PL224419B1 - Toroidalny silnik prądu stałego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna prądu stałego.

Obecny stan techniki, to polskie zgłoszenia patentowe o numerach P 382781, P 383053.

Opis polskiego zgłoszenia patentowego P 382781 ujawnia istotny element konstrukcyjny nowego typu silników elektrycznych prądu stałego jakim jest rdzeń magnetyczny w kształcie toroidu, który jest zbudowany z elementów, będących wycinkami toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym, wykonanych z ferromagnetyka miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i dużej rezystancji (np. ferryt, sprasowane i odizolowane od siebie elementy blachy elektrotechnicznej, stopy Fe i Si, stopy Fe i Ni, stopy Fe i Co, itp.) łączących bez szczelin jednoimienne bieguny magnetyczne magnesów stałych bądź elektromagnesów - musi być parzysta liczba magnesów stałych bądź elektromagnesów.

Opisany rdzeń magnetyczny jest mocowany do wirnika silnika i umieszczony wewnątrz różnego typu uzwojeń stojana, które oplatają cały rdzeń magnetyczny bądź jego część w zależności od zast osowanej liczby magnesów stałych w rdzeniu magnetycznym. Wirnik silnika w takim rozwiązaniu mocowany jest do wału osadzonego na łożyskach mocowanych do stojana silnika.

Opis polskiego zgłoszenia patentowego P 383053 ujawnia nowy typ uzwojenia stojana w kształcie cewki, które oplatając rdzeń magnetyczny wirnika w kształcie toroidu uniemożliwia jego mocowanie do wału silnika w sposób tradycyjny. Ze względu na ten szczególny typ uzwojenia stojana zastosowano w zgłoszeniu patentowym P 383053 mocowanie wirnika za pomocą łożysk liniowych. Energię mechaniczną z tego typu silników odbiera się poprzez układ zębatek bądź za pośrednictwem przekładni pasowej.

Zgłoszenie patentowe P 382781 opisuje również konstrukcję rdzenia magnetycznego wykonanego z nowego typu magnesów trwałych otrzymywanych przez magnesowanie elementów ferrom agnetyka twardego w polu wypadkowym dwóch jednoimiennych biegunów magnetycznych elektrom agnesów - ten typ rdzenia magnetycznego nie jest wykorzystany w niniejszym zgłoszeniu patentowym.

Opisane w zgłoszeniach patentowych P 382781, P 383053 rozwiązania, wykorzystujące rdzeń magnetyczny zbudowany z elementów ferromagnetyka i magnesów stałych bądź elektromagnesów, wykazują dużą zależność momentu siły działającej na wirnik od kąta obrotu. W związku z tym faktem zaistniała konieczność optymalizacji silników wykorzystujących ten typ rdzenia magnetycznego.

Toroidalny silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z rdzenia magnetycznego mocowanego do wirnika w kształcie toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym, a który to rdzeń magnetyczny w ykonany jest z elementów ferromagnetyka, które łączą bez szczelin jednoimienne bieguny magnetyczne magnesów stałych bądź z ferromagnetyka, na którym nawinięto, przewodem elektrycznym w izol acji, w równych odległościach kątowych i rozłożono równomiernie na jego obwodzie, uzwojenia elektryczne, dla których toroid jest rdzeniem, który to wirnik mocuje się odpowiednio do wału bądź łożysk liniowych, a który to rdzeń magnetyczny umieszczony jest we wnętrzu uzwojeń stojana, znamienny tym, że zewnętrzne aktywne części uzwojeń stojana typu (Cun) osłonięto ele mentami ferromagnetycznymi typu (Eln) mocowanymi bezpośrednio lub za pomocą elementów ferromagnetycznych typu (En) do stojana silnika (St1) wykonanego z materiałów ferromagnetycznych.

Rozwiązanie ma na celu ukierunkowanie strumienia pola magnetycznego poprzez dodanie elementów optymalizujących wykonanych z ferromagnetyka. Elementy te osłaniają z zewnętrznej strony aktywne fragmenty uzwojeń stojana i są połączone ze sobą, bez szczeliny powietrznej, za p omocą elementów ferromagnetycznych.

