PL231164B1

PL231164B1 - Bladeless compressor assembly of the stator winding in the rotor

Info

Publication number: PL231164B1
Application number: PL402568A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Kosowski; Tadeusz Blekiewicz; Marian Piwowarski; Robert Stępień; Wojciech Włodarski; Jarosław Mikielewicz; Jan Kiciński
Original assignee: Instytut Masz Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk; Instytut Maszyn Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2019-01-31
Also published as: PL402568A1

Abstract

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy z uzwojeniem twornika w wirniku zawiera wirnik, który składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych (1), zamocowanych do piasty (2) wału (3) lub bezpośrednio do wału, przy czym wał (3) osadzany jest w łożyskach (4), umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy (5, 6) obudowy (7), a na kole tarczy wirnika (1) znajdują się nadrukowane z obu stron tarczy uzwojenia twornika. Z kolei w otworach (10, 11), wykonanych w pokrywach (5, 6) obudowy (7) umieszczone są magnesy trwałe (8) i pierścienie (9), przy czym sąsiadujące magnesy trwałe (8) są zamocowane naprzemiennie biegunami, a pierścienie (9), wykonane z materiału ferromagnetycznego, zamykają obwód strumienia magnetycznego. Doprowadzenie energii elektrycznej do uzwojenia twornika jest zrealizowane poprzez szczotki ślizgowe (10), które umieszczone są w otworach (15) pokrywy (5, 6). Wlot czynnika roboczego w postaci gazu następuje poprzez otwory (18) w pokrywie (5, 6), przy czym sprężony gaz, przepływając spiralnie przez szczeliny (19) między tarczą wirnikową (1) i pokrywami (5, 6) obudowy (1), dzięki zjawiskom występujących w warstwie przyściennej, przejmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnika (1). Z kolei wylot gazu zrealizowany jest przez dyfuzor (20), umieszczony na powierzchni obudowy (1), przy czym w dyfuzorze (20) zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia. Jedna lub wiele tarcz wirnikowych pełni rolę zarówno tarczy silnika elektrycznego, jak i tarczy wirnika sprężarki. Ponadto nadrukowane uzwojenie twornika silnika elektrycznego umieszczone są w tarczy wirnika, a magnesy stałe z pierścieniami, zamykającymi strumień magnetyczny, umieszczone są w pokrywach obudowy generatora lub w tarczach stojana w przypadku wirników wielotarczowych.The bladeless compressor unit with an armature winding in the rotor contains a rotor which consists of one or more rotor discs (1), attached to the hub (2) of the shaft (3) or directly to the shaft, with the shaft (3) mounted in bearings ( 4), placed in the holes inside the cover (5, 6) of the housing (7), and on the rotor disc wheel (1) there are armature windings printed on both sides of the disc. In turn, permanent magnets (8) and rings (9) are placed in the holes (10, 11) made in the covers (5, 6) of the housing (7), and the adjacent permanent magnets (8) are mounted with alternating poles, and the rings (9), made of ferromagnetic material, close the circuit of the magnetic flux. Electricity is supplied to the armature winding through sliding brushes (10), which are placed in the holes (15) of the cover (5, 6). The inlet of the working medium in the form of gas takes place through holes (18) in the cover (5, 6), and the compressed gas, flowing spirally through the gaps (19) between the rotor disc (1) and the covers (5, 6) of the casing (1), thanks to the phenomena occurring in the boundary layer, it absorbs kinetic energy from the rotating rotor disc (1). In turn, the gas outlet is realized through a diffuser (20), placed on the surface of the housing (1), and the kinetic energy of the gas is converted into pressure potential energy in the diffuser (20). One or more rotor discs act as both the electric motor disc and the compressor rotor disc. In addition, the printed armature winding of the electric motor is placed in the rotor disc, and permanent magnets with rings closing the magnetic flux are placed in the covers of the generator housing or in the stator discs in the case of multi-disc rotors.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bezłopatkowy zespół sprężarkowy z uzwojeniem twornika w wirniku.The present invention relates to a bladeless compressor assembly with an armature winding in a rotor.

