CZ2004758A3

CZ2004758A3 - Pomalobezný diskový elektromotor pro elektrické invalidní vozíky

Info

Publication number: CZ2004758A3
Application number: CZ20040758A
Authority: CZ
Inventors: Konfrst@Václav
Original assignee: Konfrst@Václav
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-02-15
Also published as: EP1612919A2; CA2494466A1; EP1612919A3; US20050285455A1; AU2004233521A1; US20070085430A1; CZ301096B6; AU2004233521B2; US7242122B2

Abstract

Pomalobezný elektromotor lehké konstrukce s prumerem rotoru vetsím nez 500 mm, sírce nekolika cm, bez prevodové skríne, se záberovým momentem v rádove 100 Nm, který vyuzívá principu coulombovských sil. Rozmerové usporádání rotoru a statoru i pri vysokých momentech eliminuje flip - flop efekt typický pro klasické krokové motory. Rotor tvorí rotorové disky (10) s upevnovacím krouzkem (7). K upevnovacímu krouzku (7) je pripojen nosic (1) permanentních magnetu (2). Rotor je spojen s upevnovacím nábojem (14) prostrednictvím kulickových lozisek (13), jejichz lozisková pouzdra (12) jsou spojena s rotorovými disky (10). K upevnovacímu náboji (14) jepripevnen statorový disk (11). Do paprsku (8) pripevnených stopkou (9) k statorovému disku (11) je segment tvaru kruhové výsece z magneticky mekkého materiálu (3) na nem jsou navleceny cívky (4). Vzájemnou polohu kazdé cívky (4) vuci permanentnímu magnetu (2) sleduje polohové cidlo (5). Segmenty statoru (3), na kterých jsou umísteny cívky (4), které tvorí póly motoru, jsou vykompenzovány a neutrální z hlediska sil F.sub.Fe.n. s výslednicemi techto sil (17), které jsou vytváreny koincidencí permanentních magnetu rotoru (2) a magneticky mekkého materiálu segmentu statoru (3) a soucasne vykompenzovány nulovou výslednou intenzitou magnetického toku suma H = 0 na pólech (15) segmentu (3) vuci permanentním magnetum rotoru (2) ve vsech rezimech rízení motoru z titulu postupného pripojování cívekstatoru (4) pod napetí, a tím nevytvárejí parazitní síly (18), které zpusobují flip - flop efekt a vibrace, protoze konstrukcní usporádání respektujevztahy mezi poctem a konstrukcním usporádáním permanentních magnetu r

Description

Pomaloběžny diskový elektromotor pro elektrické inv/vozíky

Popis vynálezu:

Oblast techniky:

Vynález se týká lehkého pomaloběžného vícepólového diskového elektromotoru určeného zejména pro pohon skládacích vozíků pro tělesně postižené.

Dosavadní stav techniky:

Používané pomaloběžné pohonné jednotky na elektrický pohon, jejichž kroutící moment na výstupním hřídeli při jmenovitých otáčkách v rozsahu jednotek za vteřinu je řádově lOONm, byly klasicky konstruovány na bázi standardního rychloběžného elektropohonu s převodovkou a byly nejporuchovější částí vozíku.

Specifika provozu elektrického invalidního vozíku vyžaduje bezpřevodovkový, bezkontaktní a po celou dobu živostnosti bezúdržbový elektromotor.

Vylehčením klasického synchronního motoru s permanentními magnety a osazením cívek do hřebene zubových hlav podle patentu CZ 1480-97 A3, přihlašovatel WAVRE Nicolas, Neuchatel, CH, kde zuby na kterých jsou navlečeny cívky s osou do středu motoru a které jsou spojeny jhem nelze dosáhnout potřebných váhových a výkonových parametrů.

