Устройство для передачи механической энергии текучей среде

Область техники
Полезная модель относится к области перекачивания сред, а именно к устройствам для передачи механической энергии текучим средам (жидкостям или газам), которые могут применяться в качестве осевых насосов или компрессоров.
Уровень техники
Используемые в настоящее время устройства для передачи механической энергии текучим средам (насосы, компрессоры и так далее) имеют отделенный от рабочего органа (колеса или турбины) узел двигателя, включающий ротор и статор с магнитной системой. Полученная в узле двигателя механическая энергия передается на рабочий орган устройства посредством общего вала или системы валов. Такая конструкция имеет ряд недостатков: большие габариты (как минимум габариты насоса + габариты двигателя) и характеризуется использованием комплектующих, таких как вал, опорные подшипники, уплотнение вала, передающие муфты и другие, с высокими требованиями как к материалам так и к точности изготовления. Это значительно увеличивает стоимость конечных агрегатов и устанавливает высокие требования к инструментальному оснащению производства.
Известны конструкции устройств для перекачивания сред, в которых роль ротора выполняет непосредственно рабочее колесо, на котором устанавливаются постоянные магниты (см., например, заявку США US 2013039785, 14.02.2003, патент Германии DE 2354046, 07.05.1975, патент США US 6030188, 29.02.2000, патент США US 6896492, 24.05.2005). Общим недостатком известных устройств является сложность конструкции и относительно низкая эффективность.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является устройство для нагнетания давления газовой среды, раскрытое в патенте США US 4618806, 21.10.1986. Устройство содержит статор и рабочее колесо, выполняющее роль ротора. Рабочее колесо включает внешнее кольцо, размещенные внутри кольца лопатки и центральную ступицу, соединенную с осью. При этом во внешнем кольце установлены постоянные магниты, а статор снабжен электромагнитным узлом для привода рабочего колеса, выполненным в виде обмотки, подключенной к источнику тока.
Недостатком ближайшего аналога заявленной полезной модели является низкая эффективность, обусловленная слабым взаимодействием обмотки статора с постоянными магнитами ротора.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков аналогов.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении эффективности при передаче крутящего момента на рабочее колесо.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для передачи механической энергии проходящей через него текучей среде содержит статор и установленное внутри статора рабочее колесо-ротор, включающее внешнее кольцо, и размещенные внутри кольца лопатки, при этом во внешнем кольце установлены постоянные магниты, а на статоре размещен электромагнитный узел для привода рабочего колеса, который включает размещенные радиально вокруг рабочего колеса электромагниты с возможностью изменения полярности.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации полезной модели, согласно которым:
- электромагниты установлены на внешней поверхности статора и снабжены магнитопроводами, которые проходят в стенку статора перпендикулярно его оси;
- рабочее колесо жестко соединено с осью, установленной в подшипниках, которые размещены в опорах;
- рабочее колесо установлено на оси, жестко соединенной с опорами, при этом в рабочем колесе размещены подшипники;
- оси электромагнитов статора ориентированы под углом к оси рабочего колеса;
- электромагниты установлены с возможностью подключения к контроллеру для обеспечения их переключения между тремя состояниями: прямая полярность, обратная полярность, выключен;
- электромагниты объединены в группы, каждая из которых соответствует одному такту работы устройства;
- устройство имеет узел воздушного охлаждения электромагнитов статора, использующий магнитное поле указанных электромагнитов;
- устройство имеет на входе направляющие потока;
- устройство имеет на выходе выпрямители потока;
- устройство представляет собой осевой насос;
- устройство представляет собой осевой компрессор.
В отличие от ближайшего аналога в заявленном устройстве на статоре установлен набор электромагнитов с изменением полярности, что в сочетании с конструкцией рабочего колеса, образованного внешним кольцом и внутренними лопатками, позволяет значительно увеличить эффективность взаимодействия электромагнитов с постоянными магнитами при передаче крутящего момента на рабочее колесо.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан вид возможного варианта исполнения устройства в разрезе сверху;
на фиг. 2 показан вид возможного варианта исполнения устройства в разрезе сбоку;
на фиг. 3 показан вид возможного варианта исполнения устройства сбоку;
на фиг. 4 показана схема возможного варианта исполнения подключения контроллера к устройству;
на фиг. 5 показана конфигурация потока среды без использования направляющих и выпрямителей и с их использованием.
Осуществление полезной модели
Заявленное устройство содержит статор (1) и рабочее колесо (2), являющееся ротором и размещенное внутри статора (1). Статор (1), предпочтительно, представляет собой полый цилиндр, соотношение диаметра цилиндра и его высоты может быть различным в зависимости от мощности и назначения устройства. С внешней стороны боковой поверхности статора (1) радиально установлены электромагниты (3), образующие электромагнитный узел для привода рабочего колеса (2). Электромагниты (3) снабжены магнитопроводами (4) (сердечниками), которые проходят в стенку статора перпендикулярно его оси. Магнитопроводы (4) могут иметь различную форму - цилиндрическую, прямоугольную или иную.
Рабочее колесо включает внешнее кольцо (5), а также размещенные внутри кольца центральную ступицу (6), связанную с осью (7) рабочего колеса, и лопатки (8), соединенные с кольцом (5) и ступицей (6). Количество и форма лопаток (8) зависят от типа перекачиваемой среды и требуемых параметров устройства.
