SI26077A - Rotor s trajnimi magneti kot del elektronsko komutiranega elektromotorja - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je rotor (1) s trajnimi magneti (3) kot del elektronsko komutiranega elektromotorja, ki vključuje rotorsko jedro (2) tvorjeno iz lamel (4), ki ima po obodu razporejene medsebojno enakomerno razmaknjene vzdolžne utore (21) tipa lastovičji rep, ločene s štrlinami (42), trajne magnete (3) vstavljene v vzdolžne utore (21) in plašč. Štrline (42) so izvedene v smeri radija navzven, pri čemer je vsaka štrlina (42) izvedena v obliki para pozicionirnih jezičkov (43, 44) ki sta med sabo ločena z režo (45), pri čemer imata pozicionirna jezička (43, 44) v prečnem prerezu svoji zunanji stranici (431,441) izvedeni pod kotom in sta stranski stranici (33) magneta (3) izvedeni pod kotom. Rotor je z vseh strani zalit s termoplastično maso, pri čemer reže (45) zalite s termoplastično maso delujejo kot učvrstitvena rebra, ki dodatno nosijo plašč rotorja (1), hkrati pa termoplastična masa v režah (45) dodatno fiksira pozicionirne jezičke (43, 44), s čimer se še dodatno učvrsti magnete (3) v utorih (21).

Description

Rotor s trajnimi magneti kot del elektronsko komutiranega elektromotorja

Predmet izuma je rotor s trajnimi magneti kot del elektronsko komutiranega elektromotorja, kot je na primer elektromotor vodne ali oljne črpalke, katerega rotor ima krožno na odmiku od svoje glavne osi razporejene trajne magnete, in je pozicioniran znotraj statorja istega elektromotorja.

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je namestitev in pritrditev trajnih magnetov na rotorju na način, ki bo zagotavljal neprekinjeno fiksno pritrditev magnetov na rotor neodvisno od hitrosti vrtenja rotorja, še zlasti pri visokem številu vrtljajev, pri čemer pa se dimenzije in masa rotorja ne bodo povečale glede na do sedaj znane rotorje pri določenem številu vrtljajev in bo rešitev tudi enostavna in ekonomična za proizvodnjo. Hkrati morajo biti magneti in rotorske lamele neprodušno izolirani od okolice in okoliškega medija.

Stanje tehnike

Pri elektromotorjih, ki za ustvarjanje navora uporabljajo na rotorju razporejene trajne magnete, obstaja problem namestitve zlasti pa pritrditve magnetov na jedro rotorja. Ta problem je še zlasti očiten pri rotorjih, ki obratujejo z višjimi hitrostmi, ali pa rotorji delujejo v tekočem mediju, pri čemer morajo biti magneti in jedro rotorja tesnjeni in ločeni od okolice oz. medija, v katerem delujejo. Najpogostejša rešitev je lepljenje magnetov na jedro rotorja in dodatno utrjevanje z različnimi objemnimi elementi kot so objemni obročki ali objemni plašč na obodu rotorja. Da se zagotovi konstanten krožni presek rotorja po celotni dolžini, je rotor skupaj z objemnimi elementi običajno obdan še z umetno maso ali drugim podobnim materialom. Zaradi dodatnih elementov na rotorju se reža med statorjem in rotorjem oz. magneti veča, s čimer se zmanjšuje magnetni pretok s tem pa tudi učinkovitost motorja. Objemni elementi morajo biti izdelani iz nemagnetnih materialov, kot je na primer nerjavno jeklo ali ojačitvena vlakna, da ne vplivajo na magnetni pretok med rotorjem in statorjem, hkrati pa morajo imeti zadostno trdnost, da zagotavljajo fiksno pritrditev. Da je reža med magneti rotorja in statorjem čim manjša, se uporabljajo rotorju soosni ločni magneti, ki pa izkazujejo velik samodržni vrtilni moment, ki ima za posledico neenakomerno delovanje motorja pri povišani stopnji hrupa.

