CZ309777B6 - Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor - Google Patents

Abstract

Vynález prezentuje konstrukci BLDC elektromotoru, která poskytuje dostatek prostoru pro spojování zubů statoru do U jader (5) cívek (4) statorového vinutí. Konstrukce s U jádry (5) cívek (4) statorového vinutí umožňuje účast obou pólů indukovaného magnetického pole v interakci s permanentními magnety rotoru, což má za následek lepší provozní parametry vynalezeného BLDC elektromotoru.

Description

Vynález se týká konstrukce bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru s děleným statorem, který je napájen vícefázovým napájecím elektrickým napětím, přičemž počet částí děleného statoru odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí.

Dosavadní stav techniky

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor je veřejnosti znám pod více názvy, mezi které patří např. název elektricky komutovaný elektromotor, případně asi nejfrekventovaněji používaný název „BLDC elektromotor“ zahrnující anglickou zkratku, která vychází z anglických slov „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. Čela 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.

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.

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.

Příkladem známého BLDC elektromotoru může být vynález známý z uděleného patentu CZ 309276 B6, jehož konstrukce je vylepšena rozdělením statoru na několik částí, přičemž počet částí statoru odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí. Rozdělením statoru na několik částí je získáno více prostoru pro zhotovení drážek pro vinutí cívek, které indukují magnetická pole reagující s permanentními magnety rotoru pro převod elektrické energie na mechanickou energii. Celkový počet cívek děleného statoru odpovídá počtu stanovenému konstrukčním výpočtem, který se provádí při navrhování standardních BLDC elektromotorů. BLDC elektromotor s výhodu zahrnuje více rotorů nasazených na společném hřídeli. Je tedy zřetelnou výhodou tohoto známého vynálezu, že namísto standardizované konstrukce BLDC elektromotoru se rozdělením statoru získá více prostoru v drážkách pro vinutí cívek, čímž je umožněno dosahovat vyšší provozních výkonů BLDC elektromotoru, aniž by byla zásadně ovlivněna zástavbová velikost BLDC elektromotoru. Navíc více prostoru na dělených statorech umožňuje při výrobě BLDC elektromotorů používat typizované cívky ze sériové výroby, čímž se sníží náklady na výrobu BLDC elektromotorů.

Nevýhody výše uvedeného vynálezu spočívají v tom, že napájecí elektrické napětí je v cívkách přeměňováno na magnetické pole, jehož siločáry vystupují ze dvou magnetických pólů jádra cívky, a to z čela zubu statoru a ze zadního konce zubu statoru, přičemž konstrukce BLDC elektromotoru, konkrétně orientace cívek v částech děleného statoru, umožňuje pouze interakci jen mezi jedním

- 1 CZ 309777 B6 magnetickým pólem cívky a permanentními magnety rotoru. Zjednodušeně lze říci, že magnetické pole vystupující ze zadní strany zubu je nevyužito k interakci s permanentními magnety rotoru.

Úkolem vynálezu je navrhnout konstrukci bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru (BLDC elektromotoru) napájeného vícefázovým napájecím elektrickým napětím, která by umožnila současnou interakci magnetického pole vystupujícího z obou indukovaných magnetických pólů cívky s permanentními magnety rotoru pro zvýšení efektivity provozu BLDC elektromotoru.

Podstata vynálezu

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

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor (BLDC elektromotor) je sestaven z nejméně jednoho rotoru osazeného permanentními magnety pro otáčení vůči statoru. Další součástí BLDC elektromotoru je hřídel spřažený s rotorem pro přenos mechanické energie mimo stroj. Další součástí, ze které je BLDC elektromotor sestaven je stator, který je rozdělený na paralelně uspořádané části prstencového tvaru. Počet částí prstencového tvaru odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí. Současně každá část vykazuje drážky pro statorové vinutí vymezené statorovými zuby tvořícími jádra cívek statorového vinutí, přičemž alespoň dvě části statoru mají nenulové vzájemné úhlové posunutí drážek vůči sobě. Další součástí BLDC elektromotoru je alespoň jeden střídač pro řízení elektrického napájení statorových cívek, který je elektricky připojen k jednotlivým částem statoru pro napájení každé z částí pouze jednou z celkového počtu fází napájecího elektrického napětí. Poslední uvedenou součástí BLDC elektromotoru je alespoň jeden senzor pro monitorování natočení rotoru vůči statoru, resp. vůči jeho jednotlivým částem.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že každý pár navzájem sousedících zubů je spojený pro vytvoření U jádra cívky, přičemž statorové vinutí je navinuté mezi rameny U jádra, a současně jsou obě čela U jádra přivrácena směrem k permanentním magnetům rotoru.

