Elektrické rotačné zariadenie

Číslo patentu: 284262

Dátum: 12.11.2004

Autori: Ondrejka Stanislav, Ondrejka Karol

Je ešte 5 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú a naopak sa všeobecne skladá z dvojčlenného statora (2), ktorého vonkajší člen (3) je tvorený plášťom (27) statora s krytom (28) a súborom elektrických vinutí (23) použiteľných pre alternátor s vývodmi (231) vyvedenými k usmerňovaču alebo súborom elektrických vinutí (24, 25, 26) použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plášťa (27) statora a ktoré majú i oddelené elektrické vývody (241), (251), (261), pričom vnútorný člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej z dutého valcového rotora (1), ktorý je vytvorený dvoma sústavami segmentov (11 a 12) z magnetického materiálu a je otočne usporiadaný vnútri vonkajšieho člena (3) a súosovo proti nemu, pričom vnútorný člen (4) statora (2) je usporiadaný v dutine valca rotora (1), a ktorý má plášť rotora (1) v tvare valca pozostávajúceho z prvej sústavy segmentov (11) a druhej sústavy segmentov (12), pričom obidve sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov z magnetického materiálu, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostredníctvom magneticky izolačnej vrstvy (13), zhotovenej z nemagnetického materiálu, pričom prvá sústava segmentov (11) je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora (1) zhotovenou z magnetického materiálu, v ktorej osi rotácie je upevnený hriadeľ (14), zatiaľ čo druhú podstavu valca rotora (1) tvorí príruba (121) zhotovená z magnetického materiálu, pričom plášť (27) statora (2) je vybavený najmenej jedným krytom (28).

