicky spojena s rotorovými disky 10, Kuličková ložiska 13 jsou nalisovaná na upevňovacím náboji 14, který je součástí statoru, K upevňovacímu náboji 14 je připevněn statorový disk JJ.. Statorový disk 11 v lehkém sendvičovém provedení je vytvořen ze dvou kusů. Na obvodu statorového disku JJ. jsou upevněny paprsky 8 pro upevnění segmentů 3, viz obr. 1. Paprsky 8 pro upevnění segmentů 3 jsou vyrobeny z nemagnetického materiálu. Segmenty z magneticky měkkého materiálu 3 jsou zasazeny po obvodu do drážek paprsků 8. Na spodní střední část paprsku 8 navazuje stopka 9.

Prostřednictvím stopky 9 je paprsek pro upevnění segmentů 8 připevněn ke statorovému disku JJ.. Segment 3 magnetického stínění je vytvořen z magneticky měkkého materiálu, například z transformátorových plechů. Na segmentu 3 magnetického stínění, jsou upevněny cívky 4. Činné části cívek 4 jsou ve vzduchové mezeře. Vzduchová mezera je vymezena čely permanent50 nich magnetů 2 a vnějším povrchem segmentu 3 magnetického stínění. To znamená, že činné části cívek 4 jsou v prostoru, jímž prochází magnetický tok permanentních magnetů 2. Vzduchová mezera je ve kterékoliv poloze rotoru vůči statoru stejná. Póly statoru tvoří činné části cívek 4 ve vzduchové mezeře. Počet cívek 4 pod jedním permanentním magnetem 2 tvoří počet fází motoru. Vzájemnou polohu každé cívky 4 vůči permanentnímu magnetu 2 sleduje polohové čidlo

5. Cívky 4 jsou napájeny přívodními vodiči 6, které procházejí dutým nábojem j_4. Mechanické uspořádání činných částí elektromotoru, to je nosiče 1, permanentních magnetů 2, segmentu 3 magnetickému stínění, včetně konstrukčního řešení upevnění do paprsků 8, umístění cívek 4 na segmentu 3 magnetického stínění a princip zajištění magnetické neutrality segmentu při připojení cívek pod napětím je v detailním znázornění na obr. 2 a 3.

Popis funkce motoru:

io Zdrojem magnetického toku jsou permanentní magnety 2 rozmístěné po celé vnitřní válcové ploše nosiče I. Nosič 1 uzavírá magnetický obvod permanentních magnetů 2. Na vnitřní stěně vstupuje magnetický tok do vzduchové mezery tvořené vnitřní válcovou plochou permanentních magnetů 2 a vnější válcovou plochou prstence 3 magnetického stínění. Hlavní část magnetického toku 16 (obr. 3) vytváří ve vzduchové mezeře magnetickou indukci a uzavírá se přes segment 3 magnetického stmění. Rozptylová část magnetického toku se uzavírá v prostoru na vnitrní straně segmentu 3 magnetického stínění a na vnější straně nosiče i permanentních magnetů 2. Po připojení napájecího napětí napájecím vodičem 6 začne cívkami 4 protékat elektrický proud (obr. 3 - proud protékající jedním směrem je označen X, proud v opačném směru *). Magnetický tok 16 ve vzduchové mezeře vytváří v koíncidenci s velikostí a směrem proudu v té části vinutí cívek 4, kteréjsou ve vzduchové mezeře, žádanou sílu F 19. To je síla, kteráje přes ráfek kola 7 přenesena na obvod kola vozíku.

Konstrukce motoru podle odstavce „Příklady provedení vynálezu“, která spočívá v děleném statoru na segmenty z magneticky měkkého materiálu, vytváří v místě zasazení do paprsku 8 nehomogenní magnetické pole 16, které vytváří radiální síly F_Fc s výslednicí 17 proměnné velikosti dle vzájemné polohy statoru a rotoru. Průběh síly je závislý na vzájemné poloze magnetu a ose paprsku se zasazenými segmenty do drážek. Pokud je proměnnou veličinou úhel osy paprsku 8 a v rozmezí od počátku do konce magnetu, nabývá síla Π kladných hodnot do středu magnetu a záporných hodnot od středu do konce délky magnetu nezávisle na polaritě magnetu.

Splněním následujících podmínek

1) Počet permanentních magnetů rotoru 2 musí být sudé číslo

2) Počet segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu 3 musí být nesoudělné číslo za podmínek dle bodu 3 odstavce „Podstata vynálezu“ dochází ke kompenzaci výsledné síly 17 vlivem rovnoměrného rozložení os paprsků proti rozlo35 žení permanentních magnetů rotoru - způsobem, jehož princip je znázorněn na obr. 2.

Současně musí být splněna podmínka magnetické neutrality pólů segmentů 3, tzn. že výsledná intenzita magnetického pole H jednotlivých cívek 4 každého segmentu 3 splňovat podmínku suma H = 0, takže póly 15 segmentu z magneticky měkkého materiálu 3 v místě zasazení do paprsku 8 jsou magneticky neutrální a nevznikají parazitní síly ]_8 koincidencí magnetického toku 16 permanentních magnetů 2 a magnetického toku segmentu 3.