Elementy optymalizujące mogą być łączone bez szczelin powietrznych ze stojanem wykonanym z ferromagnetyka.

Dzięki takiemu rozwiązaniu zwiększono moment siły działający na wirnik oraz wyeliminowano jego dużą zależność od kąta obrotu.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym:

Fig. 1 Przedstawia układ silnika elektrycznego z dwoma uzwojeniami stojana,

Fig. 2 - Układ silnika z jednym uzwojeniem stojana oplatającym cały rdzeń magnetyczny,

Fig. 3 - Układ silnika z dwoma uzwojeniami stojana oplatającymi częściowo rdzeń magnetyczny,

Fig. 4 - Przykład elementu optymalizującego dla silnika,

Fig. 5 - Przybliżony rozkład pola magnetycznego w silniku wirnikowym.

Na rysunku schematycznym fig. 1 przedstawiono silnik elektryczny prądu stałego, w którym rdzeń magnetyczny (Rm1) jest mocowany do stojana (St1) za pomocą łożysk liniowych, które nie są zaznaczone na rysunku. Rdzeń magnetyczny (Rm1) zbudowany jest z elementów ferromagnetyka

PL 224 419 B1 miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i dużej rezystancji, będących wycinkami toroidu, które łączą bez szczelin jednoimienne bieguny magnesów stałych (M1) i (M2).

Rdzeń magnetyczny (Rm1) jest umieszczony we wnętrzu uzwojeń stojana (Cul) i (Cu2), których przekrój wewnętrzny jest nieznacznie większy od przekroju poprzecznego rdzenia magnetycznego (Rm1) wzmocnionego elementami konstrukcyjnymi, zapewniając w ten sposób jego swobodny ruch względem uzwojeń stojana. Kształt uzwojeń stojana (forma cewki) oplatających rdzeń toroidu (Rm 1) zmusza do montażu rdzenia (Rm1) poprzez umieszczanie jego elementów składowych we wnętrzu uzwojeń stojana (Cu 1) i (Cu2), bądź nawinięcie tych uzwojeń bezpośrednio na zmontowanym rdzeniu magnetycznym (Rm1) wraz z jego elementami konstrukcyjnymi.

Uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) przedstawione na rysunku fig. 1 są uzwojeniami bezkarkasowymi bądź z karkasem a nawinięte są przewodem miedzianym w izolacji.

Zewnętrzne powierzchnie uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) osłonięte są elementami optymalizującymi (El1), (EI2) wykonanymi z materiałów ferromagnetycznych o dużej przenikalności magnetycznej i dużej rezystancji, które mocują te uzwojenia za pośrednictwem elementów (E1) i (E2) do stojana (St1) za pomocą śrub lub zgrzewania. Z uwagi na kształt uzwojeń stojana (Cu 1) i (Cu2) przedstawionych na rysunku fig. 1, będących w istocie cewkami, elementy optymalizacyjne muszą być montowane z części składowych bezpośrednio na uzwojeniach, co przedstawiono na rysunku fig. 4, na którym uwidoczniono przykład realizacji elementu optymalizacyjnego (El1) dla silnika przedstawionego na rysunku fig. 1.

Na rysunku fig. 4 przedstawiono przykład realizacji elementów optymalizacyjnych (El1) dla uzwojenia (Cu1 ) w kształcie cewki nawiniętej na karkasie (Ka1) wykonanym z tworzywa sztucznego. Zaznaczono również powierzchnię wewnętrzną uzwojenia stojana (Cu1 ) stosując oznaczenie (InCu1). Zewnętrzna powierzchnia uzwojenia stojana (Cu1) to całkowita hiperpowierzchnia brzegowa uzwojenia (Cu1) minus jego powierzchnia wewnętrzna (InCu1).

Elementy (E1) i (E2) przedstawione na rysunku fig. 1, wykonane są z ferromagnetyka miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, łączą bez szczelin stojan silnika (St1) z elementami optymalizującymi (El1), (EI2).

