CZ309276B6 - Brushless DC electric motor - Google Patents
Brushless DC electric motor Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309276B6 CZ309276B6 CZ2021233A CZ2021233A CZ309276B6 CZ 309276 B6 CZ309276 B6 CZ 309276B6 CZ 2021233 A CZ2021233 A CZ 2021233A CZ 2021233 A CZ2021233 A CZ 2021233A CZ 309276 B6 CZ309276 B6 CZ 309276B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- stator
- electric motor
- supply voltage
- grooves
- phases
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
- H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
- H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
- H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
- H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/14—Stator cores with salient poles
- H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
- H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
Abstract
Description
Bezkartáčový stejnosměrný elektromotorBrushless DC electric motor
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká konstrukce bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru napájeného vícefázovým napájecím elektrickým napětím se zapojením do trojúhelníku nebo do hvězdy.The invention relates to the design of a brushless direct current electric motor powered by a multi-phase supply voltage with a delta or star connection.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor je veřejnosti znám pod více názvy, mezi které patří např. název elektricky komutovaný elektromotor, případně asi nej frekventovaněji používaný název „BLDC elektromotor“ zahrnující anglickou zkratku, která vychází z anglických slov „brushless direct current electro motor“.The brushless direct current electric motor is known to the public under several names, which include, for example, the name electrically commutated electric motor, or perhaps the most frequently used name "BLDC electric motor" including the English abbreviation, which is based on the English words "brushless direct current electro motor".
V rámci základní konstrukce je BLDC motor sestaven z rotoru, který je po obvodu osazen permanentními magnety. Každý permanentní magnet tvoří permanentní magnetický pól. Další součástí BLDC elektromotoru je stator, na kterém se nachází drážky nesoucí cívky statorových vinutí. Stator je tedy možné chápat jako prstenec, po jehož obvodu se nachází elektrické cívky, přičemž jádrem cívky je tzv. zub statoru. Cela zubů, ze kterých vystupují magnetické siločáry elektricky indukovaného magnetického pole, jsou orientována vůči permanentním magnetům rotoru pro navození magnetické interakce způsobující silový účinek. Rotor se může otáčet uvnitř, nebo vně, statoru, přičemž je rotor spřažen s hřídelem pro přenos silového účinku - mechanické energie. Počet permanentních magnetických pólů a počet drážek statoru pro BLDC elektromotor je stanoven konstrukčním výpočtem.As part of the basic design, the BLDC motor is assembled from a rotor, which is equipped with permanent magnets around the perimeter. Each permanent magnet forms a permanent magnetic pole. Another part of the BLDC electric motor is the stator, on which there are grooves carrying the coils of the stator windings. The stator can therefore be understood as a ring around the perimeter of which there are electric coils, while the core of the coil is the so-called stator tooth. The set of teeth, from which the magnetic lines of force of the electrically induced magnetic field emerge, are oriented towards the permanent magnets of the rotor to induce a magnetic interaction causing a force effect. The rotor can rotate inside, or outside, the stator, while the rotor is coupled to the shaft to transmit the force effect - mechanical energy. The number of permanent magnetic poles and the number of stator slots for a BLDC electric motor is determined by design calculation.
Další součástí BLDC elektromotoru je tzv. střídač, který řídí aktivaci jednotlivých cívek napájecím elektrickým napětím pro elektrickou indukci magnetického pólu a vytváří řízené rotační magnetické pole. Střídač je tvořen polovodičovou elektronikou.Another part of the BLDC electric motor is the so-called inverter, which controls the activation of the individual coils by the supply electric voltage for the electric induction of the magnetic pole and creates a controlled rotating magnetic field. The inverter consists of semiconductor electronics.
V neposlední řadě je součástí BLDC elektromotoru senzor pro monitorování pozice permanentních magnetických pólů rotoru vůči drážkám statoru. Dle informace o vzájemné poloze rotoru vůči statoru střídač aktivuje konkrétní elektricky indukovaný magnetický pól napájecím elektrickým napětím pro zahájení magnetické interakce.Last but not least, the BLDC electric motor includes a sensor for monitoring the position of the permanent magnetic poles of the rotor relative to the stator grooves. According to the information about the relative position of the rotor to the stator, the inverter activates a specific electrically induced magnetic pole with the supply voltage to start the magnetic interaction.
Příkladem BLDC elektromotoru může být vynález z dokumentu přihlášky vynálezu US 2006/279162 (Al). V ukázkovém vynálezu je BLDC elektromotor spojen s čerpadlem paliva. Výše uvedené technické znaky základní konstrukce BLDC elektromotoru jsou v ukázkovém vynálezu přítomny.An example of a BLDC electric motor can be the invention from the invention application document US 2006/279162 (A1). In the exemplary invention, a BLDC electric motor is connected to a fuel pump. The above-mentioned technical features of the basic design of the BLDC electric motor are present in the exemplary invention.
