CZ20013721A3

CZ20013721A3 - Low-speed disk-type electric motor

Info

Publication number: CZ20013721A3
Application number: CZ20013721A
Authority: CZ
Inventors: Václav Ing. Konfršt
Original assignee: Václav Ing. Konfršt
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-06-18
Also published as: CZ291897B6

Abstract

In the present invention there is disclosed an electric motor having a rotor being formed of rotor disks (10) with a fixing ring (7). A permanent magnet (2) support (1) is attached to said fixing ring (7). The rotor is coupled with a fixing hub (14) through the mediation of ball bearings (13) the bearing bushes (12) of which are coupled with rotor disks (10). A stator disk (11) with an armature (8) is attached to said fixing hub (14). Inside the armature (8) there is provided a ring (3) of magnetic screening with coils (4) fastened thereon. Position of each coil (4) relative to the permanent magnet (2) is monitored by a position sensor (5). The permanent magnets (2) are sources of magnetic flow. The main portion of the magnetic flow (15) closes through the magnetic screening ring (3) and generates magnetic induction within an air gap. After energizing a desired force is generated in a section of windings of coils (4), which are within the air gap. In a section of coil (4) windings that are on inner side of the magnetic screening ring (3) the scattered magnetic field generates a loss force of opposite direction. The rotor resulting force is then generated by rotor reaction to the action of the stator forces.

Description

Vynález se týká pomaloběžného více pólového diskového elektromotoru s permanentními magnety, určeného zejména pro pohon skládacích vozíků pro tělesně postižené.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a low-speed, multi-pole, permanent magnet disk electric motor, in particular intended to drive foldable carriages for the disabled.

Dosavadní stav techniky:BACKGROUND OF THE INVENTION:

Používané pomaloběžné pohonné jednotky na elektrický pohon, jejichž kroutící moment na výstupním hřídeli je řádové v desítkách Nm, pří jmenovitých otáčkách v rozsahu jednotek za vteřinu, jsou konstruovány na bázi standardního rychloběžného elektropohonu s převodovkou. To má za následek, že vozíky pro tělesně postižené jsou robustní. Tyto pohonné jednotky nejsou vhodné pro použití u lehkých skládacích elektrických vozíků pro tělesně postižené nebo pro pohon lehkých přenosných rehabilitačních, či protetických zdravotnických pomůcek. Pro takové použití se vyžaduje plochá pohonná jednotka lehké konstrukce, bez převodové skříně, o tloušťce několika cm, se záběrovým momentem v desítkách Nm.The low-speed electric drive units used, whose output shaft torque is in the range of tens of Nm, at rated speed in the range of units per second, are designed on the basis of a standard high-speed electric drive with gearbox. As a result, wheelchairs for the disabled are robust. These drive units are not suitable for use in lightweight foldable electric wheelchairs for the physically disabled or to drive light portable rehabilitation or prosthetic medical devices. For this application, a lightweight flat drive unit, without a gearbox, with a thickness of several cm, with a torque of tens of Nm is required.

Podstata vynálezu:SUMMARY OF THE INVENTION:

Uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry pomaloběžný diskový elektromotor s permanentními magnety umístěnými na rotoru a s cívkami umístěnými na statoru. Podstata vynálezu spočívá v tom, že cívky jsou upevněny na prstenci magnetického stínění. Prstenec magnetického stínění je vytvořen z magneticky měkkého materiálu. Činné části cívek jsou ve vzduchové mezeře, mezi čely permanentních magnetů a vnějším povrchem prstence magnetického stínění. To znamená v prostoru, jímž prochází magnetický tok permanentních magnetů. Část každé z cívek je na vnitřním válcovém povrchu prstence magnetického stínění, kde je výrazně nižší hodnota rozptylového magnetického toku, než je hodnota magnetického toku ve vzduchové mezeře. Vzduchová mezera mezi čely permanentních magnetů a prstencem magnetického stínění je ve kterékoliv poloze rotoru vůči statoru, stejná. Póly statoru tvoří činné části cívek ve vzduchové mezeře.These drawbacks are largely overcome by a slow-running disk electric motor with permanent magnets mounted on the rotor and coils mounted on the stator. The principle of the invention is that the coils are mounted on a ring of magnetic shielding. The magnetic shielding ring is made of a soft magnetic material. The active parts of the coils are in the air gap, between the faces of the permanent magnets and the outer surface of the magnetic shield ring. That is, in the space through which the magnetic flux of permanent magnets passes. A portion of each coil is on the inner cylindrical surface of the magnetic shielding ring, where the scattering magnetic flux value is significantly lower than the magnetic flux value in the air gap. The air gap between the faces of the permanent magnets and the magnetic shield ring is the same in any position of the rotor relative to the stator. The stator poles form the active parts of the coils in the air gap.

