UA52957A - Free-piston compressor with electromagnetic drive - Google Patents

Abstract

A free-piston compressor with an electromagnetic drive has two placed in coaxial positions blocks of cylinders, those include in each two oppositely installed cylinders, with placed in between of those additional cylinder and with installed in those with formation of working chambers pistons; two coaxial driving electromagnetic coils, power unit and control system. In one of blocks of cylinders in the middle at its axis and normal to it plane there is provided at one side a radial opening with outlet to the cavity of additional cylinder, where there is placed a rod made of non-magnetic material, this is spring-supported to the block of cylinders and interacts with it through sliding placement, and the piston of additional cylinder is equipped with two circular grooves arranged in planes coinciding with the plane of positioning the radial opening in the block of cylinders at the limiting left and limiting right positions of the piston. At that, the rod with its end directed to the cavity of the cylinder interacts with the piston of additional cylinder at its generatrix within the limits prescribed by the distance between the middle and the end sections of the circular grooves on the piston, and with the other end it interacts with electromagnetic switch of power supply of the middle and the end electromagnetic coils; at that the switch of the power circuit of those takes place at the instant when the rod goes to one or another circular groove of the piston.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до компресоробудування і може бути використаний у вільнопоршневих компресорах з 2 електромагнітним приводом.The invention relates to compressor construction and can be used in free-piston compressors with 2 electromagnetic drives.

Відомо вільнопоршневий компресор із електромагнітним приводом, який містить два співвісно розташовані циліндрових блоки, що включають в себе по два опозитно розташованих циліндра із розміщеним між ними додатковим циліндром і встановленими в них з утворенням робочих камер поршнями, що жорстко зв'язані між собою, по дві співвісні привідні електромагнітні котушки, замішені у кільцевий магнітопровід і охоплювальні 70 додатковий циліндр, середні та крайні із котрих попарно електрично зв'язані між собою, при цьому додаткові циліндри мають у порівнянні із опозитними циліндрами більший діаметр та обладнані тонкостінними гільзами із антифрикційного матеріалу, поршні додаткових циліндрів та магніто-проводи виконані із магнітом'якого феромагнітного матеріалу, а циліндри та поршні опозитних циліндрів - із немагнітного матеріалу, блок живлення і систему керування. Даний компресор прийнято за прототип /див. а.с. СРСР Мо 1610068 МПК 7 Р 04 В 35/04. 72 Опубл. 30.11.90, бюл. Мо 44/.A free-piston compressor with an electromagnetic drive is known, which contains two coaxially located cylinder blocks, which include two oppositely located cylinders with an additional cylinder placed between them and two rigidly connected pistons installed in them to form working chambers coaxial driving electromagnetic coils mixed in a ring magnet wire and covering 70 additional cylinders, the middle and outer ones of which are electrically connected in pairs, while the additional cylinders have a larger diameter compared to the opposite cylinders and are equipped with thin-walled sleeves made of antifriction material, additional pistons cylinders and magnet wires are made of a magnetically soft ferromagnetic material, and the cylinders and pistons of the opposite cylinders are made of non-magnetic material, the power supply unit and the control system. This compressor is considered a prototype / see a.s. USSR Mo 1610068 IPC 7 R 04 B 35/04. 72 Publ. 30.11.90, Bull. Mo 44/.