Rovněž jez dosavadního stavu techniky známo, že permanentní magnety mohou být pro vyšší výkon BLDC elektromotoru uspořádány do tzv. Halbachova pole, jehož účinkem je posílení magnetických toků na jedné straně uspořádaného pole permanentních magnetů, na úkor oslabení magnetických toků na protilehlé straně uspořádaného pole permanentních magnetů. Ukázkovým vynálezem může být řešení z dokumentu přihlášky vynálezu US 2019/0058384 AI, ve které je uspořádání do Halbachova pole aplikováno na permanentními magnety rotoru BLDC elektromotoru.It is also known from the prior art that permanent magnets can be arranged in a so-called Halbach field for higher performance of the BLDC electric motor, the effect of which is to strengthen the magnetic fluxes on one side of the arranged field of permanent magnets, at the expense of weakening the magnetic fluxes on the opposite side of the arranged field of permanent magnets . An exemplary invention can be the solution from the invention application document US 2019/0058384 AI, in which the Halbach field arrangement is applied to the permanent magnets of the BLDC electric motor rotor.
Nevýhody známých vícepólových BLDC elektromotorů pracujících s vícefázovým napájecím elektrickým napětím spočívají v tom, že v drážkách statoru není příliš volného prostoru pro závity vinutí statorových cívek. Nedostatek prostoru v drážkách statoru je kompenzován (optimalizací) snížením počtu závitů vinutí statorových cívek pro jednotlivé fáze napájecího elektrického napětí. To má negativní účinek na celkový výkon BLDC elektromotoru a navíc to komplikuje odvodDisadvantages of the known multi-pole BLDC electric motors operating with a multi-phase supply electric voltage consist in the fact that there is not much free space in the stator grooves for the turns of the windings of the stator coils. The lack of space in the stator grooves is compensated (by optimization) by reducing the number of turns of the stator coils for individual phases of the supply voltage. This has a negative effect on the overall performance of the BLDC electric motor and additionally complicates the discharge
- 1 CZ 309276 B6 odpadního tepla z BLDC elektromotoru, neboť v konstrukci výkonného BLDC elektromotoru v mnoha případech nezbývá dostatek prostoru pro bezproblémové proudění chladicího média.- 1 CZ 309276 B6 of waste heat from the BLDC electric motor, because in many cases there is not enough space left in the design of the powerful BLDC electric motor for the smooth flow of the cooling medium.
Problém, jak překonat omezení výkonu BLDC elektromotoru se někteří vynálezci snaží vyřešit např. tím, že zvětší velikost elektromotoru (tzv. dimenzováním), čímž se zvětší i velikost drážek statoru. To je však použitelné jen v případech, kdy větší rozměry a hmotnost BLDC elektromotoru nejsou překážkou, což by pro nasazení BLDC elektromotorů např. v letectví, či v jiných dopravních prostředcích, překážkou bylo.Some inventors are trying to solve the problem of how to overcome the limitation of BLDC electric motor performance, for example, by increasing the size of the electric motor (so-called dimensioning), which also increases the size of the stator slots. However, this is only applicable in cases where the larger dimensions and weight of the BLDC electric motor are not an obstacle, which would be an obstacle for the deployment of BLDC electric motors, e.g. in aviation or other means of transport.
Jiní vynálezci zase řeší problém s omezeným výkonem aktuální konstrukce BLDC elektromotoru tak, že na jeden hřídel nasadí více BLDC elektromotorů, které společně přispívají k točivému výkonu stroje. Ukázkou takového řešení je, např. vynález z dokumentu CN 200941582 Y.Other inventors, on the other hand, solve the problem with the limited performance of the current BLDC electric motor design by putting multiple BLDC electric motors on one shaft, which together contribute to the rotational power of the machine. An example of such a solution is, for example, the invention from document CN 200941582 Y.
Avšak jedna z nevýhod výše uvedeného vynálezu spočívá v tom, že v současné době není synchronizace střídačů jednotlivých BLDC motorů dokonalá. Jednotlivé BLDC elektromotory mohou silovým účinkem na hřídel působit proti sobě, čímž dochází ke ztrátě celkového výkonu a k namáhání komponentů elektrického stroje. V případě, že je tento problém nedokonalé synchronizace střídačů řešen spojkami pro kompenzaci nesynchronizovaného přispívaní silovým účinkem na společný hřídel, roste pro změnu celková velikost a hmotnost kompletního tělesa BLDC elektromotoru, a navíc včetně rizika selhání v instalovaných mechanických součástech BLDC elektromotoru.However, one of the disadvantages of the above invention is that currently the synchronization of the inverters of the individual BLDC motors is not perfect. Individual BLDC electric motors can act against each other due to the force effect on the shaft, resulting in a loss of overall power and stress on the components of the electric machine. If this problem of imperfect synchronization of the inverters is solved by clutches to compensate for the unsynchronized contribution of the force effect on the common shaft, the overall size and weight of the complete BLDC electric motor body increases for a change, and in addition, including the risk of failure in the installed mechanical components of the BLDC electric motor.
