CZ31804U1 - Rotor bezkartáčového elektromotoru - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané technické řešení spadá do oblasti konstrukce dynamoelektrických strojů a týká se rotoru bezkartáčového elektromotoru.

Dosavadní stav techniky

Při provozu elektromotorů je těmito stroji produkováno značné množství tepla, které může způsobovat jejich přehřívání, a tím snížení jejich výkonu a účinnosti. Tento problém je zvláště významný u bezkartáčových elektromotorů s permanentními ultrasilnými neodymovými magnety, jejichž účinnost významně klesá s rostoucí teplotou a již při teplotách kolem 80 °C je značně snížena. Jsou popsány různé způsoby chlazení jednotlivých částí elektromotorů, kde chlazení vnějšího statoru je snadno proveditelné kupříkladu žebrováním či různými vně motoru ústícími kanály, použitím ventilátoru a podobně.

Chlazení rotoru může být provedeno průchodem chladicího media v prostoru mezi statorem a rotorem, což je ovšem značně omezující co do prostředí, ve kterém by byl takový motor použitelný, a to zejména vzhledem k možnému znečištění vnitřního pracovního prostředí stroje. Toto je možné řešit použitím filtru či uzavřeného chladicího okruhu spojeného s vnějším prostředím prostřednictvím tepelného výměníku, chladiče, jak je popsáno kupř. ve spise US 2862121 A. Takovéto řešení značně komplikuje konstrukci stroje, zvyšuje jeho hmotnost a náklady na výrobu, čímž je také omezeno jeho použití. Mají-li být vnitřní součásti elektromotoru zcela izolovány od vnějšího prostředí, je možno rotor chladit médiem procházejícím vnitřním prostorem tělesa rotoru, kdy se chladivo nedostává do styku s vnitřním pracovním prostorem motoru. Ve spise US 2002/0195887 je popsáno chlazení rotačního elektrického stroje prostřednictvím proudění chladícího média dutou hřídelí, na které jsou uloženy zmagnetizované ocelové destičky nalaminované ve směru rotační osy hřídele, kde průchozí dutina probíhá v axiálním směru souose s rotační osou hřídele. Systém je ovšem navržen pro kapalinové chlazení a není vhodný pro chlazení vzduchem. Ve spise US 6707180 je představeno řešení chlazení rotoru prostřednictvím vnitřní dutiny, do které chladící medium vstupuje v hřídeli rotoru koaxiálně vytvořeným vstupním otvorem, kdy vnitřní dutina má značně větší průřez než vstupní otvor, a vystupuje protilehlou stranou shodně provedeným výstupním otvorem. Tvar vnitřní dutiny je uzpůsoben pro vytvoření zpětných a bočních proudů chladícího média ke zlepšení účinnosti chlazení, případně je vnitřní dutina opatřena lamelami pro zajištění jeho cirkulace. Toto řešení ovšem vyžaduje přídavný zdroj proudění chladivá a účinnost chlazení je dále omezena malým průřezem vstupního a výstupního otvoru v duté hřídeli. V případě bezkartáčových motorů s permanentními magnety, které by zároveň byly použitelné i ve značně znečišťujícím prostředí a u kterých je nutností utěsnění jejich vnitřní součástí, je chlazení rotoru značný problém. Ve spise US 2003/0132673 je chlazení rotoru řešeno dutou hřídelí a v tělese rotoru axiálně vedenými kanály, ve kterých proudí chladivo. Toto provedení je ovšem určeno pro kapalinové chlazení, vnitřní průřezy kanálů jsou pro vzduchové chlazení nedostatečné a řešení vyžaduje zdroj cirkulace chladivá. Podobné řešení s dutou hřídelí je popsáno ve spise US 2009/0261667, kde je chladivo přivedeno jedním koncem do duté hřídele, ze které je vedeno do kanálů provedených v tělese rotoru nejprve radiálním směrem, následně do kanálů axiálních a poté opět v radiálním směru zpět do duté hřídele, ze které druhým koncem vystupuje. I zde je limitujícím faktorem malý vnitřní průřez duté hřídele a nutnost zdroje cirkulace chladivá. Chlazení prostřednictvím duté hřídele je i předmětem vynálezu uvedeného v dokumentu US 2015/0069861, kde je v koaxiální dutině hřídele uložen rozvodný prvek v podobě trubice opatřené jednak na svém povrchu podélnými axiálně vedenými žebry, a jednak na jednom svém konci, který vyčnívá z duté hřídele, v radiálním směru provedeným plochým prvkem s radiálními žebry. Otáčením tohoto rozvodného prvku dochází k proudění vzduchu dutou hřídelí, kdy vzduch

