SI23464A - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Preprost, lahek in dimenzijsko neobsežen elektromotor v brezkrtačni izvedbi in z možnostjo elektronske komutacije, ki ga bo možno pognati ne glede na vsakokraten položaj rotorja in pri katerem bo po izbiri možno izvesti elektronsko stopnjevanje moči in/ali brezstopenjsko regulacijo števila vrtljajev, sestoji iz ohišja (10) iz nemagnetnega materiala, v katerem je uležajena gred (20), s katero je z možnostjo prenosa vrtilnega momenta povezan sklop (2) navitja, obsegajoč vodnike (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27,28), ki so prirejeni za sodelovanje z na ohišju (10) pričvrščenim in s slednjim togo povezanim magnetnim sklopom, (1), sestoječim iz vnaprej določenega števila magnetov (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), ki so pritrjeni na vsaj dveh v aksialni smeri gredi (20) med seboj enakomerno razmaknjenih in na ohišje (10) pritrjenih ploščah (101, 102, 103), v vsakokrat razpoložljivi vrzeli med vsakokrat sosednjima ploščama (101, 102, 103) pa je razporejena vsakokrat po ena plošča (201, 202), ki sestoji iz vsaj dvehplasti (2011, 2012; 2021, 2022) tiskanega vezja, vsakokratna plast (2011, 2012; 2021, 2022) pa sestoji iz električno neprevodnega materiala, na katerega proti magnetom (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) obrnjeni površini so nanešeni pentljasto zasnovani električni vodniki (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) v obliki površinskega sloja iz električno prevodnega materiala.

Description

Elektromotor

Izum v okviru elektrotehnike spada k električnim motorjem, ki so značilni po izvedbi navitij, namreč motorjev s tiskanimi navitji.

Pri tem je izum osnovan na problemu, kako zasnovati preprost, lahek in dimenzijsko neobsežen elektromotor, npr. v brezkrtačni izvedbi in z možnostjo elektronske komutacije, ki ga bo možno pognati ne glede na vsakokraten položaj rotorja in pri katerem bo po izbiri možno izvesti elektronsko stopnjevanje moči in/ali brezstopenjsko regulacijo števila vrtljajev

Z razvojem električnih vozil se kaže potreba po izpopolnitvi obstoječih elektromotorjev. Vgradnja elektromotorja v vozilo pomeni prilagoditev zasnove in režima obratovanja elektromotorja določenim zahtevam, ki so drugačne od tistih v zvezi npr. s pogonom drugih strojev in naprav s pomočjo elektromotorja. Pri vozilih je namreč zelo ugodno, če je elektromotor vgrajen v območju samega kolesa, zato je zaželeno, če je elektromotor dimenzijsko neobsežen in lahek, tako da so potem inercijske sile manjše in je tveganje poškodb motorja in/ali vozila zaradi potencialnih sunkov in udarcev med vožnjo temu ustrezno manjše. Razen tega je med uporabo elektromotorja v vozilu prisoten problem zagona

elektromotorja pri speljevanju, saj se po zaustavitvi vozila rotorska oz. statorska navitja razporejena v načeloma vsakokrat drugem in povsem naključno izbranem položaju glede na pripadajoče pole magnetov, s katerimi sodelujejo. V primerih, kadar sta navitje in magnet preveč oddaljena drug od drugega, namreč elektromotorja ni mogoče pognati in vozilo ne more speljati z mesta.

Podobne potrebe obstojijo tudi pri drugih električnih napravah, npr. pri pralnih strojih, električnih kosilnicah in podobnih, kjer je zaželen motor izrazito sploščene diskaste oblike v brezkrtačni izvedbi in z možnostjo elektronske komutacije.

Elektromotor s tiskanimi navitji, namreč z navitji iz tiskanega vezja, je opisan v JP 2008-180400 oz. US 2010/0007230 Al. Tovrsten motor obsega kot krožnik zasnovano ohišje, v katerem je uležajena gred z rotorjem. Na notranji površini ohišja je predviden cilindričen, z gredjo soosen odsek, po obodu katerega so na enakomernih medsebojnih razmikih razporejeni magneti. Na gredi je nameščen rotor, ki spet obsega z gredjo soosno cilindrično obodno površino, na kateri so na enakomernih medsebojnih razmikih razporejena električna navitja v obliki plošč tiskanega vezja.