Úkolem vynálezu je navrhnout konstrukci bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru (BLDC elektromotoru) napájeného vícefázovým napájecím elektrickým napětím, která by umožnila provozovat BLDC elektromotor ve vyšších výkonech, která by zásadně neovlivnila výslednou velikost a hmotnost BLDC elektromotoru oproti doposud používané konstrukci BLDC elektromotoru.The task of the invention is to propose a design of a brushless direct current electric motor (BLDC electric motor) powered by a multiphase supply electric voltage, which would allow the operation of the BLDC electric motor at higher outputs, which would not fundamentally affect the resulting size and weight of the BLDC electric motor compared to the design of the BLDC electric motor used so far.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Vytčený úkol je vyřešen vytvořením bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru (BLDC elektromotoru) pro napájení vícefázovým napájecím elektrickým napětím podle níže uvedeného vynálezu.The set task is solved by creating a brushless direct current electric motor (BLDC electric motor) for powering with a multiphase supply electric voltage according to the invention below.
Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor (BLDC elektromotor) pro napájení vícefázovým napájecím elektrickým napětím je sestaven z alespoň jednoho rotoru osazeného permanentními magnety pro vytvoření permanentních magnetických pólů. Rotor je nasazen na hřídel, která slouží k přenosu mechanické energie mezi BLDC elektromotorem a externím zařízením připojeným k hřídeli. Současně je počet permanentních magnetů na rotoru dán konstrukčním výpočtem pro BLDC elektromotor. Konstrukční výpočet je normovaný postup pro stanovení počtu permanentních magnetů ku počtu drážek statoru.A brushless direct current electric motor (BLDC electric motor) for powering with a multiphase supply electric voltage is composed of at least one rotor fitted with permanent magnets to create permanent magnetic poles. The rotor is mounted on a shaft that serves to transmit mechanical energy between the BLDC electric motor and an external device connected to the shaft. At the same time, the number of permanent magnets on the rotor is given by the design calculation for the BLDC electric motor. Design calculation is a standardized procedure for determining the number of permanent magnets to the number of stator slots.
Dále je součástí BLDC elektromotoru stator s drážkami pro cívky statorových vinutí, které slouží pro elektrickou indukci magnetických pólů, přičemž platí, že počet drážek statoru je dán normovaným konstrukčním výpočtem. Rovněž je součástí BLDC elektromotoru alespoň jeden stři dač pro řízení elektrické indukce magnetických pólů na cívkách statoru, a alespoň jeden senzor pro monitorování pozice natočení rotoru vůči statoru.Furthermore, a part of the BLDC electric motor includes a stator with grooves for the coils of the stator windings, which serve for the electrical induction of the magnetic poles, while the number of stator grooves is determined by a standardized design calculation. Also part of the BLDC electric motor is at least one inverter for controlling the electrical induction of the magnetic poles on the stator coils, and at least one sensor for monitoring the rotation position of the rotor relative to the stator.
Podstata vynálezu spočívá v tom, že BLDC elektromotor je tvořen statorem rozděleným na části podle počtu napájecích fází elektrického napětí, přičemž každá část statoru má počet drážek podle konstrukčního výpočtu vydělený počtem fází napájecího elektrického napětí. Počet částí statoru odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí. To je výhodné, neboť každá část statoru díky snížení počtu drážek na podíl původního počtu získá více prostoru v drážkách pro cívky statorového vinutí, tudíž je možné aplikovat více závitů elektrického vodiče, a tím dosáhnout nižšíThe essence of the invention lies in the fact that the BLDC electric motor consists of a stator divided into parts according to the number of supply voltage phases, while each part of the stator has the number of slots according to the design calculation divided by the number of supply voltage phases. The number of stator parts corresponds to the number of phases of the supply voltage. This is advantageous, because each part of the stator, due to the reduction of the number of grooves to a fraction of the original number, gets more space in the grooves for the coils of the stator winding, therefore it is possible to apply more turns of the electric wire, and thus achieve a lower
-2CZ 309276 B6 proudové zátěže na mm2 celkového průřezu statorového vinutí v drážce a zároveň zesílit elektromagnetické pole jednotlivého statorového zubu. Současně je každá část statoru elektricky propojená se střídačem pro napájení pouze jednou z fází napájecího elektrického napětí, což je podstatnou podmínkou pro výhodné fungování vynálezu. Jednotlivé části statoru lze pro vlastní chod stroje propojit obvyklým způsobem. Rovněž je důležité, že jsou alespoň dvě části statoru navzájem uspořádány tak, že mají nenulové vzájemné úhlové posunutí zubů vůči sobě. Toto posunutí je důležité z hlediska magnetické interakce mezi permanentním magnetickým pólem a indukovaným magnetickým pólem. Pokud by byly části statoru uspořádány s nulovým úhlovým posunutím vzájemně vůči sobě, mohlo by dojít při otáčení rotoru k situaci, že by magnetická interakce nepřispěla k točivému silovému působení.-2CZ 309276 B6 current loads per mm 2 of the total cross-section of the stator winding in the groove and at the same time to strengthen the electromagnetic field of an individual stator tooth. At the same time, each part of the stator is electrically connected to the inverter for supplying only one of the phases of the supply voltage, which is an essential condition for the advantageous operation of the invention. The individual parts of the stator can be connected in the usual way for the actual operation of the machine. It is also important that at least two parts of the stator are arranged relative to each other in such a way that they have a non-zero relative angular displacement of the teeth relative to each other. This displacement is important in terms of the magnetic interaction between the permanent magnetic pole and the induced magnetic pole. If the stator parts were arranged with zero angular displacement relative to each other, a situation could occur when the rotor rotates that the magnetic interaction would not contribute to the rotational force effect.
