PL233853B1

PL233853B1 - Silnik prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana

Info

Publication number: PL233853B1
Application number: PL420218A
Authority: PL
Inventors: Natalia Julia Sobolewska; Joanna Paulina Sobolewska; Marek Juliusz Sobolewski; Michał Amadeusz Sobolewski; Dariusz Stanisław Sobolewski
Original assignee: Joanna Paulina Sobolewska; Natalia Julia Sobolewska; Sobolewski Dariusz Stanislaw; Dariusz Stanisław Sobolewski; Marek Juliusz Sobolewski; Sobolewski Michal Amadeusz; Michał Amadeusz Sobolewski
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2019-12-31
Also published as: PL420218A1

Abstract

Silnik elektryczny prądu stałego BLDC Ferrum zbudowany z wału (O1), mocowanego za pomocą łożysk (R1, R2) do elementów stojana (St1, St3), które mocowane są do korpusu stojana (St2), wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, polega na tym, że do pierścienia (P3), wykonanego z ferromagnetyka miękkiego a osadzonego na wale (O1), przymocowano magnesy trwałe (M1, ..., M12) namagnesowane promieniowo, przy czym zwroty namagnesowania dla sąsiadujących ze sobą magnesów są do siebie przeciwne, natomiast w korpusie stojana (St2), wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, osadzono za pośrednictwem elementów nieferromagnetycznych (P1), będących izolatorami elektrycznymi, pręty (Fe1, ...., Fe36) o dowolnym przekroju poprzecznym, wykonane z ferromagnetyka miękkiego, przewodzącego prąd elektryczny, do których końców podłączono zasilanie.

Description

Opis wynalazku

Obecny stan techniki, to zgłoszenie patentowe pt.: „Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego” zarejestrowane w Urzędzie Patentowym RP pod numerem P.419679 oraz zgłoszenie patentowe pt.: „Bezkomutatorowy silnik elektryczny prądu stałego BLCLDC” zarejestrowane w Urzędzie Patentowym RP pod numerem P.420144, którego autorami są autorzy niniejszego zgłoszenia patentowego.

Zgłoszenia patentowe P.419679, P.420144 ujawniają konstrukcję bezkomutatorowych silników elektrycznych prądu stałego charakteryzujących się tym, że elementy aktywne uzwojeń stojana wykonane są z ferromagnetyka miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej i małej rezystywności np. z żelaza.

Większa rezystywność ferromagnetyka miękkiego np. żelaza w porównaniu z rezystywnością miedzi elektrolitycznej wymaga stosowania sześciokrotnie większych przekrojów poprzecznych elementów aktywnych uzwojeń stojana. Jednakże zyski wynikające z ok. 4000 razy większej przenikalności magnetycznej takich elementów oraz możliwość ich chłodzenia cieczą gwarantują ich stosowanie również w silnikach, w których stosuje się komutatory.

Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z wału mocowanego za pomocą łożysk do elementów stojana, które mocowane są do korpusu stojana wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, a do pierścienia, wykonanego z ferromagnetyka miękkiego a osadzonego na wale, przymocowane są magnesy trwałe namagnesowane promieniowo przy czym zwroty namagnesowania dla sąsiadujących ze sobą magnesów są do siebie przeciwne, natomiast w korpusie stojana, wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, osadzone są, za pośrednictwem elementów nieferromagnetycznych będących izolatorami elektrycznymi, pręty o dowolnym przekroju poprzecznym wykonane z ferromagnetyka miękkiego przewodzącego prąd elektryczny, do których końców podłączono zasilanie.

Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według wynalazku, charakteryzuje się tym, że w korpusie stojana osadzone są odizolowane od niego elementy wykonane z materiałów nieferromagnetycznych, do których mocuje się elementy pierścieni wykonane z materiałów nieferromagnetycznych, w których to utworzonych w ten sposób prowadnicach osadzone są elementy wykonane z ferromagnetyka miękkiego przewodzącego prąd elektryczny o profilach dwóch wycinków pierścieni, zaokrąglonych na swoich ostrych krawędziach, połączonych ze sobą za pomocą wycinka tarczy uzyskanego cięciem wzdłuż jego promieni, do których to elementów na ich końcach osadzone są elementy wykonane z miedzi w ten sposób, że są one połączone elektrycznie.

Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według wynalazku, charakteryzuje się tym, że elementy uzwojenia połączone są w trzy niezależne obwody elektryczne podłączone do falownika połączonego z mikrokontrolerem, do którego podłączone są czujniki wykrywające położenie magnesów.

Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według wynalazku, charakteryzuje się tym, że elementy uzwojenia stojana oplecione są wężykiem, przez który przepływa ciecz chłodząca te elementy.

