一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機的製作方法
2023-05-30 05:04:06
專利名稱：一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓縮機技術領域，特別是涉及一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機。
背景技術：
壓縮機是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種耗功率的流體機械，廣泛應用於需要氣體壓縮和驅動的場合，如蒸汽壓縮式製冷系統。也可應用於其它流體泵送或流體振蕩的場合，如回熱式製冷系統以及其它流體壓縮驅動系統。壓縮工質不限於是氣體，也可以是液體。曲柄連杆式往復活塞壓縮機歷史悠久，至今仍在廣泛應用。圖I為一種常用往復·活塞式壓縮機剖面圖，它主要由電機定子001、轉子002、壓縮機缸體003、活塞004、曲軸005、連杆006等組成。首先是將電機定子001形成旋轉的磁場，與轉子002相互作用，拖動轉子002作旋轉運動。曲軸005和連杆006將電機旋轉運動轉換成活塞004的往復運動，由活塞004的位移改變容腔體積進行壓縮。這種壓縮機必須有一套將電動機的旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的轉換機構。通過對這類壓縮機的動力學分析(以曲柄連杆機構為例)可見作用在曲柄連杆機構上的力主要有三種一慣性力、氣體力(負載)、摩擦力。慣性力又分為活塞往復運動所產生的慣性力、曲柄不平衡旋轉質量所產生的離心慣性力、連杆運動所產的慣性力；壓縮機的摩擦功率包括往復摩擦功率、旋轉摩擦功率。其中曲柄不平衡旋轉質量所產生的離心慣性力、連杆運動所產生的慣性力以及旋轉摩擦力都是因為使用旋轉式電動機而直接引起的，將帶來能量的損失，而往復摩擦功率的損失則很大程度上是由曲柄連杆機構造成的活塞所受側向力引起的。總之，這種機器總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損厲害、壓縮熱效率低、壽命短。所有這些不利因素和局限性都是因為做旋轉運動的電機以及將旋轉運動轉換為直線運動的機構所致。因此，傳統往復活塞式壓縮機有可能因為使用一種新型的直線電機驅動方式而使性能大為改善。圖2為一種動磁式直線電機驅動的往復壓縮機結構。具有圓桶狀軸對稱的外鐵軛011和內鐵軛012，也稱為鐵芯。電樞線圈02鑲嵌在外鐵軛011的槽中。四塊永磁環41、42、43、44位於內外鐵軛的氣隙中，並與其相連的構件及活塞一起構成動子。當線圈02中通入交變的電流時，在內外鐵軛011、012產生電磁場,與動子上的永磁體相互作用，並驅動活塞往復運動。這種結構的壓縮機利用電能直接轉換成活塞的往復運動，不需要中間轉換機構，因而結構緊湊。但最優工作頻率受制於機械諧振系統的頻率，不利於變頻調節。另外，鐵芯在端部開斷，引起較大的附加磁阻推力，影響控制性能和效率。
發明內容
鑑於上述問題，本發明提出一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，結構簡單緊湊，運行可靠，具有優良的變頻特性、高效率、低噪聲的特點。一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，包括軸、永磁體序列、空心杯繞組、一端封閉的筒體、柔性板彈簧、筒狀氣缸；軸上安裝有永磁體序列，軸的一端連接柔性板彈簧，另一端連接筒體的封閉端面，永磁序列、軸、筒體和板彈簧共同構成活塞往復直線運動部件；筒體的外部套有筒狀氣缸；軸上的永磁體序列與筒體側壁之間安放有空心杯繞組。進一步地，所述永磁體序列至少具有一個徑向充磁的永磁環，相鄰的永磁環充磁方向相反。進一步地，所述永磁體序列至少具有一個軸向充磁的永磁環,永磁環兩側設置導磁環，導磁環直徑大於永磁環直徑。進一步地，所述永磁體序列採用海爾貝克結構。
進一步地，所述空心杯繞組為單相、兩相和多相繞組中的任意一種。進一步地，所述空心杯繞組為三相相繞，三相繞組按照星形連接或者三角形連接，每匝線圈中不少於1/3的部分沿著繞組杯體的圓周方向纏繞。本發明的技術效果體現在I、本發明通過直流電逆變驅動，可實現非常優良的變頻特性，電機運動部件與活塞構成一體，無需運動轉換機構，簡化了結構，降低了能量傳遞損耗。2、本發明採用無鐵心的電樞結構，消除了磁阻力波動，改善了驅動力性質。另外，電樞暴露於流體中，有利於實現散熱，提高功率密度和效率，改善電機性能。基本消除了固定的電樞與運動的永磁序列之間的徑向吸引力，降低了裝配難度。3、本發明比較適宜作微型壓縮機驅動器或聲波發生器，並容易實現微型化。4、本發明可採用直流電源供電，並可以配置內置換相元件，並可以採用調節電壓的方式調速，方便可靠。
