Поршневая электрическая машина

Бреннвалль Йон Эрик (NO) Предложен способ преобразования энергии в поршневой электрической машине, в частности в двигателе или генераторе. Линейный подвижный поршень с электрическим управлением совершает колебания между двумя пружинами. Энергия в пружинах по меньшей мере в пять раз больше энергии, передаваемой между поршнем и электрической системой в каждом цикле машины. Поршневая электрическая машина содержит линейный подвижный поршень 15, который установлен в трубчатом цилиндре 11 и действует как рабочий элемент. Поршень снабжн магнитными элементами, которые создают направленное наружу электрическое поле, действующее на окружающий ряд трубчатых катушек 22. На каждом конце цилиндра 11 сформирована пружина, которая образует резонансное устройство. В результате взаимодействия между магнитными полями катушек 22 и магнитных элементов 16 происходит передача энергии между катушками и поршнем 15. 014201 Изобретение относится к поршневой электрической машине, описанной в ограничительной части п.1 формулы изобретения и предназначенной в особенности для наземного и подводного бурения и для работы в нефтяных скважинах. Предпосылки создания изобретения Линейная поршневая электрическая машина требуется для различных целей, в частности для приведения в действие оборудования в скважинах и аналогичных узких пространствах. Это могут быть молоты для бурения или уплотнения, компрессоры и насосы. Дополнительной областью применения поршневых электрических машин является генерация электроэнергии с использованием колебаний. Общим для этих двух областей применения является ограниченный вход или выход для каждого колебания поршневого элемента. Известны линейные двигатели, работающие наподобие вибраторов и используемые для приведения в действие бурового оборудования для бурения в земле или под водой в береговой зоне. В патенте США 5060737 описана буровая система, в которой элемент линейного двигателя движется возвратно-поступательно и нагружает бур в осевом направлении. Средство передачи энергии от линейного двигателя к буру не обеспечивает преобразования достаточно большой энергии. В патенте Германии 3910266 описана система долбления с линейным двигателем, действующим на долотчатый бур, как молот. Цель изобретения Главная цель изобретения состоит в создании линейной электрической машины с лучшим отношением мощности к весу/объему, чем в известных устройствах. Выход по энергии новой машины должен быть сравним с этим параметром в других электрических машинах. В частности, целью является создание линейного вибратора с повышенной эффективностью для использования в качестве молота для бурения или уплотнения в узких пространствах. Описание изобретения Согласно изобретению предложен способ преобразования энергии в поршневой электрической машине, содержащей линейный подвижный поршень с электрическим управлением, который колеблется между системой из двух пневматических пружин, причем энергия в пружинной системе по меньшей мере в пять раз больше энергии, передаваемой между поршнем и электрической системой в каждом цикле машины; энергия пружинной системы равна сумме разности давлений пружин и кинетической энергией поршня. Благодаря этому способу машина имеет уникальное резонансное поведение в отличие от известных машин, например работающих в качестве вибраторов или молотов, в которых пневматическая пружина нагружается до того, как энергия передается поршню при освобождении запускающего механизма. Затем поршень отдает всю свою энергию при соударении до того, как он возвращается в исходное положение и пружина нагружается снова. Кинетическая энергия определяется формулой 1/2mv2, где m - масса поршня и v - его скорость. Когда давление в пневматических пружинах одинаково, энергия в системе масса-пружины находится в виде кинетической энергии. Благодаря этой особенности новая машина будет иметь относительно тяжелый поршень по сравнению с корпусом. Это необходимо для хранения энергии, так как энергия пропорциональна массе, а скорость ограничена возможностями подшипников. Поскольку тяжелые поршни движутся с большой скоростью, требуется очень жесткая пружина, чтобы запасти кинетическую энергию при замедлении поршня и возвратить ее при ускорении поршня