Компрессор на основе линейного двигателя
COMPRESSOR BASED ON A LINEAR MOTOR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к компрессорной технике с электромагнитным двигателем, обеспечивающим возвратно-поступательное движение поршня относительно индуктора, и предназначено для повышения давления (сжатия) газовых сред. Изобретение может быть использовано при перекачке углеводородов по трубопроводам, компримировании газа на промышленных предприятиях, в том числе агрессивных газовых сред, а также при разработке малогабаритных конструкций, н медицинских компрессоров.
Широкое распространение получили в промышленности компрессоры гидравлические, пневматические и на основе газо-поршневых агрегатов. Гидравлические и пневматические компрессоры требуют размещения гидравлических и пневматических линий. Компрессоры на основе сжигания топливных смесей в газо-поршневых установках требуют подвоз и хранение топлива. Дополнительным отрицательным моментом является экологическая нагрузка от процесса сгорания. На этом фоне компрессорные системы на основе электромагнитных сил имеют явное преимущество.
Известно изобретение «Электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины» (патент RU2720882, МПК Н02К41/03, Н02K33/16, опубл. 13.05.2020), которое содержит линейную магнитоэлектрическую машину, состоящую из неподвижного статора в виде броневого сердечника, подвижного якоря и постоянных магнитов якоря. Линейная магнитоэлектрическая машины является внешним приводом, который обеспечивает перемещение поршня компрессора. Шток линейного привода сочленен с рабочим поршнем напрямую или через муфту. Данная конструкция требует увеличенного корпуса, так как комплексный корпус состоит из части каждого поршня, при применении двухпоршневого компрессора и самого линейного привода.
Известно изобретение «Электромеханический провод» (патент RU2098909, МПК Н02К41/03, Н02К33/06, опубл. 10.12.1997), который выполнен по магнитоэлектрическому типу и содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения в нем и подвижный якорь, образованный парой разделенных ферромагнитной вставкой встречно ориентированных магнитов. Сердечник выполнен в виде кольца, а магниты якоря закреплены на штоке, проходящем сквозь отверстие кольца сердечника и установленном в корпусе на двух пружинах мембранного типа при симметричном расположении магнитов относительно полюсных наконечников сердечника. Передача движущей силы к поршню компрессора организована через магнитный шток, что является недостатком.
Наиболее близким является изобретение «Электродвигатель-компрессор» (RU2658629, МПК H02K33/12, F04B35/04, опубл. 22.06.2018). Это изобретение выбрано как прототип. Электродвигатель-компрессор содержит асинхронный цилиндрический линейный электрический двигатель (ЛЭД), реверсирование которого осуществляется цепью управления с помощью электронного ключа. С торцов компрессор герметично закрыт фланцами, в каждом из которых расположены впускные и выпускные клапаны. Выпускные клапаны герметично соединены между собой посредством гибкой эластичной трубки. Вовнутрь статора вставлена цилиндрическая гильза из керамических материалов с антифрикционным покрытием на внутренней стороне. Используется один поршень как вторичный элемент ЛЭД, выполненный в виде кольца из меди или алюминия прямоугольного поперечного сечения с закрепленной внутри жесткой пластиной.
Данное изобретение имеет ряд недостатков. Индуктор содержит поочередно расположенные магнитные и немагнитные элементы и электромагнитные катушки, что утяжеляет и усложняет его. В изобретении применяются буферные пружины, расположенные на фланцах. Пружинные механизмы являются слабым звеном данной конструкции, так как при эксплуатации пружины теряют свои упругие свойства и требуют корректировки усилия магнитного поля индуктора. Также пружинные механизмы имеют свойство непредвиденно разрушаться и требуют дополнительного внимания при техническом обслуживании. При контакте поршня с пружиной возникает ударная нагрузка на поршень в пятне контакта, что может привести к дополнительным повреждениям поршня при длительной эксплуатации.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, является недостаточная надежность, громоздкость и сложность конструкций.
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, повышение герметичности, возможность изготовления малогабаритных компрессоров.
Технический результат достигается за счет того, что компрессор на основе линейного двигателя, содержащий цилиндрический корпус с клапанами для выпуска и впуска газовой среды, поршень разделяющий внутреннюю полость на две рабочие камеры, цилиндрическую керамическую вставку между корпусом и поршнем с антифрикционным покрытием, расположенный с внешней стороны корпуса индуктор, состоящий из кольцевых электромагнитных катушек, создающих бегущее вдоль оси индуктора электромагнитное поле и обеспечивающие возвратно-поступательное движение поршня, согласно изобретению поршень состоит из не менее чем двух ферромагнитных дисков, разделенных немагнитными прокладками.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, отсутствуют расположенные на фланцах буферные пружины, что упрощает конструкцию. Интеграция электромагнитов в сам поршень не только упрощает конструкцию, но и позволяет повысить ее герметичность и надежность работы, а количество магнитов в поршне определяет мощность компрессора. Отсутствие внешнего привода исключает необходимость использования сальников, уплотнений, прокладок, что также повышает герметичность.
