專利名稱：從壓力下的空氣或其他氣體或流體的源產生電功率的裝置的制作方法
從壓力下的空氣或其他氣體或流體的源產生電功率的裝置本發(fā)明涉及從壓力下的(under pressure,加壓)空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置。使用由壓力下的空氣源提供的能量產生低壓電功率(通常為24V)的裝置目前市場上有銷售。這樣的裝置基本包括發(fā)電機、耦合以便隨發(fā)電機的轉子旋轉的徑向微渦輪、以及噴嘴，由壓力下的空氣源提供的壓力下的空氣通過所述噴嘴對著微渦輪的葉片引導以便驅動微渦輪與發(fā)電機轉子一起旋轉，從而從壓力和壓力下空氣流的動能產生電功率。這樣的裝置進一步包括電子控制單元，其設置成在有供應到所述裝置的壓力下的空氣的壓力時，確保獨立于連接到裝置的電負載變化的恒定輸出電壓。與發(fā)電機串聯(lián)的微渦輪的該結構使得所述裝置相當龐大，特別是軸向方向上(即，在微渦輪的旋轉軸線和發(fā)電機的轉子軸線的方向上)。用于氣動工具的發(fā)電機可從US2005/0258694中已知，并包括設置有葉片的轉子和在轉子與支撐轉子的軸承之間軸向設置的環(huán)形定子，其中轉子在其沿軸向面向定子的端面上具有多個柱形腔體，所述多個柱形腔體平行于轉子軸線延伸并且每個均接納插入相應杯狀非永磁體(例如，由鋅、鋁或黃銅制成)中的相應柱形永磁體(例如，由釹鐵硼制成)。然而，該已知解決方案也受大軸尺寸的缺點影響，因為定子設置成沿軸向在轉子的側部。而且，該已知發(fā)電機具有大量部件。從US2009/0224544中已知從壓力下的空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置，其具有所附獨立權利要求1中的前序部分中給出的特征。根據(jù)該已知解決方案，該裝置包括安裝在柱形支撐結構外表面上的多個永磁體，其中渦輪的推進器插入到該柱形支撐結構內。永磁體是各向異性的并具有固定磁化軸線，因而所述永磁體可僅產生徑向磁場。因此，每對永磁體都形成兩個磁極，且由此所述裝置將具有的磁極對的數(shù)量與永磁體的數(shù)量成比例。因為產生的電流的頻率與旋轉速度和磁極對的數(shù)量成比例，且因為高頻電流會產生高磁滯損耗并且在整流器橋的二極管中產生高損耗，所以這類已知裝置不適于高速工作。因此，本發(fā)明的目的是提供從壓力下的空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置，該裝置為小型的并具有最小數(shù)量的部件，且所述裝置能夠以推進器的高旋轉速度來工作。根據(jù)本發(fā)明，通過具有獨立權利要求1的特征部分中所述的特征的、從壓力下的空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置，可充分實現(xiàn)該目的和其他目的。根據(jù)本發(fā)明的從壓力下的空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置的優(yōu)選實施方式形成從屬權利要求的主題，其內容是本說明書的必須的和構成的部分。簡而言之，本發(fā)明基于的思想是提供從壓力下的空氣或其他氣體或流體源產生電功率的裝置，該裝置包括定子和轉子，其中所述定子進而包括圍繞柱形表面的繞組結構(winding arrangement),且其中轉子同軸地安裝在定子內部并且進而包括形成為軸流式渦輪推進器的推進器以及形成為具有徑向磁化的高磁密度材料的單個中空柱形體的永磁體，其中所述推進器接納在所述永磁體內部。因為推進器接納在制成為中空柱形體的永磁體的內部，且因為由推進器和永磁體形成的組件進而接納在具有內部柱形腔體的定子內，所以提供了同時具有減小的軸向尺寸和最少數(shù)量的部件的裝置。而且，因為使用具有徑向磁化的形狀為中空柱形體的單個永磁體，所以可獲得最小數(shù)量的磁極對(僅一個磁極對)，且由推進器和永磁體形成的組件可實現(xiàn)高旋轉速度，而不會導致上述高損耗。優(yōu)選地，推進器制成為軸向推進渦輪的推進器，但根據(jù)具體的應用，其他種類的渦輪也可考慮。優(yōu)選地，該裝置可設有適當成形的盤，以便打開或關閉空氣入口通道并允許調節(jié)空氣流速，且因此調節(jié)所述裝置產生的電力。根據(jù)本發(fā)明的產生電功率的裝置允許提供電功率，而無需供電纜線，且因此適用于對遠程地區(qū)或難以到達地區(qū)的傳感器或其他裝置供電，如有爆炸風險的區(qū)域(如精煉廠)，從而對無線接收/發(fā)射節(jié)點供電，進而對便攜式自動單一體(unity)的可編程邏輯控制器供電，或再者對低功率氣動閥供電。進一步可能的應用領域例如是緊急照明帶有常開排放閥的壓力下空氣儲罐(reservoir)，所述常開排放閥由供電的螺線管保持閉合，在關閉情形中確保將壓力下的空氣供應給發(fā)電機裝置，因此所述發(fā)電機裝置可對光源(例如，高密度LED)供電。