ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H02K21/14 H02K1/12 H02K1/27 H02K3/04 H02K29/08 H02P6/16 

Область Изобретения

Изобретение относится к области электродвигателей. Точнее, изобретение относится к электродвигателю, который содержит электромагнитные катушки, которые расположены на статоре, и постоянные магниты, которые расположены на дискообразном роторе.

Уровень Техники

Электродвигатели вращательного типа хорошо известны и широко используются много лет до нынешнего времени для преобразования электроэнергии в механическую энергию. Типичный электродвигатель содержит ротор и статор.

Ротор является подвижной частью электродвигателя и содержит вращающийся вал, который передает вращение к нагрузке. Ротор обычно имеет проводники, проложенные в нем, которые проводят токи, которые взаимодействуют с магнитным полем статора для создания сил, которые вращают вал. В иной альтернативе ротор содержит постоянные магниты, тогда как статор содержит проводники.

В свою очередь, статор является неподвижной частью электромагнитного контура электродвигателя и обычно имеет либо обмотки либо постоянные магниты. Каркас статора типично изготавливается из большого количества тонких металлических листов, названных наслоениями. Наслоения используются для снижения потерь энергии, которые должны иметь место, когда используется цельный каркас.

Электродвигатели также используются для выполнения обратной функции- преобразование механической энергии в электроэнергию - и, в таком случае, электродвигатели фактически являются электрогенератором.

Однако, когда электродвигатель работает для превращения электроэнергии в механическую энергию, то в электродвигателе вырабатывается паразитный магнитный поток, приводящий к генерированию электрического тока, который препятствует вращению ротора, названным ПРОТИВОЭДС (противоэлектродвижущая сила), в дополнение к вырабатыванию желаемой механической энергии. Этот паразитный ток фактически снижает общую механическую энергию, которая получается от электродвигателя. Паразитная энергия, который вырабатывается в электродвигателе, может достигать до 80% от общей энергии при скорости вращения ротора 3000 об/мин и 20% при скорости вращения ротора 1000 об/мин. Все попытки устранить это количество паразитной энергии, которая присуща конструкции типичного электродвигателя, достигли некоторой границы, но они в целом не смогли устранить эту паразитную энергию.

Документ US 8643227 (Takeuchi) раскрывает линейный электродвигатель, который использует постоянный магнит, который движется в электромагнитной катушке.

Задачей данного изобретения является предоставление новой конструкции электродвигателя, в которой по существу устраняется паразитная энергия в виде генерирования электрического напряжения, которое вызывается в электродвигателях предыдущего уровня техники вследствие обратного магнитного потока.

Еще другой задачей изобретения является предоставление электродвигателя, который может работать при очень большой скорости вращения.

Еще другой задачей изобретения является предоставление более безопасного электродвигателя, который требует подачи низкого тока к каждой из электромагнитных катушек.

Еще другой задачей изобретения является предоставление электродвигателя, имеющего простую и недорогую конструкцию.

Еще другой задачей изобретения является предоставление электродвигателя, имеющего увеличенный КПД в сравнении с электродвигателями предыдущего уровня техники.

Другие задачи и преимущества изобретения станут очевидными со следующего описания.

Краткое Описание Изобретения

Электродвигатель, который содержит (A) ротор, который содержит (a.1) соосные вал и диск; и (a.2) множество постоянных магнитов, которые расположены на одинаковом угловом расстоянии и одинаковом радиальном расстоянии друг от друга на упомянутом диске в кольцеобразной конструкции, и (B) статор, который содержит (b.1) множество витков, имеющих U-образную конструкцию в виде сверху и двойную C-образную структуру в виде сбоку, при этом упомянутые витки расположены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии относительно упомянутого диска ротора, при этом каждая упомянутая С-образная структура имеет полость, сквозь которую проходят с вращением упомянутая кольцеобразная конструкция и диск, и (b.2) множество витков обмотки электромагнитной катушки в каждом из упомянутых U-образных витков.

В варианте выполнения изобретения U-образные витки прикреплены к основе статора.

В варианте выполнения изобретения между любыми двумя соседними постоянными магнитами ротора располагается ферромагнитный брусок, таким образом формируя замкнутое кольцо.

В варианте выполнения изобретения постоянный ток, направление которого меняется, подается к упомянутым виткам электромагнитных катушек.

В варианте выполнения изобретения все упомянутые электромагнитные катушки соединены параллельно таким образом, что они все питаются от единственного источника постоянного тока.