Jednotlivé cívky 4, které tvoří póly motoru ajsou propojeny do fáze vinutí motoru podle bodu 4. odstavce „Podstata vynálezu“, jsou spínány pod napětí v závislosti na poloze rotoru vůči statoru tak, aby vytvářely radiální sílu F19 na obvodu motoru. Pokud konstrukce motoru splňuje zákonitosti podle bodu 4. odstavce „Podstata vynálezu“, je vždy připojen na každém segmentu 3 sudý počet cívek 4 téže fáze motoru pod napětí, což zajistí, že součet dílčích složek magnetické intenzity H v každém bodě vzájemné polohy rotoru a statoru splňuje podmínku magnetické neutrality suma H = 0 a nevznikají parazitní síly 18 mezi póly 15 segmentů statoru 3 a so permanentními magnety rotoru 2 a motor i při nízkých otáčkách a vysokých záběrových momentech běží plynule.

Příklad průmyslového využití

Vynálezu se využije, pokud pracuje jako motor k pohonu lehkých přenosných skládacích vozíků pro tělesně postižené, nebo pokud pracuje jako pomaloběžný generátor k výrobě elektrické energie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrický rotační stroj, zejména pomaloběžný diskový elektromotor, přičemž zařízení obsahuje permanentní magnety (2) umístěné na rotoru sestávajícím z nosiče (1), upevňovacího kroužku (7) a z rotorových disků (10),

15 a stator, na kterém jsou umístěny statorové cívky (4), a kde stator sestává ze segmentů (3), paprsků (8), a ze statorového disku (11), přičemž permanentní magnety (2) jsou umístěny na vnitřní straně válcového povrchu části rotoru tvořeného nosičem (1) a cívky (4) jsou na segmentech (3), z magneticky měkkého materiálu s malým radiusem koncen20 trickým k nosiči (1), které současně tvoří jádro cívek, prostorově uspořádané tak, že rotor bez tření může obíhat kolem statoru, vyznačující se tím, že jednotlivé segmenty (3) musí splňovat ve vztahu s určeným počtem a uspořádáním permanentních magnetů (2) na počet a uspořádání cívek (4), které tvoří póly (15) elektromotoru, následující podmínky:

25 a) poěet permanentních magnetů (2) rotoru je stanovený z podmínek celočíselného dělení s počtem R_s segmentů (3),

b) počet permanentních magnetů (2) dělený počtem Rs segmentů (3) tvoří celočíselně nedělitelné číslo a také počet permanentních magnetů (2) dělený počtem Rs+l, nebo R$_l segmentů (3) není celočíselně dělitelný,

30 c) počet permanentních magnetů (2) dělený počtem R_s+2 segmentů (3) právě tak jako počtem Rs-2 segmentů (3) je celočíselně dělitelný,

d) počet cívek (4) každého segmentu (3) je přesně dvojnásobek počtu fází elektromotoru, nebo libovolný násobek dvojnásobku počtu fází elektromotoru,

e) každá motorová fáze je zastoupena na segmentu (3) stejným počtem cívek (4),

35 f) poloha cívek (4) splňuje následující vztahy pro úhel, v jakém jsou na segmentu (3) umístěny:

úhel umístění cívky i—té fáze = (360/počet permanentních magnetů (2)) x (pořadové číslo magnetu +(i-1 )/n_{fázi motonj}), kde i = celé číslo v intervalu od +1 do _motoru, přičemž n_{ftó motom} je počet fází elektromotoru,

40 a pořadové číslo magnetu = celé Číslo v intervalu od +1 do celkového počtu permanentních magnetů (2) rotoru.

2. Elektrický rotační stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosič (1) rotoru je umístěn mezi dvěma rotorovými disky (10), volně se otáčejícími a konstrukčně umístěnými na

45 upevňovacím náboj i (14).

3. Elektrický rotační stroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že nosič (1) rotoru je spojen s rotorovými disky (10).

4. Elektrický rotační stroj podle nároků I až 3, vyznačující se tím, že poloha segmentů (3) je konstrukčně uspořádána paprsky (8) z nemagnetického materiálu.

5. Elektrický rotační stroj podle nároku 4, vyznačující se tím, že poloha všech 5 segmentů (3) dodržuje stejnou vzdálenost, resp. má stejný poloměr vzhledem k ose upevňovacího náboje (14), konstrukčním uspořádáním pomocí paprsků (8) a statorového disku (II) upevněného na upevňovacím náboji (14).

6. Použití elektrického rotačního stroje podle nároků 1 až 5 jako pohonu integrovaného do io dvou kol invalidního vozíku.

7. Použití elektrického rotačního stroje podle nároků 1 až 5 jako elektrického generátoru ve větrné elektrárně.

15 8. Použití elektrického rotačního stroje podle nároků 1 až 5 jako elektrické části vodní turbíny.

2 výkresy