Электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины
Владельцы патента RU 2720882:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ) (RU)
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – обеспечение высокого электромагнитного усилия на всем ходу якоря. Электротехнический комплекс включает в себя систему управления, программное обеспечение, датчики силы и перемещения, аккумуляторную батарею, поршневой компрессор, а также линейную магнитоэлектрическую машину, содержащую неподвижный статор в виде броневого сердечника, подвижный якорь и постоянные магниты якоря. Сердечник линейной магнитоэлектрической машины выполнен в виде ферромагнитного цилиндра. Подвижный якорь выполнен в форме многогранной призмы, на гранях которой расположены постоянные магниты. Внутри неподвижного статора расположены две обмотки, каждая из которых выполнена из n катушек, n≥1 - целое число. Постоянные магниты выполнены в количестве m, m - четное целое ненулевое число, и имеют призматическую форму. Постоянные магниты объединены в группы, образуя составной полюс. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к электротехническим комплексам с линейными магнитоэлектрическими машинами.
Поршневые компрессоры выпускаются в широком ассортименте на большой диапазон мощностей и перемещений поршня. По физической природе создания усилия поршневые компрессоры бывают пневматического, гидравлического, электромагнитного и магнитоэлектрического типа. Использование поршневых компрессоров первых двух типов сопряжено с необходимостью размещения в непосредственной близости дополнительных гидравлических или пневматических систем, обладающих известными недостатками. Применение электромагнитных поршневых компрессоров связано с трудностью обеспечения заданного закона движения подвижной части и точного значения заданного электромагнитного усилия. В связи с этим задача разработки поршневых компрессоров магнитоэлектрического типа для систем требующих знание закона движения поршня и максимального электромагнитного усилия является актуальной. В связи с этим особый интерес представляют поршневые компрессоры с ходом поршня более 100 мм при значительном максимальном электромагнитном усилии выше 2000Н.
Известен электромеханический привод, содержащий статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, а также якорь, состоящий из пары встречно ориентированных по отношению друг к другу полюсов постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца с радиальной прорезью, обмотка возбуждения изготовлена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсов наконечников сердечника статора [Патент RU №96109989, опубл. 27.11.97]
Известен электромеханический привод магнитоэлектрического типа, который содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, подвижный якорь образован парой разделенных ферромагнитной вставкой встречно ориентированных полюсов постоянных магнитов, сердечник изготовлен в виде кольца, постоянные магниты на якоре закреплены на штоке, проходящем сквозь отверстие кольца сердечника и установленных в корпус двух пружин мембранного типа при симметричном расположении постоянных магнитов относительно полюсных наконечников сердечника [Патент RU №2098909, опубл. 10.12.97]
Наиболее близким к заявленной полезной модели является электромеханический привод магнитоэлектрического типа, содержащий неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой в нем, подвижный якорь с постоянными магнитами, отличающийся тем, что подвижный якорь образован пятью неферромагнитными рейками, соединенными скобами в виде трубы и выполненными из немагнитной стали, а постоянные магниты на якоре расположены по обе стороны между неферромагнитными рейками подвижного якоря и выполнены в виде отдельных радиально намагниченных сегментов [Патент RU №34287, опубл. 27.11.2003].
Недостатком приведенных конструкций магнитоэлектрического привода возвратно-поступательного движения является трудоемкость обеспечения максимального электромагнитного усилия на всем ходе якоря при создании ступеней поршневых компрессоров с рабочим давлением от 0,5 МПа при диаметре поршня до 100 мм и ходе поршня более 100 мм. Указанный недостаток в предложенных конструкциях привода связан с использованием ферромагнитной вставки, разделяющей магнитный поток постоянных магнитов и тем самым уменьшающий максимальное значение электромагнитного усилия, а также ограничивающий перемещение якоря, а следовательно ход поршня компрессора.
Конструкция предлагаемой линейной магнитоэлектрической машины используемой в составе электротехнического комплекса представлена на Фиг. 1.