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka elektrického rotačného zariadenia na premenu mechanickej energie na elektrickú alebo naopak,ktoré vo všeobecnosti pozostáva z dvojčlenného statora,ktorého vonkajší člen je tvorený plášťom statora a súborom pámeho počtu elektrických vinutí použiteľných pre alternátor s vývodmi vyvedenými k usmerňovaču, alebo súborom nepámeho počtu elektrických vinutí použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plàšťa statora, a ktoré majú aj oddelené elektrické vývody, ďalej vnútorným členom statora s vinutím elektromagnetom a ďalej z dutého valcového rotora, ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov z magnetického materiálu rozmiestenými na plášti dutého valca a je otočne usporiadaný vnútri vonkajšieho člena a súosovo proti nemu, pričom vnútomý člen statora vybavený vinutím je usporiadaný v dutine valca rotor.Stroj, ktorý mení mechanickú energiu na elektrickú, sa nazýva elektrický stroj točivý. Všeobecný fyzikálny princíp, na základe ktorého takýto stroj pracuje, je elektromagnetická indukcia. Doteraz známe konštrukcie elektrických rotačných zariadeni (t. j. elektrických strojov točivých), či už generátorov, altemátorov alebo dynám či elektromotorov na jednosmerný alebo striedavý prúd, sú väčšinou konštruované tak, že rotor takýchto strojov sa skladá z elektromagnetu, do ktorého je privádzaný elektrický prúd cez trecie kontakty zbemého zariadenia tvoreného uhlikmi a zbemými krúžkami rotora, ktoré sú v trvalom trecom kontakte. Nevýhodou týchto strojov je, že trecie kontakty zberného zariadenia spôsobujú straty v dôsledku mechanického trenia. Vplyvom trenia uhlikov o zbemé krúžky rotora dochadza k opotrebovaniu uhlikov i krúžkov rotora. Navyše pri treni vznikajú nežiaduce prachové častice. Následkom tohto je častá výmena uhlikov a opravy zbemých krúžkov rotora, čo limituje spravidla vlastnosti a životnost celého stroja. Statory elektromotorov majú zas nevýhodu v tom, že dostatočne nezabezpečujú rozbiehanie a zastavenie motora v rovnakej polohe. Ďalej nedostatočne spĺňajú požiadavku veľmi presného počtu otáčok rotora a takto konštruovanými elektrickými strojmi točivými nie je prakticky možné dosiahnut synchronizáciu otáčok rotorov niekoľkých elektromotorov súčasne.Z US patentu č.4 982 128 je známe nové riešenie statora altemátora, ktorý pozostáva z plášťa statora v tvare valcového puzdra, V ktorom je usporiadané vonkajšie jadro z mäkkého železa. Toto jadro je tvorené sústavou zubov, ktoré smerujú radiálne do stredu plášťa. Každý zo zubov vonkajšieho jadra je ovinutý vodičom v tvare cievky, pričom cievky sú zapojené do hromady a sú pripojené najmenej k jednému elektrickému vodiču, ktorý je vyvedený von z plášťa a je upravený tak, aby viedol elektrický prúd. Ďalej z dutého valcového rotora, ktorý je vytvorený z magnetov a je otáčavo usporiadaný radiálne vnútri vonkajšieho jadra a súosovo proti nemu. Rotor tvorí množstvo magnetov rotora. Každý z magnetov rotora má jeden pól radiálne smerovaný von, kým jeho opačný je radiálne smerovaný dovnútra. Magnety sú usporiadané tak, aby sa magnetické polia smerované zvonku a zvnútra okolo rotora striedali. Ďalej z vnútomého jadra, ktoré je vytvorené z mäkkého železa, a je usporiadané v dutine rotora a je vybavené množstvom zubov, ktoré smerujú radiálne smerom von, pričom každý zo zubov vnútomého jadra je ovinutý vodičom V tvare cievky, pričom cievky sú zapojené dohromady a sú pripojené najmenej k jednému elektrickému vodiču, ktorý je vedený von z vnútomého jadra a je upravený tak, aby viedol elektrický prúd. K rotoru je ďalej pripojená remenica, aby otáčala rotorom s magnetmi usporiadanými medzi vonkajším a vnútomýrn jadrom. Magnety v tomto usporiadaní sú výhodne vyrobené ako elektromagnety a sú elektricky pripojené k páru zbemých krúžkov, ktoré sú namontované na jednom z koncov rotora. Pritom pár uhlíkových kefiek namontovaných na plášti je elektricky prepojený so zbernými krúžkami tak, aby viedli jednosmerný prúd k elektromagnetom.Taktiež sú známe konštrukcie indukčných elektromotorov bez trecích kontaktov s kotvou na krátko, ktorých nevýhodou je veľká hmotnosť a rozmery v porovnani s výkonom. Nevýhodou je aj vysoká poruchovost pri preťaženi a obmedzené využitie v prenosných elektrických zariadeniach.Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú alebo naopak, ktoré sa vo všeobecnosti skladá z dvojčlenného statora, ktorého vonkajší člen je tvorený plášťom statora a súborom pámeho počtu elektrických vinutí použiteľných pre altemátor s vývodmi vyvedenými k usmerňovaču, alebo súborom nepameho počtu oddelených elektrických vinutí použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnene na vnútomom obvode plášťa statora, a ktoré majú aj oddelené elektrické vývody, pričom vnútomý člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej dutého valcového rotora (l), ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov z magnetického materiálu rozmiestnenými na plášti dutého valca a je otočne usporiadaný vnútri vonkajšieho člena statora a súosovo proti nemu, pričom vnútomý člen statora je usporiadaný v dutine valca rotora, ktorého podstata spočíva v tom, že plášť rotora tvori valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov a druhej sústavy segmentov, pričom obe sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov obdlžnikového tvaru zubov, z magnetického materiálu, napr. mäkkého železa, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostrednictvom magnetický izolačnej vrstvy, zhotovenej z nemagnetického materiálu,pričom prvá sústava segmentov je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora, v ktorej osi rotácie je upevnený hriadeľ, zatial čo druhú podstavu valca rotora tvori príruba,pričom plášť statora je vybavený najmenej jedným krytom.Oddelené elektrické vývody nepámeho počtu vinutí vonkajšej časti statora elektromotora sú výhodne pripojené k extemým výkonovým elektrickým prepínačom smeru elektrického prúdu v jednotlivých vinutiach vonkajšieho člena statora, ovládané magnetickým poľom vhodného magnetického riadiaceho systému umiestneného na hriadeli rotora a vonkajšom člene statora, ktoré prostredníctvom vhodnej elektroniky reguluje otáčky rotora elektromotora.Prehľad obrázkov na výkresochVynález bude bližšie ozrejmený pomocou výkresu, na ktorom znázorňuje obr. l - sústavu hlavných súčiastok elektromotora vrozloženom stave,obr. 2 - sústavu hlavných súčiastok altemátora V rozlo ženom stave, SK 284262 B 6obr. 3 - sústavu lamelových segmentov rotora v rozloženom stave, obr. 4 - čiastkovú zostavu rozloženého stavu konštrukcie rotora s vnútomým členom statora -elektromagnetom, obr. 5 - rozloženú sústavu rotora a vnútomého člena statora - elektromagnetu a statora s vinutiami pre altemátor, obr. 6 - rozloženú sústavu rotora s umiestneným vnútomým členom statora - elektromagnetom a statora s oddelenými vinutiami pre elektromotor i s umiestneným magnetickým riadiacim systémom.obr. 7 - znázorňuje blokovú schému elektronického riadiaceho systému otáčok elektromotora a jeho pripojenie k oddeleným vinutiam vonkajšieho člena elektromotora ,statora.obr. 8 a - magnetický riadiaci systém, obr. 8 h- silové pôsobenie magnetických statorových pólov na magnetické rotorové póly v elektromotore, obr. 9 - sily pôsobiace na rotor elektromotora pri jednom rotačnom cykle.Princíp elektrického zariadenia v zmysle tohto vynálezu bude ďalej objasnený, nie však obmedzený, nasledujúcimi príkladmi.Elektrický stroj rotačný, t. j. altemátor určený na premenu mechanickej energie na elektrickú je znázomený na obr. 2, obr. 3, obr. 4, obr. 5 a obr. 7. Hlavnými časťami altemátora sú dvojčlenný stator 2 a rotor 1 v tvare dutého valca. Rotor 1 je usporiadaný medzi vonkajším a vnútorným členom statora 2. Plášt rotora l tvorí valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov 11 a druhej sústavy segmentov 12, pričom obe sústavy sú zhotovené z dvoch segmentov obdlžnikového tvaru, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené. Prvá a druhá sústava segmentov 1 l a 12 je zhotovená z magnetického materiálu a je medzi sebou spojená prostredníctvom magnetický izolačnej vrstvy 13 zhotovenej z nemagnetického materiálu, napr. z hliníka. Prvá sústava segmentov 11 je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora 1 zhotovenou z magnetického materiálu, v osi jej rotácie je upevnený hriadeľ 14. Druhú podstavu valca rotora 1 tvorí príruba 121 zhotovená z magnetického materiálu. Táto je pripevnená k prstencu druhej sústavy segmentov 12 prostrednictvom skrutiek. V osi rotácie príruby 121 je usporiadaný rotačný prechodový prvok 16, ktorým môže byt výhodne guľôčkové ložisko. Prvá a druhá podstava plášťa rotora l sú taktiež zhotovené z magnetického materiálu. Na hriadeli 14 je napevno umiestnený hnací kotúč 17 na pripojenie rotačného extemého mechanizmu, (na výkrese nie je znázornená). Vnútri plášťa rotora 1 je súosovo usporiadaný vnútomý člen statora 2, ktorým je elektromagnet 21 valcového tvaru. Jeho elektrické prívody 211 sú vedené od zdroja napájania (na obr. nie je naznačený) cez dutý hriadeľ 22, ktorý je prepojený s rotorom 1 prostredníctvom rotačného prechodového prvku 16, výhodne guľôčkovým ložiskom. V tomto konštrukčnom usporiadaní je elektromagnet 21 vnútomým členom dvojčlenného statora 2, zatial čo vonkajší člen statora 2 sa skladá zo súboru elektrických vinutí 23 alternátora. Tieto sú zložené so vzájomne prepojených cievok s jadrami a sú umiestnené na vnútomom obvode plášťa 27 statora 2. Elektrické vývody 231 elektrického vínutia 23 altemátora sú vyvedené k usmerňovaču (na obr. nie je znázomený). Vonkajší člen a vnútomý člen statora 2 sú vzájomne pevne spojené pri skrutkovaním krytu 28 plášťa statora 2, pričom spoj je uskutočnený maticou 221 a závitom vytvoreným na konci dutého hriadeľa 22.