NO311200B1 - Elektrisk maskin - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en saktegående elektrisk maskin, så som en motor eller generator eller kombinert motor-generator, som angitt i innledningen til patentkrav 1, særlig for bruk i kjøretøyshjul for biler, rullstoler og andre saktegående kjøretøyer.

Bakgrunn

Slike maskiner kan brukes for forskjellige formål, for eksempel til kjøretøyer, til fartøyer, for heise- og vinsjutstyr og for forskjellige formål til prosessindustri og i noen tilfeller også til strømproduksjon. De går under betegnelsen "permanentmagnetiserte synkronmaskiner"

(PMSM). Men noen av disse har vært dårlig tilpasset for det spesifikke bruk. Dette gjelder særlig for forhold: virkningsgrad og plassbehov.

Det eksisterer et stigende krav om energiøkonomisering avhengig av energitilgang og energipriser. Dette gjelder spesielt for motorer/generatorer som skal brukes på transportmidler og liknende med batteridrift. For å redusere batteribehovet og øke rekkevidden eller styrken ved slik anvendelse, er det viktig at minst mulig energi går tapt.

I visse sammenhenger er også plassbehovet en kritisk faktor. Fra norsk patentskrift 302789 (Nyfotek.AS) er det kjent en elektrisk maskin med en roterende aksel, hvor drivstrukturen er dårlig egnet for innbygging i hjul med felg.

Fra WO-publikasjon 97/23942 (Jeumot) er det kjent en hjulmotor for jernbaner. Den har en støpejernsring med innoverrettet omkretsspor for opptak av rotordelene. Denne ringen bærer så en hjulkrans og bæres selv av to navdeler med plass for lagerkrans. Denne løsningen er verken elektroteknisk tilfredsstillende eller egnet for bygging av hjul som kan brukes for mindre kjøretøyer, så som biler, rullestoler o.l.

Formål

Det er derfor hovedformålet med oppfinnelsen å skape en forbedret elektrisk maskin, særlig motor, som kan utnyttes mer energiøkonomisk og plassbesparende enn kjente maskiner for visse formål. Generelt er det et formål å skape en energieffektiv elektrisk maksin som kan konkurrere med dagens synkronmaskiner for bruk til kjøretøysdrift. Særlig er det et formål å skape en elektrisk maskin som er tilrettelagt for batteridrift, slik at den kan utnyttes for drift av kjøretøyer og andre enheter uten kontinuerlig tilgang til nettspenning.

Det er særlig viktig at den skal være egnet for bruksformål som krever sakte rotasjon, med mulighet for elektronisk turtallsregulering, slik at en unngår behovet for gir. Det er også ønskelig å kunne tilpasse sentrale dimensjoner og struktur, slik at den kan bygges inn i hjul for de aktuelle kjøretøyer. Forskjellige andre formål vil gå fram av eksempelbeskrivelsen nedenfor.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. En slik maskin har vist seg godt egnet for utforming som motor bl. a. for mindre kjøretøy. Den kan lages i mange størrelser. Innenfor hvert størrelsesområde kan like elementer brukes for forskjellige formål, for eksempel pulverkjerner, magneter, jernåk for magnetene, spoler og plastformen for pulverkjernene. Denne standardiseringen av elementene vil redusere tilvirkningskostnadene sterkt.

I patentkrav 2-3 er det angitt særlig fordelaktige, men ikke obligatoriske trekk ved oppfinnelsen.

Det er mulig å tilpasse en elektrisk maskin i samsvar med oppfinnelsen, særlig som motor, til mange forskjellige bruksformål, for eksempel til drift av rullestoler og andre kjøretøy. Den gjør bruk av gir overflødig, noe som øker driftssikkerheten, reduserer risikoen for oljelekkasje, gir mulighet for en mer smidig og nøyaktig hastighetsregulering og tar mindre plass. Styringen av hastighet og omkoblingen fra motordrift til generatordrift ved kombinerte løsninger kan oppnås med kraftelektronikk basert på kjente prinsipper, som i de fleste utførelser kan bygges inn i maskinens hus.

