РАБОЧАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
WORKING MACHINE WITH ELECTROMECHANICAL CONVERTER

Изобретение относится к линейной машине согласно вводной части пункта 1 формулы, содержащей электромеханический преобразователь с линейно перемещаемым поршнем, расположенным в полом цилиндре. Изобретение также относится к применению такой машины. В заявке в первую очередь описано использование линейной машины в качестве электродвигателя, однако она может использоваться как генератор электроэнергии.
Уровень техники
Линейные машины могут использоваться различным образом, например в качестве компрессоров, вибраторов, машин Стирлинга, двигателей и генераторов.
Линейная машина имеет следующие основные части: поршень, катушечное устройство и корпус. Поршень намагничивается, например, постоянными магнитами, которые называют якорем или ротором.
При протекании в катушке переменного тока в машине возникает изменяющееся магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянных магнитов. Это приводит к переходу электрической энергии катушечного устройства в механическую энергию поршня, совершающего прямолинейное движение в корпусе, и наоборот.
Поршень может быть соединен через его стержень с внешним рабочим элементом, например в поршневом компрессоре или линейной машине Стирлинга.
Поршень не должен двигаться дальше, чем это позволяет корпус. Это значит, что скорость движения поршня должна уменьшаться до нуля в каждом конце его линейного хода. Это может быть обеспечено путем управления магнитным полем. При увеличении мощности электродвигателя увеличиваются также электрические потери, что приводит к уменьшению кпд.
Поэтому линейные машины с выходной мощностью около 0,5 кВт и больше содержат резонансные устройства, например пружины, которые тянут и/или толкают поршень в центральное положение. Если катушка не находится под напряжением, то поршень перед отпусканием можно отвести из центрального положения. При наличии резонансных устройств поршень может колебаться около положения равновесия с частотой, равной частоте собственных колебаний.
Важно также обеспечить эффективное преобразование энергии. Поэтому желательно, чтобы частота переменного напряжения в катушечном устройстве была приблизительно равна частоте собственных колебаний поршня, при этом возникает резонанс. В случае идеального резонанса электрическая сила всегда будет действовать в направлении движения поршня и, следовательно, сообщать ему энергию. Если электрическая сила не находится в резонансе, то она будет замедлять движение поршня на участках его хода. Тогда для передачи поршню такого же количества энергии электрическая сила должна быть больше по абсолютной величине. Это значит, что ток в катушках будет больше необходимого, что приведет к увеличению собственных колебаний поршня, которое определяется в том числе и его массой. В данном описании в массу поршня входят массы всех элементов, которые приводятся в движение для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, а именно постоянных магнитов, их каркаса, прокладок, стержней поршня и наружных поршней в компрессорах и машинах Стирлинга. Другими факторами, влияющими на частоту собственных колебаний, являются свойства упомянутых выше резонансных устройств.
Когда поршень совершает в машине линейные колебания, кинетическая энергия движущегося поршня переходит, при достижении им того или иного крайнего положения, в потенциальную энергию, которая запасается в резонансных устройствах, и наоборот.
Слово "ход" означает путь поршня из центрального положения в первое крайнее положение и далее до тех пор, пока он при своем движении в направлении этого крайнего положения снова не окажется в центральном положении.
Эффективность линейной машины пропорциональна электрической силе, умноженной на длину хода и частоту. В известных машинах длина хода и частота часто ограничены, например, из-за ограничения скорости в связи с использованием подшипников скольжения. В настоящее время используются, как правило, сравнительно легкие поршни, которые перемещаются под действием большой силы. Использование легких поршней объясняется тем, что для тяжелых поршней требуются очень сильные пружины. Иначе говоря, если поршень тяжелый, то в резонансном устройстве должна накапливаться большая кинетическая энергия. Это ограничивает эффективность известных линейных машин примерно до 1 кВт.
В US 6379125 описан линейный компрессор, работающий от линейного двигателя, содержащего дисковые или винтовые пружины для перемещения поршня в нейтральное положение. Это техническое решение не может быть использовано для создания линейных машин с выходной мощностью более примерно 1 кВт.