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами на фиг. 1 (продольный разрез) и фиг. 2 (поперечный разрез по клапану со стороны торцевой стенки 8), где 1 и 7 – выпускные клапаны, 2 и 6 – выпускающие патрубки, 3 – электромагнитные катушки (обмотка) индуктора, 4 – диски из ферромагнитного материала (электромагниты), 5 – индуктор, 8 и 9 – торцевые стенки компрессора, 10 и 17 – впускные клапаны, 11 и 16 – впускающие патрубки, 12 – магнитный поршень, 13 – немагнитная прокладка, 14 – керамическая вставка с антифрикционным покрытием на внутренней стороне, 15 – корпус компрессора.
Заявляемый компрессор на основе линейного двигателя содержит цилиндрический корпус 15, герметично закрытый торцевыми стенками 8 и 9, при этом внутренняя полость компрессора разделена магнитным поршнем 12 на две камеры. Индуктор 5 представляет из себя намагничиваемую обмотку корпуса 15, состоящую из группы кольцевых электромагнитных катушек 3, образующих обмотки отдельных фаз. Внутри компрессора помещен ферромагнитный сердечник – магнитный поршень 12 цилиндрической формы, выполненный не менее чем из двух ферромагнитных дисков 4, разделенных немагнитными дисковыми прокладками 13. Принцип работы основан на воздействии регулируемого магнитного поля индуктора 5 на магнитное поле создаваемое электромагнитами 4 поршня 12. Изменение направления тока в обмотках 3 индуктора 5 формирует направленную движущую силу для магнитного поршня 12 от одной торцевой стенки к другой, изменение направления управляется внешней системой (не показано). Наличие немагнитных прокладок 13 позволяет повысить точность позиционирования поршня 12. Количество магнитов 4 в поршне 12 определяет мощность компрессора. Для снижения трения между корпусом 15 и поршнем 12 установлена цилиндрическая керамическая вставка 14, имеющая на внутренней стороне антифрикционное покрытие. Между керамической вставкой 14 и магнитным поршнем 12 выбран минимальный зазор для обеспечения требуемой компрессии. Газовая среда поступает внутрь компрессора по патрубкам 11 и 16 через клапаны 10 и 17, а выходит через клапаны 1 и 7 по патрубкам 2 и 6. Выпускной клапан открывается при достижении поршня условно крайнего левого (или правого) положения, когда в зоне между поршнем и торцевой стенкой наблюдается заданный уровень повышения давления (сжатия) газовой среды, при этом у противоположной торцевой стенки образуется зона разряжения и соответственно открывается впускной клапан.
Диапазон и частоту перемещения магнитного поршня регулирует внешнее управление (не показано).
Сила компримирования заявляемого компрессора зависит от типа и количества применяемых магнитов, количества и объема обмоток, силы и напряжения подаваемого тока.
Изобретение осуществляется следующим образом.
При подаче питания однофазного переменного тока на катушки 3 индуктора 5 от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое воздействует на магнитный поршень 12. Индуцируемые в теле индуктора 5 токи создают движущую силу, которая обеспечивает линейное движение магнитного поршня 12 вдоль полого корпуса компрессора 15. Цилиндрическая форма индуктора 5 формирует аксиальное направление магнитного потока. При возбуждении обмоток 3 магнитный поршень 12 совершает возвратно-поступательные движения вдоль продольной оси. При перемещении поршня 12 от одной торцевой стенки к другой (например, справа налево) создается зона повышенного давления газовой среды у одной торцевой стенки (стенки 8) и зона разряжения у другой торцевой стенки (стенки 9). При достижении магнитным поршнем 12 заданной позиции у торцевой стенки 8 (условно крайнее левое положение), которая определяется достижением необходимой степени компримирования, происходит открытие выпускного обратного клапана 1 для выхода из компрессора компримированной газовой среды через выпускной патрубок 2 (впускной клапан 10 закрыт). При этом через впускной обратный клапан 17 по патрубку 16 обеспечивается подача газовой среды в зону разряжения у торцевой стенки 9 (выпускной обратный клапан 7 закрыт). Изменение направления тока в обмотках 3 индуктора 5 изменяет направление движущей силы для магнитного поршня 12. При перемещении поршня 12 слева направо, от стенки 8 к стенке 9, закрываются выпускной клапан 1 и впускной клапан 17 и открывается впускной обратный клапан 10. При достижении магнитным поршнем 12 заданной позиции у торцевой стенки 9 (условно крайнее правое положение), которая определяется достижением необходимой степени компримирования, открывается выпускной обратный клапан 7 для выхода компримированной газовой среды из компрессора.
Исключение перетекания газовой среды из одной камеры в другую в процессе движения поршня 12 обеспечивается минимальным зазором между керамической цилиндрической вставкой 14 и магнитным поршнем 12.
Позиционирование магнитного поршня 12, направление его движения и частоту перемещения регулируют через внешнее управление.