CZ22888U1 - Stejnosměrný elektromotor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká stejnosměrného motoru.

Dosavadní stav techniky

Běžně známé stejnosměrné elektromotory, tj. elektromotory, které jsou napájené stejnosměrným proudem, pracují na principu komutace proudu ve vodičích umístěných v magnetickém poli vytvořeném střídavě orientovanými póly, kdy komutace proudu probíhá v závislosti na polaritě magnetického proudu a žádané hodnotě směru pohybu. Rychlost motoru napájeného stejnosměrným proudem obecně závisí na velikosti napětí a proudu procházejícího vinutím motoru a na zátěži neboli velikosti brzdného momentu. Rychlost motoru při daném brzdném momentu je úměrná napětí, točivý moment je úměrný proudu. Rychlost otáčení stejnosměrného elektromotoru lze snadno regulovat změnou pracovního napětí a/nebo buzením, jsou-li magnety tvořené vinutím cívek navinutých na tělesa vyniklých pólů. Největší 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 značně namáhané zařízení vyžadující pravidelnou údržbu ěi výměnu některých jeho součástí. Jiskření na uhlíkových kartáčích je zdrojem ztrát i významného elektromagnetického rušení. S rozvojem levnější a spolehlivější silnoproudé elektroniky jsou proto stejnosměrné motory postupně vytlačovány stejnosměrnými elektromotory s elektronicky buzeným rotujícím magnetickým polem. Komutace proudu, ať již pomocí mechanického komutátoru nebo elektronicky, představuje též pracnost ve výrobě a vysoké výrobní náklady jak materiálové, tak mzdové. Zjednodušeným provedením jsou stroje, kde magnety jsou tvořené permanentními magnety. Pro mnohé aplikace jsou klasické motory tohoto typu nevhodné nejen z výše uvedených důvodů, ale též s ohledem na nutnost užití převodovek z důvodů vysokých jmenovitých otáček klasických motorů. Účelem tohoto vynálezu je vytvořit jednoduchý stroj s jednoduchou regulací směru a rychlosti otáčení, nízkým momentem setrvačnosti, který lze vestavět do relativně malého prostoru. Dalším účelem je dlouhodobá provozní spolehlivost bez nároků na údržbu během provozu.

Podstata technického řešení

Výše uvedeného účelu je dosaženo pomocí stejnosměrného elektromotoru v provedení podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že elektromotor 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 připojení 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 buď 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 technického řešení 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 technického řešení je celkově jednoduchá konstrukce. Je zde vyloučen jakýkoliv druh komutace proudu a tak vzájemná poloha rotoru a statoru v rozsahu účinné pracovní dráhy nemusí být identifikována čidly pro fyzikální podmínku funkce motoru. Díky provedení 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 snížení výrobních nákladů, ale též z hlediska minimálních provozních nákladů, daných vyloučením údržby a dlouhodobou životností stroje bez rychle opotřebitelných částí. Předmětný motor

-1 CZ 22888 Ul představuje vysoce provozně robustní zařízení odolné proti vnějšímu prostředí, zejména prašnosti a vlhkosti. Další výhodou je, že pracovní otáčky a moment motoru lze přizpůsobit hnanému zařízení bez jinak nezbytné převodovky.

Přehled obrázků na výkresech

Předmětné technické řešení je dále podrobněji objasněno 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 statickým prvním dílcem a rotujícím druhým dílcem; na obr. 3 je znázorněná varianta provedení podle obr. 2, kde druhý dílec vykonává vratný pohyb po kruhové dráze.

Příklad provedení

Jak je uvedeno na obr. 1, principielně má předmětný motor dva základní dílce I, 2. První dílec X, 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 připojení 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 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 vůči prvnímu dílci 1, který tak představuje stator, nebo oba dílce i, 2 mohou pracovat v opačných funkcích, případně se mohou vzájemně pohybovat oba tyto dílce X, 2.