Недоліком даного вільнопоршневого компресора із електромагнітним приводом е низька продуктивність і підвищене споживання електроенергії. Це пояснюється довільним, нічим не обгрунтованим вибором частоти подання напруги живлення на електромагнітні котушки приводу компресора. Для кожного моменту роботи вільно-поршневого компресора з електромагнітним приводом існує оптимальна частота ходів поршнів і при цій цастоті поршні повинні виконувати повний хід, тобто переміщатися із одного крайнього положення у друге, а після завершення ходу миттєво почати переміщення у зворотному напрямку. Ця частота нестала і залежить від зміни опору переміщенню поршнів та величини сили тяги електромагнітних котушок. При завданні за допомогою системи регулювання частоти ходів, котра для даного моменту часу більше оптимальної, поршні будуть змінювати напрямок руху, не досягти крайнього положення, тобто не завершивши хід і не витіснивши із 22 порожнин циліндрів належний об'єм газу, що призводить до зниження продуктивності компресора. При завданні « частоти ходів менше оптимальної поршні, завершивши хід, будуть весь час залишатися нерухомими, спричинюючи непродуктивне споживання компресором електроенергії та нагрів електромагнітних котушок. Отже, задавати частоту переключення подання напруги живлення на середні та крайні котушки взагалі не можна, оскільки імовірність її збігу із оптимальною частотою дуже мала. в 30 В основу винаходу поставлено задачу удосконалення вільно-поршневого компресора із електромагнітним ою приводом шляхом автоматичної безперервної підтримки оптимальної частоти переключення напруги живлення на середні та крайні електромагнітні котушки, що приведе до підвищення продуктивності компресора та о зниження питомої споживаної потужності. ГаThe disadvantage of this free-piston compressor with an electromagnetic drive is low productivity and high power consumption. This is explained by an arbitrary, unsubstantiated choice of the frequency of supply voltage to the electromagnetic coils of the compressor drive. For each moment of operation of a free-piston compressor with an electromagnetic drive, there is an optimal frequency of piston strokes, and at this frequency, the pistons must perform a full stroke, that is, move from one extreme position to another, and after completing the stroke, immediately start moving in the opposite direction. This frequency has disappeared and depends on the change in the resistance to the movement of the pistons and the magnitude of the traction force of the electromagnetic coils. When using the stroke frequency adjustment system, which is more than optimal for the given moment of time, the pistons will change the direction of movement without reaching the extreme position, that is, without completing the stroke and without displacing the proper volume of gas from the 22 cylinder cavities, which leads to a decrease in productivity compressor. When the stroke frequency is less than optimal, the piston, having completed the stroke, will remain motionless all the time, causing unproductive consumption of electricity by the compressor and heating of the electromagnetic coils. Therefore, it is not possible to set the switching frequency of the supply voltage to the middle and outer coils at all, since the probability of its coincidence with the optimal frequency is very small. In 30, the invention is based on the task of improving a free-piston compressor with an electromagnetic drive by automatically and continuously maintaining the optimal switching frequency of the supply voltage to the middle and extreme electromagnetic coils, which will lead to an increase in compressor performance and a decrease in specific power consumption. Ha

