CZ2021320A3

CZ2021320A3 - Electric motor

Info

Publication number: CZ2021320A3
Application number: CZ2021320A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Blohmann; Miroslav Ing. Blohmann; Pavel Karban; Karban Pavel prof. Ing., Ph.D.
Original assignee: Miroslav Blohmann; Miroslav Ing. Blohmann; Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-09-21
Also published as: CZ309352B6

Abstract

Elektrický motor sestává z rotoru (1) uzpůsobeného pro přenos krouticího momentu, kde rotor (1) je otočně uložený vůči rámu (3), se kterým je pevně spojen stator (2) tvořený feromagnetickými póly (21) s vinutími (22). Rotor (1) je opatřen plastovou klecí (12) pro umístění permanentních magnetů (11), které jsou v kleci (12) uspořádány podle Halbachova schématu.The electric motor consists of a rotor (1) adapted for the transmission of torque, where the rotor (1) is rotatably mounted relative to the frame (3), to which the stator (2) consisting of ferromagnetic poles (21) with windings (22) is firmly connected. The rotor (1) is equipped with a plastic cage (12) for the placement of permanent magnets (11), which are arranged in the cage (12) according to the Halbach diagram.

Description

Elektrický motorElectric motor

Oblast technikyField of technology

Vynálezem je elektrický motor sestávající ze statoru a rotoru uzpůsobeného pro přenos kroutícího momentu, kde rotor je otočně uložený vůči rámu stroje, se kterým je pevně spojen stator tvořený feromagnetickými póly s vinutími.The invention is an electric motor consisting of a stator and a rotor adapted for torque transmission, where the rotor is rotatably mounted relative to the frame of the machine, to which the stator formed by ferromagnetic poles with windings is firmly connected.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Motory s permanentními magnety jsou motory, ve kterých je místo budicího vinutí pro vytvoření magnetického toku stroje využíváno permanentních magnetů. Tyto permanentní magnety jsou zejména na bázi vzácných zemin, kupříkladu se slitinou na bázi Nd-Fe-B. Tyto motory jsou oproti běžným motorům konstrukčně jednodušší, jelikož kupříkladu odpadá kluzný kontakt, budicí vinutí a podobně. Dále vzhledem k absenci budicího vinutí není potřeba zdroj budicího proudu pro vytvoření magnetického pole rotoru.Permanent magnet motors are motors in which permanent magnets are used instead of the field winding to create the magnetic flux of the machine. These permanent magnets are mainly based on rare earths, for example with an alloy based on Nd-Fe-B. These motors are structurally simpler compared to conventional motors, as, for example, there is no sliding contact, excitation winding, and the like. Furthermore, due to the absence of an excitation winding, there is no need for an excitation current source to create the magnetic field of the rotor.

Motory s permanentními magnety díky tomu dosahují vyššího účiníku, protože není odebírán magnetizační proud, tak jako je tomu u strojů s budicím vinutím. Zároveň odpadají ztráty vznikající průchodem proudu v budicím vinutí. Díky tomu je možno zkonstruovat motor se stejným výkonem s výrazně menšími rozměry a lepší účinností oproti typům motorů bez permanentních magnetů. Použití těchto strojů je od malých strojů v ručním nářadí až po vysoce výkonné trakční stroje. Taková řešení jsou známa z dokumentů EP 2083503 A3, US 8193672 B2 nebo EP 2216885 A2.Thanks to this, motors with permanent magnets achieve a higher power factor, because the magnetizing current is not removed, as is the case with machines with an excitation winding. At the same time, losses arising from the passage of current in the excitation winding are eliminated. Thanks to this, it is possible to construct a motor with the same performance with significantly smaller dimensions and better efficiency compared to types of motors without permanent magnets. The use of these machines ranges from small machines in hand tools to high-performance traction machines. Such solutions are known from documents EP 2083503 A3, US 8193672 B2 or EP 2216885 A2.

Obecně jsou motory s permanentními magnety vyráběny buď v klasickém uspořádání, kdy je rotor stroje umístěn uvnitř statoru nebo jako stroje s oběžným rotorem, kdy je stator umístěn uvnitř stroje a rotor s permanentními magnety obíhá okolo něj. V uspořádání s oběžným rotorem se magnety pohybují vyšší úhlovou rychlostí a na magnety tak působí větší odstředivá síla.In general, permanent magnet motors are manufactured either in a classic arrangement, where the rotor of the machine is located inside the stator, or as machines with a rotating rotor, where the stator is located inside the machine and the rotor with permanent magnets rotates around it. In a rotating rotor arrangement, the magnets move at a higher angular velocity and thus exert a greater centrifugal force on the magnets.