Uzwojenia stojana (Cu1 ), (Cu2) silnika przedstawionego na rysunku fig. 1 zasilane są ze źródła zasilania (Z1) poprzez komutator (K) sterowany położeniem rdzenia magnetycznego (Rm 1). Komutator (K) zmienia kierunek przepływu prądu w uzwojeniach (Cu1) i (Cu2) na przeciwny w chwili gdy w wyniku obrotu kolejny element rdzenia magnetycznego (Rm1) łączący jednoimienne bieguny magnetyczne magnesów stałych stanowi rdzeń uzwojenia. Gdy magnesy stałe (M1) i (M2) znajdują się we wnętrzu uzwojeń (Cu1 ) i (Cu2) komutator (K) nie zasila ich, ponieważ są to położenia równowagi silnika. W związku z tym faktem przewidziano zastosowanie uzwojeń rozruchowych.

Przy wyłączonym zasilaniu silnik przedstawiony na rysunku fig. 1 posiada dwa obwody magnetyczne w których źródłami pola magnetycznego są dwa magnesy stałe (M1) i (M2) bądź elektromagnesy. Obwód magnetyczny dla magnesu (M1) składa się z dwóch elementów ferromagnetycznych będących wycinkami toroidu rdzenia (Rm1 ), dwóch szczelin powietrznych, które znajdują się pomiędzy elementami toroidu a elementami optymalizującymi (El1), (EI2), dwóch elementów optymalizujących, dwóch elementów ferromagnetyka (E1), (E2) oraz części stojana (St1 ), która zamyka obwód magnetyczny źródła siły magnetomotorycznej (M1) - podobnie wygląda obwód magnetyczny dla magnesu (M2).

Dzięki przedstawionym obwodom magnetycznym uzyskuje się w obszarze uzwojeń stojana silny strumień pola magnetycznego skierowany ortogonalnie do uzwojeń stojana, co przy uwzględnieniu przepływającego przez nie prądu elektrycznego doprowadza do pojawienia się oddziaływań będących bezpośrednią przyczyną działania siły Lorentza na rdzeń magnetyczny (Rm1), który w wyniku oddziaływania obraca się.

Przybliżony rozkład sił pola magnetycznego dla silnika przedstawionego na rysunku fig. 1 przedstawiono na rysunku fig. 5, na którym zastosowano identyczne oznaczenia jak na rysunku fig. 1.

Ze względu na zastosowane oprogramowanie komputerowe elementy optymalizacyjne przedstawione na rysunku fig. 5 zredukowano do prostopadłościanów, co nie powinno prowadzić do nieporozumień - podobne przybliżenie zastosowano w stosunku do innych elementów silnika.

Ne rysunku fig. 2 przedstawiono silnik prądu stałego z zastosowaniem tego samego rdzenia magnetycznego (Rm1) co w silniku przedstawionym na rysunku fig. 1 z tym, że rdzeń magnetyczny jest mocowany do tarczy silnika, wykonanej z materiałów nieferromagnetycznych, mocowanej do wału silnika, który osadzony jest w łożyskach mocowanych do stojana (St1).

PL 224 419 B1

Uzwojenie stojana (Cul) przedstawione na rysunku fig. 2 jest uzwojeniem bezkarkasowym oplatającym cały rdzeń magnetyczny (RM). Przy czym w obszarze wału silnika uzwojenie (Cu1) rozwidla się umożliwiając swobodny obrót wału silnika. Uzwojenie silnika (Cu 1) można wykonać z dwóch połączonych ze sobą uzwojeń bezkarkasowych, które dają się bardzo łatwo formować w obszarze wału silnika. W innym przykładzie realizacji uzwojenie (Cu1) można nawinąć taśmą miedzianą w izolacji, w której w odpowiednich odległościach nawiercono otwory o średnicy większej niż średnica wału w ten sposób, że po nawinięciu uzwojenia nawiercone otwory w taśmie są współosiowe i umożliwiają mocowanie wału silnika.

Uzwojenie stojana (Cu1) zasilane jest ze źródła zasilania (Z1) w ten sam sposób jak w silniku przedstawionym na rysunku fig. 1 uzwojenie stojana (Cu1), dlatego konieczne jest zastosowanie uzwojenia rozruchowego bądź naruszenie symetrii silnika poprzez podział uzwojenia na części i osobne ich zasilanie. W takim przypadku jeden z elementów uzwojenia (Cu 1) jest zawsze poza obszarem magnesów stałych (M1) i (M2) - magnesy nie znajdują się we wnętrzu tego elementu uzwojenia.

