УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОТ ИСТОЧНИКА ВОЗДУХА ИЛИ ДРУГОГО ГАЗА ИЛИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H02K7/18 F03D9/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время на рынке доступны устройства для генерирования электроэнергии низкого напряжения (как правило, на 24V) с использованием энергии, обеспеченной источником воздуха под давлением. Такие устройства, по существу, содержат электрический генератор, радиальную микротурбину, соединенную для вращения с ротором электрического генератора, а также сопло, через которое воздух под давлением, обеспеченным источником воздуха под давлением, направляют на лопасти микротурбины для приведения микротурбины во вращение вместе с ротором электрического генератора, тем самым получая электроэнергию с помощью давления и кинетической энергии потока воздуха под давлением. Такие устройства дополнительно содержат электронный блок управления, выполненный с возможностью обеспечения стабилизированного напряжения на выходе, независимо от изменения электрической нагрузки, подключенной к устройству, и давления воздуха под давлением, подаваемого на устройство. Последовательная компоновка микротурбины с электрическим генератором делает устройство довольно громоздким, в частности, в осевом направлении (т.е. в направлении оси вращения микротурбины и ротора электрического генератора).

Электрический генератор для пневматического инструмента известен из US2005/0258694 и содержит ротор с лопастями и кольцевой статор, аксиально расположенный между ротором и подшипником для поддержки ротора, при этом ротор на своем конце, аксиально обращенном к статору, имеет множество цилиндрических полостей, проходящих параллельно оси ротора, причем каждая вмещает в себя соответствующее постоянное магнитное тело(выполненное, например, из неодим-железо-бора) цилиндрической формы, вставленное в соответствующее немагнитное тело (выполненное, например, из цинка, алюминия или латуни) чашеобразной формы. Это известное решение, однако, также имеет недостаток - большой осевой размер, поскольку статор расположен аксиально со стороны ротора. Кроме того, этот известный электрический генератор имеет большое количество компонентов.

Из US2009/0224544 известно устройство для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением, имеющее признаки, изложенные в ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с этим известным решением, устройство содержит множество постоянных магнитов, установленных на внешней поверхности цилиндрической опорной конструкции, внутри которой вставлено лопастное колесо турбины. Постоянные магниты являются анизотропными и имеют фиксированную ось намагничивания, в силу чего они могут генерировать только радиальное магнитное поле. Таким образом, каждая пара постоянных магнитов создает два полюса и, соответственно, устройство будет иметь число пар полюсов, пропорциональное числу постоянных магнитов. Поскольку частота выработанного электрического тока пропорциональна скорости вращения и числу пар полюсов, и поскольку высокая частота тока может привести к большим потерям на гистерезис и большим потерям в диодах выпрямительного моста, то такое известное устройство не подходит для работы на высокой скорости.

Краткое изложение существа изобретения

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание устройства для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением, которое является небольшим, имеет минимальное количество компонентов и способно работать с высокой скоростью вращения лопастного колеса.

Эта и другие задачи полностью решены согласно настоящему изобретению с помощью устройства для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением с признаками, изложенными в отличительной части независимого пункта 1 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты устройства для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением согласно настоящему изобретению составляют объект зависимых пунктов формулы изобретения, содержание которых должно рассматриваться как неотъемлемая и интегрирующая часть настоящего описания.

Таким образом, изобретение основано на идее создания устройства для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением, содержащего статор и ротор, в котором статор содержит, в свою очередь, компоновку обмотки по цилиндрической поверхности, и в котором ротор установлен внутри статора коаксиально к нему и содержит, в свою очередь, лопастное колесо, выполненное в виде лопастного колеса осевой турбины, а постоянный магнит выполнен в виде единого полого цилиндрического тела из материала с высокой магнитной плотностью с диаметральной намагниченностью, внутри которого расположено лопастное колесо. Поскольку лопастное колесо расположено внутри постоянного магнита, выполненного в виде полого цилиндрического тела, и, поскольку сборка, образованная лопастным колесом и постоянным магнитом, в свою очередь, расположена в статоре, имеющем внутреннюю цилиндрическую полость, обеспечено устройство, имеющее одновременно уменьшенный осевой размер и минимальное количество компонентов. Кроме того, поскольку использован единый постоянный магнит в виде полого цилиндрического тела с диаметральной намагниченностью, достигается минимальное число пар полюсов (только одна пара полюсов), а сборка, образованная лопастным колесом и постоянным магнитом, может, таким образом, достичь высоких скоростей вращения, не подвергаясь вышеупомянутым большим потерям.

