ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С МАГНИТНОЙ ОПОРОЙ ПОРШНЯ
PISTON MACHINE WITH PISTON MAGNETIC BEARING

Данное изобретение относится к поршневой машине, содержащей по меньшей мере один первый поршень и по меньшей мере один первый корпус. По меньшей мере один первый корпус окружает по меньшей мере один первый поршень полностью или по меньшей мере частично. По меньшей мере один первый поршень установлен с магнитной опорой подвижно по меньшей мере в одном первом корпусе с помощью по меньшей мере одного устройства для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня.
Тепловые двигатели используются для преобразования химической энергии в механическую энергию, тепловой энергии в механическую энергию и механической энергии в тепловую энергию. Двигатели внутреннего сгорания в качестве теплового двигателя преобразуют химическую энергию в механическую энергию, двигатели Стирлинга в качестве теплового двигателя преобразуют тепловую энергию в механическую энергию, и тепловые насосы в качестве теплового двигателя преобразуют механическую энергию в тепловую энергию. Наиболее часто применяемой тепловой машиной является поршневая машина, в которой механическая энергия передается с поршня на вал с помощью шатуна.
Альтернативная конструкция обеспечивается с помощью свободнопоршневой машины. Свободнопоршневая машина является поршневой машиной без шатуна. Свободнопоршневые машины используются, например, в качестве насоса для гидравлической системы или во взаимодействии с линейным генератором для непосредственного генерирования электрической энергии.
Независимо от того, выполнен ли тепловой двигатель в виде классической поршневой машины или в виде свободнопоршневой машины, во время работы между поршнем и цилиндром возникает, как правило, трение, которое приводит к износу. Износ приводит со временем к разрушению теплового двигателя. Классическое решение проблемы трения, соответственно износа, осуществляется с помощью смазки машины. Смазка уменьшает механическое трение между поршнем и цилиндром, однако не устраняет проблему износа полностью. В частности, поперечные силы, которые могут воздействовать на поршень, например, в зависимости от положения шатуна, представляют возможную причину для износа цилиндропоршневой системы, которую нельзя устранить смазкой. Кроме того, смазка с помощью масляного насоса связана с проблемами при запуске двигателя, когда масляный насос приводится в действие через коленчатый вал, и при небольших скоростях вращения теплового двигателя, при которых создается лишь небольшое давление масла.
Износ приводит к существенному сокращению срока службы машин. В транспортных средствах износ может приводить к сокращению срока службы до 10000 часов работы, а в дизельных двигателях строительных машин износ может приводить к уменьшению срока службы до 15000 часов работы.
Использование смазочных средств также приводит к проблемам. В двигателях внутреннего сгорания всегда сжигается часть смазочного масла, что приводит, среди прочего, к повышенному загрязнению окружающей среды. Смазочные масла разрушаются за счет загрязнения и воздействующих на них сил, за счет чего в смазываемых машинах увеличиваются расходы на техническое обслуживание за счет регулярно необходимой замены смазочных материалов.
Задачей изобретения является создание поршневой машины, которая имеет небольшой износ без использования смазочных веществ. Другой задачей для поршневой машины, согласно изобретению, является простота конструкции при уменьшении подвижных, подвергающихся сильному износу частей по сравнению с обычными поршневыми машинами. Увеличение срока службы машины при уменьшенной стоимости изготовления за счет уменьшения количества частей является другой задачей при создании поршневой машины, согласно изобретению.
Указанная задача решена относительно поршневой машины с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения и относительно способа с применением поршневой машины - с помощью признаков пункта 15 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты выполнения поршневой машины, согласно изобретению, и способа с применением поршневой машины следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения. При этом признаки формулы изобретения можно комбинировать с признаками соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.
Поршневая машина, согласно изобретению, имеет по меньшей мере один первый поршень и по меньшей мере один первый корпус. По меньшей мере один первый корпус окружает по меньшей мере один первый поршень полностью или по меньшей мере частично. По меньшей мере один первый поршень установлен с магнитной опорой подвижно по меньшей мере в одном первом корпусе с помощью по меньшей мере одного устройства для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня. По меньшей мере одно устройство для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня расположено неподвижно относительно по меньшей мере одного первого корпуса.
За счет магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня по меньшей мере в одном первом корпусе предотвращается трение между поршнем и корпусом, и можно отказаться от применения смазочных средств. Неподвижное расположение по меньшей мере одного устройства для магнитной опоры обеспечивает простую конструкцию с минимальным количеством подвижных частей. Такая поршневая машина проста и экономична в изготовлении.
