CZ198098A3 - Elektrický motor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Problém spojený s obyčejnými elektrickými motory je v tom, že nejsou zvlášť účinné, když hnaný hřídel pracuje při nízkých otáčkách. Například ve zdvihacích jeřábech by byl výhodný motor s charakteristikou s účinným provozem při malých rychlostech, který by umožňoval změnu směru otáčení při současném udržování velkého kroutícího momentu i v neutrální poloze.

Dosavadní stav techniky

Z německých zveřejněných přihlášek č. 2237099 a 2928770 jsou známy měniče momentu, které využívají indukovaného napětí, opatřené hřídelem, spojeným s hnacím motorem, přičemž jedna část měniče pracuje jako generátor, zatímco druhá část měniče pracuje jako motor. Regulací napětí mezi oběma částmi je možné řízení počtu otáček za minutu a kroutícího momentu výstupního hřídele nezávisle na počtu otáček za minutu hnacího motoru. Existuje však v těchto případech úplná závislost na hnacím motoru připojeném ke generátorové části měniče momentu. Měničové jednotky jsou ve skutečnosti navršeny jako náhrada hydraulických řešení.

US patent 4 532 447 také popisuje měnič momentu či variátor rychlosti. Měnič sestává z vnější pevné kotvy (statoru), mezilehlého rotoru a uvnitř něho centrálně

72666 (72666a)

**

uspořádaného rotoru. Mezilehlý rotor je vybaven dvěma sadami vinutí, přičemž vnější vinutí spolupůsobí s vnější pevnou kotvou, a vnitřní vinutí ovlivňuje vnitřní rotor.

Z patentu je zřejmé, že měnič pracuje jako měnič momentu spojením vnitřního rotoru s hnací jednotkou (např. motoru vozidla) a připojením mezilehlého rotoru k převodovce. Řízení počtu otáček za minutu a kroutícího momentu se provádí velmi složitým způsobem, neustálým řízením opačných pólů tak, aby byly během provozu ve správné vzájemné poloze. Dále je zřejmé, že existuje omezení velikosti přenášeného výkonu, nemá-li se konstrukce stát relativně objemnou, neboř přenášený výkon je závislý na rozměrech vinutí mezilehlého rotoru.

Britská patentová přihláška č. GB-A 2 271 025 popisuje elektrický motor mající charakteristiky poněkud podobné charakteristikám předloženého vynálezu. Motor podle dosavadního stavu techniky je konstruován ze dvou statorů (kotev), pevně namontovaných na skříni motoru, s prstencovým rotorem uspořádaným mezi dvěma pevnými statory. Rotor sestává z několika malých permanentních magnetizovatelných jednotek (tj . cívek), hlavním hřídeli pomocí ramen nebo paprsků.

magnetů nebo upevněných na

Britská patentová přihláška dále popisuje, že každá cívka nebo magnet je otočná kolem své osy a absorbuje kroutící moment, vytvářený přivedením napětí na vnější stator, takže hřídel se neotáčí. Přivedením napětí na vnitřní stator a/nebo na otáčející se jednotky se otáčení každé otáčející se jednotky zabrzdí, čímž se hřídel uvede do otáčivého pohybu.

Motor podle dosavadního stavu techniky používá pro řízení rychlosti změny frekvence nebo napětí na dvou kotvách.

Rotor je pevně namontován na hřídeli a skládá se z několika oddělených malých rotorů otáčejících se mezí kotvami, umístěných vzhledem ke hřídeli obvodově (radiálně). Napětí se k malým rotorům přivádí prostřednictvím sběracích kroužků nebo podobně. Konstrukce s několika cívkami nebo magnety otáčejícími se kolem příslušných os mezi kotvami, umístěnými radiálně vzhledem ke hřídeli, připevněnými na ramenech upevněných ke hřídeli, činí konstrukci poměrně složitou, a je zřejmé, že rozměry motoru pro přenos velkého výkonu budou poměrně objemné.

Německá zveřejněná přihláška DE 4341128 popisuje motor válcovitého tvaru, mající nezávisle běžící rotor, takže motor je dvojitý motor, přičemž počet otáček za minutu výstupního hřídele se jeví jako rozdíl mezi počty otáček za minutu dvou dílčích motorů. Motor však je omezen na válcovité vytvoření, a není zřejmě zamýšlen pro použití při počtu otáček za minutu v oblasti kolem nuly. Stejně jako v úvodu, tento motor podle stavu techniky je konstruován pro vysoké výstupní rychlosti hřídele.