Výhodou tohoto uspořádání je, že rozběh elektromotoru je plynulý a bez přeskoků charakteristických pro vícepólové elektromotory s permanentními magnety.The advantage of this arrangement is that the start-up of the electric motor is continuous and without jumps characteristic of multi-pole electric motors with permanent magnets.

' 2''2'

Vysoký záběrový moment dovoluje využití elektromotoru bez převodové skříně i při velmi nízkých jmenovitých otáčkách. Záběrový moment lze zvyšovat zvýšením poloměru umístění funkčních prvků elektromotoru. Jeho chod je jemný a rovnoměrný i při vysokém záběrovém momentu a při extrémně nízkých otáčkách. Umožňuje plynulou regulaci otáček. Může být vytvořen jako diskový. Poměr průměru elektromotoru k jeho tloušťce může být větší, než 15. Elektromotor lze vylehčovat skříňovou sendvičovou konstrukcí rotoru i statoru. Chod je téměř bez vibrací.The high starting torque allows the use of an electric motor without a gearbox even at very low rated speeds. The starting torque can be increased by increasing the radius of the electric motor's functional elements. Its operation is smooth and even at high engagement torque and extremely low speeds. Allows continuous speed control. It can be created as a disk. The ratio of the diameter of the electric motor to its thickness may be greater than 15. The electric motor can be lightened by the casing sandwich construction of the rotor and stator. Running is almost vibration free.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresů, na kterých znázorňuje obr. 1 část elektromotoru vbokorysném řezu procházejícím osou elektromotoru, obr. 2 obvodovou část elektromotoru v částečném nárysném řezu a obr. 3 průběh magnetického pole a působení sil v obvodové části elektromotoru ve schematickém znázornění.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a side elevational view of an electric motor, FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the electric motor, and FIG.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Pomaloběžný diskový elektromotor (obr. 1) je vytvořen ze statoru a z rotoru. Nosná konstrukce rotoru je vytvořena ze dvou rotorových disků 10 vyrobených z lehkého pružného materiálu, například z duralu. Oba rotorové disky 10 jsou na vnějším obvodu mechanicky propojeny upevňovacím kroužkem 7. Upevňovací kroužek 7 slouží k vytvoření skříňové konstrukce sendvičového uspořádání rotoru. Vnější část upevňovacího kroužku 7 slouží, v případě použití pro pohon vozíků pro tělesně postižené, jako ráfek kola vozíku. Ke vnitřní válcové ploše upevňovacího kroužku 7 je připojen nosič 1 vytvořený z magneticky vodivého materiálu. Nosič i má tvar kruhového prstence. Na jeho vnitřní válcové ploše jsou upevněny permanentní magnety 2 o vysoké remanentní indukci. Rotor je mechanicky spojen se statorem kuličkovými ložisky 13. Kuličková ložiska 13 jsou uložena v ložiskových pouzdrech 12. Ložisková pouzdra 12 jsou mechanicky spojena s rotorovými disky 10. Kuličková ložiska 13 jsou nalisovaná na upevňovacím náboji 14, který je součástí statoru. K upevňovacímu náboji 14 je připevněn statorový disk 11 Statorový disk Ή v lehkém sendvičovém provedení je vytvořen ze dvou kusů. Na obvodu statorového disku 11. je upevněna kostra 8. Kostra 8 je vytvořena z nemagnetického materiálu a má tvar kotouče, jehož příčný průřez připomíná písmeno U. Na spodní střední část kostry 8 navazuje stopka 9. Prostřednictvím stopky 9 je kostra 8 • 3 ' připevněna ke statorovému disku 11 Uvnitř kostry 8 je prstenec 3 magnetického stínění. Prstenec 3 magnetického stínění je vytvořen z magneticky měkkého materiálu, například z transformátorových plechů. Na prstenci 3 magnetického stínění, jsou upevněny cívky 4. Činné části cívek 4 jsou ve vzduchové mezeře. Vzduchová mezera je vymezena čely permanentních magnetů 2 a vnějším povrchem prstence 3. magnetického stínění. To znamená že činné Části cívek 4 jsou v prostoru jímž prochází magnetický tok permanentních magnetů 2. Vzduchová mezera, je ve kterékoliv poloze rotoru vůči statoru, stejná, S výhodou.v toleranci maximálně 0,1 mm. Část každé z cívek 4 je na vnitřním válcovém povrchu prstence 3 magnetického stínění, kde je výrazně nižší hodnota magnetického toku, než je hodnota magnetického toku ve vzduchové mezeře. Póly statoru tvoří činné části cívek 4 ve vzduchové mezeře. Počet cívek 4 pod jedním permanentním magnetem 2 tvoří počet pólů statoru. Čím je vinutí statoru rozděleno na větší počet cívek 4, tím je při stejném napájecím napětí větší záběrový moment a vyšší oběhová rychlost. Čím je nižší počet pólů, tím je nižší odběr proudu z napájecího zdroje při stejném záběrovém momentu. Optimální počet pólů je v rozmezí 3 až 6 pólů, ale může být podle konstrukčních požadavků vyšší i nižší. Vzájemnou polohu každé cívky 4 vůči permanentnímu magnetu 2 sleduje polohové čidlo 5. Polohová čidla 5 jsou umístěna v radiálních osách cívek 4. Počet polohových Čidel 5 je shodný s počtem cívek 4. Cívky 4 jsou napájeny přívodními vodiči 6, které procházejí dutým nábojem 14. Mechanické uspořádání činných částí elektromotoru, to je nosiče 1, permanentních magnetů 2, prstence 3 magnetického stínění, cívek 4 s polohovými čidly 5, včetně konstrukčního řešení upevňovacího kroužku 7, je v detailním znázornění na obr. 2 a obr. 3.The low-speed disk electric motor (Fig. 1) is made of a stator and a rotor. The rotor support structure is formed from two rotor disks 10 made of a lightweight resilient material, such as duralumin. The two rotor disks 10 are mechanically interconnected on the outer periphery by a fastening ring 7. The fastening ring 7 serves to form the box structure of the sandwich rotor arrangement. The outer part of the fastening ring 7 serves, in the case of use for driving wheelchairs for the disabled, as a wheel rim of the wheelchair. A carrier 1 made of a magnetically conductive material is connected to the inner cylindrical surface of the fastening ring 7. The carrier 1 is in the form of a circular ring. Permanent magnets 2 with high remanent induction are mounted on its inner cylindrical surface. The rotor is mechanically coupled to the stator by ball bearings 13. The ball bearings 13 are housed in bearing housings 12. The bearing housings 12 are mechanically coupled to the rotor disks 10. The ball bearings 13 are pressed onto a mounting hub 14 which is part of the stator. A stator disk 11 is attached to the mounting hub 14. The stator disk Ή in a light sandwich design is made of two pieces. A skeleton 8 is mounted on the periphery of the stator disk 11. The skeleton 8 is made of a non-magnetic material and has a disc shape whose cross-section resembles the letter U. The shank 9 is connected to the lower middle part of the skeleton 8. to the stator disk 11 Inside the frame 8 there is a ring 3 of magnetic shielding. The magnetic shielding ring 3 is formed of a magnetically soft material, for example transformer sheets. The coils 4 are fixed to the ring 3 of the magnetic shielding. The active parts of the coils 4 are in the air gap. The air gap is defined by the faces of the permanent magnets 2 and the outer surface of the ring 3 of the magnetic shielding. That is, the active parts of the coils 4 are in the space through which the magnetic flux of the permanent magnets 2 passes. The air gap, in any position of the rotor relative to the stator, is the same, preferably within a tolerance of maximum 0.1 mm. A portion of each of the coils 4 is on the inner cylindrical surface of the magnetic shielding ring 3, where the magnetic flux value is significantly lower than the magnetic flux value in the air gap. The stator poles form the active parts of the coils 4 in the air gap. The number of coils 4 under one permanent magnet 2 forms the number of poles of the stator. By dividing the stator winding into a plurality of coils 4, the greater the engagement torque and the higher circulation speed at the same supply voltage. The lower the number of poles, the lower the current draw from the power supply at the same starting torque. The optimum number of poles is in the range of 3 to 6 poles, but may be higher or lower depending on the design requirements. The position sensor 5 monitors the relative position of each coil 4 with respect to the permanent magnet 2. The position sensors 5 are located in the radial axes of the coils 4. The number of the position sensors 5 is equal to the number of coils 4. The coils 4 are powered by lead wires 6. The mechanical arrangement of the active parts of the electric motor, i.e. the carrier 1, the permanent magnets 2, the magnetic shielding rings 3, the coils 4 with position sensors 5, including the design of the fastening ring 7, is shown in detail in FIGS.

