PL231784B1 - Maszyna elektryczna z wirującymi dipolami magnetycznymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna z wirującymi dipolami magnetycznymi przeznaczona do stosowania zwłaszcza w przydomowej energetyce wiatrowej oraz w przemyśle samochodowym.

Znany jest z opisu patentowego nr US6252317 silnik elektryczny zawierający zespół wirnika oraz stojan. Zespół wirnika składa się z pierścieniowego wirnika z przymocowanymi do niego magnesami, które przechodzą przez przymocowane do stojana równomiernie rozmieszczone trzy grupy cewek indukcyjnych. Pierścieniowy wirnik zaopatrzony jest na swojej krawędzi wewnętrznej w zębatkę napędową pierścienia. Stojan wykonany jest w formie okrągłej tarczy, na której osadzone są obrotowo, połączone z wałem napędowym, centralne koło zębate napędowe, z którym sprzęgnięte są trzy, równo rozmieszczone, zębate koła pośredniczące. Koła pośredniczące z kolei sprzęgnięte są wewnętrzną zębatką napędową pierścieniowego wirnika.

Znany jest również z opisu zgłoszenia wynalazku nr US 2010/0295423 generator, zawierający stojan o konstrukcji pierścieniowej i obejmujący go wirnik, napędzany pasem transmisyjnym z zewnętrznego źródła momentu napędowego. Wirnik wykonany jest w formie pierścienia, zamkniętego z jednej strony okrągłą tarczą, pośrodku której umieszczony jest osiowy wałek. Na wałek nasunięte jest łożysko z osadzonym na nim walcowym trzonem stojana, zamkniętym z zewnętrznej strony tarczą usztywniającą, i wychodzącym poza kontur wirnika. Na całym obwodzie części trzonu stojana, która znajduje się wewnątrz konturu wirnika, umieszczone są promieniście rdzenie ferromagnetyczne z nawiniętymi na nich cewkami indukcyjnymi, natomiast po stronie wewnętrznej pierścienia wirnika umieszczony jest dookólnie rząd magnesów trwałych. Zewnętrzna powierzchnia pierścienia wirnika zaopatrzona jest w ograniczające występy prowadzące na każdym z dwóch przeciwległych jego końców, pomiędzy którymi nałożony jest napędowy pas transmisyjny.

Znany jest ponadto z opisu patentowego US 7902708 system elektryczno-magnetyczny pełniący odwracalną funkcję prądnicy oraz silnika elektrycznego, który przeznaczony jest do montażu w zespole piasty koła samochodowego.

Na osi piasty znajduje się centralne koło zębate, które zazębione jest z rozmieszczonymi co 90° czterema jednakowymi pośredniczącymi kołami zębatymi. Na koła te nasunięty jest uzębiony od strony wewnętrznej pierścień, przechodzący przez środki rozmieszczonych co 90° czterech wiązek uzwojeń zespołów elektryczno-magnetycznych, których końcówki wyprowadzone są do czterech przynależnych im układów wyjściowych. Wspomniany pierścień podzielony jest na parzystą liczbę naprzemiennych sekcji, z których połowa ma własne stałe pole magnetyczne, a druga połowa jest takiego pola pozbawiona. Sprzężony z osią piasty pierścień w czasie ruchu pojazdu wywołuje w uzwojeniach zespołów elektryczno-magnetycznych powstanie siły elektromotorycznej - w przypadku wykorzystania urządzenia jako prądnicy, albo po dostarczeniu energii z zewnętrznego źródła prądu - urządzenie pracuje jako silnik wspomagający układ napędowy lub układ hamowania samochodu.

Znane ze stanu techniki rozwiązania maszyn elektrycznych cechują się klasycznym przeniesieniem mocy mechanicznej za pośrednictwem osiowo umieszczonego wału napędowego. Sposób ten jest powszechnie stosowany w wielu konstrukcjach silników i prądnic. Jednakże w niektórych obiektach energetycznych, takich jak przykładowo małe przydomowe elektrownie wiatrowe, uzasadnione może być wykorzystanie rurowych masztów wiatraków jako konstrukcji nośnych dla zintegrowanych z nimi generatorów prądu.