Bezłopatkowa maszyna adhezyjna została zaprojektowana przez Nikolę Teslę. W stosowanych dotychczas rozwiązaniach konstrukcyjnych energia mechaniczna potrzebna do napędu wirnika sprężarki była doprowadzana z zewnątrz, zazwyczaj przez oddzielny silnik (najczęściej elektryczny), sprzęgnięty z wałem sprężarki. Rozwiązania takie jest kłopotliwe w montażu, ze względu na konieczność precyzyjnego wyosiowania wału sprężarki z wałem silnika przed sprzęgnięciem - niezbędnego ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przy których pracuje sprężarka adhezyjna. Ponadto stosowanie oddzielnej sprężarki i silnika zwiększa gabaryty, koszt zespołu sprężarkowego i wpływa niekorzystnie na jego charakterystyki eksploatacyjne. Znane są konstrukcje maszyn wirnikowych (niektórych pomp i turbin wodnych), w których wirnik maszyny i część elektryczna stanowią jeden układ wirujący. W tych rozwiązaniach, np. znanym z opisu WO9206301A1, w tarczach wirnikowych (oraz tzw. bandażach) umieszczane są magnesy stałe, a cewki elektryczne montowane na obudowie. Dotyczy to jednak klasycznych maszyn łopatkowych, tj. takich, w których elementem roboczym, odpowiedzialnym za zmianę parametrów (ciśnienia) czynnika roboczego są odpowiednio ukształtowane łopatki, a tarcze wirnikowe i tzw. bandaże (w których umieszcza się elementy generatora lub silnika elektrycznego) stanowią jedynie zewnętrzne ograniczenia kanału przepływowego.The bladeless adhesive machine is designed by Nikola Tesla. In the design solutions used so far, the mechanical energy needed to drive the compressor rotor was supplied from outside, usually by a separate motor (usually electric) coupled with the compressor shaft. Such solutions are difficult to assemble due to the need to precisely align the compressor shaft with the motor shaft before coupling - necessary due to the high rotational speeds at which the adhesive compressor works. Moreover, the use of a separate compressor and motor increases the size and cost of the compressor unit and adversely affects its operating characteristics. Designs of rotating machines (some pumps and water turbines) are known in which the rotor of the machine and the electric part constitute one rotating system. In these solutions, e.g. known from the description WO9206301A1, permanent magnets are placed in the rotor disks (and so-called bandages) and electric coils are mounted on the housing. However, this applies to classic paddle machines, i.e. those in which the working element responsible for changing the parameters (pressure) of the working medium are suitably shaped blades, and the rotor discs and the so-called bandages (in which elements of the generator or electric motor are placed) are only external limitations of the flow channel.

W proponowanym rozwiązaniu rolę elementów maszyny elektrycznej i rolę roboczej części przepływowej pełni ten sam element - wirująca tarcza.In the proposed solution, the role of the electric machine elements and the working flow part are the same element - the rotating disc.

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy zawiera wirnik turbogeneratora, który składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych zamocowanych do piasty wału lub bezpośrednio do wału, przy czym wał osadzony jest w łożyskach umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy i obudowy, a na kole tarczy wirnika znajdują się nadrukowane z obu stron tarczy uzwojenia twornika. Z kolei w otworach i wykonanych w pokrywach obudowy, umieszczone są magnesy trwałe i pierścienie, przy czym sąsiadujące magnesy trwałe są zamocowane naprzemiennie biegunami N i S, a pierścienie wykonane z materiału ferromagnetycznego, zamykają obwód strumienia magnetycznego. Doprowadzenie energii elektrycznej do uzwojenia twornika jest zrealizowane poprzez szczotki ślizgowe, które umieszczone są w otworach pokrywy. Wlot czynnika roboczego w postaci gazu następuje poprzez otwory w pokrywie 5 i 6, przy czym sprężany gaz przepływając spiralnie przez szczeliny między tarczą wirnikową i pokrywami obudowy, dzięki zjawiskom występujących w warstwie przyściennej przejmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnika. Z kolei wylot gazu zrealizowany jest przez dyfuzor umieszczony na powierzchni obudowy, przy czym w dyfuzorze zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia.The bladeless compressor assembly includes a turbo generator rotor that consists of one or more rotor plates attached to the shaft hub or directly to the shaft, the shaft seated in bearings located in holes inside the cover and housing, and the rotor disk wheel has imprints of both sides of the armature winding disc. In turn, in the holes and made in the housing covers, permanent magnets and rings are placed, while the adjacent permanent magnets are attached alternately with the N and S poles, and the rings made of a ferromagnetic material complete the magnetic flux circuit. Electricity is supplied to the armature winding through sliding brushes placed in the openings of the cover. The inlet of the working medium in the form of gas takes place through the openings in the cover 5 and 6, the compressed gas flowing in a spiral through the gaps between the rotor disk and the housing covers, thanks to the phenomena occurring in the boundary layer, it takes the kinetic energy from the rotating rotor disk. On the other hand, the gas outlet is realized by a diffuser located on the surface of the housing, and the diffuser converts the kinetic energy of the gas into potential pressure energy.