根據(jù)本發(fā)明的用于產生電功率的裝置也可用于啟動小型氣動或手動工具上的顯示器或輔助照明，或再者為氣動裝置的聲學或光學警報器供電。本發(fā)明進一步的特征和優(yōu)點可參考附圖從下面的詳細描述中顯然看出，這些描述僅以非限制性實例的方式給出，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的，用于在壓力下從空氣源產生電功率的裝置的軸向截面圖；圖2是圖1中裝置的轉子的推進器的透視圖；圖3是圖1中裝置的分配器的透視圖；以及圖4和圖5分別是圖1中裝置的出口盤的正視圖和軸向截面圖。下面的說明和權利要求中，術語“軸向”和“徑向”分別用于指示與電力發(fā)電機裝置的轉子的旋轉軸線平行的方向和垂直的方向。參考圖1，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的產生電功率的裝置(以下簡稱為“裝置”)整體以10表示且基本包括本質上已知類型的定子12，所述定子由圍繞具有軸線X的中空柱形表面的定子繞組結構構成；轉子14，所述轉子可旋轉地同軸安裝在定子12的內部；入口本體16，所述入口本體設置在由定子12和轉子14形成的組件的上游并設有用于連接到壓力下的空氣或其他氣體或流體源(未示出)的入口配件18 (僅部分示出)；以及出口本體20，所述出口本體設置在由定子12和轉子14形成的組件的下游。轉子14進一步包括推進器22和永磁體24，所示實施方式中推進器制成為軸流式渦輪的推進器，所述永磁體制成為內部接納推進器22的單個中空柱形體。推進器22和永磁體24彼此剛性連接，有利地通過過盈配合連接，以便隨作為單體旋轉。推進器22例如由磁性材料、非磁性金屬或合金或塑料材料制成。推進器22可在圖2的透視圖中更好地觀察，從圖2中可觀察到葉片26的形狀和以及限定在所述葉片之間的通道28的形狀。推進器22還設有軸30，利用該軸，推進器繞軸線X可旋轉地安裝在定子12中。與定子12形成發(fā)電機的永磁體24有利地由具有高磁密度的磁性材料制成，如釹-鐵-硼、釤-鈷等。永磁體24的材料可根據(jù)其他參數(shù)視情況選擇，所述其他參數(shù)比如所用的溫度和機械強度。永磁體24是徑向磁化的。優(yōu)選地,轉子14進一步包括復合材料的套筒32,所述套筒具體為碳纖維的，所述套筒包圍永磁體24并用于增加所述永磁體的機械強度，所述永磁體在使用中經受由于離心力而引起的應力以及由于推進器22的材料的熱膨脹與永磁體24的材料的熱膨脹之間的差異而引起的應力。分配器34在軸向面向推進器22的端部處也接納在入口本體16中，并與推進器22一起形成軸流式渦輪，優(yōu)選地軸流式推進渦輪。分配器34可在圖3的透視圖中更好地觀察，特別地從圖3中可察看葉片36的形狀以及限定在所述葉片之間的通道38的形狀。在分配器34的軸向面向推進器22的端面中設有柱形腔體40，所述柱形腔體接納支撐推進器22的軸30的入口端的滾動軸承42 (例如制成為徑向滾珠軸承)?？商鎿Q地，在特殊使用條件下，如非常高旋轉速度、長的不停機操作時間等，其他類型軸承(如氣體軸承或磁性軸承)也可使用。壓力平衡腔室44由入口配件18和分配器34之間的入口本體16限定。出口盤46在軸向面向推進器22的端部處接納在出口本體20中，并具有多個開口48，來自推進器22的空氣通過所述開口排放到大氣中。圖4和圖5中分別示出出口盤46的軸向截面圖和前視圖。柱形腔體50提供在出口盤46的軸向面向推進器22的面中，并且接納支撐推進器22的軸30的出口側端部的滾動軸承52(特別是能夠耐受徑向和軸向負載的軸承，比如偏斜球軸承或上述其他類型的軸承之一)。特別的適當成形的盤(未示出)可插入到分配器34的上游，從而調節(jié)進入空氣(或其他氣體或流體)的流速。在所示實施方式中，入口本體16和出口本體20制成為獨立零件，它們設置在定子12的軸向相對側上并附接至彼此(例如通過螺釘)。下面簡單說明裝置10的操作。由壓力下空氣源產生的壓力下空氣的壓力例如在2巴與4巴之間，并通過入口配件18進入裝置10的入口本體16的壓力平衡腔室44。這方面，壓力平衡腔室44用于確保軸流式渦輪上游的恒定壓力。然后空氣通過分配器34的通道38而加速，直到空氣在推進器22的通道28的入口處達到聲速，然后進入推進器22，并將推進器加速達到100. 000 + 200. OOOrpm的旋轉速度，并最終通過入口盤46的開口 48排放到大氣中。驅動連接以便隨推進器22旋轉的永磁體24也因此設定成旋轉并產生旋轉磁通量，所述旋轉磁通量在定子12的定子繞組中引起電動勢。這樣引起的電動勢將通過二極管橋整流并利用DC-DC轉換器適當?shù)胤€(wěn)定，因此與供應壓力和負載中的變化無關。轉換器容納在印刷電路板中，所述印刷電路板可優(yōu)選地提供輔助功能，比如保護防止超速或過壓，讀取傳感器信號的模擬輸入，存儲檢測數(shù)據(jù)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)到遠程單元的低功耗集成無線模塊等。