Конструкция якоря линейной магнитоэлектрической машины приведена на Фиг. 2
Линейная магнитоэлектрическая машина в составе электротехнического комплекса поршневого компрессора содержит неподвижный статор 1 в виде сердечника, цилиндрической формы, внутри статора 1 расположены две обмотки 2, каждая из которых состоит из n катушек 3, n≥1 - целое число, разделение обмотки на пкатушек повышает технологичность сборки, ремонтопригодность, а также позволяет включать катушки отдельно в процессе работы магнитоэлектрической машины, что приведет к уменьшению электрических потерь в обмотках, причем обмотки с одной стороны упираются в ограничительные упорные кольца 4, подвижный ферромагнитный якорь 5 изготовлен в виде многогранной призмы, на гранях которого любым способом закреплены m постоянных магнитов 6 призматической формы, m - четное, целое не нулевое число, причем постоянные магниты 6 объединены в группы, образуя составной полюс, и на каждой грани якоря 5 обращены к катушкам одноименными полюсами, таким образом, чтобы общий магнитный поток постоянных магнитов 6 замыкался по статору 1 и якорю 5, между постоянными магнитами 6, образующими одну пару полюсов по отношению к катушкам 4, максимальное расстояние хода якоря 5 определяется в виде разности общей длины обмотки 2, обращенной к одноименному полюсу и длины одноименного полюса, образованного несколькими постоянными магнитами, на якоре 5 с двух сторон любым способом жестко закреплен шток в виде цилиндрической трубы 7, с двух сторон неподвижного статора 1 закреплены две неферромагнитые крышки 8, в которых установлены подшипники скольжения или качения 9, по которым перемещается шток 7 и якорь 5, крышки связаны между собой шпильками 10, обмотки 2, расположены на немагнитной трубе 11, закрепленной на крышках 8 катушки 3 подключаются к системе управления 12 (на Фиг. не показана), которая получает информацию от датчика перемещения 13 и датчика развиваемого усилия 14 (датчики на фиг. не показаны). Система управления подключается к персональному компьютеру 15 (на Фиг. не показано) с установленным программным обеспечением позволяющему выводить информацию о развиваемом усилии, положении якоря. Кроме этого, программное обеспечение и система управления должны иметь возможность задать для линейной магнитоэлектрической машины рабочие параметры электротехнического комплекса: закон движения штока и обеспечение тягового усилия.
Для предлагаемой конструкции количество граней многогранной призмы равно шести, катушек n=16 (по восемь катушек, обращенных к одноименному полюсу), количество постоянных магнитов m=48 (четыре ряда по шесть постоянных магнитов, закрепленных с каждой грани ферромагнитного сердечника якоря на гранях одноименными полюсами). Катушки в количестве восьми штук подключаются к системе управления (на Фиг. не показано) и образуют одну обмотку. Система управления подает напряжение на катушки таким образом, чтобы в зоне действия катушек с током находилась область постоянных магнитов и магнитное поле катушек взаимодействовало с полем постоянных магнитов и создавало тяговое усилие. Подобная реализация питания катушек двигателя позволяет уменьшить электрические потери в катушках, ампер витки которых не взаимодействует с полем постоянных магнитов, однако, в процессе движения система управления отключает катушки, которые перестают оказывать влияние на тяговое усилие и, наоборот, подает напряжение на катушки, которые оказываются в зоне взаимодействия с постоянными магнитами. Постоянные магниты расположены на гранях якоря шестигранной призмы по четыре на каждой грани, таким образом, что 24 постоянных магнитов в процессе движения могут находятся в зоне одной обмотки, образуя одну группу постоянных магнитов, а другие 24 постоянных магнитов находятся в зоне другой обмотки. Группы постоянных магнитов обращены к обмоткам разными полюсами. Расстояние между группами постоянных магнитов равно 200 мм и составляет ход якоря. Постоянные магниты выполнены призматической формы 50×50×25 мм. Геометрическое сечение каждой обмотки 400×28 мм, при этом каждая катушка имеет сечение 100×28 мм2, Количество витков каждой катушки равно 350. В соответствии с расчетами, при плотности тока в обмотках 4 А/мм2, максимальное электромагнитное усилие, обусловленное взаимодействием постоянных магнитов и обмоток с током составляет не менее 2000Н (Фиг. 2). В зависимости от технического задания для электротехнического комплекса поршневого компрессора конкретного назначения указанные параметры могут быть изменены.