Pro účely lehkého motoru o velkém průměru nelze ani využít patentu CZ 279 581 B6, přihlašovatel Ústav termotechniky AVČR, Praha, CZ, který řeší stroj o průměru větším, než jeden metr principem dvou rotorů stroje, jeden s magnety a druhý s dvojicemi pólových nástavců, na kterých jsou navlečeny cívky. Je zřejmé, toto uspořádání lze využít pouze jako zdroj, nikoliv jako pohon z důvodu nekompenzovaného flip-flop efektu a tím vzniku vibrací.

Na základě patentu CZ 291897 B6 z roku 2001 jsou klasické motory s převodovkou nahrazovány bezpřevodovkovými motory na bázi FeNdB magnetů umístěnými na rotoru a cívkami statoru navinutými na kontinuálním kruhovém prstenci z magneticky měkkého materiálu, např feritu, kde záběrový moment lze zvyšovat zvýšením poloměru umístění funkčních prvků elektromotoru.

Toto konstrukční řešení má svoji technologickou mez vyrobitelnosti do průměru 300mm. Technologická omezení výroby prstence z magneticky měkkého materiálu nedovoluje toto řešení použít výrobu motorů lehké konstrukce bez převodové skříně, jejichž

9» 9

9

9 ·

9999 • 9

• 99 9 · průměr přesahuje 500mm, o šířce několika cm se záběrovým momentem v řádově lOONm, s poměrem průměru motoru a tloušťky motoru větším, než 15.

Podstata vynálezu:

Uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry pomaloběžný diskový elektromotor s permanentními magnety 2 umístěnými na rotoru a s cívkami 4 umístěnými na statoru. Cívky statoru 4, které tvoří póly motoru, jsou umístěny na velkém průměru na segmentech tvaru kruhové výseče z magneticky měkkého materiálu 3, které jsou jednoduše a levně vyrobitelné. Diskrétní magneticky vodivé prvky v motoru s permanentními magnety o vysoké remanenci, pokud by nesplňovaly koincidenční vztahy prostorového rozměrového uspořádání, které je předmětem tohoto vynálezu, vytvářejí flip-flop efekty, tzn. přeskoky magnetů 2 podle prostorové hustoty magnetického toku vytvořeného tvarem permanentních magnetů rotoru 2 a geometrickým uspořádáním magneticky vodivých segmentů 3 společně s výslednicí součtu intenzity magnetického pole H cívek 4 na pólech segmentů 15 v každé poloze rotoru vůči statoru.

Podstata vynálezu spočívá v komplexním konstrukčním uspořádání aktivních částí motoru, tzn. permanentních magnetů rotoru 2, segmentů z magneticky vodivého materiálu statoru 3 a rozměru a umístění cívek statoru 4, které tvoří póly motoru a zajišťuje, že jsou silově a magneticky vůči permanentním magnetům 2 neutrální, tzn. nevytvářejí vibrace. Aby byl zajištěn plynulý chod motoru a eliminován vznik vibrací, musí rozměry segmentů výsečí prstence 3, v koincidenci s rozměrovým uspořádáním permanentních magnetů rotoru 2 společně s rozměrovým uspořádáním cívek statoru 4 splňovat současně všechny následující zákonitosti geometrického prostorového uspořádání:

1) Počet permanentních magnetů rotoru 2 musí být sudé číslo

2) Vnější válcová plocha segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu má stejnou vzdálenost od povrchu každého permanentního magnetu 2 v každé poloze rotoru vůči statoru. Póly elektromotoru tvoří cívky statoru ve vzduchové mezeře.

Počet segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu 3 musí být nesoudělné číslo s počtem permanentních magnetů rotoru 2, které má ještě tu vlastnost, že nejblíže vyšší a nejblíže nižší číslo jsou rovněž čísla nesoudělná s počtem permanentních magnetů rotoru 2 a obě čísla vyšší a nižší o dvě musí být soudělná s počtem permanentních magnetů rotoru 2.

