SE437097B - Elektrisk motor med konisk rorelse - Google Patents

Description

7i91U-366-9 roterande fältet skall fasförskjutas 1800 mellan de två gap som rotorns respektive ändar innefattar, något som åtskiljer dess konstruktion från konstruktionen av konventionella mag- netkretsar. Slutligen kan balanseringen av en dylik motor ernås endast till priset av konstgrepp som komplicerar konstruktionen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen tar sikte på att undanröja ovannämnda olägen- heter under användande av en statormagnetkrets av traditio- nell typ som ger ett fält som roterar i samma riktning vid rotorns båda ändar och under upprätthållande, med hjälp av åtminstone ett element eller stycke som är excentriskt i förhållande till motorns axel, en konstant snedställning av rotoraxeln i förhållande till statorns axel så att ro- torn utför en konisk rörelse.

Av denna koniska rörelse följer att en särskilt låg rotor- tröghet erhålls och att, med hänsyn till att magnetgreppet vidare uppvisar rotationssymmetri, motorn inbegriper flera lägen som avgränsar ett mimimalt gap och följaktligen en stabil jämvikt.

Motorn enligt uppfinningen innefattar en rotor med en hylsa som uppvisar generellt cylindrisk form och är mekaniskt sammankopplad med en utgående axel, en generellt cylinder- formig stator som vid varje ände har ett flertal poler, vilka tillsammans med motsvarande ände av rotorn, som är inhyst inuti statorn, avgränsar ett motsvarande antal gap, varvid rotorn icke har kontakt med statorn eller med någon med statorn förbunden rullbana, en statorlindning som matas och är anordnad att åstadkomma ett radiellt roterande fält av samma riktning i gapen till de två respektive ändarna samt medel för att med motsatta tecken magnetiskt polari- sera de två ändarna av rotorn på så sätt att var och en av dessa har ett magnetiskt centrum, varvid en tänkt eller virtuell axel som förenar dessa två magnetiska centra skär statorns symmetriaxel i symmetricentrum till statorn,och karaktäriseras av mekaniska medel innefattande åtminstone 7910366-9 ett i förhållande till statorns symmetriaxel excentriskt element monterat på sagda utgående axel respektive i rotorns hylsa för att bibehålla snedställningsvinkeln hos sagda virtuella axel relativt statorns symmetriaxel på ett kons- tant värde, varvid sagda medel samverkar med åtminstone ett organ anordnat mellan excenterelementet och rotorns hylsa respektive mellan excenterelementet och utgångsaxeln till- låtande konisk rörelse av sagda virtuella axel omkring sagda symmetricentrum och utmed sagda vinkel, utan att bidraga till någon rotation av rotorn omkring dennas egen axel.

Enligt ett första utförandeexempel består det nämnda orga- net av en universalkulled eller -lageranordning, vars ytt- re hållare eller hylsa är fast förenad med rotorns yta.

Enligt en andra utförandeform består de excentriska ele- menten av drev eller hjul, som samverkar med en krona eller krans som är fast förenad med rotorns yta, varvid -sagda drev och sagda krans har en konisk yta vars spets sammanfaller med sagda symmetricentrum, varvid kransens axel är snedställd i förhållande till axeln eller spindeln.

Uppfinningens olika särdrag och fördelar kommer att kla- rare framgå i ljuset av efterföljande beskrivning.

På ritningarna är fig 1 en axiell genomskärning genom en mo- tor enligt en första utförandeform av uppfinningen, fig 2 visar samma motor i tvärsektion, fig 3 visar i detalj ett kullager som tjänar för drivning av axeln genom rotorn, fig 4 är ett diagram över magnetfälten och över attraktionskraf- terna avsett att illustrera motorns funktion, fig 5 visar schematiskt en konstruktionsvariant av en motor enligt den första utförandeformen, fig 6 visar schematiskt rotorn till en motor enligt en andra utförandeform och fig 7 visar sche- matiskt rotorn till en motor enligt en variant av den andra utförandeformen.

