CZ20022610A3

CZ20022610A3 - Elektrické rotační zařízení

Info

Publication number: CZ20022610A3
Application number: CZ20022610A
Authority: CZ
Inventors: Karol Ondrejka; Stanislav Ing. Ondrejka; Stanislav Prof. Rndr. Drsc Ondrejka
Original assignee: Ondrejka Stanislav Prof. Rndr. Drsc.; Karol Ondrejka; Stanislav Ing. Ondrejka
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-11-13
Also published as: AU2001232607A1; WO2001057991A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrického rotačního zařízení na přeměnu mechanické energie na elektrickou nebo naopak, sestávající z rotoru a statoru, přičemž rotor má tvar dutého válce zhotoveného z magnetického materiálu, tvořeného soustavami segmentů, vzájemně oddělených magneticky izolační vrstvou z nemagnetického materiálu, zatímco dvojčlenný stator je sestaven ze souboru elektrických vinutí umístěných na vnitřním obvodu pláště statoru a z elektromagnetu umístěného v dutině válce rotoru, přičemž v případě elektromotoru je stator tvořen souborem oddělených elektrických vinutí s elektronicky řízenou změnou polarity statorových pólů.

Dosavadní stav techniky

Dosud známé konstrukce elektrických rotačních zařízení (tj. elektrických strojů točivých), ať už generátorů či dynam, nebo elektromotorů na stejnosměrný nebo střídavý proud, jsou konstruované většinou tak, že např. rotor stejnosměrného nebo jednofázového elektromotoru se skládá z elektromagnetu, do kterého je přivedený elektrický proud přes třecí kontakty sběrného zařízení komutátoru rotoru. Stator takového elektromotoru se skládá ze sudého počtu magnetických pólů časově neměnné polarity. Nevýhodou u těchto elektromotorů je, že třecí kontakty sběrného zařízení komutátoru rotoru jsou většinou vyrobeny z uhlíku. Uhlíkové kontakty způsobují ztráty v důsledku mechanického tření. Vlivem tření kontaktů o lamely komutátoru dochází k opotřebování uhlíkových kontaktů i lamel komutátoru. Navíc při otěru kontaktů o lamely komutátoru vznikají nežádoucí prachové částice. Toto má za následek častou výměnu kontaktů a opravy lamel komutátoru. Vzhledem k tomu, že komutátor patří mezi elektricky i mechanicky nejvíc namáhané části elektrického stroje, limituje zpravidla vlastnosti a dobu životnosti celého stoje. Statory elektromotorů mají zase nevýhodu v tom, že dostatečně nezabezpečují rozbíhání a

444 444* 44« *

4 4 4 4 4 4

0·4« 44 · · *· ···· zastavení motoru ve stejné poloze. Dále nedostatečně splňují požadavek velmi přesného počtu otáček rotoru. Z tohoto důvodu takto konstruovanými elektrickými stroji točivými není prakticky možné dosáhnout synchronizace otáček rotorů několika elektromotorů současně.

Známé jsou též konstrukce indukčních elektromotorů bez třecích kontaktů s kotvou nakrátko, jejichž nevýhodou je velká hmotnost a rozměry v porovnání s výkonem. Dále vysoká poruchovost při přetížení a omezené využití v přenosných elektrických zařízeních.

Podstata technického řešeni

Shora uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje elektrické rotační zařízení na přeměnu mechanické energie na elektrickou (např. alternátor nebo dynamo), nebo elektrické energie na mechanickou (např, elektromotor), sestávající ze statoru a rotoru, jehož podstata spočívá v tom, že rotor ve tvaru dutého válce je vytvořen z první a druhé soustavy segmentů, zhotovených z magnetického materiálu. Tyto soustavy jsou od sebe vzájemně odděleny magneticky izolační vrstvou, zhotovenou z nemagnetického materiálu anebo média. Dvojčlenný stator tohoto zařízení je vytvořen z vnitřního členu, který sestává z elektromagnetu umístěného v dutině válce rotoru a z vnějšího členu, který sestává ze souboru elektrických vinutí, buď alternátoru nebo elektromotoru. Vinutí jsou symetricky umístěná na vnitřním obvodu pláště statoru. Rotační uložení rotoru v ose statoru je zabezpečené prostřednictvím rotačních přechodových prvků , zejména ložisek.