Permanentní magnety se na rotor umísťují buďto uvnitř nebo na jeho povrch. Umístění magnetů na povrch rotoru je jednodušší z pohledu výroby, kdy jsou magnety na povrch rotoru lepeny. Toto řešení je tudíž levnější. Magnety však nejsou chráněny proti znečištění a mechanickému opotřebení. Umístění magnetů do slotů uvnitř rotoru z feromagnetika je konstrukčně náročnější s vyššími náklady na výrobu. Další nevýhodou tohoto řešení je, že část magnetického toku permanentních magnetů se uzavírá uvnitř železa rotoru, kde způsobuje ztráty a užitečný magnetický tok ve vzduchové mezeře je tedy oproti stroji s permanentními magnety na povrchu rotoru nižší. Výhodou této konstrukce je, že jsou magnety chráněny vůči mechanickému opotřebení a magnety lépe odolávají odstředivým silám, působícím na otáčející se rotor. Tyto rotory také obvykle vykazují vyšší pulzační moment, který je nežádoucí.Permanent magnets are placed on the rotor either inside or on its surface. Placing the magnets on the surface of the rotor is easier from a production point of view, when the magnets are glued to the surface of the rotor. This solution is therefore cheaper. However, the magnets are not protected against contamination and mechanical wear. Placing the magnets in the slots inside the ferromagnetic rotor is structurally more demanding with higher production costs. Another disadvantage of this solution is that part of the magnetic flux of the permanent magnets is closed inside the iron of the rotor, where it causes losses and the useful magnetic flux in the air gap is therefore lower compared to a machine with permanent magnets on the surface of the rotor. The advantage of this design is that the magnets are protected against mechanical wear and the magnets better withstand the centrifugal forces acting on the rotating rotor. These rotors also typically exhibit a higher pulsating torque, which is undesirable.

Halbachovo poleje speciální uspořádání permanentních magnetů. Uspořádání magnetů na rotoru do Halbachova pole umožňuje zvýšit indukci ve vzduchové mezeře od permanentních magnetů, a tím zlepšit výkon a účinnost motoru. Halbachovo pole tedy zajišťuje vyšší využitelnost permanentních magnetů při stejné hmotnosti. Uspořádáním permanentních magnetů na rotoru do Halbachova pole je zajištěn sinusový průběh indukovaného napětí a snížen pulzační moment stroje.Halbach's field is a special arrangement of permanent magnets. Arranging the magnets on the rotor into a Halbach field makes it possible to increase the induction in the air gap from the permanent magnets, thereby improving the performance and efficiency of the motor. The Halbach field thus ensures higher usability of permanent magnets at the same weight. By arranging the permanent magnets on the rotor in the Halbach field, a sinusoidal course of the induced voltage is ensured and the pulsation moment of the machine is reduced.

Hlavní nevýhodou Halbachova pole je jeho obtížná výroba. Z principu funkce Halbachova pole vyplývá, že magnety musí být při montáži do Halbachova pole již namagnetovány. Vzhledem k vzájemně působícím silám je montáž obtížná, musí se dbát zvýšené opatrnosti a je velice obtížně automatizovatelná. Složitá montáž a velká pracnost výroby Halbachova pole vede ke zvýšení nákladů na výrobu motoru. Z tohoto důvodu se Halbachovo pole v komerčně vyráběných motorech téměř nepoužívá.The main disadvantage of the Halbach field is its difficult production. It follows from the principle of the Halbach field function that the magnets must already be magnetized when they are installed in the Halbach field. Because of the interacting forces, the assembly is difficult, requires extra care and is very difficult to automate. The complex assembly and great labor involved in the production of the Halbach field leads to an increase in the cost of engine production. For this reason, the Halbach field is hardly used in commercially produced engines.