Zaletą zespołu sprężarkowego według wynalazku jest to, że ta sama tarcza wirnikowa pełni rolę zarówno tarczy silnika elektrycznego, jak i tarczy sprężarki, co wydatnie zmniejsza jego gabaryty oraz koszty wykonania oraz poprawia eksploatację i charakterystyki dynamiczne wirnika.The advantage of the compressor assembly according to the invention is that the same rotor disk serves as both an electric motor disk and a compressor disk, which significantly reduces its dimensions and production costs, and improves the operation and dynamic characteristics of the rotor.

Ponadto zaletą zespołu sprężarkowego jest to, że uzwojenie twornika umieszczone jest w tarczy wirnika, a magnesy stałe z pierścieniami zamykającymi strumień magnetyczny umieszczone są w pokrywach obudowy generatora lub w tarczach stojana w przypadku wirników wielotarczowych. Dzięki temu minimalizuje się gabaryty i ciężar zespołu oraz poprawia charakterystyki eksploatacyjne.Moreover, the compressor unit has the advantage that the armature winding is located in the rotor disc, and the permanent magnets with magnetic flux closing rings are placed in the generator housing covers or in the stator discs in the case of multi-disc rotors. As a result, the overall dimensions and weight of the unit are minimized and the operational characteristics are improved.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania pokazanego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy bezłopatkowego zespołu sprężarkowego, fig. 2 - zezwój uzwojenia drukowanego tarczy wirnikowej bezłopatkowego zespołu sprężarkowego (linia przerywana część zezwoju po przeciwnej stronie tarczy), fig. 3 - uzwojenia drukowanego tarczy wirnikowej bezłopatkowego zespołu sprężarkowego, fig. 4 - rozmieszczenie magnesów trwałych w obudowie bezłopatkowego zespołu sprężarkowego, a na fig. 5 - obwód magnetyczny w bezłopatkowym zespole sprężarkowym.The subject of the invention is presented in the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of a bladeless compressor unit, Fig. 2 - printed winding of a printed winding of a rotor disk of a bladeless compressor unit (dashed line, part of the coil on the opposite side of the disk), Fig. 3 - the printed winding of a rotor disc of a bladeless compressor unit, Fig. 4 shows the arrangement of permanent magnets in the housing of a bladeless compressor unit, and in Fig. 5, a magnetic circuit in a bladeless compressor unit.

Bezłopatkowy zespół sprężarkowy według wynalazku stanowi konstrukcję, w której ta sama tarcza wirnikowa pełni funkcję tarczy sprężarki adhezyjnej oraz tarczy silnika elektrycznego typu tarczowego, przy czym uzwojenia twornika silnika umieszczone są w wirniku tarczowym sprężarki, a elementy magnetyczne w pokrywach obudowy. Bezłopatkowy zespół sprężarkowy jest zasilany prądem stałym. Wirnik tarczowy turbiny i pokrywy obudowy osadzone są na wspólnym wale w jednej obudowie.The bladeless compressor assembly according to the invention is a structure in which the same rotor plate functions as an adhesive compressor disk and a disk-type electric motor disk, the motor armature windings being located in the compressor disk rotor and the magnetic elements in the housing covers. The bladeless compressor package is powered by direct current. The turbine disc rotor and housing covers are mounted on a common shaft in one housing.

Wirnik zespołu pokazany na fig. 1 składa się przykładowo z jednej tarczy wirnikowej 1 z piastą 2 wału 3, przy czym wał 3 osadzony jest w łożyskach 4 umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy 5 i 6 obudowy 7. Przykładowo na fig. 2 pokazano koła tarczy wirnika 1, z nadrukowanym jednym zezwojem 16 po jednej stronie tarczy i nadrukowanym jednym zezwojem 16 po drugiej stronie tarczy (liniąThe rotor of the assembly shown in Fig. 1 consists, for example, of one rotor disk 1 with the hub 2 of the shaft 3, the shaft 3 being mounted in bearings 4 located in the holes inside the cover 5 and 6 of the housing 7. For example, Fig. 2 shows the wheels of the rotor disk. 1, with one rebate 16 printed on one side of the dial and one reel 16 printed on the other side of the dial (the line