В одном из вариантов исполнения устройства ось (7) рабочего колеса (2) жестко связана со ступицей (5) рабочего колеса, которая установлена на опорах через подшипники (на чертежах не показаны). Также возможен вариант, при котором ось (7) жестко закреплена в опорах, а подшипник расположен в ступице (5) рабочего колеса (2). В устройстве в зависимости от назначения могут быть использованы различные типы подшипников.
Во внешнем кольце (5) рабочего колеса (2) установлены постоянные магниты (9), взаимодействующие с электромагнитами (3) статора (1). Мощность устройства зависит от количества постоянных магнитов (9). Например, в частном случае, отображенном на прилагаемых чертежах, в рабочем колесе (2) может быть предусмотрено шесть постоянных магнитов (9), так что между соседними магнитами и осью (6) образуется угол 60°. При этом на статоре (1) установлено тридцать электромагнитов (3), образующих пять групп по шесть электромагнитов в каждой группе. Каждая группа соответствует одному такту работы устройства. Для больших мощностей количество групп электромагнитов может быть уменьшено, а количество электромагнитов (3) в каждой группе, а также постоянных магнитов (9) рабочего колеса - ротора (2) увеличено.
Передача механической энергии происходит при взаимодействии каждого постоянного магнита (9) с расположенными рядом с ним в данный момент времени электромагнитами (3). Электромагниты (3), которые расположены по ходу движения до оси полюсов постоянного магнита (9), притягивают его, а электромагниты (3), расположенные после оси, отталкивают постоянный магнит (9). В частном варианте реализации устройства каждый постоянный магнит взаимодействует с двумя электромагнитами: к одному притягивается и от другого отталкивается. Следует отметить, что, при необходимости, сила взаимодействий притяжения и отталкивания может быть различной.
Изменение полярности электромагнита (3) происходит в момент прохождения оси полюсов постоянного магнита (9) через ось электромагнита. При этом для повышения энергоэффективности устройства электромагниты, которые в данный момент времени не взаимодействуют с постоянным магнитом, могут находиться в выключенном состоянии.
Для управления состоянием электромагнитов (3) статора используется контроллер (фиг. 4), который может являться частью рассматриваемого устройства или представлять отдельный узел. Контроллер включает задающий генератор (10) и силовые мостовые модули (11), каждый из которых подключен к отдельной группе электромагнитов (3). В зависимости от требуемых параметров устройства задающий генератор может формировать импульсы от трех до условно бесконечного количества групп электромагнитов. Например, в частном случае, задающий генератор (10) формирует последовательные импульсы для пяти групп (фаз или шин). В один момент времени только по одной фазе проходит сигнал и этот сигнал последовательно возникает на каждой фазе. Силовые мостовые модули (11) на основании сигнала от задающего генератора формируют на торцевых плоскостях электромагнита южный или северный полюс магнита. Использование вторичного сигнала (опирающегося на основной сигнал, но отстоящий от него на два такта) позволяет полностью выключать электромагниты для увеличения энергоэффективности устройства.
В таблице 1 в качестве примера показана схема изменения состояния электромагнитов (3) в случае обычного и энергоэффективного режимов работы, где П.П. - прямая полярность, О.П. - обратная полярность, Вык - выключено.
В состоянии прямой полярности электромагнит притягивает постоянный магнит, в состоянии обратной полярности отталкивает.
Пуск устройства производится на частоте ниже максимально допустимой.
Электромагниты (3) статора могут дополнительно охлаждаться посредством узла воздушного охлаждения, содержащего вентилятор (на чертежах не показан). Указанный вентилятор может приводиться во вращение посредством магнитного поля электромагнитов (3).
Для повышения эффективности работы устройства на входе могут быть установлены направляющие потока (12), а на выходе - выпрямители потока (13). Направляющие (12) и выпрямители (13) выполнены, предпочтительно, в форме изогнутых лепестков
Как показано на фиг. 4а, при отсутствии указанных элементов проходящий через устройство поток среды вследствие использования вращающихся лопаток может терять часть переданной механической энергии, которая идет на образование паразитных вихрей среды до и после рабочего колеса, направление вихрей совпадает с направлением вращения рабочего колеса. При использовании направляющих (12) и выпрямителей (13) (фиг. 4б) обеспечивается значительное выравнивание потока и препятствует образованию паразитных вихрей, что повышает эффективность передачи энергии перекачиваемой среде.
Таким образом, заявленное устройство обладает следующими преимуществами:
1. Использование рабочего колеса в качестве ротора позволяет избавиться от дорогостоящих комплектующих (вал, опорные подшипники вала, уплотнение вала), увеличить эффективность передачи механической энергии при минимальных габаритных размерах, а также минимизировать общее количество материала за счет объединения корпуса статора двигателя и корпуса перекачивающего устройства (насоса, компрессора и так далее). Все это значительно снижает себестоимость устройства, уменьшает его габариты, увеличивает энергоэффективность, а также позволяет значительно упростить производство устройств.
2. Применение унифицированных, одинаковых основных элементов устройства (электромагниты, магнитопроводы) в большом диапазоне мощностей устройств. Это значительно упрощает производственный процесс при серийном производстве и также уменьшает себестоимость устройства.
3. Конструкция устройства позволяет создавать многоступенчатые насосные агрегаты с разными скоростями вращения рабочих колес ступеней. Это позволит производить насосы или компрессоры с широкими гидро- или аэродинамическими диапазонами рабочих характеристик.