To je výhodné proto, že spojením páru sousedících zubů do U jádra cívky statorového vinutí dojde k přemístění původně zadního pólu indukovaného magnetického pole do čelní strany jednoho ze zubů, a tím se i druhý pól indukovaného magnetického pole zúčastní magnetické interakce s permanentními magnety rotoru. Výhoda spočívá v tom, že v rámci jednoho elektrického impulzu je indukované magnetické pole z buzené cívky statorového vinutí přeměňováno na mechanickou energii současně dvěma permanentními magenty rotoru, zatímco doposud tomu bylo pouze na jednom místě rotoru.

Dostatek zástavbového prostoru pro přestavbu klasických zubů statoru na U jádra poskytuje konstrukce BLDC elektromotoru s rozděleným statorem na jednotlivé části podle fází napájecího elektrického napětí z již známého vynálezu CZ 309276 B6.

Je možné výhodné provedení BLDC elektromotoru podle vynálezu, ve kterém čela U jádra kopírují rádius rotoru pro vymezení homogenní mezery mezi čely a permanentními magnety rotoru. Homogenní mezera mezi čely U jádra a permanentními magnety napomáhá usměrněnému průniku siločar magnetických polí, což má pozitivní vliv na účinnost přeměny elektrické energie na mechanickou energii.

Současně je možné výhodné provedení BLDC elektromotoru podle vynálezu, ve kterém BLDC elektromotor zahrnuje stejný počet rotorů, jako je počet částí statoru. Současně jsou rotory nasazené na společném hřídeli a každý rotor tvoří dvojici s vlastní částí statoru. Jeden jediný rotor je možný, avšak při větším počtu částí statoru a v rámci jejich vzájemného úhlového posunutí, může docházet k rozptylování magnetických siločar procházejících společným permanentním

- 2 CZ 309777 B6 magnetem rotoru, což může mít negativní účinek na celkové provozní parametry stroje. Použitím více rotorů současně je tento problém minimalizován.

Mezi výhody vynálezu patří využití většího zástavbového prostoru k vytvoření U jader cívek statorového vinutí, čímž je umožněna interakce obou indukovaných magnetických pólů s permanentními magnety rotoru, oproti známému využití pouze jediného z indukovaných magnetických pólů. To se pozitivně projevuje na efektivitě přeměny elektrické energie na mechanickou energii a na výkonu vynalezeného BLDC elektromotoru.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje model uspořádání částí statoru vůči třem rotorům s permanentními magnety BLDC elektromotoru napájeného třífázovým napájecím elektrickým napětím včetně zubů statoru propojených do U jader a ovinutých statorovým vinutím, obr. 2 znázorňuje model pouze s jedním spojením zubů statoru do U jader na každé z části statoru pro zvýraznění vzájemného úhlového posunutí zubů statoru, obr. 3 znázorňuje řez modelem jedné z částí statoru se zuby statoru spojenými do jednoho U jádra pro znázornění rádiusu na čelech U jádra včetně homogenní mezery mezi čely U jádra a permanentními magnety.

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 model konstrukce BLDC elektromotoru ze součástí BLDC elektromotoru jejichž konstrukce je zasažena předloženým vynálezem. Ostatní součásti BLDC elektromotoru budou uvedeny pouze v textu.

Výchozí konstrukce BLDC elektromotoru pro předložený vynález vychází z uděleného patentu CZ 309276 B6, který zásadně vylepšuje.

Na obr. 1 prezentovaný model se týká BLDC elektromotoru napájeného třífázovým napájecím elektrickým napětím, proto jsou na obrázku tři části 3 statoru, kde každá část 3 statoru je tvořena drážkami dělenými zuby a statorovým vinutím. Každý pár sousedících zubů je propojený, aby vytvářely U jádro 5 cívky 4 statorového vinutí. Statorové vinutí je navinuto mezi ramena U jádra 5.

Na obr. 3 je znázorněn řez právě jedním U jádrem 5 s cívkou 4 statorového vinutí, přičemž jsou dobře viditelná zakulacená čela 6 U jádra 5, která jsou přivrácená k permanentním magnetům 2 rotoru 1.

U jádro 5 je vyrobeno např. ze železa, avšak průměrný odborník dokáže navrhnout další vhodné materiály pro výrobu U jader 5. Statorové vinutí je tvořeno měděným drátem, přičemž po navinutí okolo U jádra 5 vznikne cívka 4 statorového vinutí pro indukci magnetického pole.