I fig 1 och 2 visas en motor innefattande en stator med en horisontell symmetriaxel X-X' och utmed denna axel ett sym- metrícentrum C. Denna stator härbärgerar en rotor 2 med samma 7910366-9 symmetricentrum C och en symmetriaxel 0-0',vilken med axlen X-X' bildar en konstant och liten vinkel0C (företrädesvis mind- re än 40); Medlen för att bibehålla rotorns symmetricentrum vid den fixa punkten C och erhålla den komiska rörelsen hos rotorn, dvs för att begränsa vinkeln0Cinnefattar, i det be- skrivna utförandet, en slät led eller en kullagerled inne- fattande en sfärisk hållar- eller riktkrans 3 vilken är mon- terad på rotorns cylindriska hylsa 21 och centrerad kring C i ett plan vinkelrätt mot axeln 0-0',och vilken samverkar med en krans 4 som är fast förenad med ett ringformigt ele- _ment 11 till statorn och likaledes har en sfärisk bär- eller lageryta.

Statorn är vhien ände försedd med ett sidostycke 12 som bär ett fast rullager 13, vilket upptar och stöder en axel eller spindel 5 lokaliserad utmed axeln X-X'.

Denna spindel är fast förenad med en excenter 6 vilken själv stöds inuti hylsan 21 medelst ett universalkullager 7.

I fig 3 visas excentern 6 med cirkulär form och centrerad kring en punkt E utmed axeln 0-0' belägen på ett avstånd EK = CE sinus0C-från X-X'. Lageranordningen eller leden 7 inne- fattar en yttre, med sfärisk lageryta utförd krans 71 som är centrerad vid E och fast förenad med hylsan 21 samt en inre krans 72 som är fast förenad med excenterns periferi. Vinkeln Cfirhar mycket överdrivits i fig 3.

Av fig 1 framgår att rotorn vid sina ändar är försedd med två polära förtjockningar eller utsprâng 22 och 23 med konisk yttre yta, varvid halv-vinkeln vid konens spets är lika med vinkeln Oßf.

Av fig 2 framgår att profilen hos statorns plåtar vid varje ände bildar fyra poler 140, 141, 142, 143 vilkas ände har for- men av en del av en cylinder med axeln utmed X-X'. Under axelns 0-0' rotation omkring axeln X-X' förekommer såludna fyra lägen hos rotorn för vilka det mellan varje polär förtjockning och en av statorns poler föreligger ett minimalt gap med konstant längd. I fig 1 och 2 förekommer detta minflwfla.gap emllan 7-918366-9 polen 140 och polförtjockningen 22. Dess längd, som exempel- vis kan vara lika med 0,4 mm, har mycket överdrívits på rit- ningen.

I en föredragen utförandeform innefattar motorns magnetkrets permantentmagneter bildade av "tegel" eller sektorer som bärs av statorn. Dessa magneter uppgår till ett antal av fyra vid varje ände av statorn i det beskrivna exemplet och de är be- tecknade med hänvisningstalen 150-153 och 160-163. De är ra- diellt magnetiserade, varvid nordpolerna exempelvis före- finns på deras utsida för magneterna 160-163 på deras insida för magneterna 150-153. Dessa magneter är fixerade på ömse sidor om det ringformiga stödroganet 11 vilket är centrerat vid C och är bildat av ett icke-magnetiskt material. De är omgivna av en ringformig ytterdel eller hylsa 17 av svagt magnetiskt material.

Vid varje ände av statorn är inhyst en stapel eller sats av magnetplattor 18 resp. 19 innanför magneterna, varvid magnet- plattsatserna är fixerade på en sida av organet 11. Det fram- går av fig 1 att varje sats har samma bredd som motsvarande magneter. Fyra lindningar, såsom lindningarna 8, 9 omger de fyra polerna.

Hylsan och de polära förtjockningarna hos rotorn består i det beskrivna utförandeexemplet av svagt magnetiskt material.