В GB 2017422 описан линейный вибратор. Цель описанного в этом документе изобретения состоит в создании вибратора, имеющего сравнительно длинный ход при сравнительно малой массе поршня. В этом случае в качестве резонансного устройства используются металлические пружины и/или газовые пружины. Сказано, что поршень должен иметь малую массу, так что такое техническое решение тоже не годится для более мощных линейных машин по той причине, что применение легкого поршня ограничивает вес магнитов или катушек в подвижной части и тем самым максимальную силу, которая сообщает энергию поршню. Кроме того, из-за использования легкого поршня в такой системе накапливается мало энергии. Тогда выходная энергия в нагрузке приводит к передемпфированию системы, что налагает высокие требования к регулировке, действующей на поршень.
В US 4067667 (White 1978) описан компрессор, имеющий колебательный двигатель со свободным линейно перемещаемым электрическим якорем, который интегрирован с двумя поршнями компрессора и двойной газовой пружиной. Газовая пружина содержит круглый поршень в круглом цилиндре на каждом конце якоря. Такое решение является сложным для изготовления и эксплуатации. Кроме того, поршень имеет очень короткий ход и малую эффективную площадь. Это значительно ограничивает массу якоря и тем самым передаваемую мощность. Такая конструкция ограничивает возможность повышения выходной мощности. Это означает, что известные машины не годятся для решения задач, где требуется, чтобы выходная мощность не была ограничена.
Цель изобретения
Основная цель изобретения состоит в создании машины для электромеханического преобразования со значительно лучшими характеристиками, чем известные машины.
Особой целью изобретения является создание машины с усовершенствованным резонансным устройством, поскольку в известных решениях размеры и характеристики машины ограничены. Целью изобретения является также создание простой машины подобного типа, которая может использоваться как вибратор. Кроме того, целью изобретения является создание такой машины, которая может устанавливаться в произвольные положения без риска заклинивания поршня или его перекоса.
Еще одной особой целью изобретения является создание простого по конструкции вибратора, который может работать с большой мощностью. Желательно также найти для таких машин новые области применения.
Изобретение
Изобретение охарактеризовано в отличительной части пункта 1 формулы. Предпочтительные варианты изобретения описаны в зависимых пунктах 2-11.
Расчеты и эксперименты показали, что машины, выполненные согласно п.1 формулы, позволяют достичь гораздо лучших результатов, чем было возможно до сих пор. Расчеты показывают, что может быть создана линейная машина согласно п.1 формулы с выходной мощностью 30 кВт или больше, не имеющая существенных недостатков в отношении управления и стабильности.
Особенно важно, что изобретение позволяет увеличить рабочее давление, массу поршня и частоту или по меньшей мере один из этих параметров, что увеличивает эффективность машины по сравнению с соответствующими известными машинами. Наиболее важным является увеличение площади и частоты или давления и длины хода.
Машина согласно изобретению может быть выполнена с противоположным расположением элементов, когда постоянные магниты окружают поршень, а катушечные обмотки находятся внутри него.
Машина может быть выполнена с корпусом, соединенным непосредственно с нагрузкой или приводным устройством. Такая машина может устанавливаться непосредственно на элемент или узел, который должен вибрировать.
Изобретение также относится к применению такой машины в качестве линейного двигателя. Например, машина может соединяться с задней частью долота стального бура при бурении нефтяных скважин и добыче полезных ископаемых для получения ударного бурения с помощью обычного бура. Другим примером применения машины является ее соединение с трубой или брусом, которые должны загоняться в землю, в особенности для установки шпунтовых свай. В этом случае сваи загоняются в землю за счет вибрации, а не путем забивания.
Примеры осуществления изобретения
Ниже изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает разрез первого варианта осуществления изобретения,
фиг.2 - разрез второго варианта осуществления изобретения.
фиг.3 - часть разреза, показанного на фиг.2, в увеличенном масштабе,
фиг.4 - разрез первой модификации варианта, показанного на фиг.2,
фиг.5 - часть фиг.4 в увеличенном масштабе,
фиг.6 - разрез второй модификации варианта, показанного на фиг.2,
фиг.7 - часть фиг.6 в увеличенном масштабе;
фиг.8 - разрез третьей модификации варианта, показанного на фиг.2, и
фиг.9 - разрез четвертой модификации варианта, показанного на фиг.2.
На фиг.1 показан разрез машины согласно изобретению. Машина и ее основные части расположены концентрично относительно оси I-I. Это значит, что на виде сверху машина имеет круглую форму. В данном описании слова "верх", "низ", "сверху", "снизу" и т.п. используются применительно к фигурам чертежей. Однако очевидно, что машина может работать в разных положениях.