Celem wynalazku było opracowanie maszyny elektrycznej pozbawionej wału napędowego i z pustą przestrzenią wewnątrz stojana maszyny, która umożliwiałaby osadzenie jej na rurowych elementach konstrukcyjnych obiektów.

Realizacja tego założenia przedstawiona jest w rozwiązaniu według wynalazku. W przypadku wiatraków jest możliwość współosiowego umieszczenia generatora prądu na maszcie wiatraka albo na innym rurowym elemencie konstrukcyjnym. W innych zastosowaniach maszyny, jako prądnicy albo silnika, z uwagi na jej podłużny kształt i możliwą stosunkowo małą średnicę, urządzenie to może być umieszczane w różnych trudnodostępnych przestrzeniach wyposażanych obiektów.

Maszyna elektryczna według wynalazku ma toroidalny karkas, korzystnie o przekroju prostokątnym, składający się ze ściany zewnętrznej oraz ściany wewnętrznej, które połączone są ze sobą obustronnie na brzegach przy pomocy elementów łączących, korzystnie w postaci dwóch jednakowych pierścieni. Wewnątrz karkasu umieszczony jest, ułożyskowany względem ściany zewnętrznej i/lub ściany wewnętrznej, element obrotowy w formie rury o przekroju pierścieniowym, mający, rozłożone

PL 231 784 B1 wzdłuż swego obwodu, dipole magnetyczne. Linie pola magnetycznego dipoli magnetycznych uporządkowane są w płaszczyznach prostopadłych do osi obrotu elementu obrotowego. W poprzek toroidu karkasu znajdują się, obejmujące go, wiązki uzwojeń. Ponadto korzystnie na obwodzie ściany zewnętrznej wydzielone są dwa wolne od uzwojeń miejsca, przez które przeprowadzona jest zamknięta pętla pasa transmisyjnego, opasującego z jednej strony element obrotowy, a z drugiej strony zewnętrzne koło pasowe.

Maszyna elektryczna według wynalazku znajduje zastosowanie w szczególności w obiektach lokalnej energetyki wiatrowej jako generator energii elektrycznej oraz w formie silnika elektrycznego do napędu lekkich obiektów takich jak drony z napędem elektrycznym. Przedmiot wynalazku może być stosowany również jako urządzenie realizujące odwracalną funkcję prądnicy i silnika w samochodach z napędem elektrycznym.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie w rysunkach, na których fig. 1 przedstawia rysunek poglądowy maszyny, fig. 2 - jej rzut prostopadły boczny z odsłonięciem ułożyskowania elementu obrotowego, na fig. 3 pokazano element obrotowy w widoku aksonometrycznym, fig. 4 stanowi rysunek złożeniowy karkasu, natomiast na fig. 5 oraz fig. 6 przedstawiono mocowanie podłużnych elementów łączących odpowiednio do obręczy zewnętrznych oraz obręczy wewnętrznych.

