PL235902B1 - Bezkomutatorowy silnik prądu stałego - Google Patents

Abstract

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z wirnika (W1) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego osadzonego na wale (O1) mocowanego do elementów stojana (St1) i (St3) za pomocą łożysk (R1) i (R2), które to elementy stojana (St1) i (St3) mocowane są do korpusu stojana (St2) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, charakteryzuje się tym, że do wirnika (W1), bądź do korpusu stojana (St2) przymocowano warstwy magnesów trwałych bądź odpowiadających im elektromagnesów, natomiast w korpusie stojana (St2) osadzono odizolowane elektrycznie od stojana elementy ferromagnetyka miękkiego (Fe1) - (Fe36), do których końcówek podłączono źródło zasilania prądu stałego w ten sposób, że prąd płynący przez każdy z elementów (Fe1),..., (Fe36) ma ten sam zwrot i jest zorientowany osiowo względem wału silnika.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna prądu stałego.

Obecny stan techniki, to silniki prądu stałego znamienne tym, że stosuje się w nich niezależne od siebie obwody magnetyczne i elektryczne.

Niezależność obwodów elektrycznych od magnetycznych wynika z faktu zastosowania w ich konstrukcji przewodów miedzianych, których przenikalność magnetyczna względna jest w przybliżeniu równa 1.

Konsekwencją wprowadzenia niezależnych od siebie obwodów magnetycznych i elektrycznych w obecnie istniejących konstrukcjach silników prądu stałego są ich istotne ograniczenia mocy i sprawności wynikające z konieczności poruszania się w części liniowej charakterystyki B(H) ferromagnetyków miękkich oraz z maksymalnej osiągalnej indukcji pola magnetycznego w szczelinie żłobków, która dla silników z magnesami trwałymi wynosi około 1T.

Znane jest również z opisu zgłoszenia US2016315514 A1 dokonanego przez Rainera Eckerta i Andreasa Krausa, rozwiązanie które dotyczy mocowania magnesów stałych, rozmieszczonych na zewnątrz wirnika, za pomocą taśm mocujących. Taśmy nawijane są na magnesy stale przy uwzględnieniu ich naprężenia i położenia względem magnesów trwałych.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z wirnika wykonanego z ferromagnetyka miękkiego osadzonego na wale mocowanego do elementów stojana i za pomocą łożysk, które to elementy stojana mocowane są do korpusu stojana wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, do którego wirnika, bądź do korpusu stojana przymocowano warstwy magnesów trwałych bądź odpowiadających im elektromagnesów, natomiast w korpusie stojana osadzono odizolowane elektrycznie od stojana elementy ferromagnetyka miękkiego do których końcówek podłączono źródło zasilania prądu stałego w ten sposób, że prąd płynący przez każdy z elementów ma ten sam zwrot i jest zorientowany osiowo względem wału silnika.

Rozwiązanie ma na celu wyeliminowanie konieczności stosowania komutatorów w silnikach prądu stałego, które mają krótki czas życia i są bardzo drogie w porównaniu z pozostałymi elementami silnika.

Ponadto, rozwiązanie ma na celu zwiększenie sprawności silników poprzez zwielokrotnienie wartości indukcji magnetycznej pola magnetycznego, w której umieszczony jest przewodnik z płynącym w nim prądzie oraz stworzenie bardziej efektywnego chłodzenia silnika.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunkach, na których przedstawiamy:

Fig. 1-3 Rzuty bezkomutatorowego silnika elektrycznego,

Fig. 4 Rzut bezkomutatorowego silnika elektrycznego z zaznaczonym przekrojem A-A uwidocznionym na fig. 5,

Fig. 5 Przekrój A-A bezkomutatorowego silnika elektrycznego zaznaczony na rzucie uwidocznionym na fig. 4,

Fig. 6 Rzut bezkomutatorowego silnika elektrycznego z zaznaczonym przekrojem B uwidocznionym na fig. 7,

Fig. 7 Przekrój B bezkomutatorowego silnika elektrycznego zaznaczony na rzucie uwidocznionym na fig. 6,

Fig. 8 Rzut bezkomutatorowego silnika elektrycznego z zaznaczonym przekrojem C-C uwidocznionym na fig. 9,

Fig. 9 Przekrój C-C bezkomutatorowego silnika elektrycznego zaznaczony na rzucie uwidocznionym na fig. 8,

Fig. 10-12 Rzuty elementów stojana wraz z łożyskami i wałem,

Fig. 13-15 Rzuty wirnika silnika wraz z wałem i łożyskami mocującymi,

Fig. 16 Przekrój poprzeczny elementu stojana St2 w przykładzie realizacji, w której zamiast magnesów trwałych zastosowano elektromagnesy,

Fig. 17 Zasilanie równoległe silnika,

Fig. 18 Zasilanie szeregowe silnika.