В варианте выполнения изобретения электродвигатель дополнительно содержит один либо большее количество датчиков для определения положения одного либо большего количества упомянутых постоянных магнитов относительно, соответственно, упомянутых витков и, соответственно, для указания момента изменения направления постоянного тока.

В варианте выполнения изобретения каждый из упомянутых датчиков является датчиком типа Холла.

В варианте выполнения изобретения упомянутые изменения направления постоянного тока вызываются контроллером и при этом упомянутые изменения синхронизируются сигналом, который принимается от упомянутого одного либо большего количества датчиков.

В варианте выполнения изобретения полюса соседних постоянных магнитов расположены таким образом, что одинаковые полюса повернуты один к другому, образуя структуру S-S, N-N... .

В варианте выполнения изобретения обмотки в каждой из электромагнитных катушек формируются единственным проводником, который неоднократно наматывается на каркас электромагнитной катушки.

В варианте выполнения изобретения электродвигатель работает при относительно низком токе и относительно высоком напряжении.

В варианте выполнения изобретения количество упомянутых постоянных магнитов вдвое превышает количество упомянутых U-образных витков.

Краткое Описание Чертежей

На чертежах:

- Фиг. 1 изображает основную конструкцию электродвигателя согласно варианту выполнения данного изобретения;

- Фиг. 2 изображает другой вид электродвигателя согласно варианту выполнения изобретения;

- Фиг. 3 изображает способ наматывания проводника на каждый из каркасов электромагнитных катушек электродвигателя данного изобретения.

Детальное Описание Преимущественных Вариантов Выполнения

Как отмечено выше, типичные электродвигатели предыдущего уровня техники страдают от существенного паразитного магнитного потока, который приводит к генерированию обратного электрического тока (ПРОТИВОЭДС) в дополнение к механической (вращательной) энергии, которую должен вырабатывать электродвигатель. Такая генерация паразитной электроэнергии приводит к значительной потере энергии.

Электродвигатель данного изобретения очень существенно снижает такие потери энергии, одновременно используя относительно низкий ток и относительно высокое напряжение.

Фиг. 1 изображает основную конструкцию электродвигателя 100 согласно варианту выполнения данного изобретения. Электродвигатель 100 содержит главным образом ротор 120 и статор 130. Статор 130, в свою очередь, содержит множество витков 131a, 131b, 131c,... 131n, каждый из которых формирует соответствующий каркас (иллюстративный вариант выполнения Фиг. 1 содержит два из таких витков) электромагнитной катушки, которые прикреплены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии к основе 132 статора. Термин "на одинаковом радиальном расстоянии" (который используется здесь для краткости) предполагает круглую основу статора 130, однако, основа статора 130 может иметь любую форму и, в таком случае, все витки располагаются на одинаковом расстоянии от центра основы. Каждый из витков 131 содержит по существу две C-образные структуры в виде сбоку (левая C-образная структура 132L и правая C-образная структура 132R – смотрите Фиг. 2), которые соединяются между собой в их верхней части и нижней части, соответственно, с помощью соединительного участка 132c для формирования по сути U-образной структуры в виде сверху (для краткости витки 131 будут здесь называться U- образными витками). Отверстие в каждой из C-образных структур формирует полость 134 для прохождения постоянных магнитов 123, которые, в свою очередь, расположены в кольцеобразной конструкции на дисковой основе 122 ротора, которая, в свою очередь, прикреплена в своем центре к валу 121. Как будет детально уточняться далее, U-образные витки фактически имеют полость для приема множества, типично большого количества (например, нескольких десятков либо больше) витков электромагнитной катушки.

Точнее, ротор 120 содержит вал 121, диск 122 и множество постоянных магнитов 123 (123a-123b в этом специальном варианте выполнения), которые располагаются на нем. Как изображено, множество постоянных магнитов 123 имеют форму поперечного сечения, которая приспособлена для прохождения сквозь полость 134 каждой из C-образных структур. Постоянные магниты 123 расположены на одинаковом угловом и радиaльном расстоянии на диске 122 по кольцу для прохождения сквозь каждую из упомянутых полостей 134. Постоянные магниты 123 расположены на роторном диске 122 таким образом, что одинаковые полюса любых двух соседних магнитов обращены друг к другу, соответственно (то есть, полюс S обращен к полюсу S, полюс N обращен к полюсу N и так далее). В одном варианте выполнения и, как показано в иллюстративном варианте выполнения с Фиг. 1, ферромагнитный (например, железный) брусок 125 расположен между любыми двумя соседними магнитами 123. Поэтому, комплект всех постоянных магнитов 123 вместе с комплектом всех ферромагнитных брусков 125 (когда они присутствуют) между соседними магнитами формируют круглую кольцеобразную структуру, которая проходит сквозь, соответственно, все полости 134 комплекта витков 131, позволяя свободное вращение роторного диска 122, в то время как в упомянутых полостях витков 131 непрерывно поддерживается расположение по кольцу.