Lamelové segmenty první soustavy a druhé soustavy segmentů rotoru jsou zhotovené ve tvaru hřebenovitých výběžků, které střídavě symetricky rozložené tvoří plášť válcového rotoru a jejich počet je vždy sudý a rovnoměrně rozdělený mezi obě dvě soustavy segmentů.

Elektrické přívody elektromagnetu, který tvoří jeden z členů dvojčlenného statoru jsou s výhodou vyvedeny přes dutinu osky.

Ke každému samostatnému elektrickému vinutí elektromotoru, kterých je vždy lichý počet, je s výhodou připojen externí výkonový elektronický přepínač tak, aby magnetické silové působení magnetických pólů statoru na magnetické póly rotoru »·« « 0 • « vytvářelo v každé poloze rotoru kroutící momenty sil o stejné orientaci, působící na tento rotor.

Výkonový elektronický přepínač je ovládaný bezkontaktním spínačem na přepínání elektrické polarity příslušného elektrického vinutí elektromotoru.

Stator a rotor mohou být též s výhodou vybaveny magnetickým řídícím systémem na řízení magnetické polarity magnetických statorových pólů.

Magnetický řídící systém bezkontaktních spínačů může být přednostně sestaven z nemagnetického pouzdra, které je pevně uložené na hřídeli rotoru, ze dvou párů magnetických křidélkových lamel upevněných na pouzdře zhotoveném z nemagnetického materiálu, přičemž tyto lamely jsou upevněny na protilehlých stranách pouzdra.

Bezkontaktní spínače o shodném počtu jako je počet samostatných elektrických vinutí elektromotoru jsou symetricky rozmístěné a upevněné na vnitřním okraji prstencového držáku, pevně uchyceného ke statoru. Spínače volně zapadají do mezery mezi dvě směrově shodně orientované a magneticky opačně polované magnetické křidélkové lamely.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude je blíže vysvětlen pomocí výkresu,na kterém znázorňuje obr.1 soustavu hlavních součástek elektromotoru v rozloženém stavu, obr.2 soustavu hlavních součástek alternátoru v rozloženém stavu, obr.3 soustavu lamelových segmentů rotoru v rozloženém stavu, obr.4 částečnou soustavu rozloženého stavu konstrukce rotoru se statorovým elektromagnetem, obr.5 rozloženou soustavu rotoru s umístěným elektromagnetem a statoru s vinutími pro alternátor, obr. 6 rozloženou soustavu rotoru s umístěným elektromagnetem a statoru s oddělenými vinutími pro elektromotor i s umístěným magnetickým řídícím systémem, obr.7 znázorňuje blokové schéma rozložení všech mechanických, elektromechanických a elektrických částí elektromotoru, obr.8a mechanické působení magnetického řídícího systému, obr.8b silové působení magnetických statorových pólů na magnetické rotorové póly v elektromotoru a obr.9 síly působící na rotor elektromotoru při jednom rotačním cyklu.

• *·· · · · » · · · * « » · · · · · · +·«· ·· ·· · · ····

Příklady uskutečnění vynálezu

Princip elektrického zařízení ve smyslu tohoto vynálezu bude dále objasněno, nikoliv však omezeno v následujících příkladech.