Na rysunku fig. 1-3 przedstawiono rzuty bezkomutatorowego silnika prądu stałego, na którym uwidoczniono korpus stojana St2 wykonany z ferromagnetyka miękkiego na przykład ze spracowanych blach elektrotechnicznych odizolowanych od siebie elektrycznie.

PL 235 902 B1

Średnica wewnętrzna korpusu stojana zmniejsza się w obszarze wewnętrznym, w którym wyfrezowano otwory w kształcie trapezów, co uwidoczniono na rysunkach fig. 1-3 i fig. 10-12. Rozwiązanie tego typu eliminuje zawirowania przepływu strumienia pola magnetycznego w pozostałej części silnika - brak otworów na całej długości korpusu stojana.

W przypadku zastosowania blachy elektrotechnicznej do budowy korpusu stojana otwory w kształcie trapezów wycina się laserowo bądź wyrzyna całość przekroju za pomocą kształtki.

W otworach w kształcie trapezów korpusu stojana St2 umieszcza się elementy wykonane z ferromagnetyka miękkiego Fe1, ..., Fe36 o dużej przenikalności magnetycznej i małej rezystywności (np. z żelaza) poprzez wsunięcie ich w te otwory - fig. 1-3, fig. 4-7 i fig. 10-12,

Przed wsunięciem elementów ferromagnetyka miękkiego Fe1, ..., Fe36 w otwory korpusu stojana St2 w kształcie trapezów umieszcza się na ich końcówkach elementy izolujące wykonane z materiałów nieferromagnetycznych i nieprzewodzących prąd elektryczny np. z tworzywa sztucznego (podkładki) - elementy te nie są zaznaczone na rysunkach, ponieważ są to powszechnie znane rozwiązania konstrukcyjne; o konieczności wykonania izolacji wspomniano już w pierwszej wersji zastrzeżeń patentowych.

Grubość zastosowanych podkładek izolacyjnych pomiędzy elementami Fe1, ..., Fe36 a korpusem stojana St2 jak również optymalną grubość elementów Fe1, ..., Fe36 i kształt końcówek wyznacza się przy pomocy oprogramowania umożliwiającego realizację: obliczeń obwodów elektromagnetycznych metodą elementów skończonych.

W optymalizacji należy zmaksymalizować wartość bezwzględną momentu siły działającego na wirnik silnika oraz wartość bezwzględną różnicy pomiędzy momentem siły działającym na elementy Fe1, ..., Fe36 a momentem siły działającym na wirnik silnika - zwroty tych momentów sił powinny być przeciwne.

Należy podkreślić, że przedstawiona w niniejszym zgłoszeniu patentowym konstrukcja silnika wymaga zastosowania oprogramowania do analizy trójwymiarowych obwodów elektromagnetycznych - wynika to ze złożoności obwodów magnetycznych.

Do korpusu stojana St2 mocowane są podstawy stojana wykonane z materiałów nieferromagnetycznych St1 i St3 za pomocą śrub - fig. 1-3.

W podstawach stojana osadzone są łożyska R1 i R2 w tradycyjny sposób np. poprzez nagrzanie podstaw St1 i St2 i umieszczenie schłodzonego łożyska w otworach mocujących - fig. 1-3.

Na rysunku fig. 13-15 przedstawiono wirnik stojana W1 mocowany do wału silnika O1. Wirnik stojana W1 jest wykonany z materiałów ferromagnetycznie miękkich takich jak np. blacha transformatorowa. W przypadku zastosowania blachy transformatorowej do budowy wirnika należy poszczególne elementy blachy izolować elektrycznie a całość konstrukcji sprasować i ścisnąć śrubami, czego nie przedstawiono na rysunkach z uwagi na to, że jest to znane rozwiązanie techniczne.

Do wirnika silnika W1 mocuje się magnesy trwałe namagnesowane promieniowo Mi1, ..., Mi12 w ten sposób, że wektory magnetyzacji są zwrócone do środka wirnika, co przedstawiono na rysunku fig. 13-15 poprzez zaznaczenie orientacji wektora magnetyzacji tylko dla dwóch sąsiadujących ze sobą magnesów.

W innym przykładzie realizacji wirnik W1 nie posiada magnesów trwałych Mi1, ..., Mi12 musi być w związku z tym zwiększona średnica zewnętrzna wirnika w ten sposób, żeby była równa średnicy zewnętrznej w przykładzie realizacji z zastosowaniem magnesów trwałych.

