PL233851B1 - Silnik prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy - Google Patents

Abstract

Zredukowany silnik prądu stałego zbudowany z wału (O1) mocowanego do podstaw stojana (St1 i St3) za pomocą łożysk (R1 i R2), które to podstawy stojana mocowane są do korpusu stojana (St2) charakteryzuje się tym, że na wale (O1) wykonanym z ferromagnetyka miękkiego osadzono bez szczeliny powietrznej pierścień (C1), wykonany z ferromagnetyka miękkiego wraz z mocowanymi do niego magnesami trwałymi do wszystkich jego powierzchni bocznych i podstaw, do którego to podstaw w sekcjach przymocowano bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe w kształcie wycinków pierścieni namagnesowane osiowo w ten sposób, że w każdej z sekcji k bieguny magnesów mocowanych do pierścienia (C1) są jednoimienne, do którego to powierzchni bocznych pierścienia (C1) przymocowano bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe namagnesowane promieniowo w kształcie wycinków pierścieni w ten sposób, że w danej sekcji k biegun magnetyczny magnesu mocowany do pierścienia (C1) jest taki sam jak biegun magnesu, a biegun magnetyczny magnesu mocowany do pierścienia (C1) w tej samej sekcji k jest przeciwny, które to sekcje charakteryzują się tym, że dla dowolnej sąsiadującej sekcji k to znaczy sekcji k-1 i k+1 bieguny magnesów trwałych danego typu mocowanych do pierścienia (C1) są przeciwne, który to wirnik umieszczono w oplatających go uzwojeniach stojana wykonanych z miedzi, składających się z elementów (Cu1),..., (Cu36), które są zorientowane osiowo i promieniowo, a które mocowane są do elementów stojana (St1, St2 i St3).

Description

Opis wynalazku

Obecny stan techniki to silnik opracowany przez współautorów niniejszego zgłoszenia patentowego pt. „Wysokoobrotowy Silnik Prądu Stałego TDCM” zarejestrowany w polskim urzędzie patentowym pod numerem P.416074.

W zgłoszeniu patentowym P.416074 skoncentrowano się na budowie silników wysokoobrotowych z jedną komutacją na pełen obrót wału silnika, dlatego zastosowano dwubiegunowy magnes warstwowy w kształcie pierścienia skonstruowany w oparciu o zgłoszenie patentowe pt. „Magnes warstwowy” autorstwa M.A. Sobolewskiego zarejestrowane pod numerem P.401672, który jest źródłem pola magnetycznego o orientacji osiowo-promieniowej. Magnes warstwowy jest mocowany do wału silnika poprzez pierścień wykonany z materiałów nieferromagnetycznych.

Uzwojenia stojana w zgłoszeniu patentowym P.416074 zorientowane są osiowo i promieniowo i mocowane są do stojana.

Silnik prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z wału mocowanego do podstaw stojana za pomocą łożysk, które to pod stawy stojana mocowane są do korpusu stojana, na którym to wale wykonanym z ferromagnetyka miękkiego jest osadzony bez szczeliny powietrznej pierścień wykonany z ferromagnetyka miękkiego wraz z mocowanymi do niego magnesami trwałymi do wszystkich jego powierzchni bocznych i podstaw, do którego to podstaw w sekcjach są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe w kształcie wycinków pierścieni namagnesowanych osiowo w ten sposób, że w każdej z sekcji k bieguny magnesów mocowanych do pierścienia są jednoimienne, do którego to powierzchni bocznych pierścienia są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe magnesowane promieniowo w kształcie wycinków pierścieni w ten sposób, że w danej sekcji k biegun magnetyczny magnesu mocowany do pierścienia mocującego jest taki sam jak bieguny magnesów mocowanych do podstaw a biegun magnetyczny magnesu mocowany do wewnętrznej powierzchni pierścienia w tej samej sekcji k jest przeciwny, które to sekcje charakteryzują się tym, że dla dowolnej sąsiadującej sekcji k to znaczy sekcji k-1 i k+1 bieguny magnesów trwałych danego typu mocowanych do pierścienia mocującego są przeciwne, który to wirnik umieszczono w oplatających go uzwojeniach stojana wykonanych z miedzi składających się z odizolowanych od siebie elementów połączonych szeregowo w sekcje podłączone do falownika, które są zorientowane osiowo i promieniowo, a które mocowane są do stojana.