Машина имеет корпус 20 с поршнем 30, который движется в нем вперед и назад вдоль оси I-I. В корпусе 20 расположено электрическое катушечное устройство 21 с катушками 21а.
Корпус содержит верхнюю 22 и нижнюю 23 камеры, расположенные вдоль большей части его окружности. Вблизи оси I-I корпус имеет наружную верхнюю полость 24 и наружную нижнюю полость 25. Дно 26, 27 каждой полости 24, 25 соответственно имеет отверстие, назначение которого указано ниже.
Из технологических соображений корпус 20 разделен на верхнюю и нижнюю половины и имеет наружный фланец 10 для их соединения.
На дне и по боковым сторонам каждой камеры 22, 23 расположена втулка 28 из железа, магнитного листового металла или подобного материала. На дне втулки 28 расположена опорная плита 29 из нержавеющей стали, образующая опору для катушечного устройства 21, которое содержит несколько цилиндрических катушек 21а, расположенных параллельно оси I-I и доходящих наверху и внизу до дна 26, 27 полостей 24, 25 соответственно. На фиг.1 верхняя и нижняя камеры содержат по семь катушек. Катушки 21а могут иметь обычную конструкцию и поэтому не описаны подробно. Если машина работает как двигатель, то катушки 21а подключены к источнику электроэнергии.
Поршень 30 содержит круглый диск 31 из нержавеющей стали, который имеет на наружном крае подшипник 32 скольжения для обеспечения газонепроницаемости и уплотнения по внутренней стенке корпуса 20. В центре круглого диска 31 закреплены верхний и нижний стержни 34, 35 поршня, на каждом из которых установлен подшипник 36, 37 скольжения. Стержни 34, 35 с подшипниками 36, 37 обеспечивают газонепроницаемость и уплотнение относительно отверстия на дне 26, 27 соответствующей полости 24, 25.
На круглом диске 31 установлено параллельно оси I-I несколько трубчатых магнитных элементов 38. Размеры магнитных элементов 38 соответствуют размерам катушек, т.е. их высота приблизительно равна высоте катушек, а толщина - расстоянию между двумя соседними катушками. Магниты могут быть образованы путем приклеивания магнитов малого размера в каркас в виде трубчатой втулки. При перемещении поршня магнитные элементы будут почти без трения скользить между катушками вперед и назад. В варианте, показанном на фиг.1, в каждой камере 22, 23 находится шесть магнитных элементов.
Расстояние между круглым диском 31 и концами катушек предпочтительно равно расстоянию между опорной плитой 29 и концами магнитных элементов.
Работа машины согласно первому варианту осуществления изобретения
Перемещение поршня 30 38, включая перемещение магнитных элементов 38 относительно опорной плиты 29, физически ограничено дном 26, 27 каждой полости 24, 25, концами катушек 21а и концами втулки 28. Поршень изображен на фиг.1 в виде одного диска 31 с одним подшипником 32 скольжения, что считается более целесообразным, однако могут быть предусмотрены несколько дисков.
В верхней и нижней камерах 22, 23, между концами магнитных элементов 38 и опорной плитой 29, образована содержащая газ полость 40. Аналогично, несколько содержащих газ полостей 50 образовано на каждой стороне поршня 30 между диском 31, концами катушек 21а и дном 26, 27. Полости 40, 50 имеют очень большую площадь и образуют мощные резонансные устройства, как описано во вводной части.
Согласно изобретению желательно, чтобы, в отличие от известных машин, поршень имел большую массу. Масса поршня может быть 4 кг и больше, что намного больше массы поршня при использовании резонансных устройств на основе винтовых пружин, при сохранении приемлемых размеров машины.
При движении поршня газ в полостях, образующих резонансное устройство, адиабатически сжимается и расширяется. При нахождении поршня в крайних положениях его кинетическая энергия будет накапливаться в газе в виде разности давлений, а когда поршень находится в центральном положении, накопленная газом энергия будет передаваться ему в виде кинетической энергии. Сжатие и расширение газа сопровождаются изменением температуры и, как следствие, тепловыми потерями, в дополнение к потерям от трения. Предполагается, что эти потери малы.