Motor pracuje takto: Zdrojem magnetického toku jsou permanentní magnety 2 rozmístěné po celé vnitřní válcové ploše nosiče 1 Nosič 1 uzavírá magnetický obvod permanentních magnetů 2. Na vnitřní straně, vstupuje magnetický tok do vzduchové mezery tvořené vnitřní válcovou plochou čel permanentních magnetů 2 a vnější válcovou plochou prstence 3 magnetického stínění. Hlavní část 15 magnetického toku (obr. 3) vytváří ve vzduchové mezeře magnetickou indukci a uzavírá se přes prstenec 3 magnetického stíněni. Rozptylová část 16 magnetického toku se uzavírá v prostoru na vnitřní straně prstence 3 magnetického stínění a na vnější straně nosiče 1 permanentních magnetů 2. Po připojení napájecího napětí napájecím vodičem 6 začne cívkami 4 protékat elektrický proud. Proud protékající jedním směrem je označen symbolem x. Proud protékající v opačném směru je označen symbolem o s tečkou uvnitř. Cívky 4, v nichž proud neprotéká, symbolem označeny nejsou. Hlavní část 15 magnetického toku vytváří ve vzduchové mezeře, v koincidenci s velikostí a směrem proudu, v té části vinutí cívek 4, které jsou ve vzduchové mezeře, žádanou sílu 17. Rozptylová část 16 magnetického toku, v koincidenci s proudem procházejícím tou částí vinutí cívek 4, která je na vnitřní straně prstence 3 magnetického stínění, vytváří parazitní ztrátovou sílu 18. Smysl parazitní ztrátové síly 18 je opačný, než je smysl žádané síly 17. Tvar prstence 3 magnetického stínění snižuje velikost parazitní ztrátové síly 18 natolik, že je podstatně nižší, než je velikost žádané síly 17. Reakcí rotoru na působení výše uvedených statorových sil to je žádané síly 17 a ztrátové síly 18 je výsledná síla 19 rotoru. To je síla, která je na obvodu kola vozíku pro tělesně postižené.The engine operates as follows: The source of the magnetic flux is permanent magnets 2 distributed throughout the inner cylindrical surface of the carrier 1. The carrier 1 closes the magnetic circuit of the permanent magnets 2. On the inside, the magnetic flux enters the air gap formed by the inner cylindrical face rings 3 magnetic shielding. The main part 15 of the magnetic flux (Fig. 3) creates a magnetic induction in the air gap and closes over the ring 3 of the magnetic shield. The scattering portion 16 of the magnetic flux is closed in the space on the inside of the magnetic shielding ring 3 and on the outside of the permanent magnet carrier 1. After the supply voltage has been connected to the supply conductor 6, an electric current flows through the coils 4. The current flowing in one direction is marked with x. The current flowing in the opposite direction is indicated by an o symbol with a dot inside. The coils 4 in which the current does not flow are not marked with the symbol. The main magnetic flux portion 15 creates in the air gap, in coincidence with the magnitude and direction of the current, in that portion of the coil windings 4 that are in the air gap, the desired force 17. The stray portion 16 of the magnetic flux coincides with the current passing through that portion 4, which is on the inside of the magnetic shield ring 3, generates a parasitic loss force 18. The sense of the parasitic loss force 18 is opposite to the purpose of the desired force 17. The shape of the magnetic shield ring 3 reduces the amount of the parasitic loss force 18 so much The reaction of the rotor to the action of the aforementioned stator forces is that of the required force 17 and the loss force 18 is the resultant force 19 of the rotor. This is the force that is on the wheel circumference of the wheelchair.