Činnost altemátora je iniciovaná pripojením jednosmemého napätia akumulátora cez elektrické prívody 211 do cievky elektromagnetu 21 vnútomého člena dvojčlenného statora 2, čím sa vytvorí magnetické pole. Toto je vhodne regulované zmenou jednosmemého napätia akumulátora. Keďže sa rotor 1 nachádza v tomto magnetickom poli,dochádza k zmagnetizovaniu prvej sústavy segmentov 11 na južne magnetické póly J 1, JZ a druhej sústavy segmentov 12 na severné magnetické póly Sl, S 2 alebo opačne. Mechanická energia privedená cez hnací kotúč 17 roztočí rotor 1 a jeho striedavo rozložené magnetické póly J 1, Sl,J 2, S 2 pohybom popri jadrách I elektrických vinutí 23 altemátora V nich indukujú elektromotorické napätie. Takto vyrobená elektrická energia sa z dvojčlenného statora 2 odoberá cez elektrické vývody 231, vhodne sa usmemí extemým usmerňovačom a je pripravená na využitie.Elektrický stroj točivý, t. j. elektromotor, určený na premenu elektrickej energie na mechanickú, je znázomený na obr. 1, obr. 6, obr. 8, obr. 9. Hlavnými časťami elektromotora sú rotor 1 (s naznačenou šípkou rotácie) a dvojčlenný stator 2, ktoré sú zhodne s rotorom a statorom opísanými v príklade l. Na rozdiel od príkladu 1 vonkajší člen statora 2 nie je zložený zo súboru elektrických vinutí 23, ako pri alternátore, ale zo súboru troch oddelených elektrických vinutí 24, 25, 26 elektromotora, ktoré majú aj oddelené elektrické vývody 241, 251, 261, pripojené na extemé výkonové elektronické prepínače 30 polarity magnetických statorových pólov A, B, C, ovládané bezkontaktnými spínačmi 292, 293, 294. Na plnom hriadeli 14 rotora je taktiež umiestnený magnetický riadiaci systém 15 tvorený bezkontaktnými spínačmi 292, 293, 294 usporiadanými syrnetricky na vnútomej strane prstencového držiaka 291 upevneného v ľavom kryte 28 elektromotora. Tieto spínače 292,293, 294 voľne zapadajú do medzery medzi dve smerovo zhodne orientované a magnetický opačne pólované magnetické kridelkové lamely 142. Páry magnetických krídelkových lamiel 142 sú zhotovené z magnetického materiálu a upevnené na protiľahlých stranách nemagnetického puzdra 141 v kolmom smere proti plnému hriadeľu 14. Nemagnetické puzdro je nasunuté na pevný hriadeľ 14 rotora 1. Tento hriadeľ je upevnený v rotačnom prechodovom prvku 16 výhodne guľôčkovom ložisku, ktoré je usporiadané v ľavom kryte 28.Sústava elektromotora je doplnená o prepínač smeru otáčok 33, regulátor otáčok 32 a o výkonové elektrické prepínače 30 elektrickej polarity elektrických vinutí 24, 25,26 elektromotora a tým aj magnetickej polarity magnetických statorových pólov A, B, C elektromotora. Ako zdroj elektrickej energie sú použité zdroje napätia Z 1, Z 2, Z 3,Z 4 a stabilizovaný zdroj 3.Činnost elektromotora sa iniciuje zmagnetizovaním prvej sústavy segmentov 11 a druhej sústavy segmentov 12 tak isto, ako je uvedené v príklade l na magnetické póly J 1, J 2, Sl, S 2. Bezkontaktné spínače 292, 293, 294 reagujú na prítomnost magnetického poľa tak, že na ich výstupoch vytvárajú buď logickú nulu - bez impulzu, alebo logickú jednotku - impulz s dĺžkou závislou od šírky magnetických krídelkových lamiel 142 a sú vyvedené do výkonových elektrických prepínačov 30, ktoré prepínajú budiaci prúd v elektrických vinutiach 24, 25, 26 elektromotora takým spôsobom, že magnetické statorové póly A, B, C pôsobia odpudivými magnetickými silami (na obr. 8 a 9 sú znázomenéprerušovanými šípkami) a príťažlívými magnetickými silami (na obr. 8 a 9 sú znázomené plnými šípkami) na magnetické rotorové póly J l, J 2, Sl, S 2 v každej polohe rotora 1 s rovnako orientovanými krútiacimi momentmi síl pôsobiacimi na rotor l. K prepólovaniu magnetických statorových pólov A, B, C dochádza v polohe X (označená na obr. 8 a 9). Šesť polôh rotora 1, ktoré tvoria v tomto prípade jeden cyklus, je znázomených v šiestich pozíciách (pozri obr. 9), pričom prepólovanie magnetických statorových pólov A, B, C nastane vždy v momente, ked sa jeho stred kryje zo stredom súhlasného magnetického rotorového pólu Jl,J 2, Sl, S 2. Magnetickú polarim statorových pólov A, B, C,silové pôsobenie statorových pólov A, B, C na rotorové póly J l, J 2, S 1, S 2 a logickú kombináciu v jednotlivých šiestich polohách rotora 1 uvádza nasledujúca prehľadná tabuľka k obr. č. 9. V tabuľke logická jednotka I zodpovedá južnému pólu - J statora 2 a logická nula O zodpovedá seveměmu pólu - S statora 2. Skratka OD znamená odpudzovanie