PL233249B1 - Bezkomutatorowy silnik prądu stałego - Google Patents

Abstract

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego BLCLDC T zbudowany z wału (O1) mocowanego za pomocą łożysk (R1) i (R2) do elementów stojana (St1) i (St2), które mocowane są do korpusu stojana (St2), (St6) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego połączeniem mechanicznym, charakteryzuje się tym, że do osadzonego na wale (O1) pierścienia wykonanego z ferromagnetyka miękkiego przymocowano serie magnesów trwałych namagnesowanych promieniowo oraz pierścień (P2) wykonany z ferromagnetyka miękkiego, natomiast korpus stojana (St2) połączono mechanicznie z pierścieniem (St3) wykonanym z materiałów nieferromagnetycznych posiadającym otwory w ścianach bocznych, a korpus stojana (St6) połączono mechanicznie z pierścieniem (St5) wykonanym z materiałów nieferromagnetycznych posiadającym otwory w ścianach bocznych, do których to pierścieni (St3) i (St5) mocuje się mechanicznie korpus stojana (St4) wykonany z materiałów ferromagnetycznie miękkich, w którego żłobkach umieszcza się przewody miedziane w izolacji elektrycznej, a który to korpus stojana (St4) jest połączony mechanicznie bez szczeliny powietrznej z elementami stojana (St2) i (St6) naprzemiennie za pośrednictwem prętów, które wykonane są z materiałów ferromagnetycznie miękkich, na których nawinięto uzwojenia przewodem miedzianym w izolacji.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna prądu stałego.

Obecny stan techniki, to zgłoszenie patentowe pt. „Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego” zarejestrowane w Urzędzie Patentowym RP pod numerem P.420537, którego autorami są autorzy niniejszego zgłoszenia patentowego.

Zgłoszenie patentowe P.420537 ujawniają konstrukcję bezkomutatorowych silników elektrycznych prądu stałego charakteryzujących się tym, że nie wymagają stosowania komutatorów elektronicznych i falowników.

Zgłoszenie patentowe P.420537 ujawnia konstrukcję silnika bezkomutatorowego i bezszczotkowego o znacząco zmniejszonym prądzie znamionowym dzięki zastosowaniu łączenia szeregowego elementów obwodu elektromagnetycznego silnika. Przedstawione konstrukcje silników wykorzystują elementy ferromagnetyków miękkich jako elementy przewodzące prąd elektryczny zorientowany osiowo, w przeciwieństwie do silnika będącego przedmiotem niniejszego zgłoszenia patentowego.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z wału mocowanego za pomocą łożysk do podstaw stojana, które mocowane są do korpusu stojana wykonanego z ferromagnetyka miękkiego połączeniem mechanicznym, na którym to wale osadzono pierścień wykonany z ferromagnetyka miękkiego, do którego są przymocowane serie magnesów trwałych namagnesowanych promieniowo oraz pierścień wykonany z ferromagnetyka miękkiego, natomiast korpusy boczne stojana są połączone mechanicznie z pierścieniami wykonanym z materiałów nieferromagnetycznych posiadającymi otwory w ścianach bocznych, do których to pierścieni mocuje się mechanicznie główny korpus stojana, który jest połączony mechanicznie bez szczeliny powietrznej z bocznymi elementami stojana naprzemiennie za pośrednictwem prętów, które wykonane są z materiałów ferromagnetycznie miękkich, na których nawinięto uzwojenia przewodem miedzianym w izolacji, który to główny korpus stojana wykonany jest z materiałów ferromagnetycznie miękkich, w którego żłobkach są umieszczone przewody miedziane w izolacji elektrycznej.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według wynalazku, charakteryzuje się tym, że przewody miedziane umieszczone w żłobkach głównego korpusu stojana są łączone szeregowo z uzwojeniami miedzianymi nawiniętymi na prętach łączących mechanicznie bez szczeliny powietrznej korpus główny stojana z korpusami bocznymi stojana.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według wynalazku, charakteryzuje się tym, że na pierścieniu wykonanym z ferromagnetyka miękkiego osadzonym na wale osadzone są trzy pierścienie zbudowane z magnesów trwałych namagnesowanych promieniowo.