Existuje tedy potřeba elektrického motoru s takovými charakteristikami, že počet otáček za minutu lze regulovat až do klidového stavu, že v klidovém stavu může být na výstupní hřídel vyvíjen plný kroutící moment, a že výstupní hřídel motoru může měnit smysl otáčení, aniž by bylo nutno zastavit a znovu spustit motor.

. · ·· ♦ ·

Podstata vynálezu

Motor podle vynálezu, který vyhovuje výše stanoveným požadavkům, je určen znaky patentového nároku 1. Další zvláštní vytvoření vynálezu jsou zřejmá ze zbývajících patentových nároku.

Přehled obrázků na výkresech

V následujícím bude vynález podrobněji osvětlen za pomoci detailního popisu některých příkladů vytvoření, a zároveň je znázorněn na výkresech, na kterých představuje obr. 1 motor podle vynálezu ve formě střídavého motoru diskového tvaru v podélném řezu, obr. 2 obdobný střídavý motor diskového tvaru vytvořený podle vynálezu, obr. 3 motor diskového tvaru s axiálně protaženou rotorovou částí, obr. 4 diagram vztahu mezi počty otáček za minutu pro dva dílčí motory, obr. 5 vytvořeni motoru podle vynálezu v podrobnějším znázornění.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno první vytvoření »*

9· • 9 ·· 9 · 9 9 9 9

9 9 ·99 9 9 9 9

motoru podle vynálezu ve formě střídavého motoru diskového tvaru, v axiálním podélném řezu. Diskový tvar se zde týká té skutečnosti, že pevně namontovaná kotva 1, rotující pólové kolo (či rotor) 2 & otáčivá kotva 2 mají tvar disků, umístěných svými stranami vedle sebe, a majících společnou osu 4, která je osou otáčení rotoru 2 a otáčivé kotvy 2Jak již bylo uvedeno, kotva 2 je pevně namontovaná na skříni 2 motoru, a na vinutí nebo cívky této kotvy je přivedeno střídavé napětí z měniče IQ frekvence prostřednictvím svorkovnice 2. Obdobně další, o sobě nezávislá, část měniče 10 frekvence přivádí příslušným způsobem střídavé napětí na vinutí/cívky otáčivé kotvy 2 prostřednictvím kartáčů a sběracích kroužků 7.

Otáčivá kotva 2 má ve svém středu hřídel 2/ který je výstupním hřídelem motoru, přičemž hřídel 2 běží v kuličkových nebo válečkových ložiscích 2, spojených se skříní 2 motoru. Otáčivé pólové kolo 2 je v podstatě opatřeno permanentními magnety pro interakci s pevně namontovanou kotvou 2 na jedné straně, a s otáčivou kotvou 2 na druhé straně. Motor tedy v podstatě obsahuje dva dílčí motory, přičemž rotor 2 je rotorem v dílčím motorovém systému, tvořeném kotvou 2/rotorem 2, a v dílčím motorovém systému tvořeném kotvou 2/rotorem 2· Dílčí motor kotva 2/rotor 2 je v následujícím označován Ml/ a dílčí motor kotva 2/rotor 2 je označován M2.

Permanentní magnety nezávisle běžícího rotoru mohou být, jak je obvyklé v této oblasti techniky, stejně dobře nahrazeny cívkami, avšak pak musí být na rotor přiveden prostřednictvím kartáčů a sběrných kroužků magnetizačni proud. Permanentní magnety nebo cívky na rotoru 2 tvoří • ·

• · · · · • « · · • · · ·· φ·

pólové páry na obou stranách rotoru. Rotor či pólové kolo 2, umístěné mezi kotvami 1 a 2, které pracuje pro obé tyto kotvy současně jako rotor, se otáčí ve válečkovém nebo kuličkovém ložisku spojeném se střední, dovnitř protaženou částí skříně 2 motoru, může však být také uloženo a otáčet se ve válečkovém nebo kuličkovém ložisku kolem hřídele 2.

Při přivedení napětí na Ml, čímž se uvádí nezávisle běžící rotor 2 do otáčivého pohybu s určitou úhlovou rychlostí 1, a současném přivedení napětí na M2 pro udělení stejné rychlosti otáčení rotoru 2(2= 1), avšak v opačném smyslu, je rychlost s otáčení hřídele rovna nule, a kroutící moment hřídele 2 je určen velikostí výkonu a rychlostmi otáčení pro Ml a M2.

