Цилиндрическая симметричная машина объемного действия

Изобретение относится к цилиндрической симметричной машине объемного действия. Машина (1) содержит два взаимодействующих ротора (6a, 6b), а именно наружный ротор (6a), установленный с возможностью вращения в машине (1), и внутренний ротор (6b), установленный с возможностью вращения в наружном роторе (6a). Машина (1) имеет электрический двигатель (15) с ротором (16) и статором (17) для приведения в движение роторов (6a, 6b). Двигатель (15) установлен вокруг ротора (6a). Статор (17) непосредственно приводит в движение ротор (6a). Двигатель (15) продолжается только вдоль части длины (L) роторов (6a, 6b). Двигатель (15) расположен на конце (9b) ротора (6b), имеющем наименьший диаметр (D). Изобретение направлено на обеспечение компактной, надежной и эффективной машины. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к цилиндрической симметричной машине объемного действия.

Машина объемного действия также известна под названием (на английском языке) «positive displacement machine».

В частности изобретение относится к машинам, таким как расширительные устройства, компрессоры и насосы с цилиндрической симметрией, содержащим два ротора, а именно, внутренней ротор, который установлен с возможностью вращения в наружном роторе.

Эти машины известны и описываются, например, в US 1892217. Также известно, что роторы могут иметь цилиндрическую или коническую форму.

Известно, что привод этих машин может осуществляться с помощью электрического двигателя.

Здесь, вал ротора в роторе двигателя будет приводить в движение вал ротора внутреннего или наружного ротора, при этом используются зубчатые колеса, муфты, ременные приводы или тому подобное для обеспечения передаточного механизма между обоими валами ротора.

Эти машины имеют очень большой объем и содержат большое количество частей двигателя, роторов компрессора или расширительного устройства и соответствующих корпусов.

В результате занимаемые машиной площадь или пространство являются относительно большими.

Эта машина также будет относительно дорогой из–за большого количества частей и, вследствие этого, более дорогой сборки.

Другим недостатком является необходимость в большом количестве уплотнений валов и подшипников для уплотнения всех частей и установки этих частей с возможностью вращения в корпусах.

Уплотнения представляют опасность, если они выйдут из строя, в то время как подшипники влекут за собой потери.

Целью настоящего изобретения является решение одного или более из приведенных выше и/или других недостатков.

Настоящее изобретение предлагает цилиндрическую симметричную машину объемного действия, содержащую два взаимодействующих ротора, а именно, наружный ротор, установленный с возможностью вращения в машине, и внутренний ротор, установленный с возможностью вращения в наружном роторе, при этом машина имеет электрический двигатель с ротором двигателя и статором двигателя для приведения в движение наружного и внутреннего роторов, отличающуюся тем, что электрический двигатель установлен вокруг наружного ротора, при этом статор двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор, и при этом электрический двигатель продолжается только вдоль части длины наружного ротора и внутреннего ротора, причем двигатель расположен на конце внутреннего ротора, имеющем наименьший диаметр.

Преимущество заключается в том, что отсутствует необходимость в передаточном механизме между наружным ротором и статором двигателя или ротором двигателя, так как статор двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор, так что требуется меньше частей.

Другое преимущество заключается в том, что благодаря установке электрического двигателя вокруг наружного ротора занимаемая машиной площадь может быть уменьшена, и машина становится меньше и более компактной.

Кроме того, требуется меньше уплотнений валов, что увеличивает надежность машины.

Дополнительно, требуется меньше подшипников, что дает меньшие потери и, следовательно, более эффективную машину.

В практическом варианте осуществления ротор двигателя и наружный ротор выполнены как единое целое или образуют единое целое.

Ротор двигателя и наружный ротор могут быть, например, непосредственно соединены друг с другом с помощью прессовой посадки, сварки или тому подобного.

Этот вариант осуществления имеет преимущество в том, что может использоваться стандартный наружный ротор.

В другом практическом варианте осуществления наружный ротор служит в качестве ротора двигателя.

Это будет обеспечивать возможность получения еще более компактной машины, поскольку несколько частей как бы больше не будут присутствовать, так как функции частей или компонентов объединяются, т.е. некоторые части являются общими.

Чтобы лучше показать особенности изобретения, некоторые предпочтительные варианты осуществления цилиндрической симметричной машины объемного действия в соответствии с изобретением будут описаны ниже в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 схематически иллюстрирует машину в соответствии с изобретением.

Схематически иллюстрируемая машина 1 на фиг. 1 в данном случае представляет собой компрессорное устройство.

В соответствии с изобретением машина 1 также может представлять собой расширительное устройство. Изобретение также может относиться к насосному устройству.