Je důležité vyzdvihnout, že z pohledu chodu BLDC elektromotoru se nic nemění, neboť suma počtu drážek odpovídá normovanému konstrukčnímu výpočtu počtu drážek na statoru. Stři dač pracuje stejně, jako v dosavadní konstrukci BLDC elektromotoru, jen s tím rozdílem, že se pro elektrickou indukci nestřídají vinutí ve společné drážce statoru. Načasování aktivace elektrické indukce magnetického poleje stále stejné, silový účinek magnetické interakce na rotor se nemění.It is important to highlight that from the point of view of the operation of the BLDC electric motor, nothing changes, since the sum of the number of slots corresponds to the standard design calculation of the number of slots on the stator. The inverter works in the same way as in the previous design of the BLDC electric motor, with the only difference that the windings in the common slot of the stator are not alternated for electrical induction. The timing of the activation of the electric induction of the magnetic field remains the same, the force effect of the magnetic interaction on the rotor does not change.
Další nespornou výhodou vynálezu je to, že díky rozložení počtu drážek do více částí statoru vykazují zuby na částech statoru větší čelní plochu, která velikostně vhodněji odpovídá plochám permanentních magnetických pólů. Z toho důvodu probíhá kvalitněji magnetická interakce mezi permanentním magnetickým pólem a indukovaným magnetickým pólem, což se opět projeví na lepší účinnosti BLDC elektromotoru podle vynalezené konstrukce.Another indisputable advantage of the invention is that due to the distribution of the number of grooves in several parts of the stator, the teeth on the parts of the stator show a larger frontal surface, which in size more appropriately corresponds to the surfaces of the permanent magnetic poles. For that reason, there is a better magnetic interaction between the permanent magnetic pole and the induced magnetic pole, which again results in a better efficiency of the BLDC electric motor according to the invented design.
Ve výhodném provedení konstrukce BLDC elektromotoru podle vynálezu zahrnuje BLDC elektromotor tolik rotorů, kolik je fází napájecího elektrického napětí. Rotory jsou nasazené na společném hřídeli, přičemž každý rotor má počet permanentních magnetů podle konstrukčního výpočtu, a každý rotor tvoří dvojici s vlastní částí statoru. Nevýhoda jediného rotoru spočívá v narušení siločar magnetického pole při magnetické interakci mezi indukovanými magnetickými poli a permanentními magnetickými poli sousedících částí statoru. Pokud je vytvořen rotor pro každou část statoru, je rušivá interakce na siločáry permanentních magnetických polí minimalizována.In an advantageous embodiment of the construction of the BLDC electric motor according to the invention, the BLDC electric motor includes as many rotors as there are phases of the supply voltage. The rotors are mounted on a common shaft, each rotor having the number of permanent magnets according to the design calculation, and each rotor forms a pair with its own part of the stator. The disadvantage of a single rotor lies in the disruption of the magnetic field lines during the magnetic interaction between the induced magnetic fields and the permanent magnetic fields of the adjacent parts of the stator. If a rotor is created for each part of the stator, the disruptive interaction on the lines of force of the permanent magnetic fields is minimized.