Měněním frekvence pomocí měniče 10 frekvence pro změnu rychlosti, buď ve vztahu k jedné z rychlostí 1 nebo 2, nebo pro obě rychlosti 1 a 2, se podle vynálezu dosáhne toho, že se hřídel uvede do otáčivého pohybu o rychlosti s, která se rovná rozdílu rychlostí 1 a 2. Výkon na hřídeli se rovná rozdílu velikostí výkonu pro Ml a M2.

Měněním rychlostí 1 a 2 zároveň takovým způsobem, že součet počtů otáček za minutu je konstantní, se podle vynálezu dosáhne toho, že současně se změnou rychlosti hřídele s na rychlost, která se rovná rozdílu rychlostí 1 a 2, se kroutící moment na hřídeli adaptuje na zátěžný kroutící moment při tomto novém počtu otáček za minutu.

Také je možné měnit rychlosti 1 a 2 takovým způsobem, že rychlost otáčeni hřídele zůstává během změn konstantní a je dána rozdílem mezi rychlostmi otáčení 1 a 2, a kroutící moment na hřídeli je neustále dán zátěžovým krouticím • · ·· ** ··*· ·*·· momentem.

Mnohé z výše uvedených úvah jsou platné také ve vztahu k vytvoření podle obr. 2, který znázorňuje konstrukci obdobnou konstrukci jako obr. 1, a kde jsou použity shodné vztahové značky pro odpovídající součásti, avšak se stejnosměrným motorem, napájeným z regulátoru 13 napětí. Napětí se v tomto případě přivádí prostřednictvím kartáčů a komutátoru 12 na vinutí dvou kotev laj.. V tomto vytvoření je motor diskového tvaru, analogicky motoru znázorněnému na obr. 1.

Funkce stejnosměrného motoru na obr. 2 je analogická funkci popsané ve vztahu ke střídavému motoru, avšak místo měnění výstupní frekvence měniče frekvence se pro změnu rychlostí 1 resp. 2 otáčení pro Ml resp. M2 mění výstupní napětí regulátoru 13. napětí (značení je obdobné tomu, použitému v případě stejnosměrného motoru).

Na obr. 3 je znázorněna varianta výše uvedeného konceptu diskového motoru, stejnosměrného i střídavého. Motor znázorněný na obr. 3 vychází z výše popsaného vytvoření, avšak zejména rotor 2. je odlišný. Rotor je v tomto případě znázorněn jako v podstatě třídílná konstrukce, mající jednu sekci mezi kotvami 1 a 3. a vždy jednu sekci vně každé kotvy, přičemž tři sekce rotoru jsou propojeny válcovitými částmi umístěnými radiálně vně obou kotev. Při této konstrukci, kdy každá ze tří částí rotoru má magnety s dvojicemi pólů upravenými pro interakci s vinutím kotvy na těch stranách sekcí rotorů, které jsou přivráceny kotvám, může být dosaženo vyššího výkonu bez nutnosti zvětšit průměr motoru. Detaily elektrického zapojení nejsou na obr. 3 znázorněny, mohou vsak být konstruovány způsobem ·· ·

9 · • 9 999

9 9 9

9 9 9 • 9 9 9 · ··

9 9 9 • · ·· · 9 9 9 • 9 ·

9· ·· ·· **.

• · • · .

···· ···· znázorněným výše pro provoz stejnosměrného resp. střídavého motoru.

Obr. 4 představuje diagram vztahů mezi hodnotami počtů otáček za minutu. Počet otáček hřídele za minutu se rovná rozdílu mezi počty otáček za minutu nl a n2 . Součet počtů otáček za minutu nl a n2 je definován jako relativní počet otáček motoru za minutu, a zůstává konstantní, když se počty otáček za minutu regulují souběžně. Matematicky mohou být vztahy mezi počty otáček za minutu vyjádřeny následovně:

ns = nl - n2 nr = nl + n2 = konstanta nl = (nr + ns)/2 n2 = (nr - ns)/2 kde ns = počet otáček hřídele za minutu nl = počet otáček Ml za minutu nr = relativní počet otáček motoru za minutu n2 = počet otáček M2 za minutu kroutící moment je stejný v celém motoru, takže

Tds = Tdl = Td2 výkon na hřídeli motoru může být matematicky vyjádřen:

Ps = Tds x s - Tds x ( 1 - 2} = (Tdl χ 1 - Td2 x 2) = Pl - P2 kde

Ps = výkon na hřídeli motoru úhlová rychlost M2 krouticí moment Ml krouticí moment M2.