Машина 1 представляет собой цилиндрическую симметричную машину объемного действия 1. Это означает, что машина 1 имеет цилиндрическую симметрию, т.е. такие же симметричные свойства, что и конус.

Машина 1 содержит корпус 2, имеющий впуск 3 для всасывания подлежащего сжатию газа и выпуск 4 для сжатого газа. Корпус 2 образует камеру 5.

В корпусе 2 машины 1 в камере 5 расположены два взаимодействующих ротора 6a, 6b, а именно, наружный ротор 6a, установленный с возможностью вращения в корпусе 2, и внутренний ротор 6b, установленный с возможностью вращения в наружном роторе 6a.

Оба ротора 6a, 6b имеют выступы 7 и способны вращаться относительно друг друга взаимодействующим образом, при этом между выступами 7 образуется камера 8 сжатия, объем которой уменьшается при вращении роторов 6a, 6b, так что газ, захваченный в камере 8 сжатия, сжимается. Это принцип очень похож на известные соприкасающиеся взаимодействующие винтовые роторы.

Роторы 6a, 6b установлены с помощью подшипников в машине 1, при этом внутренний ротор 6b установлен в машине 1 на одном конце 9a. В этом случае только один подшипник 10 используется для установки внутреннего ротора 6b в корпусе 2 машины 1. Подшипник 10 представляет собой упорный подшипник, воспринимающий осевое усилие, действующее на внутренний ротор 6b. Осевое усилие может быть направлено влево.

Другой конец 9b внутреннего ротора 6b как бы поддерживается наружным ротором 6a.

Наружный ротор 6a в иллюстрируемом примере на обоих концах 9a, 9b установлен с помощью подшипников в машине 1. Здесь используется по меньшей мере один упорный подшипник 12, способный воспринимать осевые усилия, действующие на наружный ротор 6a. Другой подшипник 11, с помощью которого наружный ротор 6a установлен в корпусе 2, может представлять собой подшипник типа, отличающегося от упорного подшипника.

Благодаря этой простой конфигурации подшипников потери, связанные с подшипниками 10, 11, 12, могут быть сведены к минимуму.

В иллюстрируемом примере роторы 6a, 6b имеют коническую форму, при этом диаметр D, D’ роторов 6a, 6b уменьшается в осевом направлении X–X’. Это не является обязательным условием для изобретения. Диаметр D, D’ роторов 6a, 6b также может быть постоянным или изменяться другим образом в осевом направлении X–X’.

Такая форма роторов 6a, 6b является подходящей как для компрессорного устройства, так и для расширительного устройства. Роторы 6a, 6b в качестве альтернативы могут иметь цилиндрическую форму с постоянным диаметром D, D’. Далее, они могут иметь или переменный шаг, так что имеется встроенное объемное отношение, в случае компрессорного или расширительного устройства, или постоянный шаг, в случае, если машина 1 представляет собой насосное устройство.

Ось 13 наружного ротора 6a и ось 14 внутреннего ротора 6b не являются параллельными, а расположены под углом α, при этом оси 13, 14 пересекаются друг с другом в точке P.

Это не является обязательным условием для изобретения. Например, если роторы 6a, 6b имеют постоянный диаметр D, D’, оси 13, 14 могут быть вместо этого параллельными.

Хотя оси 13, 14 расположены под углом α, они представляют собой фиксированные оси 13, 14. Это означает, что во время вращения роторов 6a, 6b оси 13, 14 не смещаются или перемещаются относительно корпуса 2 машины 1. Другими словами, оси 13, 14 не будут совершать орбитального движения.

Преимуществом этого является то, что не требуется никаких дополнительных технических средств, таких как специальные зубчатые колеса, для обеспечения правильного относительного перемещения между обоими роторами 6a, 6b.

Кроме того, машина 1 также имеет электрический двигатель 15, который будет приводить в движение роторы 6a, 6b. Двигатель 15 имеет ротор 16 двигателя и статор 17 двигателя.

В соответствии с изобретением электрический двигатель 15 установлен вокруг наружного ротора 6a, при этом статор 17 двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор 6a.

В иллюстрируемом примере это реализовано тем, что наружный ротор 6a служит также в качестве ротора 16 двигателя.

Другими словами, одна часть машины 1 будет выполнять две функции, а именно, функцию наружного ротора 6a и функцию ротора 16 двигателя.

Тем самым статор 17 двигателя будет непосредственно приводить в движение наружный ротор 6a.

В результате машина 1 будет содержать меньше частей, так что машина 1 будет более компактной и менее сложной.

Так как статор 17 двигателя электрического двигателя 15 обычно генерирует цилиндрическое симметричное вращающееся поле для приведения в движение ротора 16 двигателя, ротор 16 двигателя, и тем самым, в этом случае, также и наружный ротор 6a, должны иметь цилиндрическую симметрию.