0 « 0 0

0 0 0 0000 • 0 • 000 0

0

0 0 • 0 0 0

0 0000 •00 ·· ·

4) Počet a uložení cívek 4 na segmentu 3, které tvoří póly elektromotoru, musí splňovat následující zákonitosti:

- počet cívek 4 na segmentu 3 = 2 x počet fází motoru x N (N = celé číslo)

- každá fáze motoru musí být zastoupena na segmentu 3 stejným počtem cívek 4 = pólů fáze motoru

- počet cívek 4 na segmentu statoru z magneticky měkkého materiálu 3 musí být číslo soudělné s počtem permanentních magnetů rotoru 2

- poloha cívek 4 na segmentu 3 musí splňovat podmínku pro úhlové rozložení na statoru nezávisle na rozměrech a rozložení segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu 3 úhel uložení cívky i-té fáze = (360 / počet perm mag rot) x (pořadí cívky + (i - 1) / nfázf _motOru) i = celé číslo v intervalu 1 až nfázf _motoru nfázf motoru = počet fází motoru

Například pro počet permanentních magnetů 48 splňují zákonitosti prostorového rozložení pro eliminaci parazitních silových rázů, které by způsobovaly vibrace:

segmentů z magneticky měkkého materiálu cívek na každém segmentu pro třífázový pomaloběžný motor, nebo 24 cívek pro šestifázový pomaloběžný motor

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresů, na kterých znázorňuje obr. 1 část elektromotoru v bokorysném řezu procházejícím osou elektromotoru, obr. 2 objasňuje vznik parazitních sil Fp_e s výslednicí 17, které jsou způsobeny permanentními magnety 2 a konstrukcí segmentů z magneticky měkkého materiálu 3, a podstatu jejich eliminace, tak jak je popsána v bodech 1, 2,a 3 odstavce podstata vynálezu a obr. 3, průběh magnetického pole 16 permanentních magnetů 2, které v koincidenci s magnetickým polem H cívek 4 vyvolá činnou sílu F 19 na obvodu motoru a současně znázorňuje podstatu vzniku parazitních sil vlivem součtu magnetické intenzity suma H jednotlivých cívek 4 - pólů elektromotoru uvnitř segmentu statoru 3 tak, že při nesplnění podmínky suma H = 0 vyvolává na pólech 15 segmentů 3 parazitní síly 18 v koincidenci s magnetickými sičarami 16 permanentních magnetů rotoru 2, a jejichž podmínky eliminace jsou uvedeny v bodu 4 článku podstata vynálezu.

·* · ·· ·· * · · · · · . · * · · ·.·· • ···· » « ,, , , • · · · · · ···♦ · ·· • · • · · • « * » · • ·

Příklady provedení vynálezu

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 ráfkem kola 7. ráfek kola 7 slouží k vytvoření skříňové konstrukce sendvičového uspořádání rotoru. Ráfek kola 7 slouží, v případě použití pro pohon vozíků pro tělesně postižené, pro montáž pneumatiky. Ke vnitřní válcové ráfku kola 7 je připojen nosič permanentních magnetů i vytvořený z magneticky vodivého materiálu. Nosič permanentních magnetů 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 11 v lehkém sendvičovém provedení je vytvořen ze dvou kusů. Na obvodu statorového disku 11 jsou upevněny paprsky 8 pro upevnění segmentů 3 viz obr. 1. Paprsky 8 pro upevnění segmentů 3 je vyrobeny z nemagnetického materiálu. Segmenty z magneticky měkkého materiálu 3 jsou zasazeny po obvodu do drážek paprsků 8 . Na spodní střední část paprsku 8 navazuje stopka 9. Prostřednictvím stopky 9 je paprsek pro upevnění segmentů 8 připevněn ke statorovému disku H· Segment 3 magnetického stínění je vytvořen z magneticky měkkého materiálu, například z transformátorových plechů. Na segmentu 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 segmentu 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. Póly statoru tvoří činné části cívek 4 ve vzduchové mezeře. Počet cívek 4 pod jedním permanentním magnetem 2 tvoří počet fází motoru. Vzájemnou polohu každé cívky 4 vůči permanentnímu magnetu 2 sleduje polohové čidlo 5. Cívky 4 jsou napájeny přívodními vodiči 6, které procházejí dutým nábojem 14. Mechanické uspořádání činných částí elektromotoru, to je nosiče 1, permanentních magnetů 2, segmentu 3 magnetického stínění, včetně konstrukčního řešení upevnění do paprsků ÉL umístění cívek 4 na segmentu 3 magnetického stínění a princip zajištění magnetické neutrality segmentu při připojení cívek pod napětí je v detailním znázornění na obr.2 a 3.