·· ·*• :· :

• · • · «······· • · ··· • · · · ♦

4 4 *

4« ·· ··

Tds = kroutící moment na hřídeli s - úhlová rychlost hřídele = úhlová rychlost Ml 2

PÍ = výkon Ml Tdl

P2 = výkon M2 Td2 kdy Ps > 0 (například při (např. Ml) mající nej vyšší

Obvykle nastává situace, zdvihání zátěže), část motoru rychlost, pracuje stále jako motor, a druhá část (např. M2) pracuje stále jako generátor, v závislosti na směru kroutícího momentu na výstupním hřídeli.

Čistá spotřeba energie pak je:

Pnět = (Pl/ 1 - P2 x 2) / m, kde = elektrická účinnost Ml = elektrická účinnost M2 m = mechanická účinnost motoru.

Obvykle je situace taková, že elektromotor za provozu produkuje teplo následkem elektrických a mechanických ztrát, tj. následkem ztrát vedením, ztrát v železe a třením. Chlazení motoru může být uspořádáno pomocí ventilátoru, namontovaného na pólové kolo/rotor 2, který se za provozu stále otáčí, také v klidovém stavu hřídele, přičemž ventilátor žene chladící vzduch motorem.

Motor podle vynálezu je schopen například v klidovém stavu a při plném zátěžném kroutícím momentu na výstupním hřídeli dosáhnout úplné výměny teplého vzduchu produkovaného ·

« · • « *· · · * · • · 4 procesy elektrických a mechanických ztrát.

Také je třeba poznamenat, že motor podle vynálezu může dobře pracovat tak, že jeden dílčí motor, např. Ml/ pracuje s konstantní rychlostí, zatímco rychlost druhého motoru (v tomto případě M2) se reguluje. Tak je možné dosáhnout zjednodušeného regulačního schématu. Počet otáček hřídele za minutu se i nadále rovná rozdílu mezi počty otáček za minutu příslušných dílčích motorů. Výkon a kroutící moment se reguluje stejným způsobem, jako při regulaci obou hodnot počtu otáček za minutu.

Na obr. 5 je znázorněno vytvoření motoru podle vynálezu detailněji, tj . stejné vytvoření, jaké je schematicky znázorněno na obr. 2.

Stejně jako v předešlém, vztahová značka 1 označuje pevnou kotvu, přičemž jádra cívek mohou sestávat z plechů z elektroželeza, nebo z železného prášku. Vinutí cívek jsou označena vztahovou značkou 14. Pevná kotva 1 je připojena ke skříni 2 motoru. Nezávisle rotující pólové kolo 2 (rotor) má permanentní magnety. Rotující kotva 2 má konstrukci korespondující s konstrukcí pevné kotvy 1, avšak je připojena k centrálnímu, směrem ven vyčnívajícímu hřídeli 5, který je uložen ve skříni motoru prostřednictvím válečkových nebo kuličkových ložisek £. Obě kotvy a rotor jsou konstruovány kolem společné osy 4. Vztahová značka 11 označuje kartáče a sběrné kroužky pro přivedení napětí na vinutí cívek prostřednictvím kartáčů a komutátoru, tj. napětí vstupuje na rotor 2 a dále prostřednictvím kartáčů 12 a komutátorů 1£ na vinutí cívek obou kotev. Vztahová značka 15 označuje odbočnici pro vodiče z komutátoru k vinutím cívek. Je třeba poznamenat, že rotor 2 byl konstruován s vhodným obvodovým protažením pro adaptaci na funkci zprostředkování přívodu napětí na vinutí cívek kotev, jakož

i s vhodným centrálním protažením pro dosažení stabilního uložení a otáčení.

Zastupuje:

Dr. Miloš Všetečka v.r.