При использовании такой линейной машины в качестве компрессора энергия будет передаваться от катушек к поршню. Внешний поршень компрессора будет отводить энергию, накопленную газом и поршнем.
При использовании линейной машины в качестве генератора для машины Стерлинга, на линейную машину подается механическая энергия и она генерирует электрическую энергию.
Причина, по которой поршень должен иметь большую массу, в том, что согласно изобретению желательно, чтобы количество энергии, накопленной поршнем и резонансным устройством, было намного больше количества энергии, которая расходуется или генерируется за один цикл. До настоящего времени в проектировании линейных машин этот подход является лучшим для обеспечения стабильности, однако до сих пор он не был реализован.
2
При использовании поршня, имеющего большую массу, важно также, чтобы площадь резонансного устройства была большой. Это позволяет накапливать большую кинетическую энергию в виде потенциальной энергии в газе. Желательно, чтобы площадь резонансного устройства с каждой стороны поршня была относительно большой, а именно больше 0,03 м, при величине хода около 10 см.
Давление внутри резонансного устройства велико. Это значит, что давление внутри корпуса с каждой стороны поршневого диска 31 резонансного устройства и соответственно давление в полостях 40, 50, расположенных перпендикулярно к линии I-I, относительно высокое и потенциально превышает 10 атмосфер.
На фиг.2 и 3 показан вариант осуществления изобретения, который может использоваться как вибратор или работающий под действием вибрации генератор. Этот вариант содержит в общем трубчатую наружную часть 60 в виде наружной втулки 61, к которой приварены или привинчены концевые колпаки 62, 63. Втулка может быть изготовлена из немагнитного материала, например алюминия, нержавеющей стали или композиционного материала, например углеволокна. В центральной области наружной части 60 вставлено несколько катушечных обмоток 64, занимающих около 3/4 ее длины и установленных на тонкой опорной трубе 65 из неэлектропроводной и стойкой к истиранию пластмассы, например полиэфирэфиркентона (PEEK).
Один из концевых колпаков 62, 63 должен открываться для вставки поршня 66. Кроме того, должны быть предусмотрены клапаны для впуска и выпуска газа. Катушечные обмотки 64 снаружи закрыты статорной трубой 67 из магнитного материала, например прессованного железного порошка, сыпучего железного порошка или прессованных железных волокон. Статорная труба 67 повышает кпд машины.
Поршень 66 состоит из нескольких трубчатых постоянных магнитов 68, установленных на опорном стержне 69 с концевыми деталями 70 и 71, которые удерживают магниты вместе. Между постоянными магнитами 68 расположены прокладочные кольца 72 из мягкого железа. Эти кольца могут быть изготовлены из чугуна, прессованного железного порошка, прессованных железных волокон или другого ферромагнитного материала, проницаемого для магнитного поля постоянных магнитов 68. Они могут быть изготовлены из неодима (торговая марка) или других материалов с аналогичными характеристиками. Постоянные магниты 68 и прокладочные кольца 72 образуют снаружи сплошную и гладкую поверхность, которая может быть покрыта тонким слоем материала, снижающего трение, например тефлона (торговая марка). Постоянные магниты 68 намагничиваются параллельно оси симметрии. Направление намагничивания меняется в ряду от магнита к магниту.
Трубчпиые концевые детали 70, 71 образуют основное уплотнительное устройство для уплотнения по внутренней поверхности опорной трубы 65. Это уплотнение должно быть хорошим, чтобы не было утечки газа из концевых камер 73, 74. Концевые детали могут быть изготовлены из нержавеющей стали или другого материала, обеспечивающего малое трение и хорошее уплотнение. Концевые детали 70, 71 прикреплены к опорному стержню известными средствами.
Концевые камеры 73, 74 работают как газовые пружины для создания высокого давления, по меньшей мере, 10 бар, предпочтительно свыше 30 бар. При сбалансированном давлении эти газовые пружины перемещают поршень в опорной трубе 65 вперед и назад.
Для получения трехфазной машины каждая катушечная обмотка 64 соединена через две с третьей от нее обмоткой. Путем изменения длины и количества катушечных обмоток можно получить двухфазную машину. Ток в катушечных обмотках можно регулировать так, что магнитная сила действует на поршень в направлении его перемещения. Так как создаваемое магнитами поле изменяется при перемещении поршня, а также изменяется скорость поршня, то ток изменяет направление через нерегулярные интервалы.