Brukt som motor vil den elektriske maskinen i samsvar med oppfinnelsen gi flere fordeler:

- den har lave vibrasjoner under drift og er derfor stillegående

- den har høyt moment

- det kan oppnås høy virkningsgrad, særlig ved bruk av blikk-kjerne i viklingene

- den har høg fleksibilitet i utformingen, særlig med hensyn på de sentrale dimensjoner

- den kan lett utformes med dobbelt eller multippel stator og kan derfor lett dimensjoneres opp - den kan lages på basis av standardkomponenter, særlig for pulverkjerner, magneter, jernåk, spoler og plastform med viklinger.

Oppfinnelsen vil gi størst fordeler ved konstruksjon med et aksielt felt, det vil si aksiell magnetisering.

Flere detaljer ved oppfinnelsen vil gå fram av eksempelbeskrivelsen nedenfor.

Eksempel

Oppfinnelsen er nedenfor beskrevet nærmere under henvisning til tegningene, hvor

Fig. 1 viser et tverrsnitt i aksiell retning av en utførelsesform av oppfinnelsen tilpasset for bruk som saktegående integrert hjulmotor for kjøretøy. Det kan være for rullestoler, biler eller andre transportmidler, Fig. 2 viser et skjematisk snitt gjennom statorviklingen med kjerner av jernpulver, mens

Fig. 3 viser et viklingsdiagram for viklingen som er brukt i fig. 2.

Den elektriske maskinen i Fig. 1 er en motor beregnet for bruk til drift av et kjøretøy, så som en rullestol, en bil eller et annet transportmiddel med hjul. Den kan samtidig være utformet slik at den periodevis kan virke som generator, for eksempel ved oppbremsing. Den har en aksel 11 som med sin indre, avtrappet ende 12 med kilespor 13 og kile 14 er fastspent til en bærearm 15 eller liknende festebrakett på kjøretøyet. Festingen skjer med en mutter 16 med underlagsskive 17.

Akselen li bærer en statordel 18 og en roterende del, som begge omfatter flere deler. Statordelen 18 har et påkrympet nav 19 med udragende midtflens 20 som går over i og bærer ei sylindrisk hylse 21 som strekker seg innover mot bærearmen 15, men ender i aksial avstand fra denne. På hylsa 21 er det i ei påstøpt statorform 22 av plast lagt inn statorviklinger 23 fordelt rundt omkretsen. I dette tilfellet finnes det atten adskilte statorviklinger 23. Statorviklingen har i radialsnitt et rektangulært, utoverrettet tverrsnitt som vil stå i vekselvirkning med rotordeler som vil bli beskrevet nedenfor. Detaljer ved statorviklingene vil bli beskrevet nærmere nedenfor.

Som bærer for rotoren og et hjul finnes det ei ringformei indre rotorplate 24 og ei ytre ringformet rotorplate 25 som danner deler av hjulets felg, idet de bærer en generelt sylindrisk felgtrommel 26.

Den indre rotorplata 24 bæres av et lagerhus 27 med lager 28 plassert på akselen 11 opptil bærearmen 15. Ved sin omkrets er den indre rotorplata 24 forbundet til en flens 29 på felgtrommelen 26 ved hjelp av skruer 30.

Den ytre rotorplata 25 er tredd inn på ytterenden av navet 19 og er med skruer 31 påskrudd et sentralt deksel 32 som samtidig danner lagerhus for et lager 33 på enden av akselen 11. Ved yttersida av felgtrommelen 26 finnes en andre, ytre flens 34 som sammen med den indre flensen 29 gir plass for et dekk (ikke vist) eller en annen hjulbane. For å gi plass for en slangeventil har felgtrommelen 26 et hull 35 opptil den ytre flensen 34.

Rotorplatene 24 og 25 danner både motorskjold og rotorbærere, idet de har hvert sitt sett rotorsegmenter eller magneter 36. Magnetene 36, i eksemplet trettiåtte på hver side, kan være tilvirket av kjent permanentmagnetisk materiale. De er festet til en jernring 37 som igjen er festet til de respektive rotorplatene 24, 25 med skruer 38 fra utsida. Det er vesentlig at antallet poler er forskjellig fra antallet spor mellom pulverkjernene i stator.

Mellom magnetene 36 og statorforma 22 dannes det ei luftspalte A. Luftspalta vil holde seg fast, blant annet på grunn av den ytre plasseringen av lageret 33, som sikrer god stabilitet.