Nu kommer den besrkivna motorns funktion att förklaras under hänvisning till fig 4.

När lindningarna matas med en flerfasig växelström alstras i vart och ett av gapen ett roterande fält H som är identiskt med det som skulle åstadkommas av en magnet som roterar med vinkelhastigheten å)kring axeln X-X' (varvid ü7utgör ström- mens vinkelhastighet). Dessutom polariseras rotorn av ett fast magnetískt fält som âstadkommes av magneterna.

Av denna polarisation följer att attraktionskrafter uppträ- der mellan statorn och rotorns polära förtjockningar. Resul- tanten till dessa krafter appliceras, vid varje ände av 79103166-9 rotorn, mot centrum (G resp G') av de magnetiska massor som är fördelade vid denna ände (dvs i alpunkt utmed axeln 0-0') och riktas radiellt mot det variabla läget för det minimala gapet. Antag att Fo och F'o är de tvåresultanterna (fig 4).

Det kan visas att de, med fältets H riktning, bildar en retardationsvinkel 9 vilken genomkorsas av det motstånds- moment som utövas på motorns spindel 5.

Fältet H utövar å sin sida attraktionskrafter vilkas resul- tanter F1 och F'1, applicerade å G resp G', är parallella med H och riktade i motstatta riktningar från varandra. Var och en av dessa resultanter F1 och F'1 kan uppdelas i två krafter av vilka en är riktad utmed Fo (resp F'o) och den andra ut- med normalen till Fo (resp F'o). De två sålunda erhållna krafterna Fl cosinus 9 och F'1 cosinus adderas var för sig till Fo och F'o för att bilda ett kraftpar som tenderar att tippa eller vrida rotorn. Detta kraftpar upphävs av kransens 71 mottrycksverkan på excentern och vinkelnüi bibehålls sä- lunda vid ett fast värde.

De två krafterna F1 sinus 9 och F'1 sinus G bildar ett kraft- par som tenderar att vrida G och G' (dvs symmetricentra till rotorns båda ändar: Fig 1) kring axeln X-X' med vinkelhastig- heten L).

Rotorns axel utför sålunda en konisk rörelse, med halvvinkel vid spetsencß, kring axeln X-X'. Excentern 6 drivs sålunda själv med hastigheten Ü) kring X-X'.

Det skall noteras att motorns geometri är sådan att rotorn under sin koniska rörelse markerar eller genomfar lika många mot ett minimalt gap svarande lägen som statorn innefattar polutsprång (dvs fyra i det beskrivna exemplet). Följden är att motorn uppvisar flera stabila jämviktslägen. När motorn stannas för en återställningskraft rotorn till det närmaste stabila jämviktsläget.

En annan remarkabel egenskap hos den beskrivna motorn är ro- torns mycket låga tröghetsmoment. Emedan rotorn icke roterar kring sig själv (eller eventuellt roterar med mycket låg has- Utighet) reduceras dess tröghetsmoment, för varje elementär 7910366-9 skiva av dess volym vinkelrätt mot dess axel, till det som svarar mot rotationen av massan hos denna skriva som antas koncentrerad till dess gravitationscentrum G omkring axlen X-X'. Slutligen visas att rotorns totala tröghet är lika med 1/3 M (L/2 sinus0G)2, varvid L är rotorns längd. Detta värde är mycket lågt men hänsyn till det låga värdet av HQ. Tack vare ovan redovisade egenskaper är den beskrivna motorn sär- skilt väl lämpad för en stegvis funktion.

Vidare är rotorn, till följd av dess symmetri med avseende på punkten C, perfekt balanserad och alstrar sålunda ej nå- gon mekanisk vibration. För att ta hänsyn till excenterns massa anordnas vid den motsatta änden av hylsan 21 en ring- formig,balanserande kropp 24 (fig 1.).

