CZ2011293A3 - Stejnosmerný elektromotor - Google Patents

Abstract

Pro aplikace, kde požadované výkony jsou v rádu desítek až stovek watu a kde klasické motory není možné použít bez spojení s prevodovkou, je urcen stejnosmerný motor, který je opatrený z magneticky vodivého materiálu vytvoreným prvním dílcem (1), nesoucím soustavu unipolárne orientovaných magnetu, a z nemagnetického materiálu vytvoreným druhým dílcem (2), který nese alespon jednu cívku (4) s vývody pro pripojení na zdroj stejnosmerného proudu, kde první dílec (1) a druhý dílec (2) jsou vzájemne relativne pohyblivé, pricemž cívka (4) je umístená na jádru (5) z magneticky vodivého materiálu, vedeném v odstupu podél soustavy magnetu.

Description

STEJNOSMĚRNÝ ELEKTROMOTOR

Oblast techniky

Vynález se týká stejnosměrného motoru.

Dosavadní stav techniky

Běžně známé stejnosměrné elektromotory, tj. elektromototy, které jsou napájené stejnosměrným proudem. pracují na principu komutace proudu ve vodách umístěných v magnetickém pok vytvořeném střídavě orientovanými póly, kdy komutace proudu probíhá v závislosti na polaritě magnetického proudu a zadané hodnotě směru pohybu. Rychlost motoru napájeného stejnosměrným proudem obecně závisí na velikosti napětí a proudu procházejícího vinutím motoru a na zatéž neboli velikosti brzdného momentu. Rychlost motoru pň daném brzdném momentu je úměrná napětí, točivý moment je úměrný proudu Rychiost otáčení stejnosměrného elektromotoru lze snadno regulovat změnou pracovního napět, a/nebo buzen.m. jsoc-li magnety tvořené vinutím cívek navinutých na tělesa vyniklých pólů Nejvets. nevýhodou klasických stejnosměrných motorů je existence komutátoru. Je to mechanický přepínač, který spíná velké proudy a kromě náchylnosti k poruchám je náročný na údržbu a seřízení, jedná se o mechanicky poměrně značné namáhané zařízení -vyžadující pravidelnou údržbu či výměnu některých jeho součásti. Jiskřen, na uhlíkových kartáčích je zdrojem ztrát i významného elektromagnenckého rusém. S rozvojem levnější a spolehlivější silnoproudé elektroniky jsou proto stejnosměrně motory postupně vytlačovány stejnosměrnými elektromottxy s elektronický buzeným rotujícím magnetickým polem. Komutace proudu. at již pomoci mechanického komutátoru nebo elektronicky, představuje též pracnost ve výrobě a vysoké výrobní náklady lak materiálové, tak mzdové. Zjednodušeným provedením jsou stroje, kde magnety jsou tvořené pem-nomnlm. magnety. Pro mnohé aplikace tsou klasteke motory tohoto typu nevhodné nejen z výše uvedených důvodů, ale též s ohledem na nutnost užiti převodovek z důvodů vysokých jmenovitých otáček klasických motoru účelem tohoto vynálezu je vytvořit jednoduchý stroj s jednoduchou regulac. smetu a rychlosti otáčeni, nízkým momentem setrvačnosti, který lze vestavět do relativné malého prostoru. Dalším účelem je dlouhodobá provozní spolehlivost bez nároku na údržbu během provozu.