»4 · « 4 4 • 4 4 • ·«4 4 4 • 4

4· * ·· • 4 4

4 ·4 4 • 4 4 · • 4 4 · ·« ·

4 · • 4 4 4 * · 444# • 4 4

4

Popis funkce motoru:

Zdrojem magnetického toku jsou permanentní magnety 2 rozmístěné po celé vnitřní válcové ploše nosiče L Nosič I uzavírá magnetický obvod permanentních magnetů 2. Na vnitřní straně, vstupuje magnetický tok do vzduchové mezery tvořené vnitřní válcovou plochou permanentních magnetů 2 a vnější válcovou plochou prstence 3 magnetického stínění. Hlavní část magnetického toku 16 (obr. 3) vytváří ve vzduchové mezeře magnetickou indukci a uzavírá se přes segment 3 magnetického stínění. Rozptylová část magnetického toku se uzavírá v prostoru na vnitřní straně segmentu 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 (obr.3 - proud protékající jedním směrem je označen X, proud v opačném směru *). Magnetický tok 16 ve vzduchové mezeře vytváří v koincidenci s velikostí a směrem proudu v té části vinutí cívek 4, které jsou ve vzduchové mezeře, žádanou sílu F 19. To je síla, která je přes ráfek kola 7 přenesena na obvod kola vozíku.

Konstrukce motoru podle odstavce „Příklady provedení vynálezu“, která spočívá v děleném statoru na segmenty z magneticky měkkého materiálu vytváří v místě zasazení do paprsku 8 nehomogenní magnetické pole 16, které vytváří radiální síly Fp_e s výslednicí 17 proměnné velikosti dle vzájemné polohy statoru a rotoru. Průběh síly je závislý na vzájemné poloze magnetu a ose paprsku se zasazenými segmenty do drážek. Pokud je proměnnou veličinou úhel osy paprsku 8 a v rozmezí od počátku do konce magnetu, nabývá síla 17 kladných hodnot do středu magnetu a záporných hodnot od středu do konce délky magnetu nezávisle na polaritě magnetu. Splněním následujících podmínek

1) Počet permanentních magnetů rotoru 2 musí být sudé číslo

2) Počet segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu 3 musí být nesoudělné číslo za podmínek dle bodu 3 odstavce „Podstata vynálezu“ dochází ke kompenzaci výsledné síly 17 vlivem rovnoměrného rozložení os paprsků proti rozložení permanentních magnetů rotoru - způsobem, jehož princip je znázorněn na obr.2

Současně musí být splněna podmínka magnetické neutrality pólů segmentů 3 , tzn. že výsledná intenzita magnetického pole H jednotlivých cívek 4 každého segmentu 3 splňovat podmínku suma H = 0, takže póly 15 segmentu z magneticky měkkého materiálu 3 v místě zasazení do paprsku 8 jsou magneticky neutrální a nevznikají parazitní síly 18 koincidenci magnetického toku 16 permanentních magnetů 2 a magnetického toku segmentu 3.