Rozwiązanie ma na celu eliminację konieczności stosowania komutatorów mechanicznych i elektronicznych w silnikach prądu stałego z magnesami trwałymi.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunkach, na których przedstawiamy:

Fig. 1-3 Rzuty bezkomutatorowego silnika elektrycznego,

Fig. 4-6 Rzuty wirnika bezkomutatorowego silnika elektrycznego,

Fig. 7 Schemat elektryczny zasilania szeregowego silnika.

Na rysunkach fig. 1-3 przedstawiono rzuty bezkomutatorowego silnika prądu stałego, na którym uwidoczniono korpus stojana zbudowany z elementów St2, St3, St3, St4, St5 i St6, które są połączone ze sobą mechanicznie za pomocą na przykład połączeń wielowpustowych i skręcane śrubami, co nie zostało pokazane na rysunkach.

Elementy korpusu stojana St2 i St6 mają kształt pierścieni i wykonane są z ferromagnetyka miękkiego - fig. 1-3. Elementy St2 i St6 mogą być wykonane z odizolowanych od siebie elektrycznie i sprasowanych ze sobą blach elektrotechnicznych.

Do elementów korpusu stojana St2 i St6 połączone są mechanicznie za pomocą na przykład śrub pierścienie odpowiednio St1 i St7 wykonane z materiałów nieferromagnetycznych np. z aluminium fig. 1-3. W otworach pierścieni St1 i St7 osadzono łożyska R1 i R2, które mocują do stojana wał silnika O1 wykonany z materiałów ferromagnetycznych bądź nieferromagnetycznych np. ze stali konstrukcyjnej - fig. 1-3.

Pierścienie St3 i St5 wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych np. z aluminium - fig. 1-3. W ścianach bocznych pierścieni St3 i St5 nawiercono otwory, przez które wyprowadza się końcówki przewodów elektrycznych w izolacji uzwojeń Culnl, Culn72 umieszczonych w żłobkach stojana St4

PL 233 249 B1 nie zaznaczono ich na rysunkach tylko na schemacie fig. 7, które łączone są szeregowo z uzwojeniami Cul, ..., Cu72 nawiniętymi przewodem miedzianym w izolacji na prętach FeP1, ... FeP18 - fig. 7.

Przewody miedziane w izolacji wyprowadzane przez otwory w pierścieniach St3 i St5 powinny być ekranowane magnetycznie w obszarze przejścia przez pierścień (fig. 1-3) poprzez umieszczenie na nich pierścieni wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, co nie zostało pokazane na rysunkach.

Element korpusu stojana St4 jest wykonany z ferromagnetyka miękkiego np. ze sprasowanych i odizolowanych od siebie blach elektrotechnicznych - fig. 1-3. Element korpusu stojana St4 zawiera żłobki, w których są umieszczone uzwojenia stojana Culn1, ..., Culn72.

Końcówki uzwojeń Culnl, ..., Culn72 są łączone elektrycznie z odpowiednimi końcówkami uzwojeń Cul, ..., Cu72 - fig. 7.

Do korpusu stojana St4 mocowane są bez szczeliny powietrznej pręty FeP1, ..., FeP18 za pomocą kołnierzy wykonanych z ferromagnetyka miękkiego np. z czystego żelaza, które przykręca się śrubami do elementu St4 - fig. 1-3. Na rysunkach nie zaznaczono kołnierzy mocujących.

Pręty FeP1, ..., FeP18 wykonane z ferromagnetyka miękkiego np. z czystego żelaza bądź z odizolowanych od siebie elektrycznie i sprasowanych ze sobą blach elektrotechnicznych - fig. 1-3.

Na prętach FeP1, ..., FeP18 nawinięte są uzwojenia Cu1, ..., Cu72 przewodem miedzianym w izolacji, które łączone są z odpowiednimi końcówkami uzwojeń Culn1, ..., Culn72, co przedstawiono na schemacie elektrycznym - fig. 7.

Na rysunkach fig. 4-7 przedstawiono rzuty wirnika silnika, który zbudowany jest z wału O1 mocowanego do stojana silnika za pomocą łożysk R1 i R2.

Na wale silnika O1 osadzono za pomocą połączenia mechanicznego np. połączenie wpustowe pierścień P1 wykonany z ferromagnetyka miękkiego np. z czystego żelaza bądź ze sprasowanych i odizolowanych od siebie elektrycznie blach elektrotechnicznych - fig. 4-7.