Podstata vynálezu

Výše uvedeného účelu je dosaženo pomocí stejnosměrného elektromotoru v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je opatřený z magneticky vodivého materiálu vytvořeným prvním dílcem, nesoucím soustavu unipolámě orientovaných magnetů a z nemagnetického materiálu vytvořeným druhým dílcem, který nese alespoň jednu cívku s vývody pro připojeni na zdroj stejnosměrného proudu. Cívka je umístěná na jádru z magneticky vodivého materiálu, vedeném v odstupu podél soustavy magnetů. První dílec a druhý dílec jsou vzájemně relativně pohyblivé, což znamená, že bud se pohybuje první dílec oproti druhému dílci, nebo obráceně, případně se mohou vzájemně pohybovat oba dva. Ve výhodném provedení jsou magnety tvořené permanentními magnety. V prvním výhodném provedení podle tohoto vynálezu, první dílec tvoří stator a druhý dílec, který je uložený otočně, nese jádro na němž je uložená alespoň jedna cívka. Ve druhém výhodném provedení je stator tvořený prvním dílcem spolu s jádrem a rotorem je otočně uložený druhý dílec, který nese alespoň jednu cívku uspořádanou v odstupu kolem jádra.

Výhodou tohoto vynálezu je celkové jednoduchá konstrukce. Je zde vyloučen jakéhokoliv druh komutace proudu a tak vzájemná poloha rotoru a statoru v rozsahu účinné pracovní dráhy nemusí být identifikována čidly pro fyzikální podmínku funkce motoru. Diky provedeni magnetického obvodu z plného materiálu není třeba jej skládat z plechů, jako je tomu u klasického stejnosměrného motoru. Výsledkem je vysoce ekonomicky výhodné řešení nejen z hlediska sníženi výrobních nákladů, ale též z hlediska minimálních provozních nákladů, daných vyloučením údržby a dlouhodobou životností stroje bez rychle opotřebitelných části. Předmětný motor představuje vysoce provozně robustní zařízeni odolné proti vnějšímu prostředí, zejména prašnosti a vlhkosti. Další výhodou je, že pracovní otáčky a moment motoru lze přizpůsobit hnanému zařízeni bez jinak nezbytné převodovky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho provedení, uvedených na přiložených výkresech. Na obr. 1 je znázorněné principielní uspořádání daného elektromotoru a jeho funkce a na obr. 2 je v osovém řezu nakresleno provedení se

3. :

statickým prvním dílcem a rotujícím druhým dílcem na obr. 3 je znázorněná varianta provedení podle obr. 2, kde druhý dílec vykonává vratný pohyb po kruhovité dráze.

Přiklad provedení

Jak je uvedeno na obr. 1, principielně má předmětný motor dva základní dílce 1, 2 První dílec 1, který je vytvořený z magneticky vodivého materiálu, nese soustavu unipolámě orientovaných permanentních magnetů 3. Druhý dílec 2, který je vytvořený z nemagnetického materiálu nese alespoň jednu cívku 4 opatřenou vývody pro pňpojení na zdroj stejnosměrného proudu. Pro zjednodušení obr 1 je druhý dílec nakreslen až na obr. 2 a 3. Cívka 4 je umístěná na jádru 5 z magneticky vodivého materiálu, které je uspořádané v radiálním odstupu od soustavy permanentních magnetů 3 Odstup mezi jádrem 5 a permanentními magnety 3 je vzduchovou mezerou 6 magnetického obvodu předmětného motoru. Teoreticky se druhý dílec 2, ve funkci rotoru, může pohybovat VŮ8 prvnímu dílci 1, který tak představuje stator, nebo oba dílce 1.2 mohou pracovat v opačných funkcích, případně se mohou vzájemně pohybovat oba tyto dílce 1.,2.

V dalším je teoreticky i prakticky rozebrán případ, kdy první dítec 1 je statorem motoru a druhý dílec 2 pracuje jako rotor

Motor v uspořádání podle obr. 1 pracuje tak. že dopředně sila 7 jako výslednice vektorového součinu vektoru hustoty magnetického toku uvnitř vzduchové mezery 6 a vektoru proudu protékajícího vodiči cívky 4 je podstatně větSi. než v opačném směru působící zpětné sily 8 dané výslednicí vektorového součinu vektorů hustoty magnetického toku po obvodu jádra 5 a vektoru 9 proudu vodičů cívky 4. Rozdílná hodnota dopředně síly 7 a zpětné síly 9 je daná nelineárním prostorovým rozložením magnetického odporu uzavřeného magnetického obvodu permanentích magnetů 3, takže hustota magnetického toku vystupujícího z magneticky vodivého materiálu jádra a ie v místě působeni vektoru a proudu cívek 4 podstatně menši, nes Hustoto magnetického toku vzduchovou mezerou 6. Rozdíl obou sil 7,8 je hnací silou motoru. Stejnosměrný motor podle vynálezu po celé délce účinné pracovní dráhy využívá unipoíám; magnetické pote .

