КОМПРЕССОРНАЯ МАШИНА С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Полезная модель относится к микрокриогенной технике и может быть использована в криогенных холодильных машинах, заправленных газом.
Известны холодильные машины (микрокриогенные системы), работающие по циклу Стирлинга и содержащие компрессорную машину и охладитель (холодный палец) [1, 2].
Недостатком отечественных холодильных машин Стирлинга является недостаточный ресурс работы, вследствие использования ротационных двигателей для привода компрессорной машины. Кроме того, возвратно-поступательные движения поршня в цилиндре компрессорной машины вызывают вибрации корпуса [3],
В зарубежной холодильной технике широкое распространение получили холодильные машины Стирлинга с линейным электроприводом, позволяющие значительно увеличить ресурс работы машины за счет исключения из ее конструкции промежуточных звеньев, преобразующих вращательное движение двигателя в возвратно-поступательное движение поршня. При этом оппозитное расположение двух линейных двигателей обеспечивает бесшумную работу и практически нулевые вибрации корпуса [2, 4].
Такие компрессорные машины содержат два линейных двигателя (поршня), расположенные оппозитно, цилиндропоршневые группы и элементы центрирования якорей [5].
Известны линейные электромагнитные двигатели, в том числе соленоидного типа [6, 7]. Недостатком таких двигателей является значительная величина индуктивности катушек, нелинейная зависимость силы от тока в обмотке.
Наиболее широкое распространение получили магнитоэлектрические линейные двигатели с якорем, содержащим постоянные магниты (с подвижными магнитами) [8], и с якорем в виде катушки (с подвижной катушкой). Недостатком магнитоэлектрических двигателей с подвижной катушкой являются недостаточные силовые характеристики, обусловленные наличием в магнитной системе воздушного зазора для размещения катушки и, вследствие этого, завышенные габаритные размеры.
Наилучшими удельными силовыми и энергетическими характеристиками обладают магнитоэлектрические двигатели с подвижными магнитами. Малые значения индуктивности катушек, линейная зависимость силы от тока, высокие удельные силовые характеристики за счет малых зазоров в магнитной системе способствуют широкому распространению таких двигателей в последнее время.
Наиболее близкими по технической сущности (прототип) являются холодильные газонаполненные машины Стирлинга с двумя оппозитными магнитоэлектрическими линейными двигателями и якорями в виде кольцевого магнита [9]. Магнитопроводы для замыкания магнитного потока постоянных магнитов являются неподвижными, т.е. не входят в состав якоря. Недостатком такой магнитной системы являются потери мощности на перемагничивание этого магнитопровода, что является существенным недостатком для микрокриогенных систем малой мощности. Кроме того, в упомянутых холодильных машинах Стирлинга центрирование якоря (поршня) относительно центра колебаний обеспечивается введением в конструкцию машины механических пружин (спиральных или мембранного типа). В таких конструкциях машин применение «легкого» якоря, содержащего только магниты, является обоснованным. Однако, упомянутые механические пружины при частотах возвратно-поступательных колебаний якорей 20-50 Гц существенно ограничивают ресурс работы машины, что является существенным недостатком.
Полезная модель направлена на улучшение габаритно-массовых и энергетических характеристик, повышение надежности и ресурса работы компрессорной машины.
Сущность полезной модели состоит в том, что в известной компрессорной машине с линейным электроприводом, содержащей герметичный газонаполненный корпус, два оппозитных линейных двигателя с якорем в виде кольцеобразных магнитов, дополнительно введен датчик перемещений каждого якоря, расположенный внутри магнитопровода якоря и связанный с обмотками двигателя через усилительно-преобразовательное устройство, каждый из двух якорей выполнен в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала (магнитопровода), на наружной цилиндрической поверхности которого расположены два кольцеобразных радиально и противоположно намагниченных постоянных магнита, при этом масса якоря (суммарная масса магнитов, магнитопровода и пр.) определяется выражением
як
где m - масса якоря.
пр
С - жесткость газовой пружины;
ω - циклическая частота колебаний якоря.
