PL229866B1 - Toroidalny silnik elektryczny prądu stałego - Google Patents

Abstract

Toroidalny Silnik Elektryczny Prądu Stałego V składający się z silnika TDCM IV, charakteryzuje się tym, że elementy ferromagnetyczne typu (Eln) nie są ze sobą połączone poprzez elementy ferromagnetyczne a tylko i wyłącznie z magnesami stałymi bądź elektromagnesami (Mdn).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna prądu stałego.

Obecny stan techniki, to wnioski patentowe o numerach P.382781, P.383053 i P.386819, w których opisano silniki BLDC z magnesami trwałymi o polu magnetycznym o orientacji osiowo-promieniowej.

Zgłoszenie patentowe P.382781 ujawnia istotny element konstrukcyjny nowego typu silników elektrycznych prądu stałego, jakim jest rdzeń magnetyczny w kształcie toroidu, który jest zbudowany z elementów, będących wycinkami toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym, wykonanych z ferromagnetyka miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i dużej rezystancji (np. ferryt, sprasowane i odizolowane od siebie elementy blachy elektrotechnicznej, stopy Fe i Si, stopy Fe i Ni, stopy Fe i Co itp.) łączących bez szczelin jednoimienne bieguny magnetyczne magnesów stałych bądź elektromagnesów

- musi być parzysta liczba magnesów stałych bądź elektromagnesów.

Opisany rdzeń magnetyczny jest mocowany do wirnika silnika i umieszczony wewnątrz różnego typu uzwojeń stojana, które oplatają cały rdzeń magnetyczny bądź jego część w zależności od zastosowanej liczby magnesów stałych w rdzeniu magnetycznym. Wirnik silnika w takim rozwiązaniu mocowany jest do wału osadzonego na łożyskach mocowanych do stojana silnika.

Zgłoszenie patentowe P.383053 ujawnia nowy typ uzwojenia stojana w kształcie cewki, które, oplatając rdzeń magnetyczny wirnika w kształcie toroidu, uniemożliwia jego mocowanie do wału silnika w sposób tradycyjny. Ze względu na ten szczególny typ uzwojenia stojana zastosowano w zgłoszeniu patentowym P.383053 mocowanie wirnika za pomocą łożysk liniowych. Energię mechaniczną z tego typu silników odbiera się poprzez układ zębatek bądź za pośrednictwem przekładni pasowej.

Zgłoszenie patentowe P.382781 opisuje również konstrukcję rdzenia magnetycznego wykonanego z nowego typu magnesów trwałych otrzymywanych przez magnesowanie elementów ferromagnetyka twardego w polu wypadkowym dwóch jednoimiennych biegunów magnetycznych elektromagnesów.

Zgłoszenie patentowe P.386819 (obecnie patent o numerze Pat.224419) koncentruje się na konstrukcjach silników BLDC z rdzeniem magnetycznym w kształcie toroidu zbudowanym z magnesów trwałych, których jednoimienne bieguny magnetyczne połączone są bez szczeliny powietrznej za pomocą elementów będących wycinkami toroidu wykonanych z ferromagnetyka miękkiego (podobnie do zgłoszenia patentowego P.382781). Tak zbudowany rdzeń magnetyczny umieszczony jest wewnątrz różnego typu uzwojeń stojana, które oplatają cały rdzeń magnetyczny bądź jego część w zależności od zastosowanej liczby magnesów stałych w rdzeniu magnetycznym. Aktywne obszary uzwojeń stojana (obszary, które zawierają rdzeń magnetyczny silnika) są umieszczone wewnątrz żłobków elementów stojana, wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, które są ze sobą połączone bez szczeliny powietrznej za pomocą elementów wykonanych również z ferromagnetyka miękkiego.