Uzwojenie stojana (Cu1) może być podzielone na część aktywną i nieaktywną stosując, jako kryterium podziału, wewnętrzną zawartość rdzenia magnetycznego. Części nieaktywne uzwojenia stojana (Cu1), które celowo zostały wyolbrzymione na rysunku fig. 2, nie biorą udziału w oddziaływaniach z rdzeniem magnetycznym (Rm1) i są przyczyną strat, dlatego należy dążyć do ich minimalizacji, co łatwo uzyskać zwiększając promień zewnętrzny rdzenia magnetycznego (Rm 1) przy jednoczesnym zmniejszeniu jego promienia wewnętrznego. Kolejnym istotnym parametrem wpływającym na sprawność silnika jest wysokość rdzenia magnetycznego (Rm 1), która ma niekorzystny wpływ na jego gęstość mocy, ponieważ wzrasta znacząco masa silnika.

Części aktywne uzwojenia stojana (Cu1) są umieszczone w żłobkach elementów optymalizacyjnych (El1) i (EI2) wykonanych z materiału ferromagnetycznego miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i rezystancji. Elementy optymalizujące osłaniają zewnętrzne i aktywne hiperpowierzc hnie brzegowe uzwojenia (Cu1) mocując jednocześnie uzwojenie za pośrednictwem elementów (E1) i (E2), wykonanych z materiału ferromagnetycznego miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i rezystancji, do stojana (St1) wykonanego z materiału ferromagnetycznego miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i rezystancji.

Zasada działania silnika przedstawionego na rysunku fig. 2 jest taka sama jak silnika przedstawionego na rysunku fig. 1 z tym, że tym razem w oddziaływaniach biorą udział tylko części aktywne uzwojenia (Cu1).

Na rysunku fig. 3 przedstawiono silnik prądu stałego z zastosowaniem rdzenia magnetycznego (Rm1) zbudowanego z czterech magnesów stałych (M1), (M2), (M3) i (M4) bądź elektromagnesów połączonych ze sobą wycinkami toroidu wykonanego z ferromagnetyka miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i rezystancji. Rdzeń magnetyczny (Rm 1) jest mocowany do tarczy silnika, wykonanej z materiałów nieferromagnetycznych, mocowanej do jego wału, który osadzony jest w łożyskach mocowanych do stojana (St1).

Uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) silnika przedstawionego na rysunku fig. 3 mają inny kształt od omawianych dotychczas z uwagi na zastosowaną liczbę magnesów stałych, dzięki którym tworzą się cztery obwody magnetyczne, w których polu znajdują się cztery części aktywne uzwojeń stojana.

Różnica pomiędzy silnikiem przedstawionym na rysunku fig. 2 a tym przedstawionym na rysunku fig. 3 poza zwiększoną liczbą obwodów magnetycznych sprowadza się do innego kształtu uzwojeń stojana, które umożliwiają zwiększenie części aktywnych uzwojeń stojana w stosunku do części nieaktywnych. Na rysunku fig, 3 oznaczono przez (El1), (EI2), (EI3), (EI4) elementy optymalizujące, w których żłobkach umieszczone są części aktywne uzwojeń (Cu 1), (Cu2), które są uzwojeniami bezkarkasowymi. Elementy optymalizujące (El1), (EI2), (EI3), (EI4) mocowane są do stojana (St1) za pośrednictwem elementów (E1), (E2), (E3), (E4).

Elementy (El1), (EI2), (EI3), (EI4), (E1), (E2), (E3), (E4) oraz stojan (St1) wykonane są z materiałów ferromagnetycznych miękkich o dużej przenikalności magnetycznej i rezystancji.

Uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) zasilane są ze źródła (Z1) za pośrednictwem komutatora (K1), który jest sterowany położeniem rdzenia magnetycznego (Rm 1).

Zasada działania silnika przedstawionego na rysunku fig. 3 jest taka sama jak silnika przedstawionego na rysunkach fig. 1 i fig. 2.