Rozwiązanie ma na celu zwiększenie sprawności bezszczotkowych silników prądu stałego BLDC poprzez zastosowanie elementów ferromagnetyka miękkiego Fe1, .....Fe36 mocowanych do korpusu stojana St2, które mają małą rezystywność (np. wykonane są z czystego żelaza). Zastosowanie tego typu elementów upraszcza konstrukcję silnika i umożliwia bezpośrednie chłodzenie cieczą elementów, przez które przepływa prąd elektryczny.

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

Fig. 1-3 Rzuty silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana,

Fig. 4 Rzut silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana z zaznaczonym przekrojem A-A przedstawionym na rysunku Fig. 5,

Fig. 5 Przekrój A-A silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana zaznaczony na rysunku Fig. 4,

Fig. 6 Rzut silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana z zaznaczonym przekrojem B-B przedstawionym na rysunku Fig. 7,

Fig. 7 Przekrój B-B silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana zaznaczony na rysunku Fig. 6,

Fig. 8-10 Rzuty korpusu stojana St2 wraz z elementami Fe1, ...., Fe36,

PL 233 853 B1

Fig. 11 Rzut korpusu stojana St2 z zaznaczonym przekrojem A-A przedstawionym na rysunku Fig. 12,

Fig. 12 Przekrój A-A korpusu stojana St2 przedstawiony na rysunku Fig. 11,

Fig. 13 Rzut korpusu stojana St2 z zaznaczonym przekrojem B-B przedstawionym na rysunku Fig. 14,

Fig. 14 Przekrój B-B korpusu stojana St2 przedstawiony na rysunku Fig. 13,

Fig. 15-17 Rzuty korpusu stojana St2 wraz z wszystkimi elementami konstrukcyjnymi mocowanymi do korpusu a wykonanymi z materiałów nieferromagnetycznych wraz z wężykiem chłodzącym,

Fig. 18-19 Rzut elementów silnika wykonanych z ferromagnetyka miękkiego z magnesami trwałymi, Fig. 20 Schemat zasilania silnika.

Na rysunkach fig. 1-3 przedstawiono rzuty bezszczotkowego silnika prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana, na którym uwidoczniono korpus stojana St2 wykonany z ferromagnetyka miękkiego na przykład ze sprasowanych blach elektrotechnicznych odizolowanych od siebie elektrycznie.

Wał silnika O1 jest mocowany do podstaw silnika St1 i St3 wykonanych z dowolnych materiałów spełniających wymagania wytrzymałościowe np. ze stali nierdzewnej za pomocą łożysk R1 i R2

- fig. 1-3 i fig. 4-7.

Podstawy silnika St1 i St3 mocowane są do korpusu St2 za pomocą np. śrub - fig. 1-3.

Korpus stojana St2 wykonany z ferromagnetyka miękkiego np. ze sprasowanych i odizolowanych od siebie elektrycznie blach elektrotechnicznych zawiera charakterystyczne ząbki widoczne na rysunku fig. 1-3 i fig. 11-14, w których znajdują się żłobki o przekroju trapezowym umożliwiające mocowanie wpustowe elementów Sl1, ..., Sl36.

Elementy Sl1, ..., Sl36 wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, które mocowane są do korpusu stojana St2 za pomocą połączeń wpustowych - fig. 1-3 i fig. 15-17.

Do elementów Sl1, ..., Sl36 mocowane są elementy pierścieni P1 i P2 za pomocą połączeń wielowpustowych nieuwidocznionych na rysunkach, które są wykonane z materiałów nieferromagnetycznych będących jednocześnie dobrymi izolatorami elektrycznymi np. z tworzywa sztucznego - fig. 1-3 i fig. 15-17.

W prowadnicach utworzonych przez elementy pierścieni P1 i P2 osadza się elementy Fe1, Fe36 wykonane z ferromagnetyka miękkiego o malej rezystywności np. z żelaza - fig. 1-3.

Elementy Fe1, Fe36 zakończone są profilami miedzianymi Cub1, Cut1, ... Cub36, Cut36 połączonymi z nimi trwale mechanicznie i elektrycznie, co uwidoczniono na rysunkach fig. 4-7.

Do łączenia elementów Fe1, ..., Fe36 z elementami Cub1, Cut1, ... Cub36 można stosować połączenia wpustowe, spawanie, zgrzewanie lub ściskanie tych elementów ze sobą za pomocą śrub

- łączenie na zakładkę.

Elementy Cub1, Cut1, ... Cub36, Cut36 zakończone są końcówkami miedzianymi (nie pokazano tego na rysunkach) umożliwiającymi ich łączenie za pomocą przewodów miedzianych w izolacji o mniejszym przekroju poprzecznym (jest możliwość sześciokrotnego zmniejszenia przekroju) według schematu pokazanego na rysunku fig. 20.

Na rysunkach fig. 8-10 przedstawiono rzuty korpusu stojana St2 wraz z elementami Fe1, ..., Fe36 ujawniając w ten sposób ich wzajemne położenie.