Фиг. 1-3 изображают вариант выполнения с двумя U-образными витками, однако, могут использоваться больше витков. Например, 3 витка могут располагаться на угловом расстоянии друг от друга на диске 122 с центральным углом между ними 120° либо четыре витка могут располагаться на угловом расстоянии друг от друга на диске 122 с центральным углом между ними 90°. Каждый из U-образных витков 131 является по существу симметричным таким образом, что его нижняя часть, то есть, часть под диском 122, по существу соответствует его верхней части. U-образные витки 131, основную форму которых показывает Фиг. 2, фактически имеют полость и выполнены для формирования большого количества витков электромагнитной катушки. Фиг. 3 изображает способ, которым витки 131 каркаса электромагнитной катушки располагаются с формированием своих полых секций. Сперва, в полости витка предусматривается положительный конец проводника, который начинается на выводе 140. Проводник сперва проходит вверх, затем вдоль верхней части секции 132R, затем вдоль соединительной части 132c, затем вдоль верхней части секции 132L, затем вниз к нижней части секции 132L, затем вдоль нижней соединительной части (не изображена), заканчиваясь в нижней части секции 132R, и проходя снова вверх с повторением того же маршрута. Эта процедура наматывания повторяется определенное количество раз, фактически много раз, для формирования большого количества витков электромагнитной катушки. При завершении процедуры наматывания, обмотка заканчивается на отрицательном конце вывода 140. Следует отметить, что такая структура витка 131 является относительно простой для формирования витков электромагнитной катушки. Каркас каждой из электромагнитных катушек типично изготовляется из пластического материала, хотя он может изготавливаться с другого неиндукционного материала, такого как керамика, и так далее.

В одном варианте выполнения ферромагнитный (например, железный) брусок 125 располагают между любыми двумя соседними постоянными магнитами 123. Точнее, в варианте выполнения с Фиг. 1 два ферромагнитных (например, железных) бруска 125a и, соответственно, 125b расположены между двумя постоянными магнитами 123. Поэтому, комплект всех постоянных магнитов 123 вместе с комплектом всех ферромагнитных брусков 125 между соседними постоянными магнитами формируют круглую структуру, которая проходит, соответственно, сквозь все полости 134 комплекта витков 131, позволяя свободное вращение роторного диска 122 с одновременным непрерывным поддержанием кольцевого расположения в упомянутых полостях витков 131. Было обнаружено, что введение ферромагнитных брусков между каждой парой постоянных магнитов является очень важным, поскольку эта структура делает вклад в очень существенное снижение паразитной ПРОТИВОЭДС в сравнении с предыдущем уровнем техники.

Фиг. 1, 2 и 3 выше изображают два U-образных витка в статоре. Следует снова отметить, что количество U-образных витков, а также количество постоянных магнитов на роторе может, соответственно, меняться. Преимущественно, вводы/выводы (140 на Фиг. 3) в множество витков электромагнитной катушки соединены параллельно таким образом, что все положительные вводы, а также все отрицательные вводы соединены между собой. Для обеспечения непрерывного вращения ротора, направление входного тока в витки электромагнитной катушки периодически изменяется синхронно с полюсом постоянного магнита, который расположен возле соответствующего витка. Синхронизация осуществляется с использованием одного либо большего количества датчиков, например, датчиков типа Холла 135 на Фиг. 2, которые расположены в одной либо большем количестве частей витков 132.

Как отмечалось, было обнаружено, что паразитные магнитные потери в электродвигателе изобретения, в частности ПРОТИВОЭДС, являются чрезвычайно малыми по сравнению с традиционными электродвигателями предыдущего уровня техники. Хотя в традиционных электродвигателях уровень ПРОТИВОЭДС типично достигает 80%-90%, было обнаружено, что уровень ПРОТИВОЭДС в электродвигателе изобретения равен 10% - 12%.