magnetických pólov a skratka PR priťaho vanie sa magnetických pólov. Pól Pól Pól Pól Logické Poloha Póly statora statora statora rotora rotora kombináSl J 1 S 2 J 2 ciaZ tabuľky i z obr. 9 je zrejmé, že V konštrukcii elektromotora podľa tohto riešenia neexistuje žiadna tzv. mŕtva poloha. Motor je výkonný a umožňuje matematicky presne dodržať počet otáčok regulovateľných v plnom rozsahu, a to aj pri reverzii. Má výhodný pomer výkonu k hmotnosti a rozmerom.Konštrukčné riešenie elektromotora môže byť realizované s rôznymi počtami rotorových pólov a nepámymi počtami statorových pólov podľa technických požiadaviek,ktoré má elektromotor plniť.Elektrické rotačné zariadenie možno použiť, okrem uvedených dvoch príkladov, i v iných riešeniach. Ponúka sa i využitie čiastkových prvkov a kombinácií tohto riešenia na iné nové konštrukčné usporiadanie, či už v rámci v súčasnosti známeho stavu techniky, alebo inými vhodnými konštrukciami. Toto riešenie je možné výhodne využiťvšade tam, kde vzniká potreba presne dodržať počet otáčok regulovateľných V plnom obsahu, a to aj pri reverzii. Ďalej je použitie výhodné všade tam, kde je žiaduce vylúčenie trecích kontaktov zbemého zariadenia na prívod elektrického prúdu do elektromagnetov rotorov elektrických rotačných zariadení. V neposlednom rade konštrukcia elektrického rotačného zariadenia umožňuje rozbeh a zastavenie elektromotora v rovnakej polohe.1. Elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú a naopak sa všeobecne skladá z dvojčlenného statora (2), ktorého vonkajší člen (3) je tvorený plášťom (27) s krytom (28) a súborom elektrických vinutí (23) použiteľných pre altemátor s vývodmi (23 l) vyvedenými k usmerňovaču alebo súborom elektrických vinutí (24, 25, 26) použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútomom obvode plášťa (27) statora (2), a ktoré majú i oddelené elektrické vývody(241), (25 l), (261), pričom vnútomý člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej, dutého valcového rotora (l), ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov (ll a 12) z magnetického materiálu a je otočné usporiadaný vnútri vonkajšieho člena (3) a súosovo proti nemu, pričom vnútomý člen (4) statora (2) je usporiadaný v dutine valca rotora (l), v y z n a č uj ú c e s a t ý m , že plášť rotora (l) tvorí valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov (ll) a druhej sústavy segmentov(12) umiestnených na plášti valca, pričom obidve sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov z magnetického materiálu, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostrednictvom magnetický izolačnej vrstvy (13), zhotovenej z nemagnetického materiálu, pričom prvá sústava segmentov (l l) je ďalej pewie spojená s podstavou valca rotora (l) zhotovenej z magnetického materiálu, v ktorej osi rotácíe je upevnený hriadeľ (14), zatial čo druhú podstavu valca rotora (l) tvorí príruba (121) zhotovené z magnetického materiálu,pričom plášť (27) statora (2) je vybavený najmenej jedným krytom (28).2. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku l, v y značujúce sa tým, ževrežime altemátora alebo motora je vnútomý člen (4) s vinutím tvorený elektromagnetom (21), ktorého elektrické prívody (21 l) sú vedené cez dutý hriadeľ (22).3. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku 1, v y značuj ú ce sa tý m, ževrežimeelektromotora je na riadenie magnetickej polarity magnetických statorových pólov (A, B a C) stator (2) vybavený magnetickým riadiacim systémom (l 5).4. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku l a 3,vyznačujúce sa tým, ževrežimeelektromotora je na prepínanie elektrickej polarity príslušného elektrického vinutia (24, 25 a 26) elektromotora ku každému z trojice samostatných elektrických vinutí (24, 25 a 26) elektromotora pripojený výkonový elektronický prepínač5. Elektrické rotačné zariadenie podľa nárokov l a 3,vyznačujúce sa tým, že magnetický riadiaci systćm (15) je vytvorený z trojice bezkontaktných spínačov (292, 293 a 294) usporiadaných symetricky na vnútomej strane prstencového držiaka (291) upevneného V ľavom kryte (29) elektromotora, ďalej z dvojice párov magnetických krídelkových lamiel (142) upevnených nanemagnetickom puzdre (141) z protiľahlých strán kolmo proti nemagnetickému puzdru (141), ktoré je nasunuté na hriadel (14), pričom bezkontaktné spínače (292, 293 a 294) voľne zapadajú do medzery medzi dve smerovo zhodne orientované a magneticky opačne pólované magnetické krídelkové lamely (142).

MPK / Značky

MPK: H02K 21/12

Značky: rotačné, zariadenie, elektrické

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/13-284262-elektricke-rotacne-zariadenie.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Elektrické rotačné zariadenie</a>

Podobne patenty