Na rysunkach fig. 11-14 przedstawiono wybrane rzuty korpusu stojana St2 wraz z elementami Fe1, ..., Fe36, które ujawniają długość ząbków korpusu stojana oraz długość połączeń wpustowych mocujących elementy Sl1, ..., Sl36.

Na rysunkach fig. 15-17 przedstawiono rzuty korpusu stojana St2 wraz z elementami mocującymi pierścieni P1 i P2 oraz elementami Sl1, ..., Sl36. Wszystkie elementy przedstawione na rysunkach fig. 15-17 oprócz korpusu stojana St2 wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, które są ze sobą trwale połączone za pomocą połączeń wpustowych tworząc w ten sposób prowadnice dla elementów aktywnych uzwojeń stojana Fe1, ..., Fe36.

Na rysunkach fig. 18-19 przedstawiono rzuty elementów obwodów magnetycznych silnika. Jak widać obwody magnetyczne silnika są zbudowane z elementów ferromagnetyka miękkiego Fe1, ..., Fe36, St2, P3, magnesów trwałych M1, ..., M12 o promieniowym kierunku namagnesowania, szczeliny powietrznej pomiędzy magnesami trwałymi a elementami Fe1, ..., Fe36 oraz szczeliny wypełnionej materiałem nieferromagnetycznym, z którego zbudowane są elementy pierścienia P1 - np. tworzywo sztuczne.

PL 233 853 B1

Na rysunku fig. 18-19 pokazano również zwroty kierunków namagnesowania poszczególnych magnesów M1, ..., M12 osadzonych na pierścieniu P3 wykonanym z ferromagnetyka miękkiego np. ze sprasowanych blach elektrotechnicznych odizolowanych od siebie elektrycznie - pierścień P3 osadzony jest na wale silnika O1 za pomocą połączenia wpustowego.

Na rysunku fig. 20 przedstawiono schemat połączeń elementów aktywnych uzwojenia stojana Fel, ...., Fe36 z falownikiem Fk zasilanym prądem stałym bądź zmiennym, który to falownik sterowany jest mikrokontrolerem Mk, do którego podłączone są czujniki Cz1, Cz2 położenia magnesów na wirniku silnika np. hallotrony.

Elementy aktywne uzwojeń stojana Fe1,.....Fe36 są łączone przewodem miedzianym w izolacji w obwody elektryczne za pośrednictwem miedzianych końcówek Cub1, Cut1, ..., Cub36, Cut36.

Silnik może być chłodzony cieczą. Wystarczy w tym celu opleść osiowo elementy Fe1, ..., Fe36 wężykiem W wykonanym z teflonu a końcówki wężyka wyprowadzić na zewnątrz i podłączyć do obiegu cieczy chłodzącej, której obieg wymuszany jest pompą cyrkulacyjną - fig. 1-3.

W silniku elektrycznym prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana tworzą się zamknięte obwody magnetyczne zbudowane z elementów ferromagnetycznych Fe1, ., Fe36 wykonanych z ferromagnetyka miękkiego, szczeliny magnetycznej elementów pierścienia P1, która w przypadku zastosowania tworzyw sztucznych jest równoważna zastosowaniu szczeliny powietrznej o tych samych wymiarach, korpusu stojana St2, szczeliny powietrznej pomiędzy magnesami trwałymi M1, ., M12, a elementami Fe1, ., Fe36 oraz pierścienia P3 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego.

Obwody magnetyczne silnika, w którym znajdują się magnesy trwałe, wymusza przepływ strumienia pola magnetycznego zorientowanego promieniowo przez elementy Fe1,.....Fe36, przez które płynie prąd stały w kierunku osiowym. W wyniku przepływu prądu przez elementy stojana Fe1, ., Fe36 znajdujące się w polu magnetycznym powstaje zależność energii potencjalnej silnika od kąta obrotu wirnika, co prowadzi do pojawienia się momentów sił działających na elementy Fe1,.....Fe36.

Momenty sił działające na poszczególne pręty Fe1,.....Fe36 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.

Magnesy M1, ..., M12 są mocowane na obwodzie pierścienia P3 naprzemiennie swoimi biegunami magnetycznymi, w wyniku czego tworzą się obwody magnetyczne pomiędzy sąsiadującymi ze sobą sekcjami (sekcję wyznacza rozmiar kątowy magnesu) zamykające się przez szczelinę powietrzną pomiędzy tymi magnesami a elementami Fe1, ..., Fe36 wykonanymi z ferromagnetyka miękkiego, szczeliny magnetycznej elementów pierścienia P1, która w przypadku zastosowania tworzyw sztucznych jest równoważna zastosowaniu szczeliny powietrznej o tych samych wymiarach, korpu su stojana St2 wykonanego z ferromagnetyka miękkiego.