Příklad 1

Elektrický stroj točivý, tj. alternátor, určený na přeměnu mechanické energie na elektrickou, je znázorněn na obr.2, obr.3, obr.4, obr.5 a obr.7. Hlavními částmi alternátoru jsou dvojčlenný stator 2 a rotor 1 ve tvaru dutého válce. Rotor 1 je uspořádán mezi prvním a druhým členem statoru 2. Plášť válce rotoru 1 tvoří první soustava segmentů 11 a druhá sestava segmentů 12, přičemž obě soustavy jsou zhotoveny ze dvou lamelových segmentů obdélníkového tvaru, které jsou vzájemně střídavě symetricky do sebe složeny. První a druhá soustava segmentů 11 a 12 je mezi sebou spojena prostřednictvím magneticky izolační vrstvy 13, zhotovené z nemagnetického materiálu, např. hliníku. První soustava segmentů 11 je dále pevně spojená s podstavou válce rotoru 1, v jejíž ose rotace je upevněna hřídel 14. A druhá soustava segmentů 12 je dále pevně spojena s prstencem. Druhou podstavu válce rotoru 1 tvoří příruba 121. Tato je připevněná k prstenci druhé soustavy segmentů 12 prostřednictvím šroubů. V ose rotace příruby 121 je uspořádán rotační přechodový prvek 16, jímž může být s výhodou kuličkové ložisko. První a druhá podstava pláště rotoru 1 jsou taktéž zhotovené z magnetického materiálu. Na hřídeli 14 je pevně uchycen hnací kotouč 1Z pro připojení rotačního externího mechanizmu, na výkrese není znázorněno. Uvnitř pláště rotoru 1 je souose uspořádán druhý člen statoru 2, kterým je elektromagnet 21 válcového tvaru. Tento má elektrické přívody 211 vedeny od zdroje napájení, na obrázku není znázorněn, přes dutinu osky 22, která je propojena s přírubou 121 rotoru 1 prostřednictvím rotačního přechodového prvku 16, s výhodou kuličkovým ložiskem. V tomto konstrukčním uspořádání je elektromagnet 21 vnitřním členem dvojčlenného statoru 2i zatímco vnější člen statoru 2 se skládá ze souboru elektrických vinutí 23 alternátoru. Tato jsou složená ze vzájemně propojených cívek s jádry a umístěna na vnitřním obvodu pláště 27 statoru 2 Elektrické vývody 231 elektrického vinutí 23 alternátoru jsou vyvedeny k usměrňovači, na obrázku není znázorněn. Vnější člen a vnitřní člen statoru 2 jsou ·«· 9 9

9 9 9 · · • · · · · · · »«·« ·* ·· · ·· 9··· vzájemně napevno spojeny přišroubováním krytu 28 pláště statoru 2, přičemž spoj je realizován maticí 221 a závitem vytvořeným na konci duté hřídele 22.

Činnost alternátoru je iniciovaná připojením stejnosměrného napětí akumulátoru přes elektrické přívody 211 do cívky elektromagnetu 21 vnitřního členu dvojčlenného statoru 2, čímž se vytvoří magnetické pole. Toto je vhodně regulované externím regulátorem otáček 32. Protože se rotor 1 nachází v tomto magnetickém poli, dochází ke zmagnetování první soustavy segmentů H na jižní magnetické póly JI, J2 a druhé soustavy segmentů 12 na severní magnetické póly Sl, S2. nebo opačně. Mechanická energie přivedená přes hnací kotouč 17 roztočí rotor 1 a jeho střídavé rozložené magnetické póly JI, Sl, 22, S2, pohybem vedle jader I elektrických vinutí 22 alternátoru v nich indukují elektromotorické napětí. Takto vyrobená elektrická energie se ze statoru 2 odebírá přes elektrické vývody 231. vhodně se usměrní externím usměrňovačem a je připravená k využití.

Příklad 2

Elektrický stroj točivý, tj. elektromotor, určený na přeměnu elektrické energie na mechanickou, je znázorněn na obr.1, obr.6, obr.7, obr.8, obr.9. Hlavními částmi elektromotoru jsou rotor 1 (s naznačenou šipkou rotace) a stator 2, které jsou shodné s rotorem a statorem popisovanými v příkladu 1. Avšak s tím rozdílem, že vnější člen statoru 2 se neskládá ze souboru elektrických vinutí 22 jako u alternátoru, ale ze souboru třech oddělených elektrických vinutí 24, 25, 22 elektromotoru, která mají i oddělené elektrické vývody 241, 221, 261. připojené na externí výkonové elektronické přepínače polarity magnetických statorových pólů A, B, C, ovládané bezkontaktními spínači 292, 222, 224. Na hřídeli 14 rotoru 1 je též umístěn magnetický řídící systém 15, tvořený bezkontaktními spínači 292, 222, 294, uspořádanými symetricky na vnitřní straně prstencového držáku 221, upevněného v levém krytu 22 elektromotoru. Tyto spínače 292, 222, 294 volně zapadají do mezery mezi dvě směrově shodně orientované a magneticky opačně polované magnetické křidélkové lamely 142. Páry magnetických křidélkových lamel 142 jsou zhotoveny z magnetického materiálu a upevněny na protilehlých stranách nemagnetického pouzdra 141 ve směru kolmém vůči hřídeli 14- Nemagnetické pouzdro 141 je *·· · 9 · · · 4 · • 0 0 0 · 000 0000 ·0 00 0 00 ··· nasunuto na hřídel 14 rotoru 1. Tato je upevněna v rotačním přechodovém prvku 16 s výhodou kuličkovým ložiskem, které je uspořádáno v levém krytu 22.