Prvním praktickým pňkladem výše uvedeného uspořádání je provedeni, které je ve zjednodušené formě znázorněné na obr. 2. U tohoto provedeni vykonává rotor rotační pohyb, tedy pohyb po kruhové dráze.

Jak je nakreslené na obr. 2. tento motor je opatřený přírubou 10 pro upevnění na konstrukci příslušného zařízení, v němž je motor zabudován, např. pomocí montážních šroubů 11. V ^svý™ ^koncem ^Pevněný ^hřídeí & ⁰³ němž je nasazený první dílec 1 Jak již řečené výše, je první dílec 1 zhotovený z magneticky vodivého materiálu, a to z plného materiálu. První dílec 1, který ma tvar kotouče, nese na své obvodové, čelní straně soustavu unipolámě orientovaných permanentních magnetů 3. Na straně opačné přírubě 10, je na osazení hřídele 12, pomocí ložiska 13, otočně uložený druhý dílec 2, který je zhotovený z nemagneticky vodivého materiálu. Druhý dílec 2 ve tvaru plochého kotouče nese letmo upevněné jádro 5. Jádro 5. z magneticky vodivého materiálu ve tvar prstence čtyřuholníkového průřezu, je vedené v radiálním odstupu od permanentních magnetů 3. Na jádru 5 jsou navinuty cívky 4. opatřené vývody připojené na sběrací kroužky, sloužící jako přívod stejnosměrného elektrického proudu. Sběrací kroužky, o sobě známého provedení nejsou na výkrese pro jednoduchost nakreslené. Cívky 4, obvykle v počtu tří až pět. jsou pravidelně rozmístěné po obvodu prstencového jádra 5 a jsou vůči permanentním magnetům 3 uspořádané radiálně. Cívky 4 mohou být. podle napájecího napětí a požadovaného proudu, zapojeny jak do séne nebo paralelné. Podstatné je. že vektor 9 proudu má ve všech cívkách 4 stejný směr.

Alternativně k výše popsanému provedení, může být jádro 5 nesené dvojitým druhým dílcem 2. uspořádaným na hřídeli 12 po obou stranách prvního dílce. Toto provedení ie sice mechanicky lepší než letmé uložení jádra 5, ale vyžaduje více místa v zařízení, do nějž je předmětný motor vestavěn. Obdobně to platí pro urazeni hrictete 12 který rovněž může být uložen oboustranně.

Permanentní magnety 3 a cívky 4 mohou byt uspořádané i ve vzájemném axiálním odstupu.

Druhým praktickým příkladem daného principielního uspořádání motoru je provedení, které je ve zjednodušené formě znázorněné na obr. 3. U tohoto provedení vykonává rotor vratný pohyb, tedy pohyb po omezené dráze, tj. pohyb vpřed do určene polohy a pohyb zpět do základní polohy.

Základní uspořádáni tohoto provedení je stejné, jako na obr. 2. Motor je opatřený přírubou 10 pro pevnění na konstrukci zařízeni, v němž je motor zabudován.