Na pierścieniu P1 wirnika osadzone są magnesy trwałe Mf1, ..., Mf12 i Mb1, ..., Mb12 namagnesowane promieniowo w dwóch oddzielnych od siebie sekcjach - fig. 4-7.

Sekcje magnesów trwałych Mf1, ..., Mf12 i Mb1, ..., Mb12 posiadają ten sam zwrot wektora magnetyzacji, co przedstawiono na rysunkach fig. 4-7 tylko dla dwóch sąsiadujących ze sobą magnesów, ponieważ pozostałe wektory wyglądają podobnie - kierunek wektora pokrywa się z promieniem P1 a zwrot jest na zewnątrz wirnika silnika.

Na pierścieniu P1 jest osadzony mechanicznie pierścień P2 wykonany z ferromagnetyka miękkiego, bądź wycinki magnesów trwałych namagnesowanych promieniowo o zwrocie wektora magnetyzacji przeciwnym do zwrotu wektora magnetyzacji magnesów Mf1, Mf12 i Mb1, Mb12 - fig. 4-7.

Magnesy trwałe Mf1, Mf12 i Mb1, ..., Mb12 mocuje się do pierścienia P1 za pomocą np. klejów epoksydowych - fig. 4-7.

Pierścień P1 osadzony na wale O1 jest wykonany z ferromagnetyka miękkiego i zwiększa swoją średnicę zewnętrzną w obszarze stojana St4 bądź osadza się na nim za pomocą połączeń wpustowych pierścień P2 lub mocuje mechanicznie np. za pomocą żywic epoksydowych magnesy trwałe będące wycinkami promieniowymi o kształcie pierścienia P2.

Na rysunku fig. 7 przedstawiono schemat elektryczny silnika, na którym są połączone szeregowo elementy Cut1, ..., Cu72 z elementami Culn1, ..., Culn72, które łączy się z regulatorem przepływającego prądu w obwodzie Re, przełącznikiem i źródłem zasilania prądu stałego Src.

Regulator przepływającego prądu Re może być regulatorem impulsowym, co wyeliminuje straty związane ze spadkiem napięcia na tym elemencie. Regulator może być zbudowany przy wykorzystaniu triaków bądź tranzystorów MOSFET, co jest powszechnie znanym rozwiązaniem. W szczególnych przypadkach można całkowicie zrezygnować z zastosowania regulatora prądu Re.

Regulator Re jest połączony z czujnikiem prędkości obrotowej silnika Cz i umożliwia płynną regulację prędkości obrotowej silnika.

W bezkomutatorowym silniku prądu stałego BLDCT tworzą się zamknięte obwody magnetyczne zbudowane ze stojana St4 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, prętów FeP1, ..., FeP18 wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, elementów korpusu stojana St2 i St6 wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, szczelin powietrznych pomiędzy odpowiednio elementem St2 a warstwą magnesów stałych Mf1, ..., Mf12 oraz elementem St6 a warstwą magnesów stałych Mb1, ..., Mb12, warstw magnesów stałych Mf1, ..., Mf12 i Mb1, ..., Mb12 namagnesowanych promieniowo, pierścienia P1 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, pierścienia P2 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego bądź magnesów trwałych, szczeliny powietrznej pomiędzy pierścieniem P2 a stojanem St4.

PL 233 249 B1

Obwód magnetyczny silnika, w którym znajdują się magnesy trwałe, wymusza przepływ strumienia pola magnetycznego zorientowanego promieniowo przez element stojana St4, w którego żłobkach umieszczone są przewody miedziane w izolacji elektrycznej Culnl, ..., Culn72 przez które płynie prąd stały w kierunku osiowym. W wyniku przepływu prądu przez uzwojenia stojana Culn1, ..., Culn72 znajdujące się w polu magnetycznym działa na nie siła Lorentza. Momenty sił działające na poszczególne uzwojenia Culn1, ..., Culn72 mają tę samą wartość i są tego samego znaku.

Bezpośrednio z zastosowania trzeciej zasady dynamiki wynika, że na wirnik działa moment siły o tej samej wartości lecz przeciwnie skierowany.