Enär krafterna F1 och F'1 är proportionella mot produkten av det roterande fältet och det kontinuerliga flödet i gapet och enär amplituden H ej kan överskrida ett värde som är förenligt med motorns tillåtna uppvärmning är det intres- sant att ge det kontinuerliga flödet ett så högt värde som möjligt. Detta resultat ernås genom att ge magneterna en stor yta.

Såsom ett exempel må nämnas att det beskrivna arrangemanget genom användande av normala statorplattor och magneter till- låter ernâende av en yta hos magneterna som är dubbelt så stor som gapets yta. Men nu är det så att ytan hos en toroid- formig magnet placerad i rotorn endast skulle uppgå till 1/3 av ytanlmß gapetfoch sålunda skulle den erhållna induktionen slutgiltigt vara sex gånger svagare.

Det skall vidare noteras att det kontinuerliga flödet vid det beskrivna arrangemanget är slutet utmed den bana som vi- sas med heldragna linjer i fig 1, medan växelflödet sluts utmed den bana som visas med streckade linjer i fig 2 utan att genomkorsa magneterna (vilkas reluktans är mycket hög).

Sålunda föreligger ingen tendens att avmagnetisera magne- terna, vilket är en ytterligare fördel. 791036 6- 9 Av dessa olika skäl kommer det i fig 1 och 2 visade arrange- manget att oftast föredras i praktiken. Detta arrangemang är likväl icke begränsande.

I den beskrivna utförandeformen är rotorns rörelsecentrum G förkroppligat av en led- eller lageranordning. Enligt en variant skulle det vara möjligt att eliminera denna led (3 i fig 1) och ersätta balanskroppen 24 med en andra excen- ter 6a (se fig 5) som samverkar med en andra universalkulled eller -lageranordning 7a (resp identiska med organen 6, 7 enligt fig 1). Spindeln eller axeln 5 genomlöper sålunda fullständigt rotorhylsans inre och stöds av två stadiga lager som uppbärs av två sidostycken till statorn. Ett dy- likt arrangemang är mflæmatiskt visat i fig 5. Naturligtvis måste de två excentrarna 6 och 6a vara belägna så att de övergår i varandra vid en inversion med avseende på planet skärande X-X'-axeln ortogonalt i punkten C och X-X'-axeln.

I fig 6 visas en rotor innefattande en hylsa 21 vilken vid sin ena ände hyser en krona eller en krans 26 och vid sin andra ände en yttre kulhållare 35. Organet på den första änden besitter en inneryta som utgör del av en kon centrerad vid C och har såsom axel 0-0' och en halvvinkel Q vid spet- sen. Motorn innefattar en spindel 5 som fullständigt genom- löper rotorn och är uppburen av två lager vilka är anord- nade i statorns sidostycken (icke visade). Spindeln 5 upp- bär på ena änden ett drev 28 med en konisk yta centrerad vid C och har såsom axel X-X' samt en halvvinkel vid spet- sen ($ -øß ). På den andra änden, vid rotorhylsans 21 kul- hållare 35, av spindeln 5 är en inre kulhållare 36 belägen.

I och med att den inre kulhållaren 36 icke är excentrisk i förhållande till axeln X-X' säkerställer denna lageranord- ning icke drivning av spimmfln 5. Å andra sidan är den yttre kulhållaren 35, som är centrerad på axeln 0-0', sålunda ex- centrisk i förhållande till spindeln 5 på ett sådant sätt att den tillförsäkrar bibehållande av vinkeln.0C, vilket und- viker risken för att drevet 28 går ur ingrepp. Kulhållarens 35 massa balanserar kransens 26 massa. 7910366-9 Spindeln 5, som är uppburen av två styva lager, kan uppen- barligen icke underkastas sido- eller translationsrörelse.