Поставлена задача досягається тим, що у вільнопоршневому компресорі із електромагнітним приводом, який 35 містить два співвісно розташованих циліндрових блоки, що включають в себе по два опозитно розташованих о циліндри із розміщеним між ними додаткавим циліндром і установленими у них із утворенням робочих камер поршнями, жорстко зв'язашшміж собою, по дві співвісні приводні електромагнітні котушки, замкнені у кільцевий магніто-провід і охоплювальні додатковий циліндр, середні та крайні із котрих попарно електричне зв'язані між « собою, при цьому додаткові циліндри мають у порівнянні із опозитними циліндрами більший діаметр та З 40 обладнані тонкостінними гільзами з антифрикційного матеріалу, поршні додаткових циліндрів та магнітопроводи с виконані із магнітом'якого феромагнітного матеріалу, а циліндри та поршні опозитних циліндрів - із з» немагнітного матеріалу, блок живлення і систему керування, згідно з винаходом, для утворення системи автоматичного керування в одному із циліндрових блоків у середній по його осі і перпендикулярній їй площині виконано з одного боку радіальний отвір із виходом у порожнину додаткового циліндра, у якому розміщено 45 підпружинений до циліндрового блока, взаємодіючий із ним по ковзній посадці стержень із немагнітного і-й матеріалу, а поршень додаткового циліндра обладнано двома кільцевими канавками, розташованими у ка площинах, що збігаються із площиною розташування радіального отвору у циліндровому блоці при крайньому лівому та крайньому правому положеннях поршня, при цьому стержень своїм кінцем, спрямованим у порожнину ее, циліндра, взаємодіє із поршнем додаткового циліндра по його твірній у межах, визначених відстанню між сл 20 середніми торцевими перерізами кільцевих канавок на поршні, а другим кінцем взаємодіє із електричним перемикачем живлення середніх та крайніх електромагнітних котушок, причому перемикання кола їх живлення т відбувається у момент опускання стержня у ту чи іншу кільцеву канавку поршня, при цьому взаємодіючий із поршнем кінець стержня обладнано утворюючою із стержнем сферичну кінематичну пару стальною кулькою, через яку стержень взаємодіє із поршнем.The task is achieved by the fact that in a free-piston compressor with an electromagnetic drive, which 35 contains two coaxially located cylinder blocks, which include two oppositely located cylinders with an additional cylinder placed between them and pistons installed in them with the formation of working chambers, rigidly connected between each other, two coaxial driving electromagnetic coils, enclosed in a ring magnetic wire and covering an additional cylinder, the middle and outer ones of which are electrically connected in pairs to each other, while the additional cylinders have a larger diameter compared to the opposite cylinders and 40 are equipped with thin-walled sleeves made of antifriction material, the pistons of additional cylinders and magnetic lines are made of a magnetic ferromagnetic material, and the cylinders and pistons of the opposite cylinders are made of a non-magnetic material, a power supply unit and a control system, according to the invention, to form an automatic control system in one of the cylindrical ones blocks in the middle along its axis and in a plane perpendicular to it, a radial hole is made on one side with an exit into the cavity of the additional cylinder, which houses 45 rods spring-loaded to the cylinder block, interacting with it by a sliding fit, made of non-magnetic material and the piston of the additional cylinder is equipped with two annular grooves located in ka planes that coincide with the plane of the location of the radial hole in the cylinder block at the far left and far right positions of the piston, while the rod with its end directed into the cavity ee of the cylinder interacts with the piston of the additional cylinder along its generating line within the limits determined by the distance between the sl 20 middle end sections of the annular grooves on the piston, and the other end interacts with the electric power switch of the middle and outer electromagnetic coils, and the switching of their power circuit t occurs at the moment when the rod is lowered into one or another annular groove of the piston, when this interacting with with a piston, the end of the rod is equipped with a steel ball forming a spherical kinematic pair with the rod, through which the rod interacts with the piston.

Якщо у прототипі частота ходів поршнів вільнопоршневого компресора з електромагнітним приводом, яка в. задається за допомогою системи керування, ніколи не може бути оптимальною, то у компресорі, що пропонується, в результаті саморегулювання завжди забезпечується оптимальна частота ходів, завдяки чому підвищується продуктивність компресора і знижується питома споживана потужність.If in the prototype, the stroke frequency of the pistons of the free-piston compressor with an electromagnetic drive, which is is set by the control system, can never be optimal, in the proposed compressor, as a result of self-regulation, the optimal stroke frequency is always ensured, thanks to which the compressor performance increases and the specific power consumption decreases.

Сутність винаходу пояснюється кресленням, де зображено лівий циліндровий блок вільнопоршневого 60 компресора з електромагнітним приводом без з'єднувальних трубопроводів і ресиверів, котрих сутність винаходу не обходить.The essence of the invention is explained by the drawing, which shows the left cylinder block of a free-piston 60 compressor with an electromagnetic drive without connecting pipelines and receivers, which the essence of the invention does not bypass.

Лівий циліндровий блок 1, розташований співвісно із не показаним на кресленні правим циліндровим блоком.Left cylinder block 1, located coaxially with the right cylinder block not shown in the drawing.