Do wirnika W1 mocuje się również magnesy trwałe Mf1, ..., Mf12 magnesowane promieniowo w ten sposób, że wektory magnetyzacji są zwrócone na zewnątrz wirnika, co przedstawiono na rysunku fig. 13-15 poprzez zaznaczenie orientacji wektora magnetyzacji tylko dla dwóch sąsiadujących ze sobą magnesów.

W innym przykładzie realizacji magnesy trwałe Mf1, ..., Mf12 mocowane są do stojana St2 z tym, że należy zwiększyć ich średnicę zewnętrzną i wewnętrzną pozostawiając orientacje wektorów magnetyzacji - fig. 10-12.

W kolejnym przykładzie realizacji zamiast magnesów trwałych Mf1, ..., Mf12 stosuje się elektromagnesy co pokazano na rysunku fig. 16. Zasilanie uzwojeń stojana Cu1, ..., Cu12 jest takie, że strumień pola magnetycznego wpływa do rdzeni elektromagnesów.

Przedstawiony na rysunkach fig. 1-3, fig. 4-7 korpus silnika jest większy niż wynikałoby to z rozmiarów wirnika, ponieważ w jego konstrukcji przewidziano montaż drugiej serii magnesów stałych (bądź odpowiadających im elektromagnesów) Mf1, ..., Mf12 umieszczonych symetrycznie względem warstwy magnesów Mi1, ..., Mi12, co poprawia rozkład linii sił pola magnetycznego.

PL 235 902 Β1

Zasilanie prętów silnika Fe1, Fe36 jest doprowadzone przewodem miedzianym w izolacji przez otwory technologiczne Z1 i Z2 - fig. 17 i fig. 18.

W przypadku równoległego zasilania elementy Fe1, ..., Fe36 łączone są elektrycznie przewodem miedzianym z każdej ze stron a pojedyncze przewody wyprowadzone są na zewnątrz przez Z1 i Z2.

W obszarze otworów Z1 i Z2 przewody powinny być umieszczone w pierścieniu wykonanym z ferromagnetyka miękkiego oraz odseparowane szczeliną powietrzną od ścianek stojana St2.

W przypadku szeregowego łączenia elementów Fe1, ..., Fe36 należy przewody miedziane łączące pręty wyprowadzać na zewnątrz stojana St2 za pomocą otworów technologicznych, których nie pokazano na rysunkach - fig. 18.

Łączenie przewodów miedzianych z elementami Fe1, ..., Fe36 może być zrealizowane za pośrednictwem elementów miedzianych łączonych trwale z prętami poprzez osadzenie ich w nawierconych otworach prętów Fe1, ..., Fe36, a następnie zastosowanie spawania bądź sprasowania elementów.

Silnik może być chłodzony cieczą. Wystarczy w tym celu opleść osiowo elementy Fe1, ..., Fe36 wężykiem wykonanym z teflonu a końcówki wężyka wyprowadzić na zewnątrz i podłączyć do obiegu cieczy chłodzącej, której obieg wymuszany jest pompą cyrkulacyjną.

W bezkomutatorowym silniku prądu stałego tworzy się zamknięty obwód magnetyczny zbudowany z prętów ferromagnetycznych Fe1, ..., Fe36 wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, podkładek nieferromagnetycznych izolujących elementy Fe1, ..., Fe36, elementu stojana St2, szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem, magnesów trwałych Mf1, ..., Mf12, elementu wirnika W1 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, magnesów trwałych Mi1, ..., Mi12 i szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem silnika a stojanem.

Obwód magnetyczny silnika, w którym znajdują się magnesy trwałe, wymusza przepływ strumienia poła magnetycznego zorientowanego promieniowo przez pręty Fe1, ..., Fe36, przez które płynie prąd stały w kierunku osiowym. W wyniku przepływu prądu przez elementy stojana Fe1, ..., Fe36 znajdujące się w polu magnetycznym zmienia się rozkład energii potencjalnej układu w wyniku czego działają na nie momenty sił. Momenty sił działające na poszczególne pręty Fe1, ..., Fe36 mają tę samą wartość i są tego samego znaku.

Bezpośrednio z zastosowania trzeciej zasady dynamiki wynika, że na wirnik działa moment siły o tej samej wartości lecz przeciwnie skierowany.

Grubość zastosowanych podkładek izolacyjnych pomiędzy elementami Fe1, ..., Fe36 a korpusem stojana musi być odpowiednio dobrana poprzez zastosowanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego umożliwiającego analizy obwodów elektromagnetycznych metodą elementów skończonych.

