ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР
ELECTRIC MOTOR-COMPRESSOR

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к объемным компрессорам с электроприводом и предназначено для повышения давления (сжатия) и перемещения газообразных веществ.
Известен, например, электродвигатель-компрессор, принятый за прототип, (патент РФ 2051461, МПК H02K 33/12 (1995.01), F04B 35/04 (1995.01)), содержащий три рабочие камеры с соответствующими клапанами, причем в качестве поршней использованы вторичные элементы однофазного конденсаторного линейного асинхронного двигателя, выполненные в виде полых ферромагнитных цилиндров с уплотнительными кольцами, закрытых с обеих сторон и имеющих на внешней поверхности электропроводящие стаканы. Индуктор данного линейного цилиндрического двигателя содержит цилиндрическую ферромагнитную станину, в которую вставлены чередующиеся магнитные и немагнитные кольца, между которыми расположены кольцевые обмотки. Причем с обоих торцов компрессор закрыт фланцами, а во всех трех полостях установлены упругие элементы.
Недостатком данного электродвигателя-компрессора является малый ход полых ферромагнитных цилиндров, движущихся синхронно возвратно-поступательно в противоположных направлениях вследствие того, что они соединены между собой реактивным элементом (пружиной), приводящий к снижению производительности компрессора. Наличие этой пружины, работающей на растяжение при движении поршней к торцам компрессора, приводит к снижению его КПД, т.к. данные поршни в этот момент не только преодолевают давление воздуха, но и силу упругости данной пружины. Для обеспечения большего хода полых ферромагнитных цилиндров можно сделать попытки увеличить число ее витков, но это приведет, во-первых, к уменьшению расстояния, на которое поршни могут сближаться между собой, т.е. уменьшению производительности, а во-вторых, вследствие усталости металла, данная пружина начнет со временем провисать, увеличивая тем самым вероятность ее поломки.
Кроме того, места крепления данной пружины к полым ферромагнитным цилиндрам являются самыми ненадежными в данной достаточно сложной конструкции: многократно повторяющиеся с большой частотой циклы механических напряжений, действующие в противоположные стороны, неизбежно ведут к деформации металла этого места и отрыву пружины от поршня, т.е. снижают долговечность эксплуатации.
Уплотнительные кольца поршней при перемещении последних внешней своей стороной механически взаимодействуют с чередующимися магнитными и немагнитными кольцами внутренней стенки ферромагнитной станины индуктора, что приводит к ускоренному их износу и, соответственно, снижению долговечности. Данный процесс аналогичен процессу износа угольных щеток коллекторных электродвигателей, только здесь процесс износа происходит быстрее, т.к. поршни в процессе работы постоянно меняют свое направление на противоположное.
Безмасляное механическое взаимодействие уплотнительных колец поршней с внутренней стенкой индуктора, образованной данными чередующимися магнитными и немагнитными кольцами, ведет к очень быстрому их нагреву, что ведет, в свою очередь, к снижению надежности, т.к. может привести в результате теплопередачи к перегреву обмотки индуктора, а также к заклиниванию данного электродвигателя-компрессора. Кроме того, вследствие разных коэффициентов линейного расширения магнитных и немагнитных колец, в процессе работы компрессора, изменение линейных размеров этих колец неодинаково, поэтому образованная этими кольцами внутренняя цилиндрическая поверхность не будет идеально гладкой и в местах их стыков, и вследствие взаимодействия с уплотнительными кольцами появятся "задиры", т.е. поломки.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: повышение надежности, долговечности и упрощение конструкции.
Поставленная задача достигается тем, что в известном электродвигателе-компрессоре, содержащем индуктор, выполненный в виде цилиндрической ферромагнитной станины, в которую вставлены чередующиеся магнитные и немагнитные кольца, между которыми расположены кольцевые катушки обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя, создающей бегущее вдоль оси индуктора электромагнитное поле и обеспечивающей возвратно-поступательное перемещение электропроводящего поршня с уплотнительными кольцами, делящего корпус с фланцами на отдельные рабочие полости с соответствующими клапанами. Причем в рабочих полостях установлены упругие элементы. Заявляемый электродвигатель-компрессор отличается тем, что он дополнительно содержит гильзу из керамических материалов с антифрикционным покрытием на поверхности внутренней ее стороны, вставленную вовнутрь цилиндрической поверхности, образованной внутренними поверхностями стенок упомянутых чередующихся магнитных и немагнитных колец. А также содержит силовой электронный ключ и цепь управления переключением выводов обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя с помощью этого ключа, содержащую элемент с функцией памяти. При этом поршень разделяет корпус на две рабочие полости, а именно правую и левую, и выполнен в форме кольца из медного или алюминиевого материала прямоугольного поперечного сечения с закрепленной внутри по центру кольца жесткой пластиной. Цепь управления переключением выводов обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя электрически сообщена с данными выводами обмотки и подключена к силовому электронному ключу, также подключенному к указанным выводам данной обмотки. Причем время переключения выводов обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя «t» внесено в память данной цепи управления посредством ее элемента с функцией памяти, значение которого установлено из соотношения:
l
где  - длина активной части станины статора линейного электрического двигателя, м;
υ=2τ⋅ƒ - скорость перемещения электромагнитного поля, создаваемого кольцевыми катушками обмотки вдоль оси индуктора, м/с;
τ - полюсное деление как часть поверхности статора линейного электрического двигателя, приходящаяся на один полюс, м;
ƒ - частота питающего напряжения, Гц.