- 3 CZ 309777 B6

Cívky 4 statorového vinutí jsou elektricky připojeny ke střídači pro řízení elektrického napájení, přičemž může být zapojen jeden střídač, který napájí každou z částí 3 statoru jednou z fází elektrického napájecího napětí, či může být pro každou fázi zapojen vlastní střídač, jehož činnost je synchronizována s ostatními střídači. Střídač je elektronická polovodičová spínací součástka.

Spouštění a vypínaní elektrického napájení cívek 4 statorového vinutí je řízeno podle informace o vzájemné poloze čel 6 U jader 5 vůči permanentním magnetům 2. Vzájemnou polohu, tedy natočení rotoru 1 vůči čelům 6 je monitorováno pomocí nejméně jednoho senzoru, který je např. tvořen Halovým senzorem, optickým snímačem, atp.

Jak je z obr. 1 patrné, tak jsou použity v rámci konstrukce BLDC elektromotoru tři rotory 1. Z obr. 1 je seznatelné, že rotory 1 nejsou navzájem nijak úhlově posunuté, neboť jejich permanentní magnety 2 jsou uspořádány v zástupu. Rozdělení jediného rotoru 1 na tři, a tím pádem i permanentních magnetů 2 snižuje rozptyl magnetických siločar. Permanentní magnety 2 mohou být uspořádané v konfiguraci Halbachova pole. Rotory 1 jsou spřaženy na společný hřídel, který je jinak běžnou strojní součástkou.

Na obr. 2 je kladen důraz na znázornění vzájemného úhlového posunutí částí 3 statoru. Jak je z obrázku patrné, díky úhlovému posunutí částí 3 statoru čela 6 U jádra 5 na jedné z částí lícují s plochou permanentního magnetu 2. Tato část 3 statoru tedy není elektricky napájena, aby nebylo indukováno magnetické pole. Zbývající části 3 statoru mají čela 6 vůči permanentním magnetům 2 v přechodovém stavu, tím pádem indukovaná magnetická pole mají silový účinek na rotory 1, což vede k roztáčení. Otáčením rotoru 1 se lícování čel 6 U jádra jednotlivých částí 3 statoru s permanentními magnety 2 střídá, tudíž je i střídáno vypínání a zapínání elektrického napájení.

Rovněž je z obr. 2 patrné, že se magnetické interakce zúčastní oba póly indukovaného magnetického pole, to znamená, že interakce probíhá mezi oběma čely 6 U jádra 5 cívky 4 a permanentními magnety 2.

Průmyslová využitelnost

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor podle vynálezu nalezne uplatnění v průmyslu a v dopravě.

Claims (3)

1. Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii sestávající z nejméně jednoho rotoru (1) osazeného permanentními magnety (2) pro otáčení vůči statoru, dále z hřídele spřaženého s rotorem (1) pro přenos mechanické energie, dále ze statoru rozděleného na paralelně uspořádané části (3) statoru prstencového tvaru, jejichž počet odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí, kde současně každá část (3) statoru vykazuje drážky pro statorové vinutí vymezené statorovými zuby tvořícími jádra cívek (4) statorového vinutí, přičemž alespoň dvě části (3) statoru mají nenulové vzájemné úhlové posunutí drážek vůči sobě, a dále sestávající z alespoň jednoho střídače pro řízení elektrického napájení cívek (4) statorového vinutí, který je elektricky připojen k jednotlivým částem (3) statoru pro napájení každé z částí (3) statoru pouze jednou z celkového počtu fází napájecího elektrického napětí, a dále sestávající z alespoň jednoho senzoru pro monitorování natočení rotoru (1) vůči statoru, vyznačující se tím, že je každý pár navzájem sousedících zubů spojený pro vytvoření U jádra (5) cívky (4), přičemž statorové vinutí je navinuté mezi rameny U jádra (5), a současně jsou obě čela (6) U jádra (5) přivrácena směrem k permanentním magnetům (2) rotoru (1).

2. Bezkartáčový stejnosměrný motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že čela (6) U jádra (5) kopírují rádius rotoru (1) pro vymezení homogenní mezery mezi čely (6) a permanentními magnety (2) rotoru (1).

3. Bezkartáčový stejnosměrný motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje stejný počet rotorů (1), jako je počet částí (3) statoru, že rotory (1) jsou nasazené na společném hřídeli, a že každý rotor (1) tvoří dvojici s vlastní částí (3) statoru.