Катушечные обмотки 64 могут быть намотаны непосредственно на опорную трубу 65, которая образует "воздушный зазор" между магнитами и поршнем 66. Таким образом между внутренней стенкой опорной трубы 65 и поршнем может быть получено уплотнение, не пропускающее высокое давление, и в то же время труба 65 создает заданный немагнитный зазор.
В одной или обеих концевых камерах 73, 74 может быть установлена винтовая пружина для удерживания поршня 66 в центральном положении независимо от давления газа. Это дает возможность при сборке такой машины с вертикальной осью исключить опускание поршня 66 в нижнее конечное положение, что препятствует балансу давления в концевых камерах 73, 74.
На фиг.4 и 5 показан вариант осуществления изобретения, альтернативный показанному на фиг.2 и 3. Здесь на опорном стержне 76 поршня 75 закреплена опорная труба 77 из мягкого железа или аналогичного материала, несущая трубчатые магниты 78, причем промежуточные слои отсутствуют. В этом случае магниты 78 намагничиваются радиальным полем, направление которого изменяется внутрь и наружу от магнитов в ряду. Такая конфигурация в общем соответствует конфигурации варианта, показанного на фиг.2. В этом варианте каждая катушечная обмотка 64 тоже может быть соединена с третьей от нее катушечной обмоткой.
Другой вариант, альтернативный показанному на фиг.2 и 3, изображен на фиг.6 и 7. Между катушечными обмотками 80 расположены кольца 81 из железа для увеличения коэффициента полезного действия. Кольца 81 могут быть выполнены из чугуна, спеченного железного порошка или листового металла. В этом случае поршень 66 соответствует поршню в варианте, показанном на фиг.2 и 3. В этом варианте осуществления изобретения может оказаться необходимым освободить поршень 66, чтобы избежать его заклинивания в некотором положении.
Еще один вариант, альтернативный показанному на фиг.2 и 3, изображен на фиг.8, где трубчатый стержень 82 проходит через центральную опорную трубу 69 поршня 83, который в общем соответствует поршню 66 в варианте, показанном на фиг.2 и 3. Этот трубчатый стержень может использоваться для подачи охлаждающего вещества.
Вариант, альтернативный показанному на фиг.8, представлен на фиг.9, где трубчатый стержень 84 проходит через втулку 85, соответствующую втулке 61 на фиг.2 и 3.
Работа машины согласно другим вариантам осуществления изобретения
При использовании машины, например, в качестве вибратора, регулируется силовое электрическое поле, создаваемое протекающим через катушечные обмотки током. Силовое поле создает силу, которая останавливает поршень и перемещает его вперед и назад. Если отрегулировать электрическую силу так, что она будет в резонансе в движением поршня, то отклонение поршня будет все больше и больше.
Такая машина может быть установлена непосредственно на элемент, на который она должна воздействовать, например на бурильное долото, которое в этом случае превращается в бурильный молоток, или на забиваемые в землю трубу или брус, например, при установке шпунтовых свай. Если такая машина установлена на объект, который вибрирует с резонансной частотой машины, то она будет работать как электрический генератор, например, в случае присоединения поршня к двигателю Стирлинга.
Преимуществом использования газовой пружины является то, что она может быть сделана более жесткой, чем механическая пружина, что позволяет увеличить массу поршня. Кроме того, газовая пружина допускает значительно большую длину хода. Поскольку масса поршня может быть больше массы корпуса или наружной части, машину можно соединить непосредственно с нагрузкой или приводным устройством.
Лучшим способом увеличить действующую на поршень электрическую силу в длинной и узкой электрической машине с большой длиной хода является выполнение машины многополюсной. Это осуществляется путем выполнения поршня (альтернативный статор, катушки которого находятся внутри поршня) из нескольких магнитов, со вставкой или без вставки между ними железа, так что вдоль поршня образуются более двух магнитных полюсов (например, два северных полюса и два южных полюса). Многополюсная машина характерна тем, что ток в катушках должен изменять направление в зависимости от положения поршня, чтобы сила действовала в том же направлении. Так, что соответствия между частотой электрических колебаний и частотой механических колебаний не будет, если длина хода поршня превышает длину одного полюса.