Wartość indukcji magnetycznej w prętach Fe1, ..., Fe36 może być większa od 1T nawet w przypadku zastosowana magnesów stałych, ponieważ powierzchnia boczna tych prętów jest mniejsza niż powierzchnia boczna magnesów stałych wirnika. Nadto, zastosowano drugi rząd magnesów stałych Mf1, ..., Mf12.

Wstępne obliczenia dla silników z magnesami trwałymi wykazały, że wartość indukcji magnetycznej B wynosi ok. 2T w obszarze prętów Fe1, ..., Fe36, co daje jednoznaczną przewagę tego typu silników nad tradycyjnymi.

Zasilanie prętów Fe1, ..., Fe36 wykonanych na przykład z żelaza jest pokazane na rysunku fig. 17 i fig. 18, gdzie oprócz prętów pokazano przewody miedziane w izolacji.

Wybór jednego ze sposobów zasilania silnika jest zależny od tego jakim źródłem prądu stałego dysponujemy. Należy podkreślić, że w przypadku zastosowania silnika w urządzeniach mobilnych zasilanie jest realizowane za pomocą akumulatorów. Nie ma zatem żadnego problemu z zasilaniem silnika dużymi prądami, ponieważ źródło zasilania jest położone bardzo blisko silnika - nie ma zatem dużych strat na przewodach zasilających.

W przypadku zasilania silnika z sieci należy zastosować transformator umieszczony bezpośrednio przy silniku.

Znacznie większa rezystywność żelaza, z którego są wykonane pręty Fe1, ..., Fe36 w jednym z przykładów realizacji nie jest większą przeszkodą dla konstruktora, ponieważ wystarczy zwiększyć ich przekrój poprzeczny.

Podstawiając tabelaryczną rezystywność miedzi i żelaza:

p_Cu = 1.72 * 10~⁸ [Ωηι] p_Fe = 10 * ΙΟ^-8 [Ωτη]

PL 235 902 Β1 do wzoru na rezystancję mamy dla elementów o tej samej długości i rezystancji:

PfJ $Fe

Rfe — Rcu

Ostatecznie uzyskujemy wynik określający, ile razy przekrój poprzeczny przewodnika żelaznego powinien być większy od przekroju przewodnika miedzianego o tej samej długości:

ę - ^PFe ς _ ^Fe ~ —*^Cu Pcu

10*10“⁸ _ __ _ * $Cu

1.72 · 10 “ «s 5.8 * S(;_u

Konstrukcja silnika umożliwia sześciokrotne zwiększenie przekroju poprzecznego prętów bez zmiany parametrów obwodu magnetycznego w tym wartości indukcji magnetycznej B.

Wzrost masy silnika przy zastosowaniu większych przekrojów poprzecznych prętów Fe1, Fe36 nie prowadzi do znaczącego zwiększenia masy silnika w porównaniu z obecnie istniejącymi konstrukcjami, ponieważ w tradycyjnych konstrukcjach masa stojana jest znacząco zwiększona koniecznością budowy żłobków.

Możliwość bezpośredniego chłodzenia cieczą elementów grzejnych silnika Fe1, ..., Fe36 umożliwia zwiększenie jego klasy sprawności do IE 5, co gwarantuje jego zastosowanie w przemyśle.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny znajdzie zastosowanie w konstrukcjach mobilnych zasilanych bateriami akumulatorów bądź ogniwami paliwowymi jak również w kolejnictwie jako silnik trakcyjny.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z wirnika (W1) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego osadzonego na wale (O1) mocowanego do elementów stojana (St1) i (St3) za pomocą łożysk (R1) i (R2), które to elementy stojana (St1) i (St3) mocowane są do korpusu stojana (St2) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, znamienny tym, że do wirnika (W1), bądź do korpusu stojana (St2) przymocowano warstwy magnesów trwałych (Mf1), ..., (Mf12) oraz (Mi1), ..., (Mi12) bądź odpowiadających im elektromagnesów, natomiast w korpusie stojana (St2) osadzono odizolowane elektrycznie od stojana elementy ferromagnetyka miękkiego (Fe1) - (Fe36), do których końcówek podłączono źródło zasilania prądu stałego w ten sposób, że prąd płynący przez każdy z elementów (Fe1), ..., (Fe36) ma ten sam zwrot i jest zorientowany osiowo względem wału silnika.
2. 2. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy (Fe1), ..., (Fe36) łączone są szeregowo przewodem miedzianym w izolacji.
3. 3. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy (Fe1), ..., (Fe36) łączone są równolegle przewodem miedzianym w izolacji.
4. 4. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy (Fe1), ..., (Fe36) chłodzone są cieczą przepływającą przez wężyk teflonowy nawinięty na nie osiowo.