CZ309032B6 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Vynález se týká elektromotoru speciálně konstruovaného pro aplikace požadující nejlepší poměr výkon / malé rozměry, zejména pro letectví. Elektromotor využívá zesíleného magnetického pole uspořádáním permanentních magnetů (2) rotoru (1) do Halbachovo uspořádání. Současně se zvýšením výkonu elektromotoru je nutné odvádět odpadní teplo ze statoru (3), aniž by muselo být vinutí (4) statoru konstrukčně omezováno. Odpadní teplo je odváděno pomocí chladicího média, které proudí distribučními kanály (8) vytvořenými pomocí pláště (6) elektromotoru a přepážky (7) ležící ve vzduchové mezeře mezi statorem (3) a rotorem (1). Distribuční kanály (8) přivádějí chladicí médium na boky vinutí (4) a podél zad kotev (5) statoru (3) mimo elektromotor.

Description

Elektromotor

Oblast techniky

Vynález se týká elektromotoru pro nasazení ve výkonově náročných aplikacích s požadavkem na bezpečný chod, a to zejména pro aplikace v letectví.

Dosavadní stav techniky

Elektromotory jsou stroje, dle jiných pramenů elektrické točivé stroje, sloužící k převodu elektrické energie na mechanickou práci, k čemuž využívají silových účinků magnetického pole. Podle Lorentzova zákona síly působí na vodič ležící v magnetickém poli a protékaný elektrickým proudem síla, která je úměrná kolmé složce magnetické indukce a velikosti elektrického proudu. V podstatě lze říct, že se využívá vzájemného přitahování a odpuzování dvou elektromagnetů, nebo elektromagnetů a permanentního magnetu.

Elektromotor má jako točivý stroj v podstatě dvě hlavní části, kterými jsou rotor a stator. Stator je pevná část elektromotoru a rotor je otočná část elektromotoru. Konstrukčně může být rotor uvnitř statoru, nebo naopak. Ve velmi časté konfiguraci elektromotoru se nachází rotor uvnitř statoru, přičemž je stator opatřen elektromagnety a rotor je opatřen permanentními magnety.

V současné době se pro zvýšení účinnosti přeměny elektrické energie na mechanickou práci vylepšuje konstrukce elektromotorů tak, že se permanentní magnety použité v elektromotoru uspořádají do Halbachovy soustavy magnetů, čímž se dokáže až čtyřnásobně zintenzivnit magnetické pole permanentních magnetů. Příkladem takového uvažování je například vynález známý z dokumentu US 2019/0058384 AI, nebo vynález známý z dokumentu US 2008/0224557 AI.

Nevýhody současného trendu úprav konstrukce elektromotorů pro maximalizaci účinnosti jejich chodu spočívají vtom, že jsou použité materiály, technologie a návrhy konstrukcí přiváděny na kraj svých možností a hrozí porucha elektromotoru (stroje). Kombinace vysokých otáček rotoru, včetně s tím spojeného působení odstředivých sil, a několikanásobného zintenzivnění magnetických toků v elektromotoru díky uspořádání permanentních magnetů rotoru do Halbachovy soustavy magnetů vedou k extrémnímu namáhání, jenž může při malém pochybení ve volbě materiálů, nebo kvality odvedené práce, vést k destrukci elektromotoru.

Příkladem takové destrukce elektromotoru může být rozpad, nebo uvolnění některých permanentních magnetů rotoru, jenž vede k celkovému rozbití rotoru a v mnoha případech i k rozbití dalších součástí elektromotoru, a tím způsobenému náhlému zastavení elektromotoru. Náhlé přerušení přeměny elektrické energie na mechanickou práci, nebo dokonce okamžité zaseknutí a zastavení otáčení rotoru může mít zcela fatální následky, např. v letectví, v automobilové dopravě atp.