Zaradi zgoraj navedenih vzrokov, torej učinkovitosti motorja in ekonomičnosti izdelave obstajajo rotorji, kjer magneti niso lepljeni na jedro rotorja. Magneti se vlagajo v za to prirejene utore v lamelah oz. jedru rotorja. Kovinske lamele, ki so v paketu nameščene na osi rotorja, imajo v radialni smeri navzven izvedene nizke štrline, ki omejujejo utore, v katere se vstavijo magneti. Ker so lamele kovinske, je zaželeno, da so štrline čim nižje, saj se s tem prepreči preveliko zmanjšanje magnetnega polja. Nizke štrline pozicionirajo magnete enakomerno porazdeljene po obodu jedra, po drugi strani pa ne preprečujejo odmik magnetov v radialni smeri pri visokih hitrostih vrtenja rotorja. Magnete na jedro rotorja pritrdi plastična masa - plašč iz termoplasta, ki je na rotor zabrizgana s tehnologijo 2-komponentnega brizganja, kar je omogočalo, da so rotorsko jedro in magneti tudi neprodušno ločeni od okoliškega medija. Magneti so predhodno na jedro rotorja pritrjeni s pomočjo posebnih kletk iz termoplastov. Plastične kletke nimajo nosilne funkcije za magnete ampak samo držijo magnete na željeni poziciji med postopkom zabrizgavanja s plastično maso.

Pri rotorjih z višjim številom vrtljajev obratovanja je centrifugalna sila, ki je posledica vrtenja rotorja, tako velika, da pritrditev magneta samo s plaščem iz termoplasta nikakor ne zadošča. Kletke iz termoplasta za pritrditev magnetov med brizganjem nimajo nosilne funkcije in še dodatno oslabijo nosilnost plašča, saj na določenih mestih kritično stanjšajo steno plašča in s tem zmanjšajo nosilnost. Pomanjkljivost te rešitve je v tem, da se pri visokih hitrostih vrtenja in pri višjih temperaturah nosilnost plastike, torej plašča zmanjša do te mere, da posledično lahko pride do odmika magnetov v radialni smeri.

V WO 2013/104998 je opisan rotor s trajnimi magneti, ki vključuje gred, jedro, po obodu jedra razporejeno množico trajnih magnetov, obdanih z ojačitvenim elementom, pri čemer rotor vsebuje jedro tvorjeno kot lamelasto jedro s pozicionirnimi lamelami in sidrnimi lamelami, ki ima po obodu razporejene vzdolžne utore tipa lastovičji rep. Pozicionirne lamele in sidrne lamele so združene v paket lamel tako, da se na obodu lamelastega jedra tvorijo vzdolžni utori tipa lastovičji rep, ki so prekinjeni v določenem razmiku s stojinami pozicionirnih lamel, in so na obodu lamelastega jedra med utori nameščeni trajni magneti, fiksno pritrjeni z ojačitvenim elementom v obliki ojačitvene kletke iz umetne mase. Slabost opisane rešitve je v številnih oblikovnih elementih, ki jih vsebujejo posamezni elementi za namene pozicioniranja, ki omogočajo oblikosklepne zveze in uporaba ojačitvene kletke, kar pomeni zahtevnejšo predvsem pa neekonomično izdelavo.

Zaradi zgoraj navedenih vzrokov, torej učinkovitosti motorja in ekonomičnosti izdelave rotorja, smo se odločili izdelati rotor, kjer magneti ne bi bili lepljeni na jedro rotorja, hkrati pa ne bi bilo potrebno pritrjevanje z nobenim dodatnim pritrdilnim elementom.

Navedeni tehnični problem je rešen z rotorjem s trajnimi magneti kot del elektronsko komutiranega elektromotorja, ki vključuje rotorsko jedro tvorjeno iz lamel, ki so na znan način medsebojno povezane v paket lamel tako, da tvorijo t. im. lamelasto jedro. Lamelasto jedro ima po obodu razporejene medsebojno enakomerno razmaknjene vzdolžne utore tipa lastovičji rep, ki so ločeni s štrlinami, da tvorijo ležišča za magnete. Lamele imajo po svojem zunanjem obodu v enakomernih razmikih izvedene štrline, v smeri radija navzven, pri čemer je vsaka štrlina izvedena v obliki para pozicionirnih jezičkov, ki sta med sabo ločena z režo, tako da se med enim pozicionirnim jezičkom prve štrline in sosednjim pozicionirnim jezičkom sosednje štrline tvori utor, v katerega se vstavi trajni magnet. Magneti so oblikovani tako, da nalegajo v vsakokratni utor, in sicer imajo magneti v prečnem prerezu obliko tipa lastovičji rep, da oblikosklepno nalegajo v vsakokratni utor.