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

Motor v uspořádání podle obr. 1 pracuje tak, že dopředná síla 7 jako výslednice vektorového součinu vektoru hustoty magnetického toku uvnitř vzduchové mezery 6 a vektoru proudu protékajícího vodiči cívky 4 je podstatně větší, než v opačném směru působící zpětné síly 8 dané výslednicí vektorového součinu vektorů hustoty magnetického toku po obvodu jádra 5 a vektoru 9 proudu vodičů cívky 4. Rozdílná hodnota dopředně síly 2 a zpětné síly 8 je daná nelineárním prostorovým rozložením magnetického odporu uzavřeného magnetického obvodu permanentních magnetů 3, takže hustota magnetického toku vystupujícího z magneticky vodivého materiálu jádra 5 je v místě působení vektoru 9 proudu cívek 4 podstatně menší, než hustota magnetického toku vzduchovou mezerou 6. Rozdíl obou sil 7, 8 je hnací silou motoru. Stejnosměrný motor podle technického řešení po celé délce účinné pracovní dráhy využívá unipolámí magnetické pole.

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

Jak je nakreslené na obr. 2, tento motor je opatřený přírubou X0 pro upevnění na konstrukci příslušného zařízení, v němž je motor zabudován, např. pomocí montážních Šroubů χχ. V přírubě X0 je svým jedním koncem upevněný hřídel 12. na němž je nasazený první dílec X, Jak již řečeno výše, je první dílec 1 zhotovený z magneticky vodivého materiálu, a to z plného materiálu. První dílec X, který má 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 tvaru prstence čtyřúhelníkového 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

-2 CZ 22888 Ul počtu tří až pět, pravidelně rozmístěné po obvodu prstencového jádra 5, mohou být, podle napájecího napětí a požadovaného proudu, zapojeny jak do série nebo paralelně. 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 je sice mechanicky lepší než letmé uložení jádra 5, ale vyžaduje více místa v zařízení, do nějž je předmětný motor vestavěn. Obdobně to platí pro uložení hřídele 12, který rovněž může být uložen oboustranně.

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 určené polohy a pohyb zpět do základní polohy.

Základní uspořádání tohoto provedení je stejné, jako na obr. 2. Motor je opatřený přírubou 10 pro upevnění na konstrukci zařízení, v němž je motor zabudován. V přírubě 10 je svým jedním koncem upevněný hřídel 12, na němž je pevně uchycený první dílec I zhotovený z plného materiálu. První dílec I, 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 I má i zde funkci statoru.

Na straně opačné poloze příruby 10, je na ložisku 13, nasazeném na hřídeli 12, otočně uložený druhý 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 permanentních magnetů 3. Jádro 5 je na svých okrajích spojené s prvním dílcem 1, takže na rozdíl od provedení podle obr. 2 je zde součástí statoru. Druhý dílec 2, jako rotor motoru, přenáší výslednou sílu motoru na ovládané zařízení.

Alternativně je možné provedení podle obr, 3 realizovat jako lineární motor. První dílec 1 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 řešení nemusí mít pouze přímkový tvar, ale může sledovat tvar zvolené křivky. Pro odborníka je nasnadě, že u všech provedení lze zaměnit funkce obou dílců i, 2.

Ač se ve všech případech praktického provedení předmětného stejnosměrného motoru hovoří pouze o permanentních magnetech 3, je rovněž nasnadě, že místo permanentních magnetů 3 lze se stejným účinkem použít též vinutých magnetů napájených stejnosměrným proudem. Použití permanentních magnetů 3 je však výhodnější, neboť vyžadují podstatně 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 elektrický motor podle předmětného technického řešení je určen pro výkony v řádu desítek až stovek watů, zejména pro aplikace, kde klasické motory není možné použít bez spojení s převodovkou. Příkladem možné aplikace je ovládání blokovacího prvku turniketů.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Stejnosměrný elektromotor, vyznačující se tím, že je opatřený z magneticky vodivého materiálu vytvořeným prvním dílcem (1) nesoucím soustavu unipolámě orientovaných magnetů a z nemagnetického materiálu vytvořeným druhým dílcem (2), který nese alespoň jednu

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

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

   15 jednu cívku (4) uspořádanou v odstupu kolem jádra (5).