CZ309977B6 - Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor - Google Patents

Abstract

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor sestává z rotoru, jenž je po obvodu opatřen kruhovými řadami (4) permanentních magnetů (1). K permanentním magnetům (1) jsou přivrácená čela (5) U jader (3) cívek (2). U jádra (3) cívek (2) jsou uspořádána kolineárně s osou otáčení rotoru.

Description

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru s děleným statorem, který je napájen vícefázovým napájecím elektrickým napětím, přičemž počet částí děleného statoru odpovídá počtu fází napájecího elektrického napětí.

Dosavadní stav techniky

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor je veřejnosti znám pod více názvy, mezi které patří např. název elektricky komutovaný elektromotor, případně asi nejfrekventovaněji používaný název „BLDC elektromotor“ zahrnující anglickou zkratku, která vychází z anglických slov „brushless direct current electro motor“.

Z přihlášky vynálezu CZ 2022-334 je znám BLDC elektromotor, který ve statoru využívá cívky s U jádry pro silový účinek obou indukovaných magnetických pólů na permanentní magnety rotoru. Rotor je po obvodu opatřen řadami permanentních magnetů podle počtu fází napájecího elektrického napětí, přičemž čela U jader cívek napájené jednou z fází jsou přivrácené k jedné z řad permanentních magnetů rotoru. Je nevýhodné, že indukovaná magnetická pole na čelech cívek nestřídají polaritu, takže mají v rámci napájecího cyklu prodlevy. Současně dochází k zámkovému efektu, kdy silový účinek mezi permanentními magenty a čely U jader cívek přibržďuje otáčení.

Z přihlášky vynálezu CZ 2022-391 je znám deskový BLDC elektromotor, který zefektivňuje chod elektromotoru střídáním fází napájecího napětí na cívkách, oproti známému přiřazení cívek jednotlivým fázím, čímž je aktivně střídána polarita indukovaných magnetických pólů na čelech jader cívek. Současně je stator s cívkami opatřen permanentními magnety pro vytvoření Halbachova uspořádání na statoru. Střídání polarity indukovaných magnetických pólů je využito k vytvoření střídající se sestavy Halbachova uspořádání magnetických polí, které má za účinek zintenzivnění nebo zeslabení magnetických toků v dané oblasti, čímž je zefektivněn provoz elektromotoru, neboť se silového účinku mezi permanentními magnety rotoru a magnetickým polem statoru zúčastní Halbachovým polem zintenzivněné magnetické toky.

Současně převedením magnetických toků na požadovanou stranu deskového statoru je snížen negativní zámkový efekt mezi permanentními magnety rotoru a čely cívek statoru v daný moment nezúčastňujících se přeměny magnetických sil na mechanickou energii rotoru. Vynález se týká pouze deskového BLDC elektromotoru.

Úkolem vynálezu je navrhnout konstrukci bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru (BLDC elektromotoru) napájeného vícefázovým napájecím elektrickým napětím, která by umožnila současnou interakci magnetického pole vystupujícího z obou indukovaných magnetických pólů cívky s permanentními magnety rotoru pro zvýšení efektivity provozu BLDC elektromotoru, která by minimalizovala negativní zámkový efekt, která by poskytla dostatek prostoru pro vinutí cívek, a v neposlední řadě, která by umožňovala střídání polarity indukovaných magnetických pólů na čelech cívek změnou napájení pro zvýšení efektivity provozu, přičemž by nebyla omezena na deskový BLDC elektromotor.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru vytvořeného podle níže uvedeného vynálezu.