Mezi výhody vynálezu patří vyšší výkon BLDC elektromotoru, neboť zvětšením prostoru v drážkách je možné aplikovat více závitů elektrického vodiče do cívek statorových vinutí, a tím je snížená proudová zátěž ve statorových vinutích za chodu BLDC elektromotoru. Z hlediska komponentů BLDC elektromotoru střídače a senzoru pro monitorování natočení rotoru(ů) vůči částem statoru se v podstatě nic nemění. Navíc konstrukčně se velikost zástavby BLDC elektromotoru zásadně nezmění, neboť je v podstatě jeden mohutný stator rozdělen na více částí. Dále je výhodná vynalezená konstrukce BLDC elektromotoru tím, že rozšíření drážek umožňuje nasazovat již hotové cívky na zuby částí statoru, což velice usnadňuje výrobu vynalezeného BLDC elektromotoru, navíc to zaručuje, že jsou cívky z pohledu navinutí elektrického vodiče homogenní, takže konstruktér může brát v úvahu stejné chování cívek statorového vinutí v celém BLDC elektromotoru (distribuce odpadního tepla, průběh elektrické indukce magnetického pole). V neposlední řadě je výhodné, že díky rozšíření drážek na částech statoru a aplikace jediné cívky statorového vinutí (pro jedinou fázi napájecího elektrického napětí) je možné lépe odvádět odpadní teplo z BLDC elektromotoru.Among the advantages of the invention is the higher performance of the BLDC electric motor, because by increasing the space in the grooves, it is possible to apply more turns of the electric conductor to the coils of the stator windings, and thus the current load in the stator windings during the operation of the BLDC electric motor is reduced. In terms of the components of the BLDC electric motor of the inverter and the sensor for monitoring the rotation of the rotor(s) relative to the stator parts, basically nothing changes. In addition, the construction size of the BLDC electric motor will not fundamentally change, as it is essentially one massive stator divided into several parts. Furthermore, the invented design of the BLDC electric motor is advantageous in that the expansion of the grooves allows the already finished coils to be placed on the teeth of the stator parts, which greatly facilitates the production of the invented BLDC electric motor, in addition, it guarantees that the coils are homogeneous from the point of view of winding the electric conductor, so the designer can take into account the same behavior of the coils of the stator winding in the entire BLDC electric motor (distribution of waste heat, course of electric induction of the magnetic field). Last but not least, it is advantageous that thanks to the expansion of the grooves on the stator parts and the application of a single coil of the stator winding (for a single phase of the supply voltage), it is possible to better remove the waste heat from the BLDC electric motor.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:Said invention will be further explained in the following drawings, where:
obr. 1 prezentuje schematický řez běžným BLDC elektromotorem pro napájení třífázovým napájecím elektrickým napětím, obr. 2 prezentuje schematický řez vynalezeným BLDC elektromotorem pro napájení třífázovým napájecím elektrickým napětím, obr. 3 prezentuje axonometrický pohled na ilustrační model vynalezeného BLDC elektromotoru, obr. 4 prezentuje axonometrický pohled na ilustrační model vynalezeného BLDC elektromotoru bez vyobrazení částí statoru, obr. 5 prezentuje axonometrický pohled na ilustrační model vynalezeného BLDC elektromotoru bez vyobrazení částí statoru a vybraných cívek, obr. 6 je tabulka normovaného konstrukčního výpočtu činitelů vinutí pro různé kombinace počtu permanentních magnetických pólů a drážek, kde počet permanentních magnetických pólů je vynesen na vodorovné ose a počet drážek je vynesen na svislé ose.Fig. 1 presents a schematic cross-section of a conventional BLDC electric motor for powering with a three-phase supply voltage, Fig. 2 presents a schematic cross-section of the invented BLDC electric motor for powering with a three-phase power supply voltage, Fig. 3 presents an axonometric view of the illustrative model of the invented BLDC electric motor, Fig. 4 presents an axonometric a view of the illustrative model of the invented BLDC electric motor without depicting the stator parts, Fig. 5 presents an axonometric view of the illustrative model of the invented BLDC electric motor without depicting the stator parts and selected coils, Fig. 6 is a table of the standardized design calculation of the winding factors for various combinations of the number of permanent magnetic poles and slots, where the number of permanent magnetic poles is plotted on the horizontal axis and the number of slots is plotted on the vertical axis.
Příklad uskutečnění vynálezuAn example of the implementation of the invention
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.It is to be understood that the specific embodiments of the invention described and illustrated below are presented for illustration purposes and not as a limitation of the invention to the examples shown. Those skilled in the art will find or be able to ascertain, using routine experimentation, a greater or lesser number of equivalents to the specific embodiments of the invention described herein.
Na obr. 1 je vyobrazeno schéma běžné konstrukce BLDC elektromotoru zahrnující hřídel 1, dále rotor 2, dále stator 3, dále zuby 4 statoru 3, dále drážky 5 statoru 3, dále zvýrazněnou plochu 6 drážky 5. Ačkoliv se píše o ploše 6 drážky 5, tak to je dáno zobrazením v řezu. Ve skutečnosti plocha 6 je proložena objemem drážky 5. Na rotoru 2 jsou permanentní magnety 7, přičemž se střídají v konfiguraci vodorovně a svisle pro vytvoření Halbachova pole se zesíleným magnetickým účinkem směrem k zubům 4 statoru 3. Takovou konstrukci BLDC elektromotoru, včetně chlazení, je možné nalézt např. ve vynálezu známém z přihlášky vynálezu CZ 2020-574.Fig. 1 shows a diagram of a common construction of a BLDC electric motor including shaft 1, then rotor 2, then stator 3, then teeth 4 of stator 3, then slots 5 of stator 3, then highlighted surface 6 of slot 5. Although it is written about surface 6 of slot 5 , so it is given by the cross-sectional view. In fact, the surface 6 is interspersed with the volume of the groove 5. There are permanent magnets 7 on the rotor 2, alternating in a horizontal and vertical configuration to create a Halbach field with an enhanced magnetic effect towards the teeth 4 of the stator 3. Such a design of the BLDC electric motor, including cooling, is can be found, for example, in the invention known from the invention application CZ 2020-574.