Toroidalny silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z rdzenia magnetycznego wykonanego z ferromagnetyka miękkiego w kształcie toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym mocowanym do wirnika, na którym nawinięto, przewodem elektrycznym w izolacji, w równych odległościach kątowych i rozłożono równomiernie na jego obwodzie, uzwojenia elektryczne przewodem miedzianym w izolacji, dla których toroid jest rdzeniem, który to wirnik mocuje się odpowiednio do wału bądź łożysk liniowych, a który to rdzeń magnetyczny umieszczony jest we wnętrzu elementów wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, w którego żłobkach umieszczono uzwojenia stojana, a którego zewnętrzne powierzchnie boczne elementów łączone są bez szczeliny powietrznej z magnesami stałymi, których wektor magnetyzacji jest ortogonalny do tych powierzchni bocznych, a zwrot zgodny ze zwrotem wektora ortogonalnego do tych powierzchni i należącego do repera wyznaczającego orientację tych powierzchni (np. zwrot od wewnątrz elementu na zewnątrz), które to magnesy stałe mocowane są do stojana wykonanego z ferromagnetyka miękkiego bądź z materiałów nieferromagnetycznych, którego uzwojenia wirnika podłączone są do komutatora elektronicznego w ten sposób, że sąsiadujące ze sobą bieguny magnetyczne uzwojeń są jednoimienne, a którego uzwojenia stojana zasilane są bez komutacji ze źródła.

Rozwiązanie ma na celu zwiększenie gęstości mocy klasy silników obrotowych opisanych w zgłoszeniu patentowym P.386819.

W opisie rozwiązania będziemy posługiwali się terminologią wprowadzoną w zgłoszeniach patentowych nr P.382781, P.383053 i P.386819 w celu uproszczenia analizy porównawczej poszczególnych rozwiązań. W szczególności części uzwojenia stojana (Cu1), (Cu2) będziemy nazywać aktywną i nieaktywną, stosując, jako kryterium podziału, wewnętrzną zawartość rdzenia magnetycznego (Rm1)

- aktywna część zawiera w swoim wnętrzu rdzeń magnetyczny (Rm1), który jest jej rdzeniem.

PL 229 866 B1

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunkach, na których uwidoczniono na:

fig. 1 - układ silnika elektrycznego z dwoma uzwojeniami stojana, fig. 2 - układ silnika z jednym uzwojeniem stojana oplatającym cały rdzeń magnetyczny.

Na rysunkach fig. 1 i fig. 2 przedstawiono rdzeń magnetyczny (Rm1) w kształcie toroidu o przekroju prostokątnym bądź kołowym zbudowany z ferromagnetyka miękkiego, np. z odizolowanych od siebie elektrycznie sprasowanych blach elektrotechnicznych, który mocowany jest mechanicznie do wału silnika za pomocą elementów nieferromagnetycznych, czego nie zaznaczono na rysunku z uwagi na powszechnie znane metody osadzenia toroidu na wale silnika za pomocą np. tarczy.

Rdzeń magnetyczny (Rm1) posiada na swoim obwodzie dwa przewężenia przekroju poprzecznego, na których nawija się uzwojenia (M1) i (M2) przewodem miedzianym w izolacji - fig. 1 i fig. 2. Uzwojenia (M1) i (M2) wypełniają przekrój porzeczny rdzenia (Rm1) w jego przewężeniach, nie prowadząc do zwiększenia jego przekroju poprzecznego - fig. 1 i fig. 2. Uzwojenia (M1) i (M2) zasilane są ze źródła zasilania (Z1) przez komutator elektroniczny (K) w sposób pokazany na rysunkach fig. 1 i fig. 2 przez zaznaczenie polaryzacji pola magnetycznego tych uzwojeń, co wymaga wysterowania komutatora (K) czujnikiem położenia wirnika np. przez zastosowanie hallotronu.

Na rysunku fig. 1 przedstawiono konstrukcję silnika, w której zastosowano uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) w kształcie cewek oplatających pręt tworzący rdzeń magnetyczny (Rm1), które umieszczone są we wnętrzu żłobków wykonanych z ferromagnetyka miękkiego (np. ze sprasowanych blach elektrotechnicznych) odpowiednio elementy (El1) i (El2) - rozwiązania tego nie uwidoczniono na rysunkach ze względu na znany stan techniki i powszechnie znane rozwiązania.

Należy dodać, że elementy (El1) i (El2) przedstawione na rysunku fig. 1 muszą być składane na uzwojeniach stojana (Cu1) i (Cu2), co wynika wprost ze stanu techniki.