Soustava elektromotoru je doplněná o přepínač směru otáček 22, regulátor otáček 32 a o výkonové elektrické přepínače 22 elektrické polarity elektrických vinutí 24, 25, 22 elektromotoru a tím i magnetické polarity magnetických statorových pólů A, B, C elektromotoru. Jako zdroj elektrické energie jsou použité napěťové zdroje Z1, 22, 22, 24 a stabilizovaný zdroj 31,

Činnost elektromotoru se iniciuje zmagnetizováním první soustavy segmentů 11 a druhé soustavy segmentů 12, shodně jako je popsáno v příkladu 1 na magnetické póly 21, J2, Sl, S2. Bezkontaktní spínače 292. 292, 294 reagují na přítomnost magnetického pole tak, že na jejich výstupech vytvářejí bud logickou nulu-bez impulsu, nebo logickou jednotku-impuls délky závislé na šířce magnetických křidélkových lamel 142 a jsou vyvedené do výkonových elektrických přepínačů 22, které přepínají budící proud v elektrických vinutích 24, 25,22 elektromotoru takovým způsobem, že magnetické statorové póly A, β, C působí odpudivými magnetickými silami (na obr. 8 a 9 jsou znázorněné přerušovanými šipkami) a přitažlivými magnetickými silami ( na obr. 8 a 9 jsou znázorněny plnými šipkami) na magnetické rotorové póly JI, J2, Sl, S2 v každé poloze rotoru 1 se stejně orientovanými kroutícími momenty sil, působícími na rotor 1. K přepólování magnetických statorových pólů A, β, C dochází v poloze X (označené na obrázcích 8a, 8b a 9). Šest poloh rotoru 1, které tvoří v tomto případě jeden cyklus, je znázorněno na šesti pozicích (viz. obr. 9), přičemž přepólování magnetických statorových pólů A, B, C nastane vždy v okamžiku, kdy se jeho střed kryje se středem souhlasného magnetického rotorového pólu JI, J2, Sl, S2. Magnetickou polaritu statorových pólů A, g, C, silové působení statorových pólů A, B, C na rotorové póly Ji, 22, Sl, S2 a logickou kombinaci v jednotlivých šesti polohách rotoru i uvádí následující přehledná tabulka k obrázku č. 9. V tabulce logická jednotka I odpovídá jižnímu pólu -J statoru 2 a logická nula O odpovídá severnímu pólu -S statoru 2. Zkratka OD znamená odpuzování magnetických pólů a zkratka PR znamená přitahování se magnetických pólů.

4*4 4 4 • 4 · «

Tabulka k obrázku 9

Poloh a	Póly statoru	Pól statoru S1	Pól statoru J1	Pól rotoru S2	Pól rotoru J2	Logická kombinace
1	xA	S	OD			PR	0
B	S		PR	OD		0
C	J			PR	OD	I
2	A	S	OD			PR	0
xB	J	PR	OD			I
C	J			PR	OD	I
3	A	S	OD			PR	0
B	J	PR	OD			I
xC	S		PR	OD	OD	0
4	xA	J	OD		PR	OD	I
B	J	PR	OD			I
C	S		PR	OD		0
5	A	J			PR	OD	l
xB	S	OD	OD		PR	0
C	S		PR	OD
6	A	J			PR	OD	l
B	S	OD			PR	0
xC	J	PR	OD			I
7-1	xA	S		PR	OD		0
B	S	OD			PR	0
C	J	PR	OD			I

Z tabulky i z obr.9 je patrné, že v konstrukci elektromotoru podle tohoto řešení neexistuje žádná tzv. mrtvá poloha. Motor je výkonný a má možnost matematicky přesně dodržet počet otáček regulovatelných v plném rozsahu, a to i při reverzi. Má výhodný poměr výkonu k hmotnosti a rozměrům.