Další nevýhodou, která jde ruku v ruce s výše uvedeným namáháním, je tepelná zátěž. Zintenzivnění magnetických toků v elektromotoru vede k větší produkci odpadního tepla, které nejenom namáhá materiály konstrukce elektromotoru, ale rovněž snižuje jeho výkon, neboť rostoucí teplota má za následek růst elektrického odporu v elektricky vodivých součástech elektromotoru. Nejvíce tepelně namáhanou součástí elektromotoru jsou cívky z elektrického vodiče navinuté na kotvách.

Odvod odpadního tepla je zpravidla realizován pomocí oplachu vzduchem, kdy jsou u stacionárních aplikací elektromotorů na prodloužený konec otáčivé hřídele elektromotorů upevněny lopatky ventilátoru. Uopatky vhánějí během chodu motoru okolní vzduch do mezer

- 1 CZ 309032 B6 v rotoru a statoru. Pokud je elektromotor použit v mobilní aplikaci, např. vozidlo, je zpravidla oplachován okolním vzduchem v reakci na pohyb vozidla. Elektromotory jsou na svém plášti opatřeny žebrováním pro maximalizování vzduchem oplachované plochy.

Toto standardní řešení chlazení je použitelné u elektromotorů, u kterých je možné zajistit dostatečný oplach vzduchem, anebo které je možné naddimenzovat, nebo které nejsou hnány na limit svých materiálově-konstrukčních možností.

Pokud je nutné odvádět teplo efektivněji, tak je oplach vzduchem nahrazen oplachem pomocí elektricky inertního chladicího média, např. olejem. Příkladem takového řešení jsou vynálezy známé z dokumentů FR2823382 AI, US 2005206258 AI, nebo US 2011042967 AI. Nevýhody řešení s přímým oplachem pomocí oleje spočívají v tom, že je nutné vytvářet proplachovací kanály, zejména mezi vinutími elektromotoru, čímž je snižován výkon elektromotoru. Další nevýhoda je spojená svolným zaplavením elektromotoru, neboť horký olej při volném zaplavení špatně cirkuluje, stoupá vzhůru, aneomývá části elektromotoru rovnoměrně. Navíc volné zaplavení, ale i konstrukce proplachovacích kanálů mezi vinutími se podepisuje na celkové velikosti elektromotoru, který ztrácí výhodu vysokého výkonu při malých rozměrech.

Úkolem vynálezu je vytvoření elektromotoru, který by bylo možné použít v aplikacích požadujících nejlepší možný výsledek poměru vysoký výkon/rozměry, dále požadujících ochranu proti náhlému zastavení chodu elektromotoru, a dále požadujících kompaktnost elektromotoru v podobě monobloku.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí elektromotoru vytvořeného podle níže uvedeného vynálezu.

Elektromotor pro výkonově náročné aplikace je sestaven z rotoru, statoru a z pláště elektromotoru. Rotor je osazen permanentními magnety v Halbachovo uspořádání pro zesílení magnetického účinku. Stator je opatřen vinutími navinutými na kotvách statoru.

Podstata vynálezu spočívá vtom, že je ve vzduchové mezeře mezi vinutími statoru a permanentními magnety rotoru uspořádána přepážka, která společně s pláštěm elektromotoru tvoří utěsněnou komoru se statorem nacházejícím se uvnitř komory. Současně jev komoře vytvořen alespoň jeden distribuční kanál chladicího média, jenž je veden podél alespoň jedné z bočních stran vinutí alespoň části statoru, a současně je distribuční kanál veden podél zad kotev alespoň části statoru. Do distribučního kanálu jsou zaústěny alespoň jeden vstup a alespoň jeden výstup chladicího média.