-1 CZ 2021 - 320 A3-1 CZ 2021 - 320 A3

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Podstatou vynálezu je elektrický motor, sestávající ze statoru a rotoru, uzpůsobeným pro přenos kroutícího momentu, kde rotor je otočně uložený na rámu, se kterým je pevně spojen stator tvořený feromagnetickými póly s vinutími. Rotor je opatřen klecí pro umístění permanentních magnetů. Klec je tvořena vnější a vnitřní kruhovou stěnou, na které jsou umístěny konstrukční prvky, umožňující fixaci klece na konstrukční část rotoru. Zpravidla se jedná o spojení klece s rotorem s využitím tvarového spojení, profil klece může být po obvodu ve tvaru drážky, polygonu či několikahranu. Klec může být s rotorem spojena kupříkladu i s využitím šroubového spoje, spoje pery či průmyslovými lepidly. Dále jsou na kleci umístěny prvky pro uchycení čel rotorů. Hlavní částí klece jsou komory pro uložení permanentních magnetů, které jsou vzájemně odděleny tenkou stěnou. Komory umožňují snadné uspořádání permanentních magnetů do Halbachova pole.The essence of the invention is an electric motor, consisting of a stator and a rotor, adapted for the transmission of torque, where the rotor is rotatably mounted on a frame to which a stator consisting of ferromagnetic poles with windings is firmly connected. The rotor is equipped with a cage for placing permanent magnets. The cage consists of an outer and an inner circular wall, on which structural elements are placed, enabling the cage to be fixed on the structural part of the rotor. As a rule, it is a connection of the cage with the rotor using a shaped connection, the profile of the cage can be in the shape of a groove, polygon or polyhedron around the perimeter. The cage can be connected to the rotor, for example, using a screw connection, a pen connection or industrial adhesives. Furthermore, elements for fixing the rotor faces are placed on the cage. The main part of the cage are chambers for storing permanent magnets, which are separated from each other by a thin wall. The chambers allow for easy arrangement of permanent magnets into the Halbach field.

Výhodné je, pokud je klec zhotovena z plastu, a to z důvodu výrazného snížení nákladů na výrobu a zároveň je díky absenci jha rotoru z feromagnetického materiálu výrazně snížena celková hmotnost rotoru. Z důvodu efektivity výroby je výhodné klec vyrobit metodou 3D tisku.It is advantageous if the cage is made of plastic, due to a significant reduction in production costs, and at the same time, due to the absence of a rotor yoke made of ferromagnetic material, the total weight of the rotor is significantly reduced. For reasons of production efficiency, it is advantageous to make the cage using the 3D printing method.

Výhodné dále je, pokud jsou permanentní magnety v kleci uspořádány podle Halbachova schématu, které umožňuje zvýšení indukce ve vzduchové mezeře od permanentních magnetů, a tím zlepšení výkonu a účinnosti motoru. Halbachovo pole zajišťuje vyšší využitelnost permanentních magnetů při stejné hmotnosti. Uspořádáním permanentních magnetů na rotoru do Halbachova pole j e zaj ištěn sinusový průběh indukovaného napětí a snížen pulzační moment stroj e.It is also advantageous if the permanent magnets in the cage are arranged according to the Halbach scheme, which allows for an increase in the induction in the air gap from the permanent magnets, thereby improving the performance and efficiency of the motor. The Halbach field ensures higher usability of permanent magnets at the same weight. By arranging the permanent magnets on the rotor in the Halbach field, a sinusoidal course of the induced voltage is ensured and the pulsation torque of the machine is reduced.

Výhodné je, pokud je klec z jedné strany otevřena. Fixace magnetů je pak zajištěna pomocí kruhu (obr. 6) a třecích sil stěn komor. Tím je zajištěno, že se magnety nemohou pohnout. Toto řešení je výhodné i pro řešení axiálních elektrických motorů, kde je klec přístupná z čela.It is advantageous if the cage is open on one side. Fixation of the magnets is then ensured by means of the ring (Fig. 6) and the frictional forces of the walls of the chambers. This ensures that the magnets cannot move. This solution is also advantageous for the solution of axial electric motors, where the cage is accessible from the front.

Výhodné rovněž je, pokud z klece vystupují vnitřní ramena směřující ke středu otáčení rotoru elektrického motoru.It is also advantageous if the inner arms pointing towards the center of rotation of the rotor of the electric motor protrude from the cage.