Kadar so navitja priključena na izvor električne energije, vsako izmed vezij predstavlja elektromagnet, ki je prirejen za sodelovanje z magnetom na omenjeni površini ohišja, s čimer se ustvari vrtilni moment, ki je potreben za vrtenje gredi. Navzlic razmeroma majhni dimenziji omenjenih površin z magneti oz. tiskanimi vezji v aksialni smeri je širina ohišja še vedno razmeroma obsežna in glede na potrebno moč motorja praktično na meji tiste, ki še dopušča vgradnjo elektromotorja v območje kolesa.

Kadar je tovrsten elektromotor vgrajen v kolesu vozila, se po prekinitvi oskrbe z električno energijo vsako izmed omenjenih tiskanih vezij glede na položaj magnetov in v odvisnosti od položaja zaustavitve kolesa znajde v naključnem položaju, ki je od vsakokrat najbližjega magneta bolj ali manj oddaljen. Kadar položaja tiskanega vezja in vsakokrat pripadajočega magneta ne sovpadata zadosti natančno, ob vklopu elektromotorja slednjega ni mogoče učinkovito zagnati. Ta problem je sicer možno ublažiti s povečanjem števila tiskanih vezij in pripadajočih magnetov, kar po eni strani znatno zaplete samo izdelavo motorja, po drugi strani pa znatno poveča tveganje napak in okvar. Vendar celo navzlic znatnemu povečanju števila magnetov in vezij problema načeloma ni možno popolnoma odpraviti. Razen tega so motorji te vrste povezani s problemi zapletene regulacije števila vrtljajev, navora in moči, pogosto pa tudi zadovoljivega hlajenja, še zlasti, kadar gre za večje moči.

Pričujoči izum se nanaša na elektromotor, kakršen sestoji iz ohišja iz nemagnetnega materiala, v katerem je uležajena gred, s katero je z možnostjo prenosa vrtilnega momenta povezan sklop navitja, obsegajoč vodnike, ki so prirejeni za sodelovanje z na ohišju pričvrščenim in s slednjim togo povezanim pričvrščenim magnetnim sklopom, sestoječim iz magnetov.

Po izumu je predvideno, da magnetni sklop sestoji iz vnaprej določenega števila permanentnih magnetov, ki so pritrjeni na vsaj dveh v aksialni smeri gredi med seboj enakomerno razmaknjenih in na ohišje pritrjenih ploščah v obliki kolutov, po izbiri obročev, pri čemer so na vsaki od omenjenih plošč magneti razporejeni v radialni smeri plošče potekajoče in na enakomernih medsebojnih razmikih v obodni smeri, in da je v vsakokrat razpoložljivi vrzeli med vsakokrat sosednjima ploščama z magneti razporejena vsakokrat po ena plošča iz večplastnega tiskanega vezja, ki pripada omenjenemu sklopu vezja in kije z možnostjo prenosa vrtilnega momenta pritrjena na gredi ter prirejena za sodelovanje z magneti na vsakokrat sosednji magnetni plošči, pri čemer vsakokratna plošča sestoji iz vsaj dveh plasti tiskanega vezja, vsakokratna plast pa sestoji iz električno neprevodnega materiala, na katerega proti magnetom obrnjeni površini so nanešeni pentljasto zasnovani električni vodniki v obliki površinskega sloja iz električno prevodnega materiala, od katerih vsak obsega vsaj en radialno glede na ploščo potekajoč krak, ki je prirejen za sodelovanje z vsakokratnim magnetom na vsakokrat sosednji magnetni plošči, in pri čemer so vodniki med seboj električno povezani preko ustreznih sponk, ki potekajo skozi vsakokratno ploščo.

Pri prednostni izvedbi elektromotorja po izumu sakokraten vodnik, ki je na voljo v obliki površinskega sloja iz električno prevodnega materiala in obsega vsaj en radialno glede na ploščo potekajoč krak, ki je prirejen za sodelovanje z vsakokratnim magnetom, poleg omenjenega radialno glede na ploščo potekajočega kraka obsega tudi v cirkulami smeri potekajoč krak.

Nadalje je na vsaj eni plošči sklopa navitja v območju med vodniki prednostno vgrajen Hall senzor, namreč senzor za zaznavanje magnetnega polja. Še nadalje je po izumu prednostno, če je gred zasnovana kot votla gred. V tem primeru se napajanje vodnikov z električno energijo vrši preko dovodnih vodov, ki potekajo skozi gred, razen tega pa je tudi omenjeni senzor lahko ožičen skozi omenjeno gred. Nadalje so magneti prednostno kar permanentni magneti.