Предпочтительно, чтобы лопастное колесо было выполнено в виде лопастного колеса осевой активной турбины, хотя можно было бы рассмотреть и другие виды турбин в зависимости от конкретных применений.

Предпочтительно, что устройство может быть снабжено соответствующей формы дисками для открывания или закрывания воздушных впускных каналов и обеспечения регулирования расхода воздуха, а следовательно, и мощности, генерируемой устройством.

Устройство для генерирования электрической энергии согласно настоящему изобретению обеспечивает электроэнергией без необходимости использования кабелей питания и поэтому подходит для использования, например, для питания датчиков или других устройств в отдаленных зонах или труднодостижимых зонах, например зонах, где существует риск взрыва (например, перерабатывающих заводах), для питания беспроводных узлов приема/передачи, для питания программируемых логических контроллеров портативных автоматических блоков, или опять же для питания маломощных пневматических клапанов. Дополнительной возможной областью применения является, например, аварийное освещение: воздушный сосуд под давлением с нормально открытым выпускным клапаном, который поддерживается закрытым с помощью воздействующего соленоида, в случае затемнения обеспечивает подачу воздуха под давлением в генерирующее устройство, которое, таким образом, создает источник света (например, светодиод высокой интенсивности). Устройство для генерирования электрической энергии согласно настоящему изобретению может также быть использовано для активации дисплея или дополнительных огней на малых пневматических или ручных инструментах или опять же для выдачи акустических или оптических предупредительных сигналов для пневматических устройств.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает осевое сечение устройства для генерирования электроэнергии от источника воздуха под давлением в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 изображает вид в перспективе лопастного колеса ротора устройства с фиг. 1,

Фиг. 3 изображает вид в перспективе распределителя устройства с фиг. 1, и

Фиг. 4 и 5 изображают вид спереди и вид в осевом сечении, соответственно, выходного диска устройства с фиг. 1.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

В последующем описании и формуле изобретения, термины "осевой" и "радиальный" использованы для обозначения направления, параллельного и перпендикулярного оси вращения ротора устройства для генерирования электрической энергии, соответственно.

Как видно из фиг. 1, устройство для генерирования электроэнергии (далее именуемое просто "устройством") согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения в целом обозначено ссылочной позицией 10 и, по существу, содержит:

- статор 12, по существу, известного типа, состоящий из компоновки обмотки статора, расположенной по полой цилиндрической поверхности оси X,

- ротор 14, установленный с возможностью вращения внутри статора 12 коаксиально к нему,

- входной корпус 16, расположенный выше по потоку от сборки, образованной статором 12 и ротором 14, и снабженный входным патрубком 18 (изображенным лишь частично) для подключения к источнику воздуха или другого газа или текучей среды под давлением (не изображен), а также

- выходной корпус 20, расположенный ниже по потоку от сборки, образованной статором 12 и ротором 14.

В свою очередь, ротор 14 содержит лопастное колесо 22, которое в изображенном варианте осуществления выполнено в виде лопастного колеса осевой турбины, а также постоянный магнит 24, который выполнен в виде единого полого цилиндрического тела, внутри которого расположено лопастное колесо 22. Лопастное колесо 22 и постоянный магнит 24 жестко соединены друг с другом, преимущественно посадкой с натягом, так, чтобы вращаться как единое тело. Лопастное колесо 22 выполнено, к примеру, из магнитного материала, из немагнитных металлов или сплавов или, опять же, из пластика. Лопастное колесо 22 можно лучше рассмотреть на виде в перспективе на фиг. 2, на которой, в частности, можно заметить форму лопастей 26 и каналов 28, определенных между ними. Лопастное колесо 22 также снабжено валом 30, с помощью которого он установлен с возможностью вращения в статоре 12 относительно оси X. Постоянный магнит 24, который образует со статором 12 электрический генератор, предпочтительно изготовлен из магнитного материала с высокой магнитной плотностью, например, неодим-железо-бора, самарий-кобальта или тому подобное. Материал постоянного магнита 24 подбирают индивидуально в зависимости и от других параметров, таких как, например, температура эксплуатации и механическая прочность. Постоянный магнит 24 диаметрально намагничен. Предпочтительно, что ротор 14 дополнительно содержит втулку 32 из композитного материала, в частности из углеродного волокна, которая охватывает постоянный магнит 24 и служит для повышения его механической прочности, который при эксплуатации подвергается воздействию напряжений, возникающих из-за центробежных сил и напряжений, возникающих из-за разницы между тепловым расширением материала лопастного колеса 22 и тепловым расширением материала постоянного магнита 24.