Так как наружный ротор 6a выполняет функцию ротора 16 двигателя, двигатель 15 не добавляет каких–либо дополнительных вращающихся частей в машину 1. Поэтому в результате также отсутствуют дополнительные подшипники и тому подобное с соответствующими потерями.

Магниты 18 электрического двигателя 15 в данном случае предпочтительно встроены в наружный ротор 6a. Магниты 18 могут представлять собой постоянные магниты. Конечно, также возможно, что магниты 18 не встроены в наружный ротор 6a, а, например, установлены на его наружной стороне.

Вместо электрического двигателя 15 с постоянными магнитами (т.е. синхронного двигателя с постоянными магнитами) также может использоваться асинхронный индукционный двигатель, при этом магниты 18 заменяются на короткозамкнутую обмотку («беличью клетку»). С помощью индукции от статора 17 двигателя в короткозамкнутой обмотке индуцируется ток.

С другой стороны, двигатель 15 также может быть реактивного типа или индукционного типа или комбинации типов.

Как можно увидеть на чертеже, электрический двигатель 15 продолжается только вдоль части длины L роторов 6a, 6b, при этом двигатель 15 расположен на конце 9b, имеющем наименьший диаметр D.

Это означает, что магниты 18 расположены на конце 9b роторов 6a, 6b, имеющем меньший диаметр D. Конечно, также возможно, что магниты 18 и двигатель 15 расположены на другом, большем конце с диаметром D’.

Это повлечет за собой дополнительную экономию пространства, так что машина 1 становится еще более компактной. Чтобы сделать машину 1 как можно более компактной, максимальный диаметр E двигателя 15 предпочтительно больше максимального диаметра D’ наружного ротора 6a максимально в 2 раза, предпочтительно максимально в 1,7 раза и более предпочтительно максимально в 1,5 раза.

Однако изобретение не ограничивается приведенными выше размерами. В качестве альтернативы, максимальный диаметр D’ наружного ротора 6a может, например, быть больше внутреннего диаметра F статора 17 двигателя. Чтобы сделать машину 1 еще более компактной, максимальный диаметр D’ наружного ротора 6a может быть больше максимального диаметра E двигателя 15, т.е. наружного диаметра статора 17 двигателя. Если наружный ротор 6a изготавливают с помощью инжекционного формования, магниты 18 предпочтительно формуются совместно с наружным ротором 6a во время процесса инжекционного формования.

Среди прочего, благодаря этому отличительному признаку в комбинации с тем, что двигатель 15 расположен на конце 9b роторов 6a, 6b, имеющем наименьший диаметр D, максимальный диаметр E двигателя 15 может быть таким небольшим. Чем меньше максимальный диаметр E двигателя 15, тем более компактной является конечная машина 1, и тем меньше занимаемая машиной 1 площадь.

Конечно, это не исключает того, что другие части машины 1, такие как, например, внутренний ротор 6a, также изготавливают с помощью инжекционного формования.

Статор 17 двигателя установлен вокруг наружного ротора 6a охватывающим образом, при этом статор 17 двигателя в этом случае расположен в корпусе 2 машины 1.

Благодаря установке двигателя 1 в корпусе 2 машины 1 не требуется обеспечивать специальный корпус для двигателя, и машина 1 может быть выполнена более компактной. Кроме того, здесь также не требуются уплотнения между двигателем 15 и роторами 6a, 6b.

Кроме того, смазку двигателя 15 и роторов 6a, 6b можно тем самым осуществлять вместе, так как они расположены в одном корпусе 2 и, следовательно, не изолированы друг от друга.

Конечно, также возможно, что корпус 2 выполнен таким образом, что он может также служить в качестве корпуса 2 двигателя 15, или что для двигателя 15 обеспечен отдельный корпус 2, который прикреплен к корпусу 2 роторов 6a, 6b.

Хотя в иллюстрируемом примере наружный ротор 6a машины 1 служит в качестве ротора 16 двигателя, также возможно, что ротор 16 двигателя и наружный ротор 6a выполнены как единое целое или что они образуют единое целое, например, они непосредственно соединены друг с другом с помощью прессовой посадки, сварки или тому подобного.

Работа машины 1 является очень простой и выглядит следующим образом.

Во время работы машины 1 статор 17 двигателя будет приводить в движение ротор 16 двигателя известным образом.

Так как в данном случае наружный ротор 6a служит в качестве ротора 16 двигателя, он также будет приводиться в движение.

Наружный ротор 6a будет приводить в движение внутренний ротор 6b таким же образом, как и в известном винтовом компрессоре с впрыском масла с охватываемым и охватывающим винтовыми роторами, при этом, например, охватываемый винтовой ротор приводится в движение двигателем 15.