Pri najbolj prednostni izvedbi motorja po izumu so v ohišju na voljo tri med seboj enakomerno razmaknjene plošče, od katerih je vsaka plošča na proti preostalima ploščama obrnjenih površinah opremljena z magneti, v vrzelih med omenjenimi ploščami pa sta vstavljeni dve plošči sklopa z navitji, od katerih vsaka sestoji iz vsaj dveh plasti plast v obliki tiskanega vezja z vodniki, katerih za sodelovanje z magneti prirejeni radialni kraki v vsakokratni plasti so v obodni smeri plošče zamaknjeni glede na radialne krake v vsakokrat sosednji plasti. Zamik med radialnimi kraki vodnikov v vsakokrat razpoložljivih plasteh je tolikšen, da so radialni kraki vseh plasti razporejeni na enakomernem medsebojnem razmiku v obodni smeri vsakokratne, iz omenjenih plasti sestavljene plošče.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje obrazložen na osnovi primera izvedbe, ki je prikazan na priloženi skici, kjer

Sl. 1 kaže shematično ponazorjen elektromotor v prerezu v diametralni ravnini;

Sl. 2 kaže shematično ponazorjeno ohišje vključno z razporeditvijo magnetov;

Sl. 3 kaže izvedbo kot večplastno tiskano vezje zasnovanega rotorja z navitji, na Sl. 4a do 4b pa je shematično ponazorjen kotni zamik posameznih plasti z navitji.

Kot je razvidno na Sl. 1, elektromotor po izumu sestoji iz izrazito sploščenega cilindričnega ohišja 10, v katerem je po eni strani vgrajen magnetni sklop 1 in po drugi strani uležajena gred 20, na kateri je z možnostjo prenašanja vrtilnega momenta pričvrščen sklop 2 navitja, sestoj eč iz dvo- ali večplastnega tiskanega vezja.

V kontekstu oblike omenjenega ohišja 1 izraz »sploščeno« pomeni tako ohišje 1, pri katerem je širina oz. debelina znatno manjša od premera.

Upoštevajoč nadalje temeljni koncept elektromotorja, pri katerem sta na voljo ustrezen stator in glede na slednjega okoli njune skupne geometrijske osi vrtljiv rotor, pri motorju po izumu ohišje 10 s pripadajočim magnetnim sklopom 1 lahko predstavlja rotor, na gredi 20 nameščen sklop 2 vezja pa stator, ali obratno, da ohišje 10 s pripadajočim magnetnim sklopom 1 predstavlja stator, sklop 2 tiskanega vezja pa rotor.

Pri prednostni izvedbi po Sl. 1 na gredi 20 nameščen sklop 2 večplastnega tiskanega vezja predstavlja stator, ohišje 10 s pripadajočim magnetnim sklopom 1 pa predstavlja rotor elektromotorja. Tak elektromotor je vgradljiv neposredno v kolo vozila ali v električno kosilnico ali v pralni stroj ali po izbiri tudi v druge električne stroje in naprave.

V prikazanem primeru izvedbe ohišje 10 sestoji iz aluminija ali drugega nemagnetnega materiala. Magnetni sklop 1 sestoji iz vnaprej določenega števila v tem primeru kar permanentnih magnetov 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ki so nalepljeni ali drugače pritrjeni na ustreznih v aksialni smeri gredi 20 med seboj enakomerno razmaknjenih in na ohišje 10 pritrjenih ploščah 101, 102, 103 v obliki kolutov, po izbiri obročev, pri čemer so na vsaki od omenjenih plošč 101, 102, 103 magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 razporejeni v radialni smeri plošče 101, 102, 103 potekajoče in na enakomernih medsebojnih razmikih v obodni smeri plošče 101, 102, 103.

V prikazanem primeru so predvidene tri plošče 101, 102, 103 z magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, med katerimi sta na voljo dve vrzeli. Načeloma je možno predvideti motor z zgolj dvema ploščama 101, 102 in vrzeljo med njima, ali pa motor z več kot tremi ploščami 101, 102, 103 in ustreznim številom vrzeli med • · vsakokrat razpoložljivimi ploščami 101, 102, 103. Pri tem sta obe skrajni plošči

101, 103, ki se nahajata neposredno ob ohišju 10, smiselno z magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 opremljeni le na eni svoji površini, in sicer na tisti, kije obrnjena proti vsakokrat preostali skrajni plošči 101, 103. Vsakokrat preostale, med skrajnima ploščama 101, 103 nahajajoče se plošče 102, kadar so na voljo, so z magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 opremljene na obeh svojih površinah.

Od vsakokrat razpoložljivega števila magnetov 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 je odvisna hitrost vrtenja rotorja, medtem ko je navor odvisen od polmera, na katerem so ti razporejeni glede na geometrijsko os 200 gredi 20.