Izum bo podrobneje opisan v nadaljevanju in predstavljen na slikah, ki prikazujejo:

Slika 1 prikazuje rotor po izumu v delnem prerezu

Slika 2 prikazuje detajl rotorja po izumu s slike 1

Slika 3 prikazuje detajl rotorja brez vstavljenega magneta

Slika 4 prikazuje lamelo v prečnem prerezu

Slika 5 prikazuje detajl A in B lamele v prečnem prerezu

Slika 6 prikazuje magnet v prečnem prerezu

Elektronsko komutiran elektromotor vsebuje stator (neprikazano) in znotraj njega soosno razporejen rotor 1, ki ima gred 11, katere os sovpada z glavno osjo motorja, jedro rotorja 2, ki je v bistvu valjaste oblike in ima središčno luknjo za sprejem gredi 11 in po obodu jedra 2 razporejeno množico trajnih magnetov 3.

Jedro 2 ima po obodu razporejene medsebojno enakomerno razmaknjene vzdolžne utore 21 tipa lastovičji rep, ki so ločeni s štrlinami 42, in pri čemer je število utorov 21 in število štrlin 42 vsakokrat enako številu trajnih magnetov 3. Dimenzija utora 21 in s tem dimenzija štrline 42 je določena z dimenzijo trajnega magneta 3, in sta določeni tako, da je zagotovljen tesni prileg magneta 3 v utor 21. Spodnja ploskev utora 21 tvori ležišče 22 magneta 3 in je prilagojena spodnji ploskvi magneta 3. Jedro 2 je tvorjeno iz kovinskih lamel 4 diskaste oblike, ki so na znan način medsebojno povezane v paket lamel tako, da tvorijo t. im. lamelasto jedro 2.

Vsaka od lamel 4 ima po svojem zunanjem obodu 41 v enakomernih razmikih razporejene štrline 42 v obliki dveh pozicionirnih jezičkov 43,44, ki sta med sabo ločena z režo 45. Reža 45 je formirana v bistvu v sredini štrline 42 tako, da razdeli štrlino 42, glede na os x, v dva pozicionirna jezička 43, 44, in je zaradi postopka izdelave lamel s štancanjem oblikovana tako, da je v prečnem prerezu v svojem zgornjem delu, gledano v radialni smeri od zunanjega roba proti osi vrtenja, najprej oblikovana z ravnima stranicama 451 in sicer do višine, ki je enaka višini štrline 42 oziroma višini posameznega pozicionirnega jezička 43, 44, in nato sledi obliki krožnega izseka 452, ki se nadaljuje v notranjost lamele 4. Višina štrline 42 ne sme biti višja od zunanjega radija magneta 3. Ker so lamele kovinske, je zaželeno, da so štrline 42 čim nižje, saj se s tem prepreči preveliko zmanjšanje magnetnega polja. Prednostno je višina štrline 42 nižja od višine stranske stranice 33 magneta 3. Najbolj prednostno je višina štrline 42 in s tem višina posameznega pozicionirnega jezička 43, 44 približno enaka 2/3 višine stranske stranice 33 magneta 3. Pozicionirna jezička 43, 44 imata v prečnem prerezu svoji zunanji stranici 431,441, to sta stranici, ki ležita nasproti ravnima stranicama 451 izvedeni pod kotom a, tako da zunanje stranice 441 pozicionirnnih jezičkov 44 prvih štrlin 42 in zunanje stranice 431 pozicionirnih jezičkov 43 sosednjih štrlin 42 omejujejo utor 21 tipa lastovičji rep, v katerega se vstavi trajni magnet 3. Prednostno sta pozicionirna jezička 43, 44 glede na os x zrcalno simetrična. Zato, da se zagotovi zadostna držalna sila magneta 3 v utoru 21, je kot a enak ali večji od 70° in enak ali manjši od 80°. Število štrlin 42 na obodu posamezne lamele 4 je enako številu magnetov 3, širina štrline 42 pa je odvisna od dimenzije magnetov 3 oz. od zahtevanega njihovega medsebojnega razmika, hkrati pa širina štrline 42 in širina utora 21 zagotavljata tesni prileg med magnetom 3 in pozicionirnimi jezički 43, 44 pri vstavitvi magneta 3 v utor 21.

