CN103004061A - 从压力下的空气或其他气体或流体的源产生电功率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装置（10），其包括具有推进器（22）的涡轮（22、34），以及具有定子（12）和永磁体（24）的发电机（12、24），其中所述定子具有围绕与所述推进器（22）同轴的柱形表面（X）分布的定子绕组，所述永磁体相对所述定子（12）可旋转并驱动地连接以便随所述推进器（22）旋转。推进器（22）容纳在所述永磁体（24）内，且其中由所述推进器（22）和永磁体（24）形成的组件容纳在所述定子（12）内。永磁体（24）制成为具有径向磁化的高磁密度材料的单个中空柱形体。

Description

从压力下的空气或其他气体或流体的源产生电功率的装置

本发明涉及从压力下的（under pressure，加压）空气或其他气体或流体源产生电功率的装置。

使用由压力下的空气源提供的能量产生低压电功率（通常为24V）的装置目前市场上有销售。这样的装置基本包括发电机、耦合以便随发电机的转子旋转的径向微涡轮、以及喷嘴，由压力下的空气源提供的压力下的空气通过所述喷嘴对着微涡轮的叶片引导以便驱动微涡轮与发电机转子一起旋转，从而从压力和压力下空气流的动能产生电功率。这样的装置进一步包括电子控制单元，其设置成在有供应到所述装置的压力下的空气的压力时，确保独立于连接到装置的电负载变化的恒定输出电压。与发电机串联的微涡轮的该结构使得所述装置相当庞大，特别是轴向方向上（即，在微涡轮的旋转轴线和发电机的转子轴线的方向上）。

用于气动工具的发电机可从US2005/0258694中已知，并包括设置有叶片的转子和在转子与支撑转子的轴承之间轴向设置的环形定子，其中转子在其沿轴向面向定子的端面上具有多个柱形腔体，所述多个柱形腔体平行于转子轴线延伸并且每个均接纳插入相应杯状非永磁体（例如，由锌、铝或黄铜制成）中的相应柱形永磁体（例如，由钕铁硼制成）。然而，该已知解决方案也受大轴尺寸的缺点影响，因为定子设置成沿轴向在转子的侧部。而且，该已知发电机具有大量部件。

从US2009/0224544中已知从压力下的空气或其他气体或流体源产生电功率的装置，其具有所附独立权利要求1中的前序部分中给出的特征。根据该已知解决方案，该装置包括安装在柱形支撑结构外表面上的多个永磁体，其中涡轮的推进器插入到该柱形支撑结构内。永磁体是各向异性的并具有固定磁化轴线，因而所述永磁体可仅产生径向磁场。因此，每对永磁体都形成两个磁极，且由此所述装置将具有的磁极对的数量与永磁体的数量成比例。因为产生的电流的频率与旋转速度和磁极对的数量成比例，且因为高频电流会产生高磁滞损耗并且在整流器桥的二极管中产生高损耗，所以这类已知装置不适于高速工作。

因此，本发明的目的是提供从压力下的空气或其他气体或流体源产生电功率的装置，该装置为小型的并具有最小数量的部件，且所述装置能够以推进器的高旋转速度来工作。

根据本发明，通过具有独立权利要求1的特征部分中所述的特征的、从压力下的空气或其他气体或流体源产生电功率的装置，可充分实现该目的和其他目的。

根据本发明的从压力下的空气或其他气体或流体源产生电功率的装置的优选实施方式形成从属权利要求的主题，其内容是本说明书的必须的和构成的部分。

简而言之，本发明基于的思想是提供从压力下的空气或其他气体或流体源产生电功率的装置，该装置包括定子和转子，其中所述定子进而包括围绕柱形表面的绕组结构（winding arrangement），且其中转子同轴地安装在定子内部并且进而包括形成为轴流式涡轮推进器的推进器以及形成为具有径向磁化的高磁密度材料的单个中空柱形体的永磁体，其中所述推进器接纳在所述永磁体内部。因为推进器接纳在制成为中空柱形体的永磁体的内部，且因为由推进器和永磁体形成的组件进而接纳在具有内部柱形腔体的定子内，所以提供了同时具有减小的轴向尺寸和最少数量的部件的装置。而且，因为使用具有径向磁化的形状为中空柱形体的单个永磁体，所以可获得最小数量的磁极对（仅一个磁极对），且由推进器和永磁体形成的组件可实现高旋转速度，而不会导致上述高损耗。