Распределитель 34 расположен во входном корпусе 16, на конце, аксиально обращенном к лопастному колесу 22, и образует с лопастным колесом 22 осевую турбину, предпочтительно осевую активную турбину. Распределитель 34 можно лучше рассмотреть на виде в перспективе на фиг. 3, на которой, в частности, можно заметить форму лопастей 36 и определенных между ними каналов 38. В лицевой поверхности распределителя 34, аксиально обращенного к лопастному колесу 22, имеется цилиндрическая полость 40, в которой расположен подшипник 42 качения (выполненный, например, в виде радиального шарикового подшипника), поддерживающий входной конец вала 30 рабочего колеса 22. В качестве альтернативного варианта, в случае особых условий эксплуатации, например, очень высоких скоростей вращения, продолжительных рабочих периодов без остановок и т.д., могут быть использованы другие типы подшипников, например газовые подшипники или магнитные подшипники. Камера 44 выравнивания давления определена входным корпусом 16, между входным патрубком 18 и распределителем 34.

Выходной диск 46 расположен в выходном корпусе, на конце, аксиально обращенном к лопастному колесу 22, и имеет множество отверстий 48, через которые воздух, поступающий из лопастного колеса 22, сбрасывается в атмосферу. Выходной диск 46 изображен как в осевом сечении, так и на виде спереди, на фиг. 4 и 5. В лицевой поверхности выходного диска 46, аксиально обращенного к лопастному колесу 22, обеспечена цилиндрическая полость 50, в которой размещен подшипник 52 качения (подшипник, способный, в частности, выдерживать и радиальные, и осевые нагрузки, например, наклонный шариковый подшипник или один из других вышеупомянутых типов подшипников), поддерживающий выходной конец вала 30 лопастного колеса 22. Выше по потоку от распределителя 34 могут быть вставлены специальные диски (не изображены) соответствующей формы для регулирования скорости потока воздуха (или другого газа или текучей среды).

В изображенном варианте осуществления, входной корпус 16 и выходной корпус 20 выполнены в виде отдельных частей, которые расположены на аксиально-противоположных сторонах статора 12 и прикреплены друг к другу (например, с помощью винтов).

Работа устройства 10 здесь будет кратко показана ниже. Воздух под давлением, производимый источником воздуха под давлением, при давлении, например, между 2 и 4 бар, поступает в камеру 44 выравнивания давления входного корпуса 16 устройства 10 через входной патрубок 18. В этом отношении камера 44 выравнивания давления служит для обеспечения постоянного давления выше по потоку от осевой турбины. Затем воздух ускоряется при прохождении каналов 38 распределителя 34, пока он не достигнет скорости звука на входе в каналы 28 лопастного колеса 22, затем поступает на лопастное колесо 22, ускоряя его до скорости вращения 100000-200000 оборотов в минуту, и, наконец, выбрасывается в атмосферу через отверстия 48 выходного диска 46. Постоянный магнит 24, соединенный с лопастным колесом 22 с возможностью передачи приводного усилия для вращения, таким образом, также приводится во вращение и генерирует вращающийся магнитный поток, который индуцирует электродвижущие силы в статорных обмотках статора 12.

Индуцированные таким образом электродвижущие силы будут выпрямлены с помощью диодного моста и соответствующим образом стабилизированы с помощью преобразователя постоянного тока, независимо от изменений подводимого давления и нагрузки. Преобразователь размещен в печатной плате, которая может предпочтительно обеспечивать вспомогательные функции, такие, например, как защита от превышения скорости или перенапряжения, аналоговые входы для считывания сигналов датчиков, хранение принятых данных, экономичный интегрированный беспроводной модуль для передачи данных на удаленный блок и т.д. Преобразователь предназначен для приема на входе широкого диапазона напряжений (например, от 0 до 30В), поскольку выработанное напряжение изменяется в зависимости от скорости вращения турбины, которая, в свою очередь, меняется в зависимости от входного давления и от нагрузки. Этот преобразователь также служит для питания внутренних электронных компонентов. Второй преобразователь постоянного тока вырабатывает промышленное напряжение 24В от стабилизированного напряжения первого преобразователя для питания пользовательской нагрузки (например, датчика).