PL 231 164 B1 przerywaną). Z kolei na fig. 3 pokazano kompletne uzwojenie drukowane twornika 17 po jednej stronie tarczy wirnikowej 1. Silnik zespołu sprężarkowego nie posiada komutatora, szczotki ślizgowe 12 zasilające uzwojenie twornika pracują bezpośrednio na powierzchni uzwojenia nadrukowanego 17 tarczy wirnikowej. Przy czym szczotki ślizgowe 12 są dociskane do uzwojenia nadrukowanego 17 poprzez sprężyny 13 i śruby 14, przy czym szczotki ślizgowe 12 umieszczone są w otworach 15 pokrywy 5 albo 6. W otworach 10 i 11 wykonanych w pokrywach 5 i 6 obudowy 7 umieszczone są magnesy trwałe 8 i pierścienie 9, przy czym przykładowo jak pokazano na fig. 1 magnesy trwałe 8 i pierścienie 9, umieszczone są obwodowo, a sąsiadujące magnesy trwałe 8 są zamocowane naprzemiennie biegunami N i S jak na fig. 4 i fig. 5, a ponadto pierścienie 9 wykonane z materiału ferromagnetycznego, zamykają obwód strumienia magnetycznego.PL 231 164 B1, dotted). Figure 3, in turn, shows the complete printed armature winding 17 on one side of the rotor disk 1. The compressor unit motor has no commutator, the sliding brushes 12 supplying the armature winding work directly on the surface of the printed winding 17 of the rotor disk. The sliding brushes 12 are pressed against the printed winding 17 by springs 13 and screws 14, the sliding brushes 12 are arranged in openings 15 of the cover 5 or 6. Permanent magnets are placed in the openings 10 and 11 made in the covers 5 and 6 of the housing 7. 8 and rings 9, where, for example, as shown in Fig. 1, permanent magnets 8 and rings 9 are arranged circumferentially, and adjacent permanent magnets 8 are attached alternately with poles N and S as in Fig. 4 and Fig. 5, and the rings 9 made of ferromagnetic material, complete the circuit of the magnetic flux.

Wlot czynnika roboczego w postaci gazu następuje poprzez otwory 18 w pokrywie 5 i 6, umieszczone w pobliżu osi zespołu, przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny 19 umiejscowione pomiędzy tarczą wirnikową 1 i pokrywą 5 i 6.The inlet of the working medium in the form of gas takes place through holes 18 in the cover 5 and 6 located near the axis of the assembly, the medium flowing in a spiral through the gaps 19 located between the impeller 1 and the covers 5 and 6.

Sprężany gaz, przepływając spiralnie przez szczeliny, dzięki zjawiskom występujących w warstwie przyściennej przejmuje energię kinetyczną od obracającej się tarczy wirnikowej 1. Z kolei wylot gazu zrealizowany jest przez dyfuzor 20 umieszczony na powierzchni obudowy 1. W dyfuzorze wylotowym 20 zachodzi zamiana energii kinetycznej gazu w energię potencjalną ciśnienia.The compressed gas flows in a spiral through the slots, due to the phenomena occurring in the boundary layer, it takes kinetic energy from the rotating impeller 1. The gas outlet is carried out by a diffuser 20 located on the surface of the housing 1. In the exhaust diffuser 20, the kinetic energy of the gas is converted into energy. potential pressure.

Claims

Patent claims

1. Bladeless compressor unit with armature winding in the rotor, characterized in that the rotor of the unit consists of one or more rotor discs (1) attached to the hub (2) of the shaft (3) or directly to the shaft, the shaft (3) mounted it is in the bearings (4) placed in the holes inside the cover (5) and (6) of the housing (7), and on the rotor disk wheel (1) there is an imprint on both sides of the armature winding disk (17), while in the holes (10 ) and (11), the covers (5) and (6) of the housing (7) contain permanent magnets (8) and ferromagnetic rings (9), with the adjacent permanent magnets (8) fixed alternately with the N and S poles and connected by rings (9), and in the covers (5) and (6) there are openings (15) with sliding brushes (12) and inlet openings (18) of the working medium, with gaps (19) between the covers and the rotor disc, and housing (7) there is a diffuser (20).

2. A compressor assembly as claimed in claim 1. The method of claim 1, characterized in that the slots (19) are located between the rotor plate (1) and the cover (5) and (6) or between the rotor disks (1) and the stator disks in the case of multi-disk rotors.

3. A compressor assembly as claimed in claim 1, Device according to claim 1, characterized in that the permanent magnets (8) are circumferentially arranged in openings (11) in the cover (5) and (6) of the housing (7) or in the stator discs in the case of multi-disc rotors.

4. A compressor assembly as claimed in claim 1, The slide as claimed in claim 1, characterized in that the sliding brushes (12) retainers are springs (13) and screws (14).

5. A compressor assembly as claimed in claim 1. The method of claim 1, characterized in that the openings (18) in the cover (5) and (6) of the housing (7) are located on the inner diameter of the disc.