Уменьшение потребляемой мощности достигается за счет увеличения массы якоря и резонансного режима работы машины, при котором обеспечивается баланс упругих и инерционных сил. Увеличение массы якоря без увеличения массы машины обеспечивается за счет размещения на нем магнитопровода, ранее располагаемого на неподвижной части машины и предназначенного для замыкания магнитного потока постоянных магнитов. Кроме
того, уменьшение потребляемой мощности происходит за счет исключения потерь на перемагничивание магнитопровода магнитным потоком постоянных магнитов.
Увеличение ресурса работы машины достигается за счет исключения из ее конструкции механических пружин (витых или мембранного типа), предназначенных для центрирования якоря. Центрирование якоря происходит с помощью «электрической пружины», работа которой обеспечивается с помощью дополнительно введенного датчика перемещений якоря, соединенного с обмотками двигателя через усилительно-преобразовательное устройство. При этом уменьшение габаритных размеров машины обеспечивается за счет размещения датчика перемещений внутри магнитопровода якоря. Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция компрессорной машины, общий вид.
На фиг.2 представлена блок - схема одного канала управления движением якоря. Второй канал идентичен первому.
Компрессорная машина содержит герметичный газонаполненный корпус 1 с отверстием для подсоединения трубки «холодного пальца», два расположенных оппозитно линейных двигателя 2, включающих в себя якорь 3 и статор 4, цилиндропоршневую группу с двумя поршнями 5, расположенными в одном общем цилиндре 6, два датчика 7 перемещений якорей и усилительно-преобразовательное устройство 8.
Каждый якорь 3 включает в себя магнитопровод 3-1, два радиально и противоположно намагниченных кольцевых постоянных магнита 3-2, поршень 5, якорь датчика 7-1.
Усилительно-преобразовательное устройство 8 обеспечивает питание обмоток 1-го и 2-го двигателей 2 синусоидально изменяющимся током и обратную связь по положению якоря.
Компрессорная машина работает следующим образом.
як 1
як 2
При протекании тока по обмоткам двигателя на якорь двигателя воздействует сила, пропорциональная величине и соответствующая направлению тока в обмотке. Под действием этих сил два якоря (поршня) совершают возвратно-поступательное синусоидальное противофазное (встречное) движение с одинаковой амплитудой Х = Х, вследствие чего происходит синусоидальное изменение объема и давления газа в рабочей полости машины. Синусоидальные пульсации давления, возникающие при сжатии и расширении газа в рабочей полости машины, обуславливают возникновение упругих сил, действующих со стороны газа на поршни (газовая пружина). Баланс упругих сил газовой пружины и инерционных сил синусоидального движения якоря обеспечивается при колебаниях якорей на частоте, близкой к резонансной:
,
пр
где С - жесткость газовой пружины;
ω - циклическая частота колебаний якоря;
як
m - масса якоря.
Работа машины на резонансной частоте обеспечивается соответствующим выбором трех параметров: частоты, жесткости газовой пружины (давления заправки и диаметра поршня) и массы якоря.
При воздействии на якорь дестабилизирующих силы веса, линейного ускорения или иных сил появляются смещения якоря, которые измеряются датчиком перемещения и преобразуются в ток двигателя, который компенсирует дестабилизирующую силу.
Стабильность амплитуды колебаний каждого якоря при изменении сил сопротивления движению поршней обеспечивается за счет обратной связи по положению якоря.
зад
Регулирование амплитуды колебаний якоря обеспечивается задающим сигналом U в виде напряжения постоянного тока.
Источники информации:
1. Патент США 5882994, 20 октября 1998 г. МКИ F 25 B 9/00, U.S.
2. Патент США 4697113, 29 сентября 1987 г. МКИ: Н 02 К 033/00
3. А.К.Грезин, В.С.Зиновьев. Микрокриогенная техника, Москва, 1977 г., с. 169.
4. Патент США 4713939,22 декабря 1987 г. МКИ F 25 B 009/00
5. www.thales-cryogenics.com/linear.html, серия «LSF Cryocoolers»
6. Электромагнитный привод робототехнических систем. А.А.Афонин и др. Киев, Наукова думка. 1986 г., с.27.
7. Патент США 4761960, 9 августа 1988 г. МКИ F 25 B 009/00
8. Патент WO 00/79671 A1, 21.06.2000 г. МКИ Н 02 К 33/00
9. патент WO 9928685, 6 октября 1999 г. - прототип МКИ F 25 B 9/00