Uvedené vynalezené uspořádání elektromotoru umožňuje efektivněji odvádět teplo z vinutí elektromotoru. Chladicí médium obtéká vinutí ze stran, čímž odebere velké množství odpadního tepla z vinutí. Chladicí médium také obtéká podél zad kotev statoru, ze kterých načerpá odpadní teplo, než opustí komoru. V průběhu vývoje vynálezu se ukázalo, že je možné realizovat odvádění tepla s průtokem chladicího média v oběma směry distribučního kanálu. Ukázalo se, že oplach vinutí ze stran vinutí umožňuje velice dobrý přenos tepla do chladicího média, aniž by se muselo vinutí opatřovat průtočnými kanály, čímž by se snižovala hustota závitů vinutí. Navíc je toto řešení obtékání vinutí vhodné pro vysoce výkonné elektromotory, jejichž výkon je navýšen pomocí Halbachova uspořádání permanentních magnetů.

V průběhu vývoje vynálezu se osvědčilo provedení elektromotoru, ve kterém je komora opatřena distribučním kanálem chladicího média, který je veden současně po obou bočních stranách vinutí statoru podél celého obvodu statoru. Distribuční kanál je dále veden okolo zad kotev podél celého obvodu statoru. Prostor pro chladicí médium obtékající boční strany vinutí a prostor za zády kotev jsou propojeny s výhodou alespoň jednou propustí. S výhodou má distribuční kanál svoji strukturu

-2 CZ 309032 B6 zrcadlově symetrickou. Právě symetrie struktury distribučního kanálu, která si pomyslně dělí elektromotor na poloviny obsahující každá jednu boční stranu vinutí, se ukázala jako ideální řešení z pohledu efektivity chlazení a z pohledu složitosti struktury v komoře elektromotoru.

Ve výhodném provedení elektromotoru podle vynálezu je rotor opatřen bandáží navlečenou přes permanentní magnety rotoru a upevněnou k rotoru. Bandáž drží sestavu permanentních magnetů pohromadě tak, že v okamžiku, kdy by některý z permanentních magnetů popraskal a rozpadl se na střepy, bandáž podrží takto poškozený díl pohromadě, čímž eliminuje riziko, že by se některý ze střepů zaklínil, a tím by stroj prudce zastavil. Navíc bandáž rovnoměrně roznáší působící odstředivé síly, takže snižuje riziko, že se permanentní magnet skrytou výrobní vadou rozláme. Rovněž bandáž ochrání přepážku v mezeře mezi rotorem a statorem, aby nedošlo k jejímu průrazu a k úniku chladicího média, resp. oleje.

V dalším výhodném provedení elektromotoru podle vynálezu je vedením chladicího média ke vstupu a výstupu chladicího média z komory připojen vstup a výstup bezucpávkového čerpadla. Kombinace bezucpávkového čerpadla a elektromotoru podle vynálezu zvyšuje bezpečnost, neboť je bezucpávkové čerpadlo určeno pro bezeztrátový průtok oběživa. S výhodou je bezucpávkové čerpadlo připojeno k rotoru pro přenos otáčivého pohybu z rotoru do bezucpávkového čerpadla, a tak nepotřebuje vlastní zdroj mechanické energie.

Je výhodné, pokud je bezucpávkové čerpadlo integrováno do pláště elektromotoru pro vytvoření monobloku. Monoblok se používá zejména v leteckém oboru, kde je kladen důraz na minimalizaci a kompaktnost pohonných jednotek.

Rovněž patří mezi výhodná provedení elektromotoru takové, ve kterém je plášť v oblasti komory opatřen žebrováním. Žebrování pláště zvyšuje plochu pro odvádění tepla do okolního prostředí.

Dále je výhodné provedení elektromotoru podle vynálezu, ve kterém je na výstup chladicího média z distribučního kanálu uspořádána termostatická planžeta. Planžeta v reakci na teplotu protékajícího chladicího média reaguje změnou jeho průtoku v distribučním kanálu, takže dokáže pozměnit distribuci chladicího média. S výhodou je použita planžeta na každém výstupu chladicího média. Pokud by se v nějakém z distribučních kanálů hromadilo teplejší chladicí médium, planžeta zvýší tepelnou změnou svého tvaru průtok chladicího média tímto konkrétním distribučním kanálem, čímž zvýšený ohřev chladicího média v distribučním kanálu vykompenzuje.