Průběh elektrického proudu procházejícího cívkami 4 a tím i průběh výsledné síly 19 rotoru je možno upravovat pomocí proudových spínaných zdrojů, například na bázi tranzistorů FET, které nejsou na výkresech znázorněny. Prstenec 3 magnetického stínění konstrukčně zajišťuje dostatečnou hodnotu vlastní indukce cívek 4, která dostatečně vyhladí proud spínaných zdrojů. Velikost vlastní indukce cívek 4 a velikost opakovači frekvence spínaného zdroje má přímý vliv na potlačení vibrací z titulu opakovači frekvence spínaného zdroje.The course of the electric current passing through the coils 4 and hence the resultant force 19 of the rotor can be adjusted by means of switched current sources, for example based on FETs not shown in the drawings. The magnetic shielding ring 3 provides a sufficient value of the inductance of the coils 4 to sufficiently smooth the current of the switched power supplies. The magnitude of the inductance of the coils 4 and the repetition rate of the switching source have a direct effect on the suppression of vibrations due to the repetition rate of the switching source.

Příklad průmyslového využitíExample of industrial use

Vynálezu se využije, pokud pracuje jako motor k pohonu lehkých přenosných skládacích vozíků pro tělesně postižené, nebo pokud pracuje jako generátor k výrobě elektrické energie.The invention is utilized when operating as an engine to drive lightweight portable folding carts for the disabled, or when operating as a generator for generating electricity.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Permanent magnet permanent magnet disc motor mounted on a rotor and coils mounted on a stator, characterized in that the coils (4) are mounted on a magnetic shielding ring (3) which is made of a magnetically soft material, the active parts of the coils (4) are in the air gap between the faces of the permanent magnets (2) and the outer surface of the ring (3) of the magnetic shield, i.e. in the space through which the magnetic flux (15) of the permanent magnets (2) passes.

Low-speed motor according to claim 1, characterized in that the air gap between the faces of the permanent magnets (2) and the magnetic shielding ring (3) is the same in any position of the rotor relative to the stator.

The low-speed electric motor according to claim 1a? characterized in that the poles of the stator-hollow part of the coil (4) in the air gap.