Jak jez obr. 1 patrné, je plocha 6 drážky 5 na první pohled úzká, a tudíž omezuje velikost nevyobrazené cívky statorového vinutí. Navíc je důležité upozornit, že je plocha 6 drážky 5 dělena na dvě poloviny, přičemž do každé z polovin zasahuje polovina nevyobrazené cívky statorového vinutí.As can be seen in Fig. 1, the surface 6 of the groove 5 is narrow at first sight and thus limits the size of the stator winding coil (not shown). In addition, it is important to note that the surface 6 of the groove 5 is divided into two halves, with half of the unillustrated coil of the stator winding extending into each of the halves.
Na obr. 2 je zobrazeno schéma části vynalezené konstrukce BLDC elektromotoru, konkrétně jediné části statoru 3 z celkových tří. Jak je patrné, hřídel 1 a rotor 2 zůstaly v podstatě stejné. Změna je patrná na části statoru 3, která má na první pohled menší počet prostornějších drážek 5, jak vykresluje zvýrazněná plocha 6. Zvětšení plochy 6 signalizuje, že je možné do drážek 5 aplikovat více závitů vodiče tvořícího cívky 8 statorových vinutí, tudíž je možné zvyšovat provozní proudové zatížení, a tím pozitivně ovlivnit výkon a účinnost BLDC elektromotoru nové konstrukce. Plocha 6 se oproti původní konstrukci zvětšila o 2/3 původní velikosti plochy 6.Fig. 2 shows a diagram of a part of the invented design of the BLDC electric motor, specifically the only part of the stator 3 out of a total of three. As can be seen, shaft 1 and rotor 2 remained essentially the same. The change is visible on the part of the stator 3, which at first glance has a smaller number of more spacious grooves 5, as depicted by the highlighted area 6. The increase in the area 6 signals that it is possible to apply more turns of the conductor forming the coils 8 of the stator windings to the grooves 5, therefore it is possible to increase operating current load, thereby positively influencing the performance and efficiency of the BLDC electric motor of the new design. Area 6 has increased by 2/3 of the original size of area 6 compared to the original construction.
Z obr. 3 je zřejmé, že vynalezená konstrukce BLDC elektromotoru zahrnuje tři části statoru 3, přičemž je na obr. 4 patrné, že tři části statoru 3 jsou vůči sobě úhlově posunuty vztaženo k ose otáčení rotoru 2, jako středu sestavy statoru 3. Rovněž je na obr. 3 a 4 názorně ilustrováno umístění cívek 8 statorového vinutí, které je z pohledu procesu výroby možné jednoduše nasadit na zuby 4 částí statoru 3.It is clear from Fig. 3 that the invented construction of the BLDC electric motor includes three parts of the stator 3, while it is evident in Fig. 4 that the three parts of the stator 3 are angularly displaced relative to each other relative to the axis of rotation of the rotor 2, as also the center of the stator assembly 3. Figs. 3 and 4 clearly illustrate the location of the coils 8 of the stator winding, which, from the point of view of the production process, can be simply placed on the teeth 4 of the stator part 3.
Na obr. 5 jsou některé z cívek 8 statorového vinutí nevyobraženy, aby bylo vidět, že vynalezená konstrukce BLDC elektromotoru může zahrnovat tři rotory 2. Z obrázku je seznatelné, že rotory 2 jsou v sestavě uspořádány stejně, resp. s nulovým úhlovým pootočením, jinak řečeno v zákrytu.In Fig. 5, some of the coils 8 of the stator winding are not shown in order to show that the invented design of the BLDC electric motor can include three rotors 2. It can be seen from the figure that the rotors 2 are arranged in the same way, respectively. with zero angular rotation, in other words in the cover.
-4CZ 309276 B6-4CZ 309276 B6
Co se týče příkladu konkrétního uskutečnění nové konstrukce BLDC elektromotoru, tak ta může mít následující parametry:As for an example of a concrete implementation of a new design of a BLDC electric motor, it can have the following parameters:
Pro počet 30 permanentních magnetických pólů na rotoru 2 je konstrukčním výpočtem dáno 45 drážek 5 na statoru 3. To znamená, že každá část statoru 3 vykazuje 15 drážek 5. Části statoru 3 jsou vůči sobě posunuty (pootočeny) o úhel 8°. Rotory 2 jsou také tři, každý o počtu 30 permanentních magnetických pólů. Mezi rotory 2 jsou mezery o šířce 20 mm pro snížení vlivu magnetické interakce od sousedících komponentů. Nová konstrukce BLDC elektromotoru umožňuje průtok pracovního elektrického proudu o velikosti zhruba 70 A, zatímco v původní konstrukci podle dosavadního stavu techniky byl limit zhruba 33 A. Jedná se o výpočtové hodnoty pro ukázkový příklad uskutečnění vynálezu, které zaručují provoz stroje bez výrazného oteplení a nárůstu ztrát odpadním teplem.For the number of 30 permanent magnetic poles on the rotor 2, the design calculation gives 45 grooves 5 on the stator 3. This means that each part of the stator 3 has 15 grooves 5. The parts of the stator 3 are shifted (rotated) relative to each other by an angle of 8°. There are also three rotors 2, each with 30 permanent magnetic poles. There are 20 mm wide gaps between the rotors 2 to reduce the effect of magnetic interaction from adjacent components. The new design of the BLDC electric motor enables the flow of a working electric current of approximately 70 A, while in the original design, according to the state of the art, the limit was approximately 33 A. These are calculated values for an exemplary embodiment of the invention, which guarantee the operation of the machine without significant heating and an increase in losses waste heat.