Výhodné dále je, pokud se vnitřní ramena sbíhají do pouzdra ložiska. Pouzdro je otočně uloženo na hřídeli. Toto řešení je výhodné i pro řešení axiálních elektrických motorů.It is also advantageous if the inner arms converge into the bearing housing. The housing is rotatably mounted on the shaft. This solution is also advantageous for solving axial electric motors.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Na obr. 1 je znázorněn částečný řez elektrickým motorem, na obr. 2 je znázorněn izometrický pohled na elektrický motor, na obr. 3 je znázorněn celkový řez elektrickým motorem, na obr. 4 je znázorněn izometrický pohled na klec, na obr. 5 a na obr. 6 je znázorněn pohled na provedení dílčích součástí elektrického motoru, přírubu a kruhový rám podle příkladného provedení vynálezu. Na obr. 7 a obr. 8 je znázorněn pohled na klec umístěnou v rotoru a uložení magnetů dle Halbachova schématu. Na obr. 9 je znázorněno obecné Halbachovo schéma. Na obr. 10 je znázorněno spojení elektrického motoru s rámem stroje prostřednictvím ramena. Na obr. 11a obr. 12 je znázorněno provedení klece pro elektrický motor s vnitřním rotorem. Na obr. 13 a obr. 14 je znázorněno provedení klece pro axiální elektrický motor.Fig. 1 shows a partial section of the electric motor, Fig. 2 shows an isometric view of the electric motor, Fig. 3 shows a complete section of the electric motor, Fig. 4 shows an isometric view of the cage, Fig. 5 and Fig. 6 shows a view of the implementation of the partial components of the electric motor, the flange and the circular frame according to an exemplary embodiment of the invention. Fig. 7 and Fig. 8 show a view of the cage placed in the rotor and the arrangement of the magnets according to Halbach's scheme. A general Halbach scheme is shown in Fig. 9. Fig. 10 shows the connection of the electric motor to the machine frame by means of an arm. Fig. 11 and Fig. 12 show a design of a cage for an electric motor with an internal rotor. Fig. 13 and Fig. 14 show the design of the cage for an axial electric motor.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Příklad IExample I

Elektrický motor sestává ze statoru 2 a vnějšího rotoru L Rotor 1 je otočně uložený vůči rámu 3 stroje spojeným se základem. S rámem 3 je pevně spojen stator 2. Stator 2 je tvořený feromagnetickými póly 21 s vinutími 22. Rotor 1 je uvnitř opatřen klecí 12 pro umístěníThe electric motor consists of a stator 2 and an external rotor L. The rotor 1 is rotatably mounted against the frame 3 of the machine connected to the base. The stator 2 is firmly connected to the frame 3. The stator 2 is made up of ferromagnetic poles 21 with windings 22. The rotor 1 is provided inside with a cage 12 for placing

-2 CZ 2021 - 320 A3 permanentních magnetů 11 Klec 12 je zhotovena z plastického materiálu, konkrétně PE a je s rotorem spojena tvarovým spojem prostřednictvím per. Permanentní magnety Hjsou v kleci 12 uspořádány podle Halbachova schématu dle obr. 9. Jednotlivé magnety 11 ve tvaru kvádru či hranolu jsou v kleci 12 od sebe vzájemně odděleny stěnami S o tloušťce 0,2 mm. Stator 2 je pevně uložen na hřídeli H, který je vložitelný do příruby Pl. Klec 12 je z jednoho boku uzpůsobena k zaklesnutí do příruby Pl a z druhé strany k zaklesnutí do kruhového rámu P2 Klec 12 je z čela otevřena. Spojení rotoru 1, uvnitř kterého se nachází klec 12, s přírubou Pl a s kruhovým rámem P2 je zajištěno šroubovým spojem srze průchozí otvory O rotoru 1 s klecí 12. příruby Pl a kruhového rámu P2 Stator 2 je opatřen otvory O' pomocí kterých je spojen s přírubou P3, která je rozebíratelně spojena s rámem 3.-2 CZ 2021 - 320 A3 of permanent magnets 11 The cage 12 is made of plastic material, specifically PE and is connected to the rotor by means of a shaped connection via a pen. The permanent magnets are arranged in the cage 12 according to Halbach's scheme according to Fig. 9. The individual magnets 11 in the shape of a cuboid or a prism are separated from each other in the cage 12 by walls S with a thickness of 0.2 mm. The stator 2 is firmly mounted on the shaft H, which can be inserted into the flange Pl. The cage 12 is adapted from one side to fit into the flange P1 and from the other side to fit into the circular frame P2. The cage 12 is open from the front. The connection of the rotor 1, inside which the cage 12 is located, with the flange Pl and with the circular frame P2 is ensured by a screw connection through the through holes O of the rotor 1 with the cage 12. of the flange Pl and the circular frame P2 Stator 2 is provided with holes O' by means of which it is connected to flange P3, which is releasably connected to frame 3.