Причем цепь управления переключением выводов обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя в частном случае собрана на восьмиразрядном микроконтроллере Microchip PIC16F628A, а электронный ключ в частном случае выполнен в виде IGBT-транзистора.
Таким образом, за счет того, что в предложенной конструкции электродвигателя-компрессора по сравнению с прототипом из конструкции исключена пружина, механически гибкой связью соединяющая оба поршня между собой, т.к. используется один поршень, обеспечивается большая его надежность, конструктивная простота и КПД. Благодаря тому, что между поршнем и внутренней цилиндрической поверхностью, образованной чередующимися магнитными и немагнитными кольцами, вставлен цилиндр (гильза) из керамического материала с антифрикционным покрытием на поверхности внутренней его стороны, обеспечивается существенно больший эксплуатационный ресурс, т.к. эта поверхность, по которой перемещается поршень с уплотнительными кольцами, в отличие от прототипа, является практически идеально гладкой и не содержит каких-либо стыков. Благодаря использованию силового электронного ключа (например, IGBT-транзистора), обеспечивается надежное своевременное, в соответствии с заданным восьмиразрядным микроконтроллером Microchip PIC16F628A временем «t», переключение выводов обмотки однофазного асинхронного линейного электрического двигателя и изменение тем самым направления перемещения бегущего электромагнитного поля индуктора.
Основным достоинством гильзы, выполненной из керамического материала, помимо дешевизны изготовления и высокой жаропрочности, является меньший износ в них поршней и поршневых уплотнительных колец, чем в обычных стальных гильзах. Это объясняется уменьшением заеданий и задиров при движении поршня в цилиндрах с такой гильзой вследствие того, что твердые частицы пыли и грязи не могут вдавливаться в более твердую поверхность гильз и не оказывают поэтому абразивного воздействия на поршень и кольца.
Благодаря новой конструкции поршня, выполненного в форме кольца из медного или алюминиевого материала прямоугольного поперечного сечения с закрепленной внутри по центру кольца жесткой пластиной, обеспечивается увеличение объема внутреннего пространства цилиндра (гильзы) за счет того, что этот поршень сам занимает меньший объем, по сравнению c объемом, занимаемым поршнем прототипа. А также благодаря тому, что в крайних положениях поршня буферные пружины оказываются внутри его кольца, соприкасаясь с центром его жесткой пластины, кольцевые катушки обмотки способны обеспечить несколько большее тяговое усилие в этот момент на поршень и, соответственно, поршень под воздействием этого большего тягового усилия сильнее сожмет упомянутые буферные пружины. Следовательно, полезный объем цилиндра увеличивается еще больше, а также возрастает энергия сжатия пружины, переходящая в кинетическую энергию поршня при движении его в следующий момент времени в противоположном направлении. Получаемый дополнительно эффект - увеличение эффективности производительность заявляемого электродвигателя-компрессора.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом: Электродвигатель-компрессор - вид сбоку.