- 1 CZ 309977 B6

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou energii. Vynalezený elektromotor je sestaven z rotoru osazeného po obvodu alespoň čtyřmi kruhovými řadami permanentních magnetů. Permanentní magnety mají za úkol interagovat s elektricky indukovanými magnetickými poli, aby se rotor otáčel. Další součástí elektromotoru je hřídel spřažená s rotorem pro přenos mechanické energie z rotoru mimo elektrický stroj. Nedílnou součástí elektromotoru je stator osazený cívkami s U jádry, přičemž čela U jader cívek jsou přivrácené směrem k permanentním magnetům rotoru. Na čelech U jader cívek jsou přeměnou elektrické energie krátkodobě indukována magnetická pole, která interagují s magnetickými poli permanentních magnetů. Vzájemná interakce má za důsledek otáčení rotoru. Dalšími povinnými součástmi bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru jsou alespoň jeden střídač pro řízení elektrického napájení cívek, který je elektricky připojen k jednotlivým cívkám pro jejich řízené napájení elektrickým napětím, a dále alespoň jeden senzor pro monitorování natočení rotoru vůči statoru.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že v sousedních kruhových řadách jsou permanentní magnety uspořádány v odlišných úhlových polohách, přičemž U jádra cívek jsou uspořádána kolineárně s osou otáčení rotoru. Kruhové řady se musejí navzájem lišit úhlovou polohou, aby při interakci indukovaných magnetických polí s magnetickými poli permanentních magnetů se silové účinky roztáčející rotor vzájemně skládaly. Současně čela cívek leží proti dvěma nesousedícím kruhovým řadám cívek s permanentními magnety vykazujícími stejnou úhlovou polohu. Kolineární uspořádání U jader cívek přináší tu výhodu, že se na U jádro cívky vejde více závitů vinutí, a současně že je možné střídat polaritu indukovaných magnetických pólů i mimo deskový BLDC elektromotor.

V rámci nového vynálezu je výhodné provedení, ve kterém má rotor šest kruhových řad permanentních magnetů pro tři fáze napájecího elektrického napětí, přičemž je celkový počet cívek dělitelný třemi. Současně každá třetina z celkového počtu cívek má společné dvě kruhové řady permanentních magnetů rotoru se shodnou úhlovou polohou. Konstrukce vynálezu pro tři napájecí fáze elektrického napětí má tu výhodu, že v daný moment pracují 2/3 elektromotoru, takže je nutné překonat ztrátu energie pouze 1/3 nečinné části elektromotoru. Zatímco u napájení dvěma fázemi by se musela překonat ztráta energie v nečinné polovině elektromotoru.

S výhodou je možné snížit ztrátu energie v nečinné části elektromotoru tím, že se odbourá zámkový efekt, při kterém se póly permanentních magnetů přitahují k feromagnetickým čelům cívek. Toho je docíleno ve vynálezu konstrukčně tak, že v každé kruhové řadě permanentních magnetů rotoru se za každým (n - 1) počtem po sobě jdoucích permanentních magnetů nachází prázdná pozice neosazená permanentním magnetem, přičemž n-počet je stejný, jako je počet napájecích fází napájecího elektrického napětí.

Mezi hlavní přínosy vynálezu se řadí možnost střídat polaritu indukovaných magnetických pólů na čelech U jader cívek, takže dochází k silovému účinku z interakce magnetických pólů častěji, než je tomu u známých elektromotorů. Současně mají cívky ve vynálezu prostor pro více závitů, než je tomu ve známých uskutečněních bezkartáčových stejnosměrných elektromotorů. V neposlední řadě je výhodné, že ztráty energie jsou sníženy odbouráním zámkového mechanismu mezi neaktivními čely U jader cívek a permanentními magnety.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 je schematické znázornění vynálezu v uskutečnění pro napájení třemi fázemi elektrického napětí v axonometrickém pohledu,

- 2 CZ 309977 B6 obr. 2 je schematické znázornění vynálezu v uskutečnění pro napájení třemi fázemi elektrického napětí v čelním pohledu, obr. 3 je schematické znázornění vynálezu v uskutečnění pro napájení třemi fázemi elektrického napětí v bočním pohledu, obr. 4 znázorňuje zapojení „trojúhelník“ cívek vynálezu s třífázovým elektrickým napájením pro ilustraci změny polarity indukovaných magnetických pólů.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.