轉換器適當?shù)卦O計成接收寬電壓范圍(如從O到30V)的輸入，因為所述轉換器產生的電壓根據(jù)渦輪的旋轉速度變化，旋轉速度又轉而根據(jù)輸入壓力和負載而變化。該轉換器還用來對內部電子部件供電。第二 DC-DC轉換器從第一轉換器的穩(wěn)定電壓產生24V的工業(yè)電壓，以供應用戶負載(例如，傳感器)。調節(jié)閥(優(yōu)選為無源閥)可設置在所述裝置的上游，從而將進入空氣的壓力調節(jié)至用于渦輪產出的最優(yōu)值。作為前面描述的結果，根據(jù)本發(fā)明的裝置具有最小數(shù)量的部件、緊湊的尺寸和高產量。結合最后一個方面，將渦輪的推進器和發(fā)電機的轉子集成到單個部件中允許消除由于這些部件的機械耦接而導致的損耗。而且，如上所述，使用用作限制器構件的特殊帶孔盤允許調節(jié)由所述裝置產生的電功率。因此所述裝置可設計為用于短時間要求高功率的應用(例如，警報、故障信號等)，或設計為用于長時間要求低功率的應用(例如，傳感器、監(jiān)控裝置等)。自然地，本發(fā)明的原理保持不變，并且在不偏離本發(fā)明權利要求限定的保護范圍的情況下，實施方式和構造細節(jié)可相對于僅作為非限制性例子描述和示出的實施方式進行寬泛的變化。例如，雖然上面已經針對制成為軸流式脈沖渦輪的渦輪描述和示出了本發(fā)明，但根據(jù)具體應用，渦輪可以是不同類型的。
權利要求
1.一種用于從壓力下的空氣或其他氣體或流體的源產生電功率的裝置(10)，包括 渦輪(22、34)，具有推進器(22)，以及 發(fā)電機(12、24)，具有定子(12)和永磁體(24)，其中所述定子具有圍繞與所述推進器(22)同軸的柱形表面(X)分布的定子繞組，所述永磁體能夠相對所述定子(12)旋轉并且驅動地連接以便隨所述推進器(22)旋轉， 其中，所述推進器(22 )容納在所述永磁體(24 )內，并且其中，由所述推進器(22 )和所述永磁體(24)形成的組件容納在所述定子(12)內， 其特征在于，所述永磁體(24)制成為具有徑向磁化的高磁密度材料的單個中空柱形體。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述渦輪(22、34)是軸流式渦輪。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其中，所述推進器(22)和所述永磁體(24)通過過盈配合彼此連接。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，進一步包括包圍所述永磁體(24)的套管(32)。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，所述套管(32)由諸如碳纖維的復合材料制成。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，進一步包括布置在所述推進器(22)上游并具有用于與壓力下的空氣或其他氣體的源連接的入口配件(18)的入口本體(16)、布置在所述推進器(22 )下游的出口本體(20 )，所述渦輪(22、34 )進一步包括接納在所述入口本體(16)內的分配器(34)，且所述裝置(10)進一步包括具有用于將空氣或氣體排放到大氣中的至少一個開口(48)的出口盤(46)。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，所述分配器(34)和所述出口盤(46)在它們的軸向面向所述推進器(22)的面上分別具有腔體(40、50)，所述腔體容納軸承(42、52)，由所述推進器(22)和所述永磁體(24)形成的組件通過所述軸承支撐以便旋轉。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的裝置，其中，所述入口本體(16)和所述出口本體(20)制成為獨立零件，所述獨立零件布置在所述定子(12)的軸向相對側上并通過能松脫的連接裝置彼此固定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種裝置(10)，其包括具有推進器(22)的渦輪(22、34)，以及具有定子(12)和永磁體(24)的發(fā)電機(12、24)，其中所述定子具有圍繞與所述推進器(22)同軸的柱形表面(X)分布的定子繞組，所述永磁體相對所述定子(12)可旋轉并驅動地連接以便隨所述推進器(22)旋轉。推進器(22)容納在所述永磁體(24)內，且其中由所述推進器(22)和永磁體(24)形成的組件容納在所述定子(12)內。永磁體(24)制成為具有徑向磁化的高磁密度材料的單個中空柱形體。
文檔編號H02K7/18GK103004061SQ201180033520
公開日2013年3月27日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2010年7月6日
發(fā)明者米凱萊·福煦, 埃馬努埃萊·古格利米諾, 詹盧卡·帕內, 斯特凡諾·科爾達斯科, 卡洛·塔奇諾, 達爾文·G·考德威爾 申請人:意大利學院科技基金會