Do powierzchni zewnętrznych elementów (El1) i (El2) wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, np. ze sprasowanych blach elektrotechnicznych, mocowane są bez szczeliny powietrznej magnesy trwałe odpowiednio (Md1) i (Md2) - fig. 1 i fig. 2.

Wektory magnetyzacji magnesów trwałych (Md1) i (Md2) są ortogonalne do powierzchni zewnętrznych elementów (El1) i (El2), przy czym zwroty tych wektorów dla magnesu (Md1 ) są przeciwne do zwrotu wektorów magnetyzacji dla magnesu (Md2), co przedstawiono na rysunkach fig. 1 i fig. 2.

Konstrukcja silnika przedstawiona na rysunku fig. 1 wymaga zastosowania łożysk liniowych mocujących rdzeń magnetyczny (Rm1) do stojana z uwagi na zastosowane uzwojenia (Cu1) i (Cu2) - łożyska liniowe nie zostały przedstawione na rysunku z uwagi na stan techniki i powszechnie znane rozwiązania stosowane w takich przypadkach.

Odbiór energii mechanicznej z silnika przedstawionego na rysunku fig. 1 jest realizowany za pomocą kół zębatych lub przekładni pasowych, co nie zostało pokazane na rysunku z uwagi na znany stan techniki.

Uzwojenia (M1) i (M2) przedstawione na rysunku fig. 1 są połączone elektrycznie do komutatora (K) za pośrednictwem pierścieni miedzianych mocowanych do rdzenia (Rm1), od którego są odizolowane elektrycznie, po których to pierścieniach ślizgają się szczotki np. węglowe mocowane do stojana silnika - pierścienie i szczotki nie zostały przedstawione na rysunku z uwagi na stan techniki i powszechność stosowania tego typu połączeń.

Przedstawione na rysunku fig. 2 uzwojenia (M1) i (M2) podłączone są elektrycznie do komutatora elektronicznego (K), za pośrednictwem pierścieni miedzianych osadzonych na wale odizolowanych od niego elektrycznie i szczotek np. węglowych mocowanych do stojana, które nie są uwidocznione na rysunkach z uwagi na to, że rozwiązania tego typu są powszechnie znane. Przy czym w konstrukcjach, w których wał wirnika jest nieruchomy, a stojan ruchomy (w takich konstrukcjach należy doprowadzić zasilanie do uzwojeń stojana (Cu1) za pomocą pierścieni miedzianych osadzonych na wale i szczotek mocowanych do stojana) przewody zasilające uzwojenia (M1) i (M2) należy wyprowadzić przez wnętrze wału - fig. 2, który w tym przypadku musi być rozwiercony w środku - nie uwidoczniono tego rozwiązania na rysunku z uwagi na to, że jest ono powszechnie znane.

Wał silnika przedstawionego na fig. 2 jest mocowany do stojana za pomocą łożysk, które nie są przedstawione na rysunkach z uwagi na stan techniki.

Uzwojenie stojana (Cu1 ) przedstawione na rysunku fig. 2 oplata całkowicie toroid rdzenia magnetycznego (Rm1), omijając wał silnika. Uzwojenie (Cu1) jest uzwojeniem bezkarkasowym nawiniętym przewodem miedzianym w izolacji i osadzane jest w częściach aktywnych w żłobkach elementów optymalizacyjnych (El1) i (El2) wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, np. ze sprasowanych blach elektrotechnicznych - fig. 2.

PL 229 866 B1

Należy podkreślić, że rysunki fig. 1 i fig. 2 są rysunkami schematycznymi, dlatego na przykład wymiary rdzenia magnetycznego (Rm1) jak i wymiary uzwojenia (Cul) pokazane na rysunku fig. 2 mają charakter poglądowy, ponieważ w rzeczywistych rozwiązaniach należy zminimalizować obszary nieaktywne uzwojenia (Cu1), które są przyczyną strat energii - silniki elektryczne o strumieniu pola magnetycznego o orientacji osiowo-promieniowej mają na celu między innymi minimalizację obszarów nieaktywnych uzwojeń stojana.