Він містить опозитно розташовані циліндри 2 і З та розміщений між ними додатковий циліндр 4, в котрих встановлені жорстко зв'язані між собою поршні 5, 6, 7. Додатковий циліндр 4 обладнано тонкостінною гільзою 8 бо з антифрикційного матеріалу, котра охоплюється кільцевим магнітопроводом 9 із замкненими у ньому котушками, одна із котрих /котушка 10/ відноситься до середніх, а друга /котушка 11/ - до крайніх котушок.It contains oppositely located cylinders 2 and З and an additional cylinder 4 placed between them, in which pistons 5, 6, 7, which are rigidly connected to each other, are installed. The additional cylinder 4 is equipped with a thin-walled sleeve 8 made of anti-friction material, which is covered by an annular magnetic conductor 9 with coils closed in it, one of which /coil 10/ belongs to the middle ones, and the second /coil 11/ - to the extreme coils.

Середні котушки двох циліндрових блоків, так само як і крайні, попарно електричко зв'язані між собою.The middle coils of the two cylinder blocks, as well as the outer coils, are electrically connected in pairs.

Магнітопровід 9 і поршень 7 виконані із магнітом'якого матеріалу із мінімально можливою коерцитивною силою.Magnetic wire 9 and piston 7 are made of a magnetic material with the minimum possible coercive force.

Циліндри 2, 3, 4, гільза 8, поршні 5, б виконані із немагнітного матеріалу. У середньому торцевому перерізі магнітопровода 9 виконано радіальний отвір 12 із виходом у порожнину циліндра 4. У отворі 12 розміщено по ковзній посадці стержень 13 із немагнітного матеріалу, котрий за допомогою кронштейна 14 та пружини 15 підпружинено до лівого циліндрового блоку 1. Стержень 13 на його долішньому кінці обладнано стальною кулькою, утворюючою із стержнем сферичну кінематичну пару, яка дозволяє зменшити сили тертя та стирання 7/0 поверхні при взаємодії стержня 13 із поршнем 7. Верхній кінець стержня 13 взаємодіє із рухомим штифтом 17, підпружиненим до корпуса електричного перемикача 16 живлення котушок 10, 11, Перемикач 16 жорстко закріплений на кронштейні 14. Сила пружності пружини 15 достатня для подолання опору руху штифта 17 та забезпечення сотого притискання стержня ІЗ через кульку до поверхні поршня 7. На поршні 7 виконані дві кільцеві канавки 18 та 19 таким чином, щоб стержень ІЗ попадав у одну із них при крайньому лівому положенні /5 поршня 7, а в другу - при крайньому правому положенні цього поршня" Глибина канавок 18 та 19 визначається ходом стержня 13, необхідним для надійного спрацьовування перемикача 16. Одна із фаз джерела постійного струму - випрямного блока 20 підключена до усіх електромагнітних котушок, у тому числі за допомогою проводу 21 до котушок правого блока циліндрів. Друга фаза від випрямного блока 20 підведена до перемикача 16, При кожному натисканні на штифт 17 перемикача 16 останній забезпечує вимкнення одних електрично зв'язаних між собою електромагнітних котушок / на" приклад, крайніх/ і підключення інших /середніх/ та навпаки" За допомогою проводу 22 забезпечується підключення до джерела постійного струму середньої котушки, а за допомогою проводу 23-крайньої котушки правого циліндрового блока.Cylinders 2, 3, 4, sleeve 8, pistons 5, b are made of non-magnetic material. In the middle end section of the magnet wire 9, a radial hole 12 is made with an outlet into the cavity of the cylinder 4. In the hole 12, a rod 13 of non-magnetic material is placed in a sliding fit, which is spring-loaded to the left cylinder block 1 with the help of a bracket 14 and a spring 15. The rod 13 is on its bottom the ends are equipped with a steel ball forming a spherical kinematic pair with the rod, which allows to reduce the forces of friction and abrasion of the 7/0 surface when the rod 13 interacts with the piston 7. The upper end of the rod 13 interacts with the movable pin 17, which is spring-loaded to the housing of the electric switch 16 for powering the coils 10 , 11, The switch 16 is rigidly fixed on the bracket 14. The elastic force of the spring 15 is sufficient to overcome the resistance to the movement of the pin 17 and ensure that the IZ rod is pressed against the surface of the piston 7 through the ball. Two annular grooves 18 and 19 are made on the piston 7 in such a way that the rod IZ fell into one of them at the extreme left position /5 of piston 7, and into the second - at cr The depth of the grooves 18 and 19 is determined by the stroke of the rod 13, which is necessary for the reliable operation of the switch 16. One of the phases of the direct current source - the rectifier block 20 is connected to all electromagnetic coils, including with the help of wire 21 to the coils of the right block cylinders The second phase from the rectifier block 20 is connected to the switch 16. Each time you press the pin 17 of the switch 16, the latter ensures that some electrically interconnected electromagnetic coils are turned off / for example, the extreme ones / and the other / middle ones are connected and vice versa" Using a wire 22 provides a connection to the source of direct current of the middle coil, and with the help of wire 23, the outermost coil of the right cylinder block.