• · « · · ··· · · · · · * r » • 00·· ··» ···· ·· *· « ·♦ ··**

Konstrukční řešení elektromotoru může být realizováno s různými sudými počty rotorových pólů a nepárovými počty statorových pólů podle technických požadavků, které má elektromotor plnit.

Průmyslová využitelnost

Elektrické rotační zařízení pro přeměnu mechanické energie na elektrickou nebo elektrické energie na mechanickou kromě výše popisovaných dvou příkladů je možné použít i v jiných řešeních, anebo využití jeho dílčích prvků a kombinací, které toto technické řešení podle vynálezu nabízí na další nové konstrukční uspořádání, ať už s dosud známým stavem techniky, anebo jinými vhodnými konstrukcemi.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrické rotační zařízení pro přeměnu mechanické energie na elektrickou nebo elektrické energie na mechanickou, sestávající ze statoru a rotoru vyznačují c í se t í m, že rotor (1) tvaru dutého válce je vytvořen z první soustavy Ch) segmentů a druhé soustavý segmentů zhotovených z magnetického materiálu, které jsou vzájemně od sebe oddělené magneticky izolační vrstvou (13) zhotovenou z nemagnetického materiálu nebo média a dvojčlenný stator (2) je vytvořen z vnitřního členu, který se skládá z elektromagnetu (21) umístěného v dutině válce rotoru (1) a z vnějšího členu, který se skládá ze souboru elektrických vinutí (23) alternátoru anebo souboru elektrických vinutí (24, 25, 26) elektromotoru, které jsou symetricky umístěné na vnitřním obvodu pláště (27), přičemž vzájemné propojení statoru (2) s rotorem (1) je zabezpečené prostřednictvím rotačních přechodových prvků (16)
2. Elektrické rotační zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že lamelové segmenty první soustavy (/segmentů pí), a druhé soustavy^segmentů (12) rotoru (1) jsou zhotovené ve tvaru hřebenovitých výběžků, které jsou střídavě symetricky rozložené na plášti válcového rotoru (1), přičemž jejich počet je vždy W sudý a rovnoměrně rozdělený mezi první soustavu^segmentu J1Ť) a druhou soustavuísegmentůJJ2).
3. Elektrické rotační zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že elektromagnet (21) má elektrické přívody (211) vyvedené přes dutinu osky (22).
4. Elektrické rotační zařízení podle nároku Ivyznačující se tím, že ke každému z lichého počtu minimálně třech samostatných elektrických vinutí (24, 25, 26) elektromotoru je připojený výkonový elektronický přepínač (30), ovládaný * ·· 4 4 · « · · ·

44«· 4« 44 ·

4«4 «

4 ' ·

44 4444 příslušným bezkontaktním spínačem (292, 293, 294) na přepínaní elektrické polarity příslušného elektrického vinutí (24, 25,26) elektromotoru.
5. Elektrické rotační zařízení podle nároků 1,2a4 vyznačující se tím, že rotor (1) a stator (2) jsou vybaveny magnetickým řadícím systémem (15) na řízení magnetické polarity magnetických statorových pólů (A, B, C).
6. Elektrické rotační zařízení, podle nároku 5vyznačující se tím, že magnetický řídící systém (15) tvoří bezkontaktní spínače (292, 293, 294), nemagnetické pouzdro (141) uložené na hřídeli (14) rotoru (1) a ze dvou párů magnetických křidélkových lamel (142) upevněných na nemagnetickém pouzdře (141) z protilehlých stran kolmo vůči hřídeli (14), přičemž bezkontaktní spínače (292, 293,294), shodného počtu jako je počet samostatných elektrických vinutí (24, 25, 26) elektromotoru jsou symetricky uspořádány na vnitřním okraji prstencového držáku (291), který je upevněn v levém krytu (29) elektromotoru, přičemž bezkontaktní spínače (292, 293,294) volně zapadají do mezery mezi dvě směrově shodně orientované a magneticky opačně polované magnetické křidélkové lamely (142).