Wynalazek ma na celu optymalizację obwodów magnetycznych silnika opisanego w zgłoszeniu patentowym P.416074 poprzez odwrócenie biegunowości magnesów trwałych Mi1, ..., Mi12, co umożliwia ich mocowanie do wału silnika O1 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego.

Ponadto, przedstawiono jeden ze sposobów łączenia elementów uzwojenia stojana Cu1, ..., Cu36, co umożliwi zastosowanie istniejących na rynku falowników i sterowników oraz zwiększono liczbę biegunów magnetycznych wirnika.

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

Fig. 1-3 - Rzuty silnika prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy,

Fig. 4 - Rzut silnika prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy z zaznaczonym przekrojem A-A uwidocznionym na rysunku fig. 5,

Fig. 5 - Przekrój A-A silnika prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy zaznaczony na rysunku fig. 5,

Fig. 6-8 - Rzuty wirnika silnika prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy,

Fig. 9-11 - Rzuty uzwojenia stojana silnika prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy,

Fig. 12-14 - Rzuty wycinka pierścienia C1 wraz z mocowanymi do niego magnesami trwałymi oraz oplatającymi go elementami uzwojenia stojana,

Fig. 15 - Połączenie elementów uzwojeń stojana.

Na rysunkach fig. 6-8 przedstawiono rzuty wirnika silnika wraz z wałem silnika O1 i osadzonymi na nim łożyskami R1 i R2.

W prezentowanym przykładzie realizacji wał O1 zwiększa swoją średnicę zewnętrzną w swojej środkowej części i jest wykonany z ferromagnetyka miękkiego - fig. 1-3. Oznacza to, że jest wytoczony z jednego kawałka materiału.

PL 233 851 B1

W innym przykładzie realizacji na wale O1 osadza się pierścień wykonany ze sprasowanych i odizolowanych od siebie elektrycznie blach elektrotechnicznych w celu zmniejszenia prądów wirowych, co nie zostało przedstawione na rysunkach, ponieważ są to znane rozwiązania konstrukcyjne.

Na wale O1 osadza się pierścień C1 wykonany z ferromagnetyka miękkiego wraz z przymocowanymi do jego powierzchni bocznych i podstaw magnesami stałymi - fig. 1-3, fig. 6-8, fig. 12-14.

Pierścień może być wykonany ze sprasowanych blach elektrotechnicznych, co nie zostało pokazane na rysunkach z uwagi na to, że jest to znane rozwiązanie konstrukcyjne mające na celu minimalizację strat energii na prądy wirowe.

Do podstaw pierścienia C1 są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe w kształcie wycinków pierścieni Mt1, ..., Mt12 oraz Mb1, Mb12 namagnesowane osiowo w ten sposób, że w każdej z sekcji k bieguny magnesów Mtk, Mbk mocowanych do pierścienia C1 są jednoimienne, co pokazano na rysunku fig. 12-14.

Bieguny magnesów trwałych mocowanych do pierścienia C1 w sekcjach sąsiadujących z sekcją k to znaczy bieguny magnesów Mtk-1, Mbk-1 oraz Mtk+1, Mbk+1 są przeciwne do biegunów magnesów Mtk, Mbk, co przedstawiono na rysunku fig. 5 za pomocą strzałek symbolizujących wektory magnetyzacji mocowanych magnesów trwałych.