Za enostavnejše vstavljanje magnetov 3 v utore 21, imajo prve lamele na eni ali drugi strani jedra 2, to je na zgornjem ali spodnjem delu jedra 2 do višine 2 do 3 mm, štrline 42 izvedene z ožjimi pozicionirnimi jezički 43, 44, tako da je utor 21, v katerega se vstavi magnet 3, v zgornjem ali spodnjem delu jedra 2 na svoji zunanji strani, gledano v radialni smeri od zunanjega roba proti osi vrtenja, izveden z razširitvijo 211. Širina razširitve 211 je tolikšna, da zagotavlja ohlapen prileg med magnetom 3 in pozicionirnimi jezički 43,44, pri vstavljanju magneta 3 v utor 21. Prednostno je širina razširitve 211 med 0,05 in 0,15 mm.

Ker so štrline 42 izvedene v obliki dveh jezičkov 43, 44, ki sta med sabo ločena z režo 45, je s tem omogočena dodatna elastičnost jezičkov 43, 44, ki se ob vstavljanju magneta 3 v utor 21 rahlo odklonijo v notranjost reže 45, s čimer je omogočeno lažje vstavljanje magneta 3 v utor 21, hkrati pa je preprečeno poškodovanje magnetov zaradi prevelike sile, kot posledica tesnega prilega med magneti 3 in jezički 43, 44.

Ker so štrline 42 izvedene v obliki dveh jezičkov 43, 44, ki sta med sabo ločena z režo 45, je s tem dodatno zmanjšan vpliv kovine iz katere so izvedene lamele 4 na zmanjšanje magnetnega polja.

Po obodu lamelastega jedra 2 je v vsakokraten utor 21 oz. med vsakokratnima vzdolžnima nizoma sosednjih štrlin 42 nameščen trajni magnet 3. Oblika magneta 3 je prilagojena obliki utora 21 s tesnim prilegom v delu, kjer utor 21 ni izveden z razširitvijo 211. Spodnja stranica 31 magneta 3 nalega na ležišče 22 na lamelastem jedru 2, nasprotna, zgornja stranica 32 je lečasto oblikovana s polmerom manjšim od polmera rotorja, stranski stranici 33 pa sta izvedeni pod kotom β, ki je manjši do 90° in enak ali večji od 80°, tako da ima zanemarljiv vpliv na zmanjšanje magnetnega polja. Kot β je vsaj za 5° večji od kota a pod katerim so izvedene zunanje stranice 431, 441 pozicionirnih jezičkov 43, 44, ki omejujejo utor 21 tipa lastovičji rep. Prednostno je kot β 85°. Ker so stranske stranice 33 magnetov 3 izvedene pod nekoliko večjim kotom kot so izvedene zunanje stranice 431, 441 pozicionirnih jezičkov 43, 44, in zaradi zgoraj omenjene elastičnosti jezičkov 43, 44, ki se ob vstavljanju magneta 3 v utor 21 odklonijo v notranjost reže 45, je s tem omogočeno dodatno fiksiranje magnetov 3 v utore 21, kontakt na stranici magneta 33 pa je tangentni linijski. Na ta način se bistveno zmanjša možnost poškodovanja magneta, saj bi se na magnetu, če bi ga iztisnili iz rotorskega paketa poznala samo tanka ravna črta, kot posledica stika (trenja) med jezičkom in stranico magneta.