Mezi výhody vynálezu spadá to, že elektromotor je efektivně chlazen, aniž by se muselo jeho vinutí prokládat chladicími kanálky nebo chladicími elementy, čímž by byla snižována jeho hustota. Dále elektromotor v případě rozpadu některého z permanentních magnetů stále funguje a náhle nezastaví, což umožní bezpečné zastavení činnosti elektromotoru, což je výhodné zejména pro letecké aplikace.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled do boku elektromotoru podle vynálezu, obr. 2 znázorňuje pohled na spodek elektromotoru, obr. 3 znázorňuje plášť elektromotoru s vybráním tvořícím část distribučního kanálu, obr. 4 znázorňuje plášť elektromotoru s vybráním tvořícím část distribučního kanálu včetně propustí, obr. 5 znázorňuje perspektivní pohled do elektromotoru s odinstalovaným bočním víkem pláště, obr. 6 znázorňuje schéma toku chladicího média v provedení, kdy se chladí boční strany vinutí jako první.

-3 CZ 309032 B6

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.

Na obr. 1 je znázorněn boční pohled na elektromotor podle vynálezu. Oproti skutečnému stavu není znázorněno boční víko pláště 6 elektromotoru, aby byl viditelný vnitřní prostor a uspořádání hlavních součástí elektromotoru, elektrického točivého stroje. Současně na obr. 1 nejsou vyobrazena všechna vinutí 4 statoru 3, aby byl obrázek přehlednější. Mezi hlavní součásti elektromotoru patří rotor],, který je na obvodu osázen permanentními magnety 2. Orientace permanentních magnetů 2 je střídavá pro vytvoření Halbachova pole se zesíleným magnetickým účinkem směrem k vinutím 4 a ke kotvám 5 statoru 2, zatímco magnetický účinek směrem do středu rotoru 1 je Halbachovo uspořádáním minimalizován. Rotor 1 se nachází uvnitř statoru 3. Stator 3 je tvořen polem kotev 5 vedeným podél celého vnitřního obvodu statoru 3. Kotvy 5 směřují směrem k rotoru 1 a jsou ovinuty vinutím 4 pro vytvoření elektromagnetů. Stator 3 je po obvodu obklopen pláštěm 6 elektromotoru. Ve vzduchové mezeře mezi rotorem 1 a statorem 3 je přepážka 7 z elektricky neaktivního materiálu. Přepážka 7 slouží k vytvoření utěsněné komory spolu s pláštěm 6 pro uzavření statoru 3. Ze stran uzavírají komoru víka elektromotoru, o kterých se psalo výše, že jsou součástí pláště 6.

Na obr. 2 je vyobrazen spodek elektromotoru. Je viditelný plášť 6 elektromotoru. Dále je viditelná příruba, ve které se nachází vstup 9 chladicí kapaliny do komory, respektive do distribučního kanálu 8 a výstupy 10 chladicí kapaliny z komory, respektive z distribučního kanálu 8. Na vstupy 9 a výstupy 10 navazuje klasický olejový rozvaděč známý odborníkovi z oblasti rozvodů olejové hydrauliky. Podrobnější popis hydraulických rozvodů, které vedou chladicí médium od elektromotoru do chladiče a zpět není předmětem vynálezu a odborník bude schopen rutinní prací navrhnout paletu uskutečnění hydraulických rozvodů.

Obr. 3 zobrazuje pouze obvodový plášť 6 bez statoru 3 a rotoru 1. Jak jez obrázku vidět, tak na vnitřním obvodu pláště 6 se nacházejí dva vstupy 9 chladicí kapaliny do komory. Vstupy 9 jsou dva, protože vinutí 4 mají dvě boční strany a je potřeba chladicí kapalinou oplachovat obě tyto boční strany. Dále jsou patrné drážky pro vedení distribučních kanálů 8 podél zad kotev 5, které končí u výstupů 10 chladicí kapaliny z komory. Jedna polovina distribučního kanálu 8 není na první pohled zřejmá, ale jedná se o prostor v komoře obklopující boční strany vinutí 4. Druhá polovina distribučního kanálu 8 už je zřejmější, neboť je tvořena drážkou ve vnitřním obvodu pláště 6, aby se mohla chladicí kapalina vrátit zpátky podél zad kotev 5 statoru 3.