Do powierzchni bocznych pierścienia C1 są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe Mi1, ..., Mi12 oraz Mo1, ..., Mo12, w kształcie wycinków pierścienia namagnesowane promieniowo, w ten sposób, że w danej sekcji k biegun magnetyczny magnesu Mok mocowany do pierścienia C1 jest taki sam jak biegun magnesu Mtk, Mbk a biegun magnetyczny magnesu Mik mocowany do pierścienia C1 w tej samej sekcji k jest przeciwny - fig. 12-14.

Po osadzeniu na wale O1 pierścienia C1 z magnesami trwałymi umieszcza się na nim elementy uzwojeń stojana Cu1, ..., Cu36 wykonane z miedzi elektrolitycznej w kształcie liter „C”, co przedstawiono na rysunku fig. 9-11.

Wykonanie takich elementów Cu1, ..., Cu36 z miedzi realizuje się poprzez wycinanie odpowiednich profili z blachy miedzianej za pomocą kształtki bądź cięcia laserem a następnie zginanie.

Po osadzeniu elementów uzwojenia na wirniku silnika osadza się na elementach uzwojenia Cu1, ..., Cu36 pierścienie P1, ..., P6 wykonane z materiałów nieferromagnetycznych np. z tworzywa sztucznego - fig. 1-3 i fig. 4-5.

Na rysunku fig. 5 przedstawiono przekrój poprzeczny jednego z pierścieni - pierścienia P6.

Po osadzeniu wszystkich pierścieni P1, ..., P6 na elementach uzwojenia stojana Cu1, ..., Cu36 można przystąpić do ich łączenia elektrycznego za pomocą przewodu miedzianego w izolacji tak jak to przedstawiono na rysunku fig. 15.

Dookoła uzwojeń stojana nawija się wężyk wykonany z teflonu, przez który można tłoczyć ciecz chłodzącą np. wodę. W tym celu należy zastosować otwór technologiczn y w każdym z pierścieni P1, ..., P6, który umożliwi nawinięcie wężyka na wszystkich zewnętrznych powierzchniach bocznych uzwojenia stojana. W celu uniknięcia przewlekania wężyka przez otwory technologiczne można zastosować łączenie poszczególnych uzwojeń wężyka.

Podobnej konstrukcji pierścienie do P1, ..., P6 mocowane są do podstaw stojana umieszczając je w wytoczonych zagłębieniach i mocuje do stojana śrubami, co nie zostało przedstawione na rysunkach, ponieważ są to znane techniki konstrukcyjne i podobne rozwiązanie do ujawnionego dla pierścieni P1, ..., P6.

Po umieszczeniu na uzwojeniach stojana wszystkich pierścieni P1, ..., P6 oraz pierścieni mocowanych do podstaw stojana St1 i St3 i instalacji wężyka teflonowego okłada się zewnętrzne powierzchnie uzwojeń stojana wraz z wężykami teflonowymi lekkim materiałem termoizolacyjnym np. pianką z tworzywa sztucznego a następnie umieszcza we wnętrzu korpusu stojana St2, w którym są wyfrezowane trapezowe prowadnice dla pierścieni P1, ..., P6 posiadające trapezowe wypustki - nie zostało to pokazane na rysunkach z uwagi na to, że jest to znane rozwiązanie techniczne.

Na rysunku fig. 15 przedstawiono w sposób schematyczny łączenie elementów uzwojenia stojana Cu1, ..., Cu36, które są podłączone do falownika Fk sterowanego mikrokontrolerem Mk.

Do mikrokontrolera są podłączone czujniki np. hallotrony, które umożliwiają wykrycie położenia sekcji uzwojeń stojana względem magnesów trwałych. Z kolei do falownika jest podłączone źródło prądu stałego bądź zmiennego jedno lub trójfazowego.

Wirnik silnika zbudowany jest z pierścienia C1 z osadzonymi na jego powierzchniach bocznych i podstawach magnesami trwałymi.