- 1 CZ 31804 Ul je nasáván v ose trubicového rozvodného prvku, je veden ke konci vnitřní dutiny hřídele a následně v opačném směru proudí hřídelí kolem vnějšího povrchu rozvodného prvku ven z hřídele, kde je působením plochého prvku s radiálními žebry odváděn od motoru. Účinnost chlazení je zde limitována vnitřním průřezem hřídele, a systém vyžaduje přítomnost rotačního rozvodného prvku, což zvyšuje složitost stroje, jeho hmotnost i výrobní náklady. Ve spise JP 2014166018 je popsáno chlazení duté hřídele, kdy je chladivo přiváděno jedním koncem a po průchodu hřídelí je odváděno od hřídele radiálním směrem kanály provedenými v odstředivém členu za motorem. Úzký vnitřní průřez hřídele i kanálů je zde faktorem, který výrazně limituje účinnost vnitřního chlazení rotoru. Ve spise CN 204967451 je uvedeno řešení s tělesem rotoru s procházející rotační hřídelí, které je opatřené průchozími v axiální směru provedenými ventilačními kanály, jejichž vnitřní průřez je ovšem vzhledem k průřezu tělesa rotoru nízký, čímž je účinnost chlazení značně limitována. Obě čela rotoru jsou sice opatřena spirálovitými vodícími prvky nasávajícími, případně odvádějícími, chladicí vzduch směrem k/od ventilačních kanálů, ale jejich účinnost je diskutabilní. Řešení chlazení permanentních magnetů rotoru je dále představeno ve spise CA 2972225, ve kterém je těleso rotoru opatřeno vnitřní dutinou, do níž je chladící vzduch přiváděn axiálními otvory provedenými v čelech rotoru. Z vnitřní dutiny je pak chladicí vzduch veden radiálně orientovanými otvory provedenými v obvodové stěně tělesa rotoru mezi magnety, tedy do pracovního prostoru elektromotoru, což omezuje toto řešení na využití v čistém prostředí. Chlazení rotoru prostřednictvím duté hřídele je popsáno rovněž ve spise US 20170237316. V tomto řešení je hřídel opatřena v axiálním směru průchozí vnitřní dutinou, rozšířenou v oblasti tělesa rotoru, kde je v tomto rozšíření usazeno chladící těleso opatřené podélnými žebry pro odvod tepla z tělesa rotoru vytvářejícími ve vnitřní dutině hřídele kanály pro průchod chladivá. Vzhledem k objemu tělesa rotoru je však dutina hřídele příliš malá pro odvod většího množství tepla.

Cílem předkládaného technického řešení je představit novou konstrukci rotoru elektromotoru s vylepšeným systémem vzduchového chlazení permanentních magnetů, která by byla použitelná i ve velmi silně znečištěném prostředí a současně byla konstrukčně a výrobně jednoduchá.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je rotor bezkartáčového elektromotoru uložený prostřednictvím ložisek ve statorové dutině souose se statorem, kde stator je usazen ve vnitřní dutině pláště. Podstatou vynálezu je, že rotor je tvořen nosným tělem tvaru dutého válce, ve kterém je rovnoměrně kolem rotační osy rotoru vytvořena s nosným tělem souosá válcová rotorová dutina otevřená směrem ke vstupní koncové oblasti rotoru do vnějšího prostoru prostřednictvím vstupního otvoru, který má stejný průměr jako je vnitřní průměr rotorové dutiny, kde ve vnitřním povrchu rotorové dutiny jsou v její části směřující k výstupní koncové oblasti rotoru rovnoměrně kolem jejího obvodu vytvořeny alespoň dva axiálně orientované odváděči kanály tvaru podélných zahloubení, kdy kružnice opsaná vnějšímu obrysu jejich příčného průřezu má větší průměr, než je průměr rotorové dutiny, přičemž odváděči kanály jsou zaústěny do výstupních průduchů, které jsou provedeny ve výstupní koncové oblasti rotoru v axiálním směru rovnoměrně kolem rotační osy rotoru a jsou vedeny z rotorové dutiny do vnějšího prostoru.

Ve výhodném provedení je průmět příčného průřezu výstupních průduchů do roviny kolmé na rotační osu rotoru jednak zahrnuje průmět příčného průřezu odváděčích kanálů do této roviny, a jednak zasahuje do průmětu příčného průřezu rotorové dutiny do téže roviny.