优选地，推进器制成为轴向推进涡轮的推进器，但根据具体的应用，其他种类的涡轮也可考虑。

优选地，该装置可设有适当成形的盘，以便打开或关闭空气入口通道并允许调节空气流速，且因此调节所述装置产生的电力。

根据本发明的产生电功率的装置允许提供电功率，而无需供电缆线，且因此适用于对远程地区或难以到达地区的传感器或其他装置供电，如有爆炸风险的区域（如精炼厂），从而对无线接收/发射节点供电，进而对便携式自动单一体（unity）的可编程逻辑控制器供电，或再者对低功率气动阀供电。进一步可能的应用领域例如是紧急照明：带有常开排放阀的压力下空气储罐（reservoir），所述常开排放阀由供电的螺线管保持闭合，在关闭情形中确保将压力下的空气供应给发电机装置，因此所述发电机装置可对光源（例如，高密度LED）供电。根据本发明的用于产生电功率的装置也可用于启动小型气动或手动工具上的显示器或辅助照明，或再者为气动装置的声学或光学警报器供电。

本发明进一步的特征和优点可参考附图从下面的详细描述中显然看出，这些描述仅以非限制性实例的方式给出，附图中：

图1是根据本发明优选实施方式的，用于在压力下从空气源产生电功率的装置的轴向截面图；

图2是图1中装置的转子的推进器的透视图；

图3是图1中装置的分配器的透视图；以及

图4和图5分别是图1中装置的出口盘的正视图和轴向截面图。

下面的说明和权利要求中，术语“轴向”和“径向”分别用于指示与电力发电机装置的转子的旋转轴线平行的方向和垂直的方向。

参考图1，根据本发明优选实施方式的产生电功率的装置（以下简称为“装置”）整体以10表示且基本包括：

本质上已知类型的定子12，所述定子由围绕具有轴线X的中空柱形表面的定子绕组结构构成；

转子14，所述转子可旋转地同轴安装在定子12的内部；

入口本体16，所述入口本体设置在由定子12和转子14形成的组件的上游并设有用于连接到压力下的空气或其他气体或流体源（未示出）的入口配件18（仅部分示出）；以及

出口本体20，所述出口本体设置在由定子12和转子14形成的组件的下游。

转子14进一步包括推进器22和永磁体24，所示实施方式中推进器制成为轴流式涡轮的推进器，所述永磁体制成为内部接纳推进器22的单个中空柱形体。推进器22和永磁体24彼此刚性连接，有利地通过过盈配合连接，以便随作为单体旋转。推进器22例如由磁性材料、非磁性金属或合金或塑料材料制成。推进器22可在图2的透视图中更好地观察，从图2中可观察到叶片26的形状和以及限定在所述叶片之间的通道28的形状。推进器22还设有轴30，利用该轴，推进器绕轴线X可旋转地安装在定子12中。与定子12形成发电机的永磁体24有利地由具有高磁密度的磁性材料制成，如钕-铁-硼、钐-钴等。永磁体24的材料可根据其他参数视情况选择，所述其他参数比如所用的温度和机械强度。永磁体24是径向磁化的。优选地，转子14进一步包括复合材料的套筒32，所述套筒具体为碳纤维的，所述套筒包围永磁体24并用于增加所述永磁体的机械强度，所述永磁体在使用中经受由于离心力而引起的应力以及由于推进器22的材料的热膨胀与永磁体24的材料的热膨胀之间的差异而引起的应力。

分配器34在轴向面向推进器22的端部处也接纳在入口本体16中，并与推进器22一起形成轴流式涡轮，优选地轴流式推进涡轮。分配器34可在图3的透视图中更好地观察，特别地从图3中可察看叶片36的形状以及限定在所述叶片之间的通道38的形状。在分配器34的轴向面向推进器22的端面中设有柱形腔体40，所述柱形腔体接纳支撑推进器22的轴30的入口端的滚动轴承42（例如制成为径向滚珠轴承）。可替换地，在特殊使用条件下，如非常高旋转速度、长的不停机操作时间等，其他类型轴承（如气体轴承或磁性轴承）也可使用。压力平衡腔室44由入口配件18和分配器34之间的入口本体16限定。

出口盘46在轴向面向推进器22的端部处接纳在出口本体20中，并具有多个开口48，来自推进器22的空气通过所述开口排放到大气中。图4和图5中分别示出出口盘46的轴向截面图和前视图。柱形腔体50提供在出口盘46的轴向面向推进器22的面中，并且接纳支撑推进器22的轴30的出口侧端部的滚动轴承52（特别是能够耐受径向和轴向负载的轴承，比如偏斜球轴承或上述其他类型的轴承之一）。特别的适当成形的盘（未示出）可插入到分配器34的上游，从而调节进入空气（或其他气体或流体）的流速。