Выше по потоку от устройства может быть обеспечен регулировочный клапан, предпочтительно пассивный клапан, для регулировки давления всасываемого воздуха до оптимального значения для производительности турбины.

Как вытекает из предшествующего описания, устройство согласно изобретению имеет минимальное количество компонентов, компактные размеры и высокую производительность. В связи с этим последним аспектом, интеграция лопастного колеса турбины и ротора электрического генератора в одном компоненте позволяет исключить потери благодаря механическому соединению этих компонентов.

Кроме того, как уже было сказано выше, использование специальных дисков с отверстиями, действующих в качестве ограничительных элементов, позволяет регулировать электроэнергию, производимую устройством. Таким образом, устройство может быть предназначено для применений, требующих высокой мощности в течение короткого времени (например, предупредительных сигналов, сигналов отказа и т.д.), или для применений, требующих низкого энергопотребления в течение длительного времени (например, датчиков, устройств контроля и т.д.).

Естественно, что при неизменной концепции изобретения, варианты осуществления и конструктивные детали могут значительно отличаться от описанных и проиллюстрированных исключительно в качестве неограничительного примера, без отступлений от объема изобретения, определенного в формуле изобретения.

Например, хотя изобретение было описано и проиллюстрировано со ссылкой на турбину, выполненную в виде осевой активной турбины, турбина может быть иного типа в зависимости от конкретных применений.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении габаритов, количества компонентов и повышении скорости вращения. Устройство (10) содержит турбину (22, 34), имеющую лопастное колесо (22), и электрический генератор (12, 24), имеющий статор (12) с обмотками, распределенными по цилиндрической поверхности (X), коаксиальной лопастному колесу (22), постоянный магнит (24) выполнен с возможностью вращения относительно статора (12) и соединен с лопастным колесом (22) с возможностью передачи приводного усилия для вращения. Лопастное колесо (22) расположено внутри постоянного магнита (24). Сборка, образованная лопастным колесом (22) и постоянным магнитом (24), расположена внутри статора (12). Постоянный магнит (24) выполнен в виде единого полого цилиндрического тела из материала с высокой магнитной плотностью с диаметральной намагниченностью. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (10) для генерирования электроэнергии от источника воздуха или другого газа или текучей среды под давлением, содержащее турбину (22, 34), имеющую лопастное колесо (22), и электрический генератор (12, 24), имеющий статор (12), снабженный обмотками статора, распределенными по цилиндрической поверхности (X), коаксиальной лопастному колесу (22), а также постоянный магнит (24), выполненный с возможностью вращения относительно статора (12) и соединенный с лопастным колесом (22) с возможностью передачи приводного усилия для вращения, при этом лопастное колесо (22) заключено внутри постоянного магнита (24), а сборка, образованная лопастным колесом (22) и постоянным магнитом (24), заключена внутри статора (12), отличающееся тем, что постоянный магнит (24) выполнен в виде единого полого цилиндрического тела из материала с высокой магнитной плотностью с диаметральной намагниченностью.

2. Устройство по п. 1, в котором турбина (22, 34) является осевой турбиной.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором лопастное колесо (22) и постоянный магнит (24) соединены друг с другом посадкой с натягом.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее втулку (32), которая охватывает постоянный магнит (24).

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что втулка (32) изготовлена из композитного материала, например углеродного волокна.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее входной корпус (16), расположенный выше по потоку от лопастного колеса (22) и снабженный входным патрубком (18) для соединения с источником воздуха или другого газа под давлением, а также выходной корпус (20), расположенный ниже по потоку от лопастного колеса (22), при этом турбина (22, 34) дополнительно содержит распределитель (34), расположенный во входном корпусе (16), и устройство (10), дополнительно содержащее выходной диск (46), имеющий, по меньшей мере, одно отверстие (48) для выпуска воздуха или газа в атмосферу.

7. Устройство по п. 6, в котором распределитель (34) и выходной диск (46) имеют, на своих лицевых поверхностях, аксиально обращенных к лопастному колесу (22), соответствующие полости (40, 50), в которых размещены подшипники (42, 52), посредством которых сборка, образованная лопастным колесом (22) и постоянным магнитом (24), поддерживается во вращении.

8. Устройство по п. 6 или 7, в котором входной корпус (16) и выходной корпус (20) выполнены в виде отдельных деталей, которые расположены на аксиально противоположных сторонах статора (12) и прикреплены друг к другу разъемным соединительным средством.