V dalším výhodném provedení k vnějšímu povrchu nosného těla rotoru přiléhá magnetová část tvaru prstence navlečeného na nosném těle mezi vstupní koncovou oblastí rotoru a výstupní koncovou oblastí rotoru, přičemž tato magnetová část je na svém vnějším obvodu opatřena alespoň dvěma rovnoměrně rozmístěnými permanentními magnety.

-2CZ 31804 U1

Dále je výhodné, když je rotor ve své výstupní koncové oblasti opatřen v rotační ose rotoru situovaným pastorkem opatřeným alespoň dvěma axiálně vedenými rovnoměrně po obvodu pastorku rozmístěnými pastorkovými zářezy.

V dalším výhodném provedení je na pastorku v rovině kolmé k rotační ose rotoru nasazen plochý větrací člen opatřený alespoň dvěma větracími lopatkami provedenými v radiálním směru v rovinách procházejících rotační osou rotoru.

Dále je výhodné, když jsou ložiska jsou jednak prstencovitě usazena na vstupní koncové oblasti rotoru a výstupní koncové oblasti rotoru a jednak jsou upevněna v předním čele a zadním čele, která přiléhají k oběma koncovým částem pláště.

Předkládaným technickým řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že účinné chlazení je zajištěno přívodem chladícího vzduchu do tělesa rotoru otvorem stejného průřezu jako je průřez vnitřní dutiny rotoru a dostatečně silné proudění zamezuje usazování nečistot uvnitř dutiny rotoru.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech kde:

Obr. 1 je celkový axonometrický pohled na bezkartáčový elektromotor ze strany výstupní části,

Obr. 2 je axonometrický pohled na rozložený bezkartáčový elektromotor ze strany jeho výstupní části,

Obr. 3 je axonometrický pohled na rotor ze strany jeho vstupní části,

Obr. 4 je průřez rotorem bezkartáčového elektromotoru,

Obr. 5 je čelní pohled na rotor ze strany jeho výstupní části,

Obr. 6 je čelní pohled na rotor ze strany jeho vstupní části,

Obr. 7 je boční pohled na výhodné provedení rotoru s nasazeným větracím členem,

Obr. 8 je axonometrický pohled na rotor a větrací člen ze strany vstupní části,

Obr. 9 je celkový axonometrický pohled na výhodné provedení bezkartáčového elektromotoru s větracím členem ze strany jeho výstupní části.

Výkresy znázorňující představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Rotor podle technického řešení jev základním provedení součástí bezkartáčového elektromotoru X znázorněného na obr. 1 a 2. Elektromotor X je tvořen statorem 2 tvaru dutého válce rozebíratelně souose upevněným ve válcové vnitřní dutině 211 pláště 21. K oběma koncovým částem pláště 21 přiléhají přední čelo 22 a zadní čelo 23, ve kterých jsou v rovinách kolmých k rotační ose statoru 2 usazena ložiska 24, jejichž společná rotační osa je shodná s rotační osou

-3 CZ 31804 U1 statoru 2. Prostřednictvím ložisek 24 je ve statorové dutině 201 souose se statorem 2 uložen rotor 3, na jehož vstupní koncové oblasti 311 a výstupní koncové oblasti 312 jsou ložiska 24 prstencovitě usazena.

Rotor 3 je tvořen nosným tělem 31 tvaru dutého válce, k jehož vnějšímu povrchu přiléhá magnetová část 32 tvaru prstence navlečeného na nosném těle 31 mezi vstupní koncovou oblastí 311 rotoru 3 a výstupní koncovou oblastí 312 rotoru 3. Magnetová část 32 je na svém vnějším obvodu opatřena alespoň dvěma rovnoměrně rozmístěnými permanentními magnety 321. V nosném těle 31 rotoru 3 je rovnoměrně kolem rotační osy rotoru 3 vytvořena s nosným tělem 31 souosá válcová rotorová dutina 33 otevřená směrem ke vstupní koncové oblasti 311 rotoru 3 do vnějšího prostoru prostřednictvím vstupního otvoru 331, který má stejný průměr jako je vnitřní průměr rotorové dutiny 33. Ve vnitřním povrchu 334 rotorové dutiny 33 jsou v její části směřující k výstupní koncové oblasti 312 rovnoměrně kolem jejího obvodu vytvořeny alespoň dva axiálně orientované odváděči kanály 332 tvaru podélných zahloubení, kdy kružnice opsaná vnějšímu obrysu jejich příčného průřezu má větší průměr, než je průměr rotorové dutiny 33. Odváděči kanály 332 ústí do výstupních průduchů 333, které jsou provedeny ve výstupní koncové oblasti 312 rotoru 3 v axiálním směru rovnoměrně kolem rotační osy rotoru 3 a vedou z rotorové dutiny 33 do vnějšího prostoru, přičemž průmět jejich příčného průřezu do roviny kolmé na rotační osu rotoru 3 jednak zahrnuje průmět příčného průřezu odváděčích kanálů 332 do této roviny a jednak zasahuje do průmětu příčného průřezu rotorové dutiny do téže roviny. Rotor 3 je ve své výstupní koncové oblasti 312 opatřen v rotační ose rotoru 3 situovaným pastorkem 34 opatřený alespoň dvěma axiálně vedenými rovnoměrně po obvodu pastorku 34 rozmístěnými pastorkovými zářezy 341.