По меньшей мере одно устройство для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня может иметь по меньшей мере одну расположенную неподвижно относительно по меньшей мере одного первого корпуса электромагнитную катушку. Электромагнитной катушкой легко управлять с помощью тока, и необходимое для магнитной опоры поршня магнитное поле можно просто регулировать по величине. В качестве альтернативного решения магнитная опора может осуществляться также с помощью постоянных магнитов.
По меньшей мере одно устройство для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня может иметь два места для опоры с тремя точками опоры в каждом месте. С помощью этой конструкции можно регулировать 4 степени свободы поршня и обеспечивать особенно стабильную опору. Четыре степени свободы заданы сдвигом поршня по двум осям, которые лежат перпендикулярно к оси движения поршня, и опрокидыванием вокруг этих двух осей.
В качестве альтернативного решения или дополнительно, по меньшей мере один первый поршень может иметь по меньшей мере одну магнитную катушку. Это обеспечивает возможность создания и управления с помощью катушки или катушек поршня магнитным полем, которое служит для опоры поршня.
По меньшей мере один первый поршень может иметь по меньшей мере одно магнитное ярмо, в частности, ярмо из металлических листов и/или ярмо из магнитомягких композитных материалов. В ярме с помощью магнитного поля при движении поршня индуцируется ток, который также создает магнитное поле. За счет взаимодействия с магнитным полем по меньшей мере одного устройства для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня поршень подвешен по меньшей мере в одном первом корпусе. От катушки по меньшей мере на одном первом поршне или в нем можно отказаться, или же ее можно дополнительно применять для точного управления опорой.
По меньшей мере один первый поршень может быть механически соединен по меньшей мере с одной пружиной, в частности, с системой пружин. Пружина или система пружин могут поддерживать магнитную, свободную от трения опору по меньшей мере одного первого поршня. Пружину или систему пружин можно также применять для передачи сил от поршня на другие части.
По меньшей мере один первый поршень может быть цилиндрическим круговым поршнем с круглой или эллиптической поверхностью основания, и по меньшей мере один первый корпус может быть цилиндрическим корпусом с круглой или эллиптической поверхностью основания. Это приводит к особенно простой конструкции. Эллиптическая форма поршня и корпуса может обеспечивать стабильную опору также с помощью двух мест опоры с лишь двумя точками опоры в каждом месте или с тремя точками опоры для повышения стабильности опоры.
По меньшей мере один первый поршень может иметь по меньшей мере одно удлинение, которое имеет форму полого цилиндра. По меньшей мере один первый корпус может иметь выемку для по меньшей мере одного удлинения. С помощью удлинения и соответствующей выемки в корпусе можно обеспечивать дополнительную стабилизацию поршня и предотвращать перекос поршня при работе машины.
Поршневая машина может иметь электромагнитный линейный двигатель. За счет комбинации магнитной опоры поршня и электромагнитного двигателя можно осуществлять преобразование энергии непосредственно в линейном двигателе. Таким образом, можно отказаться от сложных механических конструкций, которые, возможно, необходимо смазывать. Электромагнитный линейный двигатель и по меньшей мере одно устройство для магнитной опоры по меньшей мере одного первого поршня могут быть двумя отдельными друг от друга устройствами. Они могут также иметь общие части. Во втором случае части, которые служат для магнитной опоры, могут применяться при преобразовании энергии с помощью линейного двигателя. Это приводит к уменьшению количества частей по сравнению с конструкцией с выполненными отдельно друг от друга опорой и линейным двигателем.
Электромагнитный линейный двигатель может иметь кольцевые катушки, которые расположены вдоль направления движения по меньшей мере одного первого поршня. Это приводит к особенно простой конструкции и к преобразованию энергии с помощью линейного двигателя с высоким коэффициентом полезного действия.
Электромагнитный линейный двигатель может быть выполнен в виде реактивного электродвигателя, в виде синхронного электродвигателя с постоянными магнитами или в виде асинхронного электродвигателя.
Кроме того, электромагнитный линейный двигатель может быть выполнен n-фазным, где n является положительным целым числом, и/или первичная обмотка электромагнитного линейного двигателя может быть расположена вдоль прямой с повторением друг за другом m раз, где m является положительным целым числом.