Заявляемый электродвигатель-компрессор содержит цилиндрический индуктор в виде ферромагнитной станины (1) (статор), как первичный элемент асинхронного линейного электрического двигателя (ЛЭД), в которую вставлены чередующиеся магнитные (2) и немагнитные (3) кольца, между которыми расположены электрически соединенные между собой по заданной схеме (не показано) кольцевые медные катушки обмотки (4). Причем с торцов компрессор герметично закрыт фланцами (5) и (6). С каждого торца компрессора во фланцах расположены впускные (7) и выпускные (8) клапаны, причем выпускные клапаны (8) герметично соединены между собой посредством обычной гибкой эластичной трубки (не показано) из резинометаллического материала. Также он содержит цилиндрическую гильзу (9) из керамических материалов с антифрикционным покрытием (не показано) на поверхности внутренней ее стороны, вставленную вовнутрь цилиндрической поверхности, образованной внутренними поверхностями стенок чередующихся магнитных (2) и немагнитных (3) колец, и поршень (10) как вторичный элемент ЛЭД, выполненный в форме кольца (11) из медного или алюминиевого материала прямоугольного поперечного сечения с установленными на нем снаружи обычным образом (как на обычных поршнях двигателей внутреннего сгорания) уплотнительными кольцами (12) и закрепленной (на сварке (не показано)) внутри по центру этого кольца жесткой пластиной (13) с утолщением (14) (элемент жесткости) по ее центру. Также для рекуперации кинетической энергии поршня он содержит упругие элементы (буферные пружины) (15), установленные по центру на фланцах (5) и (6) с внутренней стороны компрессора, рабочие камеры компрессора (16) и (17), цепь управления (цифровой таймер) (18), электрически сообщающуюся с выводами обмотки (4), управляющую силовым электронным ключом, например, в виде IGBT-транзистора (19), к которому она электрически подключена, переключающим с заданной частотой упомянутые выводы обмотки (4) статора для изменения направления перемещения создаваемого ею бегущего электромагнитного поля, и фазосдвигающий элемент (конденсатор С), подключенный между теми выводами обмотки (4), которые попеременно сообщаются силовым электронным ключом (19) с сетью переменного тока 220 В.
Заявляемый электродвигатель-компрессор используют следующим образом.
При подаче питания однофазного переменного тока на кольцевые катушки обмотки (4) статора ЛЭД от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц через цепь управления (18) и замкнутый силовой электронный ключ (19) (например, в положении I) этой обмоткой создается направленное бегущее вдоль статора, например, вправо, электромагнитное поле. В кольце (11) поршня (10) при этом, в соответствии с законом электромагнитной индукции, наводятся переменные индукционные токи. Взаимодействие электромагнитного поля этих индукционных токов поршня (10) - вторичного элемента ЛЭД и бегущего электромагнитного поля кольцевых катушек обмотки (4) статора - первичного элемента ЛЭД приводит к появлению электромагнитного момента, действующего на поршень, как на вторичный элемент ЛЭД. Поршень под воздействием этого момента возвратно-поступательно перемещается вдоль цилиндрической гильзы (9), например, вправо, создавая при этом в рабочей камере (17) сжатие воздуха. Находящийся в рабочей камере (17) сжатый воздух при этом через соответствующий выпускной клапан (8) под давлением выходит в упомянутую гибкую эластичную трубку (не показано). Одновременно через соответствующий впускной клапан (7) воздух соответственно поступает в разряженную рабочую камеру (16). За время t, равное
l
где  - длина активной части станины (1) (статора ЛЭД), м;
υ=2τ⋅ƒ - скорость перемещения электромагнитного поля, создаваемого кольцевыми катушками обмотки (4) вдоль оси статора, м/с;
τ - полюсное деление (часть поверхности статора ЛЭД, приходящаяся на один полюс), м;
ƒ - частота питающего напряжения, Гц,
упомянутое бегущее электромагнитное поле, создаваемое кольцевыми медными катушками обмотки (4), переместится из крайнего левого положения в крайнее правое. Следуя за этим полем с небольшим отставанием, равным скольжению ЛЭД, под воздействием электромагнитного момента поршень (10) также переместится в данное крайнее положение - к правой буферной пружине (15). Цепь управления переключением, содержащую элемент с функцией памяти (не показан) (цифровой таймер) (18), собранный, например, на 8-разрядном микроконтроллере Microchip PIC16F628A (не показано), подает традиционным способом управляющий сигнал через это данное время, равное t, предварительно заданное в его памяти, на входную (управляющую) цепь (не показано) силового электронного ключа (19). Последний при этом перейдет из замкнутого положения I в замкнутое положение II и переключит тем самым упомянутые выводы обмотки (4) статора (1). Направление перемещения создаваемого обмоткой (4) статора (1) бегущего электромагнитного поля при этом изменится на противоположное. При этом поршень, движущийся в этот момент по инерции вправо, ударяется в буферную пружину (15) и под воздействием силы упругости этой пружины и уже противоположного созданного электромагнитного момента перемещается теперь в противоположную сторону (влево).
При этом через выпускной клапан (8) сжатый воздух из рабочей камеры (16) под давлением выходит в аналогичную гибкую эластичную трубку (не показано), а через впускной клапан (7) поступает в разряженную рабочую камеру (17). Далее процесс повторяется с заданной в памяти цепи управления частотой: изменение через заданное время t направления перемещения бегущего электромагнитного поля статора за счет соответствующего переключения его обмоток с помощью силового электронного ключа.