Centrum C är fixerat medelst en led eller lageranordning 33, 34 som är analog med den i fig 1. Rotorn skulle däremot få en tendens att vrida sig eller rotera omkring sin egen axel till följd av mottrycksverkan mot motståndsmomentet. Denna rörelse måste förhindras och detta ernás med hjälp av en stång eller stake 29 som är fast förenad med statorn genom en ring 31 fixerad på rotorns periferi, vilket förhindrar varje rotation av rotorn omkring axeln O-O'.

Det skall noteras att det vid en variant av uppfinningen skulle vara möjligt att göra drevet fast förenat med rotorns yttre yta och kransen fast förenad med statorn.

Spindelns drivning säkerställs genom samverkan av drevet 28 och kransen 26 vilka företrädesvis är tandade, uppenbarligen havande en tandning av samma modul.

Kransen 26 driver under rotorns koniska rörelse drevet 28 med vilket det konstant är i kontakt utmed en generatris till en haivvinkeikon (O ~<>C,).

Det kan påvisas att den vinkelmässiga rotationshastigheten hos axeln 5, med avseende på vinkelhastigheten h), är divi- derat genom förhållandet sinus (0 -oC) sinus Q - sinus $ - Uf I varianten enligt fig 7 återfinns den centrala lageranord- ningen 33, 34 vilken säkerställer punktens C fixering samt lageranordningen 35, 36 med excentrisk yttre kulhållare, vilka anordningar är anordnade att bibehålla vinke1nCÅ;, ehuru rotorns 21 rotation kring sig själv icke förhindras.

Samverkan av en med hylsan 21 fast förenad, konisk krans 32 uppvisande spetshalvvinkeln ß med den med statorn fast förenad krona 37 med spetshalvvinkeln D' -CKL, har till följd att på rotorn påförs, förutom dess koniska rörelse omkring axeln X-X' förorsakad av magnetkrafternas verkan, en långsam rotationsrörelse omkring dess egen axel 0-O' vars vinkelhas- tighet divideras, med avseende på Å), av förhållandet 791036-6-9 fo sinus Ö' - of, sinus Q' - sinus UD' -0C.') Denna rotationsrörelse omkring axeln 0-0' omvandlas till en rotationsrörelse kring axeln X-X' med reducerad hastighet genom samverkan av en krona 38 som är fast förenad med rotor- hylsan 21 och ett drev 39 som är fast förenat med spindeln 5, varvid dessa tvâ organ 38, 39 har en konisk yta med en spets- halvvinkel Q som skiljer sig från Q' och varvid kronornas 32 och 38 axlar sammanfaller med 0-0'.

Det kan visas att spindelns hastighet, med avseende på U) är multiplícerad med lo ___ sinus W' -DCA sinus ß _1 sinus O' _ sinus (Q -glj Såsom exempel är för (1 = 300, Q' = 450 och 9(,= 30 [Û = 0,0465.

Det är givet att de beskrivna och visade utförandeformerna icke är begränsande för uppfinningstanken. I synnerhet skulle rotorn kunna vara anordnad utanpå statorn.

Claims (10)

1. 7910366-9 11 Patentkrav 1. Motor innefattande en rotor (2) med en hylsa (21) som uppvisar generellt cylíndrisk form och är mekaniskt sammankopplad med en utgående axel (5), en generellt oylinderformig stator (1) som vid varje ände har ett flertal poler (140, 141, 142, 145) Vilka till- sammans med motsvarande ände av rotorn, som är inhyst inuti statorn, avgränsar ett motsvarande antal gap, varvid rotorn icke har kontakt med statorn eller med någon med statorn förbunden rullbana, en statorlindning som matas och är anordnad att åstadkomma ett radiellt roterande fält av samma riktning i gapen till de två respektive ändarna samt medel för att med motsatta tecken magnetiskt polarisera de två ändarna av rotorn på så sätt att var och en av dessa har ett magnetiskt centrum, varvid en tänkt eller virtuell axel (O-0') som förenar dessa två magnetiska centra skär statorns symmetriaxel (X-X') i symmetricentrum till statorn, k ä n n e t e c k n a d av mekaniska medel innefattande åtminstone ett i förhållande till statorns (1) symmetriaxel (X-X') excentriskt element (6 resp. 55) monterat på sagda utgående axel (5) respektive i rotorns hylsa (21) för att bibehålla snedställningsvinkeln hos sagda virtuella axel (O-O') relativt statorns symmetriaxel (X~X') på ett konstant värde, varvid sagda medel samverkar med åtminstone ett organ (7 resp. 56) anordnat mellan excenterelementet och rotorns hylsa resp. mellan excenter- elementet och utgångsaxeln tillåtande konisk rörelse av sagda vir- tuella axel omkring sagda symmetrioentrum och utmed sagda vinkel, utan att bidraga till någon rotation av rotorn omkring dennas egen axel.