Благодаря вращению роторов 6a, 6b из впуска 3 будет всасываться газ, который будет попадать в камеру 8 сжатия между роторами 6a, 6b. Когда газ всасывается из впуска 3, он будет течь вдоль ротора 16 двигателя и статора 17 двигателя в соответствии со стрелками P на фиг. 1, и тем самым обеспечивает охлаждение двигателя 15.

С помощью вращения камера 8 сжатия смещается в направлении выпуска 4, и в то же время она будет уменьшаться в объеме, чтобы тем самым обеспечить сжатие газа.

Сжатый воздух затем может выходить из машины 1 через выпуск 4.

Во время работы жидкость будет впрыскиваться в машину 1 для охлаждения и/или смазки ее частей. Этими частями, среди прочего, являются подшипники 10, 11, 12, внутренний и наружный роторы 6a, 6b, обмотки статора 17 двигателя, …

Для этого машина 1 имеет контур для впрыска жидкости, не показанный на чертежах. Эта жидкость, например, может представлять собой масло, синтетическое масло или другое.

Здесь жидкость также будет впрыскиваться в камеру 5, что будет обеспечивать смазку и уплотнение между внутренним и наружным роторами 6a, 6b.

Через выпуск 4 эта жидкость будет выходить из машины 1, вместе со сжатым газом. Жидкость может быть отделена от газа с помощью сепаратора и восстановлена.

Конечно, также возможно, что машина 1 не использует жидкость, и смазку выполняют с помощью жира вместо масла.

Настоящее изобретение не ограничивается каким–либо образом вариантами осуществления, описываемыми в качестве примера и иллюстрируемыми на чертежах, и цилиндрическая симметричная машина объемного действия в соответствии с изобретением может быть реализована в любых формах и размерах, не выходя за пределы объема изобретения.

1. Цилиндрическая симметричная машина объемного действия (1), содержащая два взаимодействующих ротора (6a, 6b), а именно наружный ротор (6a), установленный с возможностью вращения в машине (1), и внутренний ротор (6b), установленный с возможностью вращения в наружном роторе (6a), при этом машина (1) имеет электрический двигатель (15) с ротором (16) двигателя и статором (17) двигателя для приведения в движение наружного и внутреннего роторов (6a, 6b), отличающаяся тем, что электрический двигатель (15) установлен вокруг наружного ротора (6a), при этом статор (17) двигателя выполнен с возможностью непосредственного приведения в движение наружного ротора (6a), при этом электрический двигатель (15) продолжается только вдоль части длины (L) наружного ротора (6a) и внутреннего ротора (6b), причем двигатель (15) расположен на конце (9b) внутреннего ротора (6b), имеющем наименьший диаметр (D), и при этом наружный ротор (6a) и внутренний ротор (6b) имеют коническую форму.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что ротор (16) двигателя и наружный ротор (6a) выполнены как единое целое.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) служит в качестве ротора (16) двигателя.

4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что электрический двигатель (15) имеет постоянные магниты (18), встроенные в наружный ротор (6a).

5. Машина по любому одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что внутренний ротор (6b) и наружный ротор (6a) имеют оси (13, 14), расположенные под углом (α) относительно друг друга, при этом оси (13, 14) пересекаются друг с другом.

6. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что оси (13, 14) внутреннего ротора (6b) и наружного ротора (6a) являются фиксированными осями, не совершающими орбитального движения.

7. Машина по любому одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что внутренний ротор (6b) установлен на одном конце (9a) в машине (1) с помощью подшипников.

8. Машина по любому одному из пп. 1-7, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) установлен в машине (1) с помощью по меньшей мере одного упорного подшипника (11).

9. Машина по любому одному из пп. 1-8, отличающаяся тем, что машина (1) представляет собой расширительное, компрессорное или насосное устройство.

10. Машина по любому одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) изготовлен с помощью методов инжекционного формования.

11. Машина по пп. 4 и 10, отличающаяся тем, что магниты (18) сформованы совместно с наружным ротором (6a) во время процесса инжекционного формования.

12. Машина по любому одному из пп. 1-11, отличающаяся тем, что машина (1) имеет корпус (2), при этом двигатель (15) установлен в корпусе (2) или при этом корпус (2) также служит в качестве корпуса (2) двигателя (15).

13. Машина по любому одному из пп. 1-12, отличающаяся тем, что максимальный диаметр (E) двигателя (15) максимально в 2 раза, предпочтительно максимально в 1,7 раз и более предпочтительно максимально в 1,5 раза больше максимального диаметра (D’) наружного ротора (6a).