圖I為一種典型結構的往復式蒸汽壓縮機截面示意圖；圖2為一種典型結構的永磁直線電機橫截面不意圖；圖3為發明的一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機橫截面示意圖；圖4為發明的一種無刷空心杯直線電機永磁結構及磁感應矢量示意圖；圖5為發明的一種無刷空心杯直線電機電流主磁極及電樞電流層示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明作進一步的詳細說明。參看圖3，本發明一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機包括筒狀氣缸I、空心杯繞組2、永磁體序列3、軸4、一端封閉的筒體5、柔性板彈簧6。永磁體序列3安置在軸4上。柔性板彈簧6與軸4 一端相連，與軸4的另一端相連是筒體5的封閉端面。筒體5同時兼具磁路外軛鐵和活塞的作用。筒體5的外部套有筒狀氣缸I。軸4上的永磁體序列3與筒體5側壁之間安放有空心杯繞組2。永磁序列3、軸4、筒體5和板彈簧6共同構成壓縮機的往復運動部件。筒形氣缸I採用非導磁材料製造，腔體內表面需要有足夠的表面精度。筒體5與筒形氣缸I保持同心，且表面材料需與氣缸I材料構成一對摩擦副，以便在相對運動時減小磨損。筒體5同時兼具磁路外軛鐵和活塞的作用，一種情況下可以選擇鐵磁性材料做筒體本體，在筒體外表面做處理改善材料屬性。永磁體序列3可採用稀土永磁材料製成。無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機的工作過程為通過換相電路板對空心杯繞組供電，空心杯繞組與永磁序列之間產生交變電磁力，在柔性板彈簧提供的回覆力協助下，驅動活塞(筒體)在氣缸往復運動實現氣體的壓縮和膨脹。一種情況下，永磁體序列至少具有一個徑向充磁的永磁環，對於多個磁環的情況，相鄰的永磁環充磁方向相反。一種情況下，永磁體序列至少具有一個軸向充磁的永磁環，磁環兩側設置導磁環，一般導磁環直徑大於永磁環直徑。一種情況下，永磁體序列可以採用海爾貝克(Halbach)結構，其具有至少一個徑向 磁環及其兩側設置的充磁方向相反的軸向永磁環。在如圖4所示的情形下，部分磁感應線的方向如帶箭頭曲線所示。採用這種結構可以省去永磁外側的軛鐵，並強化腔體內側的磁場。這種結構也有利於減輕運動部件質量。一種情況下，空心杯繞組可為單相、兩相或多相繞組。本發明實施例採用三相繞組，並沿著軸向方向布置。每匝線圈中至少一部分(不少於1/3)應該沿著杯體的圓周方向纏繞。三相繞組按照星形連接或者三角形連接。如圖5所示，採用一定換相手段，在主永磁磁極下(例如31、32、33 )產生交替的電流層(21、22、23 )。永磁磁場和電樞電流相互作用下產生電磁推動力，驅動活塞往復運動。一種情況下，壓縮機可作為聲泵用於斯特林製冷系統，特別地，使用於製冷量不大的微型制冷機，可在外界腔體內形成接近正弦的波動壓力。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，包括軸、永磁體序列、空心杯繞組、一端封閉的筒體、柔性板彈簧、筒狀氣缸；軸上安裝有永磁體序列，軸的一端連接柔性板彈簧，另一端連接筒體的封閉端面，永磁序列、軸、筒體和板彈簧共同構成活塞往復直線運動部件；筒體的外部套有筒狀氣缸；軸上的永磁體序列與筒體側壁之間安放有空心杯繞組。
2.根據權利要求I所述的無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，所述永磁體序列至少具有一個徑向充磁的永磁環，相鄰的永磁環充磁方向相反。
3.根據權利要求I所述的無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，所述永磁體序列至少具有一個軸向充磁的永磁環，永磁環兩側設置導磁環，導磁環直徑大於永磁環直徑。
4.根據權利要求I所述的無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，所述永磁體序列採用海爾貝克結構。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，所述空心杯繞組為單相、兩相和多相繞組中的任意一種。
6.根據權利要求5所述的無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，其特徵在於，所述空心杯繞組為多相相繞，多相繞組按照星形連接或者角形連接，每匝線圈中不少於1/3的部分沿著繞組杯體的圓周方向纏繞。
全文摘要
本發明公開了一種無刷空心杯直線電機驅動的壓縮機，包括軸、永磁體序列、空心杯繞組、一端封閉的筒體、柔性板彈簧、筒狀氣缸；軸上安裝有永磁體序列，軸的一端連接柔性板彈簧，另一端連接筒體的封閉端面，永磁序列、軸、筒體和板彈簧共同構成活塞往復直線運動部件；筒體的外部套有筒狀氣缸；軸上的永磁體序列與筒體側壁之間安放有空心杯繞組。本發明通過直流電逆變驅動，可實現非常優良的變頻特性；電機運動部件與活塞構成一體，無需運動轉換機構，簡化了結構，降低了能量傳遞損耗；採用無鐵心的電樞結構，消除了磁阻力波動，改善了驅動力性質；電樞曝露於流體中，有利於實現散熱，提高功率密度和效率，改善電機性能。
文檔編號H02K41/03GK102953956SQ20121043186
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者張曉青, 李奎 申請人:華中科技大學