Pro navržení jiných konkrétních příkladů nové konstrukce BLDC elektromotoru může odborník využít z literatury známou tabulku vycházející z normovaného konstrukčního výpočtu činitelů vinutí pro různé kombinace počtu permanentních magnetických pólů a drážek 5, která je na obr. 6. Pro orientaci v tabulce je počet permanentních magnetických pólů vynesen na vodorovné ose a počet drážek 5 statoru 3 je vynesen na svislé ose. Nefunkční kombinace jsou vyznačeny křížky, koeficient činitelů vinutí je označen bezrozměrným číslem. Počet drážek 5 je vždy rozdělen mezi tolik částí statoru 3, kolik je fází napájecího elektrického napětí.To design other specific examples of a new design of a BLDC electric motor, an expert can use a table known from the literature based on a standardized design calculation of winding factors for various combinations of the number of permanent magnetic poles and slots 5, which is shown in Fig. 6. For orientation in the table, the number of permanent magnetic poles plotted on the horizontal axis and the number of slots 5 of the stator 3 is plotted on the vertical axis. Inoperative combinations are marked with crosses, the coefficient of the winding factors is marked with a dimensionless number. The number of grooves 5 is always divided between as many parts of the stator 3 as there are phases of the supply voltage.
Odborník bude schopen rutinní prací při znalosti tabulky z obr. 6, při znalosti normovaného konstrukčního výpočtu a na základě vhodného stři dače pro n-fází napájecího elektrického napětí navrhnout další varianty vynalezené konstrukce BLDC elektromotoru se statorem 3.The expert will be able to design other variants of the invented design of the BLDC electric motor with stator 3 by routine work, with knowledge of the table from Fig. 6, with knowledge of the standardized design calculation and on the basis of a suitable converter for the n-phase supply voltage.
Co se týče ostatních komponentů BLDC elektromotoru, tak ty zůstávají v podstatě stejné. Střídač má zavedené vodiče pro každou z fází napájecího elektrického napětí na danou část statoru 3. Senzor pro monitorování polohy natočení rotoru 2 / rotorů 2 zůstává stejný.As for the other components of the BLDC electric motor, they remain essentially the same. The inverter has established wires for each of the phases of the supply voltage to a given part of the stator 3. The sensor for monitoring the rotation position of the rotor 2 / rotors 2 remains the same.
Rotor 2 může být uložen uvnitř statoru 3, nebo vně s ohledem na konstrukci BLDC elektromotoru, zda se jedná o stroj s rotačním pláštěm nebo s vnitřním rotorem 2.The rotor 2 can be placed inside the stator 3 or outside, depending on the design of the BLDC electric motor, whether it is a machine with a rotating casing or an internal rotor 2.
Praktický pokus ukázal, že je možné novou konstrukci BLDC elektromotoru použít pro generování elektrické energie při přenosu externí mechanické energie na hřídel L Cívky 8 statorového vinutí s větším počtem závitů se pozitivně projevují na míře indukované elektrické energie.A practical experiment showed that it is possible to use the new design of the BLDC electric motor to generate electrical energy while transferring external mechanical energy to the L shaft. Coils 8 of the stator winding with a larger number of turns have a positive effect on the level of induced electrical energy.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor pro napájení vícefázovým napájecím elektrickým napětím podle vynálezu nalezne uplatnění v elektromobilech, dále v leteckém průmyslu zaměřeném na elektrický pohon, a v dalších oblastech lidského snažení, kde je potřeba přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii a opačně.The brushless direct current electric motor for powering with multiphase supply electric voltage according to the invention finds application in electric cars, further in the aviation industry focused on electric propulsion, and in other areas of human endeavor where it is necessary to convert electrical energy into mechanical energy and vice versa.