в противоположном направлении. Эта пружина создана замкнутым объемом с каждой стороны поршня, заполненным сжатым газом. Пружины такого типа называются пневматическими и их жесткость, максимальная длина хода и способность запасать энергию намного больше, чем у механических пружин такого же размера. Большая скорость поршня необходима для получения большой мощности (Р) поскольку Р=Fv, где F -электрическая сила и v - скорость. Другие особенности способа указаны в пп.2 и 3 формулы изобретения. Согласно способу поршень работает в трубчатом цилиндре в качестве рабочего элемента двигателя или генератора и снабжен магнитными элементами, которые создают направленное наружу электрическое силовое поле, действующее на окружающий ряд трубчатых катушек, причем на каждом конце цилиндра, причем взаимодействие между магнитными полями катушек и магнитных элементов обеспечивает передачу энергии между электрической энергией в катушках и механической энергией осевого перемещения поршня в цилиндре. Машина предпочтительно работает с частотой колебаний 8-500 Гц. Машина согласно изобретению описана в п.4 формулы, а предпочтительные особенности машины описаны в пп.5-11 формулы. Изобретение может быть основано на техническом решении, описанном в заявке РСТ N005/00035,где описана машина с электромеханическим преобразователем, в которой линейный подвижный поршень установлен в трубчатом цилиндре для работы в качестве рабочего элемента в двигателе и снабжен магнитными элементами, создающими направленное наружу электрическое силовое поле, действующее на окружающий ряд трубчатых катушек. На каждом конце цилиндра имеется пружина, которая образует резонансное устройство. Благодаря взаимодействию между магнитными полями катушек и магнитных-1 014201 элементов происходит передача энергии между электрической энергией в катушках и механической энергией осевого перемещения поршня в цилиндре. Цилиндр закрыт, в результате чего образуются герметичные концевые камеры. На каждом конце поршня образована пневматическая пружина высокого давления. На поршне имеется ряд трубчатых постоянных магнитов, расположенных по центру, или альтернативных катушек. Цилиндр содержит ряд согласованных катушек или альтернативных постоянных магнитов для увеличения площади поршня машины и/или длины хода поршня (Р=vFfl, где f - частота иl - длина хода поршня;означает пропорциональность). Вибратор содержит поршень, который скользит в корпусе (закрытой с обоих концов трубе). Пространство в корпусе, которое не занято поршнем, заполнено сжатым газом. Уплотнение поршня не дает газу просачиваться с одной стороны поршня на другую. Газ работает как жесткая пружина. Пневматическая пружина настолько жесткая, что собственная частота поршня будет высокой, несмотря на его относительно большой вес. Пневматическая пружина обладает значительно большей жесткостью, чем стальная пружина тех же размеров. Кроме того, пневматическая пружина делает возможным большой рабочий ход поршня. Это является уникальной особенностью для данной машины и ключевым моментом для достижения большой мощности. В дополнение к пневматической пружине на каждом конце цилиндра может быть установлена винтовая или магнитная пружина для удерживания поршня на месте, когда машина выключена. Поршень состоит из железных элементов и магнитов. Катушки интегрированы в часть стенки корпуса. При пропускании тока через катушки между трубой и поршнем будет действовать электрическая сила. Путем управления током так, что электрическая сила и скорость поршня имеют одинаковое направление, можно добиться, чтобы электрическая сила находилась в принудительном резонансе с системой масса-(пневматические) пружины. В результате резонанса относительная небольшая электрическая сила спустя некоторое время приведет к большой длине хода поршня на высокой частоте благодаря жестким пневматическим пружинам. Это эквивалентно большой скорости поршня. Это важно, поскольку мощность машин такого типа пропорциональна электрической силе, умноженной на скорость. В результате получается новое техническое решение, применимое, прежде всего, к бурильному молоту, работающему в скальном грунте, и к ясу с проволочным тросом. Яс с проволочным тросом представляет собой прикрепленный к концу троса