Příklad IIExample II

Elektrický motor sestává ze statoru 2 a vnitřního rotoru 1. Rotor 1 je otočně uložený vůči rámu_3, se kterým je pevně spojen stator 2· Stator 2 je tvořený feromagnetickými póly 21 s vinutími 22. Rotor 1 j e z vněj šku opatřen klecí 12 pro umístění permanentních magnetů 11. Klec 12 j e zhotovena z plastického biologicky odbouratelného materiálu. Klec 12 je s rotorem 1 spojena pery. Jednotlivé magnety 11 uspořádané podle Halbachova schématu jsou od sebe vzájemně odděleny stěnami S o tloušťce 0,2 mm. Stator 2 je pevně uložen na hřídeli H.The electric motor consists of a stator 2 and an internal rotor 1. The rotor 1 is rotatably mounted in relation to the frame_3, to which the stator 2 is firmly connected. The stator 2 is made up of ferromagnetic poles 21 with windings 22. The rotor 1 is externally provided with a cage 12 for the placement of permanent magnets 11. Cage 12 is made of plastic biodegradable material. The cage 12 is connected to the rotor 1 by lips. Individual magnets 11 arranged according to Halbach's scheme are separated from each other by walls S with a thickness of 0.2 mm. Stator 2 is firmly mounted on shaft H.

Příklad IIIExample III

Axiální elektrický motor sestává ze statoru 2 a rotoru 1 uzpůsobeného pro přenos kroutícího momentu. Rotor 1 je otočně uložený vůči rámu 3, se kterým je pevně spojen stator 2· Stator 2 je tvořený feromagnetickými póly 21 s vinutími 22· Celo rotoru 1 je opatřeno klecí 12, do které jsou z čela vloženy permanentní magnety 11. Fixace magnetů 11 je zajištěna víkem. Klec 12 je s rotorem 1 spojena šroubovými spoji. Permanentní magnety 11 ve tvaru kvádru jsou v kleci 12 uspořádány podle Halbachova schématu dle obr. 13. Jednotlivé magnety 11 jsou vloženy do komor K, které jsou rozměrově totožné a jsou vzájemně odděleny stěnami S o tloušťce 0,15 mm. Klec 12 je vyztužena vnitřními rameny R směřujícími ke středu otáčení. Klec 12 je zhotovena z plastického materiálu na bázi PE. Vnitřní ramena R se sbíhají do pouzdra P, které je otočně uloženo na hřídeli H.The axial electric motor consists of a stator 2 and a rotor 1 adapted for torque transmission. The rotor 1 is rotatably mounted in relation to the frame 3, to which the stator 2 is firmly connected. The stator 2 is made up of ferromagnetic poles 21 with windings 22. The entire rotor 1 is equipped with a cage 12, into which permanent magnets 11 are inserted from the front. secured by a lid. The cage 12 is connected to the rotor 1 by screw connections. The cuboid-shaped permanent magnets 11 are arranged in the cage 12 according to the Halbach scheme according to Fig. 13. The individual magnets 11 are inserted into the chambers K, which are identical in size and are separated from each other by walls S with a thickness of 0.15 mm. The cage 12 is reinforced with inner arms R directed towards the center of rotation. The cage 12 is made of plastic material based on PE. The inner arms R converge in the sleeve P, which is rotatably mounted on the shaft H.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Nástroj popsaný podle vynálezu nalézá své uplatnění zejména v konstrukci elektrických pohonů, zejména v dopravní technice.The tool described according to the invention finds its application mainly in the construction of electric drives, especially in transport technology.

Claims

PATENT CLAIMS

1. An electric motor consisting of a stator (2) and a rotor (1) adapted to transmit torque, where the rotor (1), in which the permanent magnets (11) are located, is rotatably mounted with respect to the frame (3) with which it is rigidly connected stator (2) consisting of ferromagnetic poles (21) with windings (22), characterized by the fact that the rotor (1) is provided with a cage (12) for placing permanent magnets (11).

2. Electric motor according to claim 1, characterized in that the cage (12) is made of plastic.

3. An electric motor according to claim 1 or 2, characterized in that the permanent magnets (11) are arranged in the cage (12) according to the Halbach scheme.

ιο

4. Electric motor according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the cage (12) is open on one side.

5. An electric motor according to claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that the cage (12) has inner arms (R) pointing towards the center of rotation of the rotor (1).

6. Electric motor according to claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that the inner arms (R)

15 converge into the housing (P), which is rotatably mounted on the shaft (H).