Maszyna elektryczna ma toroidalny karkas 1 w formie walcowej klatki, składający się ze ściany zewnętrznej 2 oraz umieszczonej wewnątrz niej centrycznie ściany wewnętrznej 3, które połączone są ze sobą na obu brzegach przy pomocy pierścieniowych elementów łączących 4a i 4b o profilu poprzecznym w kształcie litery U. Ściana zewnętrzna 2 zbudowana jest z dwóch kołowych obręczy zewnętrznych 5a i 5b, połączonych ze sobą trzema równo rozmieszczonymi podłużnymi elementami zewnętrznymi 6 w postaci metalowych kątowników. Ich spłaszczone końce przymocowane są do obręczy zewnętrznych 5a i 5b poprzez podkładki izolacyjne 7 z wykorzystaniem zewnętrznych wkrętów 8. Podobnie ściana wewnętrzna 3 zbudowana jest z dwóch kołowych obręczy wewnętrznych 9a i 9b, połączonych ze sobą trzema równo rozmieszczonymi podłużnymi elementami wewnętrznymi 10 w postaci metalowych kątowników. Ich spłaszczone końce mocowane są do obręczy wewnętrznych 9a i 9b poprzez podkładki izolacyjne 11 z wykorzystaniem wewnętrznych wkrętów 12. Zadaniem podkładek izolacyjnych 7 oraz 11 jest zapobieżenie utworzeniu się obwodów krótko zwartych, odpowiednio pomiędzy podłużnymi elementami zewnętrznymi 6 oraz podłużnymi elementami wewnętrznymi 10. Elementy łączące 4a i 4b umieszczone są ciasno między brzegami obręczy zewnętrznych 5a i 5b oraz brzegami obręczy wewnętrznych 9a i 9b, i połączone są trwale z tymi obręczami nieujętymi na rysunku wkrętami metalowymi. Wewnątrz karkasu 1, w jednakowej odległości od ściany zewnętrznej 2 oraz ściany wewnętrznej 3, umieszczony jest element obrotowy 14, który ułożyskowany jest obustronnie względem ściany wewnętrznej 3 za pomocą tocznych łożysk 13a i 13b, osadzonych pomiędzy brzegami wewnętrznej powierzchni elementu obrotowego 14, a oboma obręczami wewnętrznymi 9a i 9b. Element obrotowy 14 ma postać aluminiowej rury o przekroju pierścieniowym, i podzielony jest na część napędową oraz część magnetycznie aktywną. Część napędową stanowi umieszczona na obwodzie tego elementu lekko wklęsła bieżnia pasa transmisyjnego 15, natomiast część magnetycznie aktywną stanowią, rozłożone wzdłuż obwodu elementu obrotowego 14, dipole magnetyczne 16 w postaci zestawów naklejonych na ten element płaskich magnesów neodymowych. Linie pól magnetycznych magnesów uporządkowane są jednokierunkowo w płaszczyznach prostopadłych do osi obrotu elementu obrotowego 14. Wzdłuż obwodu karkasu 1, pomiędzy elementami zewnętrznymi 6 i odpowiednio pomiędzy elementami wewnętrznymi 10 znajdują się, obejmujące go, poprzeczne wiązki uzwojeń 17. Ponadto na obwodzie karkasu 1 wydzielone są dwa miejsca, wolne od wiązek uzwojeń 17, przez które przeprowadzona jest zamknięta pętla pasa transmisyjnego 18. Opasa on bieżnię pasa transmisyjnego 15 oraz zewnętrzne koło pasowe 19, umożliwiając przekazywanie napędu, w zależności od zastosowania maszyny, z zewnętrznego układu napędowego na element obrotowy 14 - w przypadku zastosowania maszyny w funkcji prądnicy, albo z elementu obrotowego 14 do zewnętrznego obciążenia - w przypadku zastosowania maszyny w funkcji silnika.

Przedstawiona w przykładzie maszyna przeznaczona jest do pracy w charakterze prądnicy. Napędzana jest ona za pośrednictwem pasa transmisyjnego 18, przenoszącego ruch obrotowy z zewnętrznego koła pasowego 19 na bieżnię pasa transmisyjnego 15 elementu obrotowego 14. Wprawione w ruch obrotowy dipole magnetyczne indukują w rozłożonych na obwodzie karkasa 1 wiązkach uzwojeń 17 siły elektromotoryczne o wartości proporcjonalnej do sumy długości poszczególnych zwojów znajdujących się w polu oddziaływania magnetycznego dipoli magnetycznych, prędkości kątowej elementu obrotowego 14 oraz strumienia indukcji magnetycznej przy przenikalności magnetycznej, w tym

PL 231 784 B1 przypadku powietrza, zbliżonej do jedności. Pakiety uzwojeń 17 ułożone są płasko pomiędzy sąsiednimi elementami zewnętrznymi 6 oraz, odpowiednio, sąsiednimi elementami wewnętrznymi 10, jak najbliżej elementu obrotowego 14. Ma to na celu zachowanie minimalnej szczeliny powietrznej pomiędzy dipolami magnetycznymi, a pakietami uzwojeń 17, a w efekcie uzyskanie maksymalnego sprzężenia między nimi. Zewnętrzne krawędzie elementów zewnętrznych 6 oraz, odpowiednio, zewnętrzne krawędzie elementów wewnętrznych 10 stanowią równocześnie podstawy wsporcze dla, nie pokazanych na rysunku, osłony zewnętrznej oraz osłony wewnętrznej konstrukcji maszyny.