Claims (2)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021233A CZ309276B6 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Brushless DC electric motor |
| PCT/CZ2022/050048 WO2022237923A1 (en) | 2021-05-14 | 2022-05-05 | Brushless dc electric motor |
| EP22723542.1A EP4338269A1 (en) | 2021-05-14 | 2022-05-05 | Brushless dc electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021233A CZ309276B6 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Brushless DC electric motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2021233A3 CZ2021233A3 (en) | 2022-07-06 |
| CZ309276B6 true CZ309276B6 (en) | 2022-07-06 |
Family
ID=81654682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2021233A CZ309276B6 (en) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | Brushless DC electric motor |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4338269A1 (en) |
| CZ (1) | CZ309276B6 (en) |
| WO (1) | WO2022237923A1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5625264A (en) * | 1994-05-31 | 1997-04-29 | Samsung Aerospace Industries, Ltd. | System for controlling a brushless DC motor |
| WO2007083974A1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-07-26 | Lg Electronics Inc. | Speed-variable single phase induction motor |
| US20100054971A1 (en) * | 2008-09-03 | 2010-03-04 | Yong Bin Li | Brushless motor |
| EP3293878A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-14 | Black & Decker Inc. | Dual-inverter for a brushless motor |
| US20190058384A1 (en) * | 2015-05-04 | 2019-02-21 | Launchpoint Technologies, Inc. | Axial flux brushless permanent magnet electrical machine rotor |
| CN110855032A (en) * | 2019-11-27 | 2020-02-28 | 河南科技大学 | Single winding BL-BLDC topology with 8/4 slot pole ratio |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57180362A (en) * | 1981-04-28 | 1982-11-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Dc motor |
| FR2861226A1 (en) * | 2003-10-20 | 2005-04-22 | Precilec | Multi-phase electric motor includes phase windings situated in separated sectors along axis of rotor |
| DE102005014664A1 (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Hans-Peter Wyremba | Electric machine |
| EP1884010B1 (en) | 2005-05-17 | 2014-04-30 | Carter Fuel Systems, LLC | Bldc motor and pump assembly with encapsulated circuit board |
| CN200941582Y (en) | 2006-08-26 | 2007-08-29 | 胡耀起 | Combined large power brush-less d.c. dynamo for electric car |
| CN112072882A (en) * | 2020-10-16 | 2020-12-11 | 深圳市珵信科技有限公司 | Two-phase brushless direct current motor |
| CZ2020574A3 (en) | 2020-10-22 | 2021-12-08 | Jan Manoch | Electric engine |
-
2021
- 2021-05-14 CZ CZ2021233A patent/CZ309276B6/en unknown
-
2022
- 2022-05-05 EP EP22723542.1A patent/EP4338269A1/en active Pending
- 2022-05-05 WO PCT/CZ2022/050048 patent/WO2022237923A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5625264A (en) * | 1994-05-31 | 1997-04-29 | Samsung Aerospace Industries, Ltd. | System for controlling a brushless DC motor |
| WO2007083974A1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-07-26 | Lg Electronics Inc. | Speed-variable single phase induction motor |
| US20100054971A1 (en) * | 2008-09-03 | 2010-03-04 | Yong Bin Li | Brushless motor |
| US20190058384A1 (en) * | 2015-05-04 | 2019-02-21 | Launchpoint Technologies, Inc. | Axial flux brushless permanent magnet electrical machine rotor |
| EP3293878A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-14 | Black & Decker Inc. | Dual-inverter for a brushless motor |
| CN110855032A (en) * | 2019-11-27 | 2020-02-28 | 河南科技大学 | Single winding BL-BLDC topology with 8/4 slot pole ratio |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2021233A3 (en) | 2022-07-06 |
| EP4338269A1 (en) | 2024-03-20 |
| WO2022237923A1 (en) | 2022-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7514833B2 (en) | Axial gap permanent-magnet machine with reluctance poles and PM element covers | |
| KR100780018B1 (en) | System having combined function of electric motor and generator | |
| JP5513608B2 (en) | Claw pole type AC electric motor | |
| JP6388611B2 (en) | Hybrid field double gap synchronous machine | |
| JP3466591B2 (en) | Rotating electric machine | |
| EP2456048B1 (en) | Rotor structure for a fault-tolerant permanent magnet electromotive machine and corresponding method | |
| EP3062426A1 (en) | Single-phase brushless motor | |
| US9000648B2 (en) | Asymmetrical reluctance machine | |
| Zhu et al. | Hybrid-excited stator slot permanent magnet machines—Influence of stator and rotor pole combinations | |
| JP2014533086A (en) | Rotor having permanent magnets with different thicknesses and motor including the same | |
| Kalimov et al. | Optimal design of the synchronous motor with the permanent magnets on the rotor surface | |
| CN106100272B (en) | A kind of double-salient-pole magnetic flux controllable motor of few rare earth tooth yoke complementation | |
| JP6755435B1 (en) | Rotor and rotating electric machine | |
| CN100386953C (en) | Mixed excitation bisalient-pole permanent-magnet synchronous machine | |
| US10574123B2 (en) | Concentric dual rotor electric machine | |
| JP7095550B2 (en) | Rotating electric machine control device and rotating electric machine control method | |
| CZ309276B6 (en) | Brushless DC electric motor | |
| JP2009142130A (en) | Rotating electric machine and drive device for rotating electric machine | |
| JP4728139B2 (en) | Rotating electric machine using the principle of induction repulsive suction | |
| JP6483300B1 (en) | Synchronous reluctance motor | |
| CN112136269A (en) | Brushless self-excitation synchronous field winding machine | |
| JP2016197941A (en) | Dynamo-electric machine | |
| JP2001352721A (en) | Stator for induction motor and assembly method thereof | |
| US7265513B2 (en) | Variable reluctance electric power system | |
| CZ2022334A3 (en) | A brushless DC electric motor |