Принцип работы линейной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме основан на взаимодействии магнитного поля создаваемого постоянными магнитами и током, протекающим по виткам катушек. При подключении персонального компьютера и задании рабочего режима, система управления (на Фиг. не показан) подает напряжение заданной формы, амплитуды и частоты на катушки. Протекающий по катушкам электрический ток, создает намагничивающую силу, которая взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к возникновению электромагнитной силы, действующей на якорь 5, причем закон изменения электромагнитной силы соответствует закону тока в катушках. Так как постоянные магниты 6 закреплены на подвижном якоре 5, якорь 5 и шток находясь в исходном крайнем положении, приходит в движение в направлении действия силы, перемещаясь до тех пор, пока постоянные магниты 6, обращенные одним полюсом к обмотке находятся в зоне ее действия. При изменении направления тока в обмотках, происходит изменение направление электромагнитной силы и, как следствие, изменение направления движения якоря 5.В связи с тем, что движущийся якорь 5 присоединен к штоку 7, а шток 7 соединен с поршнем поршневого компрессора (на Фиг. не показано), линейная магнитоэлектрическая машина в двигательном режиме представляет собой электромеханический преобразователь, рабочим органом которого является шток поршневого компрессора, а сам цилиндр компрессора рабочей машиной.
В случае если газ подается в цилиндр под давлением достаточным для перемещения якоря линейной магнитоэлектрической машины в исходное крайнее положение, линейная магнитоэлектрическая машина в составе электротехнического комплекса поршневого компрессора на отдельных этапах энергопреобразования находится в генераторном режиме (Ю.З. Ковалев, А.С. Татевосян, А.А. Татевосян «Исследование рабочих процессов энергопреобразования в электромагнитном приводе на заданный закон движения якоря при обеспечении максимума КПД // Омский научный вестник, №18, Омск, - 2002, С. 118-122; Н.П. Ряшенцев, Ю.З. Ковалев «Динамика электромагнитных импульсных систем» // Изд. «Наука», Сибирское отделение, 1974, С. 152). В этом случае электропитание от устройства управления на обмотку линейной магнитоэлектрической машины не подается, а работу по перемещению якоря выполняет газ рабочей машины, при нагнетании газа в цилиндр компрессора, шток приходит в движение и перемещает, связанный с ним якорь линейной магнитоэлектрической машины, при этом постоянные магниты, движущиеся в области катушки, в соответствии с законом электромагнитной индукции создают в них электродвижущую силу. Электрическая энергия полученная, таким образом, может быть возвращена через в электрическую сеть или накапливаться в аккумуляторной батарее (на Фиг. не показано).
Таким образом, основной режим работы линейной магнитоэлектрической машины - двигательный. Однако, на этапе энергопреобразования, связанного с возвращением якоря в исходное крайнее положение при давлении газа достаточном для возвращения поршня в исходное крайнее положение линейная магнитоэлектрическая машина в составе электротехнического комплекса поршневого компрессора находится в генераторном режиме.
Предложенный электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины обеспечивает заданное электромагнитное усилие на всем ходе якоря и высокое давление в поршневой компрессорной ступени.
1. Электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины содержит линейную магнитоэлектрическую машину, состоящую из неподвижного статора в виде броневого сердечника, подвижного якоря и постоянных магнитов якоря, отличающийся тем, что броневой сердечник линейной магнитоэлектрической машины электротехнического комплекса поршневого компрессора выполнен в виде ферромагнитного цилиндра, а подвижный якорь - в форме многогранной призмы, на гранях которого расположены постоянные магниты, постоянные магниты выполнены в количестве m, причем m - четное целое ненулевое число, и выполнены призматической формы, причем постоянные магниты объединены в группы и образуют составной полюс, внутри неподвижного статора расположены две обмотки, причем каждая обмотка выполнена из n катушек, причем n≥1 - целое число, поршневой компрессор, систему управления и программное обеспечение, позволяющее выводить информацию о рабочем режиме работы линейной магнитоэлектрической машины, а также задавать параметры режима работы электротехнического комплекса поршневого компрессора.
2. Электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины по п. 1, отличающийся тем, что работает в режиме двигателя.
3. Электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины по п. 1, отличающийся тем, что работает в режиме генератора.