Zaletą rozwiązania maszyny według wynalazku jest możliwość względnie swobodnego formowania jej wymiarów w zakresie stosunku szerokości konstrukcji do jej długości, co umożliwia dostosowanie maszyny do indywidualnych potrzeb projektowych w zależności od miejsca jej przeznaczenia. Istnieje również możliwość bezpośredniego osadzania maszyny według wynalazku na masztach małych przydomowych elektrowni wiatrowych - w przypadku zastosowania jej jako generatora prądu elektrycznego. Inną korzystną cechą maszyny jest jej stosunkowo mały ciężar w stosunku do wymiarów. Wynika to z użycia w konstrukcji minimalnej ilości elementów stalowych, w tym braku ferromagnetycznego rdzenia stojana. Zaleta ta preferuje rozwiązanie maszyny elektrycznej według wynalazku do zastosowań w lekkich obiektach latających oraz pływających, między innymi w dronach powietrznych i wodnych. Ponadto maszyna elektryczna według wynalazku może znaleźć zastosowanie jako element dodatkowego wsparcia systemów napędowych i sterujących samochodów elektrycznych.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Maszyna elektryczna z wirującymi dipolami magnetycznymi zawierająca toroidalnie ułożone uzwojenie stojana, wewnątrz którego umieszczony jest pierścieniowy wirnik z magnesami trwałymi, przy czym wirnik połączony jest za pomocą pasa transmisyjnego z zewnętrznym układem przekazu momentu obrotowego, znamienna tym, że ma toroidalny karkas (1), korzystnie o przekroju prostokątnym, złożony ze ściany zewnętrznej (2) oraz ściany wewnętrznej (3), które połączone są ze sobą obustronnie przy pomocy elementów łączących (4a) i (4b), korzystnie w postaci dwóch jednakowych pierścieni, umieszczonych pomiędzy brzegami ściany zewnętrznej (2) oraz ściany wewnętrznej (3), poza tym wewnątrz karkasu (1) znajduje się element obrotowy (14) w formie rury o przekroju pierścieniowym, mający, rozłożone wzdłuż swego obwodu, dipole magnetyczne (16), których linie pola magnetycznego uporządkowane są w płaszczyznach prostopadłych do osi obrotu elementu obrotowego (14), poza tym w poprzek toroidu karkasu (1) znajdują się, obejmujące go, wiązki uzwojeń (17), a nadto korzystnie na obwodzie ściany zewnętrznej (2) wydzielone są dwa wolne od uzwojeń miejsca dla pasa transmisyjnego (18).

2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że toroidalny karkas (1) zbudowany jest z co najmniej dwóch kołowych obręczy zewnętrznych (5a) i (5b) oraz z co najmniej dwóch kołowych obręczy wewnętrznych (9a) i (9b), przy czym obręcze zewnętrzne (5a) i (5b) połączone są ze sobą, korzystnie z zachowaniem przerwy galwanicznej, podłużnymi elementami zewnętrznymi (6), tworząc wspólnie ścianę zewnętrzną karkasu (2), zaś obręcze wewnętrzne (9a) i (9b) połączone są ze sobą, korzystnie z zachowaniem przerwy galwanicznej, podłużnymi elementami wewnętrznymi (10), tworząc wspólnie ścianę wewnętrzną karkasu (3), ponadto, ułożyskowany względem ściany zewnętrznej (2) i/lub ściany wewnętrznej (3), element obrotowy (14) podzielony jest na część napędową, mającą na obwodzie przynajmniej jedną bieżnię pasa transmisyjnego (15) oraz na część magnetycznie aktywną, zawierającą dipole magnetyczne (16).