V vrzeli med vsakokrat sosednjima ploščama 101, 102, 103 z magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 je razporejena vsakokrat po ena plošča 201, 202 iz večplastnega tiskanega vezja, ki pripada omenjenemu sklopu 2 vezja in ki je z možnostjo prenosa vrtilnega momenta pritrjena na gredi 20 ter prirejena za sodelovanje z magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 na vsakokrat sosednji magnetni plošči 101,

102, 103. Omenjen sklop 2 vezja namreč vrši enako funkcijo, kot jo pri klasičnem elektromotorju vrši električno navitje.

Vsakokratna plošča 201, 202 sestoji iz vsaj dveh plasti 2011, 2012; 2021, 2022 tiskanega vezja. Vsakokratna plast 2011, 2012; 2021, 2022 sestoji iz električno neprevodnega materiala, na katerega proti magnetom 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 obrnjeni površini so nanešeni pentljasto zasnovani električni vodniki 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, v obliki površinskega sloja iz bakra, aluminija ali drugega električno prevodnega materiala, od katerih vsak obsega vsaj en radialno glede na ploščo 201, 202 potekajoč krak 22', 23', 24', 25', 26', 27', 28', ki je prirejen za sodelovanje z vsakokratnim magnetom 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 na vsakokrat sosednji magnetni plošči 101, 102, 103, razen tega pa tudi cirkulami krak 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28. Razporeditev omenjenih vodnikov 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 je ponazorjena na Sl. 3 ter 4a - 4c. Vodniki 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 so med seboj električno povezani preko ustreznih sponk 29, ki potekajo skozi vsakokratno ploščo 201, 202 in preko ustreznih napajalnih vodov z električno energijo napajani skozi gred 20, kije v ta namen zasnovana kot votla gred.

Po izumu je nadalje predvideno, da so plasti 2011, 2012, 2021, 2022 v vsakokratni plošči 201, 202 med seboj zamaknjene v obodni smeri plošče 201, 202 (Sl. 4a 4b), tako da se radialni kraki 22', 23', 24', 25', 26', 27', 28' vodnikov 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 na posameznih plasteh 2011, 2012, 2021, 2022 ne prekrivajo, ampak so med seboj v obodni smeri enakomerno zamaknjeni.

Se nadalje je po izumu predvideno, da je v območju navitja, namreč v območju vodnikov 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 vgrajen takoimenovan Hall senzor 3, kije prav tako ožičen skozi gred 20 in s pomočjo katerega se ugotavlja položaj vodnikov 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, na osnovi česar se potem vsakokrat elektronsko določi polariteto generirane napetosti. Število vrtljajev motorja je možno regulirati zvezno v celotnem območju med 0 in 100%.

Po izumu je torej predviden elektromotor s trajnimi magneti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 v ohišju 1, ki prednostno predstavlja rotor, medtem ko sklop 2 večplastnega navitja 2 predstavlja stator. Položaj magnetov 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 je možno nadzirati s senzorjem 3. Tak motor je brezkrtačni motor, pri katerem je omogočena elektronska komutacija, obenem pa je nadzorovan tudi tok skozi motor. Motorje zahvaljujoč zasnovi ohišja 10 in sklopa 2 navitij izrazito sploščen in temu ustrezno izjemno primeren za uporabo v vozilih in marsikateri drugi • · električni napravi. Kadar je tak motor vgrajen v vozilo kot centralni motor, v splošnem odpade potreba po vgradnji diferenciala z zaporo, možno pa je tudi elektronsko spreminjanje prestavnega razmerja. Hlajenje vodnikov 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 je izjemno intenzivno, kar po drugi strani pomeni, da je možno napajanje motorja z ustrezno višjim tokom. Moč elektromotorja motorja je mogoče povečati s povečanjem števila plošč 201, 202 oziroma jo temu ustrezno regulirati z napajanjem vsakokrat določenega števila plošč 201, 202.