2, Motor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att sagda organ (7, 56) är en universalkulled eller -lageranordning. 5.

Motor enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att sagda medel innefattar ett andra excenterelement, varvid dessa två excenterelement (6; 6a) var och en samverkar med en universal- led eller -lageranordning (7, 7a), att de två excenterelementen (6, 6a) är monterade på den utgående axeln (5) med sina excentrici- teter motsatta varandra och att universalkullederna eller -lager- anordningarna (7, 7a) har en yttre kulhållare eller hylsa (7, 7a) fast förenad med rotorns hylsa (21). 791-0366-9 12

4. Motor enligt krav 1 eller 2, varvid överensstämmelse mellan rotorns och statorns symmetricentra (C) bibehålls förmedelsten kul- led eller -lageranordning, k ä n n e t e c k n a d därav, att en mot rotorns axel vinkelrät kulhållare (3 resp. 54) till sagda lager- anordning är fast förenad med mittområdet av rotorns yta och centre- rad till symmetricentrum, medan en andra kulhållare (4 resp. 33) är vinkelrät mot den utgående axeln (5).

5. Motor enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att sagda lageranordning har en inre kulhållare eller hylsa (3) monterad på den yttre ytan av rotorhylsan (21) och en yttre kulhållare (4) fast förenad med statorn.

6. Motor enligt krav 1 eller 2, vid vilken excenterelementet eller -elementen (35) är monterade i rotorns hylsa (21), varvid universal- lageranordningen eller '-anordningarna (36) är monterade på den ut- gående axeln (5), och varvid för drivning av den utgående axeln (5) är anordnade medel innefattande åtminstone ett koniskt drev (28, 39) som samverkar med en tand- eller kuggkrans (26, 38), k ä n n e - t e c k n a d därav, att spetsarna till de grundläggande konerna hos drevet och kransen sammanfaller med sagda symmetricentrum och att deras halvvinkel vid spetsen skiljer sig från en vinkel lika med sagda snedställningsvinkel.

7. Motor enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att medel (29, 31) är anordnade för att förhindra rotation av rotorn kring sig själv allt under tillåtande av dess koniska rörelse.

8. Motor enligt krav 6, k ä n n e t e 0 k n a d därav, att sagda medel för att driva den utgående axeln (5) innefattar ett andra koniskt drev (37) som är fast förenat med statorn och samverkar med en andra konisk tandad eller kuggförsedd krans (32) som är fast förenad med rotorn, varvid det andra drevet och den andra kransen har baskoner vilkas syetsar sammanfaller med sagda symmetricentrum, varvid den andra kransens axel sammanfaller med den förstas axel, ehuru vinklarna vid spetsen av de två baskonerna till de tvâ kransarna är olika.

9. Motor enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a d därav, att sagda medel för magnetisk polarisation av rotorn innefattar två kronor av magneter med radiell magnetisering vilka är monterade vid de två ändarna av statorn och magnetiserade i motsatta riktningar. 79113366- 9 13

10. Motor enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att de två kronorna av magneter är monterade mellan en yttre hylsa av magne- tiskt material vilken sträcker sig utmed hela längden av statorn, och två staplar eller satser av magnetplattor som bildar ett flertal pole: vid varje ände av statorn.