ПРИМЕР

Был выполнен электродвигатель согласно изобретению. Были, соответственно, предоставлены следующие параметры и результаты:

1. Количество U-образных витков: 2;

2. Количество постоянных магнитов: 4;

3. Количество витков обмотки в каждой электромагнитной катушке: 20;

4. Диаметр проводника, который использовался в электромагнитных катушках: 7мм;

5. Уровень напряжения: 8-20В (постоянный ток)

6. Уровень силы тока: 2X200А = 400А;

7. Мощность электродвигателя: до 50кВт;

8. Темп изменения полярности тока: 4 раза на оборот диска;

9. Достигнутое количество оборотов в минуту: до 3000 об/мин;

10. Диаметр диска: 400мм.

11. Было обнаружено, что ПРОТИВОЭДС при скорости вращения ротора 3000 об/мин составляет не более чем 12%.

Хотя некоторые варианты выполнения изобретения были описаны в виде иллюстрации, будет очевидно, что изобретение может воплощаться на практике со многими модификациями, изменениями и адаптациями, и с использованием многочисленных эквивалентов либо альтернативных решений, которые понятны специалисту в этой отрасли, без выхода за рамки изобретения либо без превышения правового объема формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение энергоэффективности. Электродвигатель содержит ротор, который включает соосные вал и диск, а также множество постоянных магнитов, которые расположены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии на упомянутом диске в кольцеобразной конструкции. Статор электродвигателя содержит множество витков, имеющих U-образную структуру в виде сверху и двойную C-образную структуру в виде сбоку. Упомянутые витки расположены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии относительно упомянутого диска ротора, при этом каждая упомянутая C-образная структура имеет полость, сквозь которую вращательным образом проходят упомянутая кольцеобразная конструкция и диск. Множество витков обмотки электромагнитной катушки имеются в каждом из упомянутых U-образных витков. Множество постоянных магнитов вместе с ферромагнитными брусками между соседними магнитами формируют кольцеобразную конструкцию, которая проходит сквозь полость множества витков, обеспечивая возможность свободного вращение диска, в то время как кольцеобразная конструкция непрерывно удерживается в упомянутой полости витков. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электродвигатель, содержащий:

(А) ротор, который содержит:

a. соосные вал и диск; и

b. множество постоянных магнитов, которые расположены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии на упомянутом диске в кольцеобразной конструкции; и

(В) статор, который содержит:

c. множество витков, имеющих U-образную структуру в виде сверху и двойную C-образную структуру в виде сбоку, при этом упомянутые витки расположены на одинаковом угловом и радиальном расстоянии относительно упомянутого диска ротора, при этом каждая упомянутая C-образная структура имеет полость, сквозь которую способны вращательным образом двигаться упомянутая кольцеобразная конструкция и диск; и

d. множество витков обмотки в каждом из упомянутых U-образных витков;

при этом множество постоянных магнитов вместе с ферромагнитными брусками между соседними магнитами формируют кольцеобразную конструкцию, которая проходит сквозь полость множества витков, позволяя свободное вращение диска, в то время как кольцеобразная конструкция непрерывно удерживается в упомянутой полости витков.

2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что U-образные витки прикреплены к основе статора.

3. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что между любыми двумя соседними постоянными магнитами ротора расположены ферромагнитные бруски, таким образом формируя замкнутое кольцо.

4. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что постоянный ток, направление которого меняется, подается к упомянутым виткам электромагнитных катушек.

5. Электродвигатель по п. 4, отличающийся тем, что все упомянутые витки электромагнитных катушек соединены параллельно таким образом, что они все способны питаться от единственного источника постоянного тока.

6. Электродвигатель по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно содержит один либо большее количество датчиков для определения положения одного либо большего количества упомянутых постоянных магнитов относительно упомянутых витков, соответственно, и, соответственно, для указания момента изменения направления постоянного тока.

7. Электродвигатель по п. 6, отличающийся тем, что каждый из упомянутых датчиков является датчиком типа Холла.

8. Электродвигатель по п. 5, отличающийся тем, что упомянутые изменения направления постоянного тока способны вызываться контроллером и при этом упомянутые изменения синхронизируются сигналом, который принимается от упомянутого одного либо большего количества датчиков.

9. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что полюса соседних постоянных магнитов расположены таким образом, что одинаковые полюса обращены один к другому, образуя структуру S-S, N-N….

10. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что обмотки в каждой из электромагнитных катушек сформированы единственным проводником, который способен неоднократно наматываться на каркас электромагнитной катушки.

11. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что имеет входной ток 400 А и входное напряжение 8-20 В постоянного тока.

12. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что количество постоянных магнитов вдвое превышает количество упомянутых U-образных витков.