V přírubě 10 je svým jedním koncem upevněný hřídel 12, na němž je pevne uchycený první dílec 1 zhotovený z plného materiálu. První dílec 1, který na své čelní straně nese soustavu unipolámě orientovaných permanentních magnetů 3, má tvar výseče kotouče. Příslušný středový úhel výseče závisí na požadovaném rozsahu pohybu rotoru, je ale vždy menší než 180°. První dílec 1 má i zde funkci statoru. Na straně opačné poloze příruby 10, je na ložisku 13, nasazeném na hřídeli 12, otočně uložený drahý dílec 2, rotor motoru. Druhý dílec 2, např. ve tvaru výseče plochého kotouče nese letmo upevněnou cívku 4 případně více cívek 4. Středový úhel kotoučové výseče odpovídá rozměrům cívky 4 ^resp rozměrům cívek 4. Cívka 4 volně obepíná jádro 5, takže se po něm může pohybovat. Jádro 5 má tvar prstence, který v konstantním odstupu sleduje povrch permanentních magnetů 3 tak. že dovoluje pohyb cívky 4 podél vnějšího povrchu permanentích magnetů 3. Jádro 5 je na svých okrajích spojené s prvním dílcem 1, takže na rozdíl od provedeni podle obr 2, je zde součástí statoru. Druhý dílec 2, jako rotor motoru, přenáší výslednou sílu motoru na ovládané zařízení.

Atematívne je možné provedení podlé obr. 3 realizovat jako lineární motor První dítec I a jádro 5 budou ve funkci statoru a druhý dílec 2 s cívkou 4 ve funkci rotoru. Lze si rovněž představit, že stator lineárního motoru v provedení podle tohoto vynálezu nemusí mít pouze přímkový tvar, ale může sledovat tvar zvolené křivky.

Pro odborníka v oboru je nasnadě, že u všech provedení lze zaměnit funkce obou dílců 1..2.

Ač se ve všech případech praktického provedení předmětného stejnosměrného motoru hovori pouze o permanentních magnetech 3. je rovněž nasnadě, že místo permanentních magnetů 3 lze se stejným účinkem použit též vinutých magnetů napájených stejnosměrným proudem. Použití permanentních magnetů 3 je však výhodnější. neboť vyžadují podstatné méně místa. Použití jednoho nebo druhého provedení magnetů závisí na dané aplikaci a zadaných provozních parametrech jak z hlediska požadovaného výkonu tak prostoru pro vestavění daného motoru.

Při zachování možností regulace rychlosti jako u klasických stejnosměrných strojů, jedná se jednoduchou konstrukci motoru nevyžadujícího údržbu během provozu.

Průmyslová využitelnost

Stejnosměrný etektňcký motor podle předmětného vynálezu je utéen pro vykony v řádu desítek až stovek watů. zejména pro aplikace. kde kiasické n»toryné™ možné použít bez spojení s převodovkou. Příkladem možné apMkace je ovládán, blokovacího prvku turniketů.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1 . Stejnosměrný elektromotor. vyznačující se tím. že je opatřený z magneticky vodivého materiálu vytvořeným prvním dílcem (1) nesoucím soustavu unipolámě orientovaných magnetů a z nemagnebckého materiálu vytvořeným druhým dílcem (2). který nese alespoň jednu cívku (4) s vývody pro připojení na zdroj stejnosměrného proudu, kde první dílec (1) a druhý dílec (2) jsou vzájemně relativně pohyblivé, přičemž cívka (4) je umístěná na jádru (5) z magneticky vodivého materiálu, vedeném v odstupu podél soustavy magnetu.

2 . Stejnosměrný elektromotor podle nároku 1. vyznačující se tím, že magnety jsou tvořené permanentními magnety (3).

3 Stejnosměrný elektromotor podle nároku 1 nebo 2. vyznačující se tím, ze první diiec (1) tvoří stator a druhý dílec (2). který je uložený otočně, nese jádro (5) na němž je uložená alespoň jedna cívka (4).

4 Stejnosměrný elektromotor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím. že první dílec (1) spolu s jádrem (5) tvoří stator a druhý dílec (2). který je uložený otočně, nese alespoň jednu cívku (4) uspořádanou v odstupu kotem jádra (5).