Zasilanie uzwojeń Culn1, ..., Culn72 jest pokazane na rysunku fig. 7. Przedstawione połączenie szeregowe uzwojeń Culn1, ..., Culn72 wymaga wyprowadzenia ich końcówek poza korpus silnika i doprowadzenie ich do przeciwnych końcówek Culn1, ..., Culn72, dlatego w celu minimalizacji strat stosuje się uzwojenia Cu1, ..., Cu72 nawinięte na prętach FeP1, ..., FeP18 w ten sposób aby wzmocnić przepływający strumień pola magnetycznego w przedstawionych powyżej obwodach magnetycznych mamy możliwość nawinięcia zgodnie ze wskazówkami ruch zegara bądź przeciwnie, dlatego zawsze możemy doprowadzić do sytuacji, w której wzmacniamy przepływający strumień pola magnetycznego - dodatkowe siły magnetomotoryczne w obwodach magnetycznych.

Dzięki zastosowaniu szeregowego łączenia uzwojeń Culn1, ..., Culn72 z uzwojeniami Cu1, Cu72 można płynnie regulować napięcie i prąd znamionowy nowego typu silników elektrycznych typu poprzez zwiększenie liczby uzwojeń - w tym przypadku do 18*n gdzie n - {5,6,7,...}.

Konstrukcja silnika umożliwia zwiększenie liczby uzwojeń Culn1, ..., Culn72 i uzwojeń Cu1, Cu72 nie zmieniając przy tym gabarytów silnika zmiana przekrojów poprzecznych, co pozwala na konstrukcję silnika o zadanym napięciu i prądzie znamionowym.

Bezkomutatorowy silnik elektryczny znajdzie zastosowanie w konstrukcjach mobilnych zasilanych bateriami akumulatorów bądź ogniwami paliwowymi jak również w kolejnictwie jako silnik trakcyjny. Silnik jest również wskazany do zastosowań w przemyśle obronnym RP z uwagi na jego odporność na silne impulsy elektromagnetyczne brak falownika, cenę, bezawaryjność i większą gęstość mocy od obecnie znanych rozwiązań.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zbudowany z wału (O1) mocowanego za pomocą łożysk (R1) i (R2) do elementów stojana (St1) i (St7), które mocowane są do korpusu stojana (St2), (St6) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego połączeniem mechanicznym, na którym to wale (O1) osadzono pierścień (P1) wykonany z ferromagnetyka miękkiego, do którego są przymocowane serie magnesów trwałych (Mf1), (Mf12) i (Mb1), (Mb12) namagnesowanych promieniowo oraz pierścień (P2) wykonany z ferromagnetyka miękkiego, natomiast korpus stojana (St2) jest połączony mechanicznie z pierścieniem (St3) wykonanym z materiałów nieferromagnetycznych posiadającym otwory w ścianach bocznych, a korpus stojana (St6) jest połączony mechanicznie z pierścieniem (St5) wykonanym z materiałów nieferromagnetycznych posiadającym otwory w ścianach bocznych, do których to pierścieni (St3) i (St5) mocuje się mechanicznie korpus stojana (St4), który jest połączony mechanicznie bez szczeliny powietrznej z elementami stojana (St2) i (St6) naprzemiennie za pośrednictwem prętów (FeP1), ..., (FeP18), które wykonane są z materiałów ferromagnetycznie miękkich, na których nawinięto uzwojenia (Cu1), (Cu72) przewodem miedzianym w izolacji, znamienny tym, że korpus stojana (St4) wykonany jest z materiałów ferromagnetycznie miękkich, w którego żłobkach są umieszczone przewody miedziane w izolacji elektrycznej (Culn1), ..., (Culn72).
2. 2. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. nr 1, znamienny tym, że przewody miedziane (Culn1), ..., (Culn72) łączone są szeregowo z uzwojeniami (Cu1), ..., (Cu71).
3. 3. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. nr 1, znamienny tym, że pierścień (P2) jest zbudowany z magnesów trwałych namagnesowanych promieniowo o zwrocie wektora magnetyzacji przeciwnym do zwrotu magnesów trwałych (Mf1), ., (Mf12) i (Mb1), (Mb12).
4. 4. Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego według zastrz. nr 1, znamienny tym, że pierścień (P2) jest jednolitą częścią pierścienia (P1).