• · φ • » · • · φ • φφφφ · • φ φφφφ · φφ • φ φ • φ φφφ φ · « φφ φφ φφ φφ φ

φ φ φφφ • φφφφ • φ

Jednotlivé cívky 4, které tvoří póly motoru a jsou propojeny do fáze vinutí motoru podle bodu 4. odstavce „Podstata vynálezu“, jsou spínány pod napětí v závislosti na' poloze rotoru vůči statoru tak, aby vytvářely radiální sílu F 19 na obvodu motoru. Pokud konstrukce motoru splňuje zákonitosti podle bodu 4. odstavce „Podstata vynálezu“, je vždy připojen na každém segmentu 3 sudý počet cívek 4 téže fáze motoru pod napětí, což zajistí, že součet dílčích složek magnetické intenzity H v každém bodě vzájemné polohy rotoru a statoru splňuje podmínku magnetické neutrality suma H = 0 a nevznikají parazitní síly 18 mezi póly 15 segmentů statoru 3 a permanentními magnety rotoru 2 a motor i při nízkých otáčkách a vysokých záběrových momentech běží plynule.

Příklad průmyslového využití

Vynálezu se využije, pokud pracuje jako motor k pohonu lehkých přenosných skládacích vozíků pro tělesně postižené, nebo pokud pracuje jako pomaloběžný generátor k výrobě elektrické energie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Pomaloběžný diskový elektromotor, který využívá principu Coulombových sil vyznačující se lehkou konstrukci s průměrem rotoru větším než 500mm, o šířce několika cm, bez převodové skříně, se záběrovým momentem v řádově lOONm, kde rozměrové uspořádání rotoru a statoru i při vysokých momentech eliminuje parazitní silová působení, tzv. flip - flop efekt typický pro klasické krokové motory
2. Pomaloběžný elektromotor podle nároku 1) vyznačující se t í m, že póly statoru tvoří činné části cívek (4) ve vzduchové mezeře konstantního rozměru po obvodu motoru, kterou tvoří segmenty statoru tvaru kruhové výseče z magneticky měkkého materiálu (3) a povrchy permanentních magnetů rotoru (2).
3. Pomaloběžný motor podle nároku 1) vyznačující se t í m , že segmenty statoru tvaru kruhové výseče z magneticky měkkého materiálu (3), na kterých jsou umístěny cívky (4), které tvoří póly motoru, jsou z hlediska sil (Fp_e) s výslednicí (17), které jsou vytvářeny koincidencí permanentních magnetů (2) a segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu (3) vykompenzovány, tím, že jsou společně splněny podmínky, že počet permanentních magnetů rotoru (2) je sudé číslo, vnější válcová plocha segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu (3) má stejnou vzdálenost od povrchu každého permanentního magnetu (2) v každé poloze rotoru vůči statoru a počet segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu (3) je nesoudělné číslo s počtem permanentních magnetů rotoru(2), které má ještě tu vlastnost, že nejblíže vyšší a nejblíže nižší číslo jsou rovněž čísla nesoudělná s počtem permanentních magnetů rotoru (2) a obě čísla vyšší a nižší o dvě jsou soudělná s počtem permanentních magnetů rotoru(2).
4. Pomaloběžný motor podle nároku 1) v y z n a č u j í c í se tím, že na pólech (15) segmentů (3) je z titulu postupného připojování cívek statoru pod napětí suma intenzity magnetického pole suma H = 0, takže vůči permanentním magnetům rotoru nevytvářejí parazitní síly (18) vibrace, tím, že cívky (4), které tvoří póly elektromotoru, na segmentu (3), splňují současně vztahové podmínky, kdy počet cívek (4) na segmentu (3) = 2 x počet fází motoru x N pro (Necelé), každá fáze musí být zastoupena na • · · • · · · · · · · • · · · ···· · ··· • ♦ ♦·· · · · · ··· · ··· • ···· · · · • · · · · e · ·· · segmentu (3) stejným počtem cívek (4) a poloha cívek (4) na segmentu (3) musí splňovat podmínku pro úhlové rozložení na statoru nezávisle na rozměrech a rozložení segmentů statoru z magneticky měkkého materiálu (3) úhel uložení cívky i-té fáze = 360 / počet perm mag rot x (pořadí cívky + (i - 1) / n^f _raotoru) i = celé číslo v intervalu 1 až n^zt motoru nfázi motoru = počet fází motoru