Вільнопоршневий компресор з електромагнітним приводом працює таким чином. При вмиканні в коло живлення крайніх або середніх котушок поршень 7 разом із поршнями 5, 6 під дією електромагнітного поля ов починає переміщатися відповідно ліворуч або праворуч" У порожнинах циліндрів 4, 2, З здійснюються процеси всмоктування та нагнітання газу. При досягненні поршнями крайнього положення стержень 13 із коткою по « поверхні поршня 7 кулькою під дією пружини 15 опускається у кільцеву канавку 18 або 19. Натискання стержня 13 на штифт 17 викликає спрацьовування перемикача 16, внаслідок чого одні із котушок вимикаються, а інші підключаються до кола живлення. Поршні починають переміщатися у зворотному напрямку, здійснюючи процеси ї- зо Всмоктування та нагнітання газу, до досягнення другого крайнього положення. Оскільки крайні та середні котушки лівого і правого циліндрових блоків попарно з'єднані між собою, то описані раніше процеси о відбуваються і у правому циліндровому блоці. Поршні лівого та правого циліндрових блоків переміщаються або Ге! назустріч один одному, або віддаляючись один від одного.A free-piston compressor with an electromagnetic drive works as follows. When the outer or middle coils of the piston 7 together with the pistons 5, 6 are connected to the power supply circuit, under the action of the electromagnetic field, ov begins to move to the left or right, respectively." 13 with a roller on the surface of the piston 7, the ball under the action of the spring 15 is lowered into the annular groove 18 or 19. Pressing the rod 13 on the pin 17 triggers the switch 16, as a result of which some of the coils are turned off, and the others are connected to the power circuit. The pistons begin to move in in the reverse direction, carrying out the processes of suction and injection of gas, until reaching the second extreme position. Since the extreme and middle coils of the left and right cylinder blocks are connected in pairs, the previously described processes also occur in the right cylinder block. The pistons of the left and right cylinder blocks are moved either toward each other, or in moving away from each other.

Таким чином, у вільнопоршневому компресорі з електроманітним приводом, який пропонується, с з5 Забезпечується, по-перше, здійснення повних ходів поршнів і, по-друге, миттєва зміна напрямку руху поршнів ю після повного завершення ходу, тобто автоматично встановлюється оптимальна частота ходів поршнів у будь-якому навантажувальному режимі компресора, завдяки чому підвищується його продуктивність і зменшується питома споживана потужність. « с 70Thus, in the proposed free-piston compressor with an electromagnetic drive, c z5 It is ensured, firstly, that the full stroke of the pistons is carried out and, secondly, an instant change in the direction of movement of the pistons y after the full stroke is completed, that is, the optimal frequency of the piston strokes y is automatically set any loading mode of the compressor, thanks to which its productivity increases and the specific power consumption decreases. p. 70

Claims (2)