Между по меньшей мере одним первым поршнем и по меньшей мере одним первым корпусом может быть образована по меньшей мере одна первая камера, которая имеет по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал и/или по меньшей мере один клапан. За счет этого с помощью поршневой машины образуется компрессор или двигатель внутреннего сгорания.
В одном варианте выполнения с применением указанной выше поршневой машины можно осуществлять регулирование величины зазора, который существует между по меньшей мере одним первым поршнем и по меньшей мере одним первым корпусом, посредством деформации по меньшей мере одного первого поршня и/или посредством деформации по меньшей мере одного первого корпуса. В частности, деформацию или деформации можно вызывать за счет воздействия магнитного поля. Магнитное поле можно создавать, в свою очередь, с помощью устройств, которые одновременно применяются для опоры и/или для линейного двигателя.
В способе ряд прорезей по меньшей мере в одном первом корпусе может вызывать уменьшение силы, которая применяется для регулирования величины зазора.
В зазоре может быть установлено уплотнение, и магнитная опора по меньшей мере одного первого поршня может создавать точно заданную силу давления на уплотнение. Уплотнение может состоять из PCTFE (полихлортрифторэтилена) или тефлона.
По меньшей мере один первый корпус можно охлаждать и/или нагревать. Охлаждение и нагревание могут быть предпочтительными как раз при выполнении поршневой машины в виде двигателя Стирлинга.
Ниже приводится более подробное пояснение предпочтительных вариантов выполнения изобретения с предпочтительными модификациями в соответствии с признаками зависимых пунктов формулы изобретения, но не ограничиваясь этим, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез поршневой машины с магнитной опорой, а также с электромагнитным линейным двигателем;
фиг.2 - поперечный разрез перпендикулярно продольной оси показанной на фиг.1 поршневой машины; и
фиг.3 - продольный разрез поршневой машины, согласно фиг.1, с полым цилиндрическим удлинением поршня и с соответствующей выемкой в корпусе.
На фиг.1 показан разрез поршневой машины 1, согласно изобретению. Поршневая машина 1 имеет цилиндрический корпус 2, в котором подвижно расположен цилиндрический поршень 3. На наружной окружной поверхности цилиндрического поршня 3 расположено магнитное ярмо 4. Снаружи корпуса 2, на его цилиндрической наружной окружности в двух местах 5а и 5b вдоль наружной окружности расположены на четырех точках 6а-6d или 6е-6g опоры два магнитных контура 7а-7р для магнитной опоры поршня 3. Не показанный на фигурах альтернативный вариант выполнения имеет три точки 6а-6с опоры с магнитным контуром 7а-7f, что может быть достаточным для стабильной опоры поршня. Возможны комбинации указанного выше количества или, в зависимости от применения и действия сил, изменения количества магнитных контуров, точек и мест опоры в соответствии с желаемым применением. В разрезе на фиг.1 для упрощения показаны лишь две точки 6а и 6с, соответственно, 6е и 6g опоры в каждом месте 5а и 5b. Места 5а и 5b магнитной опоры расположены вдоль средней оси 8 корпуса на одинаковом расстоянии от поверхности основания и крышки цилиндрического корпуса 2. Вдоль круглой поверхности разреза корпуса 2, перпендикулярно средней оси 8, в месте 5а или 5b магнитной опоры вдоль наружной окружности круговой поверхности разреза на одинаковом расстоянии друг от друга расположены точки 6а-6с, соответственно, 6е-6g опоры.
Магнитные контуры 7а-7р в точках 6а-6g опоры могут быть выполнены из постоянных магнитов или из электромагнитных катушек. В случае электромагнитных катушек они могут иметь каждая ярмо. Магнитные контуры 7а-7р создают магнитные поля, которые входят в корпус 2 ориентированными перпендикулярно средней оси 8 линиями магнитного поля. Взаимодействие между этими магнитными полями и магнитным полем, которое создается магнитным ярмом 4 поршня 3, приводит к свободной от соприкосновения, магнитной опоре поршня 3 в корпусе 2. При этом поршень 3 свободно подвижен внутри корпуса 2 вдоль средней оси 8. Взаимодействие магнитных полей ярма 4 и магнитных контуров 7а-7р удерживает поршень 3 в состоянии парения в корпусе 2, без соприкосновения поршня 3 с корпусом 2.