Na obrázcích jsou pro přehlednost vyobrazeny technické znaky bezkartáčového stejnosměrného elektromotoru (dále v příkladu jen BLDC motoru), které se přímo zúčastní přeměny elektromagnetických silových účinků na mechanickou energii. Ostatní technické znaky BLDC motoru budou uvedeny jen slovně.

Na obr. 1 je vyobrazen axonometrický pohled na vynalezený BLDC motor. Z obr. 1 je zřejmé, že permanentní magnety 1 jsou uspořádané v kruhových řadách 4 okolo obvodu nevyobrazeného rotoru. Rotor je vyroben jako kolo nebo válec poskytující mechanickou oporu kruhovým řadám 4 permanentních magnetů 1 a je nasazen na hřídel pro odvedení mechanické energie z rotoru, jako je tomu u mnoha dalších pro odborníka známých elektromotorů.

Dále jsou z obr. 1 seznatelné cívky 2 mající U jádra 3. U jádra 3 cívek 2 mají čela 5 přivrácená směrem k permanentním magnetům 1. Cívky 2 mají U jádra 3 orientovány kolineárně s osou otáčení rotoru BLDC motoru. Konstrukce cívek 2 není od zavedených pořádků neobvyklá. U jádro 3 je z feromagnetického materiálu, zatímco vinutí cívky 2 je z elektrického vodiče, např. z měděného drátu. Odborník bude schopen navrhnout různé konkrétní parametry cívek 2 na základě práce nepřekračující pouhou odbornou dovednost.

Vyobrazený příklad uskutečnění vynálezu na obr. 3 má šest kruhových řad 4 permanentních magnetů 1. Počet kruhových řad 4 je dán počtem napájecích fází, který je vynásoben dvěma, neboť U jádra 3 cívek 2 mají dvě čela 5, tzn. že uvedený příklad uskutečnění vynálezu je pro třífázové napájení elektrickým napětím. Dále je z obr. 1 patrné, že mezi sousedícími kruhovými řadami 4 permanentních magnetů 1 je rozdíl v úhlové pozici. Počet úhlových pozic odpovídá počtu napájecích fází, přičemž úhlové pozice mají opodstatnění v tom, že napomáhají v různých momentech sepnutí napájení odlišnými silovými účinky, které napomáhají celkovému otáčení rotoru.

Minimální počet kruhových řad 4 permanentních magnetů 1 jsou čtyři pro dvě napájecí fáze elektrického napětí. Maximální počet kruhových řad 4 je omezen pouze požadovanou velikostí BLDC elektromotoru. Jedná se pro odborníka o běžný proces dimenzování a projektování.

Z obr. 1 je rovněž zřejmé, že v kruhových řadách 4 permanentních magnetů 1 je pro třífázové napájení BLDC elektromotoru každá třetí pozice pro uložení permanentního magnetu 1 neobsazená. To je úmyslně z toho důvodu, že v daný moment nepracující cívky 2 mají čela 5 U jader 3 směřující do volného prostoru, a tím pádem neexistuje brzdný silový účinek mezi čely 5 U jader 3 nenapájených cívek 2 a permanentními magnety 1. V nevyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu mohou být permanentními magnety 1 obsazeny všechny pozice pro uložení

- 3 CZ 309977 B6 permanentních magnetů 1 v kruhových řadách 4 permanentních magnetů 1 za cenu snížení účinnosti chodu BLDC motoru.

Samotný chod vynalezeného BLDC motoru je umožněn pomocí nejméně jednoho nezobrazeného střídače pro řízení elektrického napájení cívek 2, který je elektricky připojen k jednotlivým cívkám 2 pro jejich řízené napájení elektrickým napětím, a dále pomocí alespoň jednoho nezobrazeného senzoru pro monitorování natočení rotoru vůči statoru.

Senzory pro monitorování natočení rotoru vůči statoru jsou esenciálním technickým znakem, bez kterého by chyběla informace o vzájemných pozicích čel 5 U jader 3 cívek 2 a permanentních magnetů 1, tudíž by nebylo zřejmé, kdy je nutno jaké z cívek 2 v daný moment napájet elektrickým napětím. Senzory jsou katalogovým zbožím, přičemž je možné pořídit senzory mechanické, nebo optické atp.