Формула винаходу 8 :з» 1. Вільнопоршневий компресор із електромагнітним приводом, який містить два співвісно розташованих циліндрових блоки, що включають в себе по два опозитно розташованих циліндри із розміщеним між ними додатковим циліндром і встановленими в них із утворенням робочих камер поршнями, жорстко зв'язаними між сл собою, по дві співвісні привідні електромагнітні котушки, замкнені у кільцевий магнітопровід і обхоплювальний додатковий циліндр, середні та крайні із котрих попарно електрично зв'язані між собою, при цьому додаткові ко циліндри мають у порівнянні із опозитними циліндрами більший діаметр та обладнані тонкостінними гільзами із со антифрикційного матеріалу, поршні додаткових циліндрів та магнітопроводи виконані із магнітом'якого феромагнітного матеріалу, а циліндри та поршні опозитних циліндрів - із немагнітного матеріалу, блок живлення 1 і систему керування, який відрізняється тим, що в одному із циліндрових блоків у середній по його осі і «М перпендикулярній їй площині виконано з одного боку радіальний отвір із виходом у порожнину додаткового циліндра, у якому розміщено стержень із немагнітного матеріалу, підпружинений до циліндрового блока та взаємодіючий із ним по ковзній посадці а поршень додаткового циліндра обладнано двома кільцевими Канавками, розташованими у площинах, що збігаються із площиною розташування радіального отвору у циліндровому блоці при крайньому лівому та крайньому правому положеннях поршня, при цьому стержень своїм » кінцем, спрямованим у порожнину циліндра, взаємодіє із поршнем додаткового циліндра по його твірній у межах, визначених відстанню між середніми торцевими перерізами кільцевих канавок на поршні, а другим кінцем взаємодіє із електромагнітним перемикачем живлення середніх та крайніх електромагнітних котушок, причому бо перемикання кола їх живлення відбувається у момент опускання стержня у ту чи іншу кільцеву канавку поршня.Formula of the invention 8:z" 1. A free-piston compressor with an electromagnetic drive, which contains two coaxially located cylinder blocks, which include two oppositely located cylinders with an additional cylinder placed between them and pistons installed in them to form working chambers, rigidly connected connected to each other, two coaxial driving electromagnetic coils, enclosed in a ring magnet wire and an encircling additional cylinder, the middle and outer ones of which are electrically connected in pairs, while the additional co-cylinders have a larger diameter compared to the opposite cylinders and are equipped with thin-walled sleeves made of anti-friction material, pistons of additional cylinders and magneto-conductors are made of magnetic ferromagnetic material, and cylinders and pistons of opposite cylinders are made of non-magnetic material, power unit 1 and control system, which differs in that in one of the cylinder blocks in the middle its axis and "M perpendicular to it p on one side of the depression, a radial hole with an exit into the cavity of the additional cylinder is made, in which a rod of non-magnetic material is placed, spring-loaded to the cylinder block and interacting with it by a sliding fit, and the piston of the additional cylinder is equipped with two annular grooves located in planes that coincide with the plane the location of the radial hole in the cylinder block at the far left and far right positions of the piston, while the rod with its » end, directed into the cylinder cavity, interacts with the piston of the additional cylinder along its stroke within the limits determined by the distance between the middle end sections of the annular grooves on the piston, and the other end interacts with the electromagnetic power switch of the middle and outer electromagnetic coils, and because the switching of their power circuit occurs at the moment of lowering the rod into one or another annular groove of the piston. 2. Вільнопоршневий компресор із електромагнітним приводом за п. 1, який відрізняється тим, що стержень на кінці, що взаємодіє із поршнем, обладнано стальною кулькою, утворюючою із стержнем сферичну кінематичну пару, через яку стержень взаємодіє із поршнем. 65 Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2003, М 1, 15.01.2003. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і2. A free-piston compressor with an electromagnetic drive according to claim 1, characterized in that the rod at the end interacting with the piston is equipped with a steel ball forming a spherical kinematic pair with the rod, through which the rod interacts with the piston. 65 Official Bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated microcircuits", 2003, M 1, 15.01.2003. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and