Pokud by se nechalo protékat chladicí médium v opačném směru, že by se začínalo u zad kotev 5 a až posléze se oplachovaly boční stany vinutí 4, tak se musejí vstupy 9 a výstupy 10 na obrázcích zjednodušeně přečíslovat prohozením vztahových značek. V této konfiguraci musí být upraven i výstupní olejový rozvaděč, který na vstupy 9 a výstupy 10 navazuje.

Na obr. 4 je jiný pohled na plášť 6, aby byly viditelné propusti 11. kterými chladicí kapalina opouští jedny části distribučních kanálů 8 a vstupuje do druhých části distribučních kanálů 8. Současně není zobrazena příruba olej ového rozvaděče, takže j e patrné, že j sou v plášti 6 dva vstupy 9 chladicí kapaliny pro oplach obou bočních stran vinutí 4. Pro lepší představu první poloviny distribučního kanálu 8 pro oplach bočních stran vinutí 4 je k dispozici obr. 5, na kterém je vidět vstup 9 chladicí kapaliny do prostoru, kde se nacházejí boční strany vinutí 4 (vinutí 4 nejsou na obr. 5 vyobrazena, viditelné jsou pouze kotvy 5, na kterých se vinutí 4 nachází).

Na obr. 6 je zobrazeno schéma proudění chladicí kapaliny pro dokonalé pochopení vynálezu. Ve schématu je vyobrazen pouhý úsek statoru 3 o počtu čtyř kotev 5 a vinutí 4. Proudění chladicí

-4 CZ 309032 B6 kapaliny nejprve vede od vstupu 9 podél bočních stran vinutí 4, a až posléze se vrací podél zad kotev 5 do výstupu 10. Proudění chladicího média je možné ve schématu otočit, s tím, že se prohodí vstupy 9 a výstupy 10.

V nevyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu je elektromotor opatřen zabezpečením tvořeným bandáží, jenž je převlečena přes permanentní magnety 2 po celém obvodu rotoru 1. Bandáž je upevněna k rotoru J_, aby mohla roznést působící odstředivou sílu z permanentních magnetů 2 do tělesa rotoru 1.

Bandáž je sendvičové struktury z vysokopevnostního kompozitního materiálu, který je vyroben z elastické pleteniny, jenž tvoří matrici kompozitu, a je posléze vytvrzena, např. akrylátovým lakem, který slouží, jako pojivo. Odborník bude schopen rutinní prací vymyslet další varianty materiálu pro použití jako matrice a jako pojivá.

V dalším nevyobrazeném příkladu uskutečnění tvoří plášť 6 monoblok, který plní funkci ochranného krytu, a dále plní funkci pevného rámu pro nesení součástí elektromotoru. V monobloku jsou vytvořeny rozvody chladicího média, které vedou chladicí kapalinu od chladiče na vstupy 9 a výstupy 10 utěsněné komory. Pro hnaní chladicího média, např. převodovkového oleje, je použito bezucpávkové čerpadlo, které slouží k bezeztrátovému hnaní kapalin. Čerpadlo chladicího média může být i externím zařízením, nebo může být pevně spojeno s elektromotorem pro vytvoření monobloku.

V předposledním nevyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu může být plášť 6 elektromotoru opatřen žebrováním pro maximalizaci obsahu teplosměnné plochy pro přenos odpadního tepla do okolního prostředí.