Po vstavitvi magnetov 3 v utore 21, se rotor 1 z vseh strani zalije s termoplastično maso s pomočjo 2-komponentne tehnologije brizganja, s čimer se tvori plašč rotorja 1 debeline vsaj 0,6 mm, ki ima tudi funkcijo tesnjenja. Pri tem plastični material steče tudi v režo 45, pri čemer reže 45 zalite s termoplastično maso delujejo kot učvrstitvena rebra, ki dodatno nosijo plašč rotorja 1, hkrati pa termoplastična masa v režah 45 dodatno fiksira pozicionirne jezičke 43, 44, in sicer prepreči nadaljnjo elastičnost pozicionirnih jezičkov 43,44, s čimer se še dodatno učvrsti magnete 3 v utorih 21.

Claims (6)

1. Rotor s trajnimi magneti kot del elektronsko komutiranega elektromotorja, pri čemer rotor (1) vključuje gred (11), katere os sovpada z glavno osjo motorja, jedro rotorja (2), ki ima po obodu razporejene medsebojno enakomerno razmaknjene vzdolžne utore (21) tipa lastovičji rep, ki so ločeni s štrlinami (42), in pri čemer je število utorov (21) in število štrlin (42) vsakokrat enako številu trajnih magnetov (3) in je dimenzija utora (21) in s tem dimenzija štrline (42) določena z dimenzijo trajnega magneta (3), in je jedro (2) tvorjeno iz kovinskih lamel (4) diskaste oblike, ki so medsebojno povezane v paket lamel tako, da tvorijo jedro (2), označen s tem, da je štrlina (42) izvedena v obliki dveh pozicionirnih jezičkov (43,44), ki sta med sabo ločena z režo (45), pri čemer imata pozicionirna jezička (43,44) v prečnem prerezu svoji zunanji stranici (431,441) izvedeni pod kotom (a), ki je enak ali večji od 70° in enak ali manjši od 80°, in sta stranski stranici (33) magneta (3) izvedeni pod kotom (β), ki je manjši od 90° in večji od 80°, in pri čemer je kot (β) vsaj za 5° večji od kota (a).

2. Rotor po zahtevku 1, označen s tem, da je reža (45) formirana v bistvu v sredini štrline (42) tako, da razdeli štrlino (42), glede na os x, v dva pozicionirna jezička (43, 44), pri čemer je reža (45) v prečnem prerezu v svojem zgornjem delu, gledano v radialni smeri od zunanjega roba proti osi vrtenja, najprej oblikovana z ravnima stranicama (451) do višine, ki je enaka višini štrline (42) in nato sledi obliki krožnega izseka (452), ki se nadaljuje v notranjost lamele (4).

3. Rotor po zahtevkih 1 in 2, označen s tem, da je višina štrline (42) in s tem višina posameznega pozicionirnega jezička (43, 44) nižja od višine stranske stranice (33) magneta (3).

4. Rotor po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da imajo prve lamele (4) na eni ali drugi strani jedra (2), to je na zgornjem ali spodnjem delu jedra (2) do višine 2 do 3 mm, štrline (42) izvedene z ožjimi pozicionirnimi jezički (43,44), tako daje utor (21), v katerega se vstavi magnet (3), v zgornjem ali spodnjem delu jedra (2) na svoji zunanji strani, gledano v radialni smeri od zunanjega roba proti osi vrtenja, izveden z razširitvijo (211).

5. Rotor po zahtevku 4, označen s tem, da je širina razširitve (211) med 0,05 in 0,15 mm.

6. Rotor po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da dodatno vključuje plašč rotorja (1) debeline vsaj 0,6 mm, izveden z zalitjem rotorja (1) z vseh strani s termoplastično maso, pri čemer reže (45) zalite s termoplastično maso delujejo kot učvrstitvena rebra, ki dodatno nosijo plašč rotorja (1), hkrati pa termoplastična masa v režah (45) dodatno fiksira pozicionirne jezičke (43,44), s čimer se še dodatno učvrsti magnete (3) v utorih (21).