Střídač je tvořen elektronickou jednotkou automaticky ovládající napájecí vývody distribuující napájecí elektrické napětí cívkám 2 podle předepsaného programu a znalosti vzájemného natočení statoru vůči rotoru. Střídač je rovněž katalogovou položkou, přičemž se v uvedeném vynálezu vyznačuje sadou instrukcí, jak řídit napájení cívek 2.

V uvedeném příkladu uskutečnění vynálezu střídač pracuje tak, že nejenom spíná napájení jednotlivých cívek 2 jednotlivými fázemi elektrického napětí, ale oproti známému stavu techniky rovněž střídá jednotlivé fáze přiváděné na cívky 2 pro změnu jejich polarity indukovaných magnetických polí, viz obr. 4, na kterém je vidět, že se na cívkách v zapojení „trojúhelník“ mění polarita indukovaných magnetických pólů. Střídání fází napájecího elektrického napětí na jednotlivých cívkách 2 je obdobné, jako je tomu ve vynálezu uvedeném v přihlášce CZ 2022-391.

Zatímco střídání fází v citovaném vynálezu sloužilo ke změně Halbachova pole, v uvedeném příkladu uskutečnění tohoto vynálezu střídání fází zvyšuje efektivitu provozu BLDC motoru, neboť cívky 2 indukují magnetické pole přispívající k výrobě mechanické práce častěji, než je tomu u BLDC elektromotorů známých ze stavu techniky (např. z CZ 2022-334).

Z obr. 2 pro vynález napájený třífázovým elektrickým napětím je seznatelné, že v rámci jednoho cyklu cívka 2 interaguje se dvěma pozicemi permanentních magnetů 1 za sebou, než dojde kjejímu vynechání nad volnou pozicí permanentního magnetu 1. Pokud by se střídání fází neuskutečnilo, nebylo by možné, aby cívky 2 interagovaly dvakrát po sobě.

Průmyslová využitelnost

Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor podle vynálezu nalezne uplatnění v průmyslu a v dopravě.

Claims (3)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii sestávající z rotoru osazeného po obvodu alespoň čtyřmi kruhovými řadami (4) permanentních magnetů (1), dále z hřídele spřaženého s rotorem pro přenos mechanické energie z rotoru, dále ze statoru osazeného cívkami (2) s U jádry (3), přičemž čela (5) U jader (3) cívek (2) jsou přivrácené směrem k permanentním magnetům (1) rotoru, a dále sestávající z alespoň jednoho střídače pro řízení elektrického napájení cívek (2), který je elektricky připojen k jednotlivým cívkám (2) pro jejich řízené napájení elektrickým napětím, a dále sestávající z alespoň jednoho senzoru pro monitorování natočení rotoru vůči statoru, vyznačující se tím, že v sousedních kruhových řadách (4) jsou permanentní magnety (1) uspořádány v odlišných úhlových polohách, přičemž U jádra (3) cívek (2) jsou uspořádána kolineárně s osou otáčení rotoru, a čela (5) cívek (2) leží proti dvěma nesousedícím kruhovým řadám (4) cívek (2) s permanentními magnety (1) vykazujícími stejnou úhlovou polohu.

2. Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro tři fáze napájecího elektrického napětí má rotor šest kruhových (4) řad permanentních magnetů (1), a že celkový počet cívek (2) je dělitelný třemi, přičemž každá třetina z celkového počtu cívek (2) má společné dvě kruhové řady (4) permanentních magnetů (1) rotoru se shodnou úhlovou polohou.

3. Bezkartáčový stejnosměrný elektromotor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v každé kruhové řadě (4) permanentních magnetů (1) rotoru se za každým (n - 1) počtem po sobě jdoucích permanentních magnetů (1) nachází prázdná pozice neosazená permanentním magnetem (1), přičemž n-počet je stejný, jako je počet napájecích fází napájecího elektrického napětí.