Przedstawione na rysunkach fig. 1 i fig. 2 magnesy trwałe (Md1) i (Md2) mocowane są do stojana silnika wykonanego z ferromagnetyka miękkiego bądź z materiałów nieferromagnetycznych, a elementy (El1), (El2) do stojana za pomocą elementów nieferromagnetycznych, co nie zostało pokazane na rysunkach ze względu na stan techniki i powszechnie znane rozwiązania.

Komutator elektroniczny (K) jest podłączony do źródła zasilania (Z1) - fig. 1 i fig. 2. Komutator elektroniczny jest sterowany czujnikiem konta obrotu wału bądź hallotronem, co jest powszechnie znanym rozwiązaniem.

Magnesy stale (Md1), (Md2) zamykają obwody magnetyczne rdzenia magnetycznego (Rm1) poprzez elementy optymalizujące (El1), (El2), dlatego istotnym jest połączenie magnesów (Md1), (Md2) odpowiednimi biegunami magnetycznymi (ich polaryzacja musi być przeciwna), co zostało uwidocznione na rysunkach.

Uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) przedstawione na rysunkach fig. 1 i fig. 2 są podłączone bezpośrednio do źródła zasilania (Z1) w ten sposób, że uzwojenia te w swoich obszarach aktywnych są źródłem pola magnetycznego o polaryzacji przedstawionej na rysunkach - polaryzacje o takim samym zwrocie.

Po podłączeniu uzwojeń (M1) i (M2) do zasilania przez komutator elektroniczny (K) przepływ strumienia pola magnetycznego przez obwody magnetyczne silnika prowadzi do oddziaływania pola magnetycznego z prądem płynącym przez uzwojenia (Cu1), (Cu2) umieszczone w tym polu - na uzwojenia (Cu1), (Cu2) działają siły Lorentza.

Z trzeciej zasady dynamiki Newtona wynika, że na rdzeń magnetyczny (Rm1) działają siły o tej samej wartości co siły Lorentza działające na uzwojenia (Cu1), (Cu2), lecz przeciwnie skierowane, w wyniku czego rdzeń (Rm1 ) obraca się wraz z elementami mocowanymi do niego mechanicznie.

Silnik elektryczny znajdzie zastosowanie w automatyce oraz urządzeniach mobilnych.

Claims (3)

1. Toroidalny silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z rdzenia magnetycznego (Rm1) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego w kształcie toroidu o dowolnym przekroju poprzecznym mocowanym do wirnika, na którym nawinięto, przewodem elektrycznym w izolacji, w równych odległościach kątowych i rozłożono równomiernie na jego obwodzie, uzwojenia elektryczne przewodem miedzianym w izolacji (M1) i (M2), dla których toroid jest rdzeniem, który to wirnik mocuje się odpowiednio do wału bądź łożysk liniowych, a który to rdzeń magnetyczny (Rm1) umieszczony jest we wnętrzu elementów (El1) i (El2) wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, w którego żłobkach umieszczono uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) bądź jedno uzwojenie (Cu1), znamienny tym, że zewnętrzne powierzchnie boczne elementów (El1) i (El2) łączone są bez szczeliny powietrznej z magnesami stałymi (Md1) i (Md2), których wektor magnetyzacji jest ortogonalny do tych powierzchni bocznych a zwrot zgodny ze zwrotem wektora ortogonalnego do tych powierzchni i należącego do repera wyznaczającego orientację tych powierzchni (np. zwrot od wewnątrz elementu (Eli) na zewnątrz), które to magnesy stałe (Md1 ) i (Md2) mocowane są do stojana wykonanego z ferromagnetyka miękkiego bądź z materiałów nieferromagnetycznych, którego uzwojenia wirnika (M1) i (M2) podłączone są do komutatora elektronicznego (K) w ten sposób, że sąsiadujące ze sobą bieguny magnetyczne uzwojenia (M2) i (M1) są jednoimienne, a którego uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) zasilane są bez komutacji ze źródła (Z1).

2. Toroidalny silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia stojana (Cu1) i (Cu2) są w kształcie cewek oplatających pręt tworzący rdzeń magnetyczny (Rm1) w kształcie toroidu.

3. Toroidalny silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie stojana (Cu1) w kształcie cewki oplata cały rdzeń magnetyczny (Rm1 ) w kształcie toroidu.