Как показано на фиг.1, величина магнитного поля магнитных контуров 7а-7р из катушек определяется электрически прохождением тока внутри катушек. Управляющая электроника 9 магнитных контуров управляет, соответственно, регулирует величину тока в катушках и тем самым величину магнитных полей магнитных контуров 7а-7р. При регулировании датчики 11 расстояния, которые расположены на корпусе 2, поставляют информацию о положении поршня 3 в корпусе 2, и через электронику 12 и центральный регулятор управляющей электроники 10 выдают сигналы в управляющую электронику магнитных контуров 7а-7р. С помощью сигналов регулируются магнитные поля, и при отклонении средней оси поршня от средней оси 8 корпуса датчик 11 расстояния может выдавать сигнал в электронику 12, 10, 9, что приводит к согласованию тока в магнитных контурах 7а-7р, за счет чего магнитное поле изменяется, и за счет взаимодействия с магнитным полем ярма 4 поршня 3 на поршень действует дополнительная сила, которая изменяет его положение. Положение изменяется так, что его средняя ось совпадает со средней осью 8 корпуса.
Как дополнительно показано на фиг.1, на наружной окружности корпуса 2 расположены катушки 16а-16е, а также ярмо 17, которое окружает катушки 16а-16е. Катушки 16а-16е в соединении с ярмом 17, а также в соединении с ярмом 4 поршня 3 образуют линейный двигатель 15. Таким образом, ярмо 4 поршня 3 служит как для магнитной опоры поршня 3, так и в качестве части линейного двигателя 15. С помощью линейного двигателя 15 можно преобразовывать механическую энергию поршня 3 непосредственно в электрическую энергию и/или наоборот. Экономится сложная механика, которая подвергнута износу и которую необходимо смазывать. Линейный двигатель 15 предназначен для соединения с сетью электроснабжения через электронику 18 и промежуточный контур 19, а также электронику 20 соединения с сетью. Таким образом, обеспечивается возможность подачи тока, который создается линейным двигателем 15, во внешнюю сеть электроснабжения.
На фиг.2 показан поперечный разрез перпендикулярно продольной оси поршневой машины 1 в месте 5а или 5b. В разрезе показаны два датчика 11 расстояния, которые установлены на корпусе 2, соответственно, интегрированы в корпус 2 и расположены с небольшим смещением в пространстве от места 5а или 5b. Как показано на фиг.1, во втором месте 5b или 5а расположены два других датчика 11 расстояния с небольшим смещением в пространстве. С помощью четырех датчиков 11 расстояния можно однозначно определять положение поршня 3 относительно корпуса 2.
Между поршнем 3 и корпусом 2 вдоль продольной оси 8 в начале и в конце корпуса 2 и поршня 3 образованы первая и вторая камера 13 и 14. При перемещении поршня 3 вдоль продольной оси 8 изменяется объем камер 13 и 14. Если объем камеры 13 уменьшается, то объем камеры 14 увеличивается, и наоборот. Камеры 13 и 14 могут служить в качестве камер сгорания в двигателе внутреннего сгорания, или же в двигателе Стирлинга можно попеременно нагревать одну камеру и охлаждать другую камеру, а также наоборот. За счет этого на поршень 3 действует сила, которая создает движение вдоль оси 8. Энергию движения поршня 3 можно с помощью линейного двигателя 15 преобразовывать непосредственно в электрическую энергию.
На фиг.2 в месте 5а, соответственно, 5b показаны четыре точки 6а-6d, соответственно, 6е-6h опоры, расположенные на корпусе 2, соответственно, интегрированные в корпус 2. У каждой точки 6а-6h расположены два магнитных контура 7, которые имеют соответствующее ярмо или одно общее ярмо, при этом для простоты на фиг.2 показано общее ярмо.
На фиг.3 показан альтернативный вариант выполнения поршневой машины 1, согласно изобретению. Этот вариант выполнения обеспечивает по сравнению с показанным на фиг.1 и 2 вариантом выполнения более высокую стабильность положения поршня 3 относительно корпуса 2, соответственно, предотвращает перекос поршня 3 в корпусе 2. Как показано на фиг.3, в корпусе 2 в начале поршня и в конце поршня расположен полый цилиндр. Таким образом, поршень 3 на своих концах удлинен с помощью цилиндрического удлинения 22. Соответствующие выемки 23 с противоположной цилиндрическим удлинениям 22 формой выполнены, соответственно, в начале корпуса и в конце корпуса.