молот для долбления рыхлых, подвижных или застрявших предметов. Это инструмент, широко используемый в нефтедобывающей промышленности для извлечения или замены таких предметов, как, например, клапаны в нефтяных скважинах. Энергия в системе масса-пружины должна быть больше, чем энергия, подаваемая в машину между двумя рабочими ходами. Это отличает машину согласно изобретению от молотов, в которых пневматическая пружина нагружается гидравлически или электрически прежде, чем вся энергия передается поршню при освобождении запускающего механизма. Затем поршень отдает всю свою энергию при ударе до того, как он возвратится в исходное положение, а пружина нагружается снова. Пример. Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи, где: на фиг. 1 показан продольный разрез варианта выполнения линейного электрического вибратора согласно изобретению; на фиг. 2 показан увеличенный сегмент вибратора, изображенного на фиг. 1; на фиг. 3 схематично показан вид сбоку системы с использованием вибратора, изображенного на фиг. 1; и на фиг. 4 схематично показан вид сбоку другой системы с использованием вибратора, изображенного на фиг. 1. Согласно фиг. 1 и 2 вибратор содержит наружный трубчатый корпус 11 с нижней концевой крышкой 12 и верхней концевой крышкой 13. Термины "нижний" и "верхний" относятся к положению корпуса 11 на фиг. 1 и 2. Машина, изображенная на этих чертежах, может вращаться в любом направлении. Трубчатый корпус 11 образует цилиндрическую стенку 14 для размещения активного элемента вибратора, представляющего собой поршень 15, который может перемещаться в продольном направлении в корпусе 11, как описано ниже. Поршень 15 представляет собой удлиненный узел, состоящий из чередующихся колец 16 из постоянных магнитов и промежуточных колец 17 из мягкого железа, установленных на центральном стальном стержне 18, на концах которого имеются уплотнительные кольца 19 и 20. Вибратор предназначен для создания магнитного поля с переменным направлением, перпендикулярным к направлению движения поршня. Возможны другие конструкции вибратора, которые могут создавать такое переменное поле. Узел из колец 16-20 скреплен концевыми гайками 21 на центральном стальном стержне 18. Уплотнительные кольца 19 и 20 выполнены из материала, который при контакте с цилиндрической стенкой 14 обеспечивает уплотнение. Магнитные кольца 16 и кольца 17 из мягкого железа расположены с воздушным зазором относительно цилиндрической стенки 14 для снижения трения. Поэтому в отношении диаметра указанных колец не требуется большая точность.-2 014201 Количество уплотнительных колец выбирается в зависимости от длины трубчатого корпуса и может быть больше двух. Дополнительные уплотнительные кольца могут быть установлены вместо колец из мягкого железа или дополнительно к ним. Главным элементом трубчатого корпуса 11 является ряд трубчатых катушек 22 из медной проволоки, соединенных с источником электроэнергии. Катушки 22 обернуты оболочкой 23 из узких, расположенных в осевом направлении полос листового металла, прикрепленных к катушкам 22 клеем. Оболочка 23 простирается за катушки и покрывает их концевые надставки, образованные, каждая, ближайшей к концу катушки 22 трубчатой дистанцирующей прокладкой 24 из неметаллического материала, например из пластмассы, кольцом 25 из железа, расположенным за прокладкой 24, и трубчатой концевой втулкой 26, образующей внутреннюю облицовку концов трубчатого корпуса 11. Трубчатые концевые втулки 26 могут быть изготовлены из армированной пластмассы, керамики или другого неэлектропроводящего материала, объединяющего соединения с трубчатыми катушками 22. Концевые втулки 26 воспринимают силы, возникающие, когда концевые камеры 28 цилиндра в трубчатом корпусе 11 действуют как пневматическая пружина. Замена пневматической пружины пружиной другого вида экономически невыгодна ввиду того, что при современном уровне технологии материалов другая (непневматическая) пружина будет очень большой. Машина с механическими, магнитными и другими пружинами, установленными в дополнение к пневматической пружине, по существу, представляет собой такую же машину, которая описана выше,так как наличие дополнительных пружин не приведет к значительным изменениям в работе машины. Железное