Rozmieszczenie elementów uzwojeń stojana Fe1, ..., Fe36 względem magnesów trwałych M1, ..., M12 jest takie, że niezależnie od położenia wirnika względem stojana zawsze dwa elementy uzwojenia stojana mieszczą się w obszarze tej samej sekcji magnesów, które zwrócone są do nich tym samym biegunem magnetycznym.

Mikrokontroler Mk w oparciu o czujniki Cz1, Cz2 np. hallotrony zasila zawsze dwa uzwojenia poprzez falownik Fk w ten sposób, że momenty sił działające na elementy uzwojeń stojana sumują się.

Wstępne obliczenia dla silników tego typu wykazały, że silnik o wymiarach wirnika rzędu 30 mm daje moment siły rzędu 5 Nm przy zasilaniu prądem o wartości 100 A, co można przeliczyć na tradycyjny silnik z 20 zwojami uzwojeń o przekroju 1 mm², w których płynie prąd rzędu 5 A.

Wzrost masy silnika przy zastosowaniu większych przekrojów poprzecznych elementów Fe1, ...., Fe36 nie prowadzi do znaczącego zwiększenia masy silnika BLCLDC w porównaniu z obecnie istniejącymi konstrukcjami, ponieważ w tradycyjnych konstrukcjach masa stojana jest znacząco zwiększona koniecznością budowy żłobków.

Możliwość bezpośredniego chłodzenia cieczą elementów grzejnych silnika Fe1, ...., Fe36 umożliwia zwiększenie jego klasy sprawności do IE 5, co gwarantuje jego zastosowanie w przemyśle.

Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana znajdzie zastosowanie w konstrukcjach mobilnych zasilanych bateriami akumulatorów bądź ogniwami paliwowymi jak również w kolejnictwie jako silnik trakcyjny.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana zbudowany z wa- łu (O1) mocowanego za pomocą łożysk (R1) i (R2) do elementów stojana (St1) i (St3), które mocowane są do korpusu stojana (St2) wykonanego z ferromagnetyka miękkiego za pomocą śrub, znamienny tym, że do pierścienia (P3), wykonanego z ferromagnetyka miękkiego a osadzonego na wale (O1), przymocowane są magnesy trwałe (M1), (M12) namagnesowane promieniowo przy czym zwroty namagnesowania dla sąsiadujących ze sobą magnesów są do siebie przeciwne, natomiast w korpusie stojana (St2), wykonanego z ferromagnetyka miękkiego, osadzone są, za pośrednictwem elementów nieferromagnetycznych (P1) będących izolatorami elektrycznymi, pręty (Fel), ..... (Fe36) o dowolnym przekroju poprzecznym wykonane z ferromagnetyka miękkiego przewodzącego prąd elektryczny, do których końców podłączono zasilanie.
2. Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według zastrz.

nr 1, znamienny tym, że w korpusie stojana (St2) osadzone są odizolowane od niego elementy (Sl1), ., (Sl36) wykonane z materiałów nieferromagnetycznych, do których mocuje się elementy pierścieni (P1) i (P2) wykonane z materiałów nieferromagnetycznych, w których to utworzonych w ten sposób prowadnicach osadzone są elementy (Fe1), .., (Fe36) wykonane z ferromagnetyka miękkiego przewodzącego prąd elektryczny o profilach dwóch wycinków pierścieni, zaokrąglonych na swoich ostrych krawędziach, połączonych ze sobą za pomocą wycinka tarczy uzyskanego cięciem wzdłuż jego promieni, do których to elementów (Fe1),.....(Fe36) na ich końcach osadzone są elementy (Cut1), ..., (Cut36) oraz (Cub1), ., (Cub36) wykonane z miedzi w ten sposób, że są one połączone elektrycznie.
3. Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według zastrz. nr 1, znamienny tym, że elementy (Fe1), .., (Fe36) połączone są w trzy niezależne obwody elektryczne podłączone do falownika (Fk) połączonego z mikrokontrolerem (Mk), do którego podłączone są czujniki (Cz1) i (Cz2) wykrywające położenie magnesów (M1), ..., (M12).
4. Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według zastrz.

nr 2, znamienny tym, że elementy (Cut1), (Cut36) oraz (Cub1), ..., (Cub36) wykonane z miedzi połączone są w trzy niezależne obwody elektryczne podłączone do falownika (Fk) połączonego z mikrokontrolerem (Mk), do którego podłączone są czujniki (Cz1) i (Cz2) wykrywające położenie magnesów (M1), ., (M12).
5. Silnik elektryczny prądu stałego ze zmodyfikowanymi uzwojeniami stojana według zastrz. nr 1, znamienny tym, że elementy (Fe1), ..., (Fe36) oplecione są wężykiem (W) przez który przepływa ciecz chłodząca te elementy.