Elementy optymalizujące, oznaczone na rysunkach jako (El1), (EI2), (EI3), (EI4) dla wszystkich konstrukcji silnika, są wykonane z materiałów ferromagnetycznych i łączone są ze sobą bez szczelin

PL 224 419 B1 powietrznych za pomocą elementów (E1), (E2), (E3), (E4) wykonanych z materiałów ferromagnetycznych oraz w silnikach wirnikowych dodatkowo za pomocą elementu stojana (St1).

Elementem ferromagnetycznym łączącym elementy optymalizujące (El1), (EI2), (EI3), (EI4), może być stojan (St1) wykonany z materiałów ferromagnetycznych.

Dla silnika przedstawionego na rysunku fig. 1 istnieje możliwość łączenia bez szczeliny p owietrznej naprzeciwległych elementów optymalizujących za pomocą elementów ferromagnetycznych (w takim rozwiązaniu stojan może być wykonany z materiałów nie-ferromagnetycznych).

Mimo istotnych różnic pomiędzy różnego typu uzwojeniami stojana w silnikach elektrycznych wymienionych we wstępie niniejszego zgłoszenia, można w nich wyróżnić powierzchnię wewnętrzną i zewnętrzną.

Ponadto, pojedyncze uzwojenie stojana może być podzielone na część aktywną i nieaktywną stosując, jako kryterium podziału, wewnętrzną zawartość rdzenia magnetycznego.

Oznacza to, że w przypadku uzwojenia stojana oplatającego dookoła cały toroid rdzenia magnetycznego wirnika można wyróżnić dwa obszary aktywne uzwojeń stojana i jeden obszar nieaktywny (fragment uzwojenia nad nie-ferromagnetyczną tarczą mocującą pierścień). Innym przykładem jest uzwojenie stojana zastosowane w silniku, które nie zawiera części nieaktywnej.

Elementy optymalizujące (El1), (EI2), (EI3) i (EI4) przylegają do zewnętrznej powierzchni aktywnych fragmentów uzwojeń stojana (Cu1) i (Cu2) i są łączone ze sobą za pomocą elementów ferromagnetycznych bez szczelin powietrznych.

Na rysunkach schematycznych Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 elementy optymalizujące oznaczono, jako prostokąty stykające się z uzwojeniami stojana.

Elementy optymalizujące mogą być mocowane do karkasów uzwojeń za pomocą śrub. Uzwoj enia bezkarkasowe mogą być również umieszczane wewnątrz żłobków elementów optymalizujących w taki sposób, aby ich wewnętrzne powierzchnie były nieosłonięte.

Elementy optymalizujące typu (Eln) (n-ty element typu El), łączone ze sobą za pomocą elementów ferromagnetycznych typu (En) bez jakichkolwiek szczelin powietrznych, umożliwiają zamykanie się linii sił pola magnetycznego pomiędzy różnoimiennymi parami biegunów magnetycznych rdzenia magnetycznego - fig. 5. (Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy jako rdzeń magnetyczny zastosuje się ferromagnetyk miękki łączący jednoimienne bieguny magnetyczne).

Oznaczenia na rysunkach składają się z liter na początku i cyfr na końcu. W skrócie, aby oznaczyć n-ty element danego typu dodamy do odpowiedniego oznaczenia literę „n” zamiast cyfry na końcu.

Claims (1)

1. Toroidalny silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z rdzenia magnetycznego mocowanego do wirnika w kształcie toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym, a który to rdzeń magnetyczny w ykonany jest z elementów ferromagnetyka, które łączą bez szczelin jednoimienne bieguny magnetyczne magnesów stałych bądź z ferromagnetyka, na którym nawinięto, przewodem elektrycznym w izolacji, w równych odległościach kątowych i rozłożono równomiernie na jego obwodzie, uzwojenia elektryczne, dla których toroid jest rdzeniem, który to wirnik mocuje się odpowiednio do wału bądź łożysk liniowych, a który to rdzeń magnetyczny umieszczony jest we wnętrzu uzwojeń stojana, znamienny tym, że zewnętrzne aktywne części uzwojeń stojana typu (Cun) osłonięto elementami ferromagnetycznymi typu (Eln) mocowanymi bezpośrednio lub za pomocą elementów ferromagnetycznych typu (En) do stojana silnika (St1) wykonanego z materiałów ferromagnetycznych.