Claims (9)

1. Elektromotor, sestoječ iz ohišja (10) iz nemagnetnega materiala, v katerem je uležajena gred (20), s katero je z možnostjo prenosa vrtilnega momenta povezan sklop (2) navitja, obsegajoč vodnike (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), ki so prirejeni za sodelovanje z na ohišju (10) pričvrščenim in s slednjim togo povezanim magnetnim sklopom, (1), sestoječim iz magnetov (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), označen s tem, da magnetni sklop (1) sestoji iz vnaprej določenega števila magnetov (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), ki so pritrjeni na vsaj dveh v aksialni smeri gredi (20) med seboj enakomerno razmaknjenih in na ohišje (10) pritrjenih ploščah (101, 102, 103) v obliki kolutov, po izbiri obročev, pri čemer so na vsaki od omenjenih plošč (101, 102, 103) magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) razporejeni v radialni smeri plošče (101, 102, 103) potekajoče in na enakomernih medsebojnih razmikih v obodni smeri plošče (101, 102, 103), in daje v vsakokrat razpoložljivi vrzeli med vsakokrat sosednjima ploščama (101, 102, 103) z magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) razporejena vsakokrat po ena plošča (201, 202) iz večplastnega tiskanega vezja, ki pripada omenjenemu sklopu (2) vezja in ki je z možnostjo prenosa vrtilnega momenta pritrjena na gredi (20) ter prirejena za sodelovanje z magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) na vsakokrat sosednji magnetni plošči (101, 102, 103), pri čemer vsakokratna plošča (201, 202) sestoji iz vsaj dveh plasti (2011, 2012; 2021, 2022) tiskanega vezja, vsakokratna plast (2011, 2012; 2021, 2022) pa sestoji iz električno neprevodnega materiala, na katerega proti magnetom (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) obrnjeni površini so naneseni pentljasto zasnovani električni vodniki (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) v obliki površinskega sloja iz električno prevodnega materiala, od katerih vsak obsega vsaj en radialno glede na ploščo (201, 202) potekajoč krak (22’, 23', 24',

25', 26', 27', 28'), kije prirejen za sodelovanje z vsakokratnim magnetom (11, 12,

13, 14, 15, 16, 17, 18) na vsakokrat sosednji magnetni plošči (101, 102, 103), in pri čemer so vodniki (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) med seboj električno povezani preko ustreznih sponk (29), ki potekajo skozi vsakokratno ploščo (201, 202).

2. Elektromotor po zahtevku 1, označen s tem, da vsakokraten vodnik (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), ki je na voljo v obliki površinskega sloja iz električno prevodnega materiala in obsega vsaj en radialno glede na ploščo (201, 202) potekajoč krak (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28'), ki je prirejen za sodelovanje z vsakokratnim magnetom (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), poleg omenjenega radialno glede na ploščo (201, 202) potekajočega kraka (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') obsega tudi v cirkulami smeri potekajoč krak (22, 23, 24, 25, 26, 27, 28).

3. Elektromotor po zahtevku 1 ali 2, označen s tem, daje na vsaj eni plošči (201, 202) sklopa (2) navitja v območju med vodniki (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) vgrajen Hall senzor (3), namreč senzor (3)za zaznavanje magnetnega polja.

4. Elektromotor po enem od predhodnih zahtevkov, označen s tem, daje gred (20) zasnovana kot votla gred.

5. Elektromotor po zahtevku 4, označen s tem, da se napajanje vodnikov (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) z električno energijo vrši preko dovodnih vodov, ki potekajo skozi gred (20).

6. Elektromotor po zahtevkih 3 in 4, označen s tem, da je senzor (3) ožičen skozi gred (20).

7. Elektromotor po enem od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da so magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), permanentni magneti.

8. Elektromotor po enem od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da so v ohišju (10) na voljo tri med seboj enakomerno razmaknjene plošče (101, 102, 103), od katerih je vsaka plošča (101, 102, 103) na proti preostalima ploščama (101, 102, 103) obrnjenih površinah opremljena z magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), v vrzelih med omenjenimi ploščami (101, 102, 103) pa sta vstavljeni dve plošči (201, 202) sklopa (2) z navitji, od katerih vsaka sestoji iz vsaj dveh plasti plast (2011, 2012; 2021, 2022) v obliki tiskanega vezja z vodniki (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), katerih za sodelovanje z magneti (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) prirejeni radialni kraki (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') v vsakokratni plasti (2011, 2012; 2021, 2022) so v obodni smeri plošče (201, 202) zamaknjeni glede na radialne krake (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') v vsakokrat sosednji plasti (2011, 2012; 2021, 2022).

9. Elektromotor po zahtevku 8, označen s tem, da je zamik med radialnimi kraki (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') vodnikov (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) v vsakokrat v razpoložljivih plasteh (2011, 2012; 2021, 2022) tolikšen, da so radialni kraki (22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') vseh plasti (2011, 2012; 2021, 2022) razporejeni na enakomernem medsebojnem razmiku (β) v obodni smeri vsakokratne, iz plasti (2011, 2012; 2021, 2022) sestavljene plošče (201, 202).