Ve výhodném provedení je na pastorku 34 v rovině kolmé k rotační ose rotoru 3 nasazen a prostřednictvím pastorkových zářezů 341 v konstantní poloze vůči pastorku 34 udržován plochý větrací člen 35 opatřený alespoň dvěma větracími lopatkami 351 provedenými v radiálním směru v rovinách procházejících rotační osou rotoru 3.

Průmyslová využitelnost

Rotor bezkartáčového elektromotoru podle technického řešení je využitelný pro pohon zejména jednostopých vozidel, a to i v silně znečišťujícím prostředí.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (6)

1. Rotor (3) bezkartáčového elektromotoru (1) uložený prostřednictvím ložisek (24) ve statorové dutině (201) souose se statorem (2), kde stator (2) je usazen ve vnitřní dutině (211) pláště (21), vyznačující se tím, že rotor (3) je tvořen nosným tělem (31) tvaru dutého válce, ve kterém je rovnoměrně kolem rotační osy rotoru (3) vytvořena s nosným tělem (31) souosá válcová rotorová dutina (33) otevřená směrem ke vstupní koncové oblasti (311) rotoru (3) do vnějšího prostoru prostřednictvím vstupního otvoru (331), který má stejný průměr jako je vnitřní průměr rotorové dutiny (33), kde ve vnitřním povrchu (334) rotorové dutiny (33) jsou v její části směřující k výstupní koncové oblasti (312) rotoru (3) rovnoměrně kolem jejího obvodu vytvořeny alespoň dva axiálně orientované odváděči kanály (332) tvaru podélných zahloubení, kdy kružnice opsaná vnějšímu obrysu jejich příčného průřezu má větší průměr, než je průměr rotorové dutiny (33), přičemž odváděči kanály (332) jsou zaústěny do výstupních průduchů (333), které jsou provedeny ve výstupní koncové oblasti (312) rotoru (3) v axiálním směru rovnoměrně kolem rotační osy rotoru (3) a jsou vedeny z rotorové dutiny (33) do vnějšího prostoru.

-4CZ 31804 U1

2. Rotor podle nároku 1, vyznačující se tím, že průmět příčného průřezu výstupních průduchů (333) do roviny kolmé na rotační osu rotoru (3) jednak zahrnuje průmět příčného průřezu odváděčích kanálů (332) do této roviny, a jednak zasahuje do průmětu příčného průřezu rotorové dutiny (33) do téže roviny.

3. Rotor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že k vnějšímu povrchu nosného těla (31) rotoru (3) přiléhá magnetová část (32) tvaru prstence navlečeného na nosném těle (31) mezi vstupní koncovou oblastí (311) rotoru (3) a výstupní koncovou oblastí (312) rotoru (3), která je na svém vnějším obvodu opatřena alespoň dvěma rovnoměrně rozmístěnými permanentními ío magnety (321).

4. Rotor podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že rotor (3) je ve své výstupní koncové oblasti (312) opatřen v rotační ose rotoru (3) situovaným pastorkem (34) opatřeným alespoň dvěma axiálně vedenými rovnoměrně po obvodu pastorku (34) rozmístěnými

15 pastorkovými zářezy (341).

5. Rotor podle nároku 4, vyznačující se tím, že na pastorku (34) je v rovině kolmé k rotační ose rotoru (3) nasazen plochý větrací člen (35) opatřený alespoň dvěma větracími lopatkami (351) provedenými v radiálním směru v rovinách procházejících rotační osou rotoru (3).

6. Rotor podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ložiska (24) jsou jednak prstencovitě usazena na vstupní koncové oblasti (311) rotoru (3) a výstupní koncové oblasti (312) rotoru (3) a jednak jsou upevněna v předním čele (22) a zadním čele (23), která přiléhají k oběma koncovým částem pláště (21).