кольцо 25, по существу, представляет собой магнитную пружину, но назначение этой "пружины" состоит в удерживании поршня в центральном положении, когда машина выключена. Подобную функцию может выполнять винтовая пружина, установленная внутри пневматической пружины. Такие пружины можно использовать как датчики положения для управления машиной. Внутренняя стенка узла, включающего катушки 22 и концевые трубчатые элементы 24-26, закрыта облицовкой 27 из материала с низким трением, например РЕЕК (полиэфирэфиркетон) или Тефлон (торговая марка). Трубчатый корпус 11 и концевые крышки 12 и 13 закрыты наружной стальной трубой 29. Чтобы оболочка 23 лучше держалась, она заделана в армированную пластмассу 30. Элементы 22-28 и 30 находятся внутри трубы 29. Пространство между армированной пластмассой 30 и трубой 29 может быть заполнено клеем или маслом для лучшего теплоотвода от машины в радиальном направлении. Концевые крышки 12 и 13 представляют собой металлические заглушки с внутренним каналом 31,образующим продолжение концевых камер 28. Концевые крышки имеют плотный контакт с внутренней поверхностью облицовки 27 с помощью соответствующих уплотнительных элементов. Наружная стальная труба 29 прикреплена к концевым крышкам болтами 32. Как альтернатива элементы 12,13 и 29 могут быть снабжены резьбой. Газ подается в концевые камеры 28 через клапаны 33 и аналогичные клапаны, расположенные с другой стороны. Во время работы клапан должен быть закрыт, а поступивший газ будет действовать как пневматическая пружина. Изготовление. Облицовка 27 может быть изготовлена как отдельный элемент, на котором катушки 22 заделывают в слой 34 связующего из смолы с непроводящими волокнами, например стекловолокнами. Затем изготавливают концевые втулки 26, добавляя волокна и связующий материал. Для обеспечения плотного соединения с этой тонкой облицовкой 27 берут трубу с меньшим внутренним диаметром, способную противостоять деформации. Снаружи трубы приклеивают связующую смолу, катушки и т.д. (элементы 2226, 34, 30). Затем облицовочную трубу подрезают изнутри до нужного диаметра. Другие элементы придают достаточную прочность, так что облицовка 27 сидит плотно. Работа и использование. Для изобретения существенно, чтобы энергия в пружинной системе была по меньшей мере в пять раз больше энергии, передаваемой между поршнем и электрической системой в каждом цикле машины. Энергия пружинной системы равна сумме разностей между силой пружин и кинетической энергией поршня. На фиг. 3 показано молотковое устройство на основе вибратора 34, выполненного согласно изобретению, при работе в три фазы. Вибратор 34 установлен внутри бурового инструмента 35, например, для прибрежного бурения. Дно скважины обозначено позицией 36. Буровой инструмент 35 соединен с весьма большой массой 37 посредством винтовой пружины 38. Эта пружина тоже может быть установлена внутри бурового инструмента 35, действуя на конец вибратора 34. Когда поршень ускоряется вниз, противодействующая сила поднимает корпус над землей 36. Когда поршень 15 снова ускоряется вверх, корпус опять ударяется о землю 36. Через пружину 38 к большой массе 37 не передается почти никакой энергии. На фиг. 4 показано устройство, изображенное на фиг. 3, но используемое для подъема. В этом случае пружина 40 растягивается вибратором 34. Предмет 41 может быть предметом в нефтяной скважине,который нужно заменить, но он застрял между стенками скважины. Пружина 40 может представлять со-3 014201 бой весь трос в работе проволочного троса. Это устройство может быть основой для яса с проволочным тросом. Кольца из железа направляют магнитное поле от магнитов через катушки к железной подложке. Приняты специальные меры, чтобы избежать круговых токов через параллельные провода. Во избежание вихревых токов стенки камер 28 должны быть непроводящими. Электрический вибратор согласно изобретению может быть использован для различного берегового и прибрежного оборудования, например в качестве буксирного устройства, сейсмического источника,молота, яса, свайного копра и компрессора. С этой целью предусмотрено, что один из концевых элементов 12,13 может соединяться с элементом передачи энергии, в частности с молотом. В дополнение к пневматическим пружинам на каждом конце цилиндра внутри верхней концевой камеры 28 может быть установлена винтовая пружина или магнитная пружина для удерживания поршня на месте, когда машина выключена. Дополнительные решения, касающиеся пружины, могут включать магнитные пружины на основе магнитов, которые установлены так, что отталкиваются друг от друга,или пружины, основанные на притяжении между магнитами и железными элементами. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования энергии в поршневой электрической машине, в частности в двигателе или генераторе, включающий осуществление линейного колебательного перемещения поршня, снабженного магнитными элементами и установленного в системе из двух пружин относительно электрической системы, отличающийся тем, что используют систему пружин, в которой запасаемая энергия по меньшей мере в пять раз больше, чем энергия, передаваемая между поршнем и электрической системой в каждом цикле машины, при этом энергия, запасаемая пружинной системой, равна сумме энергий, запасаемых в пружинах, и кинетической энергии поршня. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поршень (15) работает в трубчатом цилиндре (11) в качестве рабочего элемента двигателя или генератора и снабжен магнитными элементами, которые создают направленное наружу электрическое силовое поле, действующее на окружающий ряд трубчатых катушек(22), причем на каждом конце цилиндра (11), при этом взаимодействие между магнитными полями катушек (22) и магнитных элементов (16) обеспечивает передачу энергии между электрической энергией в катушках и механической энергией осевого перемещения поршня (15) в цилиндре (11). 3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что машина работает с частотой колебаний 8500 Гц. 4. Поршневая электрическая машина, в частности для двигателя или генератора, содержащая линейный подвижный поршень (15), который установлен в трубчатом цилиндре (11) для работы в качестве рабочего элемента в двигателе или генераторе между пружинами, образованными на концах цилиндра(11) и образующими вместе с поршнем резонансное устройство, и снабжен магнитными элементами,создающими направленное наружу магнитное поле, и трубчатые электрические катушки (22), установленные на трубчатом цилиндре так, что они взаимодействуют с магнитным полем магнитных элементов поршня для осуществления преобразования электрической энергии катушек в механическую энергию поршня или наоборот, отличающаяся тем, что пружинная система выполнена с возможностью запасания энергии по меньшей мере в пять раз большей, чем энергия, передаваемая между поршнем (15) и электрическими катушками в каждом цикле машины. 5. Поршневая электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что пружина на каждом конце цилиндра представляет собой пневматическую пружину. 6. Поршневая электрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что на каждом конце цилиндра кроме пневматической пружины установлена винтовая пружина или магнитная пружина для удерживания поршня на месте, когда машина выключена. 7. Поршневая электрическая машина по одному из пп.4-6 для использования в качестве вибратора или компактора, отличающаяся тем, что на свободных концах цилиндра (11) имеются концевые элементы (12, 13) для передачи силы, один из которых предназначен для передачи силы между электрической машиной и рабочим элементом, а другой (13) - для передачи силы между вибратором и пружинным устройством (38). 8. Поршневая электрическая машина по одному из пп.4-7, отличающаяся тем, что она содержит центральный соединительный стержень (18) для удерживания вместе элементов (16, 17, 20) поршня (15). 9. Поршневая электрическая машина по одному из пп.4-8, отличающаяся тем, что концевые элементы (12, 13) для передачи силы соединены наружным трубчатым корпусом (29). 10. Поршневая электрическая машина по п.9, отличающаяся тем, что концы трубчатого корпуса(29) облицованы непроводящим материалом (26), который имеет внутреннюю втулку (27) с низким трением, образующую стенку (14) цилиндра для поршня (15). 11. Поршневая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что катушки (22), установленные на втулке (27) с низким трением, снаружи имеют слой железа для предотвращения круговых токов в трубчатом корпусе (29).