V posledním nevyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu je v proudech (tocích) chladicího média vystupujících z distribučních kanálů 8 v olejovém rozvaděči sevřená termo planžeta tvořená bimetalovým plátkem, která je pro každý distribuční kanál, resp. jeho výstup 10. samostatná, a která je opatřená malým středovým průtokovým otvorem, který zajišťuje minimální proudění chladicího média i v případě uzavření této planžety. V okamžiku zvýšené teploty protékajícího média nad nastavenou mez, se příslušná planžeta na základě svých fyzikálních vlastností prohne a dojde k otevření příslušného distribučního kanálu 8 dle aktuální a nastavené teploty. Chladicí médium konkrétní strany elektromotoru dále proudí do společného směšovacího kanálu a následně do chladiče. Planžeta zároveň zabraňuje zpětnému proudění chladicího média z jedné strany komory do druhé strany komory distribučními kanály 8 a naopak. Planžeta tím zároveň plní funkci zpětné klapky.

Průmyslová využitelnost

Elektromotor podle vynálezu nalezne uplatnění v oblastech, ve kterých je potřeba dosáhnout nejlepšího poměru výkon/velikost elektromotoru, jako je např. letectví.

Claims (9)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektromotor pro výkonově náročné aplikace sestávající z rotoru (1) osazeného permanentními magnety (2), ze statoru (3) opatřeného vinutími (4) navinutými na kotvách (5) statoru (3), a z pláště (6) elektromotoru, přičemž jsou permanentní magnety (2) uspořádané do Halbachovo pole pro zesílení magnetického účinku, vyznačující se tím, že je ve vzduchové mezeře mezi vinutími (4) a permanentními magnety (2) uspořádána přepážka (7), která společně s pláštěm (6) tvoří utěsněnou komoru se statorem (3) nacházejícím se uvnitř komory, a současně je v komoře vytvořen alespoň jeden distribuční kanál (8) chladicího média, jenž je veden komorou podél alespoň jedné z bočních stran vinutí (4) alespoň části statoru (3), a dále je distribuční kanál (8) veden podél zad kotev (5) vinutí (4) alespoň části statoru (3), přičemž jsou do distribučního kanálu (8) zaústěny alespoň jeden vstup (9) a alespoň jeden výstup (10) chladicího média.

2. Elektromotor podle nároku 1, vyznačující se tím, že komora je opatřena distribučním kanálem (8) chladicího média, který je veden současně po obou bočních stranách vinutí (4) statoru (3) podél celého obvodu statoru (3), a který je dále veden podél zad kotev (5) vinutí (4) statoru (3) podél celého obvodu statoru (3), přičemž je distribuční kanál (8) opatřen alespoň jednou propustí (11) pro průtok chladicího média distribučním kanálem (8) mezi prostorem od bočních stran vinutí (4) a prostorem za zády kotev (5).

3. Elektromotor podle nároku 2, vyznačující se tím, že distribuční kanál (8) má svoji strukturu zrcadlově symetrickou pro rozdělení chlazených oblastí elektromotoru na poloviny, kde v každé z polovin leží boční strana vinutí (4).

4. Elektromotor podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že rotor (1) je opatřen bandáží navlečenou přes permanentní magnety (2) rotoru (1) a upevněnou k rotoru (1).

5. Elektromotor podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že ke vstupu (9) a výstupu (10) chladicího média z komory je vedením chladicího média připojen vstup a výstup bezucpávkového čerpadla.

6. Elektromotor podle nároku 5, vyznačující se tím, že bezucpávkové čerpadlo je připojeno k rotoru (1) pro přenos otáčivého pohybu z rotoru (1) do bezucpávkového čerpadla.

7. Elektromotor podle nároku 6, vyznačující se tím, že bezucpávkové čerpadlo je integrováno do pláště (6) elektromotoru pro vytvoření monobloku.

8. Elektromotor podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že plášť (6) je v oblasti komory opatřen žebrováním.

9. Elektromotor podle některého z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že je k výstupu (10) chladicího média uspořádána termostatická planžeta pro řízení průtoku chladicího média distribučním kanálem (8).