JUDr. Miloš Všetečka advokát

120 00 Praha 2, Hálkova 2 • 0 0 0 * 0 ·

·

0 0

0 0 • 0

0

Claims (7)

1. 0 0

   PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektrický motor, obsahující dvě oddělené, v podstatě kruhově symetrické, koaxiálně umístěné kotvy (1, 3) s příslušnými vinutími, magnetem nebo elektromagnetem vybavený rotor (2) uspořádaný koaxiálně vzhledem ke dvěma kotvám (1, 3), uložený nezávisle otočně v motoru, přičemž jedna z uvedených kotev (1) je upevněna k okolní skříni (9) motoru pro vytvoření statické kotvy (1), a výstupní hřídel (5) uspořádaný koaxiálně s rotorem (2} a kotvami (1,3) , vyznačující se tím, že motor je diskový motor, kde kotvy (1, 3) mají v podstatě diskový tvar, mají v podstatě stejný vnější průměr a jsou umístěny v paralelním postavení,

   že rotor (2) je uspořádán alespoň mezi dvěma kotvami (1, 3) , že rotor (2) má dvoj ice pólů magnetů uspořádané na příslušných stranách rotoru (2) přivrácených kotvám (1, 3), že druhá kotva (3) je upevněna k výstupnímu hřídeli (5) , a že motor je upraven tak, že výstupní hřídel (5) je schopen držet zátěžný krouticí moment v situaci klidového stavu, kdy se na obě kotvy (1, 3) přivádějí stejná napětí, takže rotuje j en rotor (2) .
2. 2. Elektrický motor podle nároku 1, ve střídavém provedení, vyznačující se tím, že vinutí jedné z kotev (1, 3) jsou připojena na první prostředky (10) pro napájení hnacího střídavého elektrického napětí se stálou

   16 72666 (72666a) nebo měnitelnou frekvencí, a že druhá kotva (1, 3) je připojena na druhý prostředek (10) pro napájení hnacího střídavého elektrického napětí s měnitelnou frekvencí, přičemž kotva (3) na výstupním hřídeli (5) je připojena na svůj napájecí prostředek prostřednictvím kartáčů a sběracích kroužků (7).
3. 3. Elektrický motor podle nároku 1, ve stejnosměrném provedení, vyznačující se tím, že vinutí statické kotvy (1) a otáčivé kotvy (3) jsou připojena prostřednictvím komutátorových a kartáčových prostředků (12) na vodiče rotoru (2), které jsou dále připojeny prostřednictvím prostředků (11) sestávajících ze sběrných kroužků a kartáčů na prostředky (13) pro napájení hnacího napětí na kotvy (1,

   3), přičemž alespoň jeden z napájecích prostředků (13) hnacího napětí je regulátor napětí pro napájení měnitelným napětím.
4. 4. Elektrický motor podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že rotor (2) je vytvořen se třemi základními sekcemi, z nichž jedna sekce je umístěna mezí dvěma kotvami (1, 3) a dvě zbývající sekce jsou umístěny každá axiálně vně jedné z těchto dvou kotev (1, 3) , přičemž tři sekce rotoru jsou propojeny pomocí částí válcovitého tvaru, umístěných radiálně vně dvou kotev (1, 3).
5. 5. Způsob provozu elektrického motoru typu ukázaného v některém z nároků 1 až 4, přičemž rychlost otáčení rotoru (2) a rychlost otáčení kotvy (3) vzhledem k rotoru (2) jsou v opačných směrech otáčení, vyznačující se tím , že frekvence napětí pro vinutí každé ze dvou kotev (l, 3) se mění tak, že uvedené obě rychlosti otáčení se mění souběžně a součet rychlostí otáčení se udržuje konstantní, přičemž

   - 14 - .·

   F· ·

   F «

   F 4 ·· rychlost otáčení výstupního hřídele (5) se mění jako rozdíl mezi uvedenými dvěma rychlostmi otáčení.
6. 6. Způsob provozu elektrického motoru typu ukázaného v některém z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že frekvence nebo napětí pro vinutí každé ze dvou kotev (1, 3) se mění tím způsobem, že se mění rychlost otáčení rotoru (2} a rychlost otáčení druhé kotvy (3) vzhledem k rotoru (2) , přičemž rozdíl mezi nimi se udržuje konstantní, čímž se rychlost otáčení výstupního hřídele udržuje konstantní.
7. 7. Způsob provozu elektrického motoru typu ukázaného v některém z nároků l až 4, vyznačující se tím, že velikost napětí respektive frekvence se udržuje pro jednu z kotev (1, 3) konstantní, zatímco velikost nebo frekvence napětí pro druhou z kotev (1, 3) se reguluje, čímž se mění počet otáček za minutu výstupního hřídele (5) jako rozdíl mezi konstantním a nastavitelným počtem otáček za minutu.

   Zastupuj e:

   Dr. Miloš Všetečka v.r.

   Fig. 1

   Fig. 2 • ·

   0 0