For tilførsel av matekabel (ikke vist) til viklingene 23 har akselen 11 en aksial boring 39 som gjennom en skråboring 40 fører inn til et rom 41 i hylsa 21. En fortsatt boring gjennom akselen gir plass for ledning til et rom 42 i akselenden beregnet på å oppta deler av kraftelektronikk-utstyret som kreves. Rommet 41 i hylsa 21 kan også gi plass for komponenter i styresystemet. Videre kan det bygges inn en bremseanordning i det ledige rommet mellom rotorplatene 24 og 25.

I fig. 2 er det vist skjematisk viklingene for aksialmaskinen i fig. 1, med tre doble sett statorviklingene 23A, 23B og 23C, henholdsvis 23A', 23B' og 23C, som er plassert på jernkjemer 45, enten i form av blikkpakker eller av jernpulver. Viklingene er plassert fordelt og ikke i spor. Hvert viklingssett går over tre jernkjemer med en fri jernkjerne 46 plassert vekselvis. Dermed vil det finnes trettiseks jernkjemer 45. Generelt gjelder at antall spor s og antall poler p følger sammenhengen

der n og m er naturlige tall, slik at det finnes 2<*>m slike grupper pr. fase, som kan seriekobles eller parallellkobles.

Viklingssettene kan seriekobles som vist eller parallellkobles, i begge tilfeller for 3-fase mating. (RST).

Utførelsen med jernpulver har litt lavere virkningsgrad enn tilsvarende elementer tilvirket av blikklameller, men dette er ikke avgjørende ved en del utstyr med begrenset brukstid. Til gjengjeld er gir dette en vesentlig lavere investeringskostnad.

Statorviklingene 23 på jemkjemene 45 er støpt inn i et plaststykke eller statorform 22 (fig. 1).

I fig. 3 er det vist et viklediagram for viklingene i fig. 2, med et sett viklinger for hver fase og med viklingsendene ført ut for serie- eller parallellkobling. På tegningen er n=3 m= 1.

Modifikasjoner

Det kan også brukes jernkjemer i form av tradisjonelle blikkpakker. Dette gir noe høyere virkningsgrad, men også høyere kostnader. Bruksområdet og utnyttelsesgraden avgjør hvilken løsning som er optimal.

Både bruksformål og utforming kan variereres etter forskjellige behov. Ved en variant kan rotorplatene 24 og 25 med felgtrommelen 26 være forankret til en bærer, mens akselen 11 er koblet til en enhet som skal dreies rundt.

Claims (3)

1. Sakte roterende elektrisk maskin, så som en motor eller en generator eller en kombinert motor-generator, for bruk som drivmotor som kan bygges inn i et hjul og som omfatter et ringformet sett statorviklinger (23) på ei første gruppe jernkjemer (45) av laminert blikk eller presset jernpulver, og et motsvarende ringformet anordnet sett poldannende permanentmagneter (36), særlig en permanentmagnetisert synkronmaskin (PMSM) egnet for sinusformet spenning, hvor statorviklingene (23) er anbragt på en faststående aksel (11) med navdannende lagerdeler (27,32) som bærer en roterbar, generelt sylinderformet felgbane (26), hvilken felgbane er holder for maskinens rotordeler som omfatter to aksialt symmetrisk anbragte ringoppstillinger, hvor statorviklingene (23) er konsentrerte og ikke fordelt i spor, og hvor den første gruppa jernkjemer (45) er anordnet vekselvis med ei andre gruppe jernkjemer (46) uten vikling, slik at annenhver jemkjerne har vikling, karakterisert ved- at antallet spor eller mellomrom mellom jernkjernene (45, 46) og antallet poler er forskjellig, idet antallet spor s og antallet poler p følger sammenhengen der n og m er naturlige tall, - at maskinen er viklet for en trefase spenning, med seriekobling av nærliggende spoler, slik at det oppstår 2<*>m slike grupper av spoler pr. fase, som kan seriekobles eller parallellkobles, - at statorviklingene (23) bæres av en hylseformet bærering (21) som er forankret til den faststående akselen (11), og - at de to ringoppstillingene av permanentmagenter (36) er festet til et par plateringer (24, 25) som mellom seg bærer felgbanen (26) til en hjulfelg.

2. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at bæreakselen (11) er forsynt med en sentral åpning (39,42) for innføring av tilførselsledninger og eventuelt plassering av styringskretser.

3. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at plateringene (24, 25) er festet til hver sin lagerdel (27,32) som er opplagret på akselen (11) og har felgbanen (26) festet til seg med aksielle skruer.