PL 233 851 B1

Magnesy Co1, Co12, Ct1, Ct12 oraz Cb1, Cb12 są mocowane na obwodzie naprzemiennie swoimi biegunami magnetycznymi, w wyniku czego tworzą się obwody magnetyczne pomiędzy sąsiadującymi ze sobą sekcjami w tym obwody magnetyczne zamykające się pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami tych magnesów dla sąsiadujących ze sobą sekcji.

Rozmieszczenie elementów uzwojeń stojana Cu1, ..., Cu36 względem magnesów trwałych Co1, ..., Co12, Ct1, ..., Ct12 oraz Cb1, ..., Cb12 jest takie, że niezależnie od położenia wirnika względem stojana zawsze dwa elementy uzwojenia stojana mieszczą się w obszarze tej samej sekcji magnesów, które zwrócone są do nich tym samym biegunem magnetycznym.

Mikrokontroler Mk w oparciu o czujniki (np. halotrony) zasila zawsze dwa uzwojenia poprzez falownik Fk w ten sposób, że momenty sił działające na elementy uzwojeń stojana sumują się.

Prezentowany w niniejszym zgłoszeniu patentowym nowy typ silnika znajdzie zastosowanie w urządzeniach mobilnych z uwagi na jego znacznie większą gęstość mocy. Ciepło odzyskiwane z układu chłodzenia silnika umożliwia sklasyfikowanie silnika jako silnik o klasie sprawności IE5, co ma istotne znaczenie w pompach ciepła.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Silnik prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy zbudowany z wału (O1) mocowanego do podstaw stojana (St1) i (St3) za pomocą łożysk (R1) i (R2), które to podstawy stojana mocowane są do korpusu stojana (St2), znamienny tym, że na wale (O1) wykonanym z ferromagnetyka miękkiego jest osadzony bez szczeliny powietrznej pierścień (C1) wykonany z ferromagnetyka miękkiego wraz z mocowanymi do niego magnesami trwałymi do wszystkich jego powierzchni bocznych i podstaw, do którego to podstaw w sekcjach są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwale w kształcie wycinków pierścieni (Mt1), ..., (Mt12) oraz (Mb1),...., (Mb12) namagnesowane osiowo w ten sposób, że w każdej z sekcji k bieguny magnesów (Mtk), (Mbk) mocowanych do pierścienia (C1) są jednoimienne, do którego to powierzchni bocznych pierścienia (C1) są przymocowane bez szczeliny powietrznej magnesy trwale (Mi1), ..., (Mi12) oraz (Mo1), ..., (Mo12) magnesowane promieniowo w kształcie wycinków pierścieni w ten sposób, że w danej sekcji k biegun magnetyczny magnesu (Mok) mocowany do pierścienia (C1) jest taki sam jak biegun magnesu (Mtk), (Mbk) a biegun magnetyczny magnesu (Mik) mocowany do pierścienia (C1) w tej samej sekcji k jest przeciwny, które to sekcje charakteryzują się tym, że dla dowolnej sąsiadującej sekcji k to znaczy sekcji k-1 i k+1 bieguny magnesów trwałych danego typu (Mi), (Mo), (Mt), (Mb) mocowanych do pierścienia (C1) są przeciwne, który to wirnik umieszczono w oplatających go uzwojeniach stojana wykonanych z miedzi składających się z elementów (Cu1), ..., (Cu36), które są zorientowane osiowo i promieniowo, a które mocowane są do elementów stojana (St1), (St2) i (St3).
2. 2. Silnik prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy uzwojeń stojana (Cu1), ..., (Cu36) chłodzone są za pomocą nawiniętego na nie wężyka, przez który tłoczona jest ciecz chłodząca.
3. 3. Silnik prądu stałego BLDC o dużej gęstości mocy według zastrz. 1, znamienny tym, że na wale silnika (O1) osadza się pierścień wykonany ze sprasowanych i odizolowanych od siebie elektrycznie blach elektrotechnicznych, na którym to pierścieniu mocuje się bez szczeliny powietrznej pierścień (C1) wraz z osadzonymi na nim magnesami trwałymi.