在所示实施方式中，入口本体16和出口本体20制成为独立零件，它们设置在定子12的轴向相对侧上并附接至彼此（例如通过螺钉）。

下面简单说明装置10的操作。由压力下空气源产生的压力下空气的压力例如在2巴与4巴之间，并通过入口配件18进入装置10的入口本体16的压力平衡腔室44。这方面，压力平衡腔室44用于确保轴流式涡轮上游的恒定压力。然后空气通过分配器34的通道38而加速，直到空气在推进器22的通道28的入口处达到声速，然后进入推进器22，并将推进器加速达到100.000÷200.000rpm的旋转速度，并最终通过入口盘46的开口48排放到大气中。驱动连接以便随推进器22旋转的永磁体24也因此设定成旋转并产生旋转磁通量，所述旋转磁通量在定子12的定子绕组中引起电动势。

这样引起的电动势将通过二极管桥整流并利用DC-DC转换器适当地稳定，因此与供应压力和负载中的变化无关。转换器容纳在印刷电路板中，所述印刷电路板可优选地提供辅助功能，比如保护防止超速或过压，读取传感器信号的模拟输入，存储检测数据，用于发送数据到远程单元的低功耗集成无线模块等。转换器适当地设计成接收宽电压范围（如从0到30V）的输入，因为所述转换器产生的电压根据涡轮的旋转速度变化，旋转速度又转而根据输入压力和负载而变化。该转换器还用来对内部电子部件供电。第二DC-DC转换器从第一转换器的稳定电压产生24V的工业电压，以供应用户负载（例如，传感器）。

调节阀（优选为无源阀）可设置在所述装置的上游，从而将进入空气的压力调节至用于涡轮产出的最优值。

作为前面描述的结果，根据本发明的装置具有最小数量的部件、紧凑的尺寸和高产量。结合最后一个方面，将涡轮的推进器和发电机的转子集成到单个部件中允许消除由于这些部件的机械耦接而导致的损耗。

而且，如上所述，使用用作限制器构件的特殊带孔盘允许调节由所述装置产生的电功率。因此所述装置可设计为用于短时间要求高功率的应用（例如，警报、故障信号等），或设计为用于长时间要求低功率的应用（例如，传感器、监控装置等）。

自然地，本发明的原理保持不变，并且在不偏离本发明权利要求限定的保护范围的情况下，实施方式和构造细节可相对于仅作为非限制性例子描述和示出的实施方式进行宽泛的变化。

例如，虽然上面已经针对制成为轴流式脉冲涡轮的涡轮描述和示出了本发明，但根据具体应用，涡轮可以是不同类型的。

Claims (8)

1.一种用于从压力下的空气或其他气体或流体的源产生电功率的装置（10），包括：

涡轮（22、34），具有推进器（22），以及

发电机（12、24），具有定子（12）和永磁体（24），其中所述定子具有围绕与所述推进器（22）同轴的柱形表面（X）分布的定子绕组，所述永磁体能够相对所述定子（12）旋转并且驱动地连接以便随所述推进器（22）旋转，

其中，所述推进器（22）容纳在所述永磁体（24）内，并且其中，由所述推进器（22）和所述永磁体（24）形成的组件容纳在所述定子（12）内，

其特征在于，所述永磁体（24）制成为具有径向磁化的高磁密度材料的单个中空柱形体。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮（22、34）是轴流式涡轮。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述推进器（22）和所述永磁体（24）通过过盈配合彼此连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括包围所述永磁体（24）的套管（32）。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述套管（32）由诸如碳纤维的复合材料制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括布置在所述推进器（22）上游并具有用于与压力下的空气或其他气体的源连接的入口配件（18）的入口本体（16）、布置在所述推进器（22）下游的出口本体（20），所述涡轮（22、34）进一步包括接纳在所述入口本体（16）内的分配器（34），且所述装置（10）进一步包括具有用于将空气或气体排放到大气中的至少一个开口（48）的出口盘（46）。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述分配器（34）和所述出口盘（46）在它们的轴向面向所述推进器（22）的面上分别具有腔体（40、50），所述腔体容纳轴承（42、52），由所述推进器（22）和所述永磁体（24）形成的组件通过所述轴承支撑以便旋转。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述入口本体（16）和所述出口本体（20）制成为独立零件，所述独立零件布置